本发明的又一方面，提供了一种多电平电压换流器，其中在太阳能电池电力 系统中产生多电平电压。
[0024] 根据本发明的又一方面，提供了一种多电平电压换流器，其中通过将三个电容器 串联连接并通过将四个电力开关中的两个串联连接来进一步确定拓扑。
[0025] 根据本发明的又一方面，提供了一种多电平电压换流器，其中串联连接的两个电 力开关被并联连接到串联连接的三个电容器中的一个。
【附图说明】
[0026] 图1在图中图示了级联模块化多电平换流器(CMMC)拓扑； 图2在图中图示了在级联H桥(CHB)拓扑中应用的全桥换流器模块； 图3和4图示了根据本发明的一个或多个方面的用于CMMC拓扑的换流器单元的拓扑； 图5图示了根据本发明的一个或多个方面提供的方法的步骤;以及 图6图示了根据本发明的一个或多个方面的ac电压发生器。
【具体实施方式】
[0027] 根据本发明的方面，一种包括四个电力半导体开关和三个电容器的新的四电平换 流器单元被提供并被应用于级联模块化多电平换流器(CMMC)中，所述级联模块化多电平换 流器(CMMC)被用于高功率和高电压电力传输(例如SVC、STATC0M等）、高功率中电压驱动以 及公共事业规模(utility-scale)可再生能量和储存应用。根据本发明的方面提供的换流 器单元的益处是减少的成本、改进的输出的ac谐波谱和减少的滤波要求。
[0028] 在本发明的一个实施例中，新颖的换流器单元是太阳能电池电力系统的部分。在 本发明的一个实施例中，在下面描述的新颖的换流器单元的拓扑中要求的电容器由一个或 多个太阳能电池替代。
[0029]本发明的一个方面是由集中式dc链路或者浮动的或单独的dc输入产生多电平ac 波形，其一般被称为多电平换流器或多电平逆变器。
[0030]在本文中应用了术语拓扑或网络拓扑或电路。电气或电子电路或网络的拓扑是由 电路部件的互连的网络采取的形式。不同的特定值或额定值的部件被认为是相同拓扑。拓 扑不与电路中的部件的物理布局或确切实现相关，也不与其在电路图上的位置相关。拓扑 中的部件表示部件的功能方面。拓扑与什么连接存在在部件之间相关。可以存在许多物理 布局和电路图，其都相当于相同拓扑。
[0031]本文中的拓扑意味着与实现电路要求的最小数量的功能部件相关的拓扑。例如可 以用若干电阻器来实现电阻是众所周知的。可以用串联连接的多个开关来实现单个开关也 是已知的。诸如电气连接物、电阻器、电容器、开关等的部件在其物理形式上具有寄生值也 是已知的。电路的拓扑忽略这些方面并提供以它的最小形式的结构，以它的最小形式即：具 有允许在执行拓扑的功能要求时在物理上实现电路的最小数量的部件。
[0032]在2013年1月17日公布的Xue等的美国专利申请公开序列号20130014384中提供了 若干多电平换流器拓扑。
[0033]多电平换流器中的开关是要求选通信号的选通开关。这样的选通信号可以从产生 的ac信号得到或在启动（也被称为黑启动）期间从外部源得到。在2012年10月18日公布的 Das等的PCT专利申请公开序列号W02012140008 A2中描述了选通信号的产生。
[0034]作为本发明的方面，已知的CHB拓扑被扩展成如在图1中示出的CMMC拓扑，其包含 多个级联模块或换流器单元，每个换流器单元由SMn指示，其中n指示级联中的行并且行中 的每个单元对产生的ac信号的输出相位有贡献。每个单元由直流电（dc )源供电。仅第一行 单元SMi被图示具有dc源以便不使级联的拓扑模糊。然而，应该假设每个单元具有dc源。更 进一步地，没有在任何附图中示出选通信号，但是全面地设想并应该假设提供选通信号。
[0035] 作为本发明的方面，提供了一种用于CMMC拓扑的新颖的换流器单元，其提供使用 较少的电力开关产生较高的交变电流(ac )电平的能力的益处，从而改进输出的ac谐波谱并 减少滤波要求。
[0036] 由本发明的一个或多个方面解决的问题中的一个是增加用最小数量的电力开关 产生较高的ac电压电平的模块的能力。
