模块化嵌入式多级转换器和使用方法
【专利说明】模块化嵌入式多级转换器和使用方法
【背景技术】
[0001] 本公开内容的领域一般涉及三相位功率转换系统，并且更具体地说，涉及模块化 嵌入式多级转换器（MEMC)和其使用方法。
[0002] 大多数已知多级转换器与普通的双级转换器相比，具有几个优点，例如，改进的功 率质量、由于更低开关频率而相对更高的效率及在电网与诸如光伏（PV)、燃料电池和风力 涡轮等一个或更多个可再生源之间连接的能力。
[0003] 至少一些已知多级转换器配置有模块化结构并且无变压器。模块化结构有利于换 算到各种功率和电压电平的此类已知多级转换器的堆叠。此类多级转换器的示例包括模块 化多级转换器（MMC)和MEMC。MMC和MEMC采用以栈布置的大量的完全可控半导体开关，如 绝缘栅双极晶体管（IGBT)、金属氧化物半导体场效晶体管（M0SFET)、场效晶体管（FET)、栅 极可关断晶闸管、绝缘栅换流晶闸管（IGCT)、注入增强栅晶体管（IEGT)、基于碳化硅的开 关、基于氮化钾的开关及基于砷化镓的开关，该栈以不同方式将分支耦合到多级转换器的 直流电（DC)侦J。
[0004] 能量平衡是操作多级转换器的重要方面。在MEMC中，在系统级平衡能量，这有利 于均衡在交流电（AC)侧上的功率和在直流电（DC)侧上的功率。能量进一步在MEMC的分支 之间和在分支内得到平衡。此外，MMC中采用的分支能量平衡技术依赖在DC总线之间并联 耦合的相位分支之间的电流分配，该技术在其中相位分支在DC总线之间串联耦合的MEMC 中不适用。
【发明内容】
[0005] -方面，提供了一种模块化嵌入式多级转换器（MEMC)。MEMC包括第一相位部分和 第二相位部分。第一相位部分包括用于耦合在正DC总线与中点节点之间的第一相位分支 的第一开关栈。第二相位部分包括用于耦合在中点节点与负DC总线之间的第二相位分支 的第二开关栈。在正DC总线与负DC总线之间的DC电压可分配在第一相位分支和第二相 位分支中部署的开关单元之间。
[0006] 另一方面，提供了一种操作MEMC的方法。方法包括控制用于MEMC的多个开关。 在受到控制时，多个开关在正DC电压源与中点节点之间耦合第一相位分支。多个开关也在 中点节点与负DC电压源之间耦合第二相位分支。多个开关还将第三相位分支的相对端耦 合到中点节点。方法还包括在中点节点调节中点电压的AC分量。中点电压的AC分量经调 节，以便经在第一相位分支、第二相位分支和第三相位分支之间的AC电流环路，平衡分支 能量。方法也包括通过控制在第一相位分支和第二相位分支之间分配的DC电压，调节中点 电压的DC分量以平衡分支能量。
[0007] 在仍有的另一方面，提供了一种功率转换系统。功率转换系统包括MEMC和控制 器。MEMC包括对应于三个相位的三个相位分支。控制器耦合到MEMC，并且可用于控制多个 开关。多个开关配置成以不同方式将三个相位分支耦合到正DC电压源、负DC电压源和中 点节点。控制器配置成调节中点电压的AC分量和中点电压的DC分量以平衡在三个相位分 支中的相应能量。
[0008] 1. 一种模块化嵌入式多级转换器（MEMC)，包括： 包括第一开关栈和第一相位分支的第一相位部分，其中所述第一开关栈配置成耦合在 正直流电（DC)总线与中点节点之间的所述第一相位分支；以及 包括第二开关栈和第二相位分支的第二相位部分，其中所述第二开关栈配置成耦合在 所述中点节点与负DC总线之间的所述第二相位分支，其中在所述正DC总线与所述负DC 总线之间的DC电压可分配在所述第一相位分支和所述第二相位分支中部署的开关单元之 间，并且其中通过调节在所述中点节点的DC电压以平衡在所述开关单元之间的能量，控制 所述DC电压的分配。
[0009] 2.如技术方案1所述的MEMC，还包括有第三开关栈和第三相位分支的第三相位 部分，其中所述第三开关栈配置成耦合所述第三相位分支的相对端到所述中点节点。
[0010] 3.如技术方案2所述的MEMC，其中用于所述第一相位部分、所述第二相位部分和 所述第三相位部分的交流电（AC)与流过所述第一相位部分和所述第二相位部分的DC解 親。
[0011] 4.如技术方案2所述的MEMC，其中与所述第三开关栈组合的所述第一开关栈配 置成在所述第一相位分支和所述第三相位分支之间形成交流电（AC)环路。
[0012] 5.如技术方案2所述的MEMC，其中与所述第三开关栈组合的所述第二开关栈配 置成定义在所述第二相位分支和所述第三相位分支之间的交流电（AC)环路。
[0013] 6.如技术方案1所述的MEMC，其中所述第一开关栈和所述第二开关栈可由功率 转换控制器控制。
