CN110062990A - 用于在直流功率系统中将有功功率链路模块充电和放电的系统和方法 - Google Patents

用于在直流功率系统中将有功功率链路模块充电和放电的系统和方法 Download PDF

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Abstract

模块化功率转换器系统包括彼此耦合的多个有功功率链路模块（APLM），每个APLM具有多个开关装置，其包括彼此耦合的第一和第二开关装置以及与第一和第二开关装置两者并联耦合的至少一个第一类型能量存储装置（ESD），第一类型ESD配置成感应第一直流（DC）电压。该系统也包括耦合到第一类型ESD的多个继电器以及耦合到多个APLM中的至少一个APLM并且耦合到电源和放电电路中的至少一个的充电控制器。充电控制器配置成响应于多个开关状态而交替地将至少一个第一类型ESD充电和放电，所述多个开关状态包括多个开关装置以及多个继电器的开关状态。

Description

用于在直流功率系统中将有功功率链路模块充电和放电的系 统和方法
有关联邦赞助研究和开发的声明
本发明是在由美国海洋研究所授予的合同编号N00014-14-C-0103下利用政府支持来完成的。政府可享有本发明中的某些权利。
背景技术
本公开的领域一般涉及电功率转换和电能存储系统，以及更特别地涉及用于在直流（DC）功率系统中将有功功率链路模块（APLM）充电和放电的系统和方法。
在用于在DC功率系统中将能量存储装置（ESD）充电和放电的至少一些已知系统和方法中，为了维护和替换，电负载支持功能被中断以便移除和替换放电的和有故障的ESD。诸如高能超级电容器的ESD在DC功率系统中提供若干益处，但是在此类已知的系统和方法中，将它们充电和放电是麻烦的并且在延长的时间段内将支持的电负载置于服务之外。
而且，在用于在DC功率系统中将ESD充电和放电的至少一些已知系统和方法中，在全系统基础上没有集成充电和放电功能性与控制。此类已知的系统和方法因此需要操作者将单独的组件用于将ESD充电和放电，这增加操作停机时间和维护成本并且提高设备损坏的风险。此外，此类已知的系统和方法缺乏包括简单且快速可实现的最少的可替换单元（LRU）的模块性，所述LRU在多个电压电平的广泛变化的系统设计中可配置成适合特定应用。
发明内容
在一个方面中，提供了模块化功率转换器系统。模块化功率转换器系统包括彼此耦合的多个有功功率链路模块（APLM）。多个APLM中的每个APLM包括多个开关装置，其包括彼此电串联耦合的第一开关装置和第二开关装置。多个APLM中的每个APLM也包括与第一开关装置和第二开关装置两者电并联耦合的至少一个第一类型能量存储装置（ESD）。至少一个第一类型ESD配置成感应第一直流（DC）电压。多个APLM中的每个APLM还包括耦合到至少一个第一类型ESD的多个继电器。模块化功率转换器系统也包括耦合到多个APLM中的至少一个APLM并且耦合到电源和放电电路中的至少一个的充电控制器。充电控制器配置成响应于多个开关状态而交替地将至少一个第一类型ESD充电和放电，所述多个开关状态包括多个开关装置的开关状态以及多个继电器的开关状态。
在另一个方面中，提供了一种操作模块化功率转换器系统的方法。模块化功率转换器系统包括彼此耦合的多个APLM。多个APLM中的每个APLM包括多个继电器、多个开关装置以及与多个开关装置电并联耦合的至少一个第一类型ESD。至少一个第一类型ESD配置成感应第一DC电压。方法包括采用耦合到多个开关装置的传感器来确定多个APLM中的至少一个APLM的操作状态，操作状态包括功能状态和非功能状态。方法也包括响应于操作状态而采用耦合到多个开关装置以及多个继电器的开关控制器来建立多个开关状态，其包括多个开关装置的开关状态以及多个继电器的开关状态。方法还包括采用耦合到放电电路和多个继电器的充电控制器来将具有非功能状态的多个APLM的至少一个相应APLM的至少一个第一类型ESD放电到小于第一DC电压预确定量的电压。方法也包括采用具有功能状态的至少一个替换（replacement）APLM来替换具有非功能状态的至少一个相应APLM。
在又一方面中，提供了一种组装模块化功率转换器系统的方法。该方法包括将多个APLM彼此耦合。多个APLM中的每个APLM包括多个开关装置、多个继电器以及与多个开关装置和多个继电器两者电并联耦合的至少一个第一类型ESD。该方法也包括将充电控制器耦合到多个继电器并且耦合到电源和放电电路中的至少一个。该方法还包括将至少一个第二类型ESD与多个APLM电并联耦合。该方法也包括将充电控制器配置成响应于多个开关状态而交替地将至少一个第一类型ESD充电和放电，多个开关状态包括多个开关装置的开关状态以及多个继电器的开关状态，其中多个APLM中的每个APLM配置成促进到模块化功率转换器系统的可拆卸电耦合。
附图说明
当参考附图来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，在附图中，贯穿附图，相似的字符表示相似的部分，其中：
图1是模块化功率转换器系统的示范性实施例的示意图；
图2是可与图1中所示的模块化功率转换器系统一起使用的有功功率链路模块（APLM）串的示范性实施例的示意图；
图3是可与图1中所示的模块化功率转换器系统一起使用的APLM串的备选实施例的示意图；
图4是可与图1中所示的模块化功率转换器系统一起使用的APLM串的另一个备选实施例的示意图；
图5是可与图1中所示的模块化功率转换器系统一起使用的APLM串的又一备选实施例的示意图；
图6是可与图1中所示的模块化功率转换器系统一起使用的示范性控制方案的示意图；
图7是可与图1中所示的模块化功率转换器系统一起使用的操作模块化功率转换器系统的示范性方法的流程图；以及
图8是可与图1中所示的模块化功率转换器系统一起使用的组装模块化功率转换器系统的示范性方法的流程图。
除非另有指示，否则，本文中提供的附图意味着图示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各种各样的系统中。因此，附图不意味着包括由本领域技术人员已知的对于本文中公开的实施例的实践所要求的所有常规特征。
具体实施方式
在下面的说明书和权利要求书中，将对多个术语进行参考，所述多个术语应被定义成具有下面的含义。
除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一个（a、an）”和“该”包括复数参考。
“可选的”或“可选地”意味着随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且该描述包括其中事件发生的实例以及其中事件不发生的实例。
如本文所使用的近似语言在说明书和权利要求书通篇中可应用于修改任何数量表示，该任何数量表示能够准许变化而没有导致与它相关的基本功能的改变。因此，通过诸如“大约”、“近似”和“基本上”的一个或多个术语所修饰的值不是要局限于所指定的精确值。在至少一些实例中，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精确度。在这里并且在说明书和权利要求书通篇中，范围限制可被组合和/或互换，并且此类范围被识别，并且包括在其中所包含的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。
如本文所使用的，术语“处理器”和“计算机”及有关术语例如“处理装置”、“计算装置”和“控制器”不限于仅仅那些在本领域中被称为计算机的集成电路，而是在广义上指微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器（PLC）、专用集成电路（ASIC）和其它可编程电路，并且这些术语在本文中可互换使用。在本文中描述的实施例中，存储器可包括但不限于诸如随机存取存储器（RAM）的计算机可读介质，以及诸如闪速存储器的计算机可读非易失性介质。备选地，也可使用软盘、紧致盘只读存储器（CD-ROM）、磁光盘（MOD）、和/或数字通用盘（DVD）。而且，在本文描述的实施例之中，附加的输入通道可以是但不限于与诸如鼠标和键盘的操作者接口关联的计算机外围设备。备选地，其它计算机外围设备也可被使用，其可包括例如但不限于，扫描仪。此外，在示范性实施例中，附加的输出通道可包括但不限于操作者界面监测器。
此外，如本文所使用的，术语“软件”和“固件”是可互换的，并且包括在存储器中存储以供由个人计算机、工作站、客户端和服务器执行的任何计算机程序。
此外，如本文所使用的，术语“实时”指的是下列项中的至少一项：关联事件的发生时间、预确定数据的测量和收集的时间、用来处理数据的时间以及对事件和环境的系统响应的时间。在本文描述的实施例中，这些活动和事件基本上瞬间发生。
本文描述的用于在直流（DC）功率系统中将有功功率链路模块（APLM）充电和放电的系统和方法相对于已知系统实现由例如超级电容器的能量存储装置（ESD）支持的电负载装置的操作停机时间中的减少。在其中描述的实施例也提供DC功率系统的简化和低成本维护和操作。此外，本文描述的实施例还实现ESD充电和放电功能性和控制在全系统基础上的集成以便最小化由用户所需的单独组件和步骤的数量，并且降低设备损坏的风险。本文描述的用于在DC功率系统中将APLM充电和放电的系统和方法也提供包括简单且快速可实现的最少的可替换单元（LRU）的模块性，LRU在多个电压电平的广范变化的设计中可配置成适合特定应用。
图1是模块化功率转换器系统100的示范性实施例的示意图。在示范性实施例中，模块化功率转换器系统100包括彼此耦合的多个APLM 102。多个APLM 102包括第一APLM104、第二APLM 106、第三APLM 108和第四APLM 110。多个APLM 102中的每个APLM 102包括彼此电串联耦合的第一开关装置112和第二开关装置113。第一开关装置112和第二开关装置113被体现在绝缘栅双极晶体管（IGBT）中。在未示出的其它实施例中，第一开关装置112和第二开关装置中的至少一个被体现在下列项的至少一项中：集成栅换向晶闸管；非线性可控电阻器；变阻器；和不同于IGBT类型的晶体管，其包括但不限于金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、注入增强栅晶体管、结型栅场效应晶体管（JFET）、双极结型晶体管（BJT）及其组合。这些装置能够由硅（Si）和诸如碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）的宽带隙材料中的至少一个制成。反并联二极管114与第一开关装置112和第二开关装置113中的每个电并联耦合。多个APLM 102中的每个APLM 102也包括与第一开关装置112和第二开关装置113两者电并联耦合的至少一个第一类型ESD 115。
而且，在示范性实施例中，第一开关装置112和第二开关装置113配置成响应于控制方案而保持多个受控开关状态（即，接通对断开、打开对闭合以及导通对非导通中的至少一项），如下面进一步描述的。第一类型ESD 115配置成感应第一DC电压（V1）。第一类型ESD115被体现在超级电容器中。在未示出的其它实施例中，第一类型ESD 115被体现在下列项中的至少一项中：电池；薄膜电容器；电解质电容器；和燃料电池。
此外，在示范性实施例中，多个APLM 102中的至少一个APLM 102包括耦合到第一类型ESD 115、第一开关装置112和第二开关装置113中的至少一个的至少一个传感器116。传感器116配置成检测下列项中的至少一项：第一类型ESD 115的充电状态（即，充电的状态）；以及第一开关装置112和第二开关装置113中的至少一个的操作状态。第一开关装置112和第二开关装置113中的操作状态包括功能状态（例如，能够交替地接通和断开以便以受控方式实现电流通过其中的流动）和非功能状态（例如，不能够交替地接通和断开以便以受控方式实现电流通过其中的流动）。第一类型ESD 115的充电状态包括充电完成状态（例如，充电的状态，其是下列中的至少一种：基本上等于充电的预确定的状态；以及大于充电的预确定的状态）和放电状态（例如，充电的状态，其小于充电的预确定的状态）。因此，在模块化功率转换器系统100中，当多个APLM 102中的至少一个APLM 102具有含有非功能状态的第二开关装置113和第一开关装置112中的至少一个时，相应APLM 102也具有非功能状态。同样地，当多个APLM 102中的至少一个APLM 102具有含有放电状态的第一类型ESD 115时，相应APLM 102也具有放电状态。
