CN104980054A - 多电平功率转换器 - Google Patents

Abstract

多电平转换器，包括一个或多个臂(B)，所述臂各自连接在电压源(VDC)与电流源(I)之间。每个臂包括级联的两级(E1、E2)，第一级要连接至电压源(VDC)，第二级要连接至电流源(I)。第一级(Et1)包括级联的等级为1至n的若干基本级(E1n、…、E12、E11)，等级为1的基本级(E11)连接至第二级(Et2)，等级为n的基本级(E1n)必须连接至电压源(VDC)。每个基本级(E1n)包括串联的一对相同的NPC类型电池(Cen1、Cen2)，所述连接在等级为1的基本级中是直接的，对于等级大于1的每个基本级，经由n-1个电容电池(Can(1)、…、Can(n-1))进行所述连接，第二级(Et2)包括浮动电容器电池(Ce10)。

Description

多电平功率转换器

技术领域

本发明涉及多电平功率转换器，更具体地用于工作在中等电压范围中。

背景技术

已知的中等电压功率转换器通常使用设置为串联以允许电压增加的半导体开关。将这些半导体开关设置为串联的主要困难在于在每个时刻跨越所有这些半导体开关的端子获得相同的电压。如果产生瞬时或永久过载，则可能发生半导体开关的毁坏。

基于将开关的控制进行交织(interleave)且与变压器的使用相关联的技术已经发展了，并且它们使得可以管理电压的分配并且重构波形。但是，变压器具有不小的成本，并且它们阻碍紧凑转换器的实现。

已经出现了另一解决方案，即所谓的NPC(中性点钳位)拓扑。NPC类型的电池包括两对串联的半导体开关、一侧连接至第一对的两个开关之间的公共点、和另一侧连接至第二对的两个开关之间的公共点的串联的两个二极管。此外发现串联的两个电容，它们连接至由半导体开关对形成的组件的端子。串联的两个二极管之间的公共点链接至所述串联的两个电容器之间的公共点。

此拓扑产生令人满意的波形以及对半导体开关的电压约束的减少。另一方面，可能发生跨越电容器的端子的电压的不平衡。

通过用一对半导体开关取代两个二极管，改进了NPC原始拓扑。此拓扑称为具有3个电压电平的ANPC。

通过将开关设置为串联并且通过添加电容器，产生了用于增加可接受的电压电平的另一改进。此拓扑称为具有5个电压电平的ANPC。公司ABB已经开发了该ANPC。然而，目前，该ANPC被限制为6.9kV量级的电压电平。

另一技术基于浮动电容器电池(也称为嵌套的基本电池)的关联。电压源可以经由任意数目的串联的这样的基本电池而链接至电流源。每个基本电池包括串联的两个半导体开关，并且诸如电容器的储能器件以阶梯状方式将两个相邻的基本电池链接在一起。然而，此解决方案展现出与浮动电容器在两个基本电池之间的存在有关的缺点。基本电池的数目越大，与电容器有关的成本开销就越大，并且这些电容器中存储的能量就越大。

当面对由于将大量半导体开关设置为串联以便达到高电压电平而导致的困难时，已经提倡限制串联的开关的数目，以及将级(stages)与级联嵌套的电池(cells nested in cascade)相关联，其中每级包括若干个嵌套的基本电池。

因此，在专利申请US 2007/0025126中，描述了至少包括两个臂的多电平功率转换器，其中该臂配备有通过电容器链接在一起的嵌套的基本电池。

在第一配置(configuration)中，每个臂包括3级的级联。这些级各自具有介于一和三之间的不同等级。每级包括与该级的等级一样多的嵌套的基本电池对。这些嵌套的基本电池对可以采取三个电压电平。此第一配置的缺点是其使用许多开关和电容器，因此使得其昂贵且非常不可靠。

在第二配置中，每个臂包括两级的级联，其中一个是等级一，另一个是等级二。每级包括三个一组的多个嵌套的基本电池。这些基本电池的三个一组可以采取四个电压电平。在此第二变型中，将根据所使用的电容器属于第一级还是第二级，用不同的电压电平对所述电容器充电。这给出对标准化的限制。此外，电容器的寄生电感全部越高，耐压就越大。由于为电池切换最大电压电平而导致的过压将限制该设置(setup)的吸引力。

发明内容

本发明的目的是提出一种多电平转换器，其能够工作在比现有技术的电压电平高的电压电平，而既无需凭借变压器也无需增加半导体开关的数目。

本发明的另一目的是提出一种多电平转换器，其对于给定电压电平来说，比现有技术的多电平转换器更便宜且更可靠。

本发明的又一目的是提出一种多电平转换器，其使用具有有限耐压的标准电容器组。

本发明的再一目的是提出一种多电平转换器，其限制寄生电感的出现。

这些目的通过NPC类型的电池和电容电池的关联而实现。

更具体地，本发明是包括一个或多个臂的多电平转换器，所述臂各自配置为连接在电压源与电流源之间。所述臂或每个臂包括级联连接的两级，第一级用于连接至所述电压源，第二级用于连接至所述电流源。第一级包括级联连接的等级为1至n(n大于1)的n个基本级，等级为1的基本级连接至第二级，等级为n的基本级用于连接至所述电压源。每个基本级包括串联连接的一对相同的NPC类型的电池，所述连接是在等级为1的基本级中直接的，对于等级为n(n大于1)的每个基本级，经由n-1个电容电池进行所述连接。第二级包括浮动电容器类型的电池。

