阅读说明：本技术 一种混合t型多电平逆变装置及其控制方法 (Hybrid T-type multi-level inverter and control method thereof ) 是由 王要强 库若含 梁军 王明东 董亮辉 陈根永 袁艺森 王昌龙 于 2019-08-14 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种混合T型多电平逆变装置及其控制方法,所述逆变装置中：电容组串与直流电压源V<Sub>dc</Sub>并联连接；电容组串的中心点与反串桥臂Ⅰ的一端相连,反串桥臂Ⅰ的另一端分别与中间桥臂的第一连接端、反串桥臂Ⅱ的一端以及反串桥臂Ⅲ的一端相连,构成T型桥臂；反串桥臂Ⅰ、反串桥臂Ⅱ、反串桥臂Ⅲ、中间桥臂和分压电容构成开关电容单元；正串桥臂与分压电容并联连接；正串桥臂的中心点和电容组串的中心点,作为该混合T型多电平逆变装置的交流电压输出端。本发明有效解决了开关电容多电平逆变器中输出电压增高导致的开关管承受电压应力过大的技术问题,使得本发明适用于高压大功率场合,扩展了逆变器的应用范围。(the invention provides a mixed T-type multi-level inverter and a control method thereof, wherein the inverter comprises the following components: capacitor series and DC voltage source V dc Are connected in parallel; the center point of the capacitor bank string is connected with one end of a reverse-string bridge arm I, and the other end of the reverse-string bridge arm I is connected with a first connecting end of a middle bridge arm, one end of a reverse-string bridge arm II and one end of a reverse-string bridge arm III respectively to form a T-shaped bridge arm; the anti-series bridge arm I, the anti-series bridge arm II, the anti-series bridge arm III, the middle bridge arm and the voltage-dividing capacitor form a switched capacitor unit; the positive series bridge arm is connected with the voltage-dividing capacitor in parallel; and the central point of the positive series bridge arm and the central point of the capacitor group string are used as alternating current voltage output ends of the hybrid T-shaped multi-level inverter. The invention effectively solves the technical problem that the output voltage in the switched capacitor multi-level inverter is increased to cause overlarge voltage stress of the switch tube, so that the invention is suitable for high-voltage and high-power occasions and expands the application range of the inverter.)

一种混合T型多电平逆变装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及电能变换与新能源发电、分布式并网发电和高压大工况领域，具体的说，涉及了一种混合T型多电平逆变装置及其控制方法。

背景技术

随着环境污染日益严重，清洁可再生能源的应用备受关注，光伏发电、风力发电和电动汽车等领域的研究也逐渐增多，逆变器作为其中的核心也成为研究的重点。多电平逆变技术克服了传统逆变器输出谐波含量高、电压应力大的缺点，在生产生活中得到广泛应用。传统的多电平逆变器主要有二极管钳位型、飞跨电容型和级联型。其中，二极管钳位型和飞跨电容型多电平逆变器分别通过二极管和电容进行钳位，实现多电平输出；但是，存在二极管和电容的数量过多、结构复杂、控制难度较高的问题。

级联型逆变器通过串联H桥结构输出更多的电平，但是，存在开关器件、输入源过多和应用成本高的问题；且随着输出电平的增加，H桥结构的桥臂承受的电压应力也逐渐增大；也就是说，为实现多电平输出，桥臂承受了过大的电压应力。

T型多电平逆变器具有开关器件少、结构简单的优点，也是近些年多电平逆变器的一个研究方向。但是，T型多电平逆变器输出电平数不高，输出电压谐波含量较高。开关电容结构利用开关器件和电容的组合，可以在单个输入电源的情况下提高输出电压的增益和电平数，具有效率高、体积小、稳压范围宽等优点。

目前，现有技术中的开关电容多电平逆变器，但是开关器件上所承受的最大电压应力随着输出电压增益的提高而升高，一定程度上限制了其应用范围。因此，如何实现低输入高输出、多电平数以及低电压应力在逆变器拓扑的选择与设计过程中十分关键。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种混合T型多电平逆变装置及其控制方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明第一方面提供一种混合T型多电平逆变装置，设置在直流电压源V_dc与负载之间，其特征在于：包括电容组串、反串桥臂Ⅰ、反串桥臂Ⅱ、反串桥臂Ⅲ、中间桥臂、分压电容和正串桥臂；

