CN105245124B - 一种级联多电平变换器的旁路***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种级联多电平变换器的旁路***，包括级联多电平变换器和控制单元；级联多电平变换器包括级联至少两个转换电路；相邻转换电路第一输出端和第二输出端依次电连接；所述转换电路与外部的直流源一一对应设置并电连接；控制单元分别与至少两个转换电路电连接，用于采集至少两个转换电路和对应的直流源的状态信息，根据状态信息确认至少两个转换电路和对应的直流源的工作状态，控制转换电路中至少一个开关管导通或截止以旁路转换电路和对应的直流源。本发明公开的级联多电平变换器的旁路***和方法，利用控制单元控制转换电路中开关管的导通或截止状态，在转换电路或直流源出现异常情况时能够保证级联多电平变换器的正常工作，节约了成本。

Description

一种级联多电平变换器的旁路***和方法

技术领域

本发明涉及级联多电平变换器领域，尤其涉及一种级联多电平变换器的旁路***和方法。

背景技术

级联多电平变换器广泛应用于电能变换、高压变频驱动、高压直流输电和无功补偿等运用场合，一般由单相的开关桥或者半桥式逆变***串联组成。

图1是现有技术中级联多电平变换器的结构示意图。如图1所示，级联多电平变换器10包括有若干转换电路11，并且若干转换电路11以级联的形式连接。但此结构存在一定的不足，当某个转换电路或其电连接的直流源20异常时会导致整个级联多电平变换器输出交流电流阻断。

针对此类不足，在每个转换电路11都设置有旁路通道以作为备用通路。图2是现有技术中级联多电平变换器增加旁路通道的电路示意图。由图2所示，通过在两桥臂之间增设两个开关器件30，在某个转换电路11或其对应直流源异常时，通过闭合旁上述两个开关器件30，实现通路。但此类设计额外添加了开关器件，增加了***成本。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中的上述不足而完成的，本发明的目的在于提出一种级联多电平变换器的旁路***和方法，该旁路***能够解决现有技术中通过增加开关器件防止级联多电平变换器输出交流电流阻断，进而导致***成本提高的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种级联多电平变换器的旁路***，包括级联多电平变换器和控制单元；

其中，所述级联多电平变换器包括级联的至少两个转换电路；所述至少两个转换电路中，相邻的转换电路的第一输出端和第二输出端依次电连接，每个所述转换电路包括多个开关管；

所述转换电路与外部的直流源一一对应设置并电连接，所述直流源用于向对应的转换电路提供直流电；

所述控制单元分别与所述至少两个转换电路和对应的直流源电连接，用于采集所述至少两个转换电路和和对应的直流源的状态信息，根据所述状态信息确认所述至少两个转换电路和对应的直流源的工作状态，并控制所述转换电路中至少一个开关管导通或截止以旁路所述转换电路和对应的直流源。

进一步地，所述至少两个转换电路均包括：第一电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；

其中，所述第一开关管的第一端分别与所述第二开关管的第一端、所述第一电容的第一端和所述直流源的正极电连接；

所述第一开关管的第二端分别与所述第三开关管的第一端和所述转换电路的第一输出端电连接；

所述第二开关管的第二端分别与所述第四开关管的第一端和所述转换电路的第二输出端电连接；

所述第三开关管的第二端分别与所述第四开关管的第二端、所述第一电容的第二端和所述直流源的负极电连接；

所述控制单元具体用于控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管的导通或截止；

其中，控制单元通过导通第一开关管、第二开关管以旁路所述转换电路和对应的直流源，或导通第三开关管、第四开关管以旁路所述转换电路和对应的直流源。

进一步地，所述控制单元包括处理器和至少两个控制子模块，所述控制子模块与所述转换电路一一对应，并分别与对应的转换电路和直流源电连接，所述控制子模块用于采集所述对应的转换电路和直流源的状态信息并发送至处理器，所述处理器根据所述状态信息确认对应的转换电路和直流源的工作状态，发送控制信号至所述至少两个控制子模块以控制对应的所述转换电路中的至少一个开关管导通或截止以旁路所述转换电路和对应的直流源。

进一步地，所述控制单元采集所述至少两个转换电路的状态信息包括：

所述控制单元采集至少两个转换电路中所述第一电容、所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管的状态信息。

进一步地，所述级联多电平变换器还包括滤波器，且所述滤波器的第一端与所述至少两个转换电路中第一个转换电路的第一输出端电连接；所述滤波器的第二端与所述至少两个转换电路中最后一个转换电路的第二输出端电连接。

进一步地，还包括第五开关管；

其中，所述第五开关管的第一端与所述直流源的正极电连接，第五开关管的第二端与所述第一电容的第一端电连接；或者，所述第五开关管的第一端与所述直流源的负极电连接，所述第五开关管的第二端与所述第一电容的第二端电连接。

此外，本发明还提出了一种级联多电平变换器的旁路方法，包括：

控制单元采集至少两个转换电路和对应的直流源的状态信息；

所述控制单元根据所述状态信息确认所述至少两个转换电路和对应的直流源的工作状态；

所述控制单元控制所述转换电路中的至少一个开关管导通或截止以旁路所述转换电路和对应的直流源。

进一步地，所述控制单元采集所述至少两个转换电路的状态信息包括：

所述控制单元采集所述至少两个转换电路中第一电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的状态信息。

进一步地，所述控制单元包括处理器和至少两个控制子模块，所述控制子模块与所述转换电路一一对应设置，并分别与对应的转换电路和直流源电连接，所述控制子模块用于采集所述对应的转换电路和直流源的状态信息并发送至处理器，所述处理器根据所述状态信息确认对应的转换电路和直流源的工作状态，发送控制信号至所述至少两个控制子模块以控制对应的所述转换电路中的至少一个开关管导通或截止以旁路所述转换电路和直流源。

本发明实施例提出了一种级联多电平变换器的旁路***和方法，通过对现有多电平级联变换器加入控制单元，利用控制单元获取级联多电平变换器中至少两个转换电路和对应的直流源的状态信息，进而发送控制信号控制转换电路中至少一个开关管的开关状态，以旁路转换电路和对应的直流源，从而在转换电路或者直流源出现异常情况时能够保证级联多电平变换器的正常工作。本发明实施例提供的技术方案，实现了在不增加额外开关器件的情况下，对级联多电平变换器进行有效调制，解决单个转换电路或其对应的直流源发生故障导致整个级联多电平变换器输出交流电阻断的问题，节约了额外成本。

附图说明

为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。

图1是现有技术中级联多电平变换器的结构示意图。

图2是现有技术中级联多电平变换器增加旁路通道的电路示意图。

图3是本发明实施例一提供的级联多电平变换器的旁路***的结构示意图。

图4是本发明实施例二提供的级联多电平变换器的旁路***中转换电路的电路示意图一。

图5是本发明实施例二提供的级联多电平变换器的旁路***中转换电路的电路示意图二。

图6是本发明实施例三提供的级联多电平变换器的旁路***的结构示意图。

图7是本发明实施例四提供的级联多电平变换器的旁路方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。

实施例一：

图3是本发明实施例一提供的级联多电平变换器的旁路***的结构示意图。

如图3所示，本发明实施例一提供的一种级联多电平变换器旁路***，包括级联多电平变换器100和控制单元200；

其中，级联多电平变换器100包括级联的至少两个转换电路110，该至少两个转换电路110中，相邻的转换电路110的第一输出端和第二输出端依次电连接，每个转换电路110包括多个开关管。

另外，上述转换电路200与外部的直流源300一一对应设置并电连接，上述直流源300用于向对应的转换电路110提供直流电。

控制单元200分别与至少两个转换电路110和对应的直流源300电连接，用于采集至少两个转换电路110和对应的直流源300的状态信息，根据状态信息确认至少两个转换电路110和对应的直流源300的工作状态，控制转换电路110中至少一个开关管导通或截止以旁路转换电路110和对应的直流源300。

