JP7706603B2 - 三レベル変換器およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は太陽光発電分野に関し、特に三レベル変換器およびその制御方法に関する。

本出願は、出願番号２０２３１０７０４１３６．Ｘで、出願日が２０２３年６月１４日の中国特許出願に基づいて提出され、かつ当該中国特許出願の優先権を出張しており、当該中国特許出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

太陽光発電システムでは、インバータは不可欠な部分であり、太陽光発電パネルから発生した可変直流電圧を交流電圧に変換したり、商用送電システムにフィードバックしたり、様々な電気消費負荷に供給したりすることができる。

北米戸用型光起電力インバータは動作時に分相して共に安定的にすることを必要とし、つまり２つの独立した交流電圧を出力でき、かつ位相が１８０°ずれることができる。図１に示すように、光起電力インバータ１１は、３つの出力ポートＬ１、Ｌ２、Ｎを有し、出力ポートＬ１、Ｌ２は、火線ポートであり、出力ポートＮは、ゼロラインポートであり、ここでは、出力ポートＬ１とＬ２との間の電圧は、出力ポートＬ１とＮとの間の電圧の２倍であり、あるいは、出力ポートＬ１とＬ２との間の電圧は、出力ポートＬ２とＮとの間の電圧の２倍である。出力ポートＬ１とＮとの間に負荷１が接続され、出力ポートＬ１とＮとの間の電圧によって負荷１に電力を供給し、出力ポートＮとＬ２との間に負荷２が接続され、出力ポートＬ２とＮとの間の電圧によって負荷２に電力を供給し、出力ポートＬ１とＬ２との間に負荷３が接続され、出力ポートＬ１とＬ２との間の電圧によって負荷３に電力を供給する。

以下、出力ポートＬ１とＬ２との間の電圧は２４０Ｖとして説明するが、この光起電力インバータ１１は、グリッドオフ出力時に、２相１２０Ｖを出力でき、すなわち、出力ポートＬ１とＮとの間の電圧が１２０Ｖで、１２０Ｖの負荷１に電力を供給でき、出力ポートＬ２とＮの間の電圧が１２０Ｖで、１２０Ｖの負荷２に電力を供給することができ、２４０Ｖの負荷３にも電力を供給できる。光起電力インバータ１１のグリッドオフ出力時、２相１２０Ｖの電圧の負荷１と負荷２とが全く同じであることは必要とせず、光起電力インバータ１１は、この２相の電圧を独立して制御する必要がある。光起電力インバータ１１がグリッドに接続される時、該光起電力インバータ１１の出力電圧は２４０Ｖであり、負荷バランスの問題はグリッドでバランスを取る必要があり、インバータ自身はバランス調整ができないため、光起電力インバータ１１の出力ポートＮをグリッドのＮ線に接続する必要がなく、この場合、光起電力インバータ１１は、通常の単相インバータであると考えられる。

従来のグリッドオフ光起電力インバータは、光起電力インバータがグリッド接続時とグリッドオフの両方において高効率であることを保証することができないという問題点がある。現在、一部の光起電力インバータはグリッド接続時に効率が高く、グリッドオフ時に効率が低く、システムの発熱が大きいが、一部の光起電力インバータがグリッド接続時に効率が低く、コストが高く、グリッドオフ時に効率が高い。従って、光起電力インバータがグリッド接続時とグリッドオフ時に高効率であることを保証することは、業界が早急に解決すべき技術問題である。

本発明が解決しようとする技術的課題は、グリッド接続およびグリッドオフ効率を向上させ、システムの損失を減らすことができる三レベル変換器を提供することである。

本発明は、三レベル変換器であって、第１直流入力端、第２直流入力端、中性端、第１電力スイッチ、第１電力スイッチ、第２電力スイッチ、第３電力スイッチ、第４電力スイッチ、第５電力スイッチ、第６電力スイッチおよび第７電力スイッチを含み、前記第１電力スイッチの第１端はそれぞれ前記第１直流入力端および前記第３電力スイッチの第１端に接続され、前記第２電力スイッチの第２端はそれぞれ前記第２直流入力端および前記第４電力スイッチの第２端に接続され、前記第１電力スイッチの第２端と前記第２電力スイッチの第１端の接続点は第１交流出力端とし、前記第３電力スイッチの第２端と前記第４電力スイッチの第１端の接続点は第２交流出力端とし、前記第５電力スイッチおよび第６電力スイッチは前記第１交流出力端と前記中性端との間に直列接続され、前記第７電力スイッチは、第５電力スイッチと第６電力スイッチの接続点と第２交流出力との間に接続される三レベル変換器を提供する。

さらに、前記第１電力スイッチと、前記第２電力スイッチと、前記第３電力スイッチおよび前記第４電力スイッチは高周波スイッチ管であり、前記第５電力スイッチ、前記第６電力スイッチおよび前記第７電力スイッチは商用周波数フリーホイール管である。

さらに、前記三レベル変換器がグリッドオフモードで動作場合、前記第１交流出力端と前記中性端との間に第１負荷が接続され、前記第２交流出力端と前記中性端との間に第２負荷が接続される。

