CN108347180B - 级联变换器系统及其变换器模块投入运行的方法 - Google Patents

级联变换器系统及其变换器模块投入运行的方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种级联变换器系统及其变换器模块投入运行的方法，其中所述级联变换器系统包括：n个变换器模块；n个旁路开关模块；以及一第二控制器，其中所述方法包括：模块投入前步骤：n个所述旁路开关模块中的m个所述旁路开关模块处于非旁路状态，其它n‑m个所述旁路开关模块处于旁路状态，所述第二控制器与m个所述变换器模块的所述第一控制器通信，使得m个所述变换器模块根据一第一控制信号运行，其中1≤m<n；模块投入步骤：所述第二控制器控制第m+1个所述旁路开关模块由处于旁路状态变为处于非旁路状态；以及模块投入后步骤：所述第二控制器与m+1个所述变换器模块的所述第一控制器通信，使得m+1个所述变换器模块根据一第二控制信号运行。

Description

级联变换器系统及其变换器模块投入运行的方法
技术领域
本公开涉及电力电子技术领域，特别涉及一种级联变换器系统，以及这种级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法。
背景技术
级联变换器系统具有高功率密度、高效率以及易于模块化等优点，有望在数据中心、充电桩等场合得到广泛应用。
级联变换器系统可以以单相或者三相方式运行，每一相通常由多个变换器模块级联连接形成，其结构包括变换器模块输入串联/输出串联、变换器模块输入串联/输出并联等。例如，在作为电力电子变压器的级联变换器系统中，每个级联的变换器模块可以输出方波或阶梯波电压。通过将这些波形的电压叠加，可以形成更多电平台阶的阶梯波电压，来逼近正弦波电压。
级联变换器系统通常通过增设冗余变换器模块来提高其可靠性。例如，当串联级联的变换器模块中有一个出现故障时，就将此故障变换器模块旁路掉，以使其退出工作，其它模块仍然能够正常工作，从而使整个系统不中止运行。
然而，级联变换器系统的冗余变换器模块的数量总是有限的。当所有冗余变换器模块因出现故障而被旁路掉以后，如果再有变换器模块出现故障，则系统将因整体变换器模块数量不足，无法合成合格的波形而退出运行。
发明内容
本公开的目的在于提供一种级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法和一种根据所述方法来运行的级联变换器系统，从而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或多个问题。
本公开的其它特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。
根据本公开的一个方面，提供一种级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法，其中所述级联变换器系统包括：
n个变换器模块，其中n>1，每个所述变换器模块包括一第一端、一功率转换电路、一第二端和一第一控制器，所述第一端与所述功率转换电路电性连接，所述功率转换电路与所述第二端电性连接，所述功率转换电路包含至少一直流母线电容，所述第一控制器用于控制所述功率转换电路；
n个旁路开关模块，其中n个所述旁路开关模块串联并与一交流电源电性连接，n个所述变换器模块的所述第一端与n个所述旁路开关模块分别对应地并联连接；以及
一第二控制器，至少用于控制n个所述旁路开关模块处于旁路状态或非旁路状态，
其中所述方法包括：
模块投入前步骤：n个所述旁路开关模块中的m个所述旁路开关模块处于非旁路状态，其它n-m个所述旁路开关模块处于旁路状态，所述第二控制器与m个所述变换器模块的所述第一控制器通信，使得m个所述变换器模块根据一第一控制信号运行，其中1≤m<n；
模块投入步骤：所述第二控制器控制第m+1个所述旁路开关模块由处于旁路状态变为处于非旁路状态；以及
模块投入后步骤：所述第二控制器与m+1个所述变换器模块的所述第一控制器通信，使得m+1个所述变换器模块根据一第二控制信号运行。
根据一个实施例，其中在所述模块投入前步骤中，m个所述变换器模块的第二端并联，在所述模块投入后步骤中，m+1个所述变换器模块的第二端并联，所述第一控制信号根据m个所述变换器模块的所述直流母线电容的电压与一系统电压参考值获得，所述第二控制信号根据m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容的电压与所述系统电压参考值获得。
根据一个实施例，其中所述第一控制信号包含第一占空比信号，所述第二控制信号包含第二占空比信号，所述第一占空比信号根据所述系统电压参考值以及m个所述变换器模块的所述直流母线电容的电压获得，所述第二占空比信号根据所述系统电压参考值以及m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容的电压获得。
根据一个实施例，其中所述第一占空比信号D1和所述第二占空比信号D2根据以下公式获得：
和
其中所述Vref是所述系统电压参考值，所述Vdci是第i个所述变换器模块的所述直流母线电容上的电压。
根据一个实施例，其中所述级联变换器系统采用载波移相控制，在所述模块投入前步骤中，m个所述变换器模块的载波根据所述第一控制信号依次移相π/m，在所述模块投入后步骤中，m+1个所述变换器模块的载波根据所述第二控制信号依次移相π/(m+1)。
根据一个实施例，在所述模块投入前步骤中，m个所述变换器模块的所述第一控制器使各自的所述第一占空比信号叠加一调节量，所述调节量根据对应的所述变换器模块的所述直流母线电容上的电压获得。
根据一个实施例，其中所述功率转换电路包含一交流-直流(AC-DC)转换电路和一直流-直流(DC-DC)转换电路，所述交流-直流转换电路和所述第一端以及所述直流母线电容电性连接，所述直流-直流转换电路和所述第二端以及所述直流母线电容电性连接。
根据一个实施例，其中所述级联变换器系统还包括一辅助电源，所述辅助电源与第m+1个所述变换器模块的所述第一控制器电性连接并提供电能。
根据一个实施例，其中所述功率转换电路包含一交流-直流转换电路，所述交流-直流转换电路和所述第一端以及所述直流母线电容电性连接，所述模块投入步骤还包括：
预充电步骤，在第m+1个所述旁路开关模块由处于旁路状态变为处于非旁路状态之后，所述交流电源通过所述交流-直流转换电路对第m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容充电。
