CN110299861A - 升压有源中点钳位型五电平变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种升压有源中点钳位型五电平变换器，包括第一母线电容、第二母线电容以及一个或三个变换单元；第一母线电容、第二母线电容串联在电源正极的P点和电源负极的N点之间；变换单元包括第一至第六电力电子开关管、第一电力二极管、第二电力二极管和飞跨电容；第一电力二极管、第一至第四电力电子开关管、第二电力二极管串联在P点和N点之间，第五、第六电力电子开关管串联后连接在第二、第三电力电子开关管的两端，第五、第六电力电子开关管的连接点连接至第一、第二母线电容的连接点。本发明可以减少可再生能源并网发电系统中对直流母线电压的要求，且其具有升压功能，可以省去前级直流‑直流变换器，提高发电系统效率。

Description

升压有源中点钳位型五电平变换器
技术领域
本发明属于电平变换技术领域，具体涉及一种升压有源中点钳位型五电平变换器的结构和控制方法，其可以在可再生能源分布式发电系统(如光伏发电、风力风电等)中应用。
背景技术
多电平变换器与二电平变换器相比，可以使用低压电力电子开关代替高压两电平变换器中的电力电子开关，多电平变换器具有输出电压、电流谐波小、效率高、电压变化率小等优点。因此，多电平变换器在分布式发电系统、中高压电机调速系统得到广泛的应用。
目前，多电平变换器的结构主要有二极管钳位型、飞跨电容型和H桥级联型等。但对于二极管钳位型、飞跨电容型多电平变换器，存在一旦变换器输出电压的电平数增加，其所需要的元器件急速增加。H桥级联型多电平变换器存在需要隔离电源等不足。
近年来，多种新型多电平变换器已提出，如有源中点钳位五电平变换器，它结合二极管钳位型多电平变换器和飞跨电容型多电平变换器的优点，在中高压电机调速系统和分布式发电系统得到广泛的研究和应和。另外，如混合钳位四电平变换器，该变换器同时使用电力电子开关管和悬浮电容作为钳位元器件。混合钳位四电平变换器由于使用了悬浮电容，冗余开关状态大大增加，通过选择合适的冗余开关状态，可以有效实现母线中点电压和悬浮电容电压的平衡控制。该结构在中高压调速和可再生能源发电系统得到广泛的研究和应用。
但以上涉及的多电平变换器如果应用于可再生能源并网发电系统，其要求直流母线电压至少要大于变换器输出线电压峰峰值。并且，传统多电平光伏发电系统一般采用直流-直流变换和直流-交流变换两级变换结构，其中直流-直流变换主要实现升压功能，可见其变换环节较多。
发明内容
本发明的目的是提供一种减少可再生能源并网发电系统中对直流母线电压的要求，且可以减少变换环节的升压有源中点钳位型五电平变换器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种升压有源中点钳位型五电平变换器，连接在电源与负载之间，所述升压有源中点钳位型五电平变换器包括第一母线电容、第二母线电容以及一个或三个变换单元；
所述第一母线电容的一端与所述电源的正极相连接而形成P点，所述第一母线电容的另一端与所述第二母线电容的一端相连接而形成O点，所述第二母线电容的另一端与所述电源的负极相连接而形成N点；
所述变换单元包括第一电力电子开关管、第二电力电子开关管、第三电力电子开关管、第四电力电子开关管、第五电力电子开关管、第六电力电子开关管、第一电力二极管、第二电力二极管和飞跨电容；所述第一电力二极管的正极与所述P点相连接，所述第一电力电子开关管的漏极与所述第一电力二极管的负极相连接而形成P1点，所述第二电力电子开关管的漏极与所述第一电力电子开关管的源极相连接而形成P2点，所述第三电力电子开关管的漏极与所述第二电力电子开关管的源极相连接而形成uo点，所述第四电力电子开关管的漏极与所述第三电力电子开关管的源极相连接而形成N2点，所述第四电力电子开关管的源极与所述第二电力二极管的正极相连接而形成N1点，所述第二电力二极管的正极与N1点相连接，所述第五电力电子开关管的漏极与所述P2点相连接，所述第五电力电子开关管的源极与所述O点、所述第六电力电子开关管的漏极相连接，所述第六电力电子开关管的源极与所述N2点相连接，所述飞跨电容的两端分别与所述P2点和所述N2点相连接，所述uo点为所述变换单元的输出端。
