CN112564525A - 一种适用于中高压场合的多电平变换器拓扑及控制方法 - Google Patents

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张茂强
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Abstract

本发明公开的是一种适用于中高压场合的多电平变换器拓扑及控制方法，多电平变换器拓扑由第一隔直电容、第一移相电感、第一隔离变压器、原边多电平变换单元和副边变换单元构成；原边多电平变换单元由第一变换单元和第二变换单元串联构成。第一变换单元交流输出端和第二变换单元交流输出端与第一隔直电容、第一移相电感以及第一隔离变压器原边串联连接构成多电平变换器原边。两个变换单元串联的结构在相同功率器件的前提下，大大提升了单个模块的工作电压等级，降低了系统体积和造价；采用本发明提出的控制方法，减小输入输出电压不匹配情况下变压器电流，降低变换器损耗，同时保持第一变换单元和第二变换单元直流电压均衡。

Description

一种适用于中高压场合的多电平变换器拓扑及控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统中高压电能变换领域，尤其涉及电力电子变压器应用。
背景技术
以智能配电网应用中的电力电子变压器为例，相比传统工频变压器，因其具有双向潮流可控、电能质量治理、故障隔离、新能源直流直接接入等优势，且不需要油冷，有逐步取代工频变压器在电力系统中应用的趋势。
但是为满足高电压接入要求，高压端均为模块串联的拓扑，目前电力电子变压器的模块串联级数多、设备体积庞大，限制了电力电子变压器的应用推广。如何减少电力电子变压器的占地尺寸是目前的研究热点。
国内外有相关研究高压半导体功率器件来提高单功率模块工作电压等级，但是受制于半导体功率器件的发展进程，高压器件的工作特性和电压仍然不是很理想，且价格昂贵，中低压半导体功率器件仍然是应用主流。有研究单位提出通过多电平拓扑来提高单模块的工作电压等级，如CN110768534A，提出了三电平的电路结构，相同耐压器件条件下，工作电压提升了一倍，但是对单模块来说电压提升不多；或者更有提出一种五电平逆变电路拓扑(CN201520371204.6)，但是并没有提升单模块的工作电压等级。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服电力电子现有技术中存在的模块级联数量多、设备体积庞大问题，提供一种适用于中高压场合的多电平变换器拓扑及控制方法。
为了达成上述目的，本申请采用的技术方案是：
一方面，本申请提供了一种适用于中高压场合的多电平变换器拓扑，所述多电平变换器拓扑包括第一隔直电容、第一移相电感、第一隔离变压器、原边多电平变换单元和副边变换单元；
所述副边变换单元用于将交流电变换为直流电；
所述原边多电平变换单元由第一变换单元和第二变换单元串联构成；所述第一变换单元和第二变换单元用于将直流电变换为交流电；所述第一变换单元和第二变换单元均是箝位型半桥三电平变换电路；
第一变换单元输入正端连接至直流电源输入正端，第一变换单元输入负端连接至第二变换单元输入正端，第二变换单元输入负端连接至直流电源输入负端；
所述第一变换单元交流输出端和第二变换单元交流输出端分别与所述第一隔直电容、第一移相电感以及第一隔离变压器原边组成的串联支路的两端连接，构成多电平变换器原边；
所述第一隔离变压器副边与副边变换单元的交流输入端连接构成多电平变换器副边。
进一步地，箝位型半桥三电平变换电路由第一均压电容、第二均压电容、第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关、第四功率半导体开关以及第一箝位半导体开关器件、第二箝位半导体开关器件构成；
所述第一均压电容与第二均压电容串联连接，两端分别连接变换单元直流输入的正负端口；
所述第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关、第四功率半导体开关依次正向串联，两端分别连接变换单元直流输入的正负端口；
第一箝位半导体开关器件的阳极连接至第一均压电容与第二均压电容的串联连接点，第一箝位半导体开关器件的阴极连接至第一功率半导体开关与第二功率半导体开关的串联连接点；
