一种共地型双输出开关电容型多电平逆变器

1.本发明属于多电平逆变器与新能源分布式并网发电领域，具体涉及一种共地双输出开关电容型多电平逆变器及其调制方法。


背景技术：

2.目前的光伏逆变器存在以下问题：1.在连接到电网时存在漏电流；2.没有升压效果。漏电流的存在会导致安全隐患，而其产生的原因是输入和输出没有共地，对于此问题，有人提出了共地型的逆变器。没有升压特性会导致输出电压thd较大，因此需要的滤波器很大，从而导致效率较低。开关电容型逆变器的升压效果很好，且易于调节，常用于多电平拓扑结构中。因此本发明提出一种共地双输出开关电容型多电平逆变器及其调制方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种共地双输出开关电容型多电平逆变器及其调制方法。
4.实现本发明目的的技术方案为：一种共地双输出开关电容型多电平逆变器，包括电源输入端、开关电容模块a、开关电容模块b、h桥单元以及两个交流输出端v
o1
、v
o2
，所述h桥结构包括开关管s1、开关管s2、开关管s3、开关管s4，第一桥臂的上桥臂开关管为s1、第一桥臂的下桥臂开关管为s2、第二桥臂的上桥臂开关管为s3、第二桥臂的下桥臂开关管为s4；第一桥臂的中点为交流输出端v
o1
的非共地端，第二桥臂的中点为交流输出端v
o2
的非共地端，其中：
5.所述电源输入端连接输入电源vin的正极，输入电源vin的负极连接共地点；
6.所述开关电容模块a和开关电容模块b的输入端连接电源输入端，开关电容模块a和开关电容模块b的输出端负极连接共地点，并且和交流输出负载z1、负载z2的共地点相连，形成共地端；所述开关电容模块a的输出端正极连接于开关管s1的阴极、开关管s3的阴极；所述开关电容模块b的输出端正极连接于开关管s2的阳极、开关管s4的阳极；
7.所述开关管s1的阴极连接于开关管s3的阴极、开关电容模块a的输出正端，开关管s1的阳极连接于开关管s2的阴极、交流输出负载z1的非共地端；所述开关管s2的阳极连接于开关管s4的阳极、开关电容模块b的输出正端；所述开关管s3的阳极连接于开关管s4的阴极、交流输出负载z2的非共地端；
8.所述两个交流输出端v
o1
、v
o2
分别连接负载z1和负载z2，交流负载z1和交流负载z2另一端共地。
9.进一步的，所述开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4采用mosfet或者igbt。
10.进一步的，所述开关电容模块a和开关电容模块b使用相同类型的开关电容拓扑或者不同类型的开关电容拓扑。
11.进一步的，所述开关电容模块a和开关电容模块b采用串并联型、级联型、阶梯型或者斐波那契型开关电容拓扑。
12.进一步的，所述开关电容模块a和开关电容模块b所用开关器件为mosfet或者
igbt。
13.进一步的，所述逆变器h桥单元的工作模态如下：
14.工作模态1：控制开关器件s1、s4导通，控制开关管s2、s3关断；
15.工作模态2：控制开关器件s1、s3导通，控制开关管s2、s4关断；
16.工作模态3：控制开关器件s2、s3导通，控制开关管s1、s4关断；
17.工作模态4：控制开关器件s2、s4导通，控制开关管s1、s3关断。
18.进一步的，所述开关电容模块a和开关电容模块b分别产生直流的阶梯状正弦半波，所述交流输出端v
o1
、v
o2
的正半波由开关电容模块b产生，交流输出端v
o1
、v
o2
的负半波由开关电容模块a产生。
19.进一步的，所述开关电容模块a的输出电压v
a
和开关电容模块b的输出电压v
b
相同，开关电容模块a的输出电压频率f
a
和开关电容模块b的输出电压频率f
b
相同；所述交流输出端v
o1
、v
o2
的电压有效值相同，且相位相差180度。
20.一种共地双输出开关电容型多电平逆变器的控制方法，基于所述的共地双输出开关电容型多电平逆变器，实现多电平逆变器控制。
21.进一步的，使用ls
‑
spwm、she或者nlc实现多电平逆变器控制。
22.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：1)输入与负载共地，有利于抑制系统漏电流；2)永久非零输入电流；3)与同类型的共地sc逆变器相比，它在相同器件数量情况下具有更高升压倍数；4)提供两个可独立控制的输出交流电压源(相同幅值，相位相反)，两个负载不需要对称，且互相之间不影响。
