CN115694231A - 开关电容共地型九电平逆变器 - Google Patents

Abstract

一种开关电容共地型九电平逆变器，直流电压源V_in的正极连接到开关管S₁的漏极和开关管S₃的源极，V_in的负极接地并连接到开关管S₂的源极、开关管S₆的源极、开关管S₁₁的漏极；电容C₁的正极连接到S₃的漏极和开关管S₄的漏极，C₁的负极连接到S₁的源极和S₂的漏极；S₄的源极连接到开关管S₅的漏极和开关管S₇的源极；S₅的源极连接到S₆的漏极和开关管S₈的漏极；电容C₂的正极连接到S₇的漏极和开关管S₉的漏极，C₂的负极连接到S₈的源极和电容C₃的正极，C₃的负极连接到开关管S₁₀的源极和S₁₁的源极；S₉的源极连接到S₁₀的漏极和滤波电感L_f的一端，L_f的另一端连接到负载的一端，负载的另一端接地。本发明具有四倍升压能力；共地型结构，可解决光伏发电领域的漏电流问题。

Description

开关电容共地型九电平逆变器

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是一种开关电容共地型九电平逆变器。

背景技术

随着全球范围内能源短缺和环境污染问题日益严重，寻找和开发新的代替能源已经成为世界各国研究人员关注的重点。太阳能作为一种资源丰富、分布广泛的可再生能源，得到了重视与研究。其中，光伏发电的利用方式成为解决现阶段能源问题的有效手段之一。

随着电力电子技术的不断发展，光伏发电朝着高效率、高电能质量和高功率密度方向发展。多电平逆变器由于具有输出电能质量高，开关器件应力小以及系统功率密度高等优点已经在光伏发电中广泛应用。

然而，传统的多电平逆变器类型中，中点钳位、飞跨电容型逆变器分别需要大量箝位二极管和飞跨电容来产生多电平输出；级联H桥型逆变器通过级联多个H桥单元产生多电平，需要大量的直流电源。这些都导致了逆变器成本和控制难度的大幅上升。

基于开关电容的多电平逆变器可解决上述问题，开关电容结构没有电感、变压器等磁性元件，具有体积小、功率密度大、转换效率高和易于集成等优点。同时，该结构具有一定的升压能力，适用于中小功率光伏并网升压场合，可以减少中间直流升压环节、降低系统的成本、提高逆变器效率。

目前的非隔离型光伏并网逆变器由于不含变压器、无电气隔离，在光伏板与大地之间的寄生电容、光伏并网逆变器与大地之间形成共模回路，从而产生漏电流。漏电流会导致额外的损耗、导致电能质量降低甚至危害人员安全。

发明内容

本发明的目的是提供一种开关电容共地型九电平逆变器，该逆变器的共地型结构使其具有良好的漏电流抑制能力；输出电压为直流电压源电压的四倍，具有高电压增益能力；开关电容可以实现电容电压的充放电平衡而无需额外的控制电路。

实现本发明目的的技术方案如下：

开关电容共地型九电平逆变器，直流电压源V_in的正极连接到开关管S₁的漏极和开关管S₃的源极，V_in的负极接地并连接到开关管S₂的源极、开关管S₆的源极、开关管S₁₁的漏极；电容C₁的正极连接到S₃的漏极和开关管S₄的漏极，C₁的负极连接到S₁的源极和S₂的漏极；S₄的源极连接到开关管S₅的漏极和开关管S₇的源极；S₅的源极连接到S₆的漏极和开关管S₈的漏极；电容C₂的正极连接到S₇的漏极和开关管S₉的漏极，C₂的负极连接到S₈的源极和电容C₃的正极，C₃的负极连接到开关管S₁₀的源极和S₁₁的源极；S₉的源极连接到S₁₀的漏极和滤波电感L_f的一端，L_f的另一端连接到负载的一端，负载的另一端接地。

