阅读说明：本技术 一种交叉双pv源输入级联多电平逆变器电路 (Cross double-PV-source input-stage-connected multi-level inverter circuit ) 是由 阿拉丁·穆斯塔法·穆罕默德·哈森 李小腾 周永兴 陈文洁 杨旭 戴立宇 王睿 于 2020-05-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种交叉双PV源输入级联多电平逆变器电路,采用九个开关管连接形成交叉双PV源输入级联多电平逆变器电路拓扑结构,不需要额外电容,可以兼容多种新能源的同时接入,通过对单个拓扑结构的级联,可以得到高的输出电压和输出功率,同时总谐波畸变也会明显改善,适用于多种新能源发电系统的混合使用,结构简单。采用多个多电平逆变器电路级联,拓展了多电平逆变器电路的输出电平数目以及高功率应用场合的需求,在级联结构下,功率等级会有所提高,总谐波畸变会显著减小,增加了系统的可靠性和减小滤波元件的数目和体积。(The invention discloses a cross double-PV-source input-stage-connected multi-level inverter circuit, which adopts nine switching tubes to be connected to form a cross double-PV-source input-stage-connected multi-level inverter circuit topological structure, does not need additional capacitance, can be compatible with simultaneous access of various new energy sources, can obtain high output voltage and output power through the cascade connection of a single topological structure, can obviously improve the total harmonic distortion, is suitable for the mixed use of various new energy power generation systems, and has simple structure. The cascade connection of a plurality of multi-level inverter circuits is adopted, the output level number of the multi-level inverter circuits and the requirements of high-power application occasions are expanded, the power level is improved, the total harmonic distortion is obviously reduced, the reliability of the system is improved, and the number and the size of filter elements are reduced.)

一种交叉双PV源输入级联多电平逆变器电路

技术领域

本发明属于电力电子研究领域，具体涉及一种交叉双PV源输入级联多电平逆变器电路。

背景技术

近年来，多电平逆变器(MLIs)受到了众多学者的青睐，在工业领域也引起了广泛的关注。

MLIs的一系列优势归功于它本身所具有的特点：多电平的操作带来的总谐波畸变(THD)的减少以及更优秀的电磁兼容特性，而这些特点反过来又会作用于整个系统，使得整个系统的效率和稳定性都有所提升。与此同时，多电平逆变器的多电平操作可以降低开关器件上的应力，从而降低开关器件的开关损耗，优化整体的效率特性。而目前对于风力发电和光伏发电等新能源应用领域采用的多电平逆变器，采用单拓扑模块结构，无法适应风力发电和光伏发电等新能源发电系统的可靠性，而采用多拓扑结构，需要额外电容电路辅助，结构复杂，稳定性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种交叉双PV源输入级联多电平逆变器电路，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：

一种交叉双PV源输入级联多电平逆变器电路，包括第一开关管Qa、第二开关管Qb、第三开关管Qc、第四开关管Qd、第五开关管Q1、第六开关管Q2、第七开关管Q3、第八开关管Q4和第九开关管Q5；

第五开关管Q1的集电极c、第六开关管Q2的发射极e、第八开关管Q4的集电极c和第九开关管Q5的集电极c连接第二直流电源V_dc2的一个接电极；第七开关管Q3的集电极c、第三开关管Qc的发射极e和第四开关管Qd的发射极e连接第二直流电源V_dc2的另一个接电极；

第五开关管Q1的发射极e、第一开关管Qa的集电极c和第二开关管Qb的集电极c连接第一直流电源V_dc1的一个接电极；第六开关管Q2的集电极c和第七开关管Q3的发射极e连接第一直流电源V_dc1的另一个接电极；

第一开关管Qa的发射极e、第八开关管Q4的发射极e和第三开关管Qc的集电极c连接输出端正极；第二开关管Qb的发射极e、第九开关管Q5的的发射极e和第四开关管Qd的集电极c连接输出端负极。

进一步的，第一开关管Qa、第二开关管Qb、第三开关管Qc、第四开关管Qd、第五开关管Q1、第六开关管Q2和第七开关管Q3均为带阻尼二极管IGBT场效应管。

进一步的，第八开关管Q4和第九开关管Q5为N型IGBT场效应管。

进一步的，其中一个多电平逆变器电路的输出端负极与另一个多电平逆变器电路的输出端正极连接形成级联拓扑结构，其中一个多电平逆变器电路的输出端正极为级联拓扑结构的输出端正极，另一个多电平逆变器电路的输出端负极为级联拓扑结构的输出端负极。

