串联式z源三电平逆变器及方法
【专利摘要】一种串联式Z源三电平逆变器，包括第一直流电源和第二直流电源，第一直流电源的正极同第一串联式Z源网络相电连接，所述的第二直流电源的负极同第二串联式Z源网络相电连接，第一串联式Z源网络和第二串联式Z源网络均同三电平NPC逆变电路相电连接，三电平NPC逆变电路同A相负载、B相负载和C相负载相电连接。这样的结构结合其方法避免了现有技术中实际应用中电容体积大、成本高而导致启动过程存在冲击电压易造成电容击穿的缺陷。
【专利说明】串联式Z源三电平逆变器及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于逆变器【技术领域】，具体涉及一种串联式Z源三电平逆变器及方法。
【背景技术】
[0002]Z源三电平逆变器不但能提升直流链电压还能直通工作，相对于多级逆变器而言既简化了逆变控制系统又提升了输出波形的质量。但传统Z源三电平逆变器中Z源网络电容电压应力过大，造成实际应用中电容体积大、成本高。启动过程存在冲击电压易造成电容击穿。
【发明内容】
[0003]本发明的目的提供一种串联式Z源三电平逆变器及其控制方法，包括第一直流电源和第二直流电源，第一直流电源的正极同第一串联式Z源网络相电连接，所述的第二直流电源的负极同第二串联式Z源网络相电连接，第一串联式Z源网络和第二串联式Z源网络均同三电平NPC逆变电路相电连接，三电平NPC逆变电路同A相负载、B相负载和C相负载相电连接。这样的结构结合其方法避免了现有技术中实际应用中电容体积大、成本高而导致启动过程存在冲击电压易造成电容击穿的缺陷。
[0004]为了克服现有技术中的不足，本发明提供了 一种串联式Z源三电平逆变器及方法的解决方案，具体如下:
[0005]一种串联式Z源三电平逆变器，包括第一直流电源Udcl和第二直流电源Udc2，第一直流电源Udcl的正极同第一串联式Z源网络相电连接，所述的第二直流电源Udc2的负极同第二串联式Z源网络相电连接，第一串联式Z源网络和第二串联式Z源网络均同三电平NPC逆变电路相电连接，三电平NPC逆变电路同A相负载、B相负载和C相负载相电连接。
[0006]所述的第一串联式Z源网络包括第一电容Cl和第二电容C2，所述的第一电容Cl的一极同第一电感LI的一极和第一直流电源Udcl的正极相电连接,第一电感LI的另一极同第一二极管Dl的正极和第二电容C2的一极相电连接,第一电容Cl的另一极同第二电感L2的一极和第一二极管Dl的负极相电连接,第二电容C2的另一极同第二电感L2的另一极相电连接。
[0007]所述的第二串联式Z源网络包括第三电容C3和第四电容C4，所述的第三电容C3的一极同第三电感L3的一极和第二直流电源Udc2的负极相电连接，第三电感L3的另一极同第二二极管D2的负极和第四电容C4的一极相电连接，第三电容C3的另一极同第四电感L4的一极和第二二极管D2的正极相电连接，第四电容C4的另一极同第四电感L4的另一极相电连接。
[0008]所述的三电平NPC逆变电路包括相互并联的第一三电平NPC逆变分电路、第二三电平NPC逆变分电路以及第三三电平NPC逆变分电路，其中第一三电平NPC逆变分电路包括第一开关管TA1，第一开关管TAl的集电极同第五二极管5的负极相电连接，第一开关管TAl的发射极同第三二极管DAl的负极、第六二极管6的负极、第二开关管TA2的集电极以及第五二极管5的正极相电连接，第二开关管TA2的发射极同第六二极管6的正极、第三开关管TA3的集电极、第七二极管7的负极以及A相负载相电连接，第三开关管TA3的发射极同第七二极管7的正极、第四开关管TA4的集电极、第八二极管8的负极以及第四二极管DA2的正极相电连接，第四开关管TA4的发射极同第八二极管8的正极相电连接；第二三电平NPC逆变分电路包括第五开关管TB1，第五开关管TBl的集电极同第十一二极管11的负极相电连接，第五开关管TBl的发射极同第九二极管DBl的负极、第十二二极管12的负极、第六开关管TB2的集电极以及第十一二极管11的正极相电连接，第六开关管TB2的发射极同第十二二极管12的正极、第七开关管TB3的集电极、第十三二极管13的负极以及B相负载相电连接，第七开关管TB3的发射极同第十三二极管13的正极、第八开关管