CN107210684A - 五电平拓扑单元及五电平逆变器 - Google Patents

五电平拓扑单元及五电平逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种五电平拓扑单元及五电平逆变器。该五电平拓扑单元电路包括逆变模块和悬浮电容(CS)，该逆变模块能够提供五种电平模式。该五电平拓扑单元电路及五电平逆变器可以在不设置额外的升压电路的前提下，在相同的工作情况下，输出与全桥逆变器相同的交流电。

Description

五电平拓扑单元及五电平逆变器
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年1月29日提交的美国临时专利申请US62/109,413的优先权以及2015年4月20号提交的美国正式申请US14/690,761的优先权，其公开内容整体并入于此作为参考。
技术领域
本发明涉及五电平拓扑单元及五电平逆变器电路，特别用于新能源系统。
背景技术
随着全球能源和环境问题加剧，可再生能源发展迅速。光伏发电因其资源丰富，分布广泛，具有很好的发展前景。对于光伏发电系统来说，如何降低成本，提高效率成为光伏发电的重要课题。
在光伏发电系统中，逆变器用于将光伏电池阵列输出的直流电转化成交流电。并网逆变器可以分为隔离型并网逆变器和非隔离型并网逆变器两类。在隔离型并网逆变器中，变压器实现了电气隔离，确保了人身安全。但是，变压器的能量损耗和体积大，带来很多问题，比如效率低，功率密度低和成本高等。所以，非隔离型光伏并网逆变器成为主流。但在非隔离型光伏并网逆变器系统中，由于缺少了变压器的电气隔离而存在共模回路。共模回路中的高频共模电流导致电磁干扰，同时危及设备和人身安全。因此，非隔离型并网逆变器中，高频共模电流是必须解决的问题。
现有公开的技术中，存在两类非隔离型光伏并网逆变器。
第一类是双交流电感的对称拓扑，比如全桥拓扑。由于全桥拓扑所需的输入电压为半桥拓扑的一半，因此很多场合，无需额外的升压 电路升压。但是，全桥逆变器由于其寄生参数的存在，很难完全消除高频漏电流。通过适当改进传统H4全桥电路，可以减小高频漏电流，并满足行业标准。但其为对称双电感工作模式，所以两个电感磁芯不能共用，增大了成本。
第二类是单电感的非对称拓扑，比如半桥逆变电路或中点钳位电路。该类拓扑通过将电网的一端直接钳位至直流母线电压的中点，很好保证了光伏电池板的寄生电容两端电压恒定不变，从而很好地解决了漏电流。但由于其输入电压为第一类的两倍，所以需要额外的升压电路，导致效率降低。
可以看出，若第二类没有额外的升压电路仍能正常工作，则第二类相对于第一类在低成本和高效率方面具有明显优势。
为了方便描述，本申请中的术语“全桥逆变器”代表第一类逆变器，术语“半桥逆变器”代表第二类逆变器。
另外，为实现高效率，五电平逆变器已成为发展趋势。
发明内容
本发明提供了一种非隔离型五电平拓扑单元及非隔离型五电平逆变器，以解决现有技术中的采用升压电路导致效率低等上述问题。为了让电流双向流动，每个半导体开关反向并联一个二极管。为了叙述方便，本申请中的术语“双向开关”指电流可以双向流动但只能承受单向电压的开关，比如带有反向并联二极管的IGBT，或内置并联二极管的MOSFET。
第一方面，本发明提供一种五电平拓扑单元，包括：悬浮电容和逆变模块；并具有第一接入端、第二接入端、第三接入端和电压输出端和若干控制端；
所述逆变模块连接第一接入端、第二接入端、第三接入端、电压输出端以及所述悬浮电容的第一端和第二端六个端子，并连接若干控制端；用于根据在第一电平模式下输入到各个控制端的控制信号，针 对所述六个端子，导通悬浮电容的第一端与电压输出端的连接以及所述第一接入端与悬浮电容的第二端的连接，并断开其他的端到端的连接；
根据在第二电平模式下输入到各个控制端的控制信号，针对所述六个端子，导通悬浮电容的第一端与电压输出端的连接以及第一接入端与悬浮电容的第一端的连接和悬浮电容的第二端与第三接入端的连接，并断开其他的端到端的连接；
根据在第三电平模式的第一模态下输入到各个控制端接入的控制信号，针对所述六个端子，导通悬浮电容的第一端与电压输出端的连接以及所述悬浮电容的第二端与所述第二接入端的连接，所述第三接入端与所述悬浮电容的第一端的连接，并断开其他端到端的连接；和/或根据在第三电平模式的第二模态下输入到各个控制端接入的控制信号，导通第一接入端与悬浮电容的第一端的连接以及悬浮电容的第二端与电压输出端的连接和所述悬浮电容第二端与所述第三接入端的连接，并断开其他端到端的连接；
根据在第四电平模式下输入到各个控制端的控制信号，针对所述六个端子，导通所述第三接入端与悬浮电容的第一端的连接、悬浮电容的第二端与电压输出端的连接以及所述悬浮电容的第二端与所述第二接入端的连接，并断开其他端到端的连接；
根据在第五电平模式下输入到各个控制端的控制信号，针对所述六个端子，导通悬浮电容的第一端与第二接入端的连接以及悬浮电容的第二端与电压输出端的连接，并断开其他端到端的连接。
第二方面，本发明提供了一种单相五电平逆变器。
一个控制器和一个第一方面所述的五电平拓扑单元所述控制器与所述若干个控制端相连，用于提供各个电平模式对应的控制信号。
第三方面，本发明提供了一种三相五电平逆变器。
所述三相五电平逆变器至少包括一个控制器和三个第一方面所 述的五电平拓扑单元。其中，三个五电平拓扑单元的第一接入端相互连接，第二接入端相互连接，第三接入端相互连接；
所述控制器与每一个五电平拓扑单元中的各个控制端相连，用于为该五电平拓扑单元提供各个电平模式对应的控制信号。
本发明实施例提供的五电平拓扑单元和逆变器，可以在不设置额外的输入电压升压电路的前提下也能输出与五电平全桥逆变器相同的交流电，提高了系统效率。另外，悬浮电容的充放电时间等于五电平拓扑单元中的半导体开关的开关周期。实际应用中，这个时间通常是50微秒，非常小。因此，小电容值的悬浮电容就可以满足要求。本发明提供的五电平拓扑单元及五电平逆变器，可以用于，但不限于，可再生能源系统，比如单相或三相并网光伏系统。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征信息和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
为了更全面地理解本发明的技术方案，对后面的实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行介绍如下。
图1为本发明实施例提供的一种五电平逆变器的电路原理部分方框图；
图2为本发明实施例提供的另一种五电平逆变器的电路原理部分方框图；
图3为本发明实施例提供的第一电路模块的第一种电路原理示意图；
图4为本发明实施例提供的第一电路模块的第二种电路原理示意图；
图5为本发明实施例提供的第一电路模块的第三种电路原理示意图；
图6为本发明实施例提供的第一电路模块的第四种电路原理示意 图；
图7为本发明实施例提供的第一电路模块的第五种电路原理示意图；
图8为本发明实施例提供的第一电路模块的第六种电路原理示意图；
图9为本发明实施例提供的第一电路模块的第七种电路原理示意图；
图10为本发明实施例提供的第一电路模块的第八种电路原理示意图；
图11为本发明实施例提供的第一电路模块的第九种电路原理示意图；
图12为本发明实施例提供的第一电路模块的第十种电路原理示意图；
图13为本发明实施例提供的第一电路模块的第十一种电路原理示意图；
图14为本发明实施例提供的第一电路模块的第十二种电路原理示意图；
图15为本发明实施例提供的第一子模块的第一种电路原理示意图；
图16为本发明实施例提供的第一子模块的第二种电路原理示意图；
图17为本发明实施例提供的第一子模块的第三种电路原理示意图；
图18为本发明实施例提供的第二子模块的第一种电路原理示意图；
图19为本发明实施例提供的第二子模块的第二种电路原理示意图；
图20为本发明实施例提供的第二子模块的第三种电路原理示意图；
图21为本发明实施例提供的第二电路模块的第一种电路原理示意图；
图22为本发明实施例提供的第二电路模块的第二种电路原理示意图；
图23为本发明实施例提供的第二电路模块的第三种电路原理示意图；
图24为本发明实施例提供的第二电路模块的第四种电路原理示意图；
图25为本发明实施例提供的第二电路模块的第五种电路原理示意图；
图26为本发明实施例提供的第二电路模块的第六种电路原理示意图；
图27为本发明实施例提供的第二电路模块的第七种电路原理示意图；
图28为本发明实施例提供的第二电路模块的第八种电路原理示意图；
图29为本发明实施例提供的第二电路模块的第九种电路原理示意图；
图30为本发明实施例提供的第二电路模块的第十种电路原理示意图；
图31为本发明实施例提供的第二电路模块的第十一种电路原理示意图；
图32为本发明实施例提供的第二电路模块的第十二种电路原理示意图；
图33为本发明实施例提供的第二电路模块的第十三种电路原理 示意图；
图34为本发明实施例提供的第二电路模块的第十四种电路原理示意图；
图35为本发明实施例提供的第二电路模块的第十五种电路原理示意图；
图36为本发明实施例提供的第二电路模块的第十六种电路原理示意图；
图37为本发明实施例提供的第二电路模块的第十七种电路原理示意图；
图38为本发明实施例提供的第二电路模块的第十八种电路原理示意图；
图39为本发明实施例提供的第二电路模块的第十九种电路原理示意图；
图40为本发明实施例提供的第二电路模块的第二十种电路原理示意图；
