CN110417291A - 混合钳位型五电平三相逆变器 - Google Patents

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杨勇
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Abstract

本发明涉及一种混合钳位型五电平三相逆变器，包括上母线电容Cu、中母线电容Cm、下母线电容Cl和分别对应三相线路的三个逆变单元；每个逆变单元包括电力电子开关器件Sx1、电力电子开关器件电力电子开关器件Sx2、电力电子开关器件电力电子开关器件Sx3、电力电子开关器件电力电子开关器件Sx4、电力电子开关器件和飞跨电容Cxf。本发明减少了常规五电平逆变器所需要的电力电子开关器件数量，从而降低了逆变器的成本、提高了逆变器的效率，在可再生能源发电系统中有很好的应用前景。

Description

混合钳位型五电平三相逆变器
技术领域
本发明属于逆变技术领域，具体涉及一种混合钳位型五电平三相逆变器，在可再生能源发电系统(如光伏发电，风力发电等)中可应用。
背景技术
多电平逆变器与二电平逆变器相比具有以下几个优势：(1)降低了单个器件的电压应力；(2)减少逆变器输出电压的谐波；(3)降低了共模电压；(4)实现低开关和导通损耗，从而提高逆变器的效率。因此，多电平逆变器在可再生能源发电系统中得到广泛的应用。
在多电平变换器结构中，传统的主要有二极管钳位型、飞跨电容型以及级联型拓扑结构。随着变换器输出电平数的增加，二极管钳位型多电平变换器需要钳位二极管成倍增加，飞跨电容结构需要的钳位电容成倍增加，而级联型结构需要众多的隔离电源。
为解决上述问题，大量的新型多电平拓扑结构被提出。五电平有源中点钳位型(Active Neutral-Point-Clamped,ANPC)拓扑弥补了二极管钳位型拓扑和电容钳位型拓扑的缺点，不仅不需要大量的钳位二极管和钳位电容，而且母线中点电压可以通过算法加以控制，是一种已商业化的多电平拓扑结构，但存在所需的开关器件多不足。为了进一步增加多电平逆变器输出电压的数量以及减少多电平逆变器的器件，有必要设计一种新的混合钳位型五电平三相逆变器结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种尽量减少电力电子器件数量，从而进一步提高逆变器的效率、降低逆变器成本的混合钳位型五电平三相逆变器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种混合钳位型五电平三相逆变器，包括上母线电容Cu、中母线电容Cm、下母线电容Cl和分别对应三相线路的三个逆变单元；每个所述逆变单元包括电力电子开关器件Sx1、电力电子开关器件电力电子开关器件Sx2、电力电子开关器件电力电子开关器件Sx3、电力电子开关器件电力电子开关器件Sx4、电力电子开关器件和飞跨电容Cxf，其中，x＝a或b或c，对应三相线路；所述电力电子开关器件Sx1的漏极与直流母线P点相连接，所述电力电子开关器件Sx1的源极与所述电力电子开关器件的漏极相连接，所述电力电子开关器件Sx2的源极与所述电力电子开关器件的漏极相连接，所述电力电子开关器件的源极与直流母线N点相连接，所述上母线电容Cu的两端分别与所述电力电子开关器件Sx1的漏极、所述电力电子开关器件的源极相连接，所述中母线电容Cm的两端分别与所述电力电子开关器件的源极、所述电力电子开关器件Sx2的漏极相连接，所述下母线电容Cl的两端分别与所述电力电子开关器件Sx2的漏极、所述电力电子开关器件的源极相连接，所述电力电子开关器件Sx3的漏极与所述电力电子开关器件Sx1的源极相连接，所述电力电子开关器件Sx3的源极与所述电力电子开关器件Sx4的漏极相连接，所述电力电子开关器件的源极与所述电力电子开关器件Sx2的源极相连接，所述电力电子开关器件的漏极与所述电力电子开关器件的源极相连接，所述飞跨电容Cxf的两端分压与所述电力电子开关器件Sx4的漏极、所述电力电子开关器件的源极相连接，所述述电力电子开关器件Sx4的源极与所述电力电子开关器件的漏极相连接并构成所述逆变单元的输出端。
