CN106887965B - 多电平逆变器的控制方法、控制装置以及逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多电平逆变器的控制方法，应用于多电平逆变电路，所述多电平逆变电路包括：第一电容、第二电容、第三电容以及八个开关支路，该控制方法在接收到封波信号时，控制所述第三开关支路以及所述第四开关支路导通，控制其他开关支路关断。由于第三开关支路的导通，使得第三开关支路内的两端不承受电压，同时，由于第四开关支路的导通，使得第四开关支路内的两端也不承受电压，因此解决了现有技术中，在封波时，开关管上承受电压应力大，导致开关管击穿的问题。除此，本方案还在预设时间到达后，控制所述第三开关支路以及所述第四开关支路关断，以实现多电平逆变器处于关闭状态。

Description

多电平逆变器的控制方法、控制装置以及逆变器

技术领域

本发明涉及光伏新能源技术领域，特别涉及一种多电平逆变器的控制方法、控制装置以及逆变器。

背景技术

近年来多电平输出成为了中高压大功率变频领域的常用技术。其中，有源中点钳位多电平电路是常用的多电平逆变电路，其通过在电路的某个位置设置至少一个悬浮电容，使得其电平被钳位，形成不同的电平输出。

常用的五电平逆变电路如图1所示，包括多个开关管以及续流二极管，其中，多个开关管按照预设的逻辑进行导通和关断，进而实现逆变功能。具体的，由于五电平逆变电路中包括三个直流电容，如果某些开关管同时导通，则会出现直流电容被强制短路，导致回路中出现较大的短路电流，进而损坏开关管。因此，需要对开关管进行互锁处理，如图2中表格所示，控制开关管Q1与开关管Q4互补，开关管Q2与开关管Q5互补，开关管Q3与开关管Q6互补，开关管Q7与开关管Q8互补，以保证五电平之间的正常切换。

然而，发明人发现，当开关管在封波时，会出现非相邻两个电平之间的切换，如+2切换到-2，则此时，造成换流回路的路径较长，使得换流的开关管的电压应力较高，进而导致开关管击穿。

因此，如何提供一种多电平逆变器的控制方法、控制装置以及逆变器，防止封波时开关管击穿，是本领域技术人员亟待解决的一大技术问题。

发明内容

本发明提供一种多电平逆变器的控制方法、控制装置以及逆变器，以解决现有技术中的封波时开关管击穿的问题。

为实现所述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种多电平逆变器的控制方法，应用于多电平逆变电路，所述多电平逆变电路包括：第一电容、第二电容、第三电容以及八个开关支路，

