用偶次谐波消除方案对三级NPC电源转换器的DC电压平衡控制制造技术

三级逆变器和整流器电源转换系统、以及空间矢量调制（ＳＶＭ）控制系统具有用于中性点电压平衡的偶次谐波消除，其中预定矢量开关序列用于开路系统操作中的半波对称。每个ＳＶＭ图段的矢量序列列表包括多个开关状态条目，分别表示电源转换系统中三个或多个开关组的每一个的三个可能开关状态电平正（Ｐ）、零（０）或负（Ｎ）之一，其中每对第一和第二直径上相反的图段的列表包括对称相反的开关状态，第一片段列表的条目中的正电平对应于第二片段列表的条目中的负电平。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及电源转换，尤其涉及用于三级逆变器和整流器型电源转换器的脉宽调制操作的控制和方法。
技术介绍
电源转换器已广泛用于中等电压电机驱动、以及其中电源需要从DC转换成AC或反之的其它应用。这种转换装置通常指用于将DC转换成AC的逆变器、或者如果从AC转换到DC电源则指整流器，其中AC电源连接通常分别提供多相输出或输入。多相转换器常常使用高压高速开关阵列来构建，诸如栅极截止可控硅(GTO)、绝缘栅极双极晶体管(IGBT)或其它基于半导体的开关器件，这些开关通过脉宽调制(PWM)来选择性地驱动，以使AC连接与一个或另一个DC总线端子耦合，其中阵列开关的定时确定电源转换性能。在中等电压马达驱动应用中，高级逆变器型电源转换器中开关驱动的定时控制用于从输入DC总线提供可变频率、可变幅值的多相AC输出电源，从而可在较大电压和速度范围内控制驱动马达。中性点箝位(NPC)转换器包括在DC总线之间串联连接的两个相似大小的高压电容器，其中电容器在转换器“中性”节点彼此相连。在这些NPC转换器中，三级开关控制常常用于提供每个AC端子的三个开关状态，其中AC终端选择性地与DC端子或中性节点耦合。三级开关技术允许比可比拟的二级逆变器设计更高的工作电压、以及更佳的(例如更低的)总谐波失真(THD)和电磁干扰(EMI)。若干PWM开关技术已在高压或中压NPC电源转换器中用于控制开关阵列，其中空间矢量调制(SVM)方法因为较好的谐波曲线、有效的中性点电势控制、以及易于数字式实现而得到越来越多的使用。在NPC电源转换器中，需要使中性电压保持在一定水平，其中两个电容器电压基本相等，即称为中性点平衡的目标。如果NPC逆变器中性点上的电压偏离DC总线的中点，则问题会产生，包括对转换器本身的组件和/或由转换器供电的设备的应力，以及将谐波失真添加于逆变器的输出上。为了控制中性点电压，许多转换器都装备有反馈控制装置。然而，这种闭环中性平衡方法是昂贵的，需要反馈感测装置和高级控制算法来调整中性电压，同时还提供所需AC输出波形。除了中性点平衡之外，需要使阵列开关的工作频率最小化。这些问题当然根据给定转换器应用的频率、幅值、以及其它性能和控制要求来平衡。因而，对改进的三级电源转换器、以及在中等电压电机驱动和其它需要电源转换的应用中使用的SVM方法和控制系统有持续的需要。
技术实现思路
现在归纳本专利技术的一个或多个方面以便于本专利技术的基本理解，其中该归纳并不是本专利技术的扩展性纵览，且并非旨在标识本专利技术的某些要素，也并非旨在划出其范围。相反，该归纳的主要目的是在下文呈现更详细的描述之前用简化形式呈现本专利技术的一些概念。本专利技术涉及三级电源转换器的PWM控制，其中空间矢量调制(SVM)用来控制转换器开关。提供了三级NPC转换器和控制系统，以及用于提供三级开关控制信号以通过空间矢量调制用开路方式来平衡中性点电压，而不增加反馈中性平衡控制元件的成本、大小和重量的方法。本专利技术有利地以整流器和/或逆变器应用来实现，利用三级SVM转换器的中性点电压平衡、低THD和EMI、以及其它性能优点以便于促进节约成本的高压或中压电源转换。根据本专利技术的一个或多个方面，提供了一种三级SVM NPC电源转换系统，它可以是用于DC到AC转换的逆变器或者用于将AC电源转换成DC的整流器。该系统包括DC连接、多相AC连接、和与之耦合的三级开关网络、以及提供SVM开关控制信号以用开路方式平衡中性电压的控制系统。DC连接具有用来接收或提供DC电源的第一和第二端子，以及在DC端子之间串联耦合的第一和第二电容器，其中电容器在公共节点或中性点上耦合。AC连接通过三个或多个AC端子提供或接收多相电源，其中开关网络包括多组与AC相位端子相关联的开关设备。这些开关通过切换来自控制系统的控制信号来选择性地将AC端子耦合到DC端子之一或中性公共节点，其中控制系统通过空间矢量调制提供多组开关控制信号，以便于在电源转换系统操作期间用开路方式使电容器上的电压均衡。在一实现中，控制系统具有空间矢量调制系统根据偶次谐波消除(EHE)矢量开关序列来提供开关控制信号，从而提供半波对称以使公共节点上的电压平衡，其中矢量开关序列定义SVM图的每一段的一系列开关状态，在该SVM图中用于直径上相反图段的矢量开关序列提供AC端子和DC端子的对称相反耦合。