專利名稱：低附加電壓零電壓開關儲能橋式逆變器及調(diào)制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電池儲能逆變器，尤其是一種能量雙向流動低附加電壓應力零電壓開關電池儲能橋式逆變器電路拓撲和調(diào)制方法。
背景技術：
同時具有并網(wǎng)發(fā)電運行功能和帶負載獨立運行功能的單相電池儲能逆變器，其電路如圖I所示，它包括由四個有反并聯(lián)二極管的全控主開關(S1 S4)構成的單相橋臂，接在橋臂中點與交流電網(wǎng)或交流負載之間的輸出濾波電感(L)。這種單相電池儲能逆變器能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電功能，也可以帶負載獨立運行，但電路工作在硬開關狀態(tài)，存在著二極管的反向恢復問題，器件開關損耗大，限制了工作頻率的提高，降低了電路效率并且存在較大的電磁干擾。
經(jīng)檢索，公開號為101667793A的中國專利申請，該發(fā)明提供了一種并網(wǎng)逆變器， 包括直流電源、與直流電源連接的存儲模塊、與存儲模塊連接的逆變模塊，以及分別與逆變模塊和電網(wǎng)連接的輸出模塊，以及分別與逆變模塊和輸出模塊連接的續(xù)流回路。在該發(fā)明中，在傳統(tǒng)單相全橋并網(wǎng)逆變器的基礎上，通過引入續(xù)流回路同時配合相應的調(diào)制方式，從而有效解決了傳統(tǒng)單相全橋并網(wǎng)逆變器在采用雙極性調(diào)制和采用單極性調(diào)制時所存在的問題，從而提高了逆變器的轉(zhuǎn)換效率和電磁兼容性能。
公開號為102163934A的中國專利申請，該發(fā)明涉及一種并網(wǎng)逆變器，其包括四個逆變晶體管、兩個續(xù)流晶體管、兩個二極管和兩個濾波電感；工作時，微控制器使第一續(xù)流晶體管導通半個工頻周期，同時使第一、第四逆變晶體管和第二續(xù)流晶體管截止，并使第二、第三逆變晶體管在所述高頻觸發(fā)信號的同步觸發(fā)下作高頻同步切換，以使第一、第二濾波電感的外側(cè)端輸出交流電源之正半周；然后所述微控制器使第二續(xù)流晶體管導通半個工頻周期，同時使第二、第三逆變晶體管和第一續(xù)流晶體管截止，第一、第四逆變晶體管在所述高頻觸發(fā)信號的同步觸發(fā)下作高頻同步切換，以使第一、第二濾波電感的外側(cè)端輸出交流電源之負半周，如此反復。
與公開號為101667793A和102163934A的中國專利申請相比，首先本發(fā)明提出的拓撲結(jié)構及相應的控制策略不僅使電路可以工作在單位功率因數(shù)逆變工況下，還可以工作在整流工況，實現(xiàn)變流器的四象限運行；其次，專利101667793A和102163934A中提出的控制策略主要目的在于減小單極性調(diào)制下單相逆變器的電磁兼容問題，而本發(fā)明是通過增加一個輔助管，實現(xiàn)所有開關的零電壓開通，有效抑制二極管反向恢復，既可以提高逆變器效率，也可以提高電磁兼容性。這樣就算逆變器采用雙極性調(diào)制，效率也會比一般的逆變器高，同時可以有效解決電磁兼容問題。最后，本發(fā)明提出的橋式逆變器不僅能工作在并網(wǎng)狀態(tài)，也能工作在帶交流負載獨立逆變狀態(tài)。