根据一个实施例，其中所述预充电步骤还包括：
所述第二控制器与m个所述变换器模块的所述第一控制器通信，使得m个所述变换器模块根据一第三控制信号运行，所述第三控制信号包含一第三占空比信号，所述第三占空比信号根据下面的公式获得：
其中所述Vref是一系统电压参考值，所述sgn()是取符号函数，所述ig是第m+1个所述变换器模块的所述第一端的电流，所述Vdci是第i个所述变换器模块的所述直流母线电容上的电压，所述vm+1为表征第m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容的电压的值。
根据一个实施例，其中所述预充电步骤还包括：
所述第二控制器与第m+1个所述变换器模块的所述第一控制器通信，以获取所述vm+1，其中所述vm+1为第m+1个所述变换器模块的所述第一控制器对第m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容的电压采样值。
根据一个实施例，其中所述级联变换器系统采用载波移相控制，在所述模块投入前步骤中，m个所述变换器模块的载波根据所述第一控制信号依次移相π/m，在所述模块投入步骤，m个所述变换器模块的载波根据所述第三控制信号依次移相π/m，在所述模块投入后步骤中，m+1个所述变换器模块的载波根据所述第二控制信号依次移相π/(m+1)。
根据一个实施例，其中所述功率转换电路包含一交流-直流转换电路，所述交流-直流转换电路和所述第一端以及所述直流母线电容电性连接，所述第一控制器与所述直流母线电容电性连接，所述直流母线电容为所述第一控制器提供电能，所述模块投入步骤还包括：
预充电步骤，在第m+1个所述旁路开关模块由处于旁路状态变为处于非旁路状态之后，所述交流电源通过所述交流-直流转换电路对第m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容充电。
根据一个实施例，其中所述预充电步骤还包括：
在第m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容被充电至一第一电压值之前，所述第二控制器与m个所述变换器模块的所述第一控制器通信，使得m个所述变换器模块分别根据一第三控制信号运行，其中所述第一电压值为第m+1个所述变换器模块的所述第一控制器的工作电压的最低阈值，所述第三控制信号包含一第三占空比信号，所述第三占空比信号根据所述系统电压参考值、m个所述变换器模块的所述直流母线电容上的电压以及表征第m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容的电压的值获得。
根据一个实施例，其中所述第三占空比信号根据下面的公式获得：
其中所述Vref是所述系统电压参考值，所述sgn()是取符号函数，所述ig是第m+1个所述变换器模块的所述第一端的电流，所述Vdci是第i个所述变换器模块的所述直流母线电容上的电压，所述vm+1为表征第m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容的电压的值。
根据一个实施例，其中所述vm+1是第m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容的电压的预测值，且根据第m+1个所述变换器模块的所述第一端的电流对时间的积分以及第m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容的容值获得。
根据一个实施例，其中所述vm+1根据以下公式获得：
其中所述t0是所述第二控制器控制第m+1个所述旁路开关模块由处于旁路状态变为处于非旁路状态的时刻，所述t是第m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容被充电的时间，所述Cini是第m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容的所述容值。
根据一个实施例，其中所述级联变换器系统采用载波移相控制，在所述模块投入前步骤中，m个所述变换器模块的载波根据所述第一控制信号依次移相π/m，在所述模块投入步骤，m个所述变换器模块的载波根据所述第三控制信号依次移相π/m，在所述模块投入后步骤中，m+1个所述变换器模块的载波根据所述第二控制信号依次移相π/(m+1)。
根据本公开的另一个方面，提供一种级联变换器系统，包括：
n个变换器模块，其中n>1，每个所述变换器模块包括一第一端、一功率转换电路、一第二端和一第一控制器，所述第一端与所述功率转换电路电性连接，所述功率转换电路与所述第二端电性连接，所述功率转换电路包含至少一直流母线电容，所述第一控制器用于控制所述功率转换电路；
n个旁路开关模块，其中n个所述旁路开关模块串联并与一交流电源电性连接，n个所述变换器模块的所述第一端与n个所述旁路开关模块分别对应地并联连接；以及
一第二控制器，至少用于控制n个所述旁路开关模块处于旁路状态或非旁路状态，
其中，所述级联变换器系统根据前述的任何一个所述的方法来运行。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是这里的详细说明以及附图仅是用来说明本发明，而非对本发明的权利要求范围作任何的限制。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1A是本申请的级联变换器系统的一个实施例的示意图。
图1B是说明本申请的旁路开关模块2的状态的示意图。
图1C是说明本申请的旁路开关模块2的结构的示意图。
图2A是本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的一个实施例的流程图。
图2B-图2D分别是说明在本申请的模块投入前步骤100、模块投入步骤200和模块投入后步骤300中级联变换器系统的另一个实施例的相应状态的示意图。
图3是本申请的级联变换器系统的又一个实施例的示意图。
图4是相应于图3的级联变换器系统的本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的又一个实施例的流程图。
图5是相应于采用载波移相控制的级联变换器系统的本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的又一个实施例的流程图。
