直流电压自平衡软开关三电平逆变器制造技术

本实用新型专利技术涉及直流电压自平衡软开关三电平逆变器，属于电气工程中的变流技术领域，目的是为需要使用三电平逆变器的高压、大容量应用，提供一种同时有软开关和直流电压自平衡能力的三电平逆变器，以减小开关损耗，简化控制电路。为了实现以上目的，本实用新型专利技术在现有的含准谐振软开关电路的三电平逆变器其中一个桥臂上，由电压自平衡电路取代篏位二极管，其中电压自平衡电路由两个开关元件，并联一个电容加电感的串联支路组成。本实用新型专利技术有益效果在于：不需要额外的直流电压控制算法，简化了控制电路，同时不影响软开关的效果。该技术方案同时适用于单相、三相或多桥臂的三电平逆变器，也同时适用于三相三线和三相四线的电力系统。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及电力系统中的三电平逆变器，尤其是直流电压自平衡软开关三电 平逆变器，属于电气工程中的变流

技术介绍
多电平逆变器一直以来有着灵活性高、输出电压谐波少的优点，而三电平逆变器 已经在中电压、大功率的应用中得到广泛使用。逆变器的开关损耗在降低能量转换效率的 同时，也限制了系统工作的最高频率和形成电磁干扰，这一问题在高压、大容量的应用中尤 为突出。引入软开关技术可以改善以上提出的问题，减轻开关器件上的电压和电流的压力， 并提高逆变器的效率和性能。文献“两电平和三电平逆变器软开关电路的模块化设计”(IEEETransactions on Power Electronics, Vol. 21,No. 1, January 2006 :131_139)中将准谐振直流环节软开关电 路加入三电平二极管簌位逆变器中。如图1中较大方框内部分所示，软开关电路由两个对 称且独立运行的模块组成，每个模块首先将三电平二极管簌位逆变器直流侧两个电容中的 一个替换为两个大小相等的串联直流电容，两个串联电容的中点连接一个由谐振电感和一 个开关元件组成的串联支路，该串联支路的另一端通过谐振电容连接到直流母线的中点， 并通过一个开关元件连接到直流母线的正端或负端；谐振电感和谐振电容是小容量的能量 存储器件，在固定工作频率共振；软开关电路工作时，令储存在谐振电容的能量转移至谐振 电感中，使谐振电容所维持的直流母线电压瞬间下降到零，为开关的动作提供零电压的条 件，从而降低了整个系统的开关损耗；该软开关电路具有控制系统简单、辅助元件少的优 点o由于三电平逆变器的直流侧采用了两个串联的直流电容，直流电压不平衡会导致 逆变器的中点电压漂移，直接影响逆变器的输出效果，较大的直流电压不平衡还将使逆变 器不能稳定运行，因而直流电压平衡控制是三电平逆变器运行时必须要解决的一个重要问 题。而包含软开关电路的三电平逆变器，其电路和控制已经比普通三电平逆变器复杂，更加 需要简单有效的直流电压平衡控制。而加入直流电压平衡控制后，如何能与原有的软开关 电路同时运行而又不互相影响，也是一个需要解决的问题。
技术实现思路
本技术提供一种同时有软开关和直流电压自平衡能力的三电平逆变器，目的 是为需要使用三电平逆变器的高压、大容量应用，以减小开关损耗，简化控制电路。上述目的由以下技术方案实现—种直流电压自平衡软开关三电平逆变器，其特征在于，在含准谐振软开关电路 的三电平逆变器其中一个桥臂上，由电压自平衡电路取代簌位二极管，其中电压自平衡电 路由两个开关元件，并联一个电容加电感的串联支路组成。上述技术方案通过使直流电压自平衡电路上的两个开关元件与三电平逆变器该桥臂上的原有开关元件配合导通，使得电压自平衡电路的电容与直流侧的两个电容交替并 联，从而实现对两个直流电容上的电压平衡控制；为了减低电容并联时的冲击电流，本方案 还加入了电感与电压自平衡电路中的电容串联。本技术进而提供一种基于上述直流电压自平衡软开关三电平逆变器的控制 系统，由以下技术方案实现一种基于上述直流电压自平衡软开关三电平逆变器的控制系统，其特征在于，包 括PWM发生器，提供脉宽调制信号给电压自我平衡单元、新模式检测单元及锁存电路；锁 存电路，暂存最近的脉宽调制信号；新模式检测单元，当检测到脉宽调制信号改变时，触发 准谐振软开关电路产生零直流电压；零转换检测单元，当检测到准谐振软开关电路的直流 电压谐振到接近零时，控制锁存电路发送最近的脉宽调制信号给三电平逆变器的相应开关 元件；谐振检测单元，通过测量得到的三电平逆变器两个直流电容上的电压值，根据直流电 压差是否达到所设的临界值，判定自平衡电路的投入时间。在应用本技术的控制系统中，直流电压自平衡电路根据所设直流电压差的临 界值，去判定自平衡电路的投入时间，软开关谐振模块与电压自平衡单元之间透过不同的 检测电路以确保两者功能相互配合而不会相互影响。本技术所提出的直流电压自平衡软开关三电平逆变器与现有技术相比，其有 益效果在于不需要额外的直流电压控制算法，简化了控制电路，同时不影响软开关的效 果。该技术方案同时适用于单相、三相或多桥臂的三电平逆变器，也同时适用于三相三线和 三相四线的电力系统。附图说明图1为加入直流自平衡电路的软开关三电平逆变器；图2为实施例的逆变器控制原理方框图；图3为仿真例中的非线性负载电流；图4为仿真例中的无直流自平衡单元时的不平衡直流母线电压；图5为仿真例中的通过所提出逆变器控制的平衡直流电压。具体实施方式以下结合附图与具体实施方式对本技术做进一步详细描述。如图1中较小方框内部分所示，A相桥臂中的两个簌位二极管由两个可控开关器 件所取代，再从中并联上一个电容Cm和电感Lm的串连支路，配搭加插在直流母线的准谐振 软开关电路，成为了本方案在三相三电平逆变器中的一个实施例。透过控制A相桥臂中的 六个开关，使电容Cm与软开关电路中的谐振电容Crl和Cr2交替并联，从而使得直流母线 上的电容Crl和Cr2上的电压平衡，保证逆变器正常稳定运行；电感Lm起到缓冲的作用，降 低直流电压不平衡较大时电容并联时的冲击电流。其中准谐振直流环节电路的谐振频率由Cr(Cr = Crl = Cr2)的电容值和Lr(Lr =Lrl = Lr2)的电感值通过以下公式得到T =当开关SI、S2和S6导通时，逆变器输出Vdc/2，(当中Vdc为逆变器直流电压，即直流电容C1至C4之间的电压，Vdc = Vcl+Vc2+Vc3+Vc4)，同时电容Cm和Crl并联连接，两 个电容上的电压将相等。当开关S3、S4和S5被触发时，逆变器输出为-Vdc/2，此时电容Cm 和Cr2并联且电压相等。逆变器该桥臂输出零电压时提供了两种电容并联的方式，透过选 择不同的零电压输出形式，电容Cm可以与电容Crl和Cr2交替并联，将使得三个直流电容 上的电压相等，实现直流电压的自平衡。逆变开关组合如表1所示。表1新型逆变器的开关转换表 同时，每当逆变器要改变输出状态的前后，软开关电路会先被触发。开关器件Scl 和Sc2打开Sal和Sa2闭合，使得电容Crl，Cr2和对应的电感Lrl，Lr2产生谐振。谐振电 容的电压因而瞬间下降到零，为逆变器主要器件提供零电压的开关条件。透过直流电压自 平衡和软开关的功能，能改善三电平逆变直流母线电压不稳的问题，减低开关损耗，增加逆 变的转换效率。本实施例运基于通用型直接脉宽调制技术来控制三电平逆变器，图2所示为直流 电压自平衡软开关三电平逆变器的控制系统图。PWM发生器提供脉宽调制信号PWMa、PWMb、 PWMc给电压自我平衡单元、新模式检测单元及锁存电路。新模式检测单元，当检测到脉宽 调制信号改变时，触发准谐振软开关电路产生零直流电压。整个谐振过程会被监控，当零转 换检测单元检测到准谐振软开关电路的直流电压谐振到接近零时，控制锁存电路发送最近 的脉宽调制信号给三电平逆变器的相应开关元件，使得逆变器的电力元件能实现零电压开 关；谐振检测单元通过测量得到的三电平逆变器两个直流电容上的电压值，根据直流电压 差是否达到所设的临界值，判定自平衡电路的投入时间。谐振模块与电压自我平衡单元之间透过不同的检测电路以确保两者功本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流电压自平衡软开关三电平逆变器，其特征在于，在含准谐振软开关电路的三电平逆变器其中一个桥臂上，由电压自平衡电路取代篏位二极管，其中电压自平衡电路由两个开关元件，并联一个电容加电感的串联支路组成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陆耀强，黄民聪，戴宁怡，黄志剛，
申请(专利权)人：澳门大学，
类型：实用新型
国别省市：MO[]