具有AFE电力单元相位控制的多电平电力转换器

摘要

公开了具有AFE电力单元相位控制的多电平电力转换器。一种用于控制具有多电平相电路的多相多电平再生电力转换器的电力转换系统和方法，多电平相电路单独地包括各自的电力级输出串联连接的多个再生电力级，单独的电力级包括DC链式电路、耦接在相应变压器次级电路与DC链式电路之间的开关整流器以及耦接在DC链式电路与相应电力级输出之间的开关逆变器，单独的电力级包括控制器，该控制器提供逆变器开关控制信号以控制相应开关逆变器，提供整流器开关控制信号以控制相应开关整流器，以及控制各个开关整流器的整流器开关控制信号之间的非零相位关系。

说明书

技术领域

所公开的主题涉及多电平电力转换系统。

背景技术

有时在马达驱动器和其他电力转换应用中采用多电平逆变器，以生成高电压驱动信号并将其提供给高电力应用中的马达或其他负载。多电平逆变器的一种形式是级联H桥(CHB)逆变器架构，其采用多个串联连接的电力级(例如，H桥逆变器)来驱动每个马达绕组相位。每个H桥由单独的DC源供电，并且由开关信号来驱动以生成正或负输出电压，其中多个H桥级的串联组合提供用于驱动负载的多电平逆变器输出能力。再生电力转换器在诸如并网马达驱动器的各种应用中提供益处。

发明内容

现在对本公开内容的各个方面进行概述以利于对本公开内容的基本理解，其中，该概述不是本公开内容的全面概要，并且既不旨在确定本公开内容的某些元素，也不旨在描绘本公开内容的范围。相反，本概述的主要目的是在下文呈现的更详细描述之前以简化形式呈现本公开内容的各种构思。描述了具有多电平相电路的多相多电平再生电力转换器，多电平相电路单独地包括各自的电力级输出串联连接的多个再生电力级，单独的电力级包括DC链式电路、耦接在相应变压器次级电路与DC链式电路之间的开关整流器以及耦接在DC链式电路与相应电力级输出之间的开关逆变器，该多相多电平再生电力转换器包括控制器，该控制器提供逆变器开关控制信号以控制相应开关逆变器，提供整流器开关控制信号以控制相应开关整流器，并且控制各个开关整流器的整流器开关控制信号之间的非零相位关系。

附图说明

以下描述和附图详细阐述了本公开内容的某些说明性实现方式，这些说明性实现方式指示可以执行本公开内容的各种原理的若干示例性方式。然而，所说明的示例并非穷举本公开内容的许多可能实施方式。在下面结合附图考虑时的详细描述中将阐述本公开内容的其他目的、优点和新颖特征。

图1是示意图。

图2是示意图。

图3是示意图。

图4是信号图。

图5是信号图。

图6是信号图。

图7是示意图。

图8是信号图。

图9是信号图。

图10是信号图。

图11是信号图。

图12是示意图。

图13是信号图。

图14是示意图；

图15是信号图。

图16是信号图。

图17是信号图。

具体实施方式

现在参照附图，在下文中结合附图描述若干实施方式或实现方式，在附图中，相似的附图标记始终用于指代相似的元素，并且其中，各种特征不一定按比例绘制。有时在马达驱动器和其他电力转换应用中采用多电平逆变器，以生成高电压驱动信号并将其提供给高电力应用中的马达或其他负载。多电平逆变器的一种形式是级联H桥(CHB)逆变器架构，其采用多个串联连接的电力级(例如，H桥逆变器)来驱动每个马达绕组相位。每个H桥由单独的DC源供电，并且由开关信号来驱动以生成正或负输出电压，其中多个H桥级的串联组合提供用于驱动负载的多电平逆变器输出能力。再生电力转换器在诸如并网马达驱动器的各种应用中提供益处。

