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CN1921279A - 用偶次谐波消除方案对三级npc电源转换器的dc电压平衡控制 - Google Patents

用偶次谐波消除方案对三级npc电源转换器的dc电压平衡控制 Download PDF

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CN1921279A
CN1921279A CNA2006100748253A CN200610074825A CN1921279A CN 1921279 A CN1921279 A CN 1921279A CN A2006100748253 A CNA2006100748253 A CN A2006100748253A CN 200610074825 A CN200610074825 A CN 200610074825A CN 1921279 A CN1921279 A CN 1921279A
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C·刘
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Abstract

三级逆变器和整流器电源转换系统、以及空间矢量调制(SVM)控制系统具有用于中性点电压平衡的偶次谐波消除，其中预定矢量开关序列用于开路系统操作中的半波对称。每个SVM图段的矢量序列列表包括多个开关状态条目，分别表示电源转换系统中三个或多个开关组的每一个的三个可能开关状态电平正(P)、零(0)或负(N)之一，其中每对第一和第二直径上相反的图段的列表包括对称相反的开关状态，第一片段列表的条目中的正电平对应于第二片段列表的条目中的负电平。

Description

用偶次谐波消除方案对三级NPC电源转换器的DC电压平衡控制
相关申请
本申请要求对序列号为60/671,714于2005年4月15日提交的题为“DC VoltageBalance Control for Three-Level NPC Inverter with Selective Harmonic EliminationScheme”(用选择谐波消除方案对三级NPC逆变器的DC电压平衡控制)的美国临时申请的优先权和权利，该申请全文通过引用结合于此。
技术领域
本发明一般涉及电源转换，尤其涉及用于三级逆变器和整流器型电源转换器的脉宽调制操作的控制和方法。
背景技术
电源转换器已广泛用于中等电压电机驱动、以及其中电源需要从DC转换成AC或反之的其它应用。这种转换装置通常指用于将DC转换成AC的逆变器、或者如果从AC转换到DC电源则指整流器，其中AC电源连接通常分别提供多相输出或输入。多相转换器常常使用高压高速开关阵列来构建，诸如栅极截止可控硅(GTO)、绝缘栅极双极晶体管(IGBT)或其它基于半导体的开关器件，这些开关通过脉宽调制(PWM)来选择性地驱动，以使AC连接与一个或另一个DC总线端子耦合，其中阵列开关的定时确定电源转换性能。在中等电压马达驱动应用中，高级逆变器型电源转换器中开关驱动的定时控制用于从输入DC总线提供可变频率、可变幅值的多相AC输出电源，从而可在较大电压和速度范围内控制驱动马达。
中性点箝位(NPC)转换器包括在DC总线之间串联连接的两个相似大小的高压电容器，其中电容器在转换器“中性”节点彼此相连。在这些NPC转换器中，三级开关控制常常用于提供每个AC端子的三个开关状态，其中AC终端选择性地与DC端子或中性节点耦合。三级开关技术允许比可比拟的二级逆变器设计更高的工作电压、以及更佳的(例如更低的)总谐波失真(THD)和电磁干扰(EMI)。若干PWM开关技术已在高压或中压NPC电源转换器中用于控制开关阵列，其中空间矢量调制(SVM)方法因为较好的谐波曲线、有效的中性点电势控制、以及易于数字式实现而得到越来越多的使用。在NPC电源转换器中，需要使中性电压保持在一定水平，其中两个电容器电压基本相等，即称为中性点平衡的目标。如果NPC逆变器中性点上的电压偏离DC总线的中点，则问题会产生，包括对转换器本身的组件和/或由转换器供电的设备的应力，以及将谐波失真添加于逆变器的输出上。为了控制中性点电压，许多转换器都装备有反馈控制装置。然而，这种闭环中性平衡方法是昂贵的，需要反馈感测装置和高级控制算法来调整中性电压，同时还提供所需AC输出波形。除了中性点平衡之外，需要使阵列开关的工作频率最小化。这些问题当然根据给定转换器应用的频率、幅值、以及其它性能和控制要求来平衡。因而，对改进的三级电源转换器、以及在中等电压电机驱动和其它需要电源转换的应用中使用的SVM方法和控制系统有持续的需要。
发明内容
