一种单相可升降压电流源型逆变器及其使用方法

本发明用于电学，主要涉及到单相可升降压电流源型逆变器及其使用方法。

背景技术：

1、逆变器作为新能源发电系统的核心部件，负责将新能源发电端输出的能量进行变换后并入电网。由于电流源型逆变器固有的升压能力和短路电流限制能力，以及储能元件为温度范围宽、机械强度高的电感而不是电解电容，电流源型逆变器应用于在新能源发电场景时的可靠性和使用寿命要远远大于电压源型逆变器。

2、传统的电流源型逆变器(如图3所示)，当其输出电压瞬时值大于输入电压时，储能电感满足伏秒平衡，但是当输出电压瞬时值小于输入电压时，电感两端电位不满足伏秒平衡，电感电流会一直上升，甚至会导致电感饱和，危害设备的可靠运行，工程上通常采用加大储能电感感量的方式来对伏秒不平衡阶段的电感电流进行限制。

3、增大电感感量来限制伏秒不平衡阶段电感电流上升的方法会极大的增加电流源型逆变器直流侧储能电感的体积，逆变器的效率和功率密度被严重的拉低，并且增大储能电感感量没有从本质上解决电感伏秒不平衡的问题，当输入电压升高，输出电压恒定时，储能电感伏秒不平衡阶段的时间变长，储能电感仍有饱和的风险，逆变器的可靠性严重的不足。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明公开了一种单相可升降压电流源型逆变器及其使用方法。

2、为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案进行实现：

3、一种单相可升降压电流源型逆变器，包括第一开关器件s1、第二开关器件s2、第三开关器件s3、第四开关器件s4、第五开关器件s5和第六开关器件s6；第一开关器件s1的集电极电连接第五开关器件s5的发射极、第三开关器件s3的集电极和第六开关器件s6的发射极；第一开关器件s1的发射极电连接第一直流侧储能电感ls1的一端，第一直流侧储能电感ls1的另一端电连接第二开关器件s2的集电极、第五开关器件s5的集电极、输出滤波电容cf的一端和负载rl的一端；第三开关器件s3的发射极电连接第二直流侧储能电感ls2的一端，第二直流侧储能电感ls2的另一端电连接第六开关器件s6的集电极、第四开关器件s4的集电极、输出滤波电容cf的另一端和负载rl的另一端；第二开关器件s2的发射极电连接第四开关器件s4的发射极。

4、进一步的改进，所述第一开关器件s1、第二开关器件s2、第三开关器件s3、第四开关器件s4、第五开关器件s5和第六开关器件s6均为逆阻型igbt；第二开关器件s2；第一开关器件s1和第三开关器件s3为低频开关器件；第四开关器件s4、第五开关器件s5和第六开关器件s6为高频开关器件，开关频率为fsw。

5、3.如权利要求2所述的单相可升降压电流源型逆变器，其特征在于，所述第一开关器件s1的集电极电连接新能源电源的一端，第二开关器件s2的发射极电连接新能源电源的另一端。

6、进一步的改进，当升压比不大于1.33倍时，所述第一直流侧储能电感ls1和第二直流侧储能电感ls2的电感值取值ls*满足：

7、

8、其中，rl*为负载的阻值，tsw为高频开关器件的开关周期。

9、进一步的改进，当升压比大于1.33倍时，设定升压比为r，所述第一直流侧储能电感ls1和第二直流侧储能电感ls2的电感值取值ls*满足：

10、

11、进一步的改进，所述输出滤波电容cf的取值范围cf*为：

12、

13、其中，输出滤波电容cf和负载rl构成滤波器，fc为滤波器的截至频率，j为虚部符号。

14、一种单相可升降压电流源型逆变器的使用方法，所述单相可升降压电流源型逆变器如上所述；其中，在输出电压正半周期时，工作模态为模态1、模态2和模态3；其中，模态1和模态2在逆变器输出电压小于输入电压时交替出现，模态1和模态3在逆变器输出电压大于输入电压时交替出现；在输出电压负半周期时，工作模态为模态4、模态5和模态6；其中，模态4和模态5在逆变器输出电压绝对值小于输入电压时交替出现，模态4和模态6在逆变器输出电压瞬时值的绝对值大于输入电压时交替出现；

15、模态1时：第一开关器件s1和第四开关器件s4导通第二开关器件s2、第三开关器件s3、第五开关器件s5和第六开关器件s6关闭，输入电源通过第一开关器件s1和第四开关器件s4向直流侧储能电感、输出滤波电容和负载供电，此时储能电感、输出滤波电容储能，逆变器输出为正；

16、模态2时：第一开关器件s1和第六开关器件s6导通，第二开关器件s2、第三开关器件s3、第四开关器件s4和第五开关器件s5关断，直流侧储能电感存储的能量经过输出滤波电容cf向负载rl供电，模态1和模态2组合时逆变器工作于降压模态，逆变器输出为正；

17、模态3时：第一开关器件s1和第二开关器件s2同时导通，输入电源通过第一开关器件s1和第二开关器件s2向直流侧储能电感充电，输出滤波电容cf向负载rl供电，模态1和模态3组合时逆变器工作于升压模态，逆变器输出为正；