上述逆变器的控制方法为：使用驱动信号s1-s11分别控制开关管S₁-S₁₁；

其中，s1＝(A₁)or(B₁)or(B₃)or(B₆)，s2＝s3＝not((A₁)or(B₁)or(B₃)or(B₆))，s4＝A₈，s5＝(A₂)or(B₄)or(not(A₈))，s6＝(B₁)or(B₆)or(not(A₈))，s7＝(B₂)or(not(A₆))，s8＝(A₃)or(B₅)，s9＝A₄，s10＝not(A₄)，s11＝(A₁)or(B₃)；所述B₁＝(not(A₂))and(A₃)，B₂＝(not(A₂))and(A₄)，B₃＝(not(A₄))and(A₅)，B₄＝(not(A₄))and(A₆)，B₅＝(not(A₄))and(A₇)，B₆＝(not(A₆))and(A₇)；所述A₁＝(u_s>u₁)，A₂＝(u_s>u₂)，A₃＝(u_s>u₃)，A₄＝(u_s>u₄)，A₅＝(u_s>u₅)，A₆＝(u_s>u₆)，A₇＝(u_s>u₇)，A₈＝(u_s>u₈)；所述u_s为正弦波，u₁～u₈为频率相等且相位相同的三角波；u₁～u₈的频率大于u_s的频率；u₁的最小值为3A_c，最大值为4A_c；u₂的最小值为2A_c，最大值为3A_c；u₃的最小值为A_c，最大值为2A_c；u₄的最小值为0，最大值为A_c；u₅的最大值为0，最小值为-A_c；u₆的最大值为-A_c，最小值为-2A_c；u₇的最大值为-2A_c，最小值为-3A_c；u₈的最大值为-3A_c，最小值为-4A_c；u_s的峰值小于4A_c。

本发明为升压逆变器，具有四倍升压能力；共地型结构，可解决光伏发电领域的漏电流问题；器件数量少、结构简单、成本低廉、功率密度高、系统效率高；所有电容可以实现工频周期内电容电压的充放电平衡，降低开关电容的成本和体积。

附图说明

图1为开关电容共地型九电平逆变器原理图。

图2为开关电容共地型九电平逆变器的调制信号图。

图3为生成开关管驱动信号的逻辑图。

图4(a)～图4(i)为开关电容共地型九电平逆变器的工作模态图。

图5为开关电容共地型九电平逆变器的输出电压、输出电流和电容电压波形图。

图6为开关电容共地型九电平逆变器的漏电流波形图。

图7为开关电容共地型九电平逆变器在负载变化时的输出电压和输出电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1所示，开关电容共地型九电平逆变器的电路原理图，包括直流电压源V_in、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃、第四开关S₄、第五开关S₅、第六开关S₆、第七开关S₇、第八开关S₈、第九开关S₉、第十开关S₁₀、第十一开关S₁₁及滤波电感L_f。

直流电压源V_in的正极与第一开关管S₁的漏极和第三开关管S₃的源极连接，直流电压源V_in的负极与第二开关管S₂的源极、第六开关管S₆的源极、第十一开关管S₁₁的漏极和电网中性点连接；第一电容C₁的正极与第三开关管S₃的漏极和第四开关管S₄的漏极连接，第一电容C₁的负极与第一开关管S₁的源极和第二开关管S₂的漏极连接；第二电容C₂的正极与第七开关管S₇的漏极和第九开关管S₉的漏极连接，第二电容C₂的负极与第八开关管S₈的源极和第三电容C₃的正极连接；第三电容C₃的正极与第八开关管S₈的源极和第二电容C₂的负极连接，第三电容C₃的负极与第十开关管S₁₀的源极和第十一开关管S₁₁的源极连接；第四开关管S₄的源极与第五开关管S₅的漏极和第七开关管S₇的源极连接；第五开关管S₅的源极与第六开关管S₆的漏极和第八开关管S₈的漏极连接；第九开关管S₉的源极与第十开关管S₁₀的漏极和滤波电感L_f连接。

图2给出了上述开关电容共地型九电平逆变器的调制信号。图中，u_s为正弦波、u₁、u₂、u₃、u₄、u₅、u₆、u₇和u₈为三角波。u₁至u₈的频率大于u_s的频率；u₁至u₈频率相等，相位相同；u₁和u₈的大小为3A_c～4A_c，u₂和u₇的大小为2A_c～3A_c，u₃和u₆的大小为A_c～2A_c，u₄和u₅的大小为0～A_c，u_s幅值小于4A_c。

