CN108475999A - 单相五电平有源嵌位变换器单元及变换器 - Google Patents

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Abstract

一种单相五电平有源嵌位变换器单元及变换器，该单相五电平有源嵌位变换器单元具有三个输入端(I1、I2和T3)和一个输出端(I0)，还包括：悬浮电容(CS)和拓扑控制部分；所述拓扑控制部分连接所述悬浮电容(CS)和所述单相五电平有源嵌位变换器单元的三个输入端(I1、I2和T3)和一个输出端(I0)，并连接若干控制端，适于在控制端接入的控制信号的控制下，提供至少八种工作模态。该单相五电平有源嵌位变换器单元，拓扑结构易于设计，控制简便。

Description

单相五电平有源嵌位变换器单元及变换器
交叉引用
本申请引用于2016年03月17日向美国专利局提交的专利名称为“单相五电平有源嵌位变换器单元及变换器”，优先权号为US62/309,773的美国专利申请，其通过引用被全部并入本申请。
技术领域
本发明涉及电力电子领域中的五电平变换器，特别是单相五电平有源嵌位变换器单元及变换器。
背景技术
多电平变换器尤其是多电平逆变器被用于大功率场合进行电力变换，比如，用于中压电网(2.3KV,3.3KV,or 6.9KV)减小开关电压应力，用于光伏行业减小滤波器大小。和两电平电压源变换器相比，多电平变换器具有以下优点：电压应力小，效率高，滤波器小和共模电压小。
根据电路结构，现有公开的五电平拓扑分成三类：图1(a)所示的中性点嵌位(NPC)型，图1(b)所示的飞跨电容(FC)型和图1(c)所示的串联H桥(CHB)型。五电平NPC型拓扑采用二极管产生中性点电压。这种类型的拓扑缺点是当电平数量增大时，开关管数量和二极管数量随之增大，电路结构和控制策略复杂。FC型拓扑采用飞跨电容产生多个电平，同时飞跨电容作为电源的一部分。但是，当电平数量增大时，飞跨电容数量随之增大，而且飞跨电容电压平衡的控制更加复杂。CHB型拓扑采用串联连接的H桥单元，每个H桥单元连接一个隔离的直流电压源。类似地，输出更多的电平需要更多的H桥单元，则需要更多的直流电源，因此不实用。
发明内容
(一)解决的技术问题
本发明提供了一种五电平有源嵌位变换器，以解决现有技术中的上述 问题中的至少部分技术问题。
(二)技术方案
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。本申请中的术语“全控型开关”指导通和关断均可控的半导体开关器件。
第一方面，本发明提供了一种单相五电平有源嵌位变换器单元，具有三个输入端和一个输出端，还包括：悬浮电容和拓扑控制部分；所述拓扑控制部分连接所述悬浮电容和所述单相五电平有源嵌位变换器单元的三个输入端和一个输出端，并连接若干控制端，适于在控制端接入的控制信号的控制下，提供至少八种工作模态。对于所述单相五电平有源嵌位变换器单元的三个输入端和一个输出端，
模态一、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第一输入端和输出端在不经过所述悬浮电容的情况下双向导通；
模态二、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第一输入端和输出端经由所述悬浮电容双向导通；
模态三、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端和输出端经由所述悬浮电容双向导通；或者，仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端经由所述悬浮电容单向导通到输出端；
模态四、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端和输出端在不经过所述悬浮电容的情况下双向导通；或者，仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端在不经过所述悬浮电容的情况下单向导通到输出端；
模态五、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的输出端在不经过所述悬浮电容的情况下单向导通到第三输入端；或者，仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的输出端在不经过所述悬浮电容的情况下双向导通到第三输入端；
模态六、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的输出端经由所述悬浮电容的情况下单向导通到第三输入端；或者，仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的输出端经由所述悬浮电容的情况下双向导通到第三 输入端；