图1和图2示出了具有三相多电平电力转换器40的示例多电平逆变器马达驱动电力转换系统10。对于与马达负载50的马达相位U、V和W相关联的三个部分中的每一个，具有串联连接的电力级100-1、100-2、100-3、100-4、100-5、100-6。驱动其他形式的负载50的其他实施方式是可能的，其中，本公开内容不限于马达驱动型电力转换器。在某些实施方式中，单的电力级100包括具有开关装置(例如，下面图2中的Q1至Q4)的逆变器140或H桥开关电路，但是可以在单独的电力级100中提供任何适当形式的开关电路140，以根据由电力转换器控制器200的逆变器控制部件220提供的开关控制信号222来生成具有两个或更多个可能电平之一的电力级输出。

图1的示例是多相13电平电力转换器40，其具有针对三个马达负载相位U、V和W中的每一个的六个电力级100(例如，针对相位U的100-U1、100-U2、100-U3、100-U4、100-U5和100-U6；针对相位V的100-V1、100-V2、100-V3、100-V4、100-V5和100-V6；以及针对相位W的电力级100-W1、100-W2、100-W3、100-W4、100-W5、100-W6)。然而，本公开内容的各个方面可以与具有任何整数“m”个电力级100的单相或多相、多级电力转换系统相关联地实现，其中m大于1。此外，尽管所示实施方式利用级联的H桥电力级100来形成针对马达驱动系统10的每个相位的多电平电力转换器40，但是可以使用其他类型和形式的电力级100，例如具有多于或少于四个开关装置的开关电路的电力级100，其中，本公开内容的更广泛的方面不限于所示实施方式中示出的H桥电力级。例如，单独的电力级可以包括至少两个开关装置或大于等于2的任何整数数量的输出开关的实施方式是可能的。

图1中的电力转换器10被供应有来自相移变压器30的多相AC输入电力，该相移变压器30具有从AC电源20接收三相电力的多相初级电路32(在所示实施方式中为三角形配置)。变压器30包括18个三相次级电路34，即六组三个三角形配置的三相次级电路34，其中每组都处于不同的相位关系，但这不是所有可能实现方式的严格要求。尽管在所示示例中初级电路32和次级电路34被配置为三角形绕组，但是“Y”连接的初级绕组和/或次级绕组可以替选地单独使用或与三角形绕组组合使用。此外，尽管变压器具有三相初级绕组32和三相次级绕组34，但是可以使用其他单相或多相实现方式。此外，尽管非相移实施方式是可能的，但是所示实施方式中的各种次级电路34是相移的。

图1的示例中的三相次级电路34中的每一个被耦接以提供AC电力来驱动三相多电平逆变器40的对应电力级100的三相整流器120。电力转换器40是用于马达驱动操作的具有六个级联H桥电力级100U-1至100U-6的13电平逆变器，这六个级联H桥电力级100U-1至100U-6具有在马达驱动中性点或其他参考节点N与三相马达负载50的第一绕组U之间彼此串联连接(级联)的输出104U-1至104U-6。六个电力级100V-1至100V-6提供中性N与第二绕组V之间的串联连接的电压输出104V-1至104V-6，并且六个电力级100W-1至100W-6提供中性N与马达负载50的第三绕组W之间的串联连接的电压输出104W-1至104W-6。控制器200向与第一马达绕组U相关联的电力级100U-1至100U-6提供控制信号222U，并且还向电力级100V-1至100V-6提供控制信号222V，并且还向电力级100W-1至100W-6提供控制信号222W。控制器200包括逆变器控制器220和AFE相位控制器230，以控制电力级100的各个开关整流器的整流器开关控制信号之间的非零相位关系。

如图2中进一步所示，提供电力级100以用作在一个示例中具有本地AFE相位控制器230的单相或多相多电平电力转换器40的电力级。可以使用任何合适的硬件、处理器执行的软件或固件或者其组合来实现控制器200及其部件230、240，其中，控制器200的示例包括一个或更多个处理元件，例如微处理器、微控制器、DSP、可编程逻辑等，以及电子存储器、诸如程序存储器的非暂态计算机可读介质和信号调节驱动器电路，其中处理元件被编程或以其他方式配置成实现逆变器控制器220以生成适于操作电力级逆变器开关电路140的逆变器开关装置的信号222。此外，所示的控制器200包括AFE整流器控制部件102，该AFE整流器控制部件102生成整流器开关控制信号103以操作整流器120的整流器开关装置。在一个示例中，本地AFE相位控制器230与其他电力级100的相位控制器230协作操作，以控制电力级100的各个开关整流器的整流器开关控制信号103之间的非零相位关系。

