双向能量流动z源三相变换器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及双向能量流动Z源三相变换器，属于电力电子功率变换器调制及控制领域。
【背景技术】
[0002]Z源变换器是近年来提出的一种新型的电力电子拓扑，关于Z源变换器的理论研宄和它的实践应用发展迅速。Z源变换器在传统无源逆变，回馈式有源逆变场合，在光伏发电，燃料电池发电、交流电机传动中有着广泛的应用。Z源变换器是单级系统，结构简单，效率尚，系统可靠性提尚。
[0003]Z源变换器的特点不同于传统变换器。一、其直流侧电源既可以为电压源，也可以为电流源。可适应输入电源电压的大范围变化，直流侧电源可以为电池、二极管整流器、燃料电池堆、光伏电池等。二、具有升压和降压特性，不需要增加前级变换电路便可实现较大范围的输出电压，使其应用范围增大。三、同相桥臂上下开关管不用加死区，Z源变换器允许同相桥臂直通。提高了系统的可靠性和波形质量。
[0004]针对Z源变换器的负载由重载变换为轻载时，很可能出现非正常工作状态，影响系统的工作情况，使系统的带负载能力差，为了避免这种情况的发生往往会增大Z源网络电感值，但这样会使系统的体积和成本都增加；另外当直流侧电源为蓄电池或者是超级电容等储能元件时传统的Z源不能实现能量的回馈。从而导致了 Z源的应用范围的推广使用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于解决公知的Z源变换器在使用中遇到的问题，不能避免非正常工作状态和不能实现能量的回馈。为了解决以上问题本发明提出了双向流动Z源变换器。
[0006]本发明的双向流动Z源变换器主要包括Z源阻抗网络、三相变换器。
[0007]为了避免Z源变换器的非正常工作状态，在传统的Z源变换器上采用将开关管取代二极管，再在直流电源侧增加一个二极管，新增了电容。新增的二极管是考虑直流电源有可能是光伏电池或者是燃料电池时，电流不能回流而设计的。电容是为了带轻载时为反向电流提供回路而设计的。这种拓扑可以解决非正常工作状态给系统造成的影响。但是上述的改进的Z源变换器并没有实现真正意义上的能量双向流动，当直流侧电源为蓄电池或者超级电容等储能元件时，在一定条件下，需要对其进行充电操作，可以要求变换器侧的能量能回馈到直流电源中。基于这一点出发，对双向流动Z源变换器进行优化，将双向流动的Z源中二极管换成功率开关管，当直流电源为光伏阵列或者燃料电池等不能接受回馈电流时，开关管关断。当直流电源为蓄电池等能吸收能量的装置时，开关管工作，系统能量可经过开关管回馈到电源中。从而可以真正意义上实现能量的双向流动并且还可以解决非正常工作状态给系统造成的影响。
[0008]双向能量流动Z源三相变换器，包括Z源网络和三相变换电路，所述三相变换电路由多个开关管Qp Q2、Q3、Q4、Q5、Q6组成，且三相变换电路带有滤波电感和负载，所述Z源网络并联在三相变换电路上，所述Z源网络包括直流电压源、回流控制元件、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电感L1和第二电感L 2和开关管Q 7，所述回流控制元件一端接电源的正极；另一端分别连接至开关管Q7的发射极和第三电容C3，所述开关管Q7的集电极连接至第一电感L1和第一电容C i，所述第三电容C3的另一端连接至直流电压源的负极，所述直流电压源的负极还连接有第二电容C2和第二电感L 2，第一电感L1的另一端分别接第二电容C2和三相变换电路的输入端；第二电感L2另一端与第一电容Ci另一端连接后再接入到三相变换器的另一个输入端。
[0009]所述直流电压源为不可充电电源，所述回流控制元件为二极管D。
[0010]所述直流电压源为可充电电源，所述回流控制元件为开关管Q80
[0011 ] 本发明的有益效果是:通过对传统的Z源变换器进行改进，既可以避免Z源变换器工作在非正常工作状态，从而造成系统体积，成本和重量的增加。又可以通过控制开关管的通断决定是否可以向直流侧电源进行充电。双向流动Z源实施方法灵活简单，可以提高整体系统的可靠性，有助于变换器的广泛推广使用，尤其是在新能源的领域的使用。
【附图说明】
[0012]图1为传统的Z源三相变换器的主电路结构图。
[0013]图2为双向能量流动Z源三相变换器的主电路结构图。
[0014]图3为改进型双向Z源三相变换器的主电路结构图。
[0015]图4为变换器工作在零状态。
[0016]图5为变换器工作在有源状态I。
[0017]图6为变换器工作在有源状态2。
[0018]图7为变换器工作在有源状态3。
[0019]图8为变换器工作在有源状态4。
[0020]图9为变换器工作在零状态。
[0021 ]图10为变换器工作在直通状态I。
[0022]图11为变换器工作在直通状态2。
[0023]图12为变换器工作在整流模式下的非直通状态。
[0024]图13为变换器工作在整流模式下的直通状态。
【具体实施方式】
[0025]图1为传统的Z源三相变换器的主电路结构图，Z源三相变换器具有升压和降压特性，不需要增加前级变换电路便可实现较大范围的输出电压，使其应用范围增大。同时同一相的桥臂上下开关管不用加死区，Z源变换器允许同相桥臂直通。提高了系统的可靠性和波形质量。
