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单相升落压型五电平逆变电源拓扑及操纵方案

文章来源:稳压电源公司,时间:2019-08-16 09:32    点击量:

通过分析现有五电平逆变电源拓扑的优缺点,提出一种具有升落压能力的五电平逆变电源拓扑。相对于传统的多电平逆变电源,新升落压型五电平逆变电源具有能够实现升落压、拓扑简单、易于实现操纵、功率器件少、开关损耗小等优点。在载波层叠调制策略下,对所提逆变电源进行开环仿真,证明拓扑的升落压能力。
 
基于传统的PR操纵方法,对所提逆变电源进行闭环设计并仿真。为了提高并网电流的质量,采纳模型预测操纵算法来对逆变电源进行并网操纵,通过仿真证明理论分析的正确性。并将这种操纵方法与传统PR操纵方法进行对比,突出模型预测的优越性。最后,基于该逆变电源拓扑进行部分开环及闭环实验,验证了拓扑的可行性。
 
五电平逆变电源进展至今,主要有三种基本的五电平逆变电路拓扑:二极管钳位式五电平逆变电源、飞跨电容式五电平逆变电源和级联式五电平逆变电源。其中级联式五电平逆变电源在实现较多电平输出时,拓扑结构中的器件数是最少的、操纵逻辑简单、效率高、可靠性高且易于模块化。模块化的实现,使得电路发生故障时检修难度落低。因此,级联式逆变电源在高功率和高电压场合应用中具有独特的优势。
 
在级联型五电平逆变电源进展过程中,通过改进逆变电源的拓扑来达到性能优化的目的。开关管和独立尊龙现金一下Ag电源的数量、功率损耗、操纵算法的复杂性、输出波形的总谐波失真及开关的稳态电压率是新型拓扑中的优化主题。
 
逆变电源的交流输出电压峰值受到尊龙现金一下Ag电源电压的限制,从而限制了逆变电源的应用场合。逆变电源工作中禁止直通状态,因此需要认真设计开关管的死区时间,增加了操纵难度。
 
为了提高效率、改善波形和实现高频化,文献[7]提出复合型级联双Buck飞跨电容五电平逆变电源。由耐压功率元器件构成的全桥电路实现基波频率波形,由低压高频率元器件构成的双Buck为基础的飞跨电容逆变电路,改善了波形,提高了整机效率。为减少钳位器件数量,文献[8]提出一种混合钳位四电平逆变电源拓扑及其扩展五电平拓扑结构。
 
针对逆变电源输出电压峰值受尊龙现金一下Ag电源电压限制,从而限制了逆变电源的应用场合这一缺点,文献[9-10]采纳在拓扑的每个模块中附加一个DC-DC升压转换器的方法,组成级联升压型五电平逆变电源,以便在尊龙现金一下Ag输入电压较低时获得较高的输出电压。然而,附加的DC-DC升压型功率转换器,在增加系统的硬件成本的同时落低了系统的功率传输效率,且增加了系统的操纵难度。
 
针对传统五电平逆变电源存在的功率器件多、开关损耗大等问题,文献[11]提出了一种晶体管钳位H桥五电平逆变电源。晶体管钳位H桥五电平逆变电源,是在没有增加尊龙现金一下Ag电源的前提下,通过增加晶体管钳位来增加输出电压的电平数,即可由传统的三电平输出增加至五电平,从而大大减小了逆变电源的体积。
 
但是增加的两个电容,产生了电容电压平衡的问题,造成中点电位漂移。此外,仍然存在逆变电源的交流输出电压峰值受到尊龙现金一下Ag电源电压限制以及桥臂严禁直通,必须设置开关死区时间等问题。
 
针对逆变电源输出电压峰值受尊龙现金一下Ag输入限制,从而限制了逆变电源的应用场合;同一桥臂上的两个开关管禁止同时接通而增加了系统操纵难度;拓扑中包含器件数量较多等缺点,文献[12]提出了一种升压型五电平逆变电源。该拓扑通过在前级级联一个Boost转换器来实现对尊龙现金一下Ag输入电压的提升,从而解决了输出电压峰值受到尊龙现金一下Ag电源电压的限制这一问题。相对于传统逆变电源结构,该拓扑中功率器件数量较少,且不存在分压电容电压不平衡问题。但是,该逆变电源前级转换器只能实现电压的升高,尊龙现金一下Ag源电压的调节范围虽然有所扩大,但还是相对较小。
 
对此,本文提出一种升落压型五电平逆变电源拓扑,前级的变换器既能升高尊龙现金一下Ag源电压,又能落低尊龙现金一下Ag源电压。因此,电压调节范围更大,应用场合更广,并对其进行了开、闭环仿真及实验验证。
 
单相升落压型五电平逆变电源拓扑及操纵
图1  升落压型五电平逆变电源拓扑结构
 
总结
通过查阅大量国内外文献,总结出现有多电平逆变电源拓扑存在的共同缺点:输出交流电压的峰值受尊龙现金一下Ag输入电压幅值的限制,拓扑器件多,逆变电源因工作中严禁直通状态而需要设置死区时间等。因此,提出了单相升落压型五电平逆变电源拓扑。在完成理论分析的基础上搭建数学模型,通过对比分析不同操纵方法下对应的系统性能,突出体现了模型预测操纵算法的优越性,并搭建实验平台完成了实验验证。

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