CN111740628B - 分布式发电多电平变换器及其调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种分布式发电多电平变换器，设置在直流电压源Vdc与负载之间，包括顺向桥臂、逆向桥臂、开关电容单元和开关管S 8；开关电容单元包括电容C 1、电容C 2、开关管S 3、开关管S 4、开关管S 5和开关管S 6；顺向桥臂包括开关管S 9和开关管S 10，开关管S 9的发射极接到电容C 2的负极，开关管S 10的集电极接到电容C 2的正极，开关管S 9的集电极和开关管S 10的发射极连接后作为该多电平变换器的一交流电压输出端；逆向桥臂包括开关管S 1和开关管S 2，开关管S 1的集电极接到电容C 1的正极，开关管S 2的发射极接到电容C 1的负极，开关管S 1的发射极和开关管S 2的集电极连接后作为该多电平变换器的另一交流电压输出端。

Description

分布式发电多电平变换器及其调制方法
技术领域
本发明涉及电力电子与电能变换、新能源发电和中低压灵活配电等领域，具体的说，涉及了一种分布式发电多电平变换器及其调制方法。
背景技术
近年来，由于环境污染的加剧和可再生资源的不断减少，清洁，无污染的可再生能源的开发利用受到越来越多的关注。在诸如光伏发电的可再生能源发电中，需要DC-DC转换器在执行反转之前增加电压。因此具有升压能力的DC-AC多电平变换器也是研究的重点。由于多电平变换器的高输出功率质量，开关设备上的低电压应力以及需要更小的输出滤波器，因此它们在可再生能源转换中扮演着重要的角色。二极管钳位和飞电容多电平变换器是广泛使用的多电平变换器。这两种类型的多电平变换器使用大量的钳位二极管和钳位电容器来增加输出电平的数量，因此电路结构复杂，增加了控制难度，输出电压增益不高。级联的H桥MLI通过带有直流电源的串联H桥来增加输出电压增益和输出电平数。然而需要大量的开关装置和独立的直流输入功率，这增加了变换器的成本和变换器的尺寸。
为了减小变换器的尺寸并增加输出电压增益，因而具有高效率，高电压增益，小尺寸和高滤波效率的开关电容器多电平变换器被提出。通过组合开关设备和电容器，SCMI可以在单电源情况下实现多电平输出。但是，随着可扩展开关电容多电平变换器的H桥上的电压应力随着输出电压的增加而增加，开关的选择变得困难，这限制了这种变换器的扩展和实际应用。
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，从而提供一种分布式发电多电平变换器及其调制方法。
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一种分布式发电多电平变换器，设置在直流电压源Vdc与负载之间，包括顺向桥臂、逆向桥臂、开关电容单元和开关管S 8；
所述开关电容单元包括电容C 1、电容C 2、开关管S 3、开关管S 4、开关管S 5、开关管S 6和开关管S 7；
所述开关管S 5的发射极与所述电容C 2的负极连接，所述开关管S 5的集电极与所述电容C 1的正极连接；
所述开关管S 7的集电极与所述电容C 2的正极连接，所述开关管S 7的发射极与所述电容C 1的负极连接；
所述开关管S 6的集电极接到所述电容C 2的正极，所述开关管S 6的发射极接所述开关管S 3的发射极，所述开关管S 3的集电极接到所述电容C 1的正极；
所述开关管S 4的集电极接到所述电容C 2的负极，所述开关管S 4的发射极接到所述电容C 1的负极；
所述顺向桥臂包括开关管S 9和开关管S 10，所述开关管S 9的发射极接到所述电容C 2的负极，所述开关管S 10的集电极接到所述电容C 2的正极，所述开关管S 9的集电极和所述开关管S 10的发射极连接后作为该多电平变换器的一交流电压输出端；
