一种实现单相三线电源单相功率高效控制的逆变电路的制作方法

本发明涉及电力领域，尤其涉及一种实现单相三线电源单相功率高效控制的逆变电路。

背景技术：

单相三线电网，例如日本，为u相、n相、w相。其中u相和w相为火线，n相为零线。在很多场合，会要求要零功率并网输出，即不管是u相还是w相，都不能对并网端输出功率。这种情况下，就要求逆变器输出必须可以对u相和w相的输出功率要能够分别控制。

现有的主要逆变拓扑如图1所示，开关单元q1~q6组成桥式逆变电路，c1为母线电容，v1为直流电源，v2为交流裂相电源，电感l1~l3及电容c2、c3组成滤波电路，电阻r1、r2为负载，u、n、w所标识的点为并网点。桥式逆变电路输出功率必须为u相输出功率等于负载r1功率，w相输出功率等于负载r2功率，才可以实现功率零输出，同时电网功率零消耗。当前的拓扑电路主要为三桥臂全桥拓扑，使用双极性调制方式。在这种方式下，开关单元q1~q6在整个市电周期内都需要高频工作，开关损耗和导通损耗均较大，导致整体逆变效率较低。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出一种实现单相三线电源单相功率高效控制的逆变电路，以大幅提高整个逆变电路的效率。

一种实现单相三线电源单相功率高效控制的逆变电路，包括连接在直流电源输出端的桥式逆变电路、连接在桥式逆变电路输出端用于桥式逆变电路切换过程中提供续流的续流电路以及与桥式逆变电路、续流电路连接的控制单元；

所述桥式逆变电路包括连接构成第一桥臂电路的第一开关单元q1、第二开关单元q2、连接构成第二桥臂电路的第三开关单元q3、第四开关单元q4、连接构成第三桥臂电路的第五开关单元q5、第六开关单元q6，所述第一桥臂电路的中点连接u相线路，所述第二桥臂电路的中点连接n相线路，所述第三桥臂电路的中点连接w相线路，所述u相线路和n相线路之间连接负载r1，所述n相线路和w相线路之间连接负载r2；

所述续流电路包括串联连接且连接在第一桥臂电路的中点和第三桥臂电路的中点之间的第七开关单元q7、第八开关单元q8、串联连接且连接在第二桥臂电路的中点和第三桥臂电路的中点之间的第九开关单元q9、第十开关单元q10、串联连接且连接在第一桥臂电路的中点和第二桥臂电路的中点之间的第十一开关单元q11、第十二开关单元q12；

所述控制单元根据负载r1和负载r2控制第一开关单元q1、第二开关单元q2、第三开关单元q3、第四开关单元q4、第五开关单元q5、第六开关单元q6、第七开关单元q7、第八开关单元q8、第九开关单元q9、第十开关单元q10、第十一开关单元q11、第十二开关单元q12的工作状态以控制u相线路的输出功率与w相线路的输出功率。

优选的，当负载r1与负载r2相等时，控制单元控制u相线路的输出功率等于w相线路的输出功率：

在u相线路和w相线路输出正弦波的正半周，所述控制单元控制第一开关单元q1、第六开关单元q6及第七开关单元q7、第八开关单元q8中的一个处于高频开关切换状态，控制第七开关单元q7、第八开关单元q8中的另一个处于常开状态；

在u相线路和w相线路输出正弦波的负半周，所述控制单元控制第二开关单元q2、第六开关单元q5及第七开关单元q7、第八开关单元q8中的一个处于高频开关切换状态，控制第七开关单元q7、第八开关单元q8中的另一个处于常开状态。

优选的，当负载r1大于负载r2时，控制单元控制u相线路的输出功率大于w相线路的输出功率：

在u相线路和w相线路输出正弦波的正半周，所述控制单元控制第一开关单元q1、第四开关单元q4、第六开关单元q6及第七开关单元q7、第八开关单元q8中的一个及第十一开关单元q11、第十二开关单元q12中的一个处于高频开关切换状态，控制第七开关单元q7、第八开关单元q8中的另一个及第十一开关单元q11、第十二开关单元q12中的另一个处于常开状态；

在u相线路和w相线路输出正弦波的负半周，所述控制单元控制第二开关单元q2、第三开关单元q3、第五开关单元q5及第七开关单元q7、第八开关单元q8中的一个及第十一开关单元q11、第十二开关单元q12中的一个处于高频开关切换状态，控制第七开关单元q7、第八开关单元q8中的另一个及第十一开关单元q11、第十二开关单元q12中的另一个处于常开状态。

