[发明专利]一种空间型DC/AC变换器及其容错运行方法

说明书

本发明提供了一种空间型DC/AC变换器及其容错运行方法，所述空间型DC/AC变换器包括直流电源E、基础开关电容模块、N个开关电容子模块、半桥Ⅰ和半桥Ⅱ；第i个开关电容子模块的电解电容C_i3与第i‑1个开关电容子模块的电解电容C_(i‑1)3，通过开关管S_i6和开关管S_i7交叉连接。通过驱动信号，控制上述的空间型DC/AC变换器工作在2N+5种模态，输出2N+5种电平：0、±E、±2E、……、±（N+2）E；其中，N表示开关电容子模块的个数。本发明可以通过增加电容和开关器件进行扩展，通过分离充电回路和放电回路，所述空间型DC/AC变换器能够承受开路故障。

技术领域

本发明涉及变换器，具体的说，涉及了一种空间型DC/AC变换器及其容错运行方法。

背景技术

多电平变换器已广泛应用于可再生能源发电系统（尤其是光伏发电系统）、配电系统、电动汽车等领域。这些系统的主要优点包括实现较低总谐波失真的阶梯电压、电磁干扰小以及开关管承受较低的电压应力。

与传统多电平变换器一样，对中性点箝位（NPC）、飞跨电容（FC）和级联H桥（CHB）多电平变换器的研究已经较为完善。然而，中性点箝位和飞跨电容多电平变换器需要大量二极管或电容，实现电容电压自平衡或额外充电电路会增加其复杂性和成本。CHB多电平变换器使用多个隔离源来提高输出电平。此外，低电压增益（最大输出电压与输入电压之比）和单一的扩展方式限制了传统多电平变换器的发展。为了解决这些问题，基于开关电容技术的新型多电平变换器被提出并迅速发展。

开关电容多电平变换器（SCMLI）的电容与直流电源并联充电，串联放电，以获得高电压增益。此外，与传统的多电平变换器相比，SCMLI以更少的器件输出相同的电平，并且具有电容电压自平衡和低电压纹波的优点。

基于现场经验，诸如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等功率器件容易发生故障。因此，由于使用大量开关管和电容，可靠性低是多电平变换器的主要问题之一。

容错技术被认为是提高变换器可靠性的有效途径，近年来多电平变换器的容错运行受到了广泛的关注，主要包括两种方式：

（1）在变换器增加冗余支路实现的，配置冗余支路的目的是在故障发生时隔离故障支路，用冗余支路替代故障支路。该解决方案虽然保持了输出电平的连续性，但增加了器件数量、变换器成本和控制复杂性；

（2）无需额外器件的控制解决方案未通过直接改变变换器的控制策略来实现，这种解决方案的固有缺陷为故障后输出电平降低，限制了其应用。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种空间型DC/AC变换器及其容错运行方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明第一方面提供一种空间型DC/AC变换器，它包括直流电源E、基础开关电容模块、N个开关电容子模块、半桥Ⅰ和半桥Ⅱ，所述基础开关电容模块包括开关管S₁、开关管S₂、开关管S₄、开关管S₅、二极管D₁、二极管D₂、电解电容C₁和电解电容C₂，所述半桥Ⅰ包括开关管S₈和开关管S₉，所述半桥Ⅱ包括开关管S₁₀和开关管S₁₁；

在N=1时，所述开关电容子模块包括开关管S₃、开关管S₆、开关管S₇、二极管D₃和电解电容C₃；