WO2012041020A1 - 单相五电平功率变换器 - Google Patents

单相五电平功率变换器 Download PDF

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diode
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李子欣
李耀华
王平
刘丛伟
朱海滨
胜晓松
刘育红
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中国科学院电工研究所
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    • H02M7/68—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels

Definitions

  • the present invention relates to a multilevel power electronic power converter, and more particularly to a single phase five level power converter. Background technique
  • the invention aims to overcome the shortcomings of the existing single-phase five-level power converter, reduce the DC voltage link, eliminate the DC capacitor voltage equalization problem, and improve the operational reliability of the multi-level power converter while reducing the harmonic content of the output voltage. .
  • the invention consists of a three-phase bridge and two coupled inductors.
  • the three bridge arms of the three-phase bridge are constructed of power electronic power devices.
  • One of the three-phase bridge outputs as one terminal of the output of the single-phase five-level power converter of the present invention; the other two of the three-phase bridges respectively output two non-common connection points of the two coupled inductors Connected, the common connection point of the coupled inductor serves as the other terminal of the output of the single-phase five-level power converter of the present invention.
  • the two coupled inductors are connected in a spliced manner, that is, the common connection point of the two coupled inductors is a common connection point of the same name end of the coupled inductor and another non-identical end of the coupled inductor.
  • the minimum level of the output voltage is 1/2 of the DC voltage. Compared with the single-phase full-bridge power converter, the harmonic content and the dv/dt of the output voltage can be greatly reduced, which can reduce the system operation time. Electromagnetic interference.
  • the invention has flexible configuration and wide application range, and can be used for single-phase systems as well as three-phase systems, such as rectifiers, inverters and the like. It can also be applied to high voltage systems when the modules are cascaded, such as HVDC, high voltage inverters, etc.
  • FIG. 1 is a circuit schematic diagram of a single-phase five-level power converter of the present invention
  • FIG. 2 is a simulation waveform diagram of the output voltage 1 ⁇ 2 b and the load current b of the single-phase five-level power converter of the present invention
  • FIG. 3 is a corresponding simulation waveform diagram of the 1 ⁇ 2 3 ;
  • Figure 4 is a corresponding spectrum analysis diagram of 1 ⁇ 23 .
  • FIG. 1 it is a circuit schematic diagram of a single-phase five-level power converter of the present invention.
  • the three-phase bridge in the single-phase five-level power converter of the present invention is composed of a first bridge arm, a second bridge arm, a third bridge arm, and a DC power supply.
  • the three bridge arms are composed of a power electronic power device, that is, six fully-controlled power electronic switching devices Sf S 6 and six diodes D 6 .
  • the switching device S "S 6 selects an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) selects an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • the first bridge arm is composed of a first switch second switch S 2 and a first diode second diode D 2 .
  • the emitter of S 1 is connected to the collector of the second switch ⁇ to form a midpoint of the first bridge arm, and is also the output end 1 of the first bridge arm; the anode of the first diode is connected to the emitter of the first switch, first The cathode of the diode is connected to the collector of the first switch; the anode of the second diode is connected to the emitter of the second switch S 2 , and the cathode of the second diode is connected to the collector of the second switch S 2 .
  • the second bridge arm is composed of a third switch S 3 , a fourth switch S 4 , a third diode D 3 , and a fourth diode D 4 .
  • the emitter of the third switch S 3 is connected to the collector of the fourth switch ⁇ to form a midpoint of the second bridge arm, which is also the output end 2 of the second bridge arm; the emission of the positive pole of the third diode and the third switch S 3 The pole is connected, the cathode of the third diode D 3 and the collector of the third switch S 3
  • the anode of the fourth diode D 4 is connected to the emitter of the fourth switch ⁇ , and the cathode of the fourth diode D 4 is connected to the collector of the cathode.
  • the third bridge arm is composed of a fifth switch S 5 , a sixth switch S 6 , a fifth diode D 5 , and a sixth diode D 6 .
  • the emitter of the fifth switch S 5 is connected to the collector of the sixth switch S 6 to form a midpoint of the third bridge arm, which is also the output end 3 of the third bridge arm; the anode of the fifth diode D 5 and the fifth switch S
  • the emitter of 5 is connected, the cathode of the fifth diode is connected to the collector of the fifth switch S 5 ; the anode of the sixth diode is connected to the emitter of the sixth switch S 6 , and the sixth diode D 6
  • the negative electrode is connected to the collector of the sixth switch ⁇ .
