三电平功率转换系统和方法与流程

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2018年11月26日提交的申请号为62/771,438、发明名称为“三电平功率转换系统和方法”的美国临时申请的优先权，其全部内容结合于此作为参考。

本公开涉及一种三电平电源总线装置和方法，并且在特定实施例中，涉及一种用于在太阳能转换系统中传输能量的三电平电源总线装置和方法。

背景技术：

可再生能源包括太阳能、风能、潮汐能等。太阳能转换系统可以包括串联连接或并联连接的多个太阳能板。太阳能板的输出端可以生成可根据各种因素(例如一天中的时间、位置、以及太阳跟踪能力)变化的直流(dc)电压。为了调节太阳能板的输出，太阳能板的输出端可以耦合到直流/直流转换器，以在直流/直流转换器的输出端产生调节的输出电压。此外，太阳能板可以通过电池充电控制装置与备用电池系统连接。白天，备用电池通过太阳能板的输出端进行充电。当电力公用事业故障或太阳能板为离网电力系统时，备用电池为耦合到太阳能板的负载提供电力。

由于大多数的应用可以设计为以120伏交流(ac)电运行，因此采用太阳能逆变器将光伏模块的可变直流输出转换为120伏交流电源。可以采用多个多电平逆变器拓扑来实现高功率以及从太阳能到公用电力的高效转换。特别地，可以使用一系列功率半导体开关，通过合成阶梯电压波形将多个低压直流电源转换为高功率交流输出，来实现高功率交流输出。

多电平逆变器可以分为三类，即二极管钳位多电平逆变器、飞跨电容器多电平逆变器、以及级联h桥多电平逆变器。此外，多电平逆变器可以采用不同的脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation，pwm)技术，例如正弦pwm(sinusoidalpwm，spwm)、选择性谐波消除pwm、空间矢量调制等。多电平逆变器是用于诸如可再生电源的实用程序接口、柔性交流输电系统、中压电机驱动系统等高功率和中功率应用的通用功率拓扑。

二极管钳位多电平逆变器通常称为三电平中性点钳位(neutralpointclamped，npc)逆变器。三电平npc逆变器需要两个串联的电容器耦合在输入直流总线之间。每个电容器充电到相等的电位。此外，三电平npc逆变器可以包括四个开关元件和两个钳位二极管。钳位二极管有助于将开关元件上的电压应力降低到一个电容器电压水平。

npc逆变器利用阶梯波形来生成交流输出。这种阶梯波形类似于期望的正弦波形。因此，npc逆变器的输出电压可以具有较低的总谐波失真(totalharmonicdistortion，thd)。此外，阶梯波形可以减小电压应力。因此，可以改善npc逆变器的电磁兼容性(electromagneticcompatibility，emc)性能。

技术实现要素：

通过提供用于改善太阳能系统的性能的三电平电压总线的本公开的优选实施例，总体上解决或避免了这些问题和其他问题，并且总体上实现了技术优点。

根据实施例，一种装置包括第一电压总线、第二电压总线、以及第三电压总线。第一电压总线连接到多个三电平功率转换单元。第二电压总线连接到上述多个三电平功率转换单元。第三电压总线连接到上述多个三电平功率转换单元。第一电压总线和第三电压总线通过上述多个三电平功率转换单元中的至少一个三电平功率转换单元参考第二电压总线进行调节。

上述多个三电平功率转换单元包括三电平升压转换器、三电平降压转换器、逆变器、以及电感-电感-电容器(inductor-inductor-capacitor，llc)转换器，并且其中，三电平升压转换器、三电平降压转换器、逆变器、以及llc转换器的输出/输入端子通过第一电压总线、第二电压总线、以及第三电压总线连接在一起。三电平升压转换器连接在太阳能板阵列与第一电压总线、第二电压总线、以及第三电压总线之间。三电平降压转换器连接在储能单元与第一电压总线、第二电压总线、以及第三电压总线之间。逆变器连接在电网与第一电压总线、第二电压总线、以及第三电压总线之间。llc转换器连接在直流负载与第一电压总线、第二电压总线、以及第三电压总线之间。

储能单元是基于电池的储能单元。直流负载包括用于对电动车辆充电的充电器。在一些实施例中，逆变器是中性点钳位逆变器，并且其中，逆变器的中性点连接到第二电压总线。在替代实施例中，逆变器包括第一中性点钳位逆变器、第二中性点钳位逆变器、以及第三中性点钳位逆变器。第一中性点钳位逆变器通过第一星形-三角形变压器连接到三相电力系统的第一相。第二中性点钳位逆变器通过第二星形-三角形变压器连接到三相电力系统的第二相。第三中性点钳位逆变器通过第三星形-三角形变压器连接到三相电力系统的第三相。第一星形-三角形变压器、第二星形-三角形变压器、以及第三星形-三角形变压器的中性线连接到第二电压总线。

在一些实施例中，上述多个三电平功率转换单元包括通过第一电压总线、第二电压总线、以及第三电压总线连接在一起的第一三电平升压转换器、第二三电平升压转换器、逆变器、以及三电平降压转换器。在替代实施例中，上述多个三电平功率转换单元包括通过第一电压总线、第二电压总线、以及第三电压总线连接在一起的第一llc转换器、第二llc转换器、逆变器、以及三电平升压转换器。

在一些实施例中，上述多个三电平功率转换单元包括通过第一电压总线、第二电压总线、以及第三电压总线连接在一起的llc转换器、双输出llc转换器、逆变器、以及三电平升压转换器。三电平升压转换器连接在双有源桥式转换器与第一电压总线、第二电压总线、以及第三电压总线之间。双输出llc转换器的第一输出端和第二输出端堆叠在一起。双输出llc转换器的第一输出端和第二输出端的公共节点连接到第二电压总线。