图41为本发明实施例提供的一种单相五电平逆变器电路原理示意图；
图42为本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第一种工作模态示意图；
图43为本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第二种工作模态示意图；
图44为本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第三种工作模态示意图；
图45为本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第四种工作模态示意图；
图46为本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第五种工作模态示意图；
图47为本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第六种工作模态示意图；
图48为本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第一种调制策略示意图；
图49为本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第二种调制策略示意图；
图50为本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第三种调制策略示意图；
图51为本发明实施例提供的单相五电平逆变器的等效原理示意图；
图52为本发明实施例提供的第一种三相五电平逆变器的原理示意图；
图53为本发明实施例提供的第二种三相五电平逆变器的原理示意图；
图54为本发明实施例提供的第三种三相五电平逆变器的原理示意图；
图55为本发明实施例提供的第四种三相五电平逆变器的原理示意图。
为了叙述方便，在各个附图中同一元器件采用相同的参考标号。同一附图中相同的符号，比如表示相互连接在一起。
具体实施方式
本发明提供了一种五电平拓扑单元及五电平逆变器。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案及其如何实现，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当 属于本发明保护的范围。
本发明的第一方面提供了一种一种五电平拓扑单元，其特征在于，包括：悬浮电容和逆变模块；并具有第一接入端、第二接入端、第三接入端和电压输出端和若干控制端；
所述逆变模块连接第一接入端、第二接入端、第三接入端、电压输出端以及所述悬浮电容的第一端和第二端六个端子，并连接若干控制端；用于根据在第一电平模式下输入到各个控制端的控制信号，针对所述六个端子，导通悬浮电容的第一端与电压输出端的连接以及所述第一接入端与悬浮电容的第二端的连接，并断开其他的端到端的连接；
根据在第二电平模式下输入到各个控制端的控制信号，针对所述六个端子，导通悬浮电容的第一端与电压输出端的连接以及第一接入端与悬浮电容的第一端的连接和悬浮电容的第二端与第三接入端的连接，并断开其他的端到端的连接；
根据在第三电平模式的第一模态下输入到各个控制端接入的控制信号，针对所述六个端子，导通悬浮电容的第一端与电压输出端的连接以及所述悬浮电容的第二端与所述第二接入端的连接，所述第三接入端与所述悬浮电容的第一端的连接，并断开其他端到端的连接；和/或根据在第三电平模式的第二模态下输入到各个控制端接入的控制信号，导通第一接入端与悬浮电容的第一端的连接以及悬浮电容的第二端与电压输出端的连接和所述悬浮电容第二端与所述第三接入端的连接，并断开其他端到端的连接；
根据在第四电平模式下输入到各个控制端的控制信号，针对所述六个端子，导通所述第三接入端与悬浮电容的第一端的连接、悬浮电容的第二端与电压输出端的连接以及所述悬浮电容的第二端与所述第二接入端的连接，并断开其他端到端的连接；
根据在第五电平模式下输入到各个控制端的控制信号，针对所述 六个端子，导通悬浮电容的第一端与第二接入端的连接以及悬浮电容的第二端与电压输出端的连接，并断开其他端到端的连接。
在具体实施时，上述的逆变器可以通过多种方式实现，比如最直接的实现方式可以是在每一个接入端与悬浮电容的任意一端之间都设置一个开关支路，并在悬浮电容的任意一端与电压输出端之间都设置开关支路。下面结合附图对其中的一些实施方式进行说明。
正如图1所示，本发明中使用的术语“PV”表示光伏阵列(也就是直流电源)，UPV表示直流电源的输出电压，M1表示五电平拓扑单元中的第一电路模块，M2表示第二电路模块，C1表示第一电容(也就是第一直流电源)，C2表示第二电容(也就是第二直流电源)，Cs表示悬浮电容，G表示交流电网。
显然，PV可以采用其它直流电源代替，也就是说，本发明中的直流电源不限定于PV。类似地，交流电网G可以采用其它交流负载代替，即本发明中的交流负载不限定于交流电网。
注意，二极管被用作代表单方向导通元件，但本发明中的单方向导通元件不限定于二极管。二极管的正极指阳极，负极指阴极。
开关MOSFET被用作代表本发明中的可控型(导通和关断)半导体开关。以N沟道MOSFET为例进行说明。N沟道MOSFET的第一端指漏极，第二端指源极，控制端指栅极。所述五电平拓扑单元中的每个半导体开关控制端施加一个控制信号。简洁起见，后面不再赘述。
为了保证每个半导体开关中的电流双向流动，本发明中的每个半导体开关反向并联一个二极管。简洁起见，术语“双向开关”指电流可以双向流动但只能承受单向电压的开关，比如带有反向并联二极管的IGBT，或内置并联二极管的MOSFET。
所述半导体开关也可以采用其他晶体管实现，比如，NPN型晶体管。对于NPN型晶体管，第一端指集电极，第二端指发射极，控制端指基极。显然，本发明中的半导体开关不限定于MOSFET或NPN型晶 体管。也就是说，本发明中的半导体开关也可以采用其他可控型(导通和关断)半导体开关器件。
本发明实施例提供一种和第一电容C1、第二电容C2共同使用的五电平拓扑单元。所述五电平拓扑单元包括：第一电路模块M1、第一开关电路支路、第二开关电路支路、悬浮电容Cs和一个第二电路模块M2；其中，这里的第一电路模块M1、第二电路模块M2以及第一开关电路支路、第二开关电路支路构成逆变模块；
如图1所示，第一电容C1的负极连接第二电容C2的正极，C1的正极P连接光伏阵列PV的正极，C2的负极N连接光伏阵列PV的负极。所述第一开关电路支路包括双向开关T1，所述第二开关电路支路包括双向开关T2；该五电平拓扑单元包括三个接入端、一个电压输出端O；第一接入端表示为I1，连接第一电容C1的正极P；第二接入端表示为I4，连接第二电容C2的负极N，第三接入端与图中所述的第一电路模块M1的第一端X相连，以下也表示为X；
所述第一电路模块M1至少包括第一端X(这里的第一端X连接第三接入端)、第二端A、第三端B、第一开关子支路和第二开关子支路。其中，第一开关子支路设置在第一端X和第二端A之间，第二开关子支路设置在第一端X和第三端B之间，能够响应于所连接的控制端接入的不同控制信号，提供至少三种工作状态：仅导通第一端X与第二端A的连接；仅导通第三端B与第一端X的连接；断开第一端X与第二端A的连接且断开第一端X与第三端B的连接。所述第一电路模块M1的第一端X连接C1与C2的公共端，第二端A连接悬浮电容Cs的正极，第三端B连接悬浮电容Cs的负极。
所述第二电路模块M2至少包括：第一输入端I1(这里的第一输入端与上述的第一接入端相连，因此均表示为I1)、第二输入端I2、第三输入端I3、第四输入端I4(这里的第四输入端与上述的第二接入端相连，因此均表示为I4)、输出端O(输出端与电压输出端O相连，以 下也表示为O)五个端子，以及至少四个开关电路子支路，用于根据所连接的控制端接入的不同控制信号，提供至少六种工作状态：五个端子中，五个端子中，仅导通第二输入端I2与输出端的O连接；五个端子中，仅导通第二输入端I2与输出端O的连接，以及第一输入端I1与第二输入端I2的连接；五个端子中，仅导通第二输入端I2与输出端O以及第三输入端I3与第四输入端I4的连接；五个端子中，仅导通第三输入端I3与输出端O连接以及第一输入端I1与第二输入端I2的连接；五个端子中，仅导通第三输入端I3与输出端O的连接以及第三输入端I3与第四输入端I4的连接；五个端子中，仅导通第三输入端I3与输出端O的连接。具体来说，可以在每个输入端和输出端之间均至少设置一个开关电路子支路以实现上述的第二电路模块M2的功能，其中所述输出端O用于连接交流负载。
如图2所示，所述第二电路模块M2分成两个子模块，分别是第一子模块M21和第二子模块M22。第一子模块M21包括第一输入端I1、第二输入端I2、输出端O、所述第一开关电路子支路和所述第二开关电路子支路。第二子模块M22包括第三输入端I3、第四输入端I4、输出端O、所述第三开关电路子支路和所述第四开关电路子支路。所述输出端O通过第二电感L2连接交流电网。第二电感L2用于滤除高频谐波而得到几乎正弦波形的负载电流。
所述双向开关T1的第一端同时连接所述第二电路模块M2的第一输入端I1和第一电容C1的正极。所述双向开关T1的第二端连接所述第二电路模块M2的第三输入端I3。所述双向开关T2的第一端连接所述第二电路模块M2的第二输入端I2。所述双向开关T2的第二端同时连接所述第二电路模块M2的第四输入端I4和和第二电容C2的负极。
