一种基于开关电感的高升压增益Z源逆变器及拓扑结构

一种基于开关电感的高升压增益z源逆变器及拓扑结构
技术领域
1.本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种基于开关电感的高升压增益z源逆变器及拓扑结构。


背景技术：

2.z源逆变器是一种新型并网逆变器，其于2002年由浙江大学彭方正教授提出，z源逆变器的一般拓扑结构如图1所示，其中的z网络由两个相同的电感la，lb和相同的电容器ca,cb接成x形构成，它将逆变器和直流电源或负载耦合在一起。z源逆变器可以开路和短路运行，这为变流器主电路根据需要升压或降压提供了一种新的机制。该逆变器利用其独特的无源网络，允许同一桥臂上管直通从而实现其升降压变换的功能，提高了逆变器可靠性，并且避免了由死区引起的输出波形畸变，因此z源逆变器在直流链电压大范围变化的领域中得到广泛应用。交流调速系统、燃料电池供电系统、光伏和风电等分布式发电系统以及微电网都有随负载和环境因素的变化输出电压波动范围很大的共同特点，因此具有独特升降压特性的z源逆变器在这些领域具有广阔的应用价值。
3.但实际应用中发现，上述z源逆变器由于组件自身参数的影响无法得到无限增益，太高的升压会增加系统损耗和不稳定性。另一方面，直通占空比与调制因子是相互制约的，增大占空比就意味着减小调制因子，这势必会增加在有效期间内开关器件的电压应力和直通期间电流应力，增加系统的成本，因此传统z源逆变器的升压能力很有限，图2展示了传统z源逆变器的直通占空比-升压曲线。再者逆变器启动时冲击电流过大，容易损坏逆变器。为此，专利申请cn201110166524.4提出一种高增益z源逆变器，其采用开关电感支路替代上述z源逆变器中的单一电感，以提高逆变器的升压能力，实现高调制因子，提高整个逆变器的输出质量；同时有效减小z网络电容的电压应力，从而减小逆变器体积重量。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有高升压能力的z源逆变器拓扑结构。
5.为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：
6.一种基于开关电感的高升压增益z源逆变器，包括直流电源和逆变器，所述直流电源和所述逆变器之间设有包含开关电感单元的z源网络，所述z源网络由第一开关电感单元、第二开关电感单元、第三开关电感单元、第四开关电感单元、第四二极管、第十一二极管、第一电容、第二电容、第三电容和第四电容组成，所述第一开关电感单元的正极端与所述直流电源的正极相连，所述第二开关电感单元的负极端与所述直流电源的负极相连；所述第一开关电感单元的负极端分别与所述第四二极管的阳极和所述第一电容的一端相连，所述第一电容的另一端分别与所述第三开关电感单元的负极端和所述逆变器的第一桥臂相连；所述第二开关电感单元的正极端分别与所述第十一二极管的阴极和所述第四电容的一端相连，所述第四电容的另一端分别与所述第四开关电感单元的正极端和所述逆变器的
第二桥臂相连；所述第四二极管的阴极分别连接所述第二电容的一端和第三开关电感单元的正极端，所述第二电容的另一端连接所述第二桥臂；所述第十一二极管的阳极分别连接所述第三电容的一端和所述第四开关电感单元的负极端，所述第三电容的另一端连接所述第一桥臂。
7.较佳的，所述开关电感单元由三个二极管和两个电感组成，所述开关电感单元的正极端和负极端之间并联构建第一支路与第二支路；所述第一支路和所述第二支路分别串联有一个所述二极管和一个所述电感；所述第一支路上依次串接有正极端、二极管阳极、二极管阴极、电感一端、电感另一端、负极端；所述第二支路上依次串接有正极端、电感一端、电感另一端、二极管阳极、二极管阴极、负极端；所述第一支路和所述第二支路之间还通过一连接二极管相互连接，所述连接二极管的阴极和所述第一支路上二极管的阴极相连，所述连接二极管的阳极和所述第二支路上二极管的阳极相连。
8.较佳的，所述二极管的参数一致，所述电感的感值相等。
9.较佳的，所述二极管全部采用大功率二极管或全部采用晶闸管。
10.较佳的，所述开关电感单元的参数全部一致，所述第四二极管和所述第十一二极管的参数一致，所述第一电容、第二电容、第三电容和第四电容的容值全部相等。
11.较佳的，所述逆变器采用三相逆变桥，所述三相逆变桥的第一桥臂上三个开关管的集电极连于一起，并与第三电容相连；所述三相逆变桥的第二桥臂上三个开关管的发射极连于一起，并与第二电容相连；所述三相逆变器的输出连接三相负载。
12.一种基于开关电感的高升压增益z源逆变器拓扑结构，包括直流电源和逆变器，所述直流电源和所述逆变器之间设有包含开关电感单元的z源网络，所述z源网络由第一开关电感单元、第二开关电感单元、第三开关电感单元、第四开关电感单元、第四二极管、第十一二极管、第一电容、第二电容、第三电容和第四电容组成，所述第一开关电感单元的正极端与所述直流电源的正极相连，所述第二开关电感单元的负极端与所述直流电源的负极相连；所述第一开关电感单元的负极端分别与所述第四二极管的阳极和所述第一电容的一端相连，所述第一电容的另一端分别与所述第三开关电感单元的负极端和所述逆变器的第一桥臂相连；所述第二开关电感单元的正极端分别与所述第十一二极管的阴极和所述第四电容的一端相连，所述第四电容的另一端分别与所述第四开关电感单元的正极端和所述逆变器的第二桥臂相连；所述第四二极管的阴极分别连接所述第二电容的一端和第三开关电感单元的正极端，所述第二电容的另一端连接所述第二桥臂；所述第十一二极管的阳极分别连接所述第三电容的一端和所述第四开关电感单元的负极端，所述第三电容的另一端连接所述第一桥臂。
13.较佳的，所述开关电感单元由三个二极管和两个电感组成，所述开关电感单元的正极端和负极端之间并联构建第一支路与第二支路；所述第一支路和所述第二支路分别串联有一个所述二极管和一个所述电感；所述第一支路上依次串接有正极端、二极管阳极、二极管阴极、电感一端、电感另一端、负极端；所述第二支路上依次串接有正极端、电感一端、电感另一端、二极管阳极、二极管阴极、负极端；所述第一支路和所述第二支路之间还通过一连接二极管相互连接，所述连接二极管的阴极和所述第一支路上二极管的阴极相连，所述连接二极管的阳极和所述第二支路上二极管的阳极相连。
14.较佳的，所述逆变器采用三相逆变桥，所述三相逆变桥的第一桥臂上三个开关管
的集电极连于一起，并与第三电容相连；所述三相逆变桥的第二桥臂上三个开关管的发射极连于一起，并与第二电容相连；所述三相逆变器的输出连接三相负载。
15.采用上述方案后，由于本发明对传统z源阻抗网络的拓扑结构进行了改进，使得在相同升压比增益条件下，本案拓扑结构的电压利用率更高；由于电容等结构的增加使得本案中直流链电压更加稳定，并有利于逆变器的控制策略设计，由直流链电压纹波造成的并网电流谐波较小；本案拓扑结构采用对称结构，使得直流侧拥有相对稳定的中点电位；并且采用了开关电感技术，开关电感技术主要原理在于其充电模态和放电模态不同，从而使得其电压放大能力比直接增加电感阻抗更强；直流链通过电容稳压，由于直流链电压不稳会导致交流侧的电流谐波，直流链电压稳定则避免了这一情况。
附图说明
16.图1是传统z源逆变器拓扑结构；
17.图2是传统z源逆变器的直通占空比-升压曲线；
18.图3是本发明基于开关电感的z源逆变器拓扑结构；
19.图4是本发明拓扑结构的简化图；
20.图5是非直通状态下本发明的等效电路图；
21.图6是直通状态下本发明的等效电路图；
22.图7是本发明的直通占空比-升压曲线。
具体实施方式
23.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
24.本发明所揭示的是一种基于开关电感的高升压增益z源逆变器拓扑结构，如图3-图7所示，为本发明的较佳实施例，拓扑结构包括直流电源uin和逆变器5，直流电源uin和逆变器5之间设有包含开关电感单元的z源网络，z源网络由第一开关电感单元1、第二开关电感单元2、第三开关电感单元3、第四开关电感单元4、第四二极管d4、第十一二极管d11、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3和第四电容c4组成，第一开关电感单元1的正极端与直流电源uin的正极相连，第二开关电感单元2的负极端与直流电源uin的负极相连；第一开关电感单元1的负极端分别与第四二极管d4的阳极和第一电容c1的一端相连，第一电容c1的另一端分别与第三开关电感单元3的负极端和逆变器5的第一桥臂51相连；第二开关电感单元2的正极端分别与第十一二极管d11的阴极和第四电容c4的一端相连，第四电容c4的另一端分别与第四开关电感单元4的正极端和逆变器5的第二桥臂52相连；第四二极管d4的阴极分别连接第二电容c2的一端和第三开关电感单元3的正极端，第二电容c2的另一端连接第二桥臂52；第十一二极管d11的阳极分别连接第三电容c3的一端和第四开关电感单元4的负极端，第三电容c3的另一端连接第一桥臂51。
25.其中，逆变器5采用三相逆变桥，三相逆变桥的第一桥臂51上三个开关管(s1、s3、s5)的集电极连于一起，并与第三电容c3相连；三相逆变桥的第二桥臂52上三个开关管(s2、s4、s6)的发射极连于一起，并与第二电容c2相连；三相逆变器5的输出连接三相负载。
26.开关电感单元则由三个二极管和两个电感组成，开关电感单元的正极端和负极端之间并联构建第一支路与第二支路；第一支路和第二支路分别串联有一个二极管和一个电
感；第一支路上依次串接有正极端、二极管阳极、二极管阴极、电感一端、电感另一端、负极端；第二支路上依次串接有正极端、电感一端、电感另一端、二极管阳极、二极管阴极、负极端；第一支路和第二支路之间还通过一连接二极管相互连接，连接二极管的阴极和第一支路上二极管的阴极相连，连接二极管的阳极和第二支路上二极管的阳极相连。
27.采用上述拓扑结构的一种基于开关电感的高升压增益z源逆变器5，其包括直流电源uin和逆变器5，直流电源uin包括电池、太阳能极板、风电以及其他可等效为直流电源的设备，逆变器5连接输出负载，输出负载可以为各种交流负载，包括但不限于电网、电机以及其他交流负载。直流电源uin和逆变器5之间设有包含开关电感单元的z源网络，z源网络由第一开关电感单元1、第二开关电感单元2、第三开关电感单元3、第四开关电感单元4、第四二极管d4、第十一二极管d11、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3和第四电容c4组成，第一开关电感单元1的正极端与直流电源uin的正极相连，第二开关电感单元2的负极端与直流电源uin的负极相连；第一开关电感单元1的负极端分别与第四二极管d4的阳极和第一电容c1的一端相连，第一电容c1的另一端分别与第三开关电感单元3的负极端和逆变器5的第一桥臂51相连；第二开关电感单元2的正极端分别与第十一二极管d11的阴极和第四电容c4的一端相连，第四电容c4的另一端分别与第四开关电感单元4的正极端和逆变器5的第二桥臂52相连；第四二极管d4的阴极分别连接第二电容c2的一端和第三开关电感单元3的正极端，第二电容c2的另一端连接第二桥臂52；第十一二极管d11的阳极分别连接第三电容c3的一端和第四开关电感单元4的负极端，第三电容c3的另一端连接第一桥臂51。其中，逆变器5采用三相逆变桥，三相逆变桥的第一桥臂51上三个开关管的集电极连于一起，并与第三电容c3相连；三相逆变桥的第二桥臂52上三个开关管的发射极连于一起，并与第二电容c2相连；三相逆变器5的输出连接三相负载。而开关电感单元由三个二极管和两个电感组成，开关电感单元的正极端和负极端之间并联构建第一支路与第二支路；第一支路和第二支路分别串联有一个二极管和一个电感；第一支路上依次串接有正极端、二极管阳极、二极管阴极、电感一端、电感另一端、负极端；第二支路上依次串接有正极端、电感一端、电感另一端、二极管阳极、二极管阴极、负极端；第一支路和第二支路之间还通过一连接二极管相互连接，连接二极管的阴极和第一支路上二极管的阴极相连，连接二极管的阳极和第二支路上二极管的阳极相连。
28.具体的，z源网络实际由八个电感、八个电容和十四个二极管组成。
29.其中第一二极管d1的阳极分别与直流电源uin的正极和第一电感l1的一端相连，第一二极管d1的阴极分别与第二电感l2的一端和第二二极管d2的阴极相连，第二二极管d2的阳极分别与第一电感l1的另一端和第三二极管d3的阳极相连，第三二极管d3的阴极与第二电感l2的另一端相连；第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第一电感l1和第二电感l2共同组成第一开关电感单元1，其第三二极管d3的阴极还分别与第一电容c1的一端和第四二极管d4的阳极相连。
