CN102664548A

CN102664548A - 一种基于储能电容的级联逆变电路

Info

Publication number: CN102664548A
Application number: CN2012101450904A
Authority: CN
Inventors: 韩金刚; 王光希; 汤天浩
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2012-09-12

Abstract

本发明公开了一种基于储能电容的级联逆变电路，由一个不对称三电平电路和一个H桥电路级联构成，所述不对称三电平电路和H桥电路的电压输出点通过开关器件调制后相连接，其特征在于，所述不对称三电平电路连接直流电源，H桥电路连接储能电容；逆变电路的输出是两个个级联单元的输出叠加之和，通过不同的调制方法可以实现多电平输出。则一定的工作方式下，悬浮电容可以一方面可以将直流源的一部分电能转移到储能电容中储存起来；另一方面当负载处于无功状态时，将被直流源吸收的电能的部分或全部也转移到储能电容中储存起来。

Description

一种基于储能电容的级联逆变电路

技术领域

本发明涉及级联逆变电路领域，具体的说，涉及到一种基于储能电容的级联逆变电路。

背景技术

多电平变换器由于输出波形畸变小、dv/dt小和系统的EMI小等特点成为当前研究的热点，而且越来越广泛的应用于大功率电机驱动和交直流电力传输等方面。但是目前的多电平变换器都存在种种缺点，尤其当输出电平数增加时，系统拓扑结构和控制复杂性显著增加，而对于飞跨电容式多电平变换器还存在电容电压不平衡的问题，这些问题都会大大降低系统的可靠性。

相对于二极管箱位型和飞跨电容型多电平变换器来说，级联型拓扑具有需要最少数量的器件、不需要大量的箝位二极管和飞跨电容、易于模块化和易于采用软开关技术等优点，较适合于电网接口，但是需要多个直流电压源。当采用不可控整流得到这些直流源，为减小对电网的谐波干扰，通常采用多绕组曲折变压器的多重化来实现。这种变压器体积庞大，成本高，设计困难。另一方面，由于其结构的限制，难以实现四象限运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于储能电容的级联逆变电路，通过采用储能电容来代替直流电源，可以在保持电容电压稳定的情况下，输出多个电平，从而提高输出的电能质量，降低输出谐波，提高系统的可靠性。如果该电路应用于电机驱动装置，制动时，可以把部分能量存贮在电容里，从而提高了系统的效率。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种基于储能电容的级联逆变电路，由一个不对称三电平电路和一个H桥电路级联构成，所述不对称三电平电路和H桥电路的电压输出点通过开关器件调制后相连接，其特征在于，所述不对称三电平电路连接直流电源，H桥电路连接储能电容；

当负载电压为零时，将直流电源的一部分电能转移到储能电容中储存起来；另一方面当负载处于无功状态时，将被直流电源吸收的电能的部分或全部也转移到储能电容中储存起来；当负载处于有功状态时，在恰当的时刻将储能电容与直流电源串联为负载供电，提高逆变器的电压和直流电源的利用率。

在本发明的一个实施例中，所述储能电容为电解电容、薄膜电容、陶瓷电容、超级电容中的一种或几种串、并联而成。

在本发明的一个实施例中，所述调制的方法为阶梯波调制法、消除特定谐波法、载波调制法、空间矢量法或混合调制法。

在本发明的一个实施例中，所述开关器件为绝缘栅极双极晶体管、门极可关断晶闸管、电力场效应管或集成门极换流晶闸管。

在本发明的一个实施例中，所述逆变电路设置有至少一组，对于三相或以上的n相对称的负载通过n相直接供电；对于非对称的负载，分别控制每相电路通过n相n+1线供电。

本发明通过把不对称多电平变换器和由悬浮电容H桥式变换器级联构成混合级联多电平变换器，减少了级联逆变电路中隔离电源的数量。通过脉宽调制技术（PWM），该变换器可以在保持电容电压稳定的情况下，输出多个电平，从而提高输出的电能质量，降低输出谐波，提高系统的可靠性。如果该电路应用于电机驱动装置，制动时，可以把部分能量存贮在电容里，从而提高了系统的效率。

