CN108702104B - 五电平逆变器拓扑电路及三相五电平逆变器拓扑电路 - Google Patents

五电平逆变器拓扑电路及三相五电平逆变器拓扑电路 Download PDF

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Abstract

一种五电平逆变器拓扑电路及三相五电平逆变器拓扑电路，适于和两个串联连接的直流电源(C1，C2)一起使用，包括：一个半桥逆变器电路；所述半桥逆变器电路包括第一电路模块(M1)和第二电路模块(M2)。所述半桥逆变器电路能够输出包括零电平之内的五种电平。该五电平逆变器拓扑电路采用五电平半桥结构，只需要一个交流滤波电感(L1)，因此降低了系统成本和体积，消除了漏电流，效率高。

Description

五电平逆变器拓扑电路及三相五电平逆变器拓扑电路
本申请要求2015年11月6日提交的美国临时专利申请US62/252,111的优先权，其公开内容整体并入于此作为参考。
技术领域
本发明涉及电力电子领域中的电力变换器拓扑电路，特别是五电平逆变器拓扑电路及三相五电平逆变器拓扑电路。
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。
众所周知，光伏阵列产生直流电。在光伏发电系统中，逆变器用于将光伏阵列输出的直流电转化成交流电。非隔离型光伏逆变器存在共模回路。该共模回路产生高频漏电流，引起电磁干扰，同时危及设备和人身安全。因此，高频漏电流是非隔离型逆变器系统需要解决的一个重要问题。
根据电路结构，现有公开的逆变器拓扑电路分成两类。
第一类是双交流电感的对称拓扑电路，比如全桥逆变器拓扑电路。由于全桥逆变器拓扑电路所需的输入电压为半桥逆变器拓扑电路的一半，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态，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电路，比如半桥逆变器拓扑电路或中点钳位逆变器拓扑电路。该类拓扑电路通过将交流电网或交流负载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。由于其电压利用率为第一类的一半，因此需要额外的升压电路，导致效率降低，成本增大。
三相逆变器系统通常采用三电平半桥逆变器拓扑电路。但是，(1)电压利用率低；(2)交流滤波感抗高；(3)需要附加电路来提高输入电压，因此成本高。
发明内容
本发明提供了一种五电平逆变器拓扑电路，以解决现有技术中的上述问题中的至少部分技术问题。
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。
本发明提供的五电平逆变器拓扑电路，适于和两个串联连接的直流电源一起使用。所述五电平逆变器拓扑电路至少包括：一个半桥逆变器电路。所述半桥逆变器电路输出五个互不相同的电平，包括零电平。所述半桥逆变器电路至少包括一个悬浮电容。所述悬浮电容由第一直流电源或第二直流电源充电。
可选地，所述两个直流电源由一个电源并联连接两个串联连接的电容实现。其中，每个电容充当一个直流电源。
第一方面，本发明提供了一种单相五电平逆变器拓扑电路，适于和两个串联连接的直流电源一起使用，其特征在于，包括：一个半桥逆变器电路；所述半桥逆变器电路包括第一电路模块和第二电路模块。
所述第一电路模块的第一端连接所述两直流电源的公共端，第二端连接第二电路模块的第三输入端，第三端连接第二电路模块的第四输入端；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：对于三个端子，仅将第一端与第二端连接；模态二，对于三个端子，仅将第一端与第三端连接；模态三：断开三个端子中任意两个端子之间的连接。
所述第二电路模块包括限流装置、悬浮电容和拓扑控制部分；所述第二电路模块的第一输入端适于连接第一直流电源的正极，第二输入端适于连接第二直流电源的负极；输出端连接所述半桥逆变器电路的负载端；所述第二电路模块的拓扑控制部分连接若干控制端，适于在控制端接入的控制信号的控制下，提供至少五种工作模态：针对四个输入端和一个输出端；
模态一：将限流装置和悬浮电容串联后连接在第一输入端和输出端之间，断开其他端与端之间的连接；模态二：将限流装置连接在第一输入端和输出端之间，将悬浮电容连接在第四输入端和输出端之间，断开其他端与端的连接；模态三：将限流装置和悬浮电容串联后连接在第一输入端和输出端之间且导通第四输入端与输出端之间的连接，断开其他端与端的连接；或者将限流装置和悬浮电容串联后连接在第二输入端和输出端之间且导通第三输入端与输出端之间的连接，断开其他端与端的连接；模态四：将限流装置连接在第二输入端和输出端之间，将悬浮电容连接在第三输入端和输出端之间，断开其他端与端的连接；模态五：将限流装置和悬浮电容串联后连接在第二输入端和输出端之间，断开其他端与端之间的连接。
可选地，所述第一电路模块包括两个电路支路；第一电路支路连接在第一端与第二端之间；第二电路支路连接在第一端与第三端之间；每一个电路支路均还对应连接控制信号端，适于在控制信号端接入的关断控制信号下关断，在控制信号端接入的导通信号下导通。
