CN102739100A

CN102739100A - 三电平三相四桥臂变流器

Info

Publication number: CN102739100A
Application number: CN2012101910518A
Authority: CN
Inventors: 张兴; 邵章平; 王付胜; 杨淑英; 谢震; 李飞
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2032-06-11
Also published as: CN102739100B

Abstract

本发明公开了一种三电平三相四桥臂变流器，包括有直流部分、变流部分、变流部分控制器、第四桥臂、第四桥臂控制器，变流部分为二极管钳位型三电平逆变器，第四桥臂为T型三电平结构，通过控制变流部分的前三个桥臂功率开关管的状态，实现直流侧和交流侧能量的交换；通过控制第四桥臂的功率开关管的状态，改变直流侧中性点电压，实现中性点电位的平衡。本发明的第四桥臂采用T型三电平拓扑，比二极管钳位式三电平逆变器少了2个钳位二极管，节约了成本，而且功率损耗比较均衡，效率更高；中点平衡的控制不受功率因数、调制度和调制策略的影响；由于直流侧中性点电压偏差的允许范围是可控的，可以根据实际工况调节允许范围的大小，提高系统的效率。

Description

三电平三相四桥臂变流器

技术领域

本发明涉及电力电子变流技术领域，具体涉及一种三电平三相四桥臂变流器，特别适合基于电力电子变流技术和计算机控制技术相结合的光伏并网发电、风力发电等能量变换系统。

背景技术

在追求低碳社会的今天，太阳能和风能作为清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。2006~2009年，全球太阳能光伏电池产量的年增长率为60%，2010年全球光伏发电市场规模达到15GW，全球有9个国家光伏发电市场规模超过250MW。与此同时，全球的风力发电产业也正以惊人的速度增长，从1996 年起，全球累计风电装机容量连续13年增速超过20%，仅2009 年，全球新增风力发电装机容量37500MW，全球风力发电总装机容量达到157900MW，增速为31%，预计到2012年，全球年新增风力发电装机容量将增加到36.1GW，风电机组累计装机容量将达到240GW。

随着装机容量的不断增加，作为新能源系统能量变换的核心器件，变流器的容量和耐压等级的要求也越来越高，传统的两电平结构变流器无法满足要求。因此，多电平技术逐步成为了研究的热点。多电平变流器耐压等级高、电压应力低、电压和电流的畸变率低，但是随着电平数的增多，控制策略的复杂程度急剧增加。基于上述原因，三电平结构显示出极大的优越性。传统的三电平结构可以分为二极管箝位式、电容箝位式和级联式，其中二极管箝位式结构简单、应用广泛，得到了普遍的关注。然而，三电平结构也存在着固有的难题：直流侧电容中性点电压的漂移和波动问题。若能对其进行较好的控制，既减小了输出电流的谐波含量，又利于三相控制的解耦。到目前为止，国内外学者针对二极管箝位式三电平变流器的中点平衡问题提出了多种算法，但大多以调节正负冗余小矢量为手段，而且抑制效果与系统的功率因数、调制度和调制策略密切相关，应用范围受到了限制。