  • the collectors of the first switch third switch S 3 and the fifth switch S 5 are both connected to the positive pole of the direct current power source, and the emitters of the second switch S 2 , the fourth switch ⁇ and the sixth switch ⁇ are connected to the negative pole of the direct current power source .
  • the first bridge arm output 1 of the three-phase bridge serves as a terminal a of the output of the single-phase five-level power converter
  • the midpoint 2 of the second bridge of the three-phase bridge and the midpoint 3 of the third bridge are respectively connected to Two terminals of the two coupled inductors are non-common, and the common point terminals of the two coupled inductors serve as the other terminal b of the output of the single-phase five-level power converter.
  • the second bridge arm output end 2 of the three-phase bridge can also be used as a terminal a of the output end of the single-phase five-level power converter, and the first bridge arm of the three-phase bridge
  • the midpoints 1 of the midpoint 1 and the third bridge arm are respectively connected to two terminals of the two coupled inductors at a non-common point; or the third bridge arm output terminal 3 of the three-phase bridge is used as a single-phase five-level power
  • a terminal a of the output of the converter, a midpoint 1 of the first bridge of the three-phase bridge and a midpoint 2 of the second bridge are respectively connected to two terminals of the two non-common points of the coupled inductor.
  • the two coupled inductors are in a spliced manner, that is, the common connection point of the two coupled inductors is a common connection point of the same name end of one coupled inductor and another non-identical end of the coupled inductor, that is, a single-phase five-level power converter Another terminal b at the output.
  • the IGBT can be replaced by a MOSFET and other fully controlled power electronic switching devices.
  • each bridge arm of the three-phase bridge has only two switching states.
