CN112292804A - 具有带有碳化硅mosfet的逆变器块的功率转换器的控制方法 - Google Patents

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G·贾尼雷迪
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Abstract

提供了用于操作功率转换器的系统和方法，所述功率转换器具有多个逆变器块，所述多个逆变器块具有碳化硅MOSFET。转换器可包括多个逆变器块。每个逆变器块可包括多个开关装置。多个开关装置可包括一个或多个碳化硅MOSFET。控制方法可包括：由控制系统向多个逆变器块中的第一逆变器块提供一个或多个选通命令。控制方法还可包括：由控制系统实施选通命令延迟，以至少部分地基于一个或多个选通命令来生成第一延迟选通命令。控制方法还可包括：由控制系统向多个逆变器块中的第二逆变器块提供第一延迟选通命令。

Description

具有带有碳化硅MOSFET的逆变器块的功率转换器的控制方法
技术领域
本主题一般涉及功率系统，并且更特别地涉及用于向利用具有碳化硅MOSFET的逆变器块的功率转换器提供选通命令（gating command）的系统和方法。
背景技术
发电系统可以使用功率转换器将功率转换成适合于能量网（energy grid）的功率形式。在典型的功率转换器中，可以在诸如半桥或全桥电路之类的电子电路中使用多个开关装置以转换功率，所述多个开关装置诸如绝缘栅双极晶体管（IGBT）或金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。开关装置技术的最新发展已虑及在功率转换器中使用碳化硅（“SiC”）MOSFET。与常规IGBT相比，使用SiC MOSFET虑及以高得多的开关频率来操作功率转换器。
发明内容
本公开的实施例的方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可以从本描述中获悉，或者可以通过实践实施例来获悉。
本公开的一个示例方面针对用于操作转换器的控制方法。转换器可包括多个逆变器块。每个逆变器块可包括多个开关装置。多个开关装置可包括一个或多个碳化硅MOSFET。控制方法可包括：由控制系统向多个逆变器块中的第一逆变器块提供一个或多个选通命令。控制方法还可包括：由控制系统实施选通命令延迟，以至少部分地基于一个或多个选通命令来生成第一延迟选通命令。控制方法还可包括：由控制系统向多个逆变器块中的第二逆变器块提供第一延迟选通命令。
本公开的另一个示例方面针对功率转换系统。该功率转换系统可包括转换器。转换器可包括多个逆变器块。每个逆变器块可包括多个开关装置。多个开关装置可包括一个或多个碳化硅MOSFET。功率转换系统还可包括控制系统，其包括多个栅极驱动卡。控制系统可被配置成通过向多个逆变器块提供一个或多个选通命令来控制转换器的操作。每个逆变器块可具有多个栅极驱动卡中的一个或多个相关联的栅极驱动卡，所述多个栅极驱动卡被配置成向逆变器块中的多个开关装置提供一个或多个选通命令。每个逆变器块的一个或多个相关联的栅极驱动卡中的至少一个可菊花链接到另一个逆变器块的一个或多个相关联的栅极驱动卡中的至少一个。
本公开的另一个示例方面针对风力发电系统。该风力发电系统可包括：风力发电机，被配置成生成AC功率；以及AC到DC转换器，其耦合到所述风力发电机。AC到DC转换器可被配置成将来自风力发电机的AC功率转换成DC功率。风力发电系统还可包括DC链路，其耦合到AC到DC转换器。DC链路可被配置成从AC到DC转换器接收DC功率。风力发电系统还可包括DC到AC转换器，其耦合到DC链路。DC到AC转换器可被配置成从DC链路接收DC功率。DC到AC转换器可包括多个逆变器块。每个逆变器块可包括多个开关装置。多个开关装置可包括一个或多个碳化硅MOSFET。风力发电系统还可包括控制系统，其包括多个栅极驱动卡。控制系统可被配置成通过向多个逆变器块提供一个或多个选通命令来控制DC到AC转换器的操作。每个逆变器块可具有多个栅极驱动卡中的一个或多个相关联的栅极驱动卡，所述多个栅极驱动卡被配置成向逆变器块中的多个开关装置提供一个或多个选通命令。每个逆变器块的一个或多个相关联的栅极驱动卡中的至少一个可菊花链接到另一个逆变器块的一个或多个相关联的栅极驱动卡中的至少一个。控制系统还可被配置成实施由栅极驱动卡提供的选通命令中的选通命令延迟。
可以对本公开的这些示例方面进行变化和修改。
参考以下描述和所附权利要求书，将更好地理解各种实施例的这些和其他特征、方面和优点。并入在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与说明书一起用于解释相关原理。
附图说明
在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的实施例的详细讨论，该说明书对附图进行参考，其中：
图1描绘了示例风力发电系统；
图2描绘了根据本公开的示例方面供功率转换器中使用的示例元件；
图3描绘了根据本公开的示例方面的功率转换器；
图4描绘了根据本公开的示例方面的功率转换器的一部分；
图5描绘了根据本公开的示例方面的用于功率转换器的控制系统；
图6描绘了常规功率转换器中的电磁干扰的曲线图；
图7描绘了根据本公开的示例方面的功率转换器中的电磁干扰的曲线图；
图8描绘了根据本公开的示例方面的示例开关策略；
图9描绘了根据本公开的示例方面的示例方法；以及
图10描绘了根据本公开的示例方面适合于供控制装置使用的元件。
具体实施方式
现在将对本发明的实施例进行详细参考，其一个或多个示例在附图中示出。通过解释本发明而不是限制本发明来提供每个实施例。实际上，本领域技术人员将明白，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分而示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用以产生又另一实施例。因此，预期本发明覆盖落入所附权利要求书及其等同物的范围内的这种修改和变化。