所述电容组串与所述直流电压源V_dc并联连接；

所述电容组串的中心点与所述反串桥臂Ⅰ的一端相连，所述反串桥臂Ⅰ的另一端分别与所述中间桥臂的第一连接端、所述反串桥臂Ⅱ的一端以及所述反串桥臂Ⅲ的一端相连，构成T型桥臂；

所述反串桥臂Ⅰ、所述反串桥臂Ⅱ、所述反串桥臂Ⅲ、所述中间桥臂和所述分压电容构成开关电容单元；

其中，所述中间桥臂的第二连接端与所述电容组串的一端相连，所述中间桥臂的第三连接端分别与所述分压电容的一端以及所述正串桥臂的一端相连；所述反串桥臂Ⅱ的另一端与所述电容组串的另一端相连，所述反串桥臂Ⅲ的另一端分别与所述分压电容的另一端以及所述正串桥臂的另一端相连；

所述正串桥臂与所述分压电容并联连接；

所述正串桥臂的中心点和所述电容组串的中心点，作为该混合T型多电平逆变装置的交流电压输出端。

本发明第二方面提供一种混合T型多电平逆变装置的控制方法，应用于上述的混合T型多电平逆变装置，所述控制方法设置七种工作模态：工作模态Ⅰ、工作模态Ⅱ、工作模态Ⅲ、工作模态Ⅳ、工作模态Ⅴ、工作模态Ⅵ和工作模态Ⅶ。

进一步地，工作模态Ⅰ

设置：所述开关电容单元的开关管S₁、开关管S₂、开关管S₅和开关管S₉导通，所述正串桥臂的开关管S₁₀导通，其余开关管关断；

工作模态Ⅱ

设置：所述开关电容单元的开关管S₃、开关管S₄、开关管S₅和开关管S₉导通，所述正串桥臂的开关管S₁₀导通，其余开关管关断；

工作模态Ⅲ

设置：所述开关电容单元的开关管S₁、开关管S₂、开关管S₆、开关管S₇、开关管S₈和开关管S₉导通，所述正串桥臂的开关管S₁₀导通，其余开关管关断；

工作模态Ⅳ

设置：所述开关电容单元的开关管S₃、开关管S₄、开关管S₅和开关管S₉导通，所述正串桥臂的开关管S₁₁导通，其余开关管关断；

工作模态Ⅴ

设置：所述开关电容单元的开关管S₁、开关管S₂、开关管S₇和开关管S₈导通，所述正串桥臂的开关管S₁₁导通，其余开关管关断；

工作模态Ⅵ

设置：所述开关电容单元的开关管S₃、开关管S₄、开关管S₇和开关管S₈导通，所述正串桥臂的开关管S₁₁导通，其余开关管关断；

工作模态Ⅶ

设置：所述开关电容单元的开关管S₅、开关管S₆、开关管S₇和开关管S₈导通，所述正串桥臂的开关管S₁₁导通，其余开关管关断。

本发明第三方面提供一种可拓展的混合T型多电平逆变装置，该混合T型多电平逆变装置还包括多个开关电容单元，所述开关电容单元并联连接在所述分压电容与所述正串桥臂的两端。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说：

1）本发明提供了一种混合T型多电平逆变装置及其控制方法，设置七种工作模态，处于工作模态Ⅰ、工作模态Ⅱ、工作模态Ⅵ和工作模态Ⅶ时，该混合T型多电平逆变装置的拓扑结构中开关管的最大电压应力均等于直流侧输入电压；处于工作模态Ⅳ时，该混合T型多电平逆变装置的拓扑结构中开关管的最大电压应力等于零；处于工作模态Ⅲ和工作模态Ⅴ时，该混合T型多电平逆变装置的拓扑结构中开关管的最大电压应力均等于直流侧输入电压的一半；在七种工作模态下，随着输出电压的提高，该混合T型多电平逆变装置的拓扑结构中开关管的最大电压应力并不随电压增益的增加而变大，开关管的最大电压应力均不超过直流侧输入电压；

