[發明專利]單相二極管鉗位三電平中點電位不平衡精確控制方法

有效

• 申請號: 201210224768.8
• 申請日: 2012-07-02
• 公開（公告）號: CN102761284A
• 公開（公告）日: 2012-10-31
• 發明（設計）人: 何英杰;林繼亮;杜思行;劉進軍
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H02M7/487
• 分類號: H02M7/487
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

技術領域

本發明屬于電力電子領域，具體涉及一種單相二極管鉗位三電平中點電位不平衡精確控制方法。

背景技術

多電平變換器的思想最早是由Nabae等人于80年代初提出的。它的一般結構是由幾個電平臺階合成階梯波以逼近正弦輸出電壓。多電平電壓型變換器與傳統的兩電平變換器相比，可產生M階梯輸出電壓，輸出電壓自由度多，更適合于匹配高電壓等級；開關元件一次動作dv／dt通常只有傳統雙電平的1/(M-1)，電磁干擾（EMI）問題大大減輕；為了消除同樣諧波，兩電平采用的PWM控制方法開關頻率高、損耗大，而多電平逆變器可用較低頻率進行開關動作、開關頻率低、損耗小，效率提高。由于以上優點，多電平變換器在高電壓，大功率方面得到越來越廣泛的應用^[1-4]。多電平變換器可以分為二極管鉗位型多電平變換器、飛躍電容型多電平變換器和級聯多電平變換器等拓撲結構。與其他兩種多電平變換器相比，二極管鉗位型多電平變換器由于可以節約高壓電容的數目，且不需要獨立直流電源，因此在高電壓，大功率領域的應用更為廣泛。在所有的多電平拓撲中，二極管鉗位型三電平變換器是當前應用和研究最多的拓撲結構。

當級聯H橋多電平結構應用于10KV，35KV大容量靜態無功發生器時，每相需要串聯很多H橋模塊，控制相當復雜。單相二極管鉗位三電平模塊在采用相同器件時，耐壓可以比H橋模塊提高一倍。如果鏈式靜態無功發生器的H橋模塊換成單相二極管鉗位三電平模塊，則模塊數可以減少一半，結構和控制得到簡化。此外單相二極管鉗位三電平拓撲還廣泛應用于光伏發電和大功率開關電源等工業應用中。但是由于開關器件和直流側電容特性的不一致，以及擾動的存在，還有調制方式的不同都有可能導致中點電位的波動。二極管鉗位拓撲存在中點電位波動和偏移這個固有問題。如何消除中點電位的波動，來實現中點電位的平衡控制，一直是人們研究的熱點，而且也有一些相關的文獻報道^[5-15]。從上述文獻可以看出，三相二極管鉗位三電平拓撲中點電位平衡控制已經被廣泛深入的研究。但很少有文獻研究單相二極管鉗位三電平變換器的中點電位平衡控制。

文獻[5]采用在開關的不同狀態根據電流方向來對中點電荷進行充放電來達到中點的平衡，這種方法在能夠對中點的電位進行很好地控制，但是由于每個開關狀態下注入的電荷量是不確定的，注入的電荷量的大小不能精確控制，導致中點電位的波動。Bangbang控制^[6-7]通過存在的冗余開關狀態對中點電位的作用效果相反來達到抑制中點電位波動，這種控制方法簡單而且能夠很好地控制中點電位的波動，但是這種控制由于不能精確控制注入中點的電荷量，使中點電位在很大范圍內波動，其控制機理與文獻[5]本質上是相同的。文獻[8]通過增加輔助硬件單元來達到對中點電位的控制，這種控制方法實現簡單，但是額外增加了成本。基于空間矢量的調制方法^[9-15]，通過調節中小矢量的作用時間來達到很好的調節中點波動，控制效果很好，但是由于空間矢量調制的復雜性，很難把其應用到級聯多電平當中。文獻[16-17]是基于三相系統中提出在采用載波調制時，通過加入零序電壓來控制中點電位的波動，零序電壓的注入不僅能夠抑制中點電位的的波動，而且可以提高直流側利用率。但是如果把這種思想應用到單項系統中，就會在相中引進了直流干擾量，必須想辦法去除這個干擾量。文獻[18-20]通過對三相系統的精確分析發現能夠對中點電位平衡起作用的是偶次諧波，因此通過在負載側構建相應的負載或在調制波中注入相應的偶次諧波來消除中點不平衡，但是實現起來非常復雜。

本文提出了一種基于通過注入直流分量的控制方法，詳細分析了單相二極管鉗位三電平的工作機理，通過對零電平對直流側中點電位的影響進行分析，在不改變出口電壓波形和不引進直流分量的情況下，利用冗余性來改變不同橋臂間的零電平的分配來達到對中點電位不平衡的精確控制^[21-25]。

以下給出檢索的相關文獻

[1]李永東,高躍,候軒.大容量多電平變換器PWM控制技術現狀及進展.電力電子技術[J].2005,39(5):2-6.

[2]Akira?Nabae,Isao?Takahashi,Hirofumi?Akagi.A?new?neutral-point?clamped?PWM?inverter[J].IEEE?Trans.On?Industry?Application,1981,17(5):518-523.

[3]劉鳳君編著.多電平逆變技術及其應用[M].北京：機械工業出版社，2007.1.