專利名稱：三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路及其控制方法，特別是涉及一種 應用于輸入電壓變化范圍較寬的太陽能、燃料電池和風力發(fā)電系統(tǒng)中的三相 并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路。
背景技術(shù)：
自從能源危機發(fā)生以來，實現(xiàn)能源、環(huán)境與經(jīng)濟三者間的協(xié)調(diào)發(fā)展已經(jīng) 成為世界各國能源建設(shè)的目標。此外，隨著負載的快速增長，傳統(tǒng)的集中式
(centmlized)發(fā)電技術(shù)逐漸暴露出很多弊端，而分布式發(fā)電技術(shù)與其相比則具 有發(fā)電方式靈活、環(huán)保性能好等優(yōu)點。將分布式發(fā)電技術(shù)應用于傳統(tǒng)的電力 系統(tǒng)，既可以滿足電力系統(tǒng)和用戶的特定要求，又可以提高系統(tǒng)的靈活性、 可靠性和經(jīng)濟性。
目前，分布式發(fā)電系統(tǒng)(distributed power generation system)的主要發(fā)電開-式有太陽能電池發(fā)電、燃料電池發(fā)電以及風力發(fā)電等等。分布式發(fā)電技術(shù)主 要包括兩種模式獨立運行模式以及與電力系統(tǒng)并聯(lián)運行模式；其中，前 者主要用在大型電網(wǎng)沒有到達的地方，后者主要用于電網(wǎng)中負載快速增加的 區(qū)域。交流產(chǎn)生電路是并網(wǎng)分布式發(fā)電系統(tǒng)中的一個重要部分。
請參閱圖l(a)，其為一種現(xiàn)有的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路的電路圖。由于 這種三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路10為單級的電路結(jié)構(gòu)，因此雖然可以達到較高 的效率，但缺點則是需要較高的電池電壓。
請參閱圖l(b)，其為另一種現(xiàn)有的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路的電路圖。這 種三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路11為兩級的電路架構(gòu)；亦即先通過前級轉(zhuǎn)換器111 將電池電壓轉(zhuǎn)換成某一設(shè)定值，再通過后級逆變器112進行輸出。其中，前 級轉(zhuǎn)換器111的典型拓撲為升壓(boost)電路或是降壓-升壓(buck-boost)電路。
采用圖l(b)的這種電路，可以極大地擴充輸入電壓的變化范圍，但缺點 也很明顯兩級的電路結(jié)構(gòu)效率較低、且無法避免由于中間的儲能大電容
所帶來的諸多負面影響。此外，后級逆變器112所采用的是傳統(tǒng)的半橋結(jié)構(gòu)， 其在高壓應用場合時本身效率就較低，且由于傳統(tǒng)的半橋開關(guān)元件的反向并 聯(lián)二極管必須充當續(xù)流回路，因此在開關(guān)元件導通時二極管必然發(fā)生反向恢 復。為了減小該反向恢復所引起的損耗， 一般不會采用金屬氧化物半導體場
效應晶體管(MOSFET)充當開關(guān)元件，這是因為金屬氧化物半導體場效應晶 體管在充當開關(guān)元件時本身的寄生二極管特性不夠好所導致。由于不能采用 MOSFET充當開關(guān)元件，因此無法利用其所呈現(xiàn)的電阻的通態(tài)特性而通過并 聯(lián)來減小其通態(tài)損耗，也無法利用其良好的開關(guān)特性來減小系統(tǒng)的開關(guān)損 耗。
三電平逆變電路通常被認為適用于高直流輸入電壓場合，而在低電壓場 合卻無任何優(yōu)勢。這是因為三電平逆變電路能夠減小開關(guān)元件的耐壓，從而 提高高壓場合的效率，故經(jīng)常被用于不斷電系統(tǒng)和電機驅(qū)動的領(lǐng)域。但是由 于在不斷電系統(tǒng)和電機驅(qū)動的領(lǐng)域中，三電平逆變電路的輸出端是連接至用 電裝置，而這些用電裝置的負載特性會隨著用電裝置運行狀態(tài)的變化而改 變。這說明了三電平逆變電路的輸出電壓及電流的相位是可變的；亦即可 能出現(xiàn)能量雙向傳輸?shù)那闆r。
請參閱圖2(a)，其為單相三電平逆變電路帶有電感性負載時對于四個開 關(guān)元件進行驅(qū)動的驅(qū)動信號波形圖。其中開關(guān)元件Sxl、 Sx4為主控元件， 而開關(guān)元件Sx2、 Sx3的驅(qū)動信號則分別與開關(guān)元件Sx4、 Sxl的驅(qū)動信號互 補。圖2(b)-圖2(e)則為該三電平逆變電路在不同狀態(tài)下工作的電路圖。
圖2(b)與圖2(d)為該三電平逆變電路處于能量傳輸模式下的電路圖，以 下通過圖2(b)為例來說明其工作過程。在圖2(b)中，開關(guān)元件Sxl高頻切換， 開關(guān)元件Sx3的驅(qū)動信號則與其互補，開關(guān)元件Sx2常通，而開關(guān)元件Sx4 常開。當開關(guān)元件Sxl導通時，輸入端通過開關(guān)元件Sxl、 Sx2和電感Lx而 向輸出端傳輸能量。而當開關(guān)元件Sxl關(guān)斷時，電感電流iLx通過二極管Dx12 和開關(guān)元件Sx2續(xù)流。
同理可知圖2(d)的工作過程。
圖2(c)與圖2(e)為該三電平逆變電路處于能量反饋模式下的電路圖，以 下通過圖2(c)為例來說明其工作過程。在圖2(c)中，開關(guān)元件Sxl高頻切換， 開關(guān)元件Sx3的驅(qū)動信號則與其互補，開關(guān)元件Sx2常通，而開關(guān)元件Sx4
