一种串级式多电平变流器及其实现方法

文献发布时间：2023-06-19 09:43:16

技术领域

本发明涉及变流器技术领域，具体涉及一种串级式多电平变流器及其实现方法。

背景技术

随着分布式发电机的大规模部署，其中，逆变环节作为分布式能源与电网或交流负载的转换接口备受关注。相较于传统的两电平变流器，多电平变流器因其具有能够输出近似正弦阶梯波形、减小器件电压应力和降低电压谐波畸变率等优点，在分布式发电领域也得到了广泛的关注。

传统多电平变流器分为二极管钳位型、飞跨电容型和H桥级联型三类典型结构。其中，二极管钳位型和飞跨电容型多电平变流器在输出较多电平时通常结构较为复杂，器件数量较多，并且需要额外的电容电压平衡控制；H桥级联型多电平变流器则需要大量的独立直流电源，在一定程度上限制了其应用范围。此外，上述传统多电平变流器多为降压型变流器，在需要升压的应用场合如分布式发电领域中，光伏发电装置的光伏阵列通常为直流低压源，在并网过程中需增加升压环节，这将会增加系统的复杂性和制造成本。

为了适应新能源领域的发展需求，克服传统多电平变流器的不足，具有独立升压、电容电压自平衡等优点的开关电容技术被应用到多电平变流器中。

发明内容

本发明针对上述问题，有必要提供一种串级式多电平变流器及其实现方法。

本发明第一方面提出一种串级式多电平变流器，包括双电容基础模块、多级双电容子模块和H桥单元；

所述双电容基础模块包括开关管S

所述开关管S

每级双电容子模块包括开关管S

所述开关管S

所述H桥单元包括开关管S

所述开关管S

本发明第二方面提供一种串级式多电平变流器的实现方法，应用于所述的串级式多电平变流器，设置开关管S

设置开关管S

控制开关管S

控制双电解电容的串并联转换以及双电容基础模块与双电容子模块的串并联转换，以实现双电容子模块的电解电容C

通过增加双电容子模块的扩展极数，以实现具有i个双电容子模块的串级式多电平变流器输出3

基于上述，采用载波层叠脉宽调制技术，使用正弦波作为调制波，以40倍于调制波频率的三角波作为载波；调制波与3

变流器的调制比M由调制波和载波的幅值共同决定，即：

M＝A

调制比M的取值范围为0

当[(j-1)/3

本发明第三方面提供一种串级式多电平变流系统，包括控制器和逆变器，所述逆变器为所述的串级式多电平变流器。

基于上述，所述控制器控制所述串级式多电平变流系统中的开关管动作时，执行所述的实现方法的步骤。

本发明具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说：

(1)本发明的串级式多电平变流器采用双电容组合，通过双电容基础模块与双电容子模块中的双电容阶梯充电与串联叠加以及模块的串并联转换，在输出较多电平数量时能减少器件的使用，降低系统成本；

(2)本发明的串级式多电平变流器具有电容电压自平衡的优点，避免了额外的电容电压控制回路；

(3)本发明的串级式多电平变流器可以通过双电容子模块进行扩展，进一步增加输出电平数并同时提高输出电压增益

(4)本发明的串级式多电平变流器采用单电源输入，拓宽了其应用范围。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例中所述串级式多电平变流器结构图。

图2为本发明实施例中所述19电平变流器工作模态1的工作原理图。

图3为本发明实施例中所述19电平变流器工作模态2的工作原理图。

图4为本发明实施例中所述19电平变流器工作模态3的工作原理图。

图5为本发明实施例中所述19电平变流器工作模态4的工作原理图。

图6为本发明实施例中所述19电平变流器工作模态5的工作原理图。

图7为本发明实施例中所述19电平变流器工作模态6的工作原理图。

图8为本发明实施例中所述19电平变流器工作模态7的工作原理图。

图9为本发明实施例中所述19电平变流器工作模态8的工作原理图。

图10为本发明实施例中所述19电平变流器工作模态9的工作原理图。

图11为本发明实施例中所述19电平变流器工作模态10的工作原理图。

图12为本发明实施例中所述19电平变流器的载波层叠脉冲宽度调制原理图。

图13为本发明实施例中所述19电平变流器纯阻性负载时的输出电压和负载电流波形图。

图14为本发明实施例中所述19电平变流器阻抗性负载时的输出电压和负载电流波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例1