发明内容

本发明的目的是通过一种节约成本且高效率的三电平三相四桥臂的变流器，实现任意功率因数、任意调制度和任意调制策略下的中点电位的漂移和中点电位低频波动的抑制。

本发明采用的技术方案是：

三电平三相四桥臂变流器，其特征在于，包括有直流部分、变流部分、变流部分控制器、第四桥臂、第四桥臂控制器，所述的直流部分包括有稳压源和两个分压电容C1、C2，分压电容C1、C2相互串联后与稳压源并联，电容C1与电容C2的连接点记为直流侧中性点O；所述的变流部分包括有一个二极管钳位型三电平逆变器，二极管钳位型三电平逆变器包括有三个并联的三电平桥臂，三个三电平桥臂的中点依次记为A、B、C点，A、B、C三点作为三个交流电压输出端；所述的变流部分控制器包括有采样单元、同步单元、闭环控制单元、PWM信号发生单元一，电网电压、交流电压输出端的电流和直流部分的分压电容C1、C2的电压分别接入采样单元的信号输入端，采样单元的信号输出端分别与同步单元、闭环控制单元连接，同步单元获取电网电压的同步角，用于坐标变换，闭环控制单元通过PI调节器的作用，完成对指令电流的无静差、快速的跟随，并产生三相正弦的调制波，闭环控制单元的信号输出端接入PWM信号发生单元一，PWM信号发生单元一输出控制变流部分的调制波和PWM信号；所述的第四桥臂包括有四个功率开关管S1、S2、S3、S4，四个续流二极管D1、D2、D3、D4，滤波电感L，每个功率开关管的集电极与发射极之间连接一个续流二极管，续流二极管的方向与功率开关管的发射极同向，功率开关管S1、S4串联，功率开关管S2、S3串联，功率开关管S3的集电极与功率开关管S1、S4之间的连接点连接，功率开关管S1、S4之间的连接点还与电感L连接，电感L的另一端与功率开关管D2的集电极共同接入直流侧中性点O处；所述的直流部分、变流部分、第四桥臂依次并联；所述的第四桥臂控制器包括有比较单元、逻辑判断单元、比例环节、调制波生成单元和PWM信号发生单元二，直流部分的分压电容C1、C2的电压分别接入比较单元的信号输入端，比较单元通过比较分压电容C1、C2电压的大小，得到直流侧中性点电压，并将其分别接入逻辑判断单元、比例环节，逻辑判断单元通过比较直流侧中性点电压和允许波动范围的关系，得到三值逻辑函数S_V，并将其接入调制波生成单元，比例环节对直流侧中性点电压进行标幺化处理后也接入调制波生成单元，调制波生成单元得到第四桥臂的调制波，并通过PWM信号发生单元二生成驱动第四桥臂的驱动信号，来控制直流侧中性点的电位。

所述的第四桥臂包括有四个功率开关管S1、S2、S3、S4，四个续流二极管D1、D2、D3、D4，滤波电感L，第四臂可以分成三个电流路径：稳压源、功率开关管S1、电感L、续流二极管D3和分压电容C2构成Buck电路；分压电容C2、C1、功率开关管S3、电感L和续流二极管D1构成Boost电路；功率开关管S4、S2、续流二极管D4、D2和电感L构成续流回路。

所述的第四桥臂控制器的PWM信号发生单元二生成驱动第四桥臂的驱动信号，来控制直流侧中性点的电位，其具体的脉冲分配过程是：当直流侧中性点电压高于允许波动范围的上限时，第四桥臂控制器驱动Buck电路工作，调节直流部分的分压电容C2上的电压，以达到中点平衡；当直流侧中性点电压低于允许波动范围的下限时，第四桥臂控制器驱动Boost电路工作，将直流部分的分压电容C2上的能量间接的转移到直流部分的分压电容C1上去，以达到中点平衡；当直流侧中性点电压偏差在允许的范围内时，第四桥臂控制器驱动续流回路工作，第四桥臂处于旁路状态，降低了开关损耗。

本发明的有益效果在于：

本发明的第四桥臂采用T型三电平拓扑，比二极管钳位型三电平逆变器少了2个钳位二极管，节约了成本，而且功率损耗比较均衡，效率更高；通过本发明的第四桥臂控制器的控制作用，直流侧中性点电压被控制在允许范围内，减小了输出电流的谐波含量，提高了输出波形的质量，避免了因某侧电容电压过高引起的功率开关管和电容的损坏；本发明的第四桥臂的控制与变流部分三相桥臂的控制完全独立，中点平衡的控制不受功率因数、调制度和调制策略的影响，应用范围更为广泛；由于直流侧中性点电压偏差的允许范围是可控的，可以根据实际工况调节本发明直流侧电压波动的允许范围，提高系统的效率。

