CN107093975B - 用于控制多电平逆变器的三相等值电压的方法 - Google Patents

用于控制多电平逆变器的三相等值电压的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种控制多电平逆变器中的三相等值电压的方法，该方法包括：感测多电平逆变器的每个动力电池的状态以确定在每个动力电池处是否发生故障；绕过被确定为发生故障的动力电池以每个相将正常操作的动力电池相互串联连接；使用每个相的相位基准电压以及正常操作并且配置每个相的动力电池的直流(DC)母线电压中的每个的和来计算偏移电压值；并且使用每个相的相位基准电压以及计算的偏移电压来计算每个相的用于保持三相线间输出电压的等值性的极基准电压。

Description

用于控制多电平逆变器的三相等值电压的方法
技术领域
本公开涉及一种用于控制多电平逆变器的三相等值电压的方法，更具体地，涉及一种能够通过以下方式来提供连续操作的电压控制方法，即，通过使用偏移电压(或零序电压)来执行三相等值电压控制，当级联H桥(CHB)多电平逆变器的一些动力电池发生故障时，不绕过正常操作的动力电池以保持三相线间输出电压的等值性。
背景技术
多电平逆变器在施加中压的领域中，尤其是在电机驱动领域中，一直被主要研究。
由于对配置逆变器的开关装置的额定电压和电压应力的限制，难以将电压源逆变器应用于需要中压以上的大规模交流电机的变速驱动器。
需要中压以上的电压源逆变器可以被例举为具有与使用开关装置的串联连接而连接的开关装置的数量一样多的等值电压应力的特性的2电平逆变器。然而，当使用这样的2电平逆变器驱动电机时，可能难以实际上将该2电平逆变器应用于工业领域，因为存在诸如由高dv/dt、电压反射、高总谐波失真(THD)、高开关损耗等引起的电机退化、绝缘等问题。
为了解决这样的问题，各种多电平逆变器已经被开发，并且这样的逆变器之中的级联H桥(CHB)多电平逆变器在输入电压和输出电压以及电流质量的方面显示出最突出的特性。CHB多电平逆变器的每个相是通过动力电池的串联连接实现的，每个动力电池被配置有单个H桥逆变器。
CHB多电平逆变器具有包括模块化能力、高可靠性、操作连续性、输入电流的低总谐波失真(THD)等优点。并且，借助于这样的优点，CHB多电平逆变器的商业化已经被积极地进行，使得用于驱动中压电机的逆变器产品目前正被许多制造商发布。
CHB多电平逆变器的动力电池由三相整流电路、直流(DC)母线电容器以及H桥电路构成，并且N个动力电池串联连接以形成单个相。当N个动力电池之中有k个动力电池发生故障时，CHB多电平逆变器绕过这k个动力电池以使得能够进行连续操作。同时，当这k个动力电池在单个相被绕过时，在每个线间电压中发生不等性。为了解决这样的不等性，这k个动力电池在其他相也应被绕过。在这样的情况下，CHB多电平逆变器固有地具有的冗余性降低，而且输出电压也减小(N-k)/N的量。
发明内容
为了解决上述问题，本公开的目的是提供一种用于控制多电平逆变器的三相等值电压的方法，该方法能够通过以下方式来提供连续操作，即，通过使用偏移电压(或零序电压)来执行三相等值电压控制，当级联H桥(CHB)多电平逆变器的动力电池发生故障时，不绕过正常操作的动力电池以保持三相线间输出电压的等值性。
本公开的目的不限于上述目的，以上未提及的其他目的将被本领域技术人员从以下描述明白地理解。
根据本公开的一方面，提供了一种控制级联H桥(CHB)多电平逆变器的三相等值电压的方法，该方法包括：感测多电平逆变器的每个动力电池的状态以确定在每个动力电池处是否发生故障；绕过被确定为发生故障的动力电池以每个相将正常操作的动力电池相互串联连接；使用每个相的相位基准电压以及正常操作并且配置每个相的动力电池的直流(DC)母线电压中的每个的和来计算偏移电压值；并且使用每个相的相位基准电压以及计算的偏移电压来计算每个相的保持三相线间输出电压的等值性的极基准电压。
