CN104242710B - 改进的多电平电压源转换器和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改进的多电平电压源转换器和系统。呈现了嵌套中性点钳位(NNPC)多电平电力转换器级(100)和系统(300)，其中，转换器级包括具有飞跨(开关)电容器嵌套电路(104)的NPC逆变器核心电路(110)，使用所选择的冗余开关状态来选通NPC核心电路(110)和开关电容器电路(104)的开关以控制开关电容器的电压，以实现具有等间隔的电压步进值的多电平输出电压。多个逆变器级(100)能够满足以各种配置进行级联或连接以实施单相或多相电力转换系统，可以通过将转换器级(100)形成为H桥接配置并且使多个H桥接级彼此串联连接来实现更高的输出电压。

Description

改进的多电平电压源转换器和系统
背景技术
电力转换器用于将输入电能从一种形式转换为另一种形式以驱动负载。电力转换器系统的一种形式为电机驱动器，其可以被采用用于电动机负载的变速操作。针对需要相对大的输出电压的应用，开发了所谓的多电平电压源转换器结构，包括飞跨电容器设计、中性点钳位(NPC)设计以及级联混合类型。NPC设计包括跨提供中性节点的直流输入连接的一对电容器，每个电容器被充电至直流输入值的一半。跨直流母线连接了一系列开关，一对二极管将中间开关节点连接至中性点。NPC转换器有利地提供了相对简单的电路结构，但是增加NPC转换器中的输出电平的个数增加了开关和二极管传导损耗并且导致增加的反向恢复电流。另外，高输出电平NPC转换器经受开关器件损耗的不均匀分布，从而限制针对给定开关类型的最大电力定额、输出电流和开关频率。此外，随着输出电平的个数增加，钳位二极管的个数基本上增加。飞跨电容器设计利用选择性地互连的一个或更多个电容器以提供输出电压。然而，该类多电平转换器经受高切换频率的需求以保持电容器适当平衡，并且飞跨电容器上的电压必须初始化。可以使用级联H桥接(CHB)类型以实现显著高的输出电压电平和高输出电力定额，并且使得能够使用相对低的切换频率和低电压部件。然而，CHB设计需要显著更高个数的部件以实现再生操作，CHB转换器通常需要相移变压器，导致更高的成本。另外，CHB方法需要大量的隔离直流源。因此，仍然需要能够提供用于以可变的速度和扭矩驱动负载的多电平逆变器输出能力的改进的多电平电力转换器和系统设计。
发明内容
现在总结本公开内容的各个方面以便利对本公开内容的基本理解，其中，本发明内容不是本公开内容的宽泛概述，既不意在标识本公开内容的特定元素，也不意在描述本公开内容的范围。更确切地，本发明内容的主要目的为在以下呈现更详细的描述之前以简化形式来呈现本公内容的各种构思。
本公开内容提供了多电平电力转换器级和采用以多种配置连接的两个或更多个这样的多电平转换器的电力转换系统。多电平电力转换器包括NPC型逆变器电路，其嵌套在开关电容器电路中以形成嵌套NPC(NNPC)电力转换器，其中，控制器操作逆变器和开关电容器电路的开关以提供多电平输出电压。在某些实施方式中，控制器采用对冗余开关状态的选择性选择来控制开关电容器的充电和放电以实现预定的目标电容器电压值。在某些实施中，开关控制和电容器电压调节有利地确保开关电容器电压小于直流输入电压值的一半，便利提供在基本上等间隔步进的多个不同电平之一处的转换器输出电压，从而平衡由各个开关器件可见的电压。
在某些实施方式中，逆变器电路包括在逆变器电路输入节点之间串联连接的两个或更多个逆变器开关器件、以及连接所述逆变器开关器件中的两个逆变器开关器件的逆变器输出节点。所述逆变器还包括钳位电路，所述钳位电路具有在所述逆变器开关电路的第一内部节点与第二内部节点之间串联连接的第一钳位元件和第二钳位元件例如钳位开关或二极管、以及接合所述第一钳位元件与所述第二钳位元件的第三内部节点。在某些实施中，开关电容器电路包括：两个或更多个开关，所述两个或更多个开关各自连接在所述逆变器输入节点之一与相应的直流输入之间；以及第一电容器和第二电容器，所述第一电容器和第二电容器各自连接在所述逆变器电路输入节点中的相应一个与所述第三内部节点之间。所述控制器向逆变器开关和开关电容器电路开关器件提供开关控制信号，以提供在所述逆变器输出节点处的多电平输出并且控制第一电容器和第二电容器的充电和放电。各种实施是可以的，例如四个或更多个不同的线与中性点之间的输出电压电平。某些实施提供了级联的开关电容器电路系统，其包括针对更高个数的可能输出电平的两个飞跨电容器以及相关联的开关器件的多个集合。
根据本公开内容的另外的方面，提供了一种电力转换系统，包括两个或更多个嵌套NPC转换器级或模块。在某些实施方式中，两个NNPC模块的直流输入被连接在一起，其中，第一转换器级的逆变器输出连接至系统中性节点，第二级的逆变器输出提供系统的交流输出。以这种方式，可以实现NNPC H桥接配置，两个或更多个这样的配置可以级联或串联连接以实现各种输出电力电平和输出电压。此外，可以使用这样的模块或其组的多个集合来构造电力转换系统，以提供用于驱动负载的多相输出。另外，在这些多级系统中，可以提供开关控制以从各种冗余总开关状态中进行选择以实现对各个开关电容器的充电和放电的控制，并且可以便利由各个开关器件可见的电压平衡并且有利地提供在基本上等间隔步进的任何合适个数的不同电平处的输出电压。
附图说明
以下描述和附图详细提出了本公开内容的某些示例性实施，其表示其中可以执行本公开内容的各种原理的若干个示例性方式。然而，所示示例并不是本公开内容的许多可能实施方式的穷举。当结合附图考虑时，本公开内容的其他目的、优点和创新特征将在以下详细描述中提出，在附图中：
图1是示出了根据本公开内容的一个或更多个方面的示例性嵌套中性点钳位(NNPC)多电平电力转换器的示意图，该NNPC多电平电力转换器包括逆变器电路和开关电容器电路以及控制器，该控制器使用冗余开关状态选择以控制第一飞跨电容器和第二飞跨电容器的充电和放电以提供多电平输出电压、并将飞跨电容器调节为直流输入电压电平的三分之一；
图2是示出了以基本上等间隔的步进提供四电平电压输出的图1中的NNPC电力转换器的开关状态的示例性集合的部分示意图；
图3是示出了提供三相电压输出以驱动电机负载的三个NNPC电力转换器和相关联的直流源的示意图；
图4是示出了针对图1和图2的NNPC电力转换器的四电平线与中性点间的电压输出波形的曲线图；
图5是示出了针对图3的三相电机驱动实施的七电平线间电压输出波形的曲线图；
图6是示出了在图1和图2的NNPC电力转换器控制器中的示例性电平移位脉宽调制实施的曲线图；
图7是示出了用于在图1和图2的NNPC电力转换器控制器中提供脉宽调制开关控制信号的示例性空间矢量调制技术的曲线图；
图8是示出了在图1和图2的NNPC电力转换器控制器中的示例性脉宽调制处理的流程示意图，所述脉宽调制处理向一个或更多个NNPC电力转换器提供开关控制信号，以在逆变器输出节点处提供多电平输出电压并且将飞跨电容器的充电和放电控制为预定电平；
图9是示出了NNPC H桥接(NNPCHB)电力转换系统的示意图，该NNPCHB电力转换系统包括具有提供系统中性点的第一级的逆变器输出和提供线电压输出以驱动电机负载的第二级的逆变器输出的两个NNPC电力转换器级；
图10A至10D示出了如下开关状态表：其向图9的NNPC H桥接电力转换系统提供开关控制信号，以生成多电平输出电压并且控制每个NNPC电力转换器级的飞跨电容器的充电和放电；