所述第一电容与所述第二电容的串联支路并联在直流电源的输出正端与输出负端之间；

第一开关支路串接在所述第三电容的第一端以及所述直流电源的输出正端之间；

第二开关支路以及第三开关支路串接在所述第一电容的第二端以及所述第三电容的第一端之间；

第四开关支路以及第五开关支路串接在所述第二电容的第一端以及所述第三电容的第二端之间；

第六开关支路串接在所述第三电容的第二端以及所述直流电源的输出负端之间；

第七开关支路串接在所述第三电容的第一端以及所述多电平逆变电路的输出端之间；

第八开关支路串接在所述第三电容的第二端以及所述多电平逆变电路的输出端之间；

该控制方法，包括：

在接收到封波信号时，控制所述第三开关支路以及所述第四开关支路导通，控制其他开关支路关断；

在预设时间到达后，控制所述第三开关支路以及所述第四开关支路关断。

优选的，接收所述封波信号后，所述第三开关支路以及所述第四开关支路中的开关管为续流开关管。

优选的，还包括：

在接收到第一预设指令时，控制所述八个开关支路按照预设互补关系进行导通或关断。

优选的，所述开关支路至少包括一个开关管，所述预设互补关系包括：

控制第一开关支路中的开关管与第四开关支路中的开关管互补；

控制第二开关支路中的开关管与第五开关支路中的开关管互补；

控制第三开关支路中的开关管与第六开关支路中的开关管互补；

控制第七开关支路中的开关管与第八开关支路中的开关管互补。

一种多电平逆变器的控制装置，应用于多电平逆变电路，所述多电平逆变电路包括：第一电容、第二电容、第三电容以及八个开关支路，

所述第一电容与所述第二电容的串联支路并联在直流电源的输出正端与输出负端之间；

第一开关支路串接在所述第三电容的第一端以及所述直流电源的输出正端之间；

第二开关支路以及第三开关支路串接在所述第一电容的第二端以及所述第三电容的第一端之间；

第四开关支路以及第五开关支路串接在所述第二电容的第一端以及所述第三电容的第二端之间；

第六开关支路串接在所述第三电容的第二端以及所述直流电源的输出负端之间；

第七开关支路串接在所述第三电容的第一端以及所述多电平逆变电路的输出端之间；

第八开关支路串接在所述第三电容的第二端以及所述多电平逆变电路的输出端之间；

该控制装置，包括：

第一控制单元，用于在接收到封波信号时，控制所述第三开关支路以及所述第四开关支路导通，控制其他开关支路关断；

第二控制单元，用于在预设时间到达后，控制所述第三开关支路以及所述第四开关支路关断。

优选的，所述第三开关支路以及所述第四开关支路中的开关管为续流开关管。

优选的，还包括：

第三控制单元，用于在接收到第一预设指令时，控制所述八个开关支路按照预设互补关系进行导通或关断。

优选的，所述开关支路至少包括一个开关管，所述预设互补关系包括：

控制第一开关支路中的开关管与第四开关支路中的开关管互补；

控制第二开关支路中的开关管与第五开关支路中的开关管互补；

控制第三开关支路中的开关管与第六开关支路中的开关管互补；

控制第七开关支路中的开关管与第八开关支路中的开关管互补。

一种逆变器，包括任意一项上述的控制装置。

本发明提供了一种多电平逆变器的控制方法，应用于多电平逆变电路，所述多电平逆变电路包括：第一电容、第二电容、第三电容以及八个开关支路，该控制方法在接收到封波信号时，控制所述第三开关支路以及所述第四开关支路导通，控制其他开关支路关断。由于第三开关支路的导通，使得第三开关支路内的两端不承受电压，同时，由于第四开关支路的导通，使得第四开关支路内的两端也不承受电压，因此解决了现有技术中，在封波时，开关管上承受电压应力大，导致开关管击穿的问题。

除此，本方案还在预设时间到达后，控制所述第三开关支路以及所述第四开关支路关断，以实现多电平逆变器处于关闭状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实施例提供的五电平逆变器的结构示意图；

图2是本实施例提供的一种五电平逆变器中各开关管的互补关系的示意图；

图3是本实施例提供的又一五电平逆变器的结构示意图；

图4是本实施例提供的五电平逆变器的电流走向示意图；

图5是本发明实施例提供的一种控制方法的流程示意图；

图6是本实施例提供的五电平逆变器的又一电流走向示意图；

图7是本实施例提供的五电平逆变器的又一电流走向示意图；

图8是本实施例提供的又一五电平逆变器的电流走向示意图；

图8-a和8-b是本发明另一实施例提供的五电平逆变器的应用示意图；

图9-a和9-b是本发明另一实施例提供的两相五电平逆变器的应用示意图；

图10-a和10-b是本发明另一实施例提供的三相三线制五电平逆变器的应用示意图；

图11-a和11-b是本发明另一实施例提供的三相四线制五电平逆变器的应用示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明提供一种多电平逆变器的控制方法，以解决现有技术中的封波时开关管击穿的问题。

具体的，该控制方法应用于多电平逆变电路，如图3所示，所述五电平逆变电路包括：第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3以及八个开关支路(10-80)。