如本文所使用的，术语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换使用以将一个组件与另一个组件区分开，并且不意在表示个体组件的位置或重要性或限制设备中的个体组件的数量。如本文所使用，术语“大约”是指在所述值的正或负百分之十之内。
本公开的示例方面针对用于控制具有利用SiC MOSFET的多个逆变器块的功率转换器的系统和方法。例如，诸如使用双馈感应发电机（“DFIG”）作为发电单元的系统之类的发电系统可以使用一个或多个功率转换器来将功率从低压多相交流功率转换成中压多相交流功率。如本文所使用，“LV”电压可以是小于约1.5千伏的功率。如本文所用，“MV”电压可以是大于约1.5千伏且小于约100千伏的功率。如本文所使用，术语“约”可以表示在所述值的20％内。
在实施例中，功率转换器可以是被配置成转换从发电机输出的多相功率的多相（例如，三相）功率转换器。功率转换器可包括例如第一功率转换器，该第一功率转换器被配置成将从诸如DFIG之类的发电机输出的AC功率转换成DC功率，并将该DC功率提供给DC链路。第二功率转换器可以被配置成将来自DC链路的DC功率转换成适合于供电网上使用的AC功率。例如，第二功率转换器可以是DC到DC到AC功率转换器，并且可以利用SiC MOSFET作为功率半导体，从而允许非常高的开关频率。
第二功率转换器可包括例如多个逆变器块。每个逆变器块可包括被配置成转换功率的多个桥电路，并且每个桥电路可包括一个或多个SiC MOSFET作为开关装置。例如，每个逆变器块可以是DC到DC到AC逆变器块，并且多个逆变器块可以在LV侧上并联耦合并且在MV侧上串联耦合。每个DC到DC到AC逆变器块可包括：被配置成将来自DC链路的LV DC功率转换成高频LV AC电压的第一DC到AC转换实体、被配置成提供隔离的隔离变换器、被配置成将LVAC功率转换成LV DC功率的第二AC到DC转换实体、以及被配置成将LV DC功率转换成适合于供能量网上使用的LV AC功率的第三DC到AC转换实体。多个逆变器块可以串联连接，以构建适合于供MV AC电网上使用的MV AC电压。
在示例拓扑中，可以采用从线路到中性线的三级拓扑来配置多个逆变器块，从而允许每个相的正电压、零电压或负电压的输出电压。例如，功率转换器可包括六个逆变器块，其中每个逆变器块包括多个开关装置，诸如一个或多个SiC MOSFET。控制装置可以向每个逆变器块提供一个或多个选通命令，以便将开关装置开启和关断来生成输出电压波形。例如，控制装置可以向多个栅极驱动卡提供一个或多个选通命令，然后，所述多个栅极驱动卡可以将逆变器块中的个体开关装置开启和关断。
在这样的系统中，每个栅极驱动卡可以仅被配置成驱动逆变器块中的开关装置的子集，诸如，例如形成桥电路的转换实体中的四个开关装置。因此，对于利用具有三个转换实体的DC到DC到AC逆变器块的功率转换器，每个逆变器块可能要求至少三个栅极驱动卡。此外，在每相具有六个逆变器块的三相功率转换器中，可能要求至少54个栅极驱动卡来驱动功率转换器中的开关装置中的所有。然而，被配置成向栅极驱动卡提供选通命令的典型控制装置可能仅具有足够的通信通道以向一个或两个栅极驱动卡提供选通命令。因此，在典型的配置中，其中直接从控制装置为每个栅极驱动卡提供控制信号，可能要求大量的控制装置。在这样的控制系统中，控制系统的复杂性和与控制装置相关联的成本可能非常显著。
此外，如果功率转换器中的开关装置全部同时开启，则在高于某些频率的电压中产生的电磁干扰（“EMI”）可能非常高。通常，随着由开关装置产生的EMI增加，可能需要使用更大和更昂贵的滤波器，以便将功率调节成适合供电网上使用的形式。因此，由于与滤波器相关联的成本，高EMI可增加功率转换系统的成本。
本公开的示例方面针对用于向功率转换器中的逆变器块提供选通命令以降低控制系统的成本和复杂性并降低由功率转换器生成的EMI的系统和方法。例如，功率转换器可包括多个逆变器块。每个逆变器块可包括多个开关装置，诸如一个或多个SiC MOSFET。控制系统可以被配置成向多个逆变器块中的第一逆变器块提供一个或多个选通命令。例如，控制装置可以被配置成向一个或多个栅极驱动卡提供一个或多个选通命令，所述一个或多个栅极驱动卡可以被配置成驱动逆变器块中的开关装置中的一个或多个以转换功率。此外，控制系统可以被配置成实施选通命令延迟，以至少部分地基于一个或多个选通命令来生成第一延迟选通命令。例如，与第一逆变器块相关联的第一栅极驱动卡可以被配置成接收一个或多个选通命令，并且然后实施选通命令延迟，诸如1-2微秒的延迟，以生成第一延迟选通命令。然后，控制系统可以被配置成向多个逆变器块中的第二逆变器块提供第一延迟选通命令。例如，第一栅极驱动卡可以被配置成将第一延迟栅极命令发送到与第二逆变器块相关联的第二栅极驱动卡，所述第二逆变器块被配置成驱动第二逆变器块中的一个或多个开关装置。在实施例中，可以采用菊花链配置来布置多个栅极驱动卡，诸如第一栅极驱动卡和第二栅极驱动卡。
此外，控制系统可以实施附加的选通命令延迟以生成附加的延迟选通命令，并将这些附加的延迟选通命令提供给多个逆变器块中的其他逆变器块。例如，与第二逆变器块相关联的栅极驱动卡可以被配置成实施第二选通命令延迟，以至少部分地基于第一延迟选通命令来生成第二延迟选通命令，并且还可以向多个逆变器块中的第三逆变器块提供第二延迟选通命令。类似地，与每个逆变器块相关联的栅极驱动卡可以被配置成实现选通命令延迟以生成延迟选通命令，并且可以向另一个逆变器块提供延迟选通命令，诸如通过向菊花链中的下游栅极驱动器卡提供延迟选通命令。这样，可以在向功率转换器中的每个逆变器块提供的一个或多个选通命令中实施选通命令延迟。