模态七、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第二输入端和输出端经由所述悬浮电容双向导通；
模态八、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第二输入端和输出端在不经过所述悬浮电容的情况下双向导通。
可选的，所述拓扑控制部分包括：四个双向开关和第一控制单元；第一双向开关的第一端连接第一输入端，第一双向开关的第二端同时连接第二双向开关的第一端和悬浮电容的正极；第二双向开关的第二端连接第三双向开关的第一端；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悬浮电容的负极；第四双向开关的第二端连接第二输入端；第二双向开关的第二端和第三双向开关的第一端同时连接所述单相五电平有源嵌位变换器单元的输出端；
所述第一控制单元连接所述悬浮电容的正负极以及所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端，并连接若干控制端；适于在控制端接入的控制信号的控制下，提供至少三种工作模态：
模态一、断开所述悬浮电容的正极与所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端的连接以及悬浮电容的负极与所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端的连接；
模态二、将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端导通到所述悬浮电容的负极；并断开所述悬浮电容的正极与所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端的连接；
模态三、将所述悬浮电容的正极导通到所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端，并断开所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端与所述悬浮电容的负极的连接。
可选地，所述第一控制单元包括第一全控型开关、第二全控型开关、第一二极管和第二二极管；其中，第一全控型开关的第一端连接悬浮电容正极，第一全控型开关的第二端连接第一二极管的正极；第二全控型开关的第一端连接第二二极管负极，第二全控型开关的第二端连接悬浮电容的负极；第一二极管负极同时连接第二二极管正极和第三输入端。
可选地，所述第一控制单元进一步包括一个开关单元。所述开关单元 连接在第一二极管正极和第二二极管负极之间。同时，第一全控型开关和第二全控型开关均被双向开关代替。
所述开关单元有多种实现形式，可以包括一个全控型开关，比如全控型开关IGBT。所述全控型开关的第一端连接第二二极管负极，第二端连接第一二极管正极。所述开关单元也可以包括一个双向开关，比如一个带有反向并联二极管的全控型开关IGBT，或内置并联二极管的全控型开关MOSFET。
可选地，所述单相五电平有源嵌位变换器单元进一步包括一个滤波电感，所述滤波电感连接在输出端和交流电网或交流负载之间。
第二方面，本发明提供了一种单相五电平有源嵌位变换器，包括本发明第一方面提供的单相五电平有源嵌位变换器单元和两个串联连接的直流电源。所述第一输入端连接第一直流电源的正极；第二输入端连接第二直流电源的负极；第三输入端连接两直流电源的公共端；输出端通过交流电网或交流负载连接两直流电源的公共端。
第三方面，本发明提供了一种三相五电平有源嵌位变换器，包括三个单相五电平有源嵌位变换器单元和两个串联连接在一起的直流电源；其中每一个单相五电平有源嵌位变换器单元均为第一方面中的任一个所述的单相五电平有源嵌位变换器单元；所述三个单相五电平有源嵌位变换器单元的输入侧并联，三个输出端分别连接交流电网或交流负载的三相。
(三)有益效果
本发明提供的五电平有源嵌位变换器单元及其单相、三相变换器，电路简单，控制容易，成本低，同时还具有NPC型变换器和FC型变换器的优点。
本发明提供的五电平有源嵌位变换器可以用于但不限于可再生能源系统，比如单相或三相光伏系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员 来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1(a)为现有的五电平中性点嵌位(NPC)型拓扑的电路原理图；
图1(b)为现有的五电平飞跨电容(FC)型拓扑的电路原理图；
图1(c)为现有的五电平串联H桥(CHB)型拓扑的电路原理图；
图2为本发明实施例提供的单相五电平有源嵌位变换器的电路原理部分方框图；
图3(a)为本发明实施例提供的开关单元M1的第一种电路原理示意图；
