CN104283432A - 联合共模电压注入系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示至少一种电能变换系统，其包括至少一个多电平变换器装置以及与该至少一个多电平变换器装置连接的控制器。控制器包括第一共模电压注入模块和第二共模电压注入模块。第一共模电压注入模块产生第一共模电压信号。第一共模电压信号用于修改至少一个电压指令信号，以取得与该电能变换系统运作相关的第一功能。第二共模电压注入模块至少基于一个本地限制条件产生第二共模电压信号。第二共模电压信号用于修改该至少一个尚未被该第一共模电压信号修改的电压指令信号或者进一步修改已经被该第一共模电压信号修改的电压指令信号，以取得与该电能变换系统运作相关的第二功能。

Description

联合共模电压注入系统和方法
技术领域
本发明公开的实施方式涉及电能变换系统，特别涉及一种执行联合共模电压注入的电能变换系统和相关方法。
背景技术
变换器（Converter），尤其是多电平变换器，由于其具有较好的输出波形品质以及较高的耐压能力，在很多工业领域取得逐渐广泛的应用。例如，多电平变换器可以被用来执行直流至交流的电能变换操作，以提供单相或者多相交流电压给泵或者车辆设备中使用的电机装置，以驱动电机运转。另外，多电平变换器还被用在发电系统中，例如，风力发电设备以及光伏或者太阳能发电设备中，以执行直流至交流的电能变换操作，以提供单相或者多相的交流电压给输电网和/或配电网。
通常，上文提及的变换器装置在设计时需要调节或者控制与该变换器运作相关的各种特性参数，以满足特定的要求或者确保装置的可靠运行。举例而言，该变流器装置提供的输出交流电压或者电流通常需要被控制成具有较小的全谐波失真或者总谐波失真（Total Harmonic Distortion,THD），因为高阶的谐波信号会降低输入给电网的电能的品质，或者会对电机造成损害。此外，与该变换器装置相关的至少包括两个电容器装置的直流母线需要被控制成尽量使得该至少两个电容器装置的电压差值或者不平衡度最小化，以避免给一个或者多个开关器件施加过大的电压，和/或产生非希望的谐波信号。然而，为了实现对各种特性参数的可靠控制，传统的系统通常需要执行不同的控制策略或者算法，例如，通过执行载波移相控制算法可以实现降低输出总谐波失真，再例如，通过执行空间矢量状态选择算法可以实现平衡直流母线中的至少两个电容器的直流电压。然而，现有技术尚缺乏一种电能变换系统，其可以通过执行一种控制算法以达成对多个特性参数的控制或者调节。
发明内容
有鉴于上文提及之技术问题或者技术需求，本发明的一个方面在于提供一种电能变换系统。该电能变换系统包括：至少一个多电平变换器装置以及与该至少一个多电平变换器装置连接的控制器，该控制器包括第一共模电压注入模块和第二共模电压注入模块，该第一共模电压注入模块被配置成产生第一共模电压信号，该第一共模电压信号用于修改至少一个电压指令信号，以取得与该电能变换系统运作相关的第一功能，该第二共模电压注入模块被配置成至少基于一个本地限制条件产生第二共模电压信号，该第二共模电压信号用于修改该至少一个尚未被该第一共模电压信号修改的电压指令信号或者进一步修改已经被该第一共模电压信号修改的电压指令信号，以取得与该电能变换系统运作相关的第二功能。
本发明的另一个方面在于提供一种电能变换系统。该电能变换系统包括：至少一个多电平变换器装置以及与该至少一个多电平变换器装置连接的控制器，该控制器包括第一共模电压注入模块和第二共模电压注入模块，该第一共模电压注入模块被配置成产生第一共模电压信号，该第一共模电压信号用于修改至少一个电压指令信号，以调节该电能变换系统运作相关的至少一个第一特性参数，该第二共模电压注入模块被配置成至少基于一个本地限制条件产生第二共模电压信号，该第二共模电压信号用于修改该至少一个尚未被该第一共模电压信号修改的电压指令信号或者进一步修改已经被该第一共模电压信号修改的电压指令信号，以调节与该电能变换系统运作相关的至少一个第二特性参数。
本发明的另一个方面在于提供一种电能变换系统。该电能变换系统包括：至少一个多电平变换器装置，与该至少一个多电平变换器装置连接的直流母线设备以及与该至少一个多电平变换器装置连接的控制器，该直流母线设备包括至少两个电容器，该至少两个电容器相互连接形成至少一个直流母线中点，该控制器包括第一共模电压注入模块和第二共模电压注入模块，该第一共模电压注入模块被配置成产生第一共模电压信号，该第一共模电压信号用于修改至少一个电压指令信号，以调节该电能变换系统运作相关的至少一个第一特性参数，该第二共模电压注入模块被配置成至少基于一个本地限制条件产生第二共模电压信号，该第二共模电压信号用于修改该至少一个尚未被该第一共模电压信号修改的电压指令信号或者进一步修改已经该至少一个已经被该第一共模电压信号修改的电压指令信号，以调节流向或者流出该直流母线中点的直流电流分量，以平衡该至少两个电容器的电压。
本发明的另一个方面在于提供一种电能变换系统。该电能变换系统包括：至少一个多电平变换器装置，与该至少一个多电平变换器装置连接的直流母线设备以及与该至少一个多电平变换器装置连接的控制器，该直流母线设备包括至少两个电容器，该至少两个电容器相互连接形成至少一个直流母线中点，该控制器包括第一共模电压注入模块和第二共模电压注入模块，该第一共模电压注入模块被配置成产生第一共模电压信号，该第一共模电压信号用于修改至少一个电压指令信号，以调节该电能变换系统运作相关的至少一个第一特性参数，该第二共模电压注入模块被配置成至少基于一个本地限制条件产生第二共模电压信号，该第二共模电压信号用于修改该至少一个尚未被该第一共模电压信号修改的电压指令信号或者进一步修改已经被该第一共模电压信号修改的电压指令信号，以调节流向或者流出该直流母线中点的交流电流分量，以平衡该至少两个电容器的电压。
本发明的另一个方面在于提供一种变换器控制器。变换器控制器用于发送控制信号给与该变换器控制器通信连接的多电平变换器，该多电平变换器与包括至少两个电容器的直流母线设备电连接，该至少两个电容器之间定义直流母线中点。该变换器控制器包括第一共模电压注入模块和第二共模电压注入模块，该第一共模电压注入模块被配置成产生第一共模电压信号，该第一共模电压信号用于修改至少一个电压指令信号，以调节该电能变换系统运作相关的至少一个第一特性参数，该第二共模电压注入模块被配置成至少基于一个本地限制条件产生第二共模电压信号，该第二共模电压信号用于修改该至少一个尚未被该第一共模电压信号修改的电压指令信号或者进一步修改已经被该第一共模电压信号修改的电压指令信号，以调节流进或者流出该直流母线中点的电流，以平衡该至少两个电容器的电压。
在一些实施方式中，在提供的变换器控制器中，该第二共模电压注入模块包括共模电压限幅值计算单元，该共模电压限幅值计算单元被配置成至少基于在该直流母线设备处测量获得的直流母线电压计算最大共模电压限幅值和最小共模电压限幅值。。
在一些实施方式中，在提供的变换器控制器中，该第二共模电压注入模块包括共模电压限幅值计算单元，该共模电压限幅值计算单元被配置成至少基于脉冲宽度调制的最小脉冲宽度要求计算最大共模电压限幅值和最小共模电压限幅值。。
在一些实施方式中，在提供的变换器控制器中，该第二共模电压注入模块包括电流选择单元和参考中点电流计算单元，该电流选择单元用于从第一直流母线中点电流和第二直流母线中点电流中选择一者并提供给该参考中点电流计算单元。
在一些实施方式中，在提供的变换器控制器中，该第一直流母线中点电流为未注入该第二共模电压之前流进或者流出该直流母线中点的原始中点电流，该第二直流母线中点电流为零电流。
本发明的另一个方面在于提供一种方法，用于控制电能变换系统的运行。该方法至少包括如下步骤：通过该电能变换系统中的控制器产生第一共模电压信号；使用该第一共模电压信号修改至少一个电压指令信号，以调节与该电能变换系统运行相关的至少一个第一特性参数；基于至少一个本地限制条件，通过该电能变换系统中的控制器产生第二共模电压信号；使用该第二共模电压信号修改该至少一个电压指令信号或者进一步修改被该第一共模电压信号修改过的该至少一个电压指令信号，以调节与该电能变换系统运行相关的至少一个第二特性参数。
