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CN104426335B - 用于功率转换的方法和系统 - Google Patents

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CN104426335B CN201410437510.5A CN201410437510A CN104426335B CN 104426335 B CN104426335 B CN 104426335B CN 201410437510 A CN201410437510 A CN 201410437510A CN 104426335 B CN104426335 B CN 104426335B
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Abstract

本发明公开一种功率转换器，所述功率转换器包至少一条支线，所述至少一条支线包括可操作地跨第一总线和第二总线联接的第一串列，所述第一串列包括多个可控半导体开关、一个第一连接节点和一个第二连接节点。第二串列通过所述第一连接节点和所述第二连接节点可操作地联接至所述第一串列。所述第二串列包括多个切换模块，其中所述多个切换模块中的每一个包括多个完全可控半导体开关和至少一个能量存储装置。所述功率转换器包括系统控制器，所述系统控制器用以控制所述可控半导体开关和切换模块的启用，以便将受控电变量维持在第一预定参考电压值并且将所述能量存储装置的平均内部存储能量维持在第二预定参考值。

Description

用于功率转换的方法和系统
技术领域
本发明总体上涉及功率转换器，并且更确切地，涉及转换器的多级配置。
背景技术
功率转换的实用性和重要性随着在例如像电动机驱动器、可再生能量系统和高压直流电(HVDC)系统等应用中实现的优点而增长。多级转换器正在成为用于各种介质和高压应用的有前途的功率转换技术。
多级转换器提供超过常规两级转换器的若干优点。例如，多级转换器的功率质量和效率优于两级转换器的功率质量和效率。此外，多级转换器对于电网与可再生能量源(如光伏(PV)电池、燃料电池和风力机)之间的接口连接来说是理想的。已使用模块化结构设计出无变压器的多级转换器。此类多级转换器通常包括联接在DC总线之间的多个功率模块。转换器的模块化结构允许这些转换器堆叠以提供不同的功率电平和电压电平。
多级功率转换器通常包括放置在输入端子与输出端子之间的多个半导体开关和能量存储装置。转换器中的半导体开关和能量存储装置有助于在输出端子处提供已调节输出功率。输出端子处的输出功率取决于半导体开关的启用和能量存储装置中存在的能量。
控制系统和方法已设计用于启用半导体开关，以便将输出功率维持在所希望的水平，同时将在dc总线上观察到的电压维持在大致上恒定的水平。
用于多级功率转换器的拓扑结构在2012年9月12日提交的共同转让的美国申请号13/629.882中进行描述，所述申请以引用的方式并入本说明书。期望能够具有一种最高效且最有效地操作这种拓扑结构的控制系统和方法。
发明内容
在本发明的一个实施例中，提供一种功率转换器。所述功率转换器包括至少一条支线。每条支线包括第一串列，所述第一串列包括多个可控半导体开关、一个第一连接节点和一个第二连接节点。所述第一串列可操作地联接在第一总线和第二总线上。每条支线包括第二串列，所述第二串列通过所述第一连接节点和所述第二连接节点可操作地联接至所述第一串列。所述第二串列包括多个切换模块，其中所述多个切换模块中的每一个包括多个完全可控半导体开关和至少一个能量存储装置。所述功率转换器包括系统控制器以控制所述可控半导体开关和切换模块的启用，以便将受控电变量维持在第一预定参考电压值，并且将能量存储装置的平均内部存储能量维持在第二预定参考值。
在本发明的另一个实施例中，提供一种用于功率转换的方法。所述方法包括：基于第一预定参考值来确定多个中间参考值。所述方法进一步包括：基于功率转换器中的总内部存储能量和所述第一预定参考值来确定第二预定参考值。另外，所述方法包括：基于所述多个中间参考值和所述第二预定参考值来生成用于多个半导体开关和切换模块的启用命令。所述方法进一步包括：启用所述多个半导体开关和切换模块，以使得受控电变量等于所述第一预定参考值并且所述功率转换器中的平均内部存储能量等于所述第二预定参考值。
附图说明
根据以下结合附图对优选实施例的更详细描述，将易于了解本发明的其他特征和优点，所述附图以示例方式示出本发明特定方面的原理。
图1是用于功率转换的系统的图解表示；
图2是功率转换器的一部分的示例性实施例的图解表示；
