CN104539182B - 一种带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器拓扑 - Google Patents

一种带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器拓扑 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器拓扑，主要应用于大功率风电系统、中高压电机调速领域以及大功率有源滤波、无功补偿等场合。该拓扑主电路包括直流母线电容、自平衡飞跨电容辅助桥臂和5L‑NPC逆变器。飞跨电容辅助桥臂的引入主要用以解决5L‑NPC逆变器固有的直流母线电容中点的电位失衡问题。传统辅助电路是利用受控电压源在一个电抗器上产生电流来抵消逆变器中点的失衡电流，进而实现电位的平衡。与此不同，本发明提出的自平衡辅助电路是利用逆变器中点失衡电流自身给两个飞跨电容充放电，并使飞跨电容的电压保持恒定，进而利用电容钳位原理来自动实现中点电位的平衡。

Description

一种带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器拓扑
技术领域
本发明涉及用于实现复杂中高压大功率变换系统的逆变器拓扑结构，具体涉及一种带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器拓扑。
背景技术
近年来，一些新型多电平功率变换器由于输出容量大、适用于高电压大功率场合和输出电压电流谐波含量小等显著优点，在中高压调速领域、高压直流输电(HVDC)、静止同步补偿器(STATCOM)和电力有源滤波器(APF)等应用中得到了广泛的关注，成为中高压功率变换的首选方案。但是多电平钳位型拓扑普遍存在直流中点电压不平衡问题，而直流母线电压的平衡是整个多电平功率变换系统正常工作的前提条件，因此对其开展相关的研究与分析工作就具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器拓扑。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
所述5L-FC-NPC逆变器(即带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器)拓扑结构包括直流母线电容、自平衡飞跨电容辅助桥臂和5L-NPC逆变器，所述自平衡飞跨电容辅助桥臂包括接在PO点之间的上三电平飞跨电容辅助桥臂以及接在ON点之间的下三电平飞跨电容辅助桥臂，所述P点为直流母线正端，所述O点为直流母线电容的中点，所述N点为直流母线负端，上三电平飞跨电容辅助桥臂的中点A与下三电平飞跨电容辅助桥臂的中点B之间跨接有相互串联的钳位电容Cf3和电阻R，直流母线电容以及自平衡飞跨电容辅助桥臂通过P点、N点、A点、B点以及O点为5L-NPC逆变器提供五电平。
所述上三电平飞跨电容辅助桥臂包括有源开关S1～S4和飞跨电容Cf1，有源开关S1～S4依次串联，有源开关S1接P点，有源开关S4接O点，飞跨电容Cf1与有源开关S2以及S3并联，所述A点位于有源开关S2以及S3之间，下三电平飞跨电容辅助桥臂包括有源开关S'1～S'4和飞跨电容Cf2，有源开关S'1～S'4依次串联，有源开关S'1接O点，有源开关S'4接N点，飞跨电容Cf2与有源开关S'2以及S'3并联，所述B点位于有源开关S'2以及S'3之间。
