一种三相三电平双输出逆变器
阅读说明：本技术 一种三相三电平双输出逆变器 (Three-phase three-level double-output inverter ) 是由 王汝田 袁帅 刘国钦 刘闯 蔡国伟 郭东波 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明是一种三相三电平双输出逆变器,其特点是,包括：直流侧接入的两个电容,18个开关模块,逆变级1和逆变级2分别带两组三相负载；通过对开关模块施加合理的驱动信号,三相三电平双输出逆变器可实现将单个直流输入电压变换为两组频率、幅值皆可调的三相交流电压。其有益的效果是：体积小、成本低、结构合理,同时可满足高压大容量双输出逆变场合的需求,如风力发电系统、电动汽车和轨道牵引等。(The invention relates to a three-phase three-level double-output inverter, which is characterized by comprising the following components: two capacitors and 18 switch modules are connected to the direct current side, and an inverter stage 1 and an inverter stage 2 are respectively provided with two groups of three-phase loads; by applying reasonable driving signals to the switch module, the three-phase three-level dual-output inverter can convert a single direct-current input voltage into two groups of three-phase alternating-current voltages with adjustable frequency and amplitude. The beneficial effects are as follows: the high-voltage high-capacity double-output inverter has the advantages of small volume, low cost and reasonable structure, and can meet the requirements of high-voltage high-capacity double-output inversion occasions, such as a wind power generation system, an electric automobile, track traction and the like.)
技术领域
本发明涉及电力电子变换装置技术领域，具体地说，是一种三相三电平双输出逆变器。
背景技术
近年来双交流输出系统在电动汽车，轨道牵引，风力发电等领域获得重要应用。双交流输出系统的核心为双输出逆变器。目前，针对两电平双输出逆变器的研究已较为成熟，但其无法满足当今电力行业中对高压大容量双输出逆变器的需求。与此同时，三电平技术可采用低压器件实现高压大容量输出。因此，为实现双输出的同时兼具三电平技术的优点，迄今未见与本发明有关的三相三电平双输逆变器的文献报道和实际应用。
发明内容
本发明的目的是：解决双交流输出领域所需要的高压大容量逆变器的问题，提出一种体积小、成本低、结构合理以及用途广泛的三相三电平双输出逆变器。
实现本发明目的采用的技术方案是，一种三相三电平双输出逆变器，其特征在于：它包括直流侧接入的电容C1和电容C2、开关模块A1～A4、开关模块B1～B4、开关模块C1～C4、开关模块O1～O6；将逆变器的两组输出分别定义为逆变级1和逆变级2，逆变级1所带的三相负载为ZA1、ZB1、ZC1，逆变级2所带的三相负载为ZA2、ZB2、ZC2。