图3是图2的功率转换器中的可控半导体开关的示例性切换模式的图解表示；
图4是图2的功率转换器中的可控半导体开关的示例性切换模式的图解表示；
图5是图2的功率转换器中的可控半导体开关的示例性切换模式的图解表示；
图6是对应于图2的功率转换器的一个线周期(line cycle)中的三相的不同状态的电压波形的图解表示；
图7是表示根据本发明实施例的用于功率转换的示例性方法的流程图；以及
图8是根据本发明实施例的用于控制图2的功率转换器的运行的系统的图解表示。
具体实施方式
下文将详细参考本发明的示例性实施例，这些实施例的实例在附图中示出。在可能的情况下，整个附图中所用的相同参考数字指代相同或类似的部分。
如下文将详细描述，提供用于功率转换的示例性系统的各种实施例。功率转换器的各种实施例提供多级转换器。如本说明书中所用，术语多级转换器用于指代包括多级开关的转换器，所述多级开关连接至一种形式的输入电压/电流的不同相并且将所述输入电压/电流转换成另一种形式的输出电压/电流。
图1描绘用于转换功率的系统100。在一个实施例中，用于转换功率的系统100可包括源102、功率转换器104和电网/公共设施/负载106。如本说明书中所用，术语源可包括例如可再生能源、非可再生能源、发电机或电网。在另一种可能的配置中，源可包括另一个功率转换器。如本说明书中所用，术语负载可用于指代例如电网、机器或电器。功率转换器104包括多级转换器。
系统100进一步包括配置用于控制功率转换器104的运行的控制器108。举例来说，控制器108可配置用于通过控制功率转换器104的多个半导体开关的切换来控制功率转换器104的运行。此外，在一个实施例中，系统100还可包括其他电路部件(未示出)，如(但不限于)变压器、断路器、感应器、补偿器、电容器、整流器、反应器和滤波器。
根据某些实施例，功率转换器104可包括联接在DC链路总线之间的支线，所述总线配置用于将功率从源传输至负载端子。功率转换器104的支线配置成使得将已调节功率从源供应至端子。
在图2中，描绘功率转换器的支线200的图解表示。功率转换器的支线200可包括第一串列202和第二串列204。更具体地，第一串列202可以可操作地联接至第二串列204以形成支线200。此外，第一串列202可以可操作地联接在第一总线206与第二总线208之间。在一个实施例中，第一总线206可包括正DC总线，并且第二总线208可包括负DC总线。第一串列202可通过第一连接节点210和第二连接节点212可操作地联接至第二串列204。此外，第一串列202可包括第一分支214，所述第一分支214通过第三连接节点218可操作地联接至第二分支216。类似地，第二串列204可包括第一支臂220，所述第一支臂220通过AC相224和感应器226可操作地联接至第二支臂222。第三连接节点218可以可操作地联接至第三总线228。在图2的实施例中，第三总线228可包括相对于第一总线206可处于负电势并且相对于第二总线208可处于正电势的直流总线(并且更具体地，中间或中心DC总线)。
第一串列202可包括多个可控半导体开关S1、S2、S3和S4(230)。在图2的实例中，多个可控半导体开关230可包括部分可控半导体开关。然而，作为替代方案，在另一个实施例中，多个可控半导体开关可包括完全可控半导体开关。此外，多个可控半导体开关可包括部分可控半导体开关和完全可控半导体开关的组合。另外，在一个实例中，第一串列202的第一分支214可包括两个可控半导体开关S1和S2。类似地，第一串列202的第二分支216可包括两个可控半导体开关S3和S4。可控半导体开关S1、S2、S3和S4可包括例如与晶匣管、硅可控整流器、栅极关断晶匣管或IGBT结合的功率二极管。
第二串列204的第一支臂220和第二支臂222可包括多个切换模块234。切换模块234可以是多个完全可控半导体开关238和至少一个能量存储装置236的组合。完全可控半导体开关238可包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、其他类型的场效应晶体管(FET)、栅极关断晶匣管、绝缘栅极换流晶匣管(IGCT)、注入增强栅极晶体管(IEGT)或其组合。此类开关的材料可包括例如硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓。第一支臂220和第二支臂222中的切换模块234被选择成使得达到支线200的额定电压并且满足功率转换器的最小电压阶跃要求。
每个完全可控半导体开关238还可包括功率二极管240，所述功率二极管240可以是内置的并且与完全可控半导体开关反并联。内置功率二极管240可提供续流(freewheeling)路径。这些功率二极管240还可称为续流二极管。
