CN106505894A - 一种改进型三电平变流器拓扑结构及其调制方法 - Google Patents

Abstract

一种改进型三电平变流器拓扑结构及其调制方法，属于变流器拓扑结构及其调制方法。通过二极管桥式双端双向电力电子开关连接直流侧中点和变流器输出端，对主桥臂输出端进行钳位，实现了变流器由两电平电路到三电平电路的改进；拓扑电路包括直流侧电路、钳位电路、两电平逆变电路、输出滤波电路和网侧电路，每相桥臂只有三个IGBT开关，简化了三电平拓扑结构，减小了调制难度，降低了硬件成本。运用载波层叠正弦脉冲宽度调制策略，每相桥臂可输出Vdc/2、0、—Vdc/2三种电平状态，相对传统的两电平变流器，该拓扑变流器具有输出电压谐波小，所需滤波电感减小、效率高，有利于缩小设备体积，降低系统成本和损耗。

Description

一种改进型三电平变流器拓扑结构及其调制方法

技术领域

本发明涉及一种变流器拓扑结构及其调制方法，具体涉及一种改进型三电平变流器拓扑结构及其调制方法。

背景技术

相对于传统的两电平变流器，三电平变流器具有一系列优点：输出电压为多电平，谐波含量低，功率开关电压应力小，开关损耗小，效率高，容量大，被广泛应用于电机调速、光伏并网、谐波治理及无功补偿系统中。在实际应用中，较为成熟的三电平拓扑结构包括三种：二极管嵌位型、飞跨电容型和T型三电平三种结构。其中，二极管钳位型电路的每相桥臂由两个二极管钳位四个主功率管而成，存在功率管导通时间不同，散热片设计困难及直流侧分压电容电压不均衡等问题。飞跨电容型电路利用电容飞跨串联的主功率管之间实现钳位，存在系统可靠性差，电容电压不平衡及电容均压控制困难等问题。T型三电平电路利用一对双向共射级串联的IGBT连接在均压电容中点和变流器输出端之间实现钳位，存在各个功率器件所受的电压应力不同，功率器件导通损耗不同等问题。因而，对三电平变流器拓扑结构的探索和改进意义重大。

发明内容

本发明提供了一种改进型三电平变流器拓扑结构及其调制方法，解决现有技术的二极管钳位型三电平变流器拓扑电路结构复杂，每相桥臂有4个功率器件IGBT，调制繁琐，驱动电源较多，各个功率器件发热损耗不同的问题。

本发明的目的是这样实现的：一种改进型三电平变流器包括拓扑结构和调制方法；

该拓扑结构电路包括直流侧电路、钳位电路、两电平逆变电路、输出滤波电路和网侧电路；直流侧电路、钳位电路、两电平逆变电路、输出滤波电路和网侧电路的输出端、输入端顺序连接；所述电路将直流电Vdc转换成Vdc/2、0、—Vdc/2三种电平输出。

所述的直流侧电路包括直流电源Vdc、上滤波电容C₁和下滤波电容C₂，两个滤波电容完全相同串联连接，实现对直流电源Vdc的滤波和均压；二个电容连接点是直流桥臂中点O为参考电位，P点电位u_PO为Vdc/2，N点电位u_NO为—Vdc/2。

所述的钳位电路由功率开关管S_x3和四个二极管组成的桥式电路并联连接而成，构成二极管桥式双端双向电力电子开关，实现电流的双向流通，对输出端的钳位功能；电子开关的两个输出端分别连接两电平逆变电路的主桥臂输出端和直流侧中点，通过控制电子开关的功率开关管S_x3的通断，实施对输出端的钳位，所述的x∈{a、b、c}，a，b，c表示三相桥臂：S_a3、S_b3、S_c3为a，b，c三相桥臂上的钳位IGBT；实现变流器输出电压呈现Vdc/2、0、—Vdc/2三种电平状态，所述的S_x3为S_a3、S_b3、S_c3。

