CN114785175B - 一种交直流多端口三电平变换器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种交直流多端口三电平变换器，涉及电力电子变换装置技术领域。为解决直流电源同时供给交流负载和直流负载所需的独立变换器半导体器件多、损耗大的问题，本发明的由15个绝缘栅双极晶体管和15个二极管构成的拓扑结构，通过调制方法控制15个绝缘栅双极晶体管的开关状态，能够实现将两个直流输入电压变换为一组频率、幅值皆可调的三相三电平交流电和3组幅值灵活可控的直流电，为交流负载与直流负载同时供电，输出电流质量可靠。具有体积小、成本低、结构合理的优点。可广泛应于低压电气设备，同时能够满足，如机车内交直流充电服务、光储并网系统等场合的应用需求。

Description

一种交直流多端口三电平变换器

技术领域

本发明涉及电力电子变换装置技术领域，具体地说，是一种交直流多端口三电平变换器。

背景技术

在只有直流电源供电的情况下，交流负载所需的逆变器与直流负载所需的直流变换器是独立的变换器，独立变换器越多，变换器所需的器件越多，器件的工作损耗越大；现有研究中少有能实现同时供给交流负载和直流负载的变换器，九开关变换器虽然能够实现这样的功能，但是它只能输出两电平交流，两电平谐波含量比三电平要大，效率比三电平低。此外，交流负载与直流负载对电压要求通常不同，对单一逆变器的调节灵活度不够。因此，为方便满足直流电源的灵活供电需求，提出一种交直流多端口三电平变换器，3个交流输出端能够输出幅值、频率可调的三相三电平交流电，3个直流输出端能够输出幅值可调的直流电。既可应用于低压设备，也可应用于高压大功率场合。迄今未见本发明的交直流多端口三电平变换器的文献报道和实际应用。

发明内容

本发明的目的是：解决直流源供电灵活性差的问题，改善供电质量，减小谐波畸变率，提出一种体积小、成本低、结构合理以及用途广泛的交直流多端口三电平变换器。

实现本发明目的采用的技术方案是，一种交直流多端口三电平变换器，其特征在于：它包括2个直流输入电源V_S1、V_S2，15个绝缘栅双极晶体管和15个二极管；所述交直流多端口三电平变换器有U相、V相和W相桥臂，所述U相、V相和W相桥臂的每相桥臂均由5个绝缘栅双极晶体管S_x1～S_x5和5个二极管D_x1～D_x5组成，其中，x∈{U，V，W}；每相桥臂有一个交流输出端x₁和一个直流输出端x₂，直流输出端输出直流电，三相桥臂的三个交流输出端共同输出三相对称交流电；所述的3个交流输出端分别连接三相阻感负载Z_x，所述的3个直流输出端分别连接由电感L_x、电容C_x构成的低通滤波器，所述的低通滤波器连接电阻负载R_x，其中，x∈{U，V，W}；

所述每相桥臂的绝缘栅双极晶体管S_x1～S_x5分别与二极管D_x1～D_x5反向并联，即每个二极管的阳极与绝缘栅双极晶体管的发射极相连，二极管的阴极与绝缘栅双极晶体管的集电极相连；

所述直流输入电源V_S1与直流输入电源V_S2电压相等，均为U_dc/2；直流输入电源V_S1的正极定义为正极点P，直流输入电源V_S1的负极与直流输入电源V_S2的正极相连，直流输入电源V_S1的负极与电源V_S2的正极相连接的点定义为中点O，电源V_S2的负极定义为负极点N；正极点P与负极点N之间的电压为U_dc，中点O的电位为0，正极点P与中点O之间的电压为U_dc/2，中点O与负极点N之间的电压为U_dc/2；

绝缘栅双极晶体管S_x1的集电极与正极点P相连，绝缘栅双极晶体管S_x1的发射极与绝缘栅双极晶体管S_x2的集电极相连，绝缘栅双极晶体管S_x2的发射极与绝缘栅双极晶体管S_x3的集电极相连，绝缘栅双极晶体管S_x3的发射极与负极点N相连；

绝缘栅双极晶体管S_x1发射极与绝缘栅双极晶体管S_x2集电极相连接的点定义为交流输出端x₁；绝缘栅双极晶体管S_x2发射极与绝缘栅双极晶体管S_x3集电极相连接的点定义为直流输出端x₂；

绝缘栅双极晶体管S_x4的集电极与中点O相连，绝缘栅双极晶体管S_x4的发射极与绝缘栅双极晶体管S_x5的发射极相连，绝缘栅双极晶体管S_x5的集电极与交流输出端x₁相连；

