一种NPC拓扑结构的电力变换装置及控制方法与流程

本技术涉及电力电子，具体涉及一种npc拓扑结构的电力变换装置及控制方法。

背景技术：

1、随着电力电子技术的迅猛进步，现代工业、交通、医疗、通讯等各领域对电子装置的需求呈现出多元化和集成化的趋势。这种趋势不仅推动了电子装置的快速发展，也对电源功率和电流的要求提出了更高的标准，特别是在高压、大功率、谐波要求高的应用中，npc(neutral point clamped，中点钳位)型三电平拓扑在逆变器产品中展现出了其独特的优势和应用价值。npc型三电平拓扑结构，作为一种先进的电力电子技术，其最大特点在于能够在高电压、大功率的条件下，实现高效、稳定的能量转换。这种拓扑结构通过引入中点钳位技术，有效解决了传统逆变器在高电压应用中的瓶颈问题，使得逆变器能够在更广泛的电压范围内稳定运行。但是，针对单相输出的npc型三电平拓扑逆变器，在运行过程中可能会受到电网电压波动、负载变化等多种因素的影响，造成单相输出时电压波动较大的问题，导致稳定性较差，这样不仅影响电容的寿命，还会对输出电能的质量产生直接的影响。可见，相关技术中的npc三电平拓扑逆变器的单相输出电压存在稳定性较差的问题。

2、针对相关技术中存在的单相输出电压的稳定性较差的技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、本技术提供了一种npc拓扑结构的电力变换装置及控制方法，以至少解决相关技术中存在的单相输出电压的稳定性较差的技术问题。

2、第一方面，本技术提供了一种npc拓扑结构的电力变换装置，包括：三相npc三电平逆变器，第一开关，第二开关，控制器，其中，三相npc三电平逆变器的输入端与直流电源连接，三相npc三电平逆变器的第一相桥臂输出端与第一相输出端连接，三相npc三电平逆变器的第二相桥臂输出端通过第一开关与第二相输出端连接，三相npc三电平逆变器的第三相桥臂输出端与第三相输出端连接，其中，第一开关被设置为允许将第二相桥臂输出端与第二相输出端接通或将第二相桥臂输出端与零线输出端接通，零线输出端通过第二开关与三相npc三电平逆变器的中点电位端连接；控制器与三相npc三电平逆变器的每相桥臂中的各个功率开关器件均连接，以及，控制器还分别与第一开关和第二开关连接，其中，控制器用于对每相桥臂中的各个功率开关器件的通断进行控制以使得每相桥臂输出不同的交流电压，控制器用于控制第一开关和第二开关的通断；当第一开关被设置为将第二相桥臂输出端与零线输出端接通、且第二开关断开的情况下，控制器利用spwm技术控制第一相桥臂输出端输出第一交流电压、控制第二相桥臂输出第二交流电压以及控制第三相桥臂输出第三交流电压，以使得从第三相输出端与零线输出端之间输出目标单相输出电压，其中，第三交流电压和第二交流电压的幅值相等、且相位相差180度，第一交流电压等于0。

