申请/专利权人：北京交通大学

申请日：2019-05-05

公开（公告）日：2020-07-28

公开（公告）号：CN110086365B

主分类号：H02M7/487(20070101)

分类号：H02M7/487(20070101);H02J3/38(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.07.28#授权;2019.08.27#实质审查的生效;2019.08.02#公开

摘要：本发明属于电力电子技术领域，用于分布式发电系统，具体涉及一种三电平并网变流器中点自平衡拓扑。包括：三电平变流器、电感La、Lb、Lc、Lga、Lgb、Lgc，电容Ca、电容Cb、电容Cc、电容Cr、和设置于直流侧的电容C1及电容C2。本发明所提拓扑能够在直流侧电容C1、C2分压不平均时，实现直流侧电压快速均分，并维持电压均分；在不增加开关器件和直流侧电压传感器的前提下，本发明所提拓扑能够实现自平衡直流侧中点电位，避免开关管电压应力不等，提高并网电流质量和变流器的使用寿命。

主权项：1.一种中点自平衡三电平并网变流器拓扑，其特征在于，包括：电容Ca、电容Cb、电容Cc、电容Cr、设置于直流侧的电容C1及电容C2、三电平变流器、电感La、电感Lb、电感Lc、电感Lga、电感Lgb、电感Lgc6个电感；所述电容C1的一端和直流电源正极相连，所述电容C2的一端和直流电源负极相连，所述电容C1的另一端和所述电容C2的另一端相连构成电容中点O点；所述直流电源正极、所述直流电源负极以及所述电容中点O点均和所述三电平变流器的一端连接，所述三电平变流器的另一端分别和所述电感La、所述电感Lb及所述电感Lc的一端连接；所述电感La的另一端及所述电容Ca的一端均和所述电感Lga的一端相连；所述电感Lb的另一端及所述电容Cb的一端均和所述电感Lgb的一端相连；所述电感Lc的另一端及所述电容Cc的一端均和所述电感Lgc的一端相连；所述电容Ca、所述电容Cb及所述电容Cc的另一端相互连接构成电容中性点；所述电容Cr的一端和所述电容中性点相连，所述电容Cr的另一端和所述电容中点O点、所述直流电源正极或所述直流电源负极相连；所述电感Lga的另一端和电网的a相相连；所述电感Lgb的另一端和电网的b相相连；所述电感Lgc的另一端和电网的c相相连；所述电容Cr参数选择满足： x＝a,b,c其中，ωc为载波角频率。

