CN110572063B - 不对称输入多电平变流装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种不对称输入多电平变流装置，包括开关电容单元X和全桥单元Y；开关电容单元X包括第一直流输入电压源V_in1、第二直流输入电压源V_in2、第一电解电容C₁、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄；全桥单元Y包括第五开关管S₅、第六开关管S₆、第七开关管S₇、第八开关管S₈。本发明还提供了该变流装置的控制方法；本发明能够以较少的器件实现更多电平输出，简化了变流装置所需的驱动电路，降低了变流装置制造成本，本发明所提变流装置具有多个输入端口，在多输入源场合应用更加灵活。

Description

不对称输入多电平变流装置及控制方法

技术领域

本发明涉及分布式发电和微电网领域，具体的说，涉及了一种不对称输入多电平变流装置及控制方法。

背景技术

近年来，随着环境污染、能源短缺情况的日益加剧，新能源发电越来越引起人们的重视。光伏、风力发电等发电形式凭借其环境友好特性和良好的经济效益，已经被公认为化石能源的理想代替品。为了新能源能被更广泛的应用，国内外学者从提高输出电能质量，降低总损耗，减小输出滤波器和变压器尺寸等角度提出一系列新型逆变器。其中，多电平逆变器凭借其特有的优势，得到越来越广泛地应用。这类逆变器与传统逆变器的输出波形相比，其输出的多个电平的电压更接近正弦波，可以减小总谐波畸变率，极大提升了输出电压波形的质量，从而降低滤波器的重量和体积。同时，电平数的增加可以降低du/dt，更加适合高压大功率的应用场合。

传统的多电平逆变器拓扑主要分为：二极管钳位型逆变器、飞跨电容型逆变器和H桥级联型逆变器。传统的二极管钳位型逆变器存在母线电容电压不均衡问题，外加硬件钳位电路可以平衡电容电压，但这在一定程度上会增加功率器件数量和逆变器的成本；飞跨电容型逆变器中需要使用大量的钳位电容。数目众多的电容增加了逆变器体积和制造成本；H桥级联型逆变器由多个独立直流电源的H桥逆变器级联而成，逆变器中相同的结构和控制方法便于系统的扩展，但是随着输出电平数的不断增多，直流电源和开关器件的数目会随之大量增加。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供了一种不对称输入多电平变流装置，本发明还提供了适用于该不对称输入多电平变流装置的调制方法及控制方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种不对称输入多电平变流装置，该变流装置包括开关电容单元X和全桥单元Y，所述开关电容单元X和所述全桥单元Y相互连接；

所述开关电容单元X包括第一直流输入电压源V_inl、第二直流输入电压源V_in2、第一电解电容C₁、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃以及第四开关管S₄，其中，所述第二直流输入电压源V_in2的电压大于所述第一直流输入电压源V_in1的电压；所述第一二极管D₁的阳极以及所述第一开关管S₁的集电极均和所述第二直流输入电压源V_in2的正极相连接，所述第一二极管D₁的阴极以及所述第四开关管S₄的集电极均和所述第一电解电容C₁的正极相连接，所述第一开关管S₁的发射极、所述第二二极管D₂的阴极以及所述第二开关管S₂的集电极均与所述第一电解电容C₁的负极相连接，所述第二开关管S₂的发射极以及所述第二直流输入电压源V_in2的负极均与所述第一直流输入电压源V_in1的负极相连接，所述第二二极管D₂的阳极与所述第三开关管S₃的发射极相连接，所述第四开关管S₄的发射极与所述第三二极管D₃的阴极相连接，所述第三二极管D₃的阳极以及所述第三开关管S₃的集电极均与所述第一直流输入电压源V_in1的正极相连接；

所述全桥单元Y包括第五开关管S₅、第六开关管S₆、第七开关管S₇以及第八开关管S₈，所述第五开关管S₅的集电极与所述第六开关管S₆的集电极相连接，所述第五开关管S₅的发射极与所述第七开关管S₇的集电极相连接，所述第六开关管S₆的发射极与所述第八开关管S₈的集电极相连接，所述第七开关管S₇的发射极与所述第八开关管S₈的发射极相连接，所述第五开关管S₅的发射极和所述第六开关管S₆的发射极之间连接负载；

