一种新型九电平逆变器拓扑结构及控制方法与流程

本发明属于电力电子
技术领域：
，具体涉及一种新型九电平逆变器拓扑结构及控制方法。
背景技术：
逆变器是一种将直流电转化为交流电的装置(dc-ac)，传统的两电平逆变器具有主电路比较简单，控制方案成熟，设备成本较低等优点。但在功率级别较高的应用场合，会出现单个开关器件电压等级难以满足系统要求的问题。为了解决该问题，可以通过构造多电平逆变器的思想来满足开关器件的电压应力要求。多电平逆变器是一种通过改进变流器自身拓扑结构来实现高压大功率输出的新型逆变器。相对于传统的两电平逆变器，多电平逆变器具有以下优点：(1)每个开关器件承受电压低。(2)理论上电平数的增加可以改善电压输出波形。(3)在相同直流侧电压的情况下，相对于传统的两电平逆变器，dv/dt大大减小，电磁干扰降低。(4)避免器件的直接串联等等。常见的多电平逆变器拓扑主要有二极管钳位型(npc)、级联h桥型(chb)与飞跨电容型(fc)，传统的多电平逆变器拓扑结构器件使用量多、控制复杂，同时降低了逆变器的效率。由于基本的多电平逆变器拓扑结构复杂，有源开关管以及无源器件使用的比较多，如何简化拓扑结构并提出相应的调制策略，从而提高装置性能，成为研究多电平逆变器目的之一技术实现要素：针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种新型九电平逆变器拓扑结构及控制方法，本发明中的九电平逆变器具有器件数量方面的优势及控制简单的优势。为解决上述技术问题，本发明提供了一种新型九电平逆变器拓扑结构，其特征在于：包括四个分压电容，分别为第一电容(c1)、第二电容(c2)、第三电容(c3)及第四电容(c4)；两个开关组，分别为第一开关组和第二开关组，每个所述开关组包括第一端和第二端；八个开关管，分别为第一开关管(s1)、第二开关管(s2)、第三开关管(s5)、第四开关管(s6)、第五开关管(s9)、第六开关管(s10)、第七开关管(s11)及第八开关管(s12)，每个所述开关管包括第一端、第二端和控制端；所述第一电容(c1)的第一端与直流电源正输入端连接，所述第一电容(c1)的第二端与所述第二电容(c2)的第一端连接，所述第二电容(c2)的第二端与所述第三电容(c3)的第一端连接，所述第三电容(c3)的第二端与所述第四电容(c4)的第一端连接，所述第四电容(c4)的第二端与直流电源负输入端连接；第一开关管(s1)的第一端与所述直流电源正输入端连接，所述第一开关管(s1)的第二端与所述第二开关管(s2)的第一端连接，所述第二开关管(s2)的第二端与所述第三开关管(s5)的第一端连接，所述第三开关管(s5)的第一端与所述第四开关管(s6)的第一端连接，所述第四开关管(s6)的第二端与所述直流电源负输入端连接，所述第五开关管(s9)的第一端与所述第一开关管(s1)的第二端连接，所述第五开关管(s9)的第二端与所述第六开关管(s10)的第一端连接，所述第六开关管(s10)的第二端与所述第三开关管(s5)的第二端连接，所述第七开关管(s11)的第一端与所述第一开关管(s1)的第二端连接，所述第七开关管(s11)的第二端与所述第八开关管(s12)的第一端连接，所述第八开关管(s12)的第二端与所述第三开关管(s5)的第二端连接；所述第一开关组连接于所述第一电容(c1)的第二端与所述第一开关管(s1)的第二端之间，所述第二开关组连接于所述第三电容(c3)的第二端与所述第三开关管(s5)的第二端之间；第五开关管(s9)的第二端与第七二极管(s11)的第二端作为交流输出端。优选的，每个所述开关管为带反向并联二极管的开关管。优选的，每个所述开关组为两个带反向并联二极管的开关管反向串联连接。本发明还提出了基于上述新型九电平逆变器拓扑结构的控制方法，其特征在于：通过控制开关组件和开关管的导通与关断使该逆变器拓扑结构输出九个不同输出电平；控制所述第一开关管(s1)、第五开关管(s9)、第八开关管(s12)及第四开关管(s6)导通输出第一电平；控制所述第一开关管(s1)、第五开关管(s9)、第八开关管(s12)及第二开关组导通输出第二电平；控制所述第一开关管(s1)、第五开关管(s9)、第八开关管(s12)及第三开关管(s5)导通输出第三电平；控制所述第一开关组、第五开关管(s9)、第八开关管(s12)及第三开关管(s5)导通输出第四电平；控制所述第六开关管(s10)、第八开关管(s12)导通输出第五电平；控制所述第一开关组、第七开关管(s11)、第六开关管(s10)及第三开关管(s5)导通输出第六电平；控制所述第二开关管(s2)、第七开关管(s11)、第六开关管(s10)及第四开关管(s6)导通输出第七电平；控制所述第一开关组、第七开关管(s11)、第六开关管(s10)及第四开关管(s6)导通输出第八电平；控制所述第一开关管(s1)、第七开关管(s11)、第六开关管(s10)及第四开关管(s6)导通输出第九电平。与现有技术相比，本发明至少具有下述的有益效果或优点：本发明提供的这种新型九电平逆变器拓扑结构相对于传统的三种九电平逆变器，即九电平npc逆变器、九电平chb逆变器、九电平fc逆变器，本发明中的九电平逆变器具有器件数量方面的优势。本发明中的逆变器拓扑结构在开关器件、二极管、飞跨电容的数量方面均优于传统的三种九电平电路，并且其控制方法也相对简单，因此在实际应用中具有成本方面的优势。