在一个非限制性实例中，能量存储装置236可包括电容器、超级电容器、超级导电线圈、电池或任何其他存储元件。在图2的实例中，完全可控半导体开关238可以可操作地串联联接至能量存储装置236。
支线200可用于单相功率转换器、两相功率转换器、三相功率转换器和其他等效多相DC至AC、AC至DC或AC至AC功率转换器中。第一串列202和第二串列204中的半导体开关的切换可基于用于输出端子处所需要的受控变量的参考值来控制。例如，可控制开关来输送输出端子处所需要的输出功率。
在一些实施例中，可将具有支线200的功率转换器与具有支线200的另一个功率转换器联接，以便形成背靠背的(back-to-back)功率转换配置。
图3至图5描绘根据本发明的方面的功率转换器的支线(如图2的支线200)的不同状态的图解表示300、400和500。参照图3，呈现处于可控半导体开关的第一切换状态下的支线302(如图2的支线200)的图解表示。第一状态还可称为正状态。支线302可包括第一串列304和第二串列306。此外，支线302可以可操作地联接在第一总线308与第二总线310之间。如上文所指出，第一总线308可包括正DC总线，并且第二总线310可包括负DC总线。另外，第一串列304可通过第一连接节点312和第二连接节点314可操作地联接至第二串列306。
此外，第二串列306的第一支臂(如图2的第一支臂220)和第二串列306的第二支臂(如图2的第二支臂222)可分别由可控电压源Vp316和Vn318来表示。如上文所指出，第二串列306可包括多个切换模块(未示出)。第二串列306的第一支臂和第二串列306的第二支臂可通过第四总线320可操作地联接。此外，第一串列304可包括第三连接节点322，所述第三连接节点322可以可操作地联接至第三总线324。在图2的配置中，第一串列304包括表示为S1、S2、S3和S4的四个可控半导体开关。另外，第一总线308处的电压可表示为+Vdc，并且第二总线310处的电压可表示为-Vdc。举例来说，第一总线308处的电压+Vdc和第二总线310处的电压-Vdc可以是相对于虚拟接地而言的。在所示实施例中，第一总线308和第二总线310上的电压相对于第三总线324来测量。第三总线324处的电压可表示为Vmid。
如图3中所描绘，在第一切换状态期间，启用可控半导体开关S1和S3以允许电流从中流过，同时将可控半导体开关S2和S4维持在停用状态以防止电流从中流过。可控半导体开关S1和S3的启用提供第一总线308与第二总线310之间的、经由对应第二串列306的第一电流流动路径326。因此，在正状态下，第二串列306可以可操作地联接在第一总线308与第三总线324之间。另外，当确立第一电流流动路径326时，第一总线308和第三总线324上的电压可取决于对应于第二串列306中的多个切换模块(如图3的切换模块334)的完全可控半导体开关的切换。流过第一电流流动路径326的电流表示为Idc。
以类似方式，图4是处于可控半导体开关的第二切换状态下的支线的图形表示328。可控半导体开关的第二切换状态还可称为负状态。在第二状态下，启用可控半导体开关S2和S4可被，同时停用可控半导体开关S1和S3。可控半导体开关S2和S4的启用致使提供第三总线324与第二总线310之间的第二电流流动路径330。因此，在负状态下，第二串列306可以可操作地联接在第二总线310与第三总线324之间。
类似地，图5是处于可控半导体开关的第三切换状态下的支线的图解表示332。可控半导体开关的第三切换状态还可称为零状态。在第三状态下，启用可控半导体开关S2和S3，同时停用可控半导体开关S1和S4。可控半导体开关S2和S3的启用致使提供第三电流流动路径334。这个第三电流流动路径334还可称为续流路径。另外，第二串列306的两端可通过启用的可控半导体开关S2和S3以及第三总线324可操作地彼此联接。尽管图3至图5参照单条支线来表现三种切换状态，但是这三种切换状态可同时用于两相功率转换器、三相功率转换器等中的多条支线。
如图3至图5中所描绘，在任何时刻，第二串列306可操作地联接在第一总线308与第三总线324之间、第三总线324与第二总线310之间，或第二串列306的两端可以可操作地联接至第三总线324。因此，第二串列306可能不得不经受值为Vdc的最大电压。相应地，为了对功率转换器进行有效控制，第二串列306的第一支臂和第二串列306的第二支臂各自可能不得不经受最大电压Vdc。