所述第二电路模块中的限流装置有很多实现形式，比如以下一种或者几种的组合：电感；电阻；运行在有源模态或线性模态的半导体器件。所述限流装置用于抑制悬浮电容充电时的冲击电流。也就是说，所述限流装置构成悬浮电容充电回路的一部分。
所述悬浮电容由第一直流电源或第二直流电源充电。所述第一电流电源或第二直流电源给所述半桥逆变器电路的负载供电，或者，所述两个电流电源中的任一个与悬浮电容代数叠加后给所述半桥逆变器电路的负载供电，从而使第二电路模块输出五个互不相同的电平，包括零电平。
可选地，所述半桥逆变器电路中的第二电路模块包括六个开关电路支路、限流装置和悬浮电容。
第一开关电路支路的第一端连接所述第二电路模块的第一输入端，第一开关电路支路的第二端连接第二开关电路支路的第一端；
第二开关电路支路的第二端连接所述第二电路模块的第二输入端；
第三开关电路支路的第一端同时连接所述第二电路模块的第三输入端和所述悬浮电容的正极，第三开关电路支路的第二端连接第四开关电路支路的第一端；
第四开关电路支路的第二端同时连接所述第二电路模块的第四输入端和所述悬浮电容的负极；第三开关电路支路、第四开关电路支路的公共端通过限流装置连接第一开关电路支路、第二开关电路支路的公共端；
第五开关电路支路的第一端连接所述悬浮电容的正极，第五开关电路支路的第二端连接第六开关电路支路的第一端；第六开关电路支路的第二端连接所述悬浮电容的负极；第五开关电路支路、第六开关电路支路的公共端连接所述第二电路模块的输出端。
可选地，第三开关电路支路、第四开关电路支路的公共端通过限流电感连接第一开关电路支路、第二开关电路支路的公共端。
所述半桥逆变器电路还包括一个滤波电感。
所述半桥逆变器电路的输出端连接所述半桥逆变器电路的负载端具体是指所述半桥逆变器电路的输出端通过所述滤波电感连接所述半桥逆变器电路的负载端。所述滤波电感用于滤除开关频率的谐波，从而获得几乎正弦的负载电流。
可选地，所述第二电路模块中的每个开关电路支路至少包括一个双向开关。其中，每个所述双向开关的第一端连接该双向开关所在开关电路支路的第一端，每个所述双向开关的第二端连接该双向开关所在开关电路支路的第二端
可选地，所述第一电路模块中的位于第一端和第二端之间的电路支路以及位于第一端和第三端之间的电路支路均至少包括一个双向开关。
可选地，所述半桥逆变器电路中的第一电路模块包括第一双向开关、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管。
第一二极管正极连接所述第一电路模块的第一端，第一二极管负极连接第一双向开关的第一端。第三二极管负极连接第一二极管负极，第三二极管正极连接所述第一电路模块的第三端。第二二极管负极连接第一二极管正极，第二二极管正极同时连接第一双向开关的第二端和第四二极管正极。第四二极管负极连接所述第一电路模块的第二端。
可选地，所述半桥逆变器电路中的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、第二二极管的公共端连接所述第一电路模块的第一端。
可选地，所述半桥逆变器电路中的第一电路模块包括第一双向开关、第二双向开关和八个二极管。
第一二极管的负极连接第一双向开关的第一端，第一二极管的正极连接第二二极管的负极。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、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、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、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、第八二极管的公共端连接所述第一电路模块的第三端。
可选地，所述半桥逆变器电路中的第二电路模块替换为另一第二电路模块；所述另一第二电路模块包括悬浮电容、第一限流电感、第二限流电感以及八个双向开关；
第一双向开关的第一端连接第一直流电源的正极，第一双向开关的第二端同时连接第一电路模块的第三端和第二限流电感的第一端；第二双向开关的第一端同时连接第一电路模块的第二端和第一限流电感的第一端，第二双向开关的第二端连接第二直流电源的负极；第三双向开关的第二端连接第一双向开关的第一端，第三双向开关的第一端连接第五双向开关的第一端；第五双向开关的第二端同时连接第一限流电感的第二端和悬浮电容正极；第六双向开关的第一端同时连接第二限流电感的第二端和悬浮电容负极，第六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第二双向开关的第二端；第七双向开关的第一端连接悬浮电容正极，第七双向开关的第二端连接第八双向开关的第一端；第八双向开关的第二端连接悬浮电容负极；第七双向开关、第八双向开关的公共端连接第二电路模块的输出端。
可选地，所述半桥逆变器电路中的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、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。
可选地，所述单相五电平逆变器拓扑电路还包括两个串联连接的直流电源；所述半桥逆变器电路的负载端通过负载连接两个直流电源的公共端。
第二方面，本发明提供了一种三相五电平逆变器拓扑电路，包括三个第一方面提供的单相五电平逆变器拓扑电路。其中，所述三个单相五电平逆变器拓扑电路输入侧并联连接，所述三个单相五电平逆变器拓扑电路的交流输出端用于一对一连接三相交流电网或三相交流负载的三个交流电压输出端。
本发明提供的单相五电平逆变器拓扑电路包括一个半桥逆变器电路。该半桥逆变器电路含有一个悬浮电容并且输出五个互不相同的电平，包括零电平。该单相五电平逆变器拓扑电路采用五电平半桥结构，只需要一个交流滤波电感，因此降低了系统成本和体积，完全消除了漏电流，效率高。本发明还公开了三相五电平逆变器拓扑电路。在相同的运行条件下，本发明提供的五电平逆变器拓扑电路采用了悬浮电容，其电压利用率是现有半桥五电平逆变器拓扑电路的两倍，而且不需要附加电路，直流侧中点电压就可以自动平衡。另外，由于采用的是五电平结构，因此，交流滤波感抗比三电平半桥逆变器的交流滤波感抗小。
本发明提供了一种五电平逆变器拓扑电路，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。通过参考附图会更加清楚地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：
图1为本发明实施例提供的一种单相五电平逆变器拓扑电路的电路原理部分方框图；
图2(a)为本发明实施例提供的含有一种第二电路模块M2的单相五电平逆变器拓扑电路的电路原理部分方框图；
图2(b)为本发明实施例提供的含有另一种第二电路模块M2的单相五电平逆变器拓扑电路的电路原理部分方框图；
图3为本发明实施例提供的单相五电平逆变器拓扑电路中的第一电路模块M1的第一种电路原理示意图；
图4为本发明实施例提供的单相五电平逆变器拓扑电路中的第一电路模块M1的第二种电路原理示意图；
图5为本发明实施例提供的单相五电平逆变器拓扑电路中的第一电路模块M1的第三种电路原理示意图；
图6为本发明实施例提供的单相五电平逆变器拓扑电路中的第一电路模块M1的第四种电路原理示意图；
图7为本发明实施例提供的含有图3所示的第一电路模块M1的单相五电平逆变器拓扑电路电路原理示意图；
图8为本发明实施例提供的图7所示的单相五电平逆变器拓扑电路的第一种工作模态示意图；
图9为本发明实施例提供的图7所示的单相五电平逆变器拓扑电路的第二种工作模态示意图；
图10为本发明实施例提供的图7所示的单相五电平逆变器拓扑电路的第三种工作模态示意图；
图11为本发明实施例提供的图7所示的单相五电平逆变器拓扑电路的第四种工作模态示意图；
图12为本发明实施例提供的图7所示的单相五电平逆变器拓扑电路的第五种工作模态示意图；
图13为本发明实施例提供的图7所示的单相五电平逆变器拓扑电路的第六种工作模态示意图；
图14(a)为本发明实施例提供的单相五电平逆变器拓扑电路的等效方框图。
图14(b)为本发明实施例提供的基于图14(a)所示等效电路的三相五电平逆变器拓扑电路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
Figure GDA0002326701700000091
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逆变器拓扑电路。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，本发明实施例中使用的术语“Vdc”表示直流电源电压，M1、M2分别表示半桥逆变器电路中的第一电路模块和第二电路模块，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。
为了叙述方便，逆变器交流输出电压的峰峰值与最小直流输入电压的比值定义为电压利用率。本发明实施例中，最小直流输入电压等于直流电源电压Vdc。
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。本发明中的单方向导通元件也可以采用二极管之外的其它单方向导通器件。
为了叙述方便，开关MOSFET被用作代表本发明中的可控型(导通和关断)开关管，但本发明中的可控型元件不限定于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。本发明中的每个可控型元件的控制端施加一个驱动控制信号。简洁起见，后面不再赘述。本发明中的可控型元件也可以采用MOSFET之外的其它可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。
简洁起见，术语“公共端”是指第一元器件和第二元器件的连接处。
本发明实施例提供的五电平逆变器拓扑电路，能够和两个串联连接的直流电源一起使用以解决上述的技术问题。所述五电平逆变器拓扑电路至少包括一个半桥逆变器电路。所述半桥逆变器电路能够输出五个互不相同的电平，其中包括零电平。所述半桥逆变器电路包括第一电路模块和第二电路模块，其中第二电路模块至少包括一个悬浮电容。所述第一电路模块包括至少两个连接在两个直流电源中的任一个与第二电路模块之间的电路支路，且所述两个电路支路延伸连接到第二电路模块内部的悬浮电容。所述悬浮电容由第一直流电源或第二直流电源充电。所述半桥逆变器电路的负载由第一直流电源或者第二直流电源供电，或者，所述半桥逆变器电路的负载由第一直流电源与悬浮电容代数叠加或者第二直流电源与悬浮电容代数叠加后供电。
