控制m2lc系統的系統和方法
2023-05-23 04:58:06 2
專利名稱:控制m2lc系統的系統和方法
技術領域:
本申請公開一種大體上並在各種實施例中與控制模塊化多電平換流器(M2LC)系統的系統和方法相關的發明。
背景技術:
關於模塊化多電平換流器(M2LC)拓撲,公開發表了許多論文。圖1圖解說明具有兩個端子的M2LC單元的兩電平結構,圖2圖解說明具有兩個端子的M2LC單元的三電平結構,圖3圖解說明M2LC系統。如圖1中所示 ,M2LC單元包括兩個開關器件,兩個二極體,一個電容器和兩個端子。就圖1中所示的結構來說,所述兩個開關器件可被控制,以致跨兩個端子可以存在兩種不同電位之一(例如,O伏或VMP)。如圖2中所示,M2LC單元包括四個開關器件,四個二極體,兩個電容器和兩個端子。就圖2中所示的結構來說,所述四個開關器件可被控制,以致跨兩個端子可以存在三種不同電位之一(例如,O伏,Vcap或2Veap)。雖然M2LC單元的其它拓撲也是可能的,不過所有的拓撲可定義為具有內部電容儲能器的雙端子子系統或單元,所述內部電容儲能器能夠取決於開關器件的狀態,在兩個端子之間產生各種電平的電壓。如圖3中所示,M2LC系統可被配置成包括多個M2LC單元(子系統)的三相橋,其中M2LC單元被布置成三個輸出相位模塊。當然,可以與圖3中所示不同地配置其它M2LC系統。例如,其它M2LC系統可被配置成兩個輸出相位模塊。對圖3的M2LC系統來說,每個輸出相位模塊包括多個串聯聯接的M2LC單元,並且每個輸出相位模塊還被布置到正橋臂(或閥)和負橋臂(或閥)中,其中每個橋臂(或閥)可由感應濾波器分隔。每個輸出相位模塊可被視為一個極點。當使M2LC系統的不止一個極點在一條公共DC母線上並行時,在M2LC拓撲中利用相應的感應濾波器。感應濾波器用於減小因M2LC系統的各個橋臂中的開關產生的電流。橋臂電流的頻譜內容可被表示成極點的輸出電流和開關函數的函數。M2LC系統的一些實施例採用具有較大電感值的感應濾波器,以及有源極點電流控制器來最終控制橋臂電流的質量。儘管為了簡單起見,在圖1-3中未示出,不過應理解每個M2LC單元還包括本地控制器,並且每個本地控制器可以可通信地連接到M2LC系統的更高級別的控制器(例如,中心控制器)。應理解M2LC拓撲擁有級聯H橋(CCH)拓撲的優點,因為它是模塊化的,並且由於在每個橋臂中增加一個或多個冗餘單元的能力,它具有較高的使用可用度。另外,可在公共母線結構中應用M2LC拓撲。與M2LC相反,CCH需要利用多繞組變壓器,所述多繞組變壓器包含向各個單元供給輸入能量的各個次級繞組。
不過,和CCH不同,M2LC單元不是從隔離的電壓源或者次級繞組獨立供給能量的。對於給定M2LC單元,在兩個端子之一輸出的能量的數量取決於在所述兩個端子中的另一個端子輸入的能量的數量,並在一定程度上,取決於該單元保存和釋放能量的能力。在電源電路的預充電期間,或者在一個或多個單元需要被旁路或者使之無效的異常運行期間,這會導致控制這些單元中的直流鏈電壓方面的問題。採用了從M2LC系統的中心控制系統主動平衡直流鏈電壓的各種方法,不過這些方法需要額外的子系統或者單元容量(以額外單元或者部分調製的單元的形式)。這些方法還相當複雜,因為它們需要不斷監控每個子系統鏈電壓,和利用複雜的分類系統,所述分類系統根據特定單元的相對直流鏈電壓,以及輸出電流水平的方向和大小,選擇供調製的特定單元。此外,這些方法往往在較低的輸出電流水平和頻率下表現不佳,並且需要連接負載和傳導電流,以便供給平衡電容器電壓所需的電荷。另外,採用了實現單元旁路的各種方法,這些方法需要向圖3的M2LC系統增加多餘的單元。通過向輸出相位模塊的正橋臂和負橋臂增加一個額外的單元行(排)、兩個額外的單元行等,並在正常條件下操作冗餘的單元以及正常數目的所需排,這些方法需要冗餘的單元提供n+1冗餘,n+2冗餘等。就這些方法來說,當在一個橋臂中,特定單元(例如A相的正橋臂中的單元)發生故障時,利用開關(未示出)使該單元短路,從而使故障單元進入「O」狀態,並使互補單元(例如,A相的負橋臂中的單元)進入「I」狀態,以重新平衡電壓,以致給定輸出相位模塊中的所有單元電壓之和等於總的直流鏈電壓。