图6是本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的又一个实施例的流程图。
图7A是本申请的级联变换器系统的又一个实施例的示意图。
图7B是图7A中的一个旁路开关模块和对应的变换器模块的一个实施例的示意图。
图8是本申请的级联变换器系统的又一个实施例的示意图。
图9是本申请的级联变换器系统的又一个实施例的示意图。
图10是相应于图9的级联变换器系统的本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的又一个实施例的流程图。
图11是相应于图9的级联变换器系统的本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的又一个实施例的流程图。
图12是相应于图9的级联变换器系统的本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的又一个实施例的流程图。
图13是相应于采用载波移相控制的级联变换器系统的本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的又一个实施例的流程图。
图14是本申请的级联变换器系统的又一个实施例的示意图。
图15是相应于图14的级联变换器系统的本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的又一个实施例的流程图。
图16是相应于图14的级联变换器系统的本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的又一个实施例的流程图。
图17是相应于采用载波移相控制的级联变换器系统的本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的又一个实施例的流程图。
图18是根据本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法对图14中的级联变换器系统6000进行仿真的波形图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的结构、部件、步骤、方法等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、部件或者操作以避免模糊本公开的各方面。
下面结合附图1A-图18来更具体地描述本申请的各种实施方式和优点。
图1A是本申请的级联变换器系统的一个实施例的示意图。如图1A中所示，本实施例的级联变换器系统1000包括：n个变换器模块1、n个旁路开关模块2和一个系统控制器3。这里，n>1。在实际应用中，为了提高输出波形的精度，n通常远大于1，例如大于8。图1A中的省略号表示多个未示出的相应器件。为便于说明，这里以单相系统为例，但本申请不限于单相系统。
这n个变换器模块1为如图1A中所示的第1个、…、第m个、第m+1个、…、第n个变换器模块1。这n个变换器模块1可以是已知的各种功率变换器电路，具有实质上彼此相同的结构，或至少可以相互替换使用。每个变换器模块1至少包括：一第一端T1、一功率转换电路10、一第二端T2和一模块控制器11，其中第一端T1与功率转换电路10电性连接，功率转换电路10与第二端T2电性连接，功率转换电路10至少包含至少一直流母线电容C，模块控制器11用于控制功率转换电路10。在不影响理解的情况下，为使附图看起来更干净，附图中仅标注了第1个变换器模块1的内部组件的附图标记，省略了其它变换器模块1的相同的内部组件的附图标记，以下附图也采用了这样的处理。
例如，作为一个实施例，模块控制器11负责各变换器模块1的本地控制及保护，并将接收到的控制信号转换为脉冲宽度调制(PWM)驱动信号以驱动变换器模块1的功率管。
例如，作为另一个实施例，系统控制器3生成各变换器模块1的脉冲宽度调制驱动信号。模块控制器11负责各变换器模块1的本地控制及保护，并接收脉冲宽度调制驱动信号以驱动变换器模块1的功率管。
这n个旁路开关模块2为如图1A中所示的第1个、…、第m个、第m+1个、…、第n个旁路开关模块2。这n个旁路开关模块2可以是已知的各种开关电路，具有实质上彼此相同的结构，或至少可以相互替换使用，其排列顺序亦可以调整，本发明并不以此为限。这n个旁路开关模块2串联，然后与一交流电源Vg电性连接。前述的n个变换器模块1各自的第一端T1与这n个旁路开关模块2分别对应地并联连接。
系统控制器3可以采用各种硬件、软件、固件或它们的组合来实现，被配置来控制前述的n个旁路开关模块2处于旁路状态或非旁路状态，以及向前述的n个模块控制器11发送各种控制信号。图1A中的从系统控制器3引出的点划线表示控制信号的传递。
图1B是说明本申请的旁路开关模块2的状态的示意图。如图1B中所示，子图(a)示出了旁路开关模块2的一种旁路状态，表示旁路开关模块2对于电网侧，如连接电源Vg的那一侧，是通路，而使得电网侧与变换器模块侧断开；子图(b)示出了旁路开关模块2的另一种旁路状态，表示旁路开关模块2通过使变换器模块侧的连接端短路而忽略掉变换器模块1的存在，同时使得旁路开关模块2对于电网侧是通路；以及图(c)示出了旁路开关模块2的非旁路状态，表示旁路开关模块2将电网侧与变换器模块侧连接在一起。旁路开关模块2处于旁路状态使得相应的变换器模块1不能加入变换器模块级联中，而旁路开关模块2处于非旁路状态使得相应的变换器模块1能够加入变换器模块级联中。
图1C是说明本申请的旁路开关模块2的结构的示意图。如图1C中所示，子图(a)示出了旁路开关模块2可以由跨接在线路间的机械开关Km来实现旁路开关模块2的旁路状态或非旁路状态；以及子图(b)示出了旁路开关模块2可以由跨接在线路间的电子开关Ke来实现旁路开关模块2的旁路状态或非旁路状态。
另外，在图1A中，电源Vg与本实施例的级联变换器系统1000之间还串联有电感Ls，用于限流和滤波。电源Vg经由电感Ls实际施加到本实施例的级联变换器系统1000上的相电压为Vs，相电流为ig。
系统控制器3除了控制各旁路开关模块2之外，还经由各模块控制器11来控制各自的变换器模块1，使得本实施例的级联变换器系统1000根据将要在下面具体描述的本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法来运行。
