CN105932895B - 用于操作功率转换器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明题为用于操作功率转换器的系统和方法。用于多电平功率转换器的电路包括多个导电元件和多个开关装置，还包括多个飞跨电容器、至少一个AC端子以及处理装置。处理装置配置成至少部分基于电路的模型从电路的多个可能开关状态中选择至少一个可能开关状态。每个可能开关状态至少部分对应于至少一个AC端子的命令电压电平，定义各开关装置的开关状态，并具有电路的对应充电状态。处理装置还配置成至少部分基于电路的模型并且至少部分基于电路的所选可能开关状态来选择电路的可能充电状态。电路的每个可能充电状态定义多个飞跨电容器的各飞跨电容器的充电状态。处理装置还配置成至少部分基于电路的所选充电状态来设置电路的开关状态。

Description

用于操作功率转换器的系统和方法
技术领域
本公开的领域一般涉及电子功率转换器设备，以及更具体来说涉及用于操作多电平转换器的系统和方法。
背景技术
许多已知多电平功率转换器在各种行业并且为了电力转换的多种目的而正在使用。这类行业非限制性地包括金属、采矿、电力、水、石油和天然气。
具体来说，术语“多电平转换器”表示能够工作在逆变器模式和整流器模式的转换器。使用多电平转换器的一些已知装置包括分隔功率转换组合件或系统，其电耦合到交流(AC)电源、例如公用电力网。这类已知的分隔功率转换组合件包括：整流器部分，其将公用电力生成电网所传送的AC转换成直流(DC)；以及逆变器部分，其将DC转换成预定频率和电压幅度的AC。整流器部分和逆变器部分使用多电平功率转换器，其可在作为整流器进行操作与作为逆变器进行操作之间变换。大多数已知的多电平转换器包括基于半导体的开关装置，例如集成栅换向晶闸管(IGCT)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。整流器和逆变器部分通常经由中压DC(MVDC)或高压DC(HVDC)链路电耦合。
各种已知的多电平转换器拓扑在服务中或者已可用于服务。已知多电平转换器的许多DC链路包括促进平准化DC链路中的DC电压的电容器，以稳定多电平转换器之间的电力传输。这些电容器称作“飞跨电容器”（flying capacitor）。飞跨电容器的电压在关联多电平转换器的整个操作随着转换器中的开关装置的操作改变而改变。各开关装置的输出电压模式和阻塞电压也通过飞跨电容器电压来确定。为了获得具有低谐波失真的适当多电平输出并且防止装置达到过电压条件，飞跨电容器电压贯穿多电平转换器的所有操作模式(包括启动)保持在某些电压电平(其通常定义为飞跨电容器的参考或参考电压)处或附近。但是，在许多已知的多电平转换器拓扑、例如嵌套中性点导引(NPP)转换器拓扑中，存在基本上同时充电和放电的大量开关装置和飞跨电容器。因此，大量飞跨电容器的电压可能不平衡，由此引起在转换器的输出处的输出电压波形中的多电平脉冲图形的失真。因此，在转换器的输出处要求滤波装置，以便滤出电压波形的失真。滤波器增加多电平转换器的组装和维护的成本。
一些已知的多电平转换器使用相移脉宽调制(PWM)特征来促进平衡飞跨电容器电压。但是，这种方法要求附加硬件，其以边际积极效果（marginal positive result）抬高转换器的成本。另外，一些已知的多电平转换器使用基于软件的解决方案，其促进减小实时电容器电压与关联参考电压之间的差。这些解决方案因大量装置和功率转换过程的速度而是计算机资源密集的，由此引起复杂化控制机制。
发明内容
在一个方面，提供一种操作功率转换器的方法。该方法包括通过经过处理装置使用电路的模型来调节至少一个AC端子的电压电平，电路包括多个开关装置、多个飞跨电容器和至少一个交流(AC)端子。该方法还包括至少部分基于电路的模型从电路的多个可能开关状态中选择电路的至少一个可能开关状态。电路的每个可能开关状态具有电压电平，其至少部分对应于至少一个AC端子的命令电压电平。电路的每个可能开关状态定义多个开关装置的各开关装置的开关状态。电路的各开关状态具有电路的对应充电状态。该方法还包括至少部分基于电路的模型并且至少部分基于电路的所选可能开关状态来选择电路的可能充电状态。电路的每个可能充电状态定义多个飞跨电容器的各飞跨电容器的充电状态。选择电路的可能充电状态包括解决多个飞跨电容器的各飞跨电容器的冲突充电状态，并且选择与命令电压电平对应的开关状态。该方法还包括至少部分基于电路的所选充电状态来设置电路的开关状态。
在另一方面，提供一种用于多电平功率转换器的电路。该电路包括多个导电元件，其配置成基本上相互并联。该电路还包括多个开关装置。多个开关装置的各开关装置耦合到多个导电元件的一个导电元件。该电路还包括多个飞跨电容器，其耦合到多个导电元件的两个相邻导电元件的每个。另外，该电路包括至少一个交流(AC)端子。该电路还包括处理装置，其包括驻留在其上的电路的模型。处理装置配置成至少部分基于电路的模型从电路的多个可能开关状态中选择电路的至少一个可能开关状态。电路的每个可能开关状态具有电压电平，其至少部分对应于至少一个AC端子的命令电压电平。电路的每个可能开关状态定义多个开关装置的各开关装置的开关状态。电路的各开关状态具有电路的对应充电状态。处理装置还配置成至少部分基于电路的模型并且至少部分基于电路的所选可能开关状态来选择电路的可能充电状态。电路的每个可能充电状态定义多个飞跨电容器的各飞跨电容器的充电状态。选择电路的可能充电状态包括解决多个飞跨电容器的各飞跨电容器的冲突充电状态，并且选择与命令电压电平对应的开关状态。处理装置还配置成至少部分基于电路的所选充电状态来设置电路的开关状态。
在另一方面，提供一种电力系统。该系统包括交流(AC)源、直流(DC)链路和多电平功率转换器，其包括在AC源与DC链路之间延伸的电路。电路包括多个导电元件，其配置成基本上相互并联。电路还包括多个开关装置。多个开关装置的各开关装置耦合到多个导电元件的一个导电元件。电路还包括多个飞跨电容器，其耦合到多个导电元件的两个相邻导电元件的每个。另外，电路包括至少一个交流(AC)端子。电路还包括处理装置，其包括驻留在其上的电路的模型。处理装置配置成至少部分基于电路的模型从电路的多个可能开关状态中选择电路的至少一个可能开关状态。电路的每个可能开关状态具有电压电平，其至少部分对应于至少一个AC端子的命令电压电平。电路的每个可能开关状态定义多个开关装置的各开关装置的开关状态。电路的各开关状态具有电路的对应充电状态。处理装置还配置成至少部分基于电路的模型并且至少部分基于电路的所选可能开关状态来选择电路的可能充电状态。电路的每个可能充电状态定义多个飞跨电容器的各飞跨电容器的充电状态。选择电路的可能充电状态包括解决多个飞跨电容器的各飞跨电容器的冲突充电状态，并且选择与命令电压电平对应的开关状态。处理装置还配置成至少部分基于电路的所选充电状态来设置电路的开关状态。
技术方案1：一种用于多电平功率转换器(300)的电路(302)，所述电路包括：
多个导电元件(320)，配置成基本上相互并联；
多个开关装置(304)，所述多个开关装置的各开关装置耦合到所述多个导电元件的一个导电元件；
多个飞跨电容器(306)，耦合到所述多个导电元件的两个相邻导电元件的每个；
至少一个交流(AC)端子(310)；以及
处理装置(115/215)，包括驻留在其上的所述电路的模型，所述处理装置配置成：
至少部分基于所述电路的所述模型从所述电路的多个可能开关状态中选择所述电路的至少一个可能开关状态，其中所述电路的各可能开关状态具有至少部分对应于所述至少一个AC端子的命令电压电平的电压电平，并且其中所述电路的各可能开关状态定义所述多个开关装置的各开关装置的开关状态，其中所述电路的各开关状态具有所述电路的对应充电状态(420)；
至少部分基于所述电路的所述模型并且至少部分基于所述电路的所述选择的可能开关状态来选择所述电路的可能充电状态，其中所述电路的各可能充电状态定义所述多个飞跨电容器的各飞跨电容器的充电状态，并且其中选择所述电路的可能充电状态包括解决所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器的冲突充电状态，并且选择与所述命令电压电平对应的开关状态；以及
