改進的多電平電壓源轉換器和系統(tǒng)的制作方法

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改進的多電平電壓源轉換器和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種改進的多電平電壓源轉換器和系統(tǒng)。呈現了嵌套中性點鉗位(NNPC)多電平電力轉換器級(100)和系統(tǒng)(300)，其中，轉換器級包括具有飛跨(開關)電容器嵌套電路(104)的NPC逆變器核心電路(110)，使用所選擇的冗余開關狀態(tài)來選通NPC核心電路(110)和開關電容器電路(104)的開關以控制開關電容器的電壓，以實現具有等間隔的電壓步進值的多電平輸出電壓。多個逆變器級(100)能夠滿足以各種配置進行級聯或連接以實施單相或多相電力轉換系統(tǒng)，可以通過將轉換器級(100)形成為H橋接配置并且使多個H橋接級彼此串聯連接來實現更高的輸出電壓。
【專利說明】改進的多電平電壓源轉換器和系統(tǒng)

【背景技術】
[0001] 電力轉換器用于將輸入電能從一種形式轉換為另一種形式以驅動負載。電力轉換器系統(tǒng)的一種形式為電機驅動器，其可以被采用用于電動機負載的變速操作。針對需要相對大的輸出電壓的應用，開發(fā)了所謂的多電平電壓源轉換器結構，包括飛跨電容器設計、中性點鉗位（NPC)設計以及級聯混合類型。NPC設計包括跨提供中性節(jié)點的直流輸入連接的一對電容器，每個電容器被充電至直流輸入值的一半?？缰绷髂妇€連接了一系列開關，一對二極管將中間開關節(jié)點連接至中性點。NPC轉換器有利地提供了相對簡單的電路結構，但是增加 NPC轉換器中的輸出電平的個數增加了開關和二極管傳導損耗并且導致增加的反向恢復電流。另外，高輸出電平NPC轉換器經受開關器件損耗的不均勻分布，從而限制針對給定開關類型的最大電力定額、輸出電流和開關頻率。此外，隨著輸出電平的個數增加，鉗位二極管的個數基本上增加。飛跨電容器設計利用選擇性地互連的一個或更多個電容器以提供輸出電壓。然而，該類多電平轉換器經受高切換頻率的需求以保持電容器適當平衡，并且飛跨電容器上的電壓必須初始化。可以使用級聯Η橋接（CHB)類型以實現顯著高的輸出電壓電平和高輸出電力定額，并且使得能夠使用相對低的切換頻率和低電壓部件。然而，CHB 設計需要顯著更高個數的部件以實現再生操作，CHB轉換器通常需要相移變壓器，導致更高的成本。另外，CHB方法需要大量的隔離直流源。因此，仍然需要能夠提供用于以可變的速度和扭矩驅動負載的多電平逆變器輸出能力的改進的多電平電力轉換器和系統(tǒng)設計。

【發(fā)明內容】

[0002] 現在總結本公開內容的各個方面以便利對本公開內容的基本理解，其中，本發(fā)明內容不是本公開內容的寬泛概述，既不意在標識本公開內容的特定元素，也不意在描述本公開內容的范圍。更確切地，本
【發(fā)明內容】
的主要目的為在以下呈現更詳細的描述之前以簡化形式來呈現本公內容的各種構思。
[0003] 本公開內容提供了多電平電力轉換器級和采用以多種配置連接的兩個或更多個這樣的多電平轉換器的電力轉換系統(tǒng)。多電平電力轉換器包括NPC型逆變器電路，其嵌套在開關電容器電路中以形成嵌套NPC(NNPC)電力轉換器，其中，控制器操作逆變器和開關電容器電路的開關以提供多電平輸出電壓。在某些實施方式中，控制器采用對冗余開關狀態(tài)的選擇性選擇來控制開關電容器的充電和放電以實現預定的目標電容器電壓值。在某些實施中，開關控制和電容器電壓調節(jié)有利地確保開關電容器電壓小于直流輸入電壓值的一半，便利提供在基本上等間隔步進的多個不同電平之一處的轉換器輸出電壓，從而平衡由各個開關器件可見的電壓。
[0004] 在某些實施方式中，逆變器電路包括在逆變器電路輸入節(jié)點之間串聯連接的兩個或更多個逆變器開關器件、以及連接所述逆變器開關器件中的兩個逆變器開關器件的逆變器輸出節(jié)點。所述逆變器還包括鉗位電路，所述鉗位電路具有在所述逆變器開關電路的第一內部節(jié)點與第二內部節(jié)點之間串聯連接的第一鉗位元件和第二鉗位元件例如鉗位開關或二極管、以及接合所述第一鉗位元件與所述第二鉗位元件的第三內部節(jié)點。在某些實施中，開關電容器電路包括：兩個或更多個開關，所述兩個或更多個開關各自連接在所述逆變器輸入節(jié)點之一與相應的直流輸入之間；以及第一電容器和第二電容器，所述第一電容器和第二電容器各自連接在所述逆變器電路輸入節(jié)點中的相應一個與所述第三內部節(jié)點之間。所述控制器向逆變器開關和開關電容器電路開關器件提供開關控制信號，以提供在所述逆變器輸出節(jié)點處的多電平輸出并且控制第一電容器和第二電容器的充電和放電。各種實施是可以的，例如四個或更多個不同的線與中性點之間的輸出電壓電平。某些實施提供了級聯的開關電容器電路系統(tǒng)，其包括針對更高個數的可能輸出電平的兩個飛跨電容器以及相關聯的開關器件的多個集合。
[0005] 根據本公開內容的另外的方面，提供了一種電力轉換系統(tǒng)，包括兩個或更多個嵌套NPC轉換器級或模塊。在某些實施方式中，兩個NNPC模塊的直流輸入被連接在一起，其中，第一轉換器級的逆變器輸出連接至系統(tǒng)中性節(jié)點，第二級的逆變器輸出提供系統(tǒng)的交流輸出。以這種方式，可以實現NNPC Η橋接配置，兩個或更多個這樣的配置可以級聯或串聯連接以實現各種輸出電力電平和輸出電壓。此外，可以使用這樣的模塊或其組的多個集合來構造電力轉換系統(tǒng)，以提供用于驅動負載的多相輸出。另外，在這些多級系統(tǒng)中，可以提供開關控制以從各種冗余總開關狀態(tài)中進行選擇以實現對各個開關電容器的充電和放電的控制，并且可以便利由各個開關器件可見的電壓平衡并且有利地提供在基本上等間隔步進的任何合適個數的不同電平處的輸出電壓。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006] 以下描述和附圖詳細提出了本公開內容的某些示例性實施，其表示其中可以執(zhí)行本公開內容的各種原理的若干個示例性方式。然而，所示示例并不是本公開內容的許多可能實施方式的窮舉。當結合附圖考慮時，本公開內容的其他目的、優(yōu)點和創(chuàng)新特征將在以下詳細描述中提出，在附圖中：
[0007] 圖1是示出了根據本公開內容的一個或更多個方面的示例性嵌套中性點鉗位 (NNPC)多電平電力轉換器的示意圖，該NNPC多電平電力轉換器包括逆變器電路和開關電容器電路以及控制器，該控制器使用冗余開關狀態(tài)選擇以控制第一飛跨電容器和第二飛跨電容器的充電和放電以提供多電平輸出電壓、并將飛跨電容器調節(jié)為直流輸入電壓電平的三分之一；
[0008] 圖2是示出了以基本上等間隔的步進提供四電平電壓輸出的圖1中的NNPC電力轉換器的開關狀態(tài)的示例性集合的部分示意圖；
[0009] 圖3是示出了提供三相電壓輸出以驅動電機負載的三個NNPC電力轉換器和相關聯的直流源的示意圖；
[0010] 圖4是示出了針對圖1和圖2的NNPC電力轉換器的四電平線與中性點間的電壓輸出波形的曲線圖；
[0011] 圖5是示出了針對圖3的三相電機驅動實施的七電平線間電壓輸出波形的曲線圖；
[0012] 圖6是示出了在圖1和圖2的NNPC電力轉換器控制器中的示例性電平移位脈寬調制實施的曲線圖；
[0013] 圖7是示出了用于在圖1和圖2的NNPC電力轉換器控制器中提供脈寬調制開關控制信號的示例性空間矢量調制技術的曲線圖；
[0014] 圖8是示出了在圖1和圖2的NNPC電力轉換器控制器中的示例性脈寬調制處理的流程示意圖，所述脈寬調制處理向一個或更多個NNPC電力轉換器提供開關控制信號，以在逆變器輸出節(jié)點處提供多電平輸出電壓并且將飛跨電容器的充電和放電控制為預定電平；