さらに、前記三レベル変換器がグリッド接続モードで動作する場合、前記第１交流出力端と前記第２交流出力端との間にグリッドが接続される。

さらに、前記第５電力スイッチの第１端は、前記第６電力スイッチの第１端および前記第７電力スイッチの第１端にそれぞれ接続される。

さらに、前記第５電力スイッチの第２端は、前記第６電力スイッチの第２端および前記第７電力スイッチの第２端にそれぞれ接続される。
さらに、前記三レベル変換器が第１半周期で動作する場合、前記第２電力スイッチおよび前記第３電力スイッチは常時オフし、前記第５電力スイッチは常時オンし、前記第１電力スイッチおよび前記第４電力スイッチは同時にオンまたはオフし、前記第６電力スイッチおよび前記第７電力スイッチは同時にオンまたはオフし、ここでは、前記第１電力スイッチおよび前記第６電力スイッチは、相補的に導通している。

さらに、前記三レベル変換器が第２半周期で動作する場合、前記第１電力スイッチおよび前記第４電力スイッチは常時オフし、前記第７電力スイッチは常時オンし、前記第２電力スイッチおよび前記第３電力スイッチは同時にオンまたはオフし、前記第５電力スイッチおよび前記第６電力スイッチは同時にオンまたはオフし、ここでは、前記第２電力スイッチおよび前記第５電力スイッチは、相補的に導通している。

さらに、第１フリーホイールブランチと第２フリーホイールブランチをさらに含み、前記第１フリーホイールブランチは、前記第１交流出力端と前記中性端との間に接続され、前記第２フリーホイールブランチは、前記中性端と前記第２交流出力端との間に接続される。

さらに、前記第１フリーホイールブランチの導通方向は、前記第２フリーホイールブランチの導通方向と反対である。

さらに、前記第１フリーホイールブランチおよび前記第２フリーホイールブランチはいずれも直列に接続されるダイオードおよび電力スイッチを含む。

本願は、以上に記載の三レベル変換器に応用される制御方法を提供し、前記制御方法は、前記三レベル変換器が第１半周期で動作する場合、前記第２電力スイッチおよび前記第３電力スイッチが常時オフし、前記第５電力スイッチが常時オンし、前記第１電力スイッチと前記第４電力スイッチが同時にオンまたはオフし、前記第６電力スイッチと前記第７電力スイッチが同時にオンまたはオフするように制御し、ここでは、前記第１電力スイッチと前記第６電力スイッチは相補的に導通していることと、前記三レベル変換器が第２半周期で動作する時、前記第１電力スイッチと前記第４電力スイッチが常時オフし、前記第７電力スイッチが常時オンし、前記第２電力スイッチと前記第３電力スイッチが同時にオンまたはオフし、前記第５電力スイッチと前記第６電力スイッチが同時にオンまたはオフするように制御し、ここでは、前記第２電力スイッチと前記第５電力スイッチは、相補的に導通していることとを含む。

本発明の実施例の三レベル変換器は、第１直流入力端、第２直流入力端、中性端、第１電力スイッチ、第２電力スイッチ、第３電力スイッチ、第４電力スイッチ、第５電力スイッチ、第６電力スイッチおよび第７電力スイッチを含む。上記電力スイッチの接続関係および前記電力スイッチの相応する制御により、三レベル変換器をグリッド接続状態またはグリッドオフ状態で動作させることができ、且つグリッド接続状態およびグリッドオフ状態における三レベル変換器の効率を向上させてシステムの損失を低減することができる。

従来技術による光起電力インバータおよびその負荷との接続構成を示す図である。 従来技術による単相インバータがグリッド接続モードで動作する構成を示す図である。 図２のインバータがグリッドオフモードで動作する構成を示す図である。 従来のＴ字型三レベルインバータがグリッド接続モードで動作する構成を示す図である。 図４のインバータがグリッドオフモードで動作する構成を示す図である。 本願の一実施例による、三レベル変換器がグリッドオフモードで動作する構成を示す図である。 図６における三レベル変換器がグリッド接続モードで動作する構成を示す図である。 図６および図７における三レベル変換器の電力スイッチの駆動波形図である。 本願の別の実施例の三レベル変換器がグリッドオフモードで動作する構成を示す図である。 本願の別の実施例の三レベル変換器がグリッドオフモードで動作する構成を示す図である。 本願の別の実施例の三レベル変換器がグリッドオフモードで動作する構成を示す図である。

以下、本発明における技術解決手段を明確かつ詳細に説明するが、説明した実施例は本発明の一部に過ぎず、すべての実施例ではないことは明らかである。追加の作業なく、本発明の実施例に基づいて当業者によって得られる他のすべての実施例は、本発明の保護範囲内に属するものである。

