[发明专利]四电平变换器电压平衡调制方法

说明书

本发明公开了四电平变换器电压平衡调制方法。针对不含飞跨电容的四电平变换器，本发明通过PI调节器将中间电容C₂的电压U_C2控制为1/3U_dc，同时电容C₁和C₃的电压U_C1和U_C3自动平衡，从而实现三个电容C₁、C₂、C₃的电压平衡；针对含飞跨电容的NNPC‑4L和TNNPC‑4L两种四电平变换器，在所提出的不含飞跨电容四电平变换器电压平衡方法的基础上，提出了两个调制方法，并通过选择冗余开关状态实现了飞跨电容的电压平衡控制，即使在低频工况下也可以实现较好的电压平衡效果；针对含飞跨电容的HC‑4L变换器，在所提出的不含飞跨电容四电平变换器电压平衡方法的基础上，结果冗余开关状态，实现对直流母线电容和飞跨电容的电压平衡控制，即使在低频工况下也具有较好的电压平衡效果。

技术领域

本发明涉及电压平衡控制领域，具体是四电平变换器电压平衡调制方法。

背景技术

多电平变换器广泛应用于中压大功率领域，主要包括三电平变换器，五电平变换器，级联多电平变换器等，而四电平变换器的应用相对较少。这主要是因为电平数量为偶数的多电平变换器的电压平衡控制相对于电平数量为奇数的多电平变换器更难以实现。而且，不含飞跨电容的四电平变换器比含飞跨电容的四电平变换器的电压不平衡问题更加难以解决。

截止到目前，不含飞跨电容的四电平变换器拓扑主要包括中点钳位四电平变换器I(Neutral Point Clamped Four-Level Converter,NPC-4L-I，如图1所示)，中点钳位四电平变换器II(Neutral Point Clamped Four-Level Converter II,NPC-4L-II，如图2所示)，混合中点钳位四电平变换器(Hybrid Neutral Point Clamped Four-LevelConverter,HNPC-4L，如图3所示)，有源中点钳位四电平变换器(Active Neutral PointClamped Four-level Converter,ANPC-4L，如图4所示)，双T型四电平变换器(Dual T-TypeFour-Level,DT-4L，如图5所示)，嵌套四电平变换器(Nested Four-Level Converter,N-4L，如图6所示)。这6种不含飞跨电容的四电平变换器的直流母线都由三个电容串联组成，没有冗余开关状态。其中，ANPC-4L变换器已于2016年成功商业化应用，具体表现为施耐德电气公司的不间断电源Galaxy VX系列产品。在该产品中，ANPC-4L变换器的直流母线电容电压平衡问题是通过额外的电压平衡电路实现的，该方法不仅增加了成本，而且降低了系统效率和可靠性。

为了解决不含飞跨电容的四电平变换器的母线电容电压不平衡问题，针对NPC-4L-I变换器和NPC-4L-II变换器，目前存在一种虚拟空间矢量控制方法，可以实现全调制比范围和全功率因数范围内的电容电压平衡控制，但是该算法计算量大，工程实现难度也较大；针对NPC-4L-I变换器，目前存在一种模型预测控制方法，缺点是计算量大，开关频率不固定；针对ANPC-4L变换器，目前存在一种载波调制方法，但是该方法需要判断输出相电流的流动方向，算法相对复杂。