CN102291031A

CN102291031A - 一种多电平变换器直流电容电压的均压电路及其均压方法

Info

Publication number: CN102291031A
Application number: CN2011102016335A
Authority: CN
Inventors: 舒泽亮
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Chengdu Tuoje Xingtong Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2011-07-19
Filing date: 2011-07-19
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2031-07-19
Also published as: CN102291031B

Abstract

本发明公开了一种多电平变换器直流电容电压的均压电路及其均压方法，均压电路的组成是：二极管箝位型多电平变换器的直流侧的N个直流电容(Cn，n＝1，2，...N)，均与由多个辅助开关器件组成的均压开关阵列的相应输入端连接，均压开关阵列的输出端与一辅助直流电容(C0)相连，均压开关阵列中的每个辅助开关器件的控制端均与多电平变换器的控制装置相连；所述的N为多电平变换器的电平数-1。该电路能够在任意功率因数条件下，特别是在传递有功电流时，实现直流电容的电压均压与稳压，使得变换器的PWM调制深度不再受直流电压稳定条件的限制，保证在任意调制深度条件下实现有功或无功的传递。且其结构简单，成本低，可靠性高。

Description

一种多电平变换器直流电容电压的均压电路及其均压方法

技术领域

本发明涉及一种多电平变换器直流电容电压的均压电路及其均压方法。

背景技术

二极管箝位式多电平变换器利用多个串联的直流电容接在直流侧两端，同时，变换器每个桥臂的多个串联开关器件通过二极管连接在每个直流电容上，即通过二极管将开关器件的电压箝位到连接的一个直流电容电压上，将直流母线电压分为多个电平。因此，每个桥臂的多个开关器件在不同的开关组合下可向交流侧输出不同电平的电压信号。通过各种PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)调制方法，二极管箝位式多电平变换器将多个电平输出信号合成调制信号，电平数越多，变换器输出的交流电压越逼近调制信号。

但是，在二级管箝位多电平变换器中，各个电容器上输出不相等的功率将导致电容器上的电压不相等，即出现所谓的电容电压不平衡问题。通过优化的PWM调制方法，直流电容在一定条件下能够实现电压平衡与稳定，其平衡与稳定的条件与负载电流的相角有关。当多电平变换器传递纯有功电流时，即负载电流角度在0度附近时，为保证直流电压稳定，要求PWM调制深度最高且要求小于约55％，极大的限制二极管箝位电路在有功传递领域的应用。直流电压失稳后，多电平变换器将退化成两电平变换器，同时失去多电平所具有的诸多优点，甚至影响变换器的自身安全。

发明内容

本发明的第一个目的就是提供用于二极管箝位型多电平变换器直流电容电压均压的一种多电平变换器直流电容电压的均压电路。该均压电路能够在任意功率因数条件下，特别是在传递有功电流时，实现直流电容的电压均压与稳压，使得变换器的PWM调制深度不再受直流电压稳定条件的限制，保证在任意调制深度条件下实现有功或无功的传递。且其结构简单，成本低，可靠性高。。

本发明实现其第一个发明目的，所采用的技术方案是：一种多电平变换器直流电容电压的均压电路，用于二极管箝位型多电平变换器直流电容电压的均压，其特征是，所述的均压电路的组成是：二极管箝位型多电平变换器的直流侧的N个直流电容，均与由多个辅助开关器件组成的均压开关阵列的相应输入端连接，均压开关阵列的输出端与一辅助直流电容相连，均压开关阵列中的每个辅助开关器件的控制端均与多电平变换器的控制装置相连；所述的N为多电平变换器的电平数-1。

上述的均压开关阵列的具体组成是：

两个辅助开关器件串联构成一个开关对，N-m+1个开关对串联构成均压开关阵列的第m列，其中，m＝1，2，...N-1；

均压开关阵列中第m列的相邻两开关对的中点分别与第m+1列中相应开关对的两端点连接，其中m＝1，3，...N-2；同时，均压开关阵列的第1列中的每个开关对的两端点还作为输入端分别与相应的直流电容的两端点相连；均压开关阵列中第N-1列的两开关对的中点还作为输出端与辅助直流电容的两端相连。

本发明的第二个目的是提供一种使用上述多电平变换器直流电容电压的均压控制电路对二极管箝位型多电平变换器直流电容电压的均压方法，该方法能够简单有效的实现二极管箝位型多电平变换器直流电容电压的均衡与稳定。

本发明实现其第二个发明目的，所采用的技术方案是：一种使用上述多电平变换器直流电容电压的均压电路对二极管箝位型多电平变换器直流电容电压进行均压的方法，其做法是：所述的控制装置通过控制均压开关阵列中各辅助开关器件的开通或关断，使得在每个脉宽调制周期中辅助直流电容分时逐一与各个直流电容并列连通，实现各直流电容的均压。

