CN104040864B - 三电平电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种即使在作为无功电力调整装置运转时也能够抑制中性点电位的变动的三电平电力转换装置。由如下部分构成：与交流电源系统连接的第1及第2三电平转换器(2A、2B)；正侧及负侧的直流电容器(3P、3N)；驱动交流电动机(5)的三电平逆变器(4)；以及控制三电平转换器(2A、2B)的转换器控制单元(10)。转换器控制单元(10)具有：进行控制使得三电平转换器(2A、2B)的输入电流的无功量分别成为规定的无功电流基准的第1及第2无功电流控制单元(15A、15B)；控制PWM控制单元(17A、17B)使得对直流电容器(3P、3N)施加的电压的差分为零的第1及第2中性点电位变动抑制单元；以及从三电平转换器(2A)向三电平转换器(2B)流通规定的循环有功电流的有功电流控制单元。

Description

三电平电力转换装置
关联申请的引用
本申请以基于2012年1月11日申请的日本专利申请第2012-002911号的优先权的利益为基础，且要求该利益，将其内容整体通过引用包含于此。
技术领域
本发明涉及一种具备从交流电源得到三电平的直流的三电平转换器以及将该直流转换为交流的三电平逆变器的三电平电力转换装置。
背景技术
以往，作为对容量比较大的电动机等进行驱动的电力转换装置，使用具备三电平转换器以及将该输出的直流转换为交流的三电平逆变器的三电平电力转换装置。在该三电平电力转换装置中，成为具有正电位、负电位、中性点这三电平的直流电压的结构，如果中性点的电位变动，则交流电源和作为负载的电动机的电压变动，导致产生不需要的高次谐波。因此，提出了如下方案：设置从中性点经由共用的电抗器连接于正电位和负电位的正侧及负侧的开关元件，在产生了电压失衡时，通过开关元件的接通断开，将一方的直流电容器的电荷移到另一方，由此抑制中性点电位的变动(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平9-65658号公报(第9-10页、图1)
发明内容
发明要解决的问题
根据专利文献1所示的方法，虽然能够通过与转换器或逆变器的控制不同的控制电路来抑制中性点电位的变动，但是需要追加由电抗器、开关元件等形成的新的电路。在转换器为三电平的情况下，能够通过转换器的控制来抑制中性点电位的变动，因此一般不进行如专利文献1所示那样的电路追加。
另外，存在平时将三电平电力转换装置用作电动机驱动、而不进行电动机的运转时使三电平电力转换装置作为无功电力调整装置运转的应用。在这种应用的情况下，仅进行上述的转换器的控制是难以抑制中性点电位的变动的。认为其理由是，在使三电平电力转换装置作为无功电力调整装置运转并检测中性点的电位变化来从转换器流通电流以进行变动抑制控制时，在该中性点变动抑制控制中产生延迟。
本发明是鉴于上述问题点而完成的，其目的在于提供一种即使在作为无功电力调整装置运转时也能够抑制中性点电位的变动的三电平电力转换装置。
用于解决问题的方案
为了达到上述目的，本发明的三电平电力转换装置的特征在于，具备：第1三电平转换器及第2三电平转换器，与交流电源系统并联连接，输出三电平的直流；正侧直流电容器及负侧直流电容器，与该三电平的直流链路连接；至少1台三电平逆变器，将所述三电平的直流输出转换为交流来驱动交流电动机；以及转换器控制单元，控制所述第1三电平转换器及第2三电平转换器，所述转换器控制单元具有：第1无功电流控制单元及第2无功电流控制单元，进行控制使得所述第1三电平转换器及第2三电平转换器的输入电流的无功量分别成为规定的无功电流基准；第1中性点电位变动抑制单元及第2中性点电位变动抑制单元，分别控制第1PWM控制单元及第2PWM控制单元，使得对所述正侧直流电容器及负侧直流电容器施加的电压的差分为零；以及有功电流控制单元，使规定的循环有功电流从所述第1三电平转换器向所述第2三电平转换器流通。
发明效果
根据本发明，能够提供一种即使在作为无功电力调整装置运转时也能够抑制中性点电位的变动的三电平电力转换装置。
附图说明
图1是本发明的实施例1所涉及的三电平电力转换装置的电路结构图。
图2是本发明的实施例2所涉及的三电平电力转换装置的电路结构图。
图3是本发明的实施例3所涉及的三电平电力转换装置的电路结构图。
