多电平软开关逆变电路及其中间电平端电压的平衡方法与流程

1.本发明涉及逆变驱动电路领域，具体涉及一种多电平软开关逆变电路及其中间电平端电压的平衡方法。


背景技术：

2.现有的多电平软开关逆变电路中，使用单直流电源或双直流电源输入的应用中直流母线中的中间电压直流供电端口通常由多组电容串联分压获得，在现有四电平输入的逆变驱动电路结构下其电容的充放电状态随工作状态而改变且无法通过主动方式平衡，使其直流母线的中间电平端无法获得稳定的电压。


技术实现要素：

3.针对背景技术中的问题，本发明的目的在于提供一种多电平软开关逆变电路及其中间电平端电压的平衡方法。
4.为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：
5.一种多电平软开关逆变电路，包括多相相互独立且结构相同的逆变驱动电路；
6.每相所述逆变驱动电路均包含四个直流输入端、一个交流输出端、一个切换模块、一个软开关逆变模块及一个控制模块；
7.所述四个直流输入端为由若干个直流电源经过电容分压结构形成的具有四个不同电平的直流母线，且四个直流输入端根据其电位由高到低的顺序依次为第一直流端、第二直流端、第三直流端和第四直流端；
8.所述切换模块具有四个输入端和两个输出端，且四个输入端分别与第一直流端、第二直流端、第三直流端和第四直流端连接；
9.所述软开关逆变模块具有两个输入端和一个输出端，所述软开关逆变模块的两个输入端分别与所述切换模块的两个输出端连接，所述软开关逆变模块的输出端用于作为所述交流输出端；
10.所述控制模块用于采集该多电平软开关逆变电路的相关工作信息，并根据采集结果控制各模块的工作；
11.所述切换模块用于在所述控制模块的控制下，将合适的直流电压窗口连接至所述软开关逆变模块；
12.所述软开关逆变模块用于将所述切换模块提供的直流电转换为交流电输出。
13.在一些实施例中，所述切换模块包括一个平衡切换模块和一个电压窗口切换模块；
14.所述平衡切换模块具有两个输入端和n个输出端，n＝1或2，所述平衡切换模块的两个输入端分别与第二直流端和第三直流端连接；
15.所述电压窗口切换模块具有两个外输入端、n个内输入端和两个输出端，所述电压窗口切换模块的两个外输入端分别与第一直流端和第四直流端连接，n个内输入端分别与
所述平衡切换模块的n个输出端连接；
16.所述软开关逆变模块的两个输入端分别与所述电压窗口切换模块的两个输出端连接；
17.所述平衡切换模块用于在所述控制模块的控制下，对流经第二直流端和第三直流端的电荷进行补偿；
18.所述电压窗口切换模块用于在所述控制模块的控制下，将合适的直流电压窗口连接至所述软开关逆变模块；
19.所述平衡切换模块、电压窗口切换模块中均包括多个开关器件，且每个开关器件的控制端均与所述控制模块相连，从而能够在所述控制模块的控制下，切换每个开关器件的开关状态。
20.在一些实施例中，n＝2，所述平衡切换模块包括第一开关器件t
b1
、第二开关器件t
b2
、第三开关器件t
b3
和第四开关器件t
b4
；所述电压窗口切换模块包括第五开关器件t
l1
、第六开关器件t
l2
、第七开关器件t
l3
和第八开关器件t
l4
；
21.所述第一开关器件t
b1
和第三开关器件t
b3
的一端均与第二直流端连接，所述第二开关器件t
b2
和第四开关器件t
b4
的一端均与第三直流端连接，且所述第一开关器件t
b1
的另一端与第二开关器件t
b2
的另一端相连并作为所述平衡切换模块的第一输出端，所述第三开关器件t
b3
的另一端与第四开关器件t
b4
的另一端相连并作为所述平衡切换模块的第二输出端；
22.所述第五开关器件t
l1
与第六开关器件t
l2
串联于所述第一直流端与所述平衡切换模块的第一输出端之间，所述第七开关器件t
l3
与第八开关器件t
l4
串联于所述第四直流端与所述平衡切换模块的第二输出端之间；
23.所述软开关逆变模块包括具有正输入端和负输入端的半桥电路或飞跨电容逆变电路、以及电感l和若干个交流端电容，所述半桥电路或飞跨电容逆变电路的正输入端接第五开关器件t
l1
与第六开关器件t
l2
的公共端，负输入端接第七开关器件t
l3
与第八开关器件t
l4
的公共端，所述半桥电路或飞跨电容逆变电路的输出端通过所述电感l与交流输出端相连，所述交流端电容的一端与一个所述直流输入端连接或与中性电位连接，另一端接交流输出端。
24.在一些实施例中，n＝1，所述平衡切换模块包括第一开关器件t
b1
和第二开关器件t
b2
；所述电压窗口切换模块包括第三开关器件t
l1
、第四开关器件t
l2
、第五开关器件t
l3
和第六开关器件t
l4
；
25.所述第一开关器件t
b1
的一端与第二直流端连接，所述第二开关器件t
b2
的一端与第三直流端连接，且所述第一开关器件t
b1
的另一端与第二开关器件t
b2
的另一端相连并作为所述平衡切换模块的输出端；
26.所述第三开关器件t
l1
与第四开关器件t
l2
串联于所述第一直流端与所述平衡切换模块的输出端之间，所述第五开关器件t
l3
与第六开关器件t
l4
串联于所述第四直流端与所述平衡切换模块的输出端之间；
27.所述软开关逆变模块包括具有正输入端和负输入端的半桥电路或飞跨电容逆变电路、以及电感l和若干个交流端电容，所述半桥电路或飞跨电容逆变电路的正输入端接第三开关器件t
l1
与第四开关器件t
l2
的公共端，负输入端接第五开关器件t
