一种三相双T型五电平变流器及其控制方法技术

本发明专利技术公开一种三相双T型五电平变流器及其控制方法，该变流器每相桥臂由两个三电平T型变流器桥臂与两个串联的电解电容组合演变而成。因此该变流器具有三电平T型变流器导通损耗小，效率高的优点。与传统的五电平变流器相比，该三相双T型五电平变流器采用较少的功率开关器件，可以产生9种不同的开关状态，因此可以利用冗余开关状态，同时输出期望的电平电压和控制飞跨电容电压的平衡。采用基于多载波同相层叠SPWM调制技术的控制方法，使变流器具有较好的输出电能质量，和较高的效率。当功率开关管发生故障时，该变流器还可以利用冗余开关状态进行容错运行，因此该三相双T型五电平变流器比较适用于对可靠性和效率要求较高的场合。

【技术实现步骤摘要】
一种三相双T型五电平变流器及其控制方法
本专利技术涉及电力电子多电平变流器领域，具体涉及一种三相双T型五电平变流器及其控制方法。
技术介绍
电力电子技术自二十世纪50年代诞生以来，经过近半个世纪的飞速发展，至今已被广泛应用于需要电能变换的各个领域。多电平变换器的概念最早是由A.Nbaae等人在1980年IAS年会上提出的。其中多电平电压源型变流器因其控制方式多样、输出电流谐波含量低、逆变效率高等良好的特性已成为高压大功率应用的热点。R.H.Baker于1975年最早提出了级联H桥多电平变流器的概念；日本学者A.Nabae、H.Akagi等人于1983年提出了中点箝位型多电平PWM逆变器；T.A.Meynard于1992年提出了飞跨电容型多电平逆变器。三种传统的多电平变流器虽然能够实现多电平电压输出，但是需要大量的箝位二极管，飞跨电容或者独立电源，从而会使系统体积庞大，可靠性降低，成本增加。随着多电平变流器的应用越来越广泛，如何能进一步简化其结构，减少使用的功率开关器件，降低其体积与成本也越来越受到重视，而且随着功率半导体器件技术的发展，如何充分利用开关速度较快但耐压比较低的器件(如IGBT)和耐压值较高但开关频率较低的器件(如GTO，IGCT)各自的优点，使系统结构更优化也受到广泛关注。目前，在三种传统多电平变流器基础上，大量的新型多电平变流器拓扑相继被提出。例如五电平H桥型中点钳位型变流器(5L-HNPC)，三电平有源钳位型变流器(3L-ANPC)，五电平有源钳位型变流器(5L-ANPC)以及四电平混合钳位型变流器(4L-HC)等。多电平变流器的调制策略，根据开关频率的高低，可被分为基频调制和高频调制。在基频调制下，逆变器的每个功率开关器件在一个工频周期中只开关一、两次，输出的交流电压呈阶梯波形，比较典型的基频调制方法有开关点预制调制法和阶梯波调制法。在高频调制下，逆变器的每个开关器件在一个工频周期中会开关多次，这类调制方法主要有正弦脉宽调制(SPWM)和空间矢量调制(SVM)。目前出现了诸如载波层叠、载波移相、频率优化、消除特定次谐波、空间电压矢量等多种控制策略。
技术实现思路
专利技术目的：为了解决传统多电平变流器结构复杂，体积较大，控制复杂度较大的问题，本专利技术公开了一种三相双T型五电平变流器及其控制方法，简化了多电平变流器结构，减少了使用的功率开关器件数量，降低了其体积与成本，使系统结构更加优化。针对所提出的多电平变流器拓扑，采用基于多载波同相层叠SPWM调制的控制方法实现交流侧期望电压电平输出的同时，实时调节飞跨电容电压的平衡。技术方案：一种三相双T型五电平变流器，由三相双T型桥臂和直流母线并联构成；所述三相双T型桥臂分别为电路结构相同的A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂；每相桥臂由上半桥桥臂、飞跨电容、左中点钳位型桥臂、右中点钳位型桥臂和下半桥桥臂组成；所述直流母线由+E母线、-E母线和两个串联电解电容构成；所述上半桥桥臂由第五绝缘栅双极型晶闸管Sx5的发射极与第一绝缘栅双极型晶闸管Sx1的集电极连接而成，连接后的第五绝缘栅双极型晶闸管Sx5的集电极连接至直流母线的正极性端，第一绝缘栅双极型晶闸管Sx1的发射极连接至交流输出端x；所述x为A相交流输出端a、B相交流输出端b、C相交流输出端c；所述下半桥桥臂由第八绝缘栅双极型晶闸管Sx8的集电极与第四绝缘栅双极型晶闸管Sx4的发射极连接而成，连接后的第八绝缘栅双极型晶闸管Sx8的发射极连接至直流母线的负极性端，第四绝缘栅双极型晶闸管Sx4的集电极连接至交流输出端x；所述飞跨电容由第一飞跨电容Cfx1的负极连接第二飞跨电容Cfx2的正极连接而成，连接后的正极性端连接至上半桥桥臂的中点m，负极性端连接至下半桥桥臂的中点n；所述左中点钳位型桥臂由第六绝缘栅双极型晶闸管Sx6的发射极与第七绝缘栅双极型晶闸管Sx7的发射极连接而成，连接后的第六绝缘栅双极型晶闸管Sx6的集电极连接至直流母线的中点O，第七绝缘栅双极型晶闸管Sx7的集电极连接至飞跨电容的中点N；所述右中点钳位型桥臂由第二绝缘栅双极型晶闸管Sx2的发射极与第三绝缘栅双极型晶闸管Sx3的发射极连接而成，连接后的第二绝缘栅双极型晶闸管Sx2的集电极连接至交流输出端x，第三绝缘栅双极型晶闸管Sx3的集电极连接至飞跨电容的中点N。本专利技术还提供一种对三相双T型五电平变流器的控制方法，具体步骤如下：步骤一、采用多载波同相层叠SPWM调制技术，将基频正弦调制波信号和同相层叠的四组载波信号相比较，确定期望输出电压电平数，其中A，B，C三相的调制波信号相位角互差120°；步骤二、检测交流侧电流ix的方向，测量飞跨电容电压实际测量值Vfxi并与电容电压参考值Vfxi_ref相比较，得到飞跨电容电压的误差ΔVfxi；ΔVfxi＝Vfxi-Vfxi_ref,x＝a,b,c；i＝1,2；其中：i＝1表示第一飞跨电容Cfx1，i＝2表示第二飞跨电容Cfx2；步骤三、根据期望输出电压电平数，交流侧电流ix的方向，飞跨电容电压的误差ΔVfxi，参照表3和表4中飞跨电容的充、放电原则选取开关状态，控制相应的绝缘栅双极型晶闸管导通或关断；表3开关状态、交流侧电流对飞跨电容的影响表4飞跨电容电压控制下的开关状态选择原则其中：ix≥0表示电流从直流侧流向交流侧，ix<0表示电流经交流侧流向直流侧，C代表飞跨电容充电，D代表飞跨电容放电。进一步的，所述多载波同相层叠SPWM调制技术中，载波组由4组频率和幅值均相同的三角载波分成四层上下层叠，以水平中线作为参考零线，两组分布于水平中线上方，两组分布于水平中线下方，与共同的基频正弦调制波相交。有益效果：相比于传统多电平变流器，本专利技术公开的一种三相双T型五电平变流器及其控制方法具有以下优势：(1)与二极管箝位型和飞跨电容箝位型两种多电平变流器相比，在输出相同电平数的情况下，不需要额外增加钳位二极管，使用的功率开关管数量，飞跨电容数量均大大减少，因此，减小的变流器系统体积和复杂度，降低了成本。与级联H桥型多电平变流器相比，该三相双T型五电平变流器，输出相同电平数的情况下，三相桥臂共用直流母线，使用的独立电源数量、变压器数量均大大减少。(2)基于多载波同相层叠的SPWM技术的控制方法在输出期望电压电平的同时，可以实时调节飞跨电容电压的平衡，从而可以提高变流器的输出电能质量。而且该控制方法还具有扩展电平比较容易，器件的开关频率较低而等效开关频率较高，输入输出线性度好等优点。(3)该变流器具有9种不同开关状态，当某些功率开关器件发生故障时，可以利用冗余开关状态使变流器运行于容错模式下，因此该变流器易于容错运行，系统可靠性较高。附图说明图1为传统二极管钳位型、飞跨电容型和级联H桥型五电平变流器拓扑结构图；图2为三相双T型五电平变流器拓扑结构图；图3为三相双T型五电平变流器等效电路图；图4为多载波同相层叠SPWM调制方法原理图；图5为三相双T型五电平变流器控制框图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做更进一步的解释。图1(a)、图1(b)和图1(c)所示分别为二极管钳位型、飞跨电容钳位型和级联H桥型三种传统五电平变流器拓扑结构图。