附图说明
23.图1是本发明实施例中逆变器的电路图；
24.图2是本发明实施例中逆变器使用串并联拓扑结构的电路图；
25.图3是本发明实施例中逆变器工作模态1的工作电流通路示意图；
26.图4是本发明实施例中逆变器工作模态2的工作电流通路示意图；
27.图5是本发明实施例中逆变器工作模态3的工作电流通路示意图；
28.图6是本发明实施例中逆变器工作模态4的工作电流通路示意图；
29.图7是本发明实施例中逆变器工作模态5的工作电流通路示意图；
30.图8是本发明实施例中逆变器工作模态6的工作电流通路示意图；
31.图9是本发明实施例中逆变器工作模态7的工作电流通路示意图；
32.图10是本发明实施例中逆变器工作模态8的工作电流通路示意图；
33.图11是本发明实施例中逆变器工作模态9的工作电流通路示意图；
34.图12是本发明实施例中输入和输出地之间的波形图；
35.图13是本发明实施例中逆变器的输出电压波形图。
具体实施方式
36.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
37.如图1所示，一种共地双输出开关电容型多电平逆变器，包括电源输入端、开关电容模块a、开关电容模块b、h桥单元以及两个交流输出端v
o1
、v
o2
。
38.所述h桥单元包括开关管s1、s2、s3、s4，所用的开关器件可为但不限于mosfet，igbt等可控开关器件，做如下定义：电流流入器件的一侧为阳极，电流流出器件的一侧为阴极。
39.第一桥臂的上桥臂开关管为s1、第一桥臂的下桥臂开关管为s2、第二桥臂的上桥臂开关管为s3、第二桥臂的下桥臂开关管为s4。第一桥臂的中点为交流输出v
o1
的非共地端，第二桥臂的中点为交流输出v
o2
的非共地端。所述开关管s1的阴极连接于开关管s3的阴极、开关电容模块a的输出正端，开关管s1的阳极连接于开关管s2的阴极、交流输出负载z1的非共地端，所述开关管s2的阳极连接于开关管s4的阳极、开关电容模块b的输出正端，所述开关管s3的阳极连接于开关管s4的阴极、交流输出负载z2的非共地端。
40.所述开关电容模块a和开关电容模块b可以使用相同类型的开关电容拓扑，也可以使用不同类型的开关电容拓扑，其结构可为但不限于串并联型、级联型、阶梯型(ladder)、斐波那契型等开关电容拓扑。开关电容模块a和开关电容模块b所用开关器件可为但不限于为mosfet或igbt。
41.开关电容模块a的输入端与电源输入端相连，电源输入端连接输入电源v
in
的正极，开关电容模块a的输出端正极连接于开关管s1的阴极、开关管s3的阴极，开关电容模块a的输出端负极连接于负载z1和负载z2的共地端。开关电容模块b的输入端与电源输入端相连，开关电容模块b的输出端正极连接于开关管s2的阳极、开关管s4的阳极，开关电容模块b的输出端负极连接于负载z1和负载z2的共地端。
42.所述两个交流输出端v
o1
、v
o2
分别连接负载z1和负载z2，交流负载z1和交流负载z2另一端共地，且连接输入电源v
in
的负极。
43.下面通过h桥单元和开关电容模块的分析，说明共地双输出开关电容型多电平逆变器工作原理和调制过程。
44.上述共地双输出开关电容型多电平逆变器中，h桥单元存在四种工作模态：
45.工作模态1：控制开关器件s1、s4导通，控制开关管s2、s3关断；
46.工作模态2：控制开关器件s1、s3导通，控制开关管s2、s4关断；
47.工作模态3：控制开关器件s2、s3导通，控制开关管s1、s4关断；
48.工作模态4：控制开关器件s2、s4导通，控制开关管s1、s3关断。
49.通过上述四种工作模态，可实现两组交流输出。
50.上述共地双输出开关电容型多电平逆变器中，开关电容模块a和开关电容模块b分别产生直流的阶梯状正弦半波，其中开关电容模块a产生的波形作为交流输出端v
o1
、v
o2
的负半波，开关电容模块b产生的波形作为交流输出端v
o1
、v
o2
的正半波。开关电容模块a的输出电压v
a
和开关电容模块b的输出电压v
b
相同，开关电容模块a的输出电压频率f
a
和开关电容模块b的输出电压频率f
b
相同。输出电压v
o1
和v
o2
的有效值相同且相位相差180度，输出电压频率f
o
是开关电容模块a和开关电容模块b输出电压频率的一半。
51.使用的调制方式可为但不限于：ls
