用于多相交流电机的低速控制的系统和方法

用于多相交流电机的低速控制的系统和方法
【专利摘要】公开了一种电力变换器，其配置为提高风力涡轮机在低风速运行期间的功率捕获。电力变换器将由风力涡轮机的交流发电机产生的功率变换成用于传送到公用电网或传送到不依赖于公用电网的电气负载的合适的AC电流。电力变换器被配置为在多个运行模式下运行，利用同步的和非同步的两种控制方法，以扩展电力变换器的运行范围。在非同步运行期间，电力变换器利用调制例程，其可以在恒定的调制周期期间变换死区时间补偿周期或者变换具有恒定的导通时间的调制周期。具有低总谐波失真(THD)的非同步控制方法和同步控制方法之间的无缝转换提高了用于风力发电机的功率产生的范围。
【专利说明】用于多相交流电机的低速控制的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2011年12月19日提交的序列号为61/577，447的美国临时申请的优先权，该美国临时申请的全部内容在此以引用方式并入。
【背景技术】
[0003]此处公开的主题涉及电力变换器，并且更具体地，涉及提高低速运行期间多相交流(AC)电机的控制和/或来自多相交流(AC)电机的功率的变换。
[0004]近几年，增加的能源需求和增加的对于化石燃料的供应以及它们的相应污染的关注已经导致对可再生能源的兴趣增加。两种最常见的和开发的最好的可再生能源是太阳能和风能。其他的可再生能源可能包括燃料电池、水电能源、潮汐能源、以及生物燃料或生物发电机。然而，使用可再生能源产生电能提出了一系列新的挑战。
[0005]许多可再生能源提供可变的能量供应。例如，供应可能根据风量、云层覆盖、或一天的时间变换。另外，不同的能源提供不同类型的电能。例如，风力涡轮机更适合于提供交流(AC)能量而光伏电池更适合于提供直流(DC)能量。由于所提供的能量的变化的性质以及所产生的能量类型的变化，如果运行不依赖于公用电网，电力变换器通常嵌入在可再生能源和公用电网或电气负载之间。
[0006]已知电力变换器具有固有损耗，其阻止由可再生能源产生的所有的功率变换成可用的电能。在低功率产生水平下，能源损耗可能大于由可再生能源正在产生的功率。电力变换器通常关闭以避免一种运行条件，在此条件下功率产生系统实际上正在使用的能量比它正在产生的能量多。
[0007]因此，为了使功率产生系统的效率最大化，可取的是在低功率产生水平下捕获所产生的能量并且提供能够在这些低功率产生水平下有效地运行的变换器。

【发明内容】

[0008]此处公开的主题描述了用于低速运行期间控制多相电机的系统和方法，以及更具体地，描述了用于当交流发电机正在以低速被驱动时控制电力从交流发电机传输的系统和方法。
[0009]根据本发明的一个方面，公开了低风速运行期间提高风力涡轮机中的电力的捕获。提供了电力变换器以将由风力涡轮机的交流发电机所产生的所述电力变换成用于传送到公用电网或到不依赖于公用电网的电气负载的合适的AC电流。电力变换器被配置为在多个运行模式下运行，利用同步和非同步的两种控制方法，以扩展电力变换器的运行范围。具有低总谐波失真(THD)的非同步和同步控制方法之间的无缝转换提高了用于风力发电机的电力产生的范围。
[0010]非同步控制方法扩展了风力涡轮机的低速电力传输能力。为了在低风速运行期间有效地捕获电力使用了包括死区时间的可变电力的脉冲宽度调制(PWM)控制方法。由于传统的开关方法在低电力水平下是非常低效的，导致超过了开关损耗的电力的产生，电力变换器通常在低电力产生期间不运行。可变的PWM频率显著减少了电力变换期间与固态电力设备的开关相关的损耗。因此，可变的PWM频率允许电力变换器系统捕捉在低风速运行期间所产生的电力。利用这种PWM开关方法，可用的风力涡轮机的运行范围向下扩展到捕获这些在目前的电力变换器设计下尚未开发的电力。
[0011]根据本发明的一种实施方式，电力变换器被配置为与风力涡轮机一起运行并且在多种电力传输模式下运行。在风正在传统的切入速度以上吹的周期期间内，第一同步控制方法从交流发电机向公用电网或电气负载传输电力。随着风速减小，电力减小，并且因此输出电压以及由交流发电机产生的频率减小。同步控制方法减小调制电压。在风速减小的周期期间，调制频率可能同样地减小以减小所述电力变换器中的开关损耗。
[0012]随着电力水平持续下降到超出PWM连续切换的效率范围，可能会采取额外的步骤以减小所述电力变换器中的电力损耗并且在增加的运行范围内继续传输风力涡轮机所产生的电力。根据本发明的一种实施方式，死区时间周期增加了，并且用于所述变换器的调制的最大导通时间减小了。可选地，消隐时间可能在周期性的间隔上被引入调制方法中。在调制被禁用的周期期间内，所述变换器的输入端上的反电动势可能被读取以获得正在产生的电压的电角度。在这些周期期间内获得所述反电动势扩展了所述变换器的同步控制的运行范围。结果，使用死区时间补偿通过消除二极管的恢复损耗产生的开关损耗的减小，使低电力水平被捕获并且在这个非常低的电力区域内电力变换器的损耗被最小化。随着来自交流发电机的电力持续下降，电力开关的控制被修改为允许来自交流发电机的非连续性电流。来自交流发电机的每一相在最小的导通时间内被交替地连接到DC总线的或者正或者负电压轨上。电流将仍有些正弦导致降低了交流发电机上的转矩脉动。由于多运行模式，所述变换器的运行范围被扩展了，而没有过多的电流尖峰而且没有对风力发电机增加任何有害的影响。
