CN115102417A - 一种四线三电平储能变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四线三电平储能变换器。本发明包括：开关桥臂电路，所述开关桥臂电路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和第四电力电子开关管，采用四个电力电子开关管进行不对称连接，每个电力电子开关管都可独立导通关闭，协同工作，实现集体开关控制，逆变器桥臂电路，采用六个电力电子开关管，两两连接组合三相逆变器，每相桥臂均可产生三电平，本发明这种不对称结构在减少开关管数量的同时，还可以保持系统的稳定，即仍然保持三电平输出。
Description
技术领域
本发明涉及电路逆变器技术领域，尤其是指一种四线三电平储能变换器。
背景技术
多电平逆变器：多电平逆变器的思想提出至今,经过多年的研究发展出现了许多电路拓扑,但归纳起来主要有三种拓扑结构：(1)中点钳位型多电平逆变器或二极管钳位多电平逆变器；(2)电容钳位式；(3)具有独立直流电压源的级联型逆变器。近年来，从不同的应用领域研发出了多种基于多电平逆变电路的基本结构，但研究其拓扑结构理论特点的论述还很少。多电平逆变电路的核心问题是电平钳位。除了电平钳位问题外，电路单元间的动、静态均压，简化开关控制逻辑，在相同电平数输出下减少使用的功率器件。
三电平逆变器：三电平逆变器主电路现在采用的是比较实用的二极管中点钳位电路,通过一对中点箱位二极管分别与上下桥臂串联的二极管相联,将功率开关器件分别串联，二极管用于嵌位电平，均衡直流侧电压，并按一定的开关顺序逻辑控制产生三种相电压电平在输出端合成正弦波。相比原来两电平电路优点显著：每个开关器件承受的电压值相当与原来直流电压的一半，波形质量得到了改善。
有限控制集模型预测控制(Finite Control Set Model Predictive Control,FCS-MPC)：FCS-MPC通常以逆变器全部开关状态及其对应的输出电压或电压矢量作为控制集，系统数学模型离散化后作为预测模型。在每个控制周期内，控制器遍历控制集中所有状态，根据预测模型计算出并网逆变器下一时刻输出的预测值，再利用代价函数求得每个预测值的代价函数值，最后选择代价函数值最小的预测值所对应的开关状态作为控制器输出作用在并网逆变器上。
不间断电源(UPS)已逐步应用于工业和家庭领域，用于输送非线性和不平衡的负载。UPS为用户提供了可靠的解决方案，以弥补电网的不足。除了提供可靠的、高质量的电力，还保护非线性负载免受过压、谐波干扰以及线路和电网的暂态影响。
传统储能变换器中，三电平储能变换器是最有前途的一种，它可以减小输出滤波器的尺寸，提高输出电压质量。三电平储能变换器不仅降低了开关电压的压力，而且提供了更多的可用矢量，通过选择合适的开关矢量可以提高储能变换器电压的谐波含量。如图1所示，传统的四线三电平储能变换器由12个电力电子开关管和6个二极管组成，每相可以产生三电平，传统的四线三电平储能变换器由12个电力电子开关管和6个二极管组成，分为三个桥臂，每个桥臂由四个电力电子开关管和两个二极管组成，每个桥臂电路的输出电压相对于直流侧有三种取值，通过电力电子开关管和二极管的配合，实现不同电位的输出，每个桥臂都是独立控制，需要控制每个桥臂才可实现三相电压的条件，每个相位都是独立控制，切换相位必须关断之前相位，重新设置新的相位，控制开关较多，操作繁琐，并且制作成本较大。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题是如何保证性能不变的情况下改变电路结构来降低成本。
为解决上述技术问题，本发明提供一种四线三电平储能变换器包括：开关桥臂电路，所述开关桥臂电路包括：
第一电力电子开关管，所述第一电力电子开关管的漏极分别与第一电容的负极和第二电容的正极相连，；
第二电力电子开关管，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；
第三电力电子开关管，所述第三电力电子开关管的漏极与所述第一电容的正极相连；
第四电力电子开关管，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，所述第四电力电子开关管的源极与所述第二电容负极相连；
逆变器桥臂电路，所述逆变器桥臂电路串联在所述第三电力电子开关管和所述第四电力电子开关管之间，所述逆变器桥臂电路包括：
第一桥臂电路，所述第一桥臂电路的输入端与所述第三电力电子开关管的源极相连，输出端与所述第四电力电子开关管的漏极相连；
第二桥臂电路，所述第二桥臂电路与所述第一桥臂电路并联；
第三桥臂电路，所述第三桥臂电路与所述第一桥臂电路并联。
优选地，所述第一桥臂电路包括：
