CN103580522B - 用于无变压器可不间断电力供应的智能级转换系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供用于控制可不间断电力供应（UPS）以在中性点箝位（NPC）逆变器中在三级或更高级操作与二级操作之间转换的系统和方法。在示例中，UPS系统包括NPC逆变器和控制器。该NPC逆变器可向负载供应电力。控制器可控制逆变器以在负载大致上平衡时采用三级或更高模式操作并且在负载大致上失衡时采用二级模式操作。

Description

用于无变压器可不间断电力供应的智能级转换系统和方法
技术领域
本公开涉及控制无变压器可不间断电力供应（UPS）系统。
背景技术
可不间断电力供应（UPS）是一种电装置：其可以向负载供应电力而不管基于公用事业的电力的质量和/或可用性中的变化如何。一些无变压器UPS系统可采用中性点箝位（NPC）逆变器、飞跨电容逆变器和/或级联H桥逆变器。这些转换器（例如，NPC逆变器）中的一些可以相当有效，但当中性点电压中的稳态失衡上升时可能变得不稳定。由于中性点失衡，输出电压可能在输出电压和/或电流中具有DC偏移而变得失真。这样的输出DC偏移进而可以使装置由于更高的应力而失效、使滤波感应器饱和和/或使输出电力质量恶化。尽管已经引入各种策略来解决该问题，这些解决方案可能昂贵并且十分复杂。现有解决方案中的许多基于将零序电压分量添加到输出电压和/或在施加矢量控制时操纵冗余开关矢量。这些技术中的一些还可解决所谓的短脉冲问题。然而，这些方法中的大部分从最大可用调制指数方面来看具有劣势。另外，这些方法可导致NPC逆变器的开关损耗中的增加并且可需要极其复杂的控制算法。
发明内容
与最初要求保护的本发明在范围上相当的某些实施例在下文概述。这些实施例不意在限制要求保护的本发明的范围，而相反这些实施例只意在提供本发明的可能形式的简短概要。实际上，本发明可包含与下文阐述的实施例相似或不同的多种形式。
在第一实施例中，可不间断电力供应（UPS）系统包括中性点箝位（NPC）逆变器和控制器。NPC逆变器可向负载供应电力。控制器可控制逆变器以在负载大致上平衡时采用三级或更高模式操作并且在负载大致上失衡时采用二级模式操作。
在第二实施例中，一种制品包括一个或多个有形的机器可读介质，其至少共同包括机器可执行指令。所述指令可包括用于接收与中性点箝位逆变器中的第一电容器关联的第一电压差的值的指令、用于接收与中性点箝位逆变器中的第二电容器关联的第二电压差的值的指令以及用于确定该第一电压差与该第二电压差之间的差值的指令。这些指令可确定第一电压差与第二电压差之间的差何时不超出阈值，以根据三级或更高模式来操作中性点箝位逆变器。这些指令还可确定第一电压差与第二电压差之间的差何时超出阈值，以根据二级模式来操作中性点箝位逆变器。
在第三实施例中，一种方法包括在控制器中确定调制信号以根据三级模式控制四线中性点箝位逆变器。当该调制信号大于0时，调制信号可乘以第一输入值来获得输出值。当调制信号不大于0时，调制信号可乘以负一和第二输入值来获得输出值。该方法还可包括在控制器中将输出值与三角波形比较来确定控制信号以控制中性点箝位逆变器来减轻接地电流。
提供一种可不间断电力供应（UPS）系统，其包括：
中性点箝位逆变器，用于向负载供应电力；以及
控制器，用于控制所述逆变器以在所述负载大致上平衡时采用三级或更高模式操作并且在所述负载大致上失衡时采用二级模式操作。
优选的，所述逆变器配置成经由三线配置连接到所述负载。
优选的，所述逆变器配置成经由四线配置连接到所述负载。
优选的，所述逆变器包括四个桥臂，其中的第一、第二和第三个向所述负载提供电力并且其中的第四个在所述负载大致上失衡时调整来自所述负载的中性电流。
优选的，所述控制器配置成控制第四个桥臂以使设置在所述逆变器中的中性点的相对侧上的电容器的电压差之间的差减小。
优选的，所述逆变器包括在所述第四个桥臂与耦合于第一、第二和第三个桥臂的中性点之间的反向阻断IGBT或静态开关模块或两者，并且所述控制器配置成在所述负载大致上平衡时将所述反向阻断IGBT或所述静态开关模块或两者控制成断开并且在所述负载大致上失衡时将其控制成闭合。
优选的，所述逆变器包括三个桥臂并且所述三个桥臂中的每个包括四个开关，其中所述控制器配置成在所述逆变器采用所述三级模式操作时不同地将每个桥臂的四个开关接通或切断，并且当所述逆变器采用所述二级模式操作时，在每个桥臂的所述四个开关中的剩余两个维持接通时不同地仅将每个桥臂的所述四个开关中的两个接通和切断。
优选的，所述逆变器包括设置在中性点的相对侧上的至少两个电容器并且所述控制器配置成至少部分基于所述电容器的电压差之间的差而确定所述负载何时大致上平衡和大致上失衡。
优选的，所述控制器配置成控制所述逆变器以在所述电容器的电压差之间的差超过第一阈值时采用正常三级模式操作并且在所述电容器的电压差之间的差超过所述第一阈值但未超过第二阈值时采用修改的三级模式操作，其中所述负载在所述电容器的电压差之间的差超过所述第二阈值时大致上失衡。