30.第四二极管d4的阴极分别与第二电容c2的一端和第五二极管d5的阳极相连，同时第五二极管d5的阳极连接第三电感l3的一端，第五二级管d5的阴极分别与第四电感l4的一端和第六二极管d6的阴极相连，第六二极管d6的阳极分别与第三电感l3的另一端和第七二极管d7的阳极相连，第七二极管d7的阴极与第四电感l4的另一端相连；第五二极管d5、第六二极管d6、第七二极管d7、第三电感l3和第四电感l4共同组成第三开关电感单元3，其第七
二极管d7的阴极分别与第一电容c1的另一端和第三电容c3的一端相连，第七二极管d7的阴极同时还连接到逆变器5的第一桥臂51上。
31.第八二极管d8的阴极分别与直流电源uin的负极和第五电感l5的一端相连，第八二极管d8的阳极分别与第十二极管d10的阳极和第六电感l6的一端相连，第十二极管d10的阴极分别与第五电感l5的另一端和第九二极管d9的阴极相连，第九二极管d9的阳极分别与第六电感l6的另一端相连；第八二极管d8、第九二极管d9、第十二极管d10、第五电感l5和第六电感l6共同组成第二开关电感2，其第九二极管d9的阳极还分别与第四电容c4的一端和第十一二极管d11的阴极相连。
32.第十一二极管d11的阳极分别与第三电容c3的另一端和第十二二极管d12的阴极相连，同时第十二二极管d12的阴极连接第七电感l7的一端，第十二二极管d12的阳极分别与第八电感l8的一端和第十三二极管d13的阳极相连，第十三二极管d13的阴极分别与第七电感l7的另一端和第十四二极管d14的阴极相连，第十四二极管d14的阳极与第八电感l8的另一端相连；第十二二极管d12、第十三二极管d13、第十四二极管d14、第七电感l7和第八电感l8共同组成第四开关电感单元4，其第十四二极管d14的阳极分别与第四电容c4的另一端和第二电容c2的另一端相连，第十四二极管d14的阳极同时还连接到逆变器5的第二桥臂52上。
33.逆变器中的所使用的二极管还可以采用大功率二极管或晶闸管进行替换，即二极管全部采用大功率二极管或全部采用晶闸管。
34.z源逆变器的工作状态一般可分为非直通状态和直通状态，其等效电路图分别如图5和图6所示，设定上述每个开关电感单元的参数全部一致，即每个开关电感单元中二极管的参数一致，电感的感值相等，同时第四二极管和第十一二极管的参数一致，第一电容、第二电容、第三电容和第四电容的容值全部相等。当电容电压为uk(其中，k分别c1,、c2、c3、c4)；非直通状态下电感电压为u
k'’(其中，k’分别为l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8)，直通状态下电感电压为uk(其中，k分别为l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8)；直流链电压为u
pn
，输入电源电压为u
in
，d为直通矢量在单位开关周期内的占空比，则有以下关系式：
[0035][0036]
结合图5中非直通状态下z源逆变器的等效模型和上述公式可以得出以下关系式：
[0037][0038]
根据图6中直通状态下z源逆变器的等效模型可以得出以下关系式：
[0039][0040]
根据电感的伏秒平衡公式可以得出以下关系式：
[0041][0042]
总结以上的公式可以得出电容电压v
c1
、v
c2
和直流链电压v
pn
，如以下关系式所示：
[0043][0044]
进一步可得到本发明的直通占空比-升压曲线如图7所示。
[0045]
上述结论中，为本案基于开关电感的高升压增益z源逆变器拓扑结构的升压比和直流占空比公式。对比传统z源逆变器的升压比和直通占空比公式：通过实施方式中理论推导可知，本硬件拓扑在直通占空比为0.18的条件下，升压比约为13.69，而传统z源逆变器的升压比仅为1.56；本案拓扑结构和传统z源逆变器升压比在直通占空比接近0.2时相差巨大。在相同升压比增益条件下，本案拓扑结构的电压利用率更高。
[0046]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。