CN105247776B - 基于多状态开关单元的五电平光伏逆变器 - Google Patents

基于多状态开关单元的五电平光伏逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用来将双极性直流电压(VDC+以及VDC‑)转换为三相交流输出电压的五电平有源中点箝位式逆变器,所述转换器包括第一、第二和第三输入端子(P、MP、N)以及第一、第二和第三输出端子(22、23、24),其中所述逆变器进一步包括第一、第二、第三多状态开关单元(MSSC)(12、12'、12”),其包括与逆变器的三个输入端连接的三个输入端子以及三个输出端(9,10,11)。第一、第二、第三多状态开关单元的三个输出端子(9,10,11)通过电感器(La、Lb、Lc)连接到所述逆变器的每一对应的输出端子(22、23、24),并且所述逆变器的每一对应的输出端子(22、23、24)通过对应的电容器(Ca、Cb、Cc)连接到所述逆变器的所述第二输入端子(MP)上。

Description

基于多状态开关单元的五电平光伏逆变器
技术领域
本发明大体上涉及电源转换,且更确切地说,涉及用于光伏电源系统、不间断电源供应系统以及交流电机驱动器和高压直流应用的三相多电平逆变器。
背景技术
PV逆变器是PV电源系统的主要组件。需要此设备以将PV面板(光伏面板)产生的直流电源转换成交流电源系统(直流至交流)。PV逆变器可以连接到或不连接到电网同步的交流系统。在PV逆变器应用中通常使用用于单相以及三相系统的不同转换器电路。现有PV电源系统可以具有变压器(电隔离)或不具有变压器(无变压器)。PV逆变器在发送至交流输出电源系统的电压以及电流中必须具有低谐波含量,即,分别为电压以及电流提供低总谐波失真THDi以及THDv,并且控制功率因数接近于整数。
电压源逆变器(VSI)通常用于此目的,特别是在较高的功率电平下。同样,多电平VSI在有源开关上呈现较低电压应力,并且因此更适合于高功率电平。电压电平的数目越大,跨越开关的电压应力就越低,因而降低开关损耗。
PV逆变器的发展趋势是高效率、高功率密度以及较低成本。然而,实现高效率往往导致较低的功率密度、高成本以及高重量/体积。
现今在市场上见到的大多数三相逆变器是基于三电平NPC(中点箝位式)逆变器(也称为I型)或三电平有源NPC逆变器(也称为T型),如在参考文献1以及2中所描述。
PV逆变器系统通常使用多电平拓扑。参考文献3中描述了此类拓扑。
当处理高功率时,如IGBT、MOSFET、GTO、MCT、BJT、JFET、二极管等等半导体一直是用于本行业发现的应用中的有源开关的所选解决方案。然而,使用那些设备已经造成限制效率和/或功率密度的许多问题,比如:
-并联设备之间的均流;
-因增加的换向损耗所致的开关频率的降低,这增加了转换器的重量以及大小。
现有解决方案的另一缺点是EMI电平,EMI电平过高并且要求具有若干级的输出滤波器以便降低CM噪声以及DM噪声两者,从而降低了性能并且增加了单元的体积/成本。功率因数PF较低并且总谐波失真THD较高。同样,从PV阵列到地面的泄漏电流较高(超过300mA)。
参考文献4中描述了三状态开关单元的概念,并且参考文献5中描述了以提高三电平逆变器的电流能力为目的的此三状态开关单元的应用。
使用此拓扑电路,可以改进从PV阵列输入到良好的经调节交流输出的能量转换的性能,包括最大功率点跟踪MPPT功能性。那些拓扑用于高电流应用以及高功率,与具有碳化硅开关的所有传统的三电平NPC逆变器相比具有高效率。此外,此拓扑没有限制,并且可以用于其它应用中,例如:UPS、HVDC以及交流电机驱动器。
在PV系统中,此拓扑电路可以作为逆变器应用于具有隔离变压器或无变压器的电网连接的或孤岛的应用。
在现今市场上现有的拓扑电路中有可能使用碳化硅半导体、磁性部件以及一定量的重/厚铜导线实现高效率。然而,这会降低功率密度并且增加成本。
如果为了高功率密度而将优化转换器,那么不可避免地将会降低效率并且增加成本。
在现今现有的解决方案中用于优化的选择要么是效率要么是高功率密度,但从来没有两者的同时优化。
然而,使用根据本发明的电路,有可能以低成本实现高效率以及高功率密度两者。
发明内容
为了克服现有技术逆变器的问题,呈现用于PV逆变器的新拓扑电路。使用根据本发明的逆变器,可以低成本实现极高效率以及高功率密度。
三相三电平中点箝位式逆变器是在高功率、高输入电压中使用的自然拓扑,并且在传统上一直是用于PV逆变器应用的最常用转换器。然而,基于此转换器技术的拓扑的主要缺点是:需要大型输出滤波器以减少总谐波失真以及PV阵列到地面的高泄漏电流。使用根据本发明的拓扑电路也已减少了此缺点。
