CN106385189B - 一种两级式级联多电平逆变器 - Google Patents

一种两级式级联多电平逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种两级式级联多电平逆变器，由前级单元与后级单元串联而成，所述前级单元由n个开关‑二极管单元和一个尖峰消除开关组合而成；其中第i个开关‑二极管单元的直流电源负端与第i+1个开关‑二极管单元中开关和二极管的连接点相连；尖峰消除开关跨接在第2个开关‑二极管单元中开关和二极管连接点和第n个开关‑二极管单元的直流电源的负端之间；第1个开关‑二极管单元中开关和二极管的连接点引出后级单元输入侧端点A，最后一个开关‑二极管单元的直流电源负端引出后级单元的端点B；所述后级单元为一H桥逆变电路。本发明解决了传统级联开关‑二极管逆变器输出电压基部所存在的电压尖峰的问题，具有成本低、可靠性高的优点。

Description

一种两级式级联多电平逆变器
技术领域
本发明属于逆变器领域，特别涉及一种两级式级联多电平逆变器。
背景技术
随着电力电子技术的发展，逆变器的应用越来越广泛。而多电平逆变器由于输出容量大、输出电压电流谐波含量少、开关管承受反向电压低等优点，在中高压调速及新能源发电等领域得到广泛应用。
与传统逆变器相比，多电平逆变器的突出缺点是随着电平数的增加，需要的电力电子全控器件数目随之增加。虽然由于电压在开关器件或单元模块中平均分配，多电平逆变器的开关器件无需高的耐压，但是每个全控型电力电子器件都需要相应的开关驱动及保护电路，数目众多的全控开关器件增加了系统的体积和成本，并且调制电路也变得异常复杂。因此，近年来，多种减少全控开关器件的使用数目以简化电路与调制策略的多电平逆变器拓扑结构被提出。
在众多多电平逆变器拓扑结构中，H桥级联多电平逆变器因其不存在直流电容分压、均压问题，同时具有开关管电压应力低、易于模块化等优点，广泛应用于高压大容量变换器中。为了进一步的减少全控开关的需求数量，简化多电平逆变器的结构，Babaei和Hosseini等人提出的半桥级联型多电平逆变拓扑，对比传统的H桥级联逆变器拓扑，所需要的全控型开关器件少了接近一半。然而在电平数增加的同时所需的全控型开关器件数量依然巨大。然后，Rasoul Shalchi Alishah等人在此基础上提出了开关-二极管级联多电平逆变器拓扑使得所需的全控型开关器件的数量进一步减少。然而，在感性负载时，因为反向电流通路的缺乏导致正弦波基部因为负载中的电感元件由于短时的磁场崩溃而产生瞬时的高电压尖峰。
发明内容
本发明的目的在于针对现有级联多电平拓扑结构的不足，提供一种两级式级联多电平逆变器，解决了传统级联开关-二极管逆变器输出电压基部所存在的电压尖峰的问题，具有成本低、可靠性高的优点。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种两级式级联多电平逆变器，由前级单元与后级单元串联而成，所述前级单元由n个开关-二极管单元和一个尖峰消除开关组合而成；任一开关-二极管单元i(1≤i≤n)中的两个直流母线之间跨接直流电源或电容，同时跨接由开关和二极管串联构成的串联电路；第i个开关-二极管单元的直流电源负端与第i+1个开关-二极管单元中开关和二极管的连接点相连；尖峰消除开关跨接在第2个开关-二极管单元中开关和二极管连接点和第n个开关-二极管单元的直流电源的负端之间；第1个开关-二极管单元中开关和二极管的连接点引出后级单元输入侧端点A，最后一个开关-二极管单元的直流电源负端引出后级单元的端点B；所述后级单元为一H桥逆变电路。
优选的，所述前级单元中的尖峰消除开关控制为：当第1个开关-二极管单元的开关开通，同时第2个开关-二极管单元至第n个开关-二极管单元的开关关断时，前级单元中的尖峰消除开关开通，如下式所示：
其中，g(Sg)是尖峰消除开关Sg的开通驱动脉冲；是开关S21，S31，…Sn1的关断驱动脉冲。
优选的，所述开关-二极管单元包括全控型电力电子开关和不控型二极管，全控型电力电子开关和不控型二极管串联。
优选的，所述前级单元中第1个开关-二极管单元中仅包括开关。
优选的，所述前级单元由载波移相控制，通过三角载波的错位实现电平的叠加，各级联开关-二极管单元载波错位Ts/n时间，所述Ts为开关周期。