l3
与第六开关器件
t
l4
的公共端，所述半桥电路或飞跨电容逆变电路的输出端通过所述电感l与交流输出端相连，所述交流端电容的一端与一个所述直流输入端连接或与中性电位连接，另一端接交流输出端。
28.在一些实施例中，还包括利用所述第二直流端和第三直流端所在的电平节点附加建立的双向直流电源。
29.本发明另外提供了一种多电平软开关逆变电路的中间电平端电压的平衡方法：
30.采用上述的n＝2时的多电平软开关逆变电路；
31.在控制模块的控制下，所述平衡切换模块在通常模式与补偿模式之间自动切换，以实现直流母线中各中间电平端的电压平衡；
32.在通常模式下，第一开关器件t
b1
与第四开关器件t
b4
导通，第二开关器件t
b2
与第三开关器件t
b3
关断；
33.补偿模式分为针对第二直流端的补偿模式和针对第三直流端的补偿模式；
34.在针对第二直流端的补偿模式下，第三开关器件t
b3
导通，第四开关器件t
b4
关断，第一开关器件t
b1
与第二开关器件t
b2
不同时导通；
35.在针对第三直流端的补偿模式下，第二开关器件t
b2
导通，第一开关器件t
b1
关断，第三开关器件t
b3
与第四开关器件t
b4
不同时导通。
36.本发明另外提供了一种多电平软开关逆变电路的中间电平端电压的平衡方法：
37.采用上述的n＝1时的多电平软开关逆变电路；
38.在控制模块的控制下，所述平衡切换模块与电压窗口切换模块在通常模式与补偿模式之间自动切换，以实现直流母线中各中间电平端的电压平衡；
39.在通常模式下，各开关器件的状态分为两种情况：
40.第一种情况下，第一开关器件t
b1
、第四开关器件t
l2
与第六开关器件t
l4
关断，第二开关器件t
b2
、第三开关器件t
l1
与第五开关器件t
l3
导通；
41.第二种情况下，第一开关器件t
b1
、第四开关器件t
l2
与第六开关器件t
l4
导通，第二开关器件t
b2
、第三开关器件t
l1
与第五开关器件t
l3
关断；
42.补偿模式分为针对第二直流端的补偿模式和针对第三直流端的补偿模式；
43.在针对第二直流端的补偿模式下，第一开关器件t
b1
、第三开关器件t
l1
与第五开关器件t
l3
导通，第二开关器件t
b2
、第四开关器件t
l2
与第六开关器件t
l4
关断；
44.在针对第三直流端的补偿模式下，第一开关器件t
b1
、第三开关器件t
l1
与第五开关器件t
l3
关断，第二开关器件t
b2
、第四开关器件t
l2
与第六开关器件t
l4
导通。
45.在一些实施例中，电路中以第一直流端和第四直流端间的中间点电位作为中性电位参考点，以此电位为参考将第一直流端、第二直流端、第三直流端和第四直流端的电压的绝对值分别表示为u1、u2、u3和u4，交流输出端电压的瞬时值为u
ac
；
46.在控制模块中设置电压u2和u3的设定值u
2,set
和u
3,set
，控制模块根据测得的u2和u3与设定值u
2,set
和u
3,set
的偏差，以及交流输出的工作状态，计算各补偿模式在每个交流输出的半周期内所需补偿操作的工作区间；
47.根据计算结果，控制模块通过切换平衡切换模块及电压窗口切换模块中开关器件的开关状态，将第二直流端和第三直流端所在的母线电流i2和i3在交流输出的周期内的平均值i2和i3补偿至目标值，从而使对应的电压u2和u3处于稳定状态，最终将交流输出周期内
u2和u3的平均值u2和u3稳定在设定值u
2,set
和u
3,set
上。
48.在一些实施例中，流经电感l的瞬时电流用i
l
表示，电感电流在一个软开关逆变模块工作的开关周期内的平均值用i
l,avg
表示，并在控制模块中设定电感预留电压u
res
；
49.所述平衡切换模块通常情况下工作在通常模式；
50.当控制模块检测到输出端电压在此范围u
ac
≥u2+u
res
时，则控制模块自动根据电流i
l,avg
的方向控制平衡切换模块切换至对第二直流端进行补偿的补偿模式，当该补偿模式所需的补偿操作结束后，控制模块自动将平衡切换模块切换回通常模式；
51.当控制模块检测到输出端电压在此范围u
ac
≤-u
3-u
res
时，则控制模块自动根据电流i
l,avg
的方向控制平衡切换模块切换至对第三直流端进行补偿的补偿模式，当该补偿模式所需的补偿操作结束后，控制模块自动将平衡切换模块切换回通常模式；
52.当u
ac
《u2及u
ac
》-u3时，平衡切换模块保持在通常模式；
53.控制模块根据交流输出的工作状态和测得的u2和u3计算出电压平衡所需的平衡相位或工作区间；
54.控制模块根据计算结果切换电压窗口切换模块中的开关器件的开关状态，以切换提供给软开关逆变模块的电压窗口，使第二直流端与第三直流端的电压在交流输出的周期内实现平衡。
55.在一些实施例中，若所述多电平软开关逆变电路中包括利用所述第二直流端和第三直流端所在的电平节点建立的双向直流电源，则控制模块通过切换平衡切换模块及电压窗口切换模块中开关器件的开关状态，将第二直流端和第三直流端所在的母线电流i2和i3在交流输出的周期内的平均值i2和i3补偿至目标值，且所述目标值与双向直流电源所需的输出值对应；
56.若所述多电平软开关逆变电路中不包括所述双向直流电源，则控制模块通过切换平衡切换模块及电压窗口切换模块中开关器件的开关状态，将第二直流端和第三直流端所在的母线电流i2和i3在交流输出的周期内的平均值i2和i3补偿至目标值，且所述目标值为0。
