CN112803810A - 一种五电平电压源型变换装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种电压源型五电平变换装置及控制方法，属于电力电子变换装器领域。本装置由5个电容器：C1、C2、C3、C4、C5，10个绝缘栅双极晶体管：IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10.以及4个接线端：第一接线端(1)、第二接线端(2)、第三接线端(3)、第四接线端(4)构成。本拓扑结构简单通过十个开关器件的导通与关断控制五种电平的输出。在本装置中所有绝缘栅双极晶体管耐压均相同因此不需要再采用额外的均压措施，且不需要任何钳位二极管，实现功能全面，控制方式灵活、成本低效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种五电平电压源型变换装置，属于电力电子变换装器领域。
背景技术
近些年来，属于电力电子领域的电力电子技术以及控制技术的不断进步和全面发展，电力电子的装置也被广泛使用，人们对电力电子装置的大功率、耐高压、低谐波扰动的要求越来越高。多电平变换装置具有功率大、开关频率低、输出谐波小、动态响应速度快、电磁兼容性好等优点。除此之外还可以将某些本身耐压值低的电力电子器件可靠的应用于高压大功率领域，从而有效地减少脉宽调制(PWM控制)产生的高次谐波。但是在大众所熟知的二极管钳位型五电平变换装置中其二极管数目较多、飞跨电容型五电平变换装置的控制方式又太复杂、H桥级联型五电平变换装置又额外需要独立直流电压源，这些五电平变换装置都存在一些固有的缺点，这就导致在实际中没有可实际使用的五电平变换装置。
在实际应用中还需要考虑一个非常重要的因素就是均压的问题，不是同一型号的绝缘栅双极晶体管串联，那么将导致这两个不同型号的绝缘栅双极晶体管两端所承受电压不同，耐压低的晶体管可能承受了较高的电压，最终可能导致绝缘栅双极晶体管烧毁损坏，将导致系统成本增加，功耗增加，效率降低。因此在实际安装时，绝不可以将不同类型的绝缘栅双极晶体管混合使用。所以一个实用的五电平变换装置不仅要在理论上可行，还要考虑在实际的应用中可能出现的问题。
目前国内外尚未发明一种能有效直流分压、开关控制频率低、功能实现全面的五电平电压源型变换装置，本发明针对以上不足都有实质性的改进，具有良好的现实意义和良好应用前景。
发明内容
针对上述现有存在的技术问题，本发明提供的一种五电平电压源型变换装置不仅结构简单、控制灵活，不仅没有无功通路且效率明显。该装置没有较多电容器，且不需要钳位二极管，每个绝缘栅双极晶体管所受的电压均相同。
本装置包含5个电容器：C1、C2、C3、C4、C5，10个绝缘栅双极晶体管：IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10.以及4个接线端：第一接线端(1)、第二接线端(2)、第三接线端(3)、第四接线端(4)。
所有的绝缘栅双极晶体管均逆并联一个二极管，其主要特征变现为电容器C1和绝缘栅双极晶体管IGBT1集电极连接在第一接线端(1)上；
所述电容器C1、电容器C2与绝缘栅双极晶体管IGBT2发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT3集电极连接在第二接线端(2)上；
所述电容器C2与绝缘栅双极晶体管IGBT4发射极连接在第三接线端(3)上；
绝缘栅双极晶体管IGBT1的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT2集电极与绝缘栅双极晶体管IGBT5集电极连接在一起；
绝缘栅双极晶体管IGBT2发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT3集电极与第二接线端(2)连接在一起；
绝缘栅双极晶体管IGBT3发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT10发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT4集电极连接在一起；
电容器C3和绝缘栅双极晶体管IGBT5发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT6集电极连在一起；
电容器C4和绝缘栅双极晶体管IGBT9发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT10集电极连在一起；
电容器C3和电容器C4串联；
绝缘栅双极晶体管IGBT6发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT7集电极与绝缘栅双极晶体管IGBT8发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT9集电极分别连接在电容器C5的两极；
每个绝缘栅双极晶体管也可以被其他管如电力晶体管、电力场效应晶体管、门极可关断晶闸管等代替。
第一接线端(1)、第二接线端(2)、第三接线端(3)为直流输入端，第四接线端(4)、第五接线端(5)、第六接线端(6)为三相交流输出端，所有桥臂上都并联一到两个飞跨电容。
第一接线端(1)、第二接线端(2)、第三接线端(3)为三相交流输入端，第四接线端(4)、第五接线端(5)、第六接线端(6)为三相交流输出端，所有桥臂上都并联一到两个飞跨电容。
