有源前端中的电压无传感器位置检测的制作方法
示例实施例一般涉及被配置成用于检测交流(ac)电网的端子处的电网电压矢量的角的设备、系统和/或执行其的方法。
背景技术：
在有源前端(afe)控制系统中，基于锁相环路(pll)的控制方法通常用于基于电网线与线与线间电压信息来检测交流电(ac)的端子处的电网电压矢量的角度。传统上，为了检测ac电网的电网电压矢量的角度，可能需要首先使用附接到ac电网的端子的外部电压传感器来感测电网线与线间电压信息。
技术实现要素：
一些示例实施例涉及一种生成用于有源前端(afe)逆变器的功率开关的脉宽调制(pwm)信号的控制器和/或方法。
在一些示例实施例中，控制器可以包括：存储器，其具有存储在其中的计算机可读指令；以及处理器，其被配置为执行所述计算机可读指令，以：在不使用所述ac电网的端子处的物理电压传感器的情况下，至少基于交流(ac)电网的端子处的合成电网电压矢量角来生成用于控制有源前端(afe)逆变器的功率开关的脉宽调制(pwm)信号，以及基于所述pwm信号来控制所述afe逆变器以向负载供应功率。
附图说明
从下面提供的详细描述和附图中，至少一些示例实施例将变得更完全地被理解，其中，相似的元件由相似的附图标记表示，其仅通过说明的方式给出，并且因此不限制示例实施例，并且其中：
图1是根据一些示例实施例的用于控制负载的系统的框图；
图2示出了根据一些示例实施例的基于电压无传感器位置检测来控制系统的方法；
图3示出了根据一些示例实施例的操作控制器以在系统中，执行电压无传感器位置检测的方法；
图4示出了根据一些示例实施例的电压无传感器位置检测模块，
图5示出了根据一些示例实施例的操作电压无传感器位置检测模块的方法；
图6示出了根据一些示例实施例的估计逆变器端子电压的方法；
图7示出了根据一些示例实施例的包括在电压无传感器位置检测模块中的逆变器端子电压矢量角检测模块的框图；
图8示出了根据一些示例实施例的估计逆变器端子电压矢量角的方法；
图9示出了根据一些示例实施例的估计电网电压矢量角的方法；
图10示出了根据一些示例实施例的生成初始端子电压矢量角的方法；
图11a到11c是示出了根据一些示例实施例的在直接-正交(dq)旋转参考系中的电流和电压矢量的矢量图；以及
图12是示出了根据一些示例实施例的连接到负载的afe逆变器的电路图。
具体实施方式
现在将更充分地参照示出一些示例性实施例的附图以描述多个示例性实施例。
因此，尽管能够对示例性实施例进行各种修改并且形成可替换形式，但是附图通过示例的方法示出所述实施例并且本文将详细描述所述实施例。然而，应该理解，不旨在将示例性实施例限制到公开的具体形式，而是相反，示例性实施例将覆盖落入权利要求的范围内的所有的修改例、等同例和供选例。在对附图的所有描述中，相同的数字指示相同的元件。
将理解，虽然在本文中术语第一、第二等可以用于描述各种元件，但是这些术语不应该限制这些元件。这些术语仅用于区别一个元件与另一元件。例如，第一元件可以被称为第二元件，并且，类似地，第二元件可以被称为第一元件，这没有脱离示例性实施例的范围。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列出项目的任意结合和所有结合。
将理解，当元件被称为“连接”或“耦接”到另一元件时，其可以直接连接或耦接到另一元件或可以存在插入元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一元件时，不存在插入元件。应该以相同方式理解用于描述元件之间的关系的其它措辞(例如“在...之间”与“直接在...之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。
本文中使用的术语仅为了描述具体的实施例并且不旨在限制示例性实施例。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在同样包括复数形式，除非上下文以其他方式明确表示。将进一步理解，当在本文中使用术语“包括”、“包含有”、“包含”和/或“具有”时，指出存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件，但是不排除存在或增加一个或多个其它的特征、整体、步骤、操作、元件、构件和/或其组群。
还应该注意，说明的功能/作用可以以一些可替换的实现方式不按照图中图示的次序出现。例如，实际上可以大致同时执行或有时可以以相反次序执行连续示出的两个图，这取决于涉及的功能/作用。
除非另有规定，否则本文中使用的所有术语具有的意义与示例性实施例属于的技术领域中的人员通常理解的意义相同。将进一步理解，例如限定在通常使用的字典中的那些术语应该理解成具有的意义与其在相关技术的内容中的意义一致，而不应理解成理想化的意义或过度正式的意义，除非本文中明确地如此限定。