在此多电平转换器中，电容电池包括串联布置的两个储能器件，这些储能器件具有同一个储能量。

在基本级中，NPC类型的电池包括具有两个储能器件的电容桥，其中所述储能器件具有同一个储能量。此基本级的电容电池的每个储能器件具有与NPC类型的电池的储能器件之一相同的储能量。

因此，第一级的所有储能器件具有同一个储能量。

为了遵守关于电压源和电流源的连接规则，经由电感将基本级的至少一个NPC类型的电池连接至相邻基本级的NPC类型的电池。

在作为本发明的主题的转换器中，NPC类型的电池包括串联布置的一组四个基本开关，其中两个在末端(extreme)位置并且，其中两个在中间位置。不直接链接的在末端位置的基本开关和在中间位置的基本开关总是处于互补状态，其中一个被启用并且另一个被禁用，并且这两个基本开关形成基本开关单元(cell)。

NPC类型的电池拥有将在所述电池的输入施加的电压与在所述电池的输出出现的电压相关的转换函数(功能)。所述电池的两个基本开关单元也各自拥有转换函数。NPC类型的电池的转换函数取决于两个基本开关单元的转换函数。

此外，同一个基本级的NPC类型的电池具有同一个转换函数。

在同一个基本级的NPC类型的两个电池中，以相同方式控制相似的基本开关。

在作为本发明的主题的转换器中，浮动电容器类型的电池包括串联布置的一组四个基本开关，其中两个在末端位置，并且其中两个在中间位置。在末端位置的两个基本开关总是处于互补状态，在中间位置的两个基本开关总是处于互补状态，其中一个被启用并且另一个被禁用。在末端位置的两个基本开关形成第一基本开关单元。在中间位置的两个基本开关形成第二基本开关单元。

基本开关各自包括与反向并联连接的二极管关联的可控电子电源开关。

从电容器、电池和燃料电池之中选择储能器件。

本发明还涉及一种变速驱动装置(drive)，包括具有特征在于作为AC/DC整流器工作的转换器、和特征在于作为DC/AC逆变器工作的转换器的级联，所述两个转换器在它们两端通过电压源而连续链接在一起。

附图说明

通过在参考附图的同时阅读纯粹通过完全非限制的指示方式给出的对示例性实施例的描述，将更好地理解本发明，其中：

图1A以非常示意的方式图示了作为本发明的主题的多电平转换器臂，其中级联地安装第一级和第二级，第一级是n个基本级的级联，图1B是包括与图1A的臂类似的两个臂的单相多电平转换器；

图2A示出了作为本发明的主题的多电平转换器的NPC类型的电池，并且图2B、图2C、图2D图示了在此电池中导致NPC类型的电池的三个状态的电流流动；

图3A示出了带有具有作为本发明的主题的多电平转换器的三个电压电平的浮动电容器的类型的电池，并且图3B、图3C、图3D、图3E图示了在此浮动电容器电池中导致浮动电容器电池的四个状态的电流流动；

图4A和图4B图示了作为本发明的主题的多电平转换器臂的示例，其中第一级是两个第一基本级的级联，图4A涉及逆变器并且图4B涉及整流器；

图5A和图5B分别图示了用于在脉宽调制PWM类型的控制的情况下，控制诸如图4A的电池Ce10的浮动电容器电池的两个基本开关单元的基本开关的三角波信号；图5C和图5D分别图示了用于在脉宽调制PWM类型的控制的情况下，控制诸如图4A的电池Ce11的NPC类型的电池的两个基本开关单元的基本开关的三角波信号；图5E图示了要与三角波信号进行比较以便确定基本开关单元的基本开关的开关时刻的命令信号；

图6至图9图示了在诸如图4A的转换器的转换器的情况下的信号，其中在节点S与节点N3之间连接RL类型的负载10；

图6.00至图6.04分别图示了要与用于控制基本开关T4u和T3u的载波Car3、用于控制基本开关T5u和T6u的载波Car4、用于控制基本开关T1的载波Car1、用于控制基本开关T2的载波Car2进行比较的命令信号Vref；

图6.1至图6.8是对应于第一基本级E11的时序图：图6.1和图6.2分别图示了用于基本开关T3u、T4u的控制信号；图6.3至图6.7分别图示了从节点N8流至基本开关T4u的电流、从节点N9流至二极管D7和D8的电流、从节点N10流至基本开关T3’u和T4I的电流、从节点N11流至二极管D9和D10的电流、从节点N12流至基本开关T3’I的电流；图6.8图示了来自该臂且对负载10供电的输出电流；

图7.1至图7.9是对应于第二基本级E12的时序图：图7.1和图7.2分别图示了用于基本开关T5u、T6u的控制信号；图7.3至图7.8分别图示了从必须连接至电压源VDC的端子E+流至基本开关T6u的电流、从节点N1流至二极管D1和D2的电流、从节点N2流至基本开关T5’u的电流、从节点N4流至基本开关T6I的电流、从节点N5流至二极管D5和D6的电流、从必须连接至电压源VDC的端子E-流至基本开关T5’I的电流；图7.9图示了来自该臂且对负载10供电的输出电流；

图8.1至图8.5是对应于第二级E2的时序图，图8.1和图8.2分别图示了与图6.03和图6.04相同的、具有第一时基的用于基本开关T1、T2的控制信号；图8.3和图8.4分别图示了从基本开关T2流至基本开关T1的电流，以及从基本开关T2流至电容器Cf的电流；图8.5图示了来自该臂且对负载10供电的输出电流；图8.6和图8.7再次图示了与图8.3至图8.5相同的、具有第二时基的用于基本开关T1、T2的控制信号；

