CN106341050A - 多电平变频器及多电平变频器的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种多电平变频器及其控制方法。该控制方法包括：提供一第一载波信号及一第二载波信号，所述第一载波信号与所述第二载波信号同相位且均包括同相层叠的N组载波信号，其中，N≥2；根据所述第一载波信号及一第一调制信号提供一第一控制信号至多电平整流电路；以及根据所述第二载波信号及一第二调制信号提供一第二控制信号至多电平逆变电路。本公开通过多电平整流电路和多电平逆变电路的共模电压部分抵消来减小变频器系统总的共模电压，进而可以降低变频器共模电压对电机和电网的不利影响，以及减小共模滤波器的成本和体积。
Description
技术领域
本公开涉及电子电力技术领域，尤其涉及一种多电平变频器的控制方法以及一种多电平变频器。
背景技术
在现代工业中，多电平变频器由于具有输出容量大、电压谐波含量少、适用于中高压大功率场合等优点而广泛应用于钢铁冶金、石油化工、轨道交通等工业场合。
但是，随着高压大功率变频器的广泛应用，同样也发现了一些问题。脉宽调制(PWM)调制技术提高了电力电子装置的性能，但也带来了共模电压的问题。脉宽调制技术会使变频器产生共模电压。较大的共模电压通过电机定子和转子间的电容耦合产生较大的电机轴承电流或对地电流，导致电机因轴承电流过大而影响电机的使用寿命，或对邻近电气设备构成电磁干扰，甚至造成接入电网点对地的电压升高而影响其它设备的正常运行。由于共模电压的危害较大，因此，如何抑制或消除共模电压一直是工业界所热切关注的问题。目前，共模电压抑制的方法大致分为以下几类：
1)在多电平变频器中加入隔离变压器，以阻断共模电流的回路，但是，在多电平变频器中采用隔离变压器会大幅提高系统成本、降低系统运行效率、增加系统的体积和重量。因此，采用隔离变压器并非是一种经济而又行之有效的办法。
2)采用脉宽调制技术对共模电压进行抑制或消除。该方法主要针对电压型逆变电路，主要思想是尽可能的采用共模电压小的矢量来合成目标电压矢量，从而达到减小甚至消除逆变输出共模电压的目标，但是，该方法也存在明显缺陷，通常需要提高变频器的开关频率，增加逆变电路线电压输出的谐波含量，降低直流母线电压的利用率等，因此，该类方法在实际产品中较少采用。
3)采用有源共模电压滤波器。有源共模电压滤波器可以产生与逆变电路输出电压幅值相等、相位相反的共模电压，通过共模变压器叠加到逆变电路输出中，从而有效消除电机两端的共模电压。虽然该方法理论上效果显著，但其造价高，控制复杂，难以得到实际应用。
4)采用无源共模电压滤波器。该方法在实际系统中得到了广泛的利用，但该方案需要增加的成本主要取决于系统的电压等级、容量及共模电压大小。
因此，为了降低变频器共模电压对电机和电网的不利影响，以及减小共模滤波器的成本和体积，研究如何有效抑制变频器的共模电压，对工业应用意义重大。
发明内容
针对现有技术中的部分或者全部问题，本公开提供一种简单有效实用的多电平变频器的控制方法以及多电平变频器，从而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或多个问题。
根据本公开实施例的第一方面，提供一种多电平变频器的控制方法，所述多电平变频器包括电性连接的多电平整流电路和多电平逆变电路；所述控制方法包括：
提供一第一载波信号及一第二载波信号，所述第一载波信号与所述第二载波信号同相位且均包括同相层叠的N组载波信号，其中，N≥2；
根据所述第一载波信号及一第一调制信号提供一第一控制信号至所述多电平整流电路；以及
根据所述第二载波信号及一第二调制信号提供一第二控制信号至所述多电平逆变电路。
本公开的一种示例性实施例中，所述提供一第一载波信号及一第二载波信号包括：
提供所述第一载波信号；以及
根据一表征所述第一载波信号相位的同步信号提供所述第二载波信号。
本公开的一种示例性实施例中，所述提供一第一载波信号及一第二载波信号包括：
提供所述第二载波信号；以及
根据一表征所述第二载波信号相位的同步信号提供所述第一载波信号。
本公开的一种示例性实施例中，所述提供一第一载波信号及一第二载波信号包括：
根据一同步信号提供所述第一载波信号；以及
根据所述同步信号提供所述第二载波信号。
