CN105634319B - 一种具有耦合电感的多电平级联逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有耦合电感的多电平级联逆变器，其中，有N个逆变单元并联，每个单相H桥对应一个耦合电感，N≥2，且N为自然数；同一个单相H桥逆变单元的左桥臂侧的上桥臂是第一功率开关管，同一个逆变单元的左桥臂侧的下桥臂是第二功率开关管，同一个单相H桥单元的右桥臂侧的上桥臂是第三功率开关管，同一个单相H桥单元的右桥臂的下桥臂是第四功率开关管，第一功率管、第二功率管、第三功率管和第四功率管均为绝缘栅双极性晶体管IGBT；N个耦合电感以循环对称的结构连接。本发明在无需复杂的均流控制方法的条件下，可有效抑制各支路之间的环路电流，并且在相同并联共模电感的条件下，具有差模均流电感大、均流效果好、装置体积小等诸多优点。

Description

一种具有耦合电感的多电平级联逆变器
技术领域
本发明属于电力电子领域，更具体地，设计一种大功率快速控制电源技术，用于实现对电流或电压信号进行快速的跟踪与响应，设计一种利用耦合电感抑制环路电流的新方法。
背景技术
在受控聚变研究中，为了维持等离子体的稳定性，需要对等离子体进行快速跟踪与有效控制。一种大功率、高性能的电能转换技术可以将其产生的电流通过线圈与等离子体耦合进行控制，逆变电源是其中重要的组成部分。逆变电源的发展和电力电子器件的发展息息相关，受限于现有的制造工艺，电力电子器件的功率处理能力和开关频率之间是存在矛盾的。功率越大时，功率器件的开关频率越低。而在大功率逆变器中，提高功率器件开关频率意味着降低系统谐波畸变率，但开关频率过高则导致器件开关损耗增加且输出电压谐波增大，从而影响了输出电能的质量。如何在提高逆变装置容量的同时改善其输出电能的质量，已成为现代逆变技术为解决应用问题而必须关注的重要发展方向之一。H桥级联型多电平逆变技术结合载波移相PWM技术是在研究高压大功率逆变器的容量与质量问题的过程中所取得的突破性成果，它将低压器件成功应用于高压场合，并在较低的器件开关频率下得到了较高的等效开关频率，降低开关损耗，提高输出电压和电流等级。
但是，逆变器的输出端接在一起，共同为同一个负载供电即为逆变单元并联，因各逆变单元自身性能差异、电路参数分散性、抗扰动能力不同等因素，在逆变单元并联时，可能会出现个单元输出电压的幅值或相位不一致的情况，这必然会造成并联的各逆变单元之间存在不均流与环路电流的问题。如果在相互并联的逆变单元之间流动着较大的环流，这不仅会导致逆变单元并联的失败，严重时还会造成逆变器损坏。因此，环路电流问题是级联逆变技术需要解决的关键问题之一。
目前得到广泛应用的逆变电源并联控制方法可以分为电流跟踪控制法、功率误差控制法、串联限流电感法和频率电压下垂特性控制法，其中外加限流电感是一种十分有效的逆变器并联系统环流抑制方法。但是用普通电感抑制环流时电感上会有一定的压降，过大的直流偏置会导致电感的体积和质量过大。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有耦合电感的多电平逆变器，将相邻两条支路的电流通过耦合电感反向耦合，不仅提高了系统抑制环路电流的能力，而且解决了电感上压降过大和直流偏置导致的电感体积和质量过大的问题。
本发明提供了一种具有耦合电感的多电平逆变器，包括N个逆变单元和N个耦合电感，第一耦合电感的一次侧异名端连接第一逆变单元的输出端，第一耦合电感的一次侧同名端与第N耦合电感的二次侧同名端连接；第二耦合电感的一次侧异名端连接第二逆变单元的输出端，第二耦合电感的一次侧同名端与所述第一耦合电感的二次侧同名端连接，……第i个耦合电感的一次侧异名端连接第i个逆变单元的输出端，第i+1个耦合电感的一次侧同名端与第i个耦合电感的二次侧同名端连接，第i个耦合电感的二次侧异名端均连接负载；N为大于等于2的正整数。