[0013]根据本发明的一种实施方式，电力变换器包括配置为接收来自多相AC电源的电力的输入端，具有正和负电压轨的DC总线，多个正开关设备,和多个负开关设备。每个正开关设备选择性地将所述AC电源的一相连接到所述DC总线的所述正电压轨，并且每个负开关设备选择性地将所述AC电源的一相连接到所述DC总线的所述负电压轨。存储设备存储一系列指令，并且控制器被配置为执行所述一系列指令。所述控制器执行所述指令以确定由所述AC电源产生的电力的大小，以及执行调制模块以产生用于每个正开关设备的正控制信号和用于每个负开关设备的负控制信号。当所述AC电源正在产生大于第一阈值的电力大小时，所述控制信号在第一运行模式下被产生，并且当所述AC电源正在产生小于所述第一阈值的电力大小时所述控制信号在第二运行模式下被产生。在所述第二运行模式期间，每个所述正开关设备被控制以将所述AC电源的每一相顺序(in tandem)连接到所述正电压轨，并且每个所述负开关设备被控制以将所述AC电源的每一相顺序连接到所述负电压轨。在所述第一运行模式期间，所述控制器以固定的调制频率和固定的死区时间执行所述调制模块，并且在所述第二运行模式期间，所述控制器以固定的导通时间和可变的调制频率执行所述调制模块。在所述第二运行模式期间，所述控制器可以访问储存在存储设备中的查找表，其定义了随当前的调制频率变化的调制频率变化率，其中所述调制频率可以从大约10千赫兹变化到大约50赫兹。
[0014]根据本发明的另一方面，所述控制信号在当所述AC电源正在产生小于所述第一阈值并且大于第二阈值的电力大小时的中间运行模式被产生，并且所述第二阈值小于所述第一阈值。利用所述中间运行模式，所述第二运行模式在所述第一和所述第二阈值以下执行。在所述中间运行模式期间，所述控制器以消隐时间周期性地禁用所述控制信号执行所述调制模块。
[0015]根据本发明的一种实施方式，电力变换器包括配置为接收来自多相AC电源的电力的输入端，具有正电压轨和负电压轨的DC总线，多个正开关设备和多个负开关设备。每个正开关设备选择性地将所述AC电源的一相连接到所述DC总线的所述正电压轨，并且每个负开关设备选择性地将所述AC电源的一相连接到所述DC总线的所述负电压轨。存储设备存储一系列指令，并且控制器被配置为执行所述一系列指令。控制器执行所述指令以确定由所述AC电源产生的电力的大小，以及执行调制模块以产生用于每个正开关设备的正控制信号和用于每个负开关设备的负控制信号。当所述AC电源正在产生大于第一阈值的电力大小时，所述控制信号在第一运行模式下产生，并且当所述AC电源正在产生小于所述第一阈值的电力大小时，所述控制信号在第二运行模式下产生。在所述第二运行模式期间，所述控制器以消隐时间周期性地禁用所述控制信号。在所述第一运行模式期间，所述控制器以固定的调制频率和固定的死区时间执行所述调制模块。
[0016]根据本发明的另一方面，当所述AC电源正在生成小于第二阈值的电力大小时，所述控制信号在第三运行模式下产生，其中所述第二阈值小于所述第一阈值。在所述第三运行模式期间，每个正开关设备被控制以将所述AC电源的每相顺序连接到所述正电压轨并且每个负开关设备被控制以将所述AC电源的每相顺序连接到所述负电压轨。
[0017]根据本发明的另一种实施方式，公开了变换来自具有可变的电力产生能力的可再生能源的电力的方法。所述方法包括步骤:监测由所述可再生能源产生的电力的水平，当产生的电力水平在第一预定阈值以上时，在第一运行模式下通过具有固定调制频率和固定死区时间补偿的脉宽调制控制电力变换器，并且在第二运行模式下，通过具有周期性的消隐时间的脉宽调制控制所述电力变换器，其中所述消隐时间在由所述可再生能源所产生的电压的基频的每个周期期间的周期性间隔上重复，并且其中在所述消隐时间期间所述脉宽调制被禁用。
[0018]根据本发明的另一方面，所述方法包括步骤:当产生的所述电力水平低于第二预定阈值时，通过具有可变调制频率和固定导通时间的脉宽调制在第三运行模式下控制所述电力变换器，其中所述第二预定阈值小于所述第一预定阈值。
[0019]根据本发明的另一方面，所述可再生能源产生多相AC输入电压，并且其中在所述第三运行模式控制所述电力变换器还包括步骤:将来自所述AC输入电压的每一相顺序连接到所述电力变换器中的DC总线的正电压轨，并且将来自所述AC输入电压的每一相顺序连接到所述电力变换器中的DC总线的负电压轨，其中所述每一相被交替地连接到所述正电压轨和负电压轨。
[0020]根据本发明的又一种实施方式，电力变换器包括:配置为接收来自AC电源的电力的输入端、具有正电压轨和负电压轨的DC总线、具有根据相应的正门控信号选择性地将所述输入端连接到所述DC总线的所述正电压轨的至少一个正开关设备、具有根据相应的负门控信号选择性地将所述输入端连接到所述DC总线的所述负电压轨的至少一个负开关设备、存储一系列指令的存储设备和控制器。所述控制器被配置为:执行所述一系列指令以执行调制例程来产生每个所述正的和负的门控信号；确定由所述AC电源产生的电力的大小；当由所述AC电源产生的所述电力的大小超过第一预定阈值时在第一运行模式下为每个所述正和负开关设备产生所述正的和负的门控信号，并且当由所述AC电源产生的所述电力大小小于所述第一预定阈值时在第二运行模式下为每个所述正的和负的开关设备产生所述正的和负的门控信号。在所述第一运行模式期间，所述控制器在所述调制例程中周期性地插入消隐时间，在所述消隐时间期间禁用所述正的和负的门控信号。在所述第二运行模式期间，每个所述正开关设备将所述输入端顺序连接到所述正电压轨并且每个所述负开关设备将所述输入端顺序连接到所述负电压轨。
