三相三电平变换器

本发明涉及电力电子，具体涉及一种三相三电平变换器。

背景技术：

1、在电力系统中，民用及工业用电普遍采用交流电形式，而光伏、蓄电池等新能源发电装置或储能装置输出多为直流电。为实现清洁能源的高效利用，必须将直流电能转换为交流电能并入电网或供负载使用，例如在光伏并网系统中，逆变器将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电馈入电网。在储能系统中，电池储存的直流电也需通过逆变器释放为交流电。这类将直流电转换为交流电的装置——即逆变器，是可再生能源接入离网/微网供电及电能质量控制等领域的核心设备。由于工商业及电站级应用通常需接入三相电网，三相逆变器在其中扮演着关键角色。另外，给电动汽车充电的直流充电桩也非常流行，它们是将三相交流电转换成高压直流电给汽车电池充电，此时三相桥臂工作在整流模式。因此，提升三相变换器的转换效率、功率密度与可靠性，同时降低其系统成本，对推动能源转型与电力电子技术进步具有重要意义。

2、现有的三相三电平变换器有很多anpc、i-npc、t-npc等，以图1所示的“t”型三电平拓扑（t-npc）为例说明三电平结构。以a相为例：在电网电压正半周期间，s11和s31以开关频率互补导通，s32保持常通，s21保持常断；在电网电压负半周期间，s21和s32以开关频率互补导通，s31保持常通，s11保持常断。b相和c相的控制逻辑与之相同。如果需要通过独立桥臂对直流侧电容c1和c2的电压进行均压控制，则s14和s24会在50%占空比附近互补导通，中性线（n线）取自直流侧电压的中点。相比于两电平拓扑，该拓扑能够降低开关损耗、减少电感成本，现有技术中每相桥臂需要4个高频开关管，三相共计需12个高频开关管，此类结构存在以下局限：1、使用的高频管比较多，成本高。2、通常高频管为了减少开关损耗牺牲了导通损耗，导通损耗和开关损耗很难平衡。3、六只竖管(s11~s13,s21~s23)只工作在半个工频周期，另外半个工频周期是常关断的，因此这几颗管子没有最大化得利用起来。

技术实现思路

1、本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种三相三电平变换器。

2、本发明提供了一种三相三电平变换器，具有这样的特征，包括：直流输入模块，用于接入直流电源，并形成稳定的直流母线电压；前级三相最高电压生成模块，与直流输入模块相连，用于形成三相输出所需的三相最高电平电压；前级三相最低电压生成模块，与直流输入模块相连，用于形成三相输出所需的三相最低电平电压；后级三相中间电压生成以及三相电压分配模块，与前级三相最高电压生成模块、前级三相最低电压生成模块相连，用于生成三相中间电压并根据各相电压的实时大小关系，将最高、中间和最低电压动态映射至其对应的 a、b、c 相；滤波输出模块，与所述后级三相中间电压生成以及三相电压分配模块相连，用于对后级最终输出的电压进行滤波。

3、在本发明提供的三相三电平变换器中，还可以具有这样的特征：其中，直流输入模块包括：直流正输入端，用于作为直流电源的正极接入点，引入直流母线正电压；直流负输入端，用于作为直流电源的负极接入点，引入直流母线负电压；第一支撑电容，第一端与直流正输入端相连，用于维持正直流母线电压稳定；第二支撑电容，第一端与第一支撑电容第二端相连，第二端与直流负输入端相连，用于维持负直流母线电压稳定。

4、在本发明提供的三相三电平变换器中，还可以具有这样的特征：其中，前级三相最高电压生成模块包括：第一开关管单元，第一端与直流正输入端相连，用于生成三相最高电平电压；第二开关管单元，第一端与第一开关管单元相连，第二端与第一支撑电容第二端相连，用于生成三相最高电平电压；前级三相最低电压生成模块包括：第三开关管单元，第一端与第二支撑电容第一端相连，用于生成三相最低电平电压；第四开关管单元，第一端与第三开关管单元相连，第二端与直流负输入端相连，用于生成三相最低电平电压。

