CN106787899A - 一种新型两级式多电平功率逆变系统 - Google Patents

一种新型两级式多电平功率逆变系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型两级式多电平功率逆变系统，以一个前级多路输出DC‑DC变换器与一个二极管钳位型多电平逆变器级联作为功率拓扑。通过对前级DC‑DC变换器的电压闭环控制实现电源升压和多电平逆变器中点电压的主动控制，后级钳位型多电平逆变器可以实现电机驱动、并网逆变、或孤岛电网运行等功能。本方法能够实现：相同开关管耐压下，通过前级DC‑DC变换器实现升压，克服直流电源电压等级的限制，适应高电压等级的负载；前级DC‑DC变换器克服了传统逆变器输入电流断续或低频脉动对直流电源的影响；利用前级DC‑DC变换器对电压的主动控制能力来克服钳位型多电平逆变器中点电压难以平衡的问题；能够实现变中点电压的多电平逆变器控制，以获取更低的电流。

Description

一种新型两级式多电平功率逆变系统
技术领域
本发明涉及一种新型两级式多电平功率逆变系统，属于电能变换技术领域。
背景技术
功率逆变器系统（又称变频器）是电机驱动、并网、孤岛电网等系统的核心部件。传统的电机驱动、并网、孤岛电网等系统由直流电源接全桥逆变器进行供电，并通过对全桥逆变器的PWM调制实现逆变输出。
然而传统的全桥逆变器控制效果不佳，主要有以下四点原因：
1. 传统的直流电源接全桥逆变器的方式只能实现降压输出，若负载端电压等级较高，则传统的全桥逆变器无法满足其输出要求；
2. 传统的全桥逆变器输入电流为断续电流且存在低频脉动，会增加直流电源的输出纹波，且会降低直流电源的可靠性；
3. 采用两电平全桥逆变器时，若开关频率较低，则电流谐波较大，严重增加系统损耗，降低系统可靠性；
4. 采用钳位型多电平逆变器时，有中点电压振荡甚至趋于不平衡的缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新型两级式多电平功率逆变系统，能够实现电源端升压输出，满足高电压等级的负载要求；平滑逆变系统给的输入电流，使输入电流不会对直流电源的性能和可靠性造成影响；在较低的开关频率下实现中点电压的主动控制，避免中点电压不平衡的现象出现；在较低的开关频率下获得较小谐波电流，提高系统能效。另外在性能要求极高的场合，可以通过变中点电压控制，使得多电平逆变器在全输出范围内均能获得更小的电流谐波，实现高品质逆变输出。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种新型两级式多电平功率逆变系统，包括依次连接的前级多路输出DC-DC变换器、后级多电平逆变器以及负载，其中：
前级多路输出DC-DC变换器包括直流电源U d、电感L、第一开关管T 1至第N开关管T N、第一二极管D 1至第N二极管D N、第一电容C 1至第N电容C N，其中，直流电源U d的阳极与电感L的一端相连，第N开关管T N的漏极与电感L的另一端相连，第N开关管T N至第一开关管T 1依次串联；第一二极管D 1至第N二极管D N的阳极分别与第一开关管T 1至第N开关管T N的漏极相连，第一二极管D 1至第N二极管D N的阴极分别与第一电容C 1至第N电容C N的正极相连，第一电容C 1至第N电容C N的负极分别与直流电源U d的阴极相连，第一电容C 1至第N电容C N的负极分别与第一开关管T 1的源极相连；
后级多电平逆变器包括第一输入端子至第N输入端子以及GND端，其中，第一输入端子至第N输入端子分别与第一电容C 1至第N电容C N的正极相连，GND端分别与第一电容C 1至第N电容C N的负极相连。
作为本发明的进一步优化方案，第i开关管T i的源极与第i-1开关管T i-1的漏极连接，其中，i=2,3，…，N。
作为本发明的进一步优化方案，前级多路输出DC-DC变换器采用电压闭环控制方法，第一电容C 1至第N电容C N两端的电压U n1至U nN分别作为第一至第N反馈电压，第一至第N反馈电压分别与电压基准作差后，再经过电压调节器调节获得N个占空比信号，该N个占空比信号分别控制第一开关管T 1至第N开关管T N。
作为本发明的进一步优化方案，第一开关管T 1至第N开关管T N均采用MOS管、三极管、IGBT中的任意一种。
作为本发明的进一步优化方案，后级多电平逆变器为二极管钳位型多电平逆变器。
