CN110768557B - 一种h桥五电平有源中点钳位型逆变器及其调制策略 - Google Patents

一种h桥五电平有源中点钳位型逆变器及其调制策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型H桥五电平有源中点钳位型逆变器，包括三个单相H桥逆变器，每个单相H桥逆变器均由左桥臂和右桥臂组成，为每相负载双端供电；左右桥臂拓扑一致，每个桥臂均为5L‑ANPC拓扑结构，由13个开关器件和1个悬浮电容组成，所有桥臂的直流母线并联，且母线两端并联两个串联的分压电容器；调制策略采用一种改进型载波移相PWM算法，核心为通过合理控制与悬浮电容串联的开关器件的通断状态，确保5L‑ANPC逆变器的输出电压过零点处的不会出现多电平跳变。本发明从根本上解决了传统H桥5L‑ANPC逆变器在其开关状态切换时由死区效应导致的输出电压多电平越级跳变问题，降低了对输出滤波器和电机绝缘等级的要求，对实际工程应用具有重要意义。

Description

一种H桥五电平有源中点钳位型逆变器及其调制策略
技术领域
本发明涉及电力电子多电平逆变器拓扑及调制领域，具体为一种新型H桥五电平有源中点钳位型（5L-ANPC）逆变器及其调制策略。
背景技术
随着多电平逆变器被广泛应用于高电压、大功率领域，人们对于逆变器的高功率因数、低开关损耗、低谐波含量的要求在不断提高，各种拓扑及其相关研究也在不断深入。有源中点钳位（ActiveNeutral-Point-Clamped,ANPC）多电平逆变器由于具有开关管和悬浮电容少，且其直流母线只有一个中点电位等优点，在光伏发电、大功率矿用提升机、风机、压缩机、传送带等领域得到了越来越广泛的应用。
ANPC拓扑中的悬浮电容电压控制可通过综合使用其冗余开关状态的方法实现，其中点电位的平衡也可通过注入适当零序电压的方法实现。目前，ANPC拓扑结构主要的问题是在考虑互补开关器件死区效应影响而出现的逆变器输出端多电平越级跳变问题。这除了对主拓扑吸收电路和输出滤波器的设计提出更高的要求外，也给电机的绝缘带来很大的压力。
所以解决这一问题将对变流器及电机的安全运行都非常重要，但是现有的研究文献均未涉及。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的之一在于提供一种新型H桥五电平有源中点钳位型逆变器的拓扑结构及其调制策略，彻底解决5L-ANPC逆变器在其开关状态切换时由死区效应导致的输出电压过零点处的多电平越级跳变问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种H桥五电平有源中点钳位型逆变器，包括三个单相H桥逆变器，每个单相H桥逆变器均由结构一致的左桥臂和右桥臂组成，每个桥臂均为五电平有源中点钳位型拓扑结构，所有桥臂的直流母线两端并联之后分别连接第一分压电容器Cd1和第二分压电容器Cd2，所述的第一分压电容器Cd1和第二分压电容器Cd2串联；
所述的五电平有源中点钳位型拓扑结构包括由开关器件S1和开关器件S2依次连接形成的第一支路，由开关器件S7、开关器件S8、开关器件S5和开关器件S6依次连接形成的第二支路，由开关器件S3、开关器件S4、开关器件S11和开关器件S12依次连接形成的第三支路，由开关器件S9和开关器件S10依次连接形成的第四支路，由第一分压电容Cd1和第二分压电容Cd2形成的第五支路以及由开关器件S13和悬浮电容Cf形成的第六支路，开关器件S1～S13上分别反向并联有二极管D1～D13；
所述的第一支路中开关器件S1的集电极与第一分压电容Cd1的正极相连接，开关器件S1的发射极与开关器件S2的集电极相连接，开关器件S2的发射极同时连接开关器件S5和开关器件S8的集电极；
