[發明專利]用于多電平轉換器的電壓平衡系統和方法

有效

• 申請號: 201410123012.3
• 申請日: 2014-03-28
• 公開（公告）號: CN104079196B
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發明（設計）人: S.施羅德;Q.陳
• 申請（專利權）人: 通用電氣能源能量變換技術有限公司
• 主分類號: H02M7/483
• 分類號: H02M7/483;H02M1/32
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 易皎鶴,胡莉莉

技術領域

本發明的實施例涉及多電平轉換器，并且更確切地，涉及一種用于在多電平轉換器中進行電壓平衡的系統和方法。

背景技術

多電平轉換器通常用于如變速驅動(VSD)系統的高功率工業應用中或用于如太陽能(或光伏)發電系統、風力渦輪發電機和高壓直流(HVDC)傳輸系統的能量轉換應用中。多電平轉換器的一個實例是快速電容器(flying capacitor)(FC)多電平轉換器。快速電容器多電平轉換器包括許多稱為快速電容器的電容器。快速電容器被充電至不同電壓電平，并且通過改變切換狀態，所述快速電容器和dc電源以不同方式連接并且產生各種線與中性點間的(line-to-neutral)輸出電壓。

在操作快速電容器多電平轉換器時，快速電容器的電壓平衡是一項挑戰。快速電容器電壓不平衡(即，跨過快速電容器的不相等電壓)可能使所述電容器和切換設備受應力過度，并且在轉換器的操作期間引起過電壓和欠電壓跳閘。快速電容器電壓不平衡還會引起輸出電壓總諧波失真(THD)的增大，并且可使得控制回路變得不穩定。

用于平衡快速電容器的電壓的已知解決方案之一使用另外的平衡電路。然而，所述平衡電路增加了快速電容器多電平轉換器的成本、損失、體積，并且還需要仔細地設計。

因此，期望提供一種將解決上述問題的方法和系統。

發明內容

根據本發明的一個實施例，提供一種操作快速電容器多電平轉換器的方法，所述快速電容器多電平轉換器包括一個直流鏈路和多個相支路(phase leg)，每個所述相支路具有多個快速電容器。所述方法包括：采用冗余狀態，通過對快速電容器進行充電或放電來平衡快速電容器電壓。采用冗余狀態包括：獲得快速電容器多電平轉換器的負載電流；和在負載電流值低于閾值時，利用相端子電容器的電容器電流來確定冗余狀態。當所述負載電流值高于所述閾值時，利用負載電流方向來確定冗余狀態。

根據本發明的另一個實施例，提供一種包括轉換器的多電平轉換器系統，所述轉換器包括一個直流鏈路和多個相支路，每個所述相支路具有多個快速電容器和轉換器控制器。所述轉換器控制器配置用于：采用冗余狀態，通過對多個快速電容器進行充電或放電來平衡快速電容器電壓。所述轉換器控制器通過以下方式采用冗余狀態：當負載電流值低于閾值時，利用相端子電容器的電容器電流來確定冗余狀態；并且當所述負載電流值高于所述閾值時，利用負載電流方向來確定冗余狀態。

附圖說明

在參照附圖閱讀以下詳細說明后，將更好地理解本發明的這些和其他特征、方面和優點，在附圖中，類似的字符代表所有附圖中類似的部分，其中：

圖1是用于根據本發明技術的一個實施例使用的示例性快速電容器多電平轉換器的一個支路和其輸出波形的示意圖；

圖2是用于根據本發明技術的一個實施例使用的另一個快速電容器多電平轉換器的一個支路的示意圖；

圖3是用于根據本發明技術的一個實施例使用的快速電容器三相五電平轉換器的示意圖；

圖4是根據本發明技術的一個實施例的用于控制快速電容器五電平轉換器的一個支路的操作的狀態機圖；

圖5是用于根據本發明技術的一個實施例使用的具有相端子電容器的快速電容器多電平轉換器的一個支路的電路圖；以及

圖6是表示根據本發明技術的一個實施例的操作快速電容器多電平轉換器的方法的框圖。

具體實施方式

圖1示出示例性快速電容器(FC)多電平轉換器的一個支路或一相和其輸出波形12的示意圖10。應注意，示意圖10僅是快速電容器多電平轉換器的一個實例，并且快速電容器多電平轉換器的其他變體(如圖2中所示的一個)充分地在本發明技術的范圍內。快速電容器多電平轉換器的一個支路14包括：四個單向切換設備16、18、20和22，兩個雙向切換設備24和26，以及兩個快速電容器28和30。在一個實施例中，兩個直流(DC)鏈路電容器32和34中的每一個受控制，以具有約等于Vdc／2的電壓，其中Vdc是總DC鏈路電壓。在DC鏈路38的中心點或中性點36與相端子40之間測量支路14的輸出相電壓Van。如輸出波形12中所示，輸出相電壓Van具有五個電壓電平：兩個正電壓電平(Vdc／2和Vdc／4)、一個零電壓電平(0)和兩個負電壓電平(-Vdc／2和-Vdc／4)。因為輸出相電壓Van具有五個電平，所以這個轉換器稱為五電平轉換器。應注意，在這個實施例中，輸出線間電壓(即，兩個相端子之間的電壓)將具有九個電壓電平。