功率轉(zhuǎn)換裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換裝置具備：多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器(31～35)，該多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器(31～35)與交流電源多重串聯(lián)連接；以及控制裝置(10)，該控制裝置(10)對(duì)多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器(31～35)的動(dòng)作進(jìn)行控制?？刂蒲b置(10)包括：運(yùn)算部，該運(yùn)算部運(yùn)算多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器(31～35)的輸出電壓指令；載波信號(hào)生成部，該載波信號(hào)生成部生成載波信號(hào)；補(bǔ)正部，該補(bǔ)正部基于直流中性點(diǎn)母線(7)的電位變動(dòng)對(duì)載波信號(hào)的相位進(jìn)行補(bǔ)正；以及脈沖寬度調(diào)制控制部，該脈沖寬度調(diào)制控制部將由補(bǔ)正部對(duì)相位進(jìn)行補(bǔ)正后的載波信號(hào)作為基準(zhǔn)相位，以規(guī)定量逐漸延遲相位，從而生成多個(gè)載波信號(hào)，并且將輸出電壓指令與多個(gè)載波信號(hào)分別進(jìn)行比較，從而生成多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器(31～35)各自的控制指令。
【專利說明】
功率轉(zhuǎn)換裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種功率轉(zhuǎn)換裝置，更明確而言，涉及一種對(duì)多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器進(jìn)行多重連接的功率轉(zhuǎn)換裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，出于能夠相對(duì)容易地實(shí)現(xiàn)高壓大容量化，且輸出高次諧波較少等的理由，三電平轉(zhuǎn)換器受到關(guān)注。已提出如下一種結(jié)構(gòu)，即例如S T A T C O M(StaticSynchronousCompensator:靜止同步補(bǔ)償器)、SVG(StaticVarGenerator:靜止無功發(fā)生器)或自勵(lì)式SVC(StaticVarCompensator:靜止無功補(bǔ)償器)等自勵(lì)式無功功率補(bǔ)償裝置，在采用了具有高耐壓和大額定電流的半導(dǎo)體開關(guān)元件的功率轉(zhuǎn)換裝置中，使用中性點(diǎn)鉗位式的三電平轉(zhuǎn)換器。
[0003]過去已知的是，該三電平轉(zhuǎn)換器根據(jù)開關(guān)模式，存在直流電源電路的中性點(diǎn)經(jīng)由開關(guān)元件和二極管與交流線路連接的期間，受到在該期間流過中性點(diǎn)的電流的影響，中性點(diǎn)電位發(fā)生變動(dòng)(例如參照日本專利特開平7-79574號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)I)、日本專利特開平7-135782號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)2)、以及島村等人編纂的《NPC逆變器直流輸入電容器電壓的平衡控制》電氣學(xué)會(huì)半導(dǎo)體功率轉(zhuǎn)換研究會(huì)資料SPC-91-37(非專利文獻(xiàn)I))。這種中性點(diǎn)電位的變動(dòng)可能對(duì)開關(guān)元件施加過大電壓。
[0004]作為防止這種問題發(fā)生的一種方法，非專利文獻(xiàn)I公式了如下結(jié)構(gòu):S卩，為了使構(gòu)成直流電源電路的串聯(lián)連接的兩個(gè)電容器的直流電壓相等，根據(jù)兩個(gè)電容器的直流電壓的電壓差對(duì)功率轉(zhuǎn)換裝置的電壓指令進(jìn)行補(bǔ)正。該非專利文獻(xiàn)I中，根據(jù)需要對(duì)基于兩個(gè)電容器的直流電壓的電壓差而生成的補(bǔ)償量進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換后，與三電平逆變器的各相輸出電壓指令相加，生成最終的輸出電壓指令。另外，補(bǔ)償量的極性轉(zhuǎn)換基于三電平逆變器輸出的有功功率和無功功率、以及逆變器輸出頻率來進(jìn)行。下面將抑制中性點(diǎn)電位變動(dòng)的控制稱為“直流電壓平衡控制”。
現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)
[0005]專利文獻(xiàn)1:日本專利特開平7-79574號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2:日本專利特開平7-135782號(hào)公報(bào)
非專利文獻(xiàn)
[0006]非專利文獻(xiàn)I:島村等人編纂的《NPC逆變器直流輸入電容器電壓平衡控制》電氣學(xué)會(huì)半導(dǎo)體功率轉(zhuǎn)換研究會(huì)資料SPC-91-37

【發(fā)明內(nèi)容】

發(fā)明要解決的問題