[0021]仍然根据本发明的另一方面，在所述第二运行模式期间，所述控制器可以通过电流控制器根据在所述AC电源和所述DC总线之间传输的电流改变所述死区时间。所述控制器也执行具有可变调制周期和固定导通时间的所述调制例程。
[0022]根据详细描述和附图，本发明的这些和其他目标、优点、以及特征对于本领域技术人员将变得明显。但是应理解，尽管详细描述和附图仅表示本发明的优选实施方式，但是其是以图解的方式给出的而不是限制。不脱离其精神可以在本发明范围内做许多变化和更改，并且本发明包括所有这些更改。
【专利附图】

【附图说明】
[0023]在此公开主题的各种实施例以附图的形式说明，其中相似的参考数字表示相似的部分，并且其中:
[0024]图1是根据本发明的一种实施方式的变换器的示意图；
[0025]图2是根据本发明的一种实施方式的转换器的示意图；
[0026]图3是作为转子速度和风速的函数的风力涡轮机所产生的功率的图形表示；
[0027]图4是本发明的一种实施方式的方框图；
[0028]图5是根据本发明的一种实施方式的一个调制周期的部分的图形表示；
[0029]图6是死区时间补偿的图形表示；
[0030]图7是具有固定调制周期的死区时间控制的图形表示；
[0031]图8是可变调制周期的图形表不；
[0032]图9是以死区时间控制运行在第一死区时间的图1的变换器的三相交流电流的图形表示；
[0033]图10是以死区时间控制运行在第二死区时间的图1的变换器的三相交流电流的图形表示，所述第二死区时间大于所述第一死区时间；
[0034]图11是在连续脉冲宽度调制下的运行期间存在于图1的变换器的端子上的三相电压的图形表不;
[0035]图12是在具有周期性消隐时间的脉冲宽度调制下的运行期间存在于图1的变换器的端子上的三相电压的图形表示；以及
[0036]图13是大于一个电压周期的图12的三相电压中的一相的图形表不；
[0037]在图示的本发明的优选实施方式的描述中，为了清楚起见采用特定术语。但是，这并不意味着本发明受限于所选择的具体术语并且应理解为每个具体术语包括所有的等价技术特征，其用相似的方式操作以达到相似的目的。例如，单词“连接到”，“附接到”或另外相似的术语经常使用。在这样的连接被本领域技术人员认为是等效的地方，其不限于直接连接而是包括通过其他元素的连接。
【具体实施方式】
[0038]参考下面的说明书中的非限制性实施方式的详细描述，在此公开的主题的各种特征和有利细节被更全面地解释。
[0039]首先转到图1，图示了包含本发明的一种实施方式的典型的电力变换器10。电力变换器10包括三个输入端子T1-T3，其配置为接收输入电压。图示的实施方式的每个输入端子T1-T3，被配置为接收由交流发电机6产生的多相电压V1-V3中的一相。例如，交流发电机6可以产生三相交流(AC)功率。输入滤波器28与每个端子T1-T3串联连接。
[0040]电力变换器10接收在端子T1-T3上的多相AC输入电压V1-V3，并且使用开关设备20和21输出存在于DC总线12上的所需的DC电压Vdc。DC总线12包括正电压轨14和负电压轨16，其被用于输出+Vdc和-Vdc。本领域应理解，正电压轨14和负电压轨16可以传导关于公共电压或中性电压的任何合适的DC电压电势并且不限于正的或负的DC电压电势。此外，正电压轨14或负电压轨16中的任何一个可以被连接到中性电压电势。正电压轨14通常传导比负电压轨16具有更大的电势的DC电压。
[0041]开关设备20和21通常是固态功率器件。图1示出了作为双极性结型晶体管(BJT)的开关设备20和21 ;然而，可以预见的是根据应用的需要可以使用任何合适的开关设备，包括但并不限于，绝缘栅双极性晶体管(IGBT)、场效应晶体管(FET)、可控硅整流器(SCR)，如集成门极换流晶闸管(IGCT)或可关断晶闸管(GTO)的晶闸管、或其它可控设备。二极管22被并行连接到每个开关设备20和21，用于在开关设备20和21关断时所需的跨过开关设备20和21的反向传导。二极管22也可以是半导体开关的一部分。对于输入的每相，正开关20被连接在输入端子T1-T3和DC总线12的正电压轨14之间，并且负开关21被连接在输入端子T1-T3和DC总线12的负电压轨16之间。每个正开关设备20被正门控信号24控制并且每个负开关设备21被负门控信号25控制。每个正或负门控信号24或25，被启用或禁用以选择性地允许分别通过正或负开关设备20或21传导。电容50被连接在DC总线12的正电压轨14和负电压轨16之间。根据系统要求电容50可以是单个电容器或串联或并联的任何数量的电容器。电容50被配置为减小输入电压和DC总线12之间的电压变换产生的纹波电压的大小。