悬浮电容Cs的正极连接所述第二电路模块M2的第二输入端I2，悬浮电容Cs的负极连接所述第二电路模块M2的第三输入端I3。悬浮电容Cs主要用于增大逆变器输入电压。
所述第一电路模块M1主要用于通过两个充电回路中的其中一个给悬浮电容Cs充电。第一充电回路包括所述第一电容C1、I1和I2之间组成的支路、悬浮电容Cs和所述第一电路模块M1中的第二开关子支路。第二充电回路包括所述第二电容C2、I3和I4之间组成的支路、悬浮电容Cs和所述第一电路模块M1中的第一开关子支路。当悬浮电容Cs起到逆变器直流电源的一部分的作用时，悬浮电容Cs放电。
悬浮电容的充电、放电时间和等于逆变器半导体开关的开关周期。实际应用中，这个时间通常是50微秒。这个时间如此的小使得由充电和放电引起的悬浮电容Cs电压变化完全可以忽略。因此，小电容值的悬浮电容就可以满足要求。如果输入功率取自电网，则所述电容C1或C2的充放电周期等于工业电周期。因此，所述电容C1或C2需要大容值。实际应用中，所述电容C1或C2的容值通常是悬浮电容Cs容值的数百倍。
可以看出，通过控制五电平拓扑单元中的每个半导体开关的开通和关断状态使得悬浮电容Cs电压等于第一电容C1电压或第二电容C2电压。
根据本实施例，假定第一电容C1的电容值等于第二电容C2的电容值。显然，本发明并不限定第一电容C1的电容值与第二电容C2的电容值之间的大小关系。根据本实施例的假定，第一电容C1电压和第二电容C2电压都等于0.5UPV。悬浮电容Cs电压也等于0.5UPV。
根据本实施例，第一电容C1或第二电容C2为第二电路模块M2的交流负载供电，或者，第一电容C1与悬浮电容Cs代数叠加后为第二电路模块M2的交流负载供电，或者，第二电容C2与悬浮电容Cs代数叠加后为第二电路模块M2的交流负载供电。此处，第一电容C1与悬浮电容Cs代数叠加表示第一电容C1的正向电压或负向电压与悬浮电容Cs的正向电压或负向电压相加或相减；类似地，第二电容C2与悬浮电容Cs代数叠加表示第二电容C2的正向电压或负向电压与悬浮电容Cs 的正向电压或负向电压相加或相减。如果第一电容C1正向电压与悬浮电容Cs正向电压相加，或者，第二电容C2正向电压与悬浮电容Cs正向电压相加，则第二电路模块M2的输入电压等于UPV。在相同的工作条件下，此时输入电压等于全桥逆变器的输入电压。
因此，在相同的工作条件下，含有所述五电平拓扑单元的五电平逆变器，没有额外的输入电压升压电路(例如，Boost电路)，也能输出与五电平全桥逆变器相同的交流电。由于没有额外的输入电压升压电路，所以本发明的五电平逆变器成本低，效率高，可靠性高。另外，只采用一个交流滤波电感，降低了成本；采用第二电路模块，完全消除了高频漏电流。
本发明提供的五电平拓扑单元及五电平逆变器，可以用于，但不限于，可再生能源系统，比如单相或三相并网光伏系统。在具体实施时，这里的第一电路模块M1和第二电路模块M2的具体结构均可以具有多种不同的实施方式，在能够实现上述的第一电路模块M1的功能的前提下，具体如何设计第一电路模块M1不会影响本发明的实施，相应的技术方案均应该落入本发明的保护范围，相应的在能够实现上述的第二电路模块M2的功能的前提下，具体如何设计第二电路模块M2不会影响本发明的实施，相应的技术方案均应该落入本发明的保护范围。本发明还提供了第一电路模块M1和第二电路模块M2的一些优选的实施方式，以下结合附图进行进一步的说明。
图3示出了本发明实施例提供的所述第一电路模块M1的第一种电路原理示意图。所述第一电路模块M1包括第一双向开关T31，第二双向开关T32，第一二极管D31和第二二极管D32。
D31的正极连接D32的负极，D31的负极连接T31的第一端，T31的第二端连接所述第一电路模块M1的第二端A；D32的正极连接T32的第二端，T32的第一端连接所述第一电路模块M1的第三端B。D31和D32的公共端连接所述第一电路模块M1的第一端X。
D31和T31组成所述第一电路模块M1中的第一开关子支路，D32和T32组成所述第一电路模块M1中的第二开关子支路。
图4示出了本发明实施例提供的所述第一电路模块M1的第二种电路原理示意图。从图4可以看出，所述第一电路模块M1在图3所示实施例电路的基础上增加了第一电感L1。第一电感L1设置在第一二极管D31和第二二极管D32的公共端和所述第一电路模块M1的第一端X之间。第一电感L1用于抑制悬浮电容Cs充电回路中的冲击电流。类似地，分别在图6、图8和图10中的第一电感L1起到与图4中的第一电感L1相同的作用。简洁起见，后面不再赘述。
第一电感L1可以采用其它的限流器件或装置代替，比如电阻，或运行在有源模式或线性模式的半导体开关装置，或者上述器件或装置的组合。
由于悬浮电容Cs的电容值非常小，所以小感抗值的第一电感L1就能满足要求。实际应用中，第二电感L2的感抗值通常是第一电感L1感抗值的数百倍。为了减小体积和降低成本，第一电感L1可以和第二电感L2共用一个磁芯。
图5示出了本发明实施例提供的所述第一电路模块M1的第三种电路原理示意图。所述第一电路模块M1包括：二极管D51、D52、D53和D54，以及双向开关T51。
D51的正极连接所述第一电路模块M1的第一端X，D51的负极连接T51的第一端，同时，D51的负极还连接D53的负极，D53的正极连接所述第一电路模块M1的第三端B。D52的负极连接D51的正极，D52的正极同时连接T51的第二端和D54的正极，且D54的负极连接所述第一电路模块M1的第二端A。
D51、T51和D54组成所述第一电路模块M1的第一开关子支路。D53、T51和D52组成所述第一电路模块M1中的第二开关子支路。
另外，具体实施时，在一些其他的实施例中，上述的二极管D53 可以替换为双向开关，二极管D54也可以替换为双向开关。
图7示出了本发明实施例提供的所述第一电路模块M1的第五种电路原理示意图，如图7所示，包括双向开关T71～T74。
T71的第二端连接T72的第一端，T71的第一端连接T73的第一端，T73的第二端连接所述第一电路模块M1的第二端A，T71和T72的公共端连接所述第一电路模块M1的第一端X。同时，T72的第二端连接T74的第二端，T74的第一端连接所述第一电路模块M1的第三端B。
T71和T73组成所述第一电路模块M1的第一开关子支路。T72和T74组成所述第一电路模块M1的第二开关子支路。
图9示出了本发明实施例提供的所述第一电路模块M1的第七种电路原理示意图。所述第一电路模块M1包括：双向开关T91和T92、二极管D91～D98。
D91的正极连接D92的负极，D91的负极连接T91的第一端，D92的正极连接T91的第二端。D91和D92的公共端连接所述第一电路模块M1的第一端X。
D93的正极连接D94的负极，D93的负极连接T91的第一端，D94的正极连接T91的第二端。D93和D94的公共端连接所述第一电路模块M1的第二端A。
D95的正极连接D96的负极，D95的负极连接T92的第一端，D96的正极连接T92的第二端。D95和D96的公共端连接所述第一电路模块M1的第一端X。
D97的正极连接D98的负极，且D97的负极连接T92的第一端，D98的正极连接T92的第二端。D97和D98的公共端连接所述第一电路模块M1的第三端B。
T91、D91和D94，或者T91、D92和D93组成所述第一电路模块M1的第一开关子支路。T92、D95和D98，或者T92、D96和D97组成所述第一电路模块M1的第二开关子支路。
图11示出了本发明实施例提供的所述第一电路模块M1的第九种电路原理示意图。所述第一电路模块M1在图4所示实施例电路的基础上增加双向开关T113和T114。
如图11所示，T113的第一端连接D31的负极，T113的第二端连接T114的第一端，T114的第二端连接D32的正极。双向开关T113和T114的公共端连接所述第一电路模块M1的第一端X。第一电感L1连接在双向开关T113和T114的公共端和二极管D31和D32的公共端之间。
D31、T31和L1组成所述第一电路模块M1中的第一开关子支路，L1、D32和T32组成所述第一电路模块M1中的第二开关子支路。双向开关T113和T114用于给第一电感L1的电流提供续流路径。
图12示出了本发明实施例提供的所述第一电路模块M1的第十种电路原理示意图。所述第一电路模块M1在图8所示实施例电路的基础上增加双向开关T125和T126。双向开关T125和T126用于给第一电感L1的电流提供续流路径。
如图12所示，T125的第一端连接T71的第一端，T125的第二端连接所述第一电路模块M1的第一端X。T126的第一端连接所述第一电路模块M1的第一端X，T126的第二端连接T72的第二端。第一电感L1连接在双向开关T125和T126的公共端和双向开关T71和T72的公共端之间。
L1、T71和T73组成所述第一电路模块M1的第一开关子支路。L1、T72和T74组成所述第一电路模块M1的第二开关子支路。
图13示出了本发明实施例提供的所述第一电路模块M1的第十一种电路原理示意图。所述第一电路模块M1在图10所示实施例电路的基础上增加双向开关T133和T134。双向开关T133和T134用于给第一电感L1的电流提供续流路径。
T133的第一端连接T91的第一端，T133的第二端连接所述第一电路模块M1的第一端X。T134的第一端连接所述第一电路模块M1的第一端X，T134的第二端连接T92的第二端。第一电感L1连接在双向开关T133 和T134的公共端和二极管D91和D92的公共端之间。