所述逆向桥臂包括开关管S 1和开关管S 2，所述开关管S 1的集电极接到所述电容C 1的正极，所述开关管S 2的发射极接到所述电容C 1的负极，所述开关管S 1的发射极和所述开关管S 2的集电极连接后作为该多电平变换器的另一交流电压输出端；
所述开关管S 8的发射极接到所述电容C 2的正极，所述开关管S 8的集电极连接所述直流电压源Vdc的正极，所述直流电压源Vdc的负极接到所述电容C 1的负极。
基于上述，除开关管S4和开关管S8外的开关管均为反向并联有续流二极管的IGBT或MOSFET。
基于上述，该多电平变换器包括多个开关电容单元，各个开关电容单元并联连接在所述顺向桥臂与所述逆向桥臂的两端。
本发明第二方面提供一种分布式发电多电平变换器的调制方法，该方法包括，生成驱动信号，通过所述驱动信号控制权利要求1所述的分布式发电多电平变换器工作在五种工作模态，输出5种电平；
所述五种工作模态为：
工作模态Ⅰ
控制：所述开关管S 5导通，所述开关管S 10导通，所述开关管S 2导通，其余开关管关断；
工作模态Ⅱ
控制：所述开关管S 3、所述开关管S 4、所述开关管S 6、所述开关管S 8、所述开关管S 10和所述开关管S 2导通，其余开关管关断；
工作模态Ⅲ
控制：所述开关管S 5、所述开关管S 9导通和所述开关管S 1导通，其余开关管关断；
工作模态Ⅳ
控制：所述开关管S 3、所述开关管S 4、所述开关管S 6、所述开关管S 8、所述开关管S 9和所述开关管S 1导通，其余开关管关断；
工作模态Ⅴ
控制：所述开关管S 7、所述开关管S 9和所述开关管S 1导通，其余开关管关断。
基于上述，生成驱动信号时，执行：比较调制波Uref与四个三角载波u1~u4获得逻辑信号ua1~ua4，将逻辑信号ua1~ua4经过逻辑组合后，输出得到开关管S1-S10的驱动信号，根据所述驱动信号驱动相应开关管动作。
基于上述，该多电平变换器设置m个开关电容单元，通过所述驱动信号控制该多电平变换器工作在4m+1种工作模态，输出4m+1种电平；m=1,2，……。
本发明第三方面提供一种分布式发电多电平变换系统，包括控制器和多电平变换器，所述多电平变换器为所述的分布式发电多电平变换器。
基于上述，所述控制器控制所述分布式发电多电平变换器中的开关管动作时，执行所述的分布式发电多电平变换器的调制方法的步骤。
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）本发明提供了一种分布式发电多电平变换器，设置五种工作模态，在五种工作模态下，随着输出电压的提高，该分布式发电多电平变换器中开关管的最大电压应力并不随电压增益的增加而变大，开关管的最大电压应力均不超过直流侧输入电压的2倍。
2）本发明提供的分布式发电多电平变换器，通过设置多个开关电容单元，所述开关电容单元并联连接在所述顺向桥臂与所述逆向桥臂的两端，可实现扩展，增加电压增益，但在电压增益的同时，各个开关管承受的最大电压应力依然为2Vdc。
3）本发明有效解决了开关电容多电平变换器中输出电压增高导致开关管承受的电压应力过大的技术问题，使得本发明适用于中高压及分布式发电等场合。
附图说明
图1是本发明多电平变换器的拓扑结构图。
图2是本发明多电平变换器工作模态Ⅰ的电路原理图。
图3是本发明多电平变换器工作模态Ⅱ的电路原理图。
图4是本发明多电平变换器工作模态Ⅲ的电路原理图。
图5是本发明多电平变换器工作模态Ⅳ的电路原理图。
图6是本发明多电平变换器工作模态Ⅴ的电路原理图。
图7是本发明多电平变换器的工作模态的调制方法原理图。
图8是本发明的调制方法的逻辑组合图。
图9为纯阻性负载条件下采用本发明的多电平变换器的输出电压、输出电流和电容电压的实验波形。
图10为阻感性负载条件下采用本发明的多电平变换器的输出电压、输出电流和电容电压的实验波形。
图11、图12和图13为开关管电压波形图。
图14是本发明的扩展拓扑结构图。
