三次諧波分量到基本參考波形的添加的製作方法

2023-10-07 05:15:49

專利名稱：三次諧波分量到基本參考波形的添加的製作方法
三次諧波分量到基本參考波形的添加技術領域
本發明總體上涉及電壓源換流器。更特別地，本發明涉及一種使用添加了至少一個奇次諧波分量的基本參考波形來控制基於單元的電壓源換流器的方法、控制裝置和電腦程式產品，且還涉及這樣的電壓源換流器。
背景技術：
存在有不同類型的電壓源換流器，其中，最近變得受關注的一種類型是基於單元的電壓源換流器。一種受關注的基於單元的電壓源換流器是所謂的多電平電壓源換流器。 例如在DE 10103031中對這種換流器進行了描述。
在許多電壓源換流器應用中，受關注的是將奇次諧波分量例如零序三次諧波分量添加到用於控制換流器的基本參考波形。這具有使所使用的調製參考的峰值降低的作用， 這又能夠使調製範圍即換流器輸出電壓增加。在許多應用中，添加零序諧波不是有害的，這是因為三相電路中的Y點通常不接地(如在AC電動機中)或者換流器經由Y-Δ連接的變壓器連接到公用電網。
例如，JP 2008193770的確描述了使用PWM規則控制的三相AC電動機。對稱的三次諧波被添加到PWM控制，其中，該三次諧波的相位是基於相位滯後來調整的。
WO 01/0；3490描述了用輸出中心點與人工電源星點(artificial mains star point)之間的連接來提高三相整流器系統的電壓利用率的裝置。此處，三次諧波添加有已定義的幅度和相位位置。
US 6058031描述了多電平高功率電動機驅動換流器和控制系統。使用注入有三次諧波的前饋正弦-三角調製來對切換位置進行選擇。
US 2006/0279249對在包括多個功率單元的可變頻率驅動器中注入三次諧波進行了描述。
對於普通的二電平電壓源換流器來說，添加奇次諧波分量是簡單且不複雜的。
然而，對於基於單元的電壓源換流器，添加這種奇次諧波會有一些問題。由於單元電壓紋波，在以傳統方式添加諧波時所得到的調製參考峰值將不會充分地降低。這可以從圖1中看出，圖1示出了在添加三次諧波的情況下針對可忽略的及不可忽略的單元電壓紋波調製參考量r與參考波形角度X的關係。在圖1中，將針對可忽略的單元電壓紋波的調製參考示為實曲線，而將針對不可忽略的單元電壓紋波的調製參考示為虛曲線。如所見的，當存在不可忽略的單元電壓紋波時，以傳統的方式添加三次諧波導致了不對稱的調製參考，因此添加三次諧波不導致與存在有可忽略的單元電壓紋波的情況相比同樣良好地降低參考波形中的峰值。
因此在該技術領域需要進行改進。發明內容
本發明涉及使用添加了至少一個奇次諧波分量的基本參考波形來對基於單元的電壓源換流器進行控制，以獲得改進的調製範圍。
本發明的一個目的是提供一種使用添加了至少一個奇次諧波分量的基本參考波形來控制基於單元的電壓源換流器的方法，該方法提供了改進的調製範圍。
根據本發明的第一方面，該目的通過以下方法來實現一種使用添加了至少一個奇次諧波分量的基本參考波形來控制基於單元的電壓源換流器的方法，該方法包括以下步驟
-基於電壓源換流器的操作數據針對要被添加到所述基本參考波形的至少一個諧波分量來確定調整因子；
-確定至少一個奇次諧波分量；
-將以調整因子進行了相位偏移的奇次諧波分量添加到基本參考波形，以及
-使用具有所添加的諧波分量的基本參考波形來控制電壓源換流器。
本發明的另一個目的是提供一種使用添加了至少一個奇次諧波分量的基本參考波形來控制基於單元的電壓源換流器的控制裝置，該控制裝置提供了改進的調製範圍。
根據本發明的第二方面，該目的通過以下裝置來實現一種使用添加了至少一個奇次諧波分量的基本參考波形來控制基於單元的電壓源換流器的控制裝置，所述控制裝置包括
調整因子確定部件，該調整因子確定部件被配置成基於電壓源換流器的操作數據針對要被添加到基本參考波形的至少一個諧波分量來確定調整因子，以及
