CN113938001A - 三电平变换器及其控制方法、以及供电系统 - Google Patents

三电平变换器及其控制方法、以及供电系统 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种三电平变换器及其控制方法、以及供电系统，三电平变换器包括高压侧单元、低压侧单元、飞跨电容、第一开关至第四开关及控制单元。在飞跨电容的电压不在目标电压范围(安全电压范围)时，控制单元可控制第三开关和第四开关常断，并基于飞跨电容的电压和低压侧单元的电压控制第一开关和第二开关中各开关导通或关断，以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。或者，控制单元可控制第一开关和第二开关常断，并基于飞跨电容的电压和低压侧单元的电压控制第三开关和第四开关中各开关导通或关断，以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。基于本申请，通过不同的开关动作将飞跨电容的电压控制在目标电压范围内，系统结构简单，成本低，适用性强。

Description

三电平变换器及其控制方法、以及供电系统
技术领域
本申请涉及电子电力技术领域，尤其涉及一种三电平变换器及其控制方法、以及供电系统。
背景技术
目前，由于飞跨电容三电平斩波电路具有提高开关频率并降低斩波电感体积与成本的优势，因此可广泛应用于高输入电压和中大功率的应用场景。一般来说，飞跨电容三电平斩波电路中包括电源和飞跨电容，为了更好地减小电路输出电压中的高次谐波，需要将飞跨电容的电压控制在安全电压范围内。这里的安全电压范围为大于(半中间直流电压-偏差值)且小于(半中间直流电压+偏差值)的电压范围，其中半中间直流电压为电源电压的一半。在现有技术中，可在飞跨电容三电平斩波电路中增加充电回路或者放电回路，并通过该充电回路对飞跨电容充电或者通过放电回路对飞跨电容放电，从而使飞跨电容的电压处于安全电压范围内，然而需要外加充电回路或者放电回路，成本过高，且系统结构复杂。
发明内容
本申请提供了一种三电平变换器及其控制方法、以及供电系统，可通过不同的开关动作将飞跨电容的电压控制在目标电压范围内，系统结构简单，成本低，适用性强。
第一方面，本申请提供一种三电平变换器，该三电平变换器中包括高压侧单元、低压侧单元、飞跨电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关以及控制单元。这里的高压侧单元的电压大于低压侧单元的电压，其中高压侧单元可包括但不限于电容，低压侧单元可包括但不限于电容、电感以及电池，例如，低压侧单元可包括串联的电感和电容，或者低压侧单元包括电容、电感以及电池，其中电感和电容串联、且电容与电池并联。其中，上述第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关可串联后与高压侧单元并联，第一开关和第二开关的串联连接点可通过飞跨电容连接第三开关和第四开关的串联连接点，第三开关和第四开关可串联后与低压侧单元并联。这里的第一开关和第四开关可以理解为外管开关，第二开关和第三开关可以理解为内管开关。在飞跨电容的电压不在目标电压范围(即安全电压范围)内、且三电平变换器处于降压工作模式的情况下，上述控制单元可用于控制第三开关和第四开关常断(这时的三电平变换器可以简化为三电平降压变换器)，并基于飞跨电容的电压和低压侧单元的电压控制第一开关和第二开关中各开关导通或者关断，从而可控制高压侧单元对飞跨电容充电或者控制飞跨电容向低压侧单元放电，进而可实现飞跨电容的电压处于目标电压范围。或者，在飞跨电容的电压不在目标电压范围内、且三电平变换器处于升压工作模式的情况下，上述控制单元可用于控制第一开关和第二开关常断(这时的三电平变换器可以简化为三电平升压变换器)，并基于飞跨电容的电压和低压侧单元的电压控制第三开关和第四开关中各开关导通或者关断，从而控制低压侧单元对飞跨电容充电或者控制飞跨电容向高压侧单元放电，进而可实现飞跨电容的电压处于目标电压范围。这里的目标电压范围可以为大于半中间直流电压与预设偏差值之间的差值、且小于半中间直流电压与预设偏差值之和的电压范围，该半中间直流电压为高压侧单元的电压的一半，预设偏差值可以为用户设置的偏差值、或者三电平变换器针对飞跨电容所配置的偏差值，具体可根据实际应用场景确定，在此不作限制。
在本申请中，可在三电平变换器处于不同工作模式时控制不同的外管开关和内管开关动作来实现对飞跨电容充电或者放电，从而将飞跨电容的电压控制在目标电压范围内，无需外加充电回路或者放电回路，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
结合第一方面，在第一种可能的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容欠压时，需要控制高压侧单元对飞跨电容充电。具体地，上述控制单元可用于在飞跨电容的电压小于目标电压范围的电压下限值(即飞跨电容欠压)、且飞跨电容的电压小于低压侧单元的电压时控制第一开关常通，控制第二开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而可控制高压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第二开关的开关周期内早于第二时间段的时间段，这里目标电压范围的电压下限值可以为上述半中间直流电压与预设偏差值之间的差值。在本申请提供的三电平变换器中，可在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容欠压时控制第一开关到第二开关驱动单向增大，从而控制高压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加充电回路对飞跨电容充电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
结合第一方面，在第二种可能的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容欠压时，需要控制高压侧单元对飞跨电容充电。具体地，上述控制单元可用于在飞跨电容的电压小于目标电压范围的电压下限值、且飞跨电容的电压大于低压侧单元的电压时控制第二开关常断，控制第一开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而可控制高压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第一开关的开关周期内早于第二时间段的时间段。在本申请提供的三电平变换器中，可在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容欠压时控制第一开关到第二开关驱动单向增大，从而控制高压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加充电回路对飞跨电容充电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
结合第一方面，在第三种可能的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容过压时，需要控制飞跨电容向低压侧单元放电。具体地，上述控制单元可用于在飞跨电容的电压大于目标电压范围的电压上限值(即飞跨电容过压)、且飞跨电容的电压小于低压侧单元的电压时控制第二开关常通，控制第一开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而可控制飞跨电容向低压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第一开关的开关周期内早于第二时间段的时间段，这里目标电压范围的电压上限值为上述半中间直流电压与预设偏差值之和。在本申请提供的三电平变换器中，可在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容过压时控制第二开关到第一开关驱动单向增大，从而控制飞跨电容向低压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加放电回路控制飞跨电容放电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
结合第一方面，在第四种可能的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容过压时，需要控制飞跨电容向低压侧单元放电。具体地，上述控制单元可用于在飞跨电容的电压大于目标电压范围的电压上限值、且飞跨电容的电压大于低压侧单元的电压时控制第一开关常断，控制第二开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而可控制飞跨电容向低压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第二开关的开关周期内早于第二时间段的时间段。在本申请提供的三电平变换器中，可在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容过压时控制第二开关到第一开关驱动单向增大，从而控制飞跨电容向低压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加放电回路控制飞跨电容放电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
