[发明专利]一种钳位级联倍频多电平功率变换器及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于钳位级联倍频的多电平功率变换器，单个逆变模块使用的功率器件少，开关损耗较小，电能转换效率高，系统为多模块化级联，保证了更高的输出功率，多电平的交流电压也使得输出电压谐波含量低，仅含有少量固定的高次谐波，更适用于高压直流到高压交流变换的大功率应用场合。

背景技术

大容量电力电子逆变装置在能源与电能变换中起着重要作用，广泛应用于国民经济的各个领域，特别是在大型油气输送，液化天然气及抽水蓄能变频装备中，这些装备的特点是超大容量，装备容量可在20～120MW,电压也在10KV以上。而单个电力电子器件的耐压等级是有限的，由于目前电力电子开关器件性能水平达到了瓶颈，所以只能从优化拓扑结构和控制方式入手解决问题，因此研究多电平模块化级联结构的功率变换器拓扑具有重要意义。

多个功率器件直接串联可以满足高压需求，但当多个器件直接串联，器件的均压问题将变得难以解决。将多个逆变器模块级联使用是一种降低单个器件的耐压能力的有效解决办法，如果输入端的输入电压为U_dc，N个逆变模块级联，每个模块的电容实现均压，则每个模块的电容承受的电压为U_dc/N，大大降低了电容电压和IGBT的耐压值，解决了功率开关耐压不足与高压大功率驱动之间的矛盾。此外由于采用模块化设计，非常易于维修和冗余设计，大大减少系统的维修时间，提高系统的可靠性。

对于单个逆变模块结构，传统的逆变模块的输出电压为2电平阶梯波，输出电压频率为IGBT的开关频率，使得如果要输出高频率的电压，就要大大提高IGBT的开关频率，不仅存在开关损耗，还很容易导致开关噪声的产生。因此研究开关频率较低、各个逆变模块电压应力较低、控制更简单的拓扑结构具有十分重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种钳位级联倍频多电平功率变换器及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种钳位级联倍频多电平功率变换器，包括多个级联的逆变模块，每个所述逆变模块包括一个钳位五电平H桥逆变单元；所述钳位五电平H桥逆变单元包括2个电容、8个IGBT及与所述IGBT反向并联的二极管，第一、第二、第三、第四IGBT串联形成左桥臂；第五、第六、第七、第八IGBT串联形成右桥臂；左桥臂、右桥臂并联；两个电容串联后，与左桥臂并联；当左桥臂第一IGBT V_i1和第二IGBT Vi₂开通时，逆变单元输出电平当左桥臂第三V_i3、第四V_i4开通时，逆变单元输出电平当左桥臂第二IGBT V_i2、第三IGBT V_i3开通时，由于二极管钳位作用，在H桥逆变单元输出端输出零电平，左桥臂第二IGBT V_i2、第三IGBT之间输出电压为三电平阶梯波；右桥臂与左桥臂原理相同，输出电压波形也为三电平阶梯波，但两者之间存在相位差，使得输出波形为五电平阶梯波。

本发明还提供了一种上述钳位级联倍频多电平功率变换器的控制方法，包括以下步骤：

1)当控制周期信号使能时，DSP发出电压指令Uout，为保证H桥逆变单元中串联的IGBT不同时导通，每个H桥逆变单元的IGBT都加入开通延迟时间，保证V_i1和V_i3或V_i2和V_i4不同时导通，使得输出的电压信号存在一定偏差，为改善电压质量，在调制信号中加入死区补偿Δu，得到调制波Uref：

Uref＝Uout+Δu；

2)DSP发出载波信号Ur_i，每个逆变模块的三角载波的相位差为用N个峰值1V、相位依次相差θ的三角载波Ur₁、Ur₂…Ur_N与调制波比较后得到每个逆变模块的PWM控制信号，控制H桥逆变单元左桥臂功率管的开关，其中N为逆变模块数量；

3)将调试波Uref相位偏移180°得到Uref'，将Uref'与载波信号Ur_i比较后，得到控制H桥逆变单元右桥臂控制信号，控制H桥逆变单元右桥臂功率管的开关，使得每个模块IGBT的PWM控制信号异步输出，各个模块输出的电压阶梯波串联叠加后形成多电平输出电压。

Δu＝1.7us。