所述电容器C1和电容器C2是电容器C3、电容器C4和电容器C5预设电压值的两倍。
根据权利要求1或权利要求2所述的一种五电平电压源型变换装置，其特征在于所述的五电平拓扑单元可以工作在五个工作模态，分别是第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态、第五工作模态，从而使得所述输出端为交流电压。当所述五电平变换装置工作在第一工作模态时，所述交流端的电压为零；当所述五电平变换装置工作在第二工作模态时，所述交流端的电压与所预设电压值相等；当所述五电平变换装置工作在第三工作模态时，所述交流端的电压为所述预设电压值的两倍；当所述五电平变换装置工作在第四工作模态时，所述交流端的电压是所述预设电压值的负一倍；当所述五电平变换装置工作在第五工作模态时，所述交流端的电压是所预设电压值的负两倍。
根据权利要求1所述的一种五电平电压源型变换装置，其特征在于，
所述第四开关器件、所述第六开关器件、所述第七开关器件和所述第十开关器件导通，其他开关器件截止以使得所述五电平变换装置工作在第一工作模态；
所述第三开关器件、所述第七开关器件、所述第九开关器件和所述第十开关器件导通，其他开关器件截止以使得所述五电平变换装置工作在第二工作模态；
所述第一开关器件、所述第五开关器件、所述第六开关器件和所述第七开关器件导通，其他开关器件截止以使得所述五电平变换装置工作在第三工作模态；
所述第二开关器件、所述第五开关器件、所述第六开关器件和所述第八开关器件导通，其他开关器件截止以使得所述五电平变换装置工作在第四工作模态；
所述第四开关器件、所述第八开关器件、所述第九开关器件和所述第十开关器件导通，其他开关器件截止以使得所述五电平变换装置工作在第五工作模态；
根据权利要求8所述的五电平电压源型变换装置，其特征在于根据不同开关器件的导通与截止状态以使得所述五电平变换装置工作在所需要的相应的工作模态。
与现有技术相比，本发明五电平电压源型变换装置中所有的绝缘栅双极晶体管所受耐压均相同，因此使用时只需选用一种型号绝缘栅双极晶体管，从而与之并联的开关管也只需选择一种型号即可，这将大大方便了开关管的设计与安装。本装置在一个四电平飞跨电容单元基础上增加两个二电平基本单元构成。结构简单，控制灵活，易于搭建；通过十个开关器件的导通与关断，将不同的开关组合一共可以输出五种电平，成本不高的同时减少了元器件的导通损耗进而减小了元器件占整体损耗的比例，从而提高了功率。
附图说明
图1是本发明的五电平电压源型变换装置拓扑结构图；
图2是具体实施案例一的拓扑结构图；
图3是具体实施案例二的拓扑结构图；
图4是具体实施案例三的拓扑结构图；
图5是具体实施案例四的拓扑结构图；
图6是具体实施案例五的拓扑结构图；
图7是具体实施案例六的拓扑结构图；
图8是本发明处于第一工作模态的拓扑图；
图9是本发明处于第二工作模态的拓扑图；
图10是本发明处于第三工作模态的拓扑图；
图11是本发明处于第四工作模态的拓扑图；
图12是本发明处于第五工作模态的拓扑图。
具体实施方式
为了能够更加清楚明白的了解本发明的技术优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明作具体的说明，并且所描述的具体实施案例仅用以解释本发明，并不限定于本发明。
如图1所示，本申请五电平电压源型变换装置由5个电容器：C1、C2、C3、C4、C5，10个绝缘栅双极晶体管：IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10.以及4个接线端：第一接线端(1)、第二接线端(2)、第三接线端(3)、第四接线端(4)构成。
电容器C1和绝缘栅双极晶体管IGBT1集电极连接在第一接线端(1)上；
电容器C1、电容器C2与绝缘栅双极晶体管IGBT2发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT3集电极连接在第二接线端(2)上；
电容器C2与绝缘栅双极晶体管IGBT4发射极连接在第三接线端(3)上；
绝缘栅双极晶体管IGBT1的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT2集电极与绝缘栅双极晶体管IGBT5集电极连接在一起；
绝缘栅双极晶体管IGBT2发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT3集电极与第二接线端(2)连接在一起；
绝缘栅双极晶体管IGBT3发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT10发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT4集电极连接在一起；
电容器C3和绝缘栅双极晶体管IGBT5发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT6集电极连在一起；
电容器C4和绝缘栅双极晶体管IGBT9发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT10集电极连在一起；
电容器C3和电容器C4串联；
绝缘栅双极晶体管IGBT6发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT7集电极与绝缘栅双极晶体管IGBT8发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT9集电极分别连接在电容器C5的两极；