[0042]控制器40执行一系列存储指令以产生门控信号24和25。控制器40接收来自传感器的反馈信号，其与遍布电力变换器10上的不同的点的电压和/或电流的幅值相对应。此位置依赖于在控制器40内正在被执行的特定的控制程序。例如，输入传感器26a-26c可以提供存在于每个输入端子T1-T3上的电压幅值。可选地，输入传感器26a-26，可以被可操作地连接以提供在每个输入端子T1-T3上传导的电流的幅值。同样地，电流和/或电压传感器28和30，可以被可操作地分别连接到DC总线12的正电压轨14和负电压轨16。控制器40与存储设备42接口以获取存储的指令并且与通信端口 44接口以与外部设备通信。正如在此所描述的，控制器40被配置为执行存储的指令以控制电力变换器10。
[0043]接着参考图4，典型的功率变换系统包括第一电力变换器10和作为逆变器运行的被DC总线12连接的第二电力变换器60。可选地，能量储存设备18可以被连接在DC总线12的正电压轨14和负电压轨16之间。交流发电机6，例如风力涡轮机的发电机，向电力变换器10提供功率，其被变换成DC总线12上的DC电压，而逆变器60反过来从DC总线12向电气负载4或向公用电网(未示出)提供功率。储存设备18也可以包括直流到直流变换器以根据储存设备的要求将存在于DC总线12上的DC电压变换成合适的DC电压水平。例如，储存设备可以是铅酸电池、锂离子电池、锌溴电池、流体电池、或任何其它合适的能量储存设备。DC到DC变换器运行以根据应用要求在DC总线12和储存设备18之间转换能量。
[0044]现参照图2，典型的逆变器60被连接到DC总线12。例如，逆变器60将来自DC总线12的DC电压变换成适合被供应到公用电网和电气负载(如电机)的AC电压。利用选择性地连接或者正电压轨14或者负电压轨16到输出电压的一相的开关设备70执行变换。开关设备70通常是固态功率设备。图2图示了开关设备70为双极性结型晶体管(BJTs)；然而，应考虑到根据应用要求任何合适的开关设备可以被使用，包括但不限于，绝缘栅双极性晶体管(IGBT)、场效应晶体管(FET)、可控硅整流器(SCR)，例如集成门极换流晶闸管(IGCT)或可关断晶闸管(GTO)的晶闸管、或其它可控设备。二极管72被并行连接到每个开关设备70上用于在当开关设备70关断时所需要的跨过所述开关设备的反向传导。二极管72也可以是半导体开关的一部分。每个开关设备70被门控信号74控制。门控信号74被启用或禁用以选择性地允许通过开关设备70传导。
[0045]控制器90执行一系列存储的指令以产生门控信号74。控制器90接收来自传感器的反馈信号，其对应于遍布逆变器60的不同的点的电压和/或电流的幅值。此位置依赖于在控制器90内正在被执行的特定的控制程序。例如，传感器76a-76c可以提供存在于输出端子62每一相上的电压的幅值。可选地，输出传感器76a-76c可以被可操作地连接以提供在输出端子62的每一相上传导的电流的幅值。同样地，电流和/或电压传感器78和80,可以可操作地被分别连接到DC总线12的正电压轨14和负电压轨16。控制器90与存储设备92接口以获取存储的指令并且与通信端口 94接口以与外部设备通信。根据本发明的一种实施方式，第一电力变换器10和第二电力变换器60是具有独立的控制器40、90和存储设备42、92的独立的模块，其配置为控制各自的电力变换器的运行。可选地，单个控制器和存储器设备可以被配置为控制两个电力变换器的运行。
[0046]运行中，电力变换器10将从可变的功率能源提供的功率变换成电力变换器的DC总线12上可用的功率。随后的能量储存设备18或逆变器模块60可以被连接到DC总线12或者存储能量源所生成的功率或向电气负载4传送存储的功率(仍参看图4)。第一电力变换器10被配置为从电源6向DC总线12传输功率并且第二电力变换器60被配置为从DC总线12向负载4传输功率。根据功率变换所需的形式，每个电力变换器10、60的控制器40、90执行一个或多个控制模块，其产生门控信号24、25或74以选择性地分别连接在DC总线12和任何一个输入端子T1-T3或者输出62之间的开关20、21或者70。根据本发明的一种实施方式，风力涡轮机可以包括叶片，其旋转作为风的速度的函数的低速驱动轴。低速驱动轴是到变速箱的输入，其反过来又旋转高速驱动轴，其输出作为它的传动(gearing)的函数。高速驱动轴旋转交流发电机6的转子部分，在定子上产生AC电压V1-V3。
[0047]接着参考图3，图100图示了对于典型的风力涡轮机在变化的风速下运行时作为转子速度的函数的由交流发电机6所产生的功率之间的关系。例如，涡轮机叶片的速度可以通过改变叶片的间距进行控制。因此，对于恒定的风速，低速驱动轴的旋转速度可以改变，并且因此交流发电机6中的转子的旋转速度可以改变。然而，可能存在不能以足够快的速度对叶片间距进行调整以应对变化的风力条件。除了间距控制之外，或代替间距控制，电力变换器10可以通过调节从交流发电机6汲取的电流帮助调节交流发电机6的速度以便可变的制动力被施加到交流发电机6。电流的电子控制因此可以补偿风速中的变化来保持运行在最大功率点下。