[0007]功率轉(zhuǎn)換裝置中，為了降低主電路元件的開關(guān)損耗，優(yōu)選盡量減少各相臂每周期的開關(guān)次數(shù)。另一方面，必須確保所搭載系統(tǒng)要求的控制響應(yīng)性。因此，從兼顧降低開關(guān)損耗和控制響應(yīng)性的觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)如下結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，即通過將多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器串聯(lián)連接成多級(jí)，從而使多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器的輸出重疊。在上述結(jié)構(gòu)中，將低頻載波信號(hào)設(shè)為多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器間互不相同的相位。因此，實(shí)現(xiàn)了等效的高載波頻率的功率轉(zhuǎn)換裝置。
[0008]然而，各三電平轉(zhuǎn)換器中，開關(guān)次數(shù)越少，流過中性點(diǎn)的電流越大，因此中性點(diǎn)電位的變動(dòng)越大。因此，上述直流電壓平衡控制變得很重要。另一方面，過去的直流電壓平衡控制中，在無負(fù)載或輕負(fù)載時(shí)，受到流過三電平轉(zhuǎn)換器的電流的脈動(dòng)的影響，補(bǔ)償量的極性轉(zhuǎn)換變得不穩(wěn)定。因此，存在無法充分獲得抑制中性點(diǎn)電位變動(dòng)的效果的問題。
[0009]因此，本發(fā)明的主要目的在于，在將多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器多重連接的功率轉(zhuǎn)換裝置中，切實(shí)地抑制中性點(diǎn)的電位變動(dòng)。
技術(shù)方案
[0010]本發(fā)明所述的功率轉(zhuǎn)換裝置具備:多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器，所述多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器與交流電源多重串聯(lián)連接；以及控制裝置，所述控制裝置對(duì)多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器的動(dòng)作進(jìn)行控制。多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如下，即分別設(shè)置在交流電源與直流正母線、直流負(fù)母線及直流中性點(diǎn)母線之間，且能夠?qū)⒅绷麟妷恨D(zhuǎn)換成在三個(gè)電壓值之間變化的交流電壓。直流正母線與直流負(fù)母線之間并聯(lián)連接有第一和第二電容器，且第一和第二電容器的連接點(diǎn)與直流中性點(diǎn)母線連接?？刂蒲b置包括:運(yùn)算部，所述運(yùn)算部運(yùn)算多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器的輸出電壓指令;載波信號(hào)生成部，所述載波信號(hào)生成部生成載波信號(hào)；補(bǔ)正部，所述補(bǔ)正部基于直流中性點(diǎn)母線的電位變動(dòng)對(duì)載波信號(hào)的相位進(jìn)行補(bǔ)正；以及脈沖寬度調(diào)制控制部，所述脈沖寬度調(diào)制控制部將由補(bǔ)正部對(duì)相位進(jìn)行補(bǔ)正后的載波信號(hào)作為基準(zhǔn)相位，以規(guī)定量逐漸延遲相位，從而生成多個(gè)載波信號(hào)，并且將輸出電壓指令與多個(gè)載波信號(hào)分別進(jìn)行比較，從而生成多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器各自的控制指令。
有益效果
[0011]根據(jù)本發(fā)明，在將多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器多重連接的功率轉(zhuǎn)換裝置中，能夠切實(shí)地抑制中性點(diǎn)的電位變動(dòng)。
【附圖說明】
[0012]圖1是表示本發(fā)明實(shí)施方式所述的功率轉(zhuǎn)換裝置的主電路結(jié)構(gòu)的概要框圖。
圖2是對(duì)圖1所示三電平轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說明的電路圖。
圖3是表示圖2所示的單相三電平電路中流過中性點(diǎn)電流的開關(guān)模式的圖。
圖4是圖1所示的控制裝置的功能框圖。
圖5是圖4所示的電壓指令運(yùn)算部的功能框圖。
圖6是表示電壓指令與五個(gè)載波信號(hào)之間的關(guān)系的波形圖。
圖7是表示將第一級(jí)載波信號(hào)作為基準(zhǔn)相位時(shí)由各三電平轉(zhuǎn)換器輸出的電壓和直流電壓的波形圖。
圖8是表示對(duì)將第一級(jí)載波信號(hào)作為基準(zhǔn)相位時(shí)的功率轉(zhuǎn)換裝置的輸出電流、直流電壓和輸出電壓進(jìn)行模擬后的結(jié)果的波形圖。
圖9是表示將第三級(jí)載波信號(hào)作為基準(zhǔn)相位時(shí)由各三電平轉(zhuǎn)換器輸出的電壓和直流電壓的波形圖。
圖10是表示對(duì)將第三級(jí)載波信號(hào)作為基準(zhǔn)相位時(shí)的功率轉(zhuǎn)換裝置的輸出電流、直流電壓和輸出電壓進(jìn)行模擬后的結(jié)果的波形圖。
圖11是圖4所示的載波相位補(bǔ)正部的功能框圖。
圖12是對(duì)載波信號(hào)生成部中的載波信號(hào)的相位補(bǔ)正進(jìn)行說明的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面，使用附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式進(jìn)行說明。另外，圖中對(duì)相同或相當(dāng)部分標(biāo)注相同符號(hào)，不再重復(fù)說明。
[0014][功率轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)]
