CN111357185A - 用于多电平转换器的脉冲宽度调制控制 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制多电平转换器(1，70)的多个开关器件(15a‑d,75a‑b)的方法，所述方法包括：提供多个载波信号(C1‑C6)和参考信号(34，80)，参考信号(34，80)具有划分成多个连续的带(B1‑B6)的波形范围，动态地将多个载波信号(C1‑C6)分配给多个开关器件(15a‑d,75a‑b)，以及基于动态地分配的载波信号(C1‑C6)与参考信号(34，80)的比较，生成脉冲宽度调制信号(18，77)，以生成多个开关器件(15a‑d，75a‑b)的开关事件，其中，多个载波信号(C1‑C6)具有载波信号(C1‑C6)之间的相移，并且其中，动态地将多个载波信号(C1‑C6)分配给多个开关器件(15a‑d，75a‑b)，使得对于每个开关器件(15a‑d，75a‑b)，基于参考信号(34，80)相对于多个带(B1‑B6)的位置，旋转并且选择多个载波信号(C1‑C6)。

Description

用于多电平转换器的脉冲宽度调制控制
技术领域
本公开的各方面涉及一种多电平功率转换器，特别是涉及多电平功率转换器的脉冲宽度调制控制。功率转换器也可以称为“驱动器”、“驱动系统”或者“电源”，并且在整个说明书中，这些术语可能可互换地使用。
背景技术
例如在中压交流(alternating current，AC)驱动器、柔性交流传输系统(flexible AC transmission systems，FACTS)和高压直流(high voltage directcurrent，HVDC)传输系统的应用中，使用多电平功率变换器，因为单个功率半导体设备不能处理高电压。多电平转换器一般包括用于每一相的多个功率单元，每个功率单元包括具有半导体开关的逆变器电路，半导体开关可以改变各个单元的电压状态或者水平。根据所使用的逆变器电路的类型，例如半桥或者全桥，每个功率单元可以具有一个或多个开关支路。通过控制每个功率单元的各个开关支路的开关事件，可以控制每个单元上的电压，并且作为结果获得具有多个离散的电压水平的交流输出波形。多电平转换器经常由输出电压波形中的离散电平的数量来描述。
在一些应用中，可能希望使用脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)来控制多电平转换器中的开关事件。基于PWM的控制提供若干益处，尤其是每个电平处的谐波频谱的减少。在PWM方法的核心，多电平转换器一般使用相移三角载波。用于多电平转换器、特别是具有级联H桥拓扑的多电平转换器的传统方法，是相移脉冲宽度调制(phase-shiftedpulse width modulation，PSPWM)载波方法。在PSPWM方法中，将一般是正弦波形的用于每个单元的参考信号与三角载波进行比较，以获得该单元的第一开关支路的开关实例(instance)。每个单元一般具有其自己的三角载波。在PSPWM方法中，这些载波是相移的。将同一参考正弦波形与反三角载波进行比较，以获得同一单元的第二开关支路的开关实例。
但是，诸如上面提到的PWM方法的传统的PWM方法不提供线-线输出电压的最佳频谱。尤其是在高输出电压频率下，或者当转换器具有小的电平数量时，输出电压的质量劣化。如果输出电压频率高，并且转换器具有减小的电平数量，则一种显而易见的可选项是增大开关频率。但是增大开关频率也使总体的损耗增大。
发明内容
简而言之，本公开的各方面涉及一种多电平功率转换器，并且还涉及多电平功率转换器的脉冲宽度调制控制。
本公开的第一方面提供一种用于控制多电平转换器的多个开关器件的方法，所述方法包括：提供多个载波信号和参考信号，参考信号包括划分成多个连续的带的波形范围，动态地将多个载波信号分配给多个开关器件，以及基于动态地分配的载波信号与参考信号的比较，生成脉冲宽度调制信号，以生成多个开关器件的开关事件，其中，多个载波信号包括载波信号之间的相移，并且其中，动态地将多个载波信号分配给多个开关器件，使得对于每个开关器件，基于参考信号相对于多个带的位置，旋转并且选择多个载波信号。
本公开的第二方面提供一种用于产生多相交流电源的多电平转换器，其包括：用于向一个或多个相供电的多个功率单元，每个功率单元包括多个开关器件，开关器件包含半导体开关，以及连接到每个功率单元的脉冲宽度调制控制器，用于通过经由脉冲宽度调制控制每个开关器件的开关事件，来控制多个功率单元的电压输出，其中，脉冲宽度调制控制器被配置为，动态地对多个开关器件分配多个载波信号，并且基于动态地分配的载波信号与参考信号的比较，生成脉冲宽度调制信号，以生成多个开关器件的开关事件，其中，多个载波信号包括载波信号之间的相移，并且其中，将多个载波信号动态地分配给多个开关器件，使得对于每个开关器件，基于参考信号相对于多个带的位置，旋转并且选择多个载波信号。