為了使輸出電壓保持平衡,這些方法在其它輸出相位模塊中(例如,在B相和C相的極點中,根據需要)同樣地重複單元的短路和進入「 I 」狀態,以致輸出線間電壓不受諧波影響。不過,這樣的方法存在各種缺陷,下面說明其中的兩個缺陷。首先,在互補單元(與短路單元相反的單元)中設置補償「I」會導致在包含恆定的「I」狀態的單元中的各個直流鏈中,出現相當大的電壓脈動。當增加更多的排,以增大單元冗餘水平時,電壓脈動變得相當厲害。其次,與如果對 於無單元旁路選項,安裝最小數目的所需單元,那麼M2LC系統的效率和M2LC系統的KVA額定值正常應具有的數值相比,要求所有單元(正常數目的所需單元和冗餘的單元)都在正常條件下工作會導致M2LC系統的效率的降低,和M2LC系統的KVA額定值的增大。已知的M2LC系統的其它問題包括在低輸出頻率下的可容許操作和產生足夠的直流輸出電流的能力。當M2LC系統被用於交流電機控制,尤其是用於高起動力矩應用時,這些性能特徵可能非常重要。由於不像CCH拓撲那樣存在向單元供給能量的外部電壓源,因此輸出基波電流應被完全保持在單元及其儲能器件中。由於公所周知,電容或電容器(capacitor or electrical condenser)的阻抗隨著輸出頻率的每次降低而單調增大,因此即使在額定電流條件下,引起的M2LC單元中的峰值脈動電壓也會超過低頻率下的破壞性水平。同樣地,利用已知的控制技術,難以用M2LC系統獲得就起動無電刷或同步電動機應用來說重要的M2LC系統的產生直流電流的能力。
結合附圖,舉例說明本發明的各個實施例,附圖中,相同的附圖標記指示相同或相似的元件。
圖1圖解說明具有兩個端子的M2LC單元的兩電平結構;圖2圖解說明具有兩個端子的M2LC單元的三電平結構;圖3圖解說明具有多個M2LC單元的M2LC系統;圖4圖解說明具有多個M2LC子系統的M2LC系統的各個實施例;圖5圖解說明按照各個實施例的圖4的M2LC系統的系統控制|旲塊的聞級表不;圖6圖解說明按照其它實施例的圖4的M2LC系統的系統控制|旲塊的聞級表不;圖7圖解說明按照另外的其它實施例的圖4的M2LC系統的系統控制模塊的高級表不;圖8圖解說明M2LC系統的各個實施例,所述M2LC系統包括連接到M2LC系統的三電平M2LC單元的雙IGBT旁路;圖9圖解說明圖4的M2LC系統的極點的簡化表不;圖10圖解說明當M2LC系統的感應濾波器具有第一電感值時,圖4的M2LC系統的M2LC極點的極點阻抗和電容器電壓響應;和圖11圖解說明當M2LC系統的感應濾波器具有第二電感值時,圖4的M2LC系統的M2LC極點的極點阻抗和電容器電壓響應。
具體實施例方式應明白本發明的至 少一些的附圖和說明已被簡化,以舉例說明與清楚理解本發明有關的要素,同時為了清楚起見,消除了本領域的普通技術人員會意識到也可構成本發明的一部分的其它要素。不過由於這些要素在本領域中眾所周知,並且由於這些要素無助於更好地理解本發明,因此這裡未提供這些要素的說明。圖4圖解說明具有多個M2LC子系統12的M2LC系統10的各個實施例。M2LC系統10與圖3的M2LC系統的類似之處在於M2LC子系統12被布置成輸出相位模塊,同時每個輸出相位模塊還被布置到正橋臂14和負橋臂16中。不過,如下更詳細所述,與圖3的M2LC系統相反,圖3的M2LC系統10的輸出相位模塊限定電感的總值,所述總值遠遠小於圖3的M2LC系統的輸出模塊的電感。例如,按照各個實施例,圖4的M2LC系統10的輸出相位模塊的電感的總值比圖3的M2LC系統的輸出相位模塊的電感小約40-50倍。對於圖4的M2LC系統10的輸出相位模塊,「較小的」確定定義的電感總值使系統控制模塊(SCM)可以按照自動平衡相應M2LC子系統12的電容器電壓,和使基波電容器電壓脈動減至最小的方式,控制M2LC系統10。雖然在圖4中,系統控制模塊(SCM)被表示成存在於相應的M2LC子系統12(為了清楚起見,只表示了一個SCM),不過應理解按照其它實施例,系統控制模塊可存在於M2LC系統10的更高級別的控制器(例如,中心控制器)。