用于功率转换组合件的寄生电感控制的有源中性点箝位开关序列的制作方法

1.本公开一般涉及电功率系统，并且更特别地涉及用于功率转换组合件（诸如风力涡轮功率系统中的功率转换器）的寄生电感控制的有源中性点箝位（anpc）开关序列。


背景技术：

2.风力涡轮作为可再生能源已经受到越来越多的关注。风力涡轮使用风来生成电力。风使连接到转子的多个叶片转动。由风引起的叶片的自旋使转子的轴自旋，该转子的轴连接到生成电力的发电机。某些风力涡轮包括双馈感应发电机（dfig），其用来将风能转换为适于到电力网的输出的电功率。dfig通常连接到调节dfig和电网之间的电功率流的转换器。更特别地，转换器允许风力涡轮以电网频率输出电功率，而不管风力涡轮叶片的旋转速度。
3.典型的dfig系统包括具有转子和定子的风驱动dfig。dfig的定子通过定子母线耦合到电力网。功率转换器用于将dfig的转子耦合到电力网。该功率转换器可以是包括转子侧转换器和线路侧转换器两者的两级功率转换器。转子侧转换器可以经由转子母线从转子接收交流（ac）功率，并且可以将ac功率转换为dc功率。线路侧转换器然后可以将dc功率转换成具有适当输出频率（诸如电网频率）的ac功率。ac功率经由线路母线提供给电力网。辅助功率馈送器可以耦合到线路母线，以便为风力涡轮系统中使用的组件（诸如风扇，泵，马达和风力涡轮系统的其它组件）提供功率。
4.参考图1和2，分别图示根据传统结构的多电平逆变器中性点箝位（npc）拓扑和多电平逆变器二极管恢复路径。在图1中，实线箭头指示硬二极管恢复，虚线箭头指示无损恢复，以及箱式（boxed）箭头指示由电流方向控制的转变。因此，多电平逆变器拓扑利用多个开关装置的串联连接以达到更高的操作电压。例如，如所示，在三电平逆变器的开关操作期间，ac端子可以电连接到三个可能的电压，即，正电压、负电压和中点电压。此外，如所示，通常通过二极管d5和d6来完成到中点电压的连接。然而，这些交替路径的存在导致长的和短的换向路径的产生，并因此导致不同的寄生电感水平的产生。
5.更特别地，这种差异在二极管关断期间（例如由于增加的寄生电感）在内部开关装置（例如s2和s3）处产生大的电压过冲以及产生不同的恢复路径。如本文所使用的，关断过冲由存储在桥式结构的寄生电感中的能量直接引起。该能量与电感的大小和换向电流的幅度成比例。该过电压过冲可能损坏受影响的装置，并且需要栅极驱动器设计，该设计导致功率转换器中更多的损耗和更小的容限。增加的寄生电感也可能不利地影响二极管操作，由此导致增加的二极管损耗和降低的转换器额定值。
6.例如，如图2中从操作状态5（os5）到操作状态3（os3）以及从操作状态2（os2）到操作状态4（os4）所示，二极管d1和d4具有带有高回路电感的长恢复路径，由此导致二极管d1和d4中的较大损耗。例如，如图3中所示，图示多个绝缘栅双极晶体管（igbt）模块10的布局，其中从操作状态5（os5）到操作状态3（os3）的转变引起用于二极管之一的长恢复路径rp。更
特别地，如所示，恢复路径rp必须物理地覆盖整个相位模块，由此导致高回路电感。
7.这种损耗转化为更多的热量和更低的桥额定值。因此，用于减小电压过冲的典型解决方案包括软开关和/或缓冲电路，其可以引起较慢的开关速度和增加的成本。
8.因此，本公开针对减少转换器寄生电感和中断电流的备选anpc开关序列。更特别地，本公开的anpc开关序列被配置成在多个操作状态下操作功率转换器的开关装置，使得电流同时流过至少两个并行恢复路径。


技术实现要素：

9.本公开的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过本公开的实践而获知。
10.在一个方面中，本公开针对一种用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥式功率转换器的方法。该功率转换器包括经由dc链路耦合到第二转换器的第一转换器。该方法包括在有源中性点箝位拓扑中提供功率转换器的多个开关装置。该方法还包括在多个操作状态下操作多个开关装置，使得电流在功率转换器的操作期间同时流过多个开关装置的至少两个并行恢复路径，以在多个开关装置的至少一个反并行二极管或开关恢复时最小化电流的换向路径，由此减小影响反并行二极管或开关的寄生电感。
11.在实施例中，多个开关装置是多个绝缘栅双极晶体管（igbt）模块。在这样的实施例中，多个igbt模块中的每个可包括至少一个igbt开关和至少一个反并行二极管。
12.在特定实施例中，例如，多个igbt模块可包括：具有耦合到第一反并行二极管的第一igbt开关的第一igbt模块、具有耦合到第二反并行二极管的第二igbt开关的第二igbt模块、具有耦合到第三反并行二极管的第三igbt开关的第三igbt模块、具有耦合到第四反并行二极管的第四igbt开关的第四igbt模块、具有耦合到第五反并行二极管的第五igbt开关的第五igbt模块、以及具有耦合到第六反并行二极管的第六igbt开关的第六igbt模块。此外，在实施例中，（一个或多个）二极管可以是第一反并行二极管、第二反并行二极管、第三反并行二极管、第四反并行二极管、第五反并行二极管和/或第六反并行二极管中的至少一个。
13.在另外的实施例中，该方法还可包括将第一igbt模块和第五igbt模块串行电耦合在一起以形成第一igbt模块封装，将第二igbt模块和第三igbt模块串行电耦合在一起以形成第二igbt模块封装，以及将第四igbt模块和第六igbt模块串行电耦合在一起以形成第三igbt模块封装。
14.在额外的实施例中，该方法可包括在第一igbt模块和第五igbt模块、第二igbt模块和第三igbt模块和/或第四igbt模块和第六igbt模块中的至少一个之间的连接处电耦合栅极放大器。
15.在若干实施例中，在所多个操作状态下操作多个开关装置，使得电流在功率转换器的操作期间同时流过多个开关装置的至少两个并行恢复路径可包括经由多个开关装置中的一个或多个将功率转换器的交流（ac）端子电连接到正电压端子、负电压端子或中点电压端子中的一个。