现在归纳本发明的一个或多个方面以便于本发明的基本理解，其中该归纳并不是本发明的扩展性纵览，且并非旨在标识本发明的某些要素，也并非旨在划出其范围。相反，该归纳的主要目的是在下文呈现更详细的描述之前用简化形式呈现本发明的一些概念。本发明涉及三级电源转换器的PWM控制，其中空间矢量调制(SVM)用来控制转换器开关。提供了三级NPC转换器和控制系统，以及用于提供三级开关控制信号以通过空间矢量调制用开路方式来平衡中性点电压，而不增加反馈中性平衡控制元件的成本、大小和重量的方法。本发明有利地以整流器和/或逆变器应用来实现，利用三级SVM转换器的中性点电压平衡、低THD和EMI、以及其它性能优点以便于促进节约成本的高压或中压电源转换。
根据本发明的一个或多个方面，提供了一种三级SVM NPC电源转换系统，它可以是用于DC到AC转换的逆变器或者用于将AC电源转换成DC的整流器。该系统包括DC连接、多相AC连接、和与之耦合的三级开关网络、以及提供SVM开关控制信号以用开路方式平衡中性电压的控制系统。DC连接具有用来接收或提供DC电源的第一和第二端子，以及在DC端子之间串联耦合的第一和第二电容器，其中电容器在公共节点或中性点上耦合。AC连接通过三个或多个AC端子提供或接收多相电源，其中开关网络包括多组与AC相位端子相关联的开关设备。这些开关通过切换来自控制系统的控制信号来选择性地将AC端子耦合到DC端子之一或中性公共节点，其中控制系统通过空间矢量调制提供多组开关控制信号，以便于在电源转换系统操作期间用开路方式使电容器上的电压均衡。在一实现中，控制系统具有空间矢量调制系统根据偶次谐波消除(EHE)矢量开关序列来提供开关控制信号，从而提供半波对称以使公共节点上的电压平衡，其中矢量开关序列定义SVM图的每一段的一系列开关状态，在该SVM图中用于直径上相反图段的矢量开关序列提供AC端子和DC端子的对称相反耦合。
本发明的其它方面涉及用于向三级电源转换系统提供开关控制信号的一种空间矢量调制控制系统。该控制系统包括用于选择性驱动转换器开关的驱动器，以及通过空间矢量调制控制驱动器用开路操作来平衡转换器电容器上的电压。在一实施例中，开关控制装置包括偶次谐波消除向量开关序列，以及用于根据电压参考矢量并根据矢量开关序列控制驱动器的处理装置。
本发明的另外其它方面提供用于三级电源转换系统中开关网络的空间矢量调制的矢量开关序列。该矢量开关序列包含一机器可读介质，它包括空间矢量调制图的每一段的矢量序列列表，定义表示开关网络的开关状态的固定空间矢量并定义位于空间矢量调制图的原点周围的多个区域。各个区域都具有多个三角形片段(例如在一示例中为6个)，每个片段都由三角形角上的唯一一组三个空间矢量来定义，其中各个矢量序列列表定义与定义每个片段的三个空间矢量相对应的一系列开关状态，其中为图段定义的相对于图之原点对称相反的矢量开关序列包括对称相反的开关状态。
本发明的其它方面涉及用于三级电源转换系统的空间矢量调制控制的一种方法。该方法包括提供空间矢量调制的矢量开关序列，它包括空间矢量调制图的每一段的矢量序列列表，各个矢量序列列表定义与定义每个片段的三个空间矢量相对应的一系列开关状态，其中为图段定义的相对于图之原点对称相反的矢量开关序列包括对称相反的开关状态。该方法还包括获取表示电源转换系统期望状态的参考矢量，并确定该参考矢量段在空间矢量调制图上的位置。开关控制信号根据参考矢量段位置的矢量序列列表向电源转换系统提供。
附图说明
以下描述和附图详细阐述本发明的某些说明性实施，它们示出实践本发明原理的若干示例性方法。然而，这些说明性示例并非是本发明的许多可能实施例的穷尽。本发明的其它目的、优点和新颖性从以下参照附图对本发明的详细描述中将变得显而易见，在附图中：
图1A是示出根据本发明一个或多个方面的一示例性三级逆变器型DC-AC电源转换系统的示意图，该电源转换系统具有空间示矢量调制(SVM)开关控制装置，它提供偶次谐波的开路抑制和中性点电压平衡；
图1B是示出根据本发明的一示例性三级SVM整流器的示图，它使用偶次谐波消除(EHE)SVM开关控制系统来将多相AC转换成DC电源；
图1C是示出根据本发明各个方面的图1A和1B的电源转换器的一示例性SVM控制系统的示意图，该控制系统包括：用于驱动电源转换器开关的驱动器；以及处理器，通过空间矢量调制根据EHE SVM矢量开关序列来控制驱动器，以便于平衡电容器上的电压并减少电源转换系统的开路操作中偶次谐波；
图1D是示出图1A-1C的SVM控制系统的停留时间计算的表格；
图1E是示出特定SVM图段的示例性开关序列以及相应停留时间的表格；
图1F是示出根据本方面其它方面的用于三级电源转换系统的SVM控制的示例性方法的流程图；
图2A和2B是示出根据本发明其它方面的一示例性EHE SVM矢量开关序列的示意图，该开关序列使用半波对称系列条目提供开路偶次谐波抑制和中性平衡；
图3和4是示出一示例性SVM图的示意图，该SVM图示出表示用于电源转换器开关网络的开关状态并定义每个区域六个三角形片段的6个区域的空间矢量；
图5是示出图1A三相逆变器在参考矢量在一个完整循环中旋转时的示例性模拟半波对称相位的电压波形VA0和VAB的曲线图；
图6是示出使用常规SVM开关控制方案的三级SVM控制逆变器中逆变器线到线波形的偶次谐波内容的曲线图；
图7是示出使用图1C的SVM控制系统与图2A和2B的EHE AVM矢量开关序列的诸如图1A的三级SVM控制逆变器中的模拟偶次谐波内容的曲线图；
图8是示出常规SVM方法和使用图2A和2B的EHE AVM矢量开关序列的SVM调制控制系统的模拟比较总谐波失真(THD)水平；
图9A是示出在使用常规SVM开关控制方案的三级SVM控制逆变器中的实验的线到中心点和线到线的电压波形的曲线图；
图9B是示出在使用常规SVM开关控制方案的SVM逆变器中的实验的奇次和偶次谐波内容曲线的对应于图9A的曲线图；
图10A是示出使用图1C的SVM控制系统与图2A和2B的EHE AVM矢量开关序列的诸如图1A的三级SVM控制逆变器中的实验的线到中心点和线到线的电压波形的曲线图；
图10B是示出在SVM逆变器中的实验的奇次和偶次谐波内容曲线的对应于图10A的曲线图，其中有相当大的偶次谐波抑制；
图11是示出常规和EHE SVM技术的实验的比较电压平衡情形的曲线图。
具体实施方式
现在参看附图，本发明的若干实施例或实施在下文中结合附图进行描述，其中相同标号用来自始至终指相同元件。图1A示出一示例性三级逆变器电源转换系统100，包括DC连接100、三相AC连接120、以及包括分别共同耦合DC和AC连接110和120的开关组130a、130b和130c的三级开关网络130。转换系统100还包括空间矢量调制(SVM)开关控制装置140，它根据本发明的一个或多个方面提供偶次谐波的开路抑制以有效平衡DC连接110的中性点0。DC连接110分别包括用于从电源114接收DC电源的第一和第二DC端子112a和112b，以及在端子112之间串联耦合的第一和第二电容C1和C2，其中电容器C1和C2在公共节点或中性点0上耦合。端子112上的电压可称为DC总线电压，其中电容器C1和C2最好有相同或基本相等的额定电容和电压，从而中性点0理想地在总线端子112上电压之间的中点(例如在DC总线电压的中点)。电源114可以是任何DC电源，有或没有波纹电压或诸如整流桥(rectifier bridge)输出的其它AC成分；开关整流器，接收输入AC(单相或多相)并向端子112提供整流后DC；电池或其它DC电源。在像中等电压电机驱动逆变器的应用中，端子112上的DC总线电压可以为几千伏。
AC连接120包括分别与Y型连接的三相负载耦合的三个AC端子122a、122b和122c，该三相负载包括相位负载LA、LB和LC，诸如一示例中的电机线圈。其它多相实施是可能的，其中提供三个以上的AC端子122，添加相应数量的开关组，从而每个AC端子122可通过来自控制器140的空间示例调制开关控制信号SC选择性地与DC端子112之一或中性点0耦合。开关网络130包括分别关联于AC相位端子122a、122b和122c的开关设备SA1-SA4、SB1-SB4和SC1-SC4的组130a、130b和130c，其中开关设备S可以是在第一状态中提供选择性电连接、第二状态中提供电绝缘的任何形式的开关，例如GTO、IGBT、IGCT等(所示实施例中为IGBT)。此外，在所示实施例中，各个开关设备S包括分别关联于开关设备SA1-SA4、SB1-SB4和SC1-SC4的续流二极管，在图中示为DA1-DA4、DB1-DB4和DC1-DC4。
在所示逆变器系统100中，提供了三个组130a、130b和130c，每组包括在DC总线端子112a和112b之间串联连接的四个开关S，以便于提供相应AC端子122与DC端子112之一或中性点0的选择性连接。在操作中，每组130a、130b和130c的开关S成对激活以通过在此所述的SVM技术实现用于脉宽调制的该三级开关功能。例如，对于相位A，开关SA1和SA2在第一DC端子112a和AC端子122a之间串联连接，其中开关SA1和SA2之间的节点通过二极管DA5与DC连接中性点0相连。此外，开关SA3和SA4在AC端子122a和第二DC端子112b之间串联连接，其中开关SA3和SA4之间的节点通过二极管DA6与DC连接中性点0相耦合。在该配置中，开关信号SCA1-SCA4分别提供给IGBT SA1-SA4的控制栅极，用于由控制系统140选择性驱动。第一开关组130a被供以控制信号SCA1-SCA4的某些组合以达到三个开关状态之一，以便于选择性地将第一AC相位端子122a与第一(例如+)DC端子112a、中性点0、或第二(例如-)DC端子112b之一连接，分别对应于开关SA1和SA2导通的第一开关状态、开关SA2和SA3导通的第二开关状态、以及开关SA3和SA4导通的第三状态。第二和第三开关组130b和130c通过相应开关信号组SCB1-SCB4和SCC1-SCC4相似地配置和选择性地操作，以将相应的AC端子耦合到第一DC端子112a、中性点0、或第二DC端子112b。
图1B示出电源转换系统150的另一个较佳实施例，它具有与端子162a、162b和162c的输入AC连接160、以及DC输出连接170，在该情形中NPC DC连接具有DC端子172a和172b，以及两个限定中央中性公共节点0的串联连接电容器C1和C2。该系统150被构建为三级NPC整流器，用于使用偶次谐波消除(EHE)SVM开关控制系统140将多相AC输入转换成DC电源，以驱动如上所述的开关网络130。在该实施例中，三相AC电源164在AC端线LA、LB和LC上提供相位电压，然后相位电压被转换成DC端子172上的DC总线电压，其中开关网络130使用在此所述的EHE SVM技术驱动，用于中性点电压的开路平衡。
参看图1C，逆变器中使用的控制系统140和整流器系统100和150是通过空间矢量调制提供开关控制信号SC组的偶次谐波消除(EHE)控制器。可使用任何适当的SVM系统140，提供中性点平衡以在电源转换系统110、150工作期间用开路方式均衡电容C1和C2上的电压。实施例140是基于处理器的系统，该处理器包括用于存储实现在此所述功能的数据和指令的存储器(未示出)，但是也可使用其它处理装置，诸如可编程逻辑等。如图1C所示，示例性控制器140提供具有处理器142的空间矢量调制系统，该处理器控制用于选择性地驱动电源转换器开关网络130中开关S的隔离驱动器电路或其它驱动器装置144，用于使单个AC端子122、162耦合到DC端子112、172之一或公共节点0。处理器142可以是任何类型的处理设备、逻辑电路、软件、固件或其组合，它连同SVM EHE矢量开关序列146构成开关控制装置，在该情形中，对于逆变器100(图1A)或整流器(图1B)情形，通过提供网络130的半波对称开关用开路方式平衡电容器C1和C2上的电压。开关序列146可以是文件、数据结构、一组机器可读指令或值、或表示空间矢量调制图的每个片段的矢量序列列表的硬件、软件或其组合的任何其它表示。
参看图3和4，示出示例性空间矢量调制图200。在电源转换器100、150工作时，图1C的处理器142根据参考矢量VREF(图4)并根据EHE SVM矢量开关序列146来控制驱动器144。特别地，驱动器144和因而开关网络130根据VREF在空间矢量调制图200中的当前位置受到控制，该图200具有表示三级开关网络130的27个开关状态的19个固定空间矢量V0-V18。图中央或原点上的零矢量(V0)具有0幅值并包括三个冗余开关状态[PPP]、[000]和[NNN]，其中第一位数表示第一开关组130a(图1A)的开关状态，第二位数对应于第二开关组130b，而第三位数表示开关组130c的开关状态。这样，数字“0”表示相应开关组130将AC端子122连接到中性点0的情形(例如开关组130a中的开关SA2和SA3导通)。数字“P”(例如正)表示相应开关组130将AC端子122连接到第一(+)DC端子112a的情形(开关SA1和SA2导通)，而数字“N”(例如负)表示相应开关组130通过适当开关对S的相应驱动将AC端子122连接到第二(-)DC端子112b的情形(开关SA3和SA4导通)。图3和4的图表200包括具有幅值Vd/3的小矢量V1～V6，并包括两个冗余开关状态，一个包含[P]而另一个包含[N]，因此可有选择地用开关序列(以下图2A和2B中)表示为P或N型小矢量，其中Vd是端子112上的DC总线电压。此外，图表200提供具有幅值3-2Vd/3的中等矢量V7～V12，以及具有幅值2Vd/3的大矢量V13～V18。
图3和4的图表200是定义围绕原点(与零矢量V0相对应的图表中心)放置的6个区域(图4中的区域1到区域6)的双层六角形，其中每个区域具有6个三角形片段，标示为K-1a、K-1b、K-2a、K-2b、K-3和K-4，其中K为区域编号(1～6)，如图4最佳示出。每个片段由对应三角形的各个角上的唯一一组三个空间矢量V来限定，其中三角形片段1-1a和1-1b被构成为一分组，每一个对应于由V0、V1和V2构成的三角形，而其它子片段都相应地在图表200中定义。参考向量VREF在任何给定时间的位置通过SVM控制处理器142来确定，然后该SVM控制处理器142参考开关序列146中的相应条目列表，用于通过对应于当前片段的三个定义空间矢量V的三级模式的各种组合来选择性地排序开关控制信号SC，以实现开关网络130的空间矢量调制。此外，根据给定三角形图表片段内的特定VREF位置，考虑参考矢量VREF与三个定义空间矢量V的每一个的接近程度，可确定开关模式的持续时间(停留时间)。
参看图1D和1E，图4的片段1-2a中的示例性参考矢量位置提供涉及定义矢量V1、V2和V7的矢量调制。控制器140分别停留在V1、V7和V2的特定开关状态的时间Ta、Tb和Tc根据关系式V1Ta+V7Tb+V2Tc＝VrefTs来计算，其中采样周期Ts＝Ta+Tb+Tc和Ts根据参考矢量的VREF的选定旋转频率来计算(根据逆变器系统100的采样频率fTs＝1/f)。已知采样周期Ts和调制指数Ma，给定片段的停留时间根据图1D的表格148a中的公式计算，而对于图段1-2a中VREF的示例性参考位置，开关状态序列和相应时间如图1D的表格148b所示。这样，SVM控制系统140根据参考矢量位置、并根据EHE矢量开关序列146执行网络开关130的空间矢量调制。
