一种双端共地逆变器
阅读说明：本技术 一种双端共地逆变器 (Double-end common-ground inverter ) 是由 王怀宝 张晓钰 郭小强 卢志刚 马瑞斯·马利诺夫斯基 乔瑟夫·格莱罗 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双端共地逆变器,逆变器的电路拓扑包括直流输入侧源DC、第一开关器件S-(1)、第二开关器件S-(2)、第三开关器件S-(3)、第一电感L-(1)、第二电感L-(2)、第三电感L-(3)、第一电容C-(1)、第二电容C-(2)、第三电容C-(3)和第四电容C-(4),本发明可以在无需变压器或前级直流变换器的情况下应用到升降压场合,可以实现输出电压幅值大于或小于输入侧电压幅值,输出电压范围大。所述双端共地逆变器元件数量少、结构简单、体积小、成本低、增益高,同时采用双端共地结构,消除漏电流；采用双端共地逆变器的控制方式能够减小输入侧电流纹波。(The invention discloses a double-end common-ground inverter, wherein the circuit topology of the inverter comprises a direct current input side source DC and a first switching device S 1 A second switching device S 2 A third switching device S 3 A first inductor L 1 A second inductor L 2 A third inductor L 3 A first capacitor C 1 A second capacitor C 2 A third capacitor C 3 And a fourth capacitance C 4 The invention can be applied to the voltage increasing and decreasing occasions without a transformer or a preceding stage direct current converter, can realize that the amplitude of the output voltage is larger or smaller than that of the input side voltage, and has large output voltage range. The double-end common-ground inverter has the advantages of less elements, simple structure, small volume, low cost and high gain, and simultaneously adopts a double-end common-ground structure to eliminate leakage current; the control mode of the double-end common-ground inverter can reduce the input side current ripple.)
技术领域
本发明涉及电力电子变换器
技术领域
的逆变器，尤其是一种双端共地逆变器。背景技术
逆变器作为一种电力电子设备，其基本作用是将直流输入侧电源转换成交流电源，满足负载或电网的负荷要求。其中单相逆变器主要应用于中小功率场合，结构简单，成本较低，广泛应用于光伏发电、风力发电、燃料电池等各种新能源发电场合。传统逆变器主要分为电压源型逆变器和电流源型逆变器，电压源型逆变器作为降压型逆变器，其输出电压幅值低于输入侧电压幅值；电流源型逆变器作为升压逆变器，其输出电压幅值高于输入侧电压幅值，因此在实际应用中，在负载情况复杂、输出电压幅值要求范围大的场合中，尤其在升降压场合中，它们都需要额外的DC-DC转换器用来将输入侧侧的电压升高/降低以满足交流侧输出电压的要求，引起逆变器体积大，成本高，电能转换效率低的问题。同时无变压器型逆变器在应用过程中，由于开关管的高频通断造成逆变器共模电压高频变化，会导致漏电流问题的出现，引起并网电流畸变、电磁干扰等问题，甚至对人身安全构成威胁。因而，亟需新型单相升降压型逆变器解决上述问题。