全文数据：一种中点自平衡三电平并网变流器拓扑技术领域本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种中点自平衡三电平并网变流器拓扑，用于分布式电源并网系统。背景技术随着分布式电源的飞速发展，并网变流器作为分布式电源和电网的交互接口，发挥了举足轻重的作用。三电平中点箝位式NPC以及T-NPC结构变流器由于其输出谐波含量较低，广泛应用于大功率等级系统。在理想情况下，三电平变流器的直流侧由两个参数相同的分压电容串联而成，且电容的电压为直流母线电压的一半，但实际系统中由于电容容值偏差、调制波存在偶次谐波、三相负载不平衡运行等因素，存在中点电位漂移问题。而中点电位漂移将恶化电能质量，使并网电流低次谐波含量增加。现有技术中，控制中点电位的方法主要有运用控制算法改进调制策略和增加硬件电路两种方式。当电路使用SVPWM调制方式时，通过测量电容电位差值，利用改变冗余矢量作用时间来调节中点电位，然而这种方式却以增加谐波畸变、使用复杂控制策略以及更多的电压传感器为代价；通过引入中点电流与电容中点电位关系的系数，根据中点电压差值计算出注入中线电流值，但该方法并没有考虑到直流侧电容值的偏差，当直流侧电容容量出现偏差时，该算法不能很好的适用；自平衡概念，可以将中性点自然稳定于直流侧中点，由于依靠传统电路自身调节，中点电位恢复暂态时间较长，为使电路快速达到平衡，通过将RLC调节电路与负载并联，可以缩短电路暂态恢复时间。但是，该电路主要用于与负载相连的变流器，负载对于自平衡效果相互影响，且RLC支路增加电路的损耗，在并网变流器中点自平衡机理尚不清楚。发明内容针对上述技术问题，本发明提供一种中点自平衡三电平并网变流器拓扑，能够构建滤波电容中性点与直流侧电容中点的零序电流通路，通过串联谐振降低该通路的阻抗值，实现电路自平衡。本发明是通过以下技术方案实现的：一种中点自平衡三电平并网变流器拓扑，包括：电容Ca、电容Cb、电容Cc、电容Cr、和设置于直流侧的电容C1及电容C2，三电平变流器，电感La、电感Lb、电感Lc、电感Lga、电感Lgb、电感Lgc6个电感；所述电容C1的一端和直流电源正极相连，所述电容C2的一端和直流电源负极相连，所述电容C1的另一端和所述电容C2的另一端相连构成电容中点O点；所述直流电源正极、所述直流电源负极以及所述电容中点O点均和所述三电平变流器的一端连接，所述三电平变流器的另一端分别和所述电感La、所述电感Lb及所述电感Lc的一端连接；所述电感La的另一端及所述电容Ca的一端均和所述电感Lga的一端相连；所述电感Lb的另一端及所述电容Cb的一端均和所述电感Lgb的一端相连；所述电感Lc的另一端及所述电容Cc的一端均和所述电感Lgc的一端相连；所述电容Ca、所述电容Cb及所述电容Cc的另一端相互连接构成电容中性点；所述电容Cr的一端和所述电容中性点相连，所述电容Cr的另一端和所述电容中点O点、所述直流电源正极或所述直流电源负极相连；所述电感Lga、所述电感Lgb及所述电感Lgc的另一端分别和电网的a、b、c三相相连。进一步地，所述三电平变流器采用NPC结构时，包括开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S9、开关管S10、开关管S11、开关管S1212个开关管，以及二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D66个二极管；所述开关管S1、所述开关管S5及所述开关管S9的D端均和直流电源正极连接；所述开关管S2、所述开关管S6及所述开关管S10的D端分别和所述开关管S1、所述开关管S5及所述开关管S9的S端连接，且所述二极管D1、所述二极管D2、所述二极管D3的N极分别和所述开关管S1、所述开关管S5及所述开关管S9的S端连接；所述二极管D1、所述二极管D2、所述二极管D3的P极均和所述电容中点O点相连；所述开关管S4、所述开关管S8及所述开关管S12的S端均和直流电源负极连接；所述开关管S3、所述开关管S7及所述开关管S11的S端分别和所述开关管S4、所述开关管S8及所述开关管S12的D端连接，并且所述二极管D4、所述二极管D5及所述二极管D6的P极分别和所述开关管S4、所述开关管S8及所述开关管S12的D端连接；所述二极管D4、所述二极管D5及所述二极管D6的N极均和所述电容中点O点相连；所述开关管S2的S端及所述开关管S3的D端均和所述电感La的一端相连；所述开关管S6的S端及所述开关管S7的D端均和所述电感Lb的一端相连；所述开关管S10的S端及所述开关管S11的D端均和所述电感Lc的一端相连。