一种钳位式五电平电压源型变换器及控制方法

背景技术

随着电力电子技术领域的迅速发展，开关变换器的应用越来越广泛，尤其是近年来，在许多大功率的应用场合，需要提高变换器的工作电压来达到降低工作电流从而提高变换器效率的目的。但是，电压等级较高的开关管很少，且满足条件的开关管成本较高，这就使得在高电压大功率应用场合，选择合适耐压值的开关管往往比较困难。因此，多电平变换器电路逐渐得到广泛关注。

其中，模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)采用子模块级联结构，具有开关器件应力小，电压、电流波形质量高，输出电压调节灵活等特点，因此在高压直流输电和电能变换领域得到广泛应用。

在传统的模块组合五电平电路结构中，对于三相系统来说，电容数目较多，这就导致了故障点多，故障率高等缺点。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种钳位式五电平电压源型变换器，所用电容器数量少，减少了故障点，降低了故障率，降低了成本。

为了实现上述目的，本钳位式五电平电压源型变换器包括电容器C1、电容器C2、电容器C3、电容器C4、电容器C5，第一接线端、第二接线端、第三接线端、第四接线端，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10、IGBT11、IGBT12、IGBT13、IGBT14。

第一接线端与电容器C1和绝缘栅双极晶体管IGBT1的集电极连接；电容器C1的另一端与电容C2和绝缘栅双极晶体管IGBT2的发射极连接；

第二接线端与电容器C2、电容器C3和绝缘栅双极晶体管IGBT13的集电极连接；

第三接线端与电容器C4和绝缘栅双极晶体管IGBT4的发射极连接；电容器C4的另一端与电容器C3和绝缘栅双极晶体管IGBT3的集电极连接；

第四接线端与绝缘栅双极晶体管IGBT11的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT12的集电极连接；

绝缘栅双极晶体管IGBT5的集电极与绝缘栅双极晶体管IGBT1的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT2的集电极连接；绝缘栅双极晶体管IGBT6的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT3的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT4的集电极连接；

绝缘栅双极晶体管IGBT7的集电极与绝缘栅双极晶体管IGBT5的发射极连接；绝缘栅双极晶体管IGBT10的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT6的集电极连接；

绝缘栅双极晶体管IGBT8的集电极与绝缘栅双极晶体管IGBT7的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT11的集电极以及电容器C5连接；绝缘栅双极晶体管IGBT9的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT10的集电极和绝缘栅双极晶体管IGBT12的发射极以及电容器C5连接；

绝缘栅双极晶体管IGBT14的集电极与绝缘栅双极晶体管IGBT8的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT9的集电极连接；绝缘栅双极晶体管IGBT14的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT13的发射极连接；

变换器的控制方法如下：

输出电压Vxo受控制器触发控制，所述的控制器为常规的触发控制器，控制绝缘栅双极晶体管，控制输出电压分别为Vdc、3Vdc/4、Vdc/2、Vdc/4和0；Vdc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。

当变换器输出电压为V dc时，变换器输出电平数为4，此时只有1种开关状态A，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT5、IGBT7、IGBT11导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT5、IGBT7、IGBT11流出变换器，当电流小于0时，通过并联在绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT5、IGBT7、IGBT11发射极和集电极之间的体二极管流入变换器。

当变换器输出电压为3V dc/4时，变换器输出电平数为3，此时只有3种开关状态B1-B3：当开关状态为B1时，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT5、IGBT7、IGBT12导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT5、IGBT7和IGBT12的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT5、IGBT7的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT12流入变换器，此时电流流经电容C5；当开关状态为B2时，绝缘栅双极晶体管IGBT2、IGBT5、IGBT7、IGBT11导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT5、IGBT7、IGBT11和绝缘栅双极晶体管IGBT2的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT5、IGBT7、IGBT11的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT2流入变换器，此时电流流经电容C1；当开关状态为B3时，绝缘栅双极晶体管IGBT9、IGBT11、IGBT13、IGBT14导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT9、IGBT11、IGBT13和绝缘栅双极晶体管IGBT14的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT9、IGBT11、IGBT13的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT14流入变换器，此时电流流经电容C1、C2。

当变换器输出电压为V dc/2时，变换器输出电平数为2，此时只有4种开关状态C1-C4：当开关状态为C1时，绝缘栅双极晶体管IGBT9、IGBT12、IGBT13、IGBT14导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT9、IGBT13和绝缘栅双极晶体管IGBT12、IGBT14的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT9、IGBT13的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT12、IGBT14流入变换器，此时电流流经电容C1、C2；当开关状态为C2时，绝缘栅双极晶体管IGBT8、IGBT11、IGBT13、IGBT14导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT11、IGBT13和绝缘栅双极晶体管IGBT8、IGBT14的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT11、IGBT13的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT8、IGBT14流入变换器，此时电流流经电容C1、C2；当开关状态为C3时，绝缘栅双极晶体管IGBT3、IGBT6、IGBT10、IGBT11导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT3、IGBT11和绝缘栅双极晶体管IGBT6、IGBT10的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT3、IGBT11的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT6、IGBT10流入变换器，此时电流流经电容C4、C5；当开关状态为C4时，绝缘栅双极晶体管IGBT2、IGBT5、IGBT7、IGBT12导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT5、IGBT7和绝缘栅双极晶体管IGBT2、IGBT12的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT5、IGBT7的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT2、IGBT12流入变换器，此时电流流经电容C1、C5。

