专利名称：三次谐波分量到基本参考波形的添加的制作方法
三次谐波分量到基本参考波形的添加技术领域
本发明总体上涉及电压源换流器。更特别地，本发明涉及一种使用添加了至少一个奇次谐波分量的基本参考波形来控制基于单元的电压源换流器的方法、控制装置和计算机程序产品，且还涉及这样的电压源换流器。
背景技术：
存在有不同类型的电压源换流器，其中，最近变得受关注的一种类型是基于单元的电压源换流器。一种受关注的基于单元的电压源换流器是所谓的多电平电压源换流器。 例如在DE 10103031中对这种换流器进行了描述。
在许多电压源换流器应用中，受关注的是将奇次谐波分量例如零序三次谐波分量添加到用于控制换流器的基本参考波形。这具有使所使用的调制参考的峰值降低的作用， 这又能够使调制范围即换流器输出电压增加。在许多应用中，添加零序谐波不是有害的，这是因为三相电路中的Y点通常不接地(如在AC电动机中)或者换流器经由Y-Δ连接的变压器连接到公用电网。
例如，JP 2008193770的确描述了使用PWM规则控制的三相AC电动机。对称的三次谐波被添加到PWM控制，其中，该三次谐波的相位是基于相位滞后来调整的。
WO 01/0；3490描述了用输出中心点与人工电源星点(artificial mains star point)之间的连接来提高三相整流器系统的电压利用率的装置。此处，三次谐波添加有已定义的幅度和相位位置。
US 6058031描述了多电平高功率电动机驱动换流器和控制系统。使用注入有三次谐波的前馈正弦-三角调制来对切换位置进行选择。
US 2006/0279249对在包括多个功率单元的可变频率驱动器中注入三次谐波进行了描述。
对于普通的二电平电压源换流器来说，添加奇次谐波分量是简单且不复杂的。
然而，对于基于单元的电压源换流器，添加这种奇次谐波会有一些问题。由于单元电压纹波，在以传统方式添加谐波时所得到的调制参考峰值将不会充分地降低。这可以从图1中看出，图1示出了在添加三次谐波的情况下针对可忽略的及不可忽略的单元电压纹波调制参考量r与参考波形角度X的关系。在图1中，将针对可忽略的单元电压纹波的调制参考示为实曲线，而将针对不可忽略的单元电压纹波的调制参考示为虚曲线。如所见的，当存在不可忽略的单元电压纹波时，以传统的方式添加三次谐波导致了不对称的调制参考，因此添加三次谐波不导致与存在有可忽略的单元电压纹波的情况相比同样良好地降低参考波形中的峰值。
因此在该技术领域需要进行改进。发明内容
本发明涉及使用添加了至少一个奇次谐波分量的基本参考波形来对基于单元的电压源换流器进行控制，以获得改进的调制范围。
本发明的一个目的是提供一种使用添加了至少一个奇次谐波分量的基本参考波形来控制基于单元的电压源换流器的方法，该方法提供了改进的调制范围。
根据本发明的第一方面，该目的通过以下方法来实现一种使用添加了至少一个奇次谐波分量的基本参考波形来控制基于单元的电压源换流器的方法，该方法包括以下步骤
-基于电压源换流器的操作数据针对要被添加到所述基本参考波形的至少一个谐波分量来确定调整因子；
-确定至少一个奇次谐波分量；
-将以调整因子进行了相位偏移的奇次谐波分量添加到基本参考波形，以及
-使用具有所添加的谐波分量的基本参考波形来控制电压源换流器。
本发明的另一个目的是提供一种使用添加了至少一个奇次谐波分量的基本参考波形来控制基于单元的电压源换流器的控制装置，该控制装置提供了改进的调制范围。
根据本发明的第二方面，该目的通过以下装置来实现一种使用添加了至少一个奇次谐波分量的基本参考波形来控制基于单元的电压源换流器的控制装置，所述控制装置包括
调整因子确定部件，该调整因子确定部件被配置成基于电压源换流器的操作数据针对要被添加到基本参考波形的至少一个谐波分量来确定调整因子，以及
控制部件，该控制部件被配置成确定至少一个奇次谐波分量，将以调整因子进行了相位偏移的奇次谐波分量添加到基本参考波形，且使用具有所添加的谐波分量的基本参考波形来控制电压源换流器。
本发明的另一目的是提供一种电压源换流器，该电压源换流器提供了改进的调制范围。
根据本发明的第三方面，该目的通过一种电压源换流器来实现，其包括
-至少两个分支，其中，每个分支都包括一定数目的电压源换流器单元，每个电压源换流器单元都具有与能量存储元件并联的至少一个切换部件，以及
-控制装置，包括
调整因子确定部件，该调整因子确定部件被配置成基于所述电压源换流器的操作数据针对要被添加到基本参考波形的至少一个谐波分量来确定调整因子，以及
控制部件，该控制部件被配置成确定至少一个奇次谐波分量，将以调整因子进行了相位偏移的奇次谐波分量添加到基本参考波形，且使用具有所添加的谐波分量的基本参考波形来控制电压源换流器。
本发明的另一个目的是提供一种使用添加了至少一个奇次谐波分量的基本参考波形来控制基于单元的电压源换流器的计算机程序产品，该计算机程序产品提供了改进的调制范围。
根据本发明的第三方面，该目的通过以下的计算机程序产品来实现计算机程序产品使用添加了至少一个奇次谐波分量的基本参考波形来控制基于单元的电压源换流器，
该计算机程序可加载到电压源换流器的或者用于电压源换流器的控制装置中，且该计算机程序包括计算机程序代码装置以使得该控制装置在所述程序被加载到控制装置中的情况下
-基于电压源换流器的操作数据针对要被添加到基本参考波形的至少一个谐波分量来确定调整因子；
-确定至少一个奇次谐波分量；
-将以调整因子进行了相位偏移的奇次谐波分量添加到基本参考波形，以及
-使用具有所添加的谐波分量的基本参考波形来控制电压源换流器。
本发明具有许多优点。本发明为基于单元的电压源换流器提供了更加对称的调制参考。这改进了调制范围，并且使得AC输出电压能够提升且由此能够更高效地使用电压源换流器。
操作数据可以有利地包括来自电压源换流器的输出功率，该输出功率可以是有功输出功率和/或无功输出功率。
调整因子可以最好以由其他电压源换流器操作数据设定的常数与输出功率成比例，该其他电压源换流器操作数据可以包括单元指定数据，如单元的数目和单元电容。该其他电压源换流器操作数据还可以包括调制指数以及指定基本参考波形的数据如基本参考波形的幅度。
奇次谐波分量可以设置成具有相对于基本参考波形的极性的相反极性。奇次谐波分量还可以具有为基本参考波形的幅度的1/6或更小的幅度。
以下将参照附图对本发明进行描述，在附图中
图1示出了在存在有可忽略的及不可忽略的单元电压纹波时以传统的方式添加三次谐波的情况下调制参考与基本参考波形的角度的关系的图2示意性地示出了第一类型的基于单元的电压源换流器；
图3示意性地示出了第一类型的电压源换流器单元的结构；
图4示意性地示出了第二类型的电压源换流器单元的结构；
图5示出了用于控制基于单元的电压源换流器的控制装置的示意框图6示意性地示出了包括用于控制基于单元的电压源换流器的方法中的若干方法步骤的流程图7A和图7B示意性地示出了针对基于单元的电压源换流器在仅存在有电阻性负载时对所添加的三次谐波分量进行相位调整和不进行相位调整的情况下调制参考与基本参考波形角度的关系的图8A和图8B示意性地示出了针对基于单元的电压源换流器在存在有电阻性负载以及电抗性负载时对所添加的三次谐波分量进行相位调整和不进行相位调整的情况下调制参考与基本参考波形角度的关系的图；以及
图9示意性地示出了第二类型的基于单元的电压源换流器。
具体实施方式
本发明涉及向用于控制基于单元的电压源换流器的基本参考波形添加奇次谐波。 该基本参考波形可以有利地是正弦的。
以下，将给出对本发明的优选实施方式的详细描述。
