CN104779813A - 具有减小的共模电压的多电平转换器系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种多电平转换器和空间矢量调制操作方法。上述多电平转换器和空间矢量调制操作方法中采用少于全部可能的开关状态用于整流器电路和逆变器电路的空间矢量调制，以促进消除或减小整流器电路与逆变器电路之间的共模电压贡献；并且通过使用与最小正共模电压或最小负共模电压关联的可能的空间矢量调制开关状态的子集并且在一些情况下使用具有零共模电压的虚拟矢量来消除共模电压中的三阶谐波分量从而减小与多电平逆变器级关联的共模电压影响。

Description

具有减小的共模电压的多电平转换器系统和方法
技术领域
本申请总体上涉及功率转换，更特别地涉及一种具有减小的共模电压的多电平转换器系统和方法。
背景技术
多电平转换器可以用于对交流电(AC)整流以产生直流电(DC)，还可以用于生成用于在电动机或其他功率转换系统中使用的AC输出电压。这种模块化形式的转换器可特别用于需要较大输出电压的情形。多电平电压源转换器架构包括快速或开关电容器设计、中性点箝位(NPC)设计、模块化多电平转换器(MMC)以及级联类型和混合类型。NPC设计包括连接在DC输入两端以提供中性点的一对电容器以及连接在DC总线两端的一系列开关，其中，每个电容器被充电至DC输入值的一半，并且一对二极管将中间开关节点连接至中性点。可以使用空间矢量调制技术来操作这些或其他形式的多电平转换器以生成适用于各个多电平转换器级的开关控制信号，例如以便提供可变频率、可变幅度多相输出电压从而驱动电机或其他负载。典型的空间矢量调制方法利用逆变器电路可以提供的全部或大部分可用输出功率，然而典型的空间矢量调制方案中对全部可能的开关状态的使用会导致功率转换系统中不可接受的共模电压。因此，仍然需要改善对多电平功率转换器的空间矢量调制的控制以便于减小共模电压。
发明内容
现在对本公开内容的多个方面进行概述以便于基本理解本公开内容，其中，本概述不是本公开内容的详尽综述，而且既不意在识别本公开内容的某些元素也不意在限定其范围。相反，本概述的主要目的在于在下文中呈现的更详细的描述之前以简化的形式呈现本公开内容的多种概念。
本公开内容提供了可以通过其缓和电动机和其他功率转换系统应用中的系统共模电压及关联问题的多电平转换器系统和操作技术。公开了用于操作组成通过中间DC总线电路耦接到多相多电平逆变器电路的多相有源整流器的所谓的背对背多电平转换器的多种技术，其中，以使得能够促进完全或至少部分消除整流器和逆变器各自的共模电压贡献的方式来控制整流器的和逆变器的多电平转换器的空间矢量调制。此外，公开了用于操作或与有源整流器或与其他DC输入源耦接的多电平逆变器系统的空间矢量调制技术，其中，仅采用可能的开关状态的子集用于生成开关控制信号，其中，所选开关状态为多电平级的共模电压贡献在其下为正的或负的最小值的开关状态。通过这些技术，在保留多电平转换级架构的其他成本、性能以及低复杂度优点的同时，关于共模电压问题增强了多种形式的多电平转换器的可应用性。
根据本公开内容的一个或更多个方面，公开了一种功率转换系统，该系统包括具有两个或更多个多电平整流器转换器级的有源整流器连同DC总线电路以及包括多个多电平逆变器级的逆变器。该系统还包括提供整流器开关控制信号和逆变器开关控制信号以促进抵消或消除整流器和逆变器的共模电压贡献的控制器。可以通过使用任何适当的多电平转换器级拓扑结构来构造整流器和逆变器以及该系统，包括但不限于嵌套式中性点箝位型转换器、中性点箝位型转换器、快速电容转换器级、级联H电桥电路、模块化多电平转换器等以及多种开关电容实现，诸如具有用于生成多电平信号的充电电容器的嵌套式中性点转换器。可以使用非同步调制来操作整流器和逆变器，并且可以以不同的开关频率来操作整流器和逆变器，每种方式都会产生恒定的共模电压贡献，其中，控制器提供对各个共模电压贡献的抵消或消除。控制器可以通过以下操作来提供整流器开关控制信号和逆变器开关控制信号以调节开关电容器电压：例如，通过选择与多电平转换器级关联的一个或更多个电平的冗余输出状态以调节转换器级电容器两端的电压来控制开关电容器充电和放电。
在多个实施方式中，该系统可以采用具有任意合适数目的关联电平的多电平转换器。此外，在某些实施方式中，当整流器和逆变器二者的调制指数低于预定值时，控制器选择性地采用可能的空间矢量调制开关状态的同一子集用于整流器和逆变器二者的空间矢量调制控制，其中，一个可能的子集包括关联共模电压贡献在其下为最小正值的开关状态，而第二可能的子集包括共模电压贡献在其下为最小负值的状态。通过该技术，促进了对全部或至少部分共模电压贡献的消除。对于整流器或逆变器的更高的调制指数的操作，控制器的某些实施方式采用上述两个子集用于整流器和逆变器的空间矢量调制，从而在实现对功率转换系统的额定输出能力的更完全的使用的同时提供对共模电压问题的控制。
根据本公开内容的另外的方面提供了一种用于操作具有使用多个多电平转换器级构造的有源整流器和逆变器电路的多相AC-AC转换器系统的方法，包括向整流器和逆变器的多电平级提供开关控制信号以便于抵消整流器和逆变器的共模电压贡献。该方法还可以包括基于对应转换器级的共模电压贡献在其下为最小的可能的开关状态的对应子集根据对应的整流器参考矢量和逆变器参考矢量提供开关控制信号。该方法还可以包括基于转换器级的平均共模电压贡献为零的已创建的虚拟空间矢量来向对应的整流器级和逆变器级提供开关控制信号，从而便于消除共模电压中的低阶谐波分量。
根据本公开内容的另外的方面，公开了一种功率转换器和操作方法，其中，多相多电平转换器设置有多个多电平转换器级，并且控制器仅使用关联共模电压贡献在其下为最小正值或最小负值或者关联组合的平均共模电压贡献在其下为零的可能的开关状态的子集或这些可能的开关状态的特殊组合经由空间矢量调制来向各个级提供开关控制信号。
附图说明
以下的描述和附图详细阐述本公开内容的某些说明性实现，这些说明性实现表示可以实现本公开内容的多种原理的若干示例性方式。然而，所示示例不排除本公开内容的很多可能的实施方式。在结合附图考虑时，在以下详细描述中阐述本公开内容的其他目标、优点和新特征。在附图中：
图1是示出根据本公开内容的一个或更多个方面的示例性嵌套式中性点箝位型(NNPC)多电平功率转换器的示意图，该NNPC多电平功率转换器包括逆变器电路和开关电容器电路并且具有控制器，控制器使用冗余开关状态选择来控制对第一快速电容器和第二快速电容器的充电和放电以在控制共模电压的同时提供多电平输出电压以及调节快速电容器电压；
图2是示出用以提供具有基本等间隔的步长的4电平电压输出的图1的NNPC功率转换器的开关状态的示例性集合的局部示意图；
图3是示出用于提供三相电压输出以驱动电动负载的三个NNPC功率转换器及关联的DC电源的示意图；
图4是示出图1和图2的NNPC功率转换器的4电平线与中性点间电压输出波形的曲线图；
图5是示出图3的三相电动机实现的7电平线与线间电压输出波形的曲线图；
图6是图示示出图3的三相功率转换系统的可能的NNPC模块线与中性点间输出电平的示例性空间矢量调制图的曲线图；
图7是示出用以向一个或更多个NNPC功率转换器提供开关控制信号以提供多电平输出电压以及控制将快速电容器充电或放电至预定电平的、图1和图2的NNPC功率转换器控制器中的示例性脉冲宽度调制过程的流程图；
图8是示出与图3的三相功率转换系统的、图6的空间矢量调制图中的可能的NNPC模块输出电平关联的系统共模电压的表格；
图9是仅使用图8中提供+VDC/18共模电平的开关状态的、图3的三相系统的整流器NNPC级或逆变器NNPC级的第一类操作(A类)的空间矢量调制图；
图10是仅使用图8中提供-VDC/18共模电平的开关状态的、图3的系统的第二类操作(B类)的空间矢量调制图；
图11是包括在操作图3的系统时提供+VDC/18或-VDC/18共模电平的开关状态的子集的空间矢量调制图；
图12图示示出根据本公开内容的一个或更多个方面的用于减小图3的系统中的共模电压电平的、整流器的和逆变器的不同类型的操作(A类或B类)的表格；
图13是根据本公开内容的另外的方面的使用24个初始开关矢量和初始矢量所形成的一些虚拟矢量来操作三相多电平逆变器的空间矢量调制图；
图14是示出使用四个初始矢量和使用这四个初始矢量在中心合成的虚拟矢量对图13中的空间矢量调制图的具体六角形区域的区段的低调制指数部分中的参考矢量进行示例性合成的局部空间矢量调制图；
图15图示示出使用三个初始矢量和使用这三个初始矢量在中心合成的虚拟矢量对图13和图14的空间矢量调制图的六角形区域中的区段的高调制指数部分中的参考矢量进行示例性合成的空间矢量调制图；
