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技术

一种多电平变换器(10)，包含具有多个相(U、V、W)的供电组件，以及具有第一电力电池(12)和第二电力电池(12)的电力电池组件。第一电力电池(12)和第二电力电池(12)具有相同的拓扑和相同的电流额定值，并向供电组件的多个相(U、V、W)供电。多个相(U、V、W)中的每一个相均包含电力电池组件的第一电力电池(12)和第二电力电池(12)，第一电力电池(12)和第二电力电池(12)的电压额定值不同。此外，公开了一种用于控制多电平变换器(10)的方法和包括多电平变换器(10)的电驱动系统(1)。

Medium voltage hybrid multilevel converter and method for controlling medium voltage hybrid multilevel converter

A multilevel converter (10) comprising a power supply component with a plurality of phases (U, V, W), and an electric battery assembly with a first electric battery (12) and a second power battery (12). The first power cell (12) and the second power cell (12) have the same topology and the same current rating and supply power to multiple phases (U, V, W) of the power supply module. Each phase in the multiple phases (U, V, W) contains the first electric battery (12) and the second electric battery (12) of the power cell assembly, and the voltage rating of the first electric battery (12) and the second power battery (12) is different. In addition, a method for controlling a multilevel converter (10) and an electric drive system (1) including a multilevel converter (10) are disclosed.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
简而言之，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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示出了根据本专利技术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示出了根据本专利技术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示出了根据本专利技术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示出了根据本专利技术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示出了根据本专利技术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示出了根据本专利技术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示出了根据本专利技术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示出了根据本专利技术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示出了根据本专利技术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专利技术的实施例、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，本专利技术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专利技术实施例的范围之内。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，例如但不限于诸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多电平变换器(10)，包括：供电组件，该供电组件包括多个相(U、V、W)；以及电力电池组件，该电力电池组件包括第一电力电池(12)和第二电力电池(12)，所述第一电力电池(12)和所述第二电力电池(12)包括相同的拓扑和相同的电流额定值，其中，所述第一电力电池(12)和所述第二电力电池(12)向所述供电组件的所述多个相(U、V、W)供电，并且其中，所述多个相(U、V、W)中的每一个相均包括所述电力电池组件的所述第二电力电池(12)和至少一个所述第一电力电池(12)，所述第一电力电池(12)和所述第二电力电池(12)的电压额定值不同。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.19 US 14/886,4961.一种多电平变换器(10)，包括：供电组件，该供电组件包括多个相(U、V、W)；以及电力电池组件，该电力电池组件包括第一电力电池(12)和第二电力电池(12)，所述第一电力电池(12)和所述第二电力电池(12)包括相同的拓扑和相同的电流额定值，其中，所述第一电力电池(12)和所述第二电力电池(12)向所述供电组件的所述多个相(U、V、W)供电，并且其中，所述多个相(U、V、W)中的每一个相均包括所述电力电池组件的所述第二电力电池(12)和至少一个所述第一电力电池(12)，所述第一电力电池(12)和所述第二电力电池(12)的电压额定值不同。2.根据权利要求1所述的多电平变换器(10)，其中，所述第一电力电池(12)的电压额定值高于所述第二电力电池(12)的电压额定值。3.根据权利要求2所述的多电平变换器(10)，其中，所述第一电力电池和所述第二电力电池(12)输出多个电压电平，所述第一电力电池(12)输出的电压电平多于所述第二电力电池(12)。4.根据权利要求1所述的多电平变换器(10)，其中，所述多个相(U、V、W)中的每一个相均包括一个第二电力电池(12)和至少一个第一电力电池(12)，所述一个第二电力电池(12)的电压额定值为所述至少一个第一电力电池(12)的电压额定值的50％。5.根据权利要求1所述的多电平变换器(10)，其中，脉宽调制控制器(30)可操作地耦合至所述第一电力电池和所述第二电力电池(12)中的每一个，以通过脉宽调制来控制所述第一电力电池和所述第二电力电池(12)的开关事件，其中，所述第一电力电池(12)和所述第二电力电池(12)以相同的开关频率(FS)开关。6.根据权利要求5所述的多电平变换器(10)，其中，每个电力电池(12)包括包含半导体开关(Q1-Q8)的至少一个开关支路(18a、18b)；并且所述脉宽调制控制器(30)控制所述至少一个开关支路(18a、18b)的开关事件。7.根据权利要求1所述的多电平变换器(10)，其中，变压器(2、L1、L2、L3)可操作地耦合至所述第一电力电池和所述第二电力电池(12)，用于向每个所述第一电力电池和每个所述第二电力电池(12)提供隔离电压，其中，向所述第一电力电池和所述第二电力电池(12)提供的电压设置有相移。8.根据权利要求7所述的多电平变换器(10)，其中，相(A、B、C)的所述第一电力电池和所述第二电力电池(12)包括具有相同相移的变压器绕组。9.根据权利要求1所述的多电平变换器(10)，其中，相(A、B、C)的所述第一电力电池和所述第二电力电池(12)串联连接，所述第一电力电池和所述第二电力电池(12)包括相同的拓扑，该相同的拓扑包括单向H桥逆变器，该单向H桥逆变器包括二极管前端整流器(D1-D12)。10.一种用于控制多电平变换器(10)的方法，包括：通过基于与参考信号相比的多个载波信号(32、34、36)生成脉宽调制信号，对电力电池组件进行开关的多个开关设备(Q1-Q8)，其中，所述多个开关设备...

【专利技术属性】
技术研发人员：利维乌·米哈拉凯，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE