CN101542867A - 大功率应用的电力电子变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明阐述了一种新型多电平大功率变换器，称之为六角变换器。六角变换器由六个三相功率单元环形连接而组成。其中每一个单元都可以是任意一种三相电力电子变换器。六个单元之间可嵌入一个或多个的电感以抑制由于环形相连接而可能导致的环流。六角变换器的应用非常广泛，不胜枚举。

Description

大功率应用的电力电子变换器
技术领域
此发明适用于电力电子变换器，尤其适用于大功率的电力电子变换器。
背景技术
电力电子在工业应用例如调速电机驱动，单位功率因数整流，有源滤波，静态无功补偿，和统一潮流控制的市场越来越大。目前这些应用还主要集中在低压(208-480V)中低功率(5-250kW)，因为快速的半导体元器件例如绝缘栅极晶体管(IGBT)，MCT等在这样的电压和功率等级已经发展成熟。但是要把基于这些半导体元器件的基本电力电子设备直接连接到中压电网仍然非常具有挑战性。基于半导体元器件的解决方案比如高压碳化硅开关还有待进一步证实，需要一定的时间才有可能投入商业应用。与此同时，多电平电力电子变换器正被广泛地研究和开发，已经成为一种新的适用于大功率应用的选择。
目前，基于二极管钳位的多电平方式和功率单元H桥串联的方式是两种最常用的多电平电力电子变换器拓扑。二极管钳位的多电平变换器，又称为中性点钳位变换器，流行于1980年代，被应用在功率因数校正整流，无功补偿，背靠背，调速电机驱动，和统一潮流控制。可是由于电容电压不平衡，并且局限于电压钳位，电路布局和封装不便，这种电路只能实现有限的电平等级。
功率单元H桥串联的方式自1990年代中期开始就引起了相当的兴趣，现已经被应用于变频器和无功补偿。其模块化的结构有利于扩展和维修，而且通过绕过故障单元其容错功能也得以提高。可是这种技术由于需要多个单相功率单元，所以相应地需要一个有多个副边隔离线圈的变压器，从而导致高生产成本。另外，单相功率单元的本质决定了通过每个功率单元的功率是脉动的，因而能量储存要求非常高，尤其是在低速，固定转矩的应用场合。
综上所述，有必要发明适用于大功率的低成本电力电子变换器。
发明内容
此发明涵括适用于大功率应用的电力电子变换器以及其运行方式。这些变换器及其运行方式在此以实施例子出现但实际应用并不局限于此。
此处描述的多电平大功率变换器，被称为六角变换器，是由六个三相功率单元环形连结而组成。其中的三相功率单元可以是任意一种三相电力电子变换器。对于任意一个给定的应用场合，六个三相功率单元可以相同也可以不同。六个功率单元以一个或更多电感相连以抑制潜在的环流。所描述的六角变换器的应用非常广泛，无法全举。
对于有一定专业水平的人来说，通过如下图形解释和文字说明，更多的系统，运行方式，功能，及优势将会变得显而易见。本文及其附带的权利要求旨在保护所有这些系统，运行方式，功能，及优势。
附图说明
本发明的具体内容包括它的结构和运行方式可以通过研究所伴随的有参考号码和部件的图形来理解。图中的元器件旨在示意本发明的基本原理而并非表示其实际度量。所有的插图旨在传达概念，对其相对尺寸，形状和其他具体的属性只是给予示意性的说明而并非字面的或精确的说明。
图1是六角变换器的一个实施例子的示意图。
图2A-B是六角变换器功率单元的实施例子的示意图。
图3A-5B是六角变换器被运用于不同场合的更多实施例子的示意图。
图5C-6是整流和逆变功率单元的实施例子的示意图。
图7A-B是六角变换器被用于大功率场合的更多实施例子的示意图。
图8是六角变换器的控制器的一个实施例子的框图。
图9是描述六角变换器实施例子的运行向量图。
图10是六角变换器的控制器的另一个实施例子的框图。
图11是六角变换器的控制器的另一个实施例子的框图。
图12是六角变换器功率单元的另一个实施例子的示意图。
具体实施方式
在此所提供的是多个多电平变换器和其功率单元的实施例子。这些变换器可以被广泛地应用到各种场合，其中的一些应用例子也会在这里会介绍。这些多电平变换器提供了比常规变换器更显著的优点，包括更系统化的模块结构，更少的元器件个数，电压电流自动平衡，更容易控制，更强的自有容错性，其优点不限于此。