通过控制不同的绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10的开通与关断可以实现五个电平的电压输出。
绝缘栅双极晶体管IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10与电容器C2、C3、C4构成飞跨型电容变换器；
在本发明中所有绝缘栅双极晶体管与电容器、驱动板、控制版集成为一个模块。
每个绝缘栅双极晶体管不仅是同一类型，还可由其他全控类型全控器件代替使用，如门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管等。
第一接线端1与第三接线端3之间的电压为直流母线电压。
当该发明工作时，电容器C1和电容器C2分别为接线端1和接线端3之间电压的1/2,电容器C3、C4、C5分别是电容器C1、C2的1/2,每个绝缘栅双极晶体管分别是直流母线电压的1/4。
图2是本发明的实施案例一，它是由三个本发明组成的一种三相逆变器拓扑结构电路，该实施主要功能是将直流电逆变成三相交流电，第一接线端1、第二接线端2、第三接线端3、为直流输入端，第四接线端4、第五接线端5、第六接线端6为三相交流的输出端，该实施案例的主要特点是在每相桥臂中均安装了直流母线电容，为了系统的稳定并减少谐波等影响，需要将电容器安装在每相的桥臂附近。
图3是本发明的实施案例二，它是由三个本发明组成的一种三相逆变器拓扑结构电路，该实施主要功能是将直流电逆变成三相交流电，第一接线端1、第二接线端2、第三接线端3、为直流输入端，第四接线端4、第五接线端5、第六接线端6为三相交流的输出端，该实施案例的主要特点是每项桥臂共用一个直流母线电容，这样就大大减少了电容器的数量，使系统更加简单，体积大大减小。
图4是本发明的实施案例三，它是由三个本发明组成的一种三相逆变器拓扑结构电路，该实施主要功能是将三相交流电逆变成直流电，第一接线端1、第二接线端2、第三接线端3、为三相交流输入端，该实施案例的主要特点是在每相桥臂中均安装了直流母线电容，为了系统的稳定并减少谐波等影响，需要将电容器安装在每相的桥臂附近。除了逆变之外该实施案例还有整流的功能。
图5是本发明的实施案例四，它是由三个本发明组成的一种三相逆变器拓扑结构电路，该实施主要功能是将三相交流电逆变成直流电，第一接线端1、第二接线端2、第三接线端3、为三相交流输入端，该实施案例的主要特点是每项桥臂共用一个直流母线电容，这样就大大减少了电容器的数量，使系统更加简单，体积大大减小。该实施案例装置除了逆变之外该实施案例还有整流的功能。
图6是本发明的实施案例五，它是由三个本发明组成的一种三相逆变器拓扑结构电路，该实施主要功能是将三相交流电转换成三相交流电，第一接线端1、第二接线端2、第三接线端3、为三相交流输入端，第四接线端4、第五接线端5、第六接线端6为三相交流的输出端，该实施案例的主要特点是在每相桥臂中均安装了直流母线电容，为了系统的稳定并减少谐波等影响，需要将电容器安装在每相的桥臂附近。
图7是本发明的实施案例六，它是由三个本发明组成的一种三相逆变器拓扑结构电路，该实施主要功能是将三相交流电转换成三相交流电，第一接线端1、第二接线端2、第三接线端3、为三相交流输入端，第四接线端4、第五接线端5、第六接线端6为三相交流的输出端，该实施案例的主要特点是每项桥臂共用一个直流母线电容，这样就大大减少了电容器的数量，使系统更加简单，体积大大减小。
上述仅给出部分实施案例，并不排除还有其他更佳的实施案例。以上对本申请提供的五电平逆变拓扑结构进行介绍，还对及其原理和具体实施方式进行阐述。本次五电平电压源型转换装置中电容器C1和电容器C2分别为接线端1和接线端3之间电压的1/2,电容器C3、C4、C5分别是电容器C1、C2的1/2,每个绝缘栅双极晶体管分别是直流母线电压的1/4，所用的绝缘栅双极晶体管均为同一型号，没有钳位二极管，结构简单，功能全面，控制灵活多变。
图8给出了本申请提供的五电平变换装置的第一工作模态的拓扑图，即第一开关器件、第五开关器件、第八开关器件、第九开关器件导通其余开关器件均截止；在图中不导同的路径以细实线表示，导通路径用粗实线表示。电流流通路径为DC1-T1-T5-C3-C4-T9-T8-AC。
图9给出了本申请提供的五电平变换装置的第二工作模态的拓扑图，即第三开关器件、第七开关器件、第九开关器件、第十开关器件导通其余开关器件均截止；在图中不导同的路径以细实线表示，导通路径用粗实线表示。电流流通路径为DC2-T3-T10-T9-C5-T7-AC
图10给出了本申请提供的五电平变换装置的第三工作模态的拓扑图，即第一开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件导通其余开关器件均截止；在图中不导同的路径以细实线表示，导通路径用粗实线表示。电流流通路径为DC1-T1-T5-T6-T7-AC
图11给出了本申请提供的五电平变换装置的第四工作模态的拓扑图，即第二开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第八开关器件导通其余开关器件均截止；在图中不导同的路径以细实线表示，导通路径用粗实线表示。电流流通路径为DC2-T2-T5-T6-C5-T8-AC
