新穎的多電平逆變器電容電壓平衡電路及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于電荷刷新原理的多電平逆變器電容電壓平衡電路，是一個添加在多電平逆變器上的輔助電路，用于保持多電平逆變器電路中各直流分壓電容上的電壓平衡，包括：均衡電容和多個控制開關(guān)，所述均衡電容與多個所述直流分壓電容分別并列連接，且所述均衡電容與多個所述直流分壓電容的各通路上分別串接所述控制開關(guān)，通過控制所述控制開關(guān)，所述均衡電容輪流與各直流分壓電容并聯(lián)接通，通過上述方式，本發(fā)明不僅結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，而且基本結(jié)構(gòu)與原理適用于任意電平，能夠保持二極管箝位式多電平逆變器直流分壓電容上電荷的動態(tài)平衡，進(jìn)而維持其電壓的平衡。
【專利說明】新穎的多電平逆變器電容電壓平衡電路及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多電平逆變器領(lǐng)域，特別涉及一種基于電荷刷新原理的多電平逆變器的電容電壓平衡裝置及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多電平變換器的思想最早是由A Nabae于80年代初提出的。與傳統(tǒng)的兩電平變換器相比，多電平變換器由于輸出電平數(shù)增加，使得輸出波形具有更好的諧波頻譜和較小的
且每個開關(guān)器件承受的電壓應(yīng)力較小。特別適合于高壓大功率場合，如高壓交流調(diào)
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速、電力系統(tǒng)靜止無功發(fā)生器、電力有源濾波器、交流柔性輸配電及新型直流輸電等。多電平逆變器主要有三種基本結(jié)構(gòu):二極管箝位式、飛跨電容式、級聯(lián)式。其中二極管箝位式應(yīng)用領(lǐng)域較廣，圖1示出了了二極管箝位式三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種電路在應(yīng)用中存在直流側(cè)電容電壓的不平衡問題；若不對其加以控制，將會使多電平變換器轉(zhuǎn)化為兩電平變換器，而使部分開關(guān)器件承受過高的電壓應(yīng)力而損壞。二極管箝位式多電平逆變器電容電壓的不平衡包括兩個方面:電容電壓的波動和電容電壓的偏移。電壓的波動是指一個周期內(nèi)電壓瞬時值發(fā)生變化但平均值不變；電壓偏移是指電壓平均值發(fā)生變化。二者都產(chǎn)生于直流側(cè)電容的充放電，通常情況下，無功電流分量使電壓發(fā)生波動，有功電流分量使電壓發(fā)生偏移，圖2和圖3分別示出了這兩種情況。
[0003]目前，平衡電容電壓主要從硬件電路和控制算法兩方面著手。硬件電路方面有以下幾種方法:
1)采用多個獨立直流電源；這可以采用多抽頭的變壓器經(jīng)二極管整流獲得。此方法省去了分壓電容，因此不存在電壓平衡問題，但缺點是變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，效率低下。
[0004]2)根據(jù)各點電位的偏移情況，改變電流通路來控制電容電壓。這種方法對于三電平以上的逆變器，由于需要檢測的支路較多，需要增加較多的設(shè)備，控制復(fù)雜，很難實用。
[0005]控制算法方法是通過選擇合適的冗余矢量，在一個采樣周期內(nèi)使流入或流出某電容的平均電流為零。目前比較成熟的是適用于三電平逆變器的基于虛擬空間矢量的方法。這種方法的缺點是:對于高于三電平的逆變器幾乎很難找到有效實用的算法。更重要的是，控制算法方法對于近似假設(shè)和計算誤差所造成的累積效應(yīng)無法消除，長期運(yùn)行依然會差產(chǎn)生電容電壓偏移。單純依靠控制算法來平衡電容電壓，無法保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。
