專利名稱：具有三電平極的三相直流－交流電力逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及控制配電的裝置。更具體地，本發(fā)明涉及使用三電平極閥來產(chǎn)生具有零電壓分量的波形的三相直流-交流電力逆變器。
在電力配電系統(tǒng)中使用了三相直流-交流電力逆變器。這些裝置具有一組開關(guān)，用于將直流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散分布的方波。這些波形接著被組合以產(chǎn)生高質(zhì)量的正弦輸出信號(hào)。


圖1表示現(xiàn)有技術(shù)的三相直流-交流電力逆變器20。該逆變器20包括與直流電源26連接的第一逆變器級22及第二逆變器級24。每逆變器級包括十二個(gè)兩電平逆變器“極”(pole)28。
圖2a是兩電平逆變器極28的放大圖。每個(gè)兩電平逆變器極28包括一個(gè)正極性晶閘管30及一個(gè)反并聯(lián)二極管32。當(dāng)正極性晶閘管30被觸發(fā)(導(dǎo)通)時(shí)，在輸出節(jié)點(diǎn)(Vout)上產(chǎn)生正的直流波形。每個(gè)兩電平逆變器極28還包括一個(gè)負(fù)極性晶閘管34及一個(gè)反并聯(lián)二極管36。當(dāng)負(fù)極性晶閘管34被觸發(fā)時(shí)，在輸出節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生負(fù)的直流波形。圖2b表示由兩電平逆變器極28產(chǎn)生的兩電平方波38。“兩電平”一詞用來形容信號(hào)，因?yàn)樵撔盘?hào)既具有正值(V/2)又具有負(fù)值(V/2)。
現(xiàn)在回到圖1，可以理解，使用了不同的兩電平逆變器極28可產(chǎn)生一組方波波形。這些波形被一組相間變壓器40組合。除組合波形外，相間變壓器40還用于消除與輸入波形有關(guān)的諧波成分。相間變壓器的輸出在諧波阻塞變壓器42中被組合。諧波阻塞變壓器42的輸出被提供給主變壓器44，該主變壓器包括原邊三角形(Δ)繞組45、原邊星形(Y)繞組46及次邊Δ繞組48。然后主變壓器44的三相輸出施加到負(fù)載50，后者在該公共應(yīng)用例中可以是電力傳輸線。
圖3表示由圖1的裝置20產(chǎn)生的單相48脈沖波形。每脈沖信號(hào)由兩電平逆變器極28產(chǎn)生。通過在各兩電平逆變器極28上產(chǎn)生的信號(hào)的移相及然后由變壓器40，42和44組合這些相移信號(hào)便產(chǎn)生了圖3的波形。主變壓器44的輸出包括圖3的信號(hào)及兩個(gè)各相互相移120°的同樣信號(hào)。
在許多現(xiàn)有的應(yīng)用中，對于一個(gè)逆變器具有有限的控制能力便可滿足。例如，在靜態(tài)調(diào)相器(STATCON)中有限的控制能力就夠了。靜態(tài)調(diào)相器是一種與電力線并聯(lián)的電力電路，用于吸收可控的無功電流，由此調(diào)節(jié)連接點(diǎn)上的電壓并增加可達(dá)到的電力傳輸。在現(xiàn)有的靜態(tài)調(diào)相器中，通過改變逆變器輸出電壓的相位角來整體地控制逆變器。而沒有直接地控制直流輸入電壓及交流輸出電壓之間的比例。因此，譬如不能控制逆變器在其端子上產(chǎn)生正序及負(fù)序電壓的所需配合。此外，輸入電壓不能被維持在基本恒定的電平上，同時(shí)改變了交流輸出電壓。
新的應(yīng)用正在出現(xiàn)，其中對于逆變器重要的是快速地產(chǎn)生任意的輸出電壓矢量。即，對于逆變器重要的是快速地產(chǎn)生任意的幅值及相電壓量。
需要逆變器任意輸出電壓矢量控制的一個(gè)例子是描述在美國專利No.5,343,139(簡稱’139專利)中的一體潮流控制器，該’139專利被專門結(jié)合于此作為參考，它描述了一種裝置，它具有與三相配電網(wǎng)串聯(lián)的逆變器(串聯(lián)逆變器)、與三相配電網(wǎng)并聯(lián)的逆變器(并聯(lián)逆變器)、及對每個(gè)逆變器供電的公用直流電源。直流電壓被并聯(lián)逆變器基本保持恒定，但串聯(lián)逆變器必需產(chǎn)生變化寬的交流電壓。在此情況下，一種快速矢量控制逆變器使實(shí)現(xiàn)傳輸線功率的有功反饋控制成為可能，否則這是不可能的。另一需要快速矢量控制逆變器的應(yīng)用是降低對電弧爐供電的電力線上的閃變。
