專利名稱：一種三端口全橋逆變器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種逆變器及其控制方法，特別是關(guān)于一種新能源發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域中的三端口全橋逆變器及其控制方法。
背景技術(shù)：
隨著能源危機和環(huán)境污染問題日益嚴重，溫差發(fā)電、太陽能、風能、燃料電池等新能源發(fā)電技術(shù)成為世界各國關(guān)注和研究的熱點。新能源發(fā)電系統(tǒng)按照是否與公共電網(wǎng)相連接，分為并網(wǎng)運行和獨立運行兩種方式。獨立運行的新能源發(fā)電系統(tǒng)是新能源發(fā)電應(yīng)用的非常重要的一種方式，可以解決偏遠山區(qū)、孤島等無電網(wǎng)地區(qū)的供電問題。獨立運行的新能源發(fā)電設(shè)備固有的缺陷為獨立新能源供電系統(tǒng)帶來了一些新的難題和挑戰(zhàn)，如溫差電池、 風能、太陽能發(fā)電由于受到溫度、風速日照強度等外界條件變化的影響而不能持續(xù)、穩(wěn)定的輸出電能。因此，獨立運行的新能源發(fā)電系統(tǒng)必須配備一定容量的儲能裝置。儲能裝置起到能量平衡和支撐作用，及時補充系統(tǒng)的短時峰值功率，回收多余功率，保證供電的連續(xù)性和可靠性，提高電能的利用率，并且可以確保發(fā)電設(shè)備在輸出功率或負載功率波動較大時，仍能夠保持良好的穩(wěn)定性。獨立新能源供電系統(tǒng)中，由于需要對新能源發(fā)電設(shè)備的輸出功率、蓄電池等儲能裝置的充放電控制功率以及供電負載功率同時進行管理和控制，通常采用多個兩端口變換器組合構(gòu)成功率管理與控制系統(tǒng)，但是由于其變換器的數(shù)目多、各個變換器分時工作，系統(tǒng)功率密度低、體積重量大、成本高，且由于各個變換器彼此分散控制且各自獨立工作，有損系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。針對上述應(yīng)用背景及存在的問題，研究工作者提出采用三端口變換器代替上述多個獨立的變換器來實現(xiàn)獨立新能源發(fā)電系統(tǒng)的功率管理，如文獻 “Li ffuhua, Xiao Jianguo, Zhao Yi, He Xiangning. PWM plus phase angle shiftPPAS control scheme for combined multiport DC/DC converters[J]. IEEE Trans,on PE, 2012，273:1479-1489” 和文獻 “Hariharan Krishnaswami, Ned Mohan. Three-PortSeries Resonant DC-DC Converter to Interface Renewable Energy Sources WithBidirectional Load and Energy Storage Ports, IEEE Transactions on Power Electronics, 2009, 2410:2289-2297”。現(xiàn)有的三端口變換器的各個端口的輸出電流都是直流，不能用于交流負載的功率管理與控制。然而交流電機等交流負載是獨立新能源供電系統(tǒng)中普遍存在的一類負載，對于交流端口和直流端口混合的三端口變換器，目前的解決方案還很少。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種交流端口和直流端口混合的三端口全橋逆變器及其控制方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種三端口全橋變換器，其包括一輸入源、四個開關(guān)管、一蓄電池、一電感、一輸出濾波電感、一輸出濾波電容和一交流負載，第一個所述開關(guān)管的源極與第二個所述開關(guān)管的漏極串聯(lián)構(gòu)成第一個開關(guān)橋臂，用于控制三端口全橋逆變器的輸出功率；第三個所述開關(guān)管的源極與第四個所述開關(guān)管的漏極串聯(lián)構(gòu)成第二個開關(guān)橋臂，用于控制三端口全橋逆變器的輸出功率以及蓄電池Ub的充放電；所述輸入源正極分別連接第三個所述開關(guān)管漏極和第一個開關(guān)管漏極，負極分別連接所述蓄電池的負極、第四個開關(guān)管源極和第二個開關(guān)管源極；所述蓄電池的正極經(jīng)所述電感依次連接第二個所述開關(guān)橋臂的中點，以及所述輸出濾波電感的一端；第一個所述開關(guān)橋臂的中點分別連接所述輸出濾波電容的一端，以及所述交流負載的一端；所述輸出濾波電容另一端和交流負載另一端均連接所述輸出濾波電感的另一端。