此外，在示范性实施例中，多个APLM 102中的至少一个APLM 102包括耦合到传感器116的至少一个指示器117。指示器117配置成促进在具有功能状态和充电完成状态中的至少一个的多个APLM 102的至少一个相应APLM 102与具有非功能状态和放电状态中的至少一个的多个APLM 102的至少一个相应APLM 102之间进行区分。指示器117被体现在状态信号118中，当相应APLM 102具有功能状态和充电完成状态中的至少一个时，状态信号118具有第一值，以及当相应APLM 102具有非功能状态和放电状态中的至少一个时，状态信号118具有与第一值不同的第二值。在未示出的其它实施例中，除了状态信号118以外，指示器117也配置成实现对模块化功率转换器系统100的用户的其它指示，包括但不限于可视发光显示、听觉报警以及包括但不限于从APLM 102传送到诸如显示屏（未示出）的、耦合到APLM102的人机界面（HMI）的人可读消息。
此外，在示范性实施例中，模块化功率转换器系统100包括与第一开关装置112和第二开关装置113中的至少一个电并联耦合的旁路开关119。旁路开关119配置成交替地将多个APLM 102中的至少一个APLM 102分别电耦合到模块化功率转换器系统100以及与模块化功率转换器系统100电隔离。旁路开关119也配置成响应于下述控制方案而保持多个受控旁路开关状态（即，接通对断开、打开对闭合以及导通对非导通中的至少一项）。因此，模块化功率转换器系统100中的多个开关状态也包括多个旁路开关状态。例如但不限制地，旁路开关119还耦合到传感器116并且当旁路开关119接收具有指示相应APLM 102具有功能状态和充电完成状态中的至少一个的第一值的状态信号118时，旁路开关119保持在禁止电流通过其中的流动的操作状态（例如，旁路开关119的打开的操作状态）中。然而，当旁路开关119接收具有指示相应APLM 102具有非操作状态和放电状态中的至少一个的第二值的状态信号118时，旁路开关119保持在实现电流通过其中的流动的操作状态（例如，旁路开关119的闭合的操作状态）中。
而且，在示范性实施例中，模块化功率转换器系统100包括耦合到第一类型ESD115的多个继电器120。多个继电器120包括耦合到第一类型ESD 115接近第一开关装置112的第一端子的第一继电器122以及耦合到第一类型ESD 115接近第二开关装置113的第二端子的第二继电器124。模块化功率转换器系统100也包括充电控制器125。充电控制器125包括通过多个继电器120耦合到多个APLM 102中的至少一个APLM 102的双向DC到交流（AC）转换器126。例如但不限制地，双向DC到AC转换器126的正端子（图1中表示为“V输出+”）通过第二继电器124耦合到第一类型ESD 115的第二端子，以及双向DC-AC转换器126的负端子（图1中表示为“V输出-”）通过第一继电器122耦合到第一类型ESD 115的第一端子。
充电控制器125耦合到电源127（例如，供给AC电功率的公用电网128）和放电电路130（例如，在图1中表示为R的诸如具有电阻的功率电阻器组的电阻电路）中的至少一个。充电控制器125配置成响应于第一开关装置112、第二开关装置113和多个继电器120的多个开关状态而交替地将第一类型ESD 115充电和放电。模块化功率转换器系统100包括多个第二类型ESD 132。多个第二类型ESD 132中的每个第二类型ESD 132被体现在电池134中，其配置成感应第二DC电压（V2）。在未示出的其它实施例中，多个第二类型ESD 132中的每个第二类型ESD 132被体现在下列项中的至少一项中：超级电容器；薄膜电容器；电解质电容器；和燃料电池。至少一个第二类型ESD 132通过DC母线138与多个APLM 102电并联耦合。在多个第二类型ESD 132一起电串联耦合的情况下，V2的有效值（即，DC母线138的电压）基本上等于第二类型ESD 132的数量（n）乘以多个第二类型ESD 132中的每个第二类型ESD 132的V2的值（即，n*V2）。充电控制器125也耦合到至少一个第二类型ESD 132并且还配置成检测其充电的状态并且交替地将第二类型ESD 132充电和放电。
此外，在示范性实施例中，模块化功率转换器系统100也包括通过DC母线138与多个APLM 102中的至少一个以及至少一个第二类型ESD 132电并联耦合的至少一个电负载装置136。DC母线138包括至少一个串联耦合的电感器140和串联耦合的主功率开关142。模块化功率转换器系统100包括开关控制器144，其耦合到第一开关装置112、第二开关装置113、旁路开关119、多个继电器120以及耦合到多个APLM 102中的每个APLM 102中的传感器116。开关控制器144配置成传送至少一个开关控制信号（例如，开关控制信号146、旁路控制信号148和继电器控制信号150）。开关控制器144因此交替地将旁路开关119、第一开关装置112和第二开关装置113打开和闭合（即，实现分别在导通和非导通状态之间的交替转变）。开关控制器144因此通过下述控制方案来促进以受控方式保持多个开关状态。开关控制器144也配置成交替地将多个继电器120通电（energize）和断电（de-energize）以便通过控制方案来进一步促进以受控方式保持多个开关状态。
在示范性实施例中，开关控制器144也耦合到充电控制器125。开关控制器144还配置成将至少一个充电控制信号152传送到充电控制器125以便促进响应于多个开关状态而交替地将第一类型ESD 115充电和放电。而且，在示范性实施例中，开关控制器144也耦合到传感器116。由开关控制器144接收状态信号118促进开关控制器144基于第一类型ESD 115的充电的状态、第二类型ESD 132的充电的状态（即，如状态信号118指示的）以及电负载装置136的操作参数（例如，负载电流IL）中的至少一个来确定控制方案。控制方案包括交替地传送开关控制信号146、旁路控制信号148和继电器控制信号150中的至少一个的开关控制器144的定时，如下面进一步所示的和所述的。在示范性实施例中，开关控制器144还耦合到旁路开关119。开关控制器144也配置成将旁路开关控制信号154传送到旁路开关119以便以受控方式交替地将旁路开关119打开和闭合，所述受控方式包括但不限于响应于由开关控制器144从传感器116接收的状态信号118的值。开关控制器144还配置成将主功率开关控制信号156传送到主功率开关142以便促进以受控方式交替地将主功率开关142闭合和打开以便例如但不限于将多个APLM 102分别与电负载装置136和第二类型ESD 132中的至少一个相应电隔离以及相应电耦合到电负载装置136和第二类型ESD 132中的至少一个。