所述的第二支路中开关器件S7的发射极同时连接第一分压电容Cd1的负极、第二分压电容Cd2的正极和开关器件S3的集电极，开关器件S7的集电极与开关器件S8的发射极相连接，开关器件S8的集电极同时连接开关器件S2的发射极和开关器件S5的集电极，开关器件S5的发射极同时连接开关器件S6的集电极和开关器件S13的发射极，开关器件S6的发射极与S12的集电极相连接；
所述的第三支路中开关器件S3的集电极同时连接第一分压电容Cd1的负极、第二分压电容Cd2的正极和S7的发射极，开关器件S3的发射极与开关器件S4的集电极相连接，开关器件S4的发射极同时连接开关器件S10的集电极和开关器件S11的发射极，开关器件S11的集电极同时连接S12的发射极和悬浮电容Cf的负极，开关器件S12的集电极与开关器件S6的发射极相连接；
所述的第四支路中开关器件S9的发射极与第二分压电容Cd2的负极相连接，开关器件S9的集电极与开关器件S10的发射极相连接，开关器件S10的发射极同时连接开关器件S4和开关器件S11的发射极；
所述的第五支路中第一分压电容Cd1的正极与开关器件S1的集电极相连接，第一分压电容Cd1的负极同时连接开关器件S7的发射极、开关器件S3的集电极和第二分压电容Cd2的正极，第二分压电容Cd2的正极同时连接开关器件S7的发射极、开关器件S3的集电极和第一分压电容Cd1的负极，第二分压电容Cd2的负极与开关器件S9的发射极相连接；
所述的第六支路中开关器件S13的发射极同时连接开关器件S5的发射极和开关器件S6的集电极，开关器件S13的集电极与悬浮电容Cf的正极相连接，悬浮电容Cf的负极同时连接开关器件S11的集电极和开关器件S12的发射极。
本发明的目的之二是提出上述H桥五电平有源中点钳位型逆变器的调制策略，采用改进型载波移相PWM调制策略，彻底解决由死区效应导致的五电平有源中点钳位型逆变器输出电压过零点处的多电平越级跳变问题。
其中，第一支路中的开关器件S1和开关器件S2、第二支路中的开关器件S7和开关器件S8、第三支路中的开关器件S3和开关器件S4以及第四支路中的开关器件S9和开关器件S10同时开通/关断，且开关器件S1、开关器件S2与开关器件S7、开关器件S8互补，开关器件S3、开关器件S4与开关器件S9、开关器件S10互补，开关器件S5和开关器件S11互补，开关器件S6和开关器件S12互补，开关器件S3、开关器件S4、开关器件S7、开关器件S8同时开通时S13须处于关断状态。
其中，第一支路中的开关器件S1和开关器件S2、第二支路中的开关器件S7和开关器件S8、第三支路中的开关器件S3和开关器件S4以及第四支路中的开关器件S9和开关器件S10的驱动信号频率与调制波频率保持一致，开关器件S13的驱动信号频率两倍于调制波频率，在每个调制波周期内，开关器件S1、开关器件S2的驱动信号占空比d1与开关器件S9、开关器件S10的驱动信号占空比d2相等，相位上相差半个调制波，且占空比均小于0.5。
进一步，在每半个调制波周期内，开关器件S3、开关器件S4、开关器件S7、开关器件S8同时开通的时间
Figure DEST_PATH_IMAGE001
须大于死区时间，且开关器件S13的驱动信号占空比d3须满足关系d3<2d1，同时须保证开关器件S3、开关器件S4、开关器件S7、开关器件S8同时开通时开关器件S13处于关断状态。
进一步，所述的左桥臂和右桥臂调制波幅值相等，相位上互差半个调制波周期；用于产生开关器件S5、开关器件S11驱动信号的载波Vcr1相差1/4个一类载波周期
本发明的有意效果是：本发明在传统5L-ANPC逆变器拓扑结构基础上，将开关器件S13串联至悬浮电容Cf支路，使S3、S4、S7、S8同时开通时保持S13一直处于关断状态，从而在消除5L-ANPC逆变器输出电压越级跳变的同时，也避免了悬浮电容Cf短路现象的发生。
附图说明
图1为本发明的拓扑结构图；
图2为本发明逆变器一个调制波周期内工作状态原理波形图；
