一種二極體箝位型多電平變換器直流電容電壓的均壓控制裝置的製作方法

2023-08-06 04:43:56

專利名稱：一種二極體箝位型多電平變換器直流電容電壓的均壓控制裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種二極體箝位型多電平變換器直流電容電壓的均壓控制裝置。
背景技術：
二極體箝位式多電平變換器利用多個串聯的直流電容接在直流側兩端，同時，變換器每個橋臂的多個串聯開關器件通過二極體連接在每個直流電容上，即通過二極體將開關器件的電壓箝位到連接的一個直流電容電壓上，將直流母線電壓分為多個電平。因此，每個橋臂的多個開關器件在不同的開關組合下可向交流側輸出不同電平的電壓信號。通過各種PWM(Pulse Width Modulation，脈寬調製)調製方法，二極體箝位式多電平變換器將多個電平輸出信號合成調製信號，電平數越多，變換器輸出的交流電壓越逼近調製信號。但是，在二級管箝位多電平變換器中，各個電容器上輸出不相等的功率將導致電容器上的電壓不相等，即出現所謂的電容電壓不平衡問題。通過優化的PWM調製方法，直流電容在一定條件下能夠實現電壓平衡與穩定，其平衡與穩定的條件與負載電流的相角有關。當多電平變換器傳遞純有功電流時，即負載電流角度在0度附近時，為保證直流電壓穩定，要求PWM調製深度不大於0. 55，極大的限制二極體箝位電路在有功傳遞領域的應用。如果調製度過大將導致直流電容電壓的不平衡。直流電壓不平衡的結果是多電平變換器最終退化成兩電平變換器，同時失去多電平所具有的諸多優點，各個器件耐壓不均衡，甚至影響變換器的自身運行安全。

實用新型內容本實用新型的目的就是提供一種二極體箝位型多電平變換器直流電容電壓的均壓控制裝置。該裝置能夠在任意功率因數條件下，特別是在傳遞有功電流時，實現直流電容的電壓均壓與穩壓，使得變換器的PWM調製深度不再受直流電壓穩定條件的限制，保證在任意調製深度條件下實現有功或無功的傳遞。且其結構簡單，成本低，可靠性強。本實用新型實現其發明目的所採用的技術方案是一種二極體箝位型多電平變換器直流電容電壓的均壓控制裝置，包括二極體箝位型多電平變換器的多個直流電容Cln，η =1、2、3. . . N，其特徵是所述的多個直流電容Cln中的每個直流電容均與相應的輔助開關器件組並聯，所述的輔助開關器件組由2隻輔助開關器件Sna、Snb, η = 1、2、3. . . N串聯組成；相鄰的兩輔助開關器件組的中點連接輔助直流電容〔211，11=1、2、3..^;輔助開關器件 Sna, Snb的控制端則與輔助控制模塊相連。本實用新型的均壓控制裝置實現二極體箝位型多電平變換器直流電容電壓均壓控制的工作過程在一個調製周期的前半段，輔助控制模塊控制不相鄰的輔助開關器件Sna全部導通，其餘的輔助開關器件Snb全部關斷；調製周期的後半段，輔助控制模塊使開關器件開關狀態對調，即前半段開通的開關器件Sna此時關斷，前半段關斷的開關器件Snb此時開通。
3[0008]其具體工作原理是一個周期前半段不相鄰的開關器件全部導通，其餘的開關器件全部關斷。假設每個開關組中與直流電容正極端連接的開關器件Sna，η = 1、2、3. . . N導通，此時從直流電壓正極端算起，第一、第二、第三...第N-I個(N為多電平變換器的直流電容數)直流電容Cll、C12、C13. . . ClN-I分別與第一、第二、第三...第N-I個輔助電容C21、C22、 C23. . . C2N-1導通進行均壓；後半段則為每個開關組中與直流電流負極端側的開關器件 Snb, η = 1、2、3· · . N導通，此時第二、第三..·第N個直流電容C12、C13. · · ClN分別與第一、 第二、第三...