3、通过采用上述技术方案，npc拓扑结构的电力变换装置中包括三相npc三电平逆变器，即包括三相桥臂，每一相桥臂的输出端对应交流电压的一个相输出端，例如，第一相桥臂输出端对应第一相输出端，第二相桥臂输出端对应第二相输出端，第三相桥臂输出端对应第三相输出端，其中，在第二相桥臂输出端与第二相输出端之间设置有第一开关，第一开关可使得第二相桥臂输出端与第二相输出端连接，也可使得第二相桥臂输出端与零线输出端连接，零线输出端是通过第二开关与三相npc三电平逆变器的中点电位端连接的。当第一开关拨向零线输出端、且第二开关断开时，控制器利用spwm(正弦脉宽调制)技术控制每相桥臂中的各个功率开关器件的开关状态，使得第一相桥臂输出端输出第一交流电压、第二相桥臂输出端输出第二交流电压、第三相桥臂输出端输出第三交流电压，由于第三交流电压和第二交流电压的幅值相等、且相位相差180度，这样从第三相输出端与零线输出端之间得到的目标单相输出电压，能够克服相关技术中的母线电容电流纹波大和母线电压不平衡从而导致单相输出电压的波动较大的问题，达到了提高npc三电平拓扑逆变器的单相输出电压的稳定性的效果。使用三相npc三电平逆变器，每个相位的桥臂都能够独立控制，这有助于更精确地调节输出电压波形，减少谐波和纹波；控制器连接到逆变器的每相桥臂中的各个功率开关器件，以及第一开关和第二开关，能够精确控制它们的通断，这种精确控制有助于减少电流纹波和电压不平衡；使用spwm技术可以生成高质量的交流电压波形，减少谐波含量，从而降低母线电容上的电流纹波；控制器使第三相和第二相输出的交流电压幅值相等且相位相差180度，而第一相输出的电压为0，这种控制策略可能有助于抵消电流纹波，因为第二相和第三相的电流在某些时段可以相互抵消，从而减少对母线电容的影响。本技术方案中的npc拓扑结构的电力变换装置通过特定的开关配置和控制策略，解决了npc拓扑单相输出时母线电容电流纹波大和母线电压不平衡的问题，提高了系统的稳定性和电能质量。

4、可选的，第一开关为单刀双掷开关，第一开关的不动端与第二相桥臂输出端连接，第一开关的第一动端与第二相输出端连接，第一开关的第二动端与零线输出端连接。

5、通过采用上述技术方案，第一开关为单刀双掷开关，通过控制器可以控制第一开关切换两个不同电路路径，一个是第二相桥臂输出端与第二相输出端之间的路径，另一个是第二相桥臂输出端与零线输出端之间的路径，单刀双掷开关提供了更多的连接选项，使系统能够适应不同的负载和电网条件，增强了系统的适应性和灵活性。

6、可选的，控制器控制第一相桥臂、第二相桥臂及第三相桥臂分别输出以下交流电压：u1＝0，其中，u1表示第一交流电压，u2表示第二交流电压，u3表示第三交流电压，um表示目标单相输出电压的预设电压幅值，ω表示目标单相输出电压的角频率。

7、通过采用上述技术方案，通过对每相桥臂中各个功率开关器件的精确控制，使得第一相桥臂、第二相桥臂及第三相桥臂分别输出上述特定的交流电压波形，由于第二相桥臂及第三相桥臂所输出的交流电压波形幅值相等、相位相差180度，可以有效克服npc三电平逆变器的母线电容电流纹波较大和母线电容电压不平衡的问题，达到了提高npc拓扑结构的电力变换装置的稳定性的效果。

8、可选的，当第一开关被设置为将第二相桥臂输出端与第二相输出端接通、且第二开关闭合的情况下，控制器控制第一相桥臂输出端输出第四交流电压、控制第二相桥臂输出第五交流电压以及控制第三相桥臂输出第六交流电压，以使得从第一相输出端、第二相输出端、第三相输出端输出目标三相输出电压；其中，第四交流电压、第五交流电压及第六交流电压的幅值相等、且三者相位相差120度。

9、通过采用上述技术方案，当第一开关拨向第二相输出端，即连通第二相桥臂输出端和第二相输出端之间的路径，以及将第二开关闭合，即将零线输出端与三相npc三电平逆变器的中点电位端连接时，npc拓扑结构的电力变换装置可输出目标三相输出电压，其中，各相输出的交流电压的幅值相等、相位相差120度。通过精确控制第一、第二和第三相桥臂的输出电压(即第四、第五和第六交流电压)，确保它们具有相等的幅值和相互之间相差120度的相位，从而实现了高质量的三相输出电压。这对于需要稳定、平衡三相电源的场合至关重要。相关技术中的npc拓扑结构一般仅能直接输出三相电压，而不能输出单相电压，或者输出的单相输出电压的波动较大。本技术方案中的npc拓扑结构的电力变换装置既可输出三相输出电压也可输出单相输出电压。

