CN104410309A - 五电平电压源型变换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种五电平电压源型变换装置，由4个电容C1-C4串联的直流母线电容串，第一、二开关器件串，辅助电容，2组续流电路构成一个桥臂。第一开关器件串与直流母线电容串的两端1、5并联，其连接点10与直流母线电容串中的连接点3连接。第二开关器件串并联连接在第一开关器件串中的连接点8、12、辅助电容Cph并联连接在第二开关器件串中的连接点14、15。第一开关器件串中的连接点7、9与第1组续流电路并联连接，连接点11、13与第2组续流电路并联连接。各续流电路分别由串联的续流二极管Q1、Q2和Q3、Q4构成，其连接点分别与直流母线电容串中的连接点2和4连接。由于没有直接串联的器件、各器件承受的耐压相同，选择和管理方便。

Description

五电平电压源型变换装置
技术领域
本发明属于电力电子变换器领域，涉及五电平电压源型变换装置。
背景技术
现有技术的二极管箝位型五电平变换装置，如图3所示利用四个串联的电容C1－C4连接在直流电源的两端，A、B、C各相桥臂由八个开关器件S串联构成，各个开关器件S通过箝位二极管D连接到每个电容，通过箝位二极管D将开关器件S的电压箝位到连接的一个电容的电压上，将直流母线电压分压成多个电平。该结构中，各个箝位二极管D由于箝位电压的不同，分别需要不同耐压的箝位二极管D，给器件的选择和管理带来了困难，给安全造成了隐患。对于承受高电压的箝位二极管D如图3所示(Da1)还需要多个二极管D串联使用，造成箝位二极管数目多，电气回路复杂，降低了装置的可靠性。
图4为电容飞跨型五电平变换装置。该装置与图3所示的二极管箝位型五电平变换装置不同，采用的是跨接在开关器件S之间的串联电容(Ca、Cb、Cc)进行箝位的，为使各个箝位电容的电压均衡，需要复杂的控制。大量串联电容的使用，不仅电气回路复杂，可靠性低，也容易引入悬浮电容，使得电压的控制变得困难。
除了以上两种变换装置外，现有技术中还有H桥级联型五电平变换装置。级联型五电平变换装置虽然不需要大量的箝位二极管和箝位电容，但需要独立的直流电压源，具有使用不方便的问题。
本发明的目的在于提供一种结构简单、可靠性高、不需要独立的直流电压源的五电平电压源型变换装置。
发明内容
本发明的技术方案为一种五电平电压源型变换装置，其特征在于，由直流母线电容串，第一开关器件串，第二开关器件串，辅助电容(Cph)，2组续流电路构成一个桥臂，所述直流母线电容串由4个容量相等的直流母线电容(C1-C4)串联而成，所述第一开关器件串由8个带反向并联二极管的有源开关器件(S1-S8)同向串联而成，其两端与所述直流母线电容串的两端(1、5)并联连接，其第4有源开关器件(S4)与第5有源开关器件(S5)的连接点(10)与所述直流母线电容串中，第2直流母线电容(C2)与第3直流母线电容(C3)的连接点(3)连接，所述第二开关器件串由4个带反向并联二极管的有源开关器件(S9-S12)同向串联而成，其两端并联连接在所述第一开关器件串中，第2有源开关器件(S2)与第3有源开关器件(S3)的连接点(8)，第6有源开关器件(S6)与第7有源开关器件(S7)的连接点(12)，所述辅助电容(Cph)并联连接在所述第二开关器件串中，第1有源开关器件(S9)与第2有源开关器件(S10)的连接点(14)，第3有源开关器件(S11)与第4有源开关器件(S12)的连接点(15)，所述第一开关器件串中，第1有源开关器件(S1)与第2有源开关器件(S2)的连接点(7)，第3有源开关器件(S3)与第4有源开关器件(S4)的连接点(9)与第1组续流电路并联连接，第5有源开关器件(S5)与第6有源开关器件(S6)的连接点(11)，第7有源开关器件(S7)与第8有源开关器件(S8)的连接点(13)与第2组续流电路并联连接，第1组续流电路由两个续流二极管(Q1、Q2)或带反向并联二极管的有源开关器件(Q11、Q21)同向串联而成，其连接点与所述直流母线电容串中，第1直流母线电容(C1)与第2直流母线电容(C2)的连接点(2)连接，第2组续流电路由两个续流二极管(Q3、Q4)或带反向并联二极管的有源开关器件(Q31、Q41)同向串联而成，其连接点与所述直流母线电容串中，第3直流母线电容(C3)与第4直流母线电容(C4)的连接点(4)连接，所述直流母线电容串的两端(1、5)作为电源输入端与直流电源连接，所述第二开关器件串中，第2有源开关器件(S10)与第3有源开关器件(S11)的连接点(6)为电压输出端。
其中的第一开关器件串(S1-S8)、第二开关器件串(S9-S12)、续流电路(Q11、Q21、Q31、Q41)中的各个有源开关器件可以为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管中的任一种。
各相桥臂既可以具有自己的直流母线电容串，也可以公用同一个直流母线电容串。
