作者介紹

• 王要強(qiáng)，1982年生，博士，副教授，河南省高等學(xué)校青年骨干教師，河南省電力電子與電能系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心主任，鄭州市電能控制及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心主任，鄭州大學(xué)電力電子與電能系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)。
• 張亨泰，1997年生，碩士，主要研究方向?yàn)殡娔茏儞Q與新能源并網(wǎng)。
• 賴錦木，1990年生，博士，講師，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼儞Q與控制技術(shù)及其在交直流靈活配電等方面的應(yīng)用。

團(tuán)隊(duì)介紹

河南省電力電子與電能系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心依托鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，主要以電力電子與電力傳動(dòng)、電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化及其交叉融合發(fā)展為核心，針對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)開展研究。

研究中心擁有河南省智能電力裝備與系統(tǒng)控制創(chuàng)新型科技團(tuán)隊(duì)，與企業(yè)聯(lián)合建設(shè)有河南省智能充電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。研究中心建設(shè)有“電力電子交直流裝備及柔性電能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)”研究平臺(tái)，包括電力電子功率變換、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制、柔性交直流輸配電、綜合能源混合仿真、智能電網(wǎng)變電技術(shù)、新能源發(fā)電技術(shù)等平臺(tái)。研究中心與英國(guó)卡迪夫大學(xué)、美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)、丹麥奧爾堡大學(xué)等國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)及學(xué)者建立了良好的交流與合作關(guān)系。

研究中心團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有成員15人，其中教授5人、副教授4人、講師6人，具有博士學(xué)位的人員15人；在站博士后6人、在讀博士和碩士研究生80余人。研究中心團(tuán)隊(duì)在電力電子與電力傳動(dòng)、電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化，以及兩者的交叉融合發(fā)展方面具有豐富的研究經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)儲(chǔ)備，并取得了一系列的創(chuàng)新性成果。

近5年，研究中心團(tuán)隊(duì)承擔(dān)國(guó)家級(jí)、省部級(jí)以及橫向科研項(xiàng)目等40余項(xiàng)，科研到款累計(jì)1500余萬元；在國(guó)內(nèi)外權(quán)威學(xué)術(shù)期刊與國(guó)際會(huì)議發(fā)表SCI、EI等高水平科研論文100余篇；申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利30余項(xiàng)；獲得河南省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)、河南省教育廳科學(xué)技術(shù)成果獎(jiǎng)等科研獎(jiǎng)勵(lì)6項(xiàng)；出版學(xué)術(shù)著作3項(xiàng)。

?研究背景

隨著環(huán)境和能源問題的日漸突出，可再生能源得到了廣泛應(yīng)用?？稍偕茉窗l(fā)電，如光伏發(fā)電等，成為了日益重要的發(fā)電方式。光伏電池組件產(chǎn)生的直流電需要通過逆變器為負(fù)載供電或接入交流電網(wǎng)。

相較于兩電平逆變器，多電平逆變器電磁干擾小，能夠在承受更高電壓的同時(shí)輸出更高質(zhì)量的正弦波形。傳統(tǒng)多電平逆變器需使用大量的功率器件，還可能存在均壓和不能滿足并網(wǎng)要求的問題。本文研究的開關(guān)電容多電平逆變器通過開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)電容的串并聯(lián)與充放電，能夠以較少的器件輸出更高的電平，開關(guān)承受的電壓應(yīng)力低且能夠?qū)崿F(xiàn)電容電壓自平衡。

?論文所解決的問題及意義

傳統(tǒng)多電平逆變器需使用大量的直流電源、二極管和電容等器件，飛跨電容型與二極管鉗位型逆變器的直流電容還存在均壓?jiǎn)栴}。光伏發(fā)電單元的直接輸出電壓通常不能滿足并網(wǎng)要求，光照、溫度、陰影等因素可能導(dǎo)致最大功率點(diǎn)電壓降低，而傳統(tǒng)的多電平逆變器并不具備升壓功能。

為了提高可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的升壓能力并改善輸出電能質(zhì)量，本文提出一種開關(guān)電容多電平逆變器拓?fù)?，它能夠使用更少的器件輸出更多電平、降低開關(guān)的電壓應(yīng)力，且具備電容電壓自平衡和帶感性負(fù)載的能力。

?論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文所提的多電平逆變器通過控制充放電過程可以實(shí)現(xiàn)升壓?jiǎn)卧须娙莸墓ぷ鳡顟B(tài)完全一致，解決電容電壓間的平衡問題。所提逆變器拓?fù)涫褂梦鍌€(gè)開關(guān)組成的“工”字形結(jié)構(gòu)將升壓?jiǎn)卧碗娙葸B接起來；使用四個(gè)開關(guān)組成的兩個(gè)“半橋”代替H橋來轉(zhuǎn)換輸出電平的極性。這樣的設(shè)計(jì)既實(shí)現(xiàn)了升壓?jiǎn)卧c電容的并聯(lián)充電和串聯(lián)放電，又降低了開關(guān)的電壓應(yīng)力。

圖1 本文所提的17電平開關(guān)電容逆變器

本文所提的逆變器拓?fù)渲荚谑褂帽M量少的器件實(shí)現(xiàn)盡可能高的輸出電平，提高其輸出電能質(zhì)量。該拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)最高17電平的輸出階梯波，具有四倍電壓增益。升壓?jiǎn)卧兴虚_關(guān)承受的最大電壓應(yīng)力均等于直流源的電壓值E，“工”字形結(jié)構(gòu)與兩個(gè)“半橋”中的開關(guān)承受的最大電壓應(yīng)力均為2E。所有開關(guān)承受的總電壓應(yīng)力為22.5E。

此外，本文還設(shè)計(jì)了一種逆變器的模塊化拓展方式，通過增加可拓展模塊來提高輸出電平。模塊化拓展結(jié)構(gòu)如圖2所示，升壓?jiǎn)卧瑫r(shí)為所有可拓展模塊充電，各模塊與升壓?jiǎn)卧?lián)放電以增加輸出電平。在模塊化拓展結(jié)構(gòu)中，每增加一個(gè)模塊，將增加8個(gè)輸出電平。這種拓展方式不僅可以保持級(jí)聯(lián)拓展方式的優(yōu)點(diǎn)，而且只需要一個(gè)直流電源。此外，相鄰模塊中的電容可以并聯(lián)放電，進(jìn)一步降低了電容的電壓紋波。

圖2 所提拓?fù)涞哪K化拓展方式

?結(jié)論

本文提出了一種低應(yīng)力高電平開關(guān)電容逆變器拓?fù)?。本文從逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作機(jī)理、調(diào)制策略、電容電壓平衡和電壓紋波計(jì)算等方面做了理論分析，并進(jìn)行了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，得出的結(jié)論如下：

（1）所提的逆變器拓?fù)淠軌蚴褂?個(gè)直流電源、3個(gè)電容和15個(gè)開關(guān)輸出17電平的階梯電壓波形，具有開關(guān)電壓應(yīng)力低、電容紋波小的優(yōu)點(diǎn)，且能夠根據(jù)需要對(duì)拓?fù)溥M(jìn)行拓展。

（2）樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明所提拓?fù)渚哂须娙蓦妷鹤云胶狻Ц行载?fù)載的能力及優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性。

（3）與已有拓?fù)鋵?duì)比，本文所提拓?fù)湓谄骷?shù)、開關(guān)電壓應(yīng)力等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域中具有一定的性能優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。

?引用本文

王要強(qiáng)，張亨泰，賴錦木，王克文，梁軍. 低應(yīng)力高電平開關(guān)電容逆變器及其調(diào)制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，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.