CN105656317A - 用于操作功率变换器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明题为用于操作功率变换器的系统和方法。一种用于功率变换器的电路，包括最接近交流(AC)电源的所述导电元件的第一开关装置。所述电路还包括最接近直流(DC)链路的电压测量装置，并且在所述AC电源和所述直流链路之间延伸。所述电路进一步包括DC电压源和第一电容装置。所述第一电容装置定位在所述第一开关装置和所述电压测量装置之间。所述电路进一步包括定位在所述第一电容装置和所述电压测量装置之间的第二开关装置。所述电路还包括操作地耦合到所述DC电压源、所述电压测量装置、所述第一开关装置和所述第二开关装置的控制器。所述控制器配置成当由所述电压测量装置生成的所测量电压信号基本上表示参考电压值时，断开所述第二开关装置。

Description

用于操作功率变换器的系统和方法
技术领域
本公开的技术领域一般涉及功率变换器设备，并且，更特别地，涉及用于操作多电平变换器的系统和方法。
背景技术
许多已知的多电平功率变换器在遍及各种工业中使用，以及用于多种电力变换的多种目的。具体地，术语“多电平变换器”指的是变换器，其能够工作在逆变器模式和整流器模式。其中已知使用多电平功率变换器的一个技术领域是中压(MV)变速驱动(VSD)行业，其中MVVSD通常部署在许多不同的处理设施中，例如诸如发电工业的工业。MVVSD设施在较低能量消耗的情况下快速准确地处理控制，通过诸如恒速驱动马达的装置通常是不可实现两种结果。
其中使用已知多电平功率变换器的另一技术领域是电力传输和分配工业。已知电力传输和配电设施物理上定位在偏远地理区域中或者其中物理访问是困难的地区中。一个示例包括地理上位于在崎岖和/或偏远地区(例如，多山的山坡、从电力网的延伸距离、以及淹没例如海上油气开采和恢复安装)的电力传输和分配设施。这些已知的电力传输和配电设施中许多包括独立的功率变换组合件或系统，其电耦合到交流(AC)电源，例如公用电网。这种已知的独立功率变换器组合件包括将由公用发电网传输的AC变换为直流(AC)的整流器部分，和将DC变换为预定频率和电压幅值AC的逆变器部分。整流器部分和逆变器部分使用可在操作为整流器和操作为逆变器之间转变的多电平功率变换器。大多数已知的多电平变换器包括基于半导体的开关元件，例如包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)的晶闸管。整流器部分和逆变器部分通常经由中压直流(MVDC)或高压直流(HYDC)链路电耦合。
各种已知的多电平变换器拓扑结构在使用中或已可用于服务。用于已知多电平变换器的许多直流链路包括电容器，以便促进调平DC链路内的直流电压，来稳定多电平变换器之间的功率传输。这些电容器在本文称为“飞跨电容器”(flyingcapacitor)。随着变换器中的开关元件的操作改变，飞跨电容器的电压遍及相关联多电平变换器的操作改变。而且，每个开关装置的输出电压图和阻断电压是由飞跨电容器的电压来确定。为了得到具有低谐波失真的适当多电平输出，并且防止装置获得过压情况，飞跨电容器电压保持在或接近某些电压电平，其通常限定为通过多电平变换器的所有操作模式(包含启动)中用于飞跨电容器的参考或参考电压。然而，在多电平变换器投入服务之前，飞跨电容器的电压值与工作电压相比比较低，并且可低至零伏特。
同样，在多电平变换器开始进行切换之前，飞跨电容器电压首先被预充电到参考或接近于参考。另外，开关装置的服务寿命可通过暴露于过电压情况而缩短。传统上，预充电过程需要每个飞跨电容的电压传感器。当与多电平变换器开关装置相关联的电压电平的额定随着变换器的功率额定增加时，飞跨电容器的数量也适当增加。因此，需要更多的电压传感器，这增加了装配和维持多电平变换器的成本，以及与控制器相关联的附加输入通道资源进一步抬高成本。
发明内容
在一个方面，提供了一种用于功率变换的电路。所述电路包括导电元件和耦合到最接近交流(AC)电源的所述导电元件的第一开关装置。所述电路还包括耦合到最接近直流(DC)链路的所述导电元件的电压测量装置。所述电路在所述AC电源和所述直流链路之间延伸。所述电路还包括耦合到所述导电元件的DC电压源。所述电路还包括耦合到所述导电元件的第一电容装置。所述第一电容装置定位在所述第一开关装置和所述电压测量装置之间。所述电路还包括耦合到所述导电元件的第二开关装置。所述第二开关装置定位在所述第一电容装置和所述电压测量装置之间。所述电路还包括操作地耦合到所述DC电压源、所述电压测量装置、所述第一开关装置和所述第二开关装置的控制器。所述控制器配置成当由所述电压测量装置生成的所测量电压信号基本上表示参考电压值时，断开所述第二开关装置。
在又一方面，提供了一种操作包括电路的功率变换器的方法。所述电路包括最接近交流(AC)电源的第一部分和最接近直流(DC)链路的第二部分。所述方法包括断开最接近所述第一部分的第一开关装置，由此基本上使所述电路与所述AC电源电气隔离。所述方法还包括感应最接近所述第二部分的DC电压，以及将所述第一电容装置充电到第一预定电压值。所述第一电容装置定位在所述第一开关装置和所述第二开关装置之间。所述方法还包括测量最接近所述第二部分的所述电压，以及当在所述第二部分感应的所测量电压基本上等于第一参考电压值时，断开所述第二开关装置。
在另一方面，提供一种电力系统。所述电力系统包括交流(AC)电源、直流(DC)链路和第一功率变换器，所述第一功率变换器包括在所述AC电源和所述DC链路之间延伸的电路。所述电路包括导电元件和耦合到最接近所述AC电源的所述导电元件的第一开关装置。所述电路还包括耦合到最接近所述DC链路的所述导电元件的电压测量装置。所述电路在所述AC电源和所述DC链路之间延伸。所述电路还包括耦合到所述导电元件的DC电压源和耦合到所述导电元件的第一电容装置。所述第一电容装置定位在所述第一开关装置和所述电压测量装置之间。所述电路还包括耦合到所述导电元件的第二开关装置。所述第二开关装置定位在所述第一电容装置和所述电压测量装置之间。所述电路还包括操作地耦合到所述DC电压源、所述电压测量装置、所述第一开关装置和所述第二开关装置的控制器。所述控制器配置成当由所述电压测量装置生成的所测量电压信号基本上表示参考电压值时，断开所述第二开关装置。
