CN104638961A - 用于平衡多级功率转换器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明题为用于平衡多级功率转换器的系统和方法。提供一种包括多级功率转换器的系统。该系统还包括多个DC链路电容器以及耦合到多级功率转换器的平衡电路。平衡电路还包括两组接口分支。每组包括多个接口分支和多个开关元件。平衡电路还包括：电池，耦合到跨两组接口分支的一个或多个电感器；以及控制器，用于控制多个开关元件的切换操作，以用于修改电源的电池，以便平衡多个DC链路电容器的电压。

Description

用于平衡多级功率转换器的系统和方法
技术领域
一般来说，本发明的实施例涉及功率转换器，以及更具体来说，涉及用于平衡多级功率转换器的DC电压的系统和方法。
背景技术
多级功率转换器是功率电子组合件，其用来从一个或多个DC电压源来产生各级AC电压波形。一种类型的多级功率转换器包括多个半导体开关，其耦合到多个低级DC电压源，以通过合成阶梯电压波形来执行功率转换。
在更特定的功率转换系统中，电容器组耦合到DC电压源的一个或多个。在正常正弦操作下，包括三级或更多级的多级功率转换器中的电容器组的DC链路趋向于变成不平衡。电容器组中的不平衡电压通过生成多级功率转换器的输出电压中的非特征谐波并且引起半导体开关中的过电压条件，不利地影响多级功率转换器的性能。
提出了具有整流器电路的多辅助绕组变压器，作为固有地加强跨所有电容器的电压平衡的一种方式。在另一种方式中，高级控制技术用来控制负载电流，以管理来自电容器组的能量流。但是，这类技术是昂贵的，并且在功能上对多级逆变器的各种应用可能是不够的。
在共同受让的Permuy等人的US2012/0161858中，平衡接口耦合到多级功率转换器。平衡接口耦合到多个电容器和控制器。控制器控制平衡接口中的电感器的充电和放电，以平衡耦合到平衡接口的多个电容器中的电压。但是存在一些应用，其中Permuy的平衡接口不太适合。
因此，需要一种解决上述问题的改进系统。
发明内容
简言之，按照一个实施例，提供一种包括多级功率转换器的系统。该系统还包括多个DC链路电容器以及耦合到多级功率转换器的平衡电路。平衡电路还包括两组接口分支。每组包括多个接口分支，以及各接口分支包括多个开关元件。平衡电路还包括：电池，耦合到跨两组接口分支的一个或多个电感器；以及控制器，用于控制多个开关元件的切换操作，以用于修改电源的电池，以便平衡多个DC链路电容器的电压。
在另一个实施例中，提供一种用于平衡多级功率转换器中的电压的方法。该方法包括：确定耦合到多级功率转换器的多个DC链路电容器的电压；计算多个DC链路电容器的平衡电压条件；切换至少一个开关元件以使用来自具有高于所计算的平衡电压条件的相应单独电压的DC链路电容器的至少一个的电压对电池充电；以及切换至少一个开关元件以对电池放电，并且增加具有低于所计算的平衡电压条件的相应单独电压的DC链路电容器的至少一个的电压。
在又一个实施例中，提供一种功率传递系统。该系统还包括多个DC链路电容器以及耦合到多级功率转换器的平衡电路。平衡电路还包括两组接口分支。每组包括多个接口分支，以及各接口分支包括多个开关元件。平衡电路还包括：电池，耦合到跨两组接口分支的一个或多个电感器；以及控制器，用于控制多个开关元件的切换操作，以用于把来自电池的功率传递给多级功率转换器，以便操作耦合到多级功率转换器的负载。
技术方案1：一种系统，包括：
多级功率转换器；
多个DC链路电容器，耦合到所述多级功率转换器
平衡电路，包括：
两组接口分支，每组接口分支包括多个接口分支，所述接口分支包括多个开关元件；
电池，耦合到跨所述两组接口分支的一个或多个电感器；以及
控制器，用于控制所述多个开关元件的切换操作，以用于修改所述电池的电压，以平衡所述多个DC链路电容器的电压。
技术方案2：如技术方案1所述的系统，其中，所述多个DC链路电容器包括高于一千伏的均方根额定电压。
技术方案3：如技术方案1所述的系统，其中，所述电池具有低于一千伏的均方根额定电压。
技术方案4：如技术方案1所述的系统，其中，所述一个或多个电感器对称地耦合到所述两组接口分支，并且配置成使共模电流为最小。
技术方案5：如技术方案1所述的系统，其中，所述多个开关元件包括多个正向偏压开关元件、多个反向偏压开关元件或者其组合，以准许所述平衡电路中的能量的双向流动。
技术方案6：如技术方案1所述的系统，其中，所述多个开关元件在各接口分支中相互串联耦合。
