CN103107726B - 一种单级升降压型中性点钳位式三电平逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于单级升降压型中性点钳位式三电平逆变系统，该拓扑可接入两独立的直流电源，实现直流链升压运行，三电平输出。单级升降压电路可实现输出很高的直流链电压，并且可以保证直流链电压平衡。逆变器输出的交流波形含谐波低，电能质量高。

Description

一种单级升降压型中性点钳位式三电平逆变器

技术领域

本发明涉及一种单级升降压型中性点钳位式（NPC)三电平逆变器，尤其涉及适用于接入两个独立电源的单级升降压型NPC三电平逆变器。

背景技术

21世纪以来，能源危机的问题越来越严重，可再生能源是各国研究热题。因此基于新能源发电逆变并网的装置需求也正增强，逆变装置分为两电平和多电平逆变器。多电平逆变系统因其输出电压谐波以及EMI低，而受到研究者的青睐。大部分三电平NPC的直流链升压电路采用两极boost电路，通常将两boost电路分别并联在NPC的上下端。此种拓扑跟两电平拓扑结构无本质不同。而且相比两极结构，单级结构节省元器件。单级升降压型逆变领域研究较多的为Z源，但是Z源结构由于其电感使用过多而限制了其实际应用。而目前基于单级cuk电路的三电平NPC逆变系统都存在直流链电压增益不高以及增益调节范围不宽的问题，且因不能接入多个独立电源而限制了其在新能源逆变方面的应用。因此，目前广泛应用的逆变装置仍为两电平逆变，但其输出的波形谐波含量高。

发明内容

本发明的目的是解决以上问题，提供了一种适用于单级升降压型中性点钳位式三电平逆变系统。该系统包括一个新型升降压拓扑电路，可输出很高的直流链电压增益，并可以接入两个独立可变直流电源实现单独控制，其后半部分电路为三电平NPC逆变器，输出的波形谐波含量低，电能质量高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种单级升降压型中性点钳位式三电平逆变器，包括前级电路的buck-boost环节和后半部分的电路，前级电路的buck-boost环节包括电源、开关、电感、直流链电容各两个；两开关可单独控制两电源，当两开关同时闭合时，通过两个电感调节电源回路的电流，使其能够承受两电源回路的不平衡电流，从而确保两个独立电源的单独控制。两直流链电容形成X形并且电源反置，该结构可以耦合两个独立的电源，构成很好的耦合系统，并且有很高的直流链电压增益。后半部分电路为NPC三电平逆变电路，输出的波形的谐波和纹波小。钳位二极管以及两个电感均连接到两电源的中点。该拓扑融合了改进的直流变换电路和NPC三电平逆变电路。该拓扑与两级电路结构相比，可减少两个二极管。

本发明能够通过控制两开关的占空比来控制直流链电压的平衡。

反置的电源和X形连接的两电容使得直流链电压为电容电压的两倍并加上电源电压。

两个电感使得在两个开关同时闭合时，两个电源的电流分别流经相应的电感,则拓扑可以接入两个独立可变的直流电源。

与两级结构相比，该单级结构可充分利用元器件，节省元器件

本发明的有益效果：该拓扑电路有效的解决了目前三电平NPC逆变系统直流链电压增益不高，直流链电压不平衡的问题。并且可以接入两个独立的可变直流电源，实现直流链升压运行，三电平输出。

附图说明

图1：本发明的电路结构示意图；

图2：本发明开关SW闭合，SW'关断的等效电路图；

图3：本发明开关SW关断，SW'闭合的等效电路图；

图4：本发明开关SW闭合，SW'闭合的等效电路图；

图5：三电平逆变器的空间状态矢量；

图6：NPC的载波同相调制（PD)。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明的拓扑如图1所示，两开关SW、SW'分别连接两个独立电源D1，D2，实现电源的单独控制，钳位二极管DX、DX'（X=A、B或者C）以及电感L1、L2均连接到两电源的中点。