图3(b)为本发明实施例提供的开关单元M1的第二种电路原理示意图；
图3(c)为本发明实施例提供的开关单元M1的第三种电路原理示意图；
图3(d)为本发明实施例提供的开关单元M1的第四种电路原理示意图；
图4为本发明实施例提供的含有图3(a)所示的开关单元M1的单相五电平有源嵌位变换器的电路原理示意图；
图5为本发明实施例提供的图4所示的单相五电平有源嵌位变换器的第一种工作模态示意图；
图6为本发明实施例提供的图4所示的单相五电平有源嵌位变换器的第二种工作模态示意图；
图7为本发明实施例提供的图4所示的单相五电平有源嵌位变换器的第三种工作模态示意图；
图8为本发明实施例提供的图4所示的单相五电平有源嵌位变换器的第四种工作模态示意图；
图9为本发明实施例提供的图4所示的单相五电平有源嵌位变换器的第五种工作模态示意图；
图10为本发明实施例提供的图4所示的单相五电平有源嵌位变换器的第六种工作模态示意图；
图11为本发明实施例提供的图4所示的单相五电平有源嵌位变换器 的第七种工作模态示意图；
图12为本发明实施例提供的图4所示的单相五电平有源嵌位变换器的第八种工作模态示意图；
图13为本发明实施例提供的含有图3(b)所示的开关单元M1的单相五电平有源嵌位变换器的电路原理示意图；
图14为本发明实施例提供的图13所示的单相五电平有源嵌位变换器的第一种工作模态示意图；
图15为本发明实施例提供的图13所示的单相五电平有源嵌位变换器的第二种工作模态示意图；
图16为本发明实施例提供的图13所示的单相五电平有源嵌位变换器的第三种工作模态示意图；
图17为本发明实施例提供的图13所示的单相五电平有源嵌位变换器的第四种工作模态示意图；
图18为本发明实施例提供的图13所示的单相五电平有源嵌位变换器的第五种工作模态示意图；
图19为本发明实施例提供的图13所示的单相五电平有源嵌位变换器的第六种工作模态示意图；
图20为本发明实施例提供的图13所示的单相五电平有源嵌位变换器的第七种工作模态示意图；
图21为本发明实施例提供的图13所示的单相五电平有源嵌位变换器的第八种工作模态示意图；
图22为本发明实施例提供的图13所示的单相五电平有源嵌位变换器的调制方式示意图；
图23为本发明实施例提供的图2所示的单相五电平有源嵌位变换器的等效方框图；
图24为本发明实施例提供的基于图23所示等效电路的三相五电平有源嵌位变换器的电路原理部分方框图；
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有源嵌位变换器。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。
如附图所示，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，C1表示充当第一直流电源的第一电容，C2表示充当第二直流电源的第二电容，Cs表示悬浮电容。
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，即可以采用二极管之外的其它单方向导通器件。二极管的正极指阳极，负极指阴极。
为了叙述方便，开关MOSFET被用作代表本发明中的导通和关断均可控的全控型(可控型)开关管，但本发明中的全控型元件不限定于MOSFET。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。本发明中的每个全控型半导体开关的控制端施加一个驱动控制信号。简洁起见，后面不再赘述。本发明中的全控型元件也可以采用MOSFET之外的其它全控型开关管器件实现，比如IGBT。
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半导体开关，比如带有反向并联二极管的IGBT，或内置并联二极管的MOSFET。
下面结合附图对实施例进行详细阐述。
图2给出了一种单相五电平有源嵌位变换器的电路原理部分方框图。所述单相五电平有源嵌位变换器包括一个单相五电平有源嵌位变换器单元M。单相五电平有源嵌位变换器单元M具有三个输入端(I1,I2和I3)和 一个输出端Io。其中，第一输入端I1连接第一电容C1正极；第二输入端I2连接第二电容C2负极；第三输入端I3连接第一电容C1与第二电容C2的公共端X；输出端Io通过交流电网或负载连接第一电容C1与第二电容C2的公共端X。
所述单相五电平有源嵌位变换器单元M包括六个双向开关T1～T6、一个悬浮电容Cs和两个二极管D1、D2。
第一双向开关T1的第一端连接第一输入端I1，第一双向开关T1的第二端同时连接第二双向开关T2的第一端和悬浮电容Cs的正极。第二双向开关T2的第二端同时连接第三双向开关T3的第一端和输出端Io。第三双向开关T3的第二端同时连接第四双向开关T4的第一端和悬浮电容Cs的负极。第四双向开关T4的第二端连接第二输入端I2。第五双向开关T5的第一端连接悬浮电容Cs正极，第五双向开关T5的第二端连接第一二极管D1的正极。第六双向开关T6的第二端连接悬浮电容Cs的负极，第六双向开关T6的第一端连接第二二极管D2负极。第一二极管D1负极同时连接第二二极管D2正极和第三输入端I3。