至少部分基于所述电路的所述选择的充电状态来设置所述电路的所述开关状态。
技术方案2：如技术方案1所述的电路(302)，还包括：
存储器装置(110)，耦合到所述处理装置(115/215)，所述存储器装置配置成存储所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器(306)的电压参考值；以及
多个电压测量装置(308)，所述多个电压测量装置的至少一个电压测量装置耦合到所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器，所述处理装置还配置成：
预测所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器两端的电压值；以及
对所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器来确定各电压参考值与各预测电压值之间的比较。
技术方案3：如技术方案2所述的电路(302)，所述处理装置(115/215)还配置成：
生成具有命令电压值和脉冲时长值的脉冲信号；以及
通过下列至少一个来生成所述电路的可能将来充电状态(420)的预测：
所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器(306)两端的测量电压值(530)；
所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器两端的所述预测电压值；
通过所述至少一个AC端子(310)的测量电流值(532)；
所述生成的脉冲信号(402)；
所述电路的所述模型；以及
至少一个先前命令的电路充电状态。
技术方案4：如技术方案3所述的电路(302)，所述处理装置(115/215)还配置成：
从所述电路的所述多个可能充电状态(420)中选择所述电路的初始可能充电状态，以便从所述电路的当前充电状态进行变换；
基于所述电路的所述选择的初始可能充电状态和所述电路的所述模型来计算所述多个飞跨电容器的至少一个飞跨电容器(306)上的预测电压值；以及
基于所述多个飞跨电容器的所述至少一个飞跨电容器上的所述预测电压值来选择从所述电路的所述当前充电状态到所述电路的选择的初始可能充电状态的所述电路的充电状态转变序列。
技术方案5：如技术方案4所述的电路(302)，所述处理装置(115/215)还配置成从预定数量的预定义充电状态中选择初始可能充电状态，其中预定义充电状态的所述预定数量小于所述多个可能充电状态的总数。
技术方案6：如技术方案1所述的电路(302)，还包括：
至少一个电压测量装置(314)，耦合到所述至少一个AC端子(310)；以及
存储器装置(110)，耦合到所述处理装置(115/215)，所述存储器装置配置成存储从所述至少一个电压测量装置所传送的多个电压测量值(534)，所述处理装置还配置成调节作为所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器两端的所述调节的电压的函数的所述多电平功率转换器(300)的所述至少一个AC端子处的测量电压。
技术方案7：如技术方案1所述的电路(302)，还包括：
至少一个电流测量装置(312)，耦合到所述至少一个AC端子(310)；以及
存储器装置(110)，耦合到所述处理装置(115/215)，所述存储器装置配置成存储从所述至少一个电流测量装置所传送的多个电流测量值(532)，所述处理装置还配置成调节至少部分作为所述多个电流测量值的函数的所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器两端的所述电压。
技术方案8：如技术方案1所述的电路(302)，还包括：
存储器装置(110)，耦合到所述处理装置(115/215)，所述存储器装置配置成存储所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器(306)的电压参考值；以及
多个电压测量装置(308)，所述多个电压测量装置的至少一个电压测量装置耦合到所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器，其中：
所述多个电压测量装置的所述至少一个电压测量装置配置成测量所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器两端的电压值(530)；以及
所述处理装置还配置成对所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器来确定各电压参考值与各预测电压值之间的比较。
技术方案9：如技术方案1所述的电路(302)，所述处理装置(115/215)还配置成：
生成所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器(306)两端的电压值的预测；以及
生成所述多个开关装置的所述各开关装置(304)的热条件的预测。
技术方案10：如技术方案1所述的电路(302)，所述处理装置(115/215)还配置成生成所述电路的多个开关状态(404)，其中所述电路的所述多个开关状态的各开关状态涉及所述电路的所述多个可能充电状态的唯一充电状态(420)。
技术方案11：如技术方案1所述的电路(302)，所述处理装置(115/215)还配置成生成所述电路的所述模型。
技术方案12：一种电力系统(300)，包括：
交流(AC)源(311)；
直流(DC)链路(329)；以及
多电平功率转换器(300)，包括在所述AC源与所述DC链路之间延伸的电路(302)，所述电路包括：
多个导电元件(320)，配置成基本上相互并联；
多个开关装置(304)，所述多个开关装置的各开关装置耦合到所述多个导电元件的一个导电元件；
多个飞跨电容器(306)，耦合到所述多个导电元件的两个相邻导电元件的每个；
至少一个AC端子(310)；以及
处理装置(115/215)，包括驻留在其上的所述电路的模型，所述处理装置配置成：
至少部分基于所述电路的所述模型从所述电路的多个可能开关状态中选择所述电路的至少一个可能开关状态，其中所述电路的各可能开关状态具有至少部分对应于所述至少一个AC端子的命令电压电平的电压电平，并且其中所述电路的各可能开关状态定义所述多个开关装置的各开关装置的开关状态，其中所述电路的各开关状态具有所述电路的对应充电状态(420)；
至少部分基于所述电路的所述模型并且至少部分基于所述电路的所述选择的可能开关状态来选择所述电路的可能充电状态，其中所述电路的各可能充电状态定义所述多个飞跨电容器的各飞跨电容器的充电状态(420)，并且其中选择所述电路的可能充电状态包括解决所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器的冲突充电状态，并且选择与所述命令电压电平对应的开关状态；以及
至少部分基于所述电路的所述选择的充电状态来设置所述电路的所述开关状态。
附图说明
通过参照附图阅读以下详细描述，将会更好地了解本公开的这些及其他特征、方面和优点，附图中，相似标号通篇表示相似部件，附图包括：
图1是示范计算装置的框图；
图2是可包括图1所示计算装置的示范功率转换器控制系统的一部分的框图；
图3是可由其上示出多个开关状态、图2所示功率转换器控制系统来控制的示范多电平功率转换器电路拓扑的示意图；
图4示出示范脉冲图形的图形表示、其上示出多个开关状态、图3所示多电平功率转换器电路的示意表示以及可采用图2所示功率转换器控制系统来生成的多个开关状态的表格表示；
图5是图4所示的多个开关状态与图3所示多电平功率转换器电路的电容器的多个充电状态之间的关系的表格表示；
图6示出作为图4所示脉冲图形中的电压电平的函数、如图5所示的多个充电状态的表格表示与多个充电状态的表示之间的关系；
图7是图2所示功率转换器控制系统的一部分的示意框图；
图8是可与图7所示功率转换器控制系统的部分配合使用的示范状态选择模块的示意框图；以及
图9是当初始充电状态是角状态时确定图3所示多电平功率转换器电路的充电状态的示范方法的流程图。