本公开的一种示例性实施例中，所述第一载波信号与所述第二载波信号为同一载波信号。
本公开的一种示例性实施例中，所述多电平整流电路为三电平整流电路，所述多电平逆变电路为三电平逆变电路，所述N等于2；或者，所述多电平整流电路为五电平整流电路，所述多电平逆变电路为五电平逆变电路，所述N等于4；或者，所述多电平整流电路为七电平整流电路，所述多电平逆变电路为七电平逆变电路，所述N等于6。
本公开的一种示例性实施例中，所述多电平变频器包含一直流母线电性连接于所述多电平整流电路和所述多电平逆变电路，一母线电容单元连接于所述直流母线。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种多电平变频器，包括：
一多电平整流电路；
一多电平逆变电路，与所述多电平整流电路电性连接；以及，
一控制模块，所述控制模块提供一第一载波信号及一第二载波信号，根据所述第一载波信号及一第一调制信号提供一第一控制信号至所述多电平整流电路，以及，根据所述第二载波信号及一第二调制信号提供一第二控制信号至所述多电平逆变电路；所述第一载波信号与所述第二载波信号同相且均包括同相层叠的N组载波信号，其中，N≥2。
本公开的一种示例性实施例中，所述控制模块包括：
一第一控制单元，提供所述第一调制信号；
一第二控制单元，提供所述第二调制信号；
一第一处理单元，提供所述第一载波信号，并根据所述第一调制信号及所述第一载波信号生成所述第一控制信号；以及
一第二处理单元，提供所述第二载波信号，并根据所述第二调制信号及所述第二载波信号生成所述第二控制信号。
本公开的一种示例性实施例中，所述第一处理单元提供一表征所述第一载波信号相位的同步信号至所述第二处理单元；
所述第二处理单元根据所述同步信号提供所述第二载波信号。
本公开的一种示例性实施例中，所述第二处理单元提供一表征所述第二载波信号相位的同步信号至所述第一处理单元；
所述第一处理单元根据所述同步信号提供所述第一载波信号。
本公开的一种示例性实施例中，所述控制模块包括：
一同步单元，所述同步单元电性连接于所述第一处理单元及所述第二处理单元，用以同步所述第一载波信号与所述第二载波信号的相位。
本公开的一种示例性实施例中，所述多电平变频器包含一直流母线电性连接于所述多电平整流电路和所述多电平逆变电路，一母线电容单元连接于所述直流母线。
本公开的一种示例性实施例中，所述多电平整流电路与所述多电平逆变电路为对称电路或为非对称电路。
本公开的一种示例性实施例中，所述多电平整流电路及/或所述多电平逆变电路包括至少一多电平桥臂；所述多电平桥臂包括：
同向依次串联的第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件及第四开关元件形成的第一串联支路，其中，所述第一串联支路的第一端与一第一节点耦接，所述第一串联支路的第二端与一第二节点耦接；
反向串联的第五开关元件及第六开关元件形成的一第二串联支路，第二串联支路的第一端与一第三节点耦接，第二串联支路的第二端与一第四节点耦接；其中，所述第一节点与所述第二节点分别与所述直流母线的两端电性连接，所述第三节点为所述第二开关元件与所述第三开关元件的连接点，所述第四节点与所述直流母线的一中点电性连接。
本公开的一种示例性实施例中，所述整流电路及/或所述逆变电路包括至少一多电平桥臂；所述多电平桥臂包括：
同向依次串联的第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件及第四开关元件形成的第一串联支路，其中，所述第一串联支路的第一端与一第一节点耦接，所述第一串联支路的第二端与一第二节点耦接；
同向串联的第五开关元件及第六开关元件形成的一第二串联支路，第二串联支路的第一端与一第三节点耦接，第二串联支路的第二端与一第四节点耦接；其中，所述第一节点与所述第二节点分别与所述直流母线的两端电性连接，所述第三节点为所述第一开关元件与所述第二开关元件的连接点，所述第四节点为所述第三开关元件与所述第四开关元件的连接点。
本公开的一种示例性实施例中，所述开关元件是IGBT开关，或MOSFET开关，或BJT开关，或二极管，或者其组合。