转换器的并联一直是解决增加直流-交流电源系统的需求的方式,但是由于均流问题以及上述问题,这对于高效率、高功率密度、低成本以及重量减少而言不是理想解决方案。
最适合于高功率的方法是使用具有实际上用于电压以及电流的多电平特征的转换器。
然而,还没有尝试研究具有比用于低压电网系统的现有三电平中点箝位式逆变器更多电平数目的拓扑电路。存在许多用于中压以及高压交流电源系统的使用硅以及碳化硅开关的多电平拓扑。使用碳化硅半导体可以增大开关频率并且减少无功部件。然而,也增加了驱动复杂度以及成本。
多电平拓扑配置的一个重要优点是:随着转换器中电平的数目增加,在半导体上的电压以及电流应力减小。这将减少所需的冷却以及因此减小单元的大小、重量以及体积。
多电平转换器的另一重要特征是:与传统的中点箝位式转换器相比,无功部件的大小、重量以及体积实质上减少。
由于在本发明中呈现的新颖拓扑电路是五电平逆变器,因此已经解决了在现今用于本行业的PV逆变器中发现的如上文所描述的局限性。
同时,与现有拓扑相比,在本发明中已经改进了逆变器的总谐波失真(THD)、功率因数(PF)以及电磁干扰(EMI)性能,并且因此可以进一步减小输入滤波器的重量、大小以及体积。
在此背景下,本发明的一个目的是提供一种新颖拓扑电路,所述新颖拓扑电路尤其适合于用于PV发电系统的功率电子领域中的高功率、高效率、高功率密度以及低成本的应用或可能需要此电路的其它应用。此外,拓扑可以在其中需要直流-交流的其它应用中使用,例如UPS系统、HVDC、电机驱动器等。
在根据本发明的五电平拓扑电路中,已经在PV逆变器上应用了三状态开关单元(3SSC)技术的概念。如上文所描述,此电路的主要特征是:由于损耗的降低以及避免使用碳化硅半导体造成的复杂度以及成本而实现高频率、高效率、高功率密度以及低成本的可能性。
由于三状态开关单元的内置式特征,因此通过半导体的峰值电流与其它拓扑相比更低,并且因此传导损耗以及开关损耗更低。这使我们能够使用有成本效益的半导体以及较小的散热器,这也将减小单元的总尺寸。取决于应用的功率电平,半导体可以是离散的或模块。避免了碳化硅半导体从而降低驱动复杂度以及成本。
由此,根据本发明,提供了一种用来将双极性直流电压Vdc+以及Vdc-转换为三相交流输出电压的五电平有源中点箝位式逆变器,其中所述转换器包括第一输入端子P、第二输入端子MP和第三输入端子N以及第一、第二和第三输出端子,并且其中所述逆变器包括:
(i)第一多状态开关单元(MSSC),所述第一多状态开关单元包括分别连接到逆变器的所述输入端子P、MP以及N上的三个输入端子以及第一输出端子;
(ii)第二多状态开关单元(MSSC),所述第二多状态开关单元包括分别连接到逆变器的所述输入端子P、MP以及N上的三个输入端子以及第二输出端子;
(iii)第三多状态开关单元(MSSC),所述第三多状态开关单元包括分别连接到逆变器的所述输入端子P、MP以及N上的三个输入端子以及第三输出端子;
(iv)其中第一MSSC的输出端子通过电感器La连接到逆变器的所述第一输出端子上,第二MSSC的输出端子通过电感器Lb连接到逆变器的所述第二输出端子上,并且第三MSSP的输出端子通过电感器Lc连接到逆变器的所述第三输出端子上;并且
(v)其中逆变器的每一对应的输出端子通过对应的电容器Ca、Cb、Cc连接到逆变器的所述第二输入端子MP上。
按照根据本发明的五电平有源中点箝位式逆变器的具体实施例,多状态开关单元各自包括单独的自耦变压器(Ta、Tb、Tc),每一单独的自耦变压器包括端部端子以及中间端子;其中在逆变器的所述第一输入端子P与所述第一单独的自耦变压器Ta的第一端部端子之间以及在逆变器的所述第一输入端子P与所述第一单独的自耦变压器Ta的第二端部端子之间分别设置开关元件Sa1以及Sa3,并且在逆变器的第三输入端子N与所述第一单独的自耦变压器Ta的第一端部端子之间以及在逆变器的第三输入端子N与所述第一单独的自耦变压器Ta的第二端部端子之间分别连接开关元件Sa2以及Sa4,并且在逆变器的所述第二输入端子MP与所述第一单独的自耦变压器(Ta)的第一端部端子之间以及在逆变器的所述第二输入端子MP与所述第一单独的自耦变压器(Ta)的第二端部端子之间分别连接开关元件Sa5以及Sa6
