用于对于背对背电压源转换器的中性点平衡的系统和方法与流程

1.本公开一般涉及电压源转换器，且更特别地涉及为电压源背对背三电平中性点箝位（npc）转换器提供协调的中性点电压平衡的系统和方法。


背景技术：

2.风功率被认为是目前可获得的最清洁、对环境最友好的能源之一，并且风力涡轮在这方面得到了越来越多的关注。现代风力涡轮通常包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱（nacelle）和一个或多个转子叶片。通常，在风力涡轮的操作期间，风撞击转子叶片，并且叶片将风能转换成驱动低速轴的机械旋转扭矩。该低速轴驱动齿轮箱，该齿轮箱随后提高（step up）该低速轴的低转速，以提高的转速驱动高速轴，其中该高速轴可旋转地驱动发电机转子。
3.在许多风力涡轮配置中，发电机电耦合到双向电压源功率转换器，该双向电压源功率转换器包括经由经调节的dc链路接合到线路侧转换器（lsc）的转子侧转换器（rsc）。rsc和lsc中的每个通常包括一组（a bank of）脉宽调制开关装置，例如绝缘栅双极晶体管（igbt）。这样，lsc将dc链路上的dc功率转换成与来自发电机定子的功率组合的ac输出功率，以提供具有基本上维持在电力网母线的频率（例如，50hz或60hz）处的频率的多相功率。
4.上述系统通常被称为双馈感应发电机（dfig）系统，其工作原理包括转子绕组经由滑环连接到电网，并且功率转换器控制转子电流和电压。转子电压和电流的控制使得发电机能够在风力涡轮速度变化（例如，转子频率可以不同于电网频率）的同时保持与电网频率同步。通常，lsc用于控制输入干线（mains）处的功率因数连同dc母线电压调节，而rsc用于控制用于风力涡轮的变速操作的有功/无功功率。
5.对于某些功率转换器，例如三电平中性点箝位（npc）转换器，波动中性点电压（即，上电容器和下电容器的dc链路电压）在一些情况中可以不同，这被称为dc不平衡。而且，在其它情况中，中性点电压倾向于采用转换器的基础电压的三倍频（triplen frequency）来振荡，这被称为ac不平衡。如果dc不平衡或ac不平衡中的这样的至少一个不通过任何脉宽调制（pwm）技术或外部硬件电路系统来平衡，则上电容器和下电容器的电压可开始漂移走（drift away），从而导致一个电容器充电到总dc链路电压且另一电容器充电到零电压。即使解决了dc不平衡问题，也存在三倍频中性点电压振荡（ac不平衡），这也是需要来自控制或通过放置大电容器来注意的固有问题。对于应用于用于风应用的dfig系统的背对背三电平npc转换器（其中lsc的频率被固定为50/60hz，并且rsc的频率在转差频率（slip frequency）下是可变的），这个问题加重。
6.用于提供电压平衡的常规控制方案包括采用基于载波的pwm技术的共模电压注入。然而，这样的解决方案限于在转换器两侧上具有紧密匹配的频率的背对背系统或者单个转换器系统。
7.因此，解决上述问题的用于控制诸如风力涡轮之类的可再生能源功率系统的电压源转换器的改进的系统和方法在本领域中将是受欢迎的。因此，本公开针对一种系统和方
法，其基于例如转差率、调制指数、功率因数和/或有功功率为具有对于rsc和lsc两者的自适应控制器增益的背对背三电平npc转换器提供协调的中性点平衡。


技术实现要素：

8.本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述中显而易见，或可通过本发明的实践来学习。
9.在一个方面中，本公开针对一种用于控制三电平背对背电压源功率转换组合件的方法。电压源功率转换组合件具有经由直流（dc）链路耦合到第二功率转换器的第一功率转换器。该方法包括经由控制器接收发生在dc链路的电压中的直流（dc）不平衡或交流（ac）不平衡中的至少一个不平衡的指示。响应于接收该指示，该方法包括经由控制器激活用于电压源功率转换组合件的平衡算法。所述平衡算法包括：根据dc链路的总电压来确定dc链路的中点电压的偏差；基于中点电压中的偏差来计算对于功率转换组合件的脉宽调制信号所需的电压补偿；以及基于电压补偿在电压源功率转换组合件的中性点处独立地协调来自第一功率转换器和第二功率转换器中的每个功率转换器的共模电压注入，由此在任何给定操作条件下使dc不平衡或ac不平衡中的至少一个不平衡最小化。
10.在实施例中，平衡算法还可以包括确定ac不平衡的频率。
11.在另外的实施例中，基于电压补偿在电压源功率转换组合件的中性点处独立地协调来自第一功率转换器和第二功率转换器中的每个功率转换器的共模电压注入可以包括基于电压源功率转换组合件的一个或多个操作参数将自适应控制器增益施加到第一功率转换器和第二功率转换器中的每个功率转换器。
12.在一个实施例中，例如，（一个或多个）操作参数可以包括例如ac不平衡的频率、调制指数、功率因数、转差频率或有功功率。
13.例如，在特定实施例中，基于电压补偿在电压源功率转换组合件的中性点处独立地协调来自第一功率转换器和第二功率转换器中的每个功率转换器的共模电压注入可以包括提供分别以第一带宽和不同的第二带宽调谐的第一平衡比例积分（pi）调节器和第二平衡比例积分（pi）调节器，并且分别使用第一pi调节器和第二pi调节器为第一功率转换器和第二功率转换器中的每个功率转换器独立地确定自适应控制器增益。
14.在另一实施例中，基于电压补偿在电压源功率转换组合件的中性点处独立地协调来自第一功率转换器和第二功率转换器中的每个功率转换器的共模电压注入可包括基于规则的集合或者一个或多个查找表中的至少一个在第一功率转换器和第二功率转换器之间选择性地切换，以用于在中性点处提供共模电压注入。例如，在这样的实施例中，在第一功率转换器和第二功率转换器之间选择性地切换以用于在中性点处提供共模电压注入可以包括基于一个或多个操作参数经由下列中的至少一个在中性点处提供共模电压注入：仅第一功率转换器；仅第二功率转换器；或者第一功率转换器和第二功率转换器两者。
15.在另外的实施例中，开关装置的第一集合和第二集合可以布置在中性点箝位（npc）拓扑中。备选地，开关装置的第一集合和第二集合可以布置在有源中性点箝位（anpc）拓扑中。
16.在若干实施例中，电压源功率转换组合件可以是包括耦合到电压源功率转换组合件的双馈感应发电机的可再生能源功率转换系统的一部分。此外，在实施例中，可再生能源
