CN111416542A - 半桥式模块化多电平单相逆变器及调制方法 - Google Patents

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CN111416542A CN202010274422.3A CN202010274422A CN111416542A CN 111416542 A CN111416542 A CN 111416542A CN 202010274422 A CN202010274422 A CN 202010274422A CN 111416542 A CN111416542 A CN 111416542A
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Abstract

本发明提供了一种半桥式模块化多电平单相逆变器及调制方法，包括：电容器桥臂、模块化多电平桥臂；所述模块化多电平桥臂包括：二端口子模块；所述电容器桥臂、模块化多电平桥臂各包含一个直流正极端点、一个直流负极端点和一个交流端点；所述电容器桥臂的直流正极端点与模块化多电平桥臂的直流正极端点相连接，并与直流电源正极相连；所述电容器桥臂的直流负极端点与模块化多电平桥臂的直流负极端点互相连接，并与直流电源的负极相连；所述电容器桥臂的交流端点、模块化多电平桥臂的交流端点共同构成单相逆变器的交流输出端口。本发明针对该拓扑所提出的新型最近电平逼近调制策略，能够实现拓扑准确输出，维持系统有效工作。

Description

半桥式模块化多电平单相逆变器及调制方法
技术领域
本发明涉及直流输电领域与电力电子变换器设计和控制领域，具体地，涉及一种半桥式模块化多电平单相逆变器及调制方法。
背景技术
电力电子技术的迅速发展和电力电子设备的广泛应用显著提升了电网的可控程度和智能化水平，并且推动电网形态发生变革。交流电网中出现了大量高压直流输电线路和设备。直流负载、直流配电系统也将是未来电力系统中的重要组成部分。未来电力系统将会出现多电压等级交直流混联的局面。作为直流-交流电能变换的核心设备，逆变器的稳态和动态性能将直接影响到电网侧的安全稳定运行和用户侧的可靠供电。不同电压等级的逆变器通常会采用不同拓扑结构。相同电压等级的单相逆变器和三相逆变器也会在具体拓扑上存在差异。低电压等级的单相逆变器通常采用两电平结构，其基本拓扑分为半桥和全桥两类。半桥式两电平逆变器采用两只全控型器件构成半桥电路，与两只电容器一起构成交流侧输出端口。全桥式两电平逆变器采用四只全控型器件构成全桥电路，构成交流侧输出端口。低电压等级的单相逆变器，通常采用脉宽调制(PWM)方式工作，其交流输出波形为高频的±U的电压脉冲，因此存在大量谐波，需要采用L型或LCL型滤波器进行滤波。在电机驱动等较高电压等级应用场合，通常会使用三电平、五电平等逆变器拓扑。多电平电路通常也采用PWM调制方式工作。三电平等多电平电路的逆变器，随着电平数的增加，其输出波形质量有明显改善，所需滤波器体积明显减小。由于电力电子开关器件能力的限制，两电平电路难以直接应用于更高电压等级的应用场合。而与高压等级相匹配的多电平电路，其拓扑将会变得过于复杂而极大提升调制策略难度，降低整体可靠性。因此，在更高电压等级的场合，通常会使用模块化多电平电路，以满足更高电压等级和容量的应用场景需求。其中，最常见的是采用半桥子模块的模块化多电平逆变器。随着子模块数量的增加，模块化多电平电路通常会采用最近电平逼近(NLM)调制方法。模块化多电平电路，其单相桥臂通常需要由结构完全相同的上下两个桥臂组成，因此其装置体积存在进一步下降的空间。此外，传统的最近电平逼近调制策略要求上下两个桥臂在调制过程中维持投入子模块总数一定，其调制策略也存在进一步改进的空间。在城市土地资源日益稀缺的情况下，如何在保证系统可靠运行的基础上，进一步提升装置的能量密度，降低逆变器体积，简化逆变器调制策略，成为未来逆变器发展的一个重要方向。
