CN111682790B - 一种双输入扩展增益多电平逆变器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双输入扩展增益多电平逆变器及其控制方法，该逆变器包括开关电容变换器SCC1、开关电容变换器SCC2和六开关结构，开关电容变换器SCC1和开关电容变换器SCC2采用相同结构的开关电容变换器SCCn；开关电容变换器SCCn包括直流输入电源Vn、开关管Sn,0以及m个开关电容多级子模块；开关电容多级子模块包括开关管Sn,m、二极管Dn,2m‑1、Dn,2m，电容Cn,m；六开关结构包括由开关管Q1和开关管Q2构成的桥臂Ⅰ，由开关管Q5和开关管Q6构成的桥臂Ⅱ，桥臂Ⅰ的中点作为该逆变器第一输出端，桥臂Ⅱ的中点作为该逆变器第二输出端；桥臂Ⅰ的上端连接开关管S1,0的集电极，桥臂Ⅰ的下端连接电容C1,m的负极；桥臂Ⅱ的上端连接开关管S2,0的集电极，桥臂Ⅱ的下端连接电容C2,m的负极。

Description

一种双输入扩展增益多电平逆变器及其控制方法
技术领域
本发明涉及电能变换与新能源发电领域，具体的说，涉及了一种双输入扩展增益多电平逆变器及其控制方法。
背景技术
近年来，多电平逆变器引起了广泛的关注。多电平逆变器在新能源发电，柔性交流输电系统，不间断电源系统和电动汽车中变得越来越普遍。与传统的两电平逆变器相比，多电平逆变器输出多个电平的电压阶梯波。其输出电压波形质量高，总谐波畸变率低。同时，多电平逆变器中开关管上较低的电压应力和较低的电磁干扰，使其在高压大功率场合具有较高的效率和功率密度。
在新能源发电领域，输出电压往往远高于输入电压。因此需要较高电压传输比的直流变换器升高输入电压。具有较高的变压器原副边匝数比的隔离型直流变换器能够有效提升电压，但是，过高的匝数比使得变压器原副边耦合较差，变压器漏感引起的尖峰电压会增大变换器中开关管或二极管的电压应力。传统的Boost变换器工作在极致占空比时才能实现较高电压传输比，此时变换器的动态性能会受到影响，开关管的开通关断损耗较大。
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，从而提供双输入扩展增益多电平逆变器。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
本发明第一方面提供了一种双输入扩展增益多电平逆变器，该逆变器包括开关电容变换器SCC1、开关电容变换器SCC2和六开关结构，所述开关电容变换器SCC1和所述开关电容变换器SCC2采用相同结构的开关电容变换器SCCn；
所述开关电容变换器SCCn包括直流输入电源Vn、开关管Sn,0以及m个开关电容多级子模块，其中，n＝1,2；m∈N*；
所述开关电容多级子模块包括开关管Sn,i、二极管Dn,2i-1、Dn,2i，电容Cn,i,i＝1,2,……,m；
所述开关管Sn,i的集电极和所述电容Cn,i的正极均与所述二极管Dn,2i的阴极相连接；
所述开关管Sn,i的发射极与所述二极管Dn,2i-1的阴极相连接；
所述二极管Dn,2i-1的阳极与电容Cn,i的负极相连接；
所述二极管Dn,2i的阳极与第i-1个开关电容多级子模块中的二极管Dn,2i-2的阳极相连接；
所述开关管Sn,i的发射极与第i-1个开关电容多级子模块中的电容Cn,i-1的负极相连接；
第1个开关电容多级子模块中的二极管Dn,2的阳极与所述开关管Sn,0的发射极相连接；
第1个开关电容多级子模块中的二极管Dn,1的阴极与所述直流输入电源Vn的负极相连接；
所述直流输入电源Vn的正极与所述开关管Sn,0的集电极相连接；
所述六开关结构包括由开关管Q1和开关管Q2构成的桥臂Ⅰ，由开关管Q5和开关管Q6构成的桥臂Ⅱ，用于串接所述桥臂Ⅰ上端与所述桥臂Ⅱ下端的开关管Q4，以及用于串接所述桥臂Ⅰ下端与所述桥臂Ⅱ上端的开关管Q3；所述桥臂Ⅰ的中点作为该逆变器第一输出端，所述桥臂Ⅱ的中点作为该逆变器第二输出端；该逆变器第一输出端和该逆变器第二输出端连接到负载或交流电网；
所述桥臂Ⅰ的上端连接所述开关管S1,0的集电极，所述桥臂Ⅰ的下端连接所述电容C1,m的负极；所述桥臂Ⅱ的上端连接所述开关管S2,0的集电极，所述桥臂Ⅱ的下端连接所述电容C2,m的负极。
本发明第二方面提供了一种双输入扩展增益多电平逆变器的控制方法，应用于所述的双输入扩展增益多电平逆变器，该方法包括，所述开关电容变换器SCCn设置三种工作状态：
工作状态Ⅰ，设置开关电容变换器SCCn中开关管Sn,0导通，其余开关管关断，开关电容变换器SCCn输出电压vSCCn＝Vn；
工作状态Ⅱ，设置开关电容变换器SCCn中开关管Sn,1-Sn,i导通，i∈m，其余开关管关断，开关电容变换器SCCn输出电压vSCCn＝(i+1)Vn；
工作状态Ⅲ，设置开关电容变换器SCCn中开关管Sn,1-Sn,m导通，开关管Sn,0关断，开关电容变换器SCCn输出电压vSCCn＝(m+1)Vn；
