CN102355140B - 一种能实现能量回馈的级联多电平逆变电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能实现能量回馈的级联多电平逆变电路及其控制方法，由基于三相不控整流电路的功率单元和基于三相PWM整流电路的功率单元级联构成，本发明控制方法通过控制基于三相不控整流电路的功率单元中逆变电路的绝缘栅双极型晶体管的开通使负载回馈能量不流入基于三相不控整流电路的功率单元中的中间直压电路，而是直接流入基于三相PWM整流电路的功率单元中的中间直压电路。本发明电路能实现负载能量回馈电网，以达到节能效果，同时还在一定程度上简化了功率单元系统拓扑结构与控制环节的复杂性，而且减少了绝缘栅双极型晶体管的使用数量，从而降低了造价，具有很高的经济价值。

Description

一种能实现能量回馈的级联多电平逆变电路及其控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种级联多电平逆变电路及其控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，高压变频器作为电力电子技术发展的主要成果之一，由于其功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽，所以在国民经济的各个领域，如冶金、矿山、石化、电力等行业得到广泛的应用，并发挥着越来越重要的作用。

目前，市场上通用的高压变频器多属于单象限变频器，其主电路拓扑多采用基于不控整流电路的功率单元构成级联多电平逆变电路结构，传统级联型高压变频器的电路拓扑结构图如图1所示，基于不控整流电路的功率单元如图2所示。这些传统级联型高压变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等，因为这种系统要求电动机四象限运行，当电动机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电动机处于再生发电状态。由于不控整流电路能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生很高的泵升电压，若不及时释放，势必会引起变频器过压保护动作或造成主回路大功率器件的过压损坏。工程上对这种泵升能量多以热能或其它形式消耗掉，极大得浪费了能源，不符合当前的节能需求。

PWM整流电路具有动态响应快、直流侧电压范围可调的优点，其能够满足级联多电平能量双向流动的性能要求。将PWM整流器用于高压变频器的功率单元，能够实现单位功率因数整流运行，因此，高压变频器中实现多重化整流的移相变压器可以采用普通的工频变压器代替，这样在输入侧变压器的制作工艺上可以省去复杂的移相接线。但是PWM整流器控制电路需要检测交流侧电流和直流侧电压等信息量用来实现PWM整流控制算法，在检测和控制环节增加成本同时也给系统控制增加了复杂性，对系统可靠性也带来了不利影响 。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种能实现能量回馈的级联多电平逆变电路及其控制方法，该级联多电平逆变电路将基于三相不控整流电路的功率单元和基于三相PWM整流电路的功率单元结合起来。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一、一种能实现能量回馈的级联多电平逆变电路，由基于三相不控整流电路的功率单元和基于三相PWM整流电路的功率单元级联构成。

上述基于三相不控整流电路的功率单元由逆变电路、中间直压电路和三相不控整流电路并联构成，基于三相PWM整流电路的功率单元由逆变电路、中间直压电路和三相PWM整流电路并联构成，其中：

逆变电路均是绝缘栅双极型晶体管构成的单相H型桥式电路；

中间直压电路均为一直流电容；

三相不控整流电路由二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6构成，二极管D1、D3、D5共阴极，其阳极分别与三相电源的三相相接，二极管D4、D6、D2共阳极，其阴极分别与三相电源的三相相接；

三相PWM整流电路由绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3、T4、T5、T6构成，绝缘栅双极型晶体管T1、T3、T5共集电极，其发射极分别与三相电源的三相相接，绝缘栅双极型晶体管T4、T6、T2共发射极，其集电极分别与三相电源的三相相接。

二、一种能实现能量回馈的级联多电平逆变电路的控制方法，通过控制基于三相不控整流电路的功率单元的单相H型桥式电路的绝缘栅双极型晶体管开通使负载回馈能量不流入该功率单元的中间直压电路的直流电容，而是直接流入基于三相PWM整流电路的功率单元的中间直压电路的直流电容，同时控制采用绝缘栅双极型晶体管的三相PWM整流电路工作在逆变状态实现负载能量回馈电网，以实现电动机负荷的四象限运行。

    与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明电路将基于三相PWM整流电路的功率单元和基于三相不控整流电路的功率单元级联，与基于三相不控整流电路的功率单元级联多电平逆变电路相比，本发明电路能实现负载能量回馈电网，以达到节能效果，将本发明电路用于高压变频器不仅能满足电动机四象限运行的要求，还能使移相变压器设计要求更为简化；