附图说明以下将结合附图对本发明做进一步详细说明；图1是本发明九电平逆变器单相拓扑结构图；图2(a)-2(i)是本发明九电平逆变器导通路径图；图3是本发明九电平逆变器单相输出电压波形图；具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明提供了一种新型九电平逆变器拓扑结构，如图1所示，包括四个分压电容，分别为第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3及第四电容c4；两个开关组，分别为第一开关组和第二开关组，每个所述开关组包括第一端和第二端；八个开关管，分别为第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s5、第四开关管s6、第五开关管s9、第六开关管s10、第七开关管s11及第八开关管s12，每个所述开关管包括第一端、第二端和控制端；所述第一电容c1的第一端与直流电源vdc正输入端连接，所述第一电容c1的第二端与所述第二电容c2的第一端连接，所述第二电容c2的第二端与所述第三电容c3的第一端连接，所述第三电容c3的第二端与所述第四电容c4的第一端连接，所述第四电容c4的第二端与直流电源负输入端连接；第一开关管s1的第一端与所述直流电源正输入端连接，所述第一开关管s1的第二端与所述第二开关管s2的第一端连接，所述第二开关管s2的第二端与所述第三开关管s5的第一端连接，所述第三开关管s5的第一端与所述第四开关管s6的第一端连接，所述第四开关管s6的第二端与所述直流电源负输入端连接，所述第五开关管s9的第一端与所述第一开关管s1的第二端连接，所述第五开关管s9的第二端与所述第六开关管s10的第一端连接，所述第六开关管s10的第二端与所述第三开关管s5的第二端连接，所述第七开关管s11的第一端与所述第一开关管s1的第二端连接，所述第七开关管s11的第二端与所述第八开关管s12的第一端连接，所述第八开关管s12的第二端与所述第三开关管s5的第二端连接；所述第一开关组连接于所述第一电容c1的第二端与所述第一开关管s1的第二端之间，所述第二开关组连接于所述第三电容c3的第二端与所述第三开关管s5的第二端之间；第五开关管s9的第二端与第七二极管s11的第二端作为交流输出端。每个所述开关管为带反向并联二极管的开关管。每个所述开关组为两个带反向并联二极管的开关管反向串联连接，如图1所示，开关管s3、s4反向串联连接及开关管s7、s8反向串联连接。本发明中的九电平逆变器具有器件数量方面的优势，其中单相电路的器件数量对比如表1所示。通过对比可以发现，本发明中的逆变器拓扑结构在开关器件、二极管、飞跨电容的数量方面均优于传统的三种九电平电路，因此在实际应用中具有成本方面的优势。表1：本发明与传统九电平逆变器单相系统器件数量对比根据上述九电平逆变器拓扑结构，其控制原理及过程如下：通过调整开关器件的导通与关断，本发明中的逆变器拓扑可以输出9个不同个输出电平。当输入直流电压为4e时，每个直流侧的电容电压的额定值为e，下面以输出电压对该拓扑的工作原理进行分析：1、输出电平+4e：此时开关管s1、s6、s9、s12的驱动信号使能，导通路径如图2(a)所示。2、输出电平+3e：此时系统有两条导通路径，均可以使系统的输出电平为+3e，对于图2(b)中的导通路径，开关管s1、s7、s8、s9、s12的驱动信号使能。3、输出电平+2e：此时开关管s1、s5、s9、s12的驱动信号使能，对于图2(c)中的导通路径，。4、输出电平+e：此时开关管s3、s4、s5、s9、s12的驱动信号使能。对于图2(d)中的导通路径。5、输出电平0：此时开关管s10、s12的驱动信号使能，导通路径如图2(e)所示。6、输出电平-e：此时开关管s3、s4、s5、s10、s11的驱动信号使能，导通路径如图2(f)所示。7、输出电平-2e：此时开关管s2、s6、s10、s11的驱动信号使能，导通路径如图2(g)所示。8、输出电平-3e：此时开关管s3、s4、s6、s10、s11的驱动信号使能，导通路径如图2(h)所示。9、输出电平-4e：此时开关管s1、s6、s10、s11的驱动信号使能，导通路径如图2(i)所示。对于各个导通路径，其对应的开关序列总结如表2所示。输出经过滤波器滤波后，即可得到正弦交流电压。当直流输入为800v时，该拓扑单相输出的九电平波形如图3所示，验证了该拓扑结构的可行性。表2：各导通路径所对应的开关序列no.s1s2s3s4s5s6s7s8s9s10s11s12voa1000010010014eb1000001110013ec1000100010012ed001110001001ee0000000001010ef001110000110-eg010001000110-2eh001101000110-3ei100001000110-4e综上所述，该九电平逆变器具有器件数量方面的优势，本发明中的逆变器拓扑结构在开关器件、二极管、飞跨电容的数量方面均优于传统的三种九电平电路，因此在实际应用中具有成本方面的优势，并且其控制过程简单。具有广泛的应用前景。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。当前第1页12