当然のことながら、本発明は、様々な形態で実施されてもよく、本明細書に記載された実施例に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施例の提供は、開示を徹底的でかつ完全にし、本発明の範囲を当業者に完全に伝える。図面において、層および領域の寸法および相対寸法は、明確化のために誇張されている場合があり、全体を通して同じ参照符号は、同じ要素を示す。明らかなことに、要素または層が、他の要素または層に「…の上に」、「…に隣接している」、「接続されている」または「結合されている」と称される場合、直接、他の要素または層より上に、隣接され、接続され、または結合されることができ、あるいは、介在する要素または層が存在してもよいことを理解されたい。反対に、要素または層が、他の要素または層に「直接その上にある」、「直接隣接している」、「直接接続されている」、または「直接結合されている」と称される場合、介在する要素または層は存在していない。第１、第２、第３などの用語は、様々な要素、部品、領域、層、および／または部分を記述するために使用できるが、これらの要素、部品、領域、層および／または部分はこれらの用語によって限定されるべきではない。これらの用語は、単に、１つの要素、部品、領域、層または部分を、別の要素、部品、領域、層または部分から区別するために使用される。したがって、以下で論じる第１要素、部品、領域、層、または部分は、本発明の教示から逸脱することなく、第２要素、部品、領域、層または部分を示すことができる。

空間的関係の用語、例えば、「下」、「下方」、「下の」、「の下に」、「の上に」、「上の」などは、本明細書では、説明の便宜上、図面に示された１つの要素または特徴と他の要素または特徴との関係を説明するために用いることができる。

「上」や「上」など、本明細書では、説明の便宜上、図面に示された１つの要素または特徴と他の要素または特徴との関係を説明するために用いることができる。図に示される配向に加えて、空間的関係の用語は、使用中および動作中のデバイスの異なる配向も含むことが意図されることを理解されたい。例えば、図面中のデバイスが反転すると、「他の要素の下」または「その下」または「下」として記載される要素または特徴は、他の要素または特徴の「上に」配向される。したがって、例示的な用語「～の下方に」および「～の下に」は、上および下の両方の配向を包含することができる。デバイスは、付加的に配向（９０度回転または他の配向）されてもよく、本明細書で使用される空間記述語は、それに応じて解釈される。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とし、本発明を限定するものではない。本明細書において用いる場合、単数形「一」、「１つ」、および「前記／該」は、文脈が明らかに他の方式を示さない限り、複数形も含むものとする。用語「構成する」および／または「含む」は、本明細書で使用する場合、記載された特徴、整数、ステップ、動作、要素および／または部品の存在を特定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、部品および／またはグループの存在または追加を排除するものではない。本明細書で使用される場合、用語「および／または」は、関連する列挙された項目の任意のおよびすべての組合せを含む。

図２と図３を参照すると、図２は従来技術における単相インバータがグリッド接続モードで動作する構成を示す図であり、図３は、図２におけるインバータがグリッドオフモードで動作する構成を示す図である。該インバータは第１入力端、中性端Ｎ、第２入力端、および電力スイッチＱ１１－Ｑ１６を含み、ここでは、第１入力端と中性端Ｎとの間の電圧は上半母線電圧Ｖ１であり、中性端Ｎと第２入力端との間の電圧は下半母線電圧Ｖ２である。電力スイッチＱ１１の第１端は、電力スイッチＱ１３と第１入力端にそれぞれ接続され、電力スイッチＱ１２の第１端と電力スイッチＱ１１の第２端との接続点は第１交流出力端Ａとし、電力スイッチＱ１３の第２端と電力スイッチＱ１４の第１端との接続点は第２交流出力端Ｂとし、電力スイッチＱ１２の第２端はそれぞれ電力スイッチＱ１４の第２端および第２入力端に接続され、電力スイッチＱ１５、Ｑ１６は、第１交流出力端Ａと第２交流出力端Ｂとの間に直列に接続され、ここでは、電力スイッチＱ１５、Ｑ１６は双方向スイッチであり、すなわち、電力スイッチＱ１５の第１端は電力スイッチＱ１６の第１端に接続され、電力スイッチＱ１５の第２端は電力スイッチＱ１１の第２端に接続され、電力スイッチＱ１６の第２端は、電力スイッチＱ１３の第２端に接続される。本実施例では、電力スイッチＱ１１－Ｑ１６はＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等の制御可能なスイッチであってもよく、例えば電力スイッチＱ１１－Ｑ１６はＩＧＢＴであり、電力スイッチＱ１１－Ｑ１６の第１端はドレインであり、電力スイッチＱ１１－１６の第２端はドレインである。電力スイッチＱ１１－Ｑ１６の各々は、制御可能なスイッチと、この制御可能なスイッチに逆並列に接続されるダイオードとを含む。

図２を参照すると、インバータがグリッド接続モードで動作しているとき、第１交流出力端Ａと第２交流出力端Ｂとの間にグリッドＧが接続される。該インバータはインダクタＬ１およびＬ２をさらに含み、グリッドＧの一端はインダクタＬ１によって第１交流出力端Ａに接続され、グリッドの他端はインダクタＬ２によって第２交流出力端Ｂに接続される。

