CN102082523A - 混合控制级联多电平逆变器的控制方法和多电平逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合控制级联多电平逆变器的控制方法和多电平逆变器。控制方法包括，获取N组光伏电池的输出电压，得到第1，2，…，i，…，N个输出电压，计算第1，2，…，i，…，N个输出电压的导通角θ₁′，θ₂′，…，θ_i′，…，θ_N′，向上取整数得到θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_N，利用导通角θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_N，分别控制第1，2，…，i，…，N个输出电压的导通，利用阶梯波算法得到阶梯波输出电压；获得m组光伏电池的输出电压，利用瞬时值反馈算法得到瞬时值反馈输出电压；将阶梯波输出电压和瞬时值反馈输出电压串联叠加，形成总输出电压，实现直流多电平输入变成交流电平输出。本方案可以减小工作频率，有利于提高逆变器的转换效率，减少电磁干扰，且系统结构简单。

Description

混合控制级联多电平逆变器的控制方法和多电平逆变器

技术领域

本发明涉及级联多电平逆变技术领域，尤其涉及一种混合控制级联多电平逆变器的控制方法和多电平逆变器。

背景技术

目前，在中高压大功率逆变器装置中，主要有三种拓扑结构形式：二极管钳位式多电平逆变器(NPC)、飞跨电容式多电平逆变器(FC)、级联多电平逆变器(Cascaded)。其中，级联多电平逆变器具有以下优点，功率开关管应力低、输出电压谐波含量小、谐波次数高等，而且实现输出相同电平数所需器件最少，不存在直流侧电容不均压等问题，可靠性高，是太阳能光伏发电系统、燃料电池等输出或并网逆变器的首选拓扑结构。

现有的级联多电平逆变器的控制方法比较多，可以分为两大类：一是利用阶梯波算法控制级联单元，它包括有低次谐波含量最小法、指定谐波消除法等；二是瞬时值反馈算法控制级联单元，调制方式为脉宽调制法(PWM)，它包括消谐波法(SHPWM)、开关频率优化法(SFOPWM)、相移脉宽调制法(PSPWM)、空间矢量调制方法(SVPWM)、正弦波脉宽调制法(SPWM，Sine Pulse-Width Modulation)以及脉冲幅值调制法(PAM)等。阶梯波算法的优点是开关器件工作在调制波(工频)频率，开关频率低，效率高，它的缺点是需要通过调节直流电压来调节输出功率，系统比较复杂。而瞬时值反馈算法的优点是可以通过脉宽或桥臂间相移调节输出功率，系统结构简单，输出波形质量好，它的不足之处是开关器件工作频率较高(载波)，开关损耗较大。

发明内容

本发明提供一种混合控制级联多电平逆变器的控制方法和多电平逆变器，其可减小工作频率，降低开关损耗，提高逆变器转换效率，且系统结构简单。

阶梯波与瞬时值反馈混合控制级联多电平逆变器的控制方法，包括：

步骤A，利用阶梯波算法控制N组光伏电池，包括：

步骤A1.获取N组光伏电池的输出电压，得到第1，2，…，i，…，N个输出电压；

步骤A2.计算第1，2，…，i，…，N个输出电压的导通角θ₁′，θ₂′，…，θ_i′，…，θ_N′：

对上式计算得到的导通角θ₁′，θ₂′，…，θ_i′，…，θ_N′向上取整数，得到导通角θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_N：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_1=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_1}^{\′}\right)\\ {\mathrm{\θ}}_2=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_2}^{\′}\right)\\ ...\\ {\mathrm{\θ}}_i=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_i}^{\′}\right)\\ ...\\ {\mathrm{\θ}}_N=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_N}^{\′}\right)\end{array}\right.$

其中，ceil(θ_i′)表示对θ_i′向上取整数；

步骤A3.利用步骤A2得出的导通角θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_N，分别控制第1，2，…，i，…，N个输出电压的导通，利用阶梯波算法得到阶梯波输出电压；

步骤B，利用瞬时值反馈算法控制m组光伏电池，包括：

步骤B1.获得m组光伏电池的输出电压；

步骤B2.利用瞬时值反馈算法得到瞬时值反馈输出电压；

步骤C，将步骤A3的阶梯波输出电压和步骤B2的瞬时值反馈输出电压串联

叠加，形成总输出电压，实现直流多电平输入变成交流电平输出。

优选的，N组光伏电池的输出电压均为U_dc1，m组光伏电池的输出电压均为U_dc2，步骤C之后进一步包括步骤D：

阶梯波输出电压的表达式为：

$u_1\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n}\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

其中，n＝3，5，7，…，∞；

瞬时值反馈输出电压的表达式为：

$u_2\left(t\right)={\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

其中，m′＝m，2m，3m，…，∞；n＝±1，±3，±5，…，∞；M表示调制比，m′表示相对载波的谐波次数，n表示相对调制波的谐波次数，k_f表示载波与调制波的比值；

总输出电压的表达式为：

$u_0\left(t\right)=u_1\left(t\right)+u_2\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t+{\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

总输出电压的基波电压表达式为：

u₀₁(t)＝(NU_dc1+mMU_dc2)sinω₀t＝(N+mkM)U_dc1sinω₀t

其中，k＝U_dc1/U_dc2；

根据上式计算总输出电压的基波电压；

判断计算得到的基波电压是否属于预置的基准基波电压范围内，如果是，不调整光伏电池的输出电压，否则，调整光伏电池的输出电压。

优选的，N组光伏电池的输出电压均为U_dc1，m组光伏电池的输出电压均为U_dc2，步骤C之后进一步包括步骤D：

阶梯波输出电压的表达式为：

$u_1\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n}\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

