CN109755960A - 一种单相并网开关电容九电平逆变器拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相并网开关电容九电平逆变器拓扑结构，通过四个电容、六个反向阻断开关管和十一个双向开关管组成九电平逆变器拓扑结构，利用反向阻断开关管电流只能单向流通；双向开关管能通过反向二极管续流，电流可以双向流通的特性，根据不同反向阻断开关管和双向开关管的断开与组成正电平输出或负电平输出，可以产生高质量的阶梯电压波形，由于使用电容作为虚拟直流源，它可以容易地提高输入电压，利用SPWM技术，该电路不需要额外的充电控制电路，不需要升压级，重量轻，体积小，直流电源Vdc的负极直接连接到电网的中性线，从而能够消除漏电流。

Description

一种单相并网开关电容九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，公开了一种单相并网开关电容九电平逆变器拓扑结构。

背景技术

近年来，由于全球变暖和化石燃料的减少，可再生能源已成为大家关注的一个课题。这些可再生电力系统需要用到逆变器，并且多电平逆变器由于低成本、高效率和高质量的输出波形而广受欢迎。这些多电平逆变器可用于将诸如燃料电池、风力涡轮机之类的能量转换系统注入电网。由于可再生能源系统的输出电压低，因此需要将其升压到电网。在多电平逆变器中，输出电压与阶梯波形相同，总谐波失真(THD)比较小。

一般来说，多电平逆变器的传统拓扑结构可分为二极管箝位DCMLI、飞电容器FCMLI和级联H桥，它们通常分为输入直流电源对称和非对称两种基本类型。然而，在这些拓扑结构中增加输出电平需要隔离的直流电源和大容量电容器组。此外，由于电容器的电压放电，需要电荷平衡控制拓扑。并网逆变器分为两种类型，带变压器结构和不带变压器结构。无变压器逆变器有利于减小尺寸、降低成本、提高效率。然而，在这些系统中，由于PV板与地之间的寄生电容器，导致漏电流。目前，许多研究者提出了许多基于开关电容结构的多电平逆变器拓扑结构，这些拓扑结构可以产生更多的输出电压电平并减少所需的供电电压，所有这些结构都要求H桥逆变器产生负输出电平，因此，输出中的共模电压是可变的，并导致了漏电流。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单相并网开关电容九电平逆变器拓扑结构，为克服上述缺点，本发明能够消除漏电流。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种单相并网开关电容九电平逆变器拓扑结构，包括电容C₁、C₂、C₃、C₄，反向阻断开关管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4、S_a5、S_a6和双向开关管S_b1、S_b2、S_b3、S_c1、S_c2、S_c3、S_c4、S₁、S₂、S₃、S₄；

其中双向开关管S₁的发射极分别与双向开关管S_c1的集电极、电容C₁的正极、双向开关管S_b1的集电极、反向阻断开关管S_a1的集电极连接；

双向开关管S₁的集电极连接直流电源V_dc的正极；双向开关管S_c1的发射极和双向开关管S₂的集电极连接于直流电源V_dc的负极组成电路输出负极并连接电网的中性线；

反向阻断开关管S_a1的发射极分别与双向开关管S_c2的集电极、电容C₂的正极、双向开关管S_b2的集电极和反向阻断开关管S_a3的集电极连接；

双向开关管S₂的发射极分别与电容C₁的负极、双向开关管S_c2的发射极、反向阻断开关管S_a2的发射极连接；

反向阻断开关管S_a2的集电极分别与双向开关管S_b1的发射极、电容C₂的负极、双向开关管S_c3的发射极和反向阻断开关管S_a4的发射极连接；

反向阻断开关管S_a3的发射极分别与双向开关管S_c3的集电极、电容C₃的正极、双向开关管S_b3的集电极和反向阻断开关管S_a5的集电极连接；

反向阻断开关管S_a4的集电极分别与双向开关管S_b2的发射极、电容C₃的负极、双向开关管S_c4的发射极和反向阻断开关管S_a6的发射极连接；

反向阻断开关管S_a5的发射极分别与双向开关管S_c4的集电极、电容C₄的正极和双向开关管S₃的集电极连接；

反向阻断开关管S_a6的集电极分别与双向开关管S_b3的发射极、电容C₄的负极和双向开关管S₄的发射极连接；

双向开关管S₃的发射极与双向开关管S₄的集电极连接组成电路输出正极。

进一步的，反向阻断开关管电流只能单向流通；双向开关管能通过反向二极管续流，电流可以双向流通。

进一步的，同一个电阻正负极分别连接集电极和发射极的两个反向阻断开关管为一组，每组反向阻断开关管都由相同的脉冲信号控制。

进一步的，所有反向阻断开关管以及双向开关管S₁、S₂、S₄导通时，输出处于零电平状态，并对所有电容充电。

进一步的，相邻两个电容之间连接的两个反向阻断开关管以及与两个反向阻断开关管集电极连接的双向开关管组成正电平单元；

通过接通相邻n个正电平单元中的所有双向开关管，同时断开该n个正电平单元中所有的反向阻断开关管，将n个正电平单元中与反向阻断开关管发射极连接的电容作为直流电源串联，同时将其他正电平单元中的所有双向开关管断开，将其他正电平单元中的所有反向阻断开关管导通，能够得到+n+1Vdc电平输出。