本実施例では、電力スイッチＱ１１－Ｑ１４は高周波スイッチ管であり、電力スイッチＱ１５およびＱ１６は商用フリーホイール管である。グリッドの正半周期において、コントローラ（図示せず）はそれぞれ電力スイッチＱ１１－Ｑ１６の制御端に接続され、電力スイッチＱ１２とＱ１３を常時オフ、電力スイッチＱ１５を常時オンに制御し、コントローラは電力スイッチＱ１１とＱ１４を同時にオンまたはオフに制御し、また、コントローラは、電力スイッチＱ１１およびＱ１６の相補的導通を制御する。グリッドの負半周期において、コントローラは電力スイッチＱ１１とＱ１４を常時オフ、電力スイッチＱ１６を常時オンに制御し、コントローラは電力スイッチＱ１２とＱ１３を同時にオンまたはオフに制御し、また、コントローラは、電力スイッチＱ１２およびＱ１５の相補的導通を制御する。インバータのグリッド接続電流と電圧が同位相である場合、グリッドの正半周期を例にとると、電力スイッチＱ１１とＱ１４がオンの時、インバータの出力電圧は母線電圧、すなわちＶ１＋Ｖ２であり、電力スイッチＱ１１とＱ１４がオフの時、インダクタＬ１とＬ２における電流は電力スイッチＱ１５とＱ１６を流れ、インバータの出力電圧は０である。インバータの入力端からグリッドへの回路全体を通して、常に２つの電力スイッチを電流が流れていることが分かる。このインバータは分裂相出力モードに用いることができず、分裂相の２相負荷が不均衡な動作モードを調節できない。

図３を参照すると、このインバータがグリッドオフモードで動作する場合、インダクタＬ１と負荷Ｚ１は第１交流出力端Ａと中性端Ｎとの間に直列に接続され、インダクタＬ２と負荷Ｚ２は第２交流出力端Ｂと中性端Ｎとの間に直列に接続されるが、この場合、電力スイッチＱ１１－Ｑ１４を用いて双極性変調を行うしかなく、このような変調方式はシステム損失を著しく増大し、効率が低くなり、システムの発熱が大きい。

図４と図５を参照すると、図４は従来技術におけるＴ字型三レベルインバータがグリッド接続モードで動作する構成を示す図であり、図５は、図４のインバータがグリッドオフモードで動作する構成を示す図である。該インバータは第１入力端、中性端Ｎ、第２入力端、および電力スイッチＱ２１－Ｑ２７を含み、ここでは、第１入力端と中性端Ｎとの間の電圧は上半母線電圧Ｖ１であり、中性端Ｎと第２入力端との間の電圧は下半母線電圧Ｖ２である。電力スイッチＱ２１の第１端は第１入力端と電力スイッチＱ２３の第１端にそれぞれ接続され、電力スイッチＱ２１の第２端と電力スイッチＱ２２の第１端との接続点は第１交流出力端Ａとし、電力スイッチＱ２３の第２端と電力スイッチＱ２４の第１端との接続点は第２交流出力端Ｂとし、電力スイッチＱ２２の第２端はそれぞれ電力スイッチＱ２４の第２端と第２入力端に接続され、電力スイッチＱ２５とＱ２６は第１交流出力端Ａと中性端Ｎとの間に直列接続され、電力スイッチＱ２７およびＱ２８は、第２交流出力端Ｂと中性端Ｎとの間に直列に接続される。本実施例では、電力スイッチＱ２５およびＱ２６は双方向スイッチであり、電力スイッチＱ２７およびＱ２８は双方向スイッチである。本実施例では、電力スイッチＱ２１－Ｑ２４は高周波スイッチ管であり、電力スイッチＱ２５－Ｑ２８は商用フリーホイール管である。電力スイッチＱ２１－Ｑ２８は、制御可能なスイッチと、それに逆並列に接続されたダイオードとを含む。

図４を参照すると、インバータがグリッド接続モードで動作している時、第１交流出力端Ａと第２交流出力端Ｂとの間にグリッドＧが接続される。該インバータはインダクタＬ１およびＬ２をさらに含み、グリッドＧの一端はインダクタＬ１によって第１交流出力端Ａに接続され、グリッドの他端はインダクタＬ２によって第２交流出力端Ｂに接続される。
図５を参照すると、インバータがグリッドオフモードで動作する場合、インダクタＬ１と負荷Ｚ１は第１交流出力端Ａと中性端Ｎとの間に直列に接続され、インダクタＬ２と負荷Ｚ２は第２交流出力端Ｂと中性端Ｎとの間に直列に接続される。

本実施例において、インバータは、電力スイッチＱ２１－Ｑ２８の制御端にそれぞれ接続されたコントローラ（図示せず）をさらに含む。グリッドの正半周期において、コントローラは、電力スイッチＱ２５およびＱ２８を常時オン、電力スイッチＱ２２およびＱ２３を常時オフに制御し、コントローラは、電力スイッチＱ２１およびＱ２４を同時にオンまたはオフに制御し、電力スイッチＱ２６およびＱ２７を同時にオンまたはオフに制御し、ここでは、電力スイッチＱ２１およびＱ２４は、電力スイッチＱ２７およびＱ２６と相補的に導通している。電力スイッチＱ２１とＱ２４が導通しているとき、インバータ入力端からグリッドに至る全回路に２つの電力スイッチを電流が流れ、電力スイッチＱ２６とＱ２７が導通してフリーホイーリングする時、全回路で４つの電力スイッチを電流が流れる。該インバータは、フリーホイーリング時に４つの電力スイッチがフリーホイーリングに関与するが、図２のインバータは、フリーホイーリング時に２つの電力スイッチがフリーホイーリングに関与し、これから分かるように、フリーホイーリング時におけるインバータの総損失は、図２のインバータのフリーホイーリング時における総損失よりも大きい。