16.在特定实施例中，多个操作状态可包括以下操作状态中的至少一个：通过闭合第一igbt开关和第二igbt开关使ac端子电连接到正电压端子的第一操作状态、通过闭合第一
反并行二极管和第二反并行二极管使ac端子电连接到正电压端子的第二操作状态、通过闭合第二igbt开关和第六igbt开关以及第三反并行二极管和第五反并行二极管使ac端子电连接到中点电压端子的第三操作状态、通过闭合第三igbt开关和第五igbt开关以及第二反并行二极管和第六反并行二极管使ac端子电连接到中点电压端子的第四操作状态、通过闭合第三反并行二极管和第四反并行二极管使ac端子电连接到负电压端子的第五操作状态、以及通过闭合第三igbt开关和第四igbt开关使ac端子电连接到负电压端子的第六操作状态。
17.在另一个实施例中，在多个操作状态下操作多个开关装置，使得电流在功率转换器的操作期间同时流过多个开关装置的至少两个并行恢复路径可包括从第五操作状态转变到第三操作状态，使得来自第一二极管和第四二极管的恢复的电流流过至少两个并行恢复路径。两个并行恢复路径中的至少一个比另一个短。
18.在更进一步的实施例中，在多个操作状态下操作多个开关装置，使得电流在功率转换器的操作期间同时流过多个开关装置的至少两个并行恢复路径可包括从第二操作状态转变到第四操作状态，使得来自第一二极管和第四二极管的恢复的电流流过至少两个并行恢复路径。两个并行恢复路径中的至少一个比另一个短。
19.在另外的实施例中，在多个操作状态下操作多个开关装置可包含通过关断第二igbt开关从第三操作状态转变到第五操作状态，由此允许第五二极管和第二igbt开关之间的第一寄生电感释放能量而不迫使跨第二igbt开关的过电压，并且然后随后关断第六igbt开关，由此允许第六igbt开关和第三反并行二极管之间的第二寄生电感中的能量保持原状（as-is）。此外，在实施例中，在多个操作状态下操作多个开关装置可包括通过关断第三igbt开关从第四操作状态转变到第二操作状态，由此允许第二寄生电感释放能量而不迫使跨第三igbt开关的过电压，并且随后关断第五igbt开关，由此允许第一寄生电感中的能量保持原状。
20.在特定实施例中，多电平桥式功率转换器可以是三电平桥式功率转换器。在另外的实施例中，电功率系统可以是风力涡轮功率系统、太阳能功率系统、能量存储功率系统或其组合。
21.在另一方面中，本公开针对一种电功率系统。该电功率系统包括具有转子和定子的双馈感应发电机。定子向定子母线提供ac功率。该电功率系统还包括耦合到双馈感应发电机的转子的多电平桥式功率转换器。该功率转换器包括经由dc链路耦合到第二转换器的第一转换器。第一转换器或第二转换器中的至少一个包括布置在有源中性点箝位拓扑中的多个开关装置。该电功率系统进一步包括通信地耦合到该功率转换器的控制器。因此，控制器包括被配置成实现多个操作的至少一个处理器，所述多个操作包括但不限于在多个操作状态下操作多个开关装置，使得电流在功率转换器的操作期间同时流过多个开关装置的至少两个并行恢复路径，以在多个开关装置的至少一个反并行二极管或开关恢复时最小化电流的换向路径，由此减小影响反并行二极管或开关的寄生电感。应当理解，该电功率系统可进一步包括本文描述的附加特征中的任一个。
22.本发明提供一组技术方案，如下。
23.技术方案1. 一种用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥式功率转换器的方法，所述功率转换器具有经由dc链路耦合到第二转换器的第一转换器，所述方法包
括：在有源中性点箝位拓扑中提供所述功率转换器的多个开关装置；以及在多个操作状态下操作所述多个开关装置，使得电流在所述功率转换器的操作期间同时流过所述多个开关装置的至少两个并行恢复路径，以在所述多个开关装置的至少一个反并行二极管或开关恢复时最小化所述电流的换向路径，由此减小影响所述反并行二极管或所述开关的寄生电感。
24.技术方案2. 如技术方案1所述的方法，其中，所述多个开关装置至少包括多个绝缘栅双极晶体管（igbt）模块，其中，所述多个igbt模块中的每个包括至少一个igbt开关和至少一个反并行二极管。
25.技术方案3. 如技术方案2所述的方法，其中，所述多个igbt模块包括：包括耦合到第一反并行二极管的第一igbt开关的第一igbt模块、包括耦合到第二反并行二极管的第二igbt开关的第二igbt模块、包括耦合到第三反并行二极管的第三igbt开关的第三igbt模块、包括耦合到第四反并行二极管的第四igbt开关的第四igbt模块、包括耦合到第五反并行二极管的第五igbt开关的第五igbt模块、以及包括耦合到第六反并行二极管的第六igbt开关的第六igbt模块，所述至少一个反并行二极管包括所述第一反并行二极管、所述第二反并行二极管、所述第三反并行二极管、所述第四反并行二极管、所述第五反并行二极管或所述第六反并行二极管中的至少一个。
26.技术方案4. 如技术方案3所述的方法，进一步包括：将所述第一igbt模块和所述第五igbt模块串行电耦合在一起以形成第一igbt模块封装；将所述第二igbt模块和所述第三igbt模块串行电耦合在一起以形成第二igbt模块封装；以及将所述第四igbt模块和第六igbt模块串行电耦合在一起以形成第三igbt模块封装。
27.技术方案5. 如技术方案4所述的方法，进一步包括在所述第一igbt模块和所述第五igbt模块、所述第二igbt模块和所述第三igbt模块、或者所述第四igbt模块和所述第六igbt模块中的至少一个之间的连接处电耦合栅极放大器。
28.技术方案6. 如技术方案3所述的方法，其中，在所述多个操作状态下操作所述多个开关装置，使得电流在所述功率转换器的操作期间同时流过所述多个开关装置的所述至少两个并行恢复路径进一步包括：经由所述多个开关装置中的一个或多个将所述功率转换器的交流（ac）端子电连接到正电压端子、负电压端子或中点电压端子中的一个。
29.技术方案7. 如技术方案6所述的方法，其中，所述多个操作状态包括以下操作状态中的至少一个：通过闭合所述第一igbt开关和所述第二igbt开关使所述ac端子电连接到所述正电压端子的第一操作状态、通过闭合所述第一反并行二极管和所述所述第二反并行二极管使所述ac端子电连接到所述正电压端子的第二操作状态、通过闭合所述第二igbt开关和所述第六igbt开关以及所述第三反并行二极管和所述第五反并行二极管使所述ac端子电连接到所述中点电压端子的第三操作状态、通过闭合所述第三igbt开关和所述第五igbt开关以及所述第二反并行二极管和所述第六反并行二极管使所述ac端子电连接到所
述中点电压端子的第四操作状态、通过闭合所述第三反并行二极管和所述第四反并行二极管使所述ac端子电连接到所述负电压端子的第五操作状态、以及通过闭合所述第三igbt开关和所述第四igbt开关使所述ac端子电连接到所述负电压端子的第六操作状态。
30.技术方案8. 如技术方案7所述的方法，其中，在所述多个操作状态下操作所述多个开关装置，使得电流在所述功率转换器的操作期间同时流过所述多个开关装置的所述至少两个并行恢复路径进一步包括：从所述第五操作状态转变到所述第三操作状态，使得来自所述第一二极管和所述第四二极管的恢复的电流流过所述至少两个并行恢复路径，所述两个并行恢复路径中的至少一个比另一个短。
31.技术方案9. 如技术方案7所述的方法，其中，在所述多个操作状态下操作所述多个开关装置，使得电流在所述功率转换器的操作期间同时流过所述多个开关装置的所述至少两个并行恢复路径进一步包括：从所述第二操作状态转变到所述第四操作状态，使得来自所述第一二极管和所述第四二极管的恢复的电流流过所述至少两个并行恢复路径，所述两个并行恢复路径中的至少一个比另一个短。
32.技术方案10. 如技术方案7所述的方法，其中，在所述多个操作状态下操作所述多个开关装置，使得电流在所述功率转换器的操作期间同时流过所述多个开关装置的所述至少两个并行恢复路径进一步包括：通过以下方式从所述第三操作状态转变到所述第五操作状态：关断所述第二igbt开关，由此允许所述第五二极管和所述第二igbt开关之间的第一寄生电感释放能量，而不迫使跨所述第二igbt开关的过电压；以及随后关断所述第六igbt开关，由此允许所述第六igbt开关和所述第三反并行二极管之间的第二寄生电感中的能量保持原状。
33.技术方案11. 如技术方案10所述的方法，其中，在所述多个操作状态下操作所述多个开关装置，使得电流在所述功率转换器的操作期间同时流过所述多个开关装置的所述至少两个并行恢复路径进一步包括：通过以下方式从所述第四操作状态转变到所述第二操作状态：关断所述第三igbt开关，由此允许所述第二寄生电感释放能量而不迫使跨所述第三igbt开关的过电压；以及随后关断所述第五igbt开关，由此允许所述第一寄生电感中的能量保持原状。
34.技术方案12. 如技术方案1所述的方法，其中，所述多电平桥式功率转换器是三电平桥式功率转换器，并且其中所述电功率系统包括风力涡轮功率系统、太阳能功率系统、能量存储功率系统或其组合。
35.技术方案13. 一种电功率系统，包括：具有转子和定子的双馈感应发电机，所述定子向定子母线提供ac功率；耦合到所述双馈感应发电机的所述转子的多电平桥式功率转换器，所述功率转换器包括经由dc链路耦合到第二转换器的第一转换器，所述第一转换器或所述第二转换器中的至少一个包括布置在有源中性点箝位拓扑中的多个开关装置；通信地耦合到所述功率转换器的控制器，所述控制器包括被配置成实现多个操作
的至少一个处理器，所述多个操作包括：在多个操作状态下操作所述多个开关装置，使得电流在所述功率转换器的操作期间同时流过所述多个开关装置的至少两个并行恢复路径，以在所述多个开关装置的至少一个反并行二极管或开关恢复时最小化所述电流的换向路径，由此减小影响所述反并行二极管或所述开关的寄生电感。
36.技术方案14. 如技术方案13所述的系统，其中，所述多个开关装置至少包括多个绝缘栅双极晶体管（igbt）模块，其中所述多个igbt模块中的每个包括至少一个igbt开关和至少一个反并行二极管，并且其中所述多个igbt 模块包括：包括耦合到第一反并行二极管的第一igbt开关的第一igbt模块、包括耦合到第二反并行二极管的第二igbt开关的第二igbt模块、包括耦合到第三反并行二极管的第三igbt开关的第三igbt模块、包括耦合到第四反并行二极管的第四igbt开关的第四igbt模块、包括耦合到第五反并行二极管的第五igbt开关的第五igbt模块、以及包括耦合到第六反并行二极管的第六igbt开关的第六igbt模块，所述至少一个二极管包括所述第一反并行二极管、所述第二反并行二极管、所述第三反并行二极管、所述第四反并行二极管、所述第五反并行二极管或所述第六反并行二极管中的至少一个。
37.技术方案15. 如技术方案14所述的系统，进一步包括：将所述第一igbt模块和所述第五igbt模块串行电耦合在一起以形成第一igbt模块封装；将所述第二igbt模块和所述第三igbt模块串行电耦合在一起以形成第二igbt模块封装；以及将所述第四igbt模块和所述第六igbt模块串行电耦合在一起以形成第三igbt模块封装。
38.技术方案16. 如技术方案15所述的系统，进一步包括在所述第一igbt模块和所述第五igbt模块、所述第二igbt模块和所述第三igbt模块、或者所述第四igbt模块和所述第六igbt模块中的至少一个之间的连接处电耦合栅极放大器。
39.技术方案17. 如技术方案16所述的系统，其中，在所述多个操作状态下操作所述多个开关装置，使得电流在所述功率转换器的操作期间同时流过所述多个开关装置的所述至少两个并行恢复路径进一步包括：经由所述多个开关装置中的一个或多个将所述功率转换器的交流（ac）端子电连接到正电压端子、负电压端子或中点电压端子中的一个。