2、与基于三相PWM整流电路的功率单元级联多电平逆变电路相比，本发明电路在一定程度上简化了功率单元系统拓扑结构与控制环节的复杂性，而且减少了绝缘栅双极型晶体管的使用数量，从而降低了造价成本，具有很高的经济价值。

附图说明

图1为传统级联型高压变频器的拓扑结构图；

图2为基于三相不控整流电路的功率单元主电路图；

图3为基于三相PWM整流电路的功率单元主电路图；

图4为本实施例中级联多电平逆变电路的电路结构图，其中，图（a）为本发明级联多电平逆变电路的一种具体电路结构图，图（b）为本发明级联多电平逆变电路的另一种具体电路结构图；

图5为本发明级联多电平逆变电路的控制方法原理图，图（a）为级联多电平逆变电路的传统控制方法原理图，图（b）为本发明所采用的控制方法原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明做进一步阐述。

图1为传统级联型高压变频器的拓扑结构图，传统级联型高压变频器由移相变压器、功率单元和控制器构成，高压交流电经移相变压器降压、移相后，分别给ABC三相的各个功率单元A1、A2、A3、A4、A5、B1、B2、B3、B4、B5、C1、C2、C3、C4、C5提供三相电源，各个功率单元的输出电压经串联叠加后形成三相正弦波，向电动机负载供电。

现有技术中的功率单元有基于三相不控整流电路的功率单元和基于三相PWM整流电路的功率单元，分别如图2和图3所示，基于三相不控整流电路的功率单元和基于三相PWM整流电路的功率单元均由整流电路、中间直压电路、逆变电路并联构成。

基于三相不控整流电路的功率单元中的整流电路由二极管构成，图2所示为基于三相不控整流电路的功率单元的一种具体实施，逆变电路是采用4个绝缘栅双极型晶体管构成单相H型桥式电路；中间直压电路为一直流电容；整流电路是由二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6构成的三相不控整流电路，二极管D1、D3、D5共阴极，其阳极分别与三相电源的三相相接，二极管D4、D6、D2共阳极，其阴极分别与三相电源的三相相接。基于三相不控整流电路的功率单元中，中间直压电路电容电压及逆变电路输出电压信号送到控制器后，经控制器处理，然后由控制器输出信号控制逆变电路中的绝缘栅双极型晶体管，从而实现输入电源的能量向负载输送，但无法实现负载能量回馈控制。

具体地说，在高压变频器中，移相变压器的二次侧分别通过滤波电抗器连接到各个功率单元A1、A2、A3、A4、A5、B1、B2、B3、B4、B5、C1、C2、C3、C4、C5，一个移相变压器对应一个功率单元，功率单元的输入侧为三相不控整流电路，中间直压电路是由直流电容构成的直流充电部分，输出侧为逆变电路。功率单元级联形成的多电平逆变电路与控制器连接，电动机的转速和电压信号经过功率单元送到控制器，经控制器处理后输出信号控制逆变电路中4个绝缘栅双极型晶体管的通断，从而使逆变电路输出相应幅值及频率的电压波形。

当电动机工作在电动状态时，输入功率单元的交流功率经三相不控整流电路后变成直流功率，加到中间直压电路的电容上，再通过控制器控制逆变电路中4个绝缘栅双极型晶体管Q1~Q4，使直流功率重新变为一定电压幅值、频率的交流功率。各个功率单元逆变电路的输出电压串联叠波后形成电动机所需的三相正弦波交流功率，用来驱动电动机。此时电能由输入电源经功率单元级联形成的级联多电平逆变电路输送到电动机上，电动机运行在第一、第三象限，高压变频器中功率单元形成的级联多电平逆变电路的三相不控整流电路一直工作在整流状态。

当电动机工作在制动状态时，由于二极管不能反相导通，电动机制动运行产生的能量经逆变电路中绝缘栅双极型晶体管的反并联二极管构成的整流电路快速回馈到中间直压电路的电容上，产生泵升电压。此能量可以采用三相PWM整流电路实现能量双向流动，将能量回馈到电网。

基于三相PWM整流电路的功率单元中整流电路由绝缘栅双极型晶体管构成，如图3所示为基于三相PWM整流电路的功率单元的一种具体实施，逆变电路是采用4个绝缘栅双极型晶体管构成单相H型桥式电路；中间直压电路为一直流电容；三相PWM整流电路由绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3、T4、T5、T6构成，绝缘栅双极型晶体管T1、T3、T5共集电极，其发射极分别与三相电源的三相相接，绝缘栅双极型晶体管T4、T6、T2共发射极，其集电极分别与三相电源的三相相接。

