CN102187562B - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种功率转换装置，所述功率转换装置(100)包括：逆变器(4)，该逆变器(4)将直流功率转换为交流功率来提供给负载；整流器(3)，该整流器(3)将来自交流电源(1)的交流功率转换为直流功率来提供给逆变器(4)；直流电压转换器(7)，该直流电压转换器(7)在交流电压(1)的供电发生异常的情况下，转换存储在蓄电池(8)中的功率的电压值，向逆变器(4)提供来自蓄电池(8)的直流功率；以及滤波器(5)，该滤波器(5)包含电抗器和电容器，去除由逆变器(4)所产生的高次谐波。逆变器(4)包含由桥臂(4UA)和AC开关(4UB)所形成的三电平电路。

Description

功率转换装置
技术领域
本发明涉及不间断供电电源装置、太阳能发电***、燃料电池发电***、或充电电池储能***等从直流功率输出交流功率的功率转换装置。
背景技术
作为用于向计算机***等重要负载稳定地提供交流功率的电源装置，广泛使用不间断供电电源装置。例如，如日本专利特开2006-109603号公报(专利文献1)所揭示的那样，不间断供电电源装置一般包括：整流器，该整流器将交流功率转换为直流功率；逆变器，该逆变器将直流功率转换为交流功率；以及滤波器，该滤波器用于去除因逆变器的动作而产生的高次谐波。通常，整流器将来自商用交流电源的交流功率转换为直流功率，一边对蓄电池等蓄电装置进行充电，一边向逆变器提供直流功率。逆变器将直流功率转换为交流功率以提供给负载。在商用交流电源停电的情况下，将来自蓄电池等蓄电装置的功率提供给逆变器，逆变器继续向负载提供交流功率。
专利文献1：日本专利特开2006-109603号公报
发明内容
上述滤波器包含电抗器和电容器。在高次谐波较大的情况下，需要使用例如电感较大的电抗器。为了增大电抗器的电感，考虑例如增加线圈的匝数，但电抗器的体积和重量也会增大。因此，若增大电抗器的电感，则会导致不间断供电电源装置的体积和重量增大。然而，在日本专利特开2006-109603号公报中，并未揭示对于上述不间断供电电源装置的大型化问题的具体解决方法。
本发明的目的在于，提供一种具有适合小型化及轻量化的结构的功率转换装置。
概括而言，本发明是一种功率转换装置，包括转换器、滤波器、直流电源、直流正母线和直流负母线、以及第1电容器和第2电容器。转换器包括多电平电路，将直流功率转换为交流功率以提供给负载，所述多电平电路具有能对直流电压和至少在三个电压值之间变化的交流电压进行相互转换的结构。滤波器包含电抗器及电容器，去除由转换器产生的高次谐波。直流电源产生直流功率。直流正母线和直流负母线将直流功率传输至转换器。第1电容器和第2电容器串联连接在直流正母线与直流负母线之间。另外，多电平电路包含第1半导体开关元件和第2半导体开关元件、第1回流二极管和第2回流二极管、以及交流开关电路。第1半导体开关元件和第2半导体开关元件串联连接在直流正母线与直流负母线之间。第1二极管和第2二极管分别与第1半导体开关元件和第2半导体开关元件反向并联连接。交流开关连接在第1电容器和第2电容器的中性点与第1半导体开关元件和第2半导体开关元件的连接点之间。
根据本发明，能够实现功率转换装置的小型化和轻量化。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的不间断供电电源装置100的主电路结构的简要框图。
图2是对图1所示的整流器3、逆变器4的结构进行详细说明的电路图。
图3是对图1所示的直流电压转换器7的结构进行详细说明的图。
图4是表示由双电平电路所构成的单相逆变器的图。
图5是图4所示的逆变器41的等效电路。
图6是表示逆变器41的线电压的图。
图7是图2所示的逆变器4的U相桥臂和U相AC开关(4U)、以及V相桥臂和V相AC开关(4V)的等效电路图。
图8是表示图7所示的单相三电平逆变器的线电压的图。
图9是表示在将设置于双电平逆变器的输出侧的滤波电抗器设定为5％、使逆变器以10kHz的频率进行开关的情况下对电抗器电流进行仿真后的结果的图。
图10是表示在将设置于双电平逆变器的输出侧的滤波电抗器设定为10％、使逆变器以10kHz的频率进行开关的情况下对电抗器电流进行仿真后的结果的图。
图11是表示在将设置于三电平逆变器的输出侧的滤波电抗器设定为5％、使逆变器以10kHz的频率进行开关的情况下对电抗器电流进行仿真后的结果的图。
图12是表示由双电平逆变器所产生的高次谐波电流(图9)的频谱的图。
图13是表示由三电平逆变器所产生的高次谐波电流(图11)的频谱的图。
