一种带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器拓扑制造技术

本发明专利技术公开了一种带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器拓扑，主要应用于大功率风电系统、中高压电机调速领域以及大功率有源滤波、无功补偿等场合。该拓扑主电路包括直流母线电容、自平衡飞跨电容辅助桥臂和5L-NPC逆变器。飞跨电容辅助桥臂的引入主要用以解决5L-NPC逆变器固有的直流母线电容中点的电位失衡问题。传统辅助电路是利用受控电压源在一个电抗器上产生电流来抵消逆变器中点的失衡电流，进而实现电位的平衡。与此不同，本发明专利技术提出的自平衡辅助电路是利用逆变器中点失衡电流自身给两个飞跨电容充放电，并使飞跨电容的电压保持恒定，进而利用电容钳位原理来自动实现中点电位的平衡。

【技术实现步骤摘要】
一种带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器拓扑
本专利技术涉及用于实现复杂中高压大功率变换系统的逆变器拓扑结构，具体涉及一种带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器拓扑。
技术介绍
近年来，一些新型多电平功率变换器由于输出容量大、适用于高电压大功率场合和输出电压电流谐波含量小等显著优点，在中高压调速领域、高压直流输电(HVDC)、静止同步补偿器(STATCOM)和电力有源滤波器(APF)等应用中得到了广泛的关注，成为中高压功率变换的首选方案。但是多电平钳位型拓扑普遍存在直流中点电压不平衡问题，而直流母线电压的平衡是整个多电平功率变换系统正常工作的前提条件，因此对其开展相关的研究与分析工作就具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器拓扑。为达到上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：所述5L-FC-NPC逆变器(即带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器)拓扑结构包括直流母线电容、自平衡飞跨电容辅助桥臂和5L-NPC逆变器，所述自平衡飞跨电容辅助桥臂包括接在PO点之间的上三电平飞跨电容辅助桥臂以及接在ON点之间的下三电平飞跨电容辅助桥臂，所述P点为直流母线正端，所述O点为直流母线电容的中点，所述N点为直流母线负端，上三电平飞跨电容辅助桥臂的中点A与下三电平飞跨电容辅助桥臂的中点B之间跨接有相互串联的钳位电容Cf3和电阻R，直流母线电容以及自平衡飞跨电容辅助桥臂通过P点、N点、A点、B点以及O点为5L-NPC逆变器提供五电平。所述上三电平飞跨电容辅助桥臂包括有源开关S1～S4和飞跨电容Cf1，有源开关S1～S4依次串联，有源开关S1接P点，有源开关S4接O点，飞跨电容Cf1与有源开关S2以及S3并联，所述A点位于有源开关S2以及S3之间，下三电平飞跨电容辅助桥臂包括有源开关S'1～S'4和飞跨电容Cf2，有源开关S'1～S'4依次串联，有源开关S'1接O点，有源开关S'4接N点，飞跨电容Cf2与有源开关S'2以及S'3并联，所述B点位于有源开关S'2以及S'3之间。所述逆变器拓扑的中点自平衡过程如下：当上三电平飞跨电容辅助桥臂工作于开关状态O1时，有源开关S1以及S3导通，有源开关S2以及S4关断，飞跨电容Cf1通过流经点A的净电流ina进行充电；当上三电平飞跨电容辅助桥臂工作于开关状态O2时，有源开关S1以及S3关断，有源开关S2以及S4导通，飞跨电容Cf1通过流经点A的净电流ina放电，从而实现飞跨电容Cf1的电压恒定为UDC/4，UDC表示直流母线电压；当下三电平飞跨电容辅助桥臂工作于开关状态O1时，有源开关S'1以及S'3导通，有源开关S'2以及S'4关断，飞跨电容Cf2通过流经点B的净电流inb进行放电；当下三电平飞跨电容辅助桥臂工作于开关状态O2时，有源开关S'1以及S'3关断，有源开关S'2以及S'4导通，飞跨电容Cf2通过流经点B的净电流inb进行充电，从而实现飞跨电容Cf2的电压恒定为UDC/4，进而钳位电容Cf3利用电容钳位原理实现A点、B点以及O点的电位平衡。