附图说明：

图1是本发明三相四桥臂三电平变流器的示意图。

图2是本发明直流部分示意图。

图3是本发明变流部分示意图。

图4是本发明第四桥臂拓扑示意图。

图5是本发明变流部分控制器示意图。

图6是本发明第四桥臂控制器示意图。

图7是本发明S_V=2时第四桥臂S₁管开通电流路径示意图。

图8是本发明S_V=2时第四桥臂S₁管关断电流路径示意图。

图9是本发明S_V=0时第四桥臂S₄管开通电流路径示意图。

图10是本发明S_V=0时第四桥臂S₄管关断电流路径示意图。

图11是本发明S_V=1时第四桥臂续流路径示意图。

图12是本发明直流侧电压差与三值逻辑函数S_V关系示意图。

图13是本发明第四桥臂调制波和PWM信号分配示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行具体分析。

如图1-13所示，三电平三相四桥臂变流器，包括有直流部分1、变流部分2、变流部分控制器3、第四桥臂4、第四桥臂控制器5，直流部分1包括有稳压源E和两个分压电容C1、C2，分压电容C1、C2相互串联后与稳压源E并联，电容C1与电容C2的连接点记为直流侧中性点O；变流部分2包括有一个二极管钳位型三电平逆变器，二极管钳位型三电平逆变器包括有三个并联的三电平桥臂，三个三电平桥臂的中点依次记为A、B、C点，A、B、C三点作为三个交流电压输出端；变流部分控制器3包括有采样单元6、同步单元7、闭环控制单元8、PWM信号发生单元一9，电网电压、交流电压输出端的电流和直流部分的分压电容C1、C2的电压分别接入采样单元6的信号输入端，采样单元6的信号输出端分别与同步单元7、闭环控制单元8连接，同步单元7获取电网电压的同步角，用于坐标变换，闭环控制单元8通过PI调节器的作用，完成对指令电流的无静差、快速的跟随，并产生三相正弦的调制波，闭环控制单元8的信号输出端接入PWM信号发生单元一9，PWM信号发生单元一9输出控制变流部分的调制波和PWM信号；第四桥臂4包括有四个功率开关管S1、S2、S3、S4，四个续流二极管D1、D2、D3、D4，滤波电感L，每个功率开关管的集电极与发射极之间连接一个续流二极管，续流二极管的方向与功率开关管的发射极同向，功率开关管S1、S4串联，功率开关管S2、S3串联，功率开关管S3的集电极与功率开关管S1、S4之间的连接点连接，功率开关管S1、S4之间的连接点还与电感L连接，电感L的另一端与功率开关管D2的集电极共同接入直流侧中性点O处；直流部分1、变流部分2、第四桥臂4依次并联；第四桥臂控制器5包括有比较单元10、逻辑判断单元11、比例环节12、调制波生成单元13和PWM信号发生单元二14，直流部分1的分压电容C1、C2的电压分别接入比较单元10的信号输入端，比较单元10通过比较分压电容C1、C2电压的大小，得到直流侧中性点电压，并将其分别接入逻辑判断单元11、比例环节12，逻辑判断单元11通过比较直流侧中性点电压和允许波动范围的关系，得到三值逻辑函数S_V，并将其接入调制波生成单元，比例环节12对直流侧中性点电压进行标幺化处理后也接入调制波生成单元13，调制波生成单元13得到第四桥臂的调制波，并通过PWM信号发生单元二14生成驱动第四桥臂的驱动信号，来控制直流侧中性点的电位。

第四桥臂4包括有四个功率开关管S1、S2、S3、S4，四个续流二极管D1、D2、D3、D4，滤波电感L，第四臂可以分成三个电流路径：稳压源、功率开关管S1、电感L、续流二极管D3和分压电容C2构成Buck电路；分压电容C2、C1、功率开关管S3、电感L和续流二极管D1构成Boost电路；功率开关管S4、S2、续流二极管D4、D2和电感L构成续流回路。

