一种电压源型多电平变换器拓扑结构及其控制方法

1.本发明涉及电力电子电能变换技术领域，特别涉及一种电压源型多电平变换器拓扑结构及其控制方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.电力电子变流器可以实现功率的灵活转换，实现电压、电流、功率的主动控制，因而得到广泛应用。由于多电平拓扑可以通过拓扑结构的设计降低内部功率半导体器件的耐压要求，同时具有输出谐波少、电压变化率低，共模电压低等优点，广泛应用于中高压大功率变流器。
4.然而，输出电平数量多的多电平变流器拓扑结构往往具有复杂的结构。以级联式多电平拓扑或模块化多电平拓扑为代表的具有模块化特性的拓扑结构，往往因为依赖变压器、电容等被动元器件导致成本较高、体积较大。而实用化的非模块化的拓扑结构普遍存在：简洁的拓扑输出电平数较低，以三、五电平为主，如三电平中点钳位型拓扑、五电平有源中点钳位型拓扑；结构简洁、输出电平数量较多的拓扑往往运行范围较窄，难以宽功率因数、宽调制深度运行，如混合型七电平拓扑。
5.因此，当前拓扑普遍难以良好兼顾输出电平数量、结构简洁度、以及运行范围。亟需提出具有五个以上电平数量、结构简洁且运行范围大的拓扑结构。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种电压源型多电平变换器拓扑结构及其控制方法，结构简洁，控制简单，且可以广泛应用于中低压交直变换应用场合。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.本发明第一方面提供了一种电压源型多电平变换器拓扑结构。
9.一种电压源型多电平变换器拓扑结构，包括两组半桥电路、两组飞跨电容和多个开关；
10.每组半桥电路均有两个直流连接端，且两组半桥电路的输出均通过一个开关连接串联的两组飞跨电容；
11.两组飞跨电容连接的中点经两个反向串联的开关连接到交流端，且串联的两组飞跨电容的整体的正极和负极分别经开关连接到交流端。
12.进一步地，所述交流端不级联全桥逆变单元。
13.进一步地，所述交流端级联一个或多个全桥逆变单元。
14.进一步地，若所述交流端级联n个全桥逆变单元，则产生(6*2n+1)个电平。
15.进一步地，所述直流连接端连接单个直流电源和三分裂直流电容。
16.进一步地，四个直流连接端连接三个直流链电容，并将直流链电容整体串联后连接直流电源。
17.进一步地，所述直流连接端连接多个直流电源。
18.本发明第二方面提供了一种电压源型多电平变换器，采用如第一方面所述的一种电压源型多电平变换器拓扑结构作为一相桥臂。
19.进一步地，不同的桥臂共享直流侧。
20.本发明第二方面提供了如第一方面所述一种电压源型多电平变换器拓扑结构的控制方法，包括如下步骤：
21.驱动各个开关执行各自的开关状态，产生从直流端到交流端不同的流通路径，使交流端的电压呈现不同的电平。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
23.1、本发明所述的一种电压源型多电平变换器拓扑结构，其每相桥臂由开关管和飞跨电容组成；其直流侧具有四个连接端，可以连接三个直流链电容，并将直流链电容整体串联后连接直流电源；也可以连接独立的三个直流电源；根据应用需要可以以半桥、全桥、三相桥、甚至更多桥臂构成单相、三相、多相交-直变换器；所以该变换器结构简洁，控制简单，并具有多电平变流器固有的开关电压应力低，输出谐波小等优点。
24.2、本发明所述的一种电压源型多电平变换器拓扑结构，其可以广泛应用于中低压交直变换应用场合。
附图说明
25.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
26.图1为本发明实施例1的电压源型多电平变换器拓扑结构示意图；
27.图2为本发明实施例1的使用单个直流电源和三分裂直流电容的多电平拓扑结构示意图；
28.图3为本发明实施例1的使用三个直流电源多电平拓扑结构示意图；
29.图4(a)为本发明实施例1的多电平拓扑结构扩展更多电平数的结构示意图；
30.图4(b)为本发明实施例1的多电平拓扑结构扩展模块的结构图；
31.图5(a)为本发明实施例1的多电平拓扑构造单相h桥的结构示意图；
32.图5(b)为本发明实施例1的多电平拓扑构造三相变流器的结构示意图；
33.图5(c)为本发明实施例1的多电平拓扑构造n相变流器的结构示意图；
34.图6为本发明实施例3的典型输出波形与预期输出示意图。
具体实施方式