具体的，所述第一电容C1与所述第二电容C2的串联支路并联在直流电源的输出正端PV+与输出负端PV-之间。

第一开关支路10串接在所述第三电容C3的第一端A以及所述直流电源的输出正端PV+之间。

第二开关支路20以及第三开关支路30串接在所述第一电容C1的第二端N以及所述第三电容C3的第一端A之间。

第四开关支路40以及第五开关支路50串接在所述第二电容C2的第一端N以及所述第三电容C3的第二端B之间。

第六开关支路60串接在所述第三电容C3的第二端B以及所述直流电源的输出负端PV-之间。

第七开关支路70串接在所述第三电容C3的第一端A以及所述五电平逆变电路的输出端R之间。

第八开关支路80串接在所述第三电容C3的第二端B以及所述五电平逆变电路的输出端R之间。

为了保证上述多电平逆变电路的正常工作，需要对各个开关支路的开启和关断的状态进行控制，如，第一开关支路10与第四开关支路40不能同时导通，第二开关支路20与第五开关支路50不能同时导通，第三开关支路30与第六开关支路60不能同时导通，第七开关支路70与第八开关支路80不能同时导通。一旦上述互相制约的两个开关支路同时导通，就会导致对应的电容发生短路现象，进而烧毁电路。例如，当第七开关支路70和第八开关支路80同时导通时，第三电容C3就会被短路。

在保障上述互补控制的基础上，本实例着重解决在封波时，逆变器存在的可能风险，如图4所示，当逆变器处于2电平时，其电流方向为PV+->Q1->Q3->Q7-R端输出，如果此时接收到封波信号逆变器封波，则R输出电流续流方向为N->C2->Q6体内二极管->Q4体内二极管->Q8体内二极管->R，此时Q1和Q3体内二极管承受Udc-Uc3电压，由于结电容问题，导致Q3体内二极管承受较大电压而损坏。

因此，本实施例提供了一种PWM控制方法，如图5所示，包括步骤：

S1、在接收到封波信号时，控制所述第三开关支路以及所述第四开关支路导通，控制其他开关支路关断；

S2、在预设时间到达后，控制所述第三开关支路以及所述第四开关支路关断。

其中，第三开关支路以及所述第四开关支路中的开关管为续流开关管，其他开关支路中的开关管为非续流开关管。封波信号可以为逐波限流、故障保护、关机等引起机器封波动作的信号。

结合上述步骤以及图6可知，当续流电路以正半周期为例，逻辑处理：当处于2电平时，其电流方向为PV+->Q1->Q3->Q7-R端输出，如果此时接收到封波信号逆变器封波，强制Q3，Q4导通，其他开关管关断，此时续流通道为：N->Q2体内二极管->Q3->C3->Q8体内二极管->R，则此时Q1体内二极管承受Udc/2，Q3体内二极管承受0V电压，从根本上解决了在封波时开关管的电压应力大导致开关管击穿的问题。

同理，结合图7可知，当续流电路以负半周期为例，逻辑处理为：当处于-2电平时，其电流方向为R->Q8->Q4->Q6->PV-端输出，如果此时接收到封波信号逆变器封波，强制Q3，Q4导通，其他开关管关断，此时续流通道为：R->Q7体内二极管->C3->Q4->Q5体内二极管->N，此时Q6体内二极管承受Udc/2，Q4体内二极管承受0V电压。

除此，在上述实施例的基础上，本实施例还在接收到第一预设指令时，控制所述八个开关支路按照预设互补关系进行导通或关断。即，第一预设指令可以为控制逆变器正常工作的指令，其工作原理与现有技术相同，在此不重复叙述。