發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種可以抑制二極管的反向恢復電流，減小開關損耗，提高電路效率，減少電磁干擾并實現(xiàn)開關管零電壓開通的低附加電壓零電壓開關電池儲能逆變器及其調(diào)制方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種低附加電壓零電壓開關儲能橋式逆變器，包括直流側(cè)蓄電池，與直流側(cè)蓄電池并聯(lián)的直流電容，由四個有反并聯(lián)二極管的全控主開關S1 S4構成的單相橋臂，以及接在橋臂中點與交流電網(wǎng)或者帶交流負載之間的輸出濾波電感L，其中單相橋臂的四個主開關S1 S4兩端各自并聯(lián)一個電容Crt Crt，在直流側(cè)蓄電池和單相橋臂的直流母線之間接入具有反并聯(lián)二極管的輔助開關S5與箝位電容C。的串聯(lián)支路，并在該串聯(lián)支路兩端跨接諧振電感Lr，輔助開關S5兩端并聯(lián)電容(；5。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種低附加電壓零電壓開關儲能橋式逆變器的調(diào)制方法，其中主開關采用單極性正弦脈寬調(diào)制方法，輔助開關調(diào)制信號與主開關調(diào)制信號同步。輔助開關在主開關從二極管換流到全控開關之前關斷，為主開關創(chuàng)造零電壓開通條件。 當逆變器處于電池放電狀態(tài)時，在輔助開關關斷的短暫時間內(nèi)，主開關橋臂上下兩開關直通給諧振電感提供續(xù)流通路，使諧振電感存儲能量足以實現(xiàn)逆變器軟開關。當逆變器并網(wǎng)運行時，逆變器零電壓開關在并網(wǎng)電流全功率因數(shù)角范圍內(nèi)均可以實現(xiàn)，滿足電池儲能逆變器能量雙向流動要求，當逆變器帶負載獨立運行時，逆變器零電壓開關在負載電流全功率因數(shù)角范圍內(nèi)均可以實現(xiàn)，滿足電池儲能逆變器能量雙向流動要求。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果
本發(fā)明低附加電壓零電壓開關電池儲能逆變器結(jié)構簡單，逆變器中全控開關的反并聯(lián)二極管的反向恢復得到抑制，減少了電磁干擾。電路中所有功率開關器件實現(xiàn)零電壓開通，從而減小開關損耗，提聞電路效率，有利于提聞工作頻率，進而提聞功率密度。該逆變器的電路在并網(wǎng)狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)對輸出并網(wǎng)電流功率因數(shù)和諧波的控制，可用于各種電源中并網(wǎng)逆變裝置。此外，該逆變器的電路還可用于各種電源中獨立逆變裝置。


通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
參照圖2，一種低附加電壓零電壓開關儲能橋式逆變器電路圖，包括直流側(cè)蓄電池，直流電容C，由四個有反并聯(lián)二極管的全控主開關S1 S4構成的單相橋臂，接在橋臂中點與交流電網(wǎng)或交流負載之間的輸出濾波電感L，其中單相橋臂的四個主開關Si S4* 別并聯(lián)一電容即Crt Crt，在直流側(cè)蓄電池和單相橋臂的直流母線之間接入具有反并聯(lián)二極管的輔助開關S5與箝位電容C。的串聯(lián)支路，并在串聯(lián)支路兩端跨接諧振電感Lr，主開關和輔助開關兩端并聯(lián)電容。
圖2所示具體實施例中，輔助開關S5集電極與箝位電容C。相連，發(fā)射極與單相橋臂正母線相聯(lián)，箝位電容C。另一端與直流側(cè)蓄電池正端相聯(lián)，諧振電感L 一端與單相橋臂正母線相聯(lián)，另一端與逆變器直流側(cè)蓄電池正端相聯(lián)。
