本發(fā)明涉及電子元件領(lǐng)域，具體涉及一種基于AAC的多模塊電壓源型逆變器。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)發(fā)展速度的日益加快，人類對(duì)能源的需求不斷提高，化石能源的日益枯竭與社會(huì)發(fā)展對(duì)能源的高需求之間的矛盾，迫使人們?cè)絹碓疥P(guān)注可再生能源的開發(fā)和利用，基于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒊毕艿瓤稍偕履茉窗l(fā)電技術(shù)得到了前所未有的飛速發(fā)展。

通常情況下，新能源發(fā)電系統(tǒng)的輸出直流電壓較低，由于傳統(tǒng)的電壓源型逆變器(VSI)是一種降壓逆變器，這就需要VSI的直流側(cè)輸入電壓要大于交流側(cè)輸出的電壓峰值，而可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓通常低于交流側(cè)電壓峰值。為在交流側(cè)獲得理想的正弦電壓，常用的兩級(jí)式VSI結(jié)構(gòu)有前端帶有Boost結(jié)構(gòu)的兩級(jí)式VSI和后端帶有工頻變壓器結(jié)構(gòu)的兩級(jí)式VSI?，F(xiàn)有的這些結(jié)構(gòu)存在的問題：

1.開關(guān)全部工作于高頻狀態(tài)，開關(guān)損耗大；

2.DC-AC功率變換原理總是受限于直流側(cè)和交流側(cè)的電壓；

3.裝置不易集成設(shè)計(jì)；

4.開關(guān)管承受較大的電壓應(yīng)力；

5.電流紋波較大導(dǎo)致濾波器體積較大；

6.由于兩級(jí)式結(jié)構(gòu)，電路工作效率不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于AAC橋臂的多模塊電壓源型逆變器，體積小，可實(shí)現(xiàn)低壓直流到高壓交流變換，產(chǎn)生同樣大小的交流電壓，該VSI的直流側(cè)輸入電壓僅需為傳統(tǒng)VSI的一半，因而更加適用于住宅低壓PV系統(tǒng)和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，該VSI中的所有開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力僅為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)開關(guān)管的一半，所以該VSI可應(yīng)用低電壓等級(jí)的開關(guān)管。該VSI采用PWM載波移相調(diào)控，可增加電路的等效開關(guān)頻率，從而減小其后所接的濾波器的體積。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種基于AAC的多模塊電壓源型逆變器，包括一個(gè)LC濾波器和由至少四個(gè)AAC橋臂構(gòu)成的全橋結(jié)構(gòu)，AAC上橋臂中的H橋基頻橋臂引出端子與電源正極輸出端相連接，AAC下橋臂中的H橋基頻橋臂引出端子與電源負(fù)極輸出端相連接；每個(gè)AAC橋臂包括一個(gè)H橋單元、一個(gè)橋臂電抗器(Lr1、Lr2、Lr3、Lr4)和一個(gè)橋臂導(dǎo)通開關(guān)(DS1、DS2、DS3、DS4)；H橋單元由并行連接的一個(gè)基頻橋臂和一個(gè)高頻橋臂構(gòu)成，基頻橋臂由兩個(gè)帶有反并聯(lián)二極管(Db1-Db8，Dh1-Dh8)的全控開關(guān)串聯(lián)而成：一個(gè)全控開關(guān)的發(fā)射極接入另一個(gè)全控開關(guān)的集電極；高頻橋臂由兩個(gè)帶有反并聯(lián)二極管的全控開關(guān)串聯(lián)而成：一個(gè)全控開關(guān)的發(fā)射極接入另一個(gè)開關(guān)的集電極；H橋單元上并聯(lián)有穩(wěn)壓電容(C1-C4)，H橋單元的輸入輸出端子分別由基頻橋臂和高頻橋臂的兩個(gè)全橋開關(guān)串聯(lián)節(jié)點(diǎn)處引出，AAC的上橋臂(橋臂1/3)由H橋單元的高頻橋臂引出端子與橋臂導(dǎo)通開關(guān)和橋臂電抗器串聯(lián)而構(gòu)成，高頻橋臂引出端子接橋臂導(dǎo)通開關(guān)的集電極，橋臂電抗器串聯(lián)在橋臂導(dǎo)通開關(guān)的發(fā)射極，AAC的下橋臂(橋臂2/4)，由H橋單元的高頻橋臂引出端子與橋臂導(dǎo)通開關(guān)和橋臂電抗器串聯(lián)而構(gòu)成，高頻橋臂引出端子接橋臂導(dǎo)通開關(guān)的發(fā)射極，橋臂電抗器串聯(lián)在橋臂導(dǎo)通開關(guān)的集電極；AAC的上橋臂與AAC的下橋臂在電感處串行連接，構(gòu)成全橋逆變器的半橋結(jié)構(gòu)，兩個(gè)半橋結(jié)構(gòu)的AAC上橋臂中的基頻橋臂引出端子和AAC下橋臂中的基頻橋臂引出端子相對(duì)應(yīng)連接，所述的LC濾波器由2個(gè)對(duì)稱的分離濾波電感L_f1、L_f2及一個(gè)濾波電容C_f組成，兩個(gè)半橋結(jié)構(gòu)中兩橋臂電抗器節(jié)點(diǎn)處分別引出兩個(gè)交流輸出端子，兩個(gè)交流輸出端子分別串聯(lián)在分離濾波電感L_f1、L_f2上。

