[发明专利]多电平逆变器混合调制策略

说明书

本发明实施例提供了一种多电平逆变器混合调制策略。根据输出电压和输出电流的极性关系，把输出电压的工频(50Hz或60Hz)周期分成同向运行区域和反向运行区域。在同向运行区域，采用高阶电平调制策略产生输出电压，平衡悬浮电容电压。在反向运行区域，采用一种低阶电平调制策略或多种低阶电平调制组合的策略使悬浮电容不参与能量转换过程，或者悬浮电容在两个电平之间交替充电、放电，从而使悬浮电容纹波最小化。

相关申请

本申请要求2016年8月24日提交的美国临时专利申请US 62/379,216、2016年 8月31日提交的美国临时专利申请US 62/381,895、2016年9月16日提交的美国临 时专利申请US 62/395,787和2017年7月27日提交的美国正式专利申请US 15/662,044的优先权，其公开内容整体并入于此作为参考。

背景技术

多电平逆变器比如五电平逆变器，作为中高压场合下的电力变换优选方案在学术研究和工业应用中都引起高度关注。对于中功率比如输出功率50-100KW和大功率 500-1000KW或更高的应用场合，多电平逆变器用于减小开关电压应力和输出滤波器 大小。除此之外，和对应的三电平和两电平逆变器相比，多电平逆变器还具有改进输 出电力质量，降低总谐波失真(THD)、共模电压和电磁干扰(EMI)的优点。而且，多电 平逆变器采用较低额定电压的器件获得高效率，因此应用范围广，可以用于光伏发电 系统，风力发电系统等等。

现有的典型多电平逆变器拓扑分为三种：中性点嵌位(NPC)型，悬浮电容(FC)型和串联H桥(CHB)型。混合多电平逆变器拓扑结合了中性点嵌位型和悬浮电容型逆变 器的特点，具有他们两个的优点。该混合多电平逆变器拓扑的电平数量随着悬浮电容 型逆变器产生的电平数量增加而增加。该混合多电平逆变器拓扑不需要加入串联二极 管，通过加入悬浮电容型功率单元实现多电平，因此可以使用模块化技术。

在混合多电平逆变器拓扑中，五电平有源中性点嵌位(5L-ANPC)逆变器是一个成本与性能之间可接受的折衷方案，结合了三电平有源嵌位逆变器和三电平悬浮电容型 逆变器的优点。另外，传统的五电平中性点嵌位型和悬浮电容型逆变器直流侧需要四 个串联电容，但是，五电平有源中性点嵌位逆变器直流侧只需要两个电容，因此简化 了直流侧电容电压平衡控制策略。五电平有源中性点嵌位逆变器成本低，体积小，控 制简单，因此，越来越受到关注，且已经应用于中功率工业。

图1给出了一种典型的五电平有源中性点嵌位逆变器拓扑。注意，图1中的每相 电路都采用了八个开关管。因此，三相逆变器需要二十四个开关管。图1所示的八开 关五电平有源中性点嵌位逆变器拓扑对应的现有调制策略使逆变器输出端可以产生五 个电平，即正0.5V_dc，正0.25V_dc，零和负0.25V_dc，负0.5V_dc。为了获得五个电平， 存在八个开关状态。其中，有两个具有相同输出电压(比如正0.25V_dc或负0.25V_dc) 的冗余开关状态，用于平衡悬浮电容电压。每个开关状态都提供了电流双向流动路径。

为了便于描述，定义输出相同电平的两个工作模态为冗余工作模态。有源中性点嵌位逆变器存在冗余开关状态，使得悬浮电容电压能够被控制。为了控制悬浮电容电 压，多种调制策略被提出，比如基于载波的脉冲宽度调制技术(PWM)，改进的基于三 角载波的PWM技术，实时THD最小化技术，以及特定谐波消除PWM技术。