如图2所示，所述单相五电平有源嵌位变换器单元M进一步包括开关单元M1和滤波电感L1。开关单元M1连接在第一二极管D1正极和第二二极管D2负极之间。所述滤波电感L1连接输出端Io和交流电网或交流负载之间。
所述开关单元M1有多种实现方式。图3给出了它的四种实现形式。图3(a)中，所述开关单元M1不存在。此时，节约成本起见，第五双向开关T5和第六双向开关T6可以采用全控型开关代替，比如IGBT。图4给出了和图3(a)对应的单相五电平有源嵌位变换器。如图4所示，所述单相五电平有源嵌位变换器包括六个全控型开关，因此简称为六开关五电平有源嵌位变换器。
图3(b)中，所述开关单元M1包括一个全控型开关，比如全控型开关IGBT。所述全控型开关的第一端连接第二二极管D2负极，第二端连接第一二极管D1正极。所述开关单元M1也包括一个双向开关，如图3(c)中的全控半导体开关IGBT反并联一个二极管，或者如图3(d)中的带有内置反并联二极管的全控型开关MOSFET。
为了便于理解图4所示的六开关五电平有源嵌位变换器的工作原理，下面给出它的八种工作模态。假定直流电源的总电压为UPV，且第一电容C1和第二电容C2的容值相等。因此，第一电容C1和第二电容C2的电压都等于0.5UPV。悬浮电容Cs由第一电容C1或第二电容C2充电，控制悬浮电容Cs电压为0.25UPV。定义附图电路中的滤波电感L1电流从左向右流动为正向电流，反之为负向电流。附图中的实线电路工作，虚线电路不工作。
本发明实施例提供的六开关五电平有源嵌位变换器的第一工作模态如图5所示，正向电流路径为：X→C1→T1→T2→L1→G→X；负向电流路径为：X→G→L1→T2→T1→C1→X。输出电压UOX等于第一电容C1电压，即UOX＝0.5UPV。
本发明实施例提供的六开关五电平有源嵌位变换器的第二工作模态如图6所示，正向电流路径为：X→C1→T1→CS→T3→L1→G→X；负向电流路径为：X→G→L1→T3→CS→T1→C1→X。输出电压UOX等于第一电容C1电压与负的悬浮电容Cs电压之和，即UOX＝0.5UPV+(-0.25UPV)＝0.25UPV。此时，悬浮电容Cs通过正向电流充电，负向电流放电。
本发明实施例提供的六开关五电平有源嵌位变换器的第三工作模态如图7所示，正向电流路径为：X→D2→T6→CS→T2→L1→G→X；没有负向电流。输出电压UOX等于悬浮电容Cs电压，即UOX＝0.25UPV。此时，悬浮电容Cs通过正向电流放电。
本发明实施例提供的六开关五电平有源嵌位变换器的第四工作模态如图8所示，正向电流路径为：X→D2→T6→T3→L1→G→X；没有负向电流。输出电压UOX等于零，即UOX＝0。
本发明实施例提供的六开关五电平有源嵌位变换器的第五工作模态如图9所示，负向电流路径为：X→G→L1→T2→T5→D1→X；没有正向电流。输出电压UOX等于零，即UOX＝0。
本发明实施例提供的六开关五电平有源嵌位变换器的第六工作模态如图10所示，负向电流路径为：X→G→L1→T3→CS→T5→D1→X；没有正向电流。输出电压UOX等于负的悬浮电容Cs电压，即UOX＝-0.25UPV。此时，悬浮电容Cs通过负向电流放电。
本发明实施例提供的六开关五电平有源嵌位变换器的第七工作模态 如图11所示，正向电流路径为：X→C2→T4→CS→T2→L1→G→X；负向电流路径为：X→G→L1→T2→CS→T4→C2→X。输出电压UOX等于负的第二电容C2电压与悬浮电容Cs电压之和，即UOX＝-0.5UPV+0.25UPV＝-0.25UPV。此时，悬浮电容Cs通过正向电流放电，负向电流充电。
本发明实施例提供的六开关五电平有源嵌位变换器的第八工作模态如图12所示，正向电流路径为：X→C2→T4→T3→L1→G→X；负向电流路径为：X→G→L1→T3→T4→C2→X。输出电压UOX等于负的第二电容C2电压，即UOX＝-0.5UPV。
通过控制相应的开关管导通或关断，图4所示的六开关五电平有源嵌位变换器在上述的八种工作模态下交替工作，从而获得需要的逆变输出电压。通过上面对八种工作模态的描述可以看出，第二工作模态与第三工作模态输出的电平相同。类似地，第六工作模态与第七工作模态输出的电平相同。
为了便于描述，定义输出相同电平的两个工作模态为冗余工作模态。虽然冗余工作模态产生的电平相同，但是由于它们的悬浮电容Cs电流方向不同，因此它们对悬浮电容Cs电压的影响是相反的。所以，控制悬浮电容Cs电压为常数是可以实现的。控制悬浮电容Cs电压为0.25UPV从而得到五个电平(±0.5UPV,±0.25UPV和零)。
通过上面的八种工作模态分析可以看出，由于二极管(D1和D2)单向导通，所以第三、第四、第五和第六工作模态中滤波电感L1中的电流单向流动。