作为本发明的进一步优化方案，负载为电机、交流市电电网、孤岛电网中的一种。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、相同的功率管耐压下，前级多路输出DC-DC变换器中电容C N的正极可以实现直流电源升压输出，满足高电压等级负载端的输出要求；
2、前级多路输出DC-DC变换器的输入端为电感，因此输入电流为平滑的直流电流，不存在传统方案中电流断续的问题，不会对直流电源的性能可靠性造成影响；
3、前级多路输出DC-DC变换器中电容C 1至C N-1的正极可以实现直流电源升降压输出，且U n1<U n2<…< U n（N-1）；将U n1至U n（N-1接入后级多电平逆变器的中点电位处，可以获得稳定的中点电压；由于中点电压采用了主动控制，因此不会存在中点电压不平衡的情况；
4、由于多电平逆变器的输出电压采用前级多路输出DC-DC变换器实现主动控制，因此可以实现变中点电压的多电平逆变器，配合多电平逆变器的SVM调制策略可以获得更小的电流谐波和系统工作效率，藉此获得更优异的控制品质。
附图说明
图1为本发明的控制系统总体框图。
图2为前级多路输出DC-DC变换器的工作模态1。
图3为前级多路输出DC-DC变换器的工作模态2。
图4为前级多路输出DC-DC变换器的工作模态3。
图5为前级多路输出DC-DC变换器的工作模态4。
图6为前级多路输出DC-DC变换器的各个工作模态波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明一种新型两级式多电平功率逆变系统，如图1所示，以一个前级多路输出DC-DC变换器与一个二极管钳位型多电平逆变器级联作为功率拓扑。通过对前级DC-DC变换器的电压闭环控制实现电源升压和多电平逆变器中点电压的主动控制，后级钳位型多电平逆变器可以实现电机驱动、并网逆变、或孤岛电网运行等功能。
本发明公开了一种新型两级式多电平功率逆变系统，包括前级多路输出DC-DC变换器、后级多电平逆变器以及负载端。前级多路输出DC-DC变换器与后级多电平逆变器各自独立控制，互不干扰。
本发明中，前级多路输出DC-DC变换器包括直流电源U d、电感L、第一开关管T 1至第N开关管T N、第一二极管D 1至第N二极管D N、第一电容C 1至第N电容C N，其中，直流电源U d的阳极与电感L的一端相连，第N开关管T N的漏极与电感L的另一端相连，第N开关管T N至第一开关管T 1依次串联；第一二极管D 1至第N二极管D N的阳极分别与第一开关管T 1至第N开关管T N的漏极相连，第一二极管D 1至第N二极管D N的阴极分别与第一电容C 1至第N电容C N的正极相连，第一电容C 1至第N电容C N的负极分别与直流电源U d的阴极相连，第一电容C 1至第N电容C N的负极分别与第一开关管T 1的源极相连。
本发明中，后级多电平逆变器包括第一输入端子至第N输入端子以及GND端，其中，第一输入端子至第N输入端子分别与第一电容C 1至第N电容C N的正极相连，GND端分别与第一电容C 1至第N电容C N的负极相连。
前级多路输出DC-DC变换器中，第一电容C 1至第N电容C N-1两端的电压U n1至U n（N-1）可以实现直流电源升降压输出，且U n1<U n2<…< U n（N-1），将U n1至U n（N-1）接入后级多电平逆变器的中点电位处（见图1中的中点1至中点N-1，即后级多电平逆变器的第一输入端子至第N-1输入端子），可以获得稳定的中点电压；由于中点电压采用了主动控制，因此不会存在中点电压不平衡的情况。
下面以N=3的情况，说明前级多路输出DC-DC变换器的工作模态与后级多电平逆变器的控制步骤：
N=3时，前级3路输出DC-DC变换器包含直流电源U d、开关管T 1、T 2、T 3、二极管D 1、D 2、D 3、电感L、电容C 1、C 2、C 3。直流电源U d的阳极与电感L的一端相连，开关管T 3的漏极与电感L的另一端相连。开关管T 1至T 3依次串联。二极管D 1至D 3的阳极分别与开关管T 1至T 3的漏极相连。二极管D 1至D 3的阴极分别与电容C 1至C 3的漏极相连。电容C 1至C 3的负极与直流电源U d阴极以及开关管T 1的源极相连。后级多电平逆变器包含三个输出端子。
N=3时，前级3路输出DC-DC变换器的各个工作模态如下：
工作模态1，如图2所示，T 1、T 2、T 3开通，直流电源U d向电感L充电，电容C 1、C 2、C 3分别为后级多电平逆变器的三个输出端子供电；
