基于升压耦合的双级式三相多电平电流源型逆变器

1.本发明涉及三相多电平逆变器技术领域，尤其涉及一种基于升压耦合的双级式三相多电平电流源型逆变器。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.在环境污染、能源危机和全球气候变暖的背景下，新能源的开发有利于缓解能源短缺问题。在这一过程中，逆变器是连接新能源与交流电网的核心接口装备，对新能源发电系统的性能至关重要。
4.逆变器按照直流源的供电形式可分为两大类：电压源型逆变器(voltage source inverter，vsi)和电流源型逆变器(current source inverter，csi)。由于效率优势和电压源易于获取的特点，电压源型逆变器是目前最为常用的逆变器。相较于电压源型逆变器，电流源型逆变器具备一些独有的特点，包括更高的可靠性以及故障容错和升压能力，目前在光伏发电、电力有源滤波和无功补偿等场合都获得了应用。三相多电平电流源型逆变器通常使用在大功率应用场合，其功率开关的电流应力更小，损耗更低，并且输出电能质量更好。
5.现有的各种三相多电平电流源型逆变器，其拓扑都采用多个传统三相三电平电流源型逆变器的串、并联集成结构。但该拓扑构造方式功率开关器件数量较多，所需成本和体积较大，并且开关组合数目会随着电平数的增多呈指数式上升，调制算法的实现方式非常复杂。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于升压耦合的双级式三相多电平电流源型逆变器。其拓扑分为前、后两级电路，能够以更少的功率开关数目和更小的体积实现相同的三相多电平电流输出能力。前级与后级电路的功率开关承担不同功率等级的电流，因而可以实现功率开关的差异化配置，整体设备所需的成本较低。同时，随着开关组合数目的显著减少，调制算法的实现方式也可以更加简洁。
7.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
8.本公开第一方面提供了一种基于升压耦合的双级式三相多电平电流源型逆变器，包括：
9.前级电路和后级电路，前级电路为n个并联的t型升压支路；每个t型升压支路包含有一个电感、两个全控型功率开关，以及两个功率二极管；功率开关与功率二极管应形成串联组合结构，其中一个串联组合结构并联在直流母线上，另一个串联组合结构串联在直流母线上并与后级电路相连；后级电路是h6换流桥结构。
10.进一步的，前级电路中，同一个t型升压支路上功率开关的开关状态互补，即其中
一个开关闭合导通时，另一个开关应该断开；一个开关断开时另一个开关应该闭合导通。
11.进一步的，当t型升压支路采用相同参数进行配置时，电路中的各个电感可以采用耦合式构造方法使其体积获得缩减。
12.进一步的，前级电路中每个t型升压支路中的功率开关承载一个单位电平的电流id，后级电路的功率开关承受的最大电流为n*id。
13.进一步的，逆变器集成了2n+6个功率开关和2n+6个功率二极管，当应用条件满足功率因数角小于30度时，逆变器仅需要n+6个功率开关和2n+6个功率二极管。
14.进一步的，后级电路每个桥臂由功率开关串联功率二极管构成。
15.进一步的，后级电路采用单直流电源连接前级多并联的t型升压支路。
16.进一步的，后级电路采用多个直流电源通过分布式连接方式接入各个t型升压支路的输入端。
17.进一步的，后级电路通过h6换流桥的经典变流操作，在交流侧实现大矢量、中矢量、小矢量和零矢量4种工作状态。
18.进一步的，前级电路构造的n+1电平电流，在后级电路经过逆变换流操作，在逆变器交流出口处输出2n+1电平的电流，经过滤波器，最终以三相正弦电流的形式注入负载。
19.上述本发明的实施例的有益效果如下：
20.本发明提出了一种基于升压耦合的双级式三相多电平电流源型逆变器,电路结构分为前后两级。其中，前级电路由若干个t型升压支路并联组成，能够提供多电平电流，电感可以通过采用耦合的方式缩小体积；后级电路采用h6换流桥结构，能够实现三相逆变输出。与传统三相多电平电流源型逆变器相比，该电路的结构更为简洁，具备更少的功率开关器件数目和更小的体积。
21.本发明的三相多电平电流源型逆变器在满足功率因数角小于30度的应用场合，可对电路的硬件配置执行优化，进一步缩减功率开关器件的数目。
22.本发明前级t型升压支路的功率开关应承担一个单位电平的电流，而后级h6换流桥中的功率开关需要最多承受n个单位电平的电流，因此前后级的不同功率开关可以进行差异化配置，进一步优化整体设备的成本。该逆变器的开关组合数目显著少于传统的三相多电平电流源型逆变器，因而能够简化调制算法的实现方式。
附图说明
23.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
24.图1为传统三相五电平电流源型逆变器拓扑示意图；
25.图2为本发明实施例中升压耦合的三相多电平电流源型逆变器前级电路中单个t型升压支路结构；
