[发明专利]一种提高直流电压利用率的多电平逆变器及电能变换设备

说明书

本公开提出了一种提高直流电压利用率的多电平逆变器及电能变换设备，本公开将半桥电路单元L1、三电平二极管钳位型逆变器单元L2和H桥电路单元L3混合连接，使得直流电压的利用率超过1，提高了直流电压利用率，实现了采用较少的开关器件，提高了系统的功率密度和波形质量。进一步的，通过复用H桥电路单元进行更多电平的拓展，根据通过设置多个级联的H桥电路单元组，通过增加H桥电路模块的数量，提高了端口输出电平的数量，采用本公开的多电平逆变器的电能变换设备，输出的电平数可以灵活调整，同时输出波形质量更高，设备的制造成本更低。

技术领域

本公开涉及相关技术领域，具体的说，是涉及一种高直流电压利用率的多电平逆变器及电能变换设备。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

近十年来，多电平逆变器在新能源发电、工业和学术领域得到了广泛的关注，特别是在中高压和大功率应用领域，如1500V光伏发电和工业电机驱动领域。多电平逆变器不仅可以增加输出电压电平数量和优化总谐波含量，而且与二电平逆变器相比，电压电平数量的增加可以减小滤波器的尺寸，并降低电磁干扰，还可以使开关器件在中高压工况下具有较低的电压应力，从而降低开关损耗，提高效率。

发明人发现，随着电压等级的增加，运行效率、经济成本和可靠性等成为制约传统逆变器发展的重要因素，而且直流电压利用率一直得不到实质的提升，限制了其能量转换率。例如，二极管中点钳位型逆变器需要大量的二极管，飞跨电容型逆变器需要大量的电容器，并且存在电容电压平衡控制困难的问题，这些均增加了硬件成本，降低了系统的可靠性，且直流电压利用率较低。虽然级联H桥多电平逆变器比较容易实现更高的电压等级和电平数量，但是随着电压等级的提升，级联的单元数目会大量增加，开关器件和电压源的数量随之增加。

为了解决这些问题，各种优化型的多电平逆变器拓扑结构得到了大力发展，在传统的多电平逆变器拓扑的基础上进行大量的改进，或者混合多种逆变器拓扑形成新的拓扑，从而研究出结构简单、功率密度高、逆变效率高以及直流电压利用率高的多电平逆变器。因此，设计一种能减少开关器件数量的具有高直流电压利用率的N电平逆变器极具现实意义。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种高直流电压利用率的多电平逆变器及电能变换设备，可扩展输出电平数的高性能单相N电平逆变器，提高逆变器的直流电压利用率，且在输出相同电平数的情况下使用更少的开关器件数量，大大降低设备的制造成本。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开的第一方面提供一种提高直流电压利用率的多电平逆变器，可以实现十一个电平的输出，包括直流电源、半桥电路单元、三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元和级联单元；半桥电路单元和三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元并联在直流电源的两端，三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元的输出端连接级联单元的输入端，级联单元的输出端为逆变器输出端。

本公开的第二方面一种提高直流电压利用率的多电平逆变器，可以实现超过十一个电平的输出，包括直流电源、半桥电路单元、三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元和多个级联的级联单元组；多个级联的级联单元组中，每一个级联单元与相邻的H桥

电路单元共用同一个桥臂，最后一个级联单元的输出端为多电平逆变器的输出端；

半桥电路单元和三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元并联在直流电源的两端，三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元的输出端连接级联单元组的输入端。

本公开的第一方面提供一种电能变换设备，所述电能变换设备内部电路可以采用本公开第一方面所述的一种提高直流电压利用率的多电平逆变器的电路结构，或者所述电能变换设备内部电路采用本公开第二方面所述的一种提高直流电压利用率的多电平逆变器的电路结构；所述电能变换设备为储能变流器、光伏逆变器或者无功补偿装置。