常開。當開關(guān)元件Sxl導通時，由于此時電感電流iLx為負，因此電流實際 上是通過開關(guān)元件Sxl與Sx2的反向并聯(lián)二極管進行流通，此時輸出端向輸 入端反饋能量。而當開關(guān)元件Sxl關(guān)斷且開關(guān)元〗牛Sx3導通時，電感電流iLx 則通過開關(guān)元件Sx3與二極管Dx34續(xù)流。 同理可知圖2(e)的；作過程。
由以上的分析可知，當三電平逆變電路處于能量傳輸模式(例如圖2(b)) 時，由于開關(guān)元件Sx3無需充當續(xù)流元件，因此實際上可以采用低頻切換—— 即切換頻率等于輸出電壓的頻率——的方式。而在處于能量反饋模式時，由 于開關(guān)元件Sx3需充當續(xù)流元件，因此必須采用高頻切換的方式。另一方面， 由于不斷電系統(tǒng)和電機驅(qū)動的領(lǐng)域中同時存在著能量傳輸模式和能量反饋 模式兩種情況，亦即存在著能量雙向流動的情況，因此開關(guān)元件Sx3必須采 用高頻切換模式。同理開關(guān)元件Sx2也必須采用高頻切換模式。
此外，當三電平逆變電路處于能量反饋模式(例如圖2(c))時，由于開關(guān) 元件Sxl和Sx2的反向并聯(lián)二極管都會流過電流，當開關(guān)元件Sxl關(guān)斷而開 關(guān)元件Sx3導通時，開關(guān)元件Sxl和Sx2的反向并聯(lián)二極管會發(fā)生反向恢復。 由于MOSFET本身存在著寄生二極管，且其寄生二極管的反向恢復特性非 常差，因此在不斷電系統(tǒng)和電機驅(qū)動的領(lǐng)域中采用三電平逆變電路時， 一般 并不會使用MOSFET作為其開關(guān)元件。由于無法采用MOSFET充當開關(guān)元 件，因此無法利用其所呈現(xiàn)的電阻的通態(tài)特性而通過并聯(lián)來減小其通態(tài)損 耗，也無法利用其良好的開關(guān)特性來減小系統(tǒng)的開關(guān)損耗。
此外，由于太陽能電池、燃料電池等向電網(wǎng)供電的直流電源的電壓變化 范圍一般都很大，其最高輸入電壓與最低輸入電壓可以相差至好幾倍(例如3 倍以上)，所以通常無法直接選用三電平逆變電路來向電網(wǎng)供電。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上不足，提出本發(fā)明。
為實現(xiàn)上述目的， 一種三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，包括三電平升壓電路， 連接于輸入電源，該三電平升壓電路包括正升壓部分及負升壓部分；及三電 平逆變電路，連接于該三電平升壓電路，該三電平逆變電路包括正逆變部分 及負逆變部分；其中當該輸入電源為低電壓時，該低電壓先通過該三電平升 壓電路進行升壓，再通過該三電平逆變電路進行逆變而輸出；當該輸入電源 為高電壓時，該高電壓直接通過該三電平逆變電路進行逆變而輸出；其中， 該正升壓部分與該正逆變部分構(gòu)成第一升壓-降壓電路，用以輸出正半周電流 波形，而該負升壓部分與該負逆變部分構(gòu)成第二升壓-降壓電路，用以輸出負 半周電流波形。
如上所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，其中該三電平升壓電路包括至少 一個電感，連接于該輸入電源的高壓端及低壓端其中之一；利用第一中點彼 此串聯(lián)的第一開關(guān)與第二開關(guān)，連接到所述至少一個電感；及利用第二中點 彼此串聯(lián)的第一電容與第二電容，共同通過彼此反向設(shè)置的第三開關(guān)與第四 開關(guān)而并聯(lián)于該第一開關(guān)與該第二開關(guān)，且該第二中點與該第一中點相連 接。
如上所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，其中該三電平升壓電路為常規(guī)升壓 電路。
如上所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，其中該常規(guī)升壓電路包括第一電 感，連接于該連接于該輸入電源的高壓端；第一開關(guān)， 一端連接于該第一電 感，另一端連接于該輸入電源的低壓端；及利用第二中點彼此串聯(lián)的第一電 容與第二電容，通過第三開關(guān)而連接于該第一電感及該第一開關(guān)。
如上所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，其中該第一、二開關(guān)為金屬氧化物 半導體場效應晶體管，且該第三、四開關(guān)為二極管。
如上所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，其中該三電平逆變電路包括利用 該第二中點彼此串聯(lián)的該第一電容與該第二電容；及至少二個彼此并連的逆 變器，每一逆變器包括利用第三中點彼此反向串聯(lián)的第五開關(guān)與第六開關(guān)， 該第五開關(guān)的另一端連接于第七開關(guān)與第八開關(guān)之間的第四中點，該第六開 關(guān)的另一端連接于第九開關(guān)與第十開關(guān)之間的第五中點，而該第三中點與該 第二中點相連接，且該第八開關(guān)與該第九開關(guān)之間的第六中點用以提供單相 輸出。
如上所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，其中該第七、八、九、十開關(guān)為金 屬氧化物半導體場效應晶體管，且該第五、六開關(guān)為二極管。
如上所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，其中每一該第六中點還連接于第三 電感及第三電容。
