CN115708308A - 使用多个死区时间操作多电平功率转换器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于操作多电平桥功率转换器的方法包括以中性点箝位拓扑或有源中性点箝位拓扑中的一个拓扑提供所述功率转换器的多个开关装置。该方法还包括提供用于所述开关装置的多个死区时间。此外，该方法包括为所述开关装置中的每个开关装置选择所述死区时间中的一个死区时间，使得所述开关装置中的至少两个开关装置根据不同的死区时间操作。此外，该方法包括在选择的死区时间操作所述开关装置，以允许所述开关装置中的第一组比所述开关装置中的第二组开关慢，使得所述开关装置中的所述第一组满足安全操作要求，而所述开关装置中的所述第二组比所述第一组开关快。

Description

使用多个死区时间操作多电平功率转换器的系统和方法
技术领域
本公开一般涉及电功率系统，并且更特别地涉及用于控制具有多电平功率转换器的电功率系统的系统和方法，所述多电平功率转换器向其开关装置应用多个死区时间。
背景技术
风力涡轮作为可再生能量源已受到越来越多的关注。风力涡轮使用风来生成电力。风使连接到转子的多个叶片转动。由风引起的叶片的自旋使转子的轴自旋，所述转子的轴连接到生成电力的发电机。某些风力涡轮包括双馈感应发电机（DFIG），其用来将风能转换为适于输出到电力网的电功率。DFIG通常连接到调节DFIG与电网之间的电功率流的转换器。更特别地，转换器允许风力涡轮以电网频率输出电功率，而与风力涡轮叶片的旋转速度无关。
典型的DFIG系统包括具有转子和定子的风力驱动DFIG。DFIG的定子通过定子母线耦合到电力网。功率转换器用来将DFIG的转子耦合到电力网。功率转换器可以是包括转子侧转换器和线路侧转换器的两级功率转换器。转子侧转换器可以经由转子母线从转子接收交流（AC）功率，并且可以将AC功率转换成DC功率。线路侧转换器然后可以将DC功率转换成具有适当输出频率（例如电网频率）的AC功率。AC功率经由线路母线提供给电力网。辅助功率馈线可以耦合到线路母线，以便为风力涡轮系统中使用的组件（例如风扇、泵、马达和风力涡轮机系统的其他组件）提供功率。
参考图1，图示根据传统构造的多电平逆变器中性点箝位（NPC）拓扑。如所示，实线箭头指示硬二极管恢复，虚线箭头指示无损恢复，而方框箭头指示由电流方向控制的转变。因此，多电平逆变器拓扑利用多个开关装置的串联连接以达到更高的操作电压。例如，如所示，在三电平逆变器的开关操作期间，AC端子可以电连接到三个可能的电压，即，正电压、负电压和中点电压。此外，如所示，到中点电压的连接通常通过二极管D5和D6完成。然而，这些交替路径的存在导致产生长的和短的换向路径，并因此产生不同的寄生电感级别（different parasitic inductance levels）。
更特别地，由于增加的寄生电感，这样的差异在内部开关装置（例如S2和S3）处产生大的电压过冲。如本文所使用的，关断过冲直接由存储在桥构造的寄生电感中的能量引起。这个能量与电感的大小和被换向的电流的大小成比例。这个过量电压过冲可能损坏受影响的装置，并且要求栅极驱动器设计，其导致功率转换器中更多的损耗和更小的容限。增加的寄生电感也可能不利地影响二极管操作，从而导致增加的二极管损耗和降低的转换器额定值。这样的损耗转化为更多的热量和更低的桥额定值。因此，用于减小电压过冲的典型解决方案包括软开关和/或缓冲电路，其可导致更慢的开关速度和增加的成本。
关于电压过冲问题的解决方案是要通过利用栅极驱动器设计降低关断速度（降低从IGBT栅极提取电荷的速率）来更慢地开关IGBT。然而，这导致增加的损耗，并且降低功率转换器的效率，因此更好的是仅慢开关内部装置，并且保持外部装置上的快开关。
另外，当在多电平功率转换器中开关IGBT时，有必要提供锁定时间或死区时间，在所述锁定时间或死区时间期间，功率转换器保持在安全状态中，同时在接通下一个开关之前，一个开关结束关断。这个死区时间造成如下问题，它导致功率转换器的输出信号的失真，其与死区时间的长度成比例（即，更长的死区时间导致更多的失真）。此外，为内部和外部IGBT选择用于具有不同开关速度的多电平功率转换器的单个死区时间导致比最佳谐波失真性能更差的谐波失真性能，要求更大和更昂贵的滤波器来满足电网法规。
因此，本公开涉及一种用于控制具有多电平功率转换器的电功率系统的系统和方法，所述多电平功率转换器向其开关装置应用多个死区时间以解决上述问题。
发明内容
本公开的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述中明白，或可通过本公开的实践来学习。
在一个方面中，本公开涉及一种用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥功率转换器的方法。功率转换器包括经由DC链路耦合到第二转换器的第一转换器。所述方法包括以中性点箝位拓扑或有源中性点箝位拓扑中的一个拓扑提供功率转换器的多个开关装置。所述方法还包括提供用于功率转换器的多个开关装置的多个死区时间。此外，所述方法包括为所述多个开关装置中的每个开关装置选择所述多个死区时间中的一个死区时间，使得所述多个开关装置中的至少两个开关装置根据所述多个死区时间中的不同死区时间操作。此外，所述方法包括在选择的死区时间操作多个开关装置，以允许多个开关装置中的第一组比多个开关装置中的第二组开关慢，使得多个开关装置中的第一组满足安全操作要求，而多个开关装置中的第二组比多个开关装置的第一组开关快。
在实施例中，所述方法还可以包括基于所述多个开关装置中的每个开关装置的一个或多个开关性质而为所述多个开关装置中的每个开关装置选择所述多个死区时间中的一个死区时间使得所述多个开关装置中的至少两个开关根据所述多个死区时间中的不同死区时间操作。