并且其中在逆变器的所述第一输入端子P与所述第二单独的自耦变压器Tb的第一端部端子之间以及在逆变器的所述第一输入端子P与所述第二单独的自耦变压器Tb的第二端部端子之间分别设置开关元件Sb1以及Sb3,并且在逆变器的所述第三输入端子N与第二单独的自耦变压器Tb的第一端部端子之间以及在逆变器的所述第三输入端子N与第二单独的自耦变压器Tb的第二端部端子之间分别连接开关元件Sb2以及Sb4,并且在逆变器的所述第二输入端子MP与第二单独的自耦变压器Tb的第一端部端子之间以及在逆变器的所述第二输入端子MP与第二单独的自耦变压器Tb的第二端部端子之间分别连接开关元件Sb5以及Sb6;并且其中在逆变器的所述第一输入端子P与所述第三单独的自耦变压器Tc的第一端部端子之间以及在逆变器的所述第一输入端子P与所述第三单独的自耦变压器Tc的第二端部端子之间分别设置开关元件Sc1以及Sc3,并且在逆变器的所述第三输入端子N与所述第三单独的自耦变压器Tc的第一端部端子之间以及在逆变器的所述第三输入端子N与所述第三单独的自耦变压器Tc的第二端部端子之间分别连接开关元件Sc2以及Sc4,并且在逆变器的所述第二输入端子MP与所述第三单独的自耦变压器Tc的第一端部端子之间以及在逆变器的所述第二输入端子MP与所述第三单独的自耦变压器Tc的第二端部端子之间分别连接开关元件Sc5以及Sc6
在本发明的以上实施例中,对于j∈{a,b,c}以及i∈{1,2,3,4},开关元件Sji对于电流是双向的并且对于电压是单向的,并且对于j∈{a,b,c}以及i∈{5,6},所述开关元件Sji对于电流以及电压都是双向的。
根据本发明的实施例,使用如在本发明的详细说明中更详细描述的半导体部件实施开关元件。
附图说明
在本描述内容的以下详述部分中,将参看附图中所展示的示例性实施例来更详细地解释本发明,其中:
图1示出根据本发明的原理构造的三相五电平有源中点箝位式PV逆变器的实施例的示意图;
图2示出若干基本的双向开关的示意图实例;
图3示出根据本发明的原理构造的五电平有源中点箝位式PV逆变器的拓扑电路的示意图,所述PV逆变器基于多状态开关单元技术且具有IGBT晶体管;
图4示出在滤波之前的A相五电平电压Va-MP(深灰色)、在滤波之后的A相电压Va-MP(黑色)以及在滤波之前的A相电流(浅灰色);
图5示出在滤波之前的线间九电平电压Va-b(浅灰色)以及在滤波之后的线间九电平电压Va-b(黑色);以及
图6示出在滤波之前的A相五电平电压Va-MP(浅灰色)、在滤波之后的A相电流、在滤波之后的B相电流以及在滤波之后的C相电流。
具体实施方式
在本发明的以下详细说明中,将描述根据本发明的教示的三相五电平A-NPC PV逆变器的具体实施例。
参看图1,其示出了通常由参考标号1指示的根据本发明的原理构造的三相五电平A-NPC(有源中点箝位式)PV逆变器的实施例的示意图。PV逆变器从任何PV阵列2(串联和/或并联连接的那些)电压接收输入电源,所述PV阵列电压与C1以及C2(在P-MP以及MP-N之间串联连接的那些)并联,从而在P-N(总VDC-link)之间形成双极性直流电压(Vdc++以及Vdc-)。T型多状态开关单元(MSSC)3连接到每一相j(P-MP-N以及j=a,b,c)上以产生三相交流输出电压。MSSC由开关Sj1到Sj6(j=a,b,c)以及自耦变压器Tj构成。Sj1到Sj4是用于将输入的有功功率传递到交流输出功率,并且它们对于电流是双向的且对于电压是单向的。Sj5到Sj6是用于有源中点钳位以使电流续流通过电感器并且控制无功功率。它们对于电流以及电压都是双向的。
输出功率经过电感器Lj 4以及输出滤波器6以馈入三相交流电网7。电容器Cj 5在EMI滤波器与电感器Lj之间以Y型配置连接到逆变器的中点输入端子MP 7上。那些电容器以及输出滤波器用以将从PV阵列到地面的共模泄漏电流循环降至最低。
图1中示出的根据本发明的实施例的用来将双极性直流电压(VDC+以及VDC-)转换为三相交流输出电压的五电平有源中点箝位式逆变器包括第一输入端子P、第二输入端子MP和第三输入端子N(分别参考标号6、7和8)以及第一、第二和第三输出端子(分别参考标号22、23和24)。所述逆变器进一步包括第一多状态开关单元(MSSC)12,所述第一多状态开关单元包括分别连接到逆变器的输入端子P、MP、N上的三个输入端子13、14、15以及第一输出端子9。
所述逆变器进一步包括第二多状态开关单元12′,所述第二多状态开关单元包括分别连接到逆变器的输入端子P、MP、N上的三个输入端子16、17、18以及第二输出端子10。
所述逆变器进一步包括第三多状态开关单元12″,所述第三多状态开关单元包括分别连接到逆变器的所述输入端子P、MP、N上的三个输入端子19、20、21以及第三输出端子11。