所述开关模块A1～A4、开关模块B1～B4、开关模块C1～C4、开关模块O1～O6的结构均相同，对于一个开关模块由一个绝缘栅双极晶体管与一个反并联的二极管组成；一个开关模块的二极管的阳极与绝缘栅双极晶体管的发射极相连，二极管的阴极与绝缘栅双极晶体管的集电极相连；将一个开关模块的绝缘栅双极晶体管的发射极定义为开关模块的发射极，绝缘栅双极晶体管的集电极定义为开关模块的集电极，开关模块用符号Xn表示，开关模块中的绝缘栅双极晶体管用符号SXn表示，符号SXn的下标符号Xn表示其所在的开关模块，开关模块中的二极管用符号DXn表示，符号DXn的下标符号Xn表示其所在的开关模块；其中，当X∈{A，B，C}时，n∈{1，2，3，4}；当X∈{O}时，n∈{1，2，3，4，5，6}。
直流侧接入两个电容，分别称为电容C1和电容C2，电容C1的正极与直流母线正极端Pbus相连接，电容C1的负极与电容C2的正极相连，电容C2的负极与直流母线负极端Nbus相连接，并将电容C1的负极与电容C2的正极相连接的点定义为直流中性点Obus；正极端Pbus与负极端Nbus之间的电压为Ud，中性点Obus电位为0，正极端Pbus与中性点Obus之间的电压为中性点Obus与负极端Nbus之间的电压为
开关模块A1的集电极与直流母线正极端Pbus相连，开关模块A1的发射极与开关模块A2的集电极相连，开关模块A2的发射极与开关模块A3的集电极相连，开关模块A3的发射极与开关模块A4的集电极相连，开关模块A4的发射极与直流母线负极端Nbus相连。
开关模块B1的集电极与直流母线正极端Pbus相连，开关模块B1的发射极与开关模块B2的集电极相连，开关模块B2的发射极与开关模块B3的集电极相连，开关模块B3的发射极与开关模块B4的集电极相连，开关模块B4的发射极与直流母线负极端Nbus相连。
开关模块C1的集电极与直流母线正极端Pbus相连，开关模块C1的发射极与开关模块C2的集电极相连，开关模块C2的发射极与开关模块C3的集电极相连，开关模块C3的发射极与开关模块C4的集电极相连，开关模块C4的发射极与直流母线负极端Nbus相连。
开关模块O1的集电极与直流中性点Obus相连，开关模块O1的发射极与开关模块O2的发射极相连，开关模块O2的集电极与开关模块A2的发射极相连。
开关模块O3的集电极与直流中性点Obus相连，开关模块O3的发射极与开关模块O4的发射极相连，开关模块O4的集电极与开关模块B2的发射极相连。
开关模块O5的集电极与直流中性点Obus相连，开关模块O5的发射极与开关模块O6的发射极相连，开关模块O6的集电极与开关模块C2的发射极相连。
三相负载ZA1、ZB1、ZC1的一端分别连接到开关模块A1和A2的连接点、开关模块B1和B2的连接点、开关模块C1和C2的连接点，它们的另一端连接在一起。
三相负载ZA2、ZB2、ZC2的一端分别连接到开关模块A3和A4的连接点、开关模块B3和B4的连接点、开关模块C3和C4的连接点，它们的另一端连接在一起。
本发明的一种三相三电平双输出逆变器，由于采用直流侧接入电容C1～C2、开关模块A1～A4、开关模块B1～B4、开关模块C1～C4、开关模块O1～O6，且将逆变器的两组输出分别定义为逆变级1和逆变级2，逆变级1所带的三相负载为ZA1、ZB1、ZC1，逆变级2所带的三相负载为ZA2、ZB2、ZC2的结构，能够使单个直流输入电压变换为两组频率、幅值皆可调的三相交流电压。其有益的效果是：体积小、成本低、结构合理，同时可满足高压大容量双输出逆变场合的需求，如风力发电系统、电动汽车和轨道牵引等。
附图说明
图1为本发明的一种三相三电平双输出逆变器；
图2为模式1下的工作状态1的原理图；
图3为模式1下的工作状态2的原理图；
图4为模式1下的工作状态3的原理图；
图5为模式2下的工作状态1的原理图；
图6为模式2下的工作状态2的原理图；
图7为模式2下的工作状态3的原理图；
图8为载波PWM的调制策略示意图；