进一步地，所述三电平变流器采用TNPC结构时，包括开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S9、开关管S10、开关管S11、开关管S1212个开关管；所述开关管S1、所述开关管S5及所述开关管S9的D端均和直流电源正极连接；所述开关管S4、所述开关管S8及所述开关管S12的S端均和直流电源负极连接；所述开关管S3、所述开关管S7及所述开关管S11的S端均和所述电容中点O点连接；所述开关管S2、所述开关管S6及所述开关管S10的D端分别和所述开关管S3、所述开关管S7及所述开关管S11的D端连接；所述开关管S1的S端、所述开关管S2的S端、以及所述开关管S4的D端均和所述电感La的一端相连；所述开关管S5的S端、所述开关管S6的S端、以及所述开关管S8的D端均和所述电感Lb的一端相连；所述开关管S9的S端、所述开关管S10的S端、以及所述开关管S12的D端均和所述电感Lc的一端相连。进一步地，所述电感La、所述电感Lb、所述电感Lc、所述电感Lga、所述电感Lgb、所述电感Lgc和所述电容Ca、所述电容Cb、所述电容Cc构成LCL滤波器。进一步地，所述电容Cr参数选择满足：x＝a,b,c其中，ωc为载波频率。进一步地，当采用的开关管为带有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管时，开关管的D端为集电极、开关管的S端为发射极、开关管的G端为门极；当采用的开关管为金属氧化层半导体场效应晶体管时，开关管的D端为漏极、开关管的S端为源极、开关管的G端为栅极；本发明的有益效果：1本发明提供的一种中点自平衡三电平并网变流器拓扑：当直流侧电容电压分压不均衡时，通过使用电容Cr与直流侧电容中点、所述直流电源正极或所述直流电源负极相连接，为零序电流提供了回流的通路；通过电容Cr容值的合理选择，利用串联谐振，降低零序通路阻抗，使得中线电流中存在载波频率次电流增大，进而实现直流侧分压平衡。2本发明提供的中点自平衡三电平并网变流器拓扑能够在不增加开关器件和直流侧电压传感器的情况下，使直流侧电压均分时间得到提升，从而避免开关管电压应力不等，提高了并网电流质量和变流器的使用寿命。附图说明图1为本发明实施例中一种中点自平衡三电平并网变流器拓扑结构图电容Cr的另一端和电容中点O点相连。图2为本发明实施例中一种中点自平衡三电平并网变流器拓扑结构图电容Cr的另一端和直流电源正极相连。图3为本发明实施例中一种中点自平衡三电平并网变流器拓扑结构图电容Cr的另一端和直流电源负极相连。图4为本发明另一实施例中一种中点自平衡三电平并网变流器拓扑结构图；图5为本发明另一实施例中一种中点自平衡三电平并网变流器拓扑结构图；图6为传统三电平变流器直流电压中点平衡时间与实验波形；图7为本发明拓扑结构直流电压中点平衡时间与实验波形。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。针对现有技术中，三电平变流器存在中点电位漂移的技术问题，而中点电位漂移将恶化电能质量，使并网电流低次谐波含量增加。本发明提供一种中点自平衡三电平并网变流器拓扑实施例，如图1-3所示，包括：电容Ca、电容Cb、电容Cc、电容Cr、和设置于直流侧的电容C1及电容C2，三电平变流器，电感La、电感Lb、电感Lc、电感Lga、电感Lgb、电感Lgc6个电感；所述电容C1的一端和直流电源正极相连，所述电容C2的一端和直流电源负极相连，所述电容C1的另一端和所述电容C2的另一端相连构成电容中点O点；所述直流电源正极、所述直流电源负极以及所述电容中点O点均和所述三电平变流器的一端连接，所述三电平变流器的另一端分别和所述电感La、所述电感Lb及所述电感Lc的一端连接；所述电感La的另一端及所述电容Ca的一端均和所述电感Lga的一端相连；所述电感Lb的另一端及所述电容Cb的一端均和所述电感Lgb的一端相连；所述电感Lc的另一端及所述电容Cc的一端均和所述电感Lgc的一端相连；所述电容Ca、所述电容Cb及所述电容Cc的另一端相互连接构成电容中性点；所述电容Cr的一端和所述电容中性点相连，所述电容Cr的另一端和所述电容中点O点图1、所述直流电源正极图2或所述直流电源负极图3相连；所述电感Lga、所述电感Lgb及所述电感Lgc的另一端分别和电网的a、b、c三相相连。本发明还提供一种中点自平衡三电平并网变流器拓扑实施例，如图4所示，包括：开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S9、开关管S10、开关管S11、开关管S1212个开关管，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D66个二极管，电感La、电感Lb、电感Lc、电感Lga、电感Lgb、电感Lgc6个电感，电容Ca、电容Cb、电容Cc、电容C1、电容C2、电容Cr6个电容；所述电容C1的一端和直流电源正极相连，所述电容C2的一端和直流电源负极相连，所述电容C1的另一端和所述电容C2的另一端相连构成电容中点O点；所述开关管S1、所述开关管S5及所述开关管S9的D端均和直流电源正极连接；所述开关管S2、所述开关管S6及所述开关管S10的D端分别和所述开关管S1、所述开关管S5及所述开关管S