多電平轉換器的製造方法

2023-09-13 01:57:45

多電平轉換器的製造方法
【專利摘要】本發明公開一種多電平電力轉換器。所述電力轉換器包括可操作地耦合在第一總線與第二總線之間的至少一個支線，並且所述至少一個支線包括：第一串，所述第一串包括多個非可控的半導體開關、第一節點、第二節點以及第三節點，其中所述第一節點耦合到第三總線上；一個或多個第二串，其中所述一個或多個第二串中的每一個包括至少一個完全可控的半導體開關，並且其中所述第二串中的一個耦合在所述第一節點與所述第三總線之間，而另一第二串耦合在所述第二節點與所述第三節點之間；以及一個或多個第三串，其中所述一個或多個第三串中的每一個包括至少一個能量存儲裝置並且耦合到所述第一串、所述一個或多個第二串或其組合上。
【專利說明】多電平轉換器
【技術領域】
[0001]本發明的各實施例大體涉及多電平轉換器(converter)，並且更確切地說涉及利用數目減少的完全可控的半導體開關來實現的多電平轉換器。
【背景技術】
[0002]應理解，轉換器用於將一種形式的電源轉換為另一種形式。三電平轉換器的引進導致了多電平轉換器的出現。隨後，若干多電平轉換器拓撲結構得到發展。多電平轉換器的概念建立用於利用若干低壓直流(DC)電源通過一系列半導體開關的使用來獲得更高的功率，所述若干低壓直流(DC)電源通過合成階梯電壓波形來進行電力轉換。電容器、電池以及可再生能源電壓源可用作DC電壓源。多電平轉換器提供優於常規的兩電平轉換器的若干優點，所述兩電平轉換器使用高開關頻率脈寬調製(PWM)。此外，多電平轉換器通常適用於中高功率應用。近來，由於高功率應用的數目的增加，對多電平轉換器的需求也隨之增加。
[0003]常規地，多電平轉換器通常僅包括完全可控的半導體開關。然而，因為完全可控的半導體開關的高成本，所以完全可控的半導體開關的使用增加了轉換器的成本。另一可替代的轉換器為僅使用二極體的二極體整流器。儘管二極體整流器的成本較低，但二極體整流產生具有嚴重失真的輸出波形。

【發明內容】

[0004]根據本發明的各方面，提出了一種電力轉換器。電力轉換器包括可操作地耦合在第一總線與第二總線之間的至少一個支線，其中所述至少一個支線包括第一串，所述第一串包括多個非可控的半導體開關、第一節點、第二節點以及第三節點，其中所述第一節點耦合到第三總線上。至少一個支線還包括一個或多個第二串，其中所述一個或多個第二串中的每一個包括至少一個完全可控的半導體開關，並且其中一個第二串可操作地耦合在第一節點與第三總線之間，並且另一個第二串可操作地耦合在第二節點與第三節點之間。此外，至少一個支線包括一個或多個第三串，其中所述一個或多個第三串中的每一個包括至少一個能量存儲裝置，並且其中所述一個或多個第三串中的每一個可操作地耦合到第一串、一個或多個第二串或其組合上。
[0005]其中，所述至少一個完全可控的半導體開關包括絕緣柵雙極電晶體、金屬氧化物半導體場效應電晶體、場效應電晶體、注入增強柵極電晶體、集成門極換流晶閘管或其組
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[0006]其中，所述至少一個完全可控的半導體開關包括基於砷化鎵的開關、基於氮化鎵的開關、基於碳化矽的開關或其組合。
[0007]其中，所述多個非可控的半導體開關包括功率二極體。
[0008]其中，所述第一總線包括正直流總線並且所述第二總線包括負直流總線。
[0009]其中，所述第一串包括經由所述第一節點可操作地耦合到第二部分的第一部分，並且所述第一串可操作地耦合在所述第一總線與所述第二總線之間。
[0010]所述的電力轉換器進一步包括可操作地耦合到所述第一串、所述一個或多個第二串或者所述第一串和所述一個或多個第二串兩者上的第四總線。
[0011]其中，所述第四總線包括至少一個交流相。
[0012]其中，所述至少一個能量存儲裝置包括電容器。
[0013]其中，所述一個或多個第三串可操作地彼此並聯耦合。
[0014]其中，所述一個或多個第二串的所述至少一個完全可控的半導體開關經配置以選擇性地切換，以提供經過所述第一串、所述一個或多個第二串、所述一個或多個第三串以及直流鏈的電流遍歷路徑。
[0015]根據本發明的另一方面，提出了電力轉換系統。該系統包括第一電力轉換器。此夕卜，該系統包括直流鏈，所述直流鏈可操作地耦合到第一電力轉換器上並且包括可操作地串聯耦合的一個或多個直流鏈電容器。此外，該系統包括通過第一總線和第二總線可操作地耦合到第一電力轉換器上第二電力轉換器，其中所述第二電力轉換器包括可操作地耦合在第一總線與第二總線之間的至少一個支線，其中所述至少一個支線包括第一串，所述第一串包括多個非可控的半導體開關；一個或多個第二串，其中所述一個或多個第二串中的每一個包括至少一個完全可控的半導體開關；以及一個或多個第三串，其中所述一個或多個第三串中的每一個包括至少一個能量存儲裝置，並且其中所述一個或多個第三串中的每一個可操作地耦合到第一串、一個或多個第二串或其組合上。此外，該系統包括預充電單元，所述預充電單元經配置以對一個或多個第三串中的至少一個能量存儲裝置以及直流鏈中的一個或多個直流鏈電容器進行充電。
[0016]其中，所述第一電力轉換器包括多個完全可控的半導體開關。
[0017]其中，所述第一電力轉換器包括交流到直流轉換器、直流到交流轉換器或者其組合，並且所述第二電力轉換器包括交流到直流轉換器。
[0018]其中，所述第二電力轉換器包括多電平電力轉換器。
[0019]其中，所述預充電單元包括輔助三相電源。
[0020]所述的系統進一步包括控制器，所述控制器經配置以控制所述一個或多個第二串的所述至少一個完全可控的半導體開關的切換。
[0021]其中，所述控制器經配置以:選擇性地切換所述電力轉換器的所述一個或多個第二串中的所述至少一個完全可控的半導體開關；以及基於所述至少一個完全可控的半導體開關的選擇性切換而產生多電平電壓。
[0022]其中，所述控制器經配置以:開啟所述電力轉換器的所述一個或多個第二串中的所述至少一個完全可控的半導體開關以將所述一個或多個直流鏈電容器和所述至少一個能量存儲裝置充電至直流鏈電壓的第一預定值；以及關閉所述至少一個已開啟的完全可控的半導體開關以將所述一個或多個直流鏈電容器充電至所述直流鏈電壓的第二預定值。
[0023]根據本發明的又一方面，提出了電力轉換方法。該方法包括在電力轉換器的初始狀態期間對直流鏈電容器以及電力轉換器的至少一個能量存儲裝置進行預充電，其中電力轉換器包括可操作地耦合在第一總線與第二總線之間的至少一個支線，其中所述至少一個支線包括第一串，所述第一串包括多個非可控的半導體開關；一個或多個第二串，其中所述一個或多個第二串中的每一個包括至少一個完全可控的半導體開關；以及一個或多個第三串，其中所述一個或多個第三串中的每一個包括至少一個能量存儲裝置，並且其中所述一個或多個第三串中的每一個可操作地耦合到第一串、一個或多個第二串或其組合上。此外，該方法包括可操作地將電力轉換器耦合到電網上。此外，該方法包括選擇性地切換電力轉換器的一個或多個第二串中的至少一個完全可控的半導體開關。另外地，該方法包括基於對至少一個完全可控的半導體開關的選擇性切換而產生多電平電壓。
[0024]其中，對所述直流鏈電容器以及所述電力轉換器的至少一個能量存儲裝置進行預充電包括:開啟所述電力轉換器的所述一個或多個第二串中的所述至少一個完全可控的半導體開關，以將所述直流鏈電容器和所述至少一個能量存儲裝置充電至直流鏈電壓的第一預定值；以及關閉所述已開啟的至少一個完全可控的半導體開關，以將所述直流鏈電容器充電至所述直流鏈電壓的第二預定值。