下面更詳細地說明系統控制模塊的各個實施例。可以用許多不同的方式,實現由M2LC系統10的給定輸出相位模塊定義的電感的總值。例如,按照各個實施例,通過包括如圖4中所示,連接在正橋臂和負橋臂14、16之間的大小確定的感應濾波器18,可實現電感的總值。雖然在圖4中,感應濾波器18被表示成具有連接在輸出相位模塊的正橋臂和負橋臂14、16之間的兩個電感器,不過應理解,感應濾波器18可以具有連接在輸出相位模塊的正橋臂和負橋臂14、16之間的任意數目的電感器(例如,I個、2個、3個、4個等)。與I個、2個、3個、4個等電感器是否被連接在輸出相位模塊的正橋臂和負橋臂14、16之間無關,各個電感器具有確定的大小,以致輸出相位模塊的總電感等於期望的電感總值,從而系統控制模塊(SCM)可按照自動平衡相應M2LC子系統12的電容器電壓,和使基波電容器電壓脈動減至最小的方式,控制M2LC系統10。按照其它實施例,通過包括分布在輸出相位模塊的一個或多個M2LC子系統12之中的一個或多個較小的大小確定的電感器,可實現電感的總值。可以代替或者結合在正橋臂和負橋臂14、16之間連接感應濾波器18,作出這種安排。所述一個或多個較小的大小確定的電感器可以連接到輸出相位模塊的多個M2LC子系統12的輸出端子。對於這些實施例,輸出相位模塊的總電感之和等於期望的電感值,以致系統控制模塊(SCM)可按照自動平衡相應M2LC子系統12的電容器電壓和使基波電容器電壓脈動減至最小的方式,控制M2LC系統10。從而,應理解可實現期望的電感值,而不管使用的電感器的數目,電感器是否被連接在正橋臂14和負橋臂16之間,電感器是否分布在M2LC子系統12之間,電感器是否連接到多個M2LC子系統12的輸出端子,等等。按照另外的其它實施例,可以單獨用輸出相位模塊的寄生電感實現電感的總值。對於這樣的實施例,不必在輸出相位模塊中包括任何「額外的」電感器,從而允許減小M2LC子系統12中的電容的數量,和降低M2LC子系統10的總成本。雖然在輸出相位模塊/極點的背景中說明了電感的總值,不過應理解通過利用上述實施例中的一個或多個實施例,也可以確定地實現每個橋臂中的總電感。圖5圖解說明按照各個實施例的M2LC系統10的系統控制模塊20的高級表示。為了清楚起見,圖5中只表示了 M2LC系統的一部分。如果利用有效橋臂電容使每個輸出相位模塊的電感的定義總值具有適當的大小,以使(I)每個輸出相位模塊的阻抗低到足以允許開關函數的低速率開關「重賦值」(下面更詳細地說明)以自動平衡M2LC子系統12的電容器電壓,和(2)諧振頻率相對於開關頻率足夠高,從而允許開關器件的相位控制,從而允許一定程度的兩電平工作(下面更詳細說明)以抵消M2LC子系統12的電容器中的大部分基波電流分量,則系統控制模塊20 (或其功能等同物)可用於按照使與其它M2LC系統相關的電壓平衡和基波輸出頻率脈動電壓缺陷最小化的方式,控制M2LC系統10。應理解這種兩電平工作意味每個橋臂中的M2LC子系統12在零電壓狀態下度過足夠的時間,從而時間足夠長地連接到正(+)母線或者負(_)母線,以致基波橋臂電流抵消其它相位。為了實現這一點,由極點電感和串聯橋臂電容(參見圖9)形成的極點的諧振頻率必須大於開關函數的開關頻率。系統控制模塊20可用硬體、固件、軟體和它們的組合實現,並可駐留在M2LC系統的更高級別的控制器(中心控制器)。按照其它實施例,系統控制模塊20可存在於相應M2LC子系統12的本地控制器(例如,參見圖8中的控制器56)。對於利用軟體的實施例,軟體可以利用任何適當的計算機語言(例如,C,C++,Java, JavaScript, VisualBasic, VBScript, Delphi),並且可以永久或者臨時地實現在任何類型的機器、組件、物理或虛擬設備、存儲介質、或者能夠向器件傳送指令的傳播信號中。對於其中系統控制模塊20被實現成軟體(例如,應用軟體,電腦程式)的實施例,所述軟體可被保存在計算機可讀介質(例如,磁碟、器件和/或傳播信號)上,以致當計算機讀取所述介質時,執行這裡說明的功能。 