35.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
36.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
37.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包
括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
38.在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
39.本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
40.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
41.实施例1
42.本发明实施例1提供了一种电压源型多电平变换器拓扑结构。
43.本实施例提供的一种电压源型多电平变换器拓扑结构，可以广泛应用于中、低压交-直变换应用场合。
44.本实施例提供的一种电压源型多电平变换器拓扑结构，每相桥臂由开关管和飞跨电容组成。其直流侧具有四个连接端，可以连接三个直流链电容，并将直流链电容整体串联后连接直流电源；也可以连接独立的三个直流电源。根据应用需要可以以半桥、全桥、三相桥、甚至更多桥臂构成单相、三相、多相交-直变换器。该变换器结构简洁，控制简单，并具有开关电压应力低，输出谐波小等优点。本发明可以广泛应用于中低压交直变换应用场合。
45.本实施例提供的一种电压源型多电平变换器拓扑结构，包括：一个具有t型结构和3分裂直流的多电平电路和可选的级联全桥逆变单元。直流侧连接电路包括3分裂直流侧共4个直流连接端，4端分为2组连接半桥电路，2个半桥电路的输出各连接1个串联开关，随后连接t型结构。t型结构包括串联的2组飞跨电容，电容连接的中点经2个反向串联的开关连接到交流端，串联电容整体的正极和负极分别经开关也连接到交流端。借助直流侧电压和t型结构飞跨电容上的电压，交流端可以产生多电平输出，而电流则可以双向流动。
46.具体地，如图1所示，本实施例提供的一种电压源型多电平变换器拓扑结构100，包括2组连接半桥电路，即第一连接半桥电路102和第二连接半桥电路103；第一连接半桥电路102由2个串联开关s1和组成，2个串联开关s1和均具有一个直流连接端，2个串联开关s1和连接的中点连接1个串联开关(s3)104；第二连接半桥电路103由2个串联开关s2和组成，2个串联开关s2和均具有一个直流连接端，2个串联开关s2和连接的中点连接1个串联开关()105；2个串联开关s3和之间通过串联的2组飞跨电容106(包括飞跨电容c1和飞跨电容c2)连接t型开关电路107；2组飞跨电容连接的中点经2个反向串联的开关(s5和)连接到交流端；开关s3经开关s4也连接到交流端；开关经开关也连接到交流端。
47.本实施例提供的一种电压源型多电平变换器拓扑结构，如图4(a)和图4(b)所示，可以在交流端不级联或者级联1个至多个全桥逆变单元301。t型结构的多电平电路可以生成7个电平。通过级联全桥变换结构，每增加1级全桥逆变单元，结合具有t型结构和3分裂直流的多电平电路，整个结构可以产生额外6个电平。具有n个全桥逆变单元的结构可以产生
(6*2n+1)个电平。
48.如图4(a)和图4(b)所示，每个全桥逆变单元301包括开关sh1，sh2，其中，sh1和串联成半桥结构，其中央为连接端t1，用于连接或前一个全桥逆变单元301的连接端t2；sh2和也连接为半桥结构，其中央为连接端t2，用于连接后一个全桥逆变单元的连接端t2；浮动电容ch与上述两个半桥并联。
49.本实施例提供的一种电压源型多电平变换器拓扑结构，可以用作变流器的一相桥臂，从而可以构成单相全桥、三相桥、以及多相桥系统。不同数量的桥臂可以共享直流侧，直流侧既可以是电源、电容，也可以是负荷。电源和负荷既可以连接于整个直流侧，也可以分为三组分别连接于4个直流端上。
50.如图2所示，使用单个直流电源120和三分裂直流电容110的多电平拓扑结构，即4个直流连接端中每两个相邻直流连接端之间连接一个电容，具体地，开关s1和连接的直流连接端之间连接电容c
dc1
，开关和s2连接的直流连接端之间连接电容c
dc2
，开关s2和连接的直流连接端之间连接电容c
dc3
，电容c
dc1
和电容c
dc3
分别连接直流电源120的正负极。
