CN109167525B - 一种新型非隔离五电平逆变器 - Google Patents

一种新型非隔离五电平逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种新型非隔离五电平逆变器。非隔离型五电平逆变器包括：第一桥臂电路的第一端与电池的正极连接，第一桥臂电路的第二端与电池的负极连接；第二桥臂电路的第一端与电池的正极连接，第二桥臂电路的第二端与电池的负极连接；第一续流电路分别与第一桥臂电路和连接电路连接，第二续流电路分别与第二桥臂电路和连接电路连接；在各工作状态，第一桥臂电路、第二桥臂电路、第一续流电路、第二续流电路和连接电路中的部分开关器件导通后，所形成的电流通路能够保持非隔离型五电平逆变器的共模电压为恒定值。本实施例可以解决钳位电容电压平衡问题，从而保证非隔离型五电平逆变器的共模电压为恒定值。

Description

一种新型非隔离五电平逆变器
技术领域
本发明涉及控制技术领域，尤其涉及一种新型非隔离五电平逆变器。
背景技术
目前，在光伏并网***中，光伏逆变器在电能变换过程中承担着重要角色。作为光伏电池和电网的重要接口，根据逆变***中是否含有隔离变压器，光伏并网逆变器可以分为隔离型逆变器和非隔离性逆变器。在隔离型逆变器***中，通常在直流侧装有高频变压器或在低频侧装有低频变压器。变压器不仅对光伏电池直流电压进行升压，也隔离了直流侧和交流侧，使两者之间不存在直流回路。但是，变压器的存在使得整个***损耗增加，效率大大降低，并且变压器体积比较大，成本比较高。非隔离型逆变器则克服了隔离型逆变***的缺点，然而由于缺少电气隔离，非隔离***出现了可靠性、漏电流等诸多新问题。
针对非隔离型逆变***出现的漏电流问题，国内外学者提出了许多改进的拓扑结构，主要可以分为单电感结构和对称电感结构，其中对称电感结构又可以分为直流侧旁路和交流侧旁路两种结构，较为典型的结构有H5、H6、改进型H6、混合H6和Heric等拓扑结构。近年来，各国专家与学者对低漏电流型光伏并网逆变器已经展开了大量的研究。其主要思路是:构造新的续流回路，使得在续流阶段光伏电池侧与交流电网侧断开，结合开关调制方式，把续流回路电平箝位至一固定值，即使共模电压保持不变，从而抑制漏电流的产生。
申请号为102004030912B3的专利提出一种H5拓扑，在普通全桥拓扑的基础上，其直流输入端串联一个附加开关器件S5，如图1所示。通过S5的开关调制实现交流侧和直流侧的解耦，抑制漏电流的产生。正半周S1始终导通，S4和S5工作在高频调制状态，负半周与之类似。
文献《一种新型单相无变压器光伏并网逆变器》提出一种H5改进拓扑，如图2所示。该逆变拓扑能够同时实现单极性调制和倍频单极性调制。采用倍频调制时，正半周S1和S6做正时序的SPWM高频调制，S4和S5做负时序的SPWM高频调制，负半周与之类似。相比单极性调制，倍频单极性调制能够降低对开关器件的速度要求，电能质量相对较高。该拓扑降低了对开关器件速度的要求，有利于器件选型，同时可以减小电流纹波，降低谐波含量。
申请号为DE10221592A1的专利在在交流侧加入了由两个开关器件和两个二极管构成的续流回路，如图3所示，其作用和HB_ZVR拓扑结构中的续流回路相同。该拓扑中开关器件S1-S4承担了绝大部分的开关损耗，同时也分担了有源状态下的导通损耗。开关损耗和导通损耗均与H5拓扑相同，器件损耗分布平衡性，易于延长开关器件的工作寿命。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种新型非隔离五电平逆变器，用于解决相关技术中存在的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种非隔离型五电平逆变器，包括：第一桥臂电路、第二桥臂电路、第一续流电路、第二续流电路和连接电路；其中，
所述第一桥臂电路的第一端与电池的正极连接，所述第一桥臂电路的第二端与所述电池的负极连接；
所述第二桥臂电路的第一端与所述电池的正极连接，所述第二桥臂电路的第二端与所述电池的负极连接；
所述第一续流电路分别与所述第一桥臂电路和所述连接电路连接，所述第二续流电路分别与所述第二桥臂电路和所述连接电路连接；
在各工作状态，所述第一桥臂电路、所述第二桥臂电路、所述第一续流电路、所述第二续流电路和所述连接电路中的部分开关器件导通后，所形成的电流通路能够保持所述非隔离型五电平逆变器的共模电压为恒定值。
可选地，所述第一桥臂电路包括第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件；所述第二桥臂电路包括第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件和第八开关器件；其中，
所述第一开关器件的第一端与所述第一桥臂电路的第一端连接，所述第一开关器件的第二端与所述第二开关器件的第一端连接；
所述第三开关器件的第一端与所述第二开关器件的第二端连接，所述第三开关器件的第二端与所述第四开关器件的第一端连接；
所述第四开关器件的第二端与所述第一桥臂电路的第二端连接；
所述第五开关器件的第一端与所述第二桥臂电路的第一端连接，所述第五开关器件的第二端与所述第六开关器件的第一端连接；