其中，n＝3，5，7，…，∞；

瞬时值反馈输出电压的表达式为：

$u_2\left(t\right)={\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

其中，m′＝m，2m，3m，…，∞；n＝±1，±3，±5，…，∞；M表示调制比，m′表示相对载波的谐波次数，n表示相对调制波的谐波次数，k_f表示载波与调制波的比值；

总输出电压的表达式为：

$u_0\left(t\right)=u_1\left(t\right)+u_2\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t+{\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

总输出电压的谐波电压表达式为：

$u_{0n}\left(t\right)=\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}$

$\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

根据上式计算总输出电压的谐波电压；

判断计算得到的谐波电压是否小于预置的基准谐波电压，如果是，不调整光伏电池的输出电压，否则，调整光伏电池的输出电压。

优选的，N组光伏电池的输出电压均为U_dc1，m组光伏电池的输出电压均为U_dc2，步骤C之后进一步包括步骤D：

阶梯波输出电压的表达式为：

$u_1\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n}\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

其中，n＝3，5，7，…，∞；

瞬时值反馈输出电压的表达式为：

$u_2\left(t\right)={\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

其中，m′＝m，2m，3m，…，∞；n＝±1，±3，±5，…，∞；M表示调制比，m′表示相对载波的谐波次数，n表示相对调制波的谐波次数，k_f表示载波与调制波的比值；

总输出电压的表达式为：

$u_0\left(t\right)=u_1\left(t\right)+u_2\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t+{\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

总输出电压的基波电压表达式为：

u₀₁(t)＝(NU_dc1+mMU_dc2)sinω₀t＝(N+mkM)U_dc1sinω₀t

其中，k＝U_dc1/U_dc2；

根据上式计算总输出电压的基波电压；

总输出电压的谐波电压表达式为：

$u_{0n}\left(t\right)=\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}$

$\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

根据上式计算总输出电压的谐波电压；

如果计算得到的基波电压属于预置的基准基波电压范围内，且计算得到的谐波电压小于预置的基准谐波电压，则不调整光伏电池的输出电压；否则，调整光伏电池的输出电压。

优选的，调整光伏电池的输出电压具体为：调整N组光伏电池的输出电压U_dc1和/或m组光伏电池的输出电压U_dc2。

一种阶梯波级联多电平逆变器，包括：

阶梯波算法控制单元，用于利用阶梯波算法控制N组光伏电池，控制过程包括：

步骤A1.获取N组光伏电池的输出电压，得到第1，2，…，i，…，N个输出电压；

步骤A2.计算第1，2，…，i，…，N个输出电压的导通角θ₁′，θ₂′，…，θ_i′，…，θ_N′：

对上式计算得到的导通角θ₁′，θ₂′，…，θ_i′，…，θ_N′向上取整数，得到导通角θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_N：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_1=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_1}^{\′}\right)\\ {\mathrm{\θ}}_2=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_2}^{\′}\right)\\ ...\\ {\mathrm{\θ}}_i=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_i}^{\′}\right)\\ ...\\ {\mathrm{\θ}}_N=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_N}^{\′}\right)\end{array}\right.$

ceil(θ_i′)表示对θ_i′向上取整数；

步骤A3.利用步骤A2得出的导通角θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_N，分别控制第1，2，…，i，…，N个输出电压的导通，利用阶梯波算法得到阶梯波输出电压；

瞬时值反馈算法控制单元，用于利用瞬时值反馈算法控制m组光伏电池，控制过程包括：

步骤B1.获得m组光伏电池的输出电压；

步骤B2.利用瞬时值反馈算法得到瞬时值反馈输出电压；

电压串联叠加单元，用于将阶梯波输出电压和瞬时值反馈输出电压串联叠加，形成总输出电压，实现直流多电平输入变成交流电平输出。

优选的，N组光伏电池的输出电压均为U_dc1，m组光伏电池的输出电压均为U_dc2；

进一步包括输出电压调整单元，用于调整输出电压，调整过程包括：

$u_1\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n}\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

其中，n＝3，5，7，…，∞；

瞬时值反馈输出电压的表达式为：

$u_2\left(t\right)={\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

其中，m′＝m，2m，3m，…，∞；n＝±1，±3，±5，…，∞；M表示调制比，m′表示相对载波的谐波次数，n表示相对调制波的谐波次数，k_f表示载波与调制波的比值；

总输出电压的表达式为：

$u_0\left(t\right)=u_1\left(t\right)+u_2\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t+{\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

总输出电压的基波电压表达式为：

u₀₁(t)＝(NU_dc1+mMU_dc2)sinω₀t＝(N+mkM)U_dc1sinω₀t

其中，k＝U_dc1/U_dc2；

根据上式计算总输出电压的基波电压；

总输出电压的谐波电压表达式为：

$u_{0n}\left(t\right)=\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}$

$\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

根据上式计算总输出电压的谐波电压；

输出电压调整单元有如下三种方式判断方式：

方式一：判断计算得到的基波电压是否属于预置的基准基波电压范围内，如果是，不调整光伏电池的输出电压，否则，调整光伏电池的输出电压。

方式二：判断计算得到的谐波电压是否小于预置的基准谐波电压，如果是，不调整光伏电池的输出电压，否则，调整光伏电池的输出电压。

方式三：如果计算得到的基波电压属于预置的基准基波电压范围内，且计算得到的谐波电压小于预置的基准谐波电压，则不调整光伏电池的输出电压；否则，调整光伏电池的输出电压。

