中压无变压器多电平变换器及用于控制中压无变压器多电平变换器的方法技术

一种多电平变换器，包含单相配置。单相配置具有由耦合到DC链路的第一电容器分离的第一半桥(HB)模块、第二HB模块，以及钳位到第一HB模块和第二HB模块的中点钳位(NPC)模块。此外，单相配置具有第一单独开关器件和第二单独开关器件，第一单独开关器件可操作地连接到第一HB模块和NPC模块，并且第二单独开关器件可操作地连接到第二HB模块和NPC模块。变换器还包含功率输出组件，功率输出组件包括多相并且提供多相交流(AC)功率，其中单相配置向功率输出组件的多相中的一相提供功率。

Medium voltage transformer free multilevel converter and method for controlling medium voltage transformer free multilevel converter

A multilevel converter that contains a single phase configuration. The single-phase configuration has the first half bridge (HB) module, the second HB module, and the middle point clamping (NPC) module that is clamped to the first HB module and the second HB module, which is separated by the first capacitor that is coupled to the DC link. In addition, the single-phase configuration has a first single switch device and a second separate switch device, the first separate switch device is operably connected to the first HB module and the NPC module, and the second separate switch device is operably connected to the second HB module and the NPC module. The converter also includes the power output component, the power output component includes multiphase and provides multiphase AC (AC) power, in which the single-phase configuration provides power to a phase in the multiphase of the power output component.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】中压无变压器多电平变换器及用于控制中压无变压器多电平变换器的方法
本专利技术的各方面总体涉及一种中压无变压器多电平变换器和一种用于控制中压无变压器多电平变换器的方法。
技术介绍
传统上，由于单个功率半导体器件不能处理高电压，所以多电平功率变换器被用于中压AC驱动器、柔性AC传输系统(FACTS)和高压DC(HVDC)传输系统的应用。多电平功率变换器包括多电平拓扑，其提供了串联连接开关的巧妙方式，因此可以处理高于器件额定值的电压。对于中压驱动器的工业需求引发了该领域的大量研究，其中大多数应用包括用于泵、鼓风机、压缩机、输送机等的驱动器。提供多电平电压，适用于中压应用的拓扑数量有限。最著名的拓扑是中点钳位(NPC)拓扑、快速电容(FC)拓扑和级联H桥多电平拓扑。级联多电平变换器是许多中压和高压应用中的优选拓扑。该拓扑在业内已经建立了二十多年，但它也存在一定的缺点，主要是与为每个功率单元提供隔离的功率所需的特殊变压器相关的成本。此外，级联多电平拓扑传统上仅在单向功率流应用中实现，因此它不能在电动机应用中提供再生制动。例如，可以四象限操作，但是这样的操作将显著增加功率单元成本并且仍然需要变压器。模块化多电平变换器是另一种拓扑，它仍在开发中。该拓扑可以使用也可以不使用变压器，因此在需要再生制动的应用中可能是有益的；然而，该拓扑需要更多数量的半导体，并且其在低速/高转矩下的操作会非常困难。在中压电平的较低端，级联多电平拓扑和模块化多电平拓扑往往都非常昂贵。
技术实现思路
