阅读说明：本技术 一种多电平逆变器拓扑结构 (Multi-level inverter topological structure ) 是由 阿拉丁·穆斯塔法·穆罕默德·哈森 李小腾 戴立宇 陈文洁 杨旭 周永兴 于 2020-05-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多电平逆变器拓扑结构,采用两个直流电源和十个单向功率开关可以产生十三电平的输出电压波形,采用较少的开关数量,产生十三电平输出波形,而且各开关之间无干扰,连接电路简单,不需要增加输出电平需要隔离的直流电源和大容量电容器组,谐波失真率低,并且该逆变器电路在没有任何辅助充电电路的情况下为电容器提供自充电功能,可实现电荷平衡控制拓扑,本发明控制开关个数少,结构简单,成本低；且输出电平控制开关数量少,可实现多种电平输出控制,效率高且易控制。(The invention discloses a multi-level inverter topological structure, which adopts two direct current power supplies and ten unidirectional power switches to generate thirteen-level output voltage waveforms, adopts less switches to generate thirteen-level output waveforms, has no interference among the switches, has simple connecting circuits, does not need to increase the direct current power supplies and large-capacity capacitor banks of which the output levels need to be isolated, has low harmonic distortion rate, provides self-charging function for a capacitor under the condition of no auxiliary charging circuit and can realize charge balance control topology; and the output level control switches are few, can realize multiple level output control, and are efficient and easy to control.)

一种多电平逆变器拓扑结构

技术领域

本发明属于电力电子研究领域，具体公开了一种多电平逆变器拓扑结构。

背景技术

近年来，由于全球变暖和化石燃料的减少，可再生能源成为人们关注的话题。这些可再生能源系统需要逆变器，而多电平逆变器由于其成本低、效率高、输出波形质量好等优点而受到人们的青睐。这些多电平逆变器可用于向电网注入能量转换系统，如燃料电池、风力涡轮机等。由于可再生能源系统的输出电压较低，因此需要将其送入电网。在多电平逆变器中，输出电压与阶梯波形相同，总谐波失真较小。

一般来说，多电平逆变器的传统拓扑结构可分为二极管箝位(DCMLI)、飞电容器(FCMLI)和级联H桥，它们通常分为输入直流电源对称和非对称两种基本类型。然而，在这些拓扑结构中增加输出电平需要隔离的直流电源和大容量电容器组。此外，由于电容器的电压放电，需要电荷平衡控制拓扑。结构复杂，且稳定性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多电平逆变器拓扑结构，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多电平逆变器拓扑结构，包括第一开关T₁、第二开关T₂、第三开关T₃、第四开关T₄、第五开关T₅、第六开关T₆、第七开关T₇、第八开关T₈、第九开关T₉、第十开关T₁₀、第一电容C₁、第二电容C₂、第一直流电源Vdc1和第二直流电源Vdc2；

第一直流电源Vdc1的正极、第七开关T₇的一端、第九开关T₉的一端和第十开关T₁₀的一端连接；第一直流电源Vdc1的负极、第六开关T₆的一端、第四开关T₄的一端和第八开关T₈的一端连接；

第四开关T₄的另一端、第二电容C₂的正极和第三开关T₃的一端连接；第二电容C₂的负极、第五开关T₅的一端、第二开关T₂的一端和第一开关T₁的一端连接；第二开关T₂的另一端和第一电容C₁的正极连接；

第九开关T₉的另一端、第八开关T₈的另一端和第二直流电源Vdc2的负极连接；

第二直流电源Vdc2的正极、第三开关T₃的另一端、第十开关T₁₀的另一端、第一电容C₁的负极和第一开关T₁的另一端连接后为输出端B；第五开关T₅的另一端、第六开关T₆的另一端和第七开关T₇的另一端连接后为输出端A。

进一步的，第一开关T₁、第二开关T₂、第三开关T₃、第四开关T₄、第五开关T₅、第六开关T₆、第七开关T₇、第八开关T₈、第九开关T₉和第十开关T₁₀均为功率开关管。