第一MSSC 12的输出端子9通过电感器La 4连接到逆变器的第一输出端子22上,第二MSSC 12′的输出端子10通过电感器Lb 4连接到逆变器的所述第二输出端子23上,并且第三MSSC 12″的输出端子11通过电感器Lc 4连接到逆变器的所述第三输出端子24上。逆变器的每一对应的输出端子22、23、24通过对应的电容器Ca、Cb、Cc 5连接到逆变器的第二输入端子MP上。
图1中示出的在本发明的实施例中使用的多状态开关单元(MSSC)包括用于每一单元的单独的自耦变压器Ta、Tb、Tc,其中每一单独的自耦变压器包括端部端子25、26;27、28;29、30以及中间端子31、32、33。
在逆变器的所述第一输入端子6(P)与所述第一单独的自耦变压器Ta的第一端部端子25之间以及在逆变器的所述第一输入端子6(P)与所述第一单独的自耦变压器Ta的第二端部端子26之间分别设置开关元件Sa1以及Sa3,并且在逆变器的所述第三输入端子8(N)与所述第一单独的自耦变压器Ta的第一端部端子25之间以及在逆变器的所述第三输入端子8(N)与所述第一单独的自耦变压器Ta的第二端部端子26之间分别连接开关元件Sa2以及Sa4,并且在逆变器的所述第二输入端子7(MP)与所述第一单独的自耦变压器Ta的第一端部端子25之间以及在逆变器的所述第二输入端子7(MP)与所述第一单独的自耦变压器Ta的第二端部端子26之间分别连接开关元件Sa5以及Sa6
在逆变器的所述第一输入端子6(P)与所述第二单独的自耦变压器Tb的第一端部端子27之间以及在逆变器的所述第一输入端子6(P)与所述第二单独的自耦变压器Tb的第二端部端子28之间分别设置开关元件Sb1以及Sb3,并且在逆变器的所述第三输入端子8(N)与第二单独的自耦变压器Tb的第一端部端子27之间以及在逆变器的所述第三输入端子8(N)与第二单独的自耦变压器Tb的第二端部端子28之间分别连接开关元件Sb2以及Sb4,并且在逆变器的所述第二输入端子7(MP)与第二单独的自耦变压器Tb的第一端部端子27之间以及在逆变器的所述第二输入端子7(MP)与第二单独的自耦变压器Tb的第二端部端子28之间分别连接开关元件Sb5以及Sb6
在逆变器的所述第一输入端子6(P)与所述第三单独的自耦变压器Tc的第一端部端子29之间以及在逆变器的所述第一输入端子6(P)与所述第三单独的自耦变压器Tc的第二端部端子30之间分别设置开关元件Sc1以及Sc3,并且在逆变器的第三输入端子8(N)与第三单独的自耦变压器Tc的第一端部端子29之间以及在逆变器的第三输入端子8(N)与第三单独的自耦变压器Tc的第二端部端子30之间分别连接开关元件Sc2以及Sc4,并且在逆变器的所述第二输入端子7(MP)与所述第三单独的自耦变压器Tc的第一端部端子29之间以及在逆变器的所述第二输入端子7(MP)与所述第三单独的自耦变压器Tc的第二端部端子30之间分别连接开关元件Sc5以及Sc6
在此实施例中,对于j∈{a,b,c}以及i∈{1,2,3,4},开关元件Sji对于电流是双向的并且对于电压是单向的,并且对于j∈{a,b,c}以及i∈{5,6},所述开关元件Sji对于电流以及电压都是双向的。
开关元件可以例如借助于绝缘栅双极型晶体管IGBT、碳化硅双极结型晶体管SICBJT、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或碳化硅结型栅场效应晶体管SIC JFET来实施。
参看图2,其示出了在本发明中使用的开关元件的不同的可能实施方案,但是应理解本发明的范围不限于所示出的开关元件的特定实施方案的应用。对于电压以及电流是双向的开关Sj5至Sj6可以具有例如如图2(a)中所指示的基本形式。对于电流是双向的并且对于电压是单向的开关Sj1至Sj4如图2(b)所指示。
开关元件Sj1至Sj4可以例如使用图2(b)中示出的半导体配置来实施。因此,例如,这些开关元件可以使用以下配置来实施:MOSFET或碳化硅MOSFET;绝缘栅双极型晶体管(IGBT),其中在晶体管的源极端子与漏极端子之间耦合二极管;碳化硅结型栅场效应晶体管(JFET),其中在晶体管的源极端子与漏极端子之间耦合二极管;或碳化硅双极结型晶体管(BJT),其中在晶体管的发射极端子与集电极端子之间耦合二极管。
开关元件Sj5至Sj6可以例如使用图2(a)中示出的半导体配置来实施。多种替代的配置是可能的,其中的一些在图2(a,a)到2(a,f)中示出。配置(a)、(c)以及(e)使用MOSFET的与二极管的各种组合,而组合(b)、(d)以及(f)使用IGBT的与二极管的类似组合。
在图3中示出如图1所示的根据本发明的五电平拓扑电路的应用,其具有使用IGBT晶体管的双向开关。如上所述,还可以使用用于开关的其它半导体配置。在图3中示出的电路中,其中j∈{a,b,c}以及i∈{1,2,3,4}的开关元件Sji具有图2(b)中示出的IGBT配置,而其中j∈{a,b,c}以及i∈{5,6}的开关元件Sji具有图2(a)(b)中示出的相对应的双重IGBT配置。
