[发明专利]一种适用于中点箝位三电平变流器桥臂开关管损耗均衡的调制策略及其实现方法

说明书

本发明公开了一种适用于中点箝位三电平变流器桥臂开关管损耗均衡的调制策略及其实现方法，根据功率因数角，确定变流器运行类型，选择对应的调制模式；再根据调制模式选择对应的调制区间，输出各开关管的驱动信号，平衡桥臂内外侧的开关损耗，通过合理利用电流续流路径，实现全功率因数范围内逆变桥臂内外侧开关管的损耗均衡分布，本发明便于数字实现，即可用于新产品开发也可用于工程改造和产品性能提升，以延长电力电子装置的运行寿命，对海上风电、光伏、储能、变频驱动等应用场合有重要意义。

技术领域

本发明属于电力电子功率变换技术领域，尤其涉及一种适用于中点箝位三电平变流器桥臂开关管损耗均衡的调制策略及其实现方法。

背景技术

由于参与全球气候变化的治理以及能源安全的需求，可再生能源的开发利用已成为我国能源转型的重要手段，在可再生能源中，风能的开发利用占有重要比例。随着陆上风电的不断开发，风电开发的重心开始从陆上转向海上，海上风能资源丰富，海上风电大规模开发将是未来风电发展的趋势。风电变流器作为海上风力发电机和电网的接口，其安全运行对于风电机组系统及电网安全可靠具有重要意义。目前应用于海上风力发电系统的风电变流器一般有两电平结构、三电平结构和MMC结构。MMC采用多个电压子模块，其控制较为复杂，且子模块也可以采用两电平或三电平结构，与传统的两电平变流器相比，三电平变流器具有更低的输出谐波含量，已广泛应用于海上风电功率变换场合中。

可再生能源另一种重要形式为光能的利用，光伏发电作为光能开发利用的主要形式，同样得到了广泛的发展与关注。随着大规模光伏电场的建设，对高压大功率变流器同样有较大的需求，与海上风电变流器类似，三电平变流器的诸多优点使其同样适用于光伏发电领域。

由于风电以及光伏发电的间歇性的特点，其输出功率的波动可能会对电网造成冲击。为了弥补这一不足，多种储能技术逐渐得到了应用，采用储能技术能够使间歇性、波动性很强的可再生能源变得“可调、可控”，促进新能源的利用，提高电力系统运行稳定性和提高电能质量。三电平变流器可以提高输出电压波形质量，有利于功率开关器件的耐压，减小开关器件成本、功率开关器件损耗和电感损耗，来提高系统整体效率，因此三电平变流器在电力储能变流器领域以及变频驱动领域同样具有广泛的应用前景。

在三电平变流器中，日本学者Akira Nabae等人于1981年提出的二极管箝位三电平变流器(Neutral point clamped three level inverter，NPC)，其功率器件的电压应力为输入直流电压的一半，控制灵活，应用更为广泛，结构如附图1所示，两个电容构成电容桥臂，功率开关管构成逆变桥臂。功率开关管的损耗分为导通损耗和开关损耗。受限于NPC中续流路径单一的结构特点，NPC逆变桥臂的外侧功率开关管主要承受开关损耗，内侧功率开关管主要承受导通损耗，导致功率开关管的损耗差异较大，也即桥臂内外侧功率开关管存在功率损耗不均衡的问题。损耗更大的功率开关管热应力更高，对变流器散热系统设计及变流器正常运行带来不利影响，严重制约了变流器使用寿命的提高。为此，德国学者ThomasBrückner等人提出了一种有源箝位三电平变流器结构，如附图2所示。有源箝位三电平非隔离变流器使用了两只开关管取代NPC中的箝位二极管，增加了控制自由度，具有优化损耗分布的结构基础。但NPC以及有源箝位三电平电路结构中功率开关管与电容直接串联会引起直流电容的短路风险，造成功率开关管的击穿风险，造成变流器损坏，最终对系统正常运行产生不利影响。一种具备非单位功率因数运行能力的高可靠组合箝位分裂电感型三电平变流器被公开(201911288710.8)，如附图3所示，其与有源箝位三电平电路结构类似，均具有损耗分布均衡的结构基础。