功率转换系统可以是风力涡轮功率系统、太阳能功率系统或能量存储系统。
17.例如，在可再生能源功率转换系统是风力涡轮功率系统的情况下，第一功率转换器可以是转子侧转换器，并且第二功率转换器可以是线路侧转换器。此外，在这样的实施例中，发生在dc链路的电压中的dc不平衡和/或ac不平衡可以发生在同步发电机基础频率或异步发电机转差频率的三倍频中的至少一个中。
18.在另一方面中，本公开针对一种三电平背对背电压源功率转换组合件。功率转换组合件包括具有开关装置的第一集合的第一功率转换器和经由直流（dc）链路耦合到第一功率转换器的第二功率转换器。第二功率转换器包括开关装置的第二集合。功率转换组合件还包括通信地耦合到第一功率转换器和第二功率转换器的转换器控制器。该转换器控制器被配置成实现用于该功率转换组合件的平衡算法，包括但不限于，响应于接收发生在dc链路的上电容器电压和/或下电容器电压中的直流（dc）不平衡或交流（ac）不平衡中的至少一个不平衡的指示，根据dc链路的总电压来确定dc链路的中点电压的偏差，基于中点电压的偏差来计算对于功率转换组合件的脉宽调制信号所需的电压补偿，以及基于电压补偿在电压源功率转换组合件的中性点处独立地协调来自第一功率转换器和第二功率转换器中的每个功率转换器的共模电压注入，由此在任何给定操作条件下使dc不平衡或ac不平衡中的至少一个不平衡最小化。应当进一步理解的是，功率转换组合件还可包括本文所述的附加特征中的任何特征。
19.在又一方面中，本公开针对一种风力涡轮功率系统。风力涡轮功率系统包括具有转子和定子的发电机以及电耦合到发电机的三电平背对背电压源功率转换组合件。功率转换组合件包括具有开关装置的第一集合的转子侧转换器和经由直流（dc）链路耦合到转子侧转换器的线路侧转换器。dc链路还包括上电容器和下电容器。线路侧转换器包括开关装置的第二集合。风力涡轮功率系统还包括通信地耦合到转子侧转换器和线路侧转换器的转换器控制器。该转换器控制器被配置成实现用于该功率转换组合件的平衡算法，包括但不限于，响应于接收发生在dc链路的上电容器或下电容器中的至少一个的电压中的不平衡（dc或ac）的指示，根据dc链路的总电压来确定dc链路的中点电压的偏差，基于中点电压中的偏差来计算对于功率转换组合件的脉宽调制信号所需的电压补偿，以及基于所述电压补偿在电压源功率转换组合件的中性点处独立地协调来自第一功率转换器和第二功率转换器中的每个功率转换器的共模电压注入，由此在任何给定操作条件下使dc不平衡或ac不平衡中的至少一个不平衡最小化。应当进一步理解的是，风力涡轮功率系统还可包括本文所述的附加特征中的任何特征。
20.参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点。并入本说明书中并构成本说明书的一部分的附图图示了本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
21.本发明提供一组技术方案，如下。
22.技术方案1. 一种用于控制三电平背对背电压源功率转换组合件的方法，所述电压源功率转换组合件具有经由直流（dc）链路耦合到第二功率转换器的第一功率转换器；所述方法包括：经由控制器接收发生在所述dc链路的电压中的直流（dc）不平衡或交流（ac）不平衡中的至少一个不平衡的指示；以及
响应于接收所述指示，经由所述控制器激活用于所述电压源功率转换组合件的平衡算法，所述平衡算法包括：根据所述dc链路的总电压来确定所述dc链路的中点电压的偏差；基于所述中点电压中的所述偏差来计算对于所述功率转换组合件的脉宽调制信号所需的电压补偿；以及基于所述电压补偿在所述电压源功率转换组合件的中性点处独立地协调来自所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器的共模电压注入，由此在任何给定操作条件下使所述dc不平衡或所述ac不平衡中的至少一个不平衡最小化。
23.技术方案2. 如技术方案1所述的方法，其中，所述平衡算法进一步包括确定所述ac不平衡的频率。
24.技术方案3. 如技术方案1所述的方法，其中，基于所述电压补偿在所述电压源功率转换组合件的所述中性点处独立地协调来自所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器的所述共模电压注入进一步包括：基于所述电压源功率转换组合件的一个或多个操作参数将自适应控制器增益施加到所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器。
25.技术方案4. 如技术方案3所述的方法，其中，所述一个或多个操作参数包括以下中的至少一个：所述ac不平衡的频率、调制指数、功率因数、转差频率或有功功率。
26.技术方案5. 如技术方案3所述的方法，其中，基于所述电压补偿在所述电压源功率转换组合件的所述中性点处独立地协调来自所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器的所述共模电压注入进一步包括：提供分别以第一带宽和不同的第二带宽调谐的第一平衡比例积分（pi）调节器和第二平衡比例积分（pi）调节器；以及分别使用所述第一pi调节器和所述第二pi调节器为所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器独立地确定所述自适应控制器增益。
27.技术方案6. 如技术方案1所述的方法，其中，基于所述电压补偿在所述电压源功率转换组合件的所述中性点处独立地协调来自所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器的所述共模电压注入进一步包括：基于规则的集合或者一个或多个查找表中的至少一个在所述第一功率转换器与所述第二功率转换器之间选择性地切换以用于在所述中性点处提供所述共模电压注入。
28.技术方案7. 如技术方案6所述的方法，其中，在所述第一功率转换器与所述第二功率转换器之间选择性地切换以用于在所述中性点处提供所述共模电压注入进一步包括：基于所述一个或多个操作参数经由下列中的至少一个在所述中性点处提供所述共模电压注入：仅所述第一功率转换器；仅所述第二功率转换器；或者所述第一功率转换器和所述第二功率转换器两者。