  • the first switch 5 the second switch must be turned off when turned on, and the first switch 5 when the second switch is turned on; must be turned off. Therefore, both u and 1 ⁇ 2 n can output two levels of voltage, that is, and - so that equation (5) shows that 1 ⁇ 2 b can output five levels of voltage, namely +E, 0, -E, and -2E . Therefore, by selecting an appropriate modulation method, the output voltage of the single-phase five-level power converter can be five levels.
  • FIG. 2 is a simulation calculation waveform diagram of the output voltage 1 ⁇ 2 b and the load current b of the single-phase five-level power converter of the present invention
  • FIG. 3 is a simulation calculation waveform diagram of the voltage 1 ⁇ 2 3
  • FIG. 4 is a spectrum analysis diagram of the 1 ⁇ 23 .
  • the DC component causes the inductor to saturate, and since it does not contain the fundamental component, the value of the coupled inductor is small.

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  • Power Engineering (AREA)
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Description

单相五电平功率变换器 本申请要求于 2010年 9月 28日提交中国专利局、 申请号为 201010295749. 5、发明名 称为 "单相五电平功率变换器" 的中国专利申请的优先权， 其全部内容通过引用结合在本 申请中。
技术领域
本发明涉及多电平电力电子功率变换器， 特别涉及一种单相五电平功率变换器。 背景技术
为了提高电压耐受等级， 减小输出电压的谐波含量， 以及减小由于较高的 dv/dt而造 成的电磁干扰等目的， 多电平电力电子功率变换器一直以来都获得了广泛的关注和研究。
然而， 目前几乎所有的多电平电力电子功率变换器都是通过采用多个直流电源来实现 输出电压的多个电平。 例如， 传统的级联 H桥型多电平变换器需要采用多个独立的直流电 源； 而二极管箝位型多电平变换器和电容箝位型多电平变换器均通过分裂电容来获得多个 电平的直流电压， 间接地得到了多个直流电源。 为了获得多个独立的直流电源， 一般需要 采用多个相互独立的或者多绕组的变压器。 然而， 采用多个变压器获得独立直流电源时会 增加变换器的体积和重量； 而采用分裂直流电容电压时又会带来直流电容电压均衡问题， 且存在电力电子功率器件直流电压应力不同的缺点， 降低了系统运行的可靠性。
发明内容
本发明旨在克服现有单相五电平功率变换器的缺点， 减少直流电压环节， 消除直流电 容均压问题， 在降低输出电压谐波含量的同时提高多电平功率变换器的运行可靠性。
本发明由一个三相桥和两个耦合电感构成。 三相桥的三个桥臂由电力电子功率器件构 成。 三相桥中的一个桥臂输出作为本发明单相五电平功率变换器输出端的一个端子； 三相 桥中的另外两个桥臂输出端分别与两个耦合电感的两个非公共连接点相连， 耦合电感的公 共连接点作为本发明单相五电平功率变换器输出端的另外一个端子。 同时， 两个耦合电感 的连接方式为顺接连接， 即两个耦合电感的公共连接点为一个耦合电感的同名端与另外一 个耦合电感非同名端的公共连接点。
本发明单相五电平功率变换器具有以下特点和优势：
1. 只需要一个直流电源就可以产生五电平的输出电压， 不存在直流电容均压问题， 系统运行可靠性高。 2. 每个电力电子功率器件的直流电压应力均相同， 便于器件的设计和选择。
3. 输出电压的最小电平值为直流电压的 1/2，与单相全桥型功率变换器相比可以大大 降低谐波含量和输出电压的 dv/dt, 也就可以降低系统运行时的电磁干扰。
4. 只需要在常见的三相桥基础上加入两个耦合电感即可实现， 结构简单， 十分便于 生产制造。
5. 本发明配置灵活， 适用范围广， 既可以用于单相系统也可以用于三相系统， 例如 整流器、 逆变器等。 当模块进行级联时也可以应用于高压系统， 例如高压直流输电、 高压 变频器等。
附图说明
图 1为本发明单相五电平功率变换器的电路原理图；