图2A是本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的一个实施例的流程图。结合前述的图1A，如图2A中所示，本实施例的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法包括：模块投入前步骤100、模块投入步骤200和模块投入后步骤300。在不影响理解的情况下，为使说明书和附图看起来更干净，说明书和附图中具有相同附图标记的步骤具有实质相同的技术特征。
在模块投入前步骤100中，所述n个旁路开关模块2中的m个旁路开关模块2处于非旁路状态，其它n-m个旁路开关模块2处于旁路状态，系统控制器3与对应的m个变换器模块1的模块控制器11通信，使得所述m个变换器模块1根据一第一控制信号运行，其中1≤m<n。
在模块投入步骤200中，系统控制器3控制第m+1个旁路开关模块2由处于旁路状态变为处于非旁路状态。
在模块投入后步骤300中，系统控制器3与前述的m+1个变换器模块1的模块控制器11通信，使得所述m+1个变换器模块1根据一第二控制信号运行。
图2B-图2D分别是说明在本申请的模块投入前步骤100、模块投入步骤200和模块投入后步骤300中级联变换器系统的另一个实施例的相应状态的示意图。
为便于说明，图2B-图2D中的级联变换器系统1001的每个变换器模块的第二端T2上设置了一个开关K。
如图2B中所示，在模块投入前步骤100中，第1个旁路开关模块2至第m个旁路开关模块2处于非旁路状态，第1个变换器模块1至第m个变换器模块1的第二端T2上的开关K处于闭合状态。第m+1个旁路开关模块2至第n个旁路开关模块2处于旁路状态，第m+1个变换器模块1至第n个变换器模块1的第二端T2上的开关K处于断开状态。也就是说，系统在这一阶段仅有前述的第1个变换器模块1至第m个变换器模块1在运行。
图2C与图2B的区别在于，前述的第m+1个旁路开关模块2处于旁路状态，系统的运行进入了模块投入步骤200中。然而，在所述第m+1个变换器模块1能够输出正常工作电压之前，所述第m+1个变换器模块1的第二端T2上的开关K处于断开状态，以免影响整个系统的输出。
图2D与图2C的区别在于，由于前述的第m+1个变换器模块1已经能够输出正常工作电压了，所以所述第m+1个变换器模块1的第二端T2上的开关K处于闭合状态，使得所述第m+1个变换器模块1彻底加入了该相的变换器模块1形成的级联，即该相由先前m个变换器模块1协同工作转变为现在的m+1个变换器模块1协同工作，也即完成了所述第m+1个变换器模块1的热插入过程，即投入过程。
图3是本申请的级联变换器系统的又一个实施例的示意图。图4是相应于图3的级联变换器系统的本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的又一个实施例的流程图。结合图3，如图4中所示，本实施例的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法包括：模块投入前步骤110、模块投入步骤200和模块投入后步骤310。
在模块投入前步骤110中，所述m个变换器模块1的第二端T2并联。
在模块投入后步骤310中，所述m+1个变换器模块1的第二端T2并联。
前述的第一控制信号根据所述m个变换器模块1的直流母线电容C的电压与一系统电压参考值Vref获得，前述的第二控制信号根据所述m+1个变换器模块1的直流母线电容C的电压与系统电压参考值Vref获得。这里的系统电压参考值Vref就是该相的参考电压，也就是图1A-图3中所示的Vs的期望值或设定值。
作为本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的又一个实施例，前述的第一控制信号包含各变换器模块1的第一占空比信号D1，前述的第二控制信号包含各变换器模块1的第二占空比信号D2，第一占空比信号D1根据系统电压参考值Vref以及所述m个变换器模块1的直流母线电容C的电压获得，第二占空比信号D2根据系统电压参考值Vref以及所述m+1个变换器模块1的直流母线电容C的电压获得。
作为本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的又一个实施例，前述第一占空比信号D1和第二占空比信号D2根据以下公式获得：
和
其中Vref是前述的系统电压参考值，Vdci是第i个变换器模块1的直流母线电容C上的电压，例如级联的第i个变换器模块1的直流母线电容C上的电压的采样值，也就是第i个变换器模块1的运行电压。这里，第i个并不限定为系统结构顺序上的第i个，还可能是系统结构中的任一个。
作为本申请的级联变换器系统的又一个实施例，本申请的级联变换器系统采用载波移相控制。这样，除了控制前述的第m+1个变换器模块1投入级联变换器系统前后各变换器模块1的第一和二占空比信号之外，本申请还可以控制所述第m+1个变换器模块1投入级联变换器系统前后各变换器模块1的载波的相位。
图5是相应于采用载波移相控制的级联变换器系统的本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的又一个实施例的流程图。结合前述的图3，如图5中所示，本实施例的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法包括：模块投入前步骤120、模块投入步骤200和模块投入后步骤320。
在模块投入前步骤120中，所述m个变换器模块1的载波根据前述的第一控制信号依次移相π/m。
在模块投入后步骤320中，所述m+1个变换器模块1的载波根据前述的第二控制信号依次移相π/(m+1)。
图6是本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的又一个实施例的流程图。结合前述的图3，如图6中所示，本实施例的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法包括：模块投入前步骤130、模块投入步骤200和模块投入后步骤320。
在模块投入前步骤130中，在所述m个变换器模块1的任何一个中，对应的模块控制器11可以使其第一占空比信号D1叠加一调节量ΔD，调节量ΔD可以根据其直流母线电容C上的电压获得，例如采用比例、比例-积分等反馈调节控制方式，本实施例中对此不做具体限定。
在前述实施例中，变换器模块1的直流母线电容C上的电压在变换器模块1投入级联变换器系统前已预充电至可使变换器模块1正常工作的额定值附近，并且模块控制器11也已经能够正常工作，本申请不限定其具体实现方式。
