[发明专利]双交流端口的单相半桥式多电平逆变器及构造、调试方法

说明书

本发明提供了一种双交流端口的单相半桥式多电平逆变器及构造、调试方法，包括：半桥子模块串、全桥子模块串、桥臂电抗器以及电容；所述半桥子模块串采用半桥子模块串联组合；所述全桥子模块串采用全桥子模块串联组合；所述半桥子模块串包括：第一半桥子模块串、第二半桥子模块串；所述第一半桥子模块串、全桥子模块串、第二半桥子模块串依次分别通过2只串联桥臂电抗器连接构成第一桥臂；两只电容串联构成第二桥臂。本发明所提出的逆变器的同一桥臂两不同端口可以与电容桥臂组合，输出两路不同的交流电，能够显著改善装置输出能力，有效提升装置能量密度，降低规划部署成本。

技术领域

本发明涉及多电平逆变器技术领域，具体地，涉及一种双交流端口的单相半桥式多电平逆变器及构造、调试方法。

背景技术

电力电子技术的迅速发展和电力电子设备的广泛应用显著提升了电网的可控程度和智能化水平，并且推动电网形态发生变革。交流电网中出现了大量高压直流输电线路和设备。直流负载、直流配电系统也将是未来电力系统中的重要组成部分。未来电力系统将会出现多电压等级交直流混联的局面。作为直流-交流电能变换的核心设备，逆变器的稳态和动态性能将直接影响到电网侧的安全稳定运行和用户侧的可靠供电。不同电压等级的逆变器通常会采用不同拓扑结构。相同电压等级的单相逆变器和三相逆变器也会在具体拓扑上存在差异。低电压等级的单相逆变器通常采用两电平结构，其基本拓扑分为半桥和全桥两类，如图1、2所示。半桥式两电平逆变器采用两只全控型器件构成半桥电路，与两只电容器一起构成交流侧输出端口。全桥式两电平逆变器采用四只全控型器件构成全桥电路，构成交流侧输出端口。低电压等级的单相逆变器，通常采用脉宽调制(PWM)方式工作，其交流输出波形为高频的±U的电压脉冲，因此存在大量谐波，需要采用L型或LCL型滤波器进行滤波。在电机驱动等较高电压等级应用场合，通常会使用三电平、五电平等逆变器拓扑。其中，图3、4是典型的二极管箝位型三电平单相逆变器拓扑结构。多电平电路通常也采用PWM调制方式工作。三电平等多电平电路的逆变器，随着电平数的增加，其输出波形质量有明显改善，所需滤波器体积明显减小。由于电力电子开关器件能力的限制，两电平电路难以直接应用于更高电压等级的应用场合。而与高压等级相匹配的多电平电路，其拓扑将会变得过于复杂而极大提升调制策略难度，降低整体可靠性。因此，在更高电压等级的场合，通常会使用模块化多电平电路，以满足更高电压等级和容量的应用场景需求。其中，最常见的是采用半桥子模块的模块化多电平逆变器，其基本拓扑结构如图5、6所示。随着子模块数量的增加，模块化多电平电路通常会采用最近电平逼近(NLM)调制方法。模块化多电平电路，其单相桥臂通常需要由结构完全相同的上下两个桥臂组成，因此其装置体积存在进一步下降的空间。此外，传统的最近电平逼近调制策略要求上下两个桥臂在调制过程中维持投入子模块总数一定，其调制策略也存在进一步改进的空间。在城市土地资源日益稀缺的情况下，如何在保证系统可靠运行的基础上，进一步提升装置的能量密度，降低逆变器体积，简化逆变器调制策略，成为未来逆变器发展的一个重要方向。

专利文献《单相级联七电平逆变器拓扑结构及其控制方法》公开了一种单相级联七电平逆变器拓扑及其控制方式。该逆变器由三电平Boost电路和六开关逆变电路构成,利用三电平Boost电路调节中点电位,使得中间母线电容电压占比为1∶2,为实现七电平输出提供电位条件。相对于传统多电平拓扑,该拓扑使用较少的开关器件,简化了电路结构。由于中间母线电容电压控制效果是系统可靠运行的关键,所以在讨论电路拓扑的运行机理的基础上,建立直流侧电压控制系统数学模型,并据此提出一种电压控制方法,从而实现逆变器控制系统的有效运行。最后,借助系统仿真与实验验证了所提电路拓扑的可行性以及理论分析的正确性。该文献采用七电平拓扑结构，相比两电平电路其耐压等级有了一定程度的提高。但是该电路仍然不能工作于过高电压等级，且其调制策略较为复杂。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双交流端口的单相半桥式多电平逆变器及构造、调试方法。