圖1是表示本發(fā)明實(shí)施方式所述的功率轉(zhuǎn)換裝置的主電路結(jié)構(gòu)的概要框圖。本發(fā)明實(shí)施方式所述功率轉(zhuǎn)換裝置將由直流電源電路即平滑電路提供的直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電。功率轉(zhuǎn)換裝置具備:多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器，所述多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器經(jīng)由變壓器2與交流系統(tǒng)I多重串聯(lián)連接；以及控制裝置10，所述控制裝置10對(duì)多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器的動(dòng)作進(jìn)行控制。例如功率轉(zhuǎn)換裝置由五臺(tái)三電平轉(zhuǎn)換器31?35構(gòu)成。以下說明中，將一臺(tái)三電平轉(zhuǎn)換器數(shù)作一級(jí)，五臺(tái)三電平轉(zhuǎn)換器31?35多重連接后構(gòu)成五級(jí)轉(zhuǎn)換器。此外，將五臺(tái)三電平轉(zhuǎn)換器31?35區(qū)別稱呼時(shí)，將三電平轉(zhuǎn)換器31稱為“第一級(jí)”，將三電平轉(zhuǎn)換器32稱為“第二級(jí)”，將三電平轉(zhuǎn)換器33稱為“第三級(jí)”，將三電平轉(zhuǎn)換器34稱為“第四級(jí)”，將三電平轉(zhuǎn)換器35稱為“第五級(jí)”。
[0015]平滑電路連接到直流正母線5與直流負(fù)母線6之間，對(duì)直流正母線5與直流負(fù)母線6之間的電壓進(jìn)行平滑。平滑電路的正電位點(diǎn)P與直流正母線5連接。平滑電路的負(fù)電位點(diǎn)N與直流負(fù)母線6連接。平滑電路向直流正母線5與直流負(fù)母線6之間提供直流電。
[0016]具體而言，平滑電路由分別與五臺(tái)三電平轉(zhuǎn)換器31?35對(duì)應(yīng)設(shè)置的五個(gè)平滑部構(gòu)成。各平滑部具有在直流正母線5與直流負(fù)母線6之間并聯(lián)連接的兩個(gè)電容器。即，由電容器Cll、C12的串聯(lián)連接構(gòu)成的平滑部與第一級(jí)三電平轉(zhuǎn)換器31對(duì)應(yīng)，由電容器C21、C22的串聯(lián)連接構(gòu)成的平滑部與第二級(jí)三電平轉(zhuǎn)換器32對(duì)應(yīng)，由電容器C31、32的串聯(lián)連接構(gòu)成的平滑部與第三級(jí)三電平轉(zhuǎn)換器33對(duì)應(yīng)，由電容器C41、C42的串聯(lián)連接構(gòu)成的平滑部與第四級(jí)三電平轉(zhuǎn)換器34對(duì)應(yīng)，由電容器C51、C52的串聯(lián)連接構(gòu)成的平滑部與第五級(jí)三電平轉(zhuǎn)換器35對(duì)應(yīng)。構(gòu)成各平滑部的兩個(gè)電容器的連接點(diǎn)即中性點(diǎn)C與直流中性點(diǎn)母線7共通連接。
[0017]三電平轉(zhuǎn)換器31?35將由直流正母線5、直流中性點(diǎn)母線7和直流負(fù)母線6經(jīng)由平滑電路供應(yīng)的直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電。變壓器2的一次側(cè)與交流系統(tǒng)I之間連接有開關(guān)SW。根據(jù)圖中未顯示的來自上級(jí)控制裝置的信號(hào)對(duì)開關(guān)SW進(jìn)行導(dǎo)通/非導(dǎo)通(接通/關(guān)斷)，從而將交流系統(tǒng)I對(duì)功率轉(zhuǎn)換裝置的供電路徑導(dǎo)通/切斷。
[0018]儀表用變流器(CurrentTransformer= CT)與交流系統(tǒng)I對(duì)功率轉(zhuǎn)換裝置的供電路徑插入連接。CT檢測流過交流系統(tǒng)I的三相電流，將表示三相電流的三相電流信號(hào)輸出到控制裝置10。儀表用變壓器(？0丨6111^311'作118；1；'01'11161':?1')檢測交流系統(tǒng)1的三相電壓，將表示三相電壓的三相電壓信號(hào)輸出到控制裝置10。
[0019]電壓傳感器8檢測正側(cè)的電容器C11、C21、C31、C41、C51兩端的電壓ED1，將表示電壓已以的信號(hào)輸出到控制裝置10。電壓傳感器9檢測負(fù)側(cè)的電容器C12、C22、C32、C42、C52兩端的電壓ED2，將表示電壓Ed2的信號(hào)輸出到控制裝置10。以下說明中將直流電壓Ed1也記為“正側(cè)直流電壓”，將直流電壓Ed2也記為“負(fù)側(cè)直流電壓”。
[0020]控制裝置10對(duì)三電平轉(zhuǎn)換器31?35的動(dòng)作進(jìn)行控制。后面將進(jìn)行詳細(xì)說明，三電平轉(zhuǎn)換器31?35分別由半導(dǎo)體開關(guān)元件(以下只稱為“開關(guān)元件”)構(gòu)成。開關(guān)元件為GCT(Gate Commutated Turn-off:棚.極換向晶閘管)晶閘管、IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor:絕緣棚.雙極型晶體管)、M0SFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor:金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體)等自勵(lì)半導(dǎo)體元件。本實(shí)施方式中，使用GCT晶閘管作為開關(guān)元件。此外，本實(shí)施方式中，使用PWM(Pulse Width Modulat1n:脈寬調(diào)制)控制作為開關(guān)元件的控制方式。
