CN104426407A - 用于平衡多电平逆变器直流环节的电压的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本公开内容公开了一种用于平衡多电平逆变器的直流环节的电压的方法和一种实现该方法的设备，其中直流环节被中性点连接件分为两个半部。本公开内容进一步公开了一种实现该方法的设备。该方法包括将周期性共模电压注入信号注入到逆变器的共模电压参考，以及将周期性功率注入信号注入到逆变器的功率参考。功率注入信号具有与共模电压注入信号相同的频率。在共模电压注入信号和功率注入信号之间的相移是恒定的。共模电压注入信号和功率注入信号至少其一的幅度是基于在直流环节的两个半部上的电压之间的差而被控制。

Description

用于平衡多电平逆变器直流环节的电压的方法和设备

技术领域

本发明涉及多电平、多相逆变器，并且尤其涉及平衡这样的逆变器的直流环节电压。

背景技术

与两电平逆变器相比，多电平逆变器、诸如三电平逆变器可以实现更好的输出信号波形。在多级电平逆变器中，直流环节可以被中性点(NP)分为两个半部。逆变器的输出相可以被切换至直流环节的正极、负极或中性点。这允许了在输出电压生成中使用更小的电压阶跃。图1示出了三电平、三相逆变器的概念图。

在图1中，直流环节11包括两个串联连接的电容器C₁和C₂。直流环节11包括正极DC+、负极DC-、以及中性点NP。在直流环节上的电压u_DC是在电容器C₁和C₂上的电压u_C1和u_C2的总和。每个电容器形成了直流环节的一个半部。逆变器输出电压通过将负载13的每个相线12连接至正极DC+、负极DC-或中性点NP来产生。例如，负载13可以是电动机或发电机。

图1示出了高端电流i_hi(即从正极DC+到负载的电流)和低端电流i_lo(即从负极DC-到负载的电流)。i_NP表示从中性点到负载的电流。中性点电流i_NP的量等于在高端电流i_hi与低端电流i_lo的量之间的差。

在图1中相线通过开关装置14连接至直流环节，所述切换装置14可以包括多个诸如IGBT或MOSFET的半导体开关。

包括将直流环节分为两个半部的中性点的拓扑如图1所示可能需要保持在两个半部上的电压平衡的调制策略。在图1中，这意味着在所有情况下，高端电容器电压和低端电容器电压u_C1和u_C2被保持得彼此尽可能靠近。在本文件中，平衡在直流环节两个半部上的电压也可以被称为中性点(NP)电压平衡。

一种已知的NP电压平衡方法利用基于选择所应用的切换模式的共模(CM)电压控制。

三电平逆变器、诸如图1所示的三电平逆变器可能在逆变器桥的开关的开关模式中具有冗余。在上下文中，开关模式是指开关的开关状态的组合。各自被设置为(导电或不导电)状态的开关产生输出电压矢量。

例如，一种期望的输出电压矢量可以用以下两种开关模式来实现：一种开关模式将负载耦合至直流环节的较高半部的电压电势，而另一种将负载耦合至直流环节的较低半部的电压电势。通过选择使用哪些开关组合，共模电压可以得到控制。

在上述电压平衡方法中，控制共模电压的CM电压控制参考基于输出电压和NP电压的失衡、即在u_C1和u_C2之间的差而被调节。例如，如果NP电压过低(在图1中u_C1>u_C2)并且有效功率是正的(即功率从逆变器被供向负载)，CM电压参考可能被增加到正值，从而使得以如下方式来调制逆变器：连接至直流环节正极DC+的开关模式的平均持续时间超过连接至直流环节负极DC-的模式的持续时间。在持续时间上的这一差异又增加了正极DC+的电流i_hi并且降低了负极DC-的电流i_lo。NP电流i_NP变为负，这降低了电压u_C1并且平衡了NP电压。相应地，如果NP电压过高或输出功率为负，CM电压可以被降低至负值以平衡NP电压。

