[发明专利]动态响应速度快的大功率阶梯波合成变流方法

说明书

一、技术领域

本发明的动态响应速度快的大功率阶梯波合成变流方法，属于电力电子变流方法。

二、背景技术

在大功率应用场合下，由于功率开关器件的工作的电流和电压受到限制，两电平逆变器已经不能满足要求。因此，研究学者们提出了各种解决方案，总体可以归纳为三种解决方案：

1、通过功率开关器件的简单串并联技术来扩充逆变器容量。

这种方法原理简单，但也有很多缺点：(1)由于功率开关器件参数具有离散性，很难保证串联功率开关器件的电压均分以及并联功率开关器件的电流均分，需要加体积庞大的缓冲电路抑制快速的电压电流变化，以减少功率开关器件开通和关断性能差异对电压、电流均分的影响，这样就大大增加了变换器的损耗；(2)由于驱动电路对开关信号的延迟也存在差异，很难保证功率开关器件的同时开通与关断，因此对驱动电路的设计有更高的要求，使驱动电路对开关信号的延迟尽量相同；(3)由于功率开关器件的开关频率不能提高，逆变器的输出谐波比较多，采用功率开关器件的简单串并联技术对逆变器的输出谐波性能起不到改善作用。

2、通过多电平技术把传统的两电平逆变器改造成多电平逆变器，由多个功率开关器件平均分担电压，适合于高压大功率场合。与解决方案1简单的功率开关器件串联相比，解决方案2通过多电平电路机理和相应的控制方法可以保证功率器件的电压均分，且可以适当提高开关频率，通常为几kHz，同时由于输出具有多电平，逆变器输出的谐波性能可以得到改善。在功率比较大的应用场合，开关频率仍显偏高。典型的多电平逆变器有：二极管箝位多电平逆变器、飞跨电容多电平逆变器和级联型多电平逆变器。

二极管箝位多电平电路存在以下主要缺点：(1)桥臂内外侧功率开关器件的开通时间不一致，导致开关管负荷不一致，热量在开关管间分布不均。(2)该电路需要增加二极管，且随着电平数的增加，需要增加的二极管电压增加数目急剧增加，(3)直流测分压电容存在电压不均的问题。因此，二极管箝位电路在三电平以外的电平数应用极少。

与二极管箝位多电平电路相比，飞跨电容多电平逆变器(1)减少了大量的二极管，但同时增加了大量箝位电容；(2)由于电容的可靠性问题，整个电路的可靠性降低；(3)控制方法复杂，特别是四象限运行时；(4)多个电容的电压平衡控制复杂。因此，在实际大功率场合很少应用。

级联型多电平逆变器电路则不需要箝位二极管也不需要箝位电容，结构简单，易于集成，且不存在电容电压均衡问题。但存在以下主要缺点：(1)需要多个独立直流电源；(2)由于直流电源需要隔离的原因，不易实现四象限运行。该逆变器在不传递有功的应用场合比较常用，如无功补偿、谐波补偿等。

3、通过多个三相逆变单元串联或并联方式扩容。由于三相逆变单元一致，该方法便于集成化，结构简单；但该方式需要输出隔离变压器来实现输出的串联和并联，因此在输出需要隔离的场合特别合适；由于使用了隔离变压器，直流侧不需要隔离，方便逆变器四象限运行。输出变压器通常有两种设计方法：(1)各单元对应的绕组一致，便于变压器制作，但是为了获得较好的输出波形质量，开关频率一般都为几千赫兹；(2)阶梯波合成方式，各单元对应绕组产生不同相移，变压器结构复杂，但是各单元产生的谐波互相抵消，逆变器输出的谐波含量小且谐波分布比较集中，滤波器体积小，可以在开关频率很低的情况下获得较高的输出波形质量，特别适合大功率场合乃至特大功率场合应用。

为了保证输出的波形质量，传统的阶梯波合成逆变器输出电压有效值不可控，因此实现有功功率的精确控制很困难，在不传递有功的应用场合如无功功率补偿，研究和应用比较多。为了控制输出有功，应用于有功传递的场合，也有人提出了一些解决方法，主要概括为以下两类：(1)采用两组阶梯波合成逆变器串联，运用移相调压技术控制两组逆变器的合成输出电压；(2)采用PWM(PULSE WIDTH MODULATION，脉冲宽度调制)方式，调节逆变单元的输出电压基波分量，主要有单脉宽调节方式产生PWM波和SVM(SPACE VECTOR MODULATION，空间矢量调制)调制技术产生PWM两种，然后把产生的PWM波延迟叠加即可合成输出电压。

受传统的阶梯波合成逆变器设计思想的约束，这些方法主要存在以下缺点：(1)现有的阶梯波合成逆变器的输出电压闭环只能控制输出电压的有效值和基波相位，不能实现有功和无功的独立控制；(2)由于各逆变单元的驱动信号采用延迟的方法得到，逆变器一个周期可控的开关点只有6个，系统带宽窄，为了使闭环系统稳定，闭环控制的动态性能都不够理想，调节过渡时间需要几十个基波周期。

三、发明内容