一种多电平逆变器及逆变控制方法与流程

本发明涉及逆变器领域，尤其是一种多电平逆变器及逆变控制方法。

背景技术：

1、当前，多电平逆变器（mli）因其能够产生低总谐波失真（thd）的近正弦输出电压、降低功率器件的电压应力以及减小输出滤波器尺寸，在中高压大功率应用，如电力驱动、电网接口、电动汽车等中得到了广泛应用。传统方案通常采用级联h桥或中点钳位型结构，但往往需要大量的独立直流电源或复杂的电容电压平衡电路。在众多mli拓扑中，开关电容多电平逆变器（sc-mli）近年来备受关注，这类逆变器利用电容的充放电特性来实现电压的自平衡和升压功能，从而减少了对多个隔离直流电源的需求。

2、然而现有的多电平逆变器技术在实际工程应用中仍面临诸多显著的局限性。首先，以级联h桥、中性点钳位和飞跨电容型为代表的传统拓扑方案，由于其电平生成机理的限制，通常需要大量的功率开关器件、钳位二极管以及储能电容器，例如七电平npc逆变器至少需要12个开关管及配套的二极管与电容，这不仅导致系统硬件体积庞大、制造成本居高不下，同时也使得门极驱动电路的设计与整体控制逻辑复杂。其次，现有技术的电压增益能力普遍受限，传统结构的升压比通常较低（往往小于1.5倍），甚至部分现有的开关电容拓扑也仅能实现二倍升压，导致在针对光伏等低压直流源的应用场景中，为了获得满足并网要求的交流输出电压，往往被迫引入多级前置升压电路或增加额外的独立直流电源，这种级联结构不可避免地降低了系统的整体转换效率并限制了其在高压场景下的适用性。

技术实现思路

1、因此，本发明所要解决的技术问题在于：现有逆变器拓扑存在器件数量多、控制复杂、需要多个独立直流源或复杂均压电路的问题。

2、上述技术问题通过如下技术方案进行解决：本发明提出一种多电平逆变器，其包括，

3、主电路模块，其包括储能单元和开关单元；

4、所述储能单元与直流输入电源连接，用于在充电子模态下提升所述直流输入电源的电压，在放电子模态下输出多个不同幅度的直流电压；

5、所述开关单元连接在储能单元的输出端与负载之间，用于将多个不同幅度的直流电压以正极性或负极性交替施加于负载，以在负载上形成多电平交流阶梯波；

6、控制电路模块，包括信号采集运算单元和驱动输出单元，所述信号采集运算单元采集负载的输出电压和输出电流并与参考电压进行运算生成调制信号；所述驱动输出单元根据调制信号产生开关控制信号并输出至所述开关单元；

7、具体的，所述储能单元在充电子模态下接收所述直流输入电源的电能并提升其电压，在放电子模态下将储存的电能以多个不同幅度的直流电压形式输出；所述开关单元将多个不同幅度的直流电压以正极性或负极性交替施加于负载，从而在所述负载上形成多电平交流阶梯波；在此过程中所述控制电路模块通过信号采集运算单元实时采集负载的输出电压和输出电流并与参考电压进行运算，生成调制信号并输出至驱动输出单元，驱动输出单元根据调制信号产生开关控制信号输出至所述开关单元，由此实现对主电路模块的闭环控制；该架构通过储能单元与开关单元的协同工作，以较少的功率器件实现了多电平交流输出，有效降低了电压谐波含量并减少了功率器件的电压应力，同时提高了系统在不同负载条件下的动态响应能力。

8、在本发明所述多电平逆变器的一种优选实施方式中：所述储能单元包括第一储能电容和第二储能电容；

9、具体的，通过对所述第一储能电容和所述第二储能电容的充放电状态进行时序控制，所述储能单元能够在充电子模态下利用电容的并联充电特性提升直流输入电源的电压，并在放电子模态下利用电容的串联放电特性输出多个不同幅度的直流电压；该双电容结构仅需两个储能电容即可实现电压的提升与多电平输出，相比传统多电平逆变器需要大量储能电容的拓扑结构，本发明减少了储能元件的数量，降低了系统体积和制造成本，同时简化了电容电压平衡控制的复杂度。