示例性实施例和对应的详细描述的部分被根据软件、或关于计算机存储器中数据位的操作的算法和符号表示来呈现。这些描述和表示是本领域的技术人员向本领域的其他技术人员有效表达其工作的实质的方式。算法，作为本文使用的术语，并且如其被通常使用的那样，被认为是通向结果的一序列有条理的步骤。该步骤对物理量进行要求的物理操纵。通常，虽然不一定，这些物理量采取能够被存储、传送、组合、比较、和以其他方式操纵的光信号、电信号、或磁信号的形式。主要由于普遍使用的原因，有时方便地将这些信号称为位、值、要素、符号、字符、术语、数字等。
在以下描述中，将参照可以实施为程序模块或功能性过程的操作的行为和符号表示(例如，以流程图的形式)来描述说明性实施例，所述程序模块或功能性过程包括例程、程序、目标、成分、数据结构等、执行具体任务或实施特定的抽象数据类型、并且可以使用现有的硬件执行。该现有硬件可以包括一个或多个中央处理器(cpu)、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列计算机(fpga)等。
然而，应该明白，所有的这些术语和类似的术语将与适当的物理量相关并且仅是应用于这些物理量的方便的符号。除非以其他方式具体地规定，或如从讨论所显而易见的，诸如“处理”或“运算”或“计算”或“确定”或“显示”等术语指计算机系统或类似的电子计算装置的动作和过程，所述动作和过程操作被表示为计算机系统的寄存器和存储器中的物理电子量的数据并且将其转换成类似地表示为计算机系统存储器或寄存器或其它的这种信息存储、传送或显示装置中的物理量的其它数据。
在包括下面的定义的本中请中，术语“模块”或术语“控制器”可以用术语“电路”代替。术语“模块”可以指代如下硬件、是如下硬件的一部分或包括如下硬件：执行代码的处理器硬件(该处理器硬件是共享的、专用的或组合的)；和存储由处理器硬件执行的代码的存储器硬件(该存储器硬件是共享的、专用的或组合的)。
模块可以包括一个或多个接口电路。在一些示例中，接口电路可以包括连接到局域网(lan)、因特网、广域网(wan)或其组合的有线或无线接口。本公开的任何给定模块的功能可以分布在经由接口电路连接的多个模块之间。例如，多个模块可以允许负载平衡。在另一个示例中，服务器(也称为远程或云)模块可以代表客户端子模块完成某些功能。
此外，本发明的至少一个实施例涉及一种非暂时性计算机可读存储介质，该存储介质包括存储在其上的电子可读控制信息且被配置为使得当存储介质用在磁共振装置的控制器中时至少一个实施例方法被执行。
更进一步地，任何前述方法可以以程序的形式体现。程序可以存储在非暂时性计算机可读介质上，并且适于在计算机装置(包括处理器的装置)上运行时执行上述方法中的任何一种。因此，非暂时性有形计算机可读介质适于存储信息，并且适于与数据处理设施或计算机装置交互以执行任何上述实施例的程序和/或执行任何上述实施例的方法。
计算机可读介质或存储介质可以是安装在计算机装置主体内或可移动介质内的内置介质，该可移动介质被布置成使得其可以与计算机装置主体分离。这里使用的术语“计算机可读介质”不包括通过介质传播的瞬时电信号或电磁信号(例如载波上)；因此，术语“计算机可读介质”被认为是有形的和非暂时的。非暂时性计算机可读介质的非限制性示例包括但不限于：可重写非易失性存储器装置(包括例如闪存装置、可擦除可编程只读存储器装置或掩模只读存储装置)；易失性存储器装置(包括例如静态随机存取存储器装置或动态随机存取存储器装置)；磁存储介质(包括例如模拟或数字磁带或硬盘驱动器)；和光学存储介质(包括例如cd，dvd或监光盘)。具有内置可重写非易失性存储器的介质的示例包括但不限于存储卡；和带有内置rom的介质，包括但不限于rom盒。此外，关于存储图像的各种信息(例如，属性信息)可以以任何其他形式存储，或者可以以其他方式提供。
如上所使用的术语“代码”可以包括软件、固件和/或微代码，并且可以指代程序、例程、函数、类别、数据结构和/或对象。共享的处理器硬件包含单个微处理器，其执行来自多个模块的一些或所有代码。组合的处理器硬件包括微处理器，其与附加的微处理器组合以执行来自一个或多个模块的一些或所有代码。对多个微处理器的引用包括多个分立芯片上的多个微处理器，单个芯片上的多个微处理器，单个微处理器的多个核，单个微处理器的多个线程，或上述的组合。
共享的存储器硬件包含单个存储器装置，其存储来自多个模块的一些或所有代码。组合的存储器硬件包括存储器装置，该存储器装置与其他存储器装置组合以存储来自一个或多个模块的一些或所有代码。