優(yōu)選地，所述直流電源的輸入端并聯(lián)有穩(wěn)壓電容器(Cdc)。

優(yōu)選地，所述的橋臂導(dǎo)通開關(guān)由一個(gè)帶有反并聯(lián)二極管(D1-D4)的功率IGBT(S1-S4)構(gòu)成。

優(yōu)選地，所述的高頻橋臂中的可控開關(guān)均采用高頻快速性能好的全控開關(guān)，電路調(diào)制過程中當(dāng)功率開關(guān)關(guān)斷時(shí)，能量可通過IGBT的反并聯(lián)二極管反向流通。

優(yōu)選地，所述的全控開關(guān)可選用帶反并聯(lián)二極管的低頻絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，當(dāng)功率開關(guān)關(guān)斷時(shí)，能量可通過其反并聯(lián)二極管反向流通。

優(yōu)選地，所述逆變器的直流調(diào)制比為0.5，交流調(diào)制比范圍為0-1.5。

優(yōu)選地，所述逆變器不同對(duì)角上AAC橋臂的混合交直流調(diào)制信號(hào)在相位上相差180度。

優(yōu)選地，AAC上橋臂和AAC下橋臂的H橋單元中的高頻橋臂采用了單極性載波移相技術(shù)調(diào)制，錯(cuò)開360°/n(n為上下橋臂中AAC橋臂的數(shù)量)角度導(dǎo)通。

本發(fā)明采用AAC基本單元構(gòu)成全橋結(jié)構(gòu)，逆變器AAC上下橋臂中H橋的高頻開關(guān)采取移相調(diào)制，達(dá)到減小電流波紋、減小電感體積、減小開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)效率，同時(shí)還可以擴(kuò)大容量；AAC橋臂中H橋的基頻開關(guān)與高頻開關(guān)相互配合，使得產(chǎn)生正弦波電壓；AAC橋臂中H橋的基頻開關(guān)與高頻開關(guān)相互配合，使得產(chǎn)生正弦波電壓；AAC橋臂中H橋的電容器，起到穩(wěn)定電壓的作用，并在電路進(jìn)行升壓變換時(shí)為交流側(cè)提供足夠的能量；AAC橋臂中的電抗器用于緩沖電流變化，從而減小了橋臂電流波紋；AAC橋臂中的導(dǎo)通開關(guān)工作于基頻狀態(tài)，控制逆變電路工作時(shí)的能量流通。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明提供的多模塊電壓源型逆變器在同一交流調(diào)制比下，輸出相同交流電壓所需的直流側(cè)電壓僅為傳統(tǒng)全橋變換器直流側(cè)電壓的一半，因此該結(jié)構(gòu)非常適合應(yīng)用于住宅低電壓光伏發(fā)電系統(tǒng)和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)；