专利文献CN110112941A公开了一种被提供在起重系统中的逆变器，所述逆变器包括：缩放单元，其被配置为控制所述逆变器的DC链路电压的大小；比例-积分(PI)控制器，其被配置为对所述缩放单元的输出和所述逆变器的输出电压执行PI控制并输出控制信号；第一计算单元，其被配置为将所述逆变器的指令频率和所述控制信号相加；以及电压确定单元，其被配置为从所述第一计算单元的输出频率中确定所述逆变器的输出电压。该专利在降低逆变器体积，简化逆变器调制策略上仍然有待提高的空间。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种半桥式模块化多电平单相逆变器及调制方法。
根据本发明提供的一种半桥式模块化多电平单相逆变器调制方法，包括：步骤1：由给定的工作频率f，计算系统工作的开关周期T；步骤2：周期开始时刻，基于给定的电容额定电压VC、直流侧额定电压VDC和交流侧调制电压v*AO，计算工作于模式S1和模式S2的子模块数量N1、N2；步骤3：测量每个开关周期开始时刻(即上个周期结束时刻)各子模块电容电压情况，并从高到低进行排序；步骤4：测量每个开关周期开始时刻(即上个周期结束时刻)流过子模块左侧端口和右侧端口的电流I1和I2；当I1>I2时，转到步骤5；当I1<I2时，转到步骤6；步骤5：选择子模块电压最低的N1个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式1；选择子模块电压最高的N2个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式2；本开关周期结束后，转回步骤2；步骤6：选择子模块电压最低的N2个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式2；选择子模块电压最高的N1个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式1；本开关周期结束后，转回步骤2。步骤7：获取半桥式模块化多电平单相逆变器调制结果信息。
优选地，所述步骤2包括：步骤2.1：采用如下公式计算投入工作的总模块数N0和交流侧所需模块数N*；
Figure BDA0002444262740000031
式中，VDC为直流侧额定电压、VC为子模块电容额定电压、v* AO为交流侧调制电压，round(*)表示取最接近*的整数；
步骤2.2：采用如下公式计算工作于S1状态下的子模块数量N1：
Figure BDA0002444262740000032
步骤2.3：采用如下公式计算工作于S2状态下的子模块数量N2：
Figure BDA0002444262740000033
优选地，所述步骤3包括：步骤3.1：测量每个开关周期开始时刻，参与工作的各子模块电容电压大小；步骤3.2：将所有子模块电容电压按从小到大顺序排列。
优选地，所述步骤4包括：步骤4.1：测量每个开关周期开始时刻，流过子模块端口1的电流I1和流过子模块端口2的电流I2；步骤4.2：判断电流I1和I2的大小关系，如果I1>I2，则进入步骤5，如果I1<I2，则进入步骤6。
优选地，所述步骤5包括：步骤5.1：选择子模块电压最低的N1个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式1；步骤5.2：选择子模块电压最高的N2个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式2；步骤5.3：本开关周期结束后，转回步骤2；
优选地，所述步骤6包括：步骤6.1：选择子模块电压最低的N2个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式2；步骤6.2：选择子模块电压最高的N1个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式1；步骤6.3：本开关周期结束后，转回步骤2。
根据本发明提供的一种半桥式模块化多电平单相逆变器，包括：电容器桥臂、模块化多电平桥臂；所述模块化多电平桥臂包括：二端口子模块；所述电容器桥臂、模块化多电平桥臂各包含一个直流正极端点、一个直流负极端点和一个交流端点；所述电容器桥臂的直流正极端点与模块化多电平桥臂的直流正极端点相连接，并与直流电源正极相连；所述电容器桥臂的直流负极端点与模块化多电平桥臂的直流负极端点互相连接，并与直流电源的负极相连；所述电容器桥臂的交流端点、模块化多电平桥臂的交流端点共同构成单相逆变器的交流输出端口。
