CN114785173A - 具有升压能力的交直流多端口三电平变换器及其调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种具有升压能力的交直流多端口三电平变换器及其调制方法，涉及电力电子变换装置技术领域。为解决多端口两电平变换器应用于高压大容量场合的输出电流波形质量差和逆变运行时输出的交流电压低的问题，具有升压能力的交直流多端口三电平变换器包括1个直流输入电源，1个电感，2个电容、15个绝缘栅双极晶体管、18个二极管构成的拓扑结构，通过调制方法控制15个绝缘栅双极晶体管的开关状态，能够将直流电源升压后再进行逆变，输出一组频率、幅值皆可调的三相三电平交流电，同时还能输出3组幅值灵活可控的直流电。降低了对直流电源电压幅值的要求，其调制方法科学合理，输出电压谐波含量小，提高了交直流多端口三电平变换器的应用性能。

Description

具有升压能力的交直流多端口三电平变换器及其调制方法

技术领域

本发明涉及电力电子变换装置技术领域，具体地说，是一种具有升压能力的交直流多端口三电平变换器及其调制方法。

背景技术

近年来关于多端口变换器的研究日益广泛，在只有直流电源供电的情况下，需要利用多端口变换器实现同时供给交流负载和直流负载，九开关变换器虽然能够实现这样的功能，但是它只能输出两电平交流。为解决多端口两电平变换器应用于高压大容量场合的输出电流波形质量差和逆变运行时输出的交流电压低的问题，本发明提出了一种具有升压能力的交直流多端口三电平变换器及其调制方法，降低了对直流电源电压幅值的要求，可以通过升压单元来调整交流输出电压幅值的大小，提高了交直流多端口三电平变换器的性能，同时也扩展了其应用场合。迄今未见有关具有升压能力的交直流多端口三电平变换器及其调制方法的文献报道和实际应用。

发明内容

本发明的目的是：为解决多端口两电平变换器应用于高压大容量场合的输出电流波形质量差和逆变运行时输出的交流电压低的问题，改善供电质量，提出一种体积小、成本低、结构合理的具有升压能力的交直流多端口三电平变换器；并提供科学合理、适用性强、效果佳的调制方法。

实现本发明目的之一采用的技术方案是，一种具有升压能力的交直流多端口三电平变换器，其特征在于：它包括直流输入侧的2个电容C₁、C₂，1个直流输入电源V_S，1个电感L，15个绝缘栅双极晶体管和18个二极管；直流输入电源V_S、电感L和3个二极管D_U、D_V、D_W组成了一个直流升压单元；所述交直流多端口三电平变换器有U相、V相和W相桥臂，所述U相、V相和W相桥臂的每相桥臂均由5个绝缘栅双极晶体管S_x1～S_x5和5个二极管D_x1～D_x5组成，其中，x∈{U，V，W}；每相桥臂有一个交流输出端x₁和一个直流输出端x₂，直流输出端输出直流电，三相桥臂的三个交流输出端共同输出三相对称交流电；所述3个交流输出端分别连接三相阻感负载Z_x，所述3个直流输出端分别连接由电感L_x、电容C_x构成的低通滤波器，所述低通滤波器连接电阻负载R_x，其中，x∈{U，V，W}；

所述每相桥臂的绝缘栅双极晶体管S_x1～S_x5分别与二极管D_x1～D_x5反向并联，即每个二极管的阳极与绝缘栅双极晶体管的发射极相连，二极管的阴极与绝缘栅双极晶体管的集电极相连；

所述直流输入侧的2个电容C₁、C₂的电容值相等，电容C₁的正极定义为正极点P，电容C₁的负极与电容C₂的正极相连，电容C₁的负极与电容C₂的正极相连接的点定义为中点O，电容C₂的负极定义为负极点N；正极点P与负极点N之间的电压为U_dc，中点O的电位为0，正极点P与中点O之间的电压为U_dc/2，中点O与负极点N之间的电压为U_dc/2；