29.技术方案8. 如技术方案1所述的方法，其中，所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器具有布置在中性点箝位（npc）拓扑中的多个开关装置。
30.技术方案9. 如技术方案1所述的方法，其中，所述三电平背对背电压源功率转换组合件是可再生能源功率转换系统的一部分，所述可再生能源功率转换系统进一步包括耦合到所述电压源功率转换组合件的同步发电机或异步发电机。
31.技术方案10. 如技术方案9所述的方法，其中，所述可再生能源功率转换系统包括风力涡轮功率系统、太阳能功率系统或者能量存储系统中的至少一个。
32.技术方案11. 如技术方案10所述的方法，其中，所述可再生能源功率转换系统包括所述风力涡轮功率系统，所述第一功率转换器是转子侧转换器，所述第二功率转换器是线路侧转换器，其中所述dc不平衡或所述ac不平衡中的所述至少一个不平衡发生在所述dc链路的上电容器电压和下电容器电压中，所述上电容器电压和所述下电容器电压具有在正常操作期间的同步发电机基础频率或异步发电机转差频率的三倍频，或者在无功功率无风（rpnw）模式中或仅线路侧转换器操作中的线路侧电压的三倍频。
33.技术方案12. 一种三电平背对背电压源功率转换组合件，包括：第一功率转换器，所述第一功率转换器包括开关装置的第一集合；第二功率转换器，所述第二功率转换器经由直流（dc）链路耦合到所述第一功率转换器；转换器控制器，所述转换器控制器通信地耦合到所述第一功率转换器和所述第二功率转换器，所述转换器控制器被配置成实现用于所述功率转换组合件的平衡算法，所述平衡算法包括：响应于接收发生在所述dc链路的上电容器电压或下电容器电压中的直流（dc）不平衡或交流（ac）不平衡中的至少一个的指示，根据所述dc链路的总电压来确定所述dc链路的中点电压的偏差；基于所述中点电压中的所述偏差来计算对于所述功率转换组合件的脉宽调制信号所需的电压补偿；以及基于所述电压补偿在所述电压源功率转换组合件的中性点处独立地协调来自所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器的共模电压注入，由此在任何给定操作条件下使所述dc不平衡或所述ac不平衡中的所述至少一个不平衡最小化。
34.技术方案13. 如技术方案12所述的功率转换组合件，其中，所述平衡算法进一步包括确定所述ac不平衡的频率。
35.技术方案14. 如技术方案12所述的功率转换组合件，其中，基于所述电压补偿在所述电压源功率转换组合件的所述中性点处独立地协调来自所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器的所述共模电压注入进一步包括：基于所述电压源功率转换组合件的一个或多个操作参数将自适应控制器增益施加到所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器。
36.技术方案15. 如技术方案14所述的功率转换组合件，其中，所述一个或多个操作参数包括以下中的至少一个：所述ac不平衡的所述频率、调制指数、功率因数、转差频率或有功功率。
37.技术方案16. 如技术方案15所述的功率转换组合件，其中，基于所述电压补偿在所述电压源功率转换组合件的所述中性点处独立地协调来自所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器的所述共模电压注入进一步包括：提供分别以第一带宽和不同的第二带宽调谐的第一平衡比例积分（pi）调节器和第二平衡比例积分（pi）调节器；以及，分别使用所述第一pi调节器和所述第二pi调节器为所述第一功率转换器和所述
第二功率转换器中的每个功率转换器独立地确定所述自适应控制器增益。
38.技术方案17. 如技术方案12所述的功率转换组合件，其中，基于所述电压补偿在所述电压源功率转换组合件的所述中性点处独立地协调来自所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器的所述共模电压注入进一步包括：基于规则的集合或者一个或多个查找表中的至少一个在所述第一功率转换器与所述第二功率转换器之间选择性地切换以用于在所述中性点处提供所述共模电压注入。
39.技术方案18. 如技术方案17所述的功率转换组合件，其中，在所述第一功率转换器与所述第二功率转换器之间选择性地切换以用于在所述中性点处提供所述共模电压注入进一步包括：基于所述一个或多个操作参数经由下列中的至少一个在所述中性点处提供所述共模电压注入：仅所述第一功率转换器；仅所述第二功率转换器；或者所述第一功率转换器和所述第二功率转换器两者。
40.技术方案19. 如技术方案12所述的功率转换组合件，其中，所述功率转换系统包括风力涡轮功率系统、太阳能功率系统或能量存储系统中的至少一个。
41.技术方案20. 一种风力涡轮功率系统，包括：发电机，所述发电机包括转子和定子；三电平背对背电压源功率转换组合件，所述三电平背对背电压源功率转换组合件电耦合至所述发电机，所述功率转换组合件包括：转子侧转换器，所述转子侧转换器包括开关装置的第一集合；线路侧转换器，所述线路侧转换器经由直流（dc）链路耦合到所述转子侧转换器，所述线路侧转换器包括开关装置的第二集合；转换器控制器，所述转换器控制器通信地耦合到所述转子侧转换器和所述线路侧转换器，所述转换器控制器被配置成实现用于所述功率转换组合件的平衡算法，所述平衡算法包括：响应于接收发生在所述dc链路的电压中的直流（dc）不平衡或交流（ac）不平衡中的至少一个不平衡的指示，根据所述dc链路的总电压来确定所述dc链路的中点电压的偏差；基于所述中点电压中的所述偏差来计算对于所述功率转换组合件的脉宽调制信号所需的电压补偿；以及基于所述电压补偿在所述电压源功率转换组合件的中性点处独立地协调来自所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器的共模电压注入，由此在任何给定操作条件下使所述dc不平衡或所述ac不平衡中的至少一个不平衡最小化。
附图说明
42.在参照附图的说明书中阐述了本发明(包括其最佳模式)的针对本领域普通技术人员的完整且能够实现的公开，其中：图1图示了根据本公开的风力涡轮的实施例的透视图；图2图示了适合供与图1中所示的风力涡轮一起使用的风力涡轮电功率系统的一个实施例的示意图；