优选地，所述电容器桥臂包括：第一电容器、第二电容器；所述第一电容器的额定参数与第二电容器的额定参数相同；所述第一电容器、第二电容器之间以串联形式连接；所述第一电容器的正极侧为直流正极端点；所述第二电容器的正极侧为直流正极端点；所述第一电容器的的负极侧为直流负极端点；所述第二电容器的的负极侧为直流负极端点；所述第一电容器、第二电容器之间的连接点引出作为桥臂的交流端点。
优选地，所述二端口子模块的数量为多个；所述二端口子模块包括：开关管构件、储能电容构件；所述开关管构件的数量为六个；储能电容构件的数量为一个；所述二端口子模块之间采用输入串联输出串联形式相互连接；
所述二端口子模块相互连接后构成二端口子模块单元；所述二端口子模块的单元初级侧的正极端点引出，作为直流正极端点；所述二端口子模块的次级侧的负极端点引出，作为直流负极端点；所述二端口子模块的初级侧的负极端点与所述二端口子模块的次级侧的正极端点相连，引出作为桥臂的交流端点。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明中，拓扑所采用的新型子模块具有3种工作模式6种工作状态，分别对应左侧投入、右侧投入和两侧隔离状态，实现对电容的复用，且控制设计相对简单；
2、本发明中，拓扑所采用的新型子模块具有输入输出2个端口，通过对新型子模块进行合理组合，相比传统基于半桥子模块结构的逆变器，降低了一半的电容数量，有效提升能量密度，减小系统体积；
3、本发明中，针对该拓扑所提出的新型最近电平逼近调制策略，能够实现拓扑准确输出，维持系统有效工作；
4、本发明中，拓扑所采用的新型子模块具有3种工作模式6种工作状态，分别对应左侧投入、右侧投入和两侧隔离状态，实现对电容的复用，且控制设计相对简单；
5、本发明中，拓扑所采用的新型子模块具有输入输出2个端口，通过对新型子模块进行合理组合，相比传统基于半桥子模块结构的逆变器，降低了一半的电容数量，有效提升能量密度，减小系统体积；
6、本发明中，针对该拓扑所提出的新型最近电平逼近调制策略，能够实现拓扑准确输出，维持系统有效工作。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明所提供的半桥式模块化多电平单相逆变器拓扑结构示意图。
图2为本发明利提出的新型子模块拓扑结构示意图。
图3为本发明实施例中新型子模块的三种基本运行方式示意图。
图4为本发明实施例中应用实例示意图。
图5为本发明实施例中应用实例的交流侧输出波形。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种半桥式模块化多电平单相逆变器调制方法，包括：步骤1：由给定的工作频率f，计算系统工作的开关周期T；步骤2：周期开始时刻，基于给定的电容额定电压VC、直流侧额定电压VDC和交流侧调制电压v* AO，计算工作于模式S1和模式S2的子模块数量N1、N2；步骤3：测量每个开关周期开始时刻(即上个周期结束时刻)各子模块电容电压情况，并从高到低进行排序；步骤4：测量每个开关周期开始时刻(即上个周期结束时刻)流过子模块左侧端口和右侧端口的电流I1和I2；当I1>I2时，转到步骤5；当I1<I2时，转到步骤6；步骤5：选择子模块电压最低的N1个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式1；选择子模块电压最高的N2个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式2；本开关周期结束后，转回步骤2；步骤6：选择子模块电压最低的N2个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式2；选择子模块电压最高的N1个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式1；本开关周期结束后，转回步骤2。步骤7：获取半桥式模块化多电平单相逆变器调制结果信息。
本发明中，单相逆变器的拓扑为新型结构，首先提出一种新型二端口子模块，利用该子模块进行组合，形成新型模块化多电平桥臂，代替传统的MMC桥臂；本发明提出适用于该逆变器结构的最近电平逼近的调制方法。