[0021]控制裝置10在開關(guān)SW處于接通狀態(tài)時(shí)，接收來自CT的三相電流信號(hào)和來自PT的三相電壓信號(hào)，執(zhí)行PffM控制?？刂蒲b置10使三電平轉(zhuǎn)換器31?35進(jìn)行動(dòng)作，從而將來自平滑電路的直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電?？刂蒲b置10通過PffM控制，生成用于對(duì)三電平轉(zhuǎn)換器31?35進(jìn)行控制的開關(guān)控制信號(hào)SI?S5，將所生成的開關(guān)控制信號(hào)SI?S5分別輸出到三電平轉(zhuǎn)換器31?35。
[0022][三電平轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)]
圖2是對(duì)圖1所示的三電平轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說明的電路圖。三電平轉(zhuǎn)換器31?35分別是使用三臺(tái)圖2所示的單相三電平電路構(gòu)成的三相逆變器。圖2代表性地示出了構(gòu)成三電平轉(zhuǎn)換器31的三臺(tái)單相三電平電路中的與U相-X相相關(guān)的結(jié)構(gòu)，但是V相-Y相、W相-Z相也具有相同的結(jié)構(gòu)。
[0023]參照?qǐng)D2，單相三電平電路包括并聯(lián)連接在直流正母線5與直流負(fù)母線6之間的U相臂、以及X相臂。U相臂包括開關(guān)兀件Gu1、GU2、Gu3、GlM、以及二極管Du1、DU2、DU3、DU4、Dua、Dub。開關(guān)元件的串聯(lián)電路連接到直流正母線5與直流負(fù)母線6之間。開關(guān)元件Gu1Jl^6113、6114分別連接有反并聯(lián)二極管0111、0112、0113、0114。結(jié)二極管0113連接到開關(guān)兀件6111、6112的連接點(diǎn)與直流中性點(diǎn)母線7之間。結(jié)二極管Dub連接到開關(guān)元件Gu3、Gu4的連接點(diǎn)與直流中性點(diǎn)母線7之間。
[0024]乂相臂包括開關(guān)兀件611、612、613、614、以及二極管011、012、013、014、013、011)。開關(guān)兀件GX1、GX2、GX3、GX4的并聯(lián)電路連接到直流正母線5與直流負(fù)母線6之間。開關(guān)元件GX1、GX2、GX3、Gx4分別連接有反并聯(lián)二極管DX1、DX2、DX3、DX4。結(jié)二極管Dx^接到開關(guān)元件GX1、GX2的連接點(diǎn)與直流中性點(diǎn)母線7之間。結(jié)二極管Dxb連接到開關(guān)元件GX3、GX4的連接點(diǎn)與直流中性點(diǎn)母線7之間。
[0025]U相臂的開關(guān)元件GU2、GU3的連接點(diǎn)與X相臂的開關(guān)元件GX2、GX3的連接點(diǎn)作為單相三電平電路的輸出端子與交流系統(tǒng)連接。
[0026]上述結(jié)構(gòu)的單相三電平電路中，根據(jù)開關(guān)模式，存在中性點(diǎn)C經(jīng)由開關(guān)元件和二極管與交流系統(tǒng)連接的期間。受到在該期間流過中性點(diǎn)C的電流(中性點(diǎn)電流)的影響，中性點(diǎn)C的電位發(fā)生變動(dòng)。圖3表示圖2所示的單相三電平電路中流過中性點(diǎn)電流的開關(guān)模式。圖3中對(duì)各開關(guān)模式中用箭頭表示中性點(diǎn)電流的方向。將由X相臂流到U相臂的電流的方向設(shè)為正，將由U相臂流到X相臂的電流的方向設(shè)為負(fù)。
[0027]若電流由中性點(diǎn)C向正電位點(diǎn)P流動(dòng)，則正側(cè)的電容器Cl I處于放電模式，電容器C11的直流電壓Ed1減少，因此中性點(diǎn)C的電位上升?；蛘撸綦娏饔芍行渣c(diǎn)C向負(fù)電位點(diǎn)N流動(dòng)，則負(fù)側(cè)的電容器Cl2處于充電模式，電容器Cl2的直流電壓Ed2增加，因此中性點(diǎn)C的電位上升。
[0028]相對(duì)于此地，若電流由正電位點(diǎn)P向中性點(diǎn)C流動(dòng)，則正側(cè)的電容器Cll處于充電模式，直流電壓Ed1增加，因此中性點(diǎn)C的電位下降?；蛘撸綦娏饔韶?fù)電位點(diǎn)N向中性點(diǎn)C流動(dòng)，負(fù)側(cè)的電容器Cl 2處于放電模式，直流電壓Ed2減少，因此中性點(diǎn)C的電位下降。
[0029]由此，在單相三電平電路中，根據(jù)開關(guān)模式，正側(cè)和負(fù)側(cè)的直流電壓變得不平衡，從而中性點(diǎn)C的電位明顯偏向正或負(fù)。這種中性點(diǎn)C的電位的變動(dòng)可能對(duì)開關(guān)元件施加過大電壓。
[0030]作為用于抑制這種中性點(diǎn)電位的變動(dòng)的一種方法，過去已對(duì)直流電壓平衡控制進(jìn)行了研究，所述直流電壓平衡控制根據(jù)正側(cè)和負(fù)側(cè)的直流電壓的電壓差，對(duì)功率轉(zhuǎn)換裝置的開關(guān)進(jìn)行控制，從而使正側(cè)和負(fù)側(cè)的直流電壓相等(例如參照非專利文獻(xiàn)2)。本實(shí)施方式所述的功率轉(zhuǎn)換裝置中采用該直流電壓平衡控制來控制三電平轉(zhuǎn)換器31?35。
[0031](控制裝置的結(jié)構(gòu))
圖4是圖1所示的控制裝置10的功能框圖。
[0032]參照?qǐng)D4，控制裝置10包括減法器12、16、電流指令運(yùn)算部14、電壓指令運(yùn)算部18、以及PffM脈沖生成部20?？刂蒲b置10還包括相位同步(Phased Locked Loop:PLL(鎖相環(huán)))電路22、載波信號(hào)生成部24、以及載波相位補(bǔ)正部26。
[0033]上級(jí)的控制裝置(圖中未顯示)向減法器12提供施加到交流系統(tǒng)I的U相、V相、W相各相的電壓操作量(以下也稱為“電壓指令”)。減法器12從三相電壓指令中減去由PT檢測到的三相電壓信號(hào)，輸出電壓差。
