用於控制功率變換器及功率變換系統的方法
2023-05-31 02:39:51
專利名稱：用於控制功率變換器及功率變換系統的方法
在一個例如鋼生產(過程)流水線的工廠，可以同時使用多個功率變換器。在這種情況下，通過各自的(交流變直流)功率變換器(在下文稱作變換器)將交流功率(線路功率)一次變換為直流功率，並且反相器的負載通過使用直流功率來驅動。每個變換器單獨地被控制，並且每個變換器將進行直流裝置的控制和輸入電流的控制。當該變換器由PWM控制(脈衝寬度調製控制)所驅動時，則諧波電流流向該線路。根據現有技術抑制該諧波電流，引述如下(1)變換器電壓同步脈衝寬度調製(PWM)是通過使用與變換器輸入電壓(用於該變換器的輸入電壓命令值)同步的三角形的載波來進行的，以便為減少該諧波而去控制各自變換器。
(2)源電壓同步脈衝寬度調製(PWM)是通過使用與該電源同步的三角形的載波而進行的，以便驅動各自的變換器，並為減少這些諧波而改變各自三角形的載波的相位。
(3)為減少這些諧波附加了一個諧波濾除器。
該變換器同步PWM是一個適合於抑制在具有低載頻的功率變換器中的諧波的PWM系統。因為包含其相位的三角形載波與該變換器的輸入電壓命令同步，所以所生成的諧波的蘊含因子(inclusion factor)可以保持在大致恆定的低量級。但在實際使用中，會遇到下述問題。
為了獲得變換器電壓同步PWM，就需要像PLL(鎖相環)那樣的電路。此外，由於依據負載條件而定，給該變換器的輸入電壓變化很大，因此，在採用PLL以便起動同步之前存在一個延時，而且，當多個變換器具有獨立的負載時，依據各自變換器的工作狀態而定，所產生的諧波相位(對該線路功率的相位)將發生變化，這樣使得在接收端的諧波可以彼此抵消或重疊，並依據各自的負載條件而增加，從而，該諧波內容將發生很大的變化。因此，難以掌握將要生成的諧波，並且在接收端難以抑制該諧波。
該功率同步PWM從該電源產生一個同步信號，並一個公共的同步信號發送到各自的變換器以便進行PWM控制。在這種情況下，由於包含該相位的三角形載波與線路功率同步，因此，接收端的諧波可以通過改變各自的三角形載波的相位(對該線路功率)而被抑制。特別地，抑制靠近該載頻fc的偶次倍頻諧波(2fc，4fc，…)的諧波是有效的。但是，當給該變換器的輸入電壓的相位發生變化時(當該變換器的負載發生變化時)，該諧波內容將變化很大。(在這種情況下，不是該諧波的相位而是幅度變化)。因此，該諧波生成的數量的變化取決於該變換器的負載條件。這一趨勢在具有低載頻的大功率裝置中特別地顯著。
該源電壓同步PWM將一個公共同步信號施加給多個變換器，並改變各自三角形載波的相位，這樣就需要一個用於協同操作的同步信號。如在JP-A-6351106中所披露的那樣，當多個變換器被連接到一個變壓器時，該公共同步信號可能容易獲得，但當幾個變換器像在滾軋廠中那樣被分布地安裝，則難以獲得協同操作。
當大的電源濾波器被連接到各自的變換器時，將導致該裝置尺寸增大以及輸出功率減小。在大功率變換器中，由於所產生的諧波頻率低，因此，在設計一個濾波器時必須充分注意反諧波振，而該濾波器設計本身是很難獲得的。
本發明的一個目的是提供一種用於功率變換器和功率變換系統的控制方法，當多個變換器分布式地被安裝時，該控制方法允許抑制流到電源線的諧波。
以上目的通過檢測每個變換器的電源線的源電壓相位、使包含在PWM信號中的諧波分量與被檢測的源電壓相位同步以及使該諧波分量的相位彼此具有不同值而達到。