L1、T91、D91和D94，或者，L1、T91、D92和D93组成所述第一电路模块M1的第一开关子支路。L1、T92、D95和D98，或者，L1、T92、D96和D97组成所述第一电路模块M1的第二开关子支路。
图14示出了本发明实施例提供的所述第一电路模块M1的第十二种电路原理示意图。所述第一电路模块M1在图6所示实施例电路的基础上增加双向开关T142和T143。
T142的第一端连接T51的第一端，T142的第二端连接所述第一电路模块M1的第一端X。T143的第一端连接所述第一电路模块M1的第一端X，T143的第二端连接T51的第二端。第一电感L1连接在双向开关T142和T143的公共端和二极管D51和D52的公共端之间。
L1、D51、D54和T51组成所述第一电路模块M1的第一开关子支路。L1、D52、D53和T51组成所述第一电路模块M1的第二开关子支路。双向开关T142和T143用于给第一电感L1的电流提供续流路径。
本实施例给出了第二电路模块M2中的第一子模块M21的三种电路。
图15示出了本发明实施例提供的第一子模块M21的第一种电路原理示意图。所述第一子模块M21包括双向开关T151、T152和二极管D1。
D1的正极连接所述第二电路模块M2的第一输入端I1，D1的负极连接T151的第一端，T151的第二端连接T152的第一端。T151和T152的公共端连接所述第二电路模块M2的第二输入端I2。T152的第二端连接所述第二电路模块M2的输出端O。
图16示出了本发明实施例提供的第一子模块M21的第二种电路原理示意图。所述第一子模块M21包括双向开关T161、T162和二极管D1。
D1的正极连接所述第二电路模块M2的第一输入端I1，D1的负极 连接T161的第一端，T161的第二端连接输出端O。T162的第一端连接所述第二电路模块M2的第二输入端I2，T162的第二端连接输出端O。
图17示出了本发明实施例提供的第一子模块M21的第三种电路原理示意图。所述第一子模块M21包括双向开关T171、T172和二极管D1。
D1的正极连接所述第二电路模块M2的第一输入端I1，D1的负极连接T172的第一端，T172的第二端连接输出端O。T172的第一端连接T171的第二端，T171的第一端连接所述第二电路模块M2的第二输入端I2。
本实施例给出了第二电路模块M2中的第二子模块M22的三种电路。
图18示出了本发明实施例提供的第二子模块M22的第一种电路原理示意图。所述第二子模块M22包括双向开关T183、T184和二极管D2。
T183的第一端连接所述第二电路模块M2的输出端O，T183的第二端连接所述第二电路模块M2的第三输入端I3，T184的第一端连接T183的第二端，T184的第二端连接D2正极。D2负极连接所述第二电路模块M2的第四输入端I4。
图19示出了本发明实施例提供的第二子模块M22的第二种电路原理示意图。所述第二子模块M22包括双向开关T193、T194和二极管D2。
T193的第一端连接所述第二电路模块M2的输出端O，T193的第二端连接所述第二电路模块M2的第三输入端I3，T194的第一端连接输出端O，T194的第二端连接D2正极。D2负极连接所述第二电路模块M2的第四输入端I4。
图20示出了本发明实施例提供的第二子模块M22的第三种电路原理示意图。所述第二子模块M22包括双向开关T203、T204和二极管D2。
T203的第一端连接所述第二电路模块M2的输出端O，T203的第二端同时连接T204的第一端和D2正极。T204的第二端连接所述第二电路模块M2的第三输入端I3。D2负极连接所述第二电路模块M2的第四输入端I4。
所述第二电路模块M2包括所述第一子模块M21的上述三种电路中的任一种电路和所述第二子模块M22的上述三种电路中的任一种电路。
比如，图21示出了本发明实施例提供的所述第二电路模块M2的第一种电路原理示意图，包括图15和图18中的两个电路。其中，所述第二电路模块M2包括第一二极管D1，第二二极管D2，第一双向开关T151，第二双向开关T152，第三双向开关T183和第四双向开关T184。
所述第二电路模块M2中的第一开关电路子支路包括第一二极管D1，第一双向开关T151，第二双向开关T152。所述第二电路模块M2中的第二开关电路子支路包括第二双向开关T152。所述第二电路模块M2中的第三开关电路子支路包括第三双向开关T183。所述第二电路模块M2中的第四开关电路子支路包括第二二极管D2，第三双向开关T183和第四双向开关T184。
图22示出了本发明实施例提供的所述第二电路模块M2的第二种电路原理示意图。可以看出，第九双向开关T9和第十双向开关T10分别代替了图21中的第一二极管D1和第二二极管D2，从而实现电流双向流动。其它部分的电路构成和连接和图21相同，不再赘述。
第九双向开关T9的第一端连接第一双向开关T151的第一端，第九双向开关T9的第二端连接所述第二电路模块M2的第一输入端I1。第十双向开关T10的第一端连接所述第二电路模块M2的第四输入端I4，第十双向开关T10的第二端连接第四双向开关T184的第二端。
同理，图24，图26，图28，图30，图32，图34，图36和图38中的第九双向开关T9和第十双向开关T10与图22的这两个双向开关作用相 同。简洁起见，下面不再重复描述。
图23示出了本发明实施例提供的所述第二电路模块M2的第三种电路原理示意图，包括图16和图19中的两个电路。其中，所述第二电路模块M2包括第一二极管D1，第二二极管D2，第一双向开关T161，第二双向开关T162，第三双向开关T193和第四双向开关T194。
所述第二电路模块M2中的第一开关电路子支路包括第一二极管D1和第一双向开关T161。所述第二电路模块M2中的第二开关电路子支路包括第二双向开关T162。所述第二电路模块M2中的第三开关电路子支路包括第三双向开关T193。所述第二电路模块M2中的第四开关电路子支路包括第二二极管D2和第四双向开关T194。
图25示出了本发明实施例提供的所述第二电路模块M2的第五种电路原理示意图，包括图17和图20中的两个电路。其中，所述第二电路模块M2包括第一二极管D1，第二二极管D2，第一双向开关T171，第二双向开关T172，第三双向开关T203和第四双向开关T204。
所述第二电路模块M2中的第一开关电路子支路包括第一二极管D1和第二双向开关T172。所述第二电路模块M2中的第二开关电路子支路包括第一双向开关T171和第二双向开关T172。所述第二电路模块M2中的第三开关电路子支路包括第三双向开关T203和第四双向开关T204。所述第二电路模块M2中的第四开关电路子支路包括第二二极管D2和第三双向开关T203。
图27示出了本发明实施例提供的所述第二电路模块M2的第七种电路原理示意图，包括图15和图20中的两个电路。其中，所述第二电路模块M2包括第一二极管D1，第二二极管D2，第一双向开关T151，第二双向开关T152，第三双向开关T203和第四双向开关T204。
所述第二电路模块M2中的第一开关电路子支路包括第一二极管D1，第一双向开关T151和第二双向开关T152。所述第二电路模块M2中的第二开关电路子支路包括第二双向开关T152。所述第二电路模块M2 中的第三开关电路子支路包括第三双向开关T203和第四双向开关T204。所述第二电路模块M2中的第四开关电路子支路包括第二二极管D2和第三双向开关T203。容易对后面的附图电路做类似分析，因此，简洁起见，后面不再重复描述。
图29示出了本发明实施例提供的所述第二电路模块M2的第九种电路原理示意图，包括图15和图19中的两个电路。其中，所述第二电路模块M2包括第一二极管D1，第二二极管D2，第一双向开关T151，第二双向开关T152，第三双向开关T193和第四双向开关T194。
图31示出了本发明实施例提供的所述第二电路模块M2的第十一种电路原理示意图，包括图16和图20中的两个电路。其中，所述第二电路模块M2包括第一二极管D1，第二二极管D2，第一双向开关T161，第二双向开关T162，第三双向开关T203和第四双向开关T204。
图33示出了本发明实施例提供的所述第二电路模块M2的第十三种电路原理示意图，包括图16和图18中的两个电路。其中，所述第二电路模块M2包括第一二极管D1，第二二极管D2，第一双向开关T161，第二双向开关T162，第三双向开关T183和第四双向开关T184。
图35示出了本发明实施例提供的所述第二电路模块M2的第十五种电路原理示意图，包括图17和图18中的两个电路。其中，所述第二电路模块M2包括第一二极管D1，第二二极管D2，第一双向开关T171，第二双向开关T172，第三双向开关T183和第四双向开关T184。
图37示出了本发明实施例提供的所述第二电路模块M2的第十七种电路原理示意图，包括图17和图19中的两个电路。其中，所述第二电路模块M2包括第一二极管D1，第二二极管D2，第一双向开关T171，第二双向开关T172，第三双向开关T193和第四双向开关T194。
图39示出了本发明实施例提供的所述第二电路模块M2的第十九种电路原理示意图。所述第二电路模块M2包括第一二极管D391～第八二极管D398，第一双向开关T391～第四双向开关T394。
第一二极管D391的正极连接第二二极管D392的负极。第一二极管D391的负极连接第一双向开关T391的第一端。第二二极管D392的正极连接第一双向开关T391的第二端。第一二极管D391和第二二极管D392的公共端连接所述第二电路模块M2的第一输入端I1。
