CN103312209A

CN103312209A - 新型三电平电压源逆变器

Info

Publication number: CN103312209A
Application number: CN2013102417842A
Authority: CN
Inventors: 刘洪臣; 卢志国; 王国立
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2033-06-18
Also published as: CN103312209B

Abstract

新型三电平电压源逆变器，涉及到多电平变换技术领域。本发明解决了现有电平变换器存在的结构复杂和控制复杂的问题。本发明中的直流侧电路由两个直流源和两个IGBT开关S_B1、S_B2组成，其中一个直流电源和一个IGBT开关串联后与另一个IGBT开关并联连接、然后再与另一个直流电源串联连接;逆变侧电路为两电平逆变电路，该电路由6个IGBT开关组成，所述6个IGBT开关中的S_xn和S_xp组成一个桥臂，其中S_xn为下桥臂，S_xp为上桥臂，x∈{a，b，c};三个桥臂并联在直流侧电路的直流输出侧，每个桥臂的上桥臂和下桥臂的连接点为两电平逆变电路的一个逆变电平输出端。本发明简化了三电平的拓扑结构、降低了器件的数量，同时不存在传统三电平逆变器的中点电位不平衡问题。

Description

新型三电平电压源逆变器

技术领域

本发明涉及到多电平变换技术领域。

背景技术

多电平变换器具有器件电压应力低、输出波形总谐波畸变率(total harmonic distortion，THD)低、系统电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)小、损耗小等优点，受到并网发电、新能源、燃料电池、交流电机调速领域的极大关注。

现有多电平变换器分为二极管钳位型、飞跨电容型和级联型3种基本类型。

随着电平数增加，其所需钳位器件的数量成2倍、甚至成平方关系增长，除了增加系统成本和控制复杂度外，大量的器件意味着发生故障的可能性增大。而为了获得更高电平的输出，人们通常需要更为复杂的拓扑结构，这一缺点限制了多电平技术的应用。

发明内容

本发明为了解决现有电平变换器存在的结构复杂和控制复杂的问题，设计了一种新型三电平电压源逆变器。

所述新型三电平电压逆变器由直流侧电路和逆变侧电路构成，其特征在于，直流侧电路用于输出直流电源给逆变侧电路，所述逆变侧电路为两电平逆变电路，所述两电平逆变电路将输入的直流电信号转换成三电平信号输出。

所述两电平逆变电路由6个IGBT开关S_ap、S_bp、S_cp、S_an、S_bn和S_cn组成，所述6个IGBT开关中的S_xn和S_xp组成一个桥臂，其中S_xn为下桥臂，S_xp为上桥臂，x∈{a，b，c}；三个桥臂并联在直流侧电路的直流输出侧，每个桥臂的上桥臂和下桥臂的连接点为两电平逆变电路的一个逆变电平输出端。

所述直流侧电路由两个直流源和两个IGBT开关S_B1、S_B2组成，其中一个直流电源和一个IGBT开关串联后与另一个IGBT开关并联连接、然后再与另一个直流电源串联连接。

所述两个直流电源输出的电压幅值均为V_DC。

所述直流侧电路中的两个IGBT开关S_B1、S_B2的开关状态始终保持相反。

所述两电平逆变电路中的6个IGBT开关S_ap、S_bp、S_cp、S_an、S_bn和S_cn中，位于同一个桥臂的两个IGBT开关管S_xp和S_xn的开关状态始终保持相反，x∈{a，b，c}。

本发明与传统的二极管钳位三电平电压源逆变器相比较的优点有：

传统的二极管钳位三电平电压源逆变器的结构复杂，每一相输出桥臂都需要8个IGBT开关和6个钳位二极管；而本发明的新型拓扑结构在改变直流侧电路之后，整个拓扑仅仅需要8个IGBT开关且不需要任何的钳位二级管，而且不需要电容，大大简化了逆变器的拓扑结构。更为重要的是，不存在无法从根本上解决的中点电位不平衡的问题，与此同时，大大简化了调制策略。

本发明通过简化的拓扑结构实现三电平输出，使得多电平技术得到更好、更广泛的应用。针对传统的三电平拓扑结构存在结构复杂、使用器件数量多的缺点，本发明简化了三电平的拓扑结构，降低了器件的数量，与此同时，不存在传统三电平逆变器的中点电位不平衡问题，通过更为简化的调制策略实现三电平输出。