如上所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，應用于三相三線式電力系統(tǒng)。 如上所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，應用于三相四線式電力系統(tǒng)。 如上所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，其中該第二中點與該第三中點還連 接于三相輸出。
如上所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，其中該輸入電源包括太陽能電池、 燃料電池、風力發(fā)電、普通電池及蓄電池。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路的控制方 法，應用于所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，該控制方法包括檢測該三相并 網(wǎng)交流產(chǎn)生電路的電流回路與直流總線電壓回路，以產(chǎn)生控制信號；及利用 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，根據(jù)該控制信號的正負，以決定對該第一升壓-降壓電路 或該第二升壓-降壓電路進行控制。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路的控制方 法，應用于所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，該控制方法包括當該輸入電壓 在高電壓與低電壓之間轉(zhuǎn)換時，使得該第一升壓-降壓電路及該第二升壓-降 壓電路分別工作在升壓狀態(tài)與降壓狀態(tài)。
本發(fā)明一方面提出一種高效率的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，其由三電平升
壓電路及三電平逆變電路所構(gòu)成。其中逆變電路采用MOSFET作為開關(guān)元
件，使得逆變電路的效率可以提高。根據(jù)電網(wǎng)電壓的極性及此時實際運作的 電路部分，該交流產(chǎn)生電路可區(qū)分為正半部分和負半部分，該正半部分和該 負半部分可以分別被視為第一升壓-降壓電路及第二升壓-降壓電路，分別產(chǎn) 生注入電網(wǎng)的正、負半周的電流波形。
該三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路非常適用于輸入電壓變化范圍較寬的場合。 當處于輸入電壓較低的低電壓模式時，升壓電路首先對輸入電壓進行升 壓，再通過逆變電路優(yōu)化運作后輸出。在這種模式下，任何時刻逆變電路只 有電壓絕對值最小的那一相做高頻切換，其余的兩相其開關(guān)元件皆運作于低 頻模式，故其效率較高。
而當處于輸入電壓較高的高電壓模式時，升壓電路常通，輸入電壓直接 通過逆變電路進行高頻切換后輸出。由于升壓電路只存在通態(tài)損耗，因此其 效率也較高。
在本發(fā)明中在高電壓模式和低電壓模式之間，還存在著一種中間電壓模式。在這種模式下，正半部分與負半部分工作于不同的模式，即正半部分處 于高電壓模式而負半部分處于低電壓模式、或是正半部分處于低電壓模式而 負半部分處于高電壓模式。
隨著輸入電壓的變化，該三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路會運行在不同的工作模 式，但不論哪種工作模式，該交流產(chǎn)生電路最多僅有三個開關(guān)元件在做高頻 切換，而使得在輸入電壓的全范圍內(nèi)，該交流產(chǎn)生電路具有很高的效率。
本發(fā)明另 一方面提出了 一種控制方法，使得該交流產(chǎn)生電路能在高電壓 模式、中間電壓模式和低電壓模式之間進行無縫式轉(zhuǎn)換。
采用了這種運作方式，對于直流總線上的電容來說，便不再需要充當中 間儲能環(huán)節(jié)，因此可采用小容量的電容即可；由于不需要諸如電解電容等 大容量的儲能元件，因此系統(tǒng)的體積和成本可以減小，可靠性及壽命亦會顯 著增加。
在本發(fā)明中，該直流輸入源可以來自于太陽能電池、燃料電池、風力發(fā) 電、常規(guī)電池以及蓄電池等，而該三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路既適用于三相三線 式電力系統(tǒng)，也適用于三相四線式電力系統(tǒng)。
本發(fā)明可以提高逆變電路的效率，并可以在輸入電壓變化范圍較寬的場 合使用。
通過本發(fā)明的下列附圖及詳細說明，以得到更深入的了解。
圖l(a)為一種現(xiàn)有的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路的電路圖l(b)為另一種現(xiàn)有的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路的電路圖2(a)為單相三電平逆變電路帶由電感性負載時對于四個開關(guān)元件進行 驅(qū)動的驅(qū)動信號波形圖2(b) (e)為圖2(a)的三電平逆變電路在不同狀態(tài)下工作的電路圖3為本發(fā)明所提出三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路的第一優(yōu)選實施例的電路
圖4為圖3的三電平逆變電路32的單相的四個開關(guān)的驅(qū)動信號的波形
圖5為圖3的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路處于高電壓模式下的等效電路圖6(a)為三相電網(wǎng)的電壓波形以及圖3的三相交流產(chǎn)生電路在低電壓模 式下所有的總線電壓的電壓波形圖6(b)為圖3的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路處于30度至90度區(qū)間內(nèi)的低電
