CN103250318A - 控制m2lc系统的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种模块化多电平换流器系统。所述系统包括多个串联连接的双端子M2LC子系统，和控制系统模块。双端子M2LC子系统被布置到至少两个输出相位模块中。所述输出相位模块中的第一个输出相位模块定义电感的总值，包括正桥臂和负桥臂。控制系统模块可通信地连接到所述输出相位模块中的第一个输出相位模块的双端子M2LC子系统。所述控制系统模块被配置成在给定时刻，只对下述之一应用选择性重赋值的调制开关函数：所述输出相位模块中的第一个输出相位模块的正桥臂的双端子M2LC子系统，或者所述输出相位模块中的第一个输出相位模块的负桥臂的双端子M2LC子系统。调制开关函数的选择性重赋值以预定速率迫使串联连接的双端子M2LC子系统的各个电容器的电荷平衡。

Description

控制M2LC系统的系统和方法
相关申请的引用
本申请要求2010年9月9日提交的美国临时专利申请No.61/381,180的较早提交日的按照35U.S.C.§119(e)的优先权。
技术领域
本申请公开一种大体上并在各种实施例中与控制模块化多电平换流器(M2LC)系统的系统和方法相关的发明。
背景技术
关于模块化多电平换流器(M2LC)拓扑，公开发表了许多论文。图1图解说明具有两个端子的M2LC单元的两电平结构，图2图解说明具有两个端子的M2LC单元的三电平结构，图3图解说明M2LC系统。
如图1中所示，M2LC单元包括两个开关器件，两个二极管，一个电容器和两个端子。就图1中所示的结构来说，所述两个开关器件可被控制，以致跨两个端子可以存在两种不同电位之一(例如，0伏或Vcap)。如图2中所示，M2LC单元包括四个开关器件，四个二极管，两个电容器和两个端子。就图2中所示的结构来说，所述四个开关器件可被控制，以致跨两个端子可以存在三种不同电位之一(例如，0伏，Vcap或2Vcap)。虽然M2LC单元的其它拓扑也是可能的，不过所有的拓扑可定义为具有内部电容储能器的双端子子系统或单元，所述内部电容储能器能够取决于开关器件的状态，在两个端子之间产生各种电平的电压。
如图3中所示，M2LC系统可被配置成包括多个M2LC单元(子系统)的三相桥，其中M2LC单元被布置成三个输出相位模块。当然，可以与图3中所示不同地配置其它M2LC系统。例如，其它M2LC系统可被配置成两个输出相位模块。对图3的M2LC系统来说，每个输出相位模块包括多个串联联接的M2LC单元，并且每个输出相位模块还被布置到正桥臂(或阀)和负桥臂(或阀)中，其中每个桥臂(或阀)可由感应滤波器分隔。每个输出相位模块可被视为一个极点。当使M2LC系统的不止一个极点在一条公共DC母线上并行时，在M2LC拓扑中利用相应的感应滤波器。感应滤波器用于减小因M2LC系统的各个桥臂中的开关产生的电流。桥臂电流的频谱内容可被表示成极点的输出电流和开关函数的函数。M2LC系统的一些实施例采用具有较大电感值的感应滤波器，以及有源极点电流控制器来最终控制桥臂电流的质量。
尽管为了简单起见，在图1-3中未示出，不过应理解每个M2LC单元还包括本地控制器，并且每个本地控制器可以可通信地连接到M2LC系统的更高级别的控制器(例如，中心控制器)。
应理解M2LC拓扑拥有级联H桥(CCH)拓扑的优点，因为它是模块化的，并且由于在每个桥臂中增加一个或多个冗余单元的能力，它具有较高的使用可用度。另外，可在公共母线结构中应用M2LC拓扑。与M2LC相反，CCH需要利用多绕组变压器，所述多绕组变压器包含向各个单元供给输入能量的各个次级绕组。
不过，和CCH不同，M2LC单元不是从隔离的电压源或者次级绕组独立供给能量的。对于给定M2LC单元，在两个端子之一输出的能量的数量取决于在所述两个端子中的另一个端子输入的能量的数量，并在一定程度上，取决于该单元保存和释放能量的能力。在电源电路的预充电期间，或者在一个或多个单元需要被旁路或者使之无效的异常运行期间，这会导致控制这些单元中的直流链电压方面的问题。