优选的，所述控制器配置成在所述电容器的电压差之间的差超过一些阈值但所述负载用别的方式而保持大致上平衡时采用修改的三级模式操作，其中所述逆变器配置成通过选择冗余空间矢量脉宽调制状态而控制所述逆变器采用所述修改的三级模式操作，所述冗余空间矢量脉宽调制状态对所述电容器充电或使其放电以便使所述电容器的电压差之间的差减小。
优选的，所述控制器配置成在设置在所述逆变器中的中性点的相对侧上的电容器的电压差之间的差无法通过选择冗余空间矢量脉宽调制状态而减小时确定所述负载大致上失衡，所述冗余空间矢量脉宽调制状态对所述电容器充电或使其放电以便使所述电容器的电压差之间的差减小。
优选的，所述控制器配置成根据空间矢量脉宽调制仅使用限定为空间矢量脉宽调制六边形的转角点的状态而采用所述二级模式操作。
提供一种制品，其包括：
一个或多个有形的机器可读介质，其至少共同包括机器可执行指令，所述指令包括：
用于接收与中性点箝位逆变器中的第一电容器关联的第一电压差的值的指令；
用于接收与所述中性点箝位逆变器中的第二电容器关联的第二电压差的值的指令；
用于确定所述第一电压差与所述第二电压差之间的差值的指令；
确定所述第一电压差与所述第二电压差之间的差何时不超出阈值以根据三级或更高模式来操作所述中性点箝位逆变器的指令；以及
确定所述第一电压差与所述第二电压差之间的差何时超出阈值以根据二级模式来操作所述中性点箝位逆变器的指令。
优选的，其中，所述指令包括：
用于通过PI控制器传递所述第一电压差与所述第二电压差之间的差来获得DC偏移值的指令；以及
修改所述三级模式以便使所述DC偏移值减小的指令。
优选的，其中，用于修改所述三级模式的指令包括从冗余空间矢量脉宽调制状态之中选择以便使所述DC偏移值减小的指令。
优选的，其中，用于修改所述三级模式的指令包括用于在空间矢量脉宽调制状态POO和ONN、PPO和OON、OOP和NNO、POP和ONO、OPO和NON以及OPP和NOO之间选择以便使所述DC偏移值减小的指令。
优选的，其中，所述指令包括用于确定所述第一电压差与所述第二电压差之间的差何时超出阈值以操作所述中性点箝位逆变器的第四个桥臂来调整中性电流并且使向所述中性点箝位逆变器供应电力的直流（DC）母线的利用增加的指令。
优选的，其中，所述指令包括用于在所述第一电压差与所述第二电压差之间的差不超过所述阈值时将反向阻断IGBT或静态开关模块或两者控制成断开并且在所述第一电压差与所述第二电压差之间的差超过所述阈值时将其控制成闭合的指令，其中所述反向阻断IGBT或所述静态开关模块或两者设置在第四个桥臂与中性点之间，所述中性点耦合于所述中性点箝位逆变器的第一、第二和第三个桥臂。
提供一种方法，其包括：
在控制器中确定调制信号以根据三级模式控制四线中性点箝位逆变器；
当所述调制信号大于0时，在所述控制器中，将所述调制信号乘以第一输入值来获得输出值；
当所述调制信号不大于0时，在所述控制器中，将所述调制信号乘以负一和第二输入值来获得所述输出值；以及
在所述控制器中将所述输出值与三角波形比较来确定控制信号以控制所述中性点箝位逆变器来减轻接地电流。
优选的，其中，所述第一输入值和所述第二输入值根据下面的关系而确定：
；以及
；
其中Input1代表所述第一输入值，Input2代表所述第二输入值，Vdc代表提供给所述中性点箝位逆变器的直流母线的电压差，Vdc1代表跨所述中性点箝位逆变器中的第一电容器的电压差，Vdc2代表跨所述中性点箝位逆变器中的第二电容器的电压差，并且K1代表常数。
附图说明
当参照附图（其中类似的符号在整个图中代表类似的部件）阅读下列详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面和优势将变得更好理解，其中：
图1是根据实施例采用智能级转换控制拓扑的无变压器可不间断电力供应（UPS）的框图；
图2是根据实施例有二级和三级操作能力的中性点箝位（NPC）逆变器的电路图；
图3是根据实施例图示NPC逆变器的三级操作的矢量开关状态的空间矢量脉宽调制（SVPWM）图；
图4和5代表根据实施例使NPC逆变器的电容器均等放电的二级和三级操作状态；
图6-8图示根据各种实施例不一定使NPC逆变器的电容器均等放电的三级操作状态；
图9-14图示根据实施例可以相应地对一个电容器而不是另一个充电或使其放电的互补冗余操作状态；
图15是描述根据实施例用于控制NPC逆变器（尽管失衡加载）的控制系统的控制图；
图16是根据实施例代表取决于负载失衡的程度而采用多种方法控制NPC逆变器的方式的流程图；
图17是根据实施例的4线中性点箝位（NPC）逆变器的电路图；
图18是根据实施例代表控制图17的NPC逆变器（尽管失衡加载）的方式的控制图；以及
图19是根据实施例用于基于负载失衡的程度而操作图17的NPC逆变器的方法的流程图。
具体实施方式