TB4的集电极、第十四二极管14的负极以及第十二极管DB2的正极相电连接，第八开关管TB4的发射极同第十四二极管14的正极相电连接；第三三电平NPC逆变分电路包括第九开关管TC1，第九开关管TCl的集电极同第十七二极管17的负极相电连接，第九开关管TCl的发射极同第十五二极管DCl的负极、第十八二极管18的负极、第十开关管TC2的集电极以及第十七二极管17的正极相电连接，第十开关管TC2的发射极同第十八二极管18的正极、第十一开关管TC3的集电极、第十九二极管19的负极以及C相负载相电连接，第十一开关管TC3的发射极同第十九二极管19的正极、第十二开关管TC4的集电极、第二十二极管20的负极以及第十六二极管DC2的正极相电连接，第十二开关管TC4的发射极同第二十二极管20的正极相电连接；所述的第一开关管TAl的集电极、第五开关管TBl的集电极以及第九开关管TCl的集电极同所述的第二电容C2的一极相电连接；所述的第四开关管TA4的发射极、第八开关管TB4的发射极以及第十二开关管TC4的发射极同所述的第四电感L4的另一极相电连接；所述的第一直流电源Udcl的负极、第二直流电源Udc2的正极、第三二极管DAl的正极、第四二极管DA2的负极、第九二极管DBl的正极、第十二极管DB2的负极、第十五二极管的正极和第十六二极管的负极相电连接。
[0009]所述的第一电感LI的电感值、第二电感L2的电感值、第三电感L3的电感值和第四电感L4的电感值均为L，L为大于零的实数，所述的第一电容Cl的电容值、第二电容C2的电容值、第三电容C3的电容值和第四电容C4的电容值均为C，C为大于零的实数，所述的第一直流电源Udcl的电压值和第二直流电源Udc2的电压值均为Udc，Udc为实数，这样就能满足如下的公式组(I)的条件:
【权利要求】
1.一种串联式Z源三电平逆变器，其特征在于包括第一直流电源(Udcl)和第二直流电源(Udc2)，第一直流电源(Udcl)的正极同第一串联式Z源网络相电连接，所述的第二直流电源(Udc2)的负极同第二串联式Z源网络相电连接，第一串联式Z源网络和第二串联式Z源网络均同三电平NPC逆变电路相电连接，三电平NPC逆变电路同A相负载、B相负载和C相负载相电连接。
2.根据权利要求1所述的串联式Z源三电平逆变器，其特征在于所述的第一串联式Z源网络包括第一电容(Cl)和第二电容(C2),所述的第一电容(Cl)的一极同第一电感(LI)的一极和第一直流电源(Udcl)的正极相电连接,第一电感(LI)的另一极同第一二极管(Dl)的正极和第二电容(C2)的一极相电连接,第一电容(Cl)的另一极同第二电感(L2)的一极和第一二极管(Dl)的负极相电连接，第二电容(C2)的另一极同第二电感(L2)的另一极相电连接。
3.根据权利要求2所述的串联式Z源三电平逆变器，其特征在于所述的第二串联式Z源网络包括第三电容(C3)和第四电容(C4)，所述的第三电容(C3)的一极同第三电感(L3)的一极和第二直流电源(Udc2)的负极相电连接，第三电感(L3)的另一极同第二二极管(D2)的负极和第四电容(C4)的一极相电连接，第三电容(C3)的另一极同第四电感(L4)的一极和第二二极管(D2)的正极相电连接，第四电容(C4)的另一极同第四电感(L4)的另一极相电连接。
4.根据权利要求3所述的串联式Z源三电平逆变器，其特征在于三电平NPC逆变电路包括相互并联的第一三电平NPC逆变分电路、第二三电平NPC逆变分电路以及第三三电平NPC逆变分电路，其 中第一三电平NPC逆变分电路包括第一开关管(TAl)，第一开关管(TAl)的集电极同第五二极管(5)的负极相电连接，第一开关管(TAl)的发射极同第三二极管(DAl)的负极、第六二极管(6)的负极、第二开关管(TA2)的集电极以及第五二极管(5)的正极相电连接，第二开关管(TA2)的发射极同第六二极管(6)的正极、第三开关管(TA3)的集电极、第七二极管(7)的负极以及A相负载相电连接，第三开关管(TA3)的发射极同第七二极管(7)的正极、第四开关管(TA4)的集电极、第八二极管(8)的负极以及第四二极管(DA2)的正极相电连接，第四开关管(TA4)的发射极同第八二极管(8)的正极相电连接；第二三电平NPC逆变分电路包括第五开关