图 2为本发明单相五电平功率变换器输出电压 ½b和负载电流 b的仿真波形图； 图 3为相应的 ½3的仿真计算波形图；
图 4为相应的 ½3的频谱分析图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图 1所示， 为本发明单相五电平功率变换器的电路原理图。
本发明单相五电平功率变换器中的三相桥由第一桥臂、 第二桥臂、 第三桥臂和一个直 流电源构成。 所述的三个桥臂由电力电子功率器件即六个全控型电力电子开关器件 Sf S6 和六个二极管 D6构成。
以开关器件 S「 S6选用 IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor, 绝缘栅双极型 晶体管） 的情况为例， 各个器件之间的连接方式为：
第一桥臂由第一开关 第二开关 S2、 第一二极管 第二二极管 D2构成。 第一开关
S1的发射极与第二开关 ^的集电极相连构成第一桥臂的中点， 也是第一桥臂输出端 1 ; 第 一二极管 的正极与第一开关 的发射极相连，第一二极管 的负极与第一开关 的集电 极相连； 第二二极管 的正极与第二开关 S2的发射极相连， 第二二极管 的负极与第二开 关 S2的集电极相连。
第二桥臂由第三开关 S3、 第四开关 S4、 第三二极管 D3、 第四二极管 D4构成。 第三开关 S3的发射极与第四开关 ^的集电极相连构成第二桥臂的中点， 也是第二桥臂输出端 2; 第 三二极管 的正极与第三开关 S3的发射极相连，第三二极管 D3的负极与第三开关 S3的集电 极相连； 第四二极管 D4的正极与第四开关 ^的发射极相连， 第四二极管 D4的负极与^的集 电极相连。
第三桥臂由第五开关 S5、 第六开关 S6、 第五二极管 D5、 第六二极管 D6构成。 第五开关 S5的发射极与第六开关 S6的集电极相连构成第三桥臂的中点， 也是第三桥臂输出端 3; 第 五二极管 D5的正极与第五开关 S5的发射极相连，第五二极管 的负极与第五开关 S5的集电 极相连； 第六二极管 的正极与第六开关 S6的发射极相连， 第六二极管 D6的负极与第六开 关 ^的集电极相连。
第一开关 第三开关 S3和第五开关 S5的集电极均连接到直流电源的正极，第二开关 S2、 第四开关^和第六开关 ^的发射极均连接到直流电源的负极。
三相桥的第一桥臂输出端 1作为单相五电平功率变换器输出端的一个端子 a， 三相桥 的第二桥臂的中点 2和第三桥臂的中点 3分别连接到两个耦合电感非公共点的两个端子， 所述两个耦合电感的公共点端子作为单相五电平功率变换器输出端的另外一个端子 b。
当然， 在本发明其他实施例中， 还可以将所述三相桥的第二桥臂输出端 2作为单相五 电平功率变换器输出端的一个端子 a， 三相桥的第一桥臂的中点 1和第三桥臂的中点 3分 别连接到两个耦合电感非公共点的两个端子； 或者， 将所述三相桥的第三桥臂输出端 3作 为单相五电平功率变换器输出端的一个端子 a， 三相桥的第一桥臂的中点 1和第二桥臂的 中点 2分别连接到两个耦合电感非公共点的两个端子。
其中， 所述两个耦合电感为顺接方式， 即两个耦合电感的公共连接点为一个耦合电感 的同名端与另外一个耦合电感非同名端的公共连接点， 即单相五电平功率变换器输出端的 另外一个端子 b。
所述的 IGBT可用 M0SFET及其他全控型电力电子开关器件替代。
为了进一步说明本发明单相五电平功率变换器的工作原理， 首先分析图 1 中两个耦合 电感的作用。 假设两个耦合电感匝数相同， 共同绕制在同一个铁芯上， 两者的主自感均为 M-, 同时假设漏自感很小， 即可以忽略。 假设两个耦合电感的耦合系数为 1， 也就是说两个 耦合电感的互感也等于 以直流电压的中点 n点作为参考点， 则有如下动态电压方程： Mdi2/dt- Mdi dt (1)
Mdi dt- Mdi2/dt (2)
同时， 根据基尔霍夫定律有：
(3) 解方程（1) - (3)式可得： 可见， 耦合电感的作用相当于将两个输入电压进行了串联。 因此， 单相五电平功率变 换器的输出电压为：
um- ½„= ½„- ( ½„+ ½„) /2 (5)
可见， 单相五电平功率变换器的输出电压与负载电流 b无关。
令三相桥的每个桥臂上下两个开关器件均为互补工作方式， 即每个桥臂只有两种开关 状态。 以第一桥臂为例， 第一开关 5；开通时第二开关 必须关断， 第二开关 开通时第一 开关 5；必须关断。 因此， u 、 和 ½n均可输出两个电平的电压， 即 和- 故由（5)式可 知， ½b可以输出五个电平的电压， 即 +E, 0、 -E和 -2E。 因此， 选择合适的调制方式， 即可实现单相五电平功率变换器的输出电压为五电平。
图 2为本发明单相五电平功率变换器输出电压 ½b和负载电流 b的仿真计算波形图， 图 3为电压 ½3的仿真计算波形图， 图 4为 ½3的频谱分析图。