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所示，一种分布式发电多电平变换器，设置在直流电压源Vdc与负载之间，包括顺向桥臂、逆向桥臂、开关电容单元和开关管S 8；
所述开关电容单元包括电容C 1、电容C 2、开关管S 3、开关管S 4、开关管S 5、开关管S 6和开关管S 7；所述开关管S 5的发射极与所述电容C 2的负极连接，所述开关管S 5的集电极与所述电容C 1的正极连接；所述开关管S 7的集电极与所述电容C 2的正极连接，所述开关管S 7的发射极与所述电容C 1的负极连接；所述开关管S 6的集电极接到所述电容C 2的正极，所述开关管S 6的发射极接所述开关管S 3的发射极，所述开关管S 3的集电极接到所述电容C 1的正极；所述开关管S 4的集电极接到所述电容C 2的负极，所述开关管S 4的发射极接到所述电容C 1的负极；
所述顺向桥臂包括开关管S 9和开关管S 10，所述开关管S 9的发射极接到所述电容C 2的负极，所述开关管S 10的集电极接到所述电容C 2的正极，所述开关管S 9的集电极和所述开关管S 10的发射极连接后作为该多电平变换器的一交流电压输出端；
所述逆向桥臂包括开关管S 1和开关管S 2，所述开关管S 1的集电极接到所述电容C 1的正极，所述开关管S 2的发射极接到所述电容C 1的负极，所述开关管S 1的发射极和所述开关管S 2的集电极连接后作为该多电平变换器的另一交流电压输出端；
所述开关管S 8的发射极接到所述电容C 2的正极，所述开关管S 8的集电极连接所述直流电压源Vdc的正极，所述直流电压源Vdc的负极接到所述电容C 1的负极。
在本实施例给出的分布式发电多电平变换器的基础上，本实施例还给出了一种分布式发电多电平变换器的调制方法：生成驱动信号，通过所述驱动信号控制所述的分布式发电多电平变换器工作在五种工作模态；处于工作模态Ⅰ时输出电平为+2Vdc，处于工作模态Ⅱ时输出电平为+Vdc，处于工作模态Ⅲ时输出电平为0，处于工作模态Ⅳ时输出电平为-Vdc，处于工作模态Ⅴ时输出电平为-2Vdc。
具体的，所述五种工作模态为：
（1）工作模态Ⅰ：如图2所示，调节各个开关管的驱动信号，设置，所述开关电容单元的开关管S 5导通，所述顺向桥臂的开关管S 10导通，所述逆向桥臂的开关管S 2导通，其余开关管关断；以使该分布式发电多电平变换器输出电平为+2V dc；
在工作模态Ⅰ下，所述直流侧电压源、所述开关管S 2、所述开关管S 5、所述开关管S 10、所述电容C 1、所述电容C 2与所述负载构成工作回路；此时开关管承受的最大电压应力为+2V dc；
（2）工作模态Ⅱ：如图3所示，调节各个开关管的驱动信号，设置，所述开关电容单元的开关管S 3、开关管S 4和开关管S 6导通，开关管S 8导通，所述顺向桥臂的开关管S 10导通，所述逆向桥臂的开关管S 2导通，其余开关管关断；以使该分布式发电多电平变换器输出电平为+V dc；
在工作模态Ⅱ下，所述开关管S 2、所述开关管S 3、所述开关管S 4、所述开关管S 6、所述开关管S 10、所述电容C 1、所述电容C 2和所述负载构成工作回路；此时开关管承受的最大电压应力为+V dc；
（3）工作模态Ⅲ：如图4所示，调节各个开关管的驱动信号，设置，所述开关电容单元的开关管S 5导通，所述顺向桥臂的开关管S 9导通，所述逆向桥臂的开关管S 1导通，其余开关管关断；以使该分布式发电多电平变换器输出电平为0；
在工作模态Ⅲ下，所述直流侧电压源、所述开关管S 1、所述开关管S 5、所述开关管S 9和负载构成回路工作；此时开关管承受的最大电压应力为0；
（4）工作模态Ⅳ：如图5所示，调节各个开关管的驱动信号，设置，所述开关电容单元的开关管S 3、开关管S 4和开关管S 6导通，开关管S 8导通，所述顺向桥臂的开关管S 9导通，所述逆向桥臂的开关管S 1导通，其余开关管关断；以使该分布式发电多电平变换器输出电平为-V dc；