在另一个实施例中，所述多个开关装置可以至少包括多个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块，其中所述多个IGBT模块中的每个IGBT模块包括至少一个IGBT开关和至少一个反并行二极管。
在某些实施例中，所述多个IGBT模块可以包括：第一IGBT模块，其包括耦合到第一反并行二极管的第一IGBT开关；第二IGBT模块，其包括耦合到第二反并行二极管的第二IGBT开关；第三IGBT模块，其包括耦合到第三反并行二极管的第三IGBT开关；第四IGBT模块，其包括耦合到第四反并行二极管的第四IGBT开关；第五IGBT模块，其包括耦合到第五反并行二极管的第五IGBT开关；以及第六IGBT模块，其包括耦合到第六反并行二极管的第六IGBT开关，所述至少一个反并行二极管包括所述第一反并行二极管、所述第二反并行二极管、所述第三反并行二极管、所述第四反并行二极管、所述第五反并行二极管或所述第六反并行二极管中的至少一个。
在另外的实施例中，多个开关装置中的第一组可以包括多个开关装置的内部开关装置，并且多个开关装置中的第二组可以包括外部开关装置。在这样的实施例中，第二IGBT模块、第三IGBT模块、第五IGBT模块和第六IGBT模块可以是内部开关装置，而第一IGBT模块和第四IGBT模块可以是外部开关装置。
在若干实施例中，为多个开关装置中的每个开关装置选择多个死区时间中的一个死区时间使得多个开关装置中的至少两个开关装置根据多个死区时间中的不同死区时间操作可以包括为内部开关装置选择多个死区时间中的第一死区时间，以及为外部开关装置选择多个死区时间中的第二死区时间。在这样的实施例中，第一死区时间大于第二死区时间。在特定实施例中，例如，第二死区时间等于第一死区时间的大约一半。
在附加的实施例中，所述方法可以包括经由多个栅极驱动器在选择的死区时间操作多个开关装置。
在另一个实施例中，多电平桥功率转换器是三电平桥功率转换器。此外，在实施例中，电功率系统可以包括风力涡轮功率系统、太阳能功率系统、能量存储功率系统或其组合。
在另一个方面中，本公开涉及一种电功率系统。所述电功率系统包括具有转子和定子的双馈感应发电机。定子向定子母线提供AC功率。所述电功率系统还包括耦合到双馈感应发电机的转子的多电平桥功率转换器。功率转换器包括经由DC链路耦合到第二转换器的第一转换器。第一转换器或第二转换器中的至少一个包括以中性点箝位拓扑或有源中性点箝位拓扑中的一个拓扑布置的多个开关装置。所述电功率系统还包括通信地耦合到功率转换器的控制器。所述控制器包含配置成实现多个操作的至少一个处理器，所述多个操作包括但不限于为所述多个开关装置中的每个开关装置选择多个死区时间中的一个死区时间，使得所述多个开关装置中的至少两个开关装置根据所述多个死区时间中的不同死区时间来操作，并且在选择的死区时间操作所述多个开关装置以允许所述多个开关装置中的第一组比所述多个开关装置中的第二组开关慢，使得所述多个开关装置中的第一组满足安全操作要求，而所述多个开关装置中的第二组比所述多个开关装置中的第一组开关快。应当理解，所述电功率系统还可以包括本文描述的附加特征中的任何附加特征。
在又一方面中，本公开涉及一种用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥功率转换器的方法。功率转换器具有经由DC链路耦合到第二转换器的第一转换器。所述方法包括以中性点箝位拓扑或有源中性点箝位拓扑中的一个拓扑提供功率转换器的多个开关装置。此外，多个开关装置包括内部开关装置和外部开关装置。所述方法还包括提供用于内部开关装置的第一死区时间和用于外部开关装置的第二死区时间。此外，所述方法包括在第一死区时间和第二死区时间操作多个开关装置，以允许内部开关装置比外部开关装置开关慢，使得内部开关装置满足安全操作要求，而外部开关装置比内部开关装置开关快。应当理解，是方法还可包括本文所述的附加步骤和/或特征中的任何附加步骤和/或特征。
本发明提供一组技术方案，如下。
技术方案1. 一种用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥功率转换器的方法，所述功率转换器具有经由DC链路耦合到第二转换器的第一转换器，所述方法包括：
以中性点箝位拓扑或有源中性点箝位拓扑中的一个拓扑提供所述功率转换器的多个开关装置；
提供用于所述功率转换器的所述多个开关装置的多个死区时间；
为所述多个开关装置中的每个开关装置选择所述多个死区时间中的一个死区时间，使得所述多个开关装置中的至少两个开关装置根据所述多个死区时间中的不同死区时间操作；以及
在选择的死区时间操作所述多个开关装置，以允许所述多个开关装置中的第一组比所述多个开关装置中的第二组开关慢，使得所述多个开关装置中的所述第一组满足安全操作要求，而所述多个开关装置中的所述第二组比所述多个开关装置的所述第一组开关快。
技术方案2. 如技术方案1所述的方法，还包括基于所述多个开关装置中的每个开关装置的一个或多个开关性质而为所述多个开关装置中的每个开关装置选择所述多个死区时间中的一个死区时间，使得所述多个开关装置中的至少两个开关装置根据所述多个死区时间中的不同死区时间来操作。
技术方案3. 如技术方案1所述的方法，其中，所述多个开关装置至少包括多个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块，其中所述多个IGBT模块中的每个IGBT模块包括至少一个IGBT开关和至少一个反并行二极管。
技术方案4. 如技术方案3所述的方法，其中，所述多个IGBT模块包括：第一IGBT模块，其包括耦合到第一反并行二极管的第一IGBT开关；第二IGBT模块，其包括耦合到第二反并行二极管的第二IGBT开关；第三IGBT模块，其包括耦合到第三反并行二极管的第三IGBT开关；第四IGBT模块，其包括耦合到第四反并行二极管的第四IGBT开关；第五IGBT模块，其包括耦合到第五反并行二极管的第五IGBT开关；以及第六IGBT模块，其包括耦合到第六反并行二极管的第六IGBT开关，所述至少一个反并行二极管包括所述第一反并行二极管、所述第二反并行二极管、所述第三反并行二极管、所述第四反并行二极管、所述第五反并行二极管或所述第六反并行二极管中的至少一个。
