一種混合五電平變流器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設及電力電子多電平變流器領(lǐng)域，具體設及一種混合五電平變流器及其控 制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電力電子技術(shù)自二十世紀50年代誕生W來，經(jīng)過近半個世紀的飛速發(fā)展，至今已 被廣泛應用于需要電能變換的各個領(lǐng)域，在低壓小功率的用電領(lǐng)域，電力電子技術(shù)的各個 方面己漸趨成熟。將來的研究目標是高功率密度、高效率、高性能，而在高壓大功率的輸配 電領(lǐng)域，各個方面的技術(shù)正成為當今電力電子技術(shù)的研究重點。在實現(xiàn)大功率變換的解決 方案中，多電平變流器因其控制方式多樣、輸出波形諧波崎變率低、功率器件電壓應力低、 電磁干擾化Iectro Ma即etic Interference,EMI)少、效率高等良好的特性已成為高壓大 功率應用的熱點，多電平變流器的概念最早是由A.Nbaae等人在1980年IAS年會上提出的。 其中多電平電壓源型變流器因其控制方式多樣、輸出電流諧波含量低、效率高等良好的特 性已成為高壓大功率應用的熱點，例如高壓電機變頻調(diào)速、高壓直流輸電、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào) 節(jié)器、超導儲能和大功率不間斷電源等領(lǐng)域。R.H.Baker于1975年最早提出了級聯(lián)H橋多電 平變流器的概念；日本學者A.化bae、H.Akagi等人于1983年提出了中點錯位型多電平PWM逆 變器;T.A.M巧nard于1992年提出了飛跨電容型多電平逆變器。S種傳統(tǒng)的多電平變流器雖 然能夠?qū)崿F(xiàn)多電平電壓輸出，但是需要大量的錯位二極管、飛跨電容或者獨立供電電源，從 而會使系統(tǒng)體積龐大，可靠性降低，成本增加。
[0003] 隨著多電平變流器的應用越來越廣泛，如何能進一步簡化其結(jié)構(gòu)，減少使用的功 率開關(guān)器件，降低其體積與成本也越來越受到重視，而且隨著功率半導體器件技術(shù)的發(fā)展， 如何充分利用開關(guān)速度較快但耐壓比較低的器件（如IGBT)和耐壓值較高但開關(guān)頻率較低 的器件(如GT0，IGCT)各自的優(yōu)點，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更優(yōu)化也受到廣泛關(guān)注。上世紀九十年代，印 度學者Ma化av首次提出了混合多電平的概念并研究發(fā)現(xiàn)運種技術(shù)將突破傳統(tǒng)實現(xiàn)高壓大 功率技術(shù)思想的束縛，在同一個電路拓撲結(jié)構(gòu)中，采用不同功率的開關(guān)器件，使IGBT和GTO 等開關(guān)器件協(xié)同工作在一起成為可能，并且通過混合控制方法使功率器件工作在不同的開 關(guān)頻率下，從而揚長避短充分發(fā)揮各種器件的自身優(yōu)點。
[0004] 多電平變流器的調(diào)制策略，根據(jù)開關(guān)頻率的高低，可被分為基頻調(diào)制和高頻調(diào)制。 在基頻調(diào)制下，變流器的每個功率開關(guān)器件在一個工頻周期中只開關(guān)一、兩次，輸出的交流 電壓呈階梯波形，比較典型的基頻調(diào)制方法有開關(guān)點預制調(diào)制法和階梯波調(diào)制法。在高頻 調(diào)制下，變流器的每個開關(guān)器件在一個工頻周期中會開關(guān)多次，運類調(diào)制方法主要有正弦 脈寬調(diào)制(SPWM)和空間矢量調(diào)制(SVM)。目前出現(xiàn)了諸如載波層疊、載波移相、頻率優(yōu)化、消 除特定次諧波、空間電壓矢量等多種控制策略。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：為了解決目前傳統(tǒng)多電平變流器結(jié)構(gòu)復雜，體積較大，控制復雜度較大 的問題，本發(fā)明公開了一種新型混合五電平變流器及其控制方法，采用混合調(diào)制方法實現(xiàn) 多電平的輸出，可W簡化多電平變流器結(jié)構(gòu)，減少使用的功率開關(guān)器件數(shù)量，降低其體積與 成本，從而可W使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化。針對所提出的多電平變流器拓撲，還提出采用混合調(diào) 制方法實現(xiàn)多電平的輸出，可W進一步減小變流器功率損耗，提高效率。