优选地，所述步骤2包括：步骤2.1：采用如下公式计算投入工作的总模块数N0和交流侧所需模块数N*；
Figure BDA0002444262740000061
式中，VDC为直流侧额定电压、VC为子模块电容额定电压、v* AO为交流侧调制电压，round(*)表示取最接近*的整数；
步骤2.2：采用如下公式计算工作于S1状态下的子模块数量N1：
Figure BDA0002444262740000062
步骤2.3：采用如下公式计算工作于S2状态下的子模块数量N2：
Figure BDA0002444262740000063
优选地，所述步骤3包括：步骤3.1：测量每个开关周期开始时刻，参与工作的各子模块电容电压大小；步骤3.2：将所有子模块电容电压按从小到大顺序排列。
优选地，所述步骤4包括：步骤4.1：测量每个开关周期开始时刻，流过子模块端口1的电流I1和流过子模块端口2的电流I2；步骤4.2：判断电流I1和I2的大小关系，如果I1>I2，则进入步骤5，如果I1<I2，则进入步骤6。
优选地，所述步骤5包括：步骤5.1：选择子模块电压最低的N1个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式1；步骤5.2：选择子模块电压最高的N2个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式2；步骤5.3：本开关周期结束后，转回步骤2；
优选地，所述步骤6包括：步骤6.1：选择子模块电压最低的N2个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式2；步骤6.2：选择子模块电压最高的N1个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式1；步骤6.3：本开关周期结束后，转回步骤2。
具体地，在一个实施例中，逆变器的调制方法如下：
由于工作于S3模式下的子模块，其左右两侧端口电压均为0，电容既不充电也不放电，不对交直流侧电压形成贡献，仅作为热备用存在，因此在调制策略中对工作于S3模式的子模块不作为重点讨论。
由式6可知，通过周期性调节工作于S1和S2的子模块数量，能够使交流侧端口输出电压按正弦规律变化。假设参考正弦输出电压为v* AO，则可以通过下式7求得N*作为调制参考量。
Figure BDA0002444262740000064
联立式3和式7，可以求得N1和N2的值，如下式8、9所示。
Figure BDA0002444262740000071
Figure BDA0002444262740000072
由图3可知：工作状态1、4下，电容处于充电状态；工作状态2、3下，电容处于放电状态。因此，调制过程中，首先要考虑工作于S1和S2状态下的子模块个数，其次要依据电路工作状态，分别确定每个周期内子模块的工作状态。因此，本专利提出如下调制方法：
步骤1：由给定的工作频率f，计算系统工作的开关周期T。
步骤2：基于给定的直流侧电压VDC和交流侧电压v* AO，由式3和式7，计算周期开始时刻，工作于模式S1和模式S2的子模块数量N1、N2。
步骤3：测量每个开关周期开始时刻(即上个周期结束时刻)各子模块电容电压情况，并从高到低进行排序。
步骤4：测量每个开关周期开始时刻(即上个周期结束时刻)流过子模块左侧端口和右侧端口的电流I1和I2；当I1>I2时，转到步骤5；当I1<I2时，转到步骤6。
步骤5：选择子模块电压最低的N1个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式1；选择子模块电压最高的N2个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式2；测量本周期末各子模块电容电压，转回步骤2。
步骤6：选择子模块电压最低的N2个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式2；选择子模块电压最高的N1个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式1测量本周期末各子模块电容电压，转回步骤2。