第五电力电子开关管，所述第五电力电子开关管的漏极与所述第三电力电子开关管源极连接；
第六电力电子开关管，所述第六电力电子开关管的漏极与所述第五电力电子开关管的源极相连，设置A相端口，所述第六电力电子开关管的源极分别与所述第四电力电子开关管的漏极和所述第二电力电子开关管的源极连接。
优选地，所述第二桥臂电路包括：
第七电力电子开关管，所述第七电力电子开关管的漏极与所述第三电力电子开关管源极连接；
第八电力电子开关管，所述第八电力电子开关管的漏极与所述第七电力电子开关管的源极相连，设置B相端口，所述第八电力电子开关管的源极分别与所述第四电力电子开关管的漏极和所述第二电力电子开关管的源极连接。
优选地，所述第三桥臂电路包括：
第九电力电子开关管，所述第九电力电子开关管的漏极与所述第三电力电子开关管源极连接；
第十电力电子开关管，所述第十电力电子开关管的漏极与所述第九电力电子开关管的源极相连，设置C相端口，所述第十电力电子开关管的源极分别与所述第四电力电子开关管的漏极和所述第二电力电子开关管的源极连接。
优选地，所述逆变器桥臂电路还包括：
滤波器，所述滤波器的三相端口分别与所述第一桥臂电路的A相端口、所述第二桥臂电路的B相端口和所述第三桥臂电路的C相端口连接，所述滤波器的输出端连接负载。
优选地，所述滤波器包括：LC滤波器、巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器中任意一种滤波器。
优选地，所述LC滤波器包括：三个电感和三个电容；
第一电感串联在所述第一桥臂电路的A相端口与所述负载之间；
第二电感串联在所述第二桥臂电路的B相端口与所述负载之间；
第三电感串联在所述第三桥臂电路的C相端口与所述负载之间；
所述三个电容并联，正极连接所述第一电容负极和所述第二电容正极，负极分别连接所述第一电感、所述第二电感和所述第三电感的输出端。
优选地，所述电力电子开关管包括：晶闸管、电力晶体管、可关断晶闸管或电力场效应晶体管中任意一种电力电子开关管。
优选地，所述第一电容和所述第二电容包括：瓷介电容器、涤纶电容器、聚苯乙烯电容器或者聚丙烯电容器中任意一种电容器。
优选地，一种电源系统，所述电源系统采用上述任意一项所述的四线三电平储能变换器。
本发明所述的一种四线三电平储能变换器，电路结构采用左右两臂不对称的结构，左臂为开关桥臂电路，采用四个电力电子开关管进行不对称连接，每个电力电子开关管均可导通关断，控制不同电力电子开关管实现正极点电位，零电位和负极点电位，实现开关电路一体化，相位之间的转换只需在逆变器桥臂电路切换相位，相比现有技术中三相的独立开关，本发明操作更加便捷，右臂为逆变器桥臂，采用六个电力电子开关进行连接，构成并联的三相桥臂电路，实现逆变器作用，每相桥臂结合开关桥臂电路均可产生三电平，本发明这种不对称结构在减少开关管数量使操作便捷的同时，还可以保持系统的稳定，即仍然保持三电平输出，并且保证功能的情况下进一步降低成本。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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是传统的四线三电平储能变换器电路结构图；
图2是本发明一种四线三电平储能变换器电路结构图；
其中，电力电子开关管S1，电力电子开关管S2，电力电子开关管S3，电力电子开关管S4，电力电子开关管S5，电力电子开关管S6，电力电子开关管S7，电力电子开关管S8，电力电子开关管S9，电力电子开关管S10，电力电子开关管S11，电力电子开关管S12，电容器C1，电容器C2，电力电子开关管SS1，电力电子开关管SS2，电力电子开关管SS3，电力电子开关管SS4，电力电子开关管SS5，电力电子开关管SS6，电力电子开关管SS7，电力电子开关管SS8，电力电子开关管SS9，电力电子开关管SS10，变换器输入端P，变换器输出端N，电容器C1和电容器C2。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种四线三电平储能变换器，左臂为开关电路主要实现集中控制，实现开关电路一体化，右臂为逆变器桥臂电路，产生三相电，更加的便捷快速。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅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。
参照图2所示，本发明的一种四线三电平储能变换器电路结构图，具体结构为：
左桥臂有四个开关器件：电力电子开关管SS1，电力电子开关管SS2，电力电子开关管SS3，电力电子开关管SS4。右桥臂为一个桥式电路，由六个电力电子开关管组成，分别为电力电子开关管SS5，电力电子开关管SS6，电力电子开关管SS7，电力电子开关管SS8，电力电子开关管SS9，电力电子开关管SS10。变换器由输入端P和输出端N构成，电容器C1和电容器C2的中点为O。
电力电子开关管SS1的漏极与电容器C1和电容器C2相连，电力电子开关管SS1的源极与电力电子开关管SS2的漏极相连，电力电子开关管SS2的源极与电力电子开关管SS3的源极和电力电子开关管SS4的漏极相连。电力电子开关管SS3的漏极与电容器C1相连，电力电子开关管SS3的源极与电力电子开关管SS4的漏极相连，电力电子开关管SS4的源极与电容器C2相连。电力电子开关管SS5的漏极与变换器输入端P相连，电力电子开关管SS5的源极与电力电子开关管SS6的漏极相连，电力电子开关管SS6的源极与变换器输出端N相连。电力电子开关管SS7的漏极与变换器输入端P相连，电力电子开关管SS7的源极与电力电子开关管SS8的漏极相连，电力电子开关管SS8的源极与变换器输出端N相连。电力电子开关管SS9的漏极变换器输入端P相连，电力电子开关管SS9的源极与电力电子开关管SS10的漏极相连，电力电子开关管SS10的源极与变换器输出端N相连。A，B，C三相分别接LC滤波器，LC滤波器的输出端与负载侧相连。
所述电力电子开关管包括：晶闸管、电力晶体管、可关断晶闸管或电力场效应晶体管中任意一种电力电子开关管。
本实施例详细说明了采用本发明的电路结构依然可以实现三电平电路，并且操作更加便捷。具体详情如下：
如图1所示的传统三电平储能变换器的工作原理；
(1)当S1、S2导通，S3、S4关断时，若负载电流为正方向，则电源对电容C1充电，电流从正极点流过主开关S1、S2，该相输出端电位等同于正极点电位，输出电压U＝+Vc/2；若负载电流为负方向，则电流流过与主开关管S1、S2反并联的续流二极管对电容C1充电，电流注入正极点，该相输出端电位仍然等同于正极点电位，输出电压U＝+Vdc/2。即通常标识的“1”状态
(2)当S2、S3导通，S1、S4关断时，若负载电流为正方向，则电源对电容C1充电，电流从O点顺序流过箱位二极管Dl，主开关管S2:，该相输出端电位等同与0点电位，输出电压U＝O；若负载电流为负方向，则电流顺序流过主开关管S3和箱位二极管D2，电流注入O点，该相输出端电位等同于O点电位，输出电压U＝0，电源对电容C2充电。即通常标识的“0”状态。
(3)当S3、S4导通，S1、S2关断时，若负载电流为正方向，则电流从负极点流过与主开关S3、S4反并联的续流二极管对电容C2进行充电,该相输出端电位等同于负极点电位，输出电压U＝-Vdc/2；若负载电流为负方向，则电源对电容C2充电，电流流过主开关管Sa3、Sa4注入负极点，该相输出端电位仍然等同于负极点电位，输出电压U＝-Vdc/2。通常标识为“-1”状态。
本发明一种四线三电平储能变换器的工作原理：
(1)当SS3、SS5导通，其他器件都关断，若负载电流为正方向，则电源对电容C1充电，电流从正极点流过主开关SS3、SS5，该A相输出端电位等同于正极点电位；若负载电流为负方向，则电流流过与主开关管SS3、SS5反并联的续流二极管对电容C1充电，电流注入正极点，该A相输出端电位仍然等同于正极点电位。同理当SS3、SS7导通便可实现在B相实现正电位，当SS3、SS9导通便可实现在C相实现正电位。
(2)当SS1、SS2、SS5和SS6导通，其他器件都关断，若负载电流为正方向，则电源对电容C1充电，电流从O点顺序流经SS1和SS2，该A相输出端电位等同与O点电位；若负载电流为负方向，则电流顺序流过主开关管SS1和SS2，电流注入O点，该A相输出端电位等同于O点电位。同理，当SS1、SS2、SS7和SS8导通，其他器件都关断，便可实现B相位输出端为0电压；当SS1、SS2、SS9和SS10导通，其他器件都关断，便可实现C相位输出端为0电压。
(3)当SS4和SS6导通，其他器件都关断，若负载电流为正方向，则电流从负极点流过与主开关SS5、SS6反并联的续流二极管对电容C2进行充电,该A相输出端电位等同于负极点电位；若负载电流为负方向，则电源对电容C2充电，电流流过主开关管SS5、SS6注入负极点，该A相输出端电位仍然等同于负极点电位。同理，当SS4和SS8导通，其他器件都关断，便可实现B相实现负电位；当SS4和SS10导通，其他器件都关断，便可实现C相实现负电位。
本发明采用四线三电平储能变换器实现三电平输出，本发明将左侧变为开关桥臂电路，右臂实现逆变器电路，一共采用10个电力电子管，相比于传统的四线三平变换器12个电力电子开关管和6个二极管降低了成本，不仅在结构上减少了2个电力电子开关管和6个二极管，并且操作更加快捷，左臂主要实现开关控制，右臂选择需要的相位，不再是传统每个相位都是独立控制，转换相位时，需要全部关闭之前的相位，然后再在新的相位上重新打开，操作更加便捷，更加稳定，每相桥臂结合开关桥臂电路均可产生三电平，本发明这种不对称结构在减少开关管数量使操作便捷的同时，还可以保持系统的稳定，即仍然保持三电平输出，并且保证功能的情况下进一步降低成本。
