专利名称：自适应谐波减少设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种自适应谐波减少设备和方法。
背景技术：
电机驱动装置和其它形式的功率转换系统将电力从一种形式转换成另一形式，并且可被采用在多种应用中，诸如使用从单相或多相交流(AC)输入源转换的功率为电动机提供动力，对来自风驱动发电机的交流功率进行转换以向电网供电等。功率转换器可包括用于不同类型的转换应用的多级，诸如具有脉宽调制(PWM)后的有源电流源整流器的用于电动机的交流/直流(DC) /交流驱动装置，在整流器中，选择性地切换交流输入功率，以创建直流输出总线电压，根据该直流总线电压，通过PWM控制的逆变器级驱动负载。在具有变化的电机负载条件的、要求可变速度控制的工业应用中的驱动电动机中，这类转换器特别有用。这样的功率转换系统中的谐波的控制是连续的挑战，特别是在有源输入转换器级用来与并网接口的情况下。谐波谱控制的常规方法包括对于选择性谐波消除(SHE)使用预定的整流器点弧角(firing angle)，以及在整流器输入处提供基于硬件的输入滤波器电路。 然而，在控制总谐波失真(THD)方面，这些技术至此仅提供了有限的成功，并且输入滤波器电路是昂贵的。因此，存在对于改进的电机驱动装置、电机驱动装置中的谐波控制技术以及其它开关型功率转换系统的持续需求。
发明内容
现在总结本公开的各方面，以便于对本公开的基本理解，其中，该发明内容不是本公开的广泛的概要，并且既不旨在标识本公开的特定元件也不描绘其范围。相反，该发明内容的主要目的是在下文中呈现更详细的描述之前以简化形式呈现本公开的一些概念。 本公开提供了用于并网转换器(grid tie converter)(诸如整流器)的脉宽调制开关技术，其中，点弧角开关控制用来执行选择性谐波减少以及减少总线电流谱(包括被交付到 (referred to)线路侧的并网转换器电流谱和源电流谱)中的总谐波失真(THD)。并网转换器可以是主要将来自电网或发电机的功率传送到电机的电机驱动装置中的整流器、或将来自分布式能量源(例如，光伏电池或风力涡轮机)的功率传送到电网的分布式发电系统中的逆变器。公开了诸如某些实施例中的电机驱动装置或分布式配电系统的功率转换系统，包括有源整流器，该整流器具有通过整流器开关控制信号操作以选择性地将相应的交流输入节点与直流输出节点耦合的开关器件和输入滤波器。转换器还包括与整流器的第一和第二直流输出节点耦合的中间直流电路，以及对来自中间电路的直流功率进行转换以向负载 (诸如某些实施例中的电机)供电的逆变器。在某些实施例中，整流器是电流源整流器，并且中间电路包括至少一个电感器。在其它实施例中，整流器是电压源转换器，诸如2电平或多电平电压源整流器。包括开关控制系统，其具有包含开关角生成器和PWM控制器的整流器控制部件。开关角生成器至少部分根据表示整流器交流输入处的源谐波的信号或值和至少部分根据整流器输入滤波器传递函数，基本实时计算一组整流器开关角。PWM控制器根据来自角生成器的该组整流器开关角，提供脉宽调制后的整流器开关控制信号，以便对交流电输入功率进行转换，来向中间直流电路提供调节的直流功率。在某些实施例中，开关角生成器至少部分根据要减少或消除的至少一个谐波和至少部分根据期望的最大总谐波失真(THD)值，计算开关角。在某些实施例中，角生成器根据测量的或确定的源电流或电压来计算源电流或电压谱，计算整流器输入电流或电压谱， 以及将输入滤波器传递函数应用于整流器输入电流或电压谱，来将整流器输入电流或电压谱交付到线路侧，以获得交付的整流器输入电流或电压谱。这些实施例中的角生成器计算作为源电流或电压谱与所交付的整流器输入电流或电压谱的总和的总线电流或电压谱，至少部分基于总线电流或电压谱而形成等式系统，以及求解等式系统来获得该组整流器开关角。在某些实施例中，角生成器至少部分根据要减少或消除的谐波和至少部分根据期望的 THD值来形成等式系统。根据本公开的又一方面，提供了诸如电机驱动装置的功率转换系统，其包括有源整流器(其具有通过整流器开关控制信号操作的开关器件和输入滤波器)和与整流器的第一和第二直流输出节点耦合的中间直流电路、以及对来自中间电路的直流功率进行转换以向负载供电的逆变器。该驱动装置还包括具有整流器控制部件的开关控制系统，该整流器控制部件具有存储多组整流器开关角的表和PWM控制器。