所述开关电容单元X中第四开关管S₄的发射极与所述全桥单元Y中第五开关管S₅的集电极相连接，所述开关电容单元X中第二开关管S₂的发射极与所述全桥单元Y中第七开关管S₇的发射极相连接。

基于上述，所述第二直流输入电压源V_in2的电压大于所述第一直流输入电压源V_in1的电压。

本发明还提供一种适用于前述不对称输入多电平变流装置的控制方法，所述变流装置包括九种不同的工作模态，根据不同工作模态下所述第一开关管S₁至所述第八开关管S₈的导通情况，确定所述变流装置中各个开关管的驱动信号。

基于上述，由一个频率为f_s、幅值为U_s的正弦调制波u_s与8路具有相同频率f_c和相同幅值U_c的三角载波u_c1-u_c8进行比较，产生8路比较信号u₁-u₈；

其中，所述三角载波u_c1-u_c8与所述调制波u_s的调制比M_a为：

且所述调制比M_a的取值范围为0＜M_a≤1；

将8路比较信号u₁～u₈进行逻辑组合，获得各个开关管的驱动信号v_GS1-v_GS8；

各个开关管驱动信号的逻辑组合分别为：

v_GS5＝u₅

v_GS8＝u₄

其中，

表示比较信号u₈的相反数，

表示比较信号u₂的相反数，

表示比较信号u₆的相反数，

表示比较信号u₁的相反数，

表示比较信号u₇的相反数，

表示比较信号u₅的相反数。

基于上述，所述变流装置的9种工作模态为：

工作模态1：控制第五开关管S₅和第八开关管S₈导通，控制其余开关管关断；

工作模态2：控制第二开关管S₂、第四开关管S₄、第五开关管S₅以及第八开关管S₈导通，控制其余开关管关断；

工作模态3：控制第三开关管S₃、第四开关管S₄、第五开关管S₅以及第八开关管S₈导通，控制其余开关管关断；

工作模态4：控制第一开关管S₁、第四开关管S₄、第五开关管S₅以及第八开关管S₈导通，控制其余开关管关断；

工作模态5：控制第五开关管S₅导通，控制其余开关管关断；

工作模态6：控制第六开关管S₆和第七开关管S₇导通，控制其余开关管关断；

工作模态7：控制第二开关管S₂、第四开关管S₄、第六开关管S₆以及第七开关管S₇导通，控制其余开关管关断；

工作模态8：控制第三开关管S₃、第四开关管S₄、第六开关管S₆以及第七开关管S₇导通，控制其余开关管关断；

工作模态9：控制第一开关管S₁、第四开关管S₄、第六开关管S₆以及第七开关管S₇导通，控制其余开关管关断。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明提供了一种不对称输入多电平变流装置，通过两个直流输入源与电容的串并联，能够以更少的器件实现更多电平输出，有效简化了变流装置所需的驱动电路，拓扑结构简单，功率器件和电容数量少，并且所述变流装置具有多个输入端口，在多输入源场合应用更加灵活。

附图说明

图1为本发明所述变流装置拓扑结构框图。

图2是本发明实施例中所述变流装置工作模态1的工作原理图。

图3是本发明实施例中所述变流装置工作模态2的工作原理图。

图4是本发明实施例中所述变流装置工作模态3的工作原理图。

图5是本发明实施例中所述变流装置工作模态4的工作原理图。

图6是本发明实施例中所述变流装置工作模态5的工作原理图。

图7是本发明实施例中所述变流装置工作模态6的工作原理图。

图8是本发明实施例中所述变流装置工作模态7的工作原理图。

图9是本发明实施例中所述变流装置工作模态8的工作原理图。

图10是本发明实施例中所述变流装置工作模态9的工作原理图。

图11为本发明所述变流装置的控制方法原理图。

图12为本发明图11的控制方法对应的驱动信号图。

图13为本发明所述变流装置输出电压波形图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，一种不对称输入多电平变流装置，该变流装置包括开关电容单元X和全桥单元Y，所述开关电容单元X和所述全桥单元Y相互连接。