基于三相PWM整流电路的功率单元中，整流电路输入侧电流、中间直压电路的直流电容电压以及逆变电路输出电压信号送到控制器后，经控制器处理，然后由控制器输出信号同时控制整流电路和逆变电路中的绝缘栅双极型晶体管，从而实现能量双向流动，即可实现输入电源的能量向负载输送，也可实现负载能量回馈控制。具体地说，在高压变频器中，移相变压器的二次侧分别通过滤波电抗器接入各个功率单元A1、A2、A3、A4、A5、B1、B2、B3、B4、B5、C1、C2、C3、C4、C5的输入侧，功率单元的输入侧是由6个绝缘栅双极型晶体管T1~T6按照三相桥式电路连接构成的三相PWM整流电路，中间直压电路是由直流电容构成的直流充电部分，输出侧为逆变电路。功率单元级联形成的多电平逆变电路与控制器连接，中间直压电路电容电压及功率单元输入侧电流信号送到控制器，经控制器处理后输出控制信号用来控制功率单元中三相PWM整流电路的6个绝缘栅双极型晶体管的通断，使三相PWM整流电路既能工作在整流状态也能工作在逆变状态，确保能量的双向流动控制；同时，电动机的转速和电压信号送到控制器后，经控制器处理后输出信号控制逆变电路中的4个绝缘栅双极型晶体管的通断，从而使逆变电路输出一定幅值及频率的电压波形。

当电动机工作在电动状态时，控制器通过控制功率单元中三相PWM整流电路六个绝缘栅双极型晶体管T1~T6的通断，使功率单元处于整流工作状态，输入功率单元的交流功率经三相PWM整流器后变成直流功率，加到中间直压电路的直流电容上，再通过控制器控制功率单元中逆变电路4个缘栅双极型晶体管Q1~Q4的通断，使直流功率变为所需电压和频率的交流功率。各个功率单元逆变电路的输出电压串联叠波后形成电动机所需的三相正弦波交流功率，用来驱动电动机。此时电能由电网经采用功率单元级联多电平逆变电路的高压变频器输出到电动机上，电动机运行在第一、第三象限。

当电动机工作在制动状态时，电动机发电运行产生的能量通过逆变电路回馈到中间直压电路的电容上。当中间直压电路的电容电压超过设定值时，控制其三相PWM整流电路六个绝缘栅双极型晶体管T1~T6的通断，使功率单元中三相PWM整流电路工作在逆变状态，同时控制三相PWM整流电路的输出电流的频率和相位，确保在与电网电压单位功率因数条件下将能量回馈到电网中。电动机发电运行产生的能量经逆变电路、中间直压电路及工作在逆变状态下的三相PWM整流电路和滤波电抗器回馈入电网，此时电能由电动机经级联多电平逆变电路结构的高压变频器流入电网，电动机工作在第二、第四象限。当电动机制动运行时，所有级联单元回馈的能量都将通过功率单元的三相PWM整流电路反馈到电网中。

本发明将基于三相不控整流电路的功率单元和基于三相PWM整流的功率单元级联构成一种新的级联多电平逆变电路。在具体实施中，采用基于三相PWM整流电路的功率单元的数量，应根据负荷特性确立的最大回馈能量来确立。与完全基于三相PWM整流电路的功率单元级联多电平逆变电路相比，本发明电路无论在电路拓扑结构还是控制策略上，都更为简单、可靠。同时，本发明的级联多电平逆变电路采用基于三相不控整流电路的功率单元和基于三相PWM整流电路的功率单元级联，基于三相不控整流电路的功率单元的级联方式仍然参照传统的基于三相不控整流电路的功率单元级联方式，其与移相变压器的连接方式仍然是以减少输入电流谐波为目的按照一定移相角度接入，而基于三相PWM整流电路的功率单元级联方式由于无需变压器移相，因此没有这个限制条件。