在工作模态Ⅳ下，所述开关管S 1、所述开关管S 3、所述开关管S 4、所述开关管S 6、所述开关管S 9、所述电容C 1、所述电容C 2和所述负载构成工作回路；此时开关管承受的最大电压应力为-V dc；
（5）工作模态Ⅴ：如图6所示，调节各个开关管的驱动信号，设置，所述开关电容单元的开关管S 7导通，所述顺向桥臂的开关管S 9导通，所述逆向桥臂的开关管S 1导通，其余开关管关断；以使该分布式发电多电平变换器输出电平为-2V dc；
在工作模态Ⅴ下，所述直流侧电压源、所述开关管S 1、所述开关管S 7、所述开关管S 9、所述电容C 1、所述电容C2和负载构成回路工作；此时开关管承受的最大电压应力为-2V dc。
在五种工作模态下，该多电平变换器的拓扑结构中开关管的最大电压应力均不超过直流侧输入电压的2倍，从而解决了开关电容多电平变换器输出电压增高导致开关管承受的电压应力过大的问题，使得本发明适用于中高压及分布式发电等场合。
在本实施例多电平变换器的基础上，提出了其调制方法如图7所示，本实施例还给出了获得各个开关器件的驱动信号的具体实施方式。通过比较调制波U ref与四个三角载波u 1~u 4获得逻辑信号u a1~u a4；将逻辑信号u a1~u a4经过逻辑组合后，输出得到开关管S1-S10的驱动信号，根据所述驱动信号驱动相应开关管动作；逻辑信号u a1~u a4经过逻辑组合的方法如图8所示。
实施例2
本发明还提供一种可拓展的分布式发电多电平变换器，图14所示，该多电平变换器还包括多个开关电容单元，所述开关电容单元并联连接在所述顺向桥臂与所述逆向桥臂的两端。该多电平变换器设置m（m=1,2，……）个开关电容单元，通过所述驱动信号控制该多电平变换器工作在4m+1种工作模态，输出4m+1种电平。
该多电平变换器在扩展时只需增加其中的开关电容单元即可，每增加一个开关电容单元，输出电压增益就增加V dc，输出电平增加2，当输出电压为nV dc时，输出电平数为2n+1。
需要特别说明的是，该多电平变换器的开关器件所承受的最大电压应力不随开关电容单元的扩展而增大，依然为2V dc。因此，本发明有效解决了开关电容多电平变换器中输出电压增高导致开关管承受的电压应力过大的技术问题，使得本发明适用于中高压及分布式发电等场合。
本实施例给出的分布式发电多电平变换器通过开关电容单元的并联连接进行扩展，从而在应用中高压及分布式发电等场合，限于篇幅，本实施例不再对该扩展结构做详细分析。
实施例3
本实施例给出一种分布式发电多电平变换系统的具体实施方式，所述分布式发电多电平变换系统包括控制器和多电平变换器，所述多电平变换器为实施例1所述的分布式发电多电平变换器。所述控制器与多电平变换器通信连接，以通过调节开关管通断，实现工作模态的调整。
所述控制器控制所述分布式发电多电平变换器中的开关管动作时，执行实施例1所述的分布式发电多电平变换器的调制方法的步骤。
本实施例中，所述控制器根据上述调制方式通过仿真对所述分布式发电多电平变换器及其调制方法进行了验证。设置：直流输入电压为30V，负载50Ω-15mH，电容为2200μF，开关频率为2kHz。
根据上述控制方法对该多电平变换器进行调制，如图9和图10所示，本实施例给出了纯阻性负载和阻感性负载条件下输出电压、输出电流和电容电压的波形。从图9中可以看出，可以看出，变换器的输出电压以及对应的输出电流是理想的五电平波形，与仿真波形一致。且电容电压波形稳定，可保持30V附近，满足变换器纹波设定要求，从实验角度证明了该多电平变换器及其调制方式的正确性。从图10中可以看出，在阻感性负载条件下，图中输出电压为五电平阶梯波，各个电平分别是±60V、±30V和0，输出电流为标准的正弦波，波形稳定。
如图11、图12和图13所示，10个开关中所承受的最大电压应力为60V，即2V dc。
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 (8)