圖3所示的另一實施例中，輔助開關S5集電極與直流側(cè)蓄電池正端相聯(lián)，發(fā)射極與箝位電容C。相連，箝位電容C。另一端與單相橋臂正母線相聯(lián)，諧振電感k 一端與逆變器直流側(cè)蓄電池正端相聯(lián)，另一端與單相橋臂正母線相聯(lián)。
圖4所示另一實施例中，輔助開關S5集電極與直流側(cè)蓄電池負端相聯(lián)，發(fā)射極與箝位電容C。相連，箝位電容C。另一端與單相橋臂負母線相聯(lián)，諧振電感L 一端與逆變器直流側(cè)蓄電池負端相聯(lián)，另一端與單相橋臂負母線相聯(lián)。
圖5所示另一實施例中，輔助開關S5集電極與箝位電容C。相連，發(fā)射極與單相橋臂負母線相聯(lián)，箝位電容C。另一端與直流側(cè)蓄電池負端相聯(lián)，諧振電感L 一端與單相橋臂負母線相聯(lián)，另一端與逆變器直流側(cè)蓄電池負端相聯(lián)。
低附加電壓零電壓開關電池儲能逆變器采用SPWM調(diào)制。
SPWM分為單極性和雙極性。雙極性調(diào)制時，在整個調(diào)制波周期內(nèi)，主開關SI、S4 與S2、S3互補導通；單極性調(diào)制時，在正半周期，SI常開，S3常關，S2和S4互補導通，在負半周期，SI常關，S3常開，S2和S4互補導通。由于單極性調(diào)制可以在調(diào)制波半個周期始終保持兩個開關管的開關狀態(tài)不變，從而減小開關損耗，故單相逆變器常采用單極性SPWM調(diào)制。
設正弦調(diào)制電壓為uMf=msin (ω t)，當采用單極性調(diào)制時，在正半周期，SI常開，S3 常關,S2和S4互補導通,開關S2占空比D=l-msin(cot),開關S4占空比D=msin(cot)。在負半周期，SI常關，S3常開，S2和S4互補導通，開關S2占空比D=msin (ω t)，開關S4占空比 D=Iisin (ω t)。
對于低附加電壓零電壓開關電池儲能逆變器，根據(jù)交流電壓和濾波電感電流的方向，將逆變器工作狀態(tài)分成4個區(qū)間，如圖6所示。其中，在區(qū)間2和區(qū)間4內(nèi)，逆變器控制是類似的。在區(qū)間I和區(qū)間3內(nèi)逆變器的控制是類似的。這里先以圖2所示的低附加電壓零電壓開關電池儲能逆變器在區(qū)間2 (區(qū)間4類似)的一個開關周期為例進行分析，逆變器的開關脈沖控制時序如圖7所示。在一個開關工作周期內(nèi)，逆變器共有9個工作狀態(tài)。圖 8 圖16是在區(qū)間2工況下一個開關周期的工作等效電路；工作時的主要電壓和電流波形如圖17所示。
階段I (Vt1)
如圖8所示，主開關SpS2和輔助開關S5處于導通狀態(tài)。由諧振電感L,、箝位電容 C。和輔助開關S5組成的諧振回路中，諧振電感Lr的電流在線性增加。
階段2 (t「t2):
如圖9所示，h時刻，輔助開關S5關斷，諧振電感L,給主開*S3、S4的并聯(lián)電容C,3、 C,4，放電，給輔助開關S5的并聯(lián)電容Cri充電，S5零電壓關斷。到t2時刻，兩個主開關S3、S4 的并聯(lián)電容Cm Cr4電壓諧振到零，主開關S3、S4的反并聯(lián)二極管開始導通，主開關S4可以實現(xiàn)零電壓開通。
階段3 (t2-t3):
