[发明专利]用于平衡多电平逆变器直流环节的电压的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及多电平、多相逆变器，并且尤其涉及平衡这样的逆变器的直流环节电压。

背景技术

与两电平逆变器相比，多电平逆变器、诸如三电平逆变器可以实现更好的输出信号波形。在多级电平逆变器中，直流环节可以被中性点(NP)分为两个半部。逆变器的输出相可以被切换至直流环节的正极、负极或中性点。这允许了在输出电压生成中使用更小的电压阶跃。图1示出了三电平、三相逆变器的概念图。

在图1中，直流环节11包括两个串联连接的电容器C₁和C₂。直流环节11包括正极DC+、负极DC-、以及中性点NP。在直流环节上的电压u_DC是在电容器C₁和C₂上的电压u_C1和u_C2的总和。每个电容器形成了直流环节的一个半部。逆变器输出电压通过将负载13的每个相线12连接至正极DC+、负极DC-或中性点NP来产生。例如，负载13可以是电动机或发电机。

图1示出了高端电流i_hi(即从正极DC+到负载的电流)和低端电流i_lo(即从负极DC-到负载的电流)。i_NP表示从中性点到负载的电流。中性点电流i_NP的量等于在高端电流i_hi与低端电流i_lo的量之间的差。

在图1中相线通过开关装置14连接至直流环节，所述切换装置14可以包括多个诸如IGBT或MOSFET的半导体开关。

包括将直流环节分为两个半部的中性点的拓扑如图1所示可能需要保持在两个半部上的电压平衡的调制策略。在图1中，这意味着在所有情况下，高端电容器电压和低端电容器电压u_C1和u_C2被保持得彼此尽可能靠近。在本文件中，平衡在直流环节两个半部上的电压也可以被称为中性点(NP)电压平衡。

一种已知的NP电压平衡方法利用基于选择所应用的切换模式的共模(CM)电压控制。

三电平逆变器、诸如图1所示的三电平逆变器可能在逆变器桥的开关的开关模式中具有冗余。在上下文中，开关模式是指开关的开关状态的组合。各自被设置为(导电或不导电)状态的开关产生输出电压矢量。

例如，一种期望的输出电压矢量可以用以下两种开关模式来实现：一种开关模式将负载耦合至直流环节的较高半部的电压电势，而另一种将负载耦合至直流环节的较低半部的电压电势。通过选择使用哪些开关组合，共模电压可以得到控制。

在上述电压平衡方法中，控制共模电压的CM电压控制参考基于输出电压和NP电压的失衡、即在u_C1和u_C2之间的差而被调节。例如，如果NP电压过低(在图1中u_C1>u_C2)并且有效功率是正的(即功率从逆变器被供向负载)，CM电压参考可能被增加到正值，从而使得以如下方式来调制逆变器：连接至直流环节正极DC+的开关模式的平均持续时间超过连接至直流环节负极DC-的模式的持续时间。在持续时间上的这一差异又增加了正极DC+的电流i_hi并且降低了负极DC-的电流i_lo。NP电流i_NP变为负，这降低了电压u_C1并且平衡了NP电压。相应地，如果NP电压过高或输出功率为负，CM电压可以被降低至负值以平衡NP电压。

如果输出功率足够高，使得在可以检测逆变器和负载之间的功率流动的方向，则NP电压能够以鲁棒的方式被平衡。

然而，如果有效电压较低，由于功率估计错误可能引起被错误检测的功率流动方向，因此NP电压可能变得不稳定。同样，如果有效功率为零并且NP电势失衡，由于不存在可用于平衡的功率，因此该方法可能不能够使NP电势稳定。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法和一种用于实施该方法的设备以便解决上述缺陷。本发明的目的通过根据本发明的方法和装置来实现。此外，还公开了本发明的优选实施例。

多电平逆变器的直流环节的两个半部上的电压可以通过如下方法而被平衡：其中，周期性信号被注入到逆变器的共模电压，同时将相同频率的另一周期性信号注入到逆变器的功率参考。在被注入的周期性信号之间的相移被保持为恒定的。周期性信号可以被注入到功率参考的有功分量或无功分量。