壓模式下的等效電路圖7為本發(fā)明所提出控制方法的方塊示意圖8為本發(fā)明所提出三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路的第二優(yōu)選實施例的電路
圖9為本發(fā)明所提出三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路的第三優(yōu)選實施例的電路
圖10為本發(fā)明所提出三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路的第四優(yōu)選實施例的電路 圖；及
圖11為本發(fā)明所提出三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路的第五優(yōu)選實施例的電路圖。
其中，附圖標記說明如下 IO三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路
ll三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路 lll前級轉(zhuǎn)換器
112后級逆變器
30三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路
31三電平升壓電路
32三電平逆變電路
33第一升壓-降壓電路
34第二升壓-降壓電路
50三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路
60三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路
70控制電路
71調(diào)節(jié)器
72 PWM產(chǎn)生器
711電流回路控制器的輸出信號
712電壓回路控制器的輸出信號
713控制信號
80三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路
81三電平升壓電路
82三電平逆變電路
90三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路
91常規(guī)的升壓電路
92三電平逆變電路
100三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路
101三電平升壓電路
102三電平逆變電路
IIO三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路
111常規(guī)的升壓電路
112三電平逆變電路
具體實施例方式
請參閱圖3，其為本發(fā)明所提出三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路的第一優(yōu)選實施 例的電路圖。在圖3中，三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路30主要由三電平升壓電路 31及三電平逆變電路32所構(gòu)成，其中三電平升壓電路31連接于輸入電源 Vbat并包括正升壓部分及負升壓部分，三電平逆變電路32連接于該三電平 升壓電路31，并包括正逆變部分及負逆變部分。該正升壓部分與該正逆變部 分共同構(gòu)成第一升壓-降壓電路33，用以輸出正半周電流波形，而該負升壓 部分與該負逆變部分共同構(gòu)成第二升壓-降壓電路34，用以輸出負半周電流 波形。
在圖3的第一優(yōu)選實施例中，三電平升壓電路31包括兩個電感L1、L2 , 其分別連接于該連接于輸入電源Vbat的高、低壓端(由于電感L1、 L2是串 聯(lián)連接的，因此除了本實施方式之外，其它的實施方式還可以包括省略電感 Ll、 L2中任何一個的電路結(jié)構(gòu))；此外，三電平升壓電路31還包括了利用 第一中點彼此串聯(lián)的開關(guān)S1與開關(guān)S2， 二者連接于電感L1與L2之間。此 外，三電平升壓電路31還包括了利用第二中點彼此串聯(lián)的電容Cp與Cn， 其共同通過彼此反向設(shè)置的開關(guān)(圖中為二極管)D1與D2而并聯(lián)于開關(guān)Sl與S2，且該第二中點與該第一中點相連接。
而在三電平逆變電路32中則包括了電容Cp與Cn、以及三個彼此并連 的逆變器。以最左側(cè)的逆變器來做說明，其包括了利用第三中點彼此反向串 聯(lián)酌開關(guān)(圖中為二極管)Dal2與Da34，開關(guān)Dal2的另一端連接于開關(guān)Sal 與開關(guān)Sa2(圖中為金屬氧化物半導體場效應晶體管)之間的第四中點，開關(guān) D34的另一端連接于開關(guān)Sa3與開關(guān)Sa4(圖中為金屬氧化物半導體場效應晶 體管)之間的第五中點，而該第三中點與該第二中點相連接，且開關(guān)Sa2與開 關(guān)Sa3之間的第六中點用以提供單相輸出a。同樣結(jié)構(gòu)亦用以構(gòu)成另外兩支 逆變器，以分別提供單相輸出b與c。
三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路30非常適用于輸入電壓范圍較寬的場合。當輸 入電壓較低時，稱為低電壓模式，此時升壓電路31首先對其進行升壓，再 通過逆變電路32優(yōu)化運作后輸出。而當輸入電壓較高時，稱為高電壓模式， 在llt模式下，升壓電路31不做高頻切換，輸入電壓直接通過逆變電路32進 行髙頻切換后輸出。
此外，在高電壓模式和低電壓模式之間還存在著一種中間電壓模式，在 此禾中模式下，正半部分的第一升壓-降壓電路33與負半部分的第二升壓-降壓 電足各34工作于不同的模式，即正半部分的第一升壓-降壓電路33處于高電壓 模式時、負半部分的第二升壓-降壓電路34處于低電壓模式，或是正半部分 的第一升壓-降壓電路33處于低電壓模式時、負半部分的第二升壓-降壓電路 34處于高電壓模式。通過后面說明的控制方法，交流產(chǎn)生電路30便能在高 電壓模式、中間電壓模式和低電壓模式之間進行無縫式轉(zhuǎn)換，從而使得整個 系纟^變得非常簡單而可靠。