其中，预设互补关系可以包括多种，只要能保证开关支路正常工作即可，具体的，本实施例提供了一种互补关系，如下：

控制第一开关支路中的开关管与第四开关支路中的开关管互补；

控制第二开关支路中的开关管与第五开关支路中的开关管互补；

控制第三开关支路中的开关管与第六开关支路中的开关管互补；

控制第七开关支路中的开关管与第八开关支路中的开关管互补。

当然，除了上述互补关系，还可以为其他发波控制方式，本领域技术人员可以根据逆变器的结构进行发波关系的设定，并不局限于上述一种实现方式。例如，本实施例应用的多电平逆变器还可以为图8所示的逆变器，并不局限于图1提供的逆变器结构，那么由于逆变器的结构发生改变，其各个开关支路的发波方式也可以进行适应性改变。

在上述方法实施例的基础上，本实施例还提供了一种多电平逆变器的控制装置，应用于多电平逆变电路，所述多电平逆变电路包括：第一电容、第二电容、第三电容以及八个开关支路，

所述第一电容与所述第二电容的串联支路并联在直流电源的输出正端与输出负端之间；

第一开关支路串接在所述第三电容的第一端以及所述直流电源的输出正端之间；

第二开关支路以及第三开关支路串接在所述第一电容的第二端以及所述第三电容的第一端之间；

第四开关支路以及第五开关支路串接在所述第二电容的第一端以及所述第三电容的第二端之间；

第六开关支路串接在所述第三电容的第二端以及所述直流电源的输出负端之间；

第七开关支路串接在所述第三电容的第一端以及所述多电平逆变电路的输出端之间；

第八开关支路串接在所述第三电容的第二端以及所述多电平逆变电路的输出端之间；

该控制装置包括：

第一控制单元，用于在接收到封波信号时，控制所述第三开关支路以及所述第五开关支路导通，控制其他开关支路关断；

第二控制单元，用于在预设时间到达后，控制所述第三开关支路以及所述第五开关支路关断。

其中，，所述第三开关支路以及所述第五开关支路中的开关管为续流开关管，其他开关支路中的开关管为非续流开关管。

除此，本实施例提供的控制装置还包括：第三控制单元，用于在接收到第一预设指令时，控制所述八个开关支路按照预设互补关系进行导通或关断。

同样，结合上述实施例的附图，所述开关支路至少包括一个开关管，所述预设互补关系包括：

控制第一开关支路中的开关管与第六开关支路中的开关管互补；

控制第二开关支路中的开关管与第四开关支路中的开关管互补；

控制第三开关支路中的开关管与第五开关支路中的开关管互补；

控制第七开关支路中的开关管与第八开关支路中的开关管互补。

在上述实施例的基础上，本实施例还提供了一种逆变器，包括任意一项上述的控制电路。

在具体的实际应用中，如图8-a所示，所述五电平逆变器的第二输入端及输出端还可以分别通过电感等元件(比如电容)与电网相连。所述五电平逆变器的前端还可以增加一个DC/DC变换器来进行电压的变化，用于拓宽所述五电平逆变器的输入电压范围。或者，如图8-b所示，所述五电平逆变器的前端还增加一个DC/DC变换器来进行电压的变化，且其第二输入端及输出端分别通过电感等元件(比如电容)与电网相连。

本发明另一实施例还提供了一种五电平逆变器的应用电路，如图9-a所示，为本实施例提供的两相五电平逆变器拓扑图，包括两个如上述实施例所述的五电平逆变器，分别为第一五电平逆变器101和第二五电平逆变器102；其中：

第一五电平逆变器101和第二五电平逆变器102的第一输入端均连接所述直流电源PV的正端；

第一五电平逆变器101和第二五电平逆变器102的第二输入端均与第一电容C1和第二电容C2的连接点相连；

第一五电平逆变器101和第二五电平逆变器102的第三输入端均连接所述直流电源的负端；

第一五电平逆变器101和第二五电平逆变器102的输出端分别作为所述五电平逆变器的应用电路的两个交流输出端。

具体的，第一五电平逆变器101由第一正弦波进行调制，第二五电平逆变器102由第二正弦波进行调制；

第一正弦波和第二正弦波的相位相差180度或0度。

本发明另一实施例还提供了一种五电平逆变器的应用电路，如图10-a所示，为本实施例提供的三相三线制五电平逆变器拓扑图，包括三个如图上述实施例所述的五电平逆变器，分别为第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203；其中：

