控制器、電能變換系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開的實施方式涉及電能變換系統(tǒng)，特別涉及一種在電能變換系統(tǒng)或者控制器中運(yùn)行的新的調(diào)制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]變換器(Converter) —般被用作能量變換裝置，以將一種形式的能量變換成另一種形式的能量，例如，將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能。特別地，多電平變換器，例如，三電平、五電平以及更高電平等級的變換器等，由于其較好的輸出波形品質(zhì)以及較高的耐壓能力，在很多工業(yè)領(lǐng)域取得逐漸廣泛的應(yīng)用，以給特定的負(fù)載(例如，交流電機(jī)等)提供交流輸出電壓或者交流輸出電流。
[0003]現(xiàn)有的多電平變換器，例如通過兩個或者兩個以上模塊單元嵌套在一起形成的具有中點(diǎn)導(dǎo)向(Neutral Point Piloted，NPP)拓?fù)浼軜?gòu)的多電平變換器(例如，五電平變換器)存在的一個技術(shù)問題是:在負(fù)載(例如，交流電機(jī))的啟動階段，由于調(diào)制指數(shù)(modulat1n index)比較低，該多電平變換器中部分開關(guān)器件(包括二極管和開關(guān)管等)相對其他開關(guān)器件存在較大的損耗(例如，導(dǎo)通損耗)或者多個開關(guān)器件之間的熱狀況不平衡，從而導(dǎo)致部分開關(guān)器件承受較大的熱應(yīng)力(thermal stress).為了避免該部分開關(guān)器件因為局部承受過大的熱應(yīng)力而被損壞，現(xiàn)有的一種解決方案是在啟動階段使電流降額(de-rated)輸出，但該方案不適用于需要提供滿載轉(zhuǎn)矩(full torque)輸出的場合,包括但不限于升降電梯等，從而無法最大化利用該多電平變換器的輸出能力。因此，有必要設(shè)計一種新的解決方案，在低調(diào)制指數(shù)時不使電流降額輸出或者盡可能少的使電流降額輸出，以解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于上文提及之技術(shù)問題，本專利之發(fā)明人匠心獨(dú)運(yùn)，發(fā)明了一種可以執(zhí)行新的調(diào)制方法的電能變換系統(tǒng)。該電能變換系統(tǒng)包括:控制器和具有多個開關(guān)器件的多電平變換器。該多電平變換器工作時可以提供多電平輸出電壓，該多電平輸出電壓包括至少一個正電平電壓，至少一個零電平電壓以及至少一個負(fù)電平電壓。該控制器與該多電平變換器通信，該控制器被設(shè)置成至少根據(jù)該多電平輸出電壓的幅值而工作在至少一個正常的調(diào)制模式和一個熱平衡調(diào)制模式。在該熱平衡調(diào)制模式下，該控制器被配置成發(fā)送控制信號給該多電平變換器，在至少三個電流路徑中選擇其中至少一者，使得該多電平變換器在選擇該三個電流路徑中任一者時均提供該零電平電壓，以降低該多電平變換器中至少部分開關(guān)器件的熱應(yīng)力。
