[发明专利]具有平衡直流成分装置的三电平电力变换器

说明书

本发明涉及一种电力变换器，它将直流电变换为交流电或将交流电逆变为直流电，尤其是关于控制电力变换器的直流侧跨接在电容器上的电压，从而控制三电平交流电压。

通常的三电平电力变换器以下述方式运作：串联的电容器将一个直流电压分为两个直流电压以产生三电平电压，所述三电平电压包括高、中、低电位，接通或断开主电路的开关器件以有选择地将三电平电源引入电力变换器的交流侧。

一种交流输出电压的控制方法，其中，将电力变换器用作将直流电变换为交流电的逆变器，所述方法在1988年4月的PESC88年度记录中P1255-1262的“三电平脉冲宽度调节波形之产生与优化的新颖方法”一文(以下称为文件1)中已作了揭示。

文件1提出了一种双极调制方法，其中通过零电压交替地输出正向和负向脉冲电压，它用作进行波形改进及三电平逆变器的精确电压控制的一种调制方法。

然而，三电平电力变换器存在这样的问题：用来将直流电压一分为两的电容器(下文称为分压电容器)上的电压是不平衡的。

这种不平衡是由于分压电容器的不均等电压分配而造成的。由于流入分压电容器之串联接点(下文中称为中性点)的直流电流成分造成了不均等的电压分配。这种不合需要的电流流通是由于分压电容器电容值的不同、电力变换器之交流电压的离散(正向和负向脉冲的不平衡)或输出电流的失真(正向和负向电流波形的不平衡有可能是由高次谐波的重叠而引起的)。

电气工程师协会半导体电源研究组SPC-91-37于1991年6月第111-120页所刊登的日本专利公开第2-101969(1995)号、题为“NPC逆变器之直流输入电容器的平衡控制”(下文称为文件2)文中揭示了一种限制分压电容器之电压不平衡的技术。

日本专利公开第2-101969(1995)中揭示的限制两个直流成分电压不平衡的技术即文件1的双极调制方法，它改变两个正弦调制波形的幅度以限制电压不平衡。

同样的，文件2中所揭示的限制两直流成分的电压不平衡的技术即文件1的双极调制方法，与日本专利公开第2-101969(1995)中一样，根据驱动或再生状态将一个相应于两直流电压之差电压的直流成分的信号叠加在逆变器的电压指令上。

然而，上述一般技术的缺点在于，它们无论如何也不能限制电压的不平衡，或即便它们对差电压进行了限制控制它们的限制能力也太弱。

为了解决现有技术中上的上述问题，本发明的一个目的是使三电平电力变换器直流侧电力变换器的直流侧分压电容器能进行均等的电压分配。

本发明的电力变换器包含串联跨接在直流电压源上的多个电容器，以及响应于电容器上的正端电压V_cp和负端电压V_cn而将直流电压变换成具有三种电位的交流相电压的变换装置，这里，三种电位包括正、零和负电压。变换装置进一步包括零电压调节装置，用它来根据电源变换器的输出电流极性和串联连接的电容器电压V_cp、V_cn之间的差值来调节交流相电压零电压持续时间。

本发明的电力变换器可以用于电动车的控制装置，该控制装置包括电源变换器，它带有串联连接的、对直流电压进行分压的电容器，其中，由电容器输出直流电压，然后将该直流电压变换为具有三个电位的交流相电压，所述三个电位包括正、零和负电位，且将电源输出至感应电动机，在感应电动机受控制的整个频率控制带上设有一个中性点电流控制装置。

简单地说，根据本发明的电力变换器实现了上述目的。所述电力变换器带有串联连接的、用来对直流电压进行分压的电容器，其中，在将直流电压变换为具有三个电位的相电压之前，由电容器输出该直流电压，所述三电位包括正电位、零电位和负电位。所述变换器包括零电压调节装置，它用来根据电源变换装置的输出电流极性和串联连接的电容器的差值电压来调节零电压的持续时间。

发明人对一般技术产生缺点的原因进行详细研究。应用这种一般的技术，即便对差值电压进行了限制控制，它们根本无法限制电压不平衡或其限制能力太弱。他们发现在低负载功率因数区域，控制作用很小。由于上述一般技术根据电力变换器的输出电压进行限制控制，这使它们存在这样的区域，在该区域内，即便以限制方向进行控制，实际的控制都不合需要地使差值电压变大。

这是因为，除非负载为电阻性负载情况，电力变换器输出电流相位与输出电压相位不会一致，或者说功率因数不等于1，因此，存在这样的时间间隔，期间使补偿电流按其原来必须注入中性点相反地反向流通。因此，无法由来自规定方向的差值获得控制作用。特别地，如果功率因数为0，就完全没有不能获得的控制效能。