用于多电平转换器的电压平衡系统和方法技术方案

本发明专利技术公开一种操作快速电容器多电平转换器的方法，所述快速电容器多电平转换器具有一个直流链路和多个相支路，每个所述相支路具有多个快速电容器，所述方法包括：采用冗余状态，通过对快速电容器进行充电或放电来平衡快速电容器电压。通过获得所述快速电容器多电平转换器的负载电流来采用所述冗余状态。如果负载电流值低于阈值，则利用相端子电容器的电容器电流来确定冗余状态，否则利用负载电流方向来确定所述冗余状态。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的实施例涉及多电平转换器，并且更确切地，涉及一种用于在多电平转换器中进行电压平衡的系统和方法。
技术介绍
多电平转换器通常用于如变速驱动(VSD)系统的高功率工业应用中或用于如太阳能(或光伏)发电系统、风力涡轮发电机和高压直流(HVDC)传输系统的能量转换应用中。多电平转换器的一个实例是快速电容器(flying capacitor) (FC)多电平转换器。快速电容器多电平转换器包括许多称为快速电容器的电容器。快速电容器被充电至不同电压电平，并且通过改变切换状态，所述快速电容器和dc电源以不同方式连接并且产生各种线与中性点间的(line-to-neutral)输出电压。 在操作快速电容器多电平转换器时，快速电容器的电压平衡是一项挑战。快速电容器电压不平衡(即，跨过快速电容器的不相等电压)可能使所述电容器和切换设备受应力过度，并且在转换器的操作期间引起过电压和欠电压跳闸。快速电容器电压不平衡还会引起输出电压总谐波失真(THD)的增大，并且可使得控制回路变得不稳定。 用于平衡快速电容器的电压的已知解决方案之一使用另外的平衡电路。然而，所述平衡电路增加了快速电容器多电平转换器的成本、损失、体积，并且还需要仔细地设计。 因此，期望提供一种将解决上述问题的方法和系统。
技术实现思路
根据本专利技术的一个实施例，提供一种操作快速电容器多电平转换器的方法，所述快速电容器多电平转换器包括一个直流链路和多个相支路(Phase leg)，每个所述相支路具有多个快速电容器。所述方法包括:采用冗余状态，通过对快速电容器进行充电或放电来平衡快速电容器电压。采用冗余状态包括:获得快速电容器多电平转换器的负载电流；和在负载电流值低于阈值时，利用相端子电容器的电容器电流来确定冗余状态。当所述负载电流值高于所述阈值时，利用负载电流方向来确定冗余状态。 根据本专利技术的另一个实施例，提供一种包括转换器的多电平转换器系统，所述转换器包括一个直流链路和多个相支路，每个所述相支路具有多个快速电容器和转换器控制器。所述转换器控制器配置用于:采用冗余状态，通过对多个快速电容器进行充电或放电来平衡快速电容器电压。所述转换器控制器通过以下方式采用冗余状态:当负载电流值低于阈值时，利用相端子电容器的电容器电流来确定冗余状态；并且当所述负载电流值高于所述阈值时，利用负载电流方向来确定冗余状态。 【附图说明】 在参照附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本专利技术的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，类似的字符代表所有附图中类似的部分，其中: 图1是用于根据本专利技术技术的一个实施例使用的示例性快速电容器多电平转换器的一个支路和其输出波形的示意图； 图2是用于根据本专利技术技术的一个实施例使用的另一个快速电容器多电平转换器的一个支路的示意图； 图3是用于根据本专利技术技术的一个实施例使用的快速电容器三相五电平转换器的不意图； 图4是根据本专利技术技术的一个实施例的用于控制快速电容器五电平转换器的一个支路的操作的状态机图； 图5是用于根据本专利技术技术的一个实施例使用的具有相端子电容器的快速电容器多电平转换器的一个支路的电路图；以及 图6是表示根据本专利技术技术的一个实施例的操作快速电容器多电平转换器的方法的框图。 【具体实施方式】 图1示出示例性快速电容器(FC)多电平转换器的一个支路或一相和其输出波形12的示意图10。应注意，示意图10仅是快速电容器多电平转换器的一个实例，并且快速电容器多电平转换器的其他变体(如图2中所示的一个)充分地在本专利技术技术的范围内。快速电容器多电平转换器的一个支路14包括:四个单向切换设备16、18、20和22，两个双向切换设备24和26，以及两个快速电容器28和30。在一个实施例中，两个直流(DC)链路电容器32和34中的每一个受控制，以具有约等于Vdc / 2的电压，其中Vdc是总DC链路电压。在DC链路38的中心点或中性点36与相端子40之间测量支路14的输出相电压Van。如输出波形12中所不,输出相电压Van具有五个电压电平:两个正电压电平(Vdc / 2和Vdc / 4)、一个零电压电平(O)和两个负电压电平(-Vdc / 2和-Vdc / 4)。因为输出相电压Van具有五个电平，所以这个转换器称为五电平转换器。应注意，在这个实施例中，输出线间电压(即，两个相端子之间的电压)将具有九个电压电平。 在示意图10中，如果跨过快速电容器28和30的电压不等于Vdc / 4，那么这可能导致输出相电压中的不相等电压阶跃(voltage step)。