结合第一方面，在第五种可能的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容欠压时，需要控制低压侧单元对飞跨电容充电。具体地，上述控制单元可用于在飞跨电容的电压小于目标电压范围的电压下限值、且飞跨电容的电压小于低压侧单元的电压时控制第三开关常断，并控制第四开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而可控制低压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第四开关的开关周期内早于第二时间段的时间段。在本申请提供的三电平变换器中，可在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容欠压时控制第四开关到第三开关驱动单向增大，从而控制低压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加充电回路对飞跨电容充电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
结合第一方面，在第六种可能的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容欠压时，需要控制低压侧单元对飞跨电容充电。具体地，上述控制单元可用于在飞跨电容的电压小于目标电压范围的电压下限值、且飞跨电容的电压大于低压侧单元的电压时控制第四开关常通，控制第三开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而在第一时间段内控制高压侧单元对低压侧单元中的电感充电/储能、并在第二时间段内控制储能后的电感对飞跨电容充电，进而可实现低压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第三开关的开关周期内早于第二时间段的时间段。在本申请提供的三电平变换器中，可在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容欠压时控制第四开关到第三开关驱动单向增大，从而控制低压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加充电回路对飞跨电容充电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
结合第一方面，在第七种可能的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容过压时，需要控制飞跨电容向高压侧单元放电。具体地，上述控制单元可用于在飞跨电容的电压大于目标电压范围的电压上限值、且飞跨电容的电压小于低压侧单元的电压时控制第四开关常断，控制第三开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而可控制飞跨电容向高压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第三开关的开关周期内早于第二时间段的时间段。在本申请提供的三电平变换器中，可在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容过压时控制第三开关到第四开关驱动单向增大，从而控制飞跨电容向高压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加放电回路控制飞跨电容放电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
结合第一方面，在第八种可能的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容过压时，需要控制飞跨电容向高压侧单元放电。具体地，上述控制单元可用于在飞跨电容的电压大于目标电压范围的电压上限值、且飞跨电容的电压大于低压侧单元的电压时控制第三开关常通，控制第四开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而在第一时间段内控制高压侧单元对低压侧单元中的电感充电/储能、并在第二时间段内控制储能后的电感通过飞跨电容向低压侧单元放电，进而可实现飞跨电容向高压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第四开关的开关周期内早于第二时间段的时间段。在本申请提供的三电平变换器中，可在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容过压时控制第三开关到第四开关驱动单向增大，从而控制飞跨电容向高压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加放电回路控制飞跨电容放电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
第二方面，本申请提供一种三电平变换器的控制方法，该方法可适用于三电平变换器中的控制单元，该三电平变换器还可包括高压侧单元、低压侧单元、飞跨电容、第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关，其中第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关可串联后与高压侧单元并联，第一开关和第二开关的串联连接点可通过飞跨电容连接第三开关和第四开关的串联连接点，第三开关和第四开关可串联后与低压侧单元并联。这里的第一开关和第四开关可以理解为外管开关，第二开关和第三开关可以理解为内管开关。在该方法中，在飞跨电容的电压不在目标电压范围(即安全电压范围)内、且三电平变换器处于降压工作模式的情况下，上述控制单元可控制第三开关和第四开关常断，并基于飞跨电容的电压和低压侧单元的电压控制第一开关和第二开关中各开关导通或者关断，从而可控制高压侧单元对飞跨电容充电或者控制飞跨电容向低压侧单元放电，以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。或者，在飞跨电容的电压不在目标电压范围内、且三电平变换器处于升压工作模式的情况下，上述控制单元可控制第一开关和第二开关常断，并基于飞跨电容的电压和低压侧单元的电压控制第三开关和第四开关中各开关导通或者关断，从而控制低压侧单元对飞跨电容充电或者控制飞跨电容向高压侧单元放电，以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。在本申请中，可在三电平变换器处于不同工作模式时控制不同的外管开关和内管开关动作来实现对飞跨电容充电或者放电，从而将飞跨电容的电压控制在目标电压范围内，无需外加充电回路或者放电回路，从而节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
结合第二方面，在第一种可能的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容欠压时，需要控制高压侧单元对飞跨电容充电。具体地，上述控制单元可在飞跨电容的电压小于目标电压范围的电压下限值(即飞跨电容欠压)、且飞跨电容的电压小于低压侧单元的电压时控制第一开关常通，控制第二开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而可控制高压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，上述第一时间段可以理解为第二开关的开关周期内早于第二时间段的时间段。在本申请提供的控制方法中，可在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容欠压时控制第一开关到第二开关驱动单向增大，从而控制高压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加充电回路对飞跨电容充电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
结合第二方面，在第二种可能的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容欠压时，需要控制高压侧单元对飞跨电容充电。具体地，上述控制单元可在飞跨电容的电压小于目标电压范围的电压下限值、且飞跨电容的电压大于低压侧单元的电压时控制第二开关常断，控制第一开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而可控制高压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第一开关的开关周期内早于第二时间段的时间段。在本申请提供的控制方法中，可在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容欠压时控制第一开关到第二开关驱动单向增大，从而控制高压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加充电回路对飞跨电容充电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
结合第二方面，在第三种可能的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容过压时，需要控制飞跨电容向低压侧单元放电。具体地，上述控制单元可在飞跨电容的电压大于目标电压范围的电压上限值(即飞跨电容过压)、且飞跨电容的电压小于低压侧单元的电压时控制第二开关常通，控制第一开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而可控制飞跨电容向低压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第一开关的开关周期内早于第二时间段的时间段。在本申请提供的控制方法中，可在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容过压时控制第二开关到第一开关驱动单向增大，从而控制飞跨电容向低压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加放电回路控制飞跨电容放电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