本公开示例性实施例所提供的多电平变频器及多电平变频器的控制方法中，对于多电平变频器的多电平整流电路和多电平逆变电路采用同相层叠的脉宽调制技术，且多电平整流电路和多电平逆变电路的载波信号采用相同的相位来实现脉宽调制，通过多电平整流电路和多电平逆变电路的共模电压部分抵消来减小变频器系统总的共模电压，进而可以降低变频器共模电压对电机和电网的不利影响，以及减小共模滤波器的成本和体积。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开示例性实施例中一种多电平变频器的结构示意图。
图2为本公开示例性实施例中一种控制模块的结构示意图。
图3为本公开示例性实施例中另一种控制模块的结构示意图。
图4为本公开示例性实施例中三电平变频器拓扑结构正、负极性三角载波信号同相层叠的脉宽调制方式示意图。
图5为本公开示例性实施例中三电平变频器拓扑结构正、负极性三角载波信号同相层叠的脉宽调制方式下整流电路侧的共模电压。
图6为本公开示例性实施例中三电平变频器拓扑结构正、负极性三角载波信号同相层叠的脉宽调制方式下逆变电路侧的共模电压。
图7为本公开示例性实施例中三电平整流电路和逆变电路的三角载波信号相位相同且均采用同相层叠时的系统共模电压。
图8为本公开示例性实施例中三电平整流电路和逆变电路的三角载波信号相位反相且均采用同相层叠时的系统共模电压。
图9为本公开示例性实施例中三电平变频器拓扑结构正、负极性三角载波信号同相层叠的脉宽调制方式下整流电路侧的共模电压频谱。
图10为本公开示例性实施例中三电平变频器拓扑结构正、负极性三角载波信号同相层叠的脉宽调制方式下逆变电路侧的共模电压频谱。
图11为本公开示例性实施例中三电平整流电路和逆变电路的三角载波信号相位相同且均采用同相层叠时的系统共模电压的频谱。
图12为本公开示例性实施例中三电平整流电路和逆变电路的三角载波信号相位反相且均采用同相层叠时的系统共模电压的频谱。
图13为本公开示例性实施例中三电平变频器拓扑结构正、负极性三角载波信号反相层叠的脉宽调制方式示意图。
图14为本公开示例性实施例中三电平变频器拓扑结构正、负极性三角载波信号反相层叠的脉宽调制方式下整流电路侧的共模电压。
图15为本公开示例性实施例中三电平变频器拓扑结构正、负极性三角载波信号反相层叠的脉宽调制方式下逆变电路侧的共模电压。
图16为本公开示例性实施例中三电平整流电路和逆变电路的三角载波信号相位相同且均采用反相层叠时的系统共模电压。
图17为本公开示例性实施例中三电平变频器拓扑结构正、负极性三角载波信号反相层叠的脉宽调制方式下整流电路侧的共模电压频谱。
图18为本公开示例性实施例中三电平变频器拓扑结构正、负极性三角载波信号反相层叠的脉宽调制方式下逆变电路侧的共模电压频谱。
图19为本公开示例性实施例中三电平整流电路和逆变电路的三角载波信号相位相同且均采用反相层叠时的系统共模电压的频谱。
图20为本公开示例性实施例中一种整流、逆变对称的三电平变频器主电路拓扑示意图。
图21为本公开示例性实施例中一种整流、逆变非对称的三电平变频器主电路拓扑示意图。
图22为本公开示例性实施例中另一种整流、逆变对称的三电平变频器主电路拓扑示意图。
图23为本公开示例性实施例中另一种整流、逆变非对称的三电平变频器主电路拓扑示意图。
图24为本公开示例性实施例中五电平变频器拓扑结构正、负极性三角载波信号同相层叠的脉宽调制方式示意图。
图25为本公开示例性实施例中五电平变频器拓扑结构正、负极性三角载波信号同相层叠的脉宽调制方式下整流电路侧的共模电压。
图26为本公开示例性实施例中五电平变频器拓扑结构正、负极性三角载波信号同相层叠的脉宽调制方式下逆变电路侧的共模电压。
图27为本公开示例性实施例中五电平整流电路和逆变电路的三角载波信号相位相同且均采用同相层叠时的系统共模电压。
图28为本公开示例性实施例中五电平整流电路和逆变电路的三角载波信号相位反相且均采用同相层叠时的系统共模电压。
图29为本公开示例性实施例中一种整流、逆变对称的五电平变频器主电路拓扑示意图。
图30为本公开示例性实施例中一种整流、逆变非对称的五电平变频器主电路拓扑示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例性实施例。然而，示例性实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并将示例性实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。