因此，本发明有效解决了开关电容多电平逆变器中输出电压增高导致开关管承受的电压应力过大的技术问题，使得本发明适用于高压大功率场合，扩展了逆变器的应用范围；

该混合T型多电平逆变装置无需H桥就可实现拓扑电路中正负极性的改变；T型结构使得逆变器具备更多电平的输出能力，实现了多电平输出并降低了输出电压的谐波含量；该逆变装置具有结构简单、易于调制、低输入高输出、电平数多以及电压应力低的优点；

2）本发明还提供一种可拓展的混合T型多电平逆变装置，该混合T型多电平逆变装置还包括多个开关电容单元，所述开关电容单元并联连接所述开关电容单元与所述正串桥臂之间，该混合T型多电平逆变装置的拓扑结构具有较强的扩展的能力，提高了输出电压增益；随着电压增益的提高，该混合T型多电平逆变装置的拓扑结构中开关管的最大电压应力并不随电压增益的增加而变大，开关管的最大电压应力不超过直流侧输入电压；

因此，本发明中开关管电压应力低，能够有效解决高压大功率场合开关电容多电平逆变器中开关管电压应力较大的问题，适用于新能源发电、分布式发电系统并网控制和高压大功率工况。

附图说明

图1是本发明的结构示意框图。

图2是本发明的逆变器拓扑结构图。

图3至图9是本发明的七种工作模态的电路原理图。

图10是本发明的逆变拓扑工作模态的调制方法原理图。

图11为采用本发明的逆变器的输出电压、输出电流的仿真波形。

图12为电容电压的仿真波形。

图13和图14为开关管电压波形图。

图15是本发明的扩展结构图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

一种混合T型多电平逆变装置，设置在直流电压源V_dc与负载之间，如附图1所示，它包括电容组串、反串桥臂Ⅰ、反串桥臂Ⅱ、反串桥臂Ⅲ、中间桥臂、分压电容和正串桥臂；所述电容组串与所述直流电压源V_dc并联连接；所述电容组串的中心点与所述反串桥臂Ⅰ的一端相连，所述反串桥臂Ⅰ的另一端分别与所述中间桥臂的第一连接端、所述反串桥臂Ⅱ的一端以及所述反串桥臂Ⅲ的一端相连，构成T型桥臂；所述反串桥臂Ⅰ、所述反串桥臂Ⅱ、所述反串桥臂Ⅲ、所述中间桥臂和所述分压电容构成开关电容单元；其中，所述中间桥臂的第二连接端与所述电容组串的一端相连，所述中间桥臂的第三连接端分别与所述分压电容的一端以及所述正串桥臂的一端相连；所述反串桥臂Ⅱ的另一端与所述电容组串的另一端相连，所述反串桥臂Ⅲ的另一端分别与所述分压电容的另一端以及所述正串桥臂的另一端相连；所述正串桥臂与所述分压电容并联连接；所述正串桥臂的中心点和所述电容组串的中心点，作为该混合T型多电平逆变装置的交流电压输出端。

在本实施例给出的混合T型多电平逆变装置的基础上，本实施例还给出了一种该混合T型多电平逆变装置的控制方法，所述控制方法设置七种工作模态：工作模态Ⅰ、工作模态Ⅱ、工作模态Ⅲ、工作模态Ⅳ、工作模态Ⅴ、工作模态Ⅵ和工作模态Ⅶ；在七种工作模态下，随着输出电压的提高，该混合T型多电平逆变装置的拓扑结构中开关管的最大电压应力并不随输出电压的增加而变大，开关管的最大电压应力始终均不超过直流侧输入电压。

本实施例还给出了该混合T型多电平逆变装置的拓展结构，如附图15所示，设置m（m=1,2，……）个开关电容单元，所述控制方法对应设置4n-5（n=3,4，……）种工作模态；其中，n-m=2；随着电路结构的拓展，该逆变装置中开关管所承受的最大电压应力也不超过V_dc。

