[發明專利]內置并聯分時選擇開關電壓型單級多輸入低頻環節逆變器

有效

• 申請號: 201810019207.1
• 申請日: 2018-01-09
• 公開（公告）號: CN108054946B
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 陳道煉
• 申請（專利權）人: 青島大學
• 主分類號: H02M7/493
• 分類號: H02M7/493;H02M7/501;H02M7/538;H02M7/5387;H02J3/38
• 代理公司: 青島高曉專利事務所(普通合伙) 37104
• 代理人: 張世功;于正河

1.一種內置并聯分時選擇開關電壓型單級多輸入低頻環節逆變器，其特征在于：這種逆變器是由內置并聯分時選擇開關的雙向功率流n輸入單輸出高頻逆變電路、輸出低頻隔離變壓濾波電路依序級聯構成，并且內置并聯分時選擇開關的雙向功率流n輸入單輸出高頻逆變電路的每路輸入端均級聯一路輸入濾波器，n路輸入濾波器共地，n為多輸入源的路數，n為大于1的自然數；內置并聯分時選擇開關的雙向功率流n輸入單輸出高頻逆變電路是由n路并聯分時選擇雙向功率流四象限功率開關電路、雙向功率流兩象限功率開關構成，或僅由n路并聯分時選擇雙向功率流四象限功率開關電路構成，在任意時刻相當于只有一路并聯分時選擇四象限功率開關工作的雙向功率流單輸入單輸出高頻逆變電路；n路并聯分時選擇雙向功率流四象限功率開關電路一側的n路漏極與n路輸入濾波器輸出端一一對應連接，另一側的n路漏極并接成公共漏極端,每路并聯分時選擇雙向功率流四象限功率開關電路僅由兩個源極相連的兩象限功率開關反向串聯構成；輸出低頻隔離變壓濾波電路是由低頻變壓器、輸出濾波器，或由含低頻變壓器原邊漏感的輸出濾波電感、低頻變壓器、輸出濾波電容，或由輸出濾波器、低頻變壓器依序級聯構成；內置并聯分時選擇開關的雙向功率流n輸入單輸出高頻逆變電路為推挽式、推挽正激式、半橋式、全橋式結構，推挽式電路是由兩個n路并聯分時選擇雙向功率流四象限功率開關電路構成、兩個非公共漏極端的n路漏極均與n路輸入濾波器輸出端一一對應連接、兩個公共漏極端與低頻變壓器原繞組的兩端相連接、低頻變壓器原繞組的中心抽頭與n路輸入源的負極性端相連接，推挽正激式電路是由兩個n路并聯分時選擇雙向功率流四象限功率開關電路和一個兩象限功率開關及一個箝位電容構成、兩個非公共漏極端的n路漏極均與n路輸入濾波器輸出端一一對應連接、兩個公共漏極端分別與低頻變壓器一個原繞組的“·”端和另一個原繞組的非“·”端相連接、兩象限功率開關的源極和漏極分別與低頻變壓器一個原繞組的非“·”端和另一個原繞組的“·”端相連接且其源極與n路輸入源的負極性端相連接、箝位電容兩端分別與低頻變壓器兩個原繞組的“·”端相連接，半橋式電路是由兩個n路并聯分時選擇雙向功率流四象限功率開關電路和一個兩象限功率開關及兩個橋臂電容構成、兩個非公共漏極端的n路漏極均與n路輸入濾波電感輸出端一一對應連接、兩個公共漏極端分別與左上橋臂電容正極性端和輸出低頻隔離變壓濾波電路的一個輸入端相連接、兩象限功率開關的漏極和源極分別與輸出低頻隔離變壓濾波電路的一個輸入端和n路輸入源的負極性端相連接、左下橋臂電容正極性端和左上橋臂電容負極性端均與輸出低頻隔離變壓濾波電路的另一個輸入端相連接、左下橋臂電容負極性端與n路輸入源的負極性端相連接，全橋式電路是由兩個n路并聯分時選擇雙向功率流四象限功率開關電路和兩個兩象限功率開關構成、兩個非公共漏極端的n路漏極均與n路輸入濾波器輸出端一一對應連接、兩個公共漏極端和兩個兩象限功率開關的漏極均分別與輸出低頻隔離變壓濾波電路的兩個輸入端相連接、兩個兩象限功率開關的源極均與n路輸入源的負極性端相連接；所述多輸入低頻環節逆變器的n輸入單輸出高頻逆變電路將n路輸入源電壓U_i1、U_i2、…、U_in調制成幅值隨輸入源電壓變化的雙極性兩態或單極性三態的多電平SPWM電壓波，經輸出低頻隔離變壓濾波電路后在單相交流負載上獲得優質的正弦交流電壓或正弦并網電流，雙極性兩態和單極性三態多電平SPWM電壓波的+1態幅值均為U_i1N₂/N₁、U_i2N₂/N₁、…、U_inN₂/N₁或U_i1、U_i2、…、U_in，通過第n路輸入源U_in回饋交流側能量時的-1態幅值為U_inN₂/N₁或U_in，僅半橋式電路的多電平SPWM電壓波+1態和-1態各電平幅值應乘以系數1/2，N₁、N₂分別為低頻變壓器原、副繞組匝數；單極性SPWM和雙極性SPWM控制的多輸入低頻環節逆變器輸出電壓u_o與多輸入源電壓、低頻變壓器匝比、多輸入源調制度m₁、m₂、…、m_n之間的關系分別為u_o＝[(m₁U_i1+(m₂-m₁)U_i2+…+(m_n-m_n-1)U_in)]N₂/N₁、u_o＝[(2m₁-1)U_i1+(2m₂-2m₁-1)U_i2+…+(2m_n-2m_n-1-1)U_in]N₂/N₁，0≤m₁＜m₂＜…＜m_n≤1，僅半橋式電路各項應乘以系數1/2；推挽式電路的n路并聯分時選擇四象限功率開關的電壓應力分別U_i1+U_imax、U_i2+U_imax、…、U_in+U_imax，推挽正激式電路的n路并聯分時選擇四象限功率開關的電壓應力分別為U_i1+U_imax、U_i2+U_imax、…、U_in+U_imax和max∣U_iN-U_i1∣、max∣U_iN-U_i2∣、…、max∣U_iN-U_in∣及兩象限功率開關的電壓應力為2U_imax，半橋式電路的n路并聯分時選擇四象限功率開關的電壓應力分別為max∣U_iN-U_i1∣、max∣U_iN-U_i2∣、…、max∣U_iN-U_in∣和U_i1、U_i2、…、U_in及兩象限功率開關的電壓應力為U_imax，全橋式電路的n路并聯分時選擇四象限功率開關和兩象限功率開關的電壓應力分別為U_i1、U_i2、…、U_in和U_imax，U_imax＝max(U_i1，U_i2，…，U_in)，N＝1、2、…、n；所述多輸入低頻環節逆變器構成的獨立供電系統采用第1、2、…、n-1路輸入源輸出功率固定和第n路輸入源補充負載所需的不足功率的輸出電壓、輸入電流瞬時值反饋雙極性SPWM或單極性SPWM主從功率分配能量管理控制策略,所述多輸入低頻環節逆變器構成的并網發電系統采用第1、2、…、n路輸入源輸入電流瞬時值反饋雙極性SPWM或單極性SPWM最大功率輸出能量管理控制策略；所述多輸入低頻環節逆變器根據交流負載的大小通過控制n路內置并聯分時選擇四象限功率開關的導通與截止決定需要投入工作的輸入源路數，n路輸入源在一個高頻開關周期內按U_i1、U_i2、…、U_in先后次序并聯分時向交流負載供電，實現了n個共地、不穩定的輸入直流電壓單級低頻隔離高效逆變成一個交流負載所需的穩定優質的正弦交流電。