图14是表示双电平逆变器的对地电位变动及三电平逆变器的对地电位变动的仿真结果的图。
图15是表示双电平逆变器和三电平逆变器的损耗的仿真结果的图。
图16是对双电平逆变器和三电平逆变器的损耗的细目进行说明的图。
图17是表示现有的直流电压转换器中所包含的半导体开关的结构的图。
图18是表示图3的IGBT元件Q1D～Q4D的开关模式和施加于电抗器22的电压的图。
图19是表示将本发明的功率转换装置应用于三相四线制的方式的图。
图20是表示图2所示的AC开关的变更例的图。
标号说明
1 商用交流电源
2 输入滤波器
3 整流器
3RA R相桥臂
3RB R相AC开关
3SA S相桥臂
3SB S相AC开关
3TA T相桥臂
3TB T相AC开关
4、41 逆变器
4UA、41U U相桥臂
4UB U相AC开关
4VA、41V V相桥臂
4VB V相AC开关
4WA W相桥臂
4WB W相AC开关
5 输出滤波器
6 负载
7 直流电压转换器
8 蓄电池
10 控制装置
11、11R、11S、11T、15、16、19、19U、19V、19W 电容器
12、12R、12S、12T、18、18U、18V、18W 电抗器
13、42 直流正母线
14、43 直流负母线
17 直流中性点母线
21、O中性点
22、22N、22P、45 电抗器
23、44 半导体开关
31、36 电压传感器
32、37 电流传感器
33 停电检测电路
100 不间断供电电源装置
CA、CB、CC、CD 电容器
D1D～D4D、D1R～D4R、D1S～D4S、D1T～D4T、D1U～D4U、D1V～D4V、D1W～D4W、D3x、D4x、DA、DB、DC、DD 二极管
Q1D～Q4D、Q1R～Q4R、Q1S～Q4S、Q1T～Q4T、Q1U～Q4U、Q1V～Q4V、Q1W～Q4W、Q3x～Q5x、QA、QB、QC、QD IGBT元件
RL R相线
SL S相线
TL T相线
UL U相线
VL V相线
WL W相线
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。此外，图中对于相同或相当的部分标注相同标号，不再重复其说明。
图1是表示本发明的一个实施方式的不间断供电电源装置100的主电路结构的简要框图。参照图1，不间断供电电源装置100包括：输入滤波器2、整流器3、逆变器4、输出滤波器5、直流电压转换器(图中表示为“DC/DC”)7、控制装置10、直流正母线13、直流负母线14、电容器15、16、直流中性点母线17、电压传感器31、36、电流传感器32、37、停电检测电路33、R相线RL、S相线SL、以及T相线TL。
输入滤波器2防止高次谐波向商用交流电源1流出。商用交流电源1是三相交流电源。输入滤波器2是包括电容器11(电容器11R、11S、11T)及电抗器12(电抗器12R、12S、12T)的三相的LC滤波电路。
整流器3将由商用交流电源1经由输入滤波器2提供的三相交流功率转换为直流功率，经由直流正母线13和直流负母线14将该直流功率提供给逆变器4。逆变器4将来自整流器3的直流功率转换为三相交流功率。如后所述，整流器3和逆变器4由三电平电路构成。整流器3与逆变器4经由直流正母线13、直流负母线14、以及直流中心点母线17而相连接。
电容器15、16串联连接在直流正母线13与直流负母线14之间，使直流正母线13与直流负母线14之间的电压变平滑。作为电容器15、16的连接点的中性点21与直流中性点母线17相连接。
将来自逆变器4的交流功率经由输出滤波器5提供给负载6。输出滤波器5去除由逆变器4的动作所产生的高次谐波。输出滤波器5是包括电抗器18(电抗器18U、18V、18W)和电容器19(电容器19U、19V、19W)的三相的LC滤波电路。
直流电压转换器7对直流正母线13与直流负母线14之间的直流电压、与蓄电池8的电压进行相互转换。将直流电压转换器7与可进行充放电的蓄电装置相连接即可，例如也可以将双电层电容器与直流电压转换器7相连接。而且，在本实施方式中，蓄电池8设置于不间断供电电源装置100的外部，但蓄电池8也可以内置于不间断供电电源装置100内。
电压传感器31检测出R相线的电压VR、S相线的电压VS、以及T相线的电压VT，将表示电压VR、VS、VT的三相电压信号输出至控制装置10和停电检测电路33。电流传感器32检测出R相线的电流IR、S相线的电流IS、以及T相线的电流IT，将表示电流IR、IS、IT的三相电流信号输出至控制装置10。
