CN112930645A - 灵活高效的开关串转换器 - Google Patents

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Abstract

一种将AC或DC输入转换成电AC或DC输出的电转换器。一种具有可控电开关的交换电路，用于在输入端子和输出端子之间选择性地交换多个DC电源组(DCB)的连接，从而选择性地将这些DCB连接到电源或电气负载。这些DCB形成为一系列互连的子模块(SM)，每个SM具有一个或多个电能存储元件(ESE)和用于选择性地绕过或连接ESE的开关电路。ESE可以是电容器、电池、超级电容器或它们的组合。通过适当地控制交换电路和SM的开关，例如通过考虑所包含的电开关的停滞时间，转换器可用于DC‑AC、DC‑DC、AC‑DC或AC‑AC转换，从而允许多电平输出。在一些实施例中，这可以消除对展开转换器的需要，并且转换器提供相当简单和有效的拓扑，例如适合于将来自光伏元件的DC输入连接到AC电网。

Description

灵活高效的开关串转换器
技术领域
本发明涉及电力电气***领域，更具体地说，本发明提供了一种高效率的电转换器拓扑，例如用于来自光伏元件的电功率的DC到AC转换。该转换器拓扑易于与电能存储元件(如电池)集成。
背景技术
高效的电转换器例如对于将来自可再生能源(诸如光伏元件或风力涡轮发电机)的电力进行转换是重要的。此外，这种转换器应该是低成本、紧凑和重量轻的。
例如，将来自光伏元件的DC电压转换为用于施加到AC电网的AC电压通常需要多个转换级，因此通常导致复杂且庞大的设计。将DC输入电压转换为较高AC输出电压的功能通常使用两级转换来实现，其中DC-DC升压级之后是DC-AC转换。两级并网光伏(PV)逆变器(诸如串式和微型逆变器)可以被认为是这种结构的典型应用。
发明内容
因此，根据上述描述，本发明的目的是提供一种高效且紧凑且实现简单的电转换器。
在第一方面，本发明提供一种电转换器，其被布置成将输入端子的电AC或DC输入转换成输出端子的电AC或DC输出，
开关装置，包括多个可控电开关，用于在输入端子和多个DC电源组端子之间并且在输出端子和多个DC电源组端子之间建立可控电连接，
多个DC电源组，连接到各自的DC电源组端子，其中，多个DC电源组包括各自的多个串联互连的子模块，其中，每个子模块包括一个或多个电能存储元件和包括至少一个可控电开关的开关电路，该可控电开关用于选择性地绕过或连接该电能存储元件，以及
控制***，包括处理器，该处理器被配置为：
执行第一控制算法，第一控制算法用于控制该开关装置以交替方式在用于对多个DC电源组充电和放电的多个状态之间切换，其中，在第一状态下，该开关装置被控制为将输入端子连接到第一DC电源组端子，并且将第二DC电源组端子连接到输出端子，并且
其中，在第二状态下，该开关装置被控制为将输入端子连接到第二DC电源组端子，并且将第一DC电源组端子连接到输出端子，以及
执行第二控制算法，第二控制算法用于单独地控制多个DC电源组的子模块的开关电路，以选择性地单独地连接多个DC电源组中的一系列电能存储元件中的一个或多个。
基本上，所提出的电转换器基于两个关键部分：(i)两串或更多串电能存储元件(ESE)，即DC电源组(DCB)，以及(ii)开关电路，该开关电路可以单独地将这些DCB连接到转换器的输入或输出，其在下文中称为交换电路(SWC)。DCB是一串ESE，其确保转换器中的能量传输。每个组由多个被称为子模块(SM)的基本单元组成，每个子模块包括能量存储元件(ESE)，诸如电容器或电池或类似物，以及开关电路(SC)，开关电路允许ESE绕过或将ESE***该电路中。交换电路尤其可以是一组单刀双掷(SPDT)开关，每个DCB一个，但是应该理解，可以采用不同的拓扑来完成这一任务。
应当理解，如果优选的话，多个DCB可以连接到每个DCB端子。
转换器通过以下的方式将能量从输入传输到输出：首先(经由SWC)将并联的一个或多个DCB连接到输入、对ESE进行充电，然后将这些DCB连接到转换器的输出并对ESE进行放电。在基本形式下，转换器包括两个DCB，这两个DCB交替连接到输入和输出以对ESE进行充电并然后放电。这允许持续的能量从输入传输到输出。
这样的电转换器是有利的，因为它提供了高效率，而且，由于它由相当简单的部件形成，所以可以提供紧凑的设计。此外，由于可以接受宽的输入电压范围，该设计提供了高通用性。该拓扑还可以提供DC输出、双电平输出或多电平输出形式的输出电压，这仅取决于控制算法。AC到AC、或DC到AC、或AC到DC可以在没有附加的展开转换器的情况下实现。此外，该拓扑允许电气输入输出隔离，并且具有低EMI特性。特别地，开关装置可以包括开关，以提供正端子和中性/负端子的切换，因此输入端子和输出端子可以完全去耦。
此外，电转换器的一个重要特征是由于具有多个电能存储元件的子模块而直接集成能量存储。电能存储元件可以实现为诸如转换器结构中的电池单元或模块、超电容器(超级电容器)等。储能产业正以极快的速度增长，并且与风能和太阳能等可再生能源相关的储能产业正变得越来越受欢迎，以补偿可再生能源的波动的发电分布。迅速增长的电动车辆(EV)市场是储能行业的另一个重要驱动力。
考虑到电池通常需要它们自己的充电/放电电力电子转换器，根据本发明的电转换器提供了这些转换器/电池的有效集成，因此提供了改进的效率和较低的成本，诸如对于现有的可再生或EV驱动转换器。
在下文中，将描述优选特征和实施例。
其中，第二控制算法可以被布置成用于控制子模块的开关电路，以选择性地(例如交替地)将多个DC电源组中的一系列一个或多个电能存储元件连接，以用于提供来自多个DC电源组的多电平电压输出。
电转换器可以包括连接到输出端子的展开转换器，以响应于在输出端子处产生的电压而产生正弦电输出。
