CN103534923A - 采用可变电平逆变器的电力转换设备和方法 - Google Patents

采用可变电平逆变器的电力转换设备和方法 Download PDF

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Abstract

一种诸如不间断电源的电力转换设备，其包括第一和第二DC母线、中性节点以及被配置为耦接到负载的电感器。该设备进一步包括逆变器电路，该逆变器电路被耦接到第一和第二DC母线、耦接到中性节点以及耦接到电感器，并且被配置为将第一和第二DC母线以及中性节点选择性地耦接到电感器的第一端子以在电感器的第二端子处产生AC电压，以使得在所给出的AC电压的半周期中逆变器电路使用切换序列，其中第一DC母线、第二DC母线以及中性节点被连续地耦接到电感器的第一端子。

Description

采用可变电平逆变器的电力转换设备和方法
技术领域
本发明的主题涉及电力转换电路和方法，以及更特别地涉及逆变器设备和方法。
背景技术
UPS系统通常在诸如数据中心、医疗中心以及工业设施的装置中使用。UPS系统可在主要市电故障的情况下提供备用电力以保持操作的这些装置中使用。这些UPS系统通常具有“在线”结构，该结构包括通过DC链路耦接的整流器和逆变器，该DC链路同样被耦接到诸如电池、燃料电池或其它能量存储装置的辅助电源。
UPS系统、电机驱动器和其它电力转换装置通常使用产生来自诸如整流器和/或电池的DC电源的AC输出的逆变器。可使用“双电平”桥逆变器来将这些DC母线选择性地连接到逆变器的输出以产生AC电压波形。多电平逆变器可提供在DC母线电压之间的额外电压。例如在Tamamachi等人的美国专利No.5,361,196，Tanaka等人的美国专利No.6,795,323，Nielsen等人的美国专利No.6,838,925，Edwards等人的美国专利No.7,145,268，以及Teichmann等人的美国专利No.7,573,732中，描述了各种多电平逆变器电路。
UPS可使用包括具有关于中性点的正电压和负电压的两个DC电压母线的分离的DC链路布置。采用分离的链路逆变器布置的潜在问题是诸如具有输入半波整流的负载的不平衡负载可导致关于负载中性点的DC链路母线电压的电压不平衡。可通过例如在Turnbull的美国专利No.3,775,663和Johnson,Jr.等人的美国专利No.6,314,007中所描述的平衡器电路来解决在馈入逆变器的DC母线中的不平衡。
发明内容
本发明主题的一些实施例提供电力转换设备，该电力转换设备包括第一和第二DC母线、中性节点以及被配置为耦接到负载的电感器。该设备进一步包括逆变器电路，该逆变器电路被耦接到第一和第二DC母线、耦接到中性节点以及耦接到电感器，并且被配置为将第一和第二DC母线以及中性节点选择性地耦接到电感器的第一端子以在电感器的第二端子处产生AC电压，以使得在所给出的AC电压的半周期中逆变器电路使用切换序列，其中第一DC母线、第二DC母线以及中性节点连续地耦接到电感器的第一端子。在一些实施例中，该逆变器电路可被配置为将该第一DC母线耦接到该电感器的第一端子以增加该AC电压的大小并且然后将该第二DC母线耦接到该电感器的第一端子以对该电感器放电。该电感器的放电可抵消关于该中性节点的第一和第二DC母线的不平衡。例如，电感器的放电可导致在该第一和第二DC母线的相应母线以及该中性节点之间耦接的第一和第二电容器之间的电荷再平衡。在一些实施例中，该逆变器电路可被配置为将该第二DC母线与该电感器的第一端子解耦，并且然后响应于在该电感器中的电流将该中性节点耦接到该电感器的第一端子。
在一些实施例中，电力转换设备包括：第一和第二DC母线；以及逆变器电路，该逆变器电路被耦接到该第一和第二DC母线，并且耦接到该电感器的第一端子，并且被配置为在不同的逆变器电平操作模式之间选择性地转换以补偿关于中性节点的该第一和第二DC母线的不平衡。该设备可进一步包括电感器，该电感器被配置为将该逆变器的输出耦接到负载，以及该逆变器电路可被配置为在逆变器电平模式之间转换以引导来自所述电感器的电流，以补偿所述不平衡。该逆变器电路可被配置为选择性地将来自该电感器的电流引导到在中性节点和该第一和第二DC母线中的相应母线之间耦接的第一和第二电容。该逆变器电路可被配置为响应于在该电感器中的电流在逆变器电平模式之间转换。