结合第二方面，在第四种可能的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容过压时，需要控制飞跨电容向低压侧单元放电。具体地，上述控制单元可在飞跨电容的电压大于目标电压范围的电压上限值、且飞跨电容的电压大于低压侧单元的电压时控制第一开关常断，控制第二开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而可控制飞跨电容向低压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第二开关的开关周期内早于第二时间段的时间段。在本申请提供的控制方法中，可在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容过压时控制第二开关到第一开关驱动单向增大，从而控制飞跨电容向低压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加放电回路控制飞跨电容放电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
结合第二方面，在第五种可能的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容欠压时，需要控制低压侧单元对飞跨电容充电。具体地，上述控制单元可在飞跨电容的电压小于目标电压范围的电压下限值、且飞跨电容的电压小于低压侧单元的电压时控制第三开关常断，并控制第四开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而可控制低压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第四开关的开关周期内早于第二时间段的时间段。在本申请提供的控制方法中，可在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容欠压时控制第四开关到第三开关驱动单向增大，从而控制低压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加充电回路对飞跨电容充电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
结合第二方面，在第六种可能的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容欠压时，需要控制低压侧单元对飞跨电容充电。具体地，上述控制单元可在飞跨电容的电压小于目标电压范围的电压下限值、且飞跨电容的电压大于低压侧单元的电压时控制第四开关常通，控制第三开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而可控制低压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第三开关的开关周期内早于第二时间段的时间段。在本申请提供的控制方法中，可在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容欠压时控制第四开关到第三开关驱动单向增大，从而控制低压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加充电回路对飞跨电容充电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
结合第二方面，在第七种可能的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容过压时，需要控制飞跨电容向高压侧单元放电。具体地，上述控制单元可在飞跨电容的电压大于目标电压范围的电压上限值、且飞跨电容的电压小于低压侧单元的电压时控制第四开关常断，控制第三开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而可控制飞跨电容向高压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第三开关的开关周期内早于第二时间段的时间段。在本申请提供的控制方法中，可在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容过压时控制第三开关到第四开关驱动单向增大，从而控制飞跨电容向高压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加放电回路控制飞跨电容放电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
结合第二方面，在第八种可能的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容过压时，需要控制飞跨电容向高压侧单元放电。具体地，上述控制单元可在飞跨电容的电压大于目标电压范围的电压上限值、且飞跨电容的电压大于低压侧单元的电压时控制第三开关常通，控制第四开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而可控制飞跨电容向高压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第四开关的开关周期内早于第二时间段的时间段。在本申请提供的控制方法中，可在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容过压时控制第三开关到第四开关驱动单向增大，从而控制飞跨电容向高压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加放电回路控制飞跨电容放电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
第三方面，本申请提供一种供电系统，该供电系统中包括电池模块以及与电池模块连接的如上述第一方面至第一方面第八种可能的实施方式中任一种提供的三电平变换器。在三电平变换器中的飞跨电容的电压处于目标电压范围内时，可以使三电平变换器输出三电平并减小其输出电压中的高次谐波，并且可以避免三电平变换器中开关器件所承受的电压过大而无法正常工作(即三电平变换器可正常工作)，从而提高了系统供电效率。
结合第三方面，在第一种可能的实施方式中，上述供电系统还包括供电模块以及与供电模块连接的功率变换模块，这里的供电模块可包括但不限于光伏阵列和发电机。
结合第三方面第一种可能的实施方式，在第二种可能的实施方式中，在光储混合供电场景下，上述供电模块为光伏阵列，上述功率变换模块为直流DC/DC变换模块。
结合第三方面第一种可能的实施方式，在第三种可能的实施方式中，在风储混合供电场景下，上述供电模块为发电机，上述功率变换模块为交流AC/DC变换模块。
结合第三方面第一种可能的实施方式至第三方面第三种可能的实施方式中任一种，在第四种可能的实施方式中，在并离网供电场景下，上述供电系统还包括直流母线和DC/AC变换模块，三电平变换器和功率变换模块分别通过直流母线连接DC/AC变换模块的输入端，DC/AC变换模块的输出端连接交流负载或者交流电网。
在本申请中，可在三电平变换器处于不同工作模式时控制不同的外管开关和内管开关动作来实现对飞跨电容进行充电或者放电，从而将飞跨电容的电压控制在目标电压范围内，无需外加充电回路或者放电回路，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
附图说明
图1是本申请提供的三电平变换器的应用场景示意图；
图2是本申请提供的三电平变换器的一结构示意图；
图3是本申请提供的三电平变换器的另一结构示意图；
图4是本申请提供的三电平变换器的一开关驱动波形示意图；
图5是本申请提供的三电平变换器的一电流流向示意图；
图6是本申请提供的三电平变换器的另一开关驱动波形示意图；
图7是本申请提供的三电平变换器的另一电流流向示意图；
图8是本申请提供的三电平变换器的另一开关驱动波形示意图；
图9是本申请提供的三电平变换器的另一电流流向示意图；
图10是本申请提供的三电平变换器的又一开关驱动波形示意图；
图11是本申请提供的三电平变换器的又一电流流向示意图；
图12是本申请提供的供电系统的一结构示意图；
图13是本申请提供的供电系统的另一结构示意图；
图14是本申请提供的供电系统的又一结构示意图；
图15是本申请提供的三电平变换器的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
本申请提供的三电平变换器可适用于新能源智能微网领域、输配电领域或者新能源领域(如光伏并网领域或者风力并网领域)、光储发电领域(如对家用设备(如冰箱、空调)或者电网供电)，或者风储发电领域，或者大功率变换器领域(如将直流电转换为大功率的高压交流电)等多种应用领域，具体可根据实际应用场景确定，在此不做限制。本申请提供的供电系统可适配于不同的应用场景，比如，光储供电应用场景、风储供电应用场景、纯储能供电应用场景或者其它应用场景，下面将以储能供电应用场景为例进行说明，以下不再赘述。
请一并参见图1，图1是本申请提供的三电平变换器的应用场景示意图。在纯储能供电应用场景下，如图1所示，供电系统中包括电池包、三电平变换器以及DC/AC变换器，其中，电池包可通过三电平变换器连接DC/AC变换器。在供电系统对负载供电的过程中，三电平变换器可基于电池包提供的直流电压向DC/AC变换器输出目标直流电压。这时，DC/AC变换器可将目标直流电压转换为交流电压，并基于该交流电压对电网和家用设备供电。在图1所示的应用场景中，上述三电平变换器中包括飞跨电容，在该飞跨电容的电压不在安全电压范围内的情况下，会导致三电平变换器中开关器件所承受的电压过大而无法正常工作，进而导致供电系统无法对负载正常供电，因此将飞跨电容的电压控制在安全电压范围内尤为重要。这时，上述三电平变换器的控制单元可控制三电平变换器中的开关器件动作以使飞跨电容的电压处于安全电压范围内，从而保证供电系统正常供电，系统结构更加简单且成本更低，进一步提高了系统供电的效率和安全性，适用性更强。
