高性能悬浮电容H桥级联多电平逆变器的制作方法

本技术涉及电子储能领域，尤其涉及一种高性能悬浮电容h桥级联多电平逆变器。

背景技术：

1、为将传统能源行业向绿色低碳转型，在新能源发电领域，应继续发展风力发电和光伏发电，以确保新能源发电的平稳快速发展，并在发展集中式发电的同时，应推进分布式发电的研究，始终贯彻二者共同发展的基本原则，继续研究和积极推动新能源发电技术，促进风力和光伏发电的应用和发展；在储能领域，发展新型储能提升能源电力系统调节能力、综合效率和安全保障力，同时推动储能系统实现在多种运行模式下的平滑及安全稳定运行的研究，如单机、并联、并网、孤岛以及并脱网模式，实现能量的灵活调度，支撑新型电力系统建设。逆变器作为上述领域中电能变换的核心部分，有助于改善电能质量，推进绿色能源的发展，被广泛研究。传统的两电平逆变器结构简单、易于控制，但是逆变器的输出电流和输出电压受逆变器输出电平数量的影响，谐波含量高，需增加功率器件的开关频率和增大滤波参数值，但是开关频率高会相应增加开关损耗，滤波参数大会增大系统体积和成本。

2、单相逆变器由于输入功率为直流量，输出功率为交流量，使得电路中存在二倍频功率波动，导致直流侧存在二倍频电压波动。当二倍频电压波动较大时，会增大逆变器输出电压低次谐波，不易进行滤波处理，除此之外，直流侧电压波动的增加会增加电路损耗。因此，为保证单相逆变器正常运行，应考虑二倍频功率波动抑制。通常可以通过增加输入端电容取值的方式来抑制直流侧二倍频电压波动，但会导致系统动态响应变慢、逆变器体积和成本增大。考虑到增大电容会降低电路的功率密度以及降低逆变器的效率，已经研究出了许多其他抑制直流侧二倍频电压波动的方法，主要有增加二倍频功率解耦电路、优化控制策略等。

3、传统两电平逆变器存在输出电压电平数量少、滤波参数大、等效开关频率低、功率器件电压应力高等不足；传统高频调制策略中载波层叠和载波移相调制无法兼顾输出电压总谐波畸变率和悬浮电容电压控制的问题；为了降低开关损耗，采用传统混合调制策略，使h桥逆变单元开关管以基频动作，悬浮电容逆变单元开关管以高开关频率动作，会引起过调制和悬浮电容电压失控的问题；单相逆变器输出功率含有二倍频功率波动，直流侧需要采用大容量电容进行滤波。

技术实现思路

1、本技术正是为了解决上述技术问题而设计的一种高性能悬浮电容h桥级联多电平逆变器。

2、本技术解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种高性能悬浮电容h桥级联多电平逆变器，所述逆变器包括h桥逆变单元、悬浮电容逆变单元、输出滤波电感l1和输出滤波电容c1；所述h桥逆变单元由4个开关管q11、q12、q13和q14连接成桥式电路，其输入侧连接直流电压源vdc；所述悬浮电容逆变单元由4个开关管q21、q22、q23、q24和悬浮电容c连接成桥式电路，其输入侧与h桥逆变单元输出侧相连，其输出侧通过输出滤波电感l1和输出滤波电容c1连接负载。

4、所述高性能悬浮电容h桥级联多电平逆变器，所述悬浮电容c位于悬浮电容逆变单元直、交流侧中间，可以用于缓冲波动功率，承担一定的电压纹波；所述悬浮电容c电压值vc为直流电压源vdc电压值的一半。

5、所述高性能悬浮电容h桥级联多电平逆变器，所述逆变器有多种导通方式，由不同的导通方式形成8种工作模态，所述8种工作模态是：

6、正半周输出2e、e、0时的工作模式包括工作模态1-4：

7、工作模态1：悬浮电容h桥级联多电平逆变器输出2e电平；此时，h桥逆变单元开关管q11、q14导通，h桥逆变单元输出2e电平；悬浮逆变单元输出0电平时有两种开关动作模式，在此工作模式下时的开关动作方式为q21、q22导通，悬浮电容逆变单元输出0电平，电容既不充电也不放电；

