具有减小的共模电压的多电平转换器系统和方法
【技术领域】
[0001] 本申请总体上涉及功率转换，更特别地涉及一种具有减小的共模电压的多电平转 换器系统和方法。
【背景技术】
[0002] 多电平转换器可以用于对交流电（AC)整流以产生直流电（DC)，还可以用于生成 用于在电动机或其他功率转换系统中使用的AC输出电压。这种模块化形式的转换器可特 别用于需要较大输出电压的情形。多电平电压源转换器架构包括快速或开关电容器设计、 中性点箝位（NPC)设计、模块化多电平转换器（MMC)以及级联类型和混合类型。NPC设计包 括连接在DC输入两端以提供中性点的一对电容器以及连接在DC总线两端的一系列开关， 其中，每个电容器被充电至DC输入值的一半，并且一对二极管将中间开关节点连接至中性 点。可以使用空间矢量调制技术来操作这些或其他形式的多电平转换器以生成适用于各个 多电平转换器级的开关控制信号，例如以便提供可变频率、可变幅度多相输出电压从而驱 动电机或其他负载。典型的空间矢量调制方法利用逆变器电路可以提供的全部或大部分可 用输出功率，然而典型的空间矢量调制方案中对全部可能的开关状态的使用会导致功率转 换系统中不可接受的共模电压。因此，仍然需要改善对多电平功率转换器的空间矢量调制 的控制以便于减小共模电压。
【发明内容】
[0003] 现在对本公开内容的多个方面进行概述以便于基本理解本公开内容，其中，本概 述不是本公开内容的详尽综述，而且既不意在识别本公开内容的某些元素也不意在限定其 范围。相反，本概述的主要目的在于在下文中呈现的更详细的描述之前以简化的形式呈现 本公开内容的多种概念。
[0004] 本公开内容提供了可以通过其缓和电动机和其他功率转换系统应用中的系统共 模电压及关联问题的多电平转换器系统和操作技术。公开了用于操作组成通过中间DC总 线电路耦接到多相多电平逆变器电路的多相有源整流器的所谓的背对背多电平转换器的 多种技术，其中，以使得能够促进完全或至少部分消除整流器和逆变器各自的共模电压贡 献的方式来控制整流器的和逆变器的多电平转换器的空间矢量调制。此外，公开了用于操 作或与有源整流器或与其他DC输入源耦接的多电平逆变器系统的空间矢量调制技术，其 中，仅采用可能的开关状态的子集用于生成开关控制信号，其中，所选开关状态为多电平级 的共模电压贡献在其下为正的或负的最小值的开关状态。通过这些技术，在保留多电平转 换级架构的其他成本、性能以及低复杂度优点的同时，关于共模电压问题增强了多种形式 的多电平转换器的可应用性。
[0005] 根据本公开内容的一个或更多个方面，公开了一种功率转换系统，该系统包括具 有两个或更多个多电平整流器转换器级的有源整流器连同DC总线电路以及包括多个多电 平逆变器级的逆变器。该系统还包括提供整流器开关控制信号和逆变器开关控制信号以促 进抵消或消除整流器和逆变器的共模电压贡献的控制器。可以通过使用任何适当的多电平 转换器级拓扑结构来构造整流器和逆变器以及该系统，包括但不限于嵌套式中性点箝位型 转换器、中性点箝位型转换器、快速电容转换器级、级联H电桥电路、模块化多电平转换器 等以及多种开关电容实现，诸如具有用于生成多电平信号的充电电容器的嵌套式中性点转 换器。可以使用非同步调制来操作整流器和逆变器，并且可以以不同的开关频率来操作整 流器和逆变器，每种方式都会产生恒定的共模电压贡献，其中，控制器提供对各个共模电压 贡献的抵消或消除。控制器可以通过以下操作来提供整流器开关控制信号和逆变器开关控 制信号以调节开关电容器电压：例如，通过选择与多电平转换器级关联的一个或更多个电 平的冗余输出状态以调节转换器级电容器两端的电压来控制开关电容器充电和放电。
