CN102244477A

CN102244477A - 具有直流电容辅助均压电路的多电平变换器

Info

Publication number: CN102244477A
Application number: CN2011101885992A
Authority: CN
Inventors: 舒泽亮
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2011-11-16

Abstract

本发明公开了一种具有直流电容辅助均压电路的多电平变换器，均压电路包含一级均压电路和二级均压电路；对于电平数为N+1的包含N个直流电容的多电平变换器，一级均压电路包含N/2个电感均压基本电路：开关器件SA1n、SA1(n-1)与电容Cn、C(n-1)并连，二者的中间连接点通过电感LA1(n/2)连接在一起，实现Cn和C(n-1)的均压；第二级均压电路包含N/2-1组电感均压基本电路实现C(n-1)和C(n-2)的均压；最终，N个直流电容C实现全部电压均等。本发明适用于任意电平的均压，不影响现有主电路和控制原理，保证主电路变换器在任意调制深度条件下实现任意功率因数的功率传递。本发明还给出了五电平变换器的具体电路和电感个数最小化的实现电路及其控制方法。

Description

具有直流电容辅助均压电路的多电平变换器

技术领域

本发明涉及电力控制设备，尤其是基于电力电子技术的多电平变换器的直流电容电压的均压控制电路及其控制方法。

背景技术

多电平变换器应用中，通常采用串联多个直流电容提供更高的直流电压，并将直流电压分为多个电平，为多电平变换器的正常工作提供稳定均衡的直流电压。以二极管箝位电路为例，变换器每个桥臂的多个串联开关器件通过二极管连接在某一个直流电容上，即通过二极管将开关器件的电压箝位到连接的一个直流电容电压上，将直流母线电压分为多个电平。因此，每个桥臂的多个开关器件在不同的开关组合下可向交流侧输出不同电平的电压信号。多电平变换器将多个电平输出信号合成调制信号，电平数越多输出的交流电压越逼近调制信号。

图1电路是以五电平为例的三相二极管箝位变换电路主电路连接图。直流侧采用4个串联电容，理想情况下，直流电容端点电压分别为0、1Vdc、2Vdc、3Vdc和4Vdc五个电平。变换器通过不同的开关组合，让输出端直接与这五个电平的端接点连接，因此输出电压包含五个阶梯电平，其它电平数的变换器结构与其类似。但是，多电平变换器每个工频周期内对每个直流电容充放电的能量大小并不相等。因此，各个电容器上输入和输出不相等的功率将导致电容器上的电压不相等，即出现所谓的电容电压不平衡问题。

当直流电容的电压不平衡时，每个开关器件承受的反向工作电压也不均衡，影响变换器开关器件的安全。多电平变换器甚至会退化成两电平变换器，输出电压电流畸变，同时失去多电平所具有的诸多优点。因此，多个串联的直流电容电压的均压问题是该类型变换器必须解决的问题。

通过优化的PWM调制方法，直流电容在一定条件下能够实现电压平衡与稳定，理论分析证明其平衡与稳定的条件与负载电流的相角有关。例如，当多电平变换器传递纯有功电流时，即负载电流角度在0度附近时，为保证直流电压稳定，要求PWM调制深度最高且要求小于约55％，极大的限制多电平变换电路在有功传递领域的应用。

发明内容

本发明提供一种串联多直流电容器组的所有电容电压的均压方案。目的就是为避免PWM调制方法均压的诸多限制，让变换器在任意功率因数条件下，特别是在传递有功电流时，实现直流电容的电压均压与稳定。让变换器的PWM调制深度不再受直流电压稳定条件的限制，保证在任意调制深度条件下实现有功或无功的传递。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：

具有稳定均压直流电容电压的多电平变换器，在三相二极管箝位变换电路的直流电容侧设置均压电路，所述均压电路包含一级均压电路和二级均压电路；对于电平数为N+1的包含N个直流电容的多电平变换器，一级均压电路包含N/2个电感均压基本电路：开关器件SA1n、SA1(n-1)与电容Cn、C(n-1)并连，二者的中间连接点通过电感LA1(n/2)连接在一起，实现Cn和C(n-1)的均压；第二级均压电路包含N/2-1组电感均压基本电路：开关器件S2(n-2)、SA2(n-3)与电容C(n-1)、C(n-2)并连，二者的中间连接点通过电感LA2(n/2-1)连接在一起，实现C(n-1)和C(n-2)的均压；最终，N个直流电容C实现全部电压均等。(n＝1，2，3...N)。

本发明构造了一种基于两层电路结构实现所有电容均压的辅助电路及其控制。该结构适用于任意电平数的直流均压，给出了五电平电路的具体连接和控制方法。同时，将五电平两级多组独立均压电路简化，提出一种五电平单电感的均压电路及其控制。其共同特征是：主电路串联的直流电容侧连接多个辅助开关器件，连通特定的直流电容与辅助电感，通过辅助电感让电压高的电容向电压低的电容转移能量，实现均压目的。

方案中辅助开关器件的控制策略是：

第一阶段，通过导通的开关器件形成的通路，让第一阶段起始时刻电压高的电容对辅助电感放电，电容电压下降，电感电流增加，该电容的部分能量暂时转移存储到辅助电感上；

第二阶段，辅助电感中的电流不会突变，通过导通的开关器件形成的通路，让辅助电感对第二阶段起始时刻电压低的电容释放能量，辅助电感电流减小，被充电的电容电压上升。

如图2以一组能够独立工作的电感辅助均压电路为例，说明其均压工作原理。将C1和C2电容电压分成两种情况，即VC1＞VC2和VC2＞VC1两种情况，每种情况都需要完成上述两个阶段。

当VC1＞VC2时：

第1步，SA1导通，SA2关断，即PWM1/2＝1/0。此时C1通过SA1对LA1放电，C1电压下降，LA1图示充电电流ic增加，C1部分能量暂存到LA1上。

第2步，SA1和SA2都关断，即PWM1/2＝0/0。此时SA1已关断，但LA1上的电流不能突变，ic电流维持原方向，因此ic通过下管的反并二极管DA2向C2充电，C2电压上升，直到LA1电流下降到0，LA1暂存的能量全部释放，DA2截止。

当VC1＞VC2时：

第1步，SA2导通，SA1关断，即PWM1/2＝0/1。此时C2通过SA2对LA1放电，C2电压下降，LA1图示充电电流ic增加，C2部分能量暂存到LA1上。

第2步，SA1和SA2都关断，即PWM1/2＝0/0。此时SA2已关断，但LA1上的电流不能突变，ic电流维持原方向，因此ic通过上管的反并二极管DA1向C1充电，C1电压上升，直到LA1电流下降到0，LA1暂存的能量全部释放，DA1截止。

根据上述两种情况的分析，分别经过2个电路工作状态转换，电压高的电容能量就能够以辅助电感为中介转移到电压低的电容上。因此，电压高的电容电压下降，电压低的电容电压上升。经过多次上述操作后，最终实现2个电容电压的均等。

直流侧两个电容通过图2中的电感均压基本电路可实现均压，但不能实现所有电容的均压。本发明具体实施方式一中提出两级电感均压电路可实现所有电容的均压；具体实施方式二中提出适用于五电平电路的单电感均压电路。电路组成和工作方式参见“具体实施方式”章节中的说明。

与现有技术相比，本发明有益效果是：

一、由辅助均压电路实现所有直流电容的均压，因此与变换器主电路及其控制策略无关，不影响现有主电路和控制原理，适用但不限于二极管箝位多电平变换器。

二、该电路能够在任意功率因数条件下，特别是在传递有功电流时，实现直流电容的电压均压与稳压，使得变换器的PWM调制深度不再受直流电压稳定条件的限制，保证在任意调制深度条件下实现有功或无功的传递。

三、控制策略采用两阶段调制方法，控制策略简单，对控制模块的软硬件要求低；且不需要主电路或者均压控制电路的电流信息，只需要直流电容的电压信息。实施方式一的方案适用于任意电平所有直流电容的均压，实施方式二的方案只采用单电感，电感数最少。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是传统的二极管箝位五电平变换器主电路；

图2是电感辅助均压基本电路及其控制策略；

图3是具有两级电感辅助均压电路的二极管箝位五电平变换器；

图4是任意电平数的两级电感辅助均压电路；

图5是五电平的单电感辅助均压电路；

图6是五电平的单电感辅助均压电路C1充放电通道；

图7是五电平的单电感辅助均压电路C2充放电通道；

图8是五电平的单电感辅助均压电路C3充放电通道；

图9是五电平的单电感辅助均压电路C4充放电通道；

图表中的标记为：

C1-Cn为直流电容；SA1-SAn...表示辅助开关器件，这些器件与其邻近的反并二极管一起组成正向可关断、反向可续流导通的开关，具体实现可以是IGBT、IGCT、MOSFET等电力电子器件；DA1-DAn表示正向导通、反向关断的二极管。表1的开关状态表示SA1-SAn的驱动与工作的状态，1表示导通，0表示关断。

具体实施方式

实施例1——两级辅助均压电路

图3以五电平二极管箝位主电路为例的一种两级辅助均压电路。该电路采用了3组图2所示的电感均压基本电路。

第一级均压电路包括：第1组电感均压基本电路的开关器件SA1、SA2与电容C1、C2并连，二者的中间连接点通过电感LA1连接在一起，实现C1和C2的均压；第2组电感均压基本电路的开关器件SA3、SA4与电容C3、C4并连，二者的中间连接点通过电感LA2连接在一起，实现C3和C4的均压。