图16图示示出用于操作图14和图15的示例中的多电平逆变器级的示例性空间矢量调制开关序列的表格；
图17示出图13的空间矢量调制图的三角形部分；
图18提供示出用于在图17的空间矢量调制图的三角形区域中操作系统的三个示例性5段开关序列的表格；
图19是示出用于操作图3的三相多电平逆变器以基于对虚拟矢量的专门使用来减小共模系统电压的大小和低阶谐波分量二者的多个虚拟矢量和原始矢量的空间矢量调制图；
图20示出图19的空间矢量调制图中的六角形区域，其中，拐点和中心定义其平均共模电压对于控制系统共模电压而言为零的虚拟矢量；
图21至图23示出在某些空间矢量调制实施方式中使用初始矢量来合成示例性虚拟矢量；以及
图24至图31提供示出示例性仿真共模电压波形和频谱的曲线图。
具体实施方式
现在参考上述图，在下文中结合附图描述若干实施方式或实现，其中，相似的附图标记自始至终用于指代相似的元素，并且各个特征并非一定按比例绘制。
下文中在嵌套式中性点箝位型(NNPC)多电平转换器级100的上下文中公开空间矢量调制(SVM)操作过程和功率转换装置，然而可以在适于空间矢量调制的其他形式和类型的多电平转换器级——包括但不限于开关电容器多电平转换器、级联多电平转换器诸如级联H电桥(CHB)、中性点箝位型(NPC)多电平转换器级、模块化多电平转换器(MMC)、NNPC级等——中使用本公开内容的多各方面和构思。
首先，参考图1，示出了根据本公开内容的一个或更多个方面的示例性4电平NNPC转换器级100，其可以与其他这样的级100组合以形成多相多电平功率转换系统。所描述的嵌套式NPC型功率转换器100可以用于形成驱动任何类型的负载的单相或多相电源，并且所描述的功率转换器和功率转换系统可以用于电动机中。然而，本公开内容的多个构思并不限于任何具体应用，而是可以用在驱动任何类型的负载的任何形式的功率转换系统中。此外，多电平级100可以用于形成用于DC-AC转换的逆变器，诸如电动机的输出级，和/或级100可以用于形成用以对所接收的单相或多相AC输入功率进行转换以提供DC输出功率的多电平整流器电路。如从图1中可知，转换器级100分别具有第一DC端子101和第二DC端子102以及AC端子120。第一DC端子101和第二DC端子102在逆变器应用的情况下为输入，AC端子120在逆变器应用的情况下提供单相AC输出电压及关联的输出电流iout以驱动负载(未示出)。
图1的级100在本文中被称为嵌套式中性点钳位型(NNPC)功率转换器，并且包括嵌套有NPC类型的逆变器电路110的开关电容器(例如，快速电容器)电路104。NNPC多电平转换器的示例在2013年6月20日提交的题为MULTILEVEL VOLTAGE SOURCE CONVERTERS ANDSYSTEMS并且被转让给本专利的受让人的美国专利申请序列第13/922,401号中进行了示出和描述，其全部内容因此通过引用合并在本文中。虽然本文中称为NNPC功率转换器，但是NPC类型的逆变器电路110的中心节点119不需要连接至任何系统“中性点”。转换器100经由DC端子101和102从电源90接收DC输入电功率，其中，图1示出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，从而功率转换器100被提供有值为VDC的DC输入电压。另外，虽然没有对功率转换器的所有实现进行严格要求，但是图1中所示的配置包括连接至DC输入电压90的两个电池的连接点的中性节点“N”。当用作逆变器级时，可以将任何适当的DC电源90——包括但不限于一个或更多个电池、有源和/或无源整流器等——与功率转换器100结合使用。此外，DC电源90可以包括DC总线电容，不管是以任何串联和/或并联配置连接的多个电容器的任何组合还是单个电容器。此外，NNPC转换器级100的某些实施方式可以包括连接在DC输入端子101与102之间的一个或更多个板载电容。
转换器级100包括逆变器电路110，逆变器电路110具有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设备S2至S5以及连接其中的两个逆变器开关设备S3和S4的逆变器输出节点116。其中，逆变器输出节点116直接地或间接地连接至转换器100的AC输出端子120。此外，逆变器电路110可以包括在节点111与112之间彼此串联连接的任何整数个开关设备S。在所示的示例中，设置有四个设备——S2至S5，其中，输出节点116具有在输出节点116与上输入节点111之间的两个开关设备S2和S3以及连接在输出节点116与第二逆变器输入节点112之间的两个开关S4和S5。此外，开关电容器电路104包括如所示连接在逆变器输入节点111与对应的DC输入端子101之间的附加开关S1以及连接在逆变器输入节点112与对应的DC输入端子102之间的附加开关S6。可以在功率级100的电路104和110中使用任何适当类型的开关设备S1至S6，包括但不限于基于半导体的开关，诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、硅可控整流器(SCR)、栅极关断晶闸管(GTO)、集成门极换流晶闸管(IGCT)等。此外，虽然所有实施方式没有严格的要求，但是如图1所示，各个开关S1至S6包括在开关断开时沿着相反方向传导电流的二极管。
逆变器电路110还包括具有第一箝位元件和第二箝位元件——诸如彼此串联连接的二极管D1和D2——的箝位电路。其中，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处连结至D1的阳极。D1提供从第三内部节点119至第一内部节点114的导电通路，而D2提供从第二内部节点118到第三内部节点119的导电通路。在其他实施方式中可以使用有源箝位开关或其他箝位元件，而不是附图中所示的箝位二极管。其中二极管或其他箝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是可能的。另外，如图所示可以使用单个二极管D1和D2，还可以使用多个二极管或其他箝位元件。例如，可以用在节点119与114之间的任何适当的串联和/或并联配置的两个或更多个二极管来代替D1，可以用在节点118与119之间以任何适当的方式互连的两个或更多个二极管来代替D2。此外，二极管D1和D2和/或NNPC转换器100的开关设备S1至S6两端的箝位二极管可以替选地为箝位开关(未示出)。还可以用有源开关来替换箝位二极管D1和D2以实现有源中性点箝位。
开关电容器电路104包括分别连接在预期的DC输入端子101和102与节点111和112中的对应的节点之间的开关S1和S6。另外，如图所示，开关电容器电路104包括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和112之间的第一电容器C1和第二电容器C2。可以使用任何适当的类型和配置的电容器C1和C2，其中，电容器C1可以是在节点111与119之间提供第一电容C1的单个电容器或者以任何适当的串联和/或并联配置连接的多个电容器，电容器C2可以是在节点119与112之间提供第二电容C2的单个电容器或者以任何适当的串联和/或并联配置连接的多个电容器。此外，虽然本公开内容没有严格要求，但是C1和C2优选地具有基本相等的电容值。
接下来，参考图2至图5，当转换器100作为逆变器操作时，控制器122向各个逆变器开关设备S2至S5分别提供开关控制信号124-2、124-3、124-4和124-5，并且向开关电容器电路开关设备S1和S6提供控制信号124-1和124-6，以生成四个可能的不同的输出电压电平中之一。如果箝位设备D1和D2是有源设备，则控制器122还向有源箝位设备D1和D2提供开关控制信号。在某些实施方式中，控制器122还可以接收图中未示出的反馈信号，诸如电压和/或电流。控制器122被实现为转换器100的一部分并且/或者可以为独立的部件或系统，并且单个控制器122可以向多个转换器级100提供信号124以实现如下面进一步描述的用于减小共模电压的空间矢量调制技术。可以使用任何适当的硬件、处理器执行的软件或固件、可编程逻辑或以上各项的组合来实现转换器控制器122，其中，控制器122的示例性实施方式包括电子存储器、程序存储器、信号调节驱动电路以及一个或更多个处理元件诸如微处理器、微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理(DSP)、可编程逻辑等；其中，处理元件被编程或被配置成生成适合于操作功率级100的开关设备的逆变器开关控制信号124并且执行用以驱动负载的其他操作任务。此外，将计算机可读介质与计算机可执行指令一起考虑用于实现所描述的功率转换开关控制过程和技术，计算机可执行指令可以作为程序指令存储在形成控制器122的一部分或与控制器122在操作上关联的电子存储器中。
如从图2中最佳可知，控制器122以脉冲宽度调制(PWM)的形式向开关S1至S6提供开关控制信号124以在逆变器输出节点116处提供多电平输出电压(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以在四个不同的线与中性点间电压电平中之一处提供输出电压VAN。图4中的曲线图210示出逆变器输出节点116处相对于中性节点“N”的示例性的4电平线与中性点间电压波形212(VAN)。在图3中，三个NNPC级100a、100b和100c连接至三相电源102的对应的相A、B和C以形成在包括等值的两个DC总线电容的DC总线电路90中提供DC电压的三相整流器电路70，其中，连接节点提供系统中性点N。此外，如从图3中可知，三个不同的NNPC转换器级100r、100s和100t可以连接至DC总线电路90的正线90a和负线90b以形成三相多电平逆变器80，三相多电平逆变器80向电机相线202提供用以驱动三相电机负载200的AC输出电压，其中，控制器122向NNPC级100r至100t中的每个NNPC级提供一组逆变器开关控制信号124b。图5图示示出图3的系统中的示例性的线与线间电压波形222的曲线图220，其中，三个NNPC逆变器级100r、100s和100t的控制开关以120°的相对相角提供用于驱动电机负荷200的7电平线与线间电压波形222。
此外，如图3中进一步所示，发明人理解，使用背对背NNPC或其他背对背多电平转换器配置构造的AC-DC-AC功率转换器2中的系统共模电压Vcm是整流器70的共模电压贡献Vcmr与逆变器80的共模电压贡献Vcmi的和。在所示配置中，具有中性点“N”、输入接地节点“g”、输出零电压或中性节点“0”，其中，整流器贡献Vcmr＝Vg-Vn，逆变器贡献Vcmi＝Vo-Vn，功率转换系统2中的整体贡献或总贡献为Vcm＝Vog＝Vcmi-Vcmr。另外，本公开内容的某些方面有利地通过由控制器122提供整流器开关控制信号和逆变器开关控制信号124来提供背对背多相多电平转换系统2的操作，以便于抵消整流器70和逆变器80的共模电压贡献。在一些情况下，如以下关于图8至图12进一步描述的，提供给整流器级100a至100c的开关控制信号124a和提供给多电平逆变器级100r至100t的逆变器开关控制信号124b提供全部或至少部分消除，其中，逆变器共模贡献完全或者至少部分抵消或消除与整流器70关联的共模电压贡献。
此外，在某些实施方式中，控制器122提供开关控制信号124以控制对开关电容器C1和C2的充电和放电以便将各个级100的对应的电容器电压VC1和VC2调节为DC总线电路90的DC电压VDC的目标分数。此外，对电容器电压VC1和VC2的控制有利于基本上平均分布在给定级100的各个开关设备S1至S6处可见的电压。图2示出给定级100的示例性开关状态表格126，其示出对应于NNPC开关设备S1至S6的不同开关状态的6个可能的开关矢量V1、V2、V3、V4、V5和V6连同相对于输入DC电平VDC的对应的线与中性点间电压值，其中，“1”指示对应的开关S为“接通”或导通。此外，表格126示出对应级100的AC端子处的对应的不同电压电平“L”，这种情况下，提供相对于中性点N的4个不同的电压电平。
图2中的开关矢量V1对应于第一电平“3”，冗余开关矢量V2和V3提供第二电压电平“2”，开关矢量V4和V5二者提供第三电平“1”，第六开关矢量V6提供第四电平“0”。具体地，第一矢量V1提供+VDC/2的输出电压电平。第二开关矢量V2和第三开关矢量V3相对于线与中性点间输出电压彼此冗余，每个开关矢量产生+VDC/6的值。矢量V4和矢量V5也是冗余开关状态对，其中，每个矢量提供-VDC/6的输出值，最后的开关状态或矢量V6产生-VDC/2的输出电压。此外，如从图2中可知，通过冗余矢量选择来控制对电容器C1和电容器C2的充电和放电，其中，对对应电容器电压的影响在各个冗余开关状态下可以不同，以使得智能矢量选择能够控制电容器的充电和/或放电。例如，在期望的输出电压电平为VDC/6的情况下，如果输出电流IOUT为正(>0)，则可以选择矢量V2来对C1充电，或者如果输出电流为负，则对C1放电。冗余矢量V3的替选选择对C1和C2放电以得到正的输出电流，并且在输出电流为负的情况下对电容器C1和C2充电。此外，如从图2的表格126中可知，可以通过在控制器122中从冗余矢量V4和V5中选择来进行类似的充电和/或放电选择，其中，期望的输出电压电平为-VDC/6。
同样参考图6，如图6的曲线图240所示，为了提供共模电压控制和电容器均衡，控制器122通过使用根据源自期望的输出负载条件的参考矢量的空间矢量调制来向整流器70和逆变器80二者的级100提供控制信号124作为脉冲宽度调制开关控制信号。控制器122确定围绕图6中所示的参考矢量Vref的当前位置的三个控制矢量V1、V2和V3(或者在以下描述的合成虚拟矢量se时为四个矢量)的相对停留时间(驻留时间)，其中，参考矢量Vref具有对应的调制指数或幅度(M)和对应的相角θ，并且根据某电动机或其他功率转换系统实现中的期望的电机负载位置和转矩在整个空间矢量调制图240中旋转。
图7示出可以在图1至图3的NNPC功率转换器2的控制器122中实现的、用于生成脉冲宽度调制开关控制信号124的过程250。下面以一系列动作或事件的形式来对过程250示出和说明，然而本公开内容的各种方法不限于所示的这样的动作或事件的顺序。在这点上，根据本公开内容，除非下文中有特别说明，否则一些动作或事件可以以不同的顺序发生，并且/或者与除本文中所示的或所描述的动作或事件之外的其他动作或事件同时发生。还应该说明的是，实现根据本公开内容的过程或方法可能并非需要全部的所示步骤，而是可以组合一个或更多个这样的动作。本公开内容的所示方法250或其他方法可以用硬件、处理器执行的软件或上述硬件和软件的组合来实现，诸如用示例性控制器122来实现；并且可以用有形非暂态计算机可读介质、诸如在一个示例中在操作上与控制器122关联的存储器中存储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以产生每个逆变器输出相位的多电平输出电压VAN并且控制对电容器C1和C2的充电和放电，同时减小或缓和系统2中的共模电压。图6的示例针对三相系统(例如，以上图3)，其中，控制器122进行空间矢量调制以产生用于整流器70的三个NNPC转换器100a、100b和100c中每个NNPC转换器的开关控制信号124、以及用于与连接至电机负载200的输出相位关联的转换器100r、100s和100t中的每个转换器的开关控制信号124。在某些实现中，基于与NNPC转换器100r至100t中的每个NNPC转换器的输出电流iOUT(例如，三相示例的IA、IB和IC)以及开关电容器电压VC1和VC2有关的一个或更多个反馈值来(例如，从图2中的表格126中)选择用于控制逆变器80的冗余开关状态。如从图7中可知，所示过程250示出其中根据所接收的调制指数“m”和相角θ来确定期望输出状态(例如，电机位置和转矩)的空间矢量调制处理，并且在控制器122中进行关于与有源整流器70的控制关联的旋转参考矢量的类似处理。在252接收和使用调制指数和相角以识别参考矢量Vref的位置(图6)。在图7中的252，又使用参考矢量来识别三个周围控制矢量V1、V2和V3(例如图6，或用于合成虚拟矢量的四个周围原始矢量)，并且使用空间矢量调制处理来确定对应的“停留时间”或驻留时间时长间隔t1、t2和t3(以及可选地确定t4)。
在254，使用控制矢量和持续时间间隔来确定与周围矢量V1、V2和V3(以及有时确定用于虚拟矢量合成的附加矢量V4)中的一个、一些或全部关联的每个电机输出相位的冗余输出电平(如果有的话)。例如，图2中的状态表格126指示输出电平状态V2和V3彼此冗余(电平“2”)，V4和V5也彼此冗余(电平“1”)。在256，接收每个相位的输出电流IR、IS和IT以及开关电容器电压VC1和VC2的反馈。控制器122对每个电机相位的可用输出电平状态进行评估，并且从冗余输出电平中选择利于各个相位的电容器均衡的输出电平。在所示的示例中，通过从可用的冗余状态中选择诸如用以选择性地对电容器充电和放电的以上图1中的VC1和VC2来调节电容器电压(Vci)。根据本公开内容的某些方面，与常规的NPC功率转换器不同，在某些实施方式中目标调节快速电容器电压值小于VDC/2。例如，在图1的示例中，通过使用控制器122进行智能冗余输出电平状态选择来将电容器电压VC1和VC2控制或调节为VDC/3。在其他非限制性的示例中，目标值可以是小于DC输入电压的一半的另一值，诸如VDC/4或VDC/5。
在图7中的260，控制器122使用为三个相位中的每个相位所选择的开关状态来生成选通信号，从而为每个对应的NNPC转换器级100的开关设备S1至S6生成三组开关控制信号124。以这种方式，控制器122操作以使得经由逆变器级100r、100s和100t(图3)向电机负载200提供合适的输出电压，并且调节这些NNPC功率级100中的每个NNPC功率级的电容器C1和C2两端的电压，控制器122经由控制信号124a对多电平开关整流器级100a、100b和100c进行类似的操作。对开关电容器电压VC1和VC2的这种细致的调节又有利于操作NNPC转换器100来以大致等间隔的输出电平提供逆变器输出电压(例如，图2中的VAN)。例如，在图2的示例中，以四个不同的电平、步长间隔为VDC/3来提供输出电压。这样，在所示的NNPC转换器100中使用经调节的较低电容器电压电平有利于平均分布开关设备S1至S6可见的电压。因此，所有的开关设备S1至S6经历相同的电压强度，并且这些设备中没有设备需要超大尺寸。
现在参考图3以及图8至图12，本公开内容提供具有多个NNPC功率转换器100和/或其他形式的多电平转换器的多电平功率转换系统2，其中，图3的系统2包括耦接至AC输入电源并且操作以在对应的AC输入端子(例如以上图1中的端子120)处接收到来的AC电压的三个NNPC转换器100a至100c；DC端子连接至DC总线电路90的正DC总线端子(rail)90a和负DC总线端子90b，由此第一组三个NNPC转换器100a至100c提供三相有源整流器。这些整流器级的输出在DC总线电路90两端提供DC总线电压，其中，中性点“N”建立在连结DC总线电容器的DC总线中点或中心节点处。DC总线电压VDC被提供作为另一组三个NNPC级100r至100t的DC输入端子(以上图1中的端子101和102)的输入，其中，这些级100的逆变器输出提供用以驱动电动负载200的AC输出电压。图3的系统2在一非限制性示例中可以用于通过使用总共36个开关和12个箝位部件(例如，二极管箝位开关或有源箝位开关)的六个NNPC级100的背对背配置来提供期望的输出电压，例如2kV至7.2kV。
根据本公开内容的一个或更多个方面，如以上所描述的，控制器122有利地向各转换器100的转换器开关设备S2至S5和开关电容器电路开关设备S1和S6提供整流器开关控制信号和逆变器开关控制信号124，以控制对级电容器C1和C2的充电和放电从而调节如以上所描述的电容器电压并且促进消除或减小整流器70和逆变器80的共模电压贡献。图8图示示出与图6的空间矢量调制图240中的可能的模块输出电平关联的共模电压的表格262。图8的表格262中的各项对应图3的三相多电平系统2中的全部可能的开关状态，该表格中各个值或电平的范围从0到3，每个相位有一个对应值。在输出逆变器80的情况下，例如，表格262中的开关矢量#12的值“210”指示将以对应于以上图2的表格126中的两个冗余矢量V2或V3中之一的电平“2”来操作第一输出级100r；而将以对应于图2中的两个冗余矢量V4或V5中之一的电平“1”来操作第二级100s；以及将以对应于图2的表格126中的开关矢量V6的电平“0”来操作第三级100t。
此外，如在图8的表格262中用虚线所示，某些可能的开关状态(#21至#44)具有最小的正或负共模电压值(Vcm)。具体地，给定级C的开关状态#21至#32提供大概为作为表格262中所示的所有可能的开关状态的最小负值的-VDC/18的共模电压贡献，而开关状态#33至#44提供最小正值+VDC/18。
图9仅使用图8中的表格262的对应的多电平整流器级或多电平逆变器级100的共模电压贡献在其下为最小正值(例如，+VDC/18)的开关状态#33至#44来示出图3中的三相系统2的整流器级或逆变器级100的第一类操作(A类)的空间矢量调制图270。如从图9中可知，这包括位于定义图3的整个系统2的空间矢量调制的第一调制指数水平的圆环274上的状态122、212和221、以及沿着与第二调制指数水平0.7698关联的第二圆环276的状态113、131和311、以及沿着与更大的调制指数水平关联的第三较大圆环278的六个另外的状态023、032、203、230、302和320。此外，如从图9中可知，图9中的A类空间矢量调制控制的开关状态#33至#44的第一子集在272定义了用虚线标识的区域。第一操作类型(A类)定义空间矢量调制图270中具有最小正的绝对共模电压(所示的四电平转换器示例中的VDC/18)的可能的开关状态的第一子集，并且包括沿着与第二调制指数水平关联的第二圆环276的状态113、131和311、以及沿着与第一调制指数水平和第三调制指数水平关联的第一圆环274和第三圆环278的最小绝对共模电压状态。特别地，与没有来自可用于操作转换器级100的第二圆环276的状态的其他方法相比，用于A类操作的该所选子集有利于在不过度增加开关噪音的情况下控制共模电压。
图10仅使用与最小负共模电压值(-VDC/18)关联的开关状态#21至#32来示出空间矢量调制图280中的第二类操作(B类)。如从图10中可知，关联开关状态#21至#32包括在定义第一调制指数水平的圆环284上的状态121、112和211、以及沿着与调制指数0.7698关联的第二圆环286的状态022、202和220、以及沿着对应于甚至更高的调制指数的外部圆环288的6个状态013、031、103、130、301和310，其中，B类开关状态子集#21至#32定义图10中用虚线示出的区域282。如从图8和图10中可知，用于B类操作的各个状态的子集具有最小负绝对共模电压(-VDC/18)，并且包括沿着与第二调制指数水平关联的第二圆环286的状态022、202和220、以及沿着与第一调制指数水平和第三调制指数水平关联的第一圆环284和第三圆环288的最小绝对共模电压状态。
应该说明的是，可以与具有任何偶数整数N个AC电平的多电平转换器100关联地采用如下实施方式：该实施方式采用使用绝对共模电压为最小的可能的开关状态子集的A类和/或B类操作，其中N≥4。例如，虽然本文中在四电平转换器100的上下文中对结合图9至图12所描述的实施方式和图13至图18的实施方式进行说明和描述，但是可能存在使用6电平转换器、8电平转换器或其中N大于等于4的其他偶数个电平转换器的其他实施方式。
图11提供示出来自图8中的表格262的开关状态#21至#44的空间调制图290，该图图示使用利用对应共模电压贡献在其下为最小正值或最小负值(例如，+/-VDC/18)的可用开关状态的两个子集的A类和B类二者进行的操作。
图12图示示出四种不同的情况的表格292，控制器122在上述四种情况下分别经由以上图3的系统2中对应的开关控制信号124a和124b来操作整流器70和逆变器80。第一种情况(表格292中的情况“1”)对应于其中整流器70和逆变器80的当前调制指数(例如mr和mi)均小于等于预定值、诸如所示示例中的0.7698的情形。在这种情况下，控制器122通过仅使用对应子集中的开关状态(例如，整流器70和逆变器80二者的B类操作的开关状态#21至#32，或者整流器70和逆变器80二者的A类操作的开关状态#33至#44)根据同一“类型”(例如，A类或B类)操作整流器70和逆变器80二者的级来促进消除整流器70和逆变器80的共模电压贡献。以这种方式，有利于基本上或完全消除或抵消整流器70和逆变器80的共模电压贡献。此外，应该注意的是，整流器70和逆变器80在任何时间点都会有对应的参考矢量，并且控制器122使用已知空间矢量调制技术进行典型的空间矢量调制以确定选自定义给定参考矢量位置的A类或B类的子集的三个绑定开关状态处的对应驻留时间。