第N-I個輔助電容導通進行均壓。因此，在一個PWM周期的前後段時期內，每一個輔助直流電容C2n-1將分別通過相連接的輔助開關器件組的兩個開關Sna、Snb與相鄰的2個直流電容Cln-1、Cln相連，從而實現了對2個直流電容電壓Cln-1、Cln的均壓，也即相鄰的任一直流電容Cln通過輔助電容C2n-1實現均壓。經過M個PWM周期後，從直流電壓正極端算起，第一個直流電容Cll總共完成了 M*N次均壓，其他直流電容Cln和輔助電容C2n總共完成了 2M*N次均壓。足夠長時間後所有直流電容Cln最終都將和所有輔助電容C2n的電壓趨於同一值，即實現直流電容電壓的穩壓與均壓。與現有技術相比，本實用新型的有益效果是一、由均壓控制裝置實現主電路直流電容的均壓與穩壓，因此與主電路的PWM調製方法和控制方法無關，不影響現有主電路和控制原理，可用於任一電平、任一結構的二極體箝位變換器的改造和新造，使用範圍廣，實施方便容易。二、均壓控制裝置的開關器件的控制採用不相鄰開關器件等分時輪流導通，策略簡單，對控制模塊的軟硬體要求低；且不需要主電路或者均壓控制裝置的電壓和電流信息， 因此不需要附加傳感器等信號採集硬體，也使整個電路簡單可靠，製作與維護成本低。三、該均壓控制裝置解決了二極體箝位電路各直流電容電壓的均壓問題。特別是在傳遞有功電流時，也可實現直流電容的電壓均壓與穩壓，因此就解決了由於直流電容電壓不均衡所導致的相關問題。即增設了該穩壓電路的二極體箝位多電平變換器不再受直流電壓穩定條件的限制，能夠在任意功率因數和任意調製深度條件下實現有功或無功的傳遞。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細說明。
圖1是本實用新型實施例1的五電平二極體五電平箝位變換器電路原理圖。圖2是本實用新型用於N+1電平二極體箝位變換器的電路原理簡化示意圖。
具體實施方式
實施例1圖1示出，本實用新型的一種具體實施方式
是一種二極體箝位型五電平變換器直流電容電壓的均壓控制裝置，包括二極體箝位型五電平變換器的四個直流電容C11、C12、 C13、C14。四個直流電容Cll、C12、C13、C14中的每個直流電容與一輔助開關器件組並聯， 該輔助開關器件組由2隻輔助開關器件Sla、Slb或S2a、S2b或S3a、S3b或S4a、S4b串聯組成；相鄰的兩輔助開關器件組的中點(即兩輔助開關器件的連接點)連接輔助直流電容 C21、C22、或C23;輔助開關器件的控制端則與輔助控制模塊相連。使用本例的二極體箝位型多電平變換器直流電容電壓的均壓控制裝置實現直流電容電壓均壓的控制方法是在一個調製周期的前半段，輔助控制模塊控制不相鄰的輔助開關器件Sla、S2a、S3a、S4a導通，其餘的輔助開關器件Sib、S2b、S3b、S4b關斷；調製周期的後半段，輔助控制模塊使開關器件開關狀態對調，即前半段開通的開關器件Sla、S2a、 S3a、S4a此時關斷，前半段關斷的開關器件Sib、S2b、S3b、S4b此時開通。本實施例的具體工作原理是一個周期前半段不相鄰的開關器件導通，其餘的開關器件關斷，假設每個開關組中正極端側的開關器件Sla、S2a、S3a、S4a導通，此時從直流電壓正極端算起，第一、第二、 第三個直流電容Cll、C12、C13分別與第一、第二、第三輔助電容C21、C22、C23導通進行均壓；後半段則為每個開關組中負極端側的開關器件導通，此時第二、第三第四個直流電容 C12、C13、C14分別與第一、第二、第三個輔助電容C21、C22、C23導通進行均壓。輔助直流電容與相應直流電容導通進行均壓的具體分析與計算如下為簡化分析，假設各電容的電容值相同，且初始時，輔助直流電容C21、C22、C23的電壓為0，即VC21(T00) = VC22 (TOO) = VC23 (TOO) = 0，直流電容C11-C14的電壓分別是 VCl 1 (TOO)，VC12 (T00)，VC13 (T00)，VC14 (T00)。