所述电力电子开关器件Sx1的驱动信号与所述电力电子开关器件的驱动信号为互补信号；所述电力电子开关器件Sx2的驱动信号与所述电力电子开关器件的驱动信号为互补信号；所述电力电子开关器件Sx3的驱动信号与所述电力电子开关器件的驱动信号为互补信号；所述电力电子开关器件Sx4的驱动信号与所述电力电子开关器件的驱动信号为互补信号。
所述电力电子开关器件Sx3包括两个相同且串联的电力电子开关管，所述电力电子开关器件也包括两个相同且串联的电力电子开关管。
所述电力电子开关器件Sx3所包括的两个所述电力电子开关管的驱动信号相同，所述电力电子开关器件所包括的两个所述电力电子开关管的驱动信号相同。
所述上母线电容Cu的电压控制为Vdc/4，所述中母线电容Cm的电压控制为Vdc/2，所述下母线电容Cl的电压控制为Vdc/4，所述飞跨电容Cxf的电压控制为Vdc/4，其中Vdc为直流母线电压。
所述混合钳位型五电平三相逆变器具有V0至V7共8种状态；
V0状态为：所述电力电子开关器件Sx1、所述电力电子开关器件Sx2、所述电力电子开关器件Sx3、所述电力电子开关器件Sx4关断，所述逆变单元输出电压为0；
V1状态为：所述电力电子开关器件Sx1、所述电力电子开关器件Sx2、所述电力电子开关器件Sx3关断，所述电力电子开关器件Sx4导通，所述逆变单元输出电压为Vdc/4；
V2状态为：所述电力电子开关器件Sx1、所述电力电子开关器件Sx3、所述电力电子开关器件Sx4关断，所述电力电子开关器件Sx2导通，所述逆变单元输出电压为Vdc/4；
V3状态为：所述电力电子开关器件Sx1、所述电力电子开关器件Sx3关断，所述电力电子开关器件Sx2、所述电力电子开关器件Sx4导通，所述逆变单元输出电压为Vdc/2；
V4状态为：所述电力电子开关器件Sx1、所述电力电子开关器件Sx4关断，所述电力电子开关器件Sx2、所述电力电子开关器件Sx3导通，所述逆变单元输出电压为Vdc/2；
V5状态为：所述电力电子开关器件Sx1关断，所述电力电子开关器件Sx2、所述电力电子开关器件Sx3、所述电力电子开关器件Sx4导通，所述逆变单元输出电压为3Vdc/4；
V6状态为：所述电力电子开关器件Sx1、所述电力电子开关器件Sx2、所述电力电子开关器件Sx3导通，所述电力电子开关器件Sx4关断，所述逆变单元输出电压为3Vdc/4；
V7状态为：所述电力电子开关器件Sx1、所述电力电子开关器件Sx2、所述电力电子开关器件Sx3、所述电力电子开关器件Sx4导通，所述逆变单元输出电压为Vdc。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明减少了常规五电平逆变器所需要的电力电子开关器件数量，从而降低了逆变器的成本、提高了逆变器的效率，在可再生能源发电系统中有很好的应用前景。
附图说明
附图1为本发明的混合钳位型五电平三相逆变器的结构图。
附图2为本发明的混合钳位型五电平三相逆变器中A相结构图。
附图3为本发明的混合钳位型五电平三相逆变器中A相在V0状态的电路图。
附图4为本发明的混合钳位型五电平三相逆变器中A相在V1状态的电路图。
附图5为本发明的混合钳位型五电平三相逆变器中A相在V2状态的电路图。
附图6为本发明的混合钳位型五电平三相逆变器中A相在V3状态的电路图。
附图7为本发明的混合钳位型五电平三相逆变器中A相在V4状态的电路图。