技术方案1：一种用于功率变换器的电路，所述电路包括：
导电元件；
耦合到最接近交流(AC)电源的所述导电元件的第一开关装置；
耦合到最接近直流(DC)链路的所述导电元件的电压测量装置，其中所述电路在所述交流电源和所述直流链路之间延伸；
耦合到所述导电元件的DC电压源；
耦合到所述导电元件的第一电容装置，所述第一电容装置定位在所述第一开关装置和所述电压测量装置之间；
耦合到所述导电元件的第二开关装置，所述第二开关装置定位在所述第一电容装置和所述电压测量装置之间；和
操作地耦合到所述DC电压源、所述电压测量装置、所述第一开关装置和所述第二开关装置的控制器，所述控制器配置成当由所述电压测量装置生成的所测量电压信号基本上表示参考电压值时，断开所述第二开关装置。
技术方案2：根据技术方案1所述的电路，其中所述导电元件包括耦合到至少正DC汇流条的第一导电元件和耦合到至少负DC汇流条的第二导电元件，所述电压测量装置配置成测量在所述正DC汇流条和所述负DC汇流条之间延伸的至少一个DC链路装置上的电压。
技术方案3：根据技术方案1所述的电路，其中所述第一开关装置配置成使所述电路与AC电源隔离。
技术方案4：根据技术方案1所述的电路，其中所述DC电压源是配置成使用预定电压值对所述电路的供电DC预充电器。
技术方案5：根据技术方案1所述的电路，还包括：
耦合到所述导电元件的第二电容装置；和
耦合到所述导电元件的第三开关装置，所述第二电容装置定位在所述第二开关装置和所述第三开关装置之间，以及所述第三开关装置定位在所述第二电容装置和所述电压测量装置之间。
技术方案6：根据技术方案5所述的电路，其中所述第一电容装置、所述第二开关装置、所述第二电容装置和所述第三开关装置限定以嵌套配置交替的多个所述开关装置和多个所述电容装置。
技术方案7：根据技术方案6所述的电路，其中以嵌套配置交替的所述多个所述开关装置和所述多个所述电容装置配置成顺序地对所述多个电容装置的所述电容装置的每一个供电至相关联的预定电压。
技术方案8：根据技术方案1所述的电路，其中所述控制器包括比较器装置。
技术方案9：根据技术方案1所述的电路，其中所述控制器包括计算机，其包括处理器和耦合到所述处理器的存储装置。
技术方案10：一种电力系统，包括：
交流(AC)电源；
直流(DC)链路；和
第一功率变换器，其包括在所述AC电源和所述DC链路之间延伸的电路，所述电路包括：
导电元件；
耦合到最接近所述AC电源的所述导电元件的第一开关装置；
耦合到最接近所述DC链路的所述导电元件的电压测量装置，其中所述电路在所述AC电源和所述DC链路之间延伸；
耦合到所述导电元件的DC电压源；
耦合到所述导电元件的第一电容装置，所述第一电容装置定位在所述第一开关装置和所述电压测量装置之间；
耦合到所述导电元件的第二开关装置，所述第二开关装置定位在所述第一电容装置和所述电压测量装置之间；和
操作地耦合到所述DC电压源、所述电压测量装置、所述第一开关装置和所述第二开关装置的控制器，所述控制器配置成当由所述电压测量装置生成的所测量电压信号基本上表示参考电压值时，断开所述第二开关装置。
技术方案11：根据技术方案10所述的方法，其中感应最接近所述第二部分的DC电压包括对DC预充电装置供电。
技术方案12：根据技术方案10所述的方法，还包括：
将所述第二电容装置充电到第二预定电压值，所述第二电容装置定位在所述第二开关装置和第三开关装置之间；和
当在所述第二部分处感应的所测量电压基本上等于第二参考电压值时，断开所述第三开关装置。
技术方案13：根据技术方案10所述的方法，其中对第一电容装置充电和断开所述第二开关装置包括顺序地对多个电容装置中的每个电容装置供电，并且当在所述第二部分处感应的对应所测量电压基本上等于对应的参考电压值时，顺序地断开每个第二开关装置。
技术方案14：根据技术方案10所述的方法，其中测量最接近所述第二部分的所述电压包括测量在正DC汇流条和负DC汇流条之间延伸的至少一个DC链路装置上的所述电压。
技术方案15：一种电力系统，包括：
交流(AC)电源；
直流(DC)链路；和
第一功率变换器，包括在所述AC电源和所述DC链路之间延伸的电路，所述电路包括：
导电元件；
耦合到最接近所述AC电源的所述导电元件的第一开关装置；
耦合到最接近所述DC链路的所述导电元件的电压测量装置，其中所述电路在所述AC电源和所述DC链路之间延伸；
耦合到所述导电元件的DC电压源；
耦合到所述导电元件的第一电容装置，所述第一电容装置定位在所述第一开关装置和所述电压测量装置之间；
耦合到所述导电元件的第二开关装置，所述第二开关装置定位在所述第一电容装置和所述电压测量装置之间；
操作地耦合到所述DC电压源、所述电压测量装置、所述第一开关装置和所述第二开关装置的控制器，所述控制器配置成当由所述电压测量装置生成的所测量电压信号基本上表示参考电压值时，断开所述第二开关装置。
技术方案16：根据技术方案15所述的电力系统，还包括耦合到所述DC链路的第二功率变换器，所述第二功率变换器与所述第一功率变换器基本上类似。
技术方案17：根据技术方案15所述的电力系统，其中所述第一功率变换器和所述第二功率变换器是多电平功率变换器。
技术方案18：根据技术方案15所述的电力系统，还包括：
耦合到所述导电元件的第二电容装置；和
耦合到所述导电元件的第三开关装置，所述第二电容装置定位在所述第二开关装置和所述第三开关装置之间，以及所述第三开关装置定位在所述第二电容装置和所述电压测量装置之间。
技术方案19：根据技术方案18所述的电力系统，其中所述第一电容装置、所述第二开关装置、所述第二电容装置和所述第三开关装置限定以嵌套配置交替的多个所述开关装置和多个所述电容装置。
技术方案20：根据技术方案19所述的电力系统，其中以嵌套配置交替的所述多个所述开关装置和所述多个所述电容装置配置成顺序地对所述多个电容装置的所述电容装置的每一个供电至相关联的预定电压。
