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CN115642825A - 一种三相五电平pwm逆变器及应用 - Google Patents

一种三相五电平pwm逆变器及应用 Download PDF

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CN115642825A CN202211362230.3A CN202211362230A CN115642825A CN 115642825 A CN115642825 A CN 115642825A CN 202211362230 A CN202211362230 A CN 202211362230A CN 115642825 A CN115642825 A CN 115642825A
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CN202211362230.3A
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杨勇
魏永春
汪盼
樊小虎
毛建良
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Jiangsu Koyoe Energy Technology Co ltd
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Jiangsu Koyoe Energy Technology Co ltd
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Abstract

本发明涉及一种三相五电平逆变器，包括结构相同且并联的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂与第四桥臂，每个桥臂均包括：第一电力电子开关管、第二电力电子开关管、第三电力电子开关管、第四电力电子开关管、第五电力电子开关管、第六电力电子开关管与串联的上分裂电容和下分裂电容；本发明通过改变电路拓扑结构显著减少了使用的电力电子开关管；通过调节桥臂上电力电子开关管的开关状态调节桥臂的输出电压，每个桥臂均可以输出五种不同的电平值，第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂可以分别输出不同的电压，从而实现稳定的带不平衡负载运行，进一步提高了三相五电平PWM逆变器的性能与适用范围，在新能源逆变器系统中有良好的应用前景。

Description

一种三相五电平PWM逆变器及应用
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其是指一种三相五电平PWM逆变器及应用。
背景技术
随着电力电子技术的发展和新能源逆变装置性能要求的日益提高，其对逆变器的功率等级与电压等级的要求也日益严格，高频PWM逆变器成为研究热点。多电平PWM逆变器与二电平PWM逆变器相比，由于每个功率半导体器件所需要承受的电压更小，可以选用耐压等级较低的器件，以实现更高的开关频率，降低系统网侧与输出侧谐波，同时随着输出电平数的增加，总谐波畸变也会降低，输出电压/电流波形质量高，变换装置效率高，近年来在电能变换系统得到广泛的研究和应用。传统多电平逆变器主要有二极管箝位式拓扑结构、飞跨电容拓扑结构、级联H桥拓扑结构3种类型。对于二极管箝位式拓扑结构的多电平PWM逆变器，当输出电平增加时，其PWM逆变器二极管数量成指数倍增加；对于飞跨电容拓扑结构PWM逆变器，存在电容过多导致电容电压平衡问题；对于级联H桥拓扑结构的多电平PWM逆变器，逆变器每个桥臂需要的电容数量随输出电平数增加而增加，再加上直流侧的大量电容使得系统成本高且封装困难。
目前，在电能变换领域的PWM逆变器主要集中为二电平和三电平PWM逆变器，而传统多电平PWM逆变器的电能转换效率差、成本较高，且无法稳定的带不平衡负载运行。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中三相逆变器无法稳定的带不平衡负载运行的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种三相五电平PWM逆变器，包括结构相同且并联的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂与第四桥臂，每个桥臂均包括：
第一电力电子开关管，其漏极连接直流输入电源的正极；
第二电力电子开关管，其漏极连接所述第一电力电子开关管的源级；
第三电力电子开关管，其漏极连接所述第二电力电子开关管的源级；
第四电力电子开关管，其漏极连接所述第三电力电子开关管的源级，其源级连接直流输入电源的负极；
分裂电容支路，其包括：
串联的上分裂电容与下分裂电容，串联后的一端连接所述第二电力电子开关管的漏极，另一端连接所述第四电力电子开关管的漏极；