在实施例中，选通命令延迟可以至少部分地基于转换器中的块的数量。例如，一个或多个选通命令可包括开/关脉冲，所述开/关脉冲被配置成在将转换器关断之前将转换器开启达一段时间。例如，一个或多个选通命令可以是将功率转换器开启达20微秒的时段的命令。可以向第一逆变器块提供一个或多个选通命令，并且控制系统可以实施选通命令延迟（诸如1微秒的延迟）以生成延迟选通命令，并且向第二逆变器块提供延迟选通命令。类似地，控制系统可以被配置成针对每个连续的逆变器块实施选通命令延迟。例如，在具有六个逆变器块的功率转换器中，可以在向第二至第六逆变器块提供延迟选通命令之前由控制系统实现选通命令延迟。因此，如果例如针对第二至第六逆变器块中的每个实施1微秒延迟，则包括用于第二至第六逆变器块中的每个的选通命令延迟一起相加的总延迟将为5微秒。在实施例中，总延迟（例如，5微秒）可以短于开/关脉冲的开时段（例如，20微秒）。
在实施例中，一个或多个选通命令可以是被配置成生成固定脉冲输出的一个或多个选通命令。此外，在实施例中，选通命令延迟可以是在每个逆变器块的固定脉冲输出中生成相移的延迟。另外，相移可以至少部分地基于转换器中的逆变器块的数量。例如，转换器可包括六个逆变器块。一个或多个选通命令可以是用于生成固定脉冲输出（诸如全电压输出）达指定的时间段的一个或多个选通命令。例如，固定脉冲输出可以是三分之二的占空比，使得逆变器块针对三分之二的半个循环提供全电压并针对三分之一的半个循环提供零电压。可以向转换器中的每个逆变器块提供被配置成生成固定脉冲输出的一个或多个选通命令。可以实施选通命令延迟，以在每个逆变器块的固定脉冲输出中生成相移。此外，可以将每个逆变器块的固定脉冲输出与所有其他逆变器块的固定脉冲输出进行相移。例如，每个逆变器块的固定脉冲输出可以进行相移以生成正弦电压波形。此外，可以归一化由每个逆变器块处理的平均功率，这可以简化功率转换器的冷却系统，因为所有逆变器块可以处理大约相等的功率。
这样，根据本公开的示例方面的系统和方法可以具有如下技术效果：通过减少由控制系统所需的控制装置的数量，来简化控制具有多个逆变器块的功率转换器所需的控制系统。这样可以减少与控制系统相关联的成本。此外，通过引入延迟，可以减少由多个逆变器块生成的EMI的量，从而减小用于功率转换器的滤波器的大小和成本。另外，根据本公开的示例方面的系统和方法可以虑及要生成的期望输出电压波形。
现在参考附图，将更详细地讨论本公开的示例方面。图1描绘了根据本公开的示例方面的风力发电系统100，其包括DFIG 120。出于说明和讨论的目的，将参考图1的示例风力发电系统100来讨论本公开。使用本文提供的本公开的本领域普通技术人员应该理解，本公开的方面也可应用于其他系统，诸如全功率转换风力涡轮机系统、太阳能系统、能量存储系统和其他功率系统。
在示例风力发电系统100中，转子106包括耦合到旋转中枢110的多个转子叶片108，并且一起定义了螺旋桨。螺旋桨耦合到可选的齿轮箱118，所述齿轮箱118又耦合到发电机120。根据本公开的方面，发电机120是双馈感应发电机（DFIG）120。
DFIG 120通常经由转子总线156耦合到定子总线154和功率转换器162。定子总线从DFIG 120的定子提供输出多相功率（例如，三相功率），并且转子总线156提供DFIG 120的输出多相功率（例如，三相功率）。功率转换器162可以是双向功率转换器，其被配置成向电网184提供输出功率和/或从电网184接收功率。如图所示，DFIG 120经由转子总线156耦合到转子侧转换器166。转子侧转换器166耦合到线路侧转换器168，所述线路侧转换器168又耦合到线路侧总线188。辅助功率馈送（未描绘）可耦合到线路侧总线188，从而为风力发电系统100中使用的组件（例如，风扇、泵、马达和其他组件）提供功率。
在示例配置中，转子侧转换器166和/或线路侧转换器168被配置用于使用SiCMOSFET和/或IGBT作为开关装置的三相脉冲宽度调制（PWM）布置中的正常操作模式。与常规IGBT相比，SiC MOSFET可以以很高的频率进行开关。例如，SiC MOSFET可以以从大约0.01Hz至10MHz的频率进行开关，其中典型的开关频率为1KHz至400KHz，而IGBT可以以从大约0.01Hz至200KHz的频率进行开关，其中典型的开关频率为1KHz至20KHz。此外，在一些电压范围内操作时，SiC MOSFET可以提供超过普通MOSFET的优势。例如，在LV侧上以1200V-1700V操作的功率转换器中，SiC MOSFET具有比普通MOSFET更低的开关损耗。
在一些实现中，转子侧转换器166和/或线路侧转换器168可包括多个转换模块，各自与发电机的多相功率输出的相相关联，如将关于图2和图3来更详细地讨论的那样。转子侧转换器166和线路侧转换器168可以经由DC链路126耦合，跨该DC链路126的可以是DC链路电容器138。
功率转换器162可以耦合到控制装置174，以控制转子侧转换器166和线路侧转换器168的操作。应注意，在典型实施例中，控制装置174被配置为功率转换器162和控制系统176之间的接口。
在操作中，经由双路径向电网184提供在DFIG 120处通过旋转转子106所生成的功率。双路径由定子总线154和转子总线156定义。在定子总线154侧上，正弦多相（例如，三相）被提供给功率输送点（例如，电网184）。特别地，经由定子总线154提供的AC功率可以是中压（“MV”）AC功率。在转子总线侧156上，正弦多相（例如，三相）AC功率被提供给功率转换器162。特别地，经由转子总线156提供给功率转换器162的AC功率可以是低电压（“LV”）AC功率。转子侧功率转换器166将从转子总线156提供的LV AC功率转换成DC功率，并且将DC功率提供给DC链路126。在转子侧功率转换器166的并联桥电路中使用的开关装置（例如，SiCMOSFET和/或IGBT）可以被调制以将从转子总线156提供的AC功率转换成适合于DC链路126的DC功率。这种DC功率可以是LV DC功率。
