扩展型多输入多电平变换电路与控制方法与流程

本发明涉及电力电子与电能变换、新能源发电和中低压灵活配电领域，具体的说，涉及了一种扩展型多输入多电平变换电路与控制方法。

背景技术：

随着电力电子技术的发展，多电平逆变器被广泛应用于新能源、电动汽车和分布式发电系统。与传统逆变器相比，多电平逆变器输出近正弦阶梯电压波形，能够提高输出波形质量，降低总谐波畸变率和du/dt。同时多电平逆变器具有低电压应力的特点，适合于高压、大功率的场合。在千瓦级逆变器的应用中，多电平逆变器也具有较高的效率和功率密度。

传统的多电平逆变器通常利用单个输入端口输出多个电平的电压阶梯波形，但在基于分布式发电和微电网的新能源发电中常具有多个输入直流电源。为了将单输入逆变器应用于具有多个输入电源的场合，需要将多个直流电源串联接入逆变器或者使得多个单输入逆变器并联工作。然而直流电源串联需要考虑电源之间的电压平衡问题，并且逆变器中开关管两端的电压应力会随之增加。另外单输入逆变器并联工作需要复杂的控制策略。

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。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供了一种扩展型多输入多电平变换电路，本发明还提供了适用于该扩展型多输入多电平变换电路的控制方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种扩展型多输入多电平变换电路，该变换电路包括前级变换器x和后级全桥单元y，所述前级变换器x用于输出电压电平，所述后级全桥单元y与所述前级变换器x连接，用于实现电压电平的极性转换；

所述前级变换器x包括直流输入电压源v0和i个开关电容基本模块；所述扩展型多输入多电平变换电路的输出电平数n与所述开关电容基本模块个数i之间的关系为：n＝4i+5；

所述开关电容基本模块包含开关管si,1、开关管si，2、开关管si,3、开关管si，4，二极管di，1、二极管di，2、二极管di，3，电容ci和直流输入电压源vi，i∈n^*：

所述二极管di，1的阴极、所述电容ci的正极均和所述开关管si,4的发射极相连接；所述开关管si,1的发射极与所述二极管di,2的阳极相连接；所述电容ci的负极、所述二极管di,2的阴极、所述开关管si,2的集电极均和所述开关管si,3的发射极相连接；所述开关管si,4的集电极与所述二极管di,3的阴极相连接；所述二极管di,3的阳极、所述开关管si,3的集电极均和所述直流输入电压源vi的正极相连接；

所述直流输入电压源vi-1的正极连接所述开关管si,1的集电极；所述直流输入电压源v0的正极还连接所述d1，1的阳极，所述二极管di,1的阴极连接所述二极管di+1，1的阳极；所述直流输入电压源vi-1的负极分别连接所述开关管si，2的发射极和所述直流输入电压源vi的负极；

所述后级全桥单元y包括开关管q1、q2、q3、q4；所述开关管q1的集电极与所述开关管q2的集电极相连接；所述开关管q1的发射极与所述开关管q3的集电极相连接；所述开关管q2的发射极与所述开关管q4的集电极相连接；所述开关管q3的发射极与所述开关管q4的发射极相连接；所述开关管q1的发射极和所述开关管q2的发射极之间连接负载；

所述后级全桥单元y中开关管q1的集电极与所述前级变换器x中开关管si，4的发射极相连接；所述后级全桥单元y中开关管q3的发射极与所述前级变换器x中直流输入电压源vi的负极相连接。

基于上述，所述直流输入电压源vi的电压大于所述直流输入电压源vi-1的电压。

基于上述，所述开关管si,1、所述开关管si，2、所述开关管si,3、所述开关管si,4、所述开关管q1、所述开关管q2、所述开关管q3、所述开关管q4均采用igbt管或mos管，其中，所述开关管si，2的集电极和发射极之间不存在反并联二极管或寄生二极管，所述开关管si，1、所述开关管si，3、所述开关管si，4、所述开关管q1、所述开关管q2、所述开关管q3、所述开关管q4的集电极和发射极之间存在反并联二极管或寄生二极管。

本发明第二方面提供一种扩展型多输入多电平变换方法，包括：生成驱动信号，通过所述驱动信号控制前述的扩展型多输入多电平变换电路工作在4i+5种工作模态，输出4i+5种电平。

基于上述，生成驱动信号时，执行：获取一个频率为fs、幅值为us的正弦调制波us与4i+4路具有相同频率fc和相同幅值uc的三角载波uc1-uc(4i+4)；基于正弦调制波us与4i+4路三角载波uc1-uc(4i+4)的比较结果进行比较，输出4i+4路脉冲信号u1-u4i+4；

