CN203747684U - 多电平逆变器电容电压平衡电路 - Google Patents

多电平逆变器电容电压平衡电路 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于电荷刷新原理的多电平逆变器电容电压平衡电路,是一个添加在多电平逆变器上的辅助电路(如附图虚线2内所示部分），用于保持多电平逆变器电路中各直流分压电容上的电压平衡，包括：均衡电容和多个控制开关，所述均衡电容与多个所述直流分压电容分别并列连接，且所述均衡电容与多个所述直流分压电容的各通路上分别串接所述控制开关，通过控制所述控制开关，所述均衡电容轮流与各直流分压电容并联接通，通过上述方式，本实用新型不仅结构简单、可靠性高，而且基本结构与原理适用于任意电平，能够保持二极管箝位式多电平逆变器直流分压电容上电荷的动态平衡，进而维持其电压的平衡。

Description

多电平逆变器电容电压平衡电路
技术领域
本实用新型涉及多电平逆变器领域，特别涉及一种基于电荷刷新原理的多电平逆变器的电容电压平衡装置。 
背景技术
多电平变换器的思想最早是由A Nabae于80年代初提出的。与传统的两电平变换器相比,多电平变换器由于输出电平数增加,使得输出波形具有更好的谐波频谱和较小的 。且每个开关器件承受的电压应力较小。特别适合于高压大功率场合,如高压交流调速、电力系统静止无功发生器、电力有源滤波器、交流柔性输配电及新型直流输电等。多电平逆变器主要有三种基本结构：二极管箝位式、飞跨电容式、级联式。其中二极管箝位式应用领域较广，图1示出了了二极管箝位式三电平逆变器的拓扑结构。这种电路在应用中存在直流侧电容电压的不平衡问题;若不对其加以控制,将会使多电平变换器转化为两电平变换器,而使部分开关器件承受过高的电压应力而损坏。二极管箝位式多电平逆变器电容电压的不平衡包括两个方面：电容电压的波动和电容电压的偏移。电压的波动是指一个周期内电压瞬时值发生变化但平均值不变；电压偏移是指电压平均值发生变化。二者都产生于直流侧电容的充放电，通常情况下，无功电流分量使电压发生波动，有功电流分量使电压发生偏移，图2和图3分别示出了这两种情况。 
目前，平衡电容电压主要从硬件电路和控制算法两方面着手。硬件电路方面有以下几种方法： 
1）采用多个独立直流电源；这可以采用多抽头的变压器经二极管整流获得。此方法省去了分压电容，因此不存在电压平衡问题，但缺点是变压器结构复杂，体积庞大，效率低下。
2）根据各点电位的偏移情况，改变电流通路来控制电容电压。这种方法对于三电平以上的逆变器，由于需要检测的支路较多，需要增加较多的设备，控制复杂，很难实用。 
控制算法方法是通过选择合适的冗余矢量，在一个采样周期内使流入或流出某电容的平均电流为零。目前比较成熟的是适用于三电平逆变器的基于虚拟空间矢量的方法。这种方法的缺点是：对于高于三电平的逆变器几乎很难找到有效实用的算法。更重要的是，控制算法方法对于近似假设和计算误差所造成的累积效应无法消除，长期运行依然会差产生电容电压偏移。单纯依靠控制算法来平衡电容电压，无法保证系统运行的可靠性。 
现阶段，业界有很多方式的多电平电压平衡电路，采用多输出绕组的变压器来平衡电容电压，体积大，成本高；或者使用串联电阻分压，其缺点是功耗大，平衡能力弱；或者使用谐振均衡电路，缺点是要使用电感元件，电路复杂，使用的元件较多，可靠性低。而且这些电压平衡电路，适应的多电平电压级数非常有限，一般局限三电平、四电平有限级数，更多级数多电平电路设计越来越复杂，可靠性继续降低、成本急剧上升。 
实用新型内容
本实用新型主要解决的技术问题是提供一种基于电荷刷新原理的多电平逆变器电容电压平衡电路，能够保持二极管箝位式多电平逆变器直流分压电容上电荷的动态平衡，进而维持其电压的平衡。 
为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种基于电荷刷新原理的多电平逆变器电容电压平衡电路，是一个添加在多电平逆变器上的辅助电路，用于保持多电平逆变器电路中各直流分压电容上的电压平衡，其特征在于，包括：均衡电容和多个控制开关，所述均衡电容与多个所述直流分压电容分别并列连接，且所述均衡电容与多个所述直流分压电容的各通路上分别串接所述控制开关，通过控制所述控制开关，所述均衡电容轮流与各直流分压电容并联接通。