在风力发电系统100中，功率转换器162可以被配置成将LV AC功率转换成MV AC功率。例如，线路侧转换器168可以将DC链路126上的LV DC功率转换成适合于电网184的MV AC功率。特别地，可以调制在线路侧功率转换器168的桥电路中使用的SiC MOSFET，以将DC链路126上的DC功率转换成线路侧总线188上的AC功率。此外，耦合到桥电路中的一个或多个的一个或多个隔离变换器可以被配置成根据需要使来自DC链路的电压逐步升高或降低。另外，可以将多个逆变器块在MV侧上串联连接，以将DC链路126上的功率的电压共同地逐步升高到MV AC功率。来自功率转换器162的MV AC功率可以与来自DFIG 120的定子的MV功率组合以提供具有基本上保持在电网184的频率（例如，50Hz/60 Hz）的频率的多相功率（例如，三相功率）。以这种方式，MV线路侧总线188可以耦合到MV定子总线154以提供这种多相功率。
风力发电系统100中可包括各种断路器和开关，诸如断路器182、定子同步开关158等，以用于在连接到电网184和从电网184断开连接期间隔离DFIG 120的正常操作所必须的各种组件。以这种方式，例如，当电流过大并且可能损坏风力发电系统100的组件时或出于其他操作考虑，此类组件可被配置成连接或断开连接对应的总线。附加的保护组件也可以被包括在风力发电系统100中。例如，如图1所描绘，可包括多相汇流排（crowbar）电路190以防止过压状况损坏风力发电系统100的电路。
功率转换器162可以经由控制装置174从例如控制系统176接收控制信号。该控制信号可以基于（除了别的之外）风力发电系统100的感测状况或操作特性。通常，控制信号提供对功率转换器162的操作的控制。例如，以DFIG 120的感测速度形式的反馈可用于控制来自转子总线156的输出功率的转换以保持适当且平衡的多相（例如，三相）功率供应。来自其他传感器的其他反馈也可以由控制装置174用于控制功率转换器162，包括例如定子和转子总线电压和电流反馈。使用各种形式的反馈信息，可以生成开关控制信号（例如，用于开关装置的选通定时命令）、定子同步控制信号和断路器信号。
现在参考图2，描绘了DC到DC到AC转换器中的组件的拓扑。图2描绘了示例DC到DC到AC逆变器块206，其可以被包括在线路侧转换器168的转换模块200中，如图3所描绘的那样。每个逆变器块206可包括多个转换实体。例如，逆变器块206可包括第一转换实体212、第二转换实体214和第三转换实体216。每个转换实体212-216可包括并联耦合的多个桥电路。例如，转换实体216包括桥电路218和桥电路220。如图所示，每个桥电路可包括串联耦合的多个开关装置。例如，桥电路220包括上开关装置222和下开关装置224。开关装置可以是SiCMOSFET，其可以以比常规IGBT更高的开关频率进行操作。如图所示，逆变器块206还包括隔离变换器226。隔离变换器226可以耦合到转换实体212和转换实体214。如图所示，逆变器块206还可包括电容器228和230。例如，可以跨第二转换实体214和第三转换实体216之间的DC链路连接电容器230。
第一转换实体212、隔离变换器226和第二转换实体214可以一起定义内部转换器240。内部转换器240可以被操作以将来自DC链路126的LV DC功率转换成MV DC功率。在实施例中，内部转换器240可以是高频谐振转换器。在谐振转换器配置中，谐振电容器232可以被包括在内部转换器240中。在各个实施例中，谐振电容器232可以被包括在如图2所描绘的隔离变换器226的DC链路侧上，在隔离变压器226的电网侧上（未描绘），或者在隔离变压器226的DC链路和电网侧两者上（未描绘）。在另一个实施例中，通过移除谐振电容器232，内部转换器240可以是硬开关转换器。第三转换实体216也可以称为外部转换器216。外部转换器216可以将来自内部转换器的LV DC功率转换成适合于供能量网184上使用的LV AC功率。在典型应用中，外部转换器216可以是硬开关转换器，并且因此不包括谐振电容器。
图3描绘了根据本公开的示例实施例的示例线路侧转换器168。如图所示，线路侧转换器168包括转换模块200、转换模块202和转换模块204。转换模块200-204可以被配置成从转子侧转换器166接收LV DC功率，并且将LV DC功率转换成MV AC功率以便向电网184馈送。每个转换模块200-204与三相输出AC功率的单相相关联。特别地，转换模块200与三相输出功率的A相输出相关联，转换模块202与三相输出功率的B相输出相关联，并且转换模块204与三相输出功率的C相输出相关联。
每个转换模块200-204包括多个逆变器块206-210。例如，如图所示，转换模块200包括逆变器块206、逆变器块208和逆变器块210。在实施例中，每个转换模块200-204可包括任何数量的逆变器块206-210。线路侧转换器168可以是双向功率转换器。线路侧转换器168可以被配置成将LV DC功率转换成MV AC功率，并且反之亦然。例如，当向电网184提供功率时，线路侧转换器168可以被配置成在线路侧转换器168的LV侧上从DC链路126接收LV DC功率，并且在线路侧转换器168的MV侧上输出MV AC功率。逆变器块206-210可以在LV侧上并联耦合在一起，并且可以在MV侧上串联耦合在一起。
在一个特定的示例实现中，当向电网184提供功率时，转换实体212可以被配置成将DC链路126上的LV DC转换成LV AC功率。隔离变压器226可以被配置成提供隔离。转换实体214可以被配置成将LV AC功率转换成LV DC功率。转换实体216可以被配置成将LV DC功率转换成适合于提供给电网184的LV AC功率。可以将多个逆变器块串联连接，以构建适合于供MV AC能量网上使用的MV AC电压。