附图说明
当参考附图阅读下面的详细描述时，本公开的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，附图中相似符号附图中表示相似的部分，其中：
图1是示例电力系统的示意图；
图2是可与图1所示的电力系统一起使用的示例多电平功率变换器的一部分的示意性模块化视图；
图3是包括图2所示的多电平功率变换器的DC链路和相脚的示例电路的示意性模块化视图；
图4是操作图3所示的电路的示例方法的流程图；
图5是如在4图中所示的方法进行的作为时间的函数的图3所示的DC链路的电压的变化的图形视图；
图6A是包括图2所示多电平功率变换器的相脚的备选电路的示意性模块化视图；
图6B是图6A的延续；
图7是操作图6A和6B所示电路的示例方法的流程图；
图8是包括图2所示多电平功率变换器的相脚的另一个备选电路的示意性模块化视图；和
图9是操作图8所示电路的示例方法的流程图。
除非另有指示，本文提供的附图意味着图示本公开实施例的特征。这些特征被认为是适用于包含本公开的一个或多个实施例的各种各样的系统。同样，附图不意味着由本领域普通技术人员中的那些已知的需要用于本文所公开的实施例实施的所有常规特征。
具体实施方式
在下面的说明书和权利要求书中，将提及许多术语，这些术语将定义为具有下面的含义。
除非上下文另有明确指示，单数形式“一”、“一个”、和“所述”包括复数参考。
“可选的”或“可选地”意味着随后所描述的事件或情形可发生或可不发生，并且描述包括其中情况发生的以及其中情况不发生。
如本文整个说明书和权利要求书所使用的近似语言，可用于修改任何定量的表示，这些表示能够容许改变，而不导致与其所相关的基本功能的改变。因此，通过一个术语或多个术语所修改的值，例如“约”、“大约”、和“基本上”，不限定于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量数值的仪器的精确度。在这里和在整个说明书和权利要求书中，范围限制可组合和/或互换，这类范围被识别，并且除非上下文或语言另有指示，包括在其中所包含的所有子范围。
如本文所使用的，术语“处理器”和“计算机”和相关术语，例如“处理装置”、“计算装置”、和“控制器”不局限于只有本领域中称为计算机的那些集成电路，而是宽泛地称为微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路以及其他可编程电路，并且这些术语在本文中可互换使用。在本文所描述的实施例中，存储器可包括(但不限于)计算机可读介质，例如随机存取存储器(RAM)，以及计算机可读非易失性介质，例如闪存。备选地，也可使用软盘、压缩盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字通用光盘(DVD)。而且，在本文描述的实施例中，附加的输入通道可以是(但不限于)与操作界面相关联的计算机外围装置，例如鼠标和键盘。备选地，也可以使用其他计算机外围装置，其可包括，例如(但不限于)扫描仪。此外，在示例实施例中，附加的输出通道可包括(但不限于)操作者接口监测器。
此外，如本文所使用的，术语“软件”和“固件”是可互换的，并且包括存储在存储器中由个人计算机、工作站、客户端和服务器执行的任何计算机程序。
如本文所使用的，术语“非暂时计算机可读媒体”旨在表示以任何方法或技术实现用于短期和长期储存的信息(例如，计算机可读指令、数据结构、程序模块和子模块、或在任何装置中的其他数据)的任何有形的基于计算机的装置。因此，本文描述的方法可被编码为在有形的、非暂时计算机可读介质(包括(但不限于)存储装置和/或存储器装置)中体现可运行的指令。当由处理器运行时，这类指令使所述处理器至少执行本文描述方法的一部分。此外，如本文所使用的，术语“非暂时计算机可读媒体”包括所有有形的计算机可读媒体，包括(但不限于)非暂时计算机存储装置，包括(但不限于)易失性和非易失性媒体以及可移动和不可移动媒体，例如固件、物理和虚拟存储、CD-ROM、DVD、以及诸如网络或因特网、以及尚待开发的数字部件的任何其他数字源，其中唯一的例外是短暂的传播信号。
此外，如本文所使用的，术语“实时”指的是相关联事件发生的时间、预定数据测量和收集的时间、处理数据的时间和系统响应于事件和环境的时间中的至少一个。本文所描述的实施例中，这些活动和事件基本上瞬间发生。
本文描述的多电平变换器提供用于其中在相关联的多电平变换器投入服务时，预充电操作期间减少监测飞跨电容器的操作所需的电压传感器的数量。而且，如在本公开的示例实施例中所示的，本文描述的系统和方法不限于任何单个的多电平变换器拓扑。例如，本文公开的系统和方法可与多单元变换器(MC)拓扑、多单元堆叠变换器(SMC)的拓扑结构、有源中性点钳位(ANPC)变换器拓扑、和嵌套中性点试行(NPP)变换器拓扑一起使用。同样，用于飞跨电容器的电压传感器的数量减少，并且到相关量控制器的输入/输出(I/O)通道数量减少，由此减小了相关联的电缆和线路。同样，配置成本和相关联的处理资源减少。因此，装配多电平变换器的成本减少。
图1是示例电力系统100的示意图。电力系统100包括第一交流(AC)电源102、第二交流(AC)电源104、和耦合在其之间的多电平变换器106。在一些备选实施例中，AC电源104使用负载或负荷系统来替代。多电平变换器106包括多电平整流器108、多电平逆变器110和在其之间并且耦合到整流器108和逆变器110的直流(DC)链路112。在示例实施例中，多电平整流器108和多电平逆变器110是基本上类似的多电平电源变换器，并且配置成从整流操作切换到逆变操作，以及反向。因此，AC和DC之间电力变换和相关联的电力传输为如箭头114所示的双向。多电平整流器108、多电平逆变器110和DC链路112使用任何组件来构造，其具有任何配置，实现电力系统100和多电平变换器106如本文所述那样操作。在示例实施例中，电力系统100是具有所示的A相、B相、和C相的三相系统。备选地，电力系统100具有实现如本文所述操作的任何配置，包括并且不限于，单相和多相(多相或低于三相配置的相)。
多电平变换器106还包括控制器120。控制器120包括存储器装置122和操作地耦合到存储器122用于运行指令的处理器124。在一些实施例中，可运行指令存储在存储器装置122中。控制器120可配置成执行一个或多个如本文所述的操作。例如，处理器124可通过编码操作为一个或多个可执行指令和在存储器装置122中提供可运行指令而被编程。在示例实施例中，存储器装置122是能够存储和检索信息例如可执行指令和/或其他数据的一个或多个装置。存储器装置122可包括一种或多种计算机可读媒体。存储器装置122可配置成存储与电力系统100相关联的操作度量(measurement)，包括但不限于，实时和历史电压值、电流值和/或任何其他类型的数据。而且，存储器装置122包括，但不限于，促进如本文所述地操作多电平变换器106的充足的数据、算法和指令。在一些实施例中，控制器120包括比较器电路126(下面进一步描述)。
图2是可与电力系统100(在图1中示出)一起使用并且在区域2提出(在图1中示出)的多电平功率变换器106的一部分的示意性模块化视图。具体地，示出多电平逆变器110的一部分和DC链路112的一部分。DC链路112包括DC链路装置130，其包括，但不限于，在电容器组中的一个或多个电容器和电池装置(均未示出)中的至少一个。在示例实施例中，DC链路112还包括相互平行的正DC汇流条129和负DC汇流条131。备选地，DC链路112包括实现如本文所述的多电平功率变换器106和电力系统100的操作的任何数量的汇流条，包括但不限于三个汇流条，即、正汇流条129、负汇流条131和中性汇流条(这种配置在下面进一步讨论)。
多电平逆变器110包括多个开关装置，即，切换器单元132和多个电容装置，即电容器单元134。切换器单元132包括任何数量和任何类型的基于半导体的开关元件，包括，但不限于，绝缘栅双极晶体管(IGBT)。电容器单元134包括飞跨电容器。在示例实施例中，为简单起见，切换器单元132和电容器单元134以嵌套的、即串联配置方式示出，该串联配置限定分别用于A相、B相和C相的三个基本类似的相脚136、138和140。然而，单元132和134具有实现多电平功率变换器106操作的任何配置，例如，但不限于，包括并列单元的嵌套配置。
多电平功率变换器106还包括飞跨电容器预充电系统150，其包括DC电压装置，即DC预充电器152和电压测量装置154。DC预充电器152通过多个导电元件156耦合到相脚136、138和140。因此，DC预充电器152配置成基本上同时对用于所有三个相脚136、138和140的电容器单元134中的所有飞跨电容器供电和充电以及直流链路112中的DC链路装置130。电压测量装置154在配置上耦合到DC链路装置130，以便于测量在DC链路电压112中沿正DC汇流条129和负DC汇流条131延伸的DC链路装置130两端的总电压。电压测量装置154是实现多电平功率变换器106和飞跨电容预充电系统150如本文所述的操作的任何器件，包括但不限于，电压换能器。飞跨电容器预充电系统150还至少包括控制器120的一部分。
图3是电路160的示意性模块化视图，电路包括具有多单元变换器(MC)拓扑结构的DC链路112和相脚136。所示出的相脚136和DC链路112的一部分形成电路160。相脚138和140(二者均示于图2)基本上类似。因此相关联的电路也基本上类似。电路160包括耦合到正DC汇流条129的第一导电元件162和耦合到负DC汇流条131的第二导电元件164。第一导电元件162和第二导电元件164是相互平行的，由此限定其中第一导电元件162正向充电以及第二导电元件164负向充电的双电平电路(two-levelcircuit)
每个切换器单元132(示出为“S-Cell”)沿元件162和164定位，以促进通过断开和中断元件162和164的一部分隔离相关联的电容器单元134(示为“C-Cell”)。在示例实施例中，存在总数为“n”个的S-Cell132以及总数为“n-1”个C-cell，其中n是从1开始的正整数。第一开关单元132、即S-Cell1(n＝1)定位在第一部分166最接近即接近于第二交流电源104的A相，并且配置成将相脚136中的所有元件与电源104隔离。S-Cell1由两个开关S1表示。电路160的第二部分168是由DC链路装置130限定。
而且，在示例实施例中，第一电容单元134，即C-Cell1定位在S-Cell1和电压测量装置154之间，使得其中S-Cell1处于断开位置，DC预充电器152和电源104的A相彼此电气隔离。从2至n的剩余S-Cell是闭合的，由此它们被控制为导通。C-Cell1由电容器C1表示。而且，当C-Cell1由DC预充电器152充电后，电压测量装置154生成基本上表示跨充电的C-Cell1的电压的电压信号，并且将信号传输到控制器120。更具体地，电压测量装置154生成基本表示跨DC链路装置130的电压的电压信号，其表示基于C-Cell1和电压测量装置154之间的相脚136的已知电气特性，如由控制器120所确定的跨充电C-Cell1的电压。
第二开关装置即S-Cell2定位在C-Cell1与电压测量装置154之间，使得一旦C-Cell1被适当地充电，即达到预定的参考电压时，S-Cell2配置成断开，以将DC预充电器152与C-Cell1隔离。S-Cell2由一对开关S2表示。控制器120根据从电压测量装置154所接收信号生成控制信号以操作开关单元132。C-Cell2定位在S-Cell2和S-Cell3之间。S-Cell132和C-Cell134的这种交替和串联定位继续，直到S-Celln+l接着C-Celln。
图4是操作电路160的示例方法200的流程图，电路160包括相脚136、DC链路装置130、飞跨电容预充电系统150(全部在图3中示出)。