26.图3为本发明实施例中升压耦合的双级式三相七电平电流源型逆变器电路结构图；
27.图4为本发明实施例中升压耦合的双级式三相七电平电流源型逆变器的电流空间矢量图；
28.图5(a)为本发明实施例中采用单直流电源的升压耦合的双级式三相多电平电流
源型逆变器整体电路结构示意图；
29.图5(b)为本发明实施例中采用多直流电源的升压耦合的双级式三相多电平电流源型逆变器整体电路结构示意图；
30.图6为本发明实施例中升压耦合的双级式三相多电平电流源逆变器的电流空间矢量图。
具体实施方式：
31.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
32.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
33.现有的三相多电平电流源型逆变器，为实现2n+1电平电流的输出(n≥2)，需要采用n个传统三相三电平电流源型逆变器进行串、并联集成，如图1所示，因而需要6n个功率开关和6n个功率二极管。图1展示了一个典型的传统三相五电平电流源型逆变器，i
dc
是直流电源的输入电流，l
1-1
、l
1-2
、l
2-1
和l
2-2
是直流侧电感，s
1-1
、s
1-2
、s
1-3
、s
1-4
、s
1-5
、s
1-6
、s
2-1
、s
2-2
、s
2-3
、s
2-4
、s
2-5
、s
2-6
是全控型功率开关，d
1-1
、d
1-2
、d
1-3
、d
1-4
、d
1-5
、d
1-6
、d
2-1
、d
2-2
、d
2-3
、d
2-4
、d
2-5
、d
2-6
是与功率开关串联的功率二极管。可以看出传统的三相五电平电流源型逆变器为实现五电平电流输出，采用了2个传统三相三电平电流源型逆变器进行串、并联集成，该拓扑构造方式使用的器件数量较多(12个)，成本和体积较大，并且开关组合数目会随着电平数的增多呈指数式上升(存在81种开关组合状态)，调制算法的实现方式非常复杂。
34.本发明所提出的一种升压耦合的双级式三相多电平电流源型逆变器开关数目更少，为实现2n+1电平电流的输出，只需要采用2n+6个功率开关和2n+6个功率二极管，并且当应用条件满足“功率因数角小于30度”时，逆变器仅需要n+6个功率开关和2n+6个功率二极管，因此本发明所提结构显然更加紧凑，所需的体积更小。
35.另一方面，为输出2n+1电平电流(n≥2)，现有的三相多电平电流源型逆变器需要构造9n种开关组合状态，调制算法的实现极为复杂。而本发明所提出的一种升压耦合的双级式三相多电平电流源型逆变器，只需要构造(6
×2n-2)种开关组合状态，显著降低了调制算法的实现难度，优势明显。具体技术方案如下：
36.实施例：
37.本公开实施例提供了一种基于升压耦合的双级式三相多电平电流源型逆变器，包括：
38.前级电路和后级电路，前级电路为n个并联的t型升压支路，如图2所示，每个t型升压支路的连接方式如图2所示，包含有一个直流电感l、两个全控型功率开关sa和sb，以及两个功率二极管da和db。直流电感l串联在直流母线靠近电源一侧，功率开关与功率二极管应形成串联组合结构({sa，da}，{sb，db})，其中{sa，da}并联在直流母线上，{sb，db}串联在直流母线上并与后级电路相连。当前级的t型升压支路采用相同参数进行配置时，电路中的各个
电感可以采用耦合式构造方法使其体积获得缩减。后级电路是一个典型的h6换流桥结构，其中每个桥臂由功率开关串联功率二极管构成，上桥臂分别为{s1，d1}，{s3，d3}，{s5，d5}，下桥臂分别为{s4，d4}，{s6，d6}，{s2，d2}。既可以采用单直流电源连接前级多并联的t型升压支路，如图5(a)、图5(b)所示，图中展示的l1、s
a-1
、d
a-1
、s
b-1
、d
b-1
是支路1中的元件，id是一个t型升压支路所能提供的单位电流。后级电路采用h6换流桥结构，s1、s2、s3、s4、s5、s6是全控型功率开关，d1、d2、d3、d4、d5、d6是与各桥臂功率开关相串联的功率二极管。图5(a)是采用单直流电源的结构，直流电源与t型升压支路的并联输入母线直接相连；图5(b)是采用多个直流电源分布式通过分布式连接方式接入各个t型升压支路的输入端，其中，直流电源1、直流电源2、直流电源3、直流电源n分别接入t型升压支路1、t型升压支路2、t型升压支路3、t型升压支路n。两种构造方式在开关调制方面具有相同的操作方法。
39.下面以第一种采用单直流电源的电路形式为例对电路的操作原理进行说明。
40.优选的，前级电路中，同一个t型升压支路上功率开关的开关状态互补，即其中一个开关闭合导通时，另一个开关应该断开；一个开关断开时另一个开关应该闭合导通。
41.具体为，前级电路中，同一个t型升压支路上sa和sb的开关状态互补，即开关sa闭合导通时开关sb应该断开，开关sa断开时开关sb应该闭合导通。当sa导通sb断开时，该支路的输出端口将没有输出电流(0电平电流)，反之，sa断开sb导通时，该支路将输出一个单位电平电流id。因此，当电路采用n个t型升压支路时，前级电路将可为后级电路提供n+1电平的输入电流。