[0025]其中，產生所述多電平電壓包括基於所述至少一個完全可控的半導體開關的所述選擇性切換而提供電流遍歷路徑，所述電流遍歷路徑通過所述第一串、所述一個或多個第二串和所述一個或多個第三串中的一個或多個。
[0026]其中，產生所述多電平電壓包括對所述至少一個能量存儲裝置進行充電、對所述至少一個能量存儲裝置進行放電或其組合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]參考附圖來閱讀下文的具體說明後，將更好地了解本發明的這些和其他特徵、方面和優點，在所述附圖中，相同的符號是指整個附圖中的相同部分，其中:
[0028]圖1是用於電力轉換的系統的圖解表示；
[0029]圖2是根據本發明的各方面的用於在圖1的系統中的使用的電力轉換器的一部分的示例性實施例的圖解表示；
[0030]圖3和圖4是根據本發明的各方面的預充電的示例性方法的圖解表示；
[0031]圖5是根據本發明的各方面的用於在圖1的系統中的使用的具有預充電單元的電力轉換器的一部分的另一實施例的圖解表示；
[0032]圖6是根據本發明的各方面的用於在圖1的系統中的使用的具有預充電單元的電力轉換器的一部分的又一實施例的圖解表示；
[0033]圖7是根據本發明的各方面的用於在圖1的系統中的使用的具有預充電單元的電力轉換器的一部分的另一實施例的圖解表示；
[0034]圖8到圖11是根據本發明的各方面的用於圖2的實施例中的使用的電力轉換方法的圖解表示；以及
[0035]圖12是根據本發明的各方面的表示電力轉換的示例性方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0036]除非另行規定，否則本發明中所使用的技術和科學術語與本發明所屬領域的一般技術人員所公知的意義相同。本發明中所使用的術語「第一」、「第二」等並不表示任何順序、數量或重要性，而是用於區別不同的元件。此外，術語「一」並不表示數量限制，而是表示存在至少一個參考項。術語「或」意圖為包括性的並且意指一個、一些，或所有的所列項。本發明中「包括」或「具有」及其變體的使用意圖包括其後列出的項及其等效物，以及附加項。術語「連接」和「耦合」並不限於物理或機械的連接或耦合，並且可以包括電連接或耦合，無論直接還是間接。此外，術語「電路」和「電路系統」以及「控制器」可以包括單個組件或多個組件，所述組件為有源的和/或無源的並且連接或者耦合在一起以提供所述功能。
[0037]如下文所詳述，本發明提供了示例性多電平電力轉換器和電力轉換方法的各實施例。在一個實例中，多電平電力轉換器可以包括具有數量減少的完全可控的半導體開關的五電平電力轉換器。本發明中所使用的術語「多電平電力轉換器」(Multilevel powerconverter)表不將一種形式的輸入電壓/電流變換為另一種形式的輸出電壓/電流的轉換器，其中所述輸出電壓/電流包括多個電平並且具有最小的失真。
[0038]現在轉到附圖，並且參考圖1，其描繪了電力轉換的系統100的圖解表示。電力轉換系統100可以包括機器102。機器102可以包括電動機、發電機及其類似者。此外，機器102可以可操作地(operatively)耦合到第一電力轉換器104上。第一電力轉換器104可以通過直流(DC)鏈106可操作地耦合到第二電力轉換器108上。第一電力轉換器104還可以使用第一總線110以及第二總線112可操作地耦合到第二電力轉換器108上。在一個實例中，第一電力轉換器104可以包括交流(AC)到直流(DC)、DC到AC轉換器或其組合。此夕卜，在一個實例中，第一電力轉換器104可以包括多個完全可控的半導體開關。
[0039]此外，DC鏈106可以包括直流鏈電容器114。在另一實施例中，DC鏈106可以包括多個直流鏈電容器114。第二電力轉換器108可以包括AC到DC轉換器。根據本發明的各方面，第二電力轉換器108可以包括多個完全可控的半導體開關、多個非可控的半導體開關以及能量存儲裝置這三者的組合。此外，第二電力轉換器108可以可操作地耦合到電網116上。在一個實例中，能流的方向是從電網116到機器102。本發明中所使用的術語「可操作地I禹合」 (Operatively coupled)可以包括有線I禹合、無線I禹合、電I禹合、磁I禹合、無線電通信、基於軟體的通信或其組合。此外，耦合還可以通過使用AC總線、DC總線及其類似者來實現。
[0040]根據本發明的各方面，提出了一種示例性電力轉換器。在一個實例中，可以在電力轉換系統100的電網一側使用示例性電力轉換器。在一個實施例中，第二電力轉換器108可以包括至少一個支線。所述支線可以與至少一個交流相相關聯。本發明中所使用的術語「交流相」可以包括AC的A相、AC的B相，或AC的C相。此外，在一個實例中，當第二電力轉換器108為AC到DC轉換器時，AC相可以充當輸入終端並且DC鏈106可以充當輸出終端。
[0041]此外，在一個實施例中，支線可以包括第一串、一個或多個第二串以及一個或多個第三串。第一串可以包括多個非可控的半導體開關。在一個非限制性實例中，非可控的半導體開關可以包括功率二極體。本發明中所使用的術語「功率二極體」(power diode)可以用於指代矽基開關、基於碳化矽的開關、基於氮化鎵的開關、基於砷化鎵的開關及其類似者。此外，第一串可以包括第一節點、第二節點以及第三節點。在一個實例中，一個或多個第二串可以可操作地耦合在第一串的第二節點與第三節點之間。
[0042]此外，一個或多個第二串可以包括至少一個完全可控的半導體開關。此外，一個或多個第三串可以包括至少一個能量存儲裝置。另外地，在一個實例中，完全可控的半導體開關可以包括絕緣柵雙極電晶體、金屬氧化物半導體場效應電晶體、場效應電晶體、注入增強柵極電晶體(IEGT)、集成門極換流晶閘管(IGCT)、基於氮化鎵的開關、基於砷化鎵的開關、基於碳化矽的開關及其類似者。
[0043]此外，第二電力轉換器108可以包括五電平電力轉換器、七電平電力轉換器、九電平電力轉換器，或其他等效的多電平電力轉換器。在一個非限制性實例中，第一電力轉換器104可以具有與第二電力轉換器108的拓撲結構大體類似的拓撲結構。
[0044]此外，系統100可以包括控制器118，所述控制器118經配置以控制一個或多個第二串的完全可控的半導體開關的切換。此完全可控的半導體開關的切換幫助調控多電平電壓的產生以及第二電力轉換器108的預充電。因此，一個或多個第二串的至少一個完全可控的半導體開關可以經配置以選擇性地切換以提供電流遍歷路徑(Traverse path)。電流遍歷路徑可以包括通過第一串、一個或多個第二串、一個或多個第三串以及直流鏈106這幾者中的一個或多個的路徑。將參考圖2到圖12來更加詳細地說明第二電力轉換器108。此外，將參考圖3到圖4、圖8到圖11以及圖12來更加詳細地說明使用圖1的多電平電力轉換器來進行電力轉換的方法。
[0045]現在參考圖2，其呈現了用於在圖1的系統100中使用的電力轉換器的一部分的圖解表示200。更確切地說，圖2是圖1的第二電力轉換器108的一個支線201的圖解表示。
[0046]在圖2的實例中，支線201可以包括第一串202、兩個第二串204、205以及第三串206。第一串202可以包括多個非可控的半導體開關208。通過實例，非可控的半導體開關208可以包括功率二極體。為了易於理解，在第一串202中的功率二極體可以表示為D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7以及D8。此外，第二串204、第二串205可以包括至少一個完全可控的半導體開關210。在一個替代實施例中，第二串204、第二串205可以包括至少一個部分可控的半導體開關，諸如晶閘管。在又一實施例中，第二串204、第二串205可以包括至少一個部分可控的半導體開關和至少一個完全可控的半導體開關的組合。為了易於表示，第二串204中的完全可控的半導體開關可以表示為S1以及S2，並且第二串205中的完全可控的半導體開關可以表不為S3以及S4。
[0047]此外，在一個非限制性實例中，每一個完全可控的半導體開關210可以包括絕緣柵雙極電晶體(IGBT)、金屬氧化物半導體場效應電晶體、場效應電晶體、注入增強柵極電晶體(IEGT)、集成門極換流晶閘管(IGCT)、基於氮化鎵的開關、基於碳化矽的開關、基於砷化鎵的開關或其組合。這些完全可控的半導體開關210還可以包括內置反向並聯功率二極體，這將提供續流路徑(Freewheeling path)。通過實例,第二串204、第二串205可以包括與反向並聯功率二極體一起的IGBT。
[0048]此外，第三串206可以包括能量存儲裝置212。能量存儲裝置212可以包括電容器。此電容器還可以稱作飛跨電容器(flying capacitor) 0為了易於表示，能量存儲裝置212可以表示為Q。
[0049]支線201可以可操作地耦合在第一總線214與第二總線216之間。第一總線214可以包括正DC總線並且第二總線216可以包括負DC總線。此外，直流鏈218可以可操作地耦合在第一總線214與第二總線216之間。因此，DC鏈218可以可操作地並聯耦合到支線201上。DC鏈218可以形成電力轉換器的DC終端。在圖2的實例中，直流鏈218可以包括四個直流鏈電容器220。為了易於表示這些四個直流鏈電容器220可以表示為C3、C4、C5以及C6。參考數字222可以表示耦合到直流鏈218上的第三總線。在一個實施例中，參考數字222可以表示直流鏈218的中間點。本發明中所使用的術語「第三總線」可以為中間DC總線。在一個非限制性實例中，中間DC總線處的電壓可以為零伏特。
[0050]另外地，第一串202可以包括通過第一節點224可操作地耦合到第二部分228上的第一部分226。第一串202還可以包括第二節點230以及第三節點232。在一個非限制性實例中，第一節點224可以為第一串202的中間點。第一節點224可以可操作地耦合到第三總線222上。更確切地說，在圖2的實例中，第一節點224通過第二串204可操作地耦合到中間DC總線222上。此外，另一個第二串205可以可操作地並聯耦合到第三串206上。此第三串206可以可操作地耦合穿過第二節點230和第三節點232。此外，第二串205可以可操作地耦合到第四總線234上。本發明中所使用的術語「第四總線」可以表示交流電流的相，諸如AC的A相、AC的B相以及AC的C相。AC的多個相形成電力轉換器的AC終端。應注意，圖2的實例表示與一個AC相相關聯的一個支線201。
[0051]如上文所提及，支線201利用了非可控的半導體開關和完全可控的半導體開關的組合。因此，當與目前可用的常規電力轉換器的支線相比，該電力轉換器的支線201利用了數量減少的完全可控的半導體開關，從而提供了較低成本的電力轉換器。
[0052]此外，圖2描繪了五電平電力轉換器的拓撲結構。本發明中所使用的術語「五電平電力轉換器」可以表示在第四總線234處產生五個電壓電平的電力轉換器。此外，在一個實施例中，第二串的數目、第三串的數目、第一串中非可控的半導體開關的數目以及第二串中完全可控的半導體開關的數目可以基於所需產生的電壓電平的數目而變化。
[0053]圖3和圖4是根據本發明的各方面的預充電的示例性方法的圖解表示。確切地說，圖3和圖4分別描繪了對直流鏈電容器和電力轉換器的飛跨電容器進行預充電的第一階段和第二階段。應注意，預充電可以包括在電力轉換器可操作地耦合到電網(諸如圖1的電網116)之前，對直流鏈電容器和電力轉換器的飛跨電容器進行充電的方法。
[0054]圖3中所描繪的電力轉換器301的部分圖示為包括三個支線302、304，306。在一個實施例中，電力轉換器301的三個支線302、304，306可以包括圖2中描繪的支線201。三個支線302、304，306中的每一個對應於一個交流相。此外，支線302、304，306中的每一個可以包括第一串312、兩個第二串314、316以及第三串318。第一串312包括多個非可控的半導體開關，所述非可控的半導體開關表示為01、02、03、04、05、06、07以及D8。此外，第二串314包括兩個完全可控的半導體開關，所述完全可控的半導體開關表示為S1和S2。另一個第二串316包括兩個完全可控的半導體開關，所述完全可控的半導體開關表示為S3和S4。此外，第三串318包括飛跨電容器，所述飛跨電容器表示為Q。
[0055]參考數字307可以表示具有直流鏈電容器C3、C4、C5, C6的直流鏈。在圖3中所描繪的預充電的第一階段之前，可以假設飛跨電容器C1以及直流鏈307的電容器C3、C4、C5，C6中的每一個都處於放電狀態中(零伏特)。此外，在此階段電力轉換器301可能不可操作地連接到電網上。如先前所提及，電力轉換器301的三個支線302、304以及306與至少一個交流相(諸如AC的A相、AC的B相以及AC的C相)相關聯。因此，在一個實例中，在任何時刻，AC相中的一個可能處於最高電壓值(例如最大正電壓)而另一 AC相可能處於最低電壓值(例如最大負電壓)。在一個非限制性實例中，在給定的時刻，AC的A相可能處於最高電壓值而AC的C相可能處於最低電壓值。此外，支線302可以與AC的A相相關聯，支線304可以與AC的B相相關聯，並且支線306可以與AC的C相相關聯。與對應於最高電壓值的AC相相關聯的支線可以為充電電流提供電流傳導路徑並且與對應於最低電壓值的AC相相關聯的支線可以為充電電流提供返迴路徑。因此，在與具有最高電壓值的AC相相關聯的支線中的飛跨電容器C1可以充電至Ipu (Per Unit，每單位)。以類似的方式，當對應於其他支線的AC相具有最高電壓值時，與其他AC相相關聯的其他支線的飛跨電容器也可以充電至lpu。
[0056]現在轉到圖3，其描繪了電力轉換器301中的飛跨電容器的預充電的第一階段300以及直流鏈電容器。確切地說，如圖3所描繪，系統300可以包括預充電單元319，在電力轉換器301可操作地耦合到電網之前，所述預充電單元319經配置以對電力轉換器301中的飛跨電容器以及直流鏈電容器進行充電。此外，在第一階段300中，開關S1和S2開啟(activated),而開關S3和S4保持在關閉(deactivated)狀態。因此,充電電流可以遍歷大體由參考數字320、322以及324表示的一個或多個路徑。更確切地說，在電流傳導路徑320中，充電電流從預充電單元319流動到支線302的第一點326，同時遍歷經過對應的第四總線338以及對應於開關S3的反向並聯二極體。
[0057]一旦充電電流到達支線302的第一點326處，充電電流就分岔進入兩個不同的電流傳導路徑322和324。確切地說，在電流傳導路徑322中，充電電流從第一點326流動到中間DC總線328，其路徑通過支線302的電容C1、第二點327、二極體D5以及支線302的已開啟開關S1和S2。在一個實施例中，在電流傳導路徑322中，電流從第一點326流動到中間DC總線328，其路徑通過支線302的電容C1、第二點327、二極體D5、對應於開關S1的反向並聯二極體以及支線302的已開啟開關S2。此外，在電流傳導路徑324中，充電電流遍歷從第一點326到中間總線328的路徑，同時遍歷支線302的二極體D3、二極體D2、二極體D1'第一總線308以及直流鏈電容C3和C4。
