[發(fā)明專利]一種混合五電平變流器及其控制方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610145767.2
• 申請(qǐng)日: 2016-03-15
• 公開（公告）號(hào): CN105577012A
• 公開（公告）日: 2016-05-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張建忠;徐帥;姜永將;胡省
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): H02M7/483
• 分類號(hào): H02M7/483;H02M7/5387;H02M1/08
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳琛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電力電子多電平變流器領(lǐng)域，具體涉及一種混合五電平變流器及其控制方法。

背景技術(shù)

電力電子技術(shù)自二十世紀(jì)50年代誕生以來，經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的飛速發(fā)展，至今已被廣泛 應(yīng)用于需要電能變換的各個(gè)領(lǐng)域，在低壓小功率的用電領(lǐng)域，電力電子技術(shù)的各個(gè)方面己漸 趨成熟。將來的研究目標(biāo)是高功率密度、高效率、高性能，而在高壓大功率的輸配電領(lǐng)域， 各個(gè)方面的技術(shù)正成為當(dāng)今電力電子技術(shù)的研究重點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)大功率變換的解決方案中，多 電平變流器因其控制方式多樣、輸出波形諧波畸變率低、功率器件電壓應(yīng)力低、電磁干擾 (ElectroMagneticInterference，EMI)少、效率高等良好的特性已成為高壓大功率應(yīng)用的熱 點(diǎn)，多電平變流器的概念最早是由A.Nbaae等人在1980年IAS年會(huì)上提出的。其中多電平電壓 源型變流器因其控制方式多樣、輸出電流諧波含量低、效率高等良好的特性已成為高壓大功 率應(yīng)用的熱點(diǎn)，例如高壓電機(jī)變頻調(diào)速、高壓直流輸電、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器、超導(dǎo)儲(chǔ)能和 大功率不間斷電源等領(lǐng)域。R.H.Baker于1975年最早提出了級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器的概念；日 本學(xué)者A.Nabae、H.Akagi等人于1983年提出了中點(diǎn)鉗位型多電平PWM逆變器；T.A.Meynard 于1992年提出了飛跨電容型多電平逆變器。三種傳統(tǒng)的多電平變流器雖然能夠?qū)崿F(xiàn)多電平電 壓輸出，但是需要大量的鉗位二極管、飛跨電容或者獨(dú)立供電電源，從而會(huì)使系統(tǒng)體積龐大， 可靠性降低，成本增加。

隨著多電平變流器的應(yīng)用越來越廣泛，如何能進(jìn)一步簡化其結(jié)構(gòu)，減少使用的功率開關(guān) 器件，降低其體積與成本也越來越受到重視，而且隨著功率半導(dǎo)體器件技術(shù)的發(fā)展，如何充 分利用開關(guān)速度較快但耐壓比較低的器件(如IGBT)和耐壓值較高但開關(guān)頻率較低的器件(如 GTO，IGCT)各自的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更優(yōu)化也受到廣泛關(guān)注。上世紀(jì)九十年代，印度學(xué)者 Madhav首次提出了混合多電平的概念并研究發(fā)現(xiàn)這種技術(shù)將突破傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高壓大功率技術(shù) 思想的束縛，在同一個(gè)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，采用不同功率的開關(guān)器件，使IGBT和GTO等開關(guān)器 件協(xié)同工作在一起成為可能，并且通過混合控制方法使功率器件工作在不同的開關(guān)頻率下， 從而揚(yáng)長避短充分發(fā)揮各種器件的自身優(yōu)點(diǎn)。

多電平變流器的調(diào)制策略，根據(jù)開關(guān)頻率的高低，可被分為基頻調(diào)制和高頻調(diào)制。在基 頻調(diào)制下，變流器的每個(gè)功率開關(guān)器件在一個(gè)工頻周期中只開關(guān)一、兩次，輸出的交流電壓 呈階梯波形，比較典型的基頻調(diào)制方法有開關(guān)點(diǎn)預(yù)制調(diào)制法和階梯波調(diào)制法。在高頻調(diào)制下， 變流器的每個(gè)開關(guān)器件在一個(gè)工頻周期中會(huì)開關(guān)多次，這類調(diào)制方法主要有正弦脈寬調(diào)制 (SPWM)和空間矢量調(diào)制(SVM)。目前出現(xiàn)了諸如載波層疊、載波移相、頻率優(yōu)化、消除特定 次諧波、空間電壓矢量等多種控制策略。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：為了解決目前傳統(tǒng)多電平變流器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，控制復(fù)雜度較大的問 題，本發(fā)明公開了一種新型混合五電平變流器及其控制方法，采用混合調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)多電平 的輸出，可以簡化多電平變流器結(jié)構(gòu)，減少使用的功率開關(guān)器件數(shù)量，降低其體積與成本， 從而可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化。針對(duì)所提出的多電平變流器拓?fù)洌€提出采用混合調(diào)制方法 實(shí)現(xiàn)多電平的輸出，可以進(jìn)一步減小變流器功率損耗，提高效率。

技術(shù)方案：一種混合五電平變流器，由三電平T型變流器拓?fù)浜蛡鹘y(tǒng)兩電平變流器拓?fù)? 混合演變而成。基于器件的耐壓和開關(guān)頻率不同，該變流器拓?fù)浒ㄈ鄻虮郏肯鄻虮鄯? 為兩個(gè)單元：高壓低頻單元和低壓高頻單元；

所述高壓低頻單元由兩電平上橋臂、兩電平下橋臂和直流母線構(gòu)成；所述兩電平上橋臂 由第一功率開關(guān)管VT₁的發(fā)射極與第二功率開關(guān)管VT₂的集電極連接而成，所述兩電平下橋 臂由第三功率開關(guān)管VT₃的發(fā)射極與第四功率開關(guān)管VT₄的集電極連接而成，所述直流母線 由兩個(gè)第一電解電容串聯(lián)而成；

所述兩電平上橋臂中第二功率開關(guān)管VT₂的發(fā)射極與兩電平下橋臂中第三功率開關(guān)管 VT₃的集電極相連，兩電平上橋臂中第一功率開關(guān)管VT₁的集電極與直流母線的正極性端相連， 兩電平下橋臂中第四功率開關(guān)管VT₄的發(fā)射極與直流母線的負(fù)極性端相連；