所述双输入扩展增益多电平逆变器设置七种工作状态：
工作状态1，设置开关管Q1、Q6、Q3导通，负载上的电压为vSCC1+vSCC2；
工作状态2：设置开关管Q3、Q2、Q6导通，负载上的电压为vSCC2；
工作状态3：设置开关管Q1、Q5、Q3导通，负载上的电压为vSCC1；
工作状态4：设置开关管Q1、Q6、Q4或开关管Q3、Q2、Q5导通，负载上的电压为0；
工作状态5：设置开关管Q4、Q6、Q2导通，负载上的电压为-vSCC1；
工作状态6：设置开关管Q5、Q1、Q4导通，负载上的电压为-vSCC2；
工作状态7：设置开关管Q5、Q2、Q4导通，负载上的电压为-vSCC1-vSCC2。
基于上述，所述双输入扩展增益多电平逆变器设置两种输入电源：对称输入电源和非对称输入电源；两种控制模式：对称控制模式和非对称控制模式；
所述对称控制模式，所述直流输入电源V1等于所述直流输入电源V2，该双输入扩展增益多电平逆变器设置4m+5种工作模态，每种工作模态对应输出电平数Nlevel＝4m+5；
所述非对称控制模式，使所述直流输入电源V1和所述直流输入电源V2满足V2＝(m+2)V1，该双输入扩展增益多电平逆变器设置2m2+8m+7种工作模态，每种工作模态对应输出电平数Nlevel＝2m2+8m+7。
本发明第三方面提供一种双输入扩展增益多电平逆变系统，包括控制器和逆变器，所述逆变器为所述的双输入扩展增益多电平逆变器。
基于上述，所述控制器控制所述双输入扩展增益多电平逆变器中的开关管动作时，执行所述双输入扩展增益多电平逆变器的控制方法的步骤。
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：
1)本发明提供的开关电容变换器通过扩展开关电容多级子模块，能够输出任意电平，从而通过简洁的模块化结构，减少逆变器功率器件的数量，具有输出电平多、器件数量少的优点；
2)本发明提供的双输入扩展增益多电平逆变器通过开关电容变换器中的开关管的开通和关断实现电容与电源的串并联组合，当在并联状态时，电容电压被充电至电源电压值，能够解决电容电压的持续偏移问题；当在串联状态时，电容作为辅助电源，能够提高输出电压；
3)本发明提供的双输入扩展增益多电平逆变器，通过设置双输入结构，能够根据输入电源的对称与否输出不同电平数量的电压波形，可有效地应用于可再生新能源和分式发电等场合。
附图说明
图1为本发明所述双输入扩展增益多电平逆变器拓扑结构框图。
图2为本发明所述开关电容变换器SCCn拓扑结构框图。
图3为本发明所述开关电容变换器SCCn工作状态1工作原理图。
图4为本发明所述开关电容变换器SCCn工作状态2工作原理图。
图5为本发明所述开关电容变换器SCCn工作状态3工作原理图。
图6为本发明所述六开关结构工作状态1工作原理图。
图7为本发明所述六开关结构工作状态2工作原理图。
图8为本发明所述六开关结构工作状态3工作原理图。
图9为本发明所述六开关结构工作状态4工作原理图。
图10为本发明所述六开关结构工作状态4工作原理图。
图11为本发明所述六开关结构工作状态5工作原理图。
图12为本发明所述六开关结构工作状态6工作原理图。
图13为本发明所述六开关结构工作状态7工作原理图。
图14为本发明所述13电平逆变器拓扑结构框图。
图15为13电平逆变器开关电容变换器SCCn工作模态1工作原理图。
图16为13电平逆变器开关电容变换器SCCn工作模态2工作原理图。
图17为13电平逆变器开关电容变换器SCCn工作模态3工作原理图。
图18为本发明所述13电平变换装置控制方法原理图。
图19为本发明图18的控制方法对应的驱动信号图。
图20为本发明所述13电平逆变器输出电压波形图。
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。
实施例1
如图1和图2所示，一种双输入扩展增益多电平逆变器，该逆变器包括开关电容变换器SCC1、开关电容变换器SCC2和六开关结构，所述开关电容变换器SCC1和所述开关电容变换器SCC2采用相同结构的开关电容变换器SCCn；
所述开关电容变换器SCCn包括直流输入电源Vn、开关管Sn,0以及m个开关电容多级子模块，其中，n＝1,2；m∈N*；
所述开关电容多级子模块包括开关管Sn,i、二极管Dn,2i-1、Dn,2i，电容Cn,i,i＝1,2,……,m；
所述开关管Sn,i的集电极和所述电容Cn,i的正极均与所述二极管Dn,2i的阴极相连接；
所述开关管Sn,i的发射极与所述二极管Dn,2i-1的阴极相连接；
所述二极管Dn,2i-1的阳极与电容Cn,i的负极相连接；
所述二极管Dn,2i的阳极与第i-1个开关电容多级子模块中的二极管Dn,2i-2的阳极相连接；
所述开关管Sn,i的发射极与第i-1个开关电容多级子模块中的电容Cn,i-1的负极相连接；
第1个开关电容多级子模块中的二极管Dn,2的阳极与所述开关管Sn,0的发射极相连接；
第1个开关电容多级子模块中的二极管Dn,1的阴极与所述直流输入电源Vn的负极相连接；