[0015] 圖9是示出了 NNPC Η橋接（NNPCHB)電力轉換系統(tǒng)的示意圖，該NNPCHB電力轉換系統(tǒng)包括具有提供系統(tǒng)中性點的第一級的逆變器輸出和提供線電壓輸出以驅動電機負載的第二級的逆變器輸出的兩個NNPC電力轉換器級；
[0016] 圖10A至10D示出了如下開關狀態(tài)表：其向圖9的NNPC Η橋接電力轉換系統(tǒng)提供開關控制信號，以生成多電平輸出電壓并且控制每個NNPC電力轉換器級的飛跨電容器的充電和放電；
[0017] 圖11是示出了針對圖9的NNPC Η橋接電力轉換系統(tǒng)的示例性七電平線與中性點間的電壓輸出波形的曲線圖；
[0018] 圖12是示出了針對圖9的NNPC Η橋接電力轉換系統(tǒng)的示例性13電平線間電壓輸出波形的曲線圖；
[0019] 圖13是示出了具有被配置成提供三相校正用于生成直流母線電壓的三個NNPC電力轉換器的示例性三相電力轉換系統(tǒng)的示意圖，其中，三個NNPC電力轉換器提供三相交流輸出，直流母線中點節(jié)點通過可選阻抗鏈接連接至可選的輸入和輸出濾波器；
[0020] 圖14是示出了具有提供校正的三個NNPC轉換器和提供交流輸出的三個NNPC轉換器的另一個示例性三相電力轉換系統(tǒng)的示意圖，其中，輸入變壓器和直流母線中點節(jié)點通過可選阻抗鏈接連接至輸出濾波器；
[0021] 圖15是不出了多相電力轉換系統(tǒng)的不意圖，該多相電力轉換系統(tǒng)使用向用于三個輸出相的電力NNPC轉換器提供直流母線的三個串聯連接的輸入整流器；
[0022] 圖16是示出了具有針對分別由多脈沖整流器驅動的三個輸出相中的每個相的 NNPC Η橋接（NNPCHB)轉換器級的另一個示例性三相電力轉換系統(tǒng)的示意圖；
[0023] 圖17是示出了具有針對每個相的多個級聯NNPC Η橋接（NNPCHB)電力轉換器的另一個三相電力轉換系統(tǒng)的示意圖；
[0024] 圖18是示出了具有連接在直流輸入端子之間的集成式電容器的NNPC電力轉換器級的另一個實施方式的示意圖；
[0025] 圖19是示出了與電感器串聯連接以形成模塊化輸出相的圖18中的兩個NNPC電力轉換器級的示意圖；
[0026] 圖20是示出了與電感器串聯連接以形成模塊化輸出相的圖18中的整數個NNPC 電力轉換器級的示意圖；
[0027] 圖21是示出了針對圖19中的NNPC電力轉換器級的七電平線與中性點間的電壓輸出波形的曲線圖；
[0028] 圖22是示出了針對圖19中的NNPC電力轉換器級的13電平線間電壓輸出波形的曲線圖；
[0029] 圖23是示出了級聯的基于NNPC的電力轉換系統(tǒng)的單相的示意圖，其中，第一NNPC 轉換器的逆變器輸出連接至第二NNPC轉換器的直流電源中點節(jié)點；
[0030] 圖24是示出了針對圖23的級聯的基于NNPC的電力轉換系統(tǒng)的示例性七電平線與中性點間的電壓輸出波形的曲線圖；
[0031] 圖25是示出了針對圖23中的電力轉換系統(tǒng)的示例性13電平線間電壓輸出波形的曲線圖；
[0032] 圖26是示出了另一個示例性NNPC電力轉換器和相關聯的開關表的部分示意圖，其中，控制器將開關電容器電壓調節(jié)成直流輸入電壓的四分之一；
[0033] 圖27是示出了另一個示例性NNPC電力轉換器和相關聯的開關表的部分示意圖，其中，控制器將開關電容器電壓調節(jié)成直流輸入電壓的五分之一；
[0034] 圖28是示出了根據本公開內容的另外的方面的具有多個開關電容器嵌套級的另一個交替NNPC電力轉換器的示意圖；以及
[0035] 圖29是示出了使用向針對三個輸出相的電力NNPC轉換器提供直流母線的三個串聯連接的輸入整流器的另一個多相電力轉換系統(tǒng)的示意圖，該多相電力轉換系統(tǒng)具有用于對開關電容器進行預充電和電壓平衡的主電力變壓器或不同變壓器的輔助繞組。

【具體實施方式】
[0036] 現在參照附圖，以下結合附圖描述若干個實施方式或實施，其中，相同的附圖標記用于貫穿全文指代相同元件，以及其中各個特征未必是按比例的。以下將說明并描述電力轉換器級100以及通過所示轉換器級100的各種互連形成的電力轉換系統(tǒng)，其中，可以使用所描述的嵌套NPC(NNPC)電力轉換器100以形成用于驅動任何類型的負載的單相或多相電源，可以在電機驅動器中采用所描述的電力轉換器和電力轉換系統(tǒng)，盡管本公開內容的各種構思并不限制于任何特定應用。
[0037] 圖1示出了示例性多電平電力轉換器100,其分別具有第一直流輸入101和第二直流輸入102、以及提供單相交流輸出電壓和相關聯的輸出電流i TOT以驅動負載（未示出）的交流輸出120。所示電力轉換器100在本文中被稱為嵌套中性點鉗位（NNPC)電力轉換器，并且包括嵌套在NPC型逆變器電路110中的開關電容器（例如飛跨電容器）電路104。盡管在本文中被稱為NNPC電力轉換器，但是NPC型逆變器電路110的中心節(jié)點119不需要連接至任何系統(tǒng)"中性點"。通過端子101和102向電力轉換器100提供來自直流源90的輸入直流電能，其中，圖1示出了包括兩個串聯連接的電池的示例性輸入配置，每個電池具有 Vre/2的電壓值從而向電力轉換器100提供具有值VD。的直流輸入電壓。此外，盡管不是對電力轉換器100的所有實施的嚴格要求，但是圖1中所示的配置包括連接至直流輸入源90的兩個電池的連接點的中性節(jié)點"N"?？梢越Y合電力轉換器100使用任何合適的直流源90,包括但不限制于一個或更多個電池、有源和/或無源整流器等。另外，直流源90可以包括直流母線電容器、單個電容器或任何串聯和/或并聯配置連接的多個電容器的任意組合。此夕卜，如以下結合圖18所示的，NNPC轉換器級100的某些實施方式可以包括在直流輸入端子 101與102之間連接的機載電容。
[0038] 如圖1所示，逆變器電路110包括在第一逆變器電路輸入節(jié)點111與第二逆變器電路輸入節(jié)點112之間彼此串聯連接的開關器件S2至S5、以及連接所述開關器件中的兩個開關器件S3和S4的逆變器輸出節(jié)點116,其中，逆變器輸出節(jié)點116直接或間接連接至轉換器100的交流輸出端子120。另外，逆變器電路110可以包括在節(jié)點111與節(jié)點112之間彼此串聯連接的任何整數個開關器件S。在所示示例中，提供了四個器件S2至S5,輸出節(jié)點 116具有在輸出節(jié)點116與上輸入節(jié)點111之間的兩個開關器件S2和S3,以及在輸出節(jié)點 116與第二逆變器輸入節(jié)點112之間連接的兩個開關S4和S5。此外，開關電容器電路104 包括如所示在逆變器輸入111與對應的直流輸入端子101之間的附加開關S1以及在逆變器輸入112與對應的直流輸入端子102之間的附加開關S6?？梢栽陔娏?00的電路104 和110中使用任何合適類型的開關器件S1至S6,包括但不限制于基于半導體的開關例如絕緣柵雙極晶體管（IGBT)、硅可控整流器（SCR)、門極可關斷晶閘管（GTO)、集成門極換向晶閘管（IGCT)等。另外，如圖1所示，各個開關S1至S6包括用于當開關斷開時導通在反向上的電流的二極管。
[0039] NNPC轉換器100的逆變器電路110還包括具有第一鉗位元件和第二鉗位元件例如彼此串聯連接的二極管D1和D2的鉗位電路，D1的陰極連接至第一內部節(jié)點114, D2的陽極連接至第二內部節(jié)點118。D2的陰極在第三內部節(jié)點119處接合至D1的陽極。在該配置中，D1提供了從第三內部節(jié)點119到第一內部節(jié)點114的導通路徑，D2提供了從第二內部節(jié)點118到第三內部節(jié)點119的導通路徑?？梢栽谄渌麑嵤┓绞街惺褂糜性淬Q位開關或其他鉗位元件代替如在附圖中所示的鉗位二極管。其中二極管或其他鉗位元件在逆變器開關電路的第一內部節(jié)點與第二內部節(jié)點之間彼此串聯連接的其他配置也是可以的。另外，可以如所示地使用單個二極管D1和D2,或可以使用多個二極管或其他鉗位元件。例如，可以使用以在節(jié)點119與節(jié)點114之間以任何合適的串聯和/或并聯配置互連的兩個或更多個二極管來代替D1，使用在節(jié)點118與節(jié)點119之間以任何合適的方式互連的兩個或更多個二極管來代替D2。另外，跨NNPC轉換器100的開關器件S1至S6的二極管D1和D2和/ 或鉗位二極管可替換地可以為鉗位開關（未示出）。還可以由有源開關代替鉗位二極管D1 和D2以實現有源中性點鉗位。
