CN101262178A - 采用级联结构的多电平逆变器及其控制方法 - Google Patents

采用级联结构的多电平逆变器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种采用级联结构的多电平逆变器，具有用于等同地控制各单位单元的功率因数的装置，包括：主令控制器；多个功率单元，对于三个AC(交流电)相位中的各相位串联连接；移相变压器，用于位功率单元提供输入电压；通信网络，在主令控制器与各功率单元之间提供通信路径；多个单元控制器，根据来自主令控制器的电压指令和频率指令来控制各个功率单元的输出电压和输出频率，各单元控制器具有脉冲宽度调制器，以为所连接的相应功率单元产生可变电压和可变频率的脉冲宽度调制控制信号，其中各单元控制器被配置为根据连接的功率单元的预定总数和相应功率单元的层号(即串联连接次序)来计算相应功率单元的相位差值，据此将斩波的相位移动该计算所得到的相位差值，以补偿各功率单元之间的相位差。

Description

采用级联结构的多电平逆变器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种高压逆变器，尤其涉及一种采用级联结构的多电平逆变器及其控制方法，所述逆变器具有用于等同地控制多个功率单元的功率因数的装置。
背景技术
通常，采用级联结构的多电平逆变器是高压、大容量逆变器的多电平拓扑，其中串联连接若干个单相逆变器(下面称为功率单元)用于三相电流的各相，因此利用功率单元中的低压功率半导体开关就能获得高电压。
这样，通过将多个单相功率单元串联连接到各AC(交流电)相位，采用级联结构的多电平逆变器能够利用半导体开关获得高电压。
并且，采用级联结构的多电平逆变器具有这样的脉冲宽度调制/相移特性：在相互串联连接的功率单元之间顺序地产生相位差。因此，多电平逆变器可具有低的输出电压变化率(dv/dt)。此外，由于输出电压具有多电平(即多级)，所以采用级联结构的多电平逆变器可获得更小的总谐波失真。
此外，采用级联结构的多电平逆变器极少发生电压反射。因此，即使采用级联结构的多电平逆变器与马达之间的距离较长，也不需要使用单独的装置来防止电压反射现象。
但是，在采用级联结构的多电平逆变器中，对于AC(交流电)输入，各单元相互独立地包括由整流电路和平滑电路组成的AC-DC转换器。因此，采用级联结构的多电平逆变器需要独立绝缘的功率源以用于各功率单元，从而增加了次级绕组的必需供应。并且，由于使用对于各输出有相位延迟的移相变压器，所以采用级联结构的多电平逆变器产生相位差，由于负载的电感成分等原因，采用级联结构的多电平逆变器对于例如关于U、V、W三相中各相的8个功率单元中的每一个都改变相位，这导致功率因数，即各个相的余弦值各不相同。
如果忽略这种功率因数的差别，则各功率单元中再生的电压的电平在控制马达减速时改变。特别地，对于小负载，如果功率因数的差别没有得到补偿，则再生电压集中到特定的(功率)单元，这会使得相应的单元出现问题或者被烧毁，从而导致采用级联结构的多电平逆变器的驱动变为不可能。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种采用级联结构的多电平逆变器，具有等同地控制其中的多个单位单元的功率因数的装置，利用这种多电平逆变器，通过将各单元控制为具有相同的功率因数，能够防止当马达或小负载减速时再生电压集中在特定单元。
本发明的另一目的是提供一种等同地控制多电平逆变器中多个单位单元的功率因数的方法，利用这种方法，通过将各单元控制为具有相同的功率因数，能够防止当马达或小负载减速时再生电压集中在特定单元。