技术方案7：如技术方案1所述的系统，其中，所述两组接口分支包括对应的相同接口分支。
技术方案8：如技术方案1所述的系统，其中，所述两组接口分支相互并联耦合。
技术方案9：如技术方案1所述的多级功率转换器，其中，所述多个开关元件包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
技术方案10：一种用于平衡多级功率转换器中的电压的方法，包括：
将耦合到所述多级功率转换器的多个DC链路电容器的电压用于计算所述多个DC链路电容器的平衡电压条件；
将至少一个开关元件切换成使用来自具有高于所述所计算的平衡电压条件的相应单独电压的所述DC链路电容器的至少一个的电压来对电池进行充电；以及
将所述至少一个开关元件切换成对所述电池进行放电，并且增加具有低于所述所计算的平衡电压条件的相应单独电压的所述DC链路电容器的至少一个的电压。
技术方案11：如技术方案10所述的方法，其中，计算所述平衡电压条件包括计算所述多个DC链路电容器的平均电压。
技术方案12：如技术方案10所述的方法，其中，对所述电池充电包括使用所述DC链路电容器的至少一个的电压来对至少一个电感器进行充电，并且把来自所述至少一个电感器的能量传送给所述电池。
技术方案13：如技术方案10所述的方法，其中，将所述至少一个开关元件切换成对所述电池进行放电包括通过对所述电池进行放电并且把来自至少一个电感器的能量传送给所述DC链路电容器的至少一个，来对所述至少一个电感器进行充电。
技术方案14：如技术方案10所述的方法，其中，所述电池包括低于一千伏的均方根额定电压或者低于电容器额定电压的电池额定电压。
技术方案15：如技术方案10所述的方法，其中，所述至少一个开关元件包括至少一个绝缘栅双极晶体管。
技术方案16：如技术方案10所述的方法，其中，切换所述至少一个开关元件包括提供用于电流在所述多个DC链路电容器与所述电池之间流动的通路。
技术方案17：一种功率传递系统，包括：
多级功率转换器；
多个DC链路电容器，耦合到所述多级功率转换器；
平衡电路，包括：
两组接口分支，每组接口分支包括多个接口分支，其中包括多个开关元件；
电池，耦合到跨所述两组接口分支的一个或多个电感器；以及
控制器，用于控制所述多个开关元件的切换操作，以用于把来自所述电池的功率传递给所述多级功率转换器，以便操作耦合到所述多级功率转换器的负载。
技术方案18：如技术方案17所述的功率转换器系统，其中，所述功率传递系统包括不间断电源系统。
技术方案19：如技术方案17所述的功率转换器，其中，所述多级功率转换器接收来自所述多个DC链路电容器或者所述电池的功率。
技术方案20：如技术方案19所述的功率转换器，其中，所述电池配置成在功率从所述多个DC链路电容器传递给所述多级功率转换器期间以及在所述多个DC链路电容器不能将功率传递给所述多级功率转换器时将电池功率传递给所述多级功率转换器期间，平衡所述多个DC链路电容器的电压。
附图说明
通过参照附图阅读以下详细描述，将会更好地了解本发明的这些及其它特征、方面和优点，附图中，相似标号在附图中通篇表示相似部件，附图包括：
图1是按照本发明的一实施例、包括多级功率转换器和平衡电路的系统的示意表示。
图2是示出按照本发明的一实施例、使用第一电容器的电池的充电的平衡电路的示意表示。
图3是示出按照本发明的一实施例、循环平衡电路中的电流的平衡电路的示意表示。
图4是示出按照本发明的一实施例的电池的放电和电感器的充电的平衡电路的示意表示。
图5是示出按照本发明的一实施例的电感器的放电和第二电感器的充电的平衡电路的示意表示。
图6是表示按照本发明的一实施例、用于平衡多级功率转换器中的电压的方法中涉及的步骤的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例包括用于平衡多级功率转换器中的电压的系统和方法。该系统包括多个DC链路电容器以及耦合到多级功率转换器的平衡电路。平衡电路还包括两组接口分支。每组包括多个接口分支，并且各接口分支包括多个开关元件。平衡电路还包括：电池，耦合到跨两组接口分支的一个或多个电感器；以及控制器，用于控制多个开关元件的切换操作，以用于修改电源的电池，以便平衡多个DC链路电容器的电压。