所述第七开关器件的第一端与所述第六开关器件的第二端连接，所述第七开关器件的第二端与所述第八开关器件的第一端连接；
所述第八开关器件的第二端与所述第二桥臂电路的第二端连接。
可选地，所述第一续流电路包括第九开关器件、第十开关器件、第一电容和第二电容；所述第二续流电路包括第十一开关器件、第十二开关器件、第三电容和第四电容；所述连接电路包括第十三开关器件、第十四开关器件；
所述第九开关器件的第一端与所述第一续流电路的第一端连接，所述第九开关器件的第二端与所述第十开关器件的第二端连接；
所述第十开关器件的第一端与所述第一桥臂电路的第三端连接；
所述第一电容的第一端与所述第一续流电路的第一端连接，所述第一电容的第二端与所述第一桥臂电路的第四端连接；
所述第二电容的第一端与所述第一续流电路的第一端连接，所述第二电容的第二端与所述第一桥臂电路的第五端连接；
所述第十二开关器件的第一端与所述第二续流电路的第一端连接，所述第十二开关器件的第二端与所述第十一开关器件的第二端连接；
所述第十一开关器件的第一端与所述第二桥臂电路的第三端连接；
所述第三电容的第一端与所述第二续流电路的第一端连接，所述第三电容的第二端与所述第二桥臂电路的第四端连接；
所述第四电容的第一端与所述第二续流电路的第一端连接，所述第四电容的第二端与所述第二桥臂电路的第五端连接；
所述第十三开关器件的第一端与所述连接电路的第一端连接，所述第十三开关器件的第二端与所述第十四开关器件的第二端连接，所述第十四开关器件的第一端与所述连接电路的第二端连接。
可选地，所述第一续流电路包括第九开关器件、第一续流桥、第一电容和第二电容；所述第二续流电路包括第十开关器件、第二续流桥、第三电容和第四电容；所述连接电路包括第十一开关器件和第三续流桥；
所述第一续流桥的第一端与所述第一续流电路的第一端连接，所述第一续流桥的第三端与所述第一桥臂电路的第三端连接；
第九开关器件的第一端与所述第一续流桥的第二端连接，所述第九开关器件的第二端与所述第一续流桥的第四端连接；
所述第一电容的第一端与所述第一续流电路的第一端连接，所述第一电容的第二端与所述第一桥臂电路的第四端连接；
所述第二电容的第一端与所述第一续流电路的第一端连接，所述第二电容的第二端与所述第一桥臂电路的第五端连接；
所述第二续流桥的第一端与所述第二续流电路的第一端连接，所述第二续流桥的第三端与所述第二桥臂电路的第三端连接；
第十开关器件的第一端与所述第二续流桥的第二端连接，所述第十开关器件的第二端与所述第二续流桥的第四端连接；
所述第三电容的第一端与所述第二续流电路的第一端连接，所述第三电容的第二端与所述第二桥臂电路的第四端连接；
所述第四电容的第一端与所述第二续流电路的第一端连接，所述第四电容的第二端与所述第二桥臂电路的第五端连接；
所述第三续流桥的第一端与所述第一续流电路的第一端连接，所述第三续流桥的第三端与所述第二续流电路的第一端连接；
所述第十一开关器件的第一端与所述第三续流桥的第二端连接，所述第十一开关器件的第二端与所述第三续流桥的第四端连接。
第二方面，本发明实施例提供了一种非隔离型五电平逆变器的漏电流抑制策略，应用于第一方面所述的非隔离型五电平逆变器，包括：
在各工作状态，分别导通所述第一桥臂电路、所述第二桥臂电路、所述第一续流电路、所述第二续流电路和所述连接电路中的部分开关器件，以使电流通路能够保持所述非隔离型五电平逆变器的共模电压为恒定值。
可选地，还包括：
在第一工作状态，分别导通所述第一桥臂电路和所述第二桥臂电路中的部分开关器件，以使所述第一桥臂电路的输出电压为电池电压VPN，所述第二桥臂电路的输出电压为公共电压0，所述非隔离型五电平逆变器的输出电压为VPN且所述共模电压保持为所述VPN/2；或者，
在第二工作状态，分别导通所述第一桥臂电路、所述第二桥臂电路、所述第一续流电路和所述第二续流电路中的部分开关器件，以使所述第一桥臂电路的输出电压为3VPN/4，所述第二桥臂电路桥臂的输出电压为VPN/4，所述非隔离型五电平逆变器的输出电压为VPN/2且所述共模电压保持为所述VPN/2。
可选地，还包括：
在第三工作状态，分别导通所述第一桥臂电路、所述第二桥臂电路和所述连接电路中的部分开关器件，以使所述第一桥臂电路的输出电压为3VPN/4，所述第二桥臂电路桥臂的输出电压为VPN/4，所述非隔离型五电平逆变器的输出电压为VPN/2且所述共模电压保持为所述VPN/2；或者，
在第四工作状态，分别导通所述第一续流电路、所述第二续流电路和所述连接电路中的部分开关器件，以使所述非隔离型五电平逆变器的输出电压为0且所述共模电压保持为所述VPN/2。
可选地，还包括：
在第五工作状态，分别导通所述第一续流电路、所述第二续流电路和所述连接电路中的部分开关器件，所述非隔离型五电平逆变器的输出电压为0且所述共模电压保持为所述VPN/2；或者，
在第六工作状态，分别导通所述第一桥臂电路、所述第二桥臂电路、所述第一续流电路和所述第二续流电路中的部分开关器件，以使所述第一桥臂电路的输出电压为VPN/4，所述第二桥臂电路的输出电压为3VPN/4，所述非隔离型五电平逆变器的输出电压为-VPN/2且所述共模电压保持为VPN/2。
可选地，还包括：