图3图示了根据本公开的风力涡轮的三电平电压源功率转换器的一个实施例的示意简图；图4图示了根据本公开的风力涡轮的三电平电压源功率转换器的另一实施例的示意简图；图5图示了根据本公开的可用于控制在本文中所描述的风力涡轮功率系统的电压源功率转换器的转换器控制器的一个实施例的框图。
43.图6图示了根据本公开的用于控制可再生能源功率转换系统的电压源功率转换器的系统的一个实施例的示意简图；图7图示了根据本公开的用于控制可再生能源功率转换系统的电压源功率转换器的方法的一个实施例的流程图；以及图8图示了根据本公开的用于控制可再生能源功率转换系统的三电平背对背电压源功率转换器的系统的另一实施例的部分示意简图；以及图9图示了根据本公开的用于控制可再生能源功率转换系统的三电平背对背电压源功率转换器的系统的又一实施例的部分示意简图。
具体实施方式
44.现在将详细参考本发明的实施例，在附图中示出了其一个或多个示例。每个示例通过解释本发明的方式来提供，而不是通过限制本发明的方式来提供。实际上，对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中作出各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分说明或描述的特征可以与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，意图的是，本发明覆盖如落入所附权利要求及它们的等同体的范围内的这类修改和变型。
45.通常，本发明针对一种采用三电平背对背npc转换器解决波动中性点电压的固有缺点（即，上电容器和下电容器的dc链路电压随着转换器电压的三倍频的振荡而开始变得不相等）的系统和方法。如果没有通过任何pwm技术或外部硬件电路系统进行平衡，则上电容器和下电容器的电压开始漂移走，这导致一个电容器充电到总dc链路电压并且另一个电容器充电到零电压。在某些实例中，对于应用于用于风应用的dfig系统的背对背三电平npc系统（其中lsc的频率通常是固定的，例如固定到50/60hz，并且rsc的频率在转差频率处是可变的），该问题可能加重。因此，本公开提出一种用于三电平背对背三电平电压源功率转换系统的中性点平衡方案。特别地，控制方案可以包括基于作为示例的转差率、调制指数、功率因数和/或有功功率的转换器两侧（例如rsc和lsc两者）上的自适应控制器增益。在另一实施例中，本公开可包括基于使用pwm调制信号来调节dc中点电压的dc链路中点平衡的控制系统。更特别地，在这样的实施例中，可以将中点电压偏差调节到期望电压值vdc/2（其中vdc是总dc链路电压），以保持dc电容器电压平衡。还应当理解的是，除了风力涡轮功率系统之外，本公开还可应用于任何可再生能源功率转换系统，例如太阳能功率系统、能量存储系统或其组合。
46.因此，本公开提供了现有技术中不存在的许多优点。例如，本公开的系统和方法提供了平衡算法的改进的有效性，其从三电平电压源功率转换系统的两侧操作。此外，本公开的系统和方法提供了基于中性点电压的纹波频率的协调共模电压注入。此外，在某些实施
例中，本公开的系统和方法可以在转换器的两侧（例如rsc和lsc两者）上提供自适应控制器增益，使得平衡算法可以在任何给定操作条件下实现最小dc不平衡和ac不平衡。另外，本公开的系统和方法可以利用规则和/或查找表来从仅lsc、仅rsc或从两侧选择性地切换平衡算法。
47.现在参考附图，图1图示了风力涡轮10的一个实施例的透视图。如所示，风力涡轮10通常包括从支撑表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16以及耦合到机舱16的转子18。转子18包括可旋转轮毂20和耦合到轮毂20并从轮毂20向外延伸的至少一个转子叶片22。例如，在所图示的实施例中，转子18包括三个转子叶片22。然而，在备选实施例中，转子18可包括多于或少于三个的转子叶片22。每个转子叶片22可以围绕轮毂20间隔开以便于使转子18旋转，从而使得动能能够从风转到可用的机械能中，并且随后转到电能中。例如，如将在下文所述的，转子18可以可旋转地耦合到电发电机120（图2）以产生电能。诸如风速和/或风向之类的一个或多个风力条件也可以经由位于机舱16或风力涡轮10附近的任何其它合适位置上的诸如风速计之类的风力传感器24来监测。
48.现在参考图2，根据本公开的方面图示出了风力涡轮功率系统100（“风力涡轮系统”）的一个实施例的示意简图。尽管本文通常将参考图2中所示的系统100描述本公开，但是使用本文提供的本公开的本领域的普通技术人员应当理解，本公开的方面也可以可应用在其它功率生成系统中，并且如上所述，本发明不限于风力涡轮系统。
49.在图2的实施例中，风力涡轮10（图1）的转子18可以可选地耦合到齿轮箱118，所述齿轮箱118又耦合到发电机120，所述发电机120可以是双馈感应发电机（dfig）。如所示，dfig 120可以连接到定子母线154。此外，如所示，功率转换器162可以经由转子母线156连接到dfig 120，并且经由线路侧母线188连接到定子母线154。这样，定子母线154可以从dfig 120的定子提供输出多相功率（例如，三相功率），并且转子母线156可以从dfig 120的转子提供输出多相功率（例如，三相功率）。功率转换器162还可以包括转子侧转换器（rsc）166和线路侧转换器（lsc）168。dfig 120经由转子母线156耦合到rsc 166。另外，rsc 166经由dc链路136耦合到lsc 168，跨所述dc链路136的是至少一个dc链路电容器138、140。如图3中所示，dc链路136包括上电容器138和下电容器140。lsc 168又耦合到线路侧母线188。
50.rsc 166和lsc 168可以被配置用于使用绝缘栅双极型晶体管（igbt）开关元件的三相脉宽调制（pwm）布置中的正常操作模式，如将关于图3更详细地讨论的。
51.此外，功率转换器162可以耦合到转换器控制器174，以便控制rsc 166和/或lsc 168的操作，如本文所述。应当注意的是，转换器控制器174可以被配置为功率转换器162和本地风力涡轮控制系统176之间的接口，并且可以包括任意数量的控制装置。在一个实施例中，控制器174可以包括执行存储在计算机可读介质中的计算机可读指令的处理装置（例如微处理器、微控制器等）。所述指令当由处理装置执行时可以使处理装置执行操作，包括向功率转换器162的开关元件提供控制命令（例如，开关频率命令）。对于单个dfig风力涡轮功率系统100，无功功率可以主要由rsc 166经由发电机120和lsc 168来供应。