在常规模块化多级转换器中，切换模块的分支可能不得不处理第一总线和第二总线上出现的全DC电压(2Vdc)。同样，为了对常规功率转换器进行控制，切换模块的分支的第一部分和第二部分各自可能不得不经受最大电压2Vdc。因此，所需要的切换单元的数量和/或所需要的切换单元的额定值将会增加。常规模块化多级转换器(MMC)需要数量增加的切换单元，从而使得成本和复杂性增加。另一方面，具有支线200的功率转换器需要切换模块的支臂来处理最大电压Vdc，从而减少用以处理在源处所生成的输入功率的切换模块的数量。
另外，第一串列304的多个可控半导体开关S1、S2、S3和S4的切换可结合第二串列306中的多个切换模块(未示出)的切换来操作。此外，如先前所指出，第二串列306中的多个切换模块的切换可包括完全可控半导体开关的启用和/或停用。第二串列306中的切换模块和第一串列304中的开关由控制器来控制，以便在负载端子处提供已调节功率，同时确保将存储在功率转换器中的能量维持在恒定水平。
在三相功率转换器中，三条支线200并联连接在第一总线206与第二总线208之间。支线200连接成使得第一串列202在一端上与第一总线206联接并且在另一端上与第二总线208联接。另外，每条支线200的第一串列202均联接至第三总线324。第一总线206和第二总线208的电压相对于第三总线324来测量。在以上描述中，已利用三相转换器来解释功率转换器的运行。可以理解，对于单相转换器以及具有两条支线200或三条支线200以上的多相转换器来说，功率转换器的运行保持不变。
参照图6，描绘对应于根据本发明的方面的一个线周期601中的一个可能的三AC相配置的不同状态的正弦电压输出波形的图解表示600。为易于理解，将相对于图3至图5来描述表现三条支线的连接的图6。在一个实施例中，具有相序列A-B-C601的线周期可被划分成六个区段602、604、606、608、610、612。在图6的实例中，呈现对应于AC三相A、B和C的电压波形。对应于三相的电压波形包括对应于AC相A的第一电压波形614、对应于AC相B的第二电压波形616和对应于AC相C的第三电压波形618。
根据某些实施例的控制系统和方法在六个区段602、604、606、608、610和612中提供切换模式以便生成所希望的输出。控制器(例如，控制器108)配置用于确定切换模式，以便获得受控变量的值，同时满足将平均系统内部存储能量维持在恒定水平的条件。将用图7和图8来更详细地解释用于由控制器108来确定切换模式的方法。在线周期601的对应于每个区段的部分期间，所述区段可具有连接至第一总线206、第二总线208或第三总线228的一条或两条支线。当支线连接至第一总线206(正总线)时，认为是处于正状态；而当支线连接至第二总线208(负总线)时，认为是处于负状态。当支线连接至第三总线228时，认为是处于零状态。另外，具有三AC相的线周期601可包括六个瞬变区域620、622、624、626、628和630。此处，术语瞬变区域用于指代一个区域，在所述区域中，功率转换器的支线中的至少一条支线(如支线200)从一种状态转变成另一种状态。在一个非限制性实例中，在瞬变区域622处，与AC相C相关的支线的状态从正状态变成负状态。在瞬态期间，支线并未连接至正总线或负总线，并且其端子短路，如图中所示。
另外，在两个相邻区段之间的瞬变期间，支线之一可处于正状态，而另一条支线可处于负状态，并且又一条支线可处于零状态或瞬态。具体来说，在区段602中，与AC相A相关的支线和与AC相C相关的支线处于正状态，而与AC相B相关的支线处于负状态。此外，与AC相A相关的支线和与AC相C相关的支线可以可操作地彼此并联联接在第一总线与第三总线之间。具体地，通过AC相A和AC相C的对应第一串列的启用的开关S1和S3，与AC相A相关的第二串列和与AC相C相关的第二串列可以可操作地彼此并联联接在第一总线与第三总线之间。此外，与AC相B相关的支线可以可操作地联接在第三总线228与第二总线208之间。具体来说，对应于与AC相B相关的第一串列的开关S2和S4可被停用。因此，与AC相A相关的支线和与AC相C相关的支线可以可操作地彼此并联联接，并且可以进一步可操作地串联联接至与AC相B相关的支线，如由参考数字632所指示。
继续参照图6，区段602之后是瞬变区域622。在瞬变区域622处，与AC相A相关的支线继续处于正状态，并且与AC相B相关的支线继续处于负状态。然而，与AC相C相关的支线从正状态转变成零状态，如由参考数字634所指示。与AC相C相关的第一串列的开关S2和S3可被启用。因此，当与AC相C相关的支线处于零状态时，所述支线的两端可以可操作地联接至第三总线228。
在瞬变区域622中，对应于与AC相C相关的第一串列的开关S1可被停用，并且对应于与AC相C相关的第一串列的开关S2可被启用。开关S2可通过应用栅极触发信号来启用。此外，在区段602处，如先前所指出，通过对应的启用的开关S1和S3，与AC相A相关的支线和与AC相C相关的支线可以可操作地彼此并联联接在第一总线与第三总线之间。因此，由与AC相A相关的支线和与AC相C相关的支线共享第一总线上的DC电流。相应地，由与AC相A相关的第一串列的开关S1和S3以及与AC相C相关的第一串列的开关S1和S3共享第一总线上的DC电流。对应于与AC相C相关的第一串列的开关S1的停用可通过将与AC相C相关的第一串列中的电流减小到近零值来实现。另外，将与AC相C相关的第一串列中的电流减小到近零值可通过采用控制器(如图1中的控制器108)来实现。
控制器108配置用于采用图7中所示的方法来控制半导体开关和切换模块的切换模式，以便动态地控制电变量，如将输出功率、输出电流或其他变量维持在第一参考值。例如，动态地受控的电变量可包括在功率转换器的输出端子处观察到的输出功率。控制器108配置用于控制转换器中的开关的切换模式，以便使输出功率的测量值逐步趋向于第一参考值。所述方法还使得控制器108能够管理存储在能量存储装置(例如，能量存储装置236)中的能量，以便将功率转换器中的平均内部存储能量维持在第二预定参考值。根据某些实施例，第二预定参考值是由功率转换器的操作员提供。在其他实施例中，第二预定参考值基于受控电变量的测量值和第一参考值来确定。
所述方法包括：在步骤702，基于用于功率转换器的第一预定参考值来确定多个中间参考值。例如，用于功率转换器(如图2中所示)的第一预定参考值可以是输出端子处的所希望的输出功率水平。在步骤702所确定的中间参考值可包括(但不限于)：第一总线206和第二总线208上相对于第三总线228的电压(Vdc*)、转换器的每条支线处的电压的参考值(Va*、Vb*和Vc*)、第三总线228的电压参考值(Vmid*)和维持功率转换器的第二串列208的第一支臂220和第二支臂222的电压差所需要的平衡电压值(ΔV*)。
图2中所示的功率转换器可用于将AC输入转换成DC输出，以及将DC输入转换成AC输出。在一个实施例中，第一预定参考值可提供为操作员对控制器108的输入。在另一个实施例中，控制器108基于能量存储装置(如存在于每个切换模块234中的能量存储装置236)中的总内部存储能量来确定第一预定参考值。
此外，在步骤704，所述方法包括：基于第一预定参考值和功率转换器中的总内部存储能量来确定第二预定参考值。在运行期间，功率转换器利用存储在切换模块234的能量存储装置236中的能量的一部分、连同从第一总线206和第二总线208接收或发送至所述第一总线206和所述第二总线208的能量来保持输出AC端子处的受控电变量等于第一预定参考值。对于已调节的运行，控制器108配置用于将存储在功率转换器中的能量维持在恒定水平。例如，将功率转换器中的总存储能量维持在第二预定参考值。控制器108持续地计算存储在与功率转换器相关的每个能量存储装置中的总能量。总内部能量和第一预定参考值被利用来确定可由功率转换器利用来达到所述第一预定参考值的能量的量。基于对存储在能量存储装置236中以满足第一预定参考值要求的能量的可能消耗的确定，可将功率转换器中的总内部存储能量的平均值确定为第二预定参考值。
在步骤706，控制器108基于第一预定参考值、第二预定参考值和多个中间参考值生成启用命令。启用命令与用于多个半导体开关(S1、S2、S3和S4)和多个切换模块234的选通信号(gating signal)有关。生成选通信号以便功率转换器根据结合图3至图5描述的模式来运行。
另外，在步骤708，以以下方式向半导体开关S1至S4和切换模块234提供用于启用的选通信号：使得在转换器的输出端子处所测量的受控电变量等于第一预定参考值，并且将转换器中的平均内部存储能量维持在第二预定参考值。
根据某些实施例，所述用于控制功率转换器的方法还包括：生成用于第三总线228上观察到的电压(Vmid)的第三参考值(Vmid*)。第三参考值基于存储在转换器的每条支线200中的能量之间的差来计算。控制器108计算存储在转换器的支线200中的每个第二串列208的能量存储装置236中的总能量。另外，控制器108配置用于确定存储在每条支线200中的能量之间的差，并且调节第三参考值。第三参考值被设置成使得具有最大能量的支线被利用来使得受控电变量等于第一预定参考值，同时确保将平均内部存储能量维持在第二预定参考值。控制器108基于转换器正在运行的模式和所述转换器中的电流方向来设置第三参考值。例如，当转换器在模式634(图6)下运行并且相A支线具有比相C支线更多的能量时，用于第三总线228的第三预定参考值被设置成使得由相A输送的能量大于由相C输送的能量，以便使两者之间的存储能量差趋向于零。从相A输送的能量有助于将受控电变量(例如，输出功率)维持在第一预定参考值。在另一个实施例中，在转换器的运行期间，如果转换器的多于一条支线并联连接至第一总线206或第二总线208，那么将并联连接的支线的平均能量与存储在其他支线中的平均能量进行比较以确定第三预定参考值。
