控制器、电能变换系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明公开的实施方式涉及电能变换系统，特别涉及一种在电能变换系统或者控制器中运行的新的调制方法。
【背景技术】
[0002]变换器(Converter) —般被用作能量变换装置，以将一种形式的能量变换成另一种形式的能量，例如，将直流电能转换成交流电能。特别地，多电平变换器，例如，三电平、五电平以及更高电平等级的变换器等，由于其较好的输出波形品质以及较高的耐压能力，在很多工业领域取得逐渐广泛的应用，以给特定的负载(例如，交流电机等)提供交流输出电压或者交流输出电流。
[0003]现有的多电平变换器，例如通过两个或者两个以上模块单元嵌套在一起形成的具有中点导向(Neutral Point Piloted，NPP)拓扑架构的多电平变换器(例如，五电平变换器)存在的一个技术问题是:在负载(例如，交流电机)的启动阶段，由于调制指数(modulat1n index)比较低，该多电平变换器中部分开关器件(包括二极管和开关管等)相对其他开关器件存在较大的损耗(例如，导通损耗)或者多个开关器件之间的热状况不平衡，从而导致部分开关器件承受较大的热应力(thermal stress).为了避免该部分开关器件因为局部承受过大的热应力而被损坏，现有的一种解决方案是在启动阶段使电流降额(de-rated)输出，但该方案不适用于需要提供满载转矩(full torque)输出的场合,包括但不限于升降电梯等，从而无法最大化利用该多电平变换器的输出能力。因此，有必要设计一种新的解决方案，在低调制指数时不使电流降额输出或者尽可能少的使电流降额输出，以解决现有技术所存在的问题。
【发明内容】
[0004]有鉴于上文提及之技术问题，本专利之发明人匠心独运，发明了一种可以执行新的调制方法的电能变换系统。该电能变换系统包括:控制器和具有多个开关器件的多电平变换器。该多电平变换器工作时可以提供多电平输出电压，该多电平输出电压包括至少一个正电平电压，至少一个零电平电压以及至少一个负电平电压。该控制器与该多电平变换器通信，该控制器被设置成至少根据该多电平输出电压的幅值而工作在至少一个正常的调制模式和一个热平衡调制模式。在该热平衡调制模式下，该控制器被配置成发送控制信号给该多电平变换器，在至少三个电流路径中选择其中至少一者，使得该多电平变换器在选择该三个电流路径中任一者时均提供该零电平电压，以降低该多电平变换器中至少部分开关器件的热应力。
[0005]本发明的另一个方面在于提供一种电能变换系统。该电能变换系统包括多电平变换器和控制器。该多电平变换器包括多个开关器件，该多个开关器件被配置成将直流环节处的直流电压转换成多电平交流电压，以供电机使用。该控制器与该多电平变换器通信，该控制器包括调制模式选择单元，第一脉冲样式分配单元以及第二脉冲样式分配单元。该调制模式选择单元用于在确定出该电机工作在第一状况时产生第一调制模式信号，并在确定出该电机工作在第二状况时产生第二调制模式信号。该第一脉冲样式分配单元与该调制模式选择单元连接，该第一脉冲样式分配单元被配置成根据该第一调制模式信号产生第一脉冲信号，该第一脉冲信号用于控制该多个开关器件以平衡该多个开关器件的热状况。该第二脉冲样式分配单元与该调制模式选择单元连接，该第二脉冲样式分配单元被配置成根据该第二调制模式信号产生第二脉冲信号，该第二脉冲信号用于控制该多个开关器件进行正常的电能变换操作。
[0006]本发明的另一个方面在于提供一种控制器。该控制器用于发送控制信号给多电平变换器，以控制该多电平变换器输出多电平交流输出电压给电机。该交流输出电压至少包括第一电平电压，第二电平电压和第三电平电压，且该第二电压电压大于该第三电平电压小于该第一电平电压。该多电平变换器包括第一飞跨电容和第二飞跨电容。该控制器被配置成在该电机工作在启动阶段时发送该控制信号给该多电平变换器，使得在该多电平变换器至少存在三种工作状态对应相同的第二电平电压。在第一种工作状态时，该第一飞跨电容和该第二飞跨电容不被充电也不被放电，在第二种工作状态时，该第一飞跨电容被充电而该第二飞跨电容被放电，在第三种工作状态时，该第一飞跨电容被放电而该第二飞跨电容被充电。
[0007]本发明的另一个方面在于提供一种方法，该方法用于控制变换器装置的运作，使其可以提供多电平输出电压给负载。该方法至少包括如下步骤:判断由该变换器提供电能的负载是否工作在第一状况还是第二状况；在判断出该负载工作在第一状况时产生第一脉冲信号，以在至少三个不同的电流路径中选择至少一者，使得该变换器在选择任一电流路径时可以提供相同电平电压的输出；以及在判断出该负载工作在第二状况时产生第二脉冲信号，使得变流器执行正常的电能变换操作。
