CN110999062B - 多电平多象限迟滞电流控制器及用于控制其的方法 - Google Patents

Abstract

用于针对级联多电平转换器的多电平迟滞电流控制的系统和方法，所述级联多电平转换器具有串联连接的多个功率电池，其具有正整数数量的输出电压电平，并且所述系统和方法控制负载中的AC/DC电流的任何形状，将电功率从功率电池的能量存储元件转移到该负载，并且将能量回收回到存储元件。用于在功率电池的能量存储元件上电压平衡以确定是将能量注入到选择的存储元件还是从选择的存储元件提取能量的系统和方法，以及用于级联多电平转换器的每个功率电池中的开关元件的零开关状态旋转技术的系统和方法。

Description

多电平多象限迟滞电流控制器及用于控制其的方法

技术领域

本公开涉及功率电子学电路，并且更特定地说，涉及多电平多象限迟滞(hysteresis)电流控制器及用于控制其的方法。

背景技术

在电气工程、动力工程和电力工业中，功率转换是将电功率从一种形式转换成另一种形式(例如，在AC与DC之间进行转换，调整电压或频率，或者这些转换的某一组合)。功率转换器是用于转换电功率的电气设备或机电设备。功率转换器可以像变压器(transformer)一样简单地来改变AC(即，交流电)功率的电压，但是也可以使用复杂得多的系统来实现。术语“功率转换器”也可以指一类用于将交流电的一个频率转换成另一个频率的电机。功率转换系统通常并入了冗余和电压调节。

功率转换器在其操作容量上受其开关器件所约束，所述开关器件的操作限制(即，可允许的操作电压和最大电流)是由用于制造它们的半导体材料的物理特性所施加的。多电平拓扑，诸如二极管箝位拓扑、快速电容器(Flying Capacitor)拓扑和级联(包括混合)拓扑增加了转换器的工作电压。随着开关和电平的数量增加，需要更精细的控制和开关方法来在多电平转换器的输出处获得期望的电压和/或电流。

控制电流的方法在功率电子电路中也扮演重要角色，特别是在以产生正弦AC输出为目标的连续AC电源中(例如，在广泛应用于AC电机驱动中的电流调节PWM反相器中，以及在用于DC电机或大功率磁体的连续DC电源中)扮演重要角色。电流调节转换器中的控制系统的主要任务是根据参考轨迹来强制负载中的电流。

迟滞是一种现象，在这种现象中，物理系统对外部影响的响应不仅取决于该影响的当前幅度，还取决于系统的先前历史。在数学上表达，对外部影响的响应是双值(doubled-valued)函数；当影响增加时，应用一个值，而当影响减少时，应用另一个值。

存在有三大类的电流调节器：迟滞调节器、线性PI调节器和预测无差拍(dead-beat)调节器。在这些类之中，迟滞带电流控制仍然是最简单的方法。除了快速响应电流环路之外，迟滞带电流控制方法不要求对负载参数的任何认识。然而，随着电平的增加数量，对多电平转换器的迟滞电流控制技术变得越来越复杂。

鉴于上述限制，可期望的是提供简单且有效的多电平四象限(four-quadrant)和二象限(two-quadrant)迟滞电流控制的方法。

发明内容

本公开的实施例是针对促进简单且有效的多电平四象限和二象限迟滞电流控制方法的系统和方法，所述电流控制方法用于具有一个或多个输出电压电平的广泛使用的单相或多相级联多电平转换器。单相或多相级联多电平转换器包括在每相上串联连接的多个功率电池(power cell)，其具有正整数的输出电压电平。本文呈现的多电平四象限和二象限迟滞电流控制的系统和方法有效且精确地控制了负载中的任何形状的AC/DC电流，将电功率从功率电池的能量存储元件转移到该负载，并且在无功或再生负载的情况下，将能量回收回到存储元件。实施例还针对一种平衡级联多电平转换器的功率电池的能量存储元件上的电压的方法，其包括选择具有最大和最小电压的存储元件(基于所有功率电池的能量存储元件的电压)，并且其执行关于是将能量从无功或再生负载注入到所选择的存储元件中，还是将能量从所选择的存储元件提取到无功或再生负载中的平衡确定。此外，实施例包括零开关状态旋转技术，以将级联多电平转换器的每个功率电池中的所有开关元件的换向的数量最小化。

本文呈现的实施例可有利地被用于在其中采用了电流调节转换器的各种应用中。这种应用的示例可以包括但不限于功率电子电路，包括有：用于等离子体反应器的电磁体，包括托卡马克(Tokamake)的极向和环形场磁体，以及场反转配置(FRC)反应器的平衡和微调磁体；线性加速器(LINAC)的加速磁体；任何类型和任何额定功率的电动机，所述电动机包括具有多相的PMSM和开关磁阻电机；并网(grid-connected)能量存储系统；用于无功功率补偿、大电流谐波滤波和电压稳定的STATCOM；以及并网光伏系统。

在研究了以下附图和详细描述后，示例实施例的其他系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员来说将是或将变得显而易见。应当领会，“二象限”和“2-象限”在本文可以互换使用。应当领会，“四象限”和“4-象限”在本文可以互换使用。

附图说明

示例实施例的细节，包括结构和操作，可以部分地通过观察附图来收集，在其中相似的附图标号指示相似的部分。附图中的组件不一定按比例绘制，而是将重点放在了说明本公开的原理。此外，所有图示都意图在于传达概念，其中相对尺寸、形状和其他详细属性可被示意性地示出，而不是字面上或精确地被示出。

图1A示出了根据本公开的实施例的示例性多电平多象限系统的示意图。

图1B示出了根据本公开的实施例的示例性九电平四象限系统的示例性电池。

图2A示出了根据本公开的实施例的示例性多电平多象限系统的示意图。

图2B示出了根据本公开的实施例的示例性九电平二象限系统的示例性电池。

图3示出了根据本公开的实施例的示例性电压电平选择器。

图4A示出了根据本公开的实施例的随时间的示例性电流控制。

图4B示出了根据本公开的实施例的随时间的示例性参考和实际电流。

图4C示出了根据本公开的实施例的随时间的示例性转换器输出电压。

图5示出了根据本公开的实施例的具有DC电压平衡和零状态旋转的多电平多象限迟滞电流控制器的功能图。

图6示出了根据本公开的实施例的示例性电池旋转/平衡块。

图7示出了根据本公开的实施例的示例性di/dt估计器。

图8A示出了根据本公开的实施例的示例性-0VDC旋转块的功能图。

图8B示出了根据本公开的实施例的示例性+0VDC旋转块的功能图。

图9A示出了根据本公开的实施例的示例性+1VDC旋转块的功能图。

图9B示出了根据本公开的实施例的示例性-1VDC旋转块的功能图。

图10A示出了根据本公开的实施例的示例性0VDC旋转生成器。

图10B示出了根据本公开的实施例的示例性1VDC旋转生成器。

图10C示出了根据本公开的实施例的示例性2VDC旋转生成器。

图10D示出了根据本公开的实施例的示例性3VDC旋转生成器。

图10E示出了根据本公开的实施例的示例性0VDC旋转生成器。

图11A示出了根据本公开的实施例的随时间的示例性仿真电流控制。

图11B示出了根据本公开的实施例的随时间的示例性仿真参考和实际电流。

图11C示出了根据本公开的实施例的随时间的示例性仿真转换器输出电压。

图12示出了根据本公开的实施例的电池的存储元件上的示例性电压。

图13A示出了根据本公开的实施例的四个示例性电池的输出电压。

图13B示出了根据图13A中所描绘的实施例的九电平转换器的所得输出电压。

图14A示出了根据本公开的实施例的示例性电池的开关元件上的控制信号。

图14B示出了图14A中所示信号的缩放时间窗口。

图15A、15B、15C和15D示出了对由多电平级联转换器驱动的电磁体的示例性仿真结果，所述多电平级联转换器包括根据本公开的实施例的单相九电平2-象限转换器；图15A示出了随时间的示例性仿真磁体电流；图15B示出了随时间的示例性仿真PSU输出电压；图15C示出了随时间的示例性仿真控制误差信号；图15D示出了随时间的电池的示例性仿真DCL-V电压。

图15E、15F、15G和15H示出了根据本公开的实施例的对由多电平级联转换器驱动的电磁体的示例性实验结果，所述多电平级联转换器包括单相九电平2-象限转换器；图15E示出了对磁体电流随时间的示例性实验结果；图15F示出了对PSU输出电压随时间的示例性实验结果；图15G示出了对控制误差信号随时间的示例性实验结果；图15H示出了对电池的DCL-V电压随时间的示例性实验结果。

图16A、16B和16C示出了对由多电平级联转换器驱动的电磁体的示例性仿真结果，所述多电平级联转换器包括根据本公开的实施例的单相七电平4-象限转换器；图16A示出了随时间的示例性仿真实际电流和参考电流；图16B示出了随时间的示例性仿真控制误差信号；图16C示出了随时间的示例性仿真PSU输出电压。

图16D示出了根据本公开的实施例的对驱动多电平级联转换器的电磁体随时间的实际磁体电流和参考磁体电流、控制误差信号和PSU输出电压的示例性实验结果，所述多电平级联转换器包括单相七电平4-象限转换器。

图17示出了根据本公开的实施例的由三个独立的九电平2-象限多电平转换器驱动的开关磁阻电机的示意图。

图18A、18B、18C和18D示出了根据本公开的实施例的对由三个独立的九电平2-象限多电平转换器驱动的开关磁阻电机的示例性仿真结果；图18A示出了随时间的示例性仿真相通量链接(flux-linkage)；图18B示出了随时间的示例性仿真相电流；图18C示出了随时间的示例性仿真电机扭矩；图18D示出了随时间的示例性仿真电机速度。

图19A、19B、19C和19D示出了根据本公开的实施例的对由三个独立的九电平2-象限多电平转换器驱动的开关磁阻电机的示例性仿真结果；图19A示出了随时间的示例性仿真相通量链接；图19B示出了随时间的示例性仿真相电流；图19C示出了随时间的示例性仿真电机扭矩；图19D示出了随时间的示例性仿真电机速度。

图20A、20B、20C、20D和20E示出了根据本公开的实施例的对由三个独立的九电平2-象限多电平转换器驱动的开关磁阻电机的示例性仿真结果；图20A、20B、20C和20D示出了对各个电池随时间的示例性仿真输出电压；图20E示出了转换器随时间的示例性仿真输出电压。

应当注意，为了说明性目的，贯穿附图类似的结构或功能的元件通常由相似的附图标号来表示。还应注意的是，附图仅意图为了促进对优选实施例的描述。

具体实施方式

详细描述了下面的实施例以使得本领域技术人员能够制造和使用本公开的各种实施例。应当理解，基于本公开其他实施例将是显而易见的，并且在不脱离本实施例的范围的情况下，可以做出系统、工艺或改变。

在下面的描述中，给出了许多特定细节以提供对本实施例的透彻理解。然而，将显而易见的是，可以在没有这些特定细节的情况下实践本实施例。为了增加清晰度，一些众所周知的电路、系统配置和工艺步骤可能没有详细描述。

示出本公开的实施例的附图是半示意性的，并且不是按比例绘制的，特别而言，一些维度是为了呈现的清楚性，并且在附图中被放大示出。

图1A示出了根据本公开的实施例的示例性多电平多象限功率电子系统100的示意图。示例性四象限九电平单相级联转换器107具有电容性存储元件和控制系统101，并且连接到负载106，诸如例如单相电阻性感应负载(如所示的)。负载106可以包括电磁体、电动机等。控制系统101的功能可以使用包括软件例程、硬件组件或其组合的软件或硬件处理器来实现。

在实施例中，具有电容性存储元件的转换器107包括四(4)个串联连接的电池102、103、104和105。在实施例中，串联连接的电池102、103、104和105中的每个都表示H桥转换器，如关于示例性电池102的图1B中所示的，所述H桥转换器具有四(4)个双向开关110、111、112和113(诸如例如具有续流二极管(freewheeling diode)的MOSFET或IGBT)，以及电容器114。转换器107的所有四个电容器114与彼此间隔离，并且可以连接到任何单个隔离的AC/DC或DC/DC转换器(附图中未示出)。在实施例中，串联连接的电池102、103、104和105中的每个都包括电压传感器/传送器115，其将对应于电容器或存储元件114的DC电压的电压反馈信号传送到控制系统101。电流传感器/传送器CT 116插入转换器107和负载106，并传送对应于负载106中的电流(I_实际)的电流反馈信号。

由于转换器107是四象限转换器，这意味着输出电流和输出电压在任何组合中均可以是正的或负的，转换器107不仅可以在双向DC/DC状况下操作，而且还可以在整流或反相模式下操作。将应领会，在此公开中，仅反相操作模式被解释为示例。出于此讨论的目的，还假设转换器在短的时间间隔(例如若干毫秒)内工作，因此对存储元件(电容器)114不要求额外的能量源，并且电容器114上的电压在操作时间期间没有被显著降低以维持负载106中的期望电流。然而，在存在有诸如例如电容器、超级电容器、蓄电池(battery)、燃料电池等附加能量源的情况下，本方法的操作中不存在差别。

表1中呈现了具有对应输出电压电平的示例性四象限九电平级联转换器107的所有可能开关状态。表1中仅呈现了对转换器107的奇数开关元件(即，S₁、S₃、S₅、S₇、S₉、S₁₁、S₁₃和S₁₅)的开关状态。事实上，为了避免存储元件或电容器114的短路，在任何时刻(moment oftime)，H桥转换器的半桥中仅一个开关可处于打开(在导通模式下)。因此，针对转换器107的偶数开关元件(即，S₂、S₄、S₆、S₈、S₁₀、S₁₂、S₁₄和S₁₆)的控制信号可通过反转H桥转换器的相同半桥的奇数开关元件的状态而容易地获得。例如，如果S1＝1并且S3＝0，那么S2＝0并且S4＝1。

如果所有电池102、103、104和105在相同时间在零状态下操作，则可以确保零输出电压0VDC。这可以通过借助于接通(switch on)两个上部开关或两个下部开关以旁路存储元件或电容器114来实现。例如，对于电池1 102：S1＝1、S3＝1、S2＝0、S4＝0或者S1＝0、S3＝0、S2＝1、S4＝1。

电压电平-3VDC和+3VDC两者可以使用提供零输出电压的四种多样组合±3VDC1、±3VDC2、±3VDC3、±3VDC4来获得，其中最后的索引对应于在零状态下操作的电池的号码。依次，每个零状态可以使用以上提及的开关的两种组合来进行编码。因此，存在有设置±3VDC输出电压电平的八种可能组合。

类似地，电压电平-2VDC和+2VDC两者可以由提供零输出电压的五种不同组合±2VDC12、±2VDC13、±2VDC14、±2VDC23、±2VDC24来设置，这取决于哪两个电池在零状态电压下操作，其中最后的索引对应于在零状态下操作的两个电池的组合的号码。考虑到提供零状态的双重可能性，对于±2VDC的可能组合的总数等于十。

电压电平-1VDC和+1VDC两者可以使用四种多样组合±1VDC1、±1VDC2、±1VDC3、±1VDC4来获得。最后的索引对应于在±1VDC电平下操作的电池的号码。再次，每个零状态是双重获得的。因此，像对于±3VDC电平一样，存在有提供±1VDC输出电压电平的八种可能组合。

最后，当所有电池在相同时间操作时，可以在转换器的输出处提供最大电压电平-4VDC和+4VDC。因此，对于每种这些情况，存在有开关状态的仅一种可用组合。

表1. 9-电平4-象限多电平级联转换器的开关状态

图2A示出了根据本公开的实施例的示例性多电平多象限功率电子系统200的示意图。示例性功率电子系统200包括具有电容性存储元件和控制系统201的二象限九电平单相级联转换器207，并且连接到负载206，诸如例如单相电阻性感应负载。控制系统201的功能可以使用包括软件例程、硬件组件或其组合的软件或硬件处理器来实现。

在实施例中，具有电容性存储元件的二象限九电平单相级联转换器207还包括四(4)个串联连接的电池202、203、204和205，其中每个电池表示具有如图2B中所示的两个双向开关210和213(诸如例如具有续流二极管的MOSFET或IGBT)、两个二极管211、212和电容器214的二象限H桥转换器。转换器207的所有四个电容器214与彼此隔离，并且可以连接到任何单个隔离的AC/DC或DC/DC转换器(附图中未示出)。串联连接的电池202、203、204和205中的每个都包括电压传感器/传送器215，其向控制系统201传送对应于电容器或存储元件214的DC电压的电压反馈信号。电流传感器/传送器CT 216插入转换器207和负载206，并传送对应于负载206中的电流(I_实际)的电流反馈信号。

由于转换器207是二象限转换器，这意味着在仅正输出电流时，输出电压可以是正的或负的，转换器207仅在单向有源DC/DC状况下操作，或者仅在无源整流模式(AC/DC)下操作。将应领会，在此公开中讨论了DC/DC操作模式。为了此讨论的目的，还假设转换器在短的时间间隔内工作，因此对存储元件(电容器)214不要求额外的能量源，并且电容器214上的电压在操作时间期间没有被显著降低，以维持负载206中的期望电流。然而，在存在有额外能量源的情况下，本方法的操作中将不存在差别。

表2中呈现了具有对应输出电压电平的示例性二象限九电平级联转换器207的所有可能开关状态。针对转换器207的每个电池的两个开关元件(即，S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇和S₈)的开关状态呈现在表2中。

如果所有电池202、203、204和205在相同时间在零状态下操作，则可以确保零输出电压0VDC。这可以通过借助于分别接通上部或下部开关以旁路存储元件或电容器214来实现。例如，对于电池1 202：S1＝1、S2＝0或者S1＝0、S2＝1。

电压电平-3VDC和+3VDC两者可以使用提供零输出电压的四种多样组合±3VDC1、±3VDC2、±3VDC3、±3VDC4获得，其中最后的索引对应于在零状态下操作的电池的号码。依次，每个零状态可以使用以上提及的开关的两种组合进行编码。因此，设置±3VDC输出电压电平存在有八种可能组合。

类似地，电压电平-2VDC和+2VDC两者可以由五种不同的组合±2VDC12、±2VDC13、±2VDC14、±2VDC23、±2VDC24来设置，这取决于哪两个电池在零状态电压下操作。考虑到提供零状态的双重可能性，对于±2VDC的可能组合的总数等于十。

电压电平-1VDC和+1VDC两者都可以使用四种多样的组合±1VDC1、±1VDC2、±1VDC3、±1VDC4来获得。最后的索引对应于在±1VDC电平下操作的电池的号码。再次，每个零状态都是双重获得的。因此，像对于±3VDC电平一样，存在有提供±1VDC输出电压电平的八种可能组合。

最后，当所有电池在相同时间操作时，可以在转换器的输出处提供最大电压电平-4VDC和+4VDC。因此，对于每种这些情况，存在有开关状态的仅一种可用组合。

表2. 9-电平2-象限多电平级联转换器的开关状态

图3示出了根据本公开的实施例的控制系统101和201的迟滞控制器(见图5；500)的示例性电压电平选择器模块300(也称为开关状态选择器)。如上所解释，四象限九电平级联转换器107或二象限九电平级联转换器207的每一个电压电平可以分别通过四个功率电池102-105和202-205的不同开关组合来获得。然而，在多电平四象限或二象限迟滞控制器中出现的一个显著问题在于，基于电流反馈信号I_实际在转换器操作的任何瞬间(moment)下对适当的输出电压电平的识别，并且这由本公开的实施例所解决。

电压电平选择器300包括两个求和块求和1 301和求和2 307、五个迟滞块302、303、304、305、306以及一个查找表308，其用于电压电平确定。在实施例中，在第一求和块求和1 301中，从参考电流I_参考中减去实际反馈电流信号I_实际，并且它们的差(电流误差信号I_误差)被输入到所有五个迟滞块302、303、304、305、306的输入中。如表3中所呈现的，这些块(302、303、304、305、306)中的每个对于高(HB)边界和低(LB)边界阈值具有不同的设置，其中△I是最大允许的电流误差的预设值。当I_误差达到迟滞块的对应高边界(HB)时，迟滞块的输出值被设为“1”，并保持在该电平，直到I_误差跨过迟滞块的低边界(LB)为止。当I_误差达到迟滞块的对应LB时，迟滞块的输出值被设为“0”，并且输出被维持在此电平，直到I_误差再次达到HB为止。因此，如果五个迟滞块的低边界和高边界分布在-△I和+△I之间的范围内(如表3中所示)，则求和2 307的输出将取决于I_误差值从1变化到6。查找表308被用于基于迟滞块302-306的总状态值(求和2 307的输出)并考虑到实际(或参考)电流导数di/dt的符号来确定所需的输出电压电平。如下所讨论，当求和2 307达到为6的值时，在该时刻下，di/dt的符号可以被确定为正，并且当求和2 307变为等于1时，di/dt的符号将被改变为负的符号。

表3.对于迟滞块的电流阈值电平

下面的讨论和相关的附图基于示例性九电平级联单相转换器操作的仿真结果，呈现了对在当前公开的多电平多象限迟滞控制技术中的电压电平之间进行开关的原理的详细描述。

图4A示出了根据本公开的实施例的操作的随时间的示例性电流控制。图4B示出了根据本公开的实施例的操作的随时间的示例性参考和实际电流。图4C示出了根据本公开的实施例的操作的随时间的示例性转换器输出电压。

在图4B中，RL负载中的参考电流I_参考和实际电流I_实际(见图1；106)与五个正(HB1-HB5)和五个负(LB1-LB5)迟滞边界(也见表3和图4A)一起呈现，其平均分布在I_参考-△I和I_参考+△I之间，并以△I/5与彼此分隔。电流控制误差I_误差(作为I_实际与I_参考之间的差)和转换器输出电压V_输出分别在图4A和4C中所呈现。

在考虑的时间窗口(从23.06ms起)中V_输出的初始状态由控制系统预先设为+4VDC(其中在仿真模型中VDC＝80V)。在此电压电平下，电流I_实际上升，并且当I_误差在点A(图4A中的电平-△I/5)处到达第一迟滞边界LB1时，第一迟滞块302的输出状态从“1”改变为“0”，因此求和2块307的输出处的总和降低达一，从“6”降低到“5”(图3)，并且根据图3中的查找表308，对于di/dt>0，电压V_输出变为+3VDC。

从考虑的时间窗口开始到时间t1(图4C)，电流I_参考具有正di/dt值并且迟滞控制器(见图5；500)应在图3中查找表308的第二列中呈现的电压电平的情况下(di/dt>0)操作。从t1开始，电流I_参考的di/dt符号是负的，但是迟滞控制器保持为正di/dt进行操作，直到时间t2为止，当I_误差到达第五迟滞边界LB5时，其中所有迟滞块302、303、304、305和306已经从“1”改变为“0”，并且因此，求和2块307的输出处的总和被降低为“1”。此事件将迟滞控制器的操作切换到表308的第一列(针对di/dt<0)。换句话说，并且如上所提及的，di/dt的符号可以在求和2块307的输出达到“1”的值的时间中的瞬间(t2)处被确定为负(并且当求和2块307的输出变得等于“6”时将被改变成正)。此逻辑在di/dt估计器块(见图5；700)中实现，这将在以下来描述。

当V_输出从时间t2开始处于其最大负电平-4VDC时，电流I_实际减小(图4B)，并且当它到达对应于图4A中的第一迟滞边界HB1的点F时，第一迟滞块302的输出状态从“0”改变为“1”，因此求和2块307的输出处的总和增加达一，从“1”增加到“2”(图3)。并且根据图3中的查找表308，对于di/dt<0，电压V_输出变成-3VDC。在点G，当I_实际和I_误差达到第二迟滞边界HB2时，求和2块307的输出再次增加，并且V_输出变成-2VDC。

根据一个实施例，最大电流误差△I仅在参考电流I_参考的di/dt值改变符号的点处发生。除了这些临界点之外，所述方法以这样的方式进行工作：在负载的给定参数下，尽可能快地将电流误差I_误差最小化在△I/5。

图5示出了根据本公开的实施例的具有DC电压平衡和零状态旋转的多电平多象限迟滞电流控制器500的功能图。控制器500包括开关状态选择器300，其功能针对图3进行了详细描述。图3中的求和2块307的输出信号在图5中被命名为“电平”。此信号表示针对九电平迟滞控制器500的一般电平(从1到6)的数值，其进一步用于选择转换器107和207(参见图1A和2A)的适当的输出电压电平的方法中。

根据图3中的查找表308，要求对di/dt的符号的认识来选取适当的输出电压电平。如本文前几节所提及的，当在“电平”达到“1”的值时的瞬间，di/dt的符号可以被确定为负的，并且当“电平”变成等于“6”时，符号将变为正的。此逻辑在di/dt估计器块700中来实现，如图7中所示。

如上所讨论的和如表1中所呈现的，当所有电池都参与提供最大正或负输出电压时，对于九电平转换器的每个电压电平都存在有可用的许多开关状态，其中±4VDC除外。因此，当考虑到迟滞“电平”和di/dt的符号是已经知道的参数，下面的任务被解决以控制负载中的电流。

任务1：基于每个电池的DCL(DC链路)电容器114和214上的电压的此任务分别导致对电池的识别，所述电池必须被开关达某一时间段以提供所需的输出电压电平和输出电流的调节。此识别方法确保在转换器107和207的操作期间DCL电容器(或蓄电池)114和214上的电压的平衡。当此方法被提供时，能量(该能量存储在DCL电容器或蓄电池114和214中，或经由DCL电容器114和214从源转移或转移到源)在所有电池之中相等地分布。此优选条件有利地提供了多电平转换器107和207的最有效操作，其中每个电池必须基于其操作状况针对半导体开关的特定温度分布(temperature profile)来设计。此任务由本方法中的示例性DC电压平衡或电池旋转/平衡块600(见图5)来执行，并且其功能图如图6中所呈现。

任务2：对于由DC电压平衡块600a识别的电池，零开关状态的旋转是优选的。此旋转在操作中的特定电池内的开关之中提供了能量的分布。如表1(以及图8A和8B)中所示的，存在有开关的两种可能组合以在电池的输出处提供零电压。旋转方法以电池每隔一秒的正或负操作电平来交替用于提供零电压的开关。与电池和整个转换器的输出电压频率相比，这种旋转将开关的开关频率降低至二分之一。本方法中存在有四个旋转生成器块，以用于从0VDC到3VDC的输出电压的不同电平，这在图10中所呈现(见1001-1004)。

图6示出了根据本公开的实施例的示例性电池旋转/平衡块600。此块600的输入是所有四个电池的DCL电容器(蓄电池)114和214上的测量电压VDC1、VDC2、VDC3和VDC4。输出信号是具有最大DLC电压VDCmax、最小电压VDCmin的电池的号码(从1到4)、以及然后是VDCrot3和VDDrot4，其分布如下：VDCmin<VDCrot4<VDCrot3<VDCmax。在开始时，将VDC1和VDC2与彼此进行比较，并且如果它们的差△V₁₂高于或低于迟滞块Hyst 1的正或负阈值，则此块的输出分别设为“1”或“0”，否则它将在输出处维持它的先前所设值。此阈值有助于忽略反馈信号中某一电平的噪声，并调节每隔多久应发生一次电池的旋转。基于Hyst 1输出信号，开关1选取具有较高DLC电压的电池的号码(1或2)，并且开关5将其对应电压值传到求和3，所述求和器3将其与经过相同比较技术的VDC3和VDC4的最低电压进行比较。因此，在电池旋转控制器的输出处，电池号码根据它们的VDC电压被分布为VDCmin<VDCrot4<VDCrot3<VDCmax。在进入到旋转块之前，考虑到参考电流I_参考的符号，信号VDCmax和VDCmin被重新分配到DC电压平衡块中的VDCrot1和VDCrot2(见图5)。如果电流I_参考是正的，对应于从DCL电容器114和214到负载106和206的能量转移，那么具有最大DLC电压的电池参与所有正输出电压电平的旋转(但不是在相同时间)。这将导致具有最大DLC电压的此电池的更快放电，因为在正输出电压和正负载电流下，仅存在有一种方式用于将能量转移：从DCL电容器114和214转移到负载106和206。在相同时间，在正输出电流(或I_参考)下，具有最小DC电压的电池必须仅参与提供负输出电压电平，以尽快对其DLC电压充电。也就是说，因为在转换器的正负载电流但负输出电压下，仅存在有一种方向用于能量转移：从负载(无功负载)106和206转移到DCL电容器(或蓄电池)114和214。

根据示例性两象限多电平实施例，具有最大DCL电压的电池参与所有正输出电压电平的旋转(但不是在相同时间)。这将导致对具有最大DLC电压的此电池的更快放电，因为在正输出电压和正负载电流下，仅存在有一种方式用于将能量转移：从DLC电容器214转移到负载206。在相同时间，具有最小DC电压的电池必须仅参与提供负输出电压电平，以尽快充电其DLC电压。也就是说，因为在转换器的正负载电流但负输出电压下，仅存在有一种方向用于能量转移：从负载(无功负载)206转移到DCL电容器(或电池)214。

图7示出了根据本公开的实施例的示例性di/dt估计器块700。di/dt估计器块700包括两个数字比较器(Comp1 701和Comp2 702)和RS触发器(flip flop)元件703。当在“电平”信号等于“6”(Comp1 701)和“1”(Comp2 702)时的瞬间，比较器701和702两者提供从“假”到“真”的转变脉冲。这些上升沿由RS触发器703检测到，所述RS触发器703相应地改变其输出状态：当di/dt>0时在其非反相输出Q提供“真”信号，而当di/dt<0时提供“假”信号。

图8A示出了根据本公开的实施例的示例性-0VDC旋转块800的功能图。图8B示出了根据本公开的实施例的示例性+0VDC旋转块810的功能图。

-0VDC旋转块800接收来自DC电压平衡块VDCrot2的一个控制信号，以及来自0VDC旋转生成器的一个信号Rot-0VDC，并且为用于-0VDC输出电压的九电平转换器107和207的开关元件提供控制信号S1-S16，其中-0意味着0VDC电平跟随在-VDC电平之后和/或-VDC之前。复用器开关1基于输入VDCrot2信号从开关2-5中选取开关信号的四种不同组合中的一种，所述输入VDCrot2信号指示哪个电池在提供-VDC输出电平的情况下的相同时间正进行操作。这意味着必须对此特定电池(具有VDCrot2号码)执行零开关状态的旋转。

+0VDC旋转块810接收来自DC电压平衡块VDCrot1的一个控制信号，以及来自0VDC旋转生成器的一个信号Rot+0VDC，并且为用于+0VDC输出电压的九电平转换器107和207的开关元件提供控制信号S1-S16，其中+0意味着0VDC电平跟随在+VDC电平之后和/或+VDC之前。复用器开关1基于输入VDCrot1信号从开关2-5中选取开关信号的四种不同组合中的一种，所述输入VDCrot1信号指示哪个电池在提供+VDC输出电平的情况下的相同时间正进行操作。这意味着必须对该特定电池(具有VDCrot1号码)执行零开关状态的旋转。

对于示例性四象限多电平实施例，输入信号Rot+0VDC控制针对相同电池在两个可能的零状态[1 1]和[0 0]之间的开关的序列。

对于示例性两象限多电平实施例，输入信号Rot+0VDC控制针对相同电池在两个可能的零状态[1 0]和[0 1]之间的开关序列。

图9A示出了根据本公开的实施例的示例性+1VDC旋转块900的功能图。图9B示出了根据本公开的实施例的示例性-1VDC旋转块910的功能图。

+1VDC旋转块900具有比图8A和8B中所描绘的结构更复杂的结构。除了来自1VDC旋转生成器块的控制信号Rot+1VDC之外，块900还从DC电压平衡块接收两个控制信号VDCrot1和VDCrot3。第一信号VDC1rot由复用器开关1所使用以在电池(其号码由此信号所指定)的输出处设置正电压。这可以通过为该电池提供开关组合[1 0]来进行。其他三个电池必须提供零开关状态。如果在转换器107和207的输出处电压在+0VDC和+1VDC之间改变，那么信号Rot+1VDC始终为“真”，并且对于其他三个电池没有零开关状态的旋转。如果输出电压在+1VDC和+2VDC之间变化，则必须对涉及产生+2VDC电平的仅一个特定电池执行零状态的旋转。

对于示例性四象限多电平实施例，输入信号Rot+1VDC控制对于该电池在两个可能的零状态[1 1]和[0 0]之间的开关序列。

对于示例性两象限多电平实施例，输入信号Rot+1VDC控制对于该电池在两个可能的零状态[1 0]和[0 1]之间的开关序列。

-1VDC旋转块910接收来自1VDC旋转生成器块的控制信号Rot-1VDC，以及来自DC电压平衡块的两个控制信号VDCrot2和VDCrot3。第一信号VDC2rot由复用器开关1所使用以在电池(其号码由此信号所指定)的输出处设置负电压。这可以通过为该电池提供开关组合[01]来进行。其他三个电池必须提供零开关状态。如果在转换器107和207的输出处电压在-0VDC和-1VDC之间改变，那么信号Rot-1VDC始终为“真”，并且对于其它三个电池没有零开关状态的旋转。如果输出电压在-1VDC和-2VDC之间变化，则必须对涉及产生-2VDC电平的仅一个特定电池执行零状态的旋转。

本文未示出的是，+2VDC旋转块和+3VDC旋转块具有带有四个输入信号的复杂结构，其中它们中的三个VDCrot1、VDCrot2和VDCrot3出自于DC电压平衡块，并且一个信号来自2VDC旋转生成器或者3VDC旋转生成器，其意图控制对于特定电池的零开关状态之间的变化序列。

图10A示出了根据本公开的实施例的示例性0VDC旋转生成器1001。图10B示出了根据本公开的实施例的示例性1VDC旋转生成器1002。图10C示出了根据本公开的实施例的示例性2VDC旋转生成器1003。图10D示出了根据本公开的实施例的示例性3VDC旋转生成器1004。

图10E示出了根据本公开的实施例的示例性0VDC旋转生成器。

图10A-10E中的四个旋转生成器中的每个包括以下项：四个数字比较器1005、1006、1008和1017、一个反相元件1007、四个逻辑元件与门(AND)1009、1010、1015和1016、两个SR触发器锁存器1 1011和锁存器2 1012以及两个以2分频的分频器(frequency dividerby 2)1013和1014。所有旋转生成器块的结构和操作原理是相同的；差别仅在于数字比较器的预设值。下面是0VDC旋转生成器1001的操作的示例性回顾。当来自di/dt估计器输出的“di/dt”信号为“真”时，当“电平”信号等于“3”时，比较器Comp1 1005将SR触发器锁存器11011输出设为“真”，所述“电平”对应于输出电压电平的+1VDC。当“电平”信号等于“2”时，在正di/dt的另一个比较器Comp2 1006将复位锁存器2，所述“电平”对应于输出电压电平的+0VDC。换句话说，在锁存器1的输出处的脉冲串的高电平将对应于九电平转换器的输出处的+1VDC电压，而其零电平将指示+0VDC电压电平(+0指示0VDC电平跟随在+VDC电平之后和/或之前)。最后，包括分频器块1013和1014以及逻辑元件与门1015和1016的电路意图在于将输出信号Rot+0VDC设在具有锁存器1输出的高电平的“真”处，这在+1VDC输出电压电平处发生，并且维持此“真”信号直到从+0VDC到+1VDC的第二次转变为止。这样的输出信号Rot+0VDC被用于在提供+1VDC电压电平的操作中交替用于电池的两种可能的零状态开关组合。相同的操作逻辑处于Rot-0VDC信号之后，所述Rot-0VDC信号由相同的0VDC旋转生成器1001生成，以在提供-1VDC电压电平的操作中交替用于电池的两种零状态开关组合。

根据本公开的实施例的对于多电平级联转换器的仿真结果呈现在图11-14B中。

图11A示出了根据本公开的实施例的随时间的示例性仿真电流控制误差。图11B示出了根据本公开的实施例的随时间的示例性仿真参考和实际电流。图11C示出了根据本公开的实施例的随时间的示例性仿真转换器输出电压。

图11B示出了参考三角电流I_参考和实际电流I_实际，所述实际电流I_实际以图11A中所呈现的电流控制误差I_误差跟随I_参考。参考电流I_参考m的幅度＝195A。由所公开的迟滞控制技术创建的多电平转换器的输出处的电压如图11C中所示，其中每个输出电平对应于一个电池VDC＝80V的电容器组(capacitor band)上的DCL电压(并且如图11C中所示，所有电池的DCL电压与±5V的最小预设误差值平衡，因此它们可以被认为相等)。作为从I_误差波形可以看出的，其最大值受△I＝1A的预设值所限制，并且此最大误差仅在参考电流I_参考的di/dt值改变符号(三角波形的峰值)的情况下的点处被观察到。除了这些临界点之外，所述方法以这样的方式进行工作：在负载的给定参数下，尽可能快地将电流误差I_误差最小化在△I/5＝0.2A。

图12示出了根据本公开的实施例的每个电池的存储元件(电容器)上的示例性DCL电压。在仿真电路中，电容器上不存在电压支持的源。因此，即使功率通量(power flow)从电感负载往来于在其上创建AC电压脉动的电容器(通过各个电池)，电容器电压的DC分量也会随时间而降低，这是因为开关中的和负载电阻中的有功损耗。这也可以从图12中看出，其中对于所有电池的初始DLC电压是VDC＝80V，但在转换器的操作循环的结束时，此值降至65V(平均值)。此外，DC电压平衡方法的误差不超过10V的预设值，所述误差是任何时刻任何两个DLC电压之间的最大差。

图13A示出了根据本公开的实施例的四个示例性电池的输出电压。图13B示出了根据图13A中所描绘的实施例的九电平转换器的所得输出电压。

作为可以注意到的，在任何时刻，只有一个电池以高频开关模式操作，而其他三个电池在输出处连续地提供正、负或零电压。

图14A示出了根据本公开的实施例的示例性电池的开关元件上的控制信号。图14B示出了图14A中所示的信号的缩放时间窗口。

请注意，仅示出了基于H桥的电池的顶部开关元件(S1、S3、S5、S7等)上的信号。底部开关元件(S2、S4、S6、S8等)上的控制信号可以通过反相用于顶部开关元件的信号来获得。从附图可以观察到，由于适当的零开关状态旋转，所有开关都涉及高频开关操作。这导致在开关之中开关损耗的均匀分布。此外，所有开关的开关频率是九电平转换器的输出处的所得电压的频率的二分之一。

根据本公开的实施例的对多电平级联转换器的仿真和实验结果呈现在图15A-16D中。转到图15A-15H，示出了针对单相九电平2-象限转换器的仿真结果(图15A-15D)和实验结果(图15E-15H)，所述转换器包括4个电池，其在DC链路侧与电容性存储元件串联连接，如图2A中所描绘的。转换器与电磁体一起操作，所述电磁体在图2A中被表示为RL-负载，并且由根据本文呈现的实施例的多电平电流迟滞控制器所控制。仿真模型和实验设置对于存储电容器、磁体电感和电阻以及初始DC链路电压和输出电流分布(current profile)具有相同的参数。

如图15A、15B、15E和15F中所示，除了实验电压波形中的高频尖峰之外，磁体的电流和PSU输出电压是相同的，所述高频尖峰是由PSU和电磁体之间的功率电缆的杂散参数引起的，并且没有被仿真。如图15C和15G中所示，对于仿真和实验情况两者下的控制误差信号是几乎相同的，并且其挑选值不超过3A(最大值的1.5％)。如图15D和15H中所示，存储电容器的放电的行为对于仿真和实验结果也是相同的。

图16A、16B、16C和16D示出了单相七电平4-象限转换器的仿真和实验结果，所述转换器包括与DC链路侧上的电容性存储元件串联连接的3个电池，其类似于图1A中所描绘的九电平转换器。转换器与电磁体一同操作，所述电磁体在图1A中被表示为RL-负载，并且由根据本文呈现的实施例的多电平电流迟滞控制器所控制。仿真模型和实验设置对于存储电容器、磁体电感和电阻以及初始DC链路电压和输出电流分布具有相同的参数。

如图16A、16C和16D中所示，除了实验电压波形中的高频尖峰，磁体的电流和PSU输出电压是相同的，所述高频尖峰是由PSU和电磁体之间的功率电缆的杂散参数引起的，并且没有被仿真。

如图16B和16D中所示，对于仿真和实验两者情况下的控制误差信号几乎是相同的，并且其挑选值不超过100A(最大值的3.3％)。

图18A-20E中呈现了对根据本公开的实施例的并与开关磁阻电机(SRM)一同使用的多电平级联转换器的仿真结果。

转向图17，呈现了由三个独立的九电平2-象限多电平转换器207A、207B和207C所驱动的3相6/4SRM的示意图。由于作为健壮结构、固有的机械强度和低成本以及免于转子绕组和永磁体的此类优点，SRM驱动的应用在近年中已有所增加。除了简单的机器构架外，SRM驱动还具有在非常广阔的操作速度内的高效率、固有的失效容差和高起动扭矩(startingtorque)。这些特征使其对未来更高功率的变速应用具有潜在的吸引力，所述应用诸如牵引、泵和压缩机、风力涡轮机和采矿应用。用于这些驱动应用的功率电平延伸高达若干兆瓦。为了实现多兆瓦SRM驱动系统的完全潜力，操作电压需要达到若干千伏。

从多电平转换器中可获得的多个电压电平与本实施例的所提出的多电平迟滞控制技术相结合，使得有可能利用更低的开关频率和更少的转换器和电机损耗的附加益处实现用于SRM驱动的高输出电压和灵活的电流分布。

返回参考图17，三个独立的九电平2-象限多电平转换器207A、207B和207C中的每个(像关于图2A和2B呈现的和讨论的转换器207一样)包括在DC链路侧具有蓄电池或任何其他存储或隔离电压源元件的四个2-象限电池，并且在输出处串联连接。根据本实施例，三个九电平转换器中的每个也由分开和独立的多电平电流迟滞控制系统所控制。因此，本文呈现的控制方法可以被用于任何数量相的SRM(例如4相8/6SRM或5相和10/8SRM)，而无需任何约束或附加限制。

图18A-20E示出了由三个独立的九电平2-象限多电平转换器所驱动的60kW 3相6/4SRM的仿真结果。图18A-19D呈现了磁通匝连数(图18A和19A)、定子相电流(图18B和19B)、电机转矩(图18C和19C)和电机速度(图18D和19D)。如图19A和19B中所示，在操作0.5秒后，电机转矩和速度分别以其100Nm和1800rpm的参考值负担。相电流以及电机转矩免于高频脉动，分别如图19B和图19C中所示，这是因为本文呈现的多电平迟滞控制方法的自适应操作，所述方法根据参考相电流和瞬时磁通匝连数值设置并换向电池的低电压电平。图20A-20E中描绘了一个转换器的所有电池的输出电压，以及施加到SRM的相A的其总输出电压。如图20E中所示，在多电平转换器的输出处的电压的每个电平对应于一个电池VDC＝50V的存储元件的DC链路电压。如图20A-20D中所示，在任何时刻，仅一个电池以高频开关模式操作，而其他三个电池在输出处持续地提供正、负或零电压。

本文呈现的迟滞控制方法允许在全量程速度内利用高容差和低控制误差控制SRM的相电流。

本公开的控制系统和控制器的处理器可以配置成执行本公开中描述的计算和分析，并且可以包括或通信地耦合到一个或多个存储器，所述存储器包括非暂态计算机可读介质。它可以包括基于处理器的或基于微处理器的系统，包括使用微控制器、精简指令集合计算机(RISC)、专用集成电路(ASIC)、逻辑电路以及能够执行本文描述的功能的任何其他电路或处理器的系统。上述示例仅是示例性的，因此并不意图以任何方式限制术语“处理器”或“计算机”的定义和/或意义。

处理器的功能可以使用软件例程、硬件组件或其组合来实现。硬件组件可以使用多种技术来实现，所述技术包括例如集成电路或分立电子组件。处理器单元通常包括可读/可写存储器存储设备，并且通常还包括用于向存储器存储设备写和/或读所述存储器存储设备的硬件和/或软件。

处理器可以包括例如用于访问互联网的接口、计算设备、输入设备和显示单元。计算机或处理器可以包括微处理器。微处理器可以连接到通信总线。计算机或处理器也可以包括存储器。存储器可以包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。计算机或处理器还可以包括存储设备，其可以是硬盘驱动或可移动存储驱动，诸如例如光盘驱动等。存储设备也可以是用于将计算机程序或其他指令加载到计算机或处理器中的其他类似装置。

处理器执行存储在一个或多个存储元件中的指令的集合，以便处理输入数据。存储元件也可以根据需要或根据需求存储数据或其他信息。存储元件可以是以处理机器内的物理存储器元件或信息源的形式。

指令的集合可以包括各种命令，所述命令指挥作为处理机器的处理器以执行特定操作，诸如本文描述的主题的各种实施例的过程和方法。指令的集合可以是以软件程序的形式。软件可以是以诸如系统软件或应用软件的各种形式。此外，软件可以是以分别的程序或模块的集、较大程序中的程序模块或程序模块的一部分的形式。软件还可以包括以面向对象编程的形式的模块化编程。由处理机器对输入数据的处理可以响应于用户命令，或者响应于先前处理的结果，或者响应于由另一个处理机器做出的请求。

如本文所使用的，术语“软件”和“固件”可以是互换的，并且包括存储在存储器中以供计算机执行的任何计算机程序，所述存储器包括RAM存储器、ROM存储器、EEPROM存储器和非易失性RAM(NVRAM)存储器。上述存储器类型仅是示例性的，并且因此不限制可用于存储计算机程序的存储器的类型。

本公开的实施例是针对可连接到负载的多象限多电平级联转换器。在实施例中，多象限多电平级联转换器包括串联连接的多个电池。在实施例中，多个电池中的每个电池表示H桥转换器，并且包括存储元件和多个双向开关。在实施例中，多象限多电平级联转换器还包括耦合到多个电池的迟滞电流控制系统。在实施例中，控制系统配置成控制负载中的电流的电平和形状中的一项或多项。

在实施例中，多象限多电平级联转换器还包括四(4)个象限和九(9)个输出电平。在实施例中，多象限多电平级联转换器还包括串联连接的四(4)个电池，并且其中每个电池表示四象限H桥转换器。在实施例中，多个电池中的每个电池包括存储元件和四(4)个双向开关。

在实施例中，多象限多电平级联转换器还包括两(2)个象限和九(9)个输出电平。在实施例中，多象限多电平级联转换器还包括串联连接的四(4)个电池，并且其中每个电池表示两象限H桥转换器。在实施例中，多个电池中的每个电池包括存储元件和两(2)个双向开关、两(2)个二极管。

在实施例中，每个双向开关包括具有续流二极管的IGBT或MOSFET。

在实施例中，隔离的转换器是隔离的AC/DC转换器或隔离的DC/AC转换器中的一个。

在实施例中，电功率是从多个电池中的每个电池中可转移到负载的。在实施例中，在无功或再生负载的情况下，电功率是从负载可转移到多个电池中的每个电池中的。

在实施例中，负载是以下项中的一项：单相或多相电阻和电感负载、或者纯无功负载、或者任何类型的再生负载。

在实施例中，控制系统还配置成使得电功率从功率电池的能量存储元件转移到负载。

在实施例中，控制系统还配置成当负载是无功或再生负载时将能量回收回到存储元件。

在实施例中，控制系统还配置成平衡能量存储元件上的电压。

在实施例中，电压的平衡包括选择具有最小和最大电压的能量存储元件，以及确定是否从选择的能量存储元件中提取能量。

在实施例中，电压的平衡包括当负载是无功或再生负载时，确定是从所选择的能量存储元件中提取能量到负载中，还是将能量从负载中注入到所选择的能量存储元件中。

在实施例中，控制系统还配置成通过零开关旋转将开关元件的换向最小化。

在实施例中，存储元件是电容器。

在实施例中，控制系统包括耦合到包括多个指令的非暂态存储器的一个或多个处理器，所述指令当被执行时使得一个或多个处理器控制负载中的电流的电平和形状中的一项或多项。

在实施例中，多个指令当被执行时使得一个或多个处理器根据负载中的电流的电平、参考电流和等于负载中的电流的电平与参考电流之间的差的电流误差的函数来控制转换器的输出电压电平。

在实施例中，多个指令当被执行时使得一个或多个处理器为多个电池中的每个电池确定存储元件上的电压，基于所述多个电池的存储元件上的电压来选择所述多个电池中的电池，并且重复开关所选择的电池以提供所需输出电压电平和输出电流的调节。

在实施例中，多个指令当被执行时还使得一个或多个处理器将能量从所选择的电池提取到无功或再生负载中。

在实施例中，多个指令当被执行时还使得一个或多个处理器从无功或再生负载提取能量到所选择的电池中。

在实施例中，多个指令当被执行时使得一个或多个处理器使用多个双向开关的第一子集为电池的第一正/负操作电平提供零电压，并且使用多个双向开关的第二子集为电池的第二正/负操作电平提供零电压。在实施例中，第一子集不同于第二子集。在实施例中，电池的第二正/负操作电平直接接着电池的第一正/负操作电平。

在实施例中，多个指令当被执行时使得一个或多个处理器从参考电流信号I_参考中减去实际反馈电流信号I_实际，以产生电流误差信号I_误差。

在实施例中，多个指令当被执行时使得一个或多个处理器将电流误差信号I_误差输入到多个迟滞块中的每个迟滞块中。在实施例中，多个迟滞块中的每个迟滞块具有与所述多个迟滞块中的其他迟滞块不同的高边界(HB)阈值和低边界(LB)阈值的设置。

在实施例中，多个指令当被执行时使得一个或多个处理器对于多个迟滞块中的每个迟滞块，当I_误差达到迟滞块的高边界(HB)阈值时，将迟滞块的输出值设为“1”，将迟滞块的输出值维持在“1”直到I_误差达到迟滞块的低边界(LB)阈值为止，并且当I_误差达到迟滞块的低边界(LB)阈值时，将迟滞块的输出值设为“0”。

在实施例中，多个指令当被执行时使得一个或多个处理器对多个迟滞块的所有迟滞块的输出值求和，以产生总状态值。

在实施例中，多个指令当被执行时使得一个或多个处理器根据总状态值的函数从查找表中选择所需输出电压电平。

在实施例中，所需输出电压的选择是电流导数di/dt的符号和总状态值的函数。

在实施例中，电流导数是实际或参考中的一项。

在实施例中，在当总状态值达到六(6)的值时的时刻，电流导数di/dt的符号被确定为正。

在实施例中，在当总状态值达到一(1)的值时的时刻，电流导数di/dt的符号被确定为负。

本公开的实施例是针对一种平衡多象限多电平级联转换器的多个电池上的电压的方法。在实施例中，所述方法包括，对于多个电池中的每个电池，确定电池的存储元件上的电压。在实施例中，所述方法还包括基于多个电池的存储元件上的电压来选择多个电池中的所选择的电池。在实施例中，所述方法还包括重复开关所选择的电池，以提供所需输出电压电平和输出电流的调节。

在实施例中，所述方法还包括从所选择的电池提取能量到无功或再生负载中。

在实施例中，所述方法还包括将能量从无功或再生负载中提取到所选择的电池中。

在实施例中，存储元件是电容器。

本公开的实施例是针对一种在多象限多电平级联转换器中的多个电池的电池的多个双向开关之中分配能量的方法。在实施例中，所述方法包括使用多个双向开关的第一子集来为电池的第一正/负操作电平提供零电压，并且使用多个双向开关的第二子集来为电池的第二正/负操作电平提供零电压。在实施例中，第一子集不同于第二子集。在实施例中，电池的第二正/负操作电平直接接着电池的第一正/负操作电平。

本公开的实施例是针对一种选择多象限多电平级联转换器的所需输出电压电平的方法。在实施例中，所述方法包括从参考电流信号I_参考中减去实际反馈电流信号I_实际，以产生电流误差信号I_误差。在实施例中，所述方法还包括将电流误差信号I_误差输入到多个迟滞块的每个迟滞块中。在实施例中，多个迟滞块中的每个迟滞块具有与所述多个迟滞块中的其他迟滞块不同的高边界(HB)阈值和低边界(LB)阈值的设置。

在实施例中，所述方法还包括，对于多个迟滞块中的每个迟滞块，当I_误差达到迟滞块的高边界(HB)阈值时，将迟滞块的输出值设为“1”。

在实施例中，所述方法还包括将迟滞块的输出值维持在“1”，直到I_误差达到迟滞块的低边界(LB)阈值为止。

在实施例中，所述方法还包括，当I_误差达到迟滞块的低边界(LB)阈值时，将迟滞块的输出值设为“0”。

在实施例中，所述方法还包括对多个迟滞块中的所有迟滞块的输出值求和，以产生总状态值。

在实施例中，所述方法还包括基于总状态值从查找表中选择所需的输出电压电平。

在实施例中，选择所需的输出电压是基于电流导数di/dt的符号和总状态值。

在实施例中，电流导数是实际或参考中的一项。

在实施例中，在当总状态值达到六(6)的值时的时刻，电流导数di/dt的符号被确定为正。

在实施例中，在当总状态值达到一(1)的值时的时刻，电流导数di/dt的符号被确定为负。

关于本文提供的任何实施例所描述的所有特征、元件、组件、功能和步骤都意图在于自由可组合并与任何其他实施例的那些特征、元件、组件、功能和步骤可替换。如果某一特征、元件、组件、功能或步骤仅针对一个实施例进行了描述，那么应当理解，除非另有明确说明，该特征、元件、组件、功能或步骤可以与本文描述的每一个其他实施例一起使用。因此，此段落在任何时候都用作用于引入权利要求的前提基础和书面支持，所述权利要求组合了来自不同实施例的特征、元件、组件、功能和步骤，或者所述权利要求将来自一个实施例的特征、元件、组件、功能和步骤替换为另一个实施例的特征、元件、组件、功能和步骤，即使以下描述在特定实例中没有明确声明，但是这样的组合或替换是可能的。对每一个可能组合和替换的明确陈述过于累赘，特别是假定每个和每一个这样的组合和替换的允许性将很容易被本领域的普通技术人员在阅读此描述时认识到。

在许多实例中，实体在本文被描述为耦合到其他实体。应当理解，术语“耦合的”和“连接的”或它们的任何形式在本文中可互换使用，并且在这两种情况下，对于两个实体的直接耦合是通配的，而没有任何不可忽略的例如寄生中介实体和两个实体与一个或多个不可忽略的中介实体的间接耦合。在实体被示出为直接耦合在一起，或者被描述为耦合在一起而没有描述任何中介实体的情况下，应当理解，除非上下文另有明确指示，否则这些实体也可以间接耦合在一起。

虽然实施例易受各种修改和替代形式，但是其特别示例已经在附图中被示出，并且在本文进行了详细描述。然而，应当理解，这些实施例不限于所公开的特定形式，但相反，这些实施例将覆盖落入本公开的精神内的所有修改、等同和替代。此外，实施例的任何特征、功能、步骤或元件可以在权利要求中陈述或添加到所述权利要求中，以及通过不在该范围内的特征、功能、步骤或元件来限定所述权利要求的发明范围的负面限制。

Claims (40)

