CN106059354B - 多级逆变器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开涉及在不增加任何独立模块的情形下能够执行旁路操作的多级逆变器。所述多级逆变器包括彼此串联耦接的第一电容器和第二电容器、用于通过使用在第一电容器和第二电容器中进行充电的电压来生成多级输出电压的多个开关和分别并联耦接至多个开关的多个二极管、用于输出输出电压的第一输出端和第二输出端、以及控制器，用于根据预定旁路模式中的一个将多个开关中的每个开关的状态切换至连通或断开状态从而使通过第一输出端和第二输出端的输出电压的输出中断。
Description
技术领域
本发明涉及多级逆变器，更具体而言，涉及一种在增加任何独立模块的情形下能够执行旁路操作的多级逆变器。
背景技术
中压逆变器是一种具有输入功率的逆变器，其均方根(RMS)值对于线间电压而言超过600V。中压逆变器的额定功率容量的范围从几百千瓦至几万千瓦之间。多种中压逆变器被广泛用在包括风扇、泵及压缩机的应用领域中。在这些中压逆变器中，级联多级逆变器被频繁使用，其会生成具有三级或多级的输出相电压。从级联多级逆变器生成的输出相电压的级的大小和数量根据组成级联多级逆变器的单元电芯的数量来确定。
通过使多个单元电芯串联耦接来形成级联多级逆变器的每一相，并且通过增加构成逆变器的每一相的单元电芯的输出电压来确定逆变器的三相输出电压。如果被包含在多级逆变器中的多个单元电芯中的一个单元电芯是异常的，则逆变器可以执行以输出被减少的状态而执行的旁路操作。在旁路操作中，通过旁路开关，使单元电芯的输出端短路来不使用异常单元电芯，并且仅使用其他正常单元电芯，从而执行逆变器的正常操作。
然而，在不具有用于控制针对每个单元电芯的旁路操作的旁路开关的逆变器中，直流链电压由于用在异常单元电芯中的电力开关的反并联的二极管的整流而增加。
发明内容
本发明一方面提供了一种在不增加用于控制针对每个单元电芯的旁路操作的任何旁路开关的情形下能够执行旁路操作的多级逆变器。
本发明的另一方面提供了一种能够根据被包含在单元电芯中的多个开关中的异常开关的种类来执行独立旁路操作的多级逆变器。
本发明不限于上述方面并且本发明的其他方面通过以下描述可以被本领域技术人员清晰地理解。
根据本发明的一个方面，多级逆变器包括彼此串联耦接的第一电容器和第二电容器、用于通过使用在第一电容器和第二电容器中充电的电压来生成多级输出电压的多个开关和分别并联耦接至多个开关的多个二极管、用于输出输出电压的第一输出端和第二输出端、以及用于根据预定旁路模式中的一个将多个开关中的每个开关的状态切换至连通或断开状态从而通过第一输出端和第二输出端使输出电压的输出中断的控制器。
附图说明
图1是级联多级逆变器的构造图。
图2是根据现有技术的单元电芯的构造图。
图3显示了用于控制被包含在单元电芯中以形成多级输出电压的多个二极管的控制信号的波形和对应所述波形的输出电压的大小。
图4是根据本发明实施例的单元电芯的构造图。
图5显示了根据本发明实施例的在第一旁路模式中的单元电芯的旁路操作。
图6显示了根据本发明实施例的在第二旁路模式中的单元电芯的旁路操作。
图7显示了根据本发明实施例的在第三旁路模式中的单元电芯的旁路操作。
图8为根据本发明实施例的示出了其中控制器控制单元电芯的过程的流程图。
具体实施方式
此后，参考说明书附图对本发明的实施例进行详细描述。应该理解的是，本发明并不限于以下实施例，并且这些实施例仅仅是被提供用于示例性目的。本发明的保护范围应该仅由其所附权利要求及其等同体来限定。在附图中，相同的参考数字贯穿多个附图指代相同或对应的部件。
图1是级联多级逆变器的构造图。
显示在图1中的级联多级逆变器101构造有两级的单元电芯a1、b1、c1、a2、b2和c2，但单元电芯的数量可以取决于系统需要而改变。单元电芯a1、b1、c1、a2、b2和c2中的每一个具有独立的单相逆变器结构。如图1所示，单元电芯a1、b1、c1、a2、b2和c2被串联耦接，从而获得高电压。
逆变器101例如通过三相电源105被供给三相交流电，其均方根(RMS)值对于线间电压而言超过600V。由三相电源105供给的三相交流电被输入至相移变压器103。变压器103使输入的三相交流电隔离，并且转换三相交流电的电压的相位和大小以匹配单元电芯a1、b1、c1、a2、b2和c2的需要。变压器103通过相移改善输入的三相交流电的总谐波失真(THD)。变压器103包括初级线圈10和具有不同相位的次级线圈11、12、13、14、15及16。
