一种改进的无变压器三相多电平逆变器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种改进的无变压器三相多电平逆变器及其控制方法，采用多个可控开关管配合钳位二极管、飞跨电容和分裂电感组成独立控制模块，使电路具备逻辑操作性，根据不同场合及其需求调整多个开关管导通与关闭来实现直流电压到交流电压的多电平输出，同时电路采用钳位二极管可以消除开关管上的过电压问题，分裂电感可以让互补开关管之间在不设置脉宽调制(PWM)的死区时间的情况下消除功率开关的击穿问题；且所使用的二极管数量少，节约了经济成本；负载输出具有更低的电流和电压THD值，更高的效率，并且功率开关管上具有更低的电压和电流应力。可以应用于各种负载条件，具有实际的工程应用价值。际的工程应用价值。际的工程应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种改进的无变压器三相多电平逆变器及其控制方法


[0001]本专利技术涉及电力电子
，尤其是一种改进的无变压器三相多电平逆变器及其控制方法。

技术介绍

[0002]逆变器被广泛应用于电力电子行业，不管是在轧钢和造纸等工业领域，还是在高铁和船舶等交通运输行业，多电平逆变器具有其独特的优势。传统的多电平逆变器主要包括：飞跨电容(Flying
‑
Capacitor,FC)型、中点钳位(Neutral Point Clamped,NPC)型及级联H桥(Cascade H
‑
Bridge,CHB)型，然而这三种基本拓扑均存在一定的不足，限制了其在一些特殊场合的应用。飞跨电容型和中点钳位型逆变器存在电压击穿的问题。级联H桥型多需要大量独立直流电源，成本较高，应用场景局限性明显。针对传统多电平逆变器存在的电压击穿的问题，现有方案往往采用增加死区的方式解决。但死区时间降低了电压和电流增益，扭曲了波形，增加损耗，使得开关管电压应力难以平衡。为了平衡开关的电压应力，A.M.Y.M.Ghias等人采用了两种解决方案：一是每个桥臂中可以有四个全控制开关，将相应的两个全控开关设置为低泄漏电流；二是通过使用静态均压电阻器(SVSHR)来解决。然而，第一种解决方案的生产过程相对复杂且难以实现，第二种方法存在损耗大、能量密度低、开关损耗分布不均匀等问题，此外，上述解决方案仅适用于单相系统。因此，亟需专利技术一种三相多电平逆变器及其控制方法，以实现消除功率开关的过电压问题和击穿问题。

技术实现思路
r/>[0003]本专利技术需要解决的技术问题是提供一种改进的无变压器三相多电平逆变器及其控制方法，该电路上的钳位二极管和分裂电感可以消除开关管上的过电压问题和直通问题，并且可以不设置死区，同时采用模型预测算法控制十二个开关管的导通和闭合，使得各相都产生二十四种工作模式，实现多电平交流输出。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种改进的无变压器三相多电平逆变器，包括电解电容C1，所述电解电容C1输入端与开关管S
A1
、开关管S
B1
和开关管S
C1
的集电极分别电性连接，所述开关管S
A1
发射极与开关管S
A2
集电极、飞跨电容C
FA
的一端电性连接，所述开关管S
A2
发射极与分裂电感L
A1
的一端、钳位极管D
A
的负极电性连接，所述飞跨电容C
FA
另一端与开关管S
A3
、开关管S
A4
集电极电性连接，所述分裂电感L
A1
的另一端与分裂电感L
A2
的一端、滤波电容C
A
的一端以及负载输入端电性连接，所述钳位极管D
A
的正极与开关管S
A3
集电极、分裂电感L
A2
的另一端电性连接；所述开关管S
B1
发射极与开关管S
B2
集电极、飞跨电容C
FB
的一端电性连接，所述开关管S
B2
发射极与分裂电感L
B1
的一端、钳位极管D
B
的负极电性连接，所述飞跨电容C
FB
另一端与开关管S
B3
、开关管S
B4
集电极电性连接，所述分裂电感L
B1
的另一端与分裂电感L
B2
的一端、滤波电容C
B
的一端以及负载输入端电性连接，所述钳位极管D
B
的正极与开关管S
B3
集电极、分裂电感L
B2
的另一端电性连接；所述开关管S
C1
发射极与开关管S
C2
集电极、飞跨电容C
FC
的一端电性连接，所述开关管S
C2
发射极与分裂电感L
C1
的一端、
钳位极管D
C
的负极电性连接，所述飞跨电容C
FC
另一端与开关管S