图13给出了含有图3(b)所示开关单元M1的单相五电平有源嵌位变换器。如图13所示，开关单元M1包括一个全控型开关T7。简洁起见，本发明中的七开关五电平有源嵌位变换器用于表示含有开关单元M1的五电平有源嵌位变换器。
为了便于理解图13所示的七开关五电平有源嵌位变换器的工作原理，下面给出它的八种工作模态。
本发明实施例提供的七开关五电平有源嵌位变换器的第一工作模态如图14所示，正向电流路径为：X→C1→T1→T2→L1→G→X；负向电流路径为：X→G→L1→T2→T1→C1→X。输出电压UOX等于第一电容C1电压， 即UOX＝0.5UPV。
本发明实施例提供的七开关五电平有源嵌位变换器的第二工作模态如图15所示，正向电流路径：X→C1→T1→CS→T3→L1→G→X；负向电流路径为：X→G→L1→T3→CS→T1→C1→X。输出电压UOX等于第一电容C1电压与负的悬浮电容Cs电压之和，即UOX＝0.5UPV+(-0.25UPV)＝0.25UPV。此时，悬浮电容Cs通过正向电流充电，负向电流放电。
本发明实施例提供的七开关五电平有源嵌位变换器的第三工作模态如图16所示，正向电流路径为：X→D2→T6→CS→T2→L1→G→X；负向电流：X→G→L1→T2→CS→T6→T7→D1→X。输出电压UOX等于悬浮电容Cs电压，即UOX＝0.25UPV。此时，悬浮电容Cs通过正向电流放电，负向电流充电。
本发明实施例提供的七开关五电平有源嵌位变换器的第四工作模态如图17所示，正向电流路径为：X→D2→T6→T3→L1→G→X；负向电流：X→G→L1→T3→T6→T7→D1→X。输出电压UOX等于零，即UOX＝0。
本发明实施例提供的七开关五电平有源嵌位变换器的第五工作模态如图18所示，正向电流：X→D2→T7→T5→T2→L1→G→X；负向电流路径为：X→G→L1→T2→T5→D1→X。输出电压UOX等于零，即UOX＝0。
本发明实施例提供的七开关五电平有源嵌位变换器的第六工作模态如图19所示，正向电流：X→D2→T7→T5→CS→T3→L1→G→X；负向电流路径为：X→G→L1→T3→CS→T5→D1→X。输出电压UOX等于负的悬浮电容Cs电压，即UOX＝-0.25UPV。此时，悬浮电容Cs通过正向电流充电，负向电流放电。
本发明实施例提供的七开关五电平有源嵌位变换器的第七工作模态如图20所示，正向电流路径为：X→C2→T4→CS→T2→L1→G→X；负向电流路径为：X→G→L1→T2→CS→T4→C2→X。输出电压UOX等于负的第二电容C2电压与悬浮电容Cs电压之和，即UOX＝-0.5UPV+0.25UPV＝-0.25UPV。此时，悬浮电容Cs通过正向电流放电，负向电流充电。
本发明实施例提供的七开关五电平有源嵌位变换器的第八工作模态如图21所示，正向电流路径为：X→C2→T4→T3→L1→G→X；负向电流路径为：X→G→L1→T3→T4→C2→X。输出电压UOX等于负的第二电容C2 电压，即UOX＝-0.5UPV。
通过控制相应的开关管导通或关断，图13所示的七开关五电平有源嵌位变换器在上述的八种工作模态下交替工作，从而获得需要的逆变输出电压。简洁起见，大写字母“A”,“B”,“C”,“D”,“E”,“F”,“G”和“H”分别用来表示上述的八种工作模态。
图22给出了图13所示的七开关五电平有源嵌位变换器的一种调制策略示意图。
如图22所示，t0-t2时间段内，电网电压正半周，输出电压Uox大于零但小于0.25Upv，七开关五电平有源嵌位变换器交替工作在第二工作模态B、第四工作模态D、第三工作模态C和第四工作模态D。
T2-t3时间段内，电网电压正半周，输出电压Uox大于0.25Upv但小于0.5Upv，七开关五电平有源嵌位变换器交替工作在第一工作模态A、第二工作模态B、第一工作模态A和第三工作模态C。
T3-t4时间段内，电网电压正半周，输出电压Uox大于零但小于0.25Upv，七开关五电平有源嵌位变换器交替工作在第二工作模态B、第四工作模态D、第三工作模态C和第四工作模态D。
T4-t6时间段内，电网电压负半周，输出电压Uox绝对值大于零但小于0.25Upv，七开关五电平有源嵌位变换器交替工作在第六工作模态F、第五工作模态E、第七工作模态G和第五工作模态E。
T6-t7时间段内，电网电压负半周，输出电压Uox绝对值大于0.25Upv但小于0.5Upv，七开关五电平有源嵌位变换器交替工作在第六工作模态F、第八工作模态H、第七工作模态G和第八工作模态H。
T7-t8时间段内，电网电压负半周，输出电压Uox绝对值大于零但小于0.25Upv，七开关五电平有源嵌位变换器交替工作在第五工作模态E、第六工作模态F、第五工作模态E和第七工作模态G。
注意，所述七开关五电平有源嵌位变换器中的全控型开关T7在第三、第四、第五和第六工作模态时导通，其余四个工作模态关断。
