用于操作多电平变流器的方法技术

一种相对于现有技术改进的用于操作飞电容拓扑中的多电平变流器(1)的方法，其中至少两个半导体开关在以控制频率f

【技术实现步骤摘要】
用于操作多电平变流器的方法


[0001]本专利技术涉及一种用于操作飞电容拓扑中的多电平变流器的方法，其中至少两个半导体开关在以控制频率重复的控制周期内由可变脉冲历时的控制脉冲来控制，以便为了产生多电平变流器的输出电压而将连接到该多电平变流器的输入端的电压源、该多电平变流器的输出端和布置在该多电平变流器的输入端和输出端之间的至少一个辅助电容器选择性地相互连接，其中在至少一个辅助电容器上形成辅助电压，并且其中在与多电平变流器的输出端电气连接的位置处测量至少一个电压或至少一个电流作为电气测量变量。

技术介绍

[0002]电流变换器(如整流器、逆变器和变流器)在各种技术应用领域中发挥着越来越重要的作用。太阳能的电网馈入、高压直流输电或汽车试验台技术仅是这方面的几个示例，其中电流和电压的幅度、频率和相位必须在符合高精度要求的情况下借助合适的电流变换器调整到预先给定的设定值。尽管电流变换器
在该关联下长期以来一直是深入研究的专业领域，但是尤其是对同时在待实施的设定变量的高时间变化率的情况下的更高调节精度、所产生的电气输出变量的更小剩余波纹度、所使用的电流变换器的更小结构尺寸以及降低的成本的要求不断带来新的技术挑战。
[0003]多电平变流器尤其代表了一种有前途且备受推崇的方法来满足上述要求。多电平变流器在各种实施方式和拓扑中是已知的。多电平变流器包括具有多个半导体开关的开关级，其中在多电平变流器的情况下可在开关级的输出端处产生多于两个电压电平。在可能的实施方式中，多电平变流器由多个半导体开关构成，根据具体实施方式，这些半导体开关以不同的方式与被称为辅助电容器的多个电容器连接。对于这种多电平变流器的功能原理而言重要的辅助电容器通常用于提供与其数量相对应的多个电压电平。通常地且在下文的实施方式中，所提及的辅助电容也被称为“飞电容(flying capacitors)”或简称为“Flycaps”。在这个意义上，这种多电平变流器也被称为“飞电容多电平变流器”或“飞电容拓扑中的多电平变流器”。在后续的实施方式中，将更详细地讨论飞电容多电平变流器和飞电容拓扑中的多电平变流器，其中为了更好的可读性，代替这些术语而简单地将术语“多电平变流器”作为同义词使用。相反，术语“辅助电压”通常用于辅助电容器处下降的电压。
[0004]为了给多电平变流器供电，电压源通常连接在其电路拓扑的两点之间，其中在此具体的实施方式也可因应用情形而异。在此，用于连接电压源的点被称为多电平变流器的输入端。在逆变器的情形中，直流电压源对于电压源而言是常见的，在变频器的情形中(如该变频器例如被用于操作电机)，供电通常根据中间电路来进行，该中间电路提供直流电压并且本身又可由用交流电压馈送的整流器来供电。在此，在多电平变流器的电路拓扑中在其处截取所产生的输出变量和/或另外的电气运行装置可连接到的特定点被视为多电平变流器的输出端。
[0005]电压源、辅助电容器和多电平变流器的输出端之间的大量不同连接路径通常可以通过适当地控制多电平变流器的半导体开关来实现。因此，电压源、辅助电容器和多电平变
流器的输出端可以按不同的方式选择性地相互连接，由此与传统变流器相比可以提供大量不同的输出电压电平。因此，多电平变流器也可以被理解为切换开关，其选择性地在由辅助电容器提供给该切换开关的多个电压电平之间切换。特别是由于这个原因，从电流变换器技术众所周知的2电平变流器在本专利技术的实施方式的意义上不被理解为多电平变流器。
[0006]如果像在电流变换器技术中通常那样采用众所周知的脉宽调制(PWM)方法来产生所需的电气输出变量，则通常可以非常有利地使用在多电平变流器的情况下提供的多个电压电平。在PWM的情况下，在本专利技术的关联下，由多电平变流器输出可变脉冲历时的输出电压脉冲，以便在以PWM的频率重复的PWM周期内实现通常预先给定的电压
‑
时间区域，该PWM周期在下文也被称为以控制频率重复的控制周期。以此方式产生的电压
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时间区域通常需要其尽可能精确地对应于在相同控制周期内将产生期望的输出电压走向的那个电压
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时间区域。在此，由于电压电平的较高数量，在多电平变流器的情况下，在许多情形中，可以采用更接近输出电压的预先给定的设定值的电压电平，这可以带来许多实际优点。