因此，極其需要提供一種改進(jìn)的三相直流-交流電力逆變器。更具體地，極其需要提供能夠快速產(chǎn)生任意幅值及相位的輸出電壓值的三相直流-交流電力逆變器。
本發(fā)明是一種三相直流-交流電力逆變器，它具有一個(gè)直流電源，并具有用于正電壓的第一直流節(jié)點(diǎn)、用于負(fù)電壓的第二直流節(jié)點(diǎn)和用于零電壓的第三直流節(jié)點(diǎn)。一組三電平極電路與直流電壓源的第一直流節(jié)點(diǎn)、第二直流節(jié)點(diǎn)及第三直流節(jié)點(diǎn)相連接。一個(gè)控制電路響應(yīng)具有電壓幅值參考指令分量及電壓相位參考指令分量的逆變器電壓矢量參考指令信號(hào)，來產(chǎn)生用于三電平極電路的極控制信號(hào)，以產(chǎn)生一組具有零電壓分量的相移波形。相移波形被一組變壓器組合，以產(chǎn)生其具有的諧波成分低于相移波形的諧波成分的三相輸出電壓。
本發(fā)明提供了一種能快速產(chǎn)生任意幅值及相位的輸出電壓值的三相直流-交流電力逆變器。本發(fā)明易于被結(jié)合到現(xiàn)有的直流-交流電力逆變器電路布局中并能利用現(xiàn)有直流-交流電力逆變器控制策略。這可以達(dá)到，并維持與具有兩電平極的逆變器相同的開關(guān)頻率。
當(dāng)結(jié)合附圖來閱讀以下優(yōu)選實(shí)施例的說明便可從中得到對本發(fā)明的完全理解，附圖為圖1表示一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的兩電平極直流-交流電力逆變器。
圖2a是兩電平極的放大圖，及圖2b表示其結(jié)果輸出波形。
圖3表示由圖1中裝置產(chǎn)生的輸出波形。
圖4a表示一個(gè)三電平逆變器極，及圖4b表示其相應(yīng)的輸出波形。
圖5表示圖4中三電平逆變器極的頻譜分量。
圖6表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的三電平極直流-交流電力逆變器。
圖7表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、用于產(chǎn)生極控制信號(hào)的控制電路。
圖8表示根據(jù)圖6中裝置形成的具有不同幅值的逆變器輸出電壓波形。
在各個(gè)附圖中相同的標(biāo)記表示相對應(yīng)的部分。
圖4a表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)三電平極電路60。該三電平極電路60包括一組串聯(lián)的“電子閥”62A，62B，62C及62D。每個(gè)電子閥62包括一個(gè)晶閘管64及一個(gè)反向并聯(lián)的二極管66。
該三電平極電路60包括第一直流節(jié)點(diǎn)68，它對該電路供給正電壓；第二直流節(jié)點(diǎn)70，它對該電路供給負(fù)電壓；及第三直流節(jié)點(diǎn)72，它對該電路提供零電壓。
該三電平極電路60與直流電壓源74相連接，后者包括具有正節(jié)點(diǎn)78的第一直流電壓源76及具有負(fù)節(jié)點(diǎn)82的第二直流電壓源80。分壓的直流側(cè)容性電壓源74產(chǎn)生了一個(gè)中性節(jié)點(diǎn)84，因?yàn)榈谝恢绷麟妷涸?6的負(fù)節(jié)點(diǎn)與第二直流電壓源80的正節(jié)點(diǎn)相連接。電壓源84的正，負(fù)及中性節(jié)點(diǎn)78，82及84與三電平極電路60的正，負(fù)及零電壓節(jié)點(diǎn)分別相連接。
圖4b表示由圖4a的三電平極電路60產(chǎn)生的波形82。該波形82包括正電壓分量84，該正電壓分量是當(dāng)電子閥62A及62B被觸發(fā)(導(dǎo)通)，使輸出節(jié)點(diǎn)(Vout)連接到正電壓節(jié)點(diǎn)78時(shí)產(chǎn)生的。該波形82還包括零電壓分量86，該零電壓分量是當(dāng)電子閥62B及62C被觸發(fā)，使輸出節(jié)點(diǎn)連接到中性電壓節(jié)點(diǎn)84時(shí)產(chǎn)生的。