逆变器块206-210可以被配置成对由转换模块200提供的总MV AC功率做出贡献。以这种方式，任何合适数量的逆变器块可以被包括在转换模块200-204内。如所指示，每个转换模块200-204与输出功率的单相相关联。以这种方式，可以使用合适的栅极定时命令（例如，由一个或多个合适的驱动电路提供）来控制转换模块200-204的开关装置，以生成要提供给电网的输出功率的合适的相。例如，控制装置174可以向桥电路的开关装置的栅极提供合适的栅极定时命令。选通定时命令可以控制SiC MOSFET和/或IGBT的脉冲宽度调制，以提供所需的输出。
将理解，虽然图3仅描绘了线路侧转换器168，图2中描绘的转子侧转换器166可包括相同或相似的拓扑。特别地，转子侧转换器166可包括具有一个或多个转换实体的多个转换模块，如参考线路侧转换器168所述的那样。此外，将理解，线路侧转换器168和转子侧转换器166可包括SiC MOSFET，IGBT开关装置和/或其他合适的开关装置。在其中使用SiCMOSFET实现转子侧转换器166的实现中，转子侧转换器166可以耦合到汇流排电路（例如，多相汇流排电路190），以在某些故障状况期间保护SiC MOSFET免受高转子电流的影响。
现在参考图4，描绘了示例功率转换器的一部分。与图1-3中的那些元件相同或相似的元件以相同的参考标号表示。如图所示，逆变器块206与控制装置174一起被描绘。控制装置174可以被配置成通过例如提供一个或多个选通命令来操作逆变器块206的开关装置来控制逆变器块206的操作。
例如，如图所示，控制装置174可以向与第三转换实体216相关联的第一栅极驱动卡402A提供一个或多个选通命令。第一栅极驱动卡402A可以被配置成从控制装置174接收一个或多个选通命令并且还被配置成操作第三转换实体216中的个体开关装置。例如，第一栅极驱动卡402A可以操作第三转换实体216中的开关装置以至少部分地基于一个或多个选通命令输出特定的电压波形。
此外，如图所示，第一栅极卡驱动器402A可以连接到第二栅极驱动卡404A。类似于第一栅极驱动卡402A，第二栅极驱动卡404A可以被配置成控制第二转换实体214中的开关装置的操作。类似地，第三栅极驱动卡406A可以连接到第二栅极驱动卡404A，并且第三栅极驱动卡406A可以被配置成控制第一转换实体212中的开关装置的操作。例如，控制装置174可以通过一个或多个光纤电缆连接到第一栅极驱动卡402A，并且一个或多个光纤电缆可以连接在第一栅极驱动卡402A和第二栅极驱动卡404A之间以及第二栅极驱动卡404A和第三栅极驱动卡406A之间。
第一栅极驱动卡402A可以进一步菊花链接到其他逆变器块。例如，与第一逆变器块206A相关联的第一栅极驱动卡402A可以连接到与第二逆变器块206B相关联的第一栅极驱动卡402B，如图4描绘的那样。此外，第一栅极驱动卡402A可以被配置成实现选通延迟，诸如1至2微秒延迟，以生成延迟选通命令。第一栅极驱动卡402A还可被配置成向第二栅极卡驱动器提供延迟选通命令，所述第二栅极卡驱动器例如与第二逆变器块206B相关联的第一栅极驱动卡402B。
现在参考图5，描绘了根据本公开的示例方面的示例控制系统500。与图1-4中的那些元件相同或相似的元件以相同的参考标号来表示。如图所示，控制装置174可以被配置成向与第一逆变器块206A相关联的第一栅极驱动卡402A提供一个或多个选通命令。如所描绘，第一栅极驱动卡402A可以连接到第二栅极驱动卡404A，所述第二栅极驱动卡404A可以连接到第三栅极驱动卡406A，这两者也都与第一逆变器块206A相关联。此外，如所描绘，第一栅极驱动卡402A可以采用菊花链配置来布置有第二栅极驱动卡402B，其与第二逆变器块206B相关联，所述第二栅极驱动卡402B可以类似地采用菊花链配置来布置有第三栅极驱动卡402C，其与第三逆变器块206C相关联。可以采用菊花链配置类似地布置任何数量的逆变器块和相关联的栅极驱动卡402。例如，如图5所示，采用菊花链配置来布置六个栅极驱动卡402A-F，其中，与逆变器块相关联的每个栅极驱动卡402菊花链到另一逆变器块的一个或多个相关联的栅极驱动卡中的至少一个。此外，如图5所描绘，与逆变器块相关联的每个栅极驱动卡402可以连接到栅极驱动卡404和406。
如图5所描绘，一个或多个选通命令可以由控制装置174提供给第一栅极驱动卡402A。例如，如图所示，选通命令502A可以由控制装置174提供。选通命令502A可以是例如开/关脉冲，所述开/关脉冲被配置成在关断转换器之前将转换器开启达一段时间。例如，如所描绘，从时间0到时间I的选通命令502A是关命令，它从时间I到时间III是开命令，以及它从时间III起是关命令。
控制系统500可以被配置成实施延迟的选通命令，以至少部分地基于一个或多个选通命令来生成第一延迟选通命令502B。例如，第一栅极驱动卡402A可以被配置成实现选通命令延迟，诸如1-2微秒的选通命令延迟，以生成第一延迟选通命令502B。此外，第一延迟选通命令502B可以由控制系统提供给第二逆变器块。例如，与第一逆变器块206A相关联的第一栅极驱动卡402A可以向与第二逆变器块206B相关联的第一栅极驱动卡402B提供第一延迟选通命令502B。类似地，与第二逆变器块206B相关联的第一栅极驱动卡402B可以被配置成实施第二选通命令延迟，以至少部分地基于第一延迟选通命令502B来生成第二延迟选通命令502C。此外，控制系统可以诸如例如通过从与第二逆变器块206B相关联的第一栅极驱动卡402B将第二延迟选通命令502C提供给与第三逆变器块206C相关联的第一栅极驱动卡402C，来向第三逆变器块206C提供第二延迟选通命令502C。类似地，可以生成第三延迟选通命令502D并将其提供给第四逆变器块206D，可以将第四延迟选通命令502E提供给第五逆变器块206E，并且可以将第五延迟选通命令502F提供给第六逆变器块206F。这样，控制系统500可以实施选通命令延迟以至少部分地基于一个或多个选通命令来生成延迟选通命令。此外，这样控制系统500可以采用菊花链配置向下游的逆变器块206提供一个或多个延迟选通命令。