需要说明的是，通过扩展所述开关电容单元实现该混合T型多电平逆变装置的扩展，其中，所述开关电容单元中在扩展时无需开关管S₃和开关管S₄，其余开关管和电容组成的开关电容单元与上一个开关电容单元并联。理论上该逆变装置拓扑结构具有扩展到多个电容支路的能力，此时输出电压增益为(2n-3)/2V_dc，输出电平数达到4n-5，分别为0、±1/2V_dc、±V_dc、…、± (2n-3) /2V_dc，其中，n≥3。

因此，本发明有效解决了开关电容多电平逆变器中输出电压增高导致开关管承受的电压应力过大的技术问题；随着输出电压的提高，该混合T型多电平逆变装置的拓扑结构中开关管的最大电压应力并不随输出电压的增加而变大，开关管承受的最大电压应力始终不超过直流侧输入电压，使得本发明适用于高压大功率场合，扩展了逆变器的应用范围。

实施例2

如附图2所示，本实施例对该混合T型多电平逆变装置的拓扑结构进行了详细说明。

本实施例给出了一种电容组串的具体实施方式，所述电容组串包括顺向串联的等值电容C₁和等值电容C₂，所述等值电容C₁的阳极连接所述直流电压源V_dc的正极，所述等值电容C₂的阴极连接所述直流电压源V_dc的负极，所述等值电容C₁的阴极和所述等值电容C₂的阳极分别连接所述负载的一端。

本实施例还给出了一种正串桥臂的具体实施方式，所述正串桥臂作为变向单元，包括顺向串联的开关管S₁₀和开关管S₁₁，所述开关管S₁₀的负端和开关管S₁₁的正端分别连接所述负载的另一端。

本实施例还给出了一种开关电容单元的具体实施方式，所述反串桥臂Ⅰ包括开关管S₃和开关管S₄，所述反串桥臂Ⅱ包括开关管S₁和开关管S₂，所述反串桥臂Ⅲ包括开关管S₇和开关管S₈，所述中间桥臂包括开关管S₅、开关管S₆和开关管S₉，所述分压电容为电容C₃；其中，所述开关管S₁的正端分别连接所述电容组串的等值电容C₂的阴极和所述直流电压源V_dc的负极，所述开关管S₁的负端连接所述开关管S₂的负端；所述开关管S₂的正端分别连接所述开关管S₄的正端、所述开关管S₅的负端和所述开关管S₇的正端；所述开关管S₃的正端分别连接所述电容组串的等值电容C₁的阴极和等值电容C₂的阳极，所述开关管S₃的负端连接所述开关管S₄的负端；所述开关管S₄的正端分别连接所述开关管S₅的负端和所述开关管S₇的正端；所述开关管S₅的正端分别连接所述开关管S₆的负端和开关管S₉的负端，所述开关管S₅的负端连接所述开关管S₇的正端；所述开关管S₆的正端分别连接所述直流电压源V_dc的正极和所述电容组串的等值电容C₁的阳极，所述开关管S₆的负端连接所述开关管S₉的负端；所述开关管S₇的负端连接所述开关管S₈的负端；所述开关管S₈的正端分别连接所述电容C₃的阴极和所述正串桥臂的开关管S₁₀的负端；所述开关管S₉的正端分别连接所述电容C₃的阳极和所述正串桥臂的开关管S₁₁的正端。

在本实施例的混合T型多电平逆变装置拓扑结构的基础上，本实施例对该混合T型多电平逆变装置的控制方法进行了详细说明。所述控制方法设置七种工作模态：处于工作模态Ⅰ时输出电平为+3/2V_dc，处于工作模态Ⅱ时输出电平为+V_dc，处于工作模态Ⅲ时输出电平为+1/2V_dc，处于工作模态Ⅳ时输出电平为0，处于工作模态Ⅴ时输出电平为-1/2V_dc，处于工作模态Ⅵ时输出电平为-Vdc，以及处于工作模态Ⅶ时输出电平为+3/2Vdc。

