CN114499250A - 一种多电平变流器及多电平变流器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多电平变流器及多电平变流器系统，与现有的多电平变流器相比，本发明提供的多电平变流器只用到了十个可控开关，且每个开关承受的电压应力相等，降低了拓扑结构的复杂度，提高了多电平变流器的可靠性和效率。

Description

一种多电平变流器及多电平变流器系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种多电平变流器及多电平变流器系统。

背景技术

目前，随着科学技术的发展，对多电平变流器的需求也越来越大，与传统的两电平变流器相比，多电平变流器在得到高质量的输出波形的同时也克服了传统两电平变流器的诸多缺点，如多电平变流器无需输出变压器和动态均压电路、开关频率低、开关器件电压应力小，系统效率高，对电网污染小等。

现有技术中，如图1所示，图1为现有技术中一种常见的多电平变流器，由图可知该多电平变流器用到了十二个可控开关，通过控制这十二个可控开关的导通或者关断，可以得到五种不同电平的电压：-U、-U/2、0、U/2、U，这种多电平变流器由一个三电平的有源箝位转换器和一个两级变换器两部分电路组合而成，为了确保所有开关承受相同的电压应力，这种多电平变流器需要考虑两部分电路的电压电流分配问题，因此增加了电路设计的复杂度，降低多电平变流器的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种多电平变流器及多电平变流器系统，只用到十个可控开关，且每个开关承受的电压应力相等，降低变流器拓扑结构的复杂度，提高多电平变流器的可靠性和效率。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种多电平变流器，包括第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关、第四可控开关、第五可控开关、第六可控开关、第七可控开关、第八可控开关、第九可控开关、第十可控开关、第一电容、第二电容、第三电容及第四电容；

所述第一电容、第二电容及第三电容依次串联后与直流电源的两端连接，所述第一可控开关与所述第二可控开关串联后与所述第一电容并联，所述第三可控开关和所述第四可控开关串联后与所述第三电容并联，所述第一可控开关与所述第二可控开关连接的公共端与所述第五可控开关的第一端连接，所述第五可控开关的第二端分别与所述第七可控开关的第一端及所述第九可控开关的第一端连接，所述第三可控开关与所述第四可控开关连接的公共端与所述第六可控开关的第一端连接，所述第六可控开关的第二端分别与所述第八可控开关的第二端及所述第十可控开关的第二端连接，所述第七可控开关的第二端与所述第八可控开关的第一端连接且连接的公共端与负载的一端连接，所述第九可控开关的第二端与所述第十可控开关的第一端连接且连接的公共端与所述负载的另一端连接，所述第四电容的第一端与所述第五可控开关的第二端连接，所述第四电容的第二端与所述第六可控开关的第二端连接。

优选的，还包括：

输入端分别与所述第七可控开关和所述第八可控开关连接的公共端及所述第九可控开关和所述第十可控开关连接的公共端连接的滤波模块，所述滤波模块的输出端与所述负载连接，用于滤波。

优选的，所述滤波模块包括滤波电感与滤波电容，所述滤波电感的第一端与所述第七可控开关与所述第八可控开关连接的公共端连接，所述滤波电感的第二端与所述滤波电容的第一端连接，所述滤波电容的第二端与所述第九可控开关与所述第十可控开关连接的公共端连接，所述滤波电容的两端还与所述负载连接。

优选的，所述滤波模块包括第一滤波电感、第二滤波电感及滤波电容，所述第一滤波电感的第一端与所述第七可控开关与所述第八可控开关连接的公共端连接，所述第一滤波电感的第二端与所述第二滤波电感的第一端连接，其连接的公共端与所述滤波电容的第一端连接，所述滤波电容的第二端与所述第九可控开关与所述第十可控开关连接的公共端连接，所述第二滤波电感的第二端与所述负载的一端连接，所述滤波电容的第二端与所述负载的另一端连接。

优选的，所述第一可控开关、所述第二可控开关、所述第三可控开关、所述第四可控开关、所述第五可控开关、所述第六可控开关、所述第七可控开关、所述第八可控开关、所述第九可控开关及所述第十可控开关均为IGBT管。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种多电平变流器系统，包括如上述所述的多电平变流器，还包括开关控制模块，所述开关控制模块分别与所述第一可控开关的控制端、第二可控开关的控制端、第三可控开关的控制端、第四可控开关的控制端、第五可控开关的控制端、第六可控开关的控制端、第七可控开关的控制端、第八可控开关的控制端、第九可控开关的控制端、第十可控开关的控制端连接，所述开关控制模块用于生成开关驱动信号，以控制各个可控开关的导通与关断。

本发明提供了一种多电平变流器及多电平变流器系统，与现有的多电平变流器相比，本发明提供的多电平变流器只用到了十个可控开关，且每个开关承受的电压应力相等，降低了拓扑结构的复杂度，提高了多电平变流器的可靠性和效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。

图1为现有技术中的一种多电平变流器的结构示意图；

图2为本发明提供的一种多电平变流器的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种逆变器直流母线电压设定方法及相关组件，能够使得逆变器的总体转换效率提高，提升了逆变器的性能。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图2，图2为本发明提供的一种多电平变流器的结构示意图，包括第一可控开关S1、第二可控开关S2、第三可控开关S3、第四可控开关S4、第五可控开关S5、第六可控开关S6、第七可控开关S7、第八可控开关S8、第九可控开关S9、第十可控开关S10、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3及第四电容C4；

第一电容C1、第二电容C2及第三电容C3依次串联后与直流电源的两端连接，第一可控开关S1与第二可控开关S2串联后与第一电容C1并联，第三可控开关S3和第四可控开关S4串联后与第三电容C3并联，第一可控开关S1与第二可控开关S2连接的公共端与第五可控开关S5的第一端连接，第五可控开关S5的第二端分别与第七可控开关S7的第一端及第九可控开关S9的第一端连接，第三可控开关S3与第四可控开关S4连接的公共端与第六可控开关S6的第一端连接，第六可控开关S6的第二端分别与第八可控开关S8的第二端及第十可控开关S10的第二端连接，第七可控开关S7的第二端与第八可控开关S8的第一端连接且连接的公共端与负载的一端连接，第九可控开关S9的第二端与第十可控开关S10的第一端连接且连接的公共端与负载的另一端连接，第四电容C4的第一端与第五可控开关S5的第二端连接，第四电容C4的第二端与第六可控开关S6的第二端连接。

目前，现有技术中一种常见的多电平变流器如图1所示，图1为现有技术中的一种五电平有源箝位变流器，可见这种多电平变流器需要十二个可控开关，通过控制十二个可控开关的导通与关断可以得到五种不同电平的电压：-U、-U/2、0、U/2、U。具体的，这种变流器是由一个三电平的有源箝位转换器和一个两级变换器组合而成，在实际使用过程中，需要考虑这两部分电路的电压电流分配问题，增加了电路的拓扑复杂度，降低了系统的可靠性。

为了解决上述问题，本实施例中提供的多电平变流器将可控开关的数量减少到十个，同时由于设置了三个直流电容C1、C2、C3和一个飞跨电容C4，使得十个可控开关电压均分，保证了每个开关承受的电压应力相等，增加了变流器的可靠性。

此外，这里的飞跨电容C4除了保证电路的均衡外，在变流器工作的过程中，飞跨电容C4处于一个充放电的过程，保证电路中的电流不会发生突变，起到续流的作用。

还需要说明的是，本发明提供的多电平变流器通过控制十个可控开关的导通与关断，可以输出七种不同的电平电压，为了能输出七种电平电压，本发明提供的多电平变流器的可控开关的工作状态应遵循下面几个准则：

第一可控开关S1和第二可控开关S2、第三可控开关S3和第四可控开关S4、第五可控开关S5和第六可控开关S6、第七可控开关S7和第八可控开关S8、第九可控开关S9和第十可控开关S10之间应该分别以两两互补的方式进行导通或者关断，例如S1开通时，S2关断。

第一可控开关S1和第三可控开关S3、第二可控开关S2和第四可控开关S4应该同时导通或者同时关断。

需要注意的是，本发明提供的多电平变流器正常工作下，第一可控开关S1和第四可控开关S4不应该同时导通，但如果在其他使用场景下，第一可控开关S1和第四可控开关S4同时导通时，应保证第五可控开关S5和第六可控开关S6能够承受2Vdc/3的电压应力，以此保证整个系统的可靠性。

具体的，根据上述多电平变流器的可控开关导通或者关断准则，有16种不同的开关状态，能输出七种不同电平的电压：0、Vdc/3、-Vdc/3、2Vdc/3、-2Vdc/3、Vdc、-Vdc。请参照表1，表1为本发明提供的一种多电平变流器的可控开关的工作状态表。

表1

开关状态1：第二可控开关S2、第四可控开关S4、第六可控开关S6、第八可控开关S8、第十可控开关S10开通，第一可控开关S1、第三可控开关S3、第五可控开关S5、第七可控开关S7、第九可控开关S9关断。

开关状态2：第二可控开关S2、第四可控开关S4、第六可控开关S6、第八可控开关S8、第九可控开关S9开通，第一可控开关S1、第三可控开关S3、第五可控开关S5、第七可控开关S7、第十可控开关S10关断。

开关状态3：第二可控开关S2、第四可控开关S4、第六可控开关S6、第七可控开关S7、第十可控开关S10开通，第一可控开关S1、第三可控开关S3、第五可控开关S5、第八可控开关S8、第九可控开关S9关断。