所述輸入源、第三個開關(guān)管、第四個開關(guān)管、蓄電池和電感構(gòu)成雙向直流變換器，所述雙向直流變換器與所述三端口全橋逆變器共用所述第二個開關(guān)橋臂。四個所述開關(guān)管都采用MOSFET或都采用具有反并聯(lián)二極管的IGBT。四個所述開關(guān)管采用相同的開關(guān)頻率，第一個所述開關(guān)管與第二個所述開關(guān)管互補導通，第三個所述開關(guān)管與第四個所述開關(guān)管互補導通。 基于上述一種三端口全橋變換器的控制方法，其特征在于四個所述開關(guān)管采用相同的開關(guān)頻率，第一個所述開關(guān)管和第二個所述開關(guān)管互補導通，第三個所述開關(guān)管和第四個所述開個關(guān)管互補導通；當?shù)谝粋€所述開關(guān)管和第三個所述開關(guān)管同時導通，則第二個所述開關(guān)管和第四個所述開關(guān)管同時關(guān)斷；通過控制第一個所述開關(guān)管和第二個所述開關(guān)管的開關(guān)頻率，來調(diào)節(jié)所述三端口全橋逆變器交流負載側(cè)的輸出功率；通過控制第三個所述開關(guān)管和第四個所述開關(guān)管的占空比，來調(diào)節(jié)所述蓄電池的充放電功率以及所述輸入源的輸入功率。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明由于在現(xiàn)有技術(shù)兩端口全橋逆變器的基礎(chǔ)上引入了能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池充放電控制的第三端口，使其形成了一三端口全橋逆變器，因此采用本發(fā)明可以同時實現(xiàn)對交流負載、蓄電池和輸入源的功率管理和控制。2、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)采用多個直流變換器和一個逆變器的方式相比，各端口之間實現(xiàn)了單級功率變換，有效地提高了變換效率，減少了開關(guān)器件和控制電路，降低了體積、重量、成本和功率損耗。3、本發(fā)明方法由于是通過兩個開關(guān)臂對交流負載、蓄電池和輸入源進行集中控制，因此不但使得控制簡單，而且穩(wěn)定性和可靠性高。4、本發(fā)明還可以有帶隔離變壓器的輸出方式，分別在交流負載與輸出濾波電容之間，輸出濾波電容與所述第二電感之間，第二電感與兩個開關(guān)橋臂中點之間，連接一隔離變壓器，以起到隔離、調(diào)壓的作用。本發(fā)明能廣泛應(yīng)用于新能源發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域中的。


圖I是本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)2是本發(fā)明在第一開關(guān)模態(tài)下的等效電路3是本發(fā)明在第二開關(guān)模態(tài)下的等效電路4是本發(fā)明在第三開關(guān)模態(tài)下的等效電路5是本發(fā)明在第四開關(guān)模態(tài)下的等效電路6是本發(fā)明的一種實施例所對應(yīng)的主要工作波形7是本發(fā)明帶隔離變壓器的實施例一的電路結(jié)構(gòu)8是本發(fā)明帶隔離變壓器的實施例二的電路結(jié)構(gòu)圖
圖9是本發(fā)明帶隔離變壓器的實施例三的電路結(jié)構(gòu)圖以上圖中的符號名稱Uin為輸入源；Si、S2、S3> S4分別為第一、二、三、四開關(guān)管；Li和L2分別為第一電感、第二電感；C。為輸出濾波電容；R。為交流負載；Ub為蓄電池；T為隔離變壓器；ib為蓄電池電流。為交流負載R。側(cè)的輸出電壓；uleg為兩個開關(guān)橋臂中點間的電壓；u。。為輸出電壓U。的控制電壓為蓄電池Ub充放電控制的控制電壓；uM為鋸齒載波；uGSl、Ugs2 > Ugs3 > Ugs4分別為第一、二、三、四開關(guān)管Sp S2、S3、S4的驅(qū)動電壓；t為時間。