图2所示为本专利技术提出的三相双T型五电平变流器拓扑结构，该变流器由本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三相双T型五电平变流器，其特征在于，由三相双T型桥臂和直流母线(1)并联构成；所述三相双T型桥臂分别为电路结构相同的A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂；每相桥臂(2)由上半桥桥臂(21)、飞跨电容(22)、左中点钳位型桥臂(24)、右中点钳位型桥臂(23)和下半桥桥臂(25)组成；所述直流母线(1)由+E母线、‑E母线和两个串联电解电容构成；所述上半桥桥臂(21)由第五绝缘栅双极型晶闸管Sx5的发射极与第一绝缘栅双极型晶闸管Sx1的集电极连接而成，连接后的第五绝缘栅双极型晶闸管Sx5的集电极连接至直流母线(1)的正极性端，第一绝缘栅双极型晶闸管Sx1的发射极连接至交流输出端x；所述x为A相交流输出端a、B相交流输出端b、C相交流输出端c；所述下半桥桥臂(25)由第八绝缘栅双极型晶闸管Sx8的集电极与第四绝缘栅双极型晶闸管Sx4的发射极连接而成，连接后的第八绝缘栅双极型晶闸管Sx8的发射极连接至直流母线(1)的负极性端，第四绝缘栅双极型晶闸管Sx4的集电极连接至交流输出端x；所述飞跨电容(22)由第一飞跨电容Cfx1的负极连接第二飞跨电容Cfx2的正极连接而成，连接后的正极性端连接至上半桥桥臂(21)的中点m，负极性端连接至下半桥桥臂(25)的中点n；所述左中点钳位型桥臂(24)由第六绝缘栅双极型晶闸管Sx6的发射极与第七绝缘栅双极型晶闸管Sx7的发射极连接而成，连接后的第六绝缘栅双极型晶闸管Sx6的集电极连接至直流母线(1)的中点O，第七绝缘栅双极型晶闸管Sx7的集电极连接至飞跨电容(22)的中点N；所述右中点钳位型桥臂(23)由第二绝缘栅双极型晶闸管Sx2的发射极与第三绝缘栅双极型晶闸管Sx3的发射极连接而成，连接后的第二绝缘栅双极型晶闸管Sx2的集电极连接至交流输出端x，第三绝缘栅双极型晶闸管Sx3的集电极连接至飞跨电容(22)的中点N。...

【技术特征摘要】
1.一种三相双T型五电平变流器的控制方法，其特征在于，所述三相双T型五电平变流器由三相双T型桥臂和直流母线(1)并联构成；所述三相双T型桥臂分别为电路结构相同的A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂；每相桥臂(2)由上半桥桥臂(21)、飞跨电容(22)、左中点钳位型桥臂(24)、右中点钳位型桥臂(23)和下半桥桥臂(25)组成；所述直流母线(1)由+E母线、-E母线和两个串联电解电容构成；所述上半桥桥臂(21)由第五绝缘栅双极型晶闸管Sx5的发射极与第一绝缘栅双极型晶闸管Sx1的集电极连接而成，连接后的第五绝缘栅双极型晶闸管Sx5的集电极连接至直流母线(1)的正极性端，第一绝缘栅双极型晶闸管Sx1的发射极连接至交流输出端x；所述x为A相交流输出端a、B相交流输出端b、C相交流输出端c；所述下半桥桥臂(25)由第八绝缘栅双极型晶闸管Sx8的集电极与第四绝缘栅双极型晶闸管Sx4的发射极连接而成，连接后的第八绝缘栅双极型晶闸管Sx8的发射极连接至直流母线(1)的负极性端，第四绝缘栅双极型晶闸管Sx4的集电极连接至交流输出端x；所述飞跨电容(22)由第一飞跨电容Cfx1的负极连接第二飞跨电容Cfx2的正极连接而成，连接后的正极性端连接至上半桥桥臂(21)的中点m，负极性端连接至下半桥桥臂(25)的中点n；所述左中点钳位型桥臂(24)由第六绝缘栅双极型晶闸管Sx6的发射极与第七绝缘栅双极型晶闸管Sx7的发射极连接而成，连接后的第六绝缘栅双极型晶闸管Sx6的集电极连接至直流母线(1)的中点O，第七绝缘栅双极型晶闸管Sx7的集电极连接至飞跨电容(22)的中点N；所述右...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建忠，徐帅，胡省，姜永将，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32