所述逆变器拓扑的中点自平衡过程如下：当上三电平飞跨电容辅助桥臂工作于开关状态O1时，有源开关S1以及S3导通，有源开关S2以及S4关断，飞跨电容Cf1通过流经点A的净电流ina进行充电；当上三电平飞跨电容辅助桥臂工作于开关状态O2时，有源开关S1以及S3关断，有源开关S2以及S4导通，飞跨电容Cf1通过流经点A的净电流ina放电，从而实现飞跨电容Cf1的电压恒定为UDC/4，UDC表示直流母线电压；当下三电平飞跨电容辅助桥臂工作于开关状态O1时，有源开关S'1以及S'3导通，有源开关S'2以及S'4关断，飞跨电容Cf2通过流经点B的净电流inb进行放电；当下三电平飞跨电容辅助桥臂工作于开关状态O2时，有源开关S'1以及S'3关断，有源开关S'2以及S'4导通，飞跨电容Cf2通过流经点B的净电流inb进行充电，从而实现飞跨电容Cf2的电压恒定为UDC/4，进而钳位电容Cf3利用电容钳位原理实现A点、B点以及O点的电位平衡。
所述A点、B点平衡的控制方法包括以下步骤：
首先电压给定UDC/4与反馈的飞跨电容Cf1电压VFC1进行偏差比较，比较结果经过PI调节器和限幅器处理后输出控制变量α1，电压给定UDC/4与反馈的飞跨电容Cf2电压VFC2进行偏差比较，比较结果经过PI调节器和限幅器处理后输出控制变量α2；控制变量α1和α2分别受到净电流ina和inb的极性影响，极性为正时，控制变量符号不变，极性为负时，控制变量符号相反；控制变量α1分解成(1+α1)/2和(1-α1)/2，并分别作为上三电平飞跨电容辅助桥臂在开关状态O1和O2时的占空比，控制变量α2分解成(1+α2)/2和(1-α2)/2，并分别作为下三电平飞跨电容辅助桥臂在开关状态O1和O2时的占空比，从而通过占空比调整控制飞跨电容Cf1、Cf2的电压VFC1、VFC2，通过电压闭环控制使VFC1和VFC2分别等于UDC/4，进而实现A点以及B点的平衡。
判断净电流ina和inb极性的方法包括以下步骤：
根据等式ina＝iA2-iAB和inb＝iB2-iAB判断极性，iAB表示AB两点之间回路的电流，iA2表示流入A点的平均相电流，iB2表示流入B点的平均相电流，对于任意给定参考电压矢量V，根据SVPWM调制原理选择与参考电压矢量邻近的三个基本电压矢量及其中某基本电压矢量的冗余矢量来合成，若选择开关矢量SV1，SV2，SV3以及SV4，则合成过程为V＝d1*SV1+d2*SV2+d3*SV3+d4*SV4，d1～d4表示SV1～SV4对应的占空比，iA2等于每个开关矢量的占空比乘以该开关矢量下流入A点的三相电流总和，iB2等于每个开关矢量的占空比乘以该开关矢量下流入B点的三相电流总和。
所述直流母线电容包括串联于直流母线PN点之间的两个相同的电容，O点为所述两个相同的电容的中点；所述5L-NPC逆变器接于直流母线PN点之间，5L-NPC逆变器的各中性点分别与A点、O点以及B点对应连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
从效率、成本和中点平衡控制的难度几个方面来衡量，本发明提出的5L-FC-NPC逆变器具有最优的折中性能。
(1)本发明提出的5L-FC-NPC逆变器可以不接整流器，只利用自平衡辅助桥臂就能实现中点电位平衡，扩展了其应用范围。
(2)为了解决常规5L-NPC逆变器固有的直流母线电容中点的电位失衡问题，传统辅助电路是利用受控电压源在一个电抗器上产生电流来抵消逆变器中点的失衡电流，进而实现电位的平衡。与此不同，本发明提出的自平衡辅助电路是利用逆变器中点失衡电流自身给两个飞跨电容充放电，使飞跨电容的电压保持恒定，进而利用电容钳位原理来自动实现中点A、B、O电位的平衡。因此中点平衡控制相对简单，而且省去了电感，提高了系统效率。
附图说明
图1为5L-FC-NPC逆变器拓扑结构；图中：VAB表示中点A、B之间的电压，A2表示5L-NPC逆变器A相桥臂，B2表示5L-NPC逆变器B相桥臂，C2表示5L-NPC逆变器C相桥臂，Lf1、Lf2表示滤波电感，C表示滤波电容，ia2表示5L-NPC逆变器A相电流，ib2表示5L-NPC逆变器B相电流，1表示直流母线电容，2表示5L-NPC逆变器，3表示自平衡飞跨电容辅助桥臂；
