CN113037115B - 一种六开关五电平逆变器及其工作方法 - Google Patents

一种六开关五电平逆变器及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种六开关五电平逆变器及其工作方法。所述六开关五电平逆变器包括直流电压源U in、开关管S 1、S 2、S 3、S 4、S 5、S 6、电容C 1、C 2、二极管D 1、D 2。本发明在现有五电平逆变电路的基础上进行改进，使用的开关管数量减少了3个，开关驱动的数量减少了3个，在一定程度上降低了电路的成本和体积，具有良好的工业应用前景。

Description

一种六开关五电平逆变器及其工作方法
技术领域
本发明涉及电力电子变换器逆变领域，具体涉及一种六开关五电平逆变器及其工作方法。
背景技术
随着风电和光伏等可再生能源的大规模开发，其对电网造成的功率波动是目前急需解决的技术难题。储能系统在一定程度上能够平抑可再生能源的功率波动，增强电网的弹性并扩大可再生能源的消纳空间。储能系统接入电网往往需要高性能的逆变器，而多电平逆变器因其较低的器件应力、输出电压谐波含量较小和较低的开关频率等优点得到了学界和工业界的广泛关注。
传统多电平逆变器主要包含三类：中点钳位型、飞跨电容型和级联H桥型。中点钳位型和飞跨电容型的应用受限于其电容电压不平衡，且其所需开关器件的数量较多。级联H桥型的缺陷主要在于其需要多个独立的直流电源来产生较多的电平输出，这将会增加电路的成本和控制的复杂性。基于开关电容结构的多电平逆变器因其电容的自均压特性，使用较少的开关器件和单个直流电源即可产生较多的电平输出等优点，从而得到了学界的广泛研究。
现有方案如图1所示，该方案采用开关电容结构，需要使用九个开关管俩实现五电平输出。该方案的缺点为所需开关数量较多，且需要较多数量的开关驱动，电路的成本较高，不利于其大规模推广和使用。因此，提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种六开关五电平逆变器及其工作方法，该逆变器使用的开关管数量减少了3个，开关驱动的数量减少了3个，在一定程度上降低了电路的成本和体积，具有良好的工业应用前景。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种六开关五电平逆变器，包括一个电平产生模块、一个左侧极性转换模块、一个右侧极性转换模块；所述电平产生模块用于不同电平信号的产生，所述左侧极性转换模块和右侧极性转换模块负责所述电平产生模块输出极性的选择，以实现所述逆变器不同电平信号的输出。
在本发明一实施例中，所述电平产生模块包括直流电源、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、第五开关、第六开关；所述直流电源的正极与第一电容的正极、第五开关的第一端连接，并作为所述电平产生模块的第一正极输出端；所述直流电源的负极与第二电容的负极、第六开关的第二端连接，并作为所述电平产生模块的第一负极输出端；所述第一电容的负极、第二电容的正极、第一二极管的阳极、第二二极管的阴极相连接；所述第一二极管的阴极与第五开关的第二端连接，并作为所述电平产生模块的第二正极输出端；所述第二二极管的阳极与第六开关的第一端连接，并作为所述电平产生模块的第二负极输出端。
在本发明一实施例中，所述左侧极性转换模块包括第一开关、第二开关，所述第一开关的第二端与第二开关的第一端连接，并作为所述六开关五电平逆变器的正极输出端，所述第一开关的第一端与所述电平产生模块的第一正极输出端连接，所述第二开关的第二端与所述电平产生模块的第一负极输出端连接。
在本发明一实施例中，所述右侧极性转换模块包括第三开关、第四开关，所述第三开关的第二端与第四开关的第一端连接，并作为所述六开关五电平逆变器的负极输出端，所述第三开关的第一端与所述电平产生模块的第二正极输出端连接，所述第四开关的第二端与所述电平产生模块的第二负极输出端连接。
在本发明一实施例中，所述右侧极性转换模块包括第三开关、第四开关，所述第三开关的第二端与第四开关的第一端连接，并作为所述六开关五电平逆变器的负极输出端，所述第三开关的第一端与所述电平产生模块的第二正极输出端连接，所述第四开关的第二端与所述电平产生模块的第二负极输出端连接。