[0058]此外，用於充電電流的一個或多個返迴路徑可以由返迴路徑330、332，334提供。更確切地說，在返迴路徑330中，充電電流通過第二總線310從中間DC總線328經過直流鏈電容器C5和C6遍歷至支線306的第二點327。此外，在返迴路徑332中，充電電流遍歷從中間DC總線328到支線306的第二點327的路徑，所述路徑通過支線306的開關S1和S2、二極體D4、第一點326以及電容Cp在一個實例中，在返迴路徑332中，充電電流從中間DC總線328遍歷至第二點327，其路徑通過支線306的開關S1、對應於開關S2的反向並聯二極體、二極體D4、第一點326以及電容器Q。
[0059]應注意，三個支線302、304以及306中的每一個的第二串314的一個末端可以可操作地耦合到公共中間DC總線328上。在支線306的第二點327處，在返迴路徑330和返迴路徑332中流動的電流匯集並且繼續流經返迴路徑334。確切地說，在電流傳導路徑334中，電流從第二點327流動到預充電單元319，其路徑通過對應於開關S4的反向並聯二極體以及對應於支線306的第四總線338。
[0060]因此，在預充電的第一階段期間，可以對直流鏈電容器C3和C4和支線302的飛跨電容器C1以及直流鏈電容器C5和C6和支線306的飛跨電容器C1進行充電。在支線302的飛跨電容器C1充電至直流鏈電壓的第一預定值的時刻，直流鏈電容器C3和C4也可以逐漸地充電至直流鏈電壓的第一預定值。
[0061]在一個實例中，直流鏈電壓的第一預定值可以大體等於直流鏈電壓的全部值的一半。如果假設直流鏈電壓的全部值為2pu，那麼直流鏈電壓的第一預定值可以為lpu。一旦支線302的飛跨電容器Cl充電至直流鏈電壓的第一預定值，開關S1和開關S2就關閉。因此，支線302的飛跨電容器C1以及直流鏈電容器C3和C4可以逐漸充電至lpu。類似地，當充電電流的返迴路徑遍歷經過支線306時，直流鏈電容器C5和C6以及支線306的飛跨電容器C1可以充電至lpu。與支線304相關聯的飛跨電容器C1可以以類似的方式充電至第一預定值。此外，在一個實例中，與支線302、304以及306相關聯的飛跨電容器C1可以以隨機方式充電至第一預定值。此外，在AC電流的多個周期中，與支線302、304以及306相關聯的飛跨電容器仏可以充電至第一預定值。在一個非限制性實例中，AC電流可以表示電網電流。此外，在一個實例中，直流鏈電容器C3、C4、C5以及C6可以以隨機方式充電。
[0062]圖4表示電力轉換器301的直流鏈電容器的預充電的第二階段350。在第二階段350中，支線302所有的開關Sp S2, S3以及S4都關閉。在此階段期間，充電電流可以遍歷傳導路徑352。在傳導路徑352中，充電電流從預充電單元319流動到中間DC總線328，同時遍歷對應於支線302的第四總線338、對應於支線302的開關S3的反向並聯二極體、支線302的二極體D3、D2、D1、第一總線308以及直流鏈電容器C3和C4。隨後，直流鏈電容器C3和C4可以逐漸地充電至直流鏈電壓的第二預定值。在圖4的實例中，直流鏈電壓的第二預定值可以為直流鏈電壓的全值(full value) 0如果假設直流鏈電壓的全值為2pu，那麼直流鏈電壓的第二預定值可以為2pu。
[0063]參考數字354表示充電電流的返迴路徑。更確切地說，在返迴路徑354中，充電電流從中間總線328傳遞到預充電單元319，其路徑通過直流鏈電容器C5和C6、第二總線310、支線306的二極體D8、二極體D7、二極體D6、支線306的第二點327以及對應於支線306的開關S4的反向並聯二極體。因此，直流鏈電容器(:5和(:6中的每一個可以充電至lpu。因此，在負DC總線310與中間DC總線328之間可以逐漸產生_2pu的電壓。
[0064]在直流鏈電容器和電力轉換器301的飛跨電容器的預充電的第一階段和第二階段中之後，可以假設飛跨電容器C1以及直流鏈307的電容器C3、C4、C5，C6中的每一個充電至lpu，其中pu表示每單位。因此，在中間DC總線328處的電壓可以認為是Opu。此外，橫跨上部直流鏈的電壓為+2pu，並且橫跨下部直流鏈的電壓為_2pu。上部直流鍊表示在第一總線308與中間DC總線328之間的直流鏈的部分，而下部直流鍊表示在中間DC總線328與第二總線310之間的直流鏈的部分。在直流鏈電容器和電力轉換器301的飛跨電容器在預充電的第一階段300和第二階段350期間預充電之後，電力轉換器301可以可操作地耦合到電網，諸如圖1的電網116。
[0065]現在參考圖5，其呈現了是根據本發明的各方面的用於在圖1的系統中的使用的具有預充電單元的電力轉換器的一部分的另一實施例的圖解表示500。更確切地說，圖5是圖1的第二電力轉換器108的一個支線501以及諸如圖3到圖4的預充電單元319的預充電單元536的圖解表示500。在一個實施例中，圖5的支線501可以用於代替圖3和圖4的電力轉換器301的支線302、304以及306。
[0066]在圖5的實例中，電力轉換器的支線501可以包括第一串502、第二串504以及兩個第三串506、507。第一串502可以包括多個非可控的半導體開關508，為了易於理解，所述非可控的半導體開關508表示為01、02、03、04、05、06，、07以及D8。此外，第二串504可以包括多個完全可控的半導體開關510。為了易於理解，在圖5的實例中，完全可控的半導體開關510可以表示為S5、S6、S7以及S8。
[0067]此外，兩個第三串506、507可以包括能量存儲裝置512。在一個實例中，能量存儲裝置512可以包括電容器。為了易於表示，對應於第三串506、507的能量存儲裝置512可以分別表示為C1和C2。能量存儲裝置512也可以稱作飛跨電容器。
[0068]此外，電力轉換器的支線501可以可操作地耦合在第一總線514與第二總線516之間。在圖5的實例中，直流鏈518耦合在第一總線514與第二總線516之間。此外，直流鏈518可以包括四個直流鏈電容器520。這些四個直流鏈電容器520可以表示為C3、C4、C5以及C6。參考數字522可以表示耦合到直流鏈518上的第三總線。此外，支線501的第一串502可以包括第一節點524。此外，第一串502可以具有通過第一節點524可操作地耦合到第二部分528上的第一部分526。第一節點524可以通過第二串504可操作地耦合到中間DC總線522上。此外，第四總線529可以可操作地耦合到第一串502、第二串504或者第一串502與第二串504兩者上。在圖5的實例中，第一串502通過第一節點524可操作地耦合到第四總線529上。如上文所提及，第四總線529可以表示交流電流相，諸如AC的A相、AC的B相以及AC的C相。
[0069]此外，第三串506、507可以包括兩個末端，所述末端可以可操作地耦合到第一串502、第二串504，或者第一串502與第二串504兩者上。在圖5的實例中，第三串506的一個末端在第二節點530處可操作地耦合到第一串502上，並且此第三串506的另一個末端可以在第三節點532處可操作地耦合到第二串504上。類似地，第三串507的一個末端可以在第三節點532處可操作地耦合到第二串504上，並且第三串507的另一個末端可以在第四節點534處可操作地耦合到第一串502上。