三相阻感负载Z_x的一端连接到交流输出端x₁，另一端连接在一起；

所述低通滤波器的电容C_x与电阻负载R_x并联，并联后的一端与负极点N相连，并联后的另一端与电感L_x的一端相连，电感L_x的另一端与直流输出端x₂相连。

本发明的一种交直流多端口三电平变换器，能够将两个直流输入电压变换为一组频率、幅值皆可调的三相三电平交流电和3组幅值灵活可控的直流电。其有益的效果是：体积小、成本低、结构合理，可应用到低压设备，同时可满足高压大容量交直流应用的需求，如机车内交直流充电服务、光储并网系统等。

附图说明

图1为本发明的一种交直流多端口三电平变换器的电路原理图；

图2为模式1下的U相工作状态1的原理图；

图3为模式1下的U相工作状态2的原理图；

图4为模式1下的U相工作状态3的原理图；

图5为模式2下的U相工作状态2的原理图；

图6为三电平空间矢量图；

图7为最近三矢量合成参考电压示例图；

图8为一个开关周期内输出状态作用顺序图；

图9为交流输出端输出的线电压v_U1V1波形图；

图10为交流输出端输出的三相电流波形图；

图11为直流输出端输出的直流电压v_U2波形图；

图12为直流输出端输出的直流电流i_U2波形图；

图13为交流输出端输出的线电压v_U1V1的傅里叶分析图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，交直流多端口三电平变换器由2个直流输入电源V_S1、V_S2，15个绝缘栅双极晶体管、15个二极管构成。所述交直流多端口三电平变换器有3个交流输出端和3个直流输出端，所述的3个交流输出端连接三相阻感负载，所述的3个直流输出端连接3个低通滤波器，所述低通滤波器连接3组电阻负载，通过对绝缘栅双极晶体管施加合理的驱动信号，所述交直流多端口三电平变换器可实现将2个直流输入电压变换为一组频率、幅值皆可调的三相三电平交流输出和3组幅值灵活可控的直流输出。所述直流输入电源V_S1与直流输入电源V_S2电压相等，均为U_dc/2；直流输入电源V_S1的正极定义为正极点P，直流输入电源V_S1的负极与直流输入电源V_S2的正极相连，直流输入电源V_S1的负极与电源V_S2的正极相连接的点定义为中点O，电源V_S2的负极定义为负极点N；正极点P与负极点N之间的电压为U_dc，中点O的电位为0，正极点P与中点O之间的电压为U_dc/2，中点O与负极点N之间的电压为U_dc/2。为了便于阐述，绝缘栅双极晶体管表示为S_x1～S_x5，二极管表示为D_x1～D_x5，所述交流输出端表示为x₁，直流输出端表示为x₂，三相阻感负载表示为Z_x，所述低通滤波器的电感表示为L_x、电容表示为C_x，所述低通滤波器连接的电阻负载表示为R_x，其中，x∈{U，V，W}。

所述交直流多端口三电平变换器有2种工作模式，模式1为交流输出有效工作状态，模式2为直流输出有效工作状态。交直流多端口三电平变换器工作于模式1时，保持每一相的绝缘栅双极晶体管S_x3导通；交直流多端口三电平变换器工作于模式2时，保持每一相的绝缘栅双极晶体管S_x1导通。所述交直流多端口三电平变换器的模式1包括3种工作状态，分别为：工作状态1、工作状态2和工作状态3，分别如图2、图3和图4所示；所述交直流多端口三电平变换器的模式2包括工作状态1和工作状态2，工作状态1如图2所示，工作状态2如图5所示。下面对各工作状态的原理进行详细说明。

模式1的工作状态1：绝缘栅双极晶体管S_x1导通，当电流从逆变器流向负载时，电流流过的路径为绝缘栅双极晶体管S_x1和三相阻感负载Z_x，如图2中长虚线所示，交流输出端x₁连接至正极点P；当电流从负载流向逆变器时，电流流过的路径为三相阻感负载Z_x和二极管D_x1，如图2中短虚线所示，交流输出端x₁连接至正极点P。

模式1的工作状态2：绝缘栅双极晶体管S_x4和S_x5导通，当电流从逆变器流向负载时，电流流过的路径为绝缘栅双极晶体管S_x4、二极管D_x5、三相阻感负载Z_x，如图3中长虚线所示，交流输出端x₁连接至中点O；当电流从负载流向逆变器时，电流流过的路径为三相阻感负载Z_x、绝缘栅双极晶体管S_x5和二极管D_x4，如图3中短虚线所示，交流输出端x₁连接至中点O。