以上のように、インバータがグリッド接続モードで動作する場合、図２のインバータの効率は図４のインバータの効率よりも高く、しかも、２つのフリーホイール管のコストを減らす。しかしながら、インバータがグリッドオフモードで動作する場合、図２のインバータは、図４よりも効率が低く、上記２種類のインバータにはそれぞれ長所と短所があり、インバータがグリッド接続モードとグリッドオフモードの両方で効率的に動作することを保証することは困難であることが分かる。

図６と図７を参照すると、図６は本願の一実施例の三レベル変換器がグリッドオフモードで動作する構成を示す図である、図７は、図６における三レベル変換器がグリッド接続モードで動作する構成を示す図である。三レベル変換器は、第１直流入力端、第２直流入力端、中性端Ｎ、第１電力スイッチＱ３１、第２電力スイッチＱ３２、第３電力スイッチＱ３３、第４電力スイッチＱ３４、第５電力スイッチＱ３５、第６電力スイッチＱ３６および第７電力スイッチＱ３７を含み、前記第１電力スイッチＱ３１の第１端はそれぞれ前記第１直流入力端および前記第３電力スイッチＱ３３の第１端に接続され、前記第２電力スイッチＱ３２の第２端はそれぞれ前記第２直流入力端および前記第４電力スイッチＱ３４の第２端に接続され、前記第１電力スイッチＱ３１の第２端と前記第２電力スイッチＱ３２の第１端との接続点は第１交流出力端Ａとし、前記第３電力スイッチＱ３３の第２端と前記第４電力スイッチＱ３４の第１端との接続点は、第２交流出力端Ｂとし、前記第５電力スイッチＱ３５と前記第６電力スイッチＱ３６は、前記第１交流出力端Ａと前記中性端Ｎとの間に直列に接続され、ここでは、前記第５電力スイッチＱ３５および前記第６電力スイッチＱ３６は双方向スイッチであり、前記第７電力スイッチＱ３７は、前記第５電力スイッチＱ３５と前記第６電力スイッチ（Ｑ３６）との接続点と前記第２交流出力端Ｂとの間に接続される。本実施例では、第５電力スイッチＱ３５の第１端は、第６電力スイッチＱ３６の第１端と第７電力スイッチＱ３７の第１端にそれぞれ接続され、第５電力スイッチＱ３５の第２端は、第１交流出力端Ａに接続され、第６電力スイッチＱ３６の第２端は、中性端Ｎに接続され、第７電力スイッチＱ３７の第２端は、第２交流出力端Ｂに接続される。本実施例では、第１電力スイッチＱ３１から第７電力スイッチＱ３７は、いずれも制御可能なスイッチと、それに逆並列に接続されたダイオードＤ３１－Ｄ３７とを含み、ここでは、制御可能なスイッチは、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＣＴなどであってもよく、制御可能なスイッチがＩＧＢＴである場合、第１電力スイッチＱ３１から第７電力スイッチＱ３７の第１端はＩＧＢＴのドレインであり、第１電力スイッチＱ３１から第７電力スイッチＱ３７の第２端は、ＩＧＢＴのソースである。

本実施例では、第１電力スイッチから第４電力スイッチＱ３１－Ｑ３４は高周波スイッチ管であり、第５電力スイッチから第７電力スイッチＱ３５－Ｑ３７は、商用周波数フリーホイール管である。

前記三レベル変換器がグリッドオフモードで動作する時、第１交流出力端Ａと中性端Ｎとの間に第１負荷Ｚ１が接続され、ここでは、第１負荷Ｚ１はインダクタＬ１に直列接続されてから第１交流出力端Ａと中性端Ｎとの間に接続されることができ、第２交流出力端Ｂと中性端Ｎとの間に第２負荷Ｚ２が接続され、ここでは、第２負荷Ｚ２はインダクタＬ２に直列接続されてから第２交流出力端Ｂと中性端Ｎとの間に接続されることができる。第１負荷Ｚ１および第２負荷Ｚ２は、それぞれ分相出力の負荷である。

前記三レベルインバータがグリッド接続モードで動作する場合、第１交流出力端Ａと第２交流出力端Ｂとの間にグリッドＧが接続され、ここでは、グリッドＧの一端と第１交流出力端Ａとの間にインダクタＬ１が接続され、グリッドＧの他端と第２交流出力端Ｂとの間にインダクタＬ２が接続される。