此外，以上目的也可以通過檢測每個變換器的電源線的源電壓相位，在該檢測值基礎上與該源電壓相位同步、生成具有不同相位組的三角形載波，以及通過使用三角形載波控制變換器的PWM來達到。
因此，流出的諧波可以減小。由於在變換器之間不需要產生協同操作的信號以及不要求用於諧波的濾波器，因此，可以實現裝置尺寸的減小和容量的增加。
本發明的另一目的是提供功率變換器和功變換系統的控制方法，該方法允許將諧波減小到一個預定的級別或更低的級別。
上述目的通過在命令值的基礎上，估算在從正峰值到負峰值的一個周期內和在從該負峰值在該正峰值的周期內的命令值的平均值(這些周期是三角形載波的半周期)以及通過使用被估算的值補償該命令值來達到。
在這種情況下，由於通過電壓命令補償該諧波的幅度保持基本恆定，因此減少對負載條件的依賴性，並使該諧波可以減小到該預定的程度或更低的程度。
本發明的再一個目的是提供功率變換器和功率變換系統的控制方法，該方法能將流到該電源線的諧波儘量減少。
上述目的通過檢測至各自功率變換器的輸入電流，在被檢測的輸入電流值的基礎上確定三角形載波的載波相位的設定以及根據該載波相位設定和源電壓相位輸出與該源電壓相位同步的三角形載波來達到。
在這種情況下，在變換器之間的動態協同操作被獲得以便儘量減少流向電源線的諧波。
圖1表示一種根據本發明的一個實施例的功率變換系統的配置。
圖2表示一種當在本發明中提供二個變換器時的配置。
圖3表示一個說明源電壓、變換器輸入電壓和三角形載波之間的關係的曲線圖。
圖4表示一個說明該變換器輸入電壓的矢量圖。
圖5表示一種根據本發明的另一實施例的功率變換系統的配置圖。
圖6A表示現有技術系統中的命令值和三角形載波之間的關係。
圖6B表示在圖5的實施例中的命令值和三角形載波之間的關係。
圖7表示在本發明和現有技術中諧波產生的數量的比較。
圖8表示一種根據本發明的另一實施例的功率變換系統的配置。
圖9表示在圖8的實施例中一種諧波抑制裝置的操作的算法。
圖10表示變換器的負載條件和第17諧波產生的數量。
圖11表示變換器的負載條件和第5諧波產生的數量。
現在參照
本發明的實施例。
圖1表示一種根據本發明的一個實施例的功率變換系統的配置。在圖1中，數碼1代表電源線，數碼2代表本系統的接收端，數碼3代表一組功率變換器，數碼4代表應用變換器輸入電壓命令的命令值發生器，數碼52代表產生三角形載波的三角形載波發生器，數碼51代表用來將命令發生器4的輸出與三角形載波進行比較的比較器(PWM控制裝置)，數碼6代表設定三角形載波的相位的載波相位調節器，數碼7代表包含變換器71和變壓器72的變換裝置，數碼8代表用來檢測源電壓相位Qe的源電壓相位檢測器，數碼9代表用來根據源電壓相位Qe和載波設定φs1～φsn計算三角形載波的相位Qs的相位命令發生器，以及數碼10代表一個反相器或諸如交流電動機的變換器的負載設備。
現在來說明圖1的工作。
命令值發生器4計算並輸出電壓命令以便給負載設備10供給必要的功率，並使變換器71的功率因數一致。另一方面，源電壓相位Qe通過源電壓相位檢測器8被檢測並在相位命令發生器9中三角形載波與源電壓相位Qe同步，源電壓供電相位Qe和φS1～φsn(此處n為變換器71的組的序號)是載波相位調節器6的輸出，它們分別被附加以便計算和輸出三角形載波的相位Qs。此處，源電壓相位Qe可以通過電源線直接檢測。該載波相位設定值φS1～φsn由180°/n來確定。例如，當提供兩組變換器71時，它們為0°和90°，而當提供四組時，它們為0°，45°，90°和135°。三角形載波發生器52根據相位命令Qs輸出三角形載波。比較器51將命令值發生器4的輸出信號與三角形載波發生器52的三角形載波進行比較以便產生PWM脈衝。變換器71的開關設備將根據PWM脈衝進行轉換。PWM脈衝包含與命令值和諧波相對應的基波分量，並且每個諧波相位從每個功率變換器3的相位移位360°/n。
因此，在本實施例中，在每個功率變換器3中提供檢測源電壓相位的功能，在每個功率變換器3中獲得同步PWM，並且三角形載波相位對功率相位被設定。
由於從開關設備的特性的立場出發在大容量功率變換器中難以增加開關頻率，因此，通過使用低頻。在這種情況下，同步的PWM控制將用來避免差拍現象。
同步的PWM術語具有以下二種意義。在第一種情況下，當基頻f1(該變換器的電源線頻率)與三角形載波頻率fs的比率N(＝fs/f1)為整數(當使用三相交流時，N為三和奇數的倍數)時，它叫做同步PWM，而在第二種情況下，當除上述條件外三角形載波的相位和基波的相位完全匹配時，它叫做同步PWM。對於前面的條件的同步PWM，該基波和三角形載波將以某個相位差工作，而對於後面的條件的同步PWM，該相位差保持為0。在本實施例中，前者被定義為同步PWM。
根據同步PWM是否與源電壓或變換器輸入電壓(由命令值發生器4輸出的電壓)是否同步，它被分類為源電壓同步PWM或變換器電壓同步PWM。
參照圖2～4，將說明在本實施例的接收端2減小諧波的原理。在圖2中，二組變換器被連接到電源線1。對於變換器1，變換器輸入電壓Vc對源電壓E的相位是通過變壓器72的漏電感而被相移的。假設Vc對E的相位差為φ1，則波形E和VC之間的關係示於圖3(a)中。該關係的矢量表示於圖4中。正如從圖4中所看到的那樣，當輸入電流i增加時，輸入ACL(交流電抗器)電壓VL將增加，並且相位差φ1將增加。因此，為使輸入功率因數保持一致(為使E和i同相)必須根據輸入電流i的大小來改變φ1和VC。就是說，VC和三角形載波之間的相位也將同步地改變。對於變換器2同樣是正確的。
如圖3(b)和(c)所示，當通過變換器1和2的載波相位調節器6將三角形載波對E的相位設定為0°和90°時，所產生的諧波的相位(特別是在偶數倍數的載頻附近的分量的相位)基本上不取決φ1的變化。在這種情況下，該諧波的相位彼此相反，並且當使用兩組變換器時，相應的諧波彼此抵消，這樣使得在接收端2的諧波減少。
在本實施例中，當變換器按照源電壓同步PWM方式工作時，則在每個變換器中提供了源電壓相位檢測器8和相位命令發生器9，並且每個變換器被提供與電源線1的源電壓相位同步的功能，而電源線1和三角形載波的相位通過在每個變換器中的載波相位調定器開始設定。即通過將載波相位對電源線1進行不同的設定，當使用多組變換器時，在接收端2的諧波將會減少。
順便說及，由於命令值(輸入電壓VC的命令值)和三角形載波是以變換器電壓同步PWM方法進行同步的。因此，每個變換器的諧波可能始終被抑制到預定的電平或更低的電平。但是，由於依靠負載條件(輸入電流)VC變化很大(特別是相位φ1變化大)，因此，必須對此變化產生同步。在輸入電流變化大的系統中，在同步開始之前包括一個延遲，並且在該周期期間，將產生各種頻率分量的諧波，儘管它們是瞬變狀態。當變換器被用作單個裝置時，諧波發生量是恆定的，而當多組變換器單獨地被驅動時，在接收端的諧波將取決於相應的變換器的相位方面的變化，並且它們可能被抵消掉或被加強。結果，難以將諧波抑制到預定的或更低的電平。