根据本发明实施例上述核心思想，结合附图对实施例进行详细阐述。
图1给出了一种单相五电平逆变器拓扑电路的电路原理部分方框图。所述单相五电平逆变器拓扑电路和两个串联连接的电容(第一电容C1、第二电容C2)连接。其中，第一电容C1作为第一直流电源，第二电容C2作为第二直流电源。所述单相五电平逆变器拓扑电路包括一个半桥逆变器电路。所述半桥逆变器电路输出五个互不相同的电平，包括零电平。
所述半桥逆变器电路包括第一电路模块M1和第二电路模块M2。
第一电路模块M1包括第一端I1、第二端I2、第三端I3，主要设计为提供至少三种工作模态：模态一是将第一端I1和第二端I2连接，并断开第三端I3与第一端I1的连接，以及断开第三端I3与第二端I2的连接；模态二是将第一端I1和第三端I3连接，并断开第二端I2与第一端I1的连接，以及断开第二端I2与第三端I3的连接；模态三：断开三个端子中任意两个端子之间的连接。具体来说，可以包括至少两个电路支路，其中一个电路支路位于第一端I1与第二端I2之间，另一个电路支路位于第一端I1与第三端I3之间。第一端I1连接第一电容C1和第二电容C2的公共端Ux。
所述第二电路模块M2包括四个输入端Iin-1～Iin-4、一个输出端Iout和一个悬浮电容Cs、一个限流电感Ls。除此之外还包括拓扑控制部分每个输入端与输出端Iout之间至少有一个电路支路。所述第二电路模块M2接收任意两个不同的输入端之间的输入信号，通过输出端Iout输出五个互不相同的电平，包括零电平。对应于所提供五种不同的电平，所述拓扑控制部分设计为是的第二电路模块M2提供五种不同的工作模态，具体来说包括：
针对四个输入端和一个输出端；
模态一：将限流装置和悬浮电容串联后连接在第一输入端和输出端之间，断开其他端与端之间的连接；模态二：将限流装置连接在第一输入端和输出端之间，将悬浮电容连接在第四输入端和输出端之间，断开其他端与端的连接；模态三：将限流装置和悬浮电容串联后连接在第一输入端和输出端之间且导通第四输入端与输出端之间的连接，断开其他端与端的连接；或者将限流装置和悬浮电容串联后连接在第二输入端和输出端之间且导通第三输入端与输出端之间的连接，断开其他端与端的连接；模态四：将限流装置连接在第二输入端和输出端之间，将悬浮电容连接在第三输入端和输出端之间，断开其他端与端的连接；模态五：将限流装置和悬浮电容串联后连接在第二输入端和输出端之间，断开其他端与端之间的连接。
所述第一电路模块M1的第二端I2连接所述第二电路模块M2的第三输入端Iin-3，第一电路模块M1的第三端I3连接所述第二电路模块M2的第四输入端Iin-4。所述第二电路模块M2的第一输入端Iin-1连接第一电容C1的正极，第二输入端Iin-2连接第二电容C2的负极。所述第二电路模块M2的输出端Iout连接交流滤波电感L1的第一端，交流滤波电感L1的第二端连接交流电网或交流负载的第一端。第一电容C1和第二电容C2的公共端Ux连接交流电网或交流负载的第二端。
限流电感Ls是一种限流装置。此处也可以采用其它限流装置，比如以下一种或者几种的组合：电感；电阻；运行在有源模态或线性模态的半导体器件。另外，限流电感Ls和交流滤波电感L1共同作用滤除开关频率的谐波，从而获得几乎正弦的负载电流。限流电感Ls的感抗很小。更准确地说，限流电感Ls的感抗只需要交流滤波电感L1感抗的百分之一就够了。因此，限流电感Ls的电压非常小，甚至可以忽略。
所述限流装置用于抑制悬浮电容Cs充电时的冲击电流。也就是说，所述限流装置构成悬浮电容Cs充电回路的一部分。
所述第一电路模块M1的基本功能是(1)给悬浮电容Cs提供充电路径，使悬浮电容Cs电压值等于或者非常接近于第一电容C1(第二电容C2)电压；(2)当悬浮电容Cs充电时，抑制冲击电流。所述第一电路模块M1的第一端I1和第二端I2之间的电路支路或者第一端I1和第三端I3之间的电路支路构成从第一电容C1(即第一直流电源)或第二电容C2(即第二直流电源)到悬浮电容Cs之间的部分充电路径。
图2(a)给出了第二电路模块M2的一种电路原理示意图。所述第二电路模块M2包括悬浮电容Cs、六个开关电路支路和一个限流电感Ls。每个开关电路支路至少包括一个双向开关。为了叙述方便，每个所述双向开关的下标符号和该双向开关所在的开关电路支路的顺序号相同，比如，第一开关电路支路中的双向开关为T1。
第一双向开关T1的第一端连接所述第一电容C1正极，第一双向开关T1的第二端连接第二双向开关T2的第一端。第二双向开关T2的第二端连接所述第二电容C2负极。第三双向开关T3的第一端同时连接所述第一电路模块M1的第二端I2和所述悬浮电容Cs的正极，第三双向开关T3的第二端连接第四双向开关T4的第一端。第四双向开关T4的第二端同时连接所述第一电路模块M1的第三端I3和所述悬浮电容Cs的负极。第三、第四双向开关的公共端通过限流电感Ls连接第一、第二双向开关的公共端。
第五双向开关T5的第一端连接所述悬浮电容Cs的正极，第五双向开关T5的第二端连接第六双向开关T6的第一端。第六双向开关T6的第二端连接所述悬浮电容Cs的负极。第五、第六双向开关的公共端通过交流滤波电感L1连接交流电网或交流负载的第一端。第一电容C1与第二电容C2的公共端连接交流电网或交流负载的第二端。
图2(a)中的限流电感Ls可以采用两个限流电感代替。第一限流电感工作在电网电压的正半周而第二限流电感不工作，第二限流电感工作在电网电压的负半周而第一限流电感不工作。图2(b)给出了两个限流电感的电路连接示意图，但两个限流电感的电路连接方式并不限于图2(b)给出的连接方式。
图2(b)给出了第二电路模块M2的另一种电路原理示意图。所述第二电路模块M2包括悬浮电容Cs、八个双向开关T1～T8和两个限流电感Ls1、Ls2。
第一双向开关T1的第一端连接所述第一电容C1正极，第一双向开关T1的第二端连接所述第一电路模块M1的第三端I3和第二限流电感Ls2第一端。第二双向开关T2的第一端连接所述第一电路模块M1的第二端I2和第一限流电感Ls1第一端。第二双向开关T2的第二端连接所述第二电容C2负极。第三双向开关T3的第一端连接第五双向开关T5的第一端，第三双向开关T3的第二端连接第一双向开关T1的第一端。第五双向开关T5的第二端同时连接第一限流电感Ls1第二端和所述悬浮电容Cs的正极。第六双向开关T6的第一端同时连接第二限流电感Ls2第二端和所述悬浮电容Cs的负极。第六双向开关T6的第二端连接第四双向开关T4的第二端，第四双向开关T4的第一端连接第二双向开关T2的第二端。第七双向开关T7的第一端连接所述悬浮电容Cs的正极，第七双向开关T7的第二端连接第八双向开关T8的第一端。第八双向开关T8的第二端连接所述悬浮电容Cs的负极。第七、第八双向开关的公共端通过交流滤波电感L1连接交流电网或交流负载的第一端。
同时，第一电容C1与第二电容C2的公共端连接交流电网或交流负载的第二端。
图3给出了本发明实施例提供的单相五电平逆变器拓扑电路中的第一电路模块M1的第一种电路原理示意图。所述第一电路模块M1进一步包括第一双向开关T31、第一二极管D31、第二二极管D32、第三二极管D33和第四二极管D34。
第一二极管D31正极连接所述第一电路模块M1的第一端I1，第一二极管D31负极连接第一双向开关T31的第一端。第三二极管D33负极连接第一二极管D31负极，第三二极管D33正极连接所述第一电路模块M1的第三端I3。第二二极管D32负极连接第一二极管D31正极，第二二极管D32正极连接第一双向开关T31的第二端。同时，第四二极管D34正极连接第二二极管D32正极。第四二极管D34负极连接所述第一电路模块M1的第二端I2。
图4给出了本发明实施例提供的单相五电平逆变器拓扑电路中的第一电路模块M1的第二种电路原理示意图。所述第一电路模块M1进一步包括第一双向开关T41、第二双向开关T42、第一二极管D41和第二二极管D42。
第一二极管D41的正极连接第二二极管D42的负极，第一二极管D41的负极连接第一双向开关T41的第一端。第一双向开关T41的第二端连接所述第一电路模块M1的第二端I2。第二二极管D42的正极连接第二双向开关T42的第二端，第二双向开关T42的第一端连接所述第一电路模块M1的第三端I3。第一、第二二极管的公共端连接所述第一电路模块M1的第一端I1。
图5给出了本发明实施例提供的单相五电平逆变器拓扑电路中的第一电路模块M1的第三种电路原理示意图。所述第一电路模块M1进一步包括第一双向开关T51、第二双向开关T52和八个二极管D51～D58。
第一二极管D51的负极连接第一双向开关T51的第一端，第一二极管D51的正极连接第二二极管D52的负极。第二二极管D52的正极连接第一双向开关T51的第二端。第一、第二二极管的公共端连接所述第一电路模块M1的第一端I1。第三二极管D53的正极连接第四二极管D54的负极，第三二极管D53的负极连接第一双向开关T51的第一端。第四二极管D54的正极连接第一双向开关T51的第二端。第三、第四二极管的公共端连接所述第一电路模块M1的第二端I2。
第五二极管D55的正极连接第六二极管D56的负极，第五二极管D55的负极连接第二双向开关T52的第一端。第六二极管D56的正极连接第二双向开关T52的第二端。第五、第六二极管的公共端连接所述第一电路模块M1的第一端I1。第七二极管D57的正极连接第八二极管D58的负极，第七二极管D57的负极连接第二双向开关T52的第一端。第八二极管D58的正极连接第二双向开关T52的第二端。第七、第八二极管的公共端连接所述第一电路模块M1的第三端I3。
图6给出了本发明实施例提供的单相五电平逆变器拓扑电路中的第一电路模块M1的第四种电路原理示意图。所述第一电路模块M1进一步包括第一双向开关T61、第二双向开关T62、第三双向开关T63和第四双向开关T64。
第一双向开关T61的第二端连接第二双向开关T62的第一端，第一双向开关T61的第一端连接第三双向开关T63的第一端。第三双向开关T63的第二端连接所述第一电路模块M1的第二端I2。第一、第二双向开关的公共端连接所述第一电路模块M1的第一端I1。同时，第二双向开关T62的第二端连接第四双向开关T64的第二端，第四双向开关T64的第一端连接所述第一电路模块M1的第三端I3。
如图7所示，以带有图3所示第一电路模块M1和图2(a)所示第二电路模块M2的单相五电平逆变器为例，说明本发明提供的单相五电平逆变器的工作原理。下面给出了六个工作模态。
根据本实施例，假设直流电源的直流输出电压为Vdc。术语“VLs”用于表示当附图中的限流电感Ls电流从左流向右时的限流电感电压。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0.5Vdc。由于悬浮电容Cs由第一电容C1或第二电容C2充电，因此，所述悬浮电容电压为0.5Vdc与电压VLs的代数叠加和。限流电感Ls的感抗非常小，因此，电压VLs可以忽略不计。所以悬浮电容电压非常接近于0.5Vdc。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单相五电平逆变器的第一工作模态如图8所示。正向电流路径为：C1→T1→Ls→T4→Cs→T5→L1→G→C1；负向电流路径为：C1→G→L1→T5→Cs→T4→Ls→T1→C1。该阶段第一电路模块M1工作在其模态三，第二电路模块M2工作在其模态一。逆变器输出电压UOX等于所述悬浮电容电压和第一电容电压以及负的电压VLs之和，即UOX＝0.5Vdc+0.5Vdc-VLs≈Vdc。
本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第二工作模态如图9所示。正向电流路径为：C1→T1→Ls→T3→T5→L1→G→C1。负向电流路径为：C1→G→L1→T5→T3→Ls→T1→C1。该阶段第一电路模块M1工作在其模态一，第二电路模块M2工作在其模态二。逆变器输出电压UOX等于第一电容电压与负的电压VLs之和，即UOX＝0.5Vdc-VLs≈0.5Vdc。
第二工作模态下，悬浮电容Cs由第一电容C1充电。充电回路为：C1→T1→Ls→T3→Cs→D33→T31→D32→C1。
本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第三工作模态如图10所示。正向电流路径为：C1→T1→Ls→T3→Cs→T6→L1→G→C1。负向电流路径为：C1→G→L1→T6→Cs→T3→Ls→T1→C1。该阶段第一电路模块M1工作在其模态一，第二电路模块M2工作在其模态三。逆变器输出电压UOX等于第一电容电压与负的悬浮电容电压以及负的电压VLs之和，即UOX＝0.5Vdc+(-0.5Vdc)-VLs≈0。此时悬浮电容Cs的充电回路和第二模态的充电回路相同。
本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第四工作模态如图11所示。正向电流路径为：D31→T31→D34→T5→L1→G→D31。此时悬浮电容Cs的充电回路：D31→T31→D34→Cs→T4→Ls→T2→C2。该阶段第一电路模块M1工作在其模态二，第二电路模块M2工作在其模态三。逆变器输出电压UOX等于悬浮电容电压与负的第二电容电压以及负的电压VLs之和，即UOX＝0.5Vdc+(-0.5Vdc)-VLs≈0。
本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第五工作模态如图12所示。正向电流路径为：D31→T31→D34→Cs→T6→L1→G→D31。该阶段第一电路模块M1工作在其模态二，第二电路模块M2工作在其模态四。此时第二电容C2为悬浮电容Cs充电，充电回路和第四模态的充电回路相同。逆变器输出电压UOX等于负的悬浮电容电压与负的电压VLs之和，即UOX＝-0.5Vdc-VLs≈-0.5Vdc。
本发明实施例提供的单相五电平逆变器的第六工作模态如图13所示。正向电流路径为：C2→T2→Ls→T3→Cs→T6→L1→G→C2。负向电流路径为：C2→G→L1→T6→Cs→T3→Ls→T2→C2。该阶段第一电路模块M1工作在其模态三，第二电路模块M2工作在其模态五。逆变器输出电压UOX等于负的悬浮电容电压与负的第二电容电压以及负的电压VLs之和，即UOX＝(-0.5Vdc)+(-0.5Vdc)-VLs≈-Vdc。
通过控制相应的开关管导通或关断，图7所示的单相五电平逆变器在上述的六种工作模态下交替工作，从而获得需要的逆变输出电压。
由于电压VLs非常小，可以忽略不计。在第一工作模态下，所述单相五电平逆变器输出电压UOX等于所述悬浮电容电压和第一电容电压之和；在第六工作模态下，所述单相五电平逆变器输出电压UOX等于负的悬浮电容电压与负的第二电容电压之和。因此，所述单相五电平逆变器输出电压的峰峰值等于2Vdc。根据本发明中关于电压利用率的定义，所述单相五电平逆变器的电压利用率等于二。但是，现有单相五电平半桥逆变器(无悬浮电容)的电压利用率等于一。因此，在相同的运行条件下，本发明提供的单相五电平逆变器的电压利用率是现有单相五电平半桥逆变器电压利用率的两倍。由于所述单相五电平逆变器输出五个包括零在内的相互不同的电平，因此纹波电压小于单相三电平逆变器的纹波电压。所以，滤波电感L1的感抗小于单相三电平逆变器中的对应电感感抗。
由于限流电感Ls既作为限流装置工作又作为滤波电感工作，因此，它不需要续流回路。
