CN107040156B - 一种多电平变换器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多电平变换器系统，该系统包括控制逻辑系统、多电平变换器拓扑，该系统利用基础波和调制波的合成对比，并将这对比结果转化为控制信号，并将这个控制信号来控制多电平变换器拓扑，使得多电平变换器系统具有9个线电平的输出，利用该9种电平去逼近正弦波形，可有效降低总谐波失真，提高输出波形的质量。

Description

一种多电平变换器系统
技术领域
本发明涉及电能转换的技术领域，特别涉及一种多电平变换器系统。
背景技术
随着大容量、新能源、特殊环境电能变换技术，特别是近年来流行的电力电子变压器、正弦交流调压器、交流斩波器和柔性交流输电系统(FACTS)控制器等，能源系统对交交变换器的灵活性和稳定性要求也日益苛刻，传统多电平变换器要求输出较多电压电平数时往往要使用较多的功率器件进行控制，从而增加了系统复杂程度的同时提高了系统成本。
因此如何用较少的功率器件得到输出较多电压电平的多电平变换器一直是行业内研究的方向。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种多电平变换器系统，该系统具有9个线电平的输出。
本发明解决其技术问题的解决方案是：一种多电平变换器系统，包括：控制逻辑系统、多电平变换器拓扑，所述多电平变换器拓扑包括：6个桥式单元、电源，桥式单元设有节点A和节点B，第一桥式单元的节点A分别与第三、第五桥式单元的节点A、电源正极连接，第二桥式单元的节点B分别与第四、第六桥式单元的节点B、电源负极连接，所述第一桥式单元的节点B与第二桥式单元的节点A连接，所述第三桥式单元的节点B与所述第四桥式单元的节点A连接，所述第五桥式单元的节点B与所述第六桥式单元的节点A连接，所述控制逻辑系统用于控制桥式单元使其工作模式处于充电模式、放电模式、隔断模式和旁路模式其中一种，所述控制逻辑系统包括：用于输出基础波和调制波的波形发生单元、用于接收所述基础波和所述调制波并将所述基础波和调制波对比输出控制信号的逻辑处理器，所述控制信号用于控制所述多电平变换器拓扑的桥式单元。
进一步，单个桥式单元包括：3个功率开关管、3个二极管、1个模块电源，第一功率开关管的发射极分别连接模块电源的正极、第二二极管的负极、第二功率开关管的集电极，所述第一功率开关管的集电极分别连接第三功率开关管的集电极、第三二极管的负极，所述第二功率开关管的发射极分别连接第二二极管的正极、第一二极管的负极，所述第三功率开关管的发射极分别连接第三二极管的正极、第一二极管的正极、模块电源的负极，所述节点A位于所述第一功率开关管的集电极与第三功率开关管的集电极之间，所述节点B位于所述第二功率开关管的发射极与第一二极管的负极之间。
进一步，所述波形发生单元包括：用于输出第一、第二、第三基础波的U、V、W相正弦波发生器、用于输出第一、第二、第三、第四调制波的三角波发生器。
进一步，所述逻辑处理器包括：分别用于对比第一基础波和第一、第二、第三、第四调制波的第一、第二、第三、第四比较器、分别用于对比第二基础波和第一、第二、第三、第四调制波的第五、第六、第七、第八比较器、分别用于对比第三基础波和第一、第二、第三、第四调制波的第九、第十、第十一、第十二比较器。
本发明的有益效果是：利用基础波和调制波的合成对比，并将这对比结果转化为控制信号，并将这个控制信号来控制多电平变换器，使得多电平变换器系统具有9个线电平的输出，利用该9种电平去逼近正弦波形，可有效降低总谐波失真，提高输出波形的质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是多电平变换器系统的连接示意图；
图2是多电平变换器的连接示意图；
图3是逻辑合成单元的逻辑关系图；
图4是桥式单元的电路连接示意图；
图5是桥式单元充电模式的工作状态图；
图6是桥式单元放电模式的工作状态图；
图7是桥式单元阻断模式的工作状态图；
图8是桥式单元旁路模式的工作状态图；
图9是第一、第二、第三基础波、第一、第二、第三、第四调制波混合后的波形调制图；
图10是多电平变换器系统输出的各个相电压的电压波形图
图11是多电平变换器系统输出的线电压的电压波形。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例1，参考图1，一种多电平变换器系统，包括：控制逻辑系统、多电平变换器拓扑。
所述控制逻辑系统包括：用于输出基础波和调制波的波形发生单元、用于接收所述基础波和所述调制波并将所述基础波和调制波对比输出控制信号的逻辑处理器，所述控制信号用于控制所述多电平变换器拓扑的桥式单元。
