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基于双 开关 频率调制的升压扩展型准Z源级联多电平光伏逆变器

阅读：1028发布：2020-06-10

专利汇可以提供基于双开关频率调制的升压扩展型准Z源级联多电平光伏逆变器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于双开关频率调制的升压扩展型准Z源级联多电平光伏逆变器，它由三个单级光伏发电模块级联并网组成，每个单级光伏发电模块包括光伏电池单元和升压扩展型准Z源逆变器单元，升压扩展型准Z源逆变器单元包括阻抗网络升压单元和交流逆变单元；阻抗网络升压单元由三个电感，四个电容和两个二极管组成；相比于传统的准Z源拓扑，升压扩展型准Z源网络具有更强的升压能力，其电压应用范围也更加广泛。针对该系统，发明了一种基于双开关频率调制的移相脉冲宽度幅值调制技术；该技术不仅可以减轻开关频率对开关损耗的影响，还可以保持一个紧凑的阻抗源网络，从而减小逆变器模块的体积，提高系统的功率。，下面是基于双开关频率调制的升压扩展型准Z源级联多电平光伏逆变器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于双开关频率调制的升压扩展型准Z源级联多电平光伏逆变器,所述的并网发电系统由三个单级光伏发电模块级联并网组成；所述的每个单级光伏发电模块包括光伏电池单元和升压扩展型准Z源逆变器单元；所述的每个升压扩展型准Z源逆变器单元包括阻抗网络升压单元和交流逆变单元；所述的阻抗网络升压单元包括第一电感(L1)、第一二极管(D1)、第一电容(C1)、第二电感(L2)、第二二极管(D2)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第三电感(L3)、第四电容(C4)；并且所述第一电感的一端与光伏电池相连，另一端与第一二极管的阳极相连；所述第二电容跨接于第一二极管的阳极和第二二极管的阳极之间，且所述第二电容的阳极与第二二极管的阳极相连；所述第一二极管的阴极与所述第一电容的正极、所述第二电感相连；所述第一电容的负极与所述第三电容的负极相连；所述第二电感的另一端与所述第二二极管的阳极相连；所述第四电容跨接于第二二极管的阳极和H桥逆变器正极间，且所述第四电容的正极与H桥逆变器正极相连；所述第二二极管的阴极与所述第三电容正极、所述第三电感相连；所述第三电感的另一端连接于H桥逆变器正极；所述第二电容的负极与H桥逆变器的负极相连；所述第一个升压扩展型准Z源光伏发电模块的H桥逆变器左臂中间通过滤波电感连接到电网一端，电网的另一端连接到第三个H桥逆变器右桥臂中间；
其特征在于，包括：所述的升压扩展型准Z源逆变器结合了两个准Z源单元，具有更高的输出电压增益；所述的升压扩展型准Z源光伏逆变器采用级联的结构方式；所述的新型调制技术，包括：基于双开关频率调制的移相脉冲宽度幅值调制策略。
2.如权利要求1所述一种基于双开关频率调制的升压扩展型准Z源级联多电平光伏逆变器，其特征在于，所述的双开关频率调制技术：基于双开关频率调制的移相脉冲宽度幅值调制策略，这种调制策略使用两个不同频率且幅值变化的三角载波(CarrierL和CarrierH)分别于调制信号(mL和mR)和直通信号(VP和VN)进行比较产生有效调制和直通状态；所述的双开关频率调制包括：以第一个模块为例，mL和mR分别为H桥模块左、右桥臂的单相正弦调制波，CarrierL和CarrierH分别为低频载波和高频载波，三角载波的幅值不再是固定不变的，而是在上包络Vmax和下包络Vmin之间变化，定义直通参考量为VP和VN，当幅值变化的三角载波高于VP或低于VN时产生直通状态。n个模块级联，相邻模块间的载波相移为π/n，总的输出相电压为(2n+1)电平；
其特征在于，输入侧(阻抗网络)运行在高频调制下，而输出侧(输出滤波器)则运行在低频调制下；因此，阻抗网络能够被设计在高开关频率下，而输出滤波器被设计在低开关频率下；由于多电平拓扑能够输出低谐波失真且高质量的阶梯电压波形，因此，输出滤波器的要求可以在谐波标准中降低甚至消除。

说明书全文

基于双 开关 频率调制的升压扩展型准Z源级联多电平光伏逆

变器

[0001] 本发明涉及光伏发电逆变器领域，特别涉及到一种基于双开关频率调制的升压扩展型准Z源级联多电平光伏逆变器。

背景技术

[0002] 随着人类社会的发展，地球上的自然资源开始出现大量消耗，导致能源匮乏。因此大力开发清洁能源，提高能源的利用率是解决全球能源危机的主要途径。近年来，太阳能、风能、潮汐能等可再生能源发电系统受到了越来越多的关注。其中太阳能是开发潜力最大，也是未来能够消除资源匮乏地区对化石能源依赖的能源，因此开发光伏发电系统已成为世界各国的经济发展战略之一。

