CN103904928A - 一种串并联混合三电平npp逆变拓扑单元及三电平逆变器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元及三电平逆变器，该串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元包括：上桥臂、中桥臂和下桥臂。上、下桥臂分别是由两个反向并联二极管的IGBT串联构成，中桥臂是由两个逆阻式IGBT(RB-IGBT)反并联构成。在兆瓦级中压逆变器中，大功率IGBT的开关损耗很大，从而限制了开关频率。本发明考虑NPP拓扑结构中外管承受电压是内管的一倍，提出的新型串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元通过低压IGBT的串联来减小功率器件的损耗，从而提高开关频率，同时可减小输出滤波器的尺寸。此外，内管采用新型开关器件RB-IGBT反并联，减少了逆变器使用器件的数目，降低系统功耗，在工业应用中具有明显优越性。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种新型串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元及三电平逆变器。
背景技术
近几年，随着能源市场和环境友好型能源需求的联合，使分布式发电系统得到了快速的发展。分布式发电单元包括可再生能源和不可再生能源，比如太阳能电池组，风能发电机，燃料发电机。对可再生能源的并网问题，电力电子技术起到了关键性的作用，特别是对于电压源型逆变器。目前，为了让逆变器控制系统的性能最优，控制更简便，围绕新的控制方式领域的研究越来越火热。
随着中高电压应用设备额定功率的不断提高，刺激了多电平电力电子变流器的使用，从而促使新拓扑结构以及相关的控制策略的发展。在大容量变换器中，相比于两电平逆变器，三电平二极管中点箝位(3L-NPC)逆变器以其输出电压更接近正弦波、电压变化率小、开关频率低、损耗小、效率高等特点，受到人们的广泛关注。介于介于NPC拓扑结构各个开关管开关频率不均衡，相关学着提出了三电平中点引出型(3L-NPP)逆变器，使各个开关管的开关频率均衡化，从而使得输出频率得到最大化。然而，对于三电平NPP逆变拓扑结构，上、下桥臂的支撑电压为中间桥臂支撑电压的两倍，需要的功率器件的功率也将是中间器件的两倍，大功率开关器件限制了逆变器的开关频率，同时增大了逆变器的功耗，给逆变器的整体设计带来了不便。
发明内容
本发明目的在于提供一种新型串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元及三电平逆变器，旨在解决三电平NPP逆变器存在功率器件开关频率及耐压不均衡问题。
本发明提供了一种新型串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元，该串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元包括：上桥臂，中桥臂和下桥臂；
所述上桥臂，采用两个反向并联二极管的IGBT串联构成，通过低压IGBT的串联来减小功率器件的损耗，同时提高逆变器整体开关频率，可减小输出滤波器的尺寸；
所述中桥臂，采用两个逆阻式IGBT(RB-IGBT)反并联构成，不仅减少了逆变器使用器件的数目，降低系统功耗，而且提高了逆变器的可靠性；
所述下桥臂，采用两个反向并联二极管的IGBT串联构成，通过低压IGBT的串联来减小功率器件的损耗，同时提高逆变器整体开关频率，可减小输出滤波器的尺寸。
上述的串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元，优先地，该串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元对应的三个工作模态分别为：
第一工作模态：开关管Va1和Va2导通，其余开关管均截止；
第二工作模态：开关管Va3和Va4导通，其余开关管均截止；
第三工作模态：开关管Va5和Va6导通，其余开关管均截止。
本发明还提供了一种三电平逆变器，包括直流输入单元和一个如上述任意一种所述的拓扑单元，其中：
所述直流输入单元的直流正电平P与该逆变单元的第一直流输入端M1相连，所述直流输入单元的直流零电平0与该逆变单元的第二直流输入端M2相连，所述直流输入单元的直流负电平N与该逆变单元的第三直流输入端M3相连；
该逆变单元的交流输出端AC与该逆变器的交流输出端相连。
本发明还提供了一种三电平逆变器一种三电平逆变器，包括直流输入单元和两个如上述任意一种所述的拓扑单元：第一拓扑单元和第二拓扑单元；
直流输入单元的直流正电平P与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第一直流输入端M1相连；
直流输入单元的直流零电平0与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第二直流输入端M2相连；
直流输入单元的直流负电平N与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第三直流输入端M3相连；
第一逆变单元的交流输出端AC与该逆变器的第一交流输出端相连，第二逆变单元的交流输出端AC与该逆变器的第二交流输出端相连。
本发明还提供了一种三电平逆变器一种三电平逆变器，包括直流输入单元和三个如上述任意一种所述的拓扑单元：第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元；