52.在典型配置中，还可以包括各种线路接触器和电路断路器（包括例如电网断路器182），以用于在连接到负载（例如电网184）期间和与负载（例如电网184）断开期间隔离如对于dfig 120的正常操作所必需的各种组件。例如，系统电路断路器178可以将系统母线160耦合到变压器180，所述变压器180可以经由电网断路器182耦合到电力网184。在备选实施
166包括多个桥电路和至少一个箝位二极管155，其中输入到rsc 166的转子母线156的每个相耦合到单个桥电路。另外，lsc 168还可以包括多个桥电路和至少一个箝位二极管155。类似于rsc 166，lsc 168还包括用于lsc 168的每个输出相的单个桥电路。在其它实施例中，在不偏离本公开的范围的情况下，lsc 168、rsc 166或者lsc 168和rsc 166两者可包括并行桥电路。
61.此外，如图3和4中所示，每个桥电路通常可以包括彼此串行耦合的多个开关元件（例如igbt）。例如，如图3中所示，每个桥电路的多个开关装置可以布置在中性点箝位（npc）拓扑中。如本文所述，npc拓扑通常是指包含两个串联连接的高侧开关和两个串联连接的低侧开关的拓扑。通常，具有反并联二极管的igbt被用作用于npc转换器的开关，但是也可以采用其它双象限开关配置。特别地，如图3和4中所示，rsc 166可以包括多个第一igbt 212，并且lsc 168可以包括多个第二igbt 214。另外，如所示，二极管216可以与igbt 212、214中的每个并行耦合。如通常理解的，lsc 168和rsc 166可以例如通过使用合适的驱动器电路向igbt的栅极提供控制命令来控制。例如，转换器控制器174可以向桥电路的igbt的栅极提供适当的栅极定时命令。控制命令可以控制igbt的栅极定时命令以提供期望的输出。由本领域的普通技术人员应当理解，作为igbt的备选方案，功率转换器162可以包括任何其它合适的开关元件。此外，如本文中所使用的并且在图4中特别示出的，跨dc链路136的总电压可以表示为vdc，而dc链路136的中点电压表示为vmp。此外，在这样的实施例中，dc中点是其中dc电容器138和140彼此连接的位置。
62.应当领会，转换器控制器174可以对应任何合适的计算装置和/或计算装置的任何组合。例如，如图5中所示，控制器174可以包括一个或多个处理器218和相关联的存储器装置220，其被配置成执行各种计算机实现的功能（例如，执行方法、步骤、计算等并且存储相关数据，如本文所公开的）。另外，控制器174还可以包括通信模块222，所述通信模块222用于促进控制器174和功率系统100的各种组件之间的通信。此外，通信模块222可以包括传感器接口224（例如，一个或多个模数转换器），所述传感器接口224用于允许通过功率系统100从位于任何地方的一个或多个传感器226、228传送的信号被转换成可由处理器218理解和处理的信号。
63.应当领会，传感器226、228可以使用任何合适的装置通信地耦合到通信模块222。例如，如图5中所示，传感器226、228可以经由有线连接耦合到传感器接口224。然而，在其它实施例中，传感器226、228可经由无线连接（诸如通过使用本领域中已知的任何合适的无线通信协议）耦合到传感器接口224。这样，处理器218可以被配置成从传感器226、228接收一个或多个信号。因此，这样的传感器226、228可以位于整个功率系统100中。
64.如本文所使用的，术语“处理器”不仅指本领域中被称为包括在计算机中的集成电路，而且还指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器（plc）、专用集成电路和其它可编程电路。处理器218还被配置成计算高级控制算法并且与各种以太网或基于串行的协议（modbus、opc、can等）通信。另外，（一个或多个）存储器装置220通常可以包括（一个或多个）存储器元件，所述存储器元件包括但不限于计算机可读介质（例如，随机存取存储器（ram））、计算机可读非易失性介质（例如，闪速存储器），软盘、致密盘只读存储器（cd－rom）、磁光盘（mod）、数字多功能盘（dvd）和/或其它合适的存储器元件。这样的（一个或多个）存储器装置220通常可被配置成存储合适的计算机可读指令，所述计算机可读指令在由
（一个或多个）处理器218实现时将控制器174配置成执行如本文所述的各种功能。
65.现在参考图6和7，根据本公开的方面图示了用于控制可再生能源功率转换系统的三电平背对背电压源功率转换组合件的系统300和方法400。如所述，三电平背对背npc功率转换器中的电压（例如，上电容器138和下电容器140的dc链路电压）可具有以转换器电压的三倍频的dc不平衡振荡或ac不平衡振荡。因此，本公开的系统300和方法400通过基于例如转差率、调制指数、功率因数和/或有功功率使用对于rsc 166和lsc 168两者的自适应控制器增益328、330来为这种类型的转换器提供协调的中性点平衡。
66.特别地，如图6中所示，系统300可以分别包括两个控制路径302和304，即，一个控制路径用于rsc 166和lsc 168中的每个。因此，系统300被配置成根据rsc 166和lsc 168两者提供电压平衡，所述rsc 166和lsc 168两者包括以不同带宽（例如，分别为第一带宽和第二带宽）调谐的两个平衡比例积分（pi）调节器路径308和310，即，一个平衡比例积分（pi）调节器路径用于rsc 166和lsc 168中的每个。在某些实例中，作为示例，负载条件下的中性点电压可以有具有三倍于lsc 168及rsc 166两者的基础电压的频率的跨越（ride over）上dc链路电压及下dc链路电压的dc不平衡纹波及ac不平衡纹波两者。因此，在这样的实例中，根据单独的lsc 168（或单独的rsc 166）能够实现的中性点电压平衡将不会使ac不平衡和dc不平衡两者无效，因为单独的lsc 168不能充分地减小由转差频率的rsc三倍频生成的ac不平衡。因此，本公开的系统300根据两侧（即，rsc 166和lsc 168）独立地提供中点平衡算法。
