CN106877720B - 有源中点钳位型逆变器及其过零切换方法和过零切换装置 - Google Patents

有源中点钳位型逆变器及其过零切换方法和过零切换装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了ANPC型逆变器及其过零切换方法和过零切换装置，所述方法包括：在ANPC型逆变器任一桥臂输出电压指令发生过零切换时，控制本桥臂上各开关器件的开关状态按照预先设定的逻辑进行变化，以避免本桥臂上开关器件过压；其中，定义ANPC型逆变器任一桥臂的输出电压指令发生过零切换前、后，本桥臂上各开关器件的开关状态组合分别为初级、末级开关状态组合，则所述预先设定的逻辑包括：从初级开关状态组合过渡到末级开关状态组合，需要经历多级开关状态组合的切换，第二级至倒数第二级开关状态组合属于预先选出的安全开关状态组合；所述安全开关状态组合是指本桥臂上各开关器件最大承受电压被钳位在安全范围值的开关状态组合。

Description

有源中点钳位型逆变器及其过零切换方法和过零切换装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及有源中点钳位型逆变器及其过零切换方法和过零切换装置。
背景技术
ANPC(Active Neutral Point Clamed，有源中点钳位)型逆变器相比传统的NPC(Neutral Point Clamed，二极管中点钳位)型逆变器，使用可控的开关器件代替钳位二极管，使得系统控制自由度更大，可实现更多的控制目标。
图1示出了一种ANPC型三电平逆变器单个桥臂的拓扑结构，包括开关器件T1-T6，T1、T2、T5分别为上半桥臂的外管、内管和钳位管，T4、T3、T6分别为下半桥臂的外管、内管和钳位管。为了使本桥臂输出-uDC/2、0和uDC/2(uDC为直流母线电压)三种电平，现有技术提供了一种采用两内管工作在高频状态，两外管及两钳位管工作在工频状态的调制策略。作为示例，图2给出了该调制策略下各开关器件的驱动信号波形(忽略死区)，其中表示本桥臂输出电压指令，M2_gT1-M2_gT6分别表示一个工频周期内T1-T6的驱动信号波形。
该调制策略下能够保证各开关器件在本桥臂输出电压正、负半周期内的最大承受电压为uDC/2，但在发生过零切换时，本桥臂中至少有4个开关器件的开关状态需要同时改变(参见t0时刻)，理想情况是这些开关器件的开关动作能够在同一时刻完成，此时T1-T6最大承受电压仍为uDC/2。但实际上，这些开关器件的开关动作总是存在先后顺序的，这将导致个别开关器件有过压风险。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了ANPC型逆变器及其过零切换方法和过零切换装置，以避免在ANPC型逆变器任一桥臂的输出电压指令发生过零切换时，本桥臂上的开关器件出现过压现象。
一种有源中点钳位型逆变器过零切换方法，包括：
获取有源中点钳位型逆变器任一桥臂的输出电压指令；
判断所述输出电压指令是否发生过零切换；
当所述输出电压指令发生过零切换时，控制本桥臂上各开关器件的开关状态按照预先设定的逻辑进行变化；
具体的，定义有源中点钳位型逆变器任一桥臂的输出电压指令发生过零切换前、后，本桥臂上各开关器件的开关状态组合分别为初级开关状态组合和末级开关状态组合，则所述预先设定的逻辑包括：
从所述初级开关状态组合过渡到所述末级开关状态组合，需要经历多级开关状态组合的切换，其中第二级至倒数第二级开关状态组合属于预先从本桥臂上各开关器件的全部开关状态组合中选出的安全开关状态组合；所述安全开关状态组合是指本桥臂上各开关器件最大承受电压被钳位在安全范围值的开关状态组合。
其中，当所述有源中点钳位型逆变器过零切换方法应用于有源中点钳位型三电平逆变器时，所述安全范围值为1/2倍的直流母线电压。
其中，所述安全开关状态组合，包括：本桥臂上至少有一个钳位管开通的开关状态组合，以及本桥臂上仅两个内管开通的开关状态组合。