图4是本发明的实施例4所涉及的三电平电力转换装置的电路结构图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明的实施例。
实施例1
图1是本发明的实施例1所涉及的三电平电力转换装置的电路结构图。从交流电源系统分别经由变压器1A、1B分别向三电平转换器2A、2B提供交流电压。三电平转换器2A、2B各自的三电平的直流输出相互并联连接，在正电位端与中性电位端之间连接有直流电容器3P作为平滑用，在负电位端与中性电位端之间连接有直流电容器3N作为平滑用。而且，该三电平的直流输出被提供至三电平逆变器4，三电平逆变器4输出三电平的交流电压，驱动交流电动机5。
在交流电动机5上安装有速度检测器6，在交流电动机5的输入侧安装有电流检测器7，它们的输出信号被提供至未图示的逆变器控制部。在三电平转换器2A、2B的输入侧安装有电流检测器8A、8B，它们的输出信号被提供至转换器控制部10。下面，说明转换器控制部10的内部结构。
作为三电平转换器2A、2B的输出电压的目标值的电压基准与直流电压反馈被比较后作为电压控制器12的输入。作为直流电压反馈，在该实施例中，直流电容器3P、3N的两端电压的平均值被平均值检测器11检测，将其用作直流电压反馈。电压控制器12的输出作为有功电流基准，在该实施例中，同一有功电流基准分别输出到三电平转换器2A、2B。通过循环电流校正电路13对这些各个有功电流基准实施校正。在循环电流校正电路13中，对一方的有功电流基准相加另外设定的循环电流基准量，从另一方的有功电流基准减去循环电流基准量。
由电流检测器8A、8B检测出的三相电流分别通过三相/dq转换器13A、13B分别被转换为有功电流反馈Iq_FBK和无功电流反馈Id_FBK。
而且，电流控制器14A进行调节使得从三相/dq转换器13A得到的有功电流反馈Iq_FBK成为被加上上述循环电流基准量的有功电流基准，并输出q轴电压基准。同样地，电流控制器14B进行调节使得从三相/dq转换器13B得到的有功电流反馈Iq_FBK成为被减去上述的循环电流基准量的有功电流基准，并输出q轴电压基准。
另外，电流控制器14A、14B分别进行调节使得从三相/dq转换器13A得到的无功电流反馈Id_FBK和从三相/dq转换器13B得到的无功电流反馈Id_FBK成为从系统监视系统20提供的无功电力基准，分别输出d轴电压基准。在此，系统监视系统20输出无功电力基准，使得向交流电源系统供给的无功电力成为期望的值、例如使交流电源系统的功率因数为1的值。
这样得到的作为电流控制器14A、14B的输出的各个q轴电压基准和d轴电压基准分别通过dq/三相转换器15A、15B被转换为各个三相电压基准。然后，各个三相电压基准分别被提供至PWM控制器16A、16B，PWM控制器16A、16B分别进行PWM控制来得到PWM门信号，分别对三电平转换器2A、2B的开关元件进行接通断开控制。
另外，直流电容器3P、3N的两端电压的差分被差分检测器17检测，该输出作为中性点变动抑制信号提供至PWM控制器16A、16B。例如在直流电容器3P的电压比直流电容器3N的电压高ΔE的情况下，差分检测器17对PWM控制器16A、16B调节中性点的电位，提供使ΔE为零的校正指令。PWM控制器16A、16B接收该校正指令而实际进行的动作是例如将与ΔE成比例的直流量叠加于电压基准。另外，通过改变调制波的振幅或调整PWM输出的零期间也能够实现。在这种中性点电位的变动抑制控制中，通过循环电流校正电路13将适当量的循环电流从三电平转换器2A经由直流链路向三电平转换器2B流通，由此前述的控制的延迟减小，因此更有效地实现上述中性点电位的变动抑制控制。
实施例2
图2是本发明的实施例2所涉及的三电平电力转换装置的电路结构图。针对该实施例2的各部，以同一符号表示与图1的本发明的实施例1所涉及的三电平电力转换装置的各部相同的部分，省略其说明。该实施例2与实施例1不同之处在于，在转换器控制部10a中，使循环电流校正电路13从电压控制器12的输出侧移动到电流控制器15A、15B的输出侧。
如在实施例1中说明的那样，电流控制器15A、15B各自的输出为q轴电压基准和d轴电压基准。在该实施例2中，循环电流校正电路13校正作为有功量的q轴电压基准。因而，此处的循环电流基准的含义是用于提供期望的循环电流的q轴电压校正量。