简而言之，本专利技术的各方面涉及无变压器多电平变换器、包括无变压器多电平变换器的电驱动系统以及用于控制无变压器多电平变换器的方法。本专利技术的第一方面提供了一种多电平变换器，包括多个单相配置，单相配置包括：由耦合到DC链路的第一电容器分开的第一半桥(HB)模块和第二半桥HB模块，DC链路向单相配置提供电压；中点钳位(NPC)模块，NPC模块夹到第一HB模块和第二HB模块上；第一单独开关和第二单独开关，第一单独开关可操作地连接到第一HB模块和NPC模块，并且第二单独开关可操作地连接到第二HB模块和NPC模块；以及功率输出组件，包括三个相并且提供三相交流(AC)功率，其中单相配置向功率输出组件的三个相中的一个相提供功率。本专利技术的第二方面提供了一种用于控制多电平变换器的方法，包括：提供包含多个开关器件的单相配置；以及使用脉宽调制(PWM)来开关多个开关器件，其中多个开关器件以相同的开关频率进行开关，并且其中多对互补PWM控制信号用于开关多个开关器件。本专利技术的第三方面提供了一种电驱动系统，包括：电源组件，该电源组件包括直流(DC)链路；多电平变换器，耦合到DC链路，用于产生多相功率，变换器包括单相配置，其中，DC链路向单相配置提供电压，单相配置包括：由耦合到DC链路的第一电容器分开的第一半桥(HB)模块和第二半桥HB模块，中点钳位(NPC)模块，NPC模块夹到第一HB模块和第二HB模块上，第一单独开关和第二单独开关，第一单独开关可操作地连接到第一HB模块和NPC模块，并且第二单独开关可操作地连接到第二HB模块和NPC模块；以及功率输出组件，包括三个相并且提供三相交流功率，其中，单相配置向功率输出组件的三个相中的一个相提供功率。附图说明图1示出了根据本专利技术示例性实施例的、用于无变压器多电平变换器的一个相的所提出的拓扑的实施例的示意图。图2示出了根据本专利技术的示例性实施例的、用于无变压器多电平变换器的一个相的所提出的拓扑的另一实施例的示意图。图3示出了根据本专利技术示例性实施例的、对于无变压器多电平变换器的一个相的、包括相对于参考信号波形不同的载波的载波结构的图形表示。图4示出了根据本专利技术示例性实施例的、包括无变压器多电平变换器，特别是三相电动机驱动电压逆变器的系统的实施例的示意图。图5示出了根据本专利技术的示例性实施例的、包括如图4所示的三相电动机驱动电压逆变器的背对背结构的实施例的示意图。图6示出了根据本专利技术的示例性实施例的、针对一个相在无变压器多电平变换器中用PSPWM获得的、模拟输出电压和电流波形的图形表示。图7和图8示出了根据本专利技术的示例性实施例的、针对一个相在无变压器多电平变换器中用PSPWM获得的、耦合到DC链路的电容器的模拟电压的图形表示。图9示出了根据本专利技术的示例性实施例的、针对一相在无变压器多电平变换器中用PSPWM获得的NPC模块的电容器的模拟电压的图形表示。图10和图11示出了根据本专利技术的示例性实施例的、分别针对三个相在无变压器多电平变换器中用PSPWM获得的输出电流和线电压的模拟波形的图形表示。具体实施方式为了便于理解本专利技术的实施例、原理和特征，在下文中参照在说明性实施例中的实现来对其进行说明。特别地，其是以无变压器多电平变换器、包括这种无变压器多电平变换器的电驱动系统以及用于控制这种无变压器多电平变换器的方法为上下文描述的。然而，本专利技术的实施例不限于用于所描述的设备或方法。在下文中描述为构成各种实施例的组件和材料旨在是说明性的而非限制性的。执行与本文描述的材料相同或相似的功能的许多合适部件和材料被包含在本专利技术的实施例的范围内。所描述的无变压器多电平变换器包括可用于中压电动机驱动应用的五电平中压拓扑。中压应用是例如在工业过程控制中使用的中压交流(AC)电动机的应用，其工作在1kV以上和/或50kV以下，特别是4.16kV和13.8kV之间。图1示出了根据本专利技术示例性实施例的、用于无变压器多电平变换器的一个相的所提出的拓扑的实施例的示意图。图1示出了单相配置10，本文也称为单相模块10，具有用于三相电动机驱动电压逆变器的一个相A的所提出的拓扑。对于示例性逆变器的每个相，所提出的拓扑包括由DC链路电容器C2分开的两个半桥(HB)模块42、44、中点钳位(NPC)模块46和两个单独的开关器件Q2、Q2N。用于第一HB模块42的电路包括功率半导体开关器件Q1和Q1N以及具有为DC链路14的所提供直流(DC)链路电压Vdc的四分之一的额定值的电容器C1。用于第二HB模块44的电路包括功率半导体开关器件Q5和Q5N以及具有为DC链路14的所提供DC链路电压Vdc的四分之一的额定值的电容器C3。中点钳位(NPC)模块46的配置包括功率半导体开关器件Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N和电容器C4、C5。电容器C4、C5均具有为所提供DC链路电压Vdc的四分之一的额定值。另一个电容器C2分开两个HB模块42、44，其中电容器C2具有为DC链路总线电压Vdc的一半的额定值。此外，所提出的模块10的拓扑包括两个单独的开关器件Q2和Q2N，每个开关器件布置在HB配置42、44之一和NPC配置46之间。开关器件Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N可以包含例如但不限于诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的功率晶体管。如图1所示，没有串联连接的开关器件。根据所描述的实施例，所提出的拓扑每个相包括总共12个开关器件Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N。DC链路14包括正输入端子P和负输入端子N。例如可以通过标准变压器/二极管整流器来提供DC链路14的输入电压。