[发明专利]一种四倍升压九电平开关电容逆变器及其扩展拓扑

说明书

本发明涉及电力电子技术，具体涉及一种四倍升压九电平开关电容逆变器及其扩展拓扑，基本单元拓扑由直流源Vsubgt;in/subgt;、第一开关Ssubgt;1/subgt;、第二开关第三开关Ssubgt;2/subgt;、第四开关第五开关Ssubgt;3/subgt;、第六开关第七开关Ssubgt;4/subgt;、第八开关第九开关Ssubgt;5/subgt;、第一二极管Dsubgt;1/subgt;、第二二极管Dsubgt;2/subgt;和第一电容器Csubgt;1/subgt;、第二电容器Csubgt;2/subgt;组成。该拓扑可实现九电平输出，有效缩小了装置体积，提高装置功率密度，并节约了成本。通过合理改变直流源与第一电容器Csubgt;1/subgt;和第二电容器Csubgt;2/subgt;的串并联方式，九电平开关电容逆变器基本单元拓扑可以实现四倍升压的能力，不需要额外的升压电路，使得拓扑结构更加简单，且扩展性能好。

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种四倍升压九电平开关电容逆变器及其扩展拓扑。

背景技术

多电平逆变器(Multi-Level Inverter,MLI)因具有总谐波畸变率(TotalHarmonic Distortion,THD)低、低开关电压应力、低开关损耗和需要较小的输出滤波器等优点而广泛应用于可再生能源系统。经典多电平逆变器拓扑包括级联H桥型(Cascaded H-Bridge,CHB)、中性点箝位型(Neutral Point Clamped,NPC)和飞跨电容型(FlyingCapacitor,FC)。然而当工作的电压电平数量超过3时，这三种传统多电平逆变器会产生电压不平衡和需要较多组件等问题。且三种传统的多电平逆变器不具备升压能力，一般来说，像光伏和燃料电池这样的可再生能源是以低压电源的形式提供的。传统的解决方案有两种：一种升压方案是将多个光伏组件串联成高压串，目前已经遇到了许多不匹配问题；另一种方案是将前端DC-DC升压变换器与后端传统的MLI级联。这会增加复杂性并降低效率。

利用基于开关电容的集成升压技术已经作为解决上述问题的新方法而被广泛研究。同时，多电平逆变器的可扩展性是它的一个重要性能。尤其在大功率应用场合下，电力电子器件材质和工艺水平的限制，逆变器的开关频率受到限制，导致输出电能质量下降。在MLI中有两种解决方法：一种方案是通过降低MLI每个开关器件两端承受的最大电压应力以提高开关频率，实现高电能质量输出。但这种方法对MLI拓扑要求较高，要求所有高频率的开关器件两端的最大电压应力不能超过开关器件安全运行的额定值。并且，这种方案提高了开关频率，这意味着开关损耗的增加。另一种有效的方案是增加输出电平数量。通过最接近电平控制技术(Nearest Level Control Methods)，输出母线电压呈现阶梯波，不需要两种电平高频切换，开关频率仅需数百赫兹，阶梯波的数量由电平数量决定。但是输出电平数量的增加必然会增加逆变器组件数量，这会增加逆变器体积并降低效率。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供了一种九电平开关电容逆变器基本单元拓扑结构，其目的是减少开关数量，提高输出电压增益，和提高扩展性能。