图1是多电平变换器100的第一个实施例子的示意图，为便于讨论，不限定地称之为六角变换器100。六角变换器100的较佳组成包函六个三相功率单元101。每个功率单元101构成变换器100的一条主电源路径并且传递变换器100总输出功率的六分之一。在一些场合中，当图中有多个版本的相似元件或结构时，例如此处的三相功率单元101，每个相似元件或结构可标之为yyy-z，其中y代表元件类型的参考号码，而z代表了其中特定的一个元件。在这个实施中，每个功率单元包括了一个交流端口102和一个直流端口103。每个交流端口102包含三个交流端子a，b，和c。每个直流端口103包含x个直流端子dz，其中x大于或等于2而z是相应于特定端子的号码。直流端子的数目d取决于不同应用场合的需要。直流端口103的d个直流端子可以接到隔离的直流电源，负载，或者是开路，取决于应用场合的需要。
在这个实施中，每个功率单元101有一个交流端子(a，b，或c)被指定为输出端子。各功率单元101的输出端子被标记为A(功率单元101-1的交流端子a1)，A’(功率单元101-4的交流端子a4)，B(功率单元101-3的交流端子b3)，B’(功率单元101-6的交流端子b6)，C(功率单元101-5的交流端子c5)和C’(功率单元101-2的交流端子c2)。这些交流输出端子通过零个，一个或更多个的电感连接到外界电路。每个功率单元101的其他两个交流端子通过零个，一个或更多个的电感201接到相邻的功率单元101。如果需要，电感201可与电阻性元器件相串联。举例说明，在这个实施中，功率单元101-1的交流端子b1通过一个电感201与功率单元101-2的交流端子b2相连。功率单元101-1的交流端子c1与功率单元101-6的交流端子c6也是通过一个电感201相连。图1中的其他功率单元也有相似的连接。
图2A-B是功率单元101的实施例子。需要注意的是每个功率单元101的结构并不要求是相似的。事实上，各个功率单元101可以是不同类型的三相电力电子变换器。一般来说，三相功率单元101是一个包含有一系列开关202，二极管203和/或电容204的电路。开关202的较佳选择是用于功率应用场合的半导体开关，比如绝缘栅双极晶体管(IGBT)，集成门极换流晶闸管(IGCT)，门极关断晶闸管(GTO)及其他。根据本专业常识，半导体开关202可以是任意的有源开关，并不局限于这里所提到或所描绘的类型。每个开关202都包含至少一个输入端口208，用于接收变换器100的控制器所产生的控制信息，具体的描述会在稍后提供。
图2A描述了由一个两电平电压源变换器(VSC)所形成的功率单元101。在这里，三个分别由双开关202组成的支路并联接于端子d1和d2之间。电容204也接在d1和d2之间。三个交流端子a，b和c则分别接到三条支路的两个开关202的中点。
图2B是功率单元的另一个实施例子。在这里，功率单元101是一个三电平中性点钳位变换器(NPC)。除了额外的二极管203和电容204外，还包括第二套开关202.示意图2A-B仅是功率单元101许多实现方式中的两个例子，功率单元的实现方式并不局限于图2A-B所举的实施例子。
六角变换器100有六个交流端子102，可被用于多种六相和三相的应用场合。一个不穷举的应用例子组合就包括：功率因数校正整流器(PFC)，有源滤波器(APF)，静态无功补偿器(STATCOMs)，网联逆变器(GCIs)，不间断电源(UPSs)，调速电机驱动(VSDs)，背靠背，和其他。
图3A-B分别描述了变换器100接成六相和三相的实施例子。这些变换器100实施例子可应用于APF，STATCOM或GCI等场合。在图3A的六相应用中，六个交流端子(A，A’，B，B’，C和C’)分别接到有中点或接地点的电源或者负载209。在图3B的三相的实施中，六个交流端子分别接到三相电源或者负载的六个端子。交流端子a1和a4是第一相(A)，b3和b6是第二相(B)，c5和c2是第三相(C)。交流电源209可以是经变压器偶合的电网的电压或者是发电机。
图4A-B分别描述了变换器100用作六相和三相的不间断电源的实施例子。在这些实施中，直流端子d接在直流电源例如电池或者可再生能源(包括燃料电池通过隔离的直流-直流变换器)。其他直流电源也可以。交流端口103通过一个有多个电感201和电容204的LC滤波网络105接到一个或者多个负载104.LC滤波网络最好是二阶或更高。滤波网络105的结构不限于图4A-B中所给的例子。电容204可接成环形(如图4A所示)或者有一个中点或接地点的星形(如图4B所示)。