附图说明
图1是示出根据本公开的示例性实施例的具有三个单元/相拓扑的级联三相H桥多电平转换器的示意图。
图2示出了根据本公开的示例性实施例的带布置和调制参考波形的图形表示。
图3示出了根据本公开的示例性实施例的具有载波信号通过的仿真的三角载波布置的图形表示。
图4示出了根据本公开的示例性实施例的使用调制指数为1的所提出的PSPWM方法的、具有旋转载波信号的仿真的载波布置的图形表示。
图5示出了根据本公开的示例性实施例的有限状态机的示例的示意图，有限状态机动态地为具有三个单元/相的拓扑的级联H桥多电平转换器的每个开关支路的所有开关器件，分配载波信号。
图6示出了根据本公开的示例性实施例的状态转变的示意图，这些状态转变基于所提出的用于具有三个单元/相的拓扑的级联H桥多电平转换器的载波分配方法。
图7示出了根据本公开的示例性实施例的针对正弦参考信号使用所提出的载波分配方法而获得的脉冲的图形表示。
图8至图13示出了根据本公开的示例性实施例的仿真结果，这些仿真结果示出了对于每一相具有三个单元的级联H桥多电平转换器，与传统的PSPWM方法相比，通过所提出的调制方法获得的输出电压和电流的质量差异。
图14示出了根据本公开的另一个实施例的包括PWM控制器的模块化多电平转换器(MMC)。
图15示出了根据本公开的示例性实施例的使用所提出的选择性PSPWM的、针对例如在图14中示出的模块化多电平转换器的仿真的线-线电压频谱的图形表示。
具体实施方式
本公开的实施例涉及一种新的脉冲宽度调制(PWM)方法，该方法原则上可以用于许多不同类型的多电平转换器。一般来说，多电平转换器可以具有一个或多个相，每一相包括多个功率单元。每个功率单元包括逆变器电路，逆变器电路具有一个或多个开关支路，开关支路设有开关器件，这些开关器件可以改变各个单元的电压状态或者水平。通过控制每个功率单元的各个开关支路的开关事件，可以控制每个单元上的电压，并且作为结果获得具有多个离散的电压水平的交流输出波形。
虽然针对可以在工业应用中使用的某些示例性的多电平转换器示出了本发明的实施例，但是应当理解，所提出的PWM控制器和其基本工作方法不限于在此描述的类型的多电平转换器，而是可以一般化地用于具有任意数量的单元的多电平转换器或者许多其它多电平拓扑。
在第一实施例中，针对级联H桥多电平转换器示出了所提出的调制方法。这种转换器的示例是Siemens Industry,Inc.制造的Perfect Harmony GH180
Figure BDA0002491471930000041
drive。
图1示出了根据本公开的一个方面的系统1的实施例的示意图，系统1包括具有七电平拓扑的级联H桥多电平转换器10，其包括三个相，每一相具有三个功率单元，系统1附加地包含PWM控制器30。例如，在Hammond的美国专利No.5,625,545中描述了本实施例的多电平转换器的拓扑，为了进行说明，其内容通过引用包含于此。
在图1的示例中，系统1是中压驱动器，其包括通过线路L1、L2和L3提供功率输入2的三相功率源。多电平转换器10连接到交流功率输入2，并且通过相输出线路u、v和w，作为输出3，产生三相交流电源。交流输出3可以连接到负载20，在该示例中，负载20包括电机。可以通过控制多电平转换器10产生的输出电压的频率和/或幅值，来运行电机20。
多电平转换器10的每一相包括相应的相支路11，相支路11由以级联的方式布置的多个功率单元12形成。在图1的示例中，相支路11分别由串联连接的相同数量的(即三个)功率单元12形成。相的每个功率单元12经由相应的输入线路L1、L2和L3连接到功率输入2。例如，可以经由多相绕组变压器向输入线路L1、L2、L3提供功率。三个相的功率单元12分别被标记为单元A1至单元A3、单元B1至单元B3和单元C1至单元C3。每个功率单元12响应于来自PWM控制器30的控制信号，来改变电压水平和/或频率输出，从而产生每一相的多电平电压波形。功率单元12通常包括功率半导体开关器件、无源部件(电感、电容器)、控制电路、处理器、接口以及用于与控制器30进行通信的其它部件。功率单元12基于来自控制器30的信号工作。
功率单元12中的每一个包括单相逆变器电路，单相逆变器电路连接到单独的直流电源，这些单独的直流电源通过对经由输入线路L1、L2、L3针对每个功率单元12的交流功率输入进行整流而产生。在该示例中，通过以桥式整流器配置布置的二极管整流器13a-f进行整流。本示例还使用滤波电路，滤波电路例如包括电容器14，其用于平滑经过整流的直流功率中的电压纹波。