另外，在用于控制功率转换器的方法中，控制器108配置用于控制多个切换模块的启用，以使得并联连接的两条支线之间的能量同样得以平衡。控制器108配置用于生成用于在并联连接的两条支线之间流动的电流的参考值。用于电流的参考值限定并联连接的支线之间的能量传递。控制器108基于存储在并联连接的支线中的每一条支线中的能量的差来确定所述参考值。另外，所述方法还包括：确定转换器的当前运行模式。基于转换器的当前运行模式，控制在支线之间流动的电流以接近电流的参考值。控制器108控制在并联支线之间流动的循环电流以接近所述参考值，以便将来自具有更多能量的支线的一些能量传递至具有更少能量的支线。
另外，根据某些实施例，所述方法包括：使每条支线200的支臂220和支臂222中的能量平衡。为实现支臂220与支臂222之间的平衡，调节这些支臂中的每一个支臂的输出电压。支臂的输出电压通过向切换模块提供启用命令来调节，所述启用命令等效于支臂220和22中的每一条支臂中的能量存储装置236处的电压之间的差和用于第一总线206和第二总线208的参考电压值。用于第一总线206和第二总线208的参考电压值被利用来将第一总线206和第二总线208上的电压维持到恒定水平，以便将受控电变量维持在第一预定参考值。
控制器1108(用图8更详细地描述)配置用于实施上述方法及其实施例，以便在功率转换器的输出端子处生成已调节功率。
图8示出配置用于控制功率转换器(如具有支线200的功率转换器)的运行的控制器1108的框图。根据所示实施例，图8的控制器1108用于控制具有在第一总线206与第二总线208之间并联连接的三条支线200的三相转换器。
根据本发明的实施例，控制器1108配置用于控制半导体开关230和切换模块234的启用状态，以便将受控电变量(例如，在功率转换器的输出端子处观察到的输出功率)维持在第一预定参考值，同时确保将转换器的平均内部存储能量维持在第二预定参考值。
如图8中所示，控制器1108包括第一调节器802，所述第一调节器802配置用于基于第一预定参考值来生成用于多个半导体开关230和切换模块234的启用命令。所述第一预定参考值与功率转换器的受控电变量有关。例如，所述第一预定参考值可以是功率转换器的输出端子处的有功功率和无功功率要求。例如，功率转换器可配置用于向负载输送1000万瓦的功率。然而，当连接在功率转换器的输出端子处的负载需要更多功率时，第一预定参考值从1000万瓦变成所述负载的新要求。根据一个实施例，第一预定参考值由系统操作员向调节器802提供。在一些其他实施例中，第一预定参考值可由调节器802基于输出端子处的要求来确定。
当控制器1108配置用于控制由功率转换器所输送的输出功率时，第一调节器802配置用于根据功率转换器的支线200上观察到的电压和流过所述支线200的电流来确定由转换器输送的当前功率。将当前功率与第一预定参考值进行比较以生成误差信号。所述误差信号然后由控制器1108利用来生成用于支线电压和电流的中间参考值。第一调节器802配置用于计算能量存储装置236的总内部存储能量与第二预定参考值之间的差。存储能量与第二预定参考值之间的误差以及受控电变量与第一预定参考值之间的误差被利用来确定中间参考值。中间参考值被利用来生成用于多个切换模块234和半导体开关230的启用命令。控制器1108进一步配置用于向开关230和模块234提供用以启用支线200的启用命令，以使得在每条支线中所测量的电压和电流等于中间参考值。
控制器1108还包括第二调节器804。第二调节器804配置用于将功率转换器的平均内部存储能量维持在第二预定参考值。功率转换器的模块234包括能量存储装置236。能量存储装置236配置用于在功率转换器运行期间存储能量并且输送所存储的能量，以便达到连接在输出端子处的负载的功率要求。为将功率转换器中的总存储能量维持在第二预定参考值，控制器配置用于启用切换模块234，以使得与所述切换模块234相关的能量存储装置236充电或放电。第二调节器804配置用于将转换器的每个能量存储装置236中的当前总内部存储能量与第二预定参考值进行比较以生成误差信号。所述误差信号被利用来生成用于切换模块234的启用命令，以便利用来自比转换器中的其他能量存储装置236具有更多能量的能量存储装置236的能量。另外，误差信号被利用来生成用于将要相对于第三总线228在第一总线206和第二总线208上维持的电压的中间参考值。