为了实现符合本发明目的的上述及其它优点，如在此具体实施并广泛描述的，提供一种采用级联结构的多电平逆变器，具有等同地控制各单位单元的功率因数的装置，所述逆变器包括：主令控制器，配置为根据一组控制指令，从输出电压和输出频率中提取控制输出；多个功率单元，关于每个相位串联连接，各功率单元包括：AC(交流电)转换器，用于根据所述主令控制器的所述控制输出将三相AC输入电压转换为DC(直流电)输出电压；平滑电路，用于平滑所述DC转换器转换得到的DC电压；以及逆变器，用平滑后的DC电压作为输入电压，产生AC输出电压；移相变压器，用于提供功率单元输入电压，所述变压器具有连接三相AC功率源的初级绕组和相应地连接所述多个功率单元的多个次级绕组；通信网络，连接在所述主令控制器与各功率单元之间，以在所述主令控制器与各功率单元之间提供通信路径；多个单元控制器，与各个功率单元以及所述主令控制器连接，以根据所述主令控制器的电压指令和频率指令来控制各个连接的功率单元的输出电压和输出频率，并且各单元控制器具有脉冲宽度调制器，以产生用作脉冲宽度调制基准的斩波，以便产生可变电压和可变频率的脉冲宽度调制控制信号，由此将产生的脉冲宽度调制控制信号提供给相应连接的功率单元，其中，各单元控制器根据连接单个相的功率单元的预定总数和相应功率单元的层号(即串联连接次序)，计算相应功率单元的相位差值，以便使所述多个功率单元具有相同的功率因数，以据此将所述斩波的相位移动通过该计算所得到的相位差值，由此补偿各功率单元之间的相位差。
在本发明的另一方案中，提供一种用于等同地控制多电平逆变器中各单位单元的功率因数的方法，所述多电平逆变器具有：主令控制器，配置为根据一组控制指令，产生并输出一输出电压和输出频率的控制输出；多个功率单元，关于三个相位中的各相串联连接，所述功率单元具有逆变器，所述逆变器根据所述主令控制器的所述控制输出，用DC电压作为输入电压，产生AC输出电压；移相变压器，用于提供功率单元输入电压，所述变压器具有连接三相AC功率源的初级绕组和相应地连接所述多个功率单元的多个次级绕组；通信网络，连接在所述主令控制器与各功率单元之间，以在所述主令控制器与各功率单元之间提供通信路径；多个单元控制器，与各个功率单元以及所述主令控制器连接，以控制各个功率单元的输出电压和输出频率，各单元控制器具有脉冲宽度调制器，以产生用作脉冲宽度调制基准的斩波，以便产生可变电压和可变频率的脉冲宽度调制控制信号，由此将产生的脉冲宽度调制控制信号提供给相应连接的功率单元，其中，各单元控制器根据连接单个相的功率单元的预定总数和相应功率单元的层号，计算相应功率单元的相位差值，以便使所述多个功率单元都具有相同的功率因数，以据此将所述斩波的相位移动通过该计算所得到的相位差值，由此补偿各功率单元之间的相位差，所述方法包括步骤：根据与单个相位相连接的功率单元的预定总数和相应功率单元的层号(即串联连接次序)，利用各单元控制器计算各相应功率单元的相位差；以及将所述单元控制器的脉冲宽度调制器的所述基准斩波的相位移动通过在计算所述相位差的步骤中计算所得到的所述相应功率单元的所述相位差值，以使所述多个功率单元都具有相同的功率因数。
根据下文对本发明的详细描述并结合附图，本发明的上述及其它目的、特点、方案和优点将变得更加明显。
附图说明
所包括的附图提供对本发明的进一步理解，合并在说明书中构成说明书的一部分，附图示出本发明的实施例，并和说明书一起用于解释本发明的原理。
附图中：
图1为示出输出频率、功率单元的层号与功率因数之间的相互关系的曲线图，这个相互关系表明功率因数随着输出频率、在采用级联结构的多电平逆变器中的功率单元层号的不同而变化；
图2为示出在根据本发明的采用级联结构的多电平逆变器中主令控制器、多个功率单元以及连接各个功率单元的单元控制器之间的通信结构的示意性方框图；
图3为示出包括主令控制器、多个功率单元、连接各个功率单元的单元控制器以及用于向马达和功率单元提供输入电压的移相变压器的示意性方框电路图；
图4为波形图，其示出：通过将基准斩波相移一个与通过计算公式得到的相应功率单元的相位差值一样大的值，将多个功率单元控制为对于各AC电流相位具有相同的功率因数，所述基准斩波用于在安装在各单元控制器中的脉冲宽度调制器中产生的脉冲宽度调制信号；以及
图5为示出在根据本发明的采用级联结构的多电平逆变器及其方法步骤中等同地控制各单位单元的功率因数的操作的流程图。
具体实施方式
通过对本发明优选实施例的以下描述并参照附图，能够更清楚地理解本发明的目的和为了实现这些目的而采用的结构以及操作效果。
首先，图1示出输出频率、功率单元的层号与功率因数之间的相互关系，这个相互关系表明功率因数随着输出频率、在采用级联结构的多电平逆变器中的功率单元层号的不同而变化。
如图1所示，可以看出当输出频率变高时，功率单元的功率因数下降。还可以看出对于三相AC(交流电)的各相，根据串联连接的功率单元的层号，也就是当层号(即连接次序)离输入功率源更远时，功率因数下降。
另一方面，参照图2进行描述，图2示出在根据本发明的采用级联结构的多电平逆变器中的主令控制器、多个功率单元以及连接各功率单元的单元控制器之间的通信结构，并示出功率单元的一个典型功率单元的具体结构。
如图2所示，在采用级联结构的多电平逆变器中，主令控制器与多个功率单元之间以及连接各个功率单元的单元控制器之间的通信结构包括：主令控制器1；在主令控制器1的一侧示出的CAN(控制器局域网)驱动器1a，安装在主令控制器1中或者分离地连接主令控制器1；多个单元控制器1～n(即3-1～3-n)；在各单元控制器1～n(即3-1～3-n)的一侧示出的CAN驱动器3a，安装在单元控制器1～n(即3-1～3-n)中或者分离地连接单元控制器1～n(即3-1～3-n)；光学网络2，连接在主令控制器1与单元控制器1～n(即3-1～3-n)之间，具体而言，连接在主令控制器1一侧的CAN驱动器1a与单元控制器1～n(即3-1～3-n)一侧的CAN驱动器3a之间；以及多个功率单元1～n(即4-1～4-n)，通过总线分别连接单元控制器1～n(即3-1～3-n)。
在图2中，主令控制器1可从主控制器(未示出)接收用户预设的控制指令、速度指令值和加速/减速时间，然后生成输出电压和输出频率控制输出，将其输出到各单元控制器1～n(即3-1～3-n)。
仍然参照图2，在根据本发明的采用级联结构的多电平逆变器中，如功率单元1(4-1)的示例性详细结构(在双短划线内)所示，各功率单元1～n(即4-1～4-n)可包括整流电路部分4-1a、平滑电路部分4-1b和逆变器电路部分4-1c。
整流电路部分4-1a可实施为二极管桥，该二极管桥对图3所示的来自移相变压器5的AC输入电压进行整流，从而输出DC输入电压。
平滑电路部分4-1b可实施为电容器(多个电容器)，该电容器连接整流电路部分4-1a的输出端子，对整流电路部分4-1a输出的DC输入电压进行平滑。
逆变器电路部分4-1c可实施为功率半导体开关，例如每相一对晶闸管或一对IGBT(绝缘栅双极晶体管)，这些功率半导体开关连接平滑电路部分4-1b的输出端子，并由单元控制器3-1控制为相互有相位差地交替导通和断开。
继续参照图2，各单元控制器1～n(即3-1～3-n)连接相应的功率单元1～n(即4-1～4-n)，并通过位于单元控制器一侧的CAN驱动器3a、光学网络2以及位于主令控制器1一侧的CAN驱动器1a连接到主令控制器1，以根据从主令控制器1接收的指令电压和指令频率控制相应功率单元1～n(即4-1～4-n)的输出电压和输出频率。
仍然参照图2，采用级联结构的多电平逆变器可使用CAN(控制器局域网)作为主令控制器1与多个单元控制器1～n(即3-1～3-n)之间的通信协议，并使用光纤网络作为通信介质，从而保证抗噪声能力和良好的绝缘特性。
