基于电容并联的逆变器调制方法及系统与流程

1.本发明涉及逆变器调制技术领域，尤其是涉及一种基于电容并联的逆变器调制方法及系统。


背景技术：

2.逆变器是把直流电能转变成交流电的变压器，其在电网应用过程中能够产生交流电压，为电网提供交流电压支撑。现有的逆变器拓扑结构能够实现直流信号向正弦信号的转换，其拓扑结构如图1所示。
3.该拓扑结构基于多个电容串联，因而在需要投入两个或者两个以上的电容时，需要开关同时断开，对同步的要求比较高。且其正常运行时，由于某个桥臂上存在多个电容与开关并联的子模块，当子模块的开关闭合时，电路内部会存在环流，环流的存在会导致逆变器故障，当环流过大时还可能烧毁逆变器，减少逆变器的使用寿命，大大提高了系统的成本，同时也存在安全隐患。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种基于电容并联的逆变器调制方法及系统，以解决上述技术问题，将多个电容-开关串联支路并联形成的电容并联拓扑结构作逆变器的子模块，有效避免了开关闭合情况下电路内部环流问题，提高逆变器使用寿命，克服现有技术存在的安全隐患。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于电容并联的逆变器调制方法，包括以下步骤：
6.将多个电容-开关串联支路并联，构建电容并联拓扑结构；
7.将电容并联拓扑结构作为逆变器的子模块，构建逆变器三相电路拓扑；
8.根据需调制的电压确定逆变器三相电路拓扑中各相电路需要输出的正弦电压；
9.根据各相电路需要输出的正弦电压，通过交流电对逆变器三相电路拓扑中的电容依次进行充电操作，直至所有电容充电完成；
10.根据各相电路需要输出的正弦电压对各相的电容并联拓扑结构进行投切操作，以产生符合各相电路需要的正弦电压，得到需调制的电压，完成对逆变器的调制。
11.上述方案中，将多个电容-开关串联支路并联形成的电容并联拓扑结构作逆变器的子模块，可以避免串联拓扑结构可能产生内部环流情况，在实现对与逆变器调制的同时，有效提高了逆变器使用寿命，克服现有技术存在的安全隐患。
12.进一步地，所述根据各相电路需要输出的正弦电压，通过交流电对逆变器三相电路拓扑中的电容依次进行充电操作，直至所有电容充电完成，具体为：
13.将各相电路需要输出的正弦电压的一个周期等分为若干个时间间隔，计算每个时间间隔需要的直流电压值；
14.根据直流电压值确定各相电路中的电容充电数值；
15.根据电容充电数值，通过交流电对逆变器三相电路拓扑中的电容依次进行充电操作，直至所有电容充电完成。
16.上述方案利用了交直流信号转化的过程，正弦电压可以拆分为若干个直流电压积分的形式，从而确定若干个直流电压值。通过交流电对电容进行充电的过程，也仅需要在特定的时间间隔内投入对应的开关，使某个电容处于充电状态；待该电容充电完成，断开与其串联的开关即可。其充电过程操作简单，易于实现。
17.进一步地，在所述根据电容充电数值，通过交流电对逆变器三相电路拓扑中的电容依次进行充电操作中，某一电容充电操作完成后，需等待一定时间后再进行下一电容的充电操作。
18.上述方案中，在某一电容充电操作完成后，等待一定时间的目的在与保证下一个电容的充电过程可以完全隔绝第一个充电过程的影响，类似与一个校准的过程，保证了充电的精确度，另每个电容的充电值与计算得到的直流电压值严格相等。
19.进一步地，所述根据各相电路需要输出的正弦电压对各相的电容并联拓扑结构进行投切操作，以产生符合各相电路需要的正弦电压，得到需调制的电压，完成对逆变器的调制，具体为：
20.按照一定时间间隔对各相电路需要输出的正弦电压进行采样，得到各相电路每个时间间隔内对应的电压值；
21.根据各相电路每个时间间隔内对应的电压值确定各项电路每个时间间隔内需要投入的电容；
