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一种七电平变换器及其飞跨电容电压控制方法、系统技术方案

技术编号:22725506 阅读:23 留言:0更新日期:2019-12-04 06:55
本发明专利技术公开了一种七电平变换器及其飞跨电容电压控制方法、系统,包括:并联的三相桥臂,每相桥臂包括四个串联的IGBT开关管,每相桥臂中点一侧分别连接两支路,每个支路为两个方向不同的IGBT开关管串联连接;每个支路的另一端分别连接在三个串联飞跨电容的两两连接处;三个串联飞跨电容的支路两端分别连接在每相桥臂相邻两个IGBT开关管之间;每相桥臂的另一侧经滤波器与负载或电网连接;在并联的各个桥臂输入端接入直流电压源;各个IGBT开关管均由控制电路驱动。本发明专利技术拓扑相比于传统七电平和其他改进型七电平拓扑,开关器件数量大大减少,从而简化了系统结构降低了系统成本。

A seven level converter and its flying capacitor voltage control method and system

The invention discloses a seven level converter and its flying capacitor voltage control method and system, including: three-phase bridge arms in parallel, each phase bridge arm including four IGBT switch tubes in series, each phase bridge arm midpoint side is respectively connected with two branches, each branch is connected in series with two IGBT switch tubes in different directions; the other end of each branch is respectively connected with three flying capacitor in series The two connections of the three series flyover capacitors are respectively connected between two IGBT switches adjacent to each phase bridge arm; the other side of each phase bridge arm is connected with load or power grid through filter; the input end of each parallel bridge arm is connected with DC voltage source; each IGBT switch is driven by control circuit. Compared with traditional seven level topology and other improved seven level topology, the topology of the invention greatly reduces the number of switching devices, thereby simplifying the system structure and reducing the system cost.

【技术实现步骤摘要】
一种七电平变换器及其飞跨电容电压控制方法、系统
本专利技术涉及多电平变换器
,尤其涉及一种内嵌中点钳位的七电平变换器及其飞跨电容电压控制方法、系统。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息,不必然构成在先技术。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(TotalHarmonicDistortion,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。传统的七电平拓扑变换器包括:飞跨电容(Flyingcapacitor,FC)变换器,中点钳位(neutralpointclamped,NPC)变换器,级联(CascadedH-bridge,CHB)变换器等;飞跨电容变换器的飞跨电容数量多,导致电容电压难以控制;中点钳位变换器的开关管数量多,结构复杂,生产成本高;级联变换器需要多个独立的直流电源,结构和算法复杂,生产成本高。
技术实现思路
为了解决上述问题,本专利技术提出一种七电平变换器及其飞跨电容电压控制方法、系统,采用新型内嵌中点钳位七电平(7Level-NestedNeutralPointClamped,7L-NNPC)变换器,使用了较少的开关管加飞跨电容的方式实现输出电压七电平,考虑了实际7L-NNPC变换器飞跨电容电压平衡,通过代价函数实时计算最优矢量,将最优矢量下的冗余开关状态全部提出并送入下一级,通过对比几个冗余开关状态对飞跨电容电压的影响,选择影响最小的开关状态,并将其进行修改后给到IGBT管实现控制,以此实现飞跨电容电压的控制。在一些实施方式中,采用如下技术方案:一种七电平变换器,包括:并联的三相桥臂,每相桥臂包括四个串联的IGBT开关管,每相桥臂中点一侧分别连接两支路,每个支路为两个方向不同的IGBT开关管串联连接;每个支路的另一端分别连接在三个串联飞跨电容的两两连接处;三个串联飞跨电容的支路两端分别连接在每相桥臂相邻两个IGBT开关管之间;每相桥臂的另一侧经滤波器与负载或电网连接;在并联的各个桥臂输入端接入直流电压源;各个IGBT开关管均由控制电路驱动。在另一些实施方式中,采用如下技术方案:一种七电平变换器的调制方法,包括:检测变换器三相输出电流,将当前时刻采样到的输出电流值经αβ坐标变换后转化为两相信号,经过拉格朗日外推法计算下一时刻的值;检测变换器三相输出电压,将当前时刻采样到的输出电压值经αβ坐标变换后转化为两相信号,经过拉格朗日外推法计算下一时刻的值;将计算得到的电压电流值与电路中元件参数和采样时间进行数学运算离散化后,求得下一时刻在αβ坐标系中的所需矢量;根据计算的所需矢量确定最优矢量,将最优矢量下的冗余开关状态全部提出并送入下一级;通过对比冗余开关状态对飞跨电容电压的影响,选择影响最小的开关状态,并按照对于飞跨电容电压维持在输出电压有益的原则,对开关状态进行修改后控制IGBT管,实现对飞跨电容电压的控制。在另一些实施方式中,采用如下技术方案:一种终端设备,其包括处理器和计算机可读存储介质,处理器用于实现各指令;计算机可读存储介质用于存储多条指令,所述指令适于由处理器加载并执行上述的七电平变换器的调制方法。一种计算机可读存储介质,其中存储有多条指令,所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的七电平变换器的调制方法。与现有技术相比,本专利技术的有益效果是:1、本专利技术拓扑结构仅采用3*8=24个开关管和3*3=9个飞跨电容实现三相七电平输出,相比于传统七电平和其他改进型七电平拓扑,开关器件数量大大减少,从而简化了系统结构降低了系统成本;2、本拓扑结构主干路桥臂开关管四管串联连接,支路桥臂两管串联连接,除最高最低电平外其他输出电平都串联电容作为输出,这使得每管耐压较低,整体系统更适用于高压场合;3、由于电路结构简单,开关管数量少且没有多余流经回路,故在正常工作过程中,电流路径少流过的开关管少,这使得开关损耗和通态损耗都大大降低,不但使系统散热规格降低,减少体积和成本,而且提升了整体效率;4、该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;5、该方法可以减小飞跨电容设计容量,节约7L-NNPC变换器成本;6、该方法通过重组开关状态控制飞跨电容电压,摒弃了传统MPC代价函数中的不定权重因子选择,不仅简化了算法,而且通用性和适用性更强;7、该方法通过简化控制算法减小了数据计算量,可以使用较低规格DSP芯片以节约7L-NNPC变换器成本;8、该方法通过减少计算量,使得系统响应更快更稳定。附图说明图1为实施例一中7L-NNPC变换器结构图;图2为实施例一中传统七电平空间矢量图,包括127个矢量位置和343个电平组合;图3为实施例一中7L-NNPC变换器输出相电压;图4为实施例一中7L-NNPC变换器输出线电压;图5为实施例一中悬浮飞跨电容电压;图6为实施例一中A相输出电流;图7为实施例一中A相输出电流THD分析。具体实施方式应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本专利技术使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。实施例一在一个或多个实施方式中,公开了7L-NNPC变换器结构图,主电路为7L-NNPC拓扑,直流输入电压与主电路相连,Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sa5、Sa6、Sa7、Sa8为主IGBT开关管,Ca1、Ca2、Ca3为悬浮飞跨电容,其电压受开关状态和输出电流的综合作用影响,图1只展示了A相电路图,B、C相与A相完全一致,滤波器为L滤波器。系统输出端与负载或电网相连。信号调理电路将霍尔传感器测得的相关信号进行调理,得到采样电路可以接收的模拟信号。AD转换器的采样与转换由DSP进行控制,将调理好的模拟信号转换为数字量。数字信号的处理以及模型预测、PWM产生均由DSP实现,最终生成的PWM信号送给驱动电路去控制IGBT管的开通与关断。图2为传统七电平空间矢量图,包括127个矢量位置和343个电平组合,本实施例基于重组矢量MPC方法实现对7L-NNPC变换器飞跨电容电压的控制。下面先以传统MPC方法为例进行具体阐述。具体控制方式如下:调理电本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种七电平变换器,其特征在于,包括:并联的三相桥臂,每相桥臂包括四个串联的IGBT开关管,每相桥臂中点一侧分别连接两支路,每个支路为两个方向不同的IGBT开关管串联连接;每个支路的另一端分别连接在三个串联飞跨电容的两两连接处;三个串联飞跨电容的支路两端分别连接在每相桥臂相邻两个IGBT开关管之间;每相桥臂的另一侧经滤波器与负载或电网连接;在并联的各个桥臂输入端接入直流电压源;各个IGBT开关管均由控制电路驱动。/n

