雙向能量流動(dòng)z源三相變換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及雙向能量流動(dòng)Z源三相變換器，屬于電力電子功率變換器調(diào)制及控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]Z源變換器是近年來提出的一種新型的電力電子拓?fù)?，關(guān)于Z源變換器的理論研宄和它的實(shí)踐應(yīng)用發(fā)展迅速。Z源變換器在傳統(tǒng)無源逆變，回饋式有源逆變場合，在光伏發(fā)電，燃料電池發(fā)電、交流電機(jī)傳動(dòng)中有著廣泛的應(yīng)用。Z源變換器是單級系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，效率尚，系統(tǒng)可靠性提尚。
[0003]Z源變換器的特點(diǎn)不同于傳統(tǒng)變換器。一、其直流側(cè)電源既可以為電壓源，也可以為電流源?？蛇m應(yīng)輸入電源電壓的大范圍變化，直流側(cè)電源可以為電池、二極管整流器、燃料電池堆、光伏電池等。二、具有升壓和降壓特性，不需要增加前級變換電路便可實(shí)現(xiàn)較大范圍的輸出電壓，使其應(yīng)用范圍增大。三、同相橋臂上下開關(guān)管不用加死區(qū)，Z源變換器允許同相橋臂直通。提高了系統(tǒng)的可靠性和波形質(zhì)量。
[0004]針對Z源變換器的負(fù)載由重載變換為輕載時(shí)，很可能出現(xiàn)非正常工作狀態(tài)，影響系統(tǒng)的工作情況，使系統(tǒng)的帶負(fù)載能力差，為了避免這種情況的發(fā)生往往會(huì)增大Z源網(wǎng)絡(luò)電感值，但這樣會(huì)使系統(tǒng)的體積和成本都增加；另外當(dāng)直流側(cè)電源為蓄電池或者是超級電容等儲(chǔ)能元件時(shí)傳統(tǒng)的Z源不能實(shí)現(xiàn)能量的回饋。從而導(dǎo)致了 Z源的應(yīng)用范圍的推廣使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于解決公知的Z源變換器在使用中遇到的問題，不能避免非正常工作狀態(tài)和不能實(shí)現(xiàn)能量的回饋。為了解決以上問題本發(fā)明提出了雙向流動(dòng)Z源變換器。
[0006]本發(fā)明的雙向流動(dòng)Z源變換器主要包括Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)、三相變換器。
[0007]為了避免Z源變換器的非正常工作狀態(tài)，在傳統(tǒng)的Z源變換器上采用將開關(guān)管取代二極管，再在直流電源側(cè)增加一個(gè)二極管，新增了電容。新增的二極管是考慮直流電源有可能是光伏電池或者是燃料電池時(shí)，電流不能回流而設(shè)計(jì)的。電容是為了帶輕載時(shí)為反向電流提供回路而設(shè)計(jì)的。這種拓?fù)淇梢越鉀Q非正常工作狀態(tài)給系統(tǒng)造成的影響。但是上述的改進(jìn)的Z源變換器并沒有實(shí)現(xiàn)真正意義上的能量雙向流動(dòng)，當(dāng)直流側(cè)電源為蓄電池或者超級電容等儲(chǔ)能元件時(shí)，在一定條件下，需要對其進(jìn)行充電操作，可以要求變換器側(cè)的能量能回饋到直流電源中?；谶@一點(diǎn)出發(fā)，對雙向流動(dòng)Z源變換器進(jìn)行優(yōu)化，將雙向流動(dòng)的Z源中二極管換成功率開關(guān)管，當(dāng)直流電源為光伏陣列或者燃料電池等不能接受回饋電流時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷。當(dāng)直流電源為蓄電池等能吸收能量的裝置時(shí)，開關(guān)管工作，系統(tǒng)能量可經(jīng)過開關(guān)管回饋到電源中。從而可以真正意義上實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)并且還可以解決非正常工作狀態(tài)給系統(tǒng)造成的影響。
[0008]雙向能量流動(dòng)Z源三相變換器，包括Z源網(wǎng)絡(luò)和三相變換電路，所述三相變換電路由多個(gè)開關(guān)管Qp Q2、Q3、Q4、Q5、Q6組成，且三相變換電路帶有濾波電感和負(fù)載，所述Z源網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)在三相變換電路上，所述Z源網(wǎng)絡(luò)包括直流電壓源、回流控制元件、第一電容C1、第二電容C2、第三電容C3、第一電感L1和第二電感L 2和開關(guān)管Q 7，所述回流控制元件一端接電源的正極；另一端分別連接至開關(guān)管Q7的發(fā)射極和第三電容C3，所述開關(guān)管Q7的集電極連接至第一電感L1和第一電容C i，所述第三電容C3的另一端連接至直流電壓源的負(fù)極，所述直流電壓源的負(fù)極還連接有第二電容C2和第二電感L 2，第一電感L1的另一端分別接第二電容C2和三相變換電路的輸入端；第二電感L2另一端與第一電容Ci另一端連接后再接入到三相變換器的另一個(gè)輸入端。