停电检测电路33基于来自电压传感器31的三相电压信号，对商用交流电源1的停电进行检测。停电检测电路33将表示商用交流电源1停电的停电信号输出至控制装置10。电压传感器36检测出蓄电池8的正负极间的电压VB，将表示电压VB的信号输出至控制装置10。电流传感器37对输入输出蓄电池8的电流IB进行检测，将表示电流IB的信号输出至控制装置10。
控制装置10对整流器3、逆变器4、以及直流电压转换器7的动作进行控制。后文将进行详细说明，整流器3、逆变器4、以及直流电压转换器7由包含半导体开关元件的半导体开关构成。此外，在本实施方式中，使用IGBT(绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor))作为半导体开关元件。另外，在本实施方式中，能应用PWM(脉宽调制(Pulse Width Modulation))控制作为半导体开关元件的控制方式。控制装置10接收来自电压传感器31的三相电压信号、来自电流传感器32的三相电流信号、来自停电检测电路33的停电信号、表示电压传感器36所检测出的电压VB的信号、以及表示电流传感器37所检测出的电流IB的信号等，来执行PWM控制。
接着，对本实施方式的不间断供电电源装置100的动作进行说明。在商用交流电源1能正常地提供交流功率的情况下，整流器3将来自商用交流电源1的交流功率转换为直流功率，逆变器4将该直流功率转换为交流功率来提供给负载6。直流电压转换器7将来自整流器3的直流电压转换为适合对蓄电池8进行充电的电压，来对蓄电池8进行充电。另一方面，在商用交流电源停电的情况下，控制装置10基于来自停电检测电路33的停电信号使整流器3停止。而且，控制装置10使直流电压转换器7工作，以从蓄电池8向逆变器4提供直流功率，从而使逆变器4继续提供交流功率。在这种情况下，直流电压转换器7将蓄电池8的电压转换为适合作为逆变器4的输入电压的电压。由此，能够对交流负载稳定地提供交流功率。
图2是详细说明图1所示的整流器3、以及逆变器4的结构的电路图。参照图2，整流器3包括R相桥臂3RA、R相AC开关3RB、S相桥臂3SA、S相AC开关3SB、T相桥臂3TA、以及T相AC开关3TB。逆变器4包括U相桥臂4UA、U相AC开关4UB、V相桥臂4VA、V相AC开关4VB、W相桥臂4WA、以及W相AC开关4WB。
整流器3的各相的桥臂(3RA、3SA、3TA)和AC开关(3RB、3SB、3TB)构成为三电平电路，包含四个IGBT元件和四个二极管。逆变器4的各相的桥臂(3UA、3VA、3WA)和AC开关(3UB、3VB、3WB)构成为三电平电路，包含四个IGBT元件和四个二极管。
更详细而言，R相桥臂3RA包括IGBT元件Q1R、Q2R和二极管D1R、D2R。R相AC开关3RB包括IGBT元件Q3R、Q4R和二极管D3R、D4R。S相桥臂3SA包含IGBT元件Q1S、Q2S和二极管D1S、D2S。S相AC开关3RB包括IGBT元件Q3S、Q4S和二极管D3S、D4S。T相桥臂3TA包含IGBT元件Q1T、Q2T和二极管D1T、D2T。T相AC开关3TB包括IGBT元件Q3T、Q4T和二极管D3T、D4T。
U相桥臂4UA包含IGBT元件Q1U、Q2U和二极管D1U、D2U。U相AC开关4UB包括IGBT元件Q3U、Q4U和二极管D3U、D4U。V相桥臂4VA包含IGBT元件Q1V、Q2V和二极管D1V、D2V。V相AC开关4VB包括IGBT元件Q3V、Q4V和二极管D3V、D4V。W相桥臂4WA包含IGBT元件Q1W、Q2W和二极管D1W、D2W。W相AC开关4WB包括IGBT元件Q3W、Q4W和二极管D3W、D4W。
以下，为了对整流器3的各相的桥臂和AC开关、以及逆变器4的各相的桥臂和AC开关进行汇总说明，将标号R、S、T、U、V、W一并用标号“x”表示。IGBT元件Q1x、Q2x串联连接在直流正母线13与直流负母线14之间。IGBT元件Q3x的集电极与IGBT元件Q1x、Q2x的连接点相连接，IGBT元件Q3x的发射极与IGBT元件Q4x的发射极相连接，IGBT元件Q4x的集电极与中性点21相连接。二极管D3x、D4x分别与IGBT元件Q3x、Q4x反向并联连接。二极管D1x、D2x起到作为回流二极管的作用，二极管D3x、D4x起到作为箝位二极管的作用。
在整流器3的各相的桥臂(3RA、3SA、3TA)和AC开关(3RB、3SB、3TB)中，IGBT元件Q1x、Q2x的连接点与交流输入端子相对应，IGBT元件Q4x的集电极与直流输出端子相对应。另一方面，在逆变器4的各相的桥臂(4UA、4VA、4TA)和AC开关(3UB、3VB、3WB)中，IGBT元件Q4x的集电极与直流输入端子相对应，IGBT元件Q1x、Q2x的连接点与交流输出端子相对应。整流器3的各相的交流输入端子与相对应的线(R相线RL、S相线SL、T相线TL)相连接，逆变器4的各相的交流输出端子与相对应的线(U相线UL、V相线VL、W相线WL)相连接。整流器3的各相的直流输出端子和逆变器4的各相的直流输入端子与中性点21相连接。