[0005]本發(fā)明的另一個方面在于提供一種電能變換系統(tǒng)。該電能變換系統(tǒng)包括多電平變換器和控制器。該多電平變換器包括多個開關(guān)器件，該多個開關(guān)器件被配置成將直流環(huán)節(jié)處的直流電壓轉(zhuǎn)換成多電平交流電壓，以供電機(jī)使用。該控制器與該多電平變換器通信，該控制器包括調(diào)制模式選擇單元，第一脈沖樣式分配單元以及第二脈沖樣式分配單元。該調(diào)制模式選擇單元用于在確定出該電機(jī)工作在第一狀況時產(chǎn)生第一調(diào)制模式信號，并在確定出該電機(jī)工作在第二狀況時產(chǎn)生第二調(diào)制模式信號。該第一脈沖樣式分配單元與該調(diào)制模式選擇單元連接，該第一脈沖樣式分配單元被配置成根據(jù)該第一調(diào)制模式信號產(chǎn)生第一脈沖信號，該第一脈沖信號用于控制該多個開關(guān)器件以平衡該多個開關(guān)器件的熱狀況。該第二脈沖樣式分配單元與該調(diào)制模式選擇單元連接，該第二脈沖樣式分配單元被配置成根據(jù)該第二調(diào)制模式信號產(chǎn)生第二脈沖信號，該第二脈沖信號用于控制該多個開關(guān)器件進(jìn)行正常的電能變換操作。
[0006]本發(fā)明的另一個方面在于提供一種控制器。該控制器用于發(fā)送控制信號給多電平變換器，以控制該多電平變換器輸出多電平交流輸出電壓給電機(jī)。該交流輸出電壓至少包括第一電平電壓，第二電平電壓和第三電平電壓，且該第二電壓電壓大于該第三電平電壓小于該第一電平電壓。該多電平變換器包括第一飛跨電容和第二飛跨電容。該控制器被配置成在該電機(jī)工作在啟動階段時發(fā)送該控制信號給該多電平變換器，使得在該多電平變換器至少存在三種工作狀態(tài)對應(yīng)相同的第二電平電壓。在第一種工作狀態(tài)時，該第一飛跨電容和該第二飛跨電容不被充電也不被放電，在第二種工作狀態(tài)時，該第一飛跨電容被充電而該第二飛跨電容被放電，在第三種工作狀態(tài)時，該第一飛跨電容被放電而該第二飛跨電容被充電。
[0007]本發(fā)明的另一個方面在于提供一種方法，該方法用于控制變換器裝置的運(yùn)作，使其可以提供多電平輸出電壓給負(fù)載。該方法至少包括如下步驟:判斷由該變換器提供電能的負(fù)載是否工作在第一狀況還是第二狀況；在判斷出該負(fù)載工作在第一狀況時產(chǎn)生第一脈沖信號，以在至少三個不同的電流路徑中選擇至少一者，使得該變換器在選擇任一電流路徑時可以提供相同電平電壓的輸出；以及在判斷出該負(fù)載工作在第二狀況時產(chǎn)生第二脈沖信號，使得變流器執(zhí)行正常的電能變換操作。
[0008]本發(fā)明提供的電能變換系統(tǒng)，控制器和方法，通過控制多電平變換器在低調(diào)制指數(shù)時選擇性地使用冗余的電流路徑來平衡其多個開關(guān)器件的熱狀況，從而可以不降額輸出電流或者少降額輸出電流，取得了有益的技術(shù)效果。
【附圖說明】
[0009]通過結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行描述，可以更好地理解本發(fā)明，在附圖中:
[0010]圖1所示為本發(fā)明提出的電能變換系統(tǒng)的一種實施方式的模塊示意圖；
[0011]圖2所示為圖1所示的電能變換系統(tǒng)的變換器裝置的一種實施方式的詳細(xì)拓?fù)浼軜?gòu)示意圖；
[0012]圖3所示為在圖1所示的電能變換系統(tǒng)的控制器中執(zhí)行的熱平衡調(diào)制模塊的一種實施方式的功能模塊示意圖；
[0013]圖4所示為在圖1所示的電能變換系統(tǒng)的控制器中執(zhí)行的熱平衡調(diào)制模塊的另一種實施方式的功能模塊示意圖；
[0014]圖5-7所示為圖2所示的變換器裝置輸出“O”電平電壓時存在的三種不同電流路徑的工作狀態(tài)示意圖；
[0015]圖8-9所示為圖2所示的變換器裝置輸出“I”電平電壓時存在的兩種不同電流路徑的工作狀態(tài)示意圖；
[0016]圖10-11所示為圖2所示的變換器裝置輸出“-1”電平電壓時存在的兩種不同電流路徑的工作狀態(tài)示意圖；