在一些实施方式中，在该提供的方法中，产生该第二共模电压信号的步骤包括：从多个电压指令信号中识别出瞬时最大电压和瞬时最小电压；至少根据一个全局限制条件和一个本地限制条件计算最大共模电压限幅值和最小共模电压限幅值；至少根据该最大共模电压限幅值，最小共模电压限幅值，多个瞬时电流指令信号以及变换器电路的开关状态计算最大中点电流限制值，最小中点电流限制值，与该最大中点电流限制值对应的第一共模电压，以及与该最小中点电流限制值对应的第二共模电压；以及至少根据该最大中点电流限制值，最小中点电流限制值，与该最大中点电流限制值对应的第一共模电压，与该最小中点电流限制值对应的第二共模电压，以及参考中点电流计算该第二共模电压信号。
在一些实施方式中，在该提供的方法中，该方法还包括如下步骤：至少根据直流母线设备的直流电压差值信号产生增益信号；以及至少根据该最大中点电流限幅值，最小中点电流限幅值，原始中点电流和该增益信号产生该参考中点电流。
在一些实施方式中，在该提供的方法中，该方法还包括如下步骤：至少根据瞬时最大电压信号，瞬时中间电压信号，瞬时最小电压信号，瞬时最大电流信号，瞬时中间电流信号，以及瞬时最小电流信号计算计算流进或者流出直流母线中点的原始中点电流；以及根据至少一个在直流母线设备中点存在的至少一个期望的电流样式选择性地使用原始中点电流产生该参考中点电流。
本发明的另一个方面在于提供一种三相电机电驱动系统，其用于驱动至少一个三相交流电机运作。该三相电机电驱动系统包括至少一个多电平变换器装置，与该至少一个多电平变换器装置连接的直流母线设备以及与该至少一个多电平变换器装置连接的控制器。该直流母线设备包括至少两个电容器，该至少两个电容器相互连接形成至少一个直流母线中点。该控制器包括共模电压注入模块，该共模电压注入模块被配置成在多个载波带电压的限制条件下根据三相交流电压指令信号产生共模电压信号，该共模电压信号用于修改该三相交流电压指令信号。其中，在任一瞬时时刻，未注入该共模电压信号时，该三相交流电压中的第一相交流电压位于第一载波带电压范围内，该三相交流电压中的第二相交流电压位于第二载波带电压范围内，该三相交流电压中的第三相交流电压位于第三载波带电压范围内。其中，在该任一瞬时时刻，注入该共模电压信号后，该三相交流电压中的第一相交流电压仍然位于第一载波带电压范围内，该三相交流电压中的第二相交流电压仍然位于第二载波带电压范围内，该三相交流电压中的第三相交流电压仍然位于第三载波带电压范围内。
本发明提供的电能变换系统，变换器控制器和相关方法，通过至少第一共模电压注入模块注入第一共模电压信号可以实现与电能变换系统的运作相关的第一功能，还通过第一共模电压注入模块注入第一共模电压信号可以实现与电能变换系统的运作相关的第二功能，也即通过改变一种参数实现对其他多种参数的控制。
附图说明
通过结合附图对本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1所示为本发明提出的电能变换系统的一种实施方式的模块示意图，该电能变换系统被配置成执行联合共模电压注入算法或者方法；
图2所示为图1所示的具有嵌套式中点导向拓扑架构并且可以被用在图1所示的电能变换系统中的变换器的一种实施方式的详细电路拓扑架构示意图；
图3所示为图1所示的具有嵌套式中点导向拓扑架构并且可以被用在图1所示的电能变换系统中的变换器的另一种实施方式的详细电路拓扑架构示意图；
图4所示为图1所示的具有嵌套式中点导向拓扑架构并且可以被用在图1所示的电能变换系统中的变换器的另一种实施方式的详细电路拓扑架构示意图；
图5所示为图1所示的具有嵌套式中点导向拓扑架构并且可以被用在图1所示的电能变换系统中的变换器的另一种实施方式的详细电路拓扑架构示意图；
图6所示为联合共模电压注入算法的一种实施方式的概略模块示意图；
图7所示为联合共模电压注入算法的另一种实施方式的概略模块示意图；
图8所示为联合共模电压注入算法的另一种实施方式的概略模块示意图；
图9所示为图6-8中所示的第二共模电压注入模块的一种实施方式的详细模块示意图；
图10所示为图6-8中所示的第二共模电压注入模块的另一种实施方式的详细模块示意图；
图11所示为在通过注入共模电压信号来对调制波形进行修正所考虑的一种本地限制条件的一种实施方式的模块示意图；以及
图12所示为共模电压注入方法的一种实施方式的流程图。
具体实施方式
以下将描述本发明的一个或者多个具体实施方式。首先要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，或者为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”或者“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或者”包括所列举的项目中的任意一者或者全部。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。此外，“电路”或者“电路系统”以及“控制器”等可以包括单一组件或者由多个主动元件或者被动元件直接或者间接相连的集合，例如一个或者多个集成电路芯片，以提供所对应描述的功能。
在此结合附图所描述的一个或者多个实施方式大致涉及联合共模电压注入算法或者方法，以及可以被配置成执行该联合共模电压注入算法或者方法的电能变换系统，从而可以取得或者实现与该电能变换系统的运行相关的多个目的或者功能。更具体而言，该联合共模电压注入算法或者方法可以在执行时注入第一共模电压信号，以用来对至少一个指令信号或者调制波信号（例如，三相电压信号）的幅值进行改变或者调节，从而可以实现与该电能变换系统运行相关的第一功能或者对至少一个第一特性参数进行调节。在一种实施方式中，该第一功能可以为提高直流母线电压的利用率或者为降低输出的总谐波失真，并且更具体地，该第一功能可以通过注入按照最大-最小计算（min-max calculation）方法计算得到的第一共模电压信号来实现。在最大-最小计算方式中，该第一共模电压信号根据从多个电压信号（例如，三相电压信号）中识别出的瞬时最大电压和瞬时最小电压计算得到。在其他实施方式中，该第一共模电压信号也可以通过注入具有三倍基波频率的三次谐波信号来产生。在一些实施方式中，为了获得最低输出的总谐波失真，该第一共模电压信号可以通过特别的方式来产生，以确保经该第一共模电压信号修改过的指令信号或者修改过的调制波信号远离载波带的边缘。在一些实施方式中，为了进一步降低该变换器中的开关器件所产生的开关损耗，该第一共模电压信号可以进一步通过特别的方式来产生，以提供平顶式调制模式。在此所谓的“平顶式调制模式”是指施加至该变换器装置至少一相一个或者多个驱动信号在一段相对较长时间范围内维持在“0”开关状态或者“1”开关状态。
进一步，该联合共模电压注入算法或者方法可以在执行时注入第二共模电压信号。该第二共模电压信号用来对该尚未被该第一共模电压信号修改过的至少一个指令信号或者调制波信号（例如，三相电压信号）的幅值进行改变或者调节，或者对已经被该第一共模电压信号修改过的至少一个指令信号或者调制波信号的幅值进行改变或者调节，从而可以实现与该电能变换系统运行相关的第二功能或者对至少一个第二特性参数进行调节。在一些实施方式中，该第二功能可以为中点电流调节功能或者直流母线电压平衡功能。更具体而言，在一种实施方式中，该第二共模电压信号可以被注入来调节流入或者流出直流母线的直流电流分量，以使得该直流母线处所存在的电压不平衡问题在一个或者多个控制周期之后被消除或者基本降低到零。在另一种实施方式中，该第二共模电压信号也可以被注入来调节流入或者流出直流母线的交流电流分量，以使得该直流母线处所存在的电压不平衡问题在一个或者多个控制周期之后被消除或者基本降低到零。在一些实施方式中，该第二共模电压信号可以通过特定的方式来产生，以确保通过脉冲宽度调制方式产生的驱动信号或者门极信号，在变换器的输出不产生电压-秒失真的前提下，具有最小的脉冲宽度。在一些特定的实施方式中，例如五电平或者更高电平的功率变换器中，该第二共模电压信号也可以通过选择性地利用开关控制信号所存在的冗余状态来来注入，从而可以降低功率变换器中的飞跨电容的电压应力或者消除至少两个飞跨电容器之间的电压不平衡问题。在一些实施方式中，在注入该第二共模电压信号时，在取得相同中点电流调节或者直流母线电压平衡的情形下，可以使该第二共模电压信号具有最小化的幅值。
在一些实施方式中，在产生该第二共模电压信号时，可以考虑至少一个全局限制条件（global limit）。更具体而言，在一种实施方式中，该至少一个全局限制条件包括一个或者多个直流母线电压值。在考虑直流母线电压值限制条件时，该第二共模电压信号的幅值以特定的方式产生，以使得一个或者多个经该第二共模电压信号修改的电压指令信号或者调制波电压信号的幅值不超出由上限直流母线电压和下限直流母线电压所限制的范围。进一步，在一些实施方式中，该第二共模电压信号的幅值以特别的方式来产生，以使得修改后的最大或者最小电压指令信号或者调制波电压信号不越过零或者不长时间越过零。
在一些实施方式中，在产生该第二共模电压信号时，可以考虑至少一个本地限制条件（local limit）。更具体而言，在一种实施方式中，该至少一个本地限制条件包括载波带电压值。在考虑该载波带电压值时，该第二共模电压信号的幅值以特定的方式产生，以使得在任意时刻点，该一个或者多个电压指令信号或者调制波电压信号在经该第二共模电压信号修改前落在一个载波带电压范围内时，不会在经该第二共模电压信号修改后跳入另一个载波带电压范围。
执行本发明提出的联合共模电压注入算法或者方式可以取得多个技术优点或者有益效果。其中一个技术优点或者有益效果为直流母线处的直流电压可以在任意功率因素条件下均可以取得均衡。另一个技术优点或者有益效果为可以使得从负载看到的共模电压值最小化。再一个技术优点或者有益效果特别是在考虑例如载波带电压本地限制条件来注入共模电压信号时，将电压指令信号或者调制波电压信号在任意瞬时点限制在相应的载波带电压范围内，可以避免额外的开关样式和/或开关状态的瞬变事件，从而可以降低到控制的复杂度，也可以降低开关损耗。对于本领域具有通常知识的人员而言，通过阅读下文结合附图所作之详细描述，很容易可以明白本发明具体实施方式还可以产生其他技术优点或者技术效果。
图1所示为本发明提供的电能变换系统100的一种实施方式的模块示意图。基本而言，图1所示的电能变换系统100可以为任何以变换器为主要部件的电能变换系统，并且该变换器可以被本发明所提出的联合共模电压注入算法或者方法来控制。特别地，在一些实施方式中，该电能变换系统100可以为基于多电平变换器的系统，并可以适用于中高功率和中高电压等应用场合。
如图1所示，该电能变换系统100大致包括变换器装置120和控制器140，该变换器装置120和控制器140可以进行通信连接。在一种实施方式中，该控制器140可以与变换器装置120进行电连接，以通过一个或者多个电连接线路，例如导电线，传送控制信号106给变换器装置120。在另外一种实施方式中，该控制器140也可以与变换器装置120进行光连接，以通过光通信线路，例如，一个或者多个光纤，传送控制信号106给变换器装置120。该控制器140可以包括任何合适的可编程电路或者装置，包括数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、现场可编程门阵列（Field Programmable GateArray，FPGA）、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）以及专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）等。该变换器装置120响应从该控制器140传送而来的控制信号106，以在第一功率装置110和第二功率装置130之间执行单向或者双向的电能变换操作。
在一种实施方式中，该变换器装置120包括第一变换器122，直流母线设备124和第二变换器126。在一种实施方式中，该第一变换器122可以为交流-直流变换器，其被配置成将该第一功率装置110（例如，电网）提供的第一电能102（例如，第一交流电压）转换成直流电能123（例如，直流电压）。在一种实施方式中，该直流母线设备124可以包括多个电容器，其对该第一变换器122提供的第一直流电压123进行滤波，以提供第二直流电压125给该第二变换器126。在一种实施方式中，该第二变换器126为直流-交流变换器，其被配置成将该第二直流电压125转换成第二交流电压104，并将该第二交流电压104传送到第二功率装置130（例如，交流电机），或者将该第二交流电压104提供给一个功率网络，例如负载和/或电网（图未示出）。虽然未作图示，但是该电能变换系统100也可以包括其他部件或者装置，例如，在第一功率装置110和该变换器装置120之间可以设置滤波装置以及断路器等，并且，在该变换器装置120和该第二功率装置130之间，也可以设置滤波装置以及断路器等。
在一种实施方式中，图1所示的该电能变换系统100可以应用到多个领域，举例而言，该电能变换系统100可以应用到电机驱动领域，以驱动一个或者多个电机，例如交流电机。在其他实施方式中，该电能变换系统100也可以应用到发电领域，包括但不限于风力发电装置，光伏发电装置，水力发电装置以及上述发电装置的组合。在其他实施方式中，该电能变换系统100也可以应用到需要使用不间断电源系统（Uninterruptible/Uninterrupted PowerSystem,UPS）进行供电的领域。在一种实施方式中，该第一变换器122可以为交流-直流变换器，其可以被设置成将第一功率装置110（例如，电网）提供的第一交流电能转换或者整流成直流电能。该电能变换系统100还可以包括能量存储装置127，以接收并存储该第一变换器122所转换得到的直流电能。在一种实施方式中，该第二变换器126可以为直流-交流变换器，其可以被设置成将该第一变换器122转换得到的直流电能或者将该能量存储装置127提供的直流电能转换成第二交流电能，并将该第二交流电能提供给该第二功率装置130（例如，负载）。
如图1所示，该电能变换系统100中的控制器140可以包括联合共模电压注入模块28，该联合共模电压注入模块28可以由软件来实现，也可以通过硬件来实现，或者也可以通过硬件结合软件的方式来实现，并且在运行时可以取得或者实现与该电能变换系统100相关的多个目的或者功能。更具体而言，该联合共模电压注入模块28在执行时，可以注入第一共模电压信号，以用来对至少一个指令信号或者调制波信号（例如，三相电压信号）的幅值进行改变或者调节，从而可以实现与该电能变换系统100运行相关的第一功能或者对至少一个第一特性参数进行调节。在一种实施方式中，该第一功能可以为提高直流电压的利用率（一种第一特性参数）或者为降低输出的总谐波失真（另一种第一特性参数）。进一步，该联合共模电压注入模块28可以在执行时注入第二共模电压信号。该第二共模电压信号用来对该尚未被该第一共模电压信号修改过的至少一个指令信号或者调制波信号（例如，三相电压信号）的幅值进行改变或者调节，或者对已经被该第一共模电压信号修改过的至少一个指令信号或者调制波信号的幅值进行改变或者调节，从而可以实现与该电能变换系统运行相关的第二功能或者对至少一个第二特性参数进行调节。在一些实施方式中，该第二功能可以为中点电流调节（一种第二特性参数），直流母线电压平衡控制（另一种第二特性参数），限制驱动信号的最小脉冲宽度，以及降低飞跨电容器的电压应力等。关于该联合共模电压注入模块28的详细细节将在下文结合图6-11进行描述。
图2所示为可以被图1所示的联合共模电压注入模块28执行的算法或者方法以取得与该电能变换系统100相关的多个功能的变换器的一种实施方式的详细电路拓扑架构示意图。更具体而言，图2示出了一种被设置成具有嵌套式中点导向拓扑架构功率变换器200的一相的详细电路图。在一种特定的实施方式中，该功率变换器200被设置成提供五电平输出。在其他实施方式中，该功率变换器200可以通过类似的方式进行设置，以提供2n-1等级的电平输出，其中n大于或者等于3。该单相的功率变换器200可以被执行为如图1所示的第二变换器或者逆变器126中的一个相位，以将直流电压转换成交流电压。该单相的功率变换器200也可以被执行为如图1所示的第一变换器或者整流器122中的一个相位，以将交流电压转换成直流电压。
如图2所示，该单相的功率变换器200包括四个开关单元210，220，230，240，该四个开关单元210，220，230，240串联连接以形成纵向桥臂264。在图示的实施方式中，该四个开关单元210，220，230，240中的每一者包括首尾串联连接的两个开关器件，通过此串联连接方式可以使用低耐压等级的半导体开关器件来均匀地分担由正输入线206和负输入线208作用的电压。该正输入线206和负输入线208分别与第一端口202和第二端口204连接，以从电压源（图未示出）接收输入电压。更具体而言，该第一开关器件212的发射极（或者与其他半导体开关器件等效的名称）与第二开关器件214的集电极（或者与其他半导体开关器件等效的名称）连接。在其他实施方式中，该四个开关单元210，220，230，240中的每一者，可以根据实际的需要，包括两个以上以串联方式连接在一起的开关器件。