所述绝缘栅双极晶体管S_x1的集电极与正极点P相连，绝缘栅双极晶体管S_x1的发射极与绝缘栅双极晶体管S_x2的集电极相连，绝缘栅双极晶体管S_x2的发射极与绝缘栅双极晶体管S_x3的集电极相连，绝缘栅双极晶体管S_x3的发射极与负极点N相连；绝缘栅双极晶体管S_x1发射极与绝缘栅双极晶体管S_x2集电极相连接的点定义为交流输出端x₁，定义输出相电压为v_x1O；绝缘栅双极晶体管S_x2发射极与绝缘栅双极晶体管S_x3集电极相连接的点定义为直流输出端x₂，定义直流输出端口电压为v_x2N；绝缘栅双极晶体管S_x4的集电极与中点O相连，绝缘栅双极晶体管S_x4的发射极与绝缘栅双极晶体管S_x5的发射极相连，绝缘栅双极晶体管S_x5的集电极与交流输出端x₁相连；

所述直流升压单元的3个二极管D_U、D_V、D_W的阳极相连后与电感L的一端相连，电感L的另一端与直流输入电源V_S的正极相连，二极管D₁的阴极与直流输出端W₂相连，二极管D₂的阴极与直流输出端V₂相连，二极管D₃的阴极与直流输出端U₂相连，直流输入电源V_S的负极与负极点N相连；

所述三相阻感负载Z_x的一端连接到交流输出端x₁，另一端连接在一起；

所述低通滤波器的电容C_x与电阻负载R_x并联，并联后的一端与负极点N相连，并联后的另一端与电感L_x的一端相连，电感L_x的另一端与直流输出端x₂相连。

实现本发明目的之二采用的技术方案是，一种具有升压能力的交直流多端口三电平变换器的调制方法，其特征在于，它包括以下内容：

1)设置具有升压能力的交直流多端口三电平变换器的工作模式

①模式1为直流升压单元有效工作状态

当直流升压单元与绝缘栅双极晶体管S_x3形成回路时，为直流升压单元的电感L充电，有7种工作情况，分别定义为工作状态1～工作状态7；当直流升压单元与二极管D_x2、二极管D_x1、电容C₁、电容C₂形成回路时，直流升压单元的电感L放电，为直流输入侧电容C₁、电容C₂充电，定义为工作状态8；

②模式2为交流输出有效工作状态

根据交流输出端x₁连接至正极点P、中点O、负极点N的3种工作情况，分别定义为工作状态1～工作状态3；

③模式3为直流输出有效工作状态

根据直流输出端口电压为U_dc、0的2种工作情况，分别定义为工作状态1和工作状态2；

2)交流输出和直流输出采用分时调制

所述具有升压能力的交直流多端口三电平变换器，交流输出采用三电平空间矢量调制策略，直流输出采用直流斩波，在一个开关周期内对两种输出分时段调制，定义k为时间分配因子，将一个开关周期分为前1-k周期和后k周期；

①在开关周期的前1-k周期内，保持3个直流输出端口的电压v_x2N为零，直流升压单元的电感L工作于充电状态，当交流输出端x₁连接到正极点P时，输出的相电压v_x1O为U_dc/2；当交流输出端x₁连接到中点O时，输出的相电压v_x1O为0；当交流输出端x₁连接到负极点N时，输出的相电压v_x1O为-U_dc/2；

交流输出的调制采用三电平空间矢量策略，每个交流输出端的连接情况有3种，三相交流输出端共有27种连接情况，定义为27个空间矢量，将空间矢量图分成6个大扇区，每个大扇区再分成4个小扇区，假设三相输出参考相电压合成的参考电压矢量为V_ac，依据参考电压矢量的末端所在的扇区，确定出合成参考电压矢量V_ac的3个矢量，合成参考电压矢量V_ac公式为：

