用于控制功率变换器中的功率变换的方法和控制系统的制作方法

专利名称：用于控制功率变换器中的功率变换的方法和控制系统的制作方法
用于控制功率变换器中的功率变换的方法和控制系统本发明涉及通过使用从主控制器发送到变换器模块的开关(switching)控制信号 来控制至少一个变换器模块中的功率变换。另外，本发明涉及用于通过使用主控制器来控 制功率变换的控制系统。此外，本发明涉及功率变换器(power converter).功率变换器例如在风轮机中被用于将由风轮发电机提供的可变频率AC功率变换 成将被馈送到电网的标称固定频率AC功率。此类功率变换器通常包括用于将可变频率AC 功率变换成DC功率的整流器或有源(active)整流器和用于将DC功率变换成固定频率AC 功率的逆变器。整流器和逆变器两者通常包括两个DC电压端子和三个AC电压端子。在整 流器的情况下，AC电压端子被连接到提供例如三相AC功率的发电机输出端子，并且DC端 子被连接到整流器与逆变器之间的DC链路。逆变器还包括被连接到DC链路的两个DC端 子。另外，其包括根据可能的要求经由适当的滤波电路连接到电网的三个AC端子。有源整 流器和逆变器可以由相同的电路组件形成但具有不同功率流动(在有源整流器的情况下AC 至DC，在逆变器的情况下DC至AC)。功率变换器的其它应用包括即固定频率AC功率到可变频率AC功率的变换，例如 用于控制电动机的旋转速度和/或转矩。在下文中都统称为功率变换器的整流器和逆变器的典型构造包括连接在DC链 路的上电压水平(level)与DC电路的下电压水平之间的一系列的至少两个有源开关装 置和被连接到AC端子之一的在两个有源开关装置之间的节点。此类设计称为半桥或相 (phase)。对于功率变换器的所有其它AC电压端子而言存在相同的结构，因此用于三相AC 功率的功率变换器具有每个包括至少两个有源开关装置的三个半桥。在给定半桥中具有两 个有源开关装置的结构称为两级(two-level)变换器，因为通过适当的控制，在中心相端子 处出现的输出电压可以是DC链路的上电压水平或DC链路的下电压水平。通常以下列方式来进行通过使用有源开关装置进行的功率变换
在将DC功率变换成AC功率的情况下，每个AC电压端子以交替的方式通过有源开关装 置连接到高DC水平和低DC水平。通过在限定每个AC端子的输出的命令信号之间引入相 移，可以确定多相AC功率，例如三相AC功率。可以将AC功率设计为是平衡AC功率，例如 其中三相电流始终总和达到零的三相AC功率。在将AC功率变换成DC功率的情况下，针对每个AC输入端子切换(switch)有源 开关装置，使得该端子被连接到上DC电压端子或下DC电压端子。对于功率变换的两种模式而言，通常基于脉宽调制方案来执行切换有源开关装 置，在所述脉宽调制方案中，分别由高水平或低水平开关脉冲来限定有源开关装置的时间 和持续时间是ON、即传导还是OFF、即不传导。用于确定有源装置的开关的其它方案通常有 效，包括直接功率控制、直接电流控制、直接转矩控制或等价物。有时，特别地在具有高功率额定值的功率变换器中将两个或更多半桥并联地或串 联地连接到AC端子。在例如每个包括两个开关装置的三个半桥被并联地连接在三相变换 器中的情况下，整个功率变换器将包括12个有源开关装置(三乘二乘二 )。通常，以变换器 模块的形式来组织包括并联或串联半桥的功率变换器，其中的每一个变换器包括用于每个AC端子的一个半桥。这些功率模块被并联地或串联地连接而形成功率变换器。特别地，对 于用于工业驱动器和可再生能源应用的高功率额定功率变换器而言，由并行地或串行地操 作的多个变换器模块来构造这些变换器以实现所需的电压、电路和额定功率是标准技术。期望的是将中央控制器用于功率变换器中的所有变换器模块。从而，困难是构建 中央控制器之间的通信系统，其还可以被视为主控制系统或实时计算机，运行功率变换器 的控制算法和分布式变换器模块。此类通信系统的主要要求是以高度的定时(timing)精 度、给定脉宽调制方案中的开关状态的高度边缘分辨率、对错误条件的低等待时间响应、以 及对单个位错误的容忍来向变换器模块传送开关控制信号。此外，其应包括可行且可承受 的物理介质以用于中央控制器与变换器模块之间的互连。另外，所述通信系统应优选地能 够从变换器模块向中央控制器传送电流、电压和其它模拟反馈信号和逻辑状态信号，即数 字信号。文献WO 2009/087063 Al公开了具有分布式单元控制的功率变换器，其中，中央控 制单元将基准AC电压和开关载波信号传送到控制器子单元，在那里，每个子单元根据脉宽 调制模式来控制功率电子开关的开关，使得每当开关载波信号与基准AC电压交叉时，高DC 电压或低DC电压被施加于相应变换器子模块的输出端子。因此，在本地水平而不是由中央 控制器来确定用于有源开关装置的实际开关信号。