图2为5L-FC-NPC逆变器控制框图；图中：SV1～SV4为开关矢量；d1～d4为开关矢量占空比；dO1和dO2为上三电平飞跨电容辅助桥臂O1和O2状态的占空比；d'O1和d'O2为下三电平飞跨电容辅助桥臂O1和O2状态的占空比，4表示PI调节器，5表示限幅器；
图3为5L-NPC的SVPWM开关矢量图；
图4为辅助桥臂的四种工作模式及其电流换流图；图中：(a)状态1：上半桥-O1，下半桥-O2，VAB>UDC/2；(b)状态2：上半桥-O1，下半桥-O1，假设Cf3放电；(c)状态3：上半桥-O2，下半桥-O2，假设Cf3充电；(d)状态4：上半桥-O2，下半桥-O1，VAB<UDC/2；
图5为基于5L-FC-NPC逆变器的背对背风电变换系统仿真波形；
图6为基于5L-FC-NPC逆变器的背对背风力发电变换系统；
图7为基于5L-FC-NPC逆变器的电机控制；
图8为基于5L-FC-NPC逆变器的STATCOM、APF。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
一种带有自平衡辅助桥臂的5L-NPC逆变器拓扑结构，用以实现中高压大功率的变换。
多电平变换器是目前广泛应用于中高压大功率交流系统的主要解决方案之一，但是多电平钳位型拓扑存在直流中点电压不平衡问题。通过这种带有自平衡飞跨电容辅助桥臂的5L-NPC逆变器，不仅能克服多电平钳位型拓扑存在的直流中点电位失衡问题，而且其效率也得到提高。
本发明采用的5L-FC-NPC逆变器拓扑结构，主要包括自平衡飞跨电容辅助桥臂和5L-NPC逆变器两部分。自平衡飞跨电容辅助桥臂由两个串联的三电平飞跨电容(3L-FC)辅助桥臂构成，且在直流母线的等效A点和B点之间串接一个钳位电容，用以解决5L-NPC逆变器固有的直流母线电容中点的电位失衡问题。5L-NPC逆变器各中性点分别与上下3L-FC辅助桥臂的中点A、B点和直流母线的电容中点O点对应连接在一起；其作为连接电网和直流母线的接口，起到维持直流母线电压，并将直流母线上传输的直流功率逆变为交流输出的作用，逆变输出再经滤波并入电网或控制电机。
其结构如图1所示，包括直流母线电容1、自平衡飞跨电容辅助桥臂3和5L-NPC逆变器2，其中逆变器采用常规的5L-NPC逆变器，而本发明的突出点在于提出的自平衡飞跨电容辅助桥臂。直流母线上串联了2个电容，通过正端(标记为P)和负端(标记为N)以及三个中点(A、O和B)来为逆变器提供五电平。自平衡飞跨电容辅助桥臂由两个串联的3L-FC辅助桥臂构成，分别接在PO之间和ON之间。与传统的5L-NPC通过四个电容串联来提供三个电容中点不同，本发明中A、B点不是电容中点，而是上、下两个3L-FC辅助桥臂的中点，且在A点和B点之间串接一个钳位电容Cf3和一个电阻R。其中上桥臂包括有源开关S1～S4和飞跨电容Cf1，有源开关S1～S4依次串联成一整体，一端由有源开关S1接P点，另一端由有源开关S4接O点，飞跨电容Cf1与有源开关S2以及S3并联，下桥臂包括有源开关S’ 1～S’ 4和飞跨电容Cf2，有源开关S'1～S'4依次串联成一整体，一端由有源开关S'1接O点，另一端由有源开关S'4接N点，飞跨电容Cf2与有源开关S'2以及S'3并联。
上、下3L-FC辅助桥臂可以各自工作于O1状态(S1＝on，S2＝off，S3＝on，S4＝off)/(S'1＝on，S'2＝off，S'3＝on，S'4＝off)和O2状态(S1＝off，S2＝on，S3＝off，S4＝on)/(S'1＝off，S'2＝on，S'3＝off，S'4＝on)。以上3L-FC桥臂为例，当其工作于O1状态时，飞跨电容Cf1通过流经中点A的净电流ina进行充电；当其工作于O2状态时，电容Cf1又通过净电流ina放电，从而实现飞跨电容Cf1的电压恒定为UDC/4。同理，当下3L-FC辅助桥臂工作于开关状态O1时，飞跨电容Cf2通过流经点B的净电流inb进行放电；当下3L-FC辅助桥臂工作于开关状态O2时，飞跨电容Cf2又通过流经点B的净电流inb进行充电，飞跨电容Cf2的电压也将恒定为UDC/4。进而电容Cf3利用电容钳位原理来自动实现中点A、B、O的电位平衡。
本发明提出的5L-FC-NPC逆变器控制方案如图2所示，对于常规的5L-NPC逆变器，采用的是基于电网电压定向的传统的d-q轴解耦矢量控制策略，其控制过程如图2中①④部分所示，其中直轴分量控制直流母线电压UDC，交轴分量控制流入电网的无功功率Q。本发明的突出点在于中点A、B平衡辅助桥臂的控制方法，如图2中②③部分所示。首先电压给定UDC/4与飞跨电容电压VFC1、VFC2分别进行偏差比较，然后经过PI调节器和限幅器处理输出控制变量α1和α2，控制变量α1分解成(1+α1)/2和(1-α1)/2，并分别作为上三电平飞跨电容辅助桥臂在开关状态O1和O2时的占空比，控制变量α2分解成(1+α2)/2和(1-α2)/2，并分别作为下三电平飞跨电容辅助桥臂在开关状态O1和O2时的占空比，从而通过占空比调整控制飞跨电容Cf1、Cf2的电压VFC1、VFC2，通过这两个电压闭环控制来调整上下3L-FC辅助桥臂在开关状态O1和O2时的占空比，即dO1，dO2，d’O1和d’O2。这个控制过程将使飞跨电容的电压VFC1和VFC2分别等于UDC/4，进而实现中点A、B的平衡。除此之外，控制变量α1和α2同时也受到中点净电流ina和inb极性的影响，即电流极性为正时，控制变量符号不变，电流极性为负时，控制变量符号相反。
中点净电流ina和inb极性判断的具体实施办法如下：
如图2中③部分所示，为了计算中点净电流ina和inb，使用了一个电流传感器用来测量图1中所示的iAB，那么根据等式ina＝iA2-iAB，inb＝iB2-iAB可以判断中点电流极性，进而调整占空比实现中点平衡控制。其中iA2和iB2可以通过利用5L-NPC逆变器的相电流(ia2，ib2和ic2)及其调制器提供的开关矢量SV1～SV4和占空比d1～d4来计算，过程如下：对于任意给定参考电压矢量V，可以根据SVPWM调制原理选择与参考电压矢量邻近的三个基本电压矢量及其中某基本电压矢量的冗余矢量来合成，若选择开关矢量SV1，SV2，SV3以及SV4，则合成过程为V＝d1*SV1+d2*SV2+d3*SV3+d4*SV4，由于每个开关矢量包含了逆变器三相的开关状态，而每相的开关状态有五个，分别用数字0～4表示，则每个开关矢量可以用三个数字组合表示。当开关矢量中某相的开关状态为“3”时，该相电流会流入A点；当开关矢量中某相的开关状态为“1”时，对应相电流会流入B点；当开关矢量中某相的开关状态不为“3”和“1”时，则该相流入A点和B点电流为零。因此iA2等于每个开关矢量的占空比乘以该开关矢量下流入A点的三相电流总和，相应的iB2等于每个开关矢量的占空比乘以该开关矢量下流入B点的三相电流总和。
图3给出了SVPWM开关矢量图，图中每个开关矢量由三个0～4之间的数字组合来表示，这些数字所代表的开关状态在表1中给出(所述数字0表示的开关状态为Sna1～Sna4关断，Sna5～Sna8导通，所述数字1表示的开关状态为Sna1～Sna3，Sna8关断，Sna4～Sna7导通，所述数字2表示的开关状态为Sna1，Sna2，Sna7，Sna8关断，Sna3～Sna6导通，所述数字3表示的开关状态为Sna1，Sna6～Sna8关断，Sna2～Sna5导通，所述数字4表示的开关状态为Sna1～Sna4导通，Sna5～Sna8关断。Sna1～Sna8表示逆变器A相有源开关)。当开关矢量中某相的开关状态为“3”时，该相电流会流入A点；而当某相的开关状态为“1”时，对应相电流会流入B点；如果开关矢量中三相的开关状态中均不包含“3”和“1”时，则流入A点和B点电流为零。下面以参考矢量V1的调制为例解释iA2和iB2的计算过程如下：根据SVPWM调制原理选择与V1邻近的三个基本电压矢量(即图中阴影部分三角形区域的三个顶点)及其冗余矢量来合成参考电压矢量V1，即选择SV1＝(211)，SV2＝(221)，SV3＝(321)，SV4＝(322)，SV4是SV1的冗余矢量，它们的排列次序如图所示。