[0006]現(xiàn)階段，業(yè)界有很多方式的多電平電壓平衡電路，采用多輸出繞組的變壓器來平衡電容電壓，體積大，成本高；或者使用串聯(lián)電阻分壓，其缺點是功耗大，平衡能力弱；或者使用諧振均衡電路，缺點是要使用電感元件，電路復(fù)雜，使用的元件較多，可靠性低。而且這些電壓平衡電路，適應(yīng)的多電平電壓級數(shù)非常有限，一般局限三電平、四電平有限級數(shù)，更多級數(shù)多電平電路設(shè)計越來越復(fù)雜，可靠性繼續(xù)降低、成本急劇上升。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種基于電荷刷新原理的多電平逆變器電容電壓平衡電路及控制方法，能夠保持二極管箝位式多電平逆變器直流分壓電容上電荷的動態(tài)平衡，進(jìn)而維持其電壓的平衡。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是:提供一種基于電荷刷新原理的多電平逆變器電容電壓平衡電路，是一個添加在多電平逆變器上的輔助電路，用于保持多電平逆變器電路中各直流分壓電容上的電壓平衡，其特征在于，包括:均衡電容和多個控制開關(guān)，所述均衡電容與多個所述直流分壓電容分別并列連接，且所述均衡電容與多個所述直流分壓電容的各通路上分別串接所述控制開關(guān)，通過控制所述控制開關(guān)，所述均衡電容輪流與各直流分壓電容并聯(lián)接通。
[0009]在本發(fā)明的一較佳實施例中，所述均衡電容和所述直流分壓電容的規(guī)格相同。
[0010]在本發(fā)明的一較佳實施例中，所述控制開關(guān)的電路由采用全橋整流電路連接的四個二極管和一個并聯(lián)在所述全橋整流電路中間的大功率絕緣柵雙極性晶體管連接構(gòu)成。
[0011]在本發(fā)明的另一較佳實施例中，提供一種基于電荷刷新原理的多電平逆變器的電容電壓平衡裝置的控制方法，通過輪流切換控制信號，控制所述控制開關(guān)的動作，使所述均衡電容在采樣周期內(nèi)輪流與所述直流分壓電容并聯(lián)接通。
[0012]本發(fā)明的有益效果:1)結(jié)構(gòu)簡單，無需對任何參數(shù)進(jìn)行檢測和控制，可靠性極高；
2)控制方法簡單，電壓均衡控制與電壓逆變控制相互獨立，互不影響；3)基本結(jié)構(gòu)與原理適用于任意電平。不同電平的逆變器都只需一個輔助電容，切換開關(guān)控制波形只要保證均衡電容與直流分壓電容輪流并聯(lián)接通即可，不需要改變控制方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是二極管箝位式三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0014]圖2是圖1所示電路直流分壓電容在無功負(fù)載下的電壓波動情況。
[0015]圖3是圖1所示電路直流分壓電容在有功負(fù)載下的電壓偏移情況。
[0016]圖4是帶電壓均衡裝置的二極管箝位式三電平逆變器。
[0017]圖5是圖4所示電路中的切換開關(guān)的電路。
[0018]圖6是圖4所示電路的開關(guān)控制信號波形。
[0019]圖7是四電平逆變器的電壓均衡裝置拓?fù)潆娐贰?br> [0020]圖8是圖7所示電路切換開關(guān)的控制波形。
[0021]圖9是二極管箝位式五電平逆變器電容電壓均衡電路拓?fù)潆娐贰?br> [0022]圖10是圖9所示電路切換開關(guān)的控制波形。
[0023]圖11是無功負(fù)載時，未加電容電壓平衡電路的五電平逆變器直流分壓電容上的電壓波形。
[0024]圖12是有功負(fù)載時，未加電容電壓平衡電路的五電平逆變器直流分壓電容上的電壓波形。
[0025]圖13為帶有電容電壓平衡電路的二極管箝位式五電平逆變器直流分壓電容的電壓波形。
[0026]圖中各組件及附圖標(biāo)記分別為:1、電源，2、電容電壓均衡電路，3、三電平逆變器電路，4、四電平逆變器電路，5、五電平逆變器電路，6、三相負(fù)載，30、三電平逆變橋，40、四電平逆變橋，50、五電平逆變橋，Cb、均衡電容，Q、第一直流電壓電容，C2、第二直流電壓電容，C3、第三直流電壓電容，C4、第四直流電壓電容，S1、第一控制開關(guān)，S2、第二控制開關(guān)，S3、第三控制開關(guān)，S4、第四控制開關(guān)，s5、第五控制開關(guān)，s6、第六控制開關(guān)，s7、第七控制開關(guān)，s8、第八控制開關(guān)，VT、絕緣柵雙極性晶體管。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。
