一种五电平并网逆变器及其调制方法与流程

本发明涉及智能电网领域，特别涉及一种五电平并网逆变器及其调制方法。

背景技术：

并网逆变器在光伏发电中扮演着很重要的角色，随着光伏电池串输出电压等级提升，传统的两电平逆变器因元器件在高电压下开关损耗和导通损耗急剧上升而不再适用。因此对于新型的多电平并网逆变器的拓扑研究具有重要意义。

当前业内已经提出多种五电平逆变器的技术方案，如申请号为：201521142604.6和申请号为：201520673081.1的中国专利分别提出了两种五电平逆变器的拓扑，基本思想均是通过多个开关管串联来降低管子电压应力，通过飞跨电容和直流侧中性点引出电流通路来产生多电平。但是两种拓扑所用到的元器件数量较多，因此导通损耗较高并且成本较高。

进一步，因为开关管的导通损耗与电流电压成正相关关系，因此电压电流越大，在输出高电平时产生的导通损耗占整体的比重也就越大。

综上所述，在光伏电池串输出电压呈上升趋势的背景下，如何降低高电平时逆变器的导通损耗以及降低逆变器的成本是需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种五电平并网逆变器及其调制方法，元器件少，且在高电平时电流流经的元器件少，从而从根本上减少逆变器的导通损耗，且降低了成本，解决了现有技术中由于元器件数量较多导致的导通损耗高且成本高的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种五电平并网逆变器，其包括：第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第一二极管d1、第二二极管d2、第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4、第五开关管s5、第六开关管s6、第七开关管s7以及第八开关管s8；其中，

直流侧包括：串联的所述第一电容以及所述第二电容；

所述第三电容c3位于交流侧；所述第三电容c3的正极通过第一开关管s1与所述交流侧的输出端相连，所述第三电容c3的负极通过所述第二开关管s2与所述交流侧的输出端相连；

所述直流侧的正极与所述第三电容c3的正极通过所述第五开关管s5相连，所述直流侧的负极与所述第三电容c3的负极通过所述第七开关管s7相连；

所述直流侧的中点通过串联的所述第六开关管s6以及所述第一二极管d1与所述第三电容c3的正极相连；所述直流侧的中点通过串联的所述第六开关管s6以及所述第四开关管s4与所述第三电容c3的负极相连；

所述直流侧的中点还通过串联的所述第八开关管s8以及所述第三开关管s3与所述第三电容c3的正极相连；所述直流侧的中点还通过串联的所述第六开关管s6以及所述第二二极管d2与所述第三电容c3的负极相连。

较佳地，所述第一电容c1与所述第二电容c2的额定电压值相等，为2e，所述第三电容的额定电压值为所述第一电容c1或所述第二电容c2的额定电压值的一半，为e。

较佳地，当第一开关管s1以及第五开关管s5为闭合状态，第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4、第六开关管s6、第七开关管s7以及第八开关管s8为断开状态时，逆变器的输出电平为2e；

当第二开关管s2以及第五开关管s5为闭合状态，第一开关管s1、第三开关管s3、第四开关管s4、第六开关管s6、第七开关管s7以及第八开关管s8为断开状态时，逆变器的输出电平为e；

当第一开关管s1、第四开关管s4、第六开关管s6以及第八开关管s8为闭合状态，第二开关管s2、第三开关管s3、第五开关管s5以及第七开关管s7为断开状态时，逆变器的输出电平为e；

当第一开关管s1、第三开关管s3、第六开关管s6以及第八开关管s8为闭合状态，第二开关管s2、第四开关管s4、第五开关管s5以及第七开关管s7为断开状态时，逆变器的输出电平为0e；

当第二开关管s2、第四开关管s4、第六开关管s6以及第八开关管s8为闭合状态，第一开关管s1、第三开关管s3、第五开关管s5以及第七开关管s7为断开状态时，逆变器的输出电平为0e；

当第二开关管s2、第三开关管s3、第六开关管s6以及第八开关管s8为闭合状态，第一开关管s1、第四开关管s4、第五开关管s5以及第七开关管s7为断开状态时，逆变器的输出电平为-e；

当第一开关管s1以及第七开关管s7为闭合状态，第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4、第五开关管s5、第六开关管s6以及第八开关管s8为断开状态时，逆变器的输出电平为-e；