22.根据各项电路每个时间间隔内需要投入的电容对各相的电容并联拓扑结构进行投切操作，以产生符合各相电路需要的正弦电压，得到需调制的电压，完成对逆变器的调制。
23.上述方案在投切过程中，由于每一次投切仅需要确定需要投入的一个电容，即只需要操作一个开关，无需同时操作多个开关，降低了电路的同步性操作要求，保证调制结果更为准确。同时，在调制过程中的任意时刻，某一相仅需要一个子模块进行操作，即仅需要对一个电容并联拓扑结构进行操作便能实现，其实现过程更加便捷，可以有效提高调制的效率。
24.进一步地，所述根据各相电路每个时间间隔内对应的电压值确定各相电路每个时间间隔内需要投入的电容，具体为：
25.根据某相电路某个时间间隔内的电压值，确定该相电路内与该电压值最具有最接近直流电压值的电容，将该电容作为该相电路该时间间隔内需要投入的电容；
26.重复执行上述过程，直至确定各相电路每个时间间隔内需要投入的电容。
27.上述方案中，在投入电容前，将所需的电压值与电容的直流电压值进行比对，选取具备最接近的直流电压值的电容作为该相电路该时间间隔内需要投入的电容，保证投切过程中所得到的正弦电压更符合调制的需求，进一步提高调制的精确度。
28.本发明还提出一种基于电容并联的逆变器调制系统，包括并联拓扑模块、逆变器三相电路拓扑模块、处理模块、充电模块和调制模块；其中：
29.所述并联拓扑模块用于将多个电容-开关串联支路并联，构建电容并联拓扑结构；
30.所述逆变器三相电路拓扑模块用于将电容并联拓扑结构作为逆变器的子模块，构
建逆变器三相电路拓扑；
31.所述处理模块用于需调制的电压确定逆变器三相电路拓扑中各相电路需要输出的正弦电压；
32.所述充电模块用于根据各相电路需要输出的正弦电压，通过交流电对逆变器三相电路拓扑中的电容依次进行充电操作，直至所有电容充电完成；
33.所述调制模块用于根据各相电路需要输出的正弦电压对各相的电容并联拓扑结构进行投切操作，以产生符合各相电路需要的正弦电压，得到需调制的电压，完成对逆变器的调制。
34.上述系统将多个电容-开关串联支路并联形成的电容并联拓扑结构作逆变器的子模块，有效避免串联拓扑结构可能产生内部环流情况，在实现对与逆变器调制的同时，有效提高了逆变器使用寿命，克服现有技术存在的安全隐患。
35.进一步地，所述充电模块用于根据各相电路需要输出的正弦电压，通过交流电对逆变器三相电路拓扑中的电容依次进行充电操作，直至所有电容充电完成，具体为：
36.将各相电路需要输出的正弦电压的一个周期等分为若干个时间间隔，计算每个时间间隔需要的直流电压值；
37.根据直流电压值确定各相电路中的电容充电数值；
38.根据电容充电数值，通过交流电对逆变器三相电路拓扑中的电容依次进行充电操作，直至所有电容充电完成。
39.进一步地，在充电模块中，在所述根据电容充电数值，通过交流电对逆变器三相电路拓扑中的电容依次进行充电操作中，某一电容充电操作完成后，需等待一定时间后再进行下一电容的充电操作。
40.进一步地，所述调制模块用于根据各相电路需要输出的正弦电压对各相的电容并联拓扑结构进行投切操作，以产生符合各相电路需要的正弦电压，得到需调制的电压，完成对逆变器的调制，具体为：
41.按照一定时间间隔对各相电路需要输出的正弦电压进行采样，得到各相电路每个时间间隔内对应的电压值；
42.根据各相电路每个时间间隔内对应的电压值确定各项电路每个时间间隔内需要投入的电容；
43.根据各项电路每个时间间隔内需要投入的电容对各相的电容并联拓扑结构进行投切操作，以产生符合各相电路需要的正弦电压，得到需调制的电压，完成对逆变器的调制。
44.进一步地，在调制模块中，所述根据各相电路每个时间间隔内对应的电压值确定各相电路每个时间间隔内需要投入的电容，具体为：
45.根据某相电路某个时间间隔内的电压值，确定该相电路内与该电压值最具有最接近直流电压值的电容，将该电容作为该相电路该时间间隔内需要投入的电容；
