一种单相电压源型大功率逆变拓扑及其控制方法技术

本发明专利技术提供了一种单相电压源型大功率逆变拓扑及控制方法，包括4个门极可关断晶闸管、4个绝缘栅双极晶体管、8个续流二极管、1个电容、4个电感和2个电流传感器。全控型门极可关断晶闸管GTO的载流能力很强，特别适合工作在大功率场合，然而电流驱动型器件的开关频率很低，并不适合运用在传统的单相全桥逆变拓扑电路中。针对GTO这种缺陷，结合GTO的大载流能力和IGBT的高开关频率优点，在GTO单相电压源型全桥逆变电路的基础上，并联了传统的基于绝缘栅双极晶体管IGBT的单相电压源型全桥逆变电路，并采用模型前馈控制与反馈闭环控制相结合的控制方法，有效地改善了GTO单相电压源型全桥逆变电路输出特性。

A single-phase voltage source type high power inverter topology and its control method

The invention provides a single-phase voltage source type high-power inverter topology and control method, which comprises four gate turn-off thyristors, four insulated gate bipolar transistors, eight continuous current diodes, one capacitor, four inductors and two current sensors. The current carrying capacity of GTO is very strong, especially suitable for high-power applications. However, the switching frequency of current driven devices is very low, which is not suitable for the traditional single-phase full bridge inverter topology circuit. In view of this defect of GTO, combined with GTO's large current carrying capacity and IGBT's high switching frequency advantages, on the basis of GTO's single-phase voltage source full bridge inverter circuit, the traditional single-phase voltage source full bridge inverter circuit based on IGBT is paralleled, and the control method of combining model feedforward control and feedback closed-loop control is adopted to effectively improve GTO's single-phase voltage source The output characteristics of type a full bridge inverter.

【技术实现步骤摘要】
一种单相电压源型大功率逆变拓扑及其控制方法
本专利技术针对电力电子逆变器并网领域，具体涉及一种单相电压源型大功率逆变拓扑结构。
技术介绍
随着社会经济的高速发展，逆变器的应用领域日渐广泛，同时对逆变器的输出性能、工作可靠性、使用寿命、性价比等要求越来越高，如工程所需逆变器的容量不断增大，逆变电源的功率作为输出性能的一个重要指标也面临着越来越严峻的挑战，尤其是在工业用电方面，如大型轧钢厂的电弧炉等设备需要几十kA的工作电流，功率高达500MW。门极可关断晶闸管GTO的成本低且载流能力强，可达几千安，特别适合工作在大功率场合，但其电流驱动方式限制了其开关频率，因此基于门极可关断晶闸管GTO的单相电压源型全桥逆变电路的并网电流纹波大，输出电能质量极差，不能对其进行并网控制，这种缺陷限制了其在逆变器领域的应用。
