專利名稱：用于功率轉(zhuǎn)換器的控制器和對其進(jìn)行操作的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率轉(zhuǎn)換器的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在使用采樣的反饋數(shù)據(jù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)，響應(yīng)于這些反饋信號在對反饋?zhàn)兞窟M(jìn)行采樣和致動器變化之間存在有限的延遲。例如，在三相電壓電源型轉(zhuǎn)換器的情況下，反饋?zhàn)兞渴侨嚯娏?，并且致動器?shí)際上是脈沖寬度調(diào)制(PWM)橋，其在量值和相位上使三相電壓變化以控制三相電流。典型地，在固定的開關(guān)(switching)頻率PWM方案中，電流在完整的PWM周期(PWM周期=I/(開關(guān)頻率))期間被采樣許多次，并且對這些多個采樣的所取的平均變成正如由控制器所使用的電流反饋?zhàn)兞?。使用該方法?shí)現(xiàn)了與PWM開關(guān)頻率相關(guān)的諧波電流的良好衰減。但是，在控制環(huán)路中引入了有限的相位延遲，這歸因于在對電流進(jìn)行采樣、進(jìn)行必要的數(shù)學(xué)計(jì)算和使電壓改變之間的延遲。因此，實(shí)際上，PWM電壓響應(yīng)于該被采樣的具有特定延遲的電流而改變。從控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度來看(特別是當(dāng)考慮網(wǎng)絡(luò)連接的PWM橋陣列時)，令人期望的是使這些相位延遲最小化。鑒于上面描述的情況，存在對于改善的技術(shù)的需要，該技術(shù)能夠提供具有改善的特性的轉(zhuǎn)換器控制器，同時充分地避免或者至少降低以上認(rèn)識到的問題的一個或者多個。

發(fā)明內(nèi)容
該需要可以由根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的主題來滿足。此處公開的主題的有利實(shí)施例由從屬權(quán)利要求描述。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于轉(zhuǎn)換器的控制器，該轉(zhuǎn)換器接收輸入功率并通過開關(guān)操作來提供輸出功率，所述控制器包括輸入端，用于接收依賴于轉(zhuǎn)換器的輸出功率的反饋信號；以及輸出端，用于將控制信號提供給轉(zhuǎn)換器從而來控制轉(zhuǎn)換器的開關(guān)操作，控制信號對應(yīng)于響應(yīng)于反饋信號而被更新的開關(guān)模式；控制信號具有諧波補(bǔ)償信號，所述諧波補(bǔ)償信號降低輸出功率中的高次諧波，所述高次諧波源自于在得到反饋信號和開關(guān)模式的更新之間的時間延遲。本發(fā)明的該方面基于以下思想在通過由去到轉(zhuǎn)換器的控制信號中的至少一個諧波補(bǔ)償信號同時來補(bǔ)償不期望的諧波而使這些不期望的諧波保持在可接受的水平時，在得到反饋信號和更新開關(guān)模式之間的時間延遲能夠被降低。根據(jù)一個實(shí)施例，所述轉(zhuǎn)換器是功率轉(zhuǎn)換器，例如風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)備的功率轉(zhuǎn)換器。根據(jù)一個實(shí)施例，輸出功率具有至少兩個相，例如三個相(三相功率)。例如，在實(shí)施例中，對兩個或者更多電導(dǎo)體(每個相一個)提供輸出功率，所述電導(dǎo)體承載具有在每個導(dǎo)體中的電壓波之間的明確時間偏移(相差)的交流電。在其它實(shí)施例中，輸出功率具有單 個相。根據(jù)一個實(shí)施例，控制器還包括用于提供調(diào)制信號的調(diào)制信號發(fā)生器；用于生成諧波補(bǔ)償分量的補(bǔ)償發(fā)生器；其中控制器被配置用于提供依賴于調(diào)制信號和諧波補(bǔ)償分量的控制信號。根據(jù)一個實(shí)施例，諧波補(bǔ)償分量包括合適的相位和量值的一個或者多個諧波分量來補(bǔ)償在PWM電壓中的不期望的諧波。通常在此處，諧波補(bǔ)償分量包括這樣的諧波分量中的單獨(dú)一個或者，在另一個實(shí)施例中，包括(合適相位和量值的)多個這樣的諧波分量。根據(jù)另一個實(shí)施例，控制器還包括加法器，其用于將調(diào)制信號和諧波補(bǔ)償分量相加從而來生成求和信號。例如，根據(jù)一個實(shí)施例，諧波補(bǔ)償分量是直接被加到調(diào)制信號的諧波分量。在這種情況下，該求和信號是控制信號。
