[发明专利]基于H桥的低载波比模块化的扩频逆变电路及控制方法

说明书

本发明提出了一种基于H桥的低载波比模块化的扩频逆变电路及控制方法，逆变电路包括至少两层相互嵌套的H桥结构，每层H桥结构包括四个双向导通的开关模块，每层H桥结构的开关模块的开关管的开关频率相同。本发明外层H桥结构的输出作为相邻内层H桥的输入，内层H桥结构的输出频率比外层H桥输出频率增加一倍，N层H桥结构的输出频率是单层H桥结构输出频率的N倍。本发明采用多个H桥逆变器嵌套结构，通过低频脉冲信号移相控制，实现了逆变器嵌套输出高频波，解决了低载波比条件下输出高频波的关键问题，且具有控制方法简单、成本低、效率高等优点。

技术领域

本发明涉及电力电子逆变器拓扑结构及控制的技术领域，尤其涉及一种基于H桥的低载波比模块化的扩频逆变电路及控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，在中压大功率变流器的高性能控制、无线电能传输、通信技术等领域中，对高压大功率高频变换器的需求日益强烈。但受到半导体器件开关性能的限制，高压大功率和高频输出这两个要求之间存在矛盾，无法同时满足。因而，在低载波比条件下输出高频波成为解决问题的关键。

在风电变流器领域，随着风力发电技术逐渐由陆上向海上发展，其发电机的单机容量开始由低压（690V）中功率（2-3MW）向中压（3300V）大功率（5-10MW）发展。在中压大功率风力发电系统中，特别是海上风力发电系统中，永磁同步发电机因具有容量大、效率高、电网适应能力强等优点而逐渐替代双馈发电机成为主流机型。无论是低速永磁直驱风力发电系统，还是中速永磁半直驱风力发电系统，其“背靠背”变流器都是风力发电系统能量转换的核心。对于5-10MW功率等级的中压大功率风电变流器而言，其器件开关频率常常要求在1kHz以内，这给变流器的控制带来诸多困难。特别地，对于半直驱风力发电系统而言，其发电机运行频率较高，而变流器开关频率较低，导致存在采样比较低的问题，这进一步增加了中压大功率变流器的控制难度。为了实现大功率变流器的低开关频率控制，上海大学宋文祥教授等提出了一种模型预测磁链轨迹跟踪控制方法和一种低开关损耗模型预测直接转矩控制方法。然而，此类基于模型预测控制的方法存在诸多问题，例如，控制精度不高，采样比降低，这会恶化传统低开关频率模型预测控制的动稳态性能，并影响其稳定性。

在无线电能传输领域，如何实现高效率、大功率、远距离传输成为一个难题，无论是磁谐振耦合式还是电磁辐射式都无法突破这一难题。解决这一难题的技术路线之一就是提升传输频率，使用高频率信号控制。现有高频率开关器件价格昂贵，导致高频逆变器成本高昂。开关器件的频率总有极限，在此极限下能够输出更高频率的信号具有重要的研究价值。

发明内容

针对现有低开关频率控制方法控制精度不高，采样比降低，稳定下滑的技术问题，本发明提出一种基于H桥的低载波比模块化的扩频逆变电路及控制方法，通过相互嵌套的H桥结构，实现了在低频率控制信号下输出高频率波的方法，且控制精度高，灵活性高。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于H桥的低载波比模块化的扩频逆变电路，包括至少两层相互嵌套的H桥结构，每层H桥结构包括四个双向导通的开关模块，每层H桥结构的开关模块的开关管的开关频率相同。

优选地，所述H桥结构包括最外层H桥结构和最内层H桥结构，最外层H桥结构的输入端连接直流电源，最外层H桥结构的输出端通过相邻内层H桥结构与最内层H桥结构的输入端相连接，最内层H桥结构的输出端连接负载。优选地，所述每层H桥结构中的开关模块包括第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块和第四开关模块，第一开关模块分别与第二开关模块、第三开关模块相连接，第二开关模块、第三开关模块均与第四开关模块相连接。

优选地，所述H桥结构的输入端的两个连接端分别设置在第一开关模块和第三开关模块之间、第二开关模块和第四开关模块之间；所述H桥结构的输出端的两个连接端分别设置在第一开关模块和第二开关模块之间、第三开关模块和第四开关模块之间，实现相邻H桥结构的连接及与直流电源和负载的有效连接。