在两电平电压源型变频器系统中采用整流电路和逆变电路载波信号同步的方法，可以实现母线电容单元纹波电流的减小，还可以通过整流电路侧和逆变电路侧共模电压的部分抵消，减小变频器系统总的共模电压。
例如，电压源型的三相两电平变频器拓扑结构中，采用的是双极性调制，每相只需要一个双极性的三角载波信号，但是，在电压源型的三相三电平变频器拓扑结构中，则需要正、负极性两组载波信号，每相的正负极性的两组载波信号既可以是同相层叠也可以是反相层叠，两组载波信号的相位不同所产生的差模电压和共模电压也自然不同，这也是多电平变频器拓扑结构和两电平变频器拓扑结构的不同之处。因此，在两电平变频器里的结论并不能完全适用于三电平或更高电平变频器的场合。
本示例性实施例中首先提供了一种电压源型多电平变频器。参考图1中所示，多电平变频器1包括一多电平整流电路10、一多电平逆变电路20、直流母线40以及一控制模块30；直流母线40电性连接于多电平整流电路10和多电平逆变电路20，直流母线40可以连接一母线电容单元41，一实施例中，母线电容单元41可以级联于直流母线40的两端，母线电容单元41的中点与直流母线40的中点连接，但本发明并不以此为限；此外，该多电平变频器还可以与电网以及电机等其他部分连接。多电平整流电路10和多电平逆变电路20的主电路可以是电压源型三电平拓扑结构，也可以是电压源型五电平拓扑结构、电压源型七电平拓扑结构等其他拓扑结构，本发明并不以此为限。多电平整流电路10可以是四象限运行的多电平整流电路，也可以是两象限运行的多电平整流电路等，例如，维也纳多电平整流电路(Vienna)，本发明并不以此为限。控制模块30提供第一载波信号及第二载波信号，并根据所述第一载波信号及第一调制信号提供第一控制信号至所述多电平整流电路10，以及，根据第二载波信号及第二调制信号提供第二控制信号至所述多电平逆变电路20。
本示例性实施例中，第一载波信号与第二载波信号同相且均包括同相层叠的N组载波信号，其中，N≥2。例如，多电平整流电路10为三电平整流电路，多电平逆变电路20为三电平逆变电路，N等于2；或者，多电平整流电路10为五电平整流电路，多电平逆变电路20为五电平逆变电路，N等于4；或者，多电平整流电路10为七电平整流电路，多电平逆变电路20为七电平逆变电路，N等于6，等等。本示例性实施例中第一载波信号与第二载波信号完全同步，进而可以通过多电平整流电路和多电平逆变电路的共模电压部分抵消来减小多电平变频器系统总的共模电压。以下，将对本示例性实施例中的多电平变频器及其技术效果进行更详细的说明。
继续参考图1中所示，控制模块可以包含多电平整流电路控制部分和多电平逆变电路控制部分。多电平整流电路控制部分可以包含第一控制单元312和第一处理单元311。第一控制单元312可以根据采样的信息，如电网输入电压、电流以及母线电容单元电压等，提供所述第一调制信号，从而实现如直流母线电压以及多电平整流电路输入电流闭环控制等功能。第一处理单元311可以提供第一载波信号，并根据所述第一调制信号及第一载波信号生成多电平整流电路中开关器件所需的信号，即第一控制信号。多电平逆变电路控制部分可以包含第二控制单元322和第二处理单元321，第二控制单元322提供所述第二调制信号，例如可以是采用开环的电压/频率控制，也可以是根据采样的多电平逆变电路输出电流、电机转速等信号实现电机转速、转矩等的闭环控制等，第二处理单元321提供第二载波信号，并根据第二调制信号及第二载波信号生成多电平逆变电路中开关器件所需的信号，即第二控制信号。