术语“存储器硬件”是术语“计算机可读介质”的子集。这里使用的术语“计算机可读介质”不包括通过介质传播的瞬时电信号或电磁信号(例如载波上)。因此，术语“计算机可读介质”被认为是有形的和非暂时的。非暂时性计算机可读介质的非限制性示例包括但不限于：可重写非易失性存储器装置(包括例如闪存装置、可擦除可编程只读存储器装置或掩模只读存储装置)；易失性存储器装置(包括例如静态随机存取存储器装置或动态随机存取存储器装置)；磁存储介质(包括例如模拟或数字磁带或硬盘驱动器)；和光学存储介质(包括例如cd，dvd或蓝光盘)。具有内置可重写非易失性存储器的介质的示例包括但不限于存储卡；和带有内置rom的介质包括但不限于rom盒；此外，关于存储图像的各种信息(例如，属性信息)可以以任何其他形式存储，或者可以以其他方式提供。
传输介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤或本领域已知的一些其它合适的传输介质。
示例实施例可以具有不同的形式和/或被组合，并且不应被解释为限于本文阐述的描述。
在一个或多个示例实施例中，通过基于逆变器门驱动信号估计逆变器端子电压(例如，逆变器开关和二极管上的电压降)，并且随后使用基于pll的位置检测方法估计由三相逆变器端子电压构造的复合电压矢量的角，数据处理系统可以在逆变器自感测模式期间直接从afe逆变器端子估计电网输入线与线间电压信息。
为了精确地控制电网输入电压端子处的afe系统功率因数，通过将估计的逆变器电压矢量角从逆变器端子电压转换成与电网输入端子处的电压相对应的电网电压矢量角，数据处理系统可补偿电网输入电压端子与afe逆变器端子之间的阻抗上的电压降。
图1是根据一些示例实施例的用于控制负载的系统的框图，并且图2示出了根据一些示例实施例的控制该系统的方法。
参考图1和2，系统1000可以包括数据处理系统100诸如控制器、交流(ac)变压器200和连接到交流(ac)电网400的电感器电阻器(lr)线路滤波器300、有源前端(afe)逆变器500和afe负载800。在一些示例实施例中，afe负载800可以包括逆变器600和诸如内部永磁(ipm)马达的负载700。
数据处理系统100可以是但不限于处理器、中央处理单元(cpu)、控制器、算术逻辑单元(alu)、数字信号处理器、微型计算机、场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)、片上系统(soc)、可编程逻辑单元、微处理器或能够以定义的方式执行操作的任何其它设备。在示例实施例中，数据处理系统100可以包括处理器和存储器以支持一个或多个软件模块的软件指令的存储、处理和执行。
如下文所论述，数据处理系统100可基于从afe逆变器500接收的信号来控制afe逆变器500。
在一些示例实施例中，数据处理系统100的处理器可在不使用ac电网的端子处的物理电压传感器的情况下，至少基于交流(ac)电网的端子处的合成电网电压矢量角来生成用于控制有源前端(afe)逆变器的功率开关的脉宽调制(pwm)信号，并且基于pwm信号来控制afe逆变器以向负载供电。
在一些示例实施例中，处理器可通过在不使用物理电压传感器的情况下估计ac电网的端子处的合成电网电压矢量角来生成pwm信号。
在一些示例实施例中，处理器被配置为通过以下操作来生成pwm信号：将测量的电流从静止参考系中的测量的3相位电流转换成dq旋转参考系中的测量的直接-正交(dq)轴电流，基于ac电网端子参考功率因数来生成q轴参考电流，基于实际dc总线电压和参考dc总线电压来生成d轴参考电流，实际dc总线电压连接到负载，d轴参考电流和q轴参考电流形成dq轴参考电流，基于dq旋转参考系中的测量的dq轴电流和dq轴参考电流来生成dq轴参考电压，以及基于合成电网电压矢量角，通过转换dq轴参考电压来生成用于afe逆变器的3相门驱动信号，3相门驱动信号是pwm信号。
在一些示例实施例中，处理器被配置为生成pwm信号，使得afe逆变器维持连接到负载的实际dc总线电压。
在一些示例实施例中，处理器被配置为通过以下操作来估计合成电网电压矢量角：估计afe逆变器在逆变器被启用时的端子电压，afe逆变器的端子电压是afe逆变器的端子的电压；估计afe逆变器在afe逆变器被禁用时的第一afe逆变器端子电压矢量角，第一afe逆变器端子电压矢量角是与afe逆变器的端子在初始时间处的电压矢量相关联的角；确定当afe逆变器被启用时的第二afe逆变器端子电压矢量角，第二afe逆变器端子电压矢量角是与afe逆变器的端子在初始时间之后的第二时间的电压矢量相关联的角；以及基于第二afe逆变器端子电压矢量角来估计合成电网电压矢量角，合成电网电压矢量角是与ac电网的端子的电压矢量相关联的角。