2.根據權利要求1所述的內置并聯分時選擇開關電壓型單級多輸入低頻環節逆變器，其特征在于：所述內置并聯分時選擇開關電壓型單級多輸入低頻環節逆變器的輸出端并接一個儲能設備的單級隔離雙向充放電變換器，以構成一個能充分利用n路輸入源能量的輸出電壓穩定的獨立供電系統；所述的單級隔離雙向充放電變換器是由輸入直流濾波器、高頻逆變器、高頻變壓器、周波變換器、輸出交流濾波器依序級聯構成，周波變換器是由能承受雙向電壓應力和雙向電流應力的四象限高頻功率開關構成，儲能設備放電是通過單級隔離雙向充放電變換器將儲能設備的直流電能直接單級逆變成交流負載電能進行的、此時單級隔離雙向充放電變換器等效于一個單級電壓型高頻環節DC-AC變換器,儲能設備充電是通過內置并聯分時選擇開關電壓型單級多輸入低頻環節逆變器將n路輸入源直流電能先逆變成交流電能再通過單級隔離雙向充放電變換器將交流電能整流變換成儲能設備的直流電能進行的、此時單級隔離雙向充放電變換器等效于一個單級電流型高頻環節AC-DC變換器；所述的獨立供電系統采用具有單級隔離雙向充放電變換器輸出電壓獨立控制環路的n路輸入源最大功率輸出能量管理控制策略，n路輸入源均工作在最大功率輸出方式，根據交流負載功率與n路輸入源最大功率之和的相對大小實時控制單級隔離雙向充放電變換器的功率流大小和方向，實現系統輸出電壓的穩定和儲能設備充放電的平滑無縫切換；交流負載功率大于n路輸入源的最大功率之和時系統工作在儲能設備通過單級隔離雙向充放電變換器將直流電能單級逆變成交流電能向交流負載提供所需的不足功率的供電模式Ⅱ，儲能設備單獨向交流負載供電的供電模式Ⅲ屬于供電模式Ⅱ的極端情形，交流負載功率小于n路輸入源的最大功率之和時系統工作在n路輸入源輸出的剩余能量通過內置并聯分時選擇開關電壓型單級多輸入低頻環節逆變器和單級隔離雙向充放電變換器兩級變換對儲能設備充電的供電模式Ⅰ；對于輸出交流濾波電容和交流負載而言，內置并聯分時選擇開關電壓型單級多輸入低頻環節逆變器和單級隔離雙向充放電變換器的輸出端并接相當于兩個交流電流源的并聯疊加；將第1、2、…、n路輸入源輸出電流分別與第1、2、…、n路輸入源最大功率點基準電流進行誤差放大，第1、2、…、n路誤差放大信號乘以正弦同步信號再分別與同一高頻載波信號交截生成第1、2、…、n路信號控制n輸入逆變器，n輸入逆變器輸出交流濾波電感電流與輸出電壓同頻同相、輸出有功功率，將系統輸出電壓與基準電壓的誤差放大信號與高頻載波信號交截生成SPWM信號進行控制的所述充放電變換器的輸出交流濾波電感電流與系統輸出電壓之間存在相位差θ、不同的相位差θ意味著輸出不同大小和方向的有功功率；交流負載功率等于n路輸入源的最大功率之和時θ＝90°、充放電變換器輸出的有功功率為零，交流負載功率大于n路輸入源的最大功率之和時輸出電壓減小、θ＜90°、充放電變換器輸出有功功率即儲能設備提供交流負載所需的不足功率，交流負載功率小于n路輸入源的最大功率之和時輸出電壓增大、θ＞90°、充放電變換器輸出負有功功率即n個輸入源輸出的剩余功率對儲能設備充電。