一种多输入端口的多电平高频逆变器
2023-05-10 14:56:27中国电工技术学会主办，2017年8月19-21日在北京铁道大厦举办，本届大会主题为“能源大变革时代——电工装备行业创新与发展之路”。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
华南理工大学自动化科学与工程学院、华南理工大学电力学院的研究人员刘俊峰、胡仁俊、曾君，在2016年《电工技术学报》增刊1上撰文，提出一种新型的可实现多端口输入的多电平高频逆变器。该逆变器由交错并联Buck-Boost全桥单元级联而成，通过简单的脉宽调制（PWM）即可实现多电平输出，其输出频率与开关频率一致，可应用于高频交流配电系统。此外该逆变器具备多端口输入的特性，因此适用于具备储能环节的风能、太阳能等新能源发电系统。
首先介绍了逆变器的调制方式与工作原理，在此基础上采用时域分析与傅里叶分析对其输入纹波特性以及输出谐波特性进行深入地研究。最后建立了实验样机，实验结果与仿真分析一致，验证了所提方法的可行性。
近年来，随着环境污染、能源危机等问题日益加重，越来越多的学者开始关注新能源发电[1, 2]，由于新能源发电易受外界环境的影响，因此输出变动较大。而高频交流配电系统因具有高可靠性、高效率、高功率密度、可实现无线功率传输等优点而逐渐成为替换直流配电系统的重要选择。高频交流配电在计算机[3]、通信[4]、电动汽车、微型电网[6]等领域中都获得了广泛的应用。
在高频交流配电系统中，其高频电源侧通过高频逆变器将直流电转换为高频交流电。在实际应用中可以采用多个逆变器并联供电，以得到足够的功率等级。但是由于逆变器输出电压的相位和幅值经常存在耦合关系，因此会对并联供电造成巨大的影响，降低供电效率[7]。
多电平逆变器能够实现较高的功率等级，可以很好地应用在高频交流配电系统中，实现高频电源侧的功率变换。无谐波污染的正弦波对于高频交流配电系统来说是至关重要的，多电平逆变器可以通过增加输出电压的电平数量来减小谐波畸变率，因此大大简化了滤波电路的设计[8]。
传统的多电平逆变器主要分为二极管钳位式逆变器、飞跨电容式逆变器以及级联H桥式逆变器[9-14]。二极管钳位式主要利用二极管对电压进行钳制，同样地，电容钳位式是通过电容器对电压进行钳制，从而得到更多的电平数。级联H桥式逆变器则是通过串联H桥以获得更多的电平数，其最基本的回路类似于传统的DC-DC全桥变换器[15]。级联H桥结构通常具有相同的基本回路单元、调制方式，因此往往具有更好的稳定性。
对于多电平逆变器，国内外已经有了显著的研究成果，近年来更是提出了新型的五电平[16]、七电平[17]等逆变器。但是此类多电平逆变器均是采用多载波调制方式，以减少逆变器输出的总谐波畸变率。这样将会造成功率器件开关频率数十倍于输出频率，因此这类逆变器无法运用在高频交流逆变场合。
文献[18]提出一种基于开关电容的多电平逆变器，该逆变器能够很好地适用于高频领域。同时，鉴于新能源发电系统的输入源往往具备多样性，上述所提的逆变器均不适用于新能源发电系统，因此有必要提出一种多端口输入的高频逆变器，以作为新能源发电与高频交流配电系统的结合点。
本文提出一种多端口输入的多电平高频逆变器，通过集成两个交错并联的双向Buck-Boost电路，实现变换器的多端口输入。同时交错并联方式能够有效地减小输入电流纹波，而Buck-Boost电感与开关管寄生电容发生谐振作用，因此在纯阻性负载的情况下，全桥桥臂的上开关管都将实现软开关。
结论
传统的多电平逆变器，往往都不适用于多源输入的新能源发电系统，针对这点，本文提出一种多端口输入的多电平逆变器，该逆变器通过蓄电池与新能源发电装置的能量互补，来实现稳定的功率输出。该结构可以通过级联多个基本单元来提高输出电平数量，可有效地减小输出电压的谐波。同时该逆变器还具有较小的输入电流纹波以及开关管能够实现零电压开通等优点。
本文给出了所提结构的原理及相关参数分析，并在此基础上进行了仿真及实验验证，结果表明基本单元以及级联后的逆变器输出均关于三角载波对称，开关管实现了零电压开通，同时也能够有效地降低输入电流纹波。验证了理论分析的正确性与所提结构的可行性。