直流输入单元的直流正电平P与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第一直流输入端M1相连；
直流输入单元的直流零电平0与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第二直流输入端M2相连；
直流输入单元的直流负电平N与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第三直流输入端M3相连；
第一逆变单元的交流输出端AC与该逆变器的第一交流输出端相连，第二逆变单元的交流输出端AC与该逆变器的第二交流输出端相连，第三逆变单元的交流输出端AC与该逆变器的第三交流输出端相连。
本发明还提供了一种三电平逆变器一种三电平逆变器，包括直流输入单元和四个如上述任意一种所述的拓扑单元：第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元；
直流输入单元的直流正电平P与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第一直流输入端M1相连；
直流输入单元的直流零电平0与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第二直流输入端M2相连；
直流输入单元的直流负电平N与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第三直流输入端M3相连；
第一逆变单元的交流输出端AC与该逆变器的第一交流输出端相连，第二逆变单元的交流输出端AC与该逆变器的第二交流输出端相连，第三逆变单元的交流输出端AC与该逆变器的第三交流输出端相连，第四逆变单元的交流输出端AC与该逆变器的第四交流输出端相连。
上述任意一项所述的三点平逆变器，优先地，所述的直流输入单元包括电容C1和电容C2，其中：
直流电源的正端与电容C1的第一端相连；
C1的第二端与C2的第一端相连；
C2的第二端与直流电源的负端相连。
本发明公开了一种串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元及三电平逆变器，上、下桥臂采用两个反向并联二极管的IGBT串联，通过低压IGBT的串联来减小功率器件的损耗，同时提高逆变器整体开关频率，可减小输出滤波器的尺寸；中间桥臂采用两个逆阻式IGBT反并联，不仅减少了逆变器使用器件的数目，降低系统功耗，而且提高了逆变器的可靠性。与此同时，对整体而言，解决了传统NPC拓扑结构各个功率器件开关频率不均衡问题，并保证了各个功率器件所承受电压相同，从而避免变换器主电路中部分开关管长期高频开关而先损坏的问题，提高变换器整体的可靠性并使成本最小化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种新型串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元实施例一的拓扑图；
图2为本发明提供的一种三电平逆变拓扑单元实施例一处于第一工作模态的第一种情况示意图；
图3为本发明提供的一种三电平逆变拓扑单元实施例一处于第一工作模态的第二种情况示意图；
图4为本发明提供的一种三电平逆变拓扑单元实施例一处于第二工作模态的第一种情况示意图；
图5为本发明提供的一种三电平逆变拓扑单元实施例一处于第二工作模态的第二种情况示意图；
图6为本发明提供的一种三电平逆变拓扑单元实施例一处于第三工作模态的第一种情况示意图；
图7为本发明提供的一种三电平逆变拓扑单元实施例一处于第三工作模态的第二种情况示意图；
图8为本发明提供的一种三电平逆变器实施例二的拓扑图；
图9为本发明提供的一种三电平逆变器实施例三的拓扑图；
图10为本发明提供的一种三电平逆变器实施例四的拓扑图；
图11为本发明提供的一种三电平逆变器实施例五的拓扑图；
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例一
参考图1，其示出了本发明提供的串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元实施例一的拓扑图，该串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元包括：上桥臂，中桥臂和下桥臂；
其中，上桥臂采用两个反向并联二极管的IGBT(Va1和Va2)串联构成，通过低压IGBT的串联来减小功率器件的损耗，同时提高逆变器整体开关频率，可减小输出滤波器的尺寸；
其中，中桥臂采用两个逆阻式IGBT(RB-IGBT)(Va3和Va4)反并联构成，不仅减少了逆变器使用器件的数目，降低系统功耗，而且提高了逆变器的可靠性；
其中，下桥臂采用两个反向并联二极管的IGBT(Va5和Va6)串联构成，通过低压IGBT的串联来减小功率器件的损耗，同时提高逆变器整体开关频率，可减小输出滤波器的尺寸。
由上述方案可知，本发明提供的串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元通过低压IGBT的串联应用可以有效地减小逆变器中的开关器件的功率损耗，从而提高系统整体的开关频率和效率，同时可减小输出滤波器的尺寸。此外，内管采用新型开关器件RB-IGBT反并联，减少了逆变器使用器件的数目，降低系统功耗。
其中，本发明提供的串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元在实现直流电与交流电转换时包括三个工作模态，下面结合附图来对图1所示的三电平NPP逆变拓扑单元的三种工作模态进行详细分析。