PWM控制器至少部分根据表示整流器的交流输入处的源谐波的信号或值来选择开关角组之一，并且提供PWM整流器开关控制信号以对交流电输入功率进行转换，来向中间直流电路提供调节的直流功率。本公开的此外方面提供了用于计算用于在功率转换系统中生成脉宽调制后的整流器开关控制信号的一组整流器开关角的方法。该方法包括至少部分基于功率转换系统的电流或电压谱、要减少或消除的一个或多个谐波、以及期望的THD值而形成等式系统，以及求解该等式系统来获得该组整流器开关角，其中，在某些实施例中该组整流器开关角是实时求解的。在某些实施例中，至少部分根据包括被交付到线路侧的整流器输入电流或电压谱和源电流或电压谱的总线电流或电压谱，形成等式系统。在某些实施例中，该方法包括根据测量的或确定的源电流或电压来计算源电流或电压谱，根据测量的整流器直流电流或电压来计算整流器输入电流或电压谱，并且将整流器输入滤波器传递函数应用于整流器输入电流或电压谱，来将整流器输入电流或电压谱交付到线路侧，以及计算作为源电流或电压谱与所交付的整流器输入电流或电压谱的总和的总线电流或电压谱，其中，至少部分根据总线电流或电压谱来形成等式系统。
以下描述和附图详细阐述了本公开的某些说明性实现，其表示可以执行本公开的各种原理的若干示例性方式。然而，所说明的示例不穷举本公开的许多可能实施例。将在以下结合附图考虑的详细描述中阐述本公开的其它目的、优点和新颖特征，在附图中图1是示出根据本公开的一个或多个方面的、具有对有源整流器的自适应谐波消除PWM开关控制的示例性电流源转换器型可变频率电机驱动装置的示意图；图2是示出在图1的整流器中使用的示例性PWM开关模式的图，其具有根据本公开的各种技术确定的各种开关角，用于选择性地消除或减少特定谐波并且用于控制THD ；图3是图1的整流器控制器中的、具有与各种谐波条件范围对应的点弧角组的示例性开关角组表；图4是示出根据本公开的、包括实时开关角计算的用于整流器PWM控制的示例性方法的流程图；图5是示出根据本公开的、使用根据源谐波条件从表获得的开关角的用于整流器 PWM的示例性方法的流程图；图6是示出根据本公开的、计算整流器开关角的示例性方法的流程图；以及图7和8是示出分别从常规和自适应SHE技术获得的示例性谱的图示。
具体实施例方式在下文中结合附图描述若干实施例或实现，其中，贯穿全文，相同的附图标记用来引用相同元件，并且其中，不一定按比例绘制各个结构元件。公开了功率转换器连同整流器SHE控制系统和方法，其中，点弧角或开关角被实时计算、或被预先确定并且存储在表中用于根据转换器输入处的谐波条件来选择。整流器的PWM开关控制以提供对一个或多个特定谐波的选择性消除或减少的方式进行，并且还控制关注的谐波范围中的总谐波失真(THD)，其中，这些目标被剪裁成具体源谐波条件。这些方面独自或组合提供了对常规脉宽控制技术的重大改进，特别是与基于硬件的输入线滤波器电路组合来提供用于驱动输出逆变器的直流功率，同时控制线谐波含量。发明人认识到， 常规编程的开关模式技术(诸如选择性谐波消除(SHE))通常采用一组预先算出的开关角来激发输入整流器的基于半导体的功率开关器件。SHE方式的目的是控制频率含量或谱来理想地消除特定谐波(例如，诸如第5、第 7等)，通过向输入添加低通滤波器来抑制高阶谐波。滤波器电路部件的物理大小由硬件滤波器谐振频率确定，而硬件滤波器谐振频率反之由SHE谱确定。例如，结合7脉冲SHE模式使用的输入滤波器的谐振频率通常低于用于控制高阶谐波的5pu。通过滤波器的电感和电容来设置滤波器谐振频率，其中，较低谐振频率对应于较大电感和电容，并且相应地对应于较高的成本和较大的尺寸。增加的滤波器电容额外地产生超前功率因数，这在多数应用中是不期望的。通过求解从傅立叶分析导出的等式系统先前已算出SHE开关角，其中，通过在等式组中将部分谐波强制为零来理想地消除某些谐波。然而，在常规方式中，假设理想直流链路和没有谐波的源、而没有考虑硬件滤波器特性来构建等式。随后根据通过算出的SHE 点弧角生成的谱来设计硬件滤波器，其中滤波器调谐点通常低于5pu。首先参照图1，示出了示例性功率转换系统100，其包括驱动电机负载120的电流源转换器(CSC)型电机驱动装置110。虽然与具有LF输入滤波器112和C输出滤波器113 的电流源型转换器110有关地进行了示出，但是其它实施例可以使用具有CL或LCL输入滤波器112以及具有或没有LC输出滤波器113的电压源型转换器110。在某些实施例中，转换系统100包括电流源整流器和具有一个或多个电感器的中间电路。在某些实施例中，功率转换系统100是分布式发电系统，其中整流器是并网电流源转换器并且中间电路包括至少一个电感器，或者整流器可以是2电平或多电平并网电压源转换器并且中间电路包括至少一个电容器。
