本发明的方面主要涉及一种中压混合多电平变换器和用于控制中压混合多电平变换器的方法。
背景技术：
传统上，因单一的功率半导体设备无法处理高压，所以在中压ac驱动器、灵活ac输电系统(facts)和高压dc(hvdc)输电系统的应用中采用多电平电源变换器。多电平变换器通常包含用于每一个相的多个电力电池，每一个电力电池包含具有能够改变单个电池电压状态或电平的半导体开关的逆变器电路。根据所使用的逆变器电路的类型，例如半桥或全桥，每个电力电池可以具有一个或多个开关支路。通过控制每个电力电池的单个开关支路的开关事件，可控制每个电池两端的电压，从而获得具有多个离散电压电平的ac输出波形。多电平变换器通常通过输出电压波形中离散电平的数量来进行描述。
在许多中高压应用中，优选的拓扑是级联多电平变换器。但是，在某些情况下，它需要大量的电池来获得所需输出电压，这造成整个系统的价格抬高。解决此问题的一种方法是增加单个电池的电压电平，从而减少系统所需电池的数量来获得某一输出电压。这种方法的一个缺点在于就某一输出电压水平对制造具有更高电压水平的系统进行优化，但是对其它输出电压电平而言系统可能不能被优化。
级联多电平变换器通常嵌入有相同的电池，即具有相同电压和相同电流额定值的相同电池拓扑。不同的方法是使用具有不同拓扑和不同电压和电流额定值(所谓的混合拓扑)的电池。在这种情况下，通常以低(基础)频开关具有较高电压的电池，而以较高频开关具有较低电压额定值的电池。这种传统的方法存在两个缺点：高压电池之间将经历不同程度的损失并且根据调制方法和负载条件，低压电池可能不得不从较高压电池吸收过多的能量。
技术实现要素：
简而言之，本发明方面涉及一种级联混合多电平变换器、包括级联混合多电平变换器的电驱动系统以及用于控制级联混合多电平变换器的方法。
本发明的第一个方面提供了一种多电平变换器，包括：供电组件，供电组件包括多个相；以及电力电池组件，电力电池组件包括第一电力电池和第二电力电池，第一电力电池和第二电力电池包括相同的拓扑和相同的电流额定值，其中，第一电力电池和第二电力电池向供电组件的多个相供电，并且其中，多个相中的每一个相都包括电力电池组件的第二电力电池和至少一个第一电力电池，第一电力电池和第二电力电池的电压额定值不同。
本发明的第二个方面提供了一种用于控制多电平变换器的方法，包括：通过基于与参考信号相比的多个载波信号而生成脉宽调制信号，开关电力电池组件的多个开关设备，其中，该多个开关设备以相同的开关频率开关。
本发明的第三个方面提供了一种电驱动系统，包括：电源；以及耦合至电源以产生多相供电的多电平变换器，该变换器包括供电组件，该供电组件包括产生多相供电的多个相，以及电力电池组件，该电力电池组件包括第一电力电池和第二电力电池，第一电力电池和第二电力电池包括相同的拓扑和相同的电流额定值，第一电力电池和第二电力电池向供电组件的多个相供电，并且多个相中的每一个相都包括电力电池组件的第二电力电池和至少一个第一电力电池，第一电力电池和第二电力电池的电压额定值不同。
附图说明
图1示出了根据本发明示例性实施例的包括标准级联h桥多电平变换器的系统的实施例的示意图。
图2示出了根据本发明示例性实施例的用于混合多电平变换器拓扑的变压器绕组结构的实施例的示意图。
图3示出了根据本发明示例性实施例的用于控制两个电池(一高压电池和一低压电池)的模拟三角载波结构的图示。
图4a、4b和4c示出了根据本发明示例性实施例的利用级联h桥多电平变换器10的pspwm获得的分别用于相a、b或c的高压电池、低压电池和产生的相电压的模拟电压波形的图示。
图5和图6示出了根据本发明示例性实施例的分别针对不同电力电池数量的相a、b或c的模拟生成的相电压的图示。
图7和图8示出了根据本发明示例性实施例的利用级联h桥多电平变换器10的pspwm获得的模拟线电压波形和模拟输出电流的图示。
图9和图10示出了根据本发明示例性实施例的利用级联h桥多电平变换器10的pspwm获得的模拟输入电流和总谐波失真(thd)的图示。