技术方案5. 如技术方案4所述的方法，其中，所述多个开关装置中的所述第一组包括所述多个开关装置的内部开关装置，并且所述多个开关装置中的所述第二组包括外部开关装置，其中所述第二IGBT模块、所述第三IGBT模块、所述第五IGBT模块和所述第六IGBT模块是所述内部开关装置，并且其中所述第一IGBT模块和所述第四IGBT模块是所述外部开关装置。
技术方案6. 如技术方案5所述的方法，其中，为所述多个开关装置中的每个开关装置选择所述多个死区时间中的一个死区时间使得所述多个开关装置中的至少两个开关装置根据所述多个死区时间中的不同死区时间操作还包括：
为所述内部开关装置选择所述多个死区时间中的第一死区时间；以及
为所述外部开关装置选择所述多个死区时间中的第二死区时间，所述第一死区时间大于所述第二死区时间。
技术方案7. 如技术方案6所述的方法，其中，所述第二死区时间等于所述第一死区时间的大约一半。
技术方案8. 如技术方案1所述的方法，还包括经由多个栅极驱动器在所述选择的死区时间操作所述多个开关装置。
技术方案9. 如技术方案1所述的方法，其中，所述多电平桥功率转换器是三电平桥功率转换器，并且其中所述电功率系统包括风力涡轮功率系统、太阳能功率系统、能量存储功率系统或其组合。
技术方案10. 一种电功率系统，包括：
双馈感应发电机，所述双馈感应发电机具有转子和定子，所述定子向定子母线提供AC功率；
多电平桥功率转换器，所述多电平桥功率转换器耦合到所述双馈感应发电机的所述转子，所述功率转换器包括经由DC链路耦合到第二转换器的第一转换器，所述第一转换器或所述第二转换器中的至少一个包括以中性点箝位拓扑或有源中性点箝位拓扑中的一个拓扑布置的多个开关装置；
控制器，所述控制器通信地耦合到所述功率转换器，所述控制器包括配置成实现多个操作的至少一个处理器，所述多个操作包括：
为所述多个开关装置中的每个开关装置选择多个死区时间中的一个死区时间，使得所述多个开关装置中的至少两个开关装置根据所述多个死区时间中的不同死区时间操作；以及
在选择的死区时间操作所述多个开关装置，以允许所述多个开关装置中的第一组比所述多个开关装置中的第二组开关慢，使得所述多个开关装置中的所述第一组满足安全操作要求，而所述多个开关装置中的所述第二组比所述多个开关装置中的所述第一组开关快。
技术方案11. 如技术方案10所述的系统，其中，所述多个操作还包括基于所述多个开关装置中的每个开关装置的一个或多个开关性质而为所述多个开关装置中的每个开关装置选择所述多个死区时间中的一个死区时间使得所述多个开关装置中的至少两个开关装置根据所述多个死区时间中的不同死区时间来操作。
技术方案12. 如技术方案10所述的系统，其中，所述多个开关装置至少包括多个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块，其中所述多个IGBT模块中的每个IGBT模块包括至少一个IGBT开关和至少一个反并行二极管。
技术方案13. 如技术方案12所述的系统，其中，所述多个IGBT模块包括：第一IGBT模块，其包括耦合到第一反并行二极管的第一IGBT开关；第二IGBT模块，其包括耦合到第二反并行二极管的第二IGBT开关；第三IGBT模块，其包括耦合到第三反并行二极管的第三IGBT开关；第四IGBT模块，其包括耦合到第四反并行二极管的第四IGBT开关；第五IGBT模块，其包括耦合到第五反并行二极管的第五IGBT开关；以及第六IGBT模块，其包括耦合到第六反并行二极管的第六IGBT开关，所述至少一个反并行二极管包括所述第一反并行二极管、所述第二反并行二极管、所述第三反并行二极管、所述第四反并行二极管、所述第五反并行二极管或所述第六反并行二极管中的至少一个。
技术方案14. 如技术方案13所述的系统，其中，所述多个开关装置中的所述第一组包括所述多个开关装置的内部开关装置，并且所述多个开关装置中的所述第二组包括外部开关装置，其中所述第二IGBT模块、所述第三IGBT模块、所述第五IGBT模块和所述第六IGBT模块是所述内部开关装置，并且其中所述第一IGBT模块和所述第四IGBT模块是所述外部开关装置。
技术方案15. 如技术方案14所述的系统，其中，为所述多个开关装置中的每个开关装置选择所述多个死区时间中的一个死区时间使得所述多个开关装置中的至少两个开关装置根据所述多个死区时间中的不同死区时间操作还包括：
为所述内部开关装置选择所述多个死区时间中的第一死区时间；以及
为所述外部开关装置选择所述多个死区时间中的第二死区时间，所述第一死区时间大于所述第二死区时间。
技术方案16. 如技术方案15所述的系统，其中，所述第二死区时间等于所述第一死区时间的大约一半。
技术方案17. 如技术方案10所述的系统，还包括经由多个栅极驱动器在所述选择的死区时间处操作所述多个开关装置。
技术方案18. 如技术方案10所述的系统，其中，所述多电平桥功率转换器是三电平桥功率转换器，并且其中所述电功率系统包括风力涡轮功率系统、太阳能功率系统、能量存储功率系统或其组合。
技术方案19. 一种用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥功率转换器的方法，所述功率转换器具有经由DC链路耦合到第二转换器的第一转换器，所述方法包括：
以中性点箝位拓扑或有源中性点箝位拓扑中的一个拓扑提供所述功率转换器的多个开关装置，所述多个开关装置包括内部开关装置和外部开关装置；