下面参照图3进行描述，图3为示出包括主令控制器、多个功率单元、连接各个功率单元的单元控制器以及用于向马达和功率单元提供输入电压的移相变压器的示意性方框图。
图3示出作为负载的AC马达与三相AC供应的各相的功率单元之间的连接，还示出在根据本发明的采用级联结构的多电平逆变器中包括作为主要部分的移相变压器结构，移相变压器用于向各功率单元提供AC输入电压。
如图3所示，移相变压器5包括初级绕组和多个次级绕组，所述初级绕组连接三相商用AC功率源，所述多个次级绕组连接各相的功率单元，以向各相的功率单元提供感应AC电压作为输入电压，各感应AC电压从初级绕组感应得到，彼此相位不同。
参照图3，功率单元可包括：相互串联连接的、三相中的U相功率单元(即U相功率单元1～n(4U-1～4U-n))；相互串联连接的、三相中的V相功率单元(即V相功率单元1～n(4V-1～4V-n))；以及相互串联连接的、三相中的W相功率单元(即W相功率单元1～n(4W-1～4W-n))。
仍然参照图3，AC马达6代表负载，通过接收各相的串联连接的功率单元的组合输出电压驱动该负载，各相的串联连接的功率单元的组合输出电压即：U相功率单元1～n(4U-1～4U-n)的组合U相输出电压、V相功率单元1～n(4V-1～4V-n)的组合V相输出电压、以及W相功率单元1～n(4W-1～4W-n)的组合W相输出电压。
主令控制器1和单元控制器1～n(3-1～3-n)的基本结构和功能与参照图2所述的相同，不再重复说明。下面描述本发明的单元控制器1～n(3-1～3-n)的详细结构和操作。也就是说，下面将更详细地描述单元控制器的详细结构和操作，这些单元控制器是用于等同地控制各单位单元的功率因数的装置，由此，通过控制各单位单元具有相同的功率因数，能够防止在马达或者小负载减速时再生电压集中到特定单元。
根据本发明通过单元控制器等同地控制各单位单元的功率因数的方法大体上包括：基于与相应的功率单元有关的信息(即与对于单个相所连接起来的全部功率单元的预定数目有关的信息以及与相应的功率单元的层号(串联连接次序)有关的信息)，计算单位单元(即连接有用于控制的单元控制器的功率单元)的相位差；将基准斩波(所谓的载波)的相位移动一个与计算得到的相应功率单元的相位差一样大的值，所述基准斩波用于产生在单元控制器中安装的脉冲宽度调制器的脉冲宽度调制信号。
首先，按照下面的计算公式(1)计算相应功率单元的相位差：
α＝(180°/2n)+{(180°/n)×(相应功率单元的层数-1)}------公式(1)
其中α表示相位差(即相应功率单元的相位角)，n表示单个相(即相应的相)的全部功率单元的预定数目，相应功率单元的层号表示相应功率单元的层的数目(即串联连接次序)，也就是预定的存储值。
因此，如果假定相应的功率单元是第一V相功率单元(例如图3中离AC马达最远的功率单元1(4V-1))，并且每一相共连接8个功率单元，因为第一V相功率单元是相应相的第一个功率单元，所以它的层号为1。因此，按照公式(1)，相位差为11.25度(即180°/16＝11.25°)。
作为另一实例，如果相应的功率单元是第三W相功率单元(例如图3中的4W-3)，并且每一相连接8个功率单元，因为第三W相功率单元(4W-3)是相应相的第三个功率单元，所以它的层号为3。因此，按照公式(1)，相位差为56.25度(即180°/16+{180°/8×(3-1)}＝56.25°)。
也就是说在本发明中，单元控制器3-1～3-n按照计算公式(例如公式(1))计算相应功率单元的相位差α。
下面描述的步骤是，将基准斩波(所谓的载波)的相位移动一个与计算得到的相应功率单元的相位差一样大的值，所述基准斩波用于在安装在各单元控制器中的脉冲宽度调制器中产生脉冲宽度调制信号。
