CN115276438A - 一种三相t型三电平逆变器 - Google Patents

一种三相t型三电平逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三相T型三电平逆变器，属于电力电子技术领域。本发明方法，包括：逆变器A、B、C三相上、下工作桥臂的绝缘栅双极晶体管IGBT本体及其对应的反并联二极管；为逆变器A、B、C三相中点钳位支路上的绝缘栅双极晶体管IGBT；为逆变器A、B、C三相中点钳位支路上的二极管；逆变器上、下工作桥臂附加分流支路上的绝缘栅双极晶体管IGBT；动态模式切换开关；直流侧串联分压电容。本发明对于三相T型中点钳位三电平逆变器电网电流发生骤升时，利用附加动态分流支路对逆变器工作桥臂上的开关器件进行分流，降低逆变器工作桥臂开关器件过流风险，提升可靠并网运行水平。

Description

一种三相T型三电平逆变器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，并且更具体地，涉及一种三相T型三电平逆变器。
背景技术
随着风电光伏并网容量持续增长、储能装置以及柔性直流输电工程数量增多，逆变器在电力系统中已大量应用，系统的电力电子化发展趋势日益突出。受电力电子器件过电流耐受能力低等因素制约，在并网交流系统受扰后，逆变器存在因过电流而发生开关器件损坏导致逆变器退出运行风险。在存在风电、光伏、储能等大量基于逆变器并网的电力系统中，逆变器因交流系统扰动出现过电流而故障或脱网，会对系统带来大幅度的有功冲击和无功冲击，进而威胁系统功角稳定、电压稳定以及频率稳定。为此，迫切需要研究提升逆变器耐过电流能力的措施。
已有相关研究主要围绕逆变器控制策略，研究降低交流系统扰动下逆变器电流，包括虚拟阻抗控制等，但这种控制方式将增大逆变器与交流系统间电气距离，不利于逆变器为交流电网提供动态无功支撑。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种三相T型三电平逆变器，包括：
Va1、Vb1、Vc1和Va2、Vb2、Vc2，所述Va1、Vb1、Vc1和Va2、Vb2、Vc2分别为逆变器A、B、C三相上、下工作桥臂的绝缘栅双极晶体管IGBT本体；
VDa1、VDb1、VDc1和VDa2、VDb2、VDc2，所述VDa1、VDb1、VDc1和VDa2、VDb2、VDc2，为Va1、Vb1、Vc1和Va2、Vb2、Vc2，对应的反并联二极管；
Qa1、Qb1、Qc1和Qa2、Qb2、Qc2，所述Qa1、Qb1、Qc1和Qa2、Qb2、Qc2分别为逆变器A、B、C三相中点钳位支路上的绝缘栅双极晶体管IGBT；
Da1、Db1、Dc1和Da2、Db2、Dc2，所述Da1、Db1、Dc1和Da2、Db2、Dc2分别为逆变器A、B、C三相中点钳位支路上的二极管；
Su1、Sd1，所述Su1、Sd1为逆变器上、下工作桥臂附加分流支路上的绝缘栅双极晶体管IGBT；
Su2、Sd2，所述Su2、Sd2为动态模式切换开关；
C1、C2，所述C1、C2为直流侧串联分压电容；
Va1、Va2及其对应的反并联二极管VDa1、VDa2组成A相工作桥臂，且Va1、VDa1所组成的IGBT的发射极与Va2、Va2所组成的IGBT的集电极相连，B相和C相工作桥臂连接方式与A相相同；
A相上桥臂中点钳位支路上的Qa1的发射极与A相交流端相连，A相上桥臂中点钳位支路上的Qa1的集电极与二极管Da1的阴极相连，A相下桥臂中点钳位支路上的Qa2的集电极与A相交流端相连，A相下桥臂中点钳位支路上的Qa2发射极与二极管Da2的阳极相连，B相和C相中点钳位支路与A相相同，并且二极管Da1、Db1、Dc1共阳极，二极管Da2、Db2、Dc2共阴极；
Su1的集电极与直流侧电容C1正端相连，Su1的发射极与Su2发射极和二极管Da1、Db1、Dc1的共阳极相连，Sd1的发射极与直流侧电容C2负端相连，Sd1的集电极与Sd2的集电极和二极管Da2、Db2、Dc2共阴极相连；
