CN102308467A

CN102308467A - 级联型两电平变换器中的方法、控制器件及计算机程序产品

Info

Publication number: CN102308467A
Application number: CN2009801564899A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·U·琼森; 伦纳特·哈内福什
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: Hitachi Energy Co ltd
Priority date: 2009-02-11
Filing date: 2009-02-11
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2029-02-11
Also published as: EP2396882B1; EP2396882A1; US8400793B2; CA2751492A1; US20110273915A1; CN102308467B; CA2751492C; KR20110104108A; WO2010091720A1; KR101270802B1; JP2012517786A

Abstract

本发明涉及用于向级联型两电平变换器(1)的单元(2₁，...，2_n)提供切换顺序信号的方法(20)。单元(2₁，...，2_n)包括与两个串联连接的半导体器件(3a、3b)并联连接的电容器。级联型两电平变换器包括级联连接并布置于直流电压侧的第一电极(4a)与第二电极(4b)之间的相中的两个或更多个单元，其中，该相被划分成两个相臂(7、8)。方法(20)的特征在于以下步骤：测量(21)单元的电容器的电压；基于电压参考和所测得的电容器的电压计算(22)补偿电压参考，其中，电压参考对应于交流侧要输出的期望的交流电流；使用补偿电压参考(r)计算切换顺序信号，以及向单元(2₁，...，2_n)提供切换顺序信号。

Description

级联型两电平变换器中的方法、控制器件及计算机程序产品

技术领域

本发明总体上涉及功率变换器领域，并且尤其涉及用于控制功率变换器的半导体器件的切换时刻的方法和装置。

背景技术

功率变换器是适于电力网络中的许多应用的器件，功率变换器用于在电功率从ac(交流)侧流向dc(直流)侧时进行整流，并且在功率从直流侧流向交流侧时进行逆变。可以在各种应用中使用功率变换器，例如，作为异步系统间的互连，用于功率流控制或通过转换为直流输电提高现有交流输电的容量。

使用级联配置的多电平变换器是基于串联连接至每个交流相的多个单相单元的，其中，这些单元包括半导体开关。下文中将具有这种配置的多电平变换器表示为级联型两电平变换器，并且可以使用基于这种串联连接的单元的结构创建级联型两电平变换器，每个单元包括电容器和串联连接的关断型半导体开关对。

控制器件基于对例如直流侧上的电压的测量和期望的参考电压来控制级联型两电平变换器的单元中的半导体开关的关断与接通。级联型两电平变换器的一相中的单元的控制主要基于规定切换时刻的目的，以基于由交流电流控制函数所给出的电压参考实现期望的基频输出电压。

为了使得级联型两电平变换器与交流侧(例如可以是三相电网)之间的谐波交互最小化，期望限定电流控制函数以使得级联型两电平变换器作为存在于电感后面的电压源。图1示出了级联型两电平变换器的等效电路，其中，级联型两电平变换器的等效电感等于电子管电感的一半，即L_v/2。在图1中，U_v表示等效的理想电压源，I_v表示相应的电流。I_pcc表示在耦接于直流侧与交流侧之间的公共点处的电流。理想地，I_pcc等于I_v。

级联型两电平变换器的单元的电容器并非无限大，因此当结合切换动作使其经历基频电流时将出现纹波电压。

反过来，单元电容器上的纹波将导致交流侧上的输出电压与电压参考不同，这意味着级联型多电平变换器的等效电感不等于L_v/2。

发明内容

鉴于以上所述，本发明的目的是克服或至少减轻上述纹波电压问题。

本发明的特定目的是提供用于消除由变换器的非理想电容器产生的纹波电压、特别是基频纹波电压的装置。

本发明的另一个目的是提供用于改进的电流控制函数的装置，使得级联型两电平变换器真正作为存在于电感后面的电压源。

本发明的又一个目的是提供用于将级联型两电平变换器与交流侧之间的谐波交互、特别是低阶谐波交互最小化或甚至消除的装置。

根据本发明，提供了用于向级联型两电平变换器的单元提供切换顺序信号的方法。级联型两电平变换器被布置为在交流电流和直流电流之间进行转换。该单元包括与两个串联连接的半导体器件并联连接的电容器，其中每个半导体器件包括至少一个具有反向并联连接的二极管的相应晶体管。级联型两电平变换器包括级联连接并布置在直流电压侧的第一电极与第二电极之间的相中的两个或更多个单元。该相被划分成两个相臂，其中第一相臂连接在第一电极与交流相输出之间，而第二相臂被布置在交流相输出与第二电极之间。该方法的特征在于以下步骤：测量至少两个单元的电容器的电压；基于电压参考和所测得的电容器的电压计算补偿电压参考，其中，电压参考对应于交流侧要输出的期望的交流电流；使用补偿电压参考计算用于所述单元的切换顺序信号，以及向所述单元提供切换顺序信号。借助本发明，提供了改进的电流控制函数，其中，级联型两电平变换器与交流侧之间的谐波交互特别是低阶谐波交互被最小化或甚至被消除。电流控制函数更接近于使得级联型两电平变换器作为存在于电感后面的电压源的、期望的电流控制函数。此外，输出交流电压没有纹波电压并等于期望的电压参考。

根据本发明的实施例，计算补偿电压参考的步骤包括计算第一和第二相臂的单元电容器电压的和。本发明的发明人发现：利用单元电容器电压的和补偿参考电压提供了用于消除不期望的纹波电压的极好方式。

根据本发明的其它的实施例，计算补偿电压参考的步骤包括利用以下特定等式：

r = \frac{u_{v}^{ref} + (u_{cp} - u_{cn}) / 4}{(u_{cp} + u_{cn}) / 4},

其中，r是补偿电压参考，u_v ^ref是电压参考，u^cp是第一相臂的单元电容器电压的和，u_cn是第二相臂的单元电容器电压的和。

上述等式显示出了以极好方式消除至少基频纹波电压。该等式仅包括简单的加法、减法和除法，其可以以软件产品进一步容易地实现。

根据又一实施例，计算切换顺序信号的步骤基于使用载波信号的脉冲宽度调制。然后，优先选择载波信号以反映实际的网络条件。由此提供了用于提供切换顺序信号的容易的实施方式，从而能够使用任何已知的脉冲宽度调制方法。

本发明还涉及用于控制级联型两电平变换器的控制器件并涉及计算机程序产品，由此获得对应于上述内容的优点。

在参考附图阅读以下详细描述时，本发明的进一步特征及其优点将变得明显。

附图说明

图1示出了级联型两电平变换器的等效电路。

图2示出了级联型两电平变换器的一相。

图3示意性示出了在控制变换器的控制器件中实现的交流电流控制函数。

图4a-4d示出了变换器中的单元的总电压上的纹波的典型结果。

图5示出了根据本发明的纹波补偿函数。

图6示出了根据本发明的方法的步骤的流程图。

图7示出了控制图2的变换器的计算机。

具体实施方式

在以下描述中，在所有附图中使用相同的附图标记表示相同或相应的部分。

图2示出了级联型两电平变换器的一相，以下简单地将其表示为变换器。变换器1用于在交流电流和直流电流间进行转换。在图2中，仅示出了变换器1被连接至交流侧的一相的部分。该相被布置在变换器1的直流电压侧上，更具体地，该相一端连接至正母线4a且另一端连接至负母线4b，以下分别表示为正电极4a和负电极4b。更一般地，电极4a和4b简单地为第一和第二电极，但在下文分别通过正电极和负电极来例示。

变换器1的示出的相可以被视为分别包括上相臂和下相臂，即7和8。上相臂7(或第一相臂)是相的连接在正电极4a与交流相输出10之间的部分；而下相臂8(或第二相臂)是相的连接在负电极4b与交流相输出10之间的部分。定位接地点5，以便在正电极4a与接地点5之间提供电势U_dp，并在负电极4b与接地点5之间提供电势U_dn。如果将两个电极4a、4b之间的电压表示成U_d，则通常U_dp等于U_d/2且U_dn等于-U_d/2。交流侧电流由上相臂7和下相臂8的平均电压驱动。

变换器1的示出的相包括多个串联连接的等同单元2₁，...，2_n。每个单元2₁，...，2_n包括与开关对并联连接的电容器C。对于上相臂7和下相臂8的第i个单元的电容器，单元电容器的电压分别表示成U_pi和U_ni。开关对包括两个串联连接的半导体器件3a、3b，3a、3b每一个又包括具有反向并联连接的二极管D1、D2的相应晶体管T1、T2，更确切地说，为了管理高电压，每个半导体器件3a、3b实际上可以包括多个串联连接的晶体管，晶体管具有连接至其的反向并联的二极管。即，每个半导体器件3a、3b包括至少一个晶体管，该晶体管具有连接至其的、一个这样的反向并联的二极管，或包括若干个串联连接的晶体管，这些晶体管具有连接至其的若干个串联连接的二极管。半导体器件3a、3b的示例包括绝缘栅型双极晶体管(IGBT)、集成门极换向晶闸管(IGCT)、注入增强门极晶体管(IEGT)、门板可关断晶闸管(GTO)。

通过控制器件控制变换器1，在图中以附图标记6示意性示出该控制器件。控制器件6包括用于实施根据本发明的方法的装置9，并将在下文中对装置9进行更详细地描述。

图3示意性地示出了控制器件6中实现的交流电流控制函数。单元2₁，...，2_n特别是其半导体器件3a、3b的控制应当旨在为每个单元提供尽可能精确的激励顺序(firing order)，激励顺序也表示为切换顺序。具体地，应当获得优选地表示交流相输出10上的基频输出电压的期望的参考调制信号u_v ^ref，并应当为此优化激励顺序。期望的参考调制信号u_v ^ref是对应于交流侧上的期望交流电流的电压参考，即，提供期望的交流侧输出。