在第七工作状态，分别导通所述第一桥臂电路、所述第二桥臂电路和所述连接电路中的部分开关器件，以使所述第一桥臂电路的输出电压为VPN/4，所述第二桥臂电路的输出电压为3VPN/4，所述非隔离型五电平逆变器的输出电压为-VPN/2且所述共模电压保持为所述VPN/2；或者，
在第八工作状态，分别导通所述第一桥臂电路和所述第二桥臂电路中的部分开关器件，以使所述第一桥臂电路的输出电压为0，所述第二桥臂电路的输出电压为VPN，所述非隔离型五电平逆变器的输出电压为-VPN且所述共模电压保持为所述VPN/2。
由上述技术方案可知，本发明实施例中提供了一种新型的五电平拓扑结构，该拓扑结构可以解决非隔离型光伏逆变器产生漏电流的问题。
本实施例中通过设置漏电流抑制策略，可以解决钳位电容电压平衡问题，在一个开关周期内，钳位电容充放电时间相等，从而保证非隔离型五电平逆变器的共模电压为恒定值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1～图3是相关技术中一种逆变器的电路示意图；
图4为本发明一实施例提供的非隔离型五电平逆变器的电路示意图；
图5～图12为图4所示非隔离型五电平逆变器在各工作状态的电路示意图；
图13为本发明一实施例提供的非隔离型五电平逆变器的五电平调制策略的波形图；
图14为本发明另一实施例提供的非隔离型五电平逆变器的电路示意图。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本实施例中第一桥臂电路、第二桥臂电路、第一续流电路、第二续流电路和连接电路中都包括至少一个开关器件。该开关器件可以为晶体管或者场效应管，还可以为其他具有开关功能的电路。还需要说明的是，为保证各开关器件的正常工作，需要在各开关器件上并联一个续流二极管，续流二极管的并联方向与开关器件的类型相关，技术人员可以根据开关器件的类型进行设置，在此不作限定。若未说明，则开关器件默认包含一个续流二极管，特别情况下本实施例会指出。另外，“第一”“第二”仅用于区别于各器件，而不限定各器件的顺序。
另需要说明的是，本实施例中共模电压为全桥电路中第一电路和第二电路输出电压之和的一半。
图4为本发明一实施例提供的非隔离型五电平逆变器的电路流程示意图。参见图4，一种非隔离型五电平逆变器包括：第一桥臂电路11、第二桥臂电路12、第一续流电路13、第二续流电路14和连接电路15；其中，
第一桥臂电路11的第一端与电池PV的正极P连接，第一桥臂电路11的第二端与电池PV的负极N连接；
第二桥臂电路12的第一端与电池PV的正极P连接，第二桥臂电路12的第二端与电池PV的负极N连接；
第一续流电路13分别与第一桥臂电路11和连接电路15连接，第二续流电路14分别与第二桥臂电路12和连接电路15连接；
在各工作状态，第一桥臂电路11、第二桥臂电路12、第一续流电路13、第二续流电路14和连接电路15中的部分开关器件导通后，所形成的电流通路能够保持所述非隔离型五电平逆变器的共模电压为恒定值。
需要说明的是，非隔离型五电平逆变器还可以包括一直流电容C5，该直流电容C5并联于电池PV，由于本实施例中未对直流电容C5的工作原理和连接方式作相关改进，因此之后不再详细描述。
下面结合附图和实施例对非隔离型五电平逆变器的各步骤作详细描述。
继续参见图4，在一些实施例中，第一桥臂电路11包括第一开关器件T1、第二开关器件T2、第三开关器件T3和第四开关器件T4。其中，
第一开关器件T1的第一端(右侧上端)与第一桥臂电路11的第一端(图中未示出)连接，第一开关器件T1的第二端(右侧下端)与第二开关器件T2的第一端(右侧上端)连接于第一桥臂电路11的第四端；
第三开关器件T3的第一端(右侧上端)与第二开关器件T2的第二端(右侧下端)连接，第三开关器件T3的第二端(右侧下端)与第四开关器件T4的第一端(右侧上端)连接于第一桥臂电路11的第五端；
第四开关器件T4的第二端(右侧下端)与第一桥臂电路11的第二端(图中未示出)连接。
继续参见图4，在一些实施例中，第二桥臂电路12包括第五开关器件T5、第六开关器件T6、第七开关器件T7和第八开关器件T8。其中，
第五开关器件T5的第一端(右侧上端)与第二桥臂电路12的第一端(图中未示出)连接，第五开关器件T5的第二端(右侧下端)与第六开关器件T6的第一端(右侧上端)连接于第二桥臂电路12的第四端；
所述第七开关器件T7的第一端(右侧上端)与第六开关器件T6的第二端(右侧下端)连接于第二桥臂电路12的第三端B，第七开关器件T7的第二端(右侧下端)与第八开关器件T8的第一端(右侧上端)连接于第二桥臂电路12的第五端；
第八开关器件T8的第二端(右侧下端)与第二桥臂电路12的第二端(图中未示出)连接。
继续参见图4，在一些实施例中，第一续流电路13包括第九开关器件T9、第十开关器件T10、第一电容C1和第二电容C2。其中，
第九开关器件T9的第一端(右侧左端)与所述第一续流电路13的第一端(图中未示出)连接，第九开关器件T9的第二端(右侧右端)与第十开关器件T10的第二端(右侧左端)连接；
第十开关器件T10的第一端(右侧右端)与第一桥臂电路11的第三端(采用字母A标示)连接；
第一电容C1的第一端(上端)与第一续流电路13的第一端连接，第一电容C1的第二端(下端)与第一桥臂电路11的第四端连接；