第一和第二控制算法优选地布置成响应于输入端子处的电压来控制切换操作。控制算法优选地以更多的输入电压操作，输入电压例如是参考电压或参考电压值、以及与子模块的ESE相关联的电压、还以及输出端子处的电压。特别地，第二控制算法优选地布置成响应于储存在各个ESE中的能量的测量来控制子模块的开关电路的切换操作。特别地，储存在各个电能存储元件中的能量的测量优选地基于跨各个ESE的测量电压。
第二控制算法可以被布置成响应于存储在各个ESE中的能量的测量来调节子模块的开关电路的切换操作，以便平衡由于各个ESE的容差引起的老化和/或变化。可以是为了平衡每个子模块内或DCB的子模块之间ESE的老化，或平衡所有DCB的老化。
第二控制算法可以被布置为在向输出端子放电时控制子模块的开关电路的切换操作，以便逐步增加或降低输出端子的电压，从而在输出端子产生多电平输出电压。特别地，这可以与SM中的例如全桥开关拓扑组合，例如利用输出端子处包含电感器的滤波器，以允许消除展开转换器以产生用于许多AC负载的足够的AC电压。
在一些实施例中，多个DCB中的至少一个DCB的每个子模块，例如转换器的所有DCB，包括用于以全桥拓扑连接电能存储元件的开关电路。可替换地或附加地，该开关电路可以被配置为以半桥拓扑连接电能存储元件。
特别地，多个DCB的所有子模块优选地可以具有相同的拓扑。
电转换器可以包括至少3个DCB，例如3～100个DCB，例如3～50个DCB，例如10～50个DCB。DCB被连接到各自的DCB端子。
至少一个DCB的至少一个SM(例如所有SM)的ESE可以包括电容器。特别地，至少一个DCB的SM的ESE可以包括电容器。至少一个DCB中的至少一个SM的ESE可以包括电池，特别是可再充电类型的电池。
至少一个DCB中的至少一个SM的ESE可以包括燃料电池。
应当理解，DCB可以由SM形成，该SM由不同类型的ESE组成，这些DCB例如是基于电容器的一个或多个DCB和基于电池的另外的一个或多个DCB的混合物，而其他DCB可以由燃料电池形成。因此，该转换器拓扑适合与各种形式的ESE集成。特别地，DCB中的一个可以包括电能存储元件，该电能存储元件包括电容器，并且第一DC电源组的至少一个子模块包括电能存储元件，该电能存储元件包括电池。
每个DCB可以包括至少32个SM，例如3～100个SM，例如3～50个SM，例如3～20个SM，例如3～10个SM，例如3～16个SM。
每个ESE可以具有1～400V，例如20～400V、例如50～400V、例如1～100V、例如10～100V、例如20～50V的电压范围。
每个DCB可以被控制以提供2～100个不同的输出电压电平，例如5～16个不同的输出电压电平，即通过每个SM的一个或多个ESE的选择性串联连接实现。可替换地，每个DCB可以被控制以提供固定或基本固定的输出电压电平，例如，以在输出端子产生稳定的DC电压为目的。
电转换器可以被布置成将DC输入转换成AC输出，将DC输入转换成DC输出，将AC输入转换成DC输出，或将AC输入转换成AC输出。
开关装置可以在0.1Hz至10kHz的开关频率下操作，更优选地，例如0.1Hz至3kHz，例如10Hz至500Hz，例如50Hz至200Hz。应当理解，开关频率优选地根据DCB中的ESE的充放电定时来设计或改变。SM的开关电路尤其可以在0.1Hz至20kHz的开关频率下操作。实际开关频率取决于本领域技术人员已知的多个参数。
在一些实施例中，该电转换器包括至少四个DCB，并且其中，该电转换器被配置为用于三相电转换，即包括三个输出端子。
电转换器可以包括一个或多个电感器，该电感器用作在输入和/或输出处和/或在两个DCB之间(例如在电源和输入端子之间和/或在输出端子以及例如电网的电气负载之间)的电滤波器部件。
应当被理解，电转换器被定制为用于多种应用，例如用于微转换器应用，例如用于装配多个光伏元件的串联和/或并联连接，或用于更大的电源。特别地，电转换器被定制为成输出至少10W的电功率，例如至少100W，例如至少500W，例如至少1kW，例如至少50kW。
在优选实施例中，第一控制算法包含最大功率点(MPP)跟踪算法，该算法用于操作开关装置以从连接到输入端子的电源获得最佳电力。
SWC的可控电开关可以是四象限开关，例如本领域已知的。
特别地，可控电开关可包括以下中的一项或多项：绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块、MOSFET、GTO、IGCT，和/或包括基于碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)技术的电力电子开关。
电转换器可以包括多个输出端子，例如用于单独的电气负载的单独的输出端子。
在第一控制算法的优选实施例中，切换序列包括用于考虑开关装置的多个可控电开关的停滞时间的子序列，即在断开一个可控电开关和接通另一个可控电开关之间的必要时间。在停滞时间内，两个开关均断开。停滞时间实际上是针对开关的逻辑控制信号给出的，并且必须同时考虑栅极电路特性(驱动器和其他延迟、栅极信号上升时间等)以及半导体开关的和负载的特性，以便确保一个开关在另一个开始导通之前完全断开。
优选地，第一控制算法和开关电路还被设计成在可控电开关的停滞时间期间确保输入端子和输出端子的电流路径(或续流)。因此，优选地，第一控制算法的开关(或交换切换序列)考虑到停滞时间，以避免电路端之间的直通或短路，同时确保来自输入端子和输出端子的两个电流的续流路径。
在优选实施例中，该方法利用了单独控制双向开关内的半导体器件的可能性，其中每个双向开关可以例如由面对面连接的两个MOSFET构成。每个双向开关可以采取4种不同的状态：全导通(双向)、全阻断(双向)、两个单向导通(单向导通，阻断另一个或者反之亦然)。
