适用于宽功率因数的开关电容混合钳位变流器及调制方法

本发明涉及变流器，尤其涉及适用于宽功率因数的开关电容混合钳位变流器及调制方法。

背景技术：

1、由于具有低dv/dt、低电压应力和高输出性能等优点，多电平变流器在大功率和中电压应用中颇具吸引力。在众多多电平变流器拓扑结构中，最经典的拓扑结构是二极管箝位、飞行电容和级联h桥。然而，随着工业环境对更高电压等级和电能质量的高要求，这些经典拓扑结构的缺陷逐渐暴露出来，如大量二极管、浮动电容器、独立电源等。为了解决这些经典多电平转换器的缺陷，人们提出了许多新型混合多电平变流器。在多种变流器中，5l-npc没有浮动电容，只能通过箝位二极管实现多级电压输出，导致中点电压平衡困难，因此5l-npc只能在有限的功率因数和调制指标范围内实现直流链路电容电压平衡。对于5l-hc、5l-anpc和5lsm变流器，中性点电压平衡问题得到缓解，但仍然依赖于中性点电流占空比与参考调制电压之间的关系。功率因数较低时，5l-hc、5l-anpc和5l-sm的输出电流最大值对应中性点电流占空比最大值。此时电容纹波最大，电压偏差加剧。在调制指数高的情况下，由于线性调制范围的限制，零序电压注入范围受到限制，将无法实现中性点电压平衡。这将导致电容器显著的电压波动，并不能确保转换器的安全运行。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于，提供一种适用于宽功率因数的开关电容混合钳位变流器及调制方法，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，本发明提供了一种适用于宽功率因数的开关电容混合钳位变流器，包括:

3、所述变流器的拓扑结构包括：

4、直流链路，两端分别连接于直流电源的正极和负极，所述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，每个所述相位的一端连接于所述直流电源和所述第一中性点和所述第二中性点，所述相位的另一端连接于rc电路；

6、其中，每个相位包括2个开关电容和11个开关，其中，第一开关和第五开关串联，第八开关和第九开关串联，第二开关、第三开关、第十一开关和第十开关串联后，一端连接于第一开关和第五开关之间，另一端连接于第八开关和第九开关之间；

7、第一开关电容、第六开关、第二开关电容和第七开关形成串联回路，第四开关的一端连接于第一开关电容和第七开关之间，另一端连接于第六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开关和第三开关之间，另一端连接于第十开关和第十一开关之间。

9、本发明还提供一种变流器的调制方法，应用于上述的适用于宽功率因数的开关电容混合钳位变流器，所述调制方法包括：

10、控制第二电容、第一开关电容和第二开关电容的电压平衡，以使的电压最小化波动；

11、第一开关至第十一开关、第一开关电容和第二开关电容共用一个相位参考调制电压，所述直流链路的负极作为电压参考零点、预设电压值作为基本电压电平；

12、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。

13、在一些实施方式中，第二电容在载波周期内的电压纹波由如下公式导出：

14、

15、式中，δum,x为第二电容在载波周期内的电压纹波，t为载波周期，f2,x为第二开关的交换函数，f1,x为第一开关的交换函数，io,x为中性点流出电流，cdc直流链路的电容值；

16、第一开关电容和第二开关电容在载波周期内的电压纹波由如下公式导出：

17、

18、式中，δuf1,x为第一开关电容在载波周期内的电压纹波，δuf2,x为第二开关电容在载波周期内的电压纹波，t为载波周期，f3,x为第三开关的交换函数，f2,x为第二开关的交换函数，f4,x为第四开关的交换函数，io,x为中性点流出电流，cf为第一开关电容和第二开关电容串联后的电容值。

19、在一些实施方式中，相位参考调制电压与相输出电压之间的对应关系为：

20、

21、式中，ur,x为相位参考调制电压，uo,x为相输出电压，e为预设电压值，uo,x的量程为[0,4e]。

22、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：

23、根据相位参考调制电压和相输出电压的取值范围确定第一开关到第四开关的参考调制电压；

24、根据第一开关到第四开关的参考调制电压对变流器进行调制；

25、其中，当0≤ur,x≤0.25，0≤uo,x≤e时，第一开关到第四开关的参考调制电压表示为：

26、

27、当0.25＜ur,x≤0.5，e＜uo,x≤2e时，第一开关到第四开关的参考调制电压表示为：

28、

29、当0.5＜ur,x≤0.75，2e＜uo,x≤3e时，第一开关到第四开关的参考调制电压表示为：

30、

31、当0.75＜ur,x≤1，3e＜uo,x≤4e时，第一开关到第四开关的参考调制电压表示为：

32、

33、上式中，ur1,x到ur4,x分别为第一开关到第四开关的参考调制电压，d1,x到d4,x分别为第一开关到第四开关的占空比，t为载波周期，tv1到tv4、tv7到tv11分别为不同开关状态的作用时间，ur,x为相位参考调制电压，uo,x为相输出电压。