[0014] 7.如技术方案1所述的MEMC，其中所述第一开关栈还配置成在以后在所述中点 节点与所述负DC总线之间耦合所述第一相位分支。
[0015] 8. -种操作模块化嵌入式多级转换器（MEMC)的方法，所述方法包括： 控制用于所述MEMC的多个开关以执行以下操作： 在正DC电压源与中点节点之间耦合第一相位分支； 在所述中点节点与负DC电压源之间耦合第二相位分支；以及 将第三相位分支的相对端耦合到所述中点节点； 在所述中点节点调节中点电压的AC分量以在所述第一相位分支、第二相位分支和所 述第三相位分支之间平衡AC电流环路；以及 调节所述中点电压的DC分量以平衡在所述第一相位分支和所述第二相位分支之间分 配的DC电压。
[0016] 9.如技术方案8所述的方法，其中调节所述中点电压的AC分量包括在所述中点 节点应用共模电压。
[0017] 10.如技术方案8所述的方法，其中控制所述多个开关包括对多个晶闸管进行换 流。
[0018] 11.如技术方案8所述的方法，其中调节所述DC分量包括调节所述第一相位分支 和所述第二相位分支中的开关单元电压。
[0019] 12.如技术方案11所述的方法，其中调节所述DC分量还包括： 在所述第一相位分支中调节用于耦合在所述正DC电压源与第一相位端子之间的至少 一个开关单元的电压；以及 在所述第二相位分支中调节用于耦合在所述负DC电压源与第二相位端子之间的至少 另一开关单元的电压；以及 13.如技术方案11所述的方法，其中调节所述DC分量还包括： 在所述第一相位分支中保持用于耦合在第一相位端子与所述中点节点之间的至少一 个开关单元的电压；以及 在所述第二相位分支中保持用于耦合在第二相位端子与所述中点节点之间的至少另 一开关单元的另一电压。
[0020] 14.如技术方案8所述的方法，还包括以后控制所述多个开关以执行以下操作： 在所述正DC电压源与所述中点节点之间耦合所述第二相位分支； 在所述中点节点与所述负DC电压源之间耦合所述第一相位分支；以及 将所述第三相位分支的所述相对端耦合到所述中点节点。
[0021] 15. -种功率转换系统，包括： 具有对应于三个相位的三个相位分支的模块化嵌入式多级转换器（MEMC);以及 控制器，耦合到所述MEMC并且用于控制多个开关，所述多个开关配置成以不同方式耦 合所述三个相位分支到正直流电（DC)电压源、负DC电压源和中点节点，其中所述控制器配 置成调节中点电压的交流电（AC)分量和所述中点电压的DC分量以平衡所述三个相位分支 中的相应能量。
[0022] 16.如技术方案15所述的功率转换系统，其中所述三个相位分支每个包括耦合 到相位端子的上相位臂和下相位臂。
[0023] 17.如技术方案16所述的功率转换系统，其中： 所述上相位臂包括在至少一个开关单元与所述相位端子之间串联耦合的上臂电感器； 以及 所述下相位臂包括在至少另一开关单元与所述相位端子之间串联耦合的下臂电感器。
[0024] 18.如技术方案15所述的功率转换系统，其中所述控制器还配置成通过调节所 述中点电压的所述AC分量，添加共模电压到所述三个相位，其中计算所述共模电压以在所 述三个相位之间平衡AC电流环路。
[0025] 19.如技术方案15所述的功率转换系统，其中在给定基本周期中的给定子周期 期间： 所述三个相位分支的第一相位分支配置成将DC电流从所述DC正电压源传导到所述中 点节点；以及 所述三个相位分支的第二相位分支配置成将所述DC电流从所述中点节点传导到所述 DC负电压源。
[0026] 20.技术方案19所述的功率转换系统，其中在所述DC电流给定的条件下，所述控 制器还配置成调节所述中点电压的所述DC分量以平衡在所述第一相位分支和所述第二相 位分支中的所述相应能量。
[0027] 21.如技术方案20所述的功率转换系统，其中所述控制器还通过调节所述DC分 量，配置成保持跨传导用于所述三个相位的AC电流的所述三个相位分支的相应开关单元 的电压。
[0028] 22.如技术方案19所述的功率转换系统，其中所述三个相位分支的第三相位分 支配置成传导用于所述三个相位的AC电流。
【附图说明】
[0029] 参照附图阅读以下详细说明时，将更好地理解本公开内容的这些和其它特征、方 面和优点，附图中类似的字符在所有图形中表示类型的部分，其中： 图1是示范功率转换系统的框图； 图2是图1中示出的示范MEMC的示意图； 图3是用于图2中示出的示范MEMC的相位分支的各种状态的示意图； 图4是用于图2中不出的不范MEMC的等效电路的不意图； 图5是操作三相位功率转换器的示范方法的流程图。
[0