[0037] 在级联模块化多电平换流器中，每个ac相位产生包括相同相位中的模块的不同输 出的多电平电压波形。可以将每个模块视为包含受控电压源。通过对多个每个相位中的N个 模块进行开关，可以调整ac电压(％。、~。、1)( &〇电压指如在图1中图示的不同的相位）。
[0038] 电压电平的数量由每个相位中的模块和通过每个模块产生的电压电平的数量确 定。因此，如果每个臂中的模块的数量是固定的，则优选应用具有更多电压电平的模块以便 在每个臂中实现较高数量的电压电平。
[0039] 在CHB拓扑中，单相全桥(也被称作H桥)模块被使用。图2在图中示出了在级联H桥 (CHB)拓扑中应用的全桥模块。其示出了换流器，所述换流器具有从电容器供电的4个开关： SI、S2、S3和S4并提供输出电压Vx2i。
[0040] 下表图示了图2的全桥模块的开关状态(1=开，0 =关）。
[0041] 如上表中不出的那样，全桥模块可以用4个电力开关和一个电容器的拓扑产生3个电压 电平。
[0042] 根据本发明的方面，提供了一种新颖的单元拓扑，其可以用4个电力开关和3个电 容器产生4个电压电平，其增加了输出的ac电压电平。
[0043] 在图3中图示了新颖的换流器单元。该换流器单元拓扑包含四个电力半导体开关 (其可以是例如具有续流二极管的M0SFET、绝缘栅双极型晶体管（IGBT )、集成栅极换流晶闸 管（IGCT)等等之类)S1、S2、S3和S4以及可以是薄膜电容器的三个电容器C1、C2和C3。
[0044]在正常的操作处，可以将三个电容器的电压控制成是平衡的，即Vcl = Vc2 = Vc3 = %。在本发明的一个实施例中，电容器电压相同或几乎相同并且被控制成相同或者在至少 10%的范围内几乎相同。由于电容器可能没有被短路，在十六个可能的开关组合上，针对新 颖的拓扑模块存在仅四个有效的可适用的开关状态，其可以产生四个不同的电压电平，如 在下表中示出的那样。
下表列出了对在CMMC拓扑中使用不同的单元(全桥拓扑模块和新的拓扑模块)时的输 出的ac电压最大可实现电平的比较。
[0046] 根据上表，清楚的是根据本发明的方面提供的新颖的拓扑模块可以在每相位相同 数量的模块(或电力开关)的情况下实现较高的电压电平，其可以显著地改进输出的ac谐波 失真，并减少滤波要求。同时，在相同数量的模块下，可以减少每个电力开关的实际开关频 率，并且将提高效率。
[0047] 具有根据本发明的方面提供的新的拓扑模块的CMMC可以被用在不同的高功率高/ 中电压应用中，所述应用例如静止无功补偿器(SVC)、中电压电机驱动、太阳能电力逆变器 以及能量储存应用。
[0048] 当应用于SVC应用时，CMMC的简单控制结构被图示在图6中，其包含中央控制和模 块化控制两者。
[0049] 图3的新颖的拓扑换流器模块可以由它的部件和它的输出指示为4个开关/3个电 容器/4电平换流器。该逆变器的拓扑由部件的结构或布置确定。
[0050] 以下提供了在文字上的新颖的拓扑描述。
[0051] 新颖的拓扑换流器模块可以由它的部件和它的输出指示为4个开关/3个电容器/4 电平换流器。在图4中再次图示了该拓扑，其中现在通过数字来标识部件和节点。图4与图3 相同，但现在被提供有数字。部件是具有第一节点413和第二节点415的第一电容器414、具 有第一节点416和第二节点418的第二电容器417以及具有第一节点419和第二节点421的第 三电容器420。进一步的部件是信号控制或选通开关设备，每个开关设备具有与二极管并联 的也被称作电力开关的信号控制开关。图4还包括具有第一节点401和第二节点403的第一 开关设备402;具有第一节点404和第二节点406的第二开关设备405;具有第一节点407和第 二节点409的第三开关设备408;以及具有第一节点410和第二节点412的第四开关设备411。
[0052] ]图4的4电平逆变器的拓扑在文字上： a) 换流器，所述换流器具有由是第一、第二和第三电容器的3个电容器确定的拓扑，每 个电容器具有第一和第二节点； b) 4个开关设备，所述4个开关设备是第一、第二、第三和第四开关设备，每个开关设备 具有电力开关和并联连接的二极管(具体是反并联连接），并且每个开关设备具有第一和第 二节点； c