【技术特征摘要】
20190701 CN 20191058481131.一种七电平变换器,其特征在于,包括:并联的三相桥臂,每相桥臂包括四个串联的IGBT开关管,每相桥臂中点一侧分别连接两支路,每个支路为两个方向不同的IGBT开关管串联连接;每个支路的另一端分别连接在三个串联飞跨电容的两两连接处;三个串联飞跨电容的支路两端分别连接在每相桥臂相邻两个IGBT开关管之间;每相桥臂的另一侧经滤波器与负载或电网连接;在并联的各个桥臂输入端接入直流电压源;各个IGBT开关管均由控制电路驱动。


2.如权利要求1所述的一种七电平变换器,其特征在于,所述控制电路包括保护电路、驱动电路、采样调理电路,采样调理电路连接DSP模块,DSP模块与保护电路双向通信,DSP模块连接驱动电路,驱动电路输出PWM信号驱动桥臂中IGBT管的开通与关断。


3.一种七电平变换器的调制方法,其特征在于,包括:
检测变换器三相输出电流,将当前时刻采样到的输出电流值经αβ坐标变换后转化为两相信号,经过拉格朗日外推法计算下一时刻的值;
检测变换器三相输出电压,将当前时刻采样到的输出电压值经αβ坐标变换后转化为两相信号,经过拉格朗日外推法计算下一时刻的值;
将计算得到的电压电流值与电路中元件参数和采样时间进行数学运算离散化后,求得下一时刻在αβ坐标系中的所需矢量;
根据计算的所需矢量确定最优矢量,将最优矢量下的冗余开关状态全部提出并送入下一级;通过对比冗余开关状态对飞跨电容电压的影响,选择影响最小的开关状态,并按照对于飞跨电容电压维持在输出电压有益的原则,对开关状态进行修改后控制IGBT管,实现对飞跨电容电压的控制。


4.如权利要求3所述的一种七电平变换器的调制方法,其特征在于,将计算得到的电压电流值与电路中元件参数和采样时间进行数学运算离散化后,求得下一时刻在αβ坐标系中的所需矢量。


5.如权利要求3所述的一种七电平变换器的调制方法,其特征在于,根据计算的所需矢量确定最优矢量,具体为:
将计算所得参考矢量与αβ坐标系下的127个矢量位置相比较,选出与七电平拓扑固定的127个矢量位置中所有相邻的矢量,作为最优矢量。


6.如权利要求3所述的一种七电平变换器的调制...

【专利技术属性】
技术研发人员:邢相洋戴向阳裴文卉张承慧李晓艳胡顺全
申请(专利权)人:山东大学
类型:发明
国别省市:山东;37

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