图3为使用正弦波和三角波生成开关管驱动信号的逻辑图。如图3所示，正弦波和三角波信号，经逻辑运算生成中间信号A₁-A₈，A₁-A₈再生成中间信号B₁-B₆，这些中间信号再经逻辑运算得到开关管驱动信号s1-s11。

上述逆变器在图3生成的开关管驱动信号控制下，可以得到：第一电容C₁的电压为直流电压源的电压，第二电容C₂的电压为直流电压源电压的两倍，第三电容C₃的电压为直流电压源电压的两倍。

第一电容C₁、第二电容C₂和第三电容C₃均可以在工频周期下实现电容电压的充电和放电平衡；逆变器的输出电压幅值为直流电压源电压的四倍。

下面说明采用图3生成的驱动信号控制开关管后的工作状态。

在一个输出电压周期内，逆变器共有9种工作状态。

1)v_o＝0：如图4(a)所示，开关管S₁、S₄、S₅、S₈、S₁₀、S₁₁导通，其余开关管关断，逆变器输出电压为零。

2)v_o＝+V_in：如图4(b)所示，开关管S₂、S₃、S₄、S₇、S₉导通，其余开关管关断，电容C₁与直流电压源并联充电至V_in。同时，直流电压源通过S₃、S₄、S₇、S₉直接向负载供电。逆变器输出电压为+V_in。

3)v_o＝+2V_in：如图4(c)所示，开关管S₁、S₄、S₆、S₇、S₈、S₉导通，其余开关管关断。此时，电容C₁与直流电压源串联，通过S₁、S₄、S₇、S₈、S₆向电容C₂充电，电容C₂的电压为+2V_in；电容C₁与直流电压源串联，通过S₁、S₄、S₇、S₉向负载供电，逆变器输出电压为+2V_in。

4)v_o＝+3V_in：如图4(d)所示，开关管S₂、S₃、S₄、S₅、S₈、S₉导通，其余开关管关断，电容C₁与直流电压源并联充电至V_in。同时，电容C₂与直流电压源串联，通过S₃、S₄、S₅、S₈、S₉向负载供电，逆变器输出电压为+3V_in。

5)v_o＝+4V_in：如图4(e)所示，开关管S₁、S₄、S₅、S₈、S₉、S₁₁导通，其余开关管关断。电容C₁与直流电压源串联，通过S₁、S₄、S₅、S₈、S₁₁向电容C₃充电，电容C₃的电压为+2V_in；直流电压源与电容C₁、C₂串联，通过S₁、S₄、S₅、S₈、S₉向负载供电，逆变器输出电压为+4V_in。

6)v_o＝-V_in：如图4(f)所示，开关管S₂、S₃、S₄、S₅、S₈、S₁₀导通，其余开关管关断。电容C₁与直流电压源并联充电至V_in。同时，电容C₃与电容C₁串联，通过S₈、S₅、S₄、S₂、S₁₀直接向负载供电，逆变器输出电压为-V_in。

7)v_o＝-2V_in：如图4(g)所示，开关管S₁、S₄、S₆、S₇、S₈、S₁₀导通，其余开关管关断。电容C₁与直流电压源串联，通过S₁、S₄、S₇、S₈、S₆向电容C₂充电，电容C₂的电压为+2V_in；电容C₃通过S₈、S₆、S₁₀直接向负载供电，逆变器输出电压为-2V_in。

8)v_o＝-3V_in：如图4(h)所示，开关管S₂、S₃、S₄、S₇、S₁₀导通，其余开关管关断。电容C₁与直流电压源并联充电至V_in。电容C₂、C₃和C₁串联，通过S₇、S₄、S₂、S₁₀向负载供电，逆变器输出电压为-3V_in。

9)v_o＝-4V_in：如图4(i)所示，开关管S₂、S₃、S₅、S₆、S₇、S₁₀导通，其余开关管关断；电容C₁与直流电压源并联充电至V_in。电容C₂、C₃串联，通过S₇、S₅、S₆、S₁₀向负载供电，逆变器输出电压为-4V_in。