10、可选的，控制器控制第一相桥臂、第二相桥臂及第三相桥臂分别输出以下交流电压：u5＝um sin(ωt)，其中，u4表示第四交流电压，u5表示第五交流电压，u6表示第六交流电压，um表示目标三相输出电压的预设电压幅值，ω表示目标三相输出电压的角频率。

11、通过采用上述技术方案，通过对每相桥臂中各个功率开关器件的精确控制，使得第一相桥臂、第二相桥臂及第三相桥臂分别输出上述特定的交流电压波形，由于第一相桥臂、第二相桥臂及第三相桥臂所输出的交流电压波形幅值相等、相位相差120度，从而实现了高质量的三相输出电压。

12、可选的，第一相桥臂包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管及第二二极管，其中，第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管依次串联连接，第一开关管的第一端与输入直流电源的正极连接，第四开关管的第二端与输入直流电源的负极连接，第一开关管和第二开关管的连接处与第一二极管的负极相连，第一二极管的正极与第二二极管的负极连接，第三开关管和第四开关管的连接处与第二二极管的正极相连，第二开关管与第三开关管的连接处作为第一相桥臂输出端；第二相桥臂包括：第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第三二极管及第四二极管，其中，第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管依次串联连接，第五开关管的第一端与输入直流电源的正极连接，第八开关管的第二端与输入直流电源的负极连接，第五开关管和第六开关管的连接处与第三二极管的负极相连，第三二极管的正极与第四二极管的负极连接，第七开关管和第八开关管的连接处与第四二极管的正极相连，第六开关管与第七开关管的连接处作为第二相桥臂输出端；第三相桥臂包括：第九开关管、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管、第五二极管及第六二极管，其中，第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第十二开关管依次串联连接，第九开关管的第一端与输入直流电源的正极连接，第十二开关管的第二端与输入直流电源的负极连接，第九开关管和第十开关管的连接处与第五二极管的负极相连，第五二极管的正极与第六二极管的负极连接，第十一开关管和第十二开关管的连接处与第六二极管的正极相连，第十开关管与第十一开关管的连接处作为第三相桥臂输出端；三相npc三电平逆变器还包括：第一电容和第二电容，其中，第一电容和第二电容串联连接后并联于输入直流电源的两端，第一电容和第二电容的连接处作为中点电位端，第一二极管的正极、第三二极管的正极及第五二极管的正极均与中点电位端连接；第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管及第十二开关管中的每个开关管的第三端作为控制端均与控制器连接。

13、通过采用上述技术方案，详细描述了三相npc三电平逆变器的结构，具体来说，第一相桥臂包括依次串联连接的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，以及连接于第一、第二开关管连接处与第三、第四开关管连接处之间的第一二极管和第二二极管；此外，第一开关管的第一端与输入直流电源的正极连接，第四开关管的第二端与输入直流电源的负极连接，第二开关管与第三开关管的连接处作为第一相桥臂输出端；第二相桥臂和第三相桥臂具有与第一相桥臂相似的结构。该装置还包括第一电容和第二电容，第一电容和第二电容可称为母线电容，它们串联连接后并联于输入直流电源的两端，第一电容和第二电容的连接处作为中点电位端，第一二极管的正极与中点电位端连接。控制器通过spwm技术对各相桥臂中的开关管的开关状态进行独立控制，当控制第一桥臂输出端输出的第一交流电压为0，第二交流电压与第三交流电压的幅值相等、相位相差180度时，可以克服相关技术中的母线电容电流纹波大和母线电压不平衡的问题，这样从第三相输出端与零线输出端之前输出的目标单相输出电压比较稳定。

14、可选的，第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管及第十二开关管均为igbt开关器件，每个开关管内均有对应的续流二极管，每个续流二极管的正极与对应的开关管的第二端连接，每个续流二极管的负极与对应的开关管的第一端连接。