如图2所示，当开关SW闭合、开关SW'关断时，电源D1的电流流经电感L1，同时电感L2的电流流经二极管DX和与开关SX1(X=A、B或者C)并联的二极管来给直流链电容C2充电。开关SW关断、开关SW'闭合时，同理，电源D2的电流流经电感L2，电感L1的电流流经二极管DX'以及与开关SX2'(X=A、B或者C)并联的二极管给直流链电容C1充电。从图2-3可知，当前级电路的两个开关（开关SW和开关SW'）中的一个闭合另一个关断时，直流链电容C1或直流链电容C2的充电电流只流经后级NPC电路的上半部分或者下半部分，而NPC的剩下部分电路仍将工作正常。例如：开关SW闭合、开关SW'关断时，电感L2给直流链电容C2充电，此时直流链电容C1与电源D1串接在一起向NPC输送功率，NPC电路仍可输出图5所示的{-1}或{0}空间矢量状态。同理，开关SW关断、开关SW'闭合，NPC电路可输出{1}，{0}矢量状态。图4所示的是最后一个等效电路（开关SW、开关SW'均闭合），同理，此时直流链电容C1、电源D1、直流链电容C2、电源D2串联在一起作为直流链向NPC输出功率。此种电路状态，NPC可输出三种电平：{1}，{0}，{-1}。

在每一个开关周期内，两个电感L1，L2的电流增量为0，即每一周期内电感电流必须回到初始值。电源给电感L1，L2充电时，流经电感L1和L2的电流的线性增加（电感L1电流增加速率为V_d1/L1,电感L2的为V_d2/L2），同理电感L1和L2放电时，电流线性减小（电感L1电流减小速率为V_C1/L1,电感L2的为V_C2/L2）.数学表达式如下：

$\frac{V_{d1}}{L1}\×k_{1}T=\frac{V_{C1}}{L1}(1-k_1)T\⇒V_{C1}=\frac{k_1{V}_{d1}}{1-k_1}$

$\frac{V_{d2}}{L2}\×k_{2}T=\frac{V_{C2}}{L2}(1-k_2)T\⇒V_{C2}=\frac{k_2{V}_{d2}}{1-k_2}$

其中V_d1，V_d2分别为两电源D1，D2的电压，V_C1，V_C2分别为两电容的电压，k₁、k₂分别为开关SW、开关SW'的占空比，T为开关周期。

直流链的电压可以表示如下：

$V_{\mathrm{dc}-\mathrm{link}}=V_{d1}+V_{d2}+V_{C1}+V_{C2}=\frac{V_{d1}}{1-k_1}+\frac{V_{d2}}{1-k_2}$

反置的电源和X形连接的两个直流链电容C1和C2使得直流链电压为电容电压的两倍并加上电源电压，即V_dc-link=V_C1+V_d1+V_C2+V_d2，从而保证了很高的直流链电压增益。则交流输出V_ac=MV_dc-link/2(M为NPC电路PWM调制比）。

控制直流链电压的平衡只需V_C1+V_d1=V_C2+V_d2。据上分析，每个开关周期T内，直流链电容C1的充电时间为（1-k₁)T,直流链电容C2的充电时间为（1-k₂)T.而三电平逆变器由于直流链电容存在放电不一致，以及接入可变的直流电源造成V_C1+V_d1不等于V_C2+V_d2，使得直流链电压不平衡。通过控制k₁,k₂，调节直流链电容C1和C2的充电时间，有效达到V_C1+V_d1=V_C2+V_d2，保证直流链的平衡。。

为了平滑的调制单级buck-boost逆变器，本发明采用如图6所示的PD调制。图中两个直线参考波V_U,V_L分别用来调制开关SW’、开关SW。从图中可知在开关状态{SW=1，SW'=0}以及{SW=0，SW'=1}时，NPC电路仍可分别输出（0，-1，-1）和（1,0,0）状态，这与上述图2-图3的分析一致。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种单级升降压型中性点钳位式三电平逆变器，其特征是，包括前级电路的buck-boost环节和后半部分NPC三电平逆变电路，前级电路的buck-boost环节包括电源、开关、电感、直流链电容各两个；两开关能够单独控制两电源，当两开关同时闭合时，通过两个电感调节电源回路的电流，使其能够承受两电源回路的不平衡电流；两直流链电容形成X形，即第一电容连接在直流链的负端和第一电感的第一端之间，第二电容连接在直流链的正端和第二电感的第一端之间，并且第一电源正极、第二电源负极连接到钳位二极管中性点，第一电源的负极连接第一开关的第一端，第二电源的正极连接第二开关的第一端，第一电感的第一端连接到第一开关的第二端，第二电感的第一端连接到第二开关的第二端，两个电感的第二端均连接到两电源的中点；该逆变器能够接入两独立可变直流电源，直流链电压为直流链电容和电源电压之和。

2.如权利要求1所述的单级升降压型中性点钳位式三电平逆变器，其特征是，直流升压电路由前级电路的buck-boost环节共用后半部分的NPC三电平逆变电路的二极管组成，并且通过控制两开关的占空比可输出平衡的直流链电压。

Images