一种改进的无变压器三相多电平逆变器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其是一种改进的无变压器三相多电平逆变器及其控制方法。

背景技术

逆变器被广泛应用于电力电子行业，不管是在轧钢和造纸等工业领域，还是在高铁和船舶等交通运输行业，多电平逆变器具有其独特的优势。传统的多电平逆变器主要包括：飞跨电容(Flying-Capacitor,FC)型、中点钳位(Neutral Point Clamped,NPC)型及级联H桥(Cascade H-Bridge,CHB)型，然而这三种基本拓扑均存在一定的不足，限制了其在一些特殊场合的应用。飞跨电容型和中点钳位型逆变器存在电压击穿的问题。级联H桥型多需要大量独立直流电源，成本较高，应用场景局限性明显。针对传统多电平逆变器存在的电压击穿的问题，现有方案往往采用增加死区的方式解决。但死区时间降低了电压和电流增益，扭曲了波形，增加损耗，使得开关管电压应力难以平衡。为了平衡开关的电压应力，A.M.Y.M.Ghias等人采用了两种解决方案：一是每个桥臂中可以有四个全控制开关，将相应的两个全控开关设置为低泄漏电流；二是通过使用静态均压电阻器(SVSHR)来解决。然而，第一种解决方案的生产过程相对复杂且难以实现，第二种方法存在损耗大、能量密度低、开关损耗分布不均匀等问题，此外，上述解决方案仅适用于单相系统。因此，亟需发明一种三相多电平逆变器及其控制方法，以实现消除功率开关的过电压问题和击穿问题。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种改进的无变压器三相多电平逆变器及其控制方法，该电路上的钳位二极管和分裂电感可以消除开关管上的过电压问题和直通问题，并且可以不设置死区，同时采用模型预测算法控制十二个开关管的导通和闭合，使得各相都产生二十四种工作模式，实现多电平交流输出。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种改进的无变压器三相多电平逆变器，包括电解电容C

本发明技术方案的进一步改进在于：所述开关管S

本发明技术方案的进一步改进在于：一种改进的无变压器三相多电平逆变器控制方法，包括如下步骤：

S1、采集三相多电平逆变器负载侧的三相输出电压和三相输出电流、以及电解电容两端电压和分裂电感两端电流，定义三相输出电压u

S2、根据S1得到的采样值，送入预测模型中，并根据三相多电平逆变器每一相正半周期十二种工作模式的输出电压，预测计算出下一时刻被控变量x(k)的预测值x(k+1)；

S3、将给定的参考值x

S4、将参考值x

S5、目标函数在线寻优计算出使目标函数值最小的基本输出状态，即最优输出状态S

S6、输出该基本输出状态。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S1中三相多电平逆变器总共有27个基本输出状态Sn(n＝1,2,…,27)，三相多电平逆变器负载侧输出电压分别为：

式中，u

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S2中预测模型为：

其中u

该式经离散化后可得，

式中，i

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S2中每一相正半周期的输出有如下十二种工作模式：

第一种工作模式为：开关管S

第二种工作模式为：开关管S

第三种工作模式为：开关管S

第四种工作模式为：开关管S

第五种工作模式为：开关管S

第六种工作模式为：开关管S

第七种工作模式为：开关管S

第八种工作模式为：开关管S

第九种工作模式为：开关管S

第十种工作模式为：开关管S

第十一种工作模式为：开关管S

第十二种工作模式为：开关管S

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S4中目标函数为：

/>

式中，

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明采用多个可控开关管配合钳位二极管、飞跨电容和分裂电感组成独立控制模块，使电路具备逻辑操作性，根据不同场合及其需求调整多个开关管导通与关闭来实现直流电压到交流电压的多电平输出，同时电路采用钳位二极管可以消除开关管上的过电压问题，分裂电感可以让互补开关管之间在不设置脉宽调制(PWM)的死区时间的情况下消除功率开关的击穿问题；且所使用的二极管数量少，节约了经济成本；负载输出具有更低的电流和电压THD值，更高的效率，并且功率开关管上具有更低的电压和电流应力。可以应用于各种负载条件，具有实际的工程应用价值。

附图说明

图1是本发明电路原理；

图2是本发明开关管逻辑控制图；

图3是本发明模型预测控制的基本原理图；

图4是本发明模型预测控制的算法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1所示，一种改进的无变压器三相多电平逆变器，包括电解电容C

其中下标中的字母A、B、C分别代表三个不同相位的输出，每一相中器件的工作方式和在电路中的作用除相位相差120°外完全相同。开关管S

一种改进的无变压器三相多电平逆变器控制方法，如图4所示，包括如下步骤：

S1、采集三相多电平逆变器负载侧的三相输出电压和三相输出电流、以及电解电容两端电压和分裂电感两端电流，定义三相输出电压u

三相多电平逆变器总共有27个基本输出状态Sn(n＝1,2,…,27)，定义三相多电平逆变器输出电压分别为：

式中，U

根据三相多电平逆变器开关状态可得出27个电压空间矢量，将其定义在αβ空间坐标系下。

S2、根据S1得到的采样值，送入预测模型中，预测模型为：

其中u

该式经离散化后可得，

式中，i

本发明模型预测控制的基本原理如图3所示，将负载侧的测量值作为被控变量x(k)送入预测模型中，预测计算出下一时刻被控变量x(k)的预测值x(k+1)，将参考值x

所述改进的无变压器三相多电平逆变器经过模型预测控制后，每一相正半周期的输出有十二种工作模式，如图2所示：

第一种工作模式为：开关管S

第二种工作模式为：开关管S

第三种工作模式为：开关管S

第四种工作模式为：开关管S

第五种工作模式为：开关管S

第六种工作模式为：开关管S

第七种工作模式为：开关管S

第八种工作模式为：开关管S

第九种工作模式为：开关管S

第十种工作模式为：开关管S

第十一种工作模式为：开关管S

第十二种工作模式为：开关管S

根据三相多电平逆变器每一相正半周期十二种工作模式的输出电压，预测计算出下一时刻被控变量x(k)的预测值x(k+1)。

S3、将给定的参考值x

式中，

S4、将参考值x

S5、目标函数在线寻优计算出使目标函数值最小的基本输出状态，即最优输出状态S

S6、输出该基本输出状态。

本发明采用多个可控开关管配合钳位二极管、飞跨电容和分裂电感组成独立控制模块，使电路具备逻辑操作性，根据不同场合及其需求调整多个开关管导通与关闭来实现直流电压到交流电压的多电平输出，同时电路采用钳位二极管可以消除开关管上的过电压问题，分裂电感可以让互补开关管之间在不设置脉宽调制(PWM)的死区时间的情况下消除功率开关的击穿问题；且所使用的二极管数量少，节约了经济成本；负载输出具有更低的电流和电压THD值，更高的效率，并且功率开关管上具有更低的电压和电流应力。可以应用于各种负载条件，具有实际的工程应用价值。