附图说明

图1是本发明所述的新型三电平电压源逆变器的拓扑结构示意图。

图2是本发明所述的新型三电平电压源逆变器的空间矢量图。

图3是本发明所述的新型三电平电压源逆变器的第一扇区空间矢量图。

图4是本发明所述的新型三电平电压源逆变器的输出相电压。

图5是本发明所述的新型三电平电压源逆变器的输出线电压。

图6是本发明所述的新型三电平电压源逆变器的三相负载电流示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式。本实施方式所述的新型三电平电压源逆变器由直流侧电路和逆变侧电路构成，其中，直流侧电路用于输出直流电源给逆变侧电路，所述逆变侧电路为两电平逆变电路，所述两电平逆变电路将输入的直流电信号转换成三电平信号输出。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的新型三电平电压源逆变器的区别在于，所述两电平逆变电路由6个IGBT开关S_ap、S_bp、S_cp、S_an、S_bn和S_cn组成，所述6个IGBT开关中的S_xn和S_xp组成一个桥臂，其中S_xn为下桥臂，S_xp为上桥臂，x∈{a，b，c}；三个桥臂并联在直流侧电路的直流输出侧，每个桥臂的上桥臂和下桥臂的连接点为两电平逆变电路的一个逆变电平输出端。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二所述的新型三电平电压源逆变器的区别在于，所述直流侧电路由两个直流源和两个IGBT开关S_B1、S_B2组成，其中一个直流电源和一个IGBT开关串联后与另一个IGBT开关并联连接、然后再与另一个直流电源串联连接。

本实施方式中，所述两个直流电源输出的电压幅值均为V_DC。

本发明所述新型三电平电压源逆变器中，位于直流侧电路中的两个IGBT开关S_B1、S_B2的开关状态始终保持相反。

本发明所述新型三电平电压源逆变器中，位于两电平逆变电路中的6个IGBT开关S_ap、S_bp、S_cp、S_an、S_bn和S_cn，位于同一个桥臂的两个IGBT开关管S_xp和S_xn的开关状态始终保持相反，x∈{a，b，c}。

本实施方式所述的新型三电平电压源逆变器的工作原理为：当IGBT开关S_B1导通、S_B2关断时，该直流侧电路的拓扑结构可以看似一个具有单独的直流源，输出电压为V_DC，则对应地、此时的新型三电平电压源逆变器的可以看似一个具有单独直流源V_DC的两电平电压源逆变器。当IGBT开关S_B1关断、S_B2导通时，该直流侧电路的拓扑结构可以看似一个单独直流源(2V_DC)，则对应地、此时的新型三电平电压源逆变器的可以看似一个具有单独直流源2V_DC的两电平电压源逆变器。

根据上述工作原理的描述能够获知：本实施方式所述的新型三电平电压源逆变器的直流侧电路具有0V、V_DC和2V_DC三种输出电平，在任意时刻，两电平逆变器可以获得0V和V_DC或0V和2V_DC两个电平。为了防止直流侧电路的直流电源短路，直流侧电路中的两个IGBT开关S_B1和S_B2的开关状态始终保持相反。

具体实施方式四：参见图1，本实施方式进一步说明图1所示的新型三电平电压源逆变器的八个IGBT开关管的开关状态组合逻辑关系和新型三电平电压源逆变器的输出电压V_xo之间的对应关系为：

表1

上表中，‘1’表示对应的IGBT开关管处于导通状态，‘0’表示对应的IGBT开关管处于关闭状态，根据表1能够明确获知，本申请的新型三电平电压源逆变器的拓扑结构能够实现三电平输出。其中，两电平电压源逆变器的每一相桥臂的调制方法基于如下表达式实现：

S_xp+S_xn＝1 x∈{a，b，c} (1)

其中，S_xp和S_xn分别是每一相桥臂上部分和下部分的开关函数。如表1所示，该新型三电平电压源逆变器的拓扑结构中的每一输出端电压V_xo可以获得0V、V_DC和2V_DC三种电平。这些电平表明，与传统三电平逆变器类似，即：本申请所述的新型三电平电压源逆变器在简化结构之后仍能够实现与传统三电平逆变器相同的功能。

本申请所述的新型三电平电压源逆变器的拓扑结构的空间矢量调制方法为：

该拓扑结构的空间矢量图如图2所示。该图被分为S1至S6六大扇区，每个大扇区被分为8个小三角形，图的中心V0为V0[P1P1P1/P2P2P2/NNN]，其中，P2、P1、N分别代表2V_DC、V_DC、0V三种电平。