图2A和2B示出示例性EHE SVM矢量开关序列146的其它细节，该EHE SVM矢量开关序列146通过半波对称序列条目提供开路偶次谐波抑制或消除(EHE)。在这方面，发明人理解SVM开关序列146中的半波对称便于减少AC电源中的偶次谐波，以及偶次谐波消除提供DC理解110、170中的执行电压平衡，而不需要对NPC转换器100、150的反馈控制。此外，图2A和2B的示例性序列146通过为SVM图段仔细选择序列条目来提供该开路偶次谐波消除。该矢量开关序列146可以是任何形式的数据存储、列表、数据库、文件等，根据该序列三级NPC电源转换系统可以开路中性电压平衡加以操作。
在所示实施例中，该序列146包括诸如处理器可读存储器的机器可读介质，它包括由SVM图表200定义的6个片段的每一个的矢量序列列表，其中各个列表在图2A和2B的表格格式表示中显示为多个7条目列。尽管每个片段的各个矢量序列列表包括示例性序列146中的7个开关状态条目，但其它实施例也是可能的，其中任何数量的三个或多个条目可向每个区域特定列表提供。图2A和2B者示出的行和列格式仅仅是为了便于理解，而实际序列146可用任何适当格式存储，通过这种格式序列可根据参考矢量区域位置进行索引。此外，尽管每个列表定义对应于定义相应图段的三个空间矢量的一系列开关状态，其中各开关状态向三个AC连接相位端子122、162的每一个提供，但可构建具有三个以上AC相位的转换器的其它实施例，其中序列146中的相应条目将用相应数量的附加数字条目(P、0、或N)来提供。
为了示出在上述转换器实施例中采用的序列146的操作，开始时注意到：图2A中区域1-2a的条目提供分别定义三级SVM开关状态P00、P0N、00N、0NN、00N、P0N和P00的一连串矢量V1P、V7、V2N、V1N、V2N、V7和V1P。此外，在所示序列146中，为关于图的原点对称相反的图段(直径上相反的片段)定义的矢量开关序列包括对称相反的开关状态。因而，如图4中可见，区域4-2a与参考矢量片段1-2a在直径上相反。如图2B中序列146中可见，图2A中区域4-2a的条目分别通过矢量V4N、V10、V5P、V4P、V5P、V10和V4N的连续供给来提供对称相反的开关状态N00、N0P、00P、0PP、00P、N0P和N00。这样，半波对称在AC连接120、160上得以确保，导致偶次谐波的抑制或基本消除和DC连接110、170上的中性点电压平衡。此外，该平衡以开路方式实现，从而无需复杂和昂贵的闭环中性平衡控制。如图2A和2B中可见，每一片段的矢量序列列表包括分别表示常规系统中三个开关组130的每一个(例如每个AC相位)的三个可能开关状态电平正(P)、零(0)或负(N)之一的7个开关状态条目，其中关于图的原点(V0)直径上相反的每一对第一和第二图段的矢量序列列表包括对称相反的开关状态，其中第一片段的列表条目中的正(P)电平对应于第二片段的列表条目中的负(N)电平，反之亦然。这样，当参考矢量绕空间矢量图200的一个回转旋转时，各个相位电压波形(线对线和线对中性点)包括正的半循环和对称的负的半循环，如以下参照图5和10A进一步说明和描述。
现在参看图1F，示出用于根据本发明其它方面的三级电源转换系统的空间矢量调制控制的一种示例性方法180。尽管该方法180在下面用一系列动作或事件的显示进行说明和描述，但可以理解本发明的各种方法并不限于这些动作或事件的所示排序。这样，除非下文中特别指定，一部分动作或事件可按不同顺序和/或与除根据本发明在此说明和描述的其它动作或事件之外同步进行。还要注意，并非所有示出步骤都是实现根据本发明的过程或方法所必需的，并且可组合一个或多个这些动作。本发明的所示方法和其它方法可用硬件、软件、或其组合实现，以便于提供在此所述的SVM调制控制功能，并可在包括但不限于上述系统100和150的任何三级脉宽调制NPC电源转换系统中采用，其中本发明并不限于在此说明和描述的特定应用和实施例。
方法180用一般连续环路方式执行，其中当前采样控制周期通过获得表示电源转换系统的期望状态的参考矢量VREF在182开始。该方法180在184继续，其中确定参考矢量片段在SVM图200中的位置(区域和片段)。基于VREF的当前位置，矢量序列列表根据参考矢量的片段和区域位置在186向电源转换系统提供开关控制信号，其中序列列表提供半波对称序列定义。在所示示例中，在186提供的开关控制信号包括：在188获取与来自SVM矢量开关序列的参考矢量位置相对应的矢量开关序列列表，该SVM矢量开关序列包括为包含对称相反开关状态的直径上相反的图段定义的序列列表，如以上图2A和2B中的示例性序列146所示。在190，计算开关时间(例如以上的Ta、Tb和Tc)以在当前采样控制周期中应用矢量序列列表的各个开关状态，且矢量序列列表的各个开关状态在192应用以根据计算得到的开关时间来控制电源转换系统。然后，下一控制周期在194开始，且过程180重复后续的控制循环，如上所述。