67.特别地参考图7，根据本公开的方面图示了用于控制可再生能源功率转换系统的电压源功率转换组合件的方法400的实施例的流程图。通常，方法400在本文中被描述为例如使用上述dfig风力涡轮功率系统100的电压源功率转换器162来实现。然而，应当领会，所公开的方法400可以使用本领域中现在已知的或以后开发的任何其它合适的电压源功率转换器来实现，并且也不限于风力涡轮功率系统。另外，尽管为了说明和讨论的目的，图7描绘了以特定顺序执行的步骤，但是本文描述的方法不限于任何特定顺序或布置。使用本文提供的公开内容的本领域技术人员将领会，可以以各种方式省略、重新排列、组合和/或适配所述方法的各个步骤。
68.如（402）处所示，方法400包括经由控制器接收发生在dc链路136的电压中的dc不平衡或ac不平衡中的至少一个不平衡的指示。例如，在实施例中，不平衡可以是发生在dc链路136的上电容器和下电容器的电压中的dc不平衡，或者可以是在正常操作期间发生在转子转差频率的三倍频中的ac不平衡，或者是发生在无功功率无风（rpnw）模式中或仅线路侧转换器操作中的线路侧电压的三倍频中的ac不平衡。
69.因此，响应于接收指示，如（404）处所示，方法400包括经由控制器激活用于电压源功率转换组合件162的平衡算法。如（406）处所示，经协调的平衡算法包括独立地协调来自rsc 166和lsc 168中的每个的共模电压注入，以便基于电压源功率转换组合件162的一个或多个操作参数来平衡电压源功率转换组合件162的中性点电压，由此在任何给定操作条件下使dc不平衡和/或ac不平衡最小化。在实施例中，（一个或多个）操作参数可以包括例如ac不平衡的频率，调制指数、功率因数、转差频率、有功功率和/或任何其它操作参数。因此，在实施例中，经协调的平衡算法还可以包括确定ac不平衡的频率。因此，在某些实施例中，可以通过监测调制指数，转子转差频率，功率因数和有功功率来动态地调谐经协调的平衡算法。
70.例如，返回参考图6，系统300可以从上dc链路电容器138和下dc链路电容器140中的每个接收电压（例如，v
dc_upper
，v
dc_lower
）。此外，如所示，选择器306可选择是否经由rsc调节器路径302、lsc调节器路径304或两者来确定共模电压注入。更特别地，如所示，调节器路径302、304中的每个包括pi调节器308、310，平衡算法312、314和动态电压调节器316、318。因此，相应pi调节器308、310中的每个可基于来自上dc链路电容器138和下dc链路电容器140中的每个的电压（例如，v
dc_upper
，v
dc_lower
）的比较而接收误差。作为示例，这些误差值可以指示如本文所述的dc不平衡或ac不平衡或纹波中的至少一个或两者的电压。
71.更特别地，在特定实施例中并且如所示，pi调节器308、310被配置成通过分别以第一带宽和不同的第二带宽调谐来独立地协调来自rsc 166和lsc 168中的每个的共模电压注入，和/或通过监测对于rsc 166和lsc 168中的每个的某些操作参数（诸如调制指数、转子转差频率、功率因数和有功功率）来独立地确定动态调谐的自适应控制器增益328、330。
72.因此，经协调的平衡算法312、314可以使用操作参数一起工作，以便基于例如规则的集合和/或一个或多个查找表在中性点处提供期望的共模电压注入。例如，在这样的实施例中，经协调的平衡算法312、314可以基于一个或多个操作参数经由下列中的至少一个在中性点处提供共模电压注入：仅第一功率转换器；仅第二功率转换器；或者第一功率转换器和第二功率转换器两者。因此，如所示，每个pi调节器308、310（即，来自rsc 166和lsc 168中的每个的一个pi调节器）然后可以生成共模参考电压信号320、322，以用于补偿不平衡（dc、ac或两者）。
73.如通常所理解的，电压/功率调节器324、326中的每个可以包括dc链路电压调节器、差模电流调节器、无功功率调节器和pwm调制器。这样，dc链路电压调节器被配置成基于误差信号来生成d域参考电流命令信号，该误差信号是例如如由比较器获得的参考或期望的总dc链路电压u
*dc，tot
与实际总dc链路电压u
dc，tot
之间的差。在一个实施例中，dc链路电压调节器可以是比例积分（pi）调节器。此外，如所示，在实施例中，可以由无功功率调节器基于期望的无功功率量或参考无功功率q*与实际无功功率qa之间的差来生成q域参考电流命令信号。这样，差模电流调节器接收d－q域参考电流命令信号和d－q域实际电流命令信号id、iq，并且基于参考电流命令信号和实际电流命令信号之间的差来使用这些信号生成d－q域参考电压命令信号。在一个实施例中，可以根据测量的三相a－b－c域负载电流通过将它们变换为d－q域电流来确定实际电流命令信号id、iq。在某些实施例中，差模电流调节器可包括两个pi调节器，例如一个pi调节器用于d域电流以生成d域参考电压命令信号，而另一个pi调节器用于q域电流以生成q域参考电压命令信号。
74.如图6中进一步所示，d－q至a－b－c域变换矩阵可用于基于相角θ将d－q域参考电流命令信号和d－q域参考电压命令信号分别变换为a－b－c域参考电流命令信号和a－b－c域参考电压命令信号。如果转换器连接到功率电网，则相角θ可以由锁相环（pll）（未示出）基于三相负载电压或电网电压来生成。
75.此外，如所示，来自pi调节器路径中的每个的共模参考电压信号320、322然后可以在将组合电压信号提供给pwm调制器中的每个之前被添加到a－b－c域参考电压命令信号。结果信号因此被转换器控制器174用来平衡中性点电压。
76.现在参考图8，图示了根据本公开的用于控制可再生能源功率转换系统的三电平背对背电压源功率转换器的系统500的另一实施例的部分示意简图。特别地，图8的图示的
