CN103250338B - 多电平电压型变流器 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种电压源型变流器（4）和一种电压源型变流器系统。所述电压源型变流器（4）包括：多电平电压源型变流器（40），所述多电平电压源型变流器适于通过多个第一传导路径在两个第一输出端（A、B）中的一个输出具有多电平的第一电压，第一能量储存器（41），以及第一开关元件（42），所述第一开关元件（42）被设置成直接连接第一输出端（A、B）并适于将所述第一能量储存器（41）切换到第一传导路径上或将其从第一传导路径上切换出，以便将所述第一能量储存器（41）的电压电平与第一电压的电平合并起来，作为第二输出端（C）的第二电压输出。通过采用上述拓扑结构，在功率半导体的数量保持不变的情况下，每个功率半导体的电压等级可以降得较低，并且降低了每个功率半导体的重复峰值断态电压，从而降低了成本并提高了可靠性。

Description

多电平电压型变流器
技术领域
本发明涉及电压源型变流器领域，更特别地，涉及多电平电压源型变流器（VSC）。
背景技术
目前，多电平电压源型变流器得到广泛使用，它能够有效地减少开关频率并改善输出波形的特性。
图1示出了传统的多电平电压源型变流器的拓扑结构，其中，开关单元(switching gear cell)1包括第一能量储存器100和第二能量储存器101与用于转换——例如，5个电压电平——的功率半导体串联。第一功率半导体110、第二功率半导体111、第三功率半导体112和第四功率半导体113串联连接，第五功率半导体114和第六功率半导体115串联连接。第一功率半导体110和第四功率半导体114分别与第一能量储存器100和第二能量储存器101连接，第一能量储存器100和第二能量储存器101之间的连接点A、第五功率半导体114和第六功率半导体115之间的连接点B、以及第二功率半导体111和第三功率半导体112之间的连接点C彼此连接。开关单元进一步包括串联的第七功率半导体116、第八功率半导体117、第九功率半导体118、和第十功率半导体119，以及串联的第十一功率半导体120和第十二功率半导体121。第七功率半导体116和第十功率半导体119分别与第一能量储存器100和第二能量储存器101连接，第一能量储存器100和第二能量储存器101之间的连接点A与第十一功率半导体120和第十二功率半导体121之间的连接点D彼此连接。在第八功率半导体117和第九功率半导体118之间设置连接点作为输出端，用于输出多电平电压，例如，图1右侧示出的五个电平的电压。第一功率半导体110、第二功率半导体111、第三功率半导体112、第四功率半导体113、第七功率半导体116、第八功率半导体117、第九功率半导体118和第十功率半导体119中的每个都是可驱动的单向功率半导体开关，具有反向并联不可控单向载流半导体，例如集成门极换流晶闸管（IGCT）或绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等，第五功率半导体、第六功率半导体、第十一功率半导体和第十二功率半导体中的每个都是不可控的单向载流方向功率半导体，例如功率二极管。
图2示出了另一传统的多电平电压源型变流器的拓扑结构。如图2所示，开关单元2采用级联H桥。开关单元2的第一H桥包括第一能量储存器200，串联连接的第一功率半导体210和第二功率半导体211，以及串联连接的第三功率半导体212和第四功率半导体213。第一能量储存器200、第一功率半导体210及第三功率半导体212在连接点A彼此连接，第一能量储存器200、第二功率半导体211及第四功率半导体213在连接点B彼此连接。开关单元2的第二桥具有与第一H桥相似的拓扑结构，其包括第二能量储存器201、第五功率半导体214、第六功率半导体215、第七功率半导体216、和第八功率半导体217。第一功率半导体210和第二功率半导体211之间的连接点与第五功率半导体214和第六功率半导体215之间的连接点彼此连接。在以下两连接点之间输出电压：第三功率半导体和第四功率半导体之间的连接点、第七功率半导体和第八功率半导体之间的连接点。图2的右侧示出输出电压的波形。第一功率半导体、第二功率半导体、第三功率半导体、第四功率半导体、第五功率半导体、第六功率半导体、第七功率半导体和第八功率半导体中的每个都是可驱动的单向功率半导体开关，具有反向并联不可控的单向载流半导体。
