一种高电压利用率与电容自平衡的准四电平逆变器制造技术

该发明专利技术提出了一种高直流电压利用率与电容自平衡的准四电平逆变器。首先提出一种逆变器的新的拓扑结构，此逆变电路包括开关电容升压电路和三相桥式逆变电路两部分。其中，开关电容升压电路负责提高直流母线电压利用率与提供四个电平；而三相桥式逆变电路负责把四个电平转化成三相电压。针对该拓扑结构，即无法产生多电平的中矢量，提出相应的空间矢量调制策略。与传统空间调制策略主要区别是，本专利引两个虚拟中点矢量，与该拓扑的基本矢量一起以合成参考矢量。此发明专利技术相对于传统四电平逆变器，器件采用较少，且具备直流电压利用率高，电容自平衡等优点。容自平衡等优点。容自平衡等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种高电压利用率与电容自平衡的准四电平逆变器


[0001]本专利技术涉及的是逆变器变换领域，特别涉及一种合成虚拟矢量调制方法，提供四种电平的高电压利用率与电容自平衡的准四电平逆变器。

技术介绍

[0002]在国家碳中和的政策背景下，光伏再生能源越来越受到重视。传统光伏逆变器是boost升压加逆变器拓扑结构，这种拓扑结构两部分分别进行控制，由于电平数有限，因此交流电流输出谐波含量高。同时，传统多电平逆变器并不具备升压功能，为了提供足够的直流电压，需要串联多个光伏板。针对该问题，本专利提出一种可升压的多电平逆变器以解决该问题。