当第二开关管s2以及第七开关管s7为闭合状态，第一开关管s1、第三开关管s3、第四开关管s4、第五开关管s5、第六开关管s6以及第八开关管s8为断开状态时，逆变器的输出电平为-2e。

较佳地，所述第三电容c3为悬浮电容。

较佳地，所述第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4、第五开关管s5、第六开关管s6、第七开关管s7以及第八开关管s8为全控开关管。

较佳地，所述第三开关管s3以及所述第四开关管s4为逆阻型全控开关管。

本发明还提供一种五电平并网逆变器的调制方法，其包括：

s11：将四行同相位、等幅值的三角波依次层叠组成一组载波；

s12：将一个正弦调制波与所述载波进行比较，所述正弦调制波的幅值与四个所述三角波叠加后的幅值相同；

s13：根据比较结果对八个开关管的开关状态进行不同的选择，以输出相应的电平。

较佳地，四个所述三角波从上至下依次为：第一三角波、第二三角波、第三三角波、第四三角波；进一步地，

所述s13具体为：

当所述正弦调制波大于所有三角波时，八个开关管的开关状态为：第一开关管s1以及第五开关管s5为闭合状态，第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4、第六开关管s6、第七开关管s7以及第八开关管s8为断开状态，此时逆变器的输出电平为2e；

当所述正弦调制波大于第二三角波且小于第一三角波时，并且所述正弦调制波的相位处于0-π/2之间，八个开关管的开关状态为：第二开关管s2以及第五开关管s5为闭合状态，第一开关管s1、第三开关管s3、第四开关管s4、第六开关管s6、第七开关管s7以及第八开关管s8为断开状态时，此时逆变器的输出电平为e；

当所述正弦调制波大于第二三角波且小于第一三角波时，并且所述正弦调制波的相位处于π/2-π之间，八个开关管的开关状态为：第一开关管s1、第四开关管s4、第六开关管s6以及第八开关管s8为闭合状态，第二开关管s2、第三开关管s3、第五开关管s5以及第七开关管s7为断开状态时，此时逆变器的输出电平为e；

当所述正弦调制波大于第三三角波且小于第二三角波时，并且所述正弦调制波的相位处于π-2π之间，八个开关管的开关状态为：第一开关管s1、第三开关管s3、第六开关管s6以及第八开关管s8为闭合状态，第二开关管s2、第四开关管s4、第五开关管s5以及第七开关管s7为断开状态时，此时逆变器的输出电平为0e；

当所述正弦调制波大于第三三角波且小于第二三角波时，并且正弦调制波相位处于0-π之间，八个开关管的开关状态为：第二开关管s2、第四开关管s4、第六开关管s6以及第八开关管s8为闭合状态，第一开关管s1、第三开关管s3、第五开关管s5以及第七开关管s7为断开状态时，此时逆变器的输出电平为0e；

当所述正弦调制波大于第四三角波且小于第三三角波时，并且所述正弦调制波的相位处于π-3π/2之间，八个开关管的开关状态为：第二开关管s2、第三开关管s3、第六开关管s6以及第八开关管s8为闭合状态，第一开关管s1、第四开关管s4、第五开关管s5以及第七开关管s7为断开状态时，此时逆变器的输出电平为-e；

当所述正弦调制波大于第四三角波且小于第三三角波时，并且所述正弦调制波的相位处于3π/2-2π之间，八个开关管的开关状态为：第一开关管s1以及第七开关管s7为闭合状态，第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4、第五开关管s5、第六开关管s6以及第八开关管s8为断开状态时，此时逆变器的输出电平为-e；

当所述正弦调制波小于所有三角波时，八个开关管的开关状态为：第二开关管s2以及第七开关管s7为闭合状态，第一开关管s1、第三开关管s3、第四开关管s4、第五开关管s5、第六开关管s6以及第八开关管s8为断开状态时，此时逆变器的输出电平为-2e。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

(1)本发明的五电平并网逆变器及其调制方法，逆变器的电路拓扑所包括的元器件数目较少，大大降低了逆变器的成本；

(2)本发明的五电平并网逆变器及其调制方法，在高电平时电流只需流经2～3个元器件，大大减少了元器件的导通损耗；尤其在电压等级较高的场合，因为导通损耗与流经开关管的电压电流为正相关关系，所以电压等级越高，在输出高电平时的导通损耗占整体损耗的比例就越大，本发明通过减少导通损耗大大提高了逆变器的效率；