其中，所述经历多级开关状态组合的切换，包括：关断前一级开关状态组合中的一个处于开通状态的开关器件，或者开通后一级开关状态组合中的一个处于开通状态的开关器件。
一种有源中点钳位型逆变器过零切换装置，包括：
获取单元，用于获取有源中点钳位型逆变器任一桥臂的输出电压指令；
判断单元，用于判断所述输出电压指令是否发生过零切换；
切换控制单元，用于在所述判断单元判断得到所述输出电压指令发生过零切换时，控制本桥臂上各开关器件的开关状态按照预先设定的逻辑进行变化；
具体的，定义有源中点钳位型逆变器任一桥臂的输出电压指令发生过零切换前、后，本桥臂上各开关器件的开关状态组合分别为初级开关状态组合和末级开关状态组合，则所述预先设定的逻辑包括：
从所述初级开关状态组合过渡到所述末级开关状态组合，需要经历多级开关状态组合的切换，其中第二级至倒数第二级开关状态组合属于预先从本桥臂上各开关器件的全部开关状态组合中选出的安全开关状态组合；所述安全开关状态组合是指本桥臂上各开关器件最大承受电压被钳位在安全范围值的开关状态组合。
其中，当所述有源中点钳位型逆变器过零切换装置应用于有源中点钳位型三电平逆变器时，所述安全范围值为1/2倍的直流母线电压。
其中，所述安全开关状态组合，包括：本桥臂上至少有一个钳位管开通的开关状态组合，以及本桥臂上仅两个内管开通的开关状态组合。
其中，所述经历多级开关状态组合的切换，包括：关断前一级开关状态组合中的一个处于开通状态的开关器件，或者开通后一级开关状态组合中的一个处于开通状态的开关器件。
一种有源中点钳位型逆变器，包括如上述公开的任一种有源中点钳位型逆变器过零切换装置。
其中，所述有源中点钳位型逆变器为有源中点钳位型三电平逆变器或有源中点钳位型五电平逆变器。
从上述的技术方案可以看出，本发明在ANPC型逆变器任一桥臂的输出电压指令发生过零切换时，要求本桥臂上各开关器件切换开关状态的先后顺序不再是随机的，而是按照预先设定的逻辑进行的，在所述预先设定的逻辑中，本桥臂上各开关器件在任一时刻下的开关状态组合都要满足本桥臂上各开关器件最大承受电压始终被钳位在安全范围值，从而避免了过零切换时本桥臂上的开关器件出现过压现象。
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为现有技术公开的一种ANPC型三电平逆变器单个桥臂的拓扑结构示意图；
图2为现有技术公开的一种各开关器件的驱动信号波形示意图；
图3为本发明实施例公开的一种ANPC型逆变器过零切换方法流程图；
图4为本发明实施例公开的一种各工频开关器件的驱动信号波形示意图；
图5为本发明实施例公开的一种ANPC型逆变器过零切换装置结构示意图。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
参见图3，本发明实施例公开了一种ANPC型逆变器过零切换方法，以避免在ANPC型逆变器任一桥臂的输出电压指令发生过零切换时，本桥臂上的开关器件出现过压现象，包括：
步骤S01：获取ANPC型逆变器任一桥臂的输出电压指令；
步骤S02：判断所述输出电压指令是否发生过零切换；当所述输出电压指令发生过零切换时，进入步骤S03；反之返回步骤S01；
步骤S03：控制本桥臂上各开关器件的开关状态按照预先设定的逻辑进行变化；
为便于描述，定义ANPC型逆变器任一桥臂的输出电压指令发生过零切换前、后，本桥臂上各开关器件的开关状态组合分别为初级开关状态组合和末级开关状态组合，则所述预先设定的逻辑包括：
从所述初级开关状态组合过渡到所述末级开关状态组合，需要经历多级开关状态组合的切换，其中第二级至倒数第二级开关状态组合属于预先从本桥臂上各开关器件的全部开关状态组合中选出的安全开关状态组合；所述安全开关状态组合是指本桥臂上各开关器件最大承受电压被钳位在安全范围值的开关状态组合。
由上述描述可知，本实施例在ANPC型逆变器任一桥臂的输出电压指令发生过零切换时，要求本桥臂上各开关器件切换开关状态的先后顺序不再是随机的，而是按照预先设定的逻辑进行的，在所述预先设定的逻辑中，本桥臂上各开关器件在任一时刻下的开关状态组合都要满足本桥臂上各开关器件最大承受电压始终被钳位在安全范围值，从而避免了过零切换时本桥臂上的开关器件出现过压现象。