充电控制器125还配置成将第一类型ESD 115保持在基本上等于V1的电压，其包括但不限于在电压的预确定范围（例如，预确定V1电压容限）内。充电控制器125也配置成将第二类型ESD 132保持在基本上等于V2的电压，其包括但不限于在电压的预确定范围（例如，预确定V2电压容限）内。充电控制器125还配置成在第一类型ESD 115的电压下降到低于V1预确定量时，将第一类型ESD 115充电到基本上等于V1的电压。充电控制器125也配置成在第二类型ESD 132的电压下降到低于V2预确定量时，将第二类型ESD 132充电到基本上等于V2的电压。充电控制器125还配置成将第一类型ESD 115放电到小于V1的预确定电压（例如，以便促进相应APLM 102从模块化功率转换器系统100的移除和替换中的至少一个）。充电控制器125也配置成将第二类型ESD 132放电到小于V2的预确定电压（例如，以便促进相应第二类型ESD 132从模块化功率转换器系统100的移除和替换中的至少一个）。
在操作中，在示范性实施例中，连同第一类型ESD 115，第一开关装置112和第二开关装置113在模块化功率转换器系统100中提供集成到多个APLM 102中的每个APLM 102中的模块化多电平转换器（MMC）状的功率电子装置。模块电流IM通过多个APLM 102的流动和IM流动的方向（即，IM对-IM）经由第一开关装置112和第二开关装置113的开关状态的定时被控制，如由开关控制器144所实现的。因此，开关控制器144促进保持第一类型ESD 115的期望充电或放电状态，以及从而保持由多个ALPM 102供给到DC母线138的电功率的比例。例如但不限制地，保持旁路开关119和第一开关装置112打开并且保持第二开关装置113闭合实现在-IM方向上的电流流动并且促进第一类型ESD 115的放电以便支持例如电负载装置136的瞬时功率要求。另一方面，保持旁路开关119和第二开关装置113打开并且保持第一开关装置112闭合实现在+IM方向（即，与-IM方向相反）上的电流流动并且促进保持第一类型ESD115在基本上恒定的电压和第一类型ESD 115的充电中的至少一个（如下面参考图4和图5所示的和所述的）。为了在平均功率要求下将IL供给到电负载装置136，开关控制器144以预确定频率和占空比将第一开关装置112和第二开关装置113两者交替地打开和闭合以便保持第一类型ESD 115与第二类型ESD 132之间的有效的功率和能量平衡，从而促进模块化功率转换器系统100的有效的操作。
而且，在操作中，开关控制器144促进确定多个APLM 102中的每个APLM 102的操作状态和充电状态。旁路开关119的多个开关状态的相应开关状态基于操作状态和充电状态中的至少一个。开关控制器144的控制下的旁路开关119从而交替地将具有不同于充电完成状态的充电状态和非功能操作状态中的至少一个的至少一个相应APLM 102电耦合（即，当旁路开关119打开时）到模块化功率转换器系统100并且与模块化功率转换器系统100电隔离（即，当旁路开关119闭合时）。如果至少一个APLM 102发生故障，包括但不限于第一类型ESD 115、第一开关装置112和第二开关装置113中的至少一个发生故障，则连同模块化功率转换器系统100的其它特征和组件一起，APLM 102、旁路开关119和开关控制器144因此提供操作的内在的冗余性、故障容差和连续性。
图2是可与模块化功率转换器系统100（图1中所示的）一起使用的APLM串200的示范性实施例的示意图。在示范性实施例中，第一APLM 104、第三APLM 108和第四APLM 110具有功能操作状态和充电完成的充电状态。如由如上面参考图1所示和所述的传感器116所确定的，第二APLM 102具有非功能状态和放电状态中的至少一个。未示出的开关控制器144保持主功率开关142在闭合位置中（即，实现电流通过主功率开关142的流动）以及从而将多个APLM 102电耦合到模块化功率转换器系统100。开关控制器144也保持第一APLM 104、第三APLM 108和第四APLM 110的旁路开关119在打开位置中（即，禁止电流通过旁路开关119的流动）以及从而将第一APLM 104、第三APLM 108和第四APLM 110中的每个电耦合到模块化功率转换器系统100。开关控制器144还保持第一APLM 104、第三APLM 108和第四APLM 110中的每个的第一继电器122和第二继电器124在打开位置中（即，在禁止电流通过第一继电器122和第二继电器124两者的流动的断电状态中），从而将第一APLM 104、第三APLM 108和第四APLM 110中的每个与充电控制器125电隔离。
而且，在示范性实施例中，开关控制器144保持第二APLM 106的旁路开关119在闭合位置中以便将第二APLM 106与APLM串200电隔离。开关控制器144也保持第二APLM 106的第一继电器122和第二继电器124在闭合位置中（即，在实现电流通过第一继电器122和第二继电器124两者的流动的通电状态中），从而将第二APLM 102电耦合到充电控制器125。充电控制器125通过经由放电电路130消耗其电能来将第二APLM 102的第一类型ESD 115放电，这包括但不限于在使用开关控制器144实现的控制方案下。充电控制器125将第二APLM 106的第一类型ESD 115放电到小于V1预确定量的电压。如下面参考图3所示的和所述的，将具有非功能状态和放电状态中的至少一个的第二APLM 102的第一类型ESD 115放电促进第二APLM 102从APLM串200和模块化功率转换器系统100的移除。
图3是可与模块化功率转换器系统100（图1中所示的）一起使用的APLM串300的备选实施例的示意图。在备选实施例中，多个APLM 102中的每个APLM 102被体现在可替换APLM 102（即，可替换模块），其被可拆卸地电耦合到APLM串300和模块化功率转换器系统100。如上面参考图2所示的和所述的，第二APLM 106具有非功能状态和放电状态中的至少一个。未示出的开关控制器保持旁路开关119在闭合位置中以便将第二APLM 106从APLM串300和模块化功率转换器系统100电隔离。在第二APLM 106与APLM串300的移除之前和同时中的至少一个，开关控制器144保持第二APLM 106的第一继电器122和第二继电器124在打开位置中，从而将第二APLM 106与充电控制器125电隔离。如下面参考图4所示的和所述的，具有放电的第一类型ESD 115的第二APLM 106从APLM串300和模块化功率转换器系统100被移除，留下模块槽302，未示出的替换APLM可插入到模块槽302中。因此，模块化功率转换器系统100包括至少一个模块槽302，并且多个APLM 102中的至少一个APLM 102被体现在可替换模块中，该可替换模块通过多个连接器303来可拆卸地电耦合到模块槽302。尽管从APLM串300中第二APLM 106不存在，APLM串300依然电耦合到模块化功率转换器系统100。在由开关控制器144将用于第二APLM 106（现被移除）的旁路开关119保持在闭合位置中的情况下，假定不存在第二APLM 102，APLM串300在没有实质中断的情况下但在较小负载支持的模块电流（-IM）容量的情况下在模块化功率转换器系统100继续运转。
图4是可与模块化功率转换器系统100（图1中所示的）一起使用的APLM串400的另一个备选实施例的示意图。图5是可与模块化功率转换器系统100（图1中所示的）一起使用的又一APLM串500的备选实施例的示意图。在备选实施例中，具有功能操作状态的替换APLM402被插入到未示出的模块槽302，并且电耦合到APLM串400和模块化功率转换器系统100。替换APLM 402在插入到模块槽302中之前具有放电的充电状态和充电不足的充电状态中的至少一个。因此，在APLM串400具有用来提供全容量负载支持的模块电流（-IM）的能力之前，替换APLM 402的第一类型ESD 115必须被充电，使得替换APLM 402除了具有功能操作状态以外，还得到充电完成的充电状态。
而且，在备选实施例中，未示出的开关控制器144将基于脉冲宽度调制（PWM）的充电方案实现为模块化功率转换器系统100的控制方案的一部分以将替换APLM 402的第一类型ESD 115充电到基本上等于V1的电压。然而，在充分充电之前，替换APLM 402的第一类型ESD 115具有小于V1的电压电势。PWM充电方案促进将替换APLM 402的第一类型ESD 115快速充电到基本上等于V1的电压电势，在这之后，开关控制器144和充电控制器125恢复模块化功率转换器系统100中的正常操作（如上面参考图1所示的和所述的）。在未示出的其它实施例中，开关控制器144在软件和固件中的至少一个中被编程在例如开关控制器144的控制逻辑中，以便一致地利用PWM方案和充电控制器125来加速替换APLM 402的第一类型ESD115的充电过程，即，通过以适当定时的间隔而交替地将第一继电器122和第二继电器124通电和断电来加速替换APLM 402的第一类型ESD 115的充电过程。
此外，在备选实施例中，PWM充电方案促进替换APLM 402的第一开关装置112和第二开关装置113的受控和适当定时的开关直到替换APLM 402的第一类型ESD 115到达基本上等于V1的电压电势的这样的时间。在开关控制器144实现用于替换APLM 402的PWM充电方案的的时间期间，第一APLM 104、第三APLM 108和第四APLM 110的第一类型ESD 115保持在基本上等于V1的电压电势，并且它们继续在提供如在如上面参考图1所示的和所述的那样开关控制器144保持多个开关状态的情况下所需要的负载支持的模块电流（-IM）中运转。
在操作中，在备选实施例中，在当开关控制器144确定负载支持的模块电流（-IM）在预确定的必需量的时间内不被需要的此类时间期间，开关控制器144开始PWM充电方案。PWM充电方案被体现在修改的PWM方案，借此，通过将替换APLM 402的旁路开关119、第一开关装置112和第二开关装置113保持在打开位置（即，在禁止电流通过其中的流动的状态中）中，模块电流被允许通过替换APLM 402在-IM方向上流动，并且开关占空比为1。在未示出的其它实施例中，开关控制器144将替换APLM 402的旁路开关119保持闭合（即，实现电流通过其中的流动）并且将第一开关装置112和第二开关装置113保持打开以允许模块电流通过替换APLM 402在-IM方向上的流动而不允许替换APLM 402的第一类型ESD 115的放电。因此，如由图4中的第一阴影电流路径所示的，模块电流通过替换APLM 402在-IM方向上仅通过第一开关装置112的反并联二极管114流动，并且不允许替换APLM 402的第一类型ESD 115将电流促进-IM模块电流流动。在修改的PWM方案中的此类时间期间，替换APLM 402的第一类型ESD 115保持小于V1的电压电势。
而且，在操作中，由开关控制器144实现的修改的PWM方案交替地将模块电流的流动方向改变成与-IM相反的方向（即，IM）。在当模块电流在IM方向上通过包括替换APLM 402的多个APLM流动的此类时间期间，由开关控制器144实现的修改的PWM充电方案将替换APLM402的旁路开关119、第一开关装置112和第二开关装置113再次保持在打开位置中，并且开关占空比为0（零）。因此，如由图5中的第二阴影电流路径所示的，模块电流通过替换APLM402在IM方向上仅通过第二开关装置113的反并联二极管114流动，并且替换APLM 402的第一类型ESD 115被充电到比它在修改的PWM充电方案的它经历在-IM方向上的模块电流流动的那些时间期间具有的电压电势要高的电压电势。
此外，在操作中，开关控制器144也配置成如果开关控制器144确定负载支持的模块电流-IM由电负载装置136和第二类型ESD 132中的至少一个来需要例如以便支持负载瞬态以及在充电控制器125和电源127是不可用的情况下充电第二类型ESD 132，则中断修改的PWM充电方案。在不再需要-IM负载支持的模块电流之后，由开关控制器144恢复修改的PWM充电方案，并且替换APLM 402的第一类型ESD 115的充电继续直到它到达基本上等于V1的电压电势。在替换APLM 402的第一类型ESD 115到达基本上等于V1的电压电势时，开关控制器144结束修改的PWM充电方案并且恢复保持模块化功率转换器系统100中多个开关状态，如上面参考图1所示的和所述的。
图6是可与模块化功率转换器系统100（图1中所示的）一起使用的示范性控制方案600的示意图。在示范性实施例中，控制方案600由开关控制器144来实现并且基于多个APLM102中的每个APLM 102中的第一类型ESD 115的时间平均电压（即，V1）来支配通过模块化功率转换器系统100的功率流动。第一加法器模块602确定预确定参考串电流（即，Iref）与电感器电流（即，I测量）之间的差，其中电感器电流通过DC母线138和电感器140中的至少一个流动并且由例如耦合于此的电表603来测量。第一加法器602将差信号604输出到比例积分器（PI）模块606。如果差信号604的值是下列中的至少一种：基本上等于0安培（A）；以及在跨过0安培的预确定容限范围（即，±%）内，则PI模块606不改变（即，增加和减少中的至少一种）第一类型ESD 115的V1以及多个APLM 102中的每个APLM 102的模块电流（即，IM）的幅度中的至少一个。如果另一方面，差信号604的值是下列中的至少一种：基本上不等于0 A；以及不在跨过0安培的预确定容限范围内，则PI模块606将PI控制信号608输出到第二加法器模块610。
在操作中，在示范性实施例中，PI控制信号608具有表示第一类型ESD 115的V1以及在多个APLM 102中的每个APLM 102中要实现的IM的幅度中的至少一个中的改变的值（即，VPI*），使得Iref的目标值是模块化功率转换器系统100中取得的和保持的当中的至少一个。第二加法器模块610从PI模块606连同新模块信号612一起接收PI控制信号608。新模块信号612具有表示历经通过修改的PWM充电方案（如上面参考图4和5所示和所述）充电的替换APLM 402中的第一类型ESD 115的充电状态的值（即，V新_模块）。新模块信号612因此充当控制方案600中的前向反馈项并且它的值V新_模块由第二加法器模块610加到VPI*的值。第二加法器模块610的总和输出信号614具有表示要由控制方案600在多个APLM 102中的与替换APLM402不同的那些APLM 102中实现的第一类型ESD 115的电压中的有效改变的值（即，V*）。
而且，在操作中，在其中多个APLM 102中的每个APLM 102具有功能操作状态和充电完成的充电状态两者的情况下，总和输出信号614基本上等于VPI*并且实现对多个APLM102中的每个APLM 102的每个第一类型ESD 115的必要改变以便取得Iref。然而，在至少一个替换APLM 402存在于多个APLM 102之间并且历经充电和放电中的至少一个（如上面参考图2-5所示的和所述的）时，总和输出信号614包括前向反馈项V新_模块并且实现必要改变以便仅在不历经充电和放电中的至少一个的那些（一个或多个）APLM 102中取得目标值Iref。因此，前向反馈项V新_模块和第二加法器模块610的包括促进DC母线138上的不合需要的电压和电流干扰（其通过将具有与其它第一类型ESD 115不同的V1值的替换APLM 402的第一类型ESD115切进和切出所导致）的消除，并且替换APLM 402的第一开关装置112和第二开关装置113在与多个APLM 102中的其它APLM 102不同的受控开关方案（即，修改的PWM充电方案）之下。
图7是可与模块化功率转换器系统100（图1中所示的）一起使用的操作模块化功率转换器系统的示范性方法700的流程图。在示范性实施例中，方法700包括采用耦合到第一开关装置112和第二开关装置113的传感器116来确定多个APLM 102中的至少一个APLM 102的操作状态，所述操作状态包括功能状态和非功能状态702。方法700也包括响应于操作状态而采用耦合到第一开关装置112、第二开关装置113和多个继电器120的开关控制器144来建立多个开关状态，其包括第一开关装置112和第二开关装置113的开关状态以及多个继电器120的开关状态704。方法700还包括采用耦合到放电电路130以及耦合到多个继电器120的充电控制器125来将具有非功能状态的多个APLM 102的至少一个相应APLM 102的第一类型ESD 115放电到小于V1预确定量的电压706。方法700也包括采用具有功能状态的至少一个替换APLM 402来替换具有非功能状态的至少一个相应APLM 102 708。
图8是可与模块化功率转换器系统100（图1中所示的）一起使用的组装模块化功率转换器系统的示范性方法800的流程图。在示范性实施例中，方法800包括将多个APLM 102彼此耦合802。方法800也包括将充电控制器125耦合到多个继电器120以及耦合到电源127和放电电路130中的至少一个804。方法800还包括将第二类型ESD 132与多个APLM 102电并联耦合806。方法800也包括将充电控制器125配置成响应于多个开关状态而交替地将第一类型ESD 115充电和放电，所述多个开关状态包括多个开关装置（即，第一开关装置112和第二开关装置113）的开关状态以及多个继电器120的开关状态，其中多个APLM 102中的每个APLM 102配置成促进到模块化功率转换器系统100的可拆卸电耦合808。
用于在DC功率系统中将APLM充电和放电的上述系统和方法相对于已知系统实现由例如超级电容器的ESD支持的电负载装置的操作停机时间中的降低。上述实施例也提供DC功率系统的简化和低成本的维护和操作。此外，上述实施例还实现在全系统基础上的ESD充电和放电功能性与控制的集成来最小化由用户所需的单独组件和步骤的数量，并且降低设备损坏的风险。用于在DC功率系统中将APLM充电和放电的上述系统和方法也提供包括简单且快速可实现的LRU的模块性，LRU在多个电压电平的广范变化的设计中可配置成适合特定应用。
用于在DC功率系统中将APLM充电和放电的上述系统和方法的示范性技术效果包括下列中的至少一个：（a）相对于已知系统，实现由ESD支持的电负载装置的操作停机时间中的降低；（b）提供DC功率系统的简化和低成本的维护；（c）实现在全系统基础上的ESD充电和放电功能性与控制的集成来最小化由用户所需的单独组件和步骤的数量，并且降低设备损坏的风险；以及（d）提供包括简单且快速可实现的LRU的模块性，LRU在多个电压电平的广范变化的设计中可配置成适合特定应用。
用于在DC功率系统中将APLM充电和放电的上述系统和方法的示范性实施例以及操作此类系统和装置的方法不限于本文描述的特定实施例，相反，可从本文描述的其它组件和/或步骤单独且独立地利用系统的组件和/或方法的步骤。例如，系统也可与在设计和操作中要求模块性、可伸缩性和冗余性的其它系统和关联方法组合使用，并且不限于只利用如本文所述的用于在DC功率系统中将APLM充电和放电的系统和方法来实践。相反，能够结合当前配置成提供使用诸如超级电容器的ESD的高效率DC功率转换的许多其它功率系统应用（例如但不限于在可再生能源生成设施中的功率系统）来实现和利用示范性实施例，所述ESD要求周期性充电和放电，。