进一步的，所有反向阻断开关管以及双向开关管S₁、S₂、S₃导通，双向开关管S₄断开，输出为一正电平+Vdc。

进一步的，反向阻断开关管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4和双向开关管S_b3导通，其他反向阻断开关管和双向开关管均断开，通过使用电容C₄作为直流电源串联，输出为+2Vdc电平。

进一步的，双向开关管S₁、S₂、S₄和反向阻断开关管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4常开，双向开关管S_b1、S_b2、S_b3常闭，双向开关管S_c4导通，断开反向阻断开关管S_a5、S_a6，输出为-Vdc电平。

进一步的，双向开关管S₁、S₂、S₄常开，双向开关管S_b1、S_b2、S_b3常闭，关断反向阻断开关管S_a3、S_a4，同时接通双向开关管S_c3，输出为-2Vdc电平。

进一步的，双向开关管S_c1、S_c2、S_c3、S_c4、S₄导通，其他开关均断开，输出为-4Vdc电平。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种单相并网开关电容九电平逆变器拓扑结构，通过四个电容、六个反向阻断开关管和十一个双向开关管组成九电平逆变器拓扑结构，利用反向阻断开关管电流只能单向流通；双向开关管能通过反向二极管续流，电流可以双向流通的特性，根据不同反向阻断开关管和双向开关管的断开与组成正电平输出或负电平输出，可以产生高质量的阶梯电压波形，由于使用电容作为虚拟直流源，它可以容易地提高输入电压，利用SPWM技术，该电路不需要额外的充电控制电路，不需要升压级，重量轻，体积小，直流电源Vdc的负极直接连接到电网的中性线，从而能够消除漏电流。

附图说明

图1为本发明的单相并网开关电容九电平逆变器拓扑。

图2为本发明单相并网开关电容九电平逆变器拓扑不同工作模式，图2a为零电平状态开关图；图2b为+Vdc电平状态开关图；图2c为+2Vdc电平状态开关图；图2d为+3Vdc电平状态开关图；图2e为+4Vdc电平状态开关图；图2f为-Vdc电平状态开关图；图2g为-2Vdc电平状态开关图；图2h为-3Vdc电平状态开关图；图2i为-4Vdc电平状态开关图。

图3为本发明使用的正弦脉冲宽度调制SPWM以及对应的双向开关管门极驱动信号。

图4为本发明通过MATLAB/SIMULINK软件给出的仿真结果。

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，一种单相并网开关电容九电平逆变器拓扑结构，包括电容C₁、C₂、C₃、C₄，反向阻断开关管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4、S_a5、S_a6和双向开关管S_b1、S_b2、S_b3、S_c1、S_c2、S_c3、S_c4、S₁、S₂、S₃、S₄；

其中双向开关管S₁的发射极分别与双向开关管S_c1的集电极、电容C₁的正极、双向开关管S_b1的集电极、反向阻断开关管S_a1的集电极连接；

双向开关管S₁的集电极连接直流电源V_dc的正极；双向开关管S_c1的发射极和双向开关管S₂的集电极连接于直流电源V_dc的负极组成电路输出负极并连接电网的中性线；