优选的，当负载r1小于负载r2时，控制单元控制u相线路的输出功率小于w相线路的输出功率：

在u相线路和w相线路输出正弦波的正半周，所述控制单元控制第一开关单元q1、第三开关单元q3、第六开关单元q6及第七开关单元q7、第八开关单元q8中的一个及第九开关单元q9、第十开关单元q10中的一个处于高频开关切换状态，控制第七开关单元q7、第八开关单元q8中的另一个及第九开关单元q9、第十开关单元q10中的另一个处于常开状态；

在u相线路和w相线路输出正弦波的负半周，所述控制单元控制第二开关单元q2、第四开关单元q4、第五开关单元q5及第七开关单元q7、第八开关单元q8中的一个及第九开关单元q9、第十开关单元q10中的一个处于高频开关切换状态，控制第七开关单元q7、第八开关单元q8中的另一个及第九开关单元q9、第十开关单元q10中的另一个处于常开状态。

优选的，在所述u相线路还串接有用于滤波的电感l1；在所述n相线路还串接有用于滤波的电感l2；在所述w相线路还串接有用于滤波的电感l3。

优选的，在所述u相线路和n相线路之间还连接有用于滤波的电容c2；在所述n相线路和w相线路之间还连接有用于滤波的电容c3。

优选的，所述第一开关单元q1、第二开关单元q2、第三开关单元q3、第四开关单元q4、第五开关单元q5、第六开关单元q6、第七开关单元q7、第八开关单元q8、第九开关单元q9、第十开关单元q10、第十一开关单元q11、第十二开关单元q12均为高频开关管。

通过使用本发明，可以实现以下效果：

1.在u相线路和w相线路输出正弦波的正半周或者在u相线路和w相线路输出正弦波的负半周只控制开关单元q1~q6中的一部分进行高频工作，另一部分处于不工作状态，当在进行高频工作中的开关单元切换到关的状态时，控制续流电路工作持续为u相线路或者w相线路输出功率，从而使得开关单元在整个市电周期内只有将近一半的时间参与高频工作，因此开关单元q1~q6的开关损耗和导通损耗均可减小接近一半，使得整个逆变电路的效率大幅提高；

2.在控制单元对续流电路中的开关单元切换的过程中，始终保持第七开关单元q7、第八开关单元q8中的一个，第九开关单元q9、第十开关单元q10中的一个或第十一开关单元q11、第十二开关单元q12中的一个处于常开状态，从而进一步降低了开关损耗和导通损耗。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是现有技术中的逆变拓扑电路原理图；

图2是本发明实施例一种实现单相三线电源单相功率高效控制的逆变电路的电路示意图；

图3是本发明实施例一种实现单相三线电源单相功率高效控制的逆变电路的电路原理图；

图4是本发明实施例一种实现单相三线电源单相功率高效控制的逆变电路的第一拓扑功率流向示意图；

图5是本发明实施例一种实现单相三线电源单相功率高效控制的逆变电路的第二拓扑功率流向示意图；

图6是本发明实施例一种实现单相三线电源单相功率高效控制的逆变电路的第三拓扑功率流向示意图；

图7是本发明实施例一种实现单相三线电源单相功率高效控制的逆变电路的第四拓扑功率流向示意图；

图8是本发明实施例一种实现单相三线电源单相功率高效控制的逆变电路的第五拓扑功率流向示意图；

图9是本发明实施例一种实现单相三线电源单相功率高效控制的逆变电路的第六拓扑功率流向示意图；

图10是本发明实施例一种实现单相三线电源单相功率高效控制的逆变电路的第七拓扑功率流向示意图；

图11是本发明实施例一种实现单相三线电源单相功率高效控制的逆变电路的第八拓扑功率流向示意图；

图12是本发明实施例一种实现单相三线电源单相功率高效控制的逆变电路的第九拓扑功率流向示意图；

图13是本发明实施例一种实现单相三线电源单相功率高效控制的逆变电路的第十拓扑功率流向示意图；

图14是本发明实施例一种实现单相三线电源单相功率高效控制的逆变电路的第十一拓扑功率流向示意图；

图15是本发明实施例一种实现单相三线电源单相功率高效控制的逆变电路的第十二拓扑功率流向示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

在现有的单相三线逆变电路中，由开关单元q1~q6组成桥式逆变电路，在对u相输出功率和w相输出功率进行单极性调制时，需要通过开关单元q1~q6在整个市电周期内都进行高频工作，因此开关损耗和导通损耗均较大，导致整体逆变效率较低。

本发明的基本思想是在对u相输出功率和w相输出功率进行单极性调制时，在u相线路和w相线路输出正弦波的正半周或者在u相线路和w相线路输出正弦波的负半周只控制开关单元q1~q6中的一部分进行高频工作，另一部分处于不工作状态，当在进行高频工作中的开关单元切换到关的状态时，控制续流电路工作持续为u相线路或者w相线路输出功率，从而使得开关单元在整个市电周期内只有将近一半的时间参与高频工作，因此开关单元q1~q6的开关损耗和导通损耗均可减小接近一半，使得整个逆变电路的效率大幅提高。