通过对4i+4路脉冲信号u1-u4i+4进行相关逻辑组合，获得用于控制开关管状态的4i+4路驱动信号。

本发明第三方面提供一种扩展型多输入多电平变换系统，包括控制器和扩展型多输入多电平变换电路，所述扩展型多输入多电平变换电路为前述扩展型多输入多电平变换电路。

基于上述，所述控制器控制所述扩展型多输入多电平变换电路中的开关管动作时，执行前述扩展型多输入多电平变换方法的步骤。

本发明第四方面提供一种可读存储介质，其上存储有指令，该指令被处理器执行时实现如前述的扩展型多输入多电平变换方法的步骤。

本发明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，本发明提供了一种扩展型多输入多电平变换电路、控制方法及系统，通过调整开关电容基本模块中开关管si，4的位置，实现了开关电容基本模块的级联，从而使得扩展型多输入多电平变换电路可以同时具有多个大小不同的直流输入源，有效地用于新能源和分布式发电等具有多个直流输入电源的场合；

同时在一个工作周期的不同阶段，不同开关电容基本模块种的电容ci被分别充电至固定电压值，不存在电容电压的持续偏移问题；因此，在实现变流拓扑的4i+5电平电压输出的同时，本发明无需额外复杂的控制回路即可实现电容电压的自平衡。

附图说明

图1为本发明所述扩展型多输入多电平变换电路的结构框图。

图2至图18为本发明在开关电容基本模块的个数为3时所述扩展型多输入多电平变换电路的不同工作模态的示意图。

图19为本发明的载波层叠脉冲宽度调制原理图。

图20为本发明生成的驱动信号图。

图21为本发明的输出电压波形图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

如图1所示，本发明提供一种扩展型多输入多电平变换电路，该变换电路包括前级变换器x和后级全桥单元y，所述前级变换器x用于输出电压电平，所述后级全桥单元y与所述前级变换器x连接，用于实现电压电平的极性转换；

所述前级变换器x包括直流输入电压源v0和i个开关电容基本模块；

所述开关电容基本模块包含开关管si，1、开关管si，2、开关管si，3、开关管si，4，二极管di，1、二极管di，2、二极管di，3，电容ci和直流输入电压源vi，i∈n^*；

所述二极管di，1的阴极、所述电容ci的正极均和所述开关管si，4的发射极相连接；所述开关管si，1的发射极与所述二极管di，2的阳极相连接；所述电容ci的负极、所述二极管di，2的阴极、所述开关管si，2的集电极均和所述开关管si，3的发射极相连接；所述开关管si，4的集电极与所述二极管di，3的阴极相连接；所述二极管di，3的阳极、所述开关管si，3的集电极均和所述直流输入电压源vi的正极相连接；

所述直流输入电压源vi-1的正极连接所述开关管si，1的集电极；所述直流输入电压源v0的正极还连接所述d1，1的阳极，所述二极管di，1的阴极连接所述二极管di+1，1的阳极；所述直流输入电压源vi-1的负极分别连接所述开关管si，2的发射极和所述直流输入电压源vi的负极；

所述后级全桥单元y包括开关管q1、q2、q3、q4；所述开关管q1的集电极与所述开关管q2的集电极相连接；所述开关管q1的发射极与所述开关管q3的集电极相连接；所述开关管q2的发射极与所述开关管q4的集电极相连接；所述开关管q3的发射极与所述开关管q4的发射极相连接；所述开关管q1的发射极和所述开关管q2的发射极之间连接负载；

所述后级全桥单元y中开关管q1的集电极与所述前级变换器x中开关管si,4的发射极相连接；所述后级全桥单元y中开关管q3的发射极与所述前级变换器x中直流输入电压源vi的负极相连接。

需要注意的是，所述扩展型多输入多电平变换电路的输出电平数n与所述开关电容基本模块个数i之间的关系为：n＝4i+5。在具体实施过程中，可以根据需要输出的最大电平数选择合适的开关电容基本模块个数i。

在具体实施过程中，所述直流输入电压源vi的电压必须大于所述直流输入电压源vi-1的电压。

具体的，所述开关管si，1、所述开关管si,2、所述开关管si，3、所述开关管si,4、所述开关管q1、所述开关管q2、所述开关管q3、所述开关管q4均采用igbt管或mos管，其中，所述开关管si，2的集电极和发射极之间不存在反并联二极管或寄生二极管，所述开关管si，1、所述开关管si,3、所述开关管si，4、所述开关管q1、所述开关管q2、所述开关管q3、所述开关管q4的集电极和发射极之间存在反并联二极管或寄生二极管。

