CN111293912A - 一种多电平逆变器、***及控制方法 - Google Patents

一种多电平逆变器、***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多电平逆变器、***及控制方法，包括：直流电源、开关电容网络、T型逆变桥、滤波回路；其中，所述直流电源的输出端与所述开关电容网络的输入端电气连接，所述开关电容网络的输出端与所述T型逆变桥的输入端电气连接，所述T型逆变桥的输出端与所述滤波回路的输入端电气连接，所述滤波回路的输出端用于连接负载，所述开关电容网络的控制端、所述T型逆变桥的控制端用于连接控制装置。旨在提高现有技术的逆变器变换效率低、输出电压不易向更多电平扩展和输入源个数过多的问题。

Description

一种多电平逆变器、***及控制方法
技术领域
本发明涉及逆变领域，特别涉及一种多电平逆变器、***及控制方法。
背景技术
多电平逆变器输出电平数多，电压变化率低，具有谐波含量低、电磁干扰小、输出滤波器体积小等优点，在新能源发电领域具有广泛的应用前景。级联型多电平逆变器没有复杂的电容电压控制策略，并且结构简单，更适合用于输出电平数较多的场合。现有的级联型多电平逆变器按输入源数目可以分为两类。一类是多输入源级联型逆变器如图1所示，其通过增加输入源的数量来增加输出电平数；另一类是单输入源级联型逆变器如图2所示，其借助储能电容形成开关电容网络来实现输出电平的组合。
传统的多输入源级联型逆变器是由n个H桥模块将交流输出侧串联构成，每项输出电压电压为各个模块输出的叠加。其所需要的功率开关管数量较少，更适合用于光伏等新能源发电场所。
基于开关电容的级联型逆变器是由开关电容电路和传统的H型全桥逆变器组合而成。其中，开关电容单元是由二极管Di、功率开关管Si和储能电容Ci组合而成。
多输入源级联型逆变器开关管数量少、输出谐波含量低、电平数可自由组合，但所需输入源个数过多，限制了其应用场合；现有的单输入源级联型多电平逆变器只需一个输入源就能实现不同的输出电平，但存在变换效率过低、功率开关管数量过多的问题，且输出电压不易向更多电平扩展。
发明内容
本发明公开了一种多电平逆变器、***及控制方法，旨在提高现有技术的逆变器变换效率低、输出电压不易向更多电平扩展和输入源个数过多的问题。
本发明是这样实现的：
本发明第一实施例提供了一种多电平逆变器，包括：直流电源、开关电容网络、T型逆变桥、滤波回路；
其中，所述直流电源的输出端与所述开关电容网络的输入端电气连接，所述开关电容网络的输出端与所述T型逆变桥的输入端电气连接，所述T型逆变桥的输出端与所述滤波回路的输入端电气连接，所述滤波回路的输出端用于连接负载，所述开关电容网络的控制端、所述T型逆变桥的控制端用于连接控制装置。
优选地，所述开关电容网络由多个开关电容单元串联而成，所述开关电容单元包括：功率开关管、储能电容、母线二极管，第一非母线二极管；
所述母线二极管的阳极与所述功率开关管的集电极电气连接，所述母线二极管的阴极与所述储能电容的第一端电气连接，所述功率开关管的发射极、所述储能电容的第二端与所述第一非母线二极管的阳极电气连接，第一所述开关电容单元的母线二极管的阳极与所述直流电源的正极电气连接，最后一个所述开关电容单元还包括第二非母线二极管，最后一个所述开关电容单元的第一非母线二极管、第二非母线二极管与所述T型逆变桥电气连接、母线二极管与所述T型逆变桥的输入端电气连接。优选地，所述T型逆变桥包括第一桥臂及第二桥臂；
所述第一桥臂、所述第二桥臂的正极输入端与所述开关电容网络的输出端电气连接，所述第一桥臂、所述第二桥臂的负极输入端与所述直流电源的负极电气连接，所述第一桥臂及所述第二桥臂的输出端与所述滤波回路的输入端电气连接。
优选地，所述第一桥臂包括：第一IGBT管、第三IGBT管、第五IGBT管，所述第二桥臂包括：第二IGBT管、第四IGBT管、第六IGBT管；
其中，所述第一IGBT管的集电极、所述第二IGBT管的集电极与最后一个所述开关电容单元的母线二极管的阴极电气连接，所述第一IGBT管的发射极与所述第五IGBT管的发射极及所述第三IGBT管的集电极电气连接，所述第二效应管的发射极与所述第六IGBT管的发射极及所述第四IGBT管的集电极电气连接，所述第五IGBT管的集电极与最后一个所述开关电容单元的第一母线二级管的阴极电气连接，所述第六IGBT管的集电极与所述第二非母线二极管的阴极电气连接，所述第三IGBT管的发射极、所述第四IGBT管的发射极与所述直流电源的负极电气连接。
优选地，滤波回路包括滤波电感、滤波电容；
其中，所述滤波电感的第一端与所述滤波电容的第一端电气连接，所述滤波电容的第二端与所述第六IGBT管的发射极电气连接，所述滤波电感的第二端与所述第五IGBT管的发射极电气连接。
本发明第二实施例提供了一种***，包括控制装置以及如上任意一项所述的一种多电平逆变器，其中，所述控制装置的输出端与所述开关电容网络的控制端、所述T型逆变桥的控制端电气连接。
本发明第三实施例提供了一种如上所述的控制方法，包括:
获取输入电压，通过比较所述输入电压与基准正弦信号，判断母线电压是否满足逆变要求，并生成电压前馈信号；
当不满足逆变要求时，输出动作信号至所述开关电容网络的控制端，提升所述开关电容网络的母线电压；
获取电压反馈信号，并结合所述电压前馈信号生成调制信号；
将所述调制信号与三角载波信号进行比较，生成T型逆变桥的驱动信号。
优选地，所述获取电压反馈信号，并结合所述电压前馈信号生成调制信号，具体为：
获取输出电压采样信号，获取输出电压采样信号与所述基准正弦信号的比较结果，将所述比较结果输出值PI调节器，生成电压反馈信号，将所述电压反馈信号与所述电压前馈信号求和产生调制信号。
基于本发明提供的一种多电平逆变器、***及控制方法，通过控制装置读取逆变器的输入电压，将输入电压与基准正弦信号进行比较，判断开关电容网络上的母线电压是否满足逆变需求，当不满足逆变要求时，控制装置输出动作信号至开关电容网络的控制端，使得所述开关电容网络动作，抬升母线电压，使得其满足逆变要求，获取电压反馈信号，并将电压反馈信号处理后生成T型桥逆变桥的驱动信号，驱动成T型桥逆变桥进行逆变工作，经过滤波回路后输出至负载。有效的改善了现有技术的逆变器变换效率低、输出电压不易向更多电平扩展和输入源个数过多的问题。
附图说明
图1是传统的多输入源级联型多电平逆变器；
图2是开关电容的级联型逆变器；
图3是本发明实施例提供的一种多电平逆变器的电路结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种多电平逆变器的控制策略示意图；
图5是本发明实施例提供的一种多电平逆变器的控制波形图；
图6是本发明实施例提供的一种多电平逆变器在图5中阶段一[t0-t1,t4-t5]区间等效电路；
图7是本发明实施例提供的一种多电平逆变器在图5中阶段二[t1-t2,t3-t4]区间等效电路；
图8是本发明实施例提供的一种多电平逆变器在图5中阶段三[t2-t3]区间等效电路。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
本发明公开了一种多电平逆变器、***及控制方法，旨在提高现有技术的逆变器变换效率低、输出电压不易向更多电平扩展和输入源个数过多的问题。
本发明是这样实现的：
请参阅图3，本发明第一实施例提供了一种多电平逆变器，包括：直流电源1、开关电容网络2、T型逆变桥3、滤波回路4；
其中，所述直流电源1的输出端与所述开关电容网络2的输入端电气连接，所述开关电容网络2的输出端与所述T型逆变桥3的输入端电气连接，所述T型逆变桥3的输出端与所述滤波回路4的输入端电气连接，所述滤波回路4的输出端用于连接负载，所述开关电容网络2的控制端、所述T型逆变桥3的控制端用于连接控制装置。
需要说明的是，为了便于理解，在本实施例中，所述开关电容网络2采用两个开关电容单串联而成，即存有第一开关电容单元和最后一开关电容单元；
在本实施例中，所述开关电容网络由多个开关电容单元串联而成，所述开关电容单元包括：功率开关管STI、储能电容CI、母线二极管D1I，第一非母线二极管D2I；值得注意的是，i为第一开关电容单元的器件。
所述母线二极管D1I的阳极与所述功率开关管STI的集电极电气连接，所述母线二极管D1I的阴极与所述储能电容CI的第一端电气连接，所述功率开关管STI的发射极、所述储能电容CI的第二端与所述第一非母线二极管D2I的阳极电气连接，第一所述开关电容单元的母线二极管D1I的阳极与所述直流电源1的正极电气连接，最后一个所述开关电容单元还包括第二非母线二极管D2N′，最后一个所述开关电容单元的第一非母线二极管D2I、第二非母线二极管D2N′与所述T型逆变桥电气连接，母线二极管D1I与所述T型逆变桥2T型逆变桥23的输入端电气连接。
优选地，所述T型逆变桥2T型逆变桥23包括第一桥臂及第二桥臂；
所述第一桥臂、所述第二桥臂的正极输入端与所述开关电容网络的输出端电气连接，所述第一桥臂、所述第二桥臂的负极输入端与所述直流电源1的负极电气连接，所述第一桥臂及所述第二桥臂的输出端与所述滤波回路4的输入端电气连接。
在本实施例中，所述第一桥臂包括：第一IGBT管S1、第三IGBT管S3、第五IGBT管S5，所述第二桥臂包括：第二IGBT管S2、第四IGBT管S4、第六IGBT管S6；
其中，所述第一IGBT管S1的集电极、所述第二IGBT管S2的集电极与最后一个所述开关电容单元的母线二极管D1I的阴极电气连接，所述第一IGBT管S1的发射极与所述第五IGBT管S5的发射极及所述第三IGBT管S3的集电极电气连接，所述第二IGBT管S2的发射极与所述第六IGBT管S6的发射极及所述第四IGBT管S4的集电极电气连接，所述第五IGBT管S5的集电极与最后一个所述开关电容单元的第一母线二级管的阴极电气连接，所述第六IGBT管S6的集电极与所述第二非母线二极管D2N′的阴极电气连接，所述第三IGBT管S3的发射极、所述第四IGBT管S4的发射极与所述直流电源1的负极电气连接。
需要说明的是，在其他实施例中，所述第一桥臂与所述第二桥臂还可以由场效应管或GTR管构成，场效应管的源极、栅极及漏极对应连接，这里不做具体限定，但这些方案均在本发明的保护范围内。
在本实施例中，滤波回路4包括滤波电感Lf、滤波回路Cf；所述滤波回路Cf的两端用于连接负载回路5；
其中，所述滤波电感Lf的第一端与所述滤波回路Cf的第一端电气连接，所述滤波回路Cf的第二端与所述第六IGBT管S6的发射极电气连接，所述滤波电感Lf的第二端与所述第五IGBT管S5的发射极电气连接。
请参阅图4至8，所述控制装置用于读取所述输入电压ui，并将所述输入电压ui和所述基准正弦信号uoref进行比较，判断所述母线电压upn能否满足逆变需求，当不满足要求时，所述控制装置输出一个动作信号至所述功率开关管STi(i＝1、2，下同)的导通，来实现的所述母线电压upn的抬升，所述输出电压采样信号uo和所述基准正弦信号uoref比较，经过PI调节器，得到所述输出电压反馈信号uej(j＝1、2、3，下同)，其和所述输入电压前馈量ufj之和生成调制信号usj，再与三角载波信号uc进行比较，得到所述第一IGBT管S1、所述第二IGBT管S2的驱动信号ugeS1、ugeS2；所述第四IGBT管S4、所述第三IGBT管S3分别工作在逆变器的正、负半个工作周期，其和所述开关电容网络开关的动作信号组合成所述T型逆变桥的所述第五IGBT管S5、所述第六IGBT管S6的驱动信号uges5、uges6。
请继续参阅图5，所述输出电压uo为正值时，所述T型逆变桥中的所述第四IGBT管S4恒通，所述第一IGBT管S1工作在SPWM状态；输出电压uo为负值时，所述T型逆变桥中的所述第三IGBT管S3恒通，所述第二IGBT管S2工作在SPWM状态；
当Ui>uo时，所述功率开关管ST1及所述功率开关管ST2关断，所述储能电容C1、所述储能电容C2并联充电；
当2Ui>uo>Ui时，所述开关电容网络中的所述功率开关管ST1导通、所述功率开关管ST2关断，所述储能电容C1、所述储能电容C2并联和输入电压源Ui一起串联放电；
当uo>3Ui时，所述开关电容网络中的所述功率开关管ST1导通，所述功率开关管ST2导通，所述储能电容C1及所述储能电容C2和输入电压源Ui一起串联放电。
为了便于说明，以输出电压正半轴为例进行阐述，即图5中t0-t5区间。图6至图8给出不同电平区间的电路等效图。下面以图3至图5所示的电路结构和控制策略，结合图6至图8叙述本发明的具体工作过程。
逆变器在图5中阶段一[t0-t1,t4-t5]区间等效电路如图6所示。此时，uo<Ui。所述第四IGBT管S4、所述第六IGBT管S6导通，输入电压Ui分别经过所述母线二极管D11—所述储能电容C1—所述母线二极管D21、D22′—所述第六IGBT管S6、所述第四IGBT管S4构成的回路以及所述母线二极管D11、所述母线二极管D12—所述储能电容C2—所述母线二极管D22′—所述第六IGBT管S6、所述第四IGBT管S4构成的回路给所述储能电容C1、所述储能电容C2充电。所述第一IGBT管S1工作在SPWM斩波状态。逆变器输出电压uab在零电压和Ui之间切换。
逆变器在图5中阶段二[t1-t2,t3-t4]区间等效电路如图7所示。此时，2Ui>uo>Ui。所述功率开关管ST1导通，所述储能电容C1、所述储能电容C2通过所述母线二极管D12、所述母线二极管D21并联，并和输入源串联将母线电压upn抬升为2Ui。所述母线二极管D11和所述母线二极管D22承受反向电压，处于截止状态。所述第四IGBT管S4、所述第五IGBT管S5导通，所述第一IGBT管S1处于SPWM斩波状态，逆变器输出电压uab实现在2Ui和3Ui之间切换。
逆变器在图5中阶段二[t2-t3]区间等效电路如图8所示。此时，3Ui>uo>2Ui。所述功率开关管ST1、所述功率开关管ST2导通，所述储能电容C1、所述储能电容C2和输入源通过所述功率开关管ST1、所述功率开关管ST2串联将所述母线电压upn抬升为3Ui。所述母线二极管D12、所述母线二极管D21和所述母线二极管D22承受反向电压，处于截止状态。所述第四IGBT管S4、所述第五IGBT管S5导通，所述第一IGBT管S1处于SPWM斩波状态，逆变器输出电压uab实现在2Ui和3Ui之间切换。
由于逆变器在t5-t10区间与t0-t5区间工作模式相同，在此不再赘述。
本发明第二实施例提供了一种***，包括控制装置以及如上任意一项所述的一种多电平逆变器，其中，所述控制装置的输出端与所述开关电容网络的控制端、所述T型逆变桥的控制端电气连接。
本发明第三实施例提供了一种如上所述的控制方法，包括:
获取输入电压，通过比较所述输入电压与基准正弦信号，判断母线电压是否满足逆变要求，并生成电压前馈信号；
当不满足逆变要求时，输出动作信号至所述开关电容网络的控制端，提升所述开关电容网络的母线电压；
获取电压反馈信号，并结合所述电压前馈信号生成调制信号；
将所述调制信号与三角载波信号进行比较，生成T型逆变桥的驱动信号。
在本实施例中，所述获取电压反馈信号，并结合所述电压前馈信号生成调制信号，具体为：
获取输出电压采样信号，获取输出电压采样信号与所述基准正弦信号的比较结果，将所述比较结果输出值PI调节器，生成电压反馈信号，将所述电压反馈信号与所述电压前馈信号求和产生调制信号。
需要说明的是，在其他实施例中，所述调制信号的生成还可以采用其他方式进行生成，可以根据实际情况对应设置，这里不做具体限定，但这些方案均在本发明的保护范围内。
基于本发明提供的一种多电平逆变器、***及控制方法，通过控制装置读取逆变器的输入电压，将输入电压与基准正弦信号进行比较，判断开关电容网络上的母线电压是否满足逆变需求，当不满足逆变要求时，控制装置输出动作信号至开关电容网络的控制端，使得所述开关电容网络动作，抬升母线电压，使得其满足逆变要求，获取电压反馈信号，并将电压反馈信号处理后生成T型桥逆变桥的驱动信号，驱动成T型桥逆变桥进行逆变工作，经过滤波回路后输出至负载。有效的改善了现有技术的逆变器变换效率低、输出电压不易向更多电平扩展和输入源个数过多的问题。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多电平逆变器，其特征在于，包括：直流电源、开关电容网络、T型逆变桥、滤波回路；
