[实用新型]多电平逆变器电容电压平衡电路

说明书

技术领域

本实用新型涉及多电平逆变器领域，特别涉及一种基于电荷刷新原理的多电平逆变器的电容电压平衡装置。 

背景技术

多电平变换器的思想最早是由A Nabae于80年代初提出的。与传统的两电平变换器相比,多电平变换器由于输出电平数增加,使得输出波形具有更好的谐波频谱和较小的 。且每个开关器件承受的电压应力较小。特别适合于高压大功率场合,如高压交流调速、电力系统静止无功发生器、电力有源滤波器、交流柔性输配电及新型直流输电等。多电平逆变器主要有三种基本结构：二极管箝位式、飞跨电容式、级联式。其中二极管箝位式应用领域较广，图1示出了了二极管箝位式三电平逆变器的拓扑结构。这种电路在应用中存在直流侧电容电压的不平衡问题;若不对其加以控制,将会使多电平变换器转化为两电平变换器,而使部分开关器件承受过高的电压应力而损坏。二极管箝位式多电平逆变器电容电压的不平衡包括两个方面：电容电压的波动和电容电压的偏移。电压的波动是指一个周期内电压瞬时值发生变化但平均值不变；电压偏移是指电压平均值发生变化。二者都产生于直流侧电容的充放电，通常情况下，无功电流分量使电压发生波动，有功电流分量使电压发生偏移，图2和图3分别示出了这两种情况。 

目前，平衡电容电压主要从硬件电路和控制算法两方面着手。硬件电路方面有以下几种方法： 

1）采用多个独立直流电源；这可以采用多抽头的变压器经二极管整流获得。此方法省去了分压电容，因此不存在电压平衡问题，但缺点是变压器结构复杂，体积庞大，效率低下。

2）根据各点电位的偏移情况，改变电流通路来控制电容电压。这种方法对于三电平以上的逆变器，由于需要检测的支路较多，需要增加较多的设备，控制复杂，很难实用。 

控制算法方法是通过选择合适的冗余矢量，在一个采样周期内使流入或流出某电容的平均电流为零。目前比较成熟的是适用于三电平逆变器的基于虚拟空间矢量的方法。这种方法的缺点是：对于高于三电平的逆变器几乎很难找到有效实用的算法。更重要的是，控制算法方法对于近似假设和计算误差所造成的累积效应无法消除，长期运行依然会差产生电容电压偏移。单纯依靠控制算法来平衡电容电压，无法保证系统运行的可靠性。 

现阶段，业界有很多方式的多电平电压平衡电路，采用多输出绕组的变压器来平衡电容电压，体积大，成本高；或者使用串联电阻分压，其缺点是功耗大，平衡能力弱；或者使用谐振均衡电路，缺点是要使用电感元件，电路复杂，使用的元件较多，可靠性低。而且这些电压平衡电路，适应的多电平电压级数非常有限，一般局限三电平、四电平有限级数，更多级数多电平电路设计越来越复杂，可靠性继续降低、成本急剧上升。 

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种基于电荷刷新原理的多电平逆变器电容电压平衡电路，能够保持二极管箝位式多电平逆变器直流分压电容上电荷的动态平衡，进而维持其电压的平衡。 

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种基于电荷刷新原理的多电平逆变器电容电压平衡电路，是一个添加在多电平逆变器上的辅助电路，用于保持多电平逆变器电路中各直流分压电容上的电压平衡，其特征在于，包括：均衡电容和多个控制开关，所述均衡电容与多个所述直流分压电容分别并列连接，且所述均衡电容与多个所述直流分压电容的各通路上分别串接所述控制开关，通过控制所述控制开关，所述均衡电容轮流与各直流分压电容并联接通。

在本实用新型的一较佳实施例中，所述均衡电容和所述直流分压电容的规格相同。

在本实用新型的一较佳实施例中，所述控制开关的电路由采用全桥整流电路连接的四个二极管和一个并联在所述全桥整流电路中间的大功率绝缘栅双极性晶体管连接构成。 

本实用新型的有益效果：1）结构简单，无需对任何参数进行检测和控制，可靠性极高； 2）基本结构与原理适用于任意电平。不同电平的逆变器都只需一个辅助电容，切换开关控制波形只要保证均衡电容与直流分压电容轮流并联接通即可，不需要改变控制方法。 

附图说明

图1是二极管箝位式三电平逆变器的拓扑结构。 

图2是图1所示电路直流分压电容在无功负载下的电压波动情况。 

图3是图1所示电路直流分压电容在有功负载下的电压偏移情况。 

图4是带电压均衡装置的二极管箝位式三电平逆变器。 

图5是图4所示电路中的切换开关的电路。 

图6是图4所示电路的开关控制信号波形。 

图7是四电平逆变器的电压均衡装置拓扑电路。