通过上面的八种工作模态分析可以看出，所述七开关五电平有源嵌位变换器的第一、第二、第七和第八工作模态与六开关五电平有源嵌位变换器的这四个对应工作模态相同。对于其余四个工作模态，由于全控型开关 T7导通使所述七开关五电平有源嵌位变换器中有双向电流流动，但是六开关五电平有源嵌位变换器中只有单向电流。相对于六开关五电平有源嵌位变换器，七开关五电平有源嵌位变换器中的开关单元M1提供了一个额外的电流路径，使得滤波电感L1电流在每个工作模态下都双向流动。因此，七开关五电平有源嵌位变换器可以在任何功率因数条件下运行。
无论六开关五电平有源嵌位变换器还是七开关五电平有源嵌位变换器，采用的半导体可控开关、电容和/或二极管的数量都比现有的五电平变换器的数量少，因此降低了成本。本发明提供的五电平有源嵌位变换器利用电网电压或其它交流负载电压正负半周对称的特性，直流侧串联电容之间的电压实现了自动平衡。也就是说，不需要附加电路，本发明提供的五电平有源嵌位变换器直流侧的中点电压就可以平衡。
从上述的各个实施例不难看出，对于图4所述的单相五电平有源嵌位变换器单元，其中的二极管D1、D2与全控型开关T5、T6作为一个整体的作用(为了便于说明，将以上四个元器件的共同体称为第一控制单元)以及对于图13中所述的单相五电平有源嵌位变换器单元，其中的二极管D1、D2与全控型开关T5、T6、T7(为了便于说明，将以上五个元器件的共同体也称为第一控制单元)作为一个整体的作用类似，其共同的作用均是提供以下三种工作模态：
模态一、断开悬浮电容CS的正极与单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端X的连接以及悬浮电容CS的负极与所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端X的连接；
模态二、将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端X导通到所述悬浮电容CS的负极；并断开所述悬浮电容CS的正极与所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端X的连接；
模态三、将所述悬浮电容CS的正极导通到所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第二输入端X，并断开所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第二输入端X与所述悬浮电容CS的负极的连接。
可以理解的是，这里的导通到，可以是指前者单向导通到后者，也可以是指前者与后者双向导通。
不难理解的是，在具体实施时，在能够达到相同的作用的前提下，也 可以将上述的图4中的第一控制单元以及图13中的第一控制单元替换为其他结构。相应的结构，也不会影响本发明的实施，属于本发明的保护范围，在此不再赘述。
进一步需要说明的是，不管是图4中的第一控制单元或者图13中的第一控制单元，其与双向开关T1、T2、T3和T4构成的拓扑结构(以下称为拓扑控制部分)的共同的作用均是提供如下八种工作模态：
对应所述单相五电平有源嵌位变换器单元的三个输入端和一个输出端，
模态一、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第一输入端和输出端在不经过所述悬浮电容的情况下双向导通；
模态二、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第一输入端和输出端经由所述悬浮电容双向导通；
模态三、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端和输出端经由所述悬浮电容双向导通；或者，仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端经由所述悬浮电容单向导通到输出端；
模态四、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端和输出端在不经过所述悬浮电容的情况下双向导通；或者，仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端在不经过所述悬浮电容的情况下单向导通到输出端；
模态五、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的输出端在不经过所述悬浮电容的情况下单向导通到第三输入端；或者，仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的输出端在不经过所述悬浮电容的情况下双向导通到第三输入端；