如果输出功率足够高，使得在可以检测逆变器和负载之间的功率流动的方向，则NP电压能够以鲁棒的方式被平衡。

然而，如果有效电压较低，由于功率估计错误可能引起被错误检测的功率流动方向，因此NP电压可能变得不稳定。同样，如果有效功率为零并且NP电势失衡，由于不存在可用于平衡的功率，因此该方法可能不能够使NP电势稳定。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法和一种用于实施该方法的设备以便解决上述缺陷。本发明的目的通过由在独立权利要求中所述的内容所表征的方法和装置来实现。本发明的优选实施例在从属权利要求中被公开。

多电平逆变器的直流环节的两个半部上的电压可以通过如下方法而被平衡：其中，周期性信号被注入到逆变器的共模电压，同时将相同频率的另一周期性信号注入到逆变器的功率参考。在被注入的周期性信号之间的相移被保持为恒定的。周期性信号可以被注入到功率参考的有功分量或无功分量。

通过注入周期性信号，能量可以从直流环节的一个半部通过连接到逆变器的负载被转移到另一个半部。从一个半部到另一个半部转移能量对于两个半部上的电压具有直接的影响。能量转移的方向可以通过控制周期性信号之一的幅度而被控制。能量转移的方向也可以通过控制在周期性信号之间的相移而被控制。

因此，即使当从逆变器到负载的功率很小或为零时，被公开的方法也能够平衡电压。

附图说明

在下文中将借助于优选的实施例参照附图更加详细地描述本发明，其中

图1示出了三电平、三相逆变器的概念图；

图2示出了被注入到功率参考的有功分量P的正弦部分的示例性波形，以及CM电压参考U_CM的示例性波形；并且

图3示出了一种情况的示例性波形，在该情况中在被注入信号之间的相移被阶跃地改变。

具体实施方式

本公开内容公开了一种用于平衡多电平逆变器的直流环节的电压的方法，其中直流环节被中性点连接件分为两个半部。逆变器可以被连接至诸如LCL滤波器、电动机或发电机的负载。

从一个角度来看，该方法利用了在直流环节和负载之间的振荡能量。能量可以被取自直流环节的一个半部并暂时地被存储在负载中。该能量可以然后被传送到直流环节的另一个半部。从一个半部到另一个半部传送能量改变了在两个半部之间的电压平衡。

该方法包括将共模电压注入信号注入到逆变器的共模电压参考，以及将功率注入信号注入到逆变器的功率参考。功率注入信号具有与共模电压注入信号相同的频率。例如，周期性注入信号可以是正弦曲线的。共模电压注入信号的均值可以为零，以使得共模电压注入信号对共模电压控制的影响被最小化。功率注入信号的均值也可以为零，以使得功率注入信号对功率控制的影响被最小化。

图2示出了正在被注入到功率参考的有功分量(real component)P的正弦分量的示例性波形，以及CM电压参考U_CM的示例性波形。例如，所述波形可应用于图1的三电平逆变器。在图2中，平均有效功率为零并且被注入信号是同相的。

在图2中的时刻t₁之前，平均有效功率为零。在被注入的分量的正半周期期间，实现了功率参考P和CM电压参考U_CM的开关模式使高端电流i_hi为正(在图1中所指示的方向上)并使低端电流i_lo为负(在图1中所指示的方向上)。高端电流i_hi的量大于低端电流i_lo的量，使得中性点电流i_NP变为负值(在图1中所指示的方向上)。相应地，在负半周期的期间，高端电流i_hi为负并且低端电流i_lo为正。高端电流i_hi的量小于低端电流i_lo的量，所以中性点电流i_NP保持为负。因此，中性点电流i_NP保持在零以下。中性点电流i_NP在与被注入信号的频率相比为其二倍的频率上振荡，并且跟随着被注入信号的峰值。

在图2中的时刻t₁之后，在功率参考P中被注入的功率信号的幅度的极性被反转。在上下文中，术语“幅度”指示信号的大小或峰间值以及信号的极性。因此，幅度也可以具有负值。例如，具有负幅度-A的信号-Asin(x)与具有幅度A的信号Asin(x)具有相同的峰间值、然而具有相反的极性。被注入的功率的均值仍然为零。根据与在同相被注入信号的情况下相同的推理，中性点电流i_NP现在总是正值并且在被注入信号的二倍频率上振荡。