第二箝位半导体开关器件的阴极连接至第一均压电容与第二均压电容的串联连接点，第二箝位半导体开关器件的阳极连接至第三功率半导体开关与第四功率半导体开关的串联连接点；
第二功率半导体开关和第三功率半导体开关的串联连接点是变换单元的交流输出端。
进一步地，所述第一箝位半导体开关器件和第二箝位半导体开关器件为：二极管或者可控的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者绝缘栅双极型晶体管IGBT。
进一步地，所述副边变换单元为：四个功率半导体开关构成的全桥电路、箝位型半桥三电平变换电路或者T型半桥三电平变换电路。
进一步地，当副边变换单元是采用四个功率半导体开关构成的全桥电路，所述副边变换单元包括：第三十一、第三十二、第三十三、第三十四功率半导体开关和输出电容；
第三十一功率半导体开关和第三十二功率半导体开关正向串联连接，第三十三功率半导体开关和第三十四功率半导体开关正向串联连接，两个串联支路均与输出电容并联连接；第三十一功率半导体开关和第三十二功率半导体开关的串联连接点，以及第三十三功率半导体开关和第三十四功率半导体开关的串联连接点，作为副边变换单元的交流输入端。
进一步地，当副边变换单元是T型半桥三电平变换电路，所述副边变换单元包括：第三十一、第三十二、第三十三、第三十四功率半导体开关、第一输出电容和第二输出电容；
所述第三十一功率半导体开关和第三十二功率半导体开关正向串联后，与第一输出电容和第二输出电容组成的串联支路并联连接；
第三十三功率半导体开关的集电极连接至第三十一功率半导体开关和第三十二功率半导体开关的串联连接点，第三十三功率半导体开关的发射极连接第三十四功率半导体开关的发射极，第三十四功率半导体开关的集电极连接至第一输出电容与第二输出电容的串联连接点；
第三十一功率半导体开关和第三十二功率半导体开关的串联连接点，以及第一输出电容和第二输出电容的串联连接点，作为副边变换单元的交流输入端。
进一步地，当副边变换单元是箝位型半桥三电平变换电路，所述副边变换单元包括：第三十一、第三十二、第三十三、第三十四功率半导体开关、第一输出电容、第二输出电容、第三十一箝位半导体开关器件、第三十二箝位半导体开关器件构成；
所述第三十一功率半导体开关、第三十二功率半导体开关、第三十三功率半导体开关、第三十四功率半导体开关依次正向串联组成功率串联支路；
所述第一输出电容与第二输出电容串联连接后与所述功率串联支路并联连接；
第三十一箝位半导体开关器件的阳极连接至第一输出电容与第二输出电容的串联连接点，第三十一箝位半导体开关器件的阴极连接至第三十一功率半导体开关与第三十二功率半导体开关的串联连接点；
第三十二箝位半导体开关器件的阴极连接至第一输出电容与第二输出电容的串联连接点，第三十二箝位半导体开关器件的阳极连接至第三十三功率半导体开关与第三十四功率半导体开关的串联连接点；
第三十二功率半导体开关和第三十三功率半导体开关的串联连接点，以及第一输出电容和第二输出电容的串联连接点，作为副边变换单元的交流输入端。
另一方面，本申请提供了上述适用于中高压场合的多电平变换器拓扑的控制方法，包括：输出电压控制器、最小电流控制器、均压控制器和脉冲调制器。
进一步地，所述输出电压控制器根据副边变换单元的直流侧电压参考值和副边变换单元的直流侧电压之间的差值调整第一隔离变压器两侧交流端口电压移相角度；
所述最小电流控制器根据当前移相角度及多电平变换器原边侧直流母线电压和副边变换单元的直流侧电压的比值调整副边变换单元和原边多电平变换单元的脉冲宽度，从而减小第一移相电感的电流有效值；
所述均压控制器根据原边多电平变换单元的脉冲宽度，以及第一变换单元的直流侧电压和第二变换单元的直流侧电压差值调第一变换单元和第二变换单元的脉冲宽度；
所述脉冲调制器根据移相角度、副边变换单元脉冲宽度、第一变换单元脉冲宽度和第二变换单元脉冲宽度输出第一变换单元、第二变换单元和副边变换单元中功率半导体开关器件的触发脉冲。
进一步地，所述第一变换单元的直流侧电压为VPO，第二变换单元的直流侧电压为VON；
电压VPO和电压VON相加为多电平变换器原边侧直流母线电压Vdc1；
副边变换单元的直流侧电压为Vdc2，变压器匝数比为N；
副边变换单元的直流侧电压参考值为VRef；
所述输出电压控制器根据电压参考值VRef和Vdc2的差值调整移相角度β；