第三二极管D393的负极连接第一双向开关T391的第一端，第三二极管D393的正极连接第四二极管D394的负极。第四二极管D394的正极连接第一双向开关T391的第二端。第三二极管D393和第四二极管D394的公共端同时连接第二双向开关T392的第一端和所述第二电路模块M2的第二输入端I2。第二双向开关T392的第二端同时连接第三双向开关T393的第一端和所述第二电路模块M2的输出端O。
第五二极管D395的负极连接第四双向开关T394的第一端，第五二极管D395的正极连接第六二极管D396的负极。第六二极管D396的正极连接第四双向开关T394的第二端。第五二极管D395和第六二极管D396的公共端同时连接第三双向开关T393的第二端和所述第二电路模块M2的第三输入端I3。第七二极管D397的负极连接第四双向开关T394的第一端，第七二极管D397的正极连接第八二极管D398的负极。第八二极管D398的正极连接第四双向开关T394的第二端。第七二极管D397和第八二极管D398的公共端连接所述第二电路模块M2的第四输入端I4。
所述第二电路模块M2中的第一开关电路子支路包括第一二极管D391，第一双向开关T391，第四二极管D394和第二双向开关T392，或者包括第二二极管D392，第一双向开关T391，第三二极管D393和第二双向开关T392。所述第二电路模块M2中的第二开关电路子支路包括第二双向开关T392。所述第二电路模块M2中的第三开关电路子支路包括第三双向开关T393。所述第二电路模块M2中的第四开关电路子支路包括第七二极管D397，第四双向开关T394，第六二极管D396和第三双向开关T393，或者包括第八二极管D398，第四双向开关T394，第五二极管D395和第三双向开关T393。
图40示出了本发明实施例提供的所述第二电路模块M2的第二十种电路原理示意图。所述第二电路模块M2包括第一二极管D401～第八二极管D408，第一双向开关T401～第四双向开关T404。
第一二极管D401的正极连接第二二极管D402的负极。第一二极管D401的负极连接第一双向开关T401的第一端。第二二极管D402的正极连接第一双向开关T401的第二端。第一二极管D401和第二二极管D402的公共端连接所述第二电路模块M2的第一输入端I1。
第三二极管D403的负极连接第一双向开关T401的第一端，第三二极管D403的正极连接第四二极管D404的负极。第四二极管D404的正极连接第一双向开关T401的第二端。第三二极管D403和第四二极管D404的公共端连接所述第二电路模块M2的输出端O。
第五二极管D405的负极连接第四双向开关T404的第一端，第五二极管D405的正极连接第六二极管D406的负极。第六二极管D406的正极连接第四双向开关T404的第二端。第五二极管D405和第六二极管D406的公共端连接所述第二电路模块M2的输出端O。第七二极管D407的负极连接第四双向开关T404的第一端，第七二极管D407的正极连接第八二极管D408的负极。第八二极管D408的正极连接第四双向开关T404的第二端。第七二极管D407和第八二极管D408的公共端连接所述第二电路模块M2的第四输入端I4。
第二双向开关T402的第一端连接所述第二电路模块M2的第二输入端I2。第二双向开关T402的第二端同时连接第三双向开关T403的第一端和所述第二电路模块M2的输出端O。第三双向开关T403的第二端连接所述第二电路模块M2的第三输入端I3。
所述第二电路模块M2中的第一开关电路子支路包括第一二极管D401，第一双向开关T401和第四二极管D404，或者包括第二二极管D402，第一双向开关T401和第三二极管D403。所述第二电路模块M2中的第二开关电路子支路包括第二双向开关T402。所述第二电路模块M2中的第 三开关电路子支路包括第三双向开关T403。所述第二电路模块M2中的第四开关电路子支路包括第七二极管D407，第四双向开关T404和第六二极管D406，或者包括第八二极管D408，第四双向开关T404和第五二极管D405。
根据本实施例，从图3电路至图14电路中的任一个电路和从图21电路至图40电路中的任一个电路，以及悬浮电容Cs、所述第一双向开关T1和所述第二双向开关T2的组合构成一个五电平拓扑单元。简洁起见，此处不再一一赘述。所述五电平拓扑单元通常和所述第一电容C1和第二电容C2一起使用。其中第一电容C1的一端P连接各个五电平拓扑单元的第一接入端I1并作为第一直流电源，第二电容C2的一端N连接各个五电平拓扑单元的第二接入端I4，作为第二直流电源，第一电容C1的另一端与第二电容C2的另一端相连，连接处可以认为是两个直流电源的公共端。当然在具体实施时，上述的五电平拓扑单元也可以与其他结构的直流源配合使用。
一个单相五电平逆变器至少包括一个控制器和一个所述五电平拓扑单元。控制器为所述五电平拓扑单元中的每个双向开关提供控制信号从而驱动每个双向开关。
这种单相五电平逆变器，第一直流电源和第二直流电源的公共端(也即是上述的第三接入端)可以连接到单相五电平逆变器的一个交流负载接入端，五电平拓扑单元中的第二电路模块的输出端(也即是电压输出端O)可以连接该单相五电平逆变器的另一个交流负载接入端。这样做的好处是，该单相五电平逆变器用于接入交流负载时，能够很好消除漏电流。
下面以一个单相五电平逆变器为例说明它的工作原理。
图41示出了本发明实施例提供的一个单相五电平逆变器的电路原理示意图。该单相五电平逆变器包括一个控制器和一个包括图4电路和图21电路的五电平拓扑单元。该单相五电平逆变器和所述第一电 容C1和第二电容C2一起使用。
假设光伏阵列(即直流电源)的直流输出电压为Upv。根据本实施例，C1和C2的电容值相同，因此C1和C2上的电压均为0.5Upv，悬浮电容Cs的起始电压为0.5Upv。定义第二电感L2上流经从左至右的电流为正向电流，反之为负向电流。
图42给出了本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第一工作模态图。如图42所示，正向电流路径为：X→C1→P→T1→Cs→T6→L2→G→X；负向电流路径为：X→G→L2→T6→Cs→T1→P→C1→X。此种工作模态下，逆变器的输出电压Uox为悬浮电容Cs电压和第一电容C1电压之和，即Uox＝0.5Upv+0.5Upv＝Upv。
图43给出了本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第二工作模态图。如图43所示，正向电流路径为：X→C1→P→D1→T5→T6→L2→G→X。此种工作模态下，逆变器的输出电压Uox为第一电容C1的电压，即Uox＝0.5Upv。同时，存在Cs充电回路：X→C1→P→D1→T5→Cs→T4→D4→L1→X。此种工作模态下，若悬浮电容Cs上的电压低于0.5Upv，第一电容C1通过所述充电回路为Cs充电，从而保证Cs上的电压等于第一电容C1上的电压0.5Upv。
此种工作模态下，可以没有负向电流路径，这样，控制逻辑简单、成本低。当二极管D1被双向开关T9代替时，二极管D1所在的支路电流可以双向流动。
图44给出了本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第三工作模态图。如图44所示，正向电流路径为：X→L1→D3→T3→T6→L2→G→X。显然，逆变器的输出电压Uox为零，即Uox＝0。负向电流路径为：X→G→L2→T6→Cs→T8→D2→C2→X。由于第二电容C2的电压方向与悬浮电容Cs的电压方向相反，所以逆变器的输出电压Uox等于零。
当二极管D2被双向开关T10代替时，二极管D2所在的支路电流可 以双向流动。
图45给出了本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第四工作模态图。如图45所示，正向电流路径为：X→C1→P→D1→T5→Cs→T7→L2→G→X。由于第一电容C1的电压方向与悬浮电容Cs的电压方向相反，所以逆变器的输出电压Uox等于零，即Uox＝0。负向电流路径为：X→G→L2→T7→T4→D4→L1→X，显然，此时逆变器的输出电压Uox等于零。
由于电流取自电网且正负半周期对称，所以在第三工作模态和第四工作模态这两个模态中，整个周期中的正向电流和负向电流是相等的。因此，所述悬浮电容Cs的平均电压为0.5Upv。
图46给出了本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第五工作模态图。如图46所示，负向电流路径为：X→G→L2→T7→T8→D2→C2→X。逆变器的输出电压Uox等于第二电容C2的负向电压，即Uox＝-0.5Upv。同时，存在Cs充电回路：X→L1→D3→T3→Cs→T7→L2→G→X。此种工作模态下，若悬浮电容Cs上的电压低于0.5Upv，第二电容C2通过所述充电回路为Cs充电，从而保证Cs上的电压等于第二电容C2上的电压0.5Upv。
图47给出了本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第六工作模态图。如图47所示，正向电流路径为：X→C2→N→T2→Cs→T7→L2→G→X；负向电流路径为：X→G→L2→T7→Cs→T2→N→C2→X。此种工作模态下，逆变器的输出电压Uox为悬浮电容Cs的负向电压和第二电容C2的负向电压之和，即Uox＝(-0.5Upv)+(-0.5Upv)＝-Upv。
