一种高电压利用率与电容自平衡的准四电平逆变器

1.本发明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。


背景技术：

2.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。


技术实现要素：

3.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，此发明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。
4.该发明的目的可以通过以下方案达到：
5.一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：
6.对于第一大扇区：
7.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；
8.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
；
9.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
；
10.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
。
11.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。
12.对于第一大扇区：
13.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
；
14.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
100
、t
200
和t
t1
；
15.当参考矢量位于第三小区域时，由矢量100、矢量110和虚拟矢量t1合成，其作用时间分别为t
100
、t
110
和t
t1
；
16.当参考矢量位于第四小区域时，由矢量110、矢量220和虚拟矢量t1合成，其作用时间分别为t
110
、t
220
和t
t1
；
17.当参考矢量位于第五小区域时，由矢量200、矢量300和虚拟矢量t2合成，其作用时间分别为t
200
、t
300
和t
t2
；
18.当参考矢量位于第六小区域时，由矢量200、矢量220和虚拟矢量t2合成，其作用时间分别为t
200
、t
220
和t
t2
；
19.当参考矢量位于第七小区域时，由矢量220、矢量330和虚拟矢量t2合成，其作用时间分别为t
220
、t
330
和t
t2
；
20.进一步，将虚拟矢量由其他的基础矢量合成，具体如下：
21.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，其作用时间不变，分别为t
111
、t
100
和t
110
，矢量作用顺序为：111-110-100-110-111，其中：
22.矢量100作用的时间为：
23.矢量111的作用时间为：
24.矢量110作用的时间为：
25.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，虚拟矢量t1由矢量200和220合成；其作用时间分别为：t
100
、和矢量作用顺序为：220-200-100-200-220，其中：
26.矢量100作用的时间为：
27.矢量220作用的时间为：
28.矢量200作用的时间为：
29.当参考矢量位于第三小区域时，由矢量100、矢量110和虚拟矢量t1合成；其作用时间分别为：t
100
、t
110
和矢量作用顺序为：220-200-100-200-220，其中：
30.矢量100作用的时间为：
31.矢量110作用的时间为：
32.矢量220和200作用的时间都为：
33.当参考矢量位于第四小区域时，由矢量110、矢量220和虚拟矢量t1合成；其作用时间分别为：t
110
、和矢量作用顺序为：110-220-200-220-110，其中：
34.矢量110作用的时间为：
35.矢量200作用的时间为：
36.矢量220作用的时间为：
37.当参考矢量位于第五小区域时，由矢量200、矢量300和虚拟矢量t2合成，虚拟矢量t2由矢量300和330合成；其作用时间分别为：t
200
、和矢量作用顺序为：330-300-200-300-330，其中：
38.矢量200作用的时间为：
39.矢量330作用的时间为：
40.矢量300作用的时间为：
41.当参考矢量位于第六小区域时，由矢量200、矢量220和虚拟矢量t2合成；其作用时间分别为：t
200
、t
220
和矢量作用顺序为：220-200-300-330-300-200-220，其中：
42.矢量200作用的时间为：
43.矢量220作用的时间为：
44.矢量300和矢量330作用时间都为：
45.当参考矢量位于第七小区域时，由矢量220、矢量330和虚拟矢量t2合成；其作用时间分别为：t
220
、和矢量作用顺序为：220-330-300-330-220，其中：
46.矢量220作用的时间为：
47.矢量300作用的时间为：
48.矢量330作用的时间为：
49.上述式子中，u
α
为所需合成的向量u
ref
在α轴上的投影，u
β
为u
ref
在β轴上的投影，如图7所示，u
dc
为电源电压，ts为一个周期内u
ref
的作用时间。对于其余扇区，第二大扇区只需改变其矢量作用顺序即可，三扇区和五扇区与一扇区相同；四扇区和六扇区与二扇区相同。
50.本发明与现有技术比较，有以下优势：
51.1.本发明是一种非隔离型直流转换为交流的逆变电路，拓扑结构体积较小、开关频率较低、逆变效率较高，使用较少的开关器件实现直流到三相交流的逆变；
52.2.本发明中的逆变电路输出谐波小，具备直流电压利用率高，电容自平衡等优点，可以应用于高容量、高压系统；
53.3.本发明采用注入虚拟矢量的调制方式，提高了合成电压的精确性；
54.4.本发明中的逆变电路以使用半导体器件居多，大大提高了工作时的安全性。
附图说明
55.图1一种三相准四电平逆变电路拓扑结构；
56.图2输出电压为0时的电流回路；
57.图3输出电压为v
dc
时的电流回路；
58.图4模式一下输出电压为2v
dc
的电流回路；
59.图5模式二下输出电压为2v
dc