公式中的V₁、V₂、V₃为用于合成参考电压矢量V_ac的三个最近电压矢量，T₁、T₂、T₃为三个最近电压矢量的作用时间，T_S为开关周期；

②在开关周期的后k周期内，保持三相交流输出端x₁连接到正极点P，当3个直流输出端口电压v_x2N都为U_dc时，直流升压单元的电感L工作于放电状态，直流输出端口通过低通滤波器为电阻负载R_x供电；

设直流输出参考电压为V_dc，则直流输出端口电压v_x2N是U_dc的作用时间为：

T₄＝(V_dc/U_dc)·T_S

③交流输出电压矢量的作用时间分配采用7段式方法，即将合成交流输出参考电压矢量的3个作用时间分成7段，然后将7段作用时间呈中心对称分布，每一段作用时间与电压矢量一一对应；直流输出作用时间分配采用两段式；最后根据交流输出和直流输出的对应工作状态确定15个绝缘栅双极晶体管的开关状态，输出电压幅值、频率均可控的三相交流电和3个幅值均可调的直流电。

本发明的一种具有升压能力的交直流多端口三电平变换器的体积小、成本低、结构合理；其调制方法能够将直流电源升压后再进行逆变，得到一组频率、幅值皆可调的三相三电平交流电，逆变环节具有升压能力，同时还能将直流电源变换为3组幅值灵活可控的直流电，降低了对直流电源电压幅值的要求，其调制方法科学合理，适用性强、效果佳，输出电压谐波含量小，提高了交直流多端口三电平变换器的应用性能调。

附图说明

图1为本发明的一种具有升压能力的交直流多端口三电平变换器的电路原理图；

图2为模式1的工作状态1的原理图；

图3为模式1的工作状态2的原理图；

图4为模式1的工作状态3的原理图；

图5为模式1的工作状态4的原理图；

图6为模式1的工作状态5的原理图；

图7为模式1的工作状态6的原理图；

图8为模式1的工作状态7的原理图；

图9为模式1的工作状态8的原理图；

图10为模式2的工作状态1的原理图；

图11为模式2的工作状态2的原理图；

图12为模式2的工作状态3的原理图；

图13为模式3的工作状态1的原理图；

图14为模式3的工作状态2的原理图；

图15为三电平空间矢量图；

图16为参考电压矢量V_ac在A₂小扇区的矢量合成图；

图17为矢量作用时间分配图；

图18为直流输入侧电容C₁两端的电压v_C1波形图；

图19为直流输入侧电容C₂两端的电压v_C2波形图；

图20为交流输出端输出的三相电流波形图；

图21为U相直流输出端口电压v_U2N波形图；

图22为V相直流输出端口电压v_V2N波形图；

图23为W相直流输出端口电压v_W2N波形图；

图24为交流输出端输出负载线电压v_U1V1的波形图；

图25为交流输出端输出负载线电压v_U1V1的傅里叶分析图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的一种具有升压能力的交直流多端口三电平变换器包括：直流输入侧的2个电容C₁、C₂，1个直流输入电源V_S，1个电感L，15个绝缘栅双极晶体管、18个二极管构成。直流输入电源V_S、电感L和3个二极管D_U、D_V、D_W组成了一个直流升压单元。所述具有升压能力的交直流多端口三电平变换器有3相桥臂，每相桥臂均由5个绝缘栅双极晶体管和5个二极管组成。所述具有升压能力的交直流多端口三电平变换器有3个交流输出端和3个直流输出端，所述的3个交流输出端连接三相阻感负载，所述的3个直流输出端连接3个低通滤波器，所述低通滤波器连接3组电阻负载。通过对绝缘栅双极晶体管施加合理的驱动信号，所述具有升压能力的交直流多端口三电平变换器可实现将直流输入电压变换为一组频率、幅值皆可调的三相三电平交流输出和3组幅值灵活可控的直流输出。为了便于下文阐述，绝缘栅双极晶体管表示为S_x1～S_x5，二极管表示为D_x1～D_x5，所述交流输出端表示为x₁，直流输出端表示为x₂，三相阻感负载表示为Z_x，所述低通滤波器的电感表示为L_x、电容表示为C_x，所述低通滤波器连接的电阻负载表示为R_x，其中，x∈{U，V，W}。

