CN109742966A - 一种基于开关电容的单相并网十五电平逆变器拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于开关电容的单相并网十五电平逆变器拓扑结构，利用三个电容、两个反向阻断开关管、四个双向开关管和八个单向开关管组成单相并网十五电平逆变器拓扑结构，将直流电源的负极直接接到电网中性点，获得稳定的共模电压从而减少漏电流的输出，利用本拓扑结构，通过改变不同反向阻断开关管、双向开关管和单向开关管的开关状态从而实现输出端多电平输出电压波形的特性，利用电路优势，可在输出端输出更多级输出电压波形，同时减少漏电流的输出，实现较小总谐波失真，基于理论分析值对系统参数进行设计，仿真验证其符合预期目标。

Description

一种基于开关电容的单相并网十五电平逆变器拓扑结构

技术领域

本发明属于电力电子研究领域，公开一种基于开关电容的单相并网十五电平逆变器拓扑结构。

背景技术

过去二十年，全球变暖和燃料能源短缺成为主要全球化问题之一，因此，人类对可再生能源的需求日益增加。太阳能作为一种最环保经济的可取能源之一，因其安装简便、储藏成本低等优势而获得广泛应用。其中，逆变器在能源转换系统中有着举足轻重的地位。

关于减少光伏板和大地间漏电流以提升效率的问题，国内外学者进行了许多相关方面的研究。已公开的发明专利如：《抑制两H桥级联逆变器漏电流的调制方法》发明一种单相两H桥级联逆变器的调制方法，能够消除流入电网的漏电流，并抑制单模块漏电流；《一种三相飞跨电容多电平光伏逆变器调制方法》采用单载波调制策略，不仅弥补了传统多载波控制策略的复杂性缺陷，还保证了系统共模电压稳定，从而达到抑制系统漏电流的效果；《一种抑制非隔离型光伏系统漏电流的调制策略》以H桥级联多电平逆变器为基础，在不改变系统结构、不增加系统成本的前提下，从调制策略出发，使所需载波个数较传统调制策略减少了一半，大大减少了计算量，并且使共模电压控制在一定的范围内，达到抑制漏电流的效果。

而现有控制策略都是基于传统逆变器拓扑，虽然可以有效抑制漏电流，但仍需依靠外电路实现多电平输出电压波形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于开关电容的单相并网十五电平逆变器拓扑结构，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于开关电容的单相并网十五电平逆变器拓扑结构，包括电容C₁、C₂、C₃，反向阻断开关管S_a1、S_a2，双向开关管S_a3、S_a4、S_a5、S_a6和单向开关管S_b1、S_b2、S_b3、S_c0、S_c1、S_c2、S_c3、S₁；

反向阻断开关管S_a1的集电极分别连接于单向开关管S_b1的发射极和直流源V_dc的正极；

反向阻断开关管S_a1的发射极分别连接于单向开关管S_c0的发射极、电容C₁的正极、单向开关管S_b2的发射极和双向开关管S_a3的第一发射极；单向开关管S_c0的集电极和直流源V_dc的负极同时接地；

电容C₁的负极分别连接于单向开关管S_b1的集电极、反向阻断开关管S_a2的集电极、单向开关管S_c1的集电极；反向阻断开关管S_a2的发射极接地；

双向开关管S_a3的第二发射极分别连接于单向开关管S_c1的发射极、电容C₂的正极、单向开关管S_b3的发射极和双向开关管S_a5的第一发射极；

电容C₂的负极分别连接于单向开关管S_b2的发射极、双向开关管S_a4的第一发射极、单向开关管S_c2的集电极；双向开关管S_a4的第二发射极接地；

双向开关管S_a5的第二发射极分别连接于单向开关管S_c2的发射极、电容C₃的正极、单向开关管S₁的发射极；

电容C₃的负极分别连接于单向开关管S_b3的发射极、双向开关管S_a6的第一发射极、单向开关管S_c3的集电极；双向开关管S_a6的第二发射极接地；

单向开关管S₁的集电极和单向开关管S_c3的发射极为输出正极。

进一步的，反向阻断开关管Sa₁和Sa₂采用FGW85N60RB反向阻断IGBT开关管。

进一步的，双向开关管S_a3、S_a4、S_a5、和S_a6采用FZ800R12KL4C双向IGBT开关管。

进一步的，双向开关管由两个传统单向开关管反向串联组成。

进一步的，单向开关管S_b1、S_b2、S_b3、S_c0、S_c1、S_c2、S_c3、和S₁采用IRG4PC40U单向IGBT开关管。

进一步的，反向阻断开关管S_a1和S_a2均打开，双向开关管S_a6和单向开关管S_c3打开，其他开关均断开，输出两端为零电压。

进一步的，反向阻断开关管S_a1和S_a2均打开，其他开关均断开，导通双向开关管S_a3、S_a5和单向开关管S₁将直流源电压输出从而输出+V_dc。

进一步的，导通反向阻断开关管S_a1、S_a2和单向开关管S_b2、S_b3，使电容C₁和C₃串联第三级正电压+3V_dc，直流源V_dc和电容C₁、C₂、C₃串联得到+7V_dc，其他开关均断开，导通单向开关管S₁输出+7V_dc。