51.图5(a)、图5(b)和图5(c)分别是使用本发明多电平拓扑构造单相h桥、三相变流器以及n相变流器的结构示意图。
52.如图3所示，使用三个直流电源201多电平拓扑结构，即4个直流连接端中每两个相邻直流连接端之间连接一个直流电源，具体地，开关s1和连接的直流连接端之间连接直流电源dc1，开关和s2连接的直流连接端之间连接直流电源dc2，开关s2和连接的直流连接端之间连接直流电源dc3。
53.本实施例提供的一种电压源型多电平变换器拓扑结构，能够以简洁的结构输出多个电平，并具有多种直流链构造方式，可以应用于单相、三相、以及多相系统。
54.实施例2
55.本发明实施例2提供了一种电压源型多电平变换器，采用如实施例1中的一种电压源型多电平变换器拓扑结构作为一相桥臂。
56.不同的桥臂共享直流侧。
57.实施例3
58.本发明实施例3提供了如实施例1中的一种电压源型多电平变换器拓扑结构的控制方法，驱动各个开关执行各自的开关状态，产生从直流端到交流端不同的流通路径，使交流端的电压呈现不同的电平，具体包括如下步骤：
59.(1)控制系统通过闭环控制或开环调制，产生正弦调制参考信号。
60.(2)调制参考信号通过多电平调制策略，如载波层叠调制，载波移相调制，产生预期的输出电压或者直接生成各个开关的开关状态。
61.(3)驱动拓扑中的开关执行产生的开关状态，不同的开关状态将产生从直流端到交流端不同的流通路径。由于各个直流端的电压不同，流经的飞跨电容数量不同，交流端的电压则呈现不同的电平。
62.不同的电平依照合理的序列进行输出，可以使其基波分量等效于预期的正弦调制
参考。其典型输出如图6所示，其中w01为拓扑产生的多电平交流电压输出，w02为预期的电压基波分量，亦即调制参考波形。根据配置扩展模块数量的不同，产生的多电平电压波形会具有不同的电平数量，但基波分量应始终等效于调制参考。
63.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡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。

技术特征：
1.一种电压源型多电平变换器拓扑结构，其特征在于：包括两组半桥电路、两组飞跨电容和多个开关；每组半桥电路均有两个直流连接端，且两组半桥电路的输出均通过一个开关连接串联的两组飞跨电容；两组飞跨电容连接的中点经两个反向串联的开关连接到交流端，且串联的两组飞跨电容的整体的正极和负极分别经开关连接到交流端。2.如权利要求1所述的一种电压源型多电平变换器拓扑结构，其特征在于：所述交流端不级联全桥逆变单元。3.如权利要求1所述的一种电压源型多电平变换器拓扑结构，其特征在于：所述交流端级联一个或多个全桥逆变单元。4.如权利要求3所述的一种电压源型多电平变换器拓扑结构，其特征在于：若所述交流端级联n个全桥逆变单元，则产生(6*2
n
+1)个电平。5.如权利要求1所述的一种电压源型多电平变换器拓扑结构，其特征在于：所述直流连接端连接单个直流电源和三分裂直流电容。6.如权利要求5所述的一种电压源型多电平变换器拓扑结构，其特征在于：四个直流连接端连接三个直流链电容，并将直流链电容整体串联后连接直流电源。7.如权利要求1所述的一种电压源型多电平变换器拓扑结构，其特征在于：所述直流连接端连接多个直流电源。8.一种电压源型多电平变换器，其特征在于：采用如权利要求1-7任一项所述的一种电压源型多电平变换器拓扑结构作为一相桥臂。9.如权利要求8所述的一种电压源型多电平变换器，其特征在于：不同的桥臂共享直流侧。10.如权利要求1-7任一项所述的一种电压源型多电平变换器拓扑结构的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：驱动各个开关执行各自的开关状态，产生从直流端到交流端不同的流通路径，使交流端的电压呈现不同的电平。

技术总结
本发明涉及电力电子电能变换技术领域，提供了一种电压源型多电平变换器拓扑结构及其控制方法，包括两组半桥电路、两组飞跨电容和多个开关；每组半桥电路均有两个直流连接端，且两组半桥电路的输出均通过一个开关连接串联的两组飞跨电容；两组飞跨电容连接的中点经两个反向串联的开关连接到交流端，且串联的两组飞跨电容的整体的正极和负极分别经开关连接到交流端。结构简洁，控制简单，并具有开关电压应力低，输出谐波小等优点。输出谐波小等优点。输出谐波小等优点。


技术研发人员：田昊 高峰
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/8/14