8、工作模态2：悬浮电容h桥级联多电平逆变器输出e电平；此时，h桥逆变单元开关管q11、q14导通，h桥逆变单元输出2e电平；悬浮逆变单元开关管q22、q23导通，悬浮逆变单元输出-e电平，当逆变器输出电流方向为正时，电容充电，当逆变器输出电流方向为负时，电容放电；

9、工作模态3：悬浮电容h桥级联多电平逆变器输出e电平；h桥逆变单元输出0电平时有两种开关动作模式，在此工作模式下时的开关动作方式为q11、q12导通，h桥逆变单元输出0电平；悬浮逆变单元输出e电平，悬浮逆变单元开关管q21、q24导通，逆变器输出电流方向为正时，电容放电，当逆变器输出电流方向为负时，电容充电；

10、工作模态4：悬浮电容h桥级联多电平逆变器输出0电平；h桥逆变单元和悬浮逆变单元均输出0电平，在此工作模态下，h桥逆变单元开关管为q11、q12导通，悬浮逆变单元开关管q21、q22导通，电容既不充电也不放电；

11、负半周输出2e、e、0时的工作模式包括工作模态5-8：

12、工作模态5：悬浮电容h桥级联多电平逆变器输出-2e电平；此时，h桥逆变单元开关管q12、q13导通，h桥逆变单元输出-2e电平；悬浮逆变单元输出0电平时有两种开关动作模式，在此工作模式下时的开关动作方式为q23、q24导通，悬浮电容逆变单元输出0电平，电容既不充电也不放电；

13、工作模态6：悬浮电容h桥级联多电平逆变器输出e电平；此时，h桥逆变单元开关管q12、q13导通，h桥逆变单元输出-2e电平；悬浮逆变单元开关管q21、q24导通，悬浮逆变单元输出e电平，当逆变器输出电流方向为正时，电容充电，当逆变器输出电流方向为负时，电容放电；

14、工作模态7：悬浮电容h桥级联多电平逆变器输出-e电平；h桥逆变单元输出0电平时有两种开关动作模式，在此工作模式下时的开关动作方式为q13、q14导通，h桥逆变单元输出0电平；悬浮逆变单元输出-e电平，悬浮逆变单元开关管q22、q23导通，逆变器输出电流方向为正时，电容放电，当逆变器输出电流方向为负时，电容充电；

15、工作模态8：悬浮电容h桥级联多电平逆变器输出0电平；h桥逆变单元和悬浮逆变单元均输出0电平，在此工作模态下，h桥逆变单元开关管为q13、q14导通，悬浮逆变单元开关管q23、q24导通，电容既不充电也不放电。

16、所述高性能悬浮电容h桥级联多电平逆变器，所述逆变器还包括基于调制波分解的混合频率调制策略，所述策略针对e电平过调制情况，增加该区间的调制过程，分解悬浮电容逆变单元超出载波部分的调制波，同时对h桥逆变单元和悬浮电容逆变单元过调制部分的调制波进行调整，使h桥逆变单元输出2e、0电平，悬浮电容单元输出-e、e电平，实现e电平正常输出。

17、所述高性能悬浮电容h桥级联多电平逆变器，所述基于调制波分解的混合频率调制策略的具体工作方式是：h桥逆变单元在分解后的区间，采用调制波反相的单极性倍频调制方法高频工作，开关管q11和q12采用幅值相等但相位相差180°的调制波信号，vref1-为反相后的调制波，在任何一个载波周期内，开关管q11和q12的调制波信号与载波均有两个交点：当vref1≥uch时，驱动开关管q11导通，反之q13导通，当vref1-≥uch时，驱动开关管q12导通，反之q14导通。

18、所述高性能悬浮电容h桥级联多电平逆变器，所述基于调制波分解的混合频率调制策略的具体工作方式是：悬浮电容逆变单元在全部区间内采用单极性倍频调制，开关管q21和q22采用了幅值相等但相位相差180°的调制波信号vref2和vref2-；当正弦波vref>0时，q11为高电平，其余时刻为低电平；当um>uc2时，q12为低电平，其余时刻q12为高电平。当um>uc1时，q21为高电平，其余时刻q21为低电平；当um>uc2时，q22为高电平，其余时刻q22为低电平；经调制波分解后的悬浮电容逆变单元调制波输出电压波形为v2’。

