一种双输入扩展增益多电平逆变器及其控制方法技术

本发明专利技术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V

【技术实现步骤摘要】
一种双输入扩展增益多电平逆变器及其控制方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术所采用的技术方案是：本专利技术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,m、二极管Dn,2m-1、Dn,2m，电容Cn,m；所述开关管Sn,m的集电极和所述电容Cn,m的正极均与所述二极管Dn,2m的阴极相连接；所述开关管Sn,m的发射极与所述二极管Dn,2m-1的阴极相连接；所述二极管Dn,2m-1的阳极与电容Cn,m的负极相连接；所述二极管Dn,2m的阳极与第m-1个开关电容多级子模块中的二极管Dn,2m-2的阳极相连接；所述开关管Sn,m的发射极与第m-1个开关电容多级子模块中的电容Cn,m-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所述负载或交流电网；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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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为本专利技术所述双输入扩展增益多电平逆变器拓扑结构框图。图2为本专利技术所述开关电容变换器SCCn拓扑结构框图。图3为本专利技术所述开关电容变换器SCCn工作状态1工作原理图。图4为本专利技术所述开关电容变换器SCCn工作状态2工作原理图。图5为本专利技术所述开关电容变换器SCCn工作状态3工作原理图。图6为本专利技术所述六开关结构工作状态1工作原理图。图7为本专利技术所述六开关结构工作状态2工作原理图本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；/n所述开关电容变换器SCCn包括直流输入电源V

【技术特征摘要】
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*；
所述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；
所述开关管Sn,m的集电极和所述电容Cn,m的正极均与所述二极管Dn,2m的阴极相连接；
所述开关管Sn,m的发射极与所述二极管Dn,2m-1的阴极相连接；
所述二极管Dn,2m-1的阳极与电容Cn,m的负极相连接；
所述二极管Dn,2m的阳极与第m-1个开关电容多级子模块中的二极管Dn,2m-2的阳极相连接；
所述开关管Sn,m的发射极与第m-1个开关电容多级子模块中的电容Cn,m-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所述负载或交流电网；
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王要强，王哲，刘文君，王克文，陈根永，梁军，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南;41