偏移电压值的计算可以使用每个相的相位基准电压与界函数的输出值之间的差值来计算偏移电压值，所述界函数使用正常操作并且配置每个相的动力电池的DC母线电压中的每个的和。
偏移电压值的计算可以包括：计算正常操作并且配置每个相的动力电池的DC母线电压中的每个的和；将计算的DC母线电压中的每个的和设置为最大值和最小值，并且输出接收每个相的相位基准电压作为输入的界函数的输出值；计算每个相的相位基准电压与界函数的每个输出值之间的差值；并且累计计算的差值以输出偏移电压值。
偏移电压值的计算输出被表达为以下方程的偏移电压值Vsn，
[方程]
其中，当x小于a时，bound(a,b,x)函数输出输出值a，当x大于b时，输出输出值b，当x大于或等于a或者小于或等于b时，输出输出值x，并且其中，Va dc、Vb dc和Vc dc分别是a相、b相和c相的DC母线电压，v* as、v* bs和v* cs分别是a相、b相和c相的相位基准电压。
多电平逆变器中的三相等值电压的控制方法可以进一步包括通过脉宽调制(PWM)根据计算的每个相的相位基准电压产生开关控制信号，从而将开关控制信号输出到每个动力电池。
极基准电压的计算可以将每个相的相位基准电压与计算的偏移电压值相加以计算用于保持三相线间输出电压的等值性的极基准电压。
根据本公开，CHB多电平逆变器可以注入使用相位基准电压和限幅器计算的偏移电压(或零序电压)来执行三相等值电压控制，从而当一些动力电池发生故障时在不绕过正常操作的动力电池的情况下保持三相线间输出电压的等值性。
因此，CHB多电平逆变器可以不丧失其他相的冗余性，而且当单个分支的所有动力电池发生故障以及多个动力电池发生故障时，还可以在线性控制区域内输出尽可能大的线间电压。
附图说明
图1是用于描述根据本公开的一个实施例的级联H桥(CHB)多电平逆变器的结构的示图。
图2是用于描述根据本公开的一个实施例的CHB多电平逆变器中的动力电池的配置的示图。
图3是例示说明根据本公开的一个实施例的当任意动力电池在CHB多电平逆变器中发生故障时的最大电压的矢量图。
图4是用于描述根据本公开的一个实施例的CHB多电平逆变器中的每个动力电池的直流(DC)母线电压的总和的计算过程的示图。
图5是用于描述根据本公开的一个实施例的CHB多电平逆变器中的三相等值电压的控制方法的示图。
图6是用于描述根据本公开的一个实施例的CHB多电平逆变器中的从极基准电压产生开关控制信号的示图。
图7是用于描述正被施加于CHB多电平逆变器的每个相的极基准电压被发送给每个电池的示图。
图8是用于描述根据本公开的一个实施例的CHB多电平逆变器的三相等值电压的控制方法的示图。
具体实施方式
本公开可以被各种各样地修改，并且将具有各种实施例，以使得特定实施例将在附图中被例举，并且将在本文中被详细描述。然而，本文中公开的特定实施例不应被从使本公开限于这些实施例的意义上来看待，而是用于说明这些实施例的，并且应理解的是，许多其他的变化、等同和替代将落在本公开的精神和范围内。
以下，将参照附图来详细描述根据本公开的一个优选实施例。
图1是用于描述根据本公开的一个实施例的级联H桥(CHB)多电平逆变器的结构的示图。
参照图1，根据本公开的一个实施例的级联H桥(CHB)多电平逆变器100可以被配置为包括三相多绕组变压器110和多个动力电池120，并且它连接在电源系统10与电机20之间。CHB多电平逆变器100在控制器200的控制下进行操作。
三相多绕组变压器110独立于每个动力电池120提供直流(DC)母线电压。相差存在于绕组之间。这是提供以多脉冲形式配置每个动力电池120的整流电路的原因。由于这样的相差，动力电池120的输入电流彼此叠加，使得三相多绕组变压器110的输入电流具有很低的总谐波失真(THD)。