根据另一实施例，一种方法包括通过第一三电平功率转换器从电源向三电平电压总线装置传输能量。该方法还包括通过逆变器从三电平电压总线装置向电网传输能量，以及通过第二三电平功率转换器在三电平电压总线装置与储能单元之间传输能量。

该方法还包括：通过llc功率转换器从三电平电压总线装置向负载传输能量；调节三电平电压总线装置的电压；以及将第二三电平功率转换器配置为用作双向功率转换器，以在三电平电压总线装置与储能单元之间传输能量。

三电平电压总线装置包括：第一电压总线，第二电压总线、以及第三电压总线，第一电压总线，第二电压总线、以及第三电压总线连接到第一三电平功率转换器、第二三电平功率转换器、逆变器、以及llc功率转换器，并且其中，参考第二电压总线调节第一电压总线和第三电压总线。

第一三电平功率转换器是包括串联连接的四个开关的三电平升压转换器，并且其中，三电平升压转换器的四个开关的中点连接到第二电压总线。第二三电平功率转换器是包括串联连接的四个开关的三电平降压转换器，并且其中，三电平降压转换器的四个开关的中点连接到第二电压总线。逆变器是具有连接到第二电压总线的中性点的中性点钳位逆变器。llc功率转换器包括串联连接的四个开关，并且其中，llc功率转换器的四个开关的中点连接到第二电压总线。

根据另一实施例，一种系统包括第一三电平功率转换器，该第一三电平功率转换器具有连接到三电平电压总线装置的输出端子和用于与太阳能板阵列耦合的输入端子。该系统还包括连接在三电平电压总线装置与电网之间的逆变器，以及连接在三电平电压总线装置与储能单元之间的第二三电平功率转换器。

三电平电压总线装置包括第一电压总线、第二电压总线、以及第三电压总线。第一电压总线连接到第一三电平功率转换器的正输出端子。第二电压总线连接到第一三电平功率转换器的中性点。第三电压总线连接到第一三电平功率转换器的负输出端子，并且其中，第一电压总线、第二电压总线、以及第三电压总线上的电压由第一三电平功率转换器调节。

该系统还包括连接在直流负载与三电平电压总线装置之间的llc转换器。直流负载包括多个电动车辆。

本公开的实施例的优点是，三电平电压总线连接多个三电平功率转换单元，从而改善了太阳能系统的效率、可靠性、以及成本。

前述内容已广泛概述了本公开的特征和技术优点，以便能够更好地理解随后的本公开的具体实施方式。在下文中将描述形成本公开的权利要求的主题的本公开的其他特征和优点。本领域技术人员应理解，公开的概念和特定实施例可以容易地用作修改或设计用于实现本公开的相同目的的其他结构或过程的基础。本领域技术人员还应认识到，这种等同构造不脱离所附权利要求中阐述的本公开的精神和范围。

附图说明

为了更透彻地理解本公开及其优点，现在结合附图参考以下描述，在附图中：

图1示出了根据本公开的各种实施例的三电平功率转换系统的框图；

图2示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的三电平功率转换系统的一部分的第一实施方式的框图；

图3示出了根据本公开的各种实施例的图2所示的三电平功率转换系统的示意图；

图4示出了根据本公开的各种实施例的图2所示的三电平功率转换系统的该部分的第二实施方式的框图；

图5示出了根据本公开的各种实施例的图4所示的三电平功率转换系统的示意图；

图6示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的三电平功率转换系统的另一部分的第一实施方式的框图；

图7示出了根据本公开的各种实施例的图6所示的三电平功率转换系统的示意图；

图8示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的三电平功率转换系统的另一部分的第二实施方式的框图；

图9示出了根据本公开的各种实施例的图8所示的三电平功率转换系统的示意图；

图10示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的三电平功率转换系统的另一部分的第三实施方式的框图；

图11示出了根据本公开的各种实施例的图10所示的三电平功率转换系统的示意图；

图12示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的三电平功率转换系统的另一部分的框图；

图13示出了根据本公开的各种实施例的图12所示的三电平功率转换系统的示意图；

图14示出了根据本公开的各种实施例的另一三电平功率转换系统的框图；

图15示出了根据本公开的各种实施例的图14所示的三电平功率转换系统的示意图；

图16示出了根据本公开的各种实施例的另一三电平功率转换系统的框图；

图17示出了根据本公开的各种实施例的图16所示的三电平功率转换系统的一部分的示意图；

图18示出了根据本公开的各种实施例的图16所示的三电平功率转换系统的另一部分的示意图；

图19示出了根据本公开的各种实施例的另一三电平功率转换系统的框图；

图20示出了根据本公开的各种实施例的图19所示的三电平功率转换系统的一部分的示意图；

图21示出了根据本公开的各种实施例的图19所示的三电平功率转换系统的另一部分的示意图；以及

图22示出了根据本公开的各种实施例的用于控制图1所示的三电平功率转换系统的方法的流程图。

除非另外指出，否则不同附图中的对应数字和符号通常指代对应部分。绘制附图是为了清楚地示出各种实施例的相关方面，并且不一定是按比例绘制的。

具体实施方式

下面详细讨论当前优选实施例的做出和使用。然而，应理解，本公开提供了许多可应用的发明构思，这种发明构思可以在各种特定上下文中体现。所讨论的特定实施例仅说明做出和使用本公开的特定方式，不限制本公开的范围。

将在特定上下文(即三电平逆变器)中针对优选实施例描述本公开。然而，本公开还可以应用于包括五电平逆变器、七电平逆变器、九电平逆变器等各种多电平逆变器。在下文中，将参考附图详细说明各种实施例。