本发明的均压电路及其均压方法的具体工作过程和原理是：

控制装置通过控制均压开关阵列中各辅助开关器件的开通或关断，使得在每个脉宽调制(PWM)周期中辅助直流电容分时逐一与各个直流电容并列连通。在每个直流电容与辅助直流电容并列连通时，二者的电压将趋同而进行一次均压操作；一个完整的PWM周期辅助电容与全部直流电容完成一次均压操作。通过多个PWM周期后，全部直流电容和辅助电容的电压将趋于一致，从而实现均压的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、由增设的均压电路实现主电路直流电容的均压与稳压，因此与主电路的PWM调制方法和控制方法无关，不影响现有主电路和控制原理，可以用于任意电平、任一结构的二极管箝位变换器的改造和新造，使用范围广，实施方便容易。

二、均压电路的开关器件的控制采用预定的分时选择导通，策略简单，对控制模块的软硬件要求低；且不需要主电路或者均压控制电路的电压和电流信息，因此不需要附加传感器等信号采集硬件，也使整个电路简单可靠，制作与维护成本低。

三、该电路能够在任意功率因数条件下，特别是在传递有功电流时，实现直流电容的电压均压与稳压，使得变换器的PWM调制深度不再受直流电压稳定条件的限制，保证在任意调制深度条件下实现有功或无功的传递。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明用于N+1电平二极管箝位变换器的电路原理图。

图2是本发明实施例1的电路原理图。

图3是本发明实施例2的电路原理图。

具体实施方式

实施例1

图2示出，本发明的一种具体实施方式是：一种五电平变换器直流电容电压的均压电路，用于二极管箝位型五电平变换器直流电容电压的均压。所述的均压电路的组成是：二极管箝位型多电平变换器的直流侧的4个直流电容C1，C2，C3，C4，均与由多个辅助开关器件组成的均压开关阵列的相应输入端连接，均压开关阵列的输出端与一辅助直流电容C0相连，均压开关阵列中的每个辅助开关器件的控制端均与多电平变换器的控制装置相连。

本例的均压开关阵列的具体组成是：

两个辅助开关器件串联构成一个开关对，N-m+1，m＝1，2，...N-1个开关对SmL，L＝1，2...N-m+1串联构成均压开关阵列的第m列。对本例而言，由于N+1＝5，N＝4，故均压开关阵列共有N-1＝3列；第1列的开关对为S11、S12、S13、S14共四个。第2列的开关对为S21、S22、S23共三个；第3列的开关对为S31、S32共两个。

均压开关阵列中第m列的相邻两开关对SmL、Sm(L+1)的中点分别与第m+1列中相应S(m+1)L的两端点连接，其中m＝1，3，...N-2；即：

开关对S11、S12的中点与开关对S21的两端点连接，开关对S12、S13的中点与S22的两端点连接，开关对S13、S14的中点与开关对S23的两端点连接。开关对S21、S22的中点与S31的两端点连接，开关对S22、S23的中点与开关对S32的两端点连接。

均压开关阵列的第1列中的每个开关对S11、S12、S13、S14的两端点还作为输入端分别与相应的直流电容C1，C2，C3，C4的两端点相连。

均压开关阵列中第N-1＝3列的两开关对S31、S32的中点还作为输出端与辅助直流电容C0的两端相连。

使用本例的上述五电平变换器直流电容电压的均压电路对二极管箝位型五电平变换器直流电容电压进行均压的方法，其做法是：所述的通过控制均压开关阵列中各辅助开关器件的开通或关断，使得在每个脉宽调制周期中辅助直流电容C0分时逐一与各个直流电容C1、C2、C3、C4并列连通，实现各直流电容C1、C2、C3、C4间的均压。

本实施例的一种具体均压控制策略和原理是：

表1：实施例1的控制装置的一种具体控制策略(均压开关阵列中各辅助开关器件的开关状态)

时段	S11+	S12+	S13+	S14+	S21+	S22+	S23+	S31+	S32+
										A	1	1	0	0	1	1	0	1	1
B	0	0	1	0	1	0	1	1	0
										C	0	0	0	1	0	0	0	1	0
D	0	0	0	0	0	1	1	1	1
										时段	S11-	S12-	S13-	S14-	S21-	S22-	S23-	S31-	S32-
A	0	0	0	0	0	0	0	0	0
										B	1	0	0	0	0	0	0	0	1
C	0	1	0	0	1	0	1	0	1
										D	0	0	1	1	0	0	0	0

注：1表示辅助开关器件开通，0表示辅助开关器件关断。+表示开关对中位于正极端的辅助开关器件，-表示开关对中位于负极端的辅助开关器件；如“S12+”表示第一列第二个开关对中位于正极端的辅助开关器件。