图11和图12示出了根据本发明示例性实施例的利用级联h桥多电平变换器10的pspwm获得的模拟输出线rms(均方根)电压和输出电流rms的图示。
图13和图14示出了根据本发明示例性实施例的利用级联h桥多电平变换器10的pspwm获得的高压电池和低压电池的模拟dc链电压的图示。
具体实施方式
为便于理解本发明的实施例、原理和特征，下面将结合示例性实施例的实施方式进行说明。特别地，在级联混合多电平变换器、包括该级联混合多电平变换器的电驱动系统和用于控制该多电平变换器的方法的背景中进行描述。然而，本发明的实施例不在于限制在所描述的设备或方法中使用。
下面描述的标记各种实施例的部件和材料旨在进行说明，而非进行限制。执行与本文中所描述材料相同或类似功能的许多适当部件和材料都包括在本发明实施例的范围之内。
图1示出了包括标准级联h桥多电平变换器10的系统1的实施例的示意图，该标准级联h桥多电平变换器包含具有多个电力电池12的三个相，例如，每个相两个电力电池。系统1进一步包括脉宽调制(pwm)控制器30和电机20。多电平变换器的本实施例的拓扑作为示例在美国专利第5,625,545号中进行了描述，其内容通过本文中引用的方式合并以进行说明。
在图1的示例中，系统1为中压驱动器，例如，4160v中压驱动器，其包括通过线路l1、l2和l3提供交流(ac)电源输入2的三相电源。多电平变换器10通过相输出线路u、v和w连接至ac电源输入2并产生三相ac供电作为输出3。ac输出3通过线路u、v和w可连接至负载，该负载在本示例中包括电机20。可通过控制由多电平变换器10产生的频率和/或输出电压的幅度来运行电机20。
多电平变换器10的每一个相包括以级联方式排列的多个电力电池12。相的每一个电力电池12均通过各自输入线路l1、l2和l3连接至电源输入2。可向输入线路l1、l2和l3提供电力，例如，通过多相绕组变压器。每一相的电力电池12均串联连接，并分别标记为电池a-1、电池a-n、电池b-1、电池b-2、电池b-n-1、电池b-n、电池c-1、电池c-2、电池c-n-1、电池c-n。每个电力电池12响应于来自pwm控制器30的控制信号来改变电压电平和/或频率输出，进而得到每一相的多电平电压波形。电力电池12主要包含功率半导体开关设备、无源部件(电感、电容器)、控制电路、处理器、接口以及用于与控制器30通信的其他部件。电力电池12基于来自控制器30的信号来运行。
每个电力电池12包含经由输入线路l1、l2、l3连接至单独dc电源的单相逆变器电路，该单独dc电源通过整流用于每个电力电池12的ac电源输入生成。在该示例中，通过布置在桥式整流器配置中的二极管整流器d1-d6(电池a-1)和d7-d12(电池a-n)来进行整流。本示例同样采用滤波电路，该滤波电路包含例如用于消除来自整流dc电源的电压纹波的电容器c1、c2。
每个电力电池12的逆变器电路包括设置在h桥(同样称为全桥)配置中的功率半导体开关设备q1-q4(电池a-1)和q4-q8(电池a-n)。开关设备q1-q8可包括，例如但不限于诸如绝缘栅双极型晶体管(igbt)的功率晶体管。开关设备q1、q2及q5、q6连接至电池输出线路14a，而开关设备q3、q4以及q7、q8连接至电池输出线路14b。开关设备(例如，晶体管)q1-q8接收由控制器30基于脉宽调制进行控制的脉宽调制信号，例如，以栅极输入信号16的形式。
控制器30选择晶体管q1或q2(以及q5或q6)中的任何一个经由第一开关支路18a打开，以及晶体管q3或q4(以及q7或q8)中的任何一个经由第二开关支路18b打开，这会允许电力分别经线路14a或14b传递至负载20。换言之，开关支路18a的控制器触发的开关事件使得晶体管q1或q2中的一个处于打开状态，而另一个处于关闭状态。同理，开关支路18b的控制器触发的开关事件使得晶体管q3或q4中任何一个处于打开状态，而另一个处于关闭状态。在所述的实施例中，单个电池12的开关支路18a和18b简单地称为特定电池12的开关支路a和开关支路b。