所述直流输入电源Vn的正极与所述开关管Sn,0的集电极相连接；
所述六开关结构包括由开关管Q1和开关管Q2构成的桥臂Ⅰ，由开关管Q5和开关管Q6构成的桥臂Ⅱ，用于串接所述桥臂Ⅰ上端与所述桥臂Ⅱ下端的开关管Q4，以及用于串接所述桥臂Ⅰ下端与所述桥臂Ⅱ上端的开关管Q3；所述桥臂Ⅰ的中点作为该逆变器第一输出端，所述桥臂Ⅱ的中点作为该逆变器第二输出端；该逆变器第一输出端和该逆变器第二输出端连接到负载或交流电网；
所述桥臂Ⅰ的上端连接所述开关管S1,0的集电极，所述桥臂Ⅰ的下端连接所述电容C1,m的负极；所述桥臂Ⅱ的上端连接所述开关管S2,0的集电极，所述桥臂Ⅱ的下端连接所述电容C2,m的负极。
本实施例的双输入扩展增益多电平逆变器的控制方法包括：
如图3-5所示，所述开关电容变换器SCCn设置三种工作状态：
工作状态Ⅰ，设置开关电容变换器SCCn中开关管Sn,0导通，其余开关管关断，开关电容变换器SCCn输出电压vSCCn＝Vn；
工作状态Ⅱ，设置开关电容变换器SCCn中开关管Sn,1-Sn,i导通，i∈m，其余开关管关断，开关电容变换器SCCn输出电压vSCCn＝(i+1)Vn；
工作状态Ⅲ，设置开关电容变换器SCCn中开关管Sn,1-Sn,m导通，开关管Sn,0关断，开关电容变换器SCCn输出电压vSCCn＝(m+1)Vn；
如图6-13所示，所述双输入扩展增益多电平逆变器设置七种工作状态：
工作状态1，设置开关管Q1、Q6、Q3导通，负载上的电压为vSCC1+vSCC2；
工作状态2：设置开关管Q3、Q2、Q6导通，负载上的电压为vSCC2；
工作状态3：设置开关管Q1、Q5、Q3导通，负载上的电压为vSCC1；
工作状态4：设置开关管Q1、Q6、Q4或开关管Q3、Q2、Q5导通，负载上的电压为0；
工作状态5：设置开关管Q4、Q6、Q2导通，负载上的电压为-vSCC1；
工作状态6：设置开关管Q5、Q1、Q4导通，负载上的电压为-vSCC2；
工作状态7：设置开关管Q5、Q2、Q4导通，负载上的电压为-vSCC1-vSCC2；
该双输入扩展增益多电平逆变器设置两种输入电源：对称输入电源和非对称输入电源；两种控制模式：对称控制模式和非对称控制模式；
所述对称控制模式，所述直流输入电源V1等于所述直流输入电源V2，此时，由于开关电容变换器SCC1和SCC2均能输出(m+1)个电平，该双输入扩展增益多电平逆变器输出电平数Nlevel＝4m+5，每种电平对应一种工作模态，即4m+5工作模态；
所述非对称控制模式，使所述直流输入电源V1和所述直流输入电源V2满足V2＝(m+2)V1，该双输入扩展增益多电平逆变器设置2m2+8m+7种工作模态，每种工作模态对应输出电平数Nlevel＝2m2+8m+7。
实施例2
本实施例给出一种双输入扩展增益多电平逆变系统，包括控制器和所述双输入扩展增益多电平逆变器。所述控制器设置调制驱动单元，所述控制器与所述双输入扩展增益多电平逆变器通信连接，以通过调制驱动单元调节开关管通断，实现工作模态的调整。
所述调制驱动单元包括驱动电路和PWM生成电路；所述驱动电路的输出端连接各个开关管，所述驱动电路的输入端连接所述PWM生成电路。
当该双输入扩展增益多电平逆变器处于对称控制模式时：
所述PWM生成电路，调制波us和三角载波uc1-uc(4m+4)经过比较逻辑后得到比较信号u1-u4m+4，其中调制波是频率为fs，幅值为Us的正弦波，三角载波uc1-uc(4m+4)是具有相同频率fc和相同幅值Uc的三角波，所述比较信号u1-u4m+4逻辑组合后，得到开关管Sn,0、Sn,m和开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的驱动信号，所述驱动电路根据所述驱动信号驱动相应开关管动作；
其中，所述调制波us表示为：
us＝Us sin(2πfst)
所述三角载波uc1-uc(4m+4)表示为：
Figure GDA0003677730030000081
Figure GDA0003677730030000082
其中，p为三角载波中三角波的个数，q为三角载波的个数；
所述控制方法中三角载波uc1-uc(4m+4)与调制波us的载波比Mf和调制比Ma分别为：
Figure GDA0003677730030000083
Figure GDA0003677730030000084
其中，调制比Ma的取值范围为0＜Ma≤1。
当该双输入扩展增益多电平逆变器处于非对称控制模式时：
所述PWM生成电路，调制波us和三角载波uc1-uc(2m 2 +8m+6)经过比较逻辑后得到比较信号u1-u2m 2 +8m+6，其中调制波是频率为fs，幅值为Us的正弦波，三角载波uc1-uc(2m 2 +8m+6)是具有相同频率fc和相同幅值Uc的三角波，所述比较信号u1-u2m 2 +8m+6逻辑组合后，得到开关管Sn,m和开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的驱动信号，所述驱动电路根据所述驱动信号驱动相应开关管动作；