在本发明一实施例中，所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关为N沟道型MOSFET或IGBT；所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关的第一端均为N沟道型MOSFET的漏极，所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关的第二端均为N沟道型MOSFET的源极。
在本发明一实施例中，所述第一二极管、第二二极管为直插式二极管。
在本发明一实施例中，所述第一电容、第二电容均为铝电解电容；所述第一电容的电容值和第二电容的电容值相等。
本发明还提供了一种基于上述所述的一种六开关五电平逆变器的工作方法，包括六种工作模态；
当电路工作在模态1时，左侧极性转换模块、右侧极性转换模块分别与所述电平产生模块的第一负极输出端、第二负极输出端连接，此时电平产生模块输出电压为0Uin，所述逆变器输出电压uo为0Uin；
当电路工作在模态2时，左侧极性转换模块与所述电平产生模块的第一正极输出端连接，右侧极性转换模块与所述电平产生模块的第二负极输出端连接，此时电平产生模块输出电压为0.5Uin，所述逆变器输出电压uo为0.5Uin；
当电路工作在模态3时，左侧极性转换模块与所述电平产生模块的第一正极输出端连接，右侧极性转换模块与所述电平产生模块的第二负极输出端连接，此时电平产生模块输出电压为Uin，所述逆变器输出电压uo为Uin；
当电路工作在模态4时，左侧极性转换模块、右侧极性转换模块分别与所述电平产生模块的第一正极输出端、第二正极输出端连接，此时电平产生模块输出电压为0Uin，所述逆变器输出电压uo为0Uin；
当电路工作在模态5时，左侧极性转换模块与所述电平产生模块的第一负极输出端连接，右侧极性转换模块与所述电平产生模块的第二正极输出端连接，此时电平产生模块输出电压为-0.5Uin，所述逆变器输出电压uo为-0.5Uin；
当电路工作在模态6时，左侧极性转换模块与所述电平产生模块的第一负极输出端连接，右侧极性转换模块与所述电平产生模块的第二正极输出端连接，此时电平产生模块输出电压为-Uin，所述逆变器输出电压uo为-Uin。
本发明还提供了一种基于上述所述的一种六开关五电平逆变器的工作方法，包括六种工作模态；
当电路工作在模态1时，第二开关S2、第四开关S4、第六开关S6导通，其余开关关断；直流电源Uin向第一电容C1、第二电容C2充电，此时输出电压uo为0Uin；
当电路工作在模态2时，第一开关S1、第四开关S4导通，其余开关关断；Uin向C1、C2充电，C1单独向负载供电，此时输出电压uo为0.5Uin；
当电路工作在模态3时，第一开关S1、第四开关S4、第六开关S6导通，其余开关关断；Uin向C1、C2充电，C1和C2串联共同向负载供电，此时输出电压uo为Uin；
当电路工作在模态4时，第一开关S1、第三开关S3、第五开关S5导通，其余开关关断；Uin向C1、C2充电，此时输出电压uo为0Uin；
当电路工作在模态5时，第二开关S2、第三开关S3导通，其余开关关断；Uin向C1、C2充电，C2单独向负载供电，输出电压uo为-0.5Uin；
当电路工作在模态6时，第二开关S2、第三开关S3、第五开关S5导通，其余开关关断；Uin向C1、C2充电，C1和C2串联共同向负载供电，输出电压uo为-Uin。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明的目的是提出一种六开关五电平逆变器。相比现有方案，本发明提出的拓扑使用的开关数量减少了3个，开关驱动减少了3个，在一定程度上降低了电路的成本和体积。以上种种表明了本发明具有良好的工业应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有九开关五电平逆变器电路图；
图2为本发明提供的一种六开关五电平逆变器电路图；
图3为本发明提供的一种六开关五电平逆变器在输出不同电平时的工作模态图；
图4为本发明提供的一种六开关五电平逆变器的工作波形图；
图5为本发明提供的一种六开关五电平逆变器具体实施流程图；
图6为本发明提供的一种六开关五电平逆变器的实验输出电压和电流波形图；
其中，附图标记如下：
Uin、直流电源；C1、第一电容；C2、第二电容；D1、第一二极管；D2、第二二极管；S1、第一开关；S2、第二开关；S3、第三开关；S4、第四开关；、S5、第五开关；、S6、第六开关。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种六开关五电平逆变器，包括一个电平产生模块、一个左侧极性转换模块、一个右侧极性转换模块；所述电平产生模块用于不同电平信号的产生，所述左侧极性转换模块和右侧极性转换模块负责所述电平产生模块输出极性的选择，以实现所述逆变器不同电平信号的输出。
