具有在白天和夜晚运作的功率因数校正的三相功率转换的制作方法
【专利说明】具有在白天和夜晚运作的功率因数校正的三相功率转换
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求提交于2013年3月14日的标题为“Three-phase Power Convers1nwith Power Factor Correct1n Operat1nal Day and Night”的美国专利申请61/782429和提交于2014年3月 12 日的标题为“Three-Phase Power Convers1n With Power FactorCorrect1n Operat1nal Day and Night”的美国专利申请14/206389的优先权和权益，通过引用将上述两个申请的公开并入本文。
【背景技术】
[0003]无功功率对电力供应商而言是重大问题，因为无功功率减少有功功率的输送并且增加功率损耗。可以对无功功率进行校正的系统越来越引起关注。在一些国家中出现了强制大型发电设备(诸如公用事业规模的太阳能设施)在接到相关要求时引入指定数量的校正的无功功率。
[0004]引入校正的无功功率(或功率因数校正)的一个方法是接入大量的无功部件(诸如电容器)。替代的方法是使用有源电子器件引入无功功率。普遍使用三相H桥来产生三相无功功率。
【发明内容】
[0005]根据本发明，提供用于控制经由三相AC电网传送的三相AC功率功率的因数校正(PFC)的系统和方法。监测并使用电网上的电流和电压以产生使能对开关电路的动态控制的波形数据，用于控制电流和电压之间的一个或多个相位补偿。
[0006]根据本发明的一个实施例，提供用于控制具有功率信号频率和一个或多个电压-电流(V-1)相位补偿的三相AC功率的功率因数校正(PFC)的系统，包括:
[0007]频率控制逻辑，通过提供频率控制数据来响应多个数据，通过用下列数据来处理三相AC功率的集合的相位数据和起始频率数据中的至少一个:
[0008]与所述三相AC功率的电压和电流中的一个的各自相位相关的第一测量的功率数据，以及
[0009]与所述功率信号频率对应的合成的频率数据；
[0010]频率合成器逻辑，与所述频率控制逻辑耦合，并且通过提供合成的频率数据来响应所述频率控制数据；
[0011]相位控制逻辑，与所述频率合成器逻辑耦合，并且通过提供相位控制数据来响应另一多个数据，通过用合成的频率数据和与所述三相AC功率的电压和电流中的另一个相关的第二测量的功率数据来处理所述三相AC功率的期望的相位补偿数据和起始相位补偿数据中的至少一个，以及
[0012]波形合成器逻辑，与所述相位控制逻辑耦合，并且通过提供与所述三相AC功率的各自相位对应的合成的波形数据来响应所述相位控制数据。
[0013]根据本发明的另一个实施例，提供用于控制具有功率信号频率和一个或多个电压-电流(V-1)相位补偿的三相AC功率的功率因数校正(PFC)的方法，包括编程为执行以下处理的逻辑电路:
[0014]通过提供频率控制数据来响应多个数据，通过用下列数据来处理三相AC功率的集合的相位数据和起始频率数据中的至少一个:
[0015]与所述三相AC功率的电压和电流中的一个的各自相位相关的第一测量的功率数据，以及
[0016]与所述功率信号频率对应的合成的频率数据；
[0017]通过提供合成的频率数据来响应所述频率控制数据；
[0018]通过提供相位控制数据来响应另一多个数据，通过用合成的频率数据和与所述三相AC功率的电压和电流中的另一个相关的第二测量的功率数据来处理所述三相AC功率的期望的相位补偿数据和起始相位补偿数据中的至少一个，以及
[0019]通过提供与所述三相AC功率的各自相位对应的合成的波形数据来响应所述相位控制数据。
[0020]根据本发明的另一个实施例，提供为具有功率信号频率和一个或多个电压-电流(V-1)相位补偿的三相AC功率控制功率因数校正(PFC)的方法，包括:
[0021]通过提供频率控制数据来响应多个数据，通过用下列数据来处理三相AC功率的集合的相位数据和起始频率数据中的至少一个:
[0022]与所述三相AC功率的电压和电流中的一个的各自相位相关的第一测量的功率数据，以及
[0023]与所述功率信号频率对应的合成的频率数据；
[0024]通过提供合成的频率数据来响应所述频率控制数据；