当变换器输出电压为V dc/4时，变换器输出电平数为1，此时只有3种开关状态D1-D3：当开关状态为D1时，绝缘栅双极晶体管IGBT8、IGBT12、IGBT13、IGBT14导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT13和绝缘栅双极晶体管IGBT8、IGBT12、IGBT14的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT13的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT8、IGBT12、IGBT14流入变换器，此时电流流经电容C3、C4、C5；当开关状态为D2时，绝缘栅双极晶体管IGBT3、IGBT6、IGBT10、IGBT12导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT3和绝缘栅双极晶体管IGBT6、IGBT10、IGBT12的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT6、IGBT10、IGBT12和绝缘栅双极晶体管IGBT3的体二极管流入变换器，此时电流流经电容C4；当开关状态为D3时，绝缘栅双极晶体管IGBT4、IGBT6、IGBT10、IGBT11导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT11和绝缘栅双极晶体管IGBT4、IGBT6、IGBT10的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT4、IGBT6、IGBT10和绝缘栅双极晶体管IGBT11的体二极管流入变换器，此时电流流经电容C5。

当变换器输出电压为0时，变换器输出电平数为0，此时只有1种开关状态E，绝缘栅双极晶体管IGBT4、IGBT6、IGBT10、IGBT12导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT4、IGBT6、IGBT10、IGBT12的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT4、IGBT6、IGBT10、IGBT12流入变换器。

与现有技术相比，本钳位式五电平电压源型变换装置的四个电容器C1、C2、C3、C4两端的电压分别为直流母线电压的1/4，每个绝缘栅双极晶体管承受的电压均为直流母线电压的1/4，所有绝缘栅双极晶体管承受的耐压相同，使用时可选用同一型号绝缘栅双极晶体管，使得在开关管的选型上会非常方便，另外所有开关管的封装相同，在开关管的设计和安装上会更加的方便。

附图说明

图1是本发明的钳位式五电平电压源型变换器的拓扑结构图；

图2a为本发明的混合钳位五电平电压源型变换器的开关状态为A时的电流回路图；

图2b为本发明的混合钳位五电平电压源型变换器的开关状态为B1时的电流回路图；

图2c为本发明的混合钳位五电平电压源型变换器的开关状态为B2时的电流回路图；

图2d为本发明的混合钳位五电平电压源型变换器的开关状态为B3时的电流回路图；

图2e为本发明的混合钳位五电平电压源型变换器的开关状态为C1时的电流回路图；

图2f为本发明的混合钳位五电平电压源型变换器的开关状态为C2时的电流回路图；

图2g为本发明的混合钳位五电平电压源型变换器的开关状态为C3时的电流回路图；

图2h为本发明的混合钳位五电平电压源型变换器的开关状态为C4时的电流回路图；

图2i为本发明的混合钳位五电平电压源型变换器的开关状态为D1时的电流回路图；

图2j为本发明的混合钳位五电平电压源型变换器的开关状态为D2时的电流回路图；

图2k为本发明的混合钳位五电平电压源型变换器的开关状态为D3时的电流回路图；

图2l为本发明的混合钳位五电平电压源型变换器的开关状态为E时的电流回路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作具体的说明。

如图1所示，本钳位式五电平电压源型变换器包括电容器C1、电容器C2、电容器C3、电容器C4、电容器C5，第一接线端、第二接线端、第三接线端、第四接线端，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10、IGBT11、IGBT12、IGBT13、IGBT14。

第一接线端与电容器C1和绝缘栅双极晶体管IGBT1的集电极连接；电容器C1的另一端与电容C2和绝缘栅双极晶体管IGBT2的发射极连接；

第二接线端与电容器C2、电容器C3和绝缘栅双极晶体管IGBT13的集电极连接；

第三接线端与电容器C4和绝缘栅双极晶体管IGBT4的发射极连接；电容器C4的另一端与电容器C3和绝缘栅双极晶体管IGBT3的集电极连接；

第四接线端与绝缘栅双极晶体管IGBT11的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT12的集电极连接；

绝缘栅双极晶体管IGBT5的集电极与绝缘栅双极晶体管IGBT1的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT2的集电极连接；绝缘栅双极晶体管IGBT6的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT3的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT4的集电极连接；

绝缘栅双极晶体管IGBT7的集电极与绝缘栅双极晶体管IGBT5的发射极连接；绝缘栅双极晶体管IGBT10的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT6的集电极连接；

绝缘栅双极晶体管IGBT8的集电极与绝缘栅双极晶体管IGBT7的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT11的集电极以及电容器C5连接；绝缘栅双极晶体管IGBT9的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT10的集电极和绝缘栅双极晶体管IGBT12的发射极以及电容器C5连接；