本实施例为本发明四线三电平储能变换器开关桥臂电路和逆变器桥臂电路的所有工作模式进行了详细说明，具体详情如下：
本发明四线三电平储能变换器左侧为四个电力电子开关管，其中电力电子开关管SS1和电力电子开关管SS2交替导通，电力电子开关管SS3和电力电子开关管SS4交替导通。
具有四个工作模式，其开关状态如表1所示，其中“1”代表电力电子开关管导通，“0”代表电力电子开关管关断。
Mode1：电力电子开关管SS1、电力电子开关管SS3开通，电力电子开关管SS2、电力电子开关管SS4关断。
Mode2：电力电子开关管SS1、电力电子开关管SS4开通，电力电子开关管SS2、电力电子开关管SS3关断。
Mode3：电力电子开关管SS2、电力电子开关管SS3开通，电力电子开关管SS1、电力电子开关管SS4关断。
Mode4：电力电子开关管SS2、电力电子开关管SS4开通，电力电子开关管SS1、电力电子开关管SS3关断。
表1四线三电平储能变换器工作模式
| SS1 | SS2 | SS3 | SS4 | mode |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 2 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 3 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 4 |
本发明四线三电平储能变换器右侧为六个电力电子开关管，其中，电力电子开关管SS5和电力电子开关管SS6交替导通，电力电子开关管SS7和电力电子开关管SS8交替导通，电力电子开关管SS9和电力电子开关管SS10交替导通。
具有八个工作模式，其开关状态如表2所示，其中“1”代表电力电子开关管导通，“0”代表电力电子开关管关断。
Mode1：电力电子开关管SS5、电力电子开关管SS7、电力电子开关管SS9开通，电力电子开关管SS6、电力电子开关管SS8、电力电子开关管SS10关断。
Mode2：电力电子开关管SS5、电力电子开关管SS7、电力电子开关管SS10开通，电力电子开关管SS6、电力电子开关管SS8、电力电子开关管SS9关断。
Mode3：电力电子开关管SS5、电力电子开关管SS8、电力电子开关管SS9开通，电力电子开关管SS6、电力电子开关管SS7、电力电子开关管SS10关断。
Mode4：电力电子开关管SS5、电力电子开关管SS8、电力电子开关管SS10开通，电力电子开关管SS6、电力电子开关管SS7、电力电子开关管SS9关断。
Mode5：电力电子开关管SS6、电力电子开关管SS7、电力电子开关管SS9开通，电力电子开关管SS5、电力电子开关管SS8、电力电子开关管SS10关断。
Mode6：电力电子开关管SS6、电力电子开关管SS7、电力电子开关管SS10开通，电力电子开关管SS5、电力电子开关管SS8、电力电子开关管SS9关断。
Mode7：电力电子开关管SS5、电力电子开关管SS7、电力电子开关管SS9开通，电力电子开关管SS6、电力电子开关管SS8、电力电子开关管SS10关断。
Mode8：电力电子开关管SS6、电力电子开关管SS8、电力电子开关管SS10开通，电力电子开关管SS5、电力电子开关管SS7、电力电子开关管SS9关断。
表2四线三电平储能变换器工作模式
| S<sub>5</sub> | S<sub>6</sub> | S<sub>7</sub> | S<sub>8</sub> | S<sub>9</sub> | S<sub>10</sub> | mode |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 2 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 3 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 4 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 5 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 6 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 7 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 8 |