1.一种分布式发电多电平变换器，设置在直流电压源Vdc与负载之间，其特征在于：包括顺向桥臂、逆向桥臂、开关电容单元和开关管S 8；
所述开关电容单元包括电容C 1、电容C 2、开关管S 3、开关管S 4、开关管S 5、开关管S 6和开关管S 7；
所述开关管S 5的发射极与所述电容C 2的负极连接，所述开关管S 5的集电极与所述电容C 1的正极连接；
所述开关管S 7的集电极与所述电容C 2的正极连接，所述开关管S 7的发射极与所述电容C 1的负极连接；
所述开关管S 6的集电极接到所述电容C 2的正极，所述开关管S 6的发射极接所述开关管S 3的发射极，所述开关管S 3的集电极接到所述电容C 1的正极；
所述开关管S 4的集电极接到所述电容C 2的负极，所述开关管S 4的发射极接到所述电容C 1的负极；
所述顺向桥臂包括开关管S 9和开关管S 10，所述开关管S 9的发射极接到所述电容C 2的负极，所述开关管S 10的集电极接到所述电容C 2的正极，所述开关管S 9的集电极和所述开关管S 10的发射极连接后作为该多电平变换器的一交流电压输出端；
所述逆向桥臂包括开关管S 1和开关管S 2，所述开关管S 1的集电极接到所述电容C 1的正极，所述开关管S 2的发射极接到所述电容C 1的负极，所述开关管S 1的发射极和所述开关管S 2的集电极连接后作为该多电平变换器的另一交流电压输出端；
所述开关管S 8的发射极接到所述电容C 2的正极，所述开关管S 8的集电极连接所述直流电压源Vdc的正极，所述直流电压源Vdc的负极接到所述电容C 1的负极。
2.根据权利要求1所述的分布式发电多电平变换器，其特征在于：除开关管S4和开关管S8外的开关管均为反向并联有续流二极管的IGBT或MOSFET。
3.根据权利要求1所述的分布式发电多电平变换器，其特征在于：该多电平变换器包括多个开关电容单元，各个开关电容单元并联连接在所述顺向桥臂与所述逆向桥臂的两端。
4.一种分布式发电多电平变换器的调制方法，其特征在于：生成驱动信号，通过所述驱动信号控制权利要求1所述的分布式发电多电平变换器工作在五种工作模态，输出5种电平；
所述五种工作模态为：
工作模态Ⅰ
控制：所述开关管S 5导通，所述开关管S 10导通，所述开关管S 2导通，其余开关管关断；
工作模态Ⅱ
控制：所述开关管S 3、所述开关管S 4、所述开关管S 6、所述开关管S 8、所述开关管S 10和所述开关管S 2导通，其余开关管关断；
工作模态Ⅲ
控制：所述开关管S 5、所述开关管S 9导通和所述开关管S 1导通，其余开关管关断；
工作模态Ⅳ
控制：所述开关管S 3、所述开关管S 4、所述开关管S 6、所述开关管S 8、所述开关管S 9和所述开关管S 1导通，其余开关管关断；
工作模态Ⅴ
控制：所述开关管S 7、所述开关管S 9和所述开关管S 1导通，其余开关管关断。
5.根据权利要求4所述的调制方法，其特征在于，生成驱动信号时，执行：比较调制波Uref与四个三角载波u1~u4获得逻辑信号ua1~ua4，将逻辑信号ua1~ua4经过逻辑组合后，输出得到开关管S1-S10的驱动信号，根据所述驱动信号驱动相应开关管动作。
6.根据权利要求4所述的调制方法，其特征在于：该多电平变换器设置m个开关电容单元，通过所述驱动信号控制该多电平变换器工作在4m+1种工作模态，输出4m+1种电平；m=1,2，……。
7.一种分布式发电多电平变换系统，包括控制器和多电平变换器，其特征在于：所述多电平变换器为权利要求1-3任一项所述的分布式发电多电平变换器。
8.根据权利要求7所述的分布式发电多电平变换系统，其特征在于：所述控制器控制所述分布式发电多电平变换器中的开关管动作时，执行权利要求4-5任一项所述的分布式发电多电平变换器的调制方法的步骤。
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