所述第一电力电子开关管、所述第二电力电子开关管、所述第三电力电子开关管、所述第四电力电子开关管、所述第五电力电子开关管、所述第六电力电子开关管均采用绝缘栅双极型晶体管。
所述第一母线电容的电压、所述第二母线电容的电压均控制为所述电源电压Vdc的1/2，所述飞跨电容的电压控制为与所述电源电压Vdc相等。
所述变换单元具有六个状态，分别为SW0状态至SW5状态；
SW0状态为：所述第一电力电子开关管、所述第二电力电子开关管、所述第四电力电子开关管导通，所述第三电力电子开关管、所述第五电力电子开关管、所述第六电力电子开关管截止，所述变换单元的输出电压为Vdc/2；
SW1状态为：所述第二电力电子开关管、所述第五电力电子开关管导通，所述第一电力电子开关管、所述第三电力电子开关管、所述第四电力电子开关管、所述第六电力电子开关管截止，所述变换单元的输出电压为0；
SW2状态为：所述第二电力电子开关管、所述第六电力电子开关管导通，所述第一电力电子开关管、所述第三电力电子开关管、所述第四电力电子开关管、所述第五电力电子开关管截止，所述变换单元的输出电压为Vdc；
SW3状态为：所述第一电力电子开关管、所述第三电力电子开关管、所述第四电力电子开关管导通，所述第二电力电子开关管、所述第五电力电子开关管、所述第六电力电子开关管截止，所述变换单元的输出电压为-Vdc/2；
SW4状态为：所述第三电力电子开关管、所述第六电力电子开关管导通，所述第一电力电子开关管、所述第二电力电子开关管、所述第四电力电子开关管、所述第五电力电子开关管截止，所述变换单元的输出电压为0；
SW5状态为：所述第三电力电子开关管、所述第五电力电子开关管导通，所述第一电力电子开关管、所述第二电力电子开关管、所述第四电力电子开关管、所述第六电力电子开关管截止，所述变换单元的输出电压为-Vdc。
所述电源为可再生能源分布式发电系统中的电源。
所述变换单元的输出端经滤波电感连接至所述负载。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明可以减少可再生能源并网发电系统中对直流母线电压的要求，且其具有升压功能，可以省去前级直流-直流变换器，减少变换环节，从而提高发电系统效率。
附图说明
附图1为本发明的实施例一的电路图。
附图2为本发明的实施例一中SW0状态的电路图。
附图3为本发明的实施例一中SW1状态的电路图。
附图4为本发明的实施例一中SW2状态的电路图。
附图5为本发明的实施例一中SW3状态的电路图。
附图6为本发明的实施例一中SW4状态的电路图。
附图7为本发明的实施例一中SW5状态的电路图。
附图8为本发明的实施例二的电路图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：一种可再生能源分布式发电系统，如光伏发电逆变系统，包括电源、变换器和负载，负载以负载电阻R表示。
变换器采用一种升压有源中点钳位型五电平变换器，其包括第一母线电容Cup、第二母线电容Clow以及一个变换单元。
第一母线电容Cup的一端与电源的正极相连接而形成P点，第一母线电容Cup的另一端与第二母线电容Clow的一端相连接而形成O点，且O点接地，第二母线电容Clow的另一端与电源的负极相连接而形成N点。
变换单元包括第一电力电子开关管S1、第二电力电子开关管S2、第三电力电子开关管S3、第四电力电子开关管S4、第五电力电子开关管S5、第六电力电子开关管S6、第一电力二极管D1、第二电力二极管D2和飞跨电容Cf。第一电力二极管D1的正极与P点相连接，第一电力电子开关管S1的漏极与第一电力二极管D1的负极相连接而形成P1点，第二电力电子开关管S2的漏极与第一电力电子开关管S1的源极相连接而形成P2点，第三电力电子开关管S3的漏极与第二电力电子开关管S2的源极相连接而形成uo点，第四电力电子开关管S4的漏极与第三电力电子开关管S3的源极相连接而形成N2点，第四电力电子开关管S4的源极与第二电力二极管D2的正极相连接而形成N1点，第二电力二极管D2的正极与N1点相连接，第五电力电子开关管S5的漏极与P2点相连接，第五电力电子开关管S5的源极与O点、第六电力电子开关管S6的漏极相连接，第六电力电子开关管S6的源极与N2点相连接，飞跨电容Cf的两端分别与P2点和N2点相连接，uo点为变换单元的输出端，变换单元的输出端uo点经滤波电感L连接至负载电阻R。