下面對所提出的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路30進行詳細說明。為了簡化說 明，下面的分析均以x來代表a、 b、 c三相，因此若無特殊說明，則x就等 于a、 b或c三相。
在本發(fā)明所提出利用MOSFET所構(gòu)成的三電平逆變電路32中，由于三 電平逆變電路32的電壓應力只有傳統(tǒng)半橋電路的一半，因此采用本發(fā)明的 拓中卜將有助于系統(tǒng)效率的提高。在并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路30的應用場合下，為 了7減小對電網(wǎng)的不利影響， 一方面會控制注入電網(wǎng)的電流波形，使其諧波含 量盡可能少；另一方面也會控制注入電網(wǎng)的電流的相位，使其盡可能與電網(wǎng)
電壓同步，從而減小無功電流的注入。 一般來說，當并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路的輸 出功率達到一定程度時，注入電網(wǎng)的電流ix要比流經(jīng)輸出濾波電容的電流大 很多，這說明了電感電流iLx與輸出電流ix的大小和相位都差不多。
另一方面，若忽略電容電流，則電感電流iLx可看成與電網(wǎng)電壓vx同相， 這說明了逆變電路只存在著能量傳輸模式。正如現(xiàn)有技術(shù)中所闡述的，當三
電平逆變電路32只存在著能量傳輸模式時，開關(guān)Sx2和Sx3采用低頻切換 的方式即可，此時切換頻率等于輸出電壓的頻率。同時，由于不存在能量反 饋模式，因此開關(guān)的反向并聯(lián)二極管便不再需要充當續(xù)流元件，故可采用 MOSFET充當開關(guān)，從而可以大幅減小逆變電路32的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。
圖4為圖3的三電平逆變電路32的單相的四個開關(guān)的驅(qū)動信號的波形 圖，其中橫軸為時間，縱軸由上至下還對應了輸出電壓vx與電感Lx的電流 iLx的波形。此時，Sx2、 Sx3為低頻開關(guān)，而Sxl、 Sx4則分別為正逆變部 分和負逆變部分的主控元件。該三電平逆變電路32只存在兩種工作情況， 艮PvxX)、 iLx>0的情況以及vx<0、 iLxO的情況。
當vx>0、 iLx>0時，逆變電路32的工作情況如圖2(b)所示。此時開關(guān) Sxl高頻切換，開關(guān)Sx2常通，而開關(guān)Sx3、 Sx4則常開。當開關(guān)Sxl導通 時，輸入端通過開關(guān)Sxl、 Sx2和電感Lx而向電網(wǎng)輸送能量，但當開關(guān)Sxl 關(guān)斷時，電感電流iLx通過二極管Dxl2而續(xù)流。
當vxO、 iLxO時，逆變電路32工作情況如周2(d)所示。此時開關(guān)Sx4 高頻切換，開關(guān)Sx3常通，而開關(guān)Sxl、 Sx2常開。當開關(guān)Sx4導通時，輸 入端通過開關(guān)Sx3、 Sx4和電感Lx向電網(wǎng)輸送能量，但當開關(guān)Sx4關(guān)斷時， 電感電流iLx通過二極管Dx34而續(xù)流。
由以上的分析可知，在任何時刻，電流都不會通過開關(guān)Sxl、 Sx2、 Sx3 和Sx4的反向并聯(lián)二極管，因此其反向并聯(lián)二極管就不會發(fā)生反向恢復的問 題，所以本發(fā)明可以采用MOSFET充當開關(guān)元件。雖然MOSFET的寄生二 極管特性極差，但是受到工作過程的影響并不會發(fā)生反向恢復的現(xiàn)象。由于 MOSFET的通態(tài)呈現(xiàn)了電阻特性，因此采用開關(guān)元件并聯(lián)的方式，可以將其 通態(tài)損耗大大地減小。同時，由于MOSFET與其它一些全控器件(如IGBT 等)相比具有更好的開關(guān)特性，因此其開關(guān)損^也可以顯著減小。因此，本發(fā) 明采用MOSFET之后，對于電路的通態(tài)損耗與開關(guān)損耗兩方面來說都可以顯著地提高系統(tǒng)效率。
(1) 高電壓模式
當輸入電壓較高時，稱為高電壓模式。在此模式下，升壓電路31直通，
輸入電壓直接通過逆變電路32經(jīng)高頻切換后輸出。圖3的三相并網(wǎng)交流產(chǎn) 生電路處于高電壓模式下的等效電路如圖5所示。在此種模式下，升壓電路 31的開關(guān)S1和S2常開，電流直接通過電感L1、 L2和二極管D1、 D2流通。 故在升壓電路31上只有通態(tài)損耗而無開關(guān)損耗，而逆變電路32進行正常切 換。
根據(jù)以上的分析，在高電壓模式時各開關(guān)的工作情況如下所示
Sl和S2常開；
vxX)時，開關(guān)Sxl高頻切換，開關(guān)Sx2常閉，開關(guān)Sx3、 Sx4常開；及 vxO時，開關(guān)Sx4高頻切換，開關(guān)Sx3常閉，開關(guān)Sxl、 Sx2常開。
由此可知在高電壓模式下，在任何時刻僅有三個開關(guān)元件做高頻切換， 因此系統(tǒng)效率可以變得較高。
(2) 低電壓模式
當輸入電壓較低時，稱為低電壓模式，此時升壓電路31首先對其進行 升壓，再通過逆變電路32調(diào)制后輸出。在低電壓模式時，升壓電路31和逆 變電路21都作高頻切換，但通過優(yōu)化運作，同樣可提高系統(tǒng)效率。
圖6(a)為三相電網(wǎng)的電壓波形以及圖3的三相交流產(chǎn)生電路在低電壓模 式下所有的總線電壓(VbUS = vp+Vn)的電壓波形圖。其中橫軸為一個周期， 以下以30度至90度的區(qū)間為例來說明低電壓模式下的工作情況。