第二电容C2的第一端(上端)与第一续流电路13的第一端连接，第二电容C2的第二端(下端)与第一桥臂电路11的第五端连接。
继续参见图4，在一些实施例中，第二续流电路14包括第十一开关器件T11、第十二开关器件T12、第三电容C3和第四电容C4。其中，
第十二开关器件T12的第一端(顶部右端)与第二续流电路14的第一端(图中未示出)连接，第十二开关器件T12的第二端(顶部左端)与第十一开关器件T11的第二端(顶部右端)连接；
第十一开关器件T11的第一端(顶部左端)与第二桥臂电路12的第三端连接；
第三电容C3的第一端(上端)与第二续流电路14的第一端连接，第三电容C3的第二端(下端)与第二桥臂电路12的第四端连接；
第四电容C4的第一端(上端)与第二续流电路14的第一端连接，第四电容的第二端(下端)与12第二桥臂电路的第五端连接。
继续参见图4，在一些实施例中，连接电路15包括第十三开关器件T13、第十四开关器件T14；
第十三开关器件T13的第一端(左侧一端)与连接电路的第一端连接，第十三开关器件T13的第二端(右侧一端)与第十四开关器件T14的第二端(左侧一端)连接，第十四开关器件T14的第一端(左侧一端)与连接电路的第二端连接。
参见图14，在另一些实施例中，第一续流电路13包括第九开关器件T9、第一续流桥、第一电容C1和第二电容C2。其中，
第一续流桥的第一端(左侧一端)与第一续流电路13的第一端(第一电容C1和第二电容C2之间的连接点)连接，第一续流桥的第三端(右侧一端)与第一桥臂电路的第三端(A点)连接；
第九开关器件T9的第一端(顶端)与第一续流桥的第二端(第九二极管D9和第十二极管D10之间的连接点)连接，第九开关器件T9的第二端(底端)与第一续流桥的第四端连接；
第一电容C1的第一端(顶端)与第一续流电路13的第一端连接，第一电容C1的第二端(底部)与第一桥臂电路11的第四端(第一开关器件T1第二端和第二开关器件T2第一端之间的连接点)连接；
第二电容C2的第一端(顶端)与第一续流电路13的第一端连接，第二电容C2的第二端(底端)与第一桥臂电路11的第五端(第三开关器件T3第二端和第四开关器件T4第一端之间的连接点)连接；
第二续流桥的第一端(第十四二极管D14阳极和第十五二极管D15阴极之间连接点)与第二续流电路14的第一端(第三电容C3和第四电容C4之间的连接点)连接，第二续流桥的第三端(第十三二极管D13阳极和第十六二极管D16阴极之间连接点)与第二桥臂电路12的第三端(A点)连接。
继续参见图14，在另一些实施例中，第二续流电路14包括第十开关器件T10、第二续流桥、第三电容C3和第四电容C4。其中，
第十开关器件T10的第一端(顶端)与第二续流桥的第二端连接，第十开关器件T10的第二端(底端)与第二续流桥的第四端连接；
第三电容C3的第一端(底端)与第二续流电路14的第一端连接，第三电容C3的第二端(顶端)与第二桥臂电路12的第四端连接；
第四电容C4的第一端(顶端)与第二续流电路14的第一端连接，第四电容C4的第二端(底端)与第二桥臂电路12的第五端连接；
继续参见图14，在另一些实施例中，连接电路15包括第十一开关器件T11和第三续流桥；
第三续流桥的第一端(左侧一端)与第一续流电路13的第一端连接，第三续流桥的第三端(右侧一端)与第二续流电路14的第一端连接；第三续流桥的第二端(中间上端)与第十一开关器件T11的第一端(上端)连接，第三续流桥的第四端(中间下端)与第十一开关器件T11的第二端(中间下端)连接。
需要说明的是，本实施例中第一续流桥、第二续流桥和第三续流桥均为采用4个二极管构成的全桥电路。继续参见图14，以第一续流桥为例，该第一续流桥包括第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11和第十二二极管D12。其中，
第九二极管D9的阴极与第三续流桥的第二端连接，第九二极管D9的阳极与第三续流桥的第一端连接；第十二二极管D12的阴极与第三续流桥的第一端连接，第十二二极管D12的阳极与第三续流桥的第四端连接；第十二极管D10的阴极与第三续流桥的第二端连接，第十二极管D10的阳极与第三续流桥的第三端连接；第十一二极管D11的阴极与第三续流桥的第三端连接，第十一二极管D11的阳极与第三续流桥的第四端连接。
第二续流桥包括第十三二极管D13、第十四二极管D14、第十五二极管D15和第十六二极管D16；第三续流桥包括第十七二极管D17、第十八二极管D18、第十九二极管D19和第二十二极管D20，具体连接方式可以参考图14以及第一续流桥的连接方式，在此不再赘述。
还需要说明的是，本实施例中非隔离型五电平逆变器还可以包括一控制器(图中未示出)，该控制器分别开关器件T1～T14的控制端(T1～T14中剩余的端子)连接，可以向控制端发送控制信号，例如逻辑高电平(+1)、逻辑低电平(0或-1)等，从而可以控制相应地开关器件处于导通状态或者关断状态。
基于图4所示的非隔离型五电平逆变器，本发明实施例还提供了一种非隔离型五电平逆变器的漏电流抵制策略，控制五电平逆变在各工作状态，分别导通第一电路、第二电路、续流电路和全桥电路中的部分开关器件，以使电流通路能够保持非隔离型五电平逆变器的共模电压为恒定值。漏电流抵制策略如表1所示。