具体的，所述开关电容单元X包括第一直流输入电压源V_in1、第二直流输入电压源V_in2、第一电解电容C₁、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃以及第四开关管S₄；所述第一二极管D₁的阳极以及所述第一开关管S₁的集电极均和所述第二直流输入电压源V_in2的正极相连接，所述第一二极管D₁的阴极以及所述第四开关管S₄的集电极均和所述第一电解电容C1的正极相连接，所述第一开关管S₁的发射极、所述第二二极管D₂的阴极以及所述第二开关管S₂的集电极均与所述第一电解电容C₁的负极相连接，所述第二开关管S₂的发射极以及所述第二直流输入电压源V_in2的负极均与所述第一直流输入电压源V_in1的负极相连接，所述第二二极管D₂的阳极与所述第三开关管S₃的发射极相连接，所述第四开关管S₄的发射极与所述第三二极管D₃的阴极相连接，所述第三二极管D₃的阳极以及所述第三开关管S₃的集电极均与所述第一直流输入电压源V_inl的正极相连接；

所述全桥单元Y包括第五开关管S₅、第六开关管S₆、第七开关管S₇以及第八开关管S₈，所述第五开关管S₅的集电极与所述第六开关管S₆的集电极相连接，所述第五开关管S₅的发射极与所述第七开关管S₇的集电极相连接，所述第六开关管S₆的发射极与所述第八开关管S₈的集电极相连接，所述第七开关管S₇的发射极与所述第八开关管S₈的发射极相连接，所述第五开关管S₅的发射极和所述第六开关管S₆的发射极之间连接负载；

所述开关电容单元X中第四开关管S₄的发射极与所述全桥单元Y中第五开关管S₅的集电极相连接，所述开关电容单元X中第二开关管S₂的发射极与所述全桥单元Y中第七开关管S₇的发射极相连接。

其中，在具体实施时，所述第一开关管S₁至第八开关管S₈均采用IGBT管或MOS管，且每个开关管的集电极和发射极之间反向并联一续流二极管或者寄生二极管。

需要注意的是，在具体实施时，第二直流输入电压源V_in2的电压大于所述第一直流输入电压源V_in1的电压。

图2-图10示出了所述变流装置各个工作模态的工作原理图，图中箭头所示实线表示所述变流装置负载电流流通路径。所述变流装置各个工作模态的工作原理具体分析为：

工作模态1：工作原理图如图2所示，所述开关电容单元X中第一开关管S₁至第四开关管S₄均处于关断状态，所述全桥单元Y中第五开关管S₅和第八开关管S₈导通，所述第一直流输入电压源V_in1通过所述第三二极管D₃与所述全桥单元Y连接，此时，所述变流装置的输出电压v₀＝+V_in1。

工作模态2：工作原理图如图3所示，所述开关电容单元X中第二开关管S₂和第四开关管S₄导通，所述全桥单元Y中第五开关管S₅和第八开关管S₈导通，其余开关管处于关断状态；所述第二直流输入电压源V_in2通过所述第二开关管S₂和所述第一二极管D₁对所述第一电解电容C₁进行充电，使所述第一电解电容电压V_C1＝V_in2；所述第一直流输入电压源V_in1和所述第二直流输入电压源V_in2的电压关系为V_in2＞V_in1，所述第三二极管D₃反向截止，所述第二直流输入电压源V_in2通过第四开关管S₄单独向负载供电，此时，所述变流装置输出电压为v₀＝+V_in2。

工作模态3：工作原理图如图4所示，所述开关电容单元X中第三开关管S₃和第四开关管S₄处于导通状态，所述全桥单元Y中第五开关管S₅和第八开关管S₈导通，其余开关管处于关断状态；所述第一直流输入电压源V_inl与所述第一电解电容C₁串联，此时，所述变流装置输出电压为v₀＝+(V_C1+V_in1)＝+(V_in1+V_in2)。

工作模态4：工作原理图如图5所示，所述开关电容单元X中第一开关管S₁和第四开关管S₄导通，所述全桥单元Y中第五开关管S₅和第八开关管S₈导通，其余开关管关断；所述第二直流输入电压源V_in2与所述第一电解电容C₁通过所述第一开关管S₁串联；此时，所述变流装置输出电压为v₀＝+(V_C1+V_in2)＝+2V_in2。

工作状态5：工作原理图如图6所示，所述全桥单元Y中第五开关管S₅处于导通状态，所述全桥单元Y中其余开关管以及所述开关电容单元X中第一开关管S₁至第四开关管S₄均处于关断状态；所述第五开关管S₅与第六开关管S₆的体二极管构成续流回路，此时，所述变流装置输出电压为v₀＝0。