如圖5中所示,控制系統模塊20的功能是用於諸如M2LC或CCH之類多電平系統的傳統三角PWM調製器的改進。圖5中所示的高級表示圖解說明開關「重賦值」和相關的兩電平工作的性能特徵。與傳統的PWM調製器相反,控制系統模塊20包括為包含給定輸出相位模塊的正橋臂14或負橋臂16的「η」個M2LC子系統12,產生「η」個不同的存在性函數的子系統序列發生器的功能。子系統序列發生器可由變量「速率」控制,變量「速率」定義每個函數重複的整個周期。和傳統的PWM調製器進一步對比,三角波發生器(它是一組通常隔開值2Π/η的一組三角波形)的功能利用可在O和I之間變化的附加變量「Ω」。從而,對本實施例來說,三角波形之間的間隔可用「(2Π/η) X (Ω) 」的值表示。變量「 Ω 」控制相應三角波形的相對相移,以致當「 Ω 」=1時,考慮到來自輸出相位模塊的低輸出電壓畸變,三角波形被最佳地隔開。當「 Ω 」=0時,這些三角波形產生零相移,所述零相移使M2LC系統10的輸出相位模塊像兩電平橋似地開關。對於其中M2LC系統10必須產生高電流和低輸出頻率的應用,Ω可被控制為較低的值(例如,0.1)。在Ω被控制為這種值的情況下,開關「重賦值」的自動平衡M2LC子系統12的電容器電壓的期望效果仍然起作用,橋臂16,18可分別持續所需時間,連接到正(+)母線或負㈠母線,以抵消電容器中的基波電流分量(假定所需時間大於極點諧振頻率的周期),並且在低調製電平下,多電平線間電壓質量和當Ω被設定成等於I時的情況一樣好或者更好。以這種相對兩電平模式工作還使M2LC系統10可以產生某些應用所需的相當大的直流電流值。和傳統的PWM調製器更進一步對比,子系統序列發生器的功能供給多路復用器,所述多路復用器使應用於正橋臂14的M2LC子系統12的調製開關函數「h+」以利用變量「速率」定義的周期被「重賦值」。對於圖5中所示的實施例,不存在與負橋臂16的M2LC子系統12相關的開關函數「重賦值」。不過,應理解按照其它實施例,開關函數「重賦值」可以和負橋臂16的M2LC子系統12 —起使用,而不是和正橋臂14的M2LC子系統12 —起使用。即使當M2LC子系統12之一包含會導致儲能器件失去電荷的相當大部分的M2LC子系統額定值的損失元件時,也迫使·每個橋臂的M2LC子系統12中的電容器電荷平衡的正是這種「重賦值」效果。通常,進行圖5中所示的「重賦值」,以致在一定數目的周期已經結束之後(其中,所述一定數目的周期等於輸出相位模塊的正橋臂14中的M2LC子系統12的數目),調製開關函數的每個值將已被應用於輸出相位模塊的正橋臂14中的每個M2LC子系統12。應理解可用多種不同的方式,實現「重賦值」。例如,按照各個實施例,如果在輸出相位模塊的正橋臂14中存在3個M2LC子系統12,那麼對於給定周期(例如,周期I),調製開關函數的第一個值被應用於第一個M2LC子系統12,調製開關函數的第二個值被應用於第二個M2LC子系統12,調製開關函數的第三個值被應用於第三個M2LC子系統12。對於下一個周期(例如,周期2),第一個值被應用於第二個M2LC子系統12,第二個值被應用於第三個M2LC子系統12,而第三個值被應用於第一個M2LC子系統12。對於下一個周期(例如,周期3),第一個值被應用於第三個M2LC子系統12,第二個值被應用於第一個M2LC子系統12,而第三個值被應用於第二個M2LC子系統12。上面說明的重賦值序列可被稱為旋轉。按照其它實施例,可以使用除旋轉之外的「重賦值」。例如,如果在輸出相位模塊的正橋臂14中存在3個M2LC子系統12,那麼對於給定周期(例如,周期I),調製開關函數的第一個值被應用於第一個M2LC子系統12,調製開關函數的第二個值被應用於第二個M2LC子系統12,而調製開關函數的第三個值被應用於第三個M2LC子系統12。對於下一個周期(例如,周期2),第一個值被應用於第三個M2LC子系統12,第二個值被應用於第一個M2LC子系統12,而第三個值被應用於第二個M2LC子系統12。對於下一個周期(例如,周期3),第一個值被應用於第二個M2LC子系統12,第二個值被應用於第三個M2LC子系統12,而第三個值被應用於第一個M2LC子系統12。