综上，本发明一种四线三电平储能变换器，电路结构采用左右两臂不对称的结构，左臂为开关桥臂电路，采用四个电力电子开关管进行不对称连接，每个电力电子开关协同工作，进行集中开关控制，右臂为逆变器桥臂，采用六个电力电子开关进行连接，构成三组桥臂，结合开关桥臂电路实现每相桥臂产生三电平，并且在电路减少开关器件的前提下，并减少原有结构的功能，并且控制更加便捷，本发明这种不对称结构在减少开关管数量的同时，还可以保持系统的稳定，即仍然保持三电平输出，本发明的四线三电平储能变换器共有32种工作模式，与传统的四线三电平储能变换器相比，在保持原有功能的前提下进一步减少开关器件的数量，提高系统的稳定性和可靠性，本发明提出的四线三电平储能变换器为不对称的电路结构，通过开关一体化的设计，减少开关器件，实现快捷控制，降低成本。
以上对本发明所提供的一种四线三电平储能变换器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种四线三电平储能变换器，其特征在于，包括：
开关桥臂电路，所述开关桥臂电路包括：
第一电力电子开关管，所述第一电力电子开关管的漏极分别与第一电容的负极和第二电容的正极相连，；
第二电力电子开关管，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；
第三电力电子开关管，所述第三电力电子开关管的漏极与所述第一电容的正极相连；
第四电力电子开关管，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，所述第四电力电子开关管的源极与所述第二电容负极相连；
逆变器桥臂电路，所述逆变器桥臂电路串联在所述第三电力电子开关管和所述第四电力电子开关管之间，所述逆变器桥臂电路包括：
第一桥臂电路，所述第一桥臂电路的输入端与所述第三电力电子开关管的源极相连，输出端与所述第四电力电子开关管的漏极相连；
第二桥臂电路，所述第二桥臂电路与所述第一桥臂电路并联；
第三桥臂电路，所述第三桥臂电路与所述第一桥臂电路并联。
2.根据权利要求1所述的四线三电平储能变换器，其特征在于，所述第一桥臂电路包括：
第五电力电子开关管，所述第五电力电子开关管的漏极与所述第三电力电子开关管源极连接；
第六电力电子开关管，所述第六电力电子开关管的漏极与所述第五电力电子开关管的源极相连，设置A相端口，所述第六电力电子开关管的源极分别与所述第四电力电子开关管的漏极和所述第二电力电子开关管的源极连接。
3.根据权利要求2所述的四线三电平储能变换器，其特征在于，所述第二桥臂电路包括：
第七电力电子开关管，所述第七电力电子开关管的漏极与所述第三电力电子开关管源极连接；
第八电力电子开关管，所述第八电力电子开关管的漏极与所述第七电力电子开关管的源极相连，设置B相端口，所述第八电力电子开关管的源极分别与所述第四电力电子开关管的漏极和所述第二电力电子开关管的源极连接。
4.根据权利要求3所述的四线三电平储能变换器，其特征在于，所述第三桥臂电路包括：
第九电力电子开关管，所述第九电力电子开关管的漏极与所述第三电力电子开关管源极连接；
第十电力电子开关管，所述第十电力电子开关管的漏极与所述第九电力电子开关管的源极相连，设置C相端口，所述第十电力电子开关管的源极分别与所述第四电力电子开关管的漏极和所述第二电力电子开关管的源极连接。
5.根据权利要求4所述的四线三电平储能变换器，其特征在于，所述逆变器桥臂电路还包括：
滤波器，所述滤波器的三相端口分别与所述第一桥臂电路的A相端口、所述第二桥臂电路的B相端口和所述第三桥臂电路的C相端口连接，所述滤波器的输出端连接负载。
6.根据权利要求5所述的四线三电平储能变换器，其特征在于，所述滤波器包括：LC滤波器、巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器中任意一种滤波器。
7.根据权利要求6所述的四线三电平储能变换器，其特征在于，所述LC滤波器包括：三个电感和三个电容；
第一电感串联在所述第一桥臂电路的A相端口与所述负载之间；
第二电感串联在所述第二桥臂电路的B相端口与所述负载之间；
第三电感串联在所述第三桥臂电路的C相端口与所述负载之间；
所述三个电容并联，正极连接所述第一电容负极和所述第二电容正极，负极分别连接所述第一电感、所述第二电感和所述第三电感的输出端。
8.根据权利要求1所述的四线三电平储能变换器，其特征在于，所述电力电子开关管包括：晶闸管、电力晶体管、可关断晶闸管或电力场效应晶体管中任意一种电力电子开关管。
9.根据权利要求1所述的四线三电平储能变换器，其特征在于，所述第一电容和所述第二电容包括：瓷介电容器、涤纶电容器、聚苯乙烯电容器或者聚丙烯电容器中任意一种电容器。
10.一种电源系统，其特征在于，所述电源系统采用权利要求1-9中的任一项所述的四线三电平储能变换器。
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