CN108471250A - 一种用于电力变换系统的五电平拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电力变换系统的五电平拓扑结构，包括十二个开关管、四个母线电容和两个箝位电容，其中第一～四、七～八、十一～十二开关管连接成两个T型单元并联连接于直流母线上，在两个T型单元之间设有箝位电容和第一、二开关管组；四个母线电容串联连接后并联连接于直流母线上；在直流母线上第二、第三母线电容与上、下侧箝位电容之间串接第一开关管组，在第二、三开关管与两个箝位电容之间串接第二开关管组，在第二、第三开关管之间引出输出端子。本发明简化了控制过程，减少电平转换过程中开关状态变化的开关管数量，具备较好的容错运行能力和可靠性，可灵活调整控制方式，有效消除死区效应，可广泛应用于逆变器、变频器等电力变换装置。

Description

一种用于电力变换系统的五电平拓扑结构
技术领域
本发明涉及一种电平拓扑技术，具体为一种用于电力变换系统的五电平拓扑结构。
背景技术
近年来，大功率电力变换系统被广泛应用于高压大容量交流电机的变频调速、大型风力发电机的运行控制、大功率光伏逆变等领域。在大功率使用场合，如何降低损耗、提高效率、减少输出波形谐波含量，挺高系统的电磁兼容性，都是系统设计人员需要考虑的问题。
多电平技术的使用可以使输出正弦电压波形更加平滑，降低的电压变化率，有效减少输出电压谐波含量。同时由于多电平技术的使用，使得对单个电力开关管的耐压要求降低，有效降低了成本。当前广泛应用的有两点平、三电平等多电平技术。
当前研究已经提出的五电平技术中，还存在不同模态转换过程中开关状态切换复杂、开关损耗大、中点电位平衡困难以及死区效应难以消除等问题。
发明内容
针对现有技术中五电平结构存在不同模态转换过程中开关状态切换复杂、开关损耗大、中点电位平衡困难以及死区效应难以消除等不足，本发明要解决的问题是提供一种可有效降低系统整体的开关通断损耗，提高整个系统的变换效率的用于电力变换系统的五电平拓扑结构。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明一种用于电力变换系统的五电平拓扑结构包括十二个开关管、四个母线电容和两个箝位电容，其中第一～四、七～八、十一～十二开关管连接成两个T型单元并联连接于直流母线上，在两个T型单元之间设有箝位电容和由反向串联的第九、十开关管组成的第一开关管组、由反向串联的第五、六开关管组成的第二开关管组；四个母线电容串联连接后，整体并联连接于直流母线上；在直流母线上第二、第三母线电容与上、下侧箝位电容之间串接第一开关管组，在第二、三开关管与两个箝位电容之间串接第二开关管组，在第二、第三开关管之间引出输出端子。
所述每个T型单元包括四个开关管，T型结构的两臂为两个同向串联的开关管，中间臂为两个反向串接的开关管，中间臂的两个开关管接于两臂中两个同向串联的开关管之间。
上侧T型单元的中间臂接于直流母线上第一、第二母线电容之间，两臂中第一臂接于直流母线正极，第二臂接于下侧T型单元的第一臂；下侧T 型单元的中间臂接于直流母线上第三、第四母线电容之间，第二臂接于直流母线负极。
在相邻的T型单元的节点之间设有两个箝位电容，上侧箝位电容的正极接于第一、第二开关管之间，负极接于下侧箝位电容的正极；下侧箝位电容的负极接于第三、第四开关管之间。
三个单相五电平拓扑结构的输入侧依次接在第一母线电容正极、第二母线电容正极、第三母线电容正极、第四母线电容正极和第四母线电容负极，三相并联于直流母线。
第一～十二开关管为场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管的全控型开关器件。
第一～十二开关管器件本身若未集成二极管，均需另外反并联二极管。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明提出了一种用于电力变换系统的五电平拓扑，除多电平共有的输出谐波低、电磁干扰小等优点外，此拓扑结构通过不同开关状态的组合实现(完成)相同电压的输出，这种冗余化的开关状态配置，简化了控制过程，减少了电平转换过程中开关状态变化的开关管数量，有效降低了系统整体的开关通断损耗，提高了整个系统的变换效率，具备较好的容错运行能力和可靠性，同时可灵活调整控制方式，有效消除死区效应，可广泛应用于逆变器、变频器等电力变换装置。
2.本发明提出的逆变器拓扑结构在输出相同电压时，可以有不同导通组合选择，便于在不同状态转换过程中，简化控制方法，还可以易于实现直流母线电容以及箝位电容电压的自平衡，以消除逆变器驱动信号产生的死区效应，从而有效提高逆变器的输出性能。
附图说明
图1为本发明单相五电平拓扑结构电气原理图；
图2A为本发明中输出电压为4E的电流路径图；
图2B为本发明中输出电压为3E的电流路径图(一)；
图2C为本发明中输出电压为3E的电流路径图(二)；
图2D为本发明中输出电压为3E的电流路径图(三)；
图2E为本发明中输出电压为3E的电流路径图(四)；
图2F为本发明中输出电压为2E的电流路径图(一)；
图2G为本发明中输出电压为2E的电流路径图(二)；
图2H为本发明中输出电压为2E的电流路径图(三)；
图2I为本发明中输出电压为2E的电流路径图(四)；
图2J为本发明中输出电压为2E的电流路径图(五)；
图2K为本发明中输出电压为E的电流路径图(一)；
图2L为本发明中输出电压为E的电流路径图(二)；
图2M为本发明中输出电压为E的电流路径图(三)；
图2N为本发明中输出电压为E的电流路径图(四)；
图2O为本发明中输出电压为0的电流路径图；
图3是本发明三相五电平拓扑结构电气原理框图；
图4是本发明中仿真单相电压波形图；
图5是本发明中仿真三相电压波形图；
图6是本发明中仿真(带电机负载)三相电流波形图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明一种用于电力变换系统的五电平拓扑包括十二个开关管、四个母线电容和两个箝位电容，其中第一～四、七～八、十一～十二开关管连接成两个T型单元并联连接于直流母线上，在两个T型单元之间设有箝位电容和由反向串联的第九、十开关管组成的第一开关管组、由反向串联的第五、六开关管组成的第二开关管组；四个母线电容串联连接后，整体并联连接于直流母线上；在直流母线上第二、第三母线电容与上、下侧箝位电容之间串接第一开关管组，在第二、三开关管与两个箝位电容之间串接第二开关管组，在第二、第三开关管之间引出输出端子。
每个T型单元包括四个开关管，T型结构的两臂为两个同向串联的开关管，中间臂为两个反向串接的开关管，中间臂的两个开关管接于两臂中两个同向串联的开关管之间。
上侧T型单元的中间臂接于直流母线上第一、第二母线电容之间，两臂中第一臂接于直流母线正极，第二臂接于下侧T型单元的第一臂；下侧T 型单元的中间臂接于直流母线上第三、第四母线电容之间，第二臂接于直流母线负极。
图1中，两个T型单元为向右旋转90度的T型，两臂即为上、下臂，位于右侧，中间臂也即水平臂，位于左侧。
在相邻的T型单元的节点之间设有两个箝位电容，上侧箝位电容的正极接于第一、第二开关管之间，负极接于下侧箝位电容的正极；下侧箝位电容的负极接于第三、第四开关管之间。
在直流母线上第二、第三母线电容与上、下侧箝位电容之间串接第一开关管组，在第二、三开关管与两个箝位电容之间串接第二开关管组，在第二、第三开关管之间引出输出端子。
本实施例中，第一开关管组为两个反向串联的第九、十开关管，第二开关管组为两个反向串联的第五、六开关管。
单相五电平拓扑结构的输入侧接于母线电容相应位置，具体为：单相五电平单元的五个输入端依次接在第一母线电容C1正极、第二母线电容C2正极、第三母线电容C3正极、第四母线电容C4正极和第四母线电容C4负极，三相并联于直流母线，实现三相五电平输出。