所述A点、B点平衡的控制方法包括以下步骤：首先电压给定UDC/4与反馈的飞跨电容Cf1电压VFC1进行偏差比较，比较结果经过PI调节器和限幅器处理后输出控制变量α1，电压给定UDC/4与反馈的飞跨电容Cf2电压VFC2进行偏差比较，比较结果经过PI调节器和限幅器处理后输出控制变量α2；控制变量α1和α2分别受到净电流ina和inb的极性影响，极性为正时，控制变量符号不变，极性为负时，控制变量符号相反；控制变量α1分解成(1+α1)/2和(1-α1)/2，并分别作为上三电平飞跨电容辅助桥臂在开关状态O1和O2时的占空比，控制变量α2分解成(1+α2)/2和(1-α2)/2，并分别作为下三电平飞跨电容辅助桥臂在开关状态O1和O2时的占空比，从而通过占空比调整控制飞跨电容Cf1、Cf2的电压VFC1、VFC2，通过电压闭环控制使VFC1和VFC2分别等于UDC/4，进而实现A点以及B点的平衡。判断净电流ina和inb极性的方法包括以下步骤：根据等式ina＝iA2-iAB和inb＝iB2-iAB判断极性，iAB表示AB两点之间回路的电流，iA2表示流入A点的平均相电流，iB2表示流入B点的平均相电流，对于任意给定参考电压矢量V，根据SVPWM调制原理选择与参考电压矢量邻近的三个基本电压矢量及其中某基本电压矢量的冗余矢量来合成，若选择开关矢量SV1，SV2，SV3以及SV4，则合成过程为V＝d1*SV1+d2*SV2+d3*SV3+d4*SV4，d1～d4表示SV1～SV4对应的占空比，iA2等于每个开关矢量的占空比乘以该开关矢量下流入A点的三相电流总和，iB2等于每个开关矢量的占空比乘以该开关矢量下流入B点的三相电流总和。所述直流母线电容包括串联于直流母线PN点之间的两个相同的电容，O点为所述两个相同的电容的中点；所述5L-NPC逆变器接于直流母线PN点之间，5L-NPC逆变器的各中性点分别与A点、O点以及B点对应连接。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：从效率、成本和中点平衡控制的难度几个方面来衡量，本专利技术提出的5L-FC-NPC逆变器具有最优的折中性能。(1)本专利技术提出的5L-FC-NPC逆变器可以不接整流器，只利用自平衡辅助桥臂就能实现中点电位平衡，扩展了其应用范围。(2)为了解决常规5L-NPC逆变器固有的直流母线电容中点的电位失衡问题，传统辅助电路是利用受控电压源在一个电抗器上产生电流来抵消逆变器中点的失衡电流，进而实现电位的平衡。与此不同，本专利技术提出的自平衡辅助电路是利用逆变器中点失衡电流自身给两个飞跨电容充放电，使飞跨电容的电压保持恒定，进而利用电容钳位原理来自动实现中点A、B、O电位的平衡。因此中点平衡控制相对简单，而且省去了电感，提高了系统效率。附图说明图1为5L-FC-NPC逆变器拓扑结构；图中：VAB表示中点A、B之间的电压，A2表示5L-NPC逆变器A相桥臂，B2表示5L-NPC逆变器B相桥臂，C2表示5L-NPC逆变器C相桥臂，Lf1、Lf2表示滤波电感，C表示滤波电容，ia2表示5L-NPC逆变器A相电流，ib2表示5L-NPC逆变器B相电流，1表示直流母线电容，2表示5L-NPC逆变器，3表示自平衡飞跨电容辅助桥臂；图2为5L-FC-NPC逆变器控制框图；图中：SV1～SV4为开关矢量；d1～d4为开关矢量占空比；dO1和dO2为上三电平飞跨电容辅助桥臂O1和O2状态的占空比；d'O1和d'O2为下三电平飞跨电容辅助桥臂O1和O2状态的占空比，4表示PI调节器，5表示限幅器；图3为5L-NPC的SVPWM开关矢量图；图4为辅助桥臂的四种工作模式及其电流换流图；图中：(a)状态1：上半桥-O1，下半桥-O2，VAB>UDC/2