多个动力电池在每个相都串联连接来配置多个动力电池120。每个动力电池具有被配置有低压开关装置的单相H桥逆变器的结构，并且它可以通过多个动力电池的串联连接获得中压以上的电压。并且，因为输出电压的电平的数量根据动力电池的数量增加，所以可以获得接近于正弦波的输出电压波形。换句话说，通过多个动力电池的串联连接，可以获得具有非常低的THD的中压以上的输出电压波形。
控制器200可以控制CHB多电平逆变器100的操作。当CHB多电平逆变器100中的任意电池发生故障时，控制器200通过注入使用相位基准电压和限幅器计算的偏移电压(或零序电压)来执行三相等值电压控制，从而当任意电池发生故障时，在不绕过正常操作的动力电池的情况下保持三相线间电压的等值性。
CHB多电平逆变器100不会由于这样的操作而丧失其他相的冗余性，并且当单个分支的全部动力电池发生故障以及多个动力电池发生故障时，它可以在线性控制区域内输出尽可能大的线间电压。
图2是用于描述根据本公开的一个实施例的CHB多电平逆变器中的动力电池的配置的示图。
参照图2，动力电池120被配置为包括动力电池输入单元121、整流器122、平滑直流(DC)母线电容器123、单相H桥逆变器124以及旁路接触器125。
动力电池输入单元121连接到三相多绕组变压器110的输出端子。整流器121将从动力电池输入单元121施加的三相交流(AC)电压整流为直流(DC)电压。平滑DC母线电容器123使DC母线电压平滑。单相H桥逆变器124输出单相电压。旁路接触器125用于当动力电池发生故障时绕过该动力电池。当动力电池120处于正常状态时，旁路接触器125连接到A，而当动力电池120发生故障、使得有必要绕过发生故障的动力电池120时，它连接到B。
如上所述，因为旁路接触器125设在每个动力电池120的输出端子处，所以当动力电池120中有一个发生故障时，通过绕过发生故障的动力电池120，在更换发生故障的动力电池120期间不停止系统的情况下，无缝操作可以是可能的。
图3是例示说明根据本公开的一个实施例的当任意动力电池在CHB多电平逆变器中发生故障时的最大电压的矢量图。
参照图3，当在每个相的动力电池的数量为五个的状态下a相的两个动力电池发生故障时，可以看到最大电压的矢量图被输出。标号21表示a相的单个动力电池的输出电压值，标号22表示b相的单个动力电池的输出电压值，标号23表示c相的单个动力电池的输出电压值。因此，Vbc、Vab和Vca的线间电压存在。
当三个相的相位基准电压为v* as、v* bs和v* cs并且其偏移电压(零序电压)为vsn时，极基准电压v* an、v* bn和v* cn均由对应的相位基准电压和偏移电压(或零序电压)的和构成，并且它可以被表达为方程1。
[方程1]
同时，从每个相可输出的最大电压由每个动力电池的DC母线电压的总和构成，并且它可以被定义为方程2。
[方程2]
在此，Vk dca表示a相的单个动力电池的DC母线电压，这可以同样地适用于b相和c相。
图4是用于描述根据本公开的一个实施例的CHB多电平逆变器中的每个动力电池的DC母线电压的总和的计算过程的示图。参照图4，对于每个动力电池，测量动力电池的DC母线电压(参见标号31)。并且，将能够正常操作的N个动力电池的电压全部相加(参见标号32)。
也就是说，Na意指配置a相的动力电池之中的能够正常操作的动力电池的数量，这可以同样地适用于b相和c相。
因此，从每个相可输出的最大极电压可以被定义为方程3。
[方程3]
也就是说，a相的极电压存在于-a相DC母线电压与+a相DC母线电压之间，b相的极电压存在于-b相DC母线电压与+b相DC母线电压之间，c相的极电压存在于-c相DC母线电压与+c相DC母线电压之间。
这里，每个DC母线电压的最大值与通过将三个相的相位基准电压与偏移电压相加而获得的最大值相同。
结果，当任意动力电池发生故障时，从所有相可输出的最大极电压彼此是不同的。当被注入能够满足方程3中表达的所有范围的偏移电压时，三相等值最大极电压，即，最大线间电压，可以在线性控制区域内被输出。
每个线间电压的最大值可以通过使用配置每个相的动力电池的DC母线电压的和而被表达为方程4。
[方程4]
此外，等值状态下的可输出线间电压可以被表达为方程5。
[方程5]
换句话说，当任意动力电池发生故障时，可输出的线间电压彼此是不同的，并且，为了输出三相等值线间电压，值应是方程4中表达的可输出线间电压之中的最小值。
当线间电压被如方程5中那样受到限制时，用于输出三相等值线间电压的偏移电压被如下配置。
如方程6中那样，每个相的基准电压值可以定义通过限幅器的值。
[方程6]
这里，界函数是如方程7定义的函数。
[方程7]
也就是说，bound(a,b,x)函数是如下函数，当x小于a时，该函数输出a作为输出值，当x大于b时，输出b作为输出值，以及当x大于或等于a或者小于或等于b时，输出x作为输出值。
使用这样的函数，偏移电压可以被表达为方程8。
[方程8]
如方程8中所表达的，当被注入偏移电压时，当动力电池发生故障时，CHB多电平逆变器100可以输出最大的三相等值线间电压。这样的偏移电压计算方法可以同样地适用于正常操作状态。
当在动力电池中没有故障时，输出偏移基准电压“0”，以使得只有相位基准电压包括在极基准电压中。另一方面，当任意动力电池发生故障时，生成极基准电压，在该极基准电压中，偏移电压包括在相位基准电压中。
也就是说，通过将从方程8计算的偏移电压与原始相位基准电压相加，可以生成方程1中表达的三个相的极基准电压v* an、v* bn和v* cn。
图5是用于描述根据本公开的一个实施例的CHB多电平逆变器中的三相等值电压的控制方法的示图。
第一限幅器211是a相的相限压器。第二限幅器212是b相的相限压器。第三限幅器213是c相的相限压器。这里，第一限幅器211、第二限幅器212和第三限幅器213的最大限值和最小限值均可以用在图4中计算的可输出最大电压下可操作的动力电池的DC母线电压的和来表示。
因此，第一限幅器211的最大值为Va dc，其最小值为-Va dc，第二限幅器212的最大值为Vb dc，最小值为-Vb dc，第三限幅器213的最大值为Vc dc，其最小值为-Vc dc。这些值通过方程2计算得到。
第一计算器214计算a相的相位基准电压与通过第一限幅器211的a相的相位基准电压之间的差值。类似地，第二计算器215计算b相的相位基准电压与通过第二限幅器212的b相的相位基准电压之间的差值。类似地，第三计算器216计算c相的相位基准电压与通过第三限幅器213的c相的相位基准电压之间的差值。
第四计算器217累计第一计算器214的计算值和第二计算器215的计算值。第五计算器218累计第四计算器217的计算值和第五计算器216的计算值。这里，第五计算器218的计算值被计算为偏移电压的负值。
第六计算器219计算作为第五计算器218的计算值的负偏移值与a相的相位基准电压之间的差值，从而将与计算的差值对应的电压作为a相的极基准电压v* an输出。
第七计算器220计算作为第五计算器218的计算值的负偏移值与b相的相位基准电压之间的差值，从而将与计算的差值对应的电压作为b相的极基准电压v* bn输出。
第八计算器221计算作为第五计算器218的计算值的负偏移值与c相的相位基准电压之间的差值，从而将与计算的差值对应的电压作为c相的极基准电压v* cn输出。
也就是说，第六计算器219、第七计算器220和第八计算器221的计算均用方程1表达。
图7是用于描述正施加于CHB多电平逆变器的每个相的极基准电压被发送给每个动力电池的示图。
参照图7，极基准电压从控制器200施加，并且被表达为v* an、v* bn和v* cn。极基准电压被表达为相位基准电压和偏移电压或零序电压的和。
脉宽调制(PWM)模块230、240和250接收极基准电压，并且通过PWM方法产生开关控制信号以将它们输出到每个动力电池。