模态六、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的输出端经由所述悬浮电容的情况下单向导通到第三输入端；或者，仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的输出端经由所述悬浮电容的情况下双向导通到第三输入端；
模态七、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第二输入端和输出端经由所述悬浮电容双向导通；
模态八、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第二输入端和输 出端在不经过所述悬浮电容的情况下双向导通。
在能够提供上述的八种工作模态的前提下，图4或者图13中的拓扑控制部分均可以被替换为其他的拓扑控制部分，相应的单相五电平有源嵌位变换器单元也能够正常的实现以上描述的基本功能。相应的技术方案均应该落入本发明的保护范围。
图23是本发明实施例提供的图2所示的单相五电平有源嵌位变换器的等效方框图。所述单相五电平有源嵌位变换器包括六开关五电平有源嵌位变换器和七开关五电平有源嵌位变换器。
图24是基于图23中的等效电路的三相五电平有源嵌位变换器的部分方框电路图。如图24所示，所述三相五电平有源嵌位变换器包括三个所述单相五电平有源嵌位变换器单元。所述三个单相五电平有源嵌位变换器单元输入侧并联连接。也就是说，所述三个单相五电平有源嵌位变换器单元的第一直流输入端I1均连接第一电容C1正极，第二直流输入端I2均连接第二电容C2负极，第三直流输入端I3均连接第一电容C1与第二电容C2的公共端X。所述三个单相五电平有源嵌位变换器单元的交流输出端与三相交流电网或交流负载接入端一一对应连接。
所述三个单相五电平有源嵌位变换器单元优先选择相同的电路以便于集成，比如，都采用图4所示的电路。
本发明提供的五电平有源嵌位变换器，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。
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”，“上”和“下”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、物品或者设备同时还存在另外的其它要素。
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 (12)

  1. 一种单相五电平有源嵌位变换器单元，其特征在于，具有三个输入端和一个输出端，还包括：悬浮电容和拓扑控制部分；所述拓扑控制部分连接所述悬浮电容和所述单相五电平有源嵌位变换器单元的三个输入端和一个输出端，并连接若干控制端，适于在控制端接入的控制信号的控制下，提供至少八种工作模态；对于所述单相五电平有源嵌位变换器单元的三个输入端和一个输出端：
    模态一、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第一输入端和输出端在不经过所述悬浮电容的情况下双向导通；
    模态二、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第一输入端和输出端经由所述悬浮电容双向导通；
    模态三、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端和输出端经由所述悬浮电容双向导通；或者，仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端经由所述悬浮电容单向导通到输出端；
    模态四、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端和输出端在不经过所述悬浮电容的情况下双向导通；或者，仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端在不经过所述悬浮电容的情况下单向导通到输出端；
    模态五、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的输出端在不经过所述悬浮电容的情况下单向导通到第三输入端；或者，仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的输出端在不经过所述悬浮电容的情况下双向导通到第三输入端；
    模态六、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的输出端经由所述悬浮电容的情况下单向导通到第三输入端；或者，仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的输出端经由所述悬浮电容的情况下双向导通到第三输入端；