参看图4、5以及6,其示出从对根据本发明的逆变器实验的结果得出的波形的实例,以显示图3中呈现的使用D-SVM调制方案的本发明拓扑的多电平特征。
更确切地说,图4示出在滤波之前的A相五电平电压Va-MP 38;在滤波之后的A相电压Va-MP 39;以及在滤波之前的A相电流40。
图5示出在滤波之前的线间九电平电压Va-b 41;以及在滤波之后的线间九电平电压Va-b 42。
图6示出在滤波之前的A相五电平电压Va-MP 43;在滤波之后的A相电流44;在滤波之后的B相电流45;以及在滤波之后的C相电流46。
控制策略
对于基于多状态开关单元技术的此五电平A-NPC PV逆变器的控制,可以实施空间向量调制或基于载波的控制以及它们的所有变型。
通过由软件完成的合适的PWM调制策略保证多状态开关单元的每一引线的均流。此调制保证在每一开关操作循环跨越自耦变压器的伏秒。因此,所得的磁通量是平衡的。如果调制策略不足以平衡所得的磁通量,那么可以添加在功率电子的目前先进技术中所熟知的额外的有源或无源通量平衡控制器。
使用根据本发明的转换器电路,至少获得以下非常有利的效果:
-不使用碳化硅半导体的情况下的高效率。
-使用硬开关半导体在任何功率范围的高频率操作(>50kHz)。
-因基于多状态开关单元拓扑电路的特征使得无功部件减少并且散热器大小减小而致的高密度。
-因半导体上的应力减小而致的高可靠度。
-需要低EMI电平以及因此需要较小的输入滤波器。
-基于拓扑电路的特征以及调制策略的从PV阵列到地面的低泄漏电流。
-对于高功率应用的低成本,从而影响大小以及重量和体积(20kW箱中30kW单位英尺)。
-电路应用于PV系统,但是其可以在需要逆变器的其它应用中使用,例如,不间断电源供应、交流电机驱动器、高压直流应用等。
-由于在拓扑电路中不存在固有的限制,因此本发明中的电路可以实施用于任何功率电平。
参考文献
参考文献1:[A.难波江(A.Nabae)、I.高桥(I.Takahashi)以及H.阿卡吉(H.Akagi),“新的中点箝位式PWM逆变器”(A new neutral-point-clamped PWMinverter),电气和电子工程师协会工业应用汇刊(IEEE Trans.Ind.Appl.),第IA-17卷,第5期,第518-523页,1981年9月/10月]
参考文献2:[P.M.巴格瓦特(P.M.Bhagwat)以及V.R.斯蒂芬诺维奇(V.R.Stefanovic),“多电平PWM逆变器的概念结构”(Generalized Structure of aMultilevel PWM Inverter),电气和电子工程师协会工业应用汇刊(IEEETrans.Ind.Appl.),第IA-19卷,第6期,1983年11月/12月]
参考文献3:[M.卡莱斯(M.Calais)以及V.阿赫利得斯(V.Agelidis),“用于单相并网光伏系统的多电平转换器概述”(Multilevel converters for single-phase gridconnected photovoltaic systems,an overview),国际工业电子研讨会会刊(Proc.ISIE),1998年,第172-178页,]
参考文献4:[G.V.T.巴斯科.伊沃.巴比(G.V.T.Bascopé e Ivo Barbi),“使用三状态开关单元的非隔离式DC-DC PWM转换器系列的产生”(Generation of a family ofnon-isolated DC-DC PWM converters using a three-state switching cell),第31届电气和电子工程师协会年度电力电子学专家会议,第2卷,第858-863页,2000年6月18日至23日]
参考文献5:[雷内P.T.巴斯科.若昂.A.F.内托(Rene P.T.Bascopé JoaoA.F.Neto)以及格罗佛.V.T.巴斯科(Grover.V.T.Bascopé),“用以增加多电平逆变器的电流容量的多状态换向单元”(Multi-state Commutation Cells to Increase CurrentCapacity of Multi-Level Inverters),电信能源国际会议(INTELEC),第33届电气和电子工程师协会国际会议,2011年10月9日至13日]

Claims (5)