控制部件，該控制部件被配置成確定至少一個奇次諧波分量，將以調整因子進行了相位偏移的奇次諧波分量添加到基本參考波形，且使用具有所添加的諧波分量的基本參考波形來控制電壓源換流器。
本發明的另一目的是提供一種電壓源換流器，該電壓源換流器提供了改進的調製範圍。
根據本發明的第三方面，該目的通過一種電壓源換流器來實現，其包括
-至少兩個分支，其中，每個分支都包括一定數目的電壓源換流器單元，每個電壓源換流器單元都具有與能量存儲元件並聯的至少一個切換部件，以及
-控制裝置，包括
調整因子確定部件，該調整因子確定部件被配置成基於所述電壓源換流器的操作數據針對要被添加到基本參考波形的至少一個諧波分量來確定調整因子，以及
控制部件，該控制部件被配置成確定至少一個奇次諧波分量，將以調整因子進行了相位偏移的奇次諧波分量添加到基本參考波形，且使用具有所添加的諧波分量的基本參考波形來控制電壓源換流器。
本發明的另一個目的是提供一種使用添加了至少一個奇次諧波分量的基本參考波形來控制基於單元的電壓源換流器的電腦程式產品，該電腦程式產品提供了改進的調製範圍。
根據本發明的第三方面，該目的通過以下的電腦程式產品來實現電腦程式產品使用添加了至少一個奇次諧波分量的基本參考波形來控制基於單元的電壓源換流器，
該電腦程式可加載到電壓源換流器的或者用於電壓源換流器的控制裝置中，且該電腦程式包括電腦程式代碼裝置以使得該控制裝置在所述程序被加載到控制裝置中的情況下
-基於電壓源換流器的操作數據針對要被添加到基本參考波形的至少一個諧波分量來確定調整因子；
-確定至少一個奇次諧波分量；
-將以調整因子進行了相位偏移的奇次諧波分量添加到基本參考波形，以及
-使用具有所添加的諧波分量的基本參考波形來控制電壓源換流器。
本發明具有許多優點。本發明為基於單元的電壓源換流器提供了更加對稱的調製參考。這改進了調製範圍，並且使得AC輸出電壓能夠提升且由此能夠更高效地使用電壓源換流器。
操作數據可以有利地包括來自電壓源換流器的輸出功率，該輸出功率可以是有功輸出功率和/或無功輸出功率。
調整因子可以最好以由其他電壓源換流器操作數據設定的常數與輸出功率成比例，該其他電壓源換流器操作數據可以包括單元指定數據，如單元的數目和單元電容。該其他電壓源換流器操作數據還可以包括調製指數以及指定基本參考波形的數據如基本參考波形的幅度。
奇次諧波分量可以設置成具有相對於基本參考波形的極性的相反極性。奇次諧波分量還可以具有為基本參考波形的幅度的1/6或更小的幅度。


以下將參照附圖對本發明進行描述，在附圖中
圖1示出了在存在有可忽略的及不可忽略的單元電壓紋波時以傳統的方式添加三次諧波的情況下調製參考與基本參考波形的角度的關係的圖2示意性地示出了第一類型的基於單元的電壓源換流器；
圖3示意性地示出了第一類型的電壓源換流器單元的結構；
圖4示意性地示出了第二類型的電壓源換流器單元的結構；
圖5示出了用於控制基於單元的電壓源換流器的控制裝置的示意框圖6示意性地示出了包括用於控制基於單元的電壓源換流器的方法中的若干方法步驟的流程圖7A和圖7B示意性地示出了針對基於單元的電壓源換流器在僅存在有電阻性負載時對所添加的三次諧波分量進行相位調整和不進行相位調整的情況下調製參考與基本參考波形角度的關係的圖8A和圖8B示意性地示出了針對基於單元的電壓源換流器在存在有電阻性負載以及電抗性負載時對所添加的三次諧波分量進行相位調整和不進行相位調整的情況下調製參考與基本參考波形角度的關係的圖；以及
圖9示意性地示出了第二類型的基於單元的電壓源換流器。
具體實施方式
本發明涉及向用於控制基於單元的電壓源換流器的基本參考波形添加奇次諧波。 該基本參考波形可以有利地是正弦的。
以下，將給出對本發明的優選實施方式的詳細描述。