单元电芯a1、b1、c1、a2、b2和c2分别通过使用从变压器103输出的电压来输出电压。逆变器101在单元电芯a1、b1、c1、a2、b2和c2中增加对应于每一相的单元电芯的输出电压，从而输出待被输入至三相机器102的最终输出电压。此处，三相机器102可以为高压三相机器、比如感应式电机或同步机。
构造为如图1所示的逆变器101输出三个相位的输出电压、即相位a、b和c。例如，相位a的输出电压是通过增加串联耦接的单元电芯a1和a2的输出电压而得到的电压。相位b的输出电压是通过增加串联耦接的单元电芯b1和b2的输出电压而得到的电压。相位c的输出电压是通过增加串联耦接的单元电芯c1和c2的输出电压而得到的电压。
从逆变器101输出的三个相位的输出电压具有相同的大小但具有120度的相位差。因此，构成逆变器101的单元电芯的数量发生变化，并且单元电芯被不同地控制，因此可以改善施加至机器102的输出电压的电压变化dv/dt和THD。
图2是根据现有技术的、被包含在显示在图1中的逆变器101的单元电芯a1、b1、c1、a2、b2和c2中的单元电芯的构造图。
参考图2，单元电芯包括整流器201、平滑器202以及输出电压生成器203。
整流器201构造为具有如图2所示的六个二极管。整流器201接收从图1所示的变压器103输出的三相电，并且将输入的三相电整流为直流电。
由整流器201整流的直流电被传递到两个电容器、即彼此串联耦接的第一电容器C1和第二电容器C2。第一电容器C1和第二电容器C2具有相同的电容。因此，利用具有相同大小的电压Vdc对第一电容器C1和第二电容器C2进行充电。
输出电压生成器203包括多个二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8。组成输出电压生成器203的二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8被分别并联耦接至对应的开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8。控制器205输出控制信号以将开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8中的每一个开关的状态切换至连通或断开状态。此处，开关的状态被切换至连通状态意味着开关被闭合，并且开关的状态被切换至断开状态意味着开关被打开。控制器205通过控制信号来控制开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8中的每一个的连通操作或断开操作，从而生成多级输出电压。控制器205通过第一输出端U和第二输出端V输出生成的输出电压。
如方程1所示，通过图2的第一输出端U和第二输出端V输出的单元电芯的输出电压VUV由第一输出端U的极电压VU和第二输出端V的极电压VV来确定。
方程1
VUV＝VU-VV
此处，如表1所示，第一输出端U的极电压VU和第二输出端V的极电压VV由被控制器205进行切换的开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8的互补的连通/断开状态来确定。
图3显示了用于控制被包含在单元电芯中的多个二极管以形成多级输出电压的控制信号的波形和对应所述波形的输出电压的大小。通过使用同相位排列(In-phasedisposition，IPD)调制技术得到显示在图3中的控制信号的波形。
参考图3，相对单元电芯的两极的指令电压Vm1和Vm2具有相同的频率和大小但具有180度的相位差。此外，相对单元电芯的两极的载波Vcr1和Vcr2具有相同的频率和大小但具有不同的偏置值。
当如图3显示的生成指令电压和载波时，控制器205在载波Vcr1和指令电压Vm1及Vm2的交叉点处生成用于开关S1和S5以及开关S3和S7的控制信号，并且在载波Vcr2和指令电压Vm1及Vm2的交叉点处生成用于开关S2和S6以及开关S4和S8的控制信号。
根据控制信号的生成，图2的单元电芯可以通过使用具有如表1所示的三级、Vdc、0和-Vdc的极电压来生成具有如在图3底部端显示的五级2Vdc、Vdc、0、-Vdc和-2Vdc的输出电压VUV。
同时，当由于单元电芯的异常引起来自于图2的单元电芯的正常电压不可能输出时，来自于单元电芯的电压的输出通过图2中显示的旁路开关204被常规地中断了。也就是说，如果单元电芯是异常的，则控制器205向旁路开关204施加旁路信号。因此，旁路开关204使第一输出端U和第二输出端V短路，使得单元电芯的输出电压变为0V。来自于单元电芯的电压的输出被旁路开关204的上述操作所中断。分别与被旁路的单元电芯的二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8对应的开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8被断开以防止臂短路。
根据现有技术的逆变器设置有用于每个单元电芯的旁路开关以当单元电芯异常时中断来自于单元电芯的电压的输出。然而，当旁路开关设置为用于每个单元电芯时，由于构造有诸如磁性导体(MC)的元件的旁路开关的布置而引起单元电芯的增加。因此，当布置在单元电芯中的旁路开关的数量增加时，逆变器的制造成本增加。
本发明构想解决这种问题，并且涉及在不使用显示在图2中的旁路开关的情形下当单元电芯异常时能够执行旁路操作的一种多级逆变器。
图4是根据本发明实施例的单元电芯的构造图。为了参考，根据本发明的实施例的单元电芯可以包括显示在图2中的整流器201。然而，为了说明方便，整流器的构造在图4中被省略了。
参考图4，根据本发明实施例的单元电芯包括第一电容器C1、第二电容器C2、第一二极管至第八二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8、第一开关至第二开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8，以及控制器401。
在图4中，第一开关S1和第二开关S2布置在第一输出端U和第一电容器及第二电容器C2的连接点41之间。第一开关S1和第二开关S2彼此串联耦接。
第三开关S3和第四开关S4布置在第二输出端V和第一电容器C1及第二电容器C2的连接点42之间。第三开关S3和第四开关S4彼此串联耦接。
第五开关S5和第六开关S6与第一电容器C1和第二电容器C2并联耦接。第五开关S5和第六开关S6彼此串联耦接。
第七开关S7和第八开关S8与第一电容器C1和第二电容器C2并联耦接。第七开关S7和第八开关S8彼此串联耦接。
如图4所示，第五开关S5和第七开关S7耦接至直流链电压电容器(第一电容器C1)的正极(+)，以及第六开关S6和第八开关S8耦接至直流链电压电容器(第二电容器C2)的负极(-)。
在图4示出的单元电芯中，第一电容器C1、第二电容器C2、第一二极管至第八二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8、第一开关至第二开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8的功能、以及生成与控制器401的控制信号对应的输出电压的过程与在传统单元电芯中的那些是相同的。然而，不同于图2中示出的传统单元电芯，根据本发明的实施例的单元电芯并未设置有旁路开关，如图4所示。
在本发明的实施例中，根据预定旁路模式中的一个，控制器40将分别与第一二极管至第八二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8并联耦接的第一开关至第八开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8的状态切换至连通或断开状态，使得可以通过第一输出端U和第二输出端V使输出电压的输出中断。
此后，参考图5至图7对根据本发明的实施例的第一旁路模式至第三旁路模式进行描述。
图5显示了根据本发明实施例的在第一旁路模式中的单元电芯的旁路操作。