根據(jù)又一個實(shí)施例，控制器還包括用于處理該求和信號從而生成控制信號的信號處理單元。例如，為了獲得已發(fā)生切換的次數(shù)，可以將求和信號與參考信號(例如，三角載波信號)進(jìn)行比較。根據(jù)另一個實(shí)施例，控制器還包括已經(jīng)在其中存儲了多個補(bǔ)償指示符的查找表，每個補(bǔ)償指示符對應(yīng)于相應(yīng)的諧波補(bǔ)償分量；以及補(bǔ)償發(fā)生器，其被配置用于基于所選的補(bǔ)償指示符來生成諧波補(bǔ)償分量。此外，根據(jù)一個實(shí)施例，補(bǔ)償發(fā)生器被配置用于接收調(diào)制深度、調(diào)制角度和時間延遲中的至少一個；以及響應(yīng)于其來提供諧波補(bǔ)償分量。例如，在一個實(shí)施例中，該查找表已經(jīng)在其中存儲了對于多個不同的調(diào)制深度、調(diào)制角度和時間延遲的補(bǔ)償指示符。補(bǔ)償發(fā)生器然后被配置用于接收實(shí)際的調(diào)制深度、調(diào)制角度和時間延遲并且用于響應(yīng)于其來選擇對應(yīng)的補(bǔ)償指示符。補(bǔ)償發(fā)生器基于所選的補(bǔ)償指示符來生成諧波補(bǔ)償分量。根據(jù)另一個實(shí)施例，輸出功率具有至少兩個相并且在其中所述至少兩個相的電壓電平為不同的時間點(diǎn)處執(zhí)行開關(guān)模式的更新。例如，在沒有諧波補(bǔ)償信號的情況下，開關(guān)模式的更新將在零矢量的中點(diǎn)處被執(zhí)行，其中該零矢量對應(yīng)于其中所有的至少兩個相的電壓電平都相等的時間間隔。在具有根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例的諧波補(bǔ)償信號的情況下，開關(guān)模式的更新能在任何時間執(zhí)行，獨(dú)立于零矢量的中點(diǎn)，即，尤其是在至少兩個相的電壓電平是不同的時間處。對于“其中至少兩個相的電壓電平為不同的時間點(diǎn)”的替代是其中對于至少兩個相的每一個的控制信號分量為不同的時間點(diǎn)。根據(jù)另一個實(shí)施例，時間延遲是由確定控制信號所必需的計(jì)算時間來確定的。例如，在一個實(shí)施例中，時間延遲不是被人為延長的而是僅由必需的計(jì)算時間來確定。在該意義下，這樣的時間延遲是歸因于控制器的配置的最小時間延遲。根據(jù)此處公開的主題的第二方面，提供了一種轉(zhuǎn)換器設(shè)備，該轉(zhuǎn)換器設(shè)備包括根據(jù)第一方面或其實(shí)施例的控制器；以及第一方面中涉及的轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器具有用于接收輸入功率的輸入端和用于通過開關(guān)操作來提供輸出功率的輸出端。根據(jù)此處公開的主題的第三方面，提供了一種操作用于轉(zhuǎn)換器的控制器的方法，轉(zhuǎn)換器接收輸入功率并通過開關(guān)操作來提供輸出功率，該方法包括接收依賴于轉(zhuǎn)換器的輸出功率的反饋信號；以及將控制信號提供給轉(zhuǎn)換器從而來控制轉(zhuǎn)換器的開關(guān)操作，該控制信號對應(yīng)于響應(yīng)于反饋信號而被更新的開關(guān)模式；該控制信號具有降低輸出功率中的高次諧波的諧波補(bǔ)償信號，該高次諧波源自于在得到反饋信號和開關(guān)模式的更新之間的時間延遲。根據(jù)第三方面的實(shí)施例,輸出功率具有至少兩個相。
根據(jù)第三方面 的實(shí)施例，該方法還包括提供調(diào)制信號；生成諧波補(bǔ)償分量；以及提供依賴于調(diào)制信號和諧波補(bǔ)償分量的控制信號。根據(jù)又一個其他實(shí)施例，該方法還包括將調(diào)制信號和諧波補(bǔ)償分量相加從而來生成求和信號。根據(jù)又一個其他實(shí)施例，該方法還包括提供已經(jīng)在其中存儲了多個補(bǔ)償指示符的查找表，每個補(bǔ)償指示符對應(yīng)于相應(yīng)的諧波補(bǔ)償分量(或，在另一個實(shí)施例中，對應(yīng)于相應(yīng)的諧波補(bǔ)償信號)；選擇多個補(bǔ)償指示符中的一個；以及基于所選的補(bǔ)償指示符來生成諧波補(bǔ)償分量。根據(jù)第三方面的另一個實(shí)施例，輸出功率具有至少兩個相并且在其中至少兩個相的電壓電平是不同的時間點(diǎn)處執(zhí)行開關(guān)模式的更新。通常在此處，第三方法方面的各個實(shí)施例可以包括如關(guān)于第一設(shè)備方面所描述的一個或多個特征和/或功能。在這種情況下，關(guān)于第一方面所描述的設(shè)備特征不應(yīng)被認(rèn)為限制方法權(quán)利要求。相反地，至少當(dāng)參考關(guān)于設(shè)備所公開的特征時，要注意這樣的設(shè)備公開隱含地公開了獨(dú)立于設(shè)備特征的相應(yīng)的功能或相應(yīng)的方法特征。因此，在第三方面的一個實(shí)施例中，根據(jù)第一方面或其實(shí)施例來配置該方法。根據(jù)在此公開的主題的第四方面，提供了一種計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序當(dāng)由處理器設(shè)備執(zhí)行時，適于控制在第三方面或其實(shí)施例中所闡述的方法。如此處所使用的那樣，對計(jì)算機(jī)程序的引用意在與對含有指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)和/或程序元件的引用相等效，所述指令用于控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以協(xié)調(diào)上述方法或其實(shí)施例的性能?？梢酝ㄟ^使用任何合適的編程語言(諸如例如，JAVA、C++)將所述計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)為計(jì)算機(jī)可讀指令代碼，并可以將所述計(jì)算機(jī)程序存儲在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)(可移動磁盤、易失性或非易失性存儲器、嵌入式存儲器/處理器等)上。