用于控制平衡器电路的控制器的制作方法

本发明涉及用于光伏(photovoltaics，pv)应用的pv和太阳能逆变器(即功率逆变器)领域，并且大体上涉及使用多电平dc/ac转换器的应用。具体地，本发明涉及一种用于平衡多电平功率转换器中的dc电压的平衡器电路和用于控制平衡器电路的控制器。本发明尤其涉及一种用于中性点平衡器电路的方法。

背景技术：

1、光伏功率转换器系统包括基于各种类型多电平电路拓扑的三相dc/ac逆变器。在这种类型的功率转换器中，dc电压是几个dc链路电压的总和。dc链路之间的中间点(也称为中点)的电位将经历一些变化(周期性振荡)，这取决于电路、调制类型和操作条件。这种电压振荡是不合宜的，因为它们增加了dc链路电容器上的应力，并且，在电压振荡变得很大的情况下，它们可能会扰乱转换器操作。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高效的控制方案和用于高效控制平衡器电路的相应控制器。

2、具体地，本发明的目的是提供一种用于控制平衡器电路的控制器和控制方法，所述平衡器电路能够根据需要调节不平衡程度。

3、该目的通过独立权利要求的特征来实现。其它实现方式在从属权利要求、说明书和附图中是显而易见的。

4、本发明介绍了一种新的控制器和一种新的控制方法，用于操作多电平功率转换器中的中点平衡器电路。这种平衡器电路可用于多电平转换器中，以便将dc链路的各个部分之间的电压保持在恒定和相等的值。中点平衡器是一个功率转换器电路，它在部分dc链路电容器之间传输电荷，以保持它们的平衡(即，每个电容器上的平均电压相同)。所公开的控制器和控制方法以在保持dc电压平衡方面优化功率转换容量的方式操作电路平衡器。因此，控制器和控制方法能够根据平衡器尺寸以及dc链路中所需的电容器(即物理设备)的量实现更高水平的功率密度。所公开的概念可用于在例如电驱动、ups、ev充电或类似应用中使用的多电平转换器中。

5、本发明提供了一种新的控制器和一种新的控制方法，用于平衡多电平功率转换器的dc链路中的中点。本发明针对pv应用的太阳能逆变器。但是，类似的方案也可用于使用多电平dc/ac转换器的其它应用。

6、下文提出的新控制方法和相关控制器可应用于多电平转换器，以减少部分dc链路中的振荡。以下描述的控制方法具有以下优点：

7、该控制方法在宽操作范围内使dc链路中点电压振荡可控、一致地降低。

8、该控制方法利用npb电路，其方式是对于给定的功率处理容量，它将中点电压振荡和相关影响最小化，例如，将通过dc链路电容器的rms电流值最小化。

9、该控制方法减少并最终停止npb在主逆变器的低功率转换电平下的动作，以便将对整体功率转换效率的影响最小化。

10、在用于具有分路电容的dc链路配置的情况下，该控制方法在低频电容器中具有主要优势，在整个操作范围内保持rms电流一致地降低。

11、该控制方法并不限于特定的平衡器电路拓扑，这里仅以降压升压为例。该控制方法可应用于各种类型的npb电路。

12、该控制方法也不限于特定的调制方法，例如dpwm1，并且可以应用于产生dc链路电压振荡的其它类型的调制方案。

13、在连接多个转换器的情况下，该控制方法可应用于交错dc/ac逆变器或dc链路。

14、该控制方法提供了一种高效、低复杂度的控制算法，其核心理念是基于dc链路电压振荡的检测。

15、该控制方法提供了鲁棒的控制特性，即对系统或电路参数值不敏感。

16、为了详细描述本发明，使用以下术语、缩略语和符号：

17、pv           光伏(photo-voltaic)

18、dc           直流(direct current)

19、ac           交流(alternating current)

20、pwm          脉宽调制(pulse width modulation)

21、dpwm         非连续脉宽调制(discontinuous pulse width modulation)

22、npb          中性点平衡器(neutral point balancer)

23、ups          不间断电源(uninterruptible power supply)

24、ev           电动车(electric vehicle)

25、在本发明中，描述了转换器，即功率转换器。功率转换器，也称为电力电子转换器，用于将电能从一种形式转换为另一种形式，例如在dc与ac或ac与dc之间转换，或在dc与dc之间转换，例如在低压dc与高压dc或中压dc之间转换。功率转换器还可以改变电压或频率或这些的某种组合。电力电子转换器基于电力电子开关，该电力电子开关可通过应用on/off逻辑(即pwm操作，通常由闭环控制算法命令)主动控制。

26、在本发明中，描述了平衡器电路。平衡器电路用于多电平功率转换器，以将dc链路的各个部分之间的电压保持在恒定和相等的值。中点平衡器是一个功率转换器电路，它在部分dc链路电容器之间传输电荷，以保持它们的平衡。该平衡器电路的操作原理是在dc链路的不同部分之间传输瞬时功率。这种功率传输反映在dc链路电容器中存储的能量中，即反映在电容器电压上的电容器电荷中。通过在dc链路部分之间适当地传输电荷，平衡器电路可以减少功率转换器的中间点(也称为中点)的振荡，并实现良好的中点平衡。本发明集中于ac-dc应用，尽管平衡器的一些方面可以建模为dc-dc转换器。

27、根据第一方面，本发明涉及一种用于控制平衡器电路的控制器，其中，所述控制器用于：确定功率转换器的第一直流(direct current，dc)链路上的第一dc链路电压值与所述功率转换器的第二dc链路上的第二dc链路电压值之间的差值；确定预定义电网频率的整次谐波的所述差值的相位角和幅度；基于所述相位角和所述幅度提供用于在所述第一dc链路与所述第二dc链路之间切换的切换信号，其中，所述控制器用于基于所述切换信号在幅度和方向上控制所述功率转换器的中点端子处的中点电流。

28、这种控制器提供了这样的优点，即用于高效控制平衡器电路的高效控制方案，具体是能够根据特定需要调节不平衡程度的控制方案，更具体地，以达到允许的最小不平衡，这将取决于设计。

29、第一dc链路电压值可以通过感测第一dc链路的dc总线电压并在adc采样后将感测到的电压传输到控制器来获得。

30、第二dc链路电压值是通过感测第二dc链路的dc总线电压并在adc采样后将感测到的电压传输到控制器来获得。

31、控制器可以向平衡器电路提供切换信号。

32、在控制器的示例性实现方式中，控制器用于基于锁相环确定差值的相位角。

33、当使用锁相环时，这种相位角检测可以很容易地实现。

34、锁相环(phase lock loop，pll)产生一个输出信号，该输出信号的相位与输入信号的相位相关。pll可以有利地通过电子电路实现，或优选地，作为控制平衡器的软件的一部分实现。pll可以被视为受控振荡器，它产生与其输入目标频率分量的频率和相位角匹配的周期性输出信号(例如，在这种情况下，三次谐波振荡)。振幅估计也可通过软件pll实现来获得。

35、保持输入和输出相位在锁定步长也意味着保持输入和输出频率相同。

36、在控制器的另一个示例性实现方式中，所述控制器用于基于离散傅里叶变换计算确定所述差值的所述相位角和所述幅度。

37、例如，递归离散傅里叶变换(discrete fourier transform，dft)识别目标谐波分量的相位角。

38、离散傅里叶变换计算可以是实时dft计算，例如，实时执行的dft。

39、在控制器的示例性实现方式中，所述控制器用于基于所述差值的所述相位角确定用于所述切换的符号。

40、这提供了这样的优点，即通过确定用于切换的符号，切换可以被调整，以便减少功率转换器的不平衡，从而减少电压振荡。

41、在控制器的示例性实现方式中，所述控制器包括用于基于符号和差值的幅度控制中点电流的电流控制回路。

42、这提供了这样的优点，即电流控制回路可以调节由平衡器电路处理的电流的平均值，从而在功率转换器的宽操作范围内使dc链路中点电压振荡受控、一致地降低。

43、在控制器的示例性实现方式中，所述电流控制回路用于调节所述中点电流的平均值。

44、这提供了这样的优点，即电流控制回路可以在功率转换器的宽操作范围内使dc链路中点电压振荡受控、一致地降低。对于给定的功率处理容量，电流控制回路可以最大限度地减少中点电压振荡和相关影响。