‑
spwm、she、nlc等多电平逆变器控制方式。
52.综上所述，本发明具有多电平输出、高增益、共地型结构、多路输出的特点，消除了输出输入的漏电流，实现了交流侧更低的电压谐波和更优的电能质量。本发明可用于近几年研究火热的电动汽车、光伏并网发电和分布式发电系统的dc
‑
ac变换器中。
53.实施例
54.为了验证本发明方案的有效性，进行如下仿真实验。
55.本实施例中，输入电压为40v，两组负载均为60ω，输出频率为60hz，输出功率为400w。电容c
l1
＝c
l2
＝c
l3
＝c
l4
＝4700μf、电容c
r1
＝c
r2
＝c
r3
＝4700μf。使用的开关器件均为mosfet。
56.如图2所示，开关电容模块a和开关电容模块b使用串并联连接方式，直流输入电源vin的正极连接于s
l12
、s
l22
、s
l32
、s
l42
的漏极和s
r13
、s
r23
、s
r33
的源极；直流输入电压源v
in
的负极连接于s
l13
、s
l23
、s
l33
、s
l43
的漏极、s
r12
、s
r22
、s
r32
的源极和s
l11
的源极；电容c
l1
、c
l2
、c
l3
、c
l4
的正极连接于s
l12
、s
l22
、s
l32
、s
l42
的源极和s
l11
、s
l21
、s
l31
、s
l41
的漏极；电容c
l1
、c
l2
、c
l3
、c
l4
的负极连接于s
l11
、s
l21
、s
l31
、s
l41
的源极和s
l13
、s
l23
、s
l33
、s
l43
的源极；电容c
r1
、c
r2
、c
r3
的正极连接于s
r11
、s
r21
、s
r31
的漏极和s
r13
、s
r23
、s
r33
的漏极；电容c
r1
、c
r2
、c
r3
的负极连接于s
r11
、s
r21
、s
r31
的源极和s
l12
、s
l22
、s
l32
、s
l42
的漏极。
57.h桥单元包括开关管s1、开关管s2、开关管s3、开关管s4，所述开关管s1的源极连接于开关管s3的源极、开关电容模块a的输出正端，开关管s1的漏极连接于开关管s2的源极、交流输出负载z1的非共地端，所述开关管s2的漏极连接于开关管s4的漏极、开关电容模块b的输出正端，所述开关管s3的漏极连接于开关管s4的源极、交流输出负载z2的非共地端；
58.逆变器输出端包括两个交流输出端，分别连接负载z1和负载z2，交流负载z1和交流负载z2共地，负载z1和负载z2的共地端和开关电容模块a和开关电容模块b的负端相连，负载z1的非共地端连接于开关管s1的漏极、开关管s2的源极，负载z2的非共地端连接于开关管s3的漏极、开关管s4的源极。
59.基于所使用的串并联型结构，通过电源和电容的串并联转换，逆变器可以在使用少量器件的情况下让两路负载获得如下电平：
60.v
o1
:0、
±
v
in
、
±
2v
in
、
±
3v
in
、
±
4v
in
；
61.v
o2
:0、
±
v
in
、
±
2v
in
、
±
3v
in
、
±
4v
in
；
62.图3～图11分别为逆变器九种工作模态的工作电流通路，图中的充电回路在工作模态中分析，两种不同的虚线分别表示开关电容模块a和开关电容模块b的放电回路，被虚化的器件表示该器件没有工作，逆变器的工作模态如下：
63.工作模态1：控制开关器件s
l11
、s
l21
、s
l31
、s
l41
、s
r11
、s
r21
、s
r31
、s1、s4导通，控制其余开关器件关断。电容c
l1
、c
l2
、c
l3
、c
l4
串联放电到负载z1，电源v
in
和电容c
r1
、c
r2
、c
r3
串联放电到负载z2，逆变器的输出为：v
o1
＝
‑
4v
in
，v
o2
＝4v
in
，工作电流通路如图3所示。
64.工作模态2：控制开关器件s
l12
、s
l13
、s
l21
、s
l31
、s
l41
、s
r12
、s
r13
、s
r21
、s
r31
、s1、s4导通，控制其余开关器件关断。电源v
in
为电容c
l1
、c
r1
冲电，电容c
l2
、c
l3
、c
l4
串联放电到负载z1，电源v
in
和电容c
r2
、c
r3
串联放电到负载z2，逆变器的输出为：v
o1
＝
‑
3v
in
，v
o2
＝3v
in
，工作电流通路如图4所示。
65.工作模态3：控制开关器件s