第一载波信号和第二载波信号的同步可以通过多种方式实现。例如，参考图2中所示，第一处理单元311和第二处理单元321之间可以通过一同步信号实现第一载波信号和第二载波信号的同步。其中，可以是第一处理单元311提供一表征第一载波信号相位的同步信号至第二处理单元321，第二处理单元321根据该同步信号提供第二载波信号；也可以是第二处理单元321提供一表征第二载波信号相位的同步信号至第一处理单元311，第一处理单元311根据所述同步信号提供所述第一载波信号；还可以是由一同步信号源提供一同步信号至第一处理单元311及第二处理单元321，第一处理单元311及第二处理单元321分别根据同步信号生成同步的第一载波信号和第二载波信号等等。又例如控制模块可以包括一同步单元，同步单元电性连接于第一处理单元311及第二处理单元321，用以同步第一载波信号与第二载波信号的相位。如图3中所示，第一控制单元312及第二控制单元322分别发送第一调制信号及第二调制信号至该同步单元331，同步单元331可以通过相同的三角载波信号统一生成多电平整流电路和多电平逆变电路所需的脉冲信号，即第一控制信号及第二控制信号；第一载波信号和第二载波信号可以为同一载波信号，自然实现完全同步；上述第一处理单元311或第二处理单元321可以为同一处理单元且用作上述同步单元331；但本发明并不以此为限。本示例实施方式中的处理单元和控制单元不局限于某种特定类型的处理单元芯片，可以是DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理单元)、单片机或FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)等，如可以采用一DSP同时包含第一处理单元311、第一控制单元312、第二处理单元321和第二控制单元322等。
图4为电压源型三电平变频器拓扑结构正、负极性三角载波信号同相层叠的脉宽调制方式示意图，图中上面的波形为整流器侧任意一相桥臂的相电压调制信号波形和正、负极性两组三角载波信号的波形，而图中下面的波形为逆变器侧任意一相桥臂的相电压调制信号波形和正、负极性两组三角载波信号的波形，其中，整流器和逆变器的正极性载波信号和负极性载波信号的相位相同，且均包含两组同相层叠三角波载波信号。该脉宽调制方式的线电压谐波要明显优于载波信号反相层叠的脉宽调制方式。一实施例中，当相电压调制信号电压大于正极性的三角载波信号时，该相桥臂对直流母线中点输出的电位为Vdc/2(其中，Vdc为直流母线电压)；当相电压调制信号电压小于负极性的三角载波信号时，该相桥臂对直流母线中点输出的电位为-Vdc/2；当相电压调制信号电压小于正极性的三角载波信号且大于负极性的三角载波信号时，该相桥臂对直流母线中点输出的电位为0。
图5和图6分别为电压源型三电平变频器拓扑结构载波信号同相层叠的脉宽调制方式下三电平整流电路侧和三电平逆变电路侧的共模电压。三电平整流电路侧或三电平逆变电路侧的共模电压以开关次谐波为主。以三电平整流电路+三电平逆变电路的变频器为例，当三电平整流电路和三电平逆变电路两侧载波信号的相位相同时，系统共模电压的波形如图7所示。而三电平整流电路和三电平逆变电路两侧载波信号的相位反相(即三电平整流电路和三电平逆变电路两侧载波信号的相位错开一半的载波信号周期)时，系统共模电压的波形如图8所示。图9和图10所示为三电平整流电路和三电平逆变电路的载波信号同相时的共模电压频谱，当三电平整流电路和三电平逆变电路的三角载波信号相位相同时，如图11所示，系统共模电压的有效值和峰值都明显小于两侧三角载波信号反相时的系统共模电压(如图12所示)。
电压源型三电平的调制方式并不局限于正、负极性三角载波信号同相层叠调制方式，也可以是如图13所示的电压源型三电平变频器拓扑结构正、负极性三角载波信号反相层叠的脉宽调制方式。图中上面的波形为整流器侧任意一相桥臂的相电压调制信号波形和正、负极性两组三角载波信号的波形，而图中下面波形为逆变器侧任意一相桥臂的相电压调制信号波形和正、负极性两组三角载波信号的波形。图14-15为电压源型三电平变频器拓扑结构正、负极性三角载波信号反相层叠的脉宽调制方式下三电平整流电路和三电平逆变电路侧的共模电压。图16为电压源型三电平整流电路和三电平逆变电路的三角载波信号相位相同时的系统共模电压，其中，三电平整流电路和三电平逆变电路都采用正、负极性三角载波信号反相层叠的脉宽调制方式。图17-18为电压源型三电平变频器拓扑结构正、负极性三角载波信号反相层叠的脉宽调制方式下三电平整流电路和三电平逆变电路侧的共模电压频谱。图19为电压源型三电平整流电路和三电平逆变电路的三角载波信号相位相同时的系统共模电压的频谱，其中，三电平整流电路和三电平逆变电路都采用正、负极性三角载波信号反相层叠的脉宽调制方式。