[0028]圖4所示的為帶電壓均衡裝置的二極管箝位式三電平逆變器電容電壓平衡電路，是一個添加在多電平逆變器上的輔助電路，用于保持多電平逆變器電路中各直流分壓電容上的電壓相等，包括電源1、電容電壓均衡電路2和三電平逆變器電路3，所述電容電壓均衡電路2和三電平逆變器電路3相互并聯(lián)連接在所述電源1的兩端。
[0029]所述電容電壓均衡電路2包括:均衡電容Cb、第一控制開關(guān)S1、第二控制開關(guān)&、第三控制開關(guān)s3和第四控制開關(guān)s4 ；
所述三電平逆變器電路3包括:第一直流分壓電容C1、第二直流分壓電容C2、三電平逆變橋30和三相負(fù)載6 ；
所述均衡電容Cb與第一直流分壓電容q和第二直流分壓電容C2分別并列連接，且各通路上分別串接控制 開關(guān)；具體為:所述第一控制開關(guān)Si串聯(lián)于所述均衡電容Cb的正極和所述第一直流分壓電容仏的正極之間的通路中；所述第二控制開關(guān)S2串聯(lián)于所述均衡電容cb的正極和所述第二直流分壓電容c2的正極之間的通路中；所述第三控制開關(guān)s3串聯(lián)于所述均衡電容cb的負(fù)極和所述第一直流分壓電容Ci的負(fù)極之間的通路中；所述第四控制開關(guān)s4串聯(lián)于所述均衡電容cb的負(fù)極和所述第二直流分壓電容c2的負(fù)極之間的通路中。
[0030]所述三電平逆變器電容電壓平衡電路的具體工作過程如下:所述第一控制開關(guān)Si與第三控制開關(guān)s3共用一組控制型號，所述第二控制開關(guān)s2與第四控制開關(guān)s4共用一組控制信號，而這兩組控制信號互補(bǔ)，其控制信號周期如圖6所示。在一個周期T內(nèi)，第一個1/2T，斷開S2、S4，接通Sp S3，此時所述均衡電容Cb和所述第一直流分壓電容Q并聯(lián)，所述均衡電容Cb對第一直流分壓電容q進(jìn)行電荷刷新，進(jìn)而平衡電壓。具體為:當(dāng)均衡電容Cb中的電壓大于第一直流分壓電容Q的電壓時，由均衡電容Cb向第一直流分壓電容Q注入電荷；當(dāng)均衡電容Cb中的電壓小于第一直流分壓電容Q的電壓時，由第一直流分壓電容Q向均衡電容cb注入電荷。第二個1/2T，斷開S1、S3，接通S2、S4，此時所述均衡電容Cb和所述第二直流分壓電容C2并聯(lián)，所述均衡電容cb對第二直流分壓電容c2進(jìn)行電荷刷新。具體為:當(dāng)均衡電容cb中的電壓大于第二直流分壓電容c2的電壓時，由均衡電容cb向第二直流分壓電容(:2注入電荷，當(dāng)均衡電容cb中的電壓小于第二直流分壓電容c2的電壓時，由第二直流分壓電容c2向均衡電容cb注入電荷。通過這種方式，由cb充當(dāng)電荷搬運(yùn)工的角色，將高電壓直流分壓電容上多余的電荷搬運(yùn)到低電壓直流分壓電容上，保持直流分壓電容上電荷的動態(tài)平衡，從而維持電壓的均衡。當(dāng)采樣周期足夠小時，電容電壓的波動將會很小。
[0031]如圖5所示，為所述控制開關(guān)的電路圖，圖中門極G用于接開關(guān)控制信號，所述控制開關(guān)電路采用全橋整流電路連接，并在所述全橋整流電路中間并聯(lián)一絕緣柵雙極性晶體管VT，能保證在絕緣柵雙極性晶體管VT導(dǎo)通時電流可以雙向流動。[0032]在本發(fā)明的另一較佳實施例中，如圖7所示，為帶電壓均衡裝置的四電平逆變器的電壓均衡裝置拓?fù)潆娐罚?電源1、電容電壓均衡電路2、四電平逆變器電路4，所述電容電壓均衡電路2、四電平逆變器電路4相互并聯(lián)連接在所述電源1的兩端。
[0033]所述電容電壓均衡電路2包括:均衡電容Cb、第一控制開關(guān)S1、第二控制開關(guān)&、第三控制開關(guān)s3、第四控制開關(guān)s4、第五控制開關(guān)s5和第六控制開關(guān)s6 ；
所述四電平逆變器電路4包括:第一直流分壓電容C1、第二直流分壓電容C2、第三直流分壓電容C3、四電平逆變橋40和三相負(fù)載6 ；
