一种新型9电平升压逆变器

薛映霞，陈庆，张旭，何凤有

（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008）

一种新型9电平升压逆变器

薛映霞，陈庆，张旭，何凤有

（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008）

单相小功率光伏并网往往采用先升压再逆变的两级式结构，效率进一步提升受到限制且输出电压电平数较少。研究了一种新型9电平升压逆变器，采用投切电容的方式实现升压和逆变——投切电容式9电平逆变器，可同时完成升压和逆变，为提高系统效率提供有效途径。在分析投切电容式9电平逆变器拓扑工作原理的基础上，采用低次谐波最小原则的阶梯波调制算法。该升压逆变系统具有开关频率低、电压阶梯多、电流质量较好等优点。最后通过软件仿真及硬件实验验证了新型逆变器的可行性及算法的正确性。

投切电容；9电平；阶梯波调制；低次谐波最小原则；逆变器

目前单个光伏组件输出电压相对于电网电压峰值较低，变换器输入电压相比输出电压峰值低得多，实践中单相小功率光伏并网常常采用先DC/DC升压再DC/AC逆变2个过程。目前DC/DC变换器效率虽然可达到95%以上，但是采用单级式并网是进一步提高整体系统效率的有效途径。

多电平逆变器因其电压阶梯数多、电流质量好等优点引起了众研究学者的高度重视。传统的单相多电平拓扑结构主要有单相桥式逆变器、级联H型等结构［1-3］。实践中单相桥式逆变器电平数较少且无法完成升压；单相级联H型逆变器可以完成升压，但是直流侧需（n-1）/2个独立的直流电源，2（n-1）个开关器件（n为输出电平数），需要的开关器件和独立直流源较多［4］。

针对以上现状，本文研究了一种单相9电平投切电容式（SC）逆变器，只需要n+3个开关器件（n≥5），（n-3）/2个投切电容和若干二极管，当输出电压的电平数较多时，相对级联H型结构逆变器，SC逆变器所用开关器件明显减少且直流侧只需1个电压源，可以同时完成升压和逆变。本文研究投切电容式9电平逆变器工作原理，采用低次谐波最小原则阶梯波调制算法控制获得较好的性能。

1 拓扑结构与工作原理

图1给出了9电平SC逆变器拓扑结构图。拓扑中只含1个直流电压源E，开关器件S2与S11～S13互斥工作，C1～C3为投切电容。

图1 9电平SC逆变器拓扑结构Fig.1 SC-9L inverter topology

主开关S2开通时，二极管VD1～VD5全部导通，直流侧电源向3个SC充电，等效电路如图2a所示。S2关断时，从开关S11～S13开通，二极管全部阻断，等效电路如图2b所示。稳态时点1～4的电压分别为 E，2E，3E，4E。通过对 S31～S34，S411～S412以及S421～S422不同开关状态的组合，即可得到-4E，-3E，-2E，-E，0，E，2E，3E，4E 9种电平，输出电压峰值是直流侧电压的4倍，与传统的先升压再逆变结构相比，输出电压的电平数增多，系统的效率得以提高。开关状态表如表1所示。

图2 主、从开关分别开通时等效电路图Fig.2 Equivalent circuit diagrams of master and auxiliary switches work respectively

表1 开关状态表Tab.1 Switches states table

由表1可知，输出状态2E和E之间切换（或-2E和-E之间切换）时同时有6个开关器件动作，输出状态E和0之间切换（或-E和0之间切换）时同时有3个开关器件动作，其余相邻状态之间切换有2个开关器件动作。为保证逆变器可靠工作，状态切换时均先关断再开通，开关死区换流通路如图3所示。因换流时间内负载电流的方向不同，当i＞0时换流回路由i1和i21组成，当i＜0时换流回路由i1和i22组成。

图3 SC-9L逆变器换流回路分析Fig.3 Commutation current analysis of SC-9L inverter

输出电压为±E和0时主开关S2闭合，3个从开关断开，3个投切电容处于充电状态；结构中投切电容C1电压波动最为严重，以图3中标记电压电流方向为正方向，输出状态为2E，3E，4E，-2E，-3E，-4E时，输出电压正方向与输出电流正方向相同时处于放电状态，相反时处于充电状态，每个采样周期TS电压变化量为iTs/C，累计1个工频周期内电容电压即可算得电容电压波动范围。通过适当选择3个投切电容的容量即可实现投切电容电压在一定范围内的自平衡。

IGBT开关器件和二极管的设置主要考虑工作过程中开关处承受电压方向以及开关器件切换过程中死区时间的换流回路，如开关S31，S32，S33承受双向电压、电流双向流动（当负载不是纯阻性时电流流向存在与电压正方向相反的状态），故采用等效的双向开关结构。

2 调制策略

调制算法的选择对多电平逆变器的输出性能起关键作用。由于阶梯波调制法易于实现，且开关频率低，开关器件S11，S12，S13，S2，S34，S411，S412，S421和S422在1个工频周期内开关2次，器件开关频率100 Hz；开关器件S31，S32和S33在1个工频周期内开关4次，器件开关频率200 Hz，所有器件的平均开关频率为125 Hz。本文采用此算法实现逆变。图4是根据低次谐波最少的原则计算开关角的原理图［5-6］。