下面将结合图2至图14对本申请提供的三电平变换器、供电系统及其工作原理进行示例说明。
参见图2，图2是本申请提供的三电平变换器的一结构示意图。如图2所示，三电平变换器1中包括高压侧单元10、低压侧单元11、飞跨电容C0、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4以及控制单元12。该高压侧单元10可包括但不限于电容、电感以及开关。这里的高压侧单元10的电压大于低压侧单元11的电压，其中高压侧单元10可包括但不限于电容，低压侧单元11可包括但不限于电容、电感以及电池，例如，低压侧单元11可包括串联的电感和电容，或者低压侧单元11包括电容、电感以及电池，其中电感和电容串联、且电容与电池并联，具体可根据实际应用场景确定，在此不作限制。其中，第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3以及第四开关S4可串联后与高压侧单元10并联，第一开关S1和第二开关S2的串联连接点可通过飞跨电容C0连接第三开关S3和第四开关S4的串联连接点，且第三开关S3和第四开关S4串联后与低压侧单元11并联。上述控制单元12可连接第一开关S1至第四开关S4，可选的，该控制单元12也可与第一开关S1至第四开关S4无线连接，具体可根据实际应用场景确定，在此不作限制。其中，上述第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3或者第四开关S4可以是采用硅半导体材料(silicon，Si)，或者第三代宽禁带半导体材料的碳化硅(silicon carbide，SiC)，或者氮化镓(gallium nitride，GaN)，或者金刚石(diamond)，或者氧化锌(zinc oxide，ZnO)，或者其它材料制成的MOSFET、IGBT、可控功率开关器件或者二极管。
在一些可行的实施方式中，在飞跨电容C0的电压不在目标电压范围(即安全电压范围)内、且三电平变换器1处于降压(buck)工作模式的情况下，上述控制单元12可控制第三开关S3和第四开关S4常断(这时的三电平变换器1可以简化为三电平降压变换器)，并基于电压检测电路(或者电压检测器)实时检测飞跨电容C0的电压和低压侧单元11的电压。进一步地，上述控制单元12可基于飞跨电容C0的电压和低压侧单元11的电压控制第一开关S1和第二开关S2中各开关导通或者关断，从而可控制高压侧单元10对飞跨电容C0充电或者控制飞跨电容C0向低压侧单元11放电，直至飞跨电容C0的电压处于目标电压范围(即上述安全电压范围)。其中，该目标电压范围可以为大于半中间直流电压与预设偏差值之间的差值、且小于半中间直流电压与预设偏差值之和的电压范围，其中半中间直流电压可以为高压侧单元10的电压的一半。这里的预设偏差值可以为用户设置的偏差值、或者三电平变换器针对飞跨电容所配置的偏差值，具体可根据实际应用场景确定，在此不作限制。可选的，在飞跨电容C0的电压不在目标电压范围内、且三电平变换器1处于升压(boost)工作模式的情况下，上述控制单元12可控制第一开关S1和第二开关S2常断(这时的三电平变换器1可以简化为三电平升压变换器)，并基于电压检测电路(或者电压检测器)实时检测飞跨电容C0的电压和低压侧单元11的电压。进一步地，上述控制单元12可基于飞跨电容C0的电压和低压侧单元11的电压控制第三开关S3和第四开关S4中各开关导通或者关断，从而可控制低压侧单元11对飞跨电容C0充电或者控制飞跨电容C0向高压侧单元10放电，直至飞跨电容C0的电压处于目标电压范围。
可以理解，上述第一开关S1和第四开关S4可以理解为外管开关，第二开关S2和第三开关S3可以理解为内管开关。上述控制单元12可在三电平变换器1处于不同工作模式时控制不同的外管开关和内管开关动作来实现对飞跨电容C0进行充电或者放电，从而将飞跨电容C0的电压控制在目标电压范围内，无需外加充电回路或者放电回路，节约硬件成本，成本更低且系统结构简单。另外，在整个电压控制过程中只有用于控制飞跨电容C0电压的电流在高压侧单元10与低压侧单元11之间单向交互，因此上述控制单元12可在高压侧单元10和低压侧单元11的环流很小的工况(如充电工况或者放电工况)下控制飞跨电容C0的电压，适用性更强。
在一些可行的实施方式中，为方便描述，下面将以高压侧单元10包括电容、低压侧单元11包括电容和电感为例进行说明，以下不再赘述。请一并参见图3，图3是本申请提供的三电平变换器的另一结构示意图。如图3所示，上述图2所示的高压侧单元10包括电容C1，上述图2所示的低压侧单元11包括串联的电感L和电容C2，这里的电感L和电容C2可组成滤波电路。上述控制单元12可通过电流检测电路(或者电流检测器)实时检测电感L的电流，并在电感L的电流小于预设电流值时对飞跨电容C0进行电压控制，其中，预设电流值可以为用户设置的电流值或者三电平变换器1所配置的电流值。进一步地，上述控制单元12可通过电压检测电路(或者电压检测器)实时检测飞跨电容C0的电压，并在飞跨电容C0的电压处于目标电压范围内的情况下，控制第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3以及第四开关S4关断，这时三电平变换器1可以正常工作。反之，在飞跨电容C0的电压不在目标电压范围内的情况下，上述控制单元12可基于三电平变换器1的工作模式、飞跨电容C0的电压、电容C2的电压以及其它参数生成第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4中各开关的驱动信号(如脉宽调制信号)。进一步地，上述控制单元12可基于各开关的驱动信号控制各开关的导通或者关断，从而实现控制电容C1对飞跨电容C0充电，或者控制飞跨电容C0向电容C2放电，或者控制电容C2对飞跨电容C0充电，或者控制飞跨电容C0向电容C1放电，直至将飞跨电容C0的电压控制在目标电压范围内，从而可实现从低压侧单元11(如电容C2)或者高压侧单元10(如电容C1)取电换流对飞跨电容C0进行电压控制，无需外加充电回路或者放电回路，节约硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
在一些可行的实施方式中，在三电平变换器1的工作模式为降压工作模式且飞跨电容C0欠压时，需要控制电容C1对飞跨电容C0充电(即充电工况)。具体地，上述控制单元12可控制第三开关S3和第四开关S4常断，并在飞跨电容C0的电压小于目标电压范围的电压下限值(即飞跨电容C0欠压，电容C1的电压小于飞跨电容C0的电压与电容C2的电压之和)、且飞跨电容C0的电压小于电容C2的电压时，控制第一开关S1常通、控制第二开关S2在第一时间段内导通并在第二时间段内关断(即第一开关S1到第二开关S2驱动单向增大)，从而可控制电容C1对飞跨电容C0充电直至飞跨电容C0的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第二开关S2的开关周期内早于第二时间段的时间段，且第二开关S2的占空比(duty)可小于或者等于0.5，这里目标电压范围的电压下限值为上述半中间直流电压与预设偏差值之间的差值。
可以理解，上述控制单元12可在三电平变换器1的工作模式为降压工作模式且飞跨电容C0欠压时控制第三开关S3和第四开关S4常断、并控制第一开关S1到第二开关S2驱动单向增大，从而控制电容C1对飞跨电容C0充电直至飞跨电容C0的电压处于目标电压范围内，无需外加充电回路对飞跨电容C0充电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
可选的，在一些可行的实施方式中，在三电平变换器1的工作模式为降压工作模式且飞跨电容C0欠压时，需要控制电容C1对飞跨电容C0充电(即充电工况)。上述控制单元12还可以控制第三开关S3和第四开关S4常断，并在飞跨电容C0的电压小于目标电压范围的电压下限值、且飞跨电容C0的电压大于电容C2的电压时，控制第二开关S2常断、控制第一开关S1在第一时间段内导通并在第二时间段内关断(即第一开关S1到第二开关S2驱动单向增大)，从而实现控制电容C1对飞跨电容C0充电直至飞跨电容C0的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第一开关S1的开关周期内早于第二时间段的时间段，且第一开关S1的占空比可小于或者等于0.5。可以理解，上述控制单元12可在三电平变换器1的工作模式为降压工作模式且飞跨电容C0欠压时控制第三开关S3和第四开关S4常断、并控制第一开关S1到第二开关S2驱动单向增大，从而实现电容C1对飞跨电容C0充电直至飞跨电容C0的电压处于目标电压范围，无需外加充电回路对飞跨电容C0充电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
在一些可行的实施方式中，在三电平变换器1的工作模式为降压工作模式且飞跨电容C0过压时，需要控制飞跨电容C0向电容C2放电(即放电工况)。具体地，上述控制单元12可控制第三开关S3和第四开关S4常断，并在飞跨电容C0的电压大于目标电压范围的电压上限值(即飞跨电容C0过压，电容C1的电压大于飞跨电容C0的电压与电容C2的电压之和)、且飞跨电容C0的电压小于电容C2的电压时，控制第二开关S2常通、控制第一开关S1在第一时间段内导通并在第二时间段内关断(即第二开关S2到第一开关S1驱动单向增大)，从而实现控制飞跨电容C0向电容C2放电直至飞跨电容C0的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第一开关S1的开关周期内早于第二时间段的时间段，且第一开关S1的占空比可小于或者等于0.5，这里目标电压范围的电压上限值为上述半中间直流电压与预设偏差值之和。
可以理解，上述控制单元12可在三电平变换器1的工作模式为降压工作模式且飞跨电容C0过压时控制第三开关S3和第四开关S4常断、并控制第二开关S2到第一开关S1驱动单向增大，从而可实现飞跨电容C0向电容C2放电直至飞跨电容C0的电压处于目标电压范围，无需外加放电回路控制飞跨电容C0放电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
