技术领域
[0001] 本
发明针对电
力电子逆变器并网领域，具体涉及一种混合单相大功率逆变拓扑及其控制方法。
背景技术
[0002] 随着社会经济的高速发展，逆变器的应用领域日渐广泛，同时对逆变器的输出性能、工作可靠性、使用寿命、性价比等要求越来越高，如工程所需逆变器的容量不断增大，逆变电源的功率作为输出性能的一个重要指标也面临着越来越严峻的挑战，尤其是在工业用电方面，如大型轧
钢厂的
电弧炉等设备需要几十kA的工作
电流，功率高达500MW。因此，逆变器并联技术被提出，并广泛应用在轨道牵引、新
能源发电、
高压直流输电等领域。但对于目前存在的逆变器并联拓扑，皆是采用相同的
开关器件，其中以
绝缘栅双极晶体管IGBT居多，尽管在
输出电压一定的情况下，通过并联得到更大的并网电流从而提升逆变器的输出功率，但是在大功率要求的场合下，逆变器并联技术所需的逆变器数量大，成本高；且逆变器间需要通信，因控制方式的不同部分逆变器间需要互联线，从而会降低系统的可靠性。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于针对已有技术的不足，提出一种混合单相大功率逆变拓扑及其控制方法。
[0004] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0005] 一种混合单相大功率逆变拓扑，基于IGBT电压源型逆变器与GTO电流源型逆变器，包括第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管、第四绝缘栅双极晶体管、第一
门极可关断晶闸管、第二门极可关断晶闸管、第三门极可关断晶闸管、第四门极可关断晶闸管、第一
二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第一电容、第二电容、第一电流
传感器和第二电流传感器；直流
母线的正极与第一电感的一端、第一绝缘栅双极晶体管的集
电极、第二绝缘栅双极晶体管的集电极、第一二极管的
阴极、第二二极管的阴极连接；
直流母线的负极与第二门极可关断晶闸管的阴极、第四门极可关断晶闸管的阴极、第二绝缘栅双极晶体管的发射极、第四绝缘栅双极晶体管的发射极、第二二极管的
阳极、第四二极管的阳极连接；第一电感的另一端与第一门极可关断晶闸管的阳极、第三门极可关断晶闸管的阳极连接；第一门极可关断晶闸管的阴极与第二门极可关断晶闸管的阳极、第一电容的一端、第二电感的一端连接；第三门极可关断晶闸管的阴极与第四门极可关断晶闸管的阳极、第二电容的一端、第五电感的一端连接；第一绝缘栅双极晶体管的发射极与第二绝缘栅双极晶体管的集电极、第三电感的一端相连；第三绝缘栅双极晶体管的发射极与第四绝缘栅双极晶体管的集电极、第四电感的一端连接；
电网的一端与第二电感的另一端、第三电感的另一端连接；电网的另一端与第四电感的另一端、第五电感的另一端连接。
[0006] 由IGBT及与其反向并联的
续流二极管组成的四个开关管构成单相全桥电压源型逆变拓扑；由第一电感和四个门极可关断晶闸管构成单相全桥电流源型逆变拓扑；这种基于IGBT电压源型逆变器与GTO电流源型逆变器的混合单相大功率逆变拓扑结构由一个单相全桥电压源型逆变拓扑和一个单相全桥电流源型逆变拓扑并联构成。
[0007] 直流母线侧
串联较大感值的第一电感，使流过门极可关断晶闸管的电流i1基本无脉动，从而使得基于GTO的逆变支路呈现电流源特性；IGBT及与其反向并联的续流二极管组成的四个开关管构成单相全桥电压源型逆变拓扑，通过对电流i2的闭环控制，进而实现对并网电流的控制。