为了实现在直流环节的两个半部之间的平衡，共模电压注入信号和功率注入信号至少其一的幅度可以响应于在两个半部上的电压之间的差而被控制。在共模电压注入信号和功率注入信号之间的相移可以是恒定的。实现了参考中的共模电压注入信号和功率注入信号的开关模式产生了从直流环节的一个半部到另一个半部的能量流动。例如，在图2中，如果高端电压u_C1大于低端电压u_C2，能量可以在共模参考U_CM的正半周期的期间内被取自直流环节的高端半部(即C₁)，并且暂时地被存储在负载中，直到连续的负半周期将能量传递回至低端的半部(即C₂)。相应地，如果高端电压u_C1小于低端电压u_C2，通过使用负载作为暂时的能量储存，能量可以从低端被传递至高端。

尽管在图2中有功功率的均值为零，所公开的方法不限于使用零均值功率。功率参考和/或被注入到功率参考的信号可以是非零的。

多电平逆变器、例如在图1中所示的多电平逆变器可以被所公开方法的示例性实施例所控制，所述方法通过将功率注入信号注入到功率参考的有功分量来平衡中性点电压。CM电压注入幅度被保持恒定，而且被注入的有功功率分量的幅度与NP失衡u_C1-u_C2成比例地被调节。在共模电压注入信号和功率注入信号之间的相移为零。

针对被注入的周期性共模信号和被注入的周期性功率信号可以作为时间t的函数形成以下公式：

${\tilde{U}}_{\mathrm{CM}}=k_{\mathrm{CM}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right),$

$\tilde{P}=k_P(u_{C1}-u_{C2})\sin \left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right),---\left(1\right)$

其中k_CM和k_P为正的系数，而ω_c为注入频率。被注入的功率与被注入的CM电压是同相的。

在公式1中的被注入的周期性功率信号形成了使NP失衡为零的P(比例)控制器。如果NP电压过低，即u_C1>u_C2，被注入的功率的幅度系数k_P(u_C1-u_C2)为正。因此，中性点电流i_NP为负。负中性点电流i_NP使直流环节11的电容器C₁放电并且对直流环节11的电容器C₂充电，从而平衡NP电压。

如果NP电势过高，幅度系数变为负。换句话说，当被注入的CM电压具有其正峰值时，被注入的功率具有其负峰值。结果，中性点电流i_NP为正并且平衡了NP电压。

根据公式1，只要NP电压被平衡就不注入功率。然而，如果NP电压失衡，注入的幅度为非零。被注入的周期性信号引起了参考功率的波动，这可能在一些情况下引起例如在电动机或发电机中的有害的转矩振荡。

为了避免转矩振荡，可以通过使用负载的磁能或电势能作为暂时的能量存储来平衡NP电压。这可以通过将周期性分量增加到参考值来实现，其影响供至负载的无功功率。例如，功率注入信号可以被注入到功率参考的无功分量(reactive component)。

在电感性负载、诸如感应电动机的情况下，功率注入信号到功率参考的无功分量的注入可以通过将注入信号增加到磁通量或者磁化电流参考来执行。当磁通量增加时，电动机的磁能增加。对于增加的磁能所需的能量取自直流环节。相应地，当磁通量减少时，磁能被转换成电能并且可以被传递回至直流环节。在注入频率处振荡的无功功率可以用于承载在低端直流环节电容器和高端直流环节电容器之间的能量，且因此可用于以与有功功率注入相同的方式稳定NP电压。然而，现在注入信号(磁化电流)不影响电动机转矩。

以相似的方式，在电容性负载、例如LCL滤波器的情况下，无功功率的注入引起了在滤波电容器和直流环节之间的振荡能量，并且因此无功功率的注入也可以被用于NP电压平衡。

所以，在电感性负载或电容性负载的情况下，当增加电感性负载或电容性负载的无功功率时，振荡功率从直流环节流向负载。当降低无功功率时，功率流回至直流环节。用于NP电压平衡的振荡功率具有与被注入的无功功率相比超前的相位。

