一种单电容的三相三电平逆变器拓扑结构

本发明属于电力电子变换器，特别涉及一种单电容的三相三电平飞跨电容型逆变器拓扑结构及其相应的电容电压平衡调制策略，主要可应用于光伏发电及储能等场合。

背景技术：

0、技术背景

1、传统三相三电平飞跨电容型逆变器由于具有较多飞跨电容，其存在着硬件成本高、需平衡电压的电容较多、系统可靠性较低等问题。因此，其虽具有电平数量易拓展的特点，但实际科研成果转化程度并不高，拓扑结构上存在改善空间。

2、本发明在传统三相三电平飞跨电容逆变器拓扑上删减了两个电容并调整了开关管的位置，提出一种单电容的三相三电平逆变器拓扑结构，同时，提出了与之匹配的调制策略来平衡电容电压，解决了硬件成本高、功率密度低、系统可靠性较低等痛点，更易满足现实需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决传统三相三电平飞跨电容型逆变器飞跨电容过多导致的产品体积大、成本高、可靠性低等问题，提出了一种单电容三相三电平逆变器及其电容电压平衡调制策略。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

2、本拓扑结构的a、b、c三相结构都相同，且共用一个飞跨电容c，整个电路由直流电压源vdc、飞跨电容c、十二个开关管(以n沟道mosfet来说明)sa1～sa4、sb1～sb4、sc1～sc4组成。电压源vdc的正极与sa1、sb1、sc1的漏极相连；vdc的负极与sa3、sb3、sc3的源极和电容c阴极相连；sa2接在sa1与sa3之间，sa2的漏极与sa1的源极相连，且sa2的源极与sa4的漏极相连；sb2接在sb1与sb3之间，sb2的漏极与sb1的源极相连，且sb2的源极与sb4的漏极相连；sc2接在sc1与sc3之间，sc2的漏极与sc1的源极相连，且sc2的源极与sc4的漏极相连；sa4的源极与电容c的阳极连接，sa4的漏极接入到sa1的源极与sa2的漏极之间；sb4的源极与电容c的阳极连接，sb4的漏极接入到sb1的源极与sb2的漏极之间；sc4的源极与电容c的阳极连接，sc4的漏极接入到sc1的源极与sc2的漏极之间；a相输出从sa2与sa3间引出，b相输出从sb2与sb3间引出，c相输出从sc2与sc3间引出。a、b、c相都可产生vdc、0.5vdc、0三种电平(以电容c的阴极为0电压参考点)。以a相为例，分析单相三电平的产生原理：当直流电压源为vdc，令飞跨电容c的电压保持为0.5vdc，当开关管sa1和sa2关断、sa3和sa4导通时，a相的输出电压为0；当开关管sa1和sa3关断、sa2和sa4导通时，a相的输出电压为0.5vdc；当开关管sa3和sa4关断、sa1和sa2导通时，a的相输出的电压为vdc。a相输出0和vdc时，电容c的电压值不受影响，当a相输出0.5vdc时，电容c放电，此时电容电压下降，电容的平衡被打破，接下来需要解决的问题就是令飞跨电容c的电压保持平衡为0.5vdc，主要针对调制策略进行改变。

3、首先，依次用n、o、p，表示单相产生0、0.5vdc、vdc，根据排列组合，此时该拓扑可产生27种不同的开关状态，分别对应27种电压空间矢量，根据其矢量的长短进行分类，长度为0的，定义为零矢量；长度为1/3vdc的，定义为小矢量；长度为vdc的，定义为中矢量；长度为2/3vdc的，定义为长矢量。其中，零矢量有三种：ppp、ooo、nnn；小矢量有十二种：ppo、oon、poo、onn、pop、ono、oop、nno、opp、noo、opo、non；中矢量有6种：pon、pno、onp、nop、npo、opn；长矢量有6种：ppn、pnn、pnp、nnp、npp、npn。调制策略与传统的三相三电平逆变器相同，主要的差异在于电容电压平衡方式。本发明利用负载电流与电容电流两者方向的异同，能对电容电压产生不同影响的原理，来实现电容平衡，当两者方向相同时，电容电压下降，两者方向相反时，电容电压升高。利用这个原理，设置电容参考电压vc为0.5vdc，当电容采样电压低于vc时，合理选取电压矢量，令负载电流方向与电容电流方向相反，可电容电压升高并恢复到vc；同理，当电容采样电压高于vc时，令负载电流方向与电容电流方向相同，可电容电压降低到vc，实现电容电压动态平衡。具体如下：