具體實施例方式下面結(jié)合圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。本發(fā)明的三端口全橋逆變器是在傳統(tǒng)兩端口全橋逆變器的基礎(chǔ)上引入了一個雙向輸入/輸出的直流端口，并將該端口與蓄電池相連，從而構(gòu)成了三端口全橋逆變器。如圖 I所不，本發(fā)明包括一輸入源Uin、四個開關(guān)管S1 S4、一蓄電池Ub、一電感L1、一輸出濾波電感L2、一輸出濾波電容Ctl和一交流負載Rtl,第一個開關(guān)管S1的源極與第二個開關(guān)管S2的漏極串聯(lián)構(gòu)成第一個開關(guān)橋臂，用于控制三端口全橋逆變器的輸出功率；第三個開關(guān)管S3的源極與第四個開關(guān)管S4的漏極串聯(lián)構(gòu)成第二個開關(guān)橋臂，用于控制三端口全橋逆變器的輸出功率，同時還用于管理蓄電池Ub的充放電。輸入源Uin的正極分別連接第三個開關(guān)管S3漏極和第一個開關(guān)管S1漏極，輸入源Uin的負極分別連接蓄電池Ub的負極、第四個開關(guān)管S4的源極和第二個開關(guān)管S2的源極。蓄電池Ub的正極經(jīng)第一電感L1依次連接第二個開關(guān)橋臂的中點，以及輸出濾波電感L2的一端。其中，第二個開關(guān)橋臂的中點即為第三個開關(guān)管S3與第四個開關(guān)管S4的串聯(lián)公共端。第一個開關(guān)橋臂的中點分別連接輸出濾波電容Ctl的一端，以及交流負載Rtl的一端；輸出濾波電容Ctl的另一端和交流負載Rtl的另一端均連接輸出濾波電感L2的另一端。其中，第一個開關(guān)橋臂的中點即為第一個開關(guān)管S1與第二個開關(guān)管S2的串聯(lián)公共端。上述實施例中，輸入源Uin、第三個開關(guān)管S3、第四個開關(guān)管S4、蓄電池Ub和電感L1構(gòu)成雙向直流變換器，該雙向直流變換器與三端口全橋逆變器共用第二個開關(guān)橋臂，減少了開關(guān)管的數(shù)量，降低本發(fā)明三端口全橋逆變器的體積、重量、成本和功率損耗，并實現(xiàn)了輸入源Uin、蓄電池Ub和交流負載Rtl的功率管理。上述各實施例中，四個開關(guān)管S1 S4可以都采用M0SFET，也可以都采用具有反并聯(lián)二極管的IGBT。上述各實施例中，四個開關(guān)管S1 S4采用相同的開關(guān)頻率，并且第一個開關(guān)管S1與第二個開關(guān)管S2互補導通，第三個開關(guān)管S3與第四個開關(guān)管S4互補導通。本發(fā)明的三端口全橋逆變器控制方法如下四個開關(guān)管S1 S4采用相同的開關(guān)頻率，第一個開關(guān)管S1和第二個開關(guān)管S2互補導通，第三個開關(guān)管S3和第四個開關(guān)管S4互補導通。當?shù)谝粋€開關(guān)管S1和第三個開關(guān)管S3同時導通，則第二個開關(guān)管S2和第四個開關(guān)管S4同時關(guān)斷。通過控制第一個開關(guān)管S1和第二個開關(guān)管S2的開關(guān)頻率，來調(diào)節(jié)交流負載R。側(cè)的輸出功率；通過控制第三個開關(guān)管S3和第四個開關(guān)管S4的占空比，來調(diào)節(jié)蓄電池Ub的充放電功率以及輸入源Uin的輸入功率。綜上所述，根據(jù)三端口全橋逆變器控制方法，本發(fā)明的三端口全橋逆變器具有以下四種開關(guān)模態(tài) 第一開關(guān)模態(tài)如圖2所示，第一個開關(guān)管S1和第三個開關(guān)管S3導通，第二個開關(guān)管S2和第四個開關(guān)管S4關(guān)斷。在該模態(tài)下，兩個開關(guān)橋臂中點間的電壓Uleg等于0，此時，若蓄電池Ub工作在充電狀態(tài)，則電感L1中的電流線性增加；若蓄電池Ub工作在放電狀態(tài)，則電感L1中的電流線性減小。第二開關(guān)模態(tài)如圖3所示，第二個開關(guān)管S2和第三個開關(guān)管S3導通，第一個開關(guān)管S1和第四個開關(guān)管S4關(guān)斷。