进一步的，第一电容C₁和第二电容C₂均为有源电容。

进一步的，多个多电平逆变器拓扑结构依次串联形成多级联电路结构。

进一步的，多个多电平逆变器拓扑结构对称级联，则输出电压波形中的电平数为N_levels＝12*m+1，m＝1，2，3……，其中m是串联的多电平逆变器拓扑结构的数目。

进一步的，多个多电平逆变器拓扑结构非对称单元连接，输出电压波形电平的数量为N_levels＝2(7×12*m)+1，其中m＝1，2，3……，其中m是与主单元串联的附加多电平逆变器拓扑结构的数量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开一种多电平逆变器拓扑结构，采用两个直流电源和十个单向功率开关可以产生十三电平的输出电压波形，采用较少的开关数量，产生十三电平输出波形，而且各开关之间无干扰，连接电路简单，不需要增加输出电平需要隔离的直流电源和大容量电容器组，谐波失真率低，并且该逆变器电路在没有任何辅助充电电路的情况下为电容器提供自充电功能，可实现电荷平衡控制拓扑，本发明控制开关个数少，结构简单，成本低；且输出电平控制开关数量少，可实现多种电平输出控制，效率高且易控制。

进一步的，采用功率开关管，有利于各开关的控制，提高多电平逆变器拓扑结构的电平输出控制。

附图说明

图1为本发明实施例中十三电平逆变器拓扑结构。

图2为本发明实施例中十三电平升压逆变单元拓扑不同工作模式结构示意图。

图3为本发明实施例中电容充电路径路，图3(a)为本发明实施例中第一电容C₁充电路径路；图3(b)为本发明实施例中第二电容C₂充电路径路。

图4为本发明实施例中多电平逆变器拓扑结构级联结构图。

图5为本发明实施例中十三电平逆变器拓扑结构十三电平输出波形。

图6为本发明实施例中十三电平逆变器拓扑结构电容电压图，图6(a)为本发明实施例中十三电平逆变器拓扑结构第一电容C₁电压图；图6(b)为本发明实施例中十三电平逆变器拓扑结构第二电容C₂电压图。

图7为本发明实施例中十三电平逆变器拓扑结构输出电压和负载电流示意图。

图8为本发明实施例中十三电平逆变器拓扑结构级联单元的输出电压。

图9为本发明实施例中基于十三电平逆变器拓扑结构级联系统的输出电压。

图10为本发明实施例中基于十三电平逆变器拓扑结构级联系统的输出电压和电流。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，本发明一种多电平逆变器拓扑结构，包括第一开关T₁、第二开关T₂、第三开关T₃、第四开关T₄、第五开关T₅、第六开关T₆、第七开关T₇、第八开关T₈、第九开关T₉、第十开关T₁₀、第一电容C₁、第二电容C₂、第一直流电源Vdc1和第二直流电源Vdc2；

第一直流电源Vdc1的正极、第七开关T₇的一端、第九开关T₉的一端和第十开关T₁₀的一端连接；第一直流电源Vdc1的负极、第六开关T₆的一端、第四开关T₄的一端和第八开关T₈的一端连接；

第四开关T₄的另一端、第二电容C₂的正极和第三开关T₃的一端连接；第二电容C₂的负极、第五开关T₅的一端、第二开关T₂的一端和第一开关T₁的一端连接；第二开关T₂的另一端和第一电容C₁的正极连接；

第九开关T₉的另一端、第八开关T₈的另一端和第二直流电源Vdc2的负极连接；

第二直流电源Vdc2的正极、第三开关T₃的另一端、第十开关T₁₀的另一端、第一电容C₁的负极和第一开关T₁的另一端连接后为输出端B；第五开关T₅的另一端、第六开关T₆的另一端和第七开关T₇的另一端连接后为输出端A。

第一开关T₁、第二开关T₂、第三开关T₃、第四开关T₄、第五开关T₅、第六开关T₆、第七开关T₇、第八开关T₈、第九开关T₉和第十开关T₁₀均为功率开关管，有利于各开关的控制，提高多电平逆变器拓扑结构的电平输出控制；第一电容C₁和第二电容C₂均为有源电容，可实现多电平逆变器拓扑结构的输出。

实施例，如图1所示，第一直流电源Vdc1取2个输出电平，第二直流电源Vdc2取1个输出电平；在多电平逆变器拓扑结构标注8个电路节点，用于辅助描述该拓扑特征；

所述第一开关T₁第一端与第二端分别与电路节点⑤、⑧相连；

所述第二开关T₂第一端与第二端分别与电路节点⑤、⑦相连；

所述第三开关T₃第一端与第二端分别与电路节点④、⑧相连；

所述第四开关T₄第一端与第二端分别与电路节点④、③相连；

所述第五开关T₅第一端与第二端分别与电路节点⑤、①相连；

所述第六开关T₆第一端与第二端分别与电路节点①、③相连；

所述第七开关T₇第一端与第二端分别与电路节点①、②相连；

所述第八开关T₈第一端与第二端分别与电路节点③、⑥相连；

所述第九开关T₉第一端与第二端分别与电路节点②、⑥相连；

所述第十开关T₁₀第一端与第二端分别与电路节点②、⑧相连；

所述第一电容C₁串接在电路节点⑦和⑧之间，所述第二电容C₂串接在电路节点④和⑤之间；所述第一直流电源V_dc串接在电路节点⑥和⑧之间，所述第二直流电源2V_dc串接在电路节点③和②之间。

如图1所示，形成D型十三电平升压逆变单元拓扑结构。结合图1结构，如图3所示，第一电容C₁和第二电容C₂的充电环路。为第一电容C₁和第二电容C₂分别提供了一个独特的环路，以便从直流电源进行充电，而在闭环中不会产生任何干扰或短路。如图3(a)所示，第二开关T₂、第五开关T₅、第七开关T₇和第八开关T₈导通，第一电容C₁以(+1)电平充电；如图3(b)所示，第三开关T₃、第五开关T₅、第六开关T₆和第九开关T₉导通，第二电容C₂以(+3)电平充电。

充电完成后，如图2(m)所示输出状态为零电平，第七开关T₇和第十开关T₁₀导通，输出端A和输出端B两点直通，输出零电平；

如图2(a)所示输出状态为+1电平，第五开关T₅和第二开关T₂导通，其余开关关闭，电路的输出端A和输出端B为第二电容C₂的电压，可以得到+1Vdc电平；

如图2(b)所示输出状态为+2电平，第七开关T₇、第四开关T₄和第三开关T₃导通，其余开关关闭，电路的输出端A和输出端B为第一直流电源Vdc1的电压，可以得到+2Vdc电平；

如图2(c)所示输出状态为+3电平，第六开关T₆、第四开关T₄和第一开关T₁导通，其余开关关闭，电路的输出端A和输出端B为第二电容C₂的电压，可以得到+3Vdc电平；

如图2(d)所示输出状态为+4电平，第六开关T₆、第四开关T₄和第二开关T₂导通，其余开关关闭，电路的输出端A和输出端B为第一电容C₁和第二电容C₂的电压，可以得到+4Vdc电平；

如图2(e)所示输出状态为+5电平，第七开关T₇、第四开关T₄和第一开关T₁导通，其余开关关闭，电路的输出端A和输出端B为第一电容C₁和第一直流电源Vdc1的电压，可以得到+5Vdc电平；

如图2(f)所示输出状态为+6电平，第七开关T₇、第四开关T₄和第二开关T₂导通，其余开关关闭，电路的输出端A和输出端B为第一电容C₁、第二电容C₂和第一直流电源Vdc1的电压，可以得到+6Vdc电平；