彭方正教授等人2011年在国际期刊IEEE Transactions Power Electronics中发表的文章Low-Cost Semi-Z-source inverter for single-phase photovoltaic systems提出半Z源逆变器和半准Z源逆变器，该逆变器元件数量少同时采用双端共地结构消除漏电流。然而，该方案提出的逆变器属于降压逆变器，限制了其在升压场合的应用。Huang Long等人2013年在IEEE Transactions Power Electronics期刊中发表的文章A family ofthree-switch three-state single-phase Z-source inverters提出两种类型的三开关三态Z源逆变器即基于Boost型三开关三态Z源逆变器和基于Buck-Boost型三开关三态Z源逆变器，王宝诚教授等人2018年在Electronics期刊中发表的文章A new CUK-based Z-source inverter提出基于CUK型三开关三态Z源逆变器，2019年在Electronics期刊中发表的文章A novel three-switch Z-source SEPIC inverter提出基于SEPIC型三开关三态Z源逆变器，此类三开关三态Z源逆变器作为升降压型逆变器，其逆变器输出电压幅值可以大于或者小于输入侧直流电压幅值且采用双端共地结构抑制漏电流；但逆变器存在升压能力不足的缺陷。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种双端共地逆变器，元件数量少，能够适用于升降压应用场合并具备抑制漏电流能力。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种双端共地逆变器，逆变器的电路拓扑包括直流输入侧源DC、第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4；
所述输入侧电压源DC的P端与第一开关器件S1的一端、第一电容C1的一端相连；第一电容C1的另一端与第二电容C2的一端、第三电感L3、第四电容C4的一端相连；第一开关器件S1的另一端与第一电感L1、第三开关器件S3相连接；
所述第三开关器件S3的另一端与第二电感L2、第三电容C3相连；第一电感L1的另一端与输入侧电压源DC的N端、第四电容C4相连；第二电感L2的另一端与第二电容C2的另一端、第二开关器件S2的一端相连；第三电容C3的另一端与第二开关器件S2的另一端、第三电感L3的另一端相连；
负载R或电网的一端与第四电容C4的一端相连接；负载R或电网的另一端与第四电容C4的另一端相连接。
本发明技术方案的进一步改进在于：逆变器的电路拓扑包括四种工作状态：
状态1(t0-t1)：第一开关器件S1和第三开关器件S3导通，第二开关器件S2关断，此时第一电感L1处于充电状态；
状态2(t1-t2)：第二开关器件S2和第三开关器件S3导通，第一开关器件S1关断，此时第一电感L1处于放电状态；
状态3(t2-t3)：第一开关器件S1和第二开关器件S2导通，第三开关器件S3关断，此时第一电感L1处于充电状态；
状态4(t3-t4)：第二开关器件S2和第三开关器件S3导通，第一开关器件S1关断，此时第一电感L1处于放电状态。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述状态1(t0-t1)和状态3(t2-t3)第一电感L1处于充电状态，具体工作过程为：第一电感L1两端电压为输入侧电压源电压值Vin，此时第一电感L1充电至输入侧电压源电压值Vin，第一电感L1电流增加。
本发明技术方案的进一步改进在于：所示状态2(t1-t2)和状态4(t3-t4)第一电感L1处于放电状态，具体工作过程为：第一电感L1两端的输入侧电压源电压值Vin、第一电容C1电压VC1、第二电容C2电压VC2与第三电容C3电压VC3之差，即Vin-VC1-VC2-VC3，第一电感L1电流减小。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述第一开关器件S1的占空比为k为升压比，k为常数。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述第二开关器件S2的占空比为其中A为双端共地逆变器的输出峰值增益。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述状态1(t0-t1)的时间为1-D2，状态2(t1-t2)的时间为状态3(t2-t3)的时间为D2-(1-D1)，状态4(t3-t4)的时间为
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、本发明提供的双端共地逆变器，采用双端共地结构，其输入侧电压源负端与输出负端连接在一起，能够消除漏电流，可以在无需变压器或前级直流变换器的情况下应用到升降压场合，实现输出电压幅值大于或小于输入侧电压幅值，输出电压范围大。从电路结构看，只有三个开关、三个电感实现高增益的逆变输出，系统结构简单，提高了系统的稳定性。从工作原理看，每个工作状态有两个开关器件同时导通，控制三个开关器件的占空比实现高增益逆变输出，控制简单，易于实现。
2、本发明提供的双端共地逆变器与采用开关电感、耦合电感、开关电容单元提高电压增益的单相Z源逆变器相比，本发明提出的逆变器仅采用三个开关，三个电感和四个电容实现升压功能，体积小，成本低，结构简单；