2、本發(fā)明提供的多模塊電壓源型逆變器，各開關(guān)管承受的最大電壓應(yīng)力為直流側(cè)輸入電壓，相比于傳統(tǒng)全橋變換器，可以采用較低電壓等級(jí)的功率開關(guān)管；

3、本發(fā)明提供的多模塊電壓源型逆變器中全橋單元采用基頻-高頻混合調(diào)制技術(shù)，部分功率開關(guān)管處于基頻工作狀態(tài)，有效降低了功率器件的開關(guān)損耗；

4、本發(fā)明提供的多模塊電壓源型逆變器采用PWM載波移相調(diào)制技術(shù)有效增加功率器件的等效開關(guān)頻率，有效地減小了交流輸出側(cè)濾波器的體積；

5、本發(fā)明提供的多模塊電壓源型逆變器交流側(cè)發(fā)生故障時(shí)，可通過關(guān)斷橋臂導(dǎo)通開關(guān)對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)，有效避免了故障時(shí)儲(chǔ)能元件暫態(tài)過程中對(duì)電路功率器件造成的過壓沖擊等問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例一種基于AAC的多模塊電壓源型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1中交流調(diào)制信號(hào)0≤msin≤0.5時(shí)的工作狀態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖1中交流調(diào)制信號(hào)-0.5≤msin≤0時(shí)的工作狀態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為圖1中交流調(diào)制信號(hào)-1.0≤msin≤-0.5時(shí)的工作狀態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為圖1中交流調(diào)制信號(hào)-1.5≤msin≤-1.0時(shí)的工作狀態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于AAC的多模塊電壓源型逆變器，包括一個(gè)LC濾波器和由至少四個(gè)AAC橋臂構(gòu)成的全橋結(jié)構(gòu)，每個(gè)AAC橋臂包括一個(gè)H橋單元、一個(gè)橋臂電抗器(Lr1、Lr2、Lr3、Lr4)和一個(gè)導(dǎo)通開關(guān)(DS1、DS2、DS3、DS4)。對(duì)于H橋單元，由一個(gè)基頻橋臂和一個(gè)高頻橋臂構(gòu)成，基頻橋臂由兩個(gè)帶有反并聯(lián)二極管(Db1-Db8，Dh1-Dh8)的全控開關(guān)串聯(lián)而成：一個(gè)全控開關(guān)的發(fā)射極接入另一個(gè)開關(guān)的集電極；高頻橋臂由兩個(gè)帶有反并聯(lián)二極管的全控開關(guān)串聯(lián)而成：一個(gè)全控開關(guān)的發(fā)射極接入另一個(gè)開關(guān)的集電極；將基頻橋臂和高頻橋臂并行連接即可構(gòu)成混合基頻-高頻調(diào)制的H橋結(jié)構(gòu)；為使電壓穩(wěn)定并在升壓變換時(shí)提供足夠的能量，在H橋上并聯(lián)了穩(wěn)壓電容(C1-C4)；對(duì)于H橋輸入輸出端子，則分別由基頻橋臂和高頻橋臂的兩個(gè)全橋開關(guān)串聯(lián)節(jié)點(diǎn)處引出。對(duì)于AAC上橋臂(橋臂1/3)，由H橋高頻橋臂引出端子與橋臂導(dǎo)通開關(guān)和橋臂電抗器串聯(lián)而構(gòu)成，其中高頻橋臂引出端子接橋臂導(dǎo)通開關(guān)的集電極，橋臂電抗器則串聯(lián)在橋臂導(dǎo)通開關(guān)的發(fā)射極。對(duì)于AAC下橋臂(橋臂2/4)，由H橋高頻橋臂引出端子與橋臂導(dǎo)通開關(guān)和橋臂電抗器串聯(lián)而構(gòu)成，與AAC上橋臂不同的是，其中高頻橋臂引出端子接橋臂導(dǎo)通開關(guān)的發(fā)射極，而橋臂電抗器則串聯(lián)在橋臂導(dǎo)通開關(guān)的集電極。將AAC上下兩個(gè)橋臂在電感處串行連接在一起，即可構(gòu)成該全橋逆變器的半橋結(jié)構(gòu)。將兩個(gè)這樣的半橋結(jié)構(gòu)，將上下橋臂H橋中的基頻橋臂引出端子相對(duì)應(yīng)連接在一起，即可構(gòu)成基于AAC的多模塊電壓源型升壓逆變器結(jié)構(gòu)，其中的AAC上橋臂中的基頻橋臂引出端子作為直流電源的正極輸入端，AAC下橋臂中的基頻橋臂引出端子作為直流電源的負(fù)極輸入端。為使輸入的直流電壓更加穩(wěn)定，在直流電源的輸入端并聯(lián)了穩(wěn)壓電容器(Cdc)。對(duì)于該升壓逆變器的輸出端，在兩個(gè)半橋結(jié)構(gòu)中兩橋臂電抗器節(jié)點(diǎn)處分別引出了兩個(gè)交流輸出端子，為減小交流側(cè)電壓、電流波形的波紋，設(shè)計(jì)了由兩個(gè)對(duì)稱分離電感L_f1、L_f2和一個(gè)濾波電容C_f串聯(lián)而成的LC濾波器，兩個(gè)交流輸出端子分別串聯(lián)在兩個(gè)分離電感L_f1、L_f2上?？煽亻_關(guān)采用帶有反并聯(lián)二極管的全控開關(guān)，如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等，可在開關(guān)關(guān)斷時(shí)為電路提供能量通道。