的电流回路；
60.图6输出电压为3v
dc
的电流回路；
61.图7注入虚拟矢量分区域图；
62.图8所有扇区矢量标号图；
具体实施方案
63.本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,该电路由开关电容升压电路和三相桥式逆变电路两部分组成，开关电容升压电路主要用于提高直流母线电压利用率与产生四个电平；三相桥式逆变电路主要作用是把四个电平转化成三相电压。为使得本发明的施例的目的和技术优点更加清楚，下面将结合本发明附图，进行具体讲解。
64.如图1所示的准四电平拓扑，电压源两侧分别由一个开关管和电容串联后与另一个开关管并联再与第三个开关管串联组成，构成开关电容电路；右侧并联三个桥臂，构成三相桥式逆变电路，每相桥臂由两个串联的开关管构成，各相桥臂中点的一侧与负载相连接；每相桥臂接入相同的电压源；各开关管都由控制电路驱动。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，与拓扑结构的基本矢量一起以合成参考矢量。
65.开关电容电路可以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。具体如下：
66.对于第一大扇区：
67.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；
68.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
；
69.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
；
70.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
。
71.进一步，采用空间矢量调制策略，如图7所示，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，如此能够使电压作用均匀，具体如下：
72.对于第一大扇区：
73.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
；
74.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
100
、t
200
和t
t1
；
75.当参考矢量位于第三小区域时，由矢量100、矢量110和虚拟矢量t1合成，其作用时间分别为t
100
、t
110
和t
t1
；
76.当参考矢量位于第四小区域时，由矢量110、矢量220和虚拟矢量t1合成，其作用时间分别为t
110
、t
220
和t
t1
；
77.当参考矢量位于第五小区域时，由矢量200、矢量300和虚拟矢量t2合成，其作用时间分别为t
200
、t
300
和t
t2
；
78.当参考矢量位于第六小区域时，由矢量200、矢量220和虚拟矢量t2合成，其作用时间分别为t
200
、t
220
和t
t2
；
79.当参考矢量位于第七小区域时，由矢量220、矢量330和虚拟矢量t2合成，其作用时间分别为t
220
、t
330
和t
t2
。
80.进一步，采用基础矢量合成虚拟矢量，具体如下：
81.对于第一大扇区：
82.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，其作用时间不变，分别为t
111
、t
100
和t
110
，矢量作用顺序为：111-110-100-110-111，其中：
83.矢量100作用的时间为：
84.矢量111的作用时间为：
85.矢量110作用的时间为：
86.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，虚拟矢量t1由矢量200和220合成；其作用时间分别为：t
100
、和矢量作用顺序为：220-200-100-200-220，其中：
87.矢量100作用的时间为：
88.矢量220作用的时间为：
89.矢量200作用的时间为：
90.当参考矢量位于第三小区域时，由矢量100、矢量110和虚拟矢量t1合成；其作用时间分别为：t
100
、t
110
和矢量作用顺序为：220-200-100-200-220，其中：
91.矢量100作用的时间为：
92.矢量110作用的时间为：
93.矢量220和200作用的时间都为：
94.当参考矢量位于第四小区域时，由矢量110、矢量220和虚拟矢量t1合成；其作用时间分别为：t
110
、和矢量作用顺序为：110-220-200-220-110，其中：
95.矢量110作用的时间为：
96.矢量200作用的时间为：
97.矢量220作用的时间为：
98.当参考矢量位于第五小区域时，由矢量200、矢量300和虚拟矢量t2合成，虚拟矢量t2由矢量300和330合成；其作用时间分别为：t
200
、和矢量作用顺序为：330-300-200-300-330，其中：
99.矢量200作用的时间为：
100.矢量330作用的时间为：
101.矢量300作用的时间为：
102.当参考矢量位于第六小区域时，由矢量200、矢量220和虚拟矢量t2合成；其作用时间分别为：t
200
、t
220
和矢量作用顺序为：220-200-300-330-300-200-220，其中：
103.矢量200作用的时间为：
104.矢量220作用的时间为：
105.矢量300和矢量330作用时间都为：
106.当参考矢量位于第七小区域时，由矢量220、矢量330和虚拟矢量t2合成；其作用时间分别为：t
220
、和矢量作用顺序为：220-330-300-330-220，其中：
107.矢量220作用的时间为：
108.矢量300作用的时间为：
109.矢量330作用的时间为：
110.对于第二大扇区，可以将其作用时间转换到第一扇区，所以只需要改变其矢量的作用顺序。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，如此便可产生所需输出电平。
111.本发明图示中采用的开关管为igbt，但本发明中的功率开关管并不局限于igbt，上述实施方法为该发明比较好的实施方法，调制方式能够输出均匀电压，但该专利的实施并不局限于上述方式，其余任何没有违反该专利的原理的实现方法，都在本发明的保护范围内。