图11是示出了针对图9的NNPC H桥接电力转换系统的示例性七电平线与中性点间的电压输出波形的曲线图；
图12是示出了针对图9的NNPC H桥接电力转换系统的示例性13电平线间电压输出波形的曲线图；
图13是示出了具有被配置成提供三相校正用于生成直流母线电压的三个NNPC电力转换器的示例性三相电力转换系统的示意图，其中，三个NNPC电力转换器提供三相交流输出，直流母线中点节点通过可选阻抗链接连接至可选的输入和输出滤波器；
图14是示出了具有提供校正的三个NNPC转换器和提供交流输出的三个NNPC转换器的另一个示例性三相电力转换系统的示意图，其中，输入变压器和直流母线中点节点通过可选阻抗链接连接至输出滤波器；
图15是示出了多相电力转换系统的示意图，该多相电力转换系统使用向用于三个输出相的电力NNPC转换器提供直流母线的三个串联连接的输入整流器；
图16是示出了具有针对分别由多脉冲整流器驱动的三个输出相中的每个相的NNPC H桥接(NNPCHB)转换器级的另一个示例性三相电力转换系统的示意图；
图17是示出了具有针对每个相的多个级联NNPC H桥接(NNPCHB)电力转换器的另一个三相电力转换系统的示意图；
图18是示出了具有连接在直流输入端子之间的集成式电容器的NNPC电力转换器级的另一个实施方式的示意图；
图19是示出了与电感器串联连接以形成模块化输出相的图18中的两个NNPC电力转换器级的示意图；
图20是示出了与电感器串联连接以形成模块化输出相的图18中的整数个NNPC电力转换器级的示意图；
图21是示出了针对图19中的NNPC电力转换器级的七电平线与中性点间的电压输出波形的曲线图；
图22是示出了针对图19中的NNPC电力转换器级的13电平线间电压输出波形的曲线图；
图23是示出了级联的基于NNPC的电力转换系统的单相的示意图，其中，第一NNPC转换器的逆变器输出连接至第二NNPC转换器的直流电源中点节点；
图24是示出了针对图23的级联的基于NNPC的电力转换系统的示例性七电平线与中性点间的电压输出波形的曲线图；
图25是示出了针对图23中的电力转换系统的示例性13电平线间电压输出波形的曲线图；
图26是示出了另一个示例性NNPC电力转换器和相关联的开关表的部分示意图，其中，控制器将开关电容器电压调节成直流输入电压的四分之一；
图27是示出了另一个示例性NNPC电力转换器和相关联的开关表的部分示意图，其中，控制器将开关电容器电压调节成直流输入电压的五分之一；
图28是示出了根据本公开内容的另外的方面的具有多个开关电容器嵌套级的另一个交替NNPC电力转换器的示意图；以及
图29是示出了使用向针对三个输出相的电力NNPC转换器提供直流母线的三个串联连接的输入整流器的另一个多相电力转换系统的示意图，该多相电力转换系统具有用于对开关电容器进行预充电和电压平衡的主电力变压器或不同变压器的辅助绕组。
具体实施方式
现在参照附图，以下结合附图描述若干个实施方式或实施，其中，相同的附图标记用于贯穿全文指代相同元件，以及其中各个特征未必是按比例的。以下将说明并描述电力转换器级100以及通过所示转换器级100的各种互连形成的电力转换系统，其中，可以使用所描述的嵌套NPC(NNPC)电力转换器100以形成用于驱动任何类型的负载的单相或多相电源，可以在电机驱动器中采用所描述的电力转换器和电力转换系统，尽管本公开内容的各种构思并不限制于任何特定应用。
图1示出了示例性多电平电力转换器100，其分别具有第一直流输入101和第二直流输入102、以及提供单相交流输出电压和相关联的输出电流iOUT以驱动负载(未示出)的交流输出120。所示电力转换器100在本文中被称为嵌套中性点钳位(NNPC)电力转换器，并且包括嵌套在NPC型逆变器电路110中的开关电容器(例如飞跨电容器)电路104。尽管在本文中被称为NNPC电力转换器，但是NPC型逆变器电路110的中心节点119不需要连接至任何系统“中性点”。通过端子101和102向电力转换器100提供来自直流源90的输入直流电能，其中，图1示出了包括两个串联连接的电池的示例性输入配置，每个电池具有VDC/2的电压值从而向电力转换器100提供具有值VDC的直流输入电压。此外，尽管不是对电力转换器100的所有实施的严格要求，但是图1中所示的配置包括连接至直流输入源90的两个电池的连接点的中性节点“N”。可以结合电力转换器100使用任何合适的直流源90，包括但不限制于一个或更多个电池、有源和/或无源整流器等。另外，直流源90可以包括直流母线电容器、单个电容器或任何串联和/或并联配置连接的多个电容器的任意组合。此外，如以下结合图18所示的，NNPC转换器级100的某些实施方式可以包括在直流输入端子101与102之间连接的机载电容。
如图1所示，逆变器电路110包括在第一逆变器电路输入节点111与第二逆变器电路输入节点112之间彼此串联连接的开关器件S2至S5、以及连接所述开关器件中的两个开关器件S3和S4的逆变器输出节点116，其中，逆变器输出节点116直接或间接连接至转换器100的交流输出端子120。另外，逆变器电路110可以包括在节点111与节点112之间彼此串联连接的任何整数个开关器件S。在所示示例中，提供了四个器件S2至S5，输出节点116具有在输出节点116与上输入节点111之间的两个开关器件S2和S3，以及在输出节点116与第二逆变器输入节点112之间连接的两个开关S4和S5。此外，开关电容器电路104包括如所示在逆变器输入111与对应的直流输入端子101之间的附加开关S1以及在逆变器输入112与对应的直流输入端子102之间的附加开关S6。可以在电力级100的电路104和110中使用任何合适类型的开关器件S1至S6，包括但不限制于基于半导体的开关例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、硅可控整流器(SCR)、门极可关断晶闸管(GTO)、集成门极换向晶闸管(IGCT)等。另外，如图1所示，各个开关S1至S6包括用于当开关断开时导通在反向上的电流的二极管。
NNPC转换器100的逆变器电路110还包括具有第一钳位元件和第二钳位元件例如彼此串联连接的二极管D1和D2的钳位电路，D1的阴极连接至第一内部节点114，D2的阳极连接至第二内部节点118。D2的阴极在第三内部节点119处接合至D1的阳极。在该配置中，D1提供了从第三内部节点119到第一内部节点114的导通路径，D2提供了从第二内部节点118到第三内部节点119的导通路径。可以在其他实施方式中使用有源钳位开关或其他钳位元件代替如在附图中所示的钳位二极管。其中二极管或其他钳位元件在逆变器开关电路的第一内部节点与第二内部节点之间彼此串联连接的其他配置也是可以的。另外，可以如所示地使用单个二极管D1和D2，或可以使用多个二极管或其他钳位元件。例如，可以使用以在节点119与节点114之间以任何合适的串联和/或并联配置互连的两个或更多个二极管来代替D1，使用在节点118与节点119之间以任何合适的方式互连的两个或更多个二极管来代替D2。另外，跨NNPC转换器100的开关器件S1至S6的二极管D1和D2和/或钳位二极管可替换地可以为钳位开关(未示出)。还可以由有源开关代替钳位二极管D1和D2以实现有源中性点钳位。
