自適應諧波減少設備和方法
2024-02-04 18:08:15 1
專利名稱：自適應諧波減少設備和方法
技術領域：
本發明涉及一種自適應諧波減少設備和方法。
背景技術：
電機驅動裝置和其它形式的功率轉換系統將電力從一種形式轉換成另一形式，並且可被採用在多種應用中，諸如使用從單相或多相交流(AC)輸入源轉換的功率為電動機提供動力，對來自風驅動發電機的交流功率進行轉換以向電網供電等。功率轉換器可包括用於不同類型的轉換應用的多級，諸如具有脈寬調製(PWM)後的有源電流源整流器的用於電動機的交流/直流(DC) /交流驅動裝置，在整流器中，選擇性地切換交流輸入功率，以創建直流輸出總線電壓，根據該直流總線電壓，通過PWM控制的逆變器級驅動負載。在具有變化的電機負載條件的、要求可變速度控制的工業應用中的驅動電動機中，這類轉換器特別有用。這樣的功率轉換系統中的諧波的控制是連續的挑戰，特別是在有源輸入轉換器級用來與併網接口的情況下。諧波譜控制的常規方法包括對於選擇性諧波消除(SHE)使用預定的整流器點弧角(firing angle)，以及在整流器輸入處提供基於硬體的輸入濾波器電路。 然而，在控制總諧波失真(THD)方面，這些技術至此僅提供了有限的成功，並且輸入濾波器電路是昂貴的。因此，存在對於改進的電機驅動裝置、電機驅動裝置中的諧波控制技術以及其它開關型功率轉換系統的持續需求。
發明內容
現在總結本公開的各方面，以便於對本公開的基本理解，其中，該發明內容不是本公開的廣泛的概要，並且既不旨在標識本公開的特定元件也不描繪其範圍。相反，該發明內容的主要目的是在下文中呈現更詳細的描述之前以簡化形式呈現本公開的一些概念。 本公開提供了用於併網轉換器(grid tie converter)(諸如整流器)的脈寬調製開關技術，其中，點弧角開關控制用來執行選擇性諧波減少以及減少總線電流譜(包括被交付到 (referred to)線路側的併網轉換器電流譜和源電流譜)中的總諧波失真(THD)。併網轉換器可以是主要將來自電網或發電機的功率傳送到電機的電機驅動裝置中的整流器、或將來自分布式能量源(例如，光伏電池或風力渦輪機)的功率傳送到電網的分布式發電系統中的逆變器。公開了諸如某些實施例中的電機驅動裝置或分布式配電系統的功率轉換系統，包括有源整流器，該整流器具有通過整流器開關控制信號操作以選擇性地將相應的交流輸入節點與直流輸出節點耦合的開關器件和輸入濾波器。轉換器還包括與整流器的第一和第二直流輸出節點耦合的中間直流電路，以及對來自中間電路的直流功率進行轉換以向負載 (諸如某些實施例中的電機)供電的逆變器。在某些實施例中，整流器是電流源整流器，並且中間電路包括至少一個電感器。在其它實施例中，整流器是電壓源轉換器，諸如2電平或多電平電壓源整流器。包括開關控制系統，其具有包含開關角生成器和PWM控制器的整流器控制部件。開關角生成器至少部分根據表示整流器交流輸入處的源諧波的信號或值和至少部分根據整流器輸入濾波器傳遞函數，基本實時計算一組整流器開關角。PWM控制器根據來自角生成器的該組整流器開關角，提供脈寬調製後的整流器開關控制信號，以便對交流電輸入功率進行轉換，來向中間直流電路提供調節的直流功率。在某些實施例中，開關角生成器至少部分根據要減少或消除的至少一個諧波和至少部分根據期望的最大總諧波失真(THD)值，計算開關角。在某些實施例中，角生成器根據測量的或確定的源電流或電壓來計算源電流或電壓譜，計算整流器輸入電流或電壓譜， 以及將輸入濾波器傳遞函數應用於整流器輸入電流或電壓譜，來將整流器輸入電流或電壓譜交付到線路側，以獲得交付的整流器輸入電流或電壓譜。這些實施例中的角生成器計算作為源電流或電壓譜與所交付的整流器輸入電流或電壓譜的總和的總線電流或電壓譜，至少部分基於總線電流或電壓譜而形成等式系統，以及求解等式系統來獲得該組整流器開關角。在某些實施例中，角生成器至少部分根據要減少或消除的諧波和至少部分根據期望的 THD值來形成等式系統。根據本公開的又一方面，提供了諸如電機驅動裝置的功率轉換系統，其包括有源整流器(其具有通過整流器開關控制信號操作的開關器件和輸入濾波器)和與整流器的第一和第二直流輸出節點耦合的中間直流電路、以及對來自中間電路的直流功率進行轉換以向負載供電的逆變器。該驅動裝置還包括具有整流器控制部件的開關控制系統，該整流器控制部件具有存儲多組整流器開關角的表和PWM控制器。PWM控制器至少部分根據表示整流器的交流輸入處的源諧波的信號或值來選擇開關角組之一，並且提供PWM整流器開關控制信號以對交流電輸入功率進行轉換，來向中間直流電路提供調節的直流功率。本公開的此外方面提供了用於計算用於在功率轉換系統中生成脈寬調製後的整流器開關控制信號的一組整流器開關角的方法。該方法包括至少部分基於功率轉換系統的電流或電壓譜、要減少或消除的一個或多個諧波、以及期望的THD值而形成等式系統，以及求解該等式系統來獲得該組整流器開關角，其中，在某些實施例中該組整流器開關角是實時求解的。在某些實施例中，至少部分根據包括被交付到線路側的整流器輸入電流或電壓譜和源電流或電壓譜的總線電流或電壓譜，形成等式系統。在某些實施例中，該方法包括根據測量的或確定的源電流或電壓來計算源電流或電壓譜，根據測量的整流器直流電流或電壓來計算整流器輸入電流或電壓譜，並且將整流器輸入濾波器傳遞函數應用於整流器輸入電流或電壓譜，來將整流器輸入電流或電壓譜交付到線路側，以及計算作為源電流或電壓譜與所交付的整流器輸入電流或電壓譜的總和的總線電流或電壓譜，其中，至少部分根據總線電流或電壓譜來形成等式系統。
以下描述和附圖詳細闡述了本公開的某些說明性實現，其表示可以執行本公開的各種原理的若干示例性方式。然而，所說明的示例不窮舉本公開的許多可能實施例。將在以下結合附圖考慮的詳細描述中闡述本公開的其它目的、優點和新穎特徵，在附圖中圖1是示出根據本公開的一個或多個方面的、具有對有源整流器的自適應諧波消除PWM開關控制的示例性電流源轉換器型可變頻率電機驅動裝置的示意圖；圖2是示出在圖1的整流器中使用的示例性PWM開關模式的圖，其具有根據本公開的各種技術確定的各種開關角，用於選擇性地消除或減少特定諧波並且用於控制THD ；圖3是圖1的整流器控制器中的、具有與各種諧波條件範圍對應的點弧角組的示例性開關角組表；圖4是示出根據本公開的、包括實時開關角計算的用於整流器PWM控制的示例性方法的流程圖；圖5是示出根據本公開的、使用根據源諧波條件從表獲得的開關角的用於整流器 PWM的示例性方法的流程圖；圖6是示出根據本公開的、計算整流器開關角的示例性方法的流程圖；以及圖7和8是示出分別從常規和自適應SHE技術獲得的示例性譜的圖示。
具體實施例方式在下文中結合附圖描述若干實施例或實現，其中，貫穿全文，相同的附圖標記用來引用相同元件，並且其中，不一定按比例繪製各個結構元件。公開了功率轉換器連同整流器SHE控制系統和方法，其中，點弧角或開關角被實時計算、或被預先確定並且存儲在表中用於根據轉換器輸入處的諧波條件來選擇。整流器的PWM開關控制以提供對一個或多個特定諧波的選擇性消除或減少的方式進行，並且還控制關注的諧波範圍中的總諧波失真(THD)，其中，這些目標被剪裁成具體源諧波條件。這些方面獨自或組合提供了對常規脈寬控制技術的重大改進，特別是與基於硬體的輸入線濾波器電路組合來提供用於驅動輸出逆變器的直流功率，同時控制線諧波含量。發明人認識到， 常規編程的開關模式技術(諸如選擇性諧波消除(SHE))通常採用一組預先算出的開關角來激發輸入整流器的基於半導體的功率開關器件。SHE方式的目的是控制頻率含量或譜來理想地消除特定諧波(例如，諸如第5、第 7等)，通過向輸入添加低通濾波器來抑制高階諧波。濾波器電路部件的物理大小由硬體濾波器諧振頻率確定，而硬體濾波器諧振頻率反之由SHE譜確定。例如，結合7脈衝SHE模式使用的輸入濾波器的諧振頻率通常低於用於控制高階諧波的5pu。通過濾波器的電感和電容來設置濾波器諧振頻率，其中，較低諧振頻率對應於較大電感和電容，並且相應地對應於較高的成本和較大的尺寸。增加的濾波器電容額外地產生超前功率因數，這在多數應用中是不期望的。通過求解從傅立葉分析導出的等式系統先前已算出SHE開關角，其中，通過在等式組中將部分諧波強制為零來理想地消除某些諧波。然而，在常規方式中，假設理想直流鏈路和沒有諧波的源、而沒有考慮硬體濾波器特性來構建等式。隨後根據通過算出的SHE 點弧角生成的譜來設計硬體濾波器，其中濾波器調諧點通常低於5pu。首先參照圖1，示出了示例性功率轉換系統100，其包括驅動電機負載120的電流源轉換器(CSC)型電機驅動裝置110。雖然與具有LF輸入濾波器112和C輸出濾波器113 的電流源型轉換器110有關地進行了示出，但是其它實施例可以使用具有CL或LCL輸入濾波器112以及具有或沒有LC輸出濾波器113的電壓源型轉換器110。在某些實施例中，轉換系統100包括電流源整流器和具有一個或多個電感器的中間電路。在某些實施例中，功率轉換系統100是分布式發電系統，其中整流器是併網電流源轉換器並且中間電路包括至少一個電感器，或者整流器可以是2電平或多電平併網電壓源轉換器並且中間電路包括至少一個電容器。