根據(jù)本發(fā)明零電壓分量86的持續(xù)時(shí)間作為值τ的函數(shù)是可變的。圖5表示作為τ的函數(shù)的三電平極輸出電壓的頻譜分量(包括三次諧波序列)。注意到，τ從0到90度，基波輸出電壓幅值單調(diào)地(但非線性地)從0增大到最大值(0.637*Vdc)。因此，通過控制該極在其正電壓狀態(tài)及其負(fù)電壓狀態(tài)之間過渡的零電壓電平上的閉鎖時(shí)間可以控制三電平極電路60的基波輸出電壓。
圖6表示根據(jù)本發(fā)明的三電平極逆變器90。該逆變器90相應(yīng)于圖1中的逆變器，但使用了本發(fā)明的三電平極60來替代圖1中所示的兩電平極28。因此，該電路90包括第一逆變器級92及第二逆變器級94，每級由一組三電平極電路60構(gòu)成。
該電路90還包括根據(jù)本發(fā)明的直流電壓源74。具體地，該直流電壓源74包括具有正節(jié)點(diǎn)78的第一直流電壓源76，具有負(fù)節(jié)點(diǎn)82的第二直流電壓源80及中性節(jié)點(diǎn)84。
該電路90還包括與圖1中所示變壓器陣列相一致的變壓器陣列。具體地，該電路90包括相間變壓器40，諧波阻塞變壓器42及對負(fù)載50供電的主變壓器44。
圖6包括一個(gè)用于觸發(fā)三電平極電路60的晶閘管控制極的控制電路100。圖7表示可根據(jù)本發(fā)明使用的一個(gè)控制電路100。該控制電路100由逆變器電壓矢量參考指令信號(hào)控制。該逆變器電壓矢量參考指令信號(hào)包括電壓幅值參考指令分量及電壓相位參考指令分量。在乘法器102上電壓幅值參考指令分量乘以額定直流電壓與所測直流電壓的比值。后者調(diào)節(jié)直流輸入電壓的偏差。使用標(biāo)準(zhǔn)傳感器來測量直流輸入電壓。
乘法器102的輸出提供給比例控制裝置104。比例控制裝置104的被弧度轉(zhuǎn)換器106轉(zhuǎn)換成弧度值。所產(chǎn)生的弧度值在0至π/2之間，及使用加法器108將該范圍轉(zhuǎn)換到自π/2到0。在加法器110上，該結(jié)果值被從電壓相位參考指令分量中減去，及在加法器112上，該結(jié)果值被加到電壓相位參考指令分量上。
加法器110的輸出是第一弧度值，它用于在第一查找表114中撿索一個(gè)值。查找表114存儲(chǔ)一組其值范圍從0到2π的波形。這組波形相應(yīng)于逆變器中的極數(shù)。因此，根據(jù)圖6中的逆變器90，在查找表114中存在24個(gè)波形。對于24個(gè)波形的每個(gè)，第一弧度值用作對數(shù)字輸出值的撿索指引。例如，對于查找表114的第一波形，如果第一弧度值為0，則產(chǎn)生數(shù)字輸出1。另一方面，如果第一弧度值為2π，則產(chǎn)生數(shù)字輸出0。
再根據(jù)圖7的例子，第一弧度值產(chǎn)生一組24個(gè)數(shù)字輸出值，這些值被提供到第一輸出總線118。第二弧度值以類似方式檢索第二查找表116并產(chǎn)生24個(gè)數(shù)字輸出值，這些值被提供到第二輸出總線120。
每個(gè)三電平極電路60具有相應(yīng)的數(shù)字邏輯電路122，如圖7中所示。每個(gè)數(shù)字邏輯電路122將來自第一查找表114的數(shù)字輸出值與來自第二查找表116的數(shù)字輸出值相組合。具體地，每個(gè)數(shù)字邏輯電路122組合與查找表中其表值相關(guān)的數(shù)字輸出值。每個(gè)數(shù)字邏輯電路122組合數(shù)字輸出值，以便產(chǎn)生一組適合其相應(yīng)三電平極電路60的觸發(fā)指令。這就是，每個(gè)數(shù)字邏輯電路122組合數(shù)字輸出值，以便產(chǎn)生極控制信號(hào)。極控制信號(hào)迫使三電平極電路60將其輸出節(jié)點(diǎn)(Vout)連接到正節(jié)點(diǎn)78，負(fù)節(jié)點(diǎn)82，或中性節(jié)點(diǎn)84。使用了一個(gè)序列的極控制信號(hào)來形成圖4中所示的波形。