其中，二极管D1与开关管Va1反向并联，二极管D2与开关管Va2反向并联，二极管D3与开关管Va5反向并联，二极管D4与开关管Va6反向并联。参考图2和图3，其示出了本发明提供的串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元实施例一的第一种工作模态的两种情况。
第一工作模态：开关管Va1和Va2导通，其余开关管均截止；
其中，不导通的路径在图中以细实线示出，导通的路径以粗实线示出。
第一种情况电流的路径为：M1-Va1-Va2-AC(如图2所示)；
第二种情况电流的路径为：AC-D2-D1-M1(如图3所示)。
参考图4和图5，其示出了本发明提供的串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元实施例一的第二种工作模态的两种情况。
第二工作模态：开关管Va3和Va4导通，其余开关管均截止；
其中，不导通的路径在图中以细实线示出，导通的路径以粗实线示出。
第一种情况电流的路径为：AC-Va3-M2(如图4所示)；
第二种情况电流的路径为：M2-Va4-AC(如图5所示)。
参考图6和图7，其示出了本发明提供的串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元实施例一的第三种工作模态的两种情况。
第三工作模态：开关管Va5和Va6导通，其余开关管均截止。
其中，不导通的路径在图中以细实线示出，导通的路径以粗实线示出。
第一种情况电流的路径为：AC-Va5-Va6-M3(如图6所示)；
第二种情况电流的路径为：M3-D4-D3-AC(如图7所示)。
通过上述图2、图3、图4、图5、图6、图7所示的工作模态的时序进行控制，就能得到需要的正弦交流电。
实施例二
参考图8，其示出了本发明提供了一种三电平逆变器实施例二的拓扑图，所述三电平逆变器实施例二包括直流输入单元和一个如实施例一所述的拓扑单元，其中：
所述直流输入单元的直流正电平P与该逆变单元的第一直流输入端M1相连，所述直流输入单元的直流零电平0与该逆变单元的第二直流输入端M2相连，所述直流输入单元的直流负电平N与该逆变单元的第三直流输入端M3相连；
该拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的交流输出端相连。
其中，所述的三电平逆变器，优先地，所述的直流输入单元包括电容C1和电容C2，其中：
直流电源的正端与电容C1的第一端相连；
C1的第二端与C2的第一端相连；
C2的第二端与直流电源的负端相连。
实施例三
参考图9，其示出了本发明提供了一种三电平逆变器实施例三的拓扑图，所述三电平逆变器实施例三包括直流输入单元和一个如实施例一所述的拓扑单元：第一拓扑单元和第二拓扑单元；
直流输入单元的直流正电平P与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第一直流输入端M1相连；
直流输入单元的直流零电平0与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第二直流输入端M2相连；
直流输入单元的直流负电平N与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第三直流输入端M3相连；
第一拓扑单元的交流输出端AC1与该逆变器的第一交流输出端相连，第二拓扑单元的交流输出端AC2与该逆变器的第二交流输出端相连。
其中，所述的三电平逆变器，优先地，所述的直流输入单元包括电容C1和电容C2，其中：
直流电源的正端与电容C1的第一端相连；
C1的第二端与C2的第一端相连；
C2的第二端与直流电源的负端相连。
实施例四
参考图10，其示出了本发明提供了一种三电平逆变器实施例四的拓扑图，所述三电平逆变器实施例四包括直流输入单元和一个如实施例一所述的拓扑单元：第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元；
直流输入单元的直流正电平P与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第一直流输入端M1相连；
直流输入单元的直流零电平0与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第二直流输入端M2相连；
直流输入单元的直流负电平N与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第三直流输入端M3相连；
第一拓扑单元的交流输出端AC1与该逆变器的第一交流输出端相连，第二拓扑单元的交流输出端AC2与该逆变器的第二交流输出端相连，第三拓扑单元的交流输出端AC3与该逆变器的第三交流输出端相连。
其中，所述的三电平逆变器，优先地，所述的直流输入单元包括电容C1和电容C2，其中：
直流电源的正端与电容C1的第一端相连；
C1的第二端与C2的第一端相连；
C2的第二端与直流电源的负端相连。
实施例五
参考图11，其示出了本发明提供了一种三电平逆变器实施例五的拓扑图，所述三电平逆变器实施例五包括直流输入单元和一个如实施例一所述的拓扑单元：第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元；
直流输入单元的直流正电平P与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第一直流输入端M1相连；
直流输入单元的直流零电平0与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第二直流输入端M2相连；
直流输入单元的直流负电平N与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第三直流输入端M3相连；
