阅读说明：本技术 一种六开关五电平整流器及其控制方法 (Six-switch five-level rectifier and control method thereof ) 是由 刘兆伟 杨栋 于 2020-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种六开关五电平整流器及其控制方法,拓扑AC-DC包括三相桥臂,每相桥臂包括多组二极管电路,多组二极管电路顺次通过连接节点连接于AC-DC的正负输出端之间,第一节点与第四节点之间并联有两个串接的飞跨电容,第二节点与第三节点之间并联有两个串接的开关,两个开关的连接点与两个飞跨电容的连接点相连接,第二节点、第三节点分别通过一组二极管电路与AC-DC输出端中点相连接。新拓扑输入侧并网电流波形THD较小,开关数量少,输出侧电压灵活可控。本发明还通过价值函数及开关状态选择实现了直流侧电容电压稳定控制以及飞跨电容电压波动抑制。新拓扑及其控制方法实用性强,可广泛应用于电动汽车充电系统。(The invention discloses a six-switch five-level rectifier and a control method thereof, wherein a topology AC-DC comprises three-phase bridge arms, each phase of bridge arm comprises a plurality of groups of diode circuits, the plurality of groups of diode circuits are sequentially connected between a positive output end and a negative output end of the AC-DC through connecting nodes, two flying capacitors connected in series are connected in parallel between a first node and a fourth node, two switches connected in series are connected in parallel between a second node and a third node, the connecting points of the two switches are connected with the connecting points of the two flying capacitors, and the second node and the third node are respectively connected with the midpoint of the output end of the AC-DC through a group of diode circuits. The grid-connected current waveform THD of the input side of the new topology is small, the number of switches is small, and the voltage of the output side is flexible and controllable. The invention also realizes the voltage stability control of the direct current side capacitor and the voltage fluctuation suppression of the flying capacitor through the value function and the switch state selection. The novel topology and the control method thereof have strong practicability and can be widely applied to an electric automobile charging system.)

一种六开关五电平整流器及其控制方法

技术领域

本发明涉及整流器技术领域，具体涉及一种六开关五电平整流器及其控制方法。

背景技术

最近几年，五电平整流器在风力发电和电动汽车充电等场合得到广泛应用。和传统两电平整流器相比，五电平整流器在低电压应力、低谐波以及低EMI方面优势明显。目前五电平整流器拓扑包括ANPC、NPC等，但是上述拓扑存在的问题是开关器件较多，因此上述拓扑的可靠性较低，成本较高。因此，低开关器件的拓扑电路成为多电平整流器理想方案。

此外，多电平虽然具有上述优势，但是开关状态也随着指数增加。而且多电平整流器本身存在飞跨电容和直流侧电容电压平衡问题。如果控制不佳，多电平网侧电流将发生畸变，直流侧输出电压不稳定。

因此，针对五电平整流器系统，发明一种开关数量少，网侧并网电流畸变小、输出电压灵活可控的拓扑及相应控制方法具有重要的意义。

发明内容

本发明提出了一种六开关五电平整流器及其控制方法，其目的是：减少开关数量，使网侧并网电流畸变小、输出电压灵活可控，实现直流侧电容电压的稳定控制以及飞跨电容电压波动抑制。

本发明技术方案如下：

一种六开关五电平整流器，包括前端AC-DC部分和后端DC-DC部分，所述AC-DC部分网侧通过滤波器接入电网，所述AC-DC部分正、负输出端分别与DC-DC部分正、负输入端相连接，AC-DC部分正输出端与负输出端之间连接有2个串联的直流侧电容，所述DC-DC部分输出端接负载。

所述AC-DC部分包括三相桥臂，每相桥臂包括多组二极管电路及节点，每相正输出端与第一节点之间连接有第一二极管电路，第一二极管电路导通方向为由第一节点向正输出端；第一节点与第二节点之间连接有第二二极管电路，第二二极管电路导通方向为由第二节点向第一节点；第二节点与输入端之间连接有第三二极管电路，第三二极管电路导通方向为由输入端向第二节点；输入端与第三节点之间连接有第四二极管电路，第四二极管电路导通方向为由第三节点向输入端；第三节点与第四节点之间连接有第五二极管电路，第五二极管电路导通方向为由第四节点向第三节点；第四节点与负输出端之间连接有第六二极管电路，第六二极管电路导通方向为由负输出端向第四节点。

所述第一节点与第四节点之间并联有串接的上飞跨电容及下飞跨电容，第二节点与第三节点之间并联有串接的上开关及下开关，上下开关的连接点与上下飞跨电容的连接点相连接。

第二节点通过第七二极管电路与输出端中点相连接，第七二极管电路导通方向为输出端中点向第二节点；第三节点通过第八二极管电路与输出端中点相连接，第八二极管电路导通方向为第三节点向输出端中点。