57.与现有技术相比，本发明提出的多电平软开关逆变电路及其中间电平端电压的平衡方法，在多电平软开关逆变电路的基础上通过添加切换模块，结合交流输出中电压、电流周期性变化的特点，在实现开关器件软开关的前提下补偿流经各中间电平端的电流，从而主动平衡各中间电平端的电压。
附图说明
58.通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
59.图1a和图1b为两种实施例中本发明提供的多电平软开关逆变电路的示意图；
60.图2a、图2b、图2c和图2d分别为基于单直流电源输入和双直流电源输入的多电平软开关逆变电路的示意图；
61.图3a、图3b、图3c和图3d分别为软开关逆变模块的四种构型的示意图；
62.图4a、图4b和图4c为包含双向直流电源的多电平软开关逆变电路的示意图；
63.图5a和图5b为第一种实施例中一个交流输出周期内电压、电流随时间变化的波形
图；
64.图6a和图6b为第二种实施例中一个交流输出周期内电压、电流随时间变化的波形图；
65.图7a和图7b为第三种实施例中一个交流输出周期内电压、电流随时间变化的波形图；
66.图8a和图8b为第四种实施例中一个交流输出周期内电压、电流随时间变化的波形图；
67.图9a和图9b为第五种实施例中一个交流输出周期内电压、电流随时间变化的波形图；
68.图10a和图10b为第六种实施例中一个交流输出周期内电压、电流随时间变化的波形图；
69.图11a和图11b为第七种实施例中一个交流输出周期内电压、电流随时间变化的波形图。
具体实施方式
70.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
71.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
72.参照图1a和图1b所示，本发明提供了一种多电平软开关逆变电路，包括多相相互独立且结构相同的逆变驱动电路1；每相逆变驱动电路1均包含四个直流输入端、一个交流输出端、一个切换模块、一个软开关逆变模块2及一个控制模块(图中未示出)；四个直流输入端为由若干个直流电源经过电容分压结构形成的具有四个不同电平的直流母线，且四个直流输入端根据其电位由高到低的顺序依次为第一直流端、第二直流端、第三直流端和第四直流端；切换模块具有四个输入端和两个输出端，且四个输入端分别与第一直流端、第二直流端、第三直流端和第四直流端连接；软开关逆变模块2具有两个输入端和一个输出端，软开关逆变模块2的两个输入端分别与电压窗口切换模块4的两个输出端连接，软开关逆变模块2的输出端用于作为交流输出端。
73.控制模块用于采集该多电平软开关逆变电路的相关工作信息，并根据采集结果控制各模块的工作；平衡切换模块3用于在控制模块的控制下，对流经第二直流端和第三直流端的电荷进行补偿；电压窗口切换模块4用于在控制模块的控制下，将合适的直流电压窗口输出至软开关逆变模块2；软开关逆变模块2用于将电压窗口切换模块4提供的直流电转换为交流电输出。
74.优选地，切换模块包括一个平衡切换模块3和一个电压窗口切换模块4；平衡切换模块3具有两个输入端和n个输出端，n＝1或2，平衡切换模块3的两个输入端分别与第二直流端和第三直流端连接；电压窗口切换模块4具有两个外输入端、n个内输入端和两个输出端，电压窗口切换模块4的两个外输入端分别与第一直流端和第四直流端连接，n个内输入
端分别与平衡切换模块3的n个输出端连接；软开关逆变模块2的两个输入端分别与电压窗口切换模块4的两个输出端连接；平衡切换模块3用于在控制模块的控制下，对流经第二直流端和第三直流端的电荷进行补偿；电压窗口切换模块4用于在控制模块的控制下，将合适的直流电压窗口输出至软开关逆变模块2；平衡切换模块3、电压窗口切换模块4中均包括多个开关器件，且每个开关器件的控制端均与控制模块相连，从而能够在控制模块的控制下，切换每个开关器件的开关状态。
75.在图1a示出的第一种实施例中，n＝2；平衡切换模块3包括第一开关器件t
b1
、第二开关器件t
b2
、第三开关器件t
b3
和第四开关器件t
b4
；电压窗口切换模块4包括第五开关器件t
l1
、第六开关器件t
l2
、第七开关器件t
l3
和第八开关器件t
l4
；第一开关器件t
b1
和第三开关器件t
b3
的一端均与第二直流端连接，第二开关器件t
b2
和第四开关器件t
b4
的一端均与第三直流端连接，且第一开关器件t
b1
的另一端与第二开关器件t
b2
的另一端相连并作为平衡切换模块3的第一输出端，第三开关器件t
b3
的另一端与第四开关器件t
b4
的另一端相连并作为平衡切换模块3的第二输出端；第五开关器件t
l1
与第六开关器件t
l2
串联于第一直流端与平衡切换模块3的第一输出端之间，第七开关器件t
l3
与第八开关器件t
l4
串联于第四直流端与平衡切换模块3的第二输出端之间。
76.进一步参照图3a、图3b、图3c和图3d所示，软开关逆变模块2包括具有正输入端和负输入端的半桥电路(如图3a、图3b所示)或飞跨电容逆变电路(如图3c、图3d所示)、以及电感l和若干个交流端电容，半桥电路或飞跨电容逆变电路的正输入端接第五开关器件t
l1
与第六开关器件t
l2
的公共端，负输入端接第七开关器件t
l3
与第八开关器件t
l4
的公共端；半桥电路或飞跨电容逆变电路的输出端通过电感l与交流输出端相连，交流端电容的一端与一个直流输入端连接或与中性电位连接，另一端接交流输出端。