本实施例通过调整开关电容基本模块中开关管si,4的位置，实现了开关电容基本模块的级联，从而使得扩展型多输入多电平变换电路可以同时具有多个大小不同的直流输入源，有效地用于新能源和分布式发电等具有多个直流输入电源的场合；

同时在一个工作周期的不同阶段，不同开关电容基本模块种的电容ci被分别充电至固定电压值，不存在电容电压的持续偏移问题；因此，在实现变流拓扑的4i+5电平电压输出的同时，本发明无需额外复杂的控制回路即可实现电容电压的自平衡。

实施例2

在实施例1中扩展型多输入多电平变换电路的基础上，本发明还给出了一种扩展型多输入多电平变换电路的控制方法。

所述扩展型多输入多电平变换电路的控制方法，包括以下步骤：生成驱动信号，通过所述驱动信号控制前述的扩展型多输入多电平变换电路工作在4i+5种工作模态，输出4i+5种电平。

具体的，生成驱动信号时，执行：获取一个频率为fs、幅值为us的正弦调制波us与4i+4路具有相同频率fc和相同幅值uc的三角载波uc1-uc(4i+4)；

其中，所述调制波us可表示为：us＝ussin(2πfst)；

所述三角载波uc1-uc(4i+4)可表示为：

其中，m为三角载波中三角波的个数，n为三角载波的个数。

所述三角载波uc1-uc4i+4与所述调制波us的调制比ma为：

且所述调制比ma的取值范围为0＜ma≤1；

基于正弦调制波us与4i+4路三角载波uc1-uc(4i+4)的比较结果进行比较，输出4i+4路脉冲信号u1-u4i+4；

通过对4i+4路脉冲信号u1-u4i+4进行相关逻辑组合，获得用于控制开关管状态的4i+4路驱动信号。

为了便于理解，图2-10给出了本实施例中开关电容基本模块的个数i为3时，所述扩展型多输入多电平变换电路的工作模态，可以看出此时，多输入多电平变换电路的工作模态具有工作模态1至工作模态17这17个工作模态；图中箭头所示为该17电平变换电路各个工作模态电流流通路径。

所述17电平变换电路的各个工作模态的工作原理具体分析为：

如图2所示，工作模态1下，所述前级变换器x中开关管s1,2导通，所述后级全桥单元y中开关管q1、开关管q4导通，其余开关管均关断；此时，所述直流输入电压源v0通过所述二极管d1,1和所述开关管s1,2对所述电容c1进行充电，使所述电容c1的电容电压vc1＝v0；同时所述直流输入电压源v0通过所述二极管di,1、所述二极管d2,1、所述二极管d3,1与所述开关管q1、开关管q4和负载组成回路；所述变换电路输出电压vo＝+v0。

如图3所示，工作模态2下，所述前级变换器x中开关管s1,1、开关管s2,2导通，所述后级全桥单元y中开关管q1、开关管q4导通，其余开关管均关断；此时，所述直流输入电压源v0、所述开关管s1，1、所述二极管d1，2、所述电容c1、所述二极管d2，1与电容c2和所述开关管s2，2组成回路，以对所述电容c2进行充电，使所述电容c2的电容电压vc2＝v0；所述直流输入电压源v0、所述开关管s1，1、所述二极管d1，2、所述电容c1、所述二极管d2，1、所述二极管d3，1还与所述开关管q1、开关管q4和负载组成回路，所述变换电路输出电压为vo＝+(vc1+v0)＝2v0。

如图4所示，工作模态3下，所述前级变换器x中开关管s1,4、开关管s3,2导通，所述后级全桥单元y中开关管q1、开关管q4导通，其余开关管均关断；由于直流输入电压源v1电压大于直流输入电压源v0电压，二极管d1，1反向截止；此时，所述直流输入电压源v1通过所述二极管d1，3、所述开关管s1，4、所述二极管d2，1、所述二极管d3，1与所述开关管q1、开关管q4和负载组成回路；所述变换电路输出电压vo＝+v1；所述直流输入电压源v1通过所述二极管d1，3、所述开关管s1，4、所述二极管d2，1、所述二极管d3,1还与电容c3和所述开关管s3,2组成回路，以对所述电容c3进行充电，使所述电容c3的电容电压vc3＝v1。