1.一种五电平有源中点箝位式逆变器,用于将双极性直流电压转换为三相交流输出电压,包括第一、第二和第三输入端子(6、7、8)以及第一、第二和第三输出端子(22、23、24),其特征在于,所述五电平有源中点箝位式逆变器包括:
(i)第一多状态开关单元(12),所述第一多状态开关单元包括分别连接到所述逆变器的所述第一、第二和第三输入端子(6、7、8)上的三个输入端子(13、14、15)以及第一输出端子(9);
(ii)第二多状态开关单元(12'),所述第二多状态开关单元包括分别连接到所述逆变器的所述第一、第二和第三输入端子(6、7、8)上的三个输入端子(16、17、18)以及第二输出端子(10);
(iii)第三多状态开关单元(12”),所述第三多状态开关单元包括分别连接到所述逆变器的所述第一、第二和第三输入端子(6、7、8)上的三个输入端子(19、20、21)以及第三输出端子(11);
(iv)其中所述第一多状态开关单元(12)的所述第一输出端子(9)通过电感器La连接到所述逆变器的所述第一输出端子(22)上,所述第二多状态开关单元(12')的所述第二输出端子(10)通过电感器Lb连接到所述逆变器的所述第二输出端子(23)上,并且所述第三多状态开关单元(12”)的所述第三输出端子(11)通过电感器Lc连接到所述逆变器的所述第三输出端子(24)上;并且
(v)其中所述逆变器的每一对应的输出端子(22、23、24)通过对应的电容器Ca、Cb、Cc连接到所述逆变器的所述第二输入端子(7)上;
所述第一、第二和第三多状态开关单元各自包括第一、第二和第三单独的自耦变压器Ta、Tb、Tc,每一单独的自耦变压器包括端部端子(25、26;27、28;29、30)以及中间端子(31、32、33);其中在所述逆变器的所述第一输入端子(6)与所述第一单独的自耦变压器Ta的第一端部端子(25)之间以及在所述逆变器的所述第一输入端子(6)与所述第一单独的自耦变压器Ta的第二端部端子(26)之间分别设置开关元件Sa1以及Sa3,并且在所述逆变器的所述第三输入端子(8)与所述第一单独的自耦变压器Ta的所述第一端部端子(25)之间以及在所述逆变器的所述第三输入端子(8)与所述第一单独的自耦变压器Ta的所述第二端部端子(26)之间分别连接开关元件Sa2以及Sa4,并且在所述逆变器的所述第二输入端子(7)与所述第一单独的自耦变压器Ta的所述第一端部端子(25)之间以及在所述逆变器的所述第二输入端子(7)与所述第一单独的自耦变压器Ta的所述第二端部端子(26)之间分别连接开关元件Sa5以及Sa6;并且
其中在所述逆变器的所述第一输入端子(6)与所述第二单独的自耦变压器Tb的第一端部端子(27)之间以及在所述逆变器的所述第一输入端子(6)与所述第二单独的自耦变压器Tb的第二端部端子(28)之间分别设置开关元件Sb1以及Sb3,并且在所述逆变器的所述第三输入端子(8)与所述第二单独的自耦变压器Tb的所述第一端部端子(27)之间以及在所述逆变器的所述第三输入端子(8)与所述第二单独的自耦变压器Tb的所述第二端部端子(28)之间分别连接开关元件Sb2以及Sb4,并且在所述逆变器的所述第二输入端子(7)与所述第二单独的自耦变压器Tb的所述第一端部端子(27)之间以及在所述逆变器的所述第二输入端子(7)与所述第二单独的自耦变压器Tb的所述第二端部端子(28)之间分别连接开关元件Sb5以及Sb6;并且
其中在所述逆变器的所述第一输入端子(6)与所述第三单独的自耦变压器Tc的第一端部端子(29)之间以及在所述逆变器的所述第一输入端子(6)与所述第三单独的自耦变压器Tc的第二端部端子(30)之间分别设置开关元件Sc1以及Sc3,并且在所述逆变器的所述第三输入端子(8)与所述第三单独的自耦变压器Tc的所述第一端部端子(29)之间以及在所述逆变器的所述第三输入端子(8)与所述第三单独的自耦变压器Tc的所述第二端部端子(30)之间分别连接开关元件Sc2以及Sc4,并且在所述逆变器的所述第二输入端子(7)与所述第三单独的自耦变压器Tc的所述第一端部端子(29)之间以及在所述逆变器的所述第二输入端子(7)与所述第三单独的自耦变压器Tc的所述第二端部端子(30)之间分别连接开关元件Sc5以及Sc6
其中对于j∈{a,b,c}以及i∈{1,2,3,4},所述开关元件Sji对于电流是双向的并且对于电压是单向的,并且对于j∈{a,b,c}以及i∈{5,6},所述开关元件Sji对于电流以及电压都是双向的。