[0048]通过虚线101在图3中进一步图示了，交流发电机6的运行可能遵循平方幂法则，其中涡轮机产生的功率随风速的平方增加。对于每个风速，控制器40被配置为在最大功率点(MPP)运行，以便在那个风速下可能由交流发电机产生的最大功率被传输到DC总线12。跟踪可变风速下的这些最大功率点产生的指数函数形式的平方幂曲线101，直到额定功率的产生发生。在那个点上，控制器40被配置为将功率的产生限制到额定值以防止损坏交流发电机6或电力变换器10的组件。控制器40可以被配置为执行控制程序以既控制叶片的间距又控制在交流发电机6和DC总线12之间传导的电流。可选地，可以使用分离的控制器40，每个执行控制模块中的一个。
[0049]在正常运行条件下为了调节从交流发电机6中汲取的电流，控制器40可以执行第一电流调节器，其配置为用于从交流发电机6到DC总线12的电流的同步控制，这在本领域是已知的。同步电流调节器接收参考电流并且使用测得的电流信号确定电流误差值。同步电流调节器然后确定所需的受控电流以补偿电流误差值。控制器40然会确定适合的门控信号24和25，以选择性地将输入端子T1-T3的每一相连接到DC总线12以产生交流发电机6和DC总线12之间所需的被控电流。
[0050]因为交流发电机6产生AC功率，控制器40也需要存在于输入端T1-T3上的AC电压的电角度的信息。当在最低速度以上运行时，控制器40可通过检测存在于交流发电机6上的反电势确定电角度。随着交流发电机的旋转速度增加，反电势的幅值同样增加。然而，反电动势是交流发电机参数的函数也是转子速度的函数。因此，在其上可以检测到反电动势的最小速度是本应用的功能。然而，反电动势的幅值可能通常可靠地在交流发电机6的额定速度的约10%至约20%之间检测到。
[0051]接着参考图5，同步电流调节器使用所需的被控电流值和检测到的交流发电机6的电角度来产生电压参考信号154以产生门控信号24、25。在图5中，图示了根据典型的正弦三角PWM调制技术150对于AC电压的一相的一个周期的一段的门控信号24、25的产生。在正弦三角PWM调制技术150下，三角波形152与电压参考154相比以产生门控信号24和25。三角波形152的一个周期是由PWM程序的开关周期156定义的。在开关周期156期间，如果电压参考154大于三角波形152，正门控信号24被设置为高而负门控信号25被设置为低。如果电压参考154小于正三角波形152，正门控信号24被设置为低而负门控信号25被设置为高。可以考虑，如本领域技术人员可能已知的例如空间矢量或多电平切换的其它的调制技术，也可以被用来产生输出电压。另外，如图4所示，调制技术可以通过比较模拟信号、数字信号(例如被向上或向下增加的寄存器)、或它们的组合来实现。
[0052]图5示出了理想的开关条件，在此条件下正门控信号24和负门控信号25同时反转状态以便正开关20和负开关21不会同时导通。然而，在实践中，开关20和21不是理想的并且也不会如图5所示来切换。还参考图6，每个开关20和21，要求有限的时间来关断Iff，或来导通tm。为了防止正开关20和负开关21同时导通，可以使用死区时间补偿。死区时间td，通常被设置得比开关20和21的关断时间Iff长。当或者正门控信号24或者负门控信号25被命令关断时，如图所示在切换瞬间tsw，控制器40延迟设置其他的正门控信号24或负门控信号25在死区时间td期间导通，防止正和负开关20和21两者在同一阶段上同时导通，其在DC总线12的正电压轨14和负电压轨16之间产生短路。在开关20或21关断Iff时的延迟导致不希望的导通的短的时间段27，而在开关20或21导通tm时的延迟导致不希望的不导通的短的时间段29。
[0053]如前面所指出的，同步电流调节器需要由AC交流发电机6产生的AC功率的电角度的信息以控制功率从交流发电机6传输到DC总线12。交流发电机6的角位置通常是从产生的电气波形获得的。使用，例如，反电动势电压的测量，锁相环可以提取交流发电机6的角位置。随着转子的速度减慢，反电动势的大小减小直到幅值变得太小以至于无法准确地检测。此前，没有电角度的准确知识，变换器10将需要关闭以防止不稳定、无法传输功率、和/或由于产生门控信号24和25产生的对逆变器的可能损坏。在此速度变换器10可以运行的这个最小速度也被称为切入速度。虽然变换器10停止运行，交流发电机6仍然能够在切入速度以下产生功率。
[0054]为了提高交流发电机6的效率以及继续接收在低速运行期间由交流发电机6产生的功率，变换器10，正如在此所公开的，在多个运行模式下执行以扩展它的运行范围。如上面所讨论的，变换器10在第一阈值或者在第一阈值以上在第一运行模式执行同步控制方法。这个第一阈值对应于交流发电机6的运行速度，在此速度由交流发电机6产生的反电动势电压可以被可靠地检测，其通常是额定速度的大约10-20%。在第一运行模式下运行期间，调制例程以固定周期T1和固定死区时间补偿td执行。可选地，调制频率可以在第一运行模式期间作为由交流发电机6正在产生的电压的频率的函数改变，并且因此，周期也可以在第一运行模式期间作为由交流发电机6正在产生的电压的频率的函数改变。例如，开关频率的范围可以在5-10千赫兹之间。
