[发明专利]使用多状态死区时间操作多电平功率转换器的系统和方法

说明书

一种用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥功率转换器的方法包括以中性点箝位拓扑或有源中性点箝位拓扑中的一个拓扑提供所述功率转换器的多个开关装置，所述多个开关装置包括第一组开关装置和第二组开关装置。所述方法还包括提供用于所述第一组开关装置和所述第二组开关装置的基于所述功率转换器的不同状态转变而改变的多状态死区时间。此外，所述方法包括根据所述多状态死区时间操作所述第一组开关装置和所述第二组开关装置，以允许所述第一组在所述不同状态转变期间与所述第二组不同地开关，由此在所述不同状态转变中的一个或多个状态转变期间减少所述第一组上的电压过冲，并且提供所述功率转换器的换向状态之间的安全转换。

技术领域

本公开一般涉及电功率系统，并且更特别地涉及用于控制具有多电平功率转换器的电功率系统的系统和方法，所述多电平功率转换器将双转变死区时间用于过冲(overshoot)减少。

背景技术

风力涡轮作为可再生能量源已受到越来越多的关注。风力涡轮使用风来生成电力。风使连接到转子的多个叶片转动。由风引起的叶片的自旋使转子的轴自旋，所述转子的轴连接到生成电力的发电机。某些风力涡轮包括双馈感应发电机(DFIG)，其用来将风能转换为适于输出到电力网的电功率。DFIG通常连接到调节DFIG与电网之间的电功率流的转换器。更特别地，转换器允许风力涡轮以电网频率输出电功率，而与风力涡轮叶片的旋转速度无关。

典型的DFIG系统包括具有转子和定子的风力驱动DFIG。DFIG的定子通过定子母线耦合到电力网。功率转换器用来将DFIG的转子耦合到电力网。功率转换器可以是包括转子侧转换器和线路侧转换器的两级功率转换器。转子侧转换器可以经由转子母线从转子接收交流(AC)功率，并且可以将AC功率转换成DC功率。线路侧转换器然后可以将DC功率转换成具有适当输出频率(例如电网频率)的AC功率。AC功率经由线路母线提供给电力网。辅助功率馈线可以耦合到线路母线，以便为风力涡轮系统中使用的组件(例如风扇、泵、马达和风力涡轮机系统的其他组件)提供功率。

参考图1和2，分别图示根据传统构造的多电平逆变器中性点箝位(NPC)拓扑和多电平逆变器二极管恢复路径。在图1中，实线箭头指示硬二极管恢复，虚线箭头表示无损恢复，而方框箭头指示由电流方向控制的转变。因此，多电平逆变器拓扑利用多个开关装置的串联连接以达到更高的操作电压。例如，如所示，在三电平逆变器的开关操作期间，AC端子可以电连接到三个可能的电压，即，正电压、负电压和中点电压。此外，如所示，到中点电压的连接通常通过二极管D5和D6完成。然而，这些交替路径的存在导致产生长的和短的换向路径，并因此产生不同的寄生电感级别(differentparasiticinductancelevels)。

更特别地，例如，由于增加的寄生电感，这样的差异在内部开关装置(例如S2和S3)处产生大的电压过冲，并且在二极管关断期间产生不同的恢复路径。如本文所使用的，关断过冲直接由存储在桥构造的寄生电感中的能量引起。这个能量与电感的大小和被换向的电流的大小成比例。这个过量电压过冲可能损坏受影响的装置，并且要求栅极驱动器设计，其导致功率转换器中更多的损耗和更小的容限。增加的寄生电感也可能不利地影响二极管操作，由此导致增加的二极管损耗和降低的转换器额定值。

例如，如图2中从操作状态5(OS5)到操作状态3(OS3)和从操作状态2(OS2)到操作状态4(OS4)所示，二极管D1和D4具有带有高回路电感的长恢复路径，由此导致二极管D1和D4中的更大损耗。例如，如图3中所示，图示多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块，其中从操作状态5(OS5)到操作状态3(OS3)的转变引起用于二极管D4的长恢复路径RP。更特别地，如所示，恢复路径RP必须物理地覆盖整个相模块，由此导致高回路电感。

这样的损耗转化为更多的热量和更低的桥额定值。因此，用于减小电压过冲的典型解决方案包括软开关和/或缓冲电路，其可导致更慢的开关速度和增加的成本。