[0034]電流指令運(yùn)算部14從減法器12接收電壓差，生成U相、V相、W相各相的電流指令。例如電流指令運(yùn)算部通過對(duì)電壓差進(jìn)行比例運(yùn)算或比例積分運(yùn)算來生成三相電流指令。
[0035]減法器16從由電流指令運(yùn)算部14生成的三相電流指令中減去由CT檢測到的三相電流信號(hào)，輸出電流差。
[0036]電壓指令運(yùn)算部18接收由減法器16算出的電流差、CT檢測到的三相電流信號(hào)、以及PT檢測到的三相電壓信號(hào)。電壓指令運(yùn)算部18還接收電壓傳感器8檢測到的正側(cè)直流電壓Ed1、以及電壓傳感器9檢測到的負(fù)側(cè)直流電壓ED2。電壓指令運(yùn)算部18基于這些輸入信號(hào)來運(yùn)算三相電壓指令。
[0037]圖5是圖4所示的電壓指令運(yùn)算部18的功能框圖。
參照?qǐng)D5，電壓指令運(yùn)算部18包括電流控制部40、加法器42、44、46、以及電容器電壓平衡控制電路180。電流控制部40生成三相電壓指令Vul'Vvl'Vwl'作為應(yīng)施加到交流系統(tǒng)I的電壓，從而使由減法器16算出的電流差(三相電流指令與由CT檢測到的電流之差)變?yōu)榱恪ｋ娏骺刂撇?0例如根據(jù)比例控制或比例積分控制使電流差增幅，從而生成三相電壓指令Vul'VvlU。
[0038]電容器電壓平衡控制電路180基于電壓傳感器8檢測到的正側(cè)直流電壓Ed1與電壓傳感器9檢測到的負(fù)側(cè)直流電壓Ed2的電壓差(Ed1-Ed2),生成用于消除直流電壓ED1、ED2的不平衡的補(bǔ)償量BI2。所生成的補(bǔ)償量BI2分別與來自電流控制部40的三相電壓指令Vul'Vvl'Vwi^ffi加。因此，生成最終的三相電壓指令V1/、Vv2*、Vw2*。
[0039]具體而言，電容器電壓平衡控制電路180包括減法器60、64、一次延遲濾波器62、反饋系數(shù)Kw、KA1、加法器70、極性反轉(zhuǎn)部72、PQ檢測部52、極性判斷部54、以及切換部74。
[0040]減法器60從電壓傳感器8檢測到的正側(cè)直流電壓Ed1中減去電壓傳感器9檢測到的負(fù)側(cè)直流電壓Ed2，輸出電壓差Ed( =Edi_Ed2)。一次延遲濾波器62使輸入的電壓差Ed沿時(shí)間軸方向變得平滑，從而生成直流分量Edi。減法器64根據(jù)電壓差Ed與直流分量Edi的偏差來生成交流分量Em。
[0041 ] 通過加法器70對(duì)直流分量Edi和交流分量Em加上分別乘以反饋系數(shù)KD1、KAI所得到的乘積，從而生成補(bǔ)償量BI I ο極性反轉(zhuǎn)部72使補(bǔ)償量BI I的極性反轉(zhuǎn)。
[0042]?0檢測部52基于交流系統(tǒng)1的三相電壓611、?、?和三相電流丨11、“檢測功率轉(zhuǎn)換裝置輸出的有功功率P和無功功率Q。極性判斷部54基于功率轉(zhuǎn)換裝置的有功功率P和無功功率Q、以及來自電流控制部40的功率轉(zhuǎn)換裝置的輸出頻率，生成極性切換信號(hào)。
[0043]切換部74根據(jù)由極性判斷部54生成的極性切換信號(hào)，選擇補(bǔ)償量BIl和極性反轉(zhuǎn)后的補(bǔ)償量(-BI1)中的任意一個(gè)。由此，根據(jù)需要將補(bǔ)償量BI的極性反轉(zhuǎn)，從而生成最終的補(bǔ)償量812。所生成的補(bǔ)償量812分別通過加法器42、44、46與三相電壓指令￥1/上1*11*相加。
[0044]如上所示，電壓指令運(yùn)算部18使用基于正側(cè)直流電壓ED1與負(fù)側(cè)直流電壓Ed2的電壓差(Ed1-Ed2)而生成的補(bǔ)償量BI2，對(duì)三相電壓指令Vul'Vvl'Vwl*進(jìn)行補(bǔ)正，從而生成最終的三相電壓指令Vu2'Vv2'Vw2'電壓指令運(yùn)算部18將所生成的三相電壓指令Vu2'Vv2'Vw/輸出到PffM脈沖生成部20。
[0045]再次返回圖4，ΡΒ1脈沖生成部20基于由電壓指令運(yùn)算部18生成的三相電壓指令Vu2'Vv2'Vw2'生成對(duì)三電平轉(zhuǎn)換器31?35所含開關(guān)元件的接通關(guān)斷進(jìn)行控制的開關(guān)控制信號(hào)SI?S5。另外，圖4中代表性地示出了開關(guān)控制信號(hào)SI?S5中用于對(duì)第一級(jí)三電平轉(zhuǎn)換器31進(jìn)行控制的開關(guān)控制信號(hào)SI。
[0046]PLL電路22根據(jù)由PT檢測的交流系統(tǒng)I的三相電壓檢測各相電壓的相位Θ。載波信號(hào)生成部24基于由PLL電路22檢測到的相位Θ，運(yùn)算交流系統(tǒng)I的頻率。而且，載波信號(hào)生成部24基于交流系統(tǒng)I的頻率，運(yùn)算PWM控制中使用的載波信號(hào)的頻率，生成該運(yùn)算的頻率的載波信號(hào)。另外，載波信號(hào)能夠由三角波或鋸齒波構(gòu)成。下面舉例說明三角波。此外，將載波信號(hào)的頻率與交流系統(tǒng)I的頻率的比值設(shè)為6。因此，PffM控制中將電壓指令一個(gè)周期所含的載波信號(hào)的脈沖數(shù)控制為6個(gè)。
[0047]PWM脈沖生成部20使用由載波信號(hào)生成部24生成的載波信號(hào)，生成分別與五臺(tái)三電平轉(zhuǎn)換器31?35對(duì)應(yīng)的五個(gè)載波信號(hào)。這五個(gè)載波信號(hào)相互具有相位差。圖6是表示電壓指令與五個(gè)載波信號(hào)的關(guān)系的波形圖。
[0048]參照?qǐng)D6，第一級(jí)載波信號(hào)用于生成第一級(jí)三電平轉(zhuǎn)換器31所包含的單相三電平電路的開關(guān)控制信號(hào)SI。第一級(jí)載波信號(hào)由在零到正的最大值間變化的U相三角波、以及在零到負(fù)的最大值間變化的X相三角波構(gòu)成。第一級(jí)載波信號(hào)的零交叉點(diǎn)與電壓指令的零交叉點(diǎn)一致。PWM脈沖生成部20將該第一級(jí)載波信號(hào)作為“基準(zhǔn)相位”，生成剩余的四個(gè)載波信號(hào)。