[0040] 開關電容器電路104包括在預期直流輸入端子101和102與逆變器電路輸入節(jié)點 111和112中的對應之一之間連接的開關S1和S6。此外，開關電容器電路104包括如所示分別連接在第三內部節(jié)點119與對應的逆變器電路輸入節(jié)點111之間的第一電容器C1以及連接在第三內部節(jié)點119與對應的逆變器電路輸入節(jié)點112之間的第二電容器C2?？?以使用任何適合類型和配置的電容器C1和C2,其中，各個電容器C1和C2可以為以任何合適的串聯和/或并聯配置連接以提供節(jié)點111與節(jié)點119之間的第一電容C1以及節(jié)點119 與節(jié)點112之間的第二電容C2的單個電容器或多個電容器。另外，優(yōu)選地C1和C2具有基本上相等的電容值，盡管本公開內容未如此嚴格要求。
[0041] 還參照圖2至圖5,控制器122向各個逆變器開關器件S2至S5提供開關控制信號 124-2、124-3、124-4以及124-5,并且向開關電容器電路開關器件S1和S6提供開關控制信號124-1和124-6。如果鉗位器件D1和D2是有源器件，則控制器122還向有源鉗位器件 D1和D2提供開關控制信號。控制器122還接受未在圖中示出的反饋信號例如電壓和/或電流?？刂破?22可以被實施為轉換器100的一部分和/或可以為分立的部件或系統(tǒng)，單個控制器122可以向多個轉換器級100提供信號124?？梢允褂萌魏魏线m的硬件、處理器執(zhí) 行軟件或固件或上述組合來實施轉換器控制器122,其中，控制器122的示例性實施方式包括一個或更多個處理元件例如微處理器、微控制器、FPGA、DSP、可編程邏輯電路等、以及電子存儲器、程序存儲器以及信號調節(jié)驅動器電路元件，處理元件被編程或不然被配置成生成適于操作電力級100的開關器件的逆變器開關控制信號124以及執(zhí)行其他電機驅動操作任務以驅動負載。另外，計算機可讀介質被設想具有用于實施所描述的電力轉換器開關控制處理以及技術的計算機可執(zhí)行指令，該計算機可執(zhí)行指令可以被存儲在形成控制器122 的一部分的或不然與控制器122在操作上相關聯的電子存儲器中作為程序指令。
[0042] 最好由圖2可見，將開關控制信號124以脈寬調制的形式提供給開關S1至S6、以提供在逆變器輸出節(jié)點116處的多電平輸出電壓（例如線與中性點間的電壓V AN)。在所示實施方式中，例如，控制器122向開關S1至S6提供開關控制信號124以提供在四個不同的線與中性點間的電壓電平之一處的輸出電壓V AN。圖4中的曲線圖210示出了相對于中性節(jié)點"N"在逆變器輸出節(jié)點116處的示例性四電平線與中性點間的電壓波形212(V AN)。另夕卜，由圖3可見，三個不同的NNPC轉換器級100可以連接至對應的直流源90以向電機相線路202提供交流輸出電壓以驅動三相電機負載200,其中控制器122向每個NNPC級100提供開關控制信號124的集合。圖5示出了表示圖3的系統(tǒng)中的示例性線間電壓波形222的曲線圖220,其中在相對的相位角120°處的三個NNPC級100的受控切換提供七電平線間電壓波形222。
[0043] 另外，在某些實施方式中，提供開關控制信號124操作以控制開關電容器C1和C2 的充電和放電，以將對應的電容器電壓和V C2調節(jié)成在第一直流輸入101和第二直流輸入102處接收的直流輸入電壓VD。的目標部分。另外，控制電容器電壓ν α和便利了在各個開關器件S1至S6處可見的電壓的基本上均勻的分布，從而提供顯著的優(yōu)點。圖2示出了表示與NNPC開關器件S1至S6的不同開關狀態(tài)對應的六個可能的開關矢量V1、V2、V3、V4、 V5和V6以及相對于輸入直流電平VDC的對應的線與中性點間的電壓值的示例性開關狀態(tài)表 126,其中" 1"表示對應開關S "接通"或導通。在操作中，第一矢量VI提供+Vre/2的輸出電壓電平，第二開關矢量V2與第三開關矢量V3相對于線與中性點間的輸出電壓彼此冗余，每個矢量獲得+V re/6的值。矢量V4與矢量V5也是冗余開關狀態(tài)對，每個矢量提供-Vdc/6 的輸出值，最終開關狀態(tài)或矢量V6獲得-V dc/2的輸出電壓。由圖2可見，另外，通過冗余矢量選擇來控制電容器C1和C2的充電和放電，針對冗余開關狀態(tài)對相應的電容器電壓的作用可以不同、使得智能地選擇矢量以控制電容器充電和/或放電。例如，如果期望輸出電壓電平為V DC/6,則當輸出電流ITOT為正（>0)時可以選擇矢量V2對C1進行充電，或當輸出電流為負時可以選擇矢量V2對C1進行放電。可替代地選擇冗余矢量V3針對正輸出電流對 C1和C2進行放電，當輸出電流為負時對這些電容器C1和C2進行充電。另外，由圖2的表 126中可見，可以當期望輸出電壓電平為-V DC/6時通過從冗余矢量V4和V5進行選擇來進行相似的充電和/或放電選擇。
[0044] 還參照圖6和圖7,可以在控制器122中使用任何合適形式的脈寬調制開關控制信號生成技術。圖6中的曲線圖230示出了示例性基于載波的脈寬調制實施，其中相反極性的調制信號231和232與電平移位三角形載波波形233、234和235 -起使用用于生成用于六個轉換器開關S1至S6的開關控制信號124。在另一個可能的實施方式中，如圖7的曲線圖240所示可以使用空間矢量調制，其中控制器122確定圍繞如所示的參考矢量V Mf的當前位置的三個控制矢量VI、V2和V3的相對次數，其中參考矢量VMf具有相應的調制索引（M) 和相應的相位角Θ，并且根據在某些電機驅動器實施中的期望電機負載位置和扭矩貫穿空間矢量調制圖240進行旋轉。
[0045] 參照圖2和圖8,在圖8的流程圖中示出了用于生成脈寬調制開關控制信號124的處理250,該處理250可以在圖1和圖2的NNPC電力轉換器控制器的控制器122中實施。以下以一些列動作或事件的形式來說明和描述處理250,盡管本公開內容的各個方法并不受這樣的動作或事件的所示順序的限制。關于此，除非在下文特別指出，一些動作或事件可以與除了根據本公開內容在此說明和描述的動作或事件之外的其他動作或事件以不同順序和/或同時發(fā)生。還應當注意，并非所有說明的步驟需要實施根據本公開內容的處理或方法，可以將一個或更多個這樣的動作進行組合。本公開內容的所示方法250和其他方法可以以硬件、處理器執(zhí)行軟件或其組合的形式例如在示例性控制器122中來實施，并且可以以存儲在有形非暫態(tài)計算機可讀介質例如在一個示例中的與控制器122在操作上相關聯的存儲器中的計算機可執(zhí)行指令的形式來體現。
[0046] 在操作中，將開關控制信號124提供給NNPC開關S1至S6以生成多電平輸出電壓 Van、并控制電容器C1和C2的充電和放電。圖8的示例是針對三相系統(tǒng)（例如以上的圖3) 的，其中控制器122執(zhí)行空間矢量調制以生成針對與電機相A、B和C相關聯的三個NNPC轉換器100中的每個的開關控制信號124。在某些實施中，基于關于輸出電流i OTT的一個或更多個反饋值（例如針對三相示例的IA、IB、I。）以及針對NNPC轉換器100中的每個的開關電容器電壓1和^ 2來完成對冗余開關矢量（例如來自圖2的表126)的選擇。由圖8可見，所示處理250表示空間矢量調制處理，其中根據接收到的調制索引"M"和相位角" Θ "來確定期望輸出狀態(tài)（例如電機位置和扭矩）。在252處接收并使用期望輸出狀態(tài)以識別參考矢量U圖7)的位置。參考矢量轉而用于識別三個周圍控制矢量％、￥ 2和％(例如圖7)，空間矢量調制處理用于確定在圖8中的252處的對應的"接通時間"持續(xù)時間間隔tpt2和 t3。在254處，控制矢量和持續(xù)時間間隔用于確定針對與周圍矢量VpV2和V3中的一個、一部分或全部相關聯的每個電機輸出相的冗余開關狀態(tài)（如果存在的話）。例如，圖2中的狀態(tài)表126表示矢量開關狀態(tài)V2與V3如V4與V5 -樣彼此冗余。在256處接收針對輸出電流IA、IB和I。的反饋以及針對每個相的開關電容器電壓V a和VC2。