所述的两电平逆变电路由功率器件S_a1、S_a2、S_b1、S_b2、S_c1和S_c2及其在每一功率器件上反向并联续流二极管组成的三相全控桥式电路，每相桥臂并联在直流侧的正级P和负极N之间，每相桥臂中点为变流器输出端，连接与钳位电路和输出滤波电路之间，实现直流到交流的功率变换；

所述的输出滤波电路由三相滤波电感L_a、L_b、L_c组成，三相滤波电感L_a、L_b、L_c完全相同，连接输出端和网侧电路之间，滤除输出电路中谐波成分，优化输出电压电流质量，实现并网要求；

所述的网侧电路为三相电网或三相电机负载；应用于逆变并网时，网侧电路即为三相电网；应用于变频调速时，网侧电路即为三相电机负载。

所述改进型三电平变流器拓扑电路的调制方法为：由二极管桥式双端双向电力电子开关实现三电平电压输出；输出电流i_x为流出变流器时，设为正方向，S_x1、S_x3交替导通；输出电流i_x流入变流器时，设为负方向，S_x2、S_x3交替导通；

所述拓扑结构的钳位电路中的三个开关管S_a3、S_b3、S_c3和两电平逆变电路的6个开关管S_a1、S_a2、S_b1、S_b2、S_c1、S_c2的开关状态组合逻辑关系和该改进型三电平电路的输出电压u_xO之间的对应关系为：

上述对应关系中，‘1’代表对应的开关管处于导通状态，‘0’代表对应的开关管处于关闭状态，x∈{a、b、c}。

u_r为调制波，u_c1为上载波，u_c2为下载波，上载波u_c1、下载波u_c2的频率、幅值和相位都相等，对称分布在坐标轴的上下；用调制波u_r和上载波u_c1、下载波u_c2同时比较，根据比较结果控制功率开关管S_x1、S_x2、S_x3的通断，开关管的通断和载波调制波比较关系可表示为下式：

式(1)～(3)中，‘1’代表对应的开关管处于导通状态，‘0’代表对应的开关管处于关闭状态。

本发明与传统的二极管钳位型三电平变流器拓扑电路相比，具有如下优点：

传统的二极管钳位型三电平变流器拓扑电路结构复杂，每相桥臂有4个功率器件IGBT，调制繁琐，驱动电源较多，各个功率器件的发热损耗不同。而本发明每相桥臂只有3个功率器件IGBT，简化了拓扑结构，减小了调制难度，降低了硬件成本。

本发明通过改进的拓扑电路实现三电平电压输出，相对于传统的两电平变流器，具有输出谐波小，所需滤波电感量小，效率高，有利于降低系统成本和损耗等优点。使得三电平技术得到更好、更广泛的应用。

附图说明

图1是本发明所述的改进型三电平变流器拓扑结构示意图。

图2是本发明所述改进型三电平变流器拓扑结构中钳位电路示意图。

图3是本发明所述改进型三电平变流器拓扑结构中单相电路示意图。

图4是本发明所述的单相电路等效模型示意图。

图5是本发明所述的单相电路工作模态1示意图。

图6是本发明所述的单相电路工作模态2示意图。

图7是本发明所述的单相电路工作模态3示意图。

图8是本发明所述的单相电路工作模态4示意图。

图9是本发明所述的改进型三电平变流器载波层叠调制方法示意图。

图10是本发明所述改的进型三电平变流器输出相电压波形图。

图11是本发明所述的改进型三电平变流器输出线电压波形图。

图12是本发明所述改的进型三电平变流器输出三相电流波形图。

具体实施方式

一种改进型三电平变流器包括拓扑结构和调制方法；

该拓扑结构电路包括直流侧电路、钳位电路、两电平逆变电路、输出滤波电路和网侧电路；直流侧电路、钳位电路、两电平逆变电路、输出滤波电路和网侧电路的输出端、输入端顺序连接；所述电路将直流电Vdc转换成Vdc/2、0、—Vdc/2三种电平输出。