电机20可包括任何类型的ac类电机，例如，同步的、异步的、永磁的，并且在低压、中压或高压下可具有额定值。例如，诸如用于工业过程控制的中压ac电机可在4.16kv至13.8kv范围内运行。可以使用更大或更小的电压。可连接一个以上的ac电机20。可使用其他负载来代替电机20或可使用除该电机之外的其他负载。ac电机20响应于多电平变换器施加在三个相上的电压，例如，以提高、降低或保持速度或位置。
pwm控制器30可包括例如具有存储器的处理器，该处理器能够储存并执行具体指令以实现描述的pwm控制。控制器30可通过例如但不限于具有内部或外部存储器的微控制器，或通过定点或浮点数字信号处理器(dsp)，或通过可编程逻辑设备(pld)，或上述任一组合实现。控制器30通过脉宽调制每一相的参考电压来控制每个电力电池12，从而控制每个电力电池12的输出线路14a和14b之间输出的电压幅度和频率。电力电池12中的控制电路或控制板可接收参考电压并利用适当的矢量控制和脉宽调制生成功率开关设备的选通脉冲。或者，控制器30可基于参考电压输出向电池12提供的选通脉冲。
图2示出了根据本发明示例性实施例的与图1所示的多电平级联拓扑相对应的用于混合多电平变换器10拓扑的变压器绕组结构的实施例的示意图。
根据示例性实施例，电力电池12被配置为混合电池，即具有相同拓扑但不同额定值的电池。如之前在图1中所述，级联h桥多电平变换器10包含三个相(例如称为相a、相b、相c)，具有多个电力电池12(例如，每个相两个电力电池)。
由于每个相的电力电池12串联连接，所以它们具有相同的电流额定值；不过，电力电池12的电压额定值有所不同。与传统方法不同的是，在每个相上，有例如电压额定值为2v的(n-1)个第一电力电池12(第一电力电池在本文中也称为高压电池)，并且只有一个电压额定值为v的第二电力电池12(第二电力电池在本文中也称为低压电池)。每个高压电池输出三个电平(+2v、0、-2v)而每个低压电池仅输出两个电平(+v，-v)。
例如，具有多个绕组的18脉冲变压器向每个电力电池12提供隔离输入电压。每个相a、b、c上的所有电力电池12都将经由输入线路l1、l2、l3从具有相同相移的变压器绕组通电。例如，相a上的所有电池12(电池a-1、电池a-n)都包括包括20度相移的变压器绕组(图2中标注为
图3示出了根据本发明示例性实施例的用于控制两个电力电池12(一高压电池和一低压电池)的模拟三角载波结构的图示。如之前结合图1的示例所述，包括电力电池12的系统1可以为例如具有60hz频率的4160v中压驱动器。
每个相a、b、c都分配有例如具有正弦波形的调制参考信号。为单个电力电池12的每个开关支路18a(在本文中也称为支路a)和18b(在本文中也称为支路b)分配载波信号。开关事件即开关支路18a、18b的开关设备q1-q12的打开或关闭受脉宽调制信号，例如像栅极输入信号16(其通过控制器30基于载波信号和参考信号的比较来触发)的影响(参见图1)。
相移pwm(pspwm)载波方法为用于之前所述的级联h桥拓扑的优选方法。利用pspwm载波方法，将作为特定电池12参考的正弦波形与大致呈三角的载波进行比较，从而获得支路a(参见图1的开关支路18a)的开关实例。将相同的参考正弦波形与反相三角载波进行比较，从而获得相同电池12的支路b(参见图1的开关支路18b)的开关实例。
在示例性实施例中，采用了不同的相移调制方案：
-每个高压电池(即，第一电力电池12)的每个支路都使用其自身的三角载波。支路b(参见图1，支路18b)的参考与支路a(参见图1，支路18a)的参考反相。
-低压电池(即，第二电力电池12)仅使用一个载波。例如，当图1中每个相的每个第一电力电池12(即，电池a-1、电池b-1、电池c-1)都为低压电池时，开关q1和q4接收相同的指令信号。同样地，开关q2和q3接收相同的指令信号，该指令信号为q1和q4的反相信号。
-在每个相有(n-1)个高压电池12和一个低压电池12的情形下，每个相a、b、c上一共有(2n-1)个载波。