技术实现思路

[0003]为了达到上述要求，本专利提出一种高直流电压利用率与电容自平衡的准四电平逆变器。该电路包括开关电容电路和三相逆变桥式电路，其中，开关电容升压电路负责提高直流母线电压利用率与产生四个电平；而三相桥式逆变电路负责把四个电平转化成三相电压，通过开关电容电路与三相桥臂的组合作用，实现三相电压输出。由于该拓扑结构，无法产生多电平的中矢量，提出相应的空间矢量调制策略，与传统空间调制策略主要区别是，本专利引两个虚拟中点矢量，与拓扑结构的基本矢量一起以合成参考矢量，此专利技术相对于传统四电平逆变器，器件采用较少，且直流电压利用率高。
[0004]该专利技术的目的可以通过以下方案达到：
[0005]一种高直流电压利用率与电容自平衡的准四电平逆变器，开关电容电路给三相桥式逆变电路每一相提供四种电平：电压等于零、电压等于一倍的直流母线电压、电压等于二倍的直流母线电压、电压等于三倍的直流母线电压，分别用0、1、2和3表示，因此共有22种开关状态：000、001、002、003、033、022、011、010、020、030、111、110、220、330、100、200、300、101、202、303、222、333。具体如下：
[0006]对于第一大扇区：
[0007]当开关状态为111时，此时开关电容电路中，开关S1、S3、S4、S6为导通，开关S2、S5为关断，电源给电容C1和C2充电；三相桥式逆变电路中，三相桥臂的上开关管S7、S9、S
11
导通，下开关管S8、S
10
、S
12
关断，此时开关电容电路输出V
dc
，提供给每相桥臂电压为V
dc
。此状态下N点电位为V
dc
，可得输出A相相电压为U
an
＝0，B相相电压为U
bn
＝0，C相相电压为U
cn
＝0；
[0008]当开关状态为110时，此时开关电容电路中，开关S1、S3、S4、S6为导通，开关S2、S5为关断，电源给电容C1和C2充电；三相桥式逆变电路中，A、B两相上开关管S7、S9导通，下开关管S8、S
10
关断，C相下开关管S
12
导通，上开关管S
11
关断，此时开关电容电路输出V
dc
，提供给每相桥臂电压为V
dc
。此状态下N点电位为2/3/V
dc
，可得输出A相相电压U
an
＝1/3V
dc
、B相相电压U
bn
＝1/3V
dc
、C相相电压U
cn
＝
‑
2/3V
dc
；
[0009]当开关状态为220时，此时开关电容电路有两种放电模式，模式一：开关电容电路
中，开关S2、S4、S6导通，开关S1、S3、S5关断，电源与电容C1串联；三相桥式逆变电路中，A、B两相上开关管S7、S9导通，下开关管S8、S
10
关断，C相下开关管S
12
导通，上开关管S
11
关断，此时开关电容电路输出2V
dc
，提供给每相桥臂2V
dc
电压。此状态下N点电位为4/3V
dc
，可得输出A相相电压U
an
＝2/3V
dc
、B相相电压U
bn
＝2/3V
dc
、C相相电压U
cn
＝
‑
4/3V
dc
。模式二：开关电容电路中，开关S1、S3、S5导通，开关S2、S4、S6关断，电源与电容C2串联；三相桥式逆变电路中，A、B两相上开关管S7、S9导通，下开关管S8、S
10
关断，C相下开关管S
12
导通，上开关管S
11
关断，此时开关电容电路输出2V
dc
，提供给每相桥臂2V
dc
电压。此状态下N点电位为4/3V
dc
，可得输出A相相电压U
an
＝2/3V
dc
、B相相电压U
bn
＝2/3V
dc
、C相相电压U
cn
＝
‑
4/3V
dc
；
[0010]当开关状态为330时，此时开关电容电路中，开关S2、S5为导通，开关S1、S3、S4、S6为关断，电源与电容C1和C2串联；三相桥式逆变电路中，A、B两相上开关管S7、S9导通，下开关管S8、S
10
关断，C相下开关管S
12
导通，上开关管S
11
关断，此时开关电容电路输出3V
dc
，提供给每相桥臂也是3V
dc
电压。此状态下N点电位为2V
dc
，可得输出A相相电压U
an
＝V
dc
、B相相电压U
bn
＝V
dc
、C相相电压U
cn
＝
‑
2V
dc
。
[0011]进一步的，根据空间矢量调制方式，将22个基础矢量构成的矢量图分成6个扇区，如图8所示，其中第一扇区、第三扇区和第五扇区的矢量作用顺序相同，第二扇区、第四扇区和第六扇区的矢量作用顺序也是相同，但与第一扇区反向。如图3以第一扇区为例，从中间注入虚拟矢量t1至E点，注入虚拟矢量t2至F点，从两侧分别连接AE、BE和CF、DF，采用这种分区方式，将一个扇区分成1区域、2区域、3区域、4区域、5区域、6区域和7区域，计算出该7个区域中的各个矢量作用的时间，其余扇区各个矢量的作用时间可以等效到第一扇区。
[0012]对于第一大扇区：
[0013]当参考矢量位于第一小区域时，由矢量111、矢量100和矢量110合成，其作用时间分别为T
111
、T
100
和T
110
；
[0014]当参考矢量为于第二小区域时，由矢量100、矢量200和虚拟矢量t1合成，其作用时间分别为T...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.该发明为一种高直流电压利用率与电容自平衡的准四电平逆变器，其特征在于，该拓扑结构由开关电容升压电路和三相桥式逆变电路构成，开关电容电路由六个开关管和两个电容构成，每一桥臂由两个开关管构成。其中，开关电容升压电路负责提高直流母线电压利用率与产生四个电平；三相桥式逆变电路负责把四个电平转化成三相电压，通过开关电容电路与三相桥臂的组合作用，实现三相电压输出。2.根据权利要求1中所述的准四电平逆变器，其特征在于，开关电容电路给每一桥臂提供四种电平：电压等于零、电压等于一倍的直流母线电压、电压等于二倍的直流母线电压、电压等于三倍的直流母线电压，分别用0、1、2和3表示，因此共有22种开关状态：000、001、002、003、033、022、011、010、020、030、111、110、220、330、100、200、300、101、202、303、222、333。以q点为参考节点，电位为0，以A相电流I
a
>0，B相电流I
b
>0，C相电流I
c
<0时为例，具体如下：以第一大扇区中四种开关状态为例：当开关状态为111时，此时开关电容电路中，开关S1、S3、S4、S6为导通，开关S2、S5为关断，电源给电容C1和C2充电；三相桥式逆变电路中，三相桥臂的上开关管S7、S9、S
11
导通，下开关管S8、S
10
、S
12
关断，此时开关电容电路输出V
dc
，提供给每相桥臂电压为V
dc
。此状态下N点电位为V
dc
，可得输出A相相电压为U
an
＝0，B相相电压为U
bn
＝0，C相相电压为U
cn
＝0；当开关状态为110时，此时开关电容电路中，开关S1、S3、S4、S6为导通，开关S2、S5为关断，电源给电容C1和C2充电；三相桥式逆变电路中，A、B两相上开关管S7、S9导通，下开关管S8、S
10
关断，C相下开关管S
12
导通，上开关管S
11
关断，此时开关电容电路输出V
dc
，提供给每相桥臂电压为V
dc
。此状态下N点电位为2/3/V
dc
，可得输出A相相电压U
an
＝1/3V
dc
、B相相电压U
bn
＝1/3V
dc
、C相相电压U
cn
＝
‑
2/3V
dc
；当开关状态为220时，此时开关电容电路有两种放电模式，模式一：开关电容电路中，开关S2、S4、S6导通，开关S1、S3、S5关断，电源与电容C1串联；三相桥式逆变电路中，A、B两相上开关管S7、S9导通，下开关管S8、S
10
关断，C相下开关管S
12
导通，上开关管S
11
关断，此时开关电容电路输出2V
dc
，提供给每相桥臂2V
dc
电压。此状态下N点电位为4/3V
dc
，可得输出A相相电压U
an
＝2/3V
dc
、B相相电压U
bn
＝2/3V
dc
、C相相电压U
cn
＝
‑
4/3V
dc
。模式二：开关电容电路中，开关S1、S3、S5导通，开关S2、S4、S6关断，电源与电容C2串联；三相桥式逆变电路中，A、B两相上开关管S7、S9导通，下开关管S8、S
10
关断，C相下开关管S
12
导通，上开关管S
11
关断，此时开关电容电路输出2V
dc
，提供给每相桥臂2V
dc
电压。此状态下N点电位为4/3V
dc
，可得输出A相相电压U
an
＝2/3V
dc
、B相相电压U
bn
＝2/3V
dc
、C相相电压U
cn
＝
‑
4/3V
dc
；当开关状态为330时，此时开关电容电路中，开关S2、S5为导通，开关S1、S3、S4、S6为关断，电源与电容C1和C2串联；三相桥式逆变电路中，A、B两相上开关管S7、S9导通，下开关管S8、S
10
关断，C相下开关管S
12
导通，上开关管S
11
关断，此时开关电容电路输出3V
dc
，提供给每相桥臂也是3V
dc
电压。此状态下N点电位为2V
dc
，可得输出A相相电压U
an
＝V
dc
、B相相电压U
bn
＝V
dc
、C相相电压U
cn
＝
‑
2V
dc
。3.根据权利要求1、2中所述的准四电平逆变器，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡毕华，张梦舟，陈智勇，谭平安，盘宏斌，邓文浪，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：