在JP-A-6-351106文獻中舉出一種現有技術作為參考，一個同步信號從電源中產生，它通常被加到多個變換器中，並且各自的三角形載波被移相以便抑制接收端的諧波。在本發明的功能變換系統中，每個變換器被提供有源電壓相位檢測器8和相位命令發生器9，並且每個變換器具有與該源電壓同步的功能。因此，在變換器之間不必供給該同步信號，並且一旦通過在每個變換器中的載波相位調定器6開始設定源電壓和三角形載波的相位角，則在接收端的諧波可以減少。因此，對於分布地安裝了相應的變換器的系統，各自變換器的獨立性將增強並且作用變大。
此外，根據本實施例，由於不必連接濾波器用來抑制諧波，因此，該裝置的尺寸可以縮小。而且，由於變換器的載頻可以設定得較低，因此，開關損耗被減小，並且可以增大該裝置的容量。
圖5表示本發明的另一個實施例。在本實施例中，一個命令值補償設備11被附加到圖1的系統，參照圖6A和6B，將說明該命令值補償設備11的工作。
在圖6A中示出一種現有技術PWM系統。在該現有技術PWM系統中，命令值V(t)*與三角形載波et(t)相比較以便產生一個PWM脈衝。在該三角形波比較方法中，通過使用在每個鋸齒形載波的半周期中的三角波，該命令值的瞬時值(高度)被採樣(在圖6A和6B中的某點P)，並將命令值的高度轉換為一個脈衝寬度。但是，如圖6A所示，當載頻較低(低到該命令值的頻率的十分之一)時，該採樣點並不始終代表周期Δt。即使用PWM增加了差誤。結果，所產生的諧波發生很大變化，這取決於該命令值V(t)*和三角形載波et(t)的相位狀態因此，當載頻低並且在圖1的系統中的相應的變換器獨立地工作時，由相應的變換器所產生的諧波數量各不相同以及在接收端的諧波抵消數量發生變化，從而依靠條件該諧波的抑制效應可能被減弱。
為解決以上的問題，在本實施例中，增加了命令值補償設備11。如圖11所示，該命令值補償設備11將使用每個周期Δt平均該命令值V(t)，並產生平均值作為新的命令值V(t)並將它與三角形載波et(t)相比較。該命令值的平均值V(t)通過使用原始命令值V(t)*的瞬時值進行估算。結果，通過三角載波et(t)和命令值V(t)*之間的相位差減少了諧波數量的變化，並且由每個變換器71所產生的諧波被抵消到與該條件無關的大致相同的程度。
圖7表示在三角形載波et(t)對命令值V(t)*的相位角φ1發生變化時(對於單組變換器，N＝9)用於改變諧波電流Ih(所有諧波分量的有效值)的模擬結果。如圖7中的虛線所示，在沒有命令值補償(現有技術系統)時，可見在最壞的情況下諧波增加1.5倍之多。但是，如圖7中的實線所示，通過增加命令值補償，可知諧波對φs的依賴性將基本消失。
在本實施例中，由於通過電壓命令補償，諧波幅度基本上保持恆定，諧波對負載條件的依賴性減小。此外，即使載頻低，由於所產生的諧波數量可以被抑制到大致恆定的程度，因此，即使相應的變換器獨立地被驅動，在接收端2的諧波也可以被抑制到基本恆定或更低的程度。
圖8表示本發明的另外實施例。在圖1和5的實施例中，相應的變換器71獨立地被驅動，並且在接收端2的諧波是通過最初設定該載波相位設定φs被抑制。但是，當特定的諧波將被抑制或者該諧波將要被進一步抑制到某一限度時，圖8的實施例是很有效的。