在根据本发明的实施例的第一旁路模式中，如图5所示的控制器401仅将对应于第五二极管D5的第五开关S5和对应于第七二极管D7的第七开关D7的状态切换为连通状态，并且将分别对应于其他二极管D1至D4、D6和D8的开关S1至S4、S6和S8的状态切换为断开状态。相应地，当电流的方向为正(+)方向时，电流在由箭头(实线)指示的方向上流动，以及当电流的方向为负(-)方向时，电流在由箭头(虚线)指示的方向上流动，从而使来自于单元电芯的电压的输出中断。当第五二极管D5、第七二极管D7、第五开关S5以及第七开关S7被正常操作时，可以执行第一旁路模式。
图6显示了根据本发明实施例的在第二旁路模式中的单元电芯的旁路操作。
在根据本发明的实施例的第二旁路模式中，如图6所示，控制器401仅将分别对应于第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4的第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、和第四开关S4的状态切换至连通状态，并且将分别对应于其他二极管D5至D8的开关S5至S8的状态切换至断开状态。因此，当电流的方向为正(+)方向时，电流在由箭头(实线)指示的方向上流动，以及当电流的方向为负(-)方向时，电流在由箭头(虚线)指示的方向上流动，从而使来自于单元电芯的电压的输出中断。当第一二极管D、第二二极管D2、、第三二极管D3、第四二极管D4、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4被正常操作时，可以执行第二旁路模式。
图7显示了根据本发明实施例的在第三旁路模式中的单元电芯的旁路操作。
在根据本发明的实施例的第三旁路模式中，如图6所示，控制器401仅将对应于第六二极管D6的第六开关S6和对应于第八二极管D8的第八开关S8的状态切换至连通状态，并且将分别对应于其他二极管D1至D5和D7的开关S1至S5和S7的状态切换至断开状态。因此，当电流的方向为正(+)方向时，电流在由箭头(实线)指示的方向上流动，以及当电流的方向为负(-)方向时，电流在由箭头(虚线)指示的方向上流动，从而使来自于单元电芯的电压的输出中断。当第六二极管D6、第八二极管D8、第六开关S6和第八开关S8被正常操作时，可以执行第三旁路模式。
在本发明的实施例中，控制器401可以检测第一二极管至第八二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8以及第一开关至第八开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8中的至少一个是否是异常的。如果检测到第一二极管至第八二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8以及第一开关至第八开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8中的至少一个是异常的，则控制器401根据异常二极管或开关的种类来确定出待被施加至单元电芯的旁路模式。随后，控制器401根据被确定出的旁路模式将预定开关的状态切换至连通状态并且其他开关的状态切换至断开状态，以使得通过第一输出端U和第二输出端V的输出电压的大小变为0V。
在本发明的实施例中，当第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、和第四开关S4中的至少一个是异常时，控制器401根据第一旁路模式或第三旁路模式将预定开关的状态切换至连通状态，从而使通过第一输出端U和第二输出端V的电压的输出中断。
在本发明的实施例中，当第五二极管D5、第七二极管D7、第五开关S5和第七开关S7中的至少一个是异常时，控制器401根据第二旁路模式或第三旁路模式将预定开关的状态切换至连通状态，从而使通过第一输出端U和第二输出端V的电压的输出中断。
在本发明的实施例中，当第六二极管D6、第八二极管D8、第六开关S6和第八开关S8中的至少一个是异常时，控制器401根据第一旁路模式或第二旁路模式将预定开关的状态切换至连通状态，从而通过第一输出端U和第二输出端V使电压的输出中断。
图8为示出了根据本发明实施例的在其中控制器控制单元电芯的过程的流程图。
参考图8，控制器401首先检测被包含在逆变器的单元电芯中的多个二极管或对应相应二极管的多个开关是否是异常的(802)。如果确定出多个二极管或对应相应二极管的多个开关中的至少一个是异常的，则控制器401根据异常二极管或开关的类型来确定待被施加至单元电芯的旁路模式(804)。
