[发明专利]多电平逆变器拓扑结构

说明书

本发明主要涉及多电平逆变器拓扑结构，包括串联连接在接收直流输入电压的第一和第二输入端之间的构成桥臂的上臂和下臂；串联连接在第一和第二输入端之间的第一和第二控制开关；其中在上臂和下臂间互连处的第一中间节点与第一和第二控制开关间互连处的第二中间节点之间输出交流电。在含有逆变电路的拓扑结构中提供能够实现多电平变换成交流电的逆变器和对应的逆变方案。

技术领域

本发明主要涉及到逆变器技术领域，确切的说，是在涉及到能够输出工频交流电的多电平逆变器拓扑结构和对应的逆变方案。

背景技术

电力电子技术自二十世纪五十年代诞生以来经过近半个世纪的飞速发展，至今已被广泛应用于需要电能变换的各个领域，而随着近些年来化工能源的枯竭和对环境的污染变得愈来愈严重，光伏发电领域的能源变换也越来越多的采用到逆变系统。在低压小功率的用电领域，电力电子技术己渐趋成熟，高功率密度、高效率和高性能变成主流，而在高压大功率的工业和输配电技术正成为当今电力电子技术的研究重点。业界总是希望电力电子装置能够处理越来越高的电压等级和容量等级。例如电力系统中的高压直流输电，以静止同步补偿器和有源电力滤波器等为代表的柔性交流输电技术，和以高压变频为代表的大电机驱动和大功率电源装置等；再者，为了满足输出电压谐波含量的要求，又希望这些大功率电力电子装置能工作在高开关频率下，并且尽量减少电磁干扰问题。电力电子器件是电力电子装置的核心，在过去的几十年里，电力电子器件经历了晶闸管、可关断晶闸管、双极型大功率晶体管和场效应控制器件几个阶段。近些年来，各种新型功率器件，集成门极换向晶闸管IGCT和注入增强栅晶体管IEGT等又纷纷出现。

多种高压大功率变换的解决思路和方法归纳起来大致可分为以下几大类：第一、功率器件的串并联技术，这是一种最简单和直接的方案，可以用较小功率的开关器件实现大功率变换，将器件串联以承受高压，将器件并联以承受大电流，这个看似简单的方法，由于功率器件参数的离散性，需要复杂的动、静态均压电路以及均衡电流电路。均压电路会导致系统控制复杂，损耗增加；而器件均流，对于大部分具有负温度系数的功率器件来说是相当困难的事情。同时，对于器件串并联，驱动电路的要求也大大提高，要求延迟时间接近并尽量短。在关断过程中，由于恢复性能的差异，数量众多的吸收电路也是必不可少的但降低了系统的可靠性，并且这一方案对输出电压谐波改善没有任何贡献，因而应用范围受到了一定的局限。第二、逆变器并联技术是将多个小容量的逆变器并联运行，并联逆变器的数目可以根据系统需要的容量来确定。这种方法的主要优点是：易于实现逆变器模块化也可以灵活扩大逆变系统的容量；易于组成N+1个并联冗余系统，提高运行的可靠性和系统的可维护性。逆变器并联技术的难点在于需要从控制电路上解决电压同步、稳态和动态均流、N+1冗余与热切换三大技术。第三、多重转换技术为了用小容量的功率器件实现大容量的功率变换，还可利用多重技术。所谓的多重技术，就是以多个小功率逆变器在其输入或/和输出端通过变压器串联或并联，逆变器以相同频率不同相位工作，从而达到系统的高功率运行和输入、输出谐波改善的目的。多重技术既可应用于单相电路又可应用于三相电路。多重技术的主要不足之处在于：需要特殊设计的输入输出变压器，它不仅增加了系统的成本，降低了系统的效率，而且当逆变器的数目增多时，变压器的设计将非常困难。第四、组合逆变器相移SPWM技术，基本思想是：在一个由N级模块组成的系统中，所有模块采用相同的调制波，但相邻模块的三角载波相位差异化。这一相位差使得各模块所产生的SPWM脉冲在相位上错开，各模块最终迭加输出的SPWM波形的等效开关频率提高到原来的若干倍，在不提高开关频率的条件下大大减小输出谐波。从广义上来说，相移SPWM组合逆变器，也是一种多重技术。而不同于上面所谓的输出电压多重化，这里采用的是三角载波的多重化，简化了输出变压器的设计。相移SPWM组合逆变器的优点为：采用开关频率较低的大功率开关器件，实现等效的高开关频率输出，开关损耗低，输出谐波含量小，减小输出滤波元件的尺寸和容量，简化了变压器的设计。缺点是仍然需要工频变压器，增加了损耗和成本，没有减小功率器件的电压应力。第五、多电平逆变器技术多电平逆变器技术是一种通过改进逆变器自身拓扑结构来实现高压大功率输出的新型逆变器，它无需升降压变压器和均压电路。由于输出电压电平数的增加，使得输出波形具有更好的谐波频谱，每个开关器件所承受的电压应力较小。