附图8为本发明的混合钳位型五电平三相逆变器中A相在V5状态的电路图。
附图9为本发明的混合钳位型五电平三相逆变器中A相在V6状态的电路图。
附图10为本发明的混合钳位型五电平三相逆变器中A相在V7状态的电路图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：如附图1所示，一种混合钳位型五电平三相逆变器，包括上母线电容Cu、中母线电容Cm、下母线电容Cl和分别对应三相线路的三个逆变单元。每个逆变单元包括电力电子开关器件Sx1、电力电子开关器件电力电子开关器件Sx2、电力电子开关器件电力电子开关器件Sx3、电力电子开关器件电力电子开关器件Sx4、电力电子开关器件和飞跨电容Cxf，其中，x＝a或b或c，对应三相线路；电力电子开关器件Sx1的漏极与直流母线P点相连接，电力电子开关器件Sx1的源极与电力电子开关器件的漏极相连接，电力电子开关器件Sx2的源极与电力电子开关器件的漏极相连接，电力电子开关器件的源极与直流母线N点相连接，上母线电容Cu的两端分别与电力电子开关器件Sx1的漏极、电力电子开关器件的源极相连接，中母线电容Cm的两端分别与电力电子开关器件的源极、电力电子开关器件Sx2的漏极相连接，下母线电容Cl的两端分别与电力电子开关器件Sx2的漏极、电力电子开关器件的源极相连接，电力电子开关器件Sx3的漏极与电力电子开关器件Sx1的源极相连接，电力电子开关器件Sx3的源极与电力电子开关器件Sx4的漏极相连接，电力电子开关器件的源极与电力电子开关器件Sx2的源极相连接，电力电子开关器件的漏极与电力电子开关器件的源极相连接，飞跨电容Cxf的两端分压与电力电子开关器件Sx4的漏极、电力电子开关器件的源极相连接，述电力电子开关器件Sx4的源极与电力电子开关器件的漏极相连接并构成逆变单元的输出端。
电力电子开关器件Sx1的驱动信号与电力电子开关器件的驱动信号为互补信号；电力电子开关器件Sx2的驱动信号与电力电子开关器件的驱动信号为互补信号；电力电子开关器件Sx3的驱动信号与电力电子开关器件的驱动信号为互补信号；电力电子开关器件Sx4的驱动信号与电力电子开关器件的驱动信号为互补信号。
上述逆变器结构中，电力电子开关器件Sx3包括两个相同且串联的电力电子开关管，电力电子开关器件也包括两个相同且串联的电力电子开关管。电力电子开关器件Sx3所包括的两个电力电子开关管的驱动信号相同，电力电子开关器件所包括的两个电力电子开关管的驱动信号相同。其余各电力电子开关器件均为一个电力电子开关管。因此，每个逆变单元中，实际包括10个电力电子开关管。这些电力电子开关管均采用绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。
上母线电容Cu的电压控制为Vdc/4，中母线电容Cm的电压控制为Vdc/2，下母线电容Cl的电压控制为Vdc/4，飞跨电容Cxf的电压控制为Vdc/4，其中Vdc为直流母线电压。
附图2至附图10以A相为例说明该电路的工作状态。在A相对应的逆变单元中，包括电力电子开关器件Sa1、电力电子开关器件电力电子开关器件Sa2、电力电子开关器件电力电子开关器件Sa3、电力电子开关器件电力电子开关器件Sa4、电力电子开关器件和飞跨电容Caf。
混合钳位型五电平三相逆变器具有V0至V7共8种状态，其电力电子开关器件的状态与逆变器输出电压如表1所示(以N点为参考电压)，其中“1”代表电力电子开关管导通，“0”代表电力电子开关管关断如表1所示。从表1可以看出：该混合钳位型五电平三相逆变器A相输出电压为：0，Vdc/4，Vdc/2，3Vdc/4和Vdc，输出电压为五电平。混合钳位型五电平三相逆变器的B相和C相与A相相同，也输出五电平。从混合钳位型五电平三相逆变器A相桥臂输出状态可以看出：混合钳位型五电平三相逆变器每个电力电子开关管承受的最大电压为Vdc/4。