因此，被注入的无功功率可以通过公式表示成具有与被注入的CM电压相比滞后的相移α(＝0…π/2)。对于被注入的周期性共模信号和被注入的周期性无功功率信号作为时间t的函数可以形成以下NP电压平衡公式：

${\tilde{U}}_{\mathrm{CM}}=k_{\mathrm{CM}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right),$

$\tilde{Q}=k_P(u_{C1}-u_{C2})\sin ({\mathrm{\ω}}_{c}t-\mathrm{\α}).---\left(2\right)$

在公式2中，共模电压注入信号具有比功率注入信号超前的相位。

在上述示例中，NP电压平衡是通过在保持相移恒定的同时控制被注入信号之一的幅度来实现的。可替代地，可以通过响应于在直流环节两个半部上的电压之间的差、控制在共模电压注入信号和功率注入信号之间的相移，来平衡NP电压。

图3示出了在被注入信号之间的相移以π/4(45度)阶跃改变的情况下的示例性波形。被注入信号的幅度被保持恒定。在图3中，有功功率参考P的相位关于CM电压参考U_CM而被改变。贯穿相移阶跃，中性点电流i_NP保持其交替的形状，但其关于零电流水平(x轴)的偏移响应于相移而变化。结果，中性点电流i_NP的均值响应于相移而变化。相移(例如以角度α)和在另一方向上的相同相移(-α)导致相同的平均电流。

在相移点π/2和3π/2(即-π/2)处，中性点电流i_NP的均值为零。当从这些点移开时，中性点电流i_NP的均值根据方向单调地增大或减小。例如，在图3中的相移点π/2处，如果相移被增加，中性点电流i_NP的均值变得较正。然而，在离这些点距离π/2之外，即π/2+π/2＝π，中性点电流i_NP的均值的变化率改变它的方向。为了避免由非单调的变化率引起的控制问题，相移的工作范围可以被限制在从基础相移距离-π/2至π/2的范围内。

当响应于在直流环节两个半部上的电压之间的差来控制在共模电压注入信号和功率注入信号之间的相移时，该相移可以包括恒定的基础部分以及可调节部分，可调节部分基于在两个半部上的电压之间的差而被控制，其中可调节部分可以被控制在-π/2至π/2的范围内。

例如，功率注入信号可以被注入到功率参考的有功功率分量P，并且恒定的基础部分可以为-π/2或π/2。对于被注入的共模电压信号和被注入的有功功率信号可以形成以下公式：

${\tilde{U}}_{\mathrm{CM}}=k_{\mathrm{CM}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right),$

$\tilde{P}=k_P\sin ({\mathrm{\ω}}_{c}t\±(\mathrm{\π}/2-k_{\mathrm{\θ}}(u_{C1}-u_{C2}))),---\left(3\right)$

其中，k_CM,k_P和k_θ为正的系数，并且可调节的部分k_θ(u_C1-u_C2)被控制在-π/2≤k_θ(u_C1-u_C2)≤π/2的范围内。

以相似的方式，该平衡也可以通过控制被注入到无功功率的信号的相移来实现。功率注入信号可以被注入到功率参考的有功功率分量Q。恒定的基础部分还可以包括滞后的相移α(＝0…π/2)，即恒定的基础部分变成-α±π/2。例如，对于被注入的共模电压信号和被注入的无功功率信号可以形成以下公式：

${\tilde{U}}_{\mathrm{CM}}=k_{\mathrm{CM}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right),$

$\tilde{Q}=k_P\sin ({\mathrm{\ω}}_{c}t-\mathrm{\α}\±(\mathrm{\π}/2-k_{\mathrm{\θ}}(u_{C1}-u_{C2}))).---\left(4\right)$

本公开内容还公开了实现该方法的设备。该设备可以被配置用来平衡诸如三电平、三相逆变器的多电平逆变器的直流环节的电压。在逆变器中，直流环节被中性点连接件分成两个半部。

该设备包括被配置成将共模电压注入信号注入到逆变器的共模电压参考且将功率注入信号注入到逆变器的功率参考的装置。例如，这些装置可以是频率转换器的控制器的一部分。例如，该控制器可以是CPU、DSP或FPGA。可替代地，被配置成注入所述注入信号的装置可以在单独的设备上被实施。功率注入信号可以具有与共模电压注入信号相同的频率，并且在共模电压注入信号和功率注入信号之间的相移可以是恒定的。