第四桥臂控制器5的PWM信号发生单元二14生成驱动第四桥臂的驱动信号，来控制直流侧中性点的电位，其具体的脉冲分配过程是：当直流侧中性点电压高于允许波动范围的上限时，第四桥臂控制器驱动Buck电路工作，调节直流部分的分压电容C2上的电压，以达到中点平衡；当直流侧中性点电压低于允许波动范围的下限时，第四桥臂控制器驱动Boost电路工作，将直流部分的分压电容C2上的能量间接的转移到直流部分的分压电容C1上去，以达到中点平衡；当直流侧中性点电压偏差在允许的范围内时，第四桥臂控制器驱动续流回路工作，第四桥臂处于旁路状态，降低了开关损耗。

设分压电容C1、C2的电压分别为V_dc1和V_dc2，直流侧电压允许的波动范围为-ΔV到ΔV，定义直流侧中性点的电压V_np为：

V_{np} = V_{dc 1} - V_{dc 2} - - - (1)

定义三值逻辑函数S_V表示本发明直流侧中性点电压和允许波动范围的大小关系，具体如下：

S_{V} = \{\begin{matrix} 2, V_{np} > ΔV \\ 1, | V_{np} | \leq ΔV \\ 0, V_{np} < - ΔV \end{matrix}

S_V和直流侧中性点电压的对应关系也可以通过图12来表示。

当三值逻辑函数S_V=2时，即直流侧中性点电压高于允许波动范围的上限，E、S1、L、D4和C2构成Buck电路，调节C2上的电压V_dc2，具体工作过程是：当功率开关管S1开通时，如图7所示，直流侧电源E经过S1、L和C2构成回路，对L和C2充电；当功率开关管S1关断时，如图8所示，储存在L中的能量通过L、D4和C2构成的回路转移到C2中。在三值逻辑函数S_V=2时，Boost电路并没有直接参与工作，因为总的直流侧电压为固定值，在Buck电路引起V_dc2上升时，相反的V_dc1在下降，最终实现中点电位的平衡。

当三值逻辑函数S_V=0时，即直流侧中性点电压低于允许波动范围的下限，C1、C2、S4、L和D1构成Boost电路，C2上的能量间接地转移到C1上去，具体工作过程是：当功率开关管S4开通时，如图9所示，C2、S4和L构成回路，C2对L充电；当功率开关管S4关断时，如图10所示，储存在L中的能量通过L、D1和C1构成的回路转移到C1中。在三值逻辑函数S_V=0时，Buck电路并没有直接参与工作，直流侧中点电位的平衡是通过调节C1上的电压实现的。

当三值逻辑函数S_V=1时，即直流侧中性点电压在允许波动的范围内，如图11所示，S2、S3、D2、D3和L构成续流回路，保持直流侧电压平衡。当三值逻辑函数S_V=1时，Buck电路和Boost电路均不工作，S2和S3处于导通状态，电流通过S2、D3和L 或者S3、D2和L续流，对C1和C2电压均不产生影响，第四桥臂工作在续流状态，从而直流侧电压被控制在-ΔV到ΔV范围内。

本发明第四桥臂功率开关管的开关状态如表1所示：

设第四桥臂的调制波为u^*，可以表示为

u^{*} = K_{p} (S_{V} - 1) \cdot \frac{V_{dc 1} - V_{dc 2}}{E} - - - (5)

式中K_p为比例系数。

第四桥臂的调制波u^*的波形如图13所示，将u^*与三角载波u_c比较，得到PWM信号，再根据三值逻辑函数S_V将PWM信号分配给第四桥臂的功率开关管，实现中点平衡的效果，具体的分配方式如表1所示。