驅動裝置110包括整流器110a，整流器IlOa具有包括整流器輸入濾波器112(其與向驅動裝置110提供輸入功率的三相交流電壓源111耦合)的交流輸入電路104，並且驅動裝置110對輸入功率進行轉換以提供電機電流、來驅動耦合到轉換器輸出114的、具有相繞組的電機負載120，相繞組具有相關聯的電感Lm。驅動裝置110是電流源轉換器(CSC) 類型，其中濾波器電路112連接到交流電源111。雖然示出了這些示例具有三相輸入104，然而其它實施例可提供單相交流輸入或可包括適於接收三個或更多個輸入相的多相輸入。圖 1中的CSC驅動裝置110在輸出終端114處提供可變頻率、可變幅值單相或多相交流輸出功率以驅動交流電機負載120，交流電機負載120在示出的示例中具有三相繞組。其它實施例中的輸出114可提供單相交流輸出或可以是任意數量的相，並且可以對除了電機之外的負載(例如，諸如風能系統中的電力網)提供動力。所示出的電機驅動裝置110包括輸入濾波器112中的輸入濾波器電容器Ci以及輸出濾波器電路113中的輸出濾波器電容器Cm兩者。輸入濾波器電容器Ci耦合在相應的輸入相線A、B以及C與輸入中性節點之間。輸出電容器Cm各自耦合在相應的輸出相線U、V以及W與輸出中性節點之間。某些實施例可省略輸入或輸出濾波器電容器組之一或兩者。在某些實施例中輸入和輸出中性節點可浮動， 或者輸入和輸出中性節點之一或兩者可耦合到輸入電源的地或耦合到其它地。在此外其它可能的實施例中，中性點可直接或者通過阻抗耦合到另一中性點、而無需參考任何系統地。 在所示出的實施例中，節點接地。驅動裝置110包括經由輸入112從源111接收交流輸入功率的整流器110a，以及具有直流鏈路電感(鏈路扼流(choke))的中間直流電路130，該中間直流電路130具有耦合在整流器IOa和輸出逆變器IlOb之間的上繞組和下繞組WA和WB。在某些實施例中， 直流鏈路可以是簡單的直流鏈路電感器或如在所示出的示例中的在上直流電流路徑和下直流電流路徑的每個中具有繞組的共模扼流。在其它實施例中，可以在上直流電流路徑和下直流電流路徑的僅一個中提供單個鏈路電感器。在此外其它實施例中，驅動裝置110可以是具有在電路130中建立的中間直流總線電壓的電壓源轉換器驅動裝置，其中電容(單個或多個電容器)連接在上直流分支與下直流分支之間。所示出的驅動裝置110提供包括每個輸入相中的電感器Li、以及耦合在輸入線A、B、C與輸入中性節點之間的輸入濾波器電容器Ci的輸入濾波。整流器IlOa是通過中間直流電路130與電流源逆變器(CSI)耦合的電流源整流器(CSR)，並且一個或多個隔離部件(例如，變壓器，未示出)可可選地包括在驅動裝置110中。輸出114經由線U、V以及W向電機負載120提供交流點輸出功率，並且包括濾波器電路113，其具有耦合在負載120與輸出中性節點之間的輸出電容器Cm。整流器IlOa是具有耦合在輸入112與直流電路130之間的開關器件S1-S6的有源開關型電流源整流器(CSR)，並且根據由開關控制系統140的整流器控制部件14 提供的多個整流器開關控制信號14 來工作。在工作中，由整流器開關S1-S6切換交流輸入功率，以在中間電路130中創建中間直流鏈路電流Idc。示例性逆變器IlOb是電流源逆變器 (CSI)，其包括耦合在直流電路130與輸出114的相線U、V以及W之間的開關器件S7-S12。 逆變器開關S7-S12根據來自開關控制系統140的逆變器控制部件144b的相應開關控制信號142b工作，以選擇性地對來自直流電路130的直流功率進行轉換，提供交流輸出功率來驅動電機負載120。在中間直流(鏈路)電路130中，直流鏈路扼流或電感器連結整流器IlOa和逆變器IlOb的開關，並且提供它們之間的前向和返回電流路徑。鏈路扼流的第一繞組WA耦合在前向或正向直流路徑中，並且具有連接到上整流器開關S1-S3的第一端Pl和與上逆變器開關S7-S9耦合的第二端P2。第二(下)繞組WB耦合在反向或返回直流路徑中，並且具有耦合到下整流器開關S4-S6的第一端附以及耦合到下逆變器開關S10-S12的第二端N2。