[0008] 一种混合单相大功率逆变拓扑满功率运行时的控制方法，基于上述的混合单相大功率逆变拓扑，具体按照以下步骤进行：
[0009] 步骤一：第一电流传感器所测结果为流经门极可关断晶闸管的电流i1的实际值，利用此值对门极可关断晶闸管GTO电流源型单相全桥逆变支路进行控制。采用流经门极可关断晶闸管的电流i1为控制目标，流经门极可关断晶闸管的电流i1的参考值由两部分组成，即sinwt与1/3经过比较器后输出单位
信号乘以2iref/3的结果与-1/3与sinwt经过比较器后输出单位信号乘以-2iref/3的结果之和，流经门极可关断晶闸管的电流i1的参考值与实际流经门极可关断晶闸管的电流i1的误差，经过GGTO
控制器和GPGTO控制器后，即得到流经门极可关断晶闸管的电流i1；
[0010] 步骤二：第二电流传感器所测结果为流经绝缘栅双极晶体管的电流i2的实际值，利用此值以及步骤一中的控制目标i1对绝缘栅双极晶体管IGBT电压源型单相全桥逆变支路进行控制。采用流经绝缘栅双极晶体管的电流i2为控制目标，并网电流参考幅值iref与sinwt相乘后得到并网电流参考值irefsinwt，irefsinwt与流经门极可关断晶闸管的电流i1作差，得到流经绝缘栅双极晶体管的电流i2的参考值，计算方法见公式(1)所示；
[0011] i2_ref＝irefsinwt-i1 (1)
[0012] 该值与实际流经绝缘栅双极晶体管的电流i2的误差，经过GIGBT控制器后，控制GPIGBT后即得到电流i2。
[0013] 与
现有技术相比，本发明
电路具有的优点为：
[0014] 本发明可有效降低大功率逆变电路的成本，由于该新型拓扑由两个单相全桥逆变电路并联，并网电流i主要由基于IGBT的电压源型逆变拓扑的输出电流i2及基于GTO的电流源型逆变器拓扑输出电流i1经并网点处汇获得。利用流经新增支路门极可关断晶闸管的并网电流，可有效减轻传统的单相全桥逆变电路中开关管的载流压力，从而实现将小功率的开关管应用到大功率逆变并网的场合，有效地降低了实际中大功率逆变电路的成本。
附图说明
[0015] 图1为一种混合单相大功率逆变拓扑结构示意图。
[0016] 图2a～2c为电网电压正半周内的开关模态图(其中虚线为GTO导通路径，点划线为IGBT导通路径)。
[0017] 图2d～2f为电网电压负半周内的开关模态图(其中虚线为GTO导通路径，点划线为IGBT导通路径)。
[0018] 图3为并网电流i、电流型单相全桥逆变电路支路并网电流i1(门极可关断晶闸管GTO提供)、电压型单相全桥逆变电路支路并网电流i2(绝缘栅双极晶体管IGBT提供)和
实施例中的绝缘栅双极晶体管与门极可关断晶闸管的驱动信号
波形。
[0019] 图4为本发明在逆变器满功率运行时的基于GTO电流源型单相全桥逆变支路的控制结构
框图。
[0020] 图5为本发明在逆变器满功率运行时的基于IGBT电压源型单相全桥逆变支路的控制结构框图。
具体实施方式
[0021] 下面结合附图和逆变器满功率运行实例对本发明的具体实施作进一步说明。
[0022] 本发明的拓扑结构如图1所示，针对电路结构中的器件，以下分析均是以理想器件为前提进行的。