交流电流控制函数13向比较器11提供参考调制信号u_v ^ref。如引言部分所提到的，期望规定交流电流控制函数13，使得变换器1作为存在于电感后面的电压源。

在传统方式中，载波生成器12提供例如具有三角波的载波信号。像参考调制信号u_v ^ref那样，将载波信号输入至比较器11，由此提供脉冲宽度调制(PMW)信号。从比较器11输出的PMW信号确定是否应当将激励顺序发送至讨论中的单元2_i，如果该PWM信号具有高值，则发送激励顺序。本发明涉及通过提供改进的参考调制信号u_v ^ref来避免纹波电压，并且可以利用任何已知的PWM方案。

在传统方式中，选择载波信号使得反映实际的网络条件。例如，可以使载波信号的振幅依赖于直流电压，并且可以将载波信号的频率设置为期望的参考电压输出的频率的倍数。

图4a-4d示出了变换器1中的单元2₁，...，2_n的总电压上的纹波的典型结果。图4a示出了上相臂7的单元电压的和u_cp，图4b示出了下相臂8的单元电压的和u_cn，图4c示出了上相臂7的单元电压的和与下相臂8的单元电压的和的平均值

以及最后图4d示出了上相臂7的单元电压的和与下相臂8的单元电压的和之间的差u_cp-u_cn。

通过研究纹波的特性，本发明的发明人发现了消除纹波的方式。具体地，通过基于测得的单元电压补偿用于开关控制的参考调制信号u_v ^ref，可以消除交流电流控制的不理想。

根据本发明，测量单元电容器电压并计算每个相臂的和(分别为u_cp和u_cn)。找到了用于规定补偿电压参考r的以下表达式来消除不期望的纹波电压：

r = \frac{u_{v}^{ref} + (u_{cp} - u_{cn}) / 4}{(u_{cp} + u_{cn}) / 4}

(等式1)

其中，u_v ^ref是参考调制信号，又优选地是用于获得期望的交流电流的理想电压参考。通过将r用作单元切换控制中的实际电压参考，可以将存在于单元电压中的电压纹波从结果交流输出电压中消除。

现在参照图5，根据本发明，将实现以上等式的纹波补偿函数14增加到控制器件6。即，根据等式1修改参考调制信号u_v ^ref，并且取代u_v ^ref将r输入至比较器11。根据如参照图3所述的处理获得PWM信号。

图6示出了用于向上述变换器1的单元2₁，...，2_n提供切换顺序信号的方法中所包括的步骤的流程图。方法20包括测量单元2₁，...，2_n的电容器C的电压u_pi、u_ni的第一步骤21。可以以任何合适且已知的方式执行测量。在第二步骤22中，基于电压参考u_v ^ref和所测得的电容器C的电压u_pi、u_ni计算补偿电压参考r。电压参考u_v ^ref优选地对应于将在交流侧输出的期望的交流电流。方法20还包括使用补偿电压参考r计算切换顺序信号的步骤23。最后，该方法包括向单元2_i，...，2_n提供切换顺序信号的步骤24。

在实施例中，计算补偿电压参考r的步骤21包括计算上相臂7、下相臂8的单元电容器电压的和u_cp、u_cn。具体地，根据较早给出的等式(等式1)优选地使用这些和。

在实施例中，计算切换顺序信号的步骤23基于利用载波信号对补偿电压参考r进行脉冲宽度调制。可以以任何已知的方式执行脉冲宽度调制。如参照图3较早所述，通常选择所选择的载波信号以反映实际的网络条件。

注意，可以增加另外的步骤，并且这些步骤中的一些步骤必需同时执行。

本发明还提供用于控制所述变换器1的单元2₁，...，2_n的切换时刻的控制器件6。控制器件6包括用于实现上述方法的装置，这样的装置例如包括例如微处理器中的软件。

注意，所述电流控制函数可以被实现为在诸如计算机或微处理器的处理装置上执行的软件。

参照图7，本发明还提供可载入计算机30的内部存储器的计算机程序产品31，该计算机30控制诸如变换器1的级联型两电平变换器。计算机程序产品31包括当在计算机30上运行时用于执行如上所述的方法的软件代码部分。计算机程序产品31可以存储在计算机可读存储介质32上，该计算机可读存储介质32包括用于使得变换器1的计算机30执行所述方法的计算机可读程序代码装置。例如，计算机可读存储介质32可以包括ROM(只读存储器)、PROM(可编程只读存储器)、EPROM(可擦可编程只读存储器)、闪存或EEPROM(电可擦只读存储器)。