第一～十二开关管为场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管的全控型开关器件；第一～十二开关管器件本身若未集成二极管，均需另外反并联二极管。
本实施例以五电平逆变器为例。如图1所示，第一～四母线电容C1～C4为直流母线上的四个电容，各分担四分之一的母线电压，第一～十二开关管 SA1～SA4、SA51～SA52、SA61～SA62、SA71～SA72、SA81～SA82均需反并联二极管。(第一～四开关管组分别为由SA7i、SA5i、SA6i、SA8i组成，i＝1，2)。在不同状态相互切换过程中，不考虑死区时间处理的情况下，上述四个开关管组内部反向串联的开关管是同时给开通和关断信号的，同一开关管组内部两个开关管依据表1给定驱动信号。
上侧T型结构单元由第一～二、七～八开关管SA1、SA2、SA61、SA62构成，第一开关管SA1接于直流母线正极，第二开关管SA2接于下侧T型结构单元；下侧T型结构单元由第三～四、十一～十二开关管SA3、SA4、SA81、SA82构成， SA3接于上侧T型结构单元，SA4接于直流母线负极。
在第八、十开关管SA62、SA72和第十、十二SA72、SA82之间分别串接第一、二箝位电容C5、C6，这两个电容同样承担四分之一的母线电压。第七、九、十一开关管SA61、SA71、SA81分别接于第一母线电容C1的负极、第二母线电容C2的负极、第三母线电容C3的负极节点，第五开关管SA51接于第一、二箝位电容C5、C6之间，第六开关管SA52接至输出端子。第一、四开关管组SA7i、SA8i配合第一、二箝位电容C5、C6实现同一输出电压的不同开关管组合以及死区时间的处理。
由第二、三开关管SA2和SA3之间引出输出端子，第一箝位电容C5正极接于第一～二开关管SA1、SA2之间，第二箝位电容C6负极接于第三～四开关管SA3、SA4之间，用以实现箝位电容电压的自平衡。
五种输出电压为4E、3E、2E、E和0，直流母线处电压为4E，对应各个开关管的通断状态如表1所示，表1中输出电压为3E、2E、E这三种状态可以有多种方式实现，各种状态的电流路径如图2A～2O中虚线所示；
其中输出电压为4E的电路图如图2A所示，包括开关管SA1、SA2导通，电流由母线正极经开关管SA1、SA2输出。
输出电压为3E的电路图如图2B、2C、2D、2E所示，包括：
开关管SA61、SA62、SA2导通，电流由第二母线电容C2正极经开关管SA61、 SA62、SA2输出；
开关管SA51、SA52、SA1导通，电流由母线正极经SA1、C5、SA51、SA52输出；
开关管SA71、SA72、SA2导通，电流由第三母线电容C3正极经SA71、SA72、 C5、SA2输出；
开关管SA81、SA82、SA2导通，电流由第四母线电容C4正极经SA81、SA82、 C6、C5、SA2输出。
输出电压为2E的电路图如图2F、2G、2H、2I、2J所示，包括：
开关管SA81、SA82、SA51、SA52导通，电流由第四母线电容C4正极经SA81、 SA82、C6、SA51、SA52输出；
开关管SA71、SA72、SA51、SA52导通，电流由第三母线电容C3正极经开关管SA71、SA72、SA51、SA52输出；
开关管SA61、SA62、SA51、SA52导通，电流由第二母线电容C2正极经SA61、 SA62、C5、SA51、SA52输出；
开关管SA1、SA3导通，电流由母线正极经SA1、C5、C6、SA3输出；
开关管SA2、SA4导通，电流由母线负极经SA4、C6、C5、SA2输出。
输出电压为E的电路图如图2K、2L、2M、2N所示，包括：
开关管SA81、SA82、SA3导通，电流由第四母线电容C4正极经开关管SA81、 SA82、SA3输出；