第五电力电子开关管，其漏极连接所述分裂电容支路中点；
第六电力电子开关管，其源级连接所述第五电力电子开关管的源级，其漏极连接所述第三电力电子开关管的漏极。
在本发明的一个实施例中，所述第一桥臂、所述第二桥臂与所述第三桥臂均有结构相同的滤波电路，所述滤波电路包括：
电感，一端连接所述第三电力电子开关管的漏极；
电容，正极连接所述电感的另一端，负极连接第四桥臂第三电力电子开关管的漏极，负载并联在所述电容的两端。
在本发明的一个实施例中，所述第一电力电子开关管、所述第二电力电子开关管、所述第三电力电子开关管、所述第四电力电子开关管、所述第五电力电子开关管与所述第六电力电子开关管均为单相低压电力电子开关管。
在本发明的一个实施例中，所述上分裂电容与所述下分裂电容的电容值相等。
在本发明的一个实施例中，所述第一桥臂、所述第二桥臂、所述第三桥臂与所述第四桥臂均有6种工作模式，包括：
模式1：第一电力电子开关管开通、第二电力电子开关管开通、第三电力电子开关管关断，第四电力电子开关管关断、第五电力电子开关管关断、第六电力电子开关管关断，输出到负载两端的电压为Vdc；
模式2：第一电力电子开关管开通、第二电力电子开关管关断、第三电力电子开关管关断，第四电力电子开关管关断、第五电力电子开关管开通、第六电力电子开关管开通，输出到负载两端的电压为3Vdc/4；
模式3：第一电力电子开关管开通、第二电力电子开关管关断、第三电力电子开关管开通，第四电力电子开关管关断、第五电力电子开关管关断、第六电力电子开关管关断，输出到负载两端的电压为Vdc/2；
模式4：第一电力电子开关管关断、第二电力电子开关管开通、第三电力电子开关管关断，第四电力电子开关管开通、第五电力电子开关管关断、第六电力电子开关管关断，输出到负载两端的电压为Vdc/2；
模式5：第一电力电子开关管关断、第二电力电子开关管关断、第三电力电子开关管关断，第四电力电子开关管开通、第五电力电子开关管开通、第六电力电子开关管开通，输出到负载两端的电压为Vdc/4；
模式6：第一电力电子开关管关断、第二电力电子开关管关断、第三电力电子开关管开通，第四电力电子开关管开通、第五电力电子开关管关断、第六电力电子开关管关断，输出到负载两端的电压为0；
其中，Vdc为直流输入电源的电压值。
在本发明的一个实施例中，当第一桥臂处于模式1，第二桥臂处于模式2，第三桥臂处于模式3，第四桥臂处于模式4时，第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂输出到三相负载两端的输出电压分别为Vdc/2、Vdc/4、0。
在本发明的一个实施例中，当第一桥臂处于模式1，第二桥臂处于模式2，第三桥臂处于模式3，第四桥臂处于模式6时，第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂输出到三相负载两端的输出电压分别为Vdc、3Vdc/4、Vdc/2。
在本发明的一个实施例中，当第一桥臂处于模式2，第二桥臂处于模式2，第三桥臂处于模式2，第四桥臂处于模式5时，第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂输出到三相负载两端的输出电压分别为Vdc/2、Vdc/2、Vdc/2。
在本发明的一个实施例中，当第一桥臂处于模式2，第二桥臂处于模式3，第三桥臂处于模式3，第四桥臂处于模式5时，第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂输出到三相负载的输出电压分别为Vdc/2、Vdc/4、Vdc/4。
本发明还提供一种如上述所述的三相五电平PWM逆变器在光伏发电站的应用。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的三相五电平PWM逆变器包括结构相同且并联的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂与第四桥臂，通过改变电路拓扑结构显著减少了使用的电力电子开关管；通过调节桥臂上电力电子开关管的开关状态调节桥臂的输出电压，每个桥臂均可以输出五种不同的电平值，输出电平值的个数约为传统二电平逆变器的三倍，因此滤波电路中使用的电感的电感值约为传统二电平逆变器中滤波电感电感值的三分之一，大大减小了电感的电感值与体积，节约了成本；通过输入PWM直流电源，减小了谐波含量；第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂可以分别处于不同的工作模式，输出不同的电压，从而实现稳定的带不平衡负载运行，进一步提高了三相五电平PWM逆变器的性能与适用范围，在新能源逆变器系统中有良好的应用前景。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明实施例所提供的一种三相五电平PWM逆变器的拓扑结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明提供了一种三相五电平PWM逆变器，包括结构相同且并联的的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂与第四桥臂，每个桥臂均包括：
