发明专利｜适用于孤岛和并网模式的微电网功率变换系统

编者按：本发明公开了一种适用于孤岛和并网模式的微电网功率变换系统，包括直流电源电路、电容串联电路、变压器、第一开关管桥臂、第二开关管桥臂、控制电路和三相逆变器电路;电容串联电路的C₁和C₂中间连接点分别与变压器的N₁线圈非同名端和N₂线圈同名端相连;第一开关管桥臂包括开关管T₁和T₂，T₁和T₂的中间连接点与N₁线圈的同名端相连;第二开关管桥臂包括开关管T₃和T₄，T₃和T₄的中间连接点与N₂线圈的非同名端相连;所述控制电路包括多个电压传感器、驱动信号生成单元;所述三相逆变器电路具备三相的开关管桥臂。本发明能够将上下电容的电压差限制在一个开关管和一个二极管的导通压降之和以内，使得输出电压基波幅值基本与给定电压幅值接近。

发明人 陆畅 胡军台 刘春阳 王正钊 刘延增

技术领域

本发明属于电力系统和电力电子技术应用领域，特别涉及一种适用于孤岛和并网模式的微电网功率变换系统。

背景技术

以光伏、储能、风电为特征的分布式能源发电系统是摆脱对化石燃料依赖，减少温室气体排放，应对能源枯竭的重要手段之一。微电网是分布式能源高效利用的重要手段，采用电力电子变换电路将分布式电源接入电网，构成并网运行模式，或者为重要的敏感负荷供电，构成孤岛发电模式。对于这两大应用场合，变流器的拓扑目前主要有两种类型：一种是为了带三相电机等平衡负载，可采用三相三线制接线方式;另一种是诸如小型单相光伏发电系统，给小型家庭用户使用，带电灯、家用电器等单相负载，也需要带加热、家用电器、照明等单相负载，这种场合逆变器需要采取三相四线制接线方式，可以同时兼顾三相负荷和单相负荷的用电需求。

三相四线逆变电路有多种拓扑结构，包括分裂电容式三相逆变拓扑、带Δ/Y0变压器的三相逆变拓扑、带中点变压器的三相逆变拓扑、组合式三相逆变拓扑和三相四桥臂逆变器拓扑，各种拓扑对三相不平衡的抑制存在一定差异。分裂电容式三相逆变器拓扑，把直流母线两端串接了两个相同容量的大电容，通过电容对直流母线分压来钳位交流中性点。

这种拓扑一般采用SVPWM控制方式，控制方法简单，广泛用于小功率的场合。但该电路拓扑也存在明显缺点，首先是两个分压电容参数的微小的差异就会立即反映到中性点的电位上，其次是当带负载不平衡的时候，会有零序电流从电容流过，负载的不平衡程度较大时，零序电流会更大，两个电容的电压会产生较大的偏差，为减小串联电容的压差，就需要较大电容值的分裂电容，必然会增加硬件成本和装置体积。因此，该电路拓扑结构不适用于负载不平衡程度较大的场合。

带Δ/Y0变压器的三相逆变器拓扑结构中变压器副边采用星形连接方式，能够为三相不平衡负载提供中线电流通路，而相位相同的零序电流分量可以在变压器三角形方式连接的原边绕组中流动，因而起到了一定的平衡作用。变压器的引入还能起到升压作用，可以减小直流母线电压能级，以及电容的电压等级，同时也能对原副边起到一定的隔离作用。

但是，这种拓扑结构也有它本身的缺点，加入工频变压器自然增加了硬件的成本、重量和体积。另外该电路拓扑结构并没有实现三相电路的完全解耦，无法从根本上解决三相负载不平衡导致三相输出不对称的问题。因此，在一些容易出现不平衡负载的场合限制了其应用。

在带不平衡三相负载时，无法保证直流母线分裂电容的中点电位的稳定，无法保证中性点的电平稳定。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够将上下电容的电压差限制在一个开关管和一个二极管的导通压降之和以内;该电路拓扑能够有效降低上下电容的电压差，使得输出电压基波幅值基本与给定电压幅值接近，减少输出电压的谐波分量，输出电压更加对称的适用于孤岛和并网模式的微电网功率变换系统

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：适用于孤岛和并网模式的微电网功率变换系统，包括直流电源电路、电容串联电路、变压器、第一开关管桥臂、第二开关管桥臂、控制电路和三相逆变器电路;

所述电容串联电路包括串联的上电容C₁和下电容C₂，上电容C₁的另一端与直流电源电路的正极相连，下电容C₂的另一端连接直流电源电路的负极;上电容C₁和下电容C₂中间连接点分别与变压器的N₁线圈非同名端和变压器N₂线圈的同名端相连;