15、通过采用上述技术方案，三相npc三电平逆变器中的每个开关管均为igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)开关器件，并且每个开关管内部都集成了对应的续流二极管，通过采用igbt开关器件作为功率开关管，由于igbt具有高开关速度、低导通压降等优点，降低了系统的功耗，提高了逆变器的整体效率，该npc拓扑结构的电力变换装置能够实现高效的电能转换，适用于各种需要高效率和稳定性的电力变换场合，内置续流二极管的设计有效防止了开关过程中可能产生的电压尖峰和谐振，减少了元件损坏的风险，提高了系统的长期运行可靠性。

16、可选的，npc拓扑结构的电力变换装置还包括滤波器，其中，滤波器连接于每个相桥臂输出端与对应的相输出端之间。

17、通过采用上述技术方案，通过在每相桥臂输出端与对应的相输出端之间设有滤波电路，可以有效地滤除这些谐波，提高电力变换装置的输出电压和电流的纯净度，解决了npc拓扑结构电力变换装置中的谐波干扰问题，提升了电力质量，增强了系统兼容性，并有助于延长设备和电网的使用寿命。

18、可选的，滤波器包括第一电感、第二电感、第三电感、第三电容、第四电容、第五电容，其中，第一相桥臂输出端通过第三电感与第一相输出端连接，第五电容连接于第一相输出端与中点电位端之间；第二相桥臂输出端通过第二电感与第一开关连接，第四电容连接于第二电感与第一开关的连接处和中点电位端之间；第三相桥臂输出端通过第一电感与第三相输出端连接，第三电容连接于第三相输出端与中点电位端之间。

19、通过采用上述技术方案，在每个相桥臂输出端与对应的相输出端之间设置lc滤波电路，可以滤除谐波和改善波形质量，使得电力变换装置输出的电力更加纯净、稳定，通过在中点电位端与每一相输出端之间引入电容(第三电容、第四电容、第五电容)，这些电容不仅起到滤波作用，还有助于平衡中点电位，减少中点电位偏移对系统性能的影响，电感元件(第三电感、第二电感、第一电感)的引入，能够有效抑制高频谐波的传播，进一步减少谐波对电网和其他设备的干扰。

20、在本技术的第二方面，还提供了一种npc拓扑结构的电力变换装置的控制方法，应用于上述任一项的npc拓扑结构的电力变换装置中，包括：在确定需要输出目标单相输出电压的情况下，控制第一开关拨向零线输出端，以及控制第二开关断开；利用spwm技术控制三相npc三电平逆变器的每相桥臂中的各个功率开关器件的开关状态，以使得第一相桥臂输出端输出第一交流电压、第二相桥臂输出第二交流电压以及第三相桥臂输出第三交流电压，其中，第三交流电压和第二交流电压的幅值相等、且相位相差180度，第一交流电压等于0；从第三相输出端与零线输出端之间得到目标单相输出电压。

21、通过采用上述技术方案，控制器控制第一开关拨向零线输出端以及控制第二开关断开，然后通过spwm技术控制三相npc三电平逆变器的每相桥臂中的各个功率开关器件的开关状态，使得第一相桥臂输出端输出第一交流电压(其值等于0)，第二相桥臂输出第二交流电压，第三相桥臂输出第三交流电压。其中，第三交流电压和第二交流电压的幅值相等，相位相差180度，这样可从第三相输出端与零线输出端之间得到目标单相输出电压；本技术方案允许在npc拓扑结构的电力变换装置中灵活输出特定的单相电压，而不仅仅是三相电压，这在某些应用场景中非常有用，比如需要单相供电的负载或系统。

22、综上所述，本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

23、1、本技术中的npc拓扑结构的电力变换装置通过特定的开关配置和控制策略，解决了npc拓扑单相输出时母线电容电流纹波大和母线电压不平衡的问题，提高了系统的稳定性和电能质量；

24、2、通过控制第一开关和第二开关的通断，装置能够灵活地在三相输出和单相输出之间切换，满足不同应用场景的需求，提高了系统的灵活性和适应性。