46.重复执行上述过程，直至确定各相电路每个时间间隔内需要投入的电容。
附图说明
47.图1为本发明背景技术提供的现有的逆变器拓扑结构示意图；
48.图2为本发明一实施例提出的基于电容并联的逆变器调制方法流程示意图；
49.图3为本发明一实施例提出的交直流信号转化过程示意图；
50.图4为本发明一实施例提供的逆变器三相电路拓扑结构示意图；
51.图5本发明一实施例提出的基于电容并联的逆变器调制系统模块连接图。
具体实施方式
52.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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。
53.请参见图2，本实施例提供了一种基于电容并联的逆变器调制方法，包括以下步骤：
54.s1：将多个电容-开关串联支路并联，构建电容并联拓扑结构；
55.s2：将电容并联拓扑结构作为逆变器的子模块，构建逆变器三相电路拓扑；
56.s3：根据需调制的电压确定逆变器三相电路拓扑中各相电路需要输出的正弦电压；
57.s4：根据各相电路需要输出的正弦电压，通过交流电对逆变器三相电路拓扑中的电容依次进行充电操作，直至所有电容充电完成；
58.s5：根据各相电路需要输出的正弦电压对各相的电容并联拓扑结构进行投切操作，以产生符合各相电路需要的正弦电压，得到需调制的电压，完成对逆变器的调制。
59.在本实施例中，将多个电容-开关串联支路并联形成的电容并联拓扑结构作逆变器的子模块，可以避免串联拓扑结构可能产生内部环流情况，在实现对与逆变器调制的同时，有效提高了逆变器使用寿命，克服现有技术存在的安全隐患。
60.进一步地，所述根据各相电路需要输出的正弦电压，通过交流电对逆变器三相电路拓扑中的电容依次进行充电操作，直至所有电容充电完成，具体为：
61.将各相电路需要输出的正弦电压的一个周期等分为若干个时间间隔，计算每个时间间隔需要的直流电压值；
62.根据直流电压值确定各相电路中的电容充电数值；
63.根据电容充电数值，通过交流电对逆变器三相电路拓扑中的电容依次进行充电操作，直至所有电容充电完成。
64.本实施例利用了交直流信号转化的过程，请参见图3，正弦电压可以拆分为若干个直流电压积分的形式，从而确定若干个直流电压值。通过交流电对电容进行充电的过程，也仅需要在特定的时间间隔内投入对应的开关，使某个电容处于充电状态；待该电容充电完成，断开与其串联的开关即可。其充电过程操作简单，易于实现。
65.进一步地，在所述根据电容充电数值，通过交流电对逆变器三相电路拓扑中的电容依次进行充电操作中，某一电容充电操作完成后，需等待一定时间后再进行下一电容的充电操作。
66.本实施例中，在某一电容充电操作完成后，等待一定时间的目的在与保证下一个电容的充电过程可以完全隔绝第一个充电过程的影响，类似与一个校准的过程，保证了充
电的精确度，另每个电容的充电值与计算得到的直流电压值严格相等。
67.进一步地，所述根据各相电路需要输出的正弦电压对各相的电容并联拓扑结构进行投切操作，以产生符合各相电路需要的正弦电压，得到需调制的电压，完成对逆变器的调制，具体为：
68.按照一定时间间隔对各相电路需要输出的正弦电压进行采样，得到各相电路每个时间间隔内对应的电压值；
69.根据各相电路每个时间间隔内对应的电压值确定各项电路每个时间间隔内需要投入的电容；
70.根据各项电路每个时间间隔内需要投入的电容对各相的电容并联拓扑结构进行投切操作，以产生符合各相电路需要的正弦电压，得到需调制的电压，完成对逆变器的调制。
71.本实施例在投切过程中，由于每一次投切仅需要确定需要投入的一个电容，即只需要操作一个开关，无需同时操作多个开关，降低了电路的同步性操作要求，保证调制结果更为准确。同时，在调制过程中的任意时刻，某一相仅需要一个子模块进行操作，即仅需要对一个电容并联拓扑结构进行操作便能实现，其实现过程更加便捷，可以有效提高调制的效率。