参考图3和4，方法200包括初始化飞跨电容器预充电系统150的第一步骤202。初始化202包括设定S-Cell1的开关装置S1为零，即关闭S-Cell1到与开路类似的非导通状态，并设定S-Cell2的开关装置S2直到S-Celln的开关装置Sn为1，即与闭合开关类似的导通状态。方法200还包括对DC预充电器150供电204和由电压测量装置154测量DC链路装置130两端的电压，发送电压信号到控制器120，并通过控制器120确定所充电的C-Cell1的电容装置C1两端的电压。方法200还包括设定206i等于2(i＝2)。此外，方法200包括通过控制器120确定208跨C-Cell1的预充电电压如上面所述如由电压测量装置154测量的DC链路装置130两端的电压，即VDC大于或等于用于C-Cell1的预定参考电压，即Vref，1，其中每个电容器单元134具有不同的参考电压Vref，i，即VDC≥Vref， i。如果这个条件不满足，则控制器120在预定时间周期之后返回到方法步骤208，直到满足条件。
一旦方法步骤208中所述的条件被达到，方法200包括将S-Cell2的开关装置S2从导通状态(1)转换210到非导通状态(0)(由此电气隔离C-Cell1)，并且i增加1，即i＝i+1。此后，方法200包括确定212i≤n。只要i小于n，就进行电压比较，并且S-Cell从右向左依次移动断开，直到i＝n。一旦i＝n，即，S-Celln断开，方法200进行到确定214VDC≤Vref，DC，即，通过闭合S-Cell1用于相脚136开始工作的充电的DC链路装置130的参考电压值。DC预充电器152对装置130的这种充电继续进行，直到方法步骤214的条件不再得到满足，即Vref，DC＞VDC。一旦装置130被完全充电，DC预充电器152被断电216。
图5是如方法200进行的作为时间的函数的DC链路电压中的变化图形视图即图形250。图形250包括y轴252，表示由电压测量装置154(均示于图3)在DC链路112上所测量的电压，其中y轴252是无单位的。图形250还包括表示时间的x轴254，并且x轴254是无单位的。当C-Cell134从i＝1至i＝n被充电到相关联的规定电压时，并且当DC链路112上的电压当由电压测量装置测量154所测量的电压稳定增加时，从i＝1到i＝n+1的相关联开关装置S从导通状态(1)转换到非导通状态(0)。
图6A是有源中性点钳位变换器(ANPC)拓扑结构的多电平变换器106(在图2中示出)的备选电路300和备选飞跨电容预充电系统350的示意性模块化视图，包括替换相脚336。图6B是图6A的延续。相脚336和备选的DC链路312形成电路300。其他相脚(未示出)基本上类似。因此，相关联的电路也基本上类似。除了最接近第二AC电源104的A相的备选的第一部分366和最接近DC链路装置130的备选的第二部分368，电路300还包括第一子电路370和耦合到第一子电路370的第二子电路372。第一部分366大致类似于第一部分166(图3中示出)。第二部分368和直流链路312包括备选的正DC汇流条329、备选的负DC汇流条331和中性DC汇流条333。由此，DC链路312和第二部分368确定了三电平系统，并且DC链路装置330被示出为两个基本相似的装置DDC，具有两个DDCS两端的VDC的总电压差。第一装置DDC在正DC汇流条329和中性DC汇流条333之间延伸，以及第二装置DDC在负DC汇流条331和中性DC汇流条333之间延伸。备选地，任意数量的装置DDC与DC链路装置330一起使用。
第一子电路370与相脚136(在图3中示出)类似。第一子电路370包括第一导电元件362和第二导电元件364。第一导电元件362和第二导电元件364是彼此平行的。每个切换器单元132(示出为“S-Cell”)沿元件362和364设置，以促进通过断开和中断元件362和364的一部分而隔离相关联的电容器单元134(示出为“C-Cel”)。在示例实施例中，存在总数为“n”个S-Cell132以及总数为“n”个C-Cell134，其中n是从1开始的正整数。第一开关单元132，即，S-Cell1(n＝1)在第一部分366定位在第一部分366最接近即接近于第二交流电源104的A相，并且配置成相脚336的所有组件与电源104隔离。一个不同特点是，在C-Celln之后，第一子电路370不包括S-Celln+1。然而，S-Celln+1定位在第二子电路372。
与第一子电路370是双电平电路相比，第二子电路372是三电平电路。第二子电路包括四个导电元件，即，第三导电元件374、第四导电元件376、第五导电元件378、第六导电元件380。在示例实施例中，第三导电元件374是正向耦合，第六导电元件380是负向耦合，以及第四和第五导电元件376和378分别是中性耦合。此外，第三导电元件374耦合到正DC汇流条329，第六导电元件380耦合到负DC汇流条331，以及第四和第五导电元件376和378分别耦合到中性DC汇流条333。此外，第三导电元件374、第四导电元件376、第五导电元件378、第六导电元件380是彼此平行的。
此外，在示例实施例中，切换器382单元，即S-Celln+1定位在邻近的C-Celln。切换器单元382在图6A和6B这两个图中均被示出，以用于提供参考。S-Celln+1包括开关装置的Sn+1，2临近C-Celln定位，使得开关装置的Sn+1，2配置成当断开时，第一子电路370与第二子电路372电气隔离。第二下标包括2，其指示相关联开关装置不是中性的，其中1指示它们是中性的。S-Celln+1还包括分别耦合到第三和第六导电元件374和380的2个开关装置Sn+1，2。S-Celln+1还包括分别耦合到第四和第五导电元件376和378的2个开关装置Sn+1，1。