驱动装置110包括整流器110a，整流器IlOa具有包括整流器输入滤波器112(其与向驱动装置110提供输入功率的三相交流电压源111耦合)的交流输入电路104，并且驱动装置110对输入功率进行转换以提供电机电流、来驱动耦合到转换器输出114的、具有相绕组的电机负载120，相绕组具有相关联的电感Lm。驱动装置110是电流源转换器(CSC) 类型，其中滤波器电路112连接到交流电源111。虽然示出了这些示例具有三相输入104，然而其它实施例可提供单相交流输入或可包括适于接收三个或更多个输入相的多相输入。图 1中的CSC驱动装置110在输出终端114处提供可变频率、可变幅值单相或多相交流输出功率以驱动交流电机负载120，交流电机负载120在示出的示例中具有三相绕组。其它实施例中的输出114可提供单相交流输出或可以是任意数量的相，并且可以对除了电机之外的负载(例如，诸如风能系统中的电力网)提供动力。所示出的电机驱动装置110包括输入滤波器112中的输入滤波器电容器Ci以及输出滤波器电路113中的输出滤波器电容器Cm两者。输入滤波器电容器Ci耦合在相应的输入相线A、B以及C与输入中性节点之间。输出电容器Cm各自耦合在相应的输出相线U、V以及W与输出中性节点之间。某些实施例可省略输入或输出滤波器电容器组之一或两者。在某些实施例中输入和输出中性节点可浮动， 或者输入和输出中性节点之一或两者可耦合到输入电源的地或耦合到其它地。在此外其它可能的实施例中，中性点可直接或者通过阻抗耦合到另一中性点、而无需参考任何系统地。 在所示出的实施例中，节点接地。驱动装置110包括经由输入112从源111接收交流输入功率的整流器110a，以及具有直流链路电感(链路扼流(choke))的中间直流电路130，该中间直流电路130具有耦合在整流器IOa和输出逆变器IlOb之间的上绕组和下绕组WA和WB。在某些实施例中， 直流链路可以是简单的直流链路电感器或如在所示出的示例中的在上直流电流路径和下直流电流路径的每个中具有绕组的共模扼流。在其它实施例中，可以在上直流电流路径和下直流电流路径的仅一个中提供单个链路电感器。在此外其它实施例中，驱动装置110可以是具有在电路130中建立的中间直流总线电压的电压源转换器驱动装置，其中电容(单个或多个电容器)连接在上直流分支与下直流分支之间。所示出的驱动装置110提供包括每个输入相中的电感器Li、以及耦合在输入线A、B、C与输入中性节点之间的输入滤波器电容器Ci的输入滤波。整流器IlOa是通过中间直流电路130与电流源逆变器(CSI)耦合的电流源整流器(CSR)，并且一个或多个隔离部件(例如，变压器，未示出)可可选地包括在驱动装置110中。输出114经由线U、V以及W向电机负载120提供交流点输出功率，并且包括滤波器电路113，其具有耦合在负载120与输出中性节点之间的输出电容器Cm。整流器IlOa是具有耦合在输入112与直流电路130之间的开关器件S1-S6的有源开关型电流源整流器(CSR)，并且根据由开关控制系统140的整流器控制部件14 提供的多个整流器开关控制信号14 来工作。在工作中，由整流器开关S1-S6切换交流输入功率，以在中间电路130中创建中间直流链路电流Idc。示例性逆变器IlOb是电流源逆变器 (CSI)，其包括耦合在直流电路130与输出114的相线U、V以及W之间的开关器件S7-S12。 逆变器开关S7-S12根据来自开关控制系统140的逆变器控制部件144b的相应开关控制信号142b工作，以选择性地对来自直流电路130的直流功率进行转换，提供交流输出功率来驱动电机负载120。在中间直流(链路)电路130中，直流链路扼流或电感器链接整流器IlOa和逆变器IlOb的开关，并且提供它们之间的前向和返回电流路径。链路扼流的第一绕组WA耦合在前向或正向直流路径中，并且具有连接到上整流器开关S1-S3的第一端Pl和与上逆变器开关S7-S9耦合的第二端P2。第二(下)绕组WB耦合在反向或返回直流路径中，并且具有耦合到下整流器开关S4-S6的第一端附以及耦合到下逆变器开关S10-S12的第二端N2。