一种半桥级联型多电平逆变器及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子及非线性控制领域，具体涉及一种半桥级联型多电平逆变器及控制方法。
【背景技术】
[0002]随着电力电子技术的发展，逆变器的应用越来越广泛。而多电平逆变器由于输出容量大、输出电压电流谐波含量少、开关管承受反向电压低等优点，在中高压调速及新能源发电等领域广泛应用。多电平逆变器具有多种拓扑结构，目前主要有二极管箝位型多电平逆变器、电容箝位型多电平逆变器、级联型多电平逆变器等。与二极管箝位型和电容箝位型多电平逆变器相比，H桥级联多电平逆变器因其不存在直流电容分压、均压问题、开关管电压应力低、易于模块化等优点广泛应用于高压大容量变换器中。然而，大量绝缘栅双极性晶体管的使用使得成本大大增加，如何减少使用数量成为了研究热点。
[0003]虽然多电平逆变器具有多种不同的拓扑结构，但是其常用的调制方法是通用的:多电平载波SPffM，空间矢量SVPW，阶梯波调制方法等，在理想恒定直流电源应用条件下，这些传统调制策略都可以达到多电平的控制效果，输出良好的波形质量，满足变换器应用的需要。然而这些传统调制策略在直流电源存在输入电压的不平衡或低频脉动等非理想情况时，会导致输出电压波形的畸变，不再能够满足正常的工作需要。
【发明内容】
[0004]为了克服现有级联多电平拓扑及控制策略的不足，本发明提供一种半桥级联型多电平逆变器及控制方法。
[0005]本发明控制策略采用单周控制方式，通过时钟脉冲的错位来实现输出电平的叠加从而产生多电平输出。
[0006]—种半桥级联型多电平逆变器，由前、后级变换器串联构成，所述前级变换器由η个半桥单元级联构成，每个半桥单元的两条直流母线之间一端跨接直流电源或电容，另一端跨接半桥电路，所述半桥电路由绝缘栅双极性晶体管及不控二极管串联构成，所述第一半桥单元的绝缘栅双极性晶体管及不控二极管的连接点引出后级变换器输入侧端点Α，第η个半桥单元的直流电源或电容负端引出后级变换器的输入侧端点B;上一级半桥单元的直流电源或电容负端与下一级绝缘栅双极性晶体管及不控二极管的的连接点相连。
[0007]所述后级变换器为单相全桥逆变电路。
[0008]所述单相全桥逆变电路具体由四个全控型电力电子开关构成。
[0009]还包括LC滤波器，所述LC滤波器与后级变换器连接。
[0010]—种半桥级联型多电平逆变器的控制方法，前级变换器的每个半桥单元均由独立的单周期控制器控制，通过时钟脉冲错位实现电平的叠加，后级变换器通过判定给定电压的正负使四个全控型电力电子开关交替导通实现输出电压电流的正负半周的交替。
[0011 ]所述时钟脉冲错位具体为:各个级联的半桥单元时钟脉冲依次相差Ts/n时间，所述1为开关周期。
[0012]所述单周期控制器包括采样电路，时钟脉冲发生器，复位积分器及RS触发器。
[0013]本发明的有益效果:
[0014](I)与H桥级联多电平拓扑相比，两级变换器的串联在一定程度上简化了功率单元系统拓扑结构的复杂性，减少了绝缘栅晶体管的使用数量，节约了实施成本。
[0015](2)单周控制策略无需高精度的采样环节，除精确的稳态控制外，在输入电压不平衡、输入电压发生小幅度范围内低频脉动等不稳定情况时依然能够正常工作。
【附图说明】
[0016]图1是本发明的结构示意图；
[0017]图2是本发明的前级变换器的控制结构图；
[0018]图3是本发明的后级变换器的控制示意图；
[0019]图4所示为本实施例在理想恒定直流电源应用条件下，基于单周控制的两级式多电平逆变器的输出电压波形图；
[0020]图5(a)及图5(b)所示为在直流源含有低频脉动时本发明的多电平逆变器采用单周控制的输出电压Vcd的输出波形图及LC滤波后负载输出电压V。；
[0021]图6(a)及图6(b)所示为在直流源含有低频脉动时本发明的多电平逆变器采用传统SPffM控制的输出电压Vcd的输出波形图及LC滤波后负载输出电压V。；
[0022]图7(a)及图7(b)所示为直流源不平衡(仅级联单元I的直流电压含有低频脉动)时本发明的多电平逆变器采用单周控制的输出电压Vcd的输出波形图及LC滤波后负载输出电压V。；
[0023]图8(a)及图8(b)所示为直流源不平衡(仅级联单元I的直流电压含有低频脉动)时本发明的多电平逆变器采用传统SPffM控制的输出电压Vcd的输出波形图及LC滤波后负载输出电压V。。
【具体实施方式】
[0024]下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0025]实施例
[0026]如图1所示，一种半桥级联型多电平逆变器，由前、后级变换器串联构成，所述前级变换器由η个半桥单元级联构成，每个半桥单元的两条直流母线之间一端跨接直流电源或电容，另一端跨接半桥电路，所述半桥电路由绝缘栅双极性晶体管及不控二极管串联构成，所述第一半桥单元的绝缘栅双极性晶体管及不控二极管的连接点引出后级变换器输入侧端点Α，第η半桥单元的直流电源或电容负端引出后级变换器的输入侧端点B;上一级半桥单元的直流电源或电容负端与下一级绝缘栅双极性晶体管及不控二极管的的连接点相连。
[0027]所述半桥电路具体为全控型电力电子开关Sll和不控型二极管Dll串联而成，其中全控型电力电子开关Sn反并联二极管D ’ η。
[0028]所述后级变换器为单相全桥逆变电路，具体为由4个全控型电力电子开关所组成的单相全桥逆变电路，由全控型电力电子开关Sl、S2串联得到桥臂B1，且开反并联二极管0:，开关S2反并联二极管D2;由全控型电力电子开关S3、S4串联而成桥臂B2,且开关S3反并联二极管D3,开关S4反并联二极管D4。逆变器的输出端点C和D串接LC滤波器。
[0029]本发明的控制方法，包括:
[0030]前级变换器的每个半桥单元均由独立的单周期控制器控制，通过时钟脉冲错位实现电平的叠加，后级变换器通过判定给定电压的正负使得四个绝缘栅双极性晶体管交替导通实现输出电压电流的正负半周的交替，所述时钟脉冲错位具体为，各个级联的半桥单元时钟脉冲依次相差Ts/n时间，所述Ts为开关周期。
[0031]具体过程为:
[0032](I)采用单周控制技术，前级变换器各级联单元均采用独立的单周控制器，包括采样电路，时钟脉冲发生器，复位积分器及RS触发器。各级联单元中时钟脉冲依次错位Ts/n时间，其中Ts为开关周期。对于级联单元1，单周控制器的时钟脉冲相移设为0，RS触发器的Q端输出即为开关Sn的开关信号g(Sn);对于级联单元2，单周控制器的时钟脉冲相移设为Ts/n，RS触发器的Q端输出即为开关S21的开关信号g(S21);对于级联单元i，单周控制器的时钟脉冲相移设为(i_l)Ts/n，RS触发器的Q端输出即为开关S11的开关信号g(Sn)。
[0033](2)后级逆变器的控制通过判定给定电压信号的正负来获得逆变器同一桥臂上下开关管互补导通的各