通过这样为了提供期望的循环电流而校正q轴电压基准，也能够得到与实施例1相同的效果，这是显然的。
实施例3
图3是本发明的实施例3所涉及的三电平电力转换装置的电路结构图。针对该实施例3的各部，以同一符号表示与图1的本发明的实施例1所涉及的三电平电力转换装置的各部相同的部分，省略其说明。该实施例3与实施例1不同之处在于，将三电平逆变器设为三电平逆变器4A、4B的并联结构，经由耦合电抗器9驱动交流电动机5；将转换器控制部10b设为省去循环电流校正电路13的结构；明确示出逆变器控制部30。
三电平逆变器4A从三电平转换器2A经由直流电容器3AP、3AN被供给三电平的直流电压，三电平逆变器4B从三电平转换器2B经由直流电容器3BP、3BN被供给三电平的直流电压。三电平逆变器4A、4B的输出电流分别被电流检测器7A、7B检测，该检测信号被提供至逆变器控制部30。下面说明逆变器控制部30的内部结构。
由速度检测器6检测的速度反馈信号与从外部提供的速度基准被比较，速度控制器31输出转矩基准使得其偏差变少。该转矩基准在运算器32中被除以磁通而成为转矩电流基准。该转矩电流基准通过循环电流校正电路33分离为被相加所提供的循环电流基准的A侧转矩电流基准和被减去循环电流基准的B侧转矩电流基准。A侧转矩电流基准被电流检测器7A检测，与由未图示的三相/dq转换器转换得到的A侧q轴电流反馈被比较，电流控制器34A输出A侧转矩电压基准使得其偏差变少。同样地，B侧转矩电流基准被电流检测器7B检测，与由未图示的三相/dq转换器转换得到的B侧q轴电流反馈被比较，电流控制器34B输出B侧转矩电压基准使得其偏差变少。
电流控制器34A、34B各自的输出在分别通过dq/三相转换器35A、35B转换为三相的电压基准之后，分别被提供至PWM控制器36A、36B，PWM控制器36A、36B分别进行PWM控制来得到PWM门信号，分别对三电平逆变器4A、4B的开关元件进行接通断开控制。此外，没有提及励磁轴的电流基准及其转换，而在本实施例中由于不进行交流电动机5的驱动，因此可认为励磁轴的电流基准为零，因而提供至dq/三相转换器35A、35B的励磁电压基准也为零。
通过以上结构，利用循环电流校正电路33的效果，三电平逆变器4A流通循环电流基准量的有功电流，三电平逆变器4B使循环电流基准量的有功电流再生，因此从三电平转换器2A供给与该循环电流相应的有功电流，并且从三电平转换器2B再生与该循环电流相应的有功电流。其结果，三电平转换器2A成为动力运转，三电平转换器2B成为再生运转，从而有效地进行差分检测器17A、17B的各自的中性点控制。
实施例4
图4是本发明的实施例4所涉及的三电平电力转换装置的电路结构图。针对该实施例4的各部，以同一符号表示与图3的本发明的实施例3所涉及的三电平电力转换装置的各部相同的部分，省略其说明。该实施例4与实施例3不同之处在于，在逆变器控制部30a中，使循环电流校正电路33从电流控制器34A、34B的输入侧移动到输出侧。
如实施例3中说明的那样，电流控制器34A、34B各自的输出是A侧转矩电压基准和B侧转矩电压基准。在该实施例4中，循环电流校正电路33对作为有功量的这些电压基准进行校正。因而，此处的循环电流基准的含义是用于提供期望的循环电流的转矩轴电压校正量。
通过这样为了提供期望的循环电流而校正转矩轴电压基准，也能够得到与实施例3相同的效果，这是显然的。
以上说明了本发明的几个实施例，但是这些实施例是作为例子呈现的，并不意图限定发明的范围。这些新颖的实施例能够以其它各种方式实施，在不脱离发明的宗旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施例、其变形包含在发明的范围、宗旨内，并且包含在权利要求书所记载的发明及其均等的范围内。
例如在所有实施例中，也可以设为使循环电流基准与从系统监视系统提供的无功电流基准联动的结构。在该情况下，既可以与无功电流基准成比例，也可以与无功电流基准的增加相应地阶段性地增加。
另外，在实施例1、2中，将电压控制器12设置为三电平转换器2A、2B共用，但是也可以设为分别设置的结构。
附图标记说明
1A、1B：输入变压器
2A、2B：三电平转换器
3P、3N、3AP、3AN、3BP、3BN：直流电容器
4、4A、4B：三电平逆变器
5：交流电动机