所述的直流侧电路包括直流电源Vdc、上滤波电容C₁和下滤波电容C₂，两个滤波电容完全相同串联连接，实现对直流电源Vdc的滤波和均压；二个电容连接点是直流桥臂中点O为参考电位，P点电位u_PO为Vdc/2，N点电位u_NO为—Vdc/2。

所述的钳位电路由功率开关管S_x3和四个二极管组成的桥式电路并联连接而成，构成二极管桥式双端双向电力电子开关，实现电流的双向流通，对输出端的钳位功能；电子开关的两个输出端分别连接两电平逆变电路的主桥臂输出端和直流侧中点，通过控制电子开关的功率开关管S_x3的通断，实施对输出端的钳位，所述的x∈{a、b、c}，a，b，c表示三相桥臂：S_a3、S_b3、S_c3为a，b，c三相桥臂上的钳位IGBT；实现变流器输出电压呈现Vdc/2、0、—Vdc/2三种电平状态，所述的S_x3为S_a3、S_b3、S_c3。

所述的两电平逆变电路由功率器件S_a1、S_a2、S_b1、S_b2、S_c1和S_c2及其在每一功率器件上反向并联续流二极管组成的三相全控桥式电路，每相桥臂并联在直流侧的正级P和负极N之间，每相桥臂中点为变流器输出端，连接与钳位电路和输出滤波电路之间，实现直流到交流的功率变换；

所述的输出滤波电路由三相滤波电感L_a、L_b、L_c组成，三相滤波电感L_a、L_b、L_c完全相同，连接输出端和网侧电路之间，滤除输出电路中谐波成分，优化输出电压电流质量，实现并网要求；

所述的网侧电路为三相电网或三相电机负载；应用于逆变并网时，网侧电路即为三相电网；应用于变频调速时，网侧电路即为三相电机负载。

所述改进型三电平变流器拓扑电路的调制方法为：由二极管桥式双端双向电力电子开关实现三电平电压输出；输出电流i_x为流出变流器时，设为正方向，S_x1、S_x3交替导通；输出电流i_x流入变流器时，设为负方向，S_x2、S_x3交替导通；

所述拓扑结构的钳位电路中的三个开关管S_a3、S_b3、S_c3和两电平逆变电路的6个开关管S_a1、S_a2、S_b1、S_b2、S_c1、S_c2的开关状态组合逻辑关系和该改进型三电平电路的输出电压u_xO之间的对应关系为：

上述对应关系中，‘1’代表对应的开关管处于导通状态，‘0’代表对应的开关管处于关闭状态，x∈{a、b、c}。

u_r为调制波，u_c1为上载波，u_c2为下载波，上载波u_c1、下载波u_c2的频率、幅值和相位都相等，对称分布在坐标轴的上下；用调制波u_r和上载波u_c1、下载波u_c2同时比较，根据比较结果控制功率开关管S_x1、S_x2、S_x3的通断，开关管的通断和载波调制波比较关系可表示为下式：

式(1)～(3)中，‘1’代表对应的开关管处于导通状态，‘0’代表对应的开关管处于关闭状态。

为使本发明的目的、计术方案和优点更加清晰，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步详细描述。

实施例1：参见图1所示：为本发明所述的改进型三电平变流器拓扑结构示意图，该拓扑结构包括直流侧电路、钳位电路、两电平逆变电路、输出滤波电路和网侧电路。

参见图2所示：为本发明所述的改进型三电平变流器拓扑结构中钳位电路用到的二极管桥式双端双向电力电子开关示意图，由于它具有双向可控特性，可是实现对变流器输出的钳位，使得输出电压波形呈现三电平波形。

参见图3所示：为本发明所述的改进型三电平变流器拓扑结构的单相电路示意图，单相电路的直流电压源为Vdc，电容C1、C2串联并连接在电压源的P、N级之间，实现对直流电源Vdc的滤波和均压。主电路包括由S_x1、S_x2、S_x3三个功率开关IGBT组成，实现换流和钳位功能，L_x为滤波电感，u_x为网侧或者负载电动势。在此规定，i_x为输出电流，若电流流出变流器，设为正，则电流流入变流器，设为负。

根据i_x的方向不同，单相电路的功率器件有不同的开关形式，如果电流流出变流器，S_x1、S_x3交替导通，S_x2保持关断，变流器输出电平为Vdc/2、0。如果电流流入变流器，S_x2、S_x3交替导通，S_x1保持关断，变流器输出电平为—Vdc/2、0。电流方向，开关状态，输出电压之间的关系可表示为下表：

上表中，‘1’代表对应的开关管处于导通状态，‘0’代表对应的开关管处于关闭状态，x∈{a、b、c}。

参见图5所示：为本发明所述的改进型三电平变流器拓扑结构的单相电路工作模态1。S_x1、S_x2、S_x3开关状态为“100”，对应的输出电压为Vdc/2。

参见图6所示：为本发明所述的改进型三电平变流器拓扑结构的单相电路工作模态2。S_x1、S_x2、S_x3开关状态为“001”，对应的输出电压为0。

参见图7所示：为本发明所述的改进型三电平变流器拓扑结构的单相电路工作模态3。S_x1、S_x2、S_x3开关状态为“010”，对应的输出电压为—Vdc/2。

参见图8所示：为本发明所述的改进型三电平变流器拓扑结构的单相电路工作模态4。S_x1、S_x2、S_x3开关状态为“001”，对应的输出电压为0。

参见图9所示：为应用于本发明所述的改进型三电平变流器调制策略示意图。是特定输出的载波层叠调制方法的示意图，现有载波调制策略应用的拓扑每相桥臂上的IGBT都是成对出现的，载波调制波输出控制对象是互补导通的，而特定输出的载波层叠调制方法的拓扑每相桥臂上有3个IGBT，不是传统形式上的互补导通，故式(1)～(3)只适用于本拓扑，这也是本调制策略和现有载波层叠调制策略的区别所在。根据改进型拓扑结构特点，运用载波层叠调制方法进行调制，u_r为调制波，周期为T，u_c1为上载波，u_c2为下载波，上下载波的频率、幅值和相位都相等，它们对称分布在坐标轴的上下。用调制波u_r和上载波u_c1、下载波u_c2同时比较，根据比较结果控制功率开关管S_x1、S_x2、S_x3的通断，开关管的通断和上载波u_c1、下载波u_c2及调制波u_r比较关系可表示为下式：

式(1)～(3)中，‘1’代表对应的开关管处于导通状态，‘0’代表对应的开关管处于关闭状态。

参见图10所示：为本发明所述的改进型三电平变流器拓扑在载波层叠调制作用下的输出相电压波形图，输出电压呈现Vdc/2、—Vdc/2、0三种电平状态。

参见图11所示：为本发明所述的改进型三电平变流器拓扑在载波层叠调制作用下的输出线电压波形图，输出电压呈现Vdc、Vdc/2、—Vdc/2、—Vdc、0五种电平状态。

参见图12所示：为本发明所述的改进型三电平变流器拓扑在载波层叠调制作用下的输出三相电流波形图，输出电流三相对称，电流质量良好。

Claims (8)

1.一种改进型三电平变流器的拓扑结构，其特征是：该拓扑结构电路包括直流侧电路、钳位电路、两电平逆变电路、输出滤波电路和网侧电路；直流侧电路、钳位电路、两电平逆变电路、输出滤波电路和网侧电路的输出端、输入端顺序连接；所述电路将直流电Vdc转换成Vdc/2、0、—Vdc/2三种电平输出。