整流器和逆变器开关器件S1-S12可以是任何适当的可控电开关类型(例如， SGCT、IGCT、GT0、晶闸管、IGBT等)，根据任何适当类型或形式的开关方案或多个方案(诸如相控、脉宽调制等)、以开环或闭环方式控制这些开关器件。在某些实施例中，逆变器IlOb 的开关器件S7-S12是包括但不限于SGCT、IGBT或GTO的强迫换流器件，而整流器IlOa的开关器件S1-S6可以是诸如以上所述的强迫换流器件以及诸如晶闸管的线换流器件。关于这方面，晶间管器件可以以具有额外电路添加至其器件触发电路的强迫换流器件的形式用于逆变器开关器件S7-S12。整流器IlOa和逆变器IlOb在开关控制系统140的控制下工作，开关控制系统140 可包括一个或多个处理器和相关联的存储器以及I/O电路，其包括驱动电路，尽管可采用分离的开关控制系统，该驱动电路用于例如利用互连和信息共享来生成开关控制信号142 以选择性地启动开关器件S1-S12，以便于整流器IlOa和逆变器IlOb的协调工作。这些实施例中的开关控制系统140包括逆变器控制部件144b，其提供逆变器开关控制信号142b， 以使得逆变器IlOb根据一个或多个设置点141 (诸如期望的电机速度、转矩等)选择性地对来自中间直流电路130的直流电流进行转换，来向交流输出114提供交流电功率。开关控制系统140和其部件144可以被实现为任何合适的硬件、处理器执行的软件、处理器执行的固件、可编程逻辑、或其组合，可操作成任何合适的控制器或调节器，通过该控制器或调节器，根据一个或多个期望的简档或设置点141 (不论信号和/或数字值)、以开环或闭环方式或其组合控制电机120。另外，在工作中，控制器140的整流器控制部件14 提供整流器开关控制信号 142a，使得整流器IlOa对交流电输入功率进行转换，来向直流电路130提供调节的直流电流Idc。这样做，整流器控制器14 可采用一个或多个反馈信号或值118a(诸如来自整流器IlOa的、表示实际直流链路电流Idc和/或直流链路电压的测量的直流电流值)。来自整流器IlOa的直流链路电流Idc提供用于由逆变器IlOb转换的输入电流，其中，示例性逆变器控制144b可向整流器控制器14 提供作为调节设置点的期望的直流链路电流信号或值。以此方式，整流器IlOa提供逆变器IlOb所需的直流电流，并且整流器控制器14 还可实现诸如功率因数校正的其它控制功能，同时逆变器控制器144b根据一个或多个设置点值或信号141执行驱动装置110的必要的电机控制操作。驱动装置110还包括具有一个或多个感测元件的反馈系统118，其可操作成提供表示输入112、整流器110a、中间直流电路130、逆变器110b、输出滤波器113、和/或输出 114处的电条件的一个或多个反馈信号和/或值118a。开关控制系统140可提供有一个或多个设置点或期望值141以及来自反馈系统118的一个或多个反馈信号或值118a，通过其以正常电机驱动操作实现一个或多个闭环电机驱动控制目标。用于控制功能的值或反馈信号可以基于来自反馈系统118的信号和/或值118a、测量的输入值(例如，线电压、电流、中性电压、电流等)、以及其它信息、数据等，其可以是任何适合的形式(诸如电信号、数字数据等)并且其可从任何适合的源(诸如一个或多个传感器、外部网络、开关、与系统100相关联的用户接口或其它适合的源)接收。反馈电路118根据整流器110a、直流电路130以及逆变器IlOb的至少之一向控制器140提供反馈信号或值，并且可通过适当的转速表或其它传感器提供测量的电机速度值和/或感测到的值，控制器140可根据该感测的值来确定电机速度、转矩、电流、和/或电压等。在这方面，即使对于不具有直接电机速度测量传感器的系统，控制器140可经由适合的电机模型、基于反馈信号或值118a而内部生成无法感测的电机速度反馈值。还参照图2，整流器控制器14 包括PWM控制器150，其根据一组整流器开关角， 向整流器IlOa的开关S1-S6提供脉宽调制后的整流器开关控制信号14加。图2提供了图示200，其示出了在图1的整流器控制器144b中使用的示例性9脉冲自适应SHE PWM开关模式202，该模式利用各种开关角(包括来自表160或来自实时角生成器152的角度θ χ, r θ χ,18)来控制整流器开关S1-S6的启动，以便使得整流器IlOa对交流电输入功率进行转换，以向中间直流电路130提供调节的直流功率。