[0023] 一种混合单相大功率逆变拓扑，基于IGBT电压源型逆变器与GTO电流源型逆变器，包括第一绝缘栅双极晶体管V1、第二绝缘栅双极晶体管V2、第三绝缘栅双极晶体管V3、第四绝缘栅双极晶体管V4、第一门极可关断晶闸管VT1、第二门极可关断晶闸管VT2、第三门极可关断晶闸管VT3、第四门极可关断晶闸管VT4、第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3、第四二极管VD4、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第五电感L5、第一电容C1、第二电容C2、第一电流传感器CT1和第二电流传感器CT2；直流母线的正极与第一电感L1的一端、第一绝缘栅双极晶体管V1的集电极、第二绝缘栅双极晶体管V2的集电极、第一二极管VD1的阴极、第二二极管VD2的阴极连接；直流母线的负极与第二门极可关断晶闸管VT2的阴极、第四门极可关断晶闸管VT4的阴极、第二绝缘栅双极晶体管V2的发射极、第四绝缘栅双极晶体管V4的发射极、第二二极管VD2的阳极、第四二极管VD4的阳极连接；第一电感L1的另一端与第一门极可关断晶闸管VT1的阳极、第三门极可关断晶闸管VT3的阳极连接；第一门极可关断晶闸管VT1的阴极与第二门极可关断晶闸管VT2的阳极、第一电容C1的一端、第二电感L2的一端连接；第三门极可关断晶闸管VT3的阴极与第四门极可关断晶闸管VT4的阳极、第二电容C2的一端、第五电感L5的一端连接；第一绝缘栅双极晶体管V1的发射极与第二绝缘栅双极晶体管V2的集电极、第三电感L3的一端相连；第三绝缘栅双极晶体管V3的发射极与第四绝缘栅双极晶体管V4的集电极、第四电感L4的一端连接；电网的一端与第二电感L2的另一端、第三电感L3的另一端连接；电网的另一端与第四电感L4的另一端、第五电感L5的另一端连接。
[0024] 在电网电压(流)正半周内，电路在此阶段对应的开关模态图可由图2a～2c来表示。
[0025] (1)0～t1时间，并网电流仅由电压型单相全桥逆变电路支路并网电流i2(绝缘栅双极晶体管IGBT提供)，电路在此阶段的开关模态图如图2a所示，第一绝缘栅双极晶体管V1、第四绝缘栅双极晶体管V4导通，并网电流流经第一绝缘栅双极晶体管V1、第三电感L3、第四电感L4、第四绝缘栅双极晶体管V4向电网供电。
[0026] (2)t1～t2时间，并网电流由电压型单相全桥逆变电路和电流型单相全桥逆变电路支路电流汇流形成(门极可关断晶闸管GTO和绝缘栅双极晶体管IGBT共同提供)，电路在此阶段的开关模态图如图2b所示，第一门极可关断晶闸管VT1、第四门极可关断晶闸管VT4、第二绝缘栅双极晶体管V2、第三绝缘栅双极晶体管V3同时导通，支路电流i1流经第一电感L1、第一门极可关断晶闸管VT1、第二电感L2、第五电感L5、第四门极可关断晶闸管VT4，支路电流i2流经第三绝缘栅双极晶体管V3、第四电感L4、第三电感L3、第二绝缘栅双极晶体管V2；两个支路电流共同作用，形成并网电流。
[0027] (3)t2～t3时间，并网电流由电压型单相全桥逆变电路和电流型单相全桥逆变电路支路电流汇流形成(门极可关断晶闸管GTO和绝缘栅双极晶体管IGBT共同提供)，电路在此阶段的开关模态图如图2c所示，第一门极可关断晶闸管VT1、第四门极可关断晶闸管VT4、第一绝缘栅双极晶体管V1、第四绝缘栅双极晶体管V4同时导通，支路电流i1流经第一电感L1、第一门极可关断晶闸管VT1、第二电感L2、第五电感L5、第四门极可关断晶闸管VT4，支路电流i2流经第一绝缘栅双极晶体管V1、第三电感L3、第四电感L4、第四绝缘栅双极晶体管V4；两个支路电流共同作用，形成并网电流。