[0009]所述直流電壓源為不可充電電源，所述回流控制元件為二極管D。
[0010]所述直流電壓源為可充電電源，所述回流控制元件為開關(guān)管Q80
[0011 ] 本發(fā)明的有益效果是:通過對傳統(tǒng)的Z源變換器進(jìn)行改進(jìn)，既可以避免Z源變換器工作在非正常工作狀態(tài)，從而造成系統(tǒng)體積，成本和重量的增加。又可以通過控制開關(guān)管的通斷決定是否可以向直流側(cè)電源進(jìn)行充電。雙向流動(dòng)Z源實(shí)施方法靈活簡單，可以提高整體系統(tǒng)的可靠性，有助于變換器的廣泛推廣使用，尤其是在新能源的領(lǐng)域的使用。
【附圖說明】
[0012]圖1為傳統(tǒng)的Z源三相變換器的主電路結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖2為雙向能量流動(dòng)Z源三相變換器的主電路結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖3為改進(jìn)型雙向Z源三相變換器的主電路結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖4為變換器工作在零狀態(tài)。
[0016]圖5為變換器工作在有源狀態(tài)I。
[0017]圖6為變換器工作在有源狀態(tài)2。
[0018]圖7為變換器工作在有源狀態(tài)3。
[0019]圖8為變換器工作在有源狀態(tài)4。
[0020]圖9為變換器工作在零狀態(tài)。
[0021 ]圖10為變換器工作在直通狀態(tài)I。
[0022]圖11為變換器工作在直通狀態(tài)2。
[0023]圖12為變換器工作在整流模式下的非直通狀態(tài)。
[0024]圖13為變換器工作在整流模式下的直通狀態(tài)。
【具體實(shí)施方式】
[0025]圖1為傳統(tǒng)的Z源三相變換器的主電路結(jié)構(gòu)圖，Z源三相變換器具有升壓和降壓特性，不需要增加前級變換電路便可實(shí)現(xiàn)較大范圍的輸出電壓，使其應(yīng)用范圍增大。同時(shí)同一相的橋臂上下開關(guān)管不用加死區(qū)，Z源變換器允許同相橋臂直通。提高了系統(tǒng)的可靠性和波形質(zhì)量。
[0026]圖2為雙向能量流動(dòng)Z源三相變換器的主電路結(jié)構(gòu)圖，為了避免非正常工作狀態(tài)的出現(xiàn)，采用開關(guān)器件取代傳統(tǒng)Z源中的二極管D，在直流電源側(cè)增加了二極管D1，新增了電容C3。D1是考慮直流電源有可能是光伏電池或者燃料電池時(shí)，電流不能回流而設(shè)置的。電容C3是電路帶輕載時(shí)為反向電流提供回路而設(shè)計(jì)的。這種拓?fù)淇梢越鉀Q非正常工作狀態(tài)給系統(tǒng)造成的影響。
[0027]圖3為改進(jìn)型雙向Z源變換器的主電路結(jié)構(gòu)圖，如果直流側(cè)電源為蓄電池或超級電容等儲(chǔ)能元件，在一定條件下，需要對其進(jìn)行充電操作，可以要求變換器側(cè)的能量能回饋到直流電源中。此時(shí)將二極管01換成功率開關(guān)管Q8,當(dāng)直流電源ud。為光伏陣列、燃料電池等不能接受回饋電流時(shí)，開關(guān)管Q8關(guān)斷。當(dāng)直流電源Ud。為蓄電池等能吸收能量的裝置時(shí)，開關(guān)管Q8工作，系統(tǒng)能量可經(jīng)過開關(guān)管Q8回饋到電源Udc中。由于系統(tǒng)的能量可以雙向流動(dòng)，因此三相變換器可以工作在整流和逆變兩種工作狀態(tài)。
[0028]圖4為變換器工作在零狀態(tài)電源和電容C3開始向Z網(wǎng)絡(luò)電容C i和電容C 2充電。
[0029]圖5為變換器工作在有源狀態(tài)其中i in/2，逆變器輸入電流iin> Oo有源開關(guān)導(dǎo)通。電源Ud。和電容C 3向Z源網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)能元件及負(fù)載供電。
[0030]圖6為變換器工作在有源狀態(tài)其中i in/2，逆變器輸入電流iin> O仍滿足，Z源網(wǎng)絡(luò)的電容開始向負(fù)載供電。
[0031]圖7為變換器工作在有源狀態(tài)O < iin/2不滿足二極管電流連續(xù)的必要條件。iinz< 0，開關(guān)管Q7導(dǎo)通，流入Z網(wǎng)絡(luò)的電流反向流動(dòng)。Z網(wǎng)絡(luò)前兩端電壓近似等于直流源電壓，使電路正常工作。
[0032]圖8為變換器工作在有源狀態(tài)，當(dāng)0，i inz< 0，電容C JP C 2放電。
[0033]圖9為變換器工作在零狀態(tài)，09仍是導(dǎo)通狀態(tài)，i L< O, i inz< Oo