管(TB1)，第五开关管(TBl)的集电极同第十一二极管(11)的负极相电连接，第五开关管(TBl)的发射极同第九二极管(DBl)的负极、第十二二极管(12)的负极、第六开关管(TB2)的集电极以及第十一二极管(11)的正极相电连接，第六开关管(TB2)的发射极同第十二二极管(12)的正极、第七开关管(TB3)的集电极、第十三二极管(13)的负极以及B相负载相电连接，第七开关管(TB3)的发射极同第十三二极管(13)的正极、第八开关管(TB4)的集电极、第十四二极管(14)的负极以及第十二极管(DB2)的正极相电连接，第八开关管(TB4)的发射极同第十四二极管(14)的正极相电连接；第三三电平NPC逆变分电路包括第九开关管(TC1)，第九开关管(TCl)的集电极同第十七二极管(17)的负极相电连接，第九开关管(TCl)的发射极同第十五二极管(DCl)的负极、第十八二极管(18)的负极、第十开关管(TC2)的集电极以及第十七二极管(17)的正极相电连接，第十开关管(TC2)的发射极同第十八二极管(18)的正极、第十一开关管(TC3)的集电极、第十九二极管(19)的负极以及C相负载相电连接，第十一开关管(TC3)的发射极同第十九二极管(19)的正极、第十二开关管(TC4)的集电极、第二十二极管(20)的负极以及第十六二极管(DC2)的正极相电连接，第十二开关管(TC4)的发射极同第二十二极管(20)的正极相电连接；所述的第一开关管(TAl)的集电极、第五开关管(TBl)的集电极以及第九开关管(TCl)的集电极同所述的第二电容(C2)的一极相电连接；所述的第四开关管(TA4)的发射极、第八开关管(TB4)的发射极以及第十二开关管(TC4)的发射极同所述的第四电感(L4)的另一极相电连接；所述的第一直流电源(Udcl)的负极、第二直流电源(Udc2)的正极、第三二极管(DAl)的正极、第四二极管(DA2)的负极、第九二极管(DBl)的正极、第十二极管(DB2)的负极、第十五二极管的正极和第十六二极管的负极相电连接。
5.根据权利要求4所述的串联式Z源三电平逆变器，其特征在于所述的第一电感(LI)的电感值、第二电感(L2)的电感值、第三电感(L3)的电感值和第四电感(L4)的电感值均为L，L为大于零的实数，所述的第一电容(Cl)的电容值、第二电容(C2)的电容值、第三电容(C3)的电容值和第四电容(C4)的电容值均为C，C为大于零的实数，所述的第一直流电源(Udcl)的电压值和第二直流电源(Udc2)的电压值均为Udc，Udc为实数，这样就能满足如下的公式组(I)的条件:
-UL2 - Uu 二 Ul4 = Ul( I )
[Uci 二 Uc2 = Uc3=Ue4=Uc 其中Uli为第一电感(LI)的电感电压值，Ul2为第二电感(L2)的电感电压值，Ul3为第三电感(L3)的电感电压值，Um为第四电感(L4)的电感电压值，Ua为第一电容(Cl)的电容电压值，Uc2为第二电容(C2)的电容电压值，Uc3为第三电容(C3)的电容电压值，Uc4为第四电容(C4)的电容电压值，Uu、Ul2、Ul3以及Um相等且均为队，Ua、U c 2、UC3以及Uc4相等且均为U c，队以及Uc均为实数值。
6.根据权利要求3所述的串联式Z源三电平逆变器的电容电压防冲击的方法，其特征在于，如下所示: 当第一开关管(TAl)、第二开关管(TA2)、第一二极管(Dl)和第二二极管(D2)处于导通状态时，这样A相负载就处于非直通+1状态，并且针对处于非直通+1状态下的A相负载的输出电压为A/2;当第二开关管(TA2)、第三开关管(TA3)、第一二极管(Dl)和第二二极管(D2)处于导通状态，并且第三二极管(DAl)或者第四二极管(DA2)也处于导通状态时，这样A相负载就处于非直通O状态，并且针对处于非直通O状态下的A相负载的输出电压为O ;当第三开关管(TA3)、第四开关管(TA4)、第一二极管(Dl)和第二二极管(D2)处于导通状态时，这样A相负载就处于非直通-1状态，并且针对处于非直通-1状态下的A相负载的输出电压为-仏/2 ;当第一开关管(TAl)、第二开关管(TA2)、第三开关管(TA3)和第四二极管(DA2)处于导通状态时，这样A相负载就处于上直通状态，并且针对处于上直通状态下的A相负载的输出电压为O;当第二开关管(TA2)、第三开关管(TA3)、第四开关管(TA4)和第三二极管(DAl)处于导通状态时，这样A相负载就处于下直通状态，并且针对处于下直通状态下的A相负载的输出电压为O ;而处于非直通+1状态的A相负载、处于非直通O状态的A相负载以及处于非直通-1状态的A相负载就组成了处于非直通状态的A相负载； 当第五开关管(TBl)、第六开关管(TB2)、第一二极管(Dl)和第二二极管(D2)处于导通状态时，这样B相负载就处于非直通+1状态，并且针对处于非直通+1状态下的B相负载的输出电压为A/2;当第六开关管(TB2)、第七开关管(TB3)、第一二极管(Dl)和第二二极管(D2)处于导通状态，并且第九二极管(DBl)或者第十二极管(DB2)也处于导通状态时，这样B相负载就处于非直通O状态，并且针对处于非直通O状态下的B相负载的输出电压为O ;当第七开关管(TB3)、第八开关管(TB4)、第一二极管(Dl)和第二二极管(D2)处于导通状态时，这样B相负载就处于非直通-1状态，并且针对处于非直通-1状态下的B相负载的输出电压为-仏/2 ;当第五开关管(TBl)、第六开关管(TB2)、第七开关管(TB3)和第十二极管(DB2)处于导通状态时，这样B相负载就处于上直通状态，并且针对处于上直通状态下的B相负载的输出电压为O;当第六开关管(TB2)、第七开关管(TB3)、第八开关管(TB4)和第九二极管(DBl)处于导通状态时，这样B相负载就处于下直通状态，并且针对处于下直通状态下的B相负载的输出电压为O ;而处于非直通+1状态的B相负载、处于非直通O状态的B相负载以及处于非直通-1状态的B相负载就组成了处于非直通状态的B相负载；当第九开关管(TCl)、第十开关管(TC2)、第一二极管(Dl)和第二二极管(D2)处于导通状态时，这样C相负载就处于非直通+1状态，并且针对处于非直通+1状态下的C相负载的输出电压为A/2;当第十开关管(TC2)、第十一开关管(TC3)、第一二极管(Dl)和第二二极管(D2)处于导通状态，并且第十五二极管(DCl)或者第十六二极管(DC2)也处于导通状态时，这样C相负载就处于非直通O状态，并且针对处于非直通O状态下的C相负载的输出电压为O;当第十一开关管(TC3)、第十二开关管(TC4)、第一二极管(Dl)和第二二极管(D2)处于导通状态时，这样C相负载就处于非直通-1状态，并且针对处于非直通-1状态下的C相负载的输出电压为-%/2;当第九开关管(TCl)、第十开关管(TC2)、第十一开关管(TC3)和第十六二极管(DC2)处于导通状态时，这样C相负载就处于上直通状态，并且针对处于上直通状态下的C相负载的输出电压为O ;当第十开关管(TC2)、第十一开关管(TC3)、第十二开关管(TC4)和第十五二极管(DCl)处于导通状态时，这样C相负载就处于下直通状态，并且针对处于下直通状态下的C相负载的输出电压为O ;而处于非直通+1状态的C相负载、处于非直通O状态的C相负载以及处于非直通-1状态的C相负载就组成了处于非直通状态的C相负载； 所述的Ui为所述的串联式Z源三电平逆变器的直流链峰值电压值； 这样A相负载处于非直通状态时、B相负载处于非直通状态时或者C相负载处于非直通状态时，所述的串联式Z源三电平逆变器就完成正常的逆变过程，该正常的逆变过程中所述的三电平NPC逆变电路以同第一直流电源(Udcl)的负极和第二直流电源(Udc2)的正极相电连接的结构为中心，以此分离等效为两个电流源，由此第一直流电源(Udcl)和第二直流电源(Udc2)向A相负载、B相负载和C相负载输出电压来产生输出功率，第一直流电源(Udcl)和第二直流电源(Udc2)向A相负载、B相负载或C相负载输出的电压有三种，该三种电压分别为第一输出电压U+N、第二输出电压Un以及第三输出电压U_N，满足公式组(2)的条件:
【文档编号】H02M7/537GK103997244SQ201410193214
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月8日 优先权日:2014年5月8日
【发明者】宋奇吼, 刘盛烺, 陈莉, 杨飏, 童岩峰, 戴丽君 申请人:南京铁道职业技术学院