最小电流控制器根据当前移相角度β及多电平变换器原边侧直流母线电压Vdc1和副边变换单元的直流侧电压Vdc2的比值KV调整副边变换单元和原边多电平变换单元的脉冲宽度α和γ，从而减小第一移相电感的电流有效值；
均压控制器根据原边多电平变换单元的脉冲宽度γ以及电压VPO和VON的差值调整第一变换单元的脉冲宽度γ1和第二变换单元的脉冲宽度γ2的相对大小；
所述脉冲调制器根据移相角度β、脉冲宽度α、γ1和γ2输出第一变换单元、第二变换单元和副边变换单元中功率半导体开关器件的触发脉冲。
进一步地，所述比值KV的计算方法为：KV＝Vdc1*0.5/(Vdc2/N)。
第三方面，本申请提出的上述适用于中高压场合的多电平变换器拓扑的控制方法，包括：所述原边多电平变换单元的第一变换单元和第二变换单元输出电压脉冲中心对称，并通过控制第一变换单元和第二变换单元输出脉冲宽度的相对大小关系来保持两者直流电压平衡。
第四方面，本申请提出的上述适用于中高压场合的多电平变换器拓扑的控制方法，包括：通过调整第一变换单元、第二变换单元、副边变换单元的输出电压脉冲宽度来保持变压器电流最小。
第五方面，本申请提出的适用于中高压场合的多电平变换器拓扑的控制方法，包括：
所述第一变换单元的第一功率半导体开关和第三功率半导体开关互补导通，第二功率半导体开关和第四功率半导体开关互补导通，第一功率半导体开关和第四功率半导体开关的开通脉冲相位相差180度；
所述第二变换单元的第一功率半导体开关和第三功率半导体开关互补导通，第二功率半导体开关和第四功率半导体开关互补导通，第一功率半导体开关和第四功率半导体开关的开通脉冲相位相差180度；
第一变换单元的第一功率半导体开关和第二变换单元的第四功率半导体开关的开通脉冲中心对齐。
当副边变换单元是全桥电路时，本申请提出的适用于中高压场合的多电平变换器拓扑的控制方法包括：第三十一、第三十二、第三十三、第三十四功率半导体开关的开通脉冲占空比都为50％，其中第三十一功率半导体开关和第三十二功率半导体开关互补导通，第三十三功率半导体开关和第三十四功率半导体开关互补导通。
当副边变换单元是箝位型半桥三电平变换电路时，本申请提出的适用于中高压场合的多电平变换器拓扑的控制方法包括：第三十一功率半导体开关和第三十三功率半导体开关互补导通，第三十二功率半导体开关和第三十四功率半导体开关互补导通，第三十一功率半导体开关和第三十四功率半导体开关的开通脉冲相位相差180度。
本申请的有益效果是：
(1)采用本发明所提出的多电平变换器拓扑，与现有的双有源全桥技术相比，应用相同的功率器件，模块工作电压等级可以提升四倍；与现有的半桥三电平技术相比，模块工作电压等级可以提升两倍，极大的减少了串联模块数量，简化了控制，提升了系统功率密度。
(2)结合发明提出的控制方法，本发明提出的多电平变换器拓扑可以工作在五电平工作模式，利用多电平电路带来的额外控制自由度降低变压器电流有效值，减小了单模块的损耗，提升了经济效益。
附图说明
图1是本发明提出的适用于中高压场合的多电平变换器拓扑结构示意图；
图2是本发明提出的组成原边多电平变换单元的变换单元电路图；
图3是本发明提出的组成原边多电平变换单元的变换单元电路优化图；
图4是本发明提出的适用于中高压场合的多电平变换器拓扑副边变换单元电路图；其中，(a)为全桥电路(b)为箝位型半桥三电平电路(c)为T型三电平电路；
图5是本发明提出的适用于中高压场合的多电平拓扑优选实施例。
图6是多电平拓扑优选实施例的第一及第二变换单元脉冲调制方法及交流电压波形。
图7是多电平拓扑优选实施例的副边变换单元脉冲调制方法及交流电压波形。
图8是多电平拓扑优选实施例的高压侧及低压侧交流电压波形。
图9是多电平拓扑优选实施例的控制框图。
图10是多电平拓扑的副边变换单元为箝位型半桥三电平变换单元的脉冲调制方法及交流电压波形。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。
如附图1所示，本发明提出的一种适用于中高压场合的多电平变换器拓扑结构示意图，所述多电平变换器拓扑由包括第一隔直电容CD、第一移相电感LS、第一隔离变压器、原边多电平变换单元和副边变换单元。所述副边变换单元用于将交流电变换为直流电。所述原边多电平变换单元由第一变换单元和第二变换单元串联构成；所述第一变换单元和第二变换单元用于将直流电变换为交流电；所述第一变换单元和第二变换单元均是箝位型半桥三电平变换电路。第一变换单元输入正端连接至直流电源输入正端P，第一变换单元输入负端连接至第二变换单元输入正端，第二变换单元输入负端连接至直流电源输入负端N；所述第一变换单元交流输出端AC1和第二变换单元交流输出端AC2与第一隔直电容CD、第一移相电感LS以及第一隔离变压器原边串联连接构成多电平变换器原边；所述第一隔离变压器副边与副边变换单元连接构成多电平变换器副边。