第二调节器804还可配置用于根据误差信号生成第一预定参考值，所述误差信号根据当前总内部存储能量与第二预定参考值之间的比较生成。
控制器1108进一步包括第三调节器806，所述第三调节器806配置用于维持能量在功率转换器的不同支线200之间的均等分布。第三调节器806配置用于基于存储在每个能量存储装置236中的能量来计算功率转换器的每条支线200中的当前总存储能量。第三调节器806进一步配置用于比较存储在每条支线200中的能量。基于功率转换器的运行模式和所述功率转换器中的电流，第三调节器生成用于第三总线228上的电压的第三预定参考值。利用由第三调节器806生成的启用命令来启用多个开关和切换模块，以使得第三总线228上的电压等于第三预定参考值。第三预定参考值被选择成使得具有最大功率的支线200被利用来向转换器的输出端子提供功率。从具有最大功率的支线200接收功率以使得：转换器的输出功率等于第一预定参考值，将所述转换器的平均内部存储能量维持在第二预定参考值，并且使所述功率转换器的每条支线200中的能量平衡。
控制器1108还包括第四调节器808，所述第四调节器808配置用于维持支线200的第一支臂220与第二支臂222之间的能量平衡。第四调节器808配置用于利用支臂220与222之间的能量差来生成相支臂平衡参考电压，所述相支臂平衡参考电压用于驱动支线200中的电流，以便平衡第一支臂220与第二支臂222之间的能量。
由第一调节器802、第二调节器804、第三调节器806和第四调节器808所生成的启用命令被提供至调制器810。调制器810配置用于向多个半导体开关230和切换模块234提供数字启用信号，以便将输出功率维持在第一预定参考值，同时将内部存储能量维持在第二预定参考值。
应理解，上述描述旨在是说明性的而非限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可彼此结合使用。另外，在不背离本发明范围的情况下，可做出许多修改以使具体情况或材料适应本发明的教示。尽管本说明书中所描述材料的尺寸和类型旨在定义本发明的参数，但是它们决不进行限制，并且仅为示例性实施例。在查阅上述描述后，许多其他实施例对于所属领域的一般技术人员而言将显而易见。因此，本发明的范围应参考所附权利要求书，以及此类权利要求书的完全范围等效物来确定。在所附权利要求书中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”用作相应术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的简明英语等效物。此外，在以下权利要求书中，术语“第一”、“第二”等仅用作标签，且并不旨在对其对象强加数字或空间要求。另外，以下权利要求的限制并非以装置加功能的格式撰写，并且不希望基于35U.S.C.§112第六段进行解释，除非并且直到此类权利要求限制明确使用短语“装置用于”，后跟对不含进一步结构的功能的说明。
本说明书使用多个实例来公开本发明的若干实施例，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明的实施例，包括制造和使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书限定，并可包括所属领域的一般技术人员想出的其他实例。如果此类其他实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类其他实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类其他实例也属于权利要求书的范围。
在本说明书中，以单数形式列举并且通过字词“一个”或“一种”引出的元件或步骤应理解为不排除多个所述元件或步骤，除非对此类排除做出明确说明。另外，对本发明的“一个实施例”的参考不应解释为排除存在同样包含所列举特征的另外实施例。此外，除非明确指出情况相反，否则“包括(comprising)”、“包括(including)”或“具有”拥有具体性质的一个元件或多个元件的实施例可包括不具有所述性质的另外此类元件。
由于可在不脱离本说明书中涉及的本发明的精神和范围的情况下对上述用于功率转换的系统做出特定改变，因此希望上述说明或附图中所示的所有主题仅应解释为示出本说明书中的发明概念的实例，并且不应视作限制本发明。

Claims (19)

1.一种功率转换器，所述功率转换器包括：
至少一条功率转换器支线，每条支线包括：