图9为第一组仿真参数下逆变级1的三相输出电流波形图；
图10为第一组仿真参数下逆变级2的三相输出电流波形图；
图11为第一组仿真参数下逆变级1的输出线电压uAB1波形图；
图12为第一组仿真参数下逆变级2的输出线电压uAB2波形图；
图13为第二组仿真参数下逆变级1的三相输出电流波形图；
图14为第二组仿真参数下逆变级2的三相输出电流波形图；
图15为第二组仿真参数下逆变级1的输出线电压uAB1波形图；
图16为第二组仿真参数下逆变级2的输出线电压uAB2波形图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，所述三相三电平双输出逆变器由两个电容、18个开关模块和两组三相负载连接而构成，通过对开关模块施加合理的驱动信号，该三相三电平双输出逆变器可实现将单个直流输入电压变换为两组频率、幅值皆可调的三相交流电压。两个电容分别为：电容C1～C2；18个开关模块分别为：开关模块A1～A4、开关模块B1～B4、开关模块C1～C4、开关模块O1～O6；逆变器的两组输出分别定义为逆变级1和逆变级2，逆变级1所带的三相负载为ZA1、ZB1、ZC1，逆变级2所带的三相负载为ZA2、ZB2、ZC2。
所述三相三电平双输出逆变器有两种工作模式，模式1为逆变级1工作于有效的工作状态，模式2为逆变级2工作于有效的工作状态。当逆变级1处于有效工作状态时，使每一相的开关模块X4(X∈{A，B，C})导通；当逆变级2处于有效的工作状态时，使每一相的开关模块X1(X∈{A，B，C})导通。当三相三电平双输出逆变器工作于模式1时，其包括三个工作状态，分别为：工作状态1、工作状态2和工作状态3，分别如图2、图3和图4所示；当三相三电平双输出逆变器工作于模式2时，也包括三个工作状态，分别为：工作状态1、工作状态2和工作状态3，分别如图5、图6和图7所示。下面以A相为例，对各工作状态的原理进行说明，B、C两相同理。
模式1的工作状态1：给开关模块A1施加驱动信号，当电流从逆变器流向负载时，电流流过的路径为开关模块A1的SA1和负载ZA1，如图2中点虚线所示。此时，负载ZA1连接至直流母线正极端Pbus，其电位为当电流从负载流向逆变器时，电流流过的路径为负载ZA1和开关模块A1的DA1，如图2中长虚线所示，此时负载ZA1的电位仍为
模式1的工作状态2：给开关模块A2、O1和O2施加驱动信号，当电流从逆变器流向负载时，电流流过的路径为开关模块O1的SO1、开关模块O2的DO2、开关模块A2的DA2和负载ZA1，如图3中点虚线所示。此时，负载ZA1连接至直流中性点Obus，其电位为0；当电流从负载流向逆变器时，电流流过的路径为负载ZA1、开关模块A2的SA2、开关模块O2的SO2和开关模块O1的DO1，如图3中长虚线所示，此时负载ZA1的电位仍为0。
模式1的工作状态3：给开关模块A2、A3和A4施加驱动信号，当电流从逆变器流向负载时，电流流过的路径为开关模块A4的DA4、开关模块A3的DA3、开关模块A2的DA2和负载ZA1，如图4中点虚线所示。此时，负载ZA1连接至直流母线负极端Nbus，其电位为当电流从负载流向逆变器时，电流流过的路径为负载ZA1、开关模块A2的SA2、开关模块A3的SA3和开关模块A4的SA4，如图4中长虚线所示，此时负载ZA1的电位仍为
模式2的工作状态1：给开关模块A1、A2和A3施加驱动信号，当电流从逆变器流向负载时，电流流过的路径为开关模块A1的SA1、开关模块A2的SA2、开关模块A3的SA3和负载ZA2，如图5中点虚线所示。此时，负载ZA2连接至直流母线正极端Pbus，其电位为当电流从负载流向逆变器时，电流流过的路径为负载ZA2、开关模块A3的DA3、开关模块A2的DA2和开关模块A1的DA1，如图5中长虚线所示，此时负载ZA2的电位仍为
模式2的工作状态2：给开关模块A3、O1和O2施加驱动信号，当电流从逆变器流向负载时，电流流过的路径为开关模块O1的SO1、开关模块O2的DO2、开关模块A3的SA3和负载ZA2，如图6中点虚线所示。此时，负载ZA2连接至直流中性点Obus，其电位为0；当电流从负载流向逆变器时，电流流过的路径为负载ZA2、开关模块A3的DA3、开关模块O2的SO2和开关模块O1的DO1，如图6中长虚线所示，此时负载ZA2的电位仍为0。