由于本发明中，大大减少了钳位二极管和钳位电容的数量，不仅结构简单，硬件结构也易于实现，控制容易。由于开关状态具有很大的冗余性，控制更加灵活，所用器件承受的耐压相同且不存在器件直接串联的情况，在器件选择和管理上更方便，使用上更简单，也不需要独立的直流电压源。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式的拓扑结构图；
图2是本发明的第2实施方式的拓扑结构图；
图3是现有技术的二极管箝位型五电平变换装置的拓扑结构图；
图4是现有技术的电容飞跨型五电平变换装置的拓扑结构图。
具体实施方式
图1是本发明的第1实施方式的拓扑结构图。如图1所示，本发明的五电平电压源型变换装置，由直流母线电容串，第一开关器件串，第二开关器件串，辅助电容Cph，2组续流电路构成一个桥臂，直流母线电容串由4个容量相等的直流母线电容C1-C4串联而成。直流母线电容C1-C4使用电解电容，各个电容之间，正极与负极连接。
第一开关器件串由8个带反向并联二极管的有源开关器件S1-S8同向串联而成，其两端与所述直流母线电容串的两端1、5并联连接，其第4有源开关器件S4与第5有源开关器件S5的连接点10与所述直流母线电容串中，第2直流母线电容C2与第3直流母线电容C3的连接点3连接。
第二开关器件串由4个带反向并联二极管的有源开关器件S9-S12同向串联而成，其两端并联连接在所述第一开关器件串中，第2有源开关器件S2与第3有源开关器件S3的连接点8，第6有源开关器件S6与第7有源开关器件S7的连接点12。
辅助电容Cph并联连接在第二开关器件串中，第1有源开关器件S9与第2有源开关器件S10的连接点14，第3有源开关器件S11与第4有源开关器件S12的连接点15。
第一开关器件串中，第1有源开关器件S1与第2有源开关器件S2的连接点7，第3有源开关器件S3与第4有源开关器件S4的连接点9与第1组续流电路并联连接，第5有源开关器件S5与第6有源开关器件S6的连接点11，第7有源开关器件S7与第8有源开关器件S8的连接点13与第2组续流电路并联连接。第1组续流电路由两个续流二极管Q1、Q2同向串联而成，其连接点与所述直流母线电容串中，第1直流母线电容C1与第2直流母线电容C2的连接点2连接，第2组续流电路由两个续流二极管Q3、Q4同向串联而成，其连接点与所述直流母线电容串中，第3直流母线电容C3与第4直流母线电容C4的连接点4连接。
直流母线电容串的两端1、5作为电源输入端与直流电源连接，第二开关器件串中，第2有源开关器件S10与第3有源开关器件S11的连接点6为电压输出端。
第一开关器件串S1-S8、第二开关器件串S9-S12、中的各个有源开关器件为IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、GTO(门极可关断晶闸管),IGCT(集成门极换流晶闸管),GTR(电力晶体管)，Power MOSFET(电力场效应晶体管)中的任一种。
在图1所示的结构中，每相桥臂均有自己的直流母线电容(C1-C4)。同样结构的三个桥臂可以组成一个三相逆变拓扑。同样结构的三个桥臂可以组成一个三相整流拓扑，可用于整流装置，有源滤波，无功补偿。同样结构的六个桥臂可以组成三相背靠背拓扑。
每相桥臂也可以没有单独的直流母线电容，即，所有桥臂共用直流母线电容(C1-C4)。这时，同样结构的三个桥臂及公用直流母线电容(C1-C4)可以组成一个三相逆变拓扑。同样结构的三个桥臂及公用直流母线电容(C1-C4)可以组成一个三相整流拓扑，可用于整流装置，有源滤波，无功补偿。同样结构的六个桥臂及公用直流母线电容(C1-C4)可以组成三相背靠背拓扑。
图2本发明的第2实施方式的拓扑结构图。在图2的结构中，2组续流电路(Q11、Q21、Q31、Q41)采用IGBT以取代图1结构中的续流二极管(Q1、Q2、Q3、Q4)外，其余均与图1的结构相同。续流电路(Q11、Q21、Q31、Q41)除IGBT外，也可选用GTO,IGCT,GTR，Power MOSFET中的任一种。这样，可以封锁Q11、Q21、Q31、Q41，利用反向并联二极管的二极管来续流，电平的控制方式同第1实施方式；由于Q11、Q21、Q31、Q41能够导通，适时导通Q11、Q21、Q31、Q41中的某些开关可以调整主回路器件发热。
由于本发明中，大大减少了钳位二极管和钳位电容的数量，不仅结构简单，硬件结构也易于实现，控制容易。由于开关状态具有很大的冗余性，控制更加灵活，所用器件承受的耐压相同且不存在器件直接串联的情况，在器件选择和管理上更方便，使用上更简单，也不需要独立的直流电压源。
以下对开关器件的状态与输出电平的关系进行说明。
首先定义端点1处电压为2E，连接点2处电压为E,连接点3处电压为0,连接点4处电压为-E，端点5处电压为-2E。连接点6处的电压为Vout。在工作状态，辅助电容Cph上电压为E。设开关器件S2，S3，S9接点处(连接点8)为Vfl+，开关器件S6，S7，S12接点处(连接点12)为Vfl-。
如果开关器件S1S2S5S6导通，开关器件S3S4S7S8关断，那么Vfl+电压为2E，Vfl-电压为0。通过控制开关器件S9，S10，S11，S12，可使Vout电压实现2E,E,0。
如果开关器件S2S3S6S7导通，开关器件S1S4S5S8关断，那么Vfl+电压为E，Vfl-电压为-E。通过控制开关器件S9，S10，S11，S12，可使Vout电压实现E,0,-E。