所述调制波us可表示为：
us＝Us sin(2πfst)
所述三角载波uc1-uc(4i+4)可表示为：
Figure GDA0003677730030000091
Figure GDA0003677730030000092
其中，p为三角载波中三角波的个数，q为三角载波的个数。
实施例3
如图14所示，本实施例提供了一种当输入电源为对称电源时，V1＝V2，开关电容变换器SCCn含有2个开关电容多级子模块的13电平逆变器。
所述13电平逆变器的开关电容变换器SCC1或开关电容变换器SCC1的三种工作状态：
工作模态Ⅰ：如图15所示，开关电容变换器SCCn中开关管Sn,0导通，其余开关管关断，电容Cn,1和电容Cn,2均被电压被充电至Vn。开关电容变换器SCCn输出电压vSCCn＝Vn；
工作模态Ⅱ：如图16所示，开关电容变换器SCCn中开关管Sn,1导通，其余开关管关断。电容Cn,1与直流输入电压源Vn串联，由于在工作模态1中电容电压均被充电至Vn。开关电容变换器SCCn输出电压vSCCn＝2Vn；
工作状态Ⅲ：如图17所示，开关电容变换器SCCn中开关管Sn,1、Sn,2导通，开关管Sn,0关断。电容Cn,1、Cn,2与直流输入电压源Vn串联，开关电容变换器SCCn输出电压vSCCn＝3Vn。
本实施例的13电平逆变器输出电平数Nlevel＝13，对应13种工作模态：
开关管Q1、Q6、Q3导通，负载上的电压为vSCC1+vSCC2；
当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝V1时，负载上的电压vo＝2V1，所述13电平逆变器工作在工作模态2；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝2V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝V1时，负载上的电压vo＝3V1，所述13电平逆变器工作在工作模态3；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝3V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝V1时，负载上的电压vo＝4V1，所述13电平逆变器工作在工作模态4；
当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝2V1时，负载上的电压vo＝3V1，所述13电平逆变器工作在工作模态3；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝2V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝2V1时，负载上的电压vo＝4V1，所述13电平逆变器工作在工作模态4；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝3V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝2V1时，负载上的电压vo＝5V1，所述13电平逆变器工作在工作模态5；
当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝3V1时，负载上的电压vo＝4V1，所述13电平逆变器工作在工作模态4；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝2V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝3V1时，负载上的电压vo＝5V1，所述13电平逆变器工作在工作模态5；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝3V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝3V1时，负载上的电压vo＝6V1，所述13电平逆变器工作在工作模态6。
开关管Q3、Q2、Q6导通，负载上的电压为vSCC2；
当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝V1时，负载上的电压vo＝V1，所述13电平逆变器工作在工作模态1；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝2V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝V1时，负载上的电压vo＝V1，所述13电平逆变器工作在工作模态1；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝3V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝V1时，负载上的电压vo＝V1，所述13电平逆变器工作在工作模态1；