[0006] 在多个实施方式中，该系统可以采用具有任意合适数目的关联电平的多电平转换 器。此外，在某些实施方式中，当整流器和逆变器二者的调制指数低于预定值时，控制器选 择性地采用可能的空间矢量调制开关状态的同一子集用于整流器和逆变器二者的空间矢 量调制控制，其中，一个可能的子集包括关联共模电压贡献在其下为最小正值的开关状态， 而第二可能的子集包括共模电压贡献在其下为最小负值的状态。通过该技术，促进了对全 部或至少部分共模电压贡献的消除。对于整流器或逆变器的更高的调制指数的操作，控制 器的某些实施方式采用上述两个子集用于整流器和逆变器的空间矢量调制，从而在实现对 功率转换系统的额定输出能力的更完全的使用的同时提供对共模电压问题的控制。
[0007] 根据本公开内容的另外的方面提供了一种用于操作具有使用多个多电平转换器 级构造的有源整流器和逆变器电路的多相AC-AC转换器系统的方法，包括向整流器和逆变 器的多电平级提供开关控制信号以便于抵消整流器和逆变器的共模电压贡献。该方法还可 以包括基于对应转换器级的共模电压贡献在其下为最小的可能的开关状态的对应子集根 据对应的整流器参考矢量和逆变器参考矢量提供开关控制信号。该方法还可以包括基于转 换器级的平均共模电压贡献为零的已创建的虚拟空间矢量来向对应的整流器级和逆变器 级提供开关控制信号，从而便于消除共模电压中的低阶谐波分量。
[0008] 根据本公开内容的另外的方面，公开了一种功率转换器和操作方法，其中，多相多 电平转换器设置有多个多电平转换器级，并且控制器仅使用关联共模电压贡献在其下为最 小正值或最小负值或者关联组合的平均共模电压贡献在其下为零的可能的开关状态的子 集或这些可能的开关状态的特殊组合经由空间矢量调制来向各个级提供开关控制信号。
【附图说明】
[0009] 以下的描述和附图详细阐述本公开内容的某些说明性实现，这些说明性实现表示 可以实现本公开内容的多种原理的若干示例性方式。然而，所示示例不排除本公开内容的 很多可能的实施方式。在结合附图考虑时，在以下详细描述中阐述本公开内容的其他目标、 优点和新特征。在附图中：
[0010] 图1是示出根据本公开内容的一个或更多个方面的示例性嵌套式中性点箝位型 (NNPC)多电平功率转换器的示意图，该NNPC多电平功率转换器包括逆变器电路和开关电 容器电路并且具有控制器，控制器使用冗余开关状态选择来控制对第一快速电容器和第二 快速电容器的充电和放电以在控制共模电压的同时提供多电平输出电压以及调节快速电 容器电压；
[0011] 图2是示出用以提供具有基本等间隔的步长的4电平电压输出的图1的NNPC功 率转换器的开关状态的示例性集合的局部示意图；
[0012] 图3是示出用于提供三相电压输出以驱动电动负载的三个NNPC功率转换器及关 联的DC电源的不意图；
[0013] 图4是示出图1和图2的NNPC功率转换器的4电平线与中性点间电压输出波形 的曲线图；
[0014] 图5是示出图3的三相电动机实现的7电平线与线间电压输出波形的曲线图；
[0015] 图6是图示示出图3的三相功率转换系统的可能的NNPC模块线与中性点间输出 电平的示例性空间矢量调制图的曲线图；
[0016] 图7是示出用以向一个或更多个NNPC功率转换器提供开关控制信号以提供多电 平输出电压以及控制将快速电容器充电或放电至预定电平的、图1和图2的NNPC功率转换 器控制器中的示例性脉冲宽度调制过程的流程图；
[0017] 图8是示出与图3的三相功率转换系统的、图6的空间矢量调制图中的可能的 NNPC模块输出电平关联的系统共模电压的表格；
[0018] 图9是仅使用图8中提供+VDe/18共模电平的开关状态的、图3的三相系统的整流 器NNPC级或逆变器NNPC级的第一类操作（A类）的空间矢量调制图；
[0019] 图10是仅使用图8中提供-VDe/18共模电平的开关状态的、图3的系统的第二类 操作（B类）的空间矢量调制图；
[0020] 图11是包括在操作图3的系统时提供+VDe/18或_VDe/18共模电平的开关状态的 子集的空间矢量调制图；
[0021] 图12图示示出根据本公开内容的一个或更多个方面的用于减小图3的系统中的 共模电压电平的、整流器的和逆变器的不同类型的操作（A类或B类）的表格；
