[发明专利]一种级联多电平逆变器

说明书

本发明公开一种新型级联多电平逆变器，该逆变器拓扑由一种双T型多电平单元拓扑依次串联级联构成。该双T型多电平逆变器由两个三电平T型桥臂采用背靠背组合而成，两个三电平T型桥臂共用一个直流母线，直流母线由两个电解电容串联构成，减少了独立供电的直流电源数量，节约了体积和成本。与传统的级联多电平逆变器相比，由新型双T型多电平逆变器串联构成的级联多电平逆变器采用较少的功率器件，可以输出更多的电压电平数，输出电压中谐波含量较低，具有较好的电磁兼容性能、较低的功率开关损耗及较高的可靠性。该新型级联多电平逆变器拓扑还具有易于模块化和采用软开关技术等优点，较适合于并网系统逆变器应用中。

技术领域

本发明涉及电力电子直流-交流多电平逆变器领域，具体涉及一种新型级联多电平逆变器。

背景技术

随着世界能源的紧缺和环境污染的日益严重，清洁的可再生能源备受人们的青睐，可再生能源的发展和应用依赖于性能优良的直流-交流逆变器装置。因此，亟需研究结构简单，输出电能质量较好，效率较高的逆变器装置。逆变器是用于实现直流-交流电能转换的电子装置，按照直流侧电源性质的不同，逆变器可以分为电压源型逆变器和电流源型逆变器。传统的两电平逆变器通常应用于低压小功率的用电领域。未来电力电子技术研究的目标为高功率密度、高效率、高性能。在实现大功率变换的解决方案中，多电平逆变器因其控制方式多样、输出波形谐波畸变率低、功率器件电压应力低、电磁干扰(ElectroMagnetic Interference，EMI)少、逆变效率高等良好的特性已成为高压大功率应用的热点，例如高压电机变频调速、柔性交流输电、高压直流输电、统一电能质量调节器等领域。R.H.Baker于1975年最早提出了级联H桥多电平变流器的概念；日本学者A.Nabae、H.Akagi等人于1983年提出了中点箝位型多电平PWM逆变器；T.A.Meynard于1992年提出了飞跨电容型多电平逆变器。图1(a)和图1(b)所示分别为二极管箝位型和飞跨电容箝位型多电平逆变器拓扑。图1(a)所示的二极管箝位型多电平逆变器在直流侧由(n-1)个电容串联产生n电平的相电压，每相桥臂包括2(n-1)个串联连接的功率开关管，每个功率开关管两端反向并联有一个快速恢复二极管，还包括并联在功率开关管支路上的(n-1)(n-2)个箝位二极管，用于为各个功率开关管进行电压箝位。图1(b)所示为飞跨电容箝位型多电平逆变器拓扑，在直流侧由(n-1)个电容串联产生N电平相电压，每相桥臂包括2(n-1)个串联连接的功率开关管，每个功率开关管两端反向并联有一个快速恢复二极管，每相桥臂还需要(n-1)(n-2)/2个箝位电容，用来实现各个功率开关管的均压。图2所示为级联H桥型多电平逆变器拓扑，由n个全桥相互级联构成，包括4n个功率开关管及相应的反并联二极管、n个独立的直流电源及n个直流电容构成。前两种多电平逆变器拓扑虽然能够实现多电平电压输出，但是需要大量的箝位二极管或者飞跨电容，从而会使系统体积庞大，可靠性降低，成本增加。级联H桥多电平逆变器拓扑结构具有使用器件少、不需要箝位二极管和飞跨电容、易于模块化和采用软开关技术等优点，被认为是比较适合于并网系统的逆变器。

近年来，在传统级联H桥多电平逆变器基础上，大量的新型级联多电平逆变器拓扑相继被提出，旨在实现更高电平数的电压输出、改善输出电能质量。

发明内容

发明目的：为了解决目前传统多电平逆变器结构复杂，体积较大，可靠性较低的问题，本发明公开了一种新型双T型多电平逆变器单元拓扑及新型级联多电平逆变器，同时提出在单元拓扑中采用直流侧电压混合不对称的算法，构成新型混合级联不对称多电平逆变器，使一部分单元模块运行于高频模式，另一部分单元模块运行于低频模式，提高输出电压电平数的同时降低了开关损耗，从而进一步减少EMI，改善输出电能质量。

技术方案：一种新型级联多电平逆变器，其特征在于，该新型级联多电平逆变器由模块1至模块n的n个双T型多电平逆变器单元拓扑依次串联级联构成。所述的双T型多电平逆变器单元拓扑，其特征在于，包括左侧桥臂、上半桥臂、下半桥臂、直流母线、右侧桥臂。