[0070]如先前參考圖3到圖4所提及，預充電單元536可以用於對由圖5的支線501形成的電力轉換器的飛跨電容器C1和C2以及直流鏈電容器C3、C4、C5，和C6進行預充電。此夕卜，通過選擇性地開啟和/或關閉第二串504的開關S5、S6、S7以及S8，可以在預充電的第一階段和第二階段實現對由圖5的支線501形成的電力轉換器的飛跨電容器C1和C2以及直流鏈電容器C3、C4、C5，和C6的預充電。在預充電的第一階段，開關S5、S6可以開啟並且開關S7、S8可以關閉。隨後，在預充電的第二階段，可以關閉開關S5、S6、S7，S8。因此，飛跨電容器C1和C2中的每一個以及直流鏈電容器C3、C4> C5,和C6中的每一個可以充電至lpu。
[0071]圖6是根據本發明的各方面的用於在圖1的系統中的使用的具有預充電單元的電力轉換器的一部分的另一實施例的圖解表示600。確切地說，圖6是具有預充電單元640(諸如圖3到圖4的預充電單元319)的圖1第二電力轉換器108的一個支線601的圖解表示600。在一個實施例中，圖6的支線601可以用於形成圖3和圖4的電力轉換器301的支線302,304 以及 306。
[0072]如圖6中所描繪，電力轉換器的支線601可以包括第一串602、三個第二串603、604,605以及第三串606。如先前所提及，第一串602可以包括可操作地串聯耦合的多個非可控的半導體開關608。此外，三個第二串603、604，605可以包括至少一個完全可控的半導體開關610。為了易於表示，三個第二串603、604，605中的完全可控的半導體開關可以表示為S9、S1Q、Sn以及S12。此外，第三串606可以包括能量存儲裝置612。能量存儲裝置612也可以稱作飛跨電容器。此能量存儲裝置612可以表示為Q。
[0073]此外，電力轉換器的支線601可以可操作地耦合穿過第一總線614和第二總線616。此外,直流鏈618可以可操作地稱合在第一總線614與第二總線616之間。在圖6的實例中，直流鏈618可以包括四個直流鏈電容器620，所述直流鏈電容器620表示為C3、C4、C5以及C6。直流鏈618還可以耦合到第三總線622上。此外，第一串602可以包括第一節點624。在圖6中，第一串602可以通過第一節點624可操作地耦合到第三總線622上。此外，第一串602可以包括通過第一節點624可操作地耦合到第二部分628上的第一部分626。在圖6的實例中，第三串606的一個末端在第二節點630處可操作地耦合到第二串603上。此外，第三串606的另一個末端可以在第三節點632處可操作地耦合到另一第二串605上。第一串602還可以包括第四節點634和第五節點636。此外，在圖6的實例中，第二串603可以可操作地耦合在第二節點630與第四節點634之間。另一第二串604可以可操作地耦合在第二節點630與第三節點632之間。此外，又一第二串605可以可操作地耦合在第三節點632與第五節點636之間。此外，第四總線638可以可操作地耦合到第二串中的一個上，諸如第二串604。第四總線638可以稱作交流電流相。
[0074]圖6的支線601的飛跨電容器C1以及直流鏈電容器C3、C4、C5，和C6中的每一個可以通過預充電單元640來進行預充電。確切地說，飛跨電容器C1以及直流鏈電容器C3、C4、C5，和C6可以以與參考圖3到圖4所描述的預充電方法大體類似的方式進行預充電。通過選擇性地開啟和或/關閉第二串603、604，605的開關S9、開關Sltl、開關S11以及開關S12，可以在預充電的兩個階段中實現預充電。因此，飛跨電容器C1以及直流鏈電容器中的每一個可以充電至lpu。
[0075]圖7是根據本發明的各方面的用於在圖1的系統中的使用的具有預充電單元732的電力轉換器的一部分的又一實施例700的圖解表示。更確切地說，圖7是具有諸如圖3到圖4的預充電單元319的預充電單元732的圖1的第二電力轉換器108的一個支線701的圖解表不700。在一個實施例中，圖7的支線701可以用於代替圖3和圖4的電力轉換器301的支線302、304以及306。可以使用圖7的一個或多個支線701形成的電力轉換器可以表示七電平電力轉換器。本發明中所使用的術語「七電平電力轉換器」可以表示在第四總線730處產生七個電壓電平的電力轉換器。
[0076]在圖7的實例中，支線701可以包括第一串702、第二串704以及四個第三串706。第三串706的每一個的兩個末端可操作地耦合到第一串702、第二串704或者第一串702和第二串704兩者。第一串702可以包括多個非可控的半導體開關708。此外，在圖7的實例中，第二串704示出為包括可操作地串聯耦合的六個完全可控的半導體開關710。此外，第三串706的每一個可以包括能量存儲裝置712。能量存儲裝置712也可以稱作飛跨電容器。為了易於表示，圖7的飛跨電容器712可以表示為C7、C8、C9以及C1(l。支線701可以可操作地耦合在第一總線714與第二總線716之間。另外地，直流鏈718可以可操作地耦合在第一總線714與第二總線716之間。此外，在圖7的實例中，直流鏈718可以包括六個直流鏈電容器720。此外，直流鏈718的中間點可以可操作地耦合到第三總線722上。第一串702可以包括通過第一節點724可操作地耦合到第二部分728上的第一部分726。此外，第一串702可以可操作地耦合到第四總線730上。
[0077]預充電單元732可以經配置以對圖7的支線701的飛跨電容器以及直流鏈電容器進行充電。此外，通過選擇性地開啟和/或關閉第二串704的六個完全可控的半導體開關，可以在第三個階段中實現預充電。因此，飛跨電容器的每一個以及支線701的直流鏈電容器的每一個可以充電至所需電壓值。在一個實例中，所需的電壓值可以為lpu。
[0078]參考圖8到圖11，其描繪了根據本發明的各方面的用於圖2的實施例中的使用的電力轉換的示例性方法的圖解表示。為了易於理解，將參考圖1和圖2來說明圖8到圖11。確切地說，圖8到圖11的實例描繪了在五個電壓電平的產生期間電力轉換器的不同狀態。本發明中所使用的術語「五個電壓電平」可以表示在第四總線234處產生的五個電壓電平。為了易於說明，假設在第四總線234處的五個電壓電平為+2pu、+lpu、0pu、-lpu以及_2pu。因此，圖8到圖11中描繪了在第四總線處產生+2pu、+lpu,Opu的不同狀態。
[0079]為了易於說明圖8到圖11，可以假設在諸如圖1的第二電力轉換器108的電力轉換器的初始狀態期間，飛跨電容器C1以及直流鏈的每一個電容器(C3、C4、C5，和C6)充電至lpu。在電力轉換器的初始狀態期間，通過使用預充電單元319，可以對飛跨電容器C1以及直流鏈的每一個電容器(C3、C4、C5，和C6)進行充電。
[0080]此外，在第三總線222處的電壓可以假設為Opu。此外，橫跨上部直流鏈的電壓為+2pu，並且橫跨下部直流鏈的電壓為_2pu。如先前所提及，上部直流鍊表示在正DC總線214與中間DC總線222之間的直流鏈，並且下部直流鍊表示在中間DC總線222與負DC總線216之間的直流鏈。此外，當正電流從第四總線234流動到電力轉換器的支線201時，在第四總線234處產生非負電壓。在一個實施例中，非負電壓可以為正電壓和/或零電壓。
[0081]圖8是諸如圖2的支線201的電力轉換器的支線的第一狀態的圖解表示802。參考數字804表示對應於電力轉換器的支線201的第一狀態802的狀態圖。通過實例，狀態圖804的狀態'X,表示+2pu的電壓電平。因此，為了在電力轉換器的支線201的第四總線234處產生+2pu的電壓，在第一狀態802期間，關閉開關S1、開關S2、開關S3以及開關S4，從而提供電流遍歷路徑806。在電流遍歷路徑806中，電流從第四總線234流動到第一 DC總線214，同時遍歷對應於開關S3的反向並聯二極體、第二節點230以及第一串202的第一部分226的上部二極體D3、D2，和Dp因此，橫跨電容器C3和電容器C4的電壓出現在第四總線234處，其中在電力轉換器的支線201的初始狀態期間所述電容器C3與電容器C4逐漸充電至2pu。因此，可以在第四總線234處產生+2pu的電壓。
[0082]此外，可能需要在第四總線234處產生+Ipu的電壓。+Ipu的電壓的產生可以在電力轉換器的支線201的第二狀態和第三狀態期間實現。在一個實例中，當電容器C1正在放電並且如圖9中圖解表示時，可以在第四總線234處產生+Ipu的電壓。此外，在另一實例中，當電容器C1正在放電並且如圖10中圖解表示時，可以在第四總線234處產生+Ipu的電壓。
[0083]現在參考圖9，參考數字808表示諸如圖2的支線201的電力轉換器的支線的第二狀態。更確切地說，參考數字808表示在第四總線234處產生+Ipu的電壓的第二狀態。此夕卜，參考數字810表示對應於支線的第二狀態的狀態圖，其中狀態圖810的，x-1;狀態表示當電容器C1處於充電狀態時，在第四總線234處的+Ipu的電壓的產生。為此，完全可控的半導體開關S4開啟，從而提供電流遍歷路徑812。確切地說，在電流遍歷路徑812中，電流從第四總線234流動到第一DC總線214，同時遍歷已開啟的開關S4、飛跨電容器Q212、第二節點230以及部分226的上部二極體(D3、D2和D1)。因此，表示橫跨直流鏈電容器C3和C4的電壓與橫跨飛跨電容器212(Ci)的電壓之間的差值電壓可以出現在第四總線234處。如先前所提及，基於對電容器Cp C3以及C4的初始預充電，橫跨包括電容器C3和C4的上部直流鏈電容器的電壓為2pu，並且橫跨電容器C1的電壓為lpu。因此，在第二狀態中，可以在第四總線234處產生+Ipu的電壓。通過選擇性地切換完全可控的半導體開關Sp S2, S3以及S4，可以實現對完全可控的半導體開關S1、S2, S3以及S4的開啟和關閉。
[0084]隨後，可以對飛跨電容器Cl進行放電。可能需要在隨後的切換周期中在第四總線234處產生+Ipu的電壓。此隨後的切換周期可能在同一正電流周期中或在隨後的正電流周期中。本發明中所使用的術語「隨後的正電流周期」用於指代另一周期，在所述另一周期中AC電流可以再次為正。此外，基於AC電流的頻率，相鄰的正電流周期可以以50Hz或60Hz的頻率重複。
[0085]現在轉到圖10，參考數字814表示諸如圖2的支線201的電力轉換器的支線的第三狀態的圖解表示。確切地說，參考數字814可以表示在第四總線234處產生+Ipu的電壓的第三狀態。在第三狀態期間，可以對在第二狀態期間被放電的電容器Cl進行充電。參考數字816表示對應於用於在第四總線234處產生+Ipu的電壓的支線的第三狀態的狀態圖。確切地說，如圖10所描繪，可以開啟完全可控的半導體開關S2，從而提供電流遍歷路徑818。電流從第四總線234流動到第三總線222，同時傳遞經過對應於開關S3的反向並聯二極體、電容器212 (C1)、第三節點232、第二部分228的上部二極體D5、第一節點224、已開啟的開關S2以及對應於開關S1的反向並聯二極體。因此，飛跨電容器Q212可以充電至lpu。在第四總線234處的電壓表示在中間DC總線222處的電壓和飛跨電容器C1充電至的電壓的總和。如先前所提及，在中間DC總線222處的電壓為Opu。因此，在第四總線234處的電壓為+lpu。在電力轉換器的支線201的操作期間，可以與圖10的實施例一起替代地使用圖9的實施例以使飛跨電容器C1保持在大體等於Ipu的電壓。
[0086]此外，圖11是在電力轉換器的支線的第四總線234處產生Opu的電力轉換器的支線201的第四狀態的圖解表示820。參考數字822表示對應於電力轉換器的支線201的第四狀態820的狀態圖。通過實例，對應於第三狀態820的在狀態圖822中的狀態，O'表示Opu的電壓。因此，為了在支線201的第四總線234處獲得Opu的電壓，可以開啟完全可控的半導體開關S2和S4。因此，已開啟的完全可控的半導體開關S2和S4提供了電流遍歷路徑824。確切地說，在電流遍歷路徑824中，電流從第四總線234流動到第三總線222，同時遍歷已開啟的開關S4、第三節點232、第二部分228的二極體D5、第一節點224、已開啟的開關S2以及對應於開關S1的反向並聯二極體。因此，在第四總線234處的電壓可以等效於在第三總線222處的電壓，所述在第三總線222處的電壓為Opu。因此，在第四總線234處獲得Opu的電壓。
[0087]類似地，對於負AC電流，在第四總線234處可以產生電壓電平_2pu和-lpu。本發明中所使用的術語「負AC電流」可以表示每半個周期可以重現的AC電流的負周期。此外，負電流的方向可以為從支線201到第四總線234。
[0088]儘管圖2和圖8到圖11的實例描述了在第四總線234處的五電平電壓的產生，但也可以預期不同電壓電平的產生，諸如六電平電壓、七電平電壓以及其他等效的多電平電壓。如上文所提及，通過開啟和關閉完全可控的半導體開關可以產生不同電壓電平。更確切地說，對完全可控的半導體開關的選擇性切換可以導致不同電壓電平的產生，諸如但不限於五電平電壓、六電平電壓以及其他等效的多電平電壓。還應注意，在第四總線處產生的五電平電壓、六電平電壓、七電平電壓以及其他等效的多電平電壓可以稱作第二線參數。此夕卜，儘管圖8到圖11表示使用圖2中表示的支線201產生五電平電壓，但五電平電壓還可以類似地在圖5和圖6的支線501、601的第四總線處產生。[0089]如先前所提及，在五電平電壓中的電平可以為+2口11、+讓11、(^11，-1口11以及_2pu。可以假設飛跨電容器C1和C2中的每一個以及直流鏈電容器C3、C4、C5，和C6中的每一個預充電至lpu，以使用圖5的支線501產生五電平電壓。此外，當正電流從第四總線529流動到支線501時，在第四總線529處產生非負電壓。此外，為了使用支線501產生五個電壓電平，支線501可以遍歷經過九個狀態。在下文僅描述支線501的九個狀態中的四個狀態，諸如第一狀態、第二狀態、第三狀態以及第四狀態。
[0090]在第一狀態期間，可以關閉完全可控的半導體開關S5、S6、S7以及S8。因此，正AC電流從第四總線529遍歷至正DC總線514，其路徑通過第一串502的第一部分526。因此，橫跨電容器C3和電容器C4的電壓出現在第四總線529處，其中在電力轉換器的支線501的初始狀態期間所述電容器C3和電容器C4已經逐漸充電至2pu。因此，在第四總線529處的電壓為+2pu。
[0091]此外，可能需要在第四總線529處產生+Ipu的電壓。+Ipu的電壓的產生可以在電力轉換器的支線501的第二狀態和第三狀態期間發生。在支線501的第二狀態期間，當電容器C1正在放電時，可以在第四總線529處產生+Ipu的電壓。此外，在支線501的第三狀態期間，當電容器C1正在充電時，可以在第四總線529處產生+Ipu的電壓。