当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝2V1时，负载上的电压vo＝2V1，所述13电平逆变器工作在工作模态2；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝2V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝2V1时，负载上的电压vo＝2V1，所述13电平逆变器工作在工作模态2；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝3V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝2V1时，负载上的电压vo＝2V1，所述13电平逆变器工作在工作模态2；
当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝3V1时，负载上的电压vo＝3V1，所述13电平逆变器工作在工作模态3；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝2V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝3V1时，负载上的电压vo＝3V1，所述13电平逆变器工作在工作模态3；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝3V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝3V1时，负载上的电压vo＝3V1，所述13电平逆变器工作在工作模态3。
开关管Q1、Q5、Q3导通，负载上的电压为vSCC1；
当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝V1时，负载上的电压vo＝V1，所述13电平逆变器工作在工作模态1；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝2V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝V1时，负载上的电压vo＝2V1，所述13电平逆变器工作在工作模态2；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝3V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝V1时，负载上的电压vo＝3V1，所述13电平逆变器工作在工作模态3；
当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝2V1时，负载上的电压vo＝V1，所述13电平逆变器工作在工作模态1；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝2V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝2V1时，负载上的电压vo＝2V1，所述13电平逆变器工作在工作模态2；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝3V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝2V1时，负载上的电压vo＝3V1，所述13电平逆变器工作在工作模态3；
当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝3V1时，负载上的电压vo＝V1，所述13电平逆变器工作在工作模态1；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝2V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝3V1时，负载上的电压vo＝2V1，所述13电平逆变器工作在工作模态2；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝3V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝3V1时，负载上的电压vo＝3V1，所述13电平逆变器工作在工作模态3；
开关管Q1、Q6、Q4或开关管Q3、Q2、Q5导通，负载上的电压为0；
无论开关电容变换器SCC1和开关电容变换器SCC2工作在何种状态，负载上的电压vo＝0，所述13电平逆变器工作在工作模态7。
