基于磁耦合纹波转移原理的NPC逆变器及其控制方法技术

本发明专利技术提供一种基于磁耦合纹波转移原理的NPC逆变器及其控制方法，包括直流电源，所述直流电源输出电流依次经过2个直流侧电容、2个钳位二极管、4个开关管组成的单相逆变桥以及耦合组件后接单相交流电网；本发明专利技术的基于磁耦合纹波转移技术的单相半桥NPC逆变器将原有的LCL滤波器改造为磁耦合纹波转移通路，在未增加额外无源器件的条件下，使主功率通道上电感L1的开关纹波全部转移，进而实现主功率通道的电流纹波衰减，大大提高了并网电流质量，且通过调整另一侧电感线圈中电流纹波的幅度，能够辅助开关管和二极管全部实现软开关，消除了硬开通、关断带来的高开关损耗，提升了逆变器的效率。效率。效率。

【技术实现步骤摘要】
基于磁耦合纹波转移原理的NPC逆变器及其控制方法


[0001]本专利技术属于电力电子变换
，尤其涉及一种基于磁耦合纹波转移原理的NPC逆变器及其控制方法。

技术介绍

[0002]目前我国的主干输配电网络都是基于交流电的形式，而以光伏和风电为代表的清洁能源发电都是直接或间接的以直流电的形式输出。因此，并网逆变器作为清洁能源发电系统必不可少的关键装备，值得深入研究与探讨。常规的并网逆变器拓扑可分为单相逆变器和三相逆变器。此外根据不同的应用场景，也涌现多样化的逆变器拓扑结构以满足不同的应用需求。但目前并网逆变器仍旧面临着几个方面的挑战：当逆变器效率过低带来大量的损耗时，散热的需求就会提升逆变器的成本与体积，进而导致系统发电成本的增加，因此逆变器的高效率就显得尤为必要；并网电流的纹波需要满足并网电流的相关标准来保证电网的稳定性与可靠性。
[0003]针对逆变器的高效率问题，核心优化点在于引入软开关技术消除所有开关器件的开关损耗来实现效率的提升。目前的主要解决方法是借助有源钳位电路来实现软开关。但是由于增加了额外的辅助电路，可能会带来开关器件电压、电流应力的增加，引入额外损耗等问题。更好的方式是借助逆变器自身的电路来实现软开关，由于逆变器需要在交流侧配置 LCL 滤波器，其中靠近逆变器的滤波电感就可作为一个现成的接入桥臂中点的谐振电感，通过调节开关频率使逆变器侧电感电流纹波幅度增加能够辅助实现逆变器主开关器件的软开关。
[0004]对于逆变器的并网电流纹波标准的问题，目前主要的解决方法是通过对LCL滤波器进行改进得到高阶滤波器或在LCL滤波器之后再次配置其它类型的滤波器来大幅提高并网电流开关纹波的衰减能力。但是由于电容和电感的内阻影响限制了开关纹波衰减能力的提升，同时使得滤波器体积十分庞大，逆变器效率也十分低下。更好的方式是将LCL滤波器改造成由耦合电感和辅助电容构成的磁耦合纹波转移通道，在不引入额外无源元件的情况下借助磁耦合纹波转移技术进行主功率通道的电流纹波衰减。

