一种单相电压源型大功率逆变拓扑及其控制方法与流程

本发明针对电力电子逆变器并网领域，具体涉及一种单相电压源型大功率逆变拓扑结构。

背景技术：

随着社会经济的高速发展，逆变器的应用领域日渐广泛，同时对逆变器的输出性能、工作可靠性、使用寿命、性价比等要求越来越高，如工程所需逆变器的容量不断增大，逆变电源的功率作为输出性能的一个重要指标也面临着越来越严峻的挑战，尤其是在工业用电方面，如大型轧钢厂的电弧炉等设备需要几十ka的工作电流，功率高达500mw。门极可关断晶闸管gto的成本低且载流能力强，可达几千安，特别适合工作在大功率场合，但其电流驱动方式限制了其开关频率，因此基于门极可关断晶闸管gto的单相电压源型全桥逆变电路的并网电流纹波大，输出电能质量极差，不能对其进行并网控制，这种缺陷限制了其在逆变器领域的应用。

技术实现要素：

本发明目的在于针对已有技术的不足，提出一种单相电压源型大功率逆变拓扑结构。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种单相电压源型大功率逆变拓扑，基于gto单相电压源型逆变器与igbt单相电压源型逆变器，包括第一门极可关断晶闸管、第二门极可关断晶闸管、第三门极可关断晶闸管、第四门极可关断晶闸管、第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管、第四绝缘栅双极晶体管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、电容、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一电流传感器和第二电流传感器；直流母线的正极与电容的一端、第一门极可关断晶闸管的阳极、第五二极管的阴极、第三门极可关断晶闸管的阳极、第七二极管的阴极、第一绝缘栅双极晶体管的集电极、第一二极管的阴极、第三绝缘栅双极晶体管的集电极和第三二极管的阴极连接；直流母线的负极与电容的另一端、第二门极可关断晶闸管的阴极、第六二极管的阳极、第二绝缘栅双极晶体管的发射极、第二二极管的阳极、第四门极可关断晶闸管的阴极、第八二极管的阳极、第四绝缘栅双极晶体管的发射极和第四二极管的阳极连接；第一门极可关断晶闸管的阴极与第二门极可关断晶闸管的阳极、第一电感的一端连接；第三门极可关断晶闸管的阴极与第四门极可关断晶闸管的阳极、第三电感的一端连接；第一绝缘栅双极晶体管的发射极与第二绝缘栅双极晶体管的集电极、第二电感的一端相连；第三绝缘栅双极晶体管的发射极与第四绝缘栅双极晶体管的集电极、第三电感的一端相连；电网的一端与第一电感的另一端、第二电感的另一端连接；电网的另一端与第三电感的另一端、第四电感的另一端连接。

由四个门极可关断晶闸管gto及与其分别反向并联的续流二极管组成的四个开关管构成基于门极可关断晶闸管gto的单相电压源型全桥逆变拓扑；由四个绝缘栅双极晶体管igbt及与其分别反向并联的续流二极管组成的四个开关管构成基于绝缘栅双极晶体管igbt的单相电压源型全桥逆变拓扑；这种的基于gto与igbt的单相电压源型大功率逆变拓扑结构由一个基于门极可关断晶闸管gto的单相电压源型全桥逆变拓扑和一个基于绝缘栅双极晶体管igbt的单相电压源型全桥逆变拓扑并联构成。

直流母线侧并联有大电容，且每个逆变桥臂都并联了反馈二极管，当交流侧负载需要提供无功功率时起到缓冲无功分量的作用。

一种单相电压源型大功率逆变拓扑运行时的控制方法，基于上述的单相电压源型大功率逆变拓扑，具体按照以下步骤进行：

步骤一：第一电流传感器所测结果为流经门极可关断晶闸管的电流i1的实际值，对门极可关断晶闸管gto单相电压源型全桥逆变支路单独运行时进行控制。以流经门极可关断晶闸管的电流i1(s)为控制目标，并网电流参考值iref(s)分为两路，一路是模型前馈控制器的输入，另一路与第一电流传感器测得的流经门极可关断晶闸管的电流i1(s)作差，得到误差值e1(s)，经过ggto控制器输出，该输出值与并网电流参考值iref(s)经过前馈控制器sl1’的输出值相加，共同组成控制桥臂开通与关断的斩波信号，该信号经过ggto—pwm和电感滤波器sl1后，即得到流经门极可关断晶闸管的电流i1(s)。