优选的，调整光伏电池的输出电压具体为：调整N组光伏电池的输出电压U_dc1和/或m组光伏电池的输出电压U_dc2。

本发明的有益效果：本技术方案的控制方法包括，步骤A，利用阶梯波算法控制N组光伏电池，获取N组光伏电池的输出电压，得到第1，2，…，i，…，N个输出电压，计算第1，2，…，i，…，N个输出电压的导通角θ₁′，θ₂′，…，θ_i′，…，θ_N′，向上取整数得到θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_N，利用计算得出的导通角θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_N，分别控制第1，2，…，i，…，N个输出电压的导通，利用阶梯波算法得到阶梯波输出电压；步骤B，利用瞬时值反馈算法控制m组光伏电池，获得m组光伏电池的输出电压，利用瞬时值反馈算法得到瞬时值反馈输出电压；步骤C，将阶梯波输出电压和瞬时值反馈输出电压串联叠加，形成总输出电压，实现直流多电平输入变成交流电平输出。本方案混合了阶梯波算法控制方法和瞬时值反馈算法控制方法，结合阶梯波算法和瞬时值反馈算法的优点，可以减小工作频率，降低开关损耗，有利于提高逆变器输出波形质量和逆变器转换效率，减少电磁干扰，且系统结构简单。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的级联多电平逆变器结构示意图；

图3为本发明的N组光伏电池使用阶梯波算法的结构示意图；

图4为本发明的N组光伏电池输出波形的形成过程示意图；

图5为本发明的阶梯波级联多电平逆变器触发角取值示意图；

图6为本发明的实施例系统结构示意图；

图7为本发明的占空比为1时电网电压与逆变器输出电流波形图；

图8为本发明的占空比为1时逆变器输出电流FFT频谱图；

图9为本发明的占空比为1时逆变器输出电压波形图；

图10为本发明的占空比为0.8时电网电压与逆变器输出电流波形图；

图11为本发明的占空比为0.8时逆变器输出电流FFT频谱图；

图12为本发明的采用倍频SPWM方式的电网电压与逆变器输出电流波形图；

图13为本发明的采用倍频SPWM方式的逆变器输出电流FFT频谱；

图14为本发明的采用阶梯波方式的电网电压与逆变器输出电流波形图；

图15为本发明的采用阶梯波方式的逆变器输出电流FFT频谱。

具体实施方式

实施例一

参见图1，阶梯波与瞬时值反馈混合控制级联多电平逆变器的控制方法，包括：

步骤101，利用阶梯波算法控制N组光伏电池，包括：

步骤1011.获取N组光伏电池的输出电压，得到第1，2，…，i，…，N个输出电压；

步骤1012.计算第1，2，…，i，…，N个输出电压的导通角θ₁′，θ₂′，…，θ_i′，…，θ_N′：

对上式计算得到的导通角θ₁′，θ₂′，…，θ_i′，…，θ_N′向上取整数，得到导通角θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_N：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_1=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_1}^{\′}\right)\\ {\mathrm{\θ}}_2=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_2}^{\′}\right)\\ ...\\ {\mathrm{\θ}}_i=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_i}^{\′}\right)\\ ...\\ {\mathrm{\θ}}_N=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_N}^{\′}\right)\end{array}\right.$

ceil(θ_i′)表示对θ_i′向上取整数。ceil函数表示返回大于θ_i′的最小整数，比如ceil(15.1)＝16；ceil(16.8)＝17。

步骤1013.利用步骤1012向上取整数得出的导通角θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_N，分别控制第1，2，…，i，…，N个输出电压的导通，利用阶梯波算法得到阶梯波输出电压。

步骤102，利用瞬时值反馈算法控制m组光伏电池，包括：

步骤1021.获得m组光伏电池的输出电压；

步骤1022.利用瞬时值反馈算法得到瞬时值反馈输出电压。

本实施例中，瞬时值反馈算法使用倍频SPWM调整方式。当然，本方案还可以使用其它的调制方式。其中，光伏电池在结构图中称为级联单元。

步骤103，将步骤1013的阶梯波输出电压和步骤1022的瞬时值反馈输出电压串联叠加，形成总输出电压，实现直流多电平输入变成交流电平输出。

本实施例中，步骤103之后，通过计算得到的总输出电压的谐波电压和/或基波电压判断是否需要调整光伏电池的输出电压，提供如下三种优选实施方式。这三种方式可根据实际环境选择。

方式一：

N组光伏电池的输出电压均为U_dc1，m组光伏电池的输出电压均为U_dc2；

阶梯波输出电压的表达式为：

$u_1\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n}\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

其中，n＝3，5，7，…，∞；

瞬时值反馈输出电压的表达式为：

$u_2\left(t\right)={\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

其中，m′＝m，2m，3m，…，∞；n＝±1，±3，±5，…，∞；M表示调制比，m′表示相对载波的谐波次数，n表示相对调制波的谐波次数，k_f表示载波与调制波的比值；

总输出电压的表达式为：

$u_0\left(t\right)=u_1\left(t\right)+u_2\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t+{\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

根据上式，总输出电压的基波电压表达式为：

u₀₁(t)＝(NU_dc1+mMU_dc2)sinω₀t＝(N+mkM)U_dc1sinω₀t

其中，k＝U_dc1/U_dc2；

根据上式计算总输出电压的基波电压；

判断计算得到的基波电压是否属于预置的基准基波电压范围内，如果是，不调整光伏电池的输出电压，否则，调整光伏电池的输出电压。

方式二：

N组光伏电池的输出电压均为U_dc1，m组光伏电池的输出电压均为U_dc2；

阶梯波输出电压的表达式为：

$u_1\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n}\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

