[发明专利]双向逆变器拓扑

说明书

技术领域

本发明属于电力变流领域，实现直流电与交流电互相转换，可以广泛应用于需要交直流混合电源、储能、电机驱动和制动等系统中。

背景技术

双向逆变器又称为逆变整流一体机、蓄电池逆变器，广泛应用于新能源储能系统、智能微网系统、新能源充电电站、新能源动力系统中。它的作用是连接交流系统和直流系统，实现两个系统之间的能源转换，即有时需要从直流变换成交流、有时需要从交流变换成直流。针对交流系统，又有单相和三相之分。当前大功率的双向变流器，这里的大功率主要指50KW以上，主要是三相双向变流器；小功率的双向变流器，以单相电为主。双向变流器是相当新兴的需求，当前的产品还有结构复杂、价格高等缺点，需要技术的不断进步满足产业需求。

发明内容

本发明提出了一种双向逆变器拓扑，创新的实现了高效率、低成本的直流电与单相交流电直接的双向变流，同时还能实现交流无功的控制。

本发明的技术方案(参照附图)是：

直流端正负极之间串联有斩波开关(图中的S5)、储能电感(图1中的L1和图2中的L2)、H型换向整流桥(简称这个H型换向整流桥为H桥)，有升压开关(图中S7)与串联的储能电感和H型换向桥电路并联，H型换向桥的两个桥臂中点与交流端相连；斩波开关S5是双向的，或并联有反向二极管(图中的D5)，或开关管内部集成了反向二极管；升压开关S7是双向的，或并联有反向二极管(D7)，或开关管内部集成了反向二极管；H桥有四个开关管(图中的S1、S2、S3和S4)，H桥中与直流正极侧连接的两个开关管称为为S1和S3，H桥中与直流负极侧连接的两个开关管为S2和S4，S1与S2组成一个桥臂，S3与S4组成一个桥臂；开关管S1、S2、S3和S4是双向的，或并联有反向二极管(图中的D1、D2、D3和D4)，或开关管内部集成了反向二极管；在H桥两个桥臂中点之间连接电容C3，或在H桥的直流侧并联电容C2，电容C2和电容C3至少有一个，或者两个都有；斩波开关和储能电感可以位于直流输入输出端同一侧(如图1所示)，也可以位于直流输入输出端的不同极性侧；H桥的两个桥臂中点连接交流输入输出端，当然实际应用中可能还要增加EMC滤波电路、隔离变压器等；在直流输入输出端并联电容C1。

本发明的有益效果是：

用简单的拓扑电路实现了功率的双向变换，可以把直流电逆变为交流电，也可以把交流电变换为直流电，比当前类似的方案成本低很多。本发明的拓扑在实现有功功率变换的同时可以实现功率因数的调整，控制无功功率的流向。采用本发明可是实现变频的四象限运行，方便实现电机的变频驱动和制动。

附图说明

本说明书有四个附图：

图1，双向逆变器拓扑示意图一，斩波开关与储能电感在直流端同一侧；

图2，双向逆变器拓扑示意图二，斩波开关与储能电感在直流端不同极性侧；

图3，功率从直流侧流向交流侧的工作示意图；

图4，功率从交流侧流向直流侧的工作示意图；

具体实施方式

图3、图4是使用本发明的双向逆变器拓扑的工作示意图。

图3所示的是功率从直流侧流向交流侧的工作原理：这时开关S5处于高频斩波开关状态；当S5处于开通状态时，对储能电感L1充电，S7和D7处于关断状态；当S5处于关断状态时，储能电感L1的电流通过D7或者S7续流；H换向桥处于工频开关状态，对L1的电流进行换向，实现交流输出的极性变换；储能电感L1的电流可以采用二极管续流方式，即续流电流从二极管D7流过，也可以采用同步续流方式，即续流电流从开关S7；二极管续流的方式，续流不需要控制，所以控制策略简单，同步续流的方式控制较为复杂，同时需要开关管S7为双向，但在合理的设计下可以实现更高的效率；通过控制S5的高频斩波的占空比控制交流侧输出的电压幅值变化；通过控制H桥，控制交流输出的极性。

图4所示的是功率从交流侧流向直流侧的工作原理：这时升压开关(图4中的S7)处于高频升压开关状态；当S7开通时对储能电感L1进行充电，S5、D5处于关断状态，当S7关断时电感L1的电流通过S5或D5续流，向直流侧输电；相应的电感L1的电流续流也有两种方式，二极管续流方式和同步续流方式，二极管续流方式需要在S5上并联续流二极管，但控制比较简单，同步续流方式控制较复杂，同时需要开关管S5是双向的，但在设计合理的情况下可以实现更高的效率；H桥作为整流桥使用，也有两种方式，同步整流和二极管整流；通过控制升压开关S7的高频开关占空比控制直流侧的输出电压幅值和功率。

上述两种功率的流动方向控制通过控制时序实现动态的变化，从而实现功率的灵活控制，实现逆变、整流、变频、无功控制等，广泛应用于储能、交直流混合系统等中。