一种基于桥式模块化开关电容的多电平逆变器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于桥式模块化开关电容的多电平逆变器，包含桥式模块化多电平开关电容模块与逆变模块两部分；系统运行过程中，先由桥式模块化多电平开关电容模块DC-DC变换实现输出电压Ui→2Ui→4Ui→2Ui→Ui的变换过程，继而经由逆变模块实现DC-AC变换。本发明专利技术提供了一种基于新型桥式模块化开关电容的多电平逆变器，实现了DC-DC变换环节的高效率、高功率密度和高电压变比运行，DC-AC变换环节创新对单极性倍频SPWM方式进行优化，在相对传统多电平逆变模块有效减少了开关管数量的同时，实现了高品质输出波形和低谐波含量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于桥式模块化开关电容的多电平逆变器
本专利技术涉及一种基于新型桥式模块化开关电容的多电平逆变器。
技术介绍
能源是人类社会生存和发展的重要物质基础。近年来，世界化石能源的有限性和开发利用过程中引起的环境污染问题日益突出，已经成为制约世界经济可持续发展的主要瓶颈，清洁的可再生能源的开发利用受到世界各国高度重视。光伏并网发电作为太阳能的主要利用形式之一，受到人们的倍加关注。随着技术的日益成熟，针对传统集中式光伏并网系统存在的可靠性差、效率低、可扩展性差等问题，人们提出了微型逆变器的概念，对每块电池单独进行电能转化，有效解决了集中式并网系统的可靠性问题，为实现优质、高效、稳定、廉价的并网装置指出了新的方向。逆变器作为光伏阵列和电网接口的主要设备，它的性能决定着整个光伏发电系统的性能。为了将光伏阵列产生的电能最大限度地馈入电网，并提高其运行的稳定度、可靠性和精确度，必须对并网逆变器的主电路拓扑选择、滤波器参数设计及其控制策略选取等进行深入研究。目前常见的逆变器结构可按照功率变换的级数分为单级式变换和多级式变换两种拓扑方案，其中DC-DC-AC两级式拓扑简化了每一级的控制方法，使得每一级可以专注于各自控制方法的质量和效率。传统逆变器的直流电压变换环节主要为boost电路，分布式电源的直流输出电压经过泵升后接到DC-AC变换环节，以满足并网条件。然而，由于Boost电路的电压抬升能力有限，并网逆变器所能接纳的分布式电源直流电压变化范围一般比较窄，同时，传统boost类型感性变换器效率一般不高。此外目前常见的单块光伏电池板输出电压多为20-50V，而我国电网电压峰值为311V。因而如何提高直流变换环节电压变比，实现高效率、低成本的DC-DC变换已引起了人们的广泛关注。与此同时，采用先进的控制技术亦可有效改进光伏并网系统的性能。电力电子器件的高频化和微处理器运算速度的提高，特别是高性能数字信号处理器(DSP)的出现，为一些先进的控制策略的应用提供了条件。常用的正弦脉宽调制(SPWM)方式主要分为单极性调制、双极性调制和单极性倍频调制方式。与双极性调制相比，单极性调制具备谐波分量小、易于消除、对外部设备的谐波干扰减小、开关应力小等优点。且单极性调制的倍频现象能使逆变器输出电压的脉冲数倍加，亦利于减小系统谐波和对外部的干扰。
技术实现思路
本专利技术所要解决的主要技术问题是提供一种基于新型桥式模块化开关电容的多电平逆变器，实现了DC-DC变换环节的高效率、高功率密度和高电压变比，DC-AC变换环节创新对单极性倍频SPWM方式进行优化，在相对传统多电平逆变模块有效减少了开关管数量的同时，实现了高品质输出波形和低谐波含量。为了解决上述的技术问题，本专利技术提供了一种基于桥式模块化开关电容的多电平逆变器，包含桥式模块化多电平开关电容模块与逆变模块两部分；系统运行过程中，先由桥式模块化多电平开关电容模块DC-DC变换实现输出电压Ui→2Ui→4Ui→2Ui→Ui的变换过程，继而经由逆变模块实现DC-AC变换。在一较佳实施例中：所述桥式模块化多电平开关电容模块包含H桥和基本开关电容模块；其中H桥由四个全控器件MOSFET开关管组成，分别为第一高频开关S1、第二高频开关S2、第三高频开关S3、第四高频开关S4；基本开关电容模块包括第一电容网络和第二电容网络，以及四个全控器件MOSFET开关管，分别为第五高频开关S1a、第六高频开关S1b、第七高频开关S2a、第八高频开关S2b。在一较佳实施例中：当所述第五高频开关S1a、第六高频开关S1b、第七高频开关S2a、第八高频开关S2b闭合，第一高频开关S1、第二高频开关S2、第三高频开关S3、第四高频开关S4断开时，桥式模块化多电平开关电容模块输出的电压Ud＝Ui。在一较佳实施例中：当所述第一高频开关S1、第三高频开关S3、第六高频开关S1b、第八高频开关S2b闭合，第二高频开关S2、第四高频开关S4、第五高频开关S1a、第七高频开关S2a断开时，桥式模块化多电平开关电容模块输出的电压Ud＝2Ui；当第二高频开关S2、第四高频开关S4、第五高频开关S1a、第七高频开关S2a闭合，第一高频开关S1、第三高频开关S3、第六高频开关S1b、第八高频开关S2b断开时，桥式模块化多电平开关电容模块输出的电压Ud＝2Ui；且上述两种开关状态保持占空比为0.5的高频交替转换。