对比图17-19的共模电压的频谱分析结果不然发现，采用三电平整流电路和三电平逆变电路载波信号相位相同的方式在此处并不能减小系统的共模电压，基于电压源型三电平变频器拓扑结构正、负极性三角载波信号反相层叠的脉宽调制方式，系统的共模电压在三电平整流电路和三电平逆变电路载波信号相位相同的前提下仍大于三电平整流电路或三电平逆变电路的单侧共模电压，因此，为了减小系统总的共模电压，在采用三电平整流电路和三电平逆变电路三角载波信号同步且同相位的基础上，三电平整流电路和三电平逆变电路两侧优选采用正、负极性三角载波信号同相层叠的脉宽调制方式。
前述的电压源型三电平变频器可以是如图20所示的一种多电平整流电路、多电平逆变电路对称的电压源型三电平变频器主电路拓扑，其中，多电平整流电路和多电平逆变电路都采用T型电压源型三电平变频器拓扑结构；也可以是如图21所示的一种多电平整流电路、多电平逆变电路非对称的电压源型三电平变频器主电路拓扑，例如，整流侧采用能量单向流动的T型电压源型三电平整流电路，而逆变侧都采用T型电压源型多电平逆变电路；举例而言，多电平整流电路及/或多电平逆变电路包括至少一多电平桥臂；举例而言，多电平桥臂可以包括：同向依次串联的第一开关元件T1、第二开关元件T2、第三开关元件T3以及第四开关元件T4形成的第一串联支路，其中，第一串联支路的第一端与一第一节点N1耦接，第一串联支路的第二端与一第二节点N2耦接；反向串联的第五开关元件T5及第六开关元件T6形成的一第二串联支路，第二串联支路的第一端与一第三节点N3耦接，第二串联支路的第二端与一第四节点N4耦接；其中，第一节点N1与第二节点N2分别与直流母线的两端电性连接，第三节点N3为第二开关元件T2与第三开关元件T3的连接点，第四节点N4与直流母线的一中点电性连接。前述的电压源型三电平变频器可以也可以是如图22所示的一种多电平整流电路、多电平逆变电路对称的电压源型三电平变频器主电路拓扑，其中，多电平整流电路和多电平逆变电路都采用二极管钳位型电压源型三电平变频器拓扑结构；还可以是如图23所示的一种多电平整流电路、多电平逆变电路非对称的电压源型三电平变频器主电路拓扑，例如，整流侧采用能量单向流动的Vienna多电平整流电路，而逆变侧都采用二极管钳位型电压源型多电平逆变电路。举例而言，整流电路及/或逆变电路包括至少一多电平桥臂；举例而言，多电平桥臂可以包括：同向依次串联的第一开关元件T1、第二开关元件T2、第三开关元件T3以及第四开关元件T4形成的第一串联支路，其中，第一串联支路的第一端与一第一节点N1耦接，第一串联支路的第二端与一第二节点N2耦接；同向串联的第五开关元件T5及第六开关元件T6形成的一第二串联支路，第二串联支路的第一端与一第三节点N3耦接，第二串联支路的第二端与一第四节点N4耦接；其中，第一节点N1与第二节点N2分别与直流母线的两端电性连接，第三节点N3为第一开关元件T1与第二开关元件T2的连接点，第四节点N4为第三开关元件T3与第四开关元件T4的连接点。本本实施方式中，上述开关元件可以是IGBT开关，或MOSFET开关，或BJT开关，或二极管，或者其组合等等。
电压源型三电平变频器拓扑结构中正、负极性三角载波信号同相层叠的脉宽调制方式，保持多电平整流电路和多电平逆变电路的载波信号相位相同可以减小系统的共模电压的结论同样适用于更多电平的变频器。图24为电压源型五电平变频器拓扑结构正、负极性三角载波信号同相层叠的脉宽调制方式示意图，图中上面的波形为整流器侧任意一相桥臂的相电压调制信号波形和正、负极性四组同相层叠三角载波信号的波形，而图中下面波形为逆变器侧任意一相桥臂的相电压调制信号波形和正、负极性四组同相层叠三角载波信号的波形，其中，三角载波信号由四组三角载波信号组成，第一组三角载波信号值的范围为1～0.5；第二组三角载波信号值的范围为0.5～0；第三组三角载波信号值的范围为0～-0.5；第四组三角载波信号值的范围为-0.5～-1。此处调制波和三角载波信号是标幺后的结果，显示范围为-1～1，但本示例性实施例中并不以此为限。当相电压调制信号电压大于第一组三角载波信号时，该相桥臂对母线电容单元中点输出的电位为Vdc/2；当相电压调制信号电压小于第一组三角载波信号且大于第二组三角载波信号时，该相桥臂对母线电容单元中点输出的电位为Vdc/4；当相电压调制信号电压小于第二组三角载波信号且大于第三组三角载波信号时，该相桥臂对母线电容单元中点输出的电位为0；当相电压调制信号电压小于第三组三角载波信号且大于第四组三角载波信号时，该相桥臂对母线电容单元中点输出的电位为-Vdc/4，当相电压调制信号电压小于第四组三角载波信号时，该相桥臂对母线电容单元中点输出的电位为-Vdc/2。