[0028] (4)t3～t4时间，并网电流由电压型单相全桥逆变电路和电流型单相全桥逆变电路支路电流汇流形成(门极可关断晶闸管GTO和绝缘栅双极晶体管IGBT共同提供)，电路在此阶段的开关模态图如图2b所示，第一门极可关断晶闸管VT1、第四门极可关断晶闸管VT4、第二绝缘栅双极晶体管V2、第三绝缘栅双极晶体管V3同时导通，支路电流i1流经第一电感L1、第一门极可关断晶闸管VT1、第二电感L2、第五电感L5、第四门极可关断晶闸管VT4，支路电流i2流经第三绝缘栅双极晶体管V3、第四电感L4、第三电感L3、第二绝缘栅双极晶体管V2；两个支路电流共同作用，形成并网电流。
[0029] (5)t4～t5时间，并网电流仅由电压型单相全桥逆变电路支路并网电流i2(绝缘栅双极晶体管IGBT提供)，电路在此阶段的开关模态图如图2a所示，第一绝缘栅双极晶体管V1、第四绝缘栅双极晶体管V4导通，并网电流流经第一绝缘栅双极晶体管V1、第三电感L3、第四电感L4、第四绝缘栅双极晶体管V4向电网供电。
[0030] 在电网电压(流)负半周内，电路在此阶段对应的开关模态图可由图2d～2f来表示(其中相对于图1暗化的元件和
连接线为关断状态)。
[0031] (6)t5～t6时间，并网电流仅由电压型单相全桥逆变电路支路并网电流i2(绝缘栅双极晶体管IGBT提供)，电路在此阶段的开关模态图如图2d所示，第二绝缘栅双极晶体管V2、第三绝缘栅双极晶体管V3导通，并网电流流经第三绝缘栅双极晶体管V3、第四电感L4、第三电感L3、第二绝缘栅双极晶体管V2向电网供电。
[0032] (7)t6～t7时间，并网电流由电压型单相全桥逆变电路和电流型单相全桥逆变电路支路电流汇流形成(门极可关断晶闸管GTO和绝缘栅双极晶体管IGBT共同提供)，电路在此阶段的开关模态图如图2e所示，第二门极可关断晶闸管VT2、第三门极可关断晶闸管VT3、第一绝缘栅双极晶体管V1、第四绝缘栅双极晶体管V4导通，支路电流i1流经第一电感L1、第三门极可关断晶闸管VT3、第五电感L5、第二电感L2、第二门极可关断晶闸管VT2，支路电流i2流经第一绝缘栅双极晶体管V1、第三电感L3、第四电感L4、第四绝缘栅双极晶体管V4；两个支路电流共同作用，形成并网电流。
[0033] (8)t7～t8时间，并网电流由电压型单相全桥逆变电路和电流型单相全桥逆变电路支路电流汇流形成(门极可关断晶闸管GTO和绝缘栅双极晶体管IGBT共同提供)，电路在此阶段的开关模态图如图2f所示，第二门极可关断晶闸管VT2、第三门极可关断晶闸管VT3、第二绝缘栅双极晶体管V2、第三绝缘栅双极晶体管V3导通，支路电流i1流经第一电感L1、第三门极可关断晶闸管VT3、第五电感L5、第二电感L2、第二门极可关断晶闸管VT2，支路电流i2流经第三绝缘栅双极晶体管V3、第四电感L4、第三电感L3、第二绝缘栅双极晶体管V2；两个支路电流共同作用，形成并网电流。
[0034] (9)t8～t9时间，并网电流由电压型单相全桥逆变电路和电流型单相全桥逆变电路支路电流汇流形成(门极可关断晶闸管GTO和绝缘栅双极晶体管IGBT共同提供)，电路在此阶段的开关模态图如图2e所示，第二门极可关断晶闸管VT2、第三门极可关断晶闸管VT3、第一绝缘栅双极晶体管V1、第四绝缘栅双极晶体管V4导通，支路电流i1流经第一电感L1、第三门极可关断晶闸管VT3、第五电感L5、第二电感L2、第二门极可关断晶闸管VT2，支路电流i2流经第一绝缘栅双极晶体管V1、第三电感L3、第四电感L4、第四绝缘栅双极晶体管V4；两个支路电流共同作用，形成并网电流。