图7A是本申请的级联变换器系统的又一个实施例的示意图。图7A与图3的区别在于，在图7A所示的级联变换器系统3000中，每个变换器模块1中的功率转换电路10包含一交流-直流转换电路12和一直流-直流转换电路13，交流-直流转换电路12和这个变换器模块1的第一端T1及直流母线电容C电性连接，直流-直流转换电路13和这个变换器模块1的第二端T2及直流母线电容C电性连接。图7A所示的级联变换器系统3000可以用作单相电力电子变压器。图7A所示的交流-直流转换电路12可以为两电平或三电平全桥/半桥等结构，直流-直流转换电路13可以为双有源桥(DAB，Dual Active Bridge)或者谐振电路(LLC)等结构，本发明并不以此为限。
图7B是图7A中的一个旁路开关模块和对应的变换器模块的一个实施例的示意图。如图7B中所示，开关Kx对应于旁路开关模块2，其余元件的组合对应于变换器模块1，即对应于一个电力电子变压器中的一个的变换器模块。
如果将开关Kx置于断开的位置，则对应于使旁路开关模块2处于非旁路状态，从而有相电流ig流过变换器模块1，并在变换器模块1上产生电压降Vaci。
在图7B中，开关管S1-S4以及二极管D1-D4的组合对应于前述的交流-直流转换电路12；C仍旧是直流母线电容，如果将开关Kx置于断开的位置，则会对直流母线电容C充电，使其具有电压Vdci；开关管S5-S10、二极管D5-D10、电容Cr和Cp、电感Lr和Lm、变压器T以及开关K的组合对应于前述的直流-直流转换电路13。
在图7B所示的电路中，去掉开关管S5-S10、二极管D5-D10、电容Cr和Cp、电感Lr和Lm、变压器T以及开关K的组合，则开关管S1-S4、二极管D1-D4以及直流母线电容C的组合对应于静止型动态无功补偿装置(SVG)中的一个变换器模块。
图8是本申请的级联变换器系统的又一个实施例的示意图。图8与图1A的区别在于，图8所示的级联变换器系统4000还包括一辅助电源4，辅助电源4可以与前述n个变换器模块1的模块控制器11电性连接，并为各模块控制器11提供电能；辅助电源4也可以只与任意一个变换器模块1的模块控制器11电性连接并为其提供电能，本发明并不以此为限。图8中的从辅助电源4引出的虚线表示辅助电源4为各模块控制器11提供电能。这样，前述n个变换器模块1的任何一个在投入级联变换器系统4000之前，其模块控制器11都能够处于正常工作状态，例如能够采样其直流母线电容C上的电压。
图9是本申请的级联变换器系统的又一个实施例的示意图。图9与图8的区别在于，图9所示的级联变换器系统5000中的功率转换电路10包含一前述的交流-直流转换电路12，交流-直流转换电路12和其所在的变换器模块1的第一端T1及直流母线电容C电性连接。图9所示的级联变换器系统5000可以用作单相链式无功发生器。
图10是相应于图9的级联变换器系统的本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的又一个实施例的流程图。结合图9，如图10中所示，本实施例的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法包括：模块投入前步骤100、模块投入步骤210和模块投入后步骤300。
模块投入步骤210包括一个预充电步骤。在预充电步骤中，在前述的第m+1个旁路开关模块2由处于旁路状态变为处于非旁路状态之后，交流电源Vg通过前述的交流-直流转换电路12对其所在的所述第m+1个变换器模块1的直流母线电容C充电。
图11是相应于图9的级联变换器系统的本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的又一个实施例的流程图。结合图9，如图11中所示，本实施例的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法包括：模块投入前步骤100、模块投入步骤220和模块投入后步骤300。
模块投入步骤220包括前述的预充电步骤。在预充电步骤中，系统控制器3与前述的m个变换器模块1的模块控制器11通信，使得所述m个变换器模块1根据一第三控制信号运行，第三控制信号包含一第三占空比信号D3，第三占空比信号D3根据下面的公式获得：
其中Vref是前述的系统电压参考值，sgn()是取符号函数，ig是前述的第m+1个变换器模块1的第一端T1上流过的电流，也即前述的相电流，Vdci是前述的第i个变换器模块1的直流母线电容C上的电压，例如级联的第i个变换器模块1的直流母线电容C上的电压的采样值，这里，vm+1为表征前述的第m+1个变换器模块1的直流母线电容C的电压的值。这里，第i个并不限定为系统结构顺序上的第i个，还可能是系统结构中的任一个。
图12是相应于图9的级联变换器系统的本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的又一个实施例的流程图。结合图9，如图12中所示，本实施例的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法包括：模块投入前步骤100、模块投入步骤230和模块投入后步骤300。
模块投入步骤230包括前述的预充电步骤。在预充电步骤中，系统控制器3与前述的第m+1个变换器模块1的模块控制器11通信，以获取前述的vm+1，在本实施例中，vm+1为前述的第m+1个变换器模块1的模块控制器11对所述第m+1个变换器模块1的直流母线电容C的电压采样值。
作为本申请的级联变换器系统的又一个实施例，本申请的级联变换器系统采用载波移相控制。这样，除了控制前述的第m+1个变换器模块1投入级联变换器系统前、中、后各变换器模块1的相应的第一、第二和第三占空比信号之外，本申请还可以控制所述第m+1个变换器模块1投入级联变换器系统前、中、后各变换器模块1的相应的载波的相位。
图13是相应于采用载波移相控制的级联变换器系统的本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的又一个实施例的流程图。结合前述的图9，如图13中所示，本实施例的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法包括：模块投入前步骤140、模块投入步骤240和模块投入后步骤330。
在模块投入前步骤140中，所述m个变换器模块1的载波根据前述的第一控制信号依次移相π/m。
在模块投入步骤240，所述m个变换器模块1的载波根据前述的第三控制信号依次移相π/m。
在模块投入后步骤330中，所述m+1个变换器模块的载波根据前述的第二控制信号依次移相π/(m+1)。
图14是本申请的级联变换器系统的又一个实施例的示意图。图14与图1A的区别在于，在图14所示的级联变换器系统6000中，每个变换器模块1中的功率转换电路10包含一前述的交流-直流转换电路12，交流-直流转换电路12和变换器模块1的第一端T1及直流母线电容C电性连接，其模块控制器11与直流母线电容C电性连接，直流母线电容C为模块控制器11提供电能。
图15是相应于图14的级联变换器系统的本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的又一个实施例的流程图。结合图14，如图15中所示，本实施例的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法包括：模块投入前步骤100、模块投入步骤250和模块投入后步骤300。
模块投入步骤250包括一预充电步骤。在预充电步骤中，在前述的第m+1个旁路开关模块2由处于旁路状态变为处于非旁路状态之后，交流电源Vg通过前述的交流-直流转换电路12对所述第m+1个变换器模块1的直流母线电容C充电。
图16是相应于图14的级联变换器系统的本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的又一个实施例的流程图。结合图14，如图16中所示，本实施例的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法包括：模块投入前步骤100、模块投入步骤260和模块投入后步骤300。
模块投入步骤260包括前述的预充电步骤。在预充电步骤中，在前述的第m+1个变换器模块1的直流母线电容C被充电至一第一电压值之前，系统控制器3与所述m个变换器模块1的各模块控制器11通信，使得所述m个变换器模块1分别根据一第三控制信号运行，其中第一电压值为所述第m+1个变换器模块1的模块控制器11的工作电压的最低阈值，第三控制信号包含一前述的第三占空比信号D3，第三占空比信号D3根据前述的系统电压参考值Vref、所述m个变换器模块1的直流母线电容C上的电压以及表征第m+1个变换器模块1的直流母线电容C的电压的值获得。
作为一个实施例，前述的第三占空比信号D3根据下面的公式获得：
其中Vref是前述的系统电压参考值，sgn()是取符号函数，ig是前述的第m+1个变换器模块1的第一端T1上流过的电流，也即前述的相电流，Vdci是前述的第i个变换器模块1的直流母线电容C上的电压，例如级联的第i个变换器模块1的直流母线电容C上的电压的采样值，这里，vm+1为表征所述第m+1个变换器模块1的直流母线电容C的电压的值。这里，第i个并不限定为系统结构顺序上的第i个，还可能是系统结构中的任一个。
作为一个实施例，前述的vm+1是所述第m+1个变换器模块1的直流母线电容C的电压预测值，且根据所述第m+1个变换器模块1的第一端T1的电流对时间的积分以及所述第m+1个变换器模块1的直流母线电容C的容值获得。
作为一个实施例，前述的vm+1是根据以下公式获得：
其中t0是系统控制器3控制所述第m+1个旁路开关模块2由处于旁路状态变为处于非旁路状态的时刻，t是所述第m+1个变换器模块1的直流母线电容C被充电的时间，Cini是所述第m+1个变换器模块1的直流母线电容C的容值。
作为本申请的级联变换器系统的又一个实施例，本申请的级联变换器系统采用载波移相控制。这样，除了控制前述的第m+1个变换器模块1投入级联变换器系统前、中、后各变换器模块1的相应的第一、第二和第三占空比信号之外，本申请还可以控制所述第m+1个变换器模块1投入级联变换器系统前、中、后各变换器模块1的相应的载波的相位。
图17是相应于采用载波移相控制的级联变换器系统的本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法的又一个实施例的流程图。结合前述的图14，如图17中所示，本实施例的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法包括：模块投入前步骤150、模块投入步骤270和模块投入后步骤340。
在模块投入前步骤150中，所述m个变换器模块1的载波根据前述的第一控制信号依次移相π/m。
在模块投入步骤270，所述m个变换器模块1的载波根据前述的第三控制信号依次移相π/m。
在模块投入后步骤340中，所述m+1个变换器模块1的载波根据前述的第二控制信号依次移相π/(m+1)。
图18是根据本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法对图14中的级联变换器系统6000进行仿真的波形图。
如图18中所示，左侧的子图为未使用本申请该实施例的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法时的仿真波形。当前述的第m+1个变换器模块1在t0时刻投入时，其直流母线电容C上的电压，这里，即大小未知的vm+1从零开始上升。然而，由于直流母线电容C的充电需要一个过程，例如，需要到t1时刻才能充到足够高的电压，例如达到前述的第一电压值，即所述第m+1个变换器模块1的模块控制器11的工作电压的最低阈值，直流母线电容C才能为模块控制器11正常供电，模块控制器11才能启动。这样，在t0-t1期间，系统控制器3接收到的所述第m+1个变换器模块1的直流母线电容C上的电压值，即vm+1为零，而非其实际电压。由于得不到所述第m+1个变换器模块1的直流母线电容C上的电压值，即vm+1，也就无法控制级联变换器系统的相电压Vs跟随参考电压Vref，因此相电流ig出现较大畸变。
如图18中所示，右侧子图为使用本申请的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法时的仿真波形。当所述第m+1个变换器模块1在t0时刻投入时，其直流母线电容C上的电压，即未知的vm+1从零开始上升。虽然在t0-t1期间无法采样或接收到所述第m+1个变换器模块1的直流母线电容C上的电压值，系统控制器3使用所述第m+1个变换器模块1的直流母线电容C的电压预测值，即实时的预测的vm+1替代其实际值来进行控制，控制级联变换器系统，使其相电压Vs仍然能够较好地跟随参考电压Vref，因此相电流ig的畸变明显降低。
另外，若考虑到辅助电源4存在故障的可能，辅助电源4的故障可能会导致模块控制器11无法正常工作，此时如果不采取相应的保护措施，将导致所述第m+1个变换器模块1始终处于不控整流充电状态，其直流母线电容C将因过电压而损坏，采用该实施例的方法有助于故障检测。