[0049]第二級(jí)載波信號(hào)用于生成第二級(jí)三電平轉(zhuǎn)換器32所包含的單相三電平電路的開關(guān)控制信號(hào)S2。第二級(jí)載波信號(hào)由U相三角波、以及X相三角波構(gòu)成。第二級(jí)載波信號(hào)是將第一級(jí)載波信號(hào)的相位延遲規(guī)定量9s后的信號(hào)。
[0050]第三級(jí)載波信號(hào)用于生成第三級(jí)三電平轉(zhuǎn)換器33所包含的單相三電平電路的開關(guān)控制信號(hào)S3。第三級(jí)載波信號(hào)由U相三角波、以及X相三角波構(gòu)成。第三級(jí)載波信號(hào)是將第二級(jí)載波信號(hào)的相位延遲規(guī)定量9s后的信號(hào)。
[0051]第四級(jí)載波信號(hào)用于生成第四級(jí)三電平轉(zhuǎn)換器34所包含的單相三電平電路的開關(guān)控制信號(hào)S4。第四級(jí)載波信號(hào)包括U相三角波、以及X相三角波。第四級(jí)載波信號(hào)是將第三級(jí)載波信號(hào)的相位延遲規(guī)定量9s后的信號(hào)。
[0052]第五級(jí)載波信號(hào)用于生成第五級(jí)三電平轉(zhuǎn)換器34所包含的單相三電平電路的開關(guān)控制信號(hào)S5。第五級(jí)載波信號(hào)由U相三角波、以及X相三角波構(gòu)成。第五級(jí)載波信號(hào)是將第四級(jí)載波信號(hào)的相位延遲規(guī)定量9s后的信號(hào)。
[0053]由此，PffM脈沖生成部20將零交叉點(diǎn)與電壓指令一致的載波信號(hào)作為基準(zhǔn)相位，將相位相對(duì)于該基準(zhǔn)相位依次延遲規(guī)定量0s，從而生成共五個(gè)載波信號(hào)。
[0054]Pmi脈沖生成部20將三相電壓指令Vu2'Vv2'Vw/分別與五個(gè)載波信號(hào)進(jìn)行高低比較，生成用于對(duì)三電平轉(zhuǎn)換器31?35的開關(guān)元件的接通關(guān)斷進(jìn)行控制的開關(guān)控制信號(hào)SI?S5o
[0055]圖7是表示將第一級(jí)載波信號(hào)作為基準(zhǔn)相位時(shí)分別由三電平轉(zhuǎn)換器31?35輸出的電壓和直流電壓Ed1、ED2的波形圖。圖7中代表性地示出了由單相三電平電路(圖2)輸出的U相電壓和X相電壓。
[0056]參照?qǐng)D7，單相三電平電路中，將電壓指令與U相三角波和X相三角波進(jìn)行高低比較，基于該比較結(jié)果來決定開關(guān)元件的接通關(guān)斷的組合。
[0057]一級(jí)U相三角波是頻率為電壓指令的6倍且與電壓指令同步的信號(hào)，一級(jí)U相三角波的最小值為0V，其最大值高于電壓指令的正的峰值電壓。一級(jí)X相三角波是與一級(jí)U相三角波同相的信號(hào)，一級(jí)X相三角波的最小值低于電壓指令的負(fù)的峰值電壓，其最大值為0V。
[0058]電壓指令高于一級(jí)U相三角波的電平的期間，開關(guān)元件Gu1Xu2接通，開關(guān)元件GU3、Gu4關(guān)斷。電壓指令處于一級(jí)U相三角波的電平之間的期間，開關(guān)元件Gu2接通，開關(guān)元件Glu、GU3、GU4關(guān)斷。電壓指令處于一級(jí)X相三角波的電平之間的期間，開關(guān)元件Gu3接通，開關(guān)元件GuiWl^Gu4關(guān)斷。電壓指令低于一級(jí)X相三角波的電平的期間，開關(guān)元件GU3、GU4接通，開關(guān)元件Gu1、Gu2關(guān)斷O
[0059]將電壓指令的符號(hào)反轉(zhuǎn)后低于一級(jí)X相三角波的電平的期間，開關(guān)元件GX3、GX4接通，開關(guān)元件Gn、GX2關(guān)斷。將電壓指令的符號(hào)反轉(zhuǎn)后處于一級(jí)X相三角波的電平之間的期間，開關(guān)元件Gx3接通，開關(guān)元件GX1、GX2、GX4關(guān)斷。將電壓指令的符號(hào)反轉(zhuǎn)后處于一級(jí)U相三角波的電平之間的期間，開關(guān)元件Gx2接通，開關(guān)元件GX1、GX3、GX4關(guān)斷。將電壓指令的符號(hào)反轉(zhuǎn)后高于一級(jí)U相三角波的電平的期間，開關(guān)元件Gn、GX2接通，開關(guān)元件GX3、GX4關(guān)斷。
[0060]如上所示，開關(guān)元件接通關(guān)斷時(shí)，單相三電平電路中產(chǎn)生圖3所示的中性點(diǎn)C經(jīng)由開關(guān)元件和二極管與交流系統(tǒng)連接的期間。因此，如圖7所示，產(chǎn)生如下開關(guān)模式:S卩，受到流過中性點(diǎn)C的電流(中性點(diǎn)電流)的影響，中性點(diǎn)C的電位上升的開關(guān)模式(與圖中的中性點(diǎn)電位上升模式相當(dāng))；以及受到中性點(diǎn)電流的影響，中性點(diǎn)C的電位下降的開關(guān)模式(與圖中的中性點(diǎn)電位下降模式相當(dāng))。
[0061 ]各三電平轉(zhuǎn)換器31?35中將電壓指令與載波信號(hào)(U相三角波、X相三角波)進(jìn)行高低比較，根據(jù)該比較結(jié)果來決定開關(guān)元件接通關(guān)斷的組合。其結(jié)果為，各三電平轉(zhuǎn)換器31?35中產(chǎn)生中性點(diǎn)C的電位上升的開關(guān)模式、以及中性點(diǎn)C的電位下降的開關(guān)模式。該結(jié)果為，作為整個(gè)功率轉(zhuǎn)換裝置來看時(shí)，如圖7的最下級(jí)所示，在電壓指令的一個(gè)周期之間產(chǎn)生中性點(diǎn)C的電位上升的期間、以及中性點(diǎn)C的電位下降的期間。