72.进一步地，所述根据各相电路每个时间间隔内对应的电压值确定各相电路每个时间间隔内需要投入的电容，具体为：
73.根据某相电路某个时间间隔内的电压值，确定该相电路内与该电压值最具有最接近直流电压值的电容，将该电容作为该相电路该时间间隔内需要投入的电容；
74.重复执行上述过程，直至确定各相电路每个时间间隔内需要投入的电容。
75.本实施例在投入电容前，将所需的电压值与电容的直流电压值进行比对，选取具备最接近的直流电压值的电容作为该相电路该时间间隔内需要投入的电容，保证投切过程中所得到的正弦电压更符合调制的需求，进一步提高调制的精确度。
76.为了进一步说明本发明的实现过程，本实施例提供一个具体的电路拓扑图，该图中的连接及参数仅是本发明的一种实际应用情况，不能解释为对本发明保护范围的限定。具体请参见图4所示的逆变器三相电路拓扑结构示意图，该电路拓扑连接的是另一个模块化多电平逆变器以构成直流输电，其可以通过电容的投切过程将直流电转换为三相交流电。
77.该拓扑结构的充电过程具体如下：
78.对于a相，采用交流电对a相所包含的电容并联拓扑结构中的电容进行充电，在时刻s
a1
，对电容a1充电，并达到数值u
dca1
，待电容a1充电完成后断开开关k
a1
；等待一段时间在时刻s
a2
，对电容a2充电，并达到数值u
dca2
，待电容a2充电完成后断开开关k
a2
；待电容a
(n-1)
充电完成后断开开关k
a(n-1)
，等待一段时间后，在时刻s
an
，对电容an充电，并达到数值u
dcan
。
79.对于b相，在时刻s
b1
，对电容b1充电，并达到数值u
dcb1
，待电容b1充电完成然后断开开关k
b1
；等待一段时间后，在时刻s
b2
，对电容b2充电，并达到数值u
dcb2
，待电容b2充电完成然后断开开关k
b2
；电容b
(n-1)
充电完成后断开开关k
(n-1)
，等待一段时间后，在时刻s
bn
，对电容bn充电，并达到数值u
dcbn
。
80.对于c相，在时刻s
c1
，对电容c1充电，并达到数值u
dcc1
，待电容c1充电完成后断开开
关k
c1
；在时刻s
c2
，对电容c2充电，并达到数值u
dcc2
，待电容c2充电完成后断开开关k
c2
；电容c
(n-1)
充电完成后断开开关k
(n-1)
，等待一段时间后，在时刻s
cn
，对电容cn充电，并达到数值u
dccn
。
81.以a相为例，本实施例说明数值u
dcan
在实际操作过程中根据实际所需要调制的确定。a相需要可调节的正弦信号为将可调节的正弦信号的一个周期(t)等分为n个时间间隔，则nδt＝t。则a相电容的直流电压依次为：
[0082][0083]
式中，δt表示时间间隔。
[0084]
该拓扑结构的投切过程具体如下：
[0085]
对于a相，在时刻s
ta1
到时刻s
ta2
之间，投入电容a1；在时刻s
ta2
到时刻s
ta3
之间，投入电容a2；在时刻s
tan
到时刻s
ta(n+1)
之间，投入电容an，再重复循环该过程。
[0086]
对于b相，在时刻s
ta1
+δt
b1
到s
ta1
+δt
b2
，投入电容b1；在时刻s
ta1
+δt
b2
到s
ta1
+δt
b3
，投入电容b2；在时刻s
tan
+δt
bn
到s
ta(n+1)
+δt
b(n+1)
，投入电容bn，再重复循环该过程。
[0087]
对于c相，在时刻s
ta1
+δt
c1
到s
ta2
+δt
c2
，投入电容c1；在时刻s
ta2
+δt
c2
到s
ta3
+δt
c3
，投入电容c2；在时刻s
tan
+δt
cn
到s
ta(n+1)
+δt
c(n+1)
，投入电容cn，再重复循环该过程。
[0088]