-每个相a、b、c的电池载波之间新相移由(1)给出，其中，(n-1)为高压电池12的数量，而ts为所有电池12的开关频率：
参考图3，载波32、34、36包括三角波形，其中，载波32、34为高压电池12所使用的载波，而载波36为低压电池12所使用的载波。
所描述的相移tshift确保了相电压的整体开关纹波与(2)相等，其中，(n-1)为每个相的高压电池12的数量，而fs为所有电池12(即，低压和高压电池)的开关频率。输出电压将仅包含幅度为2v的梯级。相输出电压利用这种调制具有2n电平(即，总是为偶数)，参见(3)。
f等效＝(2·n-1)·fs(2)
n相位_电平＝2·n(3)
图4a、4b和4c示出了根据本发明示例性实施例的利用级联h桥多电平变换器10的pspwm获得的分别用于相a、b或c的高压电池、低压电池和生成的相电压的模拟电压波形的图示。图4a、4b、4c涉及4160v/60hz示例系统1(参见图1)。
图4a示出了相a、b或c的高压电池12的、利用pspwm获得的模拟电压波形的图示。如图4a所示，高压电池在三个电平(+2v、0v、-2v)切换。图4b示出了相a、b或c的低压电池12的、利用pspwm获得的模拟电压波形的图示。如图4b所示，低压电池仅在两个电平(+1v，-1v)切换。图4c示出了相a、b或c的所产生的相电压的、利用pspwm获得的模拟电压波形的图示，其中，将图4a的高压电池和图4b的低压电池的电压波形相组合(即，相加)。图4c表明，当n＝2(参见上述方程式(3)，其中，n为电力电池12的数量)时，产生的相电压具有四个电平并且等效开关频率为每个开关设备开关频率的三倍。
图5和图6示出了根据本发明示例性实施例的分别针对不同电力电池12数量的相a、b或c的模拟生成的相电压的图示。在图5-6的示例中，模拟生成的相电压的图示同样涉及4160v/60hz示例驱动系统1(参见图1)。
图5示出了用于相a、b、c的模拟生成的相电压的图示，相a、b、c包括三个电力电池12，即n＝3。根据本示例性实施例，每个相a、b、c包括两个高压电池和一个低压电池，从而产生了六电平相电压，其等效开关频率为每个开关设备q1-qn开关频率的五倍。图6示出了用于相a、b、c的模拟生成的相电压的图示，相a、b、c包括四个电力电池12，即n＝4。因此，有三个高压电池和一个低压电池，从而产生了八电平相电压，其等效开关频率为每个开关设备q1-qn的开关频率的七倍。
图7和图8示出了根据本发明示例性实施例的利用级联h桥多电平变换器10的pspwm获得的模拟线电压波形和模拟输出电流的图示。图7示出了用于包括相a、b和c的三相系统的级联h桥多电平变换器10中的模拟线电压波形70、72、74。每个相a、b和c均包括两个电力电池12(即，n＝2)，每个相a、b、c具有一个高压电池和一个低压电池(参见图2)。图8示出了利用与图7中线电压波形相对应的级联h桥多电平变换器10的pspwm获得的模拟相电流80、82、84。
根据示例性实施例，参考图7-8，变压器输入电压可为例如4160v，其中，输出电压同样可为4160v。电力电池12的绕组分布遵循例如图2所示的绕组结构。在该示例中，该一个低压电池的输入电压为750v，输出电流为260arms。根据图7-8的示例示出了过调制下的七电平线电压和最大负载下输出电流。
图9和图10示出了根据本发明示例性实施例的利用级联h桥多电平变换器10的pspwm获得的模拟输入电流的图示。图9示出了包括例如相a、b和c的三相系统的级联h桥多电平变换器10的模拟输入电流90、92、94。每个相a、b和c均包括两个电力电池12(即，n＝2)，每个相a、b、c有一个高压电池和一个低压电池(参见图2)，输入电流90、92、94为初级变压器电流，即驱动器输入电流。图10示出了利用与图9中所示输入电流相对应的级联h桥多电平变换器10的pspwm获得的模拟输入电流thd(总谐波失真)100、102、104。输入电流thd100对应于输入电流90，输入电流thd102对应于输入电流92，并且输入电流thd104对应于输入电流94。图9-10分别示出了在满负载时的输入电流90、92、94和输入电流thd100、102、104。图10表明输入电流thd100、102、104低于标准ieee519所要求的5％。