每个单元12的逆变器电路包括以H桥(也称为全桥)配置布置的功率半导体开关器件15a-d。开关器件15a-d例如可以包括诸如绝缘栅双极晶体管(insulated-gate bipolartransistor，IGBT)的功率晶体管，并且不限于此。开关器件15a、15b连接到单元输出线路16a，而开关器件15c、15d连接到单元输出线路16b。晶体管15a-d接收例如由控制器30基于脉冲宽度调制控制的栅极输入信号18形式的脉冲宽度调制信号。控制器30通过第一开关支路17a选择晶体管15a或者15b中的一个导通(ON)，并且通过第二开关支路17b选择晶体管15c或者15d中的一个导通(ON)，这将允许功率分别通过线路16a或者16b传递至负载20。换言之，开关支路17a的控制器触发的开关事件使晶体管15a、15b中的一个处于导通(ON)状态，而另一个处于关断(OFF)状态。同样，开关支路17b的控制器触发的开关事件使晶体管15c、15d中的一个处于导通(ON)状态，而另一个处于关断(OFF)状态。在所示出的实施例中，将单个单元12的开关支路17a、17b简称为该单个单元12的开关支路A和开关支路B。
尽管每个功率单元12包括在中压设备驱动器1中，但是可以在内部按照低压标准构造每个功率单元12。作为示例，每个功率单元12可以具有600伏的额定电压。因此，每个功率单元12可以输出的最大电压水平大约为600VDC。根据哪些晶体管是导通的，每个功率单元12的单元输出线路16a、16b上的输出电压可以是有极性的或者为零。因此，每个功率单元12可以具有三个输出状态：+600VDC、-600VDC或者0VDC。由于每一个相输出线路中的三个功率单元12之间的串联连接，例如对于相输出线路u，单元A1、A2、A3之间的串联连接，因此对于相应的相输出线路，可以产生大约1800VDC的最大输出电压幅值。每个功率单元12可以彼此独立地运行。因此，每一相可以为电机20提供至少七个电压水平。这些线-中性电压状态的近似值包括+/-1800VDC、+/-1200VDC、+/-600VDC和0VDC。一般来说，每一相具有数量N个功率单元12的级联H桥多电平转换器，能够为每一相产生数量NL个线-中性点电压状态，其中，NL＝2N+1。应当注意，线-线电压可以具有比相(线-中性点)电压更多的电平。例如，级联H桥多电平转换器在线-线电压方面可以具有2NL-1个电平。根据所使用的调制技术，其它拓扑可能具有不同数量的电平。
电机20可以包括任意类型的交流型电机，例如同步、异步、永磁电机，并且可以额定为低压、中压或者高压。例如，中压交流电机，例如在工业过程控制中使用的中压交流电机，可以在4.16kV至13.8kV的范围内运行。可以使用更大或者更小的电压。可以连接多于一个的电机20。可以使用其它负载来代替电机20或者作为电机20的附加。电机20响应于多电平转换器在三个相上施加的电压，例如来增大、减小或者维持速度或者位置。
控制器30例如可以包括具有存储器的处理器，存储器用于存储并且执行特定指令，以实现所示出的PWM控制。控制器30例如可以由具有内部或者外部存储器的微控制器构成，或者由定点或者浮点数字信号处理器(digital signal processor，DSP)构成，或者由可编程逻辑器件(programmable logic device，PLD)构成，或者由上面提到的部件的任意组合构成，并且不限于此。通过对每一相的参考电压进行脉冲宽度调制，控制器30控制每个功率单元12，因此控制每个功率单元12的输出线路16a、16b之间输出的电压的幅值和频率。功率单元12中的控制电路或者控制板可以接收电压参考，并且使用适当的矢量控制和脉冲宽度调制来产生用于功率开关器件的门控脉冲。替换地，控制器30可以基于电压参考来输出提供给单元12的门控脉冲。
如前所述，用于多电平转换器、特别是诸如系统1的具有级联H桥拓扑的多电平转换器的已知方法，是相移脉冲宽度调制(PSPWM)载波方法。在PSPWM方法中，将一般是正弦波形的用于每个单元12的参考信号与三角载波信号进行比较，以获得单元12的第一开关支路17a(支路A)的开关实例。每个单元12一般具有其自己的三角载波信号。在PSPWM方法中，对载波信号(在此也简称为载波)进行移相。将同一参考正弦波形与翻转的三角载波信号进行比较，以获得同一单元12的第二开关支路17b(支路B)的开关实例。
对于NL拓扑，其中，NL是线-中性点电压状态(在此也称为电平(levels))的数量，并且N是一相的单元12的数量，同一相的单元12使用根据公式(1)的用于第一开关支路17a的载波之间的相移Tshift_phase：
Figure BDA0002491471930000071