整流器和逆變器開關器件S1-S12可以是任何適當的可控電開關類型(例如， SGCT、IGCT、GT0、晶閘管、IGBT等)，根據任何適當類型或形式的開關方案或多個方案(諸如相控、脈寬調製等)、以開環或閉環方式控制這些開關器件。在某些實施例中，逆變器IlOb 的開關器件S7-S12是包括但不限於SGCT、IGBT或GTO的強迫換流器件，而整流器IlOa的開關器件S1-S6可以是諸如以上所述的強迫換流器件以及諸如晶閘管的線換流器件。關於這方面，晶間管器件可以以具有額外電路添加至其器件觸發電路的強迫換流器件的形式用於逆變器開關器件S7-S12。整流器IlOa和逆變器IlOb在開關控制系統140的控制下工作，開關控制系統140 可包括一個或多個處理器和相關聯的存儲器以及I/O電路，其包括驅動電路，儘管可採用分離的開關控制系統，該驅動電路用於例如利用互連和信息共享來生成開關控制信號142 以選擇性地啟動開關器件S1-S12，以便於整流器IlOa和逆變器IlOb的協調工作。這些實施例中的開關控制系統140包括逆變器控制部件144b，其提供逆變器開關控制信號142b， 以使得逆變器IlOb根據一個或多個設置點141 (諸如期望的電機速度、轉矩等)選擇性地對來自中間直流電路130的直流電流進行轉換，來向交流輸出114提供交流電功率。開關控制系統140和其部件144可以被實現為任何合適的硬體、處理器執行的軟體、處理器執行的固件、可編程邏輯、或其組合，可操作成任何合適的控制器或調節器，通過該控制器或調節器，根據一個或多個期望的簡檔或設置點141 (不論信號和/或數字值)、以開環或閉環方式或其組合控制電機120。另外，在工作中，控制器140的整流器控制部件14 提供整流器開關控制信號 142a，使得整流器IlOa對交流電輸入功率進行轉換，來向直流電路130提供調節的直流電流Idc。這樣做，整流器控制器14 可採用一個或多個反饋信號或值118a(諸如來自整流器IlOa的、表示實際直流鏈路電流Idc和/或直流鏈路電壓的測量的直流電流值)。來自整流器IlOa的直流鏈路電流Idc提供用於由逆變器IlOb轉換的輸入電流，其中，示例性逆變器控制144b可向整流器控制器14 提供作為調節設置點的期望的直流鏈路電流信號或值。以此方式，整流器IlOa提供逆變器IlOb所需的直流電流，並且整流器控制器14 還可實現諸如功率因數校正的其它控制功能，同時逆變器控制器144b根據一個或多個設置點值或信號141執行驅動裝置110的必要的電機控制操作。驅動裝置110還包括具有一個或多個感測元件的反饋系統118，其可操作成提供表示輸入112、整流器110a、中間直流電路130、逆變器110b、輸出濾波器113、和/或輸出 114處的電條件的一個或多個反饋信號和/或值118a。開關控制系統140可提供有一個或多個設置點或期望值141以及來自反饋系統118的一個或多個反饋信號或值118a，通過其以正常電機驅動操作實現一個或多個閉環電機驅動控制目標。用於控制功能的值或反饋信號可以基於來自反饋系統118的信號和/或值118a、測量的輸入值(例如，線電壓、電流、中性電壓、電流等)、以及其它信息、數據等，其可以是任何適合的形式(諸如電信號、數字數據等)並且其可從任何適合的源(諸如一個或多個傳感器、外部網絡、開關、與系統100相關聯的用戶接口或其它適合的源)接收。反饋電路118根據整流器110a、直流電路130以及逆變器IlOb的至少之一向控制器140提供反饋信號或值，並且可通過適當的轉速表或其它傳感器提供測量的電機速度值和/或感測到的值，控制器140可根據該感測的值來確定電機速度、轉矩、電流、和/或電壓等。在這方面，即使對於不具有直接電機速度測量傳感器的系統，控制器140可經由適合的電機模型、基於反饋信號或值118a而內部生成無法感測的電機速度反饋值。還參照圖2，整流器控制器14 包括PWM控制器150，其根據一組整流器開關角， 向整流器IlOa的開關S1-S6提供脈寬調製後的整流器開關控制信號14加。圖2提供了圖示200，其示出了在圖1的整流器控制器144b中使用的示例性9脈衝自適應SHE PWM開關模式202，該模式利用各種開關角(包括來自表160或來自實時角生成器152的角度θ χ, r θ χ,18)來控制整流器開關S1-S6的啟動，以便使得整流器IlOa對交流電輸入功率進行轉換，以向中間直流電路130提供調節的直流功率。