[0035] (10)t9～t10时间，并网电流仅由电压型单相全桥逆变电路支路并网电流i2(绝缘栅双极晶体管IGBT提供)，电路在此阶段的开关模态图如图2d所示，第二绝缘栅双极晶体管V2、第三绝缘栅双极晶体管V3导通，并网电流经第三绝缘栅双极晶体管V3、第四电感L4、第三电感L3、第二绝缘栅双极晶体管V2向电网供电。
[0036] 该实例具体实施时的开关管理想状态下的
控制信号和开通关断电流波形如图3所示。以第一门极可关断晶闸管VT1和第一绝缘栅双极晶体管V1为例，对一个工频周期内的状态进行简单说明。假定一种基于IGBT电压源型逆变器与GTO电流源型逆变器的混合单相大功率逆变拓扑的逆变器满功率运行，并网电流峰值为600A，当并网电流i到达1/3幅值即t1时刻，门极可关断晶闸管GTO1导通，此时t1约为1.08ms；满功率运行时，i1幅值为期望并网电流的2/3，t4约为8.92ms，t6约为11.08ms，t9约为18.92ms。
[0037] 本发明在逆变器满功率运行时的基于门极可关断晶闸管GTO的电流源型单相全桥逆变支路的控制结构框图如图4所示。其中iref为期望并网电流i的幅值；w为电网
角频率；GGTO为GTO桥臂变流器控制器，根据需要可选择比例积分控制器PI、谐振控制器PR和重复控制器RC等常用控制器；GPGTO为桥臂变流器(由4个门极可关断晶闸管、第一电感L1、第二电感L2、第五电感L5、第一电容C1和第二电容C2构成)。采用流经门极可关断晶闸管的电流i1为控制目标，流经门极可关断晶闸管的电流i1参考值由两部分组成，即sinwt与1/3经过比较器的输出乘以2iref/3的结果与-1/3与sinwt经过比较器的输出乘以-2iref/3的结果之和，流经门极可关断晶闸管的电流i1的参考值与实际流经门极可关断晶闸管的电流i1的误差，经过GGTO控制器和GPGTO控制器后，即得到流经门极可关断晶闸管的电流i1。如图4来控制基于GTO电流源型单相全桥逆变支路并网电流i1。
[0038] 本发明在逆变器满功率运行时的基于绝缘栅双极管IGBT的电压源型单相全桥逆变支路的控制结构框图如图5所示。其中iref为期望并网电流i的幅值；w为电网角频率；GIGBT为IGBT桥臂变流器控制器，根据需要可选择比例积分控制器(PI)、谐振控制器(PR)和重复控制器(RC)等常用变流控制器；GPIGBT为桥臂变流器(由4个绝缘栅双极晶体管、4个续流二极管、第三电感L3、第四电感L4构成)。采用流经绝缘栅双极晶体管的电流i2为控制目标，并网电流参考幅值iref与sinwt相乘后得到并网电流参考值irefsinwt，irefsinwt与流经门极可关断晶闸管的电流i1作差，得到流经绝缘栅双极晶体管的电流i2的参考值，计算方法见公式(1)。
[0039] i2_ref＝irefsinwt-i1(1)
[0040] 该值与实际流经绝缘栅双极晶体管的电流i2的误差，经过GIGBT控制器后，控制GPIGBT后即得到电流i2。据控制框图5来控制基于IGBT电压源型单相全桥逆变支路并网电流i2。
[0041] 由以上分析可知，假定第一电感L1很大，则流经门极可关断晶闸管的电流i1基本为定值，假设该电流幅值为期望并网电流的2/3，则流经绝缘栅双极晶体管的电流i2的峰值仅为期望并网电流的1/3，且门极可关断晶闸管GTO的载流能力强，在大功率逆变场合可利用大功率GTO来提供较大部分的并网电流，从而降低对绝缘栅双极晶体管IGBT功率大的要求。因此利用这种基于IGBT电压源型逆变器与GTO电流源型逆变器的混合单相大功率逆变拓扑及其控制方法，可实现小功率开关管应用到大功率的逆变场合，有效地降低了大功率逆变电路的成本。