10、在本发明所述多电平逆变器的一种优选实施方式中：所述开关单元包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关以及第六开关；

11、所述第一开关与所述第二开关串联连接后整体与所述第一储能电容并联，所述第一开关的一端连接所述直流输入电源的正极，所述第一开关的另一端与所述第二开关的一端共接于第一节点，所述第二开关的另一端连接所述直流输入电源的负极，所述第一储能电容连接在所述第一节点与所述第二开关的另一端之间；

12、所述第三开关的一端连接所述第一储能电容的负极，所述第三开关的另一端与所述第四开关的一端共接于第二节点，所述第四开关的另一端连接所述第二储能电容的正极，所述第二储能电容的负极连接所述直流输入电源的负极；

13、所述第五开关连接在所述第二节点与所述第二储能电容的正极之间；所述第六开关连接在所述第二储能电容的负极与所述负载的第一端之间；

14、具体的，所述第一开关、第二开关与第一储能电容构成第一充放电路径，当所述第一开关导通、所述第二开关截止时，所述直流输入电源通过第一开关为第一储能电容充电；当所述第一开关截止、所述第二开关导通时，第一储能电容通过第二开关与直流输入电源串联叠加输出；所述第三开关作为第一储能电容的放电回路控制开关，在第一储能电容需要放电时提供导通路径；

15、所述第四开关、第五开关与第二储能电容构成第二充放电路径，第四开关控制第二储能电容的正极接入、第五开关控制第二储能电容的负极接入，第六开关作为第二储能电容的放电回路控制开关；

16、通过第一开关至第六开关的导通与截止组合，所述储能单元能够切换至不同的充放电模态，实现在不同时刻输出不同幅值的直流电压，其中所述第一储能电容可通过所述第二开关与所述直流输入电源串联叠加，所述第二储能电容可通过所述第五开关与所述直流输入电源及所述第一储能电容进一步串联叠加，以实现电压增益的提升；该开关配置以六个开关管实现了对两个储能电容的独立充放电控制，在保证控制灵活性的同时减少了功率器件的数量，降低了导通损耗和开关损耗，进而提高了系统的整体变换效率。

17、在本发明所述多电平逆变器的一种优选实施方式中：所述开关单元还包括第七开关、第八开关、第九开关以及第十开关；

18、所述第七开关连接在所述第二节点与所述负载的第二端之间；

19、所述第八开关连接在所述直流输入电源的负极与所述负载的第一端之间；

20、所述第九开关连接在所述负载的第二端与所述直流输入电源的负极之间；

21、所述第十开关连接在所述负载的第一端与所述直流输入电源的正极之间；

22、具体的，所述第二节点即为所述储能单元的输出端。当第七开关和第十开关导通、第八开关和第九开关截止时，所述负载的第一端接入所述第二节点、第二端接入所述直流输入电源的负极，负载承受正向电压；当第八开关和第九开关导通、第七开关和第十开关截止时，所述负载的第一端接入所述直流输入电源的负极、第二端接入所述第二节点，负载承受反向电压；由此实现输出至负载的电压极性的灵活切换；该换向结构与第一开关至第六开关构成的前级升压网络相配合，使前级输出的正电压通过极性切换后可在负载上形成对称的正负多电平阶梯波，从而以最少的换向开关实现了交流电的输出，在确保输出波形质量的同时降低了换向过程的开关损耗。

23、在本发明所述多电平逆变器的一种优选实施方式中：所述开关单元通过九个工作模态在所述负载上形成九个阶梯电平：

24、第一模态，所述第二开关、所述第四开关、所述第六开关、所述第九开关和所述第十开关导通，输出电压为0；

25、第二模态至第五模态，所述第七开关和所述第十开关共同导通，其余开关按以下组合依次导通：所述第一开关、所述第三开关和所述第四开关，输出+1vdc；所述第二开关、所述第四开关和所述第六开关，输出+2vdc；所述第一开关、所述第三开关和所述第五开关，输出+3vdc；所述第二开关和所述第五开关，输出+4vdc；