所述波形发生单元包括：用于输出第一、第二、第三基础波的U、V、W相正弦波发生器a1、a2、a3、用于输出第一、第二、第三、第四调制波的三角波发生器。第一基础波为U相正弦波、第二基础波为V相正弦波、第三基础波为W相正弦波，所述三角波发生器包括发出三角基波的三角基波发生器a4、4个波形混合器，第一波形混合器将三角基波和0.875V的直流偏置混合形成第一调制波，第二波形混合器将三角基波和0.625V的直流偏置混合形成第二调制波，第三波形混合器将三角基波和0.375V的直流偏置混合形成第三调制波，第四波形混合器将三角基波和0.125V的直流偏置混合形成第四调制波，所述三角基波的幅值范围为：-0.125V～+0.125V，所述U、V、W相正弦波的幅值范围为0～1V，但是在工程上的话幅值的上、下限进行上下波动0.05也是属于允许的范围，本实施例采用工程常用的幅值范围：+0.05V～+0.95V；将第一、第二、第三基础波、第一、第二、第三、第四调制波混合得到如图9所示的波形调制图。
所述多电平变换器拓扑包括：第一、第二、第三、第四、第五、第六桥式单元U1、U2、U3、U4、U5、U6、电源u1、电源u2，电源u1和电源u2串联成总电源。
参考图2和图4，桥式单元设有节点A和节点B，第一桥式单元U1的节点A分别与第三、第五桥式单元U3、U5的节点A、总电源的正极连接，第二桥式单元U2的节点B分别与第四、第六桥式单元U4、U6的节点B、总电源的负极连接，所述第一桥式单元U1的节点B与第二桥式单元U2的节点A连接，所述第三桥式单元U3的节点B与所述第四桥式单元U4的节点A连接，所述第五桥式单元U5的节点B与所述第六桥式单元U6的节点A连接。
下面以第一桥式单元U1为例，对桥式单元的内部结构进行进一步的描述，所述第一桥式单元U1包括3个功率开关管、3个二极管、1个模块电源，第一功率开关管T1的发射极分别连接第二二极管D2的负极、第二功率开关管T2的集电极、模块电源C1的正极，所述第一功率开关管T1的集电极分别连接第三功率开关管T3的集电极、第三二极管D3的负极，所述第二功率开关管T2的发射极分别连接第二二极管D2的正极、第一二极管D1的负极，所述第三功率开关管T3的发射极分别连接第三二极管D3的正极、第一二极管D1的正极、模块电源C1的负极，在第一功率开关管T1的集电极与第三功率开关管T3的集电极之间引出节点A，在第二功率开关管T2的发射极与第一二极管D1的负极之间引出节点B。
参考图5-图8，所述桥式单元具有4个工作模式，分别为：充电模式、放电模式、阻断模式、旁路模式，所述充电模式，电流由节点A流入，经第一功率开关管T1、模块电源C1、第一二极管D1，然后由节点B流出；所述放电模式，电流由节点A流入，经第三功率开关管T3、模块电压C1、第二功率开关管T2，然后由节点B流出；所述阻断模式，无电流流通；所述旁路模式，电流由节点A流入，经第三功率开关管T3、第一二极管D1，然后由节点B流出。
参考图1，将基础波和调制波分别输入到相应的比较器a6，比较器a6从上往下依次为第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二比较器a6，其中，第一基础波和第一调制波输入到第一比较器a6，第一基础波和第二调制波输入到第二比较器a6，第一基础波和第三调制波输入到第三比较器a6，第一基础波和第四调制波输入到第四比较器a6，第二基础波和第一调制波输入到第五比较器a6，第二基础波和第二调制波输入到第六比较器a6，第二基础波和第三调制波输入到第七比较器a6，第二基础波和第四调制波输入到第八比较器a6，第三基础波和第一调制波输入到第九比较器a6，第三基础波和第二调制波输入到第十比较器a6，第三基础波和第三调制波输入到第十一比较器a6，第三基础波和第四调制波输入到第十二比较器a6。
比较器a6对输入的波形进行对比，并输出到逻辑合成单元a7，所述逻辑合成单元a7的逻辑关系图如图3所示，以第一、第二、第三、第四比较器a6输出的布尔值全都为0为例，此时所有的AND模块均输出0，而NOT模块b1输出1，逻辑开关b2自上往下分为第一、第二、第三、第四、第五逻辑开关b2，第一、第二、第三、第四逻辑开关b2输出000000，第五个逻辑开关b2输出000011，所有逻辑开关b2输出的信号进行“OR(或)”操作，得到最终输出000011。4个逻辑合成单元输出具有18个布尔值的控制信号，这18个布尔值分别控制6个桥式单元的18个功率开关管。
