[发明专利]一种三相双T型五电平变流器及其控制方法

说明书

本发明公开一种三相双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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

发明目的：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，本发明公开了一种三相双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S_x5的发射极与第一绝缘栅双极型晶闸管S_x1的集电极连接而成，连接后的第五绝缘栅双极型晶闸管S_x5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S_x1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；