一種帶有自平衡輔助橋臂的五電平中點鉗位逆變器拓?fù)涞闹谱鞣椒?br>【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于實現(xiàn)復(fù)雜中高壓大功率變換系統(tǒng)的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體涉及一 種帶有自平衡輔助橋臂的五電平中點鉗位逆變器拓?fù)洹?br>【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，一些新型多電平功率變換器由于輸出容量大、適用于高電壓大功率場合 和輸出電壓電流諧波含量小等顯著優(yōu)點，在中高壓調(diào)速領(lǐng)域、高壓直流輸電（HVDC)、靜止同 步補償器（STATCOM)和電力有源濾波器（APF)等應(yīng)用中得到了廣泛的關(guān)注，成為中高壓功 率變換的首選方案。但是多電平鉗位型拓?fù)淦毡榇嬖谥绷髦悬c電壓不平衡問題，而直流母 線電壓的平衡是整個多電平功率變換系統(tǒng)正常工作的前提條件，因此對其開展相關(guān)的研宄 與分析工作就具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種帶有自平衡輔助橋臂的五電平中點鉗位逆變器拓?fù)洹?br>[0004] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：
[0005] 所述5L-FC-NPC逆變器（即帶有自平衡輔助橋臂的五電平中點鉗位逆變器）拓?fù)?結(jié)構(gòu)包括直流母線電容、自平衡飛跨電容輔助橋臂和5L-NPC逆變器，所述自平衡飛跨電容 輔助橋臂包括接在PO點之間的上三電平飛跨電容輔助橋臂以及接在ON點之間的下三電平 飛跨電容輔助橋臂，所述P點為直流母線正端，所述〇點為直流母線電容的中點，所述N點 為直流母線負(fù)端，上三電平飛跨電容輔助橋臂的中點A與下三電平飛跨電容輔助橋臂的中 點B之間跨接有相互串聯(lián)的鉗位電容C f3和電阻R，直流母線電容以及自平衡飛跨電容輔助 橋臂通過P點、N點、A點、B點以及0點為5L-NPC逆變器提供五電平。
[0006] 所述上三電平飛跨電容輔助橋臂包括有源開關(guān)Si?S4和飛跨電容Cfl，有源開關(guān) Si?S4依次串聯(lián)，有源開關(guān)S:接P點，有源開關(guān)S4接0點，飛跨電容Cfl與有源開關(guān)S2以 及S3并聯(lián)，所述A點位于有源開關(guān)S2以及S3之間，下三電平飛跨電容輔助橋臂包括有源開 關(guān)S\?S' 4和飛跨電容Cf2，有源開關(guān)S\?S' 4依次串聯(lián)，有源開關(guān)S' ：接0點，有源開關(guān) S'4接N點，飛跨電容Cf2與有源開關(guān)S' 2以及S' 3并聯(lián)，所述B點位于有源開關(guān)S' 2以及S' 3 之間。
[0007] 所述逆變器拓?fù)涞闹悬c自平衡過程如下：當(dāng)上三電平飛跨電容輔助橋臂工作于開 關(guān)狀態(tài)仏時，有源開關(guān)S i以及S 3導(dǎo)通，有源開關(guān)S 2以及S 4關(guān)斷，飛跨電容C fl通過流經(jīng)點 A的凈電流iji行充電；當(dāng)上三電平飛跨電容輔助橋臂工作于開關(guān)狀態(tài)0 2時，有源開關(guān)S: 以及S3關(guān)斷，有源開關(guān)S 2以及S 4導(dǎo)通，飛跨電容C fl通過流經(jīng)點A的凈電流i na放電，從而 實現(xiàn)飛跨電容Cfl的電壓恒定為UDC/4, UDC表示直流母線電壓；當(dāng)下三電平飛跨電容輔助橋 臂工作于開關(guān)狀態(tài)仏時，有源開關(guān)S' ：以及S' 3導(dǎo)通，有源開關(guān)S' 2以及S' 4關(guān)斷，飛跨電容 Cf2通過流經(jīng)點B的凈電流i nb進(jìn)行放電；當(dāng)下三電平飛跨電容輔助橋臂工作于開關(guān)狀態(tài)0 2 時，有源開關(guān)以及S' 3關(guān)斷，有源開關(guān)S' 2以及S' 4導(dǎo)通，飛跨電容Cf2通過流經(jīng)點B的凈 電流inb進(jìn)行充電，從而實現(xiàn)飛跨電容Cf2的電壓恒定為U DC/4,進(jìn)而鉗位電容Cf3利用電容鉗 位原理實現(xiàn)A點、B點以及0點的電位平衡。
[0008] 所述A點、B點平衡的控制方法包括以下步驟：