[0047] 在圖8的258處，控制器122評估關于每個電機相的可用冗余開關狀態(tài)的成本函數"J"，并且從冗余狀態(tài)中選擇使各個相的成本函數最小化的那些冗余狀態(tài)。在所示示例中，成本函數與電容器電壓（Vci)例如以上圖1中的^和^相關，函數使用根據其調節(jié) 這些電容器電壓（圖8中的Vcref)的期望或預定的參考值。根據本公開內容的某些方面，不像傳統(tǒng)的NPC電力轉換器，在某些實施方式中的目標調節(jié)飛跨電容器電壓值Vcref小于 VDC/2。例如，在圖1的示例中，通過控制器122智能地選擇冗余開關矢量將電容器電壓Va 和L控制或調節(jié)成Vre/3。在其他非限制性示例中，目標值Vcref可以為小于直流輸入電壓的一半的另一個值例如V DC/4(以下圖26)或VDC/5(圖27)。
[0048] 使用針對三相中的每個相選擇的開關矢量，在圖8的260處由控制器122執(zhí)行選通信號生成以生成針對每個對應的NNPC轉換器級100的開關器件S1至S6的開關控制信號124的三個集合。以這種方式，控制器122操作以使得將適當的輸出電壓提供給電機負載200 (圖3)并且還對每個NNPC電力級100的電容器C1和C2上的電壓進行調節(jié)。這種對開關電容器電壓和Ve2的仔細調節(jié)轉而便利NNPC轉換器100的操作以提供在基本上等間隔輸出電平處的輸出電壓（例如圖2中的V ffi)。例如，在圖2的示例中，在以VDe/3的步進間隔開的四個不同電平處提供輸出電壓。因此，使用在所示NNPC轉換器100中的經調節(jié)的較低的電容器電壓電平便利通過開關器件S1至S6可見的電壓的均勻分布。因此，所有的開關器件S1至S6經歷相等的電壓應力，任一個器件不需要太大。
[0049] 還參照圖9至圖12,圖9示出了電力轉換器300,其包括以在本文中被稱為NNPC Η 橋接（NNPCHB)的Η橋接配置連接的結合圖1和圖2以上描述的兩個NNPC級100Α和100Β。 NNPCHB轉換器300包括如上所述從源90接收輸入直流電壓的直流輸入端子301和302,如所示輸入端子301和302被連接至NNPC級100Α和100Β二者的直流輸入。與圖1的NNPC 轉換器級100相似，圖9中的第一級100A包括開關器件SA1、SA2、SA3、SA4、SA5和SA6、以及鉗位開關或其他鉗位元件DA1和DA2、以及具有相應電壓V m和VCA2 (例如VDC/k，其中k>2) 的電容器CA1和CA2。相似地，第二級100B包括SB1、SB2、SB3、SB4、SB5和SB6、以及鉗位元件DB1和DB2、以及具有相應電容器電壓V CB1和VCB2 (例如VDC/k，其中k>2)的電容器CB1 和CB2。在附圖中將開關器件DA1、DA2、DB1和DB2示出為二極管，但是有源開關例如IGBT 和IGCT也可以用作鉗位元件。
[0050] 圖9中的逆變器100A的逆變器輸出節(jié)點116連接至系統(tǒng)中性節(jié)點306,第二多電平電力轉換器100B的逆變器輸出節(jié)點116提供電力轉換系統(tǒng)300的交流輸出304。在這種情況下，控制器122向第一 NNPC轉換器100A提供開關控制信號124A、以及向第二NNPC 級100B提供開關控制信號124B的集合。在一個非限制性實施方式中，控制器122通過選擇給定的矢量VI至V36根據在圖10A至10D中所示的開關狀態(tài)或矢量表310,來提供開關控制信號以提供在七個可能的電平之一處的期望的線與中性點間的電壓。另外，由圖9 還可見，可以與相應的直流源90 -起提供NNPCHB轉換器300的三個集合，以提供用于驅動三相電機負載200的輸出電壓，對應轉換器300的控制器122根據表310提供開關控制信號124,在一個可能的實施中對應電機相的輸出電壓被移位120°。
[0051] 由圖10A至圖10D可見，對應的開關電容器被調節(jié)成VDC/3的電壓，等間隔輸出電壓電平（線與中性點間的）可能包括V DC(矢量VI)、2VDC/3(V2至V5)、VDC/3(矢量V6至 V13)、0 伏特（矢量 V14 至 V23)、-VDC/3 (矢量 V24 至 V31)、-2VDC/3 (矢量 V32 至 V35)以及針對矢量V36的-VD。。此外，由表310中可見，電壓輸出步進都等于（VDe/3)。圖11中的曲線圖320示出了針對圖9中的NNPC Η橋接電力轉換器300的示例性七電平線與中性點間的輸出電壓波形322。另外，在所示三相示例中，圖12示出了具有示例性13電平線間電壓輸出波形332的曲線圖330。
[0052] 此外，如以上描述的NNPC實施方式100, NNPCHB轉換器300中的控制器122當可能時有利地從冗余矢量中選擇，以調節(jié)構成NNPC級100A和100B的電容器上的開關電容器電壓。例如，冗余矢量V2至V5(圖10A)基于針對輸出電平2V DC/3的輸出電流IA的極性、提供對NNPC級100A和100B的組成電容器CA1、CA2、CB1和CB2進行選擇性地充電或放電的能力，以及在表310中所示的其他冗余矢量組使得控制器122將電容器電壓和^^2有利地調節(jié)成期望電平。關于此，在某些實施方式中，可以在操作控制器300時、控制器122采用以上描述的圖8中的處理250。另外，可以采用空間矢量調制或基于載波的脈寬調制技術用于生成NNPCHB轉換器300中的開關控制信號124。
[0053] 還參照圖13至圖17,本公開內容的另外的方面提供了具有多個NNPC電力轉換器 100和/或多個NNPCHB轉換器300的多電平電力轉換系統(tǒng)400、420、430、440和450。圖13 示出了如下非限制性示例400,其包括通過可選濾波器402 (電感器L、電感電容器CL、LCL 等）耦接至交流輸入電源的三個NNPC轉換器100，所述三個NNPC轉換器100操作以接收在相應交流輸入端子（例如以上圖1中的端子120)處的輸入交流電壓，直流端子連接至正和負的直流母線軌道，從而三個NNPC轉換器100的第一集合提供三相有源整流器。這些整流器級的輸出提供如所示在直流母線電容Ca和Cb上的直流母線電壓。在某些實施中，可以將可選輸入濾波器402的中性點連接至通過可選阻抗鏈接408接合直流母線電容器Ca與Cb 的直流母線中點或中心節(jié)點。將直流母線電壓提供作為至三個NNPC級100的另一個集合的直流輸入端子（以上圖1中的端子101和102)的輸入，這些級100的逆變器輸出通過可選濾波器404提供交流輸出電壓以驅動負載406。此外，由圖13可見，可以將直流母線的中點通過可選阻抗鏈接410可選地連接至輸出濾波器404的中性點。圖14示出了與以上圖13 的三相系統(tǒng)相似的另一個三相系統(tǒng)420,輸入變壓器412向NNPC轉換器100的第一集合提供交流輸入電力。在一個非限制性示例中，可以使用圖13和圖14中的系統(tǒng)410和420,以使用針對總計36個開關和12個鉗位二極管的六個NNPC級100的背靠背（back-to-back) 配置來提供期望輸出電壓例如2kV至7. 2kV，所述鉗位二極管還可以為有源鉗位開關，在圖 14中的示例420附加地提供了通過變壓器412的隔離。