該指令代碼可操作用于將計(jì)算機(jī)或任何其他可編程設(shè)備編程為執(zhí)行所預(yù)期的功能。所述計(jì)算機(jī)程序可以從網(wǎng)絡(luò)(諸如萬維網(wǎng))得到，可以從該網(wǎng)絡(luò)下載所述計(jì)算機(jī)程序。本發(fā)明可以借助于計(jì)算機(jī)程序(相應(yīng)地，軟件)來實(shí)現(xiàn)。然而，本發(fā)明也可以借助于一個或多個專用電路(相應(yīng)地，硬件)來實(shí)現(xiàn)。此外，本發(fā)明還可以以混合形式(即，以軟件模塊和硬件模塊的組合)實(shí)現(xiàn)。在上文中，已經(jīng)參照轉(zhuǎn)換器設(shè)備的控制器、轉(zhuǎn)換器設(shè)備和操作這樣的控制器的方法描述了這里公開的主題的示例性實(shí)施例并且在下文中將參照轉(zhuǎn)換器設(shè)備的控制器、轉(zhuǎn)換器設(shè)備和操作這樣的控制器的方法描述這里公開的主題的示例性實(shí)施例。必須指出，與這里公開的主題的不同方面相關(guān)的特征的任何組合當(dāng)然也是可能的。特別地，一些實(shí)施例是裝置類型的實(shí)施例，而且其他實(shí)施例是方法類型的實(shí)施例。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將從以上和以下描述中推斷，除了屬于一個方面的特征的任何組合以外，與不同方面或?qū)嵤├嘘P(guān)的特征之間(例如甚至裝置類型的實(shí)施例的特征與方法類型的實(shí)施例的特征之間)的任何組合也被認(rèn)為利用該申請而公開，除非另有聲明。從以下要被描述的實(shí)施例的示例中顯而易見本發(fā)明的以上定義的方面和實(shí)施例以及其他方面和實(shí)施例，并參照附圖來解釋本發(fā)明的以上定義的方面和實(shí)施例以及其他方面和實(shí)施例，但是本發(fā)明不限于此。


圖I示出根據(jù)在此處公開的主題的實(shí)施例的轉(zhuǎn)換器設(shè)備。圖2說明在PWM周期上的電流采樣，其中在前面的PWM周期期間采樣的平均被用作電流反饋。圖3說明在零矢量的中點(diǎn)處的電流采樣，其中電流采樣點(diǎn)處于PWM周期中點(diǎn)。圖4示出在不同于零矢量的隨后中點(diǎn)的時間點(diǎn)處的開關(guān)模式的更新。圖5示出關(guān)于諧波階次(X軸)和開關(guān)模式更新偏移tc (y軸)的諧波電流的量值(z 軸)。圖6說明對于單個相根據(jù)示例性的調(diào)制波形和三角載波的PWM開關(guān)模式的確定。
圖7示出根據(jù)在此處公開的主題的實(shí)施例的控制器。
具體實(shí)施例方式附圖中的說明是示意性的。要注意，在不同的圖中給相似或者相同的元素提供了相同的參考標(biāo)記并且當(dāng)再出現(xiàn)這些元素時，不重復(fù)這些元素的描述。圖I示出根據(jù)在此處公開的主題的實(shí)施例的轉(zhuǎn)換器設(shè)備100。根據(jù)一個實(shí)施例，轉(zhuǎn)換器設(shè)備100包括轉(zhuǎn)換器，通常以102指示。轉(zhuǎn)換器102具有用于接收輸入電壓(例如DC電壓)的輸入端104以及用于通過轉(zhuǎn)換器102的開關(guān)操作來提供輸出功率的輸出端106。在一個實(shí)施例中，輸出功率是三相功率。因此，輸出端106包括對應(yīng)于三個相的三個輸出線路108a、108b、108c。根據(jù)一個實(shí)施例，轉(zhuǎn)換器包括每個相具有兩個開關(guān)元件110的脈沖寬度調(diào)制橋。開關(guān)元件Iio是具有并行連接的續(xù)流二極管的絕緣柵雙極型晶體管(IGBTs)，如圖I所示。此外，轉(zhuǎn)換器設(shè)備100具有耦合到每個輸出線路108a、108b、108c的反饋線路112來感測每個相的輸出電流。此外，為每個相提供模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)113以用于響應(yīng)于感測到的電流為每個相提供相應(yīng)的反饋信號114。轉(zhuǎn)換器設(shè)備還包括根據(jù)在此處公開的主題的實(shí)施例而配置的控制器116?？刂破?16具有輸入端118，該輸入端118用于接收依賴于轉(zhuǎn)換器102的輸出功率的反饋信號114。此外，控制器包括輸出端120，該輸出端120用于向轉(zhuǎn)換器102提供控制信號122從而來控制轉(zhuǎn)換器102的開關(guān)操作。例如，在一個實(shí)施例中，開關(guān)信號122是提供給IGBTs的柵極的IGBT柵極信號。在一個實(shí)施例中，控制器116包括被配置用于執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序的處理器設(shè)備121，該計(jì)算機(jī)程序提供控制器116的至少一個功能。根據(jù)一個實(shí)施例，控制信號102對應(yīng)于響應(yīng)于反饋信號114而被更新的開關(guān)模式。此外，控制信號122包括降低輸出功率中的高次諧波的諧波補(bǔ)償信號123，該高次諧波源自于在得到反饋信號和開關(guān)模式的更新之間的時間延遲。在圖I中還示出電抗器/電感器的繞阻124和濾波電容器126。但是，這些元件執(zhí)行它們的普通功能并且在此處不進(jìn)一步描述。在下文中，描述轉(zhuǎn)換器設(shè)備的可能的操作方案來進(jìn)一步說明在此處公開的主題的方面和實(shí)施例的優(yōu)勢。
圖2說明在一個PWM周期上的電流采樣，其中在前面PWM周期期間的N個采樣的平均被用作電流反饋。在圖2中示出隨時間t的對應(yīng)于圖I中的線路108a、108b、108c上的相的控制信號分量122a、122b、122c。在圖2中還示出對應(yīng)于固定的開關(guān)頻率的PWM周期128。PWM周期被定義為PWM周期=1/ (開關(guān)頻率)。
典型地，電流在完整的PWM周期128期間被采樣許多次，采樣以130指示。這些多個(例如N個)采樣的平均被用作電流反饋?zhàn)兞浚a(chǎn)生在132指示的時間處更新的開關(guān)模式。當(dāng)描述的方法提供了與PWM開關(guān)頻率相關(guān)的諧波電流的良好的衰減的方法時，它引入有限的相位延遲，其歸因于在間隔Ia和Ib期間對電流進(jìn)行采樣、在2a期間進(jìn)行必要的數(shù)學(xué)計(jì)算、以及相應(yīng)地改變在橋的輸出端處的PWM電壓之間的時間延遲。從控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度看(特別是當(dāng)考慮風(fēng)力渦輪機(jī)陣列或網(wǎng)絡(luò)連接的PWM橋陣列時)令人期望的是使這些相位延遲最小化。使用例如在圖2中示出的方案，有效延遲是500微秒(μ s)(假設(shè)400 μ s PWM周期，這例如對于風(fēng)力渦輪機(jī)而言是典型的)。圖3說明在零矢量的中點(diǎn)302處的“同步”電流采樣，其中電流采樣點(diǎn)處于PWM周期中點(diǎn)。在以304指示的零矢量的下一個中點(diǎn)處更新開關(guān)模式。箭頭306指示得到反饋信號和開關(guān)模式的更新之間的時間延遲。當(dāng)所述IGBT被開關(guān)以使得全部上面的設(shè)備接通(ON)或者全部下面的設(shè)備接通(ON)時，這被認(rèn)為是零矢量并且等效于在生成PWM脈沖的正弦三角比較方法中的上面的和下面的峰值。正如所提到的那樣，如圖3所示在零矢量的中點(diǎn)(例如，在PWM周期的中間)處對電流進(jìn)行采樣。在圖3中，零矢量的中點(diǎn)由垂直線指示。由于在該點(diǎn)(即在零矢量的中點(diǎn))處對電流進(jìn)行采樣，所以有利地消除了其開關(guān)頻率諧波結(jié)果。如圖3中所示那樣使用對三相電流反饋進(jìn)行同步采樣并且在零矢量的中點(diǎn)處更新PWM模式(非對稱PWM)的技術(shù)，導(dǎo)致在電流采樣和出現(xiàn)在3/4 PWM周期的橋的輸出上的電壓之間的有效延遲。假設(shè)400 μ sPWM周期，這等于300 μ s延遲。但是，僅在零矢量的中點(diǎn)處更新PWM開關(guān)模式的約束引入1/2 PWM周期的延遲。同時，通過允許足夠的時間用于控制要被執(zhí)行的計(jì)算，這可以適合微處理器系統(tǒng)，由于引入的延遲不處于它的絕對最小值，所以從控制環(huán)路穩(wěn)定性的角度來看它不提供最佳的行為。給定控制計(jì)算每1/2 PWM周期執(zhí)行一次，這導(dǎo)致100 μ s的有效延遲。在其中A/D轉(zhuǎn)換次數(shù)為零并且微處理器CPU資源是無限的理想考慮中，那么該 οομ S將是可能的最小延遲。迄今為止風(fēng)力發(fā)電場收集器系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)表明，歸因于在風(fēng)力發(fā)電場收集器系統(tǒng)中的諧振，具有由控制器引入的最小相位滯后(相位延遲)是高度期望的。諧振通常由例如中等電壓(MV)和/或高電壓(HV)電纜、或者用于VAr補(bǔ)償?shù)目赡艿碾娙萜鹘M、或者AC濾波器所引起。最小的相位滯后在單獨(dú)的網(wǎng)橋(或者渦輪機(jī))級處和貫穿完整的網(wǎng)橋(或者渦輪機(jī))陣列的二者，均允許實(shí)現(xiàn)魯棒電流控制布置。該最小的相位延遲降低電流控制器與AC系統(tǒng)諧振互相作用的可能性。但是，關(guān)于圖2和圖3所描述的電流采樣和PWM開關(guān)模式的更新的方法看起來適合于電動機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)換器設(shè)備。相反地，作為在此處公開的主題的一個應(yīng)用的高功率、GRID連接的電壓源型逆變器的連接具有不同的需求。在這樣的應(yīng)用中轉(zhuǎn)換器是連接的事實(shí)例如在含有諧振的風(fēng)力發(fā)電場收集器系統(tǒng)內(nèi)對電流環(huán)路穩(wěn)定性寄予新的并且苛刻的需求，這些需求比標(biāo)準(zhǔn)的電動機(jī)控制應(yīng)用更苛刻。
