CN102075105A - 电力变换设备 - Google Patents

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Abstract

在多电平变换设备中，尽管将电容器串联电路用于直流部分，将例如半导体开关和电抗器的部件追加至外部以平衡电压，但这导致设备的尺寸增加和成本上升。一种电力变换设备，电容器串联电路并联于直流电源，该电力变换装备用电容器串联电路作为直流输入而在半循环周期内输出具有三个或更多个电位的交流电压，其中交流负载的中性点和电容器串联电路的中间连接点是直接连接的，检测每个电容器的电压，并根据电压之间的差调节通过使每个交流输出处于相同电位而获得的零电压矢量。

Description

电力变换设备
技术领域
本发明涉及在半循环周期内输出具有三个或更多个不同电位的交变电压的多电平换流器，尤其涉及使安装在直流输入中的电容串联电路中的每个电容器的电压平衡的技术。
背景技术
图7示出将IGBT用作半导体开关元件在半循环周期内输出具有三个或更多个不同电位的交流电压的电力变换设备(三电平换流器)的电路。尽管作为多电平换流器还存在具有三个以上电平的配置，例如五电平，然而这里给出的描述是以三电平换流器为例的。三电平换流器的直流电路部分具有一种配置，其中在正电极侧和负电极侧具有电容器Cp和Cn的串联电路作为直流输入，而直流电源Ed并联于该串联电路。另外，换流器INV具有一种配置，其中反向阻断型IGBT逆并联的每个双向开关被连接在由六个IGBT(Qu、Qv、Qw、Qx、Qy和Qz)构成的电桥电路的交流端子和电容器串联电路的内连接点之间。
在图8所示电路配置中，配置是两个直流电源Ed1和Ed2用于直流输入部分并且与串联的电容器并联，而换流器部分与图7的相同。在这种配置中，两个直流电源是必要的。
图9所示的电路配置是迄今已知的整流电源的一个例子，其中图8电路中的两个直流电源Ed1和Ed2由次级的两绕组变压器Tr1和二极管整流电路Recl和Rec2构成。借助这种配置，可在产生两个直流电源的同时改善交流电源初级侧功率因数。然而，在三电平换流器的正电极侧和负电极侧电容器的电压变得不平衡的情况下，功率因数恶化。
如前所述，为了平衡正电极侧电容器和负电极侧电容器的电压，对输出具有三个电位的交流电压的三电平换流器的直流电源部分采用了多种配置。然而，由于IGBT操作和控制中的差异、部件差异等，仅用前面记载的电路配置难以避免电压不平衡。
为了解决这个问题，已知有图10所示并在日本专利No.3,249,380中记载的电路配置。图10的例子是一种电压平衡断路器CH，其中半导体开关元件Qpch和Qnch的串联电路并联于正电极侧和负电极侧电容器的串联电路，而电抗器Lch连接在半导体开关元件Qpch、Qnch的内连接点和电容器串联电路的内连接点之间。当正电极侧和负电极侧电容器Cp和Cn的电压值之间产生差异时，半导体开关元件Qpch、Qnch可选择地导通和断开，由此调节电压。
另外，根据日本专利No.4,279,640，双向开关连接在负载的中性点和直流输入的电容器串联电路的内连接点之间，且该双向开关根据电容器电压之间的差有选择地导通和截止，由此调节电压不平衡。
如前所述，根据日本专利No.3,249,380和日本专利No.4,279,640，需要单独的半导体开关元件和电抗器以调节直流电压的不平衡，其存在的问题在于这导致设备的尺寸增大和成本上升。
发明内容
为了解决上述问题，根据本发明的第一方面提供一种电力变换设备，其中多个电容器串联的电容器串联电路并联于直流电源，该电力变换装备用电容器串联电路作为直流输入而在半循环周期内输出具有三个或更多个电位的交流电压，其中星形连接的交流负载的中性点和电容器串联电路的中间连接点是直接连接的。
根据本发明的第二方面，根据本发明第一方面的电力变换设备的特征在于，检测每个电容器的电压，并根据电压之间的差调节通过使每个交流输出处于相同电位而获得的零电压矢量。
根据本发明的第三方面，当每个电容器的检出电压之间的差小于预定值时，通过控制到每个交流输出处于中性点电位的模式来调节每个电容器的电压。
根据本发明，在能在半循环周期内输出具有三个或更多个不同电位的交流电压的电力变换设备中，可不追加独立部件地实现正极侧和负极侧电容器的电压不平衡消除，从而减小设备的尺寸和降低设备的成本。
附图说明
图1示出表示本发明第一实施例的电路配置；
图2A-2C是本发明第一实施例中的第一操作的解说图；
