[發明專利]一種鉗位級聯倍頻多電平功率變換器及其控制方法

在審

• 申請號: 201710030746.0
• 申請日: 2017-01-17
• 公開（公告）號: CN107565841A
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發明（設計）人: 羅安;徐千鳴;王逸興;岳雨霏;郭鵬;丁紅旗;洪樂榮;周芊帆
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: H02M7/487
• 分類號: H02M7/487;H02M7/5387;H02M1/12
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司43113
• 代理人: 馬強,王娟

技術領域

本發明涉及基于鉗位級聯倍頻的多電平功率變換器，單個逆變模塊使用的功率器件少，開關損耗較小，電能轉換效率高，系統為多模塊化級聯，保證了更高的輸出功率，多電平的交流電壓也使得輸出電壓諧波含量低，僅含有少量固定的高次諧波，更適用于高壓直流到高壓交流變換的大功率應用場合。

背景技術

大容量電力電子逆變裝置在能源與電能變換中起著重要作用，廣泛應用于國民經濟的各個領域，特別是在大型油氣輸送，液化天然氣及抽水蓄能變頻裝備中，這些裝備的特點是超大容量，裝備容量可在20～120MW,電壓也在10KV以上。而單個電力電子器件的耐壓等級是有限的，由于目前電力電子開關器件性能水平達到了瓶頸，所以只能從優化拓撲結構和控制方式入手解決問題，因此研究多電平模塊化級聯結構的功率變換器拓撲具有重要意義。

多個功率器件直接串聯可以滿足高壓需求，但當多個器件直接串聯，器件的均壓問題將變得難以解決。將多個逆變器模塊級聯使用是一種降低單個器件的耐壓能力的有效解決辦法，如果輸入端的輸入電壓為U_dc，N個逆變模塊級聯，每個模塊的電容實現均壓，則每個模塊的電容承受的電壓為U_dc/N，大大降低了電容電壓和IGBT的耐壓值，解決了功率開關耐壓不足與高壓大功率驅動之間的矛盾。此外由于采用模塊化設計，非常易于維修和冗余設計，大大減少系統的維修時間，提高系統的可靠性。

對于單個逆變模塊結構，傳統的逆變模塊的輸出電壓為2電平階梯波，輸出電壓頻率為IGBT的開關頻率，使得如果要輸出高頻率的電壓，就要大大提高IGBT的開關頻率，不僅存在開關損耗，還很容易導致開關噪聲的產生。因此研究開關頻率較低、各個逆變模塊電壓應力較低、控制更簡單的拓撲結構具有十分重要意義。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種鉗位級聯倍頻多電平功率變換器及其控制方法。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：一種鉗位級聯倍頻多電平功率變換器，包括多個級聯的逆變模塊，每個所述逆變模塊包括一個鉗位五電平H橋逆變單元；所述鉗位五電平H橋逆變單元包括2個電容、8個IGBT及與所述IGBT反向并聯的二極管，第一、第二、第三、第四IGBT串聯形成左橋臂；第五、第六、第七、第八IGBT串聯形成右橋臂；左橋臂、右橋臂并聯；兩個電容串聯后，與左橋臂并聯；當左橋臂第一IGBT V_i1和第二IGBT Vi₂開通時，逆變單元輸出電平當左橋臂第三V_i3、第四V_i4開通時，逆變單元輸出電平當左橋臂第二IGBT V_i2、第三IGBT V_i3開通時，由于二極管鉗位作用，在H橋逆變單元輸出端輸出零電平，左橋臂第二IGBT V_i2、第三IGBT之間輸出電壓為三電平階梯波；右橋臂與左橋臂原理相同，輸出電壓波形也為三電平階梯波，但兩者之間存在相位差，使得輸出波形為五電平階梯波。

本發明還提供了一種上述鉗位級聯倍頻多電平功率變換器的控制方法，包括以下步驟：

1)當控制周期信號使能時，DSP發出電壓指令Uout，為保證H橋逆變單元中串聯的IGBT不同時導通，每個H橋逆變單元的IGBT都加入開通延遲時間，保證V_i1和V_i3或V_i2和V_i4不同時導通，使得輸出的電壓信號存在一定偏差，為改善電壓質量，在調制信號中加入死區補償Δu，得到調制波Uref：

Uref＝Uout+Δu；

2)DSP發出載波信號Ur_i，每個逆變模塊的三角載波的相位差為用N個峰值1V、相位依次相差θ的三角載波Ur₁、Ur₂…Ur_N與調制波比較后得到每個逆變模塊的PWM控制信號，控制H橋逆變單元左橋臂功率管的開關，其中N為逆變模塊數量；

3)將調試波Uref相位偏移180°得到Uref'，將Uref'與載波信號Ur_i比較后，得到控制H橋逆變單元右橋臂控制信號，控制H橋逆變單元右橋臂功率管的開關，使得每個模塊IGBT的PWM控制信號異步輸出，各個模塊輸出的電壓階梯波串聯疊加后形成多電平輸出電壓。

Δu＝1.7us。