[0006] 技術(shù)方案:一種混合五電平變流器，由=電平T型變流器拓撲和傳統(tǒng)兩電平變流器 拓撲混合演變而成?；谄骷哪蛪汉烷_關(guān)頻率不同，該變流器拓撲包括=相橋臂，每相橋 臂分為兩個單元:高壓低頻單元和低壓高頻單元；
[0007] 所述高壓低頻單元由兩電平上橋臂、兩電平下橋臂和直流母線構(gòu)成;所述兩電平 上橋臂由第一功率開關(guān)管VTi的發(fā)射極與第二功率開關(guān)管VT2的集電極連接而成，所述兩電 平下橋臂由第S功率開關(guān)管VT3的發(fā)射極與第四功率開關(guān)管VT4的集電極連接而成，所述直 流母線由兩個第一電解電容串聯(lián)而成；
[0008] 所述兩電平上橋臂中第二功率開關(guān)管VT2的發(fā)射極與兩電平下橋臂中第S功率開 關(guān)管VT3的集電極相連，兩電平上橋臂中第一功率開關(guān)管VTi的集電極與直流母線的正極性 端相連，兩電平下橋臂中第四功率開關(guān)管VT4的發(fā)射極與直流母線的負極性端相連；
[0009] 所述低壓高頻單元由=電平T型橋臂和飛跨電解電容構(gòu)成;所述=電平T型橋臂包 括由第五功率開關(guān)管VTs構(gòu)成的上半橋橋臂、由第八功率開關(guān)管Vi's構(gòu)成的下半橋橋臂和由 第六功率開關(guān)管VTs的發(fā)射極連接第屯功率開關(guān)管VT7的發(fā)射極組成的中點錯位橋臂，所述 飛跨電解電容由兩個第二電解電容串聯(lián)而成；
[0010] 所述S電平T型橋臂中上半橋橋臂的第五功率開關(guān)管VTs的集電極與飛跨電解電 容的正極性端相連，S電平T型橋臂中下半橋橋臂的第八功率開關(guān)管VTs的發(fā)射極與飛跨電 解電容的負極性端相連，上半橋橋臂的第五功率開關(guān)管VTs的發(fā)射極與下半橋橋臂的第八 功率開關(guān)管VTs的集電極相連，所述中點錯位橋臂的第六功率開關(guān)管VTs的集電極與飛跨電 解電容的中點相連，第屯功率開關(guān)管VT7的集電極連接至交流輸出端X;所述X為A相交流輸出 端a、B相交流輸出端b、C相交流輸出端C;
[0011] 所述高壓低頻單元中兩電平上橋臂的中點與低壓高頻單元中飛跨電解電容的正 極性端相連;高壓低頻單元兩電平下橋臂的中點與低壓高頻單元中飛跨電解電容的負極性 端相連。
[0012] 進一步的，所述第一電解電容的電壓值為第二電解電容電壓值的兩倍。
[0013] 進一步的，所述高壓低頻單元中所有的功率開關(guān)管選擇耐壓值較高但開關(guān)頻率較 低的器件;所述低壓高頻單元中所有的功率開關(guān)管選擇開關(guān)速度較快但耐壓較低的器件。
[0014] 進一步的，所述耐壓值較高但開關(guān)頻率較低的器件為可關(guān)斷晶閩管GT0,集成口極 換流晶閩管IGCT。
[0015] 進一步的，所述開關(guān)速度較快但耐壓較低的器件為絕緣柵雙極型晶體管IGBT，金 氧半場效晶體管M0SFET。
[0016] 本發(fā)明還提供一種對所述混合五電平變流器的控制方法，采用混合調(diào)制策略，高 壓低頻單元中功率開關(guān)管工作于基頻調(diào)制下，其中，功率開關(guān)管VTi和VT3同時導通，VT2和 VT4同時導通，且VTi和VT五補導通;低壓高頻單元中功率開關(guān)管工作在多載波SP歷脈寬調(diào) 制下，其中，功率開關(guān)管VTs和VT?互補導通，VTs和VTs互補導通；當VT詔通，VTs關(guān)斷時，VTs和 VT巧替互補導通;當VT7導通VTs關(guān)斷時，VT廓VT巧替互補導通。表1所示為變流器功率開關(guān) 管開關(guān)狀態(tài)與相應的交流側(cè)輸出電壓。