下面，以图1所示桥臂为例，对本实施例所述的技术方案进行详述。
图1所示桥臂上共有6个开关器件，首先分析不同个数的开关器件开通时的系统状态，从中找出本桥臂上各开关器件最大承受电压被钳位在uDC/2时的系统状态，满足此要求的系统状态所对应的本桥臂上各开关器件的开关状态组合就属于安全开关状态组合，分析过程中假设直流母线上下分压电容电压均为uDC/2，下同。
1、图1所示桥臂中仅一个开关器件开通时的系统状态如表1所示。
表1
以仅T1开通时为例：在桥臂电流io>0时，桥臂输出电压uO＝-uDC/2，此时T1承受电压uT1＝0，T2承受电压uT2＝uDC，T3承受电压uT3＝0，T4承受电压uT4＝0；在io<0时，uO＝uDC/2，此时T1承受电压uT1＝0，T2承受电压uT2＝0，T3与T4共同承受电压uT3+uT4＝uDC。其中，由于存在uT2＝uDC，即T2过压现象，所以仅T1开通不能作为本桥臂上各开关器件的安全开关状态组合。而且，对于uT3+uT4＝uDC现象，理想情况下T3与T4各自承受电压为uDC/2，但实际上各开关器件本身总是存在一定的参数差异的，所以实际上将出现T3与T4中的一个开关器件承受电压大于uDC/2的过压现象，这也证明了仅T1开通不能作为本桥臂上各开关器件的安全开关状态组合。
由表1可以看出，在只有1个开关器件开通的情况下，仅T5或T6开通时的系统状态，能够作为本桥臂上各开关器件的安全开关状态组合，表1中用下划线的方式标出。
2、图1所示桥臂中有两个开关器件同时开通时的系统状态如表2所示。
由于图1所示桥臂中两个开关器件同时开通时，必须满足同侧外管与钳位管不同时开通，否则相应侧的母线电容将被短路，因此表2不考虑“T1和T5同时开通”以及“T4和T6同时开通”的情况。
表2
由表2可知，在只有两个开关器件同时开通的情况下，“T1和T6同时开通”、“T2和T3同时开通”、“T2和T5同时开通”、“T2和T6同时开通”、“T3和T5同时开通”、“T3和T6同时开通”、“T4和T5同时开通”以及“T5和T6同时开通”能够作为本桥臂上各开关器件的安全开关状态组合，表2中用下划线的方式标出。
3、图1所示桥臂中有三个开关器件同时开通时的系统状态如表3所示。
图1所示桥臂中三个开关器件同时开通时，不仅要满足同侧外管与钳位管不同时开通，还要满足不能出现两个外管加一个内管或两个内管加一个外管同时开通的情况，否则必然有一个开关器件直接承受直流母线电压uDC，因此表3不考虑“T1和T5同时开通”、“T4和T6同时开通”、“T1～T4中的任意三个同时开通”的情况。
表3
由表3可知，表3中列出的每一种开关状态组合均为安全开关状态组合，表中以下划线的方式标出。
4、图1所示桥臂中有四个开关器件同时开通时，只有1种开关状态组合为安全开关状态组合，即T2、T3、T5和T6同时开通的开关状态组合，此时桥臂输出电压uO＝0，各开关器件承受电压分别为：uT1＝uDC/2，uT2＝0，uT3＝0，uT4＝uDC/2。
5、图1所示桥臂中有五个开关器件或更多开关器件同时导通时，母线电容短路，因此不存在安全开关状态组合。
6、图1所示桥臂中无开关器件导通时，不存在安全开关状态组合。理由如下：
图1所示桥臂中无开关器件导通时，哪些开关器件的反并联二极管导通由续流回路决定。若io为流出O点方向，则T3、T4的反并联二极管导通，O点电压等于负母线电压，T1、T2共同承受直流母线电压uDC，又由于T5的反并联二极管没导通，a点电位未知，当T1、T2管的寄生参数存在差异时，不能保证T1、T2最大承受电压均为uDC/2，即不存在安全开关状态组合。同理，可分析io为流入O点方向时的情况。
综上，将图1所示桥臂中各开关器件全部的安全开关状态组合一一列举在表4中。
表4
由以上描述可知，当ANPC型逆变器为ANPC型三电平逆变器时，任一桥臂上各开关器件的安全开关状态组合，是指本桥臂上各开关器件最大承受电压被钳位在uDC/2的开关状态组合，基于此标准进行筛选，则本桥臂上至少有一个钳位管开通的开关状态组合，以及本桥臂上仅两个内管开通的开关状态组合可以作为安全开关状态组合。
当图1所示桥臂的输出电压指令由正到负过零切换时，由图2可知，初级开关状态组合为T1和T6同时开通，末级开关状态组合为T4和T5同时开通，因此过零切换过程中需完成的开关动作包括：关断T1、T6，开通T4、T5。由于一个时刻只可改变一个开关器件的开关状态，查表4可知由正到负过零切换过程中，多级开关状态组合的切换方式可以为：T1、T6(初级开关状态组合)→T6(第二级开关状态组合)→T5、T6(第三级开关状态组合)→T5(第四级开关状态组合)→T4、T5(末级开关状态组合)。
当图1所示桥臂的输出电压指令由负到正过零切换时，由图2可知，初级开关状态组合为T4和T5同时开通，末级开关状态组合为T1和T6同时开通，因此过零切换过程中需完成的开关动作包括：关断T4、T5，开通T1、T6。由于一个时刻只可改变一个开关器件的开关状态，查表4可知由负到正过零切换过程中，多级开关状态组合的切换方式可以为：T4、T5(初级开关状态组合)→T5(第二级开关状态组合)→T5、T6(第三级开关状态组合)→T6(第四级开关状态组合)→T1、T6(末级开关状态组合)。
对应上述给出的多级开关状态组合的切换方式，图4给出了各工频开关器件的驱动信号波形(g_present_T1、g_present_T4、g_present_T5、g_present_T6分别表示T1、T4、T5、T6的驱动信号波形)，对各开关时刻说明如下：
1)当图1所示桥臂输出电压指令由正到负过零切换时，首先在t11时刻关断T1；然后在t12时刻开通T5；接着在t13时刻关断T6；最后在t14时刻开通T4；
2)当图1所示桥臂输出电压指令由负到正过零切换时，首先在t21时刻关断T4；然后在t22时刻开通T6；接着在t23时刻关断T5；最后在t24时刻开通T1。
过零切换时的桥臂输出电压大小与高频开关器件T2、T3的开关状态有关，图4中以阴影表示。
将上述给出的多级开关状态组合的切换方式拓展到任一种ANPC型逆变器上，可得到：关断前一级开关状态组合中的一个处于开通状态的开关器件，或者开通后一级开关状态组合中的一个处于开通状态的开关器件。
此处需要说明的是，上述给出的多级开关状态组合的切换方式，仅是一种示例，除此之外，也可以采用其他形式的切换方式，举例说明：当图1所示桥臂输出电压指令由正到负过零切换时，多级开关状态组合的切换方式也可以为：T1、T2、T6(初级开关状态组合)→T2、T6(第二级开关状态组合)→T2、T5、T6(第三级开关状态组合)→T2、T5(第四级开关状态组合)→T2、T4、T5(末级开关状态组合)；当图1所示桥臂输出电压指令由负到正过零切换过程中，多级开关状态组合的切换方式可以为：T2、T4、T5(初级开关状态组合)→T2、T5(第二级开关状态组合)→T2、T5、T6(第三级开关状态组合)→T2、T6(第四级开关状态组合)→T1、T2、T6(末级开关状态组合)。
参见图5，本发明实施例还公开了一种ANPC型逆变器过零切换装置，包括：
获取单元100，用于获取ANPC型逆变器任一桥臂的输出电压指令；
判断单元200，用于判断所述输出电压指令是否发生过零切换；
切换控制单元300，用于在判断单元200判断得到所述输出电压指令发生过零切换时，控制本桥臂上各开关器件的开关状态按照预先设定的逻辑进行变化；
具体的，定义ANPC型逆变器任一桥臂的输出电压指令发生过零切换前、后，本桥臂上各开关器件的开关状态组合分别为初级开关状态组合和末级开关状态组合，则所述预先设定的逻辑包括：
从所述初级开关状态组合过渡到所述末级开关状态组合，需要经历多级开关状态组合的切换，其中第二级至倒数第二级开关状态组合属于预先从本桥臂上各开关器件的全部开关状态组合中选出的安全开关状态组合；所述安全开关状态组合是指本桥臂上各开关器件最大承受电压被钳位在安全范围值的开关状态组合。
其中，当所述ANPC型逆变器过零切换装置应用于ANPC型三电平逆变器时，所述安全范围值为1/2倍的直流母线电压。