2.根据权利要求1所述的五电平有源中点箝位式逆变器,其特征在于,所述开关元件是绝缘栅双极型晶体管IGBT、碳化硅双极结型晶体管SICBJT、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或碳化硅结型栅场效应晶体管SIC JFET。
3.根据权利要求2所述的五电平有源中点箝位式逆变器,其特征在于,对于j∈{a,b,c}以及i∈{1,2,3,4},所述开关元件Sji中的每一者是绝缘栅双极型晶体管,在所述绝缘栅双极型晶体管中发射极端子以及集电极端子通过二极管连接,并且对于j∈{a,b,c}以及i∈{5,6},所述开关元件Sji中的每一者是两个绝缘栅双极型晶体管的串联连接,所述两个绝缘栅双极型晶体管的所述发射极端子彼此连接并且其中所述两个绝缘栅双极型晶体管中的每一者在对应的发射极端子与集电极端子之间设置有二极管。
4.根据权利要求1-3任一项所述的五电平有源中点箝位式逆变器,其包括输出EMI滤波器(34),所述输出EMI滤波器(34)的对应的输入端子分别连接到所述逆变器的所述第一、第二和第三输出端子(22、23、24)上,并且其中所述输出EMI滤波器(34)的所述输出端子可以向交流电网(35)提供输出电压或电流。
5.一种根据以上权利要求1到4中的任一项所述的五电平有源中点箝位式逆变器,所述逆变器应用于模块集成式、组串型、多组串型、微集中型以及集中型PV逆变器系统。
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Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105830331B (zh) * 2013-12-18 2019-08-27 奥的斯电梯公司 用于多电平再生驱动器的总线电容器组配置
JP6402828B2 (ja) * 2015-06-23 2018-10-10 日産自動車株式会社 充電共用インバータ
US9840968B2 (en) * 2015-09-16 2017-12-12 Hamilton Sundstrand Corporation Topologies and methods for turbine engine start inverters
EP3157022A1 (en) 2015-10-16 2017-04-19 SMA Solar Technology AG Inductor assembly and power suppy system using the same
US10191531B2 (en) 2015-12-29 2019-01-29 General Electric Company Hybrid converter system
CN105610342A (zh) * 2016-01-14 2016-05-25 上海电力学院 一种中点电位续流的光伏并网单相逆变器拓扑结构
CN105720853B (zh) * 2016-04-12 2019-04-26 中国科学院电工研究所 五电平有源中点箝位型h桥变流器
US9831800B2 (en) 2016-04-21 2017-11-28 The Florida State University Research Foundation, Inc. Self-balanced modulation and magnetic rebalancing method for parallel multilevel inverters
US11309805B2 (en) * 2016-08-31 2022-04-19 Siemens Aktiengesellschaft Inverter and photovoltaic installation
CN106533217B (zh) * 2016-12-28 2019-03-15 北京天诚同创电气有限公司 整流器、整流电路及其控制方法
US10291150B1 (en) * 2017-11-08 2019-05-14 General Electric Company Method and system for operating a phase-leg of a three-level active neutral point clamped converter
WO2020061905A1 (en) * 2018-09-27 2020-04-02 Abb Schweiz Ag Apparatus for conversion between ac power and dc power
CN109687514A (zh) * 2018-12-28 2019-04-26 浙江华云清洁能源有限公司 高频隔离型多低压直流母线汇集光伏中压并网发电系统