通过上述调制策略，可以使交流侧输出指定正弦波电压。
根据本发明提供的一种半桥式模块化多电平单相逆变器，包括：电容器桥臂、模块化多电平桥臂；所述模块化多电平桥臂包括：二端口子模块；所述电容器桥臂、模块化多电平桥臂各包含一个直流正极端点、一个直流负极端点和一个交流端点；所述电容器桥臂的直流正极端点与模块化多电平桥臂的直流正极端点相连接，并与直流电源正极相连；所述电容器桥臂的直流负极端点与模块化多电平桥臂的直流负极端点互相连接，并与直流电源的负极相连；所述电容器桥臂的交流端点、模块化多电平桥臂的交流端点共同构成单相逆变器的交流输出端口。
优选地，所述电容器桥臂包括：第一电容器、第二电容器；所述第一电容器的额定参数与第二电容器的额定参数相同；所述第一电容器、第二电容器之间以串联形式连接；所述第一电容器的正极侧为直流正极端点；所述第二电容器的正极侧为直流正极端点；所述第一电容器的的负极侧为直流负极端点；所述第二电容器的的负极侧为直流负极端点；所述第一电容器、第二电容器之间的连接点引出作为桥臂的交流端点。
优选地，所述二端口子模块的数量为多个；所述二端口子模块包括：开关管构件、储能电容构件；所述开关管构件的数量为六个；储能电容构件的数量为一个；其具体连接方式如交底书图2所示；所述二端口子模块之间采用输入串联输出串联形式相互连接；
所述二端口子模块相互连接后构成二端口子模块单元；所述二端口子模块的单元初级侧的正极端点引出，作为直流正极端点；所述二端口子模块的次级侧的负极端点引出，作为直流负极端点；所述二端口子模块的初级侧的负极端点与所述二端口子模块的次级侧的正极端点相连，引出作为桥臂的交流端点。
具体地，在一个实施例中，如图1所示，一种半桥式模块化多电平单相逆变器拓扑中，单相逆变器的交流侧两输出端口分别由模块化多电平桥臂和串联电容提供。逆变器半桥桥臂采用模块化结构设计，桥臂整体拓扑如图1中长虚线内所示，子模块结构如图1中短虚线所示。与传统模块化多电平电路所用的子模块相比，本专利所提出的新型子模块均具有输入、输出两个端口。子模块之间采用输入串联、输出串联的方式进行连接后，左侧N极与右侧P极相连并引出，作为交流侧输出端口1。两个相等大小的电容器串联后，与直流电源P侧和N侧相接，两电容器的连接点为中性点，引出后作为交流侧输出端口2。
所采用的新型子模块拓扑如图2所示。如图2所示，所提出的新型子模块拓扑包含6个开关管和1个储能电容。整个子模块可以分成级联的3部分，左侧、右侧部分均通过反向串联的开关管与储能电容相连接，以保证有效隔离。子模块的左侧和右侧各有一组输出端口P1N1、P2N2，端口正负极P1N1、P2N2之间均通过一个反并联的开关管相连。
新型二端口子模块的工作原理如下：如图3所示，组成直流变压器的新型子模块有3种工作模式，每种工作模式按功率传递方向不同可以分为2种工作状态。每种工作模式的开关状态如表1所示。表中，VT1～VT6为图2中子模块的开关，VP1N1、VP2N2为子模块左侧和右侧的端口电压，VC为子模块电容电压。子模块不同工作模式和工作状态对应的开关状态和端口电压如下表所示：
Figure BDA0002444262740000091
结合图3和上表可知：工作模式S1下，左侧端口电压为电容电压VC，右侧端口电压为0。当处于工作状态1时，能量从左向右流动，电容从左侧吸收能量，处于充电状态。当处于工作状态2时，能量从右向左流动，电容向左侧放电，处于放电状态。
工作模式S2下，左侧端口电压为电容电压0，右侧端口电压为VC。当处于工作状态3时，能量从左向右流动，电容向右侧放电。当处于工作状态4时，能量从右向左流动，电容从右侧吸收能量。
工作模式S3下，左侧端口电压为电容电压0，右侧端口电压为0。工作状态5和6下，电容既不充电也不放电，处于子模块隔离状态。
逆变器工作原理如下：如图1所示，子模块之间以输入串联输出串联的形式互相连接。子模块组合后，其左侧端口N极与右侧P极相连。结合图3和表1可得以下结论：
结论1：处于工作模式S1的子模块，其左侧端口电压，与处于工作模式S2的子模块右侧端口电压，二者之和共同构成逆变器直流侧电压；
结论2：处于工作模式S1的子模块右侧电压之和，与电容器C1电压的代数和，共同构成交流侧电压；