42.需要指出的是，全控型功率开关器件sb的功能是用于切断t型支路的母线输出，在交流侧满足“功率因数角小于30度”的条件下，sa闭合导通可以直接对后级电路构成旁路操作，因而此时不再需要sb进行相应的切断操作，从而t型升压支路中的sb可被省略。
43.后级电路是h6换流桥结构，与传统的三相三电平csi的逆变主电路拓扑相同，可执行三相逆变换流操作。前级电路所构造的n+1电平电流，在此经过逆变换流操作，可在逆变器交流出口处输出2n+1电平的电流，经过滤波器，最终以三相正弦电流的形式注入负载。
44.器件配置方面，前级电路中每个t型升压支路中的功率开关应承载一个单位电平的电流id，而后级电路的功率开关承受的最大电流为n*id，因此，可以选用电流耐受能力不同的功率开关来满足逆变器的工作要求，通过差异化配置和选型，可以降低设备硬件成本。当t型升压支路采用相同参数进行配置时，电路中的各个电感可以采用耦合式构造方法使其体积获得缩减。功率开关数目方面，本发明所提电流源型逆变器集成了2n+6个功率开关和2n+6个功率二极管，并且当应用条件满足“功率因数角小于30度”时，逆变器仅需要n+6个功率开关和2n+6个功率二极管。
45.现以七电平结构(前级为3个t型升压支路)为例，如图3所示，前级电路中含有3个并联的t型升压支路，图中展示的l1、s
a-1
、d
a-1
、s
b-1
、d
b-1
是支路1中的元件，id是一个t型升压支路所能提供的单位电流。后级电路采用h6换流桥结构，s1、s2、s3、s4、s5、s6是全控型功率开关，d1、d2、d3、d4、d5、d6是与各桥臂功率开关相串联的功率二极管。升压耦合的双级式三相七电平电流源型逆变器的电流空间矢量图如图4所示，其所对应的开关工作状态如表1所示。
46.表1：一种升压耦合的双级式三相七电平电流源型逆变器的开关工作状态表
[0047][0048]
上表中，同一个t型升压支路上的sa、sb开关状态互补，表中id为单t型升压支路的输出电流大小。
[0049]
图4展示了升压耦合的双级式三相七电平电流源型逆变器调制的电流空间矢量图，矢量状态的实现方式与表1相对应。图中，i、ii、iii、iv、v、vi是电流空间矢量状态的调制扇区，i
b-1
、i
b-2
、i
b-3
、i
b-4
、i
b-5
、i
b-6
是调制的大矢量，对应的电流为
±
3id；i
m-1
、i
m-2
、i
m-3
、i
m-4
、i
m-5
、i
m-6
是调制的中矢量，对应的电流为
±
2id；i
s-1
、i
s-2
、i
s-3
、i
s-4
、i
s-5
、i
s-6
是调制的大矢量，对应的电流为
±
id；i0是调制的零矢量，对应的电流为0。
[0050]
升压耦合的双级式三相七电平电流源型逆变器含有3个t型升压支路，当各支路的开关sa全部断开时，后级电路可获得输入电流3id；当各支路的开关sa中有且仅有两个开关断开时，后级电路可获得输入电流2id；当各支路的开关sa有且仅有一个开关断开时，后级电路可获得输入电流id；当各支路的开关sa全部闭合时，后级电路可获得的输入电流为0。后级电路通过h6换流桥的经典变流操作，可在交流侧实现大矢量、中矢量、小矢量和零矢量4种工作状态，输出的电流分别对应
±
3id，
±
2id，
±
id和0，即实现了七电平电流的输出。其中零矢量既可以通过闭合全部的开关sa来实现，也可以通过闭合h6换流桥同一桥臂上下两个开关(s1s4或s3s6或s2s5)来实现。
[0051]
由此推而广之，可获得由n个t型升压支路对应交流侧产生2n+1电平电流的操作原理，即前级电路由n个t型升压支路提供n+1电平电流，经由h6换流桥的逆变操作，最终在交流处输出2n+1电平的电流。在此过程中，电路只需要构造(6
×2n-2)种开关组合状态，显著降低了调制算法的实现难度，优势明显，其电流空间矢量图如图6所示。当输出2n+1电平电流时，电路采用的前级t型升压支路数为n。图中，i、ii、iii、iv、v、vi是空间矢量状态的调制扇区，i0是调制的零矢量，对应的电流为0；i
1-1
、i
1-2
、i
1-3
、i
1-4
、i
1-5
、i
1-6
为一个t型升压支路参与输出时的电流空间矢量，对应的电流为
±
id；i
2-1
、i
2-2
、i
2-3
、i
2-4
、i
2-5
、i
2-6
为2个t型升压支路参与输出时的电流空间矢量，对应的电流为
±
2id；i
3-1
、i
3-2
、i
3-3
、i
3-4
、i
3-5
、i
3-6
为3个t型升压支路参与输出时的电流空间矢量，对应的电流为
±
3id；i
n-1
、i
n-2
、i
n-3
、i
n-4
、i
n-5
、i
n-6
为3个t型升压支路参与输出时的电流空间矢量，对应的电流为
±
nid。
[0052]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。