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CN105634321B - 高可靠性的单相双向dc‑ac变换器及其控制方法 - Google Patents

高可靠性的单相双向dc‑ac变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高可靠性的单相双向DC‑AC变换器及其控制方法。该变换器工作DC‑AC逆变模式时为全桥双Buck逆变，工作在AC‑DC整流模式时为双Boost型无桥PFC电路结构。在同一电路拓扑结构中，可同时实现整流和逆变功能，具有全桥双Buck型逆变电路的可靠性和低EMI的双Boost型无桥PFC高功率因数和高效率的特点。

Description

高可靠性的单相双向DC-AC变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及电能变换中需同时实现逆变和整流功能的实用领域；对于直流微电网与交流配电网互动，需要高可靠性双向变流器实现直流微电网母线电压调节的运用领域；对于家庭插电式电动汽车作为移动式储能设备，需要通过双向充电器实现从电网交流电经过整流PFC变成直流电给电动车充电，同时在需要将电动汽车的电量反馈回电网时，对于实现蓄电池与电网互动领域需要将电动车的直流电逆变成交流电并入电网的使用领域；以及对于实现蓄电池与电网互动领域；具体涉及一种高可靠性的单相双向DC-AC变换器。
背景技术
直流微电网通过DC-AC双向变流器与低压交流配电网相连，在直流微网内包含直流用电负载、新能源发电设备（风电、光电）和储能设备等组成。直流微电网内大量分散的可再生能源发电单元和负荷等具有明显的随机波动性，这类波动功率尤其在短路时功率冲击将可能对直流母线电压造成冲击，极易造成整个直流微电网系统的奔溃,故直流微电网的母线电压控制成为首要问题。为此，研究具备高效率、高可靠性的双向DC-AC变流器应用与直流母线电压控制是直流微电网的首要环节。同时，双向DC-AC变流器对于大规模电动汽车进行电网调峰填谷，改善电力负荷运用中，可实现电动汽车在电网低谷（电价较低）时充电，在电网峰值时放电，实现用电成本的节约。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高可靠性的单相双向DC-AC变换器及其控制方法，能够在同一个电路中实现逆变DC-AC变换和整流AC-DC变换；逆变时实现高效、高可靠性功能，整流时实现高效、高功率因数。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高可靠性的单相双向DC-AC变换器，包括直流电压Vd，电网Vg，电容Cd，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，开关管S1、S2、S3、S4，电感L1、L2；直流电压Vd的正极与电容Cd的一端、二极管D1的负极、二极管D2的负极、二极管D3的正极、二极管D4的正极连接，直流电压Vd的负极与电容Cd的另一端、开关管S1的源极、二极管D5的正极、二极管D6的正极、开关管S2的源极连接，所述二极管D1的正极与开关管S1的漏极相连接，并经电感L1与二极管D5的负极、开关管S3的源极、电网Vg的正极连接，所述二极管D2的正极与开关管S2的漏极相连接，并经电感L2与二极管D6的负极、开关管S4的源极、电网Vg的负极连接，所述二极管D3的负极与开关管S3的漏极连接，所述二极管D4的负极与开关管S4的漏极连接，所述开关管S1、S2、S3、S4的栅极连接控制信号。
本发明还提供了一种基于上述所述高可靠性的单相双向DC-AC变换器的控制方法，具体实现过程如下：
（1）逆变DC-AC模式：
并网电压为正半周逆变时，
DC-AC工作模态1：开关管S1，S4断开，二极管D1，D2，D4截止，开关管S2、S3导通，直流电压Vd通过电网Vg与电感L2形成回路，由Vd向电感L2充能；