40.技术方案18. 如技术方案17所述的系统，其中，所述多个操作状态包括以下操作状态中的至少一个：通过闭合所述第一igbt开关和第二igbt开关使所述ac端子电连接到所述正电压端子的第一操作状态、通过闭合所述第一反并行二极管和第二反并行二极管使所述ac端子电连接到所述正电压端子的第二操作状态、通过闭合所述第二igbt开关和第六igbt开关以及所述第三反并行二极管和第五反并行二极管使所述ac端子电连接到所述中点电压端子的第三操作状态、通过闭合所述第三igbt开关和第五igbt开关以及所述第二反并行二极管和第六反并行二极管使所述ac端子电连接到所述中点电压端子的第四操作状态、通过闭合所述第三反并行二极管和第四反并行二极管使所述ac端子电连接到所述负电压端子的第五操作状态、以及通过闭合所述第三igbt开关和第四igbt开关使所述ac端子电
连接到所述负电压端子的第六操作状态。
41.技术方案19. 如技术方案18所述的系统，其中，在所述多个操作状态下操作所述多个开关装置，使得电流在所述功率转换器的操作期间同时流过所述多个开关装置的所述至少两个并行恢复路径进一步包括：从所述第三操作状态转变到所述第五操作状态，使得来自所述第一二极管和所述第四二极管的恢复的电流流过所述至少两个并行恢复路径，所述两个并行恢复路径中的至少一个比另一个短；以及从第四操作状态转变到第二操作状态，使得来自第一二极管和所述第四二极管的恢复的电流流过所述至少两个并行恢复路径，所述两个并行恢复路径中的至少一个比另一个短。
42.技术方案20. 如技术方案18所述的系统，其中，在所述多个操作状态下操作所述多个开关装置，使得电流在所述功率转换器的操作期间同时流过所述多个开关装置的所述至少两个并行恢复路径进一步包括：通过以下方式从所述第三操作状态转变到所述第五操作状态：关断所述第二igbt开关，由此允许所述第五二极管和所述第二igbt开关之间的第一寄生电感释放能量，而不迫使跨所述第二igbt开关的过电压；以及随后关断所述第六igbt开关，由此允许所述第六igbt开关和所述第三反并联二极管之间的第二寄生电感中的能量保持原状；以及通过以下方式从所述第四操作状态转变到所述第二操作状态：关断所述第三igbt开关，由此允许所述第二寄生电感释放能量而不迫使跨所述第三igbt开关的过电压；以及随后关断所述第五igbt开关，由此允许所述第一寄生电感中的能量保持原状。
43.参考以下描述和所附权利要求，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书中并构成其一部分的附图示出了本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
附图说明
44.在参考附图的说明书中阐述了本公开的针对本领域普通技术人员的完整且能够实现的公开（包括其最佳模式），其中：图1图示根据传统结构的三电平逆变器的开关序列的示意图；图2图示根据传统结构的三电平逆变器的二极管恢复路径的示意图；图3图示根据传统结构连接的多个igbt模块的示意图，特别图示二极管之一的长恢复路径；图4图示根据本公开的风力涡轮的一个实施例的透视图；图5图示根据本公开的dfig风力涡轮系统的一个实施例的示意图；图6图示根据本公开的用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥式功率转换器的方法的一个实施例的流程图；图7图示根据本公开的三电平逆变器的开关序列的一个实施例的示意图；图8图示根据本公开的三电平逆变器的二极管恢复路径的示意图；
图9图示根据本公开连接的多个igbt模块的示意图，特别是分组在一起以形成多个igbt模块封装的igbt模块对；图10图示根据本公开连接的多个igbt模块的示意图，特别图示用于二极管d1和d4的多个恢复路径，其中恢复路径中的一个比另一个短；图11图示根据本公开的三电平逆变器的开关恢复路径的示意图，特别图示正电流恢复路径；以及图12图示根据本公开的三电平逆变器的开关恢复路径的示意图，特别图示负电流恢复路径。
具体实施方式
45.现在将详细参考本公开的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。通过本公开的解释而非本公开的限制的方式提供每个实例。实际上，对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可以在本公开中进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分图示或描述的特征可以与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，本公开旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这些修改和变型。
46.在典型的三电平逆变器上，存在各种操作状态和转变死区时间状态。因此，对于典型的逆变器，内部开关装置可以在从死区时间状态和/或中性状态出来时中断电流。更特别地，在这些状态期间，电流流过一个igbt开关和一个二极管（例如，图1的s2/d5或s3/d6）。因此，常规操作可能导致一个或多个二极管中的大损失，这转化为开关装置的增加温度和较低的桥额定值。因此，本公开的系统和方法使用anpc拓扑来控制电感而不是温度，这允许电流总是流过两个并行恢复路径（例如，图4的d5/s2和s6/d3或d2/s5和s3/d6）。这种改变有效地在二极管或开关恢复时帮助提供短换向路径。此外，本公开的系统和方法还减少了当s2/s3被关断时被中断的电流量，因为电流被分成具有类似阻抗的两个并行恢复路径。
47.如本文所使用的，二极管恢复一般是指通过其二极管从导通电流转变到阻断电压的过程。因此，必须通过换向路径去除二极管中的电荷载流子。这种电荷的去除是流过二极管的电流，而阻断电压出现在二极管端子处。因此，二极管在消耗大量功率，该功率是电流和电压的函数。换向路径越长，来自该操作的损耗越高。
48.应当领会，通过操作如本文所述的功率转换器可提供许多优点。特别地，本公开的系统和方法可以应用于许多电功率系统，诸如风力涡轮功率系统、太阳能功率系统、能量储存功率系统或其组合。此外，本公开不需要额外的硬件。此外，本公开使得功率转换器能够扩展其安全操作区域（soa）而无需添加更多的半导体。
49.现在参考附图，图4图示风力涡轮100的一个实施例的透视图。如所示，风力涡轮100一般包括从支撑表面104延伸的塔架102，安装在塔架102上的机舱106，以及耦合到机舱106上的转子108。转子108包括可旋转毂110和连接到毂10并从毂10向外延伸的至少一个转子叶片112。例如，在所图示实施例中，转子108包括三个转子叶片112。然而，在备选实施例中，转子108可包括多于或少于三个转子叶片112。每个转子叶片112可围绕毂110间隔开，以促进旋转转子108，从而使得动能能够从风转化成可用的机械能，并且随后转化成电能。例如，如下所述，转子108可以可旋转地耦合到发电机220（图2）以允许产生电能。
50.现在参考图5，根据本主题的各方面图示dfig风力涡轮系统200的一个实施例的示意图。应当领会，一般在本文中将参考图5中所示的系统200来描述本主题。然而，使用本文提供的公开，本领域普通技术人员应当理解，本公开的方面在其它功率生成系统中也可以是可适用的。
51.如所示，风力涡轮100的转子108可以可选地耦合到齿轮箱218，齿轮箱218进而耦合到发电机220。根据本公开的各方面，发电机220是双馈感应发电机（dfig）。例如，如图所示，dfig 220可耦合到定子母线254并且经由转子母线256耦合到功率转换器262。定子母线254可从dfig 220的定子提供输出多相功率（例如，三相功率），并且转子母线256可从dfig120的转子提供输出多相功率（例如，三相功率）。如图5中所示，功率转换器262包括转子侧转换器266和线路侧转换器268。dfig 220可经由转子母线256耦合到转子侧转换器266。另外，转子侧转换器266可耦合到线路侧转换器268，线路侧转换器268又可耦合到线路侧母线288。在特定实施例中，功率转换器262可以是多电平桥式功率转换器，诸如三电平桥式功率转换器或更高电平桥式功率转换器。如本文所述，三电平转换器是具有三个直流（dc）极的转换器。除了正dc极和负dc极之外，这种转换器还具有中性dc极。
52.在若干实施例中，转子侧转换器266和线路侧转换器128可被配置用于使用绝缘栅双极晶体管（igbt）开关装置的三相脉宽调制（pwm）布置中的正常操作模式，如将关于图3更详细地讨论的。转子侧转换器126和线路侧转换器268可经由dc链路126耦合，跨dc链路126的是dc链路电容器238。
53.另外，功率转换器262可耦合到控制器274以控制转子侧转换器266和线路侧转换器268的操作。应当注意，在若干实施例中，控制器124可被配置成功率转换器262和控制系统276之间的接口。控制器274可包括任意数量的控制装置。在一个实施例中，控制器274可包括执行存储在计算机可读介质中的计算机可读指令的处理装置（例如，微处理器，微控制器等）。指令当由处理装置执行时，可引起处理装置执行操作，所述操作包括向功率转换器262的开关装置和/或短路装置提供控制命令。
54.在典型的配置中，还可包括各种线路接触器和电路断路器（包括例如电网断路器282），以用于在连接到电力网284和从电力网284断开的期间根据需要dfig 220的正常操作隔离各种组件。例如，系统电路断路器278可将系统母线260耦合到变压器280，变压器280可经由电网断路器282耦合到电力网284。在备选实施例中，保险丝可代替电路断路器中的一些或全部。
55.在操作中，通过旋转转子108在dfig 220处生成的交流功率经由双路径提供给电力网284。双路径由定子母线254和转子母线256限定。在转子母线侧256上，将正弦多相（例如，三相）交流（ac）功率提供给功率转换器262。转子侧功率转换器266将从转子母线256提供的ac功率转换成直流（dc）功率，并将dc功率提供给dc链路236。如一般所理解的，在转子侧功率转换器266的桥式电路中使用的开关装置（例如igbt）可被调制以将从转子母线256提供的ac功率转换成适合于dc链路236的dc功率。
[0056] 另外，线路侧转换器268将dc链路126上的dc功率转换成适合于电力网124的ac输出功率。特别地，可以对线路侧功率转换器268的桥式电路中使用的开关装置（例如igbt）进行调制，以将dc链路236上的dc功率转换成线路侧母线288上的ac功率。来自功率转换器262的ac功率可以与来自dfig 220的定子的功率组合以提供多相功率（例如三相功率），该多相
功率具有基本上维持在电力网284的频率（例如，50hz或60hz）的频率。
[0057]
另外，诸如电网断路器282、系统断路器278、定子同步开关258、转换器断路器286和线路接触器272之类的各种电路断路器和开关可包括在系统200中以连接或断开对应的母线，例如，当电流流动过高并且可能损坏风力涡轮系统100的组件时或出于其它操作上的考虑。还可在风力涡轮系统200中包括额外的保护组件，诸如下面描述的消弧电路。
[0058]
此外，功率转换器262可经由控制器274从例如控制系统276接收控制信号。控制信号除了别的以外还可基于风力涡轮系统200的感测条件或操作特性。通常，控制信号提供对控制功率转换器262的操作的控制。例如，以dfig 220的感测速度形式的反馈可用于控制来自转子母线256的输出功率的转换，以维持适当且平衡的多相（例如，三相）功率供应。控制器274还可使用来自其它传感器的其它反馈来控制功率转换器262，包括例如定子和转子母线电压和电流反馈。使用各种形式的反馈信息，可生成开关控制信号（例如igbt的栅极定时命令）、短路控制信号、定子同步控制信号和电路断路器信号。
[0059]
现在参考图6，根据本主题的各方面图示用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥式功率转换器的方法300的一个实施例的流程图。一般来说，方法300将在本文中描述为使用诸如上面参考图4、5和7-9描述的dfig风力涡轮系统200之类的风力涡轮系统来实现。然而，应当领会，所公开的方法300可使用被配置成向负载提供用于应用的功率的任何其它合适的功率生成系统来实现。除此之外，尽管为了说明和讨论的目的，图6描述了以特定顺序执行的步骤，但是本文描述的方法不限于任何特定的顺序或布置。使用本文提供的公开，本领域技术人员将领会，可以以各种方式省略、重新布置、组合和/或适配所述方法的各种步骤。
[0060]
如（302）处所示，方法300还包括在有源中性点箝位拓扑中提供功率转换器262的多个开关装置400。例如，如图7-10中所示，开关装置400可以是绝缘栅双极晶体管（igbt）模块402。在这样的实施例中，如图7-9中所示，多个igbt模块402中的每一个可包含至少一个igbt开关404和至少一个反并行二极管406。更特别地，如图9和10中特别示出的，igbt模块402也可被分组成对以形成igbt模块封装408，使得每个igbt模块封装402包括两个igbt开关404和两个反并行二极管406。例如，如图所示，第一igbt模块封装410可包括耦合到第一反并行二极管d1的第一igbt开关s1和具有耦合到第五反并行二极管d5的第五igbt开关s5的第五igbt模块。此外，如所示，第二igbt模块封装412可包括耦合到第二反并行二极管d2的第二igbt开关s2和具有耦合到第三反并行二极管d3的第三igbt开关s3的第三igbt模块。此外，如所示，第三igbt模块封装414可包括具有耦合到第四反并行二极管d4的第四igbt开关s4的第四igbt模块和具有耦合到第六反并行二极管d6的第六igbt开关s6的第六igbt模块。因此，方法300还可将第一igbt模块和第五igbt模块串行电耦合在一起以形成第一igbt模块封装410，将第二igbt模块和第三igbt模块串行电耦合在一起以形成第二igbt模块封装412，以及将第四igbt模块和第六igbt模块串行电耦合在一起以形成第三igbt模块封装414。
[0061]
在额外的实施例中，如图10中所示，方法300可以可选地包括在第一igbt模块和第五igbt模块1、5，第二igbt模块和第三igbt模块2、3和/或第四igbt模块和第六igbt模块4、6中的一个或多个之间的连接处电耦合栅极放大器434。在特定实施例中，如所示，栅极放大器434连接到igbt模块402的各个栅极（例如，g1，g2，g3，g4，g5和g6）。
[0062]
返回参考图6，如（304）处所示，方法300还包括在多个操作状态下操作多个开关装置400，使得电流在功率转换器262的操作期间同时流过多个开关装置400的至少两个并行恢复路径，以在多个开关装置400的至少一个反并行二极管或开关恢复时最小化电流的换向路径，由此减小影响恢复反并行二极管或开关的寄生电感。例如，在这样的实施例中，（一个或多个）恢复二极管可以是第一反并行二极管d1、第二反并行二极管d2、第三反并行二极管d3、第四反并行二极管d4、第五反并行二极管d5和/或第六反并行二极管d6中的至少一个。
[0063]
参考图7和8可以更好地理解本公开的开关序列。更特别地，在若干实施例中，如图7中所示，在多个操作状态下操作多个开关装置400，使得电流同时流过（一个或多个）并行恢复路径可包括经由多个开关装置400中的一个或多个将功率转换器262的交流（ac）端子416电连接到正电压端子418、负电压端子420或中点电压端子422中的一个。
[0064]
因此，在特定实施例中，如图7中所示，多个操作状态可包括通过闭合第一igbt开关s1和第二igbt开关 s2使ac端子416电连接到正电压端子418的第一操作状态os1。另外，如所示，另一操作状态可包括通过闭合第一反并行二极管d1和第二反并行二极管d2使ac端子416电连接到正电压端子418的第二操作状态os2。此外，如所示，第三操作状态os3可包括通过闭合第二igbt开关s2和第六igbt开关s6以及第三反并行二极管d3和第五反并行二极管d5将ac端子416电连接到中点电压端子422。另外，第四操作状态os4包括通过闭合第三igbt开关s3和第五igbt开关s5以及第二反并行二极管d2和第六反并行二极管d6将ac端子416电连接到中点电压端子422。此外，如所示，第五操作状态os5通过闭合第三反并行二极管d3和第四反并行二极管d4使ac端子416电连接到负电压端子420。此外，第六操作状态os6可包括通过闭合第三igbt开关s3和第四igbt开关s4将ac端子416电连接到负电压端子420。相应操作状态的电流由箭头io指示。另外，箭头424指示硬二极管恢复，箭头426指示无损恢复，箭头428指示由电流方向控制的转变。如本文所使用的，硬二极管恢复一般是指当需要二极管阻塞功率转换器262中的半dc链路的全电压时发生的二极管恢复，而无损恢复一般是指在二极管停止传导电流之后不需要全电压阻塞的二极管恢复。
[0065]
因此，在实施例中，如图8和10中所示，开关装置400的操作可包括从第五操作状态os5转变到第三操作状态os3，使得来自第一二极管d1和第四二极管d4的恢复的电流流过至少两个并行恢复路径430、432。类似地，如所示，开关装置400的操作还可包括从第二操作状态os2转变到第四操作状态os2，使得来自第一二极管d1和第四二极管d4的恢复的电流流过两个并行恢复路径430、432。在这样的实施例中，如所示，两个并行恢复路径可至少包括第一恢复路径430和第二恢复路径430。因此，如所示，两个并行恢复路径中的一个（例如，恢复路径430）可比另一个（例如，恢复路径432）短。
[0066]
现在参考图11和12，提供了根据本公开的三电平逆变器的开关恢复路径的示意图，特别图示正电流恢复路径（图11）和负电流恢复路径（图12）。特别地，如所示，使用交错的anpc关断序列来控制电感。例如，在实施例中，从第三操作状态到第五操作状态的转变可包括关断第二igbt开关s2，由此允许第五二极管d5和第二igbt开关s2之间的第一寄生电感释放能量而不迫使跨第二igbt开关的过电压，并且随后关断第六igbt开关s6，由此允许第六igbt开关s6和第三反并行二极管d3之间的第二寄生电感中的能量保持原状。如图11中所示，从第三操作状态os3（例如，3 anpc&npc）到中间状态（例如，3 anpc），第一寄生电感（例