77.在图1b示出的第二种实施例中，n＝1；平衡切换模块3包括第一开关器件t
b1
和第二开关器件t
b2
；电压窗口切换模块4包括第三开关器件t
l1
、第四开关器件t
l2
、第五开关器件t
l3
和第六开关器件t
l4
；第一开关器件t
b1
的一端与第二直流端连接，第二开关器件t
b2
的一端与第三直流端连接，且第一开关器件t
b1
的另一端与第二开关器件t
b2
的另一端相连并作为平衡切换模块3的输出端；第三开关器件t
l1
与第四开关器件t
l2
串联于第一直流端与平衡切换模块3的输出端之间，第五开关器件t
l3
与第六开关器件t
l4
串联于第四直流端与平衡切换模块3的输出端之间。
78.软开关逆变模块2包括具有正输入端和负输入端的半桥电路或飞跨电容逆变电路、以及电感l和若干个交流端电容，半桥电路或飞跨电容逆变电路的正输入端接第三开关器件t
l1
与第四开关器件t
l2
的公共端，负输入端接第五开关器件t
l3
与第六开关器件t
l4
的公共端，半桥电路或飞跨电容逆变电路的输出端通过电感l与交流输出端相连，交流端电容的一端与一个直流输入端连接或与中性电位连接，另一端接交流输出端。
79.以上的两种实施例中，软开关逆变模块2中的开关器件均可通过在每个开关周期内方向交变的电感电流i
l
实现零电压开关(zvs,zerovoltageswitching)。
80.可以理解的是，以上的两种实施例相比，图1b示出的第二种实施例中采用的开关器件的数量更少，从而能够降低成本；图1a示出的第一种实施例中，成本相对较高，但能实现更多的工作模式。因此，以上两种实施例各有优点。
81.可以理解的是，图1a和图1b所示的两种实施例中，对应的均是图3a中的软开关逆
变模块2，其采用半桥电路，且包括两个交流端电容c1和c2，c1的两端分别接第一直流端和交流输出端，c2的两端分别接第四直流端和交流输出端。在其他实施例中，软开关逆变模块2也可替换为其他结构。如采用图3b中的结构，采用半桥电路，且只包括一个交流端电容c1，c1一端与中性电位连接，另一端接交流输出端；或采用图3c中的结构，与图3a中的结构的区别在于，半桥电路被替换为飞跨电容逆变电路；或采用图3d中的结构，与图3b中的结构的区别在于，半桥电路被替换为飞跨电容逆变电路。
82.优选地，该多电平软开关逆变电路包括三相相互独立且结构相同的逆变驱动电路。
83.进一步参照图2a，示出了基于单直流电源输入的多电平软开关逆变电路，可见，第一直流端和第四直流端即为直流电源dc的正负两端，并通过三个电容c
dc1
、c
dc2
和c
dc3
将输入的直流电压分配为两个中间电压，即为第二直流端和第三直流端，从而形成具有四个不同电平的直流母线。可以理解的是，也可采用其它结构来获得具有四个不同电平的直流母线，例如，参照图2b所示，也可基于双直流电源输入，将两个直流电源串联，再通过多个电容获得两个中间电压。具体的通过电容分压结构获得多电平直流母线的方式为本领域已知的技术，本发明在此不做具体限定。另外，可以理解的是，图2a和图2b均对应于图1a示出的电路结构；相应地，图2c和图2d分别示出了基于单直流电源输入和双直流电源输入的情况，且均对应于图1b示出的电路结构。
84.本发明另一方面提供了一种多电平软开关逆变电路的中间电平端电压的平衡方法，采用对应于图1a或图1b所示的多电平软开关逆变电路，在控制模块的控制下述平衡切换模块3在通常模式与补偿模式之间自动切换，以实现直流母线中各中间电平端的电压平衡。
85.当采用图1a所示的多电平软开关逆变电路，即n＝2时，在通常模式下，第一开关器件t
b1
与第四开关器件t
b4
导通，第二开关器件t
b2
与第三开关器件t
b3
关断；补偿模式分为针对第二直流端的补偿模式和针对第三直流端的补偿模式；在针对第二直流端的补偿模式下，第三开关器件t
b3
导通，第四开关器件t
b4
关断，第一开关器件t
b1
与第二开关器件t
b2
不同时导通；在针对第三直流端的补偿模式下，第二开关器件t
b2
导通，第一开关器件t
b1
关断，第三开关器件t
b3
与第四开关器件t
b4
不同时导通。
86.当采用图1b所示的多电平软开关逆变电路，即n＝1时，在通常模式下，各开关器件的状态分为两种情况：第一种情况下，第一开关器件t
b1
、第四开关器件t
l2
与第六开关器件t
l4
关断，第二开关器件t
b2
、第三开关器件t
l1
与第五开关器件t
l3
导通；第二种情况下，第一开关器件t
b1
、第四开关器件t
l2
与第六开关器件t
l4
导通，第二开关器件t
b2
、第三开关器件t
l1
与第五开关器件t
l3
关断。
87.补偿模式分为针对第二直流端的补偿模式和针对第三直流端的补偿模式；在针对第二直流端的补偿模式下，第一开关器件t
b1
、第三开关器件t
l1
与第五开关器件t
l3
导通，第二开关器件t
b2
、第四开关器件t
l2
与第六开关器件t
l4
关断；在针对第三直流端的补偿模式下，第一开关器件t
b1
、第三开关器件t
l1
与第五开关器件t
l3
关断，第二开关器件t
b2
、第四开关器件t
l2
与第六开关器件t
l4
导通。
88.进一步地，电路中以第一直流端和第四直流端间的中间点电位作为中性电位参考点，以此电位为参考将第一直流端、第二直流端、第三直流端和第四直流端的电压的绝对值
