專利名稱：具有直流電容輔助均壓電路的多電平變換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力控制設備，尤其是基于電力電子技術的多電平變換器的直流電容電壓的均壓控制電路及其控制方法。
背景技術：
多電平變換器應用中，通常采用串聯(lián)多個直流電容提供更高的直流電壓，并將直流電壓分為多個電平，為多電平變換器的正常工作提供穩(wěn)定均衡的直流電壓。以二極管箝位電路為例，變換器每個橋臂的多個串聯(lián)開關器件通過二極管連接在某一個直流電容上， 即通過二極管將開關器件的電壓箝位到連接的一個直流電容電壓上，將直流母線電壓分為多個電平。因此，每個橋臂的多個開關器件在不同的開關組合下可向交流側輸出不同電平的電壓信號。多電平變換器將多個電平輸出信號合成調制信號，電平數(shù)越多輸出的交流電壓越逼近調制信號。圖1電路是以五電平為例的三相二極管箝位變換電路主電路連接圖。直流側采用4個串聯(lián)電容，理想情況下，直流電容端點電壓分別為0、IVdc、2Vdc、3Vdc和4Vdc五個電平。變換器通過不同的開關組合，讓輸出端直接與這五個電平的端接點連接，因此輸出電壓包含五個階梯電平，其它電平數(shù)的變換器結構與其類似。但是，多電平變換器每個工頻周期內對每個直流電容充放電的能量大小并不相等。因此，各個電容器上輸入和輸出不相等的功率將導致電容器上的電壓不相等，即出現(xiàn)所謂的電容電壓不平衡問題。當直流電容的電壓不平衡時，每個開關器件承受的反向工作電壓也不均衡，影響變換器開關器件的安全。多電平變換器甚至會退化成兩電平變換器，輸出電壓電流畸變，同時失去多電平所具有的諸多優(yōu)點。因此，多個串聯(lián)的直流電容電壓的均壓問題是該類型變換器必須解決的問題。通過優(yōu)化的PWM調制方法，直流電容在一定條件下能夠實現(xiàn)電壓平衡與穩(wěn)定，理論分析證明其平衡與穩(wěn)定的條件與負載電流的相角有關。例如，當多電平變換器傳遞純有功電流時，即負載電流角度在0度附近時，為保證直流電壓穩(wěn)定，要求PWM調制深度最高且要求小于約55 %，極大的限制多電平變換電路在有功傳遞領域的應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種串聯(lián)多直流電容器組的所有電容電壓的均壓方案。目的就是為避免PWM調制方法均壓的諸多限制，讓變換器在任意功率因數(shù)條件下，特別是在傳遞有功電流時，實現(xiàn)直流電容的電壓均壓與穩(wěn)定。讓變換器的PWM調制深度不再受直流電壓穩(wěn)定條件的限制，保證在任意調制深度條件下實現(xiàn)有功或無功的傳遞。本發(fā)明實現(xiàn)其發(fā)明目的所采用的技術方案是具有穩(wěn)定均壓直流電容電壓的多電平變換器，在三相二極管箝位變換電路的直流電容側設置均壓電路，所述均壓電路包含一級均壓電路和二級均壓電路；對于電平數(shù)為 N+1的包含N個直流電容的多電平變換器，一級均壓電路包含N/2個電感均壓基本電路開
3關器件SAIn、SAl (n-1)與電容Cn、C(n-l)并連，二者的中間連接點通過電感LAl (η/2)連接在一起，實現(xiàn)Cn和C(n-1)的均壓；第二級均壓電路包含N/2-1組電感均壓基本電路 開關器件S2(n-2)、SA2(n-3)與電容C(n_l)、C(n_2)并連，二者的中間連接點通過電感 LA2(n/2-l)連接在一起，實現(xiàn)C(n_l)和C(nl)的均壓；最終，N個直流電容C實現(xiàn)全部電壓均等。(η = 1，2，3. ..N)。