其中，n＝3，5，7，…，∞；

瞬时值反馈输出电压的表达式为：

$u_2\left(t\right)={\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

其中，m′＝m，2m，3m，…，∞；n＝±1，±3，±5，…，∞；M表示调制比，m′表示相对载波的谐波次数，n表示相对调制波的谐波次数，k_f表示载波与调制波的比值；

总输出电压的表达式为：

$u_0\left(t\right)=u_1\left(t\right)+u_2\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t+{\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

根据上式，总输出电压的谐波电压表达式为：

$u_{0n}\left(t\right)=\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}$

$\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

根据上式计算总输出电压的谐波电压。实际计算的时候，m′和n的最大值可设置为一整数，比如99，该整数越大，计算的次数就越多，可根据实际情况设置该整数的数值。

判断计算得到的谐波电压是否小于预置的基准谐波电压，如果是，不调整光伏电池的输出电压，否则，调整光伏电池的输出电压。

方式三：

N组光伏电池的输出电压均为U_dc1，m组光伏电池的输出电压均为U_dc2；

阶梯波输出电压的表达式为：

$u_1\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n}\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

其中，n＝3，5，7，…，∞；

瞬时值反馈输出电压的表达式为：

$u_2\left(t\right)={\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

其中，m′＝m，2m，3m，…，∞；n＝±1，±3，±5，…，∞；M表示调制比，m′表示相对载波的谐波次数，n表示相对调制波的谐波次数，k_f表示载波与调制波的比值；

总输出电压的表达式为：

$u_0\left(t\right)=u_1\left(t\right)+u_2\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t+{\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

总输出电压的基波电压表达式为：

u₀₁(t)＝(NU_dc1+mMU_dc2)sinω₀t＝(N+mkM)U_dc1sinω₀t

其中，k＝U_dc1/U_dc2；

根据上式计算总输出电压的基波电压；

总输出电压的谐波电压表达式为：

$u_{0n}\left(t\right)=\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}$

$\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

根据上式计算总输出电压的谐波电压；

判断计算得到的基波电压是否属于预置的基准基波电压范围内，且判断计算得到的谐波电压是否小于预置的基准谐波电压；如果计算得到的基波电压属于预置的基准基波电压范围内，且计算得到的谐波电压小于预置的基准谐波电压，则不调整光伏电池的输出电压，否则，调整光伏电池的输出电压。

上述基准基波电压范围和基准谐波电压均为预先设置，为本方案期望达到的技术指标，如果无法达到技术指标，则进行光伏电池的输出电压的调整。经调整后，重新运行步骤101，获取的是调整后的输出电压，然后重新计算，判断是否需要再次调整。

上述调整光伏电池的输出电压具体为：调整N组光伏电池的输出电压U_dc1和/或m组光伏电池的输出电压U_dc2。即调整光伏电池的输出电压可以有以下三种方法：仅调整N组光伏电池的输出电压U_dc1；仅调整m组光伏电池的输出电压U_dc2；或同时调整N组光伏电池的输出电压U_dc1和m组光伏电池的输出电压U_dc2。

上述调整光伏电池的输出电压，可以为调整光伏电池本身的输出电压，将调整后的输出电压发送到多电平逆变器；也可以为多电平逆变器接收到光伏电池的输出电压后，对接收到的输出电压进行调整。

为便于读者理解本发明，以下从理论上分析本发明的推导过程。

参见图2，本实施例的电路由(N+m)个单元级联而成。第1至N个单元为阶梯波控制，第N+1至N+m单元为瞬时值控制。

从N+1到N+m单元为带瞬时值控制的倍频SPWM调整工作模式。单元和单元之间采取载波移相叠加方式。倍频SPWM调整工作模式与一般SPWM工作模式的区别在于：它只有正向输出、反向输出和旁路三种状态，而没有四只开关器件都不导通的零状态；即用两个频率、幅值相同，相位相反的正弦波和载波三角波交截产生两路控制信号，分别控制逆变桥的左右桥臂的上管，每个桥臂的上下管互补导通。

阶梯波控制的级联单元是构成逆变器总输出电压的主体，其叠加的阶梯台阶有效值占整个逆变器总输出电压有效值的

左右，下面先分析阶梯波算法。

参见图3图4，设有N个级联单元(FBI)为阶梯波叠加，且设U₁＝U₂＝…U_N＝U_dc1。

参见图5，本发明提出一种简便的触发角取值方法。

(i＝1，2…N-1)。

(1)θ₁的取值原则如下：

(b)90°/θ₁向上取整数；

(2)θ_i(i＝2，…N)的取值原则：

(a)θ_i的值是取θ_(i-1)i与θ_i(i+1)中间值；

(b)θ_i/θ₁向上取整数(在具体实施时，通过软件实现取整)；

根据上述方法，N＝5时，导通角如下：

θ₁≈5.8°，对其向上取整数，θ₁＝6°。

对其向上取整数，θ₂＝18°。

对其向上取整数，θ₃＝30°；

对其向上取整数，θ₄＝45°；

对其向上取整数，θ₅＝72°。

以下分析阶梯波输出电压的表达式：

由P.P.Biringer计算式，可推导得到谐波分量的幅值为：

公式1

上式中，U_dc1表示阶梯波台阶值，N表示在四分之一个调制周期内阶梯数。

根据公式1，写出N＝5时的阶梯波级联逆变器的输出电压表达式为：

$u_1\left(t\right)={5U}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n}\left(\underset{j=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$ 公式2写成通式

$u_1\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n}\left(\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$ 公式3