附图说明

图1为本发明所述的现有混合级联电路的示意图。

图2为本发明所述的混合级联逆变电路的示意图。

图3为本发明所述的第二实施例的示意图。

图4为本发明所述的第三实施例的示意图。

图5为本发明所述的混合级联逆变电路的调制方法图。

图6为本发明所述的电容控制原理图。

图7为本发明所述的电容和逆变电路的输出电流图。

图8为本发明所述的级联单元的输出电压图。

图9为本发明所述的多相供电系统框图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

目前已有的混合级联电路如图1所示，该电路由两个桥式电路级联得到。一个是H桥电路，另一个是非对称的三电平H桥电路。该电路具有需要最少数量的器件、不需要大量的嵌位二极管和飞跨电容，较适合于电网接口，但是需要多个直流电压源。

本发明提出的单相混合级联逆变电路结构如图2所示，其中H1桥是一个带直流源的不对称的3H桥逆变器，H2桥是一个不带直流源而带电容C3的2H桥逆变器，其中C3是一个储能电容，称之为悬浮电容。两个逆变单元经过b与c两点连接起来，最终输出电压为Uda。通过控制开关状态保证悬浮电容两端的电压稳定在设定的电压值附近，从而来替代直流源。

单相混合级联逆变电路由一个不对称三电平电路和一个H桥电路级联构成，H桥电路连接于一个悬浮电容，该电容可以是普通的电解电容和超级电容，也可以是其它类型的电容器，或者几种电容的串、并联。不对称三电平电路与一个直流电源相连接。逆变电路的输出是两个个级联单元的输出叠加之和，通过不同的调制方法可以实现多电平输出。则一定的工作方式下，悬浮电容可以一方面可以将直流源的一部分电能转移到储能电容中储存起来；另一方面当负载处于无功状态时，将被直流源吸收的电能的部分或全部也转移到储能电容中储存起来。

当负载电压为零时，将直流源的一部分电能转移到储能电容中储存起来；另一方面当负载处于无功状态时，将被直流源吸收的电能的部分或全部也转移到储能电容中储存起来。当负载处于有功状态时，在恰当的时刻将储能电容与直流源串联为负载供电，这样就可以提高逆变器的电压和直流源的利用率。

储能电容电控制只能通过利用输出电压合成方式中的冗余方式来实现，因此，采用滞环比较器实现储能电容电压的实时控制是比较合适的，其控制原理是：当储能电容电压大于滞环比较器的上限值时，逆变器输出电压合成方式采用冗余方式；当储能电容电压小于滞环比较器的下限值时，输出电压合成方式采用优先方式。逆变器通过自动调整滞还比较器的上下限值，可以减少因储能电容平均电压的波动引起的输出电压谐波含量。其调制方法和电容电压控制方法框图如图3和4所示。图5给出来该控制方法下的电容和逆变电路的输出电流，图6给出了输出电压。

该单相逆变电路可以通过组合实现多相输出，图7给出了N相输出的结构图。从图中可以看出该多相电路可以给对称的负载供电。当每相逆变电路单独控制时，可通过中线给非对称的负载供电。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种基于储能电容的级联逆变电路，由一个不对称三电平电路和一个H桥电路级联构成，所述不对称三电平电路和H桥电路的电压输出点通过开关器件调制后相连接，其特征在于，所述不对称三电平电路连接直流电源，H桥电路连接储能电容；

2.根据权利要求1所述的一种基于储能电容的级联逆变电路，其特征在于，所述储能电容为电解电容、薄膜电容、陶瓷电容、超级电容中的一种或几种串、并联而成。

3.根据权利要求1所述的一种基于储能电容的级联逆变电路，其特征在于，所述调制的方法为阶梯波调制法、消除特定谐波法、载波调制法、空间矢量法或混合调制法。

4.根据权利要求1所述的一种基于储能电容的级联逆变电路，其特征在于，所述开关器件为绝缘栅极双极晶体管、门极可关断晶闸管、电力场效应管或集成门极换流晶闸管。

5.根据权利要求1所述的一种基于储能电容的级联逆变电路，其特征在于，所述逆变电路设置有至少一组，对于三相或以上的n相对称的负载通过n相直接供电；对于非对称的负载，分别控制每相电路通过n相n+1线供电。