进一步的，多个多电平逆变器的输出端负极与输出端正极依次连接形成多级级联拓扑结构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种交叉双PV源输入级联多电平逆变器电路，采用九个开关管连接形成交叉双PV源输入级联多电平逆变器电路拓扑结构，不需要额外电容，可以兼容多种新能源的同时接入，通过对单个拓扑结构的级联，可以得到高的输出电压和输出功率，同时总谐波畸变也会明显改善，适用于多种新能源发电系统的混合使用，结构简单。

进一步的，采用多个多电平逆变器电路级联，拓展了多电平逆变器电路的输出电平数目以及高功率应用场合的需求，在级联结构下，功率等级会有所提高，总谐波畸变会显著减小，增加了系统的可靠性和减小滤波元件的数目和体积。

附图说明

图1为本发明实施例中多电平逆变器电路图。

图2为本发明实施例中多电平逆变器电路不同开关工作模式示意图。

图3为本发明实施例中使用的正弦脉冲宽度调制以及对应的开关管门极驱动信号示意图。

图4为本发明实施例中两个多电平逆变器电路拓扑模块的级联结构。

图5为本发明实施例中两个多电平逆变器电路拓扑模块的级联结构下的控制策略。

图6为本发明实施例中逆变器的在MATLAB/SIMULINK软件中仿真的输出电压波形。

图7为本发明实施例中单个逆变器在电阻负载下仿真的输出电压和电流波形。

图8为本发明实施例中级联结构下仿真的电压波形。

图9为本发明实施例中级联结构下，考虑电阻负载的仿真电压，电流波形。

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，一种交叉双PV源输入级联多电平逆变器电路，包括第一开关管Qa、第二开关管Qb、第三开关管Qc、第四开关管Qd、第五开关管Q1、第六开关管Q2、第七开关管Q3、第八开关管Q4和第九开关管Q5；

第五开关管Q1的集电极c、第六开关管Q2的发射极e、第八开关管Q4的集电极c和第九开关管Q5的集电极c连接第二直流电源V_dc2的一个接电极；第七开关管Q3的集电极c、第三开关管Qc的发射极e和第四开关管Qd的发射极e连接第二直流电源V_dc2的另一个接电极；

第五开关管Q1的发射极e、第一开关管Qa的集电极c和第二开关管Qb的集电极c连接第一直流电源V_dc1的一个接电极；第六开关管Q2的集电极c和第七开关管Q3的发射极e连接第一直流电源V_dc1的另一个接电极；

第一开关管Qa的发射极e、第八开关管Q4的发射极e和第三开关管Qc的集电极c连接输出端正极；第二开关管Qb的发射极e、第九开关管Q5的的发射极e和第四开关管Qd的集电极c连接输出端负极。

第一开关管Qa、第二开关管Qb、第三开关管Qc、第四开关管Qd、第五开关管Q1、第六开关管Q2和第七开关管Q3均为带阻尼二极管IGBT场效应管；第八开关管Q4和第九开关管Q5为N型IGBT场效应管。

实施例：如图1所示，第一直流电源V_dc1为一个电平VDC输出，第二直流电源V_dc2为3个电平输出，即Vdc1＝Vdc,Vdc2＝3Vdc；第一开关管Qa、第二开关管Qb、第三开关管Qc、第四开关管Qd、第五开关管Q1、第六开关管Q2、第七开关管Q3、第八开关管Q4和第九开关管Q5组成9开关-9电平-交叉双PV源输入非隔离型级联多电平逆变器电路，两个不同的PV源(能源)接入可以兼容多种不同种类的新能源，同时，不同的新能源输入可以得到不同的输出电平。两个输入的直流电源连接两个不同的可再生能源，如图2所示，为该多电平逆变器电路不同的开关模式以及开关模式对应的输出电平高低。

图2(a)、图2(b)所示，第一开关管Qa和第二开关管Qb同时开启或者第三开关管Qc和第四开关管Qd同时开启，该多电平逆变器电路输出为0；多电平逆变器电路的输出被第一开关管Qa和第二开关管Qb同时开启短路，或者被第三开关管Qc和第四开关管Qd同时开启短路。