图3为传统H桥5L-ANPC逆变器在一个调制波周期内的工作状态原理波形图；
图4为本发明逆变器拓扑用改进型载波移相PWM调制算法所得A相左右桥臂输出电压仿真波形图；
图5为本发明逆变器拓扑用改进型载波移相PWM调制算法所得A相负载端电压和相电流仿真波形图；
图6为传统H桥5L-ANPC逆变器用载波移相PWM调制算法所得A相左右桥臂输出电压仿真波形图；
图7为传统H桥5L-ANPC逆变器用载波移相PWM调制算法所得A相负载端电压和相电流仿真波形图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1所示，本发明公开的一种新型H桥五电平有源中点钳位型逆变器，包括三个单相H桥逆变器；每个单相H桥逆变器均由左桥臂和右桥臂组成，为每相负载双端供电；左右桥臂拓扑一致，每个桥臂均为五电平有源中点钳位型拓扑结构，由13个开关器件S1～S13及其反并联二极管D1～D13和1个悬浮电容Cf组成；所有桥臂的直流母线并联，且母线两端并联两个串联的分压电容器Cd1和Cd2。
所述单相H桥5L-ANPC逆变器桥臂包括相互连接的第一支路、第二支路、第三支路、第四支路、第五支路和第六支路；第一支路包括依次连接的开关器件S1和S2，第二支路包括依次连接的开关器件S7、S8、S5和S6，第三支路包括依次连接的开关器件S3、S4、S11和S12，第四支路包括依次连接的开关器件S9和S10，第五支路包括第一分压电容Cd1和第二分压电容Cd2，第六支路包括开关器件S13和悬浮电容Cf。
第一支路中开关器件S1和S2的连接方式为：S1的集电极与第一分压电容Cd1的正极相连接，S1的发射极与S2的集电极相连接，S2的发射极分别与S5的集电极、S8的集电极相连接。
第二支路中开关器件S7、S8、S5和S6的连接方式为：S7的发射极分别与第一分压电容Cd1的负极、第二分压电容Cd2的正极、S3的集电极相连接，S7的集电极与S8的发射极相连接，S8的集电极分别与S2的发射极、S5的集电极相连接，S5的发射极分别与S6的集电极、S13的发射极相连接，S6的发射极与S12的集电极相连接。
第三支路中开关器件S3、S4、S11和S12的连接方式为：S3的集电极分别与第一分压电容Cd1的负极、第二分压电容Cd2的正极、S7的发射极相连接，S3的发射极与S4的集电极相连接，S4的发射极分别与S10的集电极、S11的发射极相连接，S11的集电极分别与S12的发射极、悬浮电容Cf的负极相连接，S12的集电极与S6的发射极相连接。
第四支路中开关器件S9和S10的连接方式为：S9的发射极与第二分压电容Cd2的负极相连接，S9的集电极与S10的发射极相连接，S10的发射极分别与S4的发射极、S11的发射极相连接。
第五支路中第一分压电容Cd1和第二分压电容Cd2的连接方式为：第一分压电容Cd1的正极与S1的集电极相连接，第一分压电容Cd1的负极分别与S7的发射极、S3的集电极、第二分压电容Cd2的正极相连接，第二分压电容Cd2的正极分别与S7的发射极、S3的集电极、第一分压电容Cd1的负极相连接，第二分压电容Cd2的负极与S9的发射极相连接。
第六支路中开关器件S13和悬浮电容Cf的连接方式为：S13的发射极分别与S5的发射极、S6的集电极相连接，S13的集电极与悬浮电容Cf的正极相连接，悬浮电容Cf的负极分别与S11的集电极、S12的发射极相连接。
设桥臂输出电流为i o，以从桥臂流向负载为正方向，悬浮电容Cf电流以流出电容为正方向，中点电流以流出中点为正方向。根据图1，所有开关状态及其对应的悬浮电容Cf电流以及中点电流如下表（H桥5L-ANPC逆变器开关状态表）所示。
Figure 169155DEST_PATH_IMAGE002