通过控制相应的开关管导通或关断，使单相五电平逆变器在上述的六种工作模态下交替工作，最终获得需要的逆变输出电压。简洁起见，术语“A”、“B”、“C”、“D”、“E”、“F”分别被用来表示单相五电平逆变器的上述六个工作模态。
由于第三工作模态和第四工作模态的逆变器输出电压Uox均为零，并产生正向和负向输出电流，因此实际工作中，可以选择两者中的任意一个工作模态工作，或者，两个模态交替工作。
图48给出了本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第一种调制策略示意图。
如图48所示，t1-t2时间段内，电网电压正半周，逆变器输出电压Uox大于0.5Upv且小于Upv，单相五电平逆变器交替工作在第一工作模态A和第二工作模态B。
t4-t5时间段内，电网电压负半周，逆变器输出电压Uox绝对值大于0.5Upv但小于Upv，单相五电平逆变器交替工作在第六工作模态F和第五工作模态E。
to-t1和t2-t3时间段内，电网电压正半周，逆变器输出电压Uox小于0.5Upv但大于零，单相五电平逆变器交替工作在第二工作模态B、第三工作模态C、第二工作模态B、第四工作模态D。
t3-t4和t5-t6时间段内，电网电压负半周，逆变器输出电压Uox绝对值大于零但小于0.5Upv，单相五电平逆变器交替工作在第五工作模态E、第三工作模态C、第五工作模态E、第四工作模态D。
图49给出了本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第二种调制策略示意图。
如图49所示，t1-t2时间段内，电网电压正半周，逆变器输出电压Uox大于0.5Upv且小于Upv，单相五电平逆变器交替工作在第一工作模态A和第二工作模态B。
t4-t5时间段内，电网电压负半周，逆变器输出电压Uox绝对值大于0.5Upv但小于Upv，单相五电平逆变器交替工作在第六工作模态F和第五工作模态E。
to-t1和t2-t3时间段内，电网电压正半周，逆变器输出电压Uox小于0.5Upv但大于零，单相五电平逆变器交替工作在第二工作模态B、 第三工作模态C。
t3-t4和t5-t6时间段内，电网电压负半周，逆变器输出电压Uox绝对值大于零但小于0.5Upv，单相五电平逆变器交替工作在第五工作模态E和第四工作模态D。
图50给出了本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第三种调制策略示意图。
如图50所示，t1-t2时间段内，电网电压正半周，逆变器输出电压Uox大于0.5Upv且小于Upv，单相五电平逆变器交替工作在第一工作模态A和第二工作模态B。
t4-t5时间段内，电网电压负半周，逆变器输出电压Uox绝对值大于0.5Upv但小于Upv，单相五电平逆变器交替工作在第六工作模态F和第五工作模态E。
to-t1和t2-t3时间段内，电网电压正半周，逆变器输出电压Uox小于0.5Upv但大于零，单相五电平逆变器交替工作在第二工作模态B、第四工作模态D。
t3-t4和t5-t6时间段内，电网电压负半周，逆变器输出电压Uox绝对值大于零但小于0.5Upv，单相五电平逆变器交替工作在第五工作模态E和第三工作模态C。
本发明实施例提供了单相五电平逆变器，包括一个所述五电平拓扑单元及控制器。所述控制器的输出端分别连接所述五电平拓扑单元中各个双向开关的控制端，为各个所述双向开关提供控制信号。
图51(b)给出了本发明实施例提供的图51(a)所示的五电平拓扑单元的等效方框图。所述第一电路模块M1，所述第二电路模块M2，所述第一开关电路支路，所述第二开关电路支路和所述悬浮电容Cs的组合等效成图51(b)中的五电平拓扑单元M。所述第二电路模块M2的所述第一输入端I1、所述第四输入端I4和所述第一电路模块M1的所述第一端X被用作为五电平拓扑单元M的输入端子。所述第二电路模块M2 的输出端子被用作为五电平拓扑单元M的输出端子。
本发明实施例提供了三相五电平逆变器，包括三个所述五电平拓扑单元及一个控制器。所述控制器的输出端分别连接各个五电平拓扑单元中的控制端，为该五电平拓扑单元提供各个电平模式对应的控制信号。
这种三相五电平逆变器中，还包括第一相位交流负载接入端、第二相位交流负载接入端和第三相位交流负载接入端，三个相位交流负载接入端一对一连接所述三相五电平逆变器中的三个五电平拓扑单元的电压输出端。
图52示出了本发明实施例提供的第一种三相五电平逆变器等效方框图。所述三相五电平逆变器包括一个控制器和三个所述五电平拓扑单元且这三个所述五电平拓扑单元共用电容C1和电容C2。所述控制器为三个所述五电平拓扑单元中的每个双向开关提供驱动控制信号。
三个所述五电平拓扑单元的所有输入端子I1都连接电容C1的正极。类似地，三个所述五电平拓扑单元的所有输入端子I4都连接电容C2的负极，三个所述五电平拓扑单元的所有输入端子X都连接电容C1和电容C2的公共端。三个所述五电平拓扑单元的三个输出端子O分别连接交流电网的三相。
图53示出了本发明实施例提供的第二种三相五电平逆变器等效方框图。图53与图52中的三相五电平逆变器相比，区别在于图53中第一直流电源和第二直流电源的公共端连接交流电网的中性端子。
图54示出了本发明实施例提供的第三种三相五电平逆变器等效方框图。图54与图52中的三相五电平逆变器相比，区别在于图54中三个所述五电平拓扑单元共用第一电感L1，这样能够减少电感的使用，降低制作成本。其中，第一电感L1用于限制第三接入端X与电容C1的负极以及电容C2的正极之间的电流，防止过大。
图55示出了本发明实施例提供的第四种三相五电平逆变器等效 方框图。图55与图54中的三相五电平逆变器相比，区别在于图55中第一直流电源和第二直流电源的公共端还作为交流电网的中性端子连接到相应的逆变系统中。
需要指出的是，当上述的逆变模块采用多个双向开关实现时，比如在图41中的二极管D1、D2、D3和D4均替换为双向开关时，上述的五电平逆变器还可以用于实现整流功能，利用本发明提供的五电平逆变器实现的整流器也应该落入本发明的保护范围。
结合上述的各个实施例可以看出，本发明提供的五电平逆变器单元以及五电平逆变器中所指的导通一个端子与另一个端子的连接，可以是指导通前一个端子到后一个端子的连接，使得电流能够经前一个端子流向后一个端子，也可以是指导通两个端子之间的相互连接，即在该导通状态下，电流能够经前一个端子流向后一个端子，也能够经后一个端子流向前一个端子；相应的，断开一个端子与另一个端子的连接，可以仅是指断开前一个端子到后一个端子的连接，使得电流无法从前一个端子流向后一个端子，也可以是指断开前一个端子到后一个端子的连接以及后一个端子到前一个端子的连接，使得电流无法从前一个端子流向后一个端子，也无法从后一个端子流向前一个端子。
需要指出的是，在具体实施时，在以上各个实施例提供的各个五电平逆变器中的电容C1和电容C2均可以认为是对应的五电平逆变器的一部分，当对应的五电平逆变器单元包含上述的电容C1和电容C2，且电容C1和电容C2按照各个附图中所示的方式相连的情况下，对应的五电平逆变器可以对直流电源(比如各个附图中所示出的光伏阵列)提供的直流电压进行逆变，得到具有五个电平的交流电压。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关 系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，比如，根据本实施例中的拓扑电路利用对称特性得到的拓扑，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (33)

  1. 一种五电平拓扑单元，其特征在于，包括：悬浮电容和逆变模块；并具有第一接入端、第二接入端、第三接入端和电压输出端和若干控制端；
    所述逆变模块连接第一接入端、第二接入端、第三接入端、电压输出端以及所述悬浮电容的第一端和第二端六个端子，并连接若干控制端；用于根据在第一电平模式下输入到各个控制端的控制信号，针对所述六个端子，导通悬浮电容的第一端与电压输出端的连接以及所述第一接入端与悬浮电容的第二端的连接，并断开其他的端到端的连接；
    根据在第二电平模式下输入到各个控制端的控制信号，针对所述六个端子，导通悬浮电容的第一端与电压输出端的连接以及第一接入端与悬浮电容的第一端的连接和悬浮电容的第二端与第三接入端的连接，并断开其他的端到端的连接；
    根据在第三电平模式的第一模态下输入到各个控制端接入的控制信号，针对所述六个端子，导通悬浮电容的第一端与电压输出端的连接以及所述悬浮电容的第二端与所述第二接入端的连接，所述第三接入端与所述悬浮电容的第一端的连接，并断开其他端到端的连接；和/或根据在第三电平模式的第二模态下输入到各个控制端接入的控制信号，导通第一接入端与悬浮电容的第一端的连接以及悬浮电容的第二端与电压输出端的连接和所述悬浮电容第二端与所述第三接入端的连接，并断开其他端到端的连接；
    根据在第四电平模式下输入到各个控制端的控制信号，针对所述六个端子，导通所述第三接入端与悬浮电容的第一端的连接、悬浮电容的第二端与电压输出端的连接以及所述悬浮电容的第二端与所述第二接入端的连接，并断开其他端到端的连接；
    根据在第五电平模式下输入到各个控制端的控制信号，针对所述 六个端子，导通悬浮电容的第一端与第二接入端的连接以及悬浮电容的第二端与电压输出端的连接，并断开其他端到端的连接。