如图2所示，该拓扑结构中共有15种开关状态，这些开关状态代表直流侧电平与输出端的连接情况。例如，开关状态V2[P2NN]表示直流侧电路中选取2V_DC和0V两个电平，即两直流源串联供电，而逆变侧的a相输出端与2V_DC连接，b相和c相与0V电平连接。与传统三电平中点钳位电压源逆变器的空间矢量图相比，该拓扑结构中不存在中矢量。这是因为该拓扑结构的逆变侧在任意时刻只能有两种电平。

由于三相系统的圆对称性，这里仅分析第一扇区。

参见图3分析第一扇区的工作原理，当参考矢量

位于第一扇区中第6小区时，可以看成是处于三角形区域ΔGHI中，因此选择V2，V3和V4这三个电压矢量进行合成，通过计算获得出各个电压矢量的作用时间，在保证进行状态变换过程中所涉及的开关数目最小的情况下，生成合理的开关状态序列。

第一大扇区各个小区的开关序列参见表2所示：

表2第一大扇区各小区的开关序列

三角形	T1	T2	T3
				1ΔEFH	P₁P₁P₁	P₁P₁N	P₁NN
2/7ΔFHI	P₁NN	P₁P₁N	P₂P₂N
				3/4ΔFGH	P₂NN	P₁NN	P₁P₁N
5ΔFGI	P₂P₂N	P₂NN	P₁NN
				6ΔGHI	P₂NN	P₂P₂N	P₁P₁N

表2中，三角形前面的数字表示该三角形区域内的小区域的标号，例如：1ΔEFH表示三角形区域ΔEFH中的区域1；2/7ΔFHI表示三角形区域ΔFHI中的小区域2和7；3/4ΔFGH表示三角形区域ΔFGH中的小区域3和4；5ΔFGI表示三角形区域ΔFGI中的区域5；6ΔGHI表示三角形区域ΔGHI中的区域6。

与传统三电平电压源逆变器相比，该拓扑需要两个幅值相同的直流源，然而却仅仅需要8个IGBT器件就可以实现三电平输出，更为重要的是，该拓扑中不需要任何降压电容，不存在无法根本解决的中点电位不平衡的问题。

Claims

1.新型三电平电压源逆变器，它由直流侧电路和逆变侧电路构成，其特征在于，直流侧电路用于输出直流电源给逆变侧电路，所述逆变侧电路为两电平逆变电路，所述两电平逆变电路将输入的直流电信号转换成三电平信号输出。

2.根据权利要求1所述的新型三电平电压源逆变器，其特征在于，所述两电平逆变电路由6个IGBT开关S_ap、S_bp、S_cp、S_an、S_bn和S_cn组成，所述6个IGBT开关中的S_xn和S_xp组成一个桥臂，其中S_xn为下桥臂，S_xp为上桥臂，x∈{a，b，c}；三个桥臂并联在直流侧电路的直流输出侧，每个桥臂的上桥臂和下桥臂的连接点为两电平逆变电路的一个逆变电平输出端。

3.根据权利要求1所述的新型三电平电压源逆变器，其特征在于，所述直流侧电路由两个直流源和两个IGBT开关S_B1、S_B2组成，其中一个直流电源和一个IGBT开关串联后与另一个IGBT开关并联连接、然后再与另一个直流电源串联连接。

4.根据权利要求1、2或3所述的新型三电平电压源逆变器，其特征在于，所述两个直流电源输出的电压幅值均为V_DC。

5.根据权利要求4所述的新型三电平电压源逆变器，其特征在于，所述直流侧电路中的两个IGBT开关S_B1、S_B2的开关状态始终保持相反。

6.根据权利要求4所述的新型三电平电压源逆变器，其特征在于，所述两电平逆变电路中的6个IGBT开关S_ap、S_bp、S_cp、S_an、S_bn和S_cn中，位于同一个桥臂的两个IGBT开关管S_xp和S_xn的开关状态始终保持相反，x∈{a，b，c}。

7.根据权利要求4所述的新型三电平电压源逆变器，其特征在于，所述直流侧电路中的两个IGBT开关S_B1、S_B2和两电平逆变电路中的6个IGBT开关S_ap、S_bp、S_cp、S_an、S_bn和S_cn的开关状态组合逻辑关系和新型三电平电压源逆变器的输出电压V_xo之间的对应关系为：

上表中，‘1’表示对应的IGBT开关管处于导通状态，‘0’表示对应的IGBT开关管处于关闭状态，x∈{a，b，c}。