图25和图26分别为电压源型五电平变频器拓扑结构正、负极性三角载波信号同相层叠的脉宽调制方式下五电平整流电路和五电平逆变电路侧的共模电压；图27和图28分别为电压源型五电平整流电路和五电平逆变电路的三角载波信号相位相同和相位反相时的系统共模电压，其中，五电平整流电路和五电平逆变电路都采用正、负极性三角载波信号同相层叠的脉宽调制方式。不难发现采现，基于电压源型的五电平变频器拓扑结构，采用正、负极性四组三角载波信号同相层叠的脉宽调制方式时，保持五电平整流电路和五电平逆变电路的载波信号相位相同可以减小系统的共模电压。
前述的电压源型五电平变频器可以是如图29所示的一种多电平整流电路、多电平逆变电路对称的电压源型五电平变频器主电路拓扑，其中，多电平整流电路和多电平逆变电路都采用能量双向流动的电压源型五电平变频器拓扑结构；也可以是如图30所示的一种多电平整流电路、多电平逆变电路非对称的电压源型五电平变频器主电路拓扑，其中，整流侧采用能量单向流动的五电平整流电路，而逆变侧都采用能量双向流动的电压源型五电平电压源型多电平逆变电路等等，本发明并不以此为限。
进一步的，本示例实施方式中还提供了一种上述多电平变频器的控制方法。所述控制方法包括：提供一第一载波信号及一第二载波信号，所述第一载波信号与所述第二载波信号同相位且均包括同相层叠的N层载波信号，其中，N≥2；根据所述第一载波信号及一第一调制信号提供一第一控制信号至所述多电平整流电路；以及根据所述第二载波信号及一第二调制信号提供一第二控制信号至所述多电平逆变电路。
关于本示例实施方式中多电平变频器的控制方法各步骤的具体实施例以及更多的细节已经在对应的多电平变频器进行了详细的描写，因此此处不再赘述。
综上所述，本公开所提供的多电平变频器及多电平变频器的控制方法中，对于多电平变频器的多电平整流电路和多电平逆变电路采用同相层叠的脉宽调制技术，且多电平整流电路和多电平逆变电路的载波信号采用相同的相位来实现脉宽调制，通过多电平整流电路和多电平逆变电路的共模电压部分抵消来减小变频器系统总的共模电压，进而可以降低变频器共模电压对电机和电网的不利影响，以及减小共模滤波器的成本和体积。
以上所述仅为本公开的部分示例性实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (17)
1.一种多电平变频器的控制方法，所述多电平变频器包括电性连接的多电平整流电路和多电平逆变电路；其特征在于，所述控制方法包括：
提供一第一载波信号及一第二载波信号，所述第一载波信号与所述第二载波信号同相位且均包括同相层叠的N组载波信号，其中，N≥2；
根据所述第一载波信号及一第一调制信号提供一第一控制信号至所述多电平整流电路；以及
根据所述第二载波信号及一第二调制信号提供一第二控制信号至所述多电平逆变电路。
2.根据权利要求1所述的多电平变频器的控制方法，其特征在于，所述提供一第一载波信号及一第二载波信号包括：
提供所述第一载波信号；以及
根据一表征所述第一载波信号相位的同步信号提供所述第二载波信号。
3.根据权利要求1所述的多电平变频器的控制方法，其特征在于，所述提供一第一载波信号及一第二载波信号包括：
提供所述第二载波信号；以及
根据一表征所述第二载波信号相位的同步信号提供所述第一载波信号。
4.根据权利要求1所述的多电平变频器的控制方法，其特征在于，所述提供一第一载波信号及一第二载波信号包括：
根据一同步信号提供所述第一载波信号；以及
根据所述同步信号提供所述第二载波信号。
5.根据权利要求1所述的多电平变频器的控制方法，其特征在于，所述第一载波信号与所述第二载波信号为同一载波信号。
6.根据权利要求1所述的多电平变频器的控制方法，其特征在于，所述多电平整流电路为三电平整流电路，所述多电平逆变电路为三电平逆变电路，所述N等于2；或者，所述多电平整流电路为五电平整流电路，所述多电平逆变电路为五电平逆变电路，所述N等于4；或者，所述多电平整流电路为七电平整流电路，所述多电平逆变电路为七电平逆变电路，所述N等于6。