图9.1和图9.2分别图示了跨越负载10的端子的电压Vs、以及来自该臂且对负载10供电的输出电流Is的时序图；

图10示出了作为本发明的主题的、关联两个多电平转换器的示例性变速驱动装置，其中一个多电平转换器作为整流器工作，另一个多电平转换器作为逆变器工作。

具体实施方式

参考图1A，其以一般结构示出了作为本发明的主题的多电平转换器的臂B的电气图。其使得可以工作在来自直至约13.8kV的中等电压范围的电压。

将在DC/AC转换器臂的示例中开始对其进行描述。

作为本发明的主题的多电平转换器(诸如图1B中图示的多电平转换器)包括与图1A中表示的臂类似的一个或多个臂B。它们用于各自连接在两个相似的电力供应源(包括电压源VDC和电流源I)之间。在单相转换器中使用两个臂。将在三相转换器中使用三个臂。

图1A的臂B用于连接在电压源VDC与电流源I之间。该转换器然后可以作为DC/AC转换器(逆变器)工作、或者作为AC/DC转换器(整流器)工作。在DC/AC转换器的情况下，电流源是交流的并且可以例如是电机，电压源是直流的并且可以例如是连接到整流器的输出的直流总线。

在AC/DC转换器的情况下，电流源是交流的并且可以例如是供电网，电压源是直流的并且可以例如是电容器或电池。

转换器臂B包括级联地连接在一起的两级Et1、Et2。第一级Et1或输入级用于连接至直流的电压源VDC，第二级Et2或输出级用于连接至图1中图示的DC/AC转换器配置中的电流源I。

在AC/DC转换器配置中，第一级Et1或输出级将连接至直流电压源，第二级Et2或输入级将连接至交流电流源。当从逆变器操作切换至整流器操作时，转换器的输入和输出逆转，反之亦然。

第一级Et1由级联连接的具有位于1与n(n是大于1的整数)之间的等级的n个基本级E11、E12、…、E1n形成。等级为1的基本级E11连接至第二级Et2。等级为n的基本级E1n用于连接至电压源VDC。

第二级Et2由具有三个电压电平的浮动电容器类型电池Ce10形成。

第一级Et1的每个基本级E11、E12、…、E1n包括串联链接的NPC类型的电池对(Ce11、Ce12)、(Ce21、Ce22)、…、(Cen1、Cen2)。在等级为1至n的同一个基本级E11、E12、…、E1n的NPC类型的两个电池(Ce11、Ce12)、(Ce21、Ce22)、…、(Cen1、Cen2)之间的链接由n-1个电容电池构成。对于等级为1的基本级E11，在其两个NPC类型的电池Ce11、Ce12之间的链接于是直接的。当n-1大于1时，存在n-1个串联连接的电容电池。等级为2的基本级E12的电容电池标记为Ca2(1)，并且以此类推，等级为n的基本级En的电容电池标记为Can(1)至Can(n-1)。每个电容电池包括串联的储能器件对。电容电池的两个储能器件具有同一个储能量。此外，第一级Et1的电容电池的所有储能器件具有同一个储能值。

作为本发明的主题的转换器中使用的储能器件无论是在NPC类型或浮动电容器电池中还是在电容电池中，都可以由能够存储电能并且能够以电压形式传递其的任何器件来体现。储能器件可以采取电容器、电池、燃料电池等的形式。

随后，为了简化起见，标记VDC将表示电压源以及跨越此电压源的端子的电压二者。

应理解，电压VDC已经被分为串联的n+1个关联电压，其两个末端(称为E1n1和E1n(n+1))是NPC类型的电池Cen1和Cen2的输入电压。

在逆变器操作中，已经表示了单个电压源VDC。当然，此电压源VDC可以由n+1个独立的基本电压源的组件组成。

如当参考图3A的描述时进一步所见的，每个NPC类型的电池包括输入电容分压桥，其显示电压源。电压E1n1、E1n(n+1)是跨越这些电容桥的端子的电压。

电压E1n2至E1nn是施加到n-1个电容电池Can(1)至Can(n-1)的浮动电压。这n-1个电容电池Can(1)至Can(n-1)形成浮动电压源。

以相同的方式，基本级E1n的NPC类型的电池Cen1和Cen2的输出被认为是浮动电压源。

经由电感器Laux11、Laux21、…、Laux1(n-1)、Laux2(n-1)，在两个相应的NPC类型的电池之间构成两个相邻基本级之间的链接。这些电感的每个可以被看作电流源，以便遵守用于电压源与电流源之间的连接的规则。这两个电感的值相同。另一方面，不链接两个相似级的两个电感不一定具有相同的值。作为变型，将可以仅使用单个电感来链接第一基本级与第二相邻基本级。所述电感将被设置在第一基本级的NPC类型的电池与第二相邻基本级的NPC类型的电池之间。第一基本级的另一NPC类型的电池将直接链接至第二相邻基本级的另一NPC类型的电池。为了图解地示出此变型，图1A中的电感器Laux21已经表示为虚线。这意味着其是可选的。在此情况下，所使用的单个电感的值将是具有两个电感的设置(setup)的两个电感的总和。

在等级为2的基本级E12的层面，NPC类型的电池Ce21和Ce22的输出经由电感器Laux11、Laux21连接至由两个NPC类型的电池Ce11、Ce12的电容桥组成的两个浮动电压源。这两个电压源具有公共点。标记E111、E112对应于跨越这些电容桥的端子的电压。

NPC类型的电池Ce11和Ce12的输出体现为被施加作为第二级Et2的浮动电容器类型电池Ce10的输入的浮动电压源E2。在参考图3A至图3E的同时，描述具有三个电压电平的浮动电容器类型电池的结构和操作。

以如下这样的方式选择第n个基本级E1n的部件：将输入电压VDC分为施加到两个NPC类型的电池Cen1、Cen2以及n-1个电容电池Can(1)、…、Can(n-1)的每个的n+1个相等输入电压。因此，将VDC/n+1施加到第n个基本级的每个电池。

可以定义与NPC或浮动电容器类型的每个电池关联的转换函数f，其将施加到所述电池的输入电压Ve与在同一所述电池的输出出现的电压V相关。

V＝f*Ve/2并且-1≤f≤1

在第一级的每个基本级中，配置并控制两个NPC类型的电池，以使得它们关联的转换函数两两相等。这样，在第一级以及第二级的每个电池的输入施加的电压等于VDC/n+1。转换器的所有NPC或浮动电容器类型的电池必须支持此电压VDC/n+1。这实现了对施加至第一级的等级为n的基本级的给定DC电压而减少对半导体开关的电压约束的最初的目的。

将在参考图2A至图2D的同时很快地描述具有三个电压电平的NPC类型的电池的结构。

此NPC类型的电池包括称为K11、K12、K21、K22的一组四个串联安装的基本开关。在此一组四个中，第一基本开关K11和第二基本开关K22在末端位置，并且第一基本开关K12和第二基本开关K21在中间位置，在中间位置的两个基本开关在节点M3彼此直接链接。在一组四个中，在末端位置的基本开关直接链接至在中间位置的基本开关。此链接使得可以定义在末端位置的第一基本开关K11与在中间位置的第一基本开关K12之间的第一中点M1、以及在末端位置的第二基本开关K22与在中间位置的第二基本开关K21之间的第二中点M2。

基本开关K11、K12、K21、K22是半导体开关，并且各自包括与反向并联连接的二极管D11、D12、D21、D22关联的诸如IGBT(绝缘栅双极晶体管)功率晶体管的可控电子电源开关T11、T12、T21、T22。代替IGBT晶体管，可以设想诸如MOSFET晶体管等的其它电子电源开关。为了使附图不超过负荷，未示出电子电源开关的控制装置。

串联的第1二极管D100和第2二极管D200连接在第一中点M1与第二中点M2之间。二极管D100将其阴极连接至第一中点M1，二极管D200将其阳极连接至第二中点M2。具有第一储能器件C100和第二储能器件C200的电容分压桥连接至四个一组的基本开关K11、K12、K21、K22的末端。两个储能器件C100和C200具有同一个电能存储量。串联的两个储能器件C100、C200之间的中点A链接至串联的两个二极管D100、D200之间的中点B。二极管D100将其阳极连接至中点B，二极管D200将其阴极连接至中点B。

定义两个开关函数。第一开关函数F1用于控制包括在末端位置的第一基本开关K11和在中间位置的第二基本开关K21的第一基本开关单元G1。第二开关函数F2用于控制包括在中间位置的第一基本开关K12和在末端位置的第二基本开关K22的第二基本开关单元G2。同一个基本开关单元G1或G2的基本开关不直接彼此连接，并且总是处于互补状态，其中一个被启用而另一个被禁用。

跨越第一储能器件C100的端子而施加第一输入电压V1。跨越第二储能器件C200的端子而施加第二输入电压V2。

在两个储能器件C100、C200之间的中点A、与对于在中间位置的两个基本开关K12、K21来说公共的节点M3之间获得输出电压V。

状态

K11

K21

F1G1

K12

K22

F2G2

V

1

启用

禁用

1

启用

禁用

1

V1

2

禁用

启用

0

启用

禁用

1

0

3

禁用

启用

0

禁用

启用

0

-V2

在此设置中不允许禁用K12和启用K11的组合，从而传递三个电压电平。在图2B中图示了状态1，在图2C中图示了状态2，在图2D中图示了状态3。

将在参考图3A至图3E的同时快速描述具有三个电压电平的浮动电容器类型电池的结构。

此浮动电容器类型的电池包括称为K110、K120、K210、K220的串联安装的一组四个基本开关。在此一组四个中，第一基本开关K110和第二基本开关K220在末端位置，并且第一基本开关K120和第二基本开关K210在中间位置，并且在中间位置的两个基本开关K120、K210在节点M30彼此直接链接。在一组四个中，在末端位置的基本开关直接链接至在中间位置的基本开关。此链接使得可以定义在末端位置的第一基本开关K110与在中间位置的第一基本开关K120之间的第一中点M10、以及在末端位置的第二基本开关K220与在中间位置的第二基本开关K210之间的第二中点M20。

这些基本开关K110、K120、K210、K220是半导体开关，并且各自包括例如与反向并联连接的二极管D110、D120、D210、D220关联的诸如IGBT(绝缘栅双极晶体管)功率晶体管的可控电子电源开关T110、T120、T210、T220。代替IGBT晶体管，可以设想诸如MOSFET晶体管等的其它电子电源开关。

储能器件C101连接在第一中点M10与第二中点M20之间。

定义两个开关函数。第一开关函数F10用于控制包括在末端位置的第一基本开关K110和在末端位置的第二基本开关K220的第一基本开关单元J1。第二开关函数F20用于控制包括在中间位置的第一基本开关K120和在中间位置的第二基本开关K210的第二基本开关单元J2。同一个基本开关单元的基本开关总是处于互补状态，即被启用或被禁用。

输入电压Ve是跨越一组四个开关K110、K120、K210、K220的端子的电压。输出电压V是跨越由在中间位置的第二基本开关K210和在末端位置的第二基本开关K220形成的组件的端子的电压。