图4 阶梯波调制策略示意图Fig.4 Schematic diagram of stair waveform modulation strategy

图4中，αA,αB,αC,αD,αE依次为输出阶梯波与理想正弦波的相交角度，幅值为kE(k=0～4)，则参考正弦波的幅值为4E。按低次谐波最少原则实现，则图4a中阶梯波的等效面积与正弦波等效面积相等。因此按图4b中两扇形部分面积相等即可计算α1～44个开关角，以此控制逆变器输出阶梯波。求得α1～4分别为

由上一节对电容电压波动分析及本节调制算法可计算的跌落最严重的电容C1电压跌落最大幅值ΔU为

式中：I为负载电流峰值，cosφ为功率因数。

3 仿真验证

在Matlab2014a/Simulink中对投切电容式9电平逆变器各项性能指标进行仿真验证。仿真参数为：直流侧电压E=24 V，投切电容器电容C1～3=4 700 μF ，所带负载为阻感负载：电感L=23 mH ，电阻 R=8 Ω ，采样时间 T=25 μs，频率为50 Hz。

图5给出了输出电压电流、投切电容电压（以C2为例）和主开关S2的仿真波形。由仿真结果可知电压电流波形较好，主开关S2波形显示了投切电容处充电状态的时刻，电容C2波形显示投切电容电压实现一定范围内的平衡。

图5 阶梯波调制输出仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of output based on step pulse modulation

4 实验

实验系统采用TMS320C28346+CPLD控制器，采样时间T=25 μs,直流母线电压E=24 V,3个投切电容C1～3=9 400 μF,阻感负载：电阻8 Ω,电感23 mH，输出工频电压。

实验中测量的输出电压电流、投切电容电压如图6、图7所示。

图6 输出电压电流波形Fig.6 Waveforms of output voltage and current

图7 投切电容电压波形Fig.7 Voltage waveforms of switch capacitors

图6是负载电压及电流波形，可知输出电压每个阶梯电压略低于理论的电压24 V，这是因为存在二极管和开关器件的压降及电容电压波动导致的，但在可接受范围内（小于20%），不会严重影响电流质量，可见负载电流较好。图7为3个投切电容电压波形，可见实现了投切电容电压的相对稳定。验证了提出的电容投切式9电平逆变器的可行性及低次谐波最小原则阶梯波调制算法的正确性。

5 结论

本文研究了投切电容式9电平逆变器，采用了基于低次谐波最小原则产生阶梯波的调制算法。仿真及实验结果表明电压电流波形较好，投切电容电压波动在允许范围内自平衡，证明了所提拓扑的可行性及算法的正确性。同时为更多电平升压逆变器的实践提供了好的思路。

［1］Samir K，Mariusz M，Gopakumar K，et al.Recent Advances and Industrial Applications of Multilevel Converters［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57（8）：2553-2580.

［2］彭方正，钱照明，罗吉盖斯，等.现代多电平逆变器拓扑［J］.变流技术与电力牵引，2006，5（6）：6-11.

［3］王学华，张欣，阮新波.级联多电平逆变器最优SPWM控制策略及其功率均衡方法［J］.电工技术学报，2009，24（5）：92-99.

［4］王宝诚，王炜，杜会元，等.一种新颖的单电源级联型多电平逆变器［J］.中国电机工程学报，2013，33（30）：10-17.

［5］江友华，曹以龙.级联型多电平变频器不同阶梯波调制算法的谐波分析［J］.上海电力学院学报，2008，24（4）：369-373.

［6］Samir K，Mariusz M，Gopakumar K，et al.Control of a Multi⁃level Converter Using Resultant Theory［J］.IEEE Transac⁃tions on Control Systems Technology，2003，11（3）：345-354.

A Novel Nine Level Booster Inverter

XUE Yingxia，CHEN Qing，ZHANG Xu，HE Fengyou
（School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining&Technology，Xuzhou 221008，Jiangsu，China）

Traditional topologies always need to boost firstly and invert voltage in the field of low-power single-phase photovoltaic grid-connected system，the two-stage structure owns lower efficiency and less output voltage levels.A novel nine level booster inverter was developed，and throw-cut mode of the capacitors was applied，which was switch capacitors nine level inverter.Booster and inverter were accomplished simultaneously，so system efficiency was also improved.Based on analysis of circuit topology，step waveform modulation algorithm with minimum low-order harmonics principle was employed to alternate voltage.Satisfactory performances of low switching frequency，more voltage levels and desired current quality were obtained.The validity and superiority are verified by simulation and experimental results.

switch capacitors；nine-level；step waveform modulation；principle of minimum low-order harmonics；inverter

TM46

A

10.19457/j.1001-2095.20170607

2016-01-19

修改稿日期：2016-10-13

国家“十三五”重点研发计划，煤矿深井建设与提升基础理论及关键技术（2016TFC060096）

薛映霞（1992-），女，硕士研究生，Email：853869152@qq.com