原边多电平变换单元的第一变换单元和第二变换单元均是二极管箝位型半桥三电平变换电路。所述箝位型半桥三电平变换电路由第一均压电容、第二均压电容、第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关、第四功率半导体开关以及第一箝位半导体开关器件、第二箝位半导体开关器件构成。所述第一均压电容与第二均压电容串联连接，两端分别连接变换单元直流输入的正负端口。所述第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关、第四功率半导体开关依次正向串联，两端分别连接变换单元直流输入的正负端口。第一箝位半导体开关器件的阳极连接至第一均压电容与第二均压电容的串联连接点，第一箝位半导体开关器件的阴极连接至第一功率半导体开关与第二功率半导体开关的串联连接点。第二箝位半导体开关器件的阴极连接至第一均压电容与第二均压电容的串联连接点，第二箝位半导体开关器件的阳极连接至第三功率半导体开关与第四功率半导体开关的串联连接点。第二功率半导体开关和第三功率半导体开关的串联连接点是变换单元的交流输出端。
其中，第一箝位半导体开关器件和第二箝位半导体开关器件为：二极管或者可控的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
如附图2所示为二极管箝位型半桥三电平变换电路，由两个均压电容均压电容、四个功率半导体开关以及两个箝位二极管构成；所述第一均压电容C11与第二均压电容C12串联后与变换单元输入并联，所述第一功率半导体开关Q11、第二功率半导体开关Q12、第三功率半导体开关Q13、第四功率半导体开关Q14依次串联后与变换单元输入并联；第一箝位二极管D11的阳极连接至第一均压电容C11与第二均压电容C12的串联连接点，第一箝位二极管D11的阴极连接至第一功率半导体开关Q11与第二功率半导体开关Q12的串联连接点；第二箝位二极管D12的阴极连接至第一均压电容C11与第二均压电容C12的串联连接点，第二箝位二极管D12的阳极连接至第三功率半导体开关Q13与第四功率半导体开关Q14的串联连接点；第二功率半导体开关Q12和第三功率半导体开关Q13的串联连接点是变换单元的交流输出端AC1。
如附图2所示的二极管箝位型半桥三电平变换电路中的箝位二极管在外侧开关器件Q11、Q14的电压高于均压电容电压时，可以起到箝位作用；但是因为二极管是不可控开关器件，在内侧开关器件Q12、Q13的电压高于均压电容电压时，则无法起到箝位作用；因此更换成可控器件可以达到更好的箝位效果；如附图3所示为二极管箝位型半桥三电平变换电路优化图，二极管D11、D12可以是可控开关的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
附图4给出了适用于中高压场合的多电平变换器拓扑副边变换单元电路图，所述副边变换单元可以是四个功率半导体开关构成的全桥电路、二极管箝位型半桥三电平变换电路及其优化电路或者T型半桥三电平变换电路。
如图所示，副边变换单元为全桥电路时，具体结构包括：第三十一、第三十二、第三十三、第三十四功率半导体开关Q31、Q32、Q33、Q34，以及和输出电容CO。第三十一功率半导体开关Q31和第三十二功率半导体开关Q32正向串联连接，第三十三功率半导体开关Q33和第三十四功率半导体开关Q34正向串联连接，两个串联支路均与输出电容CO并联连接；第三十一功率半导体开关Q31和第三十二功率半导体开关Q32的串联连接点，以及第三十三功率半导体开关Q33和第三十四功率半导体开关Q34的串联连接点，作为副边变换单元的交流输入端。