提供用于所述内部开关装置的第一死区时间以及用于所述外部开关装置的第二死区时间；以及
在所述第一死区时间和所述第二死区时间操作所述多个开关装置，以允许内部开关装置比所述外部开关装置开关慢，使得所述内部开关装置满足安全操作要求，而所述外部开关装置比所述内部开关装置开关快。
技术方案20. 如技术方案19所述的方法，还包括基于所述内部开关装置和所述外部开关装置中的每个开关装置的一个或多个开关性质而为所述内部开关装置和所述外部开关装置中的每个开关装置选择所述第一死区时间和所述第二死区时间中的一个死区时间，使得所述内部开关装置和所述外部开关装置根据不同死区时间来操作。
参考以下描述和所附权利要求，本公开的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书并且构成本说明书的一部分的附图图示本公开的实施例，并且与该描述一起用于解释本公开的原理。
附图说明
在参照附图的说明书中阐述本公开(包括其最佳模式)的针对本领域普通技术人员的完整且能够实现的公开，其中：
图1图示根据传统构造的三电平逆变器的开关顺序的示意图；
图2图示根据本公开的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图3图示根据本公开的DFIG风力涡轮系统的一个实施例的示意图；
图4图示根据本公开的用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥功率转换器的方法的一个实施例的流程图；
图5图示根据本公开的三电平逆变器的开关顺序的一个实施例的示意图；
图6图示根据本公开连接的多个IGBT的示意图；以及
图7图示根据本公开的用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥功率转换器的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的实施例，在附图中图示其一个或多个示例。每个示例通过解释本公开的方式来提供，而不是通过限制本公开的方式来提供。实际上，对于本领域技术人员将明白的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可以在本公开中作出各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分说明或描述的特征可以与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，旨在的是，本公开覆盖如落入所附权利要求及它们的等同体的范围内的这样的修改和变型。
在典型的三电平逆变器上，存在各种操作状态和过渡死区时间状态。因此，对于典型的逆变器，内部开关装置可以在从死区时间状态和/或中性状态出来的同时中断电流。换言之，内部开关装置要求长的死区时间以支持它们的长关断；然而，外部开关装置可以支持更快的关断时间。因此，必须为内部开关这种选择单个死区时间。通常，为功率转换器中的所有装置设置单个锁定时间。然而，本公开基于功率转换器中的每个开关装置的开关性质将两个不同死区时间中的一个死区时间应用于那个开关装置。因此，本公开涉及方法和系统，其使用多个死区时间，以允许内部开关装置以更大的死区时间慢开关，以便满足安全操作区域（SOA）要求，而外部开关装置快开关，例如以便最小化谐波失真和/或减少对故障检测算法进行滤波的需要。
应当领会，通过操作如本文所述的功率转换器可以提供许多优点。特别地，本公开的系统和方法可应用于许多电功率系统，例如风力涡轮功率系统、太阳能功率系统、能量储存功率系统或其组合。此外，本公开不要求附加的硬件。此外，本公开使得功率转换器能够扩展其安全操作区域（SOA）而无需添加更多的半导体。
现在参考附图，图2图示风力涡轮100的一个实施例的透视图。如所示，风力涡轮100通常可以包括从支承表面104延伸的塔架102、安装在塔架102上的机舱106以及耦合到机舱106的转子108。转子108可包括可旋转毂110和耦合到毂110并从毂110向外延伸的至少一个转子叶片112。例如，在所图示实施例中，转子108包括三个转子叶片112。然而，在备选实施例中，转子108可以包括多于或少于三个转子叶片112。每个转子叶片112可以围绕毂110间隔开以促进使转子108旋转，以便使得动能能够从风转变为可用的机械能，并且随后转变为电能。例如，如下面将描述的，转子110可以可旋转地耦合到发电机220（图2）以允许产生电能。
现在参考图3，根据本主题的方面图示风力涡轮功率系统200的一个实施例的示意图。应当领会，本主题通常将在本文中参考图3中所示的风力涡轮功率系统200描述。然而，使用本文提供的公开的本领域普通技术人员应当理解，本公开的方面也可应用于其他功率生成系统。
如所示，风力涡轮100的转子108可以可选地耦合到齿轮箱218，所述齿轮箱218又耦合到发电机220。根据本公开的方面，发电机220可以是双馈感应发电机（DFIG）。例如，如所示，DFIG 220可以经由转子母线256耦合到定子母线254和功率转换器262。定子母线254可以从DFIG 220的定子提供输出多相功率（例如，三相功率），而转子母线256可以从DFIG120的转子提供输出多相功率（例如，三相功率）。如图3中所示，功率转换器262包括转子侧转换器266和线路侧转换器268。DFIG 220可以经由转子母线256耦合到转子侧转换器266。另外，转子侧转换器266可以耦合到线路侧转换器268，所述线路侧转换器268又可以耦合到线路侧母线288。在特定实施例中，功率转换器262可以是多电平桥功率转换器，例如三电平桥功率转换器，或更高电平功率转换器。如本文所述，三电平转换器是具有三个直流（DC）极的转换器。除了正和负DC极之外，这样的转换器还具有中性DC极。
