專利名稱：級聯(lián)型多電平逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多電平功率變換技術(shù)，具體涉及一種多電平功率變換逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
多電平功率變換技術(shù)及其思想是近年來在高壓大功率應用研究的一個熱點，它可應用諸多高壓大功率領(lǐng)域。在眾多傳統(tǒng)級聯(lián)型多電平拓撲結(jié)構(gòu)中，申請?zhí)?0136733.1的中國發(fā)明專利申請由于其模塊化結(jié)構(gòu)，具有冗余性等諸多優(yōu)點，成為高壓大功率應用領(lǐng)域中研究和應用的熱點。傳統(tǒng)的級聯(lián)拓撲是以傳統(tǒng)全橋單元(H橋單元)為基本模塊，然后通過這些模塊的級聯(lián)來合成輸出電壓。輸出較高電壓時，這種拓撲結(jié)構(gòu)需要采用較多的單元級聯(lián)，增加系統(tǒng)的復雜程度，從而導致系統(tǒng)可靠性下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種級聯(lián)型多電平逆變器，目的是應用在高壓大功率場合、在與傳統(tǒng)的級聯(lián)型逆變器輸出相同電平數(shù)量的情況下減少使用元件的數(shù)量、簡化其結(jié)構(gòu)和控制。
本發(fā)明的一種級聯(lián)型多電平逆變器，以基本模塊級聯(lián)構(gòu)成多電平逆變器，合成輸出電壓，其特征在于(1)所述基本模塊為不對稱5電平逆變單元，其母線直流輸入端正負極之間并聯(lián)電容支路、橋臂A和橋臂B；電容支路由兩個等值電容串聯(lián)組成，橋臂A由四個開關(guān)器件串聯(lián)組成，橋臂B由兩個開關(guān)器件串聯(lián)組成；所述兩個等值電容的接點經(jīng)二極管正向連接橋臂A第一開關(guān)器件與第二開關(guān)器件的接點、經(jīng)二極管反向連接橋臂A第三開關(guān)器件與第四開關(guān)器件的接點；所述橋臂A的中點即第二開關(guān)器件與第三開關(guān)器件的接點為輸出端A，所述橋臂B的中點即第五開關(guān)器件與第六開關(guān)器件的接點為輸出端B；(2)級聯(lián)構(gòu)成多電平逆變器時，第一個基本模塊的輸出端B連接第二個基本模塊的輸出端A構(gòu)成中間輸出端，…，依次類推，所級聯(lián)的基本模塊數(shù)量為2-8；(3)所級聯(lián)的各基本模塊采用不同的母線直流電壓，第一個基本模塊母線電壓為2E、第二個基本模塊母線電壓為4E、…，依次類推。
所述的多電平逆變器，所級聯(lián)的各基本模塊也可以采用相同的母線直流電壓。
所述的多電平逆變器，其進一步特征在于所述基本模塊中橋臂A的開關(guān)器件采用耐壓值較低、開關(guān)頻率較高的器件；橋臂B的開關(guān)器件采用耐壓值較高、開關(guān)頻率較低的器件。
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明基本模塊的原理進行說明圖1(a)所示為一個半橋二極管鉗位逆變器，設其直流母線輸入電壓VdcA＝2E，直流側(cè)電容C1A＝C2A，容易得到Vdc1A＝Vdc2A＝E。以O1點為參考點，則A點輸出電壓有三個電平-E，O，+E。對于圖1(b)所示的傳統(tǒng)半橋兩電平逆變器，設VdcB＝2E，C1B＝C2B，以B點為參考點，容易得到VO2B可以輸出兩個電平-E，+E。由上述可知，兩逆變器的直流母線電壓相同且C1A＝C24、C1B＝C2B。將圖1(a)所示的半橋二極管鉗位逆變器直流母線正負端A1與A2分別與圖1(b)所示的傳統(tǒng)半橋兩電平逆變器直流母線端B1與B2相連，并且將中點O1與O2連接起來，如圖1(a)-(b)中虛線所示。經(jīng)過直流母線側(cè)三個端點的連接可以得到如圖1(c)所示逆變器。將圖1(c)整理后可得如圖2所示的一種單相不對稱拓撲結(jié)構(gòu)的電路，構(gòu)成本發(fā)明的基本模塊，其中Vdc＝VdcA＝VdcB＝2E，C1＝C2＝C1A＝C1B，Vdc1＝Vdc2＝E。在這種逆變器中，二極管鉗位橋臂A將通過鉗位二極管D1和D2與中點O點相連，而傳統(tǒng)半橋兩電平橋臂B只和母線電壓正負端相連，與中點O無任何連接線。
圖2所示為本發(fā)明的基本模塊，設逆變器希望輸出的電壓為VAB(desired)＝M*2E sin ωt (1)其中M為調(diào)制比，范圍在0到1之間，ω為輸出電壓的角頻率。由于輸出電壓VAB為橋臂A輸出電壓VAO與橋臂B輸出電壓VOB之和，顯然有VAB＝VAO+VOB(2)對于逆變器希望輸出電壓同樣有VAB(desired)＝VAO(desired)+VOB(desired)(3)由(3)容易得到VAO(desired)＝VAB(desired)-VOB(desired)(4)因為需要采用載波PWM方法來調(diào)制橋臂A的輸出，而且VAO只能輸出三個電平-E，O，+E，所以橋臂A的希望輸出電壓的幅值必須滿足|VAO(desired)|≤E (5)橋臂B中開關(guān)器件T15和T16有四種開關(guān)狀態(tài)(0，1)、(1，0)、(1，1)和(0，0)，其中1代表開通0代表關(guān)斷。顯然(1，1)和(0，0)狀態(tài)是正常電路運行所不希望的，對于開關(guān)狀態(tài)(0，1.)和(1，0)，在一個輸出電壓的基波周期內(nèi)，橋臂B輸出波形VOB可以有兩種波形，如圖3(b)-(c)所示，其中0≤θ1，θ2≤2π。根據(jù)公式(4)和圖3(b)-(c)可以得到橋臂A的希望輸出電壓波形1VAO(desired)和2VAO(desired)，如圖4(b)-(c)所示。對于圖4(b)所示1VAO(desired)，無論θ1取何值，1VAO(desired)的幅值均將超過E，那么如果采用1VAO(desired)作為橋臂A輸出電壓的調(diào)制信號，則當1VAO(desired)與幅值為E的載波進行比較時就會出現(xiàn)過調(diào)制情況，所以對于0≤θ1≤2π，1VAO(desired)無法滿足不等式(5)。對于圖4(c)所示2VAO(desired)，當θ2≠π(0≤θ2≤2π)時，2VAO(desired)的幅值也將超過E，如圖4(c)中的陰影部分所示。但當θ2＝π時，2VAO(desired)的幅值將小于等于E。
根據(jù)上述分析可知，對于0≤M≤1，僅當θ2＝π時，圖4(c)所示橋臂A的希望輸出電壓2VAO(desired)滿足不等式(5)的要求，其它情況均不滿足(5)式。圖5(b)所示為橋臂B唯一滿足要求的希望輸出電壓波形，經(jīng)過式(4)計算，橋臂A希望輸出電壓波形也是唯一確定的，如圖5(c)所示。這里將采用單極性PWM方法來對橋臂A進行控制，那么橋臂A的希望輸出電壓波形將與兩個三角波進行比較來控制橋臂A的輸出電壓VAO。圖5(c)所示為比較過程，圖5(d)所示為比較以后產(chǎn)生的橋臂A的PWM輸出波形。根據(jù)(2)式，由圖5(b)(d)可以合成整個逆變器的輸出電壓VAB，如圖5(e)所示。
上面所分析的是方波合成與消諧波脈沖寬度調(diào)制PWM相結(jié)合的一種調(diào)制策略，這種調(diào)制策略的示意圖如圖5所示。從圖2和圖5可以看出，橋臂B中兩個開關(guān)器件每個周期都是180度導通，每個器件承受較大的電壓2E，也就是說開關(guān)器件T15和T16只需開關(guān)在輸出電壓的基波頻率下，但承受較高的電壓。橋臂A的4個開關(guān)器件則需要在高頻下開關(guān)，每個器件承受較低電壓E。
