CN104953874A - 不对称三相四线制逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三电平三相四线制电压源型逆变器，具体为不对称三相四线制逆变器，包括输入直流电源、分压电容、三个不对称三电平桥臂和负载组成。三电平不对称桥臂每相均由四个开关构成，本发明提供的不对称三相四线制逆变器，简化逆变器拓扑结构，减少器件的使用，降低了开关器件的电压应力，降低逆变器成本，避免了负载中性点电位漂移的问题，通过简化的调制策略实现三电平的输出。

Description

不对称三相四线制逆变器

技术领域

本发明涉及一种三电平三相四线制电压源型逆变器，具体为不对称三相四线制逆变器。

背景技术

两电平的电压型逆变器现已得到广泛的研究，并成功地用于消除谐波和补偿无功。由于半导体器件功率等的限制，这些逆变器被局限于中等功率的应用中，为此，混合拓扑结构以及多电平逆变器结构被提出并成为热点。多电平逆变器(multilevel inverters，MLI)因具有更低的共模电压、更低的开关电压应力、更低的dv＝dt比率以及在输出电压和电流中有更低的畸变等其众多的优点，受到并网发电、交流电机调速领域的广泛关注与应用。

目前最为广泛研究的多电平拓扑结构包括二极管钳位型、飞跨电容型和级联H桥型。二极管钳位型结构简单，但需要钳位二极管，增加了经济成本；飞跨电容型逆变器需要跨接电容，电平数越多，需要的飞跨电容越多，直流侧中点电位难以控制；级联H桥型每个模块都需要一个独立直流电源，成本高，开关器件承受电压应力高。随着电平数增加，上述三种逆变器拓扑结构所需成本与控制复杂度大幅度增加。于是简化逆变器拓扑结构，提高装置性能成为研究多电平逆变器的原因。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种成本低、结构简单、控制容易的三相四线制逆变器。具体技术方案为：

不对称三相四线制逆变器，包括输入直流电源V_dc，分压电容C1、分压电容C2、三个不对称三电平桥臂和RLC负载；

分压电容C1、分压电容C2与直流电源V_dc串联，分压电容C1、分压电容C2各分得直流电源V_dc一半的电压，分压电容C1、分压电容C2之间直流侧中点为O点，从O点引出中线；

不对称三电平桥臂分别由IGBT开关S_a1、S′_a1、S_a2、S′_a2和开关S_b1、S′_b1、S_b2、S′_b2及开关S_c1、S′_c1、S_c2、S′_c2构成；

开关S_a1的集电极连接开关S_a2发射极和开关S′_a2集电极，开关S_a1发射极连接开关S′_a1集电极；开关S_b1的集电极连接开关S_b2发射极和开关S′_b2集电极，开关S_b1发射极连接开关S′_b1集电极；开关S_c1的集电极连接开关S_c2发射极和开关S′_c2集电极；开关S_c1发射极连接开关S′_c1集电极；

开关S_a1和开关S′_a1中间引出a相输出电压，开关S_b1和开关S′_b1中间引出b相输出电压，开关S_c1和开关S′_c1中间引出c相输出电压；a相输出电压、b相输出电压、c相输出电压、直流侧中点O点分别与RLC负载连接；RLC负载为三相星形负载，每相采用电阻R与电容C并联后与电感L串联；

开关S_a2、开关S_b2、开关S_c2的集电极分别与直流电源V_dc正极P端相连，开关S′_a1、开关S′_b1、开关S′_c1的发射极分别与直流电源V_dc负极N端连接；

开关S′_a2、开关S′_b2和开关S′_c2的发射极与分别与直流侧中点为O点连接。当开关S_a1导通时，开关S′_a1关断；当开关S_a2导通时，开关S′_a2关断；当开关S_b1导通时，开关S′_b1关断；当开关S_b2导通时，开关S′_b2关断；当开关S_c1导通时，开关S′_c1关断；当开关S_c2导通时，开关S′_c2关断。

与传统二极管钳位式逆变器比较，本发明提供的不对称三相四线制逆变器不需要钳位二极管，开关管所承受电压应力低，控制简单；与传统飞跨电容式逆变器比较，不需要飞跨电容，直流中点电位更加容易控制；与普通四桥臂逆变器比较，不对称三相四线制逆变器从直流侧中点引出中线，有益于降低工业化成本。该不对称三相四线制逆变器适用于中高压、大功率应用场合，在新能源并网发电领域具有广阔应用前景。

本发明提供的不对称三相四线制逆变器，简化逆变器拓扑结构，减少器件的使用，降低了开关器件的电压应力，降低逆变器成本，避免了负载中性点电位漂移的问题，通过简化的调制策略实现三电平的输出。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的拓扑结构单桥臂工作模式之一；

图3为本发明的拓扑结构单桥臂工作模式之二；

图4为本发明的拓扑结构单桥臂工作模式之三；

图5为本发明的拓扑结构单桥臂工作模式之四；

图6为本发明的在各开关状态下的等效电路之一；

图7为本发明的在各开关状态下的等效电路之二；

图8为本发明的在各开关状态下的等效电路之三。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，不对称三相四线制逆变器，包括输入直流电源V_dc，分压电容C1、分压电容C2、三个不对称三电平桥臂和RLC负载；

分压电容C1、分压电容C2与直流电源V_dc串联，分压电容C1、分压电容C2各分得直流电源V_dc一半的电压，分压电容C1、分压电容C2之间直流侧中点为O点，从O点引出中线；