在一较佳实施例中：当所述第一高频开关S1、第四高频开关S4、第五高频开关S1a、第八高频开关S2b闭合，第二高频开关S2、第三高频开关S3、第六高频开关S1b、第七高频开关S2a断开时，桥式模块化多电平开关电容模块输出的电压Ud＝4Ui；当所述第二高频开关S2、第三高频开关S3、第六高频开关S1b、第七高频开关S2a闭合，第一高频开关S1、第四高频开关S4、第五高频开关S1a、第八高频开关S2b断开时，桥式模块化多电平开关电容模块输出的电压Ud＝4Ui；且上述两种开关状态保持占空比为0.5的高频交替转换。在一较佳实施例中：当第一高频开关S1、第六高频开关S1b、第八高频开关S2b闭合，第二高频开关S2、第三高频开关S3、第四高频开关S4、第五高频开关S1a、第七高频开关S2a断开时，桥式模块化多电平开关电容模块输出的电压Ud＝2Ui；当第二高频开关S2、第五高频开关S1a、第七高频开关S2a闭合，第一高频开关S1、第三高频开关S3、第四高频开关S4、第六高频开关S1b、第八高频开关S2b断开时，桥式模块化多电平开关电容模块输出的电压Ud＝2Ui；且上述两种开关状态保持占空比为0.5的高频交替转换。在一较佳实施例中：所述逆变模块采用全桥逆变结构，包括高频开关S5、S6、S7、S8。在一较佳实施例中：所述逆变模块的控制信号中设置死区δ，当控制信号位于所述死区δ时，逆变模块的高频开关S5、S6、S7、S8均处于断开状态。相较于现有技术，本专利技术的技术方案具备以下有益效果：本专利技术提供的基于桥式模块化开关电容的多电平逆变器，产生Ui，2Ui，4Ui三种输出电平合成阶梯波输入逆变模块，在常规SPWM控制策略的基础上根据母线电压的高低选择相应的三角波(载波)的幅值，输出连续稳定的正弦电压。与传统逆变器相比，上述逆变器在实现DC-DC-AC转换的基础上，提高了电压增益和功率密度，降低了系统损耗；同时有效减少了多电平逆变部分的开关管数目，降低了谐波含量，提升了输出波形质量，大大减轻了电磁干扰(EMI)等问题。附图说明图1为本专利技术实施例中基于桥式模块化开关电容的多电平逆变器；图2为本专利技术实施例中桥式模块化多电平开关电容模块开关驱动信号与输出电压时序图；图3为为本专利技术实施例中桥式模块化多电平开关电容模块工作状态，其中：a为状态I；b、c为状态II；d、e为状态III，f、g为状态IV；图4为本专利技术实施例中逆变模块拓扑；图5为本专利技术实施例中逆变模块开关驱动信号图；图6为本专利技术实施例中逆变模块输出波形图；图7为本专利技术实施例中带死区的逆变模块输出波形图。具体实施方式下文结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明。下面结合附图和实施例，对本专利技术做进一步的阐述。参考图1，由图可知，该逆变器可分为桥式模块化多电平开关电容模块与逆变模块两部分。其中，所述桥式模块化多电平开本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于桥式模块化开关电容的多电平逆变器，其特征在于包含桥式模块化多电平开关电容模块与逆变模块两部分；系统运行过程中，先由桥式模块化多电平开关电容模块DC‑DC变换实现输出电压Ui→2Ui→4Ui→2Ui→Ui的变换过程，继而经由逆变模块实现DC‑AC变换。

【技术特征摘要】
1.一种基于桥式模块化开关电容的多电平逆变器，其特征在于包含桥式模块化多电平开关电容模块与逆变模块两部分；系统运行过程中，先由桥式模块化多电平开关电容模块DC-DC变换实现输出电压Ui→2Ui→4Ui→2Ui→Ui的变换过程，继而经由逆变模块实现DC-AC变换；其中，Ui为输入电压；所述桥式模块化多电平开关电容模块包含H桥和基本开关电容模块；其中H桥由四个全控器件MOSFET开关管组成，分别为第一高频开关S1、第二高频开关S2、第三高频开关S3、第四高频开关S4；基本开关电容模块包括第一电容网络和第二电容网络，以及四个全控器件MOSFET开关管，分别为第五高频开关S1a、第六高频开关S1b、第七高频开关S2a、第八高频开关S2b；第五高频开关S1a的漏极、第七高频开关S2a的源极与第一电容网络中的电容C1a连接，第七高频开关开关S2a的漏极与第二电容网络中的电容C2a连接，第六高频开关S1b的源极、第八高频开关S2b的漏极与第一电容网络中的电容C1b连接，第八高频开关S2b的源极与第二电容网络中的电容C2b连接；所述H桥第一桥臂中点，即第一高频开关S1源极与第二高频开关S2漏极的连接点与开关电容模块的第二电容网络中的电容C2a、C2b连接；所述H桥第二桥臂中点，即第三高频开关S3源极与第四高频开关S4漏极的连接点与开关电容模块的第一电容网络中的电容C1a、C1b连接；开关电容模块的第五高频开关S1a源极与H桥第一高频开关S1与第三高频开关S3的漏极连接，第六高频开关S1b的漏极与H桥开关第二高频开关S2与第四高频开关S4的源极连接；当所述第五高频开关S1a、第六高频开关S1b、第七高频开关S2a、第八高频开关S2b闭合，第一高频开关S1、第二高频开关S2、第三高频开关S3、第四高频开关S4断开时，桥式模块化多电平开关电容模块输出的电压Ud＝Ui。2.根据权利要求1所述的一种基于桥式模块化开关电容的多电平逆变器，其特征在于：当所述第一高频开关S1、第三高频开关S3、第六高频开关S1b、第八高频开关S2b闭合，第二高频开关S2、第四高频开关S4、第五高频开关S1a、第七高频开关S...

【专利技术属性】
技术研发人员：何良宗，程琛，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35