6：速度检测器
7、7A、7B：电流检测器
8A、8B：电流检测器
9：耦合电抗器
10、10a、10b：转换器控制部
11：平均值检测器
12：电压控制器
13：循环电流校正电路
14A、14B：三相/dq转换器
15A、15B：电流控制器
16A、16B：dq/三相转换器
17A、17B：PWM控制电路
18、18A、18B：差分检测电路
20：系统监视系统
30、30a：逆变器控制部
31：速度控制器
32：运算器
33：循环电流校正电路
34A、34B：电流控制器
35A、35B：dq/三相转换器
36A、36B：PWM控制电路

Claims (9)

1.一种三电平电力转换装置，其特征在于，具备：
第1三电平转换器及第2三电平转换器，与交流电源系统并联连接，输出三电平的直流；
正侧直流电容器及负侧直流电容器，与该三电平的直流链路连接；
至少1台三电平逆变器，将所述三电平的直流输出转换为交流来驱动交流电动机；以及
转换器控制单元，控制所述第1三电平转换器及第2三电平转换器，
所述转换器控制单元具有：
第1无功电流控制单元及第2无功电流控制单元，进行控制使得所述第1三电平转换器及第2三电平转换器的输入电流的无功量分别成为规定的无功电流基准；
第1中性点电位变动抑制单元及第2中性点电位变动抑制单元，分别控制第1PWM控制单元及第2PWM控制单元，使得对所述正侧直流电容器及负侧直流电容器施加的电压的差分为零；以及
有功电流控制单元，使规定的循环有功电流从所述第1三电平转换器向所述第2三电平转换器流通。
2.根据权利要求1所述的三电平电力转换装置，其特征在于，
所述第1三电平转换器及第2三电平转换器的三电平的直流输出相互并联连接，
所述三电平逆变器是1台，
所述循环有功电流经由所述直流链路流通。
3.根据权利要求2所述的三电平电力转换装置，其特征在于，
所述转换器控制单元具有：
电压控制单元，进行反馈控制使得所述直流链路的电压成为规定的电压基准，并输出第1及第2共用的有功电流基准；
循环电流校正单元，对所述有功电流基准加上循环电流基准来作为第1校正有功电流基准，从所述有功电流基准减去所述循环电流基准来作为第2校正有功电流基准；
第1有功电流控制单元，进行反馈控制使得所述第1三电平转换器的输入电流的有功量成为所述第1校正有功电流基准，并输出第1有功电压基准；
第2有功电流控制单元，进行反馈控制使得所述第2三电平转换器的输入电流的有功量成为所述第2校正有功电流基准，并输出第2有功电压基准；
第1无功电流控制单元，进行反馈控制使得所述第1三电平转换器的输入电流的无功量成为规定的无功电流基准，并输出第1无功电压基准；
第2无功电流控制单元，进行反馈控制使得所述第2三电平转换器的输入电流的无功量成为规定的无功电流基准，并输出第2无功电压基准；
第1PWM控制单元，对将所述第1有功电压基准与所述第1无功电压基准进行三相转换所得的三相电压基准进行PWM控制，来生成所述第1三电平转换器的门信号；
第2PWM控制单元，对将所述第2有功电压基准与所述第2无功电压基准进行三相转换所得的三相电压基准进行PWM控制，来生成所述第2三电平转换器的门信号；以及
中性点电位变动抑制单元，控制所述第1PWM控制单元及第2PWM控制单元，使得对所述正侧直流电容器及负侧直流电容器施加的电压的差分为零。
4.根据权利要求2所述的三电平电力转换装置，其特征在于，
所述转换器控制单元具有：
电压控制单元，进行反馈控制使得所述直流链路的电压成为规定的电压基准，并输出第1及第2共用的有功电流基准；
第1有功电流控制单元，进行反馈控制使得所述第1三电平转换器的输入电流的有功量成为所述有功电流基准，并输出第1有功电压基准；
第2有功电流控制单元，进行反馈控制使得所述第2三电平转换器的输入电流的有功量成为所述有功电流基准，并输出第2有功电压基准；
循环电流校正单元，对所述第1有功电压基准加上与循环电流基准相应的电压基准来作为第1校正有功电压基准，从所述第2有功电压基准减去与所述循环电流基准相应的电压基准来作为第2校正有功电压基准；
第1无功电流控制单元，进行反馈控制使得所述第1三电平转换器的输入电流的无功量成为规定的无功电流基准，并输出第1无功电压基准；
第2无功电流控制单元，进行反馈控制使得所述第2三电平转换器的输入电流的无功量成为规定的无功电流基准，并输出第2无功电压基准；