图1示出了根据本公开的各种实施例的三电平功率转换系统的框图。三电平功率转换系统100包括三电平升压转换器110、三电平降压转换器120、逆变器130、以及电感-电感-电容(llc)转换器140。如图1所示，电平升压转换器110、三电平降压转换器120、逆变器130、以及llc转换器140通过三电平电压总线装置连接在一起。三电平电压总线装置包括配置为三电平功率转换系统100中的能量缓冲器的多个电压总线。

如图1所示，第一电压总线101、第二电压总线102、第三电压总线103连接在三电平升压转换器110与逆变器130之间。在整个说明书中，第一电压总线101可替代地称为正电压总线，如字母p所示。第二电压总线102可替代地称为中点电压总线，如字母m所示。第三电压总线103可替代地称为负电压总线，如字母n所示。第一电压总线101、第二电压总线102、第三电压总线103是三电平电压总线装置的一部分。第一电压总线101和第三电压总线103相对于第二电压总线102对称。

三电平电压总线装置进一步扩展到其他功率转换器。如图1所示，电压总线151、152、153连接在三电平降压转换器120与llc转换器140之间。电压总线151、152、153分别电连接到电压总线101、102、103。换句话说，电压总线101和151可以统称为单个实体。同样，电压总线102和152可以统称为单个实体，电压总线103和153可以统称为单个实体。

在一些实施例中，电压p、m、n上的电压完全由三电平功率转换系统100的至少一个转换器调节。在一些实施例中，三电平升压转换器110可以用于维持和调节电压p、m、n上的电压。在替代实施例中，三电平降压转换器120可以用于维持和调节电压p、m、n上的电压。此外，三电平升压转换器110和三电平降压转换器120的组合可以用于维持和调节电压p、m、n上的电压。或者，三电平升压转换器110和三电平降压转换器120可以用于以交替方式调节电压p、m、n上的电压。

在一些实施例中，三电平升压转换器110配置为耦合到太阳能板阵列150。如图1所示，三电平升压转换器110连接在太阳能板阵列150与三电平电压总线装置之间。太阳能板阵列150的输出包括两个电压电平。三电平升压转换器110能够将两个电压电平转换为三个电压电平，即如图1所示的p、m、n。此外，根据设计需求和不同的应用，三电平升压转换器110能够调节电压总线p、m、n上的电压。此外，三电平升压转换器110可以配置为双向功率转换器，在异常操作条件(例如，pid修复/恢复过程)期间，可以通过该双向功率转换器在太阳能板阵列150的输出端子上建立直流电压。

三电平升压转换器110的实施方式可以根据不同的应用和设计需求变化。在一些实施例中，三电平升压转换器110可以包括两个输入电感器(例如，如下图3所示的三电平升压转换器111)。在替代实施例中，三电平升压转换器110可以包括单个输入电感器(例如，如下图5所示的三电平升压转换器112)。

在一些实施例中，三电平降压转换器120配置为耦合到储能单元160。如图1所示，三电平降压转换器120连接在储能单元160与三电平电压总线装置之间。在一些实施例中，三电平降压转换器120配置为用作双向功率转换器。在储能阶段，能量通过三电平降压转换器120从三电平电压总线装置传输到储能单元160。三电平降压转换器120用作降压功率转换器。另一方面，在释能阶段，能量通过三电平降压转换器120从储能单元160传输到三电平电压总线装置。下面将参考图3描述三电平降压转换器120的详细电路配置。

应注意，在释能阶段期间，三电平降压转换器120用作升压功率转换器。此外，三电平降压转换器120能够调节电压总线p、m、n上的电压。

在一些实施例中，逆变器130配置为耦合到三相电网，例如交流电网170。如图1所示，逆变器130连接在交流电网170与三电平电压总线装置之间。或者，逆变器130可以配置为耦合到单相交流负载。

在一些实施例中，逆变器130可以是中性点钳位(npc)逆变器。下面将参考图9描述npc逆变器的详细电路配置。或者，逆变器130可以是有源中性点钳位(activeneutralpointclamped，anpc)逆变器。下面将参考图7描述anpc逆变器的详细电路配置。

在一些实施例中，llc转换器140配置为耦合到直流负载。如图1所示，llc转换器140连接在负载180与三电平电压总线装置之间。llc转换器140将三个电压电平转换为两个电压电平，这两个电压电平被施加到下游转换器。llc转换器140用作三电平直流/直流功率转换器。下面将参考图13描述llc转换器140的详细电路配置。

应注意，上述llc转换器仅是示例性转换器，并且无意限制当前的实施例。负载180与三电平电压总线装置之间的功率转换单元可以实现为各种功率转换器，例如全桥转换器、半桥转换器、正激转换器、反激转换器、其任何组合等。

在一些实施例中，储能单元160可以是包括多个可再充电电池、燃料电池、其任意组合等的电池储能系统。或者，储能单元160可以实现为其他合适的储能系统。例如，储能单元160可以包括压缩空气储能系统、飞轮储能系统、泵送存储系统、超级电容器系统、其任何组合等。

在一些实施例中，负载180可以是指耦合到llc转换器140的输出端的下游转换器。更具体地，下游转换器可以是用于对电动车辆充电的多个充电器。

在操作中，图1的三电平功率转换器之一可以测量和调节电压总线(例如，正电压总线p、负电压总线n、和/或中点电压总线m)上的电压，从而控制三个电压总线的电压平衡。因此，三电平功率转换系统100的逆变器(例如，逆变器130)不再需要处理电压总线不平衡问题和/或负载不平衡问题。这样可以节省成本。此外，调节的总线电压有助于改善三电平功率转换系统100的电路性能。

