具有中点电压平衡性能的开关电容变流器及调制方法

本发明涉及变流器，尤其涉及具有中点电压平衡性能的开关电容变流器及调制方法。

背景技术：

1、箝位多电平变流器采用箝位在中性点(np)的器件，以获得额外的开关状态，并减少浮动电容器的使用。因此，箝位变流器因其功率密度高、dv/dt低和适当的控制复杂性而在中高压应用中表现出色。中性点箝位(npc)变流器是最经典的箝位多电平拓扑结构之一，已被广泛商业化。然而，当npc变流器扩展到四电平或更高时，就会出现严重的np电压不平衡问题，这阻碍了它在更高电压应用中的部署。

2、传统的相位分布脉宽调制只能使四级或四级以上的npc变流器在有限的功率因数和调制指数下实现np电压平衡。np电压的偏差将导致输出电能质量下降、功率开关的开关应力增大，甚至对变流器造成不可逆的损坏。因此，建议采用模型预测控制和虚拟空间矢量来实现np电压平衡。然而，这些方法计算量大，实现起来也很复杂。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于，提供一种具有中点电压平衡性能的开关电容变流器及调制方法，以解决现有的变流器所存在的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有中点电压平衡性能的开关电容变流器，包括:

3、所述变流器的拓扑结构包括：

4、直流链路，包括串联连接的第一电容、第二电容和第三电容，在所述第一电容与所述第二电容之间提供第一中性点，在所述第二电容和所述第三电容之间提供第二中性点；

5、三个相位，每个所述相位的均连接于所述第一中性点和所述第二中性点；

6、其中，每个相位包括2个开关电容和11个功率开关，其中，第一功率开关和第四功率开关串联，第八功率开关和第十一功率开关串联，第二功率开关、第三功率开关、第十功率开关和第九功率开关串联后，一端连接于第一功率开关和第四功率开关之间，另一端连接于第八功率开关和第十一功率开关之间；

7、第一开关电容、第五功率开关、第二开关电容和第七功率开关形成串联回路，第六功率开关的一端连接于第一开关电容和第七功率开关之间，另一端连接于第五功率开关和第二开关电容之间，形成开关电容电路；

8、所述开关电容电路的一端连接于第二功率开关和第三功率开关之间，另一端连接于第十功率开关和第九功率开关之间。

9、在一些实施方式中，第一功率开关与所述第四功率开关互补、第二功率开关与第九功率开关互补、第三功率开关与第十功率开关互补、第六功率开关与第五功率开关或第七功率开关互补、第八功率开关分别与第十一功率开关互补；

10、第一功率开关与第四功率开关共用一个栅极信号，第五功率开关与第七功率开关共用一个栅极信号。

11、本发明还提供一种变流器的调制方法，应用于上述的具有中点电压平衡性能的开关电容变流器，所述调制方法包括：

12、控制第二电容、第一开关电容和第二开关电容的电压自然平衡约束；

13、根据所述变流器的瞬时输出相电压的取值范围不同，确定第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关和第六功率开关的基准调制电压；

14、基于所述第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关和第六功率开关的基准调制电压完成对所述变流器的调制。

15、在一些实施方式中，所述第二电容的电压自然平衡条件可由如下公式得出：

16、

17、式中，为流出第二电容的电流的平均值，为流出第一中性点的电流的平均值，为流出第二中性点的电流的平均值，tc为每个载波周期的时间，f2，x为第二功率开关的开关函数，f1，x为第一功率开关的开关函数，io，x为输出相电流，x为相位。

18、在一些实施方式中，所述第一开关电容和第二开关电容的电压自然平衡条件可由如下公式得出：

19、

20、式中，为流出第一开关电容或第二开关电容的电流的平均值，tc为每个载波周期的时间，f3，x为第三功率开关的开关函数，f2，x为第二功率开关的开关函数，f6，x为第六功率开关的开关函数，io，x为输出相电流，x为相位。

21、在一些实施方式中，所述基于所述相位参考调制电压和相输出电压的取值范围确定变流器的调制方法的步骤，包括：

22、当0≤vo,x＜1.25e时，第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关和第六功率开关的参考调制电压为：