开关状态4：第二可控开关S2、第四可控开关S4、第六可控开关S6、第七可控开关S7、第九可控开关S9开通，第一可控开关S1、第三可控开关S3、第五可控开关S5、第八可控开关S8、第十可控开关S10关断。

开关状态5：第二可控开关S2、第四可控开关S4、第五可控开关S5、第八可控开关S8、第十可控开关S10开通，第一可控开关S1、第三可控开关S3、第六可控开关S6、第七可控开关S7、第九可控开关S9关断。

开关状态6：第二可控开关S2、第四可控开关S4、第五可控开关S5、第八可控开关S8、第九可控开关S9开通，第一可控开关S1、第三可控开关S3、第六可控开关S6、第七可控开关S7、第十可控开关S10关断。

开关状态7：第一可控开关S1、第三可控开关S3、第六可控开关S6、第八可控开关S8、第十可控开关S10开通，第二可控开关S2、第四可控开关S4、第五可控开关S5、第七可控开关S7、第九可控开关S9关断。

开关状态8：第一可控开关S1、第三可控开关S3、第六可控开关S6、第八可控开关S8、第九可控开关S9开通，第二可控开关S2、第四可控开关S4、第五可控开关S5、第七可控开关S7、第十可控开关S10关断。

开关状态9：第二可控开关S2、第四可控开关S4、第五可控开关S5、第七可控开关S7、第十可控开关S10开通，第一可控开关S1、第三可控开关S3、第六可控开关S6、第八可控开关S8、第九可控开关S9关断。

开关状态10：第二可控开关S2、第四可控开关S4、第五可控开关S5、第七可控开关S7、第九可控开关S9开通，第一可控开关S1、第三可控开关S3、第六可控开关S6、第八可控开关S8、第十可控开关S10关断。

开关状态11：第一可控开关S1、第三可控开关S3、第六可控开关S6、第七可控开关S7、第十可控开关S10开通，第二可控开关S2、第四可控开关S4、第五可控开关S5、第八可控开关S8、第九可控开关S9关断。

开关状态12：第一可控开关S1、第三可控开关S3、第六可控开关S6、第七可控开关S7、第九可控开关S9开通，第二可控开关S2、第四可控开关S4、第五可控开关S5、第八可控开关S8、第十可控开关S10关断。

开关状态13：第一可控开关S1、第三可控开关S3、第五可控开关S5、第八可控开关S8、第十可控开关S10开通，第二可控开关S2、第四可控开关S4、第六可控开关S6、第七可控开关S7、第九可控开关S9关断。

开关状态14：第一可控开关S1、第三可控开关S3、第五可控开关S5、第八可控开关S8、第九可控开关S9开通，第二可控开关S2、第四可控开关S4、第六可控开关S6、第七可控开关S7、第十可控开关S10关断。

开关状态15：第一可控开关S1、第三可控开关S3、第五可控开关S5、第七可控开关S7、第十可控开关S10开通，第二可控开关S2、第四可控开关S4、第六可控开关S6、第八可控开关S8、第九可控开关S9关断。

开关状态16：第一可控开关S1、第三可控开关S3、第五可控开关S5、第七可控开关S7、第九可控开关S9开通，第二可控开关S2、第四可控开关S4、第六可控开关S6、第八可控开关S8、第十可控开关S10关断。

综上，本发明提供了一种多电平变流器，与现有的多电平变流器相比，本发明提供的多电平变流器只用到了十个可控开关，且每个开关承受的电压应力相等，降低了拓扑结构的复杂度，提高了多电平变流器的可靠性和效率。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，还包括：

输入端分别与第七可控开关和第八可控开关连接的公共端及第九可控开关和第十可控开关连接的公共端连接的滤波模块，滤波模块的输出端与负载连接，用于滤波。

本实施例中，考虑到可供负载正常工作的电压应该为正弦波电压，因此本方案还添加了滤波模块，滤波模块的第一输入端与第七可控开关和第八可控开关连接的公共端连接，滤波模块的第二端输入端与第九可控开关和第十可控开关连接的公共端连接，输出端与负载连接。用于将变流器输出的脉冲进行滤波，转换为正弦波电压以供负载正常工作，增加了变流器的可靠性。

作为一种优选的实施例，滤波模块包括滤波电感与滤波电容，滤波电感的第一端与第七可控开关与第八可控开关连接的公共端连接，滤波电感的第二端与滤波电容的第一端连接，滤波电容的第二端与第九可控开关与第十可控开关连接的公共端连接，滤波电容的两端还与负载连接。

本实施例中，滤波模块采用的是LC滤波电路，实现方式简易，增加了方案的可行性。

作为一种优选的实施例，滤波模块包括第一滤波电感、第二滤波电感及滤波电容，第一滤波电感的第一端与第七可控开关与第八可控开关连接的公共端连接，第一滤波电感的第二端与第二滤波电感的第一端连接，其连接的公共端与滤波电容的第一端连接，滤波电容的第二端与第九可控开关与第十可控开关连接的公共端连接，第二滤波电感的第二端与负载的一端连接，滤波电容的第二端与负载的另一端连接。