[0003] 光伏发电系统主要包括：光伏阵列、功率变换器、控制器、蓄电池组等部件，功率变换器在光伏发电系统中担负着重要角色，其可靠性需变换器的性能加以保证。功能变换器根据结构的不同，可分为单级式或两级式结构、有变压器或无变压器结构、两电平或多电平结构。多电平结构因其具有谐波含量低和在较低应力条件下使用半导体而备受关注，其主要的电路拓扑结构有：二极管箝位型多电平逆变器、飞跨电容箝位型多电平逆变器、级联H桥型多电平逆变器。

[0004] 准Z源级联多电平逆变器在输入端和逆变桥之间加入阻抗网络，实现了单级升降压和逆变功能，同时还能克服传统级联H桥逆变器直流母线电压不平衡的问题。但传统的Z源和准Z源升压比一致，在调制策略中直通占空比与逆变桥调制度相互制约，因此都存在直流侧升压因子小、升压能力有限的缺点。故传统的Z源/准Z源不适合直接应用于低输入电压或宽变化范围输入电压的光伏等新能源发电领域。虽然移相正弦脉冲宽度调制以及空间矢量调制技术应用在升压扩展型准Z源级联多电平逆变器中具有诸多优点，但这些调制技术也将导致开关频繁动作，进而产生较高的开关损耗。因此，发展新型调制技术以减少开关损耗，提高系统效率，同时不影响输出电压波形质量成为了众多研究者们研究的重点。基于此，本发明针对一种新颖的升压扩展型准Z源逆变器拓扑提出双开关频率调制策略。

发明内容

[0005] 为了解决以上问题，本发明针对升压扩展型准Z源级联多电平逆变器公开了一种比已有的调制策略功率损耗更小的双开关频率调制方法。双开关频率调制方法是将高频脉宽调制与低频正弦脉宽调制相结合，得到一个紧凑的阻抗源网络，减少了开关损耗，该方法消除了直通占空比与逆变器调制系数之间的相互依赖关系。

[0006] 为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种升压扩展型准Z源级联多电平光伏逆变器，其特征在于：所述的并网发电系统由三个单级光伏发电模块级联并网组成；所述的每个单级光伏发电模块包括光伏电池单元和升压扩展型准Z源逆变器单元，所述的每个升压扩展型准Z源逆变器单元包括阻抗网络升压单元和交流逆变单元；其中阻抗网络升压单元由三个储能电感、四个储能电容和两个相同的二极管组成；交流逆变单元由四个IGBT连接为一个H桥逆变器；每两个单级光伏发电模块由导线相连；所述第一个升压扩展型准Z源光伏发电模块的H桥逆变器左臂中间通过滤波电感连接到电网一端，电网的另一端连接到第三个H桥逆变器右桥臂中间。与传统的准Z源逆变器相比，所述的升压扩展型准Z源逆变器具有更低的开关管电压应力，更强的升压能力。

[0007] 一种升压扩展型准Z源级联多电平光伏逆变器的新型调制技术，包括：基于双开关频率调制的移相脉冲宽度幅值调制策略，这种调制策略使用两个不同频率且幅值变化的三角载波分别于调制信号和直通信号进行比较产生有效调制和直通状态。输入侧(阻抗网络)运行在高频调制下，而输出侧(输出滤波器)则运行在低频调制下。因此，阻抗网络能够被设计在高开关频率下，而输出滤波器被设计在低开关频率下。由于多电平拓扑能够输出低谐波失真且高质量的阶梯电压波形，因此，输出滤波器的要求可以在谐波标准中降低甚至消除。

[0008] 与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明中，升压扩展型准Z源网络的尺寸可以在更高频率下减少，因此实现一个更高的开关频率是合理的。但是，开关频率的增加相应的会增加开关损耗，这会影响功率变换器在硬开关工作时的效率。权衡功率变换器效率与功率密度之间的关系，提出的双开关频率调制技术可以进一步降低开关损耗，实现一个紧凑的阻抗源网络元件，以提高功率变换器的效率。附图说明

[0009] 图1为本发明中升压扩展型准Z源级联多电平光伏逆变器。

[0010] 图2为本发明中单个升压扩展型准Z源光伏发电模块。

[0011] 图3a、图3b分别是图2一种升压扩展型准Z源逆变器在其三相逆变桥直通时和非直通时的等效电路图。

[0012] 图4为本发明中应用在升压扩展型准Z源级联多电平逆变器的双开关频率调制技术。

具体实施方式

[0013] 以上内容已经对本发明的技术方案作了详细说明，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