在一些示例实施例中，如果逆变器被启用，则处理器被配置为：通过基于与afe逆变器的功率开关相关联的状态信号和功率开关上的对应电压降来估计afe逆变器的端子的3相线与中性线间的电压，来估计afe逆变器的端子电压。
在一些示例实施例中，处理器被配置为：通过检查与afe逆变器的功率开关中的每个功率开关相关联的集电极-发射极电压，来估计3相线与中性线间的电压。
在一些示例实施例中，如果逆变器被禁用，则处理器被配置为通过以下操作来估计第一afe逆变器端子电压矢量角：检测当afe逆变器的端子的电压过零时的过零时刻，基于过零时刻来计算afe逆变器端子电压矢量角频率，afe逆变器端子电压矢量角频率是afe逆变器的端子的电压的以弧度/秒为单位的角频率，并且基于afe逆变器端子电压矢量角频率和afe逆变器端子电压矢量的与所述过零时刻中的最近一个过零时刻相对应的位置来计算第一afe逆变器端子电压矢量角。
在一些示例实施例中，处理器被配置为通过以下操作来估计第二afe逆变器端子电压矢量角：当禁用逆变器时使用第一afe逆变器端子电压矢量角来初始化锁相环路(pll)，并且当启用逆变器时使用afe逆变器的端子的3相线与中性线间的电压来运行锁相环路(pll)。
在一些示例实施例中，处理器被配置为：通过运行pll以将第二afe逆变器端子电压矢量角与dq旋转参考系的d轴对准，来估计第二afe逆变器端子电压矢量角。
在一些示例实施例中，当afe逆变器被启用时，处理器被配置成：通过运行pll来连续地估计第二afe逆变器端子电压矢量角，计算第二afe逆变器端子电压矢量角与d轴之间的位置误差，通过使用pi控制器以调节位置误差来计算第二afe逆变器端子电压矢量角的角频率，以及通过对角频率进行积分来计算第二afe逆变器端子电压矢量角。
在一些示例实施例中，处理器配置成：通过补偿由于afe逆变器的端子与ac电网的端子之间的滤波器上的电压降而引起的相移，来估计ac电网电压矢量角。
在一些示例实施例中，滤波器是lcl线路滤波器和lr线路滤波器之一。
在一些示例实施例中，处理器被配置为基于合成电网电压矢量角将测量的电流从测量的3相位电流转换为测量的dq轴电流。
在一些示例实施例中，处理器被配置为：通过比较实际dc总线电压和参考dc总线电压，并且使用pi控制器来生成d轴参考电流，来生成d轴参考电流。
在一些示例实施例中，处理器配置成基于ac电网端子参考功率因数和d轴参考电流来生成q轴参考电流。
在一些示例实施例中，处理器被配置为：通过基于将d轴参考电流和q轴参考电流分别与测量的dq轴电流的d轴值和测量的dq轴电流的q轴值进行比较的结果生成比较信号，并且基于比较信号生成dq轴参考电压，来生成dq轴参考电压。
在一些示例实施例中，处理器被配置成：通过补偿与数字处理相关联的时间延迟以生成精确化的合成电网电压矢量角来精确化合成电网电压矢量角；以及基于dq轴参考电压和精确化的合成电网电压矢量角来生成用于afe逆变器的3相门驱动信号，其中3相门驱动信号被传送至afe逆变器，以切换afe逆变器的功率开关中所包括的多个半桥。
数据处理系统100可以包括电压无传感器位置检测模块110、abc/dq变换模块120、pi控制器130、无功功率控制模块140、电流调节控制器150和pwm生成模块160。图4中更详细地示出了电压无传感器位置检测模块110。
如下文所讨论的，数据处理系统100可在不使用附接到ac电网400的端子的物理电压传感器的情况下估计电网电压矢量角θg，基于估计的电网电压矢量角θg生成用于控制afe逆变器500的功率开关的脉宽调制(pwm)信号，以及基于pwm信号操作负载800。
参照图2，在操作s100中，ac电网400可供应或消耗ac功率以在dc总线上保持稳定的dc总线电压vdc。dc总线电连接afe逆变器500和负载逆变器600。dc总线可模仿为电容器，其消耗来自ac电网400的电功率，并且将电功率供应给负载800。例如，当dc总线电压vdc小于参考dc总线电压
在操作s200中，三相ac变压器200可在高三相ac电压和低三相ac电压之间转换。
在操作s300中，lr线路滤波器300可以滤除线路上的电流谐波。例如，lr线路滤波器300可以是预先设计的lr滤波器。lr线路滤波器300可被实施为连接在afe逆变器500和三相ac变压器200之间的长电缆，其长度基于线路上的电流谐波来确定。
在其他示例实施例中，系统1000可以包括在afe逆变器500与三相ac变压器200而不是lr滤波器300之间的电感器-电容器-电感器型滤波器或lcl滤波器(未示出)，使得数据处理系统100被配置为补偿由于lcl滤波器(未示出)上的电压降而导致的相移。