反向阻断开关管S_a1的发射极分别与双向开关管S_c2的集电极、电容C₂的正极、双向开关管S_b2的集电极和反向阻断开关管S_a3的集电极连接；

双向开关管S₂的发射极分别与电容C₁的负极、双向开关管S_c2的发射极、反向阻断开关管S_a2的发射极连接；

反向阻断开关管S_a2的集电极分别与双向开关管S_b1的发射极、电容C₂的负极、双向开关管S_c3的发射极和反向阻断开关管S_a4的发射极连接；

反向阻断开关管S_a3的发射极分别与双向开关管S_c3的集电极、电容C₃的正极、双向开关管S_b3的集电极和反向阻断开关管S_a5的集电极连接；

反向阻断开关管S_a4的集电极分别与双向开关管S_b2的发射极、电容C₃的负极、双向开关管S_c4的发射极和反向阻断开关管S_a6的发射极连接；

反向阻断开关管S_a5的发射极分别与双向开关管S_c4的集电极、电容C₄的正极和双向开关管S₃的集电极连接；

反向阻断开关管S_a6的集电极分别与双向开关管S_b3的发射极、电容C₄的负极和双向开关管S₄的发射极连接；

双向开关管S₃的发射极与双向开关管S₄的集电极连接组成电路输出正极。

反向阻断开关管电流只能单向流通；双向开关管能通过反向二极管续流，电流可以双向流通；

本发明单相并网开关电容九电平逆变器拓扑不同工作模式如图2所示：每个电平中正向电流和反向电流的路径不同，同一个电阻正负极分别连接集电极和发射极的两个反向阻断开关管为一组，每组反向阻断开关管都由相同的脉冲信号控制，这使得控制电路更加简单；如图1所示，反向阻断开关管S_a1和反向阻断开关管S_a2为一组，反向阻断开关管S_a3和反向阻断开关管S_a4为一组，反向阻断开关管S_a5和反向阻断开关管S_a6为一组；

在零电平状态，所有反向阻断开关管以及双向开关管S₁、S₂、S₄导通，并对所有电容充电，如图2(a)所示；

相邻两个电容之间连接的两个反向阻断开关管以及与两个反向阻断开关管集电极连接的双向开关管组成正电平单元；

通过接通相邻n个正电平单元中的所有双向开关管，同时断开该n个正电平单元中所有的反向阻断开关管，将n个正电平单元中与反向阻断开关管发射极连接的电容作为直流电源串联，同时将其他正电平单元中的所有双向开关管断开，将其他正电平单元中的所有反向阻断开关管导通，能够得到+n+1Vdc电平输出；

具体的，为了产生一正电平+Vdc，所有反向阻断开关管以及双向开关管S₁、S₂导通，把双向开关管S₃变为导通，双向开关管S₄断开，如图2b所示；

通过使用电容C₄作为直流电源串联，可以建立+2Vdc电平，为了实现这种状态，双向开关管S₁、S₂导通，反向阻断开关管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4导通，双向开关管S_b3导通，其他反向阻断开关管和双向开关管均断开，如图2c所示，在这种工作模式下，直流电源同时对其他电容C₁、C₂、C₃充电；

同时能够得到如图2d、图2e所示的+3Vdc电平和+4Vdc电平；

相邻两个电容之间连接的两个反向阻断开关管以及与两个反向阻断开关管发射极连接的双向开关管组成负电平单元；双向开关管S₁、S₂、S₄常开和反向阻断开关管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4常开，双向开关管S_b1、S_b2、S_b3常闭，双向开关管S_c4导通，断开反向阻断开关管S_a5、S_a6和双向开关管S_b3，输出为-Vdc电平，如图2f所示；在这种状态下，由双向开关管S₂、S_c4S₄和反向阻断开关管S_a2、S_a4构建导通路径，电容器C₄与反极性负载并联，并且其它电容(C₁、C₂、C₃)处于充电状态；

双向开关管S₁、S₂、S₄常开和反向阻断开关管S_a1、S_a2常开，双向开关管S_b1、S_b2、S_b3常闭，，通过关断反向阻断开关管S_a3、S_a4，同时接通双向开关管S_c3，C₃和C₄是串联的，可以建立其他负电平-2Vdc，如图2g所示；继续此过程产生-3Vdc电平，如图2h所示。

为了产生-4Vdc，双向开关管S_c1、S_c2、S_c3、S_c4、S₄导通，其他开关均断开，如图2i所示。

图3是本发明九电平逆变器的调制方法：电平移位PWMLSPWM技术用于对所发明的九电平逆变器产生门极控制信号。将具有50Hz频率和幅度的Ar的正弦参考信号与具有相同幅度A_C的四个三角形高频载波波形进行比较。

为了证明所发明的九电平逆变器拓扑结构的有效性，使用MATLAB/SIMULINK软件对九电平逆变器进行了仿真分析，仿真结果如图4所示，这里，电路参数设置如下：直流电源电压Vdc＝85V，所有电容器的电容C＝2mF和所有半导体器件的内阻Ron＝1mΩ，仿真中设置为阻性负载，根据本发明的调制策略，F_SW＝10kHz和调制指数M＝0.92，输出电压和电流波形的最大值分别为307V和3.12A，仿真结果符合预期目标，验证了所发明的九电平逆变器拓扑结构的有效性。

Claims (10)