如，l_m1）必须释放能量，但是不需要迫使跨第二igbt开关s2的高电压，因为第二igbt开关s2还不需要阻断任何电压。从中间状态3 anpc到第五操作状态os5，第二寄生电感（例如，l_m2）中的所有能量可以保持原状，并且当第六igbt开关s6关断时不会引起跨第六igbt开关s6的电压过冲。只有内部模块电感促成对于第六igbt开关s6的电压过冲。
[0067]
另外，在实施例中，从第四操作状态到第二操作状态的转变可包括关断第三igbt开关s3，由此允许第二寄生电感在不迫使跨第三igbt开关s3的过电压的情况下释放能量，并且随后关断第五igbt开关s5，由此允许第一寄生电感中的能量保持原状。更特别地，如图12中所示，从第四操作状态os4（例如，4 anpc&npc）到中间状态（例如，4 npc），因为第三igbt开关s3还不需要阻挡任何电压，所以第二寄生电感必须释放能量，但不需要迫使跨第三igbt开关s3的高电压。从中间状态4 anpc到第二操作状态os2，第一寄生电感中的所有能量可以保持原状，并且当第五igbt开关s5关断时不需要引起跨第五igbt开关s5的电压过冲。只有内部模块电感促成对于第五igbt开关s5的电压过冲。
[0068]
本公开的另外方面由以下条款的主题提供：条款1. 一种用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥式功率转换器的方法，该功率转换器具有经由dc链路耦合到第二转换器的第一转换器，该方法包括：在有源中性点箝位拓扑中提供功率转换器的多个开关装置；以及在多个操作状态下操作多个开关装置，使得电流在功率转换器的操作期间同时流过多个开关装置的至少两个并行恢复路径，以在多个开关装置的至少一个反并行二极管或开关恢复时最小化电流的换向路径，由此减小影响反并行二极管或开关的寄生电感。
[0069]
条款2. 如条款1所述的方法，其中，多个开关装置至少包括多个绝缘栅双极晶体管（igbt）模块，其中，该多个igbt模块中的每个包括至少一个igbt开关和至少一个反并行二极管。
[0070]
条款3. 如条款2所述的方法，其中，该多个igbt模块包括：包括耦合到第一反并行二极管的第一igbt开关的第一igbt模块、包括耦合到第二反并行二极管的第二igbt开关的第二igbt模块、包括耦合到第三反并行二极管的第三igbt开关的第三igbt模块、包括耦合到第四反并行二极管的第四igbt开关的第四igbt模块、包括耦合到第五反并行二极管的第五igbt开关的第五igbt模块、以及包括耦合到第六反并行二极管的第六igbt开关的第六igbt模块，该至少一个反并行二极管包括第一反并行二极管、第二反并行二极管、第三反并行二极管、第四反并行二极管、第五反并行二极管或第六反并行二极管中的至少一个。
[0071]
条款4. 如条款3所述的方法，进一步包括：将第一igbt模块和第五igbt模块串行电耦合在一起以形成第一igbt模块封装；将第二igbt模块和第三igbt模块串行电耦合在一起以形成第二igbt模块封装；以及将第四igbt模块和第六igbt模块串行电耦合在一起以形成第三igbt模块封装。
[0072]
条款5. 如条款4所述的方法，进一步包括在第一igbt模块和第五igbt模块、第二igbt模块和第三igbt模块、或第四igbt模块和第六igbt模块中的至少一个之间的连接处电耦合栅极放大器。
[0073]
条款6. 如条款3-4所述的方法，其中，在多个操作状态下操作多个开关装置，使得电流在功率转换器的操作期间同时流过多个开关装置的至少两个并行恢复路径进一步包
括：经由多个开关装置中的一个或多个将功率转换器的交流（ac）端子电连接到正电压端子、负电压端子或中点电压端子中的一个。
[0074]
条款7. 如条款6所述的方法，其中，多个操作状态包括以下操作状态中的至少一个：通过闭合第一igbt开关和第二igbt开关使ac端子电连接到正电压端子的第一操作状态、通过闭合第一反并行二极管和第二反并行二极管使ac端子电连接到正电压端子的第二操作状态、通过闭合第二igbt开关和第六igbt开关以及第三反并行二极管和第五反并行二极管使ac端子电连接到中点电压端子的第三操作状态、通过闭合第三igbt开关和第五igbt开关以及第二反并行二极管和第六反并行二极管使ac端子电连接到中点电压端子的第四操作状态、通过闭合第三反并行二极管和第四反并行二极管使ac端子电连接到负电压端子的第五操作状态、以及通过闭合第三igbt开关和第四igbt开关使ac端子电连接到负电压端子的第六操作状态。
[0075]
条款8. 如条款7所述的方法，其中，在多个操作状态下操作多个开关装置，使得电流在功率转换器的操作期间同时流过多个开关装置的至少两个并行恢复路径进一步包括：从第五操作状态转变到第三操作状态，使得来自第一二极管和第四二极管的恢复的电流流过至少两个并行恢复路径，两个并行恢复路径中的至少一个比另一个短。
[0076]
条款9. 如条款7所述的方法，其中，在多个操作状态下操作多个开关装置，使得电流在功率转换器的操作期间同时流过多个开关装置的至少两个并行恢复路径进一步包括：从第二操作状态转变到第四操作状态，使得来自第一二极管和第四二极管的恢复的电流流过至少两个并行恢复路径，所述两个并行恢复路径中的至少一个比另一个短。
[0077]
条款10. 如条款7所述的方法，其中，在多个操作状态下操作多个开关装置，使得电流在功率转换器的操作期间同时流过多个开关装置的至少两个并行恢复路径进一步包括：通过以下方式从第三操作状态转变到第五操作状态：关断第二igbt开关，由此允许第五二极管和第二igbt开关之间的第一寄生电感释放能量，而不迫使跨第二igbt开关的过电压；以及随后关断第六igbt开关，由此允许第六igbt开关和第三反并行二极管之间的第二寄生电感中的能量保持原状。
[0078]