如图2所示，该单相的功率变换器200还包括两个开关单元250，260，该两个开关单元250，260串联连接以形成横向桥臂266。在图示的实施方式中，该两个开关单元250，260中的每一者包括首首或者尾尾串联连接的两个开关器件。更具体而言，两个开关器件236，238的发射极连接在一起，而另两个开关器件232，234的发射极连接在一起。在其他实施方式中，该两个开关单元250，260中四个开关器件232，234，236，238的每一者可以替换成至少两个串联的开关器件，以允许在横向桥臂266也使用低耐压的开关器件。
请进一步参阅图2，该单相的功率变换器200通过正输入线206和负输入线208与直流母线设备270相连接。在图示的实施方式中，该直流母线设备270包括第一电容器242和第二电容器244，该第一电容器242和第二电容器244以串联的方式连接在该正输入线206和负输入线208之间。该第一电容器242和第二电容器244相互连接在一起，以形成直流母线中点252，该直流母线中点252进一步与该横向桥臂266的一端相连接。如下文所描述，该直流母线中点252处的电压，和/或流进或者流出该直流母线中点252处的电流可以通过执行本发明提出的联合共模电压注入算法或者方法进行调节或者控制，以实现直流母线电压的调节。
请进一步参阅图2，该单相的功率变换器200还包括第一飞跨电容器246和第二飞跨电容器248。该第一飞跨电容器246的一端与第一开关单元210和第二开关单元220之间的连接点254相电连接，该第一飞跨电容器246的另一端与横向桥臂266的两个开关单元250，260之间的连接点256相电连接。该第二飞跨电容器248的一端与连接点256相电连接，该第二飞跨电容器248的另一端与第三开关单元230和第四开关单元240之间的连接点258相电连接。如下文所作的详细描述，该第一飞跨电容器246和第二飞跨电容器248的电压也可以通过执行本发明提出的联合共模电压注入算法或者方法进行控制或者平衡。
在运行时，该纵向桥臂264和横向桥臂266的多个开关器件可以按照预设的开关样式被选择性地开通或者关断，以通过输出端262提供不同等级的输出，例如“2”，“1”，“0”，“-1”，“-2”五个等级的输出，其分别对应不同等级的输出电压。例如，当该单相的功率变换器200需要提供“2”等级的输出电压时，其中，开关器件212，214，216，218，232，236被开通，开关器件222，224，226，228，234，238被关断，因此，电流沿着正输入线206，开关器件212，214，216，218后，到达输出端262。当该单相的功率变换器200需要在输出端262提供“1”等级的输出电压时，有两种方式。获得“1”等级输出电压的一种方式为：将开关器件212，214，234，236开通，将开关器件212，214，232，238，222，224，226，228关断，在此情形下，电流沿着正输入线206，两个开关器件212，214，第一飞跨电容器246，开关器件236，与开关器件238相关联的反平行二极管所形成的路径到达输出端262。获得“1”等级输出电压的另外一种方式为：将开关器件216，218，232，234开通，将开关器件222，224，226，228关断，因此，电流可以沿着与开关器件232相关联的反平行二极管，开关器件234，第一飞跨电容器246，两个开关器件216，218所形成的路径到达输出端262。由于存在冗余的电流路径或者开关组合状态，因此，该单相的功率变换器200的多个开关器件可以策略性地进行控制其开关状态，以对第一飞跨电容器246和第二飞跨电容器248进行充电或者放电，从而可以实现第一飞跨电容器246和第二飞跨电容器248的电压平衡。
图3所示为可以在图1所示的联合共模电压注入模块28中执行的算法或者方法以取得与该电能变换系统100相关的多个功能的变换器的另一种实施方式的详细电路拓扑架构示意图。在一种特定的实施方式中，图3所示的单相的功率变换器300可以实施成图1所示的第一变换器或者整流器122，以将交流电压转换成直流电压。图3所示的该单相的功率变换器300基本与图2所示的单相的功率变换器200相类似，因此，相同的元件在此实施方式中将不作详细描述。其中，图3所示的该单相的功率变换器300的一个不同之处为其纵向桥臂264中的四个开关单元310，320，330，340中每一者使用两个被动或者不可控的器件（例如，二极管），该两个不可控器件以串联方式连接，以取代图2中所示的可控开关器件。更具体而言，在图3所示的实施方式中，该第一开关单元310包括两个串联连接的二极管312，314，该第二开关单元320包括两个串联连接的二极管316，318，该第三开关单元330包括两个串联连接的二极管322，324，该第四开关单元340包括两个串联连接的二极管326，328。在其他实施方式中，该四个开关单元310，320，330，340中的任一者可以包括多于两个并以串联方式连接在一起的不可控器件。
图4所示为可以在图1所示的联合共模电压注入模块28中执行的算法或者方法以取得与该电能变换系统100相关的多个功能的变换器的另一种实施方式的详细电路拓扑架构示意图。特别地，图4所示的单相变换器350为三电平中点导向变换器，该单相变换器350通过正输入线354和负输入线356与直流母线设备360相连接。该直流母线设备360包括第一电容器362和第二电容器364，该第一电容器362和第二电容器364串联连接在该正输入线354和负输入线356之间，并且相互之间连接在一起，以形成直流母线中点363。该单相变换器350还包括纵向桥臂366和横向桥臂364。该纵向桥臂366包括第一开关单元370和第二开关单元380，该第一开关单元370和第二开关单元380串联连接在该正输入线354和负输入线356之间。在图示的实施方式中，该第一开关单元370包括串联连接的第一开关器件372和第二开关器件374，该第二开关单元380包括串联连接的第三开关器件376和第四开关器件378。在其他实施方式中，该第一开关单元370和第二开关单元380也可以根据实际的需要包括多于两个的开关器件。在图示的实施方式中，该横向桥臂368包括第五开关器件382和第六开关器件384，该第五开关器件382和第六开关器件384以背靠背的方式连接在直流母线中点363和输出端375之间。在运行时，该单相变换器350的多个开关器件372，374，376，378，382，384可以通过按照预设的开关样式被开通或者关断，以允许从输入端353，355接收的直流电压可以被转换成交流电压，并从输出端375输出。
图5所示为可以在图1所示的联合共模电压注入模块28中执行的算法或者方法以取得与该电能变换系统100相关的多个功能的变换器的另一种实施方式的详细电路拓扑架构示意图。类似地，图5所示的单相变换器351也为三电平中点导向变换器，其基本与图4所示的单相变换器350相类似，相同的元件以同样的标号标示，并且其细节在此不作详细描述。图5所示的单相变换器351的一个不同之处在于其第一开关单元370包括两个串联连接的被动或者不可控器件（例如，二极管）386，388，其第二开关单元380包括两个串联连接的被动或者不可控器件（例如，二极管）392，394。在其他实施方式中，该第一开关单元370和该第二开关单元380也可以包括多于两个的被动或者不可控开关器件。
应当可以理解的是，图2至图5所示出的各种多电平嵌套式中点导向式变换器仅仅作为一种示例，以方便描述本发明所提出的联合共模电压注入算法或者方法，本领域具有一般技能之人士应当可以将本发明所提出的联合共模电压注入算法扩展到其他多电平变换器，包括但不限于，具有中点箝位拓扑架构（neutral point clamped topology）的变换器以及具有主动中点箝位拓扑架构（active neutral-point clamped topology）的变换器等。