一般来说，假设跨过快速电容器28和30的电压为Vdc / 4，则切换设备18、20和26也是额定的。现在，当跨过快速电容器28或30的电压变得高于Vdc / 4时，切换设备18、20和26也可经历跨过它们的更高电压(即，其将受应力过度)。因此，在本专利技术技术的一个实施例中，公开了一种平衡跨过快速电容器多电平转换器中的快速电容器的电压的控制系统和方法。 图2示出用于根据本专利技术技术的一个实施例使用的另一个快速电容器多电平转换器的一个支路或一相50的示意图。在这个实施例中，快速电容器多电平转换器的一个支路50包括DC链路52、快速电容器54、顶部切换设备56和底部切换设备58。在相端子59处测量的输出相电压将具有五个电压电平:两个正电压电平(Vdc / 2和Vdc / 4)、一个零电压电平(O)和两个负电压电平(-Vdc / 2和-Vdc / 4)，所述电压电平分别使用顶部切换设备56和底部切换设备58的各种切换组合获得。 图3示出用于根据本专利技术技术的一个实施例使用的快速电容器三相五电平转换器60的不意图。一般来说,转换器60是图1中所不的转换器的三相表不。转换器60包括:具有中性点64以及电容器66和68的DC分流链路62 ;和具有相应三个相端子76、78和80 (相a、b和c)的三个切换支路70、72和74。三相负载82连接到三个相输出端子76、78和80。转换器控制器84基于各种输入(未示出)向切换支路70、72和74的切换设备提供切换脉冲命令，所述输入例如像参考三相电压、相电流方向、DC链路电压和快速电容器电压。在一个实施例中，术语“控制器”是指软件元件和硬件元件、或执行或促进本说明书所述程序的任何系统、程序或功能的任何组合。如前面所述，相端子76、78和80处的输出相电压将具有五个电平，即，Vdc / 2、Vdc / 4,0,-Vdc / 4和-Vdc / 2。 图4示出根据本专利技术技术的一个实施例的用于控制快速电容器五电平转换器的一个支路14(图1)的操作的状态机图100。在一个实施例中，状态机100可由转换器控制器84来采用。状态机100包括分别用于两个输出电压电平Vdc / 2和-Vdc / 2的两个切换状态102和118。此外，两个输出电压电平Vdc / 4和-Vdc / 4各自存在两个切换状态(104、106和114、116)。换句话说，切换状态104和106是冗余的，并且它们中的任一个可用于获得输出电压电平Vdc / 4。类似地，切换状态114和116是冗余的，并且可用于获得输出电压电平-Vdc / 4。针对零(O)输出电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于操作快速电容器多电平转换器的方法，所述快速电容器多电平转换器包括一个直流链路和多个相支路，每个所述相支路具有多个快速电容器，所述方法包括：采用冗余状态，通过对快速电容器进行充电或放电来平衡快速电容器电压，其中采用冗余状态包括：获得所述快速电容器多电平转换器的负载电流；当负载电流值低于阈值时，利用相端子电容器的电容器电流来确定冗余状态；以及当所述负载电流值高于所述阈值时，利用负载电流方向来确定冗余状态。

【技术特征摘要】
2013.03.29 US 13/8533351.一种用于操作快速电容器多电平转换器的方法，所述快速电容器多电平转换器包括一个直流链路和多个相支路，每个所述相支路具有多个快速电容器，所述方法包括: 采用冗余状态，通过对快速电容器进行充电或放电来平衡快速电容器电压，其中采用冗余状态包括: 获得所述快速电容器多电平转换器的负载电流； 当负载电流值低于阈值时，利用相端子电容器的电容器电流来确定冗余状态；以及 当所述负载电流值高于所述阈值时，利用负载电流方向来确定冗余状态。2.如权利要求1所述的方法，其中所述相端子电容器包括滤波电容器或相端子杂散电容。3.如权利要求1所述的方法，其中基于包括以下各项的参数来确定所述阈值:所述相端子电容器的电容值、所述快速电容器多电平转换器的相端子处的电压变化以及所述快速电容器多电平转换器的切换频率和工作周期。4.如权利要求1所述的方法，其中通过使所述相端子电容器的电荷与由负载电流所产生的电荷相等来确定所述阈值。5.如权利要求1所述的方法，其中利用所述相端子电容器的所述电容器电流包括:基于所述快速电容器多电平转换器的相端子处的预期电压转变来确定相端子电容器电流方向。6.如权利要求5所述的方法，其中确定所述相端子电容器电流方向包括:如果所述预期电压转变是从高到低，则将所述相端子电容器电流方向标记为流入所述相端子中。7.如权利要求5所述的方法，其中确定所述相端子电容器电流方向包括:如果所述预期电压转变是从低到高，则将所述相端子电容器电流方向标记为流出所述相端子。8.如权利要求5所述的方法，其中基于参考电压值来确定所述快速电容器多电平转换器的相端子处的所述预期电压转变。9.如权利要求1所述的方法，其中冗余切换状态包括产生相等电压的至少两个切换状态。10.如权利要求9所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：S施罗德，Q陈，
申请(专利权)人：通用电气能源能量变换技术有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB