CN113783450A - 一种适用于anpc拓扑结构变流器的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于ANPC拓扑结构变流器的控制系统，包括检测单元及控制单元。其中，检测单元包括电流检测电路及过流判断模块，电流检测电路与ANPC拓扑结构变流器电连接，用于实时检测ANPC拓扑结构变流器中各相的电流，过流判断模块与电流检测电路连接，用于根据电流检测电路的检测结果，判断ANPC拓扑结构变流器中开关管是否过流。控制单元包括控制器、PWM发波逻辑模块以及驱动模块。控制器用于下发指令，控制所述ANPC拓扑结构变流器，PWM发波逻辑模块与检测单元及控制器可通信地连接，用于根据控制器的指令或检测单元的判断结果生成PWM控制信号，以及驱动模块与PWM发波逻辑模块可通信地连接，用于根据PWM控制信号，驱动ANPC拓扑结构变流器中的开关管。

Description

一种适用于ANPC拓扑结构变流器的控制系统及方法

技术领域

本发明涉及变流器技术领域，特别涉及一种适用于ANPC拓扑结构变流器的控制系统及方法。

背景技术

有源中点箝位型(Active Neutral Point Clamped，ANPC)三电平拓扑是中点箝位式(Neutral Point Clamped，NPC)三电平拓扑结构的一种改进型。如图1所示，所述ANPC拓扑是在“I”型NPC结构的基础上增加了两个开关管T5、T6，进而可以主动控制中性点回路的切入,有效地克服中点箝位型拓扑中损耗分布不均的问题。

但是，随着功率器件的增多，ANPC拓扑的控制复杂度也相应提高，且可靠性也有所降低。对于大功率多并联的变流器而言，由于其开关频率更低，系统鲁棒性较强，因此，能够在过流情况下迅速响应并做出动作显得愈发重要。目前市场上暂没有较为成熟的ANPC拓扑结构变流器的逐波限流控制方法，仍以NPC的逐波限流方法为主，而传统的NPC方案按照先关外管，再关断内管的顺序，会面临内管关断应力过大的问题。针对这一问题，目前也有一些三电平NPC的逐波限流方法通过软件控制对PWM波脉宽进行限幅，但是这种方法不适用于大功率的应用场景，容易受到开关频率限制。

发明内容

针对现有技术中的部分或全部问题，本发明一方面提供一种适用于ANPC拓扑结构变流器的控制系统，其中所述ANPC拓扑结构变流器包括多个开关管，其可以为DC转AC、AC转AC、AC转DC、DC转DC等多种形式，所述控制系统包括：

检测单元，包括：

电流检测电路，与所述ANPC拓扑结构变流器电连接，用于检测所述ANPC拓扑结构变流器中各相的电流；以及

过流判断模块，与所述电流检测电路连接，用于根据所述电流检测电路的检测结果，判断所述ANPC拓扑结构变流器的开关管是否过流；以及

控制单元，用于控制所述ANPC拓扑结构，所述控制单元包括：

控制器，用于下发指令，控制所述ANPC拓扑结构变流器的开关管；

PWM发波逻辑模块，与所述检测单元及控制器可通信地连接，用于根据所述控制器的指令或所述检测单元的判断结果，生成PWM控制信号；以及

驱动模块，与所述PWM发波逻辑模块电连接，用于根据所述PWM控制信号，驱动所述ANPC拓扑结构变流器中的开关管。

进一步地，所述过流判断模块包括：

电流比较模块，用于将所述电流检测电路的检测结果与预设值进行比较；以及

过流信号生成模块，用于根据所述电流比较模块的比较结果，生成过流信号，发送给所述PWM发波逻辑模块。

基于所述控制系统，本发明另一方面提供一种适用于ANPC拓扑结构变流器的控制方法，包括：

通过电流检测电路实时检测ANPC拓扑结构变流器的电流值，送入过流判断模块；

所述过流判断模块将所述电流值与预设值比较，若所述电流值大于所述预设值，则所述过流判断模块生成过流信号，并发送给PWM发波逻辑模块；以及

所述PWM发波逻辑模块接收到过流信号后，根据当前出现过流的相中的开关管的状态及电流方向，生成PWM控制信号，驱动模块根据所述PWM控制信号驱动出现过流的相中的开关管。