此外，储能单元160可以有助于改善三电平功率转换系统100的性能。特别地，太阳能板阵列150和储能单元160均耦合到同一三电平电压总线装置，并且形成集成功率转换系统。在这种集成功率转换系统中，可以根据预定的直流-交流比配置太阳能板阵列150的功率容量和储能单元160的功率容量，从而以最低的成本实现最大的太阳能板能量收集。

图1所示的三电平功率转换系统的一个有利特征是，通过采用三电平电压总线，三电平功率转换器(例如，三电平升压转换器110和/或三电平降压转换器120)可以同时调节正电压总线p和负电压总线n。总线电压的调节来自内在能力，而无需额外成本。因此，逆变器130不再需要处理电容器电压平衡问题。这种配置节省了成本。此外，这种配置可以简化pwm控制方案，从而减少开关损耗并提高三电平功率转换系统100的可靠性。

图1所示的三电平功率转换系统的另一优点是不断调节中点电压总线m。可以将这种调节的中点作为中性线或中性点直接提供给逆变器130。通过该中性线，逆变器130能够在100％三相不平衡负载条件下操作。对于电网无关(grid-independent)或微电网(micro-grid)应用，中性线的可用性和在100％三相不平衡负载条件下操作的能力是有利特征。与诸如作为替代解决方案的四相逆变器之类的传统解决方案相比，这降低了成本。此外，图1的系统配置可能不需要负载变压器。相反，三电平功率转换系统100可以在电网馈线上使用变压器隔离栅提供系统隔离，以降低三电平功率转换系统100的总成本。

图1所示的三电平功率转换系统的另一优点是，图1所示的系统配置可以减少来自太阳能板阵列150的泄漏电流。为了检测接地故障和提高太阳能系统的安全性，太阳能行业要求太阳能板阵列和储能单元子系统必须是浮动的。在浮动系统中，在太阳能转换器(例如，三电平升压转换器110)和储能转换器(例如，三电平降压转换器120)之间具有分开的负轨道是有利特征。这种配置有助于避免来自太阳能板阵列的高泄漏电流，从而减小所需的共模滤波器的尺寸。

还应注意，可以在三电平功率转换系统100中采用对称的pwm控制方案。对称的pwm控制方案可以应用于三电平升压转换器和三电平降压转换器。由于具有对称的pwm控制方案，因此与其他三电平升压功率转换器相比，该系统中的三电平升压转换器110可以具有更低的公共节点电压。更低的公共节点电压有助于降低emi滤波器的成本。

图1所示的三电平功率转换系统的另一优点是，三电平功率转换单元的下开关可以用作接地故障断路器。例如，当检测到接地故障时，可以关闭三电平降压转换器和/或三电平升压转换器的一些(例如，较下方的开关)或所有有源开关，以防止接地故障扩散到其他电路分支。这是浮动系统的重要特征。

将三电平电压总线装置连接到三电平升压转换器110和太阳能板阵列150的另一优点是，可以自由地在太阳能板阵列的端子上生成直流电压，该直流电压可以用于太阳能板阵列的电位诱发衰减(potentialinduceddegradation，pid)补偿。此外，将三电平电压总线装置连接到三电平升压转换器可以在pid修复/恢复过程期间在太阳能板阵列的端子上生成直流电压。

此外，作为能量缓冲器，三电平电压总线装置可能会看到由耦合到逆变器的交流负载引起的线路频率纹波。当将中性线提供给交流输出端时，三电平电压总线装置在不平衡负载条件下也可能会看到双线频率纹波。由于这些原因和其他瞬态响应要求，需要较大的耦合到三电平电压总线装置的电容器。来自储能单元160的能量可以有助于减少总线电压纹波。特别地，来自储能单元的能量可以有助于减少不平衡负载条件期间的第二线路频率谐波。由于储能单元可以有助于减少电压总线上的纹波，所以可以减小耦合到电压总线的电容器的尺寸。

三电平电压总线装置可以由多个层叠的总线层形成。中点层可以放置在正电压总线层与负电压总线层之间。这种总线层配置有助于减小实际的绝缘电压应力，从而提高绝缘应力裕度以及系统可靠性。

图2示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的三电平功率转换系统的一部分的第一实施方式的框图。三电平升压转换器111和三电平降压转换器120放置在三电平电压总线装置的相对侧。三电平电压总线装置包括正电压总线p、中点电压总线m、以及负电压总线n。三电平升压转换器111用于将太阳能板阵列150生成的两电平电压转换为三电平电压。三电平降压转换器120用于将三电平电压转换为施加到储能单元160的两电平电压。

图3示出了根据本公开的各种实施例的图2所示的三电平功率转换系统的示意图。三电平升压转换器111包括多个开关、两个输入电感器、两个输入电容器、以及两个输出电容器。

如图3所示，第一输入电容器cin1和第二输入电容器cin2串联连接在太阳能板阵列(如图2所示)的两个输出端子之间。在一些实施例中，第一输入电容器cin1和第二输入电容器cin2具有相同的电容。因此，施加到输入电容器的电压平均分配在每个电容器上。更特别地，第一输入电容器cin1相对于电容器cin1和cin2的公共节点的输出电压为vin/2。同样，第二输入电容器cin2相对于电容器cin1和cin2的公共节点的输出电压为–vin/2。根据一些实施例，电容器cin1和cin2的公共节点连接到中点电压总线m。在整个说明书中，电容器cin1和cin2的公共节点可以可替代地称为三电平功率转换系统的中性点。

应注意，虽然图1示出的三电平升压转换器111具有两个输入电容器(例如，第一电容器c1和第二电容器c2)，但是三电平升压转换器111可以容纳任何数量的输入电容器。限制本文示出的输入电容器的数量仅仅是为了清楚地说明各种实施例的发明性的方面。本公开不限于任何特定数量的输入电容器。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替代、以及修改。