图4(a)和图4 (b)为本发明级联多电平逆变电路的两种具体实施，均以功率单元每相5单元为例。图4(a)所示的级联多电平逆变电路，其中，功率单元A2、A4采用了基于三相PWM整流电路的功率单元，其余为基于不控整流电路的功率单元；功率单元具体级联方式是：A1功率单元逆变电路输出端a1与负载连接，其逆变电路输出端b1与A2功率单元的逆变电路输出端a2连接，而A2功率单元的逆变电路输出端b2与A3功率单元的逆变电路输出端a3连接，而A3功率单元的逆变电路输出端b3与A4功率单元的逆变电路输出端a4连接，而A4功率单元的逆变电路输出端b4与A5功率单元的逆变电路输出端a5连接，最后A5功率单元逆变电路输出端b5与负载连接；图4(b)所示的级联多电平逆变电路中，功率单元A1、A3、A5采用了基于三相PWM整流电路的功率单元，其余为基于不控整流电路的功率单元，功率单元具体级联方式与图4(a)相同。能量回馈时，只需要功率单元中部分三相PWM整流电路工作在逆变状态即可将负载能量回馈入电网，所以，部分采用基于三相PWM整流电路的功率单元，根据负荷制动运行特性可以实现能量双向控制。

由于本发明级联多电平逆变电路中只有部分功率单元是采用三相PWM整流电路，相对于所有功率单元均采用三相PWM整流电路而言，在一定程度上简化了功率单元系统拓扑结构与控制环节的复杂性，而且减少了绝缘栅双极型晶体管的使用数量，达到了节约成本的目的；相对于所有功率单元均采用不控整流电路而言，则使移相变压器设计要求更为简化，而且也能够满足交流侧输入电流的谐波抑制要求。

图5为级联多电平逆变电路的控制方法原理图，图5（a）为级联多电平逆变电路的传统控制方法原理图，以负载回馈电流处于交流正半周期为例，其通过功率单元A1的逆变电路输出端口a1流入，经过绝缘栅双极型晶体管S9a的反并联二极管、中间直压电路电容C1和绝缘栅双极型晶体管S8a的反并联二极管，从功率单元A1的逆变电路输出端口b1流出，再从功率单元A2的逆变电路输出端口a2流入，经过绝缘栅双极型晶体管S9b的反并联二极管、中间直压电路电容C2和绝缘栅双极型晶体管S8b的反并联二极管，从功率单元A2的逆变电路输出端口b2流出，这个过程完成了负载能量回馈到功率单元的中间直压电路电容上。

图5（b）为本发明所采用的控制方法原理图，同样以负载回馈电流处于交流正半周期为例，本发明通过控制功率单元A1的逆变电路中绝缘栅双极型晶体管S10a，使负载回馈电流不流入功率单元A1的直压电路电容C1上，具体控制过程为：通过控制功率单元A1的逆变电路中绝缘栅双极型晶体管S10a导通以及绝缘栅双极型晶体管S7a、S8a、S9a全部关断，使负载回馈电流通过功率单元A1的逆变电路输出端口a1流入经绝缘栅双极型晶体管S10a和绝缘栅双极型晶体管S8a的反并联二极管，再从功率单元A1的逆变电路输出端口b1流出，最后从功率单元A2的逆变电路输出端口a2流入，经过绝缘栅双极型晶体管S9b的反并联二极管、中间直压电路电容C2和绝缘栅双极型晶体管S8b的反并联二极管和功率单元A2的逆变电路输出端口b2这个回路，直接流入功率单元A2的中间直压电路电容C2，将功率单元A1中的中间直压电路电容C1旁路。这样负载回馈能量可以通过功率单元A2的三相PWM整流电路工作在逆变状态下回馈至电网，而不至于使不具备能量双向流动功能的功率单元A1的中间直压电路电容C1被负载回馈能量充电，从而实现了负载能量全部回馈电网。

Claims (1)

1.能实现能量回馈的级联多电平逆变电路的控制方法，其特征在于：

所述的级联多电平逆变电路由基于三相不控整流电路的功率单元和基于三相PWM整流电路的功率单元级联构成，其中，基于三相不控整流电路的功率单元由绝缘栅双极型晶体管构成的逆变电路、中间直压电路和三相不控整流电路并联构成；基于三相PWM整流电路的功率单元由绝缘栅双极型晶体管构成的逆变电路、中间直压电路和三相PWM整流电路并联构成，基于三相不控整流电路的功率单元和基于三相PWM整流电路的功率单元通过逆变电路级联；所述的控制方法为：

通过控制基于三相不控整流电路的功率单元中逆变电路的绝缘栅双极型晶体管的开通使负载回馈能量不流入基于三相不控整流电路的功率单元中的中间直压电路，而是直接流入基于三相PWM整流电路的功率单元中的中间直压电路。

Images