雖然在圖5中,多電平脈寬調製(PWM)方案被表示成供給定的輸出相位模塊使用,不過應理解,系統控制模塊20可利用其它多電平調製控制方案實現上面說明的開關函數重賦值和相對相位控制。例如,按照各個實施例,系統控制模塊20可以利用時均調製,狀態空間調製等。另外應理解,系統控制模塊20可為其它輸出相位模塊的正橋臂(或者負橋臂),產生單獨的各組存在性函數、調製開關函數等。圖6圖解說明按照其它實施例的M2LC系統10的控制系統模塊30的高級表示。為了清楚起見,圖6中只表示了 M2LC系統10的一部分。圖6的控制系統模塊30類似於圖5的控制系統模塊20,不過不同之處在於圖6的控制系統模塊30包括兩個子系統序列發生器(一個用於正橋臂,一個用於負橋臂)的功能。在圖6中,使負橋臂序列發生器產生的「η」個存在性函數從正橋臂序列發生器產生的「η」個存在性函數轉180°。每個子系統序列發生器通信連接到不同的多路復用器。這允許兩個橋臂中的異步開關「重賦值」(每個橋臂的開關函數不會在相同時刻重賦值)。兩個橋臂的重賦值速率可以相同,但是每個橋臂重賦值事件被隔開,以致不會同時發生。例如,按照各個實施例,用周期「速率/2」隔開每個橋臂重賦值事件。通過 利用這種間隔,改善了每個橋臂的總電壓平衡。這種間隔還可用於某些形式的M2LC子系統旁路,所述M2LC子系統旁路要求為旁路事件而儲備保持的非工作開關函數在其零狀態下被重賦值,但是仍然能夠允許控制系統模塊30的電壓平衡功能。應理解按照其它實施例,橋臂重賦值之間的間隔的值可以是除周期「速率/2」之外的其它非零值。雖然在圖6中,多電平脈寬調製(PWM)方案被表示成供給定的輸出相位模塊使用,不過應理解,系統控制模塊30可利用其它多電平調製控制方案來實現上面說明的開關函數重賦值和相對相位控制。例如,按照各個實施例,系統控制模塊30可利用時均調製、狀態空間調製等。還應理解,系統控制模塊30可為其它輸出相位模塊的正橋臂和負橋臂,產生單獨的各組存在性函數、調製開關函數等。圖7圖解說明按照另外的其它實施例的M2LC系統10的控制系統模塊40的高級表示。為了清楚起見,圖7中只表示了 M2LC系統10的一部分。圖7的控制系統模塊40類似於圖6的控制系統模塊30,不過不同之處在於圖7的控制系統模塊40包括旁路控制功能。如圖7中所示,每個M2LC子系統12具有連接在M2LC子系統12的兩個端子之間的對應旁路開關(例如,IGBT旁路)。控制系統模塊40提供利用圖4中所示的M2LC逆變器拓撲,實現M2LC子系統旁路選項的獨特方式。旁路控制操作為取決於待增加的冗餘單元排的數目,在所有3個輸出相位模塊的正橋臂和負橋臂中,產生恆定的「O」狀態。例如,為了最小的n+1冗餘而向正橋臂和負橋臂中增加I個排會導致控制系統模塊40在每個橋臂的第k個M2LC子系統12中產生恆定的「O」。控制系統模塊40隨後在所有的M2LC子系統12之中重賦值該「0」,以致平均起來所有的M2LC子系統12都可被充電平衡。依據一個M2LC子系統12 (例如,A相的正橋臂中的一個M2LC子系統12)的實際故障,用旁路開關(IGBT旁路)迫使發生故障的M2LC子系統12進入物理「O」狀態,然後通過僅僅消除該橋臂中的重賦值的「O」,該M2LC子系統12隨著時間的電壓損失會被替換。這樣,如果在A相的負橋臂中,並且同樣地在B相和C相的正橋臂和負橋臂中,另一個M2LC子系統12會發生故障,那麼所有其它冗餘M2LC子系統12可以加以應用。通過按照上述方式進行M2LC子系統旁路,避免了低頻率下,高脈動電壓的有害影響。另外,任何因而發生的損耗不會明顯大於不包括M2LC子系統旁路功能的M2LC系統所經歷的損耗,並且M2LC系統的最終得到的KVA額定值與在無旁路情況下的相應額定值相同。在圖7中,圖例「h+n」代表調製開關函數「h+」的第η個值,而圖例「h_n」代表調製開關函數「h_」的第η個值。雖然圖7中關於給定的輸出相位模塊,表示了多電平脈寬調製(PWM)方案,不過應理解,系統控制模塊40可以利用其它多電平調製控制方案實現上面說明的開關函數重賦值和相對相位控制。