可选的，在一些可行的实施方式中，在三电平变换器1的工作模式为降压工作模式且飞跨电容C0过压时，需要控制飞跨电容C0向电容C2放电(即放电工况)。具体地，上述控制单元12可控制第三开关S3和第四开关S4常断，并在飞跨电容C0的电压大于目标电压范围的电压上限值、且飞跨电容C0的电压大于电容C2的电压时控制第一开关S1常断，控制第二开关S2在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而实现控制飞跨电容C0向电容C2放电直至飞跨电容C0的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第二开关S2的开关周期内早于第二时间段的时间段，且第二开关S2的占空比可小于或者等于0.5。
可以理解，上述控制单元12可在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容C0过压时控制第三开关S3和第四开关S4常断、并控制第二开关S2到第一开关S1驱动单向增大，从而可实现飞跨电容C0向电容C2放电直至飞跨电容C0的电压处于目标电压范围内，无需外加放电回路控制飞跨电容C0放电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。由此可见，在三电平变换器1工作在降压工作模式的情况下，第三开关S3和第四开关S4处于常断状态，此时三电平变换器1的电路拓扑可以简化为三电平降压变换器(即单向变换器)，因此，上述控制单元12控制飞跨电容C0充电或者放电的具体实现方式同样适用于三电平降压变换器，在此不再赘述。
在一些可行的实施方式中，在三电平变换器1的工作模式为升压工作模式且飞跨电容C0欠压时，需要控制电容C2对飞跨电容C0充电(即充电工况)，这时第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3以及第四开关S4中各开关的驱动信号的波形请一并参见图4，图4是本申请提供的三电平变换器的一开关驱动波形示意图。如图4所示，为方便描述，下面将以一个开关周期(如t0～t4)为例进行说明，上述控制单元12可控制第一开关S1和第二开关S2常断，在飞跨电容C0的电压小于目标电压范围的电压下限值、且飞跨电容C0的电压小于电容C2的电压时，控制第三开关S3常断、控制第四开关S4在第一时间段(如t0～t1)内导通并在第二时间段(如t1～t4)内关断(即第四开关S4到第三开关S3驱动单向增大)，从而实现控制电容C2对飞跨电容C0充电直至飞跨电容C0的电压处于目标电压范围。
在一些可行的实施方式中，在飞跨电容C0的整个充电过程中，三电平变换器1的电流流向请一并参见图5，图5是本申请提供的三电平变换器的一电流流向示意图。如图5所示，上述控制单元12可控制第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3常断，并控制第四开关S4在t0～t1时间段内导通并在t1～t4时间段内关断，这时电容C2、电感L、第二开关S2中的二极管、飞跨电容C0以及第四开关S4可构成一个充电回路，该充电回路可用于实现电容C2对飞跨电容C0充电。可以理解，上述控制单元12可在三电平变换器1的工作模式为升压工作模式且飞跨电容C0欠压时控制第一开关S1和第二开关S2常断、并控制第四开关S4到第三开关S3驱动单向增大，从而可实现电容C2对飞跨电容C0充电直至飞跨电容C0的电压处于目标电压范围内，无需外加充电回路对飞跨电容C0充电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
可选的，在一些可行的实施方式中，在三电平变换器1的工作模式为升压工作模式且飞跨电容C0欠压时，需要控制电容C2对飞跨电容C0充电(即充电工况)，这时第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3以及第四开关S4中各开关的驱动信号的波形请一并参见图6，图6是本申请提供的三电平变换器的另一开关驱动波形示意图。如图6所示，上述控制单元12可控制第一开关S1和第二开关S2常断，并在飞跨电容C0的电压小于目标电压范围的电压下限值、且飞跨电容C0的电压大于电容C2的电压时控制第四开关S4常通，控制第三开关S3在第一时间段(如t0～t1)内导通并在第二时间段(如t1～t4)内关断(即第四开关S4到第三开关S3驱动单向增大)，从而在t0～t1时间段内控制电容C1对电感L充电/储能，并在t1～t4时间段内控制储能后的电感L对飞跨电容C0充电，进而可实现电容C2对飞跨电容C0充电直至飞跨电容C0的电压处于目标电压范围。需要说明的是，由于储能后的电感L内所储存的电能有限，因此会出现在时间点t4之前电感L的电能减小为0而无法继续对飞跨电容C0充电的情况，例如，储能后的电感L可在t1～t2时间段内对飞跨电容C0充电，并在t2～t4时间段内停止对飞跨电容C0充电(即储能后的电感L在时间点t2时的电能为0)，这时控制单元12可在时间点t4之后的开关周期内控制电容C2对飞跨电容C0充电，直至飞跨电容C0的电压处于目标电压范围内，具体可参见上述开关周期t0～t4内电容C2对飞跨电容C0充电的具体实现方式，在此不再赘述。
在一些可行的实施方式中，在上述飞跨电容C0的整个充电过程中，三电平变换器1的电流流向请一并参见图7，图7是本申请提供的三电平变换器的另一电流流向示意图。在t0～t1时间段内，如图7中的7a所示，上述控制单元12可控制第一开关S1和第二开关S2常断，控制第三开关S3在t0～t1时间段内导通、并控制第四开关S4常通，这时电容C2、电感L、第三开关S3以及第四开关S4可构成一个充电回路，该充电回路可用于实现电容C1对电感L充电/储能。在t1～t4时间段内，如图7中的7b所示，上述控制单元12可控制第一开关S1和第二开关S2常断，并控制第三开关S3在t1～t4时间段内关断、控制第四开关S4常通，这时电容C2、电感L、第二开关S2中的二极管、飞跨电容C0以及第四开关S4可构成另一个充电回路，该充电回路可用于实现储能后的电感L对飞跨电容C0充电。可以理解，上述控制单元12可在三电平变换器1的工作模式为升压工作模式且飞跨电容C0欠压时控制第一开关S1和第二开关S2常断、并控制第四开关S4到第三开关S3驱动单向增大，从而控制电容C2对飞跨电容C0充电直至飞跨电容C0的电压处于目标电压范围内，无需外加充电回路对飞跨电容C0充电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
在一些可行的实施方式中，在三电平变换器1的工作模式为升压工作模式且飞跨电容C0过压时，需要控制飞跨电容C0向电容C1放电(即放电工况)，这时第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3以及第四开关S4中各开关的驱动信号的波形请一并参见图8，图8是本申请提供的三电平变换器的另一开关驱动波形示意图。如图8所示，上述控制单元12可控制第一开关S1和第二开关S2常断，并在飞跨电容C0的电压大于目标电压范围的电压上限值、且飞跨电容C0的电压小于电容C2的电压时控制第四开关S4常断，控制第三开关S3在第一时间段(如t0～t1)内导通并在第二时间段(如t1～t4)内关断(即第三开关S3到第四开关S4驱动单向增大)，从而实现控制飞跨电容C0向电容C1放电直至飞跨电容C0的电压处于目标电压范围。
在一些可行的实施方式中，在飞跨电容C0的整个放电过程中，三电平变换器1的电流流向请一并参见图9，图9是本申请提供的三电平变换器的另一电流流向示意图。如图9所示，上述控制单元12可控制第一开关S1、第二开关S2以及第四开关S4常断，并控制第三开关S3在t0～t1时间段内导通并在t1～t4时间段内关断，这时电容C1、电容C2、电感L、第一开关S1中的二极管、飞跨电容C0以及第三开关S3可构成一个放电回路，该放电回路可用于实现电容C2通过飞跨电容C0向电容C1放电。可以理解，上述控制单元12可在三电平变换器1的工作模式为升压工作模式且飞跨电容C0过压时控制第一开关S1和第二开关S2常断、并控制第三开关S3到第四开关S4驱动单向增大，从而控制飞跨电容C0向电容C1放电以使飞跨电容C0的电压处于目标电压范围内，无需外加放电回路控制飞跨电容C0放电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
可选的，在一些可行的实施方式中，在三电平变换器1的工作模式为升压工作模式且飞跨电容C0过压时，需要控制飞跨电容C0向电容C1放电(即放电工况)，这时第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3以及第四开关S4中各开关的驱动信号的波形请一并参见图10，图10是本申请提供的三电平变换器的又一开关驱动波形示意图。如图10所示，上述控制单元12可控制第一开关S1和第二开关S2常断，并在飞跨电容C0的电压大于目标电压范围的电压上限值、且飞跨电容C0的电压大于电容C2的电压时控制第三开关S3常通，控制第四开关S4在第一时间段(如t0～t1)内导通并在第二时间段(如t1～t4)内关断(即第三开关S3到第四开关S4驱动单向增大)，从而在t0～t1时间段内控制电容对电感充电/储能，并在t1～t4时间段内控制储能后的电感通过飞跨电容向电容放电，从而实现控制飞跨电容C0向电容C1放电直至飞跨电容C0的电压处于目标电压范围。需要说明的是，由于储能后的电感L内所储存的电能有限，因此会出现在时间点t4之前电感L的电能减小为0而无法继续通过飞跨电容C0向电容C1放电的情况，例如，储能后的电感L可在t1～t2时间段内通过飞跨电容C0向电容C1放电，并在t2～t4时间段内停止通过飞跨电容C0向电容C1放电(即储能后的电感L在时间点t2时的电能为0)，这时控制单元12可在时间点t4之后的开关周期内控制飞跨电容C0向电容C1放电，直至飞跨电容C0的电压处于目标电压范围内，具体可参见上述开关周期t0～t4内飞跨电容C0向电容C1放电的具体实现方式，在此不再赘述。