圖6(b)為圖3的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路處于30度至卯度區(qū)間內(nèi)的低電 壓模式下的等效電路圖。在該區(qū)間內(nèi)，A相電壓為正的最大，開關(guān)Sal、 Sa2 常閉，開關(guān)Sa3、 Sa4常開，B相電壓為負的最大，開關(guān)Sb3、 Sb4常閉，Sbl、 Sb2常開。因此總線電壓Vbus等于線電壓vab。而C相電壓則處于兩者之間， 橋臂做高頻切換。當vOO時，開關(guān)Spl高頻切換，開關(guān)Sc2常閉，開關(guān)Sc3、 Sc4常開；但當vcO時，開關(guān)Sc4高頻切換，開關(guān)Sc3常閉，開關(guān)Scl、 Sc2常開。此時，升壓電路31的兩個開關(guān)S1、 S2均做高頻切換，并將電池 電壓(Vbat)升至總線電壓(Vbus =vab)。以下對該區(qū)間(30度至90度)的情況 做總結(jié)如下
開關(guān)S1和S2高頻切換；
A相開關(guān)Sal、 Sa2常閉，開關(guān)Sa3、 Sa4常開；
B相開關(guān)Sb3、 Sb4常閉，開關(guān)Sbl、 Sb2常開；及
C相vO0時，開關(guān)Scl高頻切換，開關(guān)Sc2常閉，開關(guān)Sc3、 Sc4常 開，但vcO時，開關(guān)Sc4高頻切換，開關(guān)Sc3常閉，開關(guān)Scl、 Sc2常開。
同理可以得知其它區(qū)間內(nèi)的工作情況。
由以上的分析可知在低電壓模式下，任何時刻也僅有三個開關(guān)元件做高 頻切換，因此系統(tǒng)效率可達到較高。同時，由于逆變電路32做高頻切換的 那一相處于其輸出電壓電流的過零點附近，故有助于進一步地減小開關(guān)損 耗。
(3)中間電壓模式
在高電壓模式和低電壓模式之間，存在著一種中間電壓模式。這種情況
下，正半部分的第一升壓-降壓電路33與負半部分的第二升壓-降壓電路34
工作在不同的模式，即正半部分的第一升壓-降壓電路33處于高電壓模式、
而負半部分的第二升壓-降壓電路34處于低電壓模式，或是正半部分的第一
升壓-降壓電路33處于低電壓模式、而負半部分的第二升壓-降壓電路34處
于高電壓模式。理論上考慮到對稱性，正半部分與負半部分應該是同樣的工
作模式，但在實際調(diào)節(jié)過程中輸入電壓在臨界點=(T *)F'， Vo為
電網(wǎng)相電壓有效值；電網(wǎng)電壓為220V時臨界點為466~538V左右)附近時，
正負兩部分有可能出現(xiàn)不同的工作模式。因此結(jié)合上面所闡述的高壓模式與
低壓模式的工作情況，下面以正半部分的第一升壓-降壓電路33處于高電壓
模式而負半部分的第二升壓-降壓電路34處于低電壓模式、且工作區(qū)間為30
度至60度(va〉vOOvb)為例來說明中間電壓模式的工作情況
正半部分的第一升壓-降壓電路33為高電壓模式(a相與c相)
Sl常開；
vx>0，開關(guān)Sxl高頻切換，開關(guān)Sx2常閉，開關(guān)Sx3、 Sx4常開，x分 別等于a、 c; 負半部分的第二升壓-降壓電路34為低電壓模式(b相) 開關(guān)S2高頻切換；
開關(guān)Sb3、 Sb4常閉，開關(guān)SM、 Sb2常開；
其它區(qū)間情況以此類推。同樣也可推得中間電壓模式的另一種情況；亦 即正半部分的第一升壓-降壓電路33處于低電壓模式而負半部分的第二升壓 -降壓電路34處于高電壓模式在不同區(qū)間內(nèi)的工作情況。
通過以上的分析可知，在中間電壓模式，任何時刻也僅有三個開關(guān)元件 做高頻切換，系統(tǒng)效率同樣可以做到較高。
由于本發(fā)明的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路存在以上三種工作模式，通過一種 統(tǒng)一控制方法可以實現(xiàn)這三種工作模式之間的自然無縫轉(zhuǎn)換，從而使得輸入 電壓在較寬范圍內(nèi)變化時系統(tǒng)能可靠運行。請參閱圖7，其為本發(fā)明所提出 控帝U方法的方塊示意圖，圖中的控制電路70由調(diào)節(jié)器71與PWM產(chǎn)生器72 所組成。
調(diào)節(jié)器71由電流回路控制器和直流總線電壓回路控制器所構(gòu)成。電流 回路控制器用于控制注入電網(wǎng)的三相電流，使其諧波含量盡可能減少，同時 又會g維持較高的輸出功率因數(shù)。而電壓回路控制器用來將正負總線電壓(即 vp、 vn)控制成設(shè)定的波形。
電流回路控制器的輸出711與電壓回路控制器712的輸出共同成為交流 產(chǎn)生電路的升壓電路與逆變電路中的三相開關(guān)元件的控制信號dx，為了安全 起見將dx值通過限幅處理限定在某一范圍內(nèi)，例如-4^^dx^4爐。
如前所述，根據(jù)電網(wǎng)電壓的極性以及此時實際運作的電路部分，該交流 產(chǎn)生電路可區(qū)分為正半部分的第一升壓-降壓電路和負半部分的第二升壓-降 壓電路，分別用以產(chǎn)生注入電網(wǎng)的正、負半周的電流波形。所以當cbcX)時， 控希iJ的是正半部分的第一升壓-降壓電路的特性，而當dx《0，控制的是負半 部力、的第二升壓-降壓電路的特性。根據(jù)三相三電平逆變電路的特性，da、 db、 dc—定有正有負，但在實際運作中，根據(jù)dx的正負極性及大小關(guān)系對dx進 行相應的處理，即可實現(xiàn)三相交流產(chǎn)生電路的升壓電路部分與逆變電路部分 之間的協(xié)調(diào)運作，以實現(xiàn)其在三種工作模式間的自然無縫轉(zhuǎn)換。
當電流回路控制器輸出711與電壓回路控制器輸出712之和dx (x=a, b， c) 的絕對值均小于1時，說明了僅靠逆變電路部分就能實現(xiàn)三相的正常輸出，
而三相交流產(chǎn)生電路工作在高電壓模式。升壓電路部分的Sl、 S2常開，此 時逆變電路部分的開關(guān)元件直接用dx控制即可。