但是，在PWM周期內(nèi)的除了零矢量的中點(diǎn)處以外的其它地方處進(jìn)行開關(guān)模式的更新不是簡單的任務(wù)，因?yàn)樵赑WM周期內(nèi)的其它地方處更新PWM調(diào)制波形(它是離散的信號)會導(dǎo)致PWM電壓的低階諧波含量的增加。但是，期望使低階諧波最小化，并且因此在沒有由此處公開的主題的方面和實(shí)施例所提供的概念的情況下，在除了零矢量中點(diǎn)處以外的其它地方處更新開關(guān)模式(或者，在實(shí)施例中更新PWM調(diào)制波形)看起來不合適。但是，應(yīng)當(dāng)注意，在其中進(jìn)行正弦三角比較的傳統(tǒng)“模擬”類型的PWM方案中，正弦或者調(diào)制波形是連續(xù)的(非采樣的)波形。有利地，在此處公開的主題的方面和實(shí)施例允許在不同于隨后的零矢量的中點(diǎn)的時間點(diǎn)處更新開關(guān)模式。例如，為了嘗試并降低對電流進(jìn)行采樣和更新PWM橋的電壓之間的延遲，提出諸如在圖4中給出的方案。電流反饋仍然在零矢量的中點(diǎn)302處被采樣。這具有最小化在采樣的電流反饋信號內(nèi)的諧波含量的優(yōu)勢。但是，根據(jù)一個實(shí)施例，圖4示出在不同于隨后的零矢量的中點(diǎn)的時間點(diǎn)404處更新切換模式，取得在電流采樣之后的延遲(tc) 406。在一個實(shí)施例中，延遲406是微處理器用于執(zhí)行必需的計(jì)算所花費(fèi)的時間，并且這些計(jì)算現(xiàn)在能夠被最小化來降低由控制器引入的有效延遲。為了說明的目的，假設(shè)延遲406是tc=50 μ S。使用在圖4中提出的方案，由控制器引入的延遲現(xiàn)在能被降低到1/4 PWM周期+50ys。因此，基于400ys PWM周期，每個PWM周期對電流采樣兩次，即每200 μ s 一次。使用在電流采樣之后50 μ s被更新的PWM模式，這導(dǎo)致150 μ s的有效延遲。其優(yōu)勢是在控制器響應(yīng)的開環(huán)相位轉(zhuǎn)降到-180°所處的點(diǎn)現(xiàn)在是 O. 5/150 μ s = 3333 赫茲(Hz)。對于在圖3中示出的具有300 μ s (3/4PWM周期)的有效延遲的先前的方案的相似的考慮示出了在近似O. 5/300 μ s = 1666Hz處獲得-180°的相位。此外，對于在圖2中示出的具有500 μ s的有效延遲的先前的方案的相似的考慮示出了在O. 5/500 μ s = IkHz處的相位轉(zhuǎn)降。如果在控制系統(tǒng)中開環(huán)系統(tǒng)的增益在相位轉(zhuǎn)降到小于或者等于(〈=)-180°的角度的頻率以上的任何頻率處是大于I的話，則對應(yīng)的閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。實(shí)際上AC串聯(lián)諧振產(chǎn)生大于I的增益。因此，在原理上，以上建議的示例性的最小化的延遲方案的一個結(jié)果是閉環(huán)系統(tǒng)現(xiàn)在不受在小于或者等于3333Hz的頻率處的諧振的影響，然而在圖2和圖3中示出的方案僅僅不受在圖2的情況下小于IOOOHz的頻率處的諧振的影響，或者不受在圖3的情況下小于1666Hz的頻率處的諧振的影響。在實(shí)踐中有可能諧振將存在于小于(O 3kHz的頻率處以使得這些方案不提供完全不受AC系統(tǒng)諧振的影響的可能性。但是，具有在相位轉(zhuǎn)降之前不受高至3333Hz的諧振影響的控制器能夠被認(rèn)為是顯著的改善。但是，在零矢量的中點(diǎn)處不更新PWM模式的結(jié)果是PWM輸出電壓的低階諧波電壓含量的增加。圖5示出關(guān)于諧波階次(X軸)和開關(guān)模式更新偏移tc (y軸)的諧波電流(z軸)的量值。—次諧波(基本分量)對應(yīng)于期望的信號。如果在除了矢量中點(diǎn)處以外的其它地方處更新開關(guān)模式，則出現(xiàn)高次諧波(示出高至大約第20階)。如從圖5中看到的那樣，在零矢量處，實(shí)際上在Y軸上的0μ s和200 μ S，低階諧波電流近似為零，但是，在之間的點(diǎn)處不是該情況，除了在100 μ s處的最小值以外。此外，圖5示出針對在不同于零矢量的中點(diǎn)的點(diǎn)處被更新的開關(guān)模式的第五次諧波電流的(但不僅是第五次諧波)的強(qiáng)勁增加。為了該討論的目的，在圖5中示出的譜能夠被認(rèn)為是諧波電壓譜。但是，在圖5中示出的仿真結(jié)果是在沒有降低輸出功率中的高次諧波的諧波補(bǔ)償 信號的情況下獲得的。在下文中，進(jìn)一步在下文中討論與諧波補(bǔ)償信號相關(guān)的實(shí)施例。根據(jù)一個實(shí)施例，通過將補(bǔ)償波形引入到PWM調(diào)制波形來獲得諧波補(bǔ)償信號，該補(bǔ)償波形對由在不同于零矢量的中點(diǎn)的點(diǎn)處更新開關(guān)模式所引入的諧波電壓進(jìn)行補(bǔ)償。圖6說明對于單個相根據(jù)示例性的調(diào)制波形604和三角載波606 (以任意的單位)的PWM開關(guān)模式602的確定。隨著時間t按秒t (S)繪制PWM開關(guān)模式602 (其中uc是在圖I中的電容器126上的電壓)、調(diào)制波形604和三角載波606。諸如在圖6中示出的對于單個相的調(diào)制波形能夠通過若干種不同的方式導(dǎo)出，典型地將第三次諧波電壓分量或者一系列三重(triplen)諧波電壓被加到基波來最大化結(jié)果得到的輸出電壓。通過IGBT開關(guān)次數(shù)的數(shù)學(xué)計(jì)算，空間矢量PWM實(shí)現(xiàn)相似的輸出電壓諧波譜。正如通過線610示例性地說明的那樣，在其中調(diào)制波形604與三角載波606交叉的時間點(diǎn)指示開關(guān)事件。