表1各开关器件的开关状态表
Figure GDA0002478441760000141
表1中，状态“1”表示对应的开关器件为导通状态，状态“0”表示对应的开关器件为关断状态。
表2中，+4代表输出电压为VPN，+2代表输出电压为VPN/2，0代表输出电压为0，-2代表输出电压为-VPN/2，-4代表输出电压为-VPN。
表2输出电压与电容状态
Figure GDA0002478441760000142
Figure GDA0002478441760000151
基于上述漏电流抵制策略，本实施例中非隔离型五电平逆变器在每个工作周期内至少包括：
第一工作状态A：继续参见图4，在第一工作状态，分别导通第一桥臂电路11和第二桥臂电路12中的部分开关器件，以使第一桥臂电路的输出电压为电池电压VPN，第二桥臂电路的输出电压为公共电压0，非隔离型五电平逆变器的输出电压为VPN且共模电压保持为所述VPN/2。
参见图5，控制器分别向第一开关器件T1、第二开关器件T2、第七开关器件T7和第八开关器件T8输出逻辑高电平，使开关器件T1、T2、T7和T8导通，其它开关器件关断，电流正向流通。需要说明的是，图5中导通的开关器件采用实线表示，而关断的开关器件采用虚线表示，后续各工作状态采用相同的表示方式。继续参见图5，电流流通路径为：电池PV的正极P→第一开关器件T1→第二开关器件T2→第七开关器件T7→电池PV的负极N，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4没有电流流通，即无充放电过程，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4的电压保持恒定。在第一工作状态下，第一桥臂电路的输出电压为VPN，第二桥臂电路的输出电压为0，逆变器的共模电压为VPN，且共模电压为VPN/2。
当电流反向时，通过第八开关器件T8中续流二极管D8、第七开关器件T7中续流二极管D7、第二开关器件T2中续流二极管D2和和第一开关器件T1中续流二极管D1构成通路，输出电压为VPN。
第二工作状态B：在第二工作状态，继续参见图4，分别导通第一桥臂电路11、第二桥臂电路12、第一续流电路13和第二续流电路14中的部分开关器件，以使第一桥臂电路11的输出电压为3VPN/4，第二桥臂电路桥臂12的输出电压为VPN/4，非隔离型五电平逆变器的输出电压为VPN/2且共模电压保持为所述VPN/2。
参见图6，控制器分别导通第一开关器件T1、第八开关器件T8、第九开关器件T9第十开关器件T10、第十一开关器件T11和第十二开关器件T12，第十开关器件T10中的续流二极管D10和第十二开关器件T12中的续流二极管D12续流，其它开关器件关断，电流正向流通，电流流通路径为：电池PV的正极P→第一开关器件T1→第一电容C1→第九开关器件T9→第十开关器件T10中的续流二极管D10→第十一开关器件T11→第十二开关器件T12中的续流二极管D12→第四电容C4→第八开关器件T8→电池PV的负极N，第一电容C1和第四电容C4流过相同的电流且均处于充电状态。第二工作状态下，第一桥臂电路11的输出电压为3VPN/4，第二桥臂电路桥臂12的输出电压为VPN/4，非隔离型五电平逆变器的输出电压为VPN/2且共模电压保持为所述VPN/2。
当电流反向时，电流通过第八开关器件T8中的续流二极管D8，第十二开关器件T12，第十一开关器件T11中的续流二极管D11，第十开关器件T10，第九开关器件T9中的续流二极管D9，第一开关器件T1中的续流二极管D1构成通路，输出电压为VPN/2。
需要说明的是，本实施例中第二工作状态B下，控制器未考虑电流过零点的情况，从而控制更简单方便。当然，在控制器能够准确获取电流过零点的情况下，在第二工作状态B下，控制器可以在电流正向时，导通第一开关器件T1、第八开关器件T8、第九开关器件T9和第十一开关器件T11；而在电流反向时导通第十开关器件T10和第十二开关器件T12。换言之，电流正向回路中包括一部分续流二极管(D10和D12)和控制器主动导通的一些开关器件(T1、T8、T9和T11)，而电流反向回路中则是控制器主动导通电流正向回路中续流二极管对应的开关器件(T10和T12)以及电流正向回路中导通的开关器件中的续流二极管(D1、D8、D9和D11)。这样同样可以实现本申请的方案。为简化说明，后续各工作状态以不考虑电流过零点的场景进行说明。
第三工作状态C：在第三工作状态，继续参见图4，分别导通第一桥臂电路11、第二桥臂电路12和连接电路15中的部分开关器件，以使第一桥臂电路11的输出电压为3VPN/4，第二桥臂电路桥臂12的输出电压为VPN/4，非隔离型五电平逆变器的输出电压为VPN/2且共模电压保持为所述VPN/2；
参见图7，控制器分别导通第二开关器件T2、第七开关器件T7、第十三开关器件T13和第十四开关器件T14，第十三开关器件T13中续流二极管D13续流，其它开关器件处于断开状态，第一电容C1和第四电容C4参与工作。电流正向流通，电流流通路径为：节点B→第七开关器件T7→第四电容C4→第十四开关器件T14→第十三开关器件T13中续流二极管D13→第一电容C1→第二开关器件T2→节点A。第一电容C1和第四电容C4流过相同的负向电流且均处于充电状态。在该状态下，交流***侧与电池PV隔离，逆变器输出电压为输出电压为VPN/2，共模电压为VPN/2。