然而，期望的是在中央控制器处计算所 有开关状态。然而，这意味着在对每个变换器模块使用二级半桥结构的三相AC变换器的情 况下，需要在给定PWM周期内传送至少十二个开关状态(对于六个有源开关装置中的每一 个而言，表示“接通状态”的开关状态和表示“断开状态”的开关状态)。在现有技术中存在从中央控制器向变换器模块传送开关状态的两种方法。第一种 是使用从中央控制器到分布式变换器模块中的每一个的并联连接。此类并联连接通常将是 电气带状电缆。此并联连接承载用于每个数据片的单独铜通信信道，例如用于有源开关装 置的开关控制信号的六路(关闭)、用于三个电流反馈信号的三路、用于三个电压反馈信号 的三路等。这种并联连接具有某些缺点，例如，在通信连路的两端处需要的电路的量。此外， 由两端处的电路来固定在通信链路上传输的信息，使得此类连接是不灵活的。另外，用并联 连接信道能够实现的距离通常是有限的。链路的第二现有技术方法包括高性能串行链路。用于此类链路的连接拓扑结构是 菊花链系统。然而，这意味着数据有效负荷是相当大的，因为来自/到中央控制器的单个连 接必须承载用于所有分布式变换器模块的信息，并且消息间隔因此必须是达的，以将通信 信道的带宽要求保持在实际且可承受的范围内。通常，消息间隔是每个脉宽调制周期一次。 这意味着必须由变换器模块之间的单独连接来满足紧急条件的要求。另外，在此系统中，具 有比通信连路的循环时间(cycle time)小的CPU计算周期的某些控制模式是不可实现的。因此，本发明的目的是提供一种有利的控制方法和有利的控制系统，其特备适合 于供由中央控制器控制的分布式功率模块使用。本发明的另一目的是为有利的功率变换器提供分布式变换器模块和中央控制器。由如权利要求1所述的控制DC功率到AC功率的变换或相反操作的方法和如权利 要求8所述的用于控制DC功率到AC功率的变换或相反操作的控制系统来解决第一目的。 由如权利要求15所述的功率变换器来解决第二目的。从属权利要求还包括本发明的开发。本发明方法是用于控制至少一个变换器模块中的输入功率到输出功率的变换的方法，所述至少一个变换器模块包括至少一个输入功率端子、至少一个输出功率端子、以及 用于每个输出功率端子的连接在输入功率和相应输出功率端子之间的至少一个有源开关 装置。所述方法通过控制切换每个变换器模块中的所述至少一个有源开关装置的定时来控 制功率变换。通过从可以是例如中央控制器或许多等效控制器中的所选一个的主控制器向 每个变换器模块发送开关控制信号来控制开关，每个开关控制信号包含控制消息，该控制 消息定义用于至少一个有源开关装置(即，用于变换器模块中的每个有源开关装置的一个 开关状态)的开关状态(或者，在具有至少两个有源开关装置的变换器模块的情况下为多个 开关状态)和相对于从主控制器导出的时间基准的时间，在该时间，将在相应变换器模块中 施加用于所述至少一个有源开关装置的定义开关状态。根据本发明的方法，以等于或小于 与所使用的相应变换器模块有关的直接(immediate)功率电路元件和所使用的变换器模块 的最短时间常数的循环时间来发送所述开关控制信号，并且控制消息的持续时间等于或小 于所述循环时间。请注意，在变换器模块包括不止一个有源开关装置的情况下，控制消息包 含用于每个有源开关装置的各个开关状态，在下文中没有明确地提及这一点。此类短循环时间和控制消息允许通过例如光纤或差动(differential)成对铜电 缆的串联链路将例如中央控制器的主控制器连接到分布式变换器模块。然后可以用每个通 信链路上的最小有效负荷并因此用最小带宽要求以中央控制器与变换器模块之间的径向 通信系统的方式来实现整个控制架构。此外，短消息持续时间意味着减少了对错误、或瞬态 条件的响应时间，增加了潜在的控制性能，因为可由总功率电路的瞬态特性(时间常数)来 确定在变换器模块和直接功率电路中电路或电压的任何误差增大的速率。因此，具有不超 过变换器模块的最短时间常数的消息持续时间或消息循环时间允许有所述的控制性能提 尚ο另外，用于由半桥构成的变换器模块的每个半桥的开关状态的传输、以及这些状 态的短时间意味着系统独立于施加于并行、或以其它方式被连接的变换器模块的控制或脉 宽调制策略。事实上，如果需要，变换器模块可以具有不同的开关策略和频率。本发明的方法可以与电压源逆变器同样地应用于电流源逆变器。特别地，以等于或小于所使用的有源开关装置的死区时间(dead time)的循环时 间来发送开关控制信号。本控制方法的此进一步开发是基于通常由有源开关装置的状态之 间的切换的死区时间来给定变换器模块中的最小时间常数这一见识。此死区时间考虑有源 开关装置的特性所固有的断开延迟。