以下分析瞬时值反馈输出电压的表达式：

对于N+1---N+m级联单元采取的倍频SPWM控制模式。设级联单元电压为U_dc2，先以一个单元的倍频SPWM输出波形为例进行分析，采取倍频调制方式的单相逆变桥输出电压的傅立叶分析，结果如下：

$u_2\left(t\right)={\mathrm{MU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\±\frac{{2U}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=1,2...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\±\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(M{m}^{\′}\mathrm{\π}\right)}{m^{\′}}$ 公式4

${\cos m}^{\′}\mathrm{\π}\×\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{s}t\right]$

式中，M表示调制比；m′表示相对载波的谐波次数；n表示相对调制波的谐波次数；k_f表示载波与调制波的比值。

根据载波移相叠加原理，级联逆变器相邻单元间的移相角为θ＝π/m，(ω_c＝2πf_c，f_c-载波频率)，m个逆变器单元级联后输出电压为：

$u_2\left(t\right)={\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

公式5

最后得到整个混合控制的级联逆变器的总输出电压为：

$u_0\left(t\right)=u_1\left(t\right)+u_2\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t+{\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

公式6

由公式6得到总输出电压的基波电压为：

u₀₁(t)＝(NU_dc1+mMU_dc2)sinω₀t＝(N+mkM)U_dc1sinω₀t    公式7

其中，k＝U_dc1/U_dc2

由公式7可以看出，调节调制比M可以调节基波电压的幅值，特别是当k＝1时，其调节范围N～N+m。进一步分析：当SPWM控制部分的调制波移相一个角度

后，得到输出电压的基波电压u₀₁(t)为：

公式8

取M＝1，公式8变为

公式9

公式9表明，可以通过控制SPWM的调制波移相调节幅值和功率因数。

由公式6得到总输出电压的谐波电压：

$u_{0n}\left(t\right)=\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}$ 公式10

$\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

谐波由两部分组成。其中SPWM级联单元的谐波为以(m′k_f±n)f₀为中心分布的系列频率，其两边的边频幅值以函数

下降。当N，k_f较大时，SPWM级联单元谐波频率很高，不影响输出滤波器的设计。混合控制的级联逆变器的输出电压低次谐波主要是阶梯波控制部分引起的。输出滤波器设计主要针对阶梯波波形部分。

参见图6至图15，以下对一个具体实施例进行仿真。

建立由4个单元构成的混合型级联逆变器系统，得到如图7至图15的仿真结果波形图。仿真条件如下：电网电压为220V；滤波电感10mH；前三个单元为梯形波控制，单元输入直流电压分别为70V，140V，140V；第四单元采取倍频SPWM调制方式，输入直流电压为140V，器件开关频率为1kHz。为了对比，进行了多种情况的仿真。其中，图7图8图9为占空比为1时的波形；图10图11为占空比为0.8时的波形；图12图13为仅1个单元，输入直流电压为490V，采取倍频SPWM调制方式，占空比为0.8时的波形；图14图15为仅1个单元，输入直流电压为490V，采取梯形波控制方式时的波形。

从以上的技术方案可以看出，本发明混合了阶梯波算法控制方法和瞬时值反馈算法控制方法，结合阶梯波算法和瞬时值反馈算法的优点，可以减小工作频率，降低开关损耗，有利于提高逆变器输出波形质量和逆变器转换效率，减少电磁干扰，且系统结构简单。本发明可以用于UPS不间断电源、太阳能光伏发电系统等领域。本发明有益效果分析如下：

(1)有效地减小逆变器工作频率。常规50Hz逆变器工作频率一般为10KHZ。假设实施本方案时，阶梯波部分由六个单元组成，SPWM部分由两个单元组成；由于本发明阶梯波部分的工作频率为基波频率，阶梯波部分由六个单元组成，其工作频率为6×50＝300HZ，SPWM部分由两个单元组成，通过移相叠加后，其工作频率为10/2＝5KHZ，整个级联逆变器平均工作频率(总的开关频率除以总的单元数，为近似估算)：

$f_s=\frac{0.3+5}{8}=660\mathrm{HZ}$

这低于全部单元由SPWM控制的逆变器工作频率。

(2)降低开关损耗。根据功率开关器件的开关损耗计算公式：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{on}}={\stackrel{\‾}{f}}_s\·\underset{0}{\overset{t_{\mathrm{on}}}{\∫}}{v}_T{i}_T\mathrm{dt}\\ P_{\mathrm{off}}={\stackrel{\‾}{f}}_s\·\underset{0}{\overset{t_{\mathrm{off}}}{\∫}}{i}_T{v}_T\mathrm{dt}\end{array}\right.$

其中，

表示级联合电平平均工作频率；

i_T，v_T表示功率开关器件在开关过程中的电流、电压；

t_on，t_off表示功率开关器件开通、关断时间。

降低了开关频率就可以降低开关损耗。

(3)本发明提出了计算导通角的算法和对计算出来的导通角进行向上取整数，简化了阶梯波导通角的计算公式，实现导通角的在线计算，使得本发明易于实现。

实施例二

一种阶梯波级联多电平逆变器，包括：

阶梯波算法控制单元，用于利用阶梯波算法控制N组光伏电池，控制过程包括：

步骤A1.获取N组光伏电池的输出电压，得到第1，2，…，i，…，N个输出电压；

步骤A2.计算第1，2，…，i，…，N个输出电压的导通角θ₁′，θ₂′，…，θ_i′，…，θ_N′：

对上式计算得到的导通角θ₁′，θ₂′，…，θ_i′，…，θ_N′向上取整数，得到导通角θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_N：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_1=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_1}^{\′}\right)\\ {\mathrm{\θ}}_2=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_2}^{\′}\right)\\ ...\\ {\mathrm{\θ}}_i=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_i}^{\′}\right)\\ ...\\ {\mathrm{\θ}}_N=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_N}^{\′}\right)\end{array}\right.$