18、模态4时：第三开关器件s3和第二开关器件s2导通，第一开关器件s1、第四开关器件s4、第五开关器件s5和第六开关器件s6关断，输入电源通过第二开关器件s2、第三开关器件s3向直流侧储能电感、输出滤波电容和负载供电，此时储能电感、输出滤波电容储能，逆变器输出为负；

19、模态5时：第三开关器件s3和第五开关器件s5导通，第一开关器件s1、和第二开关器件s2、第四开关器件s4和第六开关器件s6关断，储能电感存储的能量经过输出滤波电容向负载供电，模态4和模态5组合时逆变器工作于降压模态，逆变器输出为负；

20、模态6：第三开关器件s3和第四开关器件s4同时导通，输入电源通过第三开关器件s3和第四开关器件s4向直流侧储能电感充电，输出滤波电容向负载rl供电，模态4和模态6组合时逆变器工作于升压模态，逆变器输出为负。

21、本发明与现有方法相比，具有以下优点：

22、(1)本发明的拓扑结构和控制策略组合实现了所提出的逆变器储能电感单开关周期内伏秒平衡，并实现了变换器的升降压正弦波形输出。

23、(2)针对本发明所提的单相可升降压电流源型逆变器，提出了其主要功率器件的参数计算方法，包括：直流侧储能电感ls、输出滤波电容cf计算方法。

24、(3)本发明在每个开关周期内都能实现储能电感的伏秒积平衡，且具备升降压能力，在升降压切换点处电感电流纹波为0，逆变器能够实现升降压模态的平滑切换。

技术特征：

1.一种单相可升降压电流源型逆变器，其特征在于，包括第一开关器件(s1)、第二开关器件(s2)、第三开关器件(s3)、第四开关器件(s4)、第五开关器件(s5)和第六开关器件(s6)；第一开关器件(s1)的集电极电连接第五开关器件(s5)的发射极、第三开关器件(s3)的集电极和第六开关器件(s6)的发射极；第一开关器件(s1)的发射极电连接第一直流侧储能电感(ls1)的一端，第一直流侧储能电感(ls1)的另一端电连接第二开关器件(s2)的集电极、第五开关器件(s5)的集电极、输出滤波电容(cf)的一端和负载(rl)的一端；第三开关器件(s3)的发射极电连接第二直流侧储能电感(ls2)的一端，第二直流侧储能电感(ls2)的另一端电连接第六开关器件(s6)的集电极、第四开关器件(s4)的集电极、输出滤波电容(cf)的另一端和负载(rl)的另一端；第二开关器件(s2)的发射极电连接第四开关器件(s4)的发射极。

2.如权利要求1所述的单相可升降压电流源型逆变器，其特征在于，所述第一开关器件(s1)、第二开关器件(s2)、第三开关器件(s3)、第四开关器件(s4)、第五开关器件(s5)和第六开关器件(s6)均为逆阻型igbt；第二开关器件(s2)；第一开关器件(s1)和第三开关器件(s3)为低频开关器件；第四开关器件(s4)、第五开关器件(s5)和第六开关器件(s6)为高频开关器件，开关频率为fsw。

3.如权利要求2所述的单相可升降压电流源型逆变器，其特征在于，所述第一开关器件(s1)的集电极电连接新能源电源的一端，第二开关器件(s2)的发射极电连接新能源电源的另一端。

4.如权利要求1所述的单相可升降压电流源型逆变器，其特征在于，当升压比不大于1.33倍时，所述第一直流侧储能电感(ls1)和第二直流侧储能电感(ls2)的电感值取值ls*满足：

5.如权利要求1所述的单相可升降压电流源型逆变器，其特征在于，当升压比大于1.33倍时，设定升压比为r，所述第一直流侧储能电感(ls1)和第二直流侧储能电感(ls2)的电感值取值ls*满足：

6.如权利要求1所述的单相可升降压电流源型逆变器，其特征在于，所述输出滤波电容cf的取值范围cf*为：

7.一种单相可升降压电流源型逆变器的使用方法，其特征在于，所述单相可升降压电流源型逆变器如权利要求1-6任一所述；其中，在输出电压正半周期时，工作模态为模态1、模态2和模态3；其中，模态1和模态2在逆变器输出电压小于输入电压时交替出现，模态1和模态3在逆变器输出电压大于输入电压时交替出现；在输出电压负半周期时，工作模态为模态4、模态5和模态6；其中，模态4和模态5在逆变器输出电压绝对值小于输入电压时交替出现，模态4和模态6在逆变器输出电压瞬时值的绝对值大于输入电压时交替出现；

技术总结本发明提供了一种单相可升降压电流源型逆变器及其使用方法，包括第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件和第六开关器件；第一开关器件的集电极电连接第五开关器件的发射极、第三开关器件的集电极和第六开关器件的发射极；第一开关器件的发射极电连接第一直流侧储能电感的一端，第一直流侧储能电感的另一端电连接第二开关器件的集电极、第五开关器件的集电极、输出滤波电容的一端和负载的一端。本发明在每个开关周期内都能实现储能电感的伏秒积平衡，且具备升降压能力，在升降压切换点处电感电流纹波为0，逆变器能够实现升降压模态的平滑切换。技术研发人员：徐千鸣,张维尊,徐百龙,郭鹏,胡家瑜,王彤,刘国文,陈龙受保护的技术使用者：湖南大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20