1)设置具有升压能力的交直流多端口三电平变换器的工作模式3种工作模式，模式1为直流升压单元有效工作状态，模式2为交流输出有效工作状态，模式3为直流输出有效工作状态。下面对3种工作模式进行具体说明。

①模式1：直流升压单元有效工作状态

具有升压能力的交直流多端口三电平变换器工作于模式1，当直流升压单元与绝缘栅双极晶体管S_x3形成回路时，为直流升压单元的电感L充电，这种情况分为工作状态1～工作状态7，分别如图2～8所示。当直流升压单元与二极管D_x2、二极管D_x1、电容C₁、电容C₂形成回路时，直流升压单元的电感L放电，为直流输入侧电容C₁、电容C₂充电，这种情况为工作状态8，如图9所示。

模式1的工作状态1：U、V、W相的绝缘栅双极晶体管S_U3、S_V3、S_W3同时导通，形成3个回路，回路1为直流源正极、电感L、二极管D_U、绝缘栅双极晶体管S_U3、回到直流源负极；回路2为直流源正极、电感L、二极管D_V、绝缘栅双极晶体管S_V3、回到直流源负极；回路3为直流源正极、电感L、二极管D_W、绝缘栅双极晶体管S_W3、回到直流源负极，3个回路的电流相等且3个电流之和为电感L的充电电流，如图2中短虚线所示。

模式1的工作状态2：U、V相的绝缘栅双极晶体管S_U3、S_V3同时导通，W相的绝缘栅双极晶体管S_W3关断，形成2个回路，回路1为直流源正极、电感L、二极管D_U、绝缘栅双极晶体管S_U3、回到直流源负极；回路2为直流源正极、电感L、二极管D_V、绝缘栅双极晶体管S_V3、回到直流源负极，如图3中短虚线所示。

模式1的工作状态3：U、W相的绝缘栅双极晶体管S_U3、S_W3同时导通，V相的绝缘栅双极晶体管S_V3关断，形成2个回路，回路1为直流源正极、电感L、二极管D_U、绝缘栅双极晶体管S_U3、回到直流源负极；回路2为直流源正极、电感L、二极管D_W、绝缘栅双极晶体管S_W3、回到直流源负极，如图4中短虚线所示。

模式1的工作状态4：V、W相的绝缘栅双极晶体管S_V3、S_W3同时导通，U相的绝缘栅双极晶体管S_U3关断，形成2个回路，回路1为直流源正极、电感L、二极管D_V、绝缘栅双极晶体管S_V3、回到直流源负极；回路2为直流源正极、电感L、二极管D_W、绝缘栅双极晶体管S_W3、回到直流源负极，如图5中短虚线所示。

模式1的工作状态5：W相的绝缘栅双极晶体管S_W3导通，U、V相的绝缘栅双极晶体管S_U3、S_V3同时关断，只存在1个回路，即直流源正极、电感L、二极管D_W、绝缘栅双极晶体管S_W3、回到直流源负极，如图6中短虚线所示。

模式1的工作状态6：V相的绝缘栅双极晶体管S_V3导通，U、W相的绝缘栅双极晶体管S_U3、S_W3同时关断，只存在1个回路，即直流源正极、电感L、二极管D_V、绝缘栅双极晶体管S_V3、回到直流源负极，如图7中短虚线所示。

模式1的工作状态7：U相的绝缘栅双极晶体管S_U3导通，V、W相的绝缘栅双极晶体管S_V3、S_W3同时关断，只存在1个回路，即直流源正极、电感L、二极管D_U、绝缘栅双极晶体管S_U3、回到直流源负极，如图8中短虚线所示。