4、根据27种电压空间矢量，得到空间矢量图，如图6所示，将其分为六个大扇区，每个大扇区又被分为四个小区域，以合成参考矢量位于第一大扇区为例，根据最近三矢量法，采用五段式对称发波，以下描述电容平衡原理。以参考矢量位于第一大扇区第一小区域时为例，矢量作用顺序为ppo-poo-ooo-poo-ppo可使负载电流与电容电流两者方向相反，使得电容电压升高，矢量作用顺序为oon-ooo-onn-ooo-oon可使负载电流与电容电流两者方向相同，使得电容电压降低，而两组矢量合成的电压相同。在每个开关周期内，通过比较电容采样电压与电容参考电压vc的大小，选取相应矢量作用顺序，使得电容电压平衡，当参考矢量位于其他区域时，电容电压平衡原理相同。各矢量的占空比计算与传统拓扑的调制策略相同，这里不再赘述。

5、本发明与传统三相三电平飞跨电容型逆变器相比较，具有的优势有：拓扑结构上少两个开关管，其功率密度更大，硬件成本更低，需要平衡电压的电容的数量少，稳定性更高更高。

技术特征：

1.一种单电容的三相三电平逆变器，其特征在于，拓扑结构由十二个开关管和一个飞跨电容组成，该拓扑对传统三相三电平飞跨电容逆变器进行简化，省去两个电容，三相对称且共用一个电容，当输入电源电压为vdc时，令电容电压始终保持0.5vdc，单相可输出0、0.5vdc、vdc三种电平。

2.根据权利要求1所述的逆变器，其拓扑结构为：由直流电压源vdc、飞跨电容c、十二个开关管(以n沟道mosfet来说明)sa1～sa4、sb1～sb4、sc1～sc4组成。电压源vdc的正极与sa1、sb1、sc1的漏极相连；vdc的负极与sa3、sb3、sc3的源极和电容c阴极相连；sa2接在sa1与sa3之间，sa2的漏极与sa1的源极相连，且sa2的源极与sa4的漏极相连；sb2接在sb1与sb3之间，sb2的漏极与sb1的源极相连，且sb2的源极与sb4的漏极相连；sc2接在sc1与sc3之间，sc2的漏极与sc1的源极相连，且sc2的源极与sc4的漏极相连；sa4的源极与电容c的阳极连接，sa4的漏极接入到sa1的源极与sa2的漏极之间；sb4的源极与电容c的阳极连接，sb4的漏极接入到sb1的源极与sb2的漏极之间；sc4的源极与电容c的阳极连接，sc4的漏极接入到sc1的源极与sc2的漏极之间；a相输出从sa2与sa3间引出，b相输出从sb2与sb3间引出，c相输出从sc2与sc3间引出。

3.权利要求2所述的拓扑结构中，开关管可选择功率匹配的绝缘栅双极型晶体管(igbt)、金属-氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，等全控型功率开关器件；直流电压源vdc可为经整流的直流电压，也可由蓄电池、光伏电池等提供直流电压。

4.根据权利要求1所述的逆变器，不仅可用于光伏等新能源发电并网，也可带三角形连接或星形连接的负载，负载可以是纯阻性、纯感性、纯容性、阻感性、阻容性。

5.根据权利要求2所述的单电容的三相三电平飞跨电容型逆变器拓扑结构，其特征在于，可用于整流，将三相交流电从逆变器的输出端接入，此拓扑可将交流电转换为直流电，用于储能等领域。

技术总结
本发明提出一种单电容的三相三电平逆变器拓扑结构及其电容电压平衡调制策略。拓扑结构包含十二个开关管和一个飞跨电容，其三相对称且每相由四个开关管组成，三相共用一个飞跨电容。当电源电压为Vdc时，通过调制策略使电容电压稳定在0.5Vdc，此时，每相可产生0、0.5Vdc、Vdc三种电平。针对该拓扑，提出相应的空间矢量调制策略，以控制开关管的通断。本发明与传统的三相三电平飞跨电容逆变器相比较，省去了两个电容，减少了装置的体积，提高了功率密度，节约了硬件成本；同时，电容的减少，使得原先要平衡三个电容的电压，现只需平衡一个，减少了逆变器系统的复杂度，提高了稳定性。

技术研发人员：胡毕华,唐兆宏,秦祥雲,陈智勇,刘一锋,陈才学,盘宏斌,谭平安,朱江,刘魏宏
受保护的技术使用者：湘潭大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11