本发明实施例一提供的级联多电平变换器的旁路***，其中通过控制单元采集至少两个转换电路110和对应的直流源300的状态信息，根据状态信息确认至少两个转换电路110和对应的直流源300的工作状态，控制转换电路110中至少一个开关管导通或截止，能够达到旁路转换电路110及其对应的直流源的目的，从而实现在未增加开关器件的前提下，通过调制的方式解决单个转换电路或其对应的直流源发生故障导致整个级联多电平变换器输出交流电阻断的问题。

实施例二

图4是本发明实施例二提供的级联多电平变换器的旁路***中转换电路的结构示意图。如图4所示，上述至少两个转换电路110均包括：第一电容1121、第一开关管1122、第二开关管1123、第三开关管1124和第四开关管1125。

其中，第一开关管1122的第一端分别与第二开关管1123的第一端、第一电容1121的第一端和直流源300的正极电连接；

第一开关管1122的第二端分别与第三开关管1124的第一端和转换电路110的第一输出端电连接；

第二开关管1123的第二端分别与第四开关管1125的第一端和转换电路110的第二输出端电连接；

第三开关管1124的第二端与分别第四开关管1125的第二端、第一电容1121的第二端和直流源300的负极电连接。

以至少两个转换电路110中任一为例，其工作过程如下：当转换电路110处于正常工作状态时，会以对角的开关管或者其它连接形式作为连接通路。例如：当电流通过第一开关管1122的第二端输入后，会通过第一电容1121的两端并流入第四开关管1125的第二端，最后由第四开关管1125的第一端输出；或者电流通过第二开关管1123的第二端输入后，会通过第一电容1121的两端并流入第三开关管1124的第二端，最后由第三开关管1124的第一端输出。

控制单元200具体用于控制所述第一开关管1122、第二开关管1123、第三开关管1124和第四开关管1125的导通或截止。其中，控制单元200可以通过导通第一开关管1122和第二开关管1123以旁路所述转换电路110和对应的直流源300，或者是，通过导通第三开关管1124和第四开关管1125以旁路转换电路110和对应的直流源300。

值得注意的是，上述两种旁路转换电路110和对应的直流源300的实现方案中，优选导通第三开关管1124和第四开关管1125，因为当级联多电平变换器100涉及自举驱动电路时，控制单元200通过导通第一开关管1122和第二开关管1123，会发生无法实现回路的情况。

此外，图5是本发明实施例二提供的级联多电平变换器的旁路***中转换电路的电路示意图二。如图5所示，级联多电平变换器的旁路***中，转换电路110除包括上述第一电容1121、第一开关管1122、第二开关管1123、第三开关管1124和第四开关管1125外，还包括第五开关管113；

其中，第一电容1121、第一开关管1122、第二开关管1123、第三开关管1124和第四开关管1125的连接方式与工作原理与前述技术方案类似，这里不再重复描述。

如图5所示，第五开关管113的第一端与直流源300的负极电连接，第五开关管113的第二端与第一电容1121的第二端电连接。另外，第五开关管113的第一端还可以与直流源300的正极电连接，第五开关管113的第二端与第一电容1121的第一端电连接。

其中，第五开关管113的作用在于当直流源300出现异常情况时，通过断开第五开关管113可以防止转换电路110由于电流异常所造成的损坏。

当控制单元200根据状态信息判断转换电路110或者直流源300出现异常情况，可以通过控制单元200先断开第五开关管113，然后执行控制第一开关管1122、第二开关管1123、第三开关管1124和第四开关管1125导通或截止以旁路对应的转换电路110和直流源300。

另外，本发明实施例二中，转换电路110中均包括第一电容和四个开关管，其中控制单元200采集至少两个转换电路110的状态信息可以具体为：控制单元200采集第一电容1121、第一开关管1122、第二开关管1123、第三开关管1124和第四开关管1125的状态信息。需要指出的是，控制单元200除了采集上述状态信息之外，还可以采集其他状态信息，如工作温度等。

实施例三

与上述实施例一不同的是，本发明实施例三提供的级联多电平变换器的旁路***，其中的控制单元可以包括多个与转换电路一一对应的控制子模块。图6为本发明实施例三提供的级联多电平变换器的旁路***的结构示意图。如图6所示，其中的控制单元200可以包括处理器220和至少两个控制子模块210，各控制子模块210与转换电路110一一对应，并分别与对应的转换电路110和直流源300电连接，控制子模块210用于采集对应的转换电路110和直流源300的状态信息并发送至处理器220，处理器220根据状态信息确认对应的转换电路110和直流源300的工作状态，发送控制信号至至少两个控制子模块210以控制转换电路110中的至少一个开关管导通或截止以旁路转换电路110和对应的电流源300。

此外，控制单元200中的至少两个控制子模块210也可置于对应的转换电路110中，采集转换电路110的状态信息，并将其发送至处理器220。控制单元200中的处理器220根据状态信息确认对应的转换电路和直流源的工作状态，发送控制信息至上述至少两个控制子模块210，控制子模块210根据控制信息控制对应转换电路110中第一开关管1122、第二开关管1123、第三开关管1124和第四开关管1125的开关状态，以旁路所述转换电路和对应的直流源。

需要进一步说明的是，参见上述图3和图6所示的实施例，级联多电平变换器100还可以包括滤波器120，且滤波器120的第一端与所述至少两个转换电路110中第一个转换电路110的第一输出端电连接；滤波器120的第二端与所述至少两个转换电路110中最后一个转换电路110的第二输出端电连接。滤波器120根据需要可以选择电感电容LC型或者其它形式的滤波器。

实施例四

图7是本发明实施例四提供的级联多电平变换器的旁路方法的流程图。如图6所示，该级联多电平变换器的旁路方法，包括：

S101、控制单元采集至少两个转换电路和对应直流源的状态信息。

本发明实施例中，参见图4和5所示的实施例，其中转换电路包括第一电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管时，本步骤可以具体为：

控制单元采集至少两个转换电路中第一电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的状态信息。此外，除了上述状态信息外，控制单元还可以采集其他状态信息，如工作温度等。

S102、控制单元根据状态信息确认至少两个转换电路和对应的直流源的工作状态。

S103、控制单元控制转换电路中的至少一个开关管以旁路转换电路和对应的直流源。

具体的，参见上述图4所示的实施例，其中的转换电路中包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，则本步骤中，当控制单元根据采集的状态信息判定其中的某一转换电路或对应的直流源处于异常工作状态时，会发送控制信号，以控制该转换电路中的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的导通或截止，以旁路该转换电路和对应的直流源。

另外，参照图6所示的实施例，其中的控制单元包括处理器和至少两个控制子模块，控制子模块与各个转换电路一一对应，并分别与对应的转换电路和直流源电连接，控制子模块采集对应的转换电路和直流源的状态信息并发送至处理器，所述处理器根据状态信息确认对应的转换电路和直流源的工作状态，发送控制信号至所述至少两个控制子模块以控制对应的转换电路中的至少一个开关管导通或截止以旁路转换电路和对应的直流源。

本发明实施例四提供的级联多电平变换器旁路方法，利用控制单元获取级联多电平变换器中至少两个转换电路和对应的直流源的状态信息，进而通过控制转换电路中至少一个开关管的开关状态，以旁路转换电路和对应的直流源，实现在转换电路或直流源出现异常情况时能够保证级联多电平变换器的正常工作。本发明实施例四提供的技术方案，实现了在不增加额外开关装置的情况下，对级联多电平变换器进行有效调制，节约了成本。

上述仅为本发明的较佳实施例及所运用的技术原理。本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行的各种明显变化、重新调整及替代均不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由权利要求的范围决定。

Claims (8)