图3A-3C是本发明第一实施例中的第二操作的解说图；
图4A-4C是本发明第一实施例中的第三操作的解说图；
图5A-5C是本发明第二实施例中的操作的解说图；
图6是示出本发明第三实施例的电路图；
图7是示出第一目前已知例的电路配置图；
图8是示出第二目前已知例的电路配置图；
图9是示出第一目前已知例的具体示例的电路配置图；
图10是示出第三目前已知例的电路配置图。
具体实施方式
本发明的要旨在于，在电力变换设备中，其中多个电容器串联的电容器串联电路并联于直流电源，将电容器串联电路作为直流输入而在半周期内输出具有三个或更多个电位的交流电压，星形连接的交流负载的中性点和电容器串联电路的中间连接点直接连接，检测每个电容器的电压，并根据电压之间的差调节通过使各交流输出处于同一电位而获得的零电压矢量。
第一实施例
图1示出本发明的第一实施例。它是能将IGBT用作半导体开关元件在半循环周期内输出具有三个或更多个不同电位的交流电压的电力变换设备(三电平换流器)。在三电平换流器的直流电路部分的配置中，它具有在正电极和负电极之间的电容器Cp和Cn的串联电路作为直流输入，而直流电源Ed并联于该串联电路。
另外，换流器INV具有一种配置，其中各反向阻断型IGBT逆并联的每个双向开关Qsu、Qsv和Qsw连接在由六个IGBT(Qu、Qv、Qw、Qx、Qy和Qz)构成的电桥电路的交流端子和电容器串联电路的内连接点之间。另外，正电极和负电极之间的电容器Cp和Cn的电容器串联电路的连接点与星形连接的交流负载M的中性点直接连接。此外，用于检测电压的电压检测器Dp和Dn分别设置在正电极侧和负电极侧电容器Cp、Cn中，它们的输出在电压检测器电路Dpt中被电平变换，其检出值被送至PWM控制电路CONT，并在PWM控制电路CONT中生成用于六个IGBT和三个双向开关的导通-截止信号。
图2A-2C中示出PWM控制电路CONT中的控制操作。
图2A示出侧重于图1电路配置中的零相序分量的等效电路。零电压是当图1电路的IGBT Qu、Qv和Qw同时导通时或IGBT Qx、Qy和Qz同时导通时的交流输出电压，且如图2A所示可用一种等效电路代替，其中IGBTQu、Qv和Qw同时导通被总括表示为IGBT Qp而IGBT Qx、Qy和Qz同时导通被总括表示为IGBT Qn。另外，交流负载M可表示为电感器Lz。此外，交流负载M的中性点如前所述地连接于直流中间电容器Cp和Cn的连接点。
接着，图2B和2C示出一操作例。这是当电容器Cp的电荷向电容器Cn移动时的操作。首先，在图2B中，一旦IGBT Qp导通，电流沿从正电极侧电容器Cp经过IGBT Qp至交流负载M的电感器Lz的路径流动，并在交流负载M的电感器Lz中蓄积能量。接着，一旦IGBT Qp截止，交流负载M的电感器Lz中蓄积的能量如图2C所示经由逆并联于IGBT Qn的二极管对负电极侧电容器Cn充电。当电容器Cp的电压很高时，可通过这种操作将电容器Cp的电荷移动至电容器Cn。
图3B和3C示出当电容器Cn的电荷向电容器Cp移动时的操作。如图3B所示，一旦IGBT Qn导通，电流沿从负电极侧电容器Cn经过交流负载M的电感器Lz至IGBT Qn的路径流动，能量蓄积在交流负载M的电感器Lz中。接着，一旦IGBT Qn截止，交流负载M的电感器Lz中蓄积的能量如图3C所示地经由逆并联于IGBT Qp的二极管对正电极侧电容器Cp充电。当电容器Cn的电压很高时，可借助这种操作将电容器Cn的电荷移动至电容器Cp。通过前述的这些操作，可将正电极侧电容器Cp的电荷移动至负电极侧电容器Cn，或将负电极侧电容器Cn的电荷移动至正电极侧电容器Cp。
也就是说，通过检测正电极侧和负电极侧电容器Cp、Cn的电压并根据其各自的电压值Vcp和Vcn之间的电压差执行图2B及2C或图3B及3C的操作，是能够均衡电容器Cp和Cn的电压的。例如，通过当电容器Cp的电压Vcp大于电容器Cn的电压Vcn时执行图2B和2C的操作，并当电容器Cp的电压Vcp小于电容器Cn的电压Vcn时执行图3B和3C的操作，可使正电极侧电容器和负电极侧电容器的电压值均衡化，并可向交流负载M提供稳定的电力。
图4A-4C是示出基于三电平换流器的基本操作模式的之前描述操作的图。图4A示出其中IGBT Qp导通且能量从正电极侧电容器Cp提供至交流负载M的电感器Lz的模式。接着，一旦IGBT Qp截止而双向开关Qs导通，在交流负载M的电感器Lz中蓄积的能量沿经过交流开关Qs的路径回流，如图4B所示。接着，一旦双向开关Qs截止，在交流负载M的电感器Lz中蓄积的能量经由IGBT Qn逆并联的二极管蓄积在负电极侧电容器Cn中，如图4C所示。另外，由于从负电极侧电容器Cn至正电极侧电容器Cp的电荷转移也是逆对称的操作，因此同样种类的操作是可能的。