在所示出的9脉冲实现中，PWM控制器在交流输入周期(例如，在一个示例中，交流源111提供图2中以虚线示出的60Hz的正弦输入功率)的两个半周期中提供用于输入端子到中间电路130的直流传导路径的选择性连接的脉冲模式，其中，从开关角组中直接取得开关角θ^-θχ,Μ虽然9脉冲模式用来详述本原理，但是脉冲的实际数量不限于9。如此外如图1所示，在某些实施例中，控制器14 包括开关角生成器152，该开关角生成器152至少部分基于表示整流器IlOa的交流输入112处的源谐波的一个或多个信号或值118a和至少部分基于整流器输入滤波器112的传递函数154，基本实时计算开关角。 在某些实施例中，角生成器152至少部分基于包含源谐波的信息的反馈118a中的信号、至少部分基于要减少或消除的至少一个谐波、以及至少部分基于期望的THD值158，基本实时地计算该组整流器开关角，其中，期望的THD值158可被预先确定和存储在开关控制系统 140中、或可被获得作为来自外部源的信号或值。还参照图3，在其它实施例中，整流器控制器14 包括存储多组整流器开关角θχ, r θ χ,18的开关角组表160，该表160可以存储在控制器14 的存储中或转换器110的别处， 或可存储在可由PWM控制器150访问的分离系统中。图3示出了具有对应于整数N个源谐波条件范围的点弧角组的示例性角组表160。表条目160还说明了 PWM控制器150在选择特定角组θ U-θ U8中使用的一个或多个其它变量。例如，诸如按照给定谐波范围(例如， 第2到第40个谐波)的一个或多个具体谐波和/或总谐波失真，所示出的表160被划分成 N部分，每个部分具有与交流输入112处的谐波条件的N个范围(例如，如由反馈系统118 测量或通过分离的测量或估计确定)之一对应的角度组θ^-θχ,Μ在该示例中，每个部分还包括对特定整流器延迟角和电机速度的划分。在工作中，PWM控制器150接收来自反馈系统的关于当前时间处的重要源谐波的反馈信息118a、以及整流器延迟角和当前电机速度，并且使用这些来为表160做索引以获得适当的开关角组Θμ-ΘΧ,Μ可以经由所包括的角生成器152使用从反馈系统118获得的输入谐波测量118a来计算表160的条目，或者可以通过外部开关角生成器152使用输入滤波器传递函数154、期望的THD值158、以及关于输入源谐波条件的信息而与转换器110分离地计算表160的条目，其中，得到的开关角组 θχ,"0 χ,18被提供到转换器110用于存储在表160中。在工作中，PWM控制器150从开关角生成器152或从表160接收整流器开关角组θ U-Q5^18，并且相应地生成脉宽调制后的整流器开关控制信号14 作为一系列脉冲 200(例如，图2)，以便使得整流器IlOa对交流电输入功率进行转换，来向中间直流电路130 提供调节的直流功率。还参照图4，示出了根据本公开的、包括实时开关角计算的用于整流器PWM控制的示例性处理400。尽管以下将本公开的示例性方法400和其它方法示出并描述为一些列动作或事件，但本公开不受所示出的这样的动作或事件的顺序的限制。例如，一些动作可脱离这里所示出和/或描述的顺序而以不同顺序同时和/或与其它动作或事件同时发生，并且并不需要所有所示出的步骤来实现根据本公开的处理。此外，可与以上描述的整流器控制器14 相关联以及与未示出的其它系统相关联而实现该方法。在402，控制器14 的开关角生成器152例如根据一个或多个反馈信号或值118a来确定源谐波，并且在404，根据选择的谐波消除(例如，第5个、第7个等)和根据期望的THD值158(例如，将与关注的谐波的范围对应的总谐波失真维持在或低于特定阈值(期望的最大值)限制158)来计算一组整流器开关角θ^-θ^。在406，角生成器152向整流器PWM控制器150提供该组整流器开关角9U-f^M在408，PWM控制器150根据更新的该组整流器开关角θ^-θχ^来向整流器开关S1-S6提供更新的开关控制信号142a，以操作整流器110a。图5示出了另一示例性处理500，其中，根据源谐波条件从表160获得开关角的组。 在502，PWM控制器150例如根据一个或多个反馈信号或值118a来确定源谐波。在504使用源谐波条件来从角度组表160获得相应的开关角组θ U- θ χ,18。在506，PWM控制器150 根据所选的该组整流器开关角θ xa- θ χ,18来向整流器IlOa提供脉宽调制后的整流器开关控制信号142a，使得整流器IlOa对交流电输入功率进行转换，以向中间直流电路130提供调节的直流功率。