其中，ceil(θ_i′)表示对θ_i′向上取整数；

步骤A3.利用步骤A2向上取整数得出的导通角θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_N，分别控制第1，2，…，i，…，N个输出电压的导通，利用阶梯波算法得到阶梯波输出电压；

瞬时值反馈算法控制单元，用于利用瞬时值反馈算法控制m组光伏电池，控制过程包括：

步骤B1.获得m组光伏电池的输出电压；

步骤B2.利用瞬时值反馈算法得到瞬时值反馈输出电压；

电压串联叠加单元，用于将阶梯波输出电压和瞬时值反馈输出电压串联叠加，形成总输出电压，实现直流多电平输入变成交流电平输出。

本实施例中，输出电压调整单元通过计算得到的总输出电压的谐波电压和/或基波电压判断是否需要调整光伏电池的输出电压，提供如下三种优选实施方式。这三种方式可根据实际环境选择。

方式一：

N组光伏电池的输出电压均为U_dc1，m组光伏电池的输出电压均为U_dc2；

输出电压调整单元用于调整输出电压，调整过程包括：

阶梯波输出电压的表达式为：

$u_1\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n}\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

其中，n＝3，5，7，…，∞；

瞬时值反馈输出电压的表达式为：

$u_2\left(t\right)={\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

其中，m′＝m，2m，3m，…，∞；n＝±1，±3，±5，…，∞；M表示调制比，m′表示相对载波的谐波次数，n表示相对调制波的谐波次数，k_f表示载波与调制波的比值；

总输出电压的表达式为：

$u_0\left(t\right)=u_1\left(t\right)+u_2\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t+{\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

总输出电压的基波电压表达式为：

u₀₁(t)＝(NU_dc1+mMU_dc2)sinω₀t＝(N+mkM)U_dc1sinω₀t

其中，k＝U_dc1/U_dc2；

根据上式计算总输出电压的基波电压；

判断计算得到的基波电压是否属于预置的基准基波电压范围内，如果是，不调整光伏电池的输出电压，否则，调整光伏电池的输出电压。

方式二：

N组光伏电池的输出电压均为U_dc1，m组光伏电池的输出电压均为U_dc2；

输出电压调整单元用于调整输出电压，调整过程包括：

$u_1\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n}\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

其中，n＝3，5，7，…，∞；

瞬时值反馈输出电压的表达式为：

$u_2\left(t\right)={\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

其中，m′＝m，2m，3m，…，∞；n＝±1，±3，±5，…，∞；M表示调制比，m′表示相对载波的谐波次数，n表示相对调制波的谐波次数，k_f表示载波与调制波的比值；

总输出电压的表达式为：

$u_0\left(t\right)=u_1\left(t\right)+u_2\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t+{\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

总输出电压的谐波电压表达式为：

$u_{0n}\left(t\right)=\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}$

$\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

根据上式计算总输出电压的谐波电压；

判断计算得到的谐波电压是否小于预置的基准谐波电压，如果是，不调整光伏电池的输出电压，否则，调整光伏电池的输出电压。

方式三：

N组光伏电池的输出电压均为U_dc1，m组光伏电池的输出电压均为U_dc2；

输出电压调整单元用于调整输出电压，调整过程包括：

$u_1\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n}\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

其中，n＝3，5，7，…，∞；

瞬时值反馈输出电压的表达式为：

$u_2\left(t\right)={\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

其中，m′＝m，2m，3m，…，∞；n＝±1，±3，±5，…，∞；M表示调制比，m′表示相对载波的谐波次数，n表示相对调制波的谐波次数，k_f表示载波与调制波的比值；

总输出电压的表达式为：

$u_0\left(t\right)=u_1\left(t\right)+u_2\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t+{\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

总输出电压的基波电压表达式为：

U₀₁(t)＝(NU_dc1+mMu_dc2)sinω₀t＝(N+mkM)U_dc1sinω₀t

其中，k＝U_dc1/U_dc2；

根据上式计算总输出电压的基波电压；

总输出电压的谐波电压表达式为：

$u_{0n}\left(t\right)=\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}$

$\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

根据上式计算总输出电压的谐波电压；

如果计算得到的基波电压属于预置的基准基波电压范围内，且计算得到的谐波电压小于预置的基准谐波电压，则不调整光伏电池的输出电压；否则，调整光伏电池的输出电压。

其中，上述调整光伏电池的输出电压具体为：调整N组光伏电池的输出电压U_dc1和/或m组光伏电池的输出电压U_dc2。

上述输出电压调整单元对光伏电池的输出电压的调整，可以为调整光伏电池本身的输出电压，将调整后的输出电压发送到多电平逆变器；也可以为多电平逆变器接收到光伏电池的输出电压后，对接收到的输出电压进行调整。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.阶梯波与瞬时值反馈混合控制级联多电平逆变器的控制方法，其特征在于，包括：

步骤A，利用阶梯波算法控制N组光伏电池，包括：

步骤A1.获取N组光伏电池的输出电压，得到第1，2，…，i，…，N个输出电压；

步骤A2.计算第1，2，…，i，…，N个输出电压的导通角θ₁′，θ₂′，…，θ_i′，…，θ_N′：

对上式计算得到的导通角θ₁′，θ₂′，…，θ_i′，…，θ_N′向上取整数，得到导通角θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_N：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_1=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_1}^{\′}\right)\\ {\mathrm{\θ}}_2=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_2}^{\′}\right)\\ ...\\ {\mathrm{\θ}}_i=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_i}^{\′}\right)\\ ...\\ {\mathrm{\θ}}_N=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_N}^{\′}\right)\end{array}\right.$

