[发明专利]变基准叠加技术的五电平完美无谐波开关网络拓扑电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种变基准叠加技术的五电平完美无谐波开关网络拓扑电路，它属于一种主要用于大功率、高电压交流电机的变频调压设备的主体部分。

背景技术

随着电力电子元器件和控制系统结构的发展，如可关断门的可控硅整流器(GTO)，绝缘栅型双极三极管(IGBT)，加强型的绝缘栅型双极三极管(IGET)，加强型的可关断门的可控硅整流器(IGCT)的开发以及变频技术结构形式和控制技术的发展，使得高电压大容量变频调压设备得以迅速应用在电力系统及工业系统当中。

变频设备首先经历的是原有两电平输出的控制单元。如图1所示。但由于两电平的输出无论采用何种控制方式，甚至优化的脉冲宽度调制(PWM)控制方式都难以使输出波形接近正弦波以达到完美无谐波。当变频器运行在低频时则输出波形畸变显著。所以，从事此领域研究的人们自然想到增加两电平模块的串并联数量以求达到多电平输出，从而使输出波形接近正弦波，这样的技术被称为多重化技术。如图2所示。从图2A相中的每个模块可输出由脉冲宽度调制(PWM)控制的波形(图3中(a)A1-A5)。将图3中(a)A1-A5的波形叠加即可得到A相的最终的多重化技术输出的波形(图3中(b))。

多重化技术是在原有的两电平控制技术的基础上，串并联多个元器件而形成的。当元器件并联连接时，输出电压要满足元器件承受电压的要求，这种连接方式所引起的问题与复杂的均流装置结合在一起，电路的复杂程度常常易造成元件的损坏。对于串联元器件的连接方式，输出电流同样要满足元器件的承受能力要求，更要确保其分布在元器件上的电压在任何情况下都要均衡，故也常常容易发生系统的故障。因此，从系统可靠性的角度来说，它们都很难保证系统的可靠运行。同时由于控制系统复杂，输出波形也较差，常常造成较严重的各次谐波。另外，串并联器件的动态电阻和极电容不同也会使控制电路复杂，损耗增加。同时器件的串联对触发电路的要求也大大的提高。要尽量做到串联器件同时导通或断开，否则，由于各器件开断时间不一，承受电压不均，会导致器件损坏，甚至整个装置崩溃。

另外，基于多重化方法设计制造的大功率高电压变频调压设备不易解决均流均压的问题，故在设备及系统中会产生较显著的各次谐波。谐波会污染电网，殃及同一电网上其它用电设备，甚至影响电力系统的正常运行。谐波还会干扰通讯和控制系统，严重时会使通讯中断，系统瘫痪。谐波电流也会使电动机损耗增加，因而发热增加，效率及功率因数下降。

最后，由于多重化技术每模拟单元至少需要4个开关元件，而每模拟单元又需要独立的移相变压器供电，故若追求多电平输出波形，自然需增加开关数量及模拟单元的数量，进而使控制系统软硬件更加复杂，从而造成整个系统庞大，造价高，经济效益低。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术难点并提供一种结构简单、绝缘栅型双极三极管数量少、易于控制的变基准叠加技术的五电平完美无谐波开关网络拓扑电路。