三电平升压转换器111包括串联连接在正电压总线p与负电压总线n之间的开关s11、s12、s13、s14。如图3所示，第一电感器l1连接到开关s11和s12的公共节点。第二电感器l2连接到开关s13和s14的公共节点。开关s12和s13的公共节点连接到电容器cin1和cin2的公共节点。第一输出电容器c1连接在正电压总线p和中点电压总线m之间。第二输出电容器c2连接在中点电压总线m与负电压总线n之间。

第一输入电容器cin1、第一电感器l1、开关s11-s12、以及第一输出电容器c1形成第一升压转换器。第一升压转换器用于调节正电压总线p与中点电压总线m之间的电压。第二输入电容器cin2、第二电感器l2、开关s13-s14、以及第二输出电容器c2形成第二升压转换器。第二升压转换器用于调节中点电压总线m与负电压总线n之间的电压。第一升压转换器和第二升压转换器的组合用作三电平升压转换器。

三电平降压转换器120包括多个开关、一个电感器、两个输入电容器、以及一个输出电容器。如图3所示，三电平降压转换器120包括串联连接在正电压总线p与负电压总线n之间的开关s15、s16、s17、s18。输出电感器l3连接到开关s15和s16的公共节点。应注意，根据不同的应用和设计需求，输出电感器l3可以分成两个单独的电感器。例如，第一输出电感器连接到开关s15和s16的公共节点。第二输出电感器连接到开关s17和s18的公共节点。

第一输入电容器c3连接在正电压总线p与中点电压总线m之间。第二输入电容器c4连接在中点电压总线m与负电压总线n之间。开关s16和s17的公共节点连接到电容器c3和c4的公共节点。

输入电容器c3-c4、输出电感器l3、开关s15-s18、以及输出电容器co形成三电平降压转换器。特别地，三电平降压转换器用于接收三个电压电平p、m、n，并生成施加到电池储能系统的两电平电压。

根据实施例，开关(例如，开关s11-s18)可以是绝缘栅双极晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)器件。或者，开关元件可以是任何可控开关，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(metaloxidesemiconductorfield-effecttransistor，mosfet)器件、集成栅极换向晶闸管(integratedgatecommutatedthyristor，igct)器件、栅极可关断晶闸管(gateturn-offthyristor，gto)器件、可控硅整流器(siliconcontrolledrectifier，scr)器件、结型场效应晶体管(junctiongatefield-effecttransistor，jfet)器件、mos控制晶闸管(moscontrolledthyristor，mct)器件等。

应注意，当开关s11-s18通过mosfet器件实现时，开关s11-s18的体二极管可以用于提供续流通道。另一方面，当开关s11-s18通过igbt器件实现时，需要单独的续流二极管与其对应的开关并联连接。

如图3所示，需要二极管d11、d12、d13、d14、d15、d16、d17、d18为三电平功率转换系统提供反向导通路径。换句话说，二极管d11-d18是反并联二极管。在一些实施例中，二极管d11-d18与其各自的igbt器件共同封装。在替代实施例中，将二极管d11-d18放置在其各自的igbt器件的外部。

还应注意，虽然图3示出的每个双向开关由以反并联布置连接的二极管和igbt器件形成，但是本领域普通技术人员将认识到许多变型、替代、以及修改。例如，双向开关可以通过一些新的半导体开关(例如反并联逆阻型igbt器件布置)实现。

在操作中，三电平升压转换器111和三电平降压转换器120都可以配置为双向功率转换器。例如，如果需要，三电平升压转换器111可以用作三电平降压转换器，以在太阳能板阵列的端子上建立直流电压。三电平降压转换器120可以用作三电平升压转换器，以从电池箱向三电平电压总线装置传输功率。

应注意，在整个说明书中，三电平升压转换器和三电平降压转换器可以配置为双向功率转换器。换句话说，根据功率流的方向，三电平升压转换器可以用作三电平降压转换器。同样，三电平降压转换器可以用作三电平升压转换器。

在操作中，当耦合到三电平降压转换器的电池浮动时，可以将对称的pwm控制方案应用于图3所示的三电平功率转换系统。换句话说，接地要求对于电池端子不是必要的。另一方面，当耦合到三电平降压转换器的电池不浮动时，可以将非对称的pwm控制方案应用于图3所示的三电平功率转换系统。换句话说，接地要求对于电池端子是必要的。

图4示出了根据本公开的各种实施例的图2所示的三电平功率转换系统的该部分的第二实施方式的框图。图4所示的框图类似于图2所示的框图，不同之处在于三电平升压转换器的实现方式不同。三电平升压转换器112用于代替图2所示的三电平升压转换器111。下面将参考图5讨论三电平升压转换器112的详细示意图。

图5示出了根据本公开的各种实施例的图4所示的三电平功率转换系统的示意图。三电平升压转换器112类似于图3所示的三电平升压转换器111，不同之处在于三电平升压转换器111的两个输入电感器已组合为单个电感器。如图5所示，输入电容器cin连接在输入电感器l1的第一端子和开关s13-s14的公共节点之间。输入电感器l1的第二端子连接到开关s11-s12的公共节点。三电平升压转换器112的工作原理类似于三电平升压转换器111的工作原理，因此这里不再赘述以避免重复。

图6示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的三电平功率转换系统的另一部分的第一实施方式的框图。在一些实施例中，图1所示的三电平升压转换器110实现为三电平升压转换器112。图1所示的逆变器130实现为anpc逆变器131。电网170由单相交流负载171代替。三电平升压转换器112和anpc逆变器131通过三电平电压总线装置连接在一起。三电平电压总线装置包括正电压总线p、中点电压总线m、以及负电压总线n。三电平升压转换器112用于将太阳能板阵列150生成的两电平电压转换为三电平电压。anpc逆变器131用于将三电平电压转换为施加到交流负载171的多电平电压。