技术实现思路
本专利技术目的在于针对已有技术的不足，提出一种单相电压源型大功率逆变拓扑结构。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种单相电压源型大功率逆变拓扑，基于GTO单相电压源型逆变器与IGBT单相电压源型逆变器，包括第一门极可关断晶闸管、第二门极可关断晶闸管、第三门极可关断晶闸管、第四门极可关断晶闸管、第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管、第四绝缘栅双极晶体管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、电容、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一电流传感器和第二电流传感器；直流母线的正极与电容的一端、第一门极可关断晶闸管的阳极、第五二极管的阴极、第三门极可关断晶闸管的阳极、第七二极管的阴极、第一绝缘栅双极晶体管的集电极、第一二极管的阴极、第三绝缘栅双极晶体管的集电极和第三二极管的阴极连接；直流母线的负极与电容的另一端、第二门极可关断晶闸管的阴极、第六二极管的阳极、第二绝缘栅双极晶体管的发射极、第二二极管的阳极、第四门极可关断晶闸管的阴极、第八二极管的阳极、第四绝缘栅双极晶体管的发射极和第四二极管的阳极连接；第一门极可关断晶闸管的阴极与第二门极可关断晶闸管的阳极、第一电感的一端连接；第三门极可关断晶闸管的阴极与第四门极可关断晶闸管的阳极、第三电感的一端连接；第一绝缘栅双极晶体管的发射极与第二绝缘栅双极晶体管的集电极、第二电感的一端相连；第三绝缘栅双极晶体管的发射极与第四绝缘栅双极晶体管的集电极、第三电感的一端相连；电网的一端与第一电感的另一端、第二电感的另一端连接；电网的另一端与第三电感的另一端、第四电感的另一端连接。由四个门极可关断晶闸管GTO及与其分别反向并联的续流二极管组成的四个开关管构成基于门极可关断晶闸管GTO的单相电压源型全桥逆变拓扑；由四个绝缘栅双极晶体管IGBT及与其分别反向并联的续流二极管组成的四个开关管构成基于绝缘栅双极晶体管IGBT的单相电压源型全桥逆变拓扑；这种的基于GTO与IGBT的单相电压源型大功率逆变拓扑结构由一个基于门极可关断晶闸管GTO的单相电压源型全桥逆变拓扑和一个基于绝缘栅双极晶体管IGBT的单相电压源型全桥逆变拓扑并联构成。直流母线侧并联有大电容，且每个逆变桥臂都并联了反馈二极管，当交流侧负载需要提供无功功率时起到缓冲无功分量的作用。一种单相电压源型大功率逆变拓扑运行时的控制方法，基于上述的单相电压源型大功率逆变拓扑，具体按照以下步骤进行：步骤一：第一电流传感器所测结果为流经门极可关断晶闸管的电流i1的实际值，对门极可关断晶闸管GTO单相电压源型全桥逆变支路单独运行时进行控制。以流经门极可关断晶闸管的电流i1(s)为控制目标，并网电流参考值iref(s)分为两路，一路是模型前馈控制器的输入，另一路与第一电流传感器测得的流经门极可关断晶闸管的电流i1(s)作差，得到误差值e1(s)，经过GGTO控制器输出，该输出值与并网电流参考值iref(s)经过前馈控制器sL1’的输出值相加，共同组成控制桥臂开通与关断的斩波信号，该信号经过GGTO—pwm和电感滤波器sL1后，即得到流经门极可关断晶闸管的电流i1(s)。步骤二：第二电流传感器所测结果为流经绝缘栅双极晶体管的电流i2的实际值，对绝缘栅双极晶体管IGBT单相电压源型全桥逆变支路单独运行时进行控制。以流经绝缘栅双极晶体管的电流i2(s)为控制目标，并网电流参考值iref(s)分为两路，一路是模型前馈控制器的输入，另一路与第二电流传感器测得的流经门极可关断晶闸管的电流i2(s)作差，得到误差值e2(s)，经过GIGBT控制器输出，该输出值与并网电流参考值iref(s)经过前馈控制器sL2’的输出值相加，共同组成控制桥臂开通与关断的斩波信号，该信号经过GIGBT—pwm和电感滤波器sL2后，即得到流经绝缘栅双极晶体管的电流i2(s)。步骤三：GTO与IGBT两个单相电压源型全桥逆变支路同时工作，按以下方法进行控制。其中，GTO单相电压源型全桥逆变支路的控制方法与其单独工作时的控制方法一致，具体操作可参照步骤一。