在若干实施例中，转子侧转换器266和线路侧转换器128可以配置用于使用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）开关装置的三相脉宽调制（PWM）布置中的正常操作模式，如将关于图3更详细地讨论的。转子侧转换器266和线路侧转换器268可以经由DC链路126耦合，跨DC链路126的是DC链路电容器238。
此外，功率转换器262可以耦合到控制器274，以便控制转子侧转换器266和线路侧转换器268的操作。应当注意，在若干实施例中，控制器274可以配置为功率转换器262和控制系统276之间的接口。控制器274可以包括任何数量的控制装置。在一个实施例中，控制器274可以包括执行存储在计算机可读介质中的计算机可读指令的处理装置（例如，微处理器、微控制器等）。指令当由处理装置执行时可以使处理设备执行操作，所述操作包括向功率转换器262的开关装置和/或短路装置提供控制命令。
在典型的配置中，还可以包括各种线路接触器和电路断路器（包括例如电网断路器282）以用于在连接到电力网284和从电力网284断开期间隔离如对于DFIG 220的正常操作所必需的各种组件。例如，系统电路断路器278可以将系统母线260耦合到变压器280，所述变压器280可以经由电网断路器282耦合到电力网284。在备选实施例中，熔丝可以代替电路断路器中的一些或全部断路器。
在操作中，通过旋转转子108在DFIG 220处生成的交流功率经由双路径提供给电力网284。双路径由定子母线254和转子母线256限定。在转子母线侧256上，正弦多相（例如，三相）交流（AC）功率被提供给功率转换器262。转子侧功率转换器266将从转子母线256提供的AC功率转换为直流（DC）功率，并将DC功率提供给DC链路236。如通常理解的，在转子侧功率转换器266的桥电路中使用的开关装置（例如IGBT）可以被调制以将从转子母线256提供的AC功率转换为适合于DC链路236的DC功率。
另外，线路侧转换器268将DC链路126上的DC功率转换为适合于电力网的AC输出功率。特别地，可以对线路侧功率转换器268的桥电路中使用的开关装置（例如IGBT）进行调制，以将DC链路236上的DC功率转换为线路侧总线288上的AC功率。来自功率转换器262的AC功率可与来自DFIG 220的定子的功率组合以提供具有基本上维持在电力网284的频率（例如，50Hz或60Hz）的频率的多相功率（例如，三相功率）。
另外，各种电路断路器和开关（例如电网断路器282、系统断路器278、定子同步开关258、转换器断路器286和线路接触器2720可以包括在系统200中以连接或断开对应母线，例如，当电流流动过度并且可能损坏风力涡轮系统100的组件时或出于其他操作考虑也是如此。另外的保护组件也可以包括在风力涡轮系统200中，例如下面描述的撬棍电路。
此外，功率转换器262可以经由控制器274从例如控制系统276接收控制信号。控制信号尤其可以基于风力涡轮系统200的感测条件或操作特性。通常，控制信号提供控制功率转换器262的操作。例如，采取DFIG 220的感测速度的形式的反馈可用于控制来自转子母线256的输出功率的转换，以维持适当且平衡的多相（例如，三相）功率供应。还可以通过控制器274使用来自其他传感器的其他反馈来控制功率转换器262，包括例如定子和转子母线电压和电流反馈。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IGBT的栅极定时命令）、短路控制信号、定子同步控制信号和电路断路器信号。
现在参考图4，根据本主题的方面图示用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥式功率转换器的方法300的一个实施例的流程图。通常，方法300在本文中将被描述为使用诸如上面参考图1-2和图5-6描述的DFIG风力涡轮系统200之类的风力涡轮系统来实现。然而，应当领会，所公开的方法300可以使用配置成供应用于应用到负载的功率的任何其他适当的功率生成系统来实现。另外，尽管图4为了说明和讨论的目的描绘以特定顺序执行的步骤，但是本文描述的方法不限于任何特定顺序或布置。使用本文提供的公开的本领域技术人员将领会，可以以各种方式省略、重新布置、组合和/或修改方法的各种步骤。
如（302）处所示，方法300包括以中性点箝位拓扑或有源中性点箝位拓扑中的一个拓扑提供功率转换器262的多个开关装置400。例如，如图5-6中所示，开关装置400可以是绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块402。在这样的实施例中，如所示，多个IGBT模块402中的每个IGBT模块可以包括至少一个IGBT开关404（也编号为S1，S2，S3，S4，S5和S6）和至少一个反并行二极管406。此外，特别如图6中所示，多个开关装置400可以包括开关装置400的第一组408和第二组410。在这样的实施例中，第一组408可以对应内部开关装置412，而第二组410可以对应外部开关装置414。更特别地，如所示，第二IGBT模块S2、第三IGBT模块S3、第五IGBT模块S5和第六IGBT模块S6是内部开关装置412，并且第一IGBT模块S1和第四IGBT模块S4是外部开关装置414。
另外，如图5和图6中所示，功率转换器262可以包括各种端子，例如交流（AC）端子416、正电压端子418、负电压端子420和中点电压端子422，其可以用来控制功率转换器262的各种操作状态。