如图5所示，工作模态4下，所述前级变换器x中开关管s1，3导通，所述后级全桥单元y中开关管q1、开关管q4导通，其余开关管均关断；此时，所述直流输入电压源v1通过开关管s1，3、电容c1、所述二极管d2,1、所述二极管d3,1与所述开关管q1、开关管q4和负载组成回路；所述变换电路输出电压vo＝+(vc1+v1)＝+(v0+v1)。

如图6所示，工作模态5下，所述前级变换器x中开关管s2,1导通，所述后级全桥单元y中开关管q1、开关管q4导通，其余开关管均关断；此时，所述直流输入电压源v1、所述开关管s2,1、所述二极管d2,2、所述电容c2、所述二极管d3,1与所述开关管q1、开关管q4和负载组成回路；所述变换电路输出电压为vo＝+(vc2+v1)＝2v0+v1。

如图7所示，工作模态6下，所述前级变换器x中开关管s2，3导通，所述后级全桥单元y中开关管q1、开关管q4导通，其余开关管均关断；此时，所述直流输入电压源v2、所述开关管s2，3、所述电容c2、所述二极管d3，1与所述开关管q1、开关管q4和负载组成回路；所述变换电路输出电压为vo＝+(vc2+v2)＝2v0+v2。

如图8所示，工作模态7下，所述前级变换器x中开关管s3，1导通，所述后级全桥单元y中开关管q1、开关管q4导通，其余开关管均关断；此时，所述直流输入电压源v2通过开关管s3，1、所述二极管d3，2、所述电容c3与所述开关管q1、开关管q4和负载组成回路；所述变换电路输出电压vo＝+(vc3+v2)＝+(v2+v1)。

如图9所示，工作模态8下，所述前级变换器x中开关管s3,3导通，所述后级全桥单元y中开关管q1、开关管q4导通，其余开关管均关断；此时，所述直流输入电压源v3通过开关管s3,3、所述电容c3与所述开关管q1、开关管q4和负载组成回路；所述变换电路输出电压vo＝+(vc3+v3)＝+(v3+v1)。

如图10所示，工作模态9下，所述前级变换器x中开关管s1，2导通，所述后级全桥单元y中开关管q1、开关管q2导通，其余开关管均关断；此时，所述直流输入电压源v0通过所述二极管d1，1、所述电容c1与所述开关管s1，2组成回路；所述开关管q1、开关管q2和负载组成回路，因此，所述变换电路输出电压vo＝0；

如图11所示，工作模态10下，所述前级变换器x中开关管s1，2导通，所述后级全桥单元y中开关管q2、开关管q3导通，其余开关管均关断；此时，所述直流输入电压源v0通过所述二极管d1,1和所述开关管s1,2对所述电容c1进行充电，使所述电容c1的电容电压vc1＝v0；同时所述直流输入电压源v0通过所述二极管d1，1、所述二极管d2，1、所述二极管d3，1与所述开关管q2、所述开关管q3和负载组成回路；所述变换电路输出电压vo＝-v0。

如图12所示，工作模态11下，所述前级变换器x中开关管s1，1、开关管s2，2导通，所述后级全桥单元y中开关管q2、开关管q3导通，其余开关管均关断；此时，所述直流输入电压源v0、所述开关管s1，1、所述二极管d1，2、所述电容c1、所述二极管d2，1与电容c2和所述开关管s2，2组成回路，以对所述电容c2进行充电，使所述电容c2的电容电压vc2＝v0；所述直流输入电压源v0、所述开关管s1,1、所述二极管d1,2、所述电容c1、所述二极管d2,1、所述二极管d3,1还与所述开关管q2、所述开关管q3和负载组成回路，所述变换电路输出电压为vo＝-(vc1+v0)＝-2v0。

如图13所示，工作模态12下，所述前级变换器x中开关管s1,4、开关管s3,2导通，所述后级全桥单元y中开关管q2、开关管q3导通，其余开关管均关断；由于直流输入电压源v1电压大于直流输入电压源v0电压，二极管d1,1反向截止；此时，所述直流输入电压源v1通过所述二极管d1，3、所述开关管s1，4、所述二极管d2，1、所述二极管d3，1与所述开关管q2、所述开关管q3和负载组成回路；所述变换电路输出电压vo＝-v1；所述直流输入电压源v1通过所述二极管d1，3、所述开关管s1，4、所述二极管d2,1、所述二极管d3,1还与电容c3和所述开关管s3,2组成回路，以对所述电容c3进行充电，使所述电容c3的电容电压vc3＝v1。