根據(jù)高耐壓值器件門極可關(guān)斷晶閘管GTO和耐壓值相對較低器件絕緣門極雙極性晶體管IGBT的特性，橋臂B采用GTO器件，使其開關(guān)在低頻，承受較高的電壓；橋臂A采用IGBT器件，使其開關(guān)在較高頻率，承受較小電壓，可以在同一逆變器的不同橋臂上采用不同的開關(guān)器件，從而揚長避短，充分發(fā)揮這些開關(guān)器件的特性。
本發(fā)明用于高壓，大功率的交流電源，電機調(diào)速等場合。當調(diào)制比小于0.5時，由母線電壓較低的不對稱5電平逆變器提供能量；當調(diào)制比大于0.5時，由母線電壓較低的不對稱5電平逆變器和母線電壓較高的不對稱5電平逆變器向負載供電，可以實現(xiàn)高壓、大功率；同時這兩個模塊之間不存在有功環(huán)流。
在高壓大功率場合本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)簡單，混合控制方便。這種逆變器電路中存在耐壓值不同的開關(guān)器件，通過混合控制方法，可使其中耐壓值高的開關(guān)器件工作在輸出電壓的基波頻率，而耐壓值相對較低的開關(guān)器件工作在較高頻率，從而揚長避短，充分發(fā)揮各種不同開關(guān)器件的特性，適用于大功率交流電源、高壓變頻調(diào)速、電網(wǎng)無功補償、電網(wǎng)有源濾波。


圖1(a)半橋二極管鉗位逆變器；圖1(b)傳統(tǒng)半橋兩電平逆變器；圖1(c)為經(jīng)過圖1(a)和圖1(b)變換后得到的逆變器；圖2本發(fā)明的基本模塊示意圖；圖3(a)不對稱5電平逆變器希望輸出電壓；圖3(b)、圖3(c)橋臂B希望輸出電壓波形；圖4(a)不對稱5電平逆變器希望輸出電壓；圖4(b)、圖4(c)橋臂A希望輸出電壓波形；圖5作為基本模塊的不對稱5電平逆變器調(diào)制方法示意圖；圖6本發(fā)明的第一個實施例示意圖；圖7基于基本模塊的級聯(lián)型多電平逆變器調(diào)制過程示意圖；圖8基于基本模塊的級聯(lián)型多電平逆變器模塊輸出的基波電壓隨著調(diào)制比變化的關(guān)系圖；圖9本發(fā)明的第二個實施例示意圖；圖10本發(fā)明的第三個實施例示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明級聯(lián)型多電平逆變器的原理進一步說明將基本模塊構(gòu)成級聯(lián)型多電平逆變器，這種拓撲結(jié)構(gòu)的基本思想是將多個基本模塊進行級聯(lián)，輸出電壓將是每個基本模塊輸出電壓的合成，假設第一基本模塊和第二基本模塊的直流母線電壓V1＝V2＝2E，則不難得出，第一基本模塊和第二基本模塊均可以輸出-2E、-E、O、+E、+2E，共五個電平，顯然當V1＝V2＝2E時，A相可以輸出9個電平的電壓-4E、-3E、-2E、-E、O、+E、+2E、+3E、+4E。此時逆變器相電壓的電平數(shù)為9電平。
圖6所示本發(fā)明的一個實施例，為基于基本模塊的三相混合不對稱級聯(lián)逆變器，每相所級聯(lián)的基本模塊數(shù)量為2。
取V2＝2V1時，能夠得到更加優(yōu)化的圖譜。設V1＝2E，V2＝4E，變換器A相希望輸出的電壓為VAD(desire)＝M*6E sin ωt (6)其中M為調(diào)制比，范圍在0到1之間。顯然整個逆變器的輸出電壓VAD為第一基本模塊電壓VAB和第二基本模塊VCD輸出電壓的合成，其中第一基本模塊可以輸出-2E、-E、O、+E、+2E，第二基本模塊可以輸出-4E、-2E、O，+2E，+4E；顯然它們的合成輸出電壓可以達到13個電平-6E、-5E、-4E、-3E、-2E，-E、O、+E、+2E、+3E、+4E、+5E，+6E。適用于這種拓撲結(jié)構(gòu)的混合調(diào)制方法調(diào)制過程如圖7所示。圖7(a)為指令正弦波VA(desired)，設此時的調(diào)制比M＞2/3，當指令正弦波4E＞VAD(desired)＞2E，第二基本模塊輸出幅值為+2E的方波電壓，當指令正弦波VAD(desired)＞4E，第二基本模塊輸出幅值為+4E的方波電壓，負半波同理。顯然VAD(desired)＝VAB(desired)+VCD(desired)(7)由(7)可得VAB(desired)＝VAD(desired)-VCD(desired)(8)
那么由式(8)和圖7(a)和7(b)以得到VAB(desired)的波形，如圖7(c)所示。又VAB(desired)＝VAO(desired)+VOB(desired)(9)由上述論述可知，VOB(desired)輸出如圖7(d)所示的波形，則經(jīng)過(9)式和圖7(c)和圖7(d)可得到VAO(desired)的波形，如圖7(e)所示，這里將采用消諧波PWM方法來對橋臂A進行控制，橋臂A的希望輸出電壓波形VAO(desired)將與兩個三角波進行比較來控制橋臂A的輸出電壓VAO。圖7(e)所示為比較過程，圖7(f)所示為比較以后產(chǎn)生的橋臂A輸出電壓VAO的PWM波形。根據(jù)(9)式，由圖7(d)和圖7(f)可以合成第一基本模塊的輸出電壓VAB，如圖7(g)所示。根據(jù)式(7)，由圖7和圖7(g)可以得到整個A相的輸出電壓VAD，如圖7(h)所示。
通過這種混合不對稱控制方法，最大的輸出電平數(shù)可以達到13個，即-6E、-5E、-4E、-3E、-2E，-E、O、+E、+2E、+3E、+4E、+5E，+6E。
此拓撲結(jié)構(gòu)中第一基本模塊橋臂A中開關(guān)器件T11～T14承受電壓為E，開關(guān)在高頻狀態(tài)。橋臂B中開關(guān)器件T15、T16和橋臂C中開關(guān)器件T21～T24承受的電壓為2E，橋臂D中開關(guān)器件T25、T26承受的電壓為4E，開關(guān)器件T15、T16、T21～T24、T25、T26均開關(guān)在低頻狀態(tài)。從上述分析可知，在選用開關(guān)器件時，T11～T14可選用低壓耐壓值但開關(guān)頻率較高的器件，T15、T16和T21～T24選用中級耐壓值開關(guān)頻率較低的器件，T25、T26可以選用高耐壓值，開關(guān)頻率較低的器件。這樣在同一拓撲中有三種耐壓值不同的器件，其中只有耐壓值最低的器件開關(guān)在高頻，其余器件均開關(guān)在低頻。
下面根據(jù)調(diào)制信號過程進行模塊輸出電壓的頻譜分析。由圖7(a)和(6)式可得
由(10)式可得 則第二基本模塊輸出電壓VCD的頻譜分析為VCD=Σn=1,3,5z4*2Enπsinn(π-2θ1)2*[-(-1)n+12]sinnωt+Σn=1,3,5∞4*2Enπsinn(π-2θ2)2*[-(-1)n+12]sinnωt]]>=Σn=1,3,5∝8Enπcos(n*arcsin13M)sinnωt+Σn=1,3,5∞8Enπcos(n*arcsin23M)sinnωt]]>(12)第二基本模塊輸出的基波電壓為V1_CD=8Eπcos(arcsin13M)sinωt+8Eπcos(arcsin23M)sinωt---(13)]]>=8Eπ1-19M2sinωt+8Eπ1-49M2sinωt]]>由(13)式可知 由(14)可得 由(13)和(15)可得
由(6)和(16)可知第一基本模塊輸出基波電壓為 圖8給出了第一基本模塊和第二基本模塊輸出的基波電壓隨著調(diào)制比變化的關(guān)系圖，其中斜線為指令波形。從圖中可以看出，當調(diào)制比M＜1/3時，第一基本模塊輸出基波電壓與指令電壓重合，第二基本模塊輸出電壓為0電平；從圖8可以看出兩個基本模塊輸出電壓的基波分量均小于或等于給定的基波指令，所以對于如圖6所示的混合不對稱級聯(lián)多電平變換器不存在每個模塊輸出過多基波電壓的情況。在整個變換器工作時，第一基本模塊和第二基本模塊一起對負載進行供電，模塊之間不存在功率的交換。
圖9為本發(fā)明的第二個實施例，為直流母線電壓相同的2個不對稱5電平逆變單元級聯(lián)三相逆變器，每相所級聯(lián)的基本模塊數(shù)量為2。