2.根据权利要求1所述的改进型三电平变流器的拓扑结构，其特征是：所述的直流侧电路包括直流电源Vdc、上滤波电容C₁和下滤波电容C₂，两个滤波电容完全相同串联连接，实现对直流电源Vdc的滤波和均压；二个电容连接点是直流桥臂中点O为参考电位，P点电位u_PO为Vdc/2，N点电位u_NO为—Vdc/2。

3.根据权利要求1所述的改进型三电平变流器的拓扑结构，其特征是：所述的钳位电路由功率开关管S_x3和四个二极管组成的桥式电路并联连接而成，构成二极管桥式双端双向电力电子开关，实现电流的双向流通，对输出端的钳位功能；电子开关的两个输出端分别连接两电平逆变电路的主桥臂输出端和直流侧中点，通过控制电子开关的功率开关管S_x3的通断，实施对输出端的钳位，实现变流器输出电压呈现Vdc/2、0、—Vdc/2三种电平状态，所述的功率器件S_x3为S_a3、S_b3、S_c3。

4.根据权利要求1所述的改进型三电平变流器的拓扑结构，其特征是：所述的两电平逆变电路，该电路由功率器件S_a1、S_a2、S_b1、S_b2、S_c1、S_c2及其反并联的续流二极管组成三相全控桥式电路，每相桥臂并联在直流侧的正级P和负极N之间，每相桥臂中点为变流器输出端，连接与钳位电路和输出滤波电路之间，实现直流到交流的功率变换。

5.根据权利要求1所述的改进型三电平变流器的拓扑结构，其特征是：所述的输出滤波电路由三相滤波电感L_a、L_b、L_c组成，三相滤波电感L_a、L_b、L_c完全相同，连接输出端和网侧电路之间，滤除输出电路中谐波成分，优化输出电压电流质量，实现并网要求。

6.根据权利要求1所述的改进型三电平变流器的拓扑结构，其特征是：所述的网侧电路为三相电网或三相电机负载；应用于逆变并网时，网侧电路即为三相电网；应用于变频调速时，网侧电路即为三相电机负载。

7.权利要求1所述的一种改进型三电平变流器拓扑结构的调制方法，其特征是：所述改进型三电平变流器拓扑电路的调制方法为：由二极管桥式双端双向电力电子开关实现三电平电压输出；输出电流i_x为流出变流器时，设为正方向，功率器件S_x1、S_x3交替导通；输出电流i_x流入变流器时，设为负方向，功率器件S_x2、S_x3交替导通；

所述拓扑结构的钳位电路中的三个开关管功率器件S_a3、S_b3、S_c3和两电平逆变电路的6个开关管功率器件S_a1、S_a2、S_b1、S_b2、S_c1、S_c2的开关状态组合逻辑关系和该改进型三电平电路的输出电压u_xO之间的对应关系为：

上述对应关系中，‘1’代表对应的开关管处于导通状态，‘0’代表对应的开关管处于关闭状态，x∈{a、b、c}，a、b、c表示三相桥臂。

8.根据权利要求7所述的一种改进型三电平变流器拓扑结构的调制方法，其特征是：u_r为调制波，u_c1为上载波，u_c2为下载波，上载波u_c1、下载波u_c2的频率、幅值和相位都相等，对称分布在坐标轴的上下；用调制波u_r和上载波u_c1、下载波u_c2同时比较，根据比较结果控制功率开关管S_x1、S_x2、S_x3的通断，开关管的通断和载波调制波比较关系可表示为下式：

$S_{x1}=\left\{\begin{array}{cc}1& u_r>u_{c1}\\ 0& u_r\≤u_{c1}\end{array}\right.---\left(1\right)$

$S_{x2}=\left\{\begin{array}{cc}1& u_r\≤u_{c2}\\ 0& u_r>u_{c2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

$S_{x3}=\left\{\begin{array}{cccc}1& u_r\≤u_{c1}& and& u_r>u_{c2}\\ 0& u_r>u_{c1}& and& u_r\≤u_{c2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式(1)～(3)中，‘1’代表对应的开关管处于导通状态，‘0’代表对应的开关管处于关闭状态。