传统5L-ANPC逆变器在理想开关状态下，其输出电压不会出现电压越级跳变，但实际应用中开关器件，均为非理想型器件，存在一定的开通和关断延时，为避免互补开关器件同时导通造成的短路现象，在其驱动脉冲中必须加入一定的死区时间，这也是传统5L-ANPC逆变器输出电压过零点处出现电压越级跳变的根本原因，在死区范围内使开关器件S3、S4、S7、S8同时导通可以使逆变器输出电压保持零电平，而不出现电压越级跳变，然而这一举措会导致悬浮电容Cf通过S5、S11的续流二极管D5、D11，以及S3、S4、S7、S8形成的回路发生短路。
本发明在传统5L-ANPC逆变器拓扑结构基础上，将开关器件S13串联至悬浮电容Cf支路，使S3、S4、S7、S8同时开通时保持S13一直处于关断状态，从而在消除5L-ANPC逆变器输出电压越级跳变的同时，也避免了悬浮电容Cf短路现象的发生。
本发明新型H桥5L-ANPC逆变器的调制策略，采用一种改进型载波移相PWM调制策略，具体策略如下：采用改进型载波移相PWM调制策略，彻底解决由死区效应导致的5L-ANPC逆变器输出电压过零点处的多电平越级跳变问题。
第一支路中的开关器件S1和开关器件S2、第二支路中的开关器件S7和开关器件S8、第三支路中的开关器件S3和开关器件S4以及第四支路中的开关器件S9和开关器件S10同时开通/关断，且开关器件S1、开关器件S2与开关器件S7、开关器件S8互补，开关器件S3、开关器件S4与开关器件S9、开关器件S10互补，开关器件S5和开关器件S11互补，开关器件S6和开关器件S12互补，开关器件S3、开关器件S4、开关器件S7、开关器件S8同时开通时S13须处于关断状态。
第一支路中的开关器件S1和开关器件S2、第二支路中的开关器件S7和开关器件S8、第三支路中的开关器件S3和开关器件S4以及第四支路中的开关器件S9和开关器件S10的驱动信号频率与调制波频率保持一致，开关器件S13的驱动信号频率两倍于调制波频率，在每个调制波周期内，开关器件S1、开关器件S2的驱动信号占空比d1与开关器件S9、开关器件S10的驱动信号占空比d2相等，相位上相差半个调制波，且占空比均小于0.5。
所述的改进型载波移相PWM调制策略，一类载波频率fv1二十倍于二类载波频率fv2，二类载波频率fv2与调制波频率保持一致；一类载波生成计数方式为连续增减模式，二类载波生成计数方式为连续增模式；一类和二类载波生成计数器计数步长相等；一类载波包括两个互差半个一类载波周期的载波Vcr1和Vcr2，分别用于开关器件S5、S11和S6、S12驱动信号的产生，二类载波包括两个互差半个调制波周期的载波Vcr3和Vcr4，分别用于开关器件S1、S2、S7、S8和S3、S4、S9、S10驱动信号的产生；调制波采样频率与一类载波频率一致。当调制波上一采样周期采样值小于或等于零，当前采样周期采样值大于零时，载波Vcr3生成计数器计数值清零；当调制波上一采样周期采样值大于零，当前采样周期采样值小于或等于零时，载波Vcr4生成计数器计数值清零。
所述的改进型载波移相PWM调制策略，在每半个调制波周期内，开关器件S3、S4、S7、S8同时开通的时间
Figure 555137DEST_PATH_IMAGE001
须大于死区时间，且S13的驱动信号占空比d3须满足关系d3<2d1，同时须保证S3、S4、S7、S8同时开通时S13处于关断状态。
所述的单相H桥逆变器的左右桥臂调制波幅值相等，相位上互差半个调制波周期；用于产生开关器件S5、S11驱动信号的载波Vcr1相差1/4个一类载波周期；调制策略一致。
图2为本发明一个调制波周期内逆变器工作状态原理波形图。
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为死区时间，为开关器件S3、S4、S7、S8同时开通时间。在t7时刻，S13关断，由于悬浮电容Cf不处在电流通路中，逆变器输出电压依然保持零电平不变；在t8～t11时刻范围内，S3、S4、S7、S8同时开通，输出电流根据其流向经S3、S4、D11、D12或D6、D5、S8、S7形成通路，所以输出电压继续保持零电平；在t11时刻，S3、S4关断，由于S5、S6已处于导通状态，输出电流根据其流向经D7、D8、S5、S6或D6、D5、S7、S8形成通路，输出电压保持零电平；在t12时刻，S13重新导通，输出电压将不会受到影响，依然保持零电平。在下半个调制波周期的t17时刻，S13再次关断，接下来的工作状态原理与t7～t12时刻范围内的完全相同，在此不再赘述。
图3为传统5L-ANPC逆变器在一个调制波周期内的工作状态原理波形图。在t5时刻之前，由于开关器件S1、S2、S3、S4、S11、S12处于开通状态，逆变器输出零电平电压；在t5时刻，S1～S12全部处于关断状态，逆变器输出电流根据其流向经D9、D10、D11、D12或D6、D5、D2、D1形成通路，输出电压将出现一次从0至-2E或2E的跨电平跳变；在t6时刻，S5、S6、S7、S8、S9、S10处于开通状态，逆变器将重新输出零电平电压。在下半个调制波周期的t11时刻，S1～S12再次全处于关断状态，输出电压将出现一次从0至2E或-2E的跨电平跳变。图中所示，t5～t6时刻范围内，电流流向为正方向；t11～t0时刻范围内，电流流向为负方向。综上，传统5L-ANPC逆变器在死区时间的作用下，每半个调制波周期都会出现一次输出电压的越级跳变。
图4和图5为采用本发明所提出的新型H桥5L-ANPC逆变拓扑，并配备相应改进型载波移相PWM调制算法，所得到的MATLAB/Simulink仿真图形。逆变器所带负载为三相阻容性负载，阻值10，容值5mH，三相调制波频率为50Hz，相位上互差，载波频率和采样频率均为1kHz，仿真步长0.5e-6s，上下母线支撑电容9.4mH，悬浮电容3.3mH，死区时间5，直流母线电压10000V，仿真时间0.1s，调制比0至0.05s为0.4，0.05s至0.1s为0.9。从图中可以看出，不管是左右桥臂输出电压，还是负载端电压，均没有出现多电平跳变。
图6和图7为传统H桥5L-ANPC逆变器用载波移相PWM调制算法得到的MATLAB/Simulink仿真图形，仿真参数与上述一致。从图中可以看出，由于支撑电容支路上没有串接开关器件S13，使得逆变器输出电压在过零点处均出现多电平跳变。这是采用传统H桥5L-ANPC逆变拓扑结构所固有的问题。通过本发明所介绍的具体实施方式，可彻底解决H桥5L-ANPC逆变器在其开关状态切换时由死区效应导致的输出电压过零点处的多电平越级跳变问题。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种H桥五电平有源中点钳位型逆变器，其特征在于：包括三个单相H桥逆变器，每个单相H桥逆变器均由结构一致的左桥臂和右桥臂组成，每个桥臂均为五电平有源中点钳位型拓扑结构，所有桥臂的直流母线两端并联之后分别连接第一分压电容器Cd1和第二分压电容器Cd2，所述的第一分压电容器Cd1和第二分压电容器Cd2串联；
所述的五电平有源中点钳位型拓扑结构包括由开关器件S1和开关器件S2依次连接形成的第一支路，由开关器件S7、开关器件S8、开关器件S5和开关器件S6依次连接形成的第二支路，由开关器件S3、开关器件S4、开关器件S11和开关器件S12依次连接形成的第三支路，由开关器件S9和开关器件S10依次连接形成的第四支路，由第一分压电容Cd1和第二分压电容Cd2形成的第五支路以及由开关器件S13和悬浮电容Cf形成的第六支路，开关器件S1～S13上分别反向并联有二极管D1～D13；
所述的第一支路中开关器件S1的集电极与第一分压电容Cd1的正极相连接，开关器件S1的发射极与开关器件S2的集电极相连接，开关器件S2的发射极同时连接开关器件S5和开关器件S8的集电极；
所述的第二支路中开关器件S7的发射极同时连接第一分压电容Cd1的负极、第二分压电容Cd2的正极和开关器件S3的集电极，开关器件S7的集电极与开关器件S8的发射极相连接，开关器件S8的集电极同时连接开关器件S2的发射极和开关器件S5的集电极，开关器件S5的发射极同时连接开关器件S6的集电极和开关器件S13的发射极，开关器件S6的发射极与S12的集电极相连接；
所述的第三支路中开关器件S3的集电极同时连接第一分压电容Cd1的负极、第二分压电容Cd2的正极和S7的发射极，开关器件S3的发射极与开关器件S4的集电极相连接，开关器件S4的发射极同时连接开关器件S10的集电极和开关器件S11的发射极，开关器件S11的集电极同时连接S12的发射极和悬浮电容Cf的负极，开关器件S12的集电极与开关器件S6的发射极相连接；
所述的第四支路中开关器件S9的发射极与第二分压电容Cd2的负极相连接，开关器件S9的集电极与开关器件S10的发射极相连接，开关器件S10的发射极同时连接开关器件S4和开关器件S11的发射极；
所述的第五支路中第一分压电容Cd1的正极与开关器件S1的集电极相连接，第一分压电容Cd1的负极同时连接开关器件S7的发射极、开关器件S3的集电极和第二分压电容Cd2的正极，第二分压电容Cd2的负极与开关器件S9的发射极相连接；
所述的第六支路中开关器件S13的发射极同时连接开关器件S5的发射极和开关器件S6的集电极，开关器件S13的集电极与悬浮电容Cf的正极相连接，使S3、S4、S7、S8同时开通时保持S13一直处于关断状态，从而在消除5L-ANPC逆变器输出电压越级跳变的同时，也避免了悬浮电容Cf短路现象的发生，悬浮电容Cf的负极同时连接开关器件S11的集电极和开关器件S12的发射极。
2.一种如权利要求1所述H桥五电平有源中点钳位型逆变器的调制策略，其特征在于，采用改进型载波移相PWM调制策略，彻底解决由死区效应导致的五电平有源中点钳位型逆变器输出电压过零点处的多电平越级跳变问题。
3.根据权利要求2所述H桥五电平有源中点钳位型逆变器的调制策略，其特征在于，第一支路中的开关器件S1和开关器件S2、第二支路中的开关器件S7和开关器件S8、第三支路中的开关器件S3和开关器件S4以及第四支路中的开关器件S9和开关器件S10同时开通/关断，且开关器件S1、开关器件S2与开关器件S7、开关器件S8互补，开关器件S3、开关器件S4与开关器件S9、开关器件S10互补，开关器件S5和开关器件S11互补，开关器件S6和开关器件S12互补，开关器件S3、开关器件S4、开关器件S7、开关器件S8同时开通时S13须处于关断状态。
4.根据权利要求2所述H桥五电平有源中点钳位型逆变器的调制策略，其特征在于，第一支路中的开关器件S1和开关器件S2、第二支路中的开关器件S7和开关器件S8、第三支路中的开关器件S3和开关器件S4以及第四支路中的开关器件S9和开关器件S10的驱动信号频率与调制波频率保持一致，开关器件S13的驱动信号频率两倍于调制波频率，在每个调制波周期内，开关器件S1、开关器件S2的驱动信号占空比d1与开关器件S9、开关器件S10的驱动信号占空比d2相等，相位上相差半个调制波，且占空比均小于0.5。
5.根据权利要求4所述H桥五电平有源中点钳位型逆变器的调制策略，其特征在于，在每半个调制波周期内，开关器件S3、开关器件S4、开关器件S7、开关器件S8同时开通的时间ΔTL须大于死区时间ΔTd，且开关器件S13的驱动信号占空比d3须满足关系d3<2d1，同时须保证开关器件S3、开关器件S4、开关器件S7、开关器件S8同时开通时开关器件S13处于关断状态。
6.根据权利要求2所述H桥五电平有源中点钳位型逆变器的调制策略，其特征在于，所述的左桥臂和右桥臂调制波幅值相等，相位上互差半个调制波周期；用于产生开关器件S5、开关器件S11驱动信号的载波Vcr1相差1/4个一类载波周期。
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