采用了从M2LC系统的中心控制系统主动平衡直流链电压的各种方法，不过这些方法需要额外的子系统或者单元容量(以额外单元或者部分调制的单元的形式)。这些方法还相当复杂，因为它们需要不断监控每个子系统链电压，和利用复杂的分类系统，所述分类系统根据特定单元的相对直流链电压，以及输出电流水平的方向和大小，选择供调制的特定单元。此外，这些方法往往在较低的输出电流水平和频率下表现不佳，并且需要连接负载和传导电流，以便供给平衡电容器电压所需的电荷。
另外，采用了实现单元旁路的各种方法，这些方法需要向图3的M2LC系统增加多余的单元。通过向输出相位模块的正桥臂和负桥臂增加一个额外的单元行(排)、两个额外的单元行等，并在正常条件下操作冗余的单元以及正常数目的所需排，这些方法需要冗余的单元提供n+1冗余，n+2冗余等。就这些方法来说，当在一个桥臂中，特定单元(例如A相的正桥臂中的单元)发生故障时，利用开关(未示出)使该单元短路，从而使故障单元进入“0”状态，并使互补单元(例如，A相的负桥臂中的单元)进入“1”状态，以重新平衡电压，以致给定输出相位模块中的所有单元电压之和等于总的直流链电压。为了使输出电压保持平衡，这些方法在其它输出相位模块中(例如，在B相和C相的极点中，根据需要)同样地重复单元的短路和进入“1”状态，以致输出线间电压不受谐波影响。
不过，这样的方法存在各种缺陷，下面说明其中的两个缺陷。首先，在互补单元(与短路单元相反的单元)中设置补偿“1”会导致在包含恒定的“1”状态的单元中的各个直流链中，出现相当大的电压脉动。当增加更多的排，以增大单元冗余水平时，电压脉动变得相当厉害。其次，与如果对于无单元旁路选项，安装最小数目的所需单元，那么M2LC系统的效率和M2LC系统的KVA额定值正常应具有的数值相比，要求所有单元(正常数目的所需单元和冗余的单元)都在正常条件下工作会导致M2LC系统的效率的降低，和M2LC系统的KVA额定值的增大。
已知的M2LC系统的其它问题包括在低输出频率下的可容许操作和产生足够的直流输出电流的能力。当M2LC系统被用于交流电机控制，尤其是用于高起动力矩应用时，这些性能特征可能非常重要。由于不像CCH拓扑那样存在向单元供给能量的外部电压源，因此输出基波电流应被完全保持在单元及其储能器件中。由于公所周知，电容或电容器（capacitor or electrical condenser）的阻抗随着输出频率的每次降低而单调增大，因此即使在额定电流条件下，引起的M2LC单元中的峰值脉动电压也会超过低频率下的破坏性水平。同样地，利用已知的控制技术，难以用M2LC系统获得就起动无电刷或同步电动机应用来说重要的M2LC系统的产生直流电流的能力。
附图说明
结合附图，举例说明本发明的各个实施例，附图中，相同的附图标记指示相同或相似的元件。
图1图解说明具有两个端子的M2LC单元的两电平结构；
图2图解说明具有两个端子的M2LC单元的三电平结构；
图3图解说明具有多个M2LC单元的M2LC系统；
图4图解说明具有多个M2LC子系统的M2LC系统的各个实施例；
图5图解说明按照各个实施例的图4的M2LC系统的系统控制模块的高级表示；
图6图解说明按照其它实施例的图4的M2LC系统的系统控制模块的高级表示；
图7图解说明按照另外的其它实施例的图4的M2LC系统的系统控制模块的高级表示；
图8图解说明M2LC系统的各个实施例，所述M2LC系统包括连接到M2LC系统的三电平M2LC单元的双IGBT旁路；
图9图解说明图4的M2LC系统的极点的简化表示；
图10图解说明当M2LC系统的感应滤波器具有第一电感值时，图4的M2LC系统的M2LC极点的极点阻抗和电容器电压响应；和
图11图解说明当M2LC系统的感应滤波器具有第二电感值时，图4的M2LC系统的M2LC极点的极点阻抗和电容器电压响应。
具体实施方式
应明白本发明的至少一些的附图和说明已被简化，以举例说明与清楚理解本发明有关的要素，同时为了清楚起见，消除了本领域的普通技术人员会意识到也可构成本发明的一部分的其它要素。不过由于这些要素在本领域中众所周知，并且由于这些要素无助于更好地理解本发明，因此这里未提供这些要素的说明。