如圖10所示，t2時刻，主開關S2驅(qū)動信號關斷，S2的反并聯(lián)二極管仍然處于導通狀態(tài)。諧振電感L端電壓被箝位為逆變器直流電源電壓，諧振電感L電流線性減小，主開關S4的反并二極管電流線性減小到零。
階段4 (t3-t4):
如圖11所示，t3時刻，驅(qū)動主開關S4實現(xiàn)零電壓開通。主開關S4與主開關S2的反并聯(lián)二極管換流，主開關S2的反并二極管經(jīng)歷反向恢復過程，由于諧振電感L的存在，主開關S2的反并二極管反向恢復電流被抑制。諧振電感L端電壓被箝位為逆變器直流電源電壓，諧振電感L電流線性減小。
階段5 (t4-t5):
如圖12所示，為了使諧振電感存儲能量足以實現(xiàn)逆變器軟開關，在t4時刻又開通S2，這樣S2與S4直通形成續(xù)流通路，蓄電池通過這條通路給諧振電感充磁，t5時刻關斷 S2，充磁階段結(jié)束。
階段6 (t5-t6):
如圖13所示，到t5時刻，電路進入主開關Sp S4導通狀態(tài)。從t5時刻，諧振電感 Lr開始和主開關S2、S3的并聯(lián)電容、輔助開關S5的并聯(lián)電容Cri諧振，主開關S2、S3兩端電容電壓開始增加，輔助開關S5兩端并聯(lián)電容(；5電壓減小，到t6時刻，S5兩端并聯(lián)電容Cri電壓減小到零，S5反并二極管導通，S5實現(xiàn)零電壓開通。
階段7 (t6_t7):
如圖14所示，到t6時刻，諧振電感k和主開關S2、S3的并聯(lián)電容Crf、Cri、輔助開關S5的并聯(lián)電容(；5諧振停止，主開關側(cè)直流母線電壓為蓄電池電壓與鉗位電容電壓之和， 電路維持主開關Si、S4導通狀態(tài)。
階段8 (t7-t8):
如圖15所示，到t7時刻，主開關S4關斷，濾波電感L中的電流給主開關S4的并聯(lián)電容Crt充電，給主開關S2的并聯(lián)電容(；2放電，由于S4的并聯(lián)電容的存在，S4實現(xiàn)零電壓關斷。到t8時刻，主開關S2的反并聯(lián)二極管鉗位，S2在零電壓條件下開通。
階段9 (t8_t9):
如圖16所示，到t8時刻，S2開通，主開關S2的體內(nèi)二極管導通，t9時刻t0時刻電路狀態(tài)相同，重復下一個周期。
當圖2所示的低附加電壓零電壓開關電池儲能逆變器在區(qū)間I (區(qū)間3類似)時，只需去掉圖17中的橋臂直通的工作狀態(tài)，其具體的電路圖如圖19 26所示(以區(qū)間3為例)。 圖18是本發(fā)明在區(qū)間I和區(qū)間3工況下的脈沖控制時序圖。圖27是在區(qū)間3工況下一個開關周期的主要電壓和電流波形。在一個開關工作周期內(nèi)，逆變器共有5個工作狀態(tài)。這樣，圖2所示的低附加電壓零電壓開關電池儲能逆變器適用于任意功率因數(shù)工況。
階段I (Vt1):
如圖19所示，主開關S。S4和輔助開關S5處于導通狀態(tài)。由諧振電感Lp箝位電容C。和輔助開關S5組成的諧振回路中，諧振電感Lr的電流線性增加。
階段2 (t「t2):
如圖20所示，h時刻，輔助開關S5關斷，諧振電感L給主開關S2、S3的并聯(lián)電容 Cr2> Cri，放電，給輔助開關S5的并聯(lián)電容(；5充電。到t2時刻，兩個主開關S2、S3的并聯(lián)電容(；2、Cr3電壓諧振到零，輔助開關S5的并聯(lián)電容Cri電壓諧振到Vd。，諧振電感L和主開關S2> S3的并聯(lián)電容Cr2、Cr3、輔助開關S5的并聯(lián)電容Cr5諧振完成，主開關S2具備實現(xiàn)零電壓開通條件。
階段3 (t2-t3):