在实施例中，选通命令延迟可以至少部分地基于转换器中的逆变器块的数量。例如，总延迟T可以被定义为每个逆变器块206A-F的选通命令延迟一起相加，如图2所描绘的那样。总延迟T可以是比一个或多个选通命令502A中的开/关脉冲的开时段短的延迟。例如，开/关脉冲可以是一个或多个选通命令，以将转换器中的所有逆变器块206开启，使得所有逆变器块206都对转换器的总输出电压做出贡献。为了生成期望电压输出，总延迟T可以短于开/关脉冲的开时段，使得所有逆变器块206对输出电压做出贡献达开时段的至少一部分，如图5中所描绘的那样。
现在参考图6和图7，描绘了由转换器生成的EMI的图示。图6描绘了针对转换器中的各种频率的EMI频谱，其中在向转换器的逆变器块206提供的选通命令中没有延迟被实施。由于电压随时间的快速变化（dv/dt），EMI可由转换器中的组件的电磁感应生成。例如，可以将利用SiC MOSFET的逆变器块配置成在25纳秒中从0 V至1000V开启；因此，电压随时间的变化（dv/dt）可以是40kV /微秒。此外，在利用六个逆变器块的转换器中，当所有逆变器块同时接通时，电压随时间的变化可以是240kV/微秒。然而，通过在逆变器块之间实现1微秒的延迟达5微秒的总延迟，可将6000伏转变的dv/dt降低至1.2 kV/微秒。通过实施延迟，可以显著降低由逆变器块206生成的EMI。
例如，图7描绘了转换器中各种频率的EMI频谱，其中在提供给转换器的逆变器块206的选通命令中已经实现了2微秒的延迟。如图7所示，与其中未曾被实施为如图6所描绘的延迟的EMI频谱相比，由逆变器块跨相同频谱生成的EMI显著降低。通过实施延迟，可以减少所生成的EMI的量，这可以虑及在功率转换器中使用较小的滤波器将功率输出调节成适合于供电网上使用的形式。因为较大的滤波器通常比较小的滤波器更昂贵，所以这可以降低功率转换系统的成本。
现在参考图8，描绘了根据本公开的示例方面的开关策略。图8描绘了多个选通命令，各自被配置成生成固定脉冲输出。例如，第一选通命令802A可以被提供给第一逆变器块206A以将内部转换器240和外部转换器216同时开关达一段时间。例如，如所描绘，第一选通命令802A是三分之二的占空比选通命令，使得通过第一逆变器块206A针对三分之二的半个循环提供全电压，并且针对三分之一的半个循环提供零电压。
类似地，可以将第二选通命令802B提供给第二逆变器块206B，可以将第三选通命令802C提供给第三逆变器块206C，可以将第四选通命令802B提供给第四逆变器块206D，将第五选通命令802E提供给第五逆变器块206E，以及可以将第六选通命令802F提供给第六逆变器块206F。
然而，如图8中所描绘，选通命令802B-F中的每个可以移位一个或多个相移。例如，第二选通命令802B已经移位相移“P”，其可以通过实施选通命令延迟以生成相移来实现。例如，控制系统可以被配置成通过实现选通命令延迟以在由一个或多个选通命令（诸如第一选通命令802A）生成的固定脉冲输出中生成相移P来生成延迟选通命令，诸如第二选通命令802B。类似地，控制系统可以实施附加的选通命令延迟，以在由选通命令802C-F生成的固定脉冲输出中生成附加的相移。
此外，用于选通命令的相移可以至少部分地基于转换器中的逆变器块的数量。例如，可以通过延迟一个或多个选通命令来生成相移，以基于转换器中的逆变器块的数量来生成固定脉冲输出。在实施例中，可以通过将每个逆变器块的固定脉冲输出移位相移P来使用相移以生成正弦输出波形，所述相移P可以通过360度除以模块的数量来计算。例如，在具有六个逆变器块的转换器中，相移P可以对应于60度相移，而在具有五个逆变器块的转换器中，相移P可以对应于72度相移。此外，可以对固定脉冲占空比进行调制以生成特定的峰值电压输出。
这样，选通命令延迟可以用于生成相移，并且可以在一个或多个选通命令中实施，所述一个或多个选通命令配置成生成固定脉冲输出以便生成所需的电压波形，诸如适合于供交流电网上使用的正弦波形。此外，可以跨逆变器块对通过这种配置的每个逆变器块处理的平均功率进行归一化，从而均衡逆变器块上的热应力。此外，由于所有逆变器块将具有近似相等的冷却要求，因此这可以简化用于转换器的冷却系统。
现在参考图9，描绘了根据本公开的示例方面用于操作转换器的示例控制方法（900）。转换器可包括多个逆变器块。每个逆变器块可包括一个或多个SiC MOSFET。例如，每个逆变器块可以是DC到DC到AC逆变器块，其可包括第一转换实体、第二转换实体、第三转换实体和隔离变压器。每个逆变器块可包括多个开关装置，其可以是一个或多个SiC MOSFET。转换器可以是例如风力发电系统100中的线路侧转换器168。
在（902）处，控制方法（900）可包括通过控制系统向多个逆变器块中的第一逆变器块提供一个或多个选通命令。例如，第一选通命令502A/802A可以由控制装置174提供给与第一逆变器块206A相关联的第一栅极驱动卡402A。第一栅极驱动卡402A可以被配置成驱动第一逆变器块206A中的一个或多个开关装置，诸如一个或多个SiC MOSFET。
在（904）处，控制方法（900）可包括：实施选通命令延迟以至少部分地基于一个或多个选通命令来生成第一延迟选通命令。例如，第一栅极驱动卡402A可以被配置成实施选通命令延迟，诸如1-2微秒的延迟，以生成第一延迟选通命令502B。此外，选通命令延迟可以是被配置成在用于逆变器块的固定脉冲输出中生成相移的延迟。例如，可以实施选通命令延迟以生成移位相移P的第二选通命令802B。