最优选的交换切换序列将确保在交换过程中每个双向开关处于正确的状态，以便考虑到停滞时间以及确保满足如上所述对输入端子和输出端子的电流路径的要求。
在优选实施例中，多个可控电开关包括：
第一可控双向开关，用于在输入端子和第一DC电源组之间建立可控电连接，
第二可控双向开关，用于在输出端子和第一DC电源组之间建立可控电连接，
第三可控双向开关，用于在输入端子和第二DC电源组之间建立可控电连接，以及
第四可控双向开关，用于在输出端子和第二DC电源组之间建立可控电连接。
特别地，每个上述可控双向开关可以包括第一和第二可控电开关的串联连接。特别地，第一和第二可控电开关中的每个由相应的第一二极管和第二二极管分流，其中，第一二极管和第二二极管被连接以在相反的方向上传导电流。这些二极管用于在切换序列的停滞时间期间确保电流路径。在MOSFET开关的情况下，二极管是半导体开关(体二极管)的一部分。在优选实施方式中，第一和第二可控电开关分别由具有相反极性(即面对面安装)的半导体开关(例如MOSFET开关)实施。在优选实施例中，第一控制算法包含切换序列，该切换序列包括用于切换双向开关中的每一个的四个状态，以用于在第一和第二状态之间切换，切换序列包含切换序列中的停滞时间。特别地，第一控制算法和开关电路可以被设计成在可控电开关的停滞时间期间确保输入端子和输出端子两者的电流路径。
在第二方面，本发明提供了一种包括根据第一方面的电转换器的电力电气***。特别地，电力电气***可以包括连接到电转换器的输入端子的光伏源，并且其中，输出端子被连接以将电力施加到AC电网。
可替换地，这种***可以包括一个或多个可连接到输入端子的其它电源。特别地，该电转换器适用于从诸如可持续能源和电池等多种不同类型的电源转换电力。
该***可以包括根据第一方面的多个级联(cascaded)的电转换器。
在第三方面，本发明提供了一种用于将电AC或DC输入转换为电AC或DC输出的方法，该方法包括：
提供包括各自的多个串联互连子模块的多个DC电源组，其中，每个子模块包括电能存储元件和用于选择性地绕过或连接电能存储元件的可控开关电路，
通过利用第一控制算法控制可控开关装置，以交替的方式对多个DC电源组进行充电和放电，以及
通过根据第二控制算法操作可控开关电路，选择性地单独连接DC电源组中的一系列一个或多个电能存储元件。
在第四方面，本发明提供了根据第一方面用于DC到AC转换、用于DC到DC转换、用于AC到DC转换或用于AC到AC转换的电转换器的用途。
在第五方面，本发明提供了根据第一方面的电转换器的用途，其用于从电源转换电能，该电源是光伏元件、风力涡轮发电机、波形发电机、电池、燃料电池、内燃机发电机或电网等之一。
应当理解，如针对第一方面所描述的，相同的优点和优选的实施例和特征适用于所有提到的方面，并且这些方面可以以任何方式混合。
附图说明
现在将结合附图更详细地描述本发明，其中
图1示出了具有两个DC电源组(DCB)的实施例的基本元件，
图2示出了两个DCB之间的交换，
图3示出了不同子模块拓扑，
图4和图5示出了交换电路拓扑，
图6和图7示出了可控开关元件的示例，
图8和图9示出了DCB的充放电的示例，
图10至图13示出了各种转换器实施例拓扑，
图14示出了转换器的级联，
图15示出了多输出实施例，
图16至图18示出了转换器控制，
图19示出了用于从源发电的最优控制的最大功率点(MPP)跟踪，
图20示出了具有输出滤波器的实施例，
图21示出了300W DC-AC转换器的模拟结果，
图22示出了方法实施例的步骤，
图23示出了具有双向开关的实施例，
图24示出了用于图23的双向开关的切换序列的优选示例，
图25、图26a、图26b以及图26c示出了如图23所示具有两个电源组和四个双向开关的转换器的完整切换序列流程图的示例。
附图示出了实现本发明的特定方式，并且不应被解释为限制在所附的权利要求设定的范围内的其他可能实施例。
具体实施方式
图1示出了具有两个DC电源组(DCB)DCB1、DCB2的电转换器实施例。转换器被布置成将输入端子T_I处的电AC或DC输入转换成输出端子T_O处的电AC或DC输出。具有多个可控电开关的开关装置SWC或交换电路，可控电开关由第一控制算法C1控制。交换电路SWC被控制以交替的方式在输入端子T_I和输出端子T_O与两个DCB1、DCB2之间建立电连接，使得DCB1在一个时间段内通过到输入端子T_I的连接而充电、而在另一个时间段内通过到输出端子T_O的连接而放电。这同样适用于DCB2，DCB2以与DCB1相反的时间间隔连接以进行充电和放电。这可以利用相当简单的交换电路SWC来实现，该交换电路SWC只需有很少的可控电开关。
这些DCB，即DCB1、DCB2，各自包括相应的多个串联互连的子模块(SM)SM1、SM2、SM3。每个SM，即SM1、SM2、SM3包括：一个或多个电能存储元件ESE，例如，电容器或电池或它们的组合；以及开关电路，其包括至少一个可控电开关以用于选择性地将ESE绕过或连接。DCB1、DCB2的多个SM(即SM1、SM2、SM3)的切换功能由第二控制算法C2控制。因此，可以控制每个DCB(即DCB1、DCB2)，以用于在通过多个SM的适当串联对ESE放电时产生固定目标电压，或者可替代地，可以控制多个SM(即SM1、SM2、SM3)以提供多电平放电。这同样适用于充电过程。
用于实现第一控制算法C1和第二控制算法C2的控制***可以包括用于实现这两个控制算法C1、C2的单个处理器，然而，如果优选的话，可以使用两个单独的处理器。
电转换器可以用作DC-AC或AC-DC或DC-DC或AC-AC转换器。将理解的是，电转换器可以通过多种技术形成。在优选版本中，转换器CNV1、CNV2包括用于控制多个电开关(例如IGBT)的切换的控制电路。
图2a和图2b例如针对图1的实施例示出了交换电路SWC的功能。在图2a中，交换电路SWC处于一种状态：其中两个双向开关将输入端子Vi+连接到DCB1以用于从连接到Vi+的电源充电，而DCB2连接到输出端子Vo+以用于放电。在图2b中，交换电路将DCB1连接到输出端子Vo+以用于放电，而将DCB2连接到输入端子Vi+以用于充电。优选地，可以响应于多个DCB(即DCB1、DCB2)中的ESE的感测电压来控制在两个状态之间的切换。特别地，两个DCB(即DCB1、DCB2)可以是相同的，然而它们可以是不同的。
图2c示出了在单输入单输出的情况下，通过每个DCB的两个单刀双掷(SPDT)开关SPDT1、SPDT2来实现交换电路SWC的替代方式。
图3a至图3e示出了具有开关电路SC和ESE的一个SM的可能实现方式。SM具有开关电路SC的目的是在电路中***或绕过ESE。如图3a-图3e所示，可以采用不同的可能实现方式。也可以使用全桥电路，在全桥电路中例如使用多个MOSFET，SM的输出可以是0或±ESE电压。这样允许直接在输出中实现AC电压，而不需要额外的级。通过使低电压、低电阻MOSFET的选择成为可能，每个MOSFET必须仅阻断标称ESE电压、而不是输出电压和输入电压之和。然而，MOSFET必须能够处理流经转换器的最大电流。另一种可能是采用半桥电路。这种情况下，SM的输出只能为0或+VESE，并且每个MOSFET必须阻断标称ESE电压。利用这种解决方案，转换器输出只能产生DC电压。
图4a至图4d示出了在具有单输入单输出并具有两个DCB、以及使用SPDT开关的转换器的情况下的交换电路的不同实现方式。在图4a中，DCB1连接到输入、而DCB2连接到输出，而在图4b中，这两个DCB的连接交换。图4c和图4d示出了针对交换电路的通/断开关的使用。
图5a至图5f示出了为转换器提供用于实现不同数量的输入和输出的不同交换电路的概念图。图5a示出了通过使用SPDT开关实现一个输入到一个输出的实现方式，而图5b示出了使用理想通/断开关的实现方式。图5c示出了针对多输入-多输出***的扩展，这里多输入-多输出示出为两个输入和两个输出。如图5d、图5e和图5f所示，在输入输出为独立的情况下，可以在底部增加另一个交换电路。
DCB通常具有串联连接的数个(即3-20个)SM。SM的数量(N)可以基于应用需求来选择。选择N的示例给出为：
Figure BDA0003044828010000101
这里，Vout,max和Vout,min分别是输出电压范围的最大值和最小值，Vin,max和Vin,min分别是输入电压范围的最大值和最小值。这里给出了SM的两个主要元件(切换网络和ESE)的一些可能的实现。如前所述，为了确保持续的能量传输，需要至少两个DC组。然而，可以根据应用要求等相对自由地选择DC组的数量。例如，通过使用适当数量的DC组，可以实现三相输出电压。在这种情况下，4个DCB可以确保持续的能量传输——在任何给定时间，一个DC组连接到输入、而三个DC组连接到输出。
以模拟方式，多相输出是可能的，并且如果所需数量的DCB可用，则可以创建多输入和/或多输出配置。这当然要求针对具体情况采用交换电路。例如，如图5d、图5e和图5f所示，如果输入/输出需要具有独立的中性点，则在DCB的顶部和底部都需要交换电路。
图6示出了通过反串联两个MOSFET的所谓四象限开关的可能实现方式。如本领域已知的，四象限开关可以在多个其它变型中实现。这种开关类型可以用在交换电路以及SM的开关电路中。
图7示出了在两个DCB的情况下可能的单输入单输出交换电路的实现方式。
在图8a中，SM1的ESE被充电，而SM2和SMN的开关提供了旁路。在图8b中，SM2的ESE被充电，而在图8c中，SMN的ESE被充电。
充电过程是通过连接到转换器输入端子对DCB进行充电的过程。充电过程受输入电压电平、DCB内SM的数量、输入类型(即电流或电压源)、ESE的类型、升压或降压功能等的影响。
图8a至图8c示出了SM(即SM1、SM2、SMN)的顺序充电过程，每个SM(即SM1、SM2、SMN)均包括电容器形式的ESE，并且处于输入电压为DC且转换器处于升压模式的情况下。在这种情况下，电容器按子组(可以是从该串中的一个到N个电容器)顺序地连接到输入，以将电容器充电到期望值。在给定时间连接到输入的ESE的数量取决于输入电压与平均ESE电压之间的关系、以及需要执行的功能(例如升压或降压)。
这导致最大升压比为N，即Vout max＝Vin*N。如果所需的输出电压低于输入电压，则可以修改充电程序。例如，通过实现等于VDC/N的电容器电压，可以使所有电容器在充电时间期间串联连接。通过在输出***较少的电容器，可以实现较低的电压。这种情况下的最大降压比为1/N，即Vout min＝Vin/N。当所有ESE充电到期望值时，DCB可以连接到输出以进行放电。为了平衡DCB内ESE的电压，实施了如在MMC中使用的平衡技术。
图9a至图9e示出了通过改变串联连接的ESE的数量来产生各种输出电压电平的可能放电过程，如图9a至图9d所示，从产生零输出电压Vo的纯短路开始，同时连续串联更多的SM以提供更高的输出电压电平Vo。结果如图9e所示，输出电压Vo作为时间函数逐步增加。
对于AC输出，可以采用众所周知的最近电平控制(NLC)或移相载波PWM(PSC-PWM)来提供实现正确输出电压所需的SM数量。这些所需的SM的选择根据电容器电压来执行，以便平衡电容器电压。为了这个目的，可以采用分类算法，并且在电流为负时(电容器放电时)可以***电压最高的SM。当电流为正时(电容器从电网充电时)***电压最低的SM。
如果需要DC电压，则必须采用不同的调制技术。优选地，无论如何都要确保ESE电压的平衡。
该转换器拓扑允许集成不同的ESE，例如电池和超级电容器等。在这种情况下，这个新元件取代了一个或多个SM中的电容器。只需考虑ESE的管理***。在充电期间，只要ESE的DCB处于充电模式，ESE就可以永久连接到输入。当DCB交换到输出时，例如当另一个DCB的电容器电压达到了较低阈值时，该ESE可以被绕过以避免放电。以这种方式，能量元件就被充电。当能量元件必须放电时，不是将它们连接到输入，而是将它们连接到输出。
图10示出了具有两个DCB的单输入单输出双向DC-AC或AC-AC实施例，每个DCB具有N个SM，每个SM具有一个ESE。SM基于全桥开关电路。
图11示出了具有使用半桥开关的多个SM和展开转换器的DC-AC实施例，该展开转换器连接在交换电路的输出处。当例如采用半桥拓扑作为SM开关电路并且需要AC输出时，展开转换器可用于提供正弦输出。该转换器仅需在输出电压基频处切换，然而，PWM操作也是可能的。
图12示出了基于半桥SM的DC-DC实施例。
图13示出了这样的实施例，其中一个或多个SM的ESE是电容器C与电池或超级电容器B的组合。这允许转换器与电能的电池存储集成。
图14示出了具有K个微转换器的级联的实施例，每个微转换器如右侧所示针对MC1实施，即具有两个DCB，每个DCB具有N个SM，每个SM具有一个ESE。
图15示出了具有一个输入和M个输出的交换电路SWC的实施例。该交换电路用于选择性地将各自具有N个SM的M个DCB进行连接，每个SM具有一个ESE。
与一般的电力电子转换器类似，根据应用要求，需要控制***来确保正确操作，即需要控制***来生成针对交换电路的栅极控制信号gSWC和针对SM中的开关电路的栅极控制信号gSC。在图16a和图16b中示出了简化控制***的示例，该示例针对于具有两个DCB(DCB各自具有N个SM)的单输入单输出实施例的情况。针对所提出的转换器概念的控制***的主要部分可概括为：
能量平衡/平均ESE电压控制。该控制环路的作用与经典背靠背或双级转换器中的DC链路电压控制基本相同。
输出电流控制——取决于负载类型，例如，负载是DC还是AC，或者转换器是电网供电。
调制策略-DCB以及交换电路的充放电过程。
转换器的特点之一是DCB之间的功率去耦。这允许独立控制DC组，并且简化了整体控制结构。
特别地，检测了跨每个ESE两端的电压，其表示为VESEN-N，并且它与参考电压Vref、以及输出电流io和输出电压VO一起作为输入提供。
控制***的目标是提供能量平衡，以保持ESE的能量水平在参考水平。在ESE基于电容器的情况下，电容器中的储能的量与电容器的电压成正比。因此，控制电容器的电压电平VESEN-N也就控制了电容器的能量水平。测量电容器电压，并且通过考虑两个组来得到平均电压。
图17示出了用于实现图16的平均电压控制部分的可能方法。能量平衡控制的目标是将ESE的能量水平维持在参考水平。在ESE为电容器的基本形式的情况下，电容器中的储能的量与ESE的电压成正比。因此，控制ESE的电压水平也就控制了ESE的能量水平。测量电容器电压，并且通过考虑两个组来得到平均电压。平均电压控制可以以不同的方式实现。测量各DC组的电容器电压，对这些电容器电压进行求和并且除以SM的数量(N)。之后，对每个组应用移动平均滤波器，将所有结果相加并除以组的数量(在本例中仅采用2个组)。结果是所有组的电容器电压的平均值，其与转换器中存储的能量成正比。然后，通过采用经典的PI控制器计算输出电流参考，经由输出电流(在考虑的示例中是注入电网的电流)来控制平均电压。
图18示出了用于图16中所呈现的用于控制输出电流控制部分的可能方法。该示例是经典的输出电流控制，并且给出了连接到输出的DCB的参考电压。实现的电压参考作为调制技术的输入，以生成用于开关的栅极信号gSWC和gSC。
图19示出了具有MPP跟踪示例的电流在纵轴并且电压在水平轴的曲线图，其中Pmp是在MPP处实现的最大功率。MPPT算法可以采用输入的固有变化(由电容器电压变化给出)，以便跟踪MPP电压。阈值可以设置为例如等于MPP电压的±3％或更小，换言之，阈值几乎等于当应用扰动和观察方法时的经典输入电压变化。
图20示出了具有包括电感Lf的输出滤波器的实施例，电感器Lf可以用于限制电压和电流两者的谐波。电感器Lg和电阻Rg表示电网的电感和电阻。例如，在转换器连接到电网的情况下，必须遵守电网要求。由于多电平输出电压的谐波含量降低，因此与经典的两电平逆变器相比，电网滤波器可以减小。此外，当连接到输入的DCB的ESE改变时，可以采用输入滤波器对输入电流进行滤波。作为示例，在输入源和ESE都是电压源的情况下，例如电池或电容器输入以及电容器ESE，则在电流路径上可能需要电感器以对ESE充电。
图21示出了具有300W的PV输入源并且转换器输出连接到单相230V、50Hz电网的转换器实施例的模拟结果。模拟的转换器有2个DCB，每个DCB具有16个SM。ESE为电容器并且SM开关电路基于全桥拓扑。为了提高输出电流的THD，采用了包括5mH电感器的输出滤波器。标称MPP电压Vmp已被设为33.7V。用于电压控制的容差带已被设为Vmp的±3％。上部的曲线图表明了输出电流和输出电压，而两个下部的曲线图表明了第一DCB和第二DCB的电容器电压与参考电压(即Vmp)、以及上阈值和下阈值。可以看出，输出电流与期望的正弦输出电流密切相关。此外，可以看到所采用的控制的行为。当第一个DCB连接到输入时，电容器电压增加。同时，另一个DCB的电容器电压下降，这是因为DCB的电容器向输出输送能量。一旦电容器电压达到上阈值或下阈值就执行交换，并且DCB被交换。
图22示出了通过提供(P_PB1_PB2)多个DC电源组来将电输入转换为电输出的方法的实施例的步骤，多个DC电源组包括相应的多个串联互连的SM，其中，每个SM包括电能存储元件和用于将电能存储元件选择性地绕过或连接的可控开关电路。该方法包括通过利用第一控制算法控制可控开关装置，以交替的方式对多个DC电源组进行充电(CH_DCH)和放电。此外，该方法包括通过根据第二控制算法操作可控开关电路，来选择性地将DC电源组中的一系列的一个或多个电能存储元件单独地连接(SC_SM)。