[0054] 圖15示出了另一個多相系統(tǒng)430,其具有向三個整流器434的集合中的每個整流器提供三相次級線圈、以提供電容器Ca、Cb和Cc上的直流母線的輸入變壓器432。將由此產生的母線上的直流電壓提供給其交流輸出通過可選輸出濾波器404驅動三相負載406的三個NNPC級100的集合的直流輸入端子。在某些實施方式中，整流器434可以為二極管整流器、SCR整流器、雙電平、NPC三電平或NNPC四電平IGBT/IGCT整流器。整流器432和整流器433還可以具有不同的脈沖個數，例如在一些實施方式中的6脈沖、12脈沖、24脈沖等。
[0055] 圖16示出了另一個三相電力轉換系統(tǒng)440,其具有如下相移輸入變壓器432 :通過初級線圈32接收來自交流源20的電力、并提供在示例性角度25°、15°、5°、-5°、-15° 和-25°處的六個不同的三相次級線圈，每個次級線圈驅動如上所述的相應整流器434,由整流器434中的兩個分別驅動三個NNPCHB級300的集合（例如以上圖9)，以提供通過可選輸出濾波器404的交流輸出以驅動三相電機負載406。在本不例中，從而使用36脈沖變壓器432提供NNPC Η橋接多相整流器系統(tǒng)440以實現期望輸出電壓例如10kV至15kV。在一個可能的替選實施中，可以提供兩個18脈沖變壓器，或針對某些脈沖個數的相移角度的其他組合也是可以的，或使用串聯的不同個數的直流源也是可以的。
[0056] 圖17示出了使用再次結合圖16以上描述的36脈沖變壓器432的具有針對期望的輸出電壓例如10kV至15kV的多脈沖整流器的級聯NNPCHB系統(tǒng)。在這種情況下，通過由變壓器432的對應次級線圈驅動的對應整流器434來對每個NNPC Η橋接級300進行供電，其中每個級300包括如圖9上述連接的一對NNPC級100。關于此，由一對NNPC Η橋接級 300驅動每個輸出相，第一級300的交流輸出連接至電機相（通過可選輸出濾波器404)，級 300的中性點連接至第二級300的交流輸出，第二級300的中性端子連接至系統(tǒng)中性點Ν。變壓器次級繞組和直流整流器的個數、變壓器次級繞組之間的相移角度以及其他設計參數可以針對該級聯NNPCHB的類型而變化。
[0057] 還參照圖18至圖22,圖18示出了具有連接在直流輸入端子101和102上的集成式電容器C3的另一個NNPC電力轉換器級實施方式500 (NNPC'）。圖19示出了采用兩個這樣的NNPC'級500用于通過輸出電感器502提供相輸出的示例性系統(tǒng)510,將正直流電壓施加給第一級500的交流端子120,第一級500的較低的直流端子102連接至電感器502的一端。電感器502的較低端連接至第二級500的交流端子120,第二級500的較低的直流端子 102連接至直流源的較低（負）端子。電感器502的中心抽頭連接提供了相輸出（A)，多個這樣的配置510可以用于對多相負載（未示出）進行供電。圖20示出了基于NNPC的模塊化多電平系統(tǒng)520,其中如上所述連接整數個NNPC'級500,級500的第一集合連接在上直流線路與電感器502的上端之間，級500的第二集合連接在下電感器端子與下直流線路之間。圖21提供了表示針對圖19的系統(tǒng)510 (使用兩個NNPC'級500)的示例性線與中性點間的電壓輸出波形532的曲線圖530,提供了七電平線與中性點間的輸出電壓。此外，圖22 中的曲線圖540表不提供13電壓電平的相應多相線間電壓輸出波形542。
[0058] 還參照圖23至圖25,圖23示出了使用兩個NNPC單元或級100的級聯NNPC配置以及對應的直流源90的另一個示例性系統(tǒng)600的單相。使用以相似方式連接的不止兩個的NNPC單元100的其他配置也是可以的。由圖23的示例可見，系統(tǒng)中性點"N"連接至第一單元100的直流輸入源90的中點，第一單元100的交流輸出連接至上（第二）單元100 的直流源90的中點。第二單元100的交流輸出轉而提供針對由系統(tǒng)600驅動的相的輸出電壓。在該配置中，控制器122的操作提供了如圖24的曲線圖610中所示的七電平線與中性點間的輸出電壓波形612、以及用于多相實施的圖25的曲線圖620中的13電平線間輸出波形622。
[0059] 圖26示出了另一個示例性NNPC電力轉換器實施100,其中，控制器122根據所示開關狀態(tài)表700提供開關控制信號124用于操作開關S1至S6以提供在逆變器輸出節(jié)點 (交流）處的多電平輸出電壓，以及控制開關電容器C1和C2的充電和放電。然而，在該實施中，控制器122的操作將電容器電壓V a、VC2調節(jié)成直流母線電壓電平的大約四分之一 (Vdc/4)。另外，圖26中的所不相的輸出（V M)具有VDC/4的等間隔步進。
[0060] 圖27示出了另一種可能的實施，其中控制器122根據狀態(tài)表800進行操作提供開關控制信號124,以生成在通過直流輸入電壓的大約五分之一（V DC/5)間隔開的六個不同的電平之一處的多電平電壓輸出，控制器122操作以調節(jié)在直流輸入電壓電平的大約五分之一處的電容器電壓。
[0061] 圖28示出了另一個NNPC電力轉換器900,在這種情況下NNPC電力轉換器包括關于NPC核心電路110配置的多個開關電容器嵌套級。該嵌套電力轉換器900包括逆變器電路110、開關電容器電路104和控制器122。與圖1的上述NNPC單元100-樣，圖28的轉換器900中的逆變器電路110包括在逆變器電路輸入節(jié)點111與112之間彼此串聯連接的開關器件S3至S6,以及連接S4與S5的逆變器輸出節(jié)點116。此外，逆變器電路110包括如所示與開關S4附近的第一內部節(jié)點114與在開關S5附近的第二內部節(jié)點118彼此串聯連接的鉗位開關或其他鉗位元件D1和D2。鉗位電路還包括接合鉗位元件D1與D2的第三內部節(jié)點119。在附圖中將鉗位器件表示為二極管。然而，為了鉗位目的還可以使用有源開關例如IGBT和IGCT。轉換器900還包括雙重嵌套的開關電容器電路104,其中第一開關S1 連接在第一直流輸入101與第四內部節(jié)點106之間，第二開關S2連接在節(jié)點106與第一逆變器輸入節(jié)點111之間。此外，第三開關S7連接在第二逆變器電路輸入節(jié)點112與第五內部節(jié)點108之間，第四開關S8連接在第五內部節(jié)點108與第二直流輸入102之間。
[0062] 在圖28中提供了兩電平的串聯連接的開關電容器C1 /C2和C3/C4，C1連接在節(jié)點 111與119之間，C2連接在節(jié)點119與112之間，C3連接在節(jié)點106與第六內部節(jié)點113 之間、以及C4連接在節(jié)點113與108之間。在某些實施中，可以接合節(jié)點113與119,盡管在所有實施方式中未如此要求?？刂破?22提供開關控制信號124以操作逆變器開關S3 至S6以及電容器開關器件S1、S2、S7和S8以提供在逆變器輸出節(jié)點116處的多電平輸出電壓、并例如使用如上所述選擇的冗余開關矢量來控制電容器C1至C4的充電和放電。
[0063] 圖29示出了另一個多相電力轉換系統(tǒng)1000,其包括變壓器432和三個串聯連接的輸入整流器434以生成直流母線，與以上圖15的系統(tǒng)430相似（圖29中未單獨示出控制器122)，三個NNPC級100提供交流輸出電壓波形通過可選輸出濾波器404以驅動三相負載406。此外，圖29的系統(tǒng)1000包括向六個附加整流器434提供交流輸入的輔助變壓器 432'（或主變壓器432的輔助次級繞組），每個整流器434的由此產生的直流輸出連接在 NNPC級100的開關電容器C1、C2中的相應一個上。在操作中，輔助變壓器或次級線圈432' 被選擇性地供電，以例如在整體系統(tǒng)1000上電時通過干預整流器434對每個所述級100的開關電容器C1和C2進行預充電，之后當系統(tǒng)1000達到穩(wěn)態(tài)操作時可以斷電。