或者，可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多电平变换器(40)，包括：多个单相配置(10)，所述单相配置(10)包括：由耦合到DC链路(14)的第一电容器(C2)分开的第一半桥(HB)模块(42)和第二半桥(HB)模块(44)，所述DC链路向所述单相配置(10)提供电压(Vdc)，中点钳位(NPC)模块(46)，所述NPC模块(46)夹到所述第一HB模块(42)和所述第二HB模块(44)上，第一单独开关器件(Q2)和第二单独开关器件(Q2N)，所述第一单独开关器件(Q2)可操作地连接到所述第一HB模块(42)和所述NPC模块(46)，并且所述第二单独开关器件(Q2N)可操作地连接到所述第二HB模块(44)和所述NPC模块(46)；以及功率输出组件(16)，包括三个相(A、B、C)并且提供三相交流(AC)功率，其中所述单相配置(10)向所述功率输出组件(16)的所述三个相(A、B、C)之一提供功率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种多电平变换器(40)，包括：多个单相配置(10)，所述单相配置(10)包括：由耦合到DC链路(14)的第一电容器(C2)分开的第一半桥(HB)模块(42)和第二半桥(HB)模块(44)，所述DC链路向所述单相配置(10)提供电压(Vdc)，中点钳位(NPC)模块(46)，所述NPC模块(46)夹到所述第一HB模块(42)和所述第二HB模块(44)上，第一单独开关器件(Q2)和第二单独开关器件(Q2N)，所述第一单独开关器件(Q2)可操作地连接到所述第一HB模块(42)和所述NPC模块(46)，并且所述第二单独开关器件(Q2N)可操作地连接到所述第二HB模块(44)和所述NPC模块(46)；以及功率输出组件(16)，包括三个相(A、B、C)并且提供三相交流(AC)功率，其中所述单相配置(10)向所述功率输出组件(16)的所述三个相(A、B、C)之一提供功率。2.根据权利要求1所述的多电平变换器(40)，其中，所述第一HB模块(42)包括第一多个开关器件(Q1、Q1N)和额定值为所述DC链路(14)提供的电压(Vdc)的四分之一的第二电容器(C1)。3.根据前述权利要求中的一项或多项所述的多电平变换器(40)，其中，所述第二HB模块(44)包括第二多个开关器件(Q5、Q5N)和额定值为所述DC链路(14)提供的电压(Vdc)的四分之一的第三电容器(C3)。4.根据前述权利要求中的一项或多项所述的多电平变换器(40)，其中，所述NPC模块(46)包括第三多个开关器件(Q3、Q3N、Q4、Q4N、Q3C、Q3CN)以及第四电容器和第五电容器(C4、C5)，所述第四电容器和所述第五电容器(C4、C5)中的每一个的额定值为所述DC链路(14)提供的电压(Vdc)的四分之一。5.根据前述权利要求中的一项或多项所述的多电平变换器(40)，其中，所述第一电容器(C2)的额定值为所述DC链路(14)提供的电压(Vdc)的一半。6.根据前述权利要求中的一项或多项所述的多电平变换器(40)，其中，控制器(50)可操作地耦合到单独开关器件(Q2、Q2N)以及所述第一多个开关器件、所述第二多个开关器件和所述第三多个开关器件中的开关器件(Q1、Q1N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N)中的每个开关器件，用于通过脉宽调制控制开关器件(Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N)的开关事件，其中开关器件(Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N)以相同的开关频率进行开关。7.根据前述权利要求中的一项或多项所述的多电平变换器(40)，包括用于每个相(A、B、C)的单相配置(10)，其中，所有单相配置(10)共用所述DC链路(14)以及所述第一电容器、所述第二电容器和所述第三电容器(CI、C2、C3)。8.一种用于控制多电平变换器(40)的方法，包括：提供包含多个开关器件(Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N)的单相配置；以及使用脉宽调制(PWM)来开关所述多个开关器件(Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N)，其中，所述多个开关器件(Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N)以相同的开关频率进行开关，并且其中，多对互补PWM控制信号(S1/S1N、S2/S2N、S3/S3N、S4/S4N)用于开关所述多个开关器件(Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N)。9.根据权利要求8所述的用于控制多电平变换器(40)的方法，其中，所述多对互补PWM控制信号(S1/S1N、S2/S2N、S3/S3N、S4/S4N)中的每一对均包括互补的第一控制信号和第二控制信号，其中，当第一信号接通(1)时，第二信号关断(0)。10.根据前述权利要求中的一项或多项所述的用于控制多电平变换器(40)的方法，还包括：通过相移PWM(PSPWM)载波方法或相位层叠PWM方法获得所述互补PWM控制信号(S1/S1N、S2/S2N、S3/S3N、S4/S4N)。11.根据权利要求10所述的用于控制多电平变换器(40)的方法，其中，基于多个载波信号，通过PSPWM载波方法获得所述互补PWM控制信号(S1/S1N、S2/S2N、S3/S3N、S4/S4N)，所述载波信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：利维乌·米哈拉凯，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE