[发明专利]一种级联型分时段变阶高多电平静止变流器

说明书

技术领域

本发明涉及一种级联型分时段变阶高多电平静止变流器，属电力电子变换技术。

背景技术

近年来，级联型多电平逆变器在各种将直流电能转换为交流电能的场合都受到了广泛的关注。由若干个基本逆变单元通过串联连接而形成的单相/三相逆变器，称为级联型逆变器。由于级联型逆变器具有单个器件承受电压应力小，更容易实现高压大容量；在相同开关频率下输出电压、电流波形更接近正弦波，谐波含量低；不需要箝位二极管和箝位电容，结构简单、易于模块化等优势，并且虽然整体等效开关频率变高，但各个H桥单元开关频率得以降低，克服了频率过高会导致较大的开关损耗等问题，因而在以直流发电机、蓄电池、太阳能电池、燃料电池等作为直流电源的逆变场合，具有广泛的应用前景。

但是随着对级联型多电平逆变器的应用以及研究越来越广，对逆变器的输出性能要求逐渐提高之外，体积和重量也成为级联型逆变器必须考虑的一个重要问题。同时，级联逆变器需要大量隔离直流电压源、考虑均衡各单元利用率，以及在级联单元数较多的情况下，各种PWM控制策略将十分复杂，控制也相对困难等问题也使级联逆变器的应用受到了制约。

因此，寻求一种既能降低无源器件的体积重量，又能解决增加级联单元数所导致的独立直流电压源数目过多以及PWM控制策略逻辑复杂等问题，并且可模块化设计的新型静止变流器已迫在眉睫，这对于有效提高静止变流器的变换效率、可靠性和降低成本也将具有十分重要的意义。

发明内容

1、发明目的

本发明的目的在于提供一种既能克服上述现有技术缺陷，又能保留传统交错并联以及级联多电平变换器的优点，并且控制相对简单的分时段变阶高多电平的静止变流器方案。

2、技术方案

为了达到上述的发明目的，本发明的分时段多变电平静止变流器包括前级四路交错并联DC-DC隔离变换器和后级四单元级联逆变器。其中，前级DC-DC隔离变换器采用交错并联移相控制技术，降低了总输入电流纹波脉动幅值，减小了前端滤波器的体积重量；四路相互独立输出的双管正激型变换器，功率管电压应力低，可实现高频变压器隔离；后级四单元级联逆变器由4个单相逆变功率电路以及输出滤波器组成，其中，四单元级联拓扑结构，单元的电压等级和串联数量决定了变流器的输出电压，使得在相同输出电压情况下，各开关管电压应力降低，输出电平数增加。

本发明的后级级联逆变器采用电压电流双闭环载波移相SPWM控制技术，在整体等效开关频率较高的情况下，各个H桥开关频率得以降低从而减小开关损耗，提高效率；同时和主电路的模块化结构类似，其四路载波调制电路也容易实现模块化的结构，这样在某一路出现故障时，电路可通过短路或旁路的方式，实现一定的冗余能力。

本发明的新型分时段变阶高多电平控制电路，其反馈后级逆变器输出正弦电压瞬时值u_o(t)，分时段改变前级四路DC-DC隔离变换器输出电压参考u_ref(x)，使得在不增加前级独立电压源数目的前提下，便可实现更多电平数的输出，从而大大降低输出滤波器的体积重量并改善输出电压电流波形，减少谐波含量。

3、有益效果

本发明的级联型分时段变阶高多电平静止变流器是一种涉及航空和新能源应用的多电平逆变器，其具有以下优点：(1)级联多电平的特点使得变换器输出电压谐波含量小，有助于减小滤波器体积，同时可以降低PWM调制部分的开关频率，降低开关损耗，提高频率；(2)开关管电压应力低，适合于高压大功率场合；(3)反馈逆变器输出正弦电压瞬时值，分时段控制前级DC-DC隔离变换器实现可变电压输出，使得在不增加前端独立直流电源数目的前提下，便可输出更多电平数，从而进一步减小滤波器体积，降低谐波含量，并在相同输出特性要求下，可降低开关频率，减少开关损耗，提高系统效率；(4)四路载波调制控制电路与主电路结构均易于实现模块化设计。

附图说明

图1是本发明的主电路结构框图。

图2是本发明的前级交错并联式双管正激隔离变换器1的电路拓扑结构示意图。

图3是本发明的后级逆变器模块1的电路拓扑结构示意图。

图4是本发明的前级双管正激隔离变换器1输出电压闭环控制示意图。

图5是本发明的分时段变阶高多电平闭环反馈控制框图。

图6为本发明的后级为两单元级联逆变器电路拓扑结构示意图。

图7为应用本发明分时段变阶高多电平技术控制两单元实现七电平工作示意图。