第二级均压电路只包含1组电感均压基本电路，开关器件SA5、SA6与电容C2、C3并连，二者的中间连接点通过电感LA3连接在一起，实现C2和C3的均压。

最终，C1、C2、C3和C4在3组两级电感基本电路的均压操作下实现全部电压均等；

图4是将图3方案扩展为任意电平数的均压方案连接，其电路连接与图3类似分为两级。第一级的每组辅助电路实现2个邻近直流电容Cn和C(n-1)的均压。第二级均压电路又可实现第一级每二组邻近电容C(n-1)和C(n-2)的均压。因此，所有的电容均能够与上下相邻的电容均压，电压高的电容电压下降，电压低的电容电压上升。最终，经过多次上述操作后，所有电容的电压都将均等。

实施例2——适用于五电平数的单电感辅助均压电路

图5是单电感实现五电平所有直流电容电压的均压电路，该电路将图3所述两级多组独立的均压基本电路简化为一组单电感均压电路，为一个电感分别构造了直流电容C1-C4的充放电通路。即通过SA1、SA7、LA1、DA16、SA2、DA10串联形成电容C1的放电回路，通过DA9、SA7、LA1、DA16、DA13串联形成电容C1的充电回路；通过DA9、SA7、LA1、DA16、SA3串联形成电容C2的放电回路，通过SA4、DA15、LA1、DA16、SA2、DA10串联形成电容C2的充电回路；通过SA4、DA15、LA1、SA8、DA12串联形成电容C 3的放电回路，通过SA5、DA11、DA15、LA1、DA16、SA3串联形成电容C 3的充电回路；通过SA5、DA11、DA15、LA1、SA8、SA6串联形成电容C4的放电回路，通过DA14、DA15、LA1、SA8、DA12串联形成电容C4的充电回路。

该电路的基本工作原理与实施例1类似，即通过电感把电压高的电容的能量向电压低的电容上转移。为了实现上述方案，对五电平电路中的4个电容需要提供8个充放电通路，表1是适用五电平的单电感辅助均压电路的开关状态表；分别对应表1中的8种PWM开关状态和图6-图9的8个通路说明。

	SA1	SA2	SA3	SA4	SA5	SA6	SA7	SA8
									PWM1	1	1	0	0	0	0	1	0
PWM2	0	0	0	0	0	0	1	0
									PWM3	0	0	1	0	0	0	1	0
PWM4	0	1	0	1	0	0	0	0
									PWM5	0	0	0	1	0	0	0	1
PWM6	0	0	1	0	1	0	0	0
									PWM7	0	0	0	0	1	1	0	1
PWM8	0	0	0	0	0	0	0	1

表1

以下分别予以说明：

1、当VC1电压最高时：

此时需要C1对LA1放电，采用表1中的PWM1所示的开关状态，即SA1/SA2/SA7导通，其它可控开关关断。此时电流ic的通路如图6(a)所示，即C1的放电电流ic通过SA1和SA7向LA1放电，并依次通过DA16、SA2、DA10回到电容C1的负极。因此，该阶段C1电压下降、LA1电流上升。

2、当VC1电压最低时：

此时需要LA1对C1冲电，假设LA1初始电流＞0，采用表1中的PWM2所示的开关状态，即SA7导通，其它可控开关关断。此时电流ic的通路如图6(b)所示，即电流ic从LA1经过通过DA16和DA13向C1充电，并从电容C1的负端依次通过DA9和SA7回到LA1。因此，该阶段C1电压上升、LA1电流下降，通常LA1电流在该阶段下降到0，该通路中的二极管将阻止电流反向流动。

3、当VC2电压最高时：

此时需要C2对LA1放电，采用表1中的PWM3所示的开关状态，即SA3/SA7导通，其它可控开关关断。此时电流ic的通路如图7(a)所示，即C2的放电电流ic通过DA9和SA7向LA1放电，并依次通过DA16和SA3回到电容C2的负极。因此，该阶段C2电压下降、LA1电流上升。

4、当VC2电压最低时：

此时需要LA1对C2冲电，假设LA1初始电流＞0，采用表1中的PWM4所示的开关状态，即SA2/SA4导通，其它可控开关关断。此时电流ic的通路如图7(b)所示，即电流ic从LA1经过通过DA16、SA2、DA10向C2充电，并从电容C2的负端依次通过SA4和DA15回到LA1。因此，该阶段C2电压上升、LA1电流下降，通常LA1电流在该阶段下降到0，该通路中的二极管将阻止电流反向流动。