该转换器可以有效地应用于光伏(PV)***。一个或多个串可以在输入端子处连接，并且可以在输出端子实现AC电压。由于提供多电平输出的可能性，电网滤波器可以减少，并且光伏***可以通过转换器直接连接到电网。在这种情况下，用于控制的参考电压等于由最大功率点***(MPPT)评估的最大功率点(MPP)电压。
典型的应用可能需要从连续到交替的转换，同时还需要电压升压。于是，通过避免使用DC/DC转换器加逆变器，该转换器可以被采用为DC/AC升压转换器，以实现正确的升压和AC输出电压。
拓扑的变化允许将ESE集成在转换器中，就像电池一样。在光伏转换器中集成电池是有利的，因为集成电池允许在产量高于消耗时存储多余的能量，并且在另一种情况下提供能量。这可以在其中SM中的一个或多个ESE电容器被电池单元、电池组或超级电容器替换的实施例中获得。为了跟踪MPP，当电池集成在转换器中时，优选应用控制中的一些变化。首先，电池电压不像电容器那样变化，这使得MPP的跟踪变得困难。克服这一问题的一种可能性是与电池串联一个电容器，该电容器将处理电池电压和MPP电压之间的电压差。电池集成的另一种可能性是图14所示的级联混合微转换器。在这种情况下，可以将一个或多个并联的PV面板连接到微转换器的输入。这种拓扑允许更容易的集成，例如，将转换器安装在PV面板背面、本地MPPT和颗粒电池集成。然而，该解决方案优选地包括全局控制器，以便同步所有微转换器并且实现期望的输出电压、所需的输出电流以及对电池的正确能量管理。
在下文中，将描述关于第一算法的切换序列的实现的细节，即考虑到切换序列中的停滞时间的切换序列。
图23示出了具有四个可控双向开关SW1_A、SW1_B、SW2_A、SW2_B的开关电路的优选实施方式，该可控双向开关被设置成在两个电源组端子DCB1+、DCB2+之间提供输入端子Vi+和输出端子Vo+的切换。第一双向开关SW1_A用于输入端子Vi+和第一DC电源组DCB1+的可控连接。第二双向开关SW1_B用于在输出端子和第一DC电源组DCB1+之间建立可控电连接。第三双向开关SW2_A用于输入端子Vi+和第二DC电源组DCB2+之间的可控连接。最后，第四双向开关SW2_B用于输出端子Vo+和第二DC电源组之间的可控连接。在具体示例中，每个双向开关由面对面安装的MOSFET开关实现，该MOSFET开关包括分流开关的二极管。
用于控制操作双向开关SW1_A、SW1_B、SW2_A、SW2_B的切换序列的优选控制算法用于考虑开关的停滞时间，即从接通到断开或从断开到接通的切换持续时间。双向SW1_A、SW1_B、SW2_A、SW2_B中的每个具有四种状态。例如，关于SW1_A具有以下状态：
1)SW1_A1＝导通，SW1_A2＝导通，双向导通，赋值：2。
2)SW1_A1＝导通，SW1_A2＝断开，Vi+向DCB1+导通，赋值：1。
3)SW1_A1＝断开，SW1_A2＝导通，DCB1+向Vi+导通，赋值：-1。
4)SW1_A1＝断开，SW1_A2＝断开，无导通，赋值：0。
同样的原理也适用于其他三个双向开关SW1_B、SW2_A、SW2_B。
图24示出了在输入端子Vi+处的电压低于输出端子Vo+处的电压、并且输出的电流高于零的情况下的优选切换序列。在图24中，时间在水平轴上并且电压在纵轴上表示，停滞时间dt是表示在垂直的虚线之间的时间。利用这种切换方案，可以确保输入端子Vi+和输出端子Vo+始终具有续流电流路径。
图25、图26a、图26b、图26c示出了图23的开关电路的所有可能的操作情况或状态的完整流程图。
图25表明了算法的初始部分，其中识别以下情况A、B、C，每个情况都用单独的子序列处理：
状态A：输入Vi+的电压高于输出Vo+的电压，输出的电流为负，并且输入的电流为正。
状态B：输入Vi+的电压低于输出Vo+的电压，输入和输出的电流均为正。
状态C：输入Vi+的电压高于输出Vo+的电压，输入和输出的电流均为正。
图26a、图26b、图26c示出了用于情况A、B和C的各自子序列。对于双向开关SW1_A、SW1_B、SW2_A、SW2_B中的每一个，赋值(-1、0、1和2)如上结合图23所解释。情况A、B、C应用于操作中的逆变器。如果要提供无功功率，将需要增加更多的情况，但不会比目前的情况更复杂。“SW_SEL”表示交换请求信号的状态，即DCB1是否连接到输入，DCB2是否连接到输出，或者反之亦然。“重新配置”表示重新配置DC电源组，使DC电压组的电压与它即将连接的输入端子或输出端子匹配。
所示的流程图总体上表明了整个序列，然而，如果优选的话，可以优化设计并且消除一些中间状态。
上述用于切换序列的控制算法的原理可以使用诸如复杂可编程逻辑器件(CPLD)等来实现。
综上所述：本发明提供了一种用于将AC或DC输入转换成电AC或DC输出的电转换器。一种具有可控电开关的交换电路，用于在输入端子和输出端子之间选择性地交换多个DC电源组(DCB)的连接，从而选择性地将这些DC电源组连接到电源或电气负载。DCB形成为一系列互连的子模块(SM)，每个子模块具有一个或多个电能存储元件(ESE)和用于选择性地绕过或连接ESE的开关电路。ESE可以是电容器、电池、超级电容器或它们的组合。通过例如考虑所涉及的电开关的停滞时间而适当控制交换电路和SM的切换，转换器可以用于DC-AC、DC-DC、AC-DC或AC-AC转换，从而允许多电平输出。在一些实施例中，可以消除对展开转换器的需要，并且转换器提供相当简单和有效的拓扑，例如适合于将来自光伏元件的DC输入连接到AC电网。