但當輸出711與712之和dxCx=a， b， c)中至少各有一個正值和負值的絕對 值大于1時，說明了此時僅靠逆變電路部分無法實現(xiàn)三相的正常輸出，三相 交流產(chǎn)生電路必須工作在低電壓模式。升壓電路部分首先對輸入電壓進行升 壓，再依靠逆變電路部分實現(xiàn)三相的正常輸出。通過對三相交流產(chǎn)生電路的 占空比dx作相應處理，即可得到升壓電路部分和逆變電路部分的開關(guān)元件 的控制信號。
而當輸出711與712之和dx (x=a， b， c)中至少有一個正值大于1且負值 的絕對值均小于1、或是至少有一個負值的絕對值大于1且正值均小于1， 說明了三相交流產(chǎn)生電路工作在中間電壓模式。這時結(jié)合正半部分與負半部 分各自的工作模式及前面所介紹的高壓及低壓模式的占空比處理方式，很容 易地就能實現(xiàn)中間電壓模式的占空比處理方式。
通過以上描述可看出，當輸入電壓發(fā)生變化時，通過所提出的統(tǒng)一控制 方法，系統(tǒng)可在不同模式之間自由地進行無縫式轉(zhuǎn)換。同時，通過對各種工 作模式進行優(yōu)化處理，便可以保證系統(tǒng)在輸入電壓的全范圍之內(nèi)都具有較高 的效率。
此外，采用了這種運作方式，對于直流總線上的電容Cp、 Cn來說，其 不再需要充當中間儲能環(huán)節(jié)，故采用小容量的電容即可。而正由于不再需要 采用諸如電解電容等大容量的儲能元件，因此不但系統(tǒng)的體積和成本會減 小，其可靠度及壽命也會顯著增加。
值得一提的是，本發(fā)明的直流輸入源可來自于太陽能電池、燃料電池、 風力發(fā)電、常規(guī)電池以及蓄電池等，而本發(fā)明所提出的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電 路及其控制方法既適用于三相三線式(3P3W)系統(tǒng)也適用于三相四線式 (3P4W)系統(tǒng)，以下提出多個示例加以說明。
請參閱圖8，其為本發(fā)明所提出三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路的第二優(yōu)選實施 例的電路圖，圖中是將三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路80應用于三相三線式系統(tǒng)的 一種實施方法。升壓電路81為三電平升壓電路，而逆變電路82則為雙橋臂 三電平逆變電路。由于三相三線式系統(tǒng)只有兩相電流是獨立的，因此只要控 制兩相電流就能實現(xiàn)對第三相電流的控制，因此這種雙橋臂逆變電路可以確 保對三相輸出電流進行的完美控制。
請參閱圖9，其為本發(fā)明所提出三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路的第三優(yōu)選實施 例的電路圖，圖中將三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路卯應用于三相三線式系統(tǒng)的另
一種實施方法。升壓電路91為常規(guī)的升壓電路，而逆變電路92為三電平逆 變電路。在這種情況下，正升壓電路與負升壓電路是同一部分。
請參閱圖10，其為本發(fā)明所提出三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路的第四優(yōu)選實施 例的電路圖，圖中是將三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路100應用于三相四線式系統(tǒng)的 一種實施方法。其中，升壓電路101為三電平升壓電路，而逆變電路102則 為三電平逆變電路，且開關(guān)Sl與S2之間的第二中點以及電容Cp與Cn之 間的第三中點同時還連接于三相輸出。
請參閱圖11，其為本發(fā)明所提出三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路的第五優(yōu)選實施 例的電路圖，圖中是將三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路110應用于三相四線式系統(tǒng)的 另一種實施方法。其中，升壓電路111為常規(guī)的升壓電路，而逆變電路112 則為三電平逆變電路。
綜上所述，本發(fā)明提出一種高效率的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，是由三電 平升壓電路及三電平逆變電路所構(gòu)成。其中逆變電路采用MOSFET作為開 關(guān)元件，使得逆變電路的效率可以提高；該三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路非常適 用于輸入電壓變化范圍較寬的場合。
本發(fā)明可由所屬領(lǐng)域技術(shù)人員作各種修飾，然其皆不脫離后附的權(quán)利要 求所要保護的范圍。
權(quán)利要求
1.一種三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，包括三電平升壓電路，連接于輸入電源，該三電平升壓電路包括正升壓部分及負升壓部分；及三電平逆變電路，連接于該三電平升壓電路，該三電平逆變電路包括正逆變部分及負逆變部分；其中當該輸入電源為低電壓時，該低電壓先通過該三電平升壓電路進行升壓，再通過該三電平逆變電路進行逆變而輸出；當該輸入電源為高電壓時，該高電壓直接通過該三電平逆變電路進行逆變而輸出；其特征在于，該正升壓部分與該正逆變部分構(gòu)成第一升壓-降壓電路，用以輸出正半周電流波形，而該負升壓部分與該負逆變部分構(gòu)成第二升壓-降壓電路，用以輸出負半周電流波形。