图11和图12示出了根据本发明示例性实施例的利用级联h桥多电平变换器10的pspwm获得的模拟输出线rms(均方根)电压和输出电流rms的图示。图11-12分别示出了在最大输出电压例如4.16kv/60hz的输出线电压和输出电流的rms值(参见图7-8)。
图13和图14示出了根据本发明示例性实施例的利用级联h桥多电平变换器10的pspwm获得的高压电池(图13)和低压电池(图14)的模拟dc链电压的图示。图13-14分别示出了在最大输出功率运行时高压电池和低压电池12的dc链电压。
根据示例性实施例，总结本文中所描述的级联混合多电平变换器10包括以下特征：
-所有电力电池12均包括相同的拓扑，拓扑包含具有二极管前端整流器的单相h桥逆变器。一个相的电力电池12串联连接。
-第一电力电池12的电压额定值高于第二电力电池12的电压额定值。在每个相a、b、c上，有电压额定值为2v的(n-1)个第一电力电池12(高压电池)并且仅有一个电压额定值为v的第二电力电池12(低压电池)。应当理解的是，具有低电压额定值的电力电池12可设置在相a、b、c内的任意位置处，即，低电压额定值的电力电池12可为第一个、最后一个、或为一个相内的任何其他电力电池12。
-第一和第二电力电池12分别输出多个电压电平，第一电力电池输出的电压电平多于第二电力电池。所有电力电池12都以相同的开关频率开关。每个高压电池(即，第一电力电池12)输出三个电平(+2v、0、-2v)而每个低压电池(即，第二电力电池12)仅输出两个电平(+v，-v)。特别地，相a、b、c的第二电力电池的电压额定值为第一电力电池的电压额定值的50％。
-电力电池12均采用新的相移脉宽调制(pspwm)方案来进行调制。所描述的pspwm方案确保相电压的整个开关纹波对应于：
f等效＝(2·n-1)·fs(2)
其中，(n-1)为每个相a、b、c的高压电池的数量，而fs为所有电力电池12(即，低压和高压电力电池12)的开关频率。输出电压仅包括幅度为2v的梯级。利用所拟定的pspwm方案，相输出电压具有2*n个电平，总为偶数，其中n为所有电力电池12的数量。
-利用pspwm方案，多个载波信号包括具有大体上为三角形状的波形，并且参考信号包括具有大体上为正弦形状的波形。第一电力电池和第二电力电池12分别包括具有多个开关设备q1-qn的第一和第二开关支路。每个第一电力电池12的第一和第二开关支路都使用单独的载波信号，第二开关支路的参考信号与第一开关支路的参考信号反相。每个第二电力电池12的第一和第二开关支路都使用相同的载波信号。
-多电平变换器的相a、b、c的第一和第二电力电池12的多个载波信号之间的相移tshift为：
其中，(n-1)为第一电力电池的数量，而fs为开关频率。
-具有多个绕组的18脉冲变压器向每个电力电池12提供隔离电压。每个相a、b、c的所有电池12都从具有相同相移的变压器绕组通电。例如，相a上的所有电力电池12都包括具有20度相移的变压器绕组，相b上的所有电力电池12都包括具有0度相移的变压器绕组，并且相c上的所有电力电池12都包括具有-20度相移的变压器绕组(参见图2)。
本文中描述的级联多电平变换器的示例为西门子公司所制造的完美无谐波(perfectharmony)
本文中描述的级联多电平变换器10的拟定设计提供了，例如：
-通过减少某一电压所需电力电池12的数量来降低电驱动系统1的总体成本。
-将低压电池和一定数量的高压电池12相结合相比仅使用高压电池而言得到了进一步的优化并降低了成本。
-拟定控制方法pspwm本质上仅包括三个相a、b、c的不同相移，其中两种电力电池12之间有所区别。
以示例性形式公开本发明实施例的同时，对本领域技术人员明显的是在不脱离下面权利要求所述的本发明精神和范围及其等同物的前提下，可对此作出多种修改、添加和删除。