副边变换单元是箝位型半桥三电平变换电路时，其具体结构包括：第三十一、第三十二、第三十三、第三十四功率半导体开关Q31、Q32、Q33、Q34，以及第一输出电容CO1、第二输出电容CO2、第三十一箝位半导体开关器件D31、第三十二箝位半导体开关器件D32构成。所述第三十一功率半导体开关Q31、第三十二功率半导体开关Q32、第三十三功率半导体开关Q33、第三十四功率半导体开关Q34依次正向串联组成功率串联支路。所述第一输出电容CO1与第二输出电容CO2串联连接后与所述功率串联支路并联连接。第三十一箝位半导体开关器件D31的阳极连接至第一输出电容CO1与第二输出电容CO2的串联连接点，第三十一箝位半导体开关器件D31的阴极连接至第三十一功率半导体开关Q31与第三十二功率半导体开关Q32的串联连接点。第三十二箝位半导体开关器件D32的阴极连接至第一输出电容CO1与第二输出电容CO2的串联连接点，第三十二箝位半导体开关器件D32的阳极连接至第三十三功率半导体开关Q33与第三十四功率半导体开关Q34的串联连接点。第三十二功率半导体开关Q32和第三十三功率半导体开关Q33的串联连接点，以及第一输出电容CO1和第二输出电容CO2的串联连接点，作为副边变换单元的交流输入端。
副边变换单元是T型半桥三电平变换电路时，具体结构包括：第三十一、第三十二、第三十三、第三十四功率半导体开关Q31、Q32、Q33、Q34，以及第一输出电容CO1和第二输出电容CO2。所述第三十一功率半导体开关Q31和第三十二功率半导体开关Q32正向串联后，与第一输出电容CO1和第二输出电容CO2组成的串联支路并联连接。第三十三功率半导体开关Q33的集电极连接至第三十一功率半导体开关Q31和第三十二功率半导体开关Q32的串联连接点，第三十三功率半导体开关Q33的发射极连接第三十四功率半导体开关Q34的发射极，第三十四功率半导体开关Q34的集电极连接至第一输出电容CO1与第二输出电容CO2的串联连接点。第三十一功率半导体开关Q31和第三十二功率半导体开关Q32的串联连接点，以及第一输出电容CO1和第二输出电容CO2的串联连接点，作为副边变换单元的交流输入端。
前述多电平变换器拓扑的控制方法实施例，包括：输出电压控制器、最小电流控制器、均压控制器和脉冲调制器。其中：
所述输出电压控制器根据副边变换单元的直流侧电压参考值和副边变换单元的直流侧电压之间的差值调整第一隔离变压器两侧交流端口电压移相角度。
所述最小电流控制器根据当前移相角度及多电平变换器原边侧直流母线电压和副边变换单元的直流侧电压的比值调整副边变换单元和原边多电平变换单元的脉冲宽度，从而减小第一移相电感的电流有效值。
所述均压控制器根据原边多电平变换单元的脉冲宽度，以及第一变换单元的直流侧电压和第二变换单元的直流侧电压差值调第一变换单元和第二变换单元的脉冲宽度。
所述脉冲调制器根据移相角度、副边变换单元脉冲宽度、第一变换单元脉冲宽度和第二变换单元脉冲宽度输出第一变换单元、第二变换单元和副边变换单元中功率半导体开关器件的触发脉冲。
具体的，所述第一变换单元的直流侧电压为VPO，第二变换单元的直流侧电压为VON。电压VPO和电压VON相加为多电平变换器原边侧直流母线电压Vdc1。副边变换单元的直流侧电压为Vdc2，变压器匝数比为N。副边变换单元的直流侧电压参考值为VRef。所述输出电压控制器根据电压参考值VRef和Vdc2的差值调整移相角度β。最小电流控制器根据当前移相角度β及多电平变换器原边侧直流母线电压Vdc1和副边变换单元的直流侧电压Vdc2的比值KV调整副边变换单元和原边多电平变换单元的脉冲宽度α和γ，从而减小第一移相电感的电流有效值。比值KV的计算方法为：KV＝Vdc1*0.5/(Vdc2/N)。均压控制器根据原边多电平变换单元的脉冲宽度γ以及电压VPO和VON的差值调整第一变换单元的脉冲宽度γ1和第二变换单元的脉冲宽度γ2的相对大小。所述脉冲调制器根据移相角度β、脉冲宽度α、γ1和γ2输出第一变换单元、第二变换单元和副边变换单元中功率半导体开关器件的触发脉冲。
优选的实施例中，原边多电平变换单元的第一变换单元和第二变换单元输出电压脉冲中心对称，并通过控制第一变换单元和第二变换单元输出脉冲宽度的相对大小关系来保持两者直流电压平衡。
优选的实施例中，通过调整第一变换单元、第二变换单元、副边变换单元的输出电压脉冲宽度来保持变压器电流最小。
优选的实施例中，第一变换单元的第一功率半导体开关和第三功率半导体开关互补导通，第二功率半导体开关和第四功率半导体开关互补导通，第一功率半导体开关和第四功率半导体开关的开通脉冲相位相差180度。所述第二变换单元的第一功率半导体开关和第三功率半导体开关互补导通，第二功率半导体开关和第四功率半导体开关互补导通，第一功率半导体开关和第四功率半导体开关的开通脉冲相位相差180度。第一变换单元的第一功率半导体开关和第二变换单元的第四功率半导体开关的开通脉冲中心对齐。
附图5给出了本发明提出的一种适用于中高压场合的多电平变换器拓扑优选实施例。所述原边多电平变换单元由两个二极管箝位型半桥三电平变换电路串联构成，第一变换单元的输入正端与直流电源输入正端P相连，第一变换单元的输入负端与第二变换单元的输入正端相连，第二变换单元的输入负端与直流电源输入负端N相连；第一变换单元的交流输出端AC1、第二变换单元的交流输出端AC2、第一移相电感、第一隔直电容以及第一隔离变压器原边串联；所述第一隔离变压器副边与副边变换单元相连，所述副边变换单元为四个功率半导体开关构成的全桥电路；所述第一移相电感可以等效折算后连接在第一隔离变压器副边。
附图6至附图9给出了本发明提出的脉冲调制方法及控制框图，适用于附图5所示的多电平变换器拓扑。附图6中给出了附图5中开关管Q11～Q14和开关管Q21～Q24的调制脉冲波形及交流输出AC1和AC2相对各自多电平变换器中点O的交流电压波形Vac1(t)、Vac2(t)。对于开关管Q11～Q14，Q11和Q13互补导通，Q12和Q14互补导通，Q11和Q14的开通脉冲宽度对应的角度都为γ1，且Q11和Q14的开通脉冲相位相差180度。对于开关管Q21～Q24，Q21和Q23互补导通，Q22和Q24互补导通，Q21和Q24的开通脉冲宽度对应的角度都为γ2，且Q21和Q24的开通脉冲相位相差180度。如附图6所示，Q11和Q24的开通脉冲中心对齐。脉冲宽度γ1和脉冲宽度γ2的平均值为γ。
附图7给出了附图5中开关管Q31～Q34的调制脉冲波形及交流输出AC3和AC4之间的电压波形。Q31～Q34的开通脉冲占空比都为50％，其中Q31和Q32互补导通，Q33和Q34互补导通，Q33开通脉冲滞后Q31开通脉冲的角度为α。
附图8给出了交流输出AC1和AC2之间的电压波形V12及交流输出AC3和AC4之间的电压波形V34，通过整体移动开关管Q11～Q14、Q21～Q24的开通脉冲或整体移动开关管Q31～Q34的开通脉冲，使电压V34滞后或超前电压V12角度为β。
附图9给出了附图5所示的多电平变换器拓扑的控制框图。图5中直流电容C11、C12的电压之和为VPO，直流电容C21、C22的电压之和为VON，电压VPO和电压VON相加为直流母线电压Vdc1，直流电容CO的电压为Vdc2，变压器匝数比为N。给定电容CO的电压参考值为VRef，输出电压控制器根据电压参考值VRef和Vdc2的差值调整移相角度β。最小电流控制器根据当前移相角度β及两侧直流母线电压Vdc1和Vdc2的比值KV调整脉冲宽度α和γ，从而减小电感Ls的电流有效值。均压控制器根据电压VPO和VON的差值调整脉冲宽度γ1和脉冲宽度γ2的相对大小，当达到电压平衡时，γ1＝γ2＝γ。按照附图6至附图8所示的脉冲调制方法，脉冲调制模块输入变量β、α、γ1、γ2，输出开关管Q31～Q34、Q11～Q14、Q21～Q24的开通脉冲。
如果副边变换单元是图4中给出的箝位型半桥三电平变换电路时，第三十一功率半导体开关Q31和第三十三功率半导体开关Q33互补导通，第三十二功率半导体开关Q32和第三十四功率半导体开关Q34互补导通，第三十一功率半导体开关Q31和第三十四功率半导体开关Q34的开通脉冲相位相差180度。图10所示为多电平拓扑的副边变换单元为箝位型半桥三电平变换单元的脉冲调制方法及交流电压波形。
最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的专利要求保护范围之内。

Claims (16)

1.一种适用于中高压场合的多电平变换器拓扑，其特征在于：所述多电平变换器拓扑包括第一隔直电容、第一移相电感、第一隔离变压器、原边多电平变换单元和副边变换单元；
所述副边变换单元用于将交流电变换为直流电；
所述原边多电平变换单元由第一变换单元和第二变换单元串联构成；所述第一变换单元和第二变换单元用于将直流电变换为交流电；所述第一变换单元和第二变换单元均是箝位型半桥三电平变换电路；
第一变换单元输入正端连接至直流电源输入正端，第一变换单元输入负端连接至第二变换单元输入正端，第二变换单元输入负端连接至直流电源输入负端；