所述第一开关管桥臂包括串联的开关管T₁和T₂，开关管T₁的发射极与开关管T₂的集电极相连，开关管T₁和T₂分别反并联一个二极管D₁和D₂，开关管T₁和T₂的中间连接点与变压器N₁线圈的同名端相连;

所述第二开关管桥臂包括串联的开关管T₃和T₄，开关管T₃的发射极与开关管T₄的集电极相连，开关管T₃和T₄分别反并联一个二极管D₃和D₄，开关管T₃和T₄的中间连接点与变压器N₂线圈的非同名端相连;

开关管T₁和T₃的集电极与直流电源电路的正极相连，开关管T₂和T₄的发射极与直流电源电路的负极相连;

所述控制电路包括多个电压传感器、驱动信号生成单元;

电压传感器，用于检测下电容C₂两端的电压，用于检测直流电源电路的中性点电压;

驱动信号生成模块，使用电压传感器的检测电压，结合0V给定电压，生成开关管T₁、T₂、T₃、T₄的控制信号G1、G2、G3和G4;

所述三相逆变器电路具备三相的开关管桥臂，每一相的所述开关管桥臂在上下臂分别具有开关管，每一个开关管反并联一个二极管;每一相上臂的开关管连接到直流电源电路的正极，每一相下臂的开关管连接到直流电源电路的负极;所述上下臂的开关管之间的串联连接点作为各相的交流输出端子，分别通过电感La、Lb、Lc连接负载;所述电感La、Lb、Lc分别通过电容Cc、Cb、Ca与中性点N相连，中性点N同时连接到变压器N₁线圈的非同名端和N₂线圈的同名端，以及上电容C₁与下电容C₂的中间连接点。

进一步地，所述直流电源电路包括多个串联的直流电压源。

进一步地，当上电容C₁上的电容电压 小于下电容C₂上的电容电压 时，开关管T₂和T₄轮流导通，变压器N₁线圈和N₂线圈交替作为变压器原边，把下电容C₂的能量传递到上电容C₁上，实现上下电容电压的均衡，开关管T₁和T₃一直保持断开状态;

微电网功率变换系统依次包括以下四种工作状态：(1)T₂导通，T₁、T₃、T₄关断;(2)T₁、T₂、T₃、T₄关断;(3)T₄导通，T₁、T₂、T₃关断;(4)T₁、T₂、T₃、T₄关断;将这四种工作状态分别命名为① 状态，② 状态，③ 状态和④ 状态。

(1)所述① 状态时，开关管T₂导通，T₁、T₃、T₄关断;电流从下电容C₂的正端流出，经过N₁线圈和开关管T₂后流回下电容C₂的负端;根据基尔霍夫方程得到：

公式中， 为N₁线圈两端的电压， 为开关管T₂的导通压降;

与此同时，在变压器N₂线圈产生电流回路：电流从N₂线圈的非同名端流出，依次经过与开关管T₃反并联的二极管D₃、下电容C₁后流回到N₂线圈的同名端;此时：

式中， 为N₂线圈两端的电压， 为二极管D₃的导通压降;

将变压器变比设为1，得到：

根据公式(1)、(2)、(3)得到：

即上电容C₁的电压值与下电容C₂的电压值之差即为开关管T₂的导通压降与二极管D₃的导通压降之和;下电容C₂在该工作状态中不断放出能量，能量被N₁线圈吸收后传递给N₂线圈，然后由N₂线圈通过二极管D₃不断向电容上C₁充电;这个过程中，C₂放电，C₁充电， 不断减小， 不断增加，二者电压差减少;

(2)所述② 状态为① 状态的续流阶段，电流从N₁线圈的同名端流出，依次经过与开关管T₁反并联的二极管D₁、上电容C₁后流回N₁线圈的非同名端，该电流不断减小，最终为0;

(3)所述③ 状态在② 状态的续流完成后开始，此状态下，开关管T₄导通，T₁、T₂、T₃关断;电流从下电容C₂正端流出，经过N₂线圈、开关管T₄后流回下电容C₂的负端，此时：

式中， 为开关管T₄的导通压降;

与此同时，在变压器副边N₁线圈产生电流回路：电流从N₁线圈的同名端流出，经过与开关管T₁反并联的二极管D₁、上电容C₁后流回N₁线圈的非同名端;此时N₁线圈电压为：

 为与二极管D₁的导通压降;

将变压器变比设为1，得到：

由(5)、(6)、(7)式得到：

上电容C₁电压与下电容C₂电压之差为二极管D₁的导通压降与开关管T₄导通压降之和;下电容C₂在该工作状态中不断放出能量，能量被N₂线圈吸收后传递给N₁线圈，然后由N₁线圈通过二极管D₁不断向上电容C₁充电;这个过程中，C₂放电，C₁充电， 不断减小， 不断增加，二者电压差减少;