在操作s400中，数据处理系统100可估计电网电压矢量角θg，基于估计的电网电压矢量角θg生成脉宽调制(pwm)信号，以控制afe逆变器500的功率开关。以下参考图4中所示的子操作更详细地讨论操作s400。
例如，电压无传感器位置检测模块110可估计被定义为旋转的dq轴坐标系的d轴取向的电网电压矢量角θg，而不使用附接到ac电网端子400的物理电压传感器。此后，数据处理系统100可基于估计的电网电压矢量角θg生成脉宽调制(pwm)信号以控制afe逆变器500的功率开关。
下面将参照图3至图11讨论数据处理系统100的操作的细节，其包括由电压无传感器位置检测模块110估计电网电压矢量角θg以及基于此生成pwm信号。
在操作s500中，afe逆变器500可向/从ac电网400供应/消耗功率以调节dc总线电压。例如，当dc总线电压小于参考dc总线电压
afe逆变器500可以包括功率电子器件，例如开关半导体，以生成、修改和/或控制施加到dc总线的pwm信号或其他交流信号(例如，脉冲、方波、正弦或其他波形)以操作负载800。
在操作s600中，逆变器600可向/从负载700供应/消耗电力。例如，逆变器600可以将电力供应到负载700。在这种情况下，逆变器600从dc总线汲取功率。或者，当负载700作为发电机运行时，逆变器600也可消耗来自负载700的机械功率。在这种情况下，逆变器600向dc总线提供电力。
逆变器600可以包括功率电子器件，例如开关半导体，以生成、修改和控制施加到负载700的脉宽调制信号或其它交流电信号(例如，脉冲、方波、正弦或其它波形)。单独的pwm生成模块向逆变器600内的驱动器级提供输入。逆变器600的输出级提供脉宽调制电压波形或其它电压信号以控制负载700。在示例实施例中，逆变器600由直流(dc)电压总线电压vdc供电。
在操作s700中，负载700可消耗来自逆变器600的功率。在这种情况下，逆变器600消耗来自dc总线的功率。或者，当负载700作为发电机运行时，负载700也可向逆变器600提供功率并且逆变器600可将功率提供回dc总线。
图3示出了根据一些示例实施例的操作控制器以在系统中执行电压无传感器位置检测的方法。
参照图1至图3，在图2示出的操作s400中，数据处理系统100通过执行下面讨论的操作s110至s160可估计电网电压矢量角θg，并基于估计的电网电压矢量角θg生成脉宽调制(pwm)信号以控制afe逆变器500的功率开关。
在操作s110中，当逆变器开关被启用时，电压无传感器位置检测模块110可从afe逆变器500接收功率开关状态信息，当逆变器开关被禁用时，电压无传感器位置检测模块110从afe逆变器500接收检测到的相位电压过零信号，并且基于这些信号而不使用附连至ac电网端子400的物理电压传感器来估计被定义为旋转dq轴的d轴取向的电网电压矢量角θg。因此，可以从afe控制系统移除笨重且昂贵的外部电压传感器。下面将参照图4至图11更详细地讨论操作s110。
在操作s120中，abc/dq变换模块120可以接收3相电网电流ic、ib、ia并且基于估计的电网电压矢量角θg执行克拉克/帕克(clarke/park)变换(abc到dq)，以将3相电网电流转换成dq旋转参考系中的q轴电流iq和d轴电流id。
dq轴电流可以指在矢量控制交流机器(诸如负载700)的背景下适用的dq旋转参考系中的直轴电流和交轴电流。
abc/dq变换模块120可以应用克拉克变换和帕克变换或其它转换方程(例如，对于本领域普通技术人员来说合适且已知的某些转换方程)，以基于电流数据ia、ib和ic和估计的电网电压矢量角θg将测量的三相表示的电流转换为两相表示的电流。
在操作s130中，pi控制器130可以接收测量的dc总线电压vdc和参考dc总线电压
在操作s140中，无功功率控制模块140可基于从高级系统控制单元(未示出)接收的参考功率因数pf*生成q轴参考电流i*q。可以基于用户的系统控制要求，针对系统1000根据经验确定参考功率因数pf*。从操作s140生成q轴参考电流i*q以确保系统1000正在使确定的d轴参考电流i*d满足对参考功率因数pf*的要求。
在操作s150中，电流调节控制器150可以利用d轴参考电流i*d和q轴参考电流i*q作为参考电流，以生成dq轴参考电压v*d和v*q。例如，电流调节控制器150可以接收iq与i*q之间的差以及id与i*d之间的差，并且可以由此生成dq轴参考电压v*d和v*q。电流调节控制器150可以包括两个闭环pi控制器以及dq轴交叉耦合解耦模块，以使d轴电流id和q轴电流iq跟踪它们各自的参考i*d和i*q。d轴电流调节器及q轴电流调节器的输出分别为d轴参考电压v*d及q轴参考电压v*q。