第一电力电子开关管，其漏极连接直流输入电源的正极；
第二电力电子开关管，其漏极连接所述第一电力电子开关管的源级；
第三电力电子开关管，其漏极连接所述第二电力电子开关管的源级；
第四电力电子开关管，其漏极连接所述第三电力电子开关管的源级，其源级连接直流输入电源的负极；
分裂电容支路，其包括：
串联的上分裂电容与下分裂电容，串联后的一端连接所述第二电力电子开关管的漏极，另一端连接所述第四电力电子开关管的漏极；
第五电力电子开关管，其漏极连接所述分裂电容支路中点；
第六电力电子开关管，其源级连接所述第五电力电子开关管的源级，其漏极连接所述第三电力电子开关管的漏极。
在本实施例中，第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂均有结构相同的滤波电路，所述滤波电路包括：
电感，一端连接所述第三电力电子开关管的漏极；
电容，正极连接所述电感的另一端，负极连接第四桥臂第三电力电子开关管的漏极，负载并联在所述电容的两端。
具体地，第一桥臂由电力电子开关管Sa1、电力电子开关管Sa2、电力电子开关管Sa3、电力电子开关管Sa4、电力电子开关管Sa5、电力电子开关管Sa6构成。电力电子开关管Sa1的漏极相连直流输入电源正级P点，电力电子开关管Sa1的源极与电力电子开关管Sa2的漏极相连P1点，电力电子开关管Sa2的源极、电力电子开关管Sa3的漏极、电力电子开关管Sa6的漏极相连于a点，电力电子开关管Sa5的源极与电力电子开关管Sa6的源极相连，电力电子开关管Sa5的漏极与分裂电容中点相连，电力电子开关管Sa3的源极与电力电子开关管Sa4的漏极相连N1点，电力电子开关管Sa4的源极相连直流输入电源负极N点。
具体地，第二桥臂由电力电子开关管Sb1、电力电子开关管Sb2、电力电子开关管Sb3、电力电子开关管Sb4、电力电子开关管Sb5、电力电子开关管Sb6构成。电力电子开关管Sb1的漏极相连直流输入电源正级P点，电力电子开关管Sb1的源极与电力电子开关管Sb2的漏极相连P2点，电力电子开关管Sb2的源极、电力电子开关管Sb3的漏极、电力电子开关管Sb6的漏极相连于b点，电力电子开关管Sb5的源极与电力电子开关管Sb6的源极相连，电力电子开关管Sb5的漏极与分裂电容中点相连，电力电子开关管Sb3的源极与电力电子开关管Sb4的漏极相连N2点，电力电子开关管Sb4的源极相连直流输入电源负极N点。
具体地，第三桥臂由电力电子开关管Sc1、电力电子开关管Sc2、电力电子开关管Sc3、电力电子开关管Sc4、电力电子开关管Sc5、电力电子开关管Sc6构成。电力电子开关管Sc1的漏极相连直流输入电源正级P点，电力电子开关管Sc1的源极与电力电子开关管Sc2的漏极相连P3点，电力电子开关管Sc2的源极、电力电子开关管Sc3的漏极、电力电子开关管Sc6的漏极相连于c点，电力电子开关管Sc5的源极与电力电子开关管Sc6的源极相连，电力电子开关管Sc5的漏极与分裂电容中点相连，电力电子开关管Sc3的源极与电力电子开关管Sc4的漏极相连N3点，电力电子开关管Sc4的源极相连直流输入电源负极N点。
具体地，第四桥臂由电力电子开关管Sz1、电力电子开关管Sz2、电力电子开关管Sz3、电力电子开关管Sz4、电力电子开关管Sz5、电力电子开关管Sz6构成。电力电子开关管Sz1的漏极相连直流输入电源正级P点，电力电子开关管Sz1的源极与电力电子开关管Sz2的漏极相连P4点，电力电子开关管Sz2的源极、电力电子开关管Sz3的漏极、电力电子开关管Sz6的漏极相连于z点，电力电子开关管Sz5的源极与电力电子开关管Sz6的源极相连，电力电子开关管Sz5的漏极与分裂电容中点相连，电力电子开关管Sz3的源极与电力电子开关管Sz4的漏极相连N4点，电力电子开关管Sz4的源极相连直流输入电源负极N点。
第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂中的a，b，c三点分别与第四桥臂的z点之间连接一个滤波电路，三相负载分别并联在各桥臂滤波电路的电容两端。本发明提供的三相五电平PWM逆变器输出电压分别为第一桥臂与第四桥臂输出电压的差Vaz，第二桥臂与第四桥臂输出电压的差Vbz，第三桥臂与第四桥臂输出电压的差Vcz。
在本发明的一个实施例中，结构相同的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂与第四桥臂均有6种工作模式，6种工作模式可输出5种电平值，如表1所示：
表1三相五电平PWM逆变器中每个桥臂的6种工作模式
Figure BDA0003923077360000071
以第一桥臂为例，Vdc为直流输入电源的电压值，6种工作模式分别为：