1.一种可连接到负载的多象限多电平级联转换器，包括：

串联连接的多个电池，

其中所述多个电池中的每个电池表示H桥转换器，并且包括存储元件和多个双向开关；以及

耦合到所述多个电池的迟滞电流控制系统，其中所述控制系统配置成：

基于参考电流与负载电流的比较确定误差电流；

基于所述误差电流生成状态值；

基于所述状态值选择所述多象限多电平级联转换器的输出电压，其中所述输出电压补偿所述误差电流；以及

部分地基于所选择的输出电压来选择所述多个电池的所述多个双向开关的开关状态。

2.根据权利要求1所述的转换器，包括四个象限和九个输出电平。

3.根据权利要求2所述的转换器，包括串联连接的四个电池，并且其中每个电池表示四象限H桥转换器。

4.根据权利要求3所述的转换器，其中所述多个电池中的每个电池包括四个双向开关。

5.根据权利要求1所述的转换器，包括两个象限和九个输出电平。

6.根据权利要求5所述的转换器，包括串联连接的四个电池，并且其中每个电池表示两象限H桥转换器。

7.根据权利要求6所述的转换器，其中所述多个电池中的每个电池包括两个双向开关、以及两个二极管。

8.根据权利要求1所述的转换器，其中每个双向开关包括具有续流二极管的IGBT或MOSFET。

9.根据权利要求1所述的转换器，其中电功率从所述多个电池中的每个电池可转移到所述负载，并且其中在无功或再生负载的情况下，电功率从所述负载可转移到所述多个电池中的每个电池。

10.根据权利要求1所述的转换器，其中所述控制系统还配置成当所述负载是无功或再生负载时，将能量回收回到所述存储元件。

11.根据权利要求1所述的转换器，其中所述控制系统还配置成平衡所述存储元件上的电压。

12.根据权利要求11所述的转换器，其中所述控制系统进一步配置成确定具有最小和最大电压的存储元件，以及确定是否从所选择的存储元件提取能量。

13.根据权利要求12所述的转换器，其中所述控制系统进一步配置成当所述负载是无功或再生负载时，确定是从选择的存储元件提取能量到所述负载中还是将能量从所述负载中注入到所述选择的存储元件。

14.根据权利要求1所述的转换器，其中所述控制系统还配置成通过零开关旋转将开关元件的换向最小化。

15.根据权利要求1所述的转换器，其中所述存储元件是电容器。

16.根据权利要求1所述的转换器，其中所述控制系统配置成控制所述负载中的电流的电平和形状中的一项或多项。

17.根据权利要求1所述的转换器，其中所述控制系统配置成：

为所述多个电池中的每个电池确定存储元件上的所述电压；

基于所述多个电池的所述存储元件上的所述电压选择所述多个电池中的电池；以及

重复开关所述选择的电池，以提供所述输出电压电平和对输出电流的调节。

18.根据权利要求17所述的转换器，其中所述控制系统配置成从所述选择的电池提取能量到无功或再生负载中。

19.根据权利要求17所述的转换器，其中所述控制系统进一步配置成将能量从无功或再生负载提取到所述选择的电池中。

20.根据权利要求16所述的转换器，其中所述控制系统进一步配置成：

使用所述多个双向开关的第一子集来为所述电池的第一正/负操作电平提供零电压；以及

使用所述多个双向开关的第二子集来为所述电池的第二正/负操作电平提供零电压；

其中所述第一子集不同于所述第二子集，并且其中所述电池的所述第二正/负操作电平直接接着所述电池的所述第一正/负操作电平。

21.根据权利要求16所述的转换器，其中所述控制系统进一步配置成：

从参考电流信号I_参考中减去实际反馈电流信号I_实际，以产生电流误差信号I_误差从而确定所述误差电流；

将所述电流误差信号I_误差输入到多个迟滞块中的每个迟滞块，其中所述多个迟滞块中的每个迟滞块具有与所述多个迟滞块中的其他迟滞块不同的高边界HB阈值和低边界LB阈值的设置；

对于所述多个迟滞块中的每个迟滞块，

当I_误差达到所述迟滞块的所述高边界HB阈值时，将所述迟滞块的输出值设为“1”；

将所述迟滞块的所述输出值维持在“1”，直到I_误差达到所述迟滞块的所述低边界LB阈值为止；以及

当I_误差达到所述迟滞块的所述低边界LB阈值时，将所述迟滞块的所述输出值设为“0”；

将所述多个迟滞块中的所有所述迟滞块的所述输出值求和，以生成所述状态值；

按照所述状态值的函数从查找表中选择所述输出电压电平。

22.根据权利要求21所述的转换器，其中所述输出电压的所述选择是电流导数di/dt的符号和所述状态值的函数。

23.根据权利要求22所述的转换器，其中所述电流导数是实际或参考中的一项。

24.根据权利要求22所述的转换器，其中在当所述状态值达到六的值时的时刻，所述电流导数di/dt的所述符号被确定为正。

25.根据权利要求22所述的转换器，其中在当所述状态值达到一的值时的时刻，所述电流导数di/dt的所述符号被确定为负。

26.根据权利要求1所述的转换器，其中为了生成代表补偿所述误差电流的所述转换器的所述输出电压的所述状态值，所述控制系统配置成：

评估所述误差电流是否超过多个电流阈值；以及

基于超过的所述多个电流阈值的数量来生成所述状态值。

27.根据权利要求26所述的转换器，其中所述控制系统进一步配置成基于所述状态值和电流变化率di/dt的至少一个极性来选择所述输出电压。

28.根据权利要求27所述的转换器，其中所述转换器配置成从与串联连接的所述电池的数量相对应的离散输出电压组中选择所述输出电压。

29.根据权利要求27所述的转换器，其中所述控制系统包括估计器，所述估计器配置成基于所述状态值来估计所述变化率di/dt的所述极性。

30.根据权利要求26所述的转换器，其中所述多个电流阈值包括多个高电流阈值和多个低电流阈值，并且其中所述控制系统包括多个迟滞块，每个迟滞块与所述多个高电流阈值中的不同的一个和所述多个低电流阈值中的不同的一个相关联。

31.根据权利要求30所述的转换器，其中每个迟滞块配置成如果超过所述相关联的高电流阈值则输出第一信号并且如果超过所述相关联的低电流阈值则输出第二信号，其中所述第一和第二信号是不同的。

32.一种平衡多象限多电平级联转换器的多个电池上的电压的方法，包括：

基于参考电流与负载电流的比较确定误差电流；

基于所述误差电流生成状态值；

基于所述状态值选择所述多象限多电平级联转换器的输出电压，其中所述输出电压补偿所述误差电流；以及

部分地基于所选择的输出电压来选择所述多个电池的所述多个双向开关的开关状态；

对于所述多个电池中的每个电池，确定所述电池的存储元件上的电压；以及

按照所述开关状态重复开关所述多个电池以提供所需的输出电压电平和对输出电流的调节。

33.根据权利要求32所述的方法，其中重复开关所述多个电池以提供所述所需的输出电压电平和对输出电流的调节从所述多个电池中提取能量到无功或再生负载中。

34.根据权利要求32所述的方法，其中重复开关所述多个电池以提供所述所需的输出电压电平和对输出电流的调节从无功或再生负载中提取能量到所述多个电池中。

35.根据权利要求32所述的方法，其中所述存储元件是电容器。

36.一种选择多象限多电平级联转换器的所需输出电压电平的方法，包括：

从参考电流信号I_参考中减去实际反馈电流信号I_实际，以产生电流误差信号I_误差；

将所述电流误差信号I_误差输入到多个迟滞块中的每个迟滞块，其中所述多个迟滞块中的每个迟滞块具有与所述多个迟滞块中的其他迟滞块不同的高边界HB阈值和低边界LB阈值的设置；

对于所述多个迟滞块中的每个迟滞块，

当I_误差达到所述迟滞块的所述高边界HB阈值时，将所述迟滞块的输出值设为“1”；

将所述迟滞块的所述输出值维持在“1”，直到I_误差达到所述迟滞块的所述低边界LB阈值为止；以及

当I_误差达到所述迟滞块的所述低边界LB阈值时，将所述迟滞块的所述输出值设为“0”；

将所述多个迟滞块中的所有所述迟滞块的所述输出值求和，以产生状态值；

基于所述状态值从查找表中选择所述所需的输出电压电平。

37.根据权利要求36所述的方法，选择所述所需的输出电压是基于电流导数di/dt的符号和所述状态值。

38.根据权利要求37所述的方法，其中所述电流导数是实际或参考中的一项。

39.根据权利要求37所述的方法，其中在当所述状态值达到六的值时的时刻，所述电流导数di/dt的所述符号被确定为正。

40.根据权利要求37所述的方法，其中在当所述状态值达到一的值时的时刻，所述电流导数di/dt的所述符号被确定为负。