[发明专利]一种改进型开关耦合电感准Z源逆变器

说明书

本发明属于DC‑AC变换设备技术领域，涉及一种改进型开关耦合电感准Z源逆变器，主体结构包括直流电源、第一电感、第一电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第二电容、第三电容、第一绕组、第二绕组、第三绕组、第四绕组和六个功率开关管，其中第二二极管、第三二极管、第三电容、第一绕组、第二绕组、第三绕组和第四绕组组成升压单元；第一绕组、第二绕组、第三绕组和第四绕组两两耦合且均为同向耦合，四个耦合电感同名端之间独特的连接方式能够有效的降低绕组的电流应力，减少损耗，并且可以减少变换器电路出现的谐振问题，输出效率高。

技术领域:

本发明属于DC-AC变换设备技术领域，涉及一种改进型开关耦合电感准Z源逆变器(MSCL qZSI)。

背景技术：

21世纪以来，随着能源危机及环境污染问题越来越严峻，可再生清洁能源的快速发展成为世界各国能源发展的重点。太阳能、风能、水能、核能等可再生清洁能源得到广泛应用，以太阳能为基础的光伏系统因其无污染、无噪音、开发资源丰富等优势受到世界各国的普遍关注，被定为未来最有发展前景的新能源技术，现今已被广泛应用工业生产、国民经济的各个领域。其中电压源逆变器作为应用最为成熟的一种变流器，在不间断电源、交流电机调速、新能源发电等领域中均得到广泛应用。作为功率调节系统(PCS)，逆变器在太阳能发电系统中扮演着至关重要的角色。传统单级式光伏发电系统使用DC/AC逆变器直接将光伏电池所输出的能量传递至电网。该方式虽能取得较高转换效率，但同时存在很大缺陷:一是需要较高的输入电压，必须将多个光伏模块串联，这将极大增加系统成本及故障率并导致在非理想条件下功率损失严重；二是实际工作时，为跟踪光伏电池最大功率点电压，需要使逆变器直流母线电压在较大范围内波动，这导致逆变器设计时额外增加其功率容量。可在单级发电系统的基础上，利用级联DC-DC电路的两级控制结构来解决上述问题。光伏模块与逆变器之间加入一个具有最大功率点跟踪功能的DC/DC电路，可通过该DC电路升压从而减少光伏模块的串联个数并得到恒定的直流链电压，实现逆变器并网工作时的独立控制及光伏电池最大功率点跟踪，但同时也存在一些缺点：一是加入DC-DC变换器导致整个系统效率下降；二是增加系统中硬件电路数量，降低系统工作的可靠性，增加其维护费用。为了解决增益和效率低的问题，F.Z.Peng教授在2002年提出了一种新型单级升降压逆变器——Z-源逆变器(Z-Source Inverter(ZSI))，Z型源逆变器(ZSI)可以升压和降低单级逆变器的电压，在光伏发电并网系统中使用时具有某些优势。单芯片光伏模块容量的发展促进了微逆变器并网系统的快速发展，高压增益ZSI非常适合此类应用场景，然而实验研究发现，传统的ZSI也存在一些不足：一是受限于自身拓扑结构，其电压增益较低；二是其输入侧电流呈断续状态；三是储能电容两端所承受的电压较大；四是存在启动冲击电流、共模噪声的问题等等。为了解决这些问题，广大学者对传统ZSI进行了一系列的改进，其中最为经典的改进电路就是准Z-源逆变器(qZSI)电路，准Z源逆变器(qZSI)用于光伏发电并网系统，可以实现光伏模块的最大功率点跟踪(MPPT)，并方便逆变器的电网连接。qZSI的连续输入电流有助于光伏模块的MPPT，而直流母线的“低”电压过冲则有助于开关的类型选择和改善逆变器的电磁环境(EMI)，但是qZSI的较低的直流链路升压能力要求大量的光伏模块串联连接以达到并网电压水平，这导致光伏模块系统的高成本和故障率，在qZSI框架中，嵌入特定的升压单元会导致新的高压增益qZSI，这样的逆变器可以实现通过调整耦合电感的匝数比n和直通占空比D可以达到所需的并网电压电平，它可以保持连续的输入电流和较低的直流母线电压过冲，并增加逆变器的升压能力，但升压单元中组件的电流应力较高，增加了组件选择的难度和成本。因此，强调在qZSI中嵌入改进的boost单元。Hafiz Furqan Ahmed,HonnyongCha等人提出了SCL qZSI，其中自举电容器和对称的并联结构用于在较小的直通占空比D下提高升压能力，对称的并联结构可降低组件的电流应力，此外，在耦合电感器中增加的第三绕组N23提高了逆变器的升压能力，然而，在非直通状态下绕组中的铜损降低了效率。SaeedSharifi and Mohammad Monfared提出的mSSCL qZSI通过使用自举电容器和开关耦合电感单元在小D处实现了高电压增益，然而，在直通和非直通状态期间，开关耦合电感器的第三绕组N23具有较高的电流应力，高电流应力导致耦合电感的高铜损，进而降低逆变器效率。因此，寻求一种结构简单、转换效率较高、低电流应力的绕组、适应于高升压场合的逆变电路已经成为光伏发电系统中挑战性工作课题。