本发明还提供了一种基于上述所述的一种六开关五电平逆变器的工作方法，包括六种工作模态；
当电路工作在模态1时，左侧极性转换模块、右侧极性转换模块分别与所述电平产生模块的第一负极输出端、第二负极输出端连接，此时电平产生模块输出电压为0Uin，所述逆变器输出电压uo为0Uin；
当电路工作在模态2时，左侧极性转换模块与所述电平产生模块的第一正极输出端连接，右侧极性转换模块与所述电平产生模块的第二负极输出端连接，此时电平产生模块输出电压为0.5Uin，所述逆变器输出电压uo为0.5Uin；
当电路工作在模态3时，左侧极性转换模块与所述电平产生模块的第一正极输出端连接，右侧极性转换模块与所述电平产生模块的第二负极输出端连接，此时电平产生模块输出电压为Uin，所述逆变器输出电压uo为Uin；
当电路工作在模态4时，左侧极性转换模块、右侧极性转换模块分别与所述电平产生模块的第一正极输出端、第二正极输出端连接，此时电平产生模块输出电压为0Uin，所述逆变器输出电压uo为0Uin；
当电路工作在模态5时，左侧极性转换模块与所述电平产生模块的第一负极输出端连接，右侧极性转换模块与所述电平产生模块的第二正极输出端连接，此时电平产生模块输出电压为-0.5Uin，所述逆变器输出电压uo为-0.5Uin；
当电路工作在模态6时，左侧极性转换模块与所述电平产生模块的第一负极输出端连接，右侧极性转换模块与所述电平产生模块的第二正极输出端连接，此时电平产生模块输出电压为-Uin，所述逆变器输出电压uo为-Uin。
本发明的核心是提供一种六开关五电平逆变器。主要包括直流电压源Uin、开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6、电容C1、C2、二极管D1、D2。本发明在现有五电平逆变电路的基础上进行改进，使用的开关管数量减少了3个，开关驱动的数量减少了3个，在一定程度上降低了电路的成本和体积，具有良好的工业应用前景。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示，为本发明提供的面向储能系统的高增益九电平逆变器的实施案例图，包括Uin、直流电源；C1、第一电容；C2、第二电容；D1、第一二极管；D2、第二二极管；S1、第一开关；S2、第二开关；S3、第三开关；S4、第四开关；、S5、第五开关；、S6、第六开关，其中：
所述直流电源的正极与所述第一电容的正极、第一开关的第一端连接及第五开关的第一端连接；所述直流电源的负极与所述第二开关的第二端、第二电容的负极及所述第六开关的第二端连接；所述第一开关的第二端与第二开关的第一端及负载正极连接；所述第一电容的负极与第二电容的正极、第一二极管的阳极和第二二极管的阴极连接；所述第五开关的第二端、第一二极管的阴极及第三开关的第一端连接，所述第六开关的第一端和第二二极管的阳极及第四开关的第二端连接，所述第三开关的第二端和第四开关的第一端及负载负极连接。
具体地，对于本申请提供的一种六开关五电平逆变器，其工作过程参照图3，其中图3包含了图2所示电路在输出不同电平的工作模态图；下面结合本申请中提供的一种六开关五电平逆变器的结构来对其工作过程做介绍：
具体地，当电路工作在模态1时，如图3(a)所示。开关管S2、S4、S6导通，其余开关管关断。输入电源Uin向电容C1、C2充电，此时输出电压uo为0Uin。
当电路工作在模态2时，如图3(b)所示。开关管S1、S4导通，其余开关管关断。输入电源Uin向电容C1、C2充电，电容C1单独向负载供电，此时输出电压uo为0.5Uin。
当电路工作在模态3时，如图3(c)所示。开关管S1、S4、S6导通，其余开关管关断。输入电源Uin向电容C1、C2充电，电容C1和C2串联共同向负载供电，此时输出电压uo为Uin。
当电路工作在模态4时，如图3(d)所示。开关管S1、S3、S5导通，其余开关管关断。输入电源Uin向电容C1、C2充电，此时输出电压uo为0Uin。
当电路工作在模态5时，如图3(e)所示。开关管S2、S3导通，其余开关管关断。输入电源Uin向电容C1、C2充电，电容C2单独向负载供电，输出电压uo为-0.5Uin。
当电路工作在模态6时，如图3(f)所示。开关管S2、S3、S5导通，其余开关管关断。输入电源Uin向电容C1、C2充电，电容C1和C2串联共同向负载供电，输出电压uo为-Uin。
需要说明的是，第一电容C1和第二电容C2的电容值相等；
第一电容C1、第二电容C2的取值不做特别的限定，根据实际需要进行选择；
下面对本实施例中一种六开关五电平逆变器的开关导通角进行计算：
根据图3所示工作模态可得开关管的开关状态，如图4所示。首先通过计算参考正弦波形和多电平波形的相交点得到开关管的导通角θi(i＝1,2)，计算公式如下
Figure BDA0002951265540000061
由于正弦波的对称性，其余导通角可由θ1～θ4得出。其次可采用正弦调制波es与直线载波±ei,(i＝1,2)相比较的方式产生开关的控制信号。调制波和载波的表达式为
es＝As sin(2πft) (2)
ei＝As sinθi (3)
其中As为调制波的幅值，f为输出频率。根据式(4)所示调制逻辑即可得到各开关管的控制信号。
Figure BDA0002951265540000062
其中C(a,b)代表将a和b进行比较。当a>b时，C(a,b)＝1；当a<b时，C(a,b)＝0。当Si＝1(i＝1,2…6)时，开关Si导通；当Si＝0(i＝1,2…6)时，开关Si关断。具体计算流程如图5所示，逆变器开关状态表如表1所示。
表1逆变器的开关状态表
Figure BDA0002951265540000071
搭建图2所示电路的实验样机，电路参数选择如下：输入直流电源Uin＝30V，电容容值C1＝C2＝2200μF，开关管开关频率为50Hz，负载电阻R＝100Ω；
实验结果如图6所示，可见一种六开关五电平逆变器的输出电压和电流均为五电平阶梯波。波形的一个周期为0.02s，和开关频率50Hz相吻合。实验结果与理论分析相符合，具有一定的有效性和可行性。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种六开关五电平逆变器，其特征在于，包括一个电平产生模块、一个左侧极性转换模块、一个右侧极性转换模块；所述电平产生模块用于不同电平信号的产生，所述左侧极性转换模块和右侧极性转换模块负责所述电平产生模块输出极性的选择，以实现所述逆变器不同电平信号的输出；所述电平产生模块包括直流电源、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、第五开关、第六开关；所述直流电源的正极与第一电容的正极、第五开关的第一端连接，并作为所述电平产生模块的第一正极输出端；所述直流电源的负极与第二电容的负极、第六开关的第二端连接，并作为所述电平产生模块的第一负极输出端；所述第一电容的负极、第二电容的正极、第一二极管的阳极、第二二极管的阴极相连接；所述第一二极管的阴极与第五开关的第二端连接，并作为所述电平产生模块的第二正极输出端；所述第二二极管的阳极与第六开关的第一端连接，并作为所述电平产生模块的第二负极输出端；所述左侧极性转换模块包括第一开关、第二开关，所述第一开关的第二端与第二开关的第一端连接，并作为所述六开关五电平逆变器的正极输出端，所述第一开关的第一端与所述电平产生模块的第一正极输出端连接，所述第二开关的第二端与所述电平产生模块的第一负极输出端连接；所述右侧极性转换模块包括第三开关、第四开关，所述第三开关的第二端与第四开关的第一端连接，并作为所述六开关五电平逆变器的负极输出端，所述第三开关的第一端与所述电平产生模块的第二正极输出端连接，所述第四开关的第二端与所述电平产生模块的第二负极输出端连接；所述六开关五电平逆变器的工作方法，包括六种工作模态；
当电路工作在模态1时，左侧极性转换模块、右侧极性转换模块分别与所述电平产生模块的第一负极输出端、第二负极输出端连接，此时电平产生模块输出电压为0U in，所述逆变器输出电压u o为0U in；
当电路工作在模态2时，左侧极性转换模块与所述电平产生模块的第一正极输出端连接，右侧极性转换模块与所述电平产生模块的第二负极输出端连接，此时电平产生模块输出电压为0.5U in，所述逆变器输出电压u o为0.5U in；
当电路工作在模态3时，左侧极性转换模块与所述电平产生模块的第一正极输出端连接，右侧极性转换模块与所述电平产生模块的第二负极输出端连接，此时电平产生模块输出电压为U in，所述逆变器输出电压u o为U in；
当电路工作在模态4时，左侧极性转换模块、右侧极性转换模块分别与所述电平产生模块的第一正极输出端、第二正极输出端连接，此时电平产生模块输出电压为0U in，所述逆变器输出电压u o为0U in；