[0064] 以上示例僅說明了本公開內容的各個方面的若干可能的實施方式，其中當閱讀并理解本說明書和附圖時、對本領域的技術人員會出現等同變化和/或修改。特別關于通過上述部件（組件、器件、系統(tǒng)、電路等）執(zhí)行的各種功能，用于描述這樣的部件的術語（包括引用的"裝置"）除非特別指出意在與執(zhí)行所描述部件的指定功能（即功能上等價）的任何部件例如硬件、處理器執(zhí)行軟件或上述組合對應，即使所述部件與執(zhí)行在本公開內容的所說明的實施中的功能的所公開的結構在結構上不等價。此外，盡管可以相對于若干個實施中的僅一個實施公開本公開內容的特定特征，但是這樣的特征可以與針對任何給定或特定應用可能期望并有利的一個或更多個其他特征或其他實施進行組合。此外，到術語"包括"、 "包含" "具有"或其變型用于詳細描述和/或權利要求中的程度，這樣的術語意在以與術語 "包括"相似的方式為包容性的。
[0065] 本發(fā)明還可以通過以下方案來實現，包括但不限制于：
[0066] 1. 一種多電平電力轉換器，包括：
[0067] 逆變器電路，所述逆變器電路包括：
[0068] 逆變器開關電路，所述逆變器開關電路包括：在第一逆變器電路輸入節(jié)點與第二逆變器電路輸入節(jié)點之間彼此串聯連接的多個逆變器開關器件、以及連接所述多個逆變器開關器件中的兩個逆變器開關器件的逆變器輸出節(jié)點，以及
[0069] 鉗位電路，所述鉗位電路包括在所述逆變器開關電路的第一內部節(jié)點與第二內部節(jié)點之間彼此串聯的第一鉗位元件和第二鉗位元件、以及接合所述第一鉗位元件與所述第二鉗位元件的第三內部節(jié)點；
[0070] 開關電容器電路，所述開關電容器電路包括：
[0071] 開關電容器電路開關器件，所述開關電容器電路開關器件各自連接在相應的直流輸入與相應的逆變器電路輸入節(jié)點之間，以及
[0072] 第一電容器和第二電容器，所述第一電容器和第二電容器各自連接在所述逆變器電路輸入節(jié)點中的相應一個與所述第三內部節(jié)點之間；以及
[0073] 控制器，所述控制器向所述多個逆變器開關器件以及所述開關電容器電路開關器件提供開關控制信號，以提供在所述逆變器輸出節(jié)點處的多電平輸出電壓并控制所述第一電容器和所述第二電容器的充電和放電。
[0074] 2.根據1所述的多電平電力轉換器，
[0075] 其中，所述逆變器開關電路包括：
[0076] 第一逆變器開關器件，所述第一逆變器開關器件具有連接至所述第一逆變器電路輸入節(jié)點的第一端子和連接至所述第一內部節(jié)點的第二端子，
[0077] 第二逆變器開關器件，所述第二逆變器開關器件具有連接至所述第一內部節(jié)點的第一端子和連接至所述逆變器輸出節(jié)點的第二端子，
[0078] 第三逆變器開關器件，所述第三逆變器開關器件具有連接至所述逆變器輸出節(jié)點的第一端子和連接至所述第二內部節(jié)點的第二端子，以及
[0079] 第四逆變器開關器件，所述第四逆變器開關器件具有連接至所述第二內部節(jié)點的第一端子和連接至所述第二逆變器電路輸入節(jié)點的第二端子；
[0080] 其中，所述第一鉗位元件包括連接至所述第三內部節(jié)點的第一端子和連接至所述第一內部節(jié)點的第二端子；
[0081] 其中，所述第二鉗位元件包括連接至所述第二內部節(jié)點的第一端子和連接至所述第三內部節(jié)點的第二端子；
[0082] 其中，所述開關電容器電路包括：
[0083] 第一開關電容器電路開關器件，所述第一開關電容器電路開關器件具有連接至第一直流輸入的第一端子和連接至所述第一逆變器電路輸入節(jié)點的第二端子，以及 [0084] 第二開關電容器電路開關器件，所述第二開關電容器電路開關器件具有連接至所述第二逆變器電路輸入節(jié)點的第一端子和連接至第二直流輸入的第二端子；
[0085] 其中，所述第一電容器包括連接至所述第一逆變器電路輸入節(jié)點的第一端子和連接至所述第三內部節(jié)點的第二端子；以及
[0086] 其中，所述第二電容器包括連接至所述第三內部節(jié)點的第一端子和連接至所述第二逆變器電路輸入節(jié)點的第二端子。
[0087] 3.根據2所述的多電平電力轉換器，其中，所述控制器向所述逆變器開關器件以及所述開關電容器電路開關器件提供所述開關控制信號，以提供在四個不同電平之一處的輸出電壓。
[0088] 4.根據3所述的多電平電力轉換器，其中，所述控制器在提供所述開關控制信號時、從針對四個不同輸出電壓電平中的至少一個的多個冗余開關狀態(tài)中進行選擇，以控制所述第一電容器和所述第二電容器的充電和放電、以將相應的第一電容器電壓和第二電容器電壓調節(jié)成小于在所述第一直流輸入與所述第二直流輸入之間的直流輸入電壓的一半。
[0089] 5.根據4所述的多電平電力轉換器，其中，所述控制器在提供所述開關控制信號時、從針對所述四個不同輸出電壓電平中的至少一個的多個冗余開關狀態(tài)中進行選擇，以控制所述第一電容器和所述第二電容器的充電和放電、以將相應的第一電容器電壓和第二電容器電壓調節(jié)成所述直流輸入電壓的三分之一。
[0090] 6.根據4所述的多電平電力轉換器，其中，所述控制器在提供所述開關控制信號時、從針對所述四個不同輸出電壓電平中的至少一個的多個冗余開關狀態(tài)中進行選擇，以控制所述第一電容器和所述第二電容器的充電和放電、以將相應的第一電容器電壓和第二電容器電壓調節(jié)成所述直流輸入電壓的四分之一。
[0091] 7.根據4所述的多電平電力轉換器，其中，所述控制器在提供所述開關控制信號時、從針對所述四個不同輸出電壓電平中的至少一個的多個冗余開關狀態(tài)中進行選擇，以控制所述第一電容器和所述第二電容器的充電和放電、以將相應的第一電容器電壓和第二電容器電壓調節(jié)成所述直流輸入電壓的五分之一。
[0092] 8.根據1所述的多電平電力轉換器，其中，所述控制器向所述逆變器開關器件和所述開關電容器電路開關器件提供所述開關控制信號，以提供在四個不同電平之一處的輸出電壓。
[0093] 9.根據8所述的多電平電力轉換器，其中，所述控制器在提供所述開關控制信號時、從針對四個不同輸出電壓電平中的至少一個的多個冗余開關狀態(tài)中進行選擇，以控制所述第一電容器和所述第二電容器的充電和放電、以將相應的第一電容器電壓和第二電容器電壓調節(jié)成小于在所述第一直流輸入與所述第二直流輸入之間的直流輸入電壓的一半。
[0094] 10.根據9所述的多電平電力轉換器，其中，所述控制器在提供所述開關控制信號時、從針對所述四個不同輸出電壓電平中的至少一個的多個冗余開關狀態(tài)中進行選擇，以控制所述第一電容器和所述第二電容器的充電和放電、以將相應的第一電容器電壓和第二電容器電壓調節(jié)成所述直流輸入電壓的三分之一。
[0095] 11.根據9所述的多電平電力轉換器，其中，所述控制器在提供所述開關控制信號時、從針對所述四個不同輸出電壓電平中的至少一個的多個冗余開關狀態(tài)中進行選擇，以控制所述第一電容器和所述第二電容器的充電和放電、以將相應的第一電容器電壓和第二電容器電壓調節(jié)成所述直流輸入電壓的四分之一。
[0096] 12.根據9所述的多電平電力轉換器，其中，所述控制器在提供所述開關控制信號時、從針對所述四個不同輸出電壓電平中的至少一個的多個冗余開關狀態(tài)中進行選擇，以控制所述第一電容器和所述第二電容器的充電和放電、以將相應的第一電容器電壓和第二電容器電壓調節(jié)成所述直流輸入電壓的五分之一。
[0097] 13.根據9所述的多電平電力轉換器，其中，所述控制器向所述逆變器開關器件和所述開關電容器電路開關器件提供所述開關控制信號，以提供在基本上等間隔步進的四個不同電平之一處的輸出電壓。