表1 A相桥臂逆变器输出电压与逆变器开关状态的关系
状态 S<sub>a1</sub> S<sub>a2</sub> S<sub>a3</sub> S<sub>a4</sub> 输出电压V<sub>out</sub>
V<sub>0</sub> 0 0 0 0 0
V<sub>1</sub> 0 0 0 1 V<sub>dc</sub>/4
V<sub>2</sub> 0 1 0 0 V<sub>dc</sub>/4
V<sub>3</sub> 0 1 0 1 V<sub>dc</sub>/2
V<sub>4</sub> 0 1 1 0 V<sub>dc</sub>/2
V<sub>5</sub> 0 1 1 1 3V<sub>dc</sub>/4
V<sub>6</sub> 1 1 1 0 3V<sub>dc</sub>/4
V<sub>7</sub> 1 1 1 1 V<sub>dc</sub>
状态V0如附图3所示：电力电子开关器件Sx1、电力电子开关器件Sx2、电力电子开关器件Sx3、电力电子开关器件Sx4关断，逆变单元输出电压为0。
状态V1如附图4所示：电力电子开关器件Sx1、电力电子开关器件Sx2、电力电子开关器件Sx3关断，电力电子开关器件Sx4导通，逆变单元输出电压为Vdc/4；
状态V2如附图5所示：电力电子开关器件Sx1、电力电子开关器件Sx3、电力电子开关器件Sx4关断，电力电子开关器件Sx2导通，逆变单元输出电压为Vdc/4；
状态V3如附图6所示：电力电子开关器件Sx1、电力电子开关器件Sx3关断，电力电子开关器件Sx2、电力电子开关器件Sx4导通，逆变单元输出电压为Vdc/2；
状态V4如附图7所示：电力电子开关器件Sx1、电力电子开关器件Sx4关断，电力电子开关器件Sx2、电力电子开关器件Sx3导通，逆变单元输出电压为Vdc/2；
状态V5如附图8所示：电力电子开关器件Sx1关断，电力电子开关器件Sx2、电力电子开关器件Sx3、电力电子开关器件Sx4导通，逆变单元输出电压为3Vdc/4；
状态V6如附图9所示：电力电子开关器件Sx1、电力电子开关器件Sx2、电力电子开关器件Sx3导通，电力电子开关器件Sx4关断，逆变单元输出电压为3Vdc/4；
状态V7如附图10所示：电力电子开关器件Sx1、电力电子开关器件Sx2、电力电子开关器件Sx3、电力电子开关器件Sx4导通，逆变单元输出电压为Vdc。
该发明拓扑结构每相桥臂只需要10个电力电子开关实现逆变器输出五电平输出，每个电力电子开关管承受的最大电压为Vdc/4，减少了常规五电平逆变器所需要的电力电子开关管，从而降低了逆变器的成本和提高逆变器的效率，在可再生能源发电系统中有很好的应用前景，如可以应用于1500V中压三相光伏发电系统中。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种混合钳位型五电平三相逆变器，其特征在于：所述混合钳位型五电平三相逆变器上母线电容Cu、中母线电容Cm、下母线电容Cl和分别对应三相线路的三个逆变单元；每个所述逆变单元包括电力电子开关器件Sx1、电力电子开关器件电力电子开关器件Sx2、电力电子开关器件电力电子开关器件Sx3、电力电子开关器件电力电子开关器件Sx4、电力电子开关器件和飞跨电容Cxf，其中，x＝a或b或c，对应三相线路；所述电力电子开关器件Sx1的漏极与直流母线P点相连接，所述电力电子开关器件Sx1的源极与所述电力电子开关器件的漏极相连接，所述电力电子开关器件Sx2的源极与所述电力电子开关器件的漏极相连接，所述电力电子开关器件的源极与直流母线N点相连接，所述上母线电容Cu的两端分别与所述电力电子开关器件Sx1的漏极、所述电力电子开关器件的源极相连接，所述中母线电容Cm的两端分