圖2示出描繪了作為多電平電壓源換流器的第一類型的基於單元的電壓源換流器10的示例的示意框圖。此處，電壓源換流器10包括下述分支組，該分支組在這種類型的換流器中是並聯連接在兩個DC端子DC+與DC-之間以與直流(DC)設備連接的相臂的形式。 在此處給出的示例中存在有三個這樣的分支或相臂PL1、PL2、PL3以便能夠連接到三相交流(AC)設備。然而，應該理解的是可替換地例如可以僅存在有兩個相臂。相臂PL1、PL2、 PL3各自具有第一端點和第二端點。在圖2描繪的類型的換流器中，所有相臂PL1、PL2和 PL3的第一端點都連接到第一 DC端子DC+，而第二端點都連接到第二 DC端子DC-。每個相臂都包括下半部分相臂和上半部分相臂。通常將上半部分稱為正分臂，而下半部分稱為負分臂。在臂的正分臂與負分臂相遇的接合處，設置了三相連接點AC1、AC2和AC3。此處，三相連接點AC1、AC2和AC3各自經由相應的電感器LAC1、LAC2和LAC3連接到對應的相臂。 此處，每個分臂還包括連接到對應的DC連接點DC+和DC-的一個限流電感器LA1、LA2、LB1、 LB2、LC1 禾P LC2。
電壓源換流器12是通過電壓源換流器單元在相臂中彼此串聯連接來實現的。在本例中，每個分臂中有三個單元。由此，第一相臂PLl的正分臂包括三個單元CA1、CA2和 CA3，而第一相臂PLl的負分臂包括三個單元CA4、CA5和CA6。以相似的方式，第二相臂PL2 的正分臂包括三個單元CB1、CB2和CB3，而第二相臂PL2的負分臂包括三個單元CB4、CB5 和CB6。最後，第三相臂PL3的正分臂包括三個單元CC1、CC2和CC3，而第三相臂PL3的負分臂包括三個單元CC4、CC5和CC6。此處，數目僅是選擇用來示例出本發明的原理的。
將簡短地對單元的典型結構進行描述。單元各自通過控制裝置12控制，以向AC 端子提供電壓貢獻以及提供DC端子處的DC電勢。在圖1中通過虛線箭頭表示出了這種由控制裝置12進行的控制。控制裝置12由此對單元進行控制以將AC功率轉換為DC功率或者將DC功率轉換為AC功率。
此處，可以在兩個功率方向上操作示例性的換流器12。該控制通常包括由控制裝置12以基於PWM調製的已知方式(例如使用三角形鋸齒波作為參考信號)生成控制信號， 以及將這些控制信號提供給單元 CAl、CA2、CA3、CA4、CA5、CA6、CB1、CB2、CB3、CB4、CB5、CB6、 CC1、CC2、CC3、CC4、CC5 以及 CC6。
圖3示意性地示出了可以在基於單元的電壓源換流器中使用的第一種類型的換流器單元CCA。單元CCA是半橋換流器單元且包括能量存儲元件，此處能量存儲元件是與第一組切換部件並聯連接的電容器C的形式。第一組中的切換部件彼此串聯連接。此處， 第一組包括兩個切換部件SUl和SU2 (示出為虛線框)，其中，切換部件SUl、SU2可以各自以可以是絕緣柵雙極電晶體(IGBT)的初級切換元件連同反並聯的次級整流元件的形式來實現，該次級整流元件通常是二極體。在圖3中，第一切換部件SUl包括第一電晶體Tl形式的切換元件；以及在圖中向上定向且朝向電容器C的二極體形式的且並聯連接在電晶體 Tl的發射極與集電極之間的第一整流元件D1。還存在有第二切換部件SU2，該第二切換部件SU2與第一切換部件SUl串聯連接，並且具有定向與第一二極體相同且與第二切換元件 (此處為第二電晶體1 並聯連接的整流元件(此處為第二二極體D2)。
單元具有第一連接端子TElA和第二連接端子TE2A，每個端子都為單元提供了到電壓源換流器的相臂的連接。在該第一類型的單元中，更具體地，第一連接端子TElA提供了從相臂到第一切換部件SUl與第二切換部件SU2之間的接合處的連接，而第二連接端子 TE2A提供了從相臂到第二切換部件SU2與電容器C之間的接合處的連接。這些連接端子 TElA和TE2A由此提供了能夠使單元連接到相臂的點。由此，第一連接端子TElA的連接將相臂與第一組中的串聯連接的切換部件中的兩個切換部件(此處為第一切換部件SUl和第二切換部件SU》之間的連接點或接合處結合起來，而第二連接端子TE2A的連接將相臂與第一組串聯連接的切換部件與能量存儲元件之間的連接點(此處為第二切換部件SU2與電容器C之間的連接點)結合起來。