在本实用新型的一较佳实施例中，所述均衡电容和所述直流分压电容的规格相同。
在本实用新型的一较佳实施例中，所述控制开关的电路由采用全桥整流电路连接的四个二极管和一个并联在所述全桥整流电路中间的大功率绝缘栅双极性晶体管连接构成。 
本实用新型的有益效果：1）结构简单，无需对任何参数进行检测和控制，可靠性极高； 2）基本结构与原理适用于任意电平。不同电平的逆变器都只需一个辅助电容，切换开关控制波形只要保证均衡电容与直流分压电容轮流并联接通即可，不需要改变控制方法。 
附图说明
图1是二极管箝位式三电平逆变器的拓扑结构。 
图2是图1所示电路直流分压电容在无功负载下的电压波动情况。 
图3是图1所示电路直流分压电容在有功负载下的电压偏移情况。 
图4是带电压均衡装置的二极管箝位式三电平逆变器。 
图5是图4所示电路中的切换开关的电路。 
图6是图4所示电路的开关控制信号波形。 
图7是四电平逆变器的电压均衡装置拓扑电路。 
图8是图7所示电路切换开关的控制波形。 
图9是二极管箝位式五电平逆变器电容电压均衡电路拓扑电路。 
图10是图9所示电路切换开关的控制波形。 
图11是无功负载时，未加电容电压平衡电路的五电平逆变器直流分压电容上的电压波形。 
图12是有功负载时，未加电容电压平衡电路的五电平逆变器直流分压电容上的电压波形。 
图13为带有电容电压平衡电路的二极管箝位式五电平逆变器直流分压电容的电压波形。 
图中各组件及附图标记分别为：1、电源，2、电容电压均衡电路，3、三电平逆变器电路，4、四电平逆变器电路，5、五电平逆变器电路，6、三相负载，30、三电平逆变桥，40、四电平逆变桥，50、五电平逆变桥，Cb、均衡电容，C1、第一直流电压电容，C2、第二直流电压电容，C3、第三直流电压电容，C4、第四直流电压电容，S1、第一控制开关，S2、第二控制开关，S3、第三控制开关，S4、第四控制开关，S5、第五控制开关，S6、第六控制开关，S7、第七控制开关，S8、第八控制开关，VT、绝缘栅双极性晶体管。 
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。 
图4所示的为带电压均衡装置的二极管箝位式三电平逆变器电容电压平衡电路，是一个添加在多电平逆变器上的辅助电路，用于保持多电平逆变器电路中各直流分压电容上的电压相等，包括电源1、电容电压均衡电路2和三电平逆变器电路3，所述电容电压均衡电路2和三电平逆变器电路3相互并联连接在所述电源1的两端。 
所述电容电压均衡电路2包括：均衡电容Cb、第一控制开关S1、第二控制开关S2、第三控制开关S3和第四控制开关S4； 
所述三电平逆变器电路3包括：第一直流分压电容C1、第二直流分压电容C2、三电平逆变桥30和三相负载6；
所述均衡电容Cb与第一直流分压电容C1和第二直流分压电容C2分别并列连接，且各通路上分别串接控制开关；具体为：所述第一控制开关S1串联于所述均衡电容Cb的正极和所述第一直流分压电容C1的正极之间的通路中；所述第二控制开关S2串联于所述均衡电容Cb的正极和所述第二直流分压电容C2的正极之间的通路中；所述第三控制开关S3串联于所述均衡电容Cb的负极和所述第一直流分压电容C1的负极之间的通路中；所述第四控制开关S4串联于所述均衡电容Cb的负极和所述第二直流分压电容C2的负极之间的通路中。
所述三电平逆变器电容电压平衡电路的具体工作过程如下：所述第一控制开关S1与第三控制开关S3共用一组控制型号，所述第二控制开关S2与第四控制开关S4共用一组控制信号，而这两组控制信号互补，其控制信号周期如图6所示。在一个周期T内，第一个1/2T，断开S2、S4，接通S1、S3，此时所述均衡电容Cb和所述第一直流分压电容C1并联，所述均衡电容Cb对第一直流分压电容C1进行电荷刷新，进而平衡电压。具体为：当均衡电容Cb中的电压大于第一直流分压电容C1的电压时，由均衡电容Cb向第一直流分压电容C1注入电荷；当均衡电容Cb中的电压小于第一直流分压电容C1的电压时，由第一直流分压电容C1向均衡电容Cb注入电荷。