还参照图6-8，本公开还提供了用于计算一组整流器开关角θ xa- θ xa8的方法，该一组整流器开关角θ xa- θ χ,18用于在功率转换系统110中使用自适应谐波消除来生成脉宽调制后的整流器开关控制信号14加。图6示出了根据本公开的、用于计算整流器开关角的示例性处理600，而图7和8示出了分别根据惯用和自适应SHE技术获得的示例性谱。可以使用以上描述的集成开关角生成器152实时或基本实时地采用这些技术，和/或可以实时或离线地在外部系统实现处理，以例如生成开关角组条目以用于存储在图1的控制器表 160中。这里强调的自适应SHE方式涉及全部或部分基于功率转换系统的电流或电压谱、要减少或消除的一个或多个谐波以及最小化的THD值的等式系统的形成和求解。这些技术可以用来实现整体谐波最小化策略(Ohms)以便于THD的减少，并且有利地考虑交流输入滤波器112的特性(例如，传递函数)。因此，虽然惯用SHE技术实践中由于源谐波条件的影响和/或输入滤波器的影响而不会完全消除特定谐波，但是Ohms方式把这些影响作为开关角组θ xa- θ u的计算的因数。某些实现以快速傅立叶变换(FFT)开始， 以获得谐波分量的表达。然后，通过根据输入滤波器112的传递函数IM来修改谐波分量获得加权谱来获得信号谱，并且可以重新计算THD用于针对滤波的信号的最小化。最小化的处理可以或可以不与额外的限制(诸如对于所选择的滤波器112的部分重要谐波的一组最大值)耦合。图7示出了适于9脉冲操作的SHE控制的整流器的谱700，其中，消除第5、第7以及第11谐波，而具有重要幅值的更高阶谐波没有被SHE开关模式所呈送(address)。对于这些谐波，可使用输入滤波器112(低通)，然而，滤波器调谐点必须足够低，以有效地一致更高阶谐波。图7还分别示出了具有4. 4pu和6. 3pu的谐振频率的两个示例性二阶输入滤波器112的传递函数。如图7所示，6. 3pu滤波器对于更高阶谐波具有更高的增益(约为 4. 4pu滤波器的增益的两倍)，并且该示例的仿真示出由于对更高阶谐波的不充分衰减，对于6. 3pu滤波器THD高于5%。然而，同时，4. 4pu可以以更大和更昂贵的电感和电容部件的代价用于期望的THD。另外，现有的SHE方式不考虑现有的源谐波，并且发明人认识到，源谐波会不利地影响滤波后的线电流THD。图8示出了经由Ohms技术获得的示例性9脉冲模式的滤波器波形和谱800，在该 Ohms技术中，等式组被修改为强制使得关注的谐波范围(例如，在所示出的示例中，第2到第40)上的THD为处于或低于期望的THD阈值限制值158，同时仍试图消除或减少第5、第 7以及第11谐波。以此方式，Ohms技术控制超过惯用SHE方式的能力的整体谐波条件，并且还可将输入滤波器112的传递函数特性作为因数。如图8的示例所示，第11谐波不再完全被消除，而减少第13到第19谐波，由此减少关注的范围中的总谐波失真。该模式使得能够使用6. 3pu线输入滤波器112，同时实现5%或更少的THD。反之，6. 3pu滤波器与4. 4pu 滤波器相比仅需要大约一半的电容，并且因此Ohms技术便于功率转换系统成本和尺寸的减少。可以通过基于源谐波条件的反馈118a的开关角组的基本实时计算来实现本发明的自适应SHE技术，并且还可以计算独立角的子集来获得如以上如图3的表160所示的用于根据源谐波的智能选择的、针对不同源谐波场景的一组角θ^-θχ,Μ在某些实施例中， 角度计算包括针对点弧角的全部或子集求解等式组，其中通过基于波形对称的计算来获得剩余角(例如，非独立角度)。可能影响开关角的因素的示例包括对滤波器重要的预先存在的谐波、线性滤波器谐振频率、整流器点弧角、直流电流或电压、以及电机速度。由于输入滤波器112对接近其调谐频率的谐波最敏感，因此在某些实现中计算的预先存在的谐波是具有最重要滤波器增益的谐波。这些技术可以有利地用于并网PWM转换器来改进THD性能， 并且可应用于电流源和电压源PWM转换器。还参照图6，整流器控制器14 采用选择性谐波消除(SHE)型控制部件150来生成开关控制信号14加。该技术有效地将输出波形中的PWM开关点控制为特定角，用于控制谐波和总谐波失真(THD)。