步骤二：第二电流传感器所测结果为流经绝缘栅双极晶体管的电流i2的实际值，对绝缘栅双极晶体管igbt单相电压源型全桥逆变支路单独运行时进行控制。以流经绝缘栅双极晶体管的电流i2(s)为控制目标，并网电流参考值iref(s)分为两路，一路是模型前馈控制器的输入，另一路与第二电流传感器测得的流经门极可关断晶闸管的电流i2(s)作差，得到误差值e2(s)，经过gigbt控制器输出，该输出值与并网电流参考值iref(s)经过前馈控制器sl2’的输出值相加，共同组成控制桥臂开通与关断的斩波信号，该信号经过gigbt—pwm和电感滤波器sl2后，即得到流经绝缘栅双极晶体管的电流i2(s)。

步骤三：gto与igbt两个单相电压源型全桥逆变支路同时工作，按以下方法进行控制。其中，gto单相电压源型全桥逆变支路的控制方法与其单独工作时的控制方法一致，具体操作可参照步骤一。根据步骤一中对门极可关断晶闸管gto单相电压源型全桥逆变支路单独运行时控制所得的i1(s)，在步骤二控制方法的基础上引入流经绝缘栅双极晶体管的电流的参考值i2_ref(s)的计算环节，构成两个逆变支路同时运行时绝缘栅双极晶体管igbt单相电压源型全桥逆变支路的控制方法。gto单相电压源型全桥逆变支路和igbt单相电压源型全桥逆变支路同时工作时，并网电流i由两个逆变支路电流共同提供，即i＝i1+i2。根据步骤一中第一电流传感器测得的流经门极可关断晶闸管的电流i1的实际值，可计算出流经绝缘栅双极晶体管的电流的参考值i2_ref(s)，如公式(1)所示。

i2_ref(s)＝iref(s)-i1(s)(1)

该参考值分为两路，一路是模型前馈控制器的输入，另一路与第二电流传感器测得的流经门极可关断晶闸管的电流i2(s)作差，得到误差值e2(s)，经过gigbt控制器输出，该输出值与并网电流参考值iref(s)经过前馈控制器sl2’的输出值相加，共同组成控制桥臂开通与关断的斩波信号，该信号经过gigbt—pwm和电感滤波器sl2后，即得到gto单相电压源型全桥逆变支路和igbt单相电压源型全桥逆变支路同时工作时流经绝缘栅双极晶体管的电流i2(s)。

与现有技术相比，本发明电路具有的优点为：

并网电流i由流过门极可关断晶闸管的电流i1及流过绝缘栅双极晶体管的电流i2在并网点处汇流获得。基于gto与igbt的单相电压源型大功率逆变拓扑与现有技术相比，有效地改善了gto单相电压源型全桥逆变电路输出特性，同时也提升了传统基于igbt的单相电压源型全桥逆变电路的输出功率，从而实现将小功率的开关管应用到大功率逆变并网的场合，有效地降低了实际中大功率逆变电路的成本。

附图说明

图1为一种单相电压源型大功率逆变拓扑结构示意图。

图2为并网电流i、电压型单相全桥逆变电路支路并网电流i1(门极可关断晶闸管gto提供)、电压型单相全桥逆变电路支路并网电流i2(绝缘栅双极晶体管igbt提供)和实施例中的绝缘栅双极晶体管与门极可关断晶闸管的驱动信号波形。

图3为本发明拓扑在门极可关断晶闸管gto单相电压源型全桥逆变支路单独运行时的控制结构框图。

图4为本发明拓扑在绝缘栅双极晶体管igbt单相电压源型全桥逆变支路单独运行时的控制结构框图。

图5为本发明拓扑在门极可关断晶闸管gto单相电压源型全桥逆变支路和绝缘栅双极晶体管igbt单相电压源型全桥逆变支路同时运行时的控制结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和逆变器满功率运行实例对本发明的具体实施作进一步说明。