第二个1/2T，断开S1、S3，接通S2、S4，此时所述均衡电容Cb和所述第二直流分压电容C2并联，所述均衡电容Cb对第二直流分压电容C2进行电荷刷新。具体为：当均衡电容Cb中的电压大于第二直流分压电容C2的电压时，由均衡电容Cb向第二直流分压电容C2注入电荷，当均衡电容Cb中的电压小于第二直流分压电容C2的电压时，由第二直流分压电容C2向均衡电容Cb注入电荷。通过这种方式，由Cb充当电荷搬运工的角色，将高电压直流分压电容上多余的电荷搬运到低电压直流分压电容上，保持直流分压电容上电荷的动态平衡，从而维持电压的均衡。当采样周期足够小时，电容电压的波动将会很小。 
如图5所示，为所述控制开关的电路图，图中门极G用于接开关控制信号，所述控制开关电路采用全桥整流电路连接，并在所述全桥整流电路中间并联一绝缘栅双极性晶体管VT，能保证在绝缘栅双极性晶体管VT导通时电流可以双向流动。 
在本实用新型的另一较佳实施例中，如图7所示，为带电压均衡装置的四电平逆变器的电压均衡装置拓扑电路，包括：电源1、电容电压均衡电路2、四电平逆变器电路4，所述电容电压均衡电路2、四电平逆变器电路4相互并联连接在所述电源1的两端。 
所述电容电压均衡电路2包括：均衡电容Cb、第一控制开关S1、第二控制开关S2、第三控制开关S3、第四控制开关S4、第五控制开关S5和第六控制开关S6； 
所述四电平逆变器电路4包括：第一直流分压电容C1、第二直流分压电容C2、第三直流分压电容C3、四电平逆变桥40和三相负载6；
所述均衡电容Cb与第一直流分压电容C1、第二直流分压电容C2和第三直流分压电容C3分别并列连接，且各通路上分别串接控制开关；具体为：所述第一控制开关S1串联于所述均衡电容Cb的正极和所述第一直流电压电容C1的正极之间的通路中；所述第二控制开关S2串联于所述均衡电容Cb的负极和所述第一直流电压电容C1的负极之间的通路中；所述第三控制开关S3串联于所述均衡电容Cb的正极和所述第二直流电压电容C2的正极之间的通路中；所述第四控制开关S4串联于所述均衡电容Cb的负极和所述第二直流电压电容C2的负极之间的通路中，所述第五控制开关S5串联于所述均衡电容Cb的正极和所述第三直流电压电容C3的正极之间的通路中；所述第六控制开关S6串联于所述均衡电容Cb的负极和所述第三直流电压电容C3的负极之间的通路中。
所述四电平逆变器电容电压平衡电路的具体工作过程如下：第一控制开关S1与第二控制开关S2，第三控制开关S3与第四控制开关S4，第五控制开关S5与第六控制开关S6分别共用一组控制信号，其控制信号如图8所示，这些信号之间均占用1/3T。只接通S1和S2时，所述均衡电容Cb和所述第一直流分压电容C1并联，所述均衡电容Cb对第一直流分压电容C1进行电荷刷新；只接通S3和S4时，所述均衡电容Cb和所述第二直流分压电容C2并联，所述均衡电容Cb对第二直流分压电容C2进行电荷刷；只接通S5和S6，所述均衡电容Cb和所述第三直流分压电容C3并联，所述均衡电容Cb对所述第三直流分压电容C3进行电荷刷新。电荷刷新原理与所述三电平电路相同。通过这种方式，不断将电压较高的直流分压电容上的电荷搬运到电压较低的直流分压电容上，保持电荷的动态平衡，从而均衡各直流分压电容上的电压。 
在本实用新型的另一较佳实施例中，如图9所示，为带电压均衡装置的五电平逆变器的电压均衡装置拓扑电路，包括：电源1、电容电压均衡电路2、五电平逆变器电路5，所述电容电压均衡电路2、五电平逆变器电路5相互并联连接在所述电源1的两端。 
所述电容电压均衡电路2包括：均衡电容Cb、第一控制开关S1、第二控制开关S2、第三控制开关S3、第四控制开关S4、第五控制开关S5、第六控制开关S6、第七控制开关S7和第八控制开关S8； 
所述五电平逆变器电路5包括：第一直流分压电容C1、第二直流分压电容C2、第三直流分压电容C3、第四直流分压电容C4、五电平逆变桥50和三相负载6；