DC-AC工作模态2：开关管S1，S2，S4断开，二极管D1，D4，D6截止，开关管S3导通，电感L2存成的能量经过二极管D2，D3和开关管S3与电网形成Buck续流回路，电感L2释放能量；
并网电压为负半周逆变时，
DC-AC工作模态3：开关管S1，S4导通，二极管D1，D2，D3截止，开关管S2、S3断开，直流电压Vd通过电网Vg与电感L1形成回路，由Vd向电感L1充能；
DC-AC工作模态4：开关管S1，S2，S3断开，二极管D2，D3截止，开关管S4导通，电感L1存成的能量经过二极管D1，D4和开关管S4与电网形成Buck型续流回路，电感L1释放能量；
（2）整流AC-DC模式：
AC-DC工作模态1：开关管S1闭合，开关管S2断开，二极管D5截止，二极管D6导通，电网Vg通过开关管S1和二极管D6与电感L1形成储能回路，由电网向电感L1充能；
AC-DC工作模态2：开关管S1断开，开关管S2断开，二极管D5截止，二极管D1，D6导通，电网Vg与电感L1共同向Vd充能，实现Boost型变换，电感L1释放能量；
AC-DC工作模态3：开关管S1断开，开关管S2闭合，二极管D5导通，二极管D6截止，电网Vg通过开关管S2和二极管D5与电感L2形成储能回路，由电网向电感L2充能；
AC-DC工作模态4：开关管S1断开，开关管S2断开，二极管D5，D2导通，二极管D6截止，电网Vg与电感L2共同向Vd充能，实现Boost型变换，电感L2释放能量。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提高了双向DC-AC变流器的可靠性，实现高效的整流PFC功能；与现有技术相比，本发明在逆变环节，无桥臂直通问题，无需死区补偿，无体二极管续流等，具备更高的逆变效率和更强的可靠性；在整流环节，无需整流桥结构，同时可有效抑制双Boost PFC整流结构共模电流大EMI严重的问题。
附图说明
图1 两级双向变流装置结构。
图2 本发明所提出的高可靠性双向DC-AC变换电路。
图3 现有技术全桥型双向DC-AC变换电路。
图4为图3双向DC-AC变换器，工作在逆变模式时的控制框图。
图5为图3的DC-AC变换时第一工作模态示意图。
图6为图3的DC-AC变换时第二工作模态示意图。
图7为图3的DC-AC变换时第三工作模态示意图。
图8为图3的DC-AC变换时第四工作模态示意图。
图9为图3双向DC-AC变换器，工作在整流模式时的控制框图。
图10为图3的AC-DC变换时第一工作模态示意图。
图11为图3的AC-DC变换时第二工作模态示意图。
图12为图3的AC-DC变换时第三工作模态示意图。
图13为图3的AC-DC变换时第四工作模态示意图。
图14为所提出的变换器工作在逆变模式时的工作波形。
图15为所提的出变换器工作在整流模式时的工作波形。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
现有直流储能装置与电网互动两级双向变流器结构如图1所示，单项变换由结构1双向DC-DC实现升降压功能和结构2双向DC-AC实现整流和逆变功组合而成。本发明如图2所示，提高了双向DC-AC变流器的可靠性，实现高效的整流PFC功能。与现有技术相比，本发明具有：与现有技术全桥型双向DC-AC变换器（如图3所示），本发明在逆变环节，无桥臂直通问题，无需死区补偿，无体二极管续流等，具备更高的逆变效率和更强的可靠性；在整流环节，无需整流桥结构，同时可有效抑制双Boost PFC整流结构共模电流大EMI严重的问题。