19、所述高性能悬浮电容h桥级联多电平逆变器，所述逆变器还包括基于工作模式切换的电容调压系统控制策略；所述策略是：通过引入负载端输出电压vo1、输出电流io、悬浮端电容电压vc和电容电压基准值vc*进行过零点比较，过零点比较控制输出值△vc经过kp环节得到h桥逆变单元高频变换时输出部分v'，v'与va给定值相加得到h桥逆变单元的调制波vref1，调制波vref1通过调制电路对所述悬浮电容逆变单元4个开关管q21、q22、q23、q24进行调制。

20、所述高性能悬浮电容h桥级联多电平逆变器，所述逆变器包括过零点比较控制方法，所述方法是：用当前逆变器输出电压值uo减去上一次的电压值uolast，将差值与检测得到的逆变器输出电流io相乘，所得信号的极性若为非负，则控制逆变器工作处于工作模式1时的状态，否则工作处于工作模式2时的状态；

21、所述工作模式1是：当逆变器输出电压在正半周过零点时，电流值io≤0，当p2(t)<0时，悬浮电容逆变单元吸收有功功率，ic>0，控制悬浮电容逆变单元的直流侧悬浮电容将工作于充电状态；当p2(t)>0时，悬浮电容逆变单元输出有功功率，ic<0，控制悬浮电容逆变单元的直流侧悬浮电容将工作于放电状态；

22、所述工作模式2是：当逆变器输出电压在正半周过零点时，电流值io＞0，当p2(t)<0时，悬浮电容逆变单元输出有功功率，ic<0，控制悬浮电容逆变单元的直流侧悬浮电容将工作于放电状态；当p2(t)>0时，悬浮电容逆变单元吸收有功功率，ic>0，控制悬浮电容逆变单元的直流侧悬浮电容将工作于充电状态。

23、所述高性能悬浮电容h桥级联多电平逆变器，所述逆变器还包括基于调制波分解调制策略的三次谐波注入策略：控制系统可通过配置比例系数kp使悬浮电容电压负反馈构成单闭环，产生功率开关管q11、q12、q13、q14、q21、q22、q23、q24的pwm脉冲信号；注入三次谐波后对vr1’做调制波分解得到分解后的h桥逆变单元调制波vr1和悬浮逆变单元调制波vr2；注入三次谐波后，通过改变h桥逆变单元的有功功率，实现悬浮电容电压控制。

24、所述高性能悬浮电容h桥级联多电平逆变器，所述悬浮电容电压控制方法是：采用比例控制器，给定电容电压基准值vc*，与实时采样电容电压实际值vc做差得到△vc，经过比例控制器得到所要调节的占空比，从而调节h桥逆变单元的输出电压；当充电时，△vc增加，悬浮电容逆变单元输出负的有功功率，控制悬浮电容电压充电；反之，当△vc减小时，控制悬浮电容电压放电；重复此过程，能够控制悬浮电容电压实际值趋向于基准值。

25、本技术实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

26、(1)悬浮电容h桥级联多电平逆变器所需器件数量少，结构简单，选用耐压等级低的器件即可实现较高的开关频率，扩大了应用范围。

27、(2)为实现h桥逆变单元以低开关频率运行，同时解决悬浮电容逆变单元过调制问题，提出基于调制波分解的混合频率调制策略，有效解决了逆变器输出存在的过调制问题同时降低了h桥逆变单元的开关频率。

28、(3)为实现悬浮电容电压稳定，提出悬浮电容电压控制策略，基于工作模式切换的有功功率分解控制，实现了悬浮电容电压在不同工作模式下的控制。

29、(4)为了解决单相逆变器输出侧存在的二倍频功率波动导致直流侧存在电压纹波增大的问题，提出了直流侧二倍频功率波动抑制方案，在不增加输入侧电容值大小的情况下，有效抑制了直流侧二倍频电压波动，解决了悬浮电容h桥级联多电平逆变器含有的二倍频功率脉动高的问题。该方案在保证不附加额外电路的情况下，有效降低了直流侧二倍频电压纹波，降低了因二倍频功率波动输出交流电压产生的低次谐波含量。