一些实施例涉及一个或多个电子或计算装置的使用。此类装置通常包括处理器、处理装置或控制器，利润通用中央处理单元（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）、现场可编程门阵列（FPGA）、数字信号处理（DSP）装置和/或能够执行本文描述的功能的任何其它电路或处理装置。本文描述的方法可被编码为体现在计算机可读介质中的可执行指令，计算机可读介质包括但不限于存储装置和/或存储器装置。此类指令在由处理装置执行时，促使处理装置执行本文描述的方法的至少一部分。上面的示例只是示范性的，并且因此不意图以任何方式限制术语处理器和处理装置的定义和/或含义。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开实施例，并且还使本领域的任何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。本公开的可取得专利范围由权利要求书来限定，并且能够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元素，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元素，则预计它们处于权利要求的范围之内。

Claims (24)

1.一种模块化功率转换器系统，包括：
彼此耦合的多个有功功率链路模块（APLM），所述多个APLM中的每个APLM包括：
多个开关装置，所述多个开关装置包括彼此电串联耦合的第一开关装置和第二开关装置；以及
与所述第一开关装置和所述第二开关装置两者电并联耦合的至少一个第一类型能量存储装置（ESD），所述至少一个第一类型ESD配置成感应第一直流（DC）电压；
耦合到所述至少一个第一类型ESD的多个继电器；以及
耦合到所述多个APLM中的至少一个APLM并且耦合到电源和放电电路中的至少一个的充电控制器，所述充电控制器配置成响应于多个开关状态而交替地将所述至少一个第一类型ESD充电和放电，所述多个开关状态包括所述多个开关装置的开关状态以及所述多个继电器的开关状态。
2.如权利要求1所述的模块化功率转换器系统，还包括至少一个模块槽，其中所述至少一个APLM包括通过多个连接器可拆卸地电耦合到所述至少一个模块槽的可替换模块。
3.如权利要求1所述的模块化功率转换器系统，还包括与所述多个APLM电并联耦合的至少一个电负载装置。
4.如权利要求1所述的模块化功率转换器系统，其中所述充电控制器包括耦合到所述电源和所述放电电路中的至少一个的双向DC到交流（AC）功率转换器。
5.如权利要求1所述的模块化功率转换器系统，其中所述充电控制器还配置成进行下列项中的至少一项：
将所述至少一个第一类型ESD保持在基本上等于所述第一DC电压的电压；
在所述至少一个第一类型ESD的所述电压下降到低于所述第一DC电压预确定量时，将所述至少一个第一类型ESD充电到基本上等于所述第一DC电压的电压；以及
将所述至少一个第一类型ESD放电到小于所述第一DC电压的预确定电压。
6.如权利要求1所述的模块化功率转换器系统，其中所述多个APLM中的至少一个APLM还包括：
耦合到所述至少一个第一类型ESD和所述多个开关装置中的至少一个的至少一个传感器，所述至少一个传感器配置成检测下列项中的至少一项：
操作状态，所述操作状态包括所述多个开关装置中的至少一个开关装置的功能状态和非功能状态；以及
充电状态，所述充电状态包括所述至少一个第一类型ESD的充电完成状态和放电状态；以及
耦合到所述至少一个传感器的至少一个指示器，所述至少一个指示器配置成促进在具有所述功能状态和所述充电完成状态中的至少一个的所述多个APLM的至少一个相应APLM与具有所述非功能状态和所述放电状态中的至少一个的所述多个APLM的至少一个相应APLM之间进行区分。
7.如权利要求1所述的模块化功率转换器系统，还包括与所述多个APLM电并联耦合的至少一个第二类型ESD，所述至少一个第二类型ESD配置成感应第二DC电压。
8.如权利要求7所述的模块化功率转换器系统，还包括与所述多个APLM电并联耦合的至少一个电负载装置。
9.如权利要求7所述的模块化功率转换器系统，其中所述充电控制器还耦合到所述至少一个第二类型ESD，所述充电控制器还配置成进行下列项中的至少一项：
将所述至少一个第二类型ESD保持在基本上等于所述第二DC电压的电压；
在所述至少一个第二类型ESD的所述电压下降到低于所述第二DC电压预确定量时，将所述至少一个第二类型ESD充电到基本上等于所述第二DC电压的电压；以及
将所述至少一个第二类型ESD放电到小于所述第二DC电压的预确定电压。
10.如权利要求1所述的模块化功率转换器系统，还包括与所述多个开关装置中的至少一个开关装置电并联耦合的旁路开关，所述旁路开关配置成交替地将所述多个APLM中的所述至少一个APLM和所述模块化功率转换器系统电耦合和电隔离，其中所述多个开关状态还包括所述旁路开关的开关状态。
11.如权利要求10所述的模块化功率转换器系统，还包括耦合到所述旁路开关、耦合到所述多个开关装置并且耦合到所述多个继电器的开关控制器，所述开关控制器配置成传送至少一个开关控制信号以交替地将所述旁路开关和所述多个开关装置中的至少一个打开和闭合，所述开关控制器还配置成交替地将所述多个继电器通电和断电以进一步建立所述多个开关状态。
12.如权利要求11所述的模块化功率转换器系统，其中所述开关控制器还耦合到所述充电控制器，所述开关控制器还配置成将至少一个充电控制信号传送到所述充电控制器以响应于所述多个开关状态而促进交替地将所述至少一个第一类型ESD充电和放电。
13.如权利要求12所述的模块化功率转换器系统，其中所述多个APLM中的至少一个APLM还包括耦合到所述至少一个第一类型ESD和所述多个开关装置中的至少一个的至少一个传感器，所述至少一个传感器配置成检测下列项中的至少一项：
操作状态，所述操作状态包括所述多个开关装置中的至少一个开关装置的功能状态和非功能状态；以及
充电状态，所述充电状态包括所述至少一个第一类型ESD的充电完成状态和放电状态，所述至少一个传感器还配置成将状态信号传送到所述开关控制器和所述充电控制器中的至少一个以促进下列项中的至少一项：