2. 如權(quán)利要求1所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，其中該三電平升壓電路 包括至少一個電感，連接于該輸入電源的高壓端及低壓端其中之一； 利用第一中點彼此串聯(lián)的第一開關(guān)與第二開關(guān)，連接到所述至少一個電 感；及利用第二中點彼此串聯(lián)的第一電容與第二電容，共同通過彼此反向設(shè)置 的第三開關(guān)與第四開關(guān)而并聯(lián)于該第一開關(guān)與該第二開關(guān)，且該第二中點與 該第一中點相連接。
3. 如權(quán)利要求1所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，其中該三電平升壓電路 為常規(guī)升壓電路。
4. 如權(quán)利要求1所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，其中該常規(guī)升壓電路包括第一電感，連接于該連接于該輸入電源的高壓端；第一開關(guān)， 一端連接于該第一電感，另一端連接于該輸入電源的低壓端；及利用第二中點彼此串聯(lián)的第一電容與第二電容，通過第三開關(guān)而連接于該第一電感及該第一開關(guān)。
5. 如權(quán)利要求2或權(quán)利要求4所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，其中該第 一、二開關(guān)為金屬氧化物半導體場效應晶體管，且該第三、四開關(guān)為二極管。
6. 如權(quán)利要求1所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，其中該三電平逆變電路包括利用該第二中點彼此串聯(lián)的該第一電容與該第二電容；及至少二個彼此并連的逆變器，每一逆變器包括利用第三中點彼此反向串聯(lián)的第五開關(guān)與第六開關(guān)，該第五開關(guān)的另一 端連接于第七開關(guān)與第八開關(guān)之間的第四中點，該第六開關(guān)的另一端連接于 第九開關(guān)與第十開關(guān)之間的第五中點，而該第三中點與該第二中點相連接， 且該第八開關(guān)與該第九開關(guān)之間的第六中點用以提供單相輸出。
7. 如權(quán)利要求6所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，其中該第七、乂V、九、十開關(guān)為金屬氧化物半導體場效應晶體管，且該第五、六開關(guān)為二極管。
8. 如權(quán)利要求6所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，其中每一該第六中點還 連接于第三電感及第三電容。
9. 如權(quán)利要求1所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，應用于三相三線式電力 系統(tǒng)。
10. 如權(quán)利要求1所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，應用于三相四線式電力 系統(tǒng)。
11. 如權(quán)利要求IO所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，其中該第二中點與該 第三中點還連接于三相輸出。
12. 如權(quán)利要求1所述的三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，其中該輸入電源包括太 陽能電池、燃料電池、風力發(fā)電、普通電池及蓄電池。
13. —種三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路的控制方法，應用于權(quán)利要求1所述的三 相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，該控制方法包括檢測該三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路的電流回路與直流總線電壓回路，以產(chǎn)生 控制信號；及利用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，根據(jù)該控制信號的正負，以決定對該第一升壓 -降壓電路或該第二升壓-降壓電路進行控制。
14. 一種三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路的控制方法，應用于權(quán)利要求1所述的三 相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路，該控制方法包括 當該輸入電壓在高電壓與低電壓之間轉(zhuǎn)換時，使得該第一升壓-降壓電路 及該第二升壓-降壓電路分別工作在升壓狀態(tài)與降壓狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種三相并網(wǎng)交流產(chǎn)生電路及其控制方法。該電路包括三電平升壓電路及三電平逆變電路，該三電平升壓電路連接于輸入電源并包括正升壓部分及負升壓部分，該三電平逆變電路連接于該三電平升壓電路，并包括正逆變部分及負逆變部分；其中當該輸入電源為低電壓時，該低電壓先通過該三電平升壓電路進行升壓，再通過該三電平逆變電路進行逆變而輸出；當該輸入電源為高電壓時，該高電壓直接通過該三電平逆變電路進行逆變而輸出；且該正升壓部分與該正逆變部分構(gòu)成第一升壓-降壓電路，用以輸出正半周電流波形，而該負升壓部分與該負逆變部分構(gòu)成第二升壓-降壓電路，用以輸出負半周電流波形。本發(fā)明可以提高逆變電路的效率。
文檔編號H02M7/537GK101197547SQ20061016473
公開日2008年6月11日 申請日期2006年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月6日
發(fā)明者應建平, 易德剛, 朱秋花, 蔡文蔭, 譚驚濤, 馬昌贊 申請人:臺達電子工業(yè)股份有限公司