更进一步的，所述的每个逆变单元的第一功率管、第二功率管、第三功率管和第四功率管均为绝缘栅双极性晶体管IGBT；绝缘双极性晶体管的内部具有反并联二极管D。
更进一步的，所述的多电平逆变器，同一个逆变单元的左桥臂与右桥臂载波相位错开180°；各逆变单元载波频率相同、载波相位互相错开π/N；各单相H桥逆变单元的调制波相同，这样能够输出多电平从而减弱输出波形中的谐波。
本发明实施例提供的一种具有耦合电感的多电平级联逆变器中，第k条支路的电流通过耦合电感k与第k+1条支路的电流反向耦合，特别地，第N条支路的电流通过耦合电感N与第一条支路的电流反向耦合。这样，每两条支路之间的电流都有耦合关系，耦合电感以循环对称的形式连接。
更进一步的，相邻两条支路的电流通过同一个耦合电感进行反向耦合，两条支路的电流在耦合电感的磁芯中产生的磁通相互抵消，磁芯不会因为支路电流中的直流成分而饱和，耦合电感的磁芯也不会因为直流偏置而需要较大的体积与质量。
更进一步的，相邻两条支路的电流通过同一个耦合电感进行反向耦合，两条支路之间的电流的差值即为环路电流，该电流差值将会在耦合电感的磁芯中产生磁通，受到耦合电感的互感的抑制，也就是环路电流得到了抑制。
本发明的优点在于：(1)具有耦合电感的多电平逆变器具有能够得到比外加普通电感更好的均流效果；(2)该电路所要求的电感的磁芯的质量与体积较小，能够节省材料与空间；(3)耦合电感上的电压降主要取决于其漏感，当漏感较小时，其压降很小，提高了逆变器直流侧电压的利用率。
附图说明
图1是本发明中的整流逆变单元结构；
图2是本发明中具有耦合电感的多电平逆变器
图3是本发明的具体实施例的电路结构；
图4(a)是本发明的具体实施例的输出电流波形图；
图4(b)是本发明的具体实施例的输出电压波形图；
图5(a)是本发明的具体实施例的各支路电流波形图；
图5(b)是本发明的具体实施例的各支路环路电流波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的一种具有耦合电感的多电平逆变器并联拓扑结构，由N个逆变单元和对应的N个耦合电感组成：同一个逆变单元的左桥臂侧的上桥臂是第一功率开关管，同一个单相H桥逆变单元的左桥臂侧的下桥臂是第二功率开关管，同一个单相H桥单元的右桥臂侧的上桥臂是第三功率开关管，同一个单相H桥单元的右桥臂的下桥臂是第四功率开关管，第一功率管的集电极与电源正极相连，耦合电感原边绕组L1异名端与第一功率管的发射极相连；耦合电感原边绕组同名端与前一个耦合电感的副边同名端相连，所有耦合电感的副边异名端组成公共端，与负载的一段相连；所有的单相H桥逆变单元的第四功率管的集电极组成公共端，与负载的另一端相连。
本发明在无需复杂的均流控制方法的条件下，可有效抑制各支路之间的环路电流，并且在相同并联共模电感的条件下，具有差模均流电感大、均流效果好、装置体积小等诸多优点。
图1是本发明提出的逆变单元电路，包括三相整流滤波电路和单相H桥逆变电路，图2是本发明提出的一种具有耦合电感的多电平级联逆变器电路，具体包括：N个三相整流滤波电路，每个三相整流滤波电路包括三相全桥不控整流电路和电容滤波电路，与电网相连接，用于将电网产生的三相低频交流电能转换成直流电能，输出至其对应的单相H桥单元；N个单相H桥和其对应的耦合电感；同一个单相H桥单元的左桥臂侧的上桥臂是第一功率开关管，同一个单相H桥单元的左桥臂侧的下桥臂是第二功率开关管，同一个单相H桥单元的右桥臂侧的上桥臂是第三功率开关管，同一个单相H桥单元的右桥臂的下桥臂是第四功率开关管，第一功率管的集电极与电源正极相连，耦合电感原边绕组L1异名端与第一功率管的发射极相连；耦合电感原边绕组同名端与前一个耦合电感的副边同名端相连，所有耦合电感的副边异名端组成公共端，与负载的一段相连；所有的单相H桥单元的第四功率管的集电极组成公共端，与负载的另一端相连。
对负载电流进行采样，并与预设电流进行比较，采用PI反馈的控制方法对负载电流进行实时跟踪与快速控制；每一个单相H桥单元采用单极性调制；无需额外的均流控制方法。