9的S端连接，且所述二极管D1、所述二极管D2、所述二极管D3的N极分别和所述开关管S1、所述开关管S5及所述开关管S9的S端连接；所述二极管D1、所述二极管D2、所述二极管D3的P极均和所述电容中点O点相连；所述开关管S4、所述开关管S8及所述开关管S12的S端均和直流电源负极连接；所述开关管S3、所述开关管S7及所述开关管S11的S端分别和所述开关管S4、所述开关管S8及所述开关管S12的D端连接，并且所述二极管D4、所述二极管D5及所述二极管D6的P极分别和所述开关管S4、所述开关管S8及所述开关管S12的D端连接；所述二极管D4、所述二极管D5及所述二极管D6的N极均和所述电容中点O点相连；所述开关管S2的S端及所述开关管S3的D端均和所述电感La的一端相连；所述开关管S6的S端及所述开关管S7的D端均和所述电感Lb的一端相连；所述开关管S10的S端及所述开关管S11的D端均和所述电感Lc的一端相连；所述电感La的另一端及所述电容Ca的一端均和所述电感Lga的一端相连；所述电感Lb的另一端及所述电容Cb的一端均和所述电感Lgb的一端相连；所述电感Lc的另一端及所述电容Cc的一端均和所述电感Lgc的一端相连；所述电容Ca、所述电容Cb及所述电容Cc的另一端均和所述电容Cr的一端相连，所述电容Cr的另一端和所述电容中点O点相连在其他实施例中，所述电容Cr的另一端可以和所述直流电源正极或所述直流电源负极相连；所述电感Lga、所述电感Lgb及所述电感Lgc的另一端分别和电网的a、b、c三相相连。本发明还提供一种中点自平衡三电平并网变流器拓扑实施例，如图5所示，包括：电容Ca、电容Cb、电容Cc、电容Cr、和设置于直流侧的电容C1及电容C2，三电平变流器，电感La、电感Lb、电感Lc、电感Lga、电感Lgb、电感Lgc6个电感；所述三电平变流器包括开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S9、开关管S10、开关管S11、开关管S1212个开关管；所述电容C1的一端和直流电源正极相连，所述电容C2的一端和直流电源负极相连，所述电容C1的另一端和所述电容C2的另一端相连构成电容中点O点；所述开关管S1、所述开关管S5及所述开关管S9的D端均和直流电源正极连接；所述开关管S4、所述开关管S8及所述开关管S12的S端均和直流电源负极连接；所述开关管S3、所述开关管S7及所述开关管S11的S端均和所述电容中点O点连接；所述开关管S2、所述开关管S6及所述开关管S10的D端分别和所述开关管S3、所述开关管S7及所述开关管S11的D端连接；所述开关管S1的S端、所述开关管S2的S端、以及所述开关管S4的D端均和所述电感La的一端相连；所述开关管S5的S端、所述开关管S6的S端、以及所述开关管S8的D端均和所述电感Lb的一端相连；所述开关管S9的S端、所述开关管S10的S端、以及所述开关管S12的D端均和所述电感Lc的一端相连；所述电感La的另一端及所述电容Ca的一端均和所述电感Lga的一端相连；所述电感Lb的另一端及所述电容Cb的一端均和所述电感Lgb的一端相连；所述电感Lc的另一端及所述电容Cc的一端均和所述电感Lgc的一端相连；所述电容Ca、所述电容Cb及所述电容Cc的另一端均和所述电容Cr的一端相连，所述电容Cr的另一端和所述电容中点O点相连在其他实施例中，所述电容Cr的另一端可以和所述直流电源正极或所述直流电源负极相连；所述电感Lga、所述电感Lgb及所述电感Lgc的另一端分别和电网的a、b、c三相相连。在上述实施例中，所述电感La、所述电感Lb、所述电感Lc、所述电感Lga、所述电感Lgb、所述电感Lgc和所述电容Ca、所述电容Cb、所述电容Cc构成LCL滤波器，用于滤除电流中高频谐波电流。在上述实施例中，所述电容Cr参数选择满足：x＝a,b,c其中，ωc为载波角频率。根据三电平变流器SPWM调制以及开关函数双傅里叶可知，当直流侧电压存在偏差时，输出相电压发生畸变，畸变谐波含量主要分为偶次低频谐波、载波频率次及其边带谐波。本发明上述实施例所提供的拓扑通过电容Cr构成一条新的零序通路，其中Cr取值根据上述公式计算得出。该零序通路串联谐振频率选定为载波频率次，由于串联谐振阻抗低，直流侧不平衡引起的载波频次零序电流得以更多引回直流侧电容中点，使得直流侧电容电压实现快速均分。如图6所示为传统三电平变流器中点电位平衡时间与实验波形，图7为本发明拓扑结构直流侧中点电位平衡时间与实验波形，对比得出当直流电压出现偏差时，本发明拓扑结构能够将平衡时间缩短至原电路的3％甚至更高，明显改善变流器性能，效果显著。在上述实施例中，当采用的开关管为带有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管时，开关管的D端为集电极、开关管的S端为发射极、开关管的G端为门极；当采用的开关管为金属氧化层半导体场效应晶体管时，开关管的D端为漏极、开关管的S端为源极、开关管的G端为栅极。