图2示出了一个示例H桥电力级100，其具有电力级滤波器110、有源前端(AFE)开关调节器120、DC总线电路130和输出H桥逆变器140。图中的电力级包括AC输入108，其具有可连接以通过图1中的变压器30的次级电路34从AC源接收AC输入电力(在这种情况下为三相电力)的输入端子108A、108B和108C。AC输入电力从端子108通过电力级滤波器110提供给开关整流器电路120，该开关整流器电路120具有形成三相有源整流器120的板载整流器开关装置S1至S6(例如IGBT)，该三相有源整流器120从对应的变压器次级电路34接收三相AC电力。

电力单元级100还包括DC链式电路130和开关电路(例如，逆变器140)，该开关电路向具有第一输出端子104A和第二输出端子104B的电力级输出104提供输出电压V

图2中的H桥实现方式允许由控制器200选择性地生成开关控制信号，以便以受控的方式在输出104处提供至少两个不同的电压电平。例如，当开关装置Q1和Q4导通(导电)而其他装置Q2和Q3关断(不导电)时，在输出端子104A和104B处提供基本上等于跨DC链式电容器C的DC总线电压的正DC电平的电压(例如，+VDC)。相反，当Q2和Q3导通而Q1和Q4关断时，提供负输出(例如，-VDC)。因此，电力级100允许选择两个不同的输出电压，并且六个这样的级的级联配置(例如，图1)允许由逆变器控制部件220选择性地生成开关控制信号，以实现13个不同的电压电平，以用于施加到对应的马达相位U、V或W。其他可能的开关电路可以用于为单独的电力级100实现二、三或K电平可选的输出，其中K是大于1的任意正整数。控制器200中的任何合适的逻辑或电路可以用于向给定电力级100、400提供逆变器开关控制信号222，其中控制器200还可以包括诸如比较器、载波发生器或数字逻辑和信号驱动器的信号电平放大和/或驱动器电路(未示出)，以提供足以例如选择性地致动开关装置Q1至Q4的合适的驱动电压和/或电流电平。

图2的示例中的电力级滤波器110包括用于三个AC相中的每一个的LCL电路，该LCL电路包括第一电感器L

还参照图3和图4，图3示出了多相多电平电力转换器40的另一示例，该多相多电平电力转换器40包括连接在源20与变压器30之间的陷波滤波器300，例如具有或不具有阻尼电阻器的三相LCL电路。此外，图3的系统10包括具有初级电路32和次级电路34的变压器30以及多相多电平再生电力转换器40。转换器40包括三个多电平相电路42。单独的相电路42包括用于每个相位的7电平输出操作的三个再生电力级100(针对相位U的电力级100U-1至100U-3、针对相位V的电力级100V-1至100V-3以及针对相位W的电力级100W-1至100W-3)，其中，各自的电力级输出104串联连接。图3还示意性地示出了单独的电力级100中的一个的示例，单独的电力级100包括可选的电力级滤波器110、有源前端和开关整流器120(例如，包括如图2所示连接在次级电路34中的相应一个与第一DC链式节点131和第二DC链式节点132中的相应一个之间的整流器开关装置S1至S6)和开关逆变器140(例如，包括如图2所示各自连接在第一链式节点131和第二DC链式节点132中的相应一个与相应电力级输出104之间的逆变器开关装置Q1至Q4)。