[0098] 14.根據1所述的多電平電力轉換器，其中，所述控制器向所述逆變器開關器件和所述開關電容器電路開關器件提供所述開關控制信號，以提供在基本上等間隔步進的多個不同電平之一處的輸出電壓。
[0099] 15. -種多電平電力轉換器，包括：
[0100] 逆變器電路，所述逆變器電路包括：
[0101] 逆變器開關電路，所述逆變器開關電路包括在第一逆變器電路輸入節(jié)點與第二逆變器電路輸入節(jié)點之間彼此串聯連接的多個逆變器開關器件、以及連接所述多個逆變器開關器件中的兩個逆變器開關器件的逆變器輸出節(jié)點，以及
[0102] 鉗位電路，所述鉗位電路包括在所述逆變器開關電路的第一內部節(jié)點與第二內部節(jié)點之間彼此串聯連接的第一鉗位元件和第二鉗位元件、以及接合所述第一鉗位元件與所述第二鉗位元件的第三內部節(jié)點；
[0103] 開關電容器電路，所述開關電容器電路包括：
[0104] 第一開關電容器電路開關器件，所述第一開關電容器電路開關器件具有連接至第一直流輸入的第一端子和連接至第四內部節(jié)點的第二端子，
[0105] 第二開關電容器電路開關器件，所述第二開關電容器電路開關器件具有連接至所述第四內部節(jié)點的第一端子和連接至所述第一逆變器電路輸入節(jié)點的第二端子，
[0106] 第三開關電容器電路開關器件，所述第三開關電容器電路開關器件具有連接至所述第二逆變器電路輸入節(jié)點的第一端子和連接至第五內部節(jié)點的第二端子，
[0107] 第四開關電容器電路開關器件，所述第四開關電容器電路開關器件具有連接至所述第五內部節(jié)點的第一端子和連接至第二直流輸入的第二端子，
[0108] 第一電容器，所述第一電容器包括連接至所述第一逆變器電路輸入節(jié)點的第一端子和連接至所述第三內部節(jié)點的第二端子，
[0109] 第二電容器，所述第二電容器包括連接至所述第三內部節(jié)點的第一端子和連接至所述第二逆變器電路輸入節(jié)點的第二端子，
[0110] 第三電容器，所述第三電容器包括連接至所述第四內部節(jié)點的第一端子和連接至第六內部節(jié)點的第二端子，以及
[0111] 第四電容器，所述第四電容器包括連接至所述第六內部節(jié)點的第一端子和連接至所述第五內部節(jié)點的第二端子；以及
[0112] 控制器，所述控制器向所述多個逆變器開關器件以及所述開關電容器電路開關器件提供開關控制信號，以提供在所述逆變器輸出節(jié)點處的多電平輸出電壓并控制所述第一電容器、所述第二電容器、所述第三電容器和所述第四電容器的充電和放電。
[0113] 16. -種電力轉換系統(tǒng)，包括多個多電平電力轉換器，各個多電平電力轉換器包括：
[0114] 逆變器電路，所述逆變器電路包括：
[0115] 逆變器開關電路，所述逆變器開關電路包括在第一逆變器電路輸入節(jié)點與第二逆變器電路輸入節(jié)點之間彼此串聯連接的多個逆變器開關器件、以及連接所述多個逆變器開關器件中的兩個逆變器開關器件的逆變器輸出節(jié)點，以及
[0116] 鉗位電路，所述鉗位電路包括在所述逆變器開關電路的第一內部節(jié)點與第二內部節(jié)點之間彼此串聯連接的第一鉗位元件和第二鉗位元件、以及接合所述第一鉗位元件與所述第二鉗位元件的第三內部節(jié)點；
[0117] 開關電容器電路，所述開關電容器電路包括：
[0118] 開關電容器電路開關器件，所述開關電容器電路開關器件各自連接在相應的直流輸入與相應的逆變器電路輸入節(jié)點之間，以及
[0119] 第一電容器和第二電容器，所述第一電容器和第二電容器各自連接在所述逆變器電路輸入節(jié)點中的相應一個與所述第三內部節(jié)點之間；以及
[0120] 控制器，所述控制器向所述多個逆變器開關器件以及所述開關電容器電路開關器件提供開關控制信號，以提供在所逆變器輸出節(jié)點處的多電平輸出電壓并控制所述第一電容器和所述第二電容器的充電和放電。
[0121] 17.根據16所述的電力轉換系統(tǒng)，包括：
[0122] 第一多電平電力轉換器；以及
[0123] 第二多電平電力轉換器；
[0124] 其中，所述第一多電平電力轉換器與所述第二多電平電力轉換器的直流輸入被連接在一起；
[0125] 其中，所述第一多電平電力轉換器的逆變器輸出節(jié)點連接至系統(tǒng)中性節(jié)點；以及
[0126] 其中，所述第二多電平電力轉換器的逆變器輸出節(jié)點提供用于所述電力轉換系統(tǒng) 的交流輸出。
[0127] 18.根據16所述的電力轉換系統(tǒng)，其中，所述控制器向所述逆變器開關器件和所述開關電容器電路開關器件提供所述開關控制信號，以提供在至少四個不同電平之一處的每個多電平電力轉換器的輸出電壓。
[0128] 19.根據18所述的電力轉換系統(tǒng)，其中，所述控制器在提供所述開關控制信號時、從針對四個不同輸出電壓電平中的至少一個的多個冗余開關狀態(tài)中進行選擇，以控制所述第一電容器和所述第二電容器的充電和放電、以將相應的第一電容器電壓和第二電容器電壓調節(jié)成小于在所述第一直流輸入與所述第二直流輸入之間的直流輸入電壓的一半。
[0129] 20.根據16所述的電力轉換系統(tǒng)，其中，所述多電平電力轉換器的至少一個提供針對所述電力轉換系統(tǒng)的多個輸出相的每個相的輸出電壓。
[0130] 部件列表
[0131]

【權利要求】
1. 一種多電平電力轉換器（100)，包括：逆變器電路（110)，所述逆變器電路（110)包括：逆變器開關電路，所述逆變器開關電路包括在第一逆變器電路輸入節(jié)點（111)與第二逆變器電路輸入節(jié)點（112)之間彼此串聯連接的多個逆變器開關器件（S2至S5)、以及連接所述多個逆變器開關器件中的兩個逆變器開關器件（S3、S4)的逆變器輸出節(jié)點（116)，以及鉗位電路，所述鉗位電路包括在所述逆變器開關電路的第一內部節(jié)點（114)與第二內部節(jié)點（118)之間彼此串聯連接的第一鉗位元件（D1)和第二鉗位元件（D2)、以及接合所述第一鉗位元件（D1)與所述第二鉗位元件（D2)的第三內部節(jié)點（119); 開關電容器電路（104)，所述開關電容器電路（104)包括：開關電容器電路開關器件（SI、S6)，所述開關電容器電路開關器件（SI、S6)各自連接在相應的直流輸入（1〇1、1〇2)與相應的逆變器電路輸入節(jié)點（111U12)之間，以及第一電容器和第二電容器（Cl、C2)，所述第一電容器和第二電容器（Cl、C2)各自連接在所述逆變器電路輸入節(jié)點（111、112)中的相應一個與所述第三內部節(jié)點（119)之間；以及控制器（122)，所述控制器（122)向所述多個逆變器開關器件（S2至S5)以及所述開關電容器電路開關器件（SI、S2)提供開關控制信號，以提供在所述逆變器輸出節(jié)點（116)處的多電平輸出電壓并控制所述第一電容器和第二電容器（C1、C2)的充電和放電。
