專利名稱：一種多電平變換器直流電容電壓的均壓電路及其均壓方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多電平變換器直流電容電壓的均壓電路及其均壓方法。
背景技術(shù)：
二極管箝位式多電平變換器利用多個(gè)串聯(lián)的直流電容接在直流側(cè)兩端，同時(shí)，變換器每個(gè)橋臂的多個(gè)串聯(lián)開關(guān)器件通過二極管連接在每個(gè)直流電容上，即通過二極管將開關(guān)器件的電壓箝位到連接的一個(gè)直流電容電壓上，將直流母線電壓分為多個(gè)電平。因此，每個(gè)橋臂的多個(gè)開關(guān)器件在不同的開關(guān)組合下可向交流側(cè)輸出不同電平的電壓信號(hào)。通過各種PWM(Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制)調(diào)制方法，二極管箝位式多電平變換器將多個(gè)電平輸出信號(hào)合成調(diào)制信號(hào)，電平數(shù)越多，變換器輸出的交流電壓越逼近調(diào)制信號(hào)。但是，在二級(jí)管箝位多電平變換器中，各個(gè)電容器上輸出不相等的功率將導(dǎo)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。通過優(yōu)化的PWM調(diào)制方法，直流電容在一定條件下能夠?qū)崿F(xiàn)電壓平衡與穩(wěn)定，其平衡與穩(wěn)定的條件與負(fù)載電流的相角有關(guān)。當(dāng)多電平變換器傳遞純有功電流時(shí)，即負(fù)載電流角度在0度附近時(shí)，為保證直流電壓穩(wěn)定，要求PWM調(diào)制深度最高且要求小于約55%，極大的限制二極管箝位電路在有功傳遞領(lǐng)域的應(yīng)用。直流電壓失穩(wěn)后，多電平變換器將退化成兩電平變換器，同時(shí)失去多電平所具有的諸多優(yōu)點(diǎn)，甚至影響變換器的自身安全。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個(gè)目的就是提供用于二極管箝位型多電平變換器直流電容電壓均壓的一種多電平變換器直流電容電壓的均壓電路。該均壓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(shí)，實(shí)現(xiàn)直流電容的電壓均壓與穩(wěn)壓，使得變換器的PWM調(diào)制深度不再受直流電壓穩(wěn)定條件的限制，保證在任意調(diào)制深度條件下實(shí)現(xiàn)有功或無功的傳遞。 且其結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠性高。。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其第一個(gè)發(fā)明目的，所采用的技術(shù)方案是一種多電平變換器直流電容電壓的均壓電路，用于二極管箝位型多電平變換器直流電容電壓的均壓，其特征是，所述的均壓電路的組成是二極管箝位型多電平變換器的直流側(cè)的N個(gè)直流電容，均與由多個(gè)輔助開關(guān)器件組成的均壓開關(guān)陣列的相應(yīng)輸入端連接，均壓開關(guān)陣列的輸出端與一輔助直流電容相連，均壓開關(guān)陣列中的每個(gè)輔助開關(guān)器件的控制端均與多電平變換器的控制裝置相連；所述的N為多電平變換器的電平數(shù)-1。上述的均壓開關(guān)陣列的具體組成是兩個(gè)輔助開關(guān)器件串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)開關(guān)對(duì)，N-m+1個(gè)開關(guān)對(duì)串聯(lián)構(gòu)成均壓開關(guān)陣列的第 m 列，其中，m = 1,2, . . . N-I ；均壓開關(guān)陣列中第m列的相鄰兩開關(guān)對(duì)的中點(diǎn)分別與第m+1列中相應(yīng)開關(guān)對(duì)的兩端點(diǎn)連接，其中m = 1，3，. . . N-2 ；同時(shí)，均壓開關(guān)陣列的第1列中的每個(gè)開關(guān)對(duì)的兩端點(diǎn)還作為輸入端分別與相應(yīng)的直流電容的兩端點(diǎn)相連；均壓開關(guān)陣列中第N-I列的兩開關(guān)對(duì)的中點(diǎn)還作為輸出端與輔助直流電容的兩端相連。本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種使用上述多電平變換器直流電容電壓的均壓控制電路對(duì)二極管箝位型多電平變換器直流電容電壓的均壓方法，該方法能夠簡單有效的實(shí)現(xiàn)二極管箝位型多電平變換器直流電容電壓的均衡與穩(wěn)定。