进一步地，所述PWM控制信号包括出现过流的相中中各开关管的关断时序。

进一步地，若出现过流的相中，开关管T1及T2为导通状态，且电流为正，则所述PWM控制信号包括：

封锁T1管；

等待第一指定时间间隔后，开启T5管；

等待第二指定时间间隔后，开启T6管及T3管；以及

等待第三指定时间后，关断T2管、T5管，再依次封锁T6管、T3管。

进一步地，若出现过流的相中，开关管T1及T2为导通状态，且电流为负，则所述PWM控制信号包括：

封锁T1管；以及

等待第四指定时间间隔后，关闭T2管。

进一步地，若出现过流的相中，开关管T3及T4为导通状态，且电流为负，则所述PWM控制信号包括：

封锁T4管；

等待第一指定时间间隔后，开启T6管；

等待第二指定时间间隔后，开启T5管及T2管；以及

等待第三指定时间后，关断T3管、T6管，再依次封锁T5管、T2管。

进一步地，若出现过流的相中，开关管T3及T4为导通状态，且电流为正，则所述PWM控制信号包括：

封锁T4管；以及

等待第四指定时间间隔后，关闭T3管。

进一步地，所述控制方法还包括，若过流信号消失，则所述驱动模块根据控制器下发的指令，控制所述ANPC拓扑结构变流器执行初始状态动作。

进一步地，所述初始状态动作包括T2管或T3管的开启。

在本发明中，所述电流的正方向是指所述ANPC拓扑结构变流器中电流的流出方向，以及所述电流的负方向则是指与所述ANPC拓扑结构变流器中电流的流出方向相反的方向。

本发明提供的一种适用于ANPC拓扑结构变流器的控制系统及方法，通过硬件电路对电流信号进行检测及比较，响应速度快，能够及时地通过干预控制，防止开关管电流超出其关断能力。此外，所述PWM发波逻辑模块能够根据电流方向，决定ANPC拓扑中发生过流的一相中开关管的关断方式，而未发生过流的相仍保持正常发波工作，这使得变流器在暂态过流或者负载突变等情况下既能不停机运行，同时还可有效地减小内管的开关应力大小，适用于大功率多并联的变流器结构。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出ANPC三电平拓扑结构的结构示意图；

图2示出本发明一个实施例的一种适用于ANPC拓扑结构变流器的控制系统的结构示意图；以及

图3示出本发明一个实施例的一种适用于ANPC拓扑结构变流器的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

目前多电平变流器由于其优越的性能逐渐成为市场趋势。对于大功率多并联的变流器来讲，由于其开关频率更低，系统鲁棒性较强，所以能够在过流情况下迅速响应并做出动作显得愈发重要。就三电平NPC拓扑而言，在其开关管的关断过程中容易受到较大的关断应力，而ANPC的结构如图1所示，包括T1至T6多个开关管，其中T1、T1和T2与T5和T6的并联电路、以及T4彼此串联，并且T5与T6之间的连接点连接到两个电源之间，并且T2与T3之间的连接点引出电流，其相较于NPC，能够通过钳位管T5,T6来控制0电平的输出方式，也就意味着ANPC的控制逻辑更为复杂。为了保证ANPC拓扑结构变流器在暂态过流或者负载突变等情况下的不停机运行，同时解决三电平内管关断应力过大的问题，本发明提供一种适用于ANPC拓扑结构变流器的控制系统及方法，其可应用于ANPC拓扑结构的DC转AC、或AC转AC、或AC转DC、或DC转DC等任意形式的变流器中。下面结合实施例附图，对本发明的方案做进一步描述。图2示出本发明一个实施例的一种适用于ANPC拓扑结构变流器的控制系统的结构示意图。如图2所示，一种适用于ANPC拓扑结构变流器的控制系统，包括检测单元以及控制单元。其中，所述检测单元用于检测所述ANPC拓扑结构变流器中各相的电流信号，并判断是否过流，以及所述控制单元用于控制所述ANPC拓扑结构变流器中各开关管。

所述检测单元包括电流检测电路201以及过流判断模块202。其中，所述电流检测电路201与所述ANPC拓扑结构变流器电连接，用于检测所述ANPC拓扑结构变流器中各相的电流，在本发明的一个实施例中，所述电流检测电路201包括三相电流采样电路。所述过流判断模块202与所述电流检测电路201连接，用于根据所述电流检测电路的检测结果，判断所述ANPC拓扑结构变流器的开关管是否过流，在本发明的一个实施例中，所述过流判断模块包括电流比较模块以及过流信号生成模块，所述电流比较模块用于将所述电流检测电路的检测结果与预设值进行比较，若检测到的电流值大于所述预设值，则表明出现过流，则可通过所述过流信号生成模块生成过流信号，发送给所述PWM发波逻辑模块。