如以上结合图1和图2所讨论的，图2中的电力级控制器200提供整流器开关控制信号103以操作整流器开关装置S1至S6，以及提供逆变器开关控制信号222以操作逆变器开关装置Q1至Q4，并且相位控制器230(例如，图1中的中央AFE相位控制部件230和/或图2中的局部AFE相位控制部件230)控制图3的系统10中的各个开关整流器120的整流器开关控制信号103之间的非零相位关系。在一个示例中，相位控制器230控制各个开关整流器120的载波信号(例如，图4中的信号401、402和402、下面图8中的信号801、802和803和/或下面图13中的信号1301、1302、1303、1304、1305和1306)之间的非零相位关系。在一个示例中，相位控制器230提供各个相电路42中的每一个的再生电力级100的载波信号(例如，图4的曲线图400中的信号401、402和403)之间的非零相位关系，以消除或减少第31阶谐波。在另一示例中，相位控制器230提供各个相电路42中的每一个的再生电力级100的载波信号(例如，图4的曲线图410中的信号401、402和403)之间的非零相位关系，以消除或减少第35阶谐波。在另一示例中，相位控制器230提供各个相电路42中的每一个的再生电力级100的载波信号(例如，图4的曲线图420中的信号401、402和403)之间的非零相位关系，以消除或减少第31阶谐波和第35阶谐波。

控制器200(图1)在图3的系统10中被使用，并且以两种模式(包括第一模式(马达驱动)和第二模式(再生))中的一种进行操作。在该示例中，各个开关逆变器140根据逆变器开关控制信号222中的相应的一个以第一模式进行操作以转换来自DC链式电路130的电力来在相应输出104处提供具有至少两个离散电平中的一个的幅度的输出电压V

开关整流器120的使用利于系统10的再生操作。此外，各个有源整流器电路120的载波信号的非零相位关系利于受控谐波的减少，以避免或减轻对大电力级滤波器110的需要，并且潜在地减轻对陷波滤波器300的需要。特别地，图3的示例降低了电力级滤波器的尺寸和复杂性，其中所示示例包括相应电力级100的每个相位中的单个串接电感器。该示例包括陷波滤波器300，但是其他示例(例如，图7、图12和图14)不包括陷波滤波器。对于图3的三相AFE 120，如果每个电力级C内的载波信号被适当地移位并且陷波滤波器300被添加在变压器30的前面，则选择性的非零相位关系利于消除LCL电力级滤波器。替选地，可以通过附加的次级绕组(未示出)添加陷波滤波器。该设计的进一步改进消除了对陷波滤波器300的需要。

下表示出了在1100VDC总线电压下不同整流器开关频率下的最小电感(L)滤波器对照。

下表示出了在1100VDC总线电压和1980Hz整流器开关频率下的对照。

以上表中的所指示的情况1指示关于电感器的权重，并且情况2：引入关于电容器的更多的权重。然而，如上所述，LCL电力级滤波器的使用显著增加了系统10的尺寸、重量和空间，并且所示的三相示例包括用于7电平再生CHB驱动的18个电感器和9个电容器。为了在满足根据IEEE STD 519 2014的电网谐波要求的同时促进再生能力，使用不同的电力级滤波器110，以在不同的再生电力级100之间的载波移位方法的帮助下来缩小所设计的滤波器的尺寸。

如图3所示，移相变压器的相移角度是δ1、δ2、δ3(负意味着滞后，正意味着超前)。假设电网频率为，SPWM载波频率比为N。A1、A2和A3的载波初始角度为θ1Ac、θ2Ac、θ3Ac。相位B和C遵循相同的载波初始角度序列。图3中的电力级滤波器110减少了N-2和N+2阶处的开关边带谐波。如图4所示，相同相电路42中的再生电力级100之间的载波波形401、402和403被移位以消除一个谐波。此外，变压器的初级侧的陷波滤波器300减小了另一谐波分量。