同样描述了相关的电力转换方法。
附图说明
图1是示出根据本发明主题的一些实施例的电力转换设备的示意图。
图2是示出图1的电力转换设备的操作的图形。
图3是示出图1的电力转换设备的操作的示意图。
图4是示出根据本发明主题的另一实施例的不间断电源（UPS）的示意图。
具体实施方式
现将参考附图描述本发明主题的具体示例性实施例。然而，本发明主题可以以许多不同的形式来实施并且不应解释为限于在此说明的实施例；相反，提供这些实施例以使得本公开将是透彻和完整的，并且将全面地向本领域技术人员传达本发明主题的范围。在附图中，相同的标记指相同的元件。应该理解，当元件称为被“连接”或“耦接”到另一个元件时，它可以被直接连接或耦接到另一个元件或可能存在中间元件。如在此所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
在此使用的术语仅是为了描述特定实施例，并不是为了限制本发明主题。如在此所使用的，单数形式“一个”、“一”和“所述”可旨在包括复数形式，除非另外明确陈述。将进一步理解的是当在本说明书中使用时，术语“包括”、“含有”和/或“包含”指所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组的存在或附加。
除非另外定义，否则在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有如对于本发明性主题的本领域普通技术人员所通常理解的相同含义。应该进一步理解，诸如在通常使用的字典中所定义的那些术语应解释为具有与在本说明书以及相关技术的上下文中它们的含义一致的含义，并且除非在此明确地定义，否则不应当以理想化或过度正式的方式来解释。
图1示出根据本发明主题的一些实施例的电力转换设备100。该设备100包括第一和第二DC母线115a、115b，它们具有与其关联的相应第一和第二DC电压VDC+、VDC-。DC母线115a、115b可通过例如诸如电池、燃料电池或光伏装置的整流器电路和/或DC能量存储和/或产生装置来供电。可变模式逆变器电路110被耦接到第一和第二DC母线115a、115b并且耦接到包括电感器Lout和电容器Cout的输出滤波器120。逆变器电路110在来自DC电压VDC+、VDC-的滤波器120的输出节点122处产生AC输出电压vout。
逆变器电路110包括在第一DC母线115a和电感器Lout之间耦接的晶体管Q1、Q2的第一串联连接对，以及在第二DC母线115b和电感器Lout之间耦接的晶体管Q3、Q4的第二串联连接对。相应的第一和第二二极管D1、D2将在相应对的晶体管之间的相应节点耦接到中性节点N。相应的电容器C1、C2被耦接在第一和第二DC母线115a、115b中的相应母线与中性节点N之间。
应该理解，在图1中所示的晶体管Q1、Q2、Q3、Q4的布置是传统上用于实现三电平逆变器的布置，在该逆变器中三个电压即DC母线电压VDC+、VDC-以及在中性节点N处的电压被施加到输出滤波器电感器Lout。然而根据本发明主题的一些实施例，逆变器控制电路112控制晶体管Q1、Q2、Q3、Q4支持不同逆变器电平操作模式以使得逆变器电路110可补偿关于中性节点N的第一和第二DC母线115a、115b的不平衡。根据一些实施例，逆变器控制电路112可将控制信号施加到晶体管Q1、Q2、Q3、Q4以使得在给出的AC输出电压vout的半周期内，逆变器电路110在双电平逆变器模式和三电平逆变器模式之间选择性地转换。
结合图1参考图2和图3，逆变器控制电路112可实现使输出电压vout符合所需的AC电压波形的输出电压控制回路。在输出电压vout的正半周期210中，控制电路112可在第一周期211期间将第一和第二晶体管Q1、Q2“开启”以使得第一DC母线115a被耦接到输出电感器Lout并且电流iL朝向输出节点122流过电感器Lout，导致输出电压vout的大小朝向所需的AC电压波形值增加。该电流流动A在图3中示出。