本發(fā)明構造了一種基于兩層電路結構實現(xiàn)所有電容均壓的輔助電路及其控制。該結構適用于任意電平數(shù)的直流均壓，給出了五電平電路的具體連接和控制方法。同時，將五電平兩級多組獨立均壓電路簡化，提出一種五電平單電感的均壓電路及其控制。其共同特征是主電路串聯(lián)的直流電容側連接多個輔助開關器件，連通特定的直流電容與輔助電感， 通過輔助電感讓電壓高的電容向電壓低的電容轉移能量，實現(xiàn)均壓目的。方案中輔助開關器件的控制策略是第一階段，通過導通的開關器件形成的通路，讓第一階段起始時刻電壓高的電容對輔助電感放電，電容電壓下降，電感電流增加，該電容的部分能量暫時轉移存儲到輔助電感上；第二階段，輔助電感中的電流不會突變，通過導通的開關器件形成的通路，讓輔助電感對第二階段起始時刻電壓低的電容釋放能量，輔助電感電流減小，被充電的電容電壓上升。如圖2以一組能夠獨立工作的電感輔助均壓電路為例，說明其均壓工作原理。將 Cl和C2電容電壓分成兩種情況，即VCl > VC2和VC2 > VCl兩種情況，每種情況都需要完成上述兩個階段。當 VC1>VC2 時第1步，SAl導通，SA2關斷，即PWM1/2 = 1/0。此時Cl通過SAl對LAl放電，Cl 電壓下降，LAl圖示充電電流ic增加，Cl部分能量暫存到LAl上。第2步，SAl和SA2都關斷，即PWM1/2 = 0/0。此時SAl已關斷，但LAl上的電流不能突變，ic電流維持原方向，因此ic通過下管的反并二極管DA2向C2充電，C2電壓上升，直到LAl電流下降到0，LAl暫存的能量全部釋放，DA2截止。當 VC1>VC2 時第1步，SA2導通，SAl關斷，即P麗1/2 = 0/1。此時C2通過SA2對LAl放電，C2 電壓下降，LAl圖示充電電流ic增加，C2部分能量暫存到LAl上。第2步，SAl和SA2都關斷，即PWM1/2 = 0/0。此時SA2已關斷，但LAl上的電流不能突變，ic電流維持原方向，因此ic通過上管的反并二極管DAl向Cl充電，Cl電壓上升，直到LAl電流下降到0，LAl暫存的能量全部釋放，DAl截止。根據上述兩種情況的分析，分別經過2個電路工作狀態(tài)轉換，電壓高的電容能量就能夠以輔助電感為中介轉移到電壓低的電容上。因此，電壓高的電容電壓下降，電壓低的電容電壓上升。經過多次上述操作后，最終實現(xiàn)2個電容電壓的均等。直流側兩個電容通過圖2中的電感均壓基本電路可實現(xiàn)均壓，但不能實現(xiàn)所有電容的均壓。本發(fā)明具體實施方式
一中提出兩級電感均壓電路可實現(xiàn)所有電容的均壓；具體實施方式
二中提出適用于五電平電路的單電感均壓電路。電路組成和工作方式參見“具體實施方式
”章節(jié)中的說明。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明有益效果是一、由輔助均壓電路實現(xiàn)所有直流電容的均壓，因此與變換器主電路及其控制策略無關，不影響現(xiàn)有主電路和控制原理，適用但不限于二極管箝位多電平變換器。二、該電路能夠在任意功率因數(shù)條件下，特別是在傳遞有功電流時，實現(xiàn)直流電容的電壓均壓與穩(wěn)壓，使得變換器的PWM調制深度不再受直流電壓穩(wěn)定條件的限制，保證在任意調制深度條件下實現(xiàn)有功或無功的傳遞。三、控制策略采用兩階段調制方法，控制策略簡單，對控制模塊的軟硬件要求低； 且不需要主電路或者均壓控制電路的電流信息，只需要直流電容的電壓信息。實施方式一的方案適用于任意電平所有直流電容的均壓，實施方式二的方案只采用單電感，電感數(shù)最少。下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。