图3示出了另一传统的多电平电压源型变流器的拓扑结构。如图3所示，其中，开关单元3包括与用于转换——例如，5个电压电平——的功率半导体串联连接的第一能量储存器300和第二能量储存器301。第一功率半导体410、第二功率半导体411、第三功率半导体412和第四功率半导体413串联连接，第五功率半导体414和第六功率半导体415串联连接。第一功率半导体410和第四功率半导体413分别与第一能量储存器300和第二能量储存器301连接，第一能量储存器300和第二能量储存器301之间的连接点A与第五功率半导体414和第六功率半导体415之间的连接点B彼此连接。所述开关单元进一步包括第三能量储存器402、串联连接的第七功率半导体416和第八功率半导体417、以及串联连接的第九功率半导体418和第十功率半导体419。第三能量储存器402的一端、第七功率半导体416和第九功率半导体418彼此连接，第三能量储存器402的另一端、第八功率半导体417和第十功率半导体419彼此连接。进一步地，第二功率半导体411和第三功率半导体412之间的连接点与第九功率半导体418和第十功率半导体419之间的连接点连接。电压在第七功率半导体416和第八功率半导体417之间的连接点输出。第一功率半导体、第二功率半导体、第三功率半导体、第四功率半导体、第七功率半导体、第八功率半导体、第九功率半导体和第十功率半导体中的每个都是可驱动的单向功率半导体开关，具有反向并联不可控的单向载流半导体，第五功率半导体和第六功率半导体均是不可控的单向载流方向功率半导体。图3右侧示出它的输出波形。
根据图1、图2和图3对多电平电压源型变流器的分析，从中可知这样的传统拓扑结构至少有如下缺点：它需要相当多的功率半导体，这会增加多电平电压源型变流器的成本，且降低可靠性。此外，根据图1到图3，每个功率半导体的重复峰值断态电压表示为：VDRM=（1.8～2.2）Vdc。
专利US7,639,515公开了另一个传统多电平电压源型变流器。开关装置包括串联连接的第一能量储存器和第二能量储存器，以及串联连接的第一功率半导体、第二功率半导体、第三功率半导体和第四功率半导体。第一功率半导体和第四功率半导体分别连接到第一能量储存器和第二能量储存器。第三能量储存器连接到第一功率半导体和第二功率半导体之间的连接点，以及第三半导体和第四半导体之间的连接点。进一步地，它包括开关元件，所述开关元件直接连接到以下两个连接点：第二功率半导体和第三功率半导体之间的连接点、第一能量储存器和第二能量储存器之间的连接点。需要使用与Vdc比率的表达式（Vout=2xVdc/1.414/1.1）估计它的输出的幅值。US7,639,515至少有如下缺点：1.由于Vout与Vdc之间较低的比率，它需要较高电压等级的功率半导体、电力电容器、以及与直流链路相关的变流器的所有部件。较高电压的功率半导体、电力电容器和所有相关部件会导致较高的电压源型变流器成本。2.它需要相当大数量的功率半导体，这同样增加多电平电压源型变流器的成本，并降低可靠性。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种电压源型变流器和包括所述电压源型变流器的电压源型变流器系统。
根据本发明的一个实施例，电压源型变流器包括：多电平电压源型变流器，其适应于通过多个第一传导路径在两个第一输出端中的一个输出端输出第一电压的多个电平；第一能量储存器；以及第一开关元件，所述第一开关元件被设置成直接与第一输出端连接，并适应于将第一能量储存器切换到第一传导路径上或从第一传导路径上切换出，以便将第一能量储存器的电压电平与第一电压的电平合并起来作为第二输出端的第二电压输出。通过上述拓扑结构，在功率半导体的数量保持不变的情况下，每个功率半导体的电压等级能够降的较低。此外，与传统拓扑结构相比，VDRM下降。这降低了成本并提高了可靠性。
根据本发明另一个实施例，电压源型变流器系统包括：根据前述每个权利要求的电压源型变流器，所述电压源型变流器适应于在多个第一传导路径上的两个第二输出端中的一个输出端输出第二电压的多个电平；第四能量储存器；以及第二开关元件，所述第二开关元件被设置成直接与所述第二输出端连接，并适应于将第四能量储存器切换到第一传导路径上或从第一传导路径切换出，以便将第四能量储存器的电压电平与第二电压的电平合并起来作为第三输出端的第三电压输出。通过上述拓扑结构，在功率半导体的数量相对于输出电压电平的数量保持不变的情况下，每个功率半导体的电压等级能够降得较低。此外，因为下一级的另外的开关元件的添加（例如：第二开关元件和第四能量储存器）不依赖于上一级变流器的拓扑结构，所以，通过包含更多用于下一级的开关元件能够增加输出电压的电平数量，且不需要对上一级进行相应修改。这降低了成本并提高了可靠性。
附图说明
根据附图阐述的优选的示例性实施例，下文将对本发明主要内容进行更详细地说明，其中：
图1示出根据传统多电平电压源型变流器的拓扑结构；
图2示出根据另一个传统多电平电压源型变流器的拓扑结构；