[0055]调制技术控制正开关20和负开关21以交替地在DC总线12的或者正或者负电压轨14和16之间连接每个端子T1-T3。接着参考图11，图示了从交替地在DC总线12的或者正或者负电压轨14和16之间连接每个端子T1-T3得到的调制电压波形。随着交流发电机6的速度减小，交流发电机中的反电动势的频率和幅值同样减小。然而，因为连接到电力变换器10的逆变器60正在产生用于连接到公用电网或连接到电气负载4的AC电压，所以功率变换系统在DC总线12上保持大致恒定的DC电压水平。因此，随着反电动势的幅值减小，调制波形的峰值幅值保持不变并且变得比交流发电机6产生的反电动势的幅值大得多，引入在试图读取反电动势的值时的显著的噪声或不确定性。还参考图12和13，图示了在交流发电机6低频率运行期间与反电动势电压123的大小相比调制减压121的大小上的不同。
[0056]为了提高控制器在其中可以可靠地测量反电动势的范围，控制器40可以进入消隐控制运行模式。随着交流发电机6的运行频率减小，消隐控制运行模式被配置为引入在其中调制停止的短的间隔或消隐时间120。在消隐时间120期间，控制器40可以读取不受来自调制电压的干扰的反电动势电压。消隐时间120足够短以致交流发电机6和风力涡轮机叶片的惯性使交流发电机6很少或根本没有改变交流发电机6的旋转速度。消隐时间120是在由交流发电机6产生的电压的基频的一个周期期间内的周期性间隔上引入的。调制周期期间，由交流发电机6产生的功率被传输到DC总线12。如上所述的消隐时间的引入，允许电力变换器10暂时中断调制和读取反电动势。反电动势的电角度被确定并且对控制器40使用的用来进行调制的角度进行相应的调节。开关20和21的调制在修正角重新开始以从交流发电机6向DC总线12传输功率。因此，反电动势控制被执行的运行范围可以被扩展到交流发电机6的额定速度的幅值的大约5%。
[0057]接着参考图7，随着速度的减小，并且因此产生的相应的由交流发电机6产生的功率减小，变换器也可以被配置为运行在另一种具有固定周期，T1和可变的死区时间控制的运行模式下。固定周期T1的持续时间被选择为与在先前的运行模式运行期间控制器40所使用的周期156相同。同样地，用于死区时间控制的初始死区时间tdx，被选择为与在先前的运行模式运行期间所使用的死区时间td相同。结果，从具有同步电流调节器或具有电流消隐控制的运行转变到具有可变死区时间的运行在这些运行参数中没有阶跃变化。
[0058]虽然在运行参数中没有阶跃变化，但运行模式之间的调制技术有变化。如上面关于图5所讨论的，脉宽调制产生门控信号24和25，其作为每个端子T1-T3上的输入电压的电角度的函数。结果，用于输入端子T1-T3的每一相的正门控信号24和负门控信号25是不同的。相反，死区时间控制期间，变换器10产生基本相同的用于每个输入端子T1-T3的正门控信号24和负门控信号25。所产生的效果是每个正开关20被顺序导通并且每个负开关21被顺序导通。控制器40产生门控信号24和25，以便正开关20和负开关21随着死区时间td的控制以很短的持续时间交替地被脉冲导通和关断。
[0059]被串联连接在输入端子T1-T3的每一相与每个开关20或21之间的多相电感器28限制了电流的变化率。另外，由交流发电机6产生的电压的幅值在低速时比较低，其也减小了通过电感器28的电流的变化率。因此，虽然同时切换每个正开关20或负开关21将会另外建立跨过交流发电机6的短路电流，但是在这个运行模式期间得到的电流波形通常是正弦的，如图9和图10所示。 [0060]电流的大小是分别对于每个开关20或21的门控信号24或25的持续时间的函数。死区时间td和导通时间反相关，这意味着随着导通时间tm减少，死区时间td增加。控制器40被配置为执行第二电流调节器，例如，用于控制作为由交流发电机6产生的电流的函数的死区时间、的比例积分(PI)调节器。图7中，图(a)-(c)分别地图示了在死区时间控制下运行时从最长的导通时间tml，到最小的导通时间tm3的演变。在最初切换到死区时间控制时，交流发电机6正在产生最多的能量数量并且可以在交流发电机6和DC总线12之间传输最多的功率数量。因此，最初的导通时间1。?处于其最大持续时间。随着风速继续下降，交流发电机6能够产生的功率水平持续下降，要求每个开关20或21的导通时间tm减小。在某个点，变换器达到最小导通时间tm，其对应于在其上由开关20和21产生的损耗超过导通时间tm期间所传输的功率的点。在这个点上，控制器40开始改变调制频率。
[0061]如上所述的转变(transition)，允许控制器40转换到运行参数中没有阶跃变化的死区时间控制。虽然运行参数中没有阶跃变化，但是调制技术有变化。如以上关于图5所讨论的，脉宽调制产生门控信号24和25，其作为每个输入端子T1-T3上的输入电压的电角度的函数。同步电流控制期间，用于输入端子T1-T3的每一相的正门控信号24和负门控信号25是不同的。相反，死区时间控制期间，变换器10产生基本相同的用于每个端子T1-T3的正门控信号24和负门控信号25。所产生的效果是每个正开关20被顺序导通并且每个负开关21被顺序导通。控制器40产生门控信号24和25，以便正开关20和负开关21随着死区时间td的控制以很短的持续时间交替地被脉冲导通或关断。