当选择SV1＝(211)时，由于没有“3”状态，因此iA2＝0，而由于B相和C相均为“1”状态，因此iB2＝ib2+ic2；同理，当选择SV2＝(221)时，iA2＝0，iB2＝ic2；选择SV3＝(321)时，iA2＝ia2，iB2＝ic2；选择SV4＝(322)时，iA2＝ia2，iB2＝0。最后，总的iA2和iB2可计算如下：iA2＝d1*0+d2*0+d3ia2+d4ia2，iB2＝d1*(ib2+ic2)+d2ic2+d3ic2+d4*0。
表1 SVM中数字与开关状态的关系(A相桥臂为例)
为了实现上述逆变器拓扑的控制功能，本发明以应用背对背风力发电变换系统为例，采用上述5L-FC-NPC逆变器控制方案，对于常规的5L-NPC逆变器，采用的是基于电网电压定向的传统的d-q轴解耦矢量控制策略。对于自平衡飞跨电容辅助桥臂的控制方法是利用逆变器中点失衡电流自身给两个飞跨电容充放电，使飞跨电容的电压保持恒定，进而利用电容钳位原理来自动实现中点电位的平衡。下面将详细阐述A、B和O点的平衡控制原理。
首先规定逆变侧电流流出为正方向，直流侧电流流入为正方向。其中自平衡飞跨电容辅助桥臂的上、下桥臂分别用于实现中点A、B的电压平衡控制。一个桥臂有四种开关状态，但只用其中两种。以上桥臂工作于O1(S1＝on,S2＝off,S3＝on,S4＝off)和O2(S1＝off,S2＝on,S3＝off,S4＝on)状态为例，在每个开关状态中，中点净电流ina会根据其极性给飞跨电容Cf1充放电，从而实现电容电压恒定；同理飞跨电容Cf2的电压实现恒定。又由于上述电压闭环控制方案中VFC1、VFC2的闭环电压给定要求为UDC/4，所以飞跨电容Cf1和Cf2两边的电压分别被钳位到UDC/4，实现了中点A、B的电位平衡，同时上下飞跨电容桥臂在控制过程中相互独立。而O点的平衡则是借助AB之间的钳位电容Cf3自动实现平衡。针对上下桥臂不同的开关状态和中点电流极性，图4依次给出了四种开关状态具体的换流路径。
在如图4(a)所示电路的状态1中，通过方程(1)可以看到电容Cf3两边的电压总是被钳位在VAB＝UDC/2，当VAB>UDC/2时，电容Cf3上过多的能量就通过图中所示路径进行释放，同时由于中点A、B被飞跨电容Cf1、Cf2强制性的平衡，导致VPA＝VBN＝UDC/4。然而在这种状态下，如果没有限制条件，中点O的电势可能发生直流漂移。
状态1：VFC1＝UDC/4,VFC2＝UDC/4,可得
在如图4(b)～(c)所示的第2、3种状态中，通过它们的电压方程(2)、(3)可以得到，只要状态1中的VAB＝UDC/2保持不变，那么中点A、B和O都将强制实现平衡，这说明即使状态1时中点O的电势发生漂移，在状态2、3中也会恢复。但VAB不会一直保持为UDC/2，在状态2、3时，因为飞跨电容Cf3没有加任何限制而导致它最终发生漂移，并且飞跨电容Cf3开始如图中所示的路径进行充放电过程。
状态2：VFC1＝UDC/4,VFC2＝UDC/4and VAB＝UDC/2,可得
状态3：VFC1＝UDC/4,VFC2＝UDC/4and VAB＝UDC/2,可得
在如图4(d)所示电路的状态4中，VAB又一次被电容Cf1和Cf2钳位到UDC/2，而且电容Cf3在前一状态产生的电压漂移也被消除。假设电容Cf3在状态2或3时进行放电且VAB<UDC/2，那么在状态4时Cf3上的电量将会按照图示路径重新充满。同时，由于电容Cf3与电容Cf1和Cf2相并联，中点O又会被强制平衡。然而，中点A、B在失去电容Cf1和Cf2产生的限制后又发生了漂移，这个漂移会在下一周期状态1时被消除。
状态4：VFC1＝UDC/4,VFC2＝UDC/4,可得:
综上所述，自平衡飞跨电容辅助桥臂电路从状态1到状态4的每一过程都会发生电压漂移。但是这种漂移都会由于飞跨电容Cf3和直流母线上电容的影响而减弱，同时前一状态的电压漂移会在另一状态被消除。因此，当四个状态在一个开关周期内交替发生时，电压漂移问题即被完美的解决，中点A、B和O也实现了自动平衡控制。但是前提是要保证飞跨电容Cf1和Cf2两边的电压被钳位到VFC1＝UDC/4。根据中点A、B平衡辅助桥臂的控制方案，通过两个电压闭环控制来调整上下3L-FC辅助桥臂在开关状态O1和O2时的占空比，同时根据所述的中点净电流极性判断方法来调整占空比，最终可以使飞跨电容的电压VFC1和VFC2分别等于UDC/4。进而实现中点A、B和O的自动平衡。
除此之外，为了减小开关变换时产生的冲击电流，飞跨电容Cf3上串联了一个小电阻R。当中点A、B和O平衡时，电阻R上的电压降很小，由此引起的功率损耗也可忽略不计。然而，当逆变器开始启动时会产生较高的压差，因此在启动之前，直流母线电容和飞跨电容最好进行预充电。
为了验证5L-FC-NPC逆变系统及其控制策略的可行性，本发明以应用基于背靠背PWM整流器+5L-FC-NPC逆变器的风电变换系统为例，在Matlab/Simulink中搭建了系统的实际开关模型并进行了相应的仿真研究。其中输入采用20Hz的交流电源，输出接50Hz的电网。5L-FC-NPC逆变器部分仿真结果如图5所示。在0.2s时刻，在整流器侧强加一阶跃电流信号后的仿真结果显示，尽管所加电流不同，但可以看出此时直流母线很平稳，在辅助桥臂的控制下飞跨电容Cf1、Cf2电压十分平稳，始终为UDC/4，为整个系统正常工作提供了稳定的直流中点。而钳位电容Cf3两端的电压也总是钳位至UDC/2，因此很好的实现了中点A、B和O的自动平衡控制。除此之外，在0.25s时刻，当向中点O注入一个直流电流idrift后，自平衡飞跨电容辅助桥臂将产生平衡控制电流ino来抵消电流idrift的影响，这显示出该辅助桥臂实现O点自动平衡的良好的控制能力。
(1)背靠背风力发电变换系统
如图6所示为5L-FC-NPC逆变器在风力发电变换系统的一种应用。背靠背风力发电变换系统主要包括永磁同步电机、PWM整流器和5L-FC-NPC逆变器。风力机带动永磁同步发电机，将永磁同步发电机发出的频率和幅值变化的交流电经PWM整流成直流，再经过5L-FC-NPC逆变成与电网电压同频反向的交流电经滤波后并人电网。
(2)中压控制电机
如图7所示为5L-FC-NPC逆变器在中压电机控制系统的一种应用。该系统主要包括变压器、二极管整流桥、5L-FC-NPC逆变器和电机。交流电网输出经变压器升压并产生隔离的三相绕组，将交流电经二极管整流桥整流成直流，再经过5L-FC-NPC将直流电压逆变成所要频率的交流电压用于控制电机。
(3)静止同步补偿器(STATCOM)和电力有源滤波器(APF)
如图8所示为5L-FC-NPC逆变器在无功补偿器和有源滤波器的一种应用。该系统主要包括5L-FC-NPC逆变器和变压器。STATCOM基本工作原理简而言之就是通过适当调节逆变器电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，从而吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。APF通过将谐波与基波分离，控制逆变器生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。它们都可以等效视为幅值和相位均可控制的一个与电网同频率的交流电压源。

Claims (6)

1.一种带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器拓扑，其特征在于：包括直流母线电容(1)、自平衡飞跨电容辅助桥臂(3)和5L-NPC逆变器(2)，所述自平衡飞跨电容辅助桥臂(3)包括接在PO点之间的上三电平飞跨电容辅助桥臂以及接在ON点之间的下三电平飞跨电容辅助桥臂，所述P点为直流母线正端，所述O点为直流母线电容(1)的中点，所述N点为直流母线负端，上三电平飞跨电容辅助桥臂的中点A与下三电平飞跨电容辅助桥臂的中点B之间跨接有相互串联的钳位电容Cf3和电阻R，直流母线电容(1)以及自平衡飞跨电容辅助桥臂(3)通过P点、N点、A点、B点以及O点为5L-NPC逆变器(2)提供五电平。