以上方案中，第一电力电子开关管S1、第二电力电子开关管S2、第三电力电子开关管S3、第四电力电子开关管S4、第五电力电子开关管S5、第六电力电子开关管S6均采用绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。
以上方案中，假定电源的电压为Vdc，则第一母线电容Cup的电压、第二母线电容Clow的电压均控制为电源电压Vdc的1/2，飞跨电容Cf的电压控制为与电源电压Vdc相等。
以O点为参考电压，该升压有源中点钳位型五电平变换器的输出电压与变换器的开关状态的关系如表1所示。
表1升压有源中点钳位型五电平变换器输出电压与变换器的开关状态的关系
开关状态 S<sub>1</sub> S<sub>2</sub> S<sub>3</sub> S<sub>4</sub> S<sub>5</sub> S<sub>6</sub> 输出电压
SW0 1 1 0 1 0 0 V<sub>dc</sub>/2
SW1 0 1 0 0 1 0 0
SW2 0 1 0 0 0 1 V<sub>dc</sub>
SW3 1 0 1 1 0 0 -V<sub>dc</sub>/2
SW4 0 0 1 0 0 1 0
SW5 0 0 1 0 1 0 -V<sub>dc</sub>
由表1可以看出：升压有源中点钳位型五电平变换器输出5个电压，分别为-Vdc、-Vdc/2、0、Vdc/2、Vdc，其变换单元具有六个状态，分别为状态SW0至状态SW5。
如附图2所示，状态SW0为：第一电力电子开关管S1、第二电力电子开关管S2、第四电力电子开关管S4导通，第三电力电子开关管S3、第五电力电子开关管S5、第六电力电子开关管S6截止，变换单元的输出电压为Vdc/2。
如附图3所示，状态SW1为：第二电力电子开关管S2、第五电力电子开关管S5导通，第一电力电子开关管S1、第三电力电子开关管S3、第四电力电子开关管S4、第六电力电子开关管S6截止，变换单元的输出电压为0。
如附图4所示，状态SW2为：第二电力电子开关管S2、第六电力电子开关管S6导通，第一电力电子开关管S1、第三电力电子开关管S3、第四电力电子开关管S4、第五电力电子开关管S5截止，变换单元的输出电压为Vdc。
如附图5所示，状态SW3为：第一电力电子开关管S1、第三电力电子开关管S3、第四电力电子开关管S4导通，第二电力电子开关管S2、第五电力电子开关管S5、第六电力电子开关管S6截止，变换单元的输出电压为-Vdc/2。
如附图6所示，状态SW4为：第三电力电子开关管S3、第六电力电子开关管S6导通，第一电力电子开关管S1、第二电力电子开关管S2、第四电力电子开关管S4、第五电力电子开关管S5截止，变换单元的输出电压为0。
如附图7所示，状态SW5为：第三电力电子开关管S3、第五电力电子开关管S5导通，第一电力电子开关管S1、第二电力电子开关管S2、第四电力电子开关管S4、第六电力电子开关管S6截止，变换单元的输出电压为-Vdc。
实施例二：如附图8所示，一种三相升压有源中点钳位型五电平变换器包括第一母线电容Cup、第二母线电容Clow以及三个分别对应A相、B相、C相的变换单元。
上述方案的拓扑结构结构每相桥臂只需要6个电力电子开关管和2个电力二极管，实现五电平输出，该发明拓扑结构使变换器直流母线电压为传统多电平变换器的一半。同时，该发明拓扑结构具有升压功能，可以省去光伏发电系统常用的直流-直流升压变换环节，提高变换器的效率，在光伏发电系统中有很好的应用前景。