返回参考图6，如（304）处所示，所述方法300包括提供用于功率转换器262的多个开关装置400的多个死区时间。因此，如（306）处所示，所述方法300包括为开关装置400中的每个开关装置选择多个死区时间中的一个死区时间，使得多个开关装置400中的至少两个开关装置根据多个死区时间中的不同死区时间来操作。例如，在实施例中，所述方法300还可以包括基于开关装置400中的每个开关装置的一个或多个开关性质而为开关装置400中的每个开关装置选择死区时间中的一个死区时间，使得开关装置400中的至少两个开关装置根据不同死区时间来操作。例如，在实施例中，本文描述的开关性质可以包括功率转换器262中的开关装置400的温度和/或位置。
此外，在实施例中，为多个开关装置400中的每个开关装置选择多个死区时间中的一个死区时间使得开关装置400中的至少两个开关装置根据不同的死区时间操作可以包括为内部开关装置选择第一死区时间和为外部开关装置选择第二死区时间。在这样的实施例中，第一死区时间大于第二死区时间。在特定实施例中，例如，第二死区时间等于第一死区时间的大约一半。
例如，在实施例中，当调制三电平NPC桥时，第一IGBT模块S1和第四IGBT模块S4是最常开关的IGBT。此外，第二IGBT模块S2、第三IGBT模块S3、第五IGBT模块S5和第六IGBT模块S6通常在基频（例如，50Hz或60Hz）；或发电机频率）的每半个周期仅开关一次。此外，在实施例中，第一IGBT模块S1和第四IGBT模块S4快开关，因此它们可以使用它们自己的相对短的锁定时间/死区时间来最小化失真。相比之下，第二IGBT模块S2、第三IGBT模块S3、第五IGBT模块S5和第六IGBT模块S6慢开关并且要求更长的锁定时间。
仍然参考图4，如在（308）处所示，所述方法300包括在选择的死区时间操作多个开关装置400，以允许多个开关装置中的第一组比多个开关装置中的第二组开关慢，使得多个开关装置中的第一组满足安全操作要求，而多个开关装置的中第二组比多个开关装置中的第一组开关快，例如，以便最小化谐波失真。
在附加的实施例中，所述方法300可以包括经由多个栅极驱动器在选择的死区时间操作多个开关装置400。在这样的实施例中，如图6中所示，所述方法300可以可选地包括在第一和第五IGBT模块1，5、第二和第三IGBT模块2，3和/或第四和第六IGBT模块4，6中的一个或多个之间的连接处电耦合栅极放大器424。因此，在特定实施例中，如所示，栅极放大器434连接到IGBT模块402的相应栅极（例如，G1，G2，G3，G4，G5和G6）。
现在参考图7，根据本主题的方面图示用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥功率转换器的方法500的另一个实施例的流程图。通常，所述方法500在本文中将被描述为使用诸如上面参考图1-2和图5-6描述的DFIG风力涡轮系统200之类的风力涡轮系统来实现。然而，应当领会，所公开的方法500可以使用配置成供应用于应用到负载的功率的任何其他适当的功率生成系统来实现。另外，尽管图7为了说明和讨论的目的描绘以特定顺序执行的步骤，但是本文描述的方法不限于任何特定顺序或布置。使用本文提供的公开的本领域技术人员将领会，可以以各种方式省略、重新布置、组合和/或修改方法的各种步骤。
如（502）处所示，所述方法500包括以中性点箝位拓扑或有源中性点箝位拓扑中的一个拓扑提供功率转换器的多个开关装置。此外，多个开关装置包括内部开关装置和外部开关装置。如（504）处所示，所述方法500包括提供用于内部开关装置的第一死区时间和用于外部开关装置的第二死区时间。如（506）处所示，所述方法500包括在第一死区时间和第二死区时间操作多个开关装置，以允许内部开关装置比外部开关装置开关慢，使得内部开关装置满足安全操作要求，而外部开关装置比内部开关装置开关快，例如，以便最小化谐波失真。
本公开的另外的方面由以下条款的主题来提供：
条款1. 一种用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥功率转换器的方法，所述功率转换器具有经由DC链路耦合到第二转换器的第一转换器，所述方法包括：
以中性点箝位拓扑或有源中性点箝位拓扑中的一个拓扑提供所述功率转换器的多个开关装置；
提供用于所述功率转换器的所述多个开关装置的多个死区时间；
为所述多个开关装置中的每个开关装置选择所述多个死区时间中的一个死区时间，使得所述多个开关装置中的至少两个开关装置根据所述多个死区时间中的不同死区时间操作；以及
在选择的死区时间操作所述多个开关装置，以允许所述多个开关装置中的第一组比所述多个开关装置中的第二组开关慢，使得所述多个开关装置中的所述第一组满足安全操作要求，而所述多个开关装置中的所述第二组比所述多个开关装置的所述第一组开关快。
条款2. 如条款1所述的方法，还包括基于所述多个开关装置中的每个开关装置的一个或多个开关性质而为所述多个开关装置中的每个开关装置选择所述多个死区时间中的一个死区时间，使得所述多个开关装置中的至少两个开关装置根据所述多个死区时间中的不同死区时间来操作。
条款3. 如前述条款中的任何所述的方法，其中，所述多个开关装置至少包括多个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块，其中所述多个IGBT模块中的每个IGBT模块包括至少一个IGBT开关和至少一个反并行二极管。
条款4. 如条款3所述的方法，其中，所述多个IGBT模块包括：第一IGBT模块，其包括耦合到第一反并行二极管的第一IGBT开关；第二IGBT模块，其包括耦合到第二反并行二极管的第二IGBT开关；第三IGBT模块，其包括耦合到第三反并行二极管的第三IGBT开关；第四IGBT模块，其包括耦合到第四反并行二极管的第四IGBT开关；第五IGBT模块，其包括耦合到第五反并行二极管的第五IGBT开关；以及第六IGBT模块，其包括耦合到第六反并行二极管的第六IGBT开关，所述至少一个反并行二极管包括所述第一反并行二极管、所述第二反并行二极管、所述第三反并行二极管、所述第四反并行二极管、所述第五反并行二极管或所述第六反并行二极管中的至少一个。