除非另加说明，否则本文所提供的附图意在示出本公开的实施例的特征。这些特征被认为可适用于包括本公开的一个或多个实施例的大量系统。因此，附图不是意在包括本领域的技术人员已知的、实施本文所公开实施例所需的所有常规特征。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求书中，将参照定义成具有下列含意的多个术语。
单数形式“一”、“一个”、“该”和“所述”包括复数引用，除非上下文另加明确说明。
“可选的”或“可选地”表示随后描述的事件或情况可能发生或者可能不发生，以及本描述包括其中发生事件的实例以及其中没有发生事件的实例。
本文所使用的近似语言在本说明书和权利要求书中通篇可适用于修饰可准许改变的任何定量表示，而没有引起与其相关的基本功能的变化。相应地，通过诸如“大约”、“近似”和“基本上”之类的一个或多个术语所修改的值并不局限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精确度。在这里并且在整个说明书和权利要求书中，范围限制可经过组合和/或互换，这类范围被标识，并且包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另加说明。
如本文所使用的术语“处理器”和“计算机”及相关术语、例如“处理装置”、“计算装置”和“控制器”并不局限于只是本领域称作计算机的那些集成电路，而是广义地表示微控制器、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地使用。在本文所述的实施例中，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))和计算机可读非易失性介质(例如闪速存储器)。备选地，也可使用软盘、致密光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字多功能光盘(DVD)。另外，在本文所述的实施例中，附加输入通道非限制性地可以是与操作员接口关联的计算机外设，例如鼠标和键盘。备选地，也可使用其他计算机外设，其可包括例如但不限于扫描仪。此外，在示范实施例中，附加输出通道可包括但不限于操作员接口监视器。
此外，如本文所使用的术语“软件”和“固件”是可互换的，并且包括存储器中存储的、供个人计算机、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“非暂时计算机可读介质”意在表示按照任何方法或技术所实现以用于信息(例如计算机可读指令、数据结构、程序模块和子模块或者任何装置中的其他数据)的短期和长期存储的任何有形的基于计算机的装置。因此，本文所述的方法可编码为包含在有形非暂时计算机可读介质(非限制性地包括存储装置和/或存储器装置)中的可执行指令。这类指令在由处理装置运行时使该处理装置执行本文所述方法的至少一部分。此外，如本文所使用的术语“非暂时计算机可读介质”包括所有有形计算机可读介质，非限制性地包括非暂时计算机存储装置(非限制性地包括易失性和非易失性介质、可拆卸和不可拆卸介质，例如固件、物理的虚拟存储装置、CD-ROM、DVD)和任何其他数字源(例如网络或因特网)以及有待开发的数字部件，其中唯一例外是暂时传播信号。
此外，如本文所使用的术语“实时”表示关联事件的发生时间、预定数据的测量和收集的时间、处理数据的时间以及对事件和环境的系统响应的时间中的至少一个。在本文所述的实施例中，这些活动和事件基本上同时发生。
此外，如本文所使用的术语“开关状态”和“多个开关状态”表示本文所述开关装置的一个或多个所定义状态。如本文所述的电路和关联部分包括多个开关装置。因此，“开关状态”和“多个开关状态”还表示电路的有关或多个聚合开关状态及其基于关联开关装置的单独开关状态的部分。类似地，如本文所使用的术语“充电状态”和“多个充电状态”表示电容装置、即本文所述的飞跨电容器的一个或多个所定义状态。本文所述的电路和关联部分包括多个飞跨电容器。因此，“充电状态”和“多个充电状态”还表示电路的有关或多个聚合充电状态及其基于关联飞跨电容器的单独充电状态的部分。
本文所述的多电平功率转换器及其关联控制系统提供电力转换的增强控制。具体来说，本文所述的实施例促进平衡功率转换器中的飞跨电容器的电压。与已知转换器相比，使用七电平拓扑，本文所述的多电平功率转换器在功率转换器的输出处生成低失真多电平脉冲图形和更高输出电压。这种更高电压包括中压转换器的输出处的10千伏(kV)和13.8kV。因此，本文所述的多电平功率转换器促进改进的总谐波失真(THD)性能和增加的电力转换。改进的THD性能促进减小电耦合谐波滤波器的大小和复杂度，由此降低组装、操作和维护电力系统的成本。另外，不是与用于电压平衡功率电路的附加硬件关联的附加成本，与飞跨电容器关联的电压的平衡而是通过软件实现的平衡算法和指令来实现。本文所述的平衡算法和指令转换开关状态，即，聚合关联开关装置所定义的电路中的开关配置，以便聚合飞跨电容器所定义的电路的充电状态。此外，本文所述的多电平功率转换器及关联控制系统促进两步过程，其中第一脉宽调制(PWM)生成步骤与第二状态选择步骤分离。
图1是可用来控制包括电路(图1中均未示出)的功率转换器的示范计算装置105的框图。更具体来说，计算装置105促进生成和/或存储功率转换器中的电路的模型。计算装置105还促进选择电路的可能开关状态。计算装置105还促进基于模型、可能开关状态和可能充电状态的已解决冲突来选择充电状态。计算装置105还促进选择与命令电压电平对应的开关状态，并且然后相应地设置电路的开关状态。电路架构的模型使用表示电路的至少一部分的基于物理的模型。计算装置105包括存储器装置110以及在操作上耦合到存储器装置110供运行指令的处理装置115。在一些实施例中，可执行指令存储在存储器装置110中。计算装置105由编程处理装置115可配置成执行本文所述的一个或多个操作。例如，可通过将操作编码为一个或多个可执行指令，并且在存储器装置110中提供可执行指令，来对处理装置115进行编程。在示范实施例中，存储器装置110是实现诸如可执行指令和/或其他数据之类的信息的存储和检索的一个或多个装置。存储器装置110可包括一个或多个计算机可读介质。
存储器装置110可配置成存储操作测量，非限制性地包括功率转换器的电路中的飞跨电容器的实时和历史开关和充电状态以及可能的将来开关和充电状态和/或任何其他类型数据。另外，存储器装置110非限制性地包括充分数据、算法和命令，以促进生成和/或存储与功率转换器(包括多电平功率转换器)关联的电路的基于物理学的模型，并且使用模型来生成电路中的飞跨电容器可能的将来开关和充电状态。
在一些实施例中，计算装置105还包括从其他功率转换器和功率转换器控制系统接收与所测量值关联的其他数据的充分计算机可读/可执行指令、数据结构、程序模块和程序子模块，以促进功率转换器的总体操作。
在一些实施例中，计算装置105包括耦合到处理装置115的呈现接口120。呈现接口120向用户125呈现诸如用户界面和/或告警之类的信息。在一些实施例中，呈现接口120包括一个或多个显示装置。在一些实施例中，呈现接口120例如通过使用人机接口(HMI)(图1中未示出)，来呈现与关联功率转换器关联的告警。另外，在一些实施例中，计算装置105包括用户输入接口130。在示范实施例中，用户输入接口130耦合到处理装置115，并且接收来自用户125的输入。
通信接口135耦合到处理装置115，并且配置成耦合成与一个或多个其他装置、例如另一个计算装置105进行通信，以及执行相对这类装置的输入和输出操作，同时表现为输入信道。通信接口135可从一个或多个远程装置接收数据和/或向其传送数据。例如，计算装置105的通信接口135可向另一个计算装置105的通信接口135传送校正算法。在一些实施例中，通信接口135是无线接口。在一些实施例中，通信接口135配置成通过诸如Bluetooth™或Z-Wave™之类的短程无线通信协议、通过按照IEEE(电气和电子工程师协会)802.11标准(即，WiFi)所实现的无线局域网(WLAN)和/或通过移动电话(即，蜂窝)网络(例如全球移动通信系统(GSM)、3G、4G)或其他移动数据网络(例如全球微波接入互通(WIMAX))或有线连接(即，用于传送电信号的一个或多个导体)来实现通信。在通信接口135将计算装置105耦合到一个或多个现场测量设备的实施例中，通信接口135可包括例如用于向/从现场测量设备传送电信号和/或电力的一个或多个导体。