图2示出描绘了作为多电平电压源换流器的第一类型的基于单元的电压源换流器10的示例的示意框图。此处，电压源换流器10包括下述分支组，该分支组在这种类型的换流器中是并联连接在两个DC端子DC+与DC-之间以与直流(DC)设备连接的相臂的形式。 在此处给出的示例中存在有三个这样的分支或相臂PL1、PL2、PL3以便能够连接到三相交流(AC)设备。然而，应该理解的是可替换地例如可以仅存在有两个相臂。相臂PL1、PL2、 PL3各自具有第一端点和第二端点。在图2描绘的类型的换流器中，所有相臂PL1、PL2和 PL3的第一端点都连接到第一 DC端子DC+，而第二端点都连接到第二 DC端子DC-。每个相臂都包括下半部分相臂和上半部分相臂。通常将上半部分称为正分臂，而下半部分称为负分臂。在臂的正分臂与负分臂相遇的接合处，设置了三相连接点AC1、AC2和AC3。此处，三相连接点AC1、AC2和AC3各自经由相应的电感器LAC1、LAC2和LAC3连接到对应的相臂。 此处，每个分臂还包括连接到对应的DC连接点DC+和DC-的一个限流电感器LA1、LA2、LB1、 LB2、LC1 禾P LC2。
电压源换流器12是通过电压源换流器单元在相臂中彼此串联连接来实现的。在本例中，每个分臂中有三个单元。由此，第一相臂PLl的正分臂包括三个单元CA1、CA2和 CA3，而第一相臂PLl的负分臂包括三个单元CA4、CA5和CA6。以相似的方式，第二相臂PL2 的正分臂包括三个单元CB1、CB2和CB3，而第二相臂PL2的负分臂包括三个单元CB4、CB5 和CB6。最后，第三相臂PL3的正分臂包括三个单元CC1、CC2和CC3，而第三相臂PL3的负分臂包括三个单元CC4、CC5和CC6。此处，数目仅是选择用来示例出本发明的原理的。
将简短地对单元的典型结构进行描述。单元各自通过控制装置12控制，以向AC 端子提供电压贡献以及提供DC端子处的DC电势。在图1中通过虚线箭头表示出了这种由控制装置12进行的控制。控制装置12由此对单元进行控制以将AC功率转换为DC功率或者将DC功率转换为AC功率。
此处，可以在两个功率方向上操作示例性的换流器12。该控制通常包括由控制装置12以基于PWM调制的已知方式(例如使用三角形锯齿波作为参考信号)生成控制信号， 以及将这些控制信号提供给单元 CAl、CA2、CA3、CA4、CA5、CA6、CB1、CB2、CB3、CB4、CB5、CB6、 CC1、CC2、CC3、CC4、CC5 以及 CC6。
图3示意性地示出了可以在基于单元的电压源换流器中使用的第一种类型的换流器单元CCA。单元CCA是半桥换流器单元且包括能量存储元件，此处能量存储元件是与第一组切换部件并联连接的电容器C的形式。第一组中的切换部件彼此串联连接。此处， 第一组包括两个切换部件SUl和SU2 (示出为虚线框)，其中，切换部件SUl、SU2可以各自以可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)的初级切换元件连同反并联的次级整流元件的形式来实现，该次级整流元件通常是二极管。在图3中，第一切换部件SUl包括第一晶体管Tl形式的切换元件；以及在图中向上定向且朝向电容器C的二极管形式的且并联连接在晶体管 Tl的发射极与集电极之间的第一整流元件D1。还存在有第二切换部件SU2，该第二切换部件SU2与第一切换部件SUl串联连接，并且具有定向与第一二极管相同且与第二切换元件 (此处为第二晶体管1 并联连接的整流元件(此处为第二二极管D2)。
单元具有第一连接端子TElA和第二连接端子TE2A，每个端子都为单元提供了到电压源换流器的相臂的连接。在该第一类型的单元中，更具体地，第一连接端子TElA提供了从相臂到第一切换部件SUl与第二切换部件SU2之间的接合处的连接，而第二连接端子 TE2A提供了从相臂到第二切换部件SU2与电容器C之间的接合处的连接。这些连接端子 TElA和TE2A由此提供了能够使单元连接到相臂的点。由此，第一连接端子TElA的连接将相臂与第一组中的串联连接的切换部件中的两个切换部件(此处为第一切换部件SUl和第二切换部件SU》之间的连接点或接合处结合起来，而第二连接端子TE2A的连接将相臂与第一组串联连接的切换部件与能量存储元件之间的连接点(此处为第二切换部件SU2与电容器C之间的连接点)结合起来。