模式1的工作状态3：绝缘栅双极晶体管S_x2导通，当电流从逆变器流向负载时，电流流过的路径为二极管D_x3、二极管D_x2、三相阻感负载Z_x，如图4中长虚线所示，交流输出端x₁连接至负极点N；当电流从负载流向逆变器时，电流流过的路径为三相阻感负载Z_x、绝缘栅双极晶体管S_x3和绝缘栅双极晶体管S_x2，如图4中短虚线所示，交流输出端x₁连接至负极点N。

模式2的工作状态1：绝缘栅双极晶体管S_x3导通，电感L_x将储存的能量释放，电流经电阻负载R_x和并联电容C_x、二极管D_x3，形成一个放电回路，如图2点划线所示，直流输出端x₂连接至负极点N。

模式2的工作状态2：绝缘栅双极晶体管S_x2导通，电流从正极点P流向负载，电流流过的路径为绝缘栅双极晶体管S_x1、绝缘栅双极晶体管S_x2、低通滤波器中的电感L_x、电容C_x和电阻负载R_x，回到负极点N，此过程为电感L_x充电，如图5中点划线所示，直流输出端x₂连接至正极点P。

所述的交直流多端口三电平变换器，交流输出采用三电平空间矢量调制策略，直流输出采用直流斩波，为避免交流输出与直流输出相互影响，在一个开关周期内对两种输出分时段调制。

在开关周期的前半个周期内，交直流多端口三电平变换器工作于模式1，保持3个直流输出端x₂连接到负极点N，3个直流输出端对应状态为NNN。交流输出端x₁连接到正极点P时，输出的相电压v_x1O为U_dc/2；交流输出端x₁连接到中点O时，输出的相电压v_x1O为0；交流输出端x₁连接到负极点N时，输出的相电压v_x1O为-U_dc/2。3个交流输出相电压合成一个电压矢量，总共有27种组合情况，共有27个电压矢量。其中，电压矢量幅值为2U_dc/3的6个大矢量V_L1～V_L6，其三相交流输出端对应状态分别为PNN、PPN、NPN、NPP、NNP、PNP；电压矢量幅值为的6个中矢量V_M1～V_M6，其三相交流输出端对应状态分别为PON、OPN、NPO、NOP、ONP、PNO；电压矢量幅值为U_dc/3的6个正小矢量V_S1+～V_S6+，其三相交流输出端对应状态分别为ONN、PPO、NON、OPP、NNO、POP；电压矢量幅值为U_dc/3的6个负小矢量V_S1-～V_S6-，其三相交流输出端对应状态分别为POO、OON、OPO、NOO、OOP、ONO；电压矢量幅值为0的3个零矢量，其三相交流输出端对应状态分别为PPP、OOO、NNN。零矢量位于矢量图的中心，正小矢量和负小矢量总是成对出现，与大矢量的方向一致，幅值为大矢量的一半，中矢量位于大矢量构成的三角形的中线上，如图6所示为三电平空间矢量图。6个大矢量把空间矢量图分成了6个正三角形区域，以大矢量PNN为起始沿逆时针每60°依次定义为6个大扇区A～F。每个大扇区又划分为4个小扇区X₁～X₄，X∈{A～F}。

假设三相输出参考相电压合成的参考电压矢量为V_ac，应用最近三矢量原则合成参考电压矢量V_ac，合成参考电压矢量V_ac公式为：

公式(1)中的V₁、V₂、V₃为用于合成参考电压矢量V_ac的三个最近电压矢量，T₁、T₂、T₃为三个最近电压矢量的作用时间，T_S为开关周期。以参考电压矢量V_ac在A₂小扇区为例，V₁为电压矢量V_S1+和V_S1-、V₂为电压矢量V_M1、V₃为电压矢量V_L1，如图7所示。同理可以得到其余3个小扇区的三个最近电压矢量的作用时间，其余5个大扇区的计算方法相同。

在开关周期的后半个周期内，交直流多端口三电平变换器工作于模式2，保持三相交流输出端x₁连接到正极点P，三相交流输出端对应的状态为PPP。3个直流输出端x₂连接到正极点P，为低通滤波器的电感L_x充电，同时为电阻负载R_x供电。假设直流输出参考电压为V_dc，则直流输出端连接到正极点P的作用时间为：

T₄＝V_dc/U_dc·T_S (2)