图7示出了根据本公开的各种实施例的图6所示的三电平功率转换系统的示意图。上面已参考图3详细讨论了三电平升压转换器112，因此这里不再赘述。

anpc逆变器131包括六个开关和输出电感器la。如图7所示，开关s21、s22、s23、s24串联连接在正电压总线p与负电压总线n之间。开关s25和s26串联连接在开关s21-s22的公共节点与开关s23-s24的公共节点之间。开关s25和s26的公共节点连接到中点电压总线m。开关s22和s23的公共节点连接到输出电感器la。anpc逆变器的工作原理是公知的，因此这里不再讨论以避免重复。

图8示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的三电平功率转换系统的另一部分的第二实施方式的框图。图8所示的框图类似于图6所示的框图，不同之处在于逆变器实现为npc逆变器132。下面将参考图9详细描述npc逆变器132的示意图。

图9示出了根据本公开的各种实施例的图8所示的三电平功率转换系统的示意图。图9的示意图类似于图7的示意图，不同之处在于开关s25和s26已由两个二极管d25和d26代替。npc逆变器的工作原理是公知的，因此这里不再赘述以避免重复。

图10示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的三电平功率转换系统的另一部分的第三实施方式的框图。图10所示的框图类似于图6所示的框图，不同之处在于逆变器实现为三相anpc逆变器130。负载是三相电网。下面将参考图11详细描述三相anpc逆变器130的示意图。

图11示出了根据本公开的各种实施例的图10所示的三电平功率转换系统的示意图。该三电平功率转换系统包括三电平升压转换器112和三相anpc逆变器130。如图11所示，三电平升压转换器112和三相anpc逆变器130通过三电平电压总线装置连接在一起。上面已参考图3详细讨论了三电平升压转换器112，因此这里不再赘述。

三相anpc逆变器130包括第一相逆变器220、第二相逆变器230、以及第三相逆变器240。第一相逆变器220包括串联连接在正电压总线p与负电压总线n之间的开关s21、s22、s23、s24。第一相逆变器220还包括串联连接在s21-s22的公共节点与s23-s24的公共节点之间的开关s25和s26。s25-s26的公共节点连接到中点电压总线m。第一输出滤波器放置在s22-s23的公共节点与第一星形-三角形变压器125之间。第一输出滤波器由电感器la和电容器c20形成。电容器c20与第一星形-三角形变压器125的星形侧并联连接。第一星形-三角形变压器125的三角形侧连接到三相电网(如图10所示)的第一相(a相)。

第二相逆变器230包括串联连接在正电压总线p与负电压总线n之间的开关s31、s32、s33、s34。第二相逆变器230还包括串联连接在s31-s32的公共节点与s33-s34的公共节点之间的开关s35和s36。如图11所示，s35-s36的公共节点连接到中点电压总线m。第二输出滤波器放置在s32-s33的公共节点与第二星形-三角形变压器135之间。第二输出滤波器由电感器lb和电容器c30形成。电容器c30与第二星形-三角形变压器135的星形侧并联连接。第二星形-三角形变压器135的三角形侧连接到三相电网的第二相(b相)。

第三相逆变器240包括串联连接在正电压总线p与负电压总线n之间的开关s41、s42、s43、s44。第三相逆变器240还包括串联连接在s41-s42的公共节点与s43-s44的公共节点之间的开关s45和s46。如图11所示，s45-s46的公共节点连接到中点电压总线m。第三输出滤波器放置在s42-s43的公共节点与第三星形-三角形变压器145之间。第三输出滤波器由电感器lc和电容器c40形成。电容器c40与第三星形-三角形变压器145的星形侧并联连接。第三星形-三角形变压器145的三角形侧连接到三相电网的第三相(c相)。

在操作中，图11所示的三电平功率转换系统能够在各种条件(例如不平衡和非线性负载条件)下调节三相。此外，图11所示的三电平功率转换系统兼容于在平衡控制机制下驱动模块化三相系统的单相交流变压器。

在一些实施例中，当需要中性点接地时，图11所示的三电平功率转换系统提供准备用于接地的中性点。当出现三相不平衡负载时，耦合到图11所示的三电平功率转换系统的储能单元(未示出，但在图1中示出)可以用于有源补偿三电平电压总线装置上的二次谐波，从而降低了耦合到三电平电压总线装置的电容器的容量要求。

图12示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的三电平功率转换系统的另一部分的框图。三电平升压转换器112和llc转换器140放置在三电平电压总线装置的相对侧。三电平电压总线装置包括正电压总线p、中点电压总线m、以及负电压总线n。三电平升压转换器112用于将太阳能板阵列150生成的两电平电压转换为三电平电压。三电平升压转换器110能够调节电压总线p、m、n上的电压。llc转换器140用于将三电平电压转换为施加到负载180的两电平电压。llc转换器140是三电平llc谐振转换器。负载180可以包括用于对多个电动车辆充电的多个充电器。

图13示出了根据本公开的各种实施例的图12所示的三电平功率转换系统的示意图。图13所示的三电平功率转换系统包括三电平升压转换器112和llc转换器140。如图13所示，三电平升压转换器112和llc转换器140通过三电平电压总线装置连接在一起。上面已参考图3详细讨论了三电平升压转换器112，因此这里不再赘述。

llc转换器140包括开关网络161、谐振回路162、变压器163、整流器164、以及输出滤波器165。如图13所示，开关网络161、谐振回路162、变压器163、整流器164、以及输出滤波器165彼此耦合并且级联连接在输入电容器c3、c4与负载rl之间。