如表1所示，本例将一个PWM调制周期等分成A、B、C、D四个时段，这四个时段中，控制装置将分别控制辅助电容C0与主电路直流C1、C2、C3、C4相连：在A时段中，辅助开关器件S11+，S12+，S21+，S22+，S31+，S32+导通，即直流电容C1与C0并联连通。如果电容C1电压高于辅助电容C0的电压，则直流电容C1通过C1正端、辅助开关器件S11+、S21+、S31+，辅助电容C0，辅助开关器件S32+、S22+、S12+，电容C1负端这一回路放电，使C1与C0电压趋同；如果电容C1电压小于C0电压，则辅助电容C0通过C0正端，辅助开关器件S31+、S21+、S11+，电容C1，辅助开关器件S12+、S22+、S32+，辅助电容C0负端这一回路放电，也使C1与C0电压趋同。因此，无论C1与C0电压大小如何，经过一个或多个PWM调制周期的A时段后，都能实现直流电容C1与辅助电容C0的均压。

同理，B、C、D时段按表1中对应的控制策略也都能实现直流电容C2、C3、C4与辅助电容C0的均压。经过N个这样的PWM调制周期后，四个直流电容C1、C2、C3、C4将和辅助电容完成4N次均压；时间足够长后，四个直流电容将和辅助电容的电压将趋于同一值，即可实现四个直流电容电压的稳定与均压。

本例的辅助开关器件冗余度大，可用控制策略多。但由于开关器件较多，也带来成本和体积增长。

实施例2

图3示出，本例同实施例1一样，也是一种五电平变换器直流电容电压的均压电路，用于二极管箝位型五电平变换器直流电容电压的均压。其组成同样是：二极管箝位型多电平变换器的直流侧的4个直流电容C1，C2，C3，C4，均与由多个辅助开关器件组成的均压开关阵列的相应输入端连接，均压开关阵列的输出端与一辅助直流电容C0相连，均压开关阵列中的每个辅助开关器件的控制端均与多电平变换器的控制装置相连。

本例的均压开关阵列是实施例1不同，其均压开关阵列的具体组成是：均压开关阵列中第1列的不相邻两开关对S11、S13的中点分别与第2列的第一开关对S21的两端点连接，第1列的不相邻的另两开关对S12、S14的中点分别与第2列的第二开关对S22的两端点连接。

均压开关阵列中第2列的两开关对S21、S22的中点还作为输出端与辅助直流电容C0的两端相连。

显然，本例的均压开关阵列是实施例1均压开关阵列的简化和改进，它省掉了实施例1的均压开关阵列的中间一列，并改变了部分连接关系。本例的均压开关阵列同样能够实现主电路直流电容的电压稳定与均压。

使用本例的上述五电平变换器直流电容电压的均压电路对二极管箝位型五电平变换器直流电容电压进行均压的方法，其做法是：所述的通过控制均压开关阵列中各辅助开关器件的开通或关断，使得在每个脉宽调制周期中辅助直流电容C0分时逐一与各个直流电容C1、C2、C3、C4并列连通，实现各直流电容C1、C2、C3、C4间的均压。具体采用的控制策略见表2。

表2：实施例2的控制装置的具体控制策略(均压开关阵列中各辅助开关器件的开关状态)

时段	S11+	S11-	S12+	S12-	S13+	S13-	S14+	S14-	S21+	S22-	S21-	S22+
													A	1	0	1	0	0	0	0	0	1	0	0	1
B	0	1	0	1	0	0	0	0	1	0	0	1
													C	0	0	0	0	1	0	1	0	0	1	1	0
D	0	0	0	0	0	1	0	1	0	1	1	0

如表2所示，本例将一个PWM调制周期等分成A、B、C、D四个时段，这四个时段中，控制装置将分别控制辅助电容C0与主电路直流电容C1、C2、C3、C4相连：在A时段中，辅助开关器件S11+，S12+，S21+，S22+导通，即直流电容C1与辅助电容C0连接，C1与C0充放电，直到二者电压相等。在B时段中，辅助开关器件S11-，S12-，S21+，S22+导通，即直流电容C2与C0连接，C2与C0充放电，直到二者电压相等。在C时段中，辅助开关器件S13+，S14+，S22-，S21-导通，即直流电容C3与C0连接，C3与C0充放电，直到二者电压相等。在D时段中，辅助开关器件S13-，S14-，S22-，S21-导通，即直流电容C4与C0连接，C4与C0充放电，直到二者电压相等。

经过N个这样的PWM调制周期后，四个直流电容C1、C2、C3、C4将和辅助电容C0完成4N次均压，如果时间足够长，则四个直流电容将和辅助电容C0的电压将趋于同一值，即实现四个直流电容电压的稳定与均压。

