具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图14描述本发明提供的一种共直流侧电容型多电平变换器拓扑生成方法及系统。

本发明实施例提供了一种共直流侧电容型多电平变换器拓扑生成方法。图1为本发明实施例提供的共直流侧电容型多电平变换器拓扑生成方法的流程示意图，该方法包括：

步骤110，基于目标电平数及功率器件最大承压统一性原则构建拓扑网络图，并基于所述拓扑网络图构建共直流侧电容型多电平变换器的拓扑矩阵表达模型；

步骤120，基于所述拓扑网络图中节点连接方式及矩阵约束条件对所述拓扑矩阵表达模型进行遍历，得到输出系数矩阵；

步骤130，基于输出系数矩阵约束条件对所述输出系数矩阵进行条件筛选，得到共直流侧电容型多电平变换器拓扑结构。

本发明实施例提供的方法，实现了通过计算机编程来进行共直流侧电容型多电平变换器拓扑生成的功能，能够提高科研人员的工作效率，提高拓扑的创新性。

基于上述任一实施例，所述拓扑网络图为输出n电平的共直流侧电容型多电平变换器所对应的具有n层节点的拓扑网络图；其中，第1层为直流母线电容，第2～n层为功率器件网络，n为大于2的正整数；

具体地，图2为本发明提供的共直流侧电容型四电平变换器拓扑网络图，共4层节点，其中第1层为直流母线电容，第2层到第4层为功率器件网络。

所述拓扑网络图包括虚线、实线、正向箭头、反向箭头、输入节点、输出节点、中间节点和电平通路；

所述虚线表示连接两个节点的元件为二极管；

所述实线表示连接两个节点的元件为不带反并联二极管的开关管；具体来说，该开关管包括GTO、GTR、MOSFET、IGBT或IGCT等；

所述正向箭头表示从二极管阴极到阳极的指示方向；

所述反向箭头表示从二极管阳极到阴极的指示方向；

所述输入节点，表示输入直流源的节点，只连接有输出支路；

所述输出节点，表示输出交流侧的节点，只连接有输入支路；

所述中间节点，表示功率器件之间的节点，连接有输入支路和输出支路；

所述电平通路为所述输入节点和所述输出节点之间的通路。具体地，输入节点S₁到交流侧A点的电平输出通路称为L₁电平通路，以此类推，输入节点S_n到交流侧A点的电平输出通路称为L_n电平通路。

基于上述任一实施例，所述功率器件最大承压统一性原则包括：输出n电平的共直流侧电容型多电平变换器的直流侧有(n-1)个电压源，输入直流源之间有n个节点，每条电平通路L_i(i＝1,2,…n)有(n-1)个功率器件；其中，所述(n-1)个功率器件包括(n-i)个反向二极管和(i-1)个正向二极管；所述反向二极管为电流从输出节点到输入节点的二极管，所述正向二极管为电流从输入节点到输出节点的二极管；所述二极管包括独立二极管以及开关管的反并联二极管。

具体地，如图2所示，当共直流侧电容型四电平变换器输出最高电平时，L₁电平通路导通，L₂电平通路有1只正向二极管承受输入节点S₁和S₂之间的一个电容电压，L₃电平通路有2只正向二极管承受输入节点S₁和S₃之间的两个电容电压，L₄电平通路有3只正向二极管承受输入节点S₁和S₄之间的三个电容电压。当输出最低电平时，L₄电平通路导通，L₃电平通路有1只反向二极管承受输入节点S₃和S₄之间的一个电容电压，L₂电平通路有2只反向二极管承受输入节点S₂和S₄之间的两个电容电压，L₁电平通路有3只反向二极管承受输入节点S₁和S₄之间的三个电容电压。即电平通路L₁有3个反向二极管；电平通路L₂有2个反向二极管和1个正向二极管；电平通路L₃有1个反向二极管和2个正向二极管；电平通路L₄有3个正向二极管；此时图2符合功率器件最大承压统一性原则，每个功率器件的最大承受电压均为直流侧一个电容电压。

基于上述任一实施例，所述共直流侧电容型多电平变换器的拓扑矩阵表达模型为(n-1)层矩阵模型；

具体地，图3是本发明提供的四电平拓扑矩阵模型示意图，对应的3层矩阵模型可表示为：

第一层矩阵模型：

第二层矩阵模型：

第三层矩阵模型：

其中，a表示每层的输入，w表示相邻层之间连接通路的权值，b表示间隔层之间连接通路的权值。w＝0表示节点之间没有通路，w＝1表示节点之间有一条电流双向通路，w＝0.5表示节点之间有一条电流单向通路。b＝0表示间隔层节点之间没有通路，b＝1表示间隔层节点之间有一条电流双向通路。其中a_ij表示第i层的第j个节点。表示第i层和第(i+1)层之间连接通路的权值，其中下标中x代表第(i+1)层节点的序号，y代表第i层节点的序号。表示第i层和第(i+2)层之间连接通路的权值，其中下标中x代表第(i+2)层节点的序号，y代表第i层节点的序号。例如，表示第1层和第2层之间连接通路的权值，具体代表第二层第1个节点a₂₁与第一层第2个节点a₁₂连接通路的权值。表示第1层和第3层之间连接通路的权值，具体代表第三层第1个节点a₃₁与第一层第2个节点a₁₂连接通路的权值。

所述四电平拓扑矩阵表达模型包括3个相邻层系数矩阵和2个间隔层系数矩阵；

其中，相邻层系数矩阵：

A₃＝[1 1]； (4)

间隔层系数矩阵：

基于所述拓扑矩阵模型得到输出矩阵模型：

其中，((A₃*A₂+B₂)*A₁+A₃*B₁)为输出系数矩阵，表示输出节点a₄₁分别到输入节点a₁₁、a₁₂、a₁₃、a₁₄的通路信息。

基于上述任一实施例，如图4(a)～(e)是本发明提供的节点连接方式示意图，所述拓扑网络图中节点连接方式满足如下条件：功率器件承受电压降；每个节点能量流动具有连续性和双向性；

所述功率器件承受电压降包括：开关管承受正向电压，二极管承受反向电压；水平节点之间为双向承压功率器件，以承受正向和反向的电压。图4中开关管的正向箭头方向总是从虚拟电位高的点指向虚拟电位低的点，二极管的反向箭头方向总是从虚拟电位低的点指向虚拟电位高的点。而水平支路表示该支路需能够承受正向和反向的电压，所以在水平节点之间需添加双向承压功率器件，如图4所示。

所述每个节点能量流动具有连续性和双向性包括：最外侧桥臂采用开关管以保证最外侧桥臂电流的双向流动；输入节点或中间节点选择斜方相邻节点作为输出支路时，所述输入节点或中间节点同时具有电流流入箭头和电流流出箭头，即需满足图4(a)～(d)所示的连接条件之一；所述输入节点或中间节点选择水平节点作为输出支路时，采用双向可控开关管以实现电流的双向流动，即需满足图4(e)所示的连接条件，其中双向可控开关管可采用如图5(a)～(d)所示的开关形式，分别为共集电极型、共发射极型、反向并联型以及桥式型。

基于上述任一实施例，所述拓扑网络图中矩阵约束条件满足如下对应关系：

输入节点或中间节点选择斜方相邻节点作为输出支路时，相邻层连接通路的权值w可取为0、0.5或1；

具体地，w＝0表示节点之间没有通路，w＝1表示节点之间有一条电流双向通路，w＝0.5表示节点之间有一条电流单向通路；

最外侧桥臂采用开关管以保证最外侧桥臂电流的双向流动，连接通路的权值为1；

输入节点或中间节点选择水平节点作为输出支路时，间隔层连接通路的权值b可取为0或1。

具体地，b＝0表示间隔层节点之间没有通路，b＝1表示间隔层节点之间有一条电流双向通路。

具体地，以图3中输入节点a₁₂为例说明节点连接方式与矩阵约束条件的对应关系，图4(a)节点连接方式所对应的矩阵表达为图4(b)节点连接方式所对应的矩阵表达为图4(c)节点连接方式所对应的矩阵表达为图4(d)节点连接方式所对应的矩阵表达为图4(e)节点连接方式所对应的矩阵表达为且

基于上述任一实施例，所述基于输出系数矩阵约束条件对所述输出系数矩阵进行条件筛选，包括可行性筛选、冗余筛选和/或特性优化筛选；

其中，所述可行性筛选为输出系数矩阵所有元素均大于等于1；

所述冗余筛选为筛选并删除中间节点没有输入支路的情况；

所述特性优化筛选包括无冗余通路筛选、对称型结构筛选和/或功率器件数量最少筛选。即，所述特性优化筛选可根据实际情况选择具体筛选条件及其组合，并非每一个筛选条件都必须满足。

具体地，所述输出系数矩阵约束条件筛选包括第一条件、第二条件和第三条件筛选。第一条件筛选为可行性筛选，输出系数矩阵所有元素均需大于等于1。第二条件筛选为冗余筛选，筛选并删除中间节点没有输入支路的冗余情况。图6为本发明提供的中间节点无输入支路的冗余情况示意图，如果中间节点没有输入支路，但输出支路仍旧进行遍历，会出现如图6所示的无效支路，应删除。第三条件筛选为特性优化筛选，具体包括：