图6示出了示例性方法600，其计算用于在功率转换系统110中生成脉宽调制后的整流器开关控制信号14 的一组整流器开关角Θμ-ΘΧ,Μ可以实时 (例如，在板载(on board)角生成器152中)或离线使用处理600。通常，技术600涉及至少部分基于考虑来自整流器的谐波和来自源的谐波两者的电流谱、要减少或消除的一个或多个谐波、以及期望的THD值158而形成等式系统(例如，在62 ，以及求解等式系统(例如，在624)来得该组整流器开关角θ^-θχ,Μ在某些实施例中，对于角度的子集(例如， 图2的示例中的独立角θ xa- θ χ,9)求解等式组，而在6 基于波形200(图2、的对称来求解任何剩余的角(例如，非独立角θ χ,10- θ χ,18)。在图6的实施例中，可以在601(例如，经由反馈系统118)测量源电压，并且在602 计算关注的谐波含量，其中，在604应用输入滤波器传递函数IM来确定源电流，或者可以替代地在605(例如，经由反馈系统118)直接测量源电流，在606计算谐波含量。在608针对源电流计算关键谐波，例如，根据测量的或确定的源电流，针对包括基波电流的关键谐波分量获得源电流谱。另外，在612(例如，经由反馈系统118)测量整流器直流电流(例如， 图1中的Idc)或电压，并且在614根据测量的直流整流器电流或电压计算整流器输入电流或电压谱(例如，傅立叶系数)。在616，将输入滤波器传递函数巧4应用于整流器输入电流或电压谱，以便把整流器输入电流或电压谱交付到线路侧，并且由此获得所交付的或加权的整流器输入电流或电压谱。在620，计算作为源电流或电压谱与所交付的整流器输入电流或电压谱的总和的总线电流或电压谱。在622，利用各种控制限制的应用，诸如将一个或多个关注的谐波(例如，接近输入滤波器调谐点的第3、第5、第11或其它谐波)强制设置为零或一些其它最大值，并且利用对于给定关注的范围的总谐波失真值(例如，如以上图7 和图8所示)，至少部分基于总线电流或电压谱而形成等式系统。然后，在拟4求解等式系统，产生用于在控制开关整流器IlOa的PWM操作中使用的一组整流器开关角θ xa- θ χ,18的独立角的子集。在626，可以通过使用波形对称来获得非独立角。以下讨论还示出了处理600的计算方面。假设恒定直流链路(电压或电流)和奇函数y_，任意PWM波形可表示为傅立叶序列
权利要求
1.一种功率转换系统(110)，包括 整流器(110a)，包括交流输入电路(104)，其具有整流器输入滤波器(11 和多个交流输入节点以接收交流电输入功率，直流输出，其具有第一和第二直流输出节点，以及各自耦合在所述交流输入节点之一与所述第一和第二直流输出节点之一之间的多个整流器开关器件(S1-S6)，所述整流器开关器件(S1-S6)各自能够操作成根据相应的整流器开关控制信号(142a)来选择性地将相应的交流输入节点与相应的直流输出节点耦合；中间直流电路(130)，其包括与所述整流器(IlOa)的所述第一和第二直流输出节点耦合的第一和第二直流电流路径；逆变器(110b)，其包括具有用于向负载(120)供电的多个交流输出节点的交流输出 (114)，所述逆变器(IlOb)能够操作成对来自所述中间电路(130)的直流功率进行转换以向所述负载(120)提供交流电输出功率；以及具有整流器控制部件(144a)的开关控制系统(140)，所述整流器控制部件(144a)包括开关角生成器(152)，其能够操作成至少部分基于表示所述整流器(IlOa)的交流输入处的源谐波的至少一个信号或值(118a)和至少部分基于所述整流器输入滤波器(112)的传递函数(1 )，基本实时地计算一组整流器开关角(θ xa- θ χ,9)，以及脉宽调制PWM控制器(150)，其接收来自所述开关角生成器(15 的所述一组整流器开关角(θ xa" θ χ,9)，并且能够操作成根据所述一组整流器开关角(θ xa" θ χ,9)来向所述整流器(IlOa)提供脉宽调制后的整流器开关控制信号(14 )，以使得所述整流器(IlOa)对交流电输入功率进行转换，来向所述中间直流电路(130)提供调节的直流功率。
2.根据权利要求1所述的功率转换系统(110)，其中，所述开关角生成器(152)能够操作成至少部分基于以下来基本实时地计算所述一组整流器开关角(Θμ-ΘΜ)要减少或消除的至少一个谐波；以及期望的总谐波失真值(158)。