各单元控制器3-1～3-n根据主令控制器(在图3中用附图标记1表示)的指令电压和指令频率控制功率单元的输出电压和输出频率，然后向连接的功率单元提供可变电压和可变频率的脉冲宽度调制控制信号。为此，各单元控制器3-1～3-n可设置脉冲宽度调制器，脉冲宽度调制器产生用作脉冲宽度调制基准的斩波。该斩波在图4中示出。如图4所示，如果相应功率单元的相位差α为250，则各单元控制器3-1～3-n的脉冲宽度调制器将基准斩波的相位移动250。最终，对于各相的多个功率单元，cosθ的θ，即相位角变为相同。因此，对于各功率单元，功率因数，即cosθ的值变为相同。
单元控制器如图4所示的这种电路和硬件结构可实施为包括：斩波振荡电路；移相器，用于将斩波的相位移动一个指令角；微处理器，利用操作控制程序和存储的信息向移相器指令一个角度，使移相器能够将相位移动必要的角度；存储器(例如ROM(只读存储器或闪存))，用于存储计算公式，用于计算相位差α，以及存储程序，用于控制移相器将相位移动一个计算得到的相位差α，并存储相应功率单元的预定相位和层号。
因此，由图3中的移相变压器提供的AC输入电压被图2所示的相应功率单元的整流电路部分4-1a和平滑电路部分4-1b整流并平滑，从而转换为DC输入电压。转换得到的DC输入电压再被逆变器电路部分4-1c转换为具有需要的电压和频率的AC输出电压。这种AC输出电压被U、V、W各相组合。最后，将高AC电压作为驱动电压提供给马达。
图5为示出根据本发明的采用级联结构的多电平逆变器的操作及控制方法的流程图，下面描述该操作及控制方法。
根据本发明控制多电平逆变器的方法可包括：对于功率单元的相位差计算步骤(ST1)，其中，利用单元控制器计算与单个相相连接的预定总数的功率单元的相应功率单元的相位差以及相应功率单元的层号(例如串联连接次序)；基准斩波相位移动步骤(ST2)，其中，将单元控制器中脉冲宽度调制器的斩波的相位移动一个在步骤ST1中获得的相应功率单元的相位差值，从而使多个功率单元的功率因数相同。
也就是说，在步骤ST1中，单元控制器3-1～3-n通过公式(1)，利用与单个相相连接的功率单元的总数、已存储的功率单元的预定总数以及相应功率单元的层号(即串联连接次序)来计算功率单元的相位差。
在步骤ST2(即移动基准斩波相位的步骤)中，单元控制器3-1～3-n将单元控制器的脉冲宽度调制器的基准斩波的相位移动一个相应功率单元的相位差值，也就是在步骤ST1(即计算相位差的步骤)中获得的值，使多个功率单元都能具有相同的功率因数。
如上所述，在根据本发明的采用级联结构的多电平逆变器中，各个单元控制器能够将在各个功率单元的输出频率和串联连接位置(层)产生的不同功率因数控制变为相同。因此，当马达或小负载减速时，能够防止再生电压集中到特定单元，从而避免特定单元出现故障或者被损坏。
上述实施例和优点仅仅是示例性的，不应被解释为限制本发明。上述教导易于应用到其它类型的设备。说明书是解释性的，并不限制权利要求书的范围。对于本领域技术人员来说许多替代方案、改型和变型各显而易见。这里描述的示例性实施例的特点、结构、方法以及其它特征可以用各种方式结合起来，从而获得附加的和/或替代的示例性实施例。
由于本发明可实施为多种形式而不脱离其特征，所以应当理解，除非另有规定，上述实施例不受说明书的任何细节所限制，而是应当在所附权利要求书限定的范围内作宽泛的解释，因此所有落入权利要求书的界限和范围内或者这样的界限和范围的等同物内的变型和改型都将涵盖在所附权利要求书中。

Claims (5)

1.一种采用级联配置的多电平逆变器，具有用于等同地控制各单位单元的功率因数的装置，所述逆变器包括：