[0092]在支線501的第二狀態中，可以開啟完全可控的半導體開關S8。因此，來自第四總線529的電流傳遞經過已開啟的完全可控的半導體開關S8、與開關S7反向並聯的二極體、飛跨電容器C1以及第一串502的第一部分526的頂部兩個二極體D1和D2。如先前所提及，基於電容器的初始預充電，橫跨上部直流鏈電容器C3和C4的電壓為2pu，並且橫跨電容器C1的電壓為lpu。因此，在第四總線529處的電壓表示橫跨上部直流鏈電容器C3、C4的電壓與橫跨電容器C1的電壓之間的差值。因此，在第四總線229處的電壓為lpu。隨後，可以對飛跨電容器C1進行 放電。
[0093]支線501的第三狀態可以表示用於在第四總線529處產生+Ipu的電壓的替代方法。在支線501的第三狀態期間，可以開啟完全可控的半導體開關S6。因此，電流從第四總線529流動到中間DC總線522，同時遍歷經過飛跨電容器C1、已開啟的完全可控的半導體開關S6以及對應於開關S5的反向並聯二極體。因此，飛跨電容器C1可以充電至lpu。因此，在第四總線529處的電壓可以表示在中間DC總線522處的電壓和飛跨電容器C1充電至的電壓的總和。如先前所提及，在中間DC總線222處的電壓為Opu。因此，在第四總線529處的電壓為+lpu。
[0094]此外，在支線501的第四狀態中，可以開啟完全可控的半導體開關Sf^PSp因此，已開啟的完全可控的半導體開關S6和S8提供了電流遍歷路徑，其中電流從第四總線529流動到中間總線522，同時遍歷經過已開啟的開關S8、開關S7的反向並聯二極體、已開啟的開關S6以及開關S5的反向並聯二極體。因此，在第四總線529處的電壓可以等效於在中間DC總線522處的電壓，所述在中間DC總線522處的電壓為Opu。類似地，對於負AC電流，在第四總線529處可以產生電壓電平_2pu和-lpu。
[0095]此外，為了使用圖6的支線601產生五電平電壓，可以假設飛跨電容器(^612以及直流鏈電容器C3、C4、C5，和C6中的每一個預充電至lpu。此外，當正電流從第四總線638流動到支線601時，在第四總線638處產生非負電壓。此外，支線601可以遍歷經過七個狀態以產生五個電壓電平。在下文僅描述了支線601的七個狀態中的四個狀態，諸如第一狀態、第二狀態、第三狀態以及第四狀態。
[0096]在支線601的第一狀態期間，可以關閉完全可控的半導體開關S9、S1(l、Sn以及S12。因此，從第四總線638流出的正電流遍歷經過對應於開關Sltl的反向並聯二極體、對應於開關S9的反向並聯二極體、第四節點634，第一部分626中的兩個上部二極體D1和D2,並且隨後到達第一總線614。因此，在第四總線638處產生+2pu的電壓。
[0097]在支線601的第二狀態中，可以開啟開關S11,從而導致來自第四總線638的電流流動到第一總線614，其路徑通過已開啟的開關Sn、第三節點632、飛跨電容器Q612、第二節點630、對應於開關S9的反向並聯二極體、第四節點634以及第一部分626中的兩個上部二極體DpD215因此，表示橫跨上部直流鏈電容器C3和C4的電壓與橫跨飛跨電容器Q612的電壓之間的差值電壓可以在第四總線638處產生。因此，在第四總線638處產生+Ipu的電壓。隨後，可以對飛跨電容器Q612放電。
[0098]另外地，支線601的第三狀態可以表示用於在第四總線638處產生+Ipu的電壓的替代方法。在支線601的第三狀態期間，可以開啟開關S12。因此，來自第四總線638的正電流流動到第三總線622，同時遍歷對應於開關Sltl的反向並聯二極體、第二節點630、飛跨電容器Q612、第三節點632、已開啟開關S12以及第二部分628的兩個上部二極體D5和D6。因此，飛跨電容器Q612可以充電至Ipu並且可以在第四總線638處產生+Ipu的電壓。
[0099]此外，在支線601的第四狀態中，可以開啟開關S11和開關S12。因此，來自第四總線638的電流流動到第三總線622，同時遍歷經過已開啟的開關Sn、第三節點632、已開啟的開關S12、第五節點636以及第二部分628的兩個上部二極體D5和D6。如先前所提及，在第三總線622處的電壓為Opu。因此，在第四總線638處獲得Opu的電壓。類似地，對於給定負電流，可以在第四總線638處產生電壓_2pu、-1pu以及Opu。
[0100]此外，在圖7中，通過選擇性地開啟和/或關閉第二串704中的完全可控的半導體開關，可以在第四總線730處產生七個電平。在一個實例中，在七電平電壓中的電平可以包括+3pu、+2pu、+lpu、0pu、-lpu、-2pu以及_3pu。對於正電流,可以在第四總線730處產生電壓電平+3pu、+2pu, +Ipu以及Opu。此外，基於對飛跨電容器C7和C8的不同充電和放電選擇，可以產生+2pu和+Ipu的電壓電平。類似地，對於負電流，可以在第四總線730處產生電壓-3pu、_2pu、-1pu 以及 Opu。
[0101]現在參考圖12，其描繪了根據本發明的各方面的表示電力轉換的方法的流程圖900。為了易於理解，將參考圖1、圖2、圖3到圖4以及圖8到圖11來描述圖12的方法。該方法在步驟902處開始，其中在電力轉換器(諸如圖1的第二電力轉換器108)的初始狀態期間，可以對電力轉換器的三個支線的飛跨電容器C1以及直流鏈電容器(C3、C4、C5以及C6)進行預充電。如上文所提及，在電力轉換器的初始狀態之前，飛跨電容器C1以及直流鏈電容器C3、C4、C5和C6處於放電狀態。因此，在初始狀態之前，橫跨飛跨電容器C1以及直流鏈電容器C3、C4、C5和C6的電壓為零伏特。在在第一階段300和第二階段350期間的預充電之後，飛跨電容器C1以及直流鏈電容器(:3、(；、(:5和C6中的每一個可以充電至lpu。
[0102]此外，在步驟904處，電力轉換器可以可操作地耦合到電網上。一旦電力轉換器耦合到電網上，就可以將第一線參數引進至電力轉換器。
[0103]如步驟906所述，在電力轉換器到電網的耦合之後，基於AC電流，可以選擇性地切換一個或多個第二串204、205中的完全可控的半導體開關Sp S2, S3, S4中的至少一個。選擇性的切換可以包括對完全可控的半導體開關的開啟和/或關閉。
[0104]在步驟908處，基於對完全可控的半導體開關S1、S2、S3，S4中的至少一個的選擇性的切換，可以產生多電平電壓。在一個實例中，多電平電壓可以包括五電平電壓。在第四總線234處產生的多電平電壓可以稱作第二線參數。通過實例，五電平電壓可以包括+2pu、+lpu,Opu, -1pu以及-2pu。此外，可以在圖2的第四總線234處產生五電平電壓。如先前所提及，第四總線234可以包括AC相位。此外，AC相位可以形成電力轉換器的AC終端。在一個實施例中，第一線參數和第二線參數可以包括DC電壓、AC電壓、AC電流、DC電流或其組合。
[0105]此外，前述實例、示範以及諸如可以由系統執行的過程步驟，所述系統可以通過基於處理器的系統(諸如通用或專用計算機)上的合適的代碼來實施。還應注意，本發明的不同實施可以以不同順序或基本同時地(也即並行)執行本發明中所描述的一些或所有步驟。此外，可以用多種程式語言來實施各功能，所述程式語言包括但不限於C、C++或Java。此代碼可以存儲或適合於存儲在一個或多個有形的、機器可讀媒體上，諸如數據儲存庫晶片、本地或遠程硬碟、光碟(也即，CD或DVD)、存儲器或其他媒體，所述有形的、機器可讀媒體可以通過基於處理器的系統訪問以執行所存儲的代碼。注意，有形媒體可以包括紙張或另一合適的媒體，其中指令列印在所述紙張或另一合適的媒體上。舉例而言，指令可以通過對紙張或其他媒體的光學掃描以電子方式捕獲，然後如有必要以合適方式進行編譯、翻譯或以其他方式進行處理，隨後將程序存儲在數據儲存庫或存儲器中。