图3是对图1所示的直流电压转换器7的结构进行详细说明的图。参照图3，直流电压转换器7包括电抗器22和半导体开关23。半导体开关23包括串联连接在直流正母线13与直流负母线14之间的IGBT元件Q1D～Q4D、以及分别与IGBT元件Q1D～Q4D反向并联连接的二极管D1D～D4D。
在半导体开关23中，IGBT元件Q1D、Q2D的连接点与电抗器22P的一端相连接，IGBT元件Q3D、Q4D的连接点与电抗器22N的一端相连接。电抗器22P的另一端与蓄电池8的正极相连接，电抗器22N的另一端与蓄电池8的负极相连接。
如以上说明，在本实施方式的不间断供电电源装置100中，整流器3、逆变器4由三电平电路构成。在现有的功率转换装置中，为了达到减少半导体开关元件的数量等目的，一般逆变器由双电平电路构成。由于逆变器由三电平电路构成，因此，相比现有的功率转换装置，能够抑制高次谐波。
图4是表示由双电平电路所构成的单相逆变器的图。参照图4，逆变器41包括U相桥臂41U、以及V相桥臂41V。U相桥臂41U和V相桥臂41V并联连接在直流正母线42与直流负母线43之间，且彼此具有相同的结构。U相桥臂41U包括串联连接在直流正母线42与直流负母线43之间的IGBT元件QA、QB、以及分别与IGBT元件QA、QB反向并联连接的二极管DA、DB。IGBT元件QA、QB的连接点与U相线UL相连接。V相桥臂41V具有将上述U相桥臂41U的结构中的U相线UL替换成V相线VL的结构。
在直流正母线42与直流负母线43之间，串联连接有电容器CA、CB。中性点O是电容器CA、CB的连接点。电容器CA两端的电压和电容器CB两端的电压都为E/2(E为规定值)。
图5是图4所示的逆变器41的等效电路。参照图5，U相桥臂41U等效于在直流正母线42与直流负母线43之间对U相线UL的连接目标进行切换的开关。若考虑将中性点O接地，则当开关进行动作时，U相线UL的电压Vu在E/2与-E/2之间进行切换。V相线VL的电压Vv与电压Vu相同地进行变化。由此，双电平电路将直流电压E转换为具有两个值(E/2、-E/2)的交流电压。
图6是表示逆变器41的线电压的图。参照图6，线电压(电压Vu与电压Vv之差)在E、0、-E之间进行切换。在由双电平电路所构成的逆变器(双电平逆变器)中，线电压的最小变化幅度等于电压E。
图7是图2所示的反相器4的U相桥臂和U相AC开关(4U)、以及V相桥臂和V相AC开关(4V)的等效电路图。参照图7，U相桥臂和U相AC开关(4U)等效于在直流正母线13、中性点21、以及直流负母线14之间对U相线UL的连接目标进行切换的开关。通过该开关的动作，使U相线UL的电压Vu在E/2、0、-E/2之间进行切换。V相线VL的电压Vv也发生与电压Vu相同的变化。由此，三电平电路是能对直流电压和具有三个值的交流电压进行相互转换的电路。
图8是表示图7所示的单相三电平逆变器的线电压的图。参照图7，线电压(电压Vu与电压Vv之差)在E、E/2、0、-E/2、-E之间进行切换。在由三电平电路所构成的逆变器(三电平逆变器)中，线电压的最小变化幅度等于E/2。
由图6和图8可知，三电平逆变器的线电压的变化幅度小于双电平逆变器。由于线电压的变化幅度越小，则逆变器的输出电压的波形变化越细，因此，越能使其波形接近正弦波。电压波形越接近正弦波，则越能减小因逆变器的动作而产生的高次谐波。因而，三电平逆变器比双电平逆变器更能降低高次谐波。
图9是表示在将设置于双电平逆变器的输出侧的滤波电抗器设定为5％、使逆变器以10kHz的频率进行开关的情况下对电抗器电流进行仿真后的结果的图。图10是表示在将设置于双电平逆变器的输出侧的滤波电抗器设定为10％、使逆变器以10kHz的频率进行开关的情况下对电抗器电流进行仿真后的结果的图。通过图9和图10的仿真，若对总高次谐波失真(TotalHarmonic Distortion；THD)进行比较，则在电抗器电感为5％的情况下，THD为6.4％，而通过使电抗器电感增加到10％，能使THD降低到3.2％。
所谓THD，是表示高次谐波分量的有效值之和与基波的有效值之比。THD较小，则意味着高次谐波分量较小。图9和图10表示因增大电抗器电感而使THD减小的情况。但若为了减小高次谐波分量而增大电抗器电感，则需要增加线圈的匝数等，从而会导致电抗器的体积和重量增加。