现在参看图5-8，使用本发明的上述EHE调制概念示出图1A的三级NPC SVM逆变器的模拟结果。NPC逆变器100被模拟为1MVA的额定功率，并在60Hz的AC输出频率上操作，其中三相负载LA、LB和LC分别包括串联连接的17.3欧姆的电阻器和2.3mH的电感器。在端子112上的模拟输入DC电压为5600v DC，使用2400μF电容器C1和C2，其中采样频率为1.44KHz。图5示出出示逆变器100中整个循环的结果模拟的线到线、线到中性点的相位电压波形VA0和VAB，显示通过开关序列146的仔细定义可实现的半波对称。如上所述，发明人已经发现，该半波对称减少了偶次谐波，并导致有效的中性点电压平衡，而无需闭环适配。
为了说明该性能优点，图6提供示出在使用常规SVM开关控制方案的类似设计的三级SVM调制逆变器中，画为调制指数MI的函数的线到线波形的偶次谐波内容的曲线图400。在该曲线400中，VAB，n是n次谐波的rms值，VAB，1，MAX是线到线相位电压VAB中基本组分的最大rms值，且MI是调制指数。从曲线图400中可见，使用常规SVM转换器控制技术时偶次谐波是重要的。这样，现有的SVM方法提供了有两种设计考虑或目标的矢量序列选择，主要是限制转换器开关网络130中开关S的开关频率。第一常规SVM序列设计标准是从一开关状态转换到下一开关状态(给定片段内)仅应涉及两次开关变化，一次截止另一次导通。另一典型设计目标是从一SVM图段到下一SVM图段的转换应涉及最少数量的开关状态变化，最好是两次或更少。这些设计目标或考虑在选择用于图6所示模拟性能中的常规开关序列时作考虑。然而，如曲线图400所示，常规SVM方法产生大量的偶次谐波，导致三级电源转换应用中大量的中性点失衡问题。
现在参看图7，曲线图500示出三级SVM控制逆变器中的模拟偶次谐波内容，其中三级SVM控制逆变器诸如使用图1C的SVM控制系统140与图2A和2B的EHE SVM矢量开关序列146的图1A逆变器100。曲线图500清晰显示，通过使用半波对称序列146产生的线到线电压VAB有效地抑制或消除了AC输出中的所有偶次谐波。如以上参照图2A和2B所述，EHE矢量开关序列146被配置为在关于空间矢量图200的原点对称的任何两个区域中由VREF产生的逆变器相位电压具有镜像电压，通过该镜像电压序列146实现半波对称，如图5所示。图7曲线图500中的模拟结果和图5的波形说明，EHE SVM系统140提供开路波形对称以及偶次谐波消除。
还参看图8，发明人还模拟了序列146的总谐波失真(THD)水平，如曲线图550所示，示出了分别由常规SVM序列和新的EHE SVM序列方案146产生的VABTHD曲线552和554。在曲线图550中可见，序列146与常规技术相比基本上牺牲极少或不牺牲THD水平，其中曲线552和554几乎一样。尽管不希望归结于任何特定理论，但通常认为可比拟的THD水平是因为在两种模拟情形中使用了相同的固定矢量选择和停留时间计算。此外，图2A和2B的示例性EHE SVM序列146满足了从一个开关状态到下一个开关状态(固定片段内)的转换应当仅涉及两次开关变化的标准，同时放松了从一SVM图片段到下一片段的转换应涉及最少数量的开关状态变化的上述常规限制。然而，对于给定采样频率，新序列146的设备开关频率仅比常规方案的略高一点。例如，在上述模拟情形中，使用常规开关序列的设备开关频率为750Hz，而使用所示EHE序列146的设备开关频率仅增至780Hz，其中VREF从片段到片段的移动的一些转换涉及新方案的4个开关，而非常规方案的两个开关。因而，尽管放松第二常规设计考虑起先看来是非期望的，但由示例性EHE序列146提供的半波对称提供了有关中性点平衡和偶次谐波消除的重大优点，同时仅允许微量的开关频率增加，且不牺牲THD水平。
现在参看图9A-11，实验结果还证实上述开路SVM EHE概念的性能优点。图1A中所示类型的三级逆变器使用两个七条目SVM开关序列来估算，用于比较和验证新的EHE SVM技术。第一SVM序列是具有偶次和奇次谐波的常规SVM方案，而第二实验方案使用EHE开关序列146，它不产生偶次谐波。在两种情况中使用的实验参数包括端子112上的DC电压300VDC以产生线到线AC输出电压208VAC，其中DC电容器C1＝C2＝4700μF，且AC相位负载包括3.2欧姆的电阻器和15mH的电感器，PWM采样频率为1080Hz，其中调制指数MI为Vab/Vdc的峰值，在两个实验中都约为0.9。图9A提供示出分别在使用常规SVM开关控制方案的三级SVM控制逆变器中的实验线到中性点和线到线电压波形曲线Va0和Vab的曲线图，而图9B示出在使用常规SVM开关控制方案的SVM逆变器中的实验线到中性点和线到线电压偶次和奇次谐波内容曲线Va0和Vab的相应曲线图610。如曲线图600的波形曲线所示，常规SVM技术不能提供波形对称性，并且图9B的曲线610示出相当多的偶次谐波在AC输出中的出现。