技术实现思路

[0005]为了使得逆变器能够在保证高效率的基础上，最大限度地提升并网电流纹波的衰减能力，本专利技术提出了一种基于磁耦合纹波转移原理的NPC逆变器。不同于传统的NPC逆变器电路，本电路解决了外管无法实现零电压开通和零电流关断、钳位二极管存在反向恢复损耗等问题，具备更低的损耗带来的高效率的特点，更加有利于实现逆变器的高功率密度与小型化；且在不增加额外开关器件或无源元件的条件下，仅依靠磁耦合纹波转移技术，实现逆变器具有更高的并网电流纹波衰减能力，大大提升了并网电流质量。
[0006]本专利技术提出的一种基于磁耦合纹波转移原理的NPC逆变器，包括：直流电源v
dc
，所述直流电源v
dc
输出电流依次经过2个直流侧电容C1和直流侧电容C2、2个钳位二极管D1和钳
位二极管D2、4个开关管S1‑
S4组成的单相逆变桥以及耦合组件后接单相交流电网v
g
。
[0007]作为优选，耦合组件包括2个电感线圈L1和电感线圈L2构成的耦合电感、以及与耦合电感连接的磁耦合纹波转移通路，磁耦合纹波转移通路包括1个辅助电容C
au
。
[0008]作为优选，所述直流侧电源v
dc
的正极与所述第一直流侧电容C1的正极、与所述第一开关管S1的漏极相连；所述第一直流侧电容C1的负极与所述第二直流侧电容C2的正极、与所述第一钳位二极管D1的阳极、与所述第二钳位二极管D2的阴极、与所述单相交流电网V
g
的负极相连；所述第一开关管S1的源极与所述第一钳位二极管的阴极、与所述第二开关管S2的漏极相连。
[0009]作为优选，所述直流侧电源的负极与所述第二直流侧电容C2的负极、与所述第四开关管S4的源极、与所述辅助电容C
au
的负极相连；所述第二开关管S2的源极与所述第三开关管S3的漏极、与所述耦合电感L1和L2的正极相连；所述第三开关管S3的源极与所述第二钳位二极管D2的阳极、与所述第四开关管S4的漏极相连；所述耦合电感中L1的负极与所述单相交流电网V
g
的正极相连；所述耦合电感中L2的负极与所述辅助电容C
au
的正极相连。
[0010]作为优选，将原有的LCL滤波器改造成由耦合电感和辅助电容构成的磁耦合纹波转移通道，在不引入额外无源元件的情况下借助磁耦合纹波转移技术进行主功率通道的电流纹波衰减。
[0011]一种基于磁耦合纹波转移原理的NPC逆变器的的控制方法，适用于所述的逆变器，对耦合电感L1和耦合电感L2的参数进行优化选取，使所述耦合电感L2在主功率通道上的耦合电感L1上感应产生的互感电压最大程度抵消所述主功率通道上的耦合电感L1上受到的压降，使所述主功率通道上的耦合电感L1上的自感电压最小化，进而使得并网电流的纹波幅度最小化。
[0012]作为优选，实现所述主功率通道上的电感L1电流纹波最小化的条件为：，其中，M定义为所述主功率通道上的电感L1与另一侧电感L2之间的互感。
[0013]作为优选，电感L1上电流纹波减小，使得电感L1在电感L2上感应产生的互感电压减小，导致所述电感L2上的自感电压增大，进而使所述电感L2上的电流纹波幅度增加，调节逆变器开关频率即可合理控制所述电感L2上电流纹波的幅度。
[0014]作为优选，所述单相交流电网V
g
正半周期时，所述电感L2为所述第一开关管S1零电压开通提供能量，为逆变器续流阶段提供另一条续流通路从而实现所述第三开关管S3的零电流开通，并为所述第一钳位二极管D1的零电流关断提供电流缓冲；所述单相交流电网V
g
负半周期时，所述电感L2为所述第四开关管S4零电压开通提供能量，为逆变器续流阶段提供另一条续流通路从而实现所述第二开关管S2的零电流开通，并为所述第二钳位二极管D2的零电流关断提供电流缓冲。
[0015]作为优选，所述电感L2辅助实现开关管和二极管软开关的条件为在死区时间内，辅助电容电流瞬时幅值的绝对值大于并网电流i
g
的绝对值，针对不同死区阶段可以得到开关频率需满足的条件分别为：
其中，V
dc
定义为直流侧电源的幅值，V
g
、I
g
、V
au
、I
au
定义为单相交流电网电压、电流、辅助电容C
au
电压、电流的低频稳态分量，I
ZVS
定义为保证死区期间使开关管漏极和源极之间寄生电容的电荷释放为零的最小电流。
[0016]本专利技术具有以下显著效果：本专利提出的一种基于磁耦合转移原理的单相半桥NPC逆变器，通过将LCL滤波器改造成由耦合电感和辅助电容构成的磁耦合纹波转移通道，在不引入额外无源元件以及开关器件的情况下，借助磁耦合纹波转移技术进行主功率通道电感L1上电流纹波的衰减，大大提高了并网电流质量；在此基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁耦合纹波转移原理的NPC逆变器，其特征在于，包括直流电源v
dc
，所述直流电源v
dc
输出电流依次经过2个直流侧电容C1和直流侧电容C2、2个钳位二极管D1和钳位二极管D2、4个开关管S1‑
S4组成的单相逆变桥以及耦合组件后接单相交流电网v
g
。2.根据权利要求1所述的基于磁耦合纹波转移原理的NPC逆变器，其特征在于，耦合组件包括2个电感线圈L1和电感线圈L2构成的耦合电感、以及与耦合电感连接的磁耦合纹波转移通路，磁耦合纹波转移通路包括1个辅助电容C
au
。3.根据权利要求2所述的基于磁耦合纹波转移原理的NPC逆变器，其特征在于，所述直流侧电源v
dc
的正极与所述第一直流侧电容C1的正极、与所述第一开关管S1的漏极相连；所述第一直流侧电容C1的负极与所述第二直流侧电容C2的正极、与所述第一钳位二极管D1的阳极、与所述第二钳位二极管D2的阴极、与所述单相交流电网V
g
的负极相连；所述第一开关管S1的源极与所述第一钳位二极管的阴极、与所述第二开关管S2的漏极相连。4.根据权利要求3所述的基于磁耦合纹波转移原理的NPC逆变器，其特征在于，所述直流侧电源的负极与所述第二直流侧电容C2的负极、与所述第四开关管S4的源极、与所述辅助电容C
au
的负极相连；所述第二开关管S2的源极与所述第三开关管S3的漏极、与所述耦合电感L1和L2的正极相连；所述第三开关管S3的源极与所述第二钳位二极管D2的阳极、与所述第四开关管S4的漏极相连；所述耦合电感中L1的负极与所述单相交流电网V
g
的正极相连；所述耦合电感中L2的负极与所述辅助电容C
au
的正极相连。5.根据权利要求4所述的基于磁耦合纹波转移原理的NPC逆变器，其特征在于，将原有的LCL滤波器改造成由耦合电感和辅助电容构成的磁耦合纹波转移通道，在不引入额外无源元件的情况下借助磁耦合纹波转移技术进行主功率通道的电流纹波衰减。6.一种基于磁耦合纹波转移原理的NPC逆变器的的控制方法，适用于权利要求5所述的逆变器，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘尚智，林子森，蒋建波，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：