[0022] 图13是根据本公开内容的另外的方面的使用24个初始开关矢量和初始矢量所形 成的一些虚拟矢量来操作三相多电平逆变器的空间矢量调制图；
[0023] 图14是示出使用四个初始矢量和使用这四个初始矢量在中心合成的虚拟矢量对 图13中的空间矢量调制图的具体六角形区域的区段的低调制指数部分中的参考矢量进行 示例性合成的局部空间矢量调制图；
[0024] 图15图示示出使用三个初始矢量和使用这三个初始矢量在中心合成的虚拟矢量 对图13和图14的空间矢量调制图的六角形区域中的区段的高调制指数部分中的参考矢量 进行示例性合成的空间矢量调制图；
[0025] 图16图示示出用于操作图14和图15的示例中的多电平逆变器级的示例性空间 矢量调制开关序列的表格；
[0026] 图17示出图13的空间矢量调制图的三角形部分；
[0027] 图18提供示出用于在图17的空间矢量调制图的三角形区域中操作系统的三个示 例性5段开关序列的表格；
[0028] 图19是示出用于操作图3的三相多电平逆变器以基于对虚拟矢量的专门使用来 减小共模系统电压的大小和低阶谐波分量二者的多个虚拟矢量和原始矢量的空间矢量调 制图；
[0029] 图20示出图19的空间矢量调制图中的六角形区域，其中，拐点和中心定义其平均 共模电压对于控制系统共模电压而言为零的虚拟矢量；
[0030] 图21至图23示出在某些空间矢量调制实施方式中使用初始矢量来合成示例性虚 拟矢量；以及
[0031] 图24至图31提供示出示例性仿真共模电压波形和频谱的曲线图。
【具体实施方式】
[0032] 现在参考上述图，在下文中结合附图描述若干实施方式或实现，其中，相似的附图 标记自始至终用于指代相似的元素，并且各个特征并非一定按比例绘制。
[0033] 下文中在嵌套式中性点箝位型（NNPC)多电平转换器级100的上下文中公开空间 矢量调制（SVM)操作过程和功率转换装置，然而可以在适于空间矢量调制的其他形式和类 型的多电平转换器级--包括但不限于开关电容器多电平转换器、级联多电平转换器诸如 级联H电桥（CHB)、中性点箝位型（NPC)多电平转换器级、模块化多电平转换器（MMC)、NNPC 级等--中使用本公开内容的多各方面和构思。
[0034] 首先，参考图1，示出了根据本公开内容的一个或更多个方面的示例性4电平NNPC 转换器级100,其可以与其他这样的级100组合以形成多相多电平功率转换系统。所描述的 嵌套式NPC型功率转换器100可以用于形成驱动任何类型的负载的单相或多相电源，并且 所描述的功率转换器和功率转换系统可以用于电动机中。然而，本公开内容的多个构思并 不限于任何具体应用，而是可以用在驱动任何类型的负载的任何形式的功率转换系统中。 此外，多电平级100可以用于形成用于DC-AC转换的逆变器，诸如电动机的输出级，和/或 级100可以用于形成用以对所接收的单相或多相AC输入功率进行转换以提供DC输出功率 的多电平整流器电路。如从图1中可知，转换器级100分别具有第一 DC端子101和第二DC 端子102以及AC端子120。第一 DC端子101和第二DC端子102在逆变器应用的情况下为 输入，AC端子120在逆变器应用的情况下提供单相AC输出电压及关联的输出电流i wt以驱 动负载（未不出）。
[0035] 图1的级100在本文中被称为嵌套式中性点钳位型（NNPC)功率转换器，并且包括 嵌套有NPC类型的逆变器电路110的开关电容器（例如，快速电容器）电路104。NNPC多电 平转换器的示例在2013年6月20日提交的题为MULTILEVEL VOLTAGE SOURCE CONVERTERS AND SYSTEMS并且被转让给本专利的受让人的美国专利申请序列第13/922, 401号中进行 了示出和描述，其全部内容因此通过引用合并在本文中。虽然本文中称为NNP