所述均衡電容Cb與第一直流分壓電容Q、第二直流分壓電容C2和第三直流分壓電容C3分別并列連接，且各通路上分別串接控制開關(guān)；具體為:所述第一控制開關(guān)Si串聯(lián)于所述均衡電容Cb的正極和所述第一直流電壓電容Q的正極之間的通路中；所述第二控制開關(guān)S2串聯(lián)于所述均衡電容Cb的負(fù)極和所述第一直流電壓電容Q的負(fù)極之間的通路中；所述第三控制開關(guān)S3串聯(lián)于所述均衡電容Cb的正極和所述第二直流電壓電容C2的正極之間的通路中；所述第四控制開關(guān)S4串聯(lián)于所述均衡電容Cb的負(fù)極和所述第二直流電壓電容C2的負(fù)極之間的通路中，所述第五控制開關(guān)s5串聯(lián)于所述均衡電容cb的正極和所述第三直流電壓電容C3的正極之間的通路中；所述第六控制開關(guān)s6串聯(lián)于所述均衡電容cb的負(fù)極和所述第三直流電壓電容c3的負(fù)極之間的通路中。
[0034]所述四電平逆變器電容電壓平衡電路的具體工作過程如下:第一控制開關(guān)Si與第二控制開關(guān)s2，第三控制開關(guān)s3與第四控制開關(guān)s4，第五控制開關(guān)s5與第六控制開關(guān)s6分別共用一組控制信號，其控制信號如圖8所示，這些信號之間均占用1/3T。只接通Si和S2時，所述均衡電容Cb和所述第一直流分壓電容q并聯(lián)，所述均衡電容Cb對第一直流分壓電容q進(jìn)行電荷刷新；只接通S3和S4時，所述均衡電容Cb和所述第二直流分壓電容C2并聯(lián)，所述均衡電容Cb對第二直流分壓電容c2進(jìn)行電荷刷；只接通s5和s6，所述均衡電容cb和所述第三直流分壓電容C3并聯(lián)，所述均衡電容cb對所述第三直流分壓電容c3進(jìn)行電荷刷新。電荷刷新原理與所述三電平電路相同。通過這種方式，不斷將電壓較高的直流分壓電容上的電荷搬運(yùn)到電壓較低的直流分壓電容上，保持電荷的動態(tài)平衡，從而均衡各直流分壓電容上的電壓。
[0035]在本發(fā)明的另一較佳實施例中，如圖9所示，為帶電壓均衡裝置的五電平逆變器的電壓均衡裝置拓?fù)潆娐罚?電源1、電容電壓均衡電路2、五電平逆變器電路5，所述電容電壓均衡電路2、五電平逆變器電路5相互并聯(lián)連接在所述電源1的兩端。
[0036]所述電容電壓均衡電路2包括:均衡電容Cb、第一控制開關(guān)S1、第二控制開關(guān)&、第三控制開關(guān)s3、第四控制開關(guān)s4、第五控制開關(guān)s5、第六控制開關(guān)s6、第七控制開關(guān)s7和第八控制開關(guān)s8 ；
所述五電平逆變器電路5包括:第一直流分壓電容C1、第二直流分壓電容C2、第三直流分壓電容C3、第四直流分壓電容C4、五電平逆變橋50和三相負(fù)載6 ；
所述均衡電容Cb與第一直流分壓電容q、第二直流分壓電容C2、第三直流分壓電容C3和第三直流分壓電容C4分別并列連接，且各通路上分別串接控制開關(guān)；具體為:所述第一控制開關(guān)Si串聯(lián)于所述均衡電容Cb的正極和所述第一直流分壓電容Q的正極之間的通路中；所述第二控制開關(guān)S2串聯(lián)于所述均衡電容Cb的負(fù)極和所述第一直流分壓電容q的負(fù)極之間的通路中；所述第三控制開關(guān)s3串聯(lián)于所述均衡電容cb的正極和所述第二直流分壓電容C2的正極之間的通路中；所述第四控制開關(guān)s4串聯(lián)于所述均衡電容cb的負(fù)極和所述第二直流分壓電容C2的負(fù)極之間的通路中；所述第五控制開關(guān)s5串聯(lián)于所述均衡電容cb的正極和所述第三直流分壓電容c3的正極之間的通路中；所述第六控制開關(guān)s6串聯(lián)于所述均衡電容cb的負(fù)極和所述第三直流分壓電容c3的負(fù)極之間的通路中；所述第七控制開關(guān)s7串聯(lián)于所述均衡電容cb的正極和所述第四直流分壓電容c4的正極之間的通路中；所述第八控制開關(guān)S8串聯(lián)于所述均衡電容cb的負(fù)極和所述第四直流分壓電容c4的負(fù)極之間的通路中。