此时，所述第m+1个变换器模块1的直流母线电容C的电压预测值vm+1可以作为保护信号的输入，当vm+1超过正常范围而第m+1个变换器模块1仍然未正常启动时，可以认为所述第m+1个变换器模块1出现故障，则将前述的第m+1个旁路开关模块2仍切换成旁路状态，以将所述第m+1个变换器模块1重新旁路。
综上，通过本申请一实施例的级联变换器系统及其变换器模块投入运行的方法的如上调整，可以使得所述第m+1个变换器模块1投入前、中、后对应相的交流侧电压Vs，即相电压，始终跟随相参考电压Vref，且始终能通过载波移相实现低次谐波的消除，减小此阶段的暂态过冲。
本申请的一实施例的级联变换器系统包含至少两个级联的变换器模块，在每个变换器模块的第一端并联有旁路开关模块。当旁路开关模块处于非旁路状态而使得变换器模块投入正在运行的级联变换器系统时，实时调整其它变换器模块的脉冲生成机制，从而实现了变换器模块的无缝投入。
本申请的一实施例的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法通过在新变换器模块投入过程中动态调整其余各级联的变换器模块的脉冲生成机制，减小了变换器模块投入过程中对交流侧电网的冲击，从而实现了变换器模块的无缝投入。
本公开已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本公开的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本公开的范围。相反地，在不脱离本公开的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本公开的专利保护范围。

Claims (19)

1.一种级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法，其中所述级联变换器系统包括：
n个变换器模块，其中n>1，每个所述变换器模块包括一第一端、一功率转换电路、一第二端和一第一控制器，所述第一端与所述功率转换电路电性连接，所述功率转换电路与所述第二端电性连接，所述功率转换电路包含至少一直流母线电容，所述第一控制器用于控制所述功率转换电路；
n个旁路开关模块，其中n个所述旁路开关模块串联后与一交流电源电性连接，n个所述变换器模块的所述第一端与n个所述旁路开关模块分别对应地并联连接；以及
一第二控制器，至少用于控制n个所述旁路开关模块处于旁路状态或非旁路状态，
其中所述方法包括：
模块投入前步骤：n个所述旁路开关模块中的m个所述旁路开关模块处于非旁路状态，其它n-m个所述旁路开关模块处于旁路状态，所述第二控制器与m个所述变换器模块的所述第一控制器通信，使得m个所述变换器模块根据一第一控制信号运行，其中1≤m<n；
模块投入步骤：所述第二控制器控制第m+1个所述旁路开关模块由处于旁路状态变为处于非旁路状态；以及
模块投入后步骤：所述第二控制器与m+1个所述变换器模块的所述第一控制器通信，使得m+1个所述变换器模块根据一第二控制信号运行。
2.根据权利要求1所述的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法，其中在所述模块投入前步骤中，m个所述变换器模块的第二端并联，在所述模块投入后步骤中，m+1个所述变换器模块的第二端并联，所述第一控制信号根据m个所述变换器模块的所述直流母线电容上的电压与一系统电压参考值获得，所述第二控制信号根据m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容上的电压与所述系统电压参考值获得。
3.根据权利要求2所述的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法，其中所述第一控制信号包含第一占空比信号，所述第二控制信号包含第二占空比信号，所述第一占空比信号根据所述系统电压参考值以及m个所述变换器模块的所述直流母线电容上的电压获得，所述第二占空比信号根据所述系统电压参考值以及m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容上的电压获得。
4.根据权利要求3所述的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法，其中所述第一占空比信号D1和所述第二占空比信号D2根据以下公式获得：
和
其中所述Vref是所述系统电压参考值，所述Vdci是第i个所述变换器模块的所述直流母线电容上的电压。
5.根据权利要求3所述的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法，其中所述级联变换器系统采用载波移相控制，在所述模块投入前步骤中，m个所述变换器模块的载波根据所述第一控制信号依次移相π/m，在所述模块投入后步骤中，m+1个所述变换器模块的载波根据所述第二控制信号依次移相π/(m+1)。
6.根据权利要求3所述的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法，在所述模块投入前步骤中，m个所述变换器模块的所述第一控制器使各自的所述第一占空比信号叠加一调节量，所述调节量根据对应的所述变换器模块的所述直流母线电容上的电压获得。
7.根据权利要求2所述的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法，其中所述功率转换电路包含一交流-直流转换电路和一直流-直流转换电路，所述交流-直流转换电路和所述第一端以及所述直流母线电容电性连接，所述直流-直流转换电路和所述第二端以及所述直流母线电容电性连接。
8.根据权利要求1所述的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法，其中所述级联变换器系统还包括一辅助电源，所述辅助电源与第m+1个所述变换器模块的所述第一控制器电性连接并提供电能。
9.根据权利要求8所述的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法，其中所述功率转换电路包含一交流-直流转换电路，所述交流-直流转换电路和所述第一端以及所述直流母线电容电性连接，所述模块投入步骤还包括：