第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203的第一输入端均连接所述直流电源PV的正端；

第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203的第二输入端均与第一电容C1和第二电容C2的连接点相连；

第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203的第三输入端均连接所述直流电源的负端；

第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203的输出端分别作为所述五电平逆变器的应用电路的三个交流输出端。

具体的，第一五电平逆变器201由第一正弦波进行调制，第二五电平逆变器202由第二正弦波进行调制，第三五电平逆变器203由第三正弦波进行调制；

第一正弦波、第二正弦波和第三正弦波的相位依次互差120度。

本发明另一实施例还提供了一种五电平逆变器的应用电路，如图11-a所示，为本实施例提供的三相四线制五电平逆变器拓扑图，包括三个如上述实施例所述的五电平逆变器，分别为第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203；其中：

第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203的第一输入端均连接所述直流电源PV的正端；

第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203的第二输入端均与第一电容C1和第二电容C2的连接点相连；

第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203的第三输入端均连接所述直流电源的负端；

第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203的输出端分别作为所述五电平逆变器的应用电路的三个交流输出端；

第一电容C1与第二电容C2的连接点作为所述五电平逆变器的应用电路的第四输出端、分别通过电网与电感等元件(例如还包括电容)与所述三个交流输出端相连。

具体的，第一五电平逆变器201由第一正弦波进行调制，第二五电平逆变器202由第二正弦波进行调制，第三五电平逆变器203由第三正弦波进行调制；

第一正弦波、第二正弦波和第三正弦波的相位依次互差120度。

在具体的实际应用中，所述五电平逆变器的应用电路的前端还可以增加一个DC/DC变换器来进行电压的变化，用于拓宽所述五电平逆变器的应用电路的输入电压范围。所述五电平逆变器的应用电路的各个交流输出端还可以分别通过电感等元件(例如还包括电容)与电网相连。或者如图9-b、10-b和11-b所示，各个所述五电平逆变器的应用电路，其前端增加一个DC/DC变换器来进行电压的变化，且其各个交流输出端还分别通过电感等元件与电网相连。

上述实施例中所述的各五电平逆变器的应用电路，均可应用于光伏发电系统，相应的，所述直流电源为光伏电池组件。或者所述各五电平逆变器的应用电路也可以应用于其他发电系统，此处不做具体限定。

需要说明的是，本发明实施例提供的五电平逆变器实现了防止电容短路的功能，可以理解的是，由该五电平逆变器组成的两相、三相三线制以及三相四线制五电平逆变器同样具有该优点。

综上，本发明提供了一种多电平逆变器的控制方法，应用于多电平逆变电路，所述多电平逆变电路包括：第一电容、第二电容、第三电容以及八个开关支路，该控制方法在接收到封波信号时，控制所述第三开关支路以及所述第四开关支路导通，控制其他开关支路关断。由于第三开关支路的导通，使得第三开关支路内的两端不承受电压，同时，由于第四开关支路的导通，使得第四开关支路内的两端也不承受电压，因此解决了现有技术中，在封波时，开关管上承受电压应力大，导致开关管击穿的问题。除此，本方案还在预设时间到达后，控制所述第三开关支路以及所述第四开关支路关断，以实现多电平逆变器处于关闭状态。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种多电平逆变器的控制方法，应用于多电平逆变电路，其特征在于，所述多电平逆变电路包括：第一电容、第二电容、第三电容以及八个开关支路，

