CN104638963B - 用于使逆变器的环流或共模电压最小化的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于使逆变器的环流或共模电压最小化的方法和设备。所述方法和设备实现了用于使并联连接的逆变器的环流最小化的方法。该方法包括：针对至少一个并联连接的逆变器，测量逆变器的共模电压，并且基于共模电压来控制开关周期的周期长度。

Description

用于使逆变器的环流或共模电压最小化的方法和设备

技术领域

本发明涉及并联连接的逆变器，尤其涉及使并联连接的逆变器中的环流最小化。

背景技术

特别在高功率应用中，逆变器的并联连接可能是实现的最具成本效益的方式。例如，可以布置多个并联连接的逆变器以同步地供给公共负载或电网。

即使由并联连接的逆变器产生的输出电压处于同步，也会出现环流。逆变器通过将其逆变桥中的开关控制成不同的操作状态即导通状态或非导通状态来生成输出电压。逆变器中的调制器控制操作状态以形成开关模式。通过在调制器的开关周期期间控制开关模式的占空比，可以产生期望的输出电压。

并联连接的逆变器的每个调制器可以基于局部生成的开关频率形成开关模式。调制器的开关频率可能互相不同或者互相之间有相移，这可能导致由调制器生成的开关模式之间的相移。因此，并联连接的逆变器中的对应的开关可能处于不同的操作状态。结果，会出现用于通过在不同操作状态下的开关的环流的路径。环流在这样的路径上流动可能引起对于逆变器和输出滤波器的不期望的应变。

例如，由调制器之间的相移所引起的环流可能出现在其直流(DC)链路结合在一起的并联连接的逆变器中。图1a示出了示例性布置，其中两个逆变器11并行连接并且共享直流链路12。逆变器11通过输出滤波器14供给负载13。例如，输出滤波器可以是LCL滤波器。直流链路12通过逆变器11和输出滤波器14完成环流的路径。

环流也可以出现在其中每个逆变器包括直流链路的应用中。例如，在太阳能公园里，并联连接的逆变器可以是分开的单元，这些单元用于形成转换所产生的电能。这些单元可以都具有自己的输出滤波器并且它们可以被定位为彼此长距离远离。

图1b示出了其中四个并联连接的太阳能逆变器15供给中压变压器16的布置。太阳能逆变器11的直流链路没有直接地互相连接。然而，直流链路可以通过由太阳能板及其接地框架形成的接地电容来互相耦接。这样，板之间的接地可以完成用于环流的路径。

可以通过使用在并联连接的逆变器之间的用于同步逆变器的通信链路来限制环流。也可以通过使用共模电流滤波器来限制环流。然而，通信链路或者电流滤波所需要的附加部件可能是昂贵的和/或体积庞大的。

芬兰专利FI116649和FI116105描述了基于测量环流并且然后基于电流测量来同步并联连接的逆变器的方法。然而，这些方法可能需要附加的电流传感器。

发明内容

本发明的目的是提供用于实现为了减少上述缺点的方法的一种方法和设备。通过由在独立权利要求中阐述的内容表征的方法和设备来实现本发明的目的。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。

在所公开的方法中，通过同步逆变器的逆变桥的调制来使并联连接的逆变器的环流最小化。可以通过测量逆变器的共模电压来同步逆变器。取决于测量共模电压的位置，可以通过将逆变器的共模电压控制成最小或最大来同步逆变器。为了实现控制目标即最小共模电压或最大共模电压，可以基于所测量的共模电压来控制并联连接的逆变器的开关模式的长度。例如，为了使共模电压最小化，可以给调制信号增加延迟从而实现同步。

通过基于共模电压来控制开关频率，可以在不进行电流测量或者在彼此之间不进行通信的情况下同步逆变器。

附图说明

在下文中，将借助于参照附图的优选实施例来更详细地描述本发明，在附图中：

图1a示出了并联连接的逆变器的示例性布置；

图1b示出了其中四个并联连接的太阳能逆变器15供给中压变压器16的布置；

图2示出了针对并联连接的逆变器的布置的在逆变器上的一些示例性测量点；以及

图3a至图3d示出了并联连接的逆变器的布置的示例性模拟波形。

具体实施方式

本公开公开了一种用于使并联连接的逆变器的环流最小化的方法。例如，并联连接的逆变器可以共享公共的直流链路或者并联连接的逆变器可以有它们自己的直流链路。逆变器可以驱动公共负载。