预充电步骤，在第m+1个所述旁路开关模块由处于旁路状态变为处于非旁路状态之后，所述交流电源通过所述交流-直流转换电路对第m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容充电。
10.根据权利要求9所述的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法，其中所述预充电步骤还包括：
所述第二控制器与m个所述变换器模块的所述第一控制器通信，使得m个所述变换器模块根据一第三控制信号运行，所述第三控制信号包含一第三占空比信号，所述第三占空比信号根据下面的公式获得：
其中所述Vref是一系统电压参考值，所述sgn()是取符号函数，所述ig是第m+1个所述变换器模块的所述第一端的电流，所述Vdci是第i个所述变换器模块的所述直流母线电容上的电压，所述vm+1为表征第m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容上的电压的值。
11.根据权利要求10所述的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法，其中所述预充电步骤还包括：
所述第二控制器与第m+1个所述变换器模块的所述第一控制器通信，以获取所述vm+1，其中所述vm+1为第m+1个所述变换器模块的所述第一控制器对第m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容上的电压采样值。
12.根据权利要求11所述的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法，其中所述级联变换器系统采用载波移相控制，在所述模块投入前步骤中，m个所述变换器模块的载波根据所述第一控制信号依次移相π/m，在所述模块投入步骤，m个所述变换器模块的载波根据所述第三控制信号依次移相π/m，在所述模块投入后步骤中，m+1个所述变换器模块的载波根据所述第二控制信号依次移相π/(m+1)。
13.根据权利要求2所述的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法，其中所述功率转换电路包含一交流-直流转换电路，所述交流-直流转换电路和所述第一端以及所述直流母线电容电性连接，所述第一控制器与所述直流母线电容电性连接，所述直流母线电容为所述第一控制器提供电能，所述模块投入步骤还包括：
预充电步骤，在第m+1个所述旁路开关模块由处于旁路状态变为处于非旁路状态之后，所述交流电源通过所述交流-直流转换电路对第m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容充电。
14.根据权利要求13所述的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法，其中所述预充电步骤还包括：
在第m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容被充电至一第一电压值之前，所述第二控制器与m个所述变换器模块的所述第一控制器通信，使得m个所述变换器模块分别根据一第三控制信号运行，其中所述第一电压值为第m+1个所述变换器模块的所述第一控制器的工作电压的最低阈值，所述第三控制信号包含一第三占空比信号，所述第三占空比信号根据所述系统电压参考值、m个所述变换器模块的所述直流母线电容上的电压、表征第m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容上的电压的值以及第m+1个所述变换器模块的所述第一端的电流获得。
15.根据权利要求14所述的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法，其中所述第三占空比信号根据下面的公式获得：
其中所述Vref是所述系统电压参考值，所述sgn()是取符号函数，所述ig是第m+1个所述变换器模块的所述第一端的电流，所述Vdci是第i个所述变换器模块的所述直流母线电容上的电压，所述vm+1为表征第m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容上的电压的值。
16.根据权利要求15所述的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法，其中所述vm+1是第m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容上的电压的预测值，且根据第m+1个所述变换器模块的所述第一端的电流对时间的积分以及第m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容的容值获得。
17.根据权利要求16所述的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法，其中所述vm+1根据以下公式获得：
其中所述t0是所述第二控制器控制第m+1个所述旁路开关模块由处于旁路状态变为处于非旁路状态的时刻，所述t是第m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容被充电的时间，所述Cini是第m+1个所述变换器模块的所述直流母线电容的所述容值。
18.根据权利要求17所述的级联变换器系统的变换器模块投入运行的方法，其中所述级联变换器系统采用载波移相控制，在所述模块投入前步骤中，m个所述变换器模块的载波根据所述第一控制信号依次移相π/m，在所述模块投入步骤，m个所述变换器模块的载波根据所述第三控制信号依次移相π/m，在所述模块投入后步骤中，m+1个所述变换器模块的载波根据所述第二控制信号依次移相π/(m+1)。
19.一种级联变换器系统，包括：
n个变换器模块，其中n>1，每个所述变换器模块包括一第一端、一功率转换电路、一第二端和一第一控制器，所述第一端与所述功率转换电路电性连接，所述功率转换电路与所述第二端电性连接，所述功率转换电路包含至少一直流母线电容，所述第一控制器用于控制所述功率转换电路；
n个旁路开关模块，其中n个所述旁路开关模块串联后与一交流电源电性连接，n个所述变换器模块的所述第一端与n个所述旁路开关模块分别对应地并联连接；以及
一第二控制器，至少用于控制n个所述旁路开关模块处于旁路状态或非旁路状态，
其中，所述级联变换器系统根据如权利要求1-18中任何一个所述的方法来运行。
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