在本實施例中，根據每個變換器的負載條件，三角形載波的相位設定φs被實時地改變以便在變換器之間進行協同操作。在圖8中，數碼12代表在每個變換器中的用來檢測輸入電流i1，i1，i3，…，的電流檢測器，而數碼13代表用於讀取每個變換器的輸入電流並將適當的載波相位設定φs(φs1，φs2，φs3，…，φsn)加到每個載波相位調定器6以便抑制在接收端2的諧波的電流檢測器。
圖9表示諧波抑制設備3的一種操作算法，首先，讀取相應的變換器的輸入電流i1～in，然後根據該電流值，計算相應的變換器的工作條件X(X1-Xn)。如圖4所示，X＝tanφ1並可以由X＝ωLi/E來確定。即一旦知道輸入電流i，就可以從電源電壓E和電感L計算X。當X為正時，它表示一種將功率供給負載(功率運行)的狀態，當X為負時，它表示一種再生狀態，而當X為零時，它表示一種無負載條件。然後將載波相位設定φs1～φsn暫時設定為適當的值。例如，將多個變換器的一半設定為0°，而另一半設定為90°。然後，由相應的變換器所產生的諧波根據載波相位設定和X1～Xn進行估算。諧波Hn表示對變換器的直流電壓的諧波產生比率，並與由該變換器所產生的電流諧波相對應。圖10和圖11分別表示第17和第Sine(正弦)分量Hn的值。如圖中所示，Hn是以前被計算作為φs和X的函數，並存儲在一個表中。在接收端2的諧波是相應的變換器的Hn的總和。值X通過該變換器的工作條件被確定，而值φs可以任意地確定，這樣使得諧波(Hn的總和)總量通過使用φs可以儘量減少。即如圖9所示，Hn(在接收端的諧波)的總和在φs被設定之後進行計算，所產生的諧波量被計算，並且如果該值不滿意，就再次設定φs，並計算Hn的總和，這一操作反覆進行以便確定Hn的最小值點。與這樣確定的最小值點相對應的載波相位設定φs1～φsn被加到相應的載波相位調定器6。
當變換器的數目小時，φs可以不進行上述相應的計算被設定。下面將說明φs的一種特殊的設定方法。
假定如圖2所示提供兩個變換器，並且準備抑制第17諧波(圖10)。假定變換器1被設定為φs1＝90°，並且在X＝0.1處被驅動，而變換器2在X＝-0.1處被驅動。為了抵消在接收端2由變換器1和2所產生的諧波，最好使兩個諧波的極性相反而其絕對值彼此接近。在圖10中，不是B而是C等於A的大小，這樣使得φs2為180°而不是0°時第17諧波更多地被抑制。因此，在這種條件下，諧波抑制設備13將φs1＝90°和φs2＝180°的載波相位設定加到載波相同調定器6。因此，諧波分量被減到最少。
然後假定變換器1，變化到X＝-0.1時，而變換器2仍然在X＝-0.1處。(所產生的諧波數量變化到A1)。由於現在B接近A的大小，當φs2＝0°時，該分量諧波更多的地抑制。因此，φs2＝0°時的命令值被輸出到變換器2。這樣，諧波分量被減少到最少。
通過適當地轉換φs，在接收端2的特定諧波可以被抑制，並且該諧波可以被抑制到該限度。這一方法並不限於第17諧波，而同樣可以適用於在圖11中所示的第5諧波和其它諧波分量。該抑制特定諧波分量的能力當濾波器準備插在接收端2時能防止反諧振。此外，預先計算在接收端2的諧波發生數量的變化並應用將該總量減到最少的載波相位是可能的。
權利要求
1.一種用來通過包含與命令值和諧波分量相對應的基波分量的分離的PWM信號控制與電源線相連接的多個功率變換器的功率變換器的控制方法，其特徵在於所述電源線的電源電壓相位被檢測，所述諧波分量基本上與所檢測的電源電壓相位同步，並且使諧波分量的相位彼此不相同。
