作者介紹

• 王要強，1982年生，博士，副教授，河南省高等學校青年骨干教師，河南省電力電子與電能系統工程技術研究中心主任，鄭州市電能控制及系統工程技術研究中心主任，鄭州大學電力電子與電能系統研究所所長。
• 張亨泰，1997年生，碩士，主要研究方向為電能變換與新能源并網。
• 賴錦木，1990年生，博士，講師，主要研究方向為電力電子變換與控制技術及其在交直流靈活配電等方面的應用。

團隊介紹

河南省電力電子與電能系統工程技術研究中心依托鄭州大學電氣工程學院，主要以電力電子與電力傳動、電力系統及其自動化及其交叉融合發展為核心，針對其關鍵技術開展研究。

研究中心擁有河南省智能電力裝備與系統控制創新型科技團隊，與企業聯合建設有河南省智能充電技術重點實驗室。研究中心建設有“電力電子交直流裝備及柔性電能系統關鍵技術”研究平臺，包括電力電子功率變換、電機驅動及其控制、柔性交直流輸配電、綜合能源混合仿真、智能電網變電技術、新能源發電技術等平臺。研究中心與英國卡迪夫大學、美國俄亥俄州立大學、丹麥奧爾堡大學等國內外科研機構及學者建立了良好的交流與合作關系。

研究中心團隊現有成員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。研究中心團隊在電力電子與電力傳動、電力系統及其自動化，以及兩者的交叉融合發展方面具有豐富的研究經驗和技術儲備，并取得了一系列的創新性成果。

近5年，研究中心團隊承擔國家級、省部級以及橫向科研項目等40余項，科研到款累計1500余萬元；在國內外權威學術期刊與國際會議發表SCI、EI等高水平科研論文100余篇；申請國家發明專利30余項；獲得河南省科學技術進步獎、河南省教育廳科學技術成果獎等科研獎勵6項；出版學術著作3項。

?研究背景

隨著環境和能源問題的日漸突出，可再生能源得到了廣泛應用。可再生能源發電，如光伏發電等，成為了日益重要的發電方式。光伏電池組件產生的直流電需要通過逆變器為負載供電或接入交流電網。

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輸出更高質量的正弦波形。傳統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要求的問題。本文研究的開關電容多電平逆變器通過開關的導通與關斷實現電容的串并聯與充放電，能夠以較少的器件輸出更高的電平，開關承受的電壓應力低且能夠實現電容電壓自平衡。

?論文所解決的問題及意義

傳統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問題。光伏發電單元的直接輸出電壓通常不能滿足并網要求，光照、溫度、陰影等因素可能導致最大功率點電壓降低，而傳統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電系統中逆變器的升壓能力并改善輸出電能質量，本文提出一種開關電容多電平逆變器拓撲，它能夠使用更少的器件輸出更多電平、降低開關的電壓應力，且具備電容電壓自平衡和帶感性負載的能力。

?論文方法及創新點

本文所提的多電平逆變器通過控制充放電過程可以實現升壓單元中電容的工作狀態完全一致，解決電容電壓間的平衡問題。所提逆變器拓撲使用五個開關組成的“工”字形結構將升壓單元和電容連接起來；使用四個開關組成的兩個“半橋”代替H橋來轉換輸出電平的極性。這樣的設計既實現了升壓單元與電容的并聯充電和串聯放電，又降低了開關的電壓應力。

圖1 本文所提的17電平開關電容逆變器

本文所提的逆變器拓撲旨在使用盡量少的器件實現盡可能高的輸出電平，提高其輸出電能質量。該拓撲能夠實現最高17電平的輸出階梯波，具有四倍電壓增益。升壓單元中所有開關承受的最大電壓應力均等于直流源的電壓值E，“工”字形結構與兩個“半橋”中的開關承受的最大電壓應力均為2E。所有開關承受的總電壓應力為22.5E。

此外，本文還設計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。模塊化拓展結構如圖2所示，升壓單元同時為所有可拓展模塊充電，各模塊與升壓單元串聯放電以增加輸出電平。在模塊化拓展結構中，每增加一個模塊，將增加8個輸出電平。這種拓展方式不僅可以保持級聯拓展方式的優點，而且只需要一個直流電源。此外，相鄰模塊中的電容可以并聯放電，進一步降低了電容的電壓紋波。

圖2 所提拓撲的模塊化拓展方式

?結論

本文提出了一種低應力高電平開關電容逆變器拓撲。本文從逆變器的拓撲結構、工作機理、調制策略、電容電壓平衡和電壓紋波計算等方面做了理論分析，并進行了樣機實驗，得出的結論如下：

（1）所提的逆變器拓撲能夠使用1個直流電源、3個電容和15個開關輸出17電平的階梯電壓波形，具有開關電壓應力低、電容紋波小的優點，且能夠根據需要對拓撲進行拓展。

（2）樣機實驗表明所提拓撲具有電容電壓自平衡、帶感性負載的能力及優良的動態特性。

（3）與已有拓撲對比，本文所提拓撲在器件數、開關電壓應力等方面具有明顯的優勢，在可再生能源發電等領域中具有一定的性能優勢和應用前景。

?引用本文

王要強，張亨泰，賴錦木，王克文，梁軍. 低應力高電平開關電容逆變器及其調制策略[J]. 電工技術學報，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.