一种空间型DC/AC变换器及其容错运行方法

一种空间型dc/ac变换器及其容错运行方法
技术领域
1.本发明涉及变换器，具体的说，涉及了一种空间型dc/ac变换器及其容错运行方法。


背景技术：

2.多电平变换器已广泛应用于可再生能源发电系统（尤其是光伏发电系统）、配电系统、电动汽车等领域。这些系统的主要优点包括实现较低总谐波失真的阶梯电压、电磁干扰小以及开关管承受较低的电压应力。
3.与传统多电平变换器一样，对中性点箝位（npc）、飞跨电容（fc）和级联h桥（chb）多电平变换器的研究已经较为完善。然而，中性点箝位和飞跨电容多电平变换器需要大量二极管或电容，实现电容电压自平衡或额外充电电路会增加其复杂性和成本。chb多电平变换器使用多个隔离源来提高输出电平。此外，低电压增益（最大输出电压与输入电压之比）和单一的扩展方式限制了传统多电平变换器的发展。为了解决这些问题，基于开关电容技术的新型多电平变换器被提出并迅速发展。
4.开关电容多电平变换器（scmli）的电容与直流电源并联充电，串联放电，以获得高电压增益。此外，与传统的多电平变换器相比，scmli以更少的器件输出相同的电平，并且具有电容电压自平衡和低电压纹波的优点。
5.基于现场经验，诸如绝缘栅双极型晶体管（igbt）和金属-氧化物半导体场效应晶体管（mosfet）等功率器件容易发生故障。因此，由于使用大量开关管和电容，可靠性低是多电平变换器的主要问题之一。
6.容错技术被认为是提高变换器可靠性的有效途径，近年来多电平变换器的容错运行受到了广泛的关注，主要包括两种方式：（1）在变换器增加冗余支路实现的，配置冗余支路的目的是在故障发生时隔离故障支路，用冗余支路替代故障支路。该解决方案虽然保持了输出电平的连续性，但增加了器件数量、变换器成本和控制复杂性；（2）无需额外器件的控制解决方案未通过直接改变变换器的控制策略来实现，这种解决方案的固有缺陷为故障后输出电平降低，限制了其应用。
7.为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。


技术实现要素：

8.本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种空间型dc/ac变换器及其容错运行方法。
9.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：本发明第一方面提供一种空间型dc/ac变换器，它包括直流电源e、基础开关电容模块、n个开关电容子模块、半桥ⅰ和半桥ⅱ，所述基础开关电容模块包括开关管s1、开关管s2、开关管s4、开关管s5、二极管d1、二极管d2、电解电容c1和电解电容c2，所述半桥ⅰ包括开关
管s8和开关管s9，所述半桥ⅱ包括开关管s
10
和开关管s
11
；在n=1时，所述开关电容子模块包括开关管s3、开关管s6、开关管s7、二极管d3和电解电容c3；所述基础开关电容模块的开关管s1的输入端分别与所述开关管s2的输入端、所述开关电容子模块的开关管s3的输入端和所述直流电源e的正极连接，所述开关管s1的输出端分别与所述开关管s4的输入端和所述电解电容c1的阳极连接，所述开关管s2的输出端分别与所述开关管s5的输入端、所述开关电容子模块的开关管s6的输入端和电解电容c2的阳极连接；所述开关管s4的输出端分别与所述开关电容子模块的开关管s7的输出端、所述二极管d2的输入端和所述电解电容c2的阴极连接，所述开关管s5的输出端分别与所述二极管d1的输入端和所述电解电容c1的阴极连接；所述开关电容子模块的开关管s3的输出端分别与所述开关管s7的输入端和所述电解电容c3的阳极连接，所述开关管s6的输出端分别与所述二极管d3的输入端和电解电容c3的阴极连接；所述直流电源e的负极分别与所述基础开关电容模块的二极管d1的输出端和二极管d2的输出端，以及所述开关电容子模块的二极管d3的输出端连接；所述半桥ⅰ的开关管s8的输入端与所述基础开关电容模块的电解电容c1的阳极连接，所述开关管s8的输出端与所述开关管s9的输入端连接，所述开关管s9的输出端与所述基础开关电容模块的电解电容c1的阴极连接；所述半桥ⅱ的开关管s
10
的输入端与所述开关电容子模块的电解电容c3的阳极连接，所述开关管s
10
的输出端与所述开关管s
11
的输入端连接，所述开关管s
11
的输出端与所述开关电容子模块的电解电容c3的阴极连接；在n≥2时，第i个开关电容子模块包括电解电容c
i3
、二极管d
i3
、开关管s
i3
、开关管s
i6
和开关管s
i7
，2≤i≤n；第i个开关电容子模块的电解电容c
i3
与第i-1个开关电容子模块的电解电容c
(i-1)3
，通过开关管s
i6
和开关管s
i7
交叉连接；第i个开关电容子模块的电解电容c
i3
的阳极还与开关管s
i3
的输出端连接，开关管s
i3
的输入端分别与所述直流电源e的正极、所述基础开关电容模块的开关管s1的输入端、所述开关管s2的输入端以及开关管s
(i-1)3
的输入端连接；第i个开关电容子模块的电解电容c
i3
的阴极还与二极管d
i3
的输入端连接，二极管d
i3
的输出端分别与所述直流电源e的负极、二极管d
(i-1)3
的输出端、所述基础开关电容模块的二极管d1的输出端和二极管d2的输出端连接；第n个开关电容子模块的电解电容c
n3
的阳极与所述半桥ⅱ的开关管s
10
的输入端连接，电解电容c
n3
的阴极与所述半桥ⅱ的开关管s
11
的输出端连接。
10.本发明第二方面提供一种空间型dc/ac变换器的调制方法，通过驱动信号，控制权利要求1或2所述的空间型dc/ac变换器工作在2n 5种模态，输出2n 5种电平：0、
±
e、
±
2e、
……
、
±
（n 2）e；其中，n表示开关电容子模块的个数。
11.本发明第三方面提供一种空间型dc/ac变换器的容错运行方法，在所述空间型dc/ac变换器无开路故障发生时，通过驱动信号控制包括一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器工作在七种模态，输出七种电平：0、
±
e、
±
2e和
±
3e；在所述基础开关电容模块的开关管s1故障时，通过驱动信号控制包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器工作在五种模态，输出五种电平：0、
±
e和
±
2e；
在所述基础开关电容模块的开关管s2或开关管s4或开关管s5故障时，通过驱动信号控制包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器工作在三种模态，输出三种电平：0和
±
e；在所述开关电容子模块的开关管s3故障时，通过驱动信号控制包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器工作在五种模态，输出五种电平：0、
±
e和
±
2e；在所述开关电容子模块的开关管s6或开关管s7故障时，通过驱动信号控制包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器工作在三种模态，输出三种电平：0和
±
e；在所述半桥ⅰ的开关管s8或开关管s9故障时，通过驱动信号控制包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器工作在五种模态，输出五种电平：0、
±
e和
±
2e；在所述半桥ⅱ的开关管s
10
或开关管s
11
故障时，通过驱动信号控制包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器工作在五种模态，输出五种电平：0、
±
e和
±
2e。
12.本发明第四方面提供一种空间型dc/ac变换系统，包括控制器和变换器，所述变换器为上述的空间型dc/ac变换器。
13.本发明第五方面提供一种空间型dc/ac变换器的容错系统，包括控制器和空间型dc/ac变换器，所述控制器控制所述空间型dc/ac变换器中的开关管动作时，执行上述的空间型dc/ac变换器的容错运行方法的步骤。
14.本发明的有益效果为：1）本发明提出一种空间型dc/ac变换器，包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器使用1个直流电源、3个电容和11个开关器件实现3倍电压增益和7电平交流电压输出；通过分离充电回路和放电回路，该拓扑结构能够实现容错运行，提高变换器的可靠性；使用两个“半桥”代替h桥来转换输出电平的极性，并降低其开关管的电压应力；其中，开关管s1与s3的最大电压应力为2e，其余开关管的最大电压应力为e；2）所述空间型dc/ac变换器只使用一个直流电源，通过增加开关电容子模块来提高输出电平，能够最大程度上简化所述变换器的结构；每个开关电容子模块均包括三个开关管、一个二极管和一个电解电容，在模块化拓展结构中，每增加一个开关电容子模块，将使得所述空间型dc/ac变换器增加2个输出电平；3）本发明所提空间型dc/ac变换器具有低电压纹波的优点，在任何电平下至少有一个电容充电；4）电容由直流电源独立充电，因此可以通过改变控制策略来隔离空间型dc/ac变换器中的故障电容；5）在开关管s1或二极管d1出现开路故障时，通过改变控制策略将电解电容c1与其放电回路隔离，开关管s4和s8以及s5和s9同时打开或关闭，开关管s8和s9交替导通。此时，该包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器作为五电平变换器工作；在开管关s2或二极管d2发生开路故障时，开关管s4和s7以及开关管s5和s6同时导通或关断，电容c1和c3不能串联放电。此时，该包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器作为三电平变换器运行；在开关管s3或二极管d3发生开路故障时，该包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器作为五电平变换器运行；由于开关管s4和s5、s6和s7工作在互补状态下，当工作在互补状态下的两个开关管
中的一个开关管发生开路故障，另一个开关管保持导通状态；在开关管s4、s5、s6或s7中任意一个开关管发生开路故障时，该包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器作为三电平变换器运行；由于开关管s8和s9、s
10
和s
11
工作在互补状态下，当两个开关管中的一个发生断路故障时，另一个开关管保持导通状态；在开关管s8、s9、s
10
或s
11
中任意一个开关管发生开路故障时，该包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器作为五电平变换器运行；6）在故障前和故障后运行状态，能够保持电容的电压平衡、升压能力以及带感性负载的能力；在故障后运行状态，开关器件的电压应力和电容的电压纹波减小或保持不变；7）如果使用快速熔断器或断路器隔离短路开关管，该空间型dc/ac变换器可用于短路容错；8）本发明的容错运行方法尤其适用于输出电平高的扩展变换器，该容错运行方法最多减少四个输出电平，尤其适合于可扩展变换器。
附图说明
15.图1是本发明的空间型dc/ac变换器的拓扑结构图；图2（a）至图2（g）是本发明的包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器（正常工作时）的七种工作模态的电路原理图；图3是本发明的包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器的载波与调制波形示意图；图4是本发明的包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器的原始pwm脉冲波形示意图；图5是本发明的包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器的各开关管的控制信号波形；图6是本发明的包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器的目标输出波形示意图；图7是本发明的包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器的带阻感性负载时的输出电压波形示意图及输出电流波形示意图；图8（ⅰ）至图8（
ⅴ
）是本发明的包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器的开关管s1故障时的五种工作模态的电路原理图；图9是开关管s1发生故障后包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器容错运行的输出波形示意图；图10（
ⅰ
）至图10（
ⅴ
）是本发明的包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器的开关管s8故障时的五种工作模态的电路原理图；图11是本发明的拓展后的空间型dc/ac变换器的拓扑结构图。
具体实施方式
16.下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
17.实施例1附图1示出了一种空间型dc/ac变换器的拓扑结构示意图，所述空间型dc/ac变换
器包括直流电源e、基础开关电容模块、n个开关电容子模块、半桥ⅰ和半桥ⅱ，所述基础开关电容模块包括开关管s1、开关管s2、开关管s4、开关管s5、二极管d1、二极管d2、电解电容c1和电解电容c2，所述半桥ⅰ包括开关管s8和开关管s9，所述半桥ⅱ包括开关管s
10
和开关管s
11
；在n=1时，所述开关电容子模块包括开关管s3、开关管s6、开关管s7、二极管d3和电解电容c3；所述基础开关电容模块的开关管s1的输入端分别与所述开关管s2的输入端、所述开关电容子模块的开关管s3的输入端和所述直流电源e的正极连接，所述开关管s1的输出端分别与所述开关管s4的输入端和所述电解电容c1的阳极连接，所述开关管s2的输出端分别与所述开关管s5的输入端、所述开关电容子模块的开关管s6的输入端和电解电容c2的阳极连接；所述开关管s4的输出端分别与所述开关电容子模块的开关管s7的输出端、所述二极管d2的输入端和所述电解电容c2的阴极连接，所述开关管s5的输出端分别与所述二极管d1的输入端和所述电解电容c1的阴极连接；所述开关电容子模块的开关管s3的输出端分别与所述开关管s7的输入端和所述电解电容c3的阳极连接，所述开关管s6的输出端分别与所述二极管d3的输入端和电解电容c3的阴极连接；所述直流电源e的负极分别与所述基础开关电容模块的二极管d1的输出端和二极管d2的输出端，以及所述开关电容子模块的二极管d3的输出端连接；所述半桥ⅰ的开关管s8的输入端与所述基础开关电容模块的电解电容c1的阳极连接，所述开关管s8的输出端与所述开关管s9的输入端连接，所述开关管s9的输出端与所述基础开关电容模块的电解电容c1的阴极连接；所述半桥ⅱ的开关管s
10
的输入端与所述开关电容子模块的电解电容c3的阳极连接，所述开关管s
10
的输出端与所述开关管s
11
的输入端连接，所述开关管s
11
的输出端与所述开关电容子模块的电解电容c3的阴极连接；在n≥2时，第i个开关电容子模块包括电解电容c
i3
、二极管d
i3
、开关管s
i3
、开关管s
i6
和开关管s
i7
，2≤i≤n；第i个开关电容子模块的电解电容c
i3
与第i-1个开关电容子模块的电解电容c
(i-1)3
，通过开关管s
i6
和开关管s
i7
交叉连接；第i个开关电容子模块的电解电容c
i3
的阳极还与开关管s
i3
的输出端连接，开关管s
i3
的输入端分别与所述直流电源e的正极、所述基础开关电容模块的开关管s1的输入端、所述开关管s2的输入端以及开关管s
(i-1)3
的输入端连接；第i个开关电容子模块的电解电容c
i3
的阴极还与二极管d
i3
的输入端连接，二极管d
i3
的输出端分别与所述直流电源e的负极、二极管d
(i-1)3
的输出端、所述基础开关电容模块的二极管d1的输出端和二极管d2的输出端连接；第n个开关电容子模块的电解电容c
n3
的阳极与所述半桥ⅱ的开关管s
10
的输入端连接，电解电容c
n3
的阴极与所述半桥ⅱ的开关管s
11
的输出端连接。
18.其中，第i个开关电容子模块的电解电容c
i3
与第i-1个开关电容子模块的电解电容c
(i-1)3
，通过开关管s
i6
和开关管s
i7
交叉连接，指的是：开关管s
i6
的输入端分别与开关管s
(i-1)7
的输入端、开关管s
(i-1)3
的输出端和电解电容c
(i-1)3
的阳极相连接；开关管s
i6
的输出端分别与二极管d
i3
的输入端和电解电容c
i3
的阴极相连接；开关管s
i7
的输入端分别与开关管s
i3
的输出端和电解电容c
i3
的阳极相连接；开关管s
i7
的输出端分别与二极管d
(i-1)3
的输入端、开关管s
(i-1)6
的输出端和电解电容c
(i-1)3
的阴极相连接。
19.可以理解，所述空间型dc/ac变换器的基础开关电容模块的电解电容c2与第一个开关电容子模块的电解电容c3之间通过开关管s6和开关管s7交叉连接。
20.具体的，所述基础开关电容模块的开关管s4和开关管s5，所述开关电容子模块的开关管s
i6
和开关管s
i7
以及半桥ⅰ和半桥ⅱ的开关管s8、开关管s9、开关管s
10
、开关管s
11
为包含反向二极管的开关管，所述基础开关电容模块的开关管s1和开关管s2以及所述开关电容子模块的开关管s
i3
为不包含反向二极管的开关管。可以理解，所述空间型dc/ac变换器使用了带有反并联二极管的mosfet或igbt，提供了从交流输出侧向直流输入侧反馈无功能量的通道；因此，所述空间型dc/ac变换器具备带感性负载的能力。
21.需要说明的是，所述空间型dc/ac变换器能够通过增加开关电容子模块数量的方式进行拓展，直流电源e分别为所有开关电容子模块充电，各开关电容子模块串联放电以增加输出电平。在模块化拓展结构中，每增加一个开关电容子模块，将使得所述空间型dc/ac变换器增加2个输出电平；这种拓展方式不仅可以保持级联拓展方式的优点，而且只需要一个直流电源。
22.可以理解，所述空间型dc/ac变换器的每个开关电容子模块均包括三个开关管、一个二极管和一个电解电容，根据开关电容子模块与所述基础开关电容模块的位置关系，将相邻的两个开关电容子模块设置为前级开关电容子模块和后级开关电容子模块；后级开关电容子模块的电解电容与前级开关电容子模块的电解电容之间通过后级开关电容子模块的其中两个开关管交叉连接，后级开关电容子模块的电解电容的阳极还与后级开关电容子模块的另一个开关管的输出端连接，后级开关电容子模块的另一个开关管的输入端分别与所述直流电源e的正极、所述基础开关电容模块的开关管s1的输入端、所述开关管s2的输入端以及前级开关电容子模块的其中一个开关管的输入端连接；后级开关电容子模块的电解电容的阴极还与后级开关电容子模块的二极管的输入端连接，后级开关电容子模块的二极管的输出端分别与所述直流电源e的负极、前级开关电容子模块的二极管的输出端、所述基础开关电容模块的二极管d1的输出端和二极管d2的输出端连接。
23.需要说明的是，该空间型dc/ac变换器中充电回路与放电回路相分离，具备容错能力及可拓展性；使用两个“半桥”代替h桥来转换输出电平的极性，并降低其开关管的电压应力。
24.实施例2在实施例1中的空间型dc/ac变换器的基础上，本实施例给出了一种空间型dc/ac变换器的调制方法的具体实施方式：通过驱动信号，控制实施例1中的空间型dc/ac变换器工作在2n 5种模态，输出2n 5种电平：0、
±
e、
±
2e、
……
、
±
（n 2）e；其中，n表示开关电容子模块的个数。
25.如图2（a）至图2（g）所示，在所述空间型dc/ac变换器包括一个开关电容子模块时，通过驱动信号控制上述的空间型dc/ac变换器工作在七种模态，输出七种电平：0、
±
e、
±
2e和
±
3e；该空间型dc/ac变换器通过控制开关管s4至开关管s7的通断状态实现电解电容的串联，通过控制开关管s1至开关管s3在导通状态下为电解电容充电，开关管s8和s9以及s
10
和s
11
交替导通以产生负电平。
26.附图2（a）至图2（g）示出了不同模态下包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器的工作原理图，符号“ ”与
“‑”
代表接入负载的正负极，空间型dc/ac变换器输出电压用
u表示。在无开路故障发生时，包括一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器被配置为工作在七种模态，包括：工作状态a：开关管s1、开关管s5、开关管s7、开关管s8和开关管s
11
导通，其余开关管关断，二极管d1导通，其余二级管处于闲置状态，输出电压u为3e；如附图2（a）所示，开关管s1、直流电源e、二极管d1组成充电回路，开关管s1导通，直流电源e为电解电容c1充电；开关管s8、电解电容c1、开关管s5、电解电容c2、开关管s7、电解电容c3和开关管s
11
组成放电回路，开关管s5和s7导通，电容c1、c2和c3串联放电；工作状态b：开关管s1、开关管s5、开关管s7、开关管s8和开关管s
10
导通，其余开关管关断，二极管d1导通，其余二级管处于闲置状态，输出电压u为2e；如附图2（b）所示，开关管s1、直流电源e、二极管d1组成充电回路，开关管s1导通，直流电源e为电容c1充电；开关管s8、电解电容c1、开关管s5、电解电容c2、开关管s7和开关管s
10
组成放电回路，开关管s5和s7导通，电容c1、c2串联放电；工作状态c：开关管s2、开关管s4、开关管s7、开关管s8和开关管s
11
导通，其余开关管关断，二极管d2导通，其余二级管处于闲置状态，输出电压u为e；如附图2（c）所示，开关管s2、直流电源e、二极管d2和电解电容c2组成充电回路，开关管s2导通，直流电源e为电容c2充电；开关管s8、开关管s4、开关管s7、电解电容c3和开关管s
11
组成放电回路，开关管s4和s7导通，电容c3放电；工作状态d：开关管s1、开关管s3、开关管s5、开关管s6、开关管s9和开关管s
11
导通，其余开关管关断，二极管d1和二极管d3导通，其余二级管处于闲置状态，输出电压u为0；如附图2（d）所示，电解电容c1、开关管s1、直流电源e、开关管s3、电解电容c3、二极管d3和二极管d1组成充电回路，开关管s1和s3导通，直流电源e为电容c1、c3充电；开关管s9、开关管s5、开关管s6和开关管s
11
组成放电回路；工作状态e：开关管s1、开关管s3、开关管s5、开关管s6、开关管s9和开关管s
10
导通，其余开关管关断，二极管d1和二极管d3导通，其余二级管处于闲置状态，输出电压u为-e；如附图2（e）所示，电解电容c1、开关管s1、直流电源e、开关管s3、二极管d3和二极管d1组成充电回路，开关管s1和s3导通，直流电源e为电容c1、c3充电；开关管s9、开关管s5、开关管s6、电解电容c3和开关管s
10
组成放电回路，开关管s5和s6导通，电容c3放电；工作状态f：开关管s3、开关管s4、开关管s6、开关管s8和开关管s
10
导通，其余开关管关断，二极管d3导通，其余二级管处于闲置状态，输出电压u为-2e；如附图2（f）所示，开关管s3、直流电源e和二极管d3组成充电回路，开关管s3导通，直流电源e为电容c3充电；开关管s8、开关管s4、电解电容c2、开关管s6、电解电容c3和开关管s
10
组成放电回路，开关管s4和s6导通，电容c2、c3串联放电；工作状态g：开关管s3、开关管s4、开关管s6、开关管s9和开关管s
10
导通，其余开关管关断，二极管d3导通，其余二级管处于闲置状态，输出电压u为-3e；如附图2（g）所示，开关管s3、直流电源e和二极管d3组成充电回路，开关管s3导通，直流电源e为电容c3充电；开关管s9、电解电容c1、开关管s4、电解电容c2、开关管s6、电解电容c3和开关管s
10
组成放电回路，开关管s4和s6导通，电容c1、电容c2、电容c3串联放电。
27.需要说明的是，所述包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器各个开关管均正常工作时，能够使用一个直流电源实现七电平阶梯电压输出（
±
3e，
±
2e，
±
e，0）和3倍
电压增益；开关管的最大电压应力等于2e；其中开关管s1与s3的最大电压应力为2e，其余开关管的最大电压应力为e。
28.进一步的，在n=1时，如附图3所示，通过比较正弦调制波u
ref
与六个三角载波u
a1
至u
a6
获得逻辑信号u1至u6，将逻辑信号u1至u6经逻辑组合后，输出得到各个开关管的驱动信号，各个开关管的驱动信号表达式为：在n≥2时，空间型dc/ac变换器的调制方法与n=1时原理相同；通过比较正弦调制波u
ref
与n 2个三角载波u
a1
至u
a（n 2）
获得逻辑信号u1至u
n 2
，将逻辑信号u1至u n 2
经逻辑组合后，输出得到各个开关管的驱动信号。
29.可以理解，在所述包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器的基础上本实施例提出了一种调制策略，调制原理如图3至6所示。该策略采用载波层叠脉冲宽度调制技术，使用6路具有相同幅值和相同频率的三角载依次层叠，与1路幅正弦调制波进行比较，然后将得到的6路原始脉冲波形进行逻辑组合，得到用于驱动开关管通断的门极脉冲信号。三角载波信号的数量基于（除0之外的）输出电平的数量进行确定，开关管状态根据所述空间型dc/ac变换器的运行状态预先确定，其中考虑了冗余开关组合；分析开关管在一个周期内的通断状态，并与图4所示的脉冲进行比较。
30.需要说明的是，开关管s4和开关管s5工作状态互补，开关管s6和开关管s7工作在互补状态，开关管s8和开关管s9工作在互补状态，开关管s
10
和开关管s
11
工作在互补状态，因此降低了所述空间型dc/ac变换器的控制复杂度。
31.本实施例根据上述调制方式通过实验对所述包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器进行了验证，图7为变换器带阻感性负载时的输出电压vo和负载电流io的波形图。根据波形图可知，在阻感负载（r-l）条件下，所述空间型dc/ac变换器稳定运行时能够输出标准的7电平阶梯电压波形，且输出电压达到了3倍的升压增益；其负载电流波形表现为平滑的正弦曲线且滞后于输出电压波形。实践证明，所述空间型dc/ac变换器具有提供感性负载的能力和电容电压的自平衡能力。
32.可以理解，在n≥2时，第一个开关电容子模块包括开关管s3、开关管s6、开关管s7、二极管d3和电解电容c3，第i个开关电容子模块包括电解电容c
i3
、二极管d
i3
、开关管s
i3
、开关管s
i6
和开关管s
i7
。
33.在一种具体实施方式中，所述空间型dc/ac变换器包括两个开关电容子模块构成九电平空间型变换器，拓扑结构如附图11所示，输出九种电平：0、
±
e、
±
2e、
±
3e和
±
4e；第
一级开关电容子模块包括开关管s3、开关管s6、开关管s7、二极管d3和电解电容c3；增加的开关电容子模块为第二级开关电容子模块，其包括开关管s
23
、开关管s
26
、开关管s
27
、二极管d
23
和电解电容c
23
；可以理解，九电平空间型变换器的工作原理类似于上述七电平变换器（包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器）；电容c1和c3由直流电源在输出电平e和2e下充电，电容c2和c
23
在输出电平0和-e下充电。
34.在实施例1中的空间型dc/ac变换器的基础上，本实施例还给出了一种空间型dc/ac变换系统，它包括控制器和变换器，所述变换器为上述的空间型dc/ac变换器，所述控制器控制所述空间型dc/ac变换器中的开关管动作时，执行上述的空间型dc/ac变换器的调制方法的步骤。
35.实施例3在实施例1基础上，本实施例给出了一种包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器的容错运行方法的具体实施方式；需要说明的是，由于多个开关管同时发生故障的概率较小，本发明的空间型dc/ac变换器的容错运行方法为单个开关管或者单个二极管发生开路故障后的调制方法。
36.具体的，在所述空间型dc/ac变换器无开路故障发生时，通过驱动信号控制包括一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器工作在七种模态，输出七种电平：0、
±
e、
±
2e和
±
3e；在所述基础开关电容模块的开关管s1故障时，通过驱动信号控制包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器工作在五种模态，输出五种电平：0、
±
e和
±
2e；在所述基础开关电容模块的开关管s2或开关管s4或开关管s5故障时，通过驱动信号控制包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器工作在三种模态，输出三种电平：0和
±
e；在所述开关电容子模块的开关管s3故障时，通过驱动信号控制包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器工作在五种模态，输出五种电平：0、
±
e和
±
2e；在所述开关电容子模块的开关管s6或开关管s7故障时，通过驱动信号控制包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器工作在三种模态，输出三种电平：0和
±
e；在所述半桥ⅰ的开关管s8或开关管s9故障时，通过驱动信号控制包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器工作在五种模态，输出五种电平：0、
±
e和
±
2e；在所述半桥ⅱ的开关管s
10
或开关管s
11
故障时，通过驱动信号控制包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器工作在五种模态，输出五种电平：0、
±
e和
±
2e。
37.进一步的，在所述基础开关电容模块的二极管d1故障时，包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器被配置为五种模态，输出五种电平：0、
±
e和
±
2e；在所述基础开关电容模块的二极管d2故障时，包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器被配置为三种模态，输出三种电平：0和
±
e；在所述开关电容子模块的二极管d3故障时，包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器被配置为五种模态，输出五种电平：0、
±
e和
±
2e。
38.需要说明的是，如果开关管s1、s2或s3以及二极管d1、d2或d3中出现开路故障，则相应的电解电容无法充电。
39.具体的，在开关管s1或二极管d1发生开路故障时，通过改变控制策略将电解电容c1与其放电回路隔离，开关管s4和s8以及s5和s9同时打开或关闭，开关管s8和s9交替导通。此时，该空间型dc/ac变换器作为五电平变换器工作；在开管关s2或二极管d2发生开路故障时，开关管s4和s7以及开关管s5和s6同时导通或关断，电容c1和c3不能串联放电。此时，该空间型dc/ac变换器作为三电平变换器运行；在开关管s3或二极管d3发生开路故障时，该空间型dc/ac变换器作为五电平变换器运行；由于开关管s4和s5、s6和s7工作在互补状态下，当工作在互补状态下两个开关管中的任意一个开关管发生开路故障时，另一个开关管保持导通状态；在开关管s4、s5、s6或s7中任意一个开关管发生开路故障时，该空间型dc/ac变换器作为三电平变换器运行；由于开关管s8和s9、s
10
和s
11
工作在互补状态下，当工作在互补状态下两个开关管中的任意一个开关管发生开路故障时，另一个开关管保持导通状态；在开关管s8、s9、s
10
或s
11
中任意一个开关管发生开路故障时，该空间型dc/ac变换器作为五电平变换器运行。
40.在上述的空间型dc/ac变换器的容错运行方法的基础上，本实施例给出了一种空间型dc/ac变换器的容错系统的具体实施方式，所述容错系统包括控制器和空间型dc/ac变换器，所述控制器控制所述空间型dc/ac变换器中的开关管动作时，执行上述的空间型dc/ac变换器的容错运行方法的步骤。
41.实施例4对于包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器中单个开关管或者单个二极管发生开路故障后，本实施例给出了一种空间型dc/ac变换器的容错运行方法的具体实施方式；具体的，不同位置的单个开关管或者单个二极管发生开路故障时，开关管中处于相同状态的开关管、保持导通的开关管以及对应的输出电平数量，如下表所示：。
42.本实施例以开关管s1或者开关管s8开路故障为例，对包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器的容错运行方法进行说明。
43.在一种具体实施方式中，所述基础开关电容模块的开关管s1发生开路故障后，所述包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器的各器件在各输出电平下的状态，如下表所示：
对于前文中描述的成相同或互补关系的开关只给出其中一个开关的状态，“1”和“0”分别表示开关的导通和关断状态；“c”、“d”和
“─”
分别表示电容的充电、放电和闲置状态。
44.如图8（ⅰ）至图8（
ⅴ
）所示，在所述基础开关电容模块的开关管s1故障时，包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器的五种模态为：工作模态ⅰ：开关管s5、开关管s7、开关管s9和开关管s
11
导通，其余开关管关断，二极管d2导通，其余二级管处于闲置状态，输出电压u为2e；工作模态ⅱ：开关管s2、开关管s4、开关管s7、开关管s8和开关管s
11
导通，其余开关管关断，二极管d2导通，其余二级管处于闲置状态，输出电压u为e；工作模态ⅲ：开关管s3、开关管s5、开关管s6、开关管s9和开关管s
11
导通，其余开关管关断，二极管d3导通，其余二级管处于闲置状态，输出电压u为0；工作模态ⅳ：开关管s3、开关管s5、开关管s6、开关管s9和开关管s
10
导通，其余开关管关断，二极管d3导通，其余二级管处于闲置状态，输出电压u为-e；工作模态
ⅴ
：开关管s3、开关管s4、开关管s6、开关管s8和开关管s
10
导通，其余开关管关断，二极管d3导通，其余二级管处于闲置状态，输出电压u为-2e。
45.图9示出了开关管s1发生故障后所述包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器容错运行的输出电压vo和负载电流io的波形图，随着故障前状态到故障后状态的变化，电容c1处于闲置状态，开关管s4和s8以及s5和s9同时接通或断开。从图9可以看出，所述空间型dc/ac变换器快速稳定在五电平工作状态。因此，证明了该空间型dc/ac变换器的开路容错运行能力。
46.需要说明的是，在所述基础开关电容模块的二极管d1故障时，开关管s1处于闲置状态，包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器被配置为五种模态，输出五种电平；此时所述空间型dc/ac变换器的各器件在各输出电平下的状态，与基础开关电容模块的开关管s1故障时相同，因此本实施例不再赘述。
47.在另一种具体实施方式中，在所述基础开关电容模块的开关管s2故障时，包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器被配置为三种模态，输出三种电平；所述空间型dc/ac变换器的各器件在各输出电平下的状态，如下表所示：可以理解，由于开关管s5与开关管s6在各输出电平下处于相同状态，因此根据上表
中开关管s6的状态能够推导出开关管s5的状态；由于开关管s7与开关管s4在各输出电平下处于相同状态，因此根据上表中开关管s4的状态能够推导出开关管s7的状态；由于开关管s9与开关管s8在各输出电平下处于互补状态，因此根据上表中开关管s8的状态能够推导出开关管s9的状态；由于开关管s
11
与开关管s
10
在各输出电平下处于互补状态，因此根据上表中开关管s
10
的状态能够推导出开关管s
11
的状态。
48.在另一种具体实施方式中，在所述基础开关电容模块的二极管d2故障时，开关管s2处于闲置状态，包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器被配置为三种模态，输出三种电平；此时所述空间型dc/ac变换器的各器件在各输出电平下的状态，与基础开关电容模块的开关管s2故障时相同，因此本实施例不再赘述。
49.在另一种具体实施方式中，在所述开关电容子模块的开关管s3故障时，包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器被配置为五种模态，输出五种电平；此时所述空间型dc/ac变换器的各器件在各输出电平下的状态，如下表所示：可以理解，由于开关管s5与开关管s4在各输出电平下处于互补状态，因此根据上表中开关管s4的状态能够推导出开关管s5的状态；由于开关管s7与开关管s
10
在各输出电平下处于相同状态，因此根据上表中开关管s
10
的状态能够推导出开关管s7的状态；由于开关管s9与开关管s8在各输出电平下处于互补状态，因此根据上表中开关管s8的状态能够推导出开关管s9的状态；由于开关管s
11
与开关管s6在各输出电平下处于相同状态，因此根据上表中开关管s6的状态能够推导出开关管s
11
的状态。
50.在另一种具体实施方式中，在所述开关电容子模块的二极管d3故障时，开关管s3处于闲置状态，包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器被配置为五种模态，输出五种电平；此时所述空间型dc/ac变换器的各器件在各输出电平下的状态，与基础开关电容模块的开关管s3故障时相同，因此本实施例不再赘述。
51.在另一种具体实施方式中，在所述基础开关电容模块的开关管s4故障时，包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器被配置为三种模态，输出三种电平；此时所述空间型dc/ac变换器的各器件在各输出电平下的状态，如下表所示：可以理解，开关管s5在各输出电平下保持导通状态；由于开关管s7与开关管s6在各输出电平下处于互补状态，因此根据上表中开关管s6的状态能够推导出开关管s7的状态；由
于开关管s9与开关管s8在各输出电平下处于互补状态，因此根据上表中开关管s8的状态能够推导出开关管s9的状态；由于开关管s
11
与开关管s
10
在各输出电平下处于互补状态，因此根据上表中开关管s
10
的状态能够推导出开关管s
11
的状态。
52.在另一种具体实施方式中，在所述基础开关电容模块的开关管s5故障时，包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器被配置为三种模态，输出三种电平；此时所述空间型dc/ac变换器的各器件在各输出电平下的状态，如下表所示：可以理解，开关管s4在各输出电平下保持导通状态；由于开关管s7与开关管s6在各输出电平下处于互补状态，因此根据上表中开关管s6的状态能够推导出开关管s7的状态；由于开关管s9与开关管s8在各输出电平下处于互补状态，因此根据上表中开关管s8的状态能够推导出开关管s9的状态；由于开关管s
11
与开关管s
10
在各输出电平下处于互补状态，因此根据上表中开关管s
10
的状态能够推导出开关管s
11
的状态。
53.在另一种具体实施方式中，在所述开关电容子模块的开关管s6故障时，包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器被配置为三种模态，输出三种电平；此时所述空间型dc/ac变换器的各器件在各输出电平下的状态，如下表所示：可以理解，由于开关管s5与开关管s4在各输出电平下处于互补状态，因此根据上表中开关管s4的状态能够推导出开关管s5的状态；开关管s7在各输出电平下保持导通状态；由于开关管s9与开关管s8在各输出电平下处于互补状态，因此根据上表中开关管s8的状态能够推导出开关管s9的状态；由于开关管s
11
与开关管s
10
在各输出电平下处于互补状态，因此根据上表中开关管s
10
的状态能够推导出开关管s
11
的状态。
54.在另一种具体实施方式中，在所述开关电容子模块的开关管s7故障时，包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器被配置为三种模态，输出三种电平；此时所述空间型dc/ac变换器的各器件在各输出电平下的状态，如下表所示：可以理解，由于开关管s5与开关管s4在各输出电平下处于互补状态，因此根据上表中开关管s4的状态能够推导出开关管s5的状态；开关管s6在各输出电平下保持导通状态；由
于开关管s9与开关管s8在各输出电平下处于互补状态，因此根据上表中开关管s8的状态能够推导出开关管s9的状态；由于开关管s
11
与开关管s
10
在各输出电平下处于互补状态，因此根据上表中开关管s
10
的状态能够推导出开关管s
11
的状态。
55.在另一种具体实施方式中，在所述半桥ⅰ的开关管s8发生开路故障时，开关管s9保持导通状态，三个电解电容正常充电，在最大输出电平期间，最多两个电解电容器串联放电；此时包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器被配置为五种模态，输出五种电平；所述空间型dc/ac变换器的各器件在各输出电平下的状态，如下表所示：如图10（
ⅰ
）至图10（
ⅴ
）所示，在所述半桥ⅰ的开关管s8故障时，包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器的五种模态为：工作模态
ⅰ
：开关管s1、开关管s5、开关管s7、开关管s9和开关管s
11
导通，其余开关管关断，二极管d1导通，其余二级管处于闲置状态，输出电压u为2e；工作模态
ⅱ
：开关管s1、开关管s5、开关管s7、开关管s9和开关管s
10
导通，其余开关管关断，二极管d1导通，其余二级管处于闲置状态，输出电压u为e；工作模态
ⅲ
：开关管s2、开关管s4、开关管s7、开关管s9和开关管s
11
导通，其余开关管关断，二极管d2导通，其余二级管处于闲置状态，输出电压u为0；工作模态
ⅳ
：开关管s3、开关管s5、开关管s6、开关管s9和开关管s
10
导通，其余开关管关断，二极管d3导通，其余二级管处于闲置状态，输出电压u为-e；工作模态
ⅴ
：开关管s3、开关管s4、开关管s6、开关管s9和开关管s
11
导通，其余开关管关断，二极管d3导通，其余二级管处于闲置状态，输出电压u为-2e。
56.在另一种具体实施方式中，在所述半桥ⅰ的开关管s9故障时，包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器被配置为五种模态，输出五种电平；此时所述空间型dc/ac变换器的各器件在各输出电平下的状态，如下表所示：可以理解，由于开关管s5与开关管s4在各输出电平下处于互补状态，因此根据上表中开关管s4的状态能够推导出开关管s5的状态；由于开关管s7与开关管s6在各输出电平下处于互补状态，因此根据上表中开关管s6的状态能够推导出开关管s7的状态；开关管s8在各输出电平下保持导通状态；由于开关管s
11
与开关管s
10
在各输出电平下处于互补状态，因此
根据上表中开关管s
10
的状态能够推导出开关管s
11
的状态。
57.在另一种具体实施方式中，在所述半桥ⅱ的开关管s
10
故障时，包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器被配置为五种模态，输出五种电平；此时所述空间型dc/ac变换器的各器件在各输出电平下的状态，如下表所示：。
58.可以理解，由于开关管s5与开关管s4在各输出电平下处于互补状态，因此根据上表中开关管s4的状态能够推导出开关管s5的状态；由于开关管s7与开关管s6在各输出电平下处于互补状态，因此根据上表中开关管s6的状态能够推导出开关管s7的状态；由于开关管s9与开关管s8在各输出电平下处于互补状态，因此根据开关管s8的状态能够推导出开关管s9的状态；开关管s
11
在各输出电平下保持导通状态。
59.在另一种具体实施方式中，在所述半桥ⅱ的开关管s
11
故障时，包含一个开关电容子模块的空间型dc/ac变换器被配置为五种模态，输出五种电平；此时所述空间型dc/ac变换器的各器件在各输出电平下的状态，如下表所示：可以理解，由于开关管s5与开关管s4在各输出电平下处于互补状态，因此根据上表中开关管s4的状态能够推导出开关管s5的状态；由于开关管s7与开关管s6在各输出电平下处于互补状态，因此根据上表中开关管s6的状态能够推导出开关管s7的状态；由于开关管s9与开关管s8在各输出电平下处于互补状态，因此根据开关管s8的状态能够推导出开关管s9的状态；开关管s
10
在各输出电平下保持导通状态。
60.实施例5需要说明的是，在n≥2时，所述空间型dc/ac变换器的开路容错策略与实施例3和4描述相似，下面对其特点进行阐述。
61.在充电回路中的开关管发生开路故障时，对应的电解电容不再工作，在配置冗余状态时，需要保证电解电容充电状态下与其正极相连的开关管处于关断状态。与负载侧半桥ⅰ的开关管s8相连的开关管s1发生开路故障时，开关管s8与s4（开关管s9与s5）的状态保持一致；与负载侧半桥ⅱ的开关管s
10
相连的开关管s
i3
发生开路故障时，开关管s
10
与s
i7
（开关管s
11
与s
i6
）的状态保持一致；这两种情况下所述空间型dc/ac变换器的输出电平数为2n 3。
62.此外，在开关管s1发生开路故障时，输出电平为2n 3的状态下没有电容被充电。不
与负载侧开关管相连的充电回路中开关管发生开路故障时，与对应电解电容的正极（负极）相连的两个开关管处于相同状态，所述空间型dc/ac变换器的输出电平数为2n 1。
63.放电回路中的开关管发生开路故障时，正常工作状态下与其处于互补状态的开关管保持导通。负载侧开关管发生开路故障时，所述空间型dc/ac变换器的输出电平数为2n 3；非负载侧开关管发生开路故障时，所述空间型dc/ac变换器的输出电平数为2n 1。
64.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。