1.一种单相并网开关电容九电平逆变器拓扑结构，其特征在于，包括电容C₁、C₂、C₃、C₄，反向阻断开关管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4、S_a5、S_a6和双向开关管S_b1、S_b2、S_b3、S_c1、S_c2、S_c3、S_c4、S₁、S₂、S₃、S₄；

其中双向开关管S₁的发射极分别与双向开关管S_c1的集电极、电容C₁的正极、双向开关管S_b1的集电极、反向阻断开关管S_a1的集电极连接；

双向开关管S₁的集电极连接直流电源V_dc的正极；双向开关管S_c1的发射极和双向开关管S₂的集电极连接于直流电源V_dc的负极组成电路输出负极并连接电网的中性线；

反向阻断开关管S_a1的发射极分别与双向开关管S_c2的集电极、电容C₂的正极、双向开关管S_b2的集电极和反向阻断开关管S_a3的集电极连接；

双向开关管S₂的发射极分别与电容C₁的负极、双向开关管S_c2的发射极、反向阻断开关管S_a2的发射极连接；

反向阻断开关管S_a2的集电极分别与双向开关管S_b1的发射极、电容C₂的负极、双向开关管S_c3的发射极和反向阻断开关管S_a4的发射极连接；

反向阻断开关管S_a3的发射极分别与双向开关管S_c3的集电极、电容C₃的正极、双向开关管S_b3的集电极和反向阻断开关管S_a5的集电极连接；

反向阻断开关管S_a4的集电极分别与双向开关管S_b2的发射极、电容C₃的负极、双向开关管S_c4的发射极和反向阻断开关管S_a6的发射极连接；

反向阻断开关管S_a5的发射极分别与双向开关管S_c4的集电极、电容C₄的正极和双向开关管S₃的集电极连接；

反向阻断开关管S_a6的集电极分别与双向开关管S_b3的发射极、电容C₄的负极和双向开关管S₄的发射极连接；

双向开关管S₃的发射极与双向开关管S₄的集电极连接组成电路输出正极。

2.根据权利要求1所述的一种单相并网开关电容九电平逆变器拓扑结构，其特征在于，反向阻断开关管电流只能单向流通；双向开关管能通过反向二极管续流，电流可以双向流通。

3.根据权利要求1所述的一种单相并网开关电容九电平逆变器拓扑结构，其特征在于，同一个电阻正负极分别连接集电极和发射极的两个反向阻断开关管为一组，每组反向阻断开关管都由相同的脉冲信号控制。

4.根据权利要求1所述的一种单相并网开关电容九电平逆变器拓扑结构，其特征在于，所有反向阻断开关管以及双向开关管S₁、S₂、S₄导通时，输出处于零电平状态，并对所有电容充电。

5.根据权利要求1所述的一种单相并网开关电容九电平逆变器拓扑结构，其特征在于，相邻两个电容之间连接的两个反向阻断开关管以及与两个反向阻断开关管集电极连接的双向开关管组成正电平单元；

通过接通相邻n个正电平单元中的所有双向开关管，同时断开该n个正电平单元中所有的反向阻断开关管，将n个正电平单元中与反向阻断开关管发射极连接的电容作为直流电源串联，同时将其他正电平单元中的所有双向开关管断开，将其他正电平单元中的所有反向阻断开关管导通，能够得到+n+1Vdc电平输出。

6.根据权利要求5所述的一种单相并网开关电容九电平逆变器拓扑结构，其特征在于，所有反向阻断开关管以及双向开关管S₁、S₂、S₃导通，双向开关管S₄断开，输出为一正电平+Vdc。

7.根据权利要求5所述的一种单相并网开关电容九电平逆变器拓扑结构，其特征在于，反向阻断开关管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4和双向开关管S_b3导通，其他反向阻断开关管和双向开关管均断开，通过使用电容C₄作为直流电源串联，输出为+2Vdc电平。

8.根据权利要求5所述的一种单相并网开关电容九电平逆变器拓扑结构，其特征在于，双向开关管S₁、S₂、S₄和反向阻断开关管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4常开，双向开关管S_b1、S_b2、S_b3常闭，双向开关管S_c4导通，断开反向阻断开关管S_a5、S_a6，输出为-Vdc电平。

9.根据权利要求8所述的一种单相并网开关电容九电平逆变器拓扑结构，其特征在于，双向开关管S₁、S₂、S₄常开，双向开关管S_b1、S_b2、S_b3常闭，关断反向阻断开关管S_a3、S_a4，同时接通双向开关管S_c3，输出为-2Vdc电平。

10.根据权利要求8所述的一种单相并网开关电容九电平逆变器拓扑结构，其特征在于，双向开关管S_c1、S_c2、S_c3、S_c4、S₄导通，其他开关均断开，输出为-4Vdc电平。