开关电容器电路104包括在预期直流输入端子101和102与逆变器电路输入节点111和112中的对应之一之间连接的开关S1和S6。此外，开关电容器电路104包括如所示分别连接在第三内部节点119与对应的逆变器电路输入节点111之间的第一电容器C1以及连接在第三内部节点119与对应的逆变器电路输入节点112之间的第二电容器C2。可以使用任何适合类型和配置的电容器C1和C2，其中，各个电容器C1和C2可以为以任何合适的串联和/或并联配置连接以提供节点111与节点119之间的第一电容C1以及节点119与节点112之间的第二电容C2的单个电容器或多个电容器。另外，优选地C1和C2具有基本上相等的电容值，尽管本公开内容未如此严格要求。
还参照图2至图5，控制器122向各个逆变器开关器件S2至S5提供开关控制信号124-2、124-3、124-4以及124-5，并且向开关电容器电路开关器件S1和S6提供开关控制信号124-1和124-6。如果钳位器件D1和D2是有源器件，则控制器122还向有源钳位器件D1和D2提供开关控制信号。控制器122还接受未在图中示出的反馈信号例如电压和/或电流。控制器122可以被实施为转换器100的一部分和/或可以为分立的部件或系统，单个控制器122可以向多个转换器级100提供信号124。可以使用任何合适的硬件、处理器执行软件或固件或上述组合来实施转换器控制器122，其中，控制器122的示例性实施方式包括一个或更多个处理元件例如微处理器、微控制器、FPGA、DSP、可编程逻辑电路等、以及电子存储器、程序存储器以及信号调节驱动器电路元件，处理元件被编程或不然被配置成生成适于操作电力级100的开关器件的逆变器开关控制信号124以及执行其他电机驱动操作任务以驱动负载。另外，计算机可读介质被设想具有用于实施所描述的电力转换器开关控制处理以及技术的计算机可执行指令，该计算机可执行指令可以被存储在形成控制器122的一部分的或不然与控制器122在操作上相关联的电子存储器中作为程序指令。
最好由图2可见，将开关控制信号124以脉宽调制的形式提供给开关S1至S6、以提供在逆变器输出节点116处的多电平输出电压(例如线与中性点间的电压VAN)。在所示实施方式中，例如，控制器122向开关S1至S6提供开关控制信号124以提供在四个不同的线与中性点间的电压电平之一处的输出电压VAN。图4中的曲线图210示出了相对于中性节点“N”在逆变器输出节点116处的示例性四电平线与中性点间的电压波形212(VAN)。另外，由图3可见，三个不同的NNPC转换器级100可以连接至对应的直流源90以向电机相线路202提供交流输出电压以驱动三相电机负载200，其中控制器122向每个NNPC级100提供开关控制信号124的集合。图5示出了表示图3的系统中的示例性线间电压波形222的曲线图220，其中在相对的相位角120°处的三个NNPC级100的受控切换提供七电平线间电压波形222。
另外，在某些实施方式中，提供开关控制信号124操作以控制开关电容器C1和C2的充电和放电，以将对应的电容器电压VC1和VC2调节成在第一直流输入101和第二直流输入102处接收的直流输入电压VDC的目标部分。另外，控制电容器电压VC1和VC2便利了在各个开关器件S1至S6处可见的电压的基本上均匀的分布，从而提供显著的优点。图2示出了表示与NNPC开关器件S1至S6的不同开关状态对应的六个可能的开关矢量V1、V2、V3、V4、V5和V6以及相对于输入直流电平VDC的对应的线与中性点间的电压值的示例性开关状态表126，其中“1”表示对应开关S“接通”或导通。在操作中，第一矢量V1提供+VDC/2的输出电压电平，第二开关矢量V2与第三开关矢量V3相对于线与中性点间的输出电压彼此冗余，每个矢量获得+VDC/6的值。矢量V4与矢量V5也是冗余开关状态对，每个矢量提供-VDC/6的输出值，最终开关状态或矢量V6获得-VDC/2的输出电压。由图2可见，另外，通过冗余矢量选择来控制电容器C1和C2的充电和放电，针对冗余开关状态对相应的电容器电压的作用可以不同、使得智能地选择矢量以控制电容器充电和/或放电。例如，如果期望输出电压电平为VDC/6，则当输出电流IOUT为正(>0)时可以选择矢量V2对C1进行充电，或当输出电流为负时可以选择矢量V2对C1进行放电。可替代地选择冗余矢量V3针对正输出电流对C1和C2进行放电，当输出电流为负时对这些电容器C1和C2进行充电。另外，由图2的表126中可见，可以当期望输出电压电平为-VDC/6时通过从冗余矢量V4和V5进行选择来进行相似的充电和/或放电选择。
还参照图6和图7，可以在控制器122中使用任何合适形式的脉宽调制开关控制信号生成技术。图6中的曲线图230示出了示例性基于载波的脉宽调制实施，其中相反极性的调制信号231和232与电平移位三角形载波波形233、234和235一起使用用于生成用于六个转换器开关S1至S6的开关控制信号124。在另一个可能的实施方式中，如图7的曲线图240所示可以使用空间矢量调制，其中控制器122确定围绕如所示的参考矢量Vref的当前位置的三个控制矢量V1、V2和V3的相对次数，其中参考矢量Vref具有相应的调制索引(M)和相应的相位角θ，并且根据在某些电机驱动器实施中的期望电机负载位置和扭矩贯穿空间矢量调制图240进行旋转。
参照图2和图8，在图8的流程图中示出了用于生成脉宽调制开关控制信号124的处理250，该处理250可以在图1和图2的NNPC电力转换器控制器的控制器122中实施。以下以一些列动作或事件的形式来说明和描述处理250，尽管本公开内容的各个方法并不受这样的动作或事件的所示顺序的限制。关于此，除非在下文特别指出，一些动作或事件可以与除了根据本公开内容在此说明和描述的动作或事件之外的其他动作或事件以不同顺序和/或同时发生。还应当注意，并非所有说明的步骤需要实施根据本公开内容的处理或方法，可以将一个或更多个这样的动作进行组合。本公开内容的所示方法250和其他方法可以以硬件、处理器执行软件或其组合的形式例如在示例性控制器122中来实施，并且可以以存储在有形非暂态计算机可读介质例如在一个示例中的与控制器122在操作上相关联的存储器中的计算机可执行指令的形式来体现。
在操作中，将开关控制信号124提供给NNPC开关S1至S6以生成多电平输出电压VAN、并控制电容器C1和C2的充电和放电。图8的示例是针对三相系统(例如以上的图3)的，其中控制器122执行空间矢量调制以生成针对与电机相A、B和C相关联的三个NNPC转换器100中的每个的开关控制信号124。在某些实施中，基于关于输出电流iOUT的一个或更多个反馈值(例如针对三相示例的IA、IB、IC)以及针对NNPC转换器100中的每个的开关电容器电压VC1和VC2来完成对冗余开关矢量(例如来自图2的表126)的选择。由图8可见，所示处理250表示空间矢量调制处理，其中根据接收到的调制索引“M”和相位角“θ”来确定期望输出状态(例如电机位置和扭矩)。在252处接收并使用期望输出状态以识别参考矢量Vref(图7)的位置。参考矢量转而用于识别三个周围控制矢量V1、V2和V3(例如图7)，空间矢量调制处理用于确定在图8中的252处的对应的“接通时间”持续时间间隔t1、t2和t3。在254处，控制矢量和持续时间间隔用于确定针对与周围矢量V1、V2和V3中的一个、一部分或全部相关联的每个电机输出相的冗余开关状态(如果存在的话)。例如，图2中的状态表126表示矢量开关状态V2与V3如V4与V5一样彼此冗余。在256处接收针对输出电流IA、IB和IC的反馈以及针对每个相的开关电容器电压VC1和VC2。