圖1是傳統(tǒng)的二極管箝位五電平變換器主電路；圖2是電感輔助均壓基本電路及其控制策略；圖3是具有兩級電感輔助均壓電路的二極管箝位五電平變換器；圖4是任意電平數(shù)的兩級電感輔助均壓電路；圖5是五電平的單電感輔助均壓電路；圖6是五電平的單電感輔助均壓電路Cl充放電通道；圖7是五電平的單電感輔助均壓電路C2充放電通道；圖8是五電平的單電感輔助均壓電路C3充放電通道；圖9是五電平的單電感輔助均壓電路C4充放電通道；圖表中的標記為Cl-Cn為直流電容；SAl-SAn...表示輔助開關器件，這些器件與其鄰近的反并二極管一起組成正向可關斷、反向可續(xù)流導通的開關，具體實現(xiàn)可以是IGBT、IGCT、MOSFET等電力電子器件；DAl-DAn表示正向導通、反向關斷的二極管。表1的開關狀態(tài)表示SAl-SAn 的驅動與工作的狀態(tài)，1表示導通，0表示關斷。
具體實施例方式實施例1——兩級輔助均壓電路圖3以五電平二極管箝位主電路為例的一種兩級輔助均壓電路。該電路采用了 3 組圖2所示的電感均壓基本電路。第一級均壓電路包括第1組電感均壓基本電路的開關器件SA1、SA2與電容Cl、 C2并連，二者的中間連接點通過電感LAl連接在一起，實現(xiàn)Cl和C2的均壓；第2組電感均壓基本電路的開關器件SA3、SA4與電容C3、C4并連，二者的中間連接點通過電感LA2連接在一起，實現(xiàn)C3和C4的均壓。第二級均壓電路只包含1組電感均壓基本電路，開關器件SA5、SA6與電容C2、C3 并連，二者的中間連接點通過電感LA3連接在一起，實現(xiàn)C2和C3的均壓。最終，C1、C2、C3和C4在3組兩級電感基本電路的均壓操作下實現(xiàn)全部電壓均等；
圖4是將圖3方案擴展為任意電平數(shù)的均壓方案連接，其電路連接與圖3類似分為兩級。第一級的每組輔助電路實現(xiàn)2個鄰近直流電容Cn和C(n-l)的均壓。第二級均壓電路又可實現(xiàn)第一級每二組鄰近電容C(n-1)和C(n-幻的均壓。因此，所有的電容均能夠與上下相鄰的電容均壓，電壓高的電容電壓下降，電壓低的電容電壓上升。最終，經過多次上述操作后，所有電容的電壓都將均等。實施例2——適用于五電平數(shù)的單電感輔助均壓電路圖5是單電感實現(xiàn)五電平所有直流電容電壓的均壓電路，該電路將圖3所述兩級多組獨立的均壓基本電路簡化為一組單電感均壓電路，為一個電感分別構造了直流電容 C1-C4的充放電通路。即通過SA1、SA7、LA1、DA16、SA2、DA10串聯(lián)形成電容Cl的放電回路， 通過DA9、SA7、LA1、DA16、DA13串聯(lián)形成電容Cl的充電回路；通過DA9、SA7、LA1、DA16、SA3 串聯(lián)形成電容C2的放電回路，通過SA4、DA15、LA1、DA16、SA2、DA10串聯(lián)形成電容C2的充電回路;通過3六4、0六15、1^1、5六8、0八12串聯(lián)形成電容C 3的放電回路，通過SA5、DA11、DA15、 LA1、DA16、SA3串聯(lián)形成電容C 3的充電回路；通過SA5、DAll、DA15、LAl、SA8、SA6串聯(lián)形成電容C4的放電回路，通過DA14、DA15、LA1、SA8、DA12串聯(lián)形成電容C4的充電回路。該電路的基本工作原理與實施例1類似，即通過電感把電壓高的電容的能量向電壓低的電容上轉移。為了實現(xiàn)上述方案，對五電平電路中的4個電容需要提供8個充放電通路，表1是適用五電平的單電感輔助均壓電路的開關狀態(tài)表；分別對應表1中的8種PWM 開關狀態(tài)和圖6-圖9的8個通路說明。