図８を参照すると、図８は、図６および図７における三レベル変換器の電力スイッチの駆動波形図である。三レベル変換器は、第１電力スイッチＱ３１から第７電力スイッチＱ３７の制御端に接続されるコントローラ（図示せず）をさらに含み、第１電力スイッチＱ３１から第７電力スイッチＱ３７のオンまたはオフを制御するために用いられる。三レベル変換器が第１半周期（例えば、グリッドの正半周期）で動作する場合、コントローラは、前記第２電力スイッチＱ３２および前記第３電力スイッチＱ３３を常時オフ、前記第５電力スイッチＱ３５を常時オン、前記第１電力スイッチＱ３１および前記第４電力スイッチＱ３４を同時にオンまたはオフ、前記第６電力スイッチＱ３６および前記第７電力スイッチＱ３７を同時にオンまたはオフに制御し、ここでは、前記第１電力スイッチＱ３１と前記第６電力スイッチＱ３６は、相補的に導通している。三レベル変換器が第２半周期（例えば、グリッドの負半周期）で動作する場合、コントローラは、前記第１電力スイッチＱ３１および第４電力スイッチＱ３４を常時オフ、前記第７電力スイッチＱ２７を常時オン、前記第２電力スイッチＱ３２および前記第３電力スイッチＱ３３を同時にオンまたはオフ、前記第５電力スイッチＱ３５および前記第６電力スイッチＱ３６を同時にオンまたはオフに制御し、ここでは、前記第２電力スイッチＱ３２と前記第５電力スイッチＱ３５は、相補的に導通している。

三レベル変換器がグリッド接続モードまたはグリッドオフモードで動作し、かつ二相負荷Ｚ１とＺ２が整合する場合、中性端Ｎにおけるライン電流は０であり、商用周波数フリーホイーリング時、電流は第５電力スイッチＱ３５と第７電力スイッチＱ３７を流れるが、第６電力スイッチＱ３６に電流が流れないので、フリーホイールループは２つの電力スイッチしかなく、図２に示すような、インバータがグリッド接続モードで動作する効率を達成できる。三レベル変換器がグリッドオフモードで動作し、かつ第１負荷Ｚ１と第２負荷Ｚ２が非対称である場合、第６電力スイッチＱ３６は、電流が流れる。仮に、第２交流出力端Ｂと中性点との間に接続される第２負荷Ｚ２がアイドル時、第１交流出力端Ａと中性端Ｎとの間にのみ電力を出力し、これは図５のインバータの電流経路と同じである。

図７における三レベル変換器がグリッド接続モードで動作する時の効率は、図２におけるインバータがグリッド接続モードで動作する時と同じであり、図６における三レベル変換器がグリッドオフモードで動作する時の効率が最も悪い状況は、図４におけるインバータがグリッドオフモードで動作する時と同じであり、最適な状況では、図２におけるインバータがグリッド接続モードで動作する効率と同じであることが分かる。図６および図７における三レベル変換器は、図２および図４におけるインバータの利点を生かし、グリッドオフモードおよびグリッド接続モードにおける三レベル変換器の動作効率を向上させる。

図９を参照すると、図９は本願の一実施例による、三レベル変換器がグリッドオフモードで動作する構成を示す図である。図９における三レベル変換器と図６における三レベル変換器の構成と接続関係とが同一である箇所については説明を省略するが、以下では、図９における三レベル変換器と図６における三レベル変換器の構成と接続関係との相違点を中心に説明するが、第５電力スイッチＱ３５の第２端は第６電力スイッチＱ３６の第２端および第７電力スイッチＱ３７の第２端にそれぞれ接続され、第５電力スイッチＱ３５の第１端は第１交流出力端Ａに接続され、第７電力スイッチＱ３７の第１端は、第２交流出力端Ｂに接続される。

図１０および図１１を参照すると、図１０は本願の一実施例の三レベル変換器がグリッドオフモードで動作する構成を示す図であり、図１１は、本発明の第４実施形態による三レベル変換器がグリッドオフモードで動作する構成を示す図である。三レベル変換器は、第１フリーホイールブランチと第２フリーホイールブランチをさらに含み、前記第１フリーホイールブランチは、前記第１交流出力端Ａと前記中性端とＮの間に接続され、前記第２フリーホイールブランチは、前記中性端Ｎと前記第２交流出力端Ｂとの間に接続される。図１０に示すように、第１フリーホイールブランチは、直列に接続されたダイオードＤ３８と電力スイッチＱ３９とを含み、ここでは、ダイオードＤ３８の陽極は第１交流出力端Ａに接続され、ダイオードＤ３８の陰極は電力スイッチＱ３９の第１端に接続され、電力スイッチＱ３９の第２端は、中性端Ｎに接続される。第２フリーホイールブランチは、直列接続された電力スイッチＱ４０とダイオードＤ４１を含み、電力スイッチＱ４０の第２端は中性端Ｎに接続され、電力スイッチＱ４０の第１端はダイオードＤ４１の陰極に接続され、ダイオードＤ４１の陽極は、第２交流出力端Ｂに接続される。なお、ダイオードＤ３８およびＤ４１は、制御可能なスイッチに置き換えることができる。図１１に示すように、第１フリーホイールブランチは、直列に接続されたダイオードＤ３９と、電力スイッチＱ３８とを含み、ここでは、電力スイッチＱ３８の第２端は第１交流出力端Ａに接続され、電力スイッチＱ３８の第１端はダイオードＤ３９の陰極に接続され、ダイオードＤ３９の陽極は中性端Ｎに接続される。第２フリーホイールブランチは、直列接続された電力スイッチＱ４１とダイオードＤ４０とを含み、ダイオードＤ４０の陽極は中性端Ｎに接続され、ダイオードＤ４０の陰極は電力スイッチＱ４１の第１端に接続され、電力スイッチＱ４１の第２端は、第２交流出力端Ｂに接続される。第１フリーホイールブランチおよび第２フリーホイールブランチの導通方向は反対であることが分かる。第１フリーホイールブランチと第２フリーホイールブランチは、第２電力スイッチＱ３２と第４電力スイッチＱ３４がオフになってから、第５電力スイッチＱ３５から電力スイッチＱ３７が導通するまでの不感帯時間内に、第１フリーホイールブランチまたは第２フリーホイールブランチによって一時的なフリーホイール通路を提供することができ、三レベル変換器をより確実で安全にする。