CN110535365B (zh) * 2019-08-30 2021-07-20 合肥工业大学 三相共模电流与开关损耗协同抑制的逆变系统
EP4029139A4 (en) 2019-09-13 2023-09-27 Milwaukee Electric Tool Corporation CURRENT TRANSFORMER WITH WIDE BANDGAP SEMICONDUCTORS
CN113114061B (zh) * 2021-03-26 2022-06-24 台达电子企业管理(上海)有限公司 变换器及抑制变换器的环流干扰的方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102405588A (zh) * 2010-05-24 2012-04-04 华为技术有限公司 电源方法及装置
CN102460932A (zh) * 2009-06-19 2012-05-16 三菱电机株式会社 电力变换装置
CN102510231A (zh) * 2011-11-05 2012-06-20 山东电力研究院 二极管钳位式五电平光伏逆变器及采用它的供电系统
CN102918756A (zh) * 2010-04-07 2013-02-06 Sma太阳能技术股份公司 逆变器系统中漏电流控制方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE60130972T2 (de) * 2000-02-28 2008-07-31 Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki, Kitakyushu Verfahren zur kontrolle des pwm puls
EP2107672A1 (de) * 2008-03-31 2009-10-07 SMA Solar Technology AG Dreiphasiger Wechselrichter ohne Verbindung zwischen dem Neutralleiter des Netzes und dem Mittelpunkt des Zwischenkreises
JP2011109789A (ja) * 2009-11-17 2011-06-02 Fuji Electric Holdings Co Ltd 電力変換装置
CN102931862A (zh) * 2011-08-12 2013-02-13 旭丽电子(广州)有限公司 直流-交流转换系统及直流-交流转换电路
CN102624266B (zh) 2012-03-16 2015-04-08 华为技术有限公司 三电平逆变电路
JP6098207B2 (ja) * 2013-02-13 2017-03-22 富士電機株式会社 電力変換装置
WO2015001597A1 (ja) * 2013-07-01 2015-01-08 東芝三菱電機産業システム株式会社 7レベルインバータ装置
WO2015108613A1 (en) * 2014-01-15 2015-07-23 Abb Technology Ag Interleaved multi-channel, multi-level, multi-quadrant dc-dc converters

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102460932A (zh) * 2009-06-19 2012-05-16 三菱电机株式会社 电力变换装置
CN102918756A (zh) * 2010-04-07 2013-02-06 Sma太阳能技术股份公司 逆变器系统中漏电流控制方法
CN102405588A (zh) * 2010-05-24 2012-04-04 华为技术有限公司 电源方法及装置
CN102510231A (zh) * 2011-11-05 2012-06-20 山东电力研究院 二极管钳位式五电平光伏逆变器及采用它的供电系统

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WO2014194933A1 (en) 2014-12-11
US20160118910A1 (en) 2016-04-28
EP2959570A1 (en) 2015-12-30

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