图5A-B描述了六角变换器100用作VSD的实施例子。图5A描述了变换器100的六相运行，图5B描述了变换器100的三相运行。在这个实施中，多个整流单元106通过直流端口103分别接到相应的功率单元101。每个整流单元106可任意配置成所需求的方式，例如采用二极管整流器或者有源整流器。每个整流单元106有一个端口110接到一个隔离变压器的副边线圈205，然后偶合到原边206从而提供给变换器100隔离的直流电压源。变压器206的副边线圈205之间接成一定的角度以实现变压器原边的谐波相消。在所示图中，线圈205-1的相角滞后于线圈205-220度，线圈205-2滞后于线圈205-320度。线圈205-4到205-6也接成相似的模式如图5A-B所示。
功率单元101的另一侧交流端口102接到一个马达107。马达107的六个输入端子分别接到六个功率单元101的一个交流输出端子。在图5A-B中，马达107分别是六端的六相或者三相电机。马达107的输入端子各接马达内的一条绕组通路109，每条绕组通路109的另一端接到一个中点或者接地点。在图5B的三相接法中，马达107包括三条绕组通路109。每条有两个端口分别接到各功率单元101的交流输出端子。如图所示，第一条绕组通路109-1的两个端口分别接到交流端子A和A’。绕组通路109-2的两端分别接到交流端子B和B’。同样地，绕组通路109-3的两端分别接到交流端子C和C’。在图5A-B中，根据应用的需求(例如马达的要求等)，变换器100的交流侧既可配有滤波器也可以没有滤波器。
图5C描述了功率单元101和整流模块106的一种实施例子。这种实施方式是实现整流模块106和功率单元101的许多方式中的一种，可被运用于图5A-B。在这种实施方式中，交流端口102的每个输出端子a，b和c分别接到位于节点d1和d2之间的三条由半导体开关202所组成的并联支路。节点d1和d2之间还接有电容204和三条并联的分别含有两个二极管203的支路。三条二极管并联支路的二极管之间的节点则形成整流模块106的端口110。
图6描述了整流模块106和功率单元101的另一种实施例子。这种实施方式类似于图5C所描述的实施方式，不同之处在于二极管203被半导体开关202所取代。当图6所描述的实施方式被用于图5A-B所示的功率单元101作为六相或三相调速电机驱动时，功率流动是双向的，变换器100能够反馈制动，将电机刹车制动的能量传回电网。
图7A-B描述了两个六角变换器100接成背靠背的实施例子。这种背靠背的实施模式有广泛的应用领域，包括将两个采用不同电力机制的电网相连等，但不限于此。在这种背靠背的实施中功率流动也是双向的。功率单元101的直流端口103之间以零序阻断变压器(ZSBT)210相连。ZSBT210是用来阻止可能的环流较佳部件。
如图所示，变换器100-1的交流端口102通过隔离变压器108与电网相连。由于六角变换器100有六个交流端口，输入隔离变压器108可接成一个副边线圈中性点不相连的三相变压器(如图7A所示)，或者一个副边线圈星接的六相变压器。
变换器100-2的交流端口102与马达107相连，类似于图5B所示的三相接法。正如前面也提到过，图3A-B，4A-B，5A-C，6和7所描述的只是部分可用六角变换器100来实现的例子。所描述的方式及所示图形仅仅是变换器100运用在特定场合的实施方式。值得注意的是基于本发明的实施方式是无穷多的。本文图中所描绘的实施方式不可能穷举变换器100的所有应用，本专业常识指出许多其他的实施方式也是可能的。
现在转到六角变换器100的控制，图8的框图描绘了调制和控制变换器100的控制器301的较佳实施例子。变换器100的运行是通过控制每个功率单元101的m个各式各样的开关元件202来达到的(例如，把开关置于开或关的状态)。需要注意的是每一种变换器100都可由上百种不同的控制方法和开关模式来实现，因此不便在此一一陈述。图8-12会给出一些参考例。基于这里的描述，利用本专业常识可方便地得到这种控制方法的很多的变化性态。
回到图8，控制器301有两个输入端口302和303以及一个控制(例如驱动)信号输出端口304。参考信号输入端口302用来接收提供给控制器301关于控制或者运行目标的参考信号。反馈信号输入端口303用来接收来自变换器100的反馈信号。控制器301在端口304输出m个驱动信号，根据不同的应用场合，每个驱动信号控制一个或多个开关202。控制器301可由模拟或数字电路来实现。
图9是六角变换器的一个实施例子的电压向量图。向量图通常用来说明系统在一个平面内的相位关系。图9的向量图描述了交流端口103(a，b，c)信号的各种相位关系。本专业常识指出不同的控制实现方法会导致不同的性能。图9描述的是当变换器100的实施例子运行在相对比较平衡而且半导体开关上电压降相对比较小的情况下的向量图。方程(1)进一步描述了变换器100的实施例子在所述情况下的运行方式。
Figure A20078003235900111
如果运行的不是那么平衡，电感201上的电压降相对比较大，或者系统中有其他不理想的重要因数，六角变换器100的运行可以偏离图9向量图和方程(1)所描述的运行方式。
图10描述了一个由图5C中包含6个开关202的功率单元101组成的如图5A所示的变换器100的控制器301的一个实施例子。在这里，参考信号ωref是端口302的输入信号，是提供给控制器100运行的控制参考信号。反馈信号θrm，iA和iB是端口303的输入信号。信号θrm是测量到的马达位置，信号iA和iB是来自变换器100的相电流信号。端口304的36个驱动信号分别用来控制不同的开关202。
这是控制器301工业上的常规控制方法的实施例子。在这里，控制器301包括了一个速度控制单元310，一个电流控制单元311，一个d-q反变换单元312，一个d-q变换单元313，一个正弦脉宽调制(SPWM)单元314，两个模拟-数字变换器315，一个微分单元316，和一个常数单元Np/2。速度控制单元310根据速度参考信号ωref和反馈信号θrm，iA和iB产生iqref来控制马达107的速度。电流控制单元311通过强制idm和iqm跟随idref和iqref来控制马达107的转矩。
通过将信号idm控制在零附近，马达的转矩107将正比于信号iqm。电压参考信号vqref和vdref可由参考信号和反馈信号所决定。SPWM单元314用来产生端口304的驱动信号。如图所示的是控制器301的较佳组成方法可以用来满足图9向量图中的电压相位关系和实现对马达107的速度控制。
图11描述了一个图2A中实施例子的由6个开关202的功率单元101组成的如图3B所示的变换器100的控制器301的一个实施例子。在这个实施例子中，一个单周控制(英文One-Cycle Control或OCC)核302用来控制变换器100作为STATCOM的应用。参考信号iipref和iinref是端口302的输入信号，是变换器100的控制参考信号，用来设定所要补偿的无功量。测量到的反馈电压信号vA，vB，vC和电流信号iA，iB，iC是端口303的输入信号。端口304的36个输出信号分别用来控制各个开关202。
控制两电平及多电平变换器的OCC技术在美国专利6,545,887里有详细的描述，也被明确地引用在这里。除了OCC核320以外，控制器301还包括区域选择电路321，电流信号选择器322，和驱动信号分配器323。根据电压反馈信号vA，vB和vC，区域选择电路321决定向量区域，电流信号选择器从电流反馈信号iA，iB和iC中选取电流向量。OCC核320用这些电流向量来计算驱动信号的占空比。驱动信号分配器323再将这些驱动信号分配给相关的开关202。
值得再次指出，所示的控制器301可以用来满足图9向量图中的电压相位关系和实现马达107的速度控制。需要注意的是，尽管图10-11是控制器301的几种不同实施方式，但是还有其他无数可能的实施方式适用于图8所描述的拓扑。
当实现六角变换器100的时候，通常希望以硬件和/或软件的方式实现故障保护功能。本专业常识指出很多种不同的保护方法可使变换器100运行。这些保护通常包括检测和识别故障，隔离故障部件和改组变换器系统。故障后处理控制算法也通常算作保护的一部分。