此外，在示例实施例中，电容单元384，即C-Celln+1定位在S-Celln+1和电压测量装置154之间，使得其中S-Celln+1处于断开位置，DC预充电器152和电源104的A彼此电气隔离。在示例实施例中，电压测量装置154在正DC汇流条329和负DC汇流条331之间延伸。备选地，多个电压测量装置154用于测量多个DDCS两端的电压，其中在控制器120中对电压测量值进行求和。C-Cell1由两个电容器Cn+1表示，其中第一电容器Cn+1分别在第三和第四元件382和384之间延伸。类似地，第二电容器Cn+1分别在第五和第六元件386和388之间延伸。开关装置386，即S-Celln+2定位在C-Celln+1和电压测量装置154之间，使得一旦C-Celln+1被适当地充电时，即达到预定的参考电压时，S-Celln+2配置成断开，以从DC预充电器152与C-Celln+1隔离。S-Cell2由开关Sn+2，2和Sn+1，1以类似于S-Celln+1相关联的Sn+1，2和Sn+1，1的方式表示。控制器120根据从电压测量装置154所接收的信号生成控制信号以操作开关单元382和386。C-Celln+2定位在S-Celln+2和S-Celln+3之间。S-Cell386和C-Cell384的这种交替和串联定位持续到S-Celln+m+1接着C-Celln+m。
图7是操作电路300的示例方法400的流程图，电路300包括相脚336、DC链路装置330和飞跨电容预充电系统350(全部在图6B中示出)。参照图6A、6B和7，方法400包括飞跨电容预充电系统350的初始化402的第一步骤。初始化402包括设定第一子电路370的S-Cell1的开关装置S1为零，即关断S-Cell1至与非导通状态类似的开路。类似地，第二子电路372的S-Celln+1中的开关装置Sn+1，1被断开。而且，第一子电路370的S-Cell2的开关装置S2直到S-Celln的开关装置Sn(未示出)被设定为1，即，类似于闭合的导通状态。类似地，第二子电路372的S-Celln+1的开关装置Sn+1，2直到S-Celln+m+1的开关装置Sn+m+1，2被闭合。此外，类似地，第二子电路372的S-Celln+2中的开关装置Sn+2， 1直到S-Celln+m+1的开关装置Sn+m+1，1被闭合。
方法400还包括对DC预充电器150供电404和由电压测量装置154测量DC链路装置330两端的电压，发送电压信号给控制器120，并通过控制器120确定被充电的C-Cell1两端的电压。方法400还包括设定406i等于2(i＝2)。此外，方法400包括通过控制器120确定408VDC≥Vref，i。确定408包括C-Cell1两端的预充电电压即由电压测量装置154在DC链路装置330两端测量的VDC，大于或等于用于C-Cell1的预定参考电压即Vref，1，其中每个电容器单元134具有不同的参考电压Vref，i。如果这个条件不满足，控制器120在预定时间周期之后返回到方法步骤408，直到满足条件。
一旦在方法步骤408中所描述的条件被达到，方法400包括将S-Celln+2从导通状态(1)转换410到非导通状态(0)(由此电气隔离C-Cell1)，并且i增加1，即i＝i+1。此后，方法400包括确定412i≤n。只要i小于n，就进行电压比较，并且S-Cell从右向左移动依次断开，直到i＝n。一旦i＝n，即，S-Celln断开，方法400返回到方法步骤410，并且产生i＝i+1，使得当i增加到n+1时，方法步骤410的要求不再被满足。但是，S-Celln+1(如图6A和6B所示)的所有四个开关装置Sn+1，1被断开，由此以预定预充电电压电气隔离C-Celln。在上述方法步骤410中，开关装置Sn+1，1是断开的。由此，在方法400这一点处，第一子电路370的所有C-Cell被充电和电气隔离，并且方法400进行隔离第二子电路372中的C-Cell。
方法400还包括通过控制器120确定4140.5*VDC≥Vref，i。确定414包括C-Celln+1中的每个电容装置Cn+1两端的预充电电压，即由电压测量装置154测量的DC链路装置330两端的0.5*VDC，大于或等于用于C-Cell1的预定参考电压即Vref，n+1。如果这个条件不满足，控制器120在预定时间周期之后返回到方法步骤414，直到满足条件。
一旦在方法步骤414中所描述的条件被达到，方法400包括将S-Celln+2从导通状态(1)转换416到非导通状态(0)(由此电气隔离C-Celln+1)，并且i增加1，即i＝i+1。然后，方法400包括确定418i≤n+m+1。只要i小于n+m+1，就进行电压比较，并且S-Cell从右向左移动依次断开，直到i＝n+m+1。一旦i＝n+m+1，即，S-Celln+m+1断开，方法400返回到方法步骤410，并且产生i＝i+1，使当i增加到n+m+2时，方法步骤418的要求不再被满足。由此，在方法400这一点处，第二子电路372中的所有C-Cell被充电和电气隔离，并且方法400进行确定420VDC≤Vref，DC，即通过关闭S-Cell1用于被充电的DC链路装置330参考电压值用于使相角336开始工作。由DC预充电器152对装置330的该充电继续进行，直到方法步骤420的条件不再得到满足，即Vref，DC＞VDC。一旦装置330被完全充电，DC预充电器152被断电422。
图8是包含多电平功率变换器106具有嵌套中性点试行(NPP)拓扑的备选相脚536(在图2示出)和备选飞跨电容预充电系统550的另一个备选电路500的示意性模块化视图。相脚536和DC链路312形成电路500。其他相脚(未示出)基本上类似。因此，相关联的电路也基本上类似。电路500包括最接近第二AC电源的A相的备选第一部分566和最接近DC链路装置130的备选第二部分568。电路500是三电平电路，包括三个导电元件，即第一导电元件574、第二导电元件576、以及第三导电元件578。在示例实施例中，第一导电元件574是正向充电，第三导电元件578是负向充电，和第二导电元件576是中性的。此外，第一导电元件574被耦合到正DC汇流条329，第三导电元件578被耦合到负DC汇流条331，和第二导电元件576被耦合到中性DC汇流条333。此外，第一导电元件574、第二导电元件576、以及第三导电元件578是相互平行的。
在示例实施例中，电路500还包括多个基本类似的切换器单元582(显示为“S-Cell”)和多个基本类似的电容器单元584(示出为“C-Cell”)。每个切换器单元582沿元件574、576和578定位，以促进通过断开和中断元件574、576，和578的一部分隔离相关联的电容器单元584。在示例实施例中，存在总数为“n+1”个的S-Cell582以及总数为共“n”个C单元584，其中n是从1开始的正整数。第一开关单元582，即S-Cell1(n＝1)定位在第一部分566最接近即接近于第二交流电流104的A相，并且配置成相脚536的所有元件与电源104隔离。
此外，在示例实施例中，每个开关单元582包括耦合到第一元件574的开关装置Si，1、耦合到第三元件578的的开关装置Si，1和耦合到第二元件576的一对串联的开关装置Si，2。第二个下标包括2，指示相关联的开关装置是中性的，其中1指示它们不是中性的。第一切换器单元582即S-Cell1(n＝1)定位在第一部分566最接近即接近于第二交流电源104的A相，并且配置成相脚536的所有元件与电源104隔离。
此外，在示例实施例中，第一电容单元584，即C-Cell1定位在S-Cell1和电压测量装置154之间，使得其中S-Cell1处于断开位置，DC预充电器152与电源104的A相彼此电气隔离。C-Cell1由两个电容器C1表示，其中第一电容器C1分别在第一和第二元件574和576之间延伸。类似地，第二电容器C1分别在第二和第三元件576和578之间延伸。第二开关装置586，即S-Cell2定位在C-Cell1与电压测量装置154之间，从而一旦C-Cell1被适当地充电，即达到预定参考电压时，S-Cell2配置成断开，以将DC预充电器582与C-Cell1隔离。S-Cell582和C-Cell584的这种交替和串联定位继续，直到S-Celln+1接着C-Celln。控制器120根据从电压测量装置154接收的信号生成控制信号以操作开关单元582。
图9是操作电路500的示例方法600的流程图，电路500包括相脚536、DC链路装置530以及飞跨电容预充电系统550(全部示于图8)。参照图8和9，方法600包括飞跨电容预充电系统550的初始化602的第一步骤。初始化602包括设定S-Cell1的开关装置S1，1和S1，2为零，即关断S-Cell1至与非导通状态类似的开路。此外，S-Cell2的开关装置S2，1直到S-Celln+1的开关装置Sn+1，1设定为1，即，类似于闭合的导通状态。而且，S-Cell2的开关装置S2，2直到S-Celln+1的开关装置Sn+1，2设定为0。
方法600还包括对DC预充电器150供电604和由电压测量装置154测量的DC链路装置530两端的电压，发送电压信号到控制器120，并通过控制器120确定所充电的C-Cell1两端的电压。方法600进一步包括设定606i等于2(i＝2)。此外，方法600包括通过控制器120确定6080.5*VDC≥Vref，i。如果这个条件不满足，控制器120在预定时间周期之后返回到方法步骤608，直到满足条件。
一旦方法步骤608中所描述的条件被达到，方法600包括将S-Cell2从导通状态(1)转换610到非导通状态(0)(由此电气隔离C-Cell1)，并且i增加1，即i＝i+1。然后，方法600包括612，确定i≤n。只要i小于n，就进行电压比较，并且S-Cell从右向左依次断开，直到i＝n+1。一旦i＝n，即，S-Celln+1断开，方法600返回到方法步骤610，并且生成i＝i+1，使得当i增加到n+2时，方法步骤610的要求不再得到满足。由此，在方法600这一点处，所有C-Cell在相脚536被充电和电气隔离，并且方法600进行确定614VDC≤Vref，DC，即通过关闭S-Celln+1用于被充电的DC链路装置530参考电压值用于使相角536开始工作。DC预充电器152对装置530的这种充电继续，直到方法步骤614的条件不再得到满足，即Vref，DC＞VDC。一旦装置530被完全充电，DC预充电器152被断电616。
上述多电平功率变换器提供用于在相关联的多电平变换器投入服务时在预充电期间监测飞跨电容器的操作所需的电压传感器的数量。而且，如在本公开的示例实施例指示，本文所描述的系统和方法不限于任何单个的多电平变换器拓扑。例如，本文公开的系统和方法可与多单元变换器(MC)拓扑、堆栈多单元变换器(SMC)拓扑、有源中性点钳位(ANPC)变换器拓扑和嵌套中性点试行(NPP)变换器拓扑一起使用。同样，用于飞跨电容器的电压传感器的数量被减少，并且到相关联控制器的输入/输出(I/O)通道的数量减少，由此减小了相关的电缆和线路。因此，配置成本和相关联的处理资源被减少。因此，装配多电平变换器的成本减少。
本文所描述的方法、系统和装置的示例性技术效果包括下列中的至少一个：(a)减小在多电平变换器使用的电压传感器的数量；(b)顺序地预充电，并且然后使用DC链路两端的电压测量装置在多电平变换器的各个相脚电气隔离飞跨电容器至预定的电压电平作为用于每个飞跨电容器的单个电压指示；(c)减小I/O通道的数量和相关联的布线和控制器配置努力；和(d)降低需要预防和校正维护部件的数量。
用于操作电力变换系统的方法、系统和装置的示例实施例不限于本文描述的具体实施例，而是，系统和/或方法步骤的组件可与本文所描述的其他组件的和/或步骤独立地及分开地使用。例如，所述方法、系统和装置也可以与在功率变换器投入服务之前需要预充电的其他系统组合使用，并且不限于仅使用如本文所述的这些系统和方法来实施。而是，示例实施例能够与从没有用于各电容器的电压测量装置的预充电电容受益的许多其他应用、装置和系统结合被实现和应用，例如，并且没有例外，变速驱动器(VSD)。
虽然本公开的各种实施例的具体特征可在一些附图而不在其他附图中显示，但这仅是为了方便。根据本公开的原理，结合任何其他附图的任何特征，附图的任何特征可以被参照和/或被主张。
一些实施例涉及使用一个或多个电子或计算装置。这类装置通常包括处理器或控制器，例如通用中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、微控制器、精简指令集计算机(RISC)处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)和/或能够运行本文描述的功能的任何其他电路或处理器。本文描述的方法可编码为包含在计算机可读介质中的可运行指令，包括，但不限于，存储装置和/或存储器装置。当由处理器执行时，这类指令使所述处理器至少执行本文描述方法的一部分。上述实例只是示例性的，并且因而并不旨在以任何方式限制术语处理器的定义和/或含义。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并还使本领域技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统及执行任何结合的方法。本发明可专利范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求文字语言无不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字语言无实质不同的等效结构要素，则它们规定为在该权利要求的范围之内。
附图标记说明

Claims (10)

1.一种用于功率变换器(106；108；110)的电路(160；300；500)，所述电路包括：
导电元件(162，164；362，364，374，376，378，380；574，576，578)；
耦合到最接近交流(AC)电源(104)的所述导电元件的第一开关装置(132，582)；
耦合到最接近直流(DC)链路(112；312)的所述导电元件的电压测量装置(154)，其中所述电路在所述交流电源和所述直流链路之间延伸；
耦合到所述导电元件的DC电压源(152)；
耦合到所述导电元件的第一电容装置(134；584)，所述第一电容装置定位在所述第一开关装置和所述电压测量装置之间；
耦合到所述导电元件的第二开关装置(132；582)，所述第二开关装置定位在所述第一电容装置和所述电压测量装置之间；和
操作地耦合到所述DC电压源、所述电压测量装置、所述第一开关装置和所述第二开关装置的控制器(120)，所述控制器配置成当由所述电压测量装置生成的所测量电压信号基本上表示参考电压值时，断开所述第二开关装置。
2.根据权利要求1所述的电路(160；300；500)，其中所述导电元件(162，164；362，364，374，376，378，380；574，576，578)包括耦合到至少正DC汇流条(129，329)的第一导电元件(162；362；574)和耦合到至少负DC汇流条(131，331)的第二导电元件(164；364；576)，所述电压测量装置配置成测量在所述正DC汇流条和所述负DC汇流条之间延伸的至少一个DC链路装置上的电压。
3.根据权利要求1所述的电路(160；300；500)，其中所述第一开关装置(132，582)配置成使所述电路与AC电源(104)隔离。
4.根据权利要求1所述的电路(160；300；500)，其中所述DC电压源(152)是配置成使用预定电压值对所述电路供电的DC预充电器(152)。
5.根据权利要求1所述的电路(160；300；500)，还包括：
耦合到所述导电元件(162，164；362，364，374，376，378，380；574，576，578)的第二电容装置(134；584)；和
耦合到所述导电元件的第三开关装置(132；382；386；582)，所述第二电容装置(134；584)定位在所述第二开关装置(132；582)和所述第三开关装置之间，以及所述第三开关装置定位在所述第二电容装置和所述电压测量装置(154)之间。
6.根据权利要求5所述的电路(160；300；500)，其中所述第一电容装置(134；584)、所述第二开关装置(132；582)、所述第二电容装置(134；584)和所述第三开关装置(132；382；386；582)限定以嵌套配置交替的多个所述开关装置(132；382；386；582)和多个所述电容装置(134；384；584)。
7.根据权利要求6所述的电路(160；300；500)，其中以嵌套配置交替的所述多个所述开关装置(132；382；386；582)和所述多个所述电容装置(134；384；584)配置成顺序地对所述多个电容装置的所述电容装置的每一个供电至相关联的预定电压。
8.根据权利要求1所述的电路(160；300；500)，其中所述控制器(120)包括比较器装置(126)。
9.根据权利要求1所述的电路(160；300；500)，其中所述控制器(120)包括计算机，其包括处理器(124)和耦合到所述处理器的存储装置(120)。
10.一种电力系统，包括：
交流(AC)电源(104)；
直流(DC)链路(112；312)；和
第一功率变换器(108，110)，其包括在所述AC电源和所述DC链路之间延伸的电路(160；300；500)，所述电路包括：
导电元件(162，164；362，364，374，376，378，380；574，576，578)；
耦合到最接近所述AC电源的所述导电元件的第一开关装置(132；582)；
耦合到最接近所述DC链路的所述导电元件的电压测量装置(154)，其中所述电路在所述AC电源和所述DC链路之间延伸；
耦合到所述导电元件的DC电压源(152)；
耦合到所述导电元件的第一电容装置(134；584)，所述第一电容装置定位在所述第一开关装置和所述电压测量装置之间；
耦合到所述导电元件的第二开关装置(132；582)，所述第二开关装置定位在所述第一电容装置和所述电压测量装置之间；和
操作地耦合到所述DC电压源、所述电压测量装置、所述第一开关装置和所述第二开关装置的控制器(120)，所述控制器配置成当由所述电压测量装置生成的所测量电压信号基本上表示参考电压值时，断开所述第二开关装置。
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