Su2的发射极与Su1的发射极相连，Su2的集电极与Sd2的发射极以及直流侧中性点相连；Sd2的集电极与Sd2的集电极相连，Sd2的发射极与Su2的集电极以及直流侧中性点相连。
可选的，Su2、Sd2，用于控制附加动态分流支路是否投入运行。
可选的，当电网电流稳定时，所述三相T型三电平逆变器不投入附加分流支路，以三电平模式运行，且Su1、Sd1常关，Su2、Sd2导通。
可选的，当电网电流骤升时，所述三相T型三电平逆变器投入附加分流支路，Su1、Sd1导通，Su2、Sd2常关。
可选的，采用分流模式时，所述三相T型三电平逆变器电流流通情况划分为6个工作区间。
本发明对于三相T型中点钳位三电平逆变器电网电流发生骤升时，利用附加动态分流支路对逆变器工作桥臂上的开关器件进行分流，降低逆变器工作桥臂开关器件过流风险，提升可靠并网运行水平。
附图说明
图1为本发明的三相T型三电平逆变器结构图；
图2(a)及图2(b)为本发明的三相T型三电平逆变器分流运行示意图；
图3为本发明三相T型三电平逆变器交流侧电流工作区间划分示意图；
图4(a)-(f)为本发明三相T型三电平逆变器电流分流示意图；
图5为本发明实施例中测试系统示意图；
图6(a)本发明实施例中交流输出端PWM电压波形示意图；
图6(b)本发明实施例中交流输出端电压波形示意图；
图6(c)本发明实施例中三相及上工作桥臂开关器件电流示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
本发明提出了一种三相T型三电平逆变器，如图1所示，包括：
Va1、Vb1、Vc1和Va2、Vb2、Vc2，所述Va1、Vb1、Vc1和Va2、Vb2、Vc2分别为逆变器A、B、C三相上、下工作桥臂的绝缘栅双极晶体管IGBT本体；
VDa1、VDb1、VDc1和VDa2、VDb2、VDc2，所述VDa1、VDb1、VDc1和VDa2、VDb2、VDc2，为Va1、Vb1、Vc1和Va2、Vb2、Vc2，对应的反并联二极管；
Qa1、Qb1、Qc1和Qa2、Qb2、Qc2，所述Qa1、Qb1、Qc1和Qa2、Qb2、Qc2分别为逆变器A、B、C三相中点钳位支路上的绝缘栅双极晶体管IGBT；
Da1、Db1、Dc1和Da2、Db2、Dc2，所述Da1、Db1、Dc1和Da2、Db2、Dc2分别为逆变器A、B、C三相中点钳位支路上的二极管；
Su1、Sd1，所述Su1、Sd1为逆变器上、下工作桥臂附加分流支路上的绝缘栅双极晶体管IGBT；
Su2、Sd2，所述Su2、Sd2为动态模式切换开关；
C1、C2，所述C1、C2为直流侧串联分压电容；
O为直流侧中性点。
Udc为直流侧电压。
ia、ib、ic为逆变器交流侧三相电流，并规定电流正方向如图1所示。
三相工作桥臂连接关系：Va1、Va2及其对应的反并联二极管VDa1、VDa2组成A相工作桥臂，且Va1、VDa1所组成的IGBT的发射极与Va2、Va2所组成的IGBT的集电极相连。B相和C相工作桥臂连接方式与A相相同。
中点钳位支路连接关系：A相上桥臂中点钳位支路上的Qa1的发射极与A相交流端相连，其集电极与二极管Da1的阴极相连。A相下桥臂中点钳位支路上的Qa2的集电极与A相交流端相连，其发射极与二极管Da2的阳极相连。B相和C相中点钳位支路连接关系与A相相同。并且二极管Da1、Db1、Dc1共阳极，二极管Da2、Db2、Dc2共阴极。
逆变器附加分流支路开关连接关系：Su1的集电极与直流侧电容C1正端相连，其发射极与动态模式切换开关Su2发射极和二极管Da1、Db1、Dc1的共阳极相连。Sd1发射极与直流侧电容C2负端相连，其集电极与Sd2的集电极和二极管Da2、Db2、Dc2共阴极相连。
动态模式切换开关Su2的发射极与Su1的发射极相连，其集电极与Sd2的发射极以及直流侧中性点相连；Sd2的集电极与Sd2的集电极相连，其发射极与Su2的集电极以及直流侧中性点相连。
当电网电流较为稳定时，本发明中提出的新型三相T型中点钳位三电平逆变器不投入附加分流支路，以三电平模式运行，此时Su1、Sd1常关，Su2、Sd2导通，如图2(a)所示。