共有2N个双极性三角载波对多电平级联逆变器进行载波移相PWM控制；其中每个单相H桥单元的同一桥臂上的功率开关管共用一个三角载波，且两个功率开关管的开关状态相反；每个单相H桥单元的左右桥臂的载波相位差为180°；相邻两个单相H桥单元的相同位置的功率开关管的载波的相位依次相差π/N。
每个功率开关管都反并联一个二极管来续流，负载由电阻与电感组成。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的具有耦合电感的多电平级联逆变器及抑制环路电流的方法，现结合具体实例详述如下：
实例中采用四个整流逆变单元并联即N＝4的电路结构，如图3所示。预设电流波形为44A的直流叠加15A的交流，如图4(a)所示，实际得到的电流波形与预设电流波形几乎没有差别，如图4(b)所示，得到的电压波形为阶梯波，可以有效的减小谐波畸变率。输出电压波形的最大值为24V，略小于逆变器直流侧电压，说明耦合电感上的电压降很小，逆变器直流侧电压的利用率高。
如图5(a)所示，四条支路的电流波形基本一致，如图5(b)所示，其环路电流约为0.2A，小于其支路额定电流的2％，符合工程上的均流要求。实验中所使用的耦合电感气隙较小，其体积约为常规电感的一半。环流电流为某条支路与四条支路电流的平均值的电流差。
综上可以看出：本发明的具有耦合电感的多电平逆变器具有对输出的电压或者电流进行快速跟踪与实时控制，并且使用耦合电感能够得到比常规电感更好的均流效果，耦合电感所使用磁芯的体积与质量也小于常规电感。由于耦合电感上的电压降较低，所以无需额外增加逆变器直流侧电压值。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有耦合电感的多电平逆变器，其特征在于，包括N个逆变单元和N个耦合电感，第一耦合电感的一次侧异名端连接第一逆变单元的输出端，第一耦合电感的一次侧同名端与第N耦合电感的二次侧同名端连接；第二耦合电感的一次侧异名端连接第二逆变单元的输出端，第二耦合电感的一次侧同名端与所述第一耦合电感的二次侧同名端连接，……，第i个耦合电感的一次侧异名端连接第i个逆变单元的输出端，第i+1个耦合电感的一次侧同名端与第i个耦合电感的二次侧同名端连接，第i个耦合电感的二次侧异名端均连接负载；N为大于等于2的正整数。
2.如权利要求1所述的多电平逆变器，其特征在于，所述逆变单元包括第一功率管、第二功率管、第三功率管和第四功率管；所述第一功率管与所述第二功率管串联，所述第三功率管与所述第四功率管串联；所述第一功率管与所述第二功率管的串联连接端作为所述逆变单元的输出端正极，所述第三功率管和所述第四功率管的串联连接端作为所述逆变单元的输出端负极，所述第一功率管的非串联连接端与所述第三功率管的非串联连接端连接；所述第二功率管的非串联连接端与所述第四功率管的非串联连接端连接。
3.如权利要求2所述的多电平逆变器，其特征在于，所述第一功率管、所述第二功率管、所述第三功率管和所述第四功率管均为绝缘栅双极性晶体管IGBT；且绝缘栅双极性晶体管IGBT的内部具有反并联寄生二极管D。
4.如权利要求2所述的多电平逆变器，其特征在于，在所述逆变单元中，由所述第一功率管和所述第二功率管构成的左桥臂与由所述第三功率管和所述第四功率管构成的右桥臂载波相位错开180°。
5.如权利要求2-4任一项所述的多电平逆变器，其特征在于，N个逆变单元的载波频率相同、载波相位互相错开π/N。
6.如权利要求1所述的多电平逆变器，其特征在于，相邻两条支路的电流通过同一个耦合电感进行反向耦合，两条支路的电流在耦合电感的磁芯中产生的磁通相互抵消，磁芯不会因为支路电流中的直流成分而饱和。
7.如权利要求1所述的多电平逆变器，其特征在于，相邻两条支路的电流通过一个耦合电感进行反向耦合，两条支路之间电流值的差值即为环路电流，该电流差值将会受到耦合电感的互感的抑制。
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