(3)本发明的五电平并网逆变器及其调制方法，交流侧的第三电容采用悬浮电容，可以通过调制方法来维持悬浮电容的电压值，现有技术中则需要外部电源来维持电容的电压值，本发明通过采用悬浮电容省去了一个外部电源，结构更简单，成本更低；

(4)本发明的五电平并网逆变器及其调制方法，提供了一种新的适用于五电平并网逆变器的调制技术，方法简单，逻辑清晰，易于编程实现。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1为本发明一实施例的五电平逆变器的电路拓扑结构图；

图2为本发明一实施例的在调制过程中开关状态组合为v1的正电流等效电路图；

图3为本发明一实施例的在调制过程中开关状态组合为v1的负电流等效电路图；

图4为本发明一实施例的在调制过程中开关状态组合为v2的正电流等效电路图；

图5为本发明一实施例的在调制过程中开关状态组合为v2的负电流等效电路图；

图6为本发明一实施例的在调制过程中开关状态组合为v3的正电流等效电路图；

图7为本发明一实施例的在调制过程中开关状态组合为v3的负电流等效电路图；

图8为本发明一实施例的在调制过程中开关状态组合为v4的正电流等效电路图；

图9为本发明一实施例的在调制过程中开关状态组合为v4的负电流等效电路图；

图10为本发明一实施例的在调制过程中开关状态组合为v5的正电流等效电路图；

图11为本发明一实施例的在调制过程中开关状态组合为v5的负电流等效电路图；

图12为本发明一实施例的在调制过程中开关状态组合为v6的正电流等效电路图；

图13为本发明一实施例的在调制过程中开关状态组合为v6的负电流等效电路图；

图14为本发明一实施例的在调制过程中开关状态组合为v7的正电流等效电路图；

图15为本发明一实施例的在调制过程中开关状态组合为v7的负电流等效电路图；

图16为本发明一实施例的在调制过程中开关状态组合为v8的正电流等效电路图；

图17为本发明一实施例的在调制过程中开关状态组合为v8的负电流等效电路图；

图18为本发明一实施例的调制方法的正弦波与载波比较示意图；

图19为本发明一实施例的调制方法的示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1是本发明一实施例的五电平并网逆变器的电路拓扑结构图。

请参考图1，该五电平并网逆变器包括：第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第一二极管d1、第二二极管d2、第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4、第五开关管s5、第六开关管s6、第七开关管s7以及第八开关管s8。其中，第一电容c1与第二电容c2串联，组成直流侧；第三电容c3位于交流侧。第三电容c3的正极通过第一开关管s1与交流侧的输出端相连，第三电容c3的负极通过第二开关管s2与交流侧的输出端相连。直流侧的正极与第三电容c3的正极通过第五开关管s5相连，直流侧的负极与所述第三电容c3的负极通过第七开关管s7相连。直流侧的中点通过串联的第六开关管s6以及第一二极管d1与第三电容c3的正极相连；直流侧的中点通过串联的第六开关管s6以及第四开关管s4与第三电容c3的负极相连。直流侧的中点还通过串联的第八开关管s8以及第三开关管s3与第三电容c3的正极相连；直流侧的中点还通过串联的第六开关管s6以及第二二极管d2与第三电容c3的负极相连。

一实施例中，第一电容c1与所述第二电容c2的额定电压值相等，设为2e；第三电容的额定电压值为第一电容c1或所述第二电容c2的额定电压值的一半，为e。通过八个开关管的导通和关断，不同的开关状态组合一共可以输出五种电平，即-2e，-e，0e，e，2e。

下面列举八种开关管的开关状态组合，以及与之对应的输出电平。当然，不同实施例中，开关管的开关状态组合也可以有其他组合形式，此处不一一列举。

v1：第一开关管s1以及第五开关管s5为闭合状态，第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4、第六开关管s6、第七开关管s7以及第八开关管s8为断开状态，如图2所示为其正电流等效电路图，如图3所示为其负电流等效电路图；此时逆变器的输出电平为2e；

v2：第二开关管s2以及第五开关管s5为闭合状态，第一开关管s1、第三开关管s3、第四开关管s4、第六开关管s6、第七开关管s7以及第八开关管s8为断开状态，如图4所示为其正电流等效电路图，如图5所示为其负电流等效电路图；此时逆变器的输出电平为e；