在該模態(tài)下，兩個開關(guān)橋臂中點間的電壓Uleg等于輸入源Uin的電壓，此時，若蓄電池Ub工作在充電狀態(tài)，則感L1中的電流線性增加；若蓄電池Ub工作在放電狀態(tài)，則電感L1中的電流線性減小。第三開關(guān)模態(tài)如圖4所示，第二個開關(guān)管S2和第四開關(guān)管S4導通，第一個開關(guān)管S1和第三個開關(guān)管S3關(guān)斷。在該模態(tài)下，兩個開關(guān)橋臂中點間的電壓Uleg等于0，此時，若蓄電池Ub工作在充電狀態(tài)，則電感L1中的電流線性減??；若蓄電池Ub工作在放電狀態(tài)，則電感L1中的電流線性增加。 第四開關(guān)模態(tài)如圖5所示，第一個開關(guān)管S1和第四個開關(guān)管S4導通，第二個開關(guān)管S2和第三個開關(guān)管S3關(guān)斷。在該模態(tài)下，兩個開關(guān)橋臂中點間的電壓Uleg的幅值等于輸入源Uin的電壓，但兩個開關(guān)橋臂中點間的電壓Uleg與輸入源Uin的極性相反，此時，若蓄電池Ub工作在充電狀態(tài)，則電感L1中的電流線性減小；若蓄電池Ub工作在放電狀態(tài)，則電感L1中的電流線性增加。下面通過一個具體實施例對本發(fā)明的三端口全橋逆變器控制方法做進一步說明。實施例如圖6所示，在本實施例中，選取鋸齒波Um作為載波，用于控制蓄電池Ub充放電的控制電壓為U。,，用于控制本發(fā)明的三端口全橋逆變器交流負載R。側(cè)輸出電壓的控制電壓為u。。，其中控制電壓Uc;b、U。。均由外部電路提供。控制電壓Ud3和控制電壓U。。同時與鋸齒載波Utai相比較，產(chǎn)生對相應(yīng)各開關(guān)管的導通、關(guān)斷信號。當控制電壓U。。大于鋸齒載波Um時，第一開關(guān)管S1開通、第二開關(guān)管S2關(guān)斷，反之，當控制電壓Uco小于鋸齒載波Um時，第一開關(guān)管S1關(guān)斷、第二開關(guān)管S2開通；當控制電壓IU大于鋸齒載波utH時，第三開關(guān)管S3開通、第四開關(guān)管S4關(guān)斷，反之，當控制電壓IU小于鋸齒載波Utai時，第三開關(guān)管S3關(guān)斷、第四開關(guān)管S4開通；采用上述載波和信號產(chǎn)生策略，得到了本發(fā)明控制方法所述的開關(guān)時序，該開關(guān)時序能夠使得兩個開關(guān)橋臂中點間的電壓Uleg跟隨控制電壓U。。的變化，經(jīng)過濾波后，輸出電壓U。能夠跟隨其控制電壓U。。的變化。由此可知，在輸出電壓U。的正半周，三端口全橋逆變器在第一開關(guān)模態(tài)、第四開關(guān)模態(tài)、第三開關(guān)模態(tài)之間循環(huán)切換，即每個開關(guān)周期都按照第一、第四、第三開關(guān)模態(tài)的開關(guān)順序切換；在輸出電壓U。的負半周，三端口全橋逆變器在開關(guān)模態(tài)第一開關(guān)模態(tài)、第二開關(guān)模態(tài)、第三開關(guān)模態(tài)之間循環(huán)切換，即每個開關(guān)周期都按照第一、第二、第三開關(guān)模態(tài)的開關(guān)順序切換。根據(jù)本技術(shù)領(lǐng)域?qū)I(yè)常識，在三端口全橋逆變器的基礎(chǔ)上還可以引入隔離變壓器，構(gòu)成輸出隔離的三端口全橋逆變器。其中，隔離變壓器的工作頻率與三端口全橋逆變器的輸出電壓U。的頻率相同。因此，本發(fā)明的三端口全橋逆變器還可以有隔離輸出方式的實施例，本發(fā)明采用的隔離變壓器T具有以下三種設(shè)置方式
如圖7所示，隔離變壓器T位于交流負載R。與輸出濾波電容C。之間；如圖8所示，隔離變壓器T位于輸出濾波電容C。與輸出濾波電感L2之間；如圖9所示，隔離變壓器T位于輸出濾波電感L2與兩個開關(guān)橋臂中間點之間。上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各電路元件的種類、線路連接方式等都是 可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進行的等同變換和改進，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
權(quán)利要求
1.一種三端口全橋逆變器，其特征在于它包括一輸入源、四個開關(guān)管、一蓄電池、一電感、一輸出濾波電感、一輸出濾波電容和一交流負載，第一個所述開關(guān)管的源極與第二個所述開關(guān)管的漏極串聯(lián)構(gòu)成第一個開關(guān)橋臂，用于控制三端口全橋逆變器的輸出功率；第三個所述開關(guān)管的源極與第四個所述開關(guān)管的漏極串聯(lián)構(gòu)成第二個開關(guān)橋臂，用于控制三端口全橋逆變器的輸出功率以及蓄電池Ub的充放電； 所述輸入源正極分別連接第三個所述開關(guān)管漏極和第一個開關(guān)管漏極，負極分別連接所述蓄電池的負極、第四個開關(guān)管源極和第二個開關(guān)管源極；所述蓄電池的正極經(jīng)所述電感依次連接第二個所述開關(guān)橋臂的中點，以及所述輸出濾波電感的一端；第一個所述開關(guān)橋臂的中點分別連接所述輸出濾波電容的一端，以及所述交流負載的一端；所述輸出濾波電容另一端和交流負載另一端均連接所述輸出濾波電感的另一端。
2.如權(quán)利要求I所述的一種三端口全橋逆變器，其特征在于所述輸入源、第三個開關(guān) 管、第四個開關(guān)管、蓄電池和電感構(gòu)成雙向直流變換器，所述雙向直流變換器與所述三端口全橋逆變器共用所述第二個開關(guān)橋臂。
3.如權(quán)利要求I所述的一種三端口全橋逆變器，其特征在于四個所述開關(guān)管都采用MOSFET或都采用具有反并聯(lián)二極管的IGBT。
4.如權(quán)利要求2所述的一種三端口全橋逆變器，其特征在于四個所述開關(guān)管都采用MOSFET或都采用具有反并聯(lián)二極管的IGBT。
5.如權(quán)利要求I或2或3或4所述的一種三端口全橋逆變器，其特征在于四個所述開關(guān)管采用相同的開關(guān)頻率，第一個所述開關(guān)管與第二個所述開關(guān)管互補導通，第三個所述開關(guān)管與第四個所述開關(guān)管互補導通。
6.—種如權(quán)利要求I 5任意一項所述三端口全橋逆變器的控制方法,其特征在于四個所述開關(guān)管采用相同的開關(guān)頻率，第一個所述開關(guān)管和第二個所述開關(guān)管互補導通，第三個所述開關(guān)管和第四個所述開個關(guān)管互補導通；當?shù)谝粋€所述開關(guān)管和第三個所述開關(guān)管同時導通，則第二個所述開關(guān)管和第四個所述開關(guān)管同時關(guān)斷；通過控制第一個所述開關(guān)管和第二個所述開關(guān)管的開關(guān)頻率，來調(diào)節(jié)所述三端口全橋逆變器交流負載側(cè)的輸出功率；通過控制第三個所述開關(guān)管和第四個所述開關(guān)管的占空比，來調(diào)節(jié)所述蓄電池的充放電功率以及所述輸入源的輸入功率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三端口全橋逆變器及其控制方法，它包括輸入源、四個開關(guān)管、蓄電池、電感、輸出濾波電感、輸出濾波電容和交流負載，第一個開關(guān)管的源極與第二個開關(guān)管的漏極串聯(lián)成第一個開關(guān)橋臂；第三個開關(guān)管的源極與第四個開關(guān)管的漏極串聯(lián)成第二個開關(guān)橋臂；輸入源正極分別連接第三個開關(guān)管漏極和第一個開關(guān)管漏極，負極分別連接蓄電池的負極、第四個開關(guān)管源極和第二個開關(guān)管源極；蓄電池的正極經(jīng)電感依次連接第二個開關(guān)橋臂的中點，及輸出濾波電感一端；第一個開關(guān)橋臂的中點分別連接輸出濾波電容的一端，及交流負載一端；輸出濾波電容另一端和交流負載另一端均連接輸出濾波電感的另一端。本發(fā)明變換效率高、成本和功率損耗低，能廣泛應(yīng)用于新能源發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域中。
文檔編號H02J7/00GK102723888SQ20121014891
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月14日
發(fā)明者吳紅飛, 孫凱, 邢巖 申請人:清華大學