用于多电平变换器的DC链路电压平衡系统和方法技术方案

本发明专利技术名称为“用于多电平变换器的DC链路电压平衡系统和方法”。一种用于多电平变换器(40)的控制系统(50)，包括：差模电流调整器(84)、中性点(NP)控制器(86)和PWM控制器88，用于生成多电平变换器(40)的开关脉冲。差模电流调整器(84)基于基准电流命令信号与实际电流命令信号之间的差生成基准电压命令信号，并且该NP控制器(86)响应DC链路电压不平衡确定修改的中性点电流信号。NP控制器(86)利用修改的中性点电流信号来生成共模基准电压信号。由PWM控制器(88)基于基准电压命令信号和共模基准电压信号来生成开关脉冲。

【技术实现步骤摘要】
用于多电平变换器的DC链路电压平衡系统和方法
本专利技术涉及多电平变换器，并且更确切地来说涉及一种用于多电平变换器中的DC链路电压平衡的系统和方法。
技术介绍
多电平变换器一般用在诸如可变速度驱动(VSD)系统的高功率工业应用中，或诸如太阳能(或光伏)发电系统、风力涡轮发电机和海洋及流体动力学发电系统的能源转换应用中。多电平变换器的一个示例是中性点箝位(NPC)变换器。例如，三电平变换器典型地包括与作为中性的中心抽头串联的两个电容器电压和各包含两对串联的开关器件的两个相位支路(phaseleg)。在一个实施例中，每个开关器件包含单向电子开关器件(如绝缘栅双极型晶体管或绝缘栅换流晶闸管)和二极管(如续流二极管)的反并联连接。当操作三电平中性箝位变换器(NPC)时，DC链路电压平衡是难题。DC链路电压不平衡可能使电容器和开关器件过应力，并导致变换器的工作期间过电压和欠电压跳闸。在严重的DC链路电压不平衡状况中，一个电容器可以变为满充电到满DC链路电压，从而对电容器和开关器件的应力成倍增加，以及输出波形变为二电平而非三电平。DC链路电压不平衡还导致输出电压总谐波失真(THD)增加以及可能导致控制回路变得不稳定。补偿DC链路电压不平衡的一种方法是利用测量的DC链路电压进行三电平变换器的脉宽调制(PWM)控制。但是，此方法包括额外的成本，未补偿DC链路电压中的稳态误差，并且还导致输出电压中的高THD以及在AC端注入有功二次谐波电流。补偿DC链路电压不平衡的另一种方法是使用零序电压或DC偏置电压注入。但是，此方法也存在一些工作点处的输出电压中的高THD，并在低功率系数时变得不稳定。因此，期望提供将解决前述问题的方法和系统。
技术实现思路
根据本专利技术的实施例，提供一种用于控制多电平变换器的控制系统。该控制系统包括差模电流调整器，以基于基准电流命令信号与实际电流命令信号之间的差生成基准电压命令信号。该系统还包括中性点(NP)控制器，以响应DC链路电压不平衡确定修改的中性点电流信号并使用修改的中性点电流信号来生成共模基准电压信号。该系统还包括PWM控制器，其基于基准电压命令信号和共模基准电压信号来生成用于多电平变换器的开关脉冲。根据本专利技术的另一个实施例，提供一种控制多电平变换器的方法。该方法包括(a)基于基准电流命令信号与实际电流命令信号之间的差生成基准电压命令信号。该方法还包括(b)响应多电平变换器的DC链路上的电压不平衡，(i)使用基准电压命令信号和基准电流命令信号来生成修改的中性点电流信号以补偿DC链路电压不平衡，(ii)使用修改的中性点电流信号来生成共模基准电压信号；以及(iii)基于基准电压命令信号与共模基准电压信号之和来生成多电平变换器的开关脉冲。根据本专利技术的再一个实施例，提供一种多电平变换器，其包括多个相位支路，各具有至少两个内部开关器件、至少两个外部开关器件、至少两个箝位二极管和分割的DC链路。该多电平变换器还包括用于控制多电平变换器的控制系统。该控制系统包括差模电流调整器，以基于基准电流命令信号与实际电流命令信号之间的差生成基准电压命令信号。该系统还包括中性点(NP)控制器，以响应DC链路电压不平衡确定修改的中性点电流信号并使用修改的中性点电流信号来生成共模基准电压信号。该系统还包括PWM控制器，以基于基准电压命令信号和共模基准电压信号来生成多电平变换器的开关脉冲。附图说明当参考附图阅读下文详细描述时，将更好地理解本专利技术的这些和其他特征、方面和优点，在所有附图中，相似的符号表示相似部件，在附图中：图1是常规中性点箝位多电平变换器的一个支路的电路图及其输出波形；图2是根据本专利技术实施例使用的三相三电平变换器的电路图；图3是图2的实施例的不同开关状态下的不同负载连接的示意表示；图4是根据本专利技术实施例的变换器控制器的详细框图；图5是根据本专利技术实施例的中性点(NP)控制器的详细框图；图6是NPC电流仿真标绘(plot)的图形表示；图7是用于确定共模电压信号的标绘的图形表示；以及图8是输出电流总谐波失真仿真标绘的图形表示。具体实施方式图1示出了常规中性点箝位(NPC)或二极管箝位三电平变换器的一个支路或一个相位的示意图10及其输出波形12。三电平变换器的一个支路14包括四个开关器件16、18、20和22以及两个箝位二极管24和26。将输入电压V1和V2控制成各具有等于Vdc/2的电压，其中Vdc是总DC链路电压。