所述控制单元包括控制器203、PWM发波逻辑模块204以及驱动模块205，所述PWM发波逻辑模块204可以根据所述控制器203的指令或所述检测单元的检测结果，生成PWM控制信号，进而通过所述驱动模块205的信号转接传送至强电回路的开关管，驱动所述ANPC拓扑结构中的各个开关管。具体而言，在正常情况下，即未发生过流时，所述ANPC拓扑结构变流器中的各个开关管的关断通过所述控制器203的指令控制，所述控制器203可根据实时采样数据控制变流器稳定运行，一旦出现过流情况，则由所述PWM发波逻辑模块204根据过流信号、当前各开关管的状态及电流方向，确定出现过流一相的各开关管的关断时序，封锁该相开关管，以使得电流恢复至预设值以下。

图3示出本发明一个实施例的一种适用于ANPC拓扑结构变流器的控制方法的流程示意图。如图3所示，采用如上所述控制系统对ANPC拓扑结构变流器进行逐波限流的控制，包括步骤：

首先，在步骤301，电流检测。通过电流检测电路实时检测ANPC拓扑结构变流器中各相的电流值，并将检测的电流值送入过流判断模块；

接下来，在步骤302，过流判断。所述过流判断模块接收到电流值后，与各相预设的阈值进行比较，若存在任意一相电流值大于预设的阈值，则表明该相的开关管出现过流，则所述过流判断模块生成过流信号，并将所述过流信号发送给PWM发波逻辑模块。在本发明的一个实施例中，采用硬件电路对电流信号进行比较，响应更快，能够及时的通过干预控制，防止开关管电流超出其关断能力；

接下来，在步骤303，生成PWM控制信号。在正常状态下，即未发生过流时，ANPC拓扑结构变流器中的各个开关管通过控制器下发的指令控制，具体而言，是通过PWM发波逻辑模块接收所述控制器的指令，生成PWM控制信号。但是，一旦所述PWM发波逻辑模块接收到过流信号，则将根据当前出现过流的一相中各开关管的状态及电流方向，生成PWM控制信号。在本发明中，所述PWM控制信号实际是指出现过流的一相中各开关管的关断时序。在本发明的一个实施例中，若所述ANPC拓扑结构变流器中的某一相出现过流时，该相的开关管T1及T2为导通状态，且电流为正，则此时，可忽略开关管T6的状态，根据如下PWM控制信号，即开关管关断时序，对该相的各开关管进行关断：

封锁T1管；

延迟第一指定时间间隔后，开启T5管；

保持第二指定时间间隔后，开启T6管及T3管；以及

保持第三指定时间间隔后，关断T2管、T5管，再依次封锁T6管、T3管。

在本发明的一个实施例中，若所述ANPC拓扑结构变流器中的某一相出现过流时，该相的开关管T1及T2为导通状态，且电流为负，则此时，可忽略开关管T6的状态，根据如下PWM控制信号，即开关管关断时序，对该相的各开关管进行关断：

封锁T1管；以及

延迟第四指定时间间隔后，关闭T2管，完成该相桥臂所有开关管的关闭。

在本发明的一个实施例中，若所述ANPC拓扑结构变流器中的某一相出现过流时，该相的开关管T3及T4为导通状态，且电流为负，则此时，可忽略开关管T5的状态，根据如下PWM控制信号，即开关管关断时序，对该相的各开关管进行关断：

封锁T4管；

延迟第一指定时间间隔后，开启T6管；

保持第二指定时间间隔后，开启T5管及T2管；以及

保持第三指定时间后，关断T3管、T6管，再依次封锁T5管、T2管。

在本发明的一个实施例中，若所述ANPC拓扑结构变流器中的某一相出现过流时，该相的开关管T3及T4为导通状态，且电流为正，则此时，可忽略开关管T5的状态，根据如下PWM控制信号，即开关管关断时序，对该相的各开关管进行关断：

封锁T4管；以及

延迟第四指定时间间隔后，关闭T3管，完成该相桥臂所有开关管的关闭；以及

最后，在步骤304，驱动开关管。驱动模块根据所述PWM控制信号驱动所述ANPC拓扑结构变流器中的开关管进行关断。此时，若电流检测电路检测到ANPC拓扑结构变流器的电流恢复至正常范围，过流信号消失，则此时进入正常工作状态，即ANPC拓扑结构变流器中的各个开关管通过控制器下发的指令控制，具体而言，是通过PWM发波逻辑模块接收所述控制器的指令，生成PWM控制信号，然后通过所述驱动模块的信号转接传送至强电回路的开关管，驱动所述ANPC拓扑结构变流器中的各个开关管。在本发明的一个实施例中，恢复至正常工作状态的初始状态动作包括T2管或T3管的开启。在本发明的实施例中，出现过流后，所述PWM发波逻辑模块通过判断电流方向决定ANPC拓扑变流器中出现过流一相的开关管的关断方式，能够有效的减小内管的开关应力大小。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (12)