图2是可用来监测和控制多电平功率转换器300的至少一部分的功率转换器控制系统200的一部分的框图。在一些实施例中，功率转换器控制系统200还包括从其他风力涡轮机系统接收与所测量值关联的其他数据的充分计算机可读/可执行指令、数据结构、程序模块和程序子模块，以促进多电平功率转换器300的总体操作。备选地，功率转换器控制系统200是独立系统。此外，备选地，功率转换器控制系统200是任何基于计算机的系统，其可监测多电平功率转换器300(非限制性地包括其中的电路(图2中未示出))的部分并且生成和/或存储多电平功率转换器300的模型。在示范实施例中，功率转换器控制系统200包括至少一个中央处理器(CPU)215，其配置成运行监测和控制算法和逻辑。CPU 215可经由网络225耦合到其他装置220。在一些系统中，网络225是无线网络。
参照图1和图2，CPU 215是计算装置105。在示范实施例中，计算装置105经由通信接口135耦合到网络225。在备选实施例中，CPU 215与其他装置220集成。
CPU 215例如非限制性地经由用户输入接口130和/或呈现接口120与第一操作员230进行交互。在一个实施例中，CPU 215向操作员230呈现与多电平功率转换器300有关的信息，例如所测量的飞跨电容器电压和电流。其他装置220例如非限制性地经由用户输入接口130和/或呈现接口120与第二操作人员235进行交互。例如，其他装置220向第二操作员235呈现告警和/或其他操作信息。如本文所使用的术语“操作员”包括与操作和维护多电平功率转换器300关联的任何职位的任何人，非限制性地包括轮班操作人员、维护技术人员和设施监控人员。
在示范实施例中，多电平功率转换器300包括一个或多个监测传感器240，其通过至少一个输入信道245耦合到CPU 215。监测传感器240从多电平功率转换器300的部分来收集操作测量，非限制性地包括所测量的飞跨电容器电压和电流。监测传感器240还可收集其他操作测量，非限制性地包括多电平功率放大器300的部分中的总功率、电压和电流输入和输出。监测传感器240在测量时反复地(例如周期地、连续地和/或在请求时)传送当前时间的操作测量读数。CPU 215接收并且处理操作测量读数。这种数据跨网络225来传送，并且可由能够访问网络225的任何装置来访问，非限制性地包括台式计算机、膝上型计算机和个人数字助理(PDA)(均未示出)。
图3是可由其上示出多个开关状态的功率转换器控制系统(图2所示)来控制的多电平功率转换器300的示范电路302的拓扑的示意图。电路302使用任何建模软件应用(其实现如本文所述的电路302和功率转换器控制系统200的操作)在处理装置115和215(分别在图1和图2中示出)中建模。
在示范实施例中，电路拓扑302是嵌套中性点导引(NPP)转换器拓扑，其包括多个开关装置304(图3中仅标记三组)和多个飞跨电容器306(图3中仅标记两个)。至少一个电压测量装置308用来测量各飞跨电容器306(图3中仅示出两个)两端的实时电压。电路302还包括至少一个交流(AC)端子310，其耦合到较大AC系统311的一相。电流测量装置312用来测量通过AC端子310(沿任一方向)所传送的实时电流。类似地，电压测量装置314用来测量在AC端子310所感应的实时电压。
电路302还包括多个导电元件320，其配置成基本上相互并联。在示范实施例中，元件320包括三个元件，即，上导电元件322、中间元件(即，水平导电元件324)和下导电元件326。备选地，使用任何数量的导电元件320，其实现如本文所述的电路302和功率转换器控制系统200的操作。元件320的每个包括直流(DC)端子328，其将元件320耦合到DC链路329。每组开关装置304耦合到相应元件320，以及飞跨电容器306耦合在相邻开关装置304与元件320之间。耦合到上导电元件322的开关装置304标记为“up1”至“upN”。类似地，耦合到水平导电元件324的开关装置304标记为“horz1”至“horzN”。又类似地，耦合到下导电元件326的开关装置304标记为“low1”至“lowN”。
耦合在上导电元件322与水平导电元件324之间的飞跨电容器306具有正极，并且标记为“+1”至“+N”。类似地，耦合在下导电元件326与水平导电元件324之间的飞跨电容器306具有负极，并且标记为“-1”至“-N”。飞跨电容器306和开关装置304定义电路302的多个级330(图3中只有标记为332、334、336和338的四个)。
在示范实施例中，每级330具有通过数值所表示的预定开关状态，使得多个级330定义电路302的至少一部分的多个开关状态。多个数值包括来自整数的预定集合的整数的唯一依次组合，并且整数的各唯一依次组合定义电路302的唯一开关状态。
具体来说，每级330具有作为相应开关装置304的相应开关状态的函数的“0”、“1”或“-1”的开关状态。例如，级332具有处于非导通状态的开关装置up1和low1，而开关装置horz1处于导通状态。因此，级332被指配开关状态0。另外，例如，级334具有处于非导通状态的开关装置up2和horz2，而开关装置low1处于导通状态。因此，级334被指配开关状态-1。此外，例如，级336具有处于非导通状态的开关装置low3和horz3，而开关装置up1处于导通状态。因此，级336被指配开关状态1。在示范实施例中，使用值0、1和-1。备选地，使用开关状态的任何值，其实现如本文所述的电路302和功率转换器控制系统200的操作，非限制性地例如1、2和3。另外，在备选实施例中，导电元件320的数量并不局限于三。非限制性地例如，在一些实施例中，存在十个导电元件，以及关联开关状态采用整数1至10来标识。级330的开关状态在电路302的正常操作期间快速变换，以便在AC端子310和DC端子328处生成命令电压和电流。具体来说，电压的七电平方案与电路302配合使用，其中电压电平以单位增量一从+3延伸到-3，其中所利用的电压增量是在AC端子310处的命令电压和测量电压的归一化值。+3的电压电平对应于正AC电压峰值，而-3的电压电平对应于负AC电压峰值，两种峰值均与正弦AC电压波形关联。
每个预定循环周期对导通状态的一个导电元件320限制开关状态促进不考虑未使用和冗余开关状态，非限制性地例如具有同时处于导电状态的单级330中的“up”和“low”开关装置的那些开关状态。在图3所示的示范实施例中，所示开关状态之和(0+1-1+0)在AC端子310处生成具有值0的输出电压电平。当电路302的开关状态处于这个条件时，飞跨电容器306没有充电或放电。在命令开关事件期间，变换级330的至少一部分的开关状态，以及关联飞跨电容器306开始充电或放电。因此，由于飞跨电容器306的充电、放电和保持静态取决于命令开关指令，所以飞跨电容器306两端的电压是可控的，使得它们在电路302中是平衡的。
图4示出示范脉冲图形402的图形表示(即图表400)、其上示出多个开关状态的多电平功率转换器电路302的一部分的示意表示以及可采用功率转换器控制系统200(图2所示)来生成的电路302的多个开关状态的表格表示(即，表404)。
在示范实施例中，脉冲图形402通过脉宽调制(PWM)技术来生成。备选地，脉冲图形402使用任何脉冲生成技术来生成，其实现如本文所述的电路302和功率转换器控制系统200的操作，非限制性地包括优化脉冲图形(OPP)脉冲生成。脉冲图形402的生成使用传统调制方案和控制来执行，并且这种脉冲生成与开关状态选择分离，下面进一步论述。如所示，传送在非限制性地例如AC端子310(图3所示)所测量的样本信号406，以生成PWM脉冲命令408以用于进一步生成脉冲图形402。样本信号406包括在AC端子310的电气条件的取样，非限制性地包括电流、电压和飞跨电容器电压。
如上所述，在图表400中示出电压的七电平方案，其中示出0、1、2、和3的电压电平，而未示出-1、-2和-3。脉冲图形402还包括用于确定各命令电压电平的时间长度的时间信息。因此，PWM脉冲命令408通过没有与如本文所述的开关状态选择关联的功率转换器控制系统200的一部分或者另一个控制系统来生成。另外，脉冲命令408包括与AC端子310处的命令电压电平相关的信息，其包括开关状态404的电压电平和时长，以得到AC端子310处的命令电压电平。此外，作为脉冲命令408的函数所生成的脉冲图形402还包括与开关状态404的电压电平和时长相关的信息，以得到AC端子310处的命令电压电平。
另外，在示范实施例中，对于+2的所选电压电平，表404示出对于图4所示电路的部分存在三种可能开关状态。具体来说，来自表404的三种可用开关状态为[0 1 1]、[1 0 1]和[1 1 0]，并且在电路302中分别示为开关状态410、412和414。
参照表404，电压电平+3具有[1 1 1]的单一可能开关状态，电压电平0具有[0 00]的单一可能开关状态，以及电压电平-3具有[-1 -1 -1]的单一可能开关状态。此外，开关状态+2(以上所述)、+1、-1和-2具有如所示的三种可能开关状态。
图5是多电平功率转换器电路302(图4所示)的多个开关状态的表404与电路302中的飞跨电容器306的多个充电状态的表420之间的关系的表格表示。通过获取各开关状态的包括第一、第二和第三整数(对于示范实施例)的整数的唯一依次组合，然后从第一整数中减去第二整数并且从第二整数中减去第三整数，以生成可由一个以上电压电平所共享的多个唯一充电状态(下面进一步论述)，来生成充电状态的表420。例如，对于表示电压电平+3的开关状态[1 1 1]，第一整数“1”减第二整数“1”以及第二整数“1”减第三整数“1”生成充电状态[0 0]。类似地，对于电压电平+2，开关状态[0 1 1]生成充电状态[-1 0] (0减1为-1以及1减1为0)，开关状态[1 0 1]生成充电状态[1 -1] (1减0为1以及0减1为-1)，以及开关状态[1 1 0]生成充电状态[0 1] (1减1为0以及1减0为1)。电压电平+1、0、-1、-2和-3的充电状态按照基本上相似的方式来确定。
在示范实施例中，电路302中的飞跨电容器306的充电状态采用二整数表示来标识，其中整数从-1(放电)、0(平衡)和+1(充电)的集合中选择。此外，充电状态中的第一整数表示设计为+2或-2的飞跨电容器的充电状态，以及第二整数表示设计为+1或-1的飞跨电容器的充电状态。如图4所示，开关状态412是电压电平+2的三种可能开关状态(410、412和414)其中之一。对于具有充电状态[1 -1]的开关状态412 [1 0 1]，标识为+2的飞跨电容器正在充电，而标识为+1的飞跨电容器正在放电。参照表420，电压电平+2和+1与飞跨电容器+2和+1的充电和放电关联，而电压电平-2和-1与飞跨电容器-2和-1的充电和放电关联。
相对充电状态420存在某种歧义性，因为不存在各开关状态404与各充电状态420之间的一一对应关系。例如，充电状态[1 -1]对应于电压电平+2和-1。类似地，充电状态[01]对应于电压电平+2和-1的任一个。又类似地，充电状态[0 -1]、[-1 1]、[1 0]和[-1 0]对应于一个以上电压电平。因此，功率转换器控制系统200(图2所示)配置成解决这些歧义性，并且选择与命令电压电平关联的充电状态。
图6示出作为脉冲图形(图4所示)中的电压电平的函数的多个充电状态的表格表示(表420)与多个充电状态的表示430之间的关系。在电压电平+3和+2与电压电平0和-1之间示出多个变换箭头432。另外，在电压电平+1和0与电压电平-2和-3之间示出多个变换箭头434。此外，在电压电平+2和+1与电压电平-2和-1之间示出多个变换箭头436。变换箭头432、434和436以及电压电平+3至-3的关联在表440中示出。
参照表420，七种可能和冗余充电状态[-1 1]、[0 1]、[-1 0]、[0 0]、[1 0]、[0 -1]和[1 -1]重新排列为表示430中的各充电状态的单个实例，并且示出关联变换箭头432、434和436。另外，七种充电状态围绕标记为“Cap1”和“Cap2”的一对正交轴来排列。垂直Cap1轴向上从-1(放电)至0(静态)延伸到+1(放电)，以及水平Cap2轴向右从-1(放电)至0(静态)延伸到+1(充电)。表420和表示430示出并非所有充电状态在没有中间充电状态的情况下都直接可用来变换到任何其他充电状态。因此，对于电路302中的开关状态的某些组合，并非飞跨电容器306的所有充电状态都可用于直接未决变换。因此，处理装置115和215至少部分基于电路302的模型和充电状态表示430来预测电路302的多个可能充电状态。另外，处理装置115和215至少部分基于电路302的模型从多个可能充电状态来选择充电状态。此外，处理装置115和215基于所选充电状态来调节各开关装置304的状态。此外，处理装置115和215基于所选充电状态和各开关装置304的状态来调节多个飞跨电容器306的各飞跨电容器306两端的感应电压值。
表示430中的充电状态的组织定义三种一般充电状态。具体来说，存在单一中性状态442、即位于表示中心的充电状态[0, 0]，以及中性状态442是能够变换成两种以上充电状态的唯一充电状态。另外，存在四种中间状态444，即，充电状态[0, 1]、[0, -1]、[-1, 0]和[1, 0]。此外，存在两种角状态446，即，充电状态[-1, 1]和[1, -1]。因此，通过功率转换器控制系统200来解决三种情况。第一情况是当初始现有实时充电状态为中性充电状态442时。第二情况是当初始现有实时充电状态为中间充电状态444其中之一时。第三情况是当初始现有实时充电状态为角充电状态446其中之一时。下面进一步论述这三种情况的意义。
图7是功率转换器控制系统200的一部分的示意框图。具体来说，示出飞跨电容器平衡控制系统500。系统500包括状态选择模块502，其接收脉冲图形402，并且生成开关状态命令504。系统500还包括电流充电状态反馈信道506，其向状态选择模块502传送电路302中的所有飞跨电容器306(图3所示)的实时充电状态的细节。系统500还包括AC端子电压反馈信道508，其耦合到状态选择模块502。还提供DC链路电压信号(未示出)的类似反馈信道。
图8是可与功率转换器控制系统200的飞跨电容器平衡控制系统500配合使用的状态选择模块502的示意框图。状态选择模块502包括电压校正子模块520、情况选择子模块522和充电状态选择子模块524，其中每个在下面进一步来论述。
电压校正子模块520从各飞跨电容器306(图3所示)的各电压测量装置308来接收飞跨电容器电压反馈信号530。电压校正子模块520还从接近AC端子310(图3所示)的电流测量装置312来接收电流测量反馈信号532。电压校正子模块520还通过电流充电状态反馈信道506来接收电流充电状态反馈信号533。电压校正子模块520还通过AC端子电压反馈信道508来接收AC端子电压测量反馈信号534。电压校正子模块520生成并且向充电状态选择子模块524传送经校正的飞跨电容器电压信号535。
情况选择子模块522与中性442、中间444和角446的三种不同一般充电状态(全部在图6中示出)关联，如上所述。情况选择子模块522接收充电状态反馈信号533，以及生成并且向充电状态选择子模块524传送情况选择信号536。
充电状态选择子模块524接收经校正的飞跨电容器电压信号535和一般充电状态选择信号536以及电流反馈信号532和电流充电状态反馈信号533。充电状态选择子模块524还从存储器装置110(图1所示)接收先前充电状态反馈信号538。另外，充电状态选择子模块524生成并且传送开关状态命令504。
参照图6的表示430以及图7和图8的飞跨电容器平衡控制系统500，定义第一情况，其中现有实时充电状态是中性充电状态442。状态选择模块502在接收脉冲图形402时确定开关状态和关联时间信息，其通过比较各飞跨电容器306的实际电压、经过开关装置304来平衡飞跨电容器电压。
如上所述，当初始充电状态为中性状态442 [0, 0]、即平衡Cap2和Cap1时，始终存在要选择的模块502的三种可用状态，即，第一组可能的将来状态包括中间状态444 [0,1]、[-1, 0]和角状态446 [1, -1]，以及第二组可能的将来状态包括角状态446 [-1, 1]和中间状态444 [1, 0]和[0, -1]。因此，状态选择模块502促进解决飞跨电容器306的冲突充电状态。
存在两个关联飞跨电容器的四个可能组合，其各包括下列四个可能条件中的两个，四个可能条件的每个基于各飞跨电容器306的实时电压值相对电压参考值之间的比较。第一条件在于，Cap1的电压(VCap1)大于或等于状态选择模块502所生成的作为脉冲图形402的函数的Cap1的电压参考值(VCap1,ref)，即，第一条件定义为VCap1 ≥VCap1,ref。第二可能的条件为VCap1 <VCap1,ref。第三可能的条件为VCap2 ≥VCap1,ref。第四可能的条件为VCap2 <VCap2,ref。
对于第一和第三条件的组合，预期充电状态为[-1, -1]、即当Cap2和Cap1正在放电时满足Cap2和Cap1的预期条件的状态。但是，这种充电状态不存在。因此，算法将选择中间状态444 [-1, 0] (Cap2放电而Cap1静态)和[0, -1] (Cap2静态而Cap1放电)。参照图5，充电状态[-1, 0]和[0, 1]与电压电平+2关联，以及选择关联开关状态[1 1 0]和/或[0 11]。如果所考虑的飞跨电容器306为Cap-1和Cap-2，则对关联电压电平-1执行类似操作，以便分别生成开关状态[-1 0 0]和[0 0 -1]的命令。相应地生成和传送开关状态命令504。
一般来说，模块502中的算法首先将尝试满足充电状态中表示的两种飞跨电容器306的预期条件。如果电路302的条件将不允许这种可能性，则算法允许两个关联飞跨电容器306其中之一在基本上相同的电压下保持为静态，即，对关联飞跨电容器306既不充电也不放电。算法将基本上防止任何飞跨电容器沿会增加关联飞跨电容器306之间的阻抗的方向进行变换。因此，如果能够不在同时满足两个飞跨电容器的任一个，则飞跨电容器的变换通过比较如下式所定义的电压误差来优先化：
|VCap1 – VCap1,ref| > |VCap2 – VCap2,ref|，　　等式(1)
则对Cap2放电而Cap1保持为静态，即，选择[-1, 0]。备选地，如果：
|VCap1 – VCap1,ref| ≤ |VCap2 – VCap2,ref|，　　等式(2)
则Cap2为静态，而对Cap1放电，即，选择[0, -1]。
对于第二和第三条件的组合，预期充电状态为角状态446 [-1, 1]、即当Cap2正在放电而Cap1正在充电时满足Cap1和Cap2的预期条件的状态。因此，算法将选择角状态446[-1, 1]。备选地，对于条件的这个组合，通过上式(1)或(2)的确定来选择中间状态444 [-1, 0]和[0, 1]。开关状态命令504作为充电状态与开关状态之间的关联结果而被生成和传送，如图5所示以及以上对第一和第三条件的组合所述。
对于第一和第四条件的组合，预期充电状态为角状态446 [1, -1]、即当Cap2正在充电而Cap1正在放电时满足Cap1和Cap2的预期条件的状态。因此，算法将选择角状态446[1, -1]。备选地，对于条件的这个组合，通过如上所述的等式(1)或(2)的确定来选择中间状态444 [1, 0]和[0, -1]。开关状态命令504作为充电状态与开关状态之间的关联结果而被生成和传送，如图5所示以及以上对第一和第三条件的组合所述。
对于第二和第四条件的组合，预期充电状态为[1, 1]、即当Cap2和Cap1均在充电时满足Cap2和Cap1的预期条件的状态。但是，这种充电状态不存在。因此，算法将选择中间状态444 [1, 0] (Cap2充电而Cap1静态)和[0, 1] (Cap2静态而Cap1充电)。开关状态命令504作为充电状态与开关状态之间的关联结果而被生成和传送，如图5所示以及以上对第一和第三条件的组合所述，以及所选开关状态在电路302中设置。
对于第二情况，当初始充电状态为四种中间状态444、即充电状态[0, 1]、[0, -1]、[-1, 0]和[1, 0]其中之一时，状态选择模块502中的算法使用与中性状态[0, 0]不同的确定所选充电状态的方法。如果初始充电状态为[1, 0]或[-1, 0]其中之一、即图6中的Cap2水平轴上的中间状态444，则Cap1接收用于确定后续充电状态的优先级。类似地，当初始充电状态为[0, 1]或[0, -1]其中之一、即图6中的Cap1垂直轴上的中间状态444时，则Cap2接收用于确定后续充电状态的优先级。按照与上述第一情况相似的方式，后续充电状态的选择基本上基于各飞跨电容器306两端的实时测量电压相对关联参考电压值之间的比较。因此，状态选择模块502促进解决飞跨电容器306的冲突充电状态。
当初始充电状态为[1, 0]时，两种可能充电状态是可用的。如果VCap1 < VCap1,ref，则将要选择的后续充电状态为[0, 1]。如果VCap1 ≥ VCap1,ref，则将要选择的后续充电状态为[1, -1]。当初始充电状态为[-1, 0]时，两种可能充电状态是可用的。如果VCap1 <VCap1,ref，则将要选择的后续充电状态为[-1, 1]。如果VCap1 ≥ VCap1,ref，则将要选择的后续充电状态为[0, -1]。当初始充电状态为[0, 1]时，两种可能充电状态是可用的。如果VCap2< VCap2,ref，则将要选择的后续充电状态为[1, 0]。如果VCap2 ≥ VCap2,ref，则将要选择的后续充电状态为[-1, -1]。当初始充电状态为[0, -1]时，两种可能充电状态是可用的。如果VCap2 < VCap2,ref，则将要选择的后续充电状态为[1, -1]。如果VCap2 ≥ VCap2,ref，则将要选择的后续充电状态为[-1, 0]。因此，状态选择模块502促进解决飞跨电容器306的冲突充电状态。
开关状态命令504作为充电状态与开关状态之间的关联结果而被生成和传送，如图5所示以及以上所述。由于调节、即平衡电路302中的飞跨电容器306两端的电压，调节在AC端子310处的所测量电压值。
图9是在初始充电状态为角充电状态446[-1, 1]和[1, -1](均在图6中示出)、即第三情况时确定多电平功率转换器电路302(图3所示)的充电状态的示范方法600的流程图。一般来说，方法600包括基于开关状态的初始选择来确定后续个所选状态转变，并且然后基于那个判定来预测各飞跨电容器306两端的电压。
在示范实施例中，方法600使用模型预测控制(MPC)策略来促进使用电路302的基于物理学的模型确定后续状态转变。一般来说，MPC是反馈机制，其中基于物理学的模型用来预测特定系统动态。待解决的MPC问题公式化为实时解决服从系统动态的控制问题以及涉及状态和控制的限制。基于在时间t=0所得到的测量，系统控制器可用来在t=Tp来预测对预测时间范围的系统的将来动态行为，并且确定输入，使得优化所确定性能目标函数。
方法600中的第一步骤是选择602要转到的初始状态。对步骤602的输入包括脉冲图形402和先前充电状态反馈信号538。对于电流充电状态为[-1, 1]的条件，仅存在能够转变到的两种潜在充电状态、即[0, 1]和[-1, 0]。方法600配置成防止返回到直接先前充电状态。因此，如果状态[0, 1]和[-1, 0]的任一个是最近状态转变，则对它不予考虑，并且选择另一状态。例如，如果状态[0, 1]作为信号538来输入，则不选择状态[0, 1]，而是选择状态[-1, 0]作为初始状态供评估。
方法600中的第二步骤是计算604飞跨电容器306的预测电压(图3和图7所示)。对步骤604的输入包括步骤602的输出、飞跨电容器电压反馈信号530和电流反馈信号532。关联飞跨电容器306的预测电压基于实时飞跨电容器电压、AC端子310(图3和图7所示)处的实时电流测量以及初始充电状态(在这个示例中为[-1 1])来计算。
方法600中的第三步骤是基于来自步骤604的预测飞跨电容器电压以及初始充电状态(在这个示例中为[-1, 0])来预测606状态转变序列。在[-1, 0]的选择之后存在两个可能状态转变序列、即充电状态[-1, 1]和[0, -1]。
方法600中的第四步骤是选择608要转到的最终状态。在充电状态[-1, 0]的初始选择之后评估后续充电状态的第一状态中，后一状态是当前状态、即充电状态[-1, 0]。此外，[-1, 1]之后的后续充电状态为[0, 1]、即最近的先前充电状态。如上所述，返回到最近的先前充电状态不合乎需要。一个原因在于，存在算法可能花费过多时间在角中来回切换以及飞跨电容器之一在被再次充电之前可能过度放电的时机。因此，后一充电状态[0, -1]表示将选择合乎需要的新充电状态。因此，选择充电状态[-1, 0]。
存在被考虑的在角状态446、即当先前充电状态为中性状态442 [0, 0]时开始的特殊条件。存在三种情形，并且依次论述每一种。
第一情形是当给定后续充电状态的两个选择的情况下并且一个选择明显好于另一个时，动作是选择更好的选项。例如，如果过程开始于充电状态[-1, 1]、VCap2 ≥VCa21,ref和VCap1 ≥ VCap1,ref，则预期充电状态为[-1, -1]，其不存在。因此，存在的选项之一为[0,1]。但是，当Cap1和Cap2均超过关联参考电压时具有Cap2静态并且具有Cap1充电不是良好选择。因此，作为解决飞跨电容器306的冲突充电状态的功能，选择充电状态[-1, 0]。
第二情形是当给定后续充电状态的两个选项的情况下并且两种选项均良好时，动作是比较电压误差，并且选择有利于具有更远离参考电压的电压的飞跨电容器的选项。例如，如果过程开始于[1, -1]、VCap2 < VCap1,ref和VCap1 ≥ VCap1,ref，则预期充电状态[1, 0]和[0, -1]的两个选择是良好选择。如果Cap1更远离参考，则作为解决飞跨电容器306的冲突充电状态的功能，选择[0, -1]，使得Cap1电压首先降低。
第三情形是当给定后续充电状态的两个选项的情况下并且两种选项均是不良选项时，动作是比较电压误差，并且选择引起最少不合需要条件的选项。例如，如果过程开始于充电状态[-1, 1]、VCap2 ≥VCap1,ref和VCap1 < VCap1,ref，则[1, 0]和[0, -1]均是不良选项，因为Cap2的放电和Cap1的充电是合乎需要的。如果Cap1更远离参考电压，则作为解决飞跨电容器306的冲突充电状态的功能，选择[1, 0]，使得Cap1电压保持在相同电平，而Cap2电压暂时保持较高。
上述多电平功率转换器及其关联控制系统提供电力转换的增强控制。具体来说，本文所述的实施例促进平衡功率转换器中的飞跨电容器的电压。与已知转换器相比，使用七电平拓扑，本文所述的多电平功率转换器在功率转换器的输出处生成低失真多电平脉冲图形和更高输出电压。这种更高电压包括中压转换器的输出处的10千伏(kV)和13.8 kV。因此，本文所述的多电平功率转换器促进改进的总谐波失真(THD)性能和增加的电力转换。改进的THD性能促进减小电耦合谐波滤波器的大小和复杂度，由此降低组装、操作和维护电力系统的成本。另外，不是与用于电压平衡功率电路的附加硬件关联的附加成本，与飞跨电容器关联的电压的平衡而是通过软件实现的平衡算法和指令来实现。本文所述的平衡算法和指令转换开关状态，即，聚合关联开关装置所定义的电路中的开关配置，以便聚合飞跨电容器所定义的电路的充电状态。此外，本文所述的多电平功率转换器及关联控制系统促进两步过程，其中第一脉宽调制(PWM)生成步骤与第二状态选择步骤分离。
本文所述的方法、系统和设备的一个示范技术效果包括下列至少一个：(a)平衡多电平电力转换器中的多个飞跨电容器两端的电压；(b)减少用于平衡多电平电力转换器中的飞跨电容器的电压的电压平衡硬件量；(c)减小电力系统中的谐波滤波器的大小；(d)降低从多电平电力转换器传送到电力系统中的电力的波形中的失真；多电平转换器中使用的电压传感器；以及(e)解决飞跨电容器的每个的冲突充电状态。
用于操作电力转换系统的方法、系统和设备的示范实施例并不局限于本文所述的具体实施例，而是可单独并且独立于本文所述的其他组件和/或步骤来使用系统的组件和/或方法的步骤。例如，方法、系统和设备还可与要求通过多个开关装置的控制对多个飞跨电容器的准确电压平衡的其他系统结合用来操作多电平功率转换器和关联方法，而并不局限于仅对如本文所述系统和方法实施。示范实施例而是能够结合可获益于通过多个开关装置的控制的广泛电压平衡的许多其他应用、设备和系统来实现和利用。
虽然本公开的各个实施例的具体特征可在部分附图中示出而在其他附图中未示出，但是这只是为了方便起见。按照本公开的原理，可与任何其他附图的任何特征结合引用和/或要求保护附图的任何特征。
一些实施例涉及一个或多个电子或计算装置的使用。这类装置通常包括处理器、处理装置或控制器，例如通用中央处理器(CPU)、图形处理单元(GPU)、微控制器、简化指令集计算机(RISC)处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理(DSP)装置和/或能够运行本文所述功能的任何其他电路或处理装置。本文所述的方法可编码为包含在非限制性地包括存储装置和/或存储器装置的计算机可读介质中的可执行指令。这类指令在由处理装置运行时使该处理装置执行本文所述方法的至少一部分。上述示例只是示范性的，因而并不是要以任何方式限制术语“处理器”和“处理装置”的定义和/或含意。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开实施例，并且还使本领域的技术人员能够实施实施例，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本公开的专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元，则预计它们落入权利要求的范围之内。
附图标记说明
105 计算装置 402 脉冲图形
110 存储器装置 404 表(开关状态)
115 处理器(处理装置) 406 样本信号
120 呈现接口 408 PWM脉冲命令
125 用户 410 开关状态
130 用户输入接口 412 开关状态
135 通信接口 414 开关状态
200 功率转换器控制系统 420 表(充电状态)
215 中央处理器(CPU) 430 充电状态的表示
220 其他装置 432 变换箭头
225 网络 434 变换箭头
230 第一操作员 436 变换箭头
235 第二操作员 440 变换表
240 监测传感器 442 中性充电状态
245 输入信道 444 中间充电状态
300 多电平功率转换器 446 角充电状态
302 多电平功率转换器电路 500 快速电容器平衡控制系统
304 开关装置 502 状态选择模块
306 快速电容器 504 开关状态命令
308 电压测量装置 506 电流充电状态反馈信道
310 交流(AC)端子 508 AC端子电压反馈信道
311 AC系统 520 电压校正子模块
312 电流测量装置 522 情况选择子模块
314 电压测量装置 524 充电状态选择子模块
320 多个导电元件 530 快速电容器电压反馈信号
322 上导电元件 532 电流反馈信号
324 水平导电元件 533 电流充电状态反馈信号
326 下导电元件 534 AC端子电压反馈信号
329 DC环节 535 经校正的快速电容器电压信号
328 直流(DC)端子 536 一般充电状态选择信号
330 级 538 先前充电状态反馈信号
332 级 600 方法
334 级 602 选择要转到的初始状态
336 级 604 计算快速电容器的电压
338 级 606 基于预测电压来预测状态转变，以及
400 图表 608 选择要转到的最终状态

Claims (12)

1.一种用于多电平功率转换器的电路，所述电路包括：
多个导电元件，配置成基本上相互并联；
多个开关装置，所述多个开关装置的各开关装置耦合到所述多个导电元件的一个导电元件；
多个飞跨电容器，耦合到所述多个导电元件的两个相邻导电元件的每个；
至少一个交流(AC)端子；以及
处理装置，包括驻留在其上的所述电路的模型，所述模型包括代表所述电路的特定物理电路拓扑的至少一部分的软件模型，所述特定物理电路拓扑包括所述多个开关装置、所述多个飞跨电容器、和所述多个导电元件，所述模型由所述处理装置用来预测在定义的时间段上所述电路的将来动态行为，所述将来动态行为包括在所述多个飞跨电容器的至少一个飞跨电容器上的预测电压、所述电路的可能开关状态和所述电路的可能充电状态，所述处理装置配置成：