图4图解说明具有多个M2LC子系统12的M2LC系统10的各个实施例。M2LC系统10与图3的M2LC系统的类似之处在于M2LC子系统12被布置成输出相位模块，同时每个输出相位模块还被布置到正桥臂14和负桥臂16中。不过，如下更详细所述，与图3的M2LC系统相反，图3的M2LC系统10的输出相位模块限定电感的总值，所述总值远远小于图3的M2LC系统的输出模块的电感。例如，按照各个实施例，图4的M2LC系统10的输出相位模块的电感的总值比图3的M2LC系统的输出相位模块的电感小约40-50倍。对于图4的M2LC系统10的输出相位模块，“较小的”确定定义的电感总值使系统控制模块(SCM)可以按照自动平衡相应M2LC子系统12的电容器电压，和使基波电容器电压脉动减至最小的方式，控制M2LC系统10。虽然在图4中，系统控制模块(SCM)被表示成存在于相应的M2LC子系统12(为了清楚起见，只表示了一个SCM)，不过应理解按照其它实施例，系统控制模块可存在于M2LC系统10的更高级别的控制器(例如，中心控制器)。下面更详细地说明系统控制模块的各个实施例。
可以用许多不同的方式，实现由M2LC系统10的给定输出相位模块定义的电感的总值。例如，按照各个实施例，通过包括如图4中所示，连接在正桥臂和负桥臂14、16之间的大小确定的感应滤波器18，可实现电感的总值。虽然在图4中，感应滤波器18被表示成具有连接在输出相位模块的正桥臂和负桥臂14、16之间的两个电感器，不过应理解，感应滤波器18可以具有连接在输出相位模块的正桥臂和负桥臂14、16之间的任意数目的电感器(例如，1个、2个、3个、4个等)。与1个、2个、3个、4个等电感器是否被连接在输出相位模块的正桥臂和负桥臂14、16之间无关，各个电感器具有确定的大小，以致输出相位模块的总电感等于期望的电感总值，从而系统控制模块(SCM)可按照自动平衡相应M2LC子系统12的电容器电压，和使基波电容器电压脉动减至最小的方式，控制M2LC系统10。
按照其它实施例，通过包括分布在输出相位模块的一个或多个M2LC子系统12之中的一个或多个较小的大小确定的电感器，可实现电感的总值。可以代替或者结合在正桥臂和负桥臂14、16之间连接感应滤波器18，作出这种安排。所述一个或多个较小的大小确定的电感器可以连接到输出相位模块的多个M2LC子系统12的输出端子。对于这些实施例，输出相位模块的总电感之和等于期望的电感值，以致系统控制模块(SCM)可按照自动平衡相应M2LC子系统12的电容器电压和使基波电容器电压脉动减至最小的方式，控制M2LC系统10。从而，应理解可实现期望的电感值，而不管使用的电感器的数目，电感器是否被连接在正桥臂14和负桥臂16之间，电感器是否分布在M2LC子系统12之间，电感器是否连接到多个M2LC子系统12的输出端子，等等。
按照另外的其它实施例，可以单独用输出相位模块的寄生电感实现电感的总值。对于这样的实施例，不必在输出相位模块中包括任何“额外的”电感器，从而允许减小M2LC子系统12中的电容的数量，和降低M2LC子系统10的总成本。虽然在输出相位模块/极点的背景中说明了电感的总值，不过应理解通过利用上述实施例中的一个或多个实施例，也可以确定地实现每个桥臂中的总电感。
图5图解说明按照各个实施例的M2LC系统10的系统控制模块20的高级表示。为了清楚起见，图5中只表示了M2LC系统的一部分。如果利用有效桥臂电容使每个输出相位模块的电感的定义总值具有适当的大小，以使(1)每个输出相位模块的阻抗低到足以允许开关函数的低速率开关“重赋值”(下面更详细地说明)以自动平衡M2LC子系统12的电容器电压，和(2)谐振频率相对于开关频率足够高，从而允许开关器件的相位控制，从而允许一定程度的两电平工作(下面更详细说明)以抵消M2LC子系统12的电容器中的大部分基波电流分量，则系统控制模块20(或其功能等同物)可用于按照使与其它M2LC系统相关的电压平衡和基波输出频率脉动电压缺陷最小化的方式，控制M2LC系统10。应理解这种两电平工作意味每个桥臂中的M2LC子系统12在零电压状态下度过足够的时间，从而时间足够长地连接到正(+)母线或者负(-)母线，以致基波桥臂电流抵消其它相位。为了实现这一点，由极点电感和串联桥臂电容(参见图9)形成的极点的谐振频率必须大于开关函数的开关频率。