如圖21所示，t2時刻，兩個主開關S2、S3的并聯(lián)電容C,2、(；3電壓諧振到零，反并聯(lián)二極管鉗位。輔助開關上電壓為Vd。，直流母線電壓等于零，此時主開關S4的驅(qū)動信號已經(jīng)關閉，S4反并聯(lián)二極管仍然處于導通狀態(tài)。
階段4 (t3-t4):
如圖22所示，到t4時刻給開關管S2加開通信號，主開關S2實現(xiàn)零電壓開通。主開關S2與主開關S4的反并聯(lián)二極管完成換流后，S4的反并聯(lián)二極管進入反向恢復階段。由于存在輔助諧振電感Lr，因此二極管的反向恢復電流得到抑制。到t4時刻，主開關S4的反并二極管的電流到零關斷，電路進入主開關Sp S2導通狀態(tài)。
階段5(t4_t5):
如圖23所示，到t4時刻，諧振電感Lr給主開關S2, S3的并聯(lián)電容Cr3> Cr4充電，給輔助開關S5的并聯(lián)電容Cri放電。到t5時刻，兩個主開關S3、S4的并聯(lián)電容Cd、Cr4電壓諧振到Vd。，輔助開關S5的并聯(lián)電容(；5電壓諧振到零，輔助開關具備了零電壓開通的條件。
階段6 (t5_t6):
如圖24所示，t5時刻，給輔助開關開通信號，輔助開關實現(xiàn)零電壓開通，電路維持王開關S1' S2導通狀態(tài)。
階段7 (t6_t7):
如圖25所不，t6時刻,關斷主開關S2,主開關S2的并聯(lián)電容Cr2電壓上升,主開關 S4的并聯(lián)電容Crt電壓下降，到t7時刻，實現(xiàn)主開關S2，S4的換流。
階段8 (t7-t8):
如圖26所示，到t7時刻，主開關S2的體內(nèi)二極管導通，t8時刻h時刻電路狀態(tài)相同，重復下一個周期。
以上為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，對于圖3-5所示的實施例，其具體實施與上述圖2所示實施例類似，不再詳述。
基于上述實施例，本發(fā)明結(jié)構簡單，功率雙向流動，可以實現(xiàn)對儲能電池充電和放電；主開關采用正弦波脈寬調(diào)制方法，輔助開關調(diào)制信號與主開關同步。每一開關周期中輔助開關只動作一次就能實現(xiàn)所有主開關零電壓開通，主開關反并聯(lián)二極管反向恢復電流得到抑制，開關損耗小，電路效率高，有利于提高工作頻率，進而提高功率密度，逆變器既可以工作在并網(wǎng)狀態(tài)，也可以帶交流負載工作在獨立逆變狀態(tài)。。
以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
權利要求
1.ー種低附加電壓零電壓開關儲能橋式逆變器，其特征在于包括直流側(cè)蓄電池，與直流側(cè)蓄電池并聯(lián)的直流電容，由四個有反并聯(lián)ニ極管的全控主開關(S1 S4)構成的単相橋臂，以及接在橋臂中點與交流電網(wǎng)或者交流負載之間的輸出濾波電感(L)，其中單相橋臂的四個主開關(S1 S4)兩端各自并聯(lián)ー個電容(Crt Crt)，在直流側(cè)蓄電池和単相橋臂的直流母線之間接入具有反并聯(lián)ニ極管的輔助開關(S5)與箝位電容(C。)的串聯(lián)支路，并在該串聯(lián)支路兩端跨接諧振電感(Lr)，輔助開關(S5)兩端并聯(lián)第五電容(Cri)。