C3
、开关管S
C4
集电极电性连接，所述分裂电感L
C1
的另一端与分裂电感L
C2
的一端、滤波电容C
C
的一端以及负载输入端电性连接，所述钳位极管D
C
的正极与开关管S
C3
集电极、分裂电感L
C2
的另一端电性连接；所述分裂电感L
A2
、分裂电感L
B2
、分裂电感L
C2
的另一端分别与开关管S
A3
、开关管S
B3
、开关管S
C3
的集电极电性连接，所述开关管S
A3
、开关管S
B3
、开关管S
C3
的发射极分别与开关管S
A4
、开关管S
B4
、开关管S
C4
的集电极电性连接，所述开关管S
A4
、开关管S
B4
、开关管S
C4
的发射极分别与电解电容C2输出端电位连接，所述电解电容C1输出端、电解电容C2输入端、滤波电容C
A
另一端以及负载输出端均接地。
[0005]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述开关管S
A1
、开关管S
A2
、开关管S
A3
、开关管S
A4
、开关管S
B1
、开关管S
B2
、开关管S
B3
、开关管S
B4
、开关管S
C1
、开关管S
C2
、开关管S
C3
以及开关管S
C4
采用绝缘栅双极晶体管。
[0006]本专利技术技术方案的进一步改进在于：一种改进的无变压器三相多电平逆变器控制方法，包括如下步骤：
[0007]S1、采集三相多电平逆变器负载侧的三相输出电压和三相输出电流、以及电解电容两端电压和分裂电感两端电流，定义三相输出电压u
ox
、三相输出电流i
ox
，分裂电感两端电流为i
x1
，其中，x＝A,B,C,电解电容C1两端电压u
c1
、电解电容C2两端电压u
c2
，根据三相多电平逆变器开关状态可得出27个电压空间矢量，将其定义在αβ空间坐标系下；
[0008]S2、根据S1得到的采样值，送入预测模型中，并根据三相多电平逆变器每一相正半周期十二种工作模式的输出电压，预测计算出下一时刻被控变量x(k)的预测值x(k+1)；
[0009]S3、将给定的参考值x<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改进的无变压器三相多电平逆变器，其特征在于：包括电解电容C1，所述电解电容C1输入端与开关管S
A1
、开关管S
B1
和开关管S
C1
的集电极分别电性连接，所述开关管S
A1
发射极与开关管S
A2
集电极、飞跨电容C
FA
的一端电性连接，所述开关管S
A2
发射极与分裂电感L
A1
的一端、钳位极管D
A
的负极电性连接，所述飞跨电容C
FA
另一端与开关管S
A3
、开关管S
A4
集电极电性连接，所述分裂电感L
A1
的另一端与分裂电感L
A2
的一端、滤波电容C
A
的一端以及负载输入端电性连接，所述钳位极管D
A
的正极与开关管S
A3
集电极、分裂电感L
A2
的另一端电性连接；所述开关管S
B1
发射极与开关管S
B2
集电极、飞跨电容C
FB
的一端电性连接，所述开关管S
B2
发射极与分裂电感L
B1
的一端、钳位极管D
B
的负极电性连接，所述飞跨电容C
FB
另一端与开关管S
B3
、开关管S
B4
集电极电性连接，所述分裂电感L
B1
的另一端与分裂电感L
B2
的一端、滤波电容C
B
的一端以及负载输入端电性连接，所述钳位极管D
B
的正极与开关管S
B3
集电极、分裂电感L
B2
的另一端电性连接；所述开关管S
C1
发射极与开关管S
C2
集电极、飞跨电容C
FC
的一端电性连接，所述开关管S
C2
发射极与分裂电感L
C1
的一端、钳位极管D
C
的负极电性连接，所述飞跨电容C
FC
另一端与开关管S
C3
、开关管S
C4
集电极电性连接，所述分裂电感L
C1
的另一端与分裂电感L
C2
的一端、滤波电容C
C
的一端以及负载输入端电性连接，所述钳位极管D
C
的正极与开关管S
C3
集电极、分裂电感L
C2
的另一端电性连接；所述分裂电感L
A2
、分裂电感L
B2
、分裂电感L
C2
的另一端分别与开关管S
A3
、开关管S
B3
、开关管S
C3
的集电极电性连接，所述开关管S
A3
、开关管S
B3
、开关管S
C3
的发射极分别与开关管S
A4
、开关管S
B4
、开关管S
C4
的集电极电性连接，所述开关管S
A4
、开关管S
B4
、开关管S
C4
的发射极分别与电解电容C2输出端电位连接，所述电解电容C1输出端、电解电容C2输入端、滤波电容C