本发明的一个或多个特定实施例将在下文描述。为了提供这些实施例的简洁描述，可不在该说明书中描述实际实现的所有特征。应该意识到在任何这样的实际实现的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多实现特定的决定以达到开发者的特定目标，例如遵守系统有关和业务有关的约束，其可在实现之间变化。此外，应该意识到这样的开发努力可能是复杂并且耗时的，但对于具有本公开的利益的那些普通技术人员仍将是设计、制作和制造的例行任务。
当介绍本发明的各种实施例的要素时，冠词“一（a）”、“一（an）”、“该”和“所述”意在表示存在要素中的一个或多个。术语“包括”、“包含”和“具有”意在为包括性的并且表示可存在除列出的要素外的附加要素。
本公开涉及控制可不间断电力供应（UPS），其采用中性点箝位（NPC）逆变器。特别地，本公开涉及可以取决于负载失衡的程度而采用三级或更高级模式或二级模式操作的NPC逆变器。三级或更高级操作可提供优于二级操作的某些优势，例如交流（AC）电流的低谐波失真、相对较低的开关损耗以及NPC逆变器中开关装置的较少阻断电压。另一方面，当负载失衡时，三级操作可以在NPC逆变器中的DC电压级中引起失衡。在二级操作下，NPC逆变器可甚至用高度失衡的负载来正确操作。因此，本公开教导可不间断电力供应（UPS），其控制NPC逆变器在负载大致上平衡时（即，完全平衡或仅适度失衡－即，超越在三级模式中采取的某些校正措施可以减轻这样的适度失衡负载的程度的未失衡）采用三级模式操作。UPS可控制NPC逆变器以在负载大致上失衡（即，超出适度失衡－即，如此失衡以至于在三级模式中采取的校正措施将不减轻失衡加载的影响）时采用二级模式操作。
这样的可不间断电力供应（UPS）系统10的一个示例在图1中出现。该UPS系统10包括对负载14馈电的可不间断电力供应（UPS）12。电源16对UPS 12供应交流（AC）电力。电源16可代表例如来自电网或本地或远程发电机的公用事业电力。整流器18可将AC电力转换成直流（DC）电力。该DC电力中的一些可存储在电池20或其他适合的能量存储装置中。中性点箝位（NPC）逆变器22可将来自整流器18和/或电池20的DC电力转换成供应给负载14的三相AC电力。
NPC逆变器22可在大致上平衡（即，完全平衡或仅适度失衡－即，超越在三级模式中采取的某些校正措施可以减轻这样的适度失衡负载这一程度的未失衡）的条件下采用三级模式操作。在大致上失衡（即，超出适度失衡－即，如此失衡以至于在三级模式中采取的校正措施将不减轻失衡加载的影响）条件下，NPC逆变器22可采用二级模式操作来提供足够的平衡。应该意识到采用三级模式的操作一般是优选的，因为供应给负载14的AC波形的质量可稍好于采用二级模式所供应的。尽管NPC逆变器22描述为采用二级或三级模式操作，应该理解，在其他实施例中，NPC逆变器22可采用比三级更高的模式操作。在任何情况下，NPC逆变器22可在大致上失衡条件下采用二级操作。
控制器24可从UPS 12中的各种位置接收各种电测量26并且发出控制信号28以采用二级或三级模式控制NPC逆变器22。为了确定控制信号28，UPS控制器24可采用能操作地耦合于存储器和/或存储装置的处理器。该处理器和/或其他数据处理电路可实施存储在任何适合的制品上的指令，所述制品具有至少共同存储这样的指令的一个或多个有形的机器可读介质。存储器和/或存储装置可代表这样的制品。除其他事物外，存储器和/或存储装置可代表随机存储器、只读存储器、可重写存储器、硬驱动器或光盘。另外或备选地，UPS控制器24可包括现场可编程门阵列（FPGA）或专用集成电路（ASIC），已经对其编程来实施本文论述的技术或支持处理器（例如，通过帮助通信）。
控制信号28可控制NPC逆变器22的各种开关的操作。图示这些开关的电路图在图2中出现。应该意识到在图2中示出的NPC逆变器22的电路图一般图示三线配置。特定的四线配置将在下文参考图17而进一步论述。在图2的示例中，电压差VDC代表供应给NPC逆变器22的DC电压。电容器C1和C2可具有相应的电容器电压Vdc1和Vdc2。在电容器C1与C2之间是由NPC逆变器22的三个相中的每个上的二极管箝位的中性点。NPC逆变器22的三个相图示为R、Y和B。在别处，也可使用对应的名称U、V和W。应该意识到R、Y和B以及U、V和W简单地指供应给负载14的电力的三个相（例如，1、2和3）。在图2中，NPC逆变器22图示为包括这三个相的电路。具体地，第一相（例如，R）包括箝位二极管DR1和DR2，第二相（例如，Y）包括箝位二极管DY1和DY2，并且第三相（例如，B）包括箝位二极管DB1和DB2。每个相还包括四个开关，分别示出为SR1、SR2、SR3和SR4；SY1、SY2、SY3和SY4；以及SB1、SB2、SB3和SB4。