如果开关器件S3S4S7S8导通，开关器件S1S2S5S6关断，那么Vfl+电压为0，Vfl-电压为-2E。通过控制开关器件S9，S10，S11，S12，可使Vout电压实现0,-E,-2E。
具体开关对应输出电压逻辑如下。
如果使用3组控制变量，开关器件S1，S2，S5，S6对应控制信号为Sa1；开关器件S3，S4，S7，S8对应控制信号为开关器件S9对应控制信号为Sa2；开关器件S12对应控制信号为开关器件S10对应控制信号为Sa3；开关器件S11对应控制信号为(Sa1与Sa2与Sa3与互补)。
控制信号与输出电压的关系如表1所示。
表1
由表1可知，通过不同组合的控制信号，能够输出5电平的输出电压，并且开关状态的组合具有冗余性。使用3组控制变量时，如果每次开关只变化1组控制变量，那么在桥臂输出电压经过0点的时候，将会出现输出电压跳变为2E的情况；如果要保证每次开关输出电压跳变都为E，那么在相电压过零点时需要同时变化2组控制变量。
如果使用4组控制变量，开关器件S1，S5对应控制信号为Sa0；开关器件S3，S7对应控制信号为开关器件S2，S6对应控制信号为Sa1；开关器件S4，S8对应控制信号为开关器件S9对应控制信号为Sa2；开关器件S12对应控制信号为开关器件S10对应控制信号为Sa3；开关器件S11对应控制信号为(Sa0与Sa1与Sa2与Sa3与互补)。
控制信号与输出电压的关系如表2所示。
表2
由表2可知，通过不同组合的控制信号，能够输出5电平的输出电压，并且开关状态的组合具有冗余性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，只要在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种五电平电压源型变换装置，其特征在于，由直流母线电容串，第一开关器件串，第二开关器件串，辅助电容(Cph)，2组续流电路构成一个桥臂，所述直流母线电容串由4个容量相等的直流母线电容(C1-C4)串联而成，所述第一开关器件串由8个带反向并联二极管的有源开关器件(S1-S8)同向串联而成，其两端与所述直流母线电容串的两端(1、5)并联连接，其第4有源开关器件(S4)与第5有源开关器件(S5)的连接点(10)与所述直流母线电容串中，第2直流母线电容(C2)与第3直流母线电容(C3)的连接点(3)连接，所述第二开关器件串由4个带反向并联二极管的有源开关器件(S9-S12)同向串联而成，其两端并联连接在所述第一开关器件串中，第2有源开关器件(S2)与第3有源开关器件(S3)的连接点(8)，第6有源开关器件(S6)与第7有源开关器件(S7)的连接点(12)，所述辅助电容(Cph)并联连接在所述第二开关器件串中，第1有源开关器件(S9)与第2有源开关器件(S10)的连接点(14)，第3有源开关器件(S11)与第4有源开关器件(S12)的连接点(15)，所述第一开关器件串中，第1有源开关器件(S1)与第2有源开关器件(S2)的连接点(7)，第3有源开关器件(S3)与第4有源开关器件(S4)的连接点(9)与第1组续流电路并联连接，第5有源开关器件(S5)与第6有源开关器件(S6)的连接点(11)，第7有源开关器件(S7)与第8有源开关器件(S8)的连接点(13)与第2组续流电路并联连接，第1组续流电路由两个续流二极管(Q1、Q2)或带反向并联二极管的有源开关器件(Q11、Q21)同向串联而成，其连接点与所述直流母线电容串中，第1直流母线电容(C1)与第2直流母线电容(C2)的连接点(2)连接，第2组续流电路由两个续流二极管(Q3、Q4)或带反向并联二极管的有源开关器件(Q31、Q41)同向串联而成，其连接点与所述直流母线电容串中，第3直流母线电容(C3)与第4直流母线电容(C4)的连接点(4)连接，所述直流母线电容串的两端(1、5)作为电源输入端与直流电源连接，所述第二开关器件串中，第2有源开关器件(S10)与第3有源开关器件(S11)的连接点(6)为电压输出端。
2.根据权利要求1记载的五电平电压源型变换装置，其特征在于，第一开关器件串(S1-S8)、第二开关器件串(S9-S12)、续流电路(Q11、Q21、Q31、Q41)中的各个有源开关器件为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管中的任一种。
3.根据权利要求1或2记载的五电平电压源型变换装置，其特征在于，各相桥臂公用所述直流母线电容串。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017157338A1 (zh) * 2016-03-17 2017-09-21 汪洪亮 单相五电平有源嵌位变换器单元及变换器
CN110048630A (zh) * 2019-06-10 2019-07-23 中国矿业大学 一种五电平电力电子变换器及控制方法
CN113765392A (zh) * 2021-07-23 2021-12-07 西安交通大学 一种五电平双有源变换器及其系列拓扑电路