在操作s160中，pwm生成模块160从电流调节控制器150接收dq旋转参照系的dq轴参考电压v*d、v*q，基于估计的电网电压矢量角θg而将dq旋转参照系的dq轴参考电压v*d、v*q转换为aβ静止坐标系的a轴电压命令
在其它示例实施例中，pwm生成模块160可以进一步处理估计的电网电压矢量角θg，以通过使用pll生成的频率将估计的电网电压矢量角θg外推一个半控制周期，来生成精确化的估计的电网电压矢量角θg′，以补偿与数字处理相关联的延迟。此后，pwm生成模块160可以使用精确化的估计的电网电压矢量角θg′来将dq轴参考电压v*d和v*q转换为处于aβ参考系中的aβ电压命令
图4示出根据一些示例实施例的电压无传感器位置检测模块，而图5示出根据一些示例实施例的操作电压无传感器位置检测模块的方法。
参照图4和图5，电压无传感器位置检测模块110可包括逆变器端子电压估计模块112、逆变器端子电压矢量角检测模块114、电网电压矢量角估计模块116和初始电网电压矢量角检测模块118。
在图3中所示的操作s110中，数据处理系统100的电压无传感器位置检测模块110可通过执行下面讨论的图5中所示的操作s112至s118来估计电网电压矢量角θg。
在操作s112中，逆变器端子电压估计模块112可基于来自afe逆变器500的功率开关状态信息(或者，on/off状态信号)和功率开关上的二极管电压降来估计逆变器端子电压van、vbn和vcn。下面将参照图6更详细地讨论操作s112。
在操作s114中，逆变器端子电压矢量角检测模块114可基于从逆变器端子电压估计模块112接收的逆变器端子电压van、vbn和vcn以及初始逆变器电压矢量角θi_init来生成逆变器端子电压矢量角θi。逆变器端子电压矢量角检测模块114可包括比例和积分(pi)控制器(见图7)以调节位置误差，从而迫使dq旋转参考系中的q轴电压vq为0，使得pi控制器的输出将为逆变器端子电压矢量角频率ω。下面将参照图7和图8更详细地讨论操作s114。
在操作s116中，电网电压矢量角估计模块116可基于从逆变器端子电压矢量角检测模块114接收的逆变器端子电压矢量角θi来估计电网电压矢量角θg，而不使用物理电压传感器。下面将参照图9更详细地讨论操作s116。
如上所述，电网电压矢量角估计模块116可将估计的电网电压矢量角θg提供给abc/dq变换模块120，并且abc/dq变换模块120可使用估计的电网电压矢量角θg对3相电网电流ia、ib和ic执行abc-dq转换，以将3相电网电流ia、ib和ic转换成dq旋转参考系中的q轴电流iq和d轴电流id。
在操作s118中，初始电网电压矢量角检测模块118可从afe逆变器500接收相位电压过零信号，并且可生成初始逆变器电压矢量角θi_init，以初始化逆变器端子电压相位角检测模块114中的锁相环路(pll)控制器。因此，pll控制器可以以正确的初始逆变器端子电压矢量角θi_init开始。在逆变器端子电压矢量角检测模块114中，pll控制器用于检测逆变器端子电压矢量角θi。将在下面参考图10更详细地讨论操作s118。
图6示出了根据一些示例实施例的估计逆变器端子电压的方法，并且图12是示出了根据一些示例实施例的连接到负载的afe逆变器的电路图。
参照图1至图6和图12，在操作s112-1中，逆变器端子电压估计模块112可以基于功率开关状态信息来确定相位电流方向。例如，当a相顶部开关(见图12)接通时，a相位电流的方向被定义为正方向(+ia)。
在操作s112-2中，逆变器端子电压估计模块112可使用以下等式计算瞬时相位电压van、vbn和vcn。
如果相位电流ix(下标‘x’表示相位a、b或c)为正(图12所示的情况)，则可计算以下瞬时vxn(下标‘x’表示相位a、b或c)值：
vxn＝(vdc-vigbt)＝顶部开关接通等式1
或者
vxn＝(-vdiode)＝顶部开关断开
如果相位电流ix为负，则可以计算以下瞬时vxn值：
vxn＝(vdc+vigbt)＝底部开关断开等式2
或者
vxn＝(+vdiode)＝底部开关接通
在操作s112-3中，逆变器端子电压估计模块112可以使用以下等式来计算afe逆变器500的端子a与端子b之间的线与线间电压vab以及afe逆变器500的端子c与端子a之间的线与线间电压vca：
通过检查逆变器功率开关集电极到发射极电压来估计afe逆变器端子x与dc总线的负轨之间的等式3中的电压vxn(下标‘x’表示相位a、b或c)。
然而，线与线间电压vab和vca仅是线与线间电压的一个示例，并且逆变器端子电压估计模块112可以计算afe逆变器500的各个端子之间的其他线与线间电压。
在操作s112-4中，逆变器端子电压估计模块112可使用以下等式计算线与中性线间电压van、vbn和vcn：
因此，在操作s114中，可以使用线与中性线间电压vanvbn和vcn来估计逆变器电压矢量角θi。因此，在一个或多个示例实施例中，系统1000可检测逆变器端子电压van、vbn和vcn，而不使用ac电网400的端子处的物理电压传感器。
图7示出了逆变器端子电压矢量角检测模块114的框图，而图8示出了根据一些示例实施例的估计逆变器端子电压矢量角的方法。
参照图1至图5、图7和图8，在操作s114-1中，逆变器端子电压矢量角检测模块114可基于逆变器端子线与中性线间电压van、vbn、vcn和逆变器端子电压矢量角θi、使用下式中的帕克变换来计算旋转dq参考系中的d轴电压vd和q轴电压vq：
在操作s114-2中，逆变器端子电压矢量角检测模块114可以计算位置误差δθi。逆变器端子电压矢量角检测模块114可以使用以下等式计算位置误差δθi：
在操作s114-3中，逆变器端子电压矢量角检测模块114基于所述位置误差δθi计算所述相位角频率ω。
例如，逆变器端子电压矢量角检测模块114可以使用pi控制器来调节位置误差δθi以迫使q轴电压vq为0，这意味着旋转的dq参考系中的d轴将被迫与电网电压矢量对准，因此pi控制器的输出是电网电压矢量角频率ω。
在操作s114-4中，逆变器端子电压矢量角检测模块114可以利用以下等式来计算逆变器电压矢量us的角θi：
此后，逆变器端子电压矢量角检测模块114可以返回到操作s114-1，并且重新计算d轴电压vd和q轴电压vq，使得在锁相环路(pll)中迭代地执行操作s114-1至s114-4以达到收敛。
操作s114-1至s114-4在图7中以方框图的形式示出。
图9示出根据一些示例实施例的估计电网电压矢量角θg的方法。图11a到11c是示出根据一些示例实施例的dq旋转参考系中的电流和电压矢量的矢量图。
参照图11a至11c，在图11a至11c中，δv是afe逆变器500的端子处的逆变器端子电压矢量us与ac电网400的端子处的电网电压矢量ug之间的电压矢量差，即δv＝us-ug。角β是q轴电压矢量vq与电压矢量差δv之间的角；角α是d轴电压矢量vd和矢量jωlis之间的角。在图11a到11c中，角α和β用作中间计算角，以计算代表θi和θg之间的差值的调整角θ，并且角ψ是幂因数角。角ψ、β和定义如下：
由于0＜＝|pf*|＜＝1，
在图11a中，由于参考功率因数pf*的绝对值为1，因此afe逆变器500以统一的参考功率因数pf*向/从ac电网400供给/消耗功率。在图表a1中，afe逆变器500向ac电网400供应功率。在图表a2中，afe逆变器500消耗来自ac电网400的功率。在两种情况下，功率因数角ψ等于0(is＞0和is＜0)，并且角α为：
在以下等式中，r和l分别是lr线路滤波器300的电阻值和电感值；is是afe逆变器相位参考电流矢量is的带符号幅值。
其中
根据图表a1，当(is＞0并且|pf*|＝1)时，可使用以下等式计算β、vd以及vq：
根据图表a2，当(is＜0并且|pf*|＝1)时，可使用以下等式计算β、vd以及vq：
在图11b中，afe逆变器500以非统一的参考功率因数pf*向ac电网400供应功率。在图表b1中，参考功率因数pf*大于0，并且逆变器电流矢量is引导(1ead)电网电压矢量ug。在图表b2中，参考功率因数pf*小于0，电网电压矢量ug引导逆变器电流矢量is。
根据图表b1，当(is＞0并且pf*＞0)时，β、vd和vq能够使用以下等式计算：
根据图表b2，当(is＞0并且pf*＜0)时，β、vd和vq能够使用以下等式计算：
在图11c中，afe逆变器500以非统一的参考功率因数pf*消耗来自ac电网400的功率。在图表c1中，参考功率因数pf*大于0，并且反向的逆变器电流矢量is引导电网电压矢量ug。在图表c2中，参考功率因数pf*小于0，并且电网电压矢量ug引导逆变器电流矢量is。
根据图表c1，当(is＜0并且pf*＞0)时，vd和vq能够使用以下等式计算：
根据图表c2，当(is＜0并且pf*＜0)时，vd和vq能够使用以下等式计算：
如以下参照图9更详细讨论的，基于以上对图11a至11c中的所有情况的分析，电网电压矢量角估计模块116可选择以下等式中的不同等式来计算从afe逆变器500端子到ac电网400端子的调整角θ：
因此，考虑逆变器端子电压矢量角θi和电网电压矢量角θg之间的相移的补偿位置可以使用以下等式来计算：
θg＝θi+θ等式19
参照图1至5、9以及11a至11c，使用上面讨论的等式18和19中的各种等式，电网电压矢量角估计模块116可计算电网电压矢量角θg。
在操作s116-1中，电网电压矢量角估计模块116可使用以下等式基于参考功率因数pf*计算要求的功率因数角ψ：