如图14所示，工作模态13下，所述前级变换器x中开关管s1，3导通，所述后级全桥单元y中开关管q2、开关管q3导通，其余开关管均关断；此时，所述直流输入电压源v1通过开关管s1，3、电容c1、所述二极管d2，1、所述二极管d3，1与所述开关管q2、所述开关管q3和负载组成回路；所述变换电路输出电压vo＝-(vc1+v1)＝-(v0+v1)。

如图15所示，工作模态14下，所述前级变换器x中开关管s2,1导通，所述后级全桥单元y中开关管q2、开关管q3导通，其余开关管均关断；此时，所述直流输入电压源v1、所述开关管s2,1、所述二极管d2,2、所述电容c2、所述二极管d3,1与所述开关管q2、所述开关管q3和负载组成回路；所述变换电路输出电压为vo＝-(vc2+v1)＝-(2v0+v1)。

如图16所示，工作模态15下，所述前级变换器x中开关管s2，3导通，所述后级全桥单元y中开关管q2、开关管q3导通，其余开关管均关断；此时，所述直流输入电压源v2、所述开关管s2，3、所述电容c2、所述二极管d3，1与所述开关管q5、开关管q3和负载组成回路；所述变换电路输出电压为vo＝-(vc2+v2)＝-(2v0+v2)。

如图17所示，工作模态16下，所述前级变换器x中开关管s3,1导通，所述后级全桥单元y中开关管q2、开关管q3导通，其余开关管均关断；此时，所述直流输入电压源v2通过开关管s3，1、所述二极管d3，2、所述电容c3与所述开关管q2、所述开关管q3和负载组成回路；所述变换电路输出电压vo＝-(vc3+v2)＝-(v2+v1)。

如图18所示，工作模态17下，所述前级变换器x中开关管s3,3导通，所述后级全桥单元y中开关管q2、开关管q3导通，其余开关管均关断；此时，所述直流输入电压源v3通过开关管s3,3、所述电容c3与所述开关管q2、所述开关管q3和负载组成回路；所述变换电路输出电压vo＝-(vc3+v3)＝-(v3+v1)。

在上述扩展型多输入多电平变换电路的基础上，本实施例还给出了载波层叠脉冲宽度调制的调制原理，如图19所示。

获取一个频率为fs、幅值为us的正弦调制波us与16路具有相同频率fc和相同幅值uc的三角载波uc1-uc16；

将调制波us和三角载波uc1-uc16经过比较逻辑后得到脉冲信号u1-u16，其中调制波是频率为fs，幅值为us的正弦波，三角载波uc1-uc16是具有相同频率fc和相同幅值uc的三角波。

所述调制波us可表示为：

us＝ussin(2πfst)

所述三角载波uc1-uc16可表示为：

其中，m为三角载波中三角波的个数。

并且，三角载波uc1-uc16与调制波us的调制比ma为：

生成脉冲信号u1-u16后，将所述脉冲信号u1-u16进行逻辑组合，以确定所述开关管s1,1、s1,2、s1,3、s1,4、s2，1、s2，2、s2，3、s2，4、s3，1、s3，2、s3,3、s3,4、q1、q2、q3、q4的驱动信号，具体如图20所示；

其中，所述开关管s111、s1，2、s1，3、s1，4的驱动信号vgs1，1-vgs1，4逻辑组合为：

vas1,3＝0

所述开关管s2,1、s2,2、s2，3、s2，4的驱动信号vgs2，1-vgs2，4逻辑组合为：

vgs2，1＝0

所述开关管s3，1、s3，2、s3，3、s3，4的驱动信号vgs3，1-vgs3，4逻辑组合为：

所述开关管q1、q2、q3、q4的驱动信号vgq1-vgq4逻辑组合为：

vgq1＝u9

vgq4＝u8。

根据上述方式控制所述变换电路中开关管的开通关断，获得如图21所示的输出电压波形图。

实施例3

本发明第三方面提供一种扩展型多输入多电平变换系统，包括控制器和扩展型多输入多电平变换电路，所述扩展型多输入多电平变换电路为实施例2所述扩展型多输入多电平变换电路。

所述控制器控制所述扩展型多输入多电平变换电路中的开关管动作时，执行实施例2所述扩展型多输入多电平变换方法的步骤。

实施例4

本发明第四方面提供一种可读存储介质，其上存储有指令，该指令被处理器执行时实现实施例2所述扩展型多输入多电平变换方法的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。