分别表示为u1、u2、u3和u4，可以理解的是，第一直流端和第二直流端的电位为正值，第三直流端和第四直流端的电位为负值；交流输出端电压的瞬时值用u
ac
表示；在控制模块中设置电压u2和u3的设定值u
2,set
和u
3,set
，控制模块根据测得的u2和u3与设定值u
2,set
和u
3,set
的偏差，以及交流输出的工作状态，计算各补偿模式在每个交流输出的半周期内所需补偿操作的工作区间；根据计算结果，控制模块通过切换平衡切换模块3及电压窗口切换模块4中开关器件的开关状态，将第二直流端和第三直流端所在的母线电流i2和i3在交流输出的周期内的平均值i2和i3补偿至目标值(在图2a、图2b、图2c和图2d所对应的实施例中，该目标值为0)，从而使对应的电压u2和u3处于稳定状态，最终将交流输出周期内u2和u3的平均值u2和u3稳定在设定值u
2,set
和u
3,set
上。
89.进一步地，流经电感l的瞬时电流用i
l
表示，电感电流在一个软开关逆变模块2工作的开关周期内的平均值用i
l,avg
表示，并在控制模块中设定电感预留电压u
res
；平衡切换模块3通常情况下工作在通常模式；当控制模块检测到输出端电压在此范围u
ac
≥u2+u
res
时，则控制模块自动根据电流i
l,avg
的方向控制平衡切换模块3切换至对第二直流端进行补偿的补偿模式，当该补偿模式所需的补偿操作结束后，控制模块自动将平衡切换模块3切换回通常模式；当控制模块检测到输出端电压在此范围u
ac
≤-u
3-u
res
时，则控制模块自动根据电流i
l,avg
的方向控制平衡切换模块3切换至对第三直流端进行补偿的补偿模式，当该补偿模式所需的补偿操作结束后，控制模块自动将平衡切换模块3切换回通常模式。可以理解的是，软开关逆变模块工作的开关频率较高，与交流输出的输出频率相比，两者之间存在数个数量级的差异，本发明中，i
l,avg
表示电感电流在一个软开关逆变模块2工作的开关周期内的平均值，因在实际应用中交流端电容在交流输出频率上产生的无功功率可近似忽略，电流i
l,avg
在工程上可等同于交流输出端电流i
ac
，在后续分析中，对于直流母线中各电流在一整个交流输出周期内的平均值，则用i表示。
90.另外，当u
ac
《u2及u
ac
》-u3时，平衡切换模块3保持在通常模式；控制模块根据交流输出的工作状态和测得的u2和u3计算出电压平衡所需的平衡相位或工作区间；控制模块根据计算结果切换电压窗口切换模块4中的开关器件的开关状态，以切换提供给软开关逆变模块2的电压窗口，使第二直流端与第三直流端的电压在交流输出的周期内实现平衡。
91.本发明提供的多电平软开关逆变电路及其中间电平端电压的平衡方法，其平衡工作原理具体为：
92.以n＝2的情况为例，参照图1a，为了在软开关逆变模块2中实现连续的零电压开关(zvs)，其软开关逆变模块2的直流供电端的电位和必须满足条件在本发明中控制模块通过实时测量获取输出端瞬时电压u
ac
、电感电流在每个软开关逆变模块2工作的开关周期内的平均值i
l,avg
、中间电压u2和u3；通过判断软开关逆变模块2工作所需的电压条件和平衡中间电压所需的电流条件，控制模块控制平衡切换模块3和电压窗口切换模块4的开关组合，在满足零电压开关(zvs)的电压条件的前提下切换软开关逆变模块2与直流母线相连的路径，将电流从软开关逆变模块2分别引入直流母线中不同的中间电平节点，利用交流输出的电压、电流周期性变化的特点对中间电平端进行平衡。
93.平衡切换模块3在通常模式下，t
b1
与t
b4
导通，t
b2
与t
b3
关断，根据其电路结构可知，此时电压窗口切换模块4可从直流母线中获得两个相互重叠的电压窗口[-u3,u1]和[-u4,
u2]，与其重叠部分[-u3,u2]；控制模块根据输出端瞬时电压u
ac
所处的范围控制电压窗口切换模块4将合适的电压窗口或其重叠部分与软开关逆变模块2连接；具体地，当t
l2
和t
l4
关断且t
l1
和t
l3
导通时和当t
l1
和t
l3
关断并且t
l2
和t
l4
导通时和当t
l1
和t
l4
关断且t
l2
和t
l3
导通时和
[0094]
在针对第二直流端的补偿模式下，t
b3
导通，t
b4
关断，t
b1
与t
b2
不同时导通；在针对第三直流端的补偿模式下，t
b2
导通，t
b1
关断，t
b3
与t
b4
不同时导通。可以理解的是，在针对第二直流端的补偿模式下，只需明确t
b3
与t
b4
的开关状态，而t
b1
与t
b2
因为后端线路被电压窗口切换模块4阻断，其中没有电流，故只要二者不同时导通，导致第二直流端与第三直流端短路即可，其他的开关状态对电路功能没有影响；针对第三直流端的补偿模式同理，只要t
b3
与t
b4
不同时导通即可。补偿模式下，改变电压窗口切换模块4获得的电压窗口，从而进一步改变软开关逆变模块2的直流供电端的电位和
[0095]
为了控制中间电平端的中间电压u2和u3经过平衡后的电压大小，在控制模块中设置中间电压u2和u3的设定值u
2,set
和u
3,set
。控制模块根据测得的中间电压u2和u3与设定值u
2,set
和u
3,set
的偏差和交流输出的电压u
ac
、电流i
ac
与其之间的相位差，计算各补偿模式在每个交流输出的半周期内所需补偿操作的工作区间；并根据具体所需电压条件、电流条件控制平衡切换模块3在通常模式和补偿模式间互相切换，并控制电压窗口切换模块4配合组成相对应的开关组合。为在软开关逆变模块2中实现零电压开关(zvs)，根据逆变电路的设计要求在控制模块中设置一个电感预留电压u