  2. 如权利要求1所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述逆变模块包括第一电路模块、第二电路模块、第一开关电路支路和第二开关电路支路；
    所述第一电路模块具有第一端、第二端和第三端，其中第一端连接所述第三接入端，第二端连接悬浮电容的第一端，第三端连接悬浮电容的第二端；所述第一电路模块还连接所述若干控制端中的一部分控制端，用于根据所连接的控制端接入的不同控制信号，提供至少三种工作状态：仅导通第一端与第二端的连接；仅导通第三端与第一端的连接；断开第一端与第二端的连接且断开第一端与第三端的连接；
    所述第二电路模块，具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端和输出端五个端子，其中第一输入端连接所述第一接入端、第二输入端连接所述悬浮电容的第一端，第三输入端连接所述悬浮电容的第二端、第四输入端连接所述第二接入端，输出端连接电压输出端；所述第二电路模块还连接所述若干控制端中的一部分控制端，用于根据所连接的控制端接入的不同控制信号，提供至少六种工作状态：五个端子中，仅导通第二输入端与输出端的连接；五个端子中，仅导通第二输入端与输出端的连接，以及第一输入端与第二输入端的连接；五个端子中，仅导通第二输入端与输出端以及第三输入端与第四输入端的连接；五个端子中，仅导通第三输入端与输出端的连接以及第一输入端与第二输入端的连接；五个端子中，仅导通第三输入端与输出端的连接以及第三输入端与第四输入端的连接；五个端子中，仅导通第三输入端与输出端的连接；
    所述第一开关电路支路，连接在第一接入端与所述悬浮电容的第二端之间，并连接所述若干控制端中的一部分控制端，适于导通第一接入端与悬浮电容的第二端的连接；
    所述第二开关电路支路，连接在第二接入端与所述悬浮电容的第一端之间，并连接所述若干控制端中的一部分控制端，适于导通或关断悬浮电容的第一端与第二接入端的连接。
  3. 如权利要求2所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第一电路模块至少包括第一开关子支路和第二开关子支路；其中，
    所述第一开关子支路连接在第一端和第二端之间；
    所述第二开关子支路连接在第一端和第三端之间。
  4. 根据权利要求2所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第二电路模块包括第一子模块和第二子模块；
    所述第一子模块包括第一开关电路子支路和第二开关电路子支路；
    所述第二子模块包括第三开关电路子支路和第四开关电路子支路；
    所述第一开关电路子支路连接在所述第一输入端和输出端之间；
    所述第二开关电路子支路连接在所述第二输入端和输出端之间；
    所述第三开关电路子支路连接在所述第三输入端和输出端之间；
    所述第四开关电路子支路连接在所述第四输入端和输出端之间；
    各个开关电路子支路还对应连接所述第二电路模块所连接的各个控制端，用于根据所连接的控制端所接入的控制信号导通或者关断。
  5. 根据权利要求2所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第一开关电路支路包括第一双向开关，所述第二开关电路支路包括第二双向开关；
    第一双向开关的第一端连接第一开关电路支路的第一端；
    第一双向开关的第二端连接第一开关电路支路的第二端；
    第二双向开关的第一端连接第二开关电路支路的第一端；
    第二双向开关的第二端连接第二开关电路支路的第二端。
  6. 根据权利要求3所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第一电路模块包括第一双向开关、第二双向开关、第一二极管和第二二极管；
    第一二极管的正极连接第二二极管的负极；
    第一二极管的负极连接第一双向开关的第一端；
    第一双向开关的第二端连接所述第一电路模块的第二端；
    第二二极管的正极连接第二双向开关的第二端；
    第二双向开关的第一端连接所述第一电路模块的第三端；
    第一二极管和第二二极管的公共端连接所述第一电路模块的第一端。
  7. 根据权利要求3所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第一电路模块包括一个双向开关、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；
    第一二极管的正极连接所述第一电路模块的第一端；
    第一二极管的负极连接所述双向开关的第一端；
    第三二极管的负极连接第一二极管的负极；
    第三二极管的正极连接所述第一电路模块的第三端；
    第二二极管的负极连接第一二极管的正极；
    第二二极管的正极连接所述双向开关的第二端；
    第四二极管的负极连接所述第一电路模块的第二端；
    第四二极管的正极连接第二二极管的正极。
  8. 如权利要求7所述的五电平拓扑单元，其特征在于，第三二极管管替换为一个双向开关且第四二极管替换为一个双向开关。
  9. 根据权利要求3所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第一电路模块包括第一双向开关、第二双向开关、第三双向开关和第四双向开关；
    第一双向开关的第二端连接第二双向开关的第一端；
    第一双向开关的第一端连接第三双向开关的第一端；
    第三双向开关的第二端连接所述第一电路模块的第二端；
    第一双向开关和第二双向开关的公共端连接所述第一电路模块的第一端；
    第二双向开关的第二端连接第四双向开关的第二端；
    第四双向开关的第一端连接所述第一电路模块的第三端。
  10. 根据权利要求3所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第一电路模块包括第一双向开关、第二双向开关、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管；
    第一二极管的正极连接第二二极管的负极；
    第一二极管的负极连接第一双向开关的第一端；
    第二二极管的正极连接第一双向开关的第二端；
    第一二极管和第二二极管的公共端连接所述第一电路模块的第一端；
    第三二极管的正极连接第四二极管的负极；
    第三二极管的负极连接第一双向开关的第一端；
    第四二极管的正极连接第一双向开关的第二端；
    第三二极管和第四二极管的公共端连接所述第一电路模块的第二端；
    第五二极管的正极连接第六二极管的负极；
    第五二极管的负极连接第二双向开关的第一端；
    第六二极管的正极连接第二双向开关的第二端；
    第五二极管和第六二极管的公共端连接所述第一电路模块的第一端；
    第七二极管的正极连接第八二极管的负极；
    第七二极管的负极连接第二双向开关的第一端；
    第八二极管的正极连接第二双向开关的第二端；
    第七二极管和第八二极管的公共端连接所述第一电路模块的第三端。
  11. 根据权利要求6所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第一电路模块进一步包括第三双向开关和第四双向开关；
    第三双向开关的第一端连接第一二极管的负极；
    第三双向开关的第二端连接第四双向开关的第一端；
    第四双向开关的第二端连接第二二极管的正极；
    第三双向开关和第四双向开关的公共端连接所述第一电路模块的第一端。
  12. 根据权利要求9所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第一电路模块进一步包括第五双向开关和第六双向开关；
    第五双向开关的第一端连接第一双向开关的第一端；
    第五双向开关的第二端连接所述第一电路模块的第一端；
    第六双向开关的第一端连接所述第一电路模块的第一端；
    第六双向开关的第二端连接第二双向开关的第二端。
  13. 根据权利要求10所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第一电路模块进一步包括第三双向开关和第四双向开关；
    第三双向开关的第一端连接第一双向开关的第一端；
    第三双向开关的第二端连接所述第一电路模块的第一端；
    第四双向开关的第一端连接所述第一电路模块的第一端；
    第四双向开关的第二端连接第二双向开关的第二端。
  14. 根据权利要求7所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第一电路模块进一步包括第二双向开关和第三双向开关；
    第二双向开关的第一端连接第一双向开关的第一端；
    第二双向开关的第二端连接所述第一电路模块的第一端；
    第三双向开关的第一端连接所述第一电路模块的第一端；
    第三双向开关的第二端连接第一双向开关的第二端。