当电流反向时，电流通过第二开关器件T2中续流二极管D2、第十三开关器件T13、第十四开关器件T14中续流二极管D4和第七开关器件T7中续流二极管D7构成通路，输出电压为VPN/2。
第四工作状态D：在第四工作状态，继续参见图4，分别导通第一续流电路13、第二续流电路14和连接电路15中的部分开关器件，以使非隔离型五电平逆变器的输出电压为0且共模电压保持为VPN/2。
参见图8，控制器分别导通第九开关器件T9、第十开关器件T10、第十一开关器件T11、第十二开关器件T12、第十三开关器件T13和第十四开关器件T14，第十开关器件T10中续流二极管D10、第十二开关器件T12中续流二极管D12，第十三开关器件T13中续流二极管D13续流，其它开关器件关断，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4不参与工作。电流正向流通，电流流通路径为：节点B→第十一开关器件T11→第十二开关器件T12中续流二极管D12→第十四开关器件T14→第十三开关器件T13中续流二极管D13→第九开关器件T9→第十开关器件T10中续流二极管D10→节点A。在该状态下，交流***侧与电池PV隔离，逆变器输出电压为0，共模电压保持VPN/2。
当电流反向时，电流通过第十开关器件T10、第九开关器件T9中续流二极管D9、第十三开关器件T13、第十四开关器件T14中续流二极管D14、第十二开关器件T12和第十一开关器件T11中续流二极管D11构成通路，输出电压为0。
第五工作状态E：在第五工作状态，继续参见图4，分别导通第一续流电路13、第二续流电路14和连接电路15中的部分开关器件，非隔离型五电平逆变器的输出电压为0且共模电压保持为VPN/2。
参见图9，控制器分别导通第九开关器件T9、第十开关器件T10、第十一开关器件T11、第十二开关器件T12、第十三开关器件T13和第十四开关器件T14，第九开关器件T9中的续流二极管D9、第十一开关器件T11中的续流二极管D11和第十四开关器件T14中续流二极管D14续流，其它开关器件关断，电容C1～C4不参与工作。电流反向，流通路径为：节点A→第十开关器件T10→第九开关器件T9中的续流二极管D9→第十三开关器件T13→第十四开关器件T14中续流二极管D14→第十二开关器件T12→第十一开关器件T11中的续流二极管D11→节点B。在该状态下，交流***侧与电池PV隔离，逆变器输出电压为0，共模电压保持为VPN/2。
当电流正向时，电流通过第十一开关器件T11，第十二开关器件T12中的续流二极管D12，第十四开关器件T14，第十三开关器件T13中的续流二极管D13，第九开关器件T9，第十开关器件T10中的续流二极管D10构成通路，输出电压为0。
第六工作状态F：在第六工作状态，继续参见图4，分别导通第一桥臂电路11、第二桥臂电路12、第一续流电路13和第二续流电路14中的部分开关器件，以使第一桥臂电路11的输出电压为VPN/4，第二桥臂电路12的输出电压为3VPN/4，非隔离型五电平逆变器的输出电压为-VPN/2且共模电压保持为VPN/2。
参见图10，控制器分别导通第四开关器件T4、第五开关器件T5、第九开关器件T9、第十开关器件T10、第十一开关器件T11和第十二开关器件T12，第九开关器件T9中的续流二极管D9和第十一开关器件T11中的续流二极管D11续流，其它开关器件关断，第二电容C2和第三电容C3参与工作。电流反向流通，电流流通路径为：电池PV的正极P→第五开关器件T5→第三电容C3→第十二开关器件T12→第十一开关器件T11中的续流二极管D1→第十开关器件T10→第九开关器件T9中的续流二极管D9→第二电容C2→第四开关器件T4→电池PV的负极N。在该状态下，电容C2和C3均处于充电过程，交流***侧与电池PV隔离，逆变器输出电压为-VPN/2且共模电压保持VPN/2。
当电流正向时，电流通过第四开关器件T4中的续流二极管D4，第九开关器件T9，第十开关器件T10中的续流二极管D10，第十一开关器件T11，第十二开关器件T12中的续流二极管D12，第五开关器件T5中的续流二极管D5构成通路，逆变器输出电压为-VPN/2。
第七工作状态G：在第七工作状态，继续参见图4，分别导通第一桥臂电路11、第二桥臂电路12连接电路15中的部分开关器件，以使第一桥臂电路11的输出电压为VPN/4，第二桥臂电路12的输出电压为3VPN/4，非隔离型五电平逆变器的输出电压为-VPN/2且共模电压保持为VPN/2。
参见图11，控制器分别导通第三开关器件T3、第六开关器件T6、第十三开关器件T13和第十四开关器件T14，第十四开关器件T14中的续流二极管D14续流，其它开关器件关断，第二电容C2和第三电容C3参与工作。电流反向流通，电流流通路径为：节点A→第三开关器件T3→第二电容C2→第十三开关器件T13→第十四开关器件T14中的续流二极管D14→第三电容C3→第六开关器件T6→节点B。第二电容C2和第三电容C3中电流反向且进行放电。在该状态下，第一桥臂电路11输出电压为VPN/4，第一桥臂电路12输出电压为3VPN/4，逆变器输出电压为-VPN/2且共模电压为VPN/2。
当电流正向时，电流通过第六开关器件T6中的续流二极管D6、第十四开关器件T14、第十三开关器件T13中的续流二极管D13、第三开关器件T3中的续流二极管D3构成通路，逆变器输出电压为-VPN/2。
第八工作状态H：在第八工作状态，继续参见图4，分别导通第一桥臂电路11和第二桥臂电路12中的部分开关器件，以使第一桥臂电路11的输出电压为0，第二桥臂电路12的输出电压为VPN，非隔离型五电平逆变器的输出电压为-VPN且共模电压保持为VPN/2。
参见图12，控制器分别导通第三开关器件T3、第四开关器件T4、第五开关器件T5和第六开关器件T6，其它开关器件关断。电流反向流通，电流流通路径为：电池PV的正极P→第五开关器件T5→第六开关器件T6→第三开关器件T3→第四开关器件T4→电池PV的负极N。在该模态下，第一桥臂电路11的输出电压为0，第二桥臂电路12的输出电压为VPN，逆变器的输出电压为-VPN且共模电压保持为VPN/2。
当电流正向时，通过第四开关器件T4中的续流二极管D4，第三开关器件T3中的续流二极管D3，第六开关器件T6中的续流二极管D6，第五开关器件T5中的续流二极管D5构成通路，输出电压为-VPN。
从第一工作状态A～第八工作状态H可知，非隔离型五电平逆变器的共模电压均能保持在VPN/2，从而保证逆变器不会产生漏电流。另外，本实施例中非隔离型五电平逆变器在第三工作状态C和第七工作状态G时输出电压分别为VPN/2和-VPN/2，由于工作状态C和G中，电容中的电流方向相反，且电容既有充电过程又有放电过程，最终达电容两端电压恒定，从而达到钳位的目的。
参见图13，本实施例中采用载波同向层叠(PD)调制，且工作状态B和工作状态D的组合以及工作状态C和工作状态D的组合输出+1电平，其中第二工作状态B使第一电容C1和第四电容C4充电，第三工作状态C使第一电容C1和第四电容C4放电，第四工作状态D无电容参与工作，最终使得第一电容C1和第四电容C4电压达到平衡。当逆变器输出+2电平时，采用第一工作状态A和第二工作状态B的组合以及第一工作状态A和第三工作状态C的组合，同样能使得第一电容C1和第四电容C4电压平衡且能保证共模电压恒定。其他模态工作原理与上述一致，逆变器的输出电压和各电容的状态请参考表2。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种非隔离型五电平逆变器，其特征在于，包括：第一桥臂电路、第二桥臂电路、第一续流电路、第二续流电路和连接电路；其中，
所述第一桥臂电路的第一端与电池的正极连接，所述第一桥臂电路的第二端与所述电池的负极连接；
所述第二桥臂电路的第一端与所述电池的正极连接，所述第二桥臂电路的第二端与所述电池的负极连接；
所述第一续流电路分别与所述第一桥臂电路和所述连接电路连接，所述第二续流电路分别与所述第二桥臂电路和所述连接电路连接；
在各工作状态，所述第一桥臂电路、所述第二桥臂电路、所述第一续流电路、所述第二续流电路和所述连接电路中的部分开关器件导通后，所形成的电流通路能够保持所述非隔离型五电平逆变器的共模电压为恒定值；
所述第一桥臂电路包括第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件；所述第二桥臂电路包括第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件和第八开关器件；其中，
所述第一开关器件与第二开关器件的连接端为第一桥臂电路的第三端；
所述第二开关器件与第三开关器件的连接端为第一桥臂电路的第四端；
所述第三开关器件与第四开关器件的连接端为第一桥臂电路的第五端；
所述第五开关器件与第六开关器件的连接端为第二桥臂电路的第三端；
所述第六开关器件与第七开关器件的连接端为第二桥臂电路的第四端；
所述第七开关器件与第八开关器件的连接端为第二桥臂电路的第五端；所述第一开关器件的第一端与所述第一桥臂电路的第一端连接，所述第一开关器件的第二端与所述第二开关器件的第一端连接；
所述第三开关器件的第一端与所述第二开关器件的第二端连接，所述第三开关器件的第二端与所述第四开关器件的第一端连接；
所述第四开关器件的第二端与所述第一桥臂电路的第二端连接；
所述第五开关器件的第一端与所述第二桥臂电路的第一端连接，所述第五开关器件的第二端与所述第六开关器件的第一端连接；
所述第七开关器件的第一端与所述第六开关器件的第二端连接，所述第七开关器件的第二端与所述第八开关器件的第一端连接；
所述第八开关器件的第二端与所述第二桥臂电路的第二端连接；
所述第一续流电路包括第九开关器件、第十开关器件、第一电容和第二电容；所述第二续流电路包括第十一开关器件、第十二开关器件、第三电容和第四电容；所述连接电路包括第十三开关器件、第十四开关器件；
所述第九开关器件的第一端与所述第一续流电路的第一端连接，所述第九开关器件的第二端与所述第十开关器件的第二端连接；
所述第十开关器件的第一端与所述第一桥臂电路的第三端连接；
所述第一电容的第一端与所述第一续流电路的第一端连接，所述第一电容的第二端与所述第一桥臂电路的第四端连接；
所述第二电容的第一端与所述第一续流电路的第一端连接，所述第二电容的第二端与所述第一桥臂电路的第五端连接；