具体的：

（1）工作模态Ⅰ：如附图3所示，调节各个开关管的驱动信号，设置，所述开关电容单元的开关管S₁、开关管S₂、开关管S₅和开关管S₉导通，所述正串桥臂的开关管S₁₀导通，其余开关管关断；以使该混合T型多电平逆变装置输出电平为+3/2V_dc；

在工作模态Ⅰ下，所述直流侧电压源、所述开关管S₁、所述开关管S₂、所述开关管S₅、所述开关管S₉、所述开关管S₁₀、所述电容C₂和所述电容C₃与所述负载构成工作回路；此时开关管承受的最大电压应力为V_dc；

（2）工作模态Ⅱ：如附图4所示，调节各个开关管的驱动信号，设置，所述开关电容单元的开关管S₃、开关管S₄、开关管S₅和开关管S₉导通，所述正串桥臂的开关管S₁₀导通，其余开关管关断；以使该混合T型多电平逆变装置输出电平为+V_dc；

在工作模态Ⅱ下，所述直流侧电压源、所述开关管S3、所述开关管S4、所述开关管S5、所述开关管S9、所述开关管S10、所述电容C3和所述负载构成工作回路；此时开关管承受的最大电压应力为V_dc；

（3）工作模态Ⅲ：如附图5所示，调节各个开关管的驱动信号，设置，所述开关电容单元的开关管S₁、所述开关管S₂、所述开关管S₆、所述开关管S₇、所述开关管S₈和所述开关管S₉导通，所述正串桥臂的开关管S₁₀导通，其余开关管关断；以使该混合T型多电平逆变装置输出电平为+1/2V_dc；

在工作模态Ⅲ下，所述直流侧电压源、所述开关管S₁、所述开关管S₂、所述开关管S₆、所述开关管S₇、所述开关管S₈、所述开关管S₉、所述开关管S₁₀、所述电容C₂和负载构成回路工作；此时开关管承受的最大电压应力为1/2V_dc；

（4）工作模态Ⅳ：如附图6所示，调节各个开关管的驱动信号，设置，所述开关电容单元的开关管S₃、开关管S₄、开关管S₅和开关管S₉导通，所述正串桥臂的开关管S₁₁导通，其余开关管关断；以使该混合T型多电平逆变装置输出电平为0；

在工作模态Ⅳ下，所述直流侧电压源、所述开关管S₃、所述开关管S₄、所述开关管S₅、所述开关管S₉、所述开关管S₁₁和所述负载构成工作回路；此时开关管承受的最大电压应力为0；

（5）工作模态Ⅴ：如附图7所示，调节各个开关管的驱动信号，设置，所述开关电容单元的开关管S₁、开关管S₂、开关管S₇和开关管S₈导通，所述正串桥臂的开关管S₁₁导通，其余开关管关断；以使该混合T型多电平逆变装置输出电平为-1/2V_dc；

在工作模态Ⅴ下，所述直流侧电压源、所述开关管S₁、所述开关管S₂、所述开关管S₇、所述开关管S₈、所述开关管S₁₁、所述电容C₁和负载构成回路工作；此时开关管承受的最大电压应力为1/2V_dc；

（6）工作模态Ⅵ：如附图8所示，调节各个开关管的驱动信号，设置，所述开关电容单元的开关管S₃、开关管S₄、开关管S₇和开关管S₈导通，所述正串桥臂的开关管S₁₁导通，其余开关管关断；以使该混合T型多电平逆变装置输出电平为-V_dc；

在工作模态Ⅵ下，所述直流侧电压源、所述开关管S₃、所述开关管S₄、所述开关管S₇、所述开关管S₈、所述开关管S₁₁、所述电容C3和负载构成工作回路；此时开关管承受的最大电压应力为V_dc；

（7）工作模态Ⅶ：如附图9所示，调节各个开关管的驱动信号，设置，所述开关电容单元的开关管S₅、开关管S₆、开关管S₇和开关管S₈导通，所述正串桥臂的开关管S₁₁导通，其余开关管关断；以使该混合T型多电平逆变装置输出电平为-3/2V_dc；