通过将合适数目的这种单元彼此级联或串联连接在相臂中，获得了电压源换流器。图2所示的相臂的正分臂可以例如通过下述方式获得将第一单元的第一连接端子经由电感器连接到第一 DC端子，将第二单元的第一连接端子连接到第一单元的第二连接端子，以及将第三单元的第一连接端子连接到第二单元的第二连接端子。然后，该相臂的负分臂可以通过下述方式获得将第四单元的第一连接端子连接到第三单元的第二连接端子， 将第五单元的第一连接端子连接到第四单元的第二连接端子，将第六单元的第一连接端子连接到第五单元的第二连接端子，以及将第六单元的第二端子经由电感器连接到第二 DC 端子。
图4示意性地示出了具有与第一类型的半桥换流器单元相同类型且以相同方式互连的部件的第二类型的半桥换流器单元CCB。在这种第二类型的单元CCB中也存在有提供了分支与在第一切换部件SUl和第二切换部件SU2之间的连接点之间的连接的连接端子，即第二连接端子TE2B。然而，与第一类型的单元相对，此处，第一连接端子TElB提供了分支与在第一切换部件SUl和电容器C之间的接合处之间的连接。这些仅是关于单元的一些示例。应该理解的是，甚至更简单的单元也是有可能的。每个单元都可以设置为一个切换部件与能量存储元件并联。更复杂的单元也是有可能的，诸如全桥单元。
图5示出了根据本发明的原理的控制装置12的示意框图。控制装置12包括调整因子确定部件14，该调整因子确定部件14接收输出功率形式的测量信号，该输出功率在本发明的一种实施方式中是输出的有效功率P，即由电压源换流器输出的有效功率；基本参考波形角频率Q1、即AC系统角频率形式的基本系统常数；相臂的每个分臂中的单元的数目N ；以及单元电容Ce，即图3和图4中的电容器的电容。该部件14还接收内部生成的信号，包括调制指数^以及基本参考波形幅度仏,该基本参考波形幅度^)；可以是在电压源换流器的AC端子处提供的AC电压的幅度。调整因子确定部件14生成被递送到低通滤波器16的调整因子δ，该低通滤波器又生成被提供给控制部件18的经低通滤波后的调整因子SF。控制部件18还接收基本参考波形幅度&、角频率Co1以及奇次谐波相对幅度k。相对幅度形成为基本参考波形幅度的一部分。控制部件18实施生成用于控制电压源换流器的控制信号CTRL的PWM(脉冲宽度调制)控制器。
现在将对本发明的功能进行更详细的描述。
如之前所提及的，受关注的是将奇次谐波分量添加到基本参考波形，从而使换流器在AC侧产生与具有所添加的谐波分量的基本参考波形类似的输出信号。基本参考波形有利地是正弦的。该添加具有使调制参考的峰值降低的效果，由此使得调制范围能够增加， 即使得换流器输出电压能够增大。所添加的最一般的谐波是具有相对于基本参考波形的极性或符号相反的极性或相反的符号的零序三次谐波。还可以添加是三的整数倍的(并且也是零序的)更高次的奇次谐波。然而，三次谐波的影响最大。
对于标准的二电平电压源换流器，针对三相中的一相，换流器基本参考波形<rf(最好是输出电压参考)理想上由以下给出(为了简单起见没有使用明确的相标记)
其中，Q1是基本角频率，而^)；是基本参考波形幅度或者输出AC电压幅度，在使基本参考波形的峰值尽可能地降低的意义上最优的三次谐波添加是
然后，用于由控制部件实施的脉冲宽度调制器的无量纲调制参考r通过除以直流电压Ud来获得，即Γ = / rf。该等式(2)对于其直流电压实际上恒定、能够容易地示出并且在现有技术中是公知的二电平换流器来说是最优的。然而，对于基于单元的换流器来说这未必是最优的添加，这是因为必须对总和的单位电压纹波进行补偿以便不会得到失真的输出电压。这种补偿通过对调制参考进行更加复杂的选择来进行。可以代替地将调制参考选为
其中，Ucp和Um分别是针对正分臂和负分臂的总和单元电压。这两个总和单元电压都具有平均值2ud，但是也都具有通常不可忽略的叠加纹波。这在使用等式( 的情况下导致了 r的波形的不对称而由此导致峰值增加，如图1所示。明显地，这降低了调制范围并且因此减小了最大可获得的换流器输出电压。