尽管已经结合特定实施例描述了本发明，但不应将其解释为以任何方式限制于所呈现的示例。本发明的范围将根据设定所附权利要求来解释。在权利要求的上下文中，术语“包括”或“包含”不排除其他可能的元件或步骤。此外，提及诸如“一”或“一个”等的提述不应被解释为排除了多个。在权利要求中关于附图中所示元件的参考标记的使用也不应被解释为限制本发明的范围。此外，在不同权利要求中提及的各个特征可以有利地组合，并且在不同权利要求书中提及这些特征并不排除特征的组合是不可能的以及有利的。

Claims (42)

1.一种电转换器，被布置成将输入端子处的电AC或DC输入转换成输出端子处的电AC或DC输出，
开关装置，包括多个可控电开关，用于在所述输入端子和多个DC电源组端子之间、以及在所述输出端子和所述多个DC电源组端子之间建立可控电连接，
多个DC电源组，连接到各自的DC电源组端子，其中，多个所述DC电源组包括各自的多个串联互连的子模块，其中，每个子模块包括一个或多个电能存储元件和包括至少一个可控电开关的开关电路，所述可控电开关用于将所述电能存储元件选择性地绕过或连接，以及
控制***，包括处理器，所述处理器被配置成：
执行第一控制算法，所述第一控制算法用于控制所述开关装置以交替方式在用于对多个所述DC电源组充电和放电的多个状态之间切换，其中，在第一状态下，所述开关装置被控制以将所述输入端子连接到第一DC电源组端子，并且将第二DC电源组端子连接到所述输出端子，并且
其中，在第二状态下，所述开关装置被控制以将所述输入端子连接到所述第二DC电源组端子，并将所述第一DC电源组端子连接到所述输出端子，以及
执行第二控制算法，所述第二控制算法用于单独地控制多个所述DC电源组的所述子模块的所述开关电路，以选择性地将多个所述DC电源组中的一系列的一个或多个所述电能存储元件单独地连接。
2.根据权利要求1所述的电转换器，其中，所述第二控制算法被布置成用于控制所述子模块的所述开关电路，以选择性地连接多个所述DC电源组中的一系列的一个或多个所述电能存储元件，以提供来自多个所述DC电源组的多电平电压输出。
3.根据权利要求1或2所述的电转换器，包括连接到所述输出端子的展开转换器，以响应于所述输出端子处生成的电压而生成正弦电输出。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述第一控制算法和所述第二控制算法被布置成响应于所述输入端子处的电压来控制切换操作。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述第二控制算法被布置成：响应于存储在各个所述电能存储元件中的能量的测量来控制所述子模块的所述开关电路的切换操作。
6.根据权利要求5所述的电转换器，其中，存储在各个所述电能存储元件中的能量的所述测量基于跨各个所述电能存储元件的测量电压。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述第二控制算法被布置成：响应于存储在各个所述电能存储元件中的能量的测量来调节所述子模块的所述开关电路的切换操作，从而平衡由于所述电能存储元件的容差引起的老化和/或变化。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述第二控制算法被布置成在向所述输出端子放电时控制所述子模块的所述开关电路的切换操作，以便逐步增加或降低所述输出端子处的电压。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，多个所述DC电源组中的至少一个中的每个子模块包括用于以全桥拓扑连接所述电能存储元件的开关电路。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，多个所述DC电源组中的至少一个中的每个子模块包括用于以半桥拓扑连接所述电能存储元件的开关电路。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，多个所述DC电源组的所有子模块具有相同的拓扑。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，包括至少三个DC电源组，例如3～100个DC电源组，例如3～50个DC电源组，例如10～50个DC电源组。
13.根据前述权利要求中任一项所述电转换器，其中，至少一个所述DC电源组中的至少一个子模块的所述电能存储元件包括电容器。
14.根据权利要求13所述的电转换器，其中，至少一个所述DC电源组中的每个子模块的所述电能存储元件包括电容器。
15.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，至少一个所述DC电源组中的至少一个子模块的所述电能存储元件包括电池。
16.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，第一DC电源组中的至少一个子模块的所述电能存储元件包括燃料电池。
17.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，至少一个所述DC电源组中的至少一个子模块包括包含电容器的电能存储元件，并且第一DC电源组中的至少一个子模块包括包含电池的电能存储元件。
18.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述DC电源组各自包括至少三个子模块，例如3～100个子模块，例如3～50个子模块，例如3～20个子模块，例如3～10个子模块。
19.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述电能存储元件各自具有1～400V内的电压，例如10～100V、例如20～50V内的电压。
20.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述DC电源组各自被控制以提供5至16个不同的输出电压电平。
21.根据权利要求1至19中任一项所述的电转换器，其中，所述DC电源组各自被控制以提供固定或基本固定的输出电压电平。
22.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，所述电转换器被布置成：将DC输入转换成AC输出、将DC输入转换成DC输出、将AC输入转换成DC输出、或将AC输入转换成AC输出。
23.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述开关装置以0.1Hz至10kHz的开关频率操作，例如以0.1Hz至3kHz、例如以10Hz至500Hz、例如以50Hz至200Hz的开关频率操作。
24.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述子模块的所述开关电路以0.1Hz至20kHz的开关频率操作。
25.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，包括至少四个DC电源组，并且其中，所述电转换器被配置成用于三相电转换。
26.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，包括在输入和/或输出处和/或在两个DC电源组之间用作电滤波器部件的电感器。
27.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，被定制成输出至少10W、例如至少100W、例如至少500W、例如至少1KW、例如至少50KW的电功率。
28.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述第一控制算法包括最大功率点跟踪算法，所述最大功率点跟踪算法用于操作所述开关装置以从连接到所述输入端子的电源获得最佳电功率。
29.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述开关装置的所述可控电开关是四象限开关。
30.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，包括多个输出端子。
31.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述第一控制算法提供包括子序列的切换序列，所述子序列用于考虑所述开关装置的多个所述可控电开关的停滞时间。
32.根据权利要求31所述的电转换器，其中，所述第一控制算法和所述开关电路被设计成在所述可控电开关的停滞时间期间确保所述输入端子和所述输出端子的电流路径。
33.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，多个所述可控电开关包括：
第一可控双向开关，用于在所述输入端子和第一DC电源组之间建立可控电连接，
第二可控双向开关，用于在所述输出端子和所述第一DC电源组之间建立可控电连接，
第三可控双向开关，用于在所述输入端子和第二DC电源组之间建立可控电连接，以及
第四可控双向开关，用于在所述输出端子和所述第二DC电源组之间建立可控电连接。
34.根据权利要求33所述的电转换器，其中，所述可控双向开关中的每一个包括第一可控电开关和第二可控电开关的串联连接，并且其中，所述第一可控电开关和第二可控电开关中的每一个由相应的第一二极管和第二二极管分流，其中，所述第一二极管和所述第二二极管被连接以在相反的方向上传导电流。
35.根据权利要求34所述的电转换器，其中，所述第一可控电开关和第二可控电开关由各自的具有相反极性的半导体开关实现，所述半导体开关诸如是MOSFET开关。
36.根据权利要求33至35中任一项所述的电转换器，其中，所述第一控制算法包含切换序列，所述切换序列包括用于切换双向开关中的每一个的四个状态，以用于在所述第一状态和所述第二状态之间切换，所述切换序列包含所述切换序列中的停滞时间。
37.根据权利要求36所述的电转换器，其中，所述第一控制算法和所述开关电路被设计成在停滞时间段期间确保用于所述输入端子和所述输出端子两者的电流路径。
38.一种电力电气***，包括根据前述权利要求中任一项所述的电转换器。
39.根据权利要求38所述的电力电气***，包括连接到所述电转换器的所述输入端子的光伏源，并且其中，所述输出端子被连接以将电力施加到AC电网。
40.一种用于将电AC或DC输入转换为电AC或DC输出的方法，所述方法包括：
提供(P_PB1_PB2)多个DC电源组，多个所述DC电源组包括各自的多个串联互连子模块，其中，每个子模块包括电能存储元件和可控开关电路，所述可控开关电路用于将所述电能存储元件选择性地绕过或连接，
通过利用第一控制算法控制可控开关装置，以交替的方式对多个所述DC电源组进行充电(CH_DCH)和放电，以及
通过根据第二控制算法操作所述可控开关电路，选择性地将所述DC电源组中的一系列的一个或多个所述电能存储元件单独地连接(SC_SM)。
41.根据权利要求1至37中任一项所述的电转换器的用途，用于DC到AC转换、用于DC到DC转换、用于AC到DC转换、或用于AC到AC转换。
42.根据权利要求1至37中任一项所述的电转换器的用途，用于转换来自电源的电能，所述电源是下列中的一项：光伏元件、风力涡轮发电机、波形发电机、电池、燃料电池、内燃机发电机等。
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