阅读说明：本技术 一种多电平逆变拓扑电路 (Multi-level inverter topology circuit ) 是由 阿拉丁·穆斯塔法·穆罕默德·哈森 李小腾 王睿 陈文洁 杨旭 杨洋 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拓扑电路,采用H桥拓扑电路与K型逆变器拓扑电路连接,形成模块化多电平逆变拓扑电路,采用H桥拓扑电路为辅,K型逆变器拓扑电路为主连接而成,以H桥拓扑电路与K型逆变器拓扑电路分别为子模块连接,简化了电路的连接结构,同时能够通过H桥拓扑电路与K型逆变器拓扑电路开关配合,实现多电平输出,无需额外的升压电路,输出电压可达3倍率,并且有可进行级联以对输出电压和功率进行扩展,K型逆变器拓扑电路中只使用了2个电源及3个开关电容,并为电容器分别提供了互不干扰的充电环路,同时减少了产生15级输出电压所需的活跃开关数量,降低开关损耗。(The invention discloses a multi-level inverter topological circuit, which is formed by connecting an H-bridge topological circuit with a K-type inverter topological circuit to form a modular multi-level inverter topological circuit, wherein the H-bridge topological circuit is adopted as an auxiliary circuit, the K-type inverter topological circuit is mainly connected, the H-bridge topological circuit and the K-type inverter topological circuit are respectively connected as sub-modules, the connection structure of the circuit is simplified, meanwhile, multi-level output can be realized through the matching of the H-bridge topological circuit and a K-type inverter topological circuit switch, no additional booster circuit is needed, the output voltage can reach 3 multiplying power, cascade connection can be carried out to expand the output voltage and power, only 2 power sources and 3 switch capacitors are used in the K-type inverter topological circuit, non-interfering charge loops are respectively provided for the capacitors, and the number of active switches required for generating 15-level output voltage is reduced, the switching loss is reduced.)

一种多电平逆变拓扑电路

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种多电平逆变拓扑电路。

背景技术

近来，多电平逆变器(MLI)在DC-AC转换器系列中引起了极大的关注，特别是在工业领域中高功率范围的应用中。MLI能够明显降低输出电压的总谐波失真(THD)，同时也能限制电磁干扰(EMI)，此外采用多个输出电平也能降低开关上的电压应力和开关损耗，因此它对提高系统效率有巨大的帮助。多电平功率变换在有关中压交流驱动、柔性交流输电系统(FACTS)装置以及高压直流(HVDC)输电系统等应用的电力工程领域快速发展并得到广泛应用。基于已有的研究，逆变器输出电压电平越多意味着输出越接近平滑的正弦波形，其谐波含量越少，目前多电平的产生通常需要较多的直流电压源配合，这会使得模块拓扑复杂化，甚至引入不稳定因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多电平逆变拓扑电路，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：

一种多电平逆变拓扑电路，K型逆变器拓扑电路和H桥拓扑电路；

K型逆变器拓扑电路包括第五开关单元T₅、第六开关单元T₆、第七开关单元T₇、第八开关单元T₈、第九开关单元T₉、第十开关单元T₁₀、第十一开关单元T₁₁、第十二开关单元T₁₂、第十三开关单元T₁₃、第十四开关单元T₁₄、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃和第一直流电源V_dc；

第一直流电源V_dc的正极、第十四开关单元T₁₄一端、第十开关单元T₁₀一端和第十一开关单元T₁₁一端连接；

第一直流电源V_dc的负极、第十三开关单元T₁₃一端、第七开关单元T₇一端、第八开关单元T₈一端和第九开关单元T₉一端连接；

第七开关单元T₇的另一端、第六开关单元T₆一端和第三电容C₃正极连接；

第三电容C₃负极、第十二开关单元T₁₂一端和第二电容C₂正极连接；第二电容C₂负极与第五开关单元T₅一端连接；

第十开关单元T₁₀另一端、第九开关单元T₉另一端和第一电容C₁负极连接；

第十一开关单元T₁₁另一端、第一电容C₁正极、第八开关单元T₈另一端、第六开关单元T₆另一端和第五开关单元T₅另一端连接形成K型逆变器拓扑电路输出端；第十二开关单元T₁₂另一端、第十三开关单元T₁₃另一端和第十四开关单元T₁₄另一端连接；

H桥拓扑电路包括第一开关单元T₁、第二开关单元T₂、第三开关单元T₃、第四开关单元T₄和第二直流电源V_dc；

第三开关单元T₃一端、第一开关单元T₁一端与第十一开关单元T₁₁另一端连接；

第二直流电源V_dc的正极、第一开关单元T₁另一端和第二开关单元T₂一端连接；第二直流电源V_dc的负极、第三开关单元T₃另一端和第四开关单元T₄一端连接；

第十四开关单元T₁₄另一端连接输出端A，第二开关单元T₂另一端和第四开关单元T₄另一端连接输出端B。

进一步的，多个H桥拓扑电路级联后与一个K型逆变器拓扑电路连接。

进一步的，多个H桥拓扑电路级联：其中一个H桥拓扑电路的第三开关单元T₃一端和另一个H桥拓扑电路的第四开关单元T₄另一端连接；其中H桥拓扑电路级联电路中一端的一个H桥拓扑电路的第三开关单元T₃一端与第十一开关单元T₁₁另一端连接；其中H桥拓扑电路级联电路另一端的一个H桥拓扑电路的第四开关单元T₄另一端连接输出端B。

进一步的，多个K型逆变器拓扑电路级联后与一个H桥拓扑电路连接。

进一步的，多个K型逆变器拓扑电路级联：其中一个K型逆变器拓扑电路的第十四开关单元T₁₄另一端连接另一个K型逆变器拓扑电路的第十一开关单元T₁₁另一端；其中K型逆变器拓扑电路级联电路中一端的一个K型逆变器拓扑电路的第十四开关单元T₁₄另一端连接输出端A，K型逆变器拓扑电路级联电路中另一端的一个K型逆变器拓扑电路的第十一开关单元T₁₁另一端连接第三开关单元T₃另一端。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种多电平逆变拓扑电路，采用H桥拓扑电路与K型逆变器拓扑电路连接，形成模块化多电平逆变拓扑电路，采用H桥拓扑电路为辅，K型逆变器拓扑电路为主连接而成，以H桥拓扑电路与K型逆变器拓扑电路分别为子模块连接，简化了电路的连接结构，同时能够通过H桥拓扑电路与K型逆变器拓扑电路开关配合，实现多电平输出，无需额外的升压电路，输出电压可达3倍率，并且有可进行级联以对输出电压和功率进行扩展，K型逆变器拓扑电路中只使用了2个电源及3个开关电容，并为电容器分别提供了互不干扰的充电环路，同时减少了产生15级输出电压所需的活跃开关数量，降低开关损耗。

附图说明

图1为本发明实施例中电路拓扑示意图。

图2为逆变器拓扑的不同开关状态电路图，图2(i)为形成0.5V_dc输出通路；图2(ii)为形成-0.5V_dc输出通路；图2(iii)为形成1V_dc输出通路；图2(iv)为形成-V_dc输出通路；图2(v)为形成1.5V_dc输出通路；图2(vi)为形成-1.5V_dc输出通路；图2(vii)为形成2V_dc输出通路；图2(viii)为形成-2V_dc输出通路；图2(ix)为形成2.5V_dc输出通路；图2(x)为形成-2.5V_dc输出通路；图2(xi)为形成3V_dc输出通路；图2(xii)为形成-3V_dc输出通路；图2(xiii)为形成3.5V_dc输出通路；图2(xiv)为形成-3.5V_dc输出通路。

图3为本发明实施例中级联电路图，图3(a)为H桥拓扑电路级联电路图，图3(b)为K型逆变器拓扑电路级联电路图。

图4为本发明实施例中仿真环境下15电平输出电压和负载电流。

图5为本发明实施例中仿真环境下H桥和K型逆变器子模块的输出电压。

图6为本发明实施例中电容器电压变化情况。

图7为本发明实施例中单级输出电压的谐波分量。

图8为本发明实施例中级联系统的输出电压和负载电流。

图9为本发明实施例中级联系统中不同子模块的输出电压。

图10为本发明实施例中级联系统输出电压的谐波分量。

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，一种多电平逆变拓扑电路，包括2个电源和14个电源开关以及3个对称可充电电容；2个电源包括第一直流电源V_dc和第二直流电源V_dc；14个电源开关包括第一开关单元T₁、第二开关单元T₂、第三开关单元T₃、第四开关单元T₄、第五开关单元T₅、第六开关单元T₆、第七开关单元T₇、第八开关单元T₈、第九开关单元T₉、第十开关单元T₁₀、第十一开关单元T₁₁、第十二开关单元T₁₂、第十三开关单元T₁₃和第十四开关单元T₁₄；3个对称可充电电容包括第一电容C₁、第二电容C₂和第三电容C₃；