结论3：处于工作模式S2的子模块右侧电压之和，与电容器C2电压的代数和，共同构成交流侧电压。
如图1所示，假设逆变器桥臂中共有N个子模块，其中工作于模式S1的子模块共有N1个，工作于模式S2的子模块共有N2个，记N0＝N1+N2。则工作于模式S3的子模块共有N-N0个。假设电容电压为VC，此时P11NN1侧电压VP11NN1为
VP11NN1＝N1VC (1)
P12NN2侧电压VP12NN2为
VP12NN2＝N2VC (2)
而P1N1之间的电压即直流侧PN之间的电压，因此有
VDC＝VP12NN2+VP11NN1＝N0VC＝(N1+N2)VC (3)
上式3即上述结论1的内容。显然，电容C1和C2相等时，其电压也相等且均为直流侧电压VDC的1/2。由结论2和结论3，可以分别求的交流侧端口电压vAO满足下式4、5。
Figure BDA0002444262740000101
Figure BDA0002444262740000102
联立式4、5，可得
Figure BDA0002444262740000103
由式3和式6可知，当直流侧电压维持稳定时，通过改变N1和N2的值，即可在交流侧端口实现满足正弦规律的阶梯波输出。当子模块数量足够多时，交流侧输出波形将足够接近正弦波。
具体地，在一个实施例中，搭建如图4所示的半桥式模块化多电平单相逆变器。直流侧电源电压400kV，负载大小为50Ω，1mH。其中，逆变器的模块化多电平桥臂共有40个子模块，即N＝40。
其交流侧输出电压如图5所示。直流侧电压为400kV，交流侧参考电压为200sinωtkV。由图中可见，交流侧输出波形为按参考电压规律变化的正弦阶梯波，仿真输出结果与理论结果一致。
本发明中，拓扑所采用的新型子模块具有3种工作模式6种工作状态，分别对应左侧投入、右侧投入和两侧隔离状态，实现对电容的复用，且控制设计相对简单；本发明中，拓扑所采用的新型子模块具有输入输出2个端口，通过对新型子模块进行合理组合，相比传统基于半桥子模块结构的逆变器，降低了一半的电容数量，有效提升能量密度，减小系统体积；本发明中，针对该拓扑所提出的新型最近电平逼近调制策略，能够实现拓扑准确输出，维持系统有效工作；本发明中，拓扑所采用的新型子模块具有3种工作模式6种工作状态，分别对应左侧投入、右侧投入和两侧隔离状态，实现对电容的复用，且控制设计相对简单；本发明中，拓扑所采用的新型子模块具有输入输出2个端口，通过对新型子模块进行合理组合，相比传统基于半桥子模块结构的逆变器，降低了一半的电容数量，有效提升能量密度，减小系统体积；本发明中，针对该拓扑所提出的新型最近电平逼近调制策略，能够实现拓扑准确输出，维持系统有效工作。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种半桥式模块化多电平单相逆变器调制方法，其特征在于，包括：
步骤1：由给定的工作频率f，计算系统工作的开关周期T；
步骤2：周期开始时刻，基于给定的电容额定电压VC、直流侧额定电压VDC和交流侧调制电压v* AO，计算工作于模式S1和模式S2的子模块数量N1、N2；
步骤3：测量每个开关周期开始时刻各子模块电容电压情况，并从高到低进行排序；
步骤4：测量每个开关周期开始时刻流过子模块左侧端口和右侧端口的电流I1和I2；当I1>I2时，转到步骤5；当I1<I2时，转到步骤6；
步骤5：选择子模块电压最低的N1个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式1；选择子模块电压最高的N2个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式2；本开关周期结束后，转回步骤2；
步骤6：选择子模块电压最低的N2个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式2；选择子模块电压最高的N1个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式1；本开关周期结束后，转回步骤2；
步骤7：获取半桥式模块化多电平单相逆变器调制结果信息。
2.根据权利要求1所述的半桥式模块化多电平单相逆变器调制方法，其特征在于，所述步骤2包括：