图10A和10B分别示出使用用于开路偶次谐波抑制的上述EHE SVM方法的可比拟的曲线700和710(例如采用图2A和2B的序列146)。图10A中的曲线图700示出使用图1C的SVM控制系统与图2A和2B的EHE AVM矢量开关序列的诸如图1A的三级SVM控制逆变器中的实验的线到中心点和线到线的电压波形曲线，其中线到中心点和线到线的电压波形的半波对称在图10A中可见。此外，图10B的谐波内容曲线图710示出EHE SVM中的相应实验的谐波内容曲线，与图9B的曲线610相比具有相当大的偶次谐波抑制。因而，实验显示EHE SVM技术提供了三级NPC电源转换系统中对偶次谐波的开路控制。
图11分别示出电容器C1和C2上作为时间的函数的相应实验电压VC1和VC2，其中电压比例为每格25v。曲线800示出常规和EHE SVM技术的实验可比拟的电压平衡情形，其中在曲线图800中常规SVM开关序列被示为图案A，而EHESVM序列146被示为图案B。在图11中清晰可见，当应用新的SVM序列146时(图案B)，电容器C1和C2上的DC电压VC1和VC2实质上相等(较好的开路中性点平衡)。相反，常规SVM序列的应用(图案A)使中性点大大偏离DC总线的中点，其中曲线800中电容器电压VC1和VC2相差几乎60VDC。一次，本发明可被实现为提供有关中性点电压平衡和偶次谐波消除的重大优点，而不会不利地影响THD水平、无大量的开关频率降低、且无闭环中性点平衡系统的复杂性或开销。
以上各示例仅说明了本发明各个方面的若干可能实施例，其中本领域技术人员在阅读并连接了本说明书和附图之后可作等效变化和/或更改。特别相对于由上述各组件(组装件、设备、系统、电路等)执行的各个功能，用来描述这些组件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应于(除非另有指出)诸如硬件、软件或其组合的任何组件，即使它在结构上并不等同于执行本发明所述实现中功能的公开结构，它也执行所述组件的指定功能(即，为功能等效体)。此外，尽管本发明的特定特征已参照若干实现之一进行了揭示，但该特征可按需与其它实现的一个或多个其它特征组合，并有利于任何给定或特定应用。此外，就用于详细描述和/或权利要求的术语“包括”、“包含”、“具有”、“有”、“带有”或其变体而言，这些术语旨在以类似于术语“包括”的方式表示内含。

Claims (10)

1.一种三级电源转换系统(100，150)，包括：
用于接收或提供DC电源的DC连接(110)，所述DC连接(110)包括第一和第二DC端子(112)、以及在第一和第DC端子(112)之间串联耦合的第一和第二电容器(C1，C2)，所述电容器在公共节点(0)上耦合；
用于接收或提供多相电源的多相AC连接(120)，所述AC连接(120)包括第一、第二和第三AC端子(122)，以及
三级开关网络(130)包括：
与所述DC连接(110)和所述第一AC端子(122a)耦合的第一组开关设备(130a)，所述第一组可用三个状态之一操作以根据第一组开关控制信号(SCA)将第一AC端子(122a)有选择地电气耦合到第一DC端子(112a)、第DC端子(112b)、以及公共节点(0)之一，
与所述DC连接(110)和所述第AC端子(122b)耦合的第二组开关设备(130b)，所述第二组可用三个状态之一操作以根据第二组开关控制信号(SCB)将第二AC端子(122b)有选择地电气耦合到第一DC端子(112a)、第DC端子(112b)、以及公共节点(0)之一，以及
与所述DC连接(110)和所述第三AC端子(122c)耦合的第三组开关设备(130c)，所述第三组可用三个状态之一操作以根据第三组开关控制信号(SCC)将第三AC端子(122c)有选择地电气耦合到第一DC端子(112a)、第二DC端子(112b)、以及公共节点(0)之一；以及
开关控制系统(140)，通过空间矢量调制提供多组开关控制信号(SC)，以在电源转换系统(100，150)操作期间用开路方式均衡电容器(C1，C2)上的电压。
2.如权利要求1所述的电源转换系统(100，150)，其特征在于，所述开关控制系统(140)包括与所述三级开关网络(130)耦合的偶次谐波消除空间矢量调制系统，所述空间矢量调制系统根据偶次谐波消除矢量开关序列(146)通过空间矢量调制来提供多组开关控制信号(SC)，从而提供平衡公共节点(0)上电压的半波对称性。
3.如权利要求2所述的电源转换系统(100，150)，其特征在于，所述空间矢量调制系统(140)根据参考矢量(VREF)在空间矢量调制图(200)中的位置提供多组开关控制信号(SC)，所述空间矢量调制图(200)具有表示所述三级开关网络(130)的27个开关状态的19个固定空间向量，并限定位于原点(V0)周围的6个区域，所述每个区域具有6个三角形片断，每个片断由相应三角形片段的角上的唯一一组三个空间矢量限定；
其中所述矢量开关序列(146)在所述参考矢量(VREF)在给定片断中时使用与限定所述给定片断的三个空间矢量相对应的开关状态提供开关矢量序列；以及