所述第一变换单元交流输出端和第二变换单元交流输出端分别与所述第一隔直电容、第一移相电感以及第一隔离变压器原边组成的串联支路的两端连接，构成多电平变换器原边；
所述第一隔离变压器副边与副边变换单元的交流输入端连接构成多电平变换器副边。
2.如权利要求1所述的适用于中高压场合的多电平变换器拓扑，其特征在于：
所述箝位型半桥三电平变换电路由第一均压电容、第二均压电容、第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关、第四功率半导体开关以及第一箝位半导体开关器件、第二箝位半导体开关器件构成；
所述第一均压电容与第二均压电容串联连接，两端分别连接变换单元直流输入的正负端口；
所述第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关、第四功率半导体开关依次正向串联，两端分别连接变换单元直流输入的正负端口；
第一箝位半导体开关器件的阳极连接至第一均压电容与第二均压电容的串联连接点，第一箝位半导体开关器件的阴极连接至第一功率半导体开关与第二功率半导体开关的串联连接点；
第二箝位半导体开关器件的阴极连接至第一均压电容与第二均压电容的串联连接点，第二箝位半导体开关器件的阳极连接至第三功率半导体开关与第四功率半导体开关的串联连接点；
第二功率半导体开关和第三功率半导体开关的串联连接点是变换单元的交流输出端。
3.如权利要求2所述的适用于中高压场合的多电平变换器拓扑，其特征在于：所述第一箝位半导体开关器件和第二箝位半导体开关器件为：二极管或者可控的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
4.如权利要求1所述适用于中高压场合的多电平变换器拓扑，其特征在于：所述副边变换单元为：四个功率半导体开关构成的全桥电路、箝位型半桥三电平变换电路或者T型半桥三电平变换电路。
5.如权利要求4所述适用于中高压场合的多电平变换器拓扑，其特征在于：当副边变换单元是采用四个功率半导体开关构成的全桥电路，所述副边变换单元包括：第三十一、第三十二、第三十三、第三十四功率半导体开关和输出电容；
第三十一功率半导体开关和第三十二功率半导体开关正向串联连接，第三十三功率半导体开关和第三十四功率半导体开关正向串联连接，两个串联支路均与输出电容并联连接；第三十一功率半导体开关和第三十二功率半导体开关的串联连接点，以及第三十三功率半导体开关和第三十四功率半导体开关的串联连接点，作为副边变换单元的交流输入端。
6.如权利要求4所述适用于中高压场合的多电平变换器拓扑，其特征在于：
当副边变换单元是T型半桥三电平变换电路，所述副边变换单元包括：第三十一、第三十二、第三十三、第三十四功率半导体开关、第一输出电容和第二输出电容；
所述第三十一功率半导体开关和第三十二功率半导体开关正向串联后，与第一输出电容和第二输出电容组成的串联支路并联连接；
第三十三功率半导体开关的集电极连接至第三十一功率半导体开关和第三十二功率半导体开关的串联连接点，第三十三功率半导体开关的发射极连接第三十四功率半导体开关的发射极，第三十四功率半导体开关的集电极连接至第一输出电容与第二输出电容的串联连接点；
第三十一功率半导体开关和第三十二功率半导体开关的串联连接点，以及第一输出电容和第二输出电容的串联连接点，作为副边变换单元的交流输入端。
7.如权利要求4所述适用于中高压场合的多电平变换器拓扑，其特征在于：
当副边变换单元是箝位型半桥三电平变换电路，所述副边变换单元包括：第三十一、第三十二、第三十三、第三十四功率半导体开关、第一输出电容、第二输出电容、第三十一箝位半导体开关器件、第三十二箝位半导体开关器件构成；
所述第三十一功率半导体开关、第三十二功率半导体开关、第三十三功率半导体开关、第三十四功率半导体开关依次正向串联组成功率串联支路；
所述第一输出电容与第二输出电容串联连接后与所述功率串联支路并联连接；
第三十一箝位半导体开关器件的阳极连接至第一输出电容与第二输出电容的串联连接点，第三十一箝位半导体开关器件的阴极连接至第三十一功率半导体开关与第三十二功率半导体开关的串联连接点；
第三十二箝位半导体开关器件的阴极连接至第一输出电容与第二输出电容的串联连接点，第三十二箝位半导体开关器件的阳极连接至第三十三功率半导体开关与第三十四功率半导体开关的串联连接点；
第三十二功率半导体开关和第三十三功率半导体开关的串联连接点，以及第一输出电容和第二输出电容的串联连接点，作为副边变换单元的交流输入端。
8.如权利要求1-7任一项所述的适用于中高压场合的多电平变换器拓扑的控制方法，其特征在于包括：输出电压控制器、最小电流控制器、均压控制器和脉冲调制器。
9.如权利要求8所述适用于中高压场合的多电平变换器拓扑的控制方法，其特征在于：
所述输出电压控制器根据副边变换单元的直流侧电压参考值和副边变换单元的直流侧电压之间的差值调整第一隔离变压器两侧交流端口电压移相角度；
所述最小电流控制器根据当前移相角度及多电平变换器原边侧直流母线电压和副边变换单元的直流侧电压的比值调整副边变换单元和原边多电平变换单元的脉冲宽度，从而减小第一移相电感的电流有效值；
所述均压控制器根据原边多电平变换单元的脉冲宽度，以及第一变换单元的直流侧电压和第二变换单元的直流侧电压差值调第一变换单元和第二变换单元的脉冲宽度；
所述脉冲调制器根据移相角度、副边变换单元脉冲宽度、第一变换单元脉冲宽度和第二变换单元脉冲宽度输出第一变换单元、第二变换单元和副边变换单元中功率半导体开关器件的触发脉冲。
10.如权利要求9所述适用于中高压场合的多电平变换器拓扑的控制方法，其特征在于：
所述第一变换单元的直流侧电压为VPO，第二变换单元的直流侧电压为VON；
电压VPO和电压VON相加为多电平变换器原边侧直流母线电压Vdc1；
副边变换单元的直流侧电压为Vdc2，变压器匝数比为N；
副边变换单元的直流侧电压参考值为VRef；
所述输出电压控制器根据电压参考值VRef和Vdc2的差值调整移相角度β；
最小电流控制器根据当前移相角度β及多电平变换器原边侧直流母线电压Vdc1和副边变换单元的直流侧电压Vdc2的比值KV调整副边变换单元和原边多电平变换单元的脉冲宽度α和γ，从而减小第一移相电感的电流有效值；
均压控制器根据原边多电平变换单元的脉冲宽度γ以及电压VPO和VON的差值调整第一变换单元的脉冲宽度γ1和第二变换单元的脉冲宽度γ2的相对大小；
所述脉冲调制器根据移相角度β、脉冲宽度α、γ1和γ2输出第一变换单元、第二变换单元和副边变换单元中功率半导体开关器件的触发脉冲。
11.如权利要求10所述适用于中高压场合的多电平变换器拓扑的控制方法，其特征在于：
所述比值KV的计算方法为：KV＝Vdc1*0.5/(Vdc2/N)。
12.如权利要求1-7任一项所述适用于中高压场合的多电平变换器拓扑的控制方法，其特征在于：所述原边多电平变换单元的第一变换单元和第二变换单元输出电压脉冲中心对称，并通过控制第一变换单元和第二变换单元输出脉冲宽度的相对大小关系来保持两者直流电压平衡。
13.如权利要求1-7任一项所述适用于中高压场合的多电平变换器拓扑的控制方法，其特征在于：通过调整第一变换单元、第二变换单元、副边变换单元的输出电压脉冲宽度来保持变压器电流最小。
14.如权利要求2所述的适用于中高压场合的多电平变换器拓扑的控制方法，其特征在于：
所述第一变换单元的第一功率半导体开关和第三功率半导体开关互补导通，第二功率半导体开关和第四功率半导体开关互补导通，第一功率半导体开关和第四功率半导体开关的开通脉冲相位相差180度；
所述第二变换单元的第一功率半导体开关和第三功率半导体开关互补导通，第二功率半导体开关和第四功率半导体开关互补导通，第一功率半导体开关和第四功率半导体开关的开通脉冲相位相差180度；
第一变换单元的第一功率半导体开关和第二变换单元的第四功率半导体开关的开通脉冲中心对齐。
15.如权利要求5所述的适用于中高压场合的多电平变换器拓扑的控制方法，其特征在于：
当副边变换单元是全桥电路时，第三十一、第三十二、第三十三、第三十四功率半导体开关的开通脉冲占空比都为50％，其中第三十一功率半导体开关和第三十二功率半导体开关互补导通，第三十三功率半导体开关和第三十四功率半导体开关互补导通。
16.如权利要求7所述的适用于中高压场合的多电平变换器拓扑的控制方法，其特征在于：
当副边变换单元是箝位型半桥三电平变换电路时，第三十一功率半导体开关和第三十三功率半导体开关互补导通，第三十二功率半导体开关和第三十四功率半导体开关互补导通，第三十一功率半导体开关和第三十四功率半导体开关的开通脉冲相位相差180度。
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