26、第六模态至第九模态下，所述第八开关和所述第九开关共同导通，其余开关按以下组合依次导通：所述第一开关、所述第三开关和所述第四开关，输出-1vdc；所述第二开关、所述第四开关和所述第六开关，输出-2vdc；所述第一开关、所述第三开关和所述第五开关，输出-3vdc；所述第二开关和所述第五开关，输出-4vdc；

27、具体的，第一模态为起始模态，在该模态下所述第二开关、第四开关、第六开关、第九开关和第十开关导通，此时所述第一储能电容通过所述第二开关与所述直流输入电源串联连接，二者叠加后为第二储能电容充电，负载两端被短接，输出电压为0；第二模态至第五模态为正半周电平输出阶段，第七开关和第十开关共同导通将正极性电压施加于负载，并通过依次切换第一开关至第六开关的不同导通组合，使负载上依次建立+1vdc、+2vdc、+3vdc和+4vdc的阶梯电平；第六模态至第九模态为负半周电平输出阶段，第八开关和第九开关共同导通将负极性电压施加于负载，并通过与正半周对称的开关切换组合，使负载上依次建立-1vdc、-2vdc、-3vdc和-4vdc的阶梯电平；该九个电平按照正弦波的变化规律依次排列，相邻电平之间的电压差恒定为1vdc，使得输出波形更加逼近正弦波，显著降低了输出电压的总谐波畸变率，有利于减少输出滤波器的体积和成本。

28、在本发明所述多电平逆变器的一种优选实施方式中：所述信号采集运算单元包括电压采样端、电流采样端、电压调节器和电流调节器；所述电压采样端和所述电流采样端的输入端分别与所述负载的输出端连接，所述电压采样端的输出端与所述电压调节器的输入端连接，所述电压调节器与所述参考电压连接，所述电压调节器的输出端和所述电流采样端的输出端分别与所述电流调节器的输入端连接；

29、所述驱动输出单元包括正弦脉宽调制模块和驱动端；所述电流调节器的输出端与所述正弦脉宽调制模块的输入端连接，所述正弦脉宽调制模块的输出端与所述驱动端的输入端连接，所述驱动端的输出端与所述开关单元连接；

30、具体的，所述电压采样端采集负载的输出电压并送入电压调节器，电压调节器将采集的电压值与所述参考电压进行比较和调节运算，生成电流内环的给定值；所述电流采样端采集负载的输出电流并送入电流调节器，电流调节器将采样电流与电压调节器输出的电流给定值进行比较和调节运算，生成调制信号；该调制信号依次经所述正弦脉宽调制模块和驱动端处理后，转换为开关控制信号并输出至所述开关单元；通过电压外环和电流内环的双闭环结构，能够同时控制输出电压的幅值和输出电流的波形质量，在负载突变时能够快速响应并维持输出电压稳定，有效抑制了输出波形畸变；此外所述正弦脉宽调制模块通过高频载波对调制信号进行调制，使得开关频率远高于输出频率，改善了输出波形的频谱特性。

31、在本发明所述多电平逆变器的一种优选实施方式中：所述第一储能电容的稳态电压为1vdc，所述第二储能电容的稳态电压为2vdc；

32、具体的，在九个工作模态的循环切换过程中，所述第一储能电容被反复充电至直流输入电源电压的1倍，即稳态电压为1vdc；所述第二储能电容被所述直流输入电源与所述第一储能电容的串联组合反复充电，其稳态电压被提升至直流输入电源电压的2倍，即2vdc；该“1vdc+1vdc+2vdc”的非对称电容电压分配策略，使得在最高电平输出模态下，所述直流输入电源、第一储能电容与第二储能电容三者串联叠加，输出电压达到4vdc，实现了四倍的电压增益；该电压增益在无需额外的升压电路或变压器的情况下，单级逆变拓扑即可完成，减少了系统能量转换环节，降低了功率损耗，提高了整体系统效率；同时该电容电压分配关系由拓扑结构本身决定，无需复杂的动态电压平衡算法即可在稳态下自然维持，提升了系统的可靠性。