2.根據(jù)權利要求I所述的低附加電壓零電壓開關儲能橋式逆變器，其特征在于所述輔助開關(S5)集電極與箝位電容(C。)相連，發(fā)射極與單相橋臂正母線相聯(lián)，箝位電容(C。)另一端與直流側(cè)蓄電池正端相聯(lián)，諧振電感(LJ 一端與単相橋臂正母線相聯(lián)，另一端與逆變器直流側(cè)蓄電池正端相聯(lián)。
3.根據(jù)權利要求I所述的低附加電壓零電壓開關儲能橋式逆變器，其特征在于所述輔助開關(S5)集電極與直流側(cè)蓄電池正端相聯(lián)，發(fā)射極與箝位電容(C。)相連，箝位電容(C。)另一端與単相橋臂正母線相聯(lián)，諧振電感(LJ 一端與逆變器直流側(cè)蓄電池正端相聯(lián)，另一端與単相橋臂正母線相聯(lián)。
4.根據(jù)權利要求I所述的低附加電壓零電壓開關儲能橋式逆變器，其特征在于所述輔助開關(S5)集電極與直流側(cè)蓄電池負端相聯(lián)，發(fā)射極與箝位電容(C。)相連，箝位電容(C。)另一端與単相橋臂負母線相聯(lián)，諧振電感(LJ 一端與逆變器直流側(cè)蓄電池負端相聯(lián)，另一端與単相橋臂負母線相聯(lián)。
5.根據(jù)權利要求I所述的低附加電壓零電壓開關儲能橋式逆變器，其特征在于所述輔助開關(S5)集電極與箝位電容(C。)相連，發(fā)射極與單相橋臂負母線相聯(lián)，箝位電容(C。)另一端與直流側(cè)蓄電池負端相聯(lián)，諧振電感(LJ 一端與単相橋臂負母線相聯(lián)，另一端與逆變器直流側(cè)蓄電池負端相聯(lián)。
6.一種如權利要求1-5任一項所述的逆變器的調(diào)制方法，其特征在于所述主開關采用單極性正弦脈寬調(diào)制方法，輔助開關調(diào)制信號與主開關調(diào)制信號同步；輔助開關在主開關從ニ極管換流到全控開關之前關斷，為主開關創(chuàng)造零電壓開通條件；當逆變器處于電池放電狀態(tài)時，在輔助開關關斷的短暫時間內(nèi)，主開關橋臂上下兩開關直通給諧振電感提供續(xù)流通路，使諧振電感存儲能量足以實現(xiàn)逆變器軟開關；逆變器零電壓開關在逆變器交流側(cè)電流全功率因數(shù)角范圍內(nèi)均能實現(xiàn)，滿足電池儲能逆變器能量雙向流動要求。
7.根據(jù)權利要求6所述的逆變器的調(diào)制方法，其特征在于每ー開關周期中輔助開關只動作一次就能實現(xiàn)所有主開關零電壓開通，主開關反并聯(lián)ニ極管反向恢復電流得到抑制。
全文摘要
本發(fā)明公開一種低附加電壓零電壓開關儲能橋式逆變器及調(diào)制方法，包括直流側(cè)蓄電池，直流電容，交流濾波電感，由四個有反并聯(lián)二極管的全控主開關構成的單相橋臂，在直流側(cè)蓄電池和單相橋臂直流母線之間接入具有反并聯(lián)二極管的輔助開關與箝位電容的串聯(lián)支路，并在該支路兩端跨接諧振電感，主開關和輔助開關兩端并聯(lián)電容。本發(fā)明帶負載獨立運行或并網(wǎng)運行，結(jié)構簡單，功率雙向流動，可實現(xiàn)對蓄電池充放電；主開關采用正弦波脈寬調(diào)制方法，輔助開關調(diào)制信號與主開關同步。每一開關周期中輔助開關只動作一次就能實現(xiàn)所有主開關零電壓開通，主開關反并聯(lián)二極管反向恢復電流得到抑制，開關損耗小，電路效率高，有利于提高工作頻率，進而提高功率密度。
文檔編號H02M7/48GK102983767SQ20121042843
公開日2013年3月20日 申請日期2012年10月31日 優(yōu)先權日2012年10月31日
發(fā)明者李睿, 梁星, 王藝翰, 蔡旭 申請人:上海交通大學