模式1的工作状态8：U、V、W相的绝缘栅双极晶体管S_U3、S_V3、S_W3同时关断，形成3个回路，回路1为直流源正极、电感L、二极管D_U、二极管D_U2、二极管D_U1、电容C₁、电容C₂，回到直流源负极；回路2为直流源正极、电感L、二极管D_V、二极管D_V2、二极管D_V1、电容C₁、电容C₂，回到直流源负极；回路3为直流源正极、电感L、二极管D_W、二极管D_W2、二极管D_W1、电容C₁、电容C₂，回到直流源负极，如图9中短虚线所示。

②模式2：交流输出有效工作状态

具有升压能力的交直流多端口三电平变换器工作于模式2，根据交流输出端x₁连接至正极点P、中点O、负极点N的3种情况，分为3种工作状态，下面对各工作状态的原理进行详细说明。

模式2的工作状态1：绝缘栅双极晶体管S_x1导通，当电流从逆变器流向负载时，电流流过的路径为绝缘栅双极晶体管S_x1和三相阻感负载Z_x，如图10中长虚线所示，交流输出端x₁连接至正极点P；当电流从负载流向逆变器时，电流流过的路径为三相阻感负载Z_x和二极管D_x1，如图10中点虚线所示，交流输出端x₁连接至正极点P。

模式2的工作状态2：绝缘栅双极晶体管S_x4和S_x5导通，当电流从逆变器流向负载时，电流流过的路径为绝缘栅双极晶体管S_x4、二极管D_x5、三相阻感负载Z_x，如图11中长虚线所示，交流输出端x₁连接至中点O；当电流从负载流向逆变器时，电流流过的路径为三相阻感负载Z_x、绝缘栅双极晶体管S_x5和二极管D_x4，如图11中点虚线所示，交流输出端x₁连接至中点O。

模式2的工作状态3：绝缘栅双极晶体管S_x2导通，当电流从逆变器流向负载时，电流流过的路径为二极管D_x3、二极管D_x2、三相阻感负载Z_x，如图12中长虚线所示，交流输出端x₁连接至负极点N；当电流从负载流向逆变器时，电流流过的路径为三相阻感负载Z_x、绝缘栅双极晶体管S_x3和绝缘栅双极晶体管S_x2，如图12中点虚线所示，交流输出端x₁连接至负极点N。

③模式3：直流输出有效工作状态

具有升压能力的交直流多端口三电平变换器工作于模式3，根据直流输出端口电压大小分为工作状态1和工作状态2，下面对各工作状态的原理进行详细说明。

模式3的工作状态1：电流经电感L_x、电阻负载R_x和并联电容C_x、二极管D_x3，形成一个放电回路，如图13中点划线所示，直流输出端口电压v_x2N为0。

模式3的工作状态2：电流经直流输入侧电容C₁、电容C₂、低通滤波器的电感L_x、电容C_x和电阻负载R_x，形成一个闭合回路，此过程电容C₁、电容C₂放电，如图14中点划线所示，直流输出端口电压v_x2N为U_dc。

2)交流输出和直流输出采用分时调制

所述具有升压能力的交直流多端口三电平变换器，交流输出采用三电平空间矢量调制策略，直流输出采用直流斩波，为避免交流输出与直流输出相互影响，在一个开关周期内对两种输出分时段调制，定义k为时间分配因子，将一个开关周期分为前(1-k)周期和后k周期，具体的调制方法说明如下。

①在开关周期的前(1-k)周期内，保持3个直流输出端口的电压v_x2N为零，直流升压单元的电感L工作于充电状态。当交流输出端x₁连接到正极点P时，输出的相电压v_x1O为U_dc/2；当交流输出端x₁连接到中点O时，输出的相电压v_x1O为0；当交流输出端x₁连接到负极点N时，输出的相电压v_x1O为-U_dc/2。3个交流输出相电压合成一个电压矢量，总共有27种组合情况，共有27个电压矢量。其中，电压矢量幅值为2U_dc/3的6个大矢量V_L1～V_L6，其三相交流输出端对应状态分别为PNN、PPN、NPN、NPP、NNP、PNP；电压矢量幅值为