在图8的258处，控制器122评估关于每个电机相的可用冗余开关状态的成本函数“J”，并且从冗余状态中选择使各个相的成本函数最小化的那些冗余状态。在所示示例中，成本函数与电容器电压(Vci)例如以上图1中的VC1和VC2相关，函数使用根据其调节这些电容器电压(图8中的Vcref)的期望或预定的参考值。根据本公开内容的某些方面，不像传统的NPC电力转换器，在某些实施方式中的目标调节飞跨电容器电压值Vcref小于VDC/2。例如，在图1的示例中，通过控制器122智能地选择冗余开关矢量将电容器电压VC1和VC2控制或调节成VDC/3。在其他非限制性示例中，目标值Vcref可以为小于直流输入电压的一半的另一个值例如VDC/4(以下图26)或VDC/5(图27)。
使用针对三相中的每个相选择的开关矢量，在图8的260处由控制器122执行选通信号生成以生成针对每个对应的NNPC转换器级100的开关器件S1至S6的开关控制信号124的三个集合。以这种方式，控制器122操作以使得将适当的输出电压提供给电机负载200(图3)并且还对每个NNPC电力级100的电容器C1和C2上的电压进行调节。这种对开关电容器电压VC1和VC2的仔细调节转而便利NNPC转换器100的操作以提供在基本上等间隔输出电平处的输出电压(例如图2中的VAN)。例如，在图2的示例中，在以VDC/3的步进间隔开的四个不同电平处提供输出电压。因此，使用在所示NNPC转换器100中的经调节的较低的电容器电压电平便利通过开关器件S1至S6可见的电压的均匀分布。因此，所有的开关器件S1至S6经历相等的电压应力，任一个器件不需要太大。
还参照图9至图12，图9示出了电力转换器300，其包括以在本文中被称为NNPC H桥接(NNPCHB)的H桥接配置连接的结合图1和图2以上描述的两个NNPC级100A和100B。NNPCHB转换器300包括如上所述从源90接收输入直流电压的直流输入端子301和302，如所示输入端子301和302被连接至NNPC级100A和100B二者的直流输入。与图1的NNPC转换器级100相似，图9中的第一级100A包括开关器件SA1、SA2、SA3、SA4、SA5和SA6、以及钳位开关或其他钳位元件DA1和DA2、以及具有相应电压VCA1和VCA2(例如VDC/k，其中k>2)的电容器CA1和CA2。相似地，第二级100B包括SB1、SB2、SB3、SB4、SB5和SB6、以及钳位元件DB1和DB2、以及具有相应电容器电压VCB1和VCB2(例如VDC/k，其中k>2)的电容器CB1和CB2。在附图中将开关器件DA1、DA2、DB1和DB2示出为二极管，但是有源开关例如IGBT和IGCT也可以用作钳位元件。
图9中的逆变器100A的逆变器输出节点116连接至系统中性节点306，第二多电平电力转换器100B的逆变器输出节点116提供电力转换系统300的交流输出304。在这种情况下，控制器122向第一NNPC转换器100A提供开关控制信号124A、以及向第二NNPC级100B提供开关控制信号124B的集合。在一个非限制性实施方式中，控制器122通过选择给定的矢量V1至V36根据在图10A至10D中所示的开关状态或矢量表310，来提供开关控制信号以提供在七个可能的电平之一处的期望的线与中性点间的电压VAN。另外，由图9还可见，可以与相应的直流源90一起提供NNPCHB转换器300的三个集合，以提供用于驱动三相电机负载200的输出电压，对应转换器300的控制器122根据表310提供开关控制信号124，在一个可能的实施中对应电机相的输出电压被移位120°。
由图10A至图10D可见，对应的开关电容器被调节成VDC/3的电压，等间隔输出电压电平(线与中性点间的)可能包括VDC(矢量V1)、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)以及针对矢量V36的-VDC。此外，由表310中可见，电压输出步进都等于(VDC/3)。图11中的曲线图320示出了针对图9中的NNPC H桥接电力转换器300的示例性七电平线与中性点间的输出电压波形322。另外，在所示三相示例中，图12示出了具有示例性13电平线间电压输出波形332的曲线图330。
此外，如以上描述的NNPC实施方式100，NNPCHB转换器300中的控制器122当可能时有利地从冗余矢量中选择，以调节构成NNPC级100A和100B的电容器上的开关电容器电压。例如，冗余矢量V2至V5(图10A)基于针对输出电平2VDC/3的输出电流IA的极性、提供对NNPC级100A和100B的组成电容器CA1、CA2、CB1和CB2进行选择性地充电或放电的能力，以及在表310中所示的其他冗余矢量组使得控制器122将电容器电压VCA1、VCA2、VCB1和VCB2有利地调节成期望电平。关于此，在某些实施方式中，可以在操作控制器300时、控制器122采用以上描述的图8中的处理250。另外，可以采用空间矢量调制或基于载波的脉宽调制技术用于生成NNPCHB转换器300中的开关控制信号124。
还参照图13至图17，本公开内容的另外的方面提供了具有多个NNPC电力转换器100和/或多个NNPCHB转换器300的多电平电力转换系统400、420、430、440和450。图13示出了如下非限制性示例400，其包括通过可选滤波器402(电感器L、电感电容器CL、LCL等)耦接至交流输入电源的三个NNPC转换器100，所述三个NNPC转换器100操作以接收在相应交流输入端子(例如以上图1中的端子120)处的输入交流电压，直流端子连接至正和负的直流母线轨道，从而三个NNPC转换器100的第一集合提供三相有源整流器。这些整流器级的输出提供如所示在直流母线电容Ca和Cb上的直流母线电压。在某些实施中，可以将可选输入滤波器402的中性点连接至通过可选阻抗链接408接合直流母线电容器Ca与Cb的直流母线中点或中心节点。将直流母线电压提供作为至三个NNPC级100的另一个集合的直流输入端子(以上图1中的端子101和102)的输入，这些级100的逆变器输出通过可选滤波器404提供交流输出电压以驱动负载406。此外，由图13可见，可以将直流母线的中点通过可选阻抗链接410可选地连接至输出滤波器404的中性点。图14示出了与以上图13的三相系统相似的另一个三相系统420，输入变压器412向NNPC转换器100的第一集合提供交流输入电力。在一个非限制性示例中，可以使用图13和图14中的系统410和420，以使用针对总计36个开关和12个钳位二极管的六个NNPC级100的背靠背(back-to-back)配置来提供期望输出电压例如2kV至7.2kV，所述钳位二极管还可以为有源钳位开关，在图14中的示例420附加地提供了通过变压器412的隔离。
图15示出了另一个多相系统430，其具有向三个整流器434的集合中的每个整流器提供三相次级线圈、以提供电容器Ca、Cb和Cc上的直流母线的输入变压器432。将由此产生的母线上的直流电压提供给其交流输出通过可选输出滤波器404驱动三相负载406的三个NNPC级100的集合的直流输入端子。在某些实施方式中，整流器434可以为二极管整流器、SCR整流器、双电平、NPC三电平或NNPC四电平IGBT/IGCT整流器。整流器432和整流器433还可以具有不同的脉冲个数，例如在一些实施方式中的6脉冲、12脉冲、24脉冲等。
图16示出了另一个三相电力转换系统440，其具有如下相移输入变压器432：通过初级线圈32接收来自交流源20的电力、并提供在示例性角度25°、15°、5°、-5°、-15°和-25°处的六个不同的三相次级线圈，每个次级线圈驱动如上所述的相应整流器434，由整流器434中的两个分别驱动三个NNPCHB级300的集合(例如以上图9)，以提供通过可选输出滤波器404的交流输出以驱动三相电机负载406。在本示例中，从而使用36脉冲变压器432提供NNPC H桥接多相整流器系统440以实现期望输出电压例如10kV至15kV。在一个可能的替选实施中，可以提供两个18脉冲变压器，或针对某些脉冲个数的相移角度的其他组合也是可以的，或使用串联的不同个数的直流源也是可以的。
图17示出了使用再次结合图16以上描述的36脉冲变压器432的具有针对期望的输出电压例如10kV至15kV的多脉冲整流器的级联NNPCHB系统。在这种情况下，通过由变压器432的对应次级线圈驱动的对应整流器434来对每个NNPC H桥接级300进行供电，其中每个级300包括如图9上述连接的一对NNPC级100。关于此，由一对NNPC H桥接级300驱动每个输出相，第一级300的交流输出连接至电机相(通过可选输出滤波器404)，级300的中性点连接至第二级300的交流输出，第二级300的中性端子连接至系统中性点N。变压器次级绕组和直流整流器的个数、变压器次级绕组之间的相移角度以及其他设计参数可以针对该级联NNPCHB的类型而变化。
还参照图18至图22，图18示出了具有连接在直流输入端子101和102上的集成式电容器C3的另一个NNPC电力转换器级实施方式500(NNPC’)。图19示出了采用两个这样的NNPC’级500用于通过输出电感器502提供相输出的示例性系统510，将正直流电压施加给第一级500的交流端子120，第一级500的较低的直流端子102连接至电感器502的一端。电感器502的较低端连接至第二级500的交流端子120，第二级500的较低的直流端子102连接至直流源的较低(负)端子。电感器502的中心抽头连接提供了相输出(A)，多个这样的配置510可以用于对多相负载(未示出)进行供电。图20示出了基于NNPC的模块化多电平系统520，其中如上所述连接整数个NNPC’级500，级500的第一集合连接在上直流线路与电感器502的上端之间，级500的第二集合连接在下电感器端子与下直流线路之间。图21提供了表示针对图19的系统510(使用两个NNPC’级500)的示例性线与中性点间的电压输出波形532的曲线图530，提供了七电平线与中性点间的输出电压。此外，图22中的曲线图540表示提供13电压电平的相应多相线间电压输出波形542。
还参照图23至图25，图23示出了使用两个NNPC单元或级100的级联NNPC配置以及对应的直流源90的另一个示例性系统600的单相。使用以相似方式连接的不止两个的NNPC单元100的其他配置也是可以的。由图23的示例可见，系统中性点“N”连接至第一单元100的直流输入源90的中点，第一单元100的交流输出连接至上(第二)单元100的直流源90的中点。第二单元100的交流输出转而提供针对由系统600驱动的相的输出电压。在该配置中，控制器122的操作提供了如图24的曲线图610中所示的七电平线与中性点间的输出电压波形612、以及用于多相实施的图25的曲线图620中的13电平线间输出波形622。
图26示出了另一个示例性NNPC电力转换器实施100，其中，控制器122根据所示开关状态表700提供开关控制信号124用于操作开关S1至S6以提供在逆变器输出节点(交流)处的多电平输出电压，以及控制开关电容器C1和C2的充电和放电。然而，在该实施中，控制器122的操作将电容器电压VC1、VC2调节成直流母线电压电平的大约四分之一(VDC/4)。另外，图26中的所示相的输出(VAN)具有VDC/4的等间隔步进。
图27示出了另一种可能的实施，其中控制器122根据状态表800进行操作提供开关控制信号124，以生成在通过直流输入电压的大约五分之一(VDC/5)间隔开的六个不同的电平之一处的多电平电压输出，控制器122操作以调节在直流输入电压电平的大约五分之一处的电容器电压。
图28示出了另一个NNPC电力转换器900，在这种情况下NNPC电力转换器包括关于NPC核心电路110配置的多个开关电容器嵌套级。该嵌套电力转换器900包括逆变器电路110、开关电容器电路104和控制器122。与图1的上述NNPC单元100一样，图28的转换器900中的逆变器电路110包括在逆变器电路输入节点111与112之间彼此串联连接的开关器件S3至S6，以及连接S4与S5的逆变器输出节点116。此外，逆变器电路110包括如所示与开关S4附近的第一内部节点114与在开关S5附近的第二内部节点118彼此串联连接的钳位开关或其他钳位元件D1和D2。钳位电路还包括接合钳位元件D1与D2的第三内部节点119。在附图中将钳位器件表示为二极管。然而，为了钳位目的还可以使用有源开关例如IGBT和IGCT。转换器900还包括双重嵌套的开关电容器电路104，其中第一开关S1连接在第一直流输入101与第四内部节点106之间，第二开关S2连接在节点106与第一逆变器输入节点111之间。此外，第三开关S7连接在第二逆变器电路输入节点112与第五内部节点108之间，第四开关S8连接在第五内部节点108与第二直流输入102之间。
在图28中提供了两电平的串联连接的开关电容器C1/C2和C3/C4，C1连接在节点111与119之间，C2连接在节点119与112之间，C3连接在节点106与第六内部节点113之间、以及C4连接在节点113与108之间。在某些实施中，可以接合节点113与119，尽管在所有实施方式中未如此要求。控制器122提供开关控制信号124以操作逆变器开关S3至S6以及电容器开关器件S1、S2、S7和S8以提供在逆变器输出节点116处的多电平输出电压、并例如使用如上所述选择的冗余开关矢量来控制电容器C1至C4的充电和放电。
图29示出了另一个多相电力转换系统1000，其包括变压器432和三个串联连接的输入整流器434以生成直流母线，与以上图15的系统430相似(图29中未单独示出控制器122)，三个NNPC级100提供交流输出电压波形通过可选输出滤波器404以驱动三相负载406。此外，图29的系统1000包括向六个附加整流器434提供交流输入的辅助变压器432’(或主变压器432的辅助次级绕组)，每个整流器434的由此产生的直流输出连接在NNPC级100的开关电容器C1、C2中的相应一个上。在操作中，辅助变压器或次级线圈432’被选择性地供电，以例如在整体系统1000上电时通过干预整流器434对每个所述级100的开关电容器C1和C2进行预充电，之后当系统1000达到稳态操作时可以断电。
以上示例仅说明了本公开内容的各个方面的若干可能的实施方式，其中当阅读并理解本说明书和附图时、对本领域的技术人员会出现等同变化和/或修改。特别关于通过上述部件(组件、器件、系统、电路等)执行的各种功能，用于描述这样的部件的术语(包括引用的“装置”)除非特别指出意在与执行所描述部件的指定功能(即功能上等价)的任何部件例如硬件、处理器执行软件或上述组合对应，即使所述部件与执行在本公开内容的所说明的实施中的功能的所公开的结构在结构上不等价。此外，尽管可以相对于若干个实施中的仅一个实施公开本公开内容的特定特征，但是这样的特征可以与针对任何给定或特定应用可能期望并有利的一个或更多个其他特征或其他实施进行组合。此外，到术语“包括”、“包含”“具有”或其变型用于详细描述和/或权利要求中的程度，这样的术语意在以与术语“包括”相似的方式为包容性的。
本发明还可以通过以下方案来实现，包括但不限制于：
1.一种多电平电力转换器，包括：
逆变器电路，所述逆变器电路包括：
逆变器开关电路，所述逆变器开关电路包括：在第一逆变器电路输入节点与第二逆变器电路输入节点之间彼此串联连接的多个逆变器开关器件、以及连接所述多个逆变器开关器件中的两个逆变器开关器件的逆变器输出节点，以及
钳位电路，所述钳位电路包括在所述逆变器开关电路的第一内部节点与第二内部节点之间彼此串联的第一钳位元件和第二钳位元件、以及接合所述第一钳位元件与所述第二钳位元件的第三内部节点；
开关电容器电路，所述开关电容器电路包括：
开关电容器电路开关器件，所述开关电容器电路开关器件各自连接在相应的直流输入与相应的逆变器电路输入节点之间，以及
第一电容器和第二电容器，所述第一电容器和第二电容器各自连接在所述逆变器电路输入节点中的相应一个与所述第三内部节点之间；以及
控制器，所述控制器向所述多个逆变器开关器件以及所述开关电容器电路开关器件提供开关控制信号，以提供在所述逆变器输出节点处的多电平输出电压并控制所述第一电容器和所述第二电容器的充电和放电。
2.根据1所述的多电平电力转换器，
其中，所述逆变器开关电路包括：
第一逆变器开关器件，所述第一逆变器开关器件具有连接至所述第一逆变器电路输入节点的第一端子和连接至所述第一内部节点的第二端子，
第二逆变器开关器件，所述第二逆变器开关器件具有连接至所述第一内部节点的第一端子和连接至所述逆变器输出节点的第二端子，
第三逆变器开关器件，所述第三逆变器开关器件具有连接至所述逆变器输出节点的第一端子和连接至所述第二内部节点的第二端子，以及
第四逆变器开关器件，所述第四逆变器开关器件具有连接至所述第二内部节点的第一端子和连接至所述第二逆变器电路输入节点的第二端子；
其中，所述第一钳位元件包括连接至所述第三内部节点的第一端子和连接至所述第一内部节点的第二端子；
其中，所述第二钳位元件包括连接至所述第二内部节点的第一端子和连接至所述第三内部节点的第二端子；
其中，所述开关电容器电路包括：
第一开关电容器电路开关器件，所述第一开关电容器电路开关器件具有连接至第一直流输入的第一端子和连接至所述第一逆变器电路输入节点的第二端子，以及
第二开关电容器电路开关器件，所述第二开关电容器电路开关器件具有连接至所述第二逆变器电路输入节点的第一端子和连接至第二直流输入的第二端子；
其中，所述第一电容器包括连接至所述第一逆变器电路输入节点的第一端子和连接至所述第三内部节点的第二端子；以及
其中，所述第二电容器包括连接至所述第三内部节点的第一端子和连接至所述第二逆变器电路输入节点的第二端子。
3.根据2所述的多电平电力转换器，其中，所述控制器向所述逆变器开关器件以及所述开关电容器电路开关器件提供所述开关控制信号，以提供在四个不同电平之一处的输出电压。
4.根据3所述的多电平电力转换器，其中，所述控制器在提供所述开关控制信号时、从针对四个不同输出电压电平中的至少一个的多个冗余开关状态中进行选择，以控制所述第一电容器和所述第二电容器的充电和放电、以将相应的第一电容器电压和第二电容器电压调节成小于在所述第一直流输入与所述第二直流输入之间的直流输入电压的一半。
5.根据4所述的多电平电力转换器，其中，所述控制器在提供所述开关控制信号时、从针对所述四个不同输出电压电平中的至少一个的多个冗余开关状态中进行选择，以控制所述第一电容器和所述第二电容器的充电和放电、以将相应的第一电容器电压和第二电容器电压调节成所述直流输入电压的三分之一。
6.根据4所述的多电平电力转换器，其中，所述控制器在提供所述开关控制信号时、从针对所述四个不同输出电压电平中的至少一个的多个冗余开关状态中进行选择，以控制所述第一电容器和所述第二电容器的充电和放电、以将相应的第一电容器电压和第二电容器电压调节成所述直流输入电压的四分之一。
7.根据4所述的多电平电力转换器，其中，所述控制器在提供所述开关控制信号时、从针对所述四个不同输出电压电平中的至少一个的多个冗余开关状态中进行选择，以控制所述第一电容器和所述第二电容器的充电和放电、以将相应的第一电容器电压和第二电容器电压调节成所述直流输入电压的五分之一。
8.根据1所述的多电平电力转换器，其中，所述控制器向所述逆变器开关器件和所述开关电容器电路开关器件提供所述开关控制信号，以提供在四个不同电平之一处的输出电压。
9.根据8所述的多电平电力转换器，其中，所述控制器在提供所述开关控制信号时、从针对四个不同输出电压电平中的至少一个的多个冗余开关状态中进行选择，以控制所述第一电容器和所述第二电容器的充电和放电、以将相应的第一电容器电压和第二电容器电压调节成小于在所述第一直流输入与所述第二直流输入之间的直流输入电压的一半。
10.根据9所述的多电平电力转换器，其中，所述控制器在提供所述开关控制信号时、从针对所述四个不同输出电压电平中的至少一个的多个冗余开关状态中进行选择，以控制所述第一电容器和所述第二电容器的充电和放电、以将相应的第一电容器电压和第二电容器电压调节成所述直流输入电压的三分之一。
11.根据9所述的多电平电力转换器，其中，所述控制器在提供所述开关控制信号时、从针对所述四个不同输出电压电平中的至少一个的多个冗余开关状态中进行选择，以控制所述第一电容器和所述第二电容器的充电和放电、以将相应的第一电容器电压和第二电容器电压调节成所述直流输入电压的四分之一。
12.根据9所述的多电平电力转换器，其中，所述控制器在提供所述开关控制信号时、从针对所述四个不同输出电压电平中的至少一个的多个冗余开关状态中进行选择，以控制所述第一电容器和所述第二电容器的充电和放电、以将相应的第一电容器电压和第二电容器电压调节成所述直流输入电压的五分之一。
13.根据9所述的多电平电力转换器，其中，所述控制器向所述逆变器开关器件和所述开关电容器电路开关器件提供所述开关控制信号，以提供在基本上等间隔步进的四个不同电平之一处的输出电压。
14.根据1所述的多电平电力转换器，其中，所述控制器向所述逆变器开关器件和所述开关电容器电路开关器件提供所述开关控制信号，以提供在基本上等间隔步进的多个不同电平之一处的输出电压。
15.一种多电平电力转换器，包括：
逆变器电路，所述逆变器电路包括：
逆变器开关电路，所述逆变器开关电路包括在第一逆变器电路输入节点与第二逆变器电路输入节点之间彼此串联连接的多个逆变器开关器件、以及连接所述多个逆变器开关器件中的两个逆变器开关器件的逆变器输出节点，以及
钳位电路，所述钳位电路包括在所述逆变器开关电路的第一内部节点与第二内部节点之间彼此串联连接的第一钳位元件和第二钳位元件、以及接合所述第一钳位元件与所述第二钳位元件的第三内部节点；
开关电容器电路，所述开关电容器电路包括：
第一开关电容器电路开关器件，所述第一开关电容器电路开关器件具有连接至第一直流输入的第一端子和连接至第四内部节点的第二端子，
第二开关电容器电路开关器件，所述第二开关电容器电路开关器件具有连接至所述第四内部节点的第一端子和连接至所述第一逆变器电路输入节点的第二端子，
第三开关电容器电路开关器件，所述第三开关电容器电路开关器件具有连接至所述第二逆变器电路输入节点的第一端子和连接至第五内部节点的第二端子，
第四开关电容器电路开关器件，所述第四开关电容器电路开关器件具有连接至所述第五内部节点的第一端子和连接至第二直流输入的第二端子，
第一电容器，所述第一电容器包括连接至所述第一逆变器电路输入节点的第一端子和连接至所述第三内部节点的第二端子，
第二电容器，所述第二电容器包括连接至所述第三内部节点的第一端子和连接至所述第二逆变器电路输入节点的第二端子，
第三电容器，所述第三电容器包括连接至所述第四内部节点的第一端子和连接至第六内部节点的第二端子，以及
第四电容器，所述第四电容器包括连接至所述第六内部节点的第一端子和连接至所述第五内部节点的第二端子；以及
控制器，所述控制器向所述多个逆变器开关器件以及所述开关电容器电路开关器件提供开关控制信号，以提供在所述逆变器输出节点处的多电平输出电压并控制所述第一电容器、所述第二电容器、所述第三电容器和所述第四电容器的充电和放电。
16.一种电力转换系统，包括多个多电平电力转换器，各个多电平电力转换器包括：
逆变器电路，所述逆变器电路包括：
逆变器开关电路，所述逆变器开关电路包括在第一逆变器电路输入节点与第二逆变器电路输入节点之间彼此串联连接的多个逆变器开关器件、以及连接所述多个逆变器开关器件中的两个逆变器开关器件的逆变器输出节点，以及
钳位电路，所述钳位电路包括在所述逆变器开关电路的第一内部节点与第二内部节点之间彼此串联连接的第一钳位元件和第二钳位元件、以及接合所述第一钳位元件与所述第二钳位元件的第三内部节点；
开关电容器电路，所述开关电容器电路包括：
开关电容器电路开关器件，所述开关电容器电路开关器件各自连接在相应的直流输入与相应的逆变器电路输入节点之间，以及
第一电容器和第二电容器，所述第一电容器和第二电容器各自连接在所述逆变器电路输入节点中的相应一个与所述第三内部节点之间；以及
控制器，所述控制器向所述多个逆变器开关器件以及所述开关电容器电路开关器件提供开关控制信号，以提供在所逆变器输出节点处的多电平输出电压并控制所述第一电容器和所述第二电容器的充电和放电。
17.根据16所述的电力转换系统，包括：
第一多电平电力转换器；以及
第二多电平电力转换器；
其中，所述第一多电平电力转换器与所述第二多电平电力转换器的直流输入被连接在一起；
其中，所述第一多电平电力转换器的逆变器输出节点连接至系统中性节点；以及
其中，所述第二多电平电力转换器的逆变器输出节点提供用于所述电力转换系统的交流输出。
18.根据16所述的电力转换系统，其中，所述控制器向所述逆变器开关器件和所述开关电容器电路开关器件提供所述开关控制信号，以提供在至少四个不同电平之一处的每个多电平电力转换器的输出电压。
19.根据18所述的电力转换系统，其中，所述控制器在提供所述开关控制信号时、从针对四个不同输出电压电平中的至少一个的多个冗余开关状态中进行选择，以控制所述第一电容器和所述第二电容器的充电和放电、以将相应的第一电容器电压和第二电容器电压调节成小于在所述第一直流输入与所述第二直流输入之间的直流输入电压的一半。
20.根据16所述的电力转换系统，其中，所述多电平电力转换器的至少一个提供针对所述电力转换系统的多个输出相的每个相的输出电压。
部件列表

Claims (23)

1.一种多电平电力转换器，包括：
逆变器电路，所述逆变器电路包括：
逆变器开关电路，所述逆变器开关电路包括在第一逆变器电路输入节点与第二逆变器电路输入节点之间彼此串联连接的多个逆变器开关器件、以及连接所述多个逆变器开关器件中的两个逆变器开关器件的逆变器输出节点，以及
钳位电路，所述钳位电路包括在所述逆变器开关电路的第一内部节点与第二内部节点之间彼此串联连接的第一钳位元件和第二钳位元件、以及接合所述第一钳位元件与所述第二钳位元件的第三内部节点；
开关电容器电路，所述开关电容器电路包括：
开关电容器电路开关器件，所述开关电容器电路开关器件各自连接在相应的直流输入与相应的逆变器电路输入节点之间，以及
第一电容器和第二电容器，所述第一电容器和第二电容器各自连接在所述逆变器电路输入节点中的相应一个与所述第三内部节点之间；以及
控制器，所述控制器向所述多个逆变器开关器件以及所述开关电容器电路开关器件提供开关控制信号，以提供在多个不同电平之一处的所述逆变器输出节点处的多电平输出电压；
其中，所述控制器在提供所述开关控制信号时、从针对不同输出电压电平中的至少一个的多个冗余开关状态中进行选择，以控制所述第一电容器和第二电容器的充电和放电、以将相应的第一电容器电压和第二电容器电压调节成第一直流输入与第二直流输入之间的直流输入电压的三分之一。
2.根据权利要求1所述的多电平电力转换器，
其中，所述逆变器开关电路包括：
第一逆变器开关器件，所述第一逆变器开关器件具有连接至所述第一逆变器电路输入节点的第一端子和连接至所述第一内部节点的第二端子，
第二逆变器开关器件，所述第二逆变器开关器件具有连接至所述第一内部节点的第一端子和连接至所述逆变器输出节点的第二端子，
第三逆变器开关器件，所述第三逆变器开关器件具有连接至所述逆变器输出节点的第一端子和连接至所述第二内部节点的第二端子，以及
第四逆变器开关器件，所述第四逆变器开关器件具有连接至所述第二内部节点的第一端子和连接至所述第二逆变器电路输入节点的第二端子；
其中，所述第一钳位元件包括连接至所述第三内部节点的第一端子和连接至所述第一内部节点的第二端子；
其中，所述第二钳位元件包括连接至所述第二内部节点的第一端子和连接至所述第三内部节点的第二端子；
其中，所述开关电容器电路包括：
第一开关电容器电路开关器件，所述第一开关电容器电路开关器件具有连接至第一直流输入的第一端子和连接至所述第一逆变器电路输入节点的第二端子，以及
第二开关电容器电路开关器件，所述第二开关电容器电路开关器件具有连接至所述第二逆变器电路输入节点的第一端子和连接至第二直流输入的第二端子；
其中，所述第一电容器包括连接至所述第一逆变器电路输入节点的第一端子和连接至所述第三内部节点的第二端子；以及
其中，所述第二电容器包括连接至所述第三内部节点的第一端子和连接至所述第二逆变器电路输入节点的第二端子。
3.根据权利要求2所述的多电平电力转换器，其中，所述控制器向所述逆变器开关器件以及所述开关电容器电路开关器件提供所述开关控制信号，以提供在四个不同的电平之一处的输出电压。
4.根据权利要求3所述的多电平电力转换器，其中，所述控制器在提供所述开关控制信号时、从针对四个不同输出电压电平中的至少一个的多个冗余开关状态中进行选择，以控制所述第一电容器和第二电容器的充电和放电。
5.根据权利要求1所述的多电平电力转换器，其中，所述控制器向所述逆变器开关器件和所述开关电容器电路开关器件提供所述开关控制信号，以提供在四个不同电平之一处的输出电压。
6.根据权利要求5所述的多电平电力转换器，其中，所述控制器在提供所述开关控制信号时、从针对四个不同输出电压电平中的至少一个的多个冗余开关状态中进行选择，以控制所述第一电容器和第二电容器的充电和放电。
7.一种多电平电力转换器，包括：
逆变器电路，所述逆变器电路包括：
逆变器开关电路，所述逆变器开关电路包括在第一逆变器电路输入节点与第二逆变器电路输入节点之间彼此串联连接的多个逆变器开关器件、以及连接所述多个逆变器开关器件中的两个逆变器开关器件的逆变器输出节点，以及
钳位电路，所述钳位电路包括在所述逆变器开关电路的第一内部节点与第二内部节点之间彼此串联连接的第一钳位元件和第二钳位元件、以及接合所述第一钳位元件与所述第二钳位元件的第三内部节点；
开关电容器电路，所述开关电容器电路包括：
开关电容器电路开关器件，所述开关电容器电路开关器件各自连接在相应的直流输入与相应的逆变器电路输入节点之间，以及