步骤2.1：采用如下公式计算投入工作的总模块数
Figure FDA0002444262730000014
和交流侧所需模块数N*：
Figure FDA0002444262730000011
式中，VDC为直流侧额定电压、VC为子模块电容额定电压、v* AO为交流侧调制电压，round(*)表示取最接近*的整数；
步骤2.2：采用如下公式计算工作于S1状态下的子模块数量N1：
Figure FDA0002444262730000012
步骤2.3：采用如下公式计算工作于S2状态下的子模块数量N2：
Figure FDA0002444262730000013
3.根据权利要求1所述的半桥式模块化多电平单相逆变器调制方法，其特征在于，所述步骤3包括：
步骤3.1：测量每个开关周期开始时刻，参与工作的各子模块电容电压大小；
步骤3.2：将所有子模块电容电压按从小到大顺序排列。
4.根据权利要求1所述的半桥式模块化多电平单相逆变器调制方法，其特征在于，所述步骤4包括：
步骤4.1：测量每个开关周期开始时刻，流过子模块端口1的电流I1和流过子模块端口2的电流I2；
步骤4.2：判断电流I1和I2的大小关系，如果I1>I2，则进入步骤5，如果I1<I2，则进入步骤6。
5.根据权利要求1所述的半桥式模块化多电平单相逆变器调制方法，其特征在于，所述步骤5包括：
步骤5.1：选择子模块电压最低的N1个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式1；
步骤5.2：选择子模块电压最高的N2个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式2；
步骤5.3：本开关周期结束后，转回步骤2。
6.根据权利要求1所述的半桥式模块化多电平单相逆变器调制方法，其特征在于，所述步骤6包括：
步骤6.1：选择子模块电压最低的N2个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式2；
步骤6.2：选择子模块电压最高的N1个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式1；
步骤6.3：本开关周期结束后，转回步骤2。
7.一种半桥式模块化多电平单相逆变器，其特征在于，包括：电容器桥臂、模块化多电平桥臂；
所述模块化多电平桥臂包括：二端口子模块；
所述电容器桥臂、模块化多电平桥臂各包含一个直流正极端点、一个直流负极端点和一个交流端点；
所述电容器桥臂的直流正极端点与模块化多电平桥臂的直流正极端点相连接，并与直流电源正极相连；
所述电容器桥臂的直流负极端点与模块化多电平桥臂的直流负极端点互相连接，并与直流电源的负极相连；
所述电容器桥臂的交流端点、模块化多电平桥臂的交流端点共同构成单相逆变器的交流输出端口。
8.根据权利要求7所述的半桥式模块化多电平单相逆变器，其特征在于，所述电容器桥臂包括：第一电容器、第二电容器；
所述第一电容器的额定参数与第二电容器的额定参数相同；
所述第一电容器、第二电容器之间以串联形式连接；
所述第一电容器的正极侧为直流正极端点；
所述第二电容器的正极侧为直流正极端点；
所述第一电容器的的负极侧为直流负极端点；
所述第二电容器的的负极侧为直流负极端点；
所述第一电容器、第二电容器之间的连接点引出作为桥臂的交流端点。
9.根据权利要求7所述的半桥式模块化多电平单相逆变器，其特征在于，所述二端口子模块的数量为多个；
所述二端口子模块包括：开关管构件、储能电容构件；
所述开关管构件的数量为六个；
储能电容构件的数量为一个。
10.根据权利要求9所述的半桥式模块化多电平单相逆变器，其特征在于，
所述二端口子模块之间采用输入串联输出串联形式相互连接；
所述二端口子模块相互连接后构成二端口子模块单元；
所述二端口子模块的单元初级侧的正极端点引出，作为直流正极端点；
所述二端口子模块的次级侧的负极端点引出，作为直流负极端点；
所述二端口子模块的初级侧的负极端点与所述二端口子模块的次级侧的正极端点相连，引出作为桥臂的交流端点。
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