通過將合適數目的這種單元彼此級聯或串聯連接在相臂中，獲得了電壓源換流器。圖2所示的相臂的正分臂可以例如通過下述方式獲得將第一單元的第一連接端子經由電感器連接到第一 DC端子，將第二單元的第一連接端子連接到第一單元的第二連接端子，以及將第三單元的第一連接端子連接到第二單元的第二連接端子。然後，該相臂的負分臂可以通過下述方式獲得將第四單元的第一連接端子連接到第三單元的第二連接端子， 將第五單元的第一連接端子連接到第四單元的第二連接端子，將第六單元的第一連接端子連接到第五單元的第二連接端子，以及將第六單元的第二端子經由電感器連接到第二 DC 端子。
圖4示意性地示出了具有與第一類型的半橋換流器單元相同類型且以相同方式互連的部件的第二類型的半橋換流器單元CCB。在這種第二類型的單元CCB中也存在有提供了分支與在第一切換部件SUl和第二切換部件SU2之間的連接點之間的連接的連接端子，即第二連接端子TE2B。然而，與第一類型的單元相對，此處，第一連接端子TElB提供了分支與在第一切換部件SUl和電容器C之間的接合處之間的連接。這些僅是關於單元的一些示例。應該理解的是，甚至更簡單的單元也是有可能的。每個單元都可以設置為一個切換部件與能量存儲元件並聯。更複雜的單元也是有可能的，諸如全橋單元。
圖5示出了根據本發明的原理的控制裝置12的示意框圖。控制裝置12包括調整因子確定部件14，該調整因子確定部件14接收輸出功率形式的測量信號，該輸出功率在本發明的一種實施方式中是輸出的有效功率P，即由電壓源換流器輸出的有效功率；基本參考波形角頻率Q1、即AC系統角頻率形式的基本系統常數；相臂的每個分臂中的單元的數目N ；以及單元電容Ce，即圖3和圖4中的電容器的電容。該部件14還接收內部生成的信號，包括調製指數^以及基本參考波形幅度仏,該基本參考波形幅度^)；可以是在電壓源換流器的AC端子處提供的AC電壓的幅度。調整因子確定部件14生成被遞送到低通濾波器16的調整因子δ，該低通濾波器又生成被提供給控制部件18的經低通濾波後的調整因子SF。控制部件18還接收基本參考波形幅度&、角頻率Co1以及奇次諧波相對幅度k。相對幅度形成為基本參考波形幅度的一部分。控制部件18實施生成用於控制電壓源換流器的控制信號CTRL的PWM(脈衝寬度調製)控制器。
現在將對本發明的功能進行更詳細的描述。
如之前所提及的，受關注的是將奇次諧波分量添加到基本參考波形，從而使換流器在AC側產生與具有所添加的諧波分量的基本參考波形類似的輸出信號。基本參考波形有利地是正弦的。該添加具有使調製參考的峰值降低的效果，由此使得調製範圍能夠增加， 即使得換流器輸出電壓能夠增大。所添加的最一般的諧波是具有相對於基本參考波形的極性或符號相反的極性或相反的符號的零序三次諧波。還可以添加是三的整數倍的(並且也是零序的)更高次的奇次諧波。然而，三次諧波的影響最大。
對於標準的二電平電壓源換流器，針對三相中的一相，換流器基本參考波形<rf(最好是輸出電壓參考)理想上由以下給出(為了簡單起見沒有使用明確的相標記)
其中，Q1是基本角頻率，而^)；是基本參考波形幅度或者輸出AC電壓幅度，在使基本參考波形的峰值儘可能地降低的意義上最優的三次諧波添加是
然後，用於由控制部件實施的脈衝寬度調製器的無量綱調製參考r通過除以直流電壓Ud來獲得，即Γ = / rf。該等式(2)對於其直流電壓實際上恆定、能夠容易地示出並且在現有技術中是公知的二電平換流器來說是最優的。然而，對於基於單元的換流器來說這未必是最優的添加，這是因為必須對總和的單位電壓紋波進行補償以便不會得到失真的輸出電壓。這種補償通過對調製參考進行更加複雜的選擇來進行。可以代替地將調製參考選為