用Simulink仿真软件对共地型开关电容九电平逆变器进行时域仿真分析，其中，直流电压源的电压为100V，C₁＝470μF，C₂＝3300μF，C₃＝3300μF，负载为100Ω，开关频率为18kHz，输出电压有效值为220V。仿真结果如图5所示。从图中可以看出，仿真结果与理论分析一致。

图6为漏电流波形，电流显示为零，验证了该拓扑的共地特性可消除漏电流。

图7是共地型开关电容九电平逆变器负载跳变的瞬态响应波形。初始时刻，负载为100Ω；在0.16s时负载由100Ω变为50Ω；在0.28s时负载由50Ω变回至100Ω，系统运行情况与初始状态一致。从图中可以看出，当负载发生变化时，输出电压均保持恒定。

根据上述理论分析及仿真可以看出，本发明提供的开关电容共地型九电平逆变器，将直流电源的负极与电网中性点直接相连，使寄生电容短路，做到完全消除漏电流。具有结构简单、功率密度高、系统效率高等优势；高电压增益，输出电压是输入直流电源电压的四倍；电容电压可实现工频周期内的充放电平衡，无需额外控制电路；开关器件少，相较于现有共地型九电平逆变器，所用器件数量明显减少，降低了系统成本。因此，本发明提供的共地型开关电容九电平逆变器具有明显的优势。

Claims (2)

1.开关电容共地型九电平逆变器，其特征在于，直流电压源V_in的正极连接到开关管S₁的漏极和开关管S₃的源极，V_in的负极接地并连接到开关管S₂的源极、开关管S₆的源极、开关管S₁₁的漏极；电容C₁的正极连接到S₃的漏极和开关管S₄的漏极，C₁的负极连接到S₁的源极和S₂的漏极；S₄的源极连接到开关管S₅的漏极和开关管S₇的源极；S₅的源极连接到S₆的漏极和开关管S₈的漏极；电容C₂的正极连接到S₇的漏极和开关管S₉的漏极，C₂的负极连接到S₈的源极和电容C₃的正极，C₃的负极连接到开关管S₁₀的源极和S₁₁的源极；S₉的源极连接到S₁₀的漏极和滤波电感L_f的一端，L_f的另一端连接到负载的一端，负载的另一端接地。

2.如权利要求1所述的开关电容共地型九电平逆变器的控制方法，其特征在于，使用驱动信号s1-s11分别控制开关管S₁-S₁₁；其中，

s1＝(A₁)or(B₁)or(B₃)or(B₆)，s2＝s3＝not((A₁)or(B₁)or(B₃)or(B₆))，s4＝A₈，s5＝(A₂)or(B₄)or(not(A₈))，

s6＝(B₁)or(B₆)or(not(A₈))，s7＝(B₂)or(not(A₆))，s8＝(A₃)or(B₅)，s9＝A₄，s10＝not(A₄)，s11＝(A₁)or(B₃)；

所述B₁＝(not(A₂))and(A₃)，B₂＝(not(A₂))and(A₄)，B₃＝(not(A₄))and(A₅)，B₄＝(not(A₄))and(A₆)，

B₅＝(not(A₄))and(A₇)，B₆＝(not(A₆))and(A₇)；

所述A₁＝(u_s>u₁)，A₂＝(u_s>u₂)，A₃＝(u_s>u₃)，A₄＝(u_s>u₄)，A₅＝(u_s>u₅)，A₆＝(u_s>u₆)，A₇＝(u_s>u₇)，A₈＝(u_s>u₈)；所述u_s为正弦波，u₁～u₈为频率相等且相位相同的三角波；u₁～u₈的频率大于u_s的频率；u₁的最小值为3A_c，最大值为4A_c；u₂的最小值为2A_c，最大值为3A_c；u₃的最小值为A_c，最大值为2A_c；u₄的最小值为0，最大值为A_c；u₅的最大值为0，最小值为-A_c；u₆的最大值为-A_c，最小值为-2A_c；u₇的最大值为-2A_c，最小值为-3A_c；u₈的最大值为-3A_c，最小值为-4A_c；u_s的峰值小于4A_c。

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