图3示出根据另一个传统多电平电压源型变流器的拓扑结构；
图4示出根据本发明一个实施例的拓扑结构；
图5示出了图4实施例的可选的拓扑结构；
图5A至5H示出了图5实施例的拓扑结构的开关状态；
图6示出根据本发明另一个实施例的拓扑结构；
图7示出了根据图4的本发明实施例的充电拓扑结构；
图8示出了根据本发明另一个实施例的拓扑结构。
附图标记列表的总结表中列出附图中使用的附图标记及其含义。原则上，图中相同的部件使用相同的附图标记。
具体实施方式
图4示出根据本发明一个实施例的拓扑结构。如图4所示，电压源型变流器4包括多电平电压源型变流器40、第一能量储存器41、以及第一开关元件42。多电平电压源型变流器40可以输出第一电压的多个电平。将第一电压设置为通过多个第一传导路径P1在两个第一输出端A和B中的一个输出端输出。根据多电平电压源型变流器的每个转换状态，通过接通其中使用的一些功率半导体，选择其中一条第一传导路径P1，后文将对其进行详细描述。第一能量储存器41（例如：电力电容器）可以储存电能。第一开关器件42与第一输出端A和B直接连接，可以将第一能量储存器41切换到第一传导路径P1上或将第一能量储存器41从第一传导路径P1上切换出，以将第一能量储存器的电压电平与第一电压的电平合并，作为第二输出端C的第二电压输出。例如：如果第一能量储存器的电压电平是Vdc，第一电压的电压电平是Vdc、0、或者-Vdc，则第二电压输出是2Vdc、Vdc、0、或-Vdc、或-2Vdc，是五电平输出。
多电平电压源型变流器40包括第二能量储存器400、第三能量储存器401。第二能量储存器400和第三能量储存器401在连接点D串联连接。它们可以是电力电容器，储存有相同电平或不同电平的电压。例如：任一能量储存器两端的电压电平可以是Vdc。多电平电压源型变流器40还包括串联连接的第一功率半导体402、第二功率半导体403、第三功率半导体404和第四功率半导体405。第一功率半导体402通过与连接点D相对的点连接到第二能量储存器400，第四功率半导体405通过与连接点D相对的点连接到第三能量储存器401。第二能量储存器400和第三能量储存器401之间的连接点D连接到第二功率半导体403和第三功率半导体404之间的连接点E。多电平电压源型变流器40还包括第五功率半导体406和第六功率半导体407。第五功率半导体406连接在第一功率半导体402和第二功率半导体403之间的连接点F与其中一个第一输出端A之间，并与第一功率半导体串联。第六功率半导体407连接在第三功率半导体404和第四功率半导体405之间的连接点G与另一个第一输出端B之间，并与第四功率半导体串联。
第一功率半导体、第二功率半导体、第三功率半导体、第四功率半导体、第五功率半导体和第六功率半导体中的每个都是可驱动的单向功率半导体开关，具有反向并联不可控的单向载流半导体，例如：IGCT或IGBT等。
根据每个功率半导体的开关状态，第一传导路径P1可以通过（leadthrough）：
1.第二能量储存器400和第一功率半导体402之间的连接点，接通的第一功率半导体402，接通的第五功率半导体406，以及第一输出端A；第一输出端A的第一电压电平是第二能量储存器400的电压电平，例如：Vdc；
2.第二能量储存器400和第一功率半导体402之间的连接点，续流（free-wheeling）的第一功率半导体402，续流的第五功率半导体406，以及第一输出端A；第一输出端A的第一电压电平是第二能量储存器400的电压电平，例如：Vdc；
3.第二能量储存器400和第三能量储存器401之间的连接点D，续流的第二功率半导体403，接通的第五功率半导体406，以及第一输出端A；第一输出端A的第一电压电平是连接点D（NP）的电压电平，例如0；
4.第二能量储存器400和第三能量储存器401之间的连接点D，续流的第三功率半导体404，接通的第六功率半导体407，以及第一输出端B；第一输出端B的第一电压电平是连接点D（NP）的电压电平，例如：0；
5.第三能量储存器401和第四功率半导体405之间的连接点，接通的第四功率半导体405，接通的第六功率半导体407，以及第一输出端B；第一输出端B的第一电压电平是第二能量储存器400的电压电平，例如：-Vdc；或
6.第三能量储存器401和第四功率半导体405之间的连接点，续流的第四功率半导体405，续流的第六功率半导体407，以及第一输出端B；第一输出端B的第一电压电平是第二能量储存器400的电压电平，例如：-Vdc。
通过具有这样的结构和开关状态，多电平电压源型变流器40可以输出独立于变流器的级联的结构和开关状态的三电平电压。此外，功率半导体的数量较少。进一步地，每个功率半导体的重复峰值断态电压得以降低。