状态

K110

K220

F10J1

K120

K210

F20J2

V

1

启用

禁用

1

启用

禁用

1

Ve

2

启用

禁用

1

禁用

启用

0

Ve/2

3

禁用

启用

0

启用

禁用

1

Ve/2

4

禁用

启用

0

禁用

启用

0

0

根据基本开关的状态，可以获得的三个输出电压电平是：0、Ve/2、Ve。在图3B中图示了状态1，在图3C中图示了状态2，在图3D中图示了状态3，并且在图3E中图示了状态4。

上述单元的基本开关是双向电流的，由此使得作为本发明的主题的转换器可逆。

现在转至图4A、图4B，其以更详细的方式示出了作为本发明的主题的多电平转换器的臂的电气图。在图4A中，作为本发明的主题的转换器作为DA/AC逆变器工作。其AC侧输出用于对所表示的由串联的电阻器R和电感器L形成的负载10供电并且等效于电流源。在图4B中，作为本发明的主题的转换器作为AC/DC整流器工作。已经将储能器件称为电容器。这不是限制性的。

在此示例中，该臂的第一级Et1仅包括等级为1和2的n＝2个基本级E11、E12。第一基本级E11包括两个NPC类型的电池Ce11和Ce12。NPC类型的电池Ce11包括四个基本开关(其中两个是末端T4u、T3’u以及两个是中间T3u、T4u’)、以及两个电容器C7、C8和两个二极管D7、D8。如图2A中那样布置这些部件。

NPC类型的电池Ce11的基本开关分成(distribute)两个基本开关单元Gr4(其具有T4u和T4’u)和Gr3(其具有T3u和T3’u)。因此，当T4u被禁用且T4’u被启用时，基本开关单元Gr4具有电平0，并且当T4u被启用且T4’u被禁用时，基本开关单元Gr4具有电平1。同样，当T3u被禁用且T3’u被启用时，基本开关单元Gr3具有电平0，并且当T3u被启用且T3’u被禁用时，基本开关单元Gr3具有电平1。

以类似的方式，NPC类型的电池Ce12包括四个基本开关(其中两个是末端T4I、T3’I以及两个是中间T3I、T4’I)、以及两个电容器C9、C10和两个二极管D9、D10。如图2A中那样布置这些部件。

第二基本级E12包括两个NPC类型的电池Ce21和Ce22、以及由串联的电容器对C3和C4形成的电容电池Ca2(1)。NPC类型的电池Ce21包括四个基本开关(其中两个是末端T6u、T5’u以及两个是中间T5u、T6’u)、两个电容器C1、C2以及两个二极管D1、D2。如图2A中那样布置这些部件。

NPC类型的电池Ce21的基本开关分成两个基本开关单元Gr5(其具有T5u和T5’u)和Gr6(其具有T6u和T6’u)。因此，当T5u被禁用且T5’u被启用时，基本开关单元Gr5具有电平0，并且当T5u被启用且T5’u被禁用时，基本开关单元Gr5具有电平1。因此，当T6u被禁用且T6’u被启用时，基本开关单元Gr6具有电平0，并且当T6u被启用且T6’u被禁用时，基本开关单元Gr6具有电平1。属于同一个基本级的NPC电池的基本开关单元具有同一个转换函数。

以类似的方式，NPC类型的电池Ce22包括四个基本开关(其中两个是末端T6I、T5’I以及两个是中间T5I、T6’I)、两个电容器C5、C6以及两个二极管D5、D6。

为了符合之前所述的约束，在同一个基本级中，相似的基本开关T3u和T3I、T4u和T4I、T5u和T5I、T6u和T6I的控制相同。相似的基本开关是指各自属于同一基本级的不同的NPC类型的电池、并且在所述电池中占据完全相同的位置。

第一基本级E11和第二基本级E12通过两个电感器Laux11、Laux21链接在一起。

第二级Et2包括浮动电容器类型电池Ce10，诸如图2B中所图示的。电池Ce10包括四个基本开关(其中两个是末端T2、T2’以及两个是中间T1、T1’)、以及电容器Cf。这些基本开关分成两个基本开关单元Gr1(其具有T1和T1’)和Gr2(其具有T2和T2’)。因此，当T1被禁用且T1’被启用时，基本开关单元Gr1具有电平0，并且当T1被启用且T1’被禁用时，基本开关单元Gr1具有电平1。因此，当T2被禁用且T2’被启用时，基本开关单元Gr2具有电平0，并且当T2被启用且T2’被禁用时，基本开关单元Gr2具有电平1。

浮动电容器类型电池的电容器Cf的尺寸不遵守与NPC类型的电池的电容器的规则相同的规则。另一方面，转换器的所有这些电容器的耐压相同。为了简化，具有内嵌电容器的电池的电容器Cf的值取决于所述电池的基本开关的开关频率。NPC类型的电池的电容器的值由所述电池的输出信号的频率指导(guide)。

已经表示了连接在节点S与节点N3之间的类型为R、L的负载10。节点S位于浮动电容器类型电池Ce10的两个中间基本开关T1、T1’之间的公共点。在图4A的示例中，此节点S对应于DC/AC转换器操作中臂B的输出。节点N3位于电容电池Ca2(1)的电容器对的两个电容器C3、C4之间的公共点。此节点N3对应于输入电压源VDC的中点。