在所示出的9脈衝實現中，PWM控制器在交流輸入周期(例如，在一個示例中，交流源111提供圖2中以虛線示出的60Hz的正弦輸入功率)的兩個半周期中提供用於輸入端子到中間電路130的直流傳導路徑的選擇性連接的脈衝模式，其中，從開關角組中直接取得開關角θ^-θχ,Μ雖然9脈衝模式用來詳述本原理，但是脈衝的實際數量不限於9。如此外如圖1所示，在某些實施例中，控制器14 包括開關角生成器152，該開關角生成器152至少部分基於表示整流器IlOa的交流輸入112處的源諧波的一個或多個信號或值118a和至少部分基於整流器輸入濾波器112的傳遞函數154，基本實時計算開關角。 在某些實施例中，角生成器152至少部分基於包含源諧波的信息的反饋118a中的信號、至少部分基於要減少或消除的至少一個諧波、以及至少部分基於期望的THD值158，基本實時地計算該組整流器開關角，其中，期望的THD值158可被預先確定和存儲在開關控制系統 140中、或可被獲得作為來自外部源的信號或值。還參照圖3，在其它實施例中，整流器控制器14 包括存儲多組整流器開關角θχ, r θ χ,18的開關角組表160，該表160可以存儲在控制器14 的存儲中或轉換器110的別處， 或可存儲在可由PWM控制器150訪問的分離系統中。圖3示出了具有對應於整數N個源諧波條件範圍的點弧角組的示例性角組表160。表條目160還說明了 PWM控制器150在選擇特定角組θ U-θ U8中使用的一個或多個其它變量。例如，諸如按照給定諧波範圍(例如， 第2到第40個諧波)的一個或多個具體諧波和/或總諧波失真，所示出的表160被劃分成 N部分，每個部分具有與交流輸入112處的諧波條件的N個範圍(例如，如由反饋系統118 測量或通過分離的測量或估計確定)之一對應的角度組θ^-θχ,Μ在該示例中，每個部分還包括對特定整流器延遲角和電機速度的劃分。在工作中，PWM控制器150接收來自反饋系統的關於當前時間處的重要源諧波的反饋信息118a、以及整流器延遲角和當前電機速度，並且使用這些來為表160做索引以獲得適當的開關角組Θμ-ΘΧ,Μ可以經由所包括的角生成器152使用從反饋系統118獲得的輸入諧波測量118a來計算表160的條目，或者可以通過外部開關角生成器152使用輸入濾波器傳遞函數154、期望的THD值158、以及關於輸入源諧波條件的信息而與轉換器110分離地計算表160的條目，其中，得到的開關角組 θχ,"0 χ,18被提供到轉換器110用於存儲在表160中。在工作中，PWM控制器150從開關角生成器152或從表160接收整流器開關角組θ U-Q5^18，並且相應地生成脈寬調製後的整流器開關控制信號14 作為一系列脈衝 200(例如，圖2)，以便使得整流器IlOa對交流電輸入功率進行轉換，來向中間直流電路130 提供調節的直流功率。還參照圖4，示出了根據本公開的、包括實時開關角計算的用於整流器PWM控制的示例性處理400。儘管以下將本公開的示例性方法400和其它方法示出並描述為一些列動作或事件，但本公開不受所示出的這樣的動作或事件的順序的限制。例如，一些動作可脫離這裡所示出和/或描述的順序而以不同順序同時和/或與其它動作或事件同時發生，並且並不需要所有所示出的步驟來實現根據本公開的處理。此外，可與以上描述的整流器控制器14 相關聯以及與未示出的其它系統相關聯而實現該方法。在402，控制器14 的開關角生成器152例如根據一個或多個反饋信號或值118a來確定源諧波，並且在404，根據選擇的諧波消除(例如，第5個、第7個等)和根據期望的THD值158(例如，將與關注的諧波的範圍對應的總諧波失真維持在或低於特定閾值(期望的最大值)限制158)來計算一組整流器開關角θ^-θ^。在406，角生成器152向整流器PWM控制器150提供該組整流器開關角9U-f^M在408，PWM控制器150根據更新的該組整流器開關角θ^-θχ^來向整流器開關S1-S6提供更新的開關控制信號142a，以操作整流器110a。圖5示出了另一示例性處理500，其中，根據源諧波條件從表160獲得開關角的組。 在502，PWM控制器150例如根據一個或多個反饋信號或值118a來確定源諧波。在504使用源諧波條件來從角度組表160獲得相應的開關角組θ U- θ χ,18。在506，PWM控制器150 根據所選的該組整流器開關角θ xa- θ χ,18來向整流器IlOa提供脈寬調製後的整流器開關控制信號142a，使得整流器IlOa對交流電輸入功率進行轉換，以向中間直流電路130提供調節的直流功率。