开关管Q4、Q6、Q2导通，负载上的电压为-vSCC1；
当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝V1时，负载上的电压vo＝-V1，所述13电平逆变器工作在工作模态8；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝2V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝V1时，负载上的电压vo＝-2V1，所述13电平逆变器工作在工作模态9；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝3V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝V1时，负载上的电压vo＝-3V1，所述13电平逆变器工作在工作模态10；
当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝2V1时，负载上的电压vo＝-V1，所述13电平逆变器工作在工作模态8；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝2V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝2V1时，负载上的电压vo＝-2V1，所述13电平逆变器工作在工作模态9；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝3V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝2V1时，负载上的电压vo＝-3V1，所述13电平逆变器工作在工作模态10；
当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝3V1时，负载上的电压vo＝-V1，所述13电平逆变器工作在工作模态8；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝2V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝3V1时，负载上的电压vo＝-2V1，所述13电平逆变器工作在工作模态9；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝3V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝3V1时，负载上的电压vo＝-3V1，所述13电平逆变器工作在工作模态10。
开关管Q5、Q1、Q4导通，负载上的电压为-vSCC2；
当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝V1时，负载上的电压vo＝-V1，所述13电平逆变器工作在工作模态8；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝2V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝V1时，负载上的电压vo＝-V1，所述13电平逆变器工作在工作模态8；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝3V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝V1时，负载上的电压vo＝-V1，所述13电平逆变器工作在工作模态8；
当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝2V1时，负载上的电压vo＝-2V1，所述13电平逆变器工作在工作模态9；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝2V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝2V1时，负载上的电压vo＝-2V1，所述13电平逆变器工作在工作模态9；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝3V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝2V1时，负载上的电压vo＝-2V1，所述13电平逆变器工作在工作模态9；