表1 第四桥臂PWM信号分配表

S_V	S₁	S₂	S₃	S₄
					2	开关	关断	关断	关断
1	关断	开通	开通	关断
					0	关断	关断	关断	开关

Claims

1.一种三电平三相四桥臂变流器，其特征在于，包括有直流部分、变流部分、变流部分控制器、第四桥臂、第四桥臂控制器，所述的直流部分包括有稳压源和两个分压电容C1、C2，分压电容C1、C2相互串联后与稳压源并联，电容C1与电容C2的连接点记为直流侧中性点O；所述的变流部分包括有一个二极管钳位型三电平逆变器，二极管钳位型三电平逆变器包括有三个并联的三电平桥臂，三个三电平桥臂的中点依次记为A、B、C点，A、B、C三点作为三个交流电压输出端；所述的变流部分控制器包括有采样单元、同步单元、闭环控制单元、PWM信号发生单元一，电网电压、交流电压输出端的电流和直流部分的分压电容C1、C2的电压分别接入采样单元的信号输入端，采样单元的信号输出端分别与同步单元、闭环控制单元连接，同步单元获取电网电压的同步角，闭环控制单元产生三相正弦的调制波，闭环控制单元的信号输出端接入PWM信号发生单元一，PWM信号发生单元一输出控制变流部分的调制波和PWM信号；所述的第四桥臂包括有四个功率开关管S1、S2、S3、S4，四个续流二极管D1、D2、D3、D4，滤波电感L，每个功率开关管的集电极与发射极之间连接一个续流二极管，续流二极管的方向与功率开关管的发射极同向，功率开关管S1、S4串联，功率开关管S2、S3串联，功率开关管S3的集电极与功率开关管S1、S4之间的连接点连接，功率开关管S1、S4之间的连接点还与电感L连接，电感L的另一端与功率开关管D2的集电极共同接入直流侧中性点O处；所述的直流部分、变流部分、第四桥臂依次并联；所述的第四桥臂控制器包括有比较单元、逻辑判断单元、比例环节、调制波生成单元和PWM信号发生单元二，直流部分的分压电容C1、C2的电压分别接入比较单元的信号输入端，比较单元通过比较分压电容C1、C2电压的大小，得到直流侧中性点电压，并将其分别接入逻辑判断单元、比例环节，逻辑判断单元通过比较直流侧中性点电压和允许波动范围的关系，得到三值逻辑函数S_V，并将其接入调制波生成单元，比例环节对直流侧中性点电压进行标幺化处理后也接入调制波生成单元，调制波生成单元得到第四桥臂的调制波，并通过PWM信号发生单元二生成驱动第四桥臂的驱动信号，来控制直流侧中性点的电位。

2.根据权利要求1所述的三电平三相四桥臂变流器，其特征在于，所述的第四桥臂包括有四个功率开关管S1、S2、S3、S4，四个续流二极管D1、D2、D3、D4，滤波电感L，第四臂可以分成三个电流路径：稳压源、功率开关管S1、电感L、续流二极管D3和分压电容C2构成Buck电路；分压电容C2、C1、功率开关管S3、电感L和续流二极管D1构成Boost电路；功率开关管S4、S2、续流二极管D4、D2和电感L构成续流回路。

3.根据权利要求1或2所述的三电平三相四桥臂变流器，其特征在于，所述的第四桥臂控制器的PWM信号发生单元二生成驱动第四桥臂的驱动信号，来控制直流侧中性点的电位，其具体的脉冲分配过程是：当直流侧中性点电压高于允许波动范围的上限时，第四桥臂控制器驱动Buck电路工作，调节直流部分的分压电容C2上的电压，以达到中点平衡；当直流侧中性点电压低于允许波动范围的下限时，第四桥臂控制器驱动Boost电路工作，将直流部分的分压电容C2上的能量间接的转移到直流部分的分压电容C1上去，以达到中点平衡；当直流侧中性点电压偏差在允许的范围内时，第四桥臂控制器驱动续流回路工作，第四桥臂处于旁路状态。