本發(fā)明涉及一種新型兩級式多電平功率逆變系統(tǒng)，屬于電能變換技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

功率逆變器系統(tǒng)（又稱變頻器）是電機(jī)驅(qū)動、并網(wǎng)、孤島電網(wǎng)等系統(tǒng)的核心部件。傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動、并網(wǎng)、孤島電網(wǎng)等系統(tǒng)由直流電源接全橋逆變器進(jìn)行供電，并通過對全橋逆變器的PWM調(diào)制實現(xiàn)逆變輸出。

然而傳統(tǒng)的全橋逆變器控制效果不佳，主要有以下四點(diǎn)原因：

1. 傳統(tǒng)的直流電源接全橋逆變器的方式只能實現(xiàn)降壓輸出，若負(fù)載端電壓等級較高，則傳統(tǒng)的全橋逆變器無法滿足其輸出要求；

2. 傳統(tǒng)的全橋逆變器輸入電流為斷續(xù)電流且存在低頻脈動，會增加直流電源的輸出紋波，且會降低直流電源的可靠性；

3. 采用兩電平全橋逆變器時，若開關(guān)頻率較低，則電流諧波較大，嚴(yán)重增加系統(tǒng)損耗，降低系統(tǒng)可靠性；

4. 采用鉗位型多電平逆變器時，有中點(diǎn)電壓振蕩甚至趨于不平衡的缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種新型兩級式多電平功率逆變系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電源端升壓輸出，滿足高電壓等級的負(fù)載要求；平滑逆變系統(tǒng)給的輸入電流，使輸入電流不會對直流電源的性能和可靠性造成影響；在較低的開關(guān)頻率下實現(xiàn)中點(diǎn)電壓的主動控制，避免中點(diǎn)電壓不平衡的現(xiàn)象出現(xiàn)；在較低的開關(guān)頻率下獲得較小諧波電流，提高系統(tǒng)能效。另外在性能要求極高的場合，可以通過變中點(diǎn)電壓控制，使得多電平逆變器在全輸出范圍內(nèi)均能獲得更小的電流諧波，實現(xiàn)高品質(zhì)逆變輸出。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種新型兩級式多電平功率逆變系統(tǒng)，包括依次連接的前級多路輸出DC-DC變換器、后級多電平逆變器以及負(fù)載，其中：

前級多路輸出DC-DC變換器包括直流電源U_d、電感L、第一開關(guān)管T₁至第N開關(guān)管T_N、第一二極管D₁至第N二極管D_N、第一電容C₁至第N電容C_N，其中，直流電源U_d的陽極與電感L的一端相連，第N開關(guān)管T_N的漏極與電感L的另一端相連，第N開關(guān)管T_N至第一開關(guān)管T₁依次串聯(lián)；第一二極管D₁至第N二極管D_N的陽極分別與第一開關(guān)管T₁至第N開關(guān)管T_N的漏極相連，第一二極管D₁至第N二極管D_N的陰極分別與第一電容C₁至第N電容C_N的正極相連，第一電容C₁至第N電容C_N的負(fù)極分別與直流電源U_d的陰極相連，第一電容C₁至第N電容C_N的負(fù)極分別與第一開關(guān)管T₁的源極相連；

后級多電平逆變器包括第一輸入端子至第N輸入端子以及GND端，其中，第一輸入端子至第N輸入端子分別與第一電容C₁至第N電容C_N的正極相連，GND端分別與第一電容C₁至第N電容C_N的負(fù)極相連。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，第i開關(guān)管T_i的源極與第i-1開關(guān)管T_i-1的漏極連接，其中，i=2,3，…，N。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，前級多路輸出DC-DC變換器采用電壓閉環(huán)控制方法，第一電容C₁至第N電容C_N兩端的電壓U _n1至U_nN分別作為第一至第N反饋電壓，第一至第N反饋電壓分別與電壓基準(zhǔn)作差后，再經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)獲得N個占空比信號，該N個占空比信號分別控制第一開關(guān)管T₁至第N開關(guān)管T_N。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，第一開關(guān)管T₁至第N開關(guān)管T_N均采用MOS管、三極管、IGBT中的任意一種。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，后級多電平逆變器為二極管鉗位型多電平逆變器。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，負(fù)載為電機(jī)、交流市電電網(wǎng)、孤島電網(wǎng)中的一種。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、相同的功率管耐壓下，前級多路輸出DC-DC變換器中電容C_N的正極可以實現(xiàn)直流電源升壓輸出，滿足高電壓等級負(fù)載端的輸出要求；

2、前級多路輸出DC-DC變換器的輸入端為電感，因此輸入電流為平滑的直流電流，不存在傳統(tǒng)方案中電流斷續(xù)的問題，不會對直流電源的性能可靠性造成影響；

3、前級多路輸出DC-DC變換器中電容C₁至C_N-1的正極可以實現(xiàn)直流電源升降壓輸出，且U _n1<U _n2<…< U _n（N-1）；將U _n1至U _n（N-1接入后級多電平逆變器的中點(diǎn)電位處，可以獲得穩(wěn)定的中點(diǎn)電壓；由于中點(diǎn)電壓采用了主動控制，因此不會存在中點(diǎn)電壓不平衡的情況；

4、由于多電平逆變器的輸出電壓采用前級多路輸出DC-DC變換器實現(xiàn)主動控制，因此可以實現(xiàn)變中點(diǎn)電壓的多電平逆變器，配合多電平逆變器的SVM調(diào)制策略可以獲得更小的電流諧波和系統(tǒng)工作效率，藉此獲得更優(yōu)異的控制品質(zhì)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的控制系統(tǒng)總體框圖。

圖2為前級多路輸出DC-DC變換器的工作模態(tài)1。

圖3為前級多路輸出DC-DC變換器的工作模態(tài)2。

圖4為前級多路輸出DC-DC變換器的工作模態(tài)3。

圖5為前級多路輸出DC-DC變換器的工作模態(tài)4。

圖6為前級多路輸出DC-DC變換器的各個工作模態(tài)波形。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

本發(fā)明一種新型兩級式多電平功率逆變系統(tǒng)，如圖1所示，以一個前級多路輸出DC-DC變換器與一個二極管鉗位型多電平逆變器級聯(lián)作為功率拓?fù)洹Ｍㄟ^對前級DC-DC變換器的電壓閉環(huán)控制實現(xiàn)電源升壓和多電平逆變器中點(diǎn)電壓的主動控制，后級鉗位型多電平逆變器可以實現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動、并網(wǎng)逆變、或孤島電網(wǎng)運(yùn)行等功能。

本發(fā)明公開了一種新型兩級式多電平功率逆變系統(tǒng)，包括前級多路輸出DC-DC變換器、后級多電平逆變器以及負(fù)載端。前級多路輸出DC-DC變換器與后級多電平逆變器各自獨(dú)立控制，互不干擾。

本發(fā)明中，前級多路輸出DC-DC變換器包括直流電源U_d、電感L、第一開關(guān)管T₁至第N開關(guān)管T_N、第一二極管D₁至第N二極管D_N、第一電容C₁至第N電容C_N，其中，直流電源U_d的陽極與電感L的一端相連，第N開關(guān)管T_N的漏極與電感L的另一端相連，第N開關(guān)管T_N至第一開關(guān)管T₁依次串聯(lián)；第一二極管D₁至第N二極管D_N的陽極分別與第一開關(guān)管T₁至第N開關(guān)管T_N的漏極相連，第一二極管D₁至第N二極管D_N的陰極分別與第一電容C₁至第N電容C_N的正極相連，第一電容C₁至第N電容C_N的負(fù)極分別與直流電源U_d的陰極相連，第一電容C₁至第N電容C_N的負(fù)極分別與第一開關(guān)管T₁的源極相連。

本發(fā)明中，后級多電平逆變器包括第一輸入端子至第N輸入端子以及GND端，其中，第一輸入端子至第N輸入端子分別與第一電容C₁至第N電容C_N的正極相連，GND端分別與第一電容C₁至第N電容C_N的負(fù)極相連。