图11是表示在将设置于三电平逆变器的输出侧的滤波电抗器设定为5％、使逆变器以10kHz的频率进行开关的情况下对电抗器电流进行仿真后的结果的图。参照图11和图9可知，若滤波电抗器的电感相同，则三电平逆变器能比双电平逆变器更好地抑制高次谐波分量。在图11所示的仿真结果中，THD为3.2％。
图12是表示由双电平逆变器产生的高次谐波电流(图9)的频谱的图。图13是表示由三电平逆变器所产生的高次谐波电流(图11)的频谱的图。参照图12和图13可知，无论频率是多少，三电平逆变器都能比双电平逆变器更好地抑制高次谐波分量。此外，图12和图13的频谱是通过仿真得到的。在仿真中，设输入逆变器的直流电压为500V，负载为10kW的三相电阻负载，输出电压(线电压)为208Vrms。
由此，根据本实施方式，通过利用三电平电路构成逆变器，能减小由该逆变器所产生的高次谐波。由此，由于能将电感较小的电抗器用于滤波器，因此，能减小电抗器的体积和重量。因而，根据本实施方式，能实现功率转换装置的小型化和轻量化。
在本实施方式中，利用三电平电路构成逆变器，从而还能够获得以下效果。在功率转换装置中，逆变器的输入侧直流电容器与作为直流电源的、电容较大的蓄电池等相连接。若逆变器动作时对地电位变动较大，则会因直流电路的较大的寄生电容而导致噪音产生量增大。若利用双电平逆变器来构成逆变器4，则由于输出电压的变化幅度增大，因此，对地电位变动也会增大。然而，在本实施方式中，利用三电平逆变器来构成逆变器4，从而能使其输出电压的变化幅度小于双电平逆变器的情况。由此，由于能减小对地电位变动，因此，能降低噪音产生量。
图14是表示双电平逆变器的对地电位变动、以及三电平逆变器的对地电位变动的仿真结果的图。在仿真中，将输入到逆变器的直流电压设定为360V。参照图14，若设双电平逆变器的对地电位变动为1[p.u]，则三电平逆变器的对地电位变动为0.5[p.u]。如图14所示，三电平逆变器能减小对地电位变动。
而且，根据本实施方式能降低逆变器4的损耗。所谓逆变器4的损耗，具体而言，是指导通损耗(IGBT元件和二极管各自在通电时的损耗)和IGBT的开关损耗。
图15是表示双电平逆变器和三电平逆变器的损耗的仿真结果的图。图16是对双电平逆变器和三电平逆变器的损耗的细目进行说明的图。在该仿真中，设直流输入电压为600V，开关频率为10kHz，交流输出电压(线电压)为380Vrms，负载的大小为275kW。此外，双电平逆变器中包含的IGBT元件为1200V-600A的产品，三电平逆变器中包含的IGBT元件为600V-600A的产品。
参照图15和图16，三电平逆变器的整体损耗是双电平逆变器的整体损耗的68％。其理由在于降低了开关损耗。如图15所示，三电平逆变器的开关损耗小于双电平逆变器(43％)。其原因在于，相比双电平逆变器，三电平逆变器能减小施加于一个半导体开关元件的电压。
如图16所示，在双电平逆变器中，开关损耗占整体损耗的比例较大(63％)。三电平逆变器能大幅降低该开关损耗。因而，在三电平逆变器中，尽管相比双电平逆变器其导通损耗增加，但能够使其整体损耗小于双电平逆变器。通过减小逆变器的损耗，能提高功率转换装置的动作效率。
在本实施方式中，由于整流器3也由三电平电路构成，因此，利用整流器3也能获得与逆变器4相同的效果。具体而言，能使输入滤波器中包含的电抗器小型化。由此，能更进一步实现功率转换装置的小型化和轻量化。另外，由于能抑制对地电位变动，因此，还能降低整流器3的噪音产生量。另外，由于能降低整流器3的损耗，因此，能提高功率转换装置的动作效率。除这些效果之外，由于能在整流器3和逆变器4共用结构元器件，因此能力图降低功率转换装置的成本。
而且，现有的直流电压转换器7具有如图17的半导体开关44所示那样串联连接有两个IGBT元件QC、QD的结构。如图3所示，在本实施方式中，通过串联连接四个IGBT元件来构成半导体开关，从而能降低流过电抗器22的电流的脉动分量。在图17的结构的情况下，在IGBT元件QC导通、IGBT元件QD断开时，对电抗器45施加(E-VB)的电压，在IGBT元件QC断开、IGBT元件QD导通时，对电抗器45施加(-VB)的电压。因而，开关所引起的电抗器电压差为E。与此不同的是，在图3的结构中，在只导通IGBT元件Q2D、Q3D时，对电抗器22施加(-VB)的电压，在只导通IGBT元件Q1D、Q4D时，对电抗器22施加(E-VB)的电压，但除此以外，还存在只导通IGBT元件Q1D、Q3D、以及只导通IGBT元件Q2D、Q4D的情况，此时，对电抗器22施加E/2-VB的电压。