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其第二個(gè)發(fā)明目的，所采用的技術(shù)方案是一種使用上述多電平變換器直流電容電壓的均壓電路對(duì)二極管箝位型多電平變換器直流電容電壓進(jìn)行均壓的方法， 其做法是所述的控制裝置通過控制均壓開關(guān)陣列中各輔助開關(guān)器件的開通或關(guān)斷，使得在每個(gè)脈寬調(diào)制周期中輔助直流電容分時(shí)逐一與各個(gè)直流電容并列連通，實(shí)現(xiàn)各直流電容的均壓。本發(fā)明的均壓電路及其均壓方法的具體工作過程和原理是控制裝置通過控制均壓開關(guān)陣列中各輔助開關(guān)器件的開通或關(guān)斷，使得在每個(gè)脈寬調(diào)制(PWM)周期中輔助直流電容分時(shí)逐一與各個(gè)直流電容并列連通。在每個(gè)直流電容與輔助直流電容并列連通時(shí)，二者的電壓將趨同而進(jìn)行一次均壓操作；一個(gè)完整的PWM周期輔助電容與全部直流電容完成一次均壓操作。通過多個(gè)PWM周期后，全部直流電容和輔助電容的電壓將趨于一致，從而實(shí)現(xiàn)均壓的目的。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是一、由增設(shè)的均壓電路實(shí)現(xiàn)主電路直流電容的均壓與穩(wěn)壓，因此與主電路的PWM 調(diào)制方法和控制方法無關(guān)，不影響現(xiàn)有主電路和控制原理，可以用于任意電平、任一結(jié)構(gòu)的二極管箝位變換器的改造和新造，使用范圍廣，實(shí)施方便容易。二、均壓電路的開關(guān)器件的控制采用預(yù)定的分時(shí)選擇導(dǎo)通，策略簡單，對(duì)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壓和電流信息，因此不需要附加傳感器等信號(hào)采集硬件，也使整個(gè)電路簡單可靠，制作與維護(hù)成本低。三、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(shí)，實(shí)現(xiàn)直流電容的電壓均壓與穩(wěn)壓，使得變換器的PWM調(diào)制深度不再受直流電壓穩(wěn)定條件的限制，保證在任意調(diào)制深度條件下實(shí)現(xiàn)有功或無功的傳遞。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。


圖1是本發(fā)明用于N+1電平二極管箝位變換器的電路原理圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的電路原理圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例2的電路原理圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1圖2示出，本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
是一種五電平變換器直流電容電壓的均壓電路，用于二極管箝位型五電平變換器直流電容電壓的均壓。所述的均壓電路的組成是 二極管箝位型多電平變換器的直流側(cè)的4個(gè)直流電容Cl，C2，C3，C4，均與由多個(gè)輔助開關(guān)器件組成的均壓開關(guān)陣列的相應(yīng)輸入端連接，均壓開關(guān)陣列的輸出端與一輔助直流電容CO 相連，均壓開關(guān)陣列中的每個(gè)輔助開關(guān)器件的控制端均與多電平變換器的控制裝置相連。
本例的均壓開關(guān)陣列的具體組成是兩個(gè)輔助開關(guān)器件串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)開關(guān)對(duì)，N_m+l，m = 1，2，. . . N_1個(gè)開關(guān)對(duì)SmL，L =1,2... Ν-m+l串聯(lián)構(gòu)成均壓開關(guān)陣列的第m列。對(duì)本例而言，由于N+1 = 5,N = 4，故均壓開關(guān)陣列共有N-I = 3列；第1列的開關(guān)對(duì)為S11、S12、S13、S14共四個(gè)。第2列的開關(guān)對(duì)為S21、S22、S23共三個(gè)；第3列的開關(guān)對(duì)為S31、S32共兩個(gè)。均壓開關(guān)陣列中第m列的相鄰兩開關(guān)對(duì)SmL、Sm(L+l)的中點(diǎn)分別與第m+1列中相應(yīng)S (m+1) L的兩端點(diǎn)連接，其中m= 1，3，. . . N-2 ；即開關(guān)對(duì)S11、S12的中點(diǎn)與開關(guān)對(duì)S21的兩端點(diǎn)連接，開關(guān)對(duì)S12、S13的中點(diǎn)與S22 的兩端點(diǎn)連接，開關(guān)對(duì)S13、S14的中點(diǎn)與開關(guān)對(duì)S23的兩端點(diǎn)連接。開關(guān)對(duì)S21、S22的中點(diǎn)與S31的兩端點(diǎn)連接，開關(guān)對(duì)S22、S23的中點(diǎn)與開關(guān)對(duì)S32的兩端點(diǎn)連接。