其中所述矢量开关序列(146)定义与限定每个片断的三个空间矢量相对应的一系列开关状态，其中为关于所述图的原点(V0)对称相反的图段定义的矢量开关序列提供AC端子(122)与所述第一和第二DC端子(112)的对称相反耦合。
4.一种空间矢量调制控制系统(14)，用于向三级电源转换系统(100，150)提供开关控制信号(SC)，所述转换系统(100，150)具有与在第一和第二DC端子(112)之间串联连接的一对电容器(C1，C2)的DC连接(110)，所述控制系统(140)包括：
驱动器装置(144)，用于选择性地驱动所述电源转换系统的开关网络(130)中的各个开关或各对开关，以使所述电源转换系统的各个AC端子(122)有选择地耦合到第一DC端子(112a)、第二DC端子(112b)、以及公共节点(V0)之一；以及
开关控制装置(142，146)，用于通过空间矢量调制控制驱动器装置以便平衡所述电源转换系统的开路操作中在所述电容器上的电压。
5.如权利要求4所述的控制系统(140)，其特征在于，所述开关控制装置包括：
偶次谐波消除矢量开关序列(146)；以及
处理装置(142)，用于根据参考矢量(VREF)并根据所述矢量开关序列(146)来控制所述驱动器装置(144)。
6.如权利要求5所述的控制系统(140)，其特征在于，所述处理装置(142)根据参考矢量(VREF)在空间矢量调制图(200)中的位置来控制驱动器装置(144)，所述空间矢量调制图(200)具有表示所述三级开关网络(130)的27个开关状态的19个固定空间向量，并限定位于原点(V0)周围的6个区域，所述每个区域具有6个三角形片断，每个片断由相应三角形片段角落上的唯一一组三个空间矢量限定；
其中所述矢量开关序列(146)在所述参考矢量(VREF)在给定片断中时使用与限定所述给定片断的三个空间矢量相对应的开关状态提供开关矢量序列；以及
其中所述矢量开关序列(146)定义与限定每个片断的三个空间矢量相对应的一系列开关状态，其中为关于所述图的原点(V0)对称相反的图段定义的矢量开关序列提供电源转换系统的AC端子(122)与所述第一和第二DC端子(112)的对称相反耦合。
7.如权利要求5所述的控制系统(140)，其特征在于，所述偶次谐波消除矢量开关序列(146)包括一机器可读介质，它包括空间矢量调制图(200)的每一段的矢量序列列表，定义表示开关网络(130)的开关状态的固定空间矢量并定义位于空间矢量调制图(200)的原点(V0)周围的多个区域，各个区域都具有多个三角形片段，每个片段都由相应三角形片段的角上的唯一一组三个空间矢量来定义，其中各个矢量序列列表定义与定义每个片段的三个空间矢量相对应的一系列开关状态，其中为图段定义的相对于图之原点(V0)对称相反的矢量开关序列包括对称相反的开关状态。
8.一种用于三级电源转换系统(100，150)中开关网络(130)的空间矢量调制的矢量开关序列(146)，所述矢量开关序列(146)包括：
一机器可读介质，它包括空间矢量调制图(200)的每一段的矢量序列列表，定义表示开关网络(130)的开关状态的固定空间矢量并定义位于空间矢量调制图(200)的原点(V0)周围的多个区域，各个区域都具有多个三角形片段，每个片段都由相应三角形片段的角上的唯一一组三个空间矢量来定义，其中各个矢量序列列表定义与定义每个片段的三个空间矢量相对应的一系列开关状态，其中为图段定义的相对于图之原点(V0)对称相反的矢量开关序列包括对称相反的开关状态。
9.一种用于三级电源转换系统的空间矢量调制控制的方法(180)，所述方法(180)包括：
提供空间矢量调制的矢量开关序列(146)，它包括空间矢量调制图(200)的每一段的矢量序列列表，各个矢量序列列表定义与定义每个片段的三个空间矢量相对应的一系列开关状态，其中为图段定义的相对于图之原点(V0)对称相反的矢量开关序列包括对称相反的开关状态；
获取(182)表示电源转换系统(100，150)期望状态的参考矢量(VREF)；
确定(184)参考矢量段在空间矢量调制图(200)上的位置，定义表示开关网络(130)的开关状态的空间矢量并定义位于空间矢量调制图(200)的原点(V0)周围的多个区域，各个区域都具有多个三角形片段，每个片段都由相应三角形片段的角上的唯一一组三个空间矢量来定义；以及
根据参考矢量段位置的矢量序列列表向电源转换系统(100，150)提供(186)开关控制信号。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，根据参考矢量段位置的矢量序列列表提供(186)开关控制信号包括：
基于所述参考矢量片段位置计算(190)应用所述矢量序列列表的各个开关状态的开关时间；以及
应用(192)所述矢量序列列表的开关状态以根据所计算的开关时间来控制所述电源转换系统。
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