举例说明，图12描述了配有故障保护的功率单元101，可用于图5B。在图中，每个交流端子(a，b，c)都接有一个故障保护器件208。故障保护器件208被配置为双向可控硅，是一个双向电子开关元件，当触发时可双向导通电流。每个开关208的另一端接到有两个开关的支路。一个开关接到端子d1，另一个则接到端子d2。电容204也接在端子d1和d2之间。每个交流端子分别接到含有开关202的位于d1和d2之间的支路。如图所示，每个开关202与保险丝207相串联。功率单元101的一些保护包括(但不限于)一个开关短路，一个支路短路，一个开关开路和一个支路开路的故障情况。这里所介绍只是能够用来保护六角变换器100的一种硬件实施方式。这里并不排除其他的可能更复杂的实施方式，包括能够用软件实现的检测电路和控制算法以及通过硬件实现的电路重构。本专业常识指出基于本专利的保护电路可以有多种形式存在。
由于实施方式可有多种不同的版本和形式，这里的图性和文字只给出一些特定的例子。需要理解的是，这些实施方式不应局限于所介绍的特定形式，相反地，应该涵盖根据本专利精髓的所有修改，等价，以及替代。

Claims (20)

1.一种电力系统，包括：
一个多电平电力变换器，包括六个三相功率单元，其中每个功率单元包括一个至少有三个端子的交流端口和一个至少有两个端子的直流端口，其中的每个功率单元分别通过交流端口的至少三个端子中的第一个和第二个端子与两个不同的功率单元相连。
2.根据权利要求1所述的电力系统，其中每个功率单元通过感性电路与两个不同的功率单元相连。
3.根据权利要求2所述的电力系统，其中每个功率单元包含多个半导体开关。
4.根据权利要求3所述的电力系统，其中至少一个半导体开关与交流端口的至少三个端子中的一个端子以及直流端口的一个端子相连结。
5.根据权利要求4所述的电力系统，其中每个半导体开关配置为下列的一种：IGBT，IGCT，或GTO。
6.根据权利要求3所述的电力系统，其中每个功率单元包含多个二极管。
7.根据权利要求3所述的电力系统，其中每个功率单元包括：
第一条接在直流端口第一和第二个端子之间的含有第一和第二个半导体开关串联的支路，第一个接在第一和第二个开关之间的交流端口的端子；
第二条接在直流端口第一和第二个端子之间的含有第三和第四个半导体开关串联的支路，第二个接在第三和第四个开关之间的交流端口的端子；以及
第三条接在直流端口第一和第二个端子之间的含有第五和第六个半导体开关串联的支路，第三个接在第五和第六个开关之间的交流端口的端子。
8.根据权利要求7所述的电力系统，其中每个功率单元与一个控制变换器运行的控制器相连。
9.根据权利要求7所述的电力系统，其中控制器输出多个的控制信号到每个功率单元。
10.根据权利要求9所述的电力系统，其中每个开关用来接收控制器输出的一个控制信号。
11.根据权利要求10所述的电力系统，其中控制器输出单独的控制信号到每个开关。
12.根据权利要求6所述的电力系统，其中每个功率单元包含一个接在直流端口的第一和第二个端子之间的第四条含有一个负载电容的支路。
13.根据权利要求4所述的电力系统，其中每个功率单元与控制变换器运行的控制器相连。
14.根据权利要求13所述的电力系统，其中控制器输出多个的控制信号到每个功率单元。
15.根据权利要求14所述的电力系统，其中控制器输出单独的控制信号到每个开关。
16.根据权利要求1所述的电力系统，更进一步包括：
第一个连接，由第一个电感以及与它相连的第一个功率单元的第一个交流端子和第二个功率单元的第一个交流端子所组成；
第二个连接，由第二个电感以及与它相连的第一个功率单元的第二个交流端子和第六个功率单元的第一个交流端子所组成；
第三个连接，由第三个电感以及与它相连的第二个功率单元的第二个交流端子和第三个功率单元的第一个交流端子所组成；
第四个连接，由第四个电感以及与它相连的第三个功率单元的第二个交流端子和第四个功率单元的第一个交流端子所组成；
第五个连接，由第五个电感以及与它相连的第四个功率单元的第二个交流端子和第五个功率单元的第一个交流端子所组成；以及
第六个连接，由第六个电感以及与它相连的第五个功率单元的第二个交流端子和第六个功率单元的第二个交流端子所组成。
17.根据权利要求16所述的电力系统，其中每个功率单元的第三个交流端子是接到外部电路的交流输出端子。
18.根据权利要求1所述的电力系统，其中每个功率单元接到用于控制该功率单元运行的控制器。
19.根据权利要求1所述的电力系统，其中基于至少一个参考信号和至少一个反馈信号，所述控制器产生多路驱动信号用于控制该变换器。
20.根据权利要求1所述的电力系统，其中每个功率单元包括故障保护电路。
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