进一步的，导通单向开关管S_c0，连接电容C₁与直流源负极，导通双向开关管S_a5和单向开关管S_c1、S₁，其他开关均断开，输出-V_dc。

进一步的，导通单向开关管S_c0、S_c1、S_c2，使电容C₁、C₂、C₃串联并与直流源负极相连，导通单向开关管S_c3，其他开关均断开，输出-7V_dc。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种基于开关电容的单相并网十五电平逆变器拓扑结构，利用三个电容、两个反向阻断开关管、四个双向开关管和八个单向开关管组成单相并网十五电平逆变器拓扑结构，将直流电源的负极直接接到电网中性点，获得稳定的共模电压从而减少漏电流的输出，利用本拓扑结构，通过改变不同反向阻断开关管、双向开关管和单向开关管的开关状态从而实现输出端多电平输出电压波形的特性，利用电路优势，可在输出端输出更多级输出电压波形，同时减少漏电流的输出，实现较小总谐波失真，基于理论分析值对系统参数进行设计，仿真验证其符合预期目标。

附图说明

图1为本发明的基于开关电容的单相并网十五电平逆变器拓扑结构。

图2为本发明的双向开关管示意图。

图3为本发明的基于开关电容的单相并网十五电平逆变器工作过程电路；图3a为零电压工作电路图，图3b至图3h分别为+1V_dc至+7V_dc工作电路图，图3i至图3o分别为-1V_dc至-7V_dc工作电路图；

图4为本发明的针对基于开关电容的单相并网十五电平逆变器所提出的移相式SPWM控制策略示意图。

图5为本发明的不同功率因数下仿真电路的电压电流输出波形；图5a和图5b分别为负载功率因数为0.8的电路输出电压和输出电流图，图5c和

图5d分别为负载功率因数为1的电路输出电压和输出电流图。

图6为本发明的无滤波器状态下电路的总谐波失真率。

图7为本发明的不同功率因数下仿真电路中电容两端电压波形；图7a、图7b、图7c分别为负载功率因数为0.8的电容C1、C2、C3两端电压变化；图7d、图7e、图7f分别为负载功率因数为1的电容C1、C2、C3两端电压变。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种基于开关电容的单相并网十五电平逆变器拓扑结构，包括电容C₁、C₂、C₃，反向阻断开关管S_a1、S_a2，双向开关管S_a3、S_a4、S_a5、S_a6和单向开关管S_b1、S_b2、S_b3、S_c0、S_c1、S_c2、S_c3、S₁；

反向阻断开关管Sa₁和Sa₂采用FGW85N60RB反向阻断IGBT开关管，反向阻断开关管电流只能单向流通；

如图2所示，双向开关管S_a3、S_a4、S_a5和S_a6采用FZ800R12KL4C双向IGBT开关管，由两个传统单向开关管反向串联组成，电流可以双向流通；

单向开关管S_b1、S_b2、S_b3、S_c0、S_c1、S_c2、S_c3和S₁采用IRG4PC40U单向IGBT开关管；

反向阻断开关管S_a1的集电极分别连接于单向开关管S_b1的发射极和直流源V_dc的正极；

反向阻断开关管S_a1的发射极分别连接于单向开关管S_c0的发射极、电容C₁的正极、单向开关管S_b2的发射极和双向开关管S_a3的第一发射极；单向开关管S_c0的集电极和直流源V_dc的负极同时接地；