第一串列，所述第一串列包括多个可控半导体开关、一个第一连接节点和一个第二连接节点，其中所述第一串列可操作地跨第一总线和第二总线联接；以及
第二串列，所述第二串列通过所述第一连接节点和所述第二连接节点可操作地联接至所述第一串列，其中所述第二串列包括多个切换模块，其中所述多个切换模块中的每一个包括多个完全可控半导体开关和至少一个能量存储装置；以及
系统控制器，所述系统控制器配置用于控制下列项中的至少一项的启用模式：来自所述第一串列的所述多个可控半导体开关，以及来自所述第二串列的预定数量的切换模块，以便将受控电变量维持在第一预定参考电压值并且使所述能量存储装置的平均内部存储能量平衡并维持在第二预定参考值；
其中所述系统控制器进一步包括：
第一调节器，所述第一调节器用于基于所述第一预定参考电压值来生成用于所述多个可控半导体开关和所述切换模块的启用命令；以及
第二调节器，所述第二调节器用于基于所述能量存储装置的内部存储能量来生成用于所述多个切换模块的启用命令，以便将所述存储装置的所述平均内部存储能量维持在所述第二预定参考值。
2.如权利要求1所述的功率转换器，其中所述第一串列的所述可控半导体开关包括部分可控开关。
3.如权利要求1所述的功率转换器，其中所述第一串列包括第一分支和第二分支，并且其中所述第二分支通过第三连接节点可操作地联接至所述第一分支。
4.如权利要求3所述的功率转换器，其中每条支线的所述第三连接节点连接至包括DC总线的第三总线。
5.如权利要求1所述的功率转换器，其中所述第二串列包括第一支臂和第二支臂。
6.如权利要求5所述的功率转换器，其中所述第二串列的所述第一支臂和所述第二支臂可操作地联接至第四总线。
7.如权利要求6所述的功率转换器，其中所述第四总线包括交流电相。
8.如权利要求5所述的功率转换器，其中所述系统控制器进一步包括：
第三调节器，所述第三调节器用于维持总存储能量在多条功率转换器支线中的每条支线之间的均等分布；以及
第四调节器，所述第四调节器用于维持存储在每条支线中的能量在所述支线的所述第二串列的所述第一支臂与所述第二支臂之间的均等分布。
9.如权利要求1所述的功率转换器，其中所述系统控制器进一步包括调制器，所述调制器配置用于基于由所述第一调节器和所述第二调节器生成的多个命令来控制所述多个切换模块的所述启用模式。
10.如权利要求8所述的功率转换器，其中所述系统控制器进一步包括调制器，所述调制器配置用于基于由所述第一调节器、所述第二调节器、所述第三调节器和所述第四调节器生成的多个命令来控制所述多个切换模块的所述启用模式。
11.如权利要求1所述的功率转换器，其中所述受控电变量包括输出功率。
12.一种用于功率转换的方法，所述方法包括：
基于第一预定参考值来确定多个中间参考值；
基于功率转换器中的内部存储能量和所述第一预定参考值来确定第二预定参考值；
基于所述多个中间参考值和所述第二预定参考值来生成用于所述功率转换器中的多个半导体开关和多个切换模块的启用命令；以及
启用所述多个半导体开关和多个切换模块，以使得受控电变量等于所述第一预定参考值并且所述功率转换器中的平均内部存储能量等于所述第二预定参考值。
13.如权利要求12所述的方法，其中多条支线联接至第一总线和第二总线，其中每条支线包括第一串列和第二串列，并且其中所述第一串列包括所述多个半导体开关并且所述第二串列包括所述多个切换模块。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述第一串列跨第一总线和第二总线进行联接。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述第一串列的第一分支通过第三连接节点可操作地联接至所述第一串列的第二分支。
16.如权利要求15所述的方法，其中每条支线的所述第三连接节点连接至第三总线。
17.如权利要求16所述的方法，所述方法进一步包括：基于存储在所述功率转换器的每条支线中的总内部能量之间的差来计算用于在所述第三总线上观察到的电压的第三参考值。
18.如权利要求17所述的方法，所述方法进一步包括：基于所述多个半导体开关的启用状态将在所述第三总线上观察到的电压调节成等于所述第三参考值，以便利用来自具有最大内部存储能量的支线的能量来使得所述受控电变量等于所述第一预定参考值并且所述多条支线的所述平均内部存储能量等于所述第二预定参考值。
19.如权利要求18所述的方法，所述方法进一步包括：调节所述多个切换模块中的至少一个，以便存储在每条支线中的能量在所述支线的第一支臂与第二支臂之间均匀分布。
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