的6个中矢量V_M1～V_M6，其三相交流输出端对应状态分别为PON、OPN、NPO、NOP、ONP、PNO；电压矢量幅值为U_dc/3的6个正小矢量V_S1+～V_S6+，其三相交流输出端对应状态分别为ONN、PPO、NON、OPP、NNO、POP；电压矢量幅值为U_dc/3的6个负小矢量V_S1-～V_S6-，其三相交流输出端对应状态分别为POO、OON、OPO、NOO、OOP、ONO；电压矢量幅值为0的3个零矢量，其三相交流输出端对应状态分别为PPP、OOO、NNN。零矢量位于矢量图的中心，正小矢量和负小矢量总是成对出现，与大矢量的方向一致，幅值为大矢量的一半，中矢量位于大矢量构成的三角形的中线上，如图15所示为三电平空间矢量图。6个大矢量把空间矢量图分成了6个正三角形区域，以大矢量PNN为起始沿逆时针每60°依次定义为6个大扇区A～F。每个大扇区又划分为4个小扇区X₁～X₄，X∈{A～F}。

设三相输出参考相电压合成的参考电压矢量为V_ac，应用最近三矢量原则合成参考电压矢量V_ac，合成参考电压矢量V_ac公式为：

公式(1)中的V₁、V₂、V₃为用于合成参考电压矢量V_ac的三个最近电压矢量，T₁、T₂、T₃为三个最近电压矢量的作用时间，T_S为开关周期。以参考电压矢量V_ac在A₂小扇区为例，V₁为电压矢量V_S1+和V_S1-、V₂为电压矢量V_M1、V₃为电压矢量V_L1，如图16所示。同理可以得到其余3个小扇区的三个最近电压矢量的作用时间，其余5个大扇区的计算方法相同。

②在开关周期的后k周期内，保持三相交流输出端x₁连接到正极点P，三相交流输出端对应的状态为PPP。当3个直流输出端口电压v_x2N都为U_dc时，直流升压单元的电感L工作于放电状态，直流输出端口通过低通滤波器为电阻负载R_x供电。假设直流输出端口参考电压为V_dc，则直流输出端口电压v_x2N为U_dc的作用时间为：

T₄＝(V_dc/U_dc)·T_S (2)

③交流输出电压矢量的作用时间分配采用7段式方法，即将合成交流输出参考电压矢量的3个作用时间分成7段，然后将7段作用时间呈中心对称分布，每一段作用时间与电压矢量一一对应；直流输出采用两段式；一个周期的作用时间分配如图17所示。最后根据交流输出和直流输出的对应工作状态确定15个绝缘栅双极晶体管的开关状态。

当交流输出工作于有效状态时，直流升压单元工作于电感充电状态，直流输出端口电压为零，这时的交直流多端口三电平变换器相当于一个利用三电平空间矢量调制的逆变器，输出三相电压幅值和频率可控；当直流输出端口电压为U_dc时，三相交流输出端x₁同时连接到正极点P，直流升压单元工作于电感放电状态，这时的交直流多端口三电平变换器相当于3个直流变换器，输出幅值可调的直流电压；直流升压单元的存在提高了交直流多端口三电平变换器的应用性能。

为了验证所述具有升压能力的交直流多端口三电平变换器的可行性和双输出分时调制方法的有效性，通过MATLAB/Simulink进行仿真验证。仿真参数如下：开关频率为10kHz；直流升压单元的电源V_S电压为400V，直流升压单元的电感L为1.8mH。直流输入侧电容C₁和电容C₂的值都为500uF；交流输出的三相参考相电压幅值为188V，频率为50Hz。交流输出连接三相阻感负载的电阻为50Ω，电感为100mH；直流输出的参考电压为400V。直流输出端连接低通滤波器的电感为18mH，电容为500uF，低通滤波器连接的负载电阻为15Ω。

仿真结果如图18～25所示，图18为直流输入侧电容C₁两端的电压波形图，图19为直流输入侧电容C₂两端的电压波形图，从上述两图中看出，直流输入侧两个电容电压最后均稳定在500V左右，说明直流升压单元将直流电源400V，升压到了1000V左右(两个电容电压之和)。图20为交流输出端输出的三相电流波形图，电流幅值为3.2A。图21为U相直流输出端口电压v_U2N波形图，图22为V相直流输出端口电压v_V2N波形图，图23为W相直流输出端口电压v_W2N波形图，电压最终均稳定在400V左右。图24为交流输出端输出负载线电压v_U1V1的波形图，电压峰值为1000V。图25为交流输出端输出负载线电压v_U1V1的傅里叶分析图，基波线电压的幅值是326.6V，那么相电压为

以上仿真结果说明，本发明的交直流多端口三电平变换器，交流输出电压和直流输出电压均与参考电压相符，证明了其有效性。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式是示意性的，而非限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨的情况下，还能够做出其它形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种具有升压能力的交直流多端口三电平变换器，其特征在于：它包括直流输入侧的2个电容C₁、C₂，1个直流输入电源V_S，1个电感L，15个绝缘栅双极晶体管和18个二极管；直流输入电源V_S、电感L和3个二极管D_U、D_V、D_W组成了一个直流升压单元；所述交直流多端口三电平变换器有U相、V相和W相桥臂，所述U相、V相和W相桥臂的每相桥臂均由5个绝缘栅双极晶体管S_x1～S_x5和5个二极管D_x1～D_x5组成，其中，x∈{U，V，W}；每相桥臂有一个交流输出端x₁和一个直流输出端x₂，直流输出端输出直流电，三相桥臂的三个交流输出端共同输出三相对称交流电；所述3个交流输出端分别连接三相阻感负载Z_x，所述3个直流输出端分别连接由电感L_x、电容C_x构成的低通滤波器，所述低通滤波器连接电阻负载R_x，其中，x∈{U，V，W}；

所述每相桥臂的绝缘栅双极晶体管S_x1～S_x5分别与二极管D_x1～D_x5反向并联，即每个二极管的阳极与绝缘栅双极晶体管的发射极相连，二极管的阴极与绝缘栅双极晶体管的集电极相连；

所述直流输入侧的2个电容C₁、C₂的电容值相等，电容C₁的正极定义为正极点P，电容C₁的负极与电容C₂的正极相连，电容C₁的负极与电容C₂的正极相连接的点定义为中点O，电容C₂的负极定义为负极点N；正极点P与负极点N之间的电压为U_dc，中点O的电位为0，正极点P与中点O之间的电压为U_dc/2，中点O与负极点N之间的电压为U_dc/2；

所述绝缘栅双极晶体管S_x1的集电极与正极点P相连，绝缘栅双极晶体管S_x1的发射极与绝缘栅双极晶体管S_x2的集电极相连，绝缘栅双极晶体管S_x2的发射极与绝缘栅双极晶体管S_x3的集电极相连，绝缘栅双极晶体管S_x3的发射极与负极点N相连；绝缘栅双极晶体管S_x1发射极与绝缘栅双极晶体管S_x2集电极相连接的点定义为交流输出端x₁，定义输出相电压为v_x1O；绝缘栅双极晶体管S_x2发射极与绝缘栅双极晶体管S_x3集电极相连接的点定义为直流输出端x₂，定义直流输出端口电压为v_x2N；绝缘栅双极晶体管S_x4的集电极与中点O相连，绝缘栅双极晶体管S_x4的发射极与绝缘栅双极晶体管S_x5的发射极相连，绝缘栅双极晶体管S_x5的集电极与交流输出端x₁相连；