45、在控制器的示例性实现方式中，所述电流控制回路的输出用于为所述平衡器电路的所述切换提供切换参考值。

46、这提供了这样的优点，即电流控制回路可以基于切换参考值最佳地调整平衡器电路的切换元件。

47、在控制器的示例性实现方式中，所述控制器用于基于dc链路电压值之间的所述差值的所述幅度和由所述功率转换器处理的转换器电流的测量值，确定所述电流控制回路的电流控制参考值。

48、参考计算的优点是其准确性和快速性。

49、在控制器的示例性实现方式中，所述控制器用于基于在所述转换器电流的所述测量值的预定范围内与所述转换器电流的所述测量值的线性关系确定所述电流控制参考值。

50、这提供了这样的优点，即电流控制参考值可以很容易地确定，而不涉及太多的计算资源。

51、在控制器的示例性实现方式中，所述控制器用于当所述转换器电流的所述测量值在高于所述转换器电流的所述测量值的所述预定范围的范围内时，将所述电流控制参考值设置为预定义值。

52、这提供了这样的优点，即当功率转换器的输出电流处于额定输出时，dc链路将经历最大的不平衡，并且平衡器电路的全部容量可以不受任何限制地使用。

53、在控制器的示例性实现方式中，所述控制器用于当所述转换器电流的所述测量值在低于所述转换器电流的所述测量值的所述预定范围的范围内时，指示所述平衡器电路停止处理功率。

54、这提供了这样的优点，即控制器减少并最终停止平衡器电路在功率转换器的低功率转换电平下的动作，以便将对整体功率转换效率的影响最小化。

55、在控制器的示例性实现方式中，所述控制器用于确定相对于参考帧原点的所述差值的所述相位角和所述幅度。

56、关于参考系，可以很容易地定义到原点(即参考系的原点)的距离。例如，零的幅度和零的相位角可以是原点。

57、这提供了这样的优点，即参考帧可以是以三倍电网频率旋转的预定波形，因为观察到dc电压振荡对应于三倍电网频率的频率，这是已知的。

58、参考帧可以表示预定义电网频率的整次谐波处的波。预定义电网频率可以是例如50hz或60hz。对于三相系统，预定义电网频率的整次谐波可以是电网频率的三倍，例如150hz或180hz。

59、参考帧的样本可以存储在存储器部分中，例如查找表中。在该存储器部分或查找表中，对应于相应样本的相位角和幅度值可以由控制器存储和访问，即查找。

60、在控制器的示例性实现方式中，所述参考帧存储在存储部分中，所述存储部分包括在所述电网频率的所述整次谐波处的波的样本。

61、这提供了这样的优点，即控制器可以容易地访问参考帧，从而快速确定差值的相位角和幅度。

62、在控制器的示例性实现方式中，所述电网频率对应于50hz或60hz的频率。

63、这提供了这样的优点，即50hz或60hz的已知电网频率可用于改进差值的相位角和幅度的处理。

64、在控制器的示例性实现方式中，所述电网频率的所述整次谐波对应于所述电网频率的三次谐波。

65、使用三次谐波的原因是它是高幅度的谐波，并且相位角计算更准确。

66、在控制器的示例性实现方式中，所述参考帧是处于功率转换器的三倍线路频率的预定义帧。

67、这提供了这样的优点，即功率转换器的线路频率是已知，因此参考帧可以在初始化阶段存储在存储器中。

68、功率转换器的线路频率可以对应于预定义电网频率。例如，它可以是50hz或60hz。

69、在控制器的示例性实现方式中，所述功率转换器包括三相dc-ac转换器，所述三相dc-ac转换器用于基于多电平电路拓扑在dc电源与三相交流(alternating current，ac)电源之间转换。

70、这提供了这样的优点，即可以实现dc电源与ac电源之间的高效转换。

71、在控制器的示例性实现方式中，所述功率转换器包括三相ac-dc转换器，所述三相ac-dc转换器用于基于多电平电路拓扑在三相ac电源与dc电源之间转换。

72、这提供了这样的优点，即可以实现ac电源与dc电源之间的高效转换。

73、在控制器的示例性实现方式中，所述控制器用于在所述第一dc链路上接收第一dc链路电压值，并在所述第二dc链路上接收第二dc链路电压值。

74、这提供了这样的优点，即控制器获得dc链路电压值以便对它们进行控制。

75、在控制器的示例性实现方式中，所述控制器用于基于实时离散傅里叶变换计算确定dc链路电压值之间的所述差值的所述相位角。

76、这提供了这样的优点，即实时dft可以实时执行，并可以直接在控制器中实现。

77、根据第二方面，本发明涉及一种用于控制功率转换器的中点端子处的中点电流的平衡器电路，所述平衡器电路包括：控制端子，用于设置根据上述第一方面所述的控制器提供的切换信号；第一开关，用于基于所述切换信号切换所述功率转换器的所述第一dc链路；第二开关，用于基于所述切换信号切换所述功率转换器的所述第二dc链路。

78、由如上所述的控制器控制的这种平衡器电路提供以下优点：如上所述，由控制器控制的平衡器电路在功率转换器的宽操作范围内使dc链路中点电压振荡受控、一致地降低。可以控制平衡器电路，其方式为对于给定的功率处理容量，它将中点电压振荡和相关影响最小化，例如，将dc链路电容器上的rms电流值最小化。平衡器电路的动作可以在功率转换器的低功率转换电平下减少或最终停止，以便将对整体功率转换效率的影响最小化。平衡器电路并不限于特定的电路拓扑，这里仅使用降压升压为例。平衡器电路可以基于各种类型的电路拓扑实现。

79、根据第三方面，本发明涉及一种用于控制平衡器电路的方法，其中，所述方法包括：确定功率转换器的第一dc链路上的第一dc链路电压值与所述功率转换器的第二dc链路的第二dc链路电压值之间的差值；确定预定义电网频率的整次谐波的所述差值的相位角和幅度；基于所述相位角和所述幅度提供用于在所述第一dc链路与所述第二dc链路之间切换的切换信号，以便基于所述切换信号在幅度和方向上控制所述功率转换器的中点端子处的中点电流。

80、这种方法提供了一个优点，即用于高效控制平衡器电路的高效控制方案，具体是能够根据特定需要调节不平衡程度的控制方案。

81、根据第四方面，本发明涉及一种计算机程序产品，包括计算机可执行代码或计算机可执行指令，计算机可执行代码或计算机可执行指令当执行时，使至少一个计算机执行根据上述第三方面所述的方法。

82、计算机程序产品可以在用于控制上述平衡器电路的控制器或处理器(例如，如上所述的第一方面的控制器)上运行。

83、根据第五方面，本发明涉及一种存储有指令的计算机可读介质，所述指令当由计算机执行时，使计算机执行根据上述第三方面所述的方法。这样的计算机可读介质可以是非瞬时性可读存储介质。存储在计算机可读介质上的指令可以由用于控制上述平衡器电路的控制器或处理器执行。

84、根据本发明的方案具有以下优点：

85、所公开的控制器和控制方法能够控制电压平衡控制的程度，以这种方式，电路平衡器处理的功率量也被控制。这样，可以根据系统操作条件调整控制动作，以避免对整体系统效率产生负面影响。

86、所公开的控制器和控制方法简单且鲁棒，即不与可能经历变化或漂移的系统参数相关联，并且它们在整个系统操作包络中提供了良好和一致的性能。

87、实现所公开的控制器和控制方法所需的硬件紧凑且轻质。

88、所公开的控制器和控制方法确保电路平衡器的硬件，即辅助功率转换器，得到最佳使用。这意味着处理后的功率可以被充分利用来平衡电压。

89、所公开的控制器和控制方法可以在使电路平衡器付出最小努力的同时在所有操作条件下保持电压平衡在所需的水平。这意味着dc链路之间没有不必要的功率再循环。所公开的控制器和控制方法不会对系统性能或效率产生负面影响。