根据步骤一中对门极可关断晶闸管GTO单相电压源型全桥逆变支路单独运行时控制所得的i1(s)，在步骤二控制方法的基础上引入流经绝缘栅双极晶体管的电流的参考值i2_ref(s)的计算环节，构成两个逆变支路同时运行时绝缘栅双极晶体管IGBT单相电压源型全桥逆变支路的控制方法。GTO单相电压源型全桥逆变支路和IGBT单相电压源型全桥逆变支路同时工作时，并网电流i由两个逆变支路电流共同提供，即i＝i1+i2。根据步骤一中第一电流传感器测得的流经门极可关断晶闸管的电流i1的实际值，可计算出流经绝缘栅双极晶体管的电流的参考值i2_ref(s)，如公式(1)所示。i2_ref(s)＝iref(s)-i1(s)(1)该参考值分为两路，一路是模型前馈控制器的输入，另一路与第二电流传感器测得的流经门极可关断晶闸管的电流i2(s)作差，得到误差值e2(s)，经过GIGBT控制器输出，该输出值与并网电流参考值iref(s)经过前馈控制器sL2’的输出值相加，共同组成控制桥臂开通与关断的斩波信号，该信号经过GIGBT—pwm和电感滤波器sL2后，即得到GTO单相电压源型全桥逆变支路和IGBT单相电压源型全桥逆变支路同时工作时流经绝缘栅双极晶体管的电流i2(s)。与现有技术相比，本专利技术电路具有的优点为：并网电流i由流过门极可关断晶闸管的电流i1及流过绝缘栅双极晶体管的电流i2在并网点处汇流获得。基于GTO与IGBT的单相电压源型大功率逆变拓扑与现有技术相比，有效地改善了GTO单相电压源型全桥逆变电路输出特性，同时也提升了传统基于IGBT的单相电压源型全桥逆变电路的输出功率，从而实现将小功率的开关管应用到大功率逆变并网的场合，有效地降低了实际中大功率逆变电路的成本。附图说明图1为一种单相电压源型大功率逆变拓扑结构示意图。图2为并网电流i、电压型单相全桥逆变电路支路并网电流i1(门极可关断晶闸管GTO提供)、电压型单相全桥逆变电路支路并网电流i2(绝缘栅双极晶体管IGBT提供)和实施例中的绝缘栅双极晶体管与门极可关断晶闸管的驱动信号波形。图3为本专利技术拓扑在门极可关断晶闸管GTO单相电压源型全桥逆变支路单独运行时的控制结构框图。图4为本专利技术拓扑在绝缘栅双本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单相电压源型大功率逆变拓扑，基于GTO电压源型逆变器与IGBT电压源型逆变器，其特征在于：包括第一门极可关断晶闸管(VT1)、第二门极可关断晶闸管(VT2)、第三门极可关断晶闸管(VT3)、第四门极可关断晶闸管(VT4)、第一绝缘栅双极晶体管(V1)、第二绝缘栅双极晶体管(V2)、第三绝缘栅双极晶体管(V3)、第四绝缘栅双极晶体管(V4)、第一二极管(VD1)、第二二极管(VD2)、第三二极管(VD3)、第四二极管(VD4)、第五二极管(VD5)、第六二极管(VD6)、第七二极管(VD7)、第八二极管(VD8)、电容(C)、第一电感(L1)、第二电感(L2)、第三电感(L3)、第四电感(L4)、第一电流传感器(CT1)和第二电流传感器(CT2)；直流母线的正极与电容(C)的一端、第一门极可关断晶闸管(VT1)的阳极、第五二极管(VD5)的阴极、第三门极可关断晶闸管(VT3)的阳极、第七二极管(VD7)的阴极、第一绝缘栅双极晶体管(V1)的集电极、第一二极管(VD1)的阴极、第三绝缘栅双极晶体管(V3)的集电极和第三二极管(VD3)的阴极连接；直流母线的负极与电容(C)的另一端、第二门极可关断晶闸管(VT2)的阴极、第六二极管(VD6)的阳极、第二绝缘栅双极晶体管(V2)的发射极、第二二极管(VD2)的阳极、第四门极可关断晶闸管(VT4)的阴极、第八二极管(VD8)的阳极、第四绝缘栅双极晶体管(V4)的发射极和第四二极管(VD4)的阳极连接；第一门极可关断晶闸管(VT1)的阴极与第二门极可关断晶闸管(VT2)的阳极、第一电感(L1)的一端连接；第三门极可关断晶闸管(VT3)的阴极与第四门极可关断晶闸管(VT4)的阳极、第三电感(L3)的一端连接；第一绝缘栅双极晶体管(V1)的发射极与第二绝缘栅双极晶体管(V2)的集电极、第二电感(L2)的一端相连；第三绝缘栅双极晶体管(V3)的发射极与第四绝缘栅双极晶体管(V4)的集电极、第三电感(L3)的一端相连；电网的一端与第一电感(L1)的另一端、第二电感(L2)的另一端连接；电网的另一端与第三电感(L3)的另一端、第四电感(L4)的另一端连接。...