[0034]圖10為變換器工作在直通狀態(tài)，在零狀態(tài)之后加上直通信號，由于電感上的電流不能突變，iL< 0，i inz< O變換器有源器件的續(xù)流二極管全部導(dǎo)通，三相橋直流側(cè)電壓為O。
[0035]圖11為變換器工作在直通狀態(tài)，在零狀態(tài)之后，Z網(wǎng)絡(luò)電感電流反向減小到O后，加入直通信號即同一橋臂的開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)三相橋直流側(cè)電壓為O。
[0036]圖12為變換器工作在整流模式下的非直通狀態(tài)，當(dāng)整流模式下工作在非直通狀態(tài)時(shí)07和Q 8開關(guān)管導(dǎo)通。
[0037]圖13為變換器工作在整流模式下的直通狀態(tài)，當(dāng)整流模式下工作在非直通狀態(tài)時(shí)07和Q 8開關(guān)管關(guān)斷。
[0038]綜上所述:本發(fā)明解決了以下問題:1.避免Z源變換器工作在非正常工作狀態(tài)時(shí)造成系統(tǒng)體積，成本和重量的增加的問題。2.可以通過控制開關(guān)管的通斷決定是否可以向直流側(cè)電源進(jìn)行充電。從而真正意義上實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動(dòng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.雙向能量流動(dòng)Z源三相變換器，包括Z源網(wǎng)絡(luò)和三相變換電路，其特征在于:所述三相變換電路由多個(gè)開關(guān)管(QpQrQrQpQpQ6)組成，且三相變換電路帶有濾波電感和負(fù)載，所述Z源網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)在三相變換電路上，所述Z源網(wǎng)絡(luò)包括直流電壓源、回流控制元件、第一電容(C1)、第二電容(C2)、第三電容(C3)、第一電感(L1)和第二電感(L2)和開關(guān)管(Q7)，所述回流控制元件一端接電源的正極；另一端分別連接至開關(guān)管(Q7)的發(fā)射極和第三電容(C3)，所述開關(guān)管(Q7)的集電極連接至第一電感(L1)和第一電容(C1),所述第三電容(C3)的另一端連接至直流電壓源的負(fù)極，所述直流電壓源的負(fù)極還連接有第二電容(C2)和第二電感(L2)，第一電感(L1)的另一端分別接第二電容(C2)和三相變換電路的輸入端；第二電感(L2)另一端與第一電容(C1)另一端連接后再接入到三相變換器的另一個(gè)輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向能量流動(dòng)Z源三相變換器，其特征在于:所述直流電壓源為不可充電電源，所述回流控制元件為二極管(D)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向能量流動(dòng)Z源三相變換器，其特征在于:所述直流電壓源為可充電電源，所述回流控制元件為開關(guān)管(Q8)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙向能量流動(dòng)Z源三相變換器，由Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)、三相變換電路組成，雙向能量流動(dòng)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)由直流電壓源、電容C1、C2和C3電感L1和L2開關(guān)管Q7和二極管D組成；改進(jìn)的雙向能量流動(dòng)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)由直流電壓源、電容C1、C2和C3電感L1和L2開關(guān)管Q7和Q8組成。雙向流動(dòng)Z源變換器在非直通狀態(tài)時(shí)Z源網(wǎng)絡(luò)中的電流可以經(jīng)過一個(gè)開關(guān)管流入到電容中，解決了傳統(tǒng)Z源逆變器帶輕載時(shí)可能出現(xiàn)的系統(tǒng)非正常狀態(tài)問題，優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)逆變器并網(wǎng)時(shí)，由于系統(tǒng)的能量可以雙向流動(dòng)，三相變換器可以工作在整流和逆變兩種工作狀態(tài)。在新能源發(fā)電并網(wǎng)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
【IPC分類】H02M7-797
【公開號】CN104617806
【申請?zhí)枴緾N201510044636
【發(fā)明人】閆朝陽, 白鶴, 劉安平, 李建霞, 楊振華, 潘珂珂, 吳曉雨, 秦海寧
【申請人】閆朝陽, 秦皇島燕大朝華電子科技有限公司
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年1月26日