绝缘栅双极晶体管IGBT14的集电极与绝缘栅双极晶体管IGBT8的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT9的集电极连接；绝缘栅双极晶体管IGBT14的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT13的发射极连接；

通过控制不同绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10、IGBT11、IGBT12、IGBT13、IGBT14的导通与关断可以实现五个电平电压的输出。

本发明在具体实施时，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10、IGBT11、IGBT12、IGBT13、IGBT14、电容器C5、驱动板、控制板集成到一个较大模块中。

第一接线端1与第三接线端3之间的电压为直流母线电压。

本钳位式五电平电压源型变换装置的四个电容器C1、C2、C3、C4两端的电压分别为直流母线电压的1/4，每个绝缘栅双极晶体管承受的电压均为直流母线电压的1/4，所有绝缘栅双极晶体管承受的耐压相同，使用时可选用同一型号绝缘栅双极晶体管

定义绝缘栅双极晶体管IGBT开关状态如下式所示:

变换器的开关状态如下表所示:

表1变换器的开关状态

变换器的控制方法如下：

(1)当变换器输出电压为V dc时：

变换器输出电平数为4，此时只有1种开关状态A，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT5、IGBT7、IGBT11导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT5、IGBT7、IGBT11流出变换器，当电流小于0时，通过并联在绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT5、IGBT7、IGBT11发射极和集电极之间的体二极管流入变换器。

(2)当变换器输出电压为3V dc/4时：

变换器输出电平数为3，此时只有3种开关状态B1-B3：当开关状态为B1时，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT5、IGBT7、IGBT12导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT5、IGBT7和IGBT12的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT5、IGBT7的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT12流入变换器，此时电流流经电容C5；当开关状态为B2时，绝缘栅双极晶体管IGBT2、IGBT5、IGBT7、IGBT11导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT5、IGBT7、IGBT11和绝缘栅双极晶体管IGBT2的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT5、IGBT7、IGBT11的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT2流入变换器，此时电流流经电容C1；当开关状态为B3时，绝缘栅双极晶体管IGBT9、IGBT11、IGBT13、IGBT14导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT9、IGBT11、IGBT13和绝缘栅双极晶体管IGBT14的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT9、IGBT11、IGBT13的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT14流入变换器，此时电流流经电容C1、C2。

(3)当变换器输出电压为V dc/2时：

变换器输出电平数为2，此时只有4种开关状态C1-C4：当开关状态为C1时，绝缘栅双极晶体管IGBT9、IGBT12、IGBT13、IGBT14导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT9、IGBT13和绝缘栅双极晶体管IGBT12、IGBT14的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT9、IGBT13的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT12、IGBT14流入变换器，此时电流流经电容C1、C2；当开关状态为C2时，绝缘栅双极晶体管IGBT8、IGBT11、IGBT13、IGBT14导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT11、IGBT13和绝缘栅双极晶体管IGBT8、IGBT14的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT11、IGBT13的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT8、IGBT14流入变换器，此时电流流经电容C1、C2；当开关状态为C3时，绝缘栅双极晶体管IGBT3、IGBT6、IGBT10、IGBT11导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT3、IGBT11和绝缘栅双极晶体管IGBT6、IGBT10的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT3、IGBT11的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT6、IGBT10流入变换器，此时电流流经电容C4、C5；当开关状态为C4时，绝缘栅双极晶体管IGBT2、IGBT5、IGBT7、IGBT12导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT5、IGBT7和绝缘栅双极晶体管IGBT2、IGBT12的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT5、IGBT7的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT2、IGBT12流入变换器，此时电流流经电容C1、C5。

(4)当变换器输出电压为V dc/4时：

变换器输出电平数为1，此时只有3种开关状态D1-D3：当开关状态为D1时，绝缘栅双极晶体管IGBT8、IGBT12、IGBT13、IGBT14导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT13和绝缘栅双极晶体管IGBT8、IGBT12、IGBT14的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT13的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT8、IGBT12、IGBT14流入变换器，此时电流流经电容C3、C4、C5；当开关状态为D2时，绝缘栅双极晶体管IGBT3、IGBT6、IGBT10、IGBT12导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT3和绝缘栅双极晶体管IGBT6、IGBT10、IGBT12的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT6、IGBT10、IGBT12和绝缘栅双极晶体管IGBT3的体二极管流入变换器，此时电流流经电容C4；当开关状态为D3时，绝缘栅双极晶体管IGBT4、IGBT6、IGBT10、IGBT11导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT11和绝缘栅双极晶体管IGBT4、IGBT6、IGBT10的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT4、IGBT6、IGBT10和绝缘栅双极晶体管IGBT11的体二极管流入变换器，此时电流流经电容C5。

(5)当变换器输出电压为0时：

变换器输出电平数为0，此时只有1种开关状态E，绝缘栅双极晶体管IGBT4、IGBT6、IGBT10、IGBT12导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT4、IGBT6、IGBT10、IGBT12的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT4、IGBT6、IGBT10、IGBT12流入变换器。