仿真参数为： 直流电压为 2 =400V， 调制方式为正弦脉宽调制， 载波频率为 2kHz， 参 考电压频率为 50Hz， 调制比为 0. 8， 两个耦合电感的主自感为 5mH， 负载为 7?Z阻感串联负 载， 其中 2Ω， Z=2mH。 由这些仿真计算结果可见， 单相五电平功率变换器输出电压 ^为 五电平的脉宽调制波形， 且耦合电感两端的电压中不含直流分量和基波分量， 不会因调制 产生的直流分量导致电感饱和， 同时由于不含有基波分量， 所需要耦合电感的值也很小。 这些仿真计算结果表明本发明正确可行。

Claims

权 利 要 求
1、 一种单相五电平功率变换器， 其特征在于： 所述的单相五电平功率变换器由一个三 相桥和两个耦合电感构成； 所述的三相桥中的一个桥臂的输出端作为所述的单相五电平功 率变换器输出端的一个端子； 所述三相桥中的另外两个桥臂输出端分别与所述的两个耦合 电感的两个非公共连接点相连， 所述的两个耦合电感的公共连接点作为所述的单相五电平 功率变换器输出端的另外一个端子； 所述的两个耦合电感为顺接连接。
2、 如权利要求 1所述的单相五电平功率变换器， 其特征在于： 所述的三相桥由第一桥 臂、 第二桥臂、 第三桥臂和一个直流电源构成； 所述的第一桥臂、 第二桥臂、 第三桥臂由 六个电力电子功率器件和六个二极管构成；
所述第一桥臂由第一开关 （S 、 第二开关 （S2)、 第一二极管 （D 和第二二极管 （¾) 构成； 第一开关（S 的发射极与第二开关（S2)的集电极相连构成第一桥臂的输出端（1 ); 第一二极管 （D 的正极与第一开关 （S 的发射极相连， 第一二极管 的负极与第一 开关 （S 的集电极相连； 第二二极管 （ ) 的正极与第二开关 （S2) 的发射极相连， 第二 二极管 （ ) 的负极与第二开关 （S2) 的集电极相连；
所述第二桥臂由第三开关 （S3)、 第四开关 （S4)、 第三二极管 （ )、 第四二极管 （D4) 构成； 第三开关（S3)的发射极与第四开关（S4)的集电极相连构成第二桥臂的输出端（2); 第三二极管 （ ) 的正极与第三开关 （S3) 的发射极相连， 第三二极管 （D3) 的负极与第三 开关 （S3) 的集电极相连； 第四二极管 （D4) 的正极与第四开关 （S4) 的发射极相连， 第四 二极管 （D4) 的负极与第四开关 （S4) 的集电极相连；
所述第三桥臂由第五开关 （S5)、 第六开关 （S6)、 第五二极管 （ )、 第六二极管 （D6) 构成； 第五开关（S5)的发射极与第六开关（S6)的集电极相连构成第三桥臂的输出端（3); 第五二极管 （ ) 的正极与第五开关 （S5) 的发射极相连， 第五二极管 （ ) 的负极与第五 开关 （S5) 的集电极相连； 第六二极管 （D6) 的正极与第六开关 （S6) 的发射极相连， 第六 二极管 （ ) 的负极与第六开关 （S6) 的集电极相连；
所述第一开关 （SJ、 第三开关 （S3) 和第五开关 （S5) 的集电极均连接到所述直流电 源的正极， 所述第二开关 （S2)、 第四开关 （S4) 和第六开关 （S6) 的发射极均连接到直流 电源的负极。
3、 如权利要求 1所述的单相五电平功率变换器， 其特征在于： 所述的三相桥与耦合 电感的连接方式是：
所述三相桥的第一桥臂输出端 （1 ) 作为所述的单相五电平功率变换器输出端的一个 端子 （a)， 所述的三相桥的第二桥臂的中点 （2 ) 和第三桥臂的中点 （3 ) 分别连接到所述 的两个耦合电感非公共连接点的两个端子；
所述的两个耦合电感的公共连接点作为所述的单相五电平功率变换器输出端的另外 一个端子 （b)。
4、 如权利要求 1所述的单相五电平功率变换器， 其特征在于： 所述的三相桥与耦合 电感的连接方式是：
所述三相桥的第二桥臂的输出端子 （2) 作为所述的单相五电平功率变换器输出端的 一个端子（a)，所述的三相桥的第一桥臂的输出端子（1 )和所述的第三桥臂的输出端子（3) 分别接所述的两个耦合电感的两个非公共连接点端子；
所述的两个耦合电感的公共连接点作为所述的单相五电平功率变换器输出端的另外 一个端子 （b)。
5、 如权利要求 1所述的单相五电平功率变换器， 其特征在于： 所述的三相桥与耦合 电感的连接方式是：
所述三相桥的第三桥臂的输出端子 （3) 作为所述的单相五电平功率变换器输出端的 一个端子 （a)， 所述的三相桥的第一桥臂的输出端子 （1 ) 和第二桥臂的输出端子 （2) 分 别接所述的两个耦合电感的两个非公共连接点端子；
所述的两个耦合电感的公共连接点作为所述的单相五电平功率变换器输出端的另外 一个端子 （b)。
6、 如权利要求 1所述的单相五电平功率变换器， 其特征在于： 所述两个耦合电感为 顺接连接， 即两个耦合电感的公共连接点为一个耦合电感的同名端与另外一个耦合电感非 同名端的公共连接点。
7、 如权利要求 2所述的单相五电平功率变换器， 其特征在于所述的每个电力电子功 率器件的直流电压应力均相同。
8、如权利要求 2所述的单相五电平功率变换器， 其特征在于所述电力电子功率器件为 IGBT、 或 M0SFET。
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