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103248253A (zh) * 2013-04-24 2013-08-14 山东新风光电子科技发展有限公司 一种多电平电路结构
JP2014161148A (ja) * 2013-02-19 2014-09-04 Fuji Electric Co Ltd マルチレベル電力変換回路の制御方式

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014161148A (ja) * 2013-02-19 2014-09-04 Fuji Electric Co Ltd マルチレベル電力変換回路の制御方式
CN103248253A (zh) * 2013-04-24 2013-08-14 山东新风光电子科技发展有限公司 一种多电平电路结构

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王奎等: "五电平有源中点钳位型逆变器母线中点电压平衡问题", 《中国电机工程学报》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017157338A1 (zh) * 2016-03-17 2017-09-21 汪洪亮 单相五电平有源嵌位变换器单元及变换器
CN108475999A (zh) * 2016-03-17 2018-08-31 汪洪亮 单相五电平有源嵌位变换器单元及变换器
CN108475999B (zh) * 2016-03-17 2020-09-08 汪洪亮 单相五电平有源嵌位变换器单元及变换器
CN110048630A (zh) * 2019-06-10 2019-07-23 中国矿业大学 一种五电平电力电子变换器及控制方法
CN113765392A (zh) * 2021-07-23 2021-12-07 西安交通大学 一种五电平双有源变换器及其系列拓扑电路

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Address before: 100176 Daxing District Yizhuang Economic Development Zone, Boxing Road No. two, No. 3, No.

Applicant before: Beijing Hiconics Drive Technology Co.,Ltd.

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