如果將合適的相位和量值的一系列諧波分量添加到圖6的調(diào)制波形604中來補(bǔ)償在圖5的PWM電壓譜中存在的諧波電壓，則結(jié)果得到的PWM電壓將不含有低階諧波電壓分量或者低階諧波分量至少被降低。圖7示出根據(jù)在此處公開的主題的實(shí)施例的控制器116。在一個示例性的實(shí)施例中，控制器116包括矢量控制單元702以及調(diào)制計(jì)算器704，該調(diào)制計(jì)算器704接收指示定義矢量控制的q軸和d軸的旋轉(zhuǎn)參考系的位置的相位角710、d軸分量(Vd) 708以及q軸分量(Vq) 706。響應(yīng)于從矢量控制單元702接收到的值，調(diào)制計(jì)算器704計(jì)算調(diào)制深度712和調(diào)制角度714。此外，提供了調(diào)制信號發(fā)生器716，該調(diào)制信號發(fā)生器716被配置用于提供調(diào)制信號，例如以調(diào)制波形604的形式。此外，根據(jù)一個實(shí)施例，提供了補(bǔ)償發(fā)生器718，該補(bǔ)償發(fā)生器718被配置用于響應(yīng)于輸入?yún)?shù)來生成諧波補(bǔ)償分量720。在一個實(shí)施例中，輸入?yún)?shù)是調(diào)制深度712、調(diào)制角度714以及在電流的采樣和對應(yīng)的開關(guān)模式更新之間的時間延遲tc。在一個實(shí)施例中，諧波補(bǔ)償分量720是這些變量(調(diào)制深度712、調(diào)制角度714以及時間延遲tc 406)的函數(shù)。但是，根據(jù)實(shí)施例，這樣的函數(shù)可以通過查找表在補(bǔ)償發(fā)生器718中被定義。此外，根據(jù)一個實(shí)施例，控制器116被配置用于提供依賴于調(diào)制信號604和諧波補(bǔ)償分量720的控制信號 122。在一個實(shí)施例中，調(diào)制信號發(fā)生器716使用三重增強(qiáng)的正弦波參考波形或查找表、或進(jìn)行在線計(jì)算來獲得振幅，即，調(diào)制波形604。根據(jù)一個實(shí)施例，通過加法器724將附加的諧波補(bǔ)償分量720加到調(diào)制波形604，從而來生成求和信號726。根據(jù)一個實(shí)施例，控制器還包括用于處理求和信號726從而生成控制信號122的信號處理單元728。例如，在一個實(shí)施例中，通過信號處理單元728將調(diào)制波形604與三角載波波形722進(jìn)行比較來產(chǎn)生單獨(dú)的控制信號122，該控制信號122補(bǔ)償相位滯后，即，源自得到反饋信號和開關(guān)模式的更新之間的時間延遲的諧波。
空載時間補(bǔ)償和或其它的橋線性化特征未在此圖中示出，并且未明確地使用該技術(shù)來進(jìn)行補(bǔ)償。要相信存在替換的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)此。根據(jù)一個實(shí)施例，諧波補(bǔ)償分量720含有作為調(diào)制深度、角度和在電流采樣與開關(guān)模式更新之間的時間延遲“tc”的函數(shù)的一系列標(biāo)準(zhǔn)化的諧波電壓。根據(jù)一個實(shí)施例，提供查找表以便用于提供作為一個或多個定義的參數(shù)(諸如調(diào)制深度、調(diào)制角度和時間延遲)的函數(shù)的諧波補(bǔ)償分量720。根據(jù)一個實(shí)施例，該查找表已經(jīng)在其中存儲了多個補(bǔ)償指示符，每個補(bǔ)償指示符對應(yīng)于相應(yīng)的諧波補(bǔ)償分量。補(bǔ)償發(fā)生器被配置用于基于所選的補(bǔ)償標(biāo)示符來生成諧波補(bǔ)償分量。典型地，基于期望的“tc” 406來離線計(jì)算查找表(補(bǔ)償表)以使得結(jié)果得到的PWM電壓在調(diào)制深度的整個操作范圍上不含有圖5的諧波電壓。描述的技術(shù)允許在與風(fēng)力發(fā)電場AC收集器系統(tǒng)有關(guān)的頻率范圍上由數(shù)字電流控制器引入的相位偏移的顯著的并且技術(shù)上有利的減少，并且不應(yīng)當(dāng)遭受輸出PWM波形中的不期望的低階諧波電壓。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在此公開的任何合適的實(shí)體(例如，控制器、部件、單元和設(shè)備)至少部分地以相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序的形式被提供，該計(jì)算機(jī)程序使得處理器設(shè)備能夠提供如在此公開的相應(yīng)的實(shí)體的功能。根據(jù)其它的實(shí)施例，在此公開的任何合適的實(shí)體可以以硬件來提供。根據(jù)其它混合實(shí)施例，一些實(shí)體可以以軟件提供而其它實(shí)體可以以硬件提供。應(yīng)當(dāng)注意，在此公開的任何實(shí)體(例如，控制器、部件、單元和設(shè)備)并不限于如在一些實(shí)施例中所描述的專用實(shí)體。相反，當(dāng)仍然提供期望的功能時，在此公開的主題可以通過各種方式和利用關(guān)于設(shè)備水平或者軟件模塊水平的各種粒度來實(shí)現(xiàn)。此外，應(yīng)當(dāng)注意，根據(jù)實(shí)施例可以為在此處公開的每一個功能提供單獨(dú)的實(shí)體(例如軟件模塊，硬件模塊或者混合模塊)。