图18表示IGBT元件Q1D～Q4D的开关模式和施加于电抗器22的电压。由图18可知，直流电压转换器7能施加于电抗器22的电压也具有三电平。根据图3的结构，能使由开关所引起的电抗器电压差为E/2，从而能减小流过电抗器22的电流的脉动分量。由此，由于能减小电抗器22的电感，从而能使电抗器22小型化，因此，能更进一步力图对功率转换装置进行小型化和轻量化。
在本实施方式中示出了三电平电路，但构成逆变器、整流器、以及直流电压转换器的电路只要是能对直流电压和至少具有三个电压值的交流电压或直流电压进行相互转换的电路(多电平电路)即可。因而，能将对直流电压和至少具有五个电压值的交流电压进行相互转换的五电平电路应用于逆变器等。
另外，在本实施方式中，表示了可应用于三相三线制的交流电源和负载的不间断供电电源装置，但本发明也可以应用于三相四线制的交流电源和负载，在三相四线的情况下，如图19所示，只要将电容器11、19的中点与中性点21相连接即可。另外，交流电源和交流负载并不局限于三相，也可以是单相。在这种情况下，整流器和逆变器只要各包含两个多电平电路即可。
另外，在本实施方式中，在蓄电池与直流母线之间应用了直流电压转换器，但在能在直流母线的额定运行范围内选定蓄电池的情况下，当然也能省略直流电压转换器。
另外，在本实施方式中，以在使用蓄电池的不间断供电电源装置中应用本发明的功率转换装置为例进行了说明，但对于使用多电平电路来实现滤波器的小型化、轻量化、以及抑制对地电位变动，能应用于太阳能发电***、燃料电池发电***、或充电电池储能***等从直流功率输出交流功率的功率转换装置。
另外，在本实施方式中，作为AC开关(3RB、3SB、3TB、4UB、4VB、4WB)，使用了包含两个发射极彼此相连的IGBT元件Q3x、Q4x、以及两个分别与IGBT元件Q3x、Q4x反向并联连接的二极管D3x、D4x的开关，但也可以如图20(a)～20(c)所示，使用具有其他结构的AC开关。
图20(a)的AC开关包括：发射极与节点N1相连接的IGBT元件Q3x；集电极与IGBT元件Q3x的集电极相连接、且发射极与节点N2相连接的IGBT元件Q4x；以及两个分别与IGBT元件Q3x、Q4x反向并联连接的二极管D3x、D4x。此外，节点N1与对应的相线(RL、SL、TL、UL、VL、WL)相连接，节点N2与中性点21相连接。
图20(b)的AC开关包括：阳极与节点N1相连接的二极管D3x；集电极与二极管D3x的阴极相连接、且发射极与节点N2相连接的IGBT元件Q4x；发射极与节点N1相连接的IGBT元件Q3x；以及阴极与IGBT元件Q3x的集电极相连接、且阳极与节点N2相连接的二极管D4x。图20(c)的AC开关包括连接在节点N1、N2之间的反向阻断IGBT元件Q5x。
应该认为这里所揭示的实施方式在各个方面都是举例表示，而不是限制性的。本发明的范围并不是由上述说明表示，而是由权利要求的范围表示，包含与权利要求的范围同等的意义及范围内的所有变更。

Claims (4)

1.一种功率转换装置，其特征在于，包括：
逆变器，该逆变器包含第一多电平电路，将直流功率转换为交流功率来提供给负载，所述第一多电平电路将第一～第三直流电压转换成第一交流电压；
输出滤波器，该输出滤波器包含电抗器和电容器，去除由所述逆变器所产生的高次谐波；
整流器，该整流器包含第二多电平电路，将来自交流电源的交流功率转换为直流功率，所述第二多电平电路将第二交流电压转换成所述第一～第三直流电压；
直流电压转换器，该直流电压转换器包含第三多电平电路，该第三多电平电路能对所述第一～第三直流电压和蓄电装置的正极与负极之间的电压进行相互转换，当所述交流电源的供电正常时，所述直流电压转换器将所述整流器产生的直流功率储存到所述蓄电装置，当所述交流电压的供电异常时，所述直流电压转换器将储存在所述蓄电装置中的直流功率提供给所述逆变器；
直流正母线、直流中性点母线和直流负母线，该直流正母线、直流中性点母线和直流负母线分别用于接受所述第一～第三直流电压，并将所述整流器及所述直流电压转换器所产生的直流功率传输至所述逆变器；
第一电容器，该第一电容器连接在所述直流正母线与所述直流中性点母线之间；以及
第二电容器，该第二电容器连接在所述直流中性点母线与所述直流负母线之间，
所述第一和第二多电平电路分别包括：
第一和第二半导体开关元件，该第一和第二半导体开关元件串联连接在所述直流正母线与所述直流负母线之间；
第一和第二二极管，该第一和第二二极管分别与所述第一和第二半导体开关元件反向并联连接；以及
交流开关，该交流开关连接在所述直流中性点母线与所述第一和第二半导体开关元件的连接点之间，
所述第一交流电压从所述第一多电平电路的所述第一和第二半导体开关元件的连接点输出，所述第二交流电压提供给所述第二多电平电路的所述第一和第二半导体开关元件的连接点，