需要指出的是，本例的S21+、S22-、S21-、S22+在关断时最高仅承受1/2幅值的直流电压，即其最高承受电压为S1-S8最高承受电压的2倍。

显然，本发明除可用于二极管箝位型五电平变换器外，还可用于二极管箝位型的任意N+1电平变换器。图1给出了本发明用于N+1电平变换器的电容电压的均压控制电路。

图1示出，一种N+1电平变换器直流电容电压的均压电路，用于二极管箝位型N+1电平变换器直流电容电压的均压。所述的均压电路的组成是：二极管箝位型多电平变换器的直流侧的N个直流电容Cn，n＝1，2，...N，均与由多个辅助开关器件组成的均压开关阵列的相应输入端连接，均压开关阵列的输出端与一辅助直流电容C0相连，均压开关阵列中的每个辅助开关器件的控制端均与多电平变换器的控制装置相连；所述的N为多电平变换器的电平数-1。

均压开关阵列的具体组成是：

两个辅助开关器件串联构成一个开关对，N-m+1个开关对SmL，L＝1，2...N-m+1串联构成均压开关阵列的第m列，其中，m＝1，2，...N-1；

均压开关阵列中第m列的相邻两开关对SmL、Sm(L+1)的中点分别与第m+1列中相应开关对S(m+1)L的两端点连接，其中m＝1，3，...N-2；同时，均压开关阵列的第1列中的每个开关对S1L，L＝1，2，...N的两端点还作为输入端分别与相应的直流电容Cn，n＝1，2，...N的两端点相连；均压开关阵列中第N-1列的两开关对S(N-1)L、S(N-1)(L+1))的中点还作为输出端与辅助直流电容C0的两端相连。

使用上述多(N+1)电平变换器直流电容电压的均压电路对二极管箝位型多电平变换器直流电容电压进行均压的方法，其做法是：所述的控制装置通过控制均压开关阵列中各辅助开关器件的开通或关断，使得在每个脉宽调制周期中辅助直流电容C0分时逐一与各个直流电容Cn并列连通，实现各直流电容Cn的均压。

同样，以上的(N+1)电平变换器直流电容电压的均压电路的辅助开关器件冗余度大，可用控制策略多。但由于开关器件较多，也带来成本和体积增长。可以省掉部分辅助开关器件并相应改变连接关系而形成简化的均压开关阵列，只要在该均压开关阵列基础上，能编制出开关控制策略，使得在每个脉宽调制周期中辅助直流电容C0分时逐一与各个直流电容Cn并列连通即可。

显然，本发明开关对的中点是指同一开关对内，两个辅助开关器件的连接点。相邻两开关对的中点是指各自开关对的中点，而不是两个开关对之间的连接点；而辅助开关器件则由开关管与反并二极管构成；一个辅助开关器件还可由串联多个开关器件串联构成，以降低单个器件的耐压要求。

Claims

1.一种多电平变换器直流电容电压的均压电路，用于二极管箝位型多电平变换器直流电容电压的均压，其特征是，所述的均压电路的组成是：二极管箝位型多电平变换器的直流侧的N个直流电容(Cn，n＝1，2，...N)，均与由多个辅助开关器件组成的均压开关阵列的相应输入端连接，均压开关阵列的输出端与一辅助直流电容(C0)相连，均压开关阵列中的每个辅助开关器件的控制端均与多电平变换器的控制装置相连；所述的N为多电平变换器的电平数-1。

2.根据权利要求1所述的一种多电平变换器直流电容电压的均压电路，其特征在于，所述的均压开关阵列的具体组成是：

两个辅助开关器件串联构成一个开关对，N-m+1个开关对(SmL，L＝1，2...N-m+1)串联构成均压开关阵列的第m列，其中，m＝1，2，...N-1；

均压开关阵列中第m列的相邻两开关对(SmL、Sm(L+1))的中点分别与第m+1列中相应开关对(S(m+1)L)的两端点连接，其中m＝1，3，...N-2；同时，均压开关阵列的第1列中的每个开关对(S1L，L＝1，2，...N)的两端点还作为输入端分别与相应的直流电容(Cn，n＝1，2，...N)的两端点相连；均压开关阵列中第N-1列的两开关对(S(N-1)L、S(N-1)(L+1))的中点还作为输出端与辅助直流电容(C0)的两端相连。

3.一种使用上述多电平变换器直流电容电压的均压电路对二极管箝位型多电平变换器直流电容电压进行均压的方法，其做法是：所述的控制装置通过控制均压开关阵列中各辅助开关器件的开通或关断，使得在每个脉宽调制周期中辅助直流电容(C0)分时逐一与各个直流电容(Cn)并列连通，实现各直流电容(Cn)的均压。