所述第十二开关器件的第一端与所述第二续流电路的第一端连接，所述第十二开关器件的第二端与所述第十一开关器件的第二端连接；
所述第十一开关器件的第一端与所述第二桥臂电路的第三端连接；
所述第三电容的第一端与所述第二续流电路的第一端连接，所述第三电容的第二端与所述第二桥臂电路的第四端连接；
所述第四电容的第一端与所述第二续流电路的第一端连接，所述第四电容的第二端与所述第二桥臂电路的第五端连接；
所述第十三开关器件的第一端与所述连接电路的第一端连接，所述第十三开关器件的第二端与所述第十四开关器件的第二端连接，所述第十四开关器件的第一端与所述连接电路的第二端连接。
2.根据权利要求1所述的非隔离型五电平逆变器，其特征在于，所述第一续流电路包括第九开关器件、第一续流桥、第一电容和第二电容；所述第二续流电路包括第十开关器件、第二续流桥、第三电容和第四电容；所述连接电路包括第十一开关器件和第三续流桥；
所述第一续流桥的第一端与所述第一续流电路的第一端连接，所述第一续流桥的第三端与所述第一桥臂电路的第三端连接；
第九开关器件的第一端与所述第一续流桥的第二端连接，所述第九开关器件的第二端与所述第一续流桥的第四端连接；
所述第一电容的第一端与所述第一续流电路的第一端连接，所述第一电容的第二端与所述第一桥臂电路的第四端连接；
所述第二电容的第一端与所述第一续流电路的第一端连接，所述第二电容的第二端与所述第一桥臂电路的第五端连接；
所述第二续流桥的第一端与所述第二续流电路的第一端连接，所述第二续流桥的第三端与所述第二桥臂电路的第三端连接；
第十开关器件的第一端与所述第二续流桥的第二端连接，所述第十开关器件的第二端与所述第二续流桥的第四端连接；
所述第三电容的第一端与所述第二续流电路的第一端连接，所述第三电容的第二端与所述第二桥臂电路的第四端连接；
所述第四电容的第一端与所述第二续流电路的第一端连接，所述第四电容的第二端与所述第二桥臂电路的第五端连接；
所述第三续流桥的第一端与所述第一续流电路的第一端连接，所述第三续流桥的第三端与所述第二续流电路的第一端连接；
所述第十一开关器件的第一端与所述第三续流桥的第二端连接，所述第十一开关器件的第二端与所述第三续流桥的第四端连接。
3.一种非隔离型五电平逆变器的漏电流抑制策略，其特征在于，应用于权利要求1～2任一项所述的非隔离型五电平逆变器，包括：
在各工作状态，分别导通所述第一桥臂电路、所述第二桥臂电路、所述第一续流电路、所述第二续流电路和所述连接电路中的部分开关器件，以使电流通路能够保持所述非隔离型五电平逆变器的共模电压为恒定值。
4.根据权利要求3所述的漏电流抑制策略，其特征在于，还包括：
在第一工作状态，分别导通所述第一桥臂电路和所述第二桥臂电路中的部分开关器件，以使所述第一桥臂电路的输出电压为电池电压VPN，所述第二桥臂电路的输出电压为公共电压0，所述非隔离型五电平逆变器的输出电压为VPN且所述共模电压保持为VPN/2；或者，
在第二工作状态，分别导通所述第一桥臂电路、所述第二桥臂电路、所述第一续流电路和所述第二续流电路中的部分开关器件，以使所述第一桥臂电路的输出电压为3VPN/4，所述第二桥臂电路桥臂的输出电压为VPN/4，所述非隔离型五电平逆变器的输出电压为VPN/2且所述共模电压保持为VPN/2。
5.根据权利要求3所述的漏电流抑制策略，其特征在于，还包括：
在第三工作状态，分别导通所述第一桥臂电路、所述第二桥臂电路和所述连接电路中的部分开关器件，以使所述第一桥臂电路的输出电压为3VPN/4，所述第二桥臂电路桥臂的输出电压为VPN/4，所述非隔离型五电平逆变器的输出电压为VPN/2且所述共模电压保持为VPN/2；或者，
在第四工作状态，分别导通所述第一续流电路、所述第二续流电路和所述连接电路中的部分开关器件，以使所述非隔离型五电平逆变器的输出电压为0且所述共模电压保持为VPN/2。
6.根据权利要求3所述的漏电流抑制策略，其特征在于，还包括：
在第五工作状态，分别导通所述第一续流电路、所述第二续流电路和所述连接电路中的部分开关器件，所述非隔离型五电平逆变器的输出电压为0且所述共模电压保持为VPN/2；或者，
在第六工作状态，分别导通所述第一桥臂电路、所述第二桥臂电路、所述第一续流电路和所述第二续流电路中的部分开关器件，以使所述第一桥臂电路的输出电压为VPN/4，所述第二桥臂电路桥臂的输出电压为3VPN/4，所述非隔离型五电平逆变器的输出电压为-VPN/2且所述共模电压保持为VPN/2。
7.根据权利要求3所述的漏电流抑制策略，其特征在于，还包括：
在第七工作状态，分别导通所述第一桥臂电路、所述第二桥臂电路和所述连接电路中的部分开关器件，以使所述第一桥臂电路的输出电压为VPN/4，所述第二桥臂电路的输出电压为3VPN/4，所述非隔离型五电平逆变器的输出电压为-VPN/2且所述共模电压保持为VPN/2；或者，
在第八工作状态，分别导通所述第一桥臂电路和所述第二桥臂电路中的部分开关器件，以使所述第一桥臂电路的输出电压为0，所述第二桥臂电路的输出电压为VPN，所述非隔离型五电平逆变器的输出电压为-VPN且所述共模电压保持为VPN/2。
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