模式2的工作状态3：给开关模块A4施加驱动信号，当电流从逆变器流向负载时，电流流过的路径为开关模块A4的DA4和负载ZA2，如图7中点虚线所示。此时，负载ZA2连接至直流母线负极端Nbus，其电位为当电流从负载流向逆变器时，电流流过的路径为负载ZA2和开关模块A4的SA4，如图7中长虚线所示，此时负载ZA2的电位仍为表1列出了上述分析的结论，说明：“ON”表示开关模块处于导通状态，“OFF”表示开关模块处于关断状态，“-”表示开关模块不允许的工作状态；“P”表示输出为的工作状态，“O”表示输出为0的工作状态，“N”表示输出为的工作状态。
本发明一种三相三电平双输出逆变器的18个开关模块的绝缘栅双极晶体管也可以采用其它的全控型电力半导体功率器件。本发明所涉及的元器件均为市售产品。
表1三相三电平双输出逆变器中开关模块状态与输出电平的关系(以A相为例)
所述的三相三电平双输出逆变器，采用载波PWM的调制策略。下面对载波PWM的调制策略进行说明。如图8所示，载波为两组频率和相位相同，幅值是1的三角波上下层叠，上下三角载波分别用vcar1和vcar2表示；逆变级1的三相调制波用va1 *、vb1 *、vc1 *表示，逆变级2的三相调制波用va2 *、vb2 *、vc2 *表示，分别如式(1)和式(2)所示：
其中，m1和m2分别为逆变级1和逆变级2的调制度；ω1和ω2分别为逆变级1和逆变级2输出电压的角频率。
以图8中va1 *和va2 *为例说明载波PWM的调制策略(图8中三角载波频率约为正弦调制波频率的6倍，实际调制中该倍数很大)。当va1 *≥vcar1时，逆变级1的A相输出P状态，即输出电位；当vcar2≤va1 *<vcar1时，逆变级1的A相输出O状态，即输出0电位；当va1 *<vcar2时，逆变级1的A相输出N状态，即输出电位。当va2 *≥vcar1时，逆变级2的A相输出P状态，即输出电位；当vcar2≤va2 *<vcar1时，逆变级2的A相输出O状态，即输出0电位；当va2 *<vcar2时，逆变级2的A相输出N状态，即输出电位。通过以上分析并结合表1可进一步得出开关模块A1～A4、开关模块O1和开关模块O2的驱动信号。B、C两相同理。
值得注意的是，受三相三电平双输出逆变器结构的限制，为避免产生表1中无效的工作状态使输出波形产生畸变，逆变级1和逆变级2的调制波应满足的关系如式(3)所示。
为了验证所述的三相三电平双输出逆变器的可行性和载波PWM的调制策略的有效性，通过MATLAB/Simulink进行仿真验证。第一组仿真参数如下：载波频率为10kHz；直流侧电压为300V；逆变级1的调制度为0.8，频率为50Hz；逆变级2的调制度为0.8，频率为50Hz；逆变级1的三相负载电阻为10Ω，电感5mH；逆变级2的三相负载电阻为10Ω，电感为5mH。第二组仿真参数如下：载波频率为10kHz；直流侧电压为300V；逆变级1的调制度为0.5，频率为50Hz；逆变级2的调制度为0.5，频率为60Hz；逆变级1的三相负载电阻为10Ω，电感5mH；逆变级2的三相负载电阻为10Ω，电感为5mH。第一组仿真参数下，图9为逆变级1的三相输出电流波形图、图10为逆变级2的三相输出电流波形图、图11为逆变级1的输出线电压uAB1波形图、图12为逆变级2的输出线电压uAB2波形图；第二组仿真参数下，图13为逆变级1的三相输出电流波形图、图14为逆变级2的三相输出电流波形图、图15为逆变级1的输出线电压uAB1波形图、图16为逆变级2的输出线电压uAB2波形图。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式是示意性的，而非限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨的情况下，还能够做出其它形式，这些均属于本发明的保护之内。