在（906），控制方法（900）可包括：将第一延迟选通命令提供给多个逆变器块中的第二逆变器块。例如，与第一逆变器块206A相关联的第一栅极驱动卡402A可以向与第二逆变器块206B相关联的第一栅极驱动卡402B提供第一延迟选通命令502B/802B。然后，第一栅极驱动卡402B可以向第二逆变器块206B提供第一延迟选通命令502B/802B。在实施例中，与第一逆变器块206A相关联的第一栅极驱动卡402A和与第二逆变器块206B相关联的第一栅极驱动卡402B可以采用菊花链配置来布置。
在（908），控制方法（900）可包括：实施选通命令延迟以至少部分地基于第一延迟选通命令来生成第二延迟选通命令。例如，第一栅极驱动卡402B可以被配置成实施第二选通命令延迟，诸如1-2微秒的延迟，以生成第二延迟选通命令502C。此外，选通命令延迟可以是被配置成在用于逆变器块的固定脉冲输出中生成第二相移的延迟。例如，可以实施选通命令延迟，以生成移位相移P的第三选通命令802C。
在（910），控制方法（900）可包括：向多个逆变器块中的第三逆变器块提供第二延迟选通命令。例如，与第二逆变器块206B相关联的第一栅极驱动卡402B可以向与第三逆变器块206C相关联的第一栅极驱动卡402C提供第二延迟选通命令502C/802C。然后，第一栅极驱动卡402C可以向第三逆变器块206C提供第一延迟选通命令502C/802C。在实施例中，与第二逆变器块206B相关联的第一栅极驱动卡402B和与第三逆变器块206C相关联的第一栅极驱动卡402C可以采用菊花链配置来布置。
图10描绘了根据本公开的示例方面的示例控制装置1000。控制装置1000可以例如用作风力发电系统100中的控制装置174或控制系统176。控制装置1000可包括一个或多个计算装置1100。一个或多个计算装置1100可包括一个或多个处理器1100A和一个或多个存储器装置1100B。一个或多个处理器1100A可包括任何合适的处理装置，诸如微处理器、微控制装置、集成电路、逻辑装置和/或其他合适的处理装置。一个或多个存储器装置1100B可包括一个或多个计算机可读介质，包括但不限于非暂时性计算机可读介质、RAM、ROM、硬盘驱动器、闪存驱动器和/或其他存储器装置。
一个或多个存储器装置1100B可以存储可由一个或多个处理器1100A访问的信息，包括可以由一个或多个处理器1100A执行的计算机可读指令1100C。指令1100C可以是当由一个或多个处理器1100A执行时使一个或多个处理器1100A执行操作的任何指令集。在一些实施例中，指令1100C可以由一个或多个处理器1100A执行以使一个或多个处理器1100A执行操作，诸如计算系统1000和/或（一个或多个）计算装置1100被配置的操作和功能中的任何，用于控制如本文所述的转换器的操作（例如，控制方法900）和/或一个或多个计算装置1100的任何其他操作或功能。指令1100C可以是以任何合适的编程语言编写的软件，或者可以以硬件来实现。附加地和/或备选地，指令1100C可以在（一个或多个）处理器1100A上逻辑地和/或在虚拟分离线程中执行。（一个或多个）存储器装置1100B还可以存储可以由（一个或多个）处理器1100A访问的数据1100D。例如，数据1100D可包括指示功率流、电流、温度、实际电压、标称电压、选通命令、开关模式和/或本文描述的任何其他数据和/或信息的数据。
（一个或多个）计算装置1100还可包括网络接口1100E，该网络接口1100E用于例如与系统1000的其他组件进行通信（例如，经由网络）。网络接口1100E可包括用于与一个或多个网络对接的任何合适的组件，包括例如传送器、接收器、端口、控制装置、天线和/或其他合适的组件。例如，网络接口1100E可以被配置成与风力发电系统100中的一个或多个传感器通信，诸如一个或多个电压传感器或温度传感器通信。此外，网络接口1100可以被配置成与控制系统（例如，控制系统176）或控制装置（例如，控制装置174）通信。
本文讨论的技术对基于计算机的系统和由基于计算机的系统采取的动作以及发送到基于计算机的系统的信息和从基于计算机的系统发送的信息进行参考。本领域普通技术人员将认识到，基于计算机的系统的固有灵活性虑及组件之间以及组件当中的任务和功能性的多种可能的配置、组合和划分。例如，可以使用单个计算装置或组合工作的多个计算装置来实现本文讨论的过程。数据库、存储器、指令和应用可以在单个系统上实现，或跨多个系统分布。分布式组件可以顺序或并行操作。
出于说明和讨论的目的，参考包括利用SiC MOSFET的功率转换器的DFIG发电系统来讨论本公开。使用本文提供的本公开的本领域普通技术人员将理解，其他发电系统和/或拓扑可受益于本公开的示例方面。例如，本文公开的接地和保护方案可以用在风力、太阳能、燃气轮机或其他合适的发电系统中。虽然可以在一些附图中并不是在其他附图中示出各种实施例的特定特征，但这仅是为了方便。根据本公开的原理，可以结合任何其他附图的任何特征来参考和/或要求保护附图的任何特征。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例包括与权利要求书的字面语言没有不同的结构元件，或者如果这样的其他示例包括与权利要求书的字面语言没有实质性差异的等同结构元件，则意图将这样的其他示例落入权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种用于操作转换器的控制方法，所述转换器包括多个逆变器块，每个逆变器块包括多个开关装置，所述多个开关装置包括一个或多个碳化硅MOSFET，所述方法包括：
由控制系统向所述多个逆变器块中的第一逆变器块提供一个或多个选通命令；
由所述控制系统实施选通命令延迟，以至少部分地基于所述一个或多个选通命令来生成第一延迟选通命令；以及
由所述控制系统向所述多个逆变器块中的第二逆变器块提供所述第一延迟选通命令。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其中，所述控制方法还包括：
由所述控制系统实施第二选通命令延迟，以至少部分地基于所述第一延迟选通命令来生成第二延迟选通命令；以及