其中，Ucp和Um分別是針對正分臂和負分臂的總和單元電壓。這兩個總和單元電壓都具有平均值2ud，但是也都具有通常不可忽略的疊加紋波。這在使用等式( 的情況下導致了 r的波形的不對稱而由此導致峰值增加，如圖1所示。明顯地，這降低了調製範圍並且因此減小了最大可獲得的換流器輸出電壓。
明顯的是，為了使峰值儘可能地降低，必須恢復調製參考的對稱。這種藉助於修正過的三次諧波添加的恢復就是本發明的目的。
為了示出改進是可以通過修正過的三次諧波添加而獲得的，考慮概括在等式(2) 中的所提議的調製參考選擇。對於調製參考的其他選擇來說類似的結果是可獲得的。
如果假設
其中，X= lt，k是諧波分量的(相對於基本參考波形幅度的)相對幅度，δ是諧波分量的相位的相對於基本參考波形相位的調整因子。以下，找出k和δ的最優值，即通過使調製參考對稱來使峰值最小化的那些最優值。
簡單但冗長的分析示出單元電壓紋波差及和由以下給出
Ucp-Ucn = A1Sin (χ+ ψ 工)
ucp+ucn = -A2Sin (2x+￥2) (5)其中，
權利要求
1.一種使用添加了至少一個奇次諧波分量的基本參考波形來控制基於單元的電壓源換流器(10)的方法，所述方法包括以下步驟-基於所述電壓源換流器的操作數據針對要被添加到所述基本參考波形的至少一個諧波分量來確定00)調整因子(δ )；-確定06)所述至少一個奇次諧波分量；-將以所述調整因子進行了相位偏移的所述奇次諧波分量添加08)到所述基本參考波形，以及-使用具有所添加的諧波分量的所述基本參考波形來控制(30)所述電壓源換流器。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述操作數據包括來自所述電壓源換流器的輸出功率。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述輸出功率包括有功輸出功率(P)。
4.根據權利要求2或3所述的方法，其中，所述輸出功率包括無功輸出功率⑴)。
5.根據權利要求2至4中任一項所述的方法，其中，所述調整因子以由其他電壓源換流器操作數據設定的常數與所述輸出功率成比例。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述其他電壓源換流器操作數據包括單元指定數據。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，所述電壓源換流器包括至少一個分支的串聯連接的單元，其中，每個單元都具有用於AC和DC之間的轉換的單元電容，用於獲得所述常數的所述單元指定數據包括所述單元電容以及用於在DC與一 AC相之間轉換的分支中的單元的數目。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，存在有至少兩個分支(PL1、PL2、PL3)，每個分支都設置有正分臂和負分臂，每個分臂都包括一定數目(N)的換流器單元，而用於獲得所述常數的所述單元指定數據包括所述單元的所述數目以及所述單元的單元電容。
9.根據權利要求7所述的方法，其中，存在有具有三個單元的一個分支，每個單元都連接到相應的AC相。
10.根據權利要求5至9中任一項所述的方法，其中，所述其他電壓源換流器操作數據包括調製指數(m )。
11.根據權利要求5至10中任一項所述的方法，其中，所述其他電壓源換流器操作數據包括指定基本參考波形的數據。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，所述指定基本參考波形的數據包括所述基本參考波形的幅度(Ov )。
13.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述的確定所述至少一個奇次諧波分量的步驟包括對所述奇次諧波分量提供相對於所述基本參考波形的極性相反的極性。
