CN116436329A - 一种三相四桥臂混合七电平储能变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种三相四桥臂混合七电平储能变流器，包括四个并联的桥臂，每个桥臂包括八个电力电子开关管和两个电力二极管；单个桥臂中，四个电力电子开关管串联，两个电力二极管串联，并且所述两个电力二极管组成的电路与第二电力电子开关管和第三电力电子开关管组成的电路并联在第一电力电子开关管和第四电力电子开关管之间；另外四个电力电子开关管分为并联的两组，每组包括两个串联的电力电子开关管。本发明的储能变流器每相桥臂输出七电平，大大提高储能变流器效率和稳态性能，大大减少储能变流器滤波电感值。另外，储能变流器在三桥臂的基础上面，增加了第四桥臂，实现储能变流不平衡负载有效控制。

Description

一种三相四桥臂混合七电平储能变流器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种三相四桥臂混合七电平储能变流器。
背景技术
随着包括风力、光伏发电和其他可再生能源发电在内的新一代技术的发展，分布式发电系统已成为满足负荷增长，提高供电可靠性，提高能源利用率和节能减排的一种综合利用的有效途径。新型可再生能源技术与一系列节能技术相结合，正在全世界范围内广泛传播，以缓解因化石燃料枯竭而造成的能源危机问题，电力系统中也将引入越来越多的分布式能源。但分布式发电具有间歇性不利于电力系统的稳定运行和控制，传统电网已越来越不能满足电力用户的需求。储能在微电网中能够抑制分布式电源与功率的波动，同时还起到了削峰填谷的重要作用，为大规模新能源的接入增加了可行性。尤其当微电网独立运行时，储能单元成为支撑输出电压和维持频率稳定的主要部分，能够增加微电网的灵活性和抗干扰能力。而储能变流器作为能量转换的关键部分，连接着直流侧储能装置与交流侧微网，影响储能系统的可靠性与精确性，而且在微电网作为主电源时，变流器的性能很大程度上决定微电网的性能，是储能系统的核心与关键部分。因此，研究储能变流技术对于微电网的建设和发展有很高的应用价值。
储能变流器能够实现储能直流电源侧与交流电网侧能量的双向交互，通过改变控制策略实现对储能侧直流电源的充放电、电网侧负荷功率的跟踪及对并网和孤岛运行模式切换控制等。储能变流器主要有单级式和两级式两种结构，单级式结构仅含交流/直流(DC/AC)环节，经过DC/AC环节后直接并网；双极式中含有直流/直流(DC/DC)与DC/AC环节，其中的DC/DC环节的拓扑又分为隔离型与非隔离型，隔离型变换器的结构又分为正激式、反激式、桥式和推挽式。相较于传统两电平储能变流器，三电平储能变流器具有功率器件承压小、输出电压/电流波形质量高、开关损耗低等优点。因此，三电平储能变流器在新能源发电系统得到广泛的研究和应用。对于传统二电平三相储能变流器，不适应不平衡负载。一旦储能变流器运行离网模式的不平衡负载，常规二电平三相储能变流器不能满足负载要求。
发明内容
为了进一步提高储能变流器效率、减少储能变流器滤波电感大小和适应储能变流器离网模式不平衡负载，本发明提供了一种新型三相四桥臂混合七电平储能变流器。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种三相四桥臂混合七电平储能变流器，包括四个并联的桥臂，每个桥臂包括八个电力电子开关管和两个电力二极管；单个桥臂中，四个电力电子开关管串联，两个电力二极管串联，并且所述两个电力二极管组成的电路与第二电力电子开关管和第三电力电子开关管组成的电路并联在第一电力电子开关管和第四电力电子开关管之间；另外四个电力电子开关管分为并联的两组，每组包括两个串联的电力电子开关管。