在第一次PWM 周期起始時刻(T00)後，Sla、S2a、S3a、S4a 開通，Slb、S2b、S3b、S4b 關斷，則輔助電容C21通過Sla和Sh與主電路電容Cll直接相連，由於此時VCll (T00) > VC21 (TOO)，則Cll通過開關管Sla和開關管S2a的反並二極體對C21進行充電。類似C12 通過開關管Sh和開關管S3a的反並二極體對C22進行充電；C13通過開關管S3a和開關管S^的反並二極體對C23進行充電。C14由於S!3b和S4b關斷，與輔助電路無任何電流通道。如果開關狀態保持的時間足夠長，則(11、(12、(13對021丄22丄23充電直到二者電壓相等時刻(TOla)，Cll和C21實現均壓，此時，VCll(TOla) = VC21(TOla) = [VC21 (TOO)+VCll (TOO) ]/2 = VClI(TOO)/2 ；同理，C12和C22實現均壓VC12 (TOla) = VC22 (TOla) = VC12(T00)/2 ；C13和C23實現均壓VC13 (TOla) = VC23 (TOla) = VC13T00)/2 ；電容C14電壓由於無電流通路，維持初始電壓VCH(TOO)不變，即VC14 (TOla) = VC14 (T00)。在後半段(TOlb)，所有的輔助電力電子開關器件開關狀態對調，此時Sla、S2a、 S3a、S4a關斷，則Sib、S2b、S3b、S4b導通。此時輔助電容C21通過Slb和S2b與主電路電容C12直接相連，此時電容Cll由於Sla和Sh關斷，與電容C21-C23無電流通路，所以維持上一時刻電壓VCll(TOla)不變；另外，如果VC12 > VC21，則C12對C21充電；如果VC12 < VC21則C21對C12充電。同理分析，C13對C22進行充放電，C14對C23進行充放電。如果TOlb時刻後的開關狀態保持的時間足夠長，則C12、C13、C14對C21、C22、 C23充電或者C21、C22、C23對C12、C13、C14充電直到二者電壓相等時亥Ij (T02a)。此時
5VCll (T02a)維持上一時刻電壓VCll(TOla)不變，即，VCll (T02a) = VCll(TOla) = VClI(TOO)/2 ；如果VC12與VC21均壓，得VC12 (T02a) = VC21 (T02a) = [VC12 (TOla) +VC21 (TOla) ] / 2 = [VC12 (TOO)+VClI(TOO)]/4 ；同樣，VC13 與 VC22，可得VC13(T02a) = VC22 (T02a) = [VC13 (TOO)+VC12 (TOO) ]/4 ；VC14與VC33均實現均壓，可得VC14(T02a) = VC33 (T02a) = [2*VC14 (TOO)+VC13 (TOO)]/4 ；該狀態一直保持到下一次PWM周期的開始。從而每一個輔助直流電容C21、C22、C23在一個PWM周期的前後段時期內，分別通過相連接的輔助開關器件組的兩個開關與相鄰的2個直流電容相連實現對2個直流電容電壓的均壓，也即相鄰的任一直流電容(如Cll和C12，C12和C13)通過輔助電容實現均壓。 經過M個PWM周期後，第一、第四個直流電容Cll、C14和輔助電容完成M*N次均壓，其他直流電容和輔助電容完成2M*N次均壓。經過多個PWM控制周期後，所有輔助直流電容與直流電容的電壓差逐漸減小，所有直流電容的電壓值很快趨於相等，即可實現直流電容的均壓與穩壓。