阅读说明：本技术 一种级联多电平逆变器及其控制方法 (Cascaded multi-level inverter and control method thereof ) 是由 刘思豪 王晓琳 顾聪 刘雨婷 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种级联多电平逆变器及其控制方法,对于级联型的多电平逆变器,通常每一个级联单元都需要一个独立的直流电压源供电,成本较高,体积较大,而本发明只采用一个直流电压源同时给多个级联单元供电。先是将直流电压通过电力电子开关器件变换成脉冲宽度可调的直流电压脉冲,再通过高频变压器输出多路直流电压脉冲给级联单元供电,而且能够达到和多个独立直流电压源供电同样的效果。本发明能实现利用一个直流电压源同时给多个级联单元供电,降低了系统的成本,而且采用高频变压器,大大减小了系统的体积；并且由于直流电压脉冲宽度可调,在电机调速系统中可以实现前级调压调速,后级固定调制比,控制灵活。(The invention discloses a cascade multilevel inverter and a control method thereof, for the cascade multilevel inverter, each cascade unit usually needs an independent direct current voltage source for power supply, the cost is higher, the volume is larger, and the invention only adopts one direct current voltage source to simultaneously supply power for a plurality of cascade units. The direct-current voltage is converted into direct-current voltage pulses with adjustable pulse width through a power electronic switching device, then the multiple paths of direct-current voltage pulses are output by a high-frequency transformer to supply power to the cascade unit, and the effect same as that of the power supply of a plurality of independent direct-current voltage sources can be achieved. The invention can realize that one direct current voltage source is used for supplying power to a plurality of cascade units simultaneously, thereby reducing the cost of the system, and the volume of the system is greatly reduced by adopting the high-frequency transformer; and because the pulse width of the direct current voltage is adjustable, the front-stage voltage and speed regulation can be realized in the motor speed regulation system, the modulation ratio is fixed at the rear stage, and the control is flexible.)

一种级联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和电力传动技术领域，尤其涉及一种级联多电平逆变器及其控制方法。

背景技术

级联多电平逆变器由多个相同的功率单元级联而成的，通常每个单元中都有独立的直流电源存在。对于级联多电平逆变器，在它的主电路中，不会存在二极管钳位型逆变电路中电容均压问题，故在控制上简单了许多。而与飞跨电容型逆变器进行比较分析，由于主电路中没有和它一样使用电容作为钳位器，因此也就没有中间直流电压偏移问题。而当其某个级联单元损坏时，可以将这个单元旁路降级使用，不会对整个逆变器的正常工作产生影响，从而增加了逆变器的稳定性和容错性。并且可以通过对各个基本功率单元的调制控制从而达到对逆变器的控制，因此控制起来比较简单，扩展起来也比较容易。

但是通常级联多电平逆变器的每个级联模块都需要独立的直流电源，系统的体积大、成本高，这也限制了级联多电平的级联数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种级联多电平逆变器及其控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术：

一种级联多电平逆变器，包含第一前级开关管、第二前级开关管、前级电容、高频变压器、3n个后级电容和3n个级联单元，n为大于等于1的整数；

所述级联单元采用H桥结构或者半桥结构，包含第一输出端和第二输出端；

所述高频变压器原边的一端和所述前级电容的一端相连，高频变压器原边的另一端分别和所述第二前级开关管的一端、外界直流电压源的一端相连；

所述第二前级开关管的另一端分别和所述前级电容的另一端、第一前级开关管的一端相连；

所述第一前级开关管的另一端和外界直流电压源的另一端相连；

所述高频变压器包含3n路输出副边，其中，第i路输出副边的一端通过第i个后级电容和所述第i个级联单元的母线电压正极相连，所述第i个级联单元的母线电压负极和所述第i路输出副边的另一端相连，i为大于等于1小于等于n的整数；

当n为1时，所述三个级联单元的第二输出端相互连接，三个级联单元的第一输出端分别为级联多电平逆变器的A相、B相、C相输出端；

当n为大于等于2的整数时，所述第j个级联单元的第二输出端和第j+1个级联单元的第一输出端相连，第j+n个级联单元的第二输出端和第j+1+n个级联单元的第一输出端相连，第j+2n个级联单元的第二输出端和第j+1+2n个级联单元的第一输出端相连，j为大于等于1小于等于n-1的整数；所述第n个级联单元的第二输出端分别和第2n个、第3n个级联单元的第二输出端相连，第1个、第n+1个、第2n+1个级联单元的第一输出端分别为级联多电平逆变器的A相、B相、C相输出端。