图1是按照本发明的一实施例、包括多级功率转换器110和平衡电路120的系统100的示意表示。多级功率转换器110用来将输入功率转换成输出功率。系统100还包括多个DC链路电容器130，其耦合到多级功率转换器110。在一个实施例中，多级功率转换器110可包括多级逆变器，并且将从DC链路电容器130所接收的DC功率转换成AC功率。在一具体实施例中，多个DC链路电容器可包括高于一千伏的均方根额定电压。DC链路电容器130相互串联耦合，以及DC链路电容器130的每个的正极端子和负极端子耦合到多级转换器110，以形成DC链路140。
系统100还包括平衡电路120，其耦合到DC链路140。平衡电路120包括两组接口分支150、160，其中每组150、160包括多个接口分支170。在一个实施例中，每组接口分支150、160包括相同数量的接口分支170。多个接口分支170的每个包括多个开关元件180，其用来控制系统100中的电流的流动。在图1的实施例中，开关元件180示为在两组150、160的各接口分支170中串联耦合。开关元件180包括例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)。在一个实施例中，第一组150的第一分支152中的开关元件180的数量等于第二组160的第一分支162中的开关元件180的数量。接口分支170的每个中的开关元件180可沿正向偏压方向或者反向偏压方向耦合。在一个具体示例中，第一组150的接口分支170的每个中的正向偏压开关元件182和反向偏压开关元件184的数量相对第二组160中的对应接口分支162是相同的。类似地，第一组150的接口分支152的每个中的正向偏压开关元件182和反向偏压开关元件184的定位可与第二组160的对应第一接口分支162中的正向偏压开关元件182和反向偏压开关元件184的定位是相同的。在一个实施例中，第一组150和第二组160中的对应接口分支相互并联耦合。
在一个实施例中，两组接口分支150、160耦合到电池190，其耦合到跨两组接口分支150、160的至少一个电感器200。在图1的具体实施例中，每组150、160耦合到电感器202、204的相应电感器，以提供对地的对称电位，以用于使共模电流为最小。在一个实施例中，两个电感器200可包括升压电感器。在另一个实施例中，耦合到线组150、160的电感器200的数量相等。上述Permuy等人的US2012/0161858描述具有单向电流的多个DC链路电容器的电压的平衡。相比之下，本文所公开的实施例实现平衡电路120中的双向电流，其进一步实现包括低于一千伏的均方根额定电压的电池190与包括高于一千伏的均方根额定电压的多个DC链路电容器130的耦合。在一个实施例中，系统100充当不间断电源系统，并且使用电池190作为能量存储装置。在这类实施例中，电池190在功率从多个DC链路电容器130传递给多级功率转换器110期间平衡多个DC链路电容器130的电压。此外，如果多个DC链路电容器130不能将功率传递给多级功率转换器110，则电池190可将电池功率提供给多级功率转换器110。电池190耦合在每组150、160的至少一个电感器200之间。在一具体实施例中，电池190可具有低于电容器额定电压的电池额定电压，以及电池190用来存储从多个DC链路电容器130所接收的过量能量，并且在需要时将附加能量提供给多个DC链路电容器130，以保持跨多个DC链路电容器130的电压的平衡。
系统100还包括控制器210，其耦合到两组接口分支150、160。控制器210控制多个开关元件180的切换操作，以用于修改电池190的电压，以平衡多个DC链路电容器130的电压。控制器210得到与耦合到多级功率转换器110的多个DC链路电容器130的电压有关的信息，并且计算多个DC链路电容器130的平衡电压条件。在一个实施例中，通过计算多个DC链路电容器130之间的平衡电压来计算平衡电压条件。随后，控制器210识别具有高于所计算的平衡电压条件的相应单独电压的高电位DC链路电容器132。控制器210切换耦合到高电位DC链路电容器132的相应接口分支170中的开关元件180的至少一个，使得来自高电位DC链路电容器132的电流流向电池190。
控制器210可识别具有高于所计算的平衡电压条件的相应单独电压的一个或多个高电位DC链路电容器132。在一个实施例中，控制器210切换相应接口分支170中的开关元件180，使得在任何时刻，电流仅从一个高电位DC链路电容器132流到电池190。在一更具体实施例中，控制器210按照下降方式对一个或多个高电位DC链路电容器132进行放电，开始于具有高于所计算的平衡电压条件的最高电压的高电位DC链路电容器。