  15. 根据权利要求6至14任一所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第一电路模块进一步包括第一电感；
    所述第一开关子支路和第二开关子支路的公共端具体通过所述第一电感和所述第一电路模块的第一端相连。
  16. 根据权利要求15所述的五电平拓扑单元，其特征在于，还包括第二电感；所述第二电路模块具体通过所述第二电感连接所述电压输出端；
    所述第二电感与第一电感共用一个磁芯。
  17. 根据权利要求4所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第一子模块包括第一双向开关、第二双向开关和第一二极管；
    第一二极管的正极连接第一子模块的第一输入端；
    第一二极管的负极连接第一双向开关的第一端；
    第一双向开关的第二端连接第二双向开关的第一端；
    第一双向开关和第二双向开关的公共端连接第一子模块的第二输入端；
    第二双向开关的第二端连接第一子模块的输出端。
  18. 根据权利要求4所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第一子模块包括第一双向开关、第二双向开关和第一二极管；
    第一二极管的正极连接第一子模块的第一输入端；
    第一二极管的负极连接第一双向开关的第一端；
    第一双向开关的第二端连接第一子模块的输出端；
    第二双向开关的第一端连接第一子模块的第二输入端；
    第二双向开关的第二端连接第一子模块的输出端。
  19. 根据权利要求4所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第一子模块包括第一双向开关、第二双向开关和第一二极管；
    第一二极管的正极连接第一子模块的第一输入端；
    第一二极管的负极连接第二双向开关的第一端；
    第二双向开关的第二端连接第一子模块的输出端；
    第二双向开关的第一端连接第一双向开关的第二端；
    第一双向开关的第一端连接第一子模块的第二输入端。
  20. 根据权利要求4所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第二子模块包括第三双向开关、第四双向开关和第二二极管；
    第三双向开关的第一端连接第二子模块的输出端；
    第三双向开关的第二端连接第二子模块的第三输入端；
    第四双向开关的第一端连接第三双向开关的第二端；
    第四双向开关的第二端连接第二二极管的正极；
    第二二极管的负极连接第二子模块的第四输入端。
  21. 根据权利要求4所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第二子模块包括第三双向开关、第四双向开关和第二二极管；
    第三双向开关的第一端连接第二子模块的输出端；
    第三双向开关的第二端连接第二子模块的第三输入端；
    第四双向开关的第一端连接第二子模块的输出端；
    第四双向开关的第二端连接第二二极管的正极；
    第二二极管的负极连接第二子模块的第四输入端。
  22. 根据权利要求4所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第二子模块包括第三双向开关、第四双向开关和第二二极管；
    第三双向开关的第一端连接第二子模块的输出端；
    第三双向开关的第二端同时连接第四双向开关的第一端和第二二极管的正极；
    第四双向开关的第二端连接第二子模块的第三输入端；
    第二二极管的负极连接第二子模块的第四输入端。
  23. 根据权利要求17至22任一项所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第一二极管由第九双向开关代替；或者，第二二极管由第 十双向开关代替。
  24. 根据权利要求2所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第二电路模块包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第一双向开关、第二双向开关、第三双向开关和第四双向开关；
    第一二极管的正极连接第二二极管的负极；
    第一二极管的负极连接第一双向开关的第一端；
    第二二极管的正极连接第一双向开关的第二端；
    第一二极管和第二二极管的公共端连接所述第二电路模块的第一输入端；
    第三二极管的负极连接第一双向开关的第一端；
    第三二极管的正极连接第四二极管的负极；
    第四二极管的正极连接第一双向开关的第二端；
    第三二极管和第四二极管的公共端同时连接第二双向开关的第一端和所述第二电路模块的第二输入端；
    第二双向开关的第二端同时连接第三双向开关的第一端和所述第二电路模块的输出端；
    第五二极管的负极连接第四双向开关的第一端；
    第五二极管的正极连接第六二极管的负极；
    第六二极管的正极连接第四双向开关的第二端；
    第五二极管和第六二极管的公共端同时连接第三双向开关的第二端和所述第二电路模块的第三输入端；
    第七二极管的负极连接第四双向开关的第一端；
    第七二极管的正极连接第八二极管的负极；
    第八二极管的正极连接第四双向开关的第二端；
    第七二极管和第八二极管的公共端连接所述第二电路模块的第四输入端。
  25. 根据权利要求2所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第二电路模块包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第一双向开关、第二双向开关、第三双向开关和第四双向开关；
    第一二极管的正极连接第二二极管的负极；
    第一二极管的负极连接第一双向开关的第一端；
    第二二极管的正极连接第一双向开关的第二端；
    第一二极管和第二二极管的公共端连接所述第二电路模块的第一输入端；
    第三二极管的负极连接第一双向开关的第一端；
    第三二极管的正极连接第四二极管的负极；
    第四二极管的正极连接第一双向开关的第二端；
    第三二极管和第四二极管的公共端连接所述第二电路模块的输出端；
    第五二极管的负极连接第四双向开关的第一端；
    第五二极管的正极连接第六二极管的负极；
    第六二极管的正极连接第四双向开关的第二端；
    第五二极管和第六二极管的公共端连接所述第二电路模块的输出端；
    第七二极管的负极连接第四双向开关的第一端；
    第七二极管的正极连接第八二极管的负极；
    第八二极管的正极连接第四双向开关的第二端；
    第七二极管和第八二极管的公共端连接所述第二电路模块的第四输入端；
    第二双向开关的第一端连接所述第二电路模块的第二输入端；
    第二双向开关的第二端同时连接第三双向开关的第一端和所述第二电路模块的输出端；
    第三双向开关的第二端连接所述第二电路模块的第三输入端。
  26. 一种单相五电平逆变器，其特征在于，包括
    一个控制器和一个如权利要求1至25任一项所述的五电平拓扑单元；
    所述控制器与所述若干个控制端相连，用于提供各个电平模式对应的控制信号。
  27. 如权利要求26所述的单相五电平逆变器，其特征在于，还包括第一电容和第二电容；所述五电平拓扑单元的第一接入端连接第一电容的第一端，第二接入端连接第二电容的第二端；所述第一电容的第二端和所述第二电容的第一端连接所述第三接入端。
  28. 根据权利要求26或27所述的单相五电平逆变器，还包括第一交流负载接入端和第二交流负载接入端，所述第一交流负载接入端连接所述单相五电平逆变器的第三接入端，所述第二交流负载接入端连接单相五电平逆变器的电压输出端。
  29. 一种三相五电平逆变器，其特征在于，包括：
    一个控制器和三个权利要求1至25任一项所述的五电平拓扑单元；
    其中，三个五电平拓扑单元的第一接入端相互连接，第二接入端相互连接，第三接入端相互连接；
    所述控制器与每一个五电平拓扑单元中的各个控制端相连，用于为该五电平拓扑单元提供各个电平模式对应的控制信号。
  30. 根据权利要求29所述的三相五电平逆变器，其特征在于，
    还包括第一电容和第二电容；所述五电平拓扑单元的第一接入端连接第一电容的第一端，第二接入端连接第二电容的第二端；所述第一电容的第二端和所述第二电容的第一端连接所述第三接入端。
  31. 根据权利要求29或30所述的三相五电平逆变器，还包括第一相位交流负载接入端、第二相位交流负载接入端和第三相位交流负载 接入端，三个相位交流负载接入端一对一连接所述三相五电平逆变器中的三个五电平拓扑单元的电压输出端。
  32. 如权利要求29所述的三相五电平逆变器，其特征在于，所述五电平拓扑单元具体为如权利要求15或16所述的五电平拓扑单元，至少两个五电平拓扑单元中的第一电路模块共用第一电感。
  33. 如权利要求29所述的三相五电平逆变器，其特征在于，还包括交流负载中性端；各个五电平拓扑单元的第三接入端连接所述交流负载中性端。
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