基于上述思想，本发明实施例提出一种实现单相三线电源单相功率高效控制的逆变电路，如图2所示，包括连接在直流电源输出端的桥式逆变电路、连接在桥式逆变电路输出端用于桥式逆变电路切换过程中提供续流的续流电路以及与桥式逆变电路、续流电路连接的控制单元，续流电路的输出源与交流电源连接。

通过桥式逆变电路的切换将直流电源输出的直流电转换为交流电，通过续流电路在进行高频工作中的高频开关管切换到关的状态时，持续为u相线路或者w相线路输出功率。控制单元根据负载发送控制信号以实现对桥式逆变电路及续流电路的切换控制。

如图3所示，桥式逆变电路包括连接构成第一桥臂电路的第一开关单元q1、第二开关单元q2、连接构成第二桥臂电路的第三开关单元q3、第四开关单元q4、连接构成第三桥臂电路的第五开关单元q5、第六开关单元q6，所述第一桥臂电路的中点连接u相线路，所述第二桥臂电路的中点连接n相线路，所述第三桥臂电路的中点连接w相线路，所述u相线路和n相线路之间连接负载r1，所述n相线路和w相线路之间连接负载r2。

如图3所示，续流电路包括串联连接且连接在第一桥臂电路的中点和第三桥臂电路的中点之间的第七开关单元q7、第八开关单元q8、串联连接且连接在第二桥臂电路的中点和第三桥臂电路的中点之间的第九开关单元q9、第十开关单元q10、串联连接且连接在第一桥臂电路的中点和第二桥臂电路的中点之间的第十一开关单元q11、第十二开关单元q12。

如图3所示，c1为母线电容，v1为直流电源，v2为交流裂相电源，负载r1连接在n相线路和u相线路之间，负载r2连接在n相线路和w相线路之间，且与交流裂相电源v2连接。

控制单元控制第一开关单元q1、第二开关单元q2、第三开关单元q3、第四开关单元q4、第五开关单元q5、第六开关单元q6、第七开关单元q7、第八开关单元q8、第九开关单元q9、第十开关单元q10、第十一开关单元q11、第十二开关单元q12的工作状态以控制u相线路的输出功率与w相线路的输出功率。

在一实施例中，在所述u相线路还串接有用于滤波的电感l1；在所述n相线路还串接有用于滤波的电感l2；在所述w相线路还串接有用于滤波的电感l3。

在一实施例中，在所述u相线路和n相线路之间还连接有用于滤波的电容c2；在所述n相线路和w相线路之间还连接有用于滤波的电容c3。

上述第一开关单元q1、第二开关单元q2、第三开关单元q3、第四开关单元q4、第五开关单元q5、第六开关单元q6、第七开关单元q7、第八开关单元q8、第九开关单元q9、第十开关单元q10、第十一开关单元q11、第十二开关单元q12均为高频开关管，例如igbt或者mosfet等。

u相线路的输出功率与w相线路的输出功率与其连接负载的功率有关，当负载功率增大时，需要控制负载对应的线路增大相应的输出功率，当负载功率减小时，需要控制负载对应的线路减小相应的输出功率。

在本实施例中，控制单元通过pwm控制技术采用单极性调制方式进行控制。单极性调制方式在半个周期内载波在两个方向变化，所得pwm波形也在两个方向变化。

在一实施例中，当负载r1与负载r2相等时，控制单元控制u相线路的输出功率等于w相线路的输出功率：

在u相线路和w相线路输出正弦波的正半周，所述控制单元控制第一开关单元q1、第六开关单元q6及第七开关单元q7、第八开关单元q8中的一个处于高频开关切换状态，控制第七开关单元q7、第八开关单元q8中的另一个处于常开状态，其他开关单元处于非工作状态。

在第一开关单元q1、第六开关单元q6开的时候，拓扑功率流向如图4所示，所有开关单元的工作状态如下表所示：

在第一开关单元q1、第六开关单元q6关的时候，拓扑功率流向如图5所示，所有开关单元的工作状态如下表所示：

在u相线路和w相线路输出正弦波的负半周，所述控制单元控制第二开关单元q2、第六开关单元q5及第七开关单元q7、第八开关单元q8中的一个处于高频开关切换状态，控制第七开关单元q7、第八开关单元q8中的另一个处于常开状态，其他开关单元处于非工作状态。