[0062]被串联连接在输入端子T1-T3的每一相和每个开关20或21之间的多相电感器28限制了电流的变化率。另外，由交流发电机6产生的电压的幅值在低速时比较低，其也减小了通过电感器28的电流的变化率。因此，虽然同时切换每个正开关20或负开关21将另外建立跨过交流发电机6的短路电流，但是在这个运行模式期间得到的电流波形通常是正弦的，如图9和图10所示。
[0063]接着参考图8，为了在已经到达最小导通时间tm以后，继续从交流发电机6向DC总线12传输能量，控制器40执行调制例程，其中导通时间保持恒定而调制周期T变化。例如，图8的图(a)可以表明在这个运行模式下的最初的运行点。初始周期T1与图7中所示的转变期间使用的周期T1相等，而导通时间对应于最小导通时间tm3。结果，运行模式之间的转变同样没有对于调制周期T或导通时间的阶跃变化。
[0064]如图8所示，变换器10保持导通时间恒定并且控制调制周期。初始周期T1可以是例如100微秒，其对应于10千赫兹的开关频率。随着交流发电机6提供的电流继续减小，调制周期可以被延长，例如，延长到T2并且随后延长到T3。可以考虑的是，调制周期可以被延长到至少20毫秒，其对应于50赫兹的开关频率。因此，随着风速和相应的转子转速减小，变频器10继续运行在更宽的运行范围内以增加从风力涡轮机获得的能量的数量。
[0065]在以可变的调制频率运行期间，控制器40可以访问储存在存储器42中的查找表以帮助运行，因为在电流幅值中的变化与调制周期的持续时间之间的关系是非线性的。例如，调制周期中的10微秒的变化在运行在10千赫兹的开关频率(即100微秒的周期)时代表比运行在50赫兹的开关频率(即20毫秒的周期)时更大百分比的增量。为了提高控制器40对于低功率运行期间电流幅值中的变化的反应时间，当变换器10正运行在较低的开关频率时比当变换器正运行在较高的开关频率时，调制周期以更大的增量变化。查找表可以存储变化的运行点上的调制频率中期望的增量变化。
[0066]随着风速以及相应的由交流发电机6产生的功率开始增加，控制器40反转全部运行模式的步骤。最初，控制器40以固定的导通时间〖。?运行并且减小调制周期Τ，直到它再次达到在第一和第二运行模式所需的运行持续时间。因为这两种运行模式包括共同的运行点，从具有可变的调制周期T和固定的导通时间tm的运行到具有固定调制周期T和可变的导通时间tm的运行的转变同样是无缝的。同样地，随着风速和相应的由交流发电机6产生的功率继续增加，死区时间td减小直到它达到用于在第一运行模式中运行的死区时间td。在这个点上，交流发电机6正产生在足够水平上的功率以使控制器40可以准确地确定交流发电机6的反电动势。控制器开始监测反电动势并且确定相应的电角度，例如，使用锁相环并且可以然后切换回具有同步电流调节器的第一运行模式运行。因为在转变点上用于每个模式的周期T和死区时间td是相同的，所以模式之间的转变同样是无缝的。
[0067]应当理解，本发明并不将其应用限于本文中阐述的组件的结构和安排的细节。本发明能有其他的实施方式并且能够以各种方式被实践或实施。前述的变化和修改在本发明范围内。还应被理解的是，此处公开和定义的本发明延伸到所有的从文中和/或图中提到的或证明的两个或多个单个特征的可选择的组合。所有这些不同的组合构成本发明的各种可选的方面。在此描述的实施方式解释了已知的实施本发明的最好的方式并且将使本领域的其他的技术人员能够应用本发明。
【权利要求】
1.一种电力变换器，所述电力变换器包括: 输入端，其配置为接收来自多相AC电源的电力； DC总线，其具有正电压轨和负电压轨； 多个正开关设备，每个正开关设备选择性地将所述AC电源的一相连接到所述DC总线的所述正电压轨； 多个负开关设备，每个负开关设备选择性地将所述AC电源的一相连接到所述DC总线的所述负电压轨； 存储设备，其存储一系列指令；以及 控制器，其配置为执行所述一系列指令以完成以下操作: 确定由所述AC电源产生的电力的大小，以及 执行调制模块以产生用于每个正开关设备的正控制信号和用于每个负开关设备的负控制信号，其中: 当所述AC电源正在产生的电力的大小大于第一阈值时,在第一运行模式下产生所述控制信号； 当所述AC电源正在产生的电力大小小于所述第一阈值时，在第二运行模式下产生所述控制信号； 在所述第二运行模式期间，每个正开关设备被控制以将所述AC电源的每一相顺序连接到所述正电压轨并且每个负开关设备被控制以将所述AC电源的每一相顺序连接到所述负电压轨。
2.如权利要求1所述的电力变换器，其中在所述第一运行模式期间，所述控制器以固定的调制频率和固定的死区时间执行所述调制模块。
3.如权利要求2所述的电力变换器，其中在所述第二运行模式期间，所述控制器以固定的导通时间和可变的调制频率执行所述调制模块。
4.如权利要求3所述的电力变换器，其中所述控制器访问存储在所述存储设备中的查找表，所述查找表定义了在所述第二运行模式期间所述调制频率的变化率，所述调制频率的变化率随当前调制频率而变。
5.如权利要求4所述的电力变换器，其中所述调制频率从大约10千赫兹变化到大约50赫兹。
6.如权利要求3所述的电力变换器，其中当所述AC电源正在产生的电力大小小于所述第一阈值并且大于第二阈值时，在中间运行模式产生所述控制信号，其中所述第二阈值小于所述第一阈值并且其中所述第二运行模式在所述第二阈值以下执行。
7.如权利要求6所述的电力变换器，其中在所述中间运行模式期间，所述控制器执行具有周期性地禁用所述控制信号的消隐时间的所述调制模块。
