使用两个电压电平生成脉冲列的电压源转换器

摘要

电压源转换器(10)包括连接在接点(j)和第一DC端子(DC1)之间的第一转换器臂(ua)、连接在接点和第二DC端子(DC2)之间的第二转换器臂(la)以及连接在DC端子之间的电容器串(C1，C2)。臂(ua，la)包括单元(Cua1，Cua2，Cua3，Cua4，Cla1，Cla2，Cla3，Cla4)。转换器包括控制部(12)，该控制部控制在变换中使用的单元(Cua1，Cua2，Cua3，Cua4)群组，用于对行进通过臂(ua)中的一个的电流进行换流，其中该群组包括这个臂的单元。在这个控制中，控制部(12)获得在电容器串和转换器臂之间行进的电流(IDCL)的值，并且插入或旁路群组中的被选择为最后使用的单元(Cua4)，以在电流处于零电平时达到电平中的一个。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及电压源转换器。更具体地，本发明涉及一种被配置成使用两个电压电平来生成脉冲列的电压源转换器。

背景技术

模块化多电平转换器经常用于不同的高压应用。MMC在两个直流(DC)端子之间的相臂中采用子模块，用于形成正弦波形，诸如交流(AC)波形。这种子模块包括与电容器并联的一对开关。

准两电平(Quasi-Two Level，Q2L)转换技术已经被引入到各种高压应用中，诸如引入电力传输和分配系统中。Q2L转换技术使用类似于MMC的子模块的单元。Q2L转换器更特别地使用带有与DC链路电容器并联连接的单元的两个转换器臂。这些单元包括与辅助开关和缓冲电容器并联的主开关。然而，在Q2L技术中，使用单元生成具有两个电压电平之间的脉冲的单个脉冲列。这种类型的技术例如由Gowaid等人在“Quasi Two-Level Operationof Modular Multilevel Converter for Use in a High-Power DC Transformer WithDC Fault Isolation Capability(用于在具有DC故障隔离能力的高功率DC变压器中使用的模块化多电平转换器的准两电平操作)”,IEEE Transactions On Power Electronics,Vol.30,No.1,2015年1月中描述。其也在由Mertens和Kucka在“Quasi Two-Level PWMOperation of an MMC Phase Leg With Reduced Module Capacitance(具有减小的模块电容的MMC相脚的准两电平PWM操作)”,IEEE Transactions On Power Electronics,Vol.31,No.10,2016年10月中进行了描述。Q2L转换器可以被视为标准两电平(2L)转换器和MMC之间的中间步骤。在2L转换器的相电压波形中存在的两个电压电平之间的变换期间，其以t

Q2L转换器相比于MMC具有优势，因为每个单元的所需电容比每个子模块的相对应的电容低得多。电容方面的这种减小出现是因为每个单元电容仅在一个相脚的上臂和下臂之间的变换发生的时间期间充电或放电。这是显著小于MMC中的子模块电容器所经受的充电/放电时间。

Q2L转换器的使用存在问题，即转换器臂电流中可能出现谐振，其能量会随着时间的推移作为转换器损耗而耗散。

因此，需要限制这种谐振，以便限制这种损耗。

因此，获得Q2L技术在限制谐振方面的改进是令人感兴趣的。

发明内容

本发明旨在限制由采用准两电平转换技术的电压源转换器的操作引起的谐振。

根据第一方面，该目的通过一种电压源转换器来实现，该电压源转换器被配置成使用两个电压电平来生成脉冲列，该转换器包括：第一转换器臂，该第一转换器臂连接在接点和具有第一电压电平的第一DC端子之间；第二转换器臂，该第二转换器臂连接在接点和具有第二电压电平的第二DC端子之间；以及电容器串，该电容器串连接在第一DC端子和第二DC端子之间，其中转换器臂中的至少一个包括单元；

电压源转换器还包括控制部，该控制部控制在两个电压电平之间的变换中使用的单元群组，用于对行进通过变换中涉及的转换器臂中的对应一个转换器臂的电流进行换流，该群组包括转换器臂的单元，

其中控制部在控制单元群组时被配置成获得在电容器串和转换器臂之间行进的电流的值，并处理群组中的被选择为最后使用的单元以达到电压电平中的一个，该处理包括当电容器串和转换器臂之间的电流处于零电平时插入或旁路该单元。

根据第二方面，该目的是通过一种限制电压源转换器中的谐振的方法来实现，该电压源转换器使用两个电压电平来生成脉冲列，该转换器包括：第一转换器臂，该第一转换器臂连接在接点和具有第一电压电平的第一DC端子之间；第二转换器臂，该第二转换器臂连接在接点和具有第二电压电平的第二DC端子之间；以及电容器串，该电容器串连接在第一DC端子和第二DC端子之间，其中转换器臂中的至少一个包括单元，该方法包括控制在两个电压电平之间的变换中使用的单元群组，用于对行进通过变换中涉及的转换器臂中的相对应一个的电流进行换流，该群组包括转换器臂的单元，

其中单元群组的控制包括

获得在电容器串和转换器臂之间行进的电流的值，以及

处理群组中的被选择为最后使用的单元以达到电压电平中的一个，该处理包括当电容器串和转换器臂之间的电流处于零电平时插入或旁路该单元。

根据第三方面，该目的通过一种用于限制电压源转换器中的谐振的计算机程序产品来实现，该电压源转换器使用两个电压电平来生成脉冲列，该电压源转换器使用两个电压电平来生成脉冲列，该转换器包括：第一转换器臂，该第一转换器臂连接在接点和具有第一电压电平的第一DC端子之间；第二转换器臂，该第二转换器臂连接在接点和具有第二电压电平的第二DC端子之间；以及电容器串，该电容器串连接在第一DC端子和第二DC端子之间，其中转换器臂中的至少一个包括单元，该转换器包括控制部，该控制部控制在两个电压电平之间的转换中使用的单元群组，用于对行进通过变换中涉及的臂中的对应一个臂的电流进行换流，该群组包括转换器臂的单元，

该计算机程序产品包括承载计算机程序代码的数据载体，该计算机程序代码使得控制单元群组的控制部

获得在电容器串和转换器臂之间行进的电流的值，以及

处理群组中的被选择为最后使用的单元以达到电压电平中的一个，该处理包括当电容器串和臂之间的电流处于零电平时插入或旁路该单元。

变换的最后一个单元可以是被控制部主动选择为在变换中最后使用的单元。然而，它不一定是单元结构中诸如在转换器臂中物理上最后连接的单元。

根据一些其他方面，在变换期间即当换流过程正在进行时进行选择。因此，该方法还可以包括选择在变换期间的变换中即当换流正在进行时最后使用的单元。

电容器串和转换器臂之间行进的电流的值可以是电流的一个或多个测量值。

在变换中，还存在停留时间，在此期间，单元群组保持处于两个电平之间的过渡的中间步骤。该单元群组的电容器在换流期间可以与电容器的支路并联连接，该支路包括该串的电容器中的至少一个。

控制部还可以被配置成获得该单元群组的单元电压。单元电压可以包括该群组中的每个单元的单元电压的一个或多个测量值。

在第一方面的第一变型中，控制部还可以被配置成确定电容器的支路的电压与由单元群组提供的单元电压的和之间的差，其中当电压差为负时处理最后一个单元。

在第二方面的相对应的第一变型中，该方法在这种情况下包括确定电容器的支路的电压与由单元群组提供的单元电压的和之间的差，其中当电压差为负时处理最后一个单元。

根据第一方面的第二变型，控制部还被配置成根据单元电压平衡方案对单元进行排序，使得最后被插入或旁路的单元是通过排序获得的单元序列的最后一个单元。

根据第二方面的相对应的第二变型，该方法还包括根据单元电压平衡方案对单元进行排序，使得最后被插入或旁路的单元是通过排序获得的单元序列的最后一个单元。

在两个电压电平之间的变换中最后使用的单元可以由控制部在变换已经开启之前选择。因此，该方法还可以包括在变换已经开启之前，选择在两个电压电平之间的变换中最后使用的单元。

在电容器串和转换器臂之间行进的电流附加地可以在变换开启之前获得。

在这被完成时，控制部还可以被配置成根据单元电压平衡方案，基于获得的电流和单元序列，预测在DC链路电容器串和转换器臂之间行进的电流何时将达到零，并且在预测的零电平处处理所选择的单元。

在这被完成时，该方法还可以包括根据单元电压平衡方案，基于获得的电流和单元序列，预测在DC链路电容器串和转换器臂之间行进的电流何时将达到零。在这种情况下，对所选择的单元的处理是在预测的零电平处进行的。

在预测中也可以考虑停留时间。

该群组中的单元的单元电压同样地可以在变换开启之前获得。

在这种情况下，控制部可以附加地被配置成：基于所获得的单元电压和单元序列来预测在变换期间由单元群组提供的单元电压的和，预测电压差何时为负，并且当电压差被预测为负时处理最后一个单元。

在这种情况下，该方法可以附加地包括：基于所获得的单元电压和单元序列来预测在变换期间由单元群组提供的单元电压的和，并且预测电压差何时为负。在这种情况下，所选择的单元的处理可以在电压差被预测为负时执行。

在后面的这些预测中也可以考虑停留时间。

在电压源转换器的一些变型中，第一转换器臂和第二转换器臂包括单元。

也可能的是，在两个电压电平之间的变换中使用不同的控制方案，其中在第一方案中，第一臂和第二臂的单元的处理是交错的，并且在第二方案中，在处理另一个臂的单元之前，一个臂的单元首先被全部处理。

最后一个被处理的单元可以包括最后被插入到第一转换器臂中的单元，这可以针对两种方案中从第一电压电平到第二电压电平的变换进行。

最后一个被处理的单元可以包括在第二转换器臂中最后被旁路的单元，这可以针对第一方案中从第一电压电平到第二电压电平的变换进行。电容器的支路还可以包括电容器的完整链路。

臂的单元的和可以被额定为全转换器电压，即第一电压和第二电压之间的差。因此，这些单元的尺寸组合地被确定为用于处理全转换器电压。

在电压源转换器的一些变型中，它还包括连接在接点和具有第一电压电平和第二电压电平之间的第三电压电平的中性点之间的第三转换器臂，中性点是连接在第一DC端子和第二DC端子之间的电容器串的中点。

在包括中性支路的这种电压源转换器中，电容器支路可以包括电容器串的一半。

可能的是，当转换器包括中性支路时，第一转换器臂和第二转换器臂包括单元，并且中性支路包括用于将接点连接到中性点的双向开关。替代性地，第一转换器臂和第二转换器臂可以包括开关和中性支路单元。

单元可以具有单极电压贡献能力，这可以通过具有半桥结构的单元来实现。

每个单元可以包括第一主开关、第一辅助开关和缓冲电容器，其中单元的第一主开关被配置成在两个电压电平之间切换，并且单元的第一辅助开关被配置成连接缓冲电容器以在两个电压电平之间的变换中引入正斜率或负斜率。每个单元可以附加地包括第一辅助开关和缓冲电容器之间的第一阻尼电阻器。

还可能的是，每个单元包括旁路第一阻尼电阻器的第一二极管。在一种变型中，第一二极管连接在第一接点和第二接点之间，其中第一接点是第一辅助开关和第一主开关之间的接点，并且第二接点是第一阻尼电阻器和缓冲电容器之间的接点。

替代性地或附加地，单元可以具有双极电压贡献能力，例如被实现为全桥单元，即具有全桥结构的单元。

另外可能的是，包括单元的至少一个臂还包括开关。在这种情况下，这些开关被配置成当臂的单元被操作用于在电压电平中的两个之间切换时被接通。

如果臂包括具有双极电压贡献能力的单元，则具有双极电压贡献能力的每个单元可以包括第二主开关和第二辅助开关，其中这些单元的第二主开关被配置成在两个电压电平之间切换，其中一个电压电平不同于第一主开关的那些电压电平，并且单元的第二辅助开关被配置成连接缓冲电容器以在由第二辅助开关操作的两个电平之间的变换中引入斜率。

在单元具有双极电压贡献能力的情况下，这些单元可以包括在第二辅助开关和缓冲电容器之间的第二阻尼电阻器。

具有双极电压贡献能力的单元可以附加地包括旁路第二阻尼电阻器的第二二极管。这种旁路可以包括第二二极管连接在第三接点和第二接点之间，并且第二阻尼电阻器连接到第二接点。第三接点可以是第二主开关和第二辅助开关之间的接点。替代性地，第二二极管可以与第二阻尼电阻器并联连接。

如果在转换器中使用除半桥和全桥单元结构之外的其他单元结构，则这些其他单元结构的开关可以以类似的方式设置有阻尼电阻器，并且可选地还设置有缓冲二极管。

单元的开关可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关或类似的开关或具有双向电流处理能力的开关的组合。它们也可以是宽带隙器件，诸如氮化镓(GaN)开关或碳化硅(SiC)开关即SiC衬底上的开关。

对于50或60Hz的基本AC频率即对于0.02至0.017秒的时间段，停留时间可以在几十到几百纳秒的范围内。因此，该时段可以是停留时间的10

本发明具有许多优点。它通过使用准两电平(Q2L)转换技术减少了由谐振发生导致的损耗。从而也提高了效率。这可以在不需要任何附加硬件或特殊单元设计的情况下实现。仅通过附加软件实施本发明是可能的，这也使其具有经济性。部件上的电流应力也受到限制，这允许部件尺寸被减小。它还提高了单元电容电压纹波的容限、允许电容减小、并放宽了停留时间要求。

附图说明

下面将参照附图描述本发明，其中

图1示意性地示出了第一基于单元的电压源转换器，

图2A示出了用于在图1的转换器中使用的半桥单元的第一变型，

图2B示出了用于在图1的转换器中使用的半桥单元的第二变型，

图2C示出了用于在图1的转换器中使用的半桥单元的第三变型，

图3示意性地示出了用于常规操作的转换器的各种电压和电流，

图4示出了用于限制谐振的以第一方式控制转换器的多个方法步骤的流程图，

图5示出了在用于限制谐振的控制期间转换器中的各种电压和电流，

图6示出了用于限制谐振的以第二方式控制转换器的多个方法步骤的流程图，

图7示意性地示出了第二基于单元的电压源转换器，

图8示意性地示出了可以在转换器中使用的全桥单元，以及

图9示出了其上可以提供用于实现谐振限制功能的计算机程序代码的存储介质。

具体实施方式

在下文中，将给出本发明的优选实施例的详细描述。

图1示出了呈基于单元的电压源转换器10形式的转换器的一个变型。转换器操作以在交流电流(AC)和直流电流(DC)之间转换。图1中的转换器10被示出为包括两个臂，这两个臂与单个AC相相关。然而，应该认识到，可能有三个不同的相，并且因此总共六个不同的臂，其中每个相两个臂。

如从图中可以看见，存在第一上转换器臂ua，该第一上转换器臂具有通过上链路电感器Ldc/2连接到第一DC端子DC1的第一端和连接到第一接点j的第二端。还有第二下转换器臂la，该第二下转换器臂具有连接到接点j的第一端，以及通过下链路电感器Ldc/2连接到第二DC端子DC2的第二端。还有连接在第一DC端子DC1和第二DC端子DC2之间的电容器C1和C2串。在接点j处还提供有第一AC端子AC1，在该端子上提供了输出电压。

在三相情况下，将有三个臂群组，其中每个群包括连接到相对应的AC端子的上臂和下臂，全部群组的第一臂连接到第一DC端子，并且全部第二臂连接到第二DC端子。

第一DC端子DC1可以连接到DC电力传输系统诸如高压直流(High Voltage DirectCurrent，HVDC)电力传输系统的第一极，并且第二DC端子DC2可以连接到同一系统的第二极。

第一DC端子DC1还具有第一电位或电压电平+Vdc/2，其可以是正的。因此，第一极也可以称为正极。第二DC端子DC2具有第二电位或电压电平-Vdc/2，并且因此第二极可以被称为负极。AC端子AC1可以例如经由变压器连接到AC系统。

如上所提及那样，图1中示出的电压源转换器的类型只是其中可以使用本发明的转换器的一个示例。例如，可以将转换器用作无功补偿器件，如静态补偿器。

图1中描绘的电压源转换器具有对称单极配置。因此，它连接在正电位和负电位之间。作为替代性方案，它可以以不对称单极配置或对称双极配置连接。

在图1给出的示例中，上臂ua和下臂la中有四个串联连接或级联的单元。因此，上臂ua包括四个单元Cua1、Cua2、Cua3和Cua4，而下臂la包括四个单元Cla1、Cla2、Cla3和Cla4。每个单元两端有Vdc/n的电压，其中n是上臂或下臂中的单元的和，这意味着臂中的单元的和提供Vdc的电压。然而，图1中的转换器中的臂中的单元的额定值通常为Vdc/n。而且，还指示了该DC电容器串和上臂ua之间的上臂电压Vua和DC链路电流I

图1中提供的单元的数量仅是示例。因此，必须强调的是，臂中的单元的数量可能会改变，其中数量通常取决于要交流端子AC1中产生的形状和所涉及的电压的幅值。

还设置有控制部12，用于控制转换器10的所有臂。然而，为了简化该图，在图1中仅用虚线箭头指示上臂ua中的单元Cua1、Cua2、Cua3和Cua4的控制。控制部12可以通过具有相关联的程序存储器的计算机或处理器来实施。其他类型的实现诸如使用现场可编程门阵列(FPGA)也是可能的。

如上所提及那样，在图1中的示例中的电压源转换器10的上臂ua和下臂la包括单元。单元是可以在接点j处的两个电压电平之间变换时被切换的部。更特别地，提供单元以用于向在接点j处生成的脉冲的边沿给出斜率，当从Vdc/2变换到+Vdc/2时，该斜率为正斜率，并且当从+Vdc/2变换到-Vdc/2时，该斜率为负斜率。正斜率和负斜率在此是变换中可以提供的两个种类的斜率。具有单极电压贡献能力的单元诸如具有半桥结构的单元适于在上臂ua和下臂la中使用。这种单元的示例示意性地在图2A中示出。图2B和图2C示出了单元的变型。

图2A中示出的单元Cua1包括第一主开关MSW，并且与这个第一主开关MSW并联的有包括与第二辅助开关ASW串联的缓冲电容器Csn的支路。在图2A中示出的单元Cua1中，还有连接在辅助开关ASW和缓冲电容器Csn之间的支路中的可选的阻尼电阻器Rd。还有单元电感Lc，其具有连接到主开关MSW和辅助开关ASW之间的接点的第一端。单元Cua1的第一连接端子在这种情况下设置在两个开关MSW和ASW之间的第一接点处，并且第二连接端子设置在单元电感Lc的第二端处。单元Cua1可以被切换以提供对应于缓冲电容器Csn的电压的电压贡献或零电压贡献。当提供与缓冲电容器Csn的电压相对应的电压时，单元Cua1将缓冲电容器Csn的电压插入包含它的臂中。当单元Cua1不提供电压或提供零电压时，缓冲电容器Csn被旁路，并且从而该电压被移除。由此，单元可以被认为被插入或者替代性地被旁路。在此给出的示例中，开关被实现为呈金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关形式的半导体开关，其可以设置在合适的衬底上，诸如硅(S)或碳化硅(Si)，其中SiC是优选的。因此，开关是Si开关或SiC开关。应该认识到，可以使用其他类型的半导体实现，诸如在合适的衬底诸如Si或SiC上的绝缘栅双极晶体管(IGBT)和反向并联二极管。反向并联二极管内置于MOSFET中。然而，在图中，它们被示出为是外部的，这样做为了更好地理解操作。如上所提及那样，也可以省略阻尼电阻器Rd。当包括阻尼电阻器Rd时，还可以包括缓冲二极管Dsn，其旁路阻尼电阻器Rd并朝向缓冲电容器Csn传导电流。一种这样的变型在图2B中示出，其中缓冲二极管Dsn与阻尼电阻器Rd并联连接。

图2C中示出了另一变型，其中缓冲二极管Dsn连接在第一接点和第二接点之间，其中第一接点是两个开关ASW和MSW之间的接点，并且第二接点是阻尼电阻器Rd和缓冲电容器Csn之间的接点。

如上所提及那样，单元用于在两个电压电平之间的变换中引入斜率。现在将更详细地描述用于实现这一点的操作。

AC输出AC1上的电压是脉冲列，其中电压在两个电平——由+Vdc/2定义的高电平以及由-Vdc/2定义的低电平——之间变化。在从一个电平到另一电平的变换中，控制部12从臂插入或旁路单元，使得进行步进，该步进在两个电平之间的变换中引起斜率。这种斜率也可以称为脉冲边沿。单元在这样的步处保留或停留的时间量称为停留时间t

缓冲电容器Csn因此插入用于调节脉冲边沿的电压。阻尼电阻器Rd在这种情况下阻尼通过缓冲电容器Csn的电流。在包含缓冲二极管Dsn的情况下，其降低电阻器Rd中的损耗。

当在两个电平+Vdc/2和-Vdc/2之间变换时，存在可以操作上臂ua和下臂la的多种方式。在第一方案中，臂的操作是交错的，而在第二方案中，首先操作一个臂的单元，并且当这个操作完成时，操作另一个臂的单元。

在第一方案中，在其他单元被插入另一个臂时，在一个臂中单元逐渐被旁路。通过这样做，n个单元总是并联连接到该链路电容器C1和C2串。

对于输出电流即从AC端子AC1离开转换器的电流，当电压从第一电压电平Vdc/2变换到第二电压电平-Vdc/2——该变换也称为从上臂到下臂的换流，因为电流从上臂换流到下臂——时，控制如下：

该过程开始于控制部12断开上臂ua中的单元中的一个单元中、诸如第一单元Cua1中的主开关MSW中的一个，并且同时断开下臂la中的单元中的一个单元中、诸如第一单元Cla1中的辅助开关ASW。在上臂ua中的首先断开的第一主开关MSW以全相电流进行切换，而在下臂la中的首先断开的辅助开关ASW以零电流断开。

然后，对变换中涉及的其余单元遵循这个过程。

因此，上臂ua中的全部单元被连续插入，而下臂la中的那些单元被旁路或移除。上臂ua中的那些单元具有减小的电流；下臂la中的那些单元具有增加的电流。

在给定相电流为正并且上臂ua中的单元正在被插入的情况下，首先插入的单元的缓冲电容器Csn将是充电最多的缓冲电容器。类似地，在下臂la中最后被旁路或移除的单元的电容器Csn是放电最多的电容器，因为电流从下臂中的电容器流出。

对于输出电流，当电压从第二电压电平-Vdc/2变换到第一电压电平+Vdc/2——该变换也称为从下臂到上臂的换流，因为电流从下臂换流到上臂——时，控制如下：

该过程开始于将下臂la中的一个主开关MSW诸如第一单元Cla1中的主开关MSW、和上臂ua中的辅助开关ASW诸如第一单元Cua1中的辅助开关ASW的门信号设置为零，并且以互锁延迟——即以使得确保单元的主开关和辅助开关不同时接通的延迟——分别接通相同单元的辅助开关ASW和主开关MSW。

逐渐地，下臂la中的全部单元被插入，而上臂ua中的那些单元被旁路。下臂la中的那些单元具有减小的电流；上臂ua中的那些单元具有增加的电流。

在假设相电流为正并且下臂中的单元正在被插入的情况下，则被插入的第一单元的电容器是将放电最多的电容器。类似地，上臂中最后的被旁路的单元的电容器是充电最多的电容器。

对于输入电流即经由AC端子AC1进入转换器10的电流，当电压从第一电压电平+Vdc/2变换到第二电压电平Vdc/2并且也从上臂换流到下臂时，控制如下：

该过程开始于将上臂中的单元如第一单元Clu1的主开关MSW和下臂中的单元如第一单元Cla1的辅助开关ASW的门信号设置为零，并且以互锁延迟分别接通相同单元的辅助开关ASW和主开关MSW。

逐渐地，上臂ua中的全部单元被插入，而下臂la中的那些单元被旁路。上臂ua中的那些单元具有减小的电流；下臂中的那些单元具有增加的电流。

由于上臂的单元被插入并且给定相电流为负，首先被插入的单元的电容器是将放电最多的电容器。类似地，下臂la中的最后被旁路的单元的电容器是充电最多的电容器。

对于输入电流，当电压从第二电压电平-Vdc/2变换到第一电压电平+Vdc/2，并且也从下臂la换流到上臂ua时，控制如下：

该过程开始于断开下臂la中的主开关MSW中的一个开关诸如在第一单元Cla1中的开关，并且同时断开上臂ua中的辅助开关ASW诸如第一单元Cua1。

主开关MSW在下臂la中首先断开，以全相电流进行切换，而在上臂ua中的首先断开的辅助开关ASW以零电流断开。

连续地，下臂la中的全部单元被插入，而上臂ua中的那些单元被旁路。下臂la中的那些单元具有减小的电流；上臂中的那些单元具有增加的电流。

在插入下臂la中的单元时，并且给定相位或输出电流为负，首先插入的单元的电容器是将充电最多的电容器。类似地，上臂ua中的最后被旁路的单元的电容器是放电最多的电容器，因为电流从上臂中的电容器流出。

以上述方式，根据第一方案的用于两个不同电流传导方向的两个电压电平之间的变换由控制部12控制。

现在将描述控制单元的第二方案。

对于上臂换流至下臂换流的输出电流，操作如下：

(1)换流前：

到下臂la中的辅助开关ASW的门信号为0。因此，通过下臂中的开关没有可用的换流路径。然后，换流将只涉及上臂ua。

(2)换流过程：

逐渐地，上臂ua中的主开关MSW被断开，并且上臂ua中的辅助开关ASW以互锁延迟被接通。

随着主位置的断开事件，电流被迫通过上臂ua中的二极管换流。

在上臂中：全部主开关MSW以全电流断开；辅助开关ASW的全部二极管经受全相电流；辅助开关ASW以零电压接通(辅助开关二极管导通)。

在RLC电路谐振换流之后，当累计的总插入上臂单元电压高于DC链路电压时(通常但不一定是当上臂ua中的最后一个主开关MSW断开时)，电流换流。

(3)换流后：

下臂la中的主开关MSW以零电压接通。

对于具有下臂到上臂的换流的输出电流，操作如下：

(1)换流前：

到下臂la中的主开关MSW的门控信号为0。通过下臂la中的辅助开关ASW没有可用的电流路径，因为它们已经被断开。因此，电流将换流通过上臂ua中的单元。

(2)换流过程：

逐渐地，上臂ua中的辅助开关ASW被断开，并且上臂ua中的主开关MSW以互锁延迟被接通。

一旦上臂中的一个主开关MSW首先接通，电流就开始换流通过上臂ua中的单元。特别地，电流换流通过上臂中的二极管。

在上臂中：全部主开关MSW(除了首先接通的主开关)以全电流接通；辅助开关的全部二极管经受全相电流；辅助开关ASW以零电压断开(辅助开关二极管导通)。

当上臂中的第一主开关接通时，电流以di/dt进行换流

di/dt＝Vcell/Lloop，其中Lloop是由单元电感Lc和DC链路电感Ldc/2+Ldc/2形成的换流环路的电感。

(3)换流后：

下臂la中的辅助开关ASW以零电流接通。

对于输入电流和上臂到下臂的换流，操作如下：

(1)换流前：

到上臂ua中的主开关MSW的门控信号设置为0。通过上臂ua中的辅助开关ASW没有可用路径，因为它们已经被断开。

(2)换流过程：

逐渐地，下臂la中的辅助开关ASW被断开，并且下臂la中的主开关MSW以互锁延迟接通。

在下臂la中一个主开关MSW首先接通时，电流开始换流通过下臂la中的二极管。

在下臂中：全部主开关MSW(除了首先接通的主开关)以全电流接通；全部二极管经受全相电流；辅助开关ASW以零电压断开(辅助开关ASW的二极管导通)。

电流以di/dt进行换流

di/dt＝Vcell/Llop

(3)换流后：

上臂ua中的辅助开关ASW以零电流接通。

对于输入电流和下臂到上臂的换流，操作如下：

(1)换流前：

到上臂ua中的辅助位置的门信号设置为零。对于通过上臂中的开关的电流没有换流路径。

(2)换流过程：

逐渐地，下臂la中的主开关MSW被断开，并且下臂la中的辅助开关ASW以互锁延迟接通。当累积的总插入下臂单元电压高于DC链路电压时(通常但不一定是当下臂la中最后一个主开关MSW断开时)，电流换流通过下臂la中的二极管。

在下臂中：全部主开关MSW以全电流断开；辅助开关ASW的全部二极管经受全相电流；辅助开关ASW以零电压接通(辅助开关二极管导通)。在下臂正在被插入时，其由于接通的辅助开关AUX而与DC链路并联。电流跟随RLC电路谐振换流而换流。

(3)换流后：

上臂ua中的主开关MSW以零电压接通(二极管导通)。

上面描述了两种方案，根据这两种方案，使用Q2L转换技术来控制单元，以便在两个电压电平之间进行变换。

Q2L转换技术的使用存在问题，即在根据第一方案和第二方案的以上提及的换流中的至少一些中，在DC链路或相臂电流上可能出现谐振。

而且，这些谐振的能量通常作为热耗散。

这会导致转换器损耗，并且因此对转换效率有负面影响。因此，限制这种损耗是令人感兴趣的。

发明人已经发现，损耗是由臂单元电容器相对于转换器DC链路电容器的并联化导致的。这种损耗与SiC开关的开关损耗相当，并随着转换器停留时间而进一步增加。这将进一步限制控制器在操作中选择停留时间的自由。

当研究图3时，将更好地理解谐振的原因，其中上图示出了DC链路电压Vdc以及呈上相臂电压Vua的形式的、上臂的插入的单元的电压的之和，而下图示出了DC链路电流I

转换器的并联化损耗的根本原因是由于转换器DC链路电压Vdc和某个换流过程的臂中的单元电压——例示为上臂电压Vua——之和之间的不平衡电压电平。因此，在转换器操作中，不平衡电容能量的这部分无法被控制并被导入到转换器输入或输出中，而只是作为损耗耗散在环路电阻中。

