CN112564530B - 三电平逆变器的中点平衡电路、控制方法、电力电子设备 - Google Patents

三电平逆变器的中点平衡电路、控制方法、电力电子设备 Download PDF

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Abstract

本申请公开一种三电平逆变器的中点平衡电路及其控制方法、电力电子设备，所述三电平逆变器包括正直流母线、负直流母线以及直流母线中点；所述中点平衡电路包括逆变桥电路和耦合电感；所述逆变桥电路包括n个桥臂，所述耦合电感具有n个输入端和n个输出端；所述n个桥臂并联连接在所述正直流母线和所述负直流母线之间，所述n个桥臂的所有输出端分别与所述耦合电感的n个输入端一一对应连接，所述耦合电感的n个输出端连接在一起之后与所述直流母线中点连接。本申请通过中点平衡电路，在保证三电平逆变器的中点电压平衡的基础上，能够降低电感成本，提升了产品的竞争力。

Description

三电平逆变器的中点平衡电路、控制方法、电力电子设备
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种三电平逆变器的中点平衡电路及其控制方法、电力电子设备。
背景技术
随着光伏、风电等新能源行业的发展，作为新能源系统能量变换的核心部件，变流器的容量和耐压等级越来越高，传统的两电平拓扑由于功率器件耐压等级与成本的原因越来越不能满足现在的需求，因此三电平技术越来越多被应用到。
然而三电平结构存在中点电压不平衡的固有问题，直接影响了交流侧输出波形，并对功率器件耐压提出了挑战。目前已有的中点电压平衡方法主要分为调制算法平衡和硬件电路平衡，两种方法都各有其优缺点：
调制算法平衡多为小矢量平衡法，但该方法会影响七段式SVPWM的阶梯波，在扰动较大的情况下难以达到理想的平衡效果，并可能增加并网谐波含量；另外采用该方案后也无法应用五段式DPWM，也无法降低功率器件的开关损耗。
硬件电路平衡多通过电感直接对直流侧电容进行充放电，效果比调制算法平衡稳定，但是其电感多采用单相电感，成本偏高。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种三电平逆变器的中点平衡电路及其控制方法、电力电子设备，旨在解决三电平逆变器的中点电压不平衡的问题。
根据本申请的一个方面，提供一种三电平逆变器的中点平衡电路，所述三电平逆变器包括正直流母线、负直流母线以及直流母线中点；所述中点平衡电路包括逆变桥电路和耦合电感；
所述逆变桥电路包括n个桥臂，所述耦合电感具有n个输入端和n个输出端；
所述n个桥臂并联连接在所述正直流母线和所述负直流母线之间，所述n个桥臂的所有输出端分别与所述耦合电感的n个输入端一一对应连接，所述耦合电感的n个输出端连接在一起之后与所述直流母线中点连接。
根据本申请的另一个方面，提供一种电力电子设备，所述电力电子设备包括所述的三电平逆变器的中点平衡电路。
根据本申请的另一个方面，提供一种三电平逆变器的中点平衡电路的控制方法，所述方法包括：
根据三电平逆变器的直流母线中点电压的大小，确定逆变桥电路的发波电压。
本申请实施例的一种三电平逆变器的中点平衡电路及其控制方法、电力电子设备，通过中点平衡电路，在保证三电平逆变器的中点电压平衡的基础上，能够降低电感成本，提升了产品的竞争力。
附图说明
图1为本申请实施例提供的三电平逆变器及其中点平衡电路示意图；
图2为本申请实施例提供的一种三电平逆变器的中点平衡电路示意图；
图3为本申请实施例提供的三电平逆变器的中点平衡电路中耦合电感的等效示意图；
图4为本申请实施例提供的中点平衡电路的第一电流路径示意图；
图5为本申请实施例提供的中点平衡电路的第二电流路径示意图；
图6为本申请实施例提供的中点平衡电路的第三电流路径示意图；
图7为本申请实施例提供的中点平衡电路的第四电流路径示意图；
图8为本申请实施例提供的另一种三电平逆变器的中点平衡电路示意图。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语中“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例一