A
另一端以及负载输出端均接地。2.根据权利要求1所述的一种改进的无变压器三相多电平逆变器，其特征在于：所述开关管S
A1
、开关管S
A2
、开关管S
A3
、开关管S
A4
、开关管S
B1
、开关管S
B2
、开关管S
B3
、开关管S
B4
、开关管S
C1
、开关管S
C2
、开关管S
C3
以及开关管S
C4
采用绝缘栅双极晶体管。3.根据权利要求1所述的一种改进的无变压器三相多电平逆变器控制方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、采集三相多电平逆变器负载侧的三相输出电压和三相输出电流、以及电解电容两端电压和分裂电感两端电流，定义三相输出电压u
ox
、三相输出电流i
ox
，分裂电感两端电流为i
x1
，其中，x＝A,B,C,电解电容C1两端电压u
c1
、电解电容C2两端电压u
c2
，根据三相多电平逆变器开关状态可得出27个电压空间矢量，将其定义在αβ空间坐标系下；S2、根据S1得到的采样值，送入预测模型中，并根据三相多电平逆变器每一相正半周期十二种工作模式的输出电压，预测计算出下一时刻被控变量x(k)的预测值x(k+1)；S3、将给定的参考值x
*
(k+1)和预测值x(k+1)一起输入进目标函数中；S4、将参考值x
*
(k+1)和预测值x(k+1)以及S1中采集的三相输出电压、三相输出电流、电解电容C1及电解电容C2两端电压，分裂电感两端电流i
x1
输入到目标函数中，k为对应第n种基本输出状态，n＝1,2,
…
,27；S5、目标函数在线寻优计算出使目标函数值最小的基本输出状态，即最优输出状态S
opt
；S6、输出该基本输出状态。4.根据权利要求3所述的一种改进的无变压器三相多电平逆变器控制方法，其特征在于：所述步骤S1中三相多电平逆变器总共有27个基本输出状态Sn(n＝1,2,
…
,27)，三相多
电平逆变器负载侧输出电压分别为：式中，u
oa
、u
ob
、u
oc
，代表A、B、C三相的输出电压，5.根据权利要求4所述的一种改进的无变压器三相多电平逆变器控制方法，其特征在于：所述步骤S2中预测模型为：其中u
oαβ
为αβ空间坐标系下两相输出电压，i
oαβ
为αβ空间坐标系下两相输出电流，i
Lαβ
为αβ空间坐标系下分裂电感L
αβ1
电流；该式经离散化后可得，式中，i
Lαβ
(k)是通过采样当前时刻的电感电流，u
oαβ
(k)是当前时刻的电容电压，可预测得到电压矢量u
i
(k)对应(k+1)时刻的电感电流i
Lαβ
(k+1)，然后通过采样并输出电流i
Loαβ
(k)，并假设i
Loαβ
(k)＝i
Loαβ
(k+1)，进一步预测得到(k+1)时刻的电容电压u
oαβ
(k+1)。6.根据权利要求5所述的一种改进的无变压器三相多电平逆变器控制方法，其特征在于：所述步骤S2中每一相正半周期的输出有如下十二种工作模式：第一种工作模式为：开关管S
A1
驱动信号和开关管S
A2
驱动信号是高电平，开关管S
A3
驱动信号和开关管S
A4
驱动信号是低电平，开关管S
A1
和开关管S
A2
导通，开关管S
A3
和开关管S
A4
关断，此时输出电压V
o
为电解电容C1电压0.5V
dc
，输出电流为负，飞跨电容C
FA
既不充电也不放电，分裂电感L
A1
的电压为0.5V
dc
‑
V
o
，分裂电感L
A2
的电压与分裂电感L
A1
的电压大小相等方向相反；第二种工作模式为：开关管S
A2
驱动信号和开关管S
A4
驱动信号是高电平，开关管S
A1
驱动信号和开关管S
A3
驱动信号是低电平，开关管S
A2
和开关管S
A4
导通，所述开关管S
A1
和开关管S
A3
关断，此时输出电压V
o
为0，输出电流为负，电解电容C1电压为0.5V
dc
，飞跨电容C
FA
正在放电且电压为0.5V
dc
，分裂电感L
A1
的电压为0
‑
V
o
，分裂电感L
A2
的电压与分裂电感L
A1
的电压大小相等方向相反；第三种工作模式为：开关管S
A1
驱动信号和开关管S
A2
驱动信号是高电平，开关管S
A3
驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：章仕起，郭小强，胡晓磊，方威凯，宋晓飞，张哲，弗雷德，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：