权利要求：1.一种中点自平衡三电平并网变流器拓扑，其特征在于，包括：电容Ca、电容Cb、电容Cc、电容Cr、和设置于直流侧的电容C1及电容C2，三电平变流器，电感La、电感Lb、电感Lc、电感Lga、电感Lgb、电感Lgc6个电感；所述电容C1的一端和直流电源正极相连，所述电容C2的一端和直流电源负极相连，所述电容C1的另一端和所述电容C2的另一端相连构成电容中点O点；所述直流电源正极、所述直流电源负极以及所述电容中点O点均和所述三电平变流器的一端连接，所述三电平变流器的另一端分别和所述电感La、所述电感Lb及所述电感Lc的一端连接；所述电感La的另一端及所述电容Ca的一端均和所述电感Lga的一端相连；所述电感Lb的另一端及所述电容Cb的一端均和所述电感Lgb的一端相连；所述电感Lc的另一端及所述电容Cc的一端均和所述电感Lgc的一端相连；所述电容Ca、所述电容Cb及所述电容Cc的另一端相互连接构成电容中性点；所述电容Cr的一端和所述电容中性点相连，所述电容Cr的另一端和所述电容中点O点、所述直流电源正极或所述直流电源负极相连；所述电感Lga、所述电感Lgb及所述电感Lgc的另一端分别和电网的a、b、c三相相连。2.根据权利要求1所述一种中点自平衡三电平并网变流器拓扑，其特征在于，所述三电平变流器采用NPC拓扑结构，包括开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S9、开关管S10、开关管S11、开关管S1212个开关管，以及二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D66个二极管；所述开关管S1、所述开关管S5及所述开关管S9的D端均和直流电源正极连接；所述开关管S2、所述开关管S6及所述开关管S10的D端分别和所述开关管S1、所述开关管S5及所述开关管S9的S端连接，且所述二极管D1、所述二极管D2、所述二极管D3的N极分别和所述开关管S1、所述开关管S5及所述开关管S9的S端连接；所述二极管D1、所述二极管D2、所述二极管D3的P极均和所述电容中点O点相连；所述开关管S4、所述开关管S8及所述开关管S12的S端均和直流电源负极连接；所述开关管S3、所述开关管S7及所述开关管S11的S端分别和所述开关管S4、所述开关管S8及所述开关管S12的D端连接，并且所述二极管D4、所述二极管D5及所述二极管D6的P极分别和所述开关管S4、所述开关管S8及所述开关管S12的D端连接；所述二极管D4、所述二极管D5及所述二极管D6的N极均和所述电容中点O点相连；所述开关管S2的S端及所述开关管S3的D端均和所述电感La的一端相连；所述开关管S6的S端及所述开关管S7的D端均和所述电感Lb的一端相连；所述开关管S10的S端及所述开关管S11的D端均和所述电感Lc的一端相连。3.根据权利要求1所述一种中点自平衡三电平并网变流器拓扑，其特征在于，所述三电平变流器采用TNPC拓扑结构，包括开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S9、开关管S10、开关管S11、开关管S1212个开关管；所述开关管S1、所述开关管S5及所述开关管S9的D端均和直流电源正极连接；所述开关管S4、所述开关管S8及所述开关管S12的S端均和直流电源负极连接；所述开关管S3、所述开关管S7及所述开关管S11的S端均和所述电容中点O点连接；所述开关管S2、所述开关管S6及所述开关管S10的D端分别和所述开关管S3、所述开关管S7及所述开关管S11的D端连接；所述开关管S1的S端、所述开关管S2的S端、以及所述开关管S4的D端均和所述电感La的一端相连；所述开关管S5的S端、所述开关管S6的S端、以及所述开关管S8的D端均和所述电感Lb的一端相连；所述开关管S9的S端、所述开关管S10的S端、以及所述开关管S12的D端均和所述电感Lc的一端相连。4.根据权利要求1-3任一项所述一种中点自平衡三电平并网变流器拓扑，其特征在于，所述电感La、所述电感Lb、所述电感Lc、所述电感Lga、所述电感Lgb、所述电感Lgc和所述电容Ca、所述电容Cb、所述电容Cc构成LCL滤波器。5.根据权利要求1-3任一项所述一种中点自平衡三电平并网变流器拓扑，其特征在于，所述电容Cr参数选择满足：x＝a,b,c其中，ωc为载波角频率。6.根据权利要求1-3任一项所述一种中点自平衡三电平并网变流器拓扑，其特征在于，当采用的开关管为带有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管时，开关管的D端为集电极、开关管的S端为发射极；当采用的开关管为金属氧化层半导体场效应晶体管时，开关管的D端为漏极、开关管的S端为源极。

百度查询： 北京交通大学 一种中点自平衡三电平并网变流器拓扑

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