res
，此电压用于在补偿模式中向电感l提供一个方向交变的电压，以在每个软开关逆变模块2工作的开关周期内建立一个零电压开关(zvs)所需的交变电感电流i
l
。
[0096]
控制模块根据实时测得的输出端瞬时电压u
ac
、中间电压u2和u3控制平衡切换模块3和电压窗口切换模块4；当电压输出端瞬时电压u
ac
或电流i
l,avg
不满足补偿模式所需条件时，平衡切换模块3保持在通常模式；此时控制模块根据输出端瞬时电压u
ac
所处的范围控制电压窗口切换模块4的开关状态，使软开关逆变模块2的输入端电位始终符合电压条件以保证其内部的开关器件可工作在零电压开关(zvs)状态。
[0097]
对于输出端电压较高的情况，若u
ac
≥u2+u
res
或u
ac
≤-u
3-u
res
。
[0098]
在针对第二直流端的平衡过程中，当中间电压u2在通常模式中呈现升高趋势时，控制模块通过实时测量的结果判断所需的电压条件u
ac
≥u2+u
res
和电流条件i
l,avg
》0是否被同时满足，当两者同时被满足时，控制模块根据所需补偿操作的工作区间将平衡切换模块3由通常模式切换至对中间电压u2的补偿模式；当中间电压u2在通常模式中呈现下降趋势时，控制模块通过实时测量的结果判断所需的电压条件u
ac
≥u2+u
res
和电流条件i
l,avg
《0是否被同时满足，当两者同时被满足时，控制模块根据所需补偿操作的工作区间将平衡切换模块3由通常模式切换至对中间电压u2的补偿模式；在此补偿操作中软开关逆变模块2的直流供电端的电位和分别等同u1和u2，在所需补偿操作结束后控制模块将平衡切换模块3切换回通常模式。
[0099]
类似地，在针对第三直流端的平衡过程中，当中间电压u3在通常模式中呈现升高趋势时，控制模块通过实时测量的结果判断所需的电压条件u
ac
≤-u
3-u
res
和电流条件i
l,avg
《0是否被同时满足，当两者同时被满足时，控制模块根据所需补偿操作的工作区间将平衡切
换模块3由通常模式切换至对中间电压u3的补偿模式；当中间电压u3在通常模式中呈现下降趋势时，控制模块通过实时测量的结果判断所需的电压条件u
ac
≤-u
3-u
res
和电流条件i
l,avg
》0是否被同时满足，当两者同时被满足时，控制模块根据所需补偿操作的工作区间将平衡切换模块3由通常模式切换至对中间电压u3的补偿模式；在此补偿操作中软开关逆变模块2的直流供电端的电位和分别等同-u3和-u4，在所需补偿操作结束后控制模块将平衡切换模块3切换回通常模式。
[0100]
另外，对于输出端电压较低的情况，若u
ac
《u2及u
ac
》-u3时，可按以下两种方案进行处理。
[0101]
第一种方案中，平衡切换模块3保持在通常模式；控制模块根据交流输出的工作状态和中间电压u2和u3计算出电压平衡所需的平衡相位；当电流i
l,avg
开始进入一个半周时控制模块保持电压窗口切换模块4当前的开关状态不变至所需的平衡相位，此时接入软开关逆变模块2的电压窗口保持不变；当到达所需的平衡相位时控制模块切换电压窗口切换模块4的开关状态，将直流母线中对应的另一个电压窗口接入软开关逆变模块2。利用交流电流的周期性使各电压窗口接入到软开关逆变模块2时在直流母线中产生的电流i2和i3在其对应的半周内实现平衡，i2和i3分别表示与中间电压u2和u3所在的电平节点对应的直流母线电流。
[0102]
第二种方案中，平衡切换模块3保持在通常模式；控制模块根据交流输出的工作状态和中间电压u2和u3计算出对中间电压u2和中间电压u3平衡操作的所需工作区间；在此平衡方法中，控制模块控制电压窗口切换模块4中的开关器件t
l1
和t
l4
关断、t
l2
和t
l3
导通，电压窗口的重叠部分[-u3,u2]被接入软开关逆变模块2；当到达对中间电压u2平衡的工作区间时控制模块控制电压窗口切换模块4中开关器件t
l1
和t
l3
关断、t
l2
和t
l4
导通，将电压窗口[-u4,u2]接入软开关逆变模块2；当到达对中间电压u3平衡的工作区间时控制模块控制电压窗口切换模块4中开关器件t
l2
和t
l4
关断、t
l1
和t
l3
导通，将电压窗口[-u3,u1]接入软开关逆变模块2；在平衡操作的工作区间结束后控制模块将接入软开关逆变模块2的电压切换回电压窗口的重叠部分[-u3,u2]，此方法利用软开关逆变模块2中电流分配随接入的直流输入电压变化的特性使直流母线中的电流i2和i3在不同的开关组合中实现平衡。
[0103]
进一步地，中间母线电流i2和i3在一个软开关逆变模块2工作的开关周期内的平均值分别表示为i
2,avg
和i
3,avg
。参照图1a，根据其电路结构可知，电流i
2,avg
和i
3,avg
的方向与电流i
l,avg
的方向相同，当需要降低电压u2时需要电流i
l,avg
为正方向，当需要升高电压u2时需要电流i
l,avg
为负方向；当需要降低电压u3时需要电流i
l,avg
为负方向，当需要升高电压u3时需要电流i
l,avg
为正方向。当交流输出端输出正有功功率时，中间电压的平均值u2和u3在平衡切换模块3处于通常模式时电压上升；当交流输出端输出负有功功率时，中间电压的平均值u2和u3在平衡切换模块3处于通常模式时电压下降；当交流输出端输出纯无功功率时，中间电压的平均值u2和u3在平衡切换模块3处于通常模式时为平衡状态其电压保持不变。