逆变器的调制器可以生成用于输出电压的开关模式。通过在调制器的开关周期期间控制开关模式的占空比，可以产生期望的输出电压。

除期望的输出电压之外，开关模式还可以生成共模电压。在并联连接的逆变器的情况下，可以认为环流是由共模电压的不同引起的。因此，并联连接的逆变器可以被配置成通过设法生成相同的共模电压来使环流最小化。

然而，如果并联连接的逆变器的调制器没有同步地生成开关模式，则所生成的开关模式可能随时互相不同，从而以调制器的开关频率引起共模电压。

可以测量共模电压，并且可以基于共模电压来控制环流。可以通过以开关周期的占空比保持不受影响的方式改变并联连接的逆变器的开关周期的长度来控制环流。

通过控制并联连接的逆变器的调制器的周期长度，可以同步调制器。

例如，可以通过给开关周期增加延迟来改变周期长度。可替选地，可以通过调整开关频率来改变开关周期的长度。通过使用较低的开关频率，可以增大开关周期的长度，以及通过使用较高的开关频率，可以减小开关周期的长度。

因此，所公开的方法可以包括：针对至少一个并联连接的逆变器，测量逆变器的共模电压，并且基于共模电压来控制开关周期的长度。

取决于实施例，可以在逆变桥的直流侧或交流侧测量共模电压。在本文中，直流侧即直流链路侧，指的是逆变器的在电源与逆变桥之间的部分。交流(AC)侧即电网侧，指的是逆变器的在逆变器的输出滤波器和逆变桥的电网侧的部分。可以关于逆变器的框架的接地电压电势来进行测量。即使逆变器自身没有结合到框架的接地电位，在逆变器与框架之间的寄生电容也可以形成可以用作为用于环流的路径的有限阻抗。

例如，逆变器自身也可以通过其直流链路或通过电网滤波器的星点接地。如果是在电网侧即交流侧接地，则可以在直流链路侧测量共模电压。如果是在直流链路侧接地，则可以在电网侧测量共模电压。

被配置成使并联连接的逆变器的布置的环流最小化的逆变器包括下述装置，所述装置被配置成测量逆变器的共模电压并且基于该共模电压来控制开关周期的周期长度。例如，逆变器可以包括电压传感器或用于测量共模电压的传感器。

图2示出了针对并联连接的逆变器的布置的在逆变器上的一些示例性测量点。在图2中，逆变器是两层的三相逆变器，该逆变器包括直流链路21、逆变桥22及电网滤波器23。图2中的电网滤波器23是LCL滤波器。逆变器供给三相电网24。

可以认为逆变桥22将逆变器分为两侧：直流链路侧和电网侧。在电网侧即交流侧，例如，可以在直流链路21的电极25或电极26上测量共模电压。在交流链路侧，例如，可以在电网滤波器23和电网24之间测量共模电压作为对地电平的相电压27的总和。

图3a至图3d示出了包括两个并联连接的逆变器的布置的示例性模拟波形。在模拟中，交流电网浮动。并联连接的逆变器的同步的调制器产生开关模式，该开关模式生成以调制器的开关频率交替的同步共模电压。同步共模电压驱动浮动的电网的共模电压。因此，所产生的电网的共模电压是逆变器的共模电压的平均数。

在图3a和图3b中，模拟的并联连接的逆变器的调制器为同相，并且环流为小。

图3a示出了在逆变桥的直流链路侧测量的共模电压。在图3a中，在直流侧测量的共模电压很小。在模拟中，在100ms时段期间直流侧的共模电压的RMS(均方根)值为29V。

然而，在电网侧，如图3b所示，共模电压是由同相调制器生成的共模电压的平均值，并且因此更高。在100ms时段期间交流侧的共模电压的RMS值为460V。

在图3c和图3d中，并联连接的逆变器的调制器为反相，并且环流为大。

图3c示出了直流链路侧的共模电压。在图3c中，直流侧的直流共模电压与图3a的同相情况相比更高。此刻，在100ms时段期间所模拟的直流侧的共模电压的RMS值为229V。