在特定配置中使开关SR1、SR2、SR3、SR4、SY1、SY2、SY3、SY4、SB1、SB2、SB3和SB4接通和切断将对负载14产生特定AC波形。在一个示例中，控制器24可采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）方案以通过NPC逆变器22生成供应给负载14的电力的相位。三级SVPWM六边形30的一个示例在图3中出现，其代表可以使用空间矢量脉宽调制实现的各种状态。如在图3的SVPWM六边形30中图示的，纵坐标代表电力的虚部（Im）并且横坐标代表电力的实部（Re）。电力的三个相位（在这里示出为U、V和W）图示为彼此分开120%。SVPWM六边形30中的每个点代表NPC逆变器22的开关状态。为了提供一个示例，沿SVPWM六边形30中的实轴最远定位的开关状态PNN可通过如下设置NPC逆变器22的开关而实现：
SR1 接通
SR2 接通
SR3 切断
SR4 切断
SY1 切断
SY2 切断
SY3 接通
SY4 接通
SB1 切断
SB2 切断
SB3 接通
SB4 接通
也就是说，对于开关状态PNN，第一相（例如，R）接收近似的电压，第二相（例如，Y）接收近似的电压，并且第三相（例如，B）也将接收近似的电压。在其他示例中，状态OPN可通过如下设置NPC逆变器22的开关而实现：
SR1 切断
SR2 接通
SR3 接通
SR4 切断
SY1 接通
SY2 接通
SY3 切断
SY4 切断
SB1 切断
SB2 切断
SB3 接通
SB4 接通
从而，状态OPN可通过将第一相连接到中性点（例如，代表零矢量）而实现，第二相（例如，Y）可接收的电压，并且第三相（例如，B）可接收的电压。
当负载14大致上平衡时，控制器24可根据任何适合的三级操作模式来应用在SVPWM六边形30中示出的状态。如可以在图3的SVPWM六边形30中看到的，在总共27个SVPWM状态中存在四个矢量组。第一矢量组代表提供全矢量调制指数以及在SVPWM六边形30的转角中发生的状态。这些包括状态PNN、PPN、NPN、NPP、NNP和PNP。如将在下文更详细论述的，这六个全矢量是在二级模式中使用的相同矢量。当采用二级模式操作时，可仅采用这六个状态。另外，如还将在下文更详细论述的，NPC逆变器22的电容器C1和C2在应用这六个状态时未充电或放电。
第二矢量组是除以的全矢量（在SVPWM六边形30的角之间发生）。这些状态包括PON、OPN、NPO、NOP、ONP和PNO。在该第二矢量组中的状态在被应用时将对电容器C1或C2中的一个充电或使其放电。如将在下文进一步描述的，当负载14完全平衡时，对NPC逆变器22的电容器C1和C2充电或使其放电的影响可以是无关紧要的。当负载14完全平衡时，在这样状态中的全部上充电和放电的净量也将平衡并且将不导致C1和C2电容器电压Vdc1和Vdc2中的变化。
第三矢量组代表SVPWM六边形30的内部顶点并且提供小于或等于0.5全矢量的调制指数。如可以在SVPWM六边形30中看到的，SVPWM六边形30的内部顶点是冗余的－即，每个矢量可以经由两个不同的状态而实现。该第三矢量组中的状态包括POO、ONN、PPO、OON、OPO、NON、OPP、NOO、OOP、NNO、POP和ONO。如将在下文更详细论述的，当应用这些SVPWM状态时，NPC逆变器22的电容器C1和C2可充电或放电。在具有全平衡负载的正常三级操作下，当大致上均等地应用这些各种冗余状态（例如，如使用正常适合的三级操作模式而一般实施的）时电容器充电和放电可能具有小的结果。另一方面，适度失衡的负载的影响可通过在战略上选择该矢量组的特定冗余状态来对NPC逆变器22的电容器C1和C2充电和/或使其放电而减轻。
第四且最后的矢量组代表三个冗余SVPWM状态，其在SVPWM六边形30的中心中产生所谓的死矢量。这三个SVPWM状态包括PPP、OOO和NNN。这些状态不对电容器C1和C2充电或使它们放电。通常，这些状态不用于控制采用三级模式的NPC逆变器22。
如上文提到的，与SVPWM六边形30关联的（例如，第一矢量组的）全矢量状态未不同程度地对电容器C1或C2充电或使其放电。图4和5例如分别代表来自该矢量组的PPN和PNN状态的简化电路图。首先转向图4，当控制器24控制NPC逆变器22以采用PPN状态操作时，第一相（例如，R）和第二相（例如，Y）经由连接到电容器C1的DC母线的正轨而接收电力。第三相（例如，B）从DC母线的负轨接收电力。未不均等地对电容器C1和C2充电或使其放电。
同样，如在图5中图示的，当控制器24使NPC逆变器22应用状态PNN时，未不均等地对NPC逆变器22的电容器C1和C2充电或使它们放电。如在图5中看到的，当控制器24使NPC逆变器22应用状态PNN时，第一相（例如，R）可从DC母线的正轨接收电力，而第二相（例如，Y）和第三相（例如，B）从DC母线的负轨接收电力。如在图5中图示的，未不均等地对电容器C1和C2充电或使其放电。