如图2(g)所示输出状态为-电平，第七开关T₇和第九开关T₉导通，其余开关关闭，电路的输出端A和输出端B为第二直流电源Vdc2的电压，可以得到-Vdc电平；

如图2(h)所示输出状态为-2电平，第六开关T₆和第十开关T₁₀导通，其余开关关闭，电路的输出端A和输出端B为第一直流电源Vdc1的负电压，可以得到-2Vdc电平；

如图2(i)所示输出状态为-3电平，第三开关T₃和第五开关T₅导通，其余开关关闭，电路的输出端A和输出端B为第二电容C₂的电压，可以得到-3Vdc电平；

如图2(j)所示输出状态为-4电平，第四开关T₄、第五开关T₅和第八开关T₈导通，其余开关关闭，电路的输出端A和输出端B为第二电容C₂和第二直流电源Vdc2的电压，可以得到-4Vdc电平；

如图2(k)所示输出状态为-5电平，第四开关T₄、第五开关T₅和第十开关T₁₀导通，其余开关关闭，电路的输出端A和输出端B为第二电容C₂和第一直流电源Vdc1的电压，可以得到-5Vdc电平；

如图2(l)所示输出状态为-6电平，第四开关T₄、第五开关T₅和第九开关T₉导通，其余开关关闭，电路的输出端A和输出端B为第二电容C₂、第一直流电源Vdc1和第二直流电源Vdc2的电压，可以得到-6Vdc电平。

为了增加输出功率并增加输出电压波形中的电平数，可以采用基于本发明拓扑结构的级联连接。适用于多个直流电压源的级联，如光伏场合；多个多电平逆变器拓扑结构依次串联形成多级联电路结构，如图4所示，即前一个多电平逆变器拓扑结构的输出端A和其相邻的后一个多电平逆变器拓扑结构的输出端B连接，首尾两个多电平逆变器拓扑结构中一个多电平逆变器拓扑结构的输出端A为级联结构输出端A，另一个多电平逆变器拓扑结构的输出端B为级联结构输出端B。如果系统中有多个多电平逆变器拓扑结构对称级联，则输出电压波形中的电平数为N_levels＝12*m+1，其中m＝1，2，3……，其中m是串联的多电平逆变器拓扑结构的数目。对于多个多电平逆变器拓扑结构非对称单元连接，输出电压波形电平的数量为N_levels＝2(7×12*m)+1，其中m＝1，2，3……，其中m是与主单元串联的附加多电平逆变器拓扑结构的数量。

为了证明本申请上述D型十三电平升压逆变单元拓扑的有效性，使用MATLAB/SIMULINK软件对其进行了仿真分析，电路参数设置如下：直流电源电压Vdc＝100V，f＝50Hz，仿真中设置为阻感性负载R_L＝100Ω，X_L＝1.57Ω；仿真结果如图5-图10所示。图5为本发明D型多电平升压逆变单元十三电平输出波形，波形稳定。图6(a)为本发明实施例中十三电平逆变器拓扑结构第一电容C₁电压图，电压值波动小，稳定性好；图6(b)为本发明实施例中十三电平逆变器拓扑结构第二电容C₂电压图，电压值波动小，稳定性好。图7为本发明实施例中十三电平逆变器拓扑结构输出电压Vout和负载电流IL示意图，电流稳定，波动小，谐波失真率低。图8为本发明实施例中十三电平逆变器拓扑结构级联单元的输出电压，谐波失真率低。图9为本发明实施例中基于十三电平逆变器拓扑结构级联系统的输出电压。图10为本发明实施例中基于十三电平逆变器拓扑结构级联系统的输出电压Vout和电流IL。仿真结果符合预期目标，验证了所发明D型多电平升压逆变单元拓扑的有效性，该拓扑结构只用两个直流电源和十个单向功率开关就可以产生十三电平的输出电压波形。所发明的多电平拓扑用较少的开关数量，产生十三电平输出波形，谐波失真率低。并且该逆变器电路在没有任何辅助充电电路的情况下为电容器提供自充电功能，所以该拓扑将具有低成本、高性能、高效率的优点，。