1.一种级联多电平变换器的旁路***，其特征在于，包括级联多电平变换器和控制单元；

其中，所述级联多电平变换器包括级联的至少两个转换电路；所述至少两个转换电路中，相邻的转换电路的第一输出端和第二输出端依次电连接，每个所述转换电路包括多个开关管；

所述转换电路与外部的直流源一一对应设置并电连接，所述直流源用于向对应的转换电路提供直流电；

所述控制单元分别与所述至少两个转换电路和对应的直流源电连接，用于采集所述至少两个转换电路和对应的直流源的状态信息，根据所述状态信息确认所述至少两个转换电路和对应的直流源的工作状态，并控制所述转换电路中至少一个开关管导通或截止以旁路所述转换电路和对应的直流源；

所述至少两个转换电路均包括：第一电容；所述第一电容的第一端和所述直流源的正极电连接，所述第一电容的第二端和所述直流源的负极电连接；

所述级联多电平变换器的旁路***还包括第五开关管；

其中，所述第五开关管的第一端与所述直流源的正极电连接，第五开关管的第二端与所述第一电容的第一端电连接；或者，所述第五开关管的第一端与所述直流源的负极电连接，所述第五开关管的第二端与所述第一电容的第二端电连接；

所述控制单元根据所述状态信息确认所述至少两个转换电路和对应的直流源的工作状态，并控制所述第五开关管断开后控制所述转换电路中至少一个开关管导通或截止以旁路所述转换电路和对应的直流源。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述至少两个转换电路均包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；

其中，所述第一开关管的第一端分别与所述第二开关管的第一端和所述直流源的正极电连接；

所述第一开关管的第二端分别与所述第三开关管的第一端和所述转换电路的第一输出端电连接；

所述第二开关管的第二端分别与所述第四开关管的第一端和所述转换电路的第二输出端电连接；

所述第三开关管的第二端分别与所述第四开关管的第二端和所述直流源的负极电连接；

所述控制单元具体用于控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管的导通或截止；

其中，所述控制单元通过导通所述第一开关管和所述第二开关管以旁路所述转换电路和对应的直流源，或导通所述第三开关管和所述第四开关管以旁路所述转换电路和对应的直流源。

3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述控制单元采集所述至少两个转换电路的状态信息包括：

所述控制单元采集所述至少两个转换电路中所述第一电容、所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管的状态信息。

4.根据权利要求2或3所述的***，其特征在于，所述级联多电平变换器还包括滤波器，且所述滤波器的第一端与所述至少两个转换电路中第一个转换电路的第一输出端电连接；所述滤波器的第二端与所述至少两个转换电路中最后一个转换电路的第二输出端电连接。

5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述控制单元包括处理器和至少两个控制子模块，所述控制子模块与所述转换电路一一对应，并分别与对应的转换电路和直流源电连接，所述控制子模块用于采集所述对应的转换电路和直流源的状态信息并发送至处理器，所述处理器根据所述状态信息确认对应的转换电路和直流源的工作状态，发送控制信号至所述至少两个控制子模块以控制对应的所述转换电路中的至少一个开关管导通或截止以旁路所述转换电路和对应的直流源。

6.一种基于权利要求1-5任一所述的旁路***的旁路方法，其特征在于，包括：

控制单元采集至少两个转换电路和对应的直流源的状态信息；

所述控制单元根据所述状态信息确认所述至少两个转换电路和对应的直流源的工作状态；

所述控制单元控制所述转换电路中的至少一个开关管导通或截止以旁路所述转换电路和对应的直流源。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制单元采集所述至少两个转换电路的状态信息包括：

所述控制单元采集所述至少两个转换电路中第一电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的状态信息。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制单元包括处理器和至少两个控制子模块，所述控制子模块与所述转换电路一一对应设置，并分别与对应的转换电路和直流源电连接，所述控制子模块采集对应的转换电路和直流源的状态信息并发送至处理器，所述处理器根据所述状态信息确认对应的转换电路和直流源的工作状态，发送控制信号至所述至少两个控制子模块以控制对应的所述转换电路中的至少一个开关管导通或截止以旁路所述转换电路和对应的直流源。