在工作模态Ⅶ下，所述直流侧电压源、所述开关管S₅、所述开关管S₆、所述开关管S₇和所述开关管S₈、所述开关管S₁₁、所述电容C₁和所述电容C₃与负载构成回路工作；此时开关管承受的最大电压应力为V_dc。

可以理解，该混合T型多电平逆变装置处于工作模态Ⅰ、工作模态Ⅱ、工作模态Ⅵ和工作模态Ⅶ时，该混合T型多电平逆变装置的拓扑结构中开关管的最大电压应力均等于直流侧输入电压；该混合T型多电平逆变装置处于工作模态Ⅳ时，该混合T型多电平逆变装置的拓扑结构中开关管的最大电压应力等于零；该混合T型多电平逆变装置处于工作模态Ⅲ和工作模态Ⅴ时，该混合T型多电平逆变装置的拓扑结构中开关管的最大电压应力均等于直流侧输入电压的一半；因此，在七种工作模态下，该混合T型多电平逆变装置的拓扑结构中开关管的最大电压应力均不超过直流侧输入电压，从而解决了开关电容多电平逆变器输出电压增高导致开关管承受的电压应力过大的问题；使得本发明适用于高压大功率场合。

在实施例1的双输入光伏并网多电平逆变装置及其控制方法的基础上，如附图10所示，本实施例还给出了获得各个开关器件的驱动信号的具体实施方式。各个开关管的驱动信号的表达式为：

其中，三角载波u_a1~u_a6的幅值为0~1；调制波U_ref的幅值在-1~1；当调制波大于三角波时，输出为1；当调制波小于三角波时，输出为0。通过比较调制波U_ref与六个三角载波u_a1~u_a6获得逻辑信号u₁~u₆；将逻辑信号u₁~u₆经过逻辑组合后，输出得到各个开关管的驱动信号，根据所述驱动信号驱动相应开关管动作。

综上所述，相比现有技术上，该混合T型多电平逆变装置有效解决了开关电容多电平逆变器输出电压增高导致开关管承受的电压应力过大的技术问题；拓扑结构中开关管的最大电压应力不超过直流侧输入电压，使得本发明适用于高压大功率场合；无需H桥就可实现拓扑电路中正负极性的改变，实现多电平输出；T型结构使得逆变器具备更多电平的输出能力，输出电压谐波含量低；该逆变装置的结构简单，易于调制；适用于新能源发电、分布式发电系统并网控制和高压大功率工况。

实施例3

本实施例通过仿真对该混合T型多电平逆变装置及其控制方法进行了验证。设置：直流输入电压为30V，负载50Ω-100mH，电容为2200μF，开关频率为2kHz。

根据上述控制方法对该混合T型多电平逆变装置进行调制，如附图11所示，本实施例给出了该混合T型多电平逆变装置的输出电压v_out和输出电流i_out的仿真波形，输出电压和输出电流的纹波均稳定，且满足逆变器工作的条件；该混合T型多电平逆变装置能够输出正确的目标波形，负载电流为平滑的正弦波形，验证了该混合T型多电平逆变装置及其控制方法的正确性。

如附图12所示，本实施例给出了该混合T型多电平逆变装置的电容的纹波的仿真波形, 电容C₁、电容C₂和电容C₃的纹波波动小，满足逆变器工作要求；再次验证了该混合T型多电平逆变装置及其控制方法的正确性。

如附图13和图14所示，本实施例给出了该混合T型多电平逆变装置的开关管S₁至开关管S₁₁的电压仿真波形，各个开关管在逆变器工作时所承受的最大电压应力为30V，而直流输入电压为30V；再次验证了，本发明有效解决了高压大功率场合开关管承受过大电压应力的技术问题，具有低输入高输出、多电平数以及低电压应力的优点。

本实施中，该混合T型多电平逆变装置及其控制方法能够实现输出电压波形为七电平，电容纹波波动较小逆变器工作稳定；并且，该混合T型多电平逆变装置中各个开关管所承受的最大电压应力不超过直流侧输入电压，证明了本发明开关管所承受的电压应力低，扩大了该逆变器的应用范围。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。