所述直流升压单元的3个二极管D_U、D_V、D_W的阳极相连后与电感L的一端相连，电感L的另一端与直流输入电源V_S的正极相连，二极管D₁的阴极与直流输出端W₂相连，二极管D₂的阴极与直流输出端V₂相连，二极管D₃的阴极与直流输出端U₂相连，直流输入电源V_S的负极与负极点N相连；

所述三相阻感负载Z_x的一端连接到交流输出端x₁，另一端连接在一起；

所述低通滤波器的电容C_x与电阻负载R_x并联，并联后的一端与负极点N相连，并联后的另一端与电感L_x的一端相连，电感L_x的另一端与直流输出端x₂相连。

2.一种根据权利要求1所述的具有升压能力的交直流多端口三电平变换器，其特征在于，它的调制方法包括以下内容：

1)设置具有升压能力的交直流多端口三电平变换器的工作模式

①模式1为直流升压单元有效工作状态

当直流升压单元与绝缘栅双极晶体管S_x3形成回路时，为直流升压单元的电感L充电，有7种工作情况，分别定义为工作状态1～工作状态7；当直流升压单元与二极管D_x2、二极管D_x1、电容C₁、电容C₂形成回路时，直流升压单元的电感L放电，为直流输入侧电容C₁、电容C₂充电，定义为工作状态8；

②模式2为交流输出有效工作状态

根据交流输出端x₁连接至正极点P、中点O、负极点N的3种工作情况，分别定义为工作状态1～工作状态3；

③模式3为直流输出有效工作状态

根据直流输出端口电压为U_dc、0的2种工作情况，分别定义为工作状态1和工作状态2；

2)交流输出和直流输出采用分时调制

所述具有升压能力的交直流多端口三电平变换器，交流输出采用三电平空间矢量调制策略，直流输出采用直流斩波，在一个开关周期内对两种输出分时段调制，定义k为时间分配因子，将一个开关周期分为前1-k周期和后k周期；

①在开关周期的前1-k周期内，保持3个直流输出端口的电压v_x2N为零，直流升压单元的电感L工作于充电状态，当交流输出端x₁连接到正极点P时，输出的相电压v_x1O为U_dc/2；当交流输出端x₁连接到中点O时，输出的相电压v_x1O为0；当交流输出端x₁连接到负极点N时，输出的相电压v_x1O为-U_dc/2；

交流输出的调制采用三电平空间矢量策略，每个交流输出端的连接情况有3种，三相交流输出端共有27种连接情况，定义为27个空间矢量，将空间矢量图分成6个大扇区，每个大扇区再分成4个小扇区，假设三相输出参考相电压合成的参考电压矢量为V_ac，依据参考电压矢量的末端所在的扇区，确定出合成参考电压矢量V_ac的3个矢量，合成参考电压矢量V_ac公式为：

公式中的V₁、V₂、V₃为用于合成参考电压矢量V_ac的三个最近电压矢量，T₁、T₂、T₃为三个最近电压矢量的作用时间，T_S为开关周期；

②在开关周期的后k周期内，保持三相交流输出端x₁连接到正极点P，当3个直流输出端口电压v_x2N都为U_dc时，直流升压单元的电感L工作于放电状态，直流输出端口通过低通滤波器为电阻负载R_x供电；

设直流输出参考电压为V_dc，则直流输出端口电压v_x2N是U_dc的作用时间为：

T₄＝(V_dc/U_dc)·T_S

③交流输出电压矢量的作用时间分配采用7段式方法，即将合成交流输出参考电压矢量的3个作用时间分成7段，然后将7段作用时间呈中心对称分布，每一段作用时间与电压矢量一一对应；直流输出作用时间分配采用两段式；最后根据交流输出和直流输出的对应工作状态确定15个绝缘栅双极晶体管的开关状态，输出电压幅值、频率均可控的三相交流电和3个幅值均可调的直流电。

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