33、本发明还提供一种逆变控制方法，应用于所述的多电平逆变器，还包括，

34、通过所述信号采集运算单元采集所述负载的输出电压和输出电流，将输出电压与所述参考电压的误差经所述电压调节器运算后作为电流环给定值，将输出电流与所述电流环给定值的误差经所述电流调节器运算后生成调制信号；

35、通过所述驱动输出单元将调制信号以多载波层叠正弦脉宽调制方式生成开关控制信号，输出至所述开关单元，使所述第一开关至所述第十开关按九个工作模态导通和关断，在所述负载上形成九个阶梯电平；

36、具体的，首先所述信号采集运算单元实时采集负载的输出电压和输出电流，电压外环将采集的输出电压与参考电压的误差经电压调节器的比例积分运算后作为电流内环的给定值，电流内环将采集的输出电流与电流环给定值的误差经电流调节器的比例运算后生成调制信号；该双闭环控制结构确保了系统输出电压对参考电压的精确跟踪以及输出电流波形的低畸变，即使在负载突变或直流输入电源波动的工况下，系统仍能维持稳定的输出性能；其次所述驱动输出单元将调制信号以多载波层叠正弦脉宽调制方式转换为开关控制信号，输出至所述开关单元，控制第一开关至第十开关按九个工作模态依次导通和关断；多载波层叠调制方式利用多个层叠排列的三角载波在一个调制周期内产生与调制信号幅值对应的多组pwm脉冲，通过与上述九个工作模态开关表的配合，使逆变器在负载上合成质量优良的九电平阶梯波；该方法无需复杂的空间矢量计算或查表插值运算，计算量小、响应速度快，适用于低成本数字控制器的实时实现，且不包含独立的电容电压平衡控制子程序，电容电压通过九个工作模态的循环切换实现硬件自平衡，降低了控制算法的开发难度和运行负担。

37、在本发明所述逆变控制方法的一种优选实施方式中：所述电压调节器采用比例积分调节方式，对输出电压与所述参考电压的误差进行比例积分运算生成所述电流环给定值；所述电流调节器采用比例调节方式，对所述输出电流与所述电流环给定值的误差进行比例运算生成调制信号；

38、具体的，所述电压调节器采用比例积分调节方式，比例环节对当前电压偏差产生即时响应，积分环节对历史偏差进行累积以消除稳态误差，二者输出共同作为电流环的给定值；所述电流调节器采用比例调节方式，对电流偏差信号产生即时响应以生成调制信号；电压外环采用pi调节确保了系统对参考电压的零稳态误差跟踪，电流内环采用p调节利用了电流环响应速度快的特点，避免了积分环节引入的相位滞后，二者组合兼顾了系统的稳态精度与动态响应速度，在负载突变时能够快速恢复稳态。

39、在本发明所述逆变控制方法的一种优选实施方式中：多载波层叠正弦脉宽调制采用八个同频三角载波层叠排列，将调制信号与所述八个同频三角载波进行比较，根据比较结果查表输出与九个工作模态中每种模态对应的开关控制信号，以驱动所述第一开关至所述第十开关按各模态要求的导通和关断组合运行；

40、具体的，八个同频三角载波在电压轴方向上垂直层叠排列，调制信号瞬时值与八个载波逐一比较，根据调制信号所处的幅值区间确定当前应输出的目标电平，随后依据预设的模态电平映射关系查表输出对应开关控制信号；该调制方式将连续的调制信号转换为九电平阶梯波的控制指令，逻辑清晰且运算简单，无需复杂矢量计算；同时九个模态开关表具有明确规律性，存储和调用高效，便于在低成本控制器上实现实时控制。

41、本发明的有益效果在于：仅以两个储能电容和十个开关管即实现了四倍电压增益与九电平输出，显著减少了功率器件与储能元件的数量，降低了系统体积与制造成本；同时所述第一储能电容和所述第二储能电容的稳态电压由拓扑结构本身决定，无需额外的动态电压平衡算法或平衡电路，简化了控制难度。