系统控制模块20可用硬件、固件、软件和它们的组合实现，并可驻留在M2LC系统的更高级别的控制器(中心控制器)。按照其它实施例，系统控制模块20可存在于相应M2LC子系统12的本地控制器(例如，参见图8中的控制器56)。对于利用软件的实施例，软件可以利用任何适当的计算机语言(例如，C,C++,Java,JavaScript,VisualBasic,VBScript,Delphi)，并且可以永久或者临时地实现在任何类型的机器、组件、物理或虚拟设备、存储介质、或者能够向器件传送指令的传播信号中。对于其中系统控制模块20被实现成软件(例如，应用软件，计算机程序)的实施例，所述软件可被保存在计算机可读介质(例如，磁盘、器件和/或传播信号)上，以致当计算机读取所述介质时，执行这里说明的功能。
如图5中所示，控制系统模块20的功能是用于诸如M2LC或CCH之类多电平系统的传统三角PWM调制器的改进。图5中所示的高级表示图解说明开关“重赋值”和相关的两电平工作的性能特征。与传统的PWM调制器相反，控制系统模块20包括为包含给定输出相位模块的正桥臂14或负桥臂16的“n”个M2LC子系统12，产生“n”个不同的存在性函数的子系统序列发生器的功能。子系统序列发生器可由变量“速率”控制，变量“速率”定义每个函数重复的整个周期。
和传统的PWM调制器进一步对比，三角波发生器(它是一组通常隔开值2Π/n的一组三角波形)的功能利用可在0和1之间变化的附加变量“Ω”。从而，对本实施例来说，三角波形之间的间隔可用“(2Π/n)×(Ω)”的值表示。变量“Ω”控制相应三角波形的相对相移，以致当“Ω”=1时，考虑到来自输出相位模块的低输出电压畸变，三角波形被最佳地隔开。当“Ω”=0时，这些三角波形产生零相移，所述零相移使M2LC系统10的输出相位模块像两电平桥似地开关。
对于其中M2LC系统10必须产生高电流和低输出频率的应用，Ω可被控制为较低的值(例如，0.1)。在Ω被控制为这种值的情况下，开关“重赋值”的自动平衡M2LC子系统12的电容器电压的期望效果仍然起作用，桥臂16,18可分别持续所需时间，连接到正(+)母线或负(-)母线，以抵消电容器中的基波电流分量(假定所需时间大于极点谐振频率的周期),并且在低调制电平下，多电平线间电压质量和当Ω被设定成等于1时的情况一样好或者更好。以这种相对两电平模式工作还使M2LC系统10可以产生某些应用所需的相当大的直流电流值。
和传统的PWM调制器更进一步对比，子系统序列发生器的功能供给多路复用器，所述多路复用器使应用于正桥臂14的M2LC子系统12的调制开关函数“h+”以利用变量“速率”定义的周期被“重赋值”。对于图5中所示的实施例，不存在与负桥臂16的M2LC子系统12相关的开关函数“重赋值”。不过，应理解按照其它实施例，开关函数“重赋值”可以和负桥臂16的M2LC子系统12一起使用，而不是和正桥臂14的M2LC子系统12一起使用。即使当M2LC子系统12之一包含会导致储能器件失去电荷的相当大部分的M2LC子系统额定值的损失元件时，也迫使每个桥臂的M2LC子系统12中的电容器电荷平衡的正是这种“重赋值”效果。
通常，进行图5中所示的“重赋值”，以致在一定数目的周期已经结束之后(其中，所述一定数目的周期等于输出相位模块的正桥臂14中的M2LC子系统12的数目)，调制开关函数的每个值将已被应用于输出相位模块的正桥臂14中的每个M2LC子系统12。
应理解可用多种不同的方式，实现“重赋值”。例如，按照各个实施例，如果在输出相位模块的正桥臂14中存在3个M2LC子系统12，那么对于给定周期(例如，周期1)，调制开关函数的第一个值被应用于第一个M2LC子系统12，调制开关函数的第二个值被应用于第二个M2LC子系统12，调制开关函数的第三个值被应用于第三个M2LC子系统12。对于下一个周期(例如，周期2)，第一个值被应用于第二个M2LC子系统12，第二个值被应用于第三个M2LC子系统12，而第三个值被应用于第一个M2LC子系统12。对于下一个周期(例如，周期3)，第一个值被应用于第三个M2LC子系统12，第二个值被应用于第一个M2LC子系统12，而第三个值被应用于第二个M2LC子系统12。上面说明的重赋值序列可被称为旋转。