；(b)状态2：上半桥-O1，下半桥-O1，假设Cf3放电；(c)状态3：上半桥-O2，下半桥-O2，假设Cf3充电；(d)状态4：上半桥-O2，下半桥-O1，VAB<UDC/2；图5为基于5L-FC-NPC逆变器的背对背风电变换系统仿真波形；图6为基于5L-FC-NPC逆变器的背对背风力发电变换系统；图7为基于5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器拓扑，其特征在于：包括直流母线电容(1)、自平衡飞跨电容辅助桥臂(3)和5L‑NPC逆变器(2)，所述自平衡飞跨电容辅助桥臂(3)包括接在PO点之间的上三电平飞跨电容辅助桥臂以及接在ON点之间的下三电平飞跨电容辅助桥臂，所述P点为直流母线正端，所述O点为直流母线电容(1)的中点，所述N点为直流母线负端，上三电平飞跨电容辅助桥臂的中点A与下三电平飞跨电容辅助桥臂的中点B之间跨接有相互串联的钳位电容Cf3和电阻R，直流母线电容(1)以及自平衡飞跨电容辅助桥臂(3)通过P点、N点、A点、B点以及O点为5L‑NPC逆变器(2)提供五电平。

【技术特征摘要】
1.一种带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器拓扑，其特征在于：包括直流母线电容(1)、自平衡飞跨电容辅助桥臂(3)和5L-NPC逆变器(2)，所述自平衡飞跨电容辅助桥臂(3)包括接在PO点之间的上三电平飞跨电容辅助桥臂以及接在ON点之间的下三电平飞跨电容辅助桥臂，所述P点为直流母线正端，所述O点为直流母线电容(1)的中点，所述N点为直流母线负端，上三电平飞跨电容辅助桥臂的中点A与下三电平飞跨电容辅助桥臂的中点B之间跨接有相互串联的钳位电容Cf3和电阻R，直流母线电容(1)以及自平衡飞跨电容辅助桥臂(3)通过P点、N点、A点、B点以及O点为5L-NPC逆变器(2)提供五电平。2.根据权利要求1所述一种带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器拓扑，其特征在于：所述上三电平飞跨电容辅助桥臂包括有源开关S1～S4和飞跨电容Cf1，有源开关S1～S4依次串联，有源开关S1接P点，有源开关S4接O点，飞跨电容Cf1与有源开关S2以及S3并联，所述A点位于有源开关S2以及S3之间，下三电平飞跨电容辅助桥臂包括有源开关S'1～S'4和飞跨电容Cf2，有源开关S'1～S'4依次串联，有源开关S'1接O点，有源开关S'4接N点，飞跨电容Cf2与有源开关S'2以及S'3并联，所述B点位于有源开关S'2以及S'3之间。3.根据权利要求2所述一种带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器拓扑，其特征在于：所述逆变器拓扑的中点自平衡过程如下：当上三电平飞跨电容辅助桥臂工作于开关状态O1时，有源开关S1以及S3导通，有源开关S2以及S4关断，飞跨电容Cf1通过流经点A的净电流ina进行充电；当上三电平飞跨电容辅助桥臂工作于开关状态O2时，有源开关S1以及S3关断，有源开关S2以及S4导通，飞跨电容Cf1通过流经点A的净电流ina放电，从而实现飞跨电容Cf1的电压恒定为UDC/4，UDC表示直流母线电压；当下三电平飞跨电容辅助桥臂工作于开关状态O1时，有源开关S'1以及S'3导通，有源开关S'2以及S'4关断，飞跨电容Cf2通过流经点B的净电流inb进行放电；当下三电平飞跨电容辅助桥臂工作于开关状态O2时，有源开关S'1以及S'3关断，有源开关S'2以及S'4导通，飞跨电容Cf2通过流经点B的净电流inb进行充电，从而实现飞跨电容Cf2的电压恒定为UDC/4，进而钳位电容Cf3...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾翔君，汪航，骆一萍，张晓，贺莹莹，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61