圖8表示對于各個(gè)矢量幅值參考值的逆變器90的輸出電壓?？梢宰⒁獾剑敵鲭妷褐惺Ｓ嘀C波電平的絕對值不差于圖1中逆變器的相應(yīng)值。這可從對圖5的觀察來推出，其中諧波的幅值在τ＝90度時(shí)具有最大值。隨著基波下降到零，諧波的相對值增大。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到與本發(fā)明相關(guān)的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，本發(fā)明使用了新穎的三電平極電路來快速地產(chǎn)生任意幅值及相位的逆變器輸出電壓值。并有利地，本發(fā)明易于被結(jié)合到現(xiàn)有的直流-交流電力逆變器電路布局中并能利用現(xiàn)有直流-交流電力逆變器的控制策略。
以上對本發(fā)明具體實(shí)施例的說明是為了描述和說明的目的作出的。并非企圖通過它們使本發(fā)明終極或限制在所公開的精確形式上。顯然，鑒于上述構(gòu)思可以作出許多修改和變化。這些實(shí)施例的選擇及描述是為了最佳地解釋本發(fā)明及其實(shí)際應(yīng)用，由此能使本領(lǐng)域的其它技術(shù)人員最佳地利用本發(fā)明并將具有各種改型的各種實(shí)施例適合于所考慮的具體使用。所需要的是，本發(fā)明的范圍應(yīng)由以下權(quán)利要求書及其等效形式來限定。
權(quán)利要求
1.用于電力系統(tǒng)的、將直流電壓轉(zhuǎn)換成幅值及相位可控的三相交流電壓的變換裝置，所述裝置包括一個(gè)直流電源，它具有正電壓節(jié)點(diǎn)、負(fù)電壓節(jié)點(diǎn)和零電壓節(jié)點(diǎn)；多個(gè)三電平極，每個(gè)連接到所述正電壓節(jié)點(diǎn)、所述負(fù)電壓節(jié)點(diǎn)和所述零電壓節(jié)點(diǎn)，及每個(gè)連接到相關(guān)的交流輸出端，并響應(yīng)于極控制信號(hào)，以選擇性地將所述相關(guān)的交流輸出端連接到所述正、負(fù)和零電壓節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)上；與所述多個(gè)三電平極中的每個(gè)極的所述交流輸出端相連接的裝置，用于產(chǎn)生諧波被抑制的三相交流輸出電壓；及產(chǎn)生所述極控制信號(hào)的矢量控制裝置，以產(chǎn)生具有選擇幅值及相位角的所述諧波被抑制的三相交流輸出電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述矢量控制裝置包括產(chǎn)生所述極控制信號(hào)的裝置，以調(diào)節(jié)閉鎖時(shí)間，在該閉鎖時(shí)間期間所述多個(gè)三電平極的每個(gè)將所述零電壓節(jié)點(diǎn)連接到所述相關(guān)的交流端子上以便調(diào)節(jié)所述諧波被抑制的三相交流輸出電壓的所述幅值及相位角。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中產(chǎn)生所述極控制信號(hào)的所述裝置包括第一查找表及第二查找表，每個(gè)表存儲(chǔ)用于所述多個(gè)極中每個(gè)極的相位撿索數(shù)字波形值；響應(yīng)電壓矢量參考指令信號(hào)的裝置，以便在與所述多個(gè)極的每個(gè)相關(guān)的每個(gè)所述第一查找表及第二查找表中訪問相位撿索數(shù)字值；及用于每極的數(shù)字邏輯裝置，其響應(yīng)從所述第一查找表及所述第二查找表撿索的與極相關(guān)的數(shù)字值以產(chǎn)生所述極控制信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其中所述電壓矢量參考指令信號(hào)具有電壓幅值參考指令分量及電壓相位參考指令分量，及其中所述響應(yīng)所述電壓矢量參考指令信號(hào)的裝置包括使所述電壓幅值參考指令分量及所述電壓相位參考指令分量相組合，以產(chǎn)生第一查找信號(hào)，用于訪問所述多個(