另一方面，如在图6-8中图示的，当某些其他的SVPWM状态应用于NPC逆变器22时，电容器C1和C2可不均等地充电或放电。例如，当控制器24应用SVPWM状态PON时，第一相（例如，R）从DC母线的正轨接收电力，第三相（例如，B）从DC母线的负轨接收电力，并且第二相（例如，Y）连接到中性点，分别产生电流iR、iB和iY。因为第二相（例如，Y）连接到中性点，中性电流iN接近由C1和C2共享的节点内。当负载14平衡时，可均等地对电容器C1和C2充电或使它们放电。然而，负载14失衡的程度可使电容器C1和C2未均等地充电。电容器C1或C2的该不均等充电可影响DC母线电压。
在图7的示例中，控制器24将状态POO应用于NPC逆变器22。如上文论述的，SVPWM状态POO代表实现图3的SVPWM六边形30的内部顶点中的矢量一的冗余状态中的一个。在图7的示例中，当应用SVPWM状态POO时，第一相（例如，R）连接到DC母线的正轨，并且第二相（例如，Y）和第三相（例如，B）连接到中性点。当应用SVPWM状态POO时，将必须不均等地对电容器C1和C2充电或使它们放电。
该不均等充电或放电还必须在SVPWM状态OON应用于NPC逆变器22时发生，如在图8中示出的。如可以看到的，在OON状态中，第一相（例如，R）和第二相（例如，Y）连接到电容器C1和C2之间的中性点。第三相（例如，B）连接到DC母线的较低轨。如可以在图8中看到的，在OON状态中将必须以不同的量对电容器C1和C2充电或使它们放电。
在具有完全平衡负载的正常三级模式操作下，各种状态中电容器C1和C2的不均等放电将不成问题。即，三级模式的正常操作可牵涉将对电容器C1比对C2以均等数量地多充电或放电的SVPWM状态应用于对电容器C2比对C1多地充电或放电的那些状态。当控制器24在SVPWM六边形30的内六边形中应用矢量时，正常三级模式操作可牵涉例如在冗余SVPWM状态POO和ONN、PPO和OON、OPO和NON、OPP和NOO、OOP和NNO以及POP和ONO之间交替。
当负载适度失衡时，如在图9-14中图示的控制器24可改变应用这些冗余SVPWM状态来减轻不均等加载的影响的方法。图9-14特别地图示冗余SVPWM状态和可以选择这些冗余状态来说明适度失衡负载所采用的方式。在战略地选择一个冗余状态（其优于另一个）来得到给定矢量同时实施三级操作模式中，控制器24可说明负载14中相对轻微的失衡。可回想起，为了该公开的目的，适度失衡的负载可视为“大致上平衡”，因为选择适当的冗余SVPWM状态可防止在三级模式操作期间不均等的电容器充电和放电使NPC逆变器22不稳定。
考虑图9，图示两个冗余状态POO和ONN。这两个状态中的任一个可大致上能互换地使用以在SVPWM六边形30中获得相同的矢量。比这些冗余状态中的一个更多地应用另一个可以引起以不同的方式对电容器C1和C2充电和使它们放电。例如，在状态POO中，可比对电容器C2更多地对电容器C1充电或放电。在状态ONN中，可比对电容器C1更多地对电容器C2充电或放电。
相似的影响可以在其他冗余状态中看到。例如，如在图10中看到的，当应用状态PPO时，可比对电容器C2更多地对电容器C1充电或放电。在对应的冗余状态OON中，可比对电容器C1更多地对电容器C2充电或放电。在图11中，当应用状态OOP时，可比对电容器C2更多地对电容器C1充电或放电。在对应的冗余状态NNO中，可比对电容器C1更多地对电容器C2充电或放电。在状态POP中，如在图12中图示的，可比对电容器C2更多地对电容器C1充电或放电。在对应的冗余状态ONO中，可比对电容器C1更多地对电容器C2充电或放电。如在图13中看到的，当应用状态OPO时，可比对电容器C2更多地对电容器C1充电或放电。在对应的冗余状态NON中，可比对电容器C1更多地对电容器C2充电或放电。最后，转向图14，当应用状态OPP时，可比对电容器C2更多地对电容器C1充电或放电。在对应的冗余状态NOO中，可比对电容器C1更多地对电容器C2充电或放电。
控制器24可取决于跨电容器C1和C2的电压彼此相差的程度而改变它对这些冗余状态的选择。例如，控制器24可应用控制方案32，如在图15中示出的。在图15中示出的控制方案32的示例中，控制器24可接收值Vdc1作为输入34和值Vdc2作为输入36。如上文论述的，值Vdc1和Vdc2分别代表跨电容器C1和C2的电压。可在求和框38中比较这些输入34和36。例如，值Vdc2可从值Vdc1中扣除。
第一电容器的电压差（例如，Vdc1）与跨第二电容器的电压差（例如，Vdc2）之间的差可输入转换确定框40中。取决于值Vdc1与Vdc2彼此相差的程度－其代表负载14失衡的程度－转换确定框40可使NPC逆变器22采用三级模式或二级模式操作。具体地，当求和框38的输出具有小于一些阈值（例如，当DC母线的总电压差VDC是800伏时，是近似10伏）的幅值时，转换确定框40可使NPC逆变器22采用三级模式而不是二级模式操作。在这些条件下，可理解负载14大致上平衡。来自第一电容器的电压差（例如，Vdc1）与跨第二电容器的电压差（例如，Vdc2）之间的子阈值电压差的任何适度失衡影响可通过选择地应用冗余状态以比对一个电容器更多地对另一个充电或放电而减轻。