1.一种适用于ANPC拓扑结构变流器的控制系统，其中所述ANPC拓扑结构变流器包括多个开关管，其特征在于，包括：

检测单元，其被配置为检测所述ANPC拓扑结构变流器中一个或多个相的电流并且将所检测的电流与电流阈值相比较以确定所述ANPC拓扑结构变流器中的开关管是否过流；以及

控制单元，其被配置为在所述开关管过流的情况下根据开关管的电流方向和开关状态来生成开关管的关断顺序，以保证所述ANPC拓扑结构变流器中的电流不超过所述电流阈值。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述检测单元包括：

电流检测电路，与所述ANPC拓扑结构变流器电连接，且被配置为检测所述ANPC拓扑结构变流器中一个或多个相的电流；以及

过流判断模块，与所述电流检测电路连接，且被配置为能够根据所述电流检测电路的检测结果，判断所述ANPC拓扑结构变流器的开关管是否过流；和/或

控制单元包括：

控制器，其被配置为能够下发指令以控制所述ANPC拓扑结构变流器；

PWM发波逻辑模块，与所述检测单元及控制器可通信地连接，且被配置为能够根据所述控制器的指令或所述检测单元的判断结果生成PWM控制信号；以及

驱动模块，与所述PWM发波逻辑模块可通信地连接，且被配置为能够根据所述PWM控制信号，驱动所述ANPC拓扑结构变流器中的开关管。

3.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述过流判断模块包括：

电流比较模块，其被配置为能够将所述电流检测电路的检测结果与预设值进行比较；以及

过流信号生成模块，其被配置为能够根据所述电流比较模块的比较结果，生成过流信号，发送给所述PWM发波逻辑模块。

4.如权利要求1至3任一所述的控制系统，其特征在于，所述ANPC拓扑结构变流器包括DC转AC、或AC转AC、或AC转DC、或DC转DC变流器。

5.一种适用于ANPC拓扑结构变流器的控制方法，其特征在于，包括步骤：

由电流检测电路检测ANPC拓扑结构变流器各相的电流值，并将所述电流值发送给过流判断模块；

由过流判断模块将所述电流值与预设值比较，若任意一相的电流值大于所述预设值，则所述过流判断模块生成过流信号，并发送给PWM发波逻辑模块；

由PWM发波逻辑模块接收到过流信号后，根据出现过流的一相中当前开关管的状态及电流方向，生成PWM控制信号；以及

由驱动模块根据所述PWM控制信号驱动出现过流的一相中的开关管。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述PWM控制信号包括出现过流的一相中各开关管的关断时序，其中所述开关管包括开关管T1至T6，并且T1、T1和T2与T5和T6的并联电路、以及T4彼此串联，并且T5与T6之间的连接点连接到两个电源之间，并且T2与T3之间的连接点引出电流。

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，若出现过流的一相中，开关管T1及T2为导通状态，且电流为正，则所述PWM控制信号包括：

封锁T1管；

等待第一指定时间间隔后，开启T5管；

等待第二指定时间间隔后，开启T6管及T3管；以及

等待第三指定时间后，关断T2管、T5管，再依次封锁T6管、T3管。

8.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，若出现过流的一相中，开关管T1及T2为导通状态，且电流为负，则所述PWM控制信号包括：

封锁T1管；以及

等待第四指定时间间隔后，关闭T2管。

9.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，若出现过流的一相中，开关管T3及T4为导通状态，且电流为负，则所述PWM控制信号包括：

封锁T4管；

等待第一指定时间间隔后，开启T6管；

等待第二指定时间间隔后，开启T5管及T2管；以及

等待第三指定时间后，关断T3管、T6管，再依次封锁T5管、T2管。

10.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，若出现过流的一相中，开关管T3及T4为导通状态，且电流为正，则所述PWM控制信号包括：

封锁T4管；以及

等待第四指定时间间隔后，关闭T3管。

11.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括，若过流信号消失，则所述驱动模块根据控制器下发的指令，控制所述ANPC拓扑结构变流器执行初始状态动作。

12.如权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述初始状态动作包括T2管或T3管的开启。

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