当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝3V1时，负载上的电压vo＝-3V1，所述13电平逆变器工作在工作模态10；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝2V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝3V1时，负载上的电压vo＝-3V1，所述13电平逆变器工作在工作模态10；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝3V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝3V1时，负载上的电压vo＝-3V1，所述13电平逆变器工作在工作模态10。
开关管Q5、Q2、Q4导通，负载上的电压为-vSCC1-vSCC2；
当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝V1时，负载上的电压vo＝-2V1，所述13电平逆变器工作在工作模态9；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝2V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝V1时，负载上的电压vo＝-3V1，所述13电平逆变器工作在工作模态10；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝3V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝V1时，负载上的电压vo＝-4V1，所述13电平逆变器工作在工作模态11；
当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝2V1时，负载上的电压vo＝-3V1，所述13电平逆变器工作在工作模态10；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝2V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝2V1时，负载上的电压vo＝-4V1，所述13电平逆变器工作在工作模态11；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝3V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝2V1时，负载上的电压vo＝-5V1，所述13电平逆变器工作在工作模态12；
当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝3V1时，负载上的电压vo＝-4V1，所述13电平逆变器工作在工作模态11；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝2V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝3V1时，负载上的电压vo＝-5V1，所述13电平逆变器工作在工作模态12；当开关电容变换器SCC1输出电压vSCC1＝3V1，开关电容变换器SCC2输出电压vSCC2＝3V1时，负载上的电压vo＝-6V1，所述13电平逆变器工作在工作模态11。
调制波us和三角载波uc1-uc12经过比较逻辑后得到比较信号u1-u12，其中调制波是频率为fs，幅值为Us的正弦波，三角载波uc1-uc12是具有相同频率fc和相同幅值Uc的三角波。
所述调制波us表示为：
us＝Us sin(2πfst)
所述三角载波uc1-uc12表示为：
Figure GDA0003677730030000151
Figure GDA0003677730030000152
其中，p为三角载波中三角波的个数，q为三角载波的个数；
所述控制方法中三角载波uc1-uc12与调制波us的载波比Mf和调制比Ma分别为：
Figure GDA0003677730030000153
Figure GDA0003677730030000154
比较信号u1-u12逻辑组合后确定所述开关管S1,0、S1,1、S1,2、S2,0、S2,1、S2,2、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的驱动信号如图19所示，开关电容变换器中开关管S1,0、S1,1、S1,2的驱动信号vGS1,0-vGS1,2逻辑组合和开关管S2,0、S2,1、S2,2的驱动信号vGS2,0-vGS2,2逻辑组合为：
Figure GDA0003677730030000161
Figure GDA0003677730030000162
Figure GDA0003677730030000163
六开关结构中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的驱动信号vGQ1-vGQ6逻辑组合为：
Figure GDA0003677730030000164