电容C₁的负极分别连接于单向开关管S_b1的集电极、反向阻断开关管S_a2的集电极、单向开关管S_c1的集电极；反向阻断开关管S_a2的发射极接地；

双向开关管S_a3的第二发射极分别连接于单向开关管S_c1的发射极、电容C₂的正极、单向开关管S_b3的发射极和双向开关管S_a5的第一发射极；

电容C₂的负极分别连接于单向开关管S_b2的发射极、双向开关管S_a4的第一发射极、单向开关管S_c2的集电极；双向开关管S_a4的第二发射极接地；

双向开关管S_a5的第二发射极分别连接于单向开关管S_c2的发射极、电容C₃的正极、单向开关管S₁的发射极；

电容C₃的负极分别连接于单向开关管S_b3的发射极、双向开关管S_a6的第一发射极、单向开关管S_c3的集电极；双向开关管S_a6的第二发射极接地；

单向开关管S₁的集电极和单向开关管S_c3的发射极为输出正极；

电路工作过程如图3所示。

如图3a所示，在零电压时，反向阻断开关管S_a1，S_a2均打开，电容C₁由电源供给充电至电源电压，双向开关管S_a6和单向开关管S_c3打开，其他开关均断开；

如图3b所示，反向阻断开关管S_a1、S_a2均打开，导通双向开关管S_a3、S_a5和单向开关管S₁将直流源电压输出从而输出+V_dc，其他开关均断开，此时电容C₁通过反向阻断开关管S_a2充电；

如图3c所示，第二级正电压+2V_dc由直流源V_dc和电容C₁串联得到，此时，单向开关管S_b1、S₁和双向开关管S_a3、S_a4均导通，其他开关均断开，使直流源V_dc和电容C₁串联联合形成+2电压向电容C₂充电，以使电容C₂两端电压达到+2V_dc；

如图3d所示，导通反向阻断开关管S_a1、S_a2，单向开关管S_b2、S₁和双向开关管S_a5，其他开关均断开，使电容C₁和电容C₂串联，此时电容C₂充电后两端为+2V_dc，输出+3V_dc；

如图3e所示，导通单向开关管S_b1、S _b2，使得直流源V_dc和电容C₁、C₂串联，导通双向开关管S_a5、S_a6，其他开关均断开，给电容C₃充电获得+4V_dc，导通单向开关管S₁，输出+4V_dc。

如图3f所示，导通反向阻断开关管S_a1、S_a2，双向开关管S_a3和单向开关管S_b3使电容C₁和电容C₃串联得到+5V_dc，其他开关均断开，导通单向开关管S₁输出+5V_dc。

如图3g所示，导通单向开关管S_b1和双向开关管S_a3、S_a4使电容C₂两端获得+2V_dc，导通单向开关管S_b3，其他开关均断开，使电容C₂与C₃串联得到+6V_dc，导通S₁输出+6V_dc；

如图3h所以，导通反向阻断开关管S_a1、S_a2和单向开关管S_b2、S_b3，使电容C₁和C₃串联第三级正电压+3V_dc，直流源V_dc和电容C₁、C₂、C₃串联得到+7V_dc，其他开关均断开，导通单向开关管S₁输出+7V_dc。

如图3i所示，导通单向开关管S_c0，连接电容C₁与直流源负极，导通双向开关管S_a5和单向开关管S_c1、S₁，其他开关均断开，输出-V_dc。

如图3j所示，导通单向开关管S_c0和双向开关管S_a3，使电容C₂与直流源负极相连，导通单向开关管S₁，其他开关均断开，输出-2V_dc。

如图3k所示，导通单向开关管S_c0、S_c1，使电容C₁和C₂串联并与直流源负极相连，导通单向开关管S₁，其他开关均断开，输出-3V_dc。

如图3l所示，导通单向开关管S_c0和双向开关管S_a3、S_a5，使电容C₃与直流源负极相连，导通单向开关管S_c3，其他开关均断开，输出-4V_dc。

如图3m所示，导通单向开关管S_c0、S_c1和双向开关管S_a5，使电容C₁和C₃串联并与直流源负极相连，导通单向开关管S_c3，其他开关均断开，输出-5V_dc。

如图3n所示，导通单向开关管S_c0、S_c2和双向开关管S_a3，使电容C₂和C₃串联并与直流源负极相连，导通单向开关管S_c3，其他开关均断开，输出-6V_dc；

如图3o所示，导通单向开关管S_c0、S_c1和S_c2，使电容C₁、C₂和C₃串联并与直流源负极相连，导通单向开关管S_c3，其他开关均断开，输出-7V_dc；

根据图1中基于开关电容的单相并网十五电平逆变器电路拓扑结构，提出一种针对此电路的移相式SPWM控制策略，如图4所示，7个具有相同电压幅值A_c、频率为10kHz的三角谐波与一个幅值为A_r、频率为50Hz的正弦参考电压的绝对值做比较，输出开关控制脉冲，仿真系数M为：

以图1中基于开关电容的单相并网十五电平逆变器电路拓扑搭建仿真模型，选取输入电压V_dc为85V，电容C₁、C₂、C₃均为2000μF，负载为感性负载，其阻值R_load为83Ω，感值L_Load为200mH，功率因数为0.8，电路中所有开关管导通电阻R_on和直流电阻R_D均为1mΩ，在SPWM控制策略下的开关频率f_sw为10kHz，仿真系数M为0.93，计算所设计电路的最大输出电压和最大输出电流分别为330V，3A；当感性负载的功率因数分别为0.8和1时，电路输出电压和输出电流如图5所示，无滤波器状态下电路的总谐波失真率如图6所示，当感性负载的功率因数分别为0.8和1时，电容两端电压变化如图7所示；