7.根据权利要求1所述的多电平变频器的控制方法，其特征在于，所述多电平变频器包含一直流母线电性连接于所述多电平整流电路和所述多电平逆变电路，一母线电容单元连接于所述直流母线。
8.一种多电平变频器，其特征在于，包括：
一多电平整流电路；
一多电平逆变电路，与所述多电平整流电路电性连接；以及，
一控制模块，所述控制模块提供一第一载波信号及一第二载波信号，根据所述第一载波信号及一第一调制信号提供一第一控制信号至所述多电平整流电路，以及，根据所述第二载波信号及一第二调制信号提供一第二控制信号至所述多电平逆变电路；所述第一载波信号与所述第二载波信号同相且均包括同相层叠的N组载波信号，其中，N≥2。
9.根据权利要求8所述的多电平变频器，其特征在于，所述控制模块包括：
一第一控制单元，提供所述第一调制信号；
一第二控制单元，提供所述第二调制信号；
一第一处理单元，提供所述第一载波信号，并根据所述第一调制信号及所述第一载波信号生成所述第一控制信号；以及
一第二处理单元，提供所述第二载波信号，并根据所述第二调制信号及所述第二载波信号生成所述第二控制信号。
10.根据权利要求9所述的多电平变频器，其特征在于，所述第一处理单元提供一表征所述第一载波信号相位的同步信号至所述第二处理单元；
所述第二处理单元根据所述同步信号提供所述第二载波信号。
11.根据权利要求9所述的多电平变频器，其特征在于，所述第二处理单元提供一表征所述第二载波信号相位的同步信号至所述第一处理单元；
所述第一处理单元根据所述同步信号提供所述第一载波信号。
12.根据权利要求9所述的多电平变频器，其特征在于，所述控制模块包括：
一同步单元，所述同步单元电性连接于所述第一处理单元及所述第二处理单元，用以同步所述第一载波信号与所述第二载波信号的相位。
13.根据权利要求8所述的多电平变频器，其特征在于，所述多电平变频器包含一直流母线电性连接于所述多电平整流电路和所述多电平逆变电路，一母线电容单元连接于所述直流母线。
14.根据权利要求8-13任意一项所述的多电平变频器，其特征在于，所述多电平整流电路与所述多电平逆变电路为对称电路或为非对称电路。
15.根据权利要求13所述的多电平变频器，其特征在于，所述多电平整流电路及/或所述多电平逆变电路包括至少一多电平桥臂；所述多电平桥臂包括：
同向依次串联的第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件及第四开关元件形成的第一串联支路，其中，所述第一串联支路的第一端与一第一节点耦接，所述第一串联支路的第二端与一第二节点耦接；
反向串联的第五开关元件及第六开关元件形成的一第二串联支路，第二串联支路的第一端与一第三节点耦接，第二串联支路的第二端与一第四节点耦接；其中，所述第一节点与所述第二节点分别与所述直流母线的两端电性连接，所述第三节点为所述第二开关元件与所述第三开关元件的连接点，所述第四节点与所述直流母线的一中点电性连接。
16.根据权利要求13所述的多电平变频器，其特征在于，所述整流电路及/或所述逆变电路包括至少一多电平桥臂；所述多电平桥臂包括：
同向依次串联的第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件及第四开关元件形成的第一串联支路，其中，所述第一串联支路的第一端与一第一节点耦接，所述第一串联支路的第二端与一第二节点耦接；
同向串联的第五开关元件及第六开关元件形成的一第二串联支路，第二串联支路的第一端与一第三节点耦接，第二串联支路的第二端与一第四节点耦接；其中，所述第一节点与所述第二节点分别与所述直流母线的两端电性连接，所述第三节点为所述第一开关元件与所述第二开关元件的连接点，所述第四节点为所述第三开关元件与所述第四开关元件的连接点。
17.根据权利要求15或16所述的多电平变频器，其特征在于，所述开关元件是IGBT开关，或MOSFET开关，或BJT开关，或二极管，或者其组合。
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