3、本发明提供的双端共地逆变器与同类三开关三态单相Z源逆变器相比，本发明提出的逆变器与Boost型三开关三态Z源逆变器相比，其电容电压和开关管电压低，与CUK型三开关三态Z源逆变器和SEPIC型三开关三态Z源逆变器相比，其采用电感数量少。
附图说明
图1是本发明提出的一种双端共地逆变器电路拓扑图；
图2是本发明提出的一种双端共地逆变器开关序列图；
图3是本发明提出的一种双端共地逆变器电路拓扑的状态1工作过程示意图；
图4是本发明提出的一种双端共地逆变器电路拓扑的状态2工作过程示意图；
图5是本发明提出的一种双端共地逆变器电路拓扑的状态3工作过程示意图；
图6是本发明提出的一种双端共地逆变器电路拓扑的状态4工作过程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，本发明提供的双端共地逆变器与采用开关电感、耦合电感、开关电容单元提高电压增益的单相Z源逆变器相比，本发明提出的逆变器仅采用三个开关，三个电感和四个电容实现升压功能，体积小，成本低，结构简单，逆变器的电路拓扑包括直流输入侧电源DC、第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4；
所述输入侧电压源DC的P端与第一开关器件S1的一端、第一电容C1的一端相连；第一电容C1的另一端与第二电容C2的一端、第三电感L3、第四电容C4的一端相连；第一开关器件S1的另一端与第一电感L1、第三开关器件S3相连接；
所述第三开关器件S3的另一端与第二电感L2、第三电容C3相连；第一电感L1的另一端与输入侧电压源DC的N端、第四电容C4相连；第二电感L2的另一端与第二电容C2的另一端、第二开关器件S2的一端相连；第三电容C3的另一端与第二开关器件S2的另一端、第三电感L3的另一端相连；
负载R或电网的一端与第四电容C4的一端相连接；负载R或电网的另一端与第四电容C4的另一端相连接。
本发明提供的双端共地逆变器，采用双端共地结构，其输入侧电压源负端与输出负端连接在一起，能够消除漏电流，可以在无需变压器或前级直流变换器的情况下应用到升降压场合，实现输出电压幅值大于或小于输入侧电压幅值，输出电压范围大。从电路结构看，只有三个开关、三个电感实现高增益的逆变输出，系统结构简单，提高了系统的稳定性。从工作原理看，每个工作状态有两个开关器件同时导通，控制三个开关器件的占空比实现高增益逆变输出，控制简单，易于实现。本发明提供的双端共地逆变器与同类三开关三态单相Z源逆变器相比，本发明提出的逆变器与Boost型三开关三态Z源逆变器相比，其电容电压和开关管电压低，与CUK型三开关三态Z源逆变器和SEPIC型三开关三态Z源逆变器相比，其采用电感数量少。
为了保证上述电路拓扑的升压特性，同时保证实现逆变输出功能，减小输入侧电流纹波，采用如图2所示的开关序列，分为四种工作状态，下面对四种工作状态进行分析：
状态1(t0-t1)：第一开关器件S1和第三开关器件S3导通，第二开关器件S2关断，此时第一电感L1处于充电状态；其具体工作状态如图3所示，第一电感L1处于充电状态，具体工作过程为：第一电感L1两端电压为输入侧电压源电压值Vin，此时第一电感L1充电至输入侧电压源电压值Vin，第一电感L1电流增加。
状态2(t1-t2)：第二开关器件S2和第三开关器件S3导通，第一开关器件S1关断，此时第一电感L1处于放电状态；其具体工作状态如图4所示，第一电感L1两端的输入侧电压源电压值Vin、第一电容C1电压VC1、第二电容C2电压VC2与第三电容C3电压VC3之差，即Vin-VC1-VC2-VC3，第一电感L1电流减小。
状态3(t2-t3)：第一开关器件S1和第二开关器件S2导通，第三开关器件S3关断，此时第一电感L1处于充电状态；其具体工作状态如图5所示，第一电感L1处于充电状态，具体工作过程为：第一电感L1两端电压为输入侧电压源电压值Vin，此时第一电感L1充电至输入侧电压源电压值Vin，第一电感L1电流增加。
状态4(t3-t4)：第二开关器件S2和第三开关器件S3导通，第一开关器件S1关断，此时第一电感L1处于放电状态。其具体工作状态如图6所示，第一电感L1两端的输入侧电压源电压值Vin、第一电容C1电压VC1、第二电容C2电压VC2与第三电容C3电压VC3之差，即Vin-VC1-VC2-VC3，第一电感L1电流减小。
对于本发明的双端共地逆变器，第一开关器件S1的占空比D1根据表达式产生，其中k为升压比，k为常数，因此占空比D1为常数；所述双端共地逆变器由第二开关器件S2的占空比D2实现输出正弦波，因此设置第二开关器件S2的占空比D2根据表达式产生，其中A为双端共地逆变器的输出峰值增益，第二开关器件S2的占空比D2的占空比随正弦变化。
对于本发明的双端共地逆变器的四种工作状态的时间具体如下：状态1(t0-t1)时间为1-D2，状态2(t1-t2)时间为状态3(t2-t3)时间为D2-(1-D1)，状态4(t3-t4)时间为通过采用双端共地逆变器的控制方式减小输入侧电流纹波。
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