一种基于桥式模块化开关电容的多电平逆变器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于新型桥式模块化开关电容的多电平逆变器。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005]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W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累升后接到DC-AC变换环节，W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。
[0006] 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值SP)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。
【发明内容】
[0007] 本发明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。
[000引为了解决上述的技术问题，本发明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。
[0009] 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M0SFET开关管组成，分别为第一高频开关Si、第二高频开 关S,、第=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，化及四个全控器件M0SFET开关管，分别为第五高频开关Si。、第六高频开关Sib、第走高 频开关S2。、第八高频开关S2b。
[0010] 在一较佳实施例中：当所述第五高频开关Si。、第六高频开关Sib、第走高频开关 S2。、第八高频开关S2b闭合，第一高频开关S1、第二高频开关S2、第S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=U1。
[0011] 在一较佳实施例中；当所述第一高频开关Si、第=高频开关S3、第六高频开关Sib、 第八高频开关526闭合，第二高频开关S2、第四高频开关54、第五高频开关Sh、第^;：高频开关 S2。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54、第五高频开关Sla、第^；：高频开关52。闭合，第一高频开关S1、第^高频开关S3、 第六高频开关Sib、第八高频开关s,b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。
[0012] 在一较佳实施例中；当所述第一高频开关Si、第四高频开关S4、第五高频开关Si。、 第八高频开关526闭合，第二高频开关S2、第^高频开关53、第六高频开关Slb、第^；：高频开关 S2。断开时，桥式模块化多电平开关电容模块输出的电压Ud= 4U当所述第二高频开关S2、 第=高频开关S3、第六高频开关Sib、第走高频开关S,。闭合，第一高频开关S1、第四高频开关 S4、第五高频开关Si。、第八高频开关S,b断开时，桥式模块化多电平开关电容模块输出的电 压Ud= 4U且上述两种开关状态保持占空比为0. 5的高频交替转换。
[0013] 在一较佳实施例中；当第一高频开关Si、第六高频开关Sib、第八高频开关S2b闭合， 第二高频开关52、第=高频开关53、第四高频开关54、第五高频开关Sl。、第^;：高频开关52。断 开时，桥式模块化多电平开关电容模块输出的电压Ud= 2U当第二高频开关S2、第五高频 开关Si。、第走高频开关S,。闭合，第一高频开关S1、第=高频开关S3、第四高频开关S4、第六 高频开关Sib、第八高频开关S,b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。
[0014] 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Sg、Se、S,、Ss。
[0015]在一较佳实施例中；所述逆变模块的控制信号中设置死区S，当控制信号位于所 述死区5时，逆变模块的高频开关55、或、57、58均处于断开状态。
[0016] 相较于现有技术，本发明的技术方案具备W下有益效果：
[0017] 本发明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，4UiS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=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】
[0018] 图1为本发明实施例中基于桥式模块化开关电容的多电平逆变器；
[0019] 图2为本发明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；
[0020] 图3为为本发明实施例中桥式模块化多电平开关电容模块工作状态，其中；
[0021] a为状态I;b、C为状态II;d、e为状态III，f、g为状态IV;
[0022] 图4为本发明实施例中逆变模块拓扑；
[0023] 图5为本发明实施例中逆变模块开关驱动信号图；
[0024] 图6为本发明实施例中逆变模块输出波形图；
[0025] 图7为本发明实施例中带死区的逆变模块输出波形图。
【具体实施方式】
[0026] 下文结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0027] 下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的阐述。
[0028] 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。
[0029] 其中，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M0SFET开关管组成，分别为第一高频开关Si、第二高频开关S,、第S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，化及四个 全控器件M0SFET开关管；所述第一电容网络包括串联连接的第一电容Cl。和第二电容Cib， 第二电容网络包括串联连接的第S电容C2。和第四电容C2b。所述四个全控器件M0SFET开 关管分别为第五高频开关Si。、第六高频开关Sib、第走高频开关S,。、第八高频开关S,b。该桥 式开关电容模块可通过控制高频开关51、52、53、54与8 1。、5&、52。、526的通断实现^种电平输 出扣1，2Ui，4Ui)，并实现输出电压Ud由Ui- 2Ui- 4Ui- 2Ui-Ui的变换过程，开关驱动信 号与电压变换波形如图2所示。现对前半周期即0G[0, 180° )时开关工作状态分析如 下：
[0030] 状态I如图 3(a)所示，此时 0G[0,曰）叫180。-a，180° )。Sia、Sib、S2a、S2