工作模态6：工作原理图如图7所示，所述全桥单元Y中第六开关管S₆和第七开关管S₇导通，所述全桥单元Y中其余开关管以及所述开关电容单元X中第一开关管S₁至第四开关管S₄均处于关断状态；所述第一直流输入电压源V_in1通过第三二极管D₃与全桥单元Y连接；所述开关电容单元输出电压为V_in1；此时，所述变流装置输出电压v₀＝-V_in1。

工作模态7：工作原理图如图8所示，所述开关电容单元X中第二开关管S₂和第四开关管S₄导通，所述全桥单元Y中第六开关管S₆和第七开关管S₇导通，其余开关管处于关断状态；第二直流输入电压源V_in2通过第二开关管S₂和第一二极管D₁对第一电解电容C₁进行充电，使第一电解电容电压V_C1＝V_in2；所述第一直流输入电压源V_inl和第二直流输入电压源V_in2的电压关系为V_in2＞V_inl，所述第三二极管D₃反向截止，第二直流输入电压源V_in2通过第四开关管S₄单独向负载供电，此时，变流装置输出电压为v₀＝-V_in2。

工作模态8：工作原理图如图9所示，所述开关电容单元X中第三开关管S₃、第四开关管S₄处于导通状态，所述全桥单元Y中第六开关管S₆、第七开关管S₇导通，其余开关管处于关断状态，所述第一直流输入电压源V_in1与第一电解电容C₁串联；此时，所述变流装置输出电压为v₀＝-(V_C1+V_in1)＝-(V_in1+V_in2)。

工作模态9：工作原理图如图10所示，所述开关电容单元X中第一开关管S₁、第四开关管S₄导通，所述全桥单元Y中第六开关管S₆、第七开关管S₇导通，其余开关管关断；所述第二直流输入电压源V_in2与第一电解电容C₁通过第二开关管S₂串联；此时，变流装置输出电压为v₀＝-2V_in2。

如图11所示，本发明还提供一种适用于前述不对称输入多电平变流装置的控制方法，根据所述变流装置中所述第一开关管S₁至第八开关管S₈的导通情况，所述变流装置包括九种不同的工作模态，在每种工作模态下，根据所述变流装置的输出电平确定所述变流装置中各个开关管的驱动信号。

具体的，由一个频率为f_s、幅值为U_s的正弦调制波u_s与8路具有相同频率f_c和相同幅值U_c的三角载波u_c1-u_c8进行比较，产生8路比较信号u₁-u₈；

其中，所述调制波u_s可表示为：u_s＝U_ssin(2πf_st)；

所述三角载波u_c1-u_c8可表示为：

其中，i为三角载波中三角波的个数。

所述三角载波u_c1-u_c8与所述调制波u_s的载波比M_f为：

所述三角载波u_c1-u_c8与所述调制波u_s的调制比M_a为：

所述调制比M_a的取值范围为0＜M_a≤1，变流器调制比M_a与输出电平之间的关系如下表所示：

将8路比较信号u₁-u₈进行逻辑组合，获得各个开关管的驱动信号v_GS1-v_GS8，如图12所示。

具体的，各个开关管驱动信号的逻辑组合分别为：

v_GS5＝u₅

v_GS8＝u₄

其中，

表示比较信号u₈的相反数，

表示比较信号u₂的相反数，

表示比较信号u₆的相反数，

表示比较信号u₁的相反数，

表示比较信号u₇的相反数，

表示比较信号u₅的相反数。

根据上述方式控制所述变流装置中各个开关管的开通关断。

搭建仿真实验平台对所述变流装置进行验证，所述变流装置输出电压波形图如图13所示。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种不对称输入多电平变流装置，其特征在于：包括开关电容单元X和全桥单元Y，所述开关电容单元X和所述全桥单元Y相互连接；

所述开关电容单元X包括第一直流输入电压源V_in1、第二直流输入电压源V_in2、第一电解电容C₁、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃以及第四开关管S₄，其中，所述第二直流输入电压源V_in2的电压大于所述第一直流输入电压源V_in1的电压；所述第一二极管D₁的阳极以及所述第一开关管S₁的集电极均和所述第二直流输入电压源V_in2的正极相连接，所述第一二极管D₁的阴极以及所述第四开关管S₄的集电极均和所述第一电解电容C₁的正极相连接，所述第一开关管S₁的发射极、所述第二二极管D₂的阴极以及所述第二开关管S₂的集电极均与所述第一电解电容C₁的负极相连接，所述第二开关管S₂的发射极以及所述第二直流输入电压源V_in2的负极均与所述第一直流输入电压源V_in1的负极相连接，所述第二二极管D₂的阳极与所述第三开关管S₃的发射极相连接，所述第四开关管S₄的发射极与所述第三二极管D₃的阴极相连接，所述第三二极管D₃的阳极以及所述第三开关管S₃的集电极均与所述第一直流输入电压源V_in1的正极相连接；