当电路工作在模态5时，左侧极性转换模块与所述电平产生模块的第一负极输出端连接，右侧极性转换模块与所述电平产生模块的第二正极输出端连接，此时电平产生模块输出电压为-0.5U in，所述逆变器输出电压u o为-0.5U in；
当电路工作在模态6时，左侧极性转换模块与所述电平产生模块的第一负极输出端连接，右侧极性转换模块与所述电平产生模块的第二正极输出端连接，此时电平产生模块输出电压为-U in，所述逆变器输出电压u o为-U in。
2.一种六开关五电平逆变器，其特征在于，包括一个电平产生模块、一个左侧极性转换模块、一个右侧极性转换模块；所述电平产生模块用于不同电平信号的产生，所述左侧极性转换模块和右侧极性转换模块负责所述电平产生模块输出极性的选择，以实现所述逆变器不同电平信号的输出；所述电平产生模块包括直流电源、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、第五开关、第六开关；所述直流电源的正极与第一电容的正极、第五开关的第一端连接，并作为所述电平产生模块的第一正极输出端；所述直流电源的负极与第二电容的负极、第六开关的第二端连接，并作为所述电平产生模块的第一负极输出端；所述第一电容的负极、第二电容的正极、第一二极管的阳极、第二二极管的阴极相连接；所述第一二极管的阴极与第五开关的第二端连接，并作为所述电平产生模块的第二正极输出端；所述第二二极管的阳极与第六开关的第一端连接，并作为所述电平产生模块的第二负极输出端；所述左侧极性转换模块包括第一开关、第二开关，所述第一开关的第二端与第二开关的第一端连接，并作为所述六开关五电平逆变器的正极输出端，所述第一开关的第一端与所述电平产生模块的第一正极输出端连接，所述第二开关的第二端与所述电平产生模块的第一负极输出端连接；所述右侧极性转换模块包括第三开关、第四开关，所述第三开关的第二端与第四开关的第一端连接，并作为所述六开关五电平逆变器的负极输出端，所述第三开关的第一端与所述电平产生模块的第二正极输出端连接，所述第四开关的第二端与所述电平产生模块的第二负极输出端连接；所述六开关五电平逆变器的工作方法，包括六种工作模态；
当电路工作在模态1时，第二开关S 2、第四开关S 4、第六开关S 6导通，其余开关关断；直流电源U in向第一电容C 1、第二电容C 2充电，此时输出电压u o为0U in；
当电路工作在模态2时，第一开关S 1、第四开关S 4导通，其余开关关断；U in向C 1、C 2充电，C 1单独向负载供电，此时输出电压u o为0.5U in；
当电路工作在模态3时，第一开关S 1、第四开关S 4、第六开关S 6导通，其余开关关断；U in向C 1、C 2充电，C 1和C 2串联共同向负载供电，此时输出电压u o为U in；
当电路工作在模态4时，第一开关S 1、第三开关S 3、第五开关S 5导通，其余开关关断；U in向C 1、C 2充电，此时输出电压u o为0U in；
当电路工作在模态5时，第二开关S 2、第三开关S 3导通，其余开关关断；U in向C 1、C 2充电，C 2单独向负载供电，输出电压u o为-0.5U in；
当电路工作在模态6时，第二开关S 2、第三开关S 3、第五开关S 5导通，其余开关关断；U in向C 1、C 2充电，C 1和C 2串联共同向负载供电，输出电压u o为-U in。
3.根据权利要求1或2所述的一种六开关五电平逆变器，其特征在于，所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关为N沟道型MOSFET或IGBT；所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关的第一端均为N沟道型MOSFET的漏极，所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关的第二端均为N沟道型MOSFET的源极。
4.根据权利要求1或2所述的一种六开关五电平逆变器，其特征在于，所述第一二极管、第二二极管为直插式二极管。
5.根据权利要求1或2所述的一种六开关五电平逆变器，其特征在于，所述第一电容、第二电容均为铝电解电容；所述第一电容的电容值和第二电容的电容值相等。
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