其中，ceil(θ_i′)表示对θ_i′向上取整数；

步骤A3.利用步骤A2得出的导通角θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_N，分别控制第1，2，…，i，…，N个输出电压的导通，利用阶梯波算法得到阶梯波输出电压；

步骤B，利用瞬时值反馈算法控制m组光伏电池，包括：

步骤B1.获得m组光伏电池的输出电压；

步骤B2.利用瞬时值反馈算法得到瞬时值反馈输出电压；

步骤C，将步骤A3的阶梯波输出电压和步骤B2的瞬时值反馈输出电压串联叠加，形成总输出电压，实现直流多电平输入变成交流电平输出。

2.根据权利要求1所述的阶梯波与瞬时值反馈混合控制级联多电平逆变器的控制方法，其特征在于，所述N组光伏电池的输出电压均为U_dc1，所述m组光伏电池的输出电压均为U_dc2，步骤C之后进一步包括步骤D：

所述阶梯波输出电压的表达式为：

$u_1\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n}\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

其中，n＝3，5，7，…，∞；

瞬时值反馈输出电压的表达式为：

$u_2\left(t\right)={\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

其中，m′＝m，2m，3m，…，∞；n＝±1，±3，±5，…，∞；M表示调制比，m′表示相对载波的谐波次数，n表示相对调制波的谐波次数，k_f表示载波与调制波的比值；

总输出电压的表达式为：

$u_0\left(t\right)=u_1\left(t\right)+u_2\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t+{\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

总输出电压的基波电压表达式为：

u₀₁(t)＝(NU_dc1+mMU_dc2)sin ω₀t＝(N+mkM)U_dc1sinω₀t

其中，k＝U_dc1/U_dc2；

根据上式计算总输出电压的基波电压；

判断计算得到的基波电压是否属于预置的基准基波电压范围内，如果是，不调整光伏电池的输出电压，否则，调整光伏电池的输出电压。

3.根据权利要求1所述的阶梯波与瞬时值反馈混合控制级联多电平逆变器的控制方法，其特征在于，所述N组光伏电池的输出电压均为U_dc1，所述m组光伏电池的输出电压均为U_dc2，步骤C之后进一步包括步骤D：

所述阶梯波输出电压的表达式为：

$u_1\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n}\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

其中，n＝3，5，7，…，∞；

瞬时值反馈输出电压的表达式为：

$u_2\left(t\right)={\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

其中，m′＝m，2m，3m，…，∞；n＝±1，±3，±5，…，∞；M表示调制比，m′表示相对载波的谐波次数，n表示相对调制波的谐波次数，k_f表示载波与调制波的比值；

总输出电压的表达式为：

$u_0\left(t\right)=u_1\left(t\right)+u_2\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t+{\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

总输出电压的谐波电压表达式为：

$u_{0n}\left(t\right)=\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}$

$\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

根据上式计算总输出电压的谐波电压；

判断计算得到的谐波电压是否小于预置的基准谐波电压，如果是，不调整光伏电池的输出电压，否则，调整光伏电池的输出电压。

4.根据权利要求1所述的阶梯波与瞬时值反馈混合控制级联多电平逆变器的控制方法，其特征在于，所述N组光伏电池的输出电压均为_dc1，所述m组光伏电池的输出电压均为U_dc2，步骤C之后进一步包括步骤D：

所述阶梯波输出电压的表达式为：

$u_1\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n}\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

其中，n＝3，5，7，…，∞；

瞬时值反馈输出电压的表达式为：

$u_2\left(t\right)={\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

其中，m′＝m，2m，3m，…，∞；n＝±1，±3，±5，…，∞；M表示调制比，m′表示相对载波的谐波次数，n表示相对调制波的谐波次数，k_f表示载波与调制波的比值；

总输出电压的表达式为：

$u_0\left(t\right)=u_1\left(t\right)+u_2\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t+{\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

总输出电压的基波电压表达式为：

u₀₁(t)＝(NU_dc1+mMU_dc2)sinω₀t＝(N+mkM)U_dc1sinω₀t

其中，k＝U_dc1/U_dc2；

根据上式计算总输出电压的基波电压；

总输出电压的谐波电压表达式为：

$u_{0n}\left(t\right)=\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}$

$\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

根据上式计算总输出电压的谐波电压；

如果所述计算得到的基波电压属于预置的基准基波电压范围内，且所述计算得到的谐波电压小于预置的基准谐波电压，则不调整光伏电池的输出电压；否则，调整光伏电池的输出电压。

5.根据权利要求2至4任意一项所述的阶梯波与瞬时值反馈混合控制级联多电平逆变器的控制方法，其特征在于，所述调整光伏电池的输出电压具体为：调整N组光伏电池的输出电压U_dc1和/或m组光伏电池的输出电压U_dc2。

6.一种阶梯波级联多电平逆变器，其特征在于，包括：

阶梯波算法控制单元，用于利用阶梯波算法控制N组光伏电池，控制过程包括：

步骤A1.获取N组光伏电池的输出电压，得到第1，2，…，i，…，N个输出电压；

步骤A2.计算第1，2，…，i，…，N个输出电压的导通角θ₁′，θ₂′，…，θ_i′，…，θ_N′：

对上式计算得到的导通角θ₁′，θ₂′，…，θ_i′，…，θ_N′向上取整数，得到导通角θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_N：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_1=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_1}^{\′}\right)\\ {\mathrm{\θ}}_2=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_2}^{\′}\right)\\ ...\\ {\mathrm{\θ}}_i=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_i}^{\′}\right)\\ ...\\ {\mathrm{\θ}}_N=\mathrm{ceil}\left({{\mathrm{\θ}}_N}^{\′}\right)\end{array}\right.$

其中，ceil(θ_i′)表示对θ_i′向上取整数；

步骤A3.利用步骤A2得出的导通角θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_N，分别控制第1，2，…，i，…，N个输出电压的导通，利用阶梯波算法得到阶梯波输出电压；

瞬时值反馈算法控制单元，用于利用瞬时值反馈算法控制m组光伏电池，控制过程包括：

步骤B1.获得m组光伏电池的输出电压；

步骤B2.利用瞬时值反馈算法得到瞬时值反馈输出电压；

电压串联叠加单元，用于将阶梯波输出电压和瞬时值反馈输出电压串联叠加，形成总输出电压，实现直流多电平输入变成交流电平输出。

7.根据权利要求6所述的阶梯波级联多电平逆变器，其特征在于，所述N组光伏电池的输出电压均为U_dc1，所述m组光伏电池的输出电压均为U_dc2；

进一步包括输出电压调整单元，用于调整输出电压，调整过程包括：

所述阶梯波输出电压的表达式为：

$u_1\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n}\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

其中，n＝3，5，7，…，∞；

瞬时值反馈输出电压的表达式为：

$u_2\left(t\right)={\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

其中，m′＝m，2m，3m，…，∞；n＝±1，±3，±5，…，∞；M表示调制比，m′表示相对载波的谐波次数，n表示相对调制波的谐波次数，k_f表示载波与调制波的比值；

总输出电压的表达式为：

$u_0\left(t\right)=u_1\left(t\right)+u_2\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t+{\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

总输出电压的基波电压表达式为：

u₀₁(t)＝(NU_dc1+mMU_dc2)sinω₀t＝(N+mkM)U_dc1sinω₀t

其中，k＝U_dc1/U_dc2；

根据上式计算总输出电压的基波电压；

判断计算得到的基波电压是否属于预置的基准基波电压范围内，如果是，不调整光伏电池的输出电压，否则，调整光伏电池的输出电压。

8.根据权利要求6所述的阶梯波级联多电平逆变器，其特征在于，所述N组光伏电池的输出电压均为U_dc1，所述m组光伏电池的输出电压均为U_dc2；

进一步包括输出电压调整单元，用于调整输出电压，调整过程包括：

$u_1\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n}\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

其中，n＝3，5，7，…，∞；

瞬时值反馈输出电压的表达式为：

$u_2\left(t\right)={\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

其中，m′＝m，2m，3m，…，∞；n＝±1，±3，±5，…，∞；M表示调制比，m′表示相对载波的谐波次数，n表示相对调制波的谐波次数，k_f表示载波与调制波的比值；

总输出电压的表达式为：

$u_0\left(t\right)=u_1\left(t\right)+u_2\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t+{\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

总输出电压的谐波电压表达式为：

$u_{0n}\left(t\right)=\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}$

$\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

根据上式计算总输出电压的谐波电压；

判断计算得到的谐波电压是否小于预置的基准谐波电压，如果是，不调整光伏电池的输出电压，否则，调整光伏电池的输出电压。

9.根据权利要求6所述的阶梯波级联多电平逆变器，其特征在于，所述N组光伏电池的输出电压均为U_dc1，所述m组光伏电池的输出电压均为U_dc2；

进一步包括输出电压调整单元，用于调整输出电压，调整过程包括：

$u_1\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n}\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

其中，n＝3，5，7，…，∞；

瞬时值反馈输出电压的表达式为：

$u_2\left(t\right)={\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

其中，m′＝m，2m，3m，…，∞；n＝±1，±3，±5，…，∞；M表示调制比，m′表示相对载波的谐波次数，n表示相对调制波的谐波次数，k_f表示载波与调制波的比值；

总输出电压的表达式为：

$u_0\left(t\right)=u_1\left(t\right)+u_2\left(t\right)={\mathrm{NU}}_{\mathrm{dc}1}{\sin \mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t+{\mathrm{mMU}}_{\mathrm{dc}2}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

总输出电压的基波电压表达式为：

u₀₁(t)＝(NU_dc1+mMU_dc2)sinω₀t＝(N+mkM)U_dc1sinω₀t

其中，k＝U_dc1/U_dc2；

根据上式计算总输出电压的基波电压；

总输出电压的谐波电压表达式为：

$u_{0n}\left(t\right)=\frac{{4U}_{\mathrm{dc}1}}{\mathrm{\π}}\underset{n=\mathrm{3,5},...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{n\θ}}_i\right){\sin \mathrm{n\ω}}_{0}t$

$\±\frac{{2\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}2}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=m,2m,3m...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}$

$\sin \left[(m^{\′}{k}_f+n){\mathrm{\ω}}_{0}t\right]$

根据上式计算总输出电压的谐波电压；

如果所述计算得到的基波电压属于预置的基准基波电压范围内，且所述计算得到的谐波电压小于预置的基准谐波电压，则不调整光伏电池的输出电压；否则，调整光伏电池的输出电压。

10.根据权利要求7至9任意一项所述的阶梯波级联多电平逆变器，其特征在于：

所述调整光伏电池的输出电压具体为：调整N组光伏电池的输出电压U_dc1和/或m组光伏电池的输出电压U_dc2。

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