三个相中的每一相总共将有2N个载波。
在一相的最后一个单元12与下一相的第一个单元12的第一开关支路17a的载波之间，可以使用在公式(2)中提供的附加相移：
Figure BDA0002491471930000072
已知上面提供的传统调制策略不提供线-线电压的最佳频谱。例如通过使用相位配置(phase disposition，PD)调制器，可以实现输出电压频谱的改善。在这种方法中，对于NL转换器，存在具有相同的幅值、相位和频率的(NL-1)个载波波形，这些载波波形被布置到连续的带中，这些带完全占据从-1到1的调制范围。在任意时刻，调制参考与载波的交点确定每一个相支路的开关电压水平。问题是，这种方法仅确定每个支路的期望的开关电压水平，而不确定器件的实际开关实例。因此，然后必须对产生的开关电压波形进行解码，以选择特定的单元状态。此外，该过程必须确保所有单元均等地共享功率。
在此提出了一种不同的调制方法，也称为选择性相移载波PWM方法。针对例如在图1中示出的级联H桥多电平拓扑，描述所提出的调制方法，然后将该方法扩展到模块化多电平转换器(modular multilevel converter，MMC)拓扑。所提出的方法的原理适用于许多数量的单元；然而，将参照在图1中示出的包括9个单元12(每一相3个单元)的系统1来说明该方法。
图2示出了根据本公开的示例性实施例的带布置32和调制参考波形34的图形表示。
由于每一相有三个单元12，并且每个单元12可以产生三个电平(如参考我们的图1的示例所描述的)，因此在相输出电压(线-中性点)中将总共有七个电平，调制参考波形34可以被划分到其中。相应地，调制参考波形34的范围可以被划分为带布置32，带布置32包括均等地间隔开的六个连续的带B1至B6。
调制参考波形34也可以称为调制波形或者正弦波。参考信号波形34的范围可以称为参考信号的调制范围。参考信号波形34的幅值称为参考信号波形34的调制指数(index)m。所示出的参考信号波形34是例如具有基本上正弦的形状的周期波形。应当理解，对参考信号波形34的形状没有限制，只要波形34被限制在区间[-1 1]内即可。
带布置32包括带Band 1(B1)至Band 6(B6)，其中，带布置32的每个带B1至B6覆盖最大调制指数m的1/3。对于一般情况，对于每一相具有N个单元的转换器，将存在2N个带，并且每个带将占据最大调制指数m的1/N。为了容易识别，图2仅分别描绘了Band 1B1、Band4B4和Band 6B6的标识。下面给出每个带B1-B6的定义，其中，m是正弦波调制参考波形的幅值：
Band 1:2/3<m<1，
Band 2:1/3<m<2/3，
Band 3:0<m<1/3，
Band 4:-1/3<m<0，
Band 5:-2/3<m<-1/3，
Band 6:-1<m<-2/3。
图3示出了根据本公开的示例性实施例的具有载波信号C1至C6的仿真的三角载波布置36的图形表示。传统的PSPWM方法对每个开关支路A和开关支路B分配载波信号，其中，载波信号被永久地分配给每个开关支路A、B。
与传统的PSPWM方法不同，所提出的方法包括：建立在载波信号之间具有不同的相移Tshift_phase_new的载波信号(2N)。相移由公式(3)给出，其中，相移Tshift_phase_new是传统的PSPWM方法的相移的一半(参见公式(1))：
Figure BDA0002491471930000081
图3示出了根据公式(3)确定的每一相三个单元的示例的六个载波信号C1-C6。载波信号C1-C6包括基本上具有三角形形状的波形。
根据示例性实施例，六个载波信号C1、C2、C3、C4、C5和C6都不永久地分配给一相的单元12的开关支路A、B。相反，基于先前参考图2描述的参考波形34相对于六个带B1-B6的位置，载波信号C1、C2、C3、C4、C5和C6旋转，并且被动态地分配给一相的开关支路A、B的所有开关器件15a-15d。
开关支路的开关器件的开关事件，即切换为导通(ON)或者关断(OFF)，通过例如作为栅极输入信号18的脉冲宽度调制信号来实现，脉冲宽度调制信号由控制器30基于载波信号与参考信号的比较而触发。
图4示出了使用根据本公开的示例性实施例的调制指数为1的所提出的PSPWM方法的、具有旋转载波信号CR1至CR6的仿真的载波布置40的图形表示。
载波C1-C6的动态分配对每个开关器件15a-15d，分配(多个载波信号C1-C6中的)导致尽可能低的总谐波畸变(total harmonic distortion，THD)的载波信号。因此，单元12中的每个开关器件15a-15d具有旋转载波CRn，其可以认为是由公式(4)提供的六个载波C1-C6的函数：