3.根据权利要求2所述的功率转换系统(110)，其中，所述开关角生成器(152)能够操作成通过以下步骤基本实时地计算所述一组整流器开关角(Θμ-ΘΜ)根据测量的或确定的源电流或电压来计算(608)源电流或电压谱； 根据测量的整流器直流电流或测量的整流器直流电压(Idc)来计算(614)整流器输入电流或电压谱；将所述整流器输入滤波器(11 的所述传递函数(154)应用(616)于所述整流器输入电流或电压谱，来将所述整流器输入电流或电压谱交付到线路侧，来获得所交付的整流器输入电流或电压谱；计算(620)作为所述源电流或电压谱与所述所交付的整流器输入电流或电压谱的总和的总线电流或电压谱；至少部分基于所述总线电流或电压谱而形成(622)等式系统； 求解(624)所述等式系统来获得所述一组整流器开关角(θ xa- θ χ,9)。
4.根据权利要求3所述的功率转换系统(110)，其中，所述开关角生成器(152)能够操作成至少部分基于所述要减少或消除的至少一个谐波和至少部分基于所述期望的总谐波失真值(158)，形成(62 所述等式系统。
5.根据权利要求4所述的功率转换系统(110)，其中，所述整流器(IlOa)是电流源整流器，并且其中，所述中间电路(130)包括至少一个电感器。
6.根据权利要求2所述的功率转换系统(110)，其中，所述整流器(IlOa)是电流源整流器，并且其中，所述中间电路(130)包括至少一个电感器。
7.根据权利要求1所述的功率转换系统(110)，其中，所述功率转换系统是电机驱动装置，并且其中，所述逆变器的所述多个交流输出节点向电机负载(120)供电。
8.—种功率转换系统(110)，包括: 整流器(110)，包括交流输入电路(104)，其具有整流器输入滤波器(11 和多个交流输入节点以接收交流电输入功率，直流输出，其具有第一和第二直流输出节点，以及各自耦合在所述交流输入节点之一与所述第一和第二直流输出节点之一之间的多个整流器开关器件(S1-S6)，所述整流器开关器件(S1-S6)各自能够操作成根据相应的整流器开关控制信号(142a)来选择性将相应的交流输入节点与相应的直流输出节点耦合；中间直流电路(130)，其包括与所述整流器(IlOa)的所述第一和第二直流输出节点耦合的第一和第二直流电流路径；逆变器(110b)，其包括具有用于向负载(120)供电的多个交流输出节点的交流输出 (114)，所述逆变器(IlOb)能够操作成对来自所述中间电路(130)的直流功率进行转换以向所述负载(120)提供交流电输出功率；以及具有整流器控制部件(144a)的开关控制系统(140)，所述整流器控制部件(144a)包括开关角组表(160)，其存储多组整流器开关角(θ xa- θ χ,9)，以及脉宽调制PWM控制器(150)，其能够操作成至少部分基于表示所述整流器(IlOa)的交流输入处的源谐波的至少一个信号或值(118a)而选择所述整流器开关角的组(θ xa- θ χ,9) 之一，并且能够操作成根据所选的一组整流器开关角(Θμ-Θμ)来向所述整流器(IlOa) 提供脉宽调制后的整流器开关控制信号(14 )，以使得所述整流器(IlOa)对交流电输入功率进行转换，来向所述中间直流电路(130)提供调节的直流功率。
9.一种计算用于在功率转换系统(110)中生成脉宽调制后的整流器开关控制信号 (142a)的一组整流器开关角(θ xa- θ χ,9)的方法(600)，所述方法(600)包括至少部分基于以下来形成(622)等式系统所述功率转换系统的电流谱，要减少或消除的至少一个谐波，以及期望的最大总谐波失真值(158)，以及求解所述等式系统来获得所述一组整流器开关角(θ xa- θ χ,9)。
10.根据权利要求9所述的方法(600)，其中，至少部分基于包括被交付到线路侧的整流器输入电流谱和源电流谱的总线电流谱，形成所述等式系统。
全文摘要
本公开提供了自适应谐波减少设备和方法。呈现了用于分布式能量源的发电系统和具有例如电机驱动装置的有源前端转换器的功率转换系统，其中，用于并网转换器的自适应谐波最小化用于最小化或减少线电流谱中的总谐波失真，该线电流谱包括源谐波电流和交付到线路侧的并网转换器注入的电流谱。
文档编号H02M1/12GK102447399SQ20111030553
公开日2012年5月9日 申请日期2011年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者程仲元, 纳维德·扎尔加里, 肖原 申请人:洛克威尔自动控制技术股份有限公司