按照其它实施例，可以使用除旋转之外的“重赋值”。例如，如果在输出相位模块的正桥臂14中存在3个M2LC子系统12，那么对于给定周期(例如，周期1)，调制开关函数的第一个值被应用于第一个M2LC子系统12，调制开关函数的第二个值被应用于第二个M2LC子系统12，而调制开关函数的第三个值被应用于第三个M2LC子系统12。对于下一个周期(例如，周期2)，第一个值被应用于第三个M2LC子系统12，第二个值被应用于第一个M2LC子系统12，而第三个值被应用于第二个M2LC子系统12。对于下一个周期(例如，周期3)，第一个值被应用于第二个M2LC子系统12，第二个值被应用于第三个M2LC子系统12，而第三个值被应用于第一个M2LC子系统12。
虽然在图5中，多电平脉宽调制(PWM)方案被表示成供给定的输出相位模块使用，不过应理解，系统控制模块20可利用其它多电平调制控制方案实现上面说明的开关函数重赋值和相对相位控制。例如，按照各个实施例，系统控制模块20可以利用时均调制，状态空间调制等。另外应理解，系统控制模块20可为其它输出相位模块的正桥臂(或者负桥臂)，产生单独的各组存在性函数、调制开关函数等。
图6图解说明按照其它实施例的M2LC系统10的控制系统模块30的高级表示。为了清楚起见，图6中只表示了M2LC系统10的一部分。图6的控制系统模块30类似于图5的控制系统模块20，不过不同之处在于图6的控制系统模块30包括两个子系统序列发生器(一个用于正桥臂，一个用于负桥臂)的功能。在图6中，使负桥臂序列发生器产生的“n”个存在性函数从正桥臂序列发生器产生的“n”个存在性函数转180°。每个子系统序列发生器通信连接到不同的多路复用器。这允许两个桥臂中的异步开关“重赋值”(每个桥臂的开关函数不会在相同时刻重赋值)。两个桥臂的重赋值速率可以相同，但是每个桥臂重赋值事件被隔开，以致不会同时发生。例如，按照各个实施例，用周期“速率/2”隔开每个桥臂重赋值事件。通过利用这种间隔，改善了每个桥臂的总电压平衡。这种间隔还可用于某些形式的M2LC子系统旁路，所述M2LC子系统旁路要求为旁路事件而储备保持的非工作开关函数在其零状态下被重赋值，但是仍然能够允许控制系统模块30的电压平衡功能。应理解按照其它实施例，桥臂重赋值之间的间隔的值可以是除周期“速率/2”之外的其它非零值。
虽然在图6中，多电平脉宽调制(PWM)方案被表示成供给定的输出相位模块使用，不过应理解，系统控制模块30可利用其它多电平调制控制方案来实现上面说明的开关函数重赋值和相对相位控制。例如，按照各个实施例，系统控制模块30可利用时均调制、状态空间调制等。还应理解，系统控制模块30可为其它输出相位模块的正桥臂和负桥臂，产生单独的各组存在性函数、调制开关函数等。
图7图解说明按照另外的其它实施例的M2LC系统10的控制系统模块40的高级表示。为了清楚起见，图7中只表示了M2LC系统10的一部分。图7的控制系统模块40类似于图6的控制系统模块30，不过不同之处在于图7的控制系统模块40包括旁路控制功能。如图7中所示，每个M2LC子系统12具有连接在M2LC子系统12的两个端子之间的对应旁路开关(例如，IGBT旁路)。
控制系统模块40提供利用图4中所示的M2LC逆变器拓扑，实现M2LC子系统旁路选项的独特方式。旁路控制操作为取决于待增加的冗余单元排的数目，在所有3个输出相位模块的正桥臂和负桥臂中，产生恒定的“0”状态。例如，为了最小的n+1冗余而向正桥臂和负桥臂中增加1个排会导致控制系统模块40在每个桥臂的第k个M2LC子系统12中产生恒定的“0”。控制系统模块40随后在所有的M2LC子系统12之中重赋值该“0”，以致平均起来所有的M2LC子系统12都可被充电平衡。