l12
、s
l13
、s
l22
、s
l23
、s
l31
、s
l41
、s
r12
、s
r13
、s
r22
、s
r23
、s
r31
、s1、s4导通，控制其余开关器件关断。电源v
in
为电容c
l1
、c
l2
、c
r1
、c
r2
冲电，电容c
l3
、c
l4
串联放电到负载z1，电源v
in
和电容c
r3
串联放电到负载z2，逆变器的输出为：v
o1
＝
‑
2v
in
，v
o2
＝2v
in
，工作电流通路如图5所示。
66.工作模态4：控制开关器件s
l12
、s
l13
、s
l22
、s
l23
、s
l32
、s
l33
、s
l41
、s
r12
、s
r13
、s
r22
、s
r23
、
s
r32
、s
r33
、s1、s4导通，控制其余开关器件关断。电源v
in
为电容c
l1
、c
l2
、c
l3
、c
r1
、c
r2
、c
r3
冲电，电容c
l4
放电到负载z1，电源v
in
放电到负载z2，逆变器的输出为：v
o1
＝
‑
v
in
，v
o2
＝v
in
，工作电流通路如图6所示。
67.工作模态5：控制开关器件s
l12
、s
l13
、s
l22
、s
l23
、s
l32
、s
l33
、s
l42
、s
l43
、s
r12
、s
r13
、s
r22
、s
r23
、s
r32
、s
r33
、s1、s3导通，控制其余开关器件关断。电源v
in
为电容c
l1
、c
l2
、c
l3
、c
l4
、c
r1
、c
r2
、c
r3
冲电，逆变器的输出为：v
o1
＝0，v
o2
＝0，工作电流通路如图7所示。
68.工作模态6：控制开关器件s
l12
、s
l13
、s
l22
、s
l23
、s
l32
、s
l33
、s
l41
、s
r12
、s
r13
、s
r22
、s
r23
、s
r32
、s
r33
、s2、s3导通，控制其余开关器件关断。电源v
in
为电容c
l1
、c
l2
、c
l3
、c
r1
、c
r2
、c
r3
冲电，电容c
l4
放电到负载z2，电源v
in
放电到负载z1，逆变器的输出为：v
o1
＝v
in
，v
o2
＝
‑
v
in
，工作电流通路如图8所示。
69.工作模态7：控制开关器件s
l12
、s
l13
、s
l22
、s
l23
、s
l31
、s
l41
、s
r12
、s
r13
、s
r22
、s
r23
、s
r31
、s2、s3导通，控制其余开关器件关断。电源v
in
为电容c
l1
、c
l2
、c
r1
、c
r2
冲电，电容c
l3
、c
l4
串联放电到负载z2，电源v
in
和电容c
r3
串联放电到负载z1，逆变器的输出为：v
o1
＝2v
in
，v
o2
＝
‑
2v
in
，工作电流通路如图9所示。
70.工作模态8：控制开关器件s
l12
、s
l13
、s
l21
、s
l31
、s
l41
、s
r12
、s
r13
、s
r21
、s
r31
、s2、s3导通，控制其余开关器件关断。电源v
in
为电容c
l1
、c
r1
冲电，电容c
l2
、c
l3
、c
l4
串联放电到负载z2，电源v
in
和电容c
r2
、c
r3
串联放电到负载z1，逆变器的输出为：v
o1
＝3v
in
，v
o2
＝
‑
3v
in
，工作电流通路如图10所示。
71.工作模态9：控制开关器件s
l11
、s
l21
、s
l31
、s
l41
、s
r11
、s
r21
、s
r31
、s2、s3导通，控制其余开关器件关断。电容c
l1
、c
l2
、c
l3
、c
l4
串联放电到负载z2，电源v
in
和电容c
r1
、c
r2
、c
r3
串联放电到负载z1，逆变器的输出为：v
o1
＝4v
in
，v
o2
＝
‑
4v
in
，工作电流通路如图11所示。
72.利用psim仿真得到以下结果。图12为输入电压地与输出电压地之间的波形，电压显示为零，验证了该拓扑的共地特性。图13为输出电压波形，两路输出相位相差180度，方均根值相同，符合理论分析，该结构具有一定的升压能力，验证了该结构的可行性。
73.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
74.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。