2.根据权利要求1所述一种带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器拓扑，其特征在于：所述上三电平飞跨电容辅助桥臂包括有源开关S1～S4和飞跨电容Cf1，有源开关S1～S4依次串联，有源开关S1接P点，有源开关S4接O点，飞跨电容Cf1与有源开关S2以及S3并联，所述A点位于有源开关S2以及S3之间，下三电平飞跨电容辅助桥臂包括有源开关S'1～S'4和飞跨电容Cf2，有源开关S'1～S'4依次串联，有源开关S'1接O点，有源开关S'4接N点，飞跨电容Cf2与有源开关S'2以及S'3并联，所述B点位于有源开关S'2以及S'3之间。
3.根据权利要求2所述一种带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器拓扑，其特征在于：所述逆变器拓扑的中点自平衡过程如下：当上三电平飞跨电容辅助桥臂工作于开关状态O1时，有源开关S1以及S3导通，有源开关S2以及S4关断，飞跨电容Cf1通过流经点A的净电流ina进行充电；当上三电平飞跨电容辅助桥臂工作于开关状态O2时，有源开关S1以及S3关断，有源开关S2以及S4导通，飞跨电容Cf1通过流经点A的净电流ina放电，从而实现飞跨电容Cf1的电压恒定为UDC/4，UDC表示直流母线电压；当下三电平飞跨电容辅助桥臂工作于开关状态O1时，有源开关S'1以及S'3导通，有源开关S'2以及S'4关断，飞跨电容Cf2通过流经点B的净电流inb进行放电；当下三电平飞跨电容辅助桥臂工作于开关状态O2时，有源开关S'1以及S'3关断，有源开关S'2以及S'4导通，飞跨电容Cf2通过流经点B的净电流inb进行充电，从而实现飞跨电容Cf2的电压恒定为UDC/4，进而钳位电容Cf3利用电容钳位原理实现A点、B点以及O点的电位平衡。
4.根据权利要求3所述一种带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器拓扑，其特征在于：所述A点、B点平衡的控制方法包括以下步骤：
首先电压给定UDC/4与反馈的飞跨电容Cf1电压VFC1进行偏差比较，比较结果经过PI调节器(4)和限幅器(5)处理后输出控制变量α1，电压给定UDC/4与反馈的飞跨电容Cf2电压VFC2进行偏差比较，比较结果经过PI调节器(4)和限幅器(5)处理后输出控制变量α2；控制变量α1和α2分别受到净电流ina和inb的极性影响，极性为正时，控制变量符号不变，极性为负时，控制变量符号相反；控制变量α1分解成(1+α1)/2和(1-α1)/2，并分别作为上三电平飞跨电容辅助桥臂在开关状态O1和O2时的占空比，控制变量α2分解成(1+α2)/2和(1-α2)/2，并分别作为下三电平飞跨电容辅助桥臂在开关状态O1和O2时的占空比，从而通过占空比调整控制飞跨电容Cf1、Cf2的电压VFC1、VFC2，通过电压闭环控制使VFC1和VFC2分别等于UDC/4，进而实现A点以及B点的平衡。
5.根据权利要求4所述一种带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器拓扑，其特征在于：判断净电流ina和inb极性的方法包括以下步骤：
根据等式ina＝iA2-iAB和inb＝iB2-iAB判断极性，iAB表示AB两点之间回路的电流，iA2表示流入A点的平均相电流，iB2表示流入B点的平均相电流，对于任意给定参考电压矢量V，根据SVPWM调制原理选择与参考电压矢量邻近的三个基本电压矢量及其中某基本电压矢量的冗余矢量来合成，若选择开关矢量SV1，SV2，SV3以及SV4，则合成过程为V＝d1*SV1+d2*SV2+d3*SV3+d4*SV4，d1～d4表示SV1～SV4对应的占空比，iA2等于每个开关矢量的占空比乘以该开关矢量下流入A点的三相电流总和，iB2等于每个开关矢量的占空比乘以该开关矢量下流入B点的三相电流总和。
6.根据权利要求1所述一种带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器拓扑，其特征在于：所述直流母线电容(1)包括串联于直流母线PN点之间的两个相同的电容，O点为所述两个相同的电容的中点；所述5L-NPC逆变器(2)接于直流母线PN点之间，5L-NPC逆变器(2)的各中性点分别与A点、O点以及B点对应连接。
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106059353B (zh) * 2016-07-20 2018-07-27 合肥工业大学 三相五电平有源中点箝位逆变器的飞跨电容电压控制方法
CN107979302B (zh) * 2017-12-19 2018-12-18 湖南大学 一种高精度特种电源及其控制方法
FR3079688B1 (fr) * 2018-03-30 2021-10-08 Inst Vedecom Convertisseur npc quatre bras pour les vehicules electriques et chargeur bidirectionnel comprenant un tel convertisseur
CN108667327B (zh) * 2018-05-03 2020-03-20 华为数字技术（苏州）有限公司 多电平逆变器
CN109495003B (zh) * 2018-11-05 2020-08-25 东北石油大学 一种逆变器控制方法和系统
CN112653348B (zh) * 2020-12-16 2022-03-29 中国人民解放军海军工程大学 五电平有源中点钳位h桥变频器单相空间矢量调制方法
CN113300613B (zh) * 2021-05-25 2023-03-24 武汉大学 基于并联交错多电平变换器的开关型功率放大器及方法
CN113691153B (zh) * 2021-07-08 2023-01-24 厦门科华数能科技有限公司 逆变器控制装置、逆变设备及控制方法
CN113400959B (zh) * 2021-07-30 2022-12-06 南通大学 计及二次功率脉动抑制的电动汽车用电驱重构型充电系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102427304A (zh) * 2011-10-17 2012-04-25 阳光电源股份有限公司 一种单相半桥五电平逆变器及其应用电路
CN103236797A (zh) * 2013-04-17 2013-08-07 西安交通大学 一种五电平二极管钳位型变换器电容电压平衡控制方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102427304A (zh) * 2011-10-17 2012-04-25 阳光电源股份有限公司 一种单相半桥五电平逆变器及其应用电路
CN103236797A (zh) * 2013-04-17 2013-08-07 西安交通大学 一种五电平二极管钳位型变换器电容电压平衡控制方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
具有飞跨电容辅助桥臂的三电平中点钳位逆变器方案;曾翔君等;《电力系统自动化》;20140425;第38卷(第8期);84-90 *

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