依据一个M2LC子系统12(例如，A相的正桥臂中的一个M2LC子系统12)的实际故障，用旁路开关(IGBT旁路)迫使发生故障的M2LC子系统12进入物理“0”状态，然后通过仅仅消除该桥臂中的重赋值的“0”，该M2LC子系统12随着时间的电压损失会被替换。这样，如果在A相的负桥臂中，并且同样地在B相和C相的正桥臂和负桥臂中，另一个M2LC子系统12会发生故障，那么所有其它冗余M2LC子系统12可以加以应用。通过按照上述方式进行M2LC子系统旁路，避免了低频率下，高脉动电压的有害影响。另外，任何因而发生的损耗不会明显大于不包括M2LC子系统旁路功能的M2LC系统所经历的损耗，并且M2LC系统的最终得到的KVA额定值与在无旁路情况下的相应额定值相同。
在图7中，图例“h+n”代表调制开关函数“h+”的第n个值，而图例“h-n”代表调制开关函数“h-”的第n个值。虽然图7中关于给定的输出相位模块，表示了多电平脉宽调制(PWM)方案，不过应理解，系统控制模块40可以利用其它多电平调制控制方案实现上面说明的开关函数重赋值和相对相位控制。例如，按照各个实施例，系统控制模块30可利用时均调制、状态空间调制等。还应理解，系统控制模块40可为其它输出相位模块的正桥臂和负桥臂，产生单独的各组存在性函数、调制开关函数等。
图8图解说明M2LC系统50的各个实施例。图8的M2LC系统50类似于图4的M2LC系统10，不过，不同之处在于图8的M2LC系统50包括连接到M2LC系统50的三电平M2LC子系统54的旁路器件52。为了清楚起见，图8中只表示了M2LC系统50的一部分。不过，应理解M2LC系统50包括多个M2LC子系统54，每个M2LC子系统54可具有与之连接的对应旁路器件52。
如图8中所示，M2LC子系统54包括控制器56、镇流电阻器58、电容器、开关器件和二极管。开关器件可被实现为任何适当类型的开关器件。例如，如图8中所示，开关器件可被实现为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。控制器56与变流器60电连接。按照各个实施例，变流器60向控制器56供电，控制器56向开关器件的相应栅极端子供电。为了简单起见，图8中未示出控制器56和相应开关器件的栅极端子之间的连接。应理解对于M2LC子系统50中的每个M2LC子系统54，每个M2LC子系统54电连接到对应的变流器60，从而可以只通过单个对应的变流器60，供给提供给给定M2LC子系统54的电力。控制器56还通过例如两条光纤，通信连接到更高级别的控制器(例如，中心控制器)。为了简单起见，图8中未示出更高级别的控制器。
旁路器件52包括两个开关器件，并且所述两个开关器件可被实现成任何适当类型的开关器件。按照各个实施例，所述两个开关器件可被实现成一组封装的IGBT，或者实现成单独的IGBT，并且IGBT可以具有和包括在三电平M2LC子系统54中的IGBT相同的额定电压。使用单独控制的双IGBT允许通过把中点电阻器62应用于存储电容器的中央抽头64，使双存储电容器中的每一个单独放电(如果由于三电平M2LC子系统54中的故障而需要的话)。电阻器62可用于在IGBT组被接通之前，使每个电流通路放电，以使三电平M2LC子系统54短路。电阻器62还用于确保关于各个直流母线在每个旁路IGBT上共享电压。
控制器56通过镇流电阻器58，间接电连接到电容器和开关器件的非栅极端子。镇流电阻器58可以是任何适当类型的镇流电阻器。镇流电阻器58和控制器56共同定义基准点“M”。借助这种结构，在基准点“M”的电压可不同于在存储电容器的中央抽头64的电压，电流不会从基准点“M”直接传导到存储电容器的中央抽头64，并且镇流电阻器58的高电阻特性操作为防止共模电流流入控制器56的接地系统。
图9图解说明图4的M2LC系统10的极点的简化表示。如图9中所示，M2LC系统10的极点(Z)的相应桥臂可被表示成具有可变电容的相应谐振电路。应理解M2LC极点的桥臂被调制，以致总的开关电容器电压之和等于总的直流链电压Vdc，调制(h)的值介于“0”和“1”之间，并且相应的谐振电路可被简化成单个LRC电路，因为都是(h)的函数的两个桥臂电容实际上结合成恒定值C，所述恒定值C是总的桥臂电容。于是，应理解系统控制模块(例如系统控制模块20、系统控制模块30、系统控制模块40等)在自动平衡M2LC子系统电容器电压方面的性能取决于极点(Z)的有效阻抗，并且抵消大部分的M2LC子系统电容器基波电流分量的能力取决于与M2LC子系统开关频率的速率有关的极点的谐振频率。所述阻抗应足够低，以致在每个栅极函数重赋值期间，电容器能够共享充电电流，并且所述阻抗还应足够低，以致能够控制调制(例如，通过减小栅极开关函数之间的相移)，从而能够像就两电平拓扑来说，通常发生的那样，部分抵消每个M2LC极点中的基波电流。
另外，如果使极点电感器(或者多个极点电感器)的大小足够小，以致在明显大于M2LC极点的基波工作频率和开关频率的值，出现其随有效极点电容的自然谐振，那么可从受正常电路损耗衰减的正常基波频率和开关频率中充分除去自然谐振。
图10和11分别图解说明当M2LC系统10的感应滤波器18具有第一电感值(图10)和第二电感值(图11)时，图4的M2LC系统10的M2LC极点的极点阻抗和电容器电压响应。图10和11中所示的电路值代表可用在4.1kv1000HP3-相变频驱动器中的实际值。第一电感值是一般在已知M2LC系统中使用的电感值。第二电感值是在由上述系统控制模块(例如，系统控制模块20、系统控制模块30、系统控制模块40等)控制的M2LC系统中使用的电感值。
对图10中所示的值来说，输出电流频率(工作频率“fo”)通常小于谐振频率“fr”，开关频率“fsw”通常大于谐振频率“fr”。不过，对图11中所示的值来说，谐振频率“fr”充分大于工作频率“fo”，也大于开关频率“fsw”。
通过比较第一电感值和第二电感值，应意识到将和上面说明的控制系统模块一起利用的极点电感器的电感值比用在现有术的系统中的极点电感器小约40-50倍。从而，还应理解与将和上面说明的控制系统模块一起利用的极点电感器相关联的大小、成本和损耗也明显低于与用在现有技术的系统中的极点电感器相关联的大小、成本和损耗。
鉴于上面所述，应理解结合与基波频率和开关频率相关的极点滤波器阻抗和谐振的选择，这里说明的控制系统模块允许获得电压平衡和减小的脉动电压，而不需要来自M2LC系统的更高级别控制器(中心控制器)的复杂监控。另外应理解这里说明的控制系统模块能够在无负载电流和输出电压条件下，强制实现直流链电压的电荷平衡操作，并且所述控制系统模块还允许直流输出电流的生成、在低输出频率下的脉动电压控制、和用于高冗余的“0”电压单元的生成。另外应理解当置于每个桥臂之间的极点电感(或者连接到M2LC子系统12的输出端子的总电感)足够低，以致其随有效极点电容的谐振充分高于M2LC子系统12的开关频率和工作频率时，可以实现这里说明的控制系统模块。在这种情况下，上面说明的系统控制模块(或其功能等同物)能够解决与其它M2LC拓扑相关联的低输出频率脉动电压问题，并且大大简化和提高在所有输出工作条件下，M2LC子系统12平衡电压的能力。
上述说明并不意图把本发明局限于各个要素的任何具体材料、几何形状或定向。在本发明的范围内可以构思许多部分/定向替代，并且对本领域的技术人员来说是显而易见的。这里说明的实施例只是作为例子给出的，并且不应被用于限制本发明的范围。
虽然利用本申请中的具体实施例，说明了本发明，不过鉴于这里的教导，本领域的普通技术人员能够产生另外的实施例和变形例，而不脱离要求保护的发明的精神，或者超出要求保护的发明的范围。因而，应明白这里提供附图和说明只是为了便于本发明的理解，不应被解释成对本发明范围的限制。

Claims (22)

1.一种模块化多电平换流器系统，包括：
布置到至少两个输出相位模块中的多个串联连接的双端子M2LC子系统，其中输出相位模块中的第一个输出相位模块定义电感的总值，并且包括：
正桥臂；和
负桥臂；和
可通信地连接到所述输出相位模块中的第一个输出相位模块的双端子M2LC子系统的控制系统模块，其中所述控制系统模块被配置成在给定时刻，只对下述之一应用选择性重赋值的调制开关函数：
所述输出相位模块中的第一个输出相位模块的正桥臂的双端子M2LC子系统；和