[0017]表1變流器功率開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)與相應的交流側(cè)輸出電壓
[0019 ]其中：Sn代表立相橋臂中所有VTn的狀態(tài)，訪導通，0為關(guān)斷，n=l~6。
[0020]在輸出相同五電平情況下，本發(fā)明新型=相混合五電平變流器與二極管錯位型、 飛跨電容錯位型及級聯(lián)H橋型=種傳統(tǒng)五電平變流器的對比如表2所示。
[0021 ]表2新型=相混合五電平變流器與傳統(tǒng)五電平變流器的對比
[0023] 有益效果：相比于傳統(tǒng)多電平變流器，本發(fā)明公開的一種新型混合五電平變流器 及其控制方法具有W下優(yōu)勢：
[0024] (1)與二極管錯位型和飛跨電容錯位型兩種多電平變流器相比，在輸出相同電平 數(shù)的情況下，不需要額外增加錯位二極管，使用的功率開關(guān)管數(shù)量，飛跨電容數(shù)量和隔離驅(qū) 動數(shù)量均大大減少，因此，減小了變流器系統(tǒng)體積和復雜度，降低了成本。與級聯(lián)H橋型多電 平變流器相比，該新型=相混合多電平變流器，輸出相同電平數(shù)的情況下，減少了獨立供電 的獨立電源和變壓器使用數(shù)量。
[0025] (2)該混合五電平變流器采用混合調(diào)制方法，高壓低頻單元功率開關(guān)管運行于基 頻調(diào)制狀態(tài)，可W選取耐壓值較高但開關(guān)頻率較低的器件（如GT0, IGCT);低壓高頻單元功 率開關(guān)管運行于高頻調(diào)制狀態(tài)，可W選取開關(guān)速度較快但耐壓比較低的器件（如IGBT， M0SFET)，從而可W降低功率損耗，提高變流器效率。
[0026] (3)高壓低頻單元由兩個半橋橋臂串聯(lián)后與直流母線電容并聯(lián)構(gòu)成，兩個半橋橋 臂共用一個直流母線，減少了獨立供電的直流電源數(shù)量，節(jié)約了體積和成本。
【附圖說明】
[0027] 圖1為傳統(tǒng)二極管錯位型、飛跨電容錯位型和級聯(lián)H橋型五電平變流器拓撲結(jié)構(gòu) 圖；
[0028] 圖2為本發(fā)明新型混合五電平變流器拓撲結(jié)構(gòu)圖；
[0029] 圖3為基于多載波同相層疊的混合調(diào)制方法原理圖；圖3(a)所示為調(diào)制波信號和 同相層疊的載波信號；圖3(b)所示為低壓高頻單元的輸出電壓波形；圖3(c)所示為高壓低 頻單元的輸出電壓波形;圖3(d)所示為變流器交流側(cè)輸出電壓波形。
[0030] 圖4為本發(fā)明新型混合五電平變流器的換流路徑；圖4(a)所示當前時刻功率開關(guān) 管VTi，VT3 ,VTs和Vi's處于導通狀態(tài)，變流器交流側(cè)輸出電壓為巧;下一時刻關(guān)斷VTs，觸發(fā)VTt 導通，變流器將輸出電壓為+E/2,由表1可知，變流器狀態(tài)由狀態(tài)[5]換流至狀態(tài)[4];圖4(b) 所示當前變流器狀態(tài)為狀態(tài)[4];圖4(c)所示當前變流器為狀態(tài)[3];圖4(d)所示當前變流 器為狀態(tài)[2];
[0031] 圖5為輸出相電流基波幅值與調(diào)制指數(shù)之間的線性關(guān)系；
[0032] 圖6為調(diào)制指數(shù)m為0.3時的輸出電壓和電流仿真波形。
[0033] 圖7為調(diào)制指數(shù)m為0.6時的輸出電壓和電流仿真波形。
[0034] 圖8為調(diào)制指數(shù)m為0.9時的輸出電壓和電流仿真波形。
【具體實施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。
[0036] 如圖1(a)、圖1(b)和圖I(C)分別為二極管錯位型、飛跨電容錯位型和級聯(lián)H橋型S 種傳統(tǒng)五電平變流器拓撲結(jié)構(gòu)。
[0037] 圖2所示為本發(fā)明公開的