本发明的拓扑结构如图1所示，针对电路结构中的器件，以下分析均是以理想器件为前提进行的。

一种单相电压源型大功率逆变拓扑结构，基于gto电压源型逆变器与igbt电压源型逆变器，包括第一门极可关断晶闸管vt1、第二门极可关断晶闸管vt2、第三门极可关断晶闸管vt3、第四门极可关断晶闸管vt4、第一绝缘栅双极晶体管v1、第二绝缘栅双极晶体管v2、第三绝缘栅双极晶体管v3、第四绝缘栅双极晶体管v4、第一二极管vd1、第二二极管vd2、第三二极管vd3、第四二极管vd4、第五二极管vd5、第六二极管vd6、第七二极管vd7、第八二极管vd8、电容c、第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3、第四电感l4、第一电流传感器ct1和第二电流传感器ct2；直流母线的正极与电容c的一端、第一门极可关断晶闸管vt1的阳极、第五二极管vd5的阴极、第三门极可关断晶闸管vt3的阳极、第七二极管vd7的阴极、第一绝缘栅双极晶体管v1的集电极、第一二极管vd1的阴极、第三绝缘栅双极晶体管v3的集电极和第三二极管vd3的阴极连接；直流母线的负极与电容c的另一端、第二门极可关断晶闸管vt2的阴极、第六二极管vd6的阳极、第二绝缘栅双极晶体管v2的发射极、第二二极管vd2的阳极、第四门极可关断晶闸管vt4的阴极、第八二极管vd8的阳极、第四绝缘栅双极晶体管v4的发射极和第四二极管vd4的阳极连接；第一门极可关断晶闸管vt1的阴极与第二门极可关断晶闸管vt2的阳极、第一电感l1的一端连接；第三门极可关断晶闸管vt3的阴极与第四门极可关断晶闸管vt4的阳极、第三电感l3的一端连接；第一绝缘栅双极晶体管v1的发射极与第二绝缘栅双极晶体管v2的集电极、第二电感l2的一端相连；第三绝缘栅双极晶体管v3的发射极与第四绝缘栅双极晶体管v4的集电极、第三电感l3的一端相连；电网的一端与第一电感l1的另一端、第二电感l2的另一端连接；电网的另一端与第三电感l3的另一端、第四电感l4的另一端连接。

该实例具体实施时的开关管理想状态下的控制信号、开通关断电流波形和并网电流如图2所示。其中第一、第三门极可关断晶闸管vt1、vt3的驱动电流一致，将其进行反相和死区时间处理后作为第二、第四门极可关断晶闸管vt2、vt4的驱动电流；第一、第三绝缘栅双极晶体管v1、v3的栅极驱动电压一致，将其进行反相和死区时间处理后作为第二、第四绝缘栅双极晶体管v2、v4的栅极驱动电压。以第一门极可关断晶闸管vt1和第一绝缘栅双极晶体管v1为例，做一个工频周期简单说明。当基于gto与igbt的单相电压源型大功率逆变拓扑结构的逆变器满功率运行时，基于门极可关断晶闸管gto单相电压源型全桥逆变支路和基于绝缘栅双极晶体管igbt单相电压源型全桥逆变支路同时工作，且流经门极可关断晶闸管的电流i1峰值基本接近iref的峰值，流经绝缘栅双极晶体管的电流i2较小。

本发明拓扑在基于门极可关断晶闸管gto单相电压源型全桥逆变单支路独立运行时的控制结构框图如图3所示，此时并网电流与流经门极可关断晶闸管电流的关系为i1等于i。该控制结构框图主要由模型前馈控制与反馈闭环控制两部分组成。其中前馈控制器为sl1’，作为逆变器模型地简单估计，可令其约等于sl1；iref(s)为并网电流参考值iref的频域表达式；i1(s)为流经门极可关断晶闸管电流i1的频域表达式；ggto为gto桥臂变流器控制器，根据需要可选择比例积分控制器(pi)、谐振控制器(pr)和重复控制器(rc)等传统控制器；ggto—pwm和电感滤波器sl1共同组成桥臂变流器(由4个门极可关断晶闸管、4个续流二极管、电感l1、电感l4构成，且l1与l4的感值相等)。采用流经门极可关断晶闸管的电流i1(s)为控制目标，并网电流参考值iref(s)与实际流经门极可关断晶闸管的电流i1(s)的误差值e1(s)，经过ggto控制器输出，该输出值与并网电流参考值iref(s)经过前馈控制器sl1’的输出值相加，共同组成控制桥臂开通与关断的斩波信号，该信号经过ggto—pwm和电感滤波器sl1后，即得到流经门极可关断晶闸管的电流i1(s)。并网电流参考值iref(s)经过模型前馈控制后，粗略得到了一个接近控制目标的值，而反馈闭环控制则在原来模型前馈控制基础上进行精细调整，最终使控制目标稳定。