当求和框38的输出具有大于阈值的幅值时，转换框40可使NPC逆变器22采用二级而不是三级模式操作。具体地，如上文论述的，二级模式可按转换器提供稍高的谐波失真、较低的效率以及较低的额定功率，但在负载14大致上失衡时可很好地操作。如上文提到的，二级模式可在SVPWM六边形30的顶点中仅采用六个SVPWM状态，这未不均等地对电容器C1和C2充电或使它们放电。
由求和框38输出的值Vdc1与值Vdc2之间的差还可通过PI控制器框42而处理。在图15中提供的控制方案32中，PI控制器框42执行运算。由PI控制器框42输出的所得值可说明Vdc1与Vdc2中的轻微变化，这一般是随时间的瞬时测量。
PI控制器框42的输出可作为DC偏移输出44而输出。该DC偏移输出44可由控制器24使用来补偿保持大致上平衡的适度失衡负载－即，在仍采用三级模式时，值Vdc1与Vdc2之间的差足够低（例如，在阈值以下）地来调整。特别地，控制器24可基于在上文参考图9-14论述的冗余SVPWM状态而修改三级模式。即，通过选择性地应用冗余状态来对特定电容器C1或C2充电或使其放电，控制器24可说明这样适度失衡的负载14（实际上，使负载14保持大致上平衡）。
控制方案32还可牵涉某些预测控制来控制整流器18和NPC逆变器22。例如，参考值46（例如，800伏）可在求和框50中与值Vdc（示出为输入48）比较。DC参考46可代表DC母线上的电压差对于NPC逆变器22的任何目标参考。输入48代表该电压差的实际测量值。DC参考46与值Vdc输入48之间的差（由求和框50输出）可通过PI控制器框52而处理。该PI控制器框52可应用任何失衡的变换，例如。PI控制器框52的输出可用作DC误差输出54。
参考波形55可乘以PI控制器52的输出。另外，参考波形55可通过零交叉改进框58而处理，其可在加权框60中加权（例如，加权2）。在乘法框56中乘以参考波形55的DC误差54可在求和框62中添加到DC偏移44。同样在求和框62中，加权框60的输出可被扣除。由求和框62输出的值可在预测控制框64中使用。该预测控制框64可确定合适的脉宽调制（PWM）参考波形来控制NPC逆变器22和/或整流器18。
如上文论述的，可发生确定是采用二级还是三级模式操作，如一般由图16的流程图66代表的。流程图66可在控制器24确定值Vdc1与Vdc2之间的瞬时差时开始（框68）。该差可代表负载14不完全平衡的程度（即使负载14保持“大致上平衡”）。当值Vdc1与Vdc2之间的差保持在第一极限以下（足够低而不能经由修改的三级操作而减轻）时（决策框70），控制器24可实施NPC逆变器22的正常三级操作（框72）。控制器24可采用任何适合的方式实施NPC逆变器22的正常三级操作。
当值Vdc1与Vdc2之间的差在第一极限之上（决策框70）但在第二极限之下（决策框74）时，控制器24可实施修改的三级操作（框76）。在该条件下，负载14可适度失衡，但因为修改的三级操作可足够减轻失衡影响而仍可视为“大致上平衡”。具体地，控制器24可从图3的SVPWM六边形30的内六边形选择特定冗余状态。控制器24可选择特定冗余状态来对电容器C1和C2充电和/或使它们放电以说明该偏移值（例如，如参考图15的DC偏移输出44而标注的）。
当值Vdc1与Vdc2之间的差超过第一极限（决策框70）和第二极限（决策框74）两者时，采用框76的修改的三级模式操作可能不足以说明负载14的失衡性质。在这样的条件下，负载14可视为大致上失衡。控制器24可使NPC逆变器22使用任何适合的技术而采用二级模式操作。当采用二级模式操作时，控制器24可仅应用图3的SVPWM六边形30的外部顶点的SVPWM状态（例如，PNN、PPN、NPN、NPP、NNP和PNP）。
上文的论述还可应用于NPC逆变器22的4线配置，例如一般在图17中示出的4线NPC逆变器22的电路图。在图17的示例中，NPC逆变器22向负载14供应输出电力的三个相（例如，R、Y和B）。来自NPC逆变器22的中性点的中性线80还连接到负载14。感应器82和反向阻断IGBT 84（和/或静态开关模块（SSM））可将NPC逆变器22的中性点连接到NPC逆变器的第四个桥臂，其包括开关N1和N4。在一些实施例中，开关N1与N4之间的附加开关N2和N3可存在，但可保持闭合。如此，开关N2和N3未在图17中示出。
图17的NPC逆变器22的4线配置可采用与图2的NPC逆变器22的3线配置相似的方式操作。即，当负载14保持大致上平衡时，NPC逆变器22可采用三级模式操作并且反向阻断IGBT 84可断开。开关N1与N4还可在这些条件下保持断开。如果负载14变成失衡超过了一些阈值量，反向阻断IGBT 84和/或SSM可闭合，从而将NPC逆变器22的第四个桥臂联接到中性线80中的中性点。之后，控制器24可采用任何适合的方式对开关N1和N4开关来调整中性线80上的中性电流，同时还改进DC母线电压的利用。
利用在图17中示出的NPC逆变器22的4线配置，控制器24可采用控制方案86，如在图18中示出的。在图18的控制方案86中，转换器控制框88可从NPC逆变器22（数字94）接收值Vdc1（数字90）和Vdc2（数字92），以及输出电压和电流值。转换器控制框88可采用任何适合的控制技术，其包括上文描述的那些，来获得调制信号96。限制器框98可将调制信号限制在值Vdc1与Vdc2之间来生成信号100，在这里标记为Input0。控制规则框102可接收Input0信号100和两个其他输入值104和106。输入值104（示出为Input1）可根据关系而确定，其中Vdc是恒定值（例如，800V）。相似地，输入值106（示出为Input2）可根据关系而确定。
控制规则框102然后可应用示出的控制规则。即，当Input0信号100大于0时，输出信号108（示出为OUT4）要根据关系而确定。相似地，当Input0信号100不大于0时，输出信号108 OUT4可等于关系。输出信号108 OUT4代表调制信号，其可以与三角波形比较来减轻图17的NPC逆变器22的4线中的接地电流。应该意识到当中性接地时，可对图17的NPC逆变器22的所有4个桥臂以及整流器18的所有3个桥臂采用控制规则框来减轻接地电流。
如上文提到的，在图17中示出的NPC逆变器22的4线配置可取决于负载14是大致上平衡还是大致上失衡而采用不同的方式操作。图19的流程图110代表控制图17的NPC逆变器22的一个这样的方式。流程图110可在控制器24确定值Vdc1与Vdc2之间的瞬时差时开始（框112）。当该差值在一些极限内（例如，在理想值的近似0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%或1.1%内）（决策框114）时，控制器24可使反向阻断IGBT 84和/或SSM断开。因此，控制器24可不对NPC逆变器22的第四个桥臂开关。另一方面，当值Vdc1与Vdc2之间的差确实超过极限（决策框114）时，控制器24可闭合反向阻断IGBT 84和/或SSM（框118）。之后，控制器24可对开关N1和N2开关来调整流过中性线80的中性电流并且控制电容器C1和C2上的DC母线电压。
本公开的技术效果除其他事物外还包括中性点箝位（NPC）逆变器的二级与三级操作之间的智能转换（其取决于负载的平衡）。从而，当负载大致上平衡时，使用NPC逆变器的可不间断电力供应（UPS）可应用三级操作模式。与二级模式相比，三级操作可提供更高的额定功率、更高的效率和更低的谐波失真。此外，即使发生负载的一些失衡，通过在NPC逆变器上应用矢量控制时操纵冗余开关矢量，根据本公开的UPS可在负载保持大致上平衡时持续采用三级模式操作。最后，通过在负载变成大致上失衡时采用二级模式操作，不管负载的平衡中的变化如何，UPS可能够持续操作。
该书面描述使用示例来公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内任何技术人员能够实践本发明，其包括制作和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想到的其他示例。这样的其他示例如果它们具有不与权利要求的文字语言不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字语言无实质区别的结构要素则规定在权利要求的范围内。
要素列表
10 UPS系统 12 UPS
14 负载 16 电源
18 整流器 20 电池
22 NPC逆变器 24 控制器
26 各种电测量 28 发出控制信号
30 三级SVPWM六边形 32 控制方案
34 输入 36 输入
38 求和框 40 转换确定框
42 PI控制器框 44 DC偏移输出
46 参考值 48 输入
50 求和框 52 PI控制器框
54 DC误差输出 55 参考波形
56 乘法框 58 零交叉改进框
60 加权框 62 求和框
64 预测控制框 66 流程图
68 框 70 决策框
72 框 74 决策框
76 框 80 中性线
82 感应器 84 反向阻断IGBT
86 控制方案 88 转换器控制框
90 数字 92 数字
94 数字 96 调制信号
98 限制器框 100 信号
102 框 104 输入值
106 输入值 108 输出信号
110 流程图 112 框
114 决策框 118 框

Claims (16)

1.一种可不间断电力供应（UPS）系统，包括：
中性点箝位逆变器，用于向负载供应电力；以及
控制器，用于控制所述逆变器以在所述负载平衡时采用三级或更高模式操作并且在所述负载失衡时采用二级模式操作；
所述逆变器包括设置在中性点的相对侧上的至少两个电容器并且所述控制器配置成至少部分基于所述至少两个电容器的电压之间的差而确定所述负载何时平衡和失衡；