图6所示为联合共模电压注入模块/算法400的一种实施方式的概略模块示意图。该联合共模电压注入模块或者算法400可以被图1所示的控制器140执行，以取得或者实现与图1所示的电能变换系统100相关的多个功能。如图6所示，该联合共模电压注入模块或者算法400包括第一共模电压注入模块402和第二共模电压注入模块404。在其他实施方式中，该联合共模电压注入模块或者算法400也可以包括多于两个的共模电压注入模块。并且，在一些特定的实施方式中，也可以在具体实施该联合共模电压注入模块或者算法400时，将第一共模电压注入模块402省去。该第一共模电压注入模块402被配置成注入第一共模电压信号406，该第一共模电压信号406用于修改或者调节至少一个指令信号或者调制波信号422，以取得或者实现与该电能变换系统100的运作相关的至少一个第一功能。在一种实施方式中，该至少一个指令信号422包括三相电压指令信号，该三相电压指令信号可以由变换单元418将d-q坐标系下的电压指令信号416转换到三相坐标系下而得到。在一个具体的实施方式中，该第一共模电压注入模块402可以被配置成通过最大-最小计算（min-max calculation）方式来产生该第一共模电压信号406。更具体而言，该第一共模电压注入模块402可以被配置成根据如下所述的方程来产生该第一共模电压信号406：
u 0 = max ( u dm , a , b , c ) + min ( u dm , a , b , c ) 2 - - - ( 1 ) ,
其中，u0为第一共模电压信号，max(udm,a,b,c)代表从三相电压信号中识别出的瞬时最大电压信号，min(udm,a,b,c)代表从三相电压信号中识别出的瞬时最小电压信号。在其他实施方式中，该第一共模电压注入模块402也可以被配置成将该第一共模电压信号406注入成纯三次谐波信号，该纯三次谐波信号具有三倍的基波频率。通过使用最小-最大计算方法注入该第一共模电压信号406或者使该第一共模电压信号406具有三次谐波信号可以提高直流电压的利用率，并且可以降低由该第二变换器126输出的总谐波失真。在图示的实施方式中，通过第一求和元件412使该第一共模电压信号406与三相电压指令信号422中的每一者相结合，以提供第一修正的三相电压指令信号424。
请进一步参阅图6，在一种实施方式中，该第二共模电压注入模块404被配置成产生第二共模电压信号408，该第二共模电压信号408被用来修改或者调节一个或者多个指令信号，以取得或者实现与该电能变换系统100的运作相关的至少一个第二功能。在图6所示的实施方式中，该第二共模电压信号408根据该变换单元418提供的三相电压指令信号422来产生。在其他实施方式中，如图7所示，该第二共模电压信号408也可以根据该第一求和元件412提供的第一修改的三相电压指令信号424来产生。在图6所示的实施方式中，该第二共模电压信号408被提供给第二求和元件414，该第二求和元件414将该第二共模电压信号408和第一修改的三相电压指令信号424相结合，以提供第二修改的电压指令信号426。在其他实施方式中，该第二共模电压信号408也可以直接用来修改由该变换单元418提供的三相电压指令信号422。举例而言，如图8所示，该第二共模电压信号408和该第一共模电压信号406被共同提供给求和元件434，该求和元件434将第一共模电压信号406，第二共模电压信号408和三相电压指令信号422相结合，以提供第二修改的电压指令信号436。在图6，图7或者图8所示的实施方式中，该第二修改的电压指令信号426，436被提供调制单元428，该调制单元428被配置成产生控制信号432，以用来开通或者关断该第二变换器126中的各个开关器件，从而可以使得至少与该能量变换系统100运作相关的第一功能和第二功能得以实现。
图9所示共模电压注入模块500的一种实施方式的详细模块示意图。该共模电压注入模块500可以实施为图6至图7中所示的第二共模电压注入模块404，以对由第一共模电压信号406修改过的一个或者多个电压指令信号424进一步进行修改。在一些实施方式中，该共模电压注入模块500也可以独立地实施为图8所示的第二共模电压注入模块404，以直接修改由变换单元418提供的一个或者多个电压指令信号422，从而可以实现至少一个第二功能，例如直流母线电压的平衡。
在图9所示的实施方式中，该共模电压注入模块500包括数值分类单元（min-max classifier）506，共模电压限幅值计算单元518，中点电流计算单元528，中点电流预计算单元544，参考中点电流计算单元556，参考共模电压计算单元562，以及直流电压平衡调节单元582。
在一种实施方式中，该数值分类单元506被配置成接收电压指令信号，例如，三相电压指令信号504。该数值分类单元506被进一步配置成在任一时刻从该三相电压指令信号504中识别出瞬时最大电压指令信号508和瞬时最小电压指令信号512。在一些实施方式中，该数值分类单元506还被配置成在任一时刻从该三相电压指令信号504中识别出瞬时中间电压指令信号509。该相同的数值分类单元506，或者在其他实施方式中，不同的数值分类单元可以被配置成接收三相电流指令信号502，并从该三相电流指令信号502中识别出瞬时最大电流指令信号516和瞬时最小电流指令信号514。在一些实施方式中，该相同的数值分类单元506，或者在其他实施方式中，不同的数值分类单元，可以被用来从该三相电流指令信号502中识别出瞬时中间电流指令信号515。
请继续参阅图9，在一种实施方式中，该瞬时最大电压指令信号508和瞬时最小电压指令信号512被提供给共模电压限幅值计算单元518，该共模电压限幅值计算单元518被配置成按照一个或者多个限制条件计算最大共模电压限幅值524和最小共模电压限幅值526。在一种特定的实施方式中，该共模电压限幅值计算单元518根据一个或者多个全局限制条件522，例如，在直流母线设备124处测量到的一个或者多个直流电压来产生该最大共模电压限幅值524和最小共模电压限幅值526。该最大共模电压限幅值524被设置成确保经修改的电压指令信号不会达到或者超过上限直流电压值，并且该最小共模电压限幅值526被设置成确保经修改后的电压指令信号不会达到或者低于下限直流电压值。进一步，在一些实施方式中，该最大共模电压限幅值524和该最小共模电压限幅值526以特别的方式来产生，以使得修改后的最大或者最小电压指令信号或者调制波电压信号不会改变符号（例如，从正值变成负值，或者从负值变成正值）。
请进一步参阅图9，在一种实施方式中，该最大共模电压限幅值524和该最小共模电压限幅值526被提供给中点电流计算单元528，该中点电流计算单元528被配置成至少根据该最大共模电压限幅值524和该最小共模电压限幅值526计算在注入共模电压信号后的中点电流信号。在该中点电流计算单元528执行的计算可以通过在线方式进行也可以通过离线方式进行。在一些实施方式中，该中点电流计算单元528可以通过数值方式（numericalmanner）计算该最大中点电流限幅值538和最小中点电流限幅值542。举例而言，该中点电流计算单元528可以计算出最大共模电压限幅值524和最小共模电压限幅值526之间的所有共模电压对应的中点电流信号，然后，通过扫描该所有计算出的中点电流信号识别出最大中点电流限幅值538和最小中点电流限幅值542。并且，可以进步获得与该最大中点电流限幅值538对应的第一共模电压值534和与该最小中点电流限幅值542对应的第二共模电压值536。
在其他实施方式中，该中点电流计算单元528也可以通过分析方式（analytical manner）计算该最大中点电流限幅值538和最小中点电流限幅值542。举例而言，可以使用一个或者多个线性方程来计算该最大中点电流限幅值538和最小中点电流限幅值542。在一种实施方式中，该最大中点电流限幅值538和最小中点电流限幅值542至少基于该最大共模电压限幅值524，最小共模电压限幅值526，以及三相电流指令信号502而计算得到。在其他实施方式中，除了使用三相电流指令信号502进行计算之外，该中点电流计算单元528还可以至少基于该最大共模电压限幅值524，最小共模电压限幅值526，以及三相电流反馈信号532（在图中以虚线表示）而计算得到，并且，该三相电流反馈信号532可以通过一个或者多个在第二变换器126的输出端所设置的电流传感器测量得到。
在一些实施方式中，该中点电流计算单元528也可以被配置成选择性地根据一个或者多个开关状态信号533（在图中以虚线表示）来产生该最大中点电流限幅值538和最小中点电流限幅值542，以及分别与二者相对应的第一共模电压值534和第二共模电压值536。在一些情形下，对于特定的最大中点电流限幅值和最小中点电流限幅值，可能存在两个或者多个共模电压值，并且每个共模电压值对应一组特定的开关状态。在此所谓的“开关状态”是指在任意时刻控制变换器装置中所有开关器件的驱动信号的开通或者关断状态。在存在这种开关状态冗余的情形下，二个或者多个共模电压中的一者可以根据变换器所期望的运作的开关状态来产生，以实现特定的功能，例如，降低飞跨电容器的电压应力，或者实现飞跨电容器的电压平衡。