而且，并联化损耗可能随着基于Q2L的转换器的停留时间而增加，并且在200ns的情况下，这种损耗可能与使用SiC开关的转换器的开关损耗相当，并且占总损耗的25％。

为了解决谐振引起的损耗的这个问题，通常建议以在回路电流过零时间点提供补偿电压的特殊方式处理换流中使用的单元电容器中的一个。因此，通过在正确的时间“进入”电压步进，由DC链路电容、链路电感Ldc/2和单元电容Csn和电感L

可以认识到，出于以下原因，这样的问题和解决方案对于任何基于Q2L的转换器都是非常基本和关键的：

1.这个问题在理论上相当于MMC转换器的循环电流，这是MMC控制和应用的众所周知的现象。

2.MMC没有遭受这种并联化损耗的原因主要是因为对于MMC来说，它由非常大的臂电感器(在mH的范围内)和单元电容器(在mF的范围内)构成，这使得能够在非常低的频率下实现锁相环谐振。MMC的调制频率足够快以控制和调整这样的环路电流，并且因此避免过多的能量损耗。

3.然而，对于基于Q2L的转换器，由于非常高的谐振频率(L：在pH的范围内；C：在pF的范围内)，即使对于SiC器件，也不可能在谐振周期内进行调制。因此，需要新的方法来控制电流流动，否则能量只能作为转换器损耗而耗散。

现在将还参照图4和图5更详细地描述如何解决这个问题，图4示出了由控制部12执行的限制谐振的方法中的多个方法步骤的流程图，图5示出了与图3相同的电压和电流。因此，图5的上图示出了当使用第二方案针对具有输出电流的上臂到下臂换流使用控制时的DC链路电压Vdc和上相臂电压Vua，并且下图示出了当使用第二方案针对具有输出电流的上臂到下臂换流使用控制时的DC链路电流I

控制部12控制在两个电平之间的具有一定斜率的变换中使用的单元群组，用于对行进通过变换中涉及的臂中的相对应的一个的电流进行换流，其中该群组包括电流被从其被换流的臂的单元。

在脉冲列的例示性生成中，使用了第二方案，并且存在输出电流。而且，进行从第一电压电平+Vdc/2到第二电压电平-Vdc/2的变换。因此，单元群组仅包括上臂ua中的单元，并且要换流的电流是行进通过上臂的电流。变换也具有负斜率。在变换的开始时，被分配来使用的未插入单元的电压的和通常与DC链路电压Vdc相同。

因此，要插入的分配的单元通常具有电压，这些电压的和对应于变换的期望电压电平。然而，当单元实际被插入时，根据电流传导方向，它们可能被充电或放电。这意味着在DC链路电压Vdc和用于变化的单元电压Vua之和之间可能存在电压差。例如，如果单元正在被充电，它们将达到使得与电容器的支路并联连接的单元电压之和不同于DC链路电压的电压电平，并且因此可能发生谐振，如图3中示出的电流I

对于电流通过其行进到AC端子中的臂，诸如上臂ua，控制部12具有以下操作。

控制部12控制单元群组，该单元群组包括臂中的至少一个中的单元，以在两个电平之间进行变换，在本示例中，该控制使用先前描述的第二方案进行。在示例中，该群组由上臂ua的全部单元构成。因此，控制涉及将单元插入上臂中，并且当全部单元的插入完成时，随后旁路下臂中的单元。

为了限制谐振，控制部12获得在DC链路电容器C1和C2与要换流的转换器臂之间行进的电流的值，在这种情况下，该电流是DC链路电流I

可选地，控制部12还获得将与用于变换的单元群组并联连接的DC链路电容器的支路两端的电压的值，步骤16。因此，单元群组的电容器将在换流期间与电容器的支路并联连接。该支路包括该串中的电容器中的至少一个，并且在本示例中，电容器的该支路与该DC链路电容器串相同，即，该支路包括全部DC链路电容器。因此，它包括第一DC链路电容器C1和第二DC链路电容器C2两者。DC链路电容器的电压可以通过例如使用电压变压器测量DC链路电压Vdc来获得。

控制部12还可以可选地获得该单元群组的缓冲电容器Csn的电压，因为它们正被用于变换中的电流换流，步骤18。由于在本示例中使用了用于在具有负斜率的电平中的两个之间的变换的第二方案，因此单元是上臂ua中正在被插入的单元。

而且，在控制中，控制部12可以监视关于达到零电平的DC链路电流I

在获得电容器的支路的电压以及单元电压的情况下，控制部12还可以确定DC链路电容器的支路的电压Vdc与由单元群组提供的电压之和Vua之间的差(步骤20)，该和可以是单元群组的插入单元电压的和。

在变换期间，控制部12然后选择要被处理以达到第二电压电平-DC/2的单元，该选择可以包括在每个步进使用特定的停留时间。这个选择还可以包括选择要最后被处理以达到电压电平的单元。然后，除了要最后被处理的单元之外的全部单元可以使用达到期望斜率的停留时间来插入或旁路。

根据本发明的各方面，控制单元群组在两个电平之间进行变换包括处理被选择来最后使用的群组中的单元以达到其中电平中的一个，该处理包括当DC链路电流处于零电平时插入或旁路该小区。这可以是当电流接近零、已经达到零或正在过零时。在例示第二方案中，这包括控制部控制上臂ua的最后一个单元以零电流电平插入(步骤22)，该零电流电平可以处于电流过零点。作为示例，对其这样做的单元可以是第四单元cua4。

当确定DC链路电容器的支路的电压和该单元群组的插入单元电压的和之间的差时，当电压差为负时，可以附加地进行最后一个单元的处理，即最后一个单元的插入或移除。在本例中，当电压差为负时，插入上臂中的最后一个单元。

因此，当两个条件满足时，即当DC链路电流处于零电平时，诸如当它具有电流过零并且差为负时，控制部12可以插入最后一个单元。

这个操作在图5中清晰可见。

由于DC链路电流的方向，插入的单元正在充电，从而导致在插入最后一个单元之前达到期望的电压电平。通过延迟上臂中最后一个单元的插入直到达到电流零电平并且可选地也直到以上提及的差为负，可以看出谐振被显著限制，并且因此损耗也被降低。