第一拓扑单元的交流输出端AC1与该逆变器的第一交流输出端相连，第二拓扑单元的交流输出端AC2与该逆变器的第二交流输出端相连，第三拓扑单元的交流输出端AC3与该逆变器的第三交流输出端相连，第四拓扑单元的交流输出端AC4与该逆变器的第四交流输出端相连。
其中，所述的三电平逆变器，优先地，所述的直流输入单元包括电容C1和电容C2，其中：
直流电源的正端与电容C1的第一端相连；
C1的第二端与C2的第一端相连；
C2的第二端与直流电源的负端相连。
需要说明的是，本说明书中各个实施案例都是采用递进的方式进行描述的，每个实施例重点说明的均是与其他实施例不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参考即可。
以上是对本发明所提供的一种新型串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元及三电平逆变器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元，其特征在于，该串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元包括：上桥臂，中桥臂和下桥臂；
所述上桥臂，采用两个反向并联二极管的IGBT串联构成；
所述中桥臂，采用两个逆阻式IGBT反并联构成；
所述下桥臂，采用两个反向并联二极管的IGBT串联构成。
2.如权利要求1所述的串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元，其特征在于，该串并联混合三电平NPP逆变拓扑单元对应的三个工作模态分别为：
第一工作模态：开关管Va1和Va2导通，其余开关管均截止；
第二工作模态：开关管Va3和Va4导通，其余开关管均截止；
第三工作模态：开关管Va5和Va6导通，其余开关管均截止。
3.一种三电平逆变器，其特征在于，包括直流输入单元和如权利要求1或权利要求2所述的拓扑单元，其中：
所述直流输入单元的直流正电平P与该逆变单元的第一直流输入端M1相连，所述直流输入单元的直流零电平0与该逆变单元的第二直流输入端M2相连，所述直流输入单元的直流负电平N与该逆变单元的第三直流输入端M3相连；
该逆变单元的交流输出端AC与该逆变器的交流输出端相连。
4.一种三电平逆变器，其特征在于，包括直流输入单元和如权利要求1或权利要求2所述的拓扑单元：第一拓扑单元和第二拓扑单元；
直流输入单元的直流正电平P与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第一直流输入端M1相连；
直流输入单元的直流零电平0与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第二直流输入端M2相连；
直流输入单元的直流负电平N与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第三直流输入端M3相连；
第一拓扑单元的交流输出端AC1与该逆变器的第一交流输出端相连，第二拓扑单元的交流输出端AC2与该逆变器的第二交流输出端相连。
5.一种三电平逆变器，其特征在于，包括直流输入单元和如权利要求1或权利要求2所述的拓扑单元：第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元；
直流输入单元的直流正电平P与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第一直流输入端M1相连；
直流输入单元的直流零电平0与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第二直流输入端M2相连；
直流输入单元的直流负电平N与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第三直流输入端M3相连；
第一拓扑单元的交流输出端AC1与该逆变器的第一交流输出端相连，第二拓扑单元的交流输出端AC2与该逆变器的第二交流输出端相连，第三拓扑单元的交流输出端AC3与该逆变器的第三交流输出端相连。
6.一种三电平逆变器，其特征在于，包括直流输入单元和如权利要求1或权利要求2所述的拓扑单元：第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元；
直流输入单元的直流正电平P与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第一直流输入端M1相连；
直流输入单元的直流零电平0与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第二直流输入端M2相连；
直流输入单元的直流负电平N与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第三直流输入端M3相连；
第一拓扑单元的交流输出端AC1与该逆变器的第一交流输出端相连，第二拓扑单元的交流输出端AC2与该逆变器的第二交流输出端相连，第三拓扑单元的交流输出端AC3与该逆变器的第三交流输出端相连，第四拓扑单元的交流输出端AC4与该逆变器的第四交流输出端相连。
7.根据权利要求3、4、5和6任意一项所述的三电平逆变器，其特征在于，所述的直流输入单元包括电容C1和电容C2，其中：
直流电源的正端与电容C1的第一端相连；
C1的第二端与C2的第一端相连；
C2的第二端与直流电源的负端相连。
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