根據(jù)其它的實(shí)施例，實(shí)體(例如軟件模塊，硬件模塊或者混合模塊(組合的軟件/硬件模塊))被配置用于提供兩個或者更多個如此處公開的功能。根據(jù)一個實(shí)施例，控制器包括處理器設(shè)備，該處理器設(shè)備包括至少兩個用于執(zhí)行對應(yīng)于相應(yīng)的軟件模塊的至少一個計(jì)算機(jī)程序的處理器。應(yīng)當(dāng)注意，術(shù)語“包括”并不排除其它元件或步驟，并且“一”或“一個”并不排除多個。此外，可以將與不同實(shí)施例相關(guān)聯(lián)描述的元件進(jìn)行組合。還應(yīng)當(dāng)注意，權(quán)利要求中的參考標(biāo)記不應(yīng)被理解為限制權(quán)利要求的范圍。為了概括本發(fā)明的上述實(shí)施例，可以陳述
提供了一種用于轉(zhuǎn)換器的控制器和操作這樣的控制器的相應(yīng)方法。轉(zhuǎn)換器接收輸入功率并通過開關(guān)操作來提供輸出功率，其中在一個實(shí)施例中輸出功率具有至少兩個相。根據(jù)實(shí)施例，控制器包括用于接收依賴于轉(zhuǎn)換器的輸出功率的反饋信號的輸入端；以及用于向轉(zhuǎn)換器提供控制信號從而來控制轉(zhuǎn)換器的開關(guān)操作的輸出端，該控制信號對應(yīng)于響應(yīng)于反饋信號而被更新的開關(guān)模式；該控制信號包括降低輸出功率中的高次諧波的諧波補(bǔ)償信號，該高次諧波源自于在得到反饋信號和開關(guān)模式的更新之間的時間延遲。如技術(shù)人員容易認(rèn)識到的那樣，在此處公開的主題的實(shí)施例包括一個或者多個以下優(yōu)勢
I.關(guān)于電流環(huán)路穩(wěn)定性和整個風(fēng)力發(fā)電場電流環(huán)路穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)由電流控制器引入的相位移位/時間延遲方面的顯著的并且有利的降低。顯著地增加有效相位裕度的能力意味著能夠?qū)崿F(xiàn)魯棒電流控制器，該魯棒電流控制器至少在某種程度上不受與電流控制器連接的電氣系統(tǒng)的影響。這樣做的能力意味著能夠?yàn)闇u輪機(jī)的電氣連接采用“萬全之策”方法，因?yàn)橐髥蝹€研究來評估特定的風(fēng)力發(fā)電場布置的穩(wěn)定性裕度是不太可能或不要求的。典型地，從一個風(fēng)力發(fā)電場到下一個風(fēng)力發(fā)電場，收集器系統(tǒng)將具有一系列與其相關(guān)聯(lián)的諧振頻率，因?yàn)槠鋵⒕哂兄械入妷汉?或高電壓電纜或者架空線路(和/或本地連接的功 率因子校正裝備或者調(diào)諧濾波器)。2.實(shí)現(xiàn)之前提到的第一點(diǎn)，并且不損害由于在結(jié)果產(chǎn)生的PWM中的諧波電壓引起的渦輪機(jī)的諧波發(fā)射的能力是通過在PWM調(diào)制波形發(fā)生器內(nèi)添加諧波補(bǔ)償表來實(shí)現(xiàn)的。3.實(shí)施例允許在不同于零矢量的中點(diǎn)的點(diǎn)處更新PWM調(diào)制波形。4.在此處公開的主題的實(shí)施例的優(yōu)勢是由于在控制中的改善產(chǎn)生足夠的相位裕度，所以可能不需要使功率濾波器適合于穩(wěn)定化特定的風(fēng)力發(fā)電場收集器系統(tǒng)，而是需要借助于涉及顯著的成本的功率硬件解決方案。
權(quán)利要求
1.用于轉(zhuǎn)換器(102)的控制器(116)，該轉(zhuǎn)換器(102)接收輸入功率并通過開關(guān)操作來提供輸出功率，所述控制器(116)包括 -輸入端(118)，其用于接收依賴于轉(zhuǎn)換器的輸出功率的反饋信號(114);以及 -輸出端(120)，其用于將控制信號(122)提供給轉(zhuǎn)換器(102)從而來控制轉(zhuǎn)換器(102)的開關(guān)操作，所述控制信號(122)對應(yīng)于響應(yīng)于反饋信號(114)而被更新的開關(guān)模式； -控制信號(122)包括諧波補(bǔ)償信號(123)，所述諧波補(bǔ)償信號(123)降低輸出功率中的高次諧波，所述高次諧波源自于在得到反饋信號(114)和開關(guān)模式的更新之間的時間延遲(406)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的控制器，所述控制器(116)還包括 -調(diào)制信號發(fā)生器(716)，其用于提供調(diào)制信號(604); -補(bǔ)償發(fā)生器(718)，其用于生成諧波補(bǔ)償分量(720);以及 -所述控制器(116)被配置用于提供依賴于調(diào)制信號(604)和諧波補(bǔ)償分量(720)的控制信號(122)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的控制器，所述控制器(I16)還包括 -加法器(724)，其用于將調(diào)制信號(604)和諧波補(bǔ)償分量(720)相加，從而來生成求和信號(726)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的控制器，所述控制器(116)還包括 -信號處理單元(728 )，其用于處理所述求和信號(726 )，從而生成控制信號(122)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中的一項(xiàng)的控制器，還包括 -已經(jīng)在其中存儲了多個補(bǔ)償指示符的查找表，每個補(bǔ)償指示符對應(yīng)于相應(yīng)的諧波補(bǔ)償分量(720);以及 -補(bǔ)償發(fā)生器(718)，其被配置用于基于所選的補(bǔ)償指示符來生成諧波補(bǔ)償分量(720)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中的一項(xiàng)的控制器，其中，所述補(bǔ)償發(fā)生器被配置用于 -接收調(diào)制深度(712)、調(diào)制角度(714)和時間延遲(406)中的至少一個；以及 -響應(yīng)于其來提供諧波補(bǔ)償分量(720)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中的一項(xiàng)的控制器，其中，輸出功率包括至少兩個相并且在其中所述至少兩個相的電壓電平為不同的時間點(diǎn)(404)處執(zhí)行開關(guān)模式的更新。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7中的一項(xiàng)的控制器，其中，時間延遲(406)由確定控制信號(122)所必需的計(jì)算時間來確定。
9.轉(zhuǎn)換器設(shè)備(100)，包括 -根據(jù)權(quán)利要求I至8中的一項(xiàng)的控制器(116);以及 -轉(zhuǎn)換器(102)，所述轉(zhuǎn)換器(102)具有用于接收輸入功率的輸入端(104)和用于通過開關(guān)操作來提供輸出功率的輸出端(106)。
10.操作用于轉(zhuǎn)換器(102)的控制器(116)的方法，所述轉(zhuǎn)換器(102)接收輸入功率并通過開關(guān)操作來提供輸出功率，所述方法包括 -接收依賴于轉(zhuǎn)換器(102)的輸出功率的反饋信號(114);以及 -將控制信號(122)提供給轉(zhuǎn)換器(102)從而來控制轉(zhuǎn)換器(102)的開關(guān)操作，所述控制信號(122)對應(yīng)于響應(yīng)于反饋信號(114)而被更新的開關(guān)模式；-所述控制信號(122)具有降低輸出功率中的高次諧波的諧波補(bǔ)償信號(123)，所述高次諧波源自于在得到反饋信號(114)和開關(guān)模式的更新之間的時間延遲(406)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，還包括 -提供調(diào)制信號(604); -生成諧波補(bǔ)償分量(720);以及 -提供依賴于調(diào)制信號(604)和諧波補(bǔ)償分量(720)的控制信號(122)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，還包括 -將調(diào)制信號(604)和諧波補(bǔ)償分量(720)相加從而來生成求和信號(726)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12中的ー項(xiàng)的方法，還包括 -提供已經(jīng)在其中存儲了多個補(bǔ)償指示符的查找表，每個補(bǔ)償指示符對應(yīng)于相應(yīng)的諧波補(bǔ)償分量(720)； -選擇多個補(bǔ)償指示符中的一個；以及 -基于所選的補(bǔ)償指示符來生成諧波補(bǔ)償分量(720)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13中的ー項(xiàng)的方法，其中，輸出功率具有至少兩個相并且在其中所述至少兩個相的電壓電平為不同的時間點(diǎn)(404)處執(zhí)行開關(guān)模式的更新。
15.一種計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)由處理器設(shè)備執(zhí)行時，所述計(jì)算機(jī)程序適于控制如權(quán)利要求.10至14中的任一項(xiàng)所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于功率轉(zhuǎn)換器的控制器和對其進(jìn)行操作的方法。提供了用于轉(zhuǎn)換器的控制器和相應(yīng)的操作這樣的控制器的方法。該轉(zhuǎn)換器接收輸入功率并通過開關(guān)操作來提供輸出功率，其中在一個實(shí)施例中，輸出功率具有至少兩個相。根據(jù)實(shí)施例，控制器包括輸入端，用于接收依賴于轉(zhuǎn)換器的輸出功率的反饋信號；以及輸出端，用于將控制信號提供給轉(zhuǎn)換器從而來控制轉(zhuǎn)換器的開關(guān)操作，控制信號對應(yīng)于響應(yīng)于反饋信號而被更新的開關(guān)模式；控制信號包括諧波補(bǔ)償信號，所述諧波補(bǔ)償信號降低輸出功率中的高次諧波，所述高次諧波源自于在得到反饋信號和開關(guān)模式的更新之間的時間延遲。
文檔編號H02M7/5395GK102638192SQ20121003235
公開日2012年8月15日 申請日期2012年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月14日
發(fā)明者P.B.布羅岡, R.V.富爾切爾 申請人:西門子公司