[0008]本发明提供的电能变换系统，控制器和方法，通过控制多电平变换器在低调制指数时选择性地使用冗余的电流路径来平衡其多个开关器件的热状况，从而可以不降额输出电流或者少降额输出电流，取得了有益的技术效果。
【附图说明】
[0009]通过结合附图对本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中:
[0010]图1所示为本发明提出的电能变换系统的一种实施方式的模块示意图；
[0011]图2所示为图1所示的电能变换系统的变换器装置的一种实施方式的详细拓扑架构示意图；
[0012]图3所示为在图1所示的电能变换系统的控制器中执行的热平衡调制模块的一种实施方式的功能模块示意图；
[0013]图4所示为在图1所示的电能变换系统的控制器中执行的热平衡调制模块的另一种实施方式的功能模块示意图；
[0014]图5-7所示为图2所示的变换器装置输出“O”电平电压时存在的三种不同电流路径的工作状态示意图；
[0015]图8-9所示为图2所示的变换器装置输出“I”电平电压时存在的两种不同电流路径的工作状态示意图；
[0016]图10-11所示为图2所示的变换器装置输出“-1”电平电压时存在的两种不同电流路径的工作状态示意图；
[0017]图12所示为图2所示的变换器装置在理想状态下其输出电压和飞跨电容电压半个周期内的波形示意图；
[0018]图13-14分别为运行传统的调制方法和本发明提供的调制方法在图2所示的变换器装置中的一个二极管和开关管中所产生的波形示意图；以及
[0019]图15所示为本发明提供的方法的一种实施方式的流程图。
【具体实施方式】
[0020]首先，在下文详细描述的本发明的实施方式涉及变换器(Converter，或者也称作变流器、变频器等，以下统称作变换器)，该变换器一般用于执行能量变换操作，以单向地或者双向地将一种形式的能量(例如直流电或者交流电)转换成另一种形式的能量(例如，直流电或者交流电)。特别地，本发明提出一种新的变换器控制方法或者调制方法，该控制/调制方法用于控制具有嵌套式中点导向拓扑架构的多电平变换器(例如，五电平，七电平，九电平等)，并且在低调制指数工作时，针对特定的电平电压输出选择性地利用该变换器存在的冗余电流路径或者冗余组合开关状态，使该变换器中的多个开关器件按照一定的样式交替执行开关动作。在一些实施方式中，该控制/调制方法在执行时，电流路径的选择或者组合开关状态的分配使变换器中的飞跨电容的电压获得调节，或者进行平衡。通过执行本发明提出的控制/调制方法取得的技术效果是:在低调制指数工作时，由于局部开关器件避免遭受过大的热应力，因此各个开关器件可以取得较好的热平衡；此外，由于各个开关器件具有较好的热平衡状况，因此，不需要对变换器进行电流降额输出或者尽可能少的电流降额输出，从而在一些情况下可以提供大电流输出，以最大化利用变换器的输出能力。
[0021]图1所示为本发明提供的电能变换系统100的一种实施方式的模块示意图。基本而言，图示的电能变换系统100可以为任何合适的以变换器为主要部件的电能变换系统。特别地，在一些实施方式中，该电能变换系统100可以为基于多电平变换器的系统。该电能变换系统100可以应用到以下领域，包括但不限于:石化、造纸、矿山、冶金、发电厂、水处理厂，油气钻探，地铁，高铁，电梯等领域，以驱动特定的负载，例如电机，泵，风机，压缩机，传送装置等。
[0022]如图1所示，该电能变换系统100包括变换器装置120和控制器140，该变换器装置120和控制器140可以进行通信连接。在一种实施方式中，该控制器140可以与变换器装置120进行电连接，以通过一个或者多个电连接线路，例如电线，传送控制信号106给变换器装置120。在另外一种实施方式中，该控制器140也可以与变换器装置120进行光连接，以通过光通信线路，例如，一个或者多个光纤，传送控制信号106给变换器装置120。该控制器140可以包括任何合适的可编程电路或者装置，包括数字信号处理器(DigitalSignal Processor, DSP)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)以及专用集成电路(Applicat1nSpecific I