所述第一电容的第一端分别与直流电源的输出正端以及第一开关支路的第一端相连，所述第一电容的第二端与所述第二电容的第一端相连，所述第二电容的第二端与直流电源的输出负端相连；

所述第一开关支路的第二端与第二开关支路的第一端以及第三开关支路的第一端相连，所述第二开关支路的第二端与所述第一电容的第二端相连；

所述第三开关支路的第二端与所述第三电容的第一端相连；

第四开关支路的第一端分别与第五开关支路的第二端以及第六开关支路的第一端相连，所述第五开关支路的第一端与所述第二电容的第一端相连，所述第四开关支路的第二端与所述第三电容的第二端相连；

所述第六开关支路的第二端分别与所述第二电容的第二端以及所述直流电源的输出负端相连；

第七开关支路串接在所述第三电容的第一端以及所述多电平逆变电路的输出端之间；

第八开关支路串接在所述第三电容的第二端以及所述多电平逆变电路的输出端之间；

该控制方法包括：

在接收到封波信号时，控制所述第三开关支路以及所述第四开关支路导通，控制其他开关支路关断；

在预设时间到达后，控制所述第三开关支路以及所述第四开关支路关断。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，接收所述封波信号后，所述第三开关支路以及所述第四开关支路中的开关管为续流开关管。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，还包括：

在接收到第一预设指令时，控制所述八个开关支路按照预设互补关系进行导通或关断。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述开关支路至少包括一个开关管，所述预设互补关系包括：

控制第一开关支路中的开关管与第四开关支路中的开关管互补；

控制第二开关支路中的开关管与第五开关支路中的开关管互补；

控制第三开关支路中的开关管与第六开关支路中的开关管互补；

控制第七开关支路中的开关管与第八开关支路中的开关管互补。

5.一种多电平逆变器的控制装置，应用于多电平逆变电路，其特征在于，所述多电平逆变电路包括：第一电容、第二电容、第三电容以及八个开关支路，

所述第一电容的第一端分别与直流电源的输出正端以及第一开关支路的第一端相连，所述第一电容的第二端与所述第二电容的第一端相连，所述第二电容的第二端与直流电源的输出负端相连；

所述第一开关支路的第二端与第二开关支路的第一端以及第三开关支路的第一端相连，所述第二开关支路的第二端与所述第一电容的第二端相连；

所述第三开关支路的第二端与所述第三电容的第一端相连；

第四开关支路的第一端分别与第五开关支路的第二端以及第六开关支路的第一端相连，所述第五开关支路的第一端与所述第二电容的第一端相连，所述第四开关支路的第二端与所述第三电容的第二端相连；

所述第六开关支路的第二端分别与所述第二电容的第二端以及所述直流电源的输出负端相连；

第七开关支路串接在所述第三电容的第一端以及所述多电平逆变电路的输出端之间；

第八开关支路串接在所述第三电容的第二端以及所述多电平逆变电路的输出端之间；

该控制装置包括：

第一控制单元，用于在接收到封波信号时，控制所述第三开关支路以及所述第四开关支路导通，控制其他开关支路关断；

第二控制单元，用于在预设时间到达后，控制所述第三开关支路以及所述第四开关支路关断。

6.根据权利要求5所述的控制装置，其特征在于，接收所述封波信号后，所述第三开关支路以及所述第四开关支路中的开关管为续流开关管。

7.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，还包括：

第三控制单元，用于在接收到第一预设指令时，控制所述八个开关支路按照预设互补关系进行导通或关断。

8.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，所述开关支路至少包括一个开关管，所述预设互补关系包括：

控制第一开关支路中的开关管与第四开关支路中的开关管互补；

控制第二开关支路中的开关管与第五开关支路中的开关管互补；

控制第三开关支路中的开关管与第六开关支路中的开关管互补；

控制第七开关支路中的开关管与第八开关支路中的开关管互补。

9.一种逆变器，其特征在于，包括如权利要求5-8中任意一项所述的控制装置。