将不更详细描述图4B的转换器臂。除了以下事实之外，其具有与图4A的结构相同的结构：对应于图4A中的输出的节点S现在称为节点E，因为其现在对应于输入。其用于连接至交变电流源(未示出)。同样，图4A中跨越要连接的电压源VDC的端子的输入端子E+、E-现在在图4B中称为S+和S-，它们对应于转换器的输出，并且用于对直流电压源(未示出)供电。在整流器操作中，电流IE从节点E流至输出端子S+和S-，而在逆变器操作中，电流IE+和IE-从端子E+、E-流至节点S。在整流器操作中，出现在端子S+和S-的电流IS+和IS-是输出电流，并且在逆变器操作中，称为Is的输出电流出现在节点S。

图4A的转换器使得可以在输出获得7个不同电压电平0、VDC/6、2VDC/6、3VDC/6、4VDC/6、5VDC/6、VDC、以及36个状态，作为基本开关单元Gr1至Gr6的电平的函数，也就是说它们的基本开关的启用或禁用状态的函数。

在以下表中已经将36个不同且允许的状态、以及在第二级Et2的输出的对应电压电平V分组在一起。在节点S与端子E-之间获得电压V。

输出电压的谐波含量显著减小。

通过分析此表，应理解，基本开关的几个状态并且因此几个配置导致同一个电压V。然而，这些冗余状态可以产生对转换器的储能器件的不同影响。因此，在状态2中，电流的目标在于对浮动电容器类型电池Ce10的电容器Cf进行放电，而在状态3中，电流在相反方向上流动，由此导致对电容器Cf充电。

几个类型的控制可以用于启用或禁用基本开关，并因此确保转换。可以使用传统的基于脉宽调制PWM的控制。当然，以相同方式控制第一级的同一个基本级的两个NPC类型电池的相似基本开关。

参考图5A至图5D，它们示出了用于定义作为本发明的主题的转换器的NPC类型和浮动电容器类型的两个电池各自的基本开关的开关定时的三角载波。更具体地，图5A和图5B分别涉及诸如电池Ce10的浮动电容器类型电池的两个基本开关单元的基本开关的控制。三角载波具有位于+1与-1之间的振幅。它们被相移了一半开关周期。例如，图5A的三角载波与第一基本开关单元Gr1关联，并且图5B的三角载波与第二基本开关单元Gr2关联。

图5C和图5D分别涉及对例如NPC类型电池(诸如NPC类型电池Ce11、Ce12)的两个基本开关单元的控制。三角载波具有对于第一基本开关单元Gr3而位于0与+1之间(图5C)、并且对于第二基本开关单元Gr4而位于-1与0之间(图5D)的振幅。它们是同相的。通过三角载波与对应于在转换器的输出的期望信号的命令信号之间的比较而获得基本开关的开关时刻。作为规则，例如可以定义：只要命令信号严格大于三角载波，基本开关的开关时刻就产生。作为规则，当然可以确定：只要命令信号大于或等于三角载波，基本开关的开关时刻就产生。

在图5E中图示了命令信号。

当转换器对旋转机供电时，当然可以设想其它类型的控制(诸如矢量控制或对该对(pair)的直接控制)。

在参考图6至图9的同时提出原本控制模式。在命令信号Vref的周期期间，第一级的基本级的NPC类型电池的基本开关的启用状态的设置数目限制为一个。获得对所述基本级的输出电压的粗略调节。

为了控制转换器的第二级的基本开关，通过使用比用于控制第一级的开关的开关频率大的开关频率，获得对转换器的输出电压的精细得多的调节，同时符合每个基本开关的工作约束。可回想到，基本开关的开关频率与它们的技术相关，并且与它们的额定值相关。在此申请中，其例如可以位于500Hz与10000Hz之间。图4A中图示的转换器的输出处的信号的频率可以在0与150Hz之间变化。

图6.00图示了也称为命令电压Vref的命令信号的轮廓，所述命令信号将具体用于确定NPC和浮动电容器类型的电池的所有基本开关的开关时刻。其将用在一些比较中，如随后将看到的。命令信号与图9.1中图示的跨越连接在臂B的输出的负载10的端子的电压Vs同相，另一方面，图9.2的输出电流Is滞后于命令电压。在所述示例中，命令信号具有在-0.8与+0.8之间的振幅。更一般地，命令电压Vref可以在-1与+1之间变化。此命令电压Vref的振幅用于调节输出电压Vs的振幅。

图6.01是对命令电压Vref使用的载波Car3的时序图，用于确定转换器的第一基本级E11的NPC类型电池Ce11的基本开关T4u和T3u的开关时刻。这是与命令电压Vref同相且振幅是Vref/3的门信号。

图6.1是用于转换器的第一基本级E11的NPC类型电池Ce11的基本开关T3u的控制信号的时序图。这是周期等于命令信号Vref的周期的门信号。只要参考电压Vref的振幅小于载波Car3的负梯级(rung)，就在此周期期间仅禁用基本开关T3u一次。

图6.2是用于转换器的第一基本级E11的NPC类型电池Ce11的基本开关T4u的控制信号的时序图。这是周期等于命令信号Vref的周期的门信号。只要命令电压Vref大于载波Car3的正梯级，就在此周期期间仅启用基本开关T4u一次。