当电网电流骤升时，Su1、Sd1导通，Su2、Sd2常关，投入附加分流支路，如图2(b)所示，此时本发明中提出的新型三相T型中点钳位三电平逆变器以两电平模式运行。依据ia、ib、ic中具有正向电流最大值的相，对应导通附加分流支路开关器件Su1以及钳位支路开关器件Qa1、Qb1、Qc1和Da1、Db1、Dc1，并形成分流支路，以减小逆变器上工作桥臂中对应相的开关器件Va1、Vb1或Vc1中流过电流；依据ia、ib、ic中具有反向电流最大值的相，对应导通附加分流支路开关器件Su2以及钳位支路开关器件Qa2、Qb2、Qc2和Da2、Db2、Dc2，并形成分流支路，以减小逆变器下工作桥臂中对应相的开关器件Va2、Vb2或Vc2中流过电流。经过附加动态分流支路的分流作用，可有效减小流过工作桥臂开关器件Va1、Vb1、Vc1和Va2、Vb2、Vc2的最大电流，从而提升交流受扰过程中逆变器连续并网运行能力，避免因工作桥臂过电流而退出运行或损坏。
当采用分流模式时，逆变器电流流通情况划分6个工作区域，如图3所示。
逆变器工作桥臂的电流分流工作模态示意图如图4(a)～(f)所示，从图中可以看出，三个工作上桥臂或工作下桥臂开关器件在相应工作区域导通时，通过附加动态分流支路的上、下桥臂分流开关器件Su1或Sd1以及对应钳位支路开关器件Qa1、Qb1、Qc1、Qa2、Qb2、Qc2和Da1、Db1、Dc1、Da2、Db2、Dc2，产生一条与其并联的附加动态分流支路，分担流过该开关器件的电流。需要说明的是，为了突出每个工作区间内分流情况，图3中只画出了在该工作区间内具有分流路径的开关器件导通情况，其余开关器件的工作模态省略。
下面详细解释每个工作区域内，开关器件的分流路径。
工作区域①，分流流通路径如图4(a)所示。该工作区域中，ia>0且ia>ib、ia>ic，Va1导通，对应Su1、Qa1和Da1导通并作为附加动态分流支路，与A相上工作桥臂Va1共同分担50％的ia；与此同时，ib<0且ib<ia、ib<ic，Vb2导通，对应Sd1、Qb2和Db2导通并作为附加动态分流支路，与B相下工作桥臂Vb2共同分担50％的ib。
工作区域②：分流流通路径如图4(b)所示。该工作区域中，ia>0且ia>ib、ia>ic，Va1导通，对应Su1、Qa1和Da1导通并作为附加动态分流支路，与A相上工作桥臂Va1共同分担50％的ia；与此同时，ic<0且ic<ia、ic<ib，Vc2导通，对应Sd1、Qc2和Dc2导通并作为附加动态分流支路，与C相下工作桥臂Vc2共同分担50％的ic。
工作区域③：分流流通路径如图4(c)所示，该工作区域中，ib>0且ib>ia、ib>ic，Vb1导通，对应Su1、Qb1和Db1导通并作为附加动态分流支路，与B相上工作桥臂Vb1共同分担50％的ib；与此同时，ic<0且ic<ia、ic<ib，Vc2导通，对应Sd1、Qc2和Dc2导通并作为附加动态分流支路，与C相下工作桥臂Vc2共同分担50％的ic。
工作区域④：分流流通路径如图4(d)所示，该工作区域中，ib>0且ib>ia、ib>ic，Vb1导通，对应Su1、Qb1和Db1导通并作为附加动态分流支路，与B相上工作桥臂Vb1共同分担50％的ib；与此同时，ia<0且ia<ib、ia<ic，Va2导通，对应Sa1、Qa2和Da2导通并作为附加动态分流支路，与A相下工作桥臂Va2共同分担50％的ia。
工作区域⑤：分流流通路径如图4(e)所示，该工作区域中，ic>0且ic>ia、ic>ib，Vc1导通，对应Su1、Qc1和Dc1导通并作为附加动态分流支路，与C相上工作桥臂Vc1共同分担50％的ic；与此同时，ia<0且ia<ib、ia<ic，Va2导通，对应Sa1、Qa2和Da2导通并作为附加动态分流支路，与A相下工作桥臂Va2共同分担50％的ia。
工作区域⑥：分流流通路径如图4(f)所示，该工作区域中，ic>0且ic>ia、ic>ib，Vc1导通，对应Su1、Qc1和Dc1导通并作为附加动态分流支路，与C相上工作桥臂Vc1共同分担50％的ic；与此同时，ib<0且ib<ia、ib<ic，Vb2导通，对应Sd1、Qb2和Db2导通并作为附加动态分流支路，与B相下工作桥臂Vb2共同分担50％的ib。