其中，所述直流电源的输出端与所述开关电容网络的输入端电气连接，所述开关电容网络的输出端与所述T型逆变桥的输入端电气连接，所述T型逆变桥的输出端与所述滤波回路的输入端电气连接，所述滤波回路的输出端用于连接负载，所述开关电容网络的控制端、所述T型逆变桥的控制端用于连接控制装置。
2.根据权利要求1所述的一种多电平逆变器，其特征在于，所述开关电容网络由多个开关电容单元串联而成，所述开关电容单元包括：功率开关管、储能电容、母线二极管，第一非母线二极管；
所述母线二极管的阳极与所述功率开关管的集电极电气连接，所述母线二极管的阴极与所述储能电容的第一端电气连接，所述功率开关管的发射极、所述储能电容的第二端与所述第一非母线二极管的阳极电气连接，第一所述开关电容单元的母线二极管的阳极与所述直流电源的正极电气连接，最后一个所述开关电容单元还包括第二非母线二极管，最后一个所述开关电容单元的第一非母线二极管、第二非母线二极管与所述T型逆变桥电气连接、母线二极管与所述T型逆变桥的输入端电气连接。
3.根据权利要求2所述的一种多电平逆变器，其特征在于，所述T型逆变桥包括第一桥臂及第二桥臂；
所述第一桥臂、所述第二桥臂的正极输入端与所述开关电容网络的输出端电气连接，所述第一桥臂、所述第二桥臂的负极输入端与所述直流电源的负极电气连接，所述第一桥臂及所述第二桥臂的输出端与所述滤波回路的输入端电气连接。
4.根据权利要求3所述的一种多电平逆变器，其特征在于，所述第一桥臂包括：第一IGBT管、第三IGBT管、第五IGBT管，所述第二桥臂包括：第二IGBT管、第四IGBT管、第六IGBT管；
其中，所述第一IGBT管的集电极、所述第二IGBT管的集电极与最后一个所述开关电容单元的母线二极管的阴极电气连接，所述第一IGBT管的发射极与所述第五IGBT管的发射极及所述第三IGBT管的集电极电气连接，所述第二效应管的发射极与所述第六IGBT管的发射极及所述第四IGBT管的集电极电气连接，所述第五IGBT管的集电极与最后一个所述开关电容单元的第一母线二级管的阴极电气连接，所述第六IGBT管的集电极与所述第二非母线二极管的阴极电气连接，所述第三IGBT管的发射极、所述第四IGBT管的发射极与所述直流电源的负极电气连接。
5.根据权利要求4所述的一种多电平逆变器，其特征在于，滤波回路包括滤波电感、滤波电容；
其中，所述滤波电感的第一端与所述滤波电容的第一端电气连接，所述滤波电容的第二端与所述第六IGBT管的发射极电气连接，所述滤波电感的第二端与所述第五IGBT管的发射极电气连接。
6.一种***，其特征在于，包括控制装置以及如权利要求1至5任意一项所述的一种多电平逆变器，其中，所述控制装置的输出端与所述开关电容网络的控制端、所述T型逆变桥的控制端电气连接。
7.一种如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，包括:
获取输入电压，通过比较所述输入电压与基准正弦信号，判断母线电压是否满足逆变要求，并生成电压前馈信号；
当不满足逆变要求时，输出动作信号至所述开关电容网络的控制端，提升所述开关电容网络的母线电压；
获取电压反馈信号，并结合所述电压前馈信号生成调制信号；
将所述调制信号与三角载波信号进行比较，生成T型逆变桥的驱动信号。
8.根据权利要求7所述的一种控制方法，其特征在于，所述获取电压反馈信号，并结合所述电压前馈信号生成调制信号，具体为：
获取输出电压采样信号，获取输出电压采样信号与所述基准正弦信号的比较结果，将所述比较结果输出值PI调节器，生成电压反馈信号，将所述电压反馈信号与所述电压前馈信号求和产生调制信号。
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