23、

24、当1.25e≤vo,x＜2.5e时，第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关和第六功率开关的参考调制电压为：

25、

26、当2.5e≤vo,x＜3.75e时，第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关和第六功率开关的参考调制电压为：

27、

28、当3.75e≤vo,x＜5e时，第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关和第六功率开关的参考调制电压为：

29、

30、上式中，ur1,x为第一功率开关的基准调制电压，ur2,x为第二功率开关的基准调制电压，ur3,x为第三功率开关的基准调制电压，ur6,x为第六功率开关的基准调制电压，d1,x为第一功率开关的占空比，d2,x为第二功率开关的占空比，d3,x为第三功率开关的占空比，d6,x为第六功率开关的占空比，ur,x为基准调制电压，vo,x为瞬时输出相电压。

31、在一些实施方式中，所述调制方法还包括：

32、采用双三角函数关系平衡第一中性点和第二中性点电压，其中，所述双三角函数关系中的最小值对应于所述变流器的输出相电流。

33、在一些实施方式中，所述调制方法还包括：

34、基于第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关和第六功率开关的基准调制电压的增加值对各功率开关进行调节，得到第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关和第六功率开关的参考调制电压，使得第二电容、第一开关电容和第二开关电容之间的电压平衡；

35、选取出零序电压的范围中的最优零序电压，注入最优零序电压，使得第一电容和第三电容之间的电压平衡。

36、在一些实施方式中，第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关和第六功率开关的参考调制电压表示为：

37、上式中，u′r1,x为第一功率开关的参考调制电压，u′r2,x为第二功率开关

38、

39、

40、

41、的参考调制电压，u′r3,x为第三功率开关的参考调制电压，u′r6,x为第六功率开关的参考调制电压，为第二电容电压平衡的基准调制电压增量，为第一开关电容和第二开关电容电压平衡的基准调制电压增量，regioni为瞬时输出相电压取值范围的四个区域中的区域i，regionii为为瞬时输出相电压取值范围的四个区域中的区域ii，regioniii为瞬时输出相电压取值范围的四个区域中的区域ⅲ，regionvi为瞬时输出相电压取值范围的四个区域中的区域ⅳ，ur,x为基准调制电压。

42、在一些实施方式中，选取出零序电压的范围中的最优零序电压的步骤包括：

43、根据零序电压的范围选择等距离的多个等距点；

44、根据多个等距点计算多个所述变流器的三相总无功电流的平均值；

45、选取出多个三相总无功电流的平均值中最接近的中性点总平均电流值的三相总无功电流的平均值，作为最优零序电压。

46、本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明一种具有中点电压平衡性能的开关电容变流器及调制方法可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：

47、(一)具有中点电压平衡性能的开关电容变流器中采用sc(开关电容)电路取代浮动电容器，减少受控电容器的数量并获得更多电平，同时合理分配直流链路电容器的法向电压，以优化开关电压应力。具有中点电压平衡性能的开关电容变流器的最大开关应力更低、受控电容器更少。同时取消了最高电压的飞电容，有助于减小变流器的体积和重量，尤其是在高压和大功率应用中。

48、(二)为适应具有中点电压平衡性能的开关电容变流器的非线性输出电压特性，本发明的变流器的调制方法考虑了开关电容和直流链路中心电容器的自然电压平衡约束，以尽量减少电压纹波，并且解耦了开关功能对scs电压的影响，简化了后续电容器电压主动平衡方法的设计难度。

49、(三)本发明提出了具有中点电压平衡性能的开关电容变流器的一种新的双三角形函数关系，与其他传统函数关系相比，该函数关系通过zvs(零序电压)注入显示出卓越的np(中性点)电压平衡性能，且无需其他辅助方法，尤其是在低功率因数和高调制指数条件下。

50、(四)本发明的电容器电压主动平衡方法由电容器电压纹波模型推导而来，通过稍微修改占空比来主动平衡sc和直流链路中心电容器的电压，而直流链路上下电容器则通过zsv注入来平衡，所有电容器电压均可相互解耦并独立控制。

51、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。