例如,按照各個實施例,系統控制模塊30可利用時均調製、狀態空間調製等。還應理解,系統控制模塊40可為其它輸出相位模塊的正橋臂和負橋臂,產生單獨的各組存在性函數、調製開關函數等。圖8圖解說明M2LC系統50的各個實施例。圖8的M2LC系統50類似於圖4的M2LC系統10,不過,不同之處在於圖8的M2LC系統50包括連接到M2LC系統50的三電平M2LC子系統54的旁路器件52。為了清楚起見,圖8中只表示了 M2LC系統50的一部分。不過,應理解M2LC系統50包括多個M2LC子系統54,每個M2LC子系統54可具有與之連接的對應旁路器件52。如圖8中所示,M2LC子系統54包括控制器56、鎮流電阻器58、電容器、開關器件和二極體。開關器件可被實現為任何適當類型的開關器件。例如,如圖8中所示,開關器件可被實現為絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)。控制器56與變流器60電連接。按照各個實施例,變流器60向控制器56供電,控制器56向開關器件的相應柵極端子供電。為了簡單起見,圖8中未示出控制器56和相應開關器 件的柵極端子之間的連接。應理解對於M2LC子系統50中的每個M2LC子系統54,每個M2LC子系統54電連接到對應的變流器60,從而可以只通過單個對應的變流器60,供給提供給給定M2LC子系統54的電力。控制器56還通過例如兩條光纖,通信連接到更高級別的控制器(例如,中心控制器)。為了簡單起見,圖8中未示出更高級別的控制器。旁路器件52包括兩個開關器件,並且所述兩個開關器件可被實現成任何適當類型的開關器件。按照各個實施例,所述兩個開關器件可被實現成一組封裝的IGBT,或者實現成單獨的IGBT,並且IGBT可以具有和包括在三電平M2LC子系統54中的IGBT相同的額定電壓。使用單獨控制的雙IGBT允許通過把中點電阻器62應用於存儲電容器的中央抽頭64,使雙存儲電容器中的每一個單獨放電(如果由於三電平M2LC子系統54中的故障而需要的話)。電阻器62可用於在IGBT組被接通之前,使每個電流通路放電,以使三電平M2LC子系統54短路。電阻器62還用於確保關於各個直流母線在每個旁路IGBT上共享電壓。控制器56通過鎮流電阻器58,間接電連接到電容器和開關器件的非柵極端子。鎮流電阻器58可以是任何適當類型的鎮流電阻器。鎮流電阻器58和控制器56共同定義基準點「Μ」。藉助這種結構,在基準點「Μ」的電壓可不同於在存儲電容器的中央抽頭64的電壓,電流不會從基準點「Μ」直接傳導到存儲電容器的中央抽頭64,並且鎮流電阻器58的高電阻特性操作為防止共模電流流入控制器56的接地系統。圖9圖解說明圖4的M2LC系統10的極點的簡化表示。如圖9中所示,M2LC系統10的極點(Z)的相應橋臂可被表示成具有可變電容的相應諧振電路。應理解M2LC極點的橋臂被調製,以致總的開關電容器電壓之和等於總的直流鏈電壓Vdc,調製(h)的值介於「O」和「I」之間,並且相應的諧振電路可被簡化成單個LRC電路,因為都是(h)的函數的兩個橋臂電容實際上結合成恆定值C,所述恆定值C是總的橋臂電容。於是,應理解系統控制模塊(例如系統控制模塊20、系統控制模塊30、系統控制模塊40等)在自動平衡M2LC子系統電容器電壓方面的性能取決於極點(Z)的有效阻抗,並且抵消大部分的M2LC子系統電容器基波電流分量的能力取決於與M2LC子系統開關頻率的速率有關的極點的諧振頻率。所述阻抗應足夠低,以致在每個柵極函數重賦值期間,電容器能夠共享充電電流,並且所述阻抗還應足夠低,以致能夠控制調製(例如,通過減小柵極開關函數之間的相移),從而能夠像就兩電平拓撲來說,通常發生的那樣,部分抵消每個M2LC極點中的基波電流。另外,如果使極點電感器(或者多個極點電感器)的大小足夠小,以致在明顯大於M2LC極點的基波工作頻率和開關頻率的值,出現其隨有效極點電容的自然諧振,那麼可從受正常電路損耗衰減的正常基波頻率和開關頻率中充分除去自然諧振。