条款5. 如条款4所述的方法，其中，所述多个开关装置中的所述第一组包括所述多个开关装置的内部开关装置，并且所述多个开关装置中的所述第二组包括外部开关装置，其中所述第二IGBT模块、所述第三IGBT模块、所述第五IGBT模块和所述第六IGBT模块是所述内部开关装置，并且其中所述第一IGBT模块和所述第四IGBT模块是所述外部开关装置。
条款6. 如条款5所述的方法，其中，为所述多个开关装置中的每个开关装置选择所述多个死区时间中的一个死区时间使得所述多个开关装置中的至少两个开关装置根据所述多个死区时间中的不同死区时间操作还包括：
为所述内部开关装置选择所述多个死区时间中的第一死区时间；以及
为所述外部开关装置选择所述多个死区时间中的第二死区时间，所述第一死区时间大于所述第二死区时间。
条款7. 如条款6所述的方法，其中，所述第二死区时间等于所述第一死区时间的大约一半。
条款8. 如前述条款中的任何所述的方法，还包括经由多个栅极驱动器在所述选择的死区时间操作所述多个开关装置。
条款9. 如前述条款中的任何所述的方法，其中，所述多电平桥功率转换器是三电平桥功率转换器，并且其中所述电功率系统包括风力涡轮功率系统、太阳能功率系统、能量存储功率系统或其组合。
条款10.一种电功率系统，包括：
双馈感应发电机，所述双馈感应发电机具有转子和定子，所述定子向定子母线提供AC功率；
多电平桥功率转换器，所述多电平桥功率转换器耦合到所述双馈感应发电机的所述转子，所述功率转换器包括经由DC链路耦合到第二转换器的第一转换器，所述第一转换器或所述第二转换器中的至少一个包括以中性点箝位拓扑或有源中性点箝位拓扑中的一个拓扑布置的多个开关装置；
控制器，所述控制器通信地耦合到所述功率转换器，所述控制器包括配置成实现多个操作的至少一个处理器，所述多个操作包括：
为所述多个开关装置中的每个开关装置选择多个死区时间中的一个死区时间，使得所述多个开关装置中的至少两个开关装置根据所述多个死区时间中的不同死区时间操作；以及
在选择的死区时间操作所述多个开关装置，以允许所述多个开关装置中的第一组比所述多个开关装置中的第二组开关慢，使得所述多个开关装置中的所述第一组满足安全操作要求，而所述多个开关装置中的所述第二组比所述多个开关装置中的所述第一组开关快。
条款11. 如条款10所述的系统，其中，所述多个操作还包括基于所述多个开关装置中的每个开关装置的一个或多个开关性质而为所述多个开关装置中的每个开关装置选择所述多个死区时间中的一个死区时间使得所述多个开关装置中的至少两个开关装置根据所述多个死区时间中的不同死区时间来操作。
条款12. 如条款10-11所述的系统，其中，所述多个开关装置至少包括多个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块，其中所述多个IGBT模块中的每个IGBT模块包括至少一个IGBT开关和至少一个反并行二极管。
条款13. 如条款12所述的系统，其中，所述多个IGBT模块包括：第一IGBT模块，其包括耦合到第一反并行二极管的第一IGBT开关；第二IGBT模块，其包括耦合到第二反并行二极管的第二IGBT开关；第三IGBT模块，其包括耦合到第三反并行二极管的第三IGBT开关；第四IGBT模块，其包括耦合到第四反并行二极管的第四IGBT开关；第五IGBT模块，其包括耦合到第五反并行二极管的第五IGBT开关；以及第六IGBT模块，其包括耦合到第六反并行二极管的第六IGBT开关，所述至少一个反并行二极管包括所述第一反并行二极管、所述第二反并行二极管、所述第三反并行二极管、所述第四反并行二极管、所述第五反并行二极管或所述第六反并行二极管中的至少一个。
条款14. 如条款13所述的系统，其中，所述多个开关装置中的所述第一组包括所述多个开关装置的内部开关装置，并且所述多个开关装置中的所述第二组包括外部开关装置，其中所述第二IGBT模块、所述第三IGBT模块、所述第五IGBT模块和所述第六IGBT模块是所述内部开关装置，并且其中所述第一IGBT模块和所述第四IGBT模块是所述外部开关装置。
条款15. 如条款14所述的系统，其中，为所述多个开关装置中的每个开关装置选择所述多个死区时间中的一个死区时间使得所述多个开关装置中的至少两个开关装置根据所述多个死区时间中的不同死区时间操作还包括：
为所述内部开关装置选择所述多个死区时间中的第一死区时间；以及
为所述外部开关装置选择所述多个死区时间中的第二死区时间，所述第一死区时间大于所述第二死区时间。
条款16. 如条款15所述的系统，其中，所述第二死区时间等于所述第一死区时间的大约一半。
条款17. 如条款10-16所述的系统，还包括经由多个栅极驱动器在所述选择的死区时间处操作所述多个开关装置。
条款18. 如条款10-17所述的系统，其中，所述多电平桥功率转换器是三电平桥功率转换器，并且其中所述电功率系统包括风力涡轮功率系统、太阳能功率系统、能量存储功率系统或其组合。
条款19. 一种用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥功率转换器的方法，所述功率转换器具有经由DC链路耦合到第二转换器的第一转换器，所述方法包括：
以中性点箝位拓扑或有源中性点箝位拓扑中的一个拓扑提供所述功率转换器的多个开关装置，所述多个开关装置包括内部开关装置和外部开关装置；
提供用于所述内部开关装置的第一死区时间以及用于所述外部开关装置的第二死区时间；以及
在所述第一死区时间和所述第二死区时间操作所述多个开关装置，以允许内部开关装置比所述外部开关装置开关慢，使得所述内部开关装置满足安全操作要求，而所述外部开关装置比所述内部开关装置开关快。