当正电极侧电容器和负电极侧电容器之间的电压差小于预定值时，即使在图4B所示模式中造成电流回流并通过利用交流负载M或双向开关Qs的阻抗而造成消耗，也可使电容器电压平衡。结果，预定值指基于由交流负载M或双向开关Qs的阻抗所能消耗功率的电容器电压。
第二实施例
图5A-5C示出本发明的第二实施例。图5A-5C示出使用钳位二极管的常见中性点钳位式三电平换流器中的电路配置。下文中，对这些操作进行说明。
图5A示出其中IGBT Q1和Q2导通且交流负载M从正电极侧电容器Cp供电的模式，能量蓄积在电感器Lz中。接着，一旦IGBT Q1截止且IGBTQ3导通，蓄积在电感器Lz中的能量如图5B所示地经由IGBT Q2回流。接着，一旦IGBT Q2截止且IGBT Q4导通，在交流负载中蓄积的能量经由逆并联于IGBT Q3、Q4的二极管蓄积到负电极侧电容器Cn中。另外，由于能量从负电极侧电容器Cn至正电极侧电容器Cp的转移也是逆对称的操作，因此同样种类的操作是可能的。
当正电极侧电容器和负电极侧电容器之间的电压差小于预定值时，即使在图5B所示模式中造成电流回流并通过利用交流负载M、二极管D1和D2以及IGBT Q2和Q3的阻抗而造成消耗，也可使电容器电压平衡。结果，预定值指基于由交流负载M、二极管D1和D2或IGBT Q2和Q3的阻抗所能消耗的电力的电压。
第三实施例
图6示出本发明的第三实施例。它是侧重于表现五电平换流器的实施例的零相序分量的等效电路。该五电平换流器是在半循环周期内输出具有五个电位的交流电压的电力变换电路。配置是将图1所示第一实施例的换流器INV的直流输入的两个电容器Cp、Cn改变为四个电容器Cp1、Cp2、Cn1和Cn2，并使双向开关连接在电容器的连接点和换流器的交流输出之间。负载的中性点与串联电容器的中间连接点相连。
这种配置中的操作与第一实施例相同。
在IGBT Qp导通和截止的模式中，一旦IGBT Qp导通，则电容器Cp1和Cp2的串联电路是电源，电流沿从IGBT Qp经过负载M至四个电容器的中间连接点O的路径流动，而能量蓄积在负载的电感器Lz中。接着，一旦IGBT Qp截止，负载的能量在双向开关Qs2导通时进入自由环流模式，在双向开关Qs3导通时进入对电容器Cn1充电的模式，并在双向开关Qs2和Qs3保持截止时进入对电容器Cn1和Cn2充电的模式。
在双向开关Qs 1导通和截止的模式中，一旦双向开关Qs 1导通，电容器Cp2是电源，且能量蓄积在负载的电感器Lz中。接着，一旦双向开关Qs 1截止，负载的能量在双向开关Qs2导通时进入自由环流模式，在双向开关Qs3导通时进入对电容器Cn1充电的模式，并在双向开关Qs2和Qs3保持截止时进入对电容器Cn1和Cn2充电的模式。
另外，由于能量从负电极侧电容器Cn1和Cn2至正电极侧电容器Cp1和Cp2的转移也是逆对称的操作，因此同样种类的操作是可能的。
另外，当电容器之间的电压差小于预定值时，能通过自由环流模式来消耗能量。
借助前述种类的操作，可将电荷从具有较高电压的电容器移动至具有较低电压的电容器，并能平衡电容器电压。
尽管在实施例中已示出三电平和五电平换流器的例子，然而本发明可适用于在半循环周期内输出具有三个或更多个电平的交流电的电力变换设备，不管换流器的电路配置如何。
本发明可适用于对其采用多电平换流器的电动机驱动设备、不间断电源系统等，所述多电平换流器利用直流输入，其中电容器是串联的。

Claims (3)

1.一种电力变换设备，由多个电容器串联的电容器串联电路并联于直流电源，所述电力变换装备用所述电容器串联电路作为直流输入而在半循环周期内输出具有三个或更多个电位的交流电压，其中
星形连接的交流负载的中性点和电容器串联电路的中间连接点是直接连接的。
2.如权利要求1所述的电力变换设备，其特征在于，检测各个电容器的电压，并根据电压之间的差调节通过使每个交流输出处于相同电位而获得的零电压矢量。
3.如权利要求1或2所述的电力变换设备，其特征在于，当各个电容器的检出电压之间的差小于预定值时，通过将模式控制为使每个交流输出均位于中性点电位的模式来调节各个电容器的电压。
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