Figure BDA0002491471930000091
在等式(4)中，Bi是二进制信号，当参考波形34在带i内时，Bi等于1(一)，并且当参考波形34在带i外时，Bi等于0(零)，其中，i对应于带B1-B6的编号(i＝1…6)。系数Kj可以具有两个值：-1和1。
等式(4)规定，分配给单元12的开关器件15a-15d的旋转载波信号CRn，是六个载波C1至C6或者其相反的值-C1至-C6中的一个，并且从一个载波到另一载波C1-C6的切换，发生在从一个带到另一带B1-B2的交点处。实际上，使用状态机来实现等式(4)要容易得多，将参照图5来描述这种状态机，图5示出了动态地为一相的所有开关器件15a-15d产生旋转载波信号CRn的状态机。
对于图1和图4，旋转载波信号CR1、CR2、CR3、CR4、CR5和CR6分别由开关器件A3_A_Top、A3_B_Bot、A2_A_Top、A2_B_Bot、A1_A_Top、A1_B_Bot使用。虽然图4中的载波示出了由于C1-C6的动态分配而不连续，但是这些不连续不导致脉冲中断或者附加的开关事件。
图5示出了根据本公开的示例性实施例的有限状态机50的示例的示意图，有限状态机50动态地为具有三个单元/相的拓扑的级联H桥多电平转换器的每个开关支路A、B的所有开关器件15a-d，分配载波C1-C6。
根据在图5中示出的每一相具有三个单元12的示例，状态机50包括6×6＝36个状态。对于每一相有N个单元的一般情况，状态机将具有2N×2N＝4N2个状态。
块52示出了针对参考信号34瞬时占据的带B1-B6，对一相的六个开关器件15a-d的载波分配，而箭头54表示参考信号34从一个带到另一带B1-B6的转变或者跨越。
块52的每一个水平行包括带B1-B6(一般来说：Bx，其中，x＝1...2N，并且N是每一相的单元12的数量)内的载波C1-C6的分配。如前所述，在关于图1描述的示例中，存在六个带B1-B6(也参见图2)。对于图5和图1，旋转载波信号CR1、CR2、CR3、CR4、CR5和CR6分别由开关器件A3_A_Top、A3_B_Bot、A2_A_Top、A2_B_Bot、A1_A_Top、A1_B_Bot使用。
假设当上面的示例的六个开关器件15a-d中的每一个关断(OFF)时，为其分配值0，并且当其导通(ON)时，为其分配值1，则可以绘制如图6所示的状态图，图6示出了使用图5的状态机50的、每一相的所有可能的状态。
图6示出了根据本公开的示例性实施例的状态转变的示意图，这些状态转变基于所提出的用于具有三个单元/相的拓扑的级联H桥多电平转换器的载波分配方法。
根据图6，示例性的状态图60，其中，2N位的二进制数(在这种情况下为6位，因为N＝3，其中，N是每一相的功率单元的数量)直接指示开关器件A3_A_Top、A3_B_Bot、A2_A_Top、A2_B_Bot、A1_A_Top、A1_B_Bot是导通、还是关断。图60证实在每个状态62下，每一相仅一个开关器件进行开关，并且在带交叉处没有脉冲中断。应当注意，虚线64指示转变到相同的状态，或者从相同的状态转变到不同的带中，并且可以将它们忽略。在此示出它们，仅仅是为了容易理解使用所示出的方法从一个带到另一个带的转变，如何保持相同的状态，因此不在脉冲产生中引入任何中断。例如，从带1中的状态111111开始，如果不存在带转变，则可以移动到可以在带1中的相同的状态110111，如果存在带转变，则可以移动到带2中。
有限状态机50可以通过向控制器30提供合适的指令/算法，由控制器30来实现。应当理解，作为有限状态机50的附加或者替换，可以实现基于上面指定的分配规则可以选择合适的载波的任意其它的技术或者算法。在另一个实施例中，可以利用现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)或者诸如数字信号处理器(DSP)、片上系统(systems on a chip，SoC)等的其它数字平台，来实现状态机50。
图7示出了根据本公开的示例性实施例的针对正弦参考信号80使用所提出的载波分配方法而获得的脉冲的图形表示。具体地，图7示出了针对连续的正弦参考信号80使用所示出的载波分配方法的、分别用于开关器件A3_A_Top、A3_B_Bot(参见图1)的脉冲82、84。虽然由于C1-C6的动态分配，载波CR1-CR6在图4中显示出不连续，但是在图7中可以看到，这些不连续不导致脉冲中断或者附加的开关事件。
图8至图13示出了根据本公开的示例性实施例的仿真结果，这些仿真结果示出了对于每一相具有三个单元的级联H桥多电平转换器，与传统的PSPWM方法相比，通过所提出的调制方法获得的输出电压和电流的质量差异。根据以下参数，对例如在图1中示出的九单元级联H桥转换器驱动器进行了仿真：