[0062]圖8是表示對(duì)將第一級(jí)載波信號(hào)作為基準(zhǔn)相位情況下的功率轉(zhuǎn)換裝置的輸出電流、直流電壓ED1、ED2和輸出電壓進(jìn)行模擬的結(jié)果的波形圖。圖8的模擬假定了功率轉(zhuǎn)換裝置的各三電平轉(zhuǎn)換器31?35進(jìn)行了圖7所示動(dòng)作的情況。
[0063]參照?qǐng)D8，將正側(cè)直流電壓Ed1與負(fù)側(cè)直流電壓Ed2進(jìn)行比較后，負(fù)側(cè)直流電壓Ed2高于正側(cè)直流電壓Ed1，正側(cè)和負(fù)側(cè)的直流電壓產(chǎn)生了不平衡。因此，中性點(diǎn)C的電位偏向正，可能對(duì)開關(guān)元件施加過大電壓。
[0064]此外，如上所示，電容器電壓平衡控制電路180(圖5)中，根據(jù)輸出電流的極性變化切換補(bǔ)償量BIl的極性，然而受到輸出電流的脈動(dòng)的影響，輸出電壓的波形發(fā)生了畸變。
[0065]圖9是表示將第三級(jí)載波信號(hào)作為基準(zhǔn)相位時(shí)分別由三電平轉(zhuǎn)換器31?35輸出的電壓和直流電壓Ed1、ED2的波形圖。圖9中代表性地示出了由單相三電平電路(圖2)輸出的U相電壓和X相電壓。
[0066]圖9中代替第一級(jí)載波信號(hào)，圖中未顯示的第三級(jí)載波信號(hào)的零交叉點(diǎn)與電壓指令的零交叉點(diǎn)一致。而且，將該第三級(jí)載波信號(hào)作為基準(zhǔn)相位，生成剩余的四個(gè)載波信號(hào)。具體而言，第四級(jí)載波信號(hào)是將第三級(jí)載波信號(hào)的相位延遲規(guī)定量9s后的信號(hào)。第五級(jí)載波信號(hào)是將第四級(jí)載波信號(hào)的相位延遲規(guī)定量9s后的信號(hào)。第一級(jí)載波信號(hào)是將第五級(jí)載波信號(hào)的相位延遲規(guī)定量0S后的信號(hào)。第二級(jí)載波信號(hào)是將第一級(jí)載波信號(hào)的相位延遲規(guī)定量9S后的信號(hào)。
[0067]與圖7的說明相同，單相三電平電路中將電壓指令與U相三角波和X相三角波進(jìn)行高低比較，基于該比較結(jié)果來決定開關(guān)元件的接通關(guān)斷的組合。而且，開關(guān)元件接通關(guān)斷時(shí)，產(chǎn)生中性點(diǎn)C經(jīng)由開關(guān)元件和二極管與交流系統(tǒng)連接的期間，從而產(chǎn)生中性點(diǎn)C的電位上升的開關(guān)模式、以及中性點(diǎn)C的電位下降的開關(guān)模式。
[0068]各三電平轉(zhuǎn)換器31?35中，產(chǎn)生上述中性點(diǎn)C的電位上升的開關(guān)模式、以及中性點(diǎn)C的電位下降的模式，因此作為整個(gè)功率轉(zhuǎn)換裝置來看時(shí)，如圖9的最下級(jí)所示，在電壓指令的一個(gè)周期之間產(chǎn)生了中性點(diǎn)C的電位上升的期間、以及中性點(diǎn)C的電位下降的期間。
[0069]圖10是表示對(duì)將第三級(jí)載波信號(hào)作為基準(zhǔn)相位情況下的功率轉(zhuǎn)換裝置的輸出電流、直流電壓ED1、ED2和輸出電壓進(jìn)行模擬的結(jié)果的波形圖。該模擬假定了功率轉(zhuǎn)換裝置的各三電平轉(zhuǎn)換器31?35進(jìn)行了圖9所示動(dòng)作的情況。
[0070]參照?qǐng)D10，正側(cè)直流電壓ED1與負(fù)側(cè)直流電壓Ed2基本相等，這兩個(gè)直流電壓之間未產(chǎn)生不平衡。此外，由于輸出電流的脈動(dòng)較小，因此可抑制輸出電流的極性變化而引起的輸出電壓的波形畸變。
[0071]此處，將以圖7和圖8所示的第一級(jí)載波信號(hào)作為基準(zhǔn)相位的情況與以圖9和圖10所示的第三級(jí)載波信號(hào)作為基準(zhǔn)相位的情況進(jìn)行比較后，與以第一級(jí)載波信號(hào)作為基準(zhǔn)相位的情況相比，以第三級(jí)載波信號(hào)作為基準(zhǔn)相位的情況的正側(cè)直流電壓ED1與負(fù)側(cè)直流電壓Ed2之間的不平衡減少。即，可知直流電壓平衡控制中，載波信號(hào)的相位對(duì)中性點(diǎn)的電位造成了較大影響。
[0072]因此，本發(fā)明實(shí)施方式所述的功率轉(zhuǎn)換裝置中，直流電壓平衡控制中，根據(jù)中性點(diǎn)電位的變動(dòng)來調(diào)整載波信號(hào)的相位。具體而言，控制裝置10對(duì)載波信號(hào)的基準(zhǔn)相位進(jìn)行補(bǔ)正，使正側(cè)直流電壓ED1與負(fù)側(cè)直流電壓Ed2保持平衡。
[0073]再次參照?qǐng)D4，控制裝置10具備載波相位補(bǔ)正部26，作為對(duì)載波信號(hào)的基準(zhǔn)相位進(jìn)行補(bǔ)正的結(jié)構(gòu)。載波相位補(bǔ)正部26根據(jù)電壓傳感器8檢測到的電容器Cll的直流電壓Ed1和電壓傳感器9檢測到的電容器C12的直流電壓ED2，算出基準(zhǔn)相位的補(bǔ)正量ΔΘ，將算出的補(bǔ)正量Δ Θ輸出到載波信號(hào)生成部24。
[0074]圖11是圖4所示的載波相位補(bǔ)正部26的功能框圖。
參照?qǐng)D11，載波相位補(bǔ)正部26包括減法器260、以及PI運(yùn)算部262。減法器260從電壓傳感器8檢測到的電容器Cll的直流電壓Ed1中減去電壓傳感器9檢測到的電容器C12的直流電壓ED2，輸出電壓差Ed( =Ed1-Ed2)。
[0075]PI運(yùn)算部262通過對(duì)電壓差Ed進(jìn)行比例積分運(yùn)算來算出補(bǔ)正量ΔΘ JI運(yùn)算部262算出補(bǔ)正量ΛΘ，用于實(shí)現(xiàn)圖9所示的電壓差Ed為零的載波信號(hào)與電壓指令的相位關(guān)系。
[0076]若載波信號(hào)生成部24基于由PLL電路22檢測到的相位Θ來生成載波信號(hào)，則僅使所生成的載波信號(hào)的相位位移補(bǔ)正量A Θ。
[0077]圖12是對(duì)載波信號(hào)生成部24的載波信號(hào)的相位補(bǔ)正進(jìn)行說明的圖。
[0078]如上所示，載波信號(hào)生成部24基于由PLL電路22檢測到的相位Θ，運(yùn)算交流系統(tǒng)的頻率，生成頻率為交流系統(tǒng)頻率整數(shù)倍(例如6倍)的載波信號(hào)。如圖12的上級(jí)所示，所生成的載波信號(hào)的零交叉點(diǎn)與電壓指令的零交叉點(diǎn)一致。
[0079]載波信號(hào)生成部24如圖12的下級(jí)所示，僅使該載波信號(hào)的相位位移補(bǔ)正量ΔΘ。載波信號(hào)生成部24將補(bǔ)正后的載波信號(hào)輸出到PffM脈沖生成部20。
[0080]PWM脈沖生成部20使用補(bǔ)正后的載波信號(hào)，生成分別與五臺(tái)三電平轉(zhuǎn)換器31?35對(duì)應(yīng)的五個(gè)載波信號(hào)。PWM脈沖生成部20將補(bǔ)正后的載波信號(hào)作為第一級(jí)載波信號(hào)。圖12的下級(jí)示出了第一級(jí)載波信號(hào)即第一級(jí)U相三角波和一相X相三角波。PffM脈沖生成部20將該第一級(jí)載波信號(hào)作為基準(zhǔn)相位，生成剩余的四個(gè)載波信號(hào)。而且，PWM脈沖生成部20將三相電壓指令Vu2'Vv2'Vw/分別與五個(gè)載波信號(hào)進(jìn)行高低比較，生成對(duì)三電平轉(zhuǎn)換器31?35的開關(guān)元件的接通關(guān)斷進(jìn)行控制的開關(guān)控制信號(hào)SI?S5。
[0081]如上說明的那樣，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，在將多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器多重連接的功率轉(zhuǎn)換裝置中，根據(jù)正側(cè)直流電壓與負(fù)側(cè)直流電壓的電壓差對(duì)載波信號(hào)的基準(zhǔn)相位進(jìn)行補(bǔ)正后，能夠使正側(cè)直流電壓與負(fù)側(cè)直流電壓保持平衡。因此，直流電壓平衡控制的實(shí)效性得到提高，從而能夠切實(shí)地抑制中性點(diǎn)電位的變動(dòng)。
[0082]本次公示的實(shí)施方式全部為示例，不應(yīng)認(rèn)為其具有限制性。本發(fā)明的運(yùn)用并未在上述說明中而是在權(quán)利要求中示出，其包括與權(quán)利要求均等的含義以及權(quán)利要求內(nèi)的所有變更。
符號(hào)說明
[0083]I交流系統(tǒng)、2變壓器、5直流正母線、6直流負(fù)母線、7直流中性點(diǎn)母線、8、9電壓傳感器、10控制裝置、12、16減法器、14電流指令運(yùn)算部、18電壓指令運(yùn)算部、20PWM脈沖生成部、22PLL電路、24載波信號(hào)生成部、26載波相位補(bǔ)正部、31?35三電平轉(zhuǎn)換器、SW開關(guān)、CT儀表用變流器、PT儀表用變壓器。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種功率轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，具備: 多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器，所述多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器與交流電源多重串聯(lián)連接；以及 控制裝置，所述控制裝置對(duì)所述多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器的動(dòng)作進(jìn)行控制， 所述多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如下:即分別設(shè)置在所述交流電源與直流正母線、直流負(fù)母線及直流中性點(diǎn)母線之間，且能夠?qū)⒅绷麟妷恨D(zhuǎn)換成在三個(gè)電壓值間變化的交流電壓， 所述直流正母線與所述直流負(fù)母線之間并聯(lián)連接有第一電容器和第二電容器，且所述第一電容器和所述第二電容器的連接點(diǎn)與所述直流中性點(diǎn)母線連接， 所述控制裝置包括: 運(yùn)算部，所述運(yùn)算部運(yùn)算所述多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器的輸出電壓指令； 載波信號(hào)生成部，所述載波信號(hào)生成部生成載波信號(hào)； 補(bǔ)正部，所述補(bǔ)正部基于所述直流中性點(diǎn)母線的電位變動(dòng)對(duì)所述載波信號(hào)的相位進(jìn)行補(bǔ)正；以及 脈沖寬度調(diào)制控制部，所述脈沖寬度調(diào)制控制部將由所述補(bǔ)正部對(duì)相位進(jìn)行補(bǔ)正后的所述載波信號(hào)作為基準(zhǔn)相位，以規(guī)定量逐漸延遲相位，從而生成多個(gè)載波信號(hào)，并且將所述輸出電壓指令與所述多個(gè)載波信號(hào)分別進(jìn)行比較，從而生成所述多個(gè)三電平轉(zhuǎn)換器各自的控制指令。2.如權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于， 所述補(bǔ)正部基于所述第一電容器的兩端的電壓與所述第二電容器的兩端的電壓之間的電壓差，運(yùn)算所述載波信號(hào)的相位的補(bǔ)正量。
【文檔編號(hào)】H02M7/49GK105900328SQ201480072465
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2014年1月6日
【發(fā)明人】杉山隆, 森島直樹
【申請(qǐng)人】東芝三菱電機(jī)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)株式會(huì)社