所述第三多电平电路包括：
第三和第四半导体开关元件，该第三和第四半导体开关元件串联连接在所述直流正母线与所述直流中性点母线之间；
第五和第六半导体开关元件，该第五和第六半导体开关元件串联连接在所述直流中性点母线与所述直流负母线之间；
第三～第六二极管，该第三～第六二极管分别与所述第三～第六半导体开关元件反向并联连接；
第一电抗器，该第一电抗器连接在所述第三和第四半导体开关元件的连接点与所述蓄电装置的正极之间；以及
第二电抗器，该第二电抗器连接在所述第五和第六半导体开关元件的连接点与所述蓄电装置的负极之间，所述交流开关包括：
第一晶体管，该第一晶体管的集电极与所述直流中性点母线相连接；
第二晶体管，该第二晶体管的发射极与所述第一晶体管的发射极相连接，集电极与所述第一和第二半导体开关元件的连接点相连接；以及
第七和第八二极管，该第七和第八二极管分别与所述第一和第二晶体管反向并联连接。
2.一种功率转换装置，其特征在于，包括：
逆变器，该逆变器包含第一多电平电路，将直流功率转换为交流功率来提供给负载，所述第一多电平电路将第一～第三直流电压转换成第一交流电压；
输出滤波器，该输出滤波器包含电抗器和电容器，去除由所述逆变器所产生的高次谐波；
整流器，该整流器包含第二多电平电路，将来自交流电源的交流功率转换为直流功率，所述第二多电平电路将第二交流电压转换成所述第一～第三直流电压；
直流电压转换器，该直流电压转换器包含第三多电平电路，该第三多电平电路能对所述第一～第三直流电压和蓄电装置的正极与负极之间的电压进行相互转换，当所述交流电源的供电正常时，所述直流电压转换器将所述整流器产生的直流功率储存到所述蓄电装置，当所述交流电压的供电异常时，所述直流电压转换器将储存在所述蓄电装置中的直流功率提供给所述逆变器；
直流正母线、直流中性点母线和直流负母线，该直流正母线、直流中性点母线和直流负母线分别用于接受所述第一～第三直流电压，并将所述整流器及所述直流电压转换器所产生的直流功率传输至所述逆变器；
第一电容器，该第一电容器连接在所述直流正母线与所述直流中性点母线之间；以及
第二电容器，该第二电容器连接在所述直流中性点母线与所述直流负母线之间，
所述第一和第二多电平电路分别包括：
第一和第二半导体开关元件，该第一和第二半导体开关元件串联连接在所述直流正母线与所述直流负母线之间；
第一和第二二极管，该第一和第二二极管分别与所述第一和第二半导体开关元件反向并联连接；以及
交流开关，该交流开关连接在所述直流中性点母线与所述第一和第二半导体开关元件的连接点之间，
所述第一交流电压从所述第一多电平电路的所述第一和第二半导体开关元件的连接点输出，所述第二交流电压提供给所述第二多电平电路的所述第一和第二半导体开关元件的连接点，
所述第三多电平电路包括：
第三和第四半导体开关元件，该第三和第四半导体开关元件串联连接在所述直流正母线与所述直流中性点母线之间；
第五和第六半导体开关元件，该第五和第六半导体开关元件串联连接在所述直流中性点母线与所述直流负母线之间；
第三～第六二极管，该第三～第六二极管分别与所述第三～第六半导体开关元件反向并联连接；
第一电抗器，该第一电抗器连接在所述第三和第四半导体开关元件的连接点与所述蓄电装置的正极之间；以及
第二电抗器，该第二电抗器连接在所述第五和第六半导体开关元件的连接点与所述蓄电装置的负极之间，所述交流开关包括：
第一晶体管，该第一晶体管的发射极与所述直流中性点母线相连接；
第二晶体管，该第二晶体管的集电极与所述第一晶体管的集电极相连接，发射极与所述第一和第二半导体开关元件的连接点相连接；以及
第七和第八二极管，该第七和第八二极管分别与所述第一和第二晶体管反向并联连接。
3.一种功率转换装置，其特征在于，包括：
逆变器，该逆变器包含第一多电平电路，将直流功率转换为交流功率来提供给负载，所述第一多电平电路将第一～第三直流电压转换成第一交流电压；
输出滤波器，该输出滤波器包含电抗器和电容器，去除由所述逆变器所产生的高次谐波；
整流器，该整流器包含第二多电平电路，将来自交流电源的交流功率转换为直流功率，所述第二多电平电路将第二交流电压转换成所述第一～第三直流电压；
直流电压转换器，该直流电压转换器包含第三多电平电路，该第三多电平电路能对所述第一～第三直流电压和蓄电装置的正极与负极之间的电压进行相互转换，当所述交流电源的供电正常时，所述直流电压转换器将所述整流器产生的直流功率储存到所述蓄电装置，当所述交流电压的供电异常时，所述直流电压转换器将储存在所述蓄电装置中的直流功率提供给所述逆变器；