圖10和11分別圖解說明當M2LC系統10的感應濾波器18具有第一電感值(圖10)和第二電感值(圖11)時,圖4的M2LC系統10的M2LC極點的極點阻抗和電容器電壓響應。圖10和11中所示的電路值代表可用在4.lkvl000HP3-相變頻驅動器中的實際值。第一電感值是一般在已知M2LC系統中使用的電感值。第二電感值是在由上述系統控制模塊(例如,系統控制模塊20、系統控制模塊30、系統控制模塊40等)控制的M2LC系統中使用的電感值。 對圖10中所示的值來說,輸出電流頻率(工作頻率「fo」)通常小於諧振頻率「fr」,開關頻率「fsw」通常大於諧振頻率「fr」。不過,對圖11中所示的值來說,諧振頻率「fr」充分大於工作頻率「fo」,也大於開關頻率「fsw」。通過比較第一電感值和第二電感值,應意識到將和上面說明的控制系統模塊一起利用的極點電感器的電感值比用在現有術的系統中的極點電感器小約40-50倍。從而,還應理解與將和上面說明的控制系統模塊一起利用的極點電感器相關聯的大小、成本和損耗也明顯低於與用在現有技術的系統中的極點電感器相關聯的大小、成本和損耗。鑑於上面所述,應理解結合與基波頻率和開關頻率相關的極點濾波器阻抗和諧振的選擇,這裡說明的控制系統模塊允許獲得電壓平衡和減小的脈動電壓,而不需要來自M2LC系統的更高級別控制器(中心控制器)的複雜監控。另外應理解這裡說明的控制系統模塊能夠在無負載電流和輸出電壓條件下,強制實現直流鏈電壓的電荷平衡操作,並且所述控制系統模塊還允許直流輸出電流的生成、在低輸出頻率下的脈動電壓控制、和用於高冗餘的「O」電壓單元的生成。另外應理解當置於每個橋臂之間的極點電感(或者連接到M2LC子系統12的輸出端子的總電感)足夠低,以致其隨有效極點電容的諧振充分高於M2LC子系統12的開關頻率和工作頻率時,可以實現這裡說明的控制系統模塊。在這種情況下,上面說明的系統控制模塊(或其功能等同物)能夠解決與其它M2LC拓撲相關聯的低輸出頻率脈動電壓問題,並且大大簡化和提高在所有輸出工作條件下,M2LC子系統12平衡電壓的能力。
上述說明並不意圖把本發明局限於各個要素的任何具體材料、幾何形狀或定向。在本發明的範圍內可以構思許多部分/定向替代,並且對本領域的技術人員來說是顯而易見的。這裡說明的實施例只是作為例子給出的,並且不應被用於限制本發明的範圍。雖然利用本申請中的具體實施例,說明了本發明,不過鑑於這裡的教導,本領域的普通技術人員能夠產生另外的實施例和變形例,而不脫離要求保護的發明的精神,或者超出要求保護的發明的範圍。因而,應明白這裡提供附圖和說明只是為了便於本發明的理解,不應被解 釋成對本發明範圍的限制。
權利要求
1.一種模塊化多電平換流器系統,包括: 布置到至少兩個輸出相位模塊中的多個串聯連接的雙端子M2LC子系統,其中輸出相位模塊中的第一個輸出相位模塊定義電感的總值,並且包括: 正橋臂;和 負橋臂;和 可通信地連接到所述輸出相位模塊中的第一個輸出相位模塊的雙端子M2LC子系統的控制系統模塊,其中所述控制系統模塊被配置成在給定時刻,只對下述之一應用選擇性重賦值的調製開關函數: 所述輸出相位模塊中的第一個輸出相位模塊的正橋臂的雙端子M2LC子系統;和 所述輸出相位模塊中的第一個輸出相位模塊的負橋臂的雙端子M2LC子系統,其中調製開關函數的選擇性重賦值以預定速率迫使串聯連接的雙端子M2LC子系統的各個電容器的電荷平衡。
2.按照權利要求1所述的模塊化多電平換流器系統,其中所述輸出相位模塊中的第一個輸出相位模塊被配置成以致伴隨所述輸出相位模塊中的第一個輸出相位模塊的有效電容的自然諧振頻率大於以下: 所述輸出相位模塊中的第一個輸出相位模塊的工作頻率;和 所述輸出相位模塊中的第一個輸出相位模塊的開關頻率。
3.按照權利要求1所述的模塊化多電平換流器系統,還包括連接在所述輸出相位模塊中的第一個輸出相位模塊的正橋臂和負橋臂之間的一個或多個電感器。
4.按照權利要求1所述的模塊化多電平換流器系統,還包括分布在所述輸出相位模塊中的第一個輸出相位模塊的M2LC子系統之間的一個或多個電感器。
5.按照權利要求4所述的模塊化多電平換流器系統,其中所述一個或多個電感器連接到所述輸出相位模塊中的第一個輸出相位模塊的至少兩個M2LC子系統的輸出端子。