如图12中进一步示出的，其中，与整流器70和逆变器80中的第一个关联的调制指数中的一个或另一个超过预定值(例如，表格292中的情况2或情况3，在所示示例中这些调制指数中的任一个大于0.7698而另一个小于等于0.7698)；控制器122以交替的方式(例如，图8中的开关状态#21至#44)使用A类和B类子集二者来操作整流器70和逆变器80中的第一个的转换器100，例如如图11的空间矢量调制图290中所示。在这点上，当整流器70和逆变器80中的第一个的参考矢量在A类子集的覆盖范围内时，使用来自A类子集的开关状态来操作上述第一个以及整流器70和逆变器80中的另一个二者。一旦其调制指数大于0.7698的、整流器70和逆变器80中的第一个的参考矢量移动至替换为被B类子集所覆盖的区域时，使用来自B类子集的开关状态来操作整流器70和逆变器80二者。应该注意的是，此技术有利于对图3的AC-DC-AC系统2进行更高的调制指数操作，同时仍然缓和系统2中的共模电压问题。此外，在某些实施方式中，在使用图8的可能的三相开关状态组合的所选子集进行操作的过程中，控制器122有利地从与每个给定级100的电平“1”和“2”关联的冗余状态中选择，以进行如以上所描述的内部电容器电压均衡。
同样参考图13至图18，按照本公开内容的另外的方面，控制器122仅使用级100共模电压贡献在其下为最小正值或最小负值的可能的开关状态的子集经由空间矢量调制来向多电平逆变器级100r、100s和100t中的各个多电平逆变器级提供逆变器开关控制信号124b以缓和图3的系统2中的共模电压。例如，图13示出使用24个原始矢量和由可能的开关状态的A类子集或B类子集(这个示例中为与以上图11所示的相同的状态子集)的原始矢量形成的虚拟矢量301对图3的三相多电平逆变器80进行操作的空间矢量调制图300。如从空间矢量调制图300中可知，原始开关矢量状态被示出为对应于图8的表格262中的开关状态#21至#44的圆环，并且使用带星的小六角形来指示虚拟矢量301，其中，可用于由控制器122来操作的六角形总空间矢量调制图300的所得区域包括六角形部分和三角形部分。例如，出于说明的目的，图13用虚线示出第一参考矢量Vref1和第二参考矢量Vref2位于其中的六角形部分302、以及第三参考矢量Vref3位于其中的三角形区域304。图13至图18的概念还可应用于对使用多电平转换器级100的有源整流器的操作，其中，可以仅使用各个级共模电压贡献在其下为最小正值或最小负值的可能的开关状态来将整流器开关控制信号124a提供给各整流器级100a、100b和100c(图3)。
图14和图15进一步示出总空间矢量调制图300的六角形部分302，包括将三角形部分分割为第一参考矢量Vref1和第二参考矢量Vref2分别位于其中的两部分的虚线。图16示出具有控制器122所进行的两种不同类型的逆变器脉冲宽度调制开关序列的表格306。在一种可能的实现中，控制器122进行包括三相开关状态——包括每个PWM环路6个总开关——(图16的表格306中的A类)的7段开关序列211-221-121-122-121-221-211。此外，如从图14和图15中可知，六角形部分包括位于六角形区域302的外边界处的矢量V1至V6，并且控制器122有利地合成六角形区域302的中心位置的虚拟矢量，其对应的开关状态在图13的所使用子集中被忽略。以这种方式，使用子集的允许的开关状态对虚拟或遗漏(中心节点)矢量的贡献虚拟化，从而缓和整个系统2中的共模电压问题。具体地，与六角形区域302的中心节点(例如，以上图6中空间矢量调制图240的中心节点，包括状态000、111、222、333)关联的各共模电压均大于与如以上图8所示的开关状态#21至#44关联的最小正共模电压值或最小负共模电压值。因而对这些高共模电压开关状态的避免有利于减小共模电压，其中，由控制器122使用在所示的实施方式中具有对应的最小正值或最小负值的许可开关状态来对被忽略的开关状态的贡献进行虚拟化。
在图14(Vref1)的情况下，控制器122使用矢量221和211用于合成参考矢量位置，因为这些矢量界定在图14中由虚线创建的三角形区域。对于所示的六角形区域302的中心处的虚拟矢量的贡献，控制器122结合与矢量211和221关联的对应的附加驻留时间来使用附加矢量121和矢量122以合成虚拟矢量的贡献，如图21和图23中进一步所示。图14中的虚拟矢量是图21和图23中的虚拟矢量的组合。在图22中使用原始矢量121和212示出了用于合成图14所示的六角形区域302的中心处的虚拟矢量的另一可能的实现。对于图15中的第二参考矢量Vref2的示例，控制器122仍然使用界定参考矢量位于其中的三角形区域的主要矢量221和211、以及与矢量211结合使用以合成六角形区域302的中心处的虚拟矢量的相邻矢量121来进行如表格306所示的具有四个总开关的5段(B类)开关序列211-221-121-221-211。这在图23中进一步示出，其中，控制器122使用原始矢量121、211和221来合成六角形区域302的中心处的虚拟矢量。图21至图23示出可以按照以上所描述的共模减小技术来采用的、控制器122的某些实施方式中的示例性虚拟矢量合成。在六角形区域诸如图21和图22的区域302中，有6个开关状态，每个顶点处有一个开关状态，而在六角形的中心处没有开关状态。可以为六角形的中心节点构建虚拟矢量以便于调制。可以采用不同的开关状态来构造虚拟矢量。以区域I作为示例，图21至图23中对三类虚拟矢量构造方法进行说明。A类使用V1和V4来构造六角形的原点处的虚拟矢量。可以将虚拟矢量表示为图21中所示的V4/2+V1/2。B类使用V3和V6来构造六角形原点处的虚拟矢量。虚拟矢量可以表示为图22中所示的V6/2+V3/2。
图23示出使用V1、V2和V3构造六角形的原点处的虚拟矢量的第三类(C类)。虚拟矢量可以表示为图23中所示的V1-V2+V3。在构造六角形的原点处的虚拟矢量之后，可以以类似与常规SVM方法的方式使用三个最近的矢量来合成给定参考矢量Vref。如果使用A类虚拟矢量合成，则控制器122可以实现5段开关序列诸如211-221-122-221-211，其中，在采样阶段开关的个数为6。如果选择B类，则可以使用7段开关序列诸如212-211-221-121-221-211-212，其中，在采样阶段开关的个数为6。如果选择C类，则可以使用5段开关序列诸如211-221-121-221-211，其中，在采样阶段开关的个数为4。图17示出图13的原始空间矢量调制图300的三角形区域304内的第三参考矢量Vref3，图18中的表格308示出三种不同的5段开关序列，每个序列在每个PWM循环中总共具有4个开关。因为三角形区域304在边界处不包括任何虚拟矢量，所以可以使用具有根据如图所示的边界实际矢量301、310和311所计算的驻留时间的空间矢量调制来实现常规的脉冲宽度调制。
同样参考图19和图20，在控制器122的某些实施方式中可以实现不同形式的逆变器空间矢量调制，以向图3的逆变器80提供控制信号124b，其中，控制器122直接仅使用根据参考矢量使用表示可能的开关状态的子集中的开关状态的实际矢量合成的虚拟矢量来提供开关控制信号。此外，在多种实施方式中，控制器122构造虚拟矢量使得平均共模电压为零。如从图19的空间矢量调制图400中可知，这种情况下的开关状态空间被分割为完全由虚拟矢量界定的六角形区域和三角形区域。例如，图19和图20用虚线示出示例性六角形区域402，其包括区段I至VI并且以对应于最小正共模电压值或最小负共模电压值的开关矢量(例如，以上图11所示的开关状态)的子集的虚拟(不包括)矢量位置为中心。图20示出示例性虚线六角形区域402，其包括虚拟角矢量V12、V23、V34、V45、V56和V61和中心虚拟矢量。这种情况下的虚拟矢量经由控制器122根据实际开关矢量(包括在所有可能的开关状态的低共模电压子集内)来合成，其中，V12＝V1/2+V2/2；V23＝V2/2+V3/2；V34＝V3/2+V4/2；V56＝V5/2+V6/2和V61＝V6/2+V1/2。此外，例如，三角形区域404中的中心开关状态在一种可能的示例中可以由控制器122使用其中两个相对定位的实际矢量来合成，其中，V14＝V1/2+V4/2；或V25＝V2/2+V5/2或V36＝V3/2+V6/2。图19和图20中的所有创建的虚拟矢量的共有特征是每个虚拟矢量的平均共模电压为零，这有利于消除逆变器共模电压中的低阶谐波分量。在一种可能的实施中，例如，当给定的参考矢量Vref和对应的参考矢量Vref’位于图19中所示的区段I中时，使用最近的三个虚拟矢量来合成给定的参考矢量。
在一种实施方式中，控制器122使用虚拟矢量V12、V61和V36并且计算V12、V61和V36的驻留时间。控制器122通过使用所计算的虚拟矢量V12、V61和V36的驻留时间、根据虚拟矢量的上述关系根据虚拟矢量V12、V61、V36的驻留时间来计算原始矢量V6、V1、V2和V3的驻留时间；并且通过原始矢量V6、V1、V2和V3来实现脉冲宽度调制用于操作逆变器80的级100r至100t。此外，由于在本示例中原始矢量V6、V1、V2和V3是四个相邻的空间矢量，所以在采样阶段开关的个数为6。可以使用其他可能的技术来合成给定六角形或三角形区域内的任何虚拟矢量，其中，图19和图20的示例中控制器122完全使用合成的虚拟矢量来执行总体空间矢量调制。此外，如以上所描述的，某些示例中的控制器122提供逆变器开关控制信号124b以控制对各个转换器级100的电容器的充电和放电，例如在4电平转换器100的情况下通过从冗余输出电平或状态(例如，图2中的4个电平“1”或“2”)中选择来将对应的电容器电压调节为小于DC总线电路90的DC总线电压的一半。
同样参考图24至图31，图13至图18以及图19和图20的逆变器空间矢量调制技术有利于减小功率转换系统中的共模电压。例如，图24和图25提供曲线图500和曲线图502，曲线图500和曲线图502分别示出使用通常导致大约5Vdc/18的共模电压的常规空间矢量调制(例如，在图6的空间矢量调制图中使用可能的开关状态)的共模电压(Vcm/VDC)及关联的频谱性能。图25的所得频谱包括显著的三阶谐波分量和高的高阶谐波分量。图26和图27分别示出共模电压曲线图510和频谱曲线图512，其中，使用结合图9至图12的上述技术的、整流器70和逆变器80的背对背操作基本完全消除或抵消各共模电压贡献(例如，如图27所示基本没有频谱)，从而如图26所示将系统的共模电压实质上减小至0。如图28和图29的曲线图520和522所示，以上结合图13至图18所描述的技术的使用将共模电压的大小减小至Vdc/18(图18)，从而将逆变器80的操作的共模电压减小约80％。如从图30和图31的共模电压曲线图530和频谱曲线图532中进一步可知，以上结合图19和图20描述的技术将共模电压的大小减小至Vdc/18，并且还消除了三阶谐波分量和九阶谐波分量，从而便于滤波器设计。因此，图13至图18的技术使用24个原始开关状态来进行共模电压影响最小(如以上图8所示)的调制，并且采用由这些原始开关状态形成的一些虚拟矢量来方便调制，从而减小逆变器80的共模电压贡献。如之前所讨论的，图19和图20的方法仅直接地使用由原始矢量构造的虚拟矢量来进行调制，其中，虚拟矢量具有平均CMV为零的优势。在这点上，以上结合图9至图20所描述的技术可应用于服从空间矢量调制的任何4电平拓扑结构，其中，图19和图20中的方法可扩展至其他电平。此外，以上结合图19和图20所描述的完全或部分消除或抵消共模电压的思想可以用于操作服从空间矢量调制的任何转换器拓扑结构，包括但不限于上述NNPC架构以及开关电容器多电平转换器、级联多电平转换器例如级联H电桥(CHB)、中性点箝位型(NPC)多电平转换器级、模块化多电平转换器(MMC)、NNPC级等。
以上示例仅仅是对本公开内容的多个方面的几个可能的实施方式的说明，其中，本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解可以想到多种等同替换和/或修改。尤其关于上述各部件(组件、设备、系统、电路等)所进行的多种功能，除非另有说明，否则用于描述这些部件的术语(包括对“装置”的提及)旨在对应于执行所描述部件的特定功能的任何部件(即，功能上等同)诸如硬件、处理器执行的软件或其组合，尽管这些术语与执行本公开内容的所示实现中的功能的所公开的结构在结构上不等同。此外，虽然可以仅参照多个实现中之一来公开本公开内容的特定特征，但是这样的特征可以与其他实现的一个或更多个其他特征组合，因为这样的特征可以被期望用于任何给定的或特定的应用并对该应用有利。同样，就在详细描述和/或权利要求中所使用的术语“包括(including)”、“包括(inlcudes)”、“具有(having)”、“具有(has)”、“带有(with)”、或者其多种变型而言，这样的术语旨在以类似于术语“包括(comprising)”的方式表示包括。
本公开内容还可以通过以下方案来实现：
方案1.一种功率转换系统，包括：
DC总线电路，所述DC总线电路包括第一DC总线端子和第二DC总线端子；
整流器，所述整流器包括多个多电平整流器转换器级，所述多电平整流器转换器级中的各个多电平整流器转换器级包括AC输入端子、一对DC输出端子以及多电平整流器电路，其中，所述AC输入端子适于从多个AC输入相位中的对应的AC输入相位接收AC输入功率，所述一对DC输出端子分别耦接至所述DC总线电路的所述第一DC总线端子和所述第二DC总线端子中的对应的DC总线端子，所述多电平整流器电路能够根据整流器开关控制信号的对应集合操作以转换AC输入功率以便在所述DC输出端子处提供DC输出电压；
逆变器，所述逆变器包括多个多电平逆变器级，所述多电平逆变器级中的各个多电平逆变器级包括一对DC输入端子、AC输出端子以及多电平逆变器电路，其中，所述一对DC输入端子分别耦接至所述DC总线电路的所述第一DC总线端子和所述第二DC总线端子中的对应的DC总线端子，所述AC输出端子适于直接地或间接地向多个AC输出相位中的对应的AC输出相位提供AC输出功率以驱动负载，所述多电平逆变器电路能够根据逆变器开关控制信号的对应集合操作以转换来自所述DC总线电路的DC输入功率以便在所述AC输出端子处提供AC输出电压；以及
控制器，所述控制器提供所述整流器开关控制信号和所述逆变器开关控制信号，以促进抵消所述整流器和所述逆变器的共模电压贡献。
方案2.根据方案1所述的功率转换系统，其中，所述各个多电平整流器转换器级和所述各个多电平逆变器级是嵌套式中性点箝位型多电平转换器。
方案3.根据方案2所述的功率转换系统，其中，所述各个嵌套式中性点箝位型多电平转换器包括：
中性点箝位型(NPC)转换器电路，所述NPC转换器电路包括在第一转换器电路输入节点与第二转换器电路输入节点之间彼此串联连接的多个转换器开关设备以及连接所述多个转换器开关设备中的两个转换器开关设备的转换器AC节点；
所述NPC转换器的箝位子电路，所述NPC转换器的箝位子电路包括在所述转换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箝位元件和第二箝位元件以及连结所述第一箝位元件和所述第二箝位元件的第三内部节点；以及
开关电容器电路，所述开关电容器电路包括分别连接在所述转换器DC端子中的对应的转换器DC端子与对应的转换器电路输入节点之间的开关电容器电路开关设备以及分别连接在所述转换器电路输入节点中的对应的转换器电路输入节点与所述第三内部节点之间的第一电容器和第二电容器。
方案4.根据方案3所述的功率转换系统，其中，所述控制器向所述各个嵌套式中性点箝位型多电平转换器的所述多个转换器开关设备和所述开关电容器电路开关设备提供所述整流器开关控制信号和所述逆变器开关控制信号，以控制对所述第一电容器和所述第二电容器的充电和放电。
方案5.根据方案2所述的功率转换系统，其中，所述控制器向所述各个多电平逆变器级的所述多个转换器开关设备和所述开关电容器电路开关设备提供所述逆变器开关控制信号，以便以四个不同电平中之一并且以所述各个AC输出相位提供所述输出电压。
方案6.根据方案1所述的功率转换系统，其中，所述整流器和所述逆变器的所述各个多电平转换器级被配置成提供整数N个AC电压电平，其中，N为大于等于4的偶数。
方案7.根据方案6所述的功率转换系统，其中，所述控制器根据对应的整流器参考矢量和逆变器参考矢量使用具有最小绝对共模电压的可能的开关状态的对应子集经由空间矢量调制来提供所述整流器开关控制信号和逆变器开关控制信号。
方案8.根据方案7所述的功率转换系统，其中，在与所述整流器参考矢量关联的调制指数小于等于预定值并且与所述逆变器参考矢量关联的调制指数小于等于所述预定值时，所述控制器使用相同的所述可能的开关状态的子集来提供所述整流器开关控制信号和所述逆变器开关控制信号。
方案9.根据方案7所述的功率转换系统，其中，在与和所述整流器和所述逆变器中的第一个关联的所述参考矢量关联的调制指数大于预定值并且与和所述整流器和所述逆变器中的另一个关联的所述参考矢量关联的调制指数小于等于相同的所述预定值时，所述控制器使用可能的开关状态的第一子集和可能的开关状态的不同的第二子集中的开关状态交替地向所述整流器和所述逆变器中的所述第一个提供所述开关控制信号，其中，所述对应的多电平级的共模电压贡献在所述可能的开关状态的第一子集下为最小正值，所述对应的多电平级的共模电压贡献在所述可能的开关状态的第二子集下为最小负值；并且其中，所述控制器使用相同的所述子集中的当前用于所述整流器和所述逆变器中的所述第一个的开关状态来向所述整流器和所述逆变器中的所述另一个提供所述开关控制信号。