当输出电压控制回路确定输出电压vout已经达到所需的电平时，逆变器控制电路112关断第一和第二晶体管Q1、Q2。在该点处，输出电感器Lout已经从流过其中的电流中累积一定量的存储能量。逆变器控制电路112通过在间隔212期间关闭第三和第四晶体管Q3、Q4两个晶体管来瞬间转换到双电平逆变器模式，从而使用该能量来平衡DC母线115a、115b，以使得通过在图3中所示的电流流动B在第一和第二电容C1、C2之间转移能量。在释放掉在电感器Lout中存储的大部分或全部能量之后，逆变器控制电路112关断第四晶体管Q4并且开启第二晶体管Q2持续间隔213以使得逆变器电路110转换到三电平逆变器模式。参考图1，该转换可通过响应于通过输出电感器Lout的电流iL的逆变器控制电路112来触发，例如当电感器电流iL接近零时，逆变器控制电路112可关断第四晶体管Q4并且开启第二晶体管Q2。例如使用产生表示电感器电流iL的信号的电流传感器或其它装置可提供该反馈。
对于输出电压vout的负半周期220，类似的操作序列发生。在输出电压vout的负半周期220中，控制电路112可在第一周期221期间“开启”第三和第四晶体管Q3、Q4，以使得第二DC母线115b被耦接到输出电感器Lout并且电流iL朝向输出节点122流过电感器Lout，导致输出电压vout的大小朝向所需的AC电压波形值增加。
当输出电压控制回路确定输出电压vout已经达到所需的电平时，逆变器控制电路112关断第三和第四晶体管Q3、Q4。在该点处，输出电感器Lout已经从流过其中的电流中累积一定量的存储能量。逆变器控制电路112通过在间隔222期间开启第一和第二晶体管Q1、Q2来瞬间转换到双电平逆变器模式，从而使用该能量来平衡DC母线115a、115b，以使得在第一和第二电容C1、C2之间转移能量。在释放掉在电感器Lout中存储的大部分或全部能量之后，逆变器控制电路112关断第一晶体管Q1并且开启第三晶体管Q3持续间隔223以使得逆变器电路110转换到三电平逆变器模式。
应该理解，虽然上述讨论涉及支持双电平和三电平逆变器模式操作的逆变器结构，但是本发明主题适用于支持多于三个的逆变器电平的逆变器结构。同样应该理解，本发明主题可在各种各样的电力转换设备中实现，包括但不限于电机驱动器、电源和汽车以及船舶逆变器系统。
本发明主题的实施例在不间断电源（UPS）应用中可用于特定的优点。图4示出包括沿着上述讨论的线的三相可变模式逆变器电路420的UPS400。逆变器电路420包括通过控制电路（为清楚起见没有示出）控制的三个支路422a、422b、422c。这些支路中的相应支路被耦接到相应的输出滤波器电路440a、440b、440c，这些滤波器电路中的每一个滤波器电路包括输出电感器Lout和电容器Cout。相应的滤波器电路440a、440b、440c产生相应的输出相电压vouta、voutb、voutc。逆变器电路420被耦接到第一和第二DC母线415a、415b并且耦接到中性节点N。相应的电容C1、C2在DC电压母线415a、415b中的相应母线与中性节点N之间被耦接。整流器电路410在来自具有相电压vina、vinb、vinc的三相AC源的DC电压母线415a、415b上产生DC电压VDC+、VDC-。辅助DC电源430被耦接到DC母线415a、415b并且向其提供电力。辅助电源430例如可包括通过电池转换器/充电器电路被耦接到DC母线415a、415b的电池。
沿着参考图1-3所描述的线在可变电平模式中操作逆变器电路420可消除提供分离的平衡器电路以保持DC母线电压VDC+、VDC-平衡的需求。相反，在输出滤波器电感器Lout中存储的能量可用于沿着上述讨论的线来平衡DC母线电压VDC+、VDC-。当UPS400用于驱动不平衡的负载时这可能特别有用。
在附图与说明书中已经公开了本发明主题的示例性实施例。虽然采用了具体的术语，但是它们仅在一般性和描述性的意义上使用，而不是为了限制的目的，本发明主题的范围由如下权利要求限定。