明显的是，为了使峰值尽可能地降低，必须恢复调制参考的对称。这种借助于修正过的三次谐波添加的恢复就是本发明的目的。
为了示出改进是可以通过修正过的三次谐波添加而获得的，考虑概括在等式(2) 中的所提议的调制参考选择。对于调制参考的其他选择来说类似的结果是可获得的。
如果假设
其中，X= lt，k是谐波分量的(相对于基本参考波形幅度的)相对幅度，δ是谐波分量的相位的相对于基本参考波形相位的调整因子。以下，找出k和δ的最优值，即通过使调制参考对称来使峰值最小化的那些最优值。
简单但冗长的分析示出单元电压纹波差及和由以下给出
Ucp-Ucn = A1Sin (χ+ ψ 工)
ucp+ucn = -A2Sin (2x+￥2) (5)其中，
权利要求
1.一种使用添加了至少一个奇次谐波分量的基本参考波形来控制基于单元的电压源换流器(10)的方法，所述方法包括以下步骤-基于所述电压源换流器的操作数据针对要被添加到所述基本参考波形的至少一个谐波分量来确定00)调整因子(δ )；-确定06)所述至少一个奇次谐波分量；-将以所述调整因子进行了相位偏移的所述奇次谐波分量添加08)到所述基本参考波形，以及-使用具有所添加的谐波分量的所述基本参考波形来控制(30)所述电压源换流器。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述操作数据包括来自所述电压源换流器的输出功率。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述输出功率包括有功输出功率(P)。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述输出功率包括无功输出功率⑴)。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中，所述调整因子以由其他电压源换流器操作数据设定的常数与所述输出功率成比例。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述其他电压源换流器操作数据包括单元指定数据。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述电压源换流器包括至少一个分支的串联连接的单元，其中，每个单元都具有用于AC和DC之间的转换的单元电容，用于获得所述常数的所述单元指定数据包括所述单元电容以及用于在DC与一 AC相之间转换的分支中的单元的数目。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，存在有至少两个分支(PL1、PL2、PL3)，每个分支都设置有正分臂和负分臂，每个分臂都包括一定数目(N)的换流器单元，而用于获得所述常数的所述单元指定数据包括所述单元的所述数目以及所述单元的单元电容。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，存在有具有三个单元的一个分支，每个单元都连接到相应的AC相。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的方法，其中，所述其他电压源换流器操作数据包括调制指数(m )。
11.根据权利要求5至10中任一项所述的方法，其中，所述其他电压源换流器操作数据包括指定基本参考波形的数据。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述指定基本参考波形的数据包括所述基本参考波形的幅度(Ov )。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述的确定所述至少一个奇次谐波分量的步骤包括对所述奇次谐波分量提供相对于所述基本参考波形的极性相反的极性。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述的确定所述至少一个奇次谐波分量的步骤包括对所述谐波分量提供所述基本参考波形的幅度的1/6或更小的分数(k)的幅度。