条款20. 如条款19所述的方法，还包括基于所述内部开关装置和所述外部开关装置中的每个开关装置的一个或多个开关性质而为所述内部开关装置和所述外部开关装置中的每个开关装置选择所述第一死区时间和所述第二死区时间中的一个死区时间，使得所述内部开关装置和所述外部开关装置根据不同死区时间来操作。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本公开，并且还使本领域的技术人员能够实施本公开，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本公开的可取得专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例包括与权利要求书的文字语言完全相同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求书的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则它们意在处于权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥功率转换器的方法，所述功率转换器具有经由DC链路耦合到第二转换器的第一转换器，所述方法包括：
以中性点箝位拓扑或有源中性点箝位拓扑中的一个拓扑提供所述功率转换器的多个开关装置；
提供用于所述功率转换器的所述多个开关装置的多个死区时间；
为所述多个开关装置中的每个开关装置选择所述多个死区时间中的一个死区时间，使得所述多个开关装置中的至少两个开关装置根据所述多个死区时间中的不同死区时间操作；以及
在选择的死区时间操作所述多个开关装置，以允许所述多个开关装置中的第一组比所述多个开关装置中的第二组开关慢，使得所述多个开关装置中的所述第一组满足安全操作要求，而所述多个开关装置中的所述第二组比所述多个开关装置的所述第一组开关快。
2.如权利要求1所述的方法，还包括基于所述多个开关装置中的每个开关装置的一个或多个开关性质而为所述多个开关装置中的每个开关装置选择所述多个死区时间中的一个死区时间，使得所述多个开关装置中的至少两个开关装置根据所述多个死区时间中的不同死区时间来操作。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述多个开关装置至少包括多个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块，其中所述多个IGBT模块中的每个IGBT模块包括至少一个IGBT开关和至少一个反并行二极管。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述多个IGBT模块包括：第一IGBT模块，其包括耦合到第一反并行二极管的第一IGBT开关；第二IGBT模块，其包括耦合到第二反并行二极管的第二IGBT开关；第三IGBT模块，其包括耦合到第三反并行二极管的第三IGBT开关；第四IGBT模块，其包括耦合到第四反并行二极管的第四IGBT开关；第五IGBT模块，其包括耦合到第五反并行二极管的第五IGBT开关；以及第六IGBT模块，其包括耦合到第六反并行二极管的第六IGBT开关，所述至少一个反并行二极管包括所述第一反并行二极管、所述第二反并行二极管、所述第三反并行二极管、所述第四反并行二极管、所述第五反并行二极管或所述第六反并行二极管中的至少一个。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述多个开关装置中的所述第一组包括所述多个开关装置的内部开关装置，并且所述多个开关装置中的所述第二组包括外部开关装置，其中所述第二IGBT模块、所述第三IGBT模块、所述第五IGBT模块和所述第六IGBT模块是所述内部开关装置，并且其中所述第一IGBT模块和所述第四IGBT模块是所述外部开关装置。
6.如权利要求5所述的方法，其中，为所述多个开关装置中的每个开关装置选择所述多个死区时间中的一个死区时间使得所述多个开关装置中的至少两个开关装置根据所述多个死区时间中的不同死区时间操作还包括：
为所述内部开关装置选择所述多个死区时间中的第一死区时间；以及
为所述外部开关装置选择所述多个死区时间中的第二死区时间，所述第一死区时间大于所述第二死区时间。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述第二死区时间等于所述第一死区时间的大约一半。
8.如权利要求1所述的方法，还包括经由多个栅极驱动器在所述选择的死区时间操作所述多个开关装置。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述多电平桥功率转换器是三电平桥功率转换器，并且其中所述电功率系统包括风力涡轮功率系统、太阳能功率系统、能量存储功率系统或其组合。
10.一种电功率系统，包括：
双馈感应发电机，所述双馈感应发电机具有转子和定子，所述定子向定子母线提供AC功率；
多电平桥功率转换器，所述多电平桥功率转换器耦合到所述双馈感应发电机的所述转子，所述功率转换器包括经由DC链路耦合到第二转换器的第一转换器，所述第一转换器或所述第二转换器中的至少一个包括以中性点箝位拓扑或有源中性点箝位拓扑中的一个拓扑布置的多个开关装置；
控制器，所述控制器通信地耦合到所述功率转换器，所述控制器包括配置成实现多个操作的至少一个处理器，所述多个操作包括：
为所述多个开关装置中的每个开关装置选择多个死区时间中的一个死区时间，使得所述多个开关装置中的至少两个开关装置根据所述多个死区时间中的不同死区时间操作；以及
在选择的死区时间操作所述多个开关装置，以允许所述多个开关装置中的第一组比所述多个开关装置中的第二组开关慢，使得所述多个开关装置中的所述第一组满足安全操作要求，而所述多个开关装置中的所述第二组比所述多个开关装置中的所述第一组开关快。
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