14.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述的確定所述至少一個奇次諧波分量的步驟包括對所述諧波分量提供所述基本參考波形的幅度的1/6或更小的分數(k)的幅度。
15.一種使用添加了至少一個奇次諧波分量的基本參考波形來控制基於單元的電壓源換流器(10)的控制裝置(12)，所述控制裝置包括調整因子確定部件(14)，被配置成基於所述電壓源換流器的操作數據針對要被添加到所述基本參考波形的至少一個諧波分量來確定調整因子(S )，以及控制部件(18)，被配置成確定所述至少一個奇次諧波分量，將以所述調整因子進行了相位偏移的所述奇次諧波分量添加到所述基本參考波形，且使用具有所添加的諧波分量的所述基本參考波形來控制(CTRL)所述電壓源換流器。
16.根據權利要求15所述的控制裝置，還包括權利要求2至12中任一項所述的特徵。
17.根據權利要求15或16所述的控制裝置，其中，在所述控制部件被配置成確定所述至少一個奇次諧波分量的情況下，所述控制部件被配置成對所述奇次諧波分量提供相對於所述基本參考波形的極性相反的極性。
18.根據權利要求15至17中任一項所述的控制裝置，其中，在所述控制部件被配置成確定所述至少一個奇次諧波分量的情況下，所述控制部件被配置成對所述諧波分量提供所述基本參考波形的幅度的1/6或更小的分數(k)的幅度。
19.一種電壓源換流器(12)，包括-至少一個分支(PL1、PL2、PL3)的串聯連接的單元，其中，每個單元都具有用於AC和 DC之間的轉換的單元電容，分支，其中每個分支都包括一定數目的串聯連接的電壓源換流器單元(CA1、CA2、CA3、CA4、CA5、CA6、CB1、CB2、CB3、CB4、CB5、CB6、CC1、CC2、CC3、CC4、CC5、 CC6)，每個所述電壓源換流器單元都具有與提供用於AC和DC之間的轉換的單元電容的至少一個能量存儲元件(C)並聯的至少一個切換部件(SU1、SU2)，以及-控制裝置(12)，包括-調整因子確定部件(14)，被配置成基於所述電壓源換流器的操作數據針對要被添加到基本參考波形的至少一個諧波分量來確定調整因子(S )，以及-控制部件(18)，被配置成確定所述至少一個奇次諧波分量，將以所述調整因子進行了相位偏移的所述奇次諧波分量添加到所述基本參考波形，且使用具有所添加的諧波分量的所述基本參考波形來控制(CTRL)所述電壓源換流器。
20.一種使用添加了至少一個奇次諧波分量的基本參考波形來控制基於單元的電壓源換流器(10)的電腦程式產品，所述電腦程式能夠加載到所述電壓源換流器的或者用於所述電壓源換流器的控制裝置(1 中，且所述電腦程式包括電腦程式代碼裝置以使得所述控制裝置在所述程序被加載在所述控制裝置中的情況下-基於所述電壓源換流器的操作數據針對要被添加到所述基本參考波形的至少一個諧波分量來確定調整因子(S)；-確定所述至少一個奇次諧波分量；-將以所述調整因子進行了相位偏移的所述奇次諧波分量添加到所述基本參考波形，以及-使用具有所添加的諧波分量的所述基本參考波形來控制所述電壓源換流器。
全文摘要
本發明涉及一種使用添加了至少一個奇次諧波分量的基本參考波形來控制基於單元的電壓源換流器的方法、控制裝置和電腦程式產品。本發明還涉及這樣的電壓源換流器。控制裝置(12)包括調整因子確定部件(14)，該調整因子確定部件基於電壓源換流器的操作數據(ω1、N、Cc、P，公式I)針對要被添加到基本參考波形的至少一個諧波分量來確定調整因子(δ)；以及控制部件(18)，該控制部件確定至少一個奇次諧波分量，將以調整因子進行了相位偏移的奇次諧波分量添加到基本參考波形，且使用具有所添加的諧波分量的基本參考波形來控制(CTRL)電壓源換流器。
文檔編號H02M7/483GK102498656SQ200980161457
公開日2012年6月13日 申請日期2009年9月15日 優先權日2009年9月15日
發明者倫納特·哈內福什, 託馬斯·U·瓊森 申請人:Abb研究有限公司