开关网络161包括串联连接在正电压总线p与负电压总线n之间的开关s1、s2、s3、s4。如图13所示，开关s2和s3的公共节点连接到中点电压总线m。开关s1和s2的公共节点通过谐振回路162连接到变压器163的第一端子。开关s3和s4的公共节点连接到变压器163的第二端子。

谐振回路162可以以多种方式实现。例如，主谐振回路包括串联谐振电感器lr、并联谐振电感器lm、以及串联谐振电容器cr。

串联谐振电感器和并联谐振电感器可以实现为外部电感器。本领域技术人员将认识到，可能存在许多变型、替代、修改。例如，串联谐振电感器可以实现为变压器163的漏电感。

总之，谐振回路162包括三个关键谐振元件，即，串联谐振电感器、串联谐振电容器、以及并联谐振电感器。这种配置通常称为llc谐振转换器。根据llc谐振转换器的工作原理，在大约等于谐振回路162的谐振频率的开关频率下，谐振回路162有助于实现初级侧开关元件的零电压开关和次级侧开关元件的零电流开关。

llc转换器140还可以包括变压器163、整流器164、以及输出滤波器165。变压器163在llc转换器140的初级侧与次级侧之间提供电隔离。根据实施例，变压器163可以由两个变压器绕组组成，即，如图13所示的初级变压器绕组np和次级变压器绕组ns。或者，变压器163可以具有中心抽头次级，从而具有三个变压器绕组，包括初级变压器绕组、第一次级变压器绕组、以及第二次级变压器绕组。

应注意，以上所述和整个说明书中所述的变压器仅是示例，不应过分限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替代、修改。例如，变压器163还可以包括各种偏置绕组和栅极驱动辅助绕组。

整流器164将从变压器163的输出端接收的交变极性波形转换为单极性波形。当变压器163是中心抽头次级时，整流器164可以由一对诸如n型金属氧化物半导体(n-typemetaloxidesemiconductor，nmos)晶体管的开关元件形成。或者，整流器164可以由一对二极管形成。另一方面，当变压器163是单个次级绕组时，整流器164可以是耦合到变压器163的单个次级绕组的全波整流器。

此外，整流器164可以由其他类型的可控器件形成，这种可控器件例如是金属氧化物半导体场效应晶体管(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor，mosfet)器件、双极结型晶体管(bipolarjunctiontransistor，bjt)器件、超结晶体管(superjunctiontransistor，sjt)器件、绝缘栅双极晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)器件、基于氮化镓(galliumnitride，gan)的功率器件等。整流器114的详细操作和结构在本领域中是公知的，因此这里不进行讨论。

输出滤波器165用于衰减llc转换器140的开关纹波。根据隔离的直流/直流转换器的工作原理，输出滤波器165可以是由电感器和多个电容器形成的l-c滤波器。本领域技术人员将认识到，某些隔离的直流/直流转换器拓扑(例如正激转换器)可能需要l-c滤波器。另一方面，某些隔离的直流/直流转换器拓扑(例如llc谐振转换器)可以包括由电容器形成的输出滤波器。本领域技术人员还将认识到，适当情况下，不同的输出滤波器配置适用于不同的功率转换器拓扑。输出滤波器165的配置变型在本公开的各种实施例内。

图14示出了根据本公开的各种实施例的另一三电平功率转换系统的框图。三电平功率转换系统1400类似于图1所示的三电平功率转换系统100，不同之处在于图1的llc转换器140已由三电平升压转换器112代替。如图14所示，三电平升压转换器112连接在电源155与三电平电压总线装置之间。在一些实施例中，电源155是太阳能板阵列。在替代实施例中，电源155可以实现为诸如电池箱等储能单元。

图15示出了根据本公开的各种实施例的图14所示的三电平功率转换系统的示意图。三电平电压总线装置包括正电压总线p、中点电压总线m、以及负电压总线n。如图15所示，三电平升压转换器111连接在太阳能板阵列与三电平电压总线装置之间。三电平降压转换器120连接在电池箱与三电平电压总线装置之间。三电平升压转换器112连接在电源与三电平电压总线装置之间。如图15所示，电源可以实现为太阳能板阵列或电池箱。anpc逆变器131连接在负载与三电平电压总线装置之间。图15所示的功率转换单元已在上面描述，因此这里不再赘述。

图16示出了根据本公开的各种实施例的另一三电平功率转换系统的框图。三电平功率转换系统1600类似于图1所示的三电平功率转换系统100，不同之处在于图1的太阳能板阵列已由电源155代替。此外，llc转换器140连接在电源155与三电平电压总线装置之间，三电平升压转换器112连接在储能单元160与三电平电压总线装置之间。在一些实施例中，电源155是连接到电网的电源。在替代实施例中，电源155可以实现为诸如电池箱等储能单元。

图17示出了根据本公开的各种实施例的图16所示的三电平功率转换系统的一部分的示意图。三电平电压总线装置包括正电压总线p、中点电压总线m、以及负电压总线n。图17所示的三电平功率转换系统的该部分包括llc转换器140和anpc逆变器131。如图17所示，llc转换器140连接在电源与三电平电压总线装置之间。anpc逆变器131连接在三电平电压总线装置与负载之间。

图18示出了根据本公开的各种实施例的图16所示的三电平功率转换系统的另一部分的示意图。三电平电压总线装置包括正电压总线p、中点电压总线m、以及负电压总线n。图18所示的三电平功率转换系统的该部分包括三电平升压转换器112和llc转换器140。如图18所示，三电平升压转换器112连接在储能单元(图16所示)与三电平电压总线装置之间。llc转换器140连接在三电平电压总线装置与负载rl之间。在一些实施例中，负载包括用于对多个电动车辆充电的多个充电器。