优选的，所述H桥逆变电路包括四个全控型电力电子开关。分别为开关S1、S2、S3和S4，H桥逆变电路的控制为：当给定正弦波处于正半周时，开关S1和S4开通，S2和S3关断；当给定正弦波处于负半周时，开关S2和S3开通，S1和S4关断。
优选的，所述后级单元中还设置了由一个电感和一个电阻串联组成的感性负载。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明在前级单元中设置了尖峰消除开关，通过该开关为感性负载时的反向电流提供了通路，消除了输出正弦波基部的电压尖峰，保证了输出电压的波形质量。
2、本发明前级级联单元与后级逆变电路的串联，可很好的实现近似正弦的多电平阶梯波，简化了功率单元系统拓扑结构的复杂性，减少了全控型开关器件的使用数量，从而降低了造价成本，节约了成本。
附图说明
图1为本实施例两级式级联多电平逆变器拓扑图；
图2为基于载波移相控制的两级式级联多电平逆变器的控制框图；
图3(a)、图3(b)、图3(c)分别为五电平前级单元中开关S11、开关S21、开关Sg的信号图；
图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)分别为五电平后级单元中开关S1、S2、S3、S4的信号图；
图5(a)、图5(b)分别为五电平前级单元中第1个开关-二极管单元、第2个开关-二极管单元的输出电压-时间关系图；
图6(a)为五电平前级单元的输出电压-时间关系图；
图6(b)为五电平前级单元的输出电流-时间关系图；
图7(a)为五电平逆变器的输出电压-时间关系图；
图7(b)为五电平逆变器的输出电流-时间关系图；
图8为五电平逆变器的输出电压的FFT分析结果；
图9(a)、图9(b)、图9(c)、图9(d)、图9(e)分别为九电平前级单元中开关S11、S21、S31、S41、Sg的信号图；
图10(a)为九电平前级单元的输出电压-时间关系图；
图10(b)为九电平前级单元的输出电流-时间关系图；
图11(a)为九电平逆变器的输出电压-时间关系图；
图11(b)为九电平逆变器的输出电流-时间关系图；
图12为九电平逆变器的输出电压的FFT分析结果。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
一种两级式级联多电平逆变器，由前级单元与后级单元串联而成，所述前级单元由n个开关-二极管单元和一个附加的尖峰消除开关组合而成；任一开关-二极管单元i(1≤i≤n)中的两个直流母线之间跨接直流电源或电容，同时跨接由开关和二极管串联构成的串联电路；第i个开关-二极管单元的直流电源负端与第i+1个开关-二极管单元的开关和二极管的连接点相连，且第1个开关-二极管单元中的二极管可以省掉；所附加的尖峰消除开关跨接在第2个开关-二极管单元的开关-二极管连接点和第n个开关-二极管单元的直流电源的负端之间。第1个开关-二极管单元的开关-二极管的连接点引出后级单元输入侧端点A，最后一个单元的直流电源负端引出后级单元的端点B；所述后级单元为一H桥逆变电路。
前级单元中开关-二极管单元中的开关为全控型电力电子开关，二极管为不控型二极管，前级单元通过n个开关-二极管单元和一个附加的尖峰消除开关组合，可实现输出电平的叠加，同时，为感性负载时的反向电流提供了通路，消除了输出正弦波基部的电压尖峰，保证了输出电压的波形质量；后级单元为一H桥逆变电路，可实现正弦输出波形正负半周的对称。
参见图2，前级单元中开关-二极管单元由载波移相控制，通过三角载波的错位实现电平的叠加，各级联单元载波错位Ts/n时间，Ts为开关周期。每个功率单元也分别具有各自独立的驱动电路，使得控制单元便于实现模块化。
前级单元中的尖峰消除开关的开通是当前级单元的第1个开关-二极管单元的开关开通，同时第2个开关-二极管单元-第n个开关-二极管单元的开关关断时开通，其驱动信号通过对级联单元开关的驱动信号进行简单的逻辑运算来实现，如下式所示：
其中，g(Sg)是开关Sg的开通驱动脉冲；是开关S21，S31，…Sn1的关断驱动脉冲。
前级单元只能产生正向的波形，为了得到同时具有正向和负向的正弦波，在本发明后级单元的控制中，当给定正弦波处于正半周时，开关S1和S4开通，S2和S3关断；当给定正弦波处于负半周时，开关S2和S3开通，S1和S4关断。通过在正负半周的判定，实现了正负半周的交替。