在一些可行的实施方式中，在上述飞跨电容C0的整个放电过程中，三电平变换器1的电流流向请一并参见图11，图11是本申请提供的三电平变换器的又一电流流向示意图。在t0～t1时间段内，如图11中的11a所示，上述控制单元12可控制第一开关S1和第二开关S2常断，控制第三开关S3常通、并控制第四开关S4在t0～t1时间段内导通，这时电容C2、电感L、第三开关S3以及第四开关S4可构成一个充电回路，该充电回路可用于实现电容C1对电感L充电/储能。在t1～t4时间段内，如图11中的11b所示，上述控制单元12可控制第一开关S1和第二开关S2常断，控制第三开关S3常通、并控制第四开关S4在t1～t4时间段内关断，这时电容C1、电容C2、电感L、第一开关S1中的二极管、飞跨电容C0以及第三开关S3可构成一个放电回路，该放电回路可用于实现储能后的电感L通过飞跨电容C0向电容C1放电。可以理解，上述控制单元12可在三电平变换器1的工作模式为升压工作模式且飞跨电容C0过压时控制第一开关S1和第二开关S2常断、并控制第三开关S3到第四开关S4驱动单向增大，从而控制飞跨电容C0向电容C1放电直至飞跨电容C0的电压处于目标电压范围内，无需外加放电回路控制飞跨电容C0放电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。由此可见，在三电平变换器1工作在升压工作模式的情况下，第一开关S1和第二开关S2处于常断状态，此时三电平变换器1的电路拓扑可以简化为三电平升压变换器(即单向变换器)，因此，上述控制单元12控制飞跨电容C0充电或者放电的具体实现方式同样适用于三电平升压变换器，在此不再赘述。
在一些可行的实施方式中，请参见图12，图12是本申请提供的供电系统的一结构示意图。在纯储能供电应用场景下，如图12所示，供电系统2中包括电池模块20和三电平变换器21(如上述图2至图11所示的三电平变换器1)的输入端，该三电平变换器21的输出端可连接直流负载或者直流电网。其中，电池模块20可由多个电池包串并联组成，一个电池包可由一个或者多个电池单元(电池单元的电压通常在2.5V到4.2V之间)串并联组成，形成最小的能量存储和管理单元。可选的，上述供电系统2还包括发电组件(图中未示出)，且该发电组件可产生电能并将该电能储存在电池模块20内，其中，该发电组件可包括但不限于太阳能发电组件、风能发电组件、氢能发电组件以及油机发电组件。在三电平变换器21中的飞跨电容的电压处于目标电压范围内的情况下，三电平变换器21可输出三电平并减小其输出电压中的高次谐波，并且可以避免三电平变换器21中开关器件所承受的电压过大而无法正常工作，此时三电平变换器21可正常工作。这时，三电平变换器21可将电池模块20提供的直流电压转换为目标直流电压，并基于该目标直流电压对直流负载或者直流电网供电，从而提高了系统的供电效率和安全性。
在一些可行的实施方式中，请参见图13，图13是本申请提供的供电系统的另一结构示意图。如图13所示，上述图12所示的供电系统2还包括供电模块22以及与供电模块22连接的功率变换模块23，这里的供电模块22可包括但不限于光伏阵列和发电机。在光储混合供电场景下，上述供电模块22为光伏阵列，上述功率变换模块23为直流(direct current，DC)/DC变换模块，该光伏阵列可由多个光伏组串串并联组成，其中一个光伏组串可包括多个光伏组件(也可以称为太阳能电池板或者光伏板)。在三电平变换器21正常工作时，该三电平变换器21可基于电池模块20提供的直流电压对直流负载或者直流电网供电，上述DC/DC变换模块可基于光伏阵列提供的直流电压对直流负载或者直流电网供电，进一步提高了系统供电效率。在风储混合供电场景下，上述供电模块22为发电机，上述功率变换模块23为交流(alternating current，AC)/DC变换模块。在三电平变换器21正常工作时，该三电平变换器21可基于电池模块20提供的直流电压对直流负载或者直流电网供电，上述AC/DC变换模块可基于发电机提供的交流电压对直流负载或者直流电网供电，进一步提高了系统供电效率。
在一些可行的实施方式中，请参见图14，图14是本申请提供的供电系统的又一结构示意图。在并离网供电场景下，如图14所示，上述图13所示的供电系统2还包括直流母线24和DC/AC变换模块25，三电平变换器21和功率变换模块23可分别通过直流母线24连接DC/AC变换模块25的输入端，且DC/AC变换模块25的输出端可连接交流负载或者交流电网。在三电平变换器21正常工作时，上述三电平变换器21可基于电池模块20提供的直流电压向DC/AC变换模块25输入直流电压，功率变换模块23可基于供电模块22提供的直流电压或者交流电压向DC/AC变换模块25输入直流电压。这时，DC/AC变换模块25可将三电平变换器21输入的直流电压和功率变换模块23输入的直流电压转换为交流电压，并基于该交流电压对交流负载或者交流电网供电，系统供电效率更高，适用性更强。
参见图15，图15是本申请提供的三电平变换器的控制方法的流程示意图。该方法适用于三电平变换器(如上述图2至图11所提供的三电平变换器1)中的控制单元，该三电平变换器还可包括高压侧单元、低压侧单元、飞跨电容、第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关，其中第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关可串联后与高压侧单元并联，第一开关和第二开关的串联连接点可通过飞跨电容连接第三开关和第四开关的串联连接点，第三开关和第四开关可串联后与低压侧单元并联。如图15所示，该方法包括以下步骤S101至步骤S103：
步骤S101,检测飞跨电容的电压和低压侧单元的电压。
在一些可行的实施方式中，上述控制单元可基于电压检测电路(或者电压检测器)检测飞跨电容的电压和低压侧单元的电压。
步骤S102,控制第三开关和第四开关常断，并基于飞跨电容的电压和低压侧单元的电压控制第一开关和第二开关中各开关导通或者关断，以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。
在一些可行的实施方式中，在飞跨电容的电压不在目标电压范围(即安全电压范围)内、且三电平变换器处于降压工作模式的情况下，上述控制单元可控制第三开关和第四开关常断，并基于飞跨电容的电压和低压侧单元的电压控制第一开关和第二开关中各开关导通或者关断，从而可控制高压侧单元对飞跨电容充电或者控制飞跨电容向低压侧单元放电，进而可实现飞跨电容的电压处于目标电压范围(即安全电压范围)。可以理解，上述控制单元可在三电平变换器处于降压工作模式时控制第一开关和第二开关动作来实现对飞跨电容充电或者放电，从而将飞跨电容的电压控制在目标电压范围内，无需外加充电回路或者放电回路，从而节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
在一些可行的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容欠压时，需要控制高压侧单元对飞跨电容充电。具体地，上述控制单元可在飞跨电容的电压小于目标电压范围的电压下限值(即飞跨电容欠压)、且飞跨电容的电压小于低压侧单元的电压时，控制第一开关常通、控制第二开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断(即第一开关到第二开关驱动单向增大)，从而可控制高压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，上述第一时间段可以理解为第二开关的开关周期内早于第二时间段的时间段。可以理解，上述控制单元可在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容欠压时控制第一开关到第二开关驱动单向增大，从而控制高压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加充电回路对飞跨电容充电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
在一些可行的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容欠压时，需要控制高压侧单元对飞跨电容充电。具体地，上述控制单元可在飞跨电容的电压小于目标电压范围的电压下限值、且飞跨电容的电压大于低压侧单元的电压时，控制第二开关常断、控制第一开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断(即第一开关到第二开关驱动单向增大)，从而可控制高压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第一开关的开关周期内早于第二时间段的时间段。可以理解，上述控制单元可在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容欠压时控制第一开关到第二开关驱动单向增大，从而可控制高压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加充电回路对飞跨电容充电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
在一些可行的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容过压时，需要控制飞跨电容向低压侧单元放电。具体地，上述控制单元可在飞跨电容的电压大于目标电压范围的电压上限值(即飞跨电容过压)、且飞跨电容的电压小于低压侧单元的电压时控制第二开关常通，控制第一开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而可控制飞跨电容向低压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第一开关的开关周期内早于第二时间段的时间段。可以理解，上述控制单元可在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容过压时控制第二开关到第一开关驱动单向增大，从而控制飞跨电容向低压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加放电回路控制飞跨电容放电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
在一些可行的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容过压时，需要控制飞跨电容向低压侧单元放电。具体地，上述控制单元可在飞跨电容的电压大于目标电压范围的电压上限值、且飞跨电容的电压大于低压侧单元的电压时控制第一开关常断，控制第二开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而可控制飞跨电容向低压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第二开关的开关周期内早于第二时间段的时间段。可以理解，上述控制单元可在三电平变换器的工作模式为降压工作模式且飞跨电容过压时控制第二开关到第一开关驱动单向增大，从而控制飞跨电容向低压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加放电回路控制飞跨电容放电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
步骤S103,控制第一开关和第二开关常断，并基于飞跨电容的电压和低压侧单元的电压控制第三开关和第四开关中各开关导通或者关断，以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。
在一些可行的实施方式中，在飞跨电容的电压不在目标电压范围内、且三电平变换器处于升压工作模式的情况下，上述控制单元可控制第一开关和第二开关常断，并基于飞跨电容的电压和低压侧单元的电压控制第三开关和第四开关中各开关导通或者关断，从而控制低压侧单元对飞跨电容充电或者控制飞跨电容向高压侧单元放电，以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。可以理解，上述控制单元可在三电平变换器处于升压工作模式时控制第三开关和第四开关动作来实现对飞跨电容充电或者放电，从而将飞跨电容的电压控制在目标电压范围内，无需外加充电回路或者放电回路，从而节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
在一些可行的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容欠压时，需要控制低压侧单元对飞跨电容充电。具体地，上述控制单元可在飞跨电容的电压小于目标电压范围的电压下限值、且飞跨电容的电压小于低压侧单元的电压时控制第三开关常断，并控制第四开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而可控制低压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第四开关的开关周期内早于第二时间段的时间段。可以理解，上述控制单元可在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容欠压时控制第四开关到第三开关驱动单向增大，从而控制低压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加充电回路对飞跨电容充电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
在一些可行的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容欠压时，需要控制低压侧单元对飞跨电容充电。具体地，上述控制单元可在飞跨电容的电压小于目标电压范围的电压下限值、且飞跨电容的电压大于低压侧单元的电压时控制第四开关常通，控制第三开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而可控制低压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第三开关的开关周期内早于第二时间段的时间段。可以理解，上述控制单元可在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容欠压时控制第四开关到第三开关驱动单向增大，从而控制低压侧单元对飞跨电容充电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加充电回路对飞跨电容充电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
在一些可行的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容过压时，需要控制飞跨电容向高压侧单元放电。具体地，上述控制单元可在飞跨电容的电压大于目标电压范围的电压上限值、且飞跨电容的电压小于低压侧单元的电压时控制第四开关常断，控制第三开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而可控制飞跨电容向高压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第三开关的开关周期内早于第二时间段的时间段。可以理解，上述控制单元可在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容过压时控制第三开关到第四开关驱动单向增大，从而控制飞跨电容向高压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加放电回路控制飞跨电容放电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
在一些可行的实施方式中，在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容过压时，需要控制飞跨电容向高压侧单元放电。具体地，上述控制单元可在飞跨电容的电压大于目标电压范围的电压上限值、且飞跨电容的电压大于低压侧单元的电压时控制第三开关常通，控制第四开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，从而可控制飞跨电容向高压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围。其中，该第一时间段可以理解为第四开关的开关周期内早于第二时间段的时间段。可以理解，上述控制单元可在三电平变换器的工作模式为升压工作模式且飞跨电容过压时控制第三开关到第四开关驱动单向增大，从而控制飞跨电容向高压侧单元放电以使飞跨电容的电压处于目标电压范围内，无需外加放电回路控制飞跨电容放电，节约了硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
具体实现中，本申请提供的三电平变换器的控制方法中控制单元所执行的更多操作可参见图2至图11所示的三电平变换器及其工作原理中控制单元所执行的实现方式，在此不再赘述。
在本申请中，可在三电平变换器处于不同工作模式时控制不同的外管开关和内管开关动作来实现对飞跨电容进行充电或者放电，从而将飞跨电容的电压控制在目标电压范围内，无需外加充电回路或者放电回路，节约硬件成本，成本更低且系统结构简单，适用性更强。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (23)

1.一种三电平变换器，其特征在于，所述三电平变换器包括高压侧单元、低压侧单元、飞跨电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关以及控制单元，其中，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关以及所述第四开关串联后与所述高压侧单元并联，所述第一开关和所述第二开关的串联连接点通过所述飞跨电容连接所述第三开关和所述第四开关的串联连接点，所述第三开关和所述第四开关串联后与所述低压侧单元并联；
所述控制单元用于控制所述第三开关和所述第四开关常断，并基于所述飞跨电容的电压和所述低压侧单元的电压控制所述第一开关和所述第二开关中各开关导通或者关断，以使所述飞跨电容的电压处于目标电压范围；或者
所述控制单元还用于控制所述第一开关和所述第二开关常断，并基于所述飞跨电容的电压和所述低压侧单元的电压控制所述第三开关和所述第四开关中各开关导通或者关断，以使所述飞跨电容的电压处于目标电压范围。
2.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述控制单元用于在所述飞跨电容的电压小于所述目标电压范围的电压下限值、且所述飞跨电容的电压小于所述低压侧单元的电压时控制所述第一开关常通，控制所述第二开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，其中，所述第一时间段为所述第二开关的开关周期内早于所述第二时间段的时间段。
3.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述控制单元用于在所述飞跨电容的电压小于所述目标电压范围的电压下限值、且所述飞跨电容的电压大于所述低压侧单元的电压时控制所述第二开关常断，控制所述第一开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，其中，所述第一时间段为所述第一开关的开关周期内早于所述第二时间段的时间段。
4.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述控制单元用于在所述飞跨电容的电压大于所述目标电压范围的电压上限值、且所述飞跨电容的电压小于所述低压侧单元的电压时控制所述第二开关常通，控制所述第一开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，其中，所述第一时间段为所述第一开关的开关周期内早于所述第二时间段的时间段。
5.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述控制单元用于在所述飞跨电容的电压大于所述目标电压范围的电压上限值、且所述飞跨电容的电压大于所述低压侧单元的电压时控制所述第一开关常断，控制所述第二开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，其中，所述第一时间段为所述第二开关的开关周期内早于所述第二时间段的时间段。
6.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述控制单元用于在所述飞跨电容的电压小于所述目标电压范围的电压下限值、且所述飞跨电容的电压小于所述低压侧单元的电压时控制所述第三开关常断，并控制所述第四开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，其中，所述第一时间段为所述第四开关的开关周期内早于所述第二时间段的时间段。
7.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述控制单元用于在所述飞跨电容的电压小于所述目标电压范围的电压下限值、且所述飞跨电容的电压大于所述低压侧单元的电压时控制所述第四开关常通，控制所述第三开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，其中，所述第一时间段为所述第三开关的开关周期内早于所述第二时间段的时间段。
8.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述控制单元用于在所述飞跨电容的电压大于所述目标电压范围的电压上限值、且所述飞跨电容的电压小于所述低压侧单元的电压时控制所述第四开关常断，控制所述第三开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，其中，所述第一时间段为所述第三开关的开关周期内早于所述第二时间段的时间段。
9.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述控制单元用于在所述飞跨电容的电压大于所述目标电压范围的电压上限值、且所述飞跨电容的电压大于所述低压侧单元的电压时控制所述第三开关常通，控制所述第四开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断，其中，所述第一时间段为所述第四开关的开关周期内早于所述第二时间段的时间段。
10.一种三电平变换器的控制方法，其特征在于，所述方法适用于三电平变换器中的控制单元，所述三电平变换器还包括高压侧单元、低压侧单元、飞跨电容、第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关，其中，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关以及所述第四开关串联后与所述高压侧单元并联，所述第一开关和所述第二开关的串联连接点通过所述飞跨电容连接所述第三开关和所述第四开关的串联连接点，所述第三开关和所述第四开关串联后与所述低压侧单元并联；所述方法包括：
控制所述第三开关和所述第四开关常断，并基于所述飞跨电容的电压和所述低压侧单元的电压控制所述第一开关和所述第二开关中各开关导通或者关断，以使所述飞跨电容的电压处于目标电压范围；或者
控制所述第一开关和所述第二开关常断，并基于所述飞跨电容的电压和所述低压侧单元的电压控制所述第三开关和所述第四开关中各开关导通或者关断，以使所述飞跨电容的电压处于目标电压范围。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述基于所述飞跨电容的电压和所述低压侧单元的电压控制所述第一开关和所述第二开关中各开关导通或者关断，包括：
在所述飞跨电容的电压小于目标电压范围的电压下限值、且所述飞跨电容的电压小于所述低压侧单元的电压时控制所述第一开关常通，控制所述第二开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断；
其中，所述第一时间段为所述第二开关的开关周期内早于所述第二时间段的时间段。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述基于所述飞跨电容的电压和所述低压侧单元的电压控制所述第一开关和所述第二开关中各开关导通或者关断，包括：
在所述飞跨电容的电压小于目标电压范围的电压下限值、且所述飞跨电容的电压大于所述低压侧单元的电压时控制所述第二开关常断，控制所述第一开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断；
其中，所述第一时间段为所述第一开关的开关周期内早于所述第二时间段的时间段。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述基于所述飞跨电容的电压和所述低压侧单元的电压控制所述第一开关和所述第二开关中各开关导通或者关断，包括：
在所述飞跨电容的电压大于目标电压范围的电压上限值、且所述飞跨电容的电压小于所述低压侧单元的电压时控制所述第二开关常通，控制所述第一开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断；
其中，所述第一时间段为所述第一开关的开关周期内早于所述第二时间段的时间段。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述基于所述飞跨电容的电压和所述低压侧单元的电压控制所述第一开关和所述第二开关中各开关导通或者关断，包括：
在所述飞跨电容的电压大于目标电压范围的电压上限值、且所述飞跨电容的电压大于所述低压侧单元的电压时控制所述第一开关常断，控制所述第二开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断；
其中，所述第一时间段为所述第二开关的开关周期内早于所述第二时间段的时间段。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述基于所述飞跨电容的电压和所述低压侧单元的电压控制所述第三开关和所述第四开关中各开关导通或者关断，包括：
在所述飞跨电容的电压小于目标电压范围的电压下限值、且所述飞跨电容的电压小于所述低压侧单元的电压时控制所述第三开关常断，并控制所述第四开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断；
其中，所述第一时间段为所述第四开关的开关周期内早于所述第二时间段的时间段。
16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述基于所述飞跨电容的电压和所述低压侧单元的电压控制所述第三开关和所述第四开关中各开关导通或者关断，包括：
在所述飞跨电容的电压小于目标电压范围的电压下限值、且所述飞跨电容的电压大于所述低压侧单元的电压时控制所述第四开关常通，控制所述第三开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断；
其中，所述第一时间段为所述第三开关的开关周期内早于所述第二时间段的时间段。
17.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述基于所述飞跨电容的电压和所述低压侧单元的电压控制所述第三开关和所述第四开关中各开关导通或者关断，包括：
在所述飞跨电容的电压大于目标电压范围的电压上限值、且所述飞跨电容的电压小于所述低压侧单元的电压时控制所述第四开关常断，控制所述第三开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断；
其中，所述第一时间段为所述第三开关的开关周期内早于所述第二时间段的时间段。
18.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述基于所述飞跨电容的电压和所述低压侧单元的电压控制所述第三开关和所述第四开关中各开关导通或者关断，包括：
在所述飞跨电容的电压大于目标电压范围的电压上限值、且所述飞跨电容的电压大于所述低压侧单元的电压时控制所述第三开关常通，控制所述第四开关在第一时间段内导通并在第二时间段内关断；
其中，所述第一时间段为所述第四开关的开关周期内早于所述第二时间段的时间段。
19.一种供电系统，其特征在于，所述供电系统包括电池模块以及与所述电池模块连接的如权利要求1-9所述的三电平变换器。
20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述供电系统还包括供电模块以及与所述供电模块连接的功率变换模块。
21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述供电模块为光伏阵列，所述功率变换模块为直流DC/DC变换模块。
22.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述供电模块为发电机，所述功率变换模块为交流AC/DC变换模块。
23.根据权利要求20-22任一项所述的系统，其特征在于，所述供电系统还包括直流母线和DC/AC变换模块，所述三电平变换器和所述功率变换模块分别通过所述直流母线连接所述DC/AC变换模块的输入端，所述DC/AC变换模块的输出端连接交流负载或者交流电网。
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