实施例描绘了控制系统500，其对rsc 166和lsc 168中的每个使用单独的dc平衡调节器。此外，如所示，图8的系统500提供了基于使用pwm调制信号来调节dc中点电压（例如，图3的vmp）的dc链路中点平衡的控制方案。在这样的实施例中，如502处所示，系统500包括根据dc链路136的总电压来确定dc链路136的中点电压vmp的偏差504。例如，如图示实施例中所示，dc链路电压的总电压被表示为vdc，因此，中点电压vmp可以根据vdc来计算（即，例如vdc/2）。因此，在某些实施例中，关于中点电压与vdc/2的电压偏差504与dc链路136的顶部电容器138和底部电容器140之间的不平衡成比例。因此，如本文所述，比例积分（pi）控制可用于根据中点电压偏差504来创建控制信号。更特别地，可以将中点电压偏差504调节到期望电压值vdc/2，以保持dc电容器电压之间的平衡。特别地，如506和508处所示，与vdc/2的中点偏差504可用于使用控制回路来计算对于功率转换组合件的脉宽调制信号（例如，分别用于lsc 168和rsc 166的相应dc平衡调节器）所需的电压补偿。因此，如510和512处所示，系统500可以基于来自每个调节器506、508的电压补偿在电压源功率转换组合件的中性点处独立地协调来自lsc 168和rsc 166中的每个的共模电压注入，由此在任何给定操作条件下使dc不平衡和/或ac不平衡最小化。换句话说，可以使用在pwm调制器信号顶部上的共模电压注入来进行电压补偿，由此如所期望的那样漂移中点电压。
77.现在参考图9，图示了根据本公开的用于控制可再生能源功率转换系统的三电平背对背电压源功率转换器的系统600的又一实施例的部分示意简图。特别地，图9的图示的实施例描绘了使用用于rsc 166和lsc 168两者的公共dc平衡调节器606的控制系统600。此外，如所示，图9的系统600提供了基于使用pwm调制信号来调节dc中点电压（例如，图3的vmp）的dc链路中点平衡的控制方案。在这样的实施例中，如602处所示并且类似于图8，系统600包括根据dc链路136的总电压来确定dc链路136的中点电压vmp的偏差604。例如，如图示实施例中所示，dc链路电压的总电压被表示为vdc，因此，中点电压vmp可以根据vdc来计算（即，例如vdc/2）。此外，如606处所示，系统600然后可以基于中点电压的偏差604来计算对于功率转换组合件的脉宽调制信号所需的电压补偿。然而，与图8相比，图9的系统600包括确定单个电压补偿608的单个dc平衡调节器606，而不是具有单独的dc平衡调节器。因此，如610和612处所示，系统600可基于电压补偿608在电压源功率转换组合件的中性点处独立地协调来自lsc 168和rsc 166中的每个的共模电压注入，由此在任何给定操作条件下使dc不平衡和/或ac不平衡最小化。
78.应当进一步理解的是，例如如图6－9中所示的本文所述的对于三电平背对背功率转换器的平衡策略的各种实施例可以在又一些的实施例中被组合。例如，图6的（一个或多个）pi调节器310和308可用于实现图8和图9中所描述的中点电压平衡。
79.本发明的各个方面和实施例由以下编号的条款来限定：条款1. 一种用于控制三电平背对背电压源功率转换组合件的方法，所述电压源功率转换组合件具有经由直流（dc）链路耦合到第二功率转换器的第一功率转换器；所述方法包括：经由控制器接收发生在dc链路的电压中的直流（dc）不平衡或交流（ac）不平衡中的至少一个不平衡的指示；以及响应于接收所述指示，经由所述控制器激活用于所述电压源功率转换组合件的平衡算法，所述平衡算法包括：根据所述dc链路的总电压来确定所述dc链路的中点电压的偏差；
基于所述中点电压中的所述偏差来计算对于所述功率转换组合件的脉宽调制信号所需的电压补偿；以及基于所述电压补偿在所述电压源功率转换组合件的中性点处独立地协调来自所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器的共模电压注入，由此在任何给定操作条件下使所述dc不平衡或所述ac不平衡中的至少一个不平衡最小化。
80.条款2. 如条款1所述的方法，其中，所述平衡算法进一步包括确定所述ac不平衡的频率。
81.条款3. 如前述条款中的任一项所述的方法，其中，基于所述电压补偿在所述电压源功率转换组合件的所述中性点处独立地协调来自所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器的所述共模电压注入进一步包括：基于电压源功率转换组合件的一个或多个操作参数将自适应控制器增益施加到所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器。
82.条款4. 如条款3所述的方法，其中，所述一个或多个操作参数包括以下中的至少一个：所述ac不平衡的频率、调制指数、功率因数、转差频率或有功功率。
83.条款5. 如条款3所述的方法，其中，基于所述电压补偿在所述电压源功率转换组合件的所述中性点处独立地协调来自所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器的所述共模电压注入进一步包括：提供分别以第一带宽和不同的第二带宽调谐的第一平衡比例积分（pi）调节器和第二平衡比例积分（pi）调节器；以及分别使用所述第一pi调节器和所述第二pi调节器为所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器独立地确定所述自适应控制器增益。
84.条款6. 如前述条款中的任一项所述的方法，其中，基于所述电压补偿在所述电压源功率转换组合件的所述中性点处独立地协调来自所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器的所述共模电压注入进一步包括：基于规则的集合或者一个或多个查找表中的至少一个在所述第一功率转换器与所述第二功率转换器之间选择性地切换以用于在所述中性点处提供所述共模电压注入。
85.条款7. 如条款6所述的方法，其中，在所述第一功率转换器与所述第二功率转换器之间选择性地切换以用于在所述中性点处提供所述共模电压注入进一步包括：基于所述一个或多个操作参数经由下列中的至少一个在所述中性点处提供所述共模电压注入：仅所述第一功率转换器；仅所述第二功率转换器；或者所述第一功率转换器和所述第二功率转换器两者。
86.条款8. 如前述条款中的任一项所述的方法，其中，所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器具有布置在中性点箝位（npc）拓扑中的多个开关装置。
