[发明专利]一种五电平电力电子变换器及控制方法

说明书

本发明公开了一种五电平电力电子变换器及控制方法，属于电力电子技术领域。该变换器为共直流母线结构，包括与直流母线并联的三个桥臂单元，每个桥臂单元由10个绝缘栅双极晶体管和4个飞跨电容组成。每个桥臂单元即每相输出电压V_xo受控制器触发控制，所述的控制器为常规的触发控制器，分别控制桥臂单元中的绝缘栅双极晶体管，控制输出电压分别为V_dc、3V_dc/4、V_dc/2、V_dc/4和0；V_dc表示直流母线电压，并定义绝缘栅双极晶体管开关状态，1为导通，0为关断。优点，五电平变换器所有的绝缘栅双极晶体管所承受的电压均相等，为直流母线电压的四分之一，且无需平衡直流母线侧电容电压，拓扑结构简单，易于控制，适用于中高压大功率的应用场合。

技术领域

本发明涉及一种电力电子技术领域，尤其适用于电力电子技术领域使用的五电平电力电子变换器及控制方法。

背景技术

随着现代社会经济的迅速发展，能源和环境问题已成为当前人类面临的紧迫问题。针对目前世界面临的两大问题，各国政府一方面大力推广可再生能源如风能、光伏的应用，以此调整能源消费结构，降低对化石能源的依赖。另一方面通过提升能源生产，变换和消费过程中的效率和质量，增加能源的有效利用率，降低全球能源消费增长速度。

电力电子变换器既是新能源接入电网的重要设备，因其灵活丰富的功能，又是各种形式的能源变换中的重要环节。电力电子变换器自诞生至今的数十年来，在电能质量治理，新能源接入，工业变频驱动等多种领域发挥重要作用，已成为现代能源系统中的核心部件和关键技术。多电平技术在开关频率，输出电压等级，功率等级，电压变化率，滤波器体积等方面的显著优势，在中高压大功率领域受到广泛的关注和研究。多电平变换器具有广阔的应用前景，已成为了电气工程领域的研究热点之一。

但是由于多电平变换器开关器件多、拓扑结构复杂、控制困难等问题，限制了多电平变换器的推广及应用。目前，应用最广泛的三种多电平变换器拓扑结构：中点钳位型、飞跨电容型和级联H桥型，这三种多电平变换器的拓扑结构都有各自的优缺点。

中点钳位型变换器所有开关器件的电压应力是相等的，因此适用于中高压大功率场合。但是随着电平数的增加，钳位二极管的数量急剧增加；各桥臂中开关器件的开关频率及导通时间的不一致，导致器件损耗分布不均；同时随着输出电平数的增加，其中点电位控制的控制非常困难。

飞跨电容型变换器无需控制直流母线侧中点电位，控制比较简单。但是随着电平数的增加，该变换器需要更多的飞跨电容。电容数量的增加导致了该变换器体积庞大，降低了系统的可靠性。

级联H型变换器具有模块化结构，易于扩展到更高电平的接头，适用于中高压大容量的场合。但是该变换器需要移相变压器为每个模块提供隔离的直流电源，这就导致了变换器体积庞大，装置成本较高。

因此，针对于各种不同的工业应用场合，需要各具特色的多电平变换器。研究新型的多电平变换器具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是要针对现有的多电平变换器拓扑存在的缺陷，提出一种结构简单，易于控制，且适用于中高压大容量应用场合的一种五电平电力电子变换器及控制方法。

针对上述技术目的，本发明的包括变换器的拓扑结构及控制方法。

变换器的拓扑结构包括：三个与直流母线并联连接的桥臂单元，每个桥臂单元结构相同，包括10个绝缘栅双极晶体管S_x1-S_x10和4个飞跨电容C_x1-C_x4；