[0104]
各开关器件开关状态和电压变化趋势可参考下表：
[0105][0106][0107]
表中，开关状态：1为导通，0为截止，x和表示不同时导通的状态；电压变化：
↑
为升高，
↓
为降低，n为无变化。
[0108]
其中在连接状态a、c、e中平衡切换模块3处于通常模式，在连接状态b中平衡切换模块3处于对中间电压u2的补偿模式，在连接状态d中平衡切换模块3处于对中间电压u3的补偿模式。在通常模式中，控制模块根据电压u
ac
所在范围将逆变电路在连接状态a、c、e之间切换，使软开关逆变模块2直流输入端上接入的电位满足零电压开关(zvs)的条件当需要对中间电压进行平衡时，控制模块控制平衡切换模块3切换至连接状态b或d，分别对中间电压u2或u3进行平衡。
[0109]
以下结合附图描述多种实施例中的具体平衡过程。
[0110]
参照图5a和图5b所示，在第一种实施例中，输出端电压u
ac
与电流i
l,avg
的相位差为0，输出为正有功功率；此工作状态下中间电压u2和u3在平衡切换模块3处于通常模式时上升。在t1时刻输出端瞬时电压满足条件u
ac
≥u2+u
res
且电流i
l,avg
已处于正半周，此时满足对中间电压u2进行平衡操作的条件，控制模块控制平衡切换模块(3)从通常模式切换至对中间电压u2的补偿模式，即连接状态从a切换至b；借助软开关逆变模块2的电流分配特性和交流电的周期特性使得在区间[t1,t2]和[t
ac
/2,t3]、[t4,t
ac
]内形成的电流i2被补偿至0，其平衡状态的数学表达如下：
[0111][0112]
在t3时刻输出端瞬时电压满足条件u
ac
≤-u
3-u
res
且电流i
l,avg
已处于负半周，此时满足对中间电压u3进行平衡操作的条件，控制模块控制平衡切换模块3从通常模式切换至
对中间电压u3的补偿模式，即连接状态从c切换至d；借助软开关逆变模块2的电流分配特性和交流电的周期特性使得在区间[t3,t4]和[0,t1]、[t2,t
ac
/2]内形成的电流i3被补偿至0，其平衡状态的数学表达如下：
[0113][0114]
参照图6a和图6b所示，在第二种实施例中，输出端电压u
ac
与电流i
l,avg
的相位差大于0小于90度，输出为正有功功率；此工作状态下中间电压u2和u3在平衡切换模块3处于通常模式时上升。在t1时刻输出端瞬时电压已满足条件u
ac
≥u2+u
res
且电流i
l,avg
处于正半周，此时满足对中间电压u2进行平衡操作的条件，控制模块控制平衡切换模块3从通常模式切换至对中间电压u2的补偿模式，即连接状态从a切换至b；借助软开关逆变模块2的电流分配特性和交流电的周期特性使得在区间[t1,t2]和{t
ac
/2,t3]、[t4,t
ac
]内形成的电流i2被补偿至0。在t3时刻输出端瞬时电压已满足条件u
ac
≤-u
3-u
res
且电流i
l,avg
处于负半周，此时满足对中间电压u3进行平衡操作的条件，控制模块控制平衡切换模块3从通常模式切换至对中间电压u3的补偿模式，即连接状态从c切换至d，借助软开关逆变模块2的电流分配特性和交流电的周期特性使得在区间[t3,t4]和[0,t1]、[t2,t
ac
/2]内形成的电流i3被补偿至0。
[0115]
参照图7a和图7b所示，在第三种实施例中，输出端电压u
ac
与电流i
l,avg
的相位差大于90小于180度，输出为负有功功率；此工作状态下中间电压u2和u3在平衡切换模块3处于通常模式时下降。在t1时刻输出端瞬时电压满足条件u
ac
≥u2+u
res
且电流i
l,avg
已处于负半周，此时满足对中间电压u2进行平衡操作的条件，控制模块控制平衡切换模块3从通常模式切换至对中间电压u2的补偿模式，即连接状态从a切换至b；借助软开关逆变模块2的电流分配特性和交流电的周期特性使得在区间[t1,t2]和[t
ac
/2,t3]、[t4,t
ac
]内形成的电流i2被补偿至0。在t3时刻输出端瞬时电压满足条件u
ac
≤-u
3-u
res
且电流i
l,avg
已处于正半周，此时满足对中间电压u3进行平衡操作的条件，控制模块控制平衡切换模块3从通常模式切换对中间电压u3的补偿模式，即从连接状态c切换至连接状态d，借助软开关逆变模块2的电流分配特性和交流电的周期特性使得在区间[t3,t4]和[0,t1]、[t2,t
ac
/2]内形成的电流i3被补偿至0。
[0116]
参照图8a和图8b所示，在第四种实施例中，与前述的实施例中的方案的区别在于，当输出端瞬时电压u
ac
高于设定的电压阈值时电压窗口[-u3,u1]被切换至软开关逆变模块2；当输出端瞬时电压u
ac
低于设定的电压阈值时电压窗口[-u4,u2]被切换至软开关逆变模块2；其中对中间电压u2和u3的平衡方法与上述的第一种实施例至第三种实施例中的方法相同。
[0117]
参照图9a和图9b所示，在第五种实施例中，与前述的实施例中的方案的区别在于，当输出端瞬时电压u
ac
处于电压窗口重叠部分[-u3,u2]时电压窗口切换模块4将此重叠部分接入软开关逆变模块2，待输出端瞬时电压u
ac
超出相应阈值后控制模块控制电压窗口切换
模块4将相对应的电压窗口接入软开关逆变模块2；其中对中间电压u2和u3的平衡方法与上述的第一种实施例至第三种实施例中的方法相同。
[0118]
参照图10a和图10b所示，在第六种实施例中，与前述的实施例的区别在于，由于输出端瞬时电压u