本发明拓扑在基于igbt单相电压源型全桥逆变单支路独立运行时的控制结构框图如图4所示，此时并网电流与流经绝缘栅双极晶体管电流的关系为i2等于i。该控制结构框图同样由模型前馈控制与反馈闭环控制两部分组成。其中前馈控制器sl2’为逆变器模型地简单估计，可令其约等于sl2；iref(s)为并网电流参考值iref的频域表达式；i2(s)为流经绝缘栅双极晶体管电流i2的频域表达式；gigbt为igbt桥臂变流器控制器，根据需要，可选择比例积分控制器(pi)、谐振控制器(pr)和重复控制器(rc)等传统控制；gigbt—pwm和电感滤波器sl2共同组成桥臂变流器(由4个绝缘栅双极晶体管、4个续流二极管、电感l2、电感l3构成)。采用流经绝缘栅双极晶体管的电流i2(s)为控制目标，并网电流参考值iref(s)与实际流经绝缘栅双极晶体管的电流i2(s)的误差值e2(s)，经过gigbt控制器输出，该输出值与并网电流参考值iref(s)经过前馈控制器sl2’的输出值相加，共同组成控制桥臂开通与关断的斩波信号，该信号经过gigbt—pwm和电感滤波器sl2后，即得到流经绝缘栅双极晶体管的电流i2(s)。并网电流参考值iref(s)经过模型前馈控制粗略得到了一个接近控制目标的值，则反馈闭环控制在模型前馈控制基础上，进行精细调整，最终使控制目标稳定。

本发明拓扑在门极可关断晶闸管gto单相电压源型全桥逆变支路和绝缘栅双极晶体管igbt单相电压源型全桥逆变支路同时运行时的控制结构框图，如图5所示，此时并网电流i是由流经门极可关断晶闸管的电流i1与流经绝缘栅双极晶体管的电流i2构成。在图4的基础上，引入i2_ref(s)计算环节，如图5所示。gto单相电压源型全桥逆变支路和igbt单相电压源型全桥逆变支路同时工作时，并网电流i由两个逆变支路电流共同提供，即i＝i1+i2。基于步骤一中第一电流传感器ct1测得的流经门极可关断晶闸管的电流i1的实际值，可计算出流经绝缘栅双极晶体管的电流的参考值i2_ref(s)，如公式(1)所示。

i2_ref(s)＝iref(s)-i1(s)(1)

该参考值分为两路，一路是模型前馈控制器的输入，另一路与第二电流传感器ct2测得的流经门极可关断晶闸管的电流i2(s)作差，得到误差值e2(s)，经过gigbt控制器输出，该输出值与并网电流参考值iref(s)经过前馈控制器sl2’的输出值相加，共同组成控制桥臂开通与关断的斩波信号，该信号经过gigbt—pwm和电感滤波器sl2后，即得到gto单相电压源型全桥逆变支路和igbt单相电压源型全桥逆变支路同时工作时流经绝缘栅双极晶体管的电流i2(s)。

综上所述，流经门极可关断晶闸管的电流i1峰值基本接近iref峰值，而流经绝缘栅双极晶体管的电流i2较小，作用是用于补偿门极可关断晶闸管的电流i1上的纹波。由于门极可关断晶闸管gto的载流能力强，因此大功率逆变场合由gto提供绝大部分的并网电流，从而降低绝缘栅双极晶体管igbt的输出功率的要求。因此利用这种基于gto与igbt的单相电压源型大功率逆变拓扑结构，可结合绝缘栅双极晶体管igbt的高开关频率特性，有效改善了gto单相电压源型全桥逆变电路输出特性，也等同于提升了传统基于igbt的单相电压源型全桥逆变电路的输出功率，从而实现将小功率的开关管应用到大功率逆变并网的场合，有效地降低了实际中大功率逆变电路的成本。