[发明专利]一种四电平变换器及其控制方法

摘要

针对现有的多电平变换器存在的不足之处，本发明涉及了一种新型四电平变换器，该变换器为三相共母线结构，每相只需要6个IGBT功率模块和2个飞跨电容即可输出四电平的电压等级，且不需要控制直流母线侧的中点电位，与现有的四电平变换器相比，该变换器不需要钳位二极管，且具有更少的开关管和飞跨电容，装置整体结构更加简单，易于控制，适用于中低压高功率密度场合。

主权项

1.一种四电平变换器控制方法，其特征在于，采用一种四电平变换器，包括直流母线和三个四电平桥臂，所述直流母线的两端依次并联连接三个四电平桥臂，所述每个四电平桥臂包括6个开关管S_x1、S_x2、S_x3、S_x4、S_x5、S_x6和两个飞跨电容C_x1和C_x2，x代表a，b或c，开关管S_x1的发射极连接开关管S_x2的集电极，开关管S_x2的发射极连接开关管S_x5的集电极，开关管S_x5的发射极连接开关管S_x6的集电极，开关管S_x2的发射极连接开关管S_x4的集电极，开关管S_x4的发射极与开关管S_x3的发射极连接，飞跨电容C_x1的第一端连接开关管S_x1、S_x2的公共端，飞跨电容C_x1的第二端连接飞跨电容C_x2的第一端，飞跨电容C_x2的第二端连接S_x5、S_x6的公共端，开关管S_x3的集电极连接飞跨电容C_x1和C_x2的公共端；四电平变换器控制方法具体包括以下步骤：步骤一：确定每种电压等级所对应的开关状态，定义开关管的开关状态如下式所示则每种电压等级所对应的开关状态如下表1所示：由表可以看出，当四电平变换器输出电平数为3时，此时V_xo＝V_dc，对应有一种开关状态，每相六个开关管的开关状态依次为[1，1，1，0，0，0]，定义此开关状态为A；当四电平变换器输出电平数为2时，此时V_xo＝2V_dc/3，对应有两种开关状态，每相六个开关管的开关状态依次为[1，0，1，1，0，0]和[0，1，1，0，0，1]，定义此开关状态分别为B1和B2；当四电平变换器输出电平数为1时，此时V_xo＝V_dc/3，对应有两种开关状态，每相六个开关管的开关状态依次为[1，0，0，1，1，0]和[0，0，1，1，0，1]，定义此开关状态分别为C1和C2；当四电平变换器输出电平数为3时，此时V_xo＝0，对应有一种开关状态，每相六个开关管的开关状态依次为[0，0，0，1，1，1]，定义此开关状态为D；步骤二：分析每种开关状态对飞跨电容电压的影响，飞跨电容电压的变化与每相的开关状态和相电流的方向有关，其影响如下表2所示：由上表可以看出，当输出电平数为3和0时，无论电流方向如何，对飞跨电容均是无影响的；当输出电平数为2和1时，每种电平数对应两种冗余开关状态，每种开关状态对飞跨电容的影响不同；步骤三：检测两个飞跨电容电压，通过选择不同的冗余开关状态来控制飞跨电容电压稳定在期望值，定义飞跨电容电压的偏差值为：ΔV_Cxk＝V_Cxk‑V_Cxk.ref式中，V_Cxk为检测飞跨电容电压的实际值，V_Cxk.ref为飞跨电容电压的期望值V_dc/3，k＝1，2；当ΔV_Cxk＞0时，表明飞跨电容电压的实际值大于期望值，电容需要放电；当ΔV_Cxk＜0，表明飞跨电容电压的实际值小于期望值，电容需要充电；步骤四，检测相电流，根据相电流、两个飞跨电容电压的偏差值以及两个偏差值的绝对值大小比较选择冗余开关状态，具体如表3所示：由表可以看出，当输出电平数为2，相电流i_x>0时，此时如果ΔV_Cx1＞0、ΔV_Cx2＞0，则两个飞跨电容均需要放电，根据开关状态对飞跨电容影响的表2，可以判断此时需选择开关状态B2控制变换器输出电平数为2的电压；同理，即可判断出在其他情况下所需选择的开关状态；当输出电平数为3和0时，电流方向、飞跨电容电压的偏差值对飞跨电容电压均无影响。