在第二开关单元q2、第五开关单元q5开的时候，拓扑功率流向如图6所示，所有开关单元的工作状态如下表所示：

在第二开关单元q2、第五开关单元q5关的时候，拓扑功率流向如图7所示，所有开关单元的工作状态如下表所示：

由图4~图7可知，当负载r1与负载r2相等时，控制单元对开关单元的切换控制使得u相线路的输出功率等于w相线路的输出功率，最终实现u相输出功率等于负载r1功率，w相输出功率等于负载r2功率，实现功率零输出，同时电网功率零消耗。

在一实施例中，当负载r1大于负载r2时，控制单元控制u相线路的输出功率大于w相线路的输出功率：

在u相线路和w相线路输出正弦波的正半周，所述控制单元控制第一开关单元q1、第四开关单元q4、第六开关单元q6及第七开关单元q7、第八开关单元q8中的一个及第十一开关单元q11、第十二开关单元q12中的一个处于高频开关切换状态，控制第七开关单元q7、第八开关单元q8中的另一个及第十一开关单元q11、第十二开关单元q12中的另一个处于常开状态，其他开关单元处于非工作状态。

在第一开关单元q1、第四开关单元q4、第六开关单元q6开的时候，拓扑功率流向如图8所示，所有开关单元的工作状态如下表所示：

在第一开关单元q1、第四开关单元q4、第六开关单元q6关的时候，拓扑功率流向如图9所示，所有开关单元的工作状态如下表所示：

在u相线路和w相线路输出正弦波的负半周，所述控制单元控制第二开关单元q2、第三开关单元q3、第五开关单元q5及第七开关单元q7、第八开关单元q8中的一个及第十一开关单元q11、第十二开关单元q12中的一个处于高频开关切换状态，控制第七开关单元q7、第八开关单元q8中的另一个及第十一开关单元q11、第十二开关单元q12中的另一个处于常开状态，其他开关单元处于非工作状态。

在第二开关单元q2、第三开关单元q3、第五开关单元q5开的时候，拓扑功率流向如图10所示，所有开关单元的工作状态如下表所示：

在第二开关单元q2、第三开关单元q3、第五开关单元q5关的时候，拓扑功率流向如图11所示，所有开关单元的工作状态如下表所示：

由图8~图11可知，当负载r1大于负载r2时，控制单元对开关单元的切换控制使得u相线路的输出功率大于w相线路的输出功率，最终实现u相输出功率等于负载r1功率，w相输出功率等于负载r2功率，实现功率零输出，同时电网功率零消耗。

在一实施例中，当负载r1小于负载r2时，控制单元控制u相线路的输出功率小于w相线路的输出功率：

在u相线路和w相线路输出正弦波的正半周，所述控制单元控制第一开关单元q1、第三开关单元q3、第六开关单元q6及第七开关单元q7、第八开关单元q8中的一个及第九开关单元q9、第十开关单元q10中的一个处于高频开关切换状态，控制第七开关单元q7、第八开关单元q8中的另一个及第九开关单元q9、第十开关单元q10中的另一个处于常开状态，其他开关单元处于非工作状态。

在第一开关单元q1、第三开关单元q3、第六开关单元q6开的时候，拓扑功率流向如图12所示，所有开关单元的工作状态如下表所示：

在第一开关单元q1、第三开关单元q3、第六开关单元q6关的时候，拓扑功率流向如图13所示，所有开关单元的工作状态如下表所示：

在u相线路和w相线路输出正弦波的负半周，所述控制单元控制第二开关单元q2、第四开关单元q4、第五开关单元q5及第七开关单元q7、第八开关单元q8中的一个及第九开关单元q9、第十开关单元q10中的一个处于高频开关切换状态，控制第七开关单元q7、第八开关单元q8中的另一个及第九开关单元q9、第十开关单元q10中的另一个处于常开状态，其他开关单元处于非工作状态。

在第二开关单元q2、第四开关单元q4、第五开关单元q5开的时候，拓扑功率流向如图14所示，所有开关单元的工作状态如下表所示：

在第二开关单元q2、第四开关单元q4、第五开关单元q5关的时候，拓扑功率流向如图15所示，

所有开关单元的工作状态如下表所示：

由图12~图15可知，当负载r1小于负载r2时，控制单元对开关单元的切换控制使得u相线路的输出功率小于w相线路的输出功率，最终实现u相输出功率等于负载r1功率，w相输出功率等于负载r2功率，实现功率零输出，同时电网功率零消耗。

需要说明的是，在上述控制单元对续流电路中的开关单元切换的过程中，始终保持第七开关单元q7、第八开关单元q8中的一个，第九开关单元q9、第十开关单元q10中的一个或第十一开关单元q11、第十二开关单元q12中的一个处于常开状态，从而进一步降低了开关损耗和导通损耗。

本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。