所述输出相位模块中的第一个输出相位模块的负桥臂的双端子M2LC子系统，其中调制开关函数的选择性重赋值以预定速率迫使串联连接的双端子M2LC子系统的各个电容器的电荷平衡。
2.按照权利要求1所述的模块化多电平换流器系统，其中所述输出相位模块中的第一个输出相位模块被配置成以致伴随所述输出相位模块中的第一个输出相位模块的有效电容的自然谐振频率大于以下：
所述输出相位模块中的第一个输出相位模块的工作频率；和
所述输出相位模块中的第一个输出相位模块的开关频率。
3.按照权利要求1所述的模块化多电平换流器系统，还包括连接在所述输出相位模块中的第一个输出相位模块的正桥臂和负桥臂之间的一个或多个电感器。
4.按照权利要求1所述的模块化多电平换流器系统，还包括分布在所述输出相位模块中的第一个输出相位模块的M2LC子系统之间的一个或多个电感器。
5.按照权利要求4所述的模块化多电平换流器系统，其中所述一个或多个电感器连接到所述输出相位模块中的第一个输出相位模块的至少两个M2LC子系统的输出端子。
6.按照权利要求1所述的模块化多电平换流器系统，其中电感的总值是包括输出相位模块的电路的寄生电感。
7.按照权利要求1所述的模块化多电平换流器系统，其中控制系统模块还被配置成控制选择性赋值的调制开关函数相对于所述输出相位模块中的第一个输出相位模块的双端子M2LC子系统的相对相移。
8.按照权利要求7所述的模块化多电平换流器系统，其中控制系统模块还被配置成以从两电平到n电平的各种程度，控制相对相移，其中所述n电平由所述输出相位模块中的第一个输出相位模块的每个桥臂中的工作的两电平双端子M2LC子系统的数目确定。
9.按照权利要求7所述的模块化多电平换流器系统，其中控制系统模块还被配置成通过调整变量的值而控制相对相移，其中所述值可以低至0而高至1。
10.系统1的模块化多电平换流器，其中控制系统模块包括脉宽调制器。
11.系统1的模块化多电平换流器，其中控制系统模块包括时均调制器。
12.系统1的模块化多电平换流器，其中控制系统模块包括状态空间调制器。
13.按照权利要求1所述的模块化多电平换流器系统，其中控制系统模块还被配置成向双端子M2LC子系统任意之一增加重赋值“0”状态。
14.按照权利要求1所述的模块化多电平换流器系统，还包括多个旁路器件，其中每个旁路器件连接到对应的双端子M2LC子系统。
15.按照权利要求14所述的模块化多电平换流器系统，其中每个旁路器件包含两个开关器件。
16.按照权利要求15所述的模块化多电平换流器系统，其中开关器件是绝缘栅双极型晶体管。
17.按照权利要求15所述的模块化多电平换流器系统，其中开关器件具有和双端子M2LC子系统中的开关器件相同的额定电压。
18.按照权利要求15所述的模块化多电平换流器系统，其中每个旁路器件还包括电阻器，其中给定旁路器件的电阻器连接到：
旁路器件的两个开关器件的公共接点；和
对应的双端子M2LC子系统的两个电容器的公共接点。
19.一种控制模块化多电平换流器系统的方法，所述模块化多电平换流器系统具有布置到至少两个输出相位模块中的多个串联连接的双端子M2LC子系统，所述方法包括：
把第一组开关函数应用于所述输出相位模块中的第一个输出相位模块的一个桥臂的M2LC子系统，其中该桥臂的每个M2LC子系统接收一个不同的开关函数；和
对开关函数重赋值，直到每个开关函数都已被应用于该桥臂的每个M2LC子系统。
20.按照权利要求19所述的方法，其中重赋值包括旋转开关函数，直到每个开关函数都已被应用于该桥臂的每个M2LC子系统。
21.按照权利要求19所述的方法，还包括：
把第二组开关函数应用于所述输出相位模块中的第一个输出相位模块的另一个桥臂的M2LC子系统，其中所述另一个桥臂的每个M2LC子系统接收第二组开关函数中的一个不同开关函数；和
对第二组开关函数重赋值，直到第二组开关函数中的每个开关函数都已被应用于所述另一个桥臂的每个M2LC子系统。
22.按照权利要求21所述的方法，其中在与应用第二组开关函数的时间不同的时间，应用第一组开关函数。
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