模式1：第一电力电子开关管Sa1开通、第二电力电子开关管Sa2开通、第三电力电子开关管Sa3关断，第四电力电子开关管Sa4关断、第五电力电子开关管Sa5关断、第六电力电子开关管Sa6关断，输出到负载两端的电压为Vdc；
模式2：第一电力电子开关管Sa1开通、第二电力电子开关管Sa2关断、第三电力电子开关管Sa3关断，第四电力电子开关管Sa4关断、第五电力电子开关管Sa5开通、第六电力电子开关管Sa6开通，输出到负载两端的电压为3Vdc/4；
模式3：第一电力电子开关管Sa1开通、第二电力电子开关管Sa2关断、第三电力电子开关管Sa3开通，第四电力电子开关管Sa4关断、第五电力电子开关管Sa5关断、第六电力电子开关管Sa6关断，输出到负载两端的电压为Vdc/2；
模式4：第一电力电子开关管Sa1关断、第二电力电子开关管Sa2开通、第三电力电子开关管Sa3关断，第四电力电子开关管Sa4开通、第五电力电子开关管Sa5关断、第六电力电子开关管Sa6关断，输出到负载两端的电压为Vdc/2；
模式5：第一电力电子开关管Sa1关断、第二电力电子开关管Sa2关断、第三电力电子开关管Sa3关断，第四电力电子开关管Sa4开通、第五电力电子开关管Sa5开通、第六电力电子开关管Sa6开通，输出到负载两端的电压为Vdc/4；
模式6：第一电力电子开关管Sa1关断、第二电力电子开关管Sa2关断、第三电力电子开关管Sa3开通，第四电力电子开关管Sa4开通、第五电力电子开关管Sa5关断、第六电力电子开关管Sa6关断，输出到负载两端的电压为0。
在本实施例中，第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂的输出电压Va、Vb、Vc减去第四桥臂的输出电压Vd即为添加到负载两端的电压；本发明实施例提供的三相五电平PWM逆变器的组合工作模式，举例如下：
当第一桥臂处于模式1，第二桥臂处于模式2，第三桥臂处于模式3，第四桥臂处于模式4时，第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂输出到三相负载的输出电压分别为Vdc/2、Vdc/4、0。
当第一桥臂处于模式1，第二桥臂处于模式2，第三桥臂处于模式3，第四桥臂处于模式6时，第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂输出到三相负载的输出电压分别为Vdc、3Vdc/4、Vdc/2。
当第一桥臂处于模式2，第二桥臂处于模式2，第三桥臂处于模式2，第四桥臂处于模式5时，第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂输出到三相负载的输出电压分别为Vdc/2、Vdc/2、Vdc/2。
当第一桥臂处于模式2，第二桥臂处于模式3，第三桥臂处于模式3，第四桥臂处于模式5时，第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂输出到三相负载的输出电压分别为Vdc/2、Vdc/4、Vdc/4。
当第一桥臂处于模式1，第二桥臂处于模式3，第三桥臂处于模式5，第四桥臂处于模式5时，第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂输出到三相负载的输出电压分别为3Vdc/4、Vdc/4、0。
综上所述，本发明实施例所提供的三相五电平PWM逆变器通过改变桥臂上电力电子开关管的开关状态调节桥臂的输出电压，第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂均有6种工作模式，可输出5种电平值，分别为Vdc、3Vdc/4、Vdc/2、Vdc/4、0。第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的输出电压减去第四桥臂的输出电压，即为三桥臂分别添加到三相负载两端的电压；第一桥臂的6种工作模式与第四桥臂的6种工作模式两两结合，共可以输出5种电平值，分别为Vdc、3Vdc/4、Vdc/2、Vdc/4、0；同理，第二桥臂与第三桥臂也可以为其负载提供5种电平值。
本发明所述的三相五电平PWM逆变器包括结构相同且并联的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂与第四桥臂，通过改变电路拓扑结构显著减少了使用的电力电子开关管；通过调节桥臂上电力电子开关管的开关状态调节桥臂的输出电压，每个桥臂均可以输出五种不同的电平值，输出电平值的个数约为传统二电平逆变器的三倍，因此滤波电路中使用的电感的电感值约为传统二电平逆变器中滤波电感电感值的三分之一，大大减小了电感的电感值与体积，节约了成本；通过输入PWM直流电源，减小了谐波含量；第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂可以分别处于不同的工作模式，输出不同的电压，从而实现稳定的带不平衡负载运行，进一步提高了三相五电平PWM逆变器的性能与适用范围，适用于光伏发电站，在新能源逆变器系统中有良好的应用前景。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种三相五电平PWM逆变器，其特征在于，包括结构相同且并联的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂与第四桥臂，每个桥臂均包括：