[0026]图2为双向能量流动Z源三相变换器的主电路结构图，为了避免非正常工作状态的出现，采用开关器件取代传统Z源中的二极管D，在直流电源侧增加了二极管D1，新增了电容C3。D1是考虑直流电源有可能是光伏电池或者燃料电池时，电流不能回流而设置的。电容C3是电路带轻载时为反向电流提供回路而设计的。这种拓扑可以解决非正常工作状态给系统造成的影响。
[0027]图3为改进型双向Z源变换器的主电路结构图，如果直流侧电源为蓄电池或超级电容等储能元件，在一定条件下，需要对其进行充电操作，可以要求变换器侧的能量能回馈到直流电源中。此时将二极管01换成功率开关管Q8,当直流电源ud。为光伏阵列、燃料电池等不能接受回馈电流时，开关管Q8关断。当直流电源Ud。为蓄电池等能吸收能量的装置时，开关管Q8工作，系统能量可经过开关管Q8回馈到电源Udc中。由于系统的能量可以双向流动，因此三相变换器可以工作在整流和逆变两种工作状态。
[0028]图4为变换器工作在零状态电源和电容C3开始向Z网络电容C i和电容C 2充电。
[0029]图5为变换器工作在有源状态其中i in/2，逆变器输入电流iin> Oo有源开关导通。电源Ud。和电容C 3向Z源网络储能元件及负载供电。
[0030]图6为变换器工作在有源状态其中i in/2，逆变器输入电流iin> O仍满足，Z源网络的电容开始向负载供电。
[0031]图7为变换器工作在有源状态O < iin/2不满足二极管电流连续的必要条件。iinz< 0，开关管Q7导通，流入Z网络的电流反向流动。Z网络前两端电压近似等于直流源电压，使电路正常工作。
[0032]图8为变换器工作在有源状态，当0，i inz< 0，电容C JP C 2放电。
[0033]图9为变换器工作在零状态，09仍是导通状态，i L< O, i inz< Oo
[0034]图10为变换器工作在直通状态，在零状态之后加上直通信号，由于电感上的电流不能突变，iL< 0，i inz< O变换器有源器件的续流二极管全部导通，三相桥直流侧电压为O。
[0035]图11为变换器工作在直通状态，在零状态之后，Z网络电感电流反向减小到O后，加入直通信号即同一桥臂的开关器件同时导通，此时三相桥直流侧电压为O。
[0036]图12为变换器工作在整流模式下的非直通状态，当整流模式下工作在非直通状态时07和Q 8开关管导通。
[0037]图13为变换器工作在整流模式下的直通状态，当整流模式下工作在非直通状态时07和Q 8开关管关断。
[0038]综上所述:本发明解决了以下问题:1.避免Z源变换器工作在非正常工作状态时造成系统体积，成本和重量的增加的问题。2.可以通过控制开关管的通断决定是否可以向直流侧电源进行充电。从而真正意义上实现了能量的双向流动。
【主权项】
1.双向能量流动Z源三相变换器，包括Z源网络和三相变换电路，其特征在于:所述三相变换电路由多个开关管(QpQrQrQpQpQ6)组成，且三相变换电路带有滤波电感和负载，所述Z源网络并联在三相变换电路上，所述Z源网络包括直流电压源、回流控制元件、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第一电感(L1)和第二电感(L2)和开关管(Q7)，所述回流控制元件一端接电源的正极；另一端分别连接至开关管(Q7)的发射极和第三电容(C3)，所述开关管(Q7)的集电极连接至第一电感(L1)和第一电容(C1),所述第三电容(C3)的另一端连接至直流电压源的负极，所述直流电压源的负极还连接有第二电容(C2)和第二电感(L2)，第一电感(L1)的另一端分别接第二电容(C2)和三相变换电路的输入端；第二电感(L2)另一端与第一电容(C1)另一端连接后再接入到三相变换器的另一个输入端。
2.根据权利要求1所述的双向能量流动Z源三相变换器，其特征在于:所述直流电压源为不可充电电源，所述回流控制元件为二极管(D)。
3.根据权利要求1所述的双向能量流动Z源三相变换器，其特征在于:所述直流电压源为可充电电源，所述回流控制元件为开关管(Q8)。
【专利摘要】本发明公开了一种双向能量流动Z源三相变换器，由Z源阻抗网络、三相变换电路组成，双向能量流动Z源阻抗网络由直流电压源、电容C1、C2和C3电感L1和L2开关管Q7和二极管D组成；改进的双向能量流动Z源阻抗网络由直流电压源、电容C1、C2和C3电感L1和L2开关管Q7和Q8组成。双向流动Z源变换器在非直通状态时Z源网络中的电流可以经过一个开关管流入到电容中，解决了传统Z源逆变器带轻载时可能出现的系统非正常状态问题，优点在于当逆变器并网时，由于系统的能量可以双向流动，三相变换器可以工作在整流和逆变两种工作状态。在新能源发电并网等领域有广阔的应用前景。
【IPC分类】H02M7-797
【公开号】CN104617806
【申请号】CN201510044636
【发明人】闫朝阳, 白鹤, 刘安平, 李建霞, 杨振华, 潘珂珂, 吴晓雨, 秦海宁
【申请人】闫朝阳, 秦皇岛燕大朝华电子科技有限公司
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月26日