交流输出电压矢量的作用时间分配采用七段式方法，直流输出采用两段式。以A₂扇区的一个开关周期为例，如图8所示。最后根据交流输出和直流输出的对应状态确定15个绝缘栅双极晶体管的开关状态。

当交流输出工作于有效状态时，直流输出工作于电感放电状态，这时的交直流多端口三电平变换器相当于一个利用三电平空间矢量调制的逆变器，输出三相电压幅值和频率可控；当直流输出工作于电感充电状态时，这时的交直流多端口三电平变换器相当于3个直流变换器，输出幅值可调的直流电压。

为了验证所述交直流多端口三电平变换器的可行性和双输出分时调制策略的有效性，通过MATLAB/Simulink进行仿真验证。仿真参数如下：开关频率为10kHz；直流输入电源V_S1、V_S2的总电压为400V；交流输出的三相参考相电压幅值为75V，频率为50Hz；交流输出连接三相阻感负载的电阻为5Ω，电感为10mH；直流输出的参考电压为120V；直流输出端连接低通滤波器的电感为18mH，电容为500uF，低通滤波器连接的负载电阻为15Ω。

仿真结果如图9～13所示，图9为交流输出端输出的线电压v_U1V1波形图；图10为交流输出端输出的三相电流波形图；图11为直流输出端输出直流电压v_U2波形图电压稳定在120V左右；图12为直流输出端输出直流电流i_U2波形图；图13是交流输出端输出线电压v_U1V1的傅里叶分析图，基波线电压的幅值是130.8V，那么相电压为以上仿真结果说明，本发明的交直流多端口三电平变换器，交流输出电压和直流输出电压均与参考电压相符，证明了其有效性。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式是示意性的，而非限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨的情况下，还能够做出其它形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种交直流多端口三电平变换器，其特征在于：它包括2个直流输入电源V_S1、V_S2，15个绝缘栅双极晶体管和15个二极管；所述交直流多端口三电平变换器有U相、V相和W相桥臂，所述U相、V相和W相桥臂的每相桥臂均由5个绝缘栅双极晶体管S_x1～S_x5和5个二极管D_x1～D_x5组成，其中，x∈{U，V，W}；每相桥臂有一个交流输出端x₁和一个直流输出端x₂，直流输出端输出直流电，三相桥臂的三个交流输出端共同输出三相对称交流电；所述的3个交流输出端分别连接三相阻感负载Z_x，所述的3个直流输出端分别连接由电感L_x、电容C_x构成的低通滤波器，所述的低通滤波器连接电阻负载R_x，其中，x∈{U，V，W}；

所述每相桥臂的绝缘栅双极晶体管S_x1～S_x5分别与二极管D_x1～D_x5反向并联，即每个二极管的阳极与绝缘栅双极晶体管的发射极相连，二极管的阴极与绝缘栅双极晶体管的集电极相连；

所述直流输入电源V_S1与直流输入电源V_S2电压相等，均为U_dc/2；直流输入电源V_S1的正极定义为正极点P，直流输入电源V_S1的负极与直流输入电源V_S2的正极相连，直流输入电源V_S1的负极与电源V_S2的正极相连接的点定义为中点O，电源V_S2的负极定义为负极点N；正极点P与负极点N之间的电压为U_dc，中点O的电位为0，正极点P与中点O之间的电压为U_dc/2，中点O与负极点N之间的电压为U_dc/2；

所述绝缘栅双极晶体管S_x1的集电极与正极点P相连，绝缘栅双极晶体管S_x1的发射极与绝缘栅双极晶体管S_x2的集电极相连，绝缘栅双极晶体管S_x2的发射极与绝缘栅双极晶体管S_x3的集电极相连，绝缘栅双极晶体管S_x3的发射极与负极点N相连；

所述绝缘栅双极晶体管S_x1发射极与绝缘栅双极晶体管S_x2集电极相连接的点定义为交流输出端x₁；绝缘栅双极晶体管S_x2发射极与绝缘栅双极晶体管S_x3集电极相连接的点定义为直流输出端x₂；

所述绝缘栅双极晶体管S_x4的集电极与中点O相连，绝缘栅双极晶体管S_x4的发射极与绝缘栅双极晶体管S_x5的发射极相连，绝缘栅双极晶体管S_x5的集电极与交流输出端x₁相连；

所述三相阻感负载Z_x的一端连接到交流输出端x₁，另一端连接在一起；

所述低通滤波器的电容C_x与电阻负载R_x并联，并联后的一端与负极点N相连，并联后的另一端与电感L_x的一端相连，电感L_x的另一端与直流输出端x₂相连。