开关管SA71、SA72、SA3导通，电流由第三母线电容C3正极经SA71、SA72、 C6、SA3输出；
开关管SA61、SA62、SA3导通，电流由第二母线电容C2正极经SA61、SA62、 C5、C6、SA3输出；。
开关管SA51、SA52、SA4导通，电流由母线负极经SA4、C6、SA51、SA52输出。
输出电压为0的电路图如图2O所示，包括开关管SA3、SA4导通，电流由母线负极经开关管SA4、SA3输出。
这种冗余开关方式，可以实现同一输出电压情况下采用不同的开关管组合，进而减少不同输出状态之间切换过程中改变状态的开关管个数及开关管的开通和关断损耗，从而提高了整个系统的效率。
表1五电平单相逆变器各桥臂的开关状态
如上所述的单相拓扑在直流母线侧并联可形成三相拓扑，只需控制各相开关管的通断时序即可实现三相交流的输出以驱动三相交流负载。
如图3所示，三个单相五电平拓扑结构并联后形成三相逆变输出结构，各相逆变单元的五个输入端子分别接于直流电源的正极、第一、二母线电容C1、C2之间，第二、三母线电容C2、C3之间以及第三、四母线电容C3、 C4之间以及直流电源的负极，三相输出A、B、C与三相负载连接。
使用电力电子仿真软件搭建模型，仿真结果如图4～6所示，其中，图4 是单相电压波形图，图5是三相电压波形图，图6是负载为电机的三相电流波形图；从波形上看，高次谐波较少，输出波形质量高。
上述实施例仅用于说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种用于电力变换系统的五电平拓扑结构，其特征在于：包括十二个开关管、四个母线电容和两个箝位电容，其中第一～四、七～八、十一～十二开关管连接成两个T型单元并联连接于直流母线上，在两个T型单元之间设有箝位电容和由反向串联的第九、十开关管组成的第一开关管组、由反向串联的第五、六开关管组成的第二开关管组；四个母线电容串联连接后，整体并联连接于直流母线上；在直流母线上第二、第三母线电容与上、下侧箝位电容之间串接第一开关管组，在第二、三开关管与两个箝位电容之间串接第二开关管组，在第二、第三开关管之间引出输出端子。
2.根据权利要求1所述的用于电力变换系统的五电平拓扑结构，其特征在于：所述每个T型单元包括四个开关管，T型结构的两臂为两个同向串联的开关管，中间臂为两个反向串接的开关管，中间臂的两个开关管接于两臂中两个同向串联的开关管之间。
3.根据权利要求1所述的用于电力变换系统的五电平拓扑结构，其特征在于：上侧T型单元的中间臂接于直流母线上第一、第二母线电容之间，两臂中第一臂接于直流母线正极，第二臂接于下侧T型单元的第一臂；下侧T型单元的中间臂接于直流母线上第三、第四母线电容之间，第二臂接于直流母线负极。
4.根据权利要求1所述的用于电力变换系统的五电平拓扑结构，其特征在于：在相邻的T型单元的节点之间设有两个箝位电容，上侧箝位电容的正极接于第一、第二开关管之间，负极接于下侧箝位电容的正极；下侧箝位电容的负极接于第三、第四开关管之间；第一、二箝位电容和第一、二开关管组之间电连接为一个节点
5.根据权利要求1所述的用于电力变换系统的五电平拓扑结构，其特征在于：三个单相五电平拓扑结构的输入侧依次接在第一母线电容正极、第二母线电容正极、第三母线电容正极、第四母线电容正极和第四母线电容负极，三相并联于直流母线。
6.根据权利要求1所述的用于电力变换系统的五电平拓扑结构，其特征在于：第一～十二开关管为场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管的全控型开关器件。
7.根据权利要求1所述的用于电力变换系统的五电平拓扑结构，其特征在于：第一～十二开关管器件本身若未集成二极管，均需另外反并联二极管。
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