电压V3是相对于DC链路30的中心点或中性点28测量的相位A输出电压。开关器件16与开关器件20是互补的，由此当开关器件16接通(gateon)时，开关器件20断开(gateoff)，反之亦然。相似地，开关器件18和22是互补的。在操作中，NPC三电平变换器的每个支路分别具有三个开关级P、0和N。下表给出这三个开关级和相应的输出电压：表1在第一开关级P中，开关器件16和18导通，而开关器件20和22关断。假定稳定工作V1＝V2＝Vdc/2且V3变为Vdc/2。在第二开关级O中，开关器件18和20导通，而开关器件16和22关断。在此级中，V3等于0。在第三开关级N中，开关器件16和18关断，而开关器件20和22导通。这导致V3变为-Vdc/2，如波形12中所示。因此，可见到，相位电压V3具有三个电平Vdc/2、-Vdc/2和0。当将NPC三相变换器的所有三个支路组合时，则结果的线间电压具有五个电平，即Vdc、Vdc/2、0、-Vdc/2和-Vdc。图1的变换器支路14可以取决于电路拓扑以及电路中的开关器件和二极管的数量修改，以将电压电平的数量增加到任何电平。随着变换器中电平的数量增加，变换器的输出波形逼近纯正弦波，这导致输出电压中较低的谐波。一般地，开关级的数量能够高于三个，因为如果对应的续流二极管将传导电流，无法接通开关器件。此工作模式不影响输出相位电压的电平的数量。图2图示根据本专利技术实施例使用的三相三电平变换器的示意图40。变换器40包括分割的DC链路42和三个开关支路44、46和48，分割的DC链路42带有中性点41和电容器43和45，并且三个开关支路44、46和48分别带有(相位a、b和c的)输出端47、49和51。三相负载61跨过三相输出端47、49和51连接。变换器控制器50基于DC链路电压和功率信号向开关支路44、46和48的开关器件提供开关脉冲命令。正如先前描述的，输出端47、49和51处的输出线电压将具有五个电平，即Vdc、Vdc/2、0、-Vdc/2和-Vdc。图3示出开关状态对中性点电压偏移的影响。当以开关状态[PPP]操作变换器时，换言之当所有支路均处于P开关状态时，三个变换器支路的每一个中的上方两个开关器件(图2)导通，将负载端47、49和51连接到正DC总线，如电路60中所示。因为中性点41仍是未连接的，所以开关状态未影响中性点电压Vn。电路62示出以开关状态POO的变换器操作(如表1中描述的具有P开关状态的一个支路和具有O开关状态的其余两个支路)。在此状态中，三相负载连接在正DC总线与中性点之间，且中性电流in经中性点流入，导致Vn增加。相反，开关状态ONN导致Vn下降，如电路64中所示。对于电路66中的开关状态PON，端47、49和51分别连接到正DC总线、中性点和负总本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
2010.09.29 US 12/8930151.一种用于控制多电平变换器(40)的控制系统(50)，所述控制系统(50)包括：差模电流调整器(84)，用于基于基准电流命令信号与实际电流命令信号之间的差生成基准电压命令信号；中性点(NP)控制器(86)，用于响应DC链路电压不平衡确定修改的中性点电流信号，并使用所述修改的中性点电流信号生成共模基准电压信号；以及PWM控制器(88)，用于基于所述基准电压命令信号和所述共模基准电压信号，生成用于所述多电平变换器(40)的开关脉冲。2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述基准电流命令信号包括d-q域基准电流命令信号，以及所述基准电压命令信号包括d-q域基准电压命令信号。3.根据权利要求2所述的控制系统，还包括：用于基于基准DC链路电压信号与期望的DC链路电压信号之间的差生成所述d域基准电流命令信号的DC链路电压调整器(82)，以及用于基于基准无功功率信号与期望的无功功率信号之间的差生成所述q域基准电流命令信号的无功功率调整器(81)。4.根据权利要求2所述的控制系统，其中，所述中性点(NP)控制器包括最小值-最大值分类器(100)，其用于确定基准电流命令信号和基准电压命令信号中或测量的电流命令信号和基准电压命令信号中的瞬时最小电压和电流信号、瞬时中间电压和电流信号、以及瞬时最大电压和电流信号。5.根据权利要求4所述的控制系统，其中，所述中性点(NP)控制器(86)包括NP电流预计算器(102)，其用于基于所述瞬时最小电压和电流信号、瞬时中间电压和电流信号、以及瞬时最大电压和电流信号生成中性点电流信号。6.根据权利要求5所述的控制系统，其中，所述中性点(NP)控制器(86)还包括：NP极限计算器(10...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈捷，S·施勒德，R·勒斯纳，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：