下面在仿真软件中搭建如图5所示测试系统对本发明进行测试；
设置在0.2s时，分流模式投入。如图6(a)所示新型三相T型中点钳位三电平逆变器交流输出端PWM电压波形由三电平变为两电平，交流输出端滤波后电压谐波略有增加，如图6(b)所示。以上工作桥臂的开关器件为例，经过分流之后逆变器工作桥臂中开关器件的电流可显著降低，如图6(c)中所示，上工作桥臂最大电流可以降低ΔIp。从仿真结果可以看出，本专利提出的基于动态分流支路的新型三相T型中点钳位三电平逆变器，可显著降低逆变器工作桥臂开关器件过电流，提高逆变器运行可靠性。
本发明对于三相T型中点钳位三电平逆变器电网电流发生骤升时，利用附加动态分流支路对逆变器工作桥臂上的开关器件进行分流，降低逆变器工作桥臂开关器件过流风险，提升可靠并网运行水平。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种三相T型三电平逆变器，其特征在于，所述三相T型三电平逆变器，包括：
Va1、Vb1、Vc1和Va2、Vb2、Vc2，所述Va1、Vb1、Vc1和Va2、Vb2、Vc2分别为逆变器A、B、C三相上、下工作桥臂的绝缘栅双极晶体管IGBT本体；
VDa1、VDb1、VDc1和VDa2、VDb2、VDc2，所述VDa1、VDb1、VDc1和VDa2、VDb2、VDc2，为Va1、Vb1、Vc1和Va2、Vb2、Vc2，对应的反并联二极管；
Qa1、Qb1、Qc1和Qa2、Qb2、Qc2，所述Qa1、Qb1、Qc1和Qa2、Qb2、Qc2分别为逆变器A、B、C三相中点钳位支路上的绝缘栅双极晶体管IGBT；
Da1、Db1、Dc1和Da2、Db2、Dc2，所述Da1、Db1、Dc1和Da2、Db2、Dc2分别为逆变器A、B、C三相中点钳位支路上的二极管；
Su1、Sd1，所述Su1、Sd1为逆变器上、下工作桥臂附加分流支路上的绝缘栅双极晶体管IGBT；
Su2、Sd2，所述Su2、Sd2为动态模式切换开关；
C1、C2，所述C1、C2为直流侧串联分压电容；
Va1、Va2及其对应的反并联二极管VDa1、VDa2组成A相工作桥臂，且Va1、VDa1所组成的IGBT的发射极与Va2、Va2所组成的IGBT的集电极相连，B相和C相工作桥臂连接方式与A相相同；
A相上桥臂中点钳位支路上的Qa1的发射极与A相交流端相连，A相上桥臂中点钳位支路上的Qa1的集电极与二极管Da1的阴极相连，A相下桥臂中点钳位支路上的Qa2的集电极与A相交流端相连，A相下桥臂中点钳位支路上的Qa2发射极与二极管Da2的阳极相连，B相和C相中点钳位支路与A相相同，并且二极管Da1、Db1、Dc1共阳极，二极管Da2、Db2、Dc2共阴极；
Su1的集电极与直流侧电容C1正端相连，Su1的发射极与Su2发射极和二极管Da1、Db1、Dc1的共阳极相连，Sd1的发射极与直流侧电容C2负端相连，Sd1的集电极与Sd2的集电极和二极管Da2、Db2、Dc2共阴极相连；
Su2的发射极与Su1的发射极相连，Su2的集电极与Sd2的发射极以及直流侧中性点相连；Sd2的集电极与Sd2的集电极相连，Sd2的发射极与Su2的集电极以及直流侧中性点相连。
2.根据权利要求1所述的三相T型三电平逆变器，其特征在于，所述Su2、Sd2，用于控制附加动态分流支路是否投入运行。
3.根据权利要求1所述的三相T型三电平逆变器，其特征在于，当电网电流稳定时，所述三相T型三电平逆变器不投入附加分流支路，以三电平模式运行，且Su1、Sd1常关，Su2、Sd2导通。
4.根据权利要求1所述的三相T型三电平逆变器，其特征在于，当电网电流骤升时，所述三相T型三电平逆变器投入附加分流支路，Su1、Sd1导通，Su2、Sd2常关。
5.根据权利要求1所述的三相T型三电平逆变器，其特征在于，采用分流模式时，所述三相T型三电平逆变器电流流通情况划分为6个工作区间。
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