需要说明的是，为了进一步提高调制的精确度，本实施例也可以通过继电器等智能设备进行投切操作，通过判断寻找与所需电压值具有最近直流电压值的电容进行投切，具体地：
[0089]
以a相为例，a相需要输出的正弦电压为采样时间为δts，a相正弦电压的首次采样值为将该采样值与所有电容组的直流电压数值对比，数值最相近的直流电压对应的电容投入。以此类推，可以对比a相正弦电压后续的采样值与电容组的直流电压数值，确定需要投入的电容。
[0090]
请参见图5，本实施例提出一种基于电容并联的逆变器调制系统，用于实现一种基于电容并联的逆变器调制方法，包括并联拓扑模块、逆变器三相电路拓扑模块、处理模块、充电模块和调制模块；其中：
[0091]
所述并联拓扑模块用于将多个电容-开关串联支路并联，构建电容并联拓扑结构；
[0092]
所述逆变器三相电路拓扑模块用于将电容并联拓扑结构作为逆变器的子模块，构建逆变器三相电路拓扑；
[0093]
所述处理模块用于需调制的电压确定逆变器三相电路拓扑中各相电路需要输出的正弦电压；
[0094]
所述充电模块用于根据各相电路需要输出的正弦电压，通过交流电对逆变器三相电路拓扑中的电容依次进行充电操作，直至所有电容充电完成；
[0095]
所述调制模块用于根据各相电路需要输出的正弦电压对各相的电容并联拓扑结构进行投切操作，以产生符合各相电路需要的正弦电压，得到需调制的电压，完成对逆变器的调制。
[0096]
本实施例提供的系统将多个电容-开关串联支路并联形成的电容并联拓扑结构作逆变器的子模块，有效避免串联拓扑结构可能产生内部环流情况，在实现对与逆变器调制的同时，有效提高了逆变器使用寿命，克服现有技术存在的安全隐患。
[0097]
进一步地，所述充电模块用于根据各相电路需要输出的正弦电压，通过交流电对逆变器三相电路拓扑中的电容依次进行充电操作，直至所有电容充电完成，具体为：
[0098]
将各相电路需要输出的正弦电压的一个周期等分为若干个时间间隔，计算每个时间间隔需要的直流电压值；
[0099]
根据直流电压值确定各相电路中的电容充电数值；
[0100]
根据电容充电数值，通过交流电对逆变器三相电路拓扑中的电容依次进行充电操作，直至所有电容充电完成。
[0101]
进一步地，在充电模块中，在所述根据电容充电数值，通过交流电对逆变器三相电路拓扑中的电容依次进行充电操作中，某一电容充电操作完成后，需等待一定时间后再进行下一电容的充电操作。
[0102]
进一步地，所述调制模块用于根据各相电路需要输出的正弦电压对各相的电容并联拓扑结构进行投切操作，以产生符合各相电路需要的正弦电压，得到需调制的电压，完成对逆变器的调制，具体为：
[0103]
按照一定时间间隔对各相电路需要输出的正弦电压进行采样，得到各相电路每个时间间隔内对应的电压值；
[0104]
根据各相电路每个时间间隔内对应的电压值确定各项电路每个时间间隔内需要投入的电容；
[0105]
根据各项电路每个时间间隔内需要投入的电容对各相的电容并联拓扑结构进行投切操作，以产生符合各相电路需要的正弦电压，得到需调制的电压，完成对逆变器的调制。
[0106]
进一步地，在调制模块中，所述根据各相电路每个时间间隔内对应的电压值确定各相电路每个时间间隔内需要投入的电容，具体为：
[0107]
根据某相电路某个时间间隔内的电压值，确定该相电路内与该电压值最具有最接近直流电压值的电容，将该电容作为该相电路该时间间隔内需要投入的电容；
[0108]
重复执行上述过程，直至确定各相电路每个时间间隔内需要投入的电容。
[0109]
本实施例在实现过程中，电容在充电和投切的过程中，可以通过控制器和继电器智能实现，通过处理模块、充电模块及调制模块计算出的数值智能得寻找最合适的电容，从而通过控制继电器的通断实现电容的智能投切，提高调制过程的可操作性。
[0110]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。