[0009] 首先電壓給定UDC/4與反饋的飛跨電容Cfl電壓V rci進(jìn)行偏差比較，比較結(jié)果經(jīng)過 PI調(diào)節(jié)器和限幅器處理后輸出控制變量a i，電壓給定UDC/4與反饋的飛跨電容Cf2電壓VFC2 進(jìn)行偏差比較，比較結(jié)果經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器和限幅器處理后輸出控制變量a 2;控制變量a :和 a 2分別受到凈電流i na和i nb的極性影響，極性為正時，控制變量符號不變，極性為負(fù)時，控 制變量符號相反；控制變量a i分解成（1+a D/2和（1-a D/2,并分別作為上三電平飛跨電 容輔助橋臂在開關(guān)狀態(tài)〇JP〇2時的占空比，控制變量a 2分解成（1+a 2)/2和（l_a2)/2， 并分別作為下三電平飛跨電容輔助橋臂在開關(guān)狀態(tài)仏和〇 2時的占空比，從而通過占空比調(diào) 整控制飛跨電容Cfl、Cf2的電壓V Fa、Vrc2，通過電壓閉環(huán)控制使VFa和V rc2分別等于U DC/4,進(jìn) 而實現(xiàn)A點以及B點的平衡。
[0010] 判斷凈電流ina和i nb極性的方法包括以下步驟：
[0011] 根據(jù)等式ina= i A2-iAI^P i nb= i B2-iAB判斷極性，i AB表示AB兩點之間回路的電 流，iA2表示流入A點的平均相電流，iB2表示流入B點的平均相電流，對于任意給定參考電 壓矢量V，根據(jù)SVPWM調(diào)制原理選擇與參考電壓矢量鄰近的三個基本電壓矢量及其中某基 本電壓矢量的冗余矢量來合成，若選擇開關(guān)矢量SVp SV2, SV3以及SV4，則合成過程為V = c^SVi+c^S^+c^SVfdjSVy屯?d 4表示SV丨?SV 4對應(yīng)的占空比，i A2等于每個開關(guān)矢量 的占空比乘以該開關(guān)矢量下流入A點的三相電流總和，iB2等于每個開關(guān)矢量的占空比乘以 該開關(guān)矢量下流入B點的三相電流總和。
[0012] 所述直流母線電容包括串聯(lián)于直流母線PN點之間的兩個相同的電容，0點為所述 兩個相同的電容的中點；所述5L-NPC逆變器接于直流母線PN點之間，5L-NPC逆變器的各 中性點分別與A點、0點以及B點對應(yīng)連接。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0014] 從效率、成本和中點平衡控制的難度幾個方面來衡量，本發(fā)明提出的5L-FC-NPC 逆變器具有最優(yōu)的折中性能。
[0015] (1)本發(fā)明提出的5L-FC-NPC逆變器可以不接整流器，只利用自平衡輔助橋臂就 能實現(xiàn)中點電位平衡，擴展了其應(yīng)用范圍。
[0016] (2)為了解決常規(guī)5L-NPC逆變器固有的直流母線電容中點的電位失衡問題，傳統(tǒng) 輔助電路是利用受控電壓源在一個電抗器上產(chǎn)生電流來抵消逆變器中點的失衡電流，進(jìn)而 實現(xiàn)電位的平衡。與此不同，本發(fā)明提出的自平衡輔助電路是利用逆變器中點失衡電流自 身給兩個飛跨電容充放電，使飛跨電容的電壓保持恒定，進(jìn)而利用電容鉗位原理來自動實 現(xiàn)中點A、B、0電位的平衡。因此中點平衡控制相對簡單，而且省去了電感，提高了系統(tǒng)效 率。
【附圖說明】
[0017] 圖1為5L-FC-NPC逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；圖中：VAB表示中點A、B之間的電壓，A 2表示 5L-NPC逆變器A相橋臂，B2表示5L-NPC逆變器B相橋臂，C 2表示5L-NPC逆變器C相橋臂， Lfl、Lf2表示濾波電感，C表示濾波電容，i a2表示5L-NPC逆變器A相電流，i b2表示5L-NPC逆 變器B相電流，1表示直流母線電容，2表示5L-NPC逆變器，3表示自平衡飛跨電容輔助橋 臂；
[0018] 圖2為5L-FC-NPC逆變器控制框圖；圖中：SVi?SV4為開關(guān)矢量；(^?(^為開關(guān) 矢量占空比；d Q1和(1。2為上三電平飛跨電容輔助橋臂0:和02狀態(tài)的占空比；d' QJPd'。2為 下三電平飛跨電容輔助橋臂仏和〇 2狀態(tài)的占空比，4表示PI調(diào)節(jié)器，5表示限幅器；
[0019] 圖3為5L-NPC的SVPWM開關(guān)矢量圖；
