[发明专利]带抽头电感的单级升压逆变器

说明书

技术领域

本发明涉及一种带抽头电感的单级升压逆变器，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如附图1所示，通常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。

(3)每个桥臂的上、下器件不能同时导通，否则，桥臂发生直通短路，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，传统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，需要在电压源逆变器前加入DC/DC升压变换器，提升母线电压，则能有效地提升车辆的操控性能；或在轨道交通电力牵引领域，也需要加入DC/DC升压变换器，在供电电压产生较大的波动，甚至是较大的跌落时，提升母线电压，提高高速运行的车辆行驶的稳定性。

在可再生能源分布式发电系统中，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。因此，系统中的变换电路多采用带DC/DC升压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，DC/DC升压变换器将风力发电机输出整流的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。

在电压型逆变器前插入一级DC/DC升压变换器的方案，增加了系统的成本，降低了变换效率和可靠性，并且电压型逆变器本身的不足并没有克服。因此，研究一种拓扑简单、高效、高可靠性的适应较大输入电压变化范围的逆变器，具有很大的现实意义。

2002年提出的Z源电压型逆变器(Z-Source Inverter)，是一种阻抗源型逆变器拓扑，在绿色能源、电力传动等方面有很好的应用前景。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。引入的无源网络将逆变器的主电路与电源耦合，克服了上述传统电压型逆变器的不足，且利用一级变换，实现升降压功能。Z源逆变器的控制方法的特点在于运用传统电压型逆变器所不允许的“直通零矢量”状态，实现输出电压的升高。所谓“直通零矢量”，就是将逆变桥的上下功率管直通，控制其作用时间，使电感电流增长。因“直通零矢量”在传统零矢量中插入，仍属于零矢量，对逆变器PWM输出没有影响。当处于非直通零矢量时，电感将原先储存的能量释放使得直流母线电压增长。以较低的输入电压，得到期望的逆变器输出电压。与传统电压源逆变器相比，Z源逆变器的特点包括：

(1)产生任意期望的输出交流电压，特别是比输入电压高的电压；

(2)提供电压跌落时的度越能力，不需另外的电路；

(3)能减少浪涌和谐波电流；

(4)不怕直通故障，相反是其加以利用的一种工作状态。

但是这种逆变器也存在如下不足：

(1)增加的一个Z源网络，是一个包含了电感、电容的二端口网络，在一定条件下，Z源网络的电感和电容器会发生谐振，在设计和控制Z源逆变器时必须考虑避免谐振的策略。由于启动时电容电压为0，启动时有较大的冲击电流，并且在启动过程中很容易引起谐振，产生很大的冲击电流和冲击电压，有可能损坏逆变器。

(2)逆变桥母线电压低于电容电压，不能充分利用电容的电压等级，如果是高压应用场合，需要高压电容，体积较大。并且Z源逆变器拓扑的逆变桥母线电压因电感电流的大小及方向变化以及是否断续变化很大。电压将有跌落，逆变器的调制算法必须考虑电压变化的影响，使得逆变器控制的复杂程度增加。

(3)要求无源器件对称，增加了设计的难度，电容故障对这种系统电路是灾难性的。