Figure GDA0003677730030000165
Figure GDA0003677730030000166
根据上述工作模态控制所述逆变器工作，图20为本发明所述13电平变换装置输出电压波形图。
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 (5)

1.一种双输入扩展增益多电平逆变器，其特征在于：该逆变器包括开关电容变换器SCC1、开关电容变换器SCC2和六开关结构，所述开关电容变换器SCC1和所述开关电容变换器SCC2采用相同结构的开关电容变换器SCCn；
所述开关电容变换器SCCn包括直流输入电源Vn、开关管Sn,0以及m个开关电容多级子模块，其中，n=1,2；m∈N
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
所述开关电容多级子模块包括开关管Sn,i、二极管Dn,2i-1、Dn,2i，电容Cn,i,i=1,2,……,m；
所述开关管Sn,i的集电极和所述电容Cn,i的正极均与所述二极管Dn,2i的阴极相连接；
所述开关管Sn,i的发射极与所述二极管Dn,2i-1的阴极相连接；
所述二极管Dn,2i-1的阳极与电容Cn,i的负极相连接；
所述二极管Dn,2i的阳极与第i-1个开关电容多级子模块中的二极管Dn,2i-2的阳极相连接；
所述开关管Sn,i的发射极与第i-1个开关电容多级子模块中的电容Cn,i-1的负极相连接；
第1个开关电容多级子模块中的二极管Dn,2的阳极与所述开关管Sn,0的发射极相连接；
第1个开关电容多级子模块中的二极管Dn,1的阴极与所述直流输入电源Vn的负极相连接；
所述直流输入电源Vn的正极与所述开关管Sn,0的集电极相连接；
所述六开关结构包括由开关管Q1和开关管Q2构成的桥臂Ⅰ，由开关管Q5和开关管Q6构成的桥臂Ⅱ，用于串接所述桥臂Ⅰ上端与所述桥臂Ⅱ下端的开关管Q4，以及用于串接所述桥臂Ⅰ下端与所述桥臂Ⅱ上端的开关管Q3；所述桥臂Ⅰ的中点作为该逆变器第一输出端，所述桥臂Ⅱ的中点作为该逆变器第二输出端；该逆变器第一输出端和该逆变器第二输出端连接到负载或交流电网；
所述桥臂Ⅰ的上端连接所述开关管S1,0的集电极，所述桥臂Ⅰ的下端连接所述电容C1,m的负极；所述桥臂Ⅱ的上端连接所述开关管S2,0的集电极，所述桥臂Ⅱ的下端连接所述电容C2,m的负极。
2.一种双输入扩展增益多电平逆变器的控制方法，应用于权利要求1所述的双输入扩展增益多电平逆变器，其特征在于，该方法包括：
所述开关电容变换器SCCn设置三种工作状态：
工作状态Ⅰ，设置开关电容变换器SCCn中开关管Sn,0导通，其余开关管关断，开关电容变换器SCCn输出电压vSCCn=Vn；
工作状态Ⅱ，设置开关电容变换器SCCn中开关管Sn,1-Sn,i导通，i∈m，其余开关管关断，开关电容变换器SCCn输出电压vSCCn=(i+1)Vn；
工作状态Ⅲ，设置开关电容变换器SCCn中开关管Sn,1-Sn,m导通，开关管Sn,0关断，开关电容变换器SCCn输出电压vSCCn=(m+1)Vn；
所述双输入扩展增益多电平逆变器设置七种工作状态：
工作状态1，设置开关管Q1、Q6、Q3导通，负载上的电压为vSCC1+vSCC2；
工作状态2：设置开关管Q3、Q2、Q6导通，负载上的电压为vSCC2；
工作状态3：设置开关管Q1、Q5、Q3导通，负载上的电压为vSCC1；
工作状态4：设置开关管Q1、Q6、Q4或开关管Q3、Q2、Q5导通，负载上的电压为0；
工作状态5：设置开关管Q4、Q6、Q2导通，负载上的电压为-vSCC1；
工作状态6：设置开关管Q5、Q1、Q4导通，负载上的电压为-vSCC2；
工作状态7：设置开关管Q5、Q2、Q4导通，负载上的电压为-vSCC1-vSCC2。
3.根据权利要求2所述的双输入扩展增益多电平逆变器的控制方法，其特征在于，所述双输入扩展增益多电平逆变器设置两种输入电源：对称输入电源和非对称输入电源；两种控制模式：对称控制模式和非对称控制模式；
所述对称控制模式，所述直流输入电源V1等于所述直流输入电源V2，该双输入扩展增益多电平逆变器设置4m+5种工作模态，每种工作模态对应输出电平数Nlevel=4m+5；
所述非对称控制模式，使所述直流输入电源V1和所述直流输入电源V2 满足V2=(m+2)V1，该双输入扩展增益多电平逆变器设置2m2+8m+7种工作模态，每种工作模态对应输出电平数Nlevel=2m2+8m+7。
4.一种双输入扩展增益多电平逆变系统，包括控制器和逆变器，其特征在于：所述逆变器为权利要求1所述的双输入扩展增益多电平逆变器。
5.根据权利要求4所述的双输入扩展增益多电平逆变系统，其特征在于：所述控制器控制所述双输入扩展增益多电平逆变器中的开关管动作时，执行权利要求2-3任一项所述的控制方法的步骤。
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