不对称三电平桥臂分别由IGBT开关S_a1、S′_a1、S_a2、S′_a2和开关S_b1、S′_b1、S_b2、S′_b2及开关S_c1、S′_c1、S_c2、S′_c2构成；

开关S_a1的集电极连接开关S_a2发射极和开关S′_a2集电极，开关S_a1发射极连接开关S′_a1集电极；开关S_b1的集电极连接开关S_b2发射极和开关S′_b2集电极，开关S_b1发射极连接开关S′_b1集电极；开关S_c1的集电极连接开关S_c2发射极和开关S′_c2集电极；开关S_c1发射极连接开关S′_c1集电极；

开关S_a1和开关S′_a1中间引出a相输出电压，开关S_b1和开关S′_b1中间引出b相输出电压，开关S_c1和开关S′_c1中间引出c相输出电压；a相输出电压、b相输出电压、c相输出电压、直流侧中点O点分别与RLC负载连接；RLC负载为三相星形负载，每相采用电阻R与电容C并联后与电感L串联；

开关S_a2、开关S_b2、开关S_c2的集电极分别与直流电源V_dc正极P端相连，开关S′_a1、开关S′_b1、开关S′_c1的发射极分别与直流电源V_dc负极N端连接；

开关S′_a2、开关S′_b2和开关S′_c2的发射极与分别与直流侧中点为O点连接。

每个不对称三电平桥臂由两对开关构成，即S_k1，S′_k1和S_k2，S′_k2(k＝a，b，c，n)。开关S_k2和S′_k2所承受的反向压降为直流侧电压的一半，而开关S_k1和S′_k1所承受反向压降等于直流侧电压。通过两对开关的不同组合，每个桥臂有4种工作模式，可以输出3种不同的电平，即：2/V_dc、0、-2/V_dc。当直流侧电容电压相等时，输出的三个电平也可以表示为v_c、0、-v_c。以a相为例，4个不同的工作模式如图2、图3、图4和图5所示。

当开关S_a1、S_a2导通时，桥臂工作于模式1，此时v_a＝v_c；当开关S_a1、S′_a2导通时，桥臂工作于模式2，此时v_a＝0；当开关S′_a1导通时，桥臂工作于模式3，此时v_a＝-v_c，此时，开关S′_a2导通，可使开关S_a1、S_a2共同承受直流侧电压；当开关S′_a1、S_a2导通时，桥臂工作于模式4，此时v_a＝-v_c，由于开关S_a1独自承受直流侧的电压，因此，舍去该工作模式。将桥臂工作模式1、工作模式2及工作模式3分别对应开关状态P、O和N，则可得到各桥臂的开关状态参见表1：

表1 各桥臂的开关状态

根据桥臂a、b、c的不同组合，逆变器每相桥臂有3种不同的有效工作状态，以a相为例，分别对应于图6、图7和图8所示，交流侧相电压v_an则可以得到三个不同的电平：2/V_dc、0、-2/V_dc，交流侧线电压v_ab可以得到五个不同的电平：V_dc、2/V_dc、0、-2/V_dc、-V_dc。

6个开关S_a1、S_a2、S_b1、S_b2、S_c1和S_c2的开关状态组合逻辑关系与不对称三相四线制逆变器的输出电压V_an、V_bn和V_cn之间的对应关系参见表2：

表2开关组合逻辑关系与输出电压V_an、V_bn和V_cn对应关系

上表中，“1”表示对应的开关处于导通状态，“0”表示对应的开关处于关断状态。当S_a1导通时，S′_a1关断；当S_a2导通时，S′_a2关断；当S_b1导通时，S′_b1关断；当S_b2导通时，S′_b2关断；当S_c1导通时，S′_c1关断；当S_c2导通时，S′_c2关断。

Claims (1)

1.不对称三相四线制逆变器，其特征在于：包括输入直流电源V_dc，分压电容C1、分压电容C2、三个不对称三电平桥臂和RLC负载；

分压电容C1、分压电容C2与直流电源V_dc串联，分压电容C1、分压电容C2各分得直流电源V_dc一半的电压，分压电容C1、分压电容C2之间直流侧中点为O点，从O点引出中线；

不对称三电平桥臂分别由IGBT开关S_a1、S′_a1、S_a2、S′_a2和开关S_b1、S′_b1、S_b2、S′_b2及开关S_c1、S′_c1、S_c2、S′_c2构成；

开关S_a1的集电极连接开关S_a2发射极和开关S′_a2集电极，开关S_a1发射极连接开关S′_a1集电极；开关S_b1的集电极连接开关S_b2发射极和开关S′_b2集电极，开关S_b1发射极连接开关S′_b1集电极；开关S_c1的集电极连接开关S_c2发射极和开关S′_c2集电极；开关S_c1发射极连接开关S′_c1集电极；

开关S_a1和开关S′_a1中间引出a相输出电压，开关S_b1和开关S′_b1中间引出b相输出电压，开关S_c1和开关S′_c1中间引出c相输出电压；a相输出电压、b相输出电压、c相输出电压、直流侧中点O点分别与RLC负载连接；RLC负载为三相星形负载，每相采用电阻R与电容C并联后与电感L串联；

开关S_a2、开关S_b2、开关S_c2的集电极分别与直流电源V_dc正极P端相连，开关S′_a1、开关S′_b1、开关S′_c1的发射极分别与直流电源V_dc负极N端连接；

开关S′_a2、开关S′_b2和开关S′_c2的发射极与分别与直流侧中点为O点连接。