如图1所示，本申请实施例提供一种三电平逆变器的中点平衡电路，所述三电平逆变器10包括正直流母线P、负直流母线N以及直流母线中点O；需要说明的是，所述三电平逆变器10的具体电路结构在此不作限定，例如：可以为T字形三电平、I字形三电平。
所述中点平衡电路20包括逆变桥电路和耦合电感；
所述逆变桥电路包括n个桥臂，所述耦合电感具有n个输入端和n个输出端；n为大于1的整数；
所述n个桥臂并联连接在所述正直流母线和所述负直流母线之间，所述n个桥臂的所有输出端分别与所述耦合电感的n个输入端一一对应连接，所述耦合电感的n个输出端连接在一起之后与所述直流母线中点连接。
在本示例中，所述耦合电感的n个输入端为同名端。当输入共模电流时耦合电感内磁场相互抵消，当输入差模电流时耦合电感内磁场相互增强。
进一步地，所述中点平衡电路还包括控制器，所述控制器用于控制所述开关管的导通或者断开。
具体地，所述控制器被配置为根据所述直流母线中点电压的大小，确定所述逆变桥电路的发波电压。所述n个桥臂的发波电压相同但载波依次移相360°/n。由于中点平衡电路发波电压相同，但载波分别移相360°/n，则逆变桥电路各桥臂输出的基波电流相同，但载波频率次谐波电流相位不同。通过耦合电感的n个输入端的基波电流相同，由于耦合电感的n个输入端为同名端，则耦合电感各个绕组产生的磁场在电感铁芯内相互抵消，从而降低了电感铁芯设计B值要求，降低了电感成本。
请参考图2所示，在一示例中，所述逆变桥电路包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂包括串联连接的第一开关管S1和第二开关管S2，所述第一开关管S1和所述第二开关管S2之间的连接点形成所述第一桥臂的输出端；所述第二桥臂包括串联连接的第三开关管S3和第四开关管S4，所述第三开关管S3和所述第四开关管S4之间的连接点形成所述第二桥臂的输出端；
所述第一桥臂的输出端与所述耦合电感L1的第一输入端连接，所述第二桥臂的输出端与所述耦合电感L1的第二输入端连接，所述耦合电感L1的第一输出端和第二输出端连接在一起之后与所述直流母线中点(图1中电容C1与C2的连接点)连接。
在该示例中，当所述直流母线中点电压小于预设值时，所述控制器被配置为按照以下方式控制所述第一开关管S1、所述第二开关管S2、所述第三开关管S3以及所述第四开关管S4：
首先，控制所述第一开关管S1和所述第三开关管S3导通、所述第二开关管S2和所述第四开关管S4断开；然后，控制所述第一开关管S1和所述第四开关管S4导通、所述第二开关管S2和所述第三开关管S3断开；接着，控制所述第一开关管S1和所述第三开关管S3导通、所述第二开关管S2和所述第四开关管S4断开；最后，控制所述第二开关管S2和所述第三开关管S3导通、所述第一开关管S1和所述第四开关管S4断开；
当所述直流母线中点电压大于预设值时，所述控制器被配置为按照以下方式控制所述第一开关管S1、所述第二开关管S2、所述第三开关管S3以及所述第四开关管S4：
首先，控制所述第二开关管S2和所述第四开关管S4导通、所述第一开关管S1和所述第三开关管S3断开；然后，控制所述第一开关管S1和所述第四开关管S4导通、所述第二开关管S2和所述第三开关管S3断开；接着，控制所述第二开关管S2和所述第四开关管S4导通、所述第一开关管S1和所述第三开关管S3断开；最后，控制所述第二开关管S2和所述第三开关管S3导通、所述第一开关管S1和所述第四开关管S4断开。
具体地，如图3所示，假设耦合电感L1的各个绕组自感感量为L，两绕组之间的耦合系数为k，由此可以得出对于该耦合电感L1，其共模感量(两绕组并联)为(1-k)*L/2，其差模感量(单个绕组)为(1+K)*L；
假设直流母线中点电位为Un，逆变桥电路的发波电压为Uo，半边直流母线电容容量为C，直流母线中点电流为Icap，平衡电感绕组总电流为Io，可得：
Icap-Io＝4πfCUnj，
Figure BDA0002791138700000051
由此可以得出：
Uo＝Un[1-4π2f2(1-k)LC]-πf(1-k)LIcapj，
为最大限度平衡直流母线中点电压波动，则平衡电感绕组总电流与直流母线中点电流应保持相位一致，设平衡电感绕组总电流Io＝mIcap，由此可以推到出：
(1-m)Icap＝4πfCUnj，
结合上述直流母线中点公式，可得：
Figure BDA0002791138700000052
由上式可以看出逆变桥电路的发波电压相位与直流母线中点电压相位相同，据此可以通过测量直流母线中点电压的大小来判断逆变桥电路的发波电压Uo。
定义逆变桥电路的发波逻辑Sv具体如下所示：
Sv S1 S2 S3 S4
3 导通 关闭 导通 关闭
2 导通 关闭 关闭 导通
1 关闭 导通 导通 关闭
0 关闭 导通 关闭 导通
因此，图3所示的中点平衡电路的工作过程可如下所示：
假设Un<0，即UC1>UC2时，逆变桥电路的发波逻辑Sv为3->2->3->1。
当Sv＝3时，所述第一开关管S1和所述第三开关管S3导通，直流母线电容C1的电压UC1通过所述第一开关管S1、所述第三开关管S3、耦合电感L1对直流母线电容C1进行放电，能量存储在耦合电感L1内，如图4所示。
当Sv＝2时，存在两种能量流动路径：对于上一工作状态中存储在耦合电感L1内的能量，当第四开关管S4导通时，耦合电感L1内的能量由于续流作用转移到直流母线电容C2处；对于本工作状态，耦合电感L1可等效为匝数比1:1的变压器，当所述第一开关管S1和所述第四开关管S4导通时，上母线通过该等效变压器向下母线充电，从而完成能量由直流母线电容C1转移到直流母线电容C2处，如图5所示。
当Sv＝3时，所述第一开关管S1、所述第三开关管S3导通，UC1继续通过所述第一开关管S1、所述第三开关管S3、耦合电感L1对直流母线电容C1进行放电，能量存储在耦合电感L1内，如图4所示。
当Sv＝1时，同样存在两种能量流动路径：对于上一工作状态中存储在耦合电感L1内的能量，当第二开关管S2导通时，耦合电感L1内的能量由于续流作用转移到直流母线电容C2处；对于本工作状态，耦合电感L1可等效为匝数比1:1的变压器，当所述第二开关管S2、所述第三开关管S3导通时，上母线通过该等效变压器向下母线充电，从而完成能量由直流母线电容C1转移到直流母线电容C2处，如图6所示。通过上述过程完成能量由上母线向下母线转移。
同理当Un>0，即UC1<UC2时，逆变桥电路的发波逻辑Sv为0->2->0->1。当Sv＝0时，中点平衡电路的电流路径如图7所示。
请参考图8所示，在另一示例中，所述逆变桥电路包括第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂，所述第一桥臂包括串联连接的第一开关管S1和第二开关管S2，所述第一开关管S1和所述第二开关管S2之间的连接点形成所述第一桥臂的输出端；所述第二桥臂包括串联连接的第三开关管S3和第四开关管S4，所述第三开关管S3和所述第四开关管S4之间的连接点形成所述第二桥臂的输出端；所述第三桥臂包括串联连接的第五开关管S5和第六开关管S6，所述第五开关管S5和所述第六开关管S6之间的连接点形成所述第三桥臂的输出端；
所述第一桥臂的输出端与所述耦合电感L1的第一输入端连接，所述第二桥臂的输出端与所述耦合电感L1的第二输入端连接，所述第三桥臂的输出端与所述耦合电感L1的第三输入端连接，所述耦合电感L1的第一输出端、第二输出端以及第三输出端连接在一起之后与所述直流母线中点连接。
在该示例中，逆变桥电路的发波逻辑可参考上述示例。
第二实施例
本申请实施例提供一种三电平逆变器的中点平衡电路的控制方法，三电平逆变器及其中点平衡电路可参考前述内容，在此不作赘述。
所述方法包括：
根据三电平逆变器的直流母线中点电压的大小，确定逆变桥电路的发波电压。
在该示例中，所述逆变桥电路的n个桥臂的发波电压相同但载波依次移相360°/n。
由于中点平衡电路发波电压相同，但载波分别移相360°/n，则逆变桥电路各桥臂输出的基波电流相同，但载波频率次谐波电流相位不同。通过耦合电感的n个输入端的基波电流相同，由于耦合电感的n个输入端为同名端，则耦合电感各个绕组产生的磁场在电感铁芯内相互抵消，从而降低了电感铁芯设计B值要求，降低了电感成本。
第三实施例
本申请实施例提供一种电力电子设备，所述电力电子设备包括三电平逆变器的中点平衡电路。三电平逆变器及其中点平衡电路可参考前述内容，在此不作赘述。
以上参照附图说明了本申请的优选实施例，并非因此局限本申请的权利范围。本领域技术人员不脱离本申请的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本申请的权利范围之内。

Claims (4)

1.一种三电平逆变器的中点平衡电路，所述三电平逆变器包括正直流母线、负直流母线以及直流母线中点；其特征在于，所述中点平衡电路包括逆变桥电路和耦合电感；
所述逆变桥电路包括n个桥臂，所述耦合电感具有n个输入端和n个输出端；
所述n个桥臂并联连接在所述正直流母线和所述负直流母线之间，所述n个桥臂的所有输出端分别与所述耦合电感的n个输入端一一对应连接，所述耦合电感的n个输出端连接在一起之后与所述直流母线中点连接；
所述逆变桥电路的发波电压相位与所述直流母线中点电压相位相同；
所述中点平衡电路还包括控制器，所述控制器被配置为根据所述直流母线中点电压的大小，确定所述逆变桥电路的发波电压；所述n个桥臂的发波电压相同但载波依次移相360°/n；
所述耦合电感的n个输入端为同名端。
2.根据权利要求1所述的中点平衡电路，其特征在于，所述逆变桥电路包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂包括串联连接的第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和所述第二开关管之间的连接点形成所述第一桥臂的输出端；所述第二桥臂包括串联连接的第三开关管和第四开关管，所述第三开关管和所述第四开关管之间的连接点形成所述第二桥臂的输出端；
所述第一桥臂的输出端与所述耦合电感的第一输入端连接，所述第二桥臂的输出端与所述耦合电感的第二输入端连接，所述耦合电感的第一输出端和第二输出端连接在一起之后与所述直流母线中点连接。
3.根据权利要求1所述的中点平衡电路，其特征在于，所述逆变桥电路包括第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂，所述第一桥臂包括串联连接的第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和所述第二开关管之间的连接点形成所述第一桥臂的输出端；所述第二桥臂包括串联连接的第三开关管和第四开关管，所述第三开关管和所述第四开关管之间的连接点形成所述第二桥臂的输出端；所述第三桥臂包括串联连接的第五开关管和第六开关管，所述第五开关管和所述第六开关管之间的连接点形成所述第三桥臂的输出端；
所述第一桥臂的输出端与所述耦合电感的第一输入端连接，所述第二桥臂的输出端与所述耦合电感的第二输入端连接，所述第三桥臂的输出端与所述耦合电感的第三输入端连接，所述耦合电感的第一输出端、第二输出端以及第三输出端连接在一起之后与所述直流母线中点连接。
4.一种电力电子设备，其特征在于，所述电力电子设备包括权利要求1-3任一所述的三电平逆变器的中点平衡电路。
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