2.根據權利要求1的功率變換器的控制方法，其特徵在於，當所述功率變換器的組數目為n時，該特定的諧波分量相位相互相移360°/n。
3.根據權利要求1的功率變換器的控制方法，其特徵在於，所述PWM信號根據命令值和三角形載波被獲取，在從相應於所述三角形載波的半個周期的正峰值到負峰值的一個周期內和從相應於所述半個周期的從該負峰值到該正峰值的一個周期的命令值的平均值在所述命令值基礎上被估算，而所述命令值通過使用被估算的值進行補償。
4.根據權利要求1的功率變換器的控制方法，其特徵在於，至所述相應的功率變換器的輸入電流被檢測，並在所檢測的輸入電流值的基礎上確定所述諧波分量的相位。
5.根據權利要求3的功率變換器的控制方法，其特徵在於，至所述相應的功率變換器的輸入電流被檢測，並根據所檢測的輸入電流值確定所述諧波分量的相位。
6.一種功率變換系統，具有一個在電源線上的接收端和多個與所述接收端相連接的功率變換器，每個所述功率變換器包含一個用於產生三角形載波的三角形載波發生器以及用於輸出根據命令值和三角形載波所產生的PWM信號並控制所述功率變換器的一個PWM控制單元，該功率變換系統的特徵在於，在每個所述的功率變換器中提供了一個用於檢測所述電源線的電源電壓相位的檢測器和一個用於輸出與通過所述檢測器所檢測的電源電壓相位同步的三角形載波的三角形載波發生器，以及在所述功率變換器中所提供的該三角形載波發生器輸出相位互不同的三角形載波。
7.根據權利要求6的功率變換系統其特徵在於，當所述功率變換器的組數目為n時，相應的三角形載波發生器將輸出具有其相位相互移位180°/n的三角形載波。
8.根據權利要求6的功率變換系統其特徵在於，該系統提供了一個命令值補償設備，該設備用於根據所述命令值估算在相應於所述鋸齒載波的半個周期的一個正峰值頂端到一個負峰值的一個周期內和在相應於所述半個周期的從該負峰到該正峰值的周期內的命令值的平均值，並通過使用被估算的值補償該命令值。
9.根據權利要求6的功率變換系統其特徵在於，在每個所述功率變換器中提供一個輸入電流檢測器，用於檢測至該功率變換器的輸入電流，提供了一種用於從所述輸入電流檢測器輸入被檢測的輸入電流值，並在所檢測的輸入電流值基礎上為每個三角形載波發生器確定不同的載波相位設定，以及在所檢測的電源電壓相位和截波相位設定，以及在所檢測的電源電壓相位的載波相位設定的基礎上所述三角形載波發生器輸出與該電源電壓相位同步的三角形載波。
10.根據權利要求8的功率變換系統其特徵在於，在每個所述功率變換器中提供了一個輸入電流檢測器，用於檢測給該功率變換器的輸入電流，提供了一種用於從所述輸入電流檢測器輸入電流值為每個三角形載波發生器確定不同的載波相位設定，以及在所檢測的電源電壓相位和載波相位設定的基礎上所述三角形載波發生器輸出與該電源電壓相位同步的三角形載波。
全文摘要
本發明的目的是當分布地安裝多個變換器時打算抑制流出到電源線的諧波。為此目的，在通過包含與命令值和諧波分量相對應的基波分量的分離的PWM信號用來控制與該電源線相連接的多個功率變換器的功率變換器的控制方法中，該電源線的一個源電壓相位被檢測，包含在PWM信號中的諧波分量與所檢測的源電壓相位同步，並且使包含在PWM信號中的諧波分量的相位互不相同。
文檔編號H02M7/12GK1163505SQ9710224
公開日1997年10月29日 申請日期1997年1月15日 優先權日1996年1月16日
發明者巖路善尚, 奧山俊昭, 伊君高志, 飛世正博 申請人:株式會社日立製作所