gè)極的每個(gè)的所述第一查找表中的所述相位撿索數(shù)字值，及產(chǎn)生第二查找信號(hào)，用于訪問所述多個(gè)極的每個(gè)的所述第二查找表中的相位撿索數(shù)字值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，其中所述組合裝置包括將由所述電壓幅值參考指令分量得到的信號(hào)與所述電壓相位參考指令分量相加，以產(chǎn)生所述第一查找信號(hào)的裝置；及從電壓相位參考指令分量中減去由所述電壓幅值參考指令分量得到的信號(hào)，以產(chǎn)生所述第二查找信號(hào)的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，其中所述數(shù)字邏輯裝置包括對每極產(chǎn)生極控制信號(hào)的裝置，該極控制信號(hào)包括當(dāng)來自所述第一查找表及所述第二查找表的數(shù)字值具有第一相同數(shù)字值時(shí)具有第一數(shù)字值的正極控制信號(hào)，當(dāng)來自所述第一查找表及所述第二查找表的數(shù)字值具有第二相同數(shù)字值時(shí)具有所述第一數(shù)字值的負(fù)極控制信號(hào)，當(dāng)來自所述第一查找表及所述第二查找表的數(shù)字值不同時(shí)的零極控制信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，其中所述組合裝置還包括對于所述直流電源電壓中的偏差調(diào)節(jié)由所述電壓幅值參考指令分量得到的所述信號(hào)的裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的裝置，其中所述數(shù)字邏輯裝置包括對每極產(chǎn)生極控制信號(hào)的裝置，該極控制信號(hào)包括當(dāng)來自所述第一查找表及所述第二查找表的數(shù)字值具有第一相同數(shù)字值時(shí)具有第一數(shù)字值的正極控制信號(hào)，當(dāng)來自所述第一查找表及所述第二查找表的數(shù)字值具有第二相同數(shù)字值時(shí)具有所述第一數(shù)字值的負(fù)極控制信號(hào)，當(dāng)來自所述第一查找表及所述第二查找表的數(shù)字值不同時(shí)的零極控制信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其中所述數(shù)字邏輯裝置包括對每極產(chǎn)生極控制信號(hào)的裝置，該極控制信號(hào)包括當(dāng)來自所述第一查找表及所述第二查找表的數(shù)字值具有第一相同數(shù)字值時(shí)具有第一數(shù)字值的正極控制信號(hào)，當(dāng)來自所述第一查找表及所述第二查找表的數(shù)字值具有第二相同數(shù)字值時(shí)具有所述第一數(shù)字值的負(fù)極控制信號(hào)，當(dāng)來自所述第一查找表及所述第二查找表的數(shù)字值不同時(shí)的零極控制信號(hào)。
全文摘要
一種三相直流－交流電力逆變器,包括一個(gè)直流電源,該電源具有用于正電壓的第一直流節(jié)點(diǎn)、用于負(fù)電壓的第二直流節(jié)點(diǎn)和用于零電壓的第三直流節(jié)點(diǎn)。一個(gè)控制電路響應(yīng)具有電壓幅值參考指令分量及電壓相位參考指令分量的逆變器電壓矢量參考指令信號(hào),使用邏輯電路來產(chǎn)生用于三電平極電路的極控制信號(hào),該邏輯電路組合存儲(chǔ)在一對查找表(114,116)中的相位檢索數(shù)字波形。極控制信號(hào)(118,120)迫使三電平極電路產(chǎn)生一組具有零電壓分量的相移波形。相移波形被一組變壓器組合,以產(chǎn)生其諧波分量低于相移波形的諧波分量的三相輸出電壓。
文檔編號(hào)H02M7/505GK1269917SQ98808851
公開日2000年10月11日 申請日期1998年8月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月5日
發(fā)明者科林·D·施奧德, 斯科特·L·威廉斯 申請人:電力研究院公司