同时，在图3d中，电网侧的共模电压与图3b的同相情况相比更小。此刻，逆变器的共模电压为反相并且有效地互相抵消了。因此，逆变器的共模电压的平均值接近于零。然而，图3d还表明交流侧共模电压包含由调制器生成的第三谐波分量。此刻，在100ms时段期间所模拟的交流侧的共模电压的RMS值为254V。

所公开的方法的实现取决于共模电压的测量点。例如，在其中在直流侧测量共模电压的实施例中，控制开关周期的长度可以包括使共模电压的RMS值最小化。当直流侧的所测量的共模电压的RMS值最小时，并联连接的逆变器的调制器接近于同步或处于同步。因此，环流也是最小的。

可替选地，如果在交流侧测量共模电压，则控制开关周期的长度包括使所测量的共模电压的RMS值最大化。当逆变器的调制器同相操作时，由并联连接的逆变器看到的交流侧共模电压为最大。

可以用多种方式来实现控制开关周期的长度的控制器。

例如，可以通过第一参数的值来改变周期长度。周期长度的改变引起共模电压的RMS值的改变。例如，可以通过比较所测量的RMS值与预先测量的一个或更多个值来确定RMS值的改变。

然后，可以基于所确定的共模电压的RMS值的改变来计算针对第一参数的新值。针对第一参数的新值取决于RMS值的改变的方向。例如，如果所确定的RMS值电压的改变是向错误的方向，如在目标是使RMS共模电压最小化的情况下RMS共模电压增大，则可以将与之前值相反的值给予第一参数。此外，共模电压的改变的大小可以用于确定第一参数的新值的大小。

取决于测量共模电压的位置，并联连接的逆变器中的每个逆变器可以将它的所测量的共模电压的RMS值控制成最大或最小。

另一方法是测量在逆变器的直流侧或交流侧的瞬时共模电压，并且比较所测量的电压与逆变器的瞬时共模输出电压。可以基于上述比较来控制开关周期的长度。在图2中，逆变器的共模输出电压与在逆变桥22和电网滤波器23之间测量的相电压的总和对应。可以在不进行测量的情况下确定瞬时共模输出电压。例如，可以根据逆变桥中的开关的开关状态来计算瞬时共模输出电压。

例如，如果测量了直流侧共模电压，则可以基于所测量的直流侧共模电压与所计算的共模输出电压之间的交叠来控制开关周期的长度。通过使该交叠最小化，可以使直流侧共模电压最小化。

在测量了交流侧共模电压的情况下，控制目标可以为驱动所计算的共模输出电压以对应于所测量的交流侧共模电压。

在理想情况下，并联连接的逆变器都产生相同的共模电压。因此，在每个并联连接的逆变器中，所计算的共模电压与所测量的交流侧共模电压(其是由逆变器产生的交流侧共模电压的平均值)相同。结果，逆变器的直流侧共模电压为最小。

如果所计算的共模输出电压和所测量的交流侧共模电压不同，则这种差异可以用于控制开关周期的长度使差异最小化。例如，可以控制周期长度以使所确定的瞬时共模输出电压与所测量的交流侧共模电压之间的交叠最大化。

所公开的方法可以应用于并联连接的逆变器的各种各样的布置。例如，所公开的方法可以通过将调制频率的带宽与共模电压分离而用在具有有源整流桥和用于整流桥的不同调制频率的马达驱动以及逆变桥中。这样，可以分别控制有源整流桥的开关周期的长度和逆变桥的开关周期的长度。结果，可以与逆变桥分离地同步并联连接的逆变器的有源整流桥。

所公开的方法也可以用于在电网侧包括二极管整流桥的马达驱动系统。此外，所公开的方法可应用于具有公共直流侧的并联连接的逆变器。

此外，所公开的方法可以被配置为用于使包括有源整流桥的单个逆变器的直流侧共模电压最小化。本方法可以控制有源整流桥(或逆变桥)的开关周期的开关周期长度以同步有源整流桥的开关周期和逆变桥的开关周期。

因此，所公开的方法可以被配置为用于使包括逆变桥的至少一个逆变器的环流或共模电压最小化。本方法包括测量逆变器的共模电压。可以基于所测量的共模电压来控制逆变桥的开关周期的周期长度。可替选地，当逆变器包括有源整流桥时，可以基于所测量的共模电压来控制有源整流桥的开关周期的周期长度。

对于本领域普通技术人员来说明显的是，可以用各种方式实现本发明构思。本发明和本发明的实施例不限于上面描述的示例，而可以在权利要求的范围内变化。

Claims (15)

1.一种用于使逆变器的环流或共模电压最小化的方法，所述逆变器包括逆变桥，其中，所述逆变桥的调制包括在调制的开关周期期间控制开关模式的占空比，其中，所述方法包括：

测量所述逆变器的共模电压，

基于所测量的共模电压来控制所述逆变桥的开关周期的长度，或者，

如果所述逆变器包括有源整流桥，并且所述有源整流桥的调制包括在开关周期期间控制开关模式的占空比，则基于所测量的共模电压来控制所述有源整流桥的开关周期的长度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述逆变器还包括有源整流桥，并且其中，所述方法被配置为用于使共模电压最小化，以及所述方法包括：

控制所述有源整流桥的开关周期的长度或所述逆变桥的开关周期的长度，以同步所述有源整流桥的开关周期和所述逆变桥的开关周期。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法被配置为用于使并联连接的逆变器的环流最小化，以及所述方法包括：针对至少一个并联连接的逆变器，

控制所述逆变器的逆变桥的开关周期的长度，以同步所述并联连接的逆变器的逆变桥的开关周期。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法被配置为用于使包括有源整流桥的并联连接的逆变器的环流最小化，以及所述方法包括：针对至少一个并联连接的逆变器，

控制所述逆变器的有源整流桥的开关周期的长度，以同步所述并联连接的逆变器的有源整流桥的开关周期。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，在直流侧测量所述共模电压。

6.根据权利要求3所述的方法，其中，在交流侧测量所述共模电压。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，控制所述开关周期的长度包括：

使所述共模电压的RMS值最小化。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，控制所述开关周期的长度包括：

使所述共模电压的RMS值最大化。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，控制所述开关周期的长度包括：

通过第一参数的值改变所述开关周期的长度，

确定由所述开关周期的长度的改变引起的所述共模电压的改变，

基于所确定的共模电压的改变来确定针对所述第一参数的新值。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，控制所述开关周期的长度包括：

确定瞬时共模输出电压，

比较所确定的共模输出电压与所测量的共模电压，

基于所述比较来控制所述开关周期的长度。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，在直流侧测量所述共模电压，并且其中，控制所述开关周期的长度包括：

控制所述开关周期的长度，以使在所确定的瞬时共模输出电压与所测量的直流侧共模电压之间的交叠最小化。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，在交流侧测量所述共模电压，并且其中，控制所述开关周期的长度包括：

控制所述开关周期的长度，以使在所确定的瞬时共模输出电压与所测量的交流侧共模电压之间的交叠最大化。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，根据所述逆变桥中的开关的开关状态来确定所述共模电压。

14.一种逆变器，所述逆变器被配置为用于使所述逆变器的环流或共模电压最小化，其中，所述逆变器包括逆变桥，所述逆变器被配置为调制所述逆变桥使得开关模式的占空比在调制的开关周期期间被控制以及所述逆变器还包括如下装置，所述装置被配置为：

测量所述逆变器的共模电压，

基于所测量的共模电压来控制所述逆变桥的开关周期的长度，或者，

如果所述逆变器包括有源整流桥并且所述逆变器被配置为调制所述有源整流桥使得开关模式的占空比在调制的开关周期期间被控制，则基于所测量的共模电压来控制所述有源整流桥的开关周期的长度。

15.根据权利要求14所述的逆变器，其中，所述逆变器被配置为用于使包括并联连接的逆变器的布置的环流最小化，其中，所述逆变器包括如下装置，所述装置被配置为：

控制所述逆变器的逆变桥的开关周期的长度，以同步所述并联连接的逆变器的逆变桥的开关周期。