Claims (21)

1.一种电力转换设备，其包括：
第一和第二DC母线；
中性节点；
电感器，其被配置为耦接到负载；以及
逆变器电路，其被耦接到所述第一和第二DC母线，耦接到所述中性节点以及耦接到所述电感器，并且被配置为将所述第一和第二DC母线以及所述中性节点选择性地耦接到所述电感器的第一端子以在所述电感器的第二端子处产生AC电压，使得在所给出的所述AC电压的半周期中所述逆变器电路使用切换序列，其中所述第一DC母线、所述第二DC母线以及所述中性节点连续地耦接到所述电感器的所述第一端子。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述逆变器电路被配置为将所述第一DC母线耦接到所述电感器的所述第一端子以增加所述AC电压的大小并且然后将所述第二DC母线耦接到所述电感器的所述第一端子以对所述电感器放电。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述电感器的放电抵消关于所述中性节点的所述第一和第二DC母线的不平衡。
4.根据权利要求2所述的设备，其中所述电感器的放电导致在所述第一和第二DC母线的相应母线与所述中性节点之间耦接的第一和第二电容器之间的电荷再平衡。
5.根据权利要求2所述的设备，其中所述逆变器电路被配置为将所述第二DC母线与所述电感器的所述第一端子解耦，并且然后响应于在所述电感器中的电流将所述中性节点耦接到所述电感器的所述第一端子。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述逆变器电路被配置为在不同的逆变器电平模式中选择性地操作，以关于所述中性节点平衡所述第一和第二DC母线。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述逆变器电路被配置为响应于在所述电感器中的电流在不同的逆变器电平模式中选择性地操作。
8.一种包括根据权利要求1所述的设备的不间断电源。
9.一种电力转换设备，其包括：
第一和第二DC母线；以及
逆变器电路，其被耦接到所述第一和第二DC母线，并且耦接到电感器的第一端子，并且被配置为在不同的逆变器电平操作模式之间选择性转换以补偿关于中性节点的所述第一和第二DC母线的不平衡。
10.根据权利要求8所述的设备，其进一步包括电感器，所述电感器被配置为将所述逆变器的输出耦接到负载，以及其中所述逆变器电路被配置为在逆变器电平模式之间转换以引导来自所述电感器的电流用于补偿所述不平衡。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述逆变器电路被配置为将来自所述电感器的电流选择性地引导到在中性节点和所述第一和第二DC母线中的相应母线之间耦接的第一和第二电容器。
12.根据权利要求10所述的设备，其中所述逆变器电路被配置为响应于在所述电感器中的电流在逆变器电平模式之间转换。
13.根据权利要求9所述的设备，其中所述不同的逆变器电平模式包括双电平逆变器模式和三电平或更多电平的逆变器模式。
14.根据权利要求9所述的设备，其中所述逆变器电路被配置为使用切换序列将所述第一和第二DC母线以及中性节点选择性地耦接到输出电感器，其中所述第一DC母线、所述第二DC母线以及所述中性节点被连续地耦接到所述输出电感器。
15.一种包括根据权利要求9所述的设备的不间断电源。
16.一种方法，其包括：
在不同的逆变器电平操作模式之间选择性地转换逆变器，以补偿被耦接到所述逆变器的第一和第二DC母线的不平衡。
17.根据权利要求16所述的方法，其中在不同的逆变器电平操作模式之间选择性地转换逆变器以补偿被耦接到所述逆变器的第一和第二DC母线的不平衡包括，在逆变器电平模式之间转换以引导来自将所述逆变器耦接到负载的电感器的电流。
18.根据权利要求17所述的方法，其中在逆变器电平模式之间转换以引导来自将所述逆变器耦接到负载的电感器的电流包括，将来自所述电感器的电流选择性地引导到在中性节点和所述第一和第二DC母线中的相应母线之间耦接的第一和第二电容。
19.根据权利要求17所述的方法，其中在逆变器电平模式之间转换以引导来自将所述逆变器耦接到负载的电感器的电流包括，响应于在所述电感器中的电流在逆变器电平模式之间转换。
20.根据权利要求16所述的方法，其中所述不同的逆变器电平模式包括双电平逆变器模式和三电平或更多电平的逆变器模式。
21.根据权利要求16所述的方法，其中在不同的逆变器电平操作模式之间选择性地转换逆变器以补偿被耦接到所述逆变器的第一和第二DC母线的不平衡包括，使用切换序列将所述第一和第二DC母线以及中性节点选择性地耦接到输出电感器，其中所述第一DC母线、所述第二DC母线以及所述中性节点被连续地耦接到所述输出电感器。
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