图2(c)所示，第一开关管Qa、第七开关管Q3和第四开关管Qd同时开启，其他开关管同时关闭，此时多电平逆变器电路输出为+Vdc；

图2(d)所示，第七开关管Q3、第二开关管Qb和第三开关管Qc同时开启，其他开关管同时关闭，此时多电平逆变器电路输出为-Vdc；

图2(e)所示，第七开关管Q3、第八开关管Q4和第二开关管Qb同时开启，其他开关管同时关闭，此时多电平逆变器电路输出为+2Vdc；

图2(f)所示，第七开关管Q3、第九开关管Q5和第一开关管Qa同时开启，其他开关管同时关闭，此时多电平逆变器电路输出为-2Vdc；

图2(g)所示，第一开关管Qa、第五开关管Q1和第四开关管Qd同时开启，其他开关管同时关闭，此时多电平逆变器电路输出为+3Vdc；

图2(h)所示，第五开关管Q1、第二开关管Qb和第三开关管Qc同时开启，其他开关管同时关闭，此时多电平逆变器电路输出为-3Vdc；

图2(i)所示，第六开关管Q2、第一开关管Qa和第四开关管Qd同时开启，其他开关管同时关闭，此时多电平逆变器电路输出为+4Vdc；

图2(j)所示，第六开关管Q2、第三开关管Qc和第二开关管Qb同时开启，其他开关管同时关闭，此时多电平逆变器电路输出为-4Vdc。

运用这样的开关策略，能输出九个不同的电平，即±4Vdc、±3Vdc、±2Vdc、±Vdc和0电平。

本申请对多电平逆变器电路采用正弦脉宽调制(SPWM)控制技术来产生开关控制脉冲。SPWM需要4个载波参考信号为Vcr1～Vcr4，如图3所示。载波信号与参考信号之间的交点产生主要的开关函数(FA～FD)，用于根据控制方案合成相应的输出电压。一系列交叉点产生14个不同的运行周期(p1～p14)，代表所述输出功率的不同电平轨迹；通过简单的逻辑运算，得到了开关脉冲和其工作周期。具体控制逻辑如下：

1)

S₂＝(P₄|P₁₁)&F₄

2)

7)

S_c＝(P₁₀|P₁₁|P₁₂)|(P₈|P₁₄)&F₁

8)

相关的参考信号、载波信号波形、主要开关函数以及一个完整周期的开关脉冲如图3所示。

多个上述多电平逆变器电路的级联使用，能够提高输出的电压等级和功率等级。以下部分将以两级级联为例说明级联结构的使用以及其优势，连接结构如图4所示，V₁₁和V₁₂分别为第一多电平逆变器电路Uint1的第一直流电源和第二直流电源；V₂₁和V₂₂分别为第二多电平逆变器电路Uint2的第一直流电源和第二直流电源；第一多电平逆变器电路Uint1的输出端负极与第二多电平逆变器电路Uint2的输出端正极连接，第一多电平逆变器电路Uint1的输出端正极与第二多电平逆变器电路Uint2的输出端负极之间连接负载RL。在图4所示的结构中，下单元(第二多电平逆变器电路Uint2)使用基频输出，因此下单元(第二多电平逆变器电路Uint2)产生的输出电压将九电平的阶梯状电压，与此同时上单元(第一多电平逆变器电路Uint1)采用更高的开关频率，控制策略如图5所示，在下单元Unit2的每一个电平输出时间段内，上单元Unit1会改变八个不同的输出电平并且叠加到下单元Unit2的输出电压上,使得输出电压更加接近理想正弦。当使用不对称的输入源作为级联装置的输入时(如V21＝7V11,V22＝7V12)，总输出电压电平为73电平，当使用三个级联装置时，输出电压电平可显著提高至649电平。

为了证明所发明的9开关-9电平-交叉双PV源输入非隔离型级联多电平逆变器拓扑结构的有效性，使用MATLAB/SIMULINK软件对9开关-9电平-交叉双PV源输入非隔离型级联多电平逆变器进行了仿真分析。首先对单个拓扑结构进行了验证，仿真中采用R-L负载，单个拓扑的电压波形以及电压电流时域波形分别如图6和图7中所示，单个拓扑结构的输出特性符合预期。在单级拓扑结构的基础上进行两级级联结构的仿真。图8所示为两级级联结构中上，下两个单元的电压输出波形和幅值以及叠加后的结果，图9所示为负载侧的输出电压和输出电流波形，可以观察到，输出电压的平滑度有明显改善，仿真结果符合预期目标，验证了所发明的9开关-9电平-交叉双PV源输入非隔离型级联多电平逆变器拓扑结构的有效性。