[发明专利]T型NNPC五电平变换器及其飞跨电容电压控制方法

说明书

本发明公开了一种T型NNPC五电平变换器及其飞跨电容电压控制方法，该变换器包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括四个串联的IGBT管，每相桥臂中点的一侧串联两个方向不同的IGBT管，并经两个飞跨电容连接到四个串联的IGBT管的上下连接处；其飞跨电容电压控制方法为：建立T型NNPC五电平变换器的数学模型，采样当前时刻变换器的三相输出电流值和三相输出电压值；分别将当前时刻变换器的三相输出电流值和三相输出电压值进行αβ坐标变换，采用拉格朗日外推法计算下一时刻的所需矢量；将得到的所需矢量与多个零共模矢量位置进行比较，选取最优矢量；将得到的最优矢量转换为最优开关状态，选择相近电平的开关状态控制飞跨电容电压。

技术领域

本公开涉及多电平变换器控制技术领域，具体涉及一种T型NNPC五电平变换器及其飞跨电容电压控制方法。

背景技术

与两电平、三电平变换器相比，多电平变换器的综合性能得到了提高，在可再生能源转换、电机驱动、无功补偿、交通运输等工业应用领域得到了越来越多的关注。多电平转换器能够显著降低AC输出的总谐波失真(Total Harmonic Distortion，THD)，降低开关损耗，降低开关管电压应力(dv/dt)，增加变换器的输入电压范围，减少整体体积和输出滤波器的体积，从而降低成本。

本公开采用的T型内嵌中点钳位(T-Type Nested Neutral Point Clamped，T2-NNPC)五电平变换器(以下简称NNPC)相较于传统五电平拓扑变换器——飞跨电容(Flyingcapacitor，FC)变换器，中点钳位(neutral point clamped，NPC)变换器，级联(CascadedH-bridge，CHB)变换器等具有开关管数量少，不需要钳位二极管，承受耐压相对较低等优点，这些优点使得T型NNPC五电平变换器成本较低，效率较高，更适合高压应用。

然而，正是因为使用了较少的开关管加飞跨电容的方式实现输出电压五电平，其开关状态少且没有有效的冗余开关状态对电容电压产生影响，所以只能依靠非冗余开关状态实现飞跨电容电压平衡，这造成了其控制策略十分复杂，传统正弦载波调制(SinusoidalPulse-Width Modulation，SPWM))和空间矢量调制(Space Vector Modulation，SVM)在全工况下不能满足对此拓扑的控制。而广泛应用于电力电子和电机驱动领域的有限集模型预测控制策略(Finite Control Set Model Predictive Control,FCS-MPC，以下简称MPC)适用于该拓扑。这种控制策略的理念就是使用代价函数来获得控制目标，并选择下一次采样周期的最优开关状态。

发明人在研发过程中发现，因为三相NNPC拓扑中每一相都使用了飞跨电容充当四分之一电平输出，且五种电平中的三种都会对飞跨电容电压产生影响，所以MPC算法中代价函数的选择要考虑飞跨电容和输出电平之间的相互影响，权重因数λ的值需要反复调试求得，这显著的增大了算法的复杂程度和不确定性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种T型NNPC五电平变换器及其飞跨电容电压控制方法，有效控制电容电压，使得各开关器件反向耐压均衡，提升了系统稳定性，降低了系统整体成本。

本公开一方面提供的一种T型五电平NNPC变换器的技术方案是：

一种T型五电平NNPC变换器，包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括四个串联的IGBT管，每相桥臂的输入端接电压源，每相桥臂中点的一侧串联两个方向不同的IGBT管，串联的两个方向不同的IGBT管的另一端分别经两个飞跨电容连接到四个串联的IGBT管的上下连接处，每相桥臂中点的另一侧经滤波器与负载或电网连接；各个IGBT管均与控制电路连接。

本公开另一方面提供的一种T型五电平NNPC变换器飞跨电容电压控制方法的技术方案是：

一种T型五电平NNPC变换器飞跨电容电压控制方法，该方法包括以下步骤：