5、当VC3电压最高时：

此时需要C3对LA1放电，采用表1中的PWM5所示的开关状态，即SA4/SA8导通，其它可控开关关断。此时电流ic的通路如图8(a)所示，即C3的放电电流ic通过SA4和DA15向LA1放电，并依次通过SA8和DA12回到电容C3的负极。因此，该阶段C3电压下降、LA1电流上升。

6、当VC3电压最低时：

此时需要LA1对C3冲电，假设LA1初始电流＞0，采用表1中的PWM6所示的开关状态，即SA3/SA5导通，其它可控开关关断。此时电流ic的通路如图8(b)所示，即电流ic从LA1经过通过DA16和SA3向C3充电，并从电容C3的负端依次通过SA5、DA11、DA15回到LA1。因此，该阶段C3电压上升、LA1电流下降，通常LA1电流在该阶段下降到0，该通路中的二极管将阻止电流反向流动。

7、当VC4电压最高时：

此时需要C4对LA1放电，采用表1中的PWM7所示的开关状态，即SA5/SA6/SA8导通，其它可控开关关断。此时电流ic的通路如图9(a)所示，即C4的放电电流ic通过SA5、DA11、DA15向LA1放电，并依次通过SA8和SA6回到电容C4的负极。因此，该阶段C4电压下降、LA1电流上升。

8、当VC4电压最低时：

此时需要LA1对C4冲电，假设LA1初始电流＞0，采用表1中的PWM8所示的开关状态，即SA8导通，其它可控开关关断。此时电流ic的通路如图9(b)所示，即电流ic从LA1经过通过SA8和DA12向C4充电，并从电容C4的负端依次通过DA14和DA15回到LA1。因此，该阶段C4电压上升、LA1电流下降，通常LA1电流在该阶段下降到0，该通路中的二极管将阻止电流反向流动。

上述8中工作模式为4个直流电容提供了独立的充电和放电通路。因此，每次均压通过两步即可完成一对电容的均压，通常选择电压最高和电压最低的一对电容之间进行操作。第一步，让当前电压最高的电容放电，形成图6-图9的(a)图中的一个放电通路，让电压最高的电容将部分能量存储到电感上，其电压下降。第二步，对当前电压最低的电容充电，形成图6-图9的(b)图中的一个充电通路，让电感上存储的能量转移到该电容上，电容电压上升，直到电感电流下降为0，该通路中的二极管将阻止电流反向流动，电感电流保持为0直到下一开关状态的到来。经过多次上述均压步骤后，直流侧4个电容C1-C4的电压将趋向相等。

Claims

1.具有直流电容辅助均压电路的多电平变换器，其特征在于，在三相二极管箝位变换电路的直流电容侧设置均压电路，所述均压电路包含一级均压电路和二级均压电路；对于电平数为N+1的包含N个直流电容的多电平变换器，一级均压电路包含N/2个电感均压基本电路：开关器件SA1n、SA1(n-1)与电容Cn、C(n-1)并连，二者的中间连接点通过电感LA1(n/2)连接在一起，实现Cn和C(n-1)的均压；第二级均压电路包含N/2-1组电感均压基本电路：开关器件S2(n-2)、SA2(n-3)与电容C(n-1)、C(n-2)并连，二者的中间连接点通过电感LA2(n/2-1)连接在一起，实现C(n-1)和C(n-2)的均压；最终，N个直流电容C实现全部电压均等。

2.根据权利要求1所述之具有直流电容辅助均压电路的多电平变换器，其特征在于，所述N取4，即第一级均压电路包括两个电感均压基本电路：第一电感均压基本电路的开关器件SA1、SA2与电容C1、C2并连，二者的中间连接点通过电感LA1连接在一起，实现C1和C2的均压；第二电感均压基本电路的开关器件SA3、SA4与电容C3、C4并连，二者的中间连接点通过电感LA2连接在一起，实现C3和C4的均压；第二级均压电路只包含1组电感均压基本电路，开关器件SA5、SA6与电容C2、C3并连，二者的中间连接点通过电感LA3连接在一起，实现C2和C3的均压。

3.根据权利要求2所述之具有直流电容辅助均压电路的多电平变换器，其特征在于，所述两级均压基本电路简化为一组单电感均压电路，即通过SA1、SA7、LA1、DA16、SA2、DA10串联形成C1的放电回路，DA9、SA7、LA1、DA16、DA13串联形成C1的充电回路；DA9、SA7、LA1、DA16、SA3串联形成C2的放电回路，SA4、DA15、LA1、DA16、SA2、DA10串联形成C2的充电回路；SA4、DA15、LA1、SA8、DA12串联形成C3的放电回路，SA5、DA11、DA15、LA1、DA16、SA3串联形成C3的充电回路；SA5、DA11、DA15、LA1、SA8、SA6串联形成C4的放电回路，DA14、DA15、LA1、SA8、DA12串联形成C4的充电回路。