[发明专利]对NPC VSC、特别是有源电源滤波器的控制方案的确定方法

说明书

技术领域

本发明尤其涉及用于确定具有至少3个电平的中性点箝位型(NPC)电压源变换器(VSC)的控制方案的方法。 

背景技术

旁路有源电源滤波器常常用于在提高滤波效率的同时将非线性负载产生的谐波干扰减到最小，并且也解决了由传统无源滤波器引起的许多问题。在这种系统的设计中，需要对要补偿的负载电流给予特别的关注。与采用的调制策略一起，负载电流是确定选择的电压源变换器(VSC)的功率器件中的循环电流的变量。特别是在3电平NPC(中性点箝位型)有源滤波器中，普遍无规律的负载可能会在桥支路的半导体中引起不均匀的损耗分布。与每个变换器中一样，最承压的器件中的损耗限制开关频率和功率能力，并且为了保证系统的长期稳定性，变换器电流的降额(de-rating)变得不可避免。 

组装在标准商用3电平NPC桥支路模块中的半导体芯片大多数在未考虑特定元件上的损耗分布情况下设置尺寸和额定。以这种方式，由于损耗分布的问题，这些器件的使用经常会导致成本高昂和半导体面积利用不足的过大尺寸的设计。此外，用于提高系统效率的调制策略方案可能会更加地加剧这种不均匀损耗分布，从而升高功率模块内的晶体管和二极管的操作温差和/或加宽它们的热循环。这些组件的热失配导致在模块内的材料上产生感应的热应力，并且可能将会发生热-机械损坏。因此，3电平NPC有源滤波器的设计变得相当复杂，因为高功率密度、效率、以及组件可靠性的期望特性之间可能会彼此抵消。 

由于在桥支路的半导体之间的不均衡损耗分布以及结温度分布的失配，在高功率变换器的特殊情况下，NPC功率模块的使用通常地导致低半导体利用率。以这种方式，额定值不同的单个半导体器件的使用更多是指构建变换器的桥支路。采用类似额定值的单个半导体的NPC系统通常将这些器件安装在单独的散热器中，从而实现这些个体组件的良好热解耦。不幸的是，不同的单个半导体和/或单独的散热器的使用通常会导致成本增加和体积很大的系统。 

发明内容

为了解决常规NPC有源滤波器的损耗分布问题，同时保持系统的高效率，提出一种合并相位的最优箝位的空间矢量调制方案。对于大多数典型的工业负载，对常规NPC没有附加电路的情况下，已显示采用标准商用NPC桥支路模块的有源滤波器能够使损耗良好地分布在芯片管芯上，从而使得它们的操作温度仅有很小的差异。本文还提出了一种合适的控制概念，其能够平衡DC链路电压，并且在某些程度上可保持电流的最优箝位。 

在这个提议中，视乎有源滤波器补偿的负载的电流形状，根据3倍于或9倍于电网基频的载波信号来交替地对顶部和底部DC链路电容器加载。特别是对于高频操作，通过对正在闭合桥支路中的所有上方或中间支路开关的桥支路(其处理最高电流值)箝位，能够实现损耗的显著降低。提高箝位载波频率以及避免开关区间与高电流值的瞬时匹配能够对桥支路组件中的损耗分布实现更好的可控性。注意，这两种箝位策略都旨在平衡操作结的温度和/或跨过晶体管(集成栅双极型晶体管IGBT)的功率损耗，同时将系统的总损耗减到最小。因此，主要是需要策略性地选择操作开关频率。实际上，跨过桥支路的组件的损耗分布与开关频率和DC链路电压操作是强相关的。这些变量与开关损耗成比例，并且可以将它们与电流箝位方案组合使用以最优地设计用于特定半导体技术和补偿的负载的有源滤波器。 

载波调制器与电网电压或负载电流的同步对于在期望的不开关区间期间执行箝位是重要的。最优电流箝位可通过必须已知的负载电流的精确分析而提前定义。在其中负载电流的移位显著地随所处理的功率变化的情况下，可构建查询表以根据负载处理的瞬时功率来调谐载波。在负载未知的情况下，可以利用一种算法在操作期间调适箝位策略，该算法预测跨过一个相支路的晶体管的损耗。该计算需要结合空间矢量调制，以便根据补偿的负载正确地考虑电流箝位模式的影响。利用定义的调制指标，能够确定离散电压空间矢量的相对瞬时(on-times)/转变。从而，将这个信息与所采用的半导体的已知传导损耗/开关损耗特性相组合，可以计算得到一个开关周期上的平均传导损耗和开关损耗。通过存储每个开关周期中计算的损耗数据，可以递推地得到每个晶体管器件中在电网基波周期上的平均损耗。最后，在每个开关周期之后，可以对与组件损耗直接相关联的变量进行调整，从而均衡这些器件中的功率损耗(开关频率fs、DC链路电压基准uDC_ref、箝位模式的占空因数D以及相位 

该提出的箝位方案可用于其它3电平VSC拓扑中，如图1(d)中示出的T型VSC。