本专利技术的其它方面涉及用于向三级电源转换系统提供开关控制信号的一种空间矢量调制控制系统。该控制系统包括用于选择性驱动转换器开关的驱动器，以及通过空间矢量调制控制驱动器用开路操作来平衡转换器电容器上的电压。在一实施例中，开关控制装置包括偶次谐波消除向量开关序列，以及用于根据电压参考矢量并根据矢量开关序列控制驱动器的处理装置。本专利技术的另外其它方面提供用于三级电源转换系统中开关网络的空间矢量调制的矢量开关序列。该矢量开关序列包含一机器可读介质，它包括空间矢量调制图的每一段的矢量序列列表，定义表示开关网络的开关状态的固定空间矢量并定义位于空间矢量调制图的原点周围的多个区域。各个区域都具有多个三角形片段(例如在一示例中为6个)，每个片段都由三角形角上的唯一一组三个空间矢量来定义，其中各个矢量序列列表定义与定义每个片段的三个空间矢量相对应的一系列开关状态，其中为图段定义的相对于图之原点对称相反的矢量开关序列包括对称相反的开关状态。本专利技术的其它方面涉及用于三级电源转换系统的空间矢量调制控制的一种方法。该方法包括提供空间矢量调制的矢量开关序列，它包括空间矢量调制图的每一段的矢量序列列表，各个矢量序列列表定义与定义每个片段的三个空间矢量相对应的一系列开关状态，其中为图段定义的相对于图之原点对称相反的矢量开关序列包括对称相反的开关状态。该方法还包括获取表示电源转换系统期望状态的参考矢量，并确定该参考矢量段在空间矢量调制图上的位置。开关控制信号根据参考矢量段位置的矢量序列列表向电源转换系统提供。附图说明以下描述和附图详细阐述本专利技术的某些说明性实施，它们示出实践本专利技术原理的若干示例性方法。然而，这些说明性示例并非是本专利技术的许多可能实施例的穷尽。本专利技术的其它目的、优点和新颖性从以下参照附图对本专利技术的详细描述中将变得显而易见，在附图中图1A是示出根据本专利技术一个或多个方面的一示例性三级逆变器型DC-AC电源转换系统的示意图，该电源转换系统具有空间示矢量调制(SVM)开关控制装置，它提供偶次谐波的开路抑制和中性点电压平衡；图1B是示出根据本专利技术的一示例性三级SVM整流器的示图，它使用偶次谐波消除(EHE)SVM开关控制系统来将多相AC转换成DC电源；图1C是示出根据本专利技术各个方面的图1A和1B的电源转换器的一示例性SVM控制系统的示意图，该控制系统包括用于驱动电源转换器开关的驱动器；以及处理器，通过空间矢量调制根据EHE SVM矢量开关序列来控制驱动器，以便于平衡电容器上的电压并减少电源转换系统的开路操作中偶次谐波；图1D是示出图1A-1C的SVM控制系统的停留时间计算的表格；图1E是示出特定SVM图段的示例性开关序列以及相应停留时间的表格；图1F是示出根据本方面其它方面的用于三级电源转换系统的SVM控制的示例性方法的流程图；图2A和2B是示出根据本专利技术其它方面的一示例性EHE SVM矢量开关序列的示意图，该本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三级电源转换系统（１００，１５０），包括：用于接收或提供ＤＣ电源的ＤＣ连接（１１０），所述ＤＣ连接（１１０）包括第一和第二ＤＣ端子（１１２）、以及在第一和第二ＤＣ端子（１１２）之间串联耦合的第一和第二电容器（Ｃ↓［１］，Ｃ↓［２］），所述电容器在公共节点（０）上耦合；用于接收或提供多相电源的多相ＡＣ连接（１２０），所述ＡＣ连接（１２０）包括第一、第二和第三ＡＣ端子（１２２），以及三级开关网络（１３０）包括：与所述ＤＣ连接（１１０）和所述第一ＡＣ端子（１２２ａ）耦合的第一组开关设备（１３０ａ），所述第一组可用三个状态之一操作以根据第一组开关控制信号（ＳＣ↓［Ａ］）将第一ＡＣ端子（１２２ａ）有选择地电气耦合到第一ＤＣ端子（１１２ａ）、第二ＤＣ端子（１１２ｂ）、以及公共节点（０）之一，与所述ＤＣ连接（１１０）和所述第二ＡＣ端子（１２２ｂ）耦合的第二组开关设备（１３０ｂ），所述第二组可用三个状态之一操作以根据第二组开关控制信号（ＳＣ↓［Ｂ］）将第二ＡＣ端子（１２２ｂ）有选择地电气耦合到第一ＤＣ端子（１１２ａ）、第二ＤＣ端子（１１２ｂ）、以及公共节点（０）之一，以及与所述ＤＣ连接（１１０）和所述第三ＡＣ端子（１２２ｃ）耦合的第三组开关设备（１３０ｃ），所述第三组可用三个状态之一操作以根据第三组开关控制信号（ＳＣ↓［Ｃ］）将第三ＡＣ端子（１２２ｃ）有选择地电气耦合到第一ＤＣ端子（１１２ａ）、第二ＤＣ端子（１１２ｂ）、以及公共节点（０）之一；以及开关控制系统（１４０），通过空间矢量调制提供多组开关控制信号（ＳＣ），以在电源转换系统（１００，１５０）操作期间用开路方式均衡电容器（Ｃ↓［１］，Ｃ↓［２］）上的电压。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：WW冯，B吴，C刘，D徐，
申请(专利权)人：洛克威尔自动控制技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]