由此可见，谐振以及因此还有损耗被限制。

在此应该认识到，在存在从第二电压电平到第一电压电平的变换即正斜率以及使用第二方案的输入电流——该电流穿过下臂la——的情况下，则将对正在被插入下臂中的单元执行相同类型的操作。

在以上提及的从第一电压电平到第二电压电平的变换中使用第一方案的情况下，则单元群组包括上臂和下臂两者中的单元。而且，在这种情况下，该群组中使用的最后一个单元可以是在下臂中被旁路的单元。因此，在这种情况下，可能的是，替代地将序列中第二臂的最后一个单元的旁路延迟到电流过零，这可能地与DC链路电压和上臂和下臂的插入电容器的和之间的负电压差相结合。

在以上提及的从第二电压电平到第一电压电平的变换中使用第一方案，并且存在输入电流的情况下，则以类似的方式可能的是，该群组中使用的最后一个单元可以是上臂中被旁路的单元。

该方法在在此还可以通过采用单元电压平衡来改变。在变换之间，控制部12可以根据单元电压平衡方案对单元进行排序，使得最后被插入或旁路的单元是通过排序获得的单元序列的最后一个单元。单元可以根据电压进行排序。然后这些单元可以根据排序顺序或者根据电流方向以增加顺序或减小顺序被插入和旁路。因此，单元序列可以是增加单元电压的序列或减少单元电压的序列。以这样的方式，然后可以避免在相同类型的两个连续变换中——例如对于两个连续的负斜率变换——重复使用单元用于谐振处理。

存在与前面描述的限制谐振的方法相关的几个优点。

■它通过使用准两电平(Q2L)转换技术减少了由谐振发生导致的损耗。从而也提高了效率。

■谐振切除单元不需要任何特殊设计，在实际操作中，可以由控制部将其选择为任何单元。因此，不需要任何附加硬件或特殊的单元设计。仅通过附加软件实施本发明是可能的，这也使其具有经济性。

■如果“谐振切除单元”需要具有良好调整的单元电压来完美地切除谐振，那么这可以通过控制单元插入排序算法和停留时间来实现。

■在理想情况下，可以由所提出的方法消除并联化。

■部件上的电流应力也受到限制，这允许部件尺寸被减小。它还提高了单元电容电压纹波的容限，并允许电容减小。

■也释放了基于Q2L技术的转换器控制的停留时间选择的自由，这对于谐波和EMI问题是至关重要的。

在关于图5描述的操作中，在换流过程期间，即在两个电压电平之间的变换期间，选择被处理的单元。

作为替代性方案可能的是，在换流序列开始之前预先选择单元。因此，可以在换流序列开始之前，即在换流实际开启之前，预选择单元。附加地，可能的是，可以在每个臂换流完成之前由控制部预测和计算完整的发起序列。当实行单元平衡时情况尤其如此。

现在将参照图6描述如何实现这一点，图6示出了由控制部12执行的限制谐振的替代性方式的流程图。

为了限制谐振，控制部12获得输出电流的值，即离开AC端子的电流，步骤24。控制部12还获得DC链路电流I

由于使用用于在具有负斜率的、电平中的两个电平之间的变换的第二方案，单元是上臂ua中正在被插入的单元，并且DC链路电流是DC链路电容器和上臂ua之间的电流。

然后，控制部12根据单元电压平衡方案对单元进行排序，使得它们可以在单元序列中被插入或旁路，步骤32。如前所提及那样，排序可以包括根据单元电压对单元排序。

然后，控制部12确定单元序列，预测变换中的步骤的定时、DC链路电流I

单元序列的确定可以基于输出电流的方向以及将要进行的变换即将形成的斜率的类型)。然后，单元序列可以从具有最低电压的单元开始，并且然后顺次继续到具有最高电压的单元。替代性地，顺序可以从具有最高电压的单元开始，并且然后顺次继续到具有最低电压的单元。应该认识到，可以使用不仅仅依赖于单元电压的更复杂的单元排序方案。也可能的是，停留时间是变化的。对于这些步骤，其不限于是相等的。

在给定的示例中，电流是输出电流，并且变换是从高到低。在这种情况下，单元序列可以从上臂中的具有最低电压的单元开始，并且然后顺次继续到上臂中的具有最高电压的单元。由此，具有最高电压的单元可以被选择为最后一个要处理的单元，在这种情况下其是最后一个要插入的单元。

零电流电平和电压差的预测可以基于转换器的模型进行。

可以基于所获得的DC链路电流、所确定的单元序列和停留时间来预测DC链路电流。以类似的方式，可以基于DC链路电压、变换期间的单元电容器电压的预测和、所确定的单元序列和停留时间来预测电压差。DC电压的和方面的变化和DC链路电流的预测包括预测由于单元电容器的充电或放电而引起的这些的变化。预测在这种情况下还包括预测和应用谐振效应。

基于以上提及预测，控制部12然后预测DC链路电流何时将达到零，诸如其何时将具有过零，并且可能地还预测电压差何时为负。然后，将最后一个要处理的单元的定时设置为当DC链路电流处于零电平而电压差为负时。

然后，发起方案即关于将插入哪些单元以及何时插入的数据可以存储在定时表中，并且当到了执行变换的时间时，控制部12根据发起表中的设置插入单元，这因此包括当电压差被预测为负时以在预测的零电流电平处处理单元序列中的最后一个单元，步骤36。

因此，在序列中除了最后一个单元的全部单元被执行的步骤都基于停留时间来确定。然而，当负电压差也被预测时，基于预测的电流过零来确定最后一个单元的插入定时。

也可以对图1中的转换器进行几种变型，其中一个变型在图7中示出。

图7中的转换器10被示出为包括三个臂，这三个臂也全都与单个AC相相关。在此还应该认识到，可能有三个不同的相，并且因此有总共九个不同的臂，其中每个相有三个臂。

如图中可见，存在连接在第一DC端子DC1和接点j之间的第一上转换器臂ua，连接在接点j和第二DC端子DC2之间的第二下转换器臂la，正如图1中的转换器一样。而且，这个转换器包括连接在第一DC端子DC1和第二DC端子DC2与接点j处的第一AC端子AC1之间的电容器C1和C2串。在这种情况下，电容器C1和C2串的中点是中性点np或接地点。与图1中的转换器相反，存在连接在接点j和中性点之间的第三个中性转换器臂na。

在三相情况下，将有三个臂群组，其中每个群组包括上臂、下臂和连接到相应AC端子的中性臂，其中全部群组的上臂连接到第一DC端子，全部下臂连接到第二DC端子，并且全部中性臂连接到电容器串中点。因此，电容器串中点将为全部中性臂共有。

臂中的至少一个包括单元，并且缺少单元的任何臂仅包括用于将接点连接到相对应的电压电平的开关。在例示转换器10中，上臂ua和下臂la包括单元，这些单元有利地串联或级联连接在臂中，并且因此中性臂包括开关。

仅包括开关即它没有单元的中性臂na包括具有相反取向的第一开关S1和第二开关S2，其中每个开关被实现为晶体管的组合，诸如在合适的衬底诸如S或Si上具有反向并联二极管的IGBT。因此，开关是Si开关或SiC开关。通过提供两个相反取向的开关，接点j可以与中性点np连接和断开，而与通过中性臂的电流的方向无关。SiC开关是一种类型的宽带隙器件的示例。应该认识到，也可以使用其他类型的宽带隙器件，诸如氮化镓(GaN)开关。

这个转换器被控制为在转换器的AC端子AC1处提供在+Vdc/2和零之间以及在零和-Vdc/2之间的两个脉冲列。在此使得上臂中的单元提供在+Vdc/2和0之间的变换，而使得下臂提供在0和-Vdc/2之间的变换。

因此，在正半周期中，附加开关S1和S2每当全部上臂单元被插入时接通，使得输出电压被箝位到零。类似地，在负半周期中，开关S1和S2在负半周期中每当下臂la的全部单元被插入时接通，使得输出电压再次被箝位到零。

因此，通过将接点j连接到中性点np来获得零电平。由此可见，上臂中的单元将与第一电容器C1并联连接，而下臂中的单元将与第二电容器C2并联连接。这意味着，对于图6中的转换器，用于与生成一个脉冲列相关的变换的电容器的支路包括电容器链路的一半，在这种情况下，其仅是第一电容器C1，并且与这个支路并联连接的单元群组仅包括上臂ua中的单元。用于与生成另一脉冲列相关的变换的电容器的支路包括链路的另一半，例如，仅包括第二电容器C2，并且与这个支路并联连接的单元群组仅包括下臂la中的单元。在这种情况下，当在+Vdc/2和零之间变换时，第一电容器C1和上臂ua的单元电压的和之间的差用于处理谐振，而当在零和-Vdc/2之间变换时，第二电容器C2和下臂la的单元电压的和之间的差用于处理谐振。

图7中转换器的变型是，中性臂可以替代地包括单元，而上臂和下臂包括开关，在这种情况下，单元群组仅包括与第一DC链路电容器或第二DC链路电容器并联连接的中性臂的单元。

另一可能的变型是使用双极单元，即具有双极电压贡献能力的单元，并且作为示例具有全桥结构。这种单元的一种实现在图8中示出，其是图2B中的单元的变型。单元Cna1包括第一主开关MSW1。这个第一主开关MSW1的第一端通过第一辅助开关ASW1和第一可选阻尼电阻器Rd1的串联连接而连接到缓冲电容器Csn的第一端。还有第二主开关MSW2，其具有通过第二辅助开关ASW2和可选的第二阻尼电阻器Rd2的串联连接而连接到缓冲电容器Csn的相同第一端的第一端。在这种情况下，还有连接在第一接点和第二接点之间的可选的第一缓冲二极管Dsn1，其中第一接点是两个开关ASW1和MSW1之间的接点，以及第二接点是第一阻尼电阻器Rd1、第二阻尼电阻器Rd2和缓冲电容器Csn之间的接点。还有连接在第三接点和第二接点之间的可选的第二缓冲二极管Dsn2，其中第三接点是两个开关ASW2和MSW2之间的接点。二极管Dsn1和Dsn2两者朝向缓冲电容器Csn传导电流。最后，第一主开关MSW1和第二主开关MSW2的第二端也连接到缓冲电容器Csn的第二端。单元Cna1的第一连接端子设置在第一接点处，而单元的第二连接端子设置在第三接点处。单元Cna1可以被切换以提供对应于缓冲电容器Csn的正电压、对应于缓冲电容器Csn的负电压或零电压的电压贡献。当提供与缓冲电容器Csn电压相对应的电压时，单元插入缓冲电容器Csn的电压。当单元Cna1不提供电压或提供零电压时，缓冲电容器Csn被旁路。在这种情况下，缓冲二极管也可以只与相对应的阻尼电阻器并联连接。也可以移除阻尼电阻器和缓冲二极管两者。

当使用这种单元时，它们可以用于插入负电压，并且因此它们可以用于全部以上提及的变换，而不管它们被放置在哪个臂中。例如，由此可以在从第一电压电平变换到第二电压电平时在图1中的转换器的下臂中插入单元，并且这个单元也可以是最后被插入的单元。

如前所提及那样，控制部可以以具有包括用于执行其功能的计算机程序代码的相关程序存储器的处理器的形式提供，或者以数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)的形式提供。

计算机程序也可以是计算机程序产品，例如呈计算机可读存储介质或携带具有计算机程序代码的计算机程序的数据载体的形式，该计算机程序产品当被加载到处理器中时将实施以上描述的控制部的功能。在图9中示意性地示出了具有以上提及的计算机程序代码40的CD ROM盘38的形式的一种这样的计算机程序产品。

应该认识到，可能的是中性臂也包括单极单元，诸如半桥单元。

应该认识到，除了已经描述的那些之外，还可以进行另外的变型。开关不限于采用IGBT和MOSFET。例如，开关可以替代地基于结型场效应晶体管(JFET)。也可以使用集成门极换流晶闸管(IGCT)。

从前面的讨论显而易见的是，本发明可以以多种方式变化。因此，应当认识到，本发明仅受以下权利要求的限制。