图1为本实施例逆变器拓扑图，本实施例中取n＝2和n＝4，分别实现五电平和九电平逆变结果；图2为基于载波相移控制的两级级联多电平逆变器的控制结构框图；图3-12为本发明中的多电平逆变器的运行结果。若电路中无尖峰消除开关Sg，那么当负载是感性负载的时候，反向的电感电流被电路中的二极管所阻断从而无法形成通路，于是流过负载电感元件的电流会突然增大，导致负载中的电感元件由于短时的磁场崩溃而产生瞬时的电压尖峰。电路中所加入的尖峰消除开关Sg的开关信号是通过对级联单元各开关的驱动信号进行简单的逻辑运算来确定的。由图3(c)和图9(e)可以看到，在开关S1开通，S2-Sn关断时，尖峰消除开关Sg开通，反向电流流过由Sg形成的通路(S1→S11→u1→Sg→S4)和(S3→S11→u1→Sg→S2)，从而使得该拓扑结构的正弦输出电压基部不存在电压尖峰。图5是五电平逆变器前级变换器各级联单元的输出电压uo1和uo2，由图可以看到各级联单元的输出电压仅有正值和零值。前级变换器的输出电压ug是各级联单元输出电压之和，因此其同样仅有正值和零值，如图6所示。由图7(a)和图10(a)可看到，所提出的两级式逆变器拓扑可以达到多电平的控制效果，且在正弦波的基部无电压尖峰，其波形质量良好，满足变换器应用的需要。而电流因为负载中电感的滤波作用已经接近正弦波，如图7(b)和图10(b)所示。图8是五电平逆变器的输出电压的FFT分析结果，结果显示其THD是36.09％，且最大谐波群频率位于4倍的开关频率及其倍数。图11是九电平逆变器的输出电压谐波分析结果，其THD结果是17.12％，最大谐波群频率位于8倍的开关频率及其倍数。对比于五电平逆变器的输出结果可以看到，输出电压的THD由36.09％减少到了17.12％，说明其电平数越高，输出波形的谐波含量越少，波形质量越好。同时其最大谐波群频率由五电平时的4倍的开关频率后推到8倍的开关频率，利于滤波器的设计。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种两级式级联多电平逆变器，其特征在于，由前级单元与后级单元串联而成，所述前级单元由n个开关-二极管单元和一个尖峰消除开关组合而成；任一开关-二极管单元i中的两个直流母线之间跨接直流电源或电容，同时跨接由开关和二极管串联构成的串联电路，1≤i≤n；第i个开关-二极管单元的直流电源负端与第i+1个开关-二极管单元中开关和二极管的连接点相连；尖峰消除开关跨接在第2个开关-二极管单元中开关和二极管连接点和第n个开关-二极管单元的直流电源的负端之间；第1个开关-二极管单元中开关和二极管的连接点引出后级单元输入侧端点A，最后一个开关-二极管单元的直流电源负端引出后级单元的端点B；所述后级单元为一H桥逆变电路；
前级单元中的尖峰消除开关控制为：当第1个开关-二极管单元的开关开通，同时第2个开关-二极管单元至第n个开关-二极管单元的开关关断时，前级单元中的尖峰消除开关开通，如下式所示：
其中，g(Sg)是尖峰消除开关Sg的开通驱动脉冲；是开关S21，S31…Sn1的关断驱动脉冲。
2.根据权利要求1所述的两级式级联多电平逆变器，其特征在于，所述开关-二极管单元包括全控型电力电子开关和不控型二极管，全控型电力电子开关和不控型二极管串联。
3.根据权利要求1所述的两级式级联多电平逆变器，其特征在于，所述前级单元中第1个开关-二极管单元中仅包括开关。
4.根据权利要求1所述的两级式级联多电平逆变器，其特征在于，所述前级单元由载波移相控制，通过三角载波的错位实现电平的叠加，各级联开关-二极管单元载波错位Ts/n时间，所述Ts为开关周期。
5.根据权利要求1所述的两级式级联多电平逆变器，其特征在于，所述H桥逆变电路包括四个全控型电力电子开关，分别为开关S1、S2、S3和S4，H桥逆变电路的控制为：当给定正弦波处于正半周时，开关S1和S4开通，S2和S3关断；当给定正弦波处于负半周时，开关S2和S3开通，S1和S4关断。
6.根据权利要求1所述的两级式级联多电平逆变器，其特征在于，所述后级单元中还设置了由一个电感和一个电阻串联组成的感性负载。
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