其中，所述安全开关状态组合，包括：本桥臂上至少有一个钳位管开通的开关状态组合，以及本桥臂上仅两个内管开通的开关状态组合。
其中，所述经历多级开关状态组合的切换，包括：关断前一级开关状态组合中的一个处于开通状态的开关器件，或者开通后一级开关状态组合中的一个处于开通状态的开关器件。
此外，本发明实施例还公开了一种ANPC型逆变器，包括前述公开的任一种ANPC型逆变器过零切换装置。其中，所述ANPC型逆变器可以为ANPC型三电平逆变器，也可以为ANPC型五电平逆变器，并不局限。
综上所述，本发明在ANPC型逆变器任一桥臂的输出电压指令发生过零切换时，要求本桥臂上各开关器件切换开关状态的先后顺序不再是随机的，而是按照预先设定的逻辑进行的，在所述预先设定的逻辑中，本桥臂上各开关器件在任一时刻下的开关状态组合都要满足本桥臂上各开关器件最大承受电压始终被钳位在安全范围值，从而避免了过零切换时本桥臂上的开关器件出现过压现象。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种有源中点钳位型逆变器过零切换方法，其特征在于，包括：
获取有源中点钳位型逆变器任一桥臂的输出电压指令；
判断所述输出电压指令是否发生过零切换；
当所述输出电压指令发生过零切换时，控制本桥臂上各开关器件的开关状态按照预先设定的逻辑进行变化；
具体的，定义有源中点钳位型逆变器任一桥臂的输出电压指令发生过零切换前、后，本桥臂上各开关器件的开关状态组合分别为初级开关状态组合和末级开关状态组合，则所述预先设定的逻辑包括：
从所述初级开关状态组合过渡到所述末级开关状态组合，需要经历多级开关状态组合的切换，其中第二级至倒数第二级开关状态组合属于预先从本桥臂上各开关器件的全部开关状态组合中选出的安全开关状态组合；所述安全开关状态组合是指本桥臂上各开关器件最大承受电压被钳位在安全范围值的开关状态组合；
其中，当所述有源中点钳位型逆变器过零切换方法应用于有源中点钳位型三电平逆变器时，所述安全范围值为1/2倍的直流母线电压；所述安全开关状态组合，包括：本桥臂上至少有一个钳位管开通的开关状态组合，以及本桥臂上仅两个内管开通的开关状态组合。
2.根据权利要求1所述的有源中点钳位型逆变器过零切换方法，其特征在于，所述经历多级开关状态组合的切换，包括：关断前一级开关状态组合中的一个处于开通状态的开关器件，或者开通后一级开关状态组合中的一个处于开通状态的开关器件。
3.一种有源中点钳位型逆变器过零切换装置，其特征在于，包括：
获取单元，用于获取有源中点钳位型逆变器任一桥臂的输出电压指令；
判断单元，用于判断所述输出电压指令是否发生过零切换；
切换控制单元，用于在所述判断单元判断得到所述输出电压指令发生过零切换时，控制本桥臂上各开关器件的开关状态按照预先设定的逻辑进行变化；
具体的，定义有源中点钳位型逆变器任一桥臂的输出电压指令发生过零切换前、后，本桥臂上各开关器件的开关状态组合分别为初级开关状态组合和末级开关状态组合，则所述预先设定的逻辑包括：
从所述初级开关状态组合过渡到所述末级开关状态组合，需要经历多级开关状态组合的切换，其中第二级至倒数第二级开关状态组合属于预先从本桥臂上各开关器件的全部开关状态组合中选出的安全开关状态组合；所述安全开关状态组合是指本桥臂上各开关器件最大承受电压被钳位在安全范围值的开关状态组合；
其中，当所述有源中点钳位型逆变器过零切换装置应用于有源中点钳位型三电平逆变器时，所述安全范围值为1/2倍的直流母线电压；所述安全开关状态组合，包括：本桥臂上至少有一个钳位管开通的开关状态组合，以及本桥臂上仅两个内管开通的开关状态组合。
4.根据权利要求3所述的有源中点钳位型逆变器过零切换装置，其特征在于，所述经历多级开关状态组合的切换，包括：关断前一级开关状态组合中的一个处于开通状态的开关器件，或者开通后一级开关状态组合中的一个处于开通状态的开关器件。
5.一种有源中点钳位型逆变器，其特征在于，包括如权利要求3或4所述的有源中点钳位型逆变器过零切换装置。
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