Figure BDA0002491471930000111
认为九单元驱动器表示最坏情况的场景，因为与具有多于九个的单元的驱动器相比，九单元驱动器具有最低的等效开关频率。可以在数学上表明，所提出的调制方法提供输出线-线电压的优秀的谐波频谱，因为其在相电压频谱中，在开关频率处产生大的谐波，该谐波在线-线电压频谱中抵消。显示选择的数量的仿真结果。
图8示出了仿真的线-线电压频谱86的图形表示，仿真的线-线电压频谱86利用所提出的PSPWM，针对仿真的驱动器配置，使用正弦调制波形，在等于1的调制指数下获得。图9示出了与在图8中示出的线-线电压波形对应的、使用所提出的调制方法的仿真的三相电流90、92、94的图形表示。
图10和图11并排示出了在单位调制指数下使用已知的相移调制和所提出的选择性相移调制方法的、仿真的线-线电压频谱的图形表示之间的比较。图10示出了使用已知的PSPWM方法的仿真的线-线电压频谱100，并且图11示出了使用所提出的选择性PSPWM方法的仿真的线-线电压频谱110。
图12和图13并排示出了使用已知的PSPWM方法和所提出的选择性PSPWM方法的、仿真的三相电流的图形表示之间的比较。图12示出了使用已知的PSPWM方法的仿真的三相电流112、114、116，而图13示出了使用所提出的选择性PSPWM方法的仿真的三相电流120、122、124。在图12和图13中示出的电流波形之间的比较中，可以看到所提出的选择性PSPWM方法的优点，其中，驱动器的输出频率增大到400Hz，同时开关频率保持在600Hz。所提出的选择性PSPWM方法产生高质量的正弦波形120、122、124，而标准PSPWM方法将需要提高开关频率，以匹配相同的性能。
下面，描述所提出的调制方法用于模块化多电平转换器(MMC)的应用。模块化多电平转换器例如可以用作用于产生高压直流(high-voltage directcurrent，HVC)的电压源转换器。
图14示出了根据本公开的另一个实施例的包括PWM控制器31的模块化多电平转换器70。MMC的拓扑一般是已知的，在此不详细进行描述。简而言之，MMC 70的每一相包括两个臂71。虽然在图14中仅示出了一相，但是MMC 70可以包括多个相，例如三个相。每一个臂71将直流输入端子72连接到交流输出端子73。在直流输入端子72上施加直流电压Vd。每一个臂71实际上是高压控制开关，其包括串联连接的多个数量的可独立运行的功率单元74。MMC的每一个功率单元74称为子模块。在所示出的实施例中，每一个臂71有六个子模块74。这种模块化多电平转换器的示例是Siemens Industry,Inc制造的Perfect Harmony GH150
Figure BDA0002491471930000121
drive。
示例性的MMC 70的每一个功率单元或者子模块74包括半桥逆变器电路，其包括跨电容器76串联连接的开关器件75a和75b，其中，中点连接和两个电容器端子中的一个作为外部连接引出。开关器件75a和75b例如包括诸如IGBT或者任意其它类型的半导体开关的功率晶体管。通过经由脉冲宽度调制信号，例如由PWM控制器31产生的栅极输入信号77，适当地控制开关器件75a和75b，每个子模块74可以作为两电平转换器(即具有两个输出电压状态，即VSM和0)运行。在该示例中，由于每个子模块74具有半桥逆变器配置，因此在一个开关支路中实现开关器件75a和75b的开关。在此，控制器31触发的开关支路的开关事件，使得开关器件75a和75b中的一个处于导通状态，而另一个处于关断状态。
虽然未示出，但是可以将经由线路输出端73的电流馈送到负载，例如电机。在此示出的三相MMC拓扑不像级联H桥拓扑那样提供特定的相电压。MMC提供线-线电压，这尤其是一般对于如下电机应用就足够了，在这些电机应用中，因为中性点在电机内部，所以相关的是线-线电压。
通过对每一相的电压参考进行脉冲宽度调制，控制器31对每个子模块74进行控制。子模块74中的控制电路或者控制板可以接收电压参考，并且使用适当的矢量控制和脉冲宽度调制，生成用于功率开关器件75a和75b的门控脉冲。替换地，控制器31可以基于电压参考，输出向子模块74提供的门控脉冲。
在所提出的调制方法中，对每一相分配调制参考信号，调制参考信号例如具有、但是不一定具有基本上正弦的波形。根据每一相的参考信号，为相应的相的两个臂71中的每个，产生臂参考信号。在这种情况下，每个子模块74具有如下的单个开关支路，为该单个开关支路动态地分配多个载波信号C1-C6中的载波信号。