控制器210还对电池190进行放电，并且提供使电流流到具有低于所计算的平衡电压条件的相应单独电压的低电位DC链路电容器134的至少一个的通路。控制器210切换耦合到至少一个低电位DC链路电容器134的相应接口分支170的至少一个开关元件，以提供使电流从电池190流到至少一个低电位DC链路电容器134的通路。类似地，控制器210可按照其相对平衡电压条件的相应单独电压对多个DC链路电容器130进行放电和充电。针对图2-5更详细地描述多个DC链路电容器130的放电和放电的方法。
图2是示出按照本发明的一实施例、使用第一DC链路电容器132的电池190的充电的平衡电路120的示意表示。控制器210计算平衡电压条件，并且识别具有高于平衡电压条件的电压的高电位DC链路电容器132。例如，假定控制器210将第一DC链路电容器识别为高电位DC链路电容器132，控制器210还将第一DC链路电容器132的电压与电池190的电压进行比较。如果电池190的电压低于第一DC链路电容器132的电压，则控制器210切换耦合到两组接口分支150、160中的第一DC链路电容器132的两个端子的接口分支170中的多个开关元件180。第一组150中并且耦合到第一DC链路电容器132的正极端子的接口分支170称作正极端子接口分支172，以及第二组160中并且耦合到第一DC链路电容器132的负极端子的接口分支170称作负极端子接口分支174。
正极端子接口分支172包括多个正向偏压开关元件182，以及负极端子接口分支174包括多个反向偏压开关元件184和多个正向偏压开关元件182。控制器210将正极端子接口分支172中的多个正向偏压开关元件182切换到“接通”状态。同时，控制器210还将负极端子接口分支174中的多个正向偏压开关元件182和多个反向偏压开关元件184切换到“接通”状态。下文中，“接通”状态可定义为开关元件180的导通状态，其中正向偏压开关元件182和反向偏压开关元件184均接通，并且电流能够沿两个方向流动，而“关断”状态可定义为一种状态，其中正向偏压开关元件182和反向偏压开关元件184均关断，使得电流将不会沿任一方向流动。此外，如果仅正向偏压开关元件182接通而反向偏压开关元件184关断，则开关元件180将允许电流仅沿正向偏压方向流动，而将阻塞任何反向电流。备选地，如果仅反向偏压开关元件184接通而正向偏压开关元件182关断，则开关元件180将允许电流仅沿反向流动，而将阻塞任何正向电流。由于第一DC链路电容器132的电压高于电池190的电压，所以电流经由通路220从第一DC链路电容器132流到电池190。
图3是示出按照本发明的一实施例、循环平衡电路120中的电流的平衡电路120的示意表示。电池190耦合在两个电感器200之间，以及来自第一DC链路电容器132的电流经过第一电感器202流到电池190。流到电池190的电流对第一电感器202充电。控制器210监测第一电感器202的充电状态，以及在第一电感器202达到充电状态的上阈限之后，控制器210将负极端子接口分支174中的正向偏压开关元件182切换到“关断”状态，以避免对第一电感器202的损坏。控制器210通过切换负极端子接口分支174的正向偏压开关元件182允许第一电感器202中的电流流经负荷端子接口分支174上方的第一接口分支162。第一电感器202中的电流经过第一接口分支162的二极管和正极端子接口分支172的开关元件182进行循环，直到第一电感器202中的电流达到下阈限。在针对第一DC链路电容器132的放电的上述示例中，电流经过第一电感器202的循环通过循环通路230示出。控制器210重复进行上述切换过程，直到第一DC链路电容器132中的电压达到平衡电压条件或者直到对电池进行充电。
图4是示出按照本发明的一实施例的电池190的放电和DC链路电容器134的充电的平衡电路120的示意表示。继续将第一DC链路电容器132放电到平衡电压条件的图2所述示例，假定低电位DC链路电容器134是第二DC链路电容器134，其包括低于平衡电压条件的电压。如上所述，控制器210对第一DC链路电容器132进行放电，并且对电池190进行充电。控制器210还确定第二DC链路电容器134包括小于平衡电压条件的电压，并且使用电池190来对第二DC链路电容器134进行充电。控制器210通过将第二DC链路电容器134的第二正极端子接口分支176中的正向偏压开关元件182和反向偏压开关元件184切换到“接通”状态，来短接电池190。电流从电池190流动，以对电感器200充电。控制器210监测电感器200的充电状态，并且确定电感器200是否已经达到充电状态的上阈值。电流从电池190流到电感器200通过通路240示出。