方案10.一种用于操作多相AC-AC转换系统的方法，所述多相AC-AC系统具有包括多个多电平整流器转换器级的整流器、包括多个多电平逆变器级的逆变器和中间DC总线电路，所述方法包括：
分别向所述整流器和所述逆变器的所述多电平级提供整流器开关控制信号和逆变器开关控制信号，以促进抵消所述整流器的共模电压贡献和所述逆变器的共模电压贡献。
方案11.根据方案10所述的方法，其中，所述整流器和所述逆变器的所述各个多电平级被配置成提供整数N个AC电压电平，其中，N为大于等于4的偶数。
方案12.根据方案11所述的方法，包括：根据对应的整流器参考矢量和逆变器参考矢量使用具有最小绝对共模电压的可能的开关状态的对应子集经由空间矢量调制来提供所述整流器开关控制信号和所述逆变器开关控制信号。
方案13.根据方案12所述的方法，包括：在与所述整流器参考矢量关联的调制指数小于等于预定值并且与所述逆变器参考矢量关联的调制指数小于等于所述预定值时，使用相同的所述可能的开关状态的子集来提供所述整流器开关控制信号和所述逆变器开关控制信号。
方案14.根据方案12所述的方法，包括：在与和所述整流器和所述逆变器中的第一个关联的所述参考矢量关联的调制指数大于预定值并且与和所述整流器和所述逆变器中的另一个关联的所述参考矢量关联的调制指数小于等于所述预定值时，使用可能的开关状态的第一子集和可能的开关状态的不同的第二子集中的开关状态交替地向所述整流器和所述逆变器中的所述第一个提供所述开关控制信号，其中，所述对应的多电平级的共模电压贡献在所述可能的开关状态的第一子集下为最小正值，所述对应的多电平级的共模电压贡献在所述可能的开关状态的第二子集下为最小负值；以及使用相同的所述子集中的当前用于所述整流器和所述逆变器中的所述第一个的开关状态来向所述整流器和所述逆变器中的第二个提供所述开关控制信号。
方案15.一种功率转换系统，包括：
多相多电平转换器，所述多相多电平转换器包括多个多电平转换器级，所述多电平转换器级中的各个多电平转换器级包括一对DC端子、AC端子以及多电平转换器电路，其中，所述一对DC端子分别耦接至DC总线电路，所述AC端子适于直接地或间接地向多个AC相位中的对应的AC相位提供AC输出功率或从多个AC相位中的对应的AC相位接收AC输出功率，所述多电平转换器电路能够根据转换器开关控制信号的对应集合操作；其中，所述各个多电平转换器级被配置成提供整数N个AC电压电平，其中，N为大于等于4的偶数；以及
控制器，所述控制器仅使用具有最小绝对共模电压的可能的开关状态的子集经由空间矢量调制来向所述多电平转换器级中的各个多电平转换器级提供所述转换器开关控制信号。
方案16.根据方案15所述的功率转换系统，其中，所述各个多电平转换器级为具有包括第一电容器和第二电容器的开关电容器电路的嵌套式中性点箝位型多电平转换器，并且其中，所述控制器提供所述转换器开关控制信号以控制对所述第一电容器和所述第二电容器的充电和放电以便将对应的第一电容器电压和第二电容器电压调节为小于所述DC端子两端的DC总线电压的一半。
方案17.根据方案15所述的功率转换系统，其中，所述控制器通过仅使用实际矢量或者通过使用实际矢量和根据参考矢量使用表示所述可能的开关状态的子集中的开关状态的实际矢量合成的虚拟矢量二者来提供所述转换器开关控制信号。
方案18.一种功率转换系统，包括：
多相多电平转换器，所述多相多电平转换器包括多个多电平转换器级，所述多电平转换器级中的各个多电平转换器级包括一对DC端子、AC端子以及多电平转换器电路，其中，所述一对DC端子分别耦接至DC总线电路，所述AC端子适于直接地或间接地向多个AC相位中的对应的AC相位提供AC输出功率或从多个AC相位中的对应的AC相位接收AC输出功率，所述多电平转换器电路能够根据转换器开关控制信号的对应集合操作；以及
控制器，所述控制器仅使用具有最小绝对共模电压的可能的开关状态的子集经由空间矢量调制来向所述多电平转换器级中的各个多电平转换器级提供所述转换器开关控制信号，其中，所述控制器通过直接仅使用根据参考矢量而使用表示所述可能的开关状态的子集中的开关状态的实际矢量合成的虚拟矢量来提供所述转换器开关控制信号。
方案19.根据方案18所述的功率转换系统，其中，所述虚拟矢量被构造以使得所述虚拟矢量的平均共模电压为零。
方案20.根据方案18所述的功率转换系统，其中，所述各个多电平转换器级为具有包括第一电容器和第二电容器的开关电容器电路的嵌套式中性点箝位型多电平转换器，并且其中，所述控制器提供所述转换器开关控制信号以控制对所述第一电容器和所述第二电容器的充电和放电以便将对应的第一电容器电压和第二电容器电压调节为小于所述DC端子两端的DC总线电压的一半。
部件列表

Claims (20)

1.一种功率转换系统(2)，包括：
DC总线电路(90)，所述DC总线电路(90)包括第一DC总线端子(90a)和第二DC总线端子(90b)；
整流器(70)，所述整流器(70)包括多个多电平整流器转换器级(100a、100b、100c)，所述多电平整流器转换器级(100a、100b、100c)中的各个多电平整流器转换器级包括AC输入端子(120)、一对DC输出端子(101、102)以及多电平整流器电路(S1至S6、D1、D2、C1、C2)，其中，所述AC输入端子(120)适于从多个AC输入相位中的对应的AC输入相位接收AC输入功率，所述一对DC输出端子(101、102)分别耦接至所述DC总线电路(90)的所述第一DC总线端子(90a)和所述第二DC总线端子(90b)中的对应的DC总线端子，所述多电平整流器电路(S1至S6、D1、D2、C1、C2)能够根据整流器开关控制信号的对应集合(124a)操作以转换AC输入功率以便在所述DC输出端子(101、102)处提供DC输出电压；
逆变器(80)，所述逆变器(80)包括多个多电平逆变器级(100r、100s、100t)，所述多电平逆变器级(100r、100s、100t)中的各个多电平逆变器级包括一对DC输入端子(101、102)、AC输出端子(120)以及多电平逆变器电路(S1至S6、D1、D2、C1、C2)，其中，所述一对DC输入端子(101、102)分别耦接至所述DC总线电路(90)的所述第一DC总线端子(90a)和所述第二DC总线端子(90b)中的对应的DC总线端子，所述AC输出端子(120)适于直接地或间接地向多个AC输出相位中的对应的AC输出相位提供AC输出功率以驱动负载(200)，所述多电平逆变器电路(S1至S6、D1、D2、C1、C2)能够根据逆变器开关控制信号的对应集合(124b)操作以转换来自所述DC总线电路(90)的DC输入功率以便在所述AC输出端子(120)处提供AC输出电压；以及
控制器(122)，所述控制器(122)提供所述整流器开关控制信号和所述逆变器开关控制信号(124)，以促进抵消所述整流器(70)和所述逆变器(80)的共模电压贡献。
2.根据权利要求1所述的功率转换系统(2)，其中，所述各个多电平整流器转换器级(100a、100b、100c)和所述各个多电平逆变器级(100r、100s、100t)为嵌套式中性点箝位型多电平转换器(100)。
3.根据权利要求2所述的功率转换系统(2)，其中，所述各个嵌套式中性点箝位型多电平转换器(100)包括：
中性点箝位型(NPC)转换器电路，所述NPC转换器电路包括在第一转换器电路输入节点(111)与第二转换器电路输入节点(112)之间彼此串联连接的多个转换器开关设备(S2至S5)以及连接所述多个转换器开关设备中的两个转换器开关设备(S3、S4)的转换器AC节点(116)；
所述NPC转换器的箝位子电路，所述NPC转换器的箝位子电路包括在所述转换器开关电路的第一内部节点(114)与第二内部节点(118)之间彼此串联连接的第一箝位元件(D1)和第二箝位元件(D2)以及连结所述第一箝位元件(D1)和所述第二箝位元件(D2)的第三内部节点(119)；以及
开关电容器电路(104)，所述开关电容器电路(104)包括分别连接在所述转换器DC端子(101、102)中的对应的转换器DC端子与对应的转换器电路输入节点(111、112)之间的开关电容器电路开关设备(S1、S6)以及分别连接在所述转换器电路输入节点(111、112)中的对应的转换器电路输入节点与所述第三内部节点(119)之间的第一电容器(C1)和第二电容器(C2)。
4.根据权利要求3所述的功率转换系统(2)，其中，所述控制器(122)向所述各个嵌套式中性点箝位型多电平转换器(100)的所述多个转换器开关设备(S2至S5)和所述开关电容器电路开关设备(S1、S6)提供所述整流器开关控制信号和所述逆变器开关控制信号(124)，以控制对所述第一电容器(C1)和所述第二电容器(C2)的充电和放电。