各相桥臂的正输出端均与AC-DC部分的正输出端相连接，各相桥臂的负输出端均与AC-DC部分的负输出端相连接。

所述DC-DC部分包括两个并联电路分支，每个并联电路分支包括1个IGBT、1个电感及1个二极管，所述IGBT与所述电感串联连接，所述IGBT与电感的连接点与接地端连接有二极管，所述二极管导通方向为由接地端向所述IGBT与电感的连接点。

进一步地，本发明所述的六开关五电平整流器还包括采样电路、信号调理电路、保护电路、控制电路及主电路驱动电路，所述采样电路、信号调理电路、控制电路及主电路驱动电路顺次单向电连接，所述保护电路与所述控制电路电连接。

所述采样电路采样直流侧电容电压、三相输入电流及三相电网电压，所述信号调理电路将采样电压电流转化成所述控制电路可以控制的电压，所述控制电路将控制信号送入到所述主电路驱动电路，从而完成各开关的开通与关断。

优选地，所述控制电路为DSP控制电路。

优选地，所述滤波器为电抗器。

本发明还提出了一种用于所述六开关五电平整流器的控制方法：将abc轴的电压和电流分量转化成αβ轴电压和电流，通过模型计算得到电压矢量，并将电压矢量以及直流侧电容电压送入到价值函数中，得到最优矢量，再根据最优矢量控制每相桥臂2个开关的冗余状态。

进一步地，所述价值函数为g₂(k)＝|u^* _αj(k+1)-u_αj(k+1)|+|u^* _βj(k+1)-u_βj(k+1)|+λ|V_P-V_N|，其中u^* _αj(k+1)和u^* _βj(k+1)是参考电压矢量，u_αj(k+1)和u_βj(k+1)是电压矢量在αβ坐标系下的分量，VP、VN是直流侧电容电压，λ是权重系数。

进一步地，所述控制方法将电压矢量以及直流侧电容电压送入到价值函数中，再将五电平整流器的125个参考电压矢量分别代入价值函数中，选择价值函数值最小的参考电压矢量作为最优矢量。

所述每相桥臂2个开关的冗余状态选择依据网侧输入电流、单相输出电压、上下飞跨电容电压及最优矢量确定，若最优矢量中某一相输出电压要求为V/4，则：当网侧该相输入电流为正时，若上飞跨电容电压大于下飞跨电容电压则选择上开关导通下开关关断状态使上飞跨电容放电，若上飞跨电容电压小于下飞跨电容电压则选择上开关关断下开关导通状态使上飞跨电容充电；当网侧该相输入电流为负时，若上飞跨电容电压大于下飞跨电容则选择上开关关断下开关导通状态使下飞跨下电容充电，若上飞跨电容电压小于下飞跨电容则选择上开关导通下开关关断状态使下飞跨下电容放电。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出的六开关五电平整流器拓扑输入侧并网电流波形THD较小，开关数量少，通过选择不同的电压矢量改变整流器的输出电压，实现了整流器输出侧电压灵活可控，从而可以接不同电压等级的电动汽车以及各种负载；

(2)本发明提出的整流器控制方法通过引入直流侧电容电压的价值函数，实现了电流跟踪以及直流侧电容电压偏移抑制；进一步通过选择每相开关的冗余状态，实现了飞跨电容电压波动抑制。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明的控制结构框图；

图3为本发明的控制电路图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案：

如图1，一种六开关五电平整流器，包括前端AC-DC部分3和后端DC-DC部分4，所述AC-DC部分3网侧通过滤波器2接入电网1，所述AC-DC部分3的正、负输出端分别与DC-DC部分4的正、负输入端相连接，AC-DC部分3正输出端与负输出端之间连接有2个串联的直流侧电容，所述DC-DC部分4输出端接负载。本实施例中的滤波器2为电抗器。

所述AC-DC部分3包括三相桥臂，每相桥臂包括多组二极管电路，每相正输出端与第一节点3-3之间连接有第一二极管电路，第一二极管电路导通方向为由第一节点3-3向正输出端；第一节点3-3与第二节点3-4之间连接有第二二极管电路，第二二极管电路导通方向为由第二节点3-4向第一节点3-3；第二节点3-4与输入端之间连接有第三二极管电路，第三二极管电路导通方向为由输入端向第二节点3-4；输入端与第三节点3-5之间连接有第四二极管电路，第四二极管电路导通方向为由第三节点3-5向输入端；第三节点3-5与第四节点3-6之间连接有第五二极管电路，第五二极管电路导通方向为由第四节点3-6向第三节点3-5；第四节点3-6与负输出端之间连接有第六二极管电路，第六二极管电路导通方向为由负输出端向第四节点3-6。

所述第一节点3-3与第四节点3-6之间并联有串接的上飞跨电容3-1及下飞跨电容3-8，第二节点3-4与第三节点3-5之间并联有串接的上开关3-2及下开关3-7，上下开关的连接点与上下飞跨电容的连接点相连接。

第二节点3-4通过第七二极管电路与输出端中点相连接，第七二极管电路导通方向为输出端中点向第二节点3-4；第三节点3-5通过第八二极管电路与输出端中点相连接，第八二极管电路导通方向为第三节点3-5向输出端中点。

所述DC-DC部分4包括两个并联电路分支，每个并联电路分支包括1个IGBT、1个电感及1个二极管，所述IGBT与所述电感串联连接，所述IGBT与电感的连接点与接地端连接有二极管，所述二极管导通方向为由接地端指向所述IGBT与电感的连接点。

如图3所示，本发明所述的六开关五电平整流器还包括采样电路5、信号调理电路6、保护电路7、控制电路8及主电路驱动电路9；所述采样电路5、信号调理电路6、控制电路8及主电路驱动电路9顺次单向电连接，所述保护电路7与所述控制电路8电连接。本实施例中的控制电路8为DSP控制电路。

所述采样电路5采样直流侧电容电压VP和VN、三相输入电流ia、ib、ic及三相电网电压ea、eb、ec，所述信号调理电路6将采样电压电流转化成DSP控制电路可以控制的电压，DSP控制电路将控制信号送入到主电路驱动电路9，从而完成各开关的开通与关断。

如图2所示，本发明提出的六开关五电平整流器的控制方法，将abc轴的电压和电流分量转化成αβ轴电压和电流，然后分析出直流侧电容电压不平衡的原因，根据直流侧电容电压不平衡和矢量有关，由参考电流i*abc通过模型计算得到电压矢量，并将电压矢量以及直流侧电容电压送入到价值函数2中，五电平共有125个空间矢量，将电压矢量按照价值函数2与125个参考电压矢量比较，选择价值函数值最小(即与电压矢量最接近)的参考电压矢量作为最优矢量，用于实现电流跟踪以及电容电压偏移抑制。

价值函数1：g₁(k)＝|u(k+1)-u^*|

价值函数2：g₂(k)＝|u^* _αj(k+1)-u_αj(k+1)|+|u^* _βj(k+1)-u_βj(k+1)|+λ|V_P-V_N|

其中u^* _αj(k+1)和u^* _βj(k+1)是参考电压矢量，u_αj(k+1)和u_βj(k+1)是电压矢量在αβ坐标系下的分量，VP、VN是上下直流侧电容电压，λ是权重系数。

若最优矢量中某一相输出电压要求为V/4，则存在(10)和(01)两种开关信号均可实现输出V/4，即有冗余状态可选择，则此时按照表1中网侧输入电流ix方向与上下飞跨电容电压Vcx1、Vcx2具体选择(01)还是(10)，实现飞跨电容电压波动抑制。

表1 AC-DC五电平整流器系统矢量状态表

表1为AC-DC五电平整流器在网侧输入电流ix及每相开关状态不同情况下单相输出电压Vxo与飞跨电容电压之间的关系，其中Vxo为x相和o点之间的电压，Cx1和Cx2为三相飞跨电容，x＝a,b,c。

当ix电流为正(从电网1流向整流器)时，状态(1 0)会使上飞跨3-1电容放电，状态(0 1)充电，此时若上飞跨电容3-1电压大于下飞跨电容3-8电压则选择(1 0)状态，反之选择(0 1)状态；当ix电流为负(从整流器流向电网1)时，状态(1 0)会使下飞跨电容3-8放电，状态(0 1)充电，此时若上飞跨电容3-1电压大于下飞跨电容3-8则选择(0 1)状态，反之选择(1 0)状态。

DC-DC部分4首先对DC-DC拓扑建模，然后提出模型预测控制器，通过价值函数1实现DC-DC降压输出。

本发明提出的一种六开关五电平整流器及其预测控制方法，新拓扑开关量少，通过选择不同的电压矢量，改变整流器的输出电压，同时输入侧电压不变，电流也会随之改变，从而实现了输出侧电压灵活可控，减少了输入侧并网电流的THD；通过引入直流侧电容电压的价值函数，实现了并网电流跟踪及直流侧电容电压平衡控制，与传统的PI相比，通过模型预测计算可以直接得到下一时刻所需的电压矢量，实现误差前比较，提高了控制速度和准确度；通过选择状态(1 0)或者(0 1)实现了飞跨电容电压波动抑制。

新拓扑及其控制方法实用性强，其可以广泛应用于电动汽车充电系统，对于电动汽车的快速发展具有重要的意义。