還參照圖6-8，本公開還提供了用於計算一組整流器開關角θ xa- θ xa8的方法，該一組整流器開關角θ xa- θ χ,18用於在功率轉換系統110中使用自適應諧波消除來生成脈寬調製後的整流器開關控制信號14加。圖6示出了根據本公開的、用於計算整流器開關角的示例性處理600，而圖7和8示出了分別根據慣用和自適應SHE技術獲得的示例性譜。可以使用以上描述的集成開關角生成器152實時或基本實時地採用這些技術，和/或可以實時或離線地在外部系統實現處理，以例如生成開關角組條目以用於存儲在圖1的控制器表 160中。這裡強調的自適應SHE方式涉及全部或部分基於功率轉換系統的電流或電壓譜、要減少或消除的一個或多個諧波以及最小化的THD值的等式系統的形成和求解。這些技術可以用來實現整體諧波最小化策略(Ohms)以便於THD的減少，並且有利地考慮交流輸入濾波器112的特性(例如，傳遞函數)。因此，雖然慣用SHE技術實踐中由於源諧波條件的影響和/或輸入濾波器的影響而不會完全消除特定諧波，但是Ohms方式把這些影響作為開關角組θ xa- θ u的計算的因數。某些實現以快速傅立葉變換(FFT)開始， 以獲得諧波分量的表達。然後，通過根據輸入濾波器112的傳遞函數IM來修改諧波分量獲得加權譜來獲得信號譜，並且可以重新計算THD用於針對濾波的信號的最小化。最小化的處理可以或可以不與額外的限制(諸如對於所選擇的濾波器112的部分重要諧波的一組最大值)耦合。圖7示出了適於9脈衝操作的SHE控制的整流器的譜700，其中，消除第5、第7以及第11諧波，而具有重要幅值的更高階諧波沒有被SHE開關模式所呈送(address)。對於這些諧波，可使用輸入濾波器112(低通)，然而，濾波器調諧點必須足夠低，以有效地一致更高階諧波。圖7還分別示出了具有4. 4pu和6. 3pu的諧振頻率的兩個示例性二階輸入濾波器112的傳遞函數。如圖7所示，6. 3pu濾波器對於更高階諧波具有更高的增益(約為 4. 4pu濾波器的增益的兩倍)，並且該示例的仿真示出由於對更高階諧波的不充分衰減，對於6. 3pu濾波器THD高於5%。然而，同時，4. 4pu可以以更大和更昂貴的電感和電容部件的代價用於期望的THD。另外，現有的SHE方式不考慮現有的源諧波，並且發明人認識到，源諧波會不利地影響濾波後的線電流THD。圖8示出了經由Ohms技術獲得的示例性9脈衝模式的濾波器波形和譜800，在該 Ohms技術中，等式組被修改為強制使得關注的諧波範圍(例如，在所示出的示例中，第2到第40)上的THD為處於或低於期望的THD閾值限制值158，同時仍試圖消除或減少第5、第 7以及第11諧波。以此方式，Ohms技術控制超過慣用SHE方式的能力的整體諧波條件，並且還可將輸入濾波器112的傳遞函數特性作為因數。如圖8的示例所示，第11諧波不再完全被消除，而減少第13到第19諧波，由此減少關注的範圍中的總諧波失真。該模式使得能夠使用6. 3pu線輸入濾波器112，同時實現5%或更少的THD。反之，6. 3pu濾波器與4. 4pu 濾波器相比僅需要大約一半的電容，並且因此Ohms技術便於功率轉換系統成本和尺寸的減少。可以通過基於源諧波條件的反饋118a的開關角組的基本實時計算來實現本發明的自適應SHE技術，並且還可以計算獨立角的子集來獲得如以上如圖3的表160所示的用於根據源諧波的智能選擇的、針對不同源諧波場景的一組角θ^-θχ,Μ在某些實施例中， 角度計算包括針對點弧角的全部或子集求解等式組，其中通過基于波形對稱的計算來獲得剩餘角(例如，非獨立角度)。可能影響開關角的因素的示例包括對濾波器重要的預先存在的諧波、線性濾波器諧振頻率、整流器點弧角、直流電流或電壓、以及電機速度。由於輸入濾波器112對接近其調諧頻率的諧波最敏感，因此在某些實現中計算的預先存在的諧波是具有最重要濾波器增益的諧波。這些技術可以有利地用於併網PWM轉換器來改進THD性能， 並且可應用於電流源和電壓源PWM轉換器。還參照圖6，整流器控制器14 採用選擇性諧波消除(SHE)型控制部件150來生成開關控制信號14加。該技術有效地將輸出波形中的PWM開關點控制為特定角，用於控制諧波和總諧波失真(THD)。