第一直流电源V_dc的正极、第十四开关单元T₁₄一端、第十开关单元T₁₀一端和第十一开关单元T₁₁一端连接；

第一直流电源V_dc的负极、第十三开关单元T₁₃一端、第七开关单元T₇一端、第八开关单元T₈一端和第九开关单元T₉一端连接；

第七开关单元T₇的另一端、第六开关单元T₆一端和第三电容C₃正极连接；

第三电容C₃负极、第十二开关单元T₁₂一端和第二电容C₂正极连接；第二电容C₂负极与第五开关单元T₅一端连接；

第十开关单元T₁₀另一端、第九开关单元T₉另一端和第一电容C₁负极连接；

第十一开关单元T₁₁另一端、第一电容C₁正极、第八开关单元T₈另一端、第六开关单元T₆另一端、第五开关单元T₅另一端、第三开关单元T₃一端和第一开关单元T₁一端连接；

第二直流电源V_dc的正极、第一开关单元T₁另一端和第二开关单元T₂一端连接；第二直流电源V_dc的负极、第三开关单元T₃另一端和第四开关单元T₄一端连接；

第十二开关单元T₁₂另一端、第十三开关单元T₁₃另一端和第十四开关单元T₁₄另一端连接输出端A；第二开关单元T₂另一端和第四开关单元T₄另一端连接输出端B。

实施例：如图1所示，共设11个电路节点；

所述第一开关单元T₁第一端与电路节点⑧相连，第二端与电路节点⑩相连；

所述第二开关单元T₂第一端与电路节点⑩相连，第二端与电路节点相连；

所述第三开关单元T₃第一端与电路节点⑨相连，第二端与电路节点⑧相连；

所述第四开关单元T₄第一端与电路节点相连，第二端与电路节点⑨相连；

所述第五开关单元T₅第一端与电路节点⑦相连，第二端与电路节点⑧相连；

所述第六开关单元T₆第一端与电路节点⑧相连，第二端与电路节点④相连；

所述第七开关单元T₇第一端与电路节点③相连，第二端与电路节点④相连；

所述第八开关单元T₈第一端与电路节点③相连，第二端与电路节点⑧相连；

所述第九开关单元T₉第一端与电路节点⑥相连，第二端与电路节点③相连；

所述第十开关单元T₁₀第一端与电路节点②相连，第二端与电路节点⑥相连；

所述第十一开关单元T₁₁第一端与电路节点②相连，第二端与电路节点⑧相连；

所述第十二开关单元T₁₂第一端与电路节点①相连，第二端与电路节点⑤相连；

所述第十三开关单元T₁₃第一端与电路节点①相连，第二端与电路节点③相连；

所述第十四开关单元T₁₄第一端与电路节点②相连，第二端与电路节点①相连；

所述第一电容C₁第一端与电路节点⑥相连，第二端与电路节点⑧相连；

所述第二电容C₂第一端与电路节点⑦相连，第二端与电路节点⑤相连；

所述第三电容C₃第一端与电路节点⑤相连，第二端与电路节点④相连；

其中电路节点①为拓扑输出节点，节点②③分别为K型逆变器电源的正负极，节点⑩⑨分别为H桥单元的电源的正负极，节点⑧为H桥拓扑电路和K型模块拓扑电路的连接点。

通过改变开关状态，本多电平逆变电路能够生成14种不同的开关组合，每种组合为一个输出电压电平，如图2所示，开关状态分析如下：

在图2(i)中，输出端A和输出端B经由开关单元T₁₃、T₈、T₁、T₄和H桥逆变器电源形成通路，此时逆变器输出电压为V_AB＝0.5V_dc。

在图2(ii)中，输出端A和输出端B经由开关单元T₁₃、T₈、T₃、T₂和H桥逆变器电源形成通路，此时逆变器输出电压为V_AB＝-0.5V_dc。

在图2(iii)中，输出端A和输出端B经由开关单元T₁₄、T₈、T₁、T₂和K型逆变器电源形成通路，此时逆变器输出电压为V_AB＝V_dc。

在图2(iv)中，输出端A和输出端B经由开关单元T₁₃、T₁₁、T₃、T₄和K型逆变器电源形成通路，此时逆变器输出电压为V_AB＝-V_dc。