所述装置可以被配置成基于在直流环节的两个半部上的电压之间的差、来控制共模电压注入信号和功率注入信号至少其一的幅度。

例如，包括多电平逆变器桥的频率转换器还包含如下设备，该设备包括用于将注入信号注入到参考的装置。频率转换器以实现共模电压参考和功率参考的方式操作在逆变器桥中的开关。被注入的出现在参考中的共模电压注入信号和功率注入信号使在直流环节两个半部上的电压之间的失衡达至最小值。

上述设备包括的装置还可以被配置成基于在直流环节的两个半部上的电压之间的差、控制在共模电压注入信号和功率注入信号之间的相移。

尽管上述实施例已经讨论了正弦曲线的注入信号，然而被注入信号不需要是正弦曲线的。

此外，注入频率可以被任意地选择。然而，较低的频率比较高的频率承载较少的能量(用于NP平衡)。

共模电压注入信号和功率注入信号的频率可以是逆变器输出信号的基本频率的三次谐波的频率。三次谐波的使用在一些实施例中可以是优选的，因为共模电压在任何情况下都会包括三次谐波分量，以便实现最大输出电压。

还可以改变被注入的共模电压信号的幅度，而不是被注入的功率信号的幅度。此外，两个被注入信号的幅度可以被同时调整。而且，可以通过控制被注入信号的幅度或两个幅度的同时还控制在所述信号之间的相移来平衡NP电压。

对于本领域技术人员明显的是，能够以各种方式实施本发明构思。本发明及其实施例不限于上述示例，而可以在权利要求的范围内变化。

Claims (13)

1.一种用于平衡多电平逆变器的直流环节的电压的方法，其中，所述直流环节被中性点连接件分为两个半部，并且其中所述方法包括：

将周期性共模电压注入信号注入到所述逆变器的共模电压参考，以及将周期性功率注入信号注入到所述逆变器的功率参考，其中所述功率注入信号具有与所述共模电压注入信号相同的频率，并且其中所述共模电压注入信号和所述功率注入信号中至少之一的幅度、或者在所述共模电压注入信号和所述功率注入信号之间的相移基于在所述直流环节的所述两个半部上的电压之间的差而被控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述共模电压注入信号和所述功率注入信号之间的所述相移为零，并且所述功率注入信号被注入到所述功率参考的有功分量。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述功率注入信号被注入到所述功率参考的无功分量。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，将所述功率注入信号注入到所述功率参考的无功分量是通过将注入信号增加到磁通量参考或者增加到磁化电流参考来执行的。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述共模电压注入信号具有比所述功率注入信号超前的相位。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述相移包括恒定的基础部分和可调节部分，所述可调节部分基于在所述两个半部上的电压之间的差而被控制，其中所述可调节部分可以被控制在-π/2至π/2的范围内。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述功率注入信号被注入到功率参考的有功分量，并且所述恒定的基础部分为-π/2或π/2。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述功率注入信号被注入到功率参考的无功分量，并且所述恒定基础部分是项-π/2或π/2与滞后的相移部分α的总和。

9.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，所述共模电压注入信号以及所述功率注入信号的频率是所述逆变器输出信号的基本频率的三次谐波的频率。

10.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，所述功率注入信号的均值为零。

11.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，所述共模电压注入信号的均值为零。

12.一种用于平衡多电平逆变器的直流环节的电压的设备，其中，所述直流环节被中性点连接件分为两个半部，并且其中所述设备包括被配置成进行如下操作的装置：

将共模电压注入信号注入到所述逆变器的共模电压参考，并将功率注入信号注入到所述逆变器的功率参考，所述功率注入信号具有与所述共模电压注入信号相同的频率，其中所述装置被配置成基于在所述直流环节的所述两个半部上的电压之间的差，来控制所述共模电压注入信号和所述功率注入信号中至少之一的幅度，或者控制在所述共模电压注入信号和所述功率注入信号之间的相移。

13.一种三相、三电平逆变器，其包括根据权利要求12所述的设备。