当除了第五二极管D5和第七二极管D7之外的其他二极管D1至D4、D6和D8以及除了第五开关S5和第七开关S7之外的其他开关S1至S4、S6和S8中的至少一个是异常时，控制器根据第一旁路模式使来自于单元电芯的电压的输出中断(806)。
当除了第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4之外的其他二极管D5至D8以及除了第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4之外的其他开关S5至S8中的至少一个是异常时，控制器根据第二旁路模式使来自于单元电芯的电压的输出中断(808)。
当除了第六二极管D6、第八二极管D8之外的其他二极管D1至D5和D7以及除了第六开关S6和第八开关S8之外的其他开关S1至S5和S7中的至少一个是异常时，控制器根据第三旁路模式使来自于单元电芯的电压的输出中断(810)。
相应地，在本申请中，当被包含在多级逆变器中的开关或二极管中的一个是异常时，多级逆变器根据第一旁路模式至第三旁路模式中的一个来执行旁路操作，从而防止单元电芯的损坏。
如上所述，根据本发明的逆变器可以在不增加用于针对每个单元电芯来控制旁路操作的任何旁路开关的情形下执行旁路操作。
此外，根据本发明的多级逆变器可以根据被包含在单元电芯的多个开关中的异常开关的类型来执行单独的旁路操作。
虽然结合优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员应该理解的是，在不背离由所述权利要求限定的本发明的精神和范围的情形下可以对其作出多种修改和变化。
Claims (4)
1.一种包括多个T型三级单元电芯的多级逆变器，所述T型三级单元电芯包括：
彼此串联耦接的第一电容器和第二电容器；
用于通过使用在第一电容器和第二电容器中充电的电压来生成多级输出电压的多个开关、和分别并联耦接至多个开关的多个二极管；
用于输出输出电压的第一输出端和第二输出端；
以及控制器，用于将多个开关中的每个开关的状态切换至连通状态或断开状态，
所述多个开关包括：
位于第一输出端和第一电容器及第二电容器的连接点之间的、且串联耦接的第一开关和第二开关；
位于第二输出端和第一电容器及第二电容器的连接点之间的、且串联耦接的第三开关和第四开关；
与第一电容器和第二电容器并联耦接的第五开关和第六开关，其中所述第五开关和第六开关彼此串联耦接，以及
与第一电容器和第二电容器并联耦接的第七开关和第八开关，其中所述第七开关和第八开关串联耦接，
其中
所述控制器根据异常二极管或开关的种类来确定要施加的旁路模式，
所述控制器根据确定出的旁路模式将多个开关中的每个开关的状态切换至连通状态或断开状态，从而使通过第一输出端和第二输出端的输出电压的输出中断，并且
所述旁路模式包括：
第一旁路模式，在其中，所述控制器仅将第五开关和第七开关的状态切换至连通状态，并且将其他开关的状态切换至断开状态；
第二旁路模式，在其中，所述控制器将第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的状态切换至连通状态，并且将其他开关的状态切换至断开状态；以及
第三旁路模式，在其中，所述控制器仅将第六开关和第八开关的状态切换至连通状态，并且将其他开关的状态切换至断开状态。
2.根据权利要求1所述的多级逆变器，其中，当第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一开关、第二开关、第三开关和第四开关中的至少一个是异常时，所述控制器根据所述第一旁路模式或第三旁路模式使输出电压的输出中断。
3.根据权利要求1所述的多级逆变器，其中，当第五二极管、第七二极管、第五开关和第七开关中的至少一个是异常时，所述控制器根据所述第二旁路模式或第三旁路模式使输出电压的输出中断。
4.根据权利要求1所述的多级逆变器，其中，当第六二极管、第八二极管、第六开关和第八开关中的至少一个是异常时，所述控制器根据所述第一旁路模式或第二旁路模式使输出电压的输出中断。
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