基本开关T3u和T4u是直接连接的在中间和末端位置的基本开关，并且它们可以具有如上表所示的相同状态。这在周期期间成立(hold)两次。

图6.3图示了从节点N8流至基本开关T4u的电流IN8的时序图。节点N8对于电感器Laux11以及对于基本开关T4u是公共的。

图6.4图示了从节点N9流至二极管D7和D8的电流IN9的时序图。节点N9对于电容器C7、C8以及对于二极管D7和D8是公共的。

图6.5图示了从节点N10流至基本开关T3’u和T4I的电流IN10的时序图。节点N10对于电容器C8、C9以及对于基本开关T3’u和T4I是公共的。

图6.6图示了从节点N11流至二极管D9和D10的电流IN11的时序图。节点N11对于电容器C9、C10以及对于二极管D9和D10是公共的。

图6.7了图示从节点N12流至基本开关T3’I的电流IN12的时序图。节点N12对于电感器Laux21以及对于基本开关T3’I是公共的。

图6.8图示了图4A中图示的转换器臂的输出电流Is的时序图。图6.3至图6.7的时序图表示图6.8中图示的电流Is的部分。

图6.02是对图6.00的命令电压Vref使用的载波Car4的时序图，用于确定转换器的第二基本级E12的NPC类型电池Ce21的基本开关T6u和T5u的开关时刻。这是与命令电压Vref同相且振幅是2Vref/3的门信号。已经通过粗体将命令电压Vref叠加在此时序图上。

图7.1是用于转换器的第二基本级E12的NPC类型电池Ce21的基本开关T5u的控制信号的时序图。这是周期等于命令信号Vref的周期的门信号。只要命令电压Vref的振幅小于载波Car4的负梯级，就在此周期期间仅禁用基本开关T5u一次。

图7.2是用于转换器的第二基本级E12的NPC类型电池Ce21的基本开关T6u的控制信号的时序图。这是周期等于命令信号Vref的周期的门信号。只要命令电压Vref的振幅大于载波Car4的正梯级，就在此周期期间仅启用基本开关T6u一次。

基本开关T6u和T5u是直接连接的在中间和末端位置的基本开关，并且它们可以具有如上表所示的相同状态。这在周期期间成立两次。

图7.3图示了从必须连接至电压源VDC的端子E+流至基本开关T6u的电流IE+的时序图。

图7.4图示了从节点N1流至二极管D1和D2的电流IN1的时序图。节点N1对于电容器C1、C2以及对于二极管D1和D2是公共的。

图7.5图示了从节点N2流至基本开关T5’u的电流IN2的时序图。节点N2对于电容器C2、C3以及对于基本开关T5’u是公共的。

图7.6图示了从节点N4流至基本开关T6I的电流IN4的时序图。节点N4对于电容器C4、C5以及对于基本开关T6I是公共的。

图7.7图示了从节点N5流至二极管D5和D6的电流IN5的时序图。节点N5对于电容器C5、C6以及对于二极管D5和D6是公共的。

图7.8图示了从必须连接至电压源VDC的端子E-流至基本开关T5’I的电流IE-的时序图。

图7.9图示了图4A中图示的转换器臂的输出电流Is的时序图。

图6.03是对命令电压Vref使用的载波Car1的时序图，用于确定转换器的第二级E2的浮动电容器类型电池Ce10的基本开关T1的开关时刻。它是振幅位于+1与-1之间的三角波信号。将命令电压Vref叠加在载波Car1上。

图6.04是对命令电压Vref使用的载波Car2的时序图，用于确定转换器的第二级E2的浮动电容器类型电池Ce10的基本开关T2的开关时刻。它是相对于图6.03的载波Car1频率相同但反相的、振幅位于+1与-1之间的三角波信号。将命令电压Vref叠加在载波Car2上。

图8.1图示了用于第二级Et2的浮动电容器类型的电池Ce10的基本开关T1的控制信号的时序图。只要命令电压Vref大于Car1，就启用此基本开关T1。

图8.2图示了用于第二级Et2的浮动电容器类型的电池Ce10的基本开关T2的控制信号的时序图。只要命令电压Vref大于Car2，就启用此基本开关T2。

这两个控制信号是处于载波Car1和Car2的频率的门信号。此频率比图6.1、图6.2、图7.1、图7.2中图示、且处于输出电流Is的频率的用于第一级的基本开关T4u、T3u、T6u、T5u的控制信号的频率高得多。

图8.3图示了从基本开关T2流至基本开关T1的电流IT1的时序图。

图8.4图示了从基本开关T2流至电容器Cf的电流ICf的时序图。

图8.5图示了图4A中图示的转换器臂的输出电流Is的时序图。这最后三个时序图要与作为基本开关T1和基本开关T2的控制的时序图的图8.6和图8.7的时序图相比较。图8.3至图8.7的时序图具有相同时基。已经扩展图6.03、图6.04、图8.1、图8.2的时序图的时基以使得基本开关的开关时刻更明显。

图9.1图示了跨越连接在图4A中图示的转换器臂的输出处的负载10的端子的电压的时序图，在对电池Ce10的基本开关T1和T1’公共的节点S处实现输出。

图9.2图示了在连接在图4A中图示的转换器臂的输出处的负载10中流过的输出电流Is的时序图。

可注意到，图9.1中图示的电压以0V为中心，并且其振幅从-3000V到+3000V。七个电压电平清晰可见。电压通过1000V的梯级而变化。之前的表中提到的值全部为正，并且在这些幅值之间存在VDC/2的偏移。对于继而产生时序图的仿真，负载10的电阻等于10欧姆，电感等于300mH，从而导致对于有效值20A的最大电流30A。

参考图10，已经示出了变速驱动装置，其包括级联的转换器1和转换器2，转换器1作为本发明的主题，按照AC/DC整流器工作，转换器2作为本发明的主题，按照DC/AC逆变器工作，同时在其两者之间，在DC侧设置诸如储能器件的电压源3。整流器1用于连接在到可以认为是电流源的交流供电网Re的输入。逆变器2用于连接在到可以认为是诸如AC电机M的电流源的用户设备的输出。图10图示了两个转换器1和2为三相的示例。它们各自将包括三个臂，诸如图4A、图4B中表示的那些臂。