ψ＝cos-1(|pf*|)等式20
在操作s116-2中，电网电压矢量角估计模块116可确定参考功率因数pf*的绝对值是否等于1或参考功率因数pf*是否小于零，并且电网电压矢量角估计模块116将使用关于参考功率因数pf*的该信息来确定包括在等式18中的哪个等式将被用于计算中间计算角β和d轴电压vd。
在操作s116-3中，电网电压矢量角估计模块116可基于在操作s116-1中确定的功率因数角ψ、在操作s114中计算的电网电压矢量角频率ω以及已知的线路滤波器参数l和r来计算中间计算角β，所述线路滤波器参数l和r分别是lr线路滤波器300的电感值和电阻值。此外，电网电压矢量角估计模块116可基于中间计算角β、线路滤波器参数r和l、在操作s114中计算出的电网电压矢量角频率ω、afe逆变器相位电流矢量参考is的带符号幅值和电网电压矢量ug的幅值来计算d轴电压vd。
电网电压矢量角估计模块116可基于参考功率因数pf*使用包括在等式18中的多个等式中的不同等式来计算角β和d轴电压vd。
例如，如果参考功率因数pf*的绝对值等于1或者参考功率因数小于零，则电网电压矢量角估计模块116可以使用以下等式来确定角β和vd：
β＝ψ+tan-1(r/ωl)
或者，如果参考功率因数pf*的绝对值不为1或者参考功率因数pf*大于或等于0，则电网电压矢量角估计模块116可以使用以下两个等式来确定角β和vd：
β＝ψ-tan-1(r/ωl)
在操作s116-4中，电网电压矢量角估计模块116可基于在操作s116-3中确定的角β、线路滤波器参数l和r、在操作s114中计算的电网电压矢量角频率ω以及afe逆变器相位电流矢量参考is的幅值来计算q轴电压vq。例如，电网电压矢量角估计模块可以使用以下等式来计算vq：
在操作s116-5中，电网电压矢量角估计模块116可确定逆变器相位电流矢量is的带符号幅值是正还是负，并且电网电压矢量角估计模块116可基于逆变器相位电流矢量is的带符号幅值确定等式18中的哪个等式用于计算调整角θ。
在操作s116-6中，电网电压矢量角估计模块116可基于在操作s116-5中确定的等式来计算调整角θ，使得使用包括在等式18中的多个等式中的不同等式以基于逆变器相位电流矢量is的带符号幅值来确定调整角θ。
在操作s116-7中，电网电压矢量角估计模块116可基于在操作s116-6中确定的调整角θ和在操作s114中确定的逆变器端子电压矢量角θi来计算电网电压矢量角θg。
图10示出了根据一些示例实施例的生成初始逆变器端子电压矢量角的方法。
参考图1至图5和图10，在操作s118-1中，初始逆变器端子电压矢量角检测模块118可以检测逆变器端子电压过零时刻，并且记录afe逆变器500被禁用时的时间戳。例如，可以利用诸如psoc芯片的硬件设备来检测逆变器端子电压us的过零时刻。
基于在每个过零时刻记录的时间戳信息，初始逆变器端子电压矢量角检测模块118可在afe逆变器500被启用之前估计逆变器端子电压矢量us的角θi，并且使用所估计的逆变器端子电压矢量us的角θi来初始化pll控制器。
在操作s118-2中，初始端子电压矢量角检测模块118可以基于afe逆变器500被启用之前的逆变器端子电压过零时刻来计算逆变器端子电压角频率ω。例如，初始端子电压矢量角检测模块118可以使用以下等式以弧度/秒为单位计算逆变器端子电压角频率ω：
ω＝π/δt等式23
其中δt是在两个过零时刻之间的以秒为单位的时间戳差。
在操作s118-3中，初始端子电压矢量角检测模块118可基于逆变器端子电压角频率ω计算初始逆变器端子电压矢量角θi_init。例如，初始逆变器端子电压矢量角检测模块118可以使用以下等式来计算初始逆变器端子电压矢量角θi_init：
其中θi_init是计算的初始逆变器端子电压矢量角，并且θ过零是对应于最近过零时刻的逆变器端子电压矢量角。
初始端子电压矢量角检测模块118可以向逆变器端子电压矢量角检测模块114提供初始逆变器端子电压矢量角θi_init。如上所述，逆变器端子电压矢量角检测模块114可使用初始逆变器端子电压矢量角θi_init来初始化逆变器端子电压矢量角检测模块114中的pll控制器的积分器。因此，pll控制器可以从正确的初始逆变器端子电压矢量角θi_init开始，而不使用ac电网端子400处的庞大体积的传感器。
因此，将显而易见的是，示例实施例可以以许多方式进行改变。这些变化不应被认为是脱离示例实施例的精神和范囤，并且对于本领域技术人员显而易见的是所有这些修改都旨在包括在权利要求的范围内。
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