对于每个子模块74的开关支路，由栅极输入信号77来实现开关事件，即，开关支路的开关器件切换为导通或者切换为关断，栅极输入信号77由控制器31基于载波信号与臂参考信号的比较来触发。像在先前的实施例中一样，本实施例使用多个载波信号C1-C6，并且对于每个开关支路，使载波信号C1-C6旋转或者循环。该方法设置为，从多个载波信号中动态地选择用于每个开关支路的载波信号。
该示例中的用于每个臂71的载波信号C1-C6的数量等于n，其中，n是一相的每个臂71的子模块74的数量。如上所述，每个载波信号C1-C6对应于完全占据臂参考信号的波形范围的多个连续的带B1-B6中的一个。载波信号C1-C6相对于彼此移相(即延迟一定的时间区间)，但是在其它每一个方面可以相同。动态地选择的载波信号C1-C6对应于臂参考信号瞬时占据的带B1-B6。
MMC 70的子模块74具有与在对级联H桥转换器1(例如参见图1)的仿真中使用的单元12相同的电压额定。
在一个实施例中，用于MMC 70的载波的动态分配由有限状态机进行，以便如上面关于级联H桥多电平转换器所说明的，在循环的基础上向与每一相相关联的开关臂分配载波。有限状态机可以通过向控制器31提供合适的指令/算法，由控制器31来实现。应当理解，作为有限状态机的附加或者替换，可以实现可以基于上面指定的分配规则来选择合适的载波的任意其它的技术或者算法。
图15示出了根据本公开的示例性实施例的使用所提出的选择性PSPWM的、针对例如在图14中示出的模块化多电平转换器的仿真的线-线电压频谱的图形表示。仿真的线-线电压频谱150使用在等于1.15的调制指数下增加了三次谐波调制波形的正弦。对于例如在图14中示出的模块化多电平转换器，很好地平衡了臂71的电容器76的电容器电压，因为载波旋转，并且被动态地分配给了所有开关75a、75b，因此对于所有电容器电压都发生了自然平衡机制。
所提出的选择性PSPWM方法基于三角形相移载波信号的动态分配，并且产生优秀的线-线电压频谱。此外，开关频率降低，并且输出基波增大，特别是对于低单元数的情况。此外，所提出的调制方法可以用于级联H桥和模块化多电平转换器(MMC)两者。应当注意，从载波信号的数量的角度来看，由于不需要相载波之间的附加的相移，因此与现有的调制方法相比，所提出的方法使用更小数量的载波信号。
总之，多电平转换器的输出电压质量的改善，允许使用较低的开关频率，从而提高了系统的整体效率。此外，转换器的输出电压质量的改善，允许转换器不增大开关频率的情况下，在更高的输出频率下运行。所提出的调制方法容易实现，因为与标准相移脉冲宽度调制相比，其需要更小数量的载波，并且所提出的调制方法可以用于级联H桥和模块化多电平转换器两者。此外，所提出的方法可以用于在多电平转换器中的所有开关器件之间平衡功率。
上面描述的示例性实施例的原理可以扩展到或者适用于若干其它多电平转换器拓扑，这些拓扑的每一相一般具有多个包括至少一个开关器件的开关支路。这些拓扑例如可以包括二极管箝位式、电容器箝位式(具有快速电容器(flying capacitor))等，并且不限于此。
虽然详细描述了具体的实施例，但是本领域普通技术人员应当理解，根据本公开的总体教导，可以扩展出对这些细节的各种修改和替换。例如，可以将与不同的实施例相关联地描述的元素组合。相应地，意味着所公开的特定布置仅仅是说明性的，而不应当解释为限制权利要求或者公开的范围，权利要求或者公开的范围由所附权利要求以及其任意和所有的等同方案的全部范围给出。应当注意，术语“包括”不排除其它元素或者步骤，冠词“一”或者“一个”的使用不排除多个，并且术语“多个”是指“复数个”，即多于一个。

Claims (15)

1.一种用于控制多电平转换器(1，70)的多个开关器件(15a-d,75a-b)的方法，所述方法包括：
提供多个载波信号(C1-C6)和参考信号(34，80)，所述参考信号(34，80)包括划分成多个连续的带(B1-B6)的波形范围，
动态地将所述多个载波信号(C1-C6)分配给所述多个开关器件(15a-d,75a-b)，以及
基于动态地分配的载波信号(C1-C6)与所述参考信号(34，80)的比较，生成脉冲宽度调制信号(18，77)，以生成所述多个开关器件(15a-d，75a-b)的开关事件，
其中，所述多个载波信号(C1-C6)包括载波信号(C1-C6)之间的相移，并且
其中，动态地将所述多个载波信号(C1-C6)分配给所述多个开关器件(15a-d，75a-b)，使得对于每个开关器件(15a-d，75a-b)，基于所述参考信号(34，80)相对于多个带(B1-B6)的位置，旋转并且选择所述多个载波信号(C1-C6)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述载波信号(C1-C6)之间的相移(Tshift_phase_new)是
Figure FDA0002491471920000011
其中，N是一相的单元的数量，并且Nlevels是所述多电平转换器(1，70)的线-中性点电压状态的数量。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，每个开关器件(15a-15d，75a-b)包括旋转载波信号(CR1-CR6)，所述旋转载波信号是所述多个载波信号(C1-C6)的函数，并且其中，选择的载波信号(C1-C6)对应于所述参考信号(34，80)瞬时占据的带(B1-B6)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，每个开关器件(15a-15d，75a-b)的旋转载波信号(CR1-CR6)是
Figure FDA0002491471920000012
其中，Bi是等于1(一)或者0(零)的二进制信号，Kj是值为-1或者1的系数，并且Cm对应于载波信号C1-C6。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，当所述参考信号(34，80)在带i内时，Bi等于1(一)，而当所述参考信号(34，80)在带i外时，Bi等于0(零)，其中，i对应于所述多个连续的带(B1-B6)的编号。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，从第一载波信号(C1-C6)到第二载波信号(C1-C6)的切换，发生在从第一个带(B1-B6)到第二个带(B1-B2)的交点处。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，由有限状态机(50)进行所述多个载波信号(C1-C6)的动态分配。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多电平转换器(1，70)被配置为级联H桥多电平转换器(1)或者模块化多电平转换器(70)。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述参考信号(34，80)包括具有基本上正弦形状的波形。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个载波信号(C1-C6)包括具有基本上三角形形状的波形。
11.一种用于产生多相交流电源的多电平转换器(1，70)，其包括：
用于向一个或多个相供电的多个功率单元(12，74)，每个功率单元(12，74)包括多个开关器件(15a-d，75a-b)，所述开关器件包含半导体开关，以及
连接到每个功率单元(12，74)的脉冲宽度调制控制器(30，31)，用于通过经由脉冲宽度调制控制每个开关器件(15a-d，75a-b)的开关事件，来控制所述多个功率单元(12，74)的电压输出，
其中，所述脉冲宽度调制控制器(30，31)被配置为，
动态地对所述多个开关器件(15a-d，75a-b)分配多个载波信号(C1-C6)，并且
基于动态地分配的载波信号(C1-C6)与参考信号(34，80)的比较，生成脉冲宽度调制信号(18，77)，以生成所述多个开关器件(15a-d，75a-b)的开关事件，
其中，所述多个载波信号(C1-C6)包括载波信号(C1-C6)之间的相移，并且
其中，将所述多个载波信号(C1-C6)动态地分配给所述多个开关器件(15a-d，75a-b)，使得对于每个开关器件(15a-d，75a-b)，基于所述参考信号(34，80)相对于多个带(B1-B6)的位置，旋转并且选择所述多个载波信号(C1-C6)。
12.根据权利要求11所述的多电平转换器(1，70)，其中，所述多电平转换器(1，70)被配置为级联H桥多电平转换器(1)或者模块化多电平转换器(70)。
13.根据权利要求11所述的多电平转换器(1，70)，其中，所述载波信号(C1-C6)之间的相移(Tshift_phase_new)是
Figure FDA0002491471920000031
其中，N是一相的单元的数量，并且Nlevels是所述多电平转换器(1，70)的线-中性点电压状态的数量。
14.根据权利要求11所述的多电平转换器，其中，利用与所述脉冲宽度调制控制器(30，31)通信的有限状态机(50)，来动态地分配所述多个载波信号(C1-C6)。
15.根据权利要求11所述的多电平转换器，其中，所述多相交流电源的输出连接到负载，所述负载包括电机。
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