上述实施例只为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人士能够了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作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种升压有源中点钳位型五电平变换器，连接在电源与负载之间，其特征在于：所述升压有源中点钳位型五电平变换器包括第一母线电容、第二母线电容以及一个或三个变换单元；
所述第一母线电容的一端与所述电源的正极相连接而形成P点，所述第一母线电容的另一端与所述第二母线电容的一端相连接而形成O点，所述第二母线电容的另一端与所述电源的负极相连接而形成N点；
所述变换单元包括第一电力电子开关管、第二电力电子开关管、第三电力电子开关管、第四电力电子开关管、第五电力电子开关管、第六电力电子开关管、第一电力二极管、第二电力二极管和飞跨电容；所述第一电力二极管的正极与所述P点相连接，所述第一电力电子开关管的漏极与所述第一电力二极管的负极相连接而形成P1点，所述第二电力电子开关管的漏极与所述第一电力电子开关管的源极相连接而形成P2点，所述第三电力电子开关管的漏极与所述第二电力电子开关管的源极相连接而形成uo点，所述第四电力电子开关管的漏极与所述第三电力电子开关管的源极相连接而形成N2点，所述第四电力电子开关管的源极与所述第二电力二极管的正极相连接而形成N1点，所述第二电力二极管的正极与N1点相连接，所述第五电力电子开关管的漏极与所述P2点相连接，所述第五电力电子开关管的源极与所述O点、所述第六电力电子开关管的漏极相连接，所述第六电力电子开关管的源极与所述N2点相连接，所述飞跨电容的两端分别与所述P2点和所述N2点相连接，所述uo点为所述变换单元的输出端。
2.根据权利要求1所述的升压有源中点钳位型五电平变换器，其特征在于：所述第一电力电子开关管、所述第二电力电子开关管、所述第三电力电子开关管、所述第四电力电子开关管、所述第五电力电子开关管、所述第六电力电子开关管均采用绝缘栅双极型晶体管。
3.根据权利要求1或2所述的升压有源中点钳位型五电平变换器，其特征在于：所述第一母线电容的电压、所述第二母线电容的电压均控制为所述电源电压V dc 的1/2，所述飞跨电容的电压控制为与所述电源电压V dc 相等。
4.根据权利要求3所述的升压有源中点钳位型五电平变换器，其特征在于：所述变换单元具有六个状态，分别为SW0状态至SW5状态；
SW0状态为：所述第一电力电子开关管、所述第二电力电子开关管、所述第四电力电子开关管导通，所述第三电力电子开关管、所述第五电力电子开关管、所述第六电力电子开关管截止，所述变换单元的输出电压为V dc /2；
SW1状态为：所述第二电力电子开关管、所述第五电力电子开关管导通，所述第一电力电子开关管、所述第三电力电子开关管、所述第四电力电子开关管、所述第六电力电子开关管截止，所述变换单元的输出电压为0；
SW2状态为：所述第二电力电子开关管、所述第六电力电子开关管导通，所述第一电力电子开关管、所述第三电力电子开关管、所述第四电力电子开关管、所述第五电力电子开关管截止，所述变换单元的输出电压为V dc ；
SW3状态为：所述第一电力电子开关管、所述第三电力电子开关管、所述第四电力电子开关管导通，所述第二电力电子开关管、所述第五电力电子开关管、所述第六电力电子开关管截止，所述变换单元的输出电压为-V dc /2；
SW4状态为：所述第三电力电子开关管、所述第六电力电子开关管导通，所述第一电力电子开关管、所述第二电力电子开关管、所述第四电力电子开关管、所述第五电力电子开关管截止，所述变换单元的输出电压为0；
SW5状态为：所述第三电力电子开关管、所述第五电力电子开关管导通，所述第一电力电子开关管、所述第二电力电子开关管、所述第四电力电子开关管、所述第六电力电子开关管截止，所述变换单元的输出电压为-V dc 。
5.根据权利要求1所述的升压有源中点钳位型五电平变换器，其特征在于：所述电源为可再生能源分布式发电系统中的电源。
6.根据权利要求1所述的升压有源中点钳位型五电平变换器，其特征在于：所述变换单元的输出端经滤波电感连接至所述负载。
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