[0037]所述五電平逆變器電容電壓平衡電路的具體工作過程如下:第一控制開關(guān)Si與第二控制開關(guān)s2，第三控制開關(guān)s3與第四控制開關(guān)s4，第五控制開關(guān)s5與第六控制開關(guān)s6，第七控制開關(guān)s7與第八控制開關(guān)S8分別共用一組控制信號，其控制信號如圖10所示，這些信號之間均占用1/4T。只接通31和&時，所述均衡電容Cb和所述第一直流分壓電容Ci并聯(lián)，所述均衡電容Cb對第一直流分壓電容q進(jìn)行電荷刷新；只接通S3和S4時，所述均衡電容Cb和所述第二直流分壓電容C2并聯(lián)，所述均衡電容cb對第二直流分壓電容c2進(jìn)行電荷刷新；只接通s5和s6，所述均衡電容cb和所述第三直流分壓電容c3并聯(lián)，所述均衡電容cb對所述第三直流分壓電容C3進(jìn)行電荷刷新；只接通s7和s8，所述均衡電容cb和所述第四直流分壓電容C4并聯(lián)，所述均衡電容cb對所述第四直流分壓電容c4進(jìn)行電荷刷新。電荷刷新原理與所述三電平電路相同。通過這種方式，不斷將電壓較高的直流分壓電容上的電荷搬運(yùn)到電壓較低的直流分壓電容上，保持電荷的動態(tài)平衡，從而均衡各直流分壓電容上的電壓。
[0038]如圖11所示，為無功負(fù)載時，未加電容電壓平衡電路的五電平逆變器直流分壓電容上的電壓波形；如圖12所示，為有功負(fù)載時，未加電容電壓平衡電路的五電平逆變器直流分壓電容上的電壓波形。由圖可知，在未加電容電壓均衡電路時，各直流分壓電容上的電壓均以不規(guī)則的形式呈上下波動趨勢，無法維持各電壓的平衡，如圖13所示，為帶有電容電壓平衡電路的二極管箝位式五電平逆變器直流分壓電容的電壓波形，由圖可知，各電壓呈平緩波動形式，因此在逆變器電路上添加電容電壓平衡電路后，能夠有效地保持各直流分壓電容上的電壓均衡。
[0039]通過上述控制方法輪流切換控制信號，控制所述控制開關(guān)的動作，使均衡電容在采樣周期內(nèi)輪流與所述直流分壓電容并聯(lián)接通，從而實現(xiàn)電壓均衡。綜上可知，直流分壓電容增加一個，而控制開關(guān)需增加2個，因此開關(guān)的總數(shù)量等于直流分壓電容數(shù)量的2倍，其他電平數(shù)的情況可以此類推。
[0040]本發(fā)明所提出的電容電壓均衡效果與切換開關(guān)的工作狀態(tài)密切相關(guān)。在一個采樣周期內(nèi)，切換開關(guān)至少應(yīng)保證均衡電容與所有直流分壓電容并聯(lián)一次。輪換的次數(shù)越多，直流分壓電容的電壓波動越小，均衡效果越好。
[0041]以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的【技術(shù)領(lǐng)域】，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于電荷刷新原理的多電平逆變器電容電壓平衡電路，是一個添加在多電平逆變器上的輔助電路，用于保持多電平逆變器電路中各直流分壓電容上的電壓平衡，其特征在于，包括:均衡電容和多個控制開關(guān)，所述均衡電容與多個所述直流分壓電容分別并列連接，且所述均衡電容與多個所述直流分壓電容的各通路上分別串接所述控制開關(guān)，通過控制所述控制開關(guān)，所述均衡電容輪流與各直流分壓電容并聯(lián)接通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電荷刷新原理的多電平逆變器電容電壓平衡電路，其特征在于:所述均衡電容和所述直流分壓電容的規(guī)格相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電荷刷新原理的多電平逆變器電容電壓平衡電路，其特征在于:所述控制開關(guān)的電路由采用全橋整流電路連接的四個二極管和一個并聯(lián)在所述全橋整流電路中間的大功率絕緣柵雙極性晶體管連接構(gòu)成。
4.一種如權(quán)利要求1至3之一所述的基于電荷刷新原理的多電平逆變器電容電壓平衡電路的控制方法，其特征在于:通過輪流切換控制信號，控制所述控制開關(guān)的動作，使所述均衡電容在采樣周期內(nèi)輪流與各所述直流分壓電容并聯(lián)接通。
【文檔編號】H02M7/487GK103684018SQ201310685543
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】鐘黎萍, 顧啟民, 趙杰, 張水平 申請人:蘇州相城常理工技術(shù)轉(zhuǎn)移中心有限公司