本發(fā)明的一種基于AAC橋臂的多模塊電壓源型升壓全橋逆變器，直流調(diào)制比為0.5，交流調(diào)制比范圍為0-1.5，且該全橋逆變器不同對(duì)角上AAC橋臂的混合交直流調(diào)制信號(hào)在相位上相差180度。該全橋逆變器的上下橋臂的H橋中的高頻橋臂采用了單極性載波移相技術(shù)調(diào)制，錯(cuò)開360°/n(n為上下橋臂中AAC橋臂的數(shù)量)角度導(dǎo)通，這樣可以減小開關(guān)損耗，降低電流波紋，提高系統(tǒng)頻率，大幅度提高了效率，可以通過不斷增加AAC橋臂的方式來不斷擴(kuò)大系統(tǒng)容量，使系統(tǒng)帶有擴(kuò)容功能。對(duì)于AAC橋臂H橋中的基頻橋臂，當(dāng)調(diào)制信號(hào)大于0時(shí)，基頻開關(guān)管Sb1、Sb3、Sb5、Sb7處于導(dǎo)通狀態(tài)，Sb2、Sb4、Sb6、Sb8處于關(guān)斷狀態(tài)；反之，則Sb1、Sb3、Sb5、Sb7處于關(guān)斷狀態(tài)，Sb2、Sb4、Sb6、Sb8處于導(dǎo)通狀態(tài)。對(duì)于AAC橋臂中的導(dǎo)通開關(guān)，當(dāng)橋臂對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)大于1時(shí)，該橋臂的導(dǎo)通開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)，反之該導(dǎo)通開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而控制了電路中的能量流動(dòng)。通過該逆變器中的基頻開關(guān)管和高頻開關(guān)管的相互配合，加上LC濾波器的作用，可以輸出完美的正弦波。

參照?qǐng)D2是交流調(diào)制信號(hào)0≤msin≤0.5時(shí)的工作狀態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)參照?qǐng)D2就能夠明顯的熟知在交流調(diào)制信號(hào)0≤msin≤0.5下的四種工作狀態(tài)。

參照?qǐng)D3是交流調(diào)制信號(hào)-0.5≤msin≤0時(shí)的工作狀態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)參照?qǐng)D3就能夠明顯的熟知在交流調(diào)制信號(hào)-0.5≤msin≤0下的四種工作狀態(tài)。

參照?qǐng)D4是交流調(diào)制信號(hào)-1.0≤msin≤-0.5時(shí)的工作狀態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)參照?qǐng)D4就能夠明顯的熟知在交流調(diào)制信號(hào)-1.0≤msin≤-0.5下的四種工作狀態(tài)。

參照?qǐng)D5是交流調(diào)制信號(hào)-1.5≤msin≤-1.0時(shí)的工作狀態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)參照?qǐng)D5就能夠明顯的熟知在交流調(diào)制信號(hào)-1.5≤msin≤-1.0下的四種工作狀態(tài)。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。