權利要求
1.具有直流電容輔助均壓電路的多電平變換器，其特征在于，在三相二極管箝位變換電路的直流電容側設置均壓電路，所述均壓電路包含一級均壓電路和二級均壓電路；對于電平數(shù)為N+1的包含N個直流電容的多電平變換器，一級均壓電路包含N/2個電感均壓基本電路開關器件SAIn、SAl (n-1)與電容Cn、C(n-l)并連，二者的中間連接點通過電感 LAl (η/2)連接在一起，實現(xiàn)Cn和C(n-1)的均壓；第二級均壓電路包含Ν/2-1組電感均壓基本電路開關器件S2(n-2)、SA2(n-3)與電容C(n_l)、C(n_2)并連，二者的中間連接點通過電感LA2(n/2-l)連接在一起，實現(xiàn)C(n_l)和C(nl)的均壓；最終，N個直流電容C實現(xiàn)全部電壓均等。
2.根據權利要求1所述之具有直流電容輔助均壓電路的多電平變換器，其特征在于， 所述N取4，即第一級均壓電路包括兩個電感均壓基本電路第一電感均壓基本電路的開關器件SA1、SA2與電容C1、C2并連，二者的中間連接點通過電感LAl連接在一起，實現(xiàn)Cl和 C2的均壓；第二電感均壓基本電路的開關器件SA3、SA4與電容C3、C4并連，二者的中間連接點通過電感LA2連接在一起，實現(xiàn)C3和C4的均壓；第二級均壓電路只包含1組電感均壓基本電路，開關器件SA5、SA6與電容C2、C3并連，二者的中間連接點通過電感LA3連接在一起，實現(xiàn)C2和C3的均壓。
3.根據權利要求2所述之具有直流電容輔助均壓電路的多電平變換器，其特征在于， 所述兩級均壓基本電路簡化為一組單電感均壓電路，即通過SAl、SA7、LAl、DA16、SA2、DAlO 串聯(lián)形成Cl的放電回路，DA9、SA7、LA1、DA16、DA13串聯(lián)形成Cl的充電回路；DA9、SA7、LA1、 DA16、SA3串聯(lián)形成C2的放電回路，SA4、DA15、LAI、DA16、SA2、DAlO串聯(lián)形成C2的充電回路；SA4、DA15、LA1、SA8、DA12 串聯(lián)形成 C3 的放電回路，SA5、DAll、DA15、LAl、DA16、SA3 串聯(lián)形成C3的充電回路；SA5、DA11、DA15、LA1、SA8、SA6串聯(lián)形成C4的放電回路，DA14、DA15、 LA1、SA8、DA12串聯(lián)形成C4的充電回路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有直流電容輔助均壓電路的多電平變換器，均壓電路包含一級均壓電路和二級均壓電路；對于電平數(shù)為N+1的包含N個直流電容的多電平變換器，一級均壓電路包含N/2個電感均壓基本電路開關器件SA1n、SA1(n-1)與電容Cn、C(n-1)并連，二者的中間連接點通過電感LA1(n/2)連接在一起，實現(xiàn)Cn和C(n-1)的均壓；第二級均壓電路包含N/2-1組電感均壓基本電路實現(xiàn)C(n-1)和C(n-2)的均壓；最終，N個直流電容C實現(xiàn)全部電壓均等。本發(fā)明適用于任意電平的均壓，不影響現(xiàn)有主電路和控制原理，保證主電路變換器在任意調制深度條件下實現(xiàn)任意功率因數(shù)的功率傳遞。本發(fā)明還給出了五電平變換器的具體電路和電感個數(shù)最小化的實現(xiàn)電路及其控制方法。
文檔編號H02M7/487GK102244477SQ201110188599
公開日2011年11月16日 申請日期2011年7月7日 優(yōu)先權日2011年7月7日
發(fā)明者舒澤亮 申請人:西南交通大學