郑州大学王要强、张亨泰 等：低应力高电平开关电容逆变器及其调制策略

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为了提高可再生能源发电系统中逆变器的升压能力并改善输出电能质量，本文提出了一种低应力高电平开关电容逆变器。所提逆变器能以较少的开关器件产生更多的电平，有效降低了逆变器的输出谐波含量和开关器件的电压应力。此外，所提逆变器的电容电压纹波小，且电容电压自平衡的优点简化了逆变器控制的复杂度。

作者介绍

王要强

1982年生，博士，副教授，河南省高等学校青年骨干教师，河南省电力电子与电能系统工程技术研究中心主任，郑州市电能控制及系统工程技术研究中心主任，郑州大学电力电子与电能系统研究所所长；IEEE Senior Member，中国电机工程学会高级会员；IEEE PES中国区直流输配电系统仿真技术委员会常务理事，IEEE PES中国区交直流混联电网控制与保护技术委员会常务理事，CIGRE国际大电网组织C6/B4.37工作组委员，中国电源学会青工委委员，中国电源学会变频电源与电力传动专委会委员；第46届IEEE IES年会SS04（IECON-SS04）联合主席，第6届中国储能工程技术大会（CNESE）组委会副主席。主要研究方向为电力电子变换、可再生能源发电、柔性交直流输配电、电机驱动控制等方面，近年来主持国家自然科学基金等纵、横向项目10余项，授权国家发明专利20余项；在IEEE TPEL等学术期刊与国际会议发表论文60余篇，其中SCI/EI收录50余篇，出版学术著作1部；获得河南省科技进步奖1项、河南省科普成果奖1项、河南省自然科学学术奖1项、河南省教育厅科技成果奖2项；荣获郑州大学三育人先进个人、2016-2020年学位与研究生教育优秀导师、河南省优秀学位论文导师、河南省林枫奖教金优秀教师奖等荣誉多项。

张亨泰

1997年生，硕士，主要研究方向为电能变换与新能源并网。

赖锦木

1990年生，博士，讲师，主要研究方向为电力电子变换与控制技术及其在交直流灵活配电等方面的应用。

团队介绍

河南省电力电子与电能系统工程技术研究中心依托郑州大学电气工程学院，主要以电力电子与电力传动、电力系统及其自动化及其交叉融合发展为核心，针对其关键技术开展研究。

研究中心拥有河南省智能电力装备与系统控制创新型科技团队，与企业联合建设有河南省智能充电技术重点实验室。研究中心建设有“电力电子交直流装备及柔性电能系统关键技术”研究平台，包括电力电子功率变换、电机驱动及其控制、柔性交直流输配电、综合能源混合仿真、智能电网变电技术、新能源发电技术等平台。研究中心与英国卡迪夫大学、美国俄亥俄州立大学、丹麦奥尔堡大学等国内外科研机构及学者建立了良好的交流与合作关系。

研究中心团队现有成员15人，其中教授5人、副教授4人、讲师6人，具有博士学位的人员15人；在站博士后6人、在读博士和硕士研究生80余人。研究中心团队在电力电子与电力传动、电力系统及其自动化，以及两者的交叉融合发展方面具有丰富的研究经验和技术储备，并取得了一系列的创新性成果。

近5年，研究中心团队承担国家级、省部级以及横向科研项目等40余项，科研到款累计1500余万元；在国内外权威学术期刊与国际会议发表SCI、EI等高水平科研论文100余篇；申请国家发明专利30余项；获得河南省科学技术进步奖、河南省教育厅科学技术成果奖等科研奖励6项；出版学术著作3项。

研究背景

随着环境和能源问题的日渐突出，可再生能源得到了广泛应用。可再生能源发电，如光伏发电等，成为了日益重要的发电方式。光伏电池组件产生的直流电需要通过逆变器为负载供电或接入交流电网。

相较于两电平逆变器，多电平逆变器电磁干扰小，能够在承受更高电压的同时输出更高质量的正弦波形。传统多电平逆变器需使用大量的功率器件，还可能存在均压和不能满足并网要求的问题。本文研究的开关电容多电平逆变器通过开关的导通与关断实现电容的串并联与充放电，能够以较少的器件输出更高的电平，开关承受的电压应力低且能够实现电容电压自平衡。

论文所解决的问题及意义

传统多电平逆变器需使用大量的直流电源、二极管和电容等器件，飞跨电容型与二极管钳位型逆变器的直流电容还存在均压问题。光伏发电单元的直接输出电压通常不能满足并网要求，光照、温度、阴影等因素可能导致最大功率点电压降低，而传统的多电平逆变器并不具备升压功能。

为了提高可再生能源发电系统中逆变器的升压能力并改善输出电能质量，本文提出一种开关电容多电平逆变器拓扑，它能够使用更少的器件输出更多电平、降低开关的电压应力，且具备电容电压自平衡和带感性负载的能力。

论文方法及创新点

本文所提的多电平逆变器通过控制充放电过程可以实现升压单元中电容的工作状态完全一致，解决电容电压间的平衡问题。所提逆变器拓扑使用五个开关组成的“工”字形结构将升压单元和电容连接起来；使用四个开关组成的两个“半桥”代替H桥来转换输出电平的极性。这样的设计既实现了升压单元与电容的并联充电和串联放电，又降低了开关的电压应力。

图1 本文所提的17电平开关电容逆变器

本文所提的逆变器拓扑旨在使用尽量少的器件实现尽可能高的输出电平，提高其输出电能质量。该拓扑能够实现最高17电平的输出阶梯波，具有四倍电压增益。升压单元中所有开关承受的最大电压应力均等于直流源的电压值E，“工”字形结构与两个“半桥”中的开关承受的最大电压应力均为2E。所有开关承受的总电压应力为22.5E。

此外，本文还设计了一种逆变器的模块化拓展方式，通过增加可拓展模块来提高输出电平。模块化拓展结构如图2所示，升压单元同时为所有可拓展模块充电，各模块与升压单元串联放电以增加输出电平。在模块化拓展结构中，每增加一个模块，将增加8个输出电平。这种拓展方式不仅可以保持级联拓展方式的优点，而且只需要一个直流电源。此外，相邻模块中的电容可以并联放电，进一步降低了电容的电压纹波。

图2 所提拓扑的模块化拓展方式

结论

本文提出了一种低应力高电平开关电容逆变器拓扑。本文从逆变器的拓扑结构、工作机理、调制策略、电容电压平衡和电压纹波计算等方面做了理论分析，并进行了样机实验，得出的结论如下：

（1）所提的逆变器拓扑能够使用1个直流电源、3个电容和15个开关输出17电平的阶梯电压波形，具有开关电压应力低、电容纹波小的优点，且能够根据需要对拓扑进行拓展。

（2）样机实验表明所提拓扑具有电容电压自平衡、带感性负载的能力及优良的动态特性。

（3）与已有拓扑对比，本文所提拓扑在器件数、开关电压应力等方面具有明显的优势，在可再生能源发电等领域中具有一定的性能优势和应用前景。

引用本文

王要强, 张亨泰, 赖锦木, 王克文, 梁军. 低应力高电平开关电容逆变器及其调制策略[J]. 电工技术学报, 2021, 36(20): 4237-4248. Wang Yaoqiang, Zhang Hengtai, Lai Jinmu, Wang Kewen, Liang Jun. Topology and Modulation Strategy for Switched Capacitor Inverter with Low Voltage Stress and High Level. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(20): 4237-4248.

DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210241

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