本实施例中，滤波模块采用的是LCL滤波电路，实现方式简易，增加了方案的可行性。

作为一种优选的实施例，第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关、第四可控开关、第五可控开关、第六可控开关、第七可控开关、第八可控开关、第九可控开关及第十可控开关均为IGBT管。

本实施例中，采用IGBT管作为本发明的多电平变流器中的可控开关，IGBT管具有输入阻抗高、电压控制功耗低、耐高压、可承受电流大等特点，更适合应用于多电平变流器中。

本发明还提供了一种多电平变流器系统，包括如上述的多电平变流器，还包括开关控制模块，开关控制模块分别与第一可控开关S1的控制端、第二可控开关S2的控制端、第三可控开关S3的控制端、第四可控开关S4的控制端、第五可控开关S5的控制端、第六可控开关S6的控制端、第七可控开关S7的控制端、第八可控开关S8的控制端、第九可控开关S9的控制端、第十可控开关S10的控制端连接，开关控制模块用于生成开关驱动信号，以控制各个可控开关的导通与关断。

对于本发明提供的一种多电平变流器系统的介绍请参照上述装置实施例，本发明在此不再赘述。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种多电平变流器，其特征在于，包括第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关、第四可控开关、第五可控开关、第六可控开关、第七可控开关、第八可控开关、第九可控开关、第十可控开关、第一电容、第二电容、第三电容及第四电容；

所述第一电容、第二电容及第三电容依次串联后与直流电源的两端连接，所述第一可控开关与所述第二可控开关串联后与所述第一电容并联，所述第三可控开关和所述第四可控开关串联后与所述第三电容并联，所述第一可控开关与所述第二可控开关连接的公共端与所述第五可控开关的第一端连接，所述第五可控开关的第二端分别与所述第七可控开关的第一端及所述第九可控开关的第一端连接，所述第三可控开关与所述第四可控开关连接的公共端与所述第六可控开关的第一端连接，所述第六可控开关的第二端分别与所述第八可控开关的第二端及所述第十可控开关的第二端连接，所述第七可控开关的第二端与所述第八可控开关的第一端连接且连接的公共端与负载的一端连接，所述第九可控开关的第二端与所述第十可控开关的第一端连接且连接的公共端与所述负载的另一端连接，所述第四电容的第一端与所述第五可控开关的第二端连接，所述第四电容的第二端与所述第六可控开关的第二端连接。

2.如权利要求1所述的多电平变流器，其特征在于，还包括：

输入端分别与所述第七可控开关和所述第八可控开关连接的公共端及所述第九可控开关和所述第十可控开关连接的公共端连接的滤波模块，所述滤波模块的输出端与所述负载连接，用于滤波。

3.如权利要求2所述的多电平变流器，其特征在于，所述滤波模块包括滤波电感与滤波电容，所述滤波电感的第一端与所述第七可控开关与所述第八可控开关连接的公共端连接，所述滤波电感的第二端与所述滤波电容的第一端连接，所述滤波电容的第二端与所述第九可控开关与所述第十可控开关连接的公共端连接，所述滤波电容的两端还与所述负载连接。

4.如权利要求2所述的多电平变流器，其特征在于，所述滤波模块包括第一滤波电感、第二滤波电感及滤波电容，所述第一滤波电感的第一端与所述第七可控开关与所述第八可控开关连接的公共端连接，所述第一滤波电感的第二端与所述第二滤波电感的第一端连接，其连接的公共端与所述滤波电容的第一端连接，所述滤波电容的第二端与所述第九可控开关与所述第十可控开关连接的公共端连接，所述第二滤波电感的第二端与所述负载的一端连接，所述滤波电容的第二端与所述负载的另一端连接。

5.如权利要求1至4任一项所述的多电平变流器，其特征在于，所述第一可控开关、所述第二可控开关、所述第三可控开关、所述第四可控开关、所述第五可控开关、所述第六可控开关、所述第七可控开关、所述第八可控开关、所述第九可控开关及所述第十可控开关均为IGBT管。

6.一种多电平变流器系统，其特征在于，包括如权利要求1至5任一项所述的多电平变流器，还包括开关控制模块，所述开关控制模块分别与所述第一可控开关的控制端、第二可控开关的控制端、第三可控开关的控制端、第四可控开关的控制端、第五可控开关的控制端、第六可控开关的控制端、第七可控开关的控制端、第八可控开关的控制端、第九可控开关的控制端、第十可控开关的控制端连接，所述开关控制模块用于生成开关驱动信号，以控制各个可控开关的导通与关断。

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