設模塊一和模塊二的直流母線電壓均為2E，模塊一和模塊二輸出電壓的指令波形與A相輸出電壓指令波形同頻率同相位，模塊一和模塊二輸出電壓的指令波形幅值為A相輸出電壓指令波形的二分之一。模塊一和模塊二的調(diào)制方法均為圖5所示的調(diào)制方法，圖9中的VAB和VCD輸出的波形與圖5(e)相同，VAD為VAB和VCD的合成波形。
圖10為本發(fā)明的第三個實施例，為直流母線電壓相同的8個不對稱5電平逆變單元級聯(lián)三相逆變器，所級聯(lián)的基本模塊數(shù)量為8。設模塊一、模塊二、…、模塊八的直流母線電壓均為2E，模塊一、模塊二、…、模塊八輸出電壓的指令波形與A相輸出電壓指令波形同頻率同相位，模塊一、模塊二、…、模塊八輸出電壓的指令波形幅值為A相輸出電壓指令波形的八分之一。模塊一、模塊二、…、模塊八的調(diào)制方法均為圖5所示的調(diào)制方法，圖10中的V01、V02、…、V08輸出的波形與圖5(e)相同，輸出電壓VAP為V01、V02、…、V08相加后的合成波形。
權(quán)利要求
1.一種級聯(lián)型多電平逆變器，以基本模塊級聯(lián)構(gòu)成多電平逆變器，合成輸出電壓，其特征在于(1)所述基本模塊為不對稱5電平逆變單元，其母線直流輸入端正負極之間并聯(lián)電容支路、橋臂A和橋臂B；電容支路由兩個等值電容串聯(lián)組成，橋臂A由四個開關(guān)器件串聯(lián)組成，橋臂B由兩個開關(guān)器件串聯(lián)組成；所述兩個等值電容的接點經(jīng)二極管正向連接橋臂A第一開關(guān)器件與第二開關(guān)器件的接點、經(jīng)二極管反向連接橋臂A第三開關(guān)器件與第四開關(guān)器件的接點；所述橋臂A的中點即第二開關(guān)器件與第三開關(guān)器件的接點為輸出端A，所述橋臂B的中點即第五開關(guān)器件與第六開關(guān)器件的接點為輸出端B；(2)級聯(lián)構(gòu)成多電平逆變器時，第一個基本模塊的輸出端B連接第二個基本模塊的輸出端A構(gòu)成中間輸出端，…，依次類推，所級聯(lián)的基本模塊數(shù)量為2-8；(3)所級聯(lián)的各基本模塊采用不同的母線直流電壓，第一個基本模塊母線電壓為2E、第二個基本模塊母線電壓為4E、…，依次類推。
2.如權(quán)利要求1所述的多電平逆變器，其特征在于所級聯(lián)的各基本模塊采用相同的母線直流電壓。
3.如權(quán)利要求1或2所述的多電平逆變器，其特征在于所述基本模塊中橋臂A的開關(guān)器件采用耐壓值較低、開關(guān)頻率較高的器件；橋臂B的開關(guān)器件采用耐壓值較高、開關(guān)頻率較低的器件。
全文摘要
本發(fā)明級聯(lián)型多電平逆變器，屬于多電平功率變換技術(shù)，具體涉及一種多電平功率變換逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)，目的是應用在高壓大功率場合、在與傳統(tǒng)的級聯(lián)型逆變器輸出相同電平數(shù)量的情況下減少使用元件的數(shù)量、簡化其結(jié)構(gòu)和控制。它以基本模塊不對稱5電平逆變器級聯(lián)構(gòu)成多電平逆變器，合成輸出電壓，所級聯(lián)的基本模塊數(shù)量為2－8；可以獲得9、13電平乃至更多電平的逆變器；所述逆變器可以用在高壓大功率，并且在不增加開關(guān)器件的條件下，增加電平數(shù)數(shù)量，提高波形質(zhì)量；在逆變器工作時，第一基本模塊和第二基本模塊同時向負載進行供電，模塊之間不存在有功環(huán)流。
文檔編號H02M7/48GK1625037SQ20041006131
公開日2005年6月8日 申請日期2004年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月10日
發(fā)明者鄒云屏, 丁凱, 金紅元, 吳智超 申請人:華中科技大學