图5示出了图4实施例的可选拓扑结构。图4和图5之间的区别在于：用不可控单向载流方向功率半导体（例如功率二极管）代替第二功率半导体403和第三功率半导体404。第二功率半导体403与第一功率半导体402反向串联连接，第三功率半导体404与第四功率半导体405反向串联连接。
通过进行上述替换，在不损失有效状态的情况下，电压源型变流器的成本得以降低。
如图4和图5所示，第一开关元件42包括在连接点C串联连接的第七半导体420和第八半导体421。此外，第七功率半导体420在连接点A以反向串联的方式连接到第五功率半导体406，第八功率半导体421在连接点B以反向串联的方式连接到第六功率半导体407。因此，第一能量储存器41与第一开关元件在两个第一输出端A和B之间并联连接。第七半导体和第八半导体中的任意一个半导体是可驱动的单向功率半导体开关，具有反向并联不可控单向载流半导体。
通过具有所述开关元件的结构，第一传导路径可以进一步通过：
1.第一能量储存器41，接通的第八功率半导体421和第二输出端C；
2.接通的第七功率半导体420和第二输出端C；
3.接通的第八功率半导体421和第二输出端C；或
4.第一能量储存器41，接通的第七功率半导体420和第二输出端C。
5.第二输出端C用于输出第二电压，其被认为是电压源型变流器的输出。
图5A至图5H根据图5的实施例阐述了处于每个有效状态的第一传导路径。每个图中的箭头指示传导路径P1。为便于阅读，第一功率半导体、第四功率半导体、第五功率半导体、第六功率半导体、第七功率半导体和第八功率半导体引用为V1、V2、V3、V4、V5和V6，第二功率半导体和第三功率半导体引用为D1、D2。输出电压是第二输出端C的电压。出于明确说明的目的，第一能量储存器41、第二能量储存器400和第三能量储存器401中的每个能量储存器的电压电平是具有图中指示的电压极性的Vdc。“电压”行示出了在每个开关状态下每个功率半导体两端的电压。
表Ⅰ描述根据图5A的每个功率半导体的开关状态。
表Ⅰ
在表Ⅰ的开关状态下，第一传导路径P1是双向的。如图5A所示，第一传导路径P1通过第二能量储存器和第一功率半导体V1之间的连接点、接通的/续流的第一功率半导体V1、接通的/续流的第五功率半导体V3、以及第一输出端A；第一输出端A的第一电压电平是Vdc。此外，第一传导路径P1从第一输出端A起，通过第一能量储存器41、接通的/续流的第八功率半导体V6和第二输出端C。第二输出端C关于点NP的电压输出是2Vdc。
表Ⅱ描述根据图5B的每个功率半导体的开关状态。
表Ⅱ
在表Ⅱ的开关状态下，第一传导路径P1是单向的。如图5B所示，第一传导路径P1通过第二能量储存器和第一功率半导体V1之间的连接点、接通的第一功率半导体V1、接通的第五功率半导体V3、以及第一输出端A；第一输出端A的第一电压电平是Vdc。而且，第一传导路径P1从第一输出端起，通过接通的第七功率半导体V5和第二输出端C。第二输出端C关于点NP的电压输出是Vdc。
表Ⅲ描述根据图5C的每个功率半导体的开关状态。
表Ⅲ
在表Ⅲ的开关状态下，第一传导路径P1是单向的。如图5B所示，第一传导路径P1通过第二能量储存器和第三能量储存器之间的连接点D、续流的第二功率半导体、接通的第五功率半导体V3、以及第一输出端A；第一输出端A的第一电压电平是0。而且，第一传导路径P1从第一输出端A起，通过第一能量储存器41、接通的第八功率半导体V6和第二输出端C。第二输出端C关于点NP的电压输出是Vdc。
表Ⅳ描述根据图5D的每个功率半导体的开关状态。
表Ⅳ
在表Ⅳ的开关状态下，第一传导路径P1是单向的。如图5D所示，第一传导路径P1通过第二能量储存器和第三能量储存器之间的连接点D、续流的第二功率半导体D1、接通的第五功率半导体V3、以及第一输出端A。而且，第一传导路径P1从第一输出端A起，通过接通的第七功率半导体V5和第二输出端C。第二输出端C关于点NP的电压输出是0。
表Ⅴ描述根据图5E的每个功率半导体的开关状态。
表Ⅴ
在表Ⅴ的开关状态下，第一传导路径P1是单向的。如图5E所示，第一传导路径P1通过第二能量储存器和第三能量储存器之间的连接点D、续流的第三功率半导体D2、接通的第六功率半导体V4、以及第一输出端B；第一输出端B的第一电压电平是连接点D（NP）的电压电平，例如：0。而且，第一传导路径P1从第一输出端B起，通过续流的第八功率半导体V6和第二输出端C。第二输出端C关于点NP的电压输出是0。
表Ⅵ描述根据图5E的每个功率半导体的开关状态。
表Ⅵ
在表Ⅵ的开关状态下，第一传导路径P1是单向的。如图5F所示，第一传导路径P1通过第二能量储存器和第三能量储存器之间的连接点D、续流的第三功率半导体D2、接通的第六功率半导体V4、以及第一输出端B；第一输出端B的第一电压电平是连接点D（NP）的电压电平，例如：0。而且，第一传导路径P1从第一输出端B起，通过第一能量储存器41、接通的第七功率半导体V5以及第二输出端C。第二输出端C关于点NP的电压输出是-Vdc。