图6是用于描述根据本公开的一个实施例的CHB多电平逆变器中的从极基准电压产生开关控制信号的示图。
此时，当极基准电压被代表性地表达为v* xy时，PWM模块230、240和250将极基准电压v* xy与DC母线电压Vdc的三角波进行比较，并且产生开关控制信号从而将它们输出到每个动力电池。
更具体地说，PWM模块230、240和250将极基准电压v* xy和负极基准电压-v* xy中的每个与DC母线电压Vdc的三角波进行比较，并且根据比较结果产生开关控制信号Sa和Sb。
例如，当极基准电压v* xy大于或等于DC母线电压Vdc的三角波时，PWM模块230、240和250产生“1”的开关控制信号Sa以将它输出到每个动力电池。另一方面，当极基准电压v* xy小于DC母线电压Vdc的三角波时，PWM模块230、240和250产生“0”的开关控制信号Sa以将它输出到每个动力电池。
此外，当负极基准电压-v* xy大于或等于DC母线电压Vdc的三角波时，PWM模块230、240和250产生“1”的开关控制信号Sb以将它输出到每个动力电池。另一方面，当负极基准电压-v* xy小于DC母线电压Vdc的三角波时，PWM模块230、240和250产生“0”的开关控制信号Sb以将它输出到每个动力电池。
其后，PWM模块230、240和250产生相对于产生的开关控制信号Sa和Sb具有互补关系的开关控制信号从而将它们输出到每个动力电池。
根据从PWM模块230、240和250输出的开关控制信号每个动力电池中提供的开关元件的开/关操作被确定。
图8是用于描述根据本公开的一个实施例的CHB多电平逆变器的三相等值电压的控制方法的示图。
参照图8，在操作S1中，控制器200感测CHB多电平逆变器100的每个动力电池120的状态以确定在动力电池120中是否发生故障。
在操作S2中，控制器200绕过发生故障的动力电池120，并且将正常操作的动力电池120连接到每个相以配置电路。
在操作S3中，控制器200计算正常操作并且配置每个相的动力电池的DC母线电压的和。这里，每个动力电池的DC母线电压的总和是能够在每个相输出的最大电压。因此，a相的可输出最大电压、b相的可输出最大电压以及c相的可输出最大电压被计算。这里，计算的每个相的DC母线电压的和被设置为界函数的最大值和最小值。
在操作S4中，控制器200将每个相的相位基准电压输入到界函数，从而输出界函数在每个相的输出值。界函数的输出值使得每个相的相位基准电压受到界函数的最大值和最小值的限制。
a相的相位基准电压被输入到界函数，以使得a相的受限的相位基准电压被计算为界函数的输出值。类似地，b相的相位基准电压被输入到界函数，以使得b相的受限的相位基准电压被计算为界函数的输出值。类似地，c相的相位基准电压被输入到界函数，以使得c相的受限的相位基准电压被计算为界函数的输出值。
在操作S5中，控制器200计算每个相的相位基准电压与其界函数的输出值之间的差值。
通过这样的计算，a相的相位基准电压与a相的受限的相位基准电压之间的差值被计算以输出第一值。类似地，b相的相位基准电压与b相的受限的相位基准电压之间的差值被计算以输出第二值。类似地，c相的相位基准电压与c相的受限的相位基准电压之间的差值被计算以输出第三值。
在操作S6中，控制器200累计计算的差值以输出偏移电压值。也就是说，偏移电压值是通过累计从每个相的相位基准电压与其受限的相位基准电压之间的差值计算的值而计算得到的。因此，与第二值和第三值一起累计第一值。
在操作S7中，控制器200将每个相的相位基准电压与计算的偏移电压值相加以计算每个相的极基准电压。因此，a相的相位基准电压和其偏移电压值相互相加，以使得a相的极基准电压被计算。类似地，b相的相位基准电压和其偏移电压值相互相加，以使得b相的极基准电压被计算。类似地，c相的相位基准电压和其偏移电压值相互相加，以使得c相的极基准电压被计算。