至少部分基于所述电路的所述模型从所述电路的多个可能开关状态中选择所述电路的至少一个可能开关状态，其中所述电路的各可能开关状态具有至少部分对应于所述至少一个AC端子的命令电压电平的电压电平，并且其中所述电路的各可能开关状态定义所述多个开关装置的各开关装置的开关状态，其中所述电路的各开关状态具有所述电路的至少一个对应充电状态；
至少部分基于来自所述电路的所述模型的输出以及所述电路的所选择的可能开关状态来选择所述电路的可能充电状态以使得通过使用所述模型所预测的所述电路的性能、以及其中的所述多个飞跨电容器的电压平衡在所述定义的时间段上得到改进，所述输出包括通过使用所述模型而确定的所述多个飞跨电容器中的至少一个飞跨电容器上的预测电压，其中所述电路的各可能充电状态定义所述多个飞跨电容器的各飞跨电容器的充电状态，并且其中选择所述电路的可能充电状态包括解决所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器的冲突充电状态，并且选择与所述命令电压电平对应的开关状态；
使用所述处理装置，基于所述多个飞跨电容器中的所述至少一个飞跨电容器上的预测电压来选择从所述电路的当前充电状态到所述电路的所选择的可能充电状态的所述电路的充电状态转变序列，所述转变序列包括不同于所述当前充电状态和所选择的可能充电状态的至少一个充电状态；以及
至少部分基于所述电路的所述选择的充电状态来设置所述电路的所述开关状态。
2.如权利要求1所述的电路，还包括：
存储器装置，耦合到所述处理装置，所述存储器装置配置成存储所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器的电压参考值；以及
多个电压测量装置，所述多个电压测量装置的至少一个电压测量装置耦合到所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器，所述处理装置还配置成预测所述电路的多个可能充电状态，所述处理装置还配置成：
预测所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器两端的电压值；以及
对所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器来确定各电压参考值与各预测电压值之间的比较。
3.如权利要求2所述的电路，所述处理装置还配置成：
生成具有命令电压值和脉冲时长值的脉冲信号；以及
通过下列项来生成在所述定义的时间段上所述电路的可能将来充电状态的预测：
所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器两端的测量电压值；
所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器两端的所述预测电压值；
通过所述至少一个AC端子的测量电流值；
所述生成的脉冲信号；
所述电路的所述模型；以及
至少一个先前命令的电路充电状态。
4.如权利要求3所述的电路，所述处理装置还配置成：
从所述电路的所述多个可能充电状态中选择所述电路的初始可能充电状态，以便从所述电路的所述当前充电状态进行变换；以及
基于所述电路的所述选择的初始可能充电状态和所述电路的所述模型来计算所述多个飞跨电容器的至少一个飞跨电容器上的预测电压值。
5.如权利要求4所述的电路，所述处理装置还配置成从预定数量的预定义充电状态中选择初始可能充电状态，其中预定义充电状态的所述预定数量小于所述多个可能充电状态的总数。
6.如权利要求1所述的电路，还包括：
至少一个电压测量装置，耦合到所述至少一个AC端子；以及
存储器装置，耦合到所述处理装置，所述存储器装置配置成存储从所述至少一个电压测量装置所传送的多个电压测量值，所述处理装置还配置成调节作为所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器两端的所述调节的电压的函数的所述多电平功率转换器在所述至少一个AC端子处的电压。
7.如权利要求1所述的电路，还包括：
至少一个电流测量装置，耦合到所述至少一个AC端子；以及
存储器装置，耦合到所述处理装置，所述存储器装置配置成存储从所述至少一个电流测量装置所传送的多个电流测量值，所述处理装置还配置成调节至少部分作为所述多个电流测量值的函数的所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器两端的所述电压。
8.如权利要求1所述的电路，还包括：
存储器装置，耦合到所述处理装置，所述存储器装置配置成存储所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器的电压参考值；以及
多个电压测量装置，所述多个电压测量装置的至少一个电压测量装置耦合到所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器，其中：
所述多个电压测量装置的所述至少一个电压测量装置配置成测量所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器两端的电压值；以及
所述处理装置还配置成对所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器来确定各电压参考值与各测量电压值之间的比较。
9.如权利要求1所述的电路，所述处理装置还配置成：
生成所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器两端的电压值的预测；以及
生成所述多个开关装置的所述各开关装置的热条件的预测。
10.如权利要求1所述的电路，所述处理装置还配置成生成所述电路的多个开关状态，其中所述电路的所述多个开关状态的各开关状态涉及所述电路的所述多个可能充电状态的唯一充电状态。
11.如权利要求1所述的电路，所述处理装置还配置成生成所述电路的所述模型。
12.一种电力系统，包括：
交流(AC)源；
直流(DC)链路；以及
多电平功率转换器，包括在所述AC源与所述DC链路之间延伸的电路，所述电路包括：
多个导电元件，配置成基本上相互并联；
多个开关装置，所述多个开关装置的各开关装置耦合到所述多个导电元件的一个导电元件；
多个飞跨电容器，耦合到所述多个导电元件的两个相邻导电元件的每个；
至少一个AC端子；以及
处理装置，包括驻留在其上的所述电路的模型，所述模型包括代表所述电路的特定物理电路拓扑的至少一部分的软件模型，所述特定物理电路拓扑包括所述多个导电元件、所述多个开关装置、和所述多个飞跨电容器，所述模型由所述处理装置用来预测在定义的时间段上所述电路的将来动态行为，所述将来动态行为包括在所述多个飞跨电容器的至少一个飞跨电容器上的预测电压、所述电路的可能开关状态和所述电路的可能充电状态，所述处理装置配置成：
至少部分基于所述电路的所述模型从所述电路的多个可能开关状态中选择所述电路的至少一个可能开关状态，其中所述电路的各可能开关状态具有至少部分对应于所述至少一个AC端子的命令电压电平的电压电平，并且其中所述电路的各可能开关状态定义所述多个开关装置的各开关装置的开关状态，其中所述电路的各开关状态具有所述电路的至少一个对应充电状态；
至少部分基于来自所述电路的所述模型的输出，并且至少部分基于所述电路的所选择的可能开关状态来选择所述电路的可能充电状态以使得通过使用所述模型所预测的所述电路的性能、以及其中的所述多个飞跨电容器的电压平衡在所述定义的时间段上得到改进，所述输出包括通过使用所述模型而确定的所述多个飞跨电容器中的至少一个飞跨电容器上的预测电压，其中所述电路的各可能充电状态定义所述多个飞跨电容器的各飞跨电容器的充电状态，并且其中选择所述电路的可能充电状态包括解决所述多个飞跨电容器的所述各飞跨电容器的冲突充电状态，并且选择与所述命令电压电平对应的开关状态；
使用所述处理装置，基于所述多个飞跨电容器中的所述至少一个飞跨电容器上的预测电压来选择从所述电路的当前充电状态到所述电路的所选择的可能充电状态的所述电路的充电状态转变序列，所述转变序列包括不同于所述当前充电状态和所选择的可能充电状态的至少一个充电状态；以及
至少部分基于所述电路的所述选择的充电状态来设置所述电路的所述开关状态。
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