工作模态2，如图3所示，T 1关闭，T 2、T 3保持开通，二极管D 1被迫使导通，直流电源U d与电感L向电容C 1充电，并同时向后级多电平逆变器的第一输出端子供电，电容C 2、C 3分别为后级多电平逆变器的第二和第三输出端子供电；
工作模态3，如图4所示，T 1、T 2关闭，T 3保持开通，二极管C 2被迫使导通，直流电源U d与电感L向电容C 2充电，并同时向后级多电平逆变器的第二输出端子供电，电容C 1、C 3分别为后级多电平逆变器的第一和第三输出端子供电；
工作模态4，如图5所示，T 1、T 2、T 3关闭，二极管C 3被迫使导通，直流电源U d与电感L向电容C 3充电，并同时向后级多电平逆变器的第三输出端子供电，电容C 1、C 2分别为后级多电平逆变器的第一和第二输出端子供电。
重复工作模态1至工作模态4，使得前级3路输出DC-DC变换器保持正常工作。图6是前级多路输出DC-DC变换器的各个工作模态波形。
本发明中，后级多电平逆变器的控制步骤如下：
步骤1），从负载端采样得到负载电流的幅值与相位，相位即为位置信号，两者作为反馈值反馈至磁场定向控制器；
步骤2），电流基准信号作为磁场定向控制器的输入信号；
步骤3），磁场定向控制器通过磁场定向控制算法对多电平逆变器进行控制，实现负载电流跟踪电流基准信号，系统正常运行；
重复步骤1）至步骤3），使得后级多电平逆变器保持正常运行。
本发明能够实现：(1)相同开关管耐压下，通过前级DC-DC变换器实现升压，克服直流电源电压等级的限制，适应高电压等级的负载；(2)前级DC-DC变换器克服了传统逆变器输入电流断续或低频脉动对直流电源的影响；(3)利用前级DC-DC变换器对电压的主动控制能力来克服钳位型多电平逆变器中点电压难以平衡的问题；(4)能够实现变中点电压的多电平逆变器控制，以获取更低的电流谐波。本发明的功率拓扑结构简单，易于实现。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种新型两级式多电平功率逆变系统，其特征在于，包括依次连接的前级多路输出DC-DC变换器、后级多电平逆变器以及负载，其中：
前级多路输出DC-DC变换器包括直流电源U d、电感L、第一开关管T 1至第N开关管T N、第一二极管D 1至第N二极管D N、第一电容C 1至第N电容C N，其中，直流电源U d的阳极与电感L的一端相连，第N开关管T N的漏极与电感L的另一端相连，第N开关管T N至第一开关管T 1依次串联；第一二极管D 1至第N二极管D N的阳极分别与第一开关管T 1至第N开关管T N的漏极相连，第一二极管D 1至第N二极管D N的阴极分别与第一电容C 1至第N电容C N的正极相连，第一电容C 1至第N电容C N的负极分别与直流电源U d的阴极相连，第一电容C 1至第N电容C N的负极分别与第一开关管T 1的源极相连；
后级多电平逆变器包括第一输入端子至第N输入端子以及GND端，其中，第一输入端子至第N输入端子分别与第一电容C 1至第N电容C N的正极相连，GND端分别与第一电容C 1至第N电容C N的负极相连。
2.根据权利要求1所述的一种新型两级式多电平功率逆变系统，其特征在于，第i开关管T i的源极与第i-1开关管T i-1的漏极连接，其中，i=2,3，…，N。
3.根据权利要求1所述的一种新型两级式多电平功率逆变系统，其特征在于，前级多路输出DC-DC变换器采用电压闭环控制方法，第一电容C 1至第N电容C N两端的电压U n1至U nN分别作为第一至第N反馈电压，第一至第N反馈电压分别与电压基准作差后，再经过电压调节器调节获得N个占空比信号，该N个占空比信号分别控制第一开关管T 1至第N开关管T N。
4.根据权利要求1所述的一种新型两级式多电平功率逆变系统，其特征在于，第一开关管T 1至第N开关管T N均采用MOS管、三极管、IGBT中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种新型两级式多电平功率逆变系统，其特征在于，后级多电平逆变器为二极管钳位型多电平逆变器。
6.根据权利要求1所述的一种新型两级式多电平功率逆变系统，其特征在于，负载为电机、交流市电电网、孤岛电网中的一种。
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