所述均衡电容Cb与第一直流分压电容C1、第二直流分压电容C2、第三直流分压电容C3和第三直流分压电容C4分别并列连接，且各通路上分别串接控制开关；具体为：所述第一控制开关S1串联于所述均衡电容Cb的正极和所述第一直流分压电容C1的正极之间的通路中；所述第二控制开关S2串联于所述均衡电容Cb的负极和所述第一直流分压电容C1的负极之间的通路中；所述第三控制开关S3串联于所述均衡电容Cb的正极和所述第二直流分压电容C2的正极之间的通路中；所述第四控制开关S4串联于所述均衡电容Cb的负极和所述第二直流分压电容C2的负极之间的通路中；所述第五控制开关S5串联于所述均衡电容Cb的正极和所述第三直流分压电容C3的正极之间的通路中；所述第六控制开关S6串联于所述均衡电容Cb的负极和所述第三直流分压电容C3的负极之间的通路中；所述第七控制开关S7串联于所述均衡电容Cb的正极和所述第四直流分压电容C4的正极之间的通路中；所述第八控制开关S8串联于所述均衡电容Cb的负极和所述第四直流分压电容C4的负极之间的通路中。
所述五电平逆变器电容电压平衡电路的具体工作过程如下：第一控制开关S1与第二控制开关S2，第三控制开关S3与第四控制开关S4，第五控制开关S5与第六控制开关S6，第七控制开关S7与第八控制开关S8分别共用一组控制信号，其控制信号如图10所示，这些信号之间均占用1/4T。只接通S1和S2时，所述均衡电容Cb和所述第一直流分压电容C1并联，所述均衡电容Cb对第一直流分压电容C1进行电荷刷新；只接通S3和S4时，所述均衡电容Cb和所述第二直流分压电容C2并联，所述均衡电容Cb对第二直流分压电容C2进行电荷刷新；只接通S5和S6，所述均衡电容Cb和所述第三直流分压电容C3并联，所述均衡电容Cb对所述第三直流分压电容C3进行电荷刷新；只接通S7和S8，所述均衡电容Cb和所述第四直流分压电容C4并联，所述均衡电容Cb对所述第四直流分压电容C4进行电荷刷新。电荷刷新原理与所述三电平电路相同。通过这种方式，不断将电压较高的直流分压电容上的电荷搬运到电压较低的直流分压电容上，保持电荷的动态平衡，从而均衡各直流分压电容上的电压。 
如图11所示，为无功负载时，未加电容电压平衡电路的五电平逆变器直流分压电容上的电压波形；如图12所示，为有功负载时，未加电容电压平衡电路的五电平逆变器直流分压电容上的电压波形。由图可知，在未加电容电压均衡电路时，各直流分压电容上的电压均以不规则的形式呈上下波动趋势，无法维持各电压的平衡，如图13所示，为带有电容电压平衡电路的二极管箝位式五电平逆变器直流分压电容的电压波形，由图可知，各电压呈平缓波动形式，因此在逆变器电路上添加电容电压平衡电路后，能够有效地保持各直流分压电容上的电压均衡。 
通过轮流切换控制信号，控制所述控制开关的动作，使均衡电容在采样周期内轮流与所述直流分压电容并联接通，从而实现电压均衡。综上可知，直流分压电容增加一个，而控制开关需增加2个，因此开关的总数量等于直流分压电容数量的2倍，其他电平数的情况可以此类推。 
本实用新型所提出的电容电压均衡效果与切换开关的工作状态密切相关。在一个采样周期内，切换开关至少应保证均衡电容与所有直流分压电容并联一次。轮换的次数越多，直流分压电容的电压波动越小，均衡效果越好。 
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。 

Claims (3)

1.一种基于电荷刷新原理的多电平逆变器电容电压平衡电路，是一个添加在多电平逆变器上的辅助电路，用于保持多电平逆变器电路中各直流分压电容上的电压平衡，其特征在于，包括：均衡电容和多个控制开关，所述均衡电容与多个所述直流分压电容分别并列连接，且所述均衡电容与多个所述直流分压电容的各通路上分别串接所述控制开关。
2.根据权利要求1所述的基于电荷刷新原理的多电平逆变器电容电压平衡电路，其特征在于：所述均衡电容和所述直流分压电容的规格相同。
3.根据权利要求1所述的基于电荷刷新原理的多电平逆变器电容电压平衡电路，其特征在于：所述控制开关的电路由采用全桥整流电路连接的四个二极管和一个并联在所述全桥整流电路中间的大功率绝缘栅双极性晶体管连接构成。
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