34、在一些实施方式中，所述控制第二电容、第一开关电容和第二开关电容的电压平衡，以使的电压最小化波动的步骤，包括：

35、通过混合移相脉宽调制方法控制第二电容、第一开关电容和第二开关电容的电压自然平衡；

36、根据相位参考调制电压和相输出电压的取值范围确定第一开关到第四开关的参考调制电压；

37、基于第一开关到第四开关的参考调制电压实现第二电容、第一开关电容和第二开关电容的电压平衡。

38、在一些实施方式中，所述根据相位参考调制电压和相输出电压的取值范围确定第一开关到第四开关的参考调制电压的步骤，包括：

39、当0≤ur,x≤0.25，0≤uo,x≤e时，第一开关到第四开关的参考调制电压表示为：

40、

41、当0.25＜ur,x≤0.5，e＜uo,x≤2e时，第一开关到第四开关的参考调制电压表示为：

42、

43、当0.5＜ur,x≤0.75，2e＜uo,x≤3e时，第一开关到第四开关的参考调制电压表示为：

44、

45、当0.75＜ur,x≤1，3e＜uo,x≤4e时，第一开关到第四开关的参考调制电压表示为：

46、

47、上式中，ur1,x到ur4,x分别为第一开关到第四开关的参考调制电压，d1,x到d4,x分别为第一开关到第四开关的占空比，ur,x为相位参考调制电压，uo,x为相输出电压，δurm,x到δurm4,x为第一开关到第四开关的基准调制电压的增加值，δurf1,x到δurf4,x为第一开关到第四开关的参考调制电压的增加值。

48、在一些实施方式中，所述控制第二电容、第一开关电容和第二开关电容的电压平衡，以使的电压最小化波动的步骤，包括：

49、通过第一电容和第三电容的电压平衡得到最优零序电压；

50、通过如下公式更新向参考调制电压，

51、u’r,x＝ur,x+uz；

52、根据相位参考调制电压和相输出电压的取值范围确定第一开关到第四开关的参考调制电压；

53、基于第一开关到第四开关的参考调制电压实现第二电容、第一开关电容和第二开关电容的电压平衡。

54、在一些实施方式中，所述过第一电容和第三电容的电压平衡得到最优零序电压的步骤，包括：

55、根据线性调制范围确定零序电压的范围，在零序电压的范围内选择预设数量等距点；

56、根据所诉第一电容和所述第三电容之间的电压差值计算中性点总电流的平均值；

57、通过零序电压注入法计算出调整后的中性点总电流的平均值；

58、选取出中性点总电流的平均值与调整后的中性点总电流的平均值最接近的值所对应的零序电压，作为最优零序电压。

59、在一些实施方式中，所述根据相位参考调制电压和相输出电压的取值范围确定第一开关到第四开关的参考调制电压的步骤，包括：

60、当0≤ur,x≤0.25，0≤uo,x≤e时，第一开关到第四开关的参考调制电压表示为：

61、

62、当0.25＜ur,x≤0.5，e＜uo,x≤2e时，第一开关到第四开关的参考调制电压表示为：

63、

64、当0.5＜ur,x≤0.75，2e＜uo,x≤3e时，第一开关到第四开关的参考调制电压表示为：

65、

66、当0.75＜ur,x≤1，3e＜uo,x≤4e时，第一开关到第四开关的参考调制电压表示为：

67、

68、上式中，ur1,x到ur4,x分别为第一开关到第四开关的参考调制电压，d1,x到d4,x分别为第一开关到第四开关的占空比，ur,x为相位参考调制电压，uo,x为相输出电压，δurm1,x到δurm4,x为第一开关到第四开关的基准调制电压的增加值，δurf,x到δurf4,x为第一开关到第四开关的参考调制电压的增加值。

69、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，本发明一种适用于宽功率因数的开关电容混合钳位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：

70、(一)本发明的适用于宽功率因数的开关电容混合钳位变流器将开关电容电路集成到变流器中，利用开关电容电路的电压自平衡特性简化了控制器和传感器的设计，并利用sc电路的升压特性构造新的冗余开关状态，扩展了变换器的控制灵活性。

71、(二)本发明变流器的调制方法在宽带功率因数范围内具有较好的中性点电流管理能力，即使考虑零序电压约束范围，也能较容易地获得最优零序电压，避免了在低功率因数时出现的明显电压纹波或电压发散现象，同时，还考虑了电容电压平衡约束，保证了开关电容和直流中点链路的电压自然平衡电容器。

72、(三)本发明提出了获得最优零序电压的多点逼近方法，并推导了各开关占空比对电容电压纹波的影响，使电容电压平衡方法实现了对各电容电压的独立解耦控制，保证了变流器具有优异的输出性能。

73、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。