表Ⅶ描述根据图5G的每个功率半导体的开关状态。
表Ⅶ
在表Ⅶ的开关状态下，第一传导路径P1是双向的。如图5G所示，第一传导路径P1通过第三能量储存器401和第四功率半导体V2之间的连接点、接通的/续流的第四功率半导体V2、接通的/续流的第六功率半导体V4、以及第一输出端B；第一输出端B的第一电压电平是连接点D（NP）的电压电平，例如：0。而且，第一传导路径P1从第一输出端B起，通过续流的/接通的第八功率半导体V6以及第二输出端C。第二输出端C关于点NP的电压输出是-Vdc。
表Ⅷ描述根据图5H的每个功率半导体的开关状态。
表Ⅷ
在表Ⅷ的开关状态下，第一传导路径P1是双向的。如图5H所示，第一传导路径P1通过第三能量储存器401和第四功率半导体V2之间的连接点、接通的/续流的第四功率半导体V2、接通的/续流的第六功率半导体V4、第一能量储存器、接通的第七功率半导体以及第二输出端B；第一输出端B的第一电压电平是连接点D（NP）的电压电平，例如：-Vdc。而且，第一传导路径P1从第一输出端B起，通过续流的/接通的第七功率半导体V5和第二输出端C。第二输出端C关于点NP的电压输出是-2Vdc。
通过具有上述拓扑结构，在功率半导体的数量保持不变的情况下，每个功率半导体的电压等级能够降得较低。此外，与传统拓扑结构相比，VDRM得以降低。这降低了成本并提高了可靠性。
与根据图5的拓扑结构相比，根据图4的拓扑结构适于具有如下的一些冗余开关状态：
a．第一传导路径P1通过第二能量储存器和第三能量储存器之间的连接点D、接通的第二功率半导体、续流的第五功率半导体V3、以及第一输出端A；第一输出端A的第一电压电平是0。而且，第一传导路径P1从第一输出端A起，通过第一能量储存器41、续流的第八功率半导体V6以及第二输出端C。第二输出端C关于点NP的电压输出是Vdc；
b．第一传导路径P1通过第二能量储存器和第三能量储存器之间的连接点D、接通的第二功率半导体D1、续流的第五功率半导体V3、以及第一输出端A。而且，第一传导路径P1从第一输出端A起，通过续流的第七功率半导体V5以及第二输出端C。第二输出端C关于点NP的电压输出是0；
c．第一传导路径P1通过第二能量储存器和第三能量储存器之间的连接点D、接通的第三功率半导体D2、续流的第六功率半导体V4、以及第一输出端B；第一输出端B的第一电压电平是连接点D（NP）的电压电平，例如：0。而且，第一传导路径P1从第一输出端B起，通过接通的第八功率半导体V6以及第二输出端C。第二输出端C关于点NP的电压输出是0；或者
d．第一传导路径P1通过第二能量储存器和第三能量储存器之间的连接点D、接通的第三功率半导体D2、续流的第六功率半导体V4、以及第一输出端B；第一输出端B的第一电压电平是连接点D（NP）的电压电平，例如：0。而且，第一传导路径P1从第一输出端B起，通过第一能量储存器41、续流的第七功率半导体V5以及第二输出端C。第二输出端C关于点NP的电压输出是-Vdc。
e．这些冗余的开关状态有助于提高电压源型变流器的可靠性。
图6示出根据本发明另一个实施例的拓扑结构。该拓扑结构与图4的拓扑结构区别在于开关元件和第一能量储存器。特别地，如图6所示，开关元件42包括在第一连接点串联连接的第七功率半导体422和第八功率半导体423，在第二连接点B串联连接的第九功率半导体424和第十功率半导体425，以及在第三连接点反向串联连接的第十一功率半导体420和第十二功率半导体421。而且，第十一功率半导体420与第一连接点和第一输出端A均连接，第十二功率半导体421与第二连接点和第一输出端B均连接。此外，第一能量储存器41、第七功率半导体422和第八功率半导体423、以及第九功率半导体424和第十功率半导体425被设置成并联连接。第七功率半导体、第八功率半导体、第九功率半导体和第十一功率半导体中的每个均是可驱动的单向功率半导体开关，具有反向并联不可控的单向载流半导体，例如：IGCT或IGBT等。第十功率半导体和第十二功率半导体中的每个均是可驱动的双向功率半导体开关。
表Ⅸ示出根据图6的拓扑结构的开关状态。为便于阅读，第一功率半导体、第四功率半导体、第五功率半导体、第六功率半导体、第七功率半导体、第八功率半导体、第九功率半导体、第十功率半导体、第十一功率半导体以及第十二功率半导体引用为V1、V6、V2、V7、V3、V4、V8、V9、V5、V10，第二功率半导体和第三功率半导体引用为D1、D2。输出电压是第二输出端C的输出。出于具体说明的目的，第一能量储存器41、第二能量储存器400和第三能量储存器401的电压电平均是具有图中指示的电压极性的Vdc。“电压”行示出了在每个开关状态下每个功率半导体两端的电压。