圖6示出了示例性方法600，其計算用於在功率轉換系統110中生成脈寬調製後的整流器開關控制信號14 的一組整流器開關角Θμ-ΘΧ,Μ可以實時 (例如，在板載(on board)角生成器152中)或離線使用處理600。通常，技術600涉及至少部分基於考慮來自整流器的諧波和來自源的諧波兩者的電流譜、要減少或消除的一個或多個諧波、以及期望的THD值158而形成等式系統(例如，在62 ，以及求解等式系統(例如，在624)來得該組整流器開關角θ^-θχ,Μ在某些實施例中，對於角度的子集(例如， 圖2的示例中的獨立角θ xa- θ χ,9)求解等式組，而在6 基于波形200(圖2、的對稱來求解任何剩餘的角(例如，非獨立角θ χ,10- θ χ,18)。在圖6的實施例中，可以在601(例如，經由反饋系統118)測量源電壓，並且在602 計算關注的諧波含量，其中，在604應用輸入濾波器傳遞函數IM來確定源電流，或者可以替代地在605(例如，經由反饋系統118)直接測量源電流，在606計算諧波含量。在608針對源電流計算關鍵諧波，例如，根據測量的或確定的源電流，針對包括基波電流的關鍵諧波分量獲得源電流譜。另外，在612(例如，經由反饋系統118)測量整流器直流電流(例如， 圖1中的Idc)或電壓，並且在614根據測量的直流整流器電流或電壓計算整流器輸入電流或電壓譜(例如，傅立葉係數)。在616，將輸入濾波器傳遞函數巧4應用於整流器輸入電流或電壓譜，以便把整流器輸入電流或電壓譜交付到線路側，並且由此獲得所交付的或加權的整流器輸入電流或電壓譜。在620，計算作為源電流或電壓譜與所交付的整流器輸入電流或電壓譜的總和的總線電流或電壓譜。在622，利用各種控制限制的應用，諸如將一個或多個關注的諧波(例如，接近輸入濾波器調諧點的第3、第5、第11或其它諧波)強制設置為零或一些其它最大值，並且利用對於給定關注的範圍的總諧波失真值(例如，如以上圖7 和圖8所示)，至少部分基於總線電流或電壓譜而形成等式系統。然後，在擬4求解等式系統，產生用於在控制開關整流器IlOa的PWM操作中使用的一組整流器開關角θ xa- θ χ,18的獨立角的子集。在626，可以通過使用波形對稱來獲得非獨立角。以下討論還示出了處理600的計算方面。假設恆定直流鏈路(電壓或電流)和奇函數y_，任意PWM波形可表示為傅立葉序列
權利要求
1.一種功率轉換系統(110)，包括 整流器(110a)，包括交流輸入電路(104)，其具有整流器輸入濾波器(11 和多個交流輸入節點以接收交流電輸入功率，直流輸出，其具有第一和第二直流輸出節點，以及各自耦合在所述交流輸入節點之一與所述第一和第二直流輸出節點之一之間的多個整流器開關器件(S1-S6)，所述整流器開關器件(S1-S6)各自能夠操作成根據相應的整流器開關控制信號(142a)來選擇性地將相應的交流輸入節點與相應的直流輸出節點耦合；中間直流電路(130)，其包括與所述整流器(IlOa)的所述第一和第二直流輸出節點耦合的第一和第二直流電流路徑；逆變器(110b)，其包括具有用於向負載(120)供電的多個交流輸出節點的交流輸出 (114)，所述逆變器(IlOb)能夠操作成對來自所述中間電路(130)的直流功率進行轉換以向所述負載(120)提供交流電輸出功率；以及具有整流器控制部件(144a)的開關控制系統(140)，所述整流器控制部件(144a)包括開關角生成器(152)，其能夠操作成至少部分基於表示所述整流器(IlOa)的交流輸入處的源諧波的至少一個信號或值(118a)和至少部分基於所述整流器輸入濾波器(112)的傳遞函數(1 )，基本實時地計算一組整流器開關角(θ xa- θ χ,9)，以及脈寬調製PWM控制器(150)，其接收來自所述開關角生成器(15 的所述一組整流器開關角(θ xa" θ χ,9)，並且能夠操作成根據所述一組整流器開關角(θ xa" θ χ,9)來向所述整流器(IlOa)提供脈寬調製後的整流器開關控制信號(14 )，以使得所述整流器(IlOa)對交流電輸入功率進行轉換，來向所述中間直流電路(130)提供調節的直流功率。
2.根據權利要求1所述的功率轉換系統(110)，其中，所述開關角生成器(152)能夠操作成至少部分基於以下來基本實時地計算所述一組整流器開關角(Θμ-ΘΜ)要減少或消除的至少一個諧波；以及期望的總諧波失真值(158)。