作为本发明的主题的多电平转换器比具有变压器的现有技术转换器紧凑且轻得多。安装和运输容易得多。可以在具有或不具有隔离变压器的情况下使用该多电平转换器。可以将该多电平转换器直接***到用于AC/DC整流器操作的交流网络中。通过将该多电平转换器与再生有源整流器相关联，该多电平转换器允许最小化电网的谐波污染并校正功率因数。作为本发明的主题的转换器无论作为逆变器还是整流器工作，都可与高达13.8kV的交流网络兼容。因此，使用电压电平匹配变压器(传统使用的解决方案)不是强制的。

无论异步或同步电机组是新的还是现有的，都可以使用作为本发明的主题的DC/AC逆变器，以对异步或同步电机组供电。

作为本发明的主题的转换器通过采用NPC和浮动电容器类型的电池以及电容电池而具有模块化结构。由此可知，维护费用减少并且可靠性良好。

负载的供电波形具有良好质量，并且电流源侧过压受限并且仅仅与链接线缆相关。

公共DC总线可以用于对作为本发明的主题的几个转换器供电。

作为本发明的主题的转换器的另一优点是，其不像在高压能源网络中的传输中使用的MMC(模块化多电平转换器)拓扑的转换器的情况那样具有低频工作限值。

Claims (13)

1.多电平转换器，包括一个或多个臂(B)，所述臂各自配置为连接在电压源(VDC)与电流源(I)之间，

其中，所述臂或每个臂包括级联连接的两级(E1、E2)，第一级(Et1)用于连接至所述电压源(VDC)，第二级(Et2)用于连接至所述电流源(I)，

其中，所述第一级(Et1)包括级联连接的等级为1至n(n大于1)的n个基本级(E11、…、E1n)，等级为1的基本级(E11)连接至第二级(Et2)，等级为n的基本级(E1n)用于连接至所述电压源(VDC)，其特征在于：

每个基本级(E11、E1n)包括串联连接的一对相同的NPC类型电池(Ce11、Ce12；Cen1、Cen2)，所述连接在等级为1的基本级(E1)中是直接的，对于等级为n(n大于1)的每个基本级，经由n-1个电容电池(Can(1)、Can(n-1))进行所述连接，所述第二级(Et2)包括浮动电容器类型的电池(Ce10)。

2.如权利要求1所述的多电平转换器，其中电容电池(Ca2(1))包括串联布置的两个储能器件(C3、C4)，这些储能器件具有同一个储能量。

3.如权利要求2所述的多电平转换器，其中，在基本级中，NPC类型电池(Ce21、Ce22)包括具有两个储能器件(C1、C2；C5、C6)的电容桥，其中所述两个储能器件具有同一个储能量，并且其中，此基本级的电容电池的每个储能器件具有与NPC类型电池的储能器件之一同一个储能量。

4.如权利要求3所述的多电平转换器，其中所述第一级(Et1)的所有储能器件(C1-C10)具有同一个储能量。

5.如权利要求1至4中的一项所述的多电平转换器，其中经由电感(Laux11)，将基本级(E12)的至少一个NPC类型电池(Ce21)连接至相邻基本级(E11)的NPC类型电池(Ce11)。

6.如权利要求1至5中的一项所述的多电平转换器，其中NPC类型电池包括串联布置的一组四个基本开关(K11、K12、K21、K22)，其中两个在末端位置并且其中两个在中间位置，其中不直接链接的在所述末端位置的基本开关(K11、K22)和在所述中间位置的基本开关(K21、K12)总是处于互补状态，其中一个被启用并且另一个被禁用，这两个基本开关(K11、K21；K12、K22)形成基本开关单元。

7.如权利要求6所述的多电平转换器，其中每个NPC类型电池(Ce21、Ce22)拥有将在所述电池的输入施加的电压与在所述电池的输出出现的电压相关的转换函数，并且所述电池的两个基本开关单元也拥有转换函数。

8.如权利要求7所述的多电平转换器，其中同一个基本级(E11)的NPC类型的电池(Ce21、Ce22)具有同一个转换函数。

9.如权利要求1至8中的一项所述的多电平转换器，其中浮动电容器类型的开关单元包括串联布置的一组四个基本开关(K110、K120、K210、K220)，其中两个在所述末端位置，其中两个在所述中间位置，并且其中，在所述末端位置的两个基本开关(K110、K220)总是处于互补状态，并且在所述中间位置的两个基本开关(K120、K210)总是处于互补状态，其中一个被启用，另一个被禁用。

10.如权利要求6至9中的一项所述的多电平转换器，其中在同一个基本级的两个NPC类型的电池(Ce21、Ce22)中，以相同方式控制相似的基本开关(T6u、T6I)。

11.如权利要求6至10中的一项所述的多电平转换器，其中所述基本开关(K11、K12)各自包括与反向并联连接的二极管(D11、D12)关联的可控电子电源开关(T11、T12)。

12.如权利要求2至11中的一项所述的多电平转换器，其中从电容器、电池和燃料电池之中选择储能器件(C1-C10、Cf)。

13.变速驱动装置，包括具有作为AC/DC整流器工作的如在前权利要求中的一项所述的转换器(1)和作为DC/AC逆变器工作的如在前权利要求中的一项所述的转换器(2)的级联，所述两个转换器在它们两端通过电压源(3)而连续链接在一起。