[0017]圖12所示為圖2所示的變換器裝置在理想狀態(tài)下其輸出電壓和飛跨電容電壓半個周期內(nèi)的波形示意圖；
[0018]圖13-14分別為運(yùn)行傳統(tǒng)的調(diào)制方法和本發(fā)明提供的調(diào)制方法在圖2所示的變換器裝置中的一個二極管和開關(guān)管中所產(chǎn)生的波形示意圖；以及
[0019]圖15所示為本發(fā)明提供的方法的一種實施方式的流程圖。
【具體實施方式】
[0020]首先，在下文詳細(xì)描述的本發(fā)明的實施方式涉及變換器(Converter，或者也稱作變流器、變頻器等，以下統(tǒng)稱作變換器)，該變換器一般用于執(zhí)行能量變換操作，以單向地或者雙向地將一種形式的能量(例如直流電或者交流電)轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量(例如，直流電或者交流電)。特別地，本發(fā)明提出一種新的變換器控制方法或者調(diào)制方法，該控制/調(diào)制方法用于控制具有嵌套式中點(diǎn)導(dǎo)向拓?fù)浼軜?gòu)的多電平變換器(例如，五電平，七電平，九電平等)，并且在低調(diào)制指數(shù)工作時，針對特定的電平電壓輸出選擇性地利用該變換器存在的冗余電流路徑或者冗余組合開關(guān)狀態(tài)，使該變換器中的多個開關(guān)器件按照一定的樣式交替執(zhí)行開關(guān)動作。在一些實施方式中，該控制/調(diào)制方法在執(zhí)行時，電流路徑的選擇或者組合開關(guān)狀態(tài)的分配使變換器中的飛跨電容的電壓獲得調(diào)節(jié)，或者進(jìn)行平衡。通過執(zhí)行本發(fā)明提出的控制/調(diào)制方法取得的技術(shù)效果是:在低調(diào)制指數(shù)工作時，由于局部開關(guān)器件避免遭受過大的熱應(yīng)力，因此各個開關(guān)器件可以取得較好的熱平衡；此外，由于各個開關(guān)器件具有較好的熱平衡狀況，因此，不需要對變換器進(jìn)行電流降額輸出或者盡可能少的電流降額輸出，從而在一些情況下可以提供大電流輸出，以最大化利用變換器的輸出能力。
[0021]圖1所示為本發(fā)明提供的電能變換系統(tǒng)100的一種實施方式的模塊示意圖?；径?，圖示的電能變換系統(tǒng)100可以為任何合適的以變換器為主要部件的電能變換系統(tǒng)。特別地，在一些實施方式中，該電能變換系統(tǒng)100可以為基于多電平變換器的系統(tǒng)。該電能變換系統(tǒng)100可以應(yīng)用到以下領(lǐng)域，包括但不限于:石化、造紙、礦山、冶金、發(fā)電廠、水處理廠，油氣鉆探，地鐵，高鐵，電梯等領(lǐng)域，以驅(qū)動特定的負(fù)載，例如電機(jī)，泵，風(fēng)機(jī)，壓縮機(jī)，傳送裝置等。
[0022]如圖1所示，該電能變換系統(tǒng)100包括變換器裝置120和控制器140，該變換器裝置120和控制器140可以進(jìn)行通信連接。在一種實施方式中，該控制器140可以與變換器裝置120進(jìn)行電連接，以通過一個或者多個電連接線路，例如電線，傳送控制信號106給變換器裝置120。在另外一種實施方式中，該控制器140也可以與變換器裝置120進(jìn)行光連接，以通過光通信線路，例如，一個或者多個光纖，傳送控制信號106給變換器裝置120。該控制器140可以包括任何合適的可編程電路或者裝置，包括數(shù)字信號處理器(DigitalSignal Processor, DSP)、現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)以及專用集成電路(Applicat1nSpecific I