如图2所示，本发明的一种高可靠性的单相双向DC-AC变换器，包括直流电压Vd，电网Vg，电容Cd，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，开关管S1、S2、S3、S4，电感L1、L2；直流电压Vd的正极与电容Cd的一端、二极管D1的负极、二极管D2的负极、二极管D3的正极、二极管D4的正极连接，直流电压Vd的负极与电容Cd的另一端、开关管S1的源极、二极管D5的正极、二极管D6的正极、开关管S2的源极连接，所述二极管D1的正极与开关管S1的漏极相连接，并经电感L1与二极管D5的负极、开关管S3的源极、电网Vg的正极连接，所述二极管D2的正极与开关管S2的漏极相连接，并经电感L2与二极管D6的负极、开关管S4的源极、电网Vg的负极连接，所述二极管D3的负极与开关管S3的漏极连接，所述二极管D4的负极与开关管S4的漏极连接，所述开关管S1、S2、S3、S4的栅极连接控制信号。
本发明还提供了一种基于上述所述高可靠性的单相双向DC-AC变换器的控制方法，具体实现过程如下：
（1）逆变DC-AC模式：
并网电压为正半周逆变时，
DC-AC工作模态1：开关管S1，S4断开，二极管D1，D2，D4截止，开关管S2、S3导通，直流电压Vd通过电网Vg与电感L2形成回路，由Vd向电感L2充能；
DC-AC工作模态2：开关管S1，S2，S4断开，二极管D1，D4，D6截止，开关管S3导通，电感L2存成的能量经过二极管D2，D3和开关管S3与电网形成Buck续流回路，电感L2释放能量；
并网电压为负半周逆变时，
DC-AC工作模态3：开关管S1，S4导通，二极管D1，D2，D3截止，开关管S2、S3断开，直流电压Vd通过电网Vg与电感L1形成回路，由Vd向电感L1充能；
DC-AC工作模态4：开关管S1，S2，S3断开，二极管D2，D3截止，开关管S4导通，电感L1存成的能量经过二极管D1，D4和开关管S4与电网形成Buck型续流回路，电感L1释放能量；
（2）整流AC-DC模式：
AC-DC工作模态1：开关管S1闭合，开关管S2断开，二极管D5截止，二极管D6导通，电网Vg通过开关管S1和二极管D6与电感L1形成储能回路，由电网向电感L1充能；
AC-DC工作模态2：开关管S1断开，开关管S2断开，二极管D5截止，二极管D1，D6导通，电网Vg与电感L1共同向Vd充能，实现Boost型变换，电感L1释放能量；
AC-DC工作模态3：开关管S1断开，开关管S2闭合，二极管D5导通，二极管D6截止，电网Vg通过开关管S2和二极管D5与电感L2形成储能回路，由电网向电感L2充能；
AC-DC工作模态4：开关管S1断开，开关管S2断开，二极管D5，D2导通，二极管D6截止，电网Vg与电感L2共同向Vd充能，实现Boost型变换，电感L2释放能量。
为更好的讲述本发明的技术方案，以下进行具体讲述。
本发明具体工作方式如图4-13所示。工作在逆变DC-AC模式时其控制器结构框图如图4所示，图5-8所示为逆变时的工作模态。逆变时，二极管D5，D6不参与工作。并网电压为正半周逆变时为DC-AC工作模态的1-2，并网电压为负半周逆变时为DC-AC工作模态的3-4，逆变时开关管工作波形如图14所示。
DC-AC工作模态1：开关管S1，S4断开，二极管D1，D2，D4截止，开关管S2、S3导通，直流电压Vd通过电网Vg与电感L2形成回路，由Vd向电感L2充能。
DC-AC工作模态2：开关管S1，S2，S4断开，二极管D1，D4，D6截止，开关管S3导通，电感L2存成的能量经过D2，D3和S3与电网形成Buck续流回路，电感L2释放能量。
DC-AC工作模态3：开关管S1，S4导通，二极管D1，D2，D3截止，开关管S2、S3断开，直流电压Vd通过电网Vg与电感L1形成回路，由Vd向电感L1充能。
DC-AC工作模态4：开关管S1，S2，S3断开，二极管D2，D3截止，开关管S4导通，电感L1存成的能量经过D1，D4和S4与电网形成Buck型续流回路，电感L1释放能量。
工作在整流AC-DC模式时其控制器结构框图如图9所示，图10-13所示为整流时的工作模态。整流时，二极管D3，D4和开关管S3，S4不参与工作。整流电网电压为正半周时为AC-DC工作模态的1-2，电网电压为负半周整流时为AC-DC工作模态的3-4，逆变时开关管工作波形如图15所示。
AC-DC工作模态1：开关管S1闭合，开关管S2断开，二极管D5截止，二极管D6导通，电网Vg通过S1和D6与电感L1形成储能回路，由电网向电感L1充能。
AC-DC工作模态2：开关管S1断开，开关管S2断开，二极管D5截止，二极管D1，D6导通，电网Vg与电感L1共同向Vd充能，实现Boost型变换，电感L1释放能量。
AC-DC工作模态3：开关管S1断开，开关管S2闭合，二极管D5导通，二极管D6截止，电网Vg通过S2和D5与电感L2形成储能回路，由电网向电感L2充能。
AC-DC工作模态4：开关管S1断开，开关管S2断开，二极管D5，D2导通，二极管D6截止，电网Vg与电感L2共同向Vd充能，实现Boost型变换，电感L2释放能量。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种高可靠性的单相双向DC-AC变换器的控制方法，其特征在于：提供一高可靠性的单相双向DC-AC变换器，包括直流电压Vd，电网Vg，电容Cd，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，开关管S1、S2、S3、S4，电感L1、L2；直流电压Vd的正极与电容Cd的一端、二极管D1的负极、二极管D2的负极、二极管D3的正极、二极管D4的正极连接，直流电压Vd的负极与电容Cd的另一端、开关管S1的源极、二极管D5的正极、二极管D6的正极、开关管S2的源极连接，所述二极管D1的正极与开关管S1的漏极相连接，并经电感L1与二极管D5的负极、开关管S3的源极、电网Vg的正极连接，所述二极管D2的正极与开关管S2的漏极相连接，并经电感L2与二极管D6的负极、开关管S4的源极、电网Vg的负极连接，所述二极管D3的负极与开关管S3的漏极连接，所述二极管D4的负极与开关管S4的漏极连接，所述开关管S1、S2、S3、S4的栅极连接控制信号；该方法具体实现过程如下：
（1）逆变DC-AC模式：
并网电压为正半周逆变时，
DC-AC工作模态1：开关管S1，S4断开，二极管D1，D2，D4截止，开关管S2、S3导通，直流电压Vd通过电网Vg与电感L2形成回路，由Vd向电感L2充能；
DC-AC工作模态2：开关管S1，S2，S4断开，二极管D1，D4，D6截止，开关管S3导通，电感L2存成的能量经过二极管D2，D3和开关管S3与电网形成Buck续流回路，电感L2释放能量；
并网电压为负半周逆变时，
DC-AC工作模态3：开关管S1，S4导通，二极管D1，D2，D3截止，开关管S2、S3断开，直流电压Vd通过电网Vg与电感L1形成回路，由Vd向电感L1充能；
DC-AC工作模态4：开关管S1，S2，S3断开，二极管D2，D3截止，开关管S4导通，电感L1存成的能量经过二极管D1，D4和开关管S4与电网形成Buck型续流回路，电感L1释放能量；
（2）整流AC-DC模式：
AC-DC工作模态1：开关管S1闭合，开关管S2断开，二极管D5截止，二极管D6导通，电网Vg通过开关管S1和二极管D6与电感L1形成储能回路，由电网向电感L1充能；
AC-DC工作模态2：开关管S1断开，开关管S2断开，二极管D5截止，二极管D1，D6导通，电网Vg与电感L1共同向Vd充能，实现Boost型变换，电感L1释放能量；
AC-DC工作模态3：开关管S1断开，开关管S2闭合，二极管D5导通，二极管D6截止，电网Vg通过开关管S2和二极管D5与电感L2形成储能回路，由电网向电感L2充能；
AC-DC工作模态4：开关管S1断开，开关管S2断开，二极管D5，D2导通，二极管D6截止，电网Vg与电感L2共同向Vd充能，实现Boost型变换，电感L2释放能量。
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