【技术特征摘要】
1.一种单相电压源型大功率逆变拓扑，基于GTO电压源型逆变器与IGBT电压源型逆变器，其特征在于：包括第一门极可关断晶闸管(VT1)、第二门极可关断晶闸管(VT2)、第三门极可关断晶闸管(VT3)、第四门极可关断晶闸管(VT4)、第一绝缘栅双极晶体管(V1)、第二绝缘栅双极晶体管(V2)、第三绝缘栅双极晶体管(V3)、第四绝缘栅双极晶体管(V4)、第一二极管(VD1)、第二二极管(VD2)、第三二极管(VD3)、第四二极管(VD4)、第五二极管(VD5)、第六二极管(VD6)、第七二极管(VD7)、第八二极管(VD8)、电容(C)、第一电感(L1)、第二电感(L2)、第三电感(L3)、第四电感(L4)、第一电流传感器(CT1)和第二电流传感器(CT2)；直流母线的正极与电容(C)的一端、第一门极可关断晶闸管(VT1)的阳极、第五二极管(VD5)的阴极、第三门极可关断晶闸管(VT3)的阳极、第七二极管(VD7)的阴极、第一绝缘栅双极晶体管(V1)的集电极、第一二极管(VD1)的阴极、第三绝缘栅双极晶体管(V3)的集电极和第三二极管(VD3)的阴极连接；直流母线的负极与电容(C)的另一端、第二门极可关断晶闸管(VT2)的阴极、第六二极管(VD6)的阳极、第二绝缘栅双极晶体管(V2)的发射极、第二二极管(VD2)的阳极、第四门极可关断晶闸管(VT4)的阴极、第八二极管(VD8)的阳极、第四绝缘栅双极晶体管(V4)的发射极和第四二极管(VD4)的阳极连接；第一门极可关断晶闸管(VT1)的阴极与第二门极可关断晶闸管(VT2)的阳极、第一电感(L1)的一端连接；第三门极可关断晶闸管(VT3)的阴极与第四门极可关断晶闸管(VT4)的阳极、第三电感(L3)的一端连接；第一绝缘栅双极晶体管(V1)的发射极与第二绝缘栅双极晶体管(V2)的集电极、第二电感(L2)的一端相连；第三绝缘栅双极晶体管(V3)的发射极与第四绝缘栅双极晶体管(V4)的集电极、第三电感(L3)的一端相连；电网的一端与第一电感(L1)的另一端、第二电感(L2)的另一端连接；电网的另一端与第三电感(L3)的另一端、第四电感(L4)的另一端连接。2.根据权利要求1所述的一种单相电压源型大功率逆变拓扑，其特征在于：由四个门极可关断晶闸管GTO(VT1、VT2、VT3、VT4)及与其分别反向并联的续流二极管(VD5、VD6、VD7、VD8)组成的四个开关管(S5、S6、S7、S8)构成基于门极可关断晶闸管GTO的单相电压源型全桥逆变拓扑；由四个绝缘栅双极晶体管IGBT(V1、V2、V3、V4)及与其分别反向并联的续流二极管(VD1、VD2、VD3、VD4)组成的四个开关管(S1、S2、S3、S4)构成基于绝缘栅双极晶体管IGBT的单相电压源型全桥逆变拓扑；这种基于GTO与IGBT的单相电压源型大功率逆变拓扑结构由一个基于门极可关断晶闸管GTO的单相电压源型全桥逆变拓扑和一个基于绝缘栅双极晶体管IGBT的单相电压源型全桥逆变拓扑并联构成。3.根据权利要求1所述的一种单相电压源型大功率逆变拓扑，其特征在于：直流母线侧并联有大电容(C)，且每个逆变桥臂都并联了反...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯夏云，汪飞，全晓庆，任林涛，施云杰，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31