如图1所示，本发明第一方面提出一种串级式多电平变流器，包括双电容基础模块(Double Capacitor Basic Module,DCBM)、多级双电容子模块(Double CapacitorSubmodule,DCSM)和H桥单元；

所述双电容基础模块包括开关管S

所述开关管S

每级双电容子模块包括开关管S

所述开关管S

所述H桥单元包括开关管S

所述开关管S

本发明串级式多电平变流器的实现方法，包括：

设置开关管S

特别的，电解电容C

控制开关管S

控制双电解电容的串并联转换以及双电容基础模块与双电容子模块的串并联转换，以实现双电容子模块的电解电容C

通过增加双电容子模块的扩展极数，以实现具有i个双电容子模块的串级式多电平变流器输出3

需要注意的时，在具体实施过程中，双电容基础模块中的电解电容C

具体的，采用载波层叠脉宽调制技术，使用正弦波作为调制波，以40倍于调制波频率的三角波作为载波；调制波与3

变流器的调制比M由调制波和载波的幅值共同决定，即：

M＝A

调制比M的取值范围为0

当[(j-1)/3

实施例2

以该变流器的19电平配置(i＝1)为例，所述变流器在一个周期内可划分为19个工作模态；所述的双电容基础模块和双电容子模块在变流器一个周期的正半周期和负半周期工作模态一致；在变流器工作的正半周期，所述的工作模态如图2-图11所示。具体工作原理分析如下：

工作模态1：如图2所示，所述变流器模块单元中开关管S

工作模态2：如图3所示，所述变流器模块单元中开关管工作状态与工作模态1一致，H桥单元开关管S

工作模态3：如图4所示，所述变流器模块单元中开关管S

工作模态4：如图5所示，所述变流器模块单元中开关管S

工作模态5：如图6所示，所述变流器模块单元中开关管S

工作模态6：如图7所示，所述变流器模块单元中开关管S

工作模态7：如图8所示，所述变流器模块单元中开关管S

工作模态8：如图9所示，所述变流器模块单元中开关管S

工作模态9：如图10所示，所述变流器模块单元中开关管S

工作模态10：如图11所示，所述变流器模块单元中开关管S

在上述多电平变流器电路的基础上，本实施例还给出了载波层叠脉冲宽度调制方式下，各个开关管的驱动信号的具体实施方式；

如图12所示，所述19电平变流器装置以18个频率相同，相位相同，幅值为A

本实施例中，所述变流器的调制比M由调制波和载波的幅值共同决定，即：

M＝A

调制比M的取值范围为0

本实施例根据上述调制方式通过仿真对所述19电平变流器装置进行了验证，图13和图14分别为变流器带纯阻性负载和阻感性负载时的输出电压和负载电流仿真波形图。仿真结果显示，当变流器带纯阻性负载时，负载电流与输出电压波形相似，呈现19电平正弦阶梯PWM波形；当变流器带阻感性负载时，由于感性负载的滤波作用，负载电流具有更好的正弦性，输出电压与负载电流相位差证明了变流器具有较好的带感性负载的能力。

实施例3

本实施例提供一种串级式多电平变流系统，包括控制器和逆变器，所述逆变器为所述的串级式多电平变流器。所述控制器控制所述串级式多电平变流系统中的开关管动作时，执行所述的实现方法的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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该技术已申请专利。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。
专利发明人：王要强;王昌龙;王义;王明东;王克文;梁军;
专利申请人：郑州大学;