第1PWM控制单元，对将所述第1校正有功电压基准与所述第1无功电压基准进行三相转换所得的三相电压基准进行PWM控制，来生成所述第1三电平转换器的门信号；
第2PWM控制单元，对将所述第2校正有功电压基准与所述第2无功电压基准进行三相转换所得的三相电压基准进行PWM控制，来生成所述第2三电平转换器的门信号；以及
中性点电位变动抑制单元，对所述第1PWM控制单元及第2PWM控制单元进行控制，使得对所述正侧直流电容器及负侧直流电容器施加的电压的差分为零。
5.根据权利要求1所述的三电平电力转换装置，其特征在于，
所述正侧直流电容器及负侧直流电容器由与所述第1三电平转换器及第2三电平转换器各自的输出连接的2组构成，
所述三电平逆变器由将所述第1三电平转换器及第2三电平转换器各自的输出作为输入的第1三电平逆变器及第2三电平逆变器这2台构成，
由所述第1三电平逆变器及第2三电平逆变器经由耦合电抗器来驱动所述交流电动机，
控制2台所述三电平逆变器的逆变器控制单元具有转矩电流控制单元，该转矩电流控制单元从所述第1三电平逆变器经由所述耦合电抗器向所述第2三电平逆变器流通规定的循环转矩电流。
6.根据权利要求5所述的三电平电力转换装置，其特征在于，
所述逆变器控制单元具有：
速度控制单元，进行反馈控制使得所述交流电动机的速度成为规定的速度基准，并输出转矩电流基准；
循环电流校正单元，对所述转矩电流基准加上循环电流基准来作为第1校正转矩电流基准，从所述转矩电流基准减去所述循环电流基准来作为第2校正转矩电流基准；
第1转矩电流控制单元，进行反馈控制使得所述第1三电平逆变器的输出转矩电流成为所述第1校正转矩电流基准，并输出第1转矩电压基准；
第2转矩电流控制单元，进行反馈控制使得所述第2三电平逆变器的输出转矩电流成为所述第2校正转矩电流基准，并输出第2转矩电压基准；
第1励磁电流控制单元，进行反馈控制使得所述第1三电平逆变器的输出励磁电流成为规定的值，并输出第1励磁电压基准；
第2励磁电流控制单元，进行反馈控制使得所述第2三电平逆变器的输出励磁电流成为规定的值，并输出第2励磁电压基准；
第1PWM控制单元，对将所述第1转矩电压基准与所述第1励磁电压基准进行三相转换所得的三相电压基准进行PWM控制，来生成所述第1三电平逆变器的门信号；以及
第2PWM控制单元，对将所述第2转矩电压基准与所述第2励磁电压基准进行三相转换所得的三相电压基准进行PWM控制，来生成所述第2三电平逆变器的门信号。
7.根据权利要求5所述的三电平电力转换装置，其特征在于，
所述逆变器控制单元具有：
速度控制单元，进行反馈控制使得所述交流电动机的速度成为规定的速度基准，并输出第1、第2共用的转矩电流基准；
第1转矩电流控制单元，进行反馈控制使得所述第1三电平逆变器的输出转矩电流成为所述第1转矩电流基准，并输出第1转矩电压基准；
第2转矩电流控制单元，进行反馈控制使得所述第2三电平逆变器的输出转矩电流成为所述第2转矩电流基准，并输出第2转矩电压基准；
循环电流校正单元，对所述第1转矩电流基准加上与循环电流基准相应的电压基准来作为第1校正转矩电压基准，从所述第2转矩电流基准减去与所述循环电流基准相应的电压基准来作为第2校正转矩电压基准；
第1励磁电流控制单元，进行反馈控制使得所述第1三电平转换器的输出励磁电流成为规定的值，并输出第1励磁电压基准；
第2励磁电流控制单元，进行反馈控制使得所述第2三电平转换器的输出励磁电流成为规定的值，并输出第2励磁电压基准；
第1PWM控制单元，对将所述第1校正转矩电压基准与所述第1励磁电压基准进行三相转换所得的三相电压基准进行PWM控制，来生成所述第1三电平逆变器的门信号；以及
第2PWM控制单元，对将所述第2校正转矩电压基准与所述第2励磁电压基准进行三相转换所得的三相电压基准进行PWM控制，来生成所述第2三电平逆变器的门信号。
8.根据权利要求3、4、6、7中的任一项所述的三电平电力转换装置，其特征在于，
在所述无功电流基准增加时使所述循环电流基准增加。
9.根据权利要求3、4、6、7中的任一项所述的三电平电力转换装置，其特征在于，
所述循环电流基准用于进行控制使得在不使所述交流电动机运转的状态下提供至所述交流电源系统的无功电力成为规定的值。
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