进一步地，串联的四个电力电子开关管采用绝缘栅双极型晶体管，另外四个电力电子开关管采用金属氧化物半导体场效应晶体管。
进一步地，所述第一电力电子开关管的漏极与直流母线正极相连，所述第一电力电子开关管的源极和所述第二电力电子开关管的漏极相连，所述第二电力电子开关管的源极和所述第三电力电子开关管的漏极相连，所述第三电力电子开关管的源极和所述第四电力电子开关管的漏极相连，所述第四电力电子开关管的源极与直流母线负极相连。
进一步地，两个串联的电力二极管中，第一电力二极管的阴极与所述第一电力电子开关管的源极相连，所述第一电力二极管的阳极与直流电容中点相连，所述第一电力二极管的阳极与第二电力二极管的阴极相连，所述第二电力二极管的阳极与所述第四电力电子开关管的漏极相连。
进一步地，所述直流电容包括串联在直流母线正极和直流母线负极之间的第一电容和第二电容。
进一步地，所述另外四个电力电子开关管中，第五电力电子开关管的源极与第六电力电子开关管的漏极相连，第五电力电子开关管的漏极与飞跨电容正极相连，第六电力电子开关管的源极与飞跨电容负极相连，第七电力电子开关管的源极与第八电力电子开关管的漏极相连，第七电力电子开关管的漏极与飞跨电容正极相连，第八电力电子开关管的源极与飞跨电容负极相连。
进一步地，所述第二电力电子开关管的源极与所述第五电力电子开关管的源极相连。
本发明的优点在于：本发明的储能变流器每相桥臂输出七电平，大大提高储能变流器效率和稳态性能，大大减少储能变流器滤波电感值。另外，储能变流器在三桥臂的基础上面，增加了第四桥臂，实现储能变流不平衡负载有效控制。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1示出了根据本发明实施方式的一种三相四桥臂混合七电平储能变流器电路图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
根据本发明的实施方式，提出一种新型三相四桥臂混合七电平储能变流器，增加了输出电压电平的数目，实现了七电平输出；同时，储能变流器的第四桥臂与负载中性点相连，实现储能变流器不平衡负载有效控制。
一种新型三相四桥臂混合七电平储能变流器拓扑结构如图1所示。该拓扑结构中共采用32个电力电子开关管和8个电力二极管构成。32个电力电子开关管分别为Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sa5、Sa6、Sa7、Sa8、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sb5、Sb6、Sb7、Sb8、Sc1、Sc2、Sc3、Sc4、Sc5、Sc6、Sc7、Sc8、Sn1、Sn2、Sn3、Sn4、Sn5、Sn6、Sn7、Sn8。8个电力二极管分别为Da1、Da2、Db1、Db2、Dc1、Dc2、Dn1、Dn2。新型三相四桥臂混合七电平储能变流器A桥臂、B桥臂、C桥臂和N桥臂结构一样。下面具体分析A桥臂结构。在本发明新型储能变流器，电力电子开关Sa1、Sa2、Sa3、Sa4采用绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor，IGBT)，Sa5、Sa6、Sa7、Sa8采用金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)。电力电子开关管Sa1的漏极与直流母线正极P点相连，电力电子开关管Sa1的源极和电力电子开关管Sa2的漏极相连，电力电子开关管Sa2的源极和电力电子开关管Sa3的漏极相连于A1点，电力电子开关管Sa3的源极和电力电子开关管Sa4的漏极相连，电力电子开关管Sa4的源极与直流母线负极N相连，电力二极管Da1的阴极与电力电子开关管Sa1的源极相连于Pa1点，电力二极管Da1阳极与直流电容中点O点相连，电力二极管Da1阳极与电力二极管Da2阴极相连于O点，电力二极管Da2阳极与电力电子开关管Sa4的漏极相连于Na1点。电力电子开关管Sa5的源极与电力电子开关管Sa6的漏极相连于A2点，电力电子开关管Sa5的漏极与飞跨电容正极Pa2相连，电力电子开关管Sa6的源极与飞跨电容负极Na2相连，电力电子开关管Sa7的源极与电力电子开关管Sa8的漏极相连于A3点，电力电子开关管Sa7的漏极与飞跨电容正极Pa2相连，电力电子开关管Sa8的源极与飞跨电容负极Na2相连，直流母线滤波电容C1一端与直流母线正极P点相连，另一端与直流母线中性点O点相连，直流母线滤波电容C2一端与直流母线负极N点相连，另一端与直流母线中性点O点相连，A桥臂飞跨滤波电容Ca一端飞跨电容正极Pa2相连，另一端飞跨电容负极Na2相连。新型三相四桥臂混合七电平储能变流器B桥臂、C桥臂和N桥臂与A桥臂结构相同。
对于图1新型三相四桥臂混合七电平储能变流器结构中，假定直流母线滤波电容C1和滤波电容C2控制为Vdc/2，飞跨滤波电容电压控制为Vdc/4，以直流母线中性点O为参考点。新型三相四桥臂混合七电平储能变流器A桥臂开关状态和输出电压如表1所示，其中“1”代表电力子电子开关管开通，“0”代表电力电子开关管关断。从表1可以看出：三相四桥臂混合七电平储能变流器A桥臂输出3Vdc/4、Vdc/2、Vdc/4、0、-Vdc/4、-Vdc/2、-3Vdc/4七个电平和16个开关状态。
表1：三相四桥臂混合七电平储能变流器A桥臂的工作状态
Figure BDA0004221166600000051
开关状态V1：电力电子开关Sa1、Sa3、Sa6、Sa7开通，电力电子开关Sa2、Sa4、Sa5、Sa8关断，七电平储能变流器A桥臂为3Vdc/4。
开关状态V2：电力电子开关Sa1、Sa3、Sa6、Sa7开通，电力电子开关Sa2、Sa4、Sa5、Sa8关断，七电平储能变流器A桥臂为Vdc/2。
开关状态V3：电力电子开关Sa1、Sa3、Sa6、Sa8开通，电力电子开关Sa2、Sa4、Sa5、Sa7关断，七电平储能变流器A桥臂为Vdc/2。
开关状态V4：电力电子开关Sa1、Sa3、Sa5、Sa8开通，电力电子开关Sa2、Sa4、Sa6、Sa7关断，七电平储能变流器A桥臂为Vdc/4。
开关状态V5：电力电子开关Sa2、Sa4、Sa6、Sa7开通，电力电子开关Sa1、Sa3、Sa5、Sa8关断，七电平储能变流器A桥臂为Vdc/4。
开关状态V6：电力电子开关Sa1、Sa3、Sa6、Sa7开通，电力电子开关Sa2、Sa4、Sa5、Sa8关断，七电平储能变流器A桥臂为Vdc/4。
开关状态V7：电力电子开关Sa2、Sa4、Sa5、Sa7开通，电力电子开关Sa1、Sa3、Sa6、Sa8关断，七电平储能变流器A桥臂为0。
开关状态V8：电力电子开关Sa1、Sa3、Sa5、Sa7开通，电力电子开关Sa2、Sa4、Sa6、Sa8关断，七电平储能变流器A桥臂为0。
开关状态V9：电力电子开关Sa2、Sa4、Sa6、Sa8开通，电力电子开关Sa1、Sa3、Sa5、Sa7关断，七电平储能变流器A桥臂为0。
开关状态V10：电力电子开关Sa1、Sa3、Sa6、Sa8开通，电力电子开关Sa2、Sa4、Sa5、Sa7关断，七电平储能变流器A桥臂为0。
开关状态V11：电力电子开关Sa2、Sa4、Sa5、Sa8开通，电力电子开关Sa1、Sa3、Sa6、Sa7关断，七电平储能变流器A桥臂为-Vdc/4。