15.一种使用添加了至少一个奇次谐波分量的基本参考波形来控制基于单元的电压源换流器(10)的控制装置(12)，所述控制装置包括调整因子确定部件(14)，被配置成基于所述电压源换流器的操作数据针对要被添加到所述基本参考波形的至少一个谐波分量来确定调整因子(S )，以及控制部件(18)，被配置成确定所述至少一个奇次谐波分量，将以所述调整因子进行了相位偏移的所述奇次谐波分量添加到所述基本参考波形，且使用具有所添加的谐波分量的所述基本参考波形来控制(CTRL)所述电压源换流器。
16.根据权利要求15所述的控制装置，还包括权利要求2至12中任一项所述的特征。
17.根据权利要求15或16所述的控制装置，其中，在所述控制部件被配置成确定所述至少一个奇次谐波分量的情况下，所述控制部件被配置成对所述奇次谐波分量提供相对于所述基本参考波形的极性相反的极性。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的控制装置，其中，在所述控制部件被配置成确定所述至少一个奇次谐波分量的情况下，所述控制部件被配置成对所述谐波分量提供所述基本参考波形的幅度的1/6或更小的分数(k)的幅度。
19.一种电压源换流器(12)，包括-至少一个分支(PL1、PL2、PL3)的串联连接的单元，其中，每个单元都具有用于AC和 DC之间的转换的单元电容，分支，其中每个分支都包括一定数目的串联连接的电压源换流器单元(CA1、CA2、CA3、CA4、CA5、CA6、CB1、CB2、CB3、CB4、CB5、CB6、CC1、CC2、CC3、CC4、CC5、 CC6)，每个所述电压源换流器单元都具有与提供用于AC和DC之间的转换的单元电容的至少一个能量存储元件(C)并联的至少一个切换部件(SU1、SU2)，以及-控制装置(12)，包括-调整因子确定部件(14)，被配置成基于所述电压源换流器的操作数据针对要被添加到基本参考波形的至少一个谐波分量来确定调整因子(S )，以及-控制部件(18)，被配置成确定所述至少一个奇次谐波分量，将以所述调整因子进行了相位偏移的所述奇次谐波分量添加到所述基本参考波形，且使用具有所添加的谐波分量的所述基本参考波形来控制(CTRL)所述电压源换流器。
20.一种使用添加了至少一个奇次谐波分量的基本参考波形来控制基于单元的电压源换流器(10)的计算机程序产品，所述计算机程序能够加载到所述电压源换流器的或者用于所述电压源换流器的控制装置(1 中，且所述计算机程序包括计算机程序代码装置以使得所述控制装置在所述程序被加载在所述控制装置中的情况下-基于所述电压源换流器的操作数据针对要被添加到所述基本参考波形的至少一个谐波分量来确定调整因子(S)；-确定所述至少一个奇次谐波分量；-将以所述调整因子进行了相位偏移的所述奇次谐波分量添加到所述基本参考波形，以及-使用具有所添加的谐波分量的所述基本参考波形来控制所述电压源换流器。
全文摘要
本发明涉及一种使用添加了至少一个奇次谐波分量的基本参考波形来控制基于单元的电压源换流器的方法、控制装置和计算机程序产品。本发明还涉及这样的电压源换流器。控制装置(12)包括调整因子确定部件(14)，该调整因子确定部件基于电压源换流器的操作数据(ω1、N、Cc、P，公式I)针对要被添加到基本参考波形的至少一个谐波分量来确定调整因子(δ)；以及控制部件(18)，该控制部件确定至少一个奇次谐波分量，将以调整因子进行了相位偏移的奇次谐波分量添加到基本参考波形，且使用具有所添加的谐波分量的基本参考波形来控制(CTRL)电压源换流器。
文档编号H02M7/483GK102498656SQ200980161457
公开日2012年6月13日 申请日期2009年9月15日 优先权日2009年9月15日
发明者伦纳特·哈内福什, 托马斯·U·琼森 申请人:Abb研究有限公司