图12给出了本申请提供的五电平变换装置的第五工作模态的拓扑图，即第四开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件导通其余开关器件均截止；在图中不导同的路径以细实线表示，导通路径用粗实线表示。电流流通路径为DC3-T4-T10-T9-T8-AC。
Claims (8)
1.一种电压源型五电平变换装置，其特征在于，包括5个电容器：C1、C2、C3、C4、C5，10个绝缘栅双极晶体管：IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10，以及4个接线端：第一接线端(1)、第二接线端(2)、第三接线端(3)、第四接线端(4)。
2.根据权利要求1所述的一种电压源型五电平变换装置，其特征在于，所述10个绝缘栅双极晶体管均逆并联一个二极；管
电容器C1和绝缘栅双极晶体管IGBT1集电极连接在第一接线端(1)上；
电容器C1、电容器C2与绝缘栅双极晶体管IGBT2发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT3集电极连接在第二接线端(2)上；
电容器C2与绝缘栅双极晶体管IGBT4发射极连接在第三接线端(3)上；
绝缘栅双极晶体管IGBT1的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT2集电极与绝缘栅双极晶体管IGBT5集电极连接在一起；
绝缘栅双极晶体管IGBT2发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT3集电极与第二接线端(2)连接在一起；
绝缘栅双极晶体管IGBT3发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT10发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT4集电极连接在一起；
所述电容器C3和绝缘栅双极晶体管IGBT5发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT6集电极连在一起；
所述电容器C4和绝缘栅双极晶体管IGBT9发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT10集电极连在一起；
所述电容器C3和电容器C4串联；
绝缘栅双极晶体管IGBT6发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT7集电极与绝缘栅双极晶体管IGBT8发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT9集电极分别连接在电容器C5的两极。
3.根据权利要求1所述的一种电压源型五电平变换装置，其特征在于，所述第一接线端(1)、第二接线端(2)、第三接线端(3)为直流输入端，第四接线端(4)、第五接线端(5)、第六接线端(6)为三相交流输出端，所有桥臂上都并联一到两个飞跨电容。
4.根据权利要求1所述的一种电压源型五电平变换装置，其特征在于，所述电容器C1和电容器C2是电容器C3、电容器C4和电容器C5预设电压值的两倍。
5.根据权利要求1所述的一种电压源型五电平变换装置，其特征在于，所述第一接线端(1)、第二接线端(2)、第三接线端(3)为三相交流输入端，第四接线端(4)、第五接线端(5)、第六接线端(6)为三相交流输出端，所有桥臂上都并联一到两个飞跨电容。
6.一种电压源型五电平变换装置的控制方法，其特征在于，所述五电平拓扑单元可以工作在五个工作模态，分别是第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态、第五工作模态，从而使得所述输出端为交流电压；当所述五电平变换装置工作在第一工作模态时，所述交流端的电压为零；当所述五电平变换装置工作在第二工作模态时，所述交流端的电压与所预设电压值相等；当所述五电平变换装置工作在第三工作模态时，所述交流端的电压为所述预设电压值的两倍；当所述五电平变换装置工作在第四工作模态时，所述交流端的电压是所述预设电压值的负一倍；当所述五电平变换装置工作在第五工作模态时，所述交流端的电压是所预设电压值的负两倍。
7.根据权利要求6所述所述的方法，其特征在于，
所述第四开关器件、所述第六开关器件、所述第七开关器件和所述第十开关器件导通，其他开关器件截止以使得所述五电平变换装置工作在第一工作模态；
所述第三开关器件、所述第七开关器件、所述第九开关器件和所述第十开关器件导通，其他开关器件截止以使得所述五电平变换装置工作在第二工作模态；
所述第一开关器件、所述第五开关器件、所述第六开关器件和所述第七开关器件导通，其他开关器件截止以使得所述五电平变换装置工作在第三工作模态；
所述第二开关器件、所述第五开关器件、所述第六开关器件和所述第八开关器件导通，其他开关器件截止以使得所述五电平变换装置工作在第四工作模态；
所述第四开关器件、所述第八开关器件、所述第九开关器件和所述第十开关器件导通，其他开关器件截止以使得所述五电平变换装置工作在第五工作模态。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据不同开关器件的导通与截止状态以使得所述五电平变换装置工作在所需要的相应的工作模态。
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