开关状态V12：电力电子开关Sa1、Sa3、Sa5、Sa8开通，电力电子开关Sa2、Sa4、Sa6、Sa7关断，七电平储能变流器A桥臂为-Vdc/4。
开关状态V13：电力电子开关Sa2、Sa4、Sa6、Sa7开通，电力电子开关Sa1、Sa3、Sa5、Sa8关断，七电平储能变流器A桥臂为-Vdc/4。
开关状态V14：电力电子开关Sa2、Sa4、Sa6、Sa8开通，电力电子开关Sa1、Sa3、Sa5、Sa7关断，七电平储能变流器A桥臂为-Vdc/2。
开关状态V15：电力电子开关Sa2、Sa4、Sa5、Sa7开通，电力电子开关Sa1、Sa3、Sa6、Sa8关断，七电平储能变流器A桥臂为-Vdc/2。
开关状态V16：电力电子开关Sa2、Sa4、Sa5、Sa8开通，电力电子开关Sa1、Sa3、Sa6、Sa7关断，七电平储能变流器A桥臂为-3Vdc/4。
本发明的储能变流器每相桥臂输出七电平，大大提高储能变流器效率和稳态性能，大大减少储能变流器滤波电感值。另外，储能变流器在三桥臂的基础上面，增加了第四桥臂，实现储能变流不平衡负载有效控制。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种三相四桥臂混合七电平储能变流器，其特征在于：
包括四个并联的桥臂，每个桥臂包括八个电力电子开关管和两个电力二极管；单个桥臂中，四个电力电子开关管串联，两个电力二极管串联，并且所述两个电力二极管组成的电路与第二电力电子开关管和第三电力电子开关管组成的电路并联在第一电力电子开关管和第四电力电子开关管之间；另外四个电力电子开关管分为并联的两组，每组包括两个串联的电力电子开关管。
2.根据权利要求1所述的三相四桥臂混合七电平储能变流器，其特征在于：
串联的四个电力电子开关管采用绝缘栅双极型晶体管，另外四个电力电子开关管采用金属氧化物半导体场效应晶体管。
3.根据权利要求1或2所述的三相四桥臂混合七电平储能变流器，其特征在于：
所述第一电力电子开关管的漏极与直流母线正极相连，所述第一电力电子开关管的源极和所述第二电力电子开关管的漏极相连，所述第二电力电子开关管的源极和所述第三电力电子开关管的漏极相连，所述第三电力电子开关管的源极和所述第四电力电子开关管的漏极相连，所述第四电力电子开关管的源极与直流母线负极相连。
4.根据权利要求3所述的三相四桥臂混合七电平储能变流器，其特征在于：
所述变流器进一步包括直流电容，两个串联的电力二极管中，第一电力二极管的阴极与所述第一电力电子开关管的源极相连，所述第一电力二极管的阳极与直流电容中点相连，所述第一电力二极管的阳极与第二电力二极管的阴极相连，所述第二电力二极管的阳极与所述第四电力电子开关管的漏极相连。
5.根据权利要求4所述的三相四桥臂混合七电平储能变流器，其特征在于：
所述直流电容包括串联在直流母线正极和直流母线负极之间的第一电容和第二电容。
6.根据权利要求4所述的三相四桥臂混合七电平储能变流器，其特征在于：
所述变流器进一步包括飞跨电容，所述另外四个电力电子开关管中，第五电力电子开关管的源极与第六电力电子开关管的漏极相连，第五电力电子开关管的漏极与飞跨电容正极相连，第六电力电子开关管的源极与飞跨电容负极相连，第七电力电子开关管的源极与第八电力电子开关管的漏极相连，第七电力电子开关管的漏极与飞跨电容正极相连，第八电力电子开关管的源极与飞跨电容负极相连。
7.根据权利要求6所述的三相四桥臂混合七电平储能变流器，其特征在于：
所述第二电力电子开关管的源极与所述第五电力电子开关管的源极相连。
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