本发明还公开了一种该级联多电平逆变器的控制方法，级联多电平逆变器的三相输出端分别和交流电机的三相输入端对应相连，控制方法包含以下具体步骤：

步骤1），获得交流电机的相电流；

步骤2），获得交流电机的位置信号并计算出交流电机的转速；

步骤3），将交流电机的相电流、转速、位置信号和预设的调制比通过调制产生第一PWM信号，以控制3n个级联单元中的开关管；

步骤4），将交流电机的相电流、转速、位置信号通过调制产生第二PWM信号，控制第一前级开关管、第二前级开关管。

作为本发明一种该级联多电平逆变器的控制方法进一步的优化方案，所述步骤2）中通过在交流电机中设置位置传感器来计算交流电机的实时位置角。

作为本发明一种该级联多电平逆变器的控制方法进一步的优化方案，所述步骤2）中根据交流电机的输入电流和输入电压采用无位置算法来计算交流电机的实时位置角。

作为本发明一种该级联多电平逆变器的控制方法进一步的优化方案，步骤3）、步骤4）中进行调制时，采用SPWM异步调制策略、SVPWM异步调制策略、同步SVPWM、特定谐波消除PWM同步调制策略的任意一种。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 能够实现一个直流电源同时对多个级联单元模块供电，降低了系统的体积和成本；

2. 采用多路输出的高频变压器，体积小；

3. 高频变压器输出的脉冲宽度可调，可以实现前级调压调速，后级固定调制比的算法，控制灵活。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为本发明电压脉冲的变换图（高频变压器的匝数比以1为例）；

图3为本发明算法的逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，一种级联多电平逆变器，包含第一前级开关管、第二前级开关管、前级电容、高频变压器、3n个后级电容和3n个级联单元，n为大于等于1的整数；

所述级联单元采用H桥结构或者半桥结构，包含第一输出端和第二输出端；

所述高频变压器原边的一端和所述前级电容的一端相连，高频变压器原边的另一端分别和所述第二前级开关管的一端、外界直流电压源的一端相连；

所述第二前级开关管的另一端分别和所述前级电容的另一端、第一前级开关管的一端相连；

所述第一前级开关管的另一端和外界直流电压源的另一端相连；

所述高频变压器包含3n路输出副边，其中，第i路输出副边的一端通过第i个后级电容和所述第i个级联单元的母线电压正极相连，所述第i个级联单元的母线电压负极和所述第i路输出副边的另一端相连，i为大于等于1小于等于n的整数；

当n为1时，所述三个级联单元的第二输出端相互连接，三个级联单元的第一输出端分别为级联多电平逆变器的A相、B相、C相输出端；

当n为大于等于2的整数时，所述第j个级联单元的第二输出端和第j+1个级联单元的第一输出端相连，第j+n个级联单元的第二输出端和第j+1+n个级联单元的第一输出端相连，第j+2n个级联单元的第二输出端和第j+1+2n个级联单元的第一输出端相连，j为大于等于1小于等于n-1的整数；

所述第n个级联单元的第二输出端分别和第2n个、第3n个级联单元的第二输出端相连，第1个、第n+1个、第2n+1个级联单元的第一输出端分别为级联多电平逆变器的A相、B相、C相输出端。

图2显示了电路拓扑各个节点电压脉冲的变换。

如图3所示，本发明还公开了一种该级联多电平逆变器的控制方法，级联多电平逆变器的三相输出端分别和交流电机的三相输入端对应相连，前级调压调速，后级固定调制比，控制方法包含以下具体步骤：

步骤1），获得交流电机的相电流；

步骤2），获得交流电机的位置信号并计算出交流电机的转速；

步骤3），将交流电机的相电流、转速、位置信号和预设的调制比通过调制产生第一PWM信号，以控制3n个级联单元中的开关管；

步骤4），将交流电机的相电流、转速、位置信号通过调制产生第二PWM信号，控制第一前级开关管、第二前级开关管。

所述步骤2）中可以通过在交流电机中设置位置传感器来计算交流电机的实时位置角，也可以根据交流电机的输入电流和输入电压采用无位置算法来计算交流电机的实时位置角。

步骤3）、步骤4）中进行调制时，可以采用SPWM异步调制策略、SVPWM异步调制策略、同步SVPWM、特定谐波消除PWM同步调制策略的任意一种。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。