図６、図８および図１０を参照すると、三レベル変換器の動作原理は以下の通りである。

三レベル変換器が第１周期で動作する場合、第１電力スイッチＱ３１と第４電力スイッチＱ３４をオンにし、第１直流入力端、第１電力スイッチＱ３１および第１負荷Ｚ１と中性端Ｎは電流通路を構成し、第２直流入力端、中性端Ｎ、第４電力スイッチＱ３４および第２負荷Ｚ２は、電流通路を構成する。第１電力スイッチＱ３１および第４電力スイッチＱ３４をオフにし、かつ第６電力スイッチＱ３６および前記第７電力スイッチＱ３７をまだオンにしない前に、中性端Ｎ、第２負荷Ｚ２、電力スイッチＱ４０およびダイオードＤ４１はフリーホイール通路を構成し、ダイオードＤ３６、電力スイッチＱ３５、中性端Ｎおよび第１負荷Ｚ１はフリーホイール通路を構成し、第６電力スイッチＱ３６と前記第７電力スイッチＱ３７をオンにした後に、第７電力スイッチＱ３７、第６電力スイッチＱ３６、中性端Ｎおよび第２負荷Ｚ２はフリーホイール通路を構成し、第６電力スイッチＱ３６、第５電力スイッチＱ３５、第１負荷Ｚ１および中性端Ｎは、フリーホイール通路を構成する。

三レベル変換器が第２周期で動作する場合、第２電力スイッチＱ３２と第３電力スイッチＱ３３をオンにし、第２電力スイッチＱ３２、第２直流入力端、中性端Ｎと第１負荷Ｚ１は電流通路を構成し、第１直流入力端、第３電力スイッチＱ３３、第２負荷Ｚ２、および中性端Ｎは、電流通路を構成する。第２電力スイッチＱ３２および第３電力スイッチＱ３３をオフにし、かつ第６電力スイッチＱ３６および第５電力スイッチＱ３５をまだオンにしない前に、中性端Ｎ、第２負荷Ｚ２、電力スイッチＱ３７とダイオードＤ３６はフリーホイール通路を構成し、ダイオードＤ３８、電力スイッチＱ３９、中性端Ｎおよび第１負荷Ｚ１はフリーホイール通路を構成し、第６電力スイッチＱ３６と前記第５電力スイッチＱ３５をオンにした後、第６電力スイッチＱ３６、第７電力スイッチＱ３７、第２負荷Ｚ２および中性端Ｎはフリーホイール通路を構成し、第５電力スイッチＱ３５、第６電力スイッチＱ３６、中性端Ｎ、および第１負荷Ｚ１は、フリーホイール通路を構成する。

明らかなことに、上記第１フリーホイールブランチと第２フリーホイールブランチは、第２電力スイッチＱ３２と第４電力スイッチＱ３４がオフになってから、第５電力スイッチＱ３５から電力スイッチＱ３７が導通するまでの不感帯時間内に、第１フリーホイールブランチまたは第２フリーホイールブランチによって一時的なフリーホイール通路を提供することができ、三レベル変換器をより確実で安全にする。

図１１は本願の別の実施例の三レベル変換器がグリッドオフモードで動作する構造を示す図である。図１１の三レベル変換器の動作原理は、図１０の動作原理に類似しているので、ここではこれ以上説明しない。

本発明の一実施例は、上記三レベル変換器に応用される制御方法を提供し、該制御方法は、前記三レベル変換器が第１半周期で動作する場合、前記第２電力スイッチＱ３２および前記第３電力スイッチＱ３３を常時オフ、前記第５電力スイッチＱ３５を常時オン、前記第１電力スイッチＱ３１および前記第４電力スイッチＱ３４を同時にオンまたはオフし、前記第６電力スイッチＱ３６および前記第７電力スイッチＱ３７を同時にオンまたはオフに制御し、ここでは、前記第１電力スイッチＱ３１および前記第６電力スイッチＱ３６は、相補的に導通していることと、前記三レベル変換器が第２半周期で動作する場合、前記第１電力スイッチＱ３１および前記第４電力スイッチＱ３４を常時オフ、前記第７電力スイッチＱ３７を常時オン、前記第２電力スイッチＱ３２および前記第３電力スイッチＱ３３を同時にオンまたはオフ、前記第５電力スイッチＱ３５および前記第６電力スイッチＱ３６を同時にオンまたはオフに制御し、ここでは、前記第２電力スイッチＱ３２および前記第５電力スイッチＱ３５は、相補的に導通していることとを含む。

上述の実施例は、グリッドオフモードおよびグリッド接続モードにおける三レベル変換器の動作効率を向上させる。

最後に、上記の各実施例は、本発明の技術案を限定するものではなく、本発明の技術案を説明するためのものにすぎない。前述の各実施例を参照して本発明を詳細に説明したが、当業者であれば、前述の各実施例に記載された技術案を修正し、またはその一部または全部を均等に置換することができることを理解するであろう。これらの修正および置換は、対応する技術案の本質を本発明の各実施例の技術案の範囲から逸脱するものではない。

Claims (11)

1. 三レベル変換器であって、第１直流入力端、第２直流入力端、中性端、第１電力スイッチ、第２電力スイッチ、第３電力スイッチ、第４電力スイッチ、第５電力スイッチ、第６電力スイッチおよび第７電力スイッチを含み、前記第１電力スイッチの第１端はそれぞれ前記第１直流入力端および前記第３電力スイッチの第１端に接続され、前記第２電力スイッチの第２端はそれぞれ前記第２直流入力端および前記第４電力スイッチの第２端に接続され、前記第１電力スイッチの第２端と前記第２電力スイッチの第１端の接続点は第１交流出力端とし、前記第３電力スイッチの第２端と前記第４電力スイッチの第１端の接続点は第２交流出力端とし、前記第５電力スイッチおよび前記第６電力スイッチは前記第１交流出力端と前記中性端との間に直列接続され、前記第７電力スイッチは、前記第５電力スイッチと前記第６電力スイッチの接続点と第２交流出力との間に接続されることを特徴とする三レベル変換器。
2. 前記三レベル変換器がグリッドオフモードで動作する場合、前記第１交流出力端と前記中性端との間に第１負荷が接続され、前記第２交流出力端と前記中性端との間に第２負荷が接続されることを特徴とする請求項１に記載の三レベル変換器。
3. 前記三レベル変換器がグリッド接続モードで動作する場合、前記第１交流出力端と前記第２交流出力端との間にグリッドが接続されることを特徴とする請求項１に記載の三レベル変換器。
4. 前記第５電力スイッチの第１端は、前記第６電力スイッチの第１端および前記第７電力スイッチの第１端にそれぞれ接続されることを特徴とする請求項１に記載の三レベル変換器。
5. 前記第５電力スイッチの第２端は、前記第６電力スイッチの第２端および前記第７電力スイッチの第２端にそれぞれ接続されることを特徴とする請求項１に記載の三レベル変換器。
6. 前記三レベル変換器が第１半周期で動作する場合、前記第２電力スイッチおよび前記第３電力スイッチは常時オフし、前記第５電力スイッチは常時オンし、前記第１電力スイッチと前記第４電力スイッチは同時にオンまたはオフし、前記第６電力スイッチと前記第７電力スイッチは同時にオンまたはオフし、ここでは、前記第１電力スイッチと前記第６電力スイッチは、相補的に導通していることを特徴とする請求項１に記載の三レベル変換器。
7. 前記三レベル変換器が第２半周期で動作する場合、前記第１電力スイッチおよび前記第４電力スイッチは常時オフし、前記第７電力スイッチは常時オンし、前記第２電力スイッチと前記第３電力スイッチは同時にオンまたはオフし、前記第５電力スイッチと前記第６電力スイッチは同時にオンまたはオフし、ここでは、前記第２電力スイッチと前記第５電力スイッチは、相補的に導通していることを特徴とする請求項６に記載の三レベル変換器。
8. 第１フリーホイールブランチと第２フリーホイールブランチをさらに含み、前記第１フリーホイールブランチは、前記第１交流出力端と前記中性端との間に接続され、前記第２フリーホイールブランチは、前記中性端と前記第２交流出力端との間に接続されることを特徴とする請求項１に記載の三レベル変換器。
9. 前記第１フリーホイールブランチの導通方向は、前記第２フリーホイールブランチの導通方向と反対であることを特徴とする請求項８に記載の三レベル変換器。
10. 前記第１フリーホイールブランチおよび前記第２フリーホイールブランチはいずれも直列に接続されるダイオードおよび電力スイッチを含むことを特徴とする請求項８に記載の三レベル変換器。
11. 請求項１～５および８～１０のいずれか一項に記載の三レベル変換器に応用される制御方法であって、
    前記三レベル変換器が第１半周期で動作する場合、前記第２電力スイッチおよび前記第３電力スイッチが常時オフし、前記第５電力スイッチが常時オンし、前記第１電力スイッチと前記第４電力スイッチが同時にオンまたはオフし、前記第６電力スイッチと前記第７電力スイッチが同時にオンまたはオフするように制御し、ここでは、前記第１電力スイッチと前記第６電力スイッチは相補的に導通していることと、
    前記三レベル変換器が第２半周期で動作する時、前記第１電力スイッチと前記第４電力スイッチが常時オフし、前記第７電力スイッチが常時オンし、前記第２電力スイッチと前記第３電力スイッチが同時にオンまたはオフし、前記第５電力スイッチと前記第６電力スイッチが同時にオンまたはオフするように制御し、ここでは、前記第２電力スイッチと前記第５電力スイッチは、相補的に導通していることとを含むことを特徴とする制御方法。