本发明提供改进的电流控制函数，其中，级联型两电平变换器与交流侧之间的谐波交互被最小化。电流控制更接近于使得级联型两电平变换器作为存在于电感后面的电压源的期望电流控制。输出交流电压因此没有纹波电压并等于期望的电压参考。

本发明的发明人进行了许多计算机仿真，计算机仿真提供了对可能改进的有希望的预测。还通过模拟电路仿真器的实时测量实现并测试了该方法，该实时测量给出了极好的结果。

Claims

1.一种用于向级联型两电平变换器(1)的单元(2₁，...，2_n)提供切换顺序信号的方法(20)，所述级联型两电平变换器(1)用于在交流电流和直流电流之间进行转换，所述单元(2₁，...，2_n)包括与两个串联连接的半导体器件(3a、3b)并联连接的电容器(C)，所述半导体器件(3a、3b)中的每一个包括至少一个具有反向并联连接的二极管(D1、D2)的相应晶体管(T1、T2)，所述级联型两电平变换器(1)包括所述单元(2₁，...，2_n)中的下述至少两个单元，所述至少两个单元级联连接并布置在直流电压侧的第一电极(4a)与第二电极(4b)之间的相中，所述相被划分成两个相臂(7、8)，第一相臂(7)被连接在所述第一电极(4a)与交流相输出(10)之间，第二相臂(8)被布置在所述交流相输出(10)与所述第二电极(4b)之间，其特征在于所述方法包括以下步骤：

-测量(21)所述至少两个单元(2₁，...，2_n)的所述电容器(C)的电压(u_pi、u_ni)，

-基于电压参考(u_v ^ref)和所测得的所述电容器(C)的所述电压(u_pi、u_pn)计算(22)补偿电压参考(r)，所述电压参考(u_v ^ref)对应于将在交流侧输出的期望的交流电流，

-使用(23)所述补偿电压参考(r)计算用于所述单元的切换顺序信号，以及

-向所述单元(2₁，...，2_n)提供(24)所述切换顺序信号。

2.根据权利要求1所述的方法(20)，其中，对于所述至少两个单元(2₁，...，2_n)中的每一个，执行(23)所述使用所述补偿电压参考(r)计算相应单元的切换顺序信号的步骤，以及向相应单元提供所述切换顺序信号的步骤(24)。

3.根据权利要求1或2所述的方法(20)，其中，所述计算(22)补偿电压参考(r)的步骤包括计算所述第一和第二相臂(7、8)的单元电容器电压的和(u_cp，u_cn)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法(20)，其中，所述计算(22)补偿电压参考(r)的步骤包括利用以下等式：

r = \frac{u_{v}^{ref} + (u_{cp} - u_{cn}) / 4}{(u_{cp} + u_{cn}) / 4},

其中，r是所述补偿电压参考，u_v ^ref是所述电压参考，u_cp是所述第一相臂(7)的所述单元电容器电压(u_cpi)的和，u_cn是所述第二相臂(8)的所述单元电容器电压(u_cni)的和。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法(20)，其中，所述计算切换顺序信号的步骤(23)基于使用载波信号的脉冲宽度调制。

6.根据权利要求5所述的方法(20)，其中，选择所述载波信号以反映实际的网络条件。

7.一种用于控制级联型两电平变换器(1)的单元(2₁，...，2_n)的切换时刻的控制器件(6)，所述级联型两电平变换器(1)用于在交流电流和直流电流之间进行转换，所述单元(2₁，...，2_n)包括与两个串联连接的半导体器件(3a、3b)并联连接的电容器(C)，所述半导体器件(3a、3b)中的每一个包括至少一个具有反向并联连接的二极管(D1、D2)的相应晶体管(T1、T2)，所述级联型两电平变换器(1)包括所述单元(2₁，...，2_n)中的下述至少两个单元，所述至少两个单元级联连接并布置在直流电压侧的第一电极(4a)与第二电极(4b)之间的相中，所述相被划分成两个相臂(7、8)，第一相臂(7)被连接在所述第一电极(4a)与交流相输出(10)之间，第二相臂(8)被布置在所述交流相输出(10)与所述第二电极(4b)之间，其特征在于所述控制器件包括用于实现权利要求1至6中任一项所述方法的装置(9)。

8.根据权利要求7所述的控制器件(6)，其中，所述装置(9)包括诸如计算机或微处理器的处理装置。

9.一种计算机程序产品(31)，其存储于计算机可读存储介质(32)上并可载入控制级联型两电平变换器(1)的计算机(30)的内部存储器中，所述计算机程序产品(31)包括当所述产品在所述计算机(30)上运行时用于执行权利要求1至6中任一项所述的方法的软件代码部分。