2. 根據權利要求1所述的多電平電力轉換器（100)，其中，所述逆變器開關電路包括：第一逆變器開關器件（S2)，所述第一逆變器開關器件（S2)具有連接至所述第一逆變器電路輸入節(jié)點（111)的第一端子和連接至所述第一內部節(jié)點（114)的第二端子，第二逆變器開關器件（S3)，所述第二逆變器開關器件（S3)具有連接至所述第一內部節(jié)點（114)的第一端子和連接至所述逆變器輸出節(jié)點（116)的第二端子，第三逆變器開關器件（S4)，所述第三逆變器開關器件（S4)具有連接至所述逆變器輸出節(jié)點（116)的第一端子和連接至所述第二內部節(jié)點（118)的第二端子，以及第四逆變器開關器件（S5)，所述第四逆變器開關器件（S5)具有連接至所述第二內部節(jié)點（118)的第一端子和連接至所述第二逆變器電路輸入節(jié)點（112)的第二端子；其中，所述第一鉗位元件（D1)包括連接至所述第三內部節(jié)點（119)的第一端子和連接至所述第一內部節(jié)點（114)的第二端子；其中，所述第二鉗位元件（D2)包括連接至所述第二內部節(jié)點（118)的第一端子和連接至所述第三內部節(jié)點（119)的第二端子；其中，所述開關電容器電路（104)包括：第一開關電容器電路開關器件（S1)，所述第一開關電容器電路開關器件（S1)具有連接至第一直流輸入（101)的第一端子和連接至所述第一逆變器輸入節(jié)點（111)的第二端子，以及第二開關電容器電路開關器件（S6)，所述第二開關電容器電路開關器件（S6)具有連接至所述第二逆變器電路輸入節(jié)點（112)的第一端子和連接至第二直流輸入（102)的第二端子；其中，所述第一電容器（Cl)包括連接至所述第一逆變器電路輸入節(jié)點（111)的第一端子和連接至所述第三內部節(jié)點（119)的第二端子；以及其中，所述第二電容器（C2)包括連接至所述第三內部節(jié)點（119)的第一端子和連接至所述第二逆變器電路輸入節(jié)點（112)的第二端子。
3. 根據權利要求2所述的多電平電力轉換器（100)，其中，所述控制器（122)向所述逆變器開關器件（S2至S5)以及所述開關電容器電路開關器件（S1、S2)提供所述開關控制信號，以提供在四個不同的電平之一處的輸出電壓。
4. 根據權利要求1所述的多電平電力轉換器（100)，其中，所述控制器（122)向所述逆變器開關器件（S2至S5)以及所述開關電容器電路開關器件（S1、S2)提供所述開關控制信號，以提供在四個不同電平之一處的輸出電壓。
5. 根據權利要求4所述的多電平電力轉換器（100)，其中，所述控制器（122)在提供所述開關控制信號時、從針對四個不同輸出電壓電平中的至少一個的多個冗余開關狀態(tài)中進行選擇，以控制所述第一電容器和第二電容器（C1、C2)的充電和放電、以將相應的第一電容器電壓和第二電容器電壓（V a、VC2)調節(jié)成小于在第一直流輸入（101)與第二直流輸入 (102)之間的直流輸入電壓（V DC)的一半。
6. 根據權利要求4所述的多電平電力轉換器（100)，其中，所述控制器（122)向所述逆變器開關器件（S2至S5)以及所述開關電容器電路開關器件（S1、S2)提供所述開關控制信號，以提供在基本上等間隔步進的四個不同電平之一處的輸出電壓。
7. 根據權利要求1所述的多電平電力轉換器（100)，其中，所述控制器（122)向所述逆變器開關器件（S2至S5)以及所述開關電容器電路開關器件（S1、S2)提供所述開關控制信號，以提供在基本上等間隔步進的多個不同的電平之一處的輸出電壓。
8. -種多電平電力轉換器（100)，包括：逆變器電路（110)，包括：逆變器開關電路，所述逆變器開關電路包括在第一逆變器電路輸入節(jié)點（111)與第二逆變器電路輸入節(jié)點（112)之間彼此串聯連接的多個逆變器開關器件（S3至S6)、以及連接所述多個逆變器開關器件中的兩個逆變器開關器件（S4、S5)的逆變器輸出節(jié)點（116)，以及鉗位電路，所述鉗位電路包括在所述逆變器開關電路的第一內部節(jié)點（114)與第二內部節(jié)點（118)之間彼此串聯連接的第一鉗位元件和第二鉗位元件（D1、D2)、以及接合所述第一鉗位元件（D1)與所述第二鉗位元件（D2)的第三內部節(jié)點（119); 開關電容器電路（104)，所述開關電容器電路（104)包括：第一開關電容器電路開關器件（S1)，所述第一開關電容器電路開關器件（S1)具有連接至第一直流輸入（101)的第一端子和連接至第四內部節(jié)點（106)的第二端子，第二開關電容器電路開關器件（S2)，所述第二開關電容器電路開關器件（S2)具有連接至所述第四內部節(jié)點（106)的第一端子和連接至所述第一逆變器電路輸入節(jié)點（111)的 ΛΑ~ -?上山-7* 弟一棲子，第三開關電容器電路開關器件（S7)，所述第三開關電容器電路開關器件（S7)具有連接至所述第二逆變器電路輸入節(jié)點（112)的第一端子和連接至第五內部節(jié)點（108)的第二端子，第四開關電容器電路開關器件（S8)，所述第四開關電容器電路開關器件（S8)具有連接至所述第五內部節(jié)點（108)的第一端子和連接至第二直流輸入（102)的第二端子，第一電容器（C1)，所述第一電容器（C1)包括連接至所述第一逆變器電路輸入節(jié)點 (111)的第一端子和連接至所述第三內部節(jié)點（119)的第二端子，第二電容器（C2)，所述第二電容器（C2)包括連接至所述第三內部節(jié)點（119)的第一端子和連接至所述第二逆變器電路輸入節(jié)點（112)的第二端子，第三電容器（C3)，所述第三電容器（C3)包括連接至所述第四內部節(jié)點（106)的第一端子和連接至第六內部節(jié)點（113)的第二端子，以及第四電容器（C4)，所述第四電容器（C4)包括連接至所述第六內部節(jié)點（113)的第一端子和連接至所述第五內部節(jié)點（108)的第二端子；以及控制器（122)，所述控制器（122)向所述多個逆變器開關器件（S3至S6)以及所述開關電容器電路開關器件（S1、S2、S7、S8)提供開關控制信號，以提供在所述逆變器輸出節(jié)點 (116)處的多電平輸出電壓并控制所述第一電容器、所述第二電容器、所述第三電容器和所述第四電容器（C1、C2、C3、C4)的充電和放電。
9. 一種電力轉換系統(tǒng)（300、400、420、430、440、450、1000)，包括多個多電平電力轉換器（100)，各個多電平電力轉換器（100)包括：逆變器電路（110)，所述逆變器電路（110)包括：逆變器開關電路，所述逆變器開關電路包括在第一逆變器電路輸入節(jié)點（111)與第二逆變器電路輸入節(jié)點（112)之間彼此串聯連接的多個逆變器開關器件（S2至S5)、以及連接所述多個逆變器開關器件中的兩個逆變器開關器件（S3、S4)的逆變器輸出節(jié)點（116)，以及鉗位電路，所述鉗位電路包括在所述逆變器開關電路的第一內部節(jié)點（114)與第二內部節(jié)點（118)之間彼此串聯連接的第一鉗位元件和第二鉗位元件（D1、D2)、以及接合所述第一鉗位元件（D1)與所述第二鉗位元件（D2)的第三內部節(jié)點（119); 開關電容器電路（104)，所述開關電容器電路（104)包括：開關電容器電路開關器件（SI、S6)，所述開關電容器電路開關器件（SI、S6)各自連接在相應的直流輸入（1〇1、1〇2)與相應的逆變器電路輸入節(jié)點（111U12)之間，以及第一電容器和第二電容器（Cl、C2)，所述第一電容器和第二電容器（Cl、C2)各自連接在所述逆變器電路輸入節(jié)點（111、112)中的相應一個與所述第三內部節(jié)點（119)之間；以及控制器（122)，所述控制器（122)向所述多個逆變器開關器件（S2至S5)以及所述開關電容器電路開關器件（SI、S2)提供開關控制信號，以提供在所述逆變器輸出節(jié)點（116)處的多電平輸出電壓并控制所述第一電容器和第二電容器（C1、C2)的充電和放電。
10. 根據權利要求9所述的電力轉換系統(tǒng)（300)，其中，所述控制器（122)向所述逆變器開關器件（S2至S5)以及所述開關電容器電路開關器件（SI、S2)提供所述開關控制信號，以提供在至少四個不同電平之一處的每個多電平電力轉換器（100)的輸出電壓。
【文檔編號】H02M7/483GK104242710SQ201410247768
【公開日】2014年12月24日申請日期:2014年6月5日優(yōu)先權日:2013年6月20日
【發(fā)明者】邁赫迪·納里馬尼, 吳斌, 程仲元, 納維德·R·扎加里申請人:洛克威爾自動控制技術股份有限公司

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