6.按照權利要求1所述的模塊化多電平換流器系統,其中電感的總值是包括輸出相位模塊的電路的寄生電感。
7.按照權利要求1所述的模塊化多電平換流器系統,其中控制系統模塊還被配置成控制選擇性賦值的調製開關函數相對於所述輸出相位模塊中的第一個輸出相位模塊的雙端子M2LC子系統的相對相移。
8.按照權利要求7所述的模塊化多電平換流器系統,其中控制系統模塊還被配置成以從兩電平到η電平的各種程度,控制相對相移,其中所述η電平由所述輸出相位模塊中的第一個輸出相位模塊的每個橋臂中的工作的兩電平雙端子M2LC子系統的數目確定。
9.按照權利要求7所述的模塊化多電平換流器系統,其中控制系統模塊還被配置成通過調整變量的值而控制相對相移,其中所述值可以低至O而高至I。
10.系統I的模塊化多電平換流器,其中控制系統模塊包括脈寬調製器。
11.系統I的模塊化多電平換流器,其中控制系統模塊包括時均調製器。
12.系統I的模塊化多電平換流器,其中控制系統模塊包括狀態空間調製器。
13.按照權利要求1所述的模塊化多電平換流器系統,其中控制系統模塊還被配置成向雙端子M2LC子系統任意之一增加重賦值「O」狀態。
14.按照權利要求1所述的模塊化多電平換流器系統,還包括多個旁路器件,其中每個旁路器件連接到對應的雙端子M2LC子系統。
15.按照權利要求14所述的模塊化多電平換流器系統,其中每個旁路器件包含兩個開關器件。
16.按照權利要求15所述的模塊化多電平換流器系統,其中開關器件是絕緣柵雙極型電晶體。
17.按照權利要求15所述的模塊化多電平換流器系統,其中開關器件具有和雙端子M2LC子系統中的開關器件相同的額定電壓。
18.按照權利要求15所述的模塊化多電平換流器系統,其中每個旁路器件還包括電阻器,其中給定旁路器件的電阻器連接到: 旁路器件的兩個開關器件的公共接點;和 對應的雙端子M2LC子系統的兩個電容器的公共接點。
19.一種控制模塊化多電平換流器系統的方法,所述模塊化多電平換流器系統具有布置到至少兩個輸出相位模塊中的多個串聯連接的雙端子M2LC子系統,所述方法包括: 把第一組開關函數應用於所述輸出相位模塊中的第一個輸出相位模塊的一個橋臂的M2LC子系統,其中該橋臂的每個M2LC子系統接收一個不同的開關函數;和 對開關函數重賦值,直到每個開關函數都已被應用於該橋臂的每個M2LC子系統。
20.按照權利要求19所述的方法,其中重賦值包括旋轉開關函數,直到每個開關函數都已被應用於該橋臂的每個M2LC子系統。
21.按照權利要求19所述的方法,還包括: 把第二組開關函數應用於所述輸出相位模塊中的第一個輸出相位模塊的另一個橋臂的M2LC子系統,其中所述另一個橋臂的每個M2LC子系統接收第二組開關函數中的一個不同開關函數;和 對第二組開關函數重賦值,直到第二組開關函數中的每個開關函數都已被應用於所述另一個橋臂的每個M2LC子系統。
22.按照權利要求21所述的方法,其中在與應用第二組開關函數的時間不同的時間,應用第一組開關函數。
全文摘要
一種模塊化多電平換流器系統。所述系統包括多個串聯連接的雙端子M2LC子系統,和控制系統模塊。雙端子M2LC子系統被布置到至少兩個輸出相位模塊中。所述輸出相位模塊中的第一個輸出相位模塊定義電感的總值,包括正橋臂和負橋臂。控制系統模塊可通信地連接到所述輸出相位模塊中的第一個輸出相位模塊的雙端子M2LC子系統。所述控制系統模塊被配置成在給定時刻,只對下述之一應用選擇性重賦值的調製開關函數所述輸出相位模塊中的第一個輸出相位模塊的正橋臂的雙端子M2LC子系統,或者所述輸出相位模塊中的第一個輸出相位模塊的負橋臂的雙端子M2LC子系統。調製開關函數的選擇性重賦值以預定速率迫使串聯連接的雙端子M2LC子系統的各個電容器的電荷平衡。
文檔編號H02J1/10GK103250318SQ201180049889
公開日2013年8月14日 申請日期2011年9月9日 優先權日2010年9月9日
發明者M·F·艾洛, D·M·克雷默, K·S·伯頓 申請人:柯蒂斯-賴特機電公司