图14(a)是本发明实施例提供的单相五电平逆变器拓扑电路的等效方框图。如图14(a)所示，定义第二电路模块M2的第一输入端为所述单相五电平逆变器拓扑电路的第一直流输入端，类似地，第一电路模块M1的第一端为其第二直流输入端，第二电路模块M2的第二输入端为其第三直流输入端，第二电路模块M2的输出端为其输出端。
图14(b)是基于图14(a)中的等效电路的三相五电平逆变器拓扑电路的部分方框电路图。如图14(b)所示，所述三相五电平逆变器拓扑电路包括三个所述单相五电平逆变器拓扑电路。所述三个单相五电平逆变器拓扑电路输入侧并联连接。也就是说，所述三个单相五电平逆变器拓扑电路的第一直流输入端均连接第一电容C1正极，第二直流输入端均连接第一电容C1与第二电容C2的公共端，第三直流输入端均连接第二电容C2负极。所述三个单相五电平逆变器拓扑电路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逆变器拓扑电路中的每个第一电路模块M1可以采用图3至图6所示的任一个电路。这三个第一电路模块M1优先选择相同的电路以便于集成，比如，都采用图3所示的电路。
注意，实际应用中广泛使用三相交流电压，因此，以三相五电平逆变器拓扑电路为例进行说明。采用上述方法，本领域的普通技术人员不付出创造性的劳动获得的其它多相结构，比如四相，五相等，都应视为属于本发明保护的范围。
在相同的运行条件下，本发明提供的三相五电平逆变器的电压利用率是现有三相五电平半桥逆变器的两倍，因此其电流减小了一半。所以，本发明提供的三相五电平逆变器采用的器件成本低，交流滤波感抗小。
由于直流侧两个直流电源以同等的机率给悬浮电容充电，因此直流侧的中点电压可以自动平衡。也就是说，不需要附加电路，本发明提供的五电平逆变器直流侧的中点电压就可以平衡。
本发明提供的五电平逆变器拓扑电路，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电路利用对称特性得到的拓扑电路，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种单相五电平逆变器拓扑电路，适于和两个串联连接的直流电源一起使用，其特征在于，包括：一个半桥逆变器电路；所述半桥逆变器电路包括第一电路模块和第二电路模块；
所述第一电路模块的第一端连接所述两直流电源的公共端，第二端连接第二电路模块的第三输入端，第三端连接第二电路模块的第四输入端；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：对于三个端子，仅将第一端与第二端连接；模态二，对于三个端子，仅将第一端与第三端连接；模态三：断开三个端子中任意两个端子之间的连接；
所述第二电路模块包括限流装置、悬浮电容和拓扑控制部分；所述第二电路模块的第一输入端适于连接第一直流电源的正极，第二输入端适于连接第二直流电源的负极；输出端连接所述半桥逆变器电路的负载端；所述第二电路模块的拓扑控制部分连接若干控制端，适于在控制端接入的控制信号的控制下，使得第二电路模块提供至少五种工作模态：针对四个输入端和一个输出端；
模态一：将限流装置和悬浮电容串联后连接在第一输入端和输出端之间，断开其他端与端之间的连接；模态二：将限流装置连接在第一输入端和输出端之间，将悬浮电容连接在第四输入端和输出端之间，断开其他端与端的连接；模态三：将限流装置和悬浮电容串联后连接在第一输入端和输出端之间且导通第四输入端与输出端之间的连接，断开其他端与端的连接；或者将限流装置和悬浮电容串联后连接在第二输入端和输出端之间且导通第三输入端与输出端之间的连接，断开其他端与端的连接；模态四：将限流装置连接在第二输入端和输出端之间，将悬浮电容连接在第三输入端和输出端之间，断开其他端与端的连接；模态五：将限流装置和悬浮电容串联后连接在第二输入端和输出端之间，断开其他端与端之间的连接。
2.根据权利要求1所述的单相五电平逆变器拓扑电路，其特征在于，
所述第一电路模块包括两个电路支路；第一电路支路连接在第一端与第二端之间；第二电路支路连接在第一端与第三端之间；每一个电路支路均还对应连接控制信号端，适于在控制信号端接入的关断控制信号下关断，在控制信号端接入的导通信号下导通。
3.根据权利要求1所述的单相五电平逆变器拓扑电路，其特征在于，所述限流装置包括以下一种或者几种的组合：电感；电阻；运行在有源模态或线性模态的半导体器件。
4.根据权利要求2所述的单相五电平逆变器拓扑电路，其特征在于，所述第一电路模块的第一端与第二端之间的任一个电路支路包括至少一个双向开关；所述第一电路模块的第一端与第三端之间的任一个电路支路包括至少一个双向开关。
5.根据权利要求1所述的单相五电平逆变器拓扑电路，其特征在于，所述半桥逆变器电路中的第二电路模块中的拓扑控制部分包括六个开关电路支路；
第一开关电路支路的第一端连接所述第二电路模块的第一输入端，第一开关电路支路的第二端连接第二开关电路支路的第一端；
第二开关电路支路的第二端连接所述第二电路模块的第二输入端；
第三开关电路支路的第一端同时连接所述第二电路模块的第三输入端和所述悬浮电容的正极，第三开关电路支路的第二端连接第四开关电路支路的第一端；