所述全桥单元Y包括第五开关管S₅、第六开关管S₆、第七开关管S₇以及第八开关管S₈，所述第五开关管S₅的集电极与所述第六开关管S₆的集电极相连接，所述第五开关管S₅的发射极与所述第七开关管S₇的集电极相连接，所述第六开关管S₆的发射极与所述第八开关管S₈的集电极相连接，所述第七开关管S₇的发射极与所述第八开关管S₈的发射极相连接，所述第五开关管S₅的发射极和所述第六开关管S₆的发射极之间连接负载；

所述开关电容单元X中第四开关管S₄的发射极与所述全桥单元Y中第五开关管S₅的集电极相连接，所述开关电容单元X中第二开关管S₂的发射极与所述全桥单元Y中第七开关管S₇的发射极相连接。

2.根据权利要求1所述的不对称输入多电平变流装置，其特征在于：所述第一开关管S₁至第八开关管S₈均采用IGBT管或MOS管，且每个开关管的集电极和发射极之间反向并联一续流二极管或者寄生二极管。

3.一种适用于权利要求1或2所述的不对称输入多电平变流装置的控制方法，其特征在于：所述变流装置包括九种不同的工作模态，根据不同工作模态下所述第一开关管S₁至所述第八开关管S₈的导通情况，确定所述变流装置中各个开关管的驱动信号。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：由一个频率为f_s、幅值为U_s的正弦调制波u_s与8路具有相同频率f_c和相同幅值U_c的三角载波u_c1-u_c8进行比较，产生8路比较信号u₁-u₈；

其中，所述三角载波u_c1-u_c8与所述调制波u_s的调制比M_a为：

且所述调制比M_a的取值范围为0＜M_a≤1；

将8路比较信号u₁～u₈进行逻辑组合，获得各个开关管的驱动信号v_GS1-v_GS8。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：当所述调制比M_a的取值范围为0＜M_a≤0.25时，所述变流装置输出3电平；当所述调制比M_a的取值范围为0.25＜M_a≤0.5时，所述变流装置输出5电平；当所述调制比M_a的取值范围为0.5＜M_a≤0.75时，所述变流装置输出7电平；当所述调制比M_a的取值范围为0.75＜M_a≤1时，所述变流装置输出9电平。

6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，各个开关管驱动信号的逻辑组合分别为：

其中，

表示比较信号u₈的相反数，

表示比较信号u₂的相反数，

表示比较信号u₆的相反数，

表示比较信号u₁的相反数，

表示比较信号u₇的相反数，

表示比较信号u₅的相反数。

7.根据权利要求3-6任一项所述的控制方法，其特征在于，所述变流装置的9种工作模态为：

工作模态1：控制第五开关管S₅和第八开关管S₈导通，控制其余开关管关断；

工作模态2：控制第二开关管S₂、第四开关管S₄、第五开关管S₅以及第八开关管S₈导通，控制其余开关管关断；

工作模态3：控制第三开关管S₃、第四开关管S₄、第五开关管S₅以及第八开关管S₈导通，控制其余开关管关断；

工作模态4：控制第一开关管S₁、第四开关管S₄、第五开关管S₅以及第八开关管S₈导通，控制其余开关管关断；

工作模态5：控制第五开关管S₅导通，控制其余开关管关断；

工作模态6：控制第六开关管S₆和第七开关管S₇导通，控制其余开关管关断；

工作模态7：控制第二开关管S₂、第四开关管S₄、第六开关管S₆以及第七开关管S₇导通，控制其余开关管关断；

工作模态8：控制第三开关管S₃、第四开关管S₄、第六开关管S₆以及第七开关管S₇导通，控制其余开关管关断；

工作模态9：控制第一开关管S₁、第四开关管S₄、第六开关管S₆以及第七开关管S₇导通，控制其余开关管关断。

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