3.根據權利要求2所述的功率轉換系統(110)，其中，所述開關角生成器(152)能夠操作成通過以下步驟基本實時地計算所述一組整流器開關角(Θμ-ΘΜ)根據測量的或確定的源電流或電壓來計算(608)源電流或電壓譜； 根據測量的整流器直流電流或測量的整流器直流電壓(Idc)來計算(614)整流器輸入電流或電壓譜；將所述整流器輸入濾波器(11 的所述傳遞函數(154)應用(616)於所述整流器輸入電流或電壓譜，來將所述整流器輸入電流或電壓譜交付到線路側，來獲得所交付的整流器輸入電流或電壓譜；計算(620)作為所述源電流或電壓譜與所述所交付的整流器輸入電流或電壓譜的總和的總線電流或電壓譜；至少部分基於所述總線電流或電壓譜而形成(622)等式系統； 求解(624)所述等式系統來獲得所述一組整流器開關角(θ xa- θ χ,9)。
4.根據權利要求3所述的功率轉換系統(110)，其中，所述開關角生成器(152)能夠操作成至少部分基於所述要減少或消除的至少一個諧波和至少部分基於所述期望的總諧波失真值(158)，形成(62 所述等式系統。
5.根據權利要求4所述的功率轉換系統(110)，其中，所述整流器(IlOa)是電流源整流器，並且其中，所述中間電路(130)包括至少一個電感器。
6.根據權利要求2所述的功率轉換系統(110)，其中，所述整流器(IlOa)是電流源整流器，並且其中，所述中間電路(130)包括至少一個電感器。
7.根據權利要求1所述的功率轉換系統(110)，其中，所述功率轉換系統是電機驅動裝置，並且其中，所述逆變器的所述多個交流輸出節點向電機負載(120)供電。
8.—種功率轉換系統(110)，包括: 整流器(110)，包括交流輸入電路(104)，其具有整流器輸入濾波器(11 和多個交流輸入節點以接收交流電輸入功率，直流輸出，其具有第一和第二直流輸出節點，以及各自耦合在所述交流輸入節點之一與所述第一和第二直流輸出節點之一之間的多個整流器開關器件(S1-S6)，所述整流器開關器件(S1-S6)各自能夠操作成根據相應的整流器開關控制信號(142a)來選擇性將相應的交流輸入節點與相應的直流輸出節點耦合；中間直流電路(130)，其包括與所述整流器(IlOa)的所述第一和第二直流輸出節點耦合的第一和第二直流電流路徑；逆變器(110b)，其包括具有用於向負載(120)供電的多個交流輸出節點的交流輸出 (114)，所述逆變器(IlOb)能夠操作成對來自所述中間電路(130)的直流功率進行轉換以向所述負載(120)提供交流電輸出功率；以及具有整流器控制部件(144a)的開關控制系統(140)，所述整流器控制部件(144a)包括開關角組表(160)，其存儲多組整流器開關角(θ xa- θ χ,9)，以及脈寬調製PWM控制器(150)，其能夠操作成至少部分基於表示所述整流器(IlOa)的交流輸入處的源諧波的至少一個信號或值(118a)而選擇所述整流器開關角的組(θ xa- θ χ,9) 之一，並且能夠操作成根據所選的一組整流器開關角(Θμ-Θμ)來向所述整流器(IlOa) 提供脈寬調製後的整流器開關控制信號(14 )，以使得所述整流器(IlOa)對交流電輸入功率進行轉換，來向所述中間直流電路(130)提供調節的直流功率。
9.一種計算用於在功率轉換系統(110)中生成脈寬調製後的整流器開關控制信號 (142a)的一組整流器開關角(θ xa- θ χ,9)的方法(600)，所述方法(600)包括至少部分基於以下來形成(622)等式系統所述功率轉換系統的電流譜，要減少或消除的至少一個諧波，以及期望的最大總諧波失真值(158)，以及求解所述等式系統來獲得所述一組整流器開關角(θ xa- θ χ,9)。
10.根據權利要求9所述的方法(600)，其中，至少部分基於包括被交付到線路側的整流器輸入電流譜和源電流譜的總線電流譜，形成所述等式系統。
全文摘要
本公開提供了自適應諧波減少設備和方法。呈現了用於分布式能量源的發電系統和具有例如電機驅動裝置的有源前端轉換器的功率轉換系統，其中，用於併網轉換器的自適應諧波最小化用於最小化或減少線電流譜中的總諧波失真，該線電流譜包括源諧波電流和交付到線路側的併網轉換器注入的電流譜。
文檔編號H02M1/12GK102447399SQ20111030553
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月30日 優先權日2010年9月30日
發明者程仲元, 納維德·扎爾加裡, 肖原 申請人:洛克威爾自動控制技術股份有限公司