ac
在整个周期内均不满足平衡切换模块3中补偿模式的工作条件，属于输出端电压较低的情况，本实施例中采用第一种方案，控制模块通过将电压窗口切换模块4在连接状态a和c之间切换，并使电压窗口切换的时间点与电流i
l,avg
的过零点产生相位差，通过模拟纯无功功率的工作状态使中间电压u2和u3在交流输出的周期内实现平衡。其平衡状态的数学表达为：
[0119][0120][0121]
参照图11a和图11b所示，在第七种实施例中，由于输出端瞬时电压u
ac
在整个周期内均不满足平衡切换模块3中补偿模式的工作条件，属于输出端电压较低的情况，与第六种实施例的区别在于，本实施例中采用第二种方案，控制模块通过将电压窗口切换模块4在连接状态a、c和e之间的切换，利用软开关逆变模块2的电流分配比例与直流输入电压和输出端电压比例相关的特性分别对中间电压u2和u3所在电平节点的电流进行平衡。其平衡状态的数学表达为：
[0122][0123][0124]
另外，对于本发明提出的多电平软开关逆变电路，通过改变补偿操作的工作区间可打破在中间电压u2和u3所在的电平节点上建立的电荷平衡状态，因此，通过控制其注入电荷的差值可在中间电压u2和u3所在的电平节点(即第二直流端和第三直流端)建立双向直流电源5，以向外部设备提供电力，参照图4a-图4c所示。
[0125]
其中，图4a为包含一个双向直流电源5的单直流电源输入多相交流输出的多电平软开关逆变电路；图4b为包含一个双向直流电源5的双直流电源输入多相交流输出的多电
平软开关逆变电路；图4c为包含两个双向直流电源5的双直流电源输入多相交流输出的多电平软开关逆变电路。
[0126]
对于双向直流电源5的多电平软开关逆变电路，其控制方法与上述的方法类似，同样在控制模块的控制下，使平衡切换模块3和电压窗口切换模块4根据需要切换连接状态，从而获得稳定所需的中间电压u2和u3，能够实现在稳定平衡中间电压的同时在其上建立稳定的双向直流电源5。可以理解的是，不同于前述的多种实施例中，需要使一整个交流输出周期内的平均电流i2和i3被补偿为0；在含有双向直流电源5的应用下，因需要提供输出电流，此时i2和i3并不为0，而是在控制模块的控制下，将i2和i3补偿至与双向直流电源5的输出值对应的目标值，在平衡中间电压u2和u3的同时，使第二直流端和第三直流端输出所需方向和大小的电流。
[0127]
以上针对n＝2的情况描述了平衡工作的具体原理。
[0128]
类似地，在n＝1的情况下，参照图1b所示，本实施例中，各开关器件开关状态和电压变化趋势可参考下表：
[0129][0130]
表中，开关状态：1为导通，0为截止；电压变化：
↑
为升高，
↓
为降低，n为无变化。
[0131]
其中连接状态a1和c1对于平衡切换模块3的通常模式，连接状态b1和d1为补偿模式。在此电路构架中在交流输出电压处于过零点附件时根据其交流输出电压的变化趋势其连接状态由a1切换至c1或由c1切换至a1。上述切换过程可在一个开关周期内完成，以确保软开关逆变模块2始终可向其电感在每个开关周期内提供方向交变的电感电压。其中通过以软开关逆变模块2中开关器件的开关信号对平衡切换模块3和电压窗口切换模块4中开关器件进行同步开关控制可更好实现状态切换的过程。
[0132]
本实施例中，具体的控制方式与图1a对应的多电平软开关逆变电路的情况类似，且同样可实现图5a和图5b、图6a和图6b、图7a和图7b、图8a和图8b以及图10a和图10b对应的工作模式，但由于减少了开关器件的数量，故无法实现图9a和图9b以及图11a和图11b对应的工作模式。与图1a对应的情况相比，由于图1b的结构中减少了开关器件的数量，失去部分连接状态，使其平衡能力部分受限。因此，此图1b中的电路结构相对适合交流输出电压较高且稳定的应用环境，例如：光伏逆变器。
[0133]
另外，可以理解的是，图4a、图4b和图4c中的平衡切换模块3和电压窗口切换模块4均对应于图1a中的电路结构。对于图1b中的电路结构，其平衡原理与图1a中的结构相同，因此上述的提供双向直流电源5的方法同样适用于图1b中的电路结构。即图4a、图4b和图4c中
的平衡切换模块3和电压窗口切换模块4也可采用图1b中所示的电路结构。
[0134]
在本发明中，基于软开关逆变模块2中开关器件的控制信号，通过同步开关的方式可在平衡切换模块3和电压窗口切换模块4的开关器件中实现零电流开关(zcs,zero current switching)，以进一步降低系统的开关损耗，提高电能转化效率。
[0135]
通过平衡切换模块和电压窗口切换模块的开关组合，本发明可在多电平直流母线中平衡各直流母线电容电压的同时保持向逆变模块提供实现在每个开关周期内建立交变的电感电流(例如：tcm控制)所需的电压条件的电感电流(例如：tcm控制)所需的电压条件从而可在逆变模块中连续实现开关器件的软开关以降低开关损耗提高系统的电能转换效率。
[0136]
综上，本发明提出的多电平软开关逆变电路及其中间电平端电压的平衡方法，在现有多电平软开关逆变电路的基础上通过在电压窗口切换模块与多电平直流母线之间添加平衡切换模块，结合交流输出中电压、电流周期性变化的特点，在实现软开关的前提下补偿流经各中间电平端的电荷，从而主动平衡直流母线中各中间电平端，以使其获得稳定的电压。
[0137]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。