5.根据权利要求2所述的功率转换系统(2)，其中，所述控制器(122)向所述各个多电平逆变器级(100r、100s、100t)的所述多个转换器开关设备(S2至S5)和所述开关电容器电路开关设备(S1、S6)提供所述逆变器开关控制信号(124b)，以便以四个不同电平中之一并且以所述各个AC输出相位提供所述输出电压。
6.根据权利要求1所述的功率转换系统(2)，其中，所述整流器(70)和所述逆变器(80)的所述各个多电平转换器级(100)被配置成提供整数N个AC电压电平，其中，N为大于等于4的偶数。
7.根据权利要求6所述的功率转换系统(2)，其中，所述控制器(122)根据对应的整流器参考矢量和逆变器参考矢量(Vref)使用具有最小绝对共模电压的可能的开关状态的对应子集(A类、B类)经由空间矢量调制来提供所述整流器开关控制信号和所述逆变器开关控制信号(124)。
8.根据权利要求7所述的功率转换系统(2)，其中，在与所述整流器参考矢量(Vref)关联的调制指数(mr)小于等于预定值(0.7698)并且与所述逆变器参考矢量(Vref)关联的调制指数(mi)小于等于所述预定值(0.7698)时，所述控制器(122)使用相同的所述可能的开关状态的子集(A类、B类)来提供所述整流器开关控制信号和所述逆变器开关控制信号(124)。
9.根据权利要求7所述的功率转换系统(2)，其中，在与和所述整流器和所述逆变器中的第一个关联的所述参考矢量(Vref)关联的调制指数(mr)大于预定值(0.7698)并且与和所述整流器和所述逆变器中的另一个关联的所述参考矢量(Vref)关联的调制指数(mi)小于等于相同的所述预定值(0.7698)时，所述控制器(122)使用可能的开关状态的第一子集(A类)和可能的开关状态的不同的第二子集(B类)中的开关状态交替地向所述整流器和所述逆变器中的所述第一个提供所述开关控制信号(124)，其中，所述对应的多电平级(100)的共模电压贡献在所述可能的开关状态的第一子集(A类)下为最小正值，所述对应的多电平级(100)的共模电压贡献在所述可能的开关状态的第二子集下为最小负值；并且其中，所述控制器使用相同的所述子集中的当前用于所述整流器和所述逆变器中的所述第一个的开关状态来向所述整流器和所述逆变器中的所述另一个提供所述开关控制信号。
10.一种用于操作多相AC-AC转换系统的方法，所述多相AC-AC系统具有包括多个多电平整流器转换器级(100a、100b、100c)的整流器(70)、包括多个多电平逆变器级(100r、100s、100t)的逆变器(80)和中间DC总线电路(90)，所述方法包括：
分别向所述整流器(70)和所述逆变器(80)的多电平级提供整流器开关控制信号和逆变器开关控制信号(124)，以促进抵消所述整流器(70)和所述逆变器(80)的共模电压贡献。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述整流器和所述逆变器的各个多电平级被配置成提供整数N个AC电压电平，其中，N为大于等于4的偶数。
12.根据权利要求11所述的方法，包括：根据对应的整流器参考矢量和逆变器参考矢量(Vref)使用具有最小绝对共模电压的可能的开关状态的对应子集(A类、B类)经由空间矢量调制来提供所述整流器开关控制信号和所述逆变器开关控制信号(124)。
13.根据权利要求12所述的方法，包括：在与所述整流器参考矢量(Vref)关联的调制指数(mr)小于等于预定值(0.7698)并且与所述逆变器参考矢量(Vref)关联的调制指数(mi)小于等于所述预定值(0.7698)时，使用相同的所述可能的开关状态的子集(A类、B类)来提供所述整流器开关控制信号和所述逆变器开关控制信号(124)。
14.根据权利要求12所述的方法，包括：在与和所述整流器和所述逆变器中的第一个关联的所述参考矢量(Vref)关联的调制指数(mr)大于预定值(0.7698)并且与和所述整流器和所述逆变器中的另一个关联的所述参考矢量(Vref)关联的调制指数(mi)小于等于所述预定值(0.7698)时，使用可能的开关状态的第一子集(A类)和可能的开关状态的不同的第二子集(B类)中的开关状态交替地向所述整流器和所述逆变器中的所述第一个提供所述开关控制信号(124)，其中，所述对应的多电平级(100)的共模电压贡献在所述可能的开关状态的第一子集(A类)下为最小正值，所述对应的多电平级(100)的共模电压贡献在所述可能的开关状态的第二子集下为最小负值；以及使用相同的所述子集中的当前用于所述整流器和所述逆变器中的所述第一个的开关状态来向所述整流器和所述逆变器中的第二个提供所述开关控制信号(124)。
15.一种功率转换系统(2)，包括：
多相多电平转换器(70、80)，所述多相多电平转换器(70、80)包括多个多电平转换器级(100)，所述多电平转换器级(100)中的各个多电平转换器级包括一对DC端子(101、102)、AC端子(120)以及多电平转换器电路(S1至S6、D1、D2、C1、C2)，其中，所述一对DC端子(101、102)分别耦接至DC总线电路(90)，所述AC端子(120)适于直接地或间接地向多个AC输出相位中的对应的AC输出相位提供AC输出功率或从多个AC输出相位中的对应的AC输出相位接收AC输出功率，所述多电平转换器电路(S1至S6、D1、D2、C1、C2)能够根据转换器开关控制信号的对应集合(124)操作；其中，所述各个多电平转换器级被配置成提供整数N个AC电压电平，其中，N为大于等于4的偶数；以及
控制器(122)，所述控制器(122)仅使用具有最小绝对共模电压的可能的开关状态的子集经由空间矢量调制来向所述多电平转换器级(100)中的各个多电平转换器级提供所述转换器开关控制信号(124)。
16.根据权利要求15所述的功率转换系统(2)，其中，所述各个多电平转换器级(100)为具有包括第一电容器(C1)和第二电容器(C2)的开关电容器电路(104)的嵌套式中性点箝位型多电平转换器(100)，并且其中，所述控制器(122)提供所述转换器开关控制信号(124)以控制对所述第一电容器(C1)和所述第二电容器(C2)的充电和放电以便将对应的第一电容器电压(VC1)和第二电容器电压(VC2)调节为小于所述DC端子(101、102)两端的DC总线电压的一半。
17.根据权利要求15所述的功率转换系统(2)，其中，所述控制器(122)通过根据参考矢量使用表示所述可能的开关状态的子集中的开关状态的实际矢量合成虚拟空间矢量调制矢量来提供所述转换器开关控制信号(124)。
18.一种功率转换系统(2)，包括：
多相多电平转换器(70、80)，所述多相多电平转换器(70、80)包括多个多电平转换器级(100)，所述多电平转换器级(100)中的各个多电平转换器级包括一对DC端子(101、102)、AC端子(120)以及多电平转换器电路(S1至S6、D1、D2、C1、C2)，其中，所述一对DC端子(101、102)分别耦接至DC总线电路(90)，所述AC端子(120)适于直接地或间接地向多个AC输出相位中的对应的AC输出相位提供AC输出功率或从多个AC输出相位中的对应的AC输出相位接收AC输出功率，所述多电平转换器电路(S1至S6、D1、D2、C1、C2)能够根据转换器开关控制信号的对应集合(124)操作；以及
控制器(122)，所述控制器(122)仅使用具有最小绝对共模电压的可能的开关状态的子集经由空间矢量调制来向所述多电平转换器级(100)中的各个多电平转换器级提供所述转换器开关控制信号(124)，其中，所述控制器通过直接仅使用根据参考矢量而使用表示所述可能的开关状态的子集中的开关状态的实际矢量合成的虚拟矢量来提供所述转换器开关控制信号。
19.根据权利要求18所述的功率转换系统(2)，其中，所述虚拟矢量被构造以使得所述虚拟矢量的平均共模电压为零。
20.根据权利要求18所述的功率转换系统(2)，其中，所述各个多电平转换器级(100)为具有包括第一电容器(C1)和第二电容器(C2)的开关电容器电路(104)的嵌套式中性点箝位型多电平转换器(100)，并且其中，所述控制器(122)提供所述转换器开关控制信号(124)以控制对所述第一电容器(C1)和所述第二电容器(C2)的充电和放电以便将对应的第一电容器电压(VC1)和第二电容器电压(VC2)调节为小于所述DC端子(101、102)两端的DC总线电压的一半。
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