1)无冗余通路筛选：

输出系数矩阵需满足所有元素都为1。具体地，共直流侧电容型四电平变换器输出矩阵模型[a₄₁]＝[1 1 1 1][a₁₁ a₁₂ a₁₃ a₁₄]^T，输出系数矩阵Matrix[Output]＝[1 1 1 1]，这表明输出节点a₄₁到输入节点a₁₁、a₁₂、a₁₃、a₁₄之间分别有且仅有一条双向电流通路，该拓扑为无冗余通路的有效多电平拓扑结构。

2)对称型结构筛选：

每个相邻层系数矩阵和间隔层系数矩阵都为中心对称矩阵。具体地，图7(a)～(f)是本发明提供的对称型四电平拓扑结构示意图，通过约束共直流侧电容型四电平变换器相邻层系数矩阵A₁、A₂和间隔层系数矩阵B₁、B₂均为中心对称矩阵来筛选对称型拓扑结构，得到6种对称型无冗余通路的四电平拓扑结构。

3)功率器件数量最少筛选：

通过检测相邻层系数矩阵中非零元素的个数g，以及间隔层系数矩阵中非零元素个数h，可得变换器拓扑的功率器件数量(g+2h)，从而得到所用功率器件数量最少的变换器拓扑。具体地，图8是本发明提供的功率器件数量最少的对称型四电平拓扑结构示意图，其拓扑矩阵表达模型为：

输出矩阵模型为[a₄₁]＝[1 1 1 1][a₁₁ a₁₂ a₁₃ a₁₄]^T。 (8)

其中，输出节点a₄₁到输入节点a₁₁、a₁₂、a₁₃、a₁₄之间分别有且仅有一条双向电流通路。且每个系数矩阵都为中心对称矩阵，表明该四电平拓扑为对称型多电平拓扑结构，共需8个开关管即可实现四电平输出，每个开关管的耐压为单个直流侧电容电压。

为了便于对本发明技术方案的理解，下面分别以三电平和五电平为例进行实例说明。

(1)三电平拓扑生成实例

根据所述共直流侧电容型多电平变换器拓扑生成方法，基于功率器件最大承压统一性原则构建拓扑网络图，并基于三电平拓扑网络图构建拓扑矩阵表达模型，三电平拓扑的2层矩阵模型为：

第一层矩阵模型：

第二层矩阵模型：

其中，相邻层系数矩阵：

A₂＝[1 1] (11)

间隔层系数矩阵：

则输出矩阵模型为：

基于拓扑网络图中节点连接方式及矩阵约束条件对所述拓扑矩阵表达模型进行遍历，并基于输出系数矩阵约束条件对所述输出系数矩阵进行条件筛选，具体地：

图9(a)～(d)是本发明提供的无冗余通路型三电平拓扑结构示意图。通过约束输出矩阵模型[a₃₁]＝[1 1 1][a₁₁ a₁₂ a₁₃]^T筛选无冗余通路的变换器结构，可得到4种三电平拓扑结构，如图9(a)～(d)所示。

图9(c)～(e)是本发明提供的对称型三电平拓扑结构示意图。通过约束相邻层系数矩阵A₁和间隔层系数矩阵B₁均为中心对称矩阵来筛选对称型拓扑结构，得到3种对称型的三电平拓扑结构，如图9(c)～(e)所示。

通过检测相邻层系数矩阵中非零元素的个数g，以及间隔层系数矩阵中非零元素个数h，可得变换器拓扑的功率器件数量(g+2h)，从而得到所用功率器件数量最少的变换器拓扑。具体地，图9(a)～(b)是本发明提供的功率器件数量最少的三电平拓扑结构示意图。

(2)五电平拓扑生成实例

根据所述共直流侧电容型多电平变换器拓扑生成方法，五电平拓扑的4层矩阵模型为：

第一层矩阵模型：

第二层矩阵模型：

第三层矩阵模型：

第四层矩阵模型：

其中，相邻层系数矩阵：

A₄＝[1 1]； (18)

间隔层系数矩阵：

输出矩阵模型为：

基于拓扑网络图中节点连接方式及矩阵约束条件对所述拓扑矩阵表达模型进行遍历，并基于输出系数矩阵约束条件对所述输出系数矩阵进行条件筛选，具体地：

图10(a)～(r)是本发明提供的部分对称型五电平拓扑结构示意图。通过约束相邻层系数矩阵A₁、A₂、A₃和间隔层系数矩阵B₁、B₂、B₃均为中心对称矩阵来筛选对称型五电平拓扑结构，如图10(a)～(r)所示。

在图10所示的对称型五电平拓扑结构的基础上，通过检测系数矩阵中(g+2h)的值，得到所用功率器件数量最少的7种对称型五电平变换器拓扑结构，如图11(a)～(g)所示，共需14个功率器件。

若不考虑结构的对称性，则通过检测系数矩阵中(g+2h)的值，可得出功率器件数量最少的非对称型五电平拓扑结构，如图12(a)～(d)所示，共需12个功率器件。通过本发明所述共直流侧电容型多电平变换器拓扑生成方法，得到功率器件数量较少、结构简单的新型共直流侧电容型多电平变换器拓扑。

下面对本发明提供的一种共直流侧电容型多电平变换器拓扑生成系统进行描述，下文描述的与上文描述的一种共直流侧电容型多电平变换器拓扑生成方法可相互对应参照。

图13为本发明实施例提供的一种共直流侧电容型多电平变换器拓扑生成系统的结构示意图，如图13所示，该系统包括拓扑构建模块、拓扑遍历模块和拓扑筛选模块；

拓扑构建模块，用于基于目标电平数及功率器件最大承压统一性原则构建拓扑网络图，并基于所述拓扑网络图构建共直流侧电容型多电平变换器拓扑网络图及拓扑矩阵表达模型；

拓扑遍历模块，用于基于所述拓扑网络图中节点连接方式及矩阵约束条件对所述拓扑矩阵表达模型进行遍历，得到输出系数矩阵；

拓扑筛选模块，用于基于输出系数矩阵约束条件对所述输出系数矩阵进行条件筛选，得到共直流侧电容型多电平变换器拓扑结构。

本发明实施例提供的系统，实现了通过计算机编程来进行共直流侧电容型多电平变换器拓扑推导生成的功能，能够提高科研人员的工作效率，提高拓扑的创新性。

综上，本发明提供的方法及系统构建共直流侧电容型多电平变换器的拓扑网络图和拓扑矩阵表达模型，基于所述拓扑网络图中节点连接方式及矩阵约束条件对所述拓扑矩阵表达模型进行遍历，并基于输出系数矩阵约束条件对所述输出系数矩阵进行条件筛选，得到功率器件数量较少、结构简单的新型共直流侧电容型多电平变换器拓扑。同时，所述共直流侧电容型多电平变换器遵循开关管最大承压统一性原则，每个功率器件所承受的最大电压均为直流侧一个电容电压，提升了功率器件的一致性。本发明提出的共直流侧电容型多电平变换器拓扑生成方法及系统，可以系统化地得到多种共直流侧电容型多电平变换器拓扑，为多电平变换器的拓扑生成提供了新思路。

图14为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图，如图14所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)1410、通信接口(Communications Interface)1420、存储器(memory)1430和通信总线1440，其中，处理器1410，通信接口1420，存储器1430通过通信总线940完成相互间的通信。处理器1410可以调用存储器1430中的逻辑指令，以执行共直流侧电容型多电平变换器拓扑生成方法，该方法包括：基于目标电平数及功率器件最大承压统一性原则构建拓扑网络图，并基于所述拓扑网络图构建共直流侧电容型多电平变换器的拓扑矩阵表达模型；基于所述拓扑网络图中节点连接方式及矩阵约束条件对所述拓扑矩阵表达模型进行遍历，得到输出系数矩阵；基于输出系数矩阵约束条件对所述输出系数矩阵进行条件筛选，得到共直流侧电容型多电平变换器拓扑结构。

此外，上述的存储器1430中的逻辑指令通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的共直流侧电容型多电平变换器拓扑生成方法，该方法包括：基于目标电平数及功率器件最大承压统一性原则构建拓扑网络图，并基于所述拓扑网络图构建共直流侧电容型多电平变换器的拓扑矩阵表达模型；基于所述拓扑网络图中节点连接方式及矩阵约束条件对所述拓扑矩阵表达模型进行遍历，得到输出系数矩阵；基于输出系数矩阵约束条件对所述输出系数矩阵进行条件筛选，得到共直流侧电容型多电平变换器拓扑结构。

又一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的共直流侧电容型多电平变换器拓扑生成方法，该方法包括：基于目标电平数及功率器件最大承压统一性原则构建拓扑网络图，并基于所述拓扑网络图构建共直流侧电容型多电平变换器的拓扑矩阵表达模型；基于所述拓扑网络图中节点连接方式及矩阵约束条件对所述拓扑矩阵表达模型进行遍历，得到输出系数矩阵；基于输出系数矩阵约束条件对所述输出系数矩阵进行条件筛选，得到共直流侧电容型多电平变换器拓扑结构。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述步骤或单元模块可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部步骤或单元模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。