5、在本发明提供的三相三电平变换器中，还可以具有这样的特征：其中，后级三相中间电压生成以及三相电压分配模块包括：第五开关管单元，第一端分别与第二开关管单元的第二端和第三开关管单元的第一端相连，用于生成a相的三相中间电平电压；第六开关管单元，第一端与第五开关管单元的第二端相连，用于生成a相的三相中间电压；第七开关管单元，第一端分别与第二开关管单元的第二端和第三开关管单元的第一端相连，用于生成b相的三相中间电平电压；第八开关管单元，第一端与第七开关管单元的第二端相连，用于生成b相的三相中间电平电压；第九开关管单元，第一端分别与第二开关管单元的第二端和第三开关管单元的第一端相连，用于生成c相的三相中间电平电压；第十开关管单元，第一端与第九开关管单元的第二端相连，用于生成c相的三相中间电平电压；第十一开关管单元，第一端分别与第一开关管单元的第二端和第二开关管单元的第一端相连，第二端与第六开关管单元的第二端相连，用于给a相分配三相最高电平电压或者生成正的a相的三相中间电平电压；第十二开关管单元，第一端与第十一开关管单元的第一端相连，第二端与第八开关管单元的第二端相连，用于给b相分配三相最高电平电压或者生成正的b相的三相中间电平电压；第十三开关管单元，第一端与第十二开关管单元的第一端相连，第二端与第十开关管单元的第二端相连，用于给c相分配三相最高电平电压或者生成正的c相的三相中间电平电压；第十四开关管单元，第一端与第十一开关管单元的第二端相连，第二端分别与第三开关管单元的第二端和第四开关管单元的第一端相连，用于给a相分配三相最低电平电压或者生成负的a相的三相中间电平电压；第十五开关管单元，第一端与第十二开关管单元的第二端相连，第二端分别与第三开关管单元的第二端和第四开关管单元的第一端相连，用于给b相分配三相最低电平电压或者生成负的b相的三相中间电平电压；第十六开关管单元，第一端与第十三开关管单元的第二端相连，第二端分别与第三开关管单元的第二端和第四开关管单元的第一端相连，用于给c相分配三相最低电平电压或者生成负的c相的三相中间电平电压。

6、在本发明提供的三相三电平变换器中，还可以具有这样的特征：其中，滤波输出模块包括：第一滤波电感，第一端与第十一开关管单元的第二端和第十四开关管单元的第一端相连，用于对输出的电压进行滤波；第二滤波电感，第一端与第十二开关管单元的第二端和第十五开关管单元的第一端相连，用于对输出的电压进行滤波；第三滤波电感，第一端与第十三开关管单元的第二端和第十六开关管单元的第一端相连，用于对输出的电压进行滤波。

7、在本发明提供的三相三电平变换器中，还可以具有这样的特征：其中，开关管单元的种类包括但不限于fet、igbt、bjt。

8、在本发明提供的三相三电平变换器中，还可以具有这样的特征：其中，第一支撑电容的第二端与第二支撑电容的第一端之间的串联连接点为中性点，中性点作为独立端子被直接引出。

9、发明的作用与效果

10、根据本发明所涉及的三相三电平变换器，因为包括：直流输入模块，用于接入直流电源，并形成稳定的直流母线电压；前级三相最高电压生成模块，与直流输入模块相连，用于形成三相输出所需的三相最高电平电压；前级三相最低电压生成模块，与直流输入模块相连，用于形成三相输出所需的三相最低电平电压；后级三相中间电压生成以及三相电压分配模块，与前级三相最高电压生成模块和前级三相最低电压生成模块相连，用于生成三相中间电压并根据各相电压的实时大小关系，将最高、中间和最低电压动态映射至其对应的 a、b、c 相；滤波输出模块，与后级三相中间电压生成以及三相电压分配模块相连，用于对后级最终输出的电压进行滤波，所以，本发明的三相三电平变换器将高频开关管和低频开关管分开使用，优化了成本，平衡了导通损耗和开关损耗。