由所述控制系统向所述多个逆变器块中的第三逆变器块提供所述第二延迟选通命令。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其中，所述控制系统包括多个栅极驱动卡；
其中，每个栅极驱动卡被配置成向所述多个逆变器块中的一个中的所述多个开关装置提供一个或多个选通命令；以及
其中，所述多个栅极驱动卡采用菊花链配置来布置。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其中，所述选通命令延迟至少部分地基于所述转换器中的逆变器块的数量。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其中，所述一个或多个选通命令包括：开/关脉冲，所述开/关脉冲被配置成在将所述转换器关断之前将所述转换器开启达一段时间；
其中，总延迟包括每个逆变器块的所述选通命令延迟一起相加；以及
其中，所述总延迟短于所述开/关脉冲的开时段。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其中，所述选通命令延迟包括1-2微秒的延迟。
7.根据权利要求1所述的控制方法，其中，所述一个或多个选通命令包括被配置成生成固定脉冲输出的一个或多个选通命令。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其中，所述选通命令延迟包括用于为每个逆变器块在所述固定脉冲输出中生成相移的延迟。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其中，所述相移至少部分地基于所述转换器中的逆变器块的所述数量。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其中，向所述转换器中的每个逆变器块提供被配置成生成固定脉冲输出的所述一个或多个选通命令；以及
其中，将每个逆变器块的所述固定脉冲输出与所有其他逆变器块的所述固定脉冲输出进行相移。
11.一种功率转换系统，包括：
转换器，包括多个逆变器块，每个逆变器块包括多个开关装置，所述多个开关装置包括一个或多个碳化硅MOSFET，以及
控制系统，包括多个栅极驱动卡，所述控制系统被配置成通过向所述多个逆变器块提供一个或多个选通命令来控制所述转换器的操作；
其中，每个逆变器块具有所述多个栅极驱动卡中的一个或多个相关联的栅极驱动卡，所述多个栅极驱动卡被配置成向所述逆变器块中的所述多个开关装置提供所述一个或多个选通命令；以及
其中，每个逆变器块的所述一个或多个相关联的栅极驱动卡中的至少一个被菊花链接到另一个逆变器块的所述一个或多个相关联的栅极驱动卡中的至少一个。
12.根据权利要求11所述的功率转换系统，其中，所述控制系统还被配置成实施由所述栅极驱动卡提供的选通命令中的选通命令延迟。
13.根据权利要求12所述的功率转换系统，其中，选通命令延迟至少部分地基于逆变器块的数量。
14.根据权利要求12所述的功率转换系统，其中，所述一个或多个选通命令包括被配置成生成固定脉冲输出的一个或多个选通命令；
其中，向所述转换器中的每个逆变器块提供被配置成生成固定脉冲输出的所述一个或多个选通命令；以及
其中，将每个逆变器块的所述固定脉冲输出与所有其他逆变器块的所述固定脉冲输出进行相移。
15.根据权利要求12所述的功率转换系统，其中，所述一个或多个选通命令包括：开/关脉冲，所述开/关脉冲被配置成在将所述转换器关断之前将所述转换器开启达一段时间；
其中，总延迟包括每个逆变器块的所述选通命令延迟一起相加；以及
其中，所述总延迟短于所述开/关脉冲的开时段。
16.根据权利要求12所述的功率转换系统，其中，所述选通命令延迟包括1-2微秒的延迟。
17.根据权利要求11所述的功率转换系统，其中，所述多个逆变器块包括多个DC到DC到AC逆变器块。
18.根据权利要求17所述的功率转换系统，其中，所述多个DC到DC到AC逆变器块各自包括第一转换实体、第二转换实体、第三转换实体和隔离变换器；
其中，第一转换实体是DC到AC转换实体；
其中，第二转换实体是AC到DC转换实体；
其中，所述隔离变换器耦合在所述第一转换实体和所述第二转换实体之间；以及
其中，第三转换实体是DC到AC转换实体。
19.根据权利要求18所述的功率转换系统，其中，所述多个栅极驱动卡包括：
第一栅极驱动卡，被配置成向所述第一转换实体提供所述一个或多个选通命令；
第二栅极驱动卡，被配置成向所述第二转换实体提供所述一个或多个选通命令；以及
第三栅极驱动卡，被配置成向所述第三转换实体提供所述一个或多个选通命令。
20.一种风力发电系统，包括：
风力发电机，被配置成生成AC功率；
AC到DC转换器，耦合到所述风力发电机，所述AC到DC转换器被配置成将来自所述风力发电机的所述AC功率转换成DC功率；
DC链路，耦合到所述AC到DC转换器，所述DC链路被配置成从所述AC到DC转换器接收DC功率；
DC到AC转换器，耦合到所述DC链路，所述DC到AC转换器被配置成从所述DC链路接收DC功率；所述DC到AC转换器包括多个逆变器块，每个逆变器块包括多个开关装置，所述多个开关装置包括一个或多个碳化硅MOSFET；以及
控制系统，包括多个栅极驱动卡，所述控制系统被配置成通过向所述多个逆变器块提供一个或多个选通命令来控制所述DC到AC转换器的操作；
其中，每个逆变器块具有所述多个栅极驱动卡中的一个或多个相关联的栅极驱动卡，所述多个栅极驱动卡被配置成向所述逆变器块中的所述多个开关装置提供所述一个或多个选通命令；
其中，每个逆变器块的所述一个或多个相关联的栅极驱动卡中的至少一个被菊花链接到另一个逆变器块的所述一个或多个相关联的栅极驱动卡中的至少一个；以及
其中，所述控制系统还被配置成实施由所述栅极驱动卡提供的选通命令中的选通命令延迟。
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