近年來，能源緊張與環(huán)境惡化問題愈發(fā)嚴峻，清潔可再生能源得研發(fā)迫在眉睫。為了將新能源所發(fā)電能傳輸?shù)诫娋W(wǎng)或本地負載，而使功率變換器得到廣泛研究。其中，多電平逆變器由于能夠提供可靠高質(zhì)量得輸出電壓，在直流電轉(zhuǎn)化為交流電方面有其獨特優(yōu)勢。
微芯片和處理器得未來電子電路板得三維宏觀視圖。技術(shù)背景概念。,3D Render of a
傳統(tǒng)多電平逆變器主要分為二極管鉗位型、飛跨電容型及級聯(lián)H橋型。隨著輸出電平數(shù)得升高，二極管鉗位型和飛跨電容型拓撲結(jié)構(gòu)中器件數(shù)量顯著增加，且二者均存在電容電壓不平衡得問題，需要幫助電路和復雜得控制算法來維持電容電壓平衡。級聯(lián)H橋型拓撲通過級聯(lián)H橋模塊提高其輸出電平，使用非對稱獨立直流電源可合成可靠些輸出電平。但是，多個獨立直流電源得需求為逆變器設(shè)計帶來困難。
開關(guān)電容多電平逆變器利用電容與電源“串聯(lián)充電、并聯(lián)放電”得工作方式將電容作為儲能元件參與放電，可有效提高輸出電壓增益和輸出電平數(shù)量，且具有電容電壓自平衡、升壓能力強、功率密度大等優(yōu)點，在近些年被廣泛研究。然而相關(guān)研究得拓撲開關(guān)管數(shù)量較高，不僅增大了控制難度，也增加了變換器得體積和成本。
為改善傳統(tǒng)多電平逆變器有源器件數(shù)量較多以及擴展結(jié)構(gòu)復雜得問題，鄭州大學電氣工程學院、河南省電力電子與電能系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心、河南省智能充電技術(shù)重點實驗室、卡迪夫大學工程學院得王要強、李娜、趙朝陽、陳天錦、梁軍，在2022年第18期《電工技術(shù)學報》上撰文，提出一種降低器件數(shù)量且可模塊化擴展得新型開關(guān)電容多電平逆變器。
圖1 多電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)
圖2 模塊化擴展拓撲結(jié)構(gòu)
該逆變器由分壓電容單元、開關(guān)電容單元和兩個半橋組成，使用1個直流電源、4個電容、8個開關(guān)管和2個二極管實現(xiàn)2倍電壓增益和九電平交流輸出電壓。逆變器通過2個半橋代替后端H橋轉(zhuǎn)換輸出電壓極性，可以有效降低開關(guān)管總電壓應力；在逆變器得模塊化擴展結(jié)構(gòu)中，電容逐級充電得工作方式進一步提高了電壓增益和輸出電平數(shù)。
圖3 實驗平臺
與近年來提出得開關(guān)電容多電平逆變器得比較結(jié)果表明，研究人員所提出得拓撲結(jié)構(gòu)在輸出電平數(shù)升高之后，在功率器件數(shù)量方面有明顯優(yōu)勢，這有利于降低變換器成本、提高變換器功率密度。實驗模型驗證結(jié)果表明，逆變器在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)條件下都具有良好得工作性能。
感謝編自2022年第18期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“一種新型多電平逆變器及其模塊化分析”。本課題得到China自然科學基金項目、河南省高等學校青年骨干教師項目和河南省重點研發(fā)與推廣專項項目得支持。
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