条款11. 如条款10所述的方法，其中，在多个操作状态下操作多个开关装置，使得电流在功率转换器的操作期间同时流过多个开关装置的至少两个并行恢复路径进一步包括：通过以下方式从第四操作状态转变到第二操作状态：关断第三igbt开关，由此允许第二寄生电感释放能量而不迫使跨第三igbt开关的过电压；以及随后关断第五igbt开关，由此允许第一寄生电感中的能量保持原状。
[0079]
条款12. 如前述条款中的任一项所述的方法，其中，多电平桥式功率转换器是三电平桥式功率转换器，并且其中电功率系统包括风力涡轮功率系统、太阳能功率系统、能量存储功率系统或其组合。
[0080]
条款13. 一种电功率系统，包括：
具有转子和定子的双馈感应发电机，该定子向定子母线提供ac功率；耦合到该双馈感应发电机的转子的多电平桥式功率转换器，功率转换器包括经由dc链路耦合到第二转换器的第一转换器，第一转换器或第二转换器中的至少一个包括布置在有源中性点箝位拓扑中的多个开关装置；通信地耦合到功率转换器的控制器，控制器包括被配置成实现多个操作的至少一个处理器，多个操作包括：在多个操作状态下操作多个开关装置，使得电流在功率转换器的操作期间同时流过多个开关装置的至少两个并行恢复路径，以在多个开关装置的至少一个反并行二极管或开关恢复时最小化电流的换向路径，由此减小影响反并行二极管或开关的寄生电感。
[0081]
条款14. 如条款13所述的系统，其中，多个开关装置至少包括多个绝缘栅双极晶体管（igbt）模块，其中多个igbt模块中的每个包括至少一个igbt开关和至少一个反并行二极管，并且其中多个igbt模块包括：第一igbt模块，所述第一igbt模块包括耦合到第一反并行二极管的第一igbt开关；第二igbt模块，所述第二igbt模块包括耦合到第二反并行二极管的第二igbt开关；第三igbt模块，所述第三igbt模块包括耦合到第三反并行二极管的第三igbt开关；第四igbt模块，所述第四igbt模块包括耦合到第四反并行二极管的第四igbt开关；第五igbt模块，所述第五igbt模块包括耦合到第五反并行二极管的第五igbt开关；以及第六igbt模块，所述第六igbt模块包括耦合到第六反并行二极管的第六igbt开关，至少一个二极管包括第一反并行二极管，第二反并行二极管，第三反并行二极管，第四反并行二极管，第五反并行二极管或第六反并行二极管中的至少一个。
[0082]
条款15. 如条款14所述的系统，进一步包括：将第一igbt模块和第五igbt模块串行电耦合在一起以形成第一igbt模块封装；将第二igbt模块和第三igbt模块串行电耦合在一起以形成第二igbt模块封装；以及将第四igbt模块和第六igbt模块串行电耦合在一起以形成第三igbt模块igbt模块封装。
[0083]
条款16. 如条款15所述的系统，进一步包括在第一igbt模块和第五igbt模块、第二igbt模块和第三igbt模块、或第四igbt模块和第六igbt模块中的至少一个之间的连接处电耦合栅极放大器。
[0084]
条款17. 如条款16所述的系统，其中，在多个操作状态下操作多个开关装置，使得电流在功率转换器的操作期间同时流过多个开关装置的至少两个并行恢复路径进一步包括：经由多个开关装置中的一个或多个将功率转换器的交流（ac）端子电连接到正电压端子、负电压端子或中点电压端子中的一个。
[0085]
条款18. 如条款17所述的系统，其中，多个操作状态包括以下操作状态中的至少一个：通过闭合第一igbt开关和第二igbt开关使ac端子电连接到正电压端子的第一操作状态、通过闭合第一反并行二极管和第二反并行二极管使ac端子电连接到正电压端子的第二操作状态、通过闭合第二igbt开关和第六igbt开关以及第三反并行二极管和第五反并行二极管使ac端子电连接到中点电压端子的第三操作状态、通过闭合第三igbt开关和第五igbt开关以及第二反并行二极管和第六反并行二极管使ac端子电连接到中点电压端子的第四
操作状态、通过闭合第三反并行二极管和第四反并行二极管使ac端子电连接到负电压端子的第五操作状态、以及通过闭合第三igbt开关和第四igbt开关使ac端子电连接到负电压端子的第六操作状态。
[0086]
条款19. 如条款18所述的系统，其中，在多个操作状态下操作多个开关装置，使得电流在功率转换器的操作期间同时流过多个开关装置的至少两个并行恢复路径进一步包括：从第三操作状态转变到第五操作状态，使得来自第一二极管和第四二极管的恢复的电流流过至少两个并行恢复路径，所述两个并行恢复路径中的至少一个比另一个短；以及，从第四操作状态转变到第二操作状态，使得来自第一二极管和第四二极管的恢复的电流流过至少两个并行恢复路径，所述两个并行恢复路径中的至少一个比另一个短。
[0087]
条款20. 如条款18-19所述的系统，其中，在多个操作状态下操作多个开关装置，使得电流在功率转换器的操作期间同时流过多个开关装置的至少两个并行恢复路径进一步包括：通过以下方式从第三操作状态转变到第五操作状态：关断第二igbt开关，由此允许第五二极管和第二igbt开关之间的第一寄生电感释放能量，而不迫使跨第二igbt开关的过电压；以及随后关断第六igbt开关，由此允许第六igbt开关和第三反并行二极管之间的第二寄生电感中的能量保持原状；以及，通过以下方式从第四操作状态转变到第二操作状态：关断第三igbt开关，由此允许第二寄生电感释放能量而不迫使跨第三igbt开关的过电压；以及随后关断第五igbt开关，由此允许第一寄生电感中的能量保持原状。
[0088]
本书面描述使用包括最佳模式的实施例来公开本公开，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本公开，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本公开的可取得专利范围由权利要求来定义，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例包括与权利要求的文字语言没有差别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的文字语言无实质性差别的等效结构元件，则这些其它示例旨在处于权利要求书的范围内。