[发明专利]单级可升压逆变器

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型单级可升压逆变器，尤其适合直流母线需由低压升压供电的电机驱动系统场合和适应较大输入电压变化范围的新能源发电逆变场合。

背景技术

传统的电压源逆变器输入直流电压输出交流电压，应用非常广阔。电压源逆变器的输入直流电压可以由电网或旋转交流电机经整流滤波得到，也可由蓄电池、燃料电池或光伏电池得到，分别对应一般工业应用场合(如变频器)，电动车、可再生能源分布式发电等场合。在电压源逆变器中，由于输入直流电压的缘故，功率半导体器件总是保持正向偏置，因此采用自控型正向导通器件，如IGBT、PowerMOSFET等，为了使逆变器的开关具有自由的方向电流，往往在自关断器件上反并联一个续流二极管。电压源逆变器的一个重要特点就是输出交流电压波形不受负载参数的影响。采用电压源逆变器的一般结构包含二极管整流器的前端(交流供电)或直流电源，直流环节电容器和逆变桥，如附图1所示。通常这种电压源逆变器存在下列局限或不足。

(1)交流负载必须为电感性或与交流电源连接不得不串联电感，才能使电压源逆变器能够正常工作。

(2)交流输出电压被限制只能低于而不能超过直流母线电压，因此，对于DC/AC功率变换，传统电压源逆变器是一个降压式逆变器。对于直流电压较低，需要较高的交流输出电压的DC/AC功率变换场合，需要一个额外的DC/DC升压式变换器，这个额外的功率变换级增加了系统的成本，降低了变换效率。

(3)每个桥臂的上、下器件不能同时导通，不管是有意为之，还是因为电磁干扰造成的，否则，会发生直通短路，损坏器件。由电磁干扰造成的误触发导致的直通问题是变换器可靠性的主要杀手。

在一些特定的电机控制及电能变换的应用场合，正是由于存在以上不足，普通的电压源逆变器恰是实现系统功能的瓶颈，制约了相关技术的发展与进步。如在电动汽车与混合动力汽车的电力驱动系统中，直流电压一般由蓄电池电压决定，所以驱动电机的恒转矩输出的转速范围决定于电池电压，进一步升速，则进入恒功率范围，车辆的加速能力将下降，若要改善高速操控性能，驱动逆变器的直流电压能进行升压调节，则能有效地提升车辆的操控性能。在日新月异发展的轨道交通电力牵引领域，也同样存在类似的问题，电力牵引的供电电压常会产生较大的波动，特别是有较大的跌落，这对正常行驶的高速运行的车辆牵引出力有影响，如果能使逆变器具有母线电压自行调节功能，将会大大提升行驶的稳定性。下面以可再生能源分布式发电为背景介绍并网逆变系统的技术现状。

风能发电机、太阳能光电池和燃料电池堆等再生能源发电系统在转化能量时依赖的因素较多，因此所有分布式发电电能都有着输出电压变化范围大的特性，而用电负载或并网均要求分布式发电系统输出相对稳定的电压。所以，分布式电能发电装置对电力电子技术变换装置的要求是：在宽功率范围内高效运行；能适应较大范围输入电压变化，恒压输出；电力电子技术变换装置要能对其进行有效控制来实现高效的运行等。针对分布式电能输入功率与输出电压变化范围大的特性，以风力发电为例，系统中的变换电路多采用带Boost变换器的电压型并网逆变器。如附图2所示为传统的带有DC/DC升压变换器的风力发电并网逆变系统。其中，电压型逆变器将直流电能逆变并传输到电网，Boost变换器将风力发电机输出整流得较低且波动较大的电压进行稳压满足并网逆变器的交直流电压变比关系。但是，这种拓扑在电压型并网逆变器前插入一级Boost升压斩波电路，增加了系统的成本，并且电压型逆变器本身的前述不足并没有克服。太阳能光伏电池的电力电子控制发电并网装置的拓扑通常也与风力发电类似。燃料电池的输出电压随负载的加大而减小，外特性较软。因此，研究一种拓扑简单、效率高、可靠性高的适应较大输入电压变化范围的逆变器意义重大。

2002年提出了一种Z源电压型逆变器(Z-Source Inverter)，是一种新的逆变器拓扑。Z源变换器在绿色能源、电力传动等方面有很好的应用前景，特别是适合用作为可再生能源分布式发电中逆变器的拓扑。而且Z源逆变器用于燃料电池供电的电力传动系统中开关管的功率在低升压因子时要比传统电压型逆变器和基于boost变换器的逆变器低，效率要高。同样以风力发电为例，附图3示出了电压型Z源逆变器在风力发电系统中应用的系统电路结构图，与附图2相比，省去了DC-DC升压电路。