前級多路輸出DC-DC變換器中，第一電容C₁至第N電容C_N-1兩端的電壓U _n1至U _n（N-1）可以實現(xiàn)直流電源升降壓輸出，且U _n1<U _n2<…< U _n（N-1），將U _n1至U _n（N-1）接入后級多電平逆變器的中點(diǎn)電位處（見圖1中的中點(diǎn)1至中點(diǎn)N-1，即后級多電平逆變器的第一輸入端子至第N-1輸入端子），可以獲得穩(wěn)定的中點(diǎn)電壓；由于中點(diǎn)電壓采用了主動控制，因此不會存在中點(diǎn)電壓不平衡的情況。

下面以N=3的情況，說明前級多路輸出DC-DC變換器的工作模態(tài)與后級多電平逆變器的控制步驟：

N=3時，前級3路輸出DC-DC變換器包含直流電源U_d、開關(guān)管T₁、T₂、T₃、二極管D₁、D₂、D₃、電感L、電容C₁、C₂、C₃。直流電源U_d的陽極與電感L的一端相連，開關(guān)管T₃的漏極與電感L的另一端相連。開關(guān)管T₁至T₃依次串聯(lián)。二極管D₁至D₃的陽極分別與開關(guān)管T₁至T₃的漏極相連。二極管D₁至D₃的陰極分別與電容C₁至C₃的漏極相連。電容C₁至C₃的負(fù)極與直流電源U_d陰極以及開關(guān)管T₁的源極相連。后級多電平逆變器包含三個輸出端子。

N=3時，前級3路輸出DC-DC變換器的各個工作模態(tài)如下：

工作模態(tài)1，如圖2所示，T₁、T₂、T₃開通，直流電源U_d向電感L充電，電容C₁、C₂、C₃分別為后級多電平逆變器的三個輸出端子供電；

工作模態(tài)2，如圖3所示，T₁關(guān)閉，T₂、T₃保持開通，二極管D₁被迫使導(dǎo)通，直流電源U_d與電感L向電容C₁充電，并同時向后級多電平逆變器的第一輸出端子供電，電容C₂、C₃分別為后級多電平逆變器的第二和第三輸出端子供電；

工作模態(tài)3，如圖4所示，T₁、T₂關(guān)閉，T₃保持開通，二極管C₂被迫使導(dǎo)通，直流電源U_d與電感L向電容C₂充電，并同時向后級多電平逆變器的第二輸出端子供電，電容C₁、C₃分別為后級多電平逆變器的第一和第三輸出端子供電；

工作模態(tài)4，如圖5所示，T₁、T₂、T₃關(guān)閉，二極管C₃被迫使導(dǎo)通，直流電源U_d與電感L向電容C₃充電，并同時向后級多電平逆變器的第三輸出端子供電，電容C₁、C₂分別為后級多電平逆變器的第一和第二輸出端子供電。

重復(fù)工作模態(tài)1至工作模態(tài)4，使得前級3路輸出DC-DC變換器保持正常工作。圖6是前級多路輸出DC-DC變換器的各個工作模態(tài)波形。

本發(fā)明中，后級多電平逆變器的控制步驟如下：

步驟1），從負(fù)載端采樣得到負(fù)載電流的幅值與相位，相位即為位置信號，兩者作為反饋值反饋至磁場定向控制器；

步驟2），電流基準(zhǔn)信號作為磁場定向控制器的輸入信號；

步驟3），磁場定向控制器通過磁場定向控制算法對多電平逆變器進(jìn)行控制，實現(xiàn)負(fù)載電流跟蹤電流基準(zhǔn)信號，系統(tǒng)正常運(yùn)行；

重復(fù)步驟1）至步驟3），使得后級多電平逆變器保持正常運(yùn)行。

本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)：(1)相同開關(guān)管耐壓下，通過前級DC-DC變換器實現(xiàn)升壓，克服直流電源電壓等級的限制，適應(yīng)高電壓等級的負(fù)載；(2)前級DC-DC變換器克服了傳統(tǒng)逆變器輸入電流斷續(xù)或低頻脈動對直流電源的影響；(3)利用前級DC-DC變換器對電壓的主動控制能力來克服鉗位型多電平逆變器中點(diǎn)電壓難以平衡的問題；(4)能夠?qū)崿F(xiàn)變中點(diǎn)電壓的多電平逆變器控制，以獲取更低的電流諧波。本發(fā)明的功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。

以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。