主令控制器，配置为根据一组控制指令，从输出电压和输出频率中提取控制输出；
多个功率单元，关于每个相位串联连接，各功率单元包括：AC(交流电)转换器，用于根据来自所述主令控制器的所述控制输出将三相AC输入电压转换为DC(直流电)输出电压；平滑电路，用于平滑来自DC转换器的转换后的DC电压；以及逆变器，把平滑后的DC电压作为输入电压，产生AC输出电压；
移相变压器，用于提供功率单元输入电压，所述变压器具有用来连接到三相AC功率源的初级绕组和相应地连接到所述功率单元的多个次级绕组；
通信网络，连接在所述主令控制器与每个功率单元之间，以在所述主令控制器与每个功率单元之间提供通信路径；
单元控制器，与所述各个功率单元以及所述主令控制器连接，以根据来自所述主令控制器的电压指令和频率指令来控制各个连接的功率单元的输出电压和输出频率，并且每个单元控制器具有脉冲宽度调制器，以产生用作脉冲宽度调制基准的斩波，以便产生可变电压和可变频率的脉冲宽度调制控制信号，由此将产生的脉冲宽度调制控制信号提供给相应连接的功率单元，其中，每个单元控制器根据与单个相位相连接的功率单元的预定总数和相应功率单元的层号(即串联连接次序)，来计算相应功率单元的相位差值，以便允许所述多个功率单元具有相同的功率因数，据此将所述斩波的相位移动该计算所得到的相位差值，由此补偿各功率单元之间的相位差。
2.如权利要求1所述的多电平逆变器，其中，所述单元控制器配置为通过计算公式计算所述相位差值，
其中，所述相位差值＝(180°/2n)+{(180°/n)×(相应功率单元的层号-1)}，
其中n表示对于单个相位的功率单元的总数。
3.如权利要求1所述的多电平逆变器，其中，所述通信网络使用CAN(控制器局域网)作为通信协议，并使用光纤网络作为通信介质。
4.一种用于等同地控制多电平逆变器中各单位单元的功率因数的方法，所述多电平逆变器具有：主令控制器，配置为根据一组控制指令，产生并输出输出电压和输出频率的控制输出；多个功率单元，关于三相中的每个相位串联连接，所述功率单元具有逆变器，所述逆变器根据来自所述主令控制器的所述控制输出，用DC电压作为输入电压来产生AC输出电压；移相变压器，用于提供功率单元输入电压，所述变压器具有与三相AC功率源相连接的初级绕组和相应地与所述功率单元相连接的多个次级绕组；通信网络，连接在所述主令控制器与每个功率单元之间，以在所述主令控制器与每个功率单元之间提供通信路径；和单元控制器，与各个功率单元以及所述主令控制器连接，以控制各个功率单元的输出电压和输出频率，每个单元控制器具有脉冲宽度调制器，用于产生用作脉冲宽度调制基准的斩波，从而产生可变电压和可变频率的脉冲宽度调制控制信号，由此将产生的脉冲宽度调制控制信号提供给相应连接的功率单元，其中，每个单元控制器根据与单个相位相连接的功率单元的预定总数和相应功率单元的层号，来计算相应功率单元的相位差值，以便使所述多个功率单元都具有相同的功率因数，以据此将所述斩波的相位移动该计算所得到的相位差值，由此补偿各功率单元之间的相位差，所述方法包括以下步骤：
根据与单个相位相连接的所述功率单元的所述预定总数和所述相应功率单元的所述层号(即串联连接次序)，利用每个单元控制器来计算每个相应功率单元的所述相位差；以及
将所述单元控制器的所述脉冲宽度调制器的所述基准斩波的相位移动如在计算所述相位差的步骤中计算出的所述相应功率单元的所述相位差值，以使所述多个功率单元都具有相同的功率因数。
5.如权利要求4所述的方法，其中通过计算公式计算所述相应功率单元的所述相位差，
其中所述相位差值＝(180°/2n)+{(180°/n)×(相应功率单元的层号-1)}，
其中n表示对于单个相位的功率单元的总数。
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