表Ⅸ
在开关状态S1下，第一传导路径P1是双向的。如图6所示，第一传导路径P1通过第二能量储存器和第一功率半导体V1之间的连接点、接通的/续流的第一功率半导体V1、接通的/续流的第五功率半导体V2、以及第一输出端A。第一输出端A的电压电平是Vdc。而且，第一传导路径P1从第一输出端A起，通过接通的/续流的第八功率半导体V4、第一能量储存器、接通的/续流的第九功率半导体V8和第十二功率半导体V10、以及第二输出端。第二输出端C关于点NP的电压输出是2Vdc。
在开关状态S2下，第一传导路径P1是双向的。如图6所示，第一传导路径P1通过第二能量储存器和第一功率半导体V1之间的连接点、接通的/续流的第一功率半导体V1、接通的/续流的第五功率半导体V2、以及第一输出端A。第一输出端A的电压电平是Vdc。而且，第一传导路径P1从第一输出端A起，通过接通的/续流的第十一半导体V5以及第二输出端C。第二输出端C关于点NP的电压输出是Vdc。
在开关状态S3下，第一传导路径P1是单向的。如图6所示，第一传导路径P1通过第二能量储存器和第三能量储存器之间的连接点D、续流的第二功率半导体D1、接通的第五功率半导体V2、以及第一输出端A；第一输出端A的第一电压电平是0。而且，第一传导路径P1从第一输出端A起，通过接通的第七功率半导体V4、第一能量储存器、接通的/续流的第十功率半导体V8和第十二功率半导体V10、以及第二输出端。第二输出端C关于点NP的电压输出是Vdc。
在开关状态S4下，第一传导路径P1是单向的。如图6所示，第一传导路径P1通过第二能量储存器和第三能量储存器之间的连接点D、续流的第二功率半导体D1、接通的第五功率半导体V2、以及第一输出端A；第一输出端A的第一电压电平是0。而且，第一传导路径P1从第一输出端A起，通过接通的/续流的第十一半导体V5以及第二输出端C。第二输出端C关于点NP的电压输出是0。
在开关状态S5下，第一传导路径P1是双向的。如图6所示，第一传导路径P1通过第二能量储存器和第一功率半导体V1之间的连接点、接通的/续流的第一功率半导体V1、接通的/续流的第五功率半导体V2、以及第一输出端A。第一输出端A的电压电平是Vdc。而且，第一传导路径P1从第一输出端A起，通过接通的/续流的第七功率半导体V3、第一能量储存器、接通的/续流的第十功率半导体V9和第十二功率半导体V10、以及第二输出端C。第二输出端C关于点NP的电压输出是0。
在开关状态S6下，第一传导路径P1是双向的。如图6所示，第一传导路径P1通过第三能量储存器和第四功率半导体V6之间的连接点、接通的/续流的第四功率半导体V6、接通的/续流的第六功率半导体V7、第一能量储存器、接通的第七功率半导体以及第二输出端B；第一输出端B的第一电压电平是连接点D（NP）的电压电平，例如：-Vdc。而且，从第一输出端B起，接通的/续流的第七功率半导体V3、第十一功率半导体V9、第十功率半导体V5、以及第二输出端C。第二输出端C关于点NP的电压输出是0。
在开关状态S7下，第一传导路径P1是单向的。如图6所示，第一传导路径P1通过第二能量储存器和第三能量储存器之间的连接点D、续流的第三功率半导体D2、接通的第六功率半导体V7、以及第一输出端B；第一输出端B的第一电压电平是连接点D（NP）的电压电平，例如：0。而且，第一传导路径P1从第一输出端B起，通过接通的/续流的第十二半导体V10以及第二输出端C。第二输出端C关于点NP的电压输出是0。
在开关状态S8下，第一传导路径P1是单向的。如图6所示，第一传导路径P1通过第二能量储存器和第三能量储存器之间的连接点D、续流的第三功率半导体D2、接通的第六功率半导体V7、以及第一输出端B；第一输出端B的第一电压电平是连接点D（NP）的电压电平，例如：0。而且，第一传导路径P1从第一输出端B起，通过接通的/续流的第九功率半导体V8、第一能量储存器、接通的/续流的第八功率半导体V4和第十一功率半导体V5、以及第二输出端C。第二输出端C关于点NP的电压输出是-Vdc。
在开关状态S9下，第一传导路径P1是双向的。如图6所示，第一传导路径P1通过第三能量储存器和第四功率半导体V6之间的连接点、接通的/续流的第四功率半导体V6、接通的/续流的第六功率半导体V7、第一能量储存器、接通的第七功率半导体以及第二输出端B；第一输出端B的第一电压电平是连接点D（NP）的电压电平，例如：-Vdc。而且，第一传导路径P1从第一输出端B起，通过接通的/续流的第十二半导体V10以及第二输出端C。第二输出端C关于点NP的电压输出是-Vdc。
在开关状态S10下，第一传导路径P1是双向的。如图6所示，第一传导路径P1通过第三能量储存器和第四功率半导体V6之间的连接点、接通的/续流的第四功率半导体V6、接通的/续流的第六功率半导体V7、第一能量储存器、接通的第七功率半导体以及第二输出端B；第一输出端B的第一电压电平是连接点D（NP）的电压电平，例如：-Vdc。而且，第一传导路径P1从第一输出端B起，通过接通的/续流的第九功率半导体V8、第一能量储存器、接通的/续流的第八功率半导体V4和第十一功率半导体V5以及第二输出端C。第二输出端C关于点NP的电压输出是-2Vdc。
通过具有图6的拓扑结构及其开关状态，每个功率半导体的电压等级可以降得较低。这降低了成本并提高了可靠性。而且，由于在运行期间流向第一能量储存器/从第一能量储存器流出的双向电流，第一能量储存器的电压可以保持自平衡。
图7示出用于根据图4的本发明实施例的充电拓扑结构。对本领域技术人员来说，清楚的是，充电拓扑结构同样可以用于根据图5的实施例。如图7所示，充电变压器44连接在第二能量储存器400与第三能量储存器401之间的连接点D和第二输出端C之间。充电路径可以通过续流的第八功率半导体421、第一能量储存器41、续流的第五功率半导体406、续流的第一功率半导体402、以及第二能量储存器400；或者第三能量储存器401、续流的第四功率半导体405、续流的第六功率半导体407、第一能量储存器41、以及续流的第七功率半导体420。
图8示出根据本发明另一个实施例的拓扑结构。如图8所示，根据前面每个实施例（包括但不限于图4至图6），电压源型变流器可以在多个第一传导路径P1上的两个第二输出端之一产生第二电压的多个电平。第四能量储存器45（例如：具有电压电平Vdc的电力电容器）储存电能。第二开关元件46与第二输出端直接连接，且可以将第四能量储存器45切换到第一传导路径P1中或将其从第一传导路径P1切换出，以便将第四能量储存器45的电压电平与第二电压的电平合并，作为第三输出端的第三电压输出。可以将更多的能量储存器和更多的开关元件与上一级输出端直接结合起来，以便输出诸如3Vdc、4Vdc、…、以及n+1Vdc的电压电平。通过具有上述拓扑结构，在功率半导体的数量相对于输出电压电平的数量不变的情况下，每个功率半导体的电压等级可以降得较低。此外，因为下一级的另外的开关元件的添加不依赖于上一级变流器的拓扑结构，所以，通过包含更多用于下一级的开关元件能够增加输出电压的电平数量，且不需要对上一级进行相应修改。这降低了成本且提高了可靠性。
尽管根据一些优选的实施例对本发明进行了描述，本领域技术人员应该理解这些实施例无法限制本发明的范围。在不偏离本发明精神和理念的情况下，具有常识的人和本领域技术人员应该理解对实施例做出的任何改变和修改，因此，任何改变和修改都落入本发明附带的权利要求限定的范围内。

Claims (9)

1.一种电压源转换器，包括：
多电平电压源转换器，所述多电平电压源转换器适于通过多个第一传导路径，在两个第一输出端中的一个输出第一电压的多个电平；
第一能量储存器；以及
第一开关元件，所述第一开关元件被设置成与所述第一输出端直接连接，且适于将所述第一能量储存器切换到所述第一传导路径上或将所述第一能量储存器从所述第一传导路径切换出，以便将所述第一能量储存器的电压电平与所述第一电压的电平合并起来，作为第二输出端的第二电压输出；
其中：
所述多电平电压源转换器包括：
第二能量储存器；
第三能量储存器，所述第三能量储存器被设置成与所述第二能量储存器串联连接；
被设置成串联连接的第一功率半导体、第二功率半导体、第三功率半导体以及第四功率半导体，其中，所述第一功率半导体被设置成连接到所述第二能量储存器，所述第四功率半导体被设置成连接到所述第三能量储存器，所述第二能量储存器和所述第三能量储存器之间的连接点连接到所述第二功率半导体和所述第三功率半导体之间的连接点；
第五功率半导体，所述第五功率半导体被设置成连接在所述第一功率半导体和所述第二功率半导体之间的连接点与所述第一输出端中的一个之间，并与所述第一功率半导体串联连接；
第六功率半导体，所述第六功率半导体被设置成连接在所述第三功率半导体和所述第四功率半导体之间的连接点与所述第一输出端中的另一个之间，并与所述第四功率半导体串联连接；
所述第一功率半导体、所述第二功率半导体、所述第三功率半导体、所述第四功率半导体、所述第五功率半导体、所述第六功率半导体中的每个均是可驱动的单向功率半导体开关，具有反向并联不可控的单向载流半导体。
2.一种电压源转换器，包括：
多电平电压源转换器，所述多电平电压源转换器适于通过多个第一传导路径，在两个第一输出端中的一个输出第一电压的多个电平；
第一能量储存器；以及
第一开关元件，所述第一开关元件被设置成与所述第一输出端直接连接，且适于将所述第一能量储存器切换到所述第一传导路径上或将所述第一能量储存器从所述第一传导路径切换出，以便将所述第一能量储存器的电压电平与所述第一电压的电平合并起来，作为第二输出端的第二电压输出；
其中：
所述多电平电压源转换器包括：
第二能量储存器；
第三能量储存器，所述第三能量储存器被设置成与所述第二能量储存器串联连接；
被设置成反向串联连接的第一功率半导体和第二功率半导体；
被设置成反向串联连接的第三功率半导体和第四功率半导体，其中，所述第二功率半导体和所述第三功率半导体串联连接，所述第一功率半导体被设置成连接到所述第二能量储存器，所述第四功率半导体被设置成连接到所述第三能量储存器，所述第二能量储存器和所述第三能量储存器之间的连接点被连接到所述第二功率半导体和所述第三功率半导体之间的连接点；
第五功率半导体，所述第五功率半导体被设置成连接在所述第一功率半导体与所述第一输出端中的一个之间，并与所述第一功率半导体串联连接；
第六功率半导体，所述第六功率半导体被设置成连接在所述第四功率半导体与所述第一输出端中的另一个之间，并与所述第四功率半导体串联连接；
其中：
所述第一功率半导体、所述第四功率半导体、所述第五功率半导体和所述第六功率半导体中的每个均是可驱动的单向功率半导体开关，具有反向并联不可控的单向载流半导体，所述第二功率半导体和所述第三功率半导体二者之一是不可控的单向载流方向半导体。
3.根据权利要求1或2所述的电压源转换器，其特征在于：
所述第一传导路径适于通过：
所述第二能量储存器和所述第一功率半导体之间的连接点、接通的/续流的所述第一功率半导体、接通的/续流的所述第五功率半导体、以及所述第一输出端；
所述第二能量储存器和所述第三能量储存器之间的连接点、续流的所述第二功率半导体、接通的所述第五功率半导体、以及所述第一输出端；
所述第二能量储存器和所述第三能量储存器之间的连接点、续流的所述第三功率半导体、接通的所述第六功率半导体、以及所述第一输出端；或者
所述第三能量储存器和所述第四功率半导体之间的连接点、接通的/续流的所述第四功率半导体、接通的/续流的所述第六功率半导体、以及所述第一输出端。
4.根据权利要求1或2所述的电压源转换器，其特征在于：
所述第一开关元件包括串联连接的第七半导体和第八半导体，所述第七半导体和第八半导体其中之一是可驱动的单向功率半导体开关，具有反向并联不可控的单向载流半导体；以及
所述第一能量储存器被设置成在所述两个第一输出端之间与所述第一开关元件并联连接。
5.根据权利要求4所述的电压源转换器，其特征在于：
所述第一传导路径适于进一步通过：
所述第一能量储存器、接通的所述第八功率半导体以及所述第二输出端；
接通的/续流的所述第七功率半导体以及所述第二输出端；
接通的/续流的所述第八功率半导体以及所述第二输出端；或者
所述第一能量储存器、接通的所述第七功率半导体以及所述第二输出端；以及
所述第二输出端，所述第二输出端被设置在所述第七半导体和所述第八半导体之间的接点，并适于输出所述第二电压。
6.根据权利要求1或2所述的电压源转换器，进一步包括：
充电变压器，所述充电变压器被设置成连接在所述第二能量储存器和所述第三能量储存器之间的连接点与所述第二输出端之间。
7.根据权利要求1或2所述的电压源转换器，
其特征在于：
所述第一开关元件包括串联连接的第七半导体和第八半导体，所述第七半导体和第八半导体任意之一是可驱动的单向功率半导体开关，具有反向并联不可控的单向载流半导体；以及
所述第一能量储存器被设置成在所述两个第一输出端之间与所述第一开关元件并联连接；
进一步包括：
充电变压器，所述充电变压器被设置成连接在所述第二能量储存器和所述第三能量储存器之间的连接点与所述第二输出端之间。
8.根据权利要求7所述的电压源转换器，其特征在于：
所述充电路径适于通过：
续流的第八功率半导体、所述第一能量储存器、所述续流的第五功率半导体、所述续流的第一功率半导体、以及所述第二能量储存器；或者
所述第三能量储存器、所述续流的第四功率半导体、所述续流的第六功率半导体、所述第一能量储存器、以及所述续流的第七功率半导体。
9.一种电压源转换器系统，包括：
根据前述每个权利要求所述的电压源转换器，所述电压源转换器适于在其多个第一传导路径上的两个第二输出端之一输出第二电压的多个电平；
第四能量储存器；以及
第二开关元件，所述第二开关元件被设置成与所述电压源转换器的所述第二输出端直接连接，且适于将所述第四能量储存器切换到所述第一传导路径上或将所述第四能量储存器从所述第一传导路径切换出，以便将所述第四能量储存器的电压电平与所述第二电压的电平合并起来，作为第三输出端的第三电压输出。
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