[0014] 如图1和图2所示，本发明基于双开关频率调制的升压扩展型准Z源级联多电平光伏逆变器是由三个单级光伏发电模块级联并网组成的；每个所述单级光伏发电模块包括光伏电池单元和升压扩展型准Z源逆变器单元；所述的每个升压扩展型准Z源逆变器单元包括阻抗网络升压单元和交流逆变单元；所述的阻抗网络升压单元包括第一电感(L1)、第一二极管(D1)、第一电容(C1)、第二电感(L2)、第二二极管(D2)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第三电感(L3)、第四电容(C4)；并且所述第一电感的一端与光伏电池相连，另一端与第一二极管的阳极相连；所述第二电容跨接于第一二极管的阳极和第二二极管的阳极之间，且所述第二电容的阳极与第二二极管的阳极相连；所述第一二极管的阴极与所述第一电容的正极、所述第二电感相连；所述第一电容的负极与所述第三电容的负极相连；所述第二电感的另一端与所述第二二极管的阳极相连；所述第四电容跨接于第二二极管的阳极和H桥逆变器正极间，且所述第四电容的正极与H桥逆变器正极相连；所述第二二极管的阴极与所述第三电容正极、所述第三电感相连；所述第三电感的另一端连接于H桥逆变器正极；所述第二电容的负极与H桥逆变器的负极相连；所述第一个升压扩展型准Z源光伏发电模块的H桥逆变器左臂中间通过滤波电感连接到电网一端，电网的另一端连接到第三个H桥逆变器右桥臂中间。

[0015] 如图三所述的两种工作状态下系统状态方程分别为：

[0016]

[0017] 根据伏秒平衡原理，稳态时，在一个周期内电感电流和电容电压的平均值为零，经计算各状态变量的直流分量为：

[0018]

[0019] 所述的升压扩展型准Z源逆变器结合了两个准Z源单元，具有更高的输出电压增益。如图3a、图3b所示，经计算，本发明升压扩展型准Z源光伏逆变器，加在逆变器两端的电压VPN与直流侧电压Vdc的关系为：

[0020]

[0021] 在传统的准Z源中，直流输入电压与直流母线峰值电压的关系为：

[0022]

[0023] 相比于传统的准Z源拓扑，升压扩展型准Z源逆变器具有更强的升压能力，其电压应用范围也更加广泛，所以本拓扑更适用于光伏、风电、燃料电池等新能源发电领域。本发明一种基于升压扩展型准Z源光伏逆变器采用级联结构的好处是：a)降低了光伏电池板电压的等级要求；b)提升系统的功率等级；c)多电平输出改善输出电能质量；d)减小小关器件的开关应力；e)三个级联模块输出电压波形是七电平，谐波含量大大减少。

[0024] 如图4所示，本发明一种基于双开关频率调制的升压扩展型准Z源级联多电平逆变器，包括：基于双开关频率调制的移相脉冲宽度幅值调制策略，这种调制策略使用两个不同频率且幅值变化的三角载波(CarrierL和CarrierH)分别于调制信号(mL和mR)和直通信号(VP和VN)进行比较产生有效调制和直通状态。图中，所述的双开关频率调制包括：以第一个模块为例，mL和mR分别为H桥模块左、右桥臂的单相正弦调制波，CarrierL和CarrierH分别为低频载波和高频载波，三角载波的幅值不再是固定不变的，而是在上包络Vmax和下包络Vmin之间变化，定义直通参考量为VP和VN，当幅值变化的三角载波高于VP或低于VN时产生直通状态。基于此，输入侧(阻抗网络)运行在高频调制下，而输出侧(输出滤波器)则运行在低频调制下。因此，阻抗网络能够被设计在高开关频率下，而输出滤波器被设计在低开关频率下。由于多电平拓扑能够输出低谐波失真且高质量的阶梯电压波形，因此，输出滤波器的要求可以在谐波标准中降低甚至消除。

[0025] 综上所述，本发明针对升压扩展型准Z源级联多电平逆变器所提出的双开关频率调制方法，可以降低变换器的开关损耗，从而使阻抗网络更加紧凑。该方法将高频脉宽调制与低频正弦脉宽调制相结合。因此，与传统的简单升压调制相比，开关损耗大大降低。此外，阻抗网络设计频率较高，网络规模明显减小，该方法消除了占空比与逆变器调制指数之间的依赖关系。

[0026] 上述为本发明较佳的实施方式，但是本发明的实施方式并不受如上所述的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替换、组合、简化，均归属于等效置换，均包含在本发明的保护范围之内。

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