[0020]圖4為輔助橋臂的四種工作模式及其電流換流圖；圖中：(a)狀態(tài)1:上半橋-(V 下半橋_〇2，VAB>UDC；/2 ; (b)狀態(tài)2 :上半橋-Oi，下半橋-Oi，假設(shè)Cf3放電；（c)狀態(tài)3 :上半 橋_〇2,下半橋_〇2,假設(shè)Cf3充電；（d)狀態(tài)4 :上半橋-0 2,下半橋-Op VAB〈UDC/2 ;
[0021] 圖5為基于5L-FC-NPC逆變器的背對背風(fēng)電變換系統(tǒng)仿真波形；
[0022] 圖6為基于5L-FC-NPC逆變器的背對背風(fēng)力發(fā)電變換系統(tǒng)；
[0023] 圖7為基于5L-FC-NPC逆變器的電機控制；
[0024]圖 8 為基于 5L-FC-NPC 逆變器的 STATCOM、APF。
【具體實施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0026] 一種帶有自平衡輔助橋臂的5L-NPC逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用以實現(xiàn)中高壓大功率的 變換。
[0027] 多電平變換器是目前廣泛應(yīng)用于中高壓大功率交流系統(tǒng)的主要解決方案之一，但 是多電平鉗位型拓?fù)浯嬖谥绷髦悬c電壓不平衡問題。通過這種帶有自平衡飛跨電容輔助橋 臂的5L-NPC逆變器，不僅能克服多電平鉗位型拓?fù)浯嬖诘闹绷髦悬c電位失衡問題，而且其 效率也得到提高。
[0028] 本發(fā)明采用的5L-FC-NPC逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要包括自平衡飛跨電容輔助橋臂和 5L-NPC逆變器兩部分。自平衡飛跨電容輔助橋臂由兩個串聯(lián)的三電平飛跨電容（3L-FC)輔 助橋臂構(gòu)成，且在直流母線的等效A點和B點之間串接一個鉗位電容，用以解決5L-NPC逆 變器固有的直流母線電容中點的電位失衡問題。5L-NPC逆變器各中性點分別與上下3L-FC 輔助橋臂的中點A、B點和直流母線的電容中點0點對應(yīng)連接在一起；其作為連接電網(wǎng)和直 流母線的接口，起到維持直流母線電壓，并將直流母線上傳輸?shù)闹绷鞴β誓孀優(yōu)榻涣鬏敵?的作用，逆變輸出再經(jīng)濾波并入電網(wǎng)或控制電機。
[0029] 其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括直流母線電容1、自平衡飛跨電容輔助橋臂3和5L-NPC逆 變器2,其中逆變器采用常規(guī)的5L-NPC逆變器，而本發(fā)明的突出點在于提出的自平衡飛跨 電容輔助橋臂。直流母線上串聯(lián)了 2個電容，通過正端（標(biāo)記為P)和負(fù)端（標(biāo)記為N)以 及三個中點（A、0和B)來為逆變器提供五電平。自平衡飛跨電容輔助橋臂由兩個串聯(lián)的 3L-FC輔助橋臂構(gòu)成，分別接在PO之間和ON之間。與傳統(tǒng)的5L-NPC通過四個電容串聯(lián)來 提供三個電容中點不同，本發(fā)明中A、B點不是電容中點，而是上、下兩個3L-FC輔助橋臂的 中點，且在A點和B點之間串接一個鉗位電容C f3和一個電阻R。其中上橋臂包括有源開關(guān) Si?S 4和飛跨電容C fl，有源開關(guān)Si?S 4依次串聯(lián)成一整體，一端由有源開關(guān)S :接P點，另 一端由有源開關(guān)34接0點，飛跨電容C fl與有源開關(guān)S 2以及S 3并聯(lián)，下橋臂包括有源開關(guān) S'廣S'4和飛跨電容Cf2，有源開關(guān)S'廣S' 4依次串聯(lián)成一整體，一端由有源開關(guān)S' ^0 點，另一端由有源開關(guān)s'4接N點，飛跨電容Cf2與有源開關(guān)S' 2以及S' 3并聯(lián)。
[0030] 上、下3L-FC輔助橋臂可以各自工作于h狀態(tài)（S丨=on，S 2= off，S 3= on，S 4 = off) / (S' ！= on，S' 2= off, S' 3= on，S' 4= off)和 0 2狀態(tài)(S := off, S 2= on, S 3= off, S4=on)/(S' 2=〇n，S' 3=off，S' 4=on)。以上 3L-FC 橋臂為例，當(dāng)其工作于 Oi狀態(tài)時，飛跨電容Cfl通過流經(jīng)中點A的凈電流i 行充電；當(dāng)其工作于02狀態(tài)時，電容 Cfl又通過凈電流i na放電，從而實現(xiàn)飛跨電容C fl的電壓恒定為U DC/4。同理，當(dāng)下3L-F