    模态七、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第二输入端和输出端经由所述悬浮电容双向导通；
    模态八、仅将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第二输入端和输出端在不经过所述悬浮电容的情况下双向导通。
  2. 根据权利要求1所述的单相五电平有源嵌位变换器单元，其特征在于，所述拓扑控制部分包括：四个双向开关和第一控制单元；
    第一双向开关的第一端连接第一输入端，第一双向开关的第二端同时连接第二双向开关的第一端和悬浮电容的正极；第二双向开关的第二端连接第三双向开关的第一端；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悬浮电容的负极；第四双向开关的第二端连接第二输入端；第二双向开关的第二端和第三双向开关的第一端同时连接所述单相五电平有源嵌位变换器单元的输出端；
    所述第一控制单元连接所述悬浮电容的正负极以及所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端，并连接若干控制端；适于在控制端接入的控制信号的控制下，提供至少三种工作模态：
    模态一、断开所述悬浮电容的正极与所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端的连接以及悬浮电容的负极与所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端的连接；
    模态二、将所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端导通到所述悬浮电容的负极；并断开所述悬浮电容的正极与所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端的连接；
    模态三、将所述悬浮电容的正极导通到所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端，并断开所述单相五电平有源嵌位变换器单元的第三输入端与所述悬浮电容的负极的连接。
  3. 根据权利要求2所述的单相五电平有源嵌位变换器单元，其特征在于，所述第一控制单元包括第一全控型开关、第二全控型开关、第一二极管和第二二极管；其中，第一全控型开关的第一端连接悬浮电容正极，第一全控型开关的第二端连接第一二极管的正极；第二全控型开关的第一端连接第二二极管负极，第二全控型开关的第二端连接悬浮电容的负极；第一二极管负极同时连接第二二极管正极和第三输入端。
  4. 根据权利要求3所述的单相五电平有源嵌位变换器单元，其特征在于，所述第一控制单元进一步包括一个开关单元；所述开关单元连接在第一二极管正极和第二二极管负极之间；第一全控型开关和第二全控型开关均被双向开关代替。
  5. 根据权利要求4所述的单相五电平有源嵌位变换器单元，其特征在于，所述开关单元包括一个全控型开关；所述全控型开关的第一端连接第二二极管负极，第二端连接第一二极管正极。
  6. 根据权利要求5所述的单相五电平有源嵌位变换器单元，其特征在于，所述全控型开关为IGBT。
  7. 根据权利要求4所述的单相五电平有源嵌位变换器单元，其特征在于，所述开关单元包括一个双向开关。
  8. 根据权利要求7所述的单相五电平有源嵌位变换器单元，其特征在于，所述双向开关为一个全控型开关反并联一个二极管，或者带有内置反并联二极管的全控型开关。
  9. 根据权利要求1-8任一项所述的单相五电平有源嵌位变换器单元，其特征在于，进一步包括一个滤波电感，所述滤波电感连接在输出端和交流电网或交流负载之间。
  10. 一种单相五电平有源嵌位变换器，其特征在于，包括一个权利要求1至9中的任一个所述的单相五电平有源嵌位变换器单元和两个串联连接在一起的直流电源；所述第一输入端连接第一直流电源的正极；第二输入端连接第二直流电源的负极；第三输入端连接两直流电源的公共端；输出端通过交流电网或交流负载连接两直流电源的公共端。
  11. 一种三相五电平有源嵌位变换器，其特征在于，包括三个单相五电平有源嵌位变换器单元和两个串联连接在一起的直流电源；其中每一个单相五电平有源嵌位变换器单元均为如权利要求1至9中的任一个所述的单相五电平有源嵌位变换器单元；所述三个单相五电平有源嵌位变换器单元的所有第一输入端均连接第一直流电源的正极，所有第二输入端均连接第二直流电源的负极，所有第三输入端均连接两直流电源的公共端，三个输出端分别连接交流电网或交流负载的三相接入端一一对应连接。
  12. 根据权利要求11所述的三相五电平有源嵌位变换器，其特征在于，所述三个单相五电平有源嵌位变换器单元采用相同的电路。
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