v3：第一开关管s1、第四开关管s4、第六开关管s6以及第八开关管s8为闭合状态，第二开关管s2、第三开关管s3、第五开关管s5以及第七开关管s7为断开状态，如图6所示为其正电流等效电路图，如图7所示为其负电流等效电路图；此时逆变器的输出电平为e；

v4：第一开关管s1、第三开关管s3、第六开关管s6以及第八开关管s8为闭合状态，第二开关管s2、第四开关管s4、第五开关管s5以及第七开关管s7为断开状态，如图8所示为其正电流等效电路图，如图9所示为其负电流等效电路图；此时逆变器的输出电平为0e；

v5：第二开关管s2、第四开关管s4、第六开关管s6以及第八开关管s8为闭合状态，第一开关管s1、第三开关管s3、第五开关管s5以及第七开关管s7为断开状态，如图10所示为其正电流等效电路图，如图11所示为其负电流等效电路图；此时逆变器的输出电平为0e；

v6：第二开关管s2、第三开关管s3、第六开关管s6以及第八开关管s8为闭合状态，第一开关管s1、第四开关管s4、第五开关管s5以及第七开关管s7为断开状态，如图12所示为其正电流等效电路图，如图13所示为其负电流等效电路图；此时逆变器的输出电平为-e；

v7：第一开关管s1以及第七开关管s7为闭合状态，第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4、第五开关管s5、第六开关管s6以及第八开关管s8为断开状态，如图14所示为其正电流等效电路图，如图15所示为其负电流等效电路图；此时逆变器的输出电平为-e；

v8：第二开关管s2以及第七开关管s7为闭合状态，第一开关管s1、第三开关管s3、第四开关管s4、第五开关管s5、第六开关管s6以及第八开关管s8为断开状态，如图16所示为其正电流等效电路图，如图17所示为其负电流等效电路图；此时逆变器的输出电平为-2e。

较佳实施例中，第三电容c3为悬浮电容，可以通过调制方法来维持悬浮电容的电压值，省去了外部电源，结构更简单，成本更低。

较佳实施例中，第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4、第五开关管s5、第六开关管s6、第七开关管s7以及第八开关管s8为全控开关管。

较佳实施例中，第三开关管s3以及第四开关管s4为逆阻型全控开关管。

图18是本发明一实施例的调制方法的正弦波与载波比较示意图。

请参考图18，该调制方法包括以下步骤：

s11：将四行同相位、等幅值的三角波依次层叠组成一组载波，如图18所示；

s12：将一个正弦调制波与载波进行比较，正弦调制波的幅值与载波的幅值相同，如图18所示；

s13：根据比较结果对八个开关管的开关状态进行不同的选择，以输出相应的电平。

图19是本发明一实施例的调制方法的示意图。

请参考图19，四个三角波从上至下依次定义为：第一三角波、第二三角波、第三三角波、第四三角波；进一步地，骤s13具体为：

当正弦调制波大于所有三角波时，八个开关管的开关状态如v1所述，此时逆变器的输出电平为2e；

当正弦调制波大于第二三角波且小于第一三角波时，并且正弦调制波的相位处于0-π/2之间，八个开关管的开关状态如v2所述，此时逆变器的输出电平为e；

当正弦调制波大于第二三角波且小于第一三角波时，并且正弦调制波的相位处于π/2-π之间，八个开关管的开关状态如v3所述，此时逆变器的输出电平为e；

当正弦调制波大于第三三角波且小于第二三角波时，并且正弦调制波的相位处于π-2π之间，八个开关管的开关状态如v4所述，此时逆变器的输出电平为0e；

当正弦调制波大于第三三角波且小于第二三角波时，并且正弦调制波相位处于0-π之间，八个开关管的开关状态如v5所述，此时逆变器的输出电平为0e；

当正弦调制波大于第四三角波且小于第三三角波时，并且正弦调制波的相位处于π-3π/2之间，八个开关管的开关状态如v6所述，此时逆变器的输出电平为-e；

当正弦调制波大于第四三角波且小于第三三角波时，并且正弦调制波的相位处于3π/2-2π之间，八个开关管的开关状态如v7所述，此时逆变器的输出电平为-e；

当正弦调制波小于所有三角波时，八个开关管的开关状态如v8所述，此时逆变器的输出电平为-2e。

此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。