在图2(v)中，输出端A和输出端B经由开关单元T₁₄、T₈、T₁、T₄和全部直流电源形成通路，此时逆变器输出电压为V_AB＝1.5V_dc。

在图2(vi)中，输出端A和输出端B经由开关单元T₁₃、T₁₁、T₃、T₂和全部直流电源形成通路，此时逆变器的输出电压为V_AB＝-1.5V_dc。

在图2(vii)中，输出端A和输出端B经由开关单元T₁₃、T₇、T₅、T₁、T₂和电容C₂、C₃形成通路，此时逆变器的输出电压为V_AB＝2V_dc。

在图2(viii)中，输出端A和输出端B经由开关单元T₁₃、T₁₀、T₃、T₄和电容C₁以及K型逆变器电源形成通路，此时逆变器的输出电压为V_AB＝-2V_dc。

在图2(ix)中，输出端A和输出端B经由开关单元T₁₃、T₇、T₅、T₁、T₄和电容C₂、C₃以及H桥逆变器电源形成通路，此时逆变器的输出电压为V_AB＝2.5V_dc。

在图2(x)中，输出端A和输出端B经由开关单元T₁₃、T₁₀、T₃、T₂和电容C₁以及全部直流电源形成通路，此时逆变器的输出电压为V_AB＝-2.5V_dc。

在图2(xi)中，输出端A和输出端B经由开关单元T₁₄、T₇、T₅、T₁、T₂和电容C₃、C₂以及K型逆变器电源形成通路，此时逆变器的输出电压为V_AB＝3V_dc。

在图2(xii)中，输出端A和输出端B经由开关单元T₁₂、T₇、T₁₀、T₃、T₄和电容C₃、C₁以及K型逆变器电源形成通路，此时逆变器的输出电压为V_AB＝-3V_dc。

在图2(xiii)中，输出端A和输出端B经由开关单元T₁₄、T₇、T₅、T₁、T₄和电容C₂、C₃以及全部直流电源形成通路，此时逆变器的输出电压为V_AB＝3.5V_dc。

在图2(xiv)中，输出端A和输出端B经由开关单元T₁₂、T₇、T₁₀、T₃、T₂和电容C₃、C₁以及全部直流电源形成通路，此时逆变器的输出电压为V_AB＝-3.5V_dc。

由第五开关单元T₅、第六开关单元T₆、第七开关单元T₇、第八开关单元T₈、第九开关单元T₉、第十开关单元T₁₀、第十一开关单元T₁₁、第十二开关单元T₁₂、第十三开关单元T₁₃、第十四开关单元T₁₄、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃和第一直流电源V_dc组成K型逆变器拓扑电路，K型逆变器拓扑电路为三个电容器分别提供了独立的充电回路，相互之间充电不会产生干扰，并且不需要其他的辅助电路。此外，改变开关状态时，多电平逆变电路中14个电源开关只有12个电源开关实际参与了多电平输出电压的生成，第六开关单元T₆和第九开关单元T₉只在电容器充电阶段才会激活。

作为拓扑的扩展应用，将更多的单元级联后可以提升输出电压的等级，并提高输出功率和带负载能力。

本发明实施例为主从混合型15电平-三开关电容-3倍压率级联多电平逆变电路拓扑包含H桥拓扑电路和K型逆变器拓扑电路两个基本模块。如图3(a)所示即为基于H桥拓扑电路级联的情况，图3(b)所示即为基于K型逆变器的级联情况。

如图4-图10所示，在MATLAB-SIMULINK中搭建针对主从混合型15电平-三开关电容-3倍压率级联多电平逆变电路，并用于给R-L负载供电。仿真参数设置为R_L＝100Ω,X_L＝1.57Ω,V_dc＝100v,f＝50Hz。通过仿真观察新型逆变器的子模块输出电压及逆变器整体的多电平输出，以及级联条件下(两个K型逆变器单元和H桥级联)系统输出。能够可靠实现15个电平的电压输出。电容器充电和放电顺序正确，响应出色，电容器电压纹波量较小且接近常量。通过级联可以得到非常平滑的正弦输出波形，将单级输出THD从5.50％进一步降低至1.24％。