第四开关电路支路的第二端同时连接所述第二电路模块的第四输入端和所述悬浮电容的负极；第三开关电路支路、第四开关电路支路的公共端通过限流装置连接第一开关电路支路、第二开关电路支路的公共端；
第五开关电路支路的第一端连接所述悬浮电容的正极，第五开关电路支路的第二端连接第六开关电路支路的第一端；第六开关电路支路的第二端连接所述悬浮电容的负极；第五开关电路支路、第六开关电路支路的公共端连接所述第二电路模块的输出端。
6.根据权利要求5所述的单相五电平逆变器拓扑电路，其特征在于，所述六个开关电路支路中的任一个至少包括一个双向开关；每个双向开关的第一端连接该双向开关所在开关电路支路的第一端，每个双向开关的第二端连接该双向开关所在开关电路支路的第二端。
7.根据权利要求1所述的单相五电平逆变器拓扑电路，其特征在于，所述半桥逆变器电路中的第二电路模块替换为另一第二电路模块；所述另一第二电路模块包括悬浮电容、第一限流电感、第二限流电感以及八个双向开关；
第一双向开关的第一端连接第一直流电源的正极，第一双向开关的第二端同时连接第一电路模块的第三端和第二限流电感的第一端；第二双向开关的第一端同时连接第一电路模块的第二端和第一限流电感的第一端，第二双向开关的第二端连接第二直流电源的负极；第三双向开关的第二端连接第一双向开关的第一端，第三双向开关的第一端连接第五双向开关的第一端；第五双向开关的第二端同时连接第一限流电感的第二端和悬浮电容正极；第六双向开关的第一端同时连接第二限流电感的第二端和悬浮电容负极，第六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第二双向开关的第二端；第七双向开关的第一端连接悬浮电容正极，第七双向开关的第二端连接第八双向开关的第一端；第八双向开关的第二端连接悬浮电容负极；第七双向开关、第八双向开关的公共端连接第二电路模块的输出端。
8.根据权利要求1所述的单相五电平逆变器拓扑电路，其特征在于，所述半桥逆变器电路还包括：滤波电感；
所述半桥逆变器电路的输出端连接所述半桥逆变器电路的负载端具体是指所述半桥逆变器电路的输出端通过所述滤波电感连接所述半桥逆变器电路的负载端。
9.根据权利要求4所述的单相五电平逆变器拓扑电路，其特征在于，所述半桥逆变器电路中的第一电路模块包括第一双向开关、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；
第一二极管正极连接所述第一电路模块的第一端，第一二极管负极连接第一双向开关的第一端；第三二极管负极连接第一二极管负极，第三二极管正极连接所述第一电路模块的第三端；第二二极管负极连接第一二极管正极，第二二极管正极同时连接第一双向开关的第二端和第四二极管正极；第四二极管负极连接所述第一电路模块的第二端。
10.根据权利要求4所述的单相五电平逆变器拓扑电路，其特征在于，所述半桥逆变器电路中的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、第二二极管的公共端连接所述第一电路模块的第一端。
11.根据权利要求4所述的单相五电平逆变器拓扑电路，其特征在于，所述半桥逆变器电路中的第一电路模块包括第一双向开关、第二双向开关和八个二极管；
第一二极管的负极连接第一双向开关的第一端，第一二极管的正极连接第二二极管的负极；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、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、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、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、第八二极管的公共端连接所述第一电路模块的第三端。
12.根据权利要求4所述的单相五电平逆变器拓扑电路，其特征在于，所述半桥逆变器电路中的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、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。
13.根据权利要求1所述的单相五电平逆变器拓扑电路，其特征在于，还包括两个串联连接的直流电源；所述半桥逆变器电路的负载端通过负载连接两个直流电源的公共端。
14.一种三相五电平逆变器拓扑电路，其特征在于，包括三个单相五电平逆变器拓扑电路；每一个单相五电平逆变器拓扑电路均为如权利要求1至13任一项所述的单相五电平逆变器拓扑电路；其中，所述三个单相五电平逆变器拓扑电路输入侧并联连接，所述三个单相五电平逆变器拓扑电路的交流输出端用于一对一连接三相交流电网或三相交流负载的三个交流电压输出端。
15.根据权利要求14所述的三相五电平逆变器拓扑电路，其特征在于，所述三个单相五电平逆变器拓扑电路中的第一电路模块采用相同的电路。
16.根据权利要求14所述的三相五电平逆变器拓扑电路，其特征在于，所述三个单相五电平逆变器拓扑电路中的第二电路模块采用相同的电路。
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