对于L电平系统，对于每个相电路42，存在m＝(L-1)/2个级联电力级100。如图3所示，在来自级联电力级100的变压器相移角度是δ

为了消除N+2阶谐波，可以在一个相位中得出相似的等式(2)。

例如，对于图3中的七电平再生系统10，假设N＝33，δ

cos(31ω

cos(35ω

如果N＝33，则为了消除第31阶谐波，等式(3)的一种解是θ

下表示出了图3的示例七电平系统10的一个相电路42内的对应于图4中的曲线图400、410和420中所示的载波信号的示例相移角度。

可以针对九电平三相系统计算类似的等式和角度，其中N＝33，δ

cos(31ω

cos(35ω

下表示出了七电平系统的一个相内的另一示例载波移位操作。

还可以针对九电平系统计算θ

以下描述使用电力级100在示例相位内的载波相移和陷波滤波器300的图3的系统10中的示例第一AFE相位(例如，相位A)的电压和电流操作。

I

I

I

I

θ

cos(31ω

一种解是

θ

θ

θ

为了去除第35阶谐波。

图5示出了具有幅值曲线502和相位曲线504的示例曲线图500，其示出了对在每个滤波器相位中使用阻尼电阻器的示例陷波滤波器300的频率响应，该示例陷波滤波器300在一个示例中具有以下LCL滤波器参数。

图6示出了具有表示变压器30的次级侧的谐波含量阶的频谱曲线602的曲线图600、具有表示陷波滤波器300之前的谐波含量阶的频谱曲线612的曲线图610以及具有表示电源20处的谐波含量阶的频谱曲线622的曲线图620。

现在参照图7至图11，示出并描述了系统10的另一示例，其中陷波滤波器被去除，并且有源前端开关整流器载波信号相位控制被修改，以同样提供不同相电路42的对应电力级100之间的非零相位关系。如图7的系统10中所见，每个相电路42包括各自的电力级输出104串联连接(例如，如图1所示)在中性节点N与相应相电路输出节点U、V、W之间的整数m个再生电力级100，其中m大于2(例如，在图7的示例中m＝3)。相电路42-U、42-V、42-W中的每一个的第一再生电力级100-U1、100-V1、100-W1连接至中性节点N，并且相电路42-U、42-V、42-W中的每一个的第m(例如，第三)个电力级100-U1、100-V1、100-W1连接至相应相电路输出节点U、V、W。在该示例中，相位控制器230提供相应相电路42-U、42-V、42-W的第i再生电力级100-U1、100-V1、100-W1的载波信号(例如，图8的曲线图800中的信号801、802和803)之间的非零相位关系，其中，i＝1,…,m。

图7的示例使用三相电路42中的每个相似(例如，对应)单元的电压之间的非零载波信号相位偏移来减少或去除两个边带谐波。例如，第一电力级100-U1、100-V1和100-W1的载波信号彼此相位偏移达非零相位角度，电力级100-U2、100-V2和100-W2的载波信号彼此相位偏移达非零相位角度，并且最后的(例如，第m)电力级100-U2、100-V2和100-W2的载波信号彼此相位偏移达非零相位角度。该示例利于在无需陷波滤波器并且仅使用最小单个电感电力级滤波器110的情况下满足相关谐波含量标准的操作。如图8的曲线图800中的曲线801、802和803所示，可以通过在三相位A

cos(ωt+θ

例如，对于三相七电平再生系统，N＝33。为了消除第31阶、第35阶、第65阶和第67阶谐波，再生单元A1、B1和C1之间的合适的载波相移角度可以分别为120°，如下表所示。

还参照图12和图13，图12示出了系统10的另一示例，在该系统10中相位控制电路230(例如，图1)控制单独的相电路42的单独电力级100之间的非零载波信号相位关系，并且另外控制所有单独的相电路42的对应电力级100之间的非零载波信号相位关系(例如，将图3的载波相移控制方法与以上图7的方法组合)。如在以上图7的示例中，不包括陷波滤波器，并且变压器30的初级电路32直接连接至电源20，并且单独的电力级100包括连接在相应开关整流器120与次级电路34中的相应一个之间的滤波器电路110。在一个示例中，滤波器电路110包括电感器L，电感器L单独地具有直接连接至次级电路34中的相应一个的相应单个相线的第一端子和直接连接至相应开关整流器120的相应相线的第二端子。

图12和图13的示例中的组合的相移控制通过在三相位A

可以得出用于消除3N+2阶谐波的类似的等式。

例如，对于图12中的七电平再生系统10，在N＝33，δ

cos(97ω

cos(101ω

为了消除3N-2阶谐波和3N+2阶谐波两者(例如，第97阶谐波和第101阶谐波)，通过使用单元A1、A2和A3之间的60度相移，等式(10)和(11)的一种解是θ