[0007]与传统的2电平变流器相比，多电平变流器提供更精细粒度的电压产生的优点。此外，所产生的输出变量的通常称为“基调”的主要谐波的频率通常是单个半导体开关的开关频率的整数倍。在此，所产生的输出变量的谐波部分振荡被理解为谐波，其频率通常是控制频率的整数倍。与2电平变流器相比，对于电源连接通常必要的输出滤波器可以明显更紧凑地形成，其特别是允许更小的滤波器扼流圈，并且由此总体上导致更低的空间要求和降低的成本。此外，通过半导体开关的合适的控制策略，单个半导体开关的开关负载可以随着电压电平或电压水平的数量的增加而降低，这尤其在这些构件的磨损和维护方面带来优势。
[0008]尽管存在以上提及的优点，但飞电容拓扑中的多电平变流器尚未在市场上广泛使用。多电平变流器的市场渗透率仍有提升空间的原因在于其实际使用中的一系列问题尚未得到圆满解决。为此，作为示例特别是提及模块化的且可随电压电平的数量而扩展的操作策略的规范、以及对辅助电容器处下降的辅助电压的调节。调节辅助电容器处下降的辅助电压的目的通常是为了在操作期间将辅助电压恒定地保持在预先给定的设定值或规定值。由于针对多电平变流器的操作策略的设计通常假设在原本有利的设定值的情况下的恒定的辅助电压，因此辅助电压的漂移可在操作期间导致严重的缺点。
[0009]此外，期望恒定辅助电压的另一原因在于所产生的输出变量的所谓“谐波失真”。在该关联下，谐波失真是指由多电平变流器产生的输出变量中谐波的增强的出现，这主要是由偏离其设定值和/或在操作中改变的辅助电压引起的。这种谐波失真在从电网供电到测试台操作的各种应用中都是不利的，因此显然是不期望的。由于所提及的原因，辅助电压的恒定保持的调节任务具有重要的意义并且在现有技术中也是已知的，该调节任务经常地且在以下实施方式中被称为“辅助电容器的平衡”或“辅助电压的平衡”。
[0010]在该关联下，US 2017/0214309 A描述了一种用于飞电容拓扑中的多电平变流器的操作策略。其中特别提到了所考虑的多电平变流器的成本、效率和开关损耗，还描述了平衡辅助电容器处下降的辅助电压的必要性，由此意味着将辅助电容器处下降的辅助电压保持在预先给定的设定值。引用的文件中提到，调整用于控制多电平变流器中设置的半导体开关的控制脉冲的脉冲历时可以代表一种对此合适的手段。然而，在US 2017/0214309 A中未提及控制脉冲的脉冲历时的这种适配可如何详细地进行。
[0011]从引用的现有技术也可以明显看出，在辅助电容器处维持预先给定的辅助电压代
表了多电平变流器操作中的关键任务之一。然而，在实际操作中，可能由于多种原因而导致辅助电压的干扰。因为辅助电容器由于明显的原因而在半导体开关打开和闭合时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于操作飞电容拓扑中的多电平变流器(1)的方法，其中至少两个半导体开关在以控制频率f
A
重复的控制周期(AP)内由可变脉冲历时τ
k
的控制脉冲来控制，以便为了产生所述多电平变流器(1)的输出电压(u
out
)而将连接到所述多电平变流器(1)的输入端(E)的电压源(S)、所述多电平变流器(1)的输出端(A)和布置在所述多电平变流器(1)的输入端(E)和输出端(A)之间的至少一个辅助电容器C
j
选择性地相互连接，其中在所述至少一个辅助电容器C
j
上形成辅助电压u
j
，并且其中在与所述多电平变流器(1)的输出端(A)电气连接的位置处测量至少一个电压或至少一个电流作为电气测量变量(x)，其特征在于，在使用从所述电气测量变量(x)导出的至少一个振荡参数的情况下，确定用于减小所述电气测量变量(x)的至少一个谐波的幅度的针对未来控制脉冲的至少一个校正脉冲历时所述振荡参数描述所述电气测量变量(x)的所述至少一个谐波的振荡行为，其中所述谐波的频率对应于所述控制频率f
A
的整数倍，以及利用所确定的校正脉冲历时的控制脉冲来控制至少一个半导体开关。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为了根据所述至少一个振荡参数来确定所述至少一个校正脉冲历时确定在所述至少一个辅助电容器C
j
处下降的辅助电压u
j
的至少一个估计值确定所述估计值与设定值之间的偏差e
j
，所述设定值对于由所述至少一个估计值所描述的辅助电压u
j
被预先给定，并且所确定的偏差e
j
被用于确定所述至少一个校正脉冲历时3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述至少一个辅助电容器C
j
处下降的辅助电压u
j
的所述至少一个估计值是通过求解方程组来确定的，其中所述至少一个振荡参数作为已知变量被考虑。4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述至少一个校正脉冲历时的确定根据所述至少一个估计值与所述设定值之间的偏差e
j
借助调节算子(R)来进行，所述设定值对于由所述至少一个估计值所描述的辅助电压u
j
被预先给定，所述调节算子将所确定的偏差e
j
映射到调节器输出变量，...

【专利技术属性】
技术研发人员：F，
申请(专利权)人：Bamp，amp，R工业自动化有限公司，
类型：发明
国别省市：