请进一步参阅图9，该最大中点电流限幅值538和最小中点电流限幅值542被提供给该参考中点电流计算单元556，该参考中点电流计算单元556被配置成至少基于原始中点电流554，增益信号584，以及该最大中点电流限幅值538和最小中点电流限幅值542来计算参考中点电流558。该参考中点电流558代表期望的流进或者流出该直流母线设备270处的直流母线中点252的电流。在一种实施方式中，该原始中点电流554由电流选择单元548提供，并且该电流选择单元548根据该电能变换系统100应当运行的中点电流调节模式从第一原始中点电流546和第二原始中点电流552中选择一者。更具体而言，当该电能变换系统100被期望运作在第一中点电流调节模式下时，特别地，该直流母线设备270的直流母线中点252所存在的三次电流谐波需要被保留时，该电流选择单元548根据输入的模式选择信号551选择第一原始中点电流546，并将该第一原始中点电流546提供给该参考中点电流计算单元562。另一方面，当该电能变换系统100被期望运作在第二中点电流调节模式下时，特别地，该直流母线设备270的直流母线中点252所存在的三次电流谐波需要被降低或者消除时，该电流选择单元548根据输入的更新的模式选择信号551选择第二原始中点电流552，并将该第二原始中点电流552提供给该参考中点电流计算单元562。
在一种实施方式中，该第一原始中点电流546可以由该中点电流预计算单元544至少根据瞬时最大电压指令信号508，瞬时中间电压指令信号509，瞬时最小电压指令信号512，瞬时最大电流指令信号516，瞬时中间电流指令信号515，以及瞬时最小电流指令信号514计算得到。更具体而言，在一种实施方式中，该中点电流预计算单元544可以使用如下所示的方程来计算该第一原始中点电流546：
i np , org = u max u DCP i u max + u min u DCM i u min + u mid u DCP i umid for u mid &GreaterEqual; 0 u max u DCP i u max + u min u DCM i u min + u mid u DCM i umid for u mid < 0 - - - ( 2 ) ,
其中，inp,org为第一原始中点电流，umax,umid,umin旺研主凡分别为瞬时最大电压，瞬时中间电压，瞬时最小电压，iumax,iumid,iumin分别为瞬时最大电流，瞬时中间电流，瞬时最小电流，uDCP为直流母线设备的第一电容器的直流电压，uDCM士为直流母线设备的第二电容器的直流电压。
在一种实施方式中，该增益信号584由该直流电压平衡调节单元582产生，其中该直流电压平衡调节单元582可以为比例积分调节器等。该直流电压平衡调节单元582接收电压偏差信号578，该电压偏差信号578由求和元件576将直流电压偏差信号574与零直流电压指令信号572相减而得到。该直流电压偏差信号574代表直流母线设备270的第一电容器242和第二电容器244的电压差值。零直流电压指令信号572设置成用来指示期望的两个电容器之间的直流电压的差值为零。
请进一步参阅图9，在一种实施方式中，当该电能变换系统100运行在第一中点电流调节模式下时，也即直流母线中点252处的三次电流谐波需要保留时，该参考中点电流计算单元556被配置成使用如下的方程来计算该参考中点电流信号558：
i np , mod = i np , org ( 1 - g ) + i np , max &CenterDot; g for g > 0 i np , org for g = 0 i np , org ( 1 + g ) + i np , min &CenterDot; | g | for g < 0 - - - ( 3 ) ,
其中，inp,mod为参考中点电流信号，inp,org为第一原始中点电流信号，g为增益信号，inp,max冯TR可骂为最大中点电流限制值，inp,min为最小中点电流限制值。
在另外一种实施方式中，当该电能变换系统100运行在第二中点电流调节模式下时，也即直流母线中点252处交流的三次电流谐波需要保留时，该参考中点电流计算单元556被配置成使用如下的方程来计算该参考中点电流信号558：
i np , mod = i np , org * ( 1 - g ) + i np , max &CenterDot; g for g > 0 i np , org * for g = 0 i np , org * ( 1 + g ) + i np , min &CenterDot; | g | for g < 0 - - - ( 4 ) ,
其中，inp,mod为参考中点电流信号，inp,org *为第二原始中点电流信号，g为增益信号，inp,max为最大中点电流限制值，inp,main为最小中点电流限制值。
请继续参阅图9，由该参考中点电流计算单元556所计算得到的该参考中点电流信号558被进一步提供给该参考共模电压计算单元562。该参考共模电压计算单元562被配置成至少基于该参考中点电流信号558，该最大中点电流限幅值538，最小中点电流限幅值542，以及与该最大，最小中点电流限幅值538，542相对应的第一，第二共模电压值534，536计算该参考共模电压信号564。该参考共模电压信号564代表任意时间点产生的可以使得直流母线中点的电流得到适当调节，或者使得直流母线设备270的至少两个电容器的直流电压得到平衡的共模电压值。在一种实施方式中，该参考共模电压计算单元562可以使用一个或者多个由直流母线中点电流和共模电压之间的线性方程来计算期望的参考共模电压信号。在其他实施方式中，该参考共模电压计算单元562也可以通过查表方式来获得该参考共模电压信号。在一种实施方式中，由该参考共模电压计算单元562计算得到的参考共模电压信号564被提供给求和元件566。该求和元件566将该参考共模电压信号564和该一个或者多个电压指令信号或者调制波信号504相结合，以得到一个或者多个修改后的电压指令信号或者调制波信号568。该一个或者多个修改过的电压指令信号或者调制波信号568被提供该如图6-8所示的调制单元428。该调制单元428根据该一个或者多个修改过的电压指令信号或者调制波信号568产生控制信号432，例如开关信号，以实现对直流母线设备270处的至少两个电容器242，244的电压进行平衡的功能。
图10所示为共模电压注入模块600的另一种实施方式的详细模块示意图。该共模电压注入模块600可以实施为图6至图7中所示的第二共模电压注入模块404，以对由第一共模电压信号406修改过的一个或者多个电压指令信号424进一步进行修改。在一些实施方式中，该共模电压注入模块500也可以独立地实施为图8所示的第二共模电压注入模块404，以直接修改由变换单元418提供的一个或者多个电压指令信号422，从而可以实现至少一个第二功能，例如直流母线电压的平衡。图10所示的该共模电压注入模块600基本与图9所示的共模电压注入模块500相类似，因此，图10中示出的与图9相同或者相类似的元件将不作详细描述。
特别地，在图10所示的实施方式中，该共模电压注入模块600的一个不同之处为其共模电压限幅值计算单元518可选地或者进一步地被配置成至少根据一个或者多个本地限制条件586来计算该最大共模电压限幅值524和最小共模电压限幅值526。在一种实施方式中，该一个或者多个本地限制条件586包括载波带电压。如图11所示，第一载波信号612位于由第一电压电平632和第二电压电平634定义的第一载波带电压范围622内。类似地，第二载波信号614位于由第二电压电平634和第三电压电平636定义的第二载波带电压范围624内，第三载波信号616位于由第三电压电平636和第四电压电平638定义的第三载波带电压范围626内，第四载波信号618位于由第四电压电平638和第五电压电平642定义的第三载波带电压范围628内。如图11所示，在t0时刻点，该本地限制条件586被设置成使得该三相电压调制波信号610，620，630在被所产生的参考共模电压信号修改后，仍然分别落在各自在未被共模电压修改前所在的载波带电压范围内，也即，第一相电压调制波信号610仍然落在第三载波带电压范围626内，第二相电压调制波信号620仍然落在第一载波带电压范围622内，第三相电压调制波信号630仍然落在第四载波带电压范围628内。类似地，在瞬时时刻点t1，该本地限制条件586被设置成使得该三相电压调制波信号610，620，630在被参考共模电压信号修改后仍然分别落在第四载波带电压范围628内，第一载波带电压范围622内，以及第三载波带电压范围626内。
请进一步参阅图10，在一种实施方式中，对于三相电压调制波信号而言，在任意瞬时时刻，根据该本地限制条件可能会产生三个不同的最大共模电压限幅值和三个不同的最小共模电压限幅值。在此情形下，在一种实施方式中，该共模电压限幅值计算单元518所产生的最大共模电压限幅值524可以为该三个不同的最大共模电压限幅值中的最小值，而其所产生的最小共模电压限幅值526则可以为该三个不同的最小共模电压限幅值中的最大值。可以理解的是，使用一个或者多个本地限制条件，例如载波带电压来产生该最大共模电压限幅值和最小共模电压限幅值，可以避免产生额外的开关样式或者开关状态的瞬变（transients）事件，因此，控制开关器件执行开关动作的控制器的控制复杂度可以得到降低。此外，通过将经参考共模电压信号修改后的一个或者多个电压指令信号或者调制波电压信号限制在原始的载波带电压范围内来消除额外的开关状态或者瞬变事件，可以降低开关损耗。
图12所示为共模电压注入方法800的一种实施方式的流程图。在一种实施方式中，该共模电压注入方法800可以独立被图6-8中所示的第二共模电压注入模块404执行，以取得与该电能变换系统100的运作相关的至少一个功能，例如，平衡在直流母线处的直流电压。在其他实施方式中，该方法也可以结合图6-8中的第一共模电压注入模块404而执行，以取得与该电能变换系统的运作相关的多个功能，例如，提高直流母线电压的利用率以及降低输出的总谐波等。该方法800的至少一部分模块可以编程为程序指令或者计算机软件，并保存在可以被电脑或者处理器读取的存储介质上。当该程序指令被电脑或者处理器执行时，可以实现如流程图所示的各个步骤。可以理解，电脑可读的介质可以包括易失性的和非易失性的，以任何方法或者技术实现的可移动的以及非可移动的介质。更具体言之，电脑可读的介质包括但不限于随机访问存储器，只读存储器，电可擦只读存储器，闪存存储器，或者其他技术的存储器，光盘只读存储器，数字化光盘存储器，或者其他形式的光学存储器，磁带盒，磁带，磁碟，或者其他形式的磁性存储器，以及任何其他形式的可以被用来存储能被指令执行系统访问的预定信息的存储介质。
在一种实施方式中，该方法800可以从步骤802开始执行，在执行步骤802时，获得第一或者多个电压指令信号，例如，三相交流电压指令信号。在一种实施方式中，该一个或者多个电压指令信号或者该三相交流电压指令信号可以通过一个或者多个上级控制器执行一个或者多个控制算法而获得，以在变换器装置的输出端获得的期望的交流电压。在一种实施方式中，该一个或者多个电压指令信号可以为没有经过前级共模电压注入的信号。在其他实施方式中，该一个或者多个电压指令信号也可以为已经经过前级共模电压注入的信号，例如，该一个或者多个电压指令信号可以通过执行如上文结合图6所描述的最小-最大计算方法而得到的共模电压信号或者注入纯三次谐波信号，而进行修改。
在步骤804中，该方法800继续执行，以对获得的一个或者多个电压指令信号进行分类或者排序。举例而言，如图9所示的数值分类单元506可以被用来，在任意瞬时点，从一个或者多个电压指令信号或者调制波信号中识别出瞬时电压最大值和瞬时电压最小值。在一些实施方式中，该数值分类单元506也可以被用来从该一个或者多个电压指令信号或者调制波信号中识别出瞬时电压中间值。
在步骤806中，该方法800继续执行，以在一个或者多个限制条件下，至少根据该瞬时最大电压值和瞬时最小电压值计算出最大共模电压限幅值和最小共模电压限幅值。在一种实施方式中，该一个或者多个限制条件包括一个或者多个全局限制条件，例如，一个或者多个直流母线电压限制值。更具体而言，在一些实施方式中，该最大共模电压限幅值需使得该一个或者多个电压指令信号经参考的共模电压修改后，不超过一个上限直流母线电压限制值。类似地，该最小共模电压限幅值需使得该一个或者多个电压指令信号经参考的共模电压修改后，不低于一个下限直流母线电压限制值。在一些实施方式中，该最大共模电压限幅值和该最小共模电压限幅值需使得该一个或者多个电压执行信号经参考的共模电压修改后不会改变符号，也即不会从负值跳变到正值或者从正值跳变到负值。
在其他实施方式中，在步骤806中利用的一个或者多个限制条件可以包括一个或者多个本地限制条件，例如，一个或者多个载波带电压。在此情形下，该最大共模电压限幅值和该最小共模电压限幅值需使得该一个或者多个电压指令信号或者调制波信号，在被参考共模电压信号修改时，不会从一个载波带电压范围跳变到另一个载波带电压范围。因此，额外的开关样式以及开关状态瞬变事件可以被避免，从而可以降低控制的复杂度以及降低开关损耗。
在步骤808中，该方法800继续执行，以至少根据该最大共模电压限幅值和最小共模电压限幅值计算在注入共模电压后的直流母线中点电流。可以理解的是，该直流母线中点电流可以通过数值方式也可以通过分析方式而计算得到。在一些实施方式中，通过扫描所有计算出的直流母线中点电流值而寻找出最大直流母线中点电流限幅值和最小直流母线中点电流限幅值，以及与该最大、最小直流母线中点电流限幅值对应的第一、第二共模电压值。在一些实施方式中，还可以利用变换器装置所存在的冗余开关状态来产生该最大、最小直流母线中点电流限幅值，从而可以进一步实现其他与该电能变换系统100相关的功能，例如，降低飞跨电容器的电压应力（Voltage Stress），或者消除飞跨电容器的电压不平衡。
在步骤810中，该方法800继续执行，以至少根据原始中点电流，最大直流母线中点电流限幅值，最小直流母线中点电流限幅值，以及增益信号，计算参考直流母线中点电流。在一些实施方式中，可以根据期望的在直流母线设备的直流中点处的电流样式来计算该参考直流母线中点电流。举例而言，当该电能变换系统100工作在第一中点电流调节模式下时，其中，在该直流母线设备的直流中点处的交流电压不平衡（也即包含三次电流谐波）需要被保持时，该三次电流谐波可以通过预先计算得到，并被用来计算该参考直流母线中点电流。可以理解的是，通过维持该直流母线中点处的交流电压不平衡，可以允许施加更小幅值的参考共模电压，以维持直流母线电压的平衡。此外，还可以避免脉冲宽度调制样式发生大的改变，从而可以将输出的交流电压的全谐波失真降到最低。在一些实施方式中，当该电能变换系统100工作在第二中点电流调节模式下时，其中，在该直流母线设备的直流中点处的交流电压不平衡（也即包含三次电流谐波）需要被降低或者消除时，该原始中点电流可以设为零电流，以用来计算该参考直流母线中点电流。该增益信号可以由直流母线电压平衡控制器计算得到，例如，该直流母线电压平衡控制器可以通过将直流母线设备270处的至少两个电容器242，244的直流电压的差值调节为零而得到。
在步骤812中，该方法800继续执行，以至少根据该参考直流母线中点电流计算参考共模电压信号。在一种实施方式中，可以利用反函数，例如共模电压和中点电流之间的一个或者多个线性方程可以用来计算该参考共模电压信号。在一些实施方式中，也可以使用查表的方式由参考直流母线中点电流查询出参考共模电压。
在步骤814中，该方法800继续执行，如上文所述在步骤802处所获得的一个或者多个电压指令信号或者调制波电压信号可以与该计算得到的参考共模电压信号进行结合，以得到修改的一个或者多个电压指令信号或者调制波电压信号。在一些实施方式中，该修改的一个或者多个电压指令信号或者调制波电压信号可以被提供给调制单元，以用来产生控制信号，以控制变换器装置中的多个开关器件执行开关动作。因此，通过对一个或者多个电压指令信号或者调制波电压信号注入参考共模电压信号，可以至少实现降低直流母线设备处的直流电压不平衡的功能。
当然，上文结合图12所描述的各个步骤也可以通过多种方式进行变更。举例而言，在一些实施方式中，该方法800也可以包括一个或者多个其他的步骤。例如，该方法800还可以包括获得一个或者多个电流指令信号的步骤。该方法800也可以包括从一个或者多个电流指令信号中识别出瞬时最大电流值和瞬时最小电流值，从而可以用来计算在直流母线中点处的原始中点电流。
虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (15)