在操作S8中，控制器200通过PWM从这样的计算的每个相的极基准电压产生开关控制信号，以将开关控制信号输出到每个动力电池。
如上所述，当任意动力电池发生故障时，CHB多电平逆变器100可以注入使用相位基准电压和限幅器计算的偏移电压(或零序电压)，以执行三相等值电压控制，从而当一些动力电池发生故障时，在不绕过正常操作的动力电池的情况下保持三相线间输出电压的等值性。
因此，CHB多电平逆变器100可以不丧失其他相的冗余性，而且当单个分支的所有动力电池发生故障以及多个动力电池发生故障时，还可以在线性控制区域内输出尽可能大的线间电压。
本公开已经被参照附图所示的实施例进行了描述，但是仅仅是例示说明，并且应理解的是，许多其他的修改和等同的其他实施例可以被本领域技术人员想出。因此，本发明的技术范围应由所附权利要求限定。

Claims (7)

1.一种控制多电平逆变器的三相等值电压的方法，包括：
感测多电平逆变器的每个动力电池的状态以确定在每个动力电池处是否发生故障；
绕过被确定为发生故障的动力电池以便每个相将正常操作的动力电池相互串联连接；
使用每个相的相位基准电压与界函数的输出值之间的差值来计算偏移电压值，所述界函数使用正常操作并且配置每个相的动力电池的直流母线电压中的每个的和；以及
使用每个相的相位基准电压以及计算的偏移电压来计算每个相的保持三相线间输出电压的等值性的极基准电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述界函数的输出值被表达为以下方程，
其中，当x＜a时，bound(a，b，x)函数输出输出值a，当x＞b时，bound(a，b，x)函数输出输出值b，当a≤x≤b时，bound(a，b，x)函数输出输出值x，并且
其中，Va dc、Vb dc和Vc dc分别是a相、b相和c相的DC母线电压，v* as、v* bs和v* cs分别是a相、b相和c相的相位基准电压。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，偏移电压值的计算包括：
计算正常操作并且配置每个相的动力电池的DC母线电压中的每个的和；
将计算的DC母线电压中的每个的和设置为最大值和最小值，并且输出接收每个相的相位基准电压作为输入的界函数的输出值；
计算每个相的相位基准电压与界函数的每个输出值之间的差值；以及
累计计算的差值以输出偏移电压值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，偏移电压值的计算输出被表达为以下方程的偏移电压值Vsn，
其中，当x＜a时，bound(a，b，x)函数输出输出值a，当x＞b时，bound(a，b，x)函数输出输出值b，当a≤x≤b时，bound(a，b，x)函数输出输出值x，并且
其中，Va dc、Vb dc和Vc dc分别是a相、b相和c相的DC母线电压，v* as、v* bs和v* cs分别是a相、b相和c相的相位基准电压。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
通过脉宽调制(PWM)从计算的每个相的极基准电压产生开关控制信号，从而将开关控制信号输出到每个动力电池。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，极基准电压的计算将每个相的相位基准电压与计算的偏移电压值相加以计算用于保持三相线间输出电压的等值性的极基准电压。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，极基准电压的计算被表达为以下方程的极基准电压，
其中，v* as、v* bs和v* cs分别是a相、b相和c相的相位基准电压，vsn是偏移电压。
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