實施例2—種二極體箝位型七電平變換器直流電容電壓的均壓控制裝置，包括二極體箝位型七電平變換器的六個直流電容C11、C12、C13、C14、C15、C16。六個直流電容C11、C12、C13、 C14、C15、C16中的每個直流電容均與一輔助開關器件組並聯，該輔助開關器件組由2隻輔助開關器件 Sla,Slb 或 S2a、S2b 或 S3a、S3b 或 S4a、S4b 或 S5a、S5b 或 S6a、S6b 串聯組成； 相鄰的兩輔助開關器件組的中點(即兩輔助開關器件的連接點)連接輔助直流電容；輔助開關器件的控制端則與輔助控制模塊相連。使用本例的二極體箝位型七電平變換器直流電容電壓的均壓控制裝置實現直流電容電壓均壓的控制方法是在一個調製周期的前半段，輔助控制模塊控制不相鄰的輔助開關器件Sla、S2a、S3a、S4a、Sfe和S6a導通，其餘的輔助開關器件Slb、S2b、S3b、S4b、S5b、 S6b關斷；調製周期的後半段，輔助控制模塊使開關器件開關狀態對調，即前半段開通的開關器件Sla、S^i、S3a、S^、Sfe和S6a此時關斷，前半段關斷的開關器件Slb、S2b、S3b、S4b、 S5b、S6b此時開通。顯然，本實用新型除可用於五電平變換器、七電平變換器外，還可用於任意N+1電平變換器。圖2給出了本實用新型用於N+1電平變換器的電容電壓的均壓控制電路，包括二極體箝位型N+1電平變換器的N個直流電容Cln，η = 1、2、3...Ν。N個直流電容Cln中的每個直流電容均與相應的輔助開關器件組並聯。輔助開關器件組由2隻輔助開關器件Sna、 Snb, η = 1、2、3. . .N串聯組成；相鄰的兩輔助開關器件組的中點連接輔助直流電容C2n，η =1、2、3. . . N ；輔助開關器件Sna、Snb的控制端則與輔助控制模塊相連。二極體箝位型多(N+1)電平變換器直流電容電壓的均壓控制電路實現直流電容電壓均壓的控制方法是在一個調製周期的前半段，輔助控制模塊控制不相鄰的輔助開關器件Sna全部導通，其餘的輔助開關器件Snb全部關斷；調製周期的後半段，輔助控制模塊使開關器件開關狀態對調，即前半段開通的開關器件Sna此時關斷，前半段關斷的開關器件Snb此時開通。
權利要求1. 一種二極體箝位型多電平變換器直流電容電壓的均壓控制裝置，包括二極體箝位型多電平變換器的多個直流電容Cln，η = 1、2、3. . . N，其特徵是所述的多個直流電容Cln中的每個直流電容均與相應的輔助開關器件組並聯，所述的輔助開關器件組由2隻輔助開關器件Sna、Snb，η = 1、2、3. . . N串聯組成；相鄰的兩輔助開關器件組的中點連接輔助直流電容C2n，η = 1、2、3. . . N ；輔助開關器件Sna、Snb的控制端則與輔助控制模塊相連。
專利摘要本實用新型公開了一種二極體箝位型多電平變換器直流電容電壓的均壓控制裝置，包括二極體箝位型多電平變換器的多個直流電容C1n，n＝1、2、3...N，多個直流電容C1n中的每個直流電容均與相應的輔助開關器件組並聯，所述的輔助開關器件組由2隻輔助開關器件Sna、Snb，n＝1、2、3...N串聯組成；相鄰的兩輔助開關器件組的中點連接輔助直流電容C2n，n＝1、2、3...N；輔助開關器件Sna、Snb的控制端則與輔助控制模塊相連。該電路能夠在任意功率因數條件下，特別是在傳遞有功電流時，實現直流電容的電壓均壓與穩壓，使得變換器的PWM調製深度不再受直流電壓穩定條件的限制，保證在任意調製深度條件下實現有功或無功的傳遞。且其結構簡單，成本低，可靠性強。
文檔編號H02M7/487GK202183739SQ201120252318
公開日2012年4月4日 申請日期2011年7月17日 優先權日2011年7月17日
發明者舒澤亮 申請人:西南交通大學