1.一种电能变换系统，其特征在于：该电能变换系统包括：至少一个多电平变换器装置以及与该至少一个多电平变换器装置连接的控制器，该控制器包括第一共模电压注入模块和第二共模电压注入模块，该第一共模电压注入模块被配置成产生第一共模电压信号，该第一共模电压信号用于修改至少一个电压指令信号，以取得与该电能变换系统运作相关的第一功能，该第二共模电压注入模块被配置成至少基于一个本地限制条件产生第二共模电压信号，该第二共模电压信号用于修改该至少一个尚未被该第一共模电压信号修改的电压指令信号或者进一步修改已经被该第一共模电压信号修改的电压指令信号，以取得与该电能变换系统运作相关的第二功能。
2.一种电能变换系统，其特征在于：该电能变换系统包括：至少一个多电平变换器装置以及与该至少一个多电平变换器装置连接的控制器，该控制器包括第一共模电压注入模块和第二共模电压注入模块，该第一共模电压注入模块被配置成产生第一共模电压信号，该第一共模电压信号用于修改至少一个电压指令信号，以调节该电能变换系统运作相关的至少一个第一特性参数，该第二共模电压注入模块被配置成至少基于一个本地限制条件产生第二共模电压信号，该第二共模电压信号用于修改该至少一个尚未被该第一共模电压信号修改的电压指令信号或者进一步修改已经被该第一共模电压信号修改的电压指令信号，以调节与该电能变换系统运作相关的至少一个第二特性参数。
3.一种电能变换系统，其特征在于：该电能变换系统包括：至少一个多电平变换器装置，与该至少一个多电平变换器装置连接的直流母线设备以及与该至少一个多电平变换器装置连接的控制器，该直流母线设备包括至少两个电容器，该至少两个电容器相互连接形成至少一个直流母线中点，该控制器包括第一共模电压注入模块和第二共模电压注入模块，该第一共模电压注入模块被配置成产生第一共模电压信号，该第一共模电压信号用于修改至少一个电压指令信号，以调节该电能变换系统运作相关的至少一个第一特性参数，该第二共模电压注入模块被配置成至少基于一个本地限制条件产生第二共模电压信号，该第二共模电压信号用于修改该至少一个尚未被该第一共模电压信号修改的电压指令信号或者进一步修改已经被该第一共模电压信号修改的电压指令信号，以调节流向或者流出该直流母线中点的直流电流分量，以平衡该至少两个电容器的电压。
4.一种电能变换系统，其特征在于：该电能变换系统包括：至少一个多电平变换器装置，与该至少一个多电平变换器装置连接的直流母线设备以及与该至少一个多电平变换器装置连接的控制器，该直流母线设备包括至少两个电容器，该至少两个电容器相互连接形成至少一个直流母线中点，该控制器包括第一共模电压注入模块和第二共模电压注入模块，该第一共模电压注入模块被配置成产生第一共模电压信号，该第一共模电压信号用于修改至少一个电压指令信号，以调节该电能变换系统运作相关的至少一个第一特性参数，该第二共模电压注入模块被配置成至少基于一个本地限制条件产生第二共模电压信号，该第二共模电压信号用于修改该至少一个尚未被该第一共模电压信号修改的电压指令信号或者进一步修改已经被该第一共模电压信号修改的电压指令信号，以调节流向或者流出该直流母线中点的交流电流分量，以平衡该至少两个电容器的电压。
5.一种变换器控制器，其用于发送控制信号给与该变换器控制器通信连接的多电平变换器，该多电平变换器与包括至少两个电容器的直流母线设备电连接，该至少两个电容器相互连接形成直流母线中点，其特征在于：该变换器控制器包括第一共模电压注入模块和第二共模电压注入模块，该第一共模电压注入模块被配置成产生第一共模电压信号，该第一共模电压信号用于修改至少一个电压指令信号，以调节该电能变换系统运作相关的至少一个第一特性参数，该第二共模电压注入模块被配置成至少基于一个本地限制条件产生第二共模电压信号，该第二共模电压信号用于修改该至少一个尚未被该第一共模电压信号修改的电压指令信号或者进一步修改已经被该第一共模电压信号修改的电压指令信号，以调节流进或者流出该直流母线中点的电流，以平衡该至少两个电容器的电压。
6.如权利要求5所述的变换器控制器，其特征在于：该第二共模电压注入模块包括共模电压限幅值计算单元，该共模电压限幅值计算单元被配置成至少基于在该直流母线设备处测量获得的直流母线电压计算最大共模电压限幅值和最小共模电压限幅值。
7.如权利要求5所述的变换器控制器，其特征在于：该第二共模电压注入模块包括共模电压限幅值计算单元，该共模电压限幅值计算单元被配置成至少基于载波带电压计算最大共模电压限幅值和最小共模电压限幅值。
8.如权利要求5所述的变换器控制器，其特征在于：该第二共模电压注入模块包括共模电压限幅值计算单元，该共模电压限幅值计算单元被配置成至少基于脉冲宽度调制的最小脉冲宽度要求计算最大共模电压限幅值和最小共模电压限幅值。
9.如权利要求5所述的变换器控制器，其特征在于：该第二共模电压注入模块包括电流选择单元和参考中点电流计算单元，该电流选择单元用于从第一直流母线中点电流和第二直流母线中点电流中选择一者并提供给该参考中点电流计算单元。
10.如权利要求5所述的变换器控制器，其特征在于：该第一直流母线中点电流为未注入该第二共模电压之前流进或者流出该直流母线中点的原始中点电流，该第二直流母线中点电流为零电流。
11.一种方法，该方法用于控制电能变换系统的运行，其特征在于：该方法至少包括如下步骤：
通过该电能变换系统中的控制器产生第一共模电压信号；
使用该第一共模电压信号修改至少一个电压指令信号，以调节与该电能变换系统运行相关的至少一个第一特性参数；
基于至少一个本地限制条件，通过该电能变换系统中的控制器产生第二共模电压信号；以及
使用该第二共模电压信号修改该至少一个电压指令信号或者进一步修改被该第一共模电压信号修改过的该至少一个电压指令信号，以调节与该电能变换系统运行相关的至少一个第二特性参数。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：产生该第二共模电压信号的步骤包括：
从多个电压指令信号中识别出瞬时最大电压和瞬时最小电压；
至少根据一个全局限制条件和一个本地限制条件计算最大共模电压限幅值和最小共模电压限幅值；
至少根据该最大共模电压限幅值，最小共模电压限幅值，多个瞬时电流指令信号以及变换器电路的开关状态计算最大中点电流限制值，最小中点电流限制值，与该最大中点电流限制值对应的第一共模电压，以及与该最小中点电流限制值对应的第二共模电压；以及
至少根据该最大中点电流限制值，最小中点电流限制值，与该最大中点电流限制值对应的第一共模电压，与该最小中点电流限制值对应的第二共模电压，以及参考中点电流计算该第二共模电压信号。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于：该方法还包括如下步骤：
至少根据直流母线设备的直流电压差值信号产生增益信号；以及
至少根据该最大中点电流限幅值，最小中点电流限幅值，原始中点电流和该增益信号产生该参考中点电流。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于：该方法还包括如下步骤：
至少根据瞬时最大电压信号，瞬时中间电压信号，瞬时最小电压信号，瞬时最大电流信号，瞬时中间电流信号，以及瞬时最小电流信号计算计算流进或者流出直流母线中点的原始中点电流；以及
根据至少一个在直流母线设备中点存在的至少一个期望的电流样式选择性地使用原始中点电流产生该参考中点电流。
15.一种三相电机电驱动系统，其用于驱动至少一个三相交流电机运作，其特征在于：该三相电机电驱动系统包括：至少一个多电平变换器装置，与该至少一个多电平变换器装置连接的直流母线设备以及与该至少一个多电平变换器装置连接的控制器，该直流母线设备包括至少两个电容器，该至少两个电容器相互连接形成至少一个直流母线中点，该控制器包括共模电压注入模块，该共模电压注入模块被配置成在多个载波带电压的限制条件下根据三相交流电压指令信号产生共模电压信号，该共模电压信号用于修改该三相交流电压指令信号，其中，在任一瞬时时刻，未注入该共模电压信号时，该三相交流电压中的第一相交流电压位于第一载波带电压范围内，该三相交流电压中的第二相交流电压位于第二载波带电压范围内，该三相交流电压中的第三相交流电压位于第三载波带电压范围内；其中，在该任一瞬时时刻，注入该共模电压信号后，该三相交流电压中的第一相交流电压仍然位于第一载波带电压范围内，该三相交流电压中的第二相交流电压仍然位于第二载波带电压范围内，该三相交流电压中的第三相交流电压仍然位于第三载波带电压范围内。
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