对本发明创造进行仿真，其中模块电源的电压值为100V，电源u1、电源u2的电压值均为100V，U、V、W各相负载R1、R2、R3的阻值均为100欧姆。以U、V相之间的线电压为例，各个桥式单元的功率开关管开关情况与对应的相电压和线电压的关系如下：
表1(a)
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7
OFF ON ON OFF OFF OFF OFF
OFF ON ON OFF OFF OFF OFF
ON ON OFF OFF OFF OFF OFF
ON ON OFF OFF OFF OFF OFF
ON OFF OFF OFF OFF OFF OFF
OFF OFF OFF ON OFF OFF ON
OFF OFF OFF ON ON OFF ON
OFF OFF OFF ON ON OFF OFF
OFF OFF OFF OFF ON ON OFF
表1(b)
T8 T9 T10 T11 T12 VU VV VUV
OFF OFF OFF ON ON 200V -200V 400V
OFF OFF ON ON OFF 200V -100V 300V
OFF OFF ON ON OFF 100V -100V 200V
OFF OFF ON OFF OFF 100V 0 100V
OFF OFF ON OFF OFF 0 0 0
ON OFF OFF OFF OFF 0 100V -100V
ON OFF OFF OFF OFF -100V 100V -200V
ON ON OFF OFF OFF -100V 200V -300V
ON ON OFF OFF OFF -200V 200V -400V
ON：指的是对应的功率开关管开启；OFF：指的是对应的功率开关管关闭；VU：指的是U相的相电压；VV：指的是V相的相电压；VUV：指的是U、V相之间的线电压。
U、W相之间的线电压，V、W相的线电压与U、V相之间的线电压类似，这里就不重复描述了。该系统得到了如图10、图11的曲线图，图10从上往下依次为：U相的相电压波形、V相的相电压波形、W相的相电压波形；图11从上往下依次为：U、V相之间的线电压波形、U、W相之间的线电压波形、V、W相之间的线电压波形。
综上该多电平变换器系统具有9种线电平，利用该9种电平去逼近正弦波形，可有效降低总谐波失真，提高输出波形的质量。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (1)

1.一种多电平变换器系统，其特征在于，包括：控制逻辑系统、多电平变换器拓扑，所述多电平变换器拓扑包括：6个桥式单元、电源，桥式单元设有节点A和节点B，第一桥式单元的节点A分别与第三、第五桥式单元的节点A、电源正极连接，第二桥式单元的节点B分别与第四、第六桥式单元的节点B、电源负极连接，所述第一桥式单元的节点B与第二桥式单元的节点A连接，所述第三桥式单元的节点B与所述第四桥式单元的节点A连接，所述第五桥式单元的节点B与所述第六桥式单元的节点A连接，所述控制逻辑系统用于控制桥式单元使其工作模式处于充电模式、放电模式、隔断模式和旁路模式其中一种，所述控制逻辑系统包括：用于输出基础波和调制波的波形发生单元、用于接收所述基础波和所述调制波并将所述基础波和调制波对比输出控制信号的逻辑处理器，所述控制信号用于控制所述多电平变换器拓扑的桥式单元；
其中，所述波形发生单元包括：用于输出第一、第二、第三基础波的U、V、W相正弦波发生器以及用于输出第一、第二、第三、第四调制波的三角波发生器；
其中，所述逻辑处理器包括：分别用于对比第一基础波和第一、第二、第三、第四调制波的第一、第二、第三、第四比较器、分别用于对比第二基础波和第一、第二、第三、第四调制波的第五、第六、第七、第八比较器、分别用于对比第三基础波和第一、第二、第三、第四调制波的第九、第十、第十一、第十二比较器以及用于输出所述控制信号的三个逻辑合成单元；
其中，单个桥式单元包括：3个功率开关管、3个二极管、1个模块电源，第一功率开关管的发射极分别连接模块电源的正极、第二二极管的负极、第二功率开关管的集电极，所述第一功率开关管的集电极分别连接第三功率开关管的集电极、第三二极管的负极，所述第二功率开关管的发射极分别连接第二二极管的正极、第一二极管的负极，所述第三功率开关管的发射极分别连接第三二极管的正极、第一二极管的正极、模块电源的负极，节点A位于所述第一功率开关管的集电极与第三功率开关管的集电极之间，节点B位于所述第二功率开关管的发射极与第一二极管的负极之间。
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