图19示出了根据本公开的各种实施例的另一三电平功率转换系统的框图。三电平功率转换系统1900类似于图1所示的三电平功率转换系统100，不同之处在于图1的三电平升压转换器已由双输出llc转换器141代替。此外，图1的三电平降压转换器已由级联的双有源桥式(dualactivebridge，dab)转换器190和三电平升压转换器113代替。

图20示出了根据本公开的各种实施例的图19所示的三电平功率转换系统的一部分的示意图。三电平电压总线装置包括正电压总线p、中点电压总线m、以及负电压总线n。图20所示的三电平功率转换系统的该部分包括双输出llc转换器141和anpc逆变器131。如图20所示，双输出llc转换器141连接在太阳能板阵列与三电平电压总线装置之间。anpc逆变器131连接在三电平电压总线装置与负载之间。三电平电压总线装置用作双输出llc转换器141与anpc逆变器131之间的能量缓冲器。

双输出llc转换器141包括初级侧电路和次级侧电路。双输出llc转换器141的初级侧电路类似于图13所示的llc转换器140的初级侧电路，因此不再赘述以避免重复。次级侧电路包括第一次级绕组ns1、第二次级绕组ns2、第一整流器146、第二整流器148、第一输出电容器co1、以及第二输出电容器co2。第一整流器146包括二极管d51、d61、d71、d81。如图20所示，第二整流器148包括二极管d52、d62、d72、d82。

如图20所示，第一次级绕组ns1、第一整流器146、以及第一输出电容器co1形成双输出llc转换器141的第一输出端。第二次级绕组ns2、第二整流器148、以及第二输出电容器co2形成双输出llc转换器141的第二输出端。第一输出端和第二输出端堆叠在一起并且进一步耦合到三电平电压总线装置。第一输出端和第二输出端的公共节点连接到中点电压总线m。

图21示出了根据本公开的各种实施例的图19所示的三电平功率转换系统的另一部分的示意图。三电平电压总线装置包括正电压总线p、中点电压总线m、以及负电压总线n。图21所示的三电平功率转换系统的该部分包括dab转换器190、三电平升压转换器113、以及llc转换器140。这三个转换器级联连接在输入电容器cin1、cin2与负载rl之间。

如图21所示，dab转换器190连接在储能单元(图19所示的电池箱)与三电平升压转换器113之间。三电平升压转换器113连接到三电平电压总线装置。llc转换器140连接在三电平电压总线装置与负载rl之间。在一些实施例中，负载包括用于对多个电动车辆充电的多个充电器。

dab转换器190类似于llc转换器140，不同之处在于dab转换器190不包括谐振电容器。dab转换器的工作原理是公知的，因此这里不再讨论。

三电平升压转换器113类似于上述三电平升压转换器112，不同之处在于输入电感器来自变压器t1。更具体地，dab转换器190的谐振电感器lr用作三电平升压转换器112的输入电感器。

图22示出了根据本公开的各种实施例的用于控制图1所示的三电平功率转换系统的方法的流程图。图22所示的流程图仅是示例，不应过分限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替代、修改。例如，可以对图22所示的各个步骤进行添加、移除、替换、重新布置、重复。

在步骤2202，将多个功率转换单元耦合到三电平电压总线装置。三电平电压总线装置包括正电压总线p、中点电压总线m、以及负电压总线n。功率转换单元包括三电平升压转换器、三电平降压转换器、逆变器、以及llc转换器等。

在步骤2204，通过三电平功率转换器将电源的能量传输到三电平电压总线装置。在一些实施例中，电源是太阳能板阵列。三电平功率转换器是三电平升压转换器。在一些实施例中，三电平功率转换器能够检测总线p、m、n上的电压，并基于检测到的电压调节电压。

在步骤2206，通过逆变器将三电平电压总线装置的能量传输到电网。在一些实施例中，逆变器是npc逆变器。或者，逆变器是anpc逆变器。此外，电网可以是单相电网。逆变器实现为单相逆变器。或者，电网可以是三相电网。逆变器实现为三相逆变器。

在步骤2208，通过llc转换器将三电平电压总线装置的能量传输到负载。在一些实施例中，负载包括用于对多个电动车辆充电的多个充电器。llc转换器是三电平llc谐振转换器。

在步骤2208，通过三电平降压转换器在三电平电压总线装置与储能单元之间传输能量。在一些实施例中，三电平降压转换器是双向转换器。在储能阶段，能量从三电平电压总线装置传输到储能单元。在释能阶段，能量从储能单元传输到三电平电压总线装置。在释能阶段，三电平降压转换器能够检测总线p、m、n上的电压，并基于检测到的电压调节电压。

虽然已详细描述本公开的实施例及其优点，但是应理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本文进行各种改变、替换、变更。

例如，在一个实施例中，公开了一种系统，该系统包括第一三电平功率转换器装置、逆变器装置、以及第二三电平功率转换器装置，该第一三电平功率转换器装置具有连接到三电平电压总线装置的输出端子和用于与太阳能板阵列耦合的输入端子，该逆变器装置连接在三电平电压总线装置与电网之间，该第二三电平功率转换器装置连接在三电平电压总线装置与储能单元之间。术语“连接”的使用旨在包括各种装置的直接连接和间接连接。

此外，本申请的范围无意限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法、及步骤的特定实施例。如本领域的普通技术人员将从本公开的公开内容中容易地理解的，可以根据本公开利用与本文描述的对应实施例执行基本相同的功能或达到基本相同的结果的现有或以后开发的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法、或步骤。因此，所附权利要求旨在将这种过程、机器、制造、物质组成、装置、方法、或步骤包括在其范围内。因此，说明书和附图应仅视为由所附权利要求限定的本公开的说明，并且旨在涵盖落入本公开范围内的任何和所有修改、变型、组合、或等同物。