8.一种电力变换器，所述电力变换器包括: 输入端，其配置为接收来自多相AC电源的电力； DC总线，其具有正电压轨和负电压轨； 多个正开关设备，每个正开关设备选择性地将所述AC电源的一相连接到所述DC总线的所述正电压轨； 多个负开关设备，每个负开关设备选择性地将所述AC电源的一相连接到所述DC总线的所述负电压轨； 存储设备，其存储一系列指令；以及 控制器，其配置为执行所述一系列指令以完成以下操作: 确定由所述AC电源产生的电力的大小，以及 执行调制模块以产生用于每个正开关设备的正控制信号和用于每个负开关设备的负控制信号，其中: 当所述AC电源正在产生的电力大小大于第一阈值时在第一运行模式下产生所述控制信号; 当所述AC电源正在产生的电力大小小于所述第一阈值时在第二运行模式下产生所述控制信号； 在所述第二运行模式期间，所述控制器周期性地禁用所述控制信号一段消隐时间。
9.如权利要求8所述的电力变换器，其中在所述第一运行模式期间，所述控制器以固定的调制频率和固定的死区时间执行所述调制模块。
10.如权利要求9所述的电力变换器，其中当所述AC电源正在产生的电力大小小于第二阈值时，在第三运行模式下产生所述控制信号，其中所述第二阈值小于所述第一阈值，并且其中在所述第三运行 模式期间，每个正开关设备被控制以将所述AC电源的每相顺序连接到所述正电压轨并且每个负开关设备被控制以将所述AC电源的每相顺序连接到所述负电压轨。
11.如权利要求10所述的电力变换器，其中所述存储设备存储查找表，所述查找表定义了在所述第三运行模式期间的所述调制频率的变化率，所述调制频率的变化率随当前调制频率而变。
12.如权利要求11所述的电力变换器，其中所述调制频率从大约10千赫变化到大约50赫兹。
13.一种变换来自具有可变的电力产生能力的可再生能源的电力的方法，所述方法包括以下步骤: 监测由所述可再生能源产生的电力水平； 当所产生的电力水平在第一预定阈值以上时，在第一运行模式下通过具有固定调制频率和固定死区时间补偿的脉宽调制控制电力变换器；以及 在第二运行模式下通过具有周期性的消隐时间的脉宽调制控制所述电力变换器，其中所述消隐时间在由所述可再生能源产生的电压的基频的每个周期期间的周期性间隔上重复，并且其中在所述消隐时间期间，所述脉宽调制被禁用。
14.如权利要求13所述的变换电力的方法，所述方法还包括以下步骤:当所产生的所述电力水平低于第二预定阈值时，通过具有可变调制频率和固定导通时间的脉宽调制在第三运行模式下控制所述电力变换器，其中所述第二预定阈值小于所述第一预定阈值。
15.如权利要求14所述的变换电力的方法，其中所述可再生能源产生多相AC输入电压，并且其中在所述第三运行模式下控制所述电力变换器还包括以下步骤: 将来自所述AC输入电压的每一相顺序连接到所述电力变换器中的DC总线的正电压轨；以及 将来自所述AC输入电压的每一相顺序连接到所述电力变换器中的DC总线的负电压轨，其中每一相被交替地连接到所述正电压轨和负电压轨。
16.一种电力变换器，所述电力变换器包括: 输入端，其配置为接收来自AC电源的电力； DC总线，其具有正电压轨和负电压轨； 至少一个正开关设备，其根据相应的正门控信号选择性地将所述输入端连接到所述DC总线的所述正电压轨； 至少一个负开关设备，其根据相应的负门控信号选择性地将所述输入端连接到所述DC总线的所述负电压轨； 存储设备，其存储一系列指令；以及 控制器，其配置为执行所述一系列 指令以完成以下操作: 执行调制例程以产生所述正门控信号和所述负门控信号中的每一个； 确定由所述AC电源产生的电力的大小，当由所述DC电源产生的电力的大小超过第一预定阈值时，在第一运行模式下针对所述正开关设备和所述负开关设备中的每一个产生所述正门控信号和所述负门控信号，以及当由所述DC电源产生的电力的大小小于所述第一预定阈值时，在第二运行模式下针对所述正开关设备和所述负开关设备中的每一个产生所述正门控信号和所述负门控信号，其中 在所述第一运行模式期间，所述控制器在所述调制例程中周期性地插入消隐时间，在所述消隐时间期间禁用所述正门控信号和所述负门控信号，以及 在所述第二运行模式期间，所述正开关设备中的每一个顺序地将所述输入端连接到所述正电压轨，并且所述负开关设备中的每一个顺序地将所述输入端连接到所述负电压轨。
17.如权利要求16所述的电力变换器，其中在所述第二运行模式期间，所述控制器执行电流控制器，所述电流控制器根据在所述AC电源和所述DC总线之间传输的电流改变所述死区时间。
18.如权利要求16所述的电力变换器，其中在所述第二运行模式期间，所述控制器以可变调制周期和固定导通时间执行所述调制例程。
19.如权利要求18所述的电力变换器，其中所述存储设备存储查找表，所述查找表定义了在所述第三运行模式期间的所述调制周期的变化率，所述调制周期的变化率随当前调制周期而变。
【文档编号】H02J3/38GK104011987SQ201280062909
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年12月19日 优先权日:2011年12月19日
【发明者】杰弗里·A·赖卡德, 内森·乔布, 托马斯·艾伦·劳本斯特恩 申请人:Zbb能源公司