第一电力电子开关管，其漏极连接直流输入电源的正极；
第二电力电子开关管，其漏极连接所述第一电力电子开关管的源级；
第三电力电子开关管，其漏极连接所述第二电力电子开关管的源级；
第四电力电子开关管，其漏极连接所述第三电力电子开关管的源级，其源级连接直流输入电源的负极；
分裂电容支路，其包括：
串联的上分裂电容与下分裂电容，串联后的一端连接所述第二电力电子开关管的漏极，另一端连接所述第四电力电子开关管的漏极；
第五电力电子开关管，其漏极连接所述分裂电容支路中点；
第六电力电子开关管，其源级连接所述第五电力电子开关管的源级，其漏极连接所述第三电力电子开关管的漏极。
2.根据权利要求1所述的三相五电平PWM逆变器，其特征在于，所述第一桥臂、所述第二桥臂与所述第三桥臂均有结构相同的滤波电路，所述滤波电路包括：
电感，一端连接所述第三电力电子开关管的漏极；
电容，正极连接所述电感的另一端，负极连接第四桥臂第三电力电子开关管的漏极，负载并联在所述电容的两端。
3.根据权利要求1所述的三相五电平PWM逆变器，其特征在于，所述第一电力电子开关管、所述第二电力电子开关管、所述第三电力电子开关管、所述第四电力电子开关管、所述第五电力电子开关管与所述第六电力电子开关管均为单相低压电力电子开关管。
4.根据权利要求1所述的三相五电平PWM逆变器，其特征在于，所述上分裂电容与所述下分裂电容的电容值相等。
5.根据权利要求1所述的三相五电平PWM逆变器，其特征在于，所述第一桥臂、所述第二桥臂、所述第三桥臂与所述第四桥臂均有6种工作模式，包括：
模式1：第一电力电子开关管开通、第二电力电子开关管开通、第三电力电子开关管关断，第四电力电子开关管关断、第五电力电子开关管关断、第六电力电子开关管关断，输出到负载两端的电压为Vdc；
模式2：第一电力电子开关管开通、第二电力电子开关管关断、第三电力电子开关管关断，第四电力电子开关管关断、第五电力电子开关管开通、第六电力电子开关管开通，输出到负载两端的电压为3Vdc/4；
模式3：第一电力电子开关管开通、第二电力电子开关管关断、第三电力电子开关管开通，第四电力电子开关管关断、第五电力电子开关管关断、第六电力电子开关管关断，输出到负载两端的电压为Vdc/2；
模式4：第一电力电子开关管关断、第二电力电子开关管开通、第三电力电子开关管关断，第四电力电子开关管开通、第五电力电子开关管关断、第六电力电子开关管关断，输出到负载两端的电压为Vdc/2；
模式5：第一电力电子开关管关断、第二电力电子开关管关断、第三电力电子开关管关断，第四电力电子开关管开通、第五电力电子开关管开通、第六电力电子开关管开通，输出到负载两端的电压为Vdc/4；
模式6：第一电力电子开关管关断、第二电力电子开关管关断、第三电力电子开关管开通，第四电力电子开关管开通、第五电力电子开关管关断、第六电力电子开关管关断，输出到负载两端的电压为0；
其中，Vdc为直流输入电源的电压值。
6.根据权利要求5所述的三相五电平PWM逆变器，其特征在于，当第一桥臂处于模式1，第二桥臂处于模式2，第三桥臂处于模式3，第四桥臂处于模式4时，第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂输出到三相负载两端的输出电压分别为Vdc/2、Vdc/4、0。
7.根据权利要求5所述的三相五电平PWM逆变器，其特征在于，当第一桥臂处于模式1，第二桥臂处于模式2，第三桥臂处于模式3，第四桥臂处于模式6时，第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂输出到三相负载两端的输出电压分别为Vdc、3Vdc/4、Vdc/2。
8.根据权利要求5所述的三相五电平PWM逆变器，其特征在于，当第一桥臂处于模式2，第二桥臂处于模式2，第三桥臂处于模式2，第四桥臂处于模式5时，第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂输出到三相负载两端的输出电压分别为Vdc/2、Vdc/2、Vdc/2。
9.根据权利要求5所述的三相五电平PWM逆变器，其特征在于，当第一桥臂处于模式2，第二桥臂处于模式3，第三桥臂处于模式3，第四桥臂处于模式5时，第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂输出到三相负载的输出电压分别为Vdc/2、Vdc/4、Vdc/4。
10.一种如权利要求1至9任一项所述的三相五电平PWM逆变器在光伏发电站中的应用。
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