直流正母线、直流中性点母线和直流负母线，该直流正母线、直流中性点母线和直流负母线分别用于接受所述第一～第三直流电压，并将所述整流器及所述直流电压转换器所产生的直流功率传输至所述逆变器；
第一电容器，该第一电容器连接在所述直流正母线与所述直流中性点母线之间；以及
第二电容器，该第二电容器连接在所述直流中性点母线与所述直流负母线之间，
所述第一和第二多电平电路分别包括：
第一和第二半导体开关元件，该第一和第二半导体开关元件串联连接在所述直流正母线与所述直流负母线之间；
第一和第二二极管，该第一和第二二极管分别与所述第一和第二半导体开关元件反向并联连接；以及
交流开关，该交流开关连接在所述直流中性点母线与所述第一和第二半导体开关元件的连接点之间，
所述第一交流电压从所述第一多电平电路的所述第一和第二半导体开关元件的连接点输出，所述第二交流电压提供给所述第二多电平电路的所述第一和第二半导体开关元件的连接点，
所述第三多电平电路包括：
第三和第四半导体开关元件，该第三和第四半导体开关元件串联连接在所述直流正母线与所述直流中性点母线之间；
第五和第六半导体开关元件，该第五和第六半导体开关元件串联连接在所述直流中性点母线与所述直流负母线之间；
第三～第六二极管，该第三～第六二极管分别与所述第三～第六半导体开关元件反向并联连接；
第一电抗器，该第一电抗器连接在所述第三和第四半导体开关元件的连接点与所述蓄电装置的正极之间；以及
第二电抗器，该第二电抗器连接在所述第五和第六半导体开关元件的连接点与所述蓄电装置的负极之间，所述交流开关包括：
第一晶体管，该第一晶体管的发射极与所述直流中性点母线相连接；
第七二极管，该第七二极管的阴极与所述第一晶体管的集电极相连接，阳极与所述第一和第二半导体开关元件的连接点相连接；
第八二极管，该第八二极管的阳极与所述直流中性点母线相连接；以及
第二晶体管，该第二晶体管的集电极与所述第八二极管的阴极相连接，发射极与所述第一和第二半导体开关元件的连接点相连接。
4.一种功率转换装置，其特征在于，包括：
逆变器，该逆变器包含第一多电平电路，将直流功率转换为交流功率来提供给负载，所述第一多电平电路将第一～第三直流电压转换成第一交流电压；
输出滤波器，该输出滤波器包含电抗器和电容器，去除由所述逆变器所产生的高次谐波；
整流器，该整流器包含第二多电平电路，将来自交流电源的交流功率转换为直流功率，所述第二多电平电路将第二交流电压转换成所述第一～第三直流电压；
直流电压转换器，该直流电压转换器包含第三多电平电路，该第三多电平电路能对所述第一～第三直流电压和蓄电装置的正极与负极之间的电压进行相互转换，当所述交流电源的供电正常时，所述直流电压转换器将所述整流器产生的直流功率储存到所述蓄电装置，当所述交流电压的供电异常时，所述直流电压转换器将储存在所述蓄电装置中的直流功率提供给所述逆变器；
直流正母线、直流中性点母线和直流负母线，该直流正母线、直流中性点母线和直流负母线分别用于接受所述第一～第三直流电压，并将所述整流器及所述直流电压转换器所产生的直流功率传输至所述逆变器；
第一电容器，该第一电容器连接在所述直流正母线与所述直流中性点母线之间；以及
第二电容器，该第二电容器连接在所述直流中性点母线与所述直流负母线之间，
所述第一和第二多电平电路分别包括：
第一和第二半导体开关元件，该第一和第二半导体开关元件串联连接在所述直流正母线与所述直流负母线之间；
第一和第二二极管，该第一和第二二极管分别与所述第一和第二半导体开关元件反向并联连接；以及
交流开关，该交流开关连接在所述直流中性点母线与所述第一和第二半导体开关元件的连接点之间，
所述第一交流电压从所述第一多电平电路的所述第一和第二半导体开关元件的连接点输出，所述第二交流电压提供给所述第二多电平电路的所述第一和第二半导体开关元件的连接点，
所述第三多电平电路包括：
第三和第四半导体开关元件，该第三和第四半导体开关元件串联连接在所述直流正母线与所述直流中性点母线之间；
第五和第六半导体开关元件，该第五和第六半导体开关元件串联连接在所述直流中性点母线与所述直流负母线之间；
第三～第六二极管，该第三～第六二极管分别与所述第三～第六半导体开关元件反向并联连接；
第一电抗器，该第一电抗器连接在所述第三和第四半导体开关元件的连接点与所述蓄电装置的正极之间；以及
第二电抗器，该第二电抗器连接在所述第五和第六半导体开关元件的连接点与所述蓄电装置的负极之间，
所述交流开关包括反向阻断IGBT元件，所述反向阻断IGBT元件连接在所述直流中性点母线与所述第一和第二半导体开关元件的连接点之间。
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