对于三相七电平再生CHB系统，N＝33，为了消除第97阶谐波和第101阶谐波两者，再生单元A1、A2和A3之间的载波相移角度是60度，并且再生单元A1、B1和C1之间的载波相移角度是120度。

还参照图14至图17，图14中示出了系统10的另一示例，在该系统10中相位控制电路230(例如，以上的图1)结合了在单独的相电路42内和跨相电路42对载波信号相移的使用。在一个示例中，这可以用于处理第50阶以上的电流谐波，例如，以满足IEEE std 519规定，即，根据不同的应用，第50阶以上的电流谐波应当被限制为尽可能低。该示例不需要任何额外的陷波滤波器，但去除或减少了第95阶、第97阶、第101阶和第103阶谐波处的较高开关边带。在该示例中，相移控制器230在同相电路电力级100之间使用60°的载波相移角度，并且在20°的滞后单元之间使用120°的载波相移。在一个示例中，对于图14中的从顶部开始到底部分别被称为1至9的九(9)个电力级100，下表示出了单元1至9的示例载波相移角度(也被示为图14中的级表1400)。

图15示出了具有图14中的系统10的对应三相位的使用上表中所示的电力级相移角度的随时间变化的次级电流曲线1502、1504和1506的曲线图1500。图16提供了具有针对该示例的幅值曲线1602的频谱曲线图1600，并且图17示出了图14的示例系统10的分别为电压曲线1702和电流曲线1704的曲线图1700。

下表提供了在具有陷波滤波器300的单独的相电路42内对LCL电力级滤波器与载波信号相移的使用的对照(例如，方法1)，以及与跨相电路42对载波信号相移的使用的对照(方法2)，以及与在单个相电路42内和跨相电路42对载波信号相移的使用的对照(方法3)。

所描述的示例还包括方法和具有计算机可执行程序指令的非暂态计算机可读介质，所述计算机可执行程序指令当由处理器执行时，使处理器实现控制多相多电平再生电力转换器——例如，具有多电平相电路42的以上示例转换器40——的方法，多电平相电路42单独地包括各自的电力级输出104串联连接的多个再生电力级100，单独的电力级100包括DC链式电路130、耦接在相应变压器次级电路34与DC链式电路130之间的开关整流器120以及耦接在DC链式电路130与相应电力级输出104之间的开关逆变器140。一个示例中的方法包括：提供逆变器开关控制信号222以控制相应开关逆变器140；提供整流器开关控制信号103以控制相应开关整流器120；以及控制各个开关整流器120的整流器开关控制信号103之间的非零相位关系。在一个示例中，控制各个开关整流器120的整流器开关控制信号103之间的非零相位关系包括：控制各个开关整流器120的载波信号(例如，以上的信号401、402、403、801、802、803、1301、1302、1303、1304、1305、1306)之间的非零相位关系。此外，在一个示例中，控制各个开关整流器120的整流器开关控制信号103之间的非零相位关系包括：提供各个相电路42中的每一个的再生电力级100的载波信号之间的非零相位关系。

以上示例仅是说明本公开内容的各个方面的若干可能实施方式，其中，在阅读和理解本说明书和附图之后，本领域技术人员将想到等同的变更和/或修改。特别地，关于由上述部件(组件、装置、系统、电路等)执行的各种功能，除非另外指明，否则用于描述这样的部件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应于以下任何部件，例如硬件、处理器执行的软件、或其组合，所述任何部件即使在结构上不等同于执行本公开内容的所示实现方式中的功能的公开结构，但执行所描述的部件的指定功能(即，在功能上等同)。此外，尽管可能仅针对若干实现方式中的一个公开了本公开内容的特定特征，但是这样的特征可以如期望地以及对任何给定或特定应用有利地与其他实现方式中的一个或更多个其他特征进行组合。此外，在一定程度上，在详细描述中和/或在权利要求中使用术语“包括有”、“包括”、“具有”、“有”、“带有”或其变型，这样的术语旨在以类似于术语“包含”的方式为包括性的。