根据仿真结果可以得到：电路的总谐波失真率低至9.29％，输出电压电流波形及幅值与理论计算相符，为后续实验平台搭建提供了有力依据。

Claims (10)

1.一种基于开关电容的单相并网十五电平逆变器拓扑结构，其特征在于，包括电容C₁、C₂、C₃，反向阻断开关管S_a1、S_a2，双向开关管S_a3、S_a4、S_a5、S_a6·和单向开关管S_b1、S_b2、S_b3、S_c0、S_c1、S_c2、S_c3、S₁；

反向阻断开关管S_a1的集电极分别连接于单向开关管S_b1的发射极和直流源V_dc的正极；

反向阻断开关管S_a1的发射极分别连接于单向开关管S_c0的发射极、电容C₁的正极、单向开关管S_b2的发射极和双向开关管S_a3的第一发射极；单向开关管S_c0的集电极和直流源V_dc的负极同时接地；

电容C₁的负极分别连接于单向开关管S_b1的集电极、反向阻断开关管S_a2的集电极、单向开关管S_c1的集电极；反向阻断开关管S_a2的发射极接地；

双向开关管S_a3的第二发射极分别连接于单向开关管S_c1的发射极、电容C₂的正极、单向开关管S_b3的发射极和双向开关管S_a5的第一发射极；

电容C₂的负极分别连接于单向开关管S_b2的发射极、双向开关管S_a4的第一发射极、单向开关管S_c2的集电极；双向开关管S_a4的第二发射极接地；

双向开关管S_a5的第二发射极分别连接于单向开关管S_c2的发射极、电容C₃的正极、单向开关管S₁的发射极；

电容C₃的负极分别连接于单向开关管S_b3的发射极、双向开关管S_a6的第一发射极、单向开关管S_c3的集电极；双向开关管S_a6的第二发射极接地；

单向开关管S₁的集电极和单向开关管S_c3的发射极为输出正极。

2.根据权利要求1所述的一种基于开关电容的单相并网十五电平逆变器拓扑结构，其特征在于，反向阻断开关管Sa₁和Sa₂均采用FGW85N60RB反向阻断IGBT开关管。

3.根据权利要求1所述的一种基于开关电容的单相并网十五电平逆变器拓扑结构，其特征在于，双向开关管S_a3、S_a4、S_a5、和S_a6均采用FZ800R12KL4C双向IGBT开关管。

4.根据权利要求3所述的一种基于开关电容的单相并网十五电平逆变器拓扑结构，其特征在于，双向开关管由两个传统单向开关管反向串联组成。

5.根据权利要求1所述的一种基于开关电容的单相并网十五电平逆变器拓扑结构，其特征在于，单向开关管S_b1、S_b2、S_b3、S_c0、S_c1、S_c2、S_c3、和S₁均采用IRG4PC40U单向IGBT开关管。

6.根据权利要求1所述的一种基于开关电容的单相并网十五电平逆变器拓扑结构，其特征在于，反向阻断开关管S_a1和S_a2均打开，双向开关管S_a6和单向开关管S_c3打开，其他开关均断开，输出两端为零电压。

7.根据权利要求1所述的一种基于开关电容的单相并网十五电平逆变器拓扑结构，其特征在于，反向阻断开关管S_a1和S_a2均打开，其他开关均断开，导通双向开关管S_a3、S_a5和单向开关管S₁将直流源电压输出从而输出+V_dc。

8.根据权利要求1所述的一种基于开关电容的单相并网十五电平逆变器拓扑结构，其特征在于，导通反向阻断开关管S_a1、S_a2和单向开关管S_b2、S_b3，使电容C₁和C₃串联第三级正电压+3V_dc，直流源V_dc和电容C₁、C₂、C₃串联得到+7V_dc，其他开关均断开，导通单向开关管S₁输出+7V_dc。

9.根据权利要求1所述的一种基于开关电容的单相并网十五电平逆变器拓扑结构，其特征在于，导通单向开关管S_c0，连接电容C₁与直流源负极，导通双向开关管S_a5和单向开关管S_c1、S₁，其他开关均断开，输出-V_dc。

10.根据权利要求1所述的一种基于开关电容的单相并网十五电平逆变器拓扑结构，其特征在于，导通单向开关管S_c0、S_c1、S_c2，使电容C₁、C₂、C₃串联并与直流源负极相连，导通单向开关管S_c3，其他开关均断开，输出-7V_dc。