[0025]通过提供相位控制数据来响应另一多个数据，通过用合成的频率数据和与所述三相AC功率的电压和电流中的另一个相关的第二测量的功率数据来处理所述三相AC功率的期望的相位补偿数据和起始相位补偿数据中的至少一个，以及
[0026]通过提供与所述三相AC功率的各自相位对应的合成的波形数据来响应所述相位控制数据。
【附图说明】
[0027]图1描述了根据本发明的示例实施例的用于功率因数校正的系统的整体架构。
[0028]图2描述了适合用于图1的系统中的DC到AC块。
[0029]图3描述了适合用于图1的系统中的滤波器块以及电压和电流换能器块。
[0030]图4描述了适合用于图1的系统中的控制单元。
[0031]图5描述了用于实现根据本发明的示例实施例的图1的系统中的控制单元的逻辑图。
[0032]图6描述了根据本发明的示例实施例的功率因数校正控制的逻辑流程。
[0033]图7 (a)描述了三相的电压和电流波形。
[0034]图7(b)和图7(c)描述了具有期望的PFC相位补偿的两个不同的值的相位I的检验。
[0035]图7(d)描述了三相的功率。
[0036]图8描述了适合用于图5的逻辑中的正弦/余弦校正器逻辑。
【具体实施方式】
[0037]如下文中更详细地描述的，本发明的示例实施例提供使标准的三相H桥能进行以下处理的控制:使用新颖的控制从功率转换系统生成无功AC三相功率，以及与所述系统进行DC到AC的功率转化与否相独立地产生无功功率。
[0038]构架
[0039]图1中的以概观形式示出的是整体方案。例如，来自太阳能电池板或电池的阵列的DC输入(211A)从DC转换到AC (101A)，经过过滤和测量(102A)，并且被控制(103A)为产生适合三相AC电网(345A)的功率。此系统能够够进行功率因数校正(PFC)。
[0040]在之前的专利申请(美国专利申请2010/0308660，通过引用将其内容并入本文)，我们详细说明了功率转换方案，所述功率转换方案中优选的实现方式作为图2被部分再现。其详细示出了 DC到AC块(101B)，并且提及了滤波器&电压和电流换能器块(102B)(图3中详细说明)以及控制单元块(103B)(图4中详细说明)。
[0041]所述系统的控制是新颖的，并且在图5中详细说明。本发明的一个优势方面是接收对功率因数校正的量和类型(超前或滞后)的要求来与所述系统进行DC到AC转换与否相独立地施加功率因数校正的能力；对此详细说明的逻辑流程在图6中示出。
[0042]DC到AC块在之前的专利申请中被详细说明了。
[0043]在图3中，来自DC到AC块(101A、101B)的三相电压(341C、342C、343C)进入滤波器元件(335)。滤波器元件(335)由能量存储电感器和可选的平滑电容器以及每个相位的可选的LC低通滤波器构成。滤波器元件的每个输出与电压换能器(337、339、344)和电流换能器(336、338、340)相连接。每个电流换能器(336、338、340)的输出与三相AC电网(345C)相连接(332C、333C、334C)。电压换能器测量输出(326C、327C、328C)以及电流换能器测量输出(329C、330C、331C)与控制块(103AU03D)相连接。
[0044]在图4中详细说明控制单元(103D)。电压换能器测量输出'、V2, V3(326D、327D、328D)与多通道ADC (模拟数字转换器)(449)的输入1叫、In2, 1叫相连接。电流换能器测量输出I1'工2、I3(329D、330D、331D)与相同的多通道ADC (449)的输入In4, In5, 1116相连接。多通道ADC的输出与微处理器(450)和FPGA(现场可编程门阵列)(451)相连接。
[0045]微处理器(450)具有ROM (只读存储器)(453)和RAM (随机访问存储器)(454)，并且能够进行双向数字通信(447、448)。微处理器(450)与多通道ADC(449)和FPGA(451)相连接。
[0046]FPGA(451)从多通道ADC(449)接收数字化的测量数据。其与微处理器(450)相连接。斩波器桥(图2中的201B)由FPGA(451)使用输出0ut7(226B、226D)来控制；当转换器进行生成时，开启斩波器桥(201B)，而当转换器不进行DC到AC功率转换时，关断斩波器桥(201B)。FPGA(401D到406D)与MOSFET (金属氧化物场效应晶体管)驱动器(452)相连接。MOSFET驱动器