第一电容器和第二电容器，所述第一电容器和第二电容器各自连接在所述逆变器电路输入节点中的相应一个与所述第三内部节点之间；以及
控制器，所述控制器向所述多个逆变器开关器件以及所述开关电容器电路开关器件提供开关控制信号，以提供在多个不同电平之一处的在所述逆变器输出节点处的多电平输出电压；
其中，所述控制器在提供所述开关控制信号时、从针对不同输出电压电平中的至少一个的多个冗余开关状态中进行选择，以控制所述第一电容器和第二电容器的充电和放电、以将相应的第一电容器电压和第二电容器电压调节成所述直流输入之间的直流输入电压的五分之一。
8.根据权利要求5所述的多电平电力转换器，其中，所述控制器向所述逆变器开关器件以及所述开关电容器电路开关器件提供所述开关控制信号，以提供在等间隔步进的四个不同的电平之一处的输出电压。
9.根据权利要求1所述的多电平电力转换器，其中，所述控制器向所述逆变器开关器件和所述开关电容器电路开关器件提供所述开关控制信号，以提供在等间隔步进的多个不同电平之一处的输出电压。
10.根据权利要求1所述的多电平电力转换器，
其中，所述开关电容器电路包括：
第一开关电容器电路开关器件，所述第一开关电容器电路开关器件具有连接至第一直流输入的第一端子和连接至第四内部节点的第二端子，
第二开关电容器电路开关器件，所述第二开关电容器电路开关器件具有连接至所述第四内部节点的第一端子和连接至所述第一逆变器电路输入节点的第二端子，
第三开关电容器电路开关器件，所述第三开关电容器电路开关器件具有连接至所述第二逆变器电路输入节点的第一端子和连接至第五内部节点的第二端子，
第四开关电容器电路开关器件，所述第四开关电容器电路开关器件具有连接至所述第五内部节点的第一端子和连接至第二直流输入的第二端子，
第一电容器，所述第一电容器包括连接至所述第一逆变器电路输入节点的第一端子和连接至所述第三内部节点的第二端子，
第二电容器，所述第二电容器包括连接至所述第三内部节点的第一端子和连接至所述第二逆变器电路输入节点的第二端子，
第三电容器，所述第三电容器包括连接至所述第四内部节点的第一端子和连接至第六内部节点的第二端子，以及
第四电容器，所述第四电容器包括连接至所述第六内部节点的第一端子和连接至所述第五内部节点的第二端子。
11.一种电力转换系统，包括多个多电平电力转换器，各个多电平电力转换器包括：
逆变器电路，所述逆变器电路包括：
逆变器开关电路，所述逆变器开关电路包括在第一逆变器电路输入节点与第二逆变器电路输入节点之间彼此串联连接的多个逆变器开关器件、以及连接所述多个逆变器开关器件中的两个逆变器开关器件的逆变器输出节点，以及
钳位电路，所述钳位电路包括在所述逆变器开关电路的第一内部节点与第二内部节点之间彼此串联连接的第一钳位元件和第二钳位元件、以及接合所述第一钳位元件与所述第二钳位元件的第三内部节点；
开关电容器电路，所述开关电容器电路包括：
开关电容器电路开关器件，所述开关电容器电路开关器件各自连接在相应的直流输入与相应的逆变器电路输入节点之间，以及
第一电容器和第二电容器，所述第一电容器和第二电容器各自连接在所述逆变器电路输入节点中的相应一个与所述第三内部节点之间；以及
控制器，所述控制器向所述多个逆变器开关器件以及所述开关电容器电路开关器件提供开关控制信号，以提供在多个不同电平之一处的所述逆变器输出节点处的多电平输出电压；
其中，所述控制器在提供所述开关控制信号时、从针对不同输出电压电平中的至少一个的多个冗余开关状态中进行选择，以控制所述第一电容器和第二电容器的充电和放电、以将相应的第一电容器电压和第二电容器电压调节成第一直流输入与第二直流输入之间的直流输入电压的三分之一。
12.根据权利要求11所述的电力转换系统，包括：
第一多电平电力转换器；以及
第二多电平电力转换器；
其中，所述第一多电平电力转换器与所述第二多电平电力转换器的直流输入被连接在一起；
其中，所述第一多电平电力转换器的逆变器输出节点连接至系统中性节点；以及
其中，所述第二多电平电力转换器的逆变器输出节点提供用于所述电力转换系统的交流输出。
13.根据权利要求11所述的电力转换系统，其中，所述控制器向所述逆变器开关器件以及所述开关电容器电路开关器件提供所述开关控制信号，以提供在至少四个不同电平之一处的每个多电平电力转换器的输出电压。
14.根据权利要求13所述的电力转换系统，其中，所述控制器在提供所述开关控制信号时、从针对四个不同输出电压电平中的至少一个的多个冗余开关状态中进行选择，以控制所述第一电容器和第二电容器的充电和放电。
15.根据权利要求11所述的电力转换系统，其中，所述多电平电力转换器的至少一个提供针对所述电力转换系统的多个输出相的每个相的输出电压。
16.根据权利要求7所述的多电平电力转换器，其中，所述控制器向所述逆变器开关器件以及所述开关电容器电路开关器件提供所述开关控制信号，以提供在四个不同的电平之一处的输出电压。
17.根据权利要求16所述的多电平电力转换器，其中，所述控制器在提供所述开关控制信号时、从针对四个不同输出电压电平中的至少一个的多个冗余开关状态中进行选择，以控制所述第一电容器和第二电容器的充电和放电。
18.根据权利要求1所述的多电平电力转换器，其中，所述第三内部节点不具有与中性节点的固定或受控连接，所述中性节点与所述直流输入相关联。
19.根据权利要求7所述的多电平电力转换器，其中，所述第三内部节点不具有与中性节点的固定或受控连接，所述中性节点与所述直流输入相关联。
20.根据权利要求11所述的电力转换系统，其中，所述第三内部节点不具有与中性节点的固定或受控连接，所述中性节点与所述直流输入相关联。
21.一种多电平电力转换器，包括：
逆变器电路，所述逆变器电路包括：
逆变器开关电路，所述逆变器开关电路包括在第一逆变器电路输入节点与第二逆变器电路输入节点之间彼此串联连接的多个逆变器开关器件、以及连接所述多个逆变器开关器件中的两个逆变器开关器件的逆变器输出节点，以及
钳位电路，所述钳位电路包括在所述逆变器开关电路的第一内部节点与第二内部节点之间彼此串联连接的第一钳位元件和第二钳位元件、以及接合所述第一钳位元件与所述第二钳位元件的第三内部节点，其中，所述第三内部节点不具有与中性节点的固定或受控连接，所述中性节点与直流输入相关联；
开关电容器电路，所述开关电容器电路包括：
开关电容器电路开关器件，所述开关电容器电路开关器件各自连接在相应的直流输入与相应的逆变器电路输入节点之间，以及
第一电容器和第二电容器，所述第一电容器和第二电容器各自连接在所述逆变器电路输入节点中的相应一个与所述第三内部节点之间；以及
控制器，所述控制器向所述多个逆变器开关器件以及所述开关电容器电路开关器件提供开关控制信号，以提供所述逆变器输出节点处的多电平输出电压并控制所述第一电容器和第二电容器的充电和放电。
22.根据权利要求21所述的多电平电力转换器，其中，所述控制器向所述逆变器开关器件以及所述开关电容器电路开关器件提供所述开关控制信号，以提供在四个不同的电平之一处的输出电压。
23.根据权利要求22所述的多电平电力转换器，其中，所述控制器在提供所述开关控制信号时、从针对四个不同输出电压电平中的至少一个的多个冗余开关状态中进行选择，以控制所述第一电容器和第二电容器的充电和放电、以将相应的第一电容器电压和第二电容器电压调节成小于在第一直流输入与第二直流输入之间的直流输入电压的一半。
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