别与所述电力电子开关器件的源极、所述电力电子开关器件Sx2的漏极相连接，所述下母线电容Cl的两端分别与所述电力电子开关器件Sx2的漏极、所述电力电子开关器件的源极相连接，所述电力电子开关器件Sx3的漏极与所述电力电子开关器件Sx1的源极相连接，所述电力电子开关器件Sx3的源极与所述电力电子开关器件Sx4的漏极相连接，所述电力电子开关器件的源极与所述电力电子开关器件Sx2的源极相连接，所述电力电子开关器件的漏极与所述电力电子开关器件的源极相连接，所述飞跨电容Cxf的两端分压与所述电力电子开关器件Sx4的漏极、所述电力电子开关器件的源极相连接，所述述电力电子开关器件Sx4的源极与所述电力电子开关器件的漏极相连接并构成所述逆变单元的输出端。
2.根据权利要求1所述的混合钳位型五电平三相逆变器，其特征在于：所述电力电子开关器件Sx1的驱动信号与所述电力电子开关器件的驱动信号为互补信号；所述电力电子开关器件Sx2的驱动信号与所述电力电子开关器件的驱动信号为互补信号；所述电力电子开关器件Sx3的驱动信号与所述电力电子开关器件的驱动信号为互补信号；所述电力电子开关器件Sx4的驱动信号与所述电力电子开关器件的驱动信号为互补信号。
3.根据权利要求1所述的混合钳位型五电平三相逆变器，其特征在于：所述电力电子开关器件Sx3包括两个相同且串联的电力电子开关管，所述电力电子开关器件也包括两个相同且串联的电力电子开关管。
4.根据权利要求3所述的混合钳位型五电平三相逆变器，其特征在于：所述电力电子开关器件Sx3所包括的两个所述电力电子开关管的驱动信号相同，所述电力电子开关器件所包括的两个所述电力电子开关管的驱动信号相同。
5.根据权利要求1所述的混合钳位型五电平三相逆变器，其特征在于：所述上母线电容Cu的电压控制为Vdc/4，所述中母线电容Cm的电压控制为Vdc/2，所述下母线电容Cl的电压控制为Vdc/4，所述飞跨电容Cxf的电压控制为Vdc/4，其中Vdc为直流母线电压。
6.根据权利要求2所述的混合钳位型五电平三相逆变器，其特征在于：所述混合钳位型五电平三相逆变器具有V0至V7共8种状态；
V0状态为：所述电力电子开关器件Sx1、所述电力电子开关器件Sx2、所述电力电子开关器件Sx3、所述电力电子开关器件Sx4关断，所述逆变单元输出电压为0；
V1状态为：所述电力电子开关器件Sx1、所述电力电子开关器件Sx2、所述电力电子开关器件Sx3关断，所述电力电子开关器件Sx4导通，所述逆变单元输出电压为Vdc/4；
V2状态为：所述电力电子开关器件Sx1、所述电力电子开关器件Sx3、所述电力电子开关器件Sx4关断，所述电力电子开关器件Sx2导通，所述逆变单元输出电压为Vdc/4；
V3状态为：所述电力电子开关器件Sx1、所述电力电子开关器件Sx3关断，所述电力电子开关器件Sx2、所述电力电子开关器件Sx4导通，所述逆变单元输出电压为Vdc/2；
V4状态为：所述电力电子开关器件Sx1、所述电力电子开关器件Sx4关断，所述电力电子开关器件Sx2、所述电力电子开关器件Sx3导通，所述逆变单元输出电压为Vdc/2；
V5状态为：所述电力电子开关器件Sx1关断，所述电力电子开关器件Sx2、所述电力电子开关器件Sx3、所述电力电子开关器件Sx4导通，所述逆变单元输出电压为3Vdc/4；
V6状态为：所述电力电子开关器件Sx1、所述电力电子开关器件Sx2、所述电力电子开关器件Sx3导通，所述电力电子开关器件Sx4关断，所述逆变单元输出电压为3Vdc/4；
V7状态为：所述电力电子开关器件Sx1、所述电力电子开关器件Sx2、所述电力电子开关器件Sx3、所述电力电子开关器件Sx4导通，所述逆变单元输出电压为Vdc。
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