均壓開關(guān)陣列的第1列中的每個(gè)開關(guān)對(duì)Sll、S12、S13、S14的兩端點(diǎn)還作為輸入端分別與相應(yīng)的直流電容Cl，C2，C3，C4的兩端點(diǎn)相連。均壓開關(guān)陣列中第N-I = 3列的兩開關(guān)對(duì)S31、S32的中點(diǎn)還作為輸出端與輔助直流電容CO的兩端相連。使用本例的上述五電平變換器直流電容電壓的均壓電路對(duì)二極管箝位型五電平變換器直流電容電壓進(jìn)行均壓的方法，其做法是所述的通過控制均壓開關(guān)陣列中各輔助開關(guān)器件的開通或關(guān)斷，使得在每個(gè)脈寬調(diào)制周期中輔助直流電容CO分時(shí)逐一與各個(gè)直流電容Cl、C2、C3、C4并列連通，實(shí)現(xiàn)各直流電容Cl、C2、C3、C4間的均壓。本實(shí)施例的一種具體均壓控制策略和原理是表1 實(shí)施例1的控制裝置的一種具體控制策略(均壓開關(guān)陣列中各輔助開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài))
權(quán)利要求
1.一種多電平變換器直流電容電壓的均壓電路，用于二極管箝位型多電平變換器直流電容電壓的均壓，其特征是，所述的均壓電路的組成是二極管箝位型多電平變換器的直流側(cè)的N個(gè)直流電容(Cn，η = 1,2, . . . N)，均與由多個(gè)輔助開關(guān)器件組成的均壓開關(guān)陣列的相應(yīng)輸入端連接，均壓開關(guān)陣列的輸出端與一輔助直流電容(CO)相連，均壓開關(guān)陣列中的每個(gè)輔助開關(guān)器件的控制端均與多電平變換器的控制裝置相連；所述的N為多電平變換器的電平數(shù)-1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多電平變換器直流電容電壓的均壓電路，其特征在于， 所述的均壓開關(guān)陣列的具體組成是兩個(gè)輔助開關(guān)器件串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)開關(guān)對(duì)，N-m+1個(gè)開關(guān)對(duì)(SmL，L = 1,2... Ν-m+l)串聯(lián)構(gòu)成均壓開關(guān)陣列的第m列，其中，m= 1,2,...N-I ；均壓開關(guān)陣列中第m列的相鄰兩開關(guān)對(duì)(SmL、Sm(L+l))的中點(diǎn)分別與第m+1列中相應(yīng)開關(guān)對(duì)(S(m+1)L)的兩端點(diǎn)連接，其中m = 1，3，. . . N-2 ；同時(shí)，均壓開關(guān)陣列的第1列中的每個(gè)開關(guān)對(duì)(S1L，L= 1，2，...N)的兩端點(diǎn)還作為輸入端分別與相應(yīng)的直流電容(Cn，n = 1,2, ...N)的兩端點(diǎn)相連；均壓開關(guān)陣列中第N-I列的兩開關(guān)對(duì)(S (N-I) L、S(N-I) (L+1)) 的中點(diǎn)還作為輸出端與輔助直流電容(CO)的兩端相連。
3.一種使用上述多電平變換器直流電容電壓的均壓電路對(duì)二極管箝位型多電平變換器直流電容電壓進(jìn)行均壓的方法，其做法是所述的控制裝置通過控制均壓開關(guān)陣列中各輔助開關(guān)器件的開通或關(guān)斷，使得在每個(gè)脈寬調(diào)制周期中輔助直流電容(CO)分時(shí)逐一與各個(gè)直流電容(Cn)并列連通，實(shí)現(xiàn)各直流電容(Cn)的均壓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多電平變換器直流電容電壓的均壓電路及其均壓方法，均壓電路的組成是二極管箝位型多電平變換器的直流側(cè)的N個(gè)直流電容(Cn，n＝1，2，...N)，均與由多個(gè)輔助開關(guān)器件組成的均壓開關(guān)陣列的相應(yīng)輸入端連接，均壓開關(guān)陣列的輸出端與一輔助直流電容(C0)相連，均壓開關(guān)陣列中的每個(gè)輔助開關(guān)器件的控制端均與多電平變換器的控制裝置相連；所述的N為多電平變換器的電平數(shù)-1。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(shí)，實(shí)現(xiàn)直流電容的電壓均壓與穩(wěn)壓，使得變換器的PWM調(diào)制深度不再受直流電壓穩(wěn)定條件的限制，保證在任意調(diào)制深度條件下實(shí)現(xiàn)有功或無功的傳遞。且其結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠性高。
文檔編號(hào)H02M7/487GK102291031SQ20111020163
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月19日
發(fā)明者舒澤亮 申請人:西南交通大學(xué)