图5是示出按照本发明的一实施例的电感器200的放电和第二DC链路电容器134的充电的平衡电路120的示意表示。在达到电感器200的充电状态的上阈值时，控制器210将第二负极端子接口分支178中的开关元件180切换到“接通”状态。来自电感器200的电流经由通路250流到第二DC链路电容器134，以对第二DC链路电容器134充电。控制器210重复进行上述过程，直到第二DC链路电容器134达到平衡电压条件或者电池达到末期充电状态。类似地，控制器210可切换两组150、160中的任何接口分支170的开关元件180，以便对耦合到多级功率转换器110的多个DC链路电容器130的任一个进行充电或放电。
图6是表示按照本发明的一实施例、用于平衡多级功率转换器中的电压的方法中涉及的步骤的流程图。该方法包括在步骤310确定耦合到多级功率转换器的多个DC链路电容器的电压。随后，在步骤320对多个DC链路电容器来计算平衡电压条件。在一个实施例中，计算多个DC链路电容器的平均电压，以计算平衡电压条件。在步骤330，至少一个开关元件切换成使用来自具有高于所计算的平衡电压条件的相应单独电压的电容器的至少一个的电压来对电池进行充电。在一个实施例中，至少一个电感器使用电容器的至少一个的电压来充电，并且能量从至少一个电感器传送给电池。在一更具体实施例中，至少一个开关元件包括绝缘栅双极晶体管开关。此外，在步骤340，至少一个开关元件切换成对电池进行放电，并且增加具有低于所计算的平衡电压条件的相应单独电压的DC链路电容器的至少一个的电压。在一具体实施例中，至少一个开关元件切换成提供使电流在多个DC链路电容器与电池之间流动的通路。在一个实施例中，至少一个电感器通过对电池进行放电来充电，以及能量从至少一个电感器传送给DC链路电容器的至少一个。
要理解，技术人员将会知道来自不同实施例的各种特征的可互换性，并且所述的各种特征以及各特征的其它已知等效体可由本领域的技术人员来混合和匹配，以便按照本公开的原理来构成其它系统和技术。因此要理解，所附权利要求书预计涵盖落入本发明的真实精神之内的所有这类修改和变更。
虽然本文仅说明和描述了本发明的某些特征，但本领域的技术人员将会想到多种修改和变更。因此要理解，所附权利要求书预计涵盖落入本发明的真实精神之内的所有这类修改和变更。

Claims (10)

1. 一种系统，包括：
多级功率转换器；
多个DC链路电容器，耦合到所述多级功率转换器
平衡电路，包括：
两组接口分支，每组接口分支包括多个接口分支，所述接口分支包括多个开关元件；
电池，耦合到跨所述两组接口分支的一个或多个电感器；以及
控制器，用于控制所述多个开关元件的切换操作，以用于修改所述电池的电压，以平衡所述多个DC链路电容器的电压。
2. 如权利要求1所述的系统，其中，所述多个DC链路电容器包括高于一千伏的均方根额定电压。
3. 如权利要求1所述的系统，其中，所述电池具有低于一千伏的均方根额定电压。
4. 如权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个电感器对称地耦合到所述两组接口分支，并且配置成使共模电流为最小。
5. 如权利要求1所述的系统，其中，所述多个开关元件包括多个正向偏压开关元件、多个反向偏压开关元件或者其组合，以准许所述平衡电路中的能量的双向流动。
6. 如权利要求1所述的系统，其中，所述多个开关元件在各接口分支中相互串联耦合。
7. 如权利要求1所述的系统，其中，所述两组接口分支包括对应的相同接口分支。
8. 如权利要求1所述的系统，其中，所述两组接口分支相互并联耦合。
9. 如权利要求1所述的多级功率转换器，其中，所述多个开关元件包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
10. 一种用于平衡多级功率转换器中的电压的方法，包括：
将耦合到所述多级功率转换器的多个DC链路电容器的电压用于计算所述多个DC链路电容器的平衡电压条件；
将至少一个开关元件切换成使用来自具有高于所述所计算的平衡电压条件的相应单独电压的所述DC链路电容器的至少一个的电压来对电池进行充电；以及
将所述至少一个开关元件切换成对所述电池进行放电，并且增加具有低于所述所计算的平衡电压条件的相应单独电压的所述DC链路电容器的至少一个的电压。
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