87.条款9. 如前述条款中的任一项所述的方法，其中，所述三电平背对背电压源功率转换组合件是可再生能源功率转换系统的一部分，所述可再生能源功率转换系统进一步包括耦合到所述电压源功率转换组合件的同步发电机或异步发电机。
88.条款10. 如条款9所述的方法，其中，所述可再生能源功率转换系统包括风力涡轮功率系统、太阳能功率系统或者能量存储系统中的至少一个。
89.条款11. 如条款10所述的方法，其中，所述可再生能源功率转换系统包括所述风
力涡轮功率系统，所述第一功率转换器是转子侧转换器，所述第二功率转换器是线路侧转换器，其中所述dc不平衡或所述ac不平衡中的所述至少一个不平衡发生在所述dc链路的上电容器电压和下电容器电压中，所述上电容器电压和所述下电容器电压具有在正常操作期间的同步发电机基础频率或异步发电机转差频率的三倍频，或者在无功功率无风（rpnw）模式中或仅线路侧转换器操作中的线路侧电压的三倍频。
90.条款12. 一种三电平背对背电压源功率转换组合件，包括：第一功率转换器，所述第一功率转换器包括开关装置的第一集合；第二功率转换器，所述第二功率转换器经由直流（dc）链路耦合到所述第一功率转换器；转换器控制器，所述转换器控制器通信地耦合到所述第一功率转换器和所述第二功率转换器，所述转换器控制器被配置成实现用于所述功率转换组合件的平衡算法，所述平衡算法包括：响应于接收发生在所述dc链路的上电容器电压或下电容器电压中的直流（dc）不平衡或交流（ac）不平衡中的至少一个不平衡的指示，根据所述dc链路的总电压来确定所述dc链路的中点电压的偏差；基于所述中点电压中的所述偏差来计算对于所述功率转换组合件的脉宽调制信号所需的电压补偿；以及基于所述电压补偿在所述电压源功率转换组合件的中性点处独立地协调来自所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器的共模电压注入，由此在任何给定操作条件下使所述dc不平衡或所述ac不平衡中的所述至少一个不平衡最小化。
91.条款13. 如条款12所述的功率转换组合件，其中，所述平衡算法进一步包括确定所述ac不平衡的频率。
92.条款14. 如条款12-13所述的功率转换组合件，其中，基于所述电压补偿在所述电压源功率转换组合件的所述中性点处独立地协调来自所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器的所述共模电压注入进一步包括：基于所述电压源功率转换组合件的一个或多个操作参数将自适应控制器增益施加到所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器。
93.条款15. 如条款14所述的功率转换组合件，其中，所述一个或多个操作参数包括以下中的至少一个：所述ac不平衡的所述频率、调制指数、功率因数、转差频率或有功功率。
94.条款16. 如条款15所述的功率转换组合件，其中，基于所述电压补偿在所述电压源功率转换组合件的所述中性点处独立地协调来自所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器的所述共模电压注入进一步包括：提供分别以第一带宽和不同的第二带宽调谐的第一平衡比例积分（pi）调节器和第二平衡比例积分（pi）调节器；以及分别使用所述第一pi调节器和所述第二pi调节器为所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器独立地确定所述自适应控制器增益。
95.条款17. 如条款12-16所述的功率转换组合件，其中，基于所述电压补偿在所述电压源功率转换组合件的所述中性点处独立地协调来自所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器的所述共模电压注入进一步包括：
基于规则的集合或者一个或多个查找表中的至少一个在所述第一功率转换器与所述第二功率转换器之间选择性地切换以用于在所述中性点处提供所述共模电压注入。
96.条款18. 如条款17所述的功率转换组合件，其中，在所述第一功率转换器与所述第二功率转换器之间选择性地切换以用于在所述中性点处提供所述共模电压注入进一步包括：基于所述一个或多个操作参数经由下列中的至少一个在所述中性点处提供所述共模电压注入：仅所述第一功率转换器；仅所述第二功率转换器；或者所述第一功率转换器和所述第二功率转换器两者。
97.条款19. 如条款12-19所述的功率转换组合件，其中，所述功率转换系统包括风力涡轮功率系统、太阳能功率系统或能量存储系统中的至少一个。
98.条款20. 一种风力涡轮功率系统，包括：发电机，所述发电机包括转子和定子；三电平背对背电压源功率转换组合件，所述三电平背对背电压源功率转换组合件电耦合至所述发电机，所述功率转换组合件包括：转子侧转换器，所述转子侧转换器包括开关装置的第一集合；线路侧转换器，所述线路侧转换器经由直流（dc）链路耦合到所述转子侧转换器，所述线路侧转换器包括开关装置的第二集合；转换器控制器，所述转换器控制器通信地耦合到所述转子侧转换器和所述线路侧转换器，所述转换器控制器被配置成实现用于所述功率转换组合件的平衡算法，所述平衡算法包括：响应于接收发生在所述dc链路的电压中的直流（dc）不平衡或交流（ac）不平衡中的至少一个不平衡的指示，根据所述dc链路的总电压来确定所述dc链路的中点电压的偏差；基于所述中点电压中的所述偏差来计算对于所述功率转换组合件的脉冲宽度调制信号所需的电压补偿；以及基于所述电压补偿在所述电压源功率转换组合件的中性点处独立地协调来自所述第一功率转换器和所述第二功率转换器中的每个功率转换器的共模电压注入，由此在任何给定操作条件下使所述dc不平衡或所述ac不平衡中的至少一个不平衡最小化。
99.本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本发明的可取得专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例包括与权利要求书的文字语言完全相同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求书的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则它们意在处于权利要求书的范围之内。