在具有所述功能状态和所述充电完成状态中的至少一个的所述多个APLM的至少一个相应APLM与具有所述非功能状态和所述放电状态中的至少一个的所述多个APLM的至少一个相应APLM之间进行区分；以及
闭合具有所述非功能状态和所述放电状态中的至少一个的所述至少一个相应APLM的所述旁路开关。
14.一种操作模块化功率转换器系统的方法，所述模块化功率转换器系统包括彼此耦合的多个有功功率链路模块（APLM），所述多个APLM中的每个APLM包括多个继电器、多个开关装置以及与所述多个开关装置电并联耦合的至少一个第一类型能量存储装置（ESD），所述至少一个第一类型ESD配置成感应第一直流（DC）电压，所述方法包括：
采用耦合到所述多个开关装置的传感器来确定所述多个APLM中的至少一个APLM的操作状态，所述操作状态包括功能状态和非功能状态；
响应于所述操作状态而采用耦合到所述多个开关装置并且耦合到所述多个继电器的开关控制器来建立多个开关状态，所述开关状态包括所述多个开关装置的开关状态以及所述多个继电器的开关状态；
采用耦合到放电电路和所述多个继电器的充电控制器来将具有所述非功能状态的所述多个APLM的至少一个相应APLM的所述至少一个第一类型ESD放电到小于所述第一DC电压预确定量的电压；以及
采用具有所述功能状态的至少一个替换APLM来替换具有所述非功能状态的所述至少一个相应APLM。
15.如权利要求14所述的方法，还包括采用还耦合到电源的所述充电控制器将所述至少一个替换APLM的所述至少一个第一类型ESD充电到基本上等于所述第一DC电压的电压。
16.如权利要求14所述的方法，还包括采用还耦合到电源的所述充电控制器将具有所述功能状态的所述多个APLM的至少一个相应APLM保持在基本上等于所述第一DC电压的电压。
17.如权利要求14所述的方法，其中所述模块化功率转换器系统还包括耦合到所述多个APLM的至少一个第二类型ESD，所述至少一个第二类型ESD配置成感应第二DC电压，所述方法还包括：
确定所述至少一个第二类型ESD的充电状态，所述充电状态包括充电完成状态、充电不足状态和过度充电状态；
采用所述开关控制器和所述充电控制器中的至少一个，将具有所述充电完成状态的所述至少一个第二类型ESD保持在基本上等于所述第二DC电压的电压；
采用还耦合到电源的所述充电控制器将具有所述充电不足状态的所述至少一个第二类型ESD充电到基本上等于所述第二DC电压的电压；
采用还耦合到所述放电电路的所述充电控制器将具有所述过度充电状态的所述至少一个第二类型ESD放电到小于所述第二DC电压预确定量的电压。
18.如权利要求14所述的方法，其中所述多个开关装置包括彼此电串联耦合的第一开关装置和第二开关装置，以及其中将所述至少一个替换APLM的所述至少一个第一类型ESD包括：
采用所述开关控制器建立第一APLM开关状态，所述第一APLM开关状态配置成实现电流在第一方向上通过所述多个APLM的流动；以及
采用所述开关控制器建立第二APLM开关状态，所述第二APLM开关状态配置成实现电流在与所述第一方向相反的第二方向上通过所述多个APLM的流动。
19.如权利要求14所述的方法，其中采用具有所述功能状态的至少一个替换APLM来替换具有所述非功能状态的所述至少一个相应APLM包括：
将具有所述非功能状态的所述至少一个相应APLM从所述模块化功率转换器系统移除；以及
在具有所述非功能状态的所述至少一个相应APLM从其中被移除的所述模块化功率转换器系统中的位置处，插入具有所述功能状态的所述至少一个替换APLM。
20.如权利要求14所述的方法，其中所述模块化功率转换器系统还包括耦合到所述多个开关装置中的至少一个开关装置的旁路开关，所述方法还包括在具有所述功能状态的所述至少一个相应APLM的每个相应APLM中，采用所述开关控制器将所述旁路开关保持在打开位置中以及将所述多个继电器保持在断电条件中。
21.如权利要求20所述的方法，其中将所述至少一个第一类型ESD放电包括在具有所述非功能状态的所述至少一个相应APLM的每个相应APLM中，采用所述开关控制器将所述旁路开关保持在闭合位置中以及将所述多个继电器保持在通电条件中。
22.如权利要求20所述的方法，其中建立所述多个开关状态包括采用所述开关控制器来建立：
第一开关状态，所述第一开关状态配置成在具有所述功能状态的所述至少一个相应APLM的每个相应APLM中，将所述旁路开关保持在打开位置中并且将所述多个继电器保持在断电条件中；以及
第二开关状态，所述第二开关状态配置成在具有所述非功能状态的所述至少一个相应APLM的每个相应APLM中，将所述旁路开关保持在闭合位置中。
23.如权利要求20所述的方法，还包括：
确定所述至少一个第一类型ESD的充电状态，所述充电状态包括充电完成状态、充电不足状态和过度充电状态；
采用所述开关控制器和所述充电控制器中的至少一个，将具有所述充电完成状态的所述至少一个第一类型ESD保持在基本上等于所述第一DC电压的电压；
采用还耦合到电源的所述充电控制器将具有所述充电不足状态的所述至少一个第一类型ESD充电到基本上等于所述第一DC电压的电压；以及
采用耦合到所述放电电路的所述充电控制器将具有所述过度充电状态的所述至少一个第一类型ESD放电到小于所述第一DC电压预确定量的电压，其中将具有所述非功能状态的所述至少一个相应APLM的所述至少一个第一类型ESD放电包括采用所述开关控制器来建立第三开关状态，所述第三开关状态配置成在具有所述非功能状态、所述充电完成状态、所述充电不足状态和所述过度充电状态中的至少一个的所述至少一个APLM的每个相应APLM中，将所述旁路开关保持在闭合位置中以及将所述多个继电器保持在通电条件中。
24.一种组装模块化功率转换器系统的方法，所述方法包括：
将多个有功功率链路模块（APLM）彼此耦合，所述多个APLM中的每个APLM包括多个开关装置、多个继电器以及与所述多个开关装置和所述多个继电器两者电并联耦合的至少一个第一类型能量存储装置（ESD）；
将充电控制器耦合到所述多个继电器并且耦合到电源和放电电路中的至少一个；
将至少一个第二类型ESD与所述多个APLM电并联耦合；以及
将所述充电控制器配置成响应于多个开关状态而交替地将所述至少一个第一类型ESD充电和放电，所述多个开关状态包括所述多个开关装置的开关状态以及所述多个继电器的开关状态，其中所述多个APLM中的每个APLM配置成促进到所述模块化功率转换器系统的可拆卸电耦合。
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