所述控制器配置成控制所述逆变器以在所述至少两个电容器的电压之间的差没有超过第一阈值时采用正常三级模式操作并且在所述至少两个电容器的电压之间的差超过所述第一阈值但未超过第二阈值时采用修改的三级模式操作，其中所述负载在所述至少两个电容器的电压之间的差超过所述第二阈值时失衡。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述逆变器配置成经由三线配置连接到所述负载。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述逆变器配置成经由四线配置连接到所述负载。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述逆变器包括四个桥臂，其中的第一、第二和第三个向所述负载提供电力并且其中的第四个在所述负载失衡时调整来自所述负载的中性电流。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述控制器配置成控制第四个桥臂以使设置在所述逆变器中的中性点的相对侧上的电容器的电压差减小。
6.如权利要求4所述的系统，其中，所述逆变器包括在所述第四个桥臂与耦合于第一、第二和第三个桥臂的中性点之间的反向阻断IGBT或静态开关模块，并且所述控制器配置成在所述负载平衡时将所述反向阻断IGBT或所述静态开关模块控制成断开并且在所述负载失衡时将其控制成闭合。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述逆变器包括三个桥臂并且所述三个桥臂中的每个包括四个开关，其中所述控制器配置成在所述逆变器采用所述三级模式操作时不同时地将每个桥臂的四个开关接通或切断，并且当所述逆变器采用所述二级模式操作时，在每个桥臂的所述四个开关中的两个维持接通时不同时地仅将每个桥臂的所述四个开关中的剩余两个接通和切断。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述控制器配置成在所述至少两个电容器的电压之间的差超过第一阈值但所述负载用别的方式而保持平衡时采用修改的三级模式操作，其中所述逆变器配置成通过选择冗余空间矢量脉宽调制状态而控制所述逆变器采用所述修改的三级模式操作，所述冗余空间矢量脉宽调制状态对所述电容器充电或使其放电以便使所述至少两个电容器的电压之间的差减小。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述控制器配置成无法通过选择冗余空间矢量脉宽调制状态而对设置在所述逆变器中的中性点的相对侧上的电容器充电或使其放电使所述电容器的电压之间的差减小时确定所述负载失衡。
10.如权利要求1所述的系统，其中，所述控制器配置成根据空间矢量脉宽调制仅使用限定为空间矢量脉宽调制六边形的转角点的状态而采用所述二级模式操作。
11.一种用于可不间断电力供应（UPS）系统的方法，其包括：
接收与中性点箝位逆变器中的第一电容器关联的第一电压差的值；
接收与所述中性点箝位逆变器中的第二电容器关联的第二电压差的值；
确定所述第一电压差与所述第二电压差之间的差值；
所述第一电压差与所述第二电压差之间的差何时不超出阈值以根据三级或更高模式来操作所述中性点箝位逆变器；以及
确定所述第一电压差与所述第二电压差之间的差何时超出阈值以根据二级模式来操作所述中性点箝位逆变器。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述方法包括：
用于通过PI控制器传递所述第一电压差与所述第二电压差之间的差来获得DC偏移值；以及
修改所述三级模式以便使所述DC偏移值减小。
13.如权利要求12所述的方法，其中，用于修改所述三级模式包括从冗余空间矢量脉宽调制状态之中选择以便使所述DC偏移值减小。
14.如权利要求13所述的方法，其中，用于修改所述三级模式包括用于在空间矢量脉宽调制状态POO和ONN、PPO和OON、OOP和NNO、POP和ONO、OPO和NON以及OPP和NOO之间选择以便使所述DC偏移值减小。
15.如权利要求11所述的方法，其中，所述方法包括用于确定所述第一电压差与所述第二电压差之间的差何时超出阈值以操作所述中性点箝位逆变器的第四个桥臂来调整中性电流并且使向所述中性点箝位逆变器供应电力的直流（DC）母线的利用增加。
16.如权利要求11所述的方法，其中，所述方法包括用于在所述第一电压差与所述第二电压差之间的差不超过所述阈值时将反向阻断IGBT或静态开关模块或两者控制成断开并且在所述第一电压差与所述第二电压差之间的差超过所述阈值时将其控制成闭合，其中所述反向阻断IGBT或所述静态开关模块或两者设置在第四个桥臂与中性点之间，所述中性点耦合于所述中性点箝位逆变器的第一、第二和第三个桥臂。
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