[0106]上文中所描述的電力轉換器和電力轉換的方法的各實施例幫助產生多電平電力轉換器，從而允許高功率/電壓/電流輸出的產生。此外，因為當與常規電力轉換器相比時，示例性電力轉換器利用了數量減少的完全可控的半導體開關，所以可以提供較低成本的電力轉換器。此外，示例性電力轉換器避開了對變壓器的需要，從而減少了電力轉換器的尺寸和複雜性。此外，電力轉換器在不使用濾波器的情況下幫助產生質量增強的波形。上文所描述的電力轉換器可以應用於變頻器(VFD)。此外，電力轉換器可以用於高壓直流(HVDC)系統中，諸如在風電場側的海上風電場中以及在電網側的海底輸電中，其中在所述高壓直流(HVDC)系統中能流的方向可以是單向的。
[0107]儘管本發明已經參考示例性實施例進行了描述，但是本領域的技術人員應理解，在不脫離本發明範圍的情況下可以進行各種改變並且可以用等效物來替代各元件。此外，在不脫離本發明的本質範圍的情況下，可以進行多種修改，從而使特定情況或材料適應本發明的教示。
【權利要求】
1.一種電力轉換器，其包括: 可操作地耦合在第一總線與第二總線之間的至少一個支線，其中所述至少一個支線包括: 第一串，所述第一串包括多個非可控的半導體開關、第一節點、第二節點以及第三節點，其中所述第一節點耦合到第三總線上； 一個或多個第二串，其中所述一個或多個第二串中的每一個包括至少一個完全可控的半導體開關，並且其中所述第二串中的一個可操作地耦合在所述第一節點與所述第三總線之間，而另一第二串可操作地耦合在所述第二節點與所述第三節點之間；以及 一個或多個第三串，其中所述一個或多個第三串中的每一個包括至少一個能量存儲裝置，並且其中所述一個或多個第三串中的每一個可操作地耦合到所述第一串、所述一個或多個第二串或其組合上。
2.根據權利要求1所述的電力轉換器，其中所述至少一個完全可控的半導體開關包括絕緣柵雙極電晶體、金屬氧化物半導體場效應電晶體、場效應電晶體、注入增強柵極電晶體、集成門極換流晶閘管或其組合。
3.根據權利要求1所述的電力轉換器，其中所述至少一個完全可控的半導體開關包括基於砷化鎵的開 關、基於氮化鎵的開關、基於碳化矽的開關或其組合。
4.根據權利要求1所述的電力轉換器，其中所述多個非可控的半導體開關包括功率二極體。
5.根據權利要求1所述的電力轉換器，其中所述第一總線包括正直流總線並且所述第二總線包括負直流總線。
6.根據權利要求1所述的電力轉換器，其中所述第一串包括經由所述第一節點可操作地耦合到第二部分的第一部分，並且所述第一串可操作地耦合在所述第一總線與所述第二總線之間。
7.根據權利要求1所述的電力轉換器，其進一步包括可操作地耦合到所述第一串、所述一個或多個第二串或者所述第一串和所述一個或多個第二串兩者上的第四總線。
8.根據權利要求7所述的電力轉換器，其中所述第四總線包括至少一個交流相。
9.根據權利要求1所述的電力轉換器，其中所述至少一個能量存儲裝置包括電容器。
10.根據權利要求1所述的電力轉換器，其中所述一個或多個第三串可操作地彼此並聯耦合。
11.根據權利要求1所述的電力轉換器，其中所述一個或多個第二串的所述至少一個完全可控的半導體開關經配置以選擇性地切換，以提供經過所述第一串、所述一個或多個第二串、所述一個或多個第三串以及直流鏈的電流遍歷路徑。
12.一種用於電力轉換的系統，其包括: 第一電力轉換器； 直流鏈，所述直流鏈可操作地耦合到所述第一電力轉換器上並且包括可操作地串聯耦合的一個或多個直流鏈電容器； 第二電力轉換器，所述第二電力轉換器經由第一總線和第二總線可操作地耦合到所述第一電力轉換器上，其中所述第二電力轉換器包括: 可操作地耦合在所述第一總線與所述第二總線之間的至少一個支線，其中所述至少一個支線包括: 包括多個非可控的半導體開關的第一串； 一個或多個第二串，其中所述一個或多個第二串中的每一個包括至少一個完全可控的半導體開關； 一個或多個第三串，其中所述一個或多個第三串中的每一個包括至少一個能量存儲裝置，並且其中所述一個或多個第三串中的每一個可操作地耦合到所述第一串、所述一個或多個第二串或其組合上；以及 預充電單元，所述預充電單元經配置以對所述一個或多個第三串中的至少一個能量存儲裝置以及所述直流鏈中的一個或多個直流鏈電容器進行充電。
13.根據權利要求12所述的系統，其中所述第一電力轉換器包括多個完全可控的半導體開關。
14.根據權利要求12所述的系統，其中所述第一電力轉換器包括交流到直流轉換器、直流到交流轉換器或者其組合，並且所述第二電力轉換器包括交流到直流轉換器。
15.根據權利要求12所述的系統，其中所述第二電力轉換器包括多電平電力轉換器。
16.根據權利要求12所述的系統，其中所述預充電單元包括輔助三相電源。
17.根據權利要求12所述的系統，其進一步包括控制器，所述控制器經配置以控制所述一個或多個第二串的所述至少一個完全可控的半導體開關的切換。
18.根據權利要求17所述的系統，其中所述控制器經配置以: 選擇性地切換所述電力轉換器的所述`一個或多個第二串中的所述至少一個完全可控的半導體開關；以及 基於所述至少一個完全可控的半導體開關的選擇性切換而產生多電平電壓。
19.根據權利要求17所述的系統，其中所述控制器經配置以: 開啟所述電力轉換器的所述一個或多個第二串中的所述至少一個完全可控的半導體開關以將所述一個或多個直流鏈電容器和所述至少一個能量存儲裝置充電至直流鏈電壓的第一預定值；以及 關閉所述至少一個已開啟的完全可控的半導體開關以將所述一個或多個直流鏈電容器充電至所述直流鏈電壓的第二預定值。
20.一種用於電力轉換的方法，其包括: 在所述電力轉換器的初始狀態期間對直流鏈電容器和電力轉換器的至少一個能量存儲裝置進行充電，其中所述電力轉換器包括: 可操作地耦合在第一總線與第二總線之間的至少一個支線，其中所述至少一個支線包括: 包括多個非可控的半導體開關的第一串； 一個或多個第二串，其中所述一個或多個第二串中的每一個包括至少一個完全可控的半導體開關； 一個或多個第三串，其中所述一個或多個第三串中的每一個包括所述至少一個能量存儲裝置，並且其中所述一個或多個第三串中的每一個可操作地耦合到所述第一串、所述一個或多個第二串或其組合上； 可操作地將所述電力轉換器耦合到電網上；選擇性地切換所述電力轉換器的一個或多個第二串中的所述至少一個完全可控的半導體開關；以及 基於所述至少一個完全可控的半導體開關的選擇性切換而產生多電平電壓。
21.根據權利要求20所述的方法，其中對所述直流鏈電容器以及所述電力轉換器的至少一個能量存儲裝置進行預充電包括: 開啟所述電力轉換器的所述一個或多個第二串中的所述至少一個完全可控的半導體開關，以將所述直流鏈電容器和所述至少一個能量存儲裝置充電至直流鏈電壓的第一預定值；以及 關閉所述已開啟的至少一個完全可控的半導體開關，以將所述直流鏈電容器充電至所述直流鏈電壓的第二預定值。
22.據權利要求20所述的方法，其中產生所述多電平電壓包括基於所述至少一個完全可控的半導體開關的所述選擇性切換而提供電流遍歷路徑，所述電流遍歷路徑通過所述第一串、所述一個或多個第二串和所述一個或多個第三串中的一個或多個。
23.據權利要求22所述的方法，其中產生所述多電平電壓包括對所述至少一個能量存儲裝置進行充電 、對所述至少一個能量存儲裝置進行放電或其組合。
【文檔編號】H02M1/088GK103887954SQ201310706425
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2013年12月19日 優先權日:2012年12月19日
【發明者】S.施勒德, S.索亞, 沈捷 申請人:通用電氣公司