例如，在包括两个半桥的变换器模块中，通常由这样的 事实来给定变换器模块中的最小时间常数，即，只有在能够保证第一开关装置已被关断达 到足以使第一开关装置变成高阻抗的时间之后，才允许接通半桥的第二开关装置。评估功率变换器中的最小时间常数的另一种方法是考虑故障的演进-给定直接 功率电路的环路电感和工作电流水平与出于保护的目的必须关断功率装置时的电流水平 之间的余隙(margin)，控制系统需要多快地进行响应以防止过大的电流在开关装置中流 动。通常，考虑死区时间的延迟是2 μ s，并且脉宽调制方案中的最小脉冲时间通常是 4 μ S。然而，给定脉宽调制周期中的开关状态的边缘分辨率优选地小于100 ns。另外，不 同变换器模块之间的脉宽调制边缘准确度还优选地小于100 ns。因此，根据本发明的控制 方法的另一进一步开发，控制消息包含定时信息，该定时信息定义循环时间内的包含在控制消息中的(一个或多个)开关状态被应用于相应变换器模块中的至少一个有源开关装置 时的时间。该定时信息具有高于循环时间的时间分辨率，并且高到足以满足上述100 ns要 求。然而，比循环时间高至少一个数量级的时间分辨率也是可能的。根据本发明的控制方法，将被应用于控制器模块的至少一个有源开关装置的开 关状态(或者，在具有不止一个有源开关装置的变换器模块的情况下为多个状态)可以被 至少三重性地(threefold)包含在控制消息中。然后，向三重性开关状态施加多数表决 (majority voting )算法以便确定将应用于所述至少一个有源开关装置的实际开关状态。 此开发在单个消息错误的情况下是有利的，因为其允许变换器系统继续运行。在所述开发 中，可以通过多数表决来消除任何单个位错误。然而，用这种方法不能修正多位错误。另外，或可替换地，每种控制方法还可以包括CRC码(循环冗余校验码)。然后，对每 个控制消息执行CRC校验，并且如果CRC校验失败，则不向相应变换器模块的至少一个有源 开关装置应用包含在控制消息中的(一个或多个)开关状态。换言之，不使用错误地接收到 的消息。因此，所述至少一个有源开关装置的状态仍处于由前一控制消息限定的状态。在 这种情况下，变换器模块将出于不正确状态达到一个循环周期，然而，由于循环时间已被定 义为小于功率电路的时间常数，所以不正确状态将不引起在功率电路的能力之外的电流/ 电压。当用于包含在预定数目的控制消息之后的控制消息中的(一个或多个)开关状态 的CRC校验或多数表决成功时，此开关状态被应用于所述至少一个有源开关装置，使得存 在变换器模块的故障渡过(ride through)能力，对于所述预定数目的控制消息而言，CRC校 验或多数表决已失败。在用于被包含于在预定数目的控制消息之后的控制消息中的开关状 态的CRC校验或多数表决也失败的情况下，相应变换器模块被设置为故障状态，对于所述 预定数目的控制消息而言，CRC校验或多数表决已失败。有利地，使用全双工数据传输来向所述至少一个变换器模块传送控制信号。这允 许使用同一传输线来以与开关控制信号相同的周期时间来获取从所述至少一个变换器模 块到所述中央控制器的电压反馈信号和/或电流反馈信号和/或干预信号(intervention signal)。全双工是两个单独的路径-包含开关状态和时间信息的(控制)路径和包含电压 反馈信号和/或电流反馈信号和/或干预信号等的单独(反馈)路径。用于控制变换器模块中的输入功率到输出功率的变换的本发明的控制系统允许 根据本发明的控制方法来控制所述至少一个有源开关装置的开关定时，所述变换器模块包 含至少一个输入功率端子、至少一个输出功率端子、以及用于每个输出功率端子的连接在 所述输入功率端子与相应输出功率端子之间的至少一个有源开关装置。所述控制系统包括 可以是例如中央控制器或许多等效控制器中的所选一个的主控制器和用于由该主控制器 控制的每个变换器模块的将主控制器与相应变换器模块互连的通信链路。根据本发明，所 述控制系统包括定时发生器，其产生定时信号，该定时信号具有等于或小于与主控制器互 连的变换器模块和与所使用的相应变换器模块有关的直接功率电路元件的最短时间常数 的循环时间。定时发生器(45)被集成在主控制器中或与主控制器互连。此外，信号发生器 被集成在主控制器中或与主控制器互连。此信号发生器产生开关控制信号，每个开关控制 信号包含控制消息，该控制消息定义用于与主控制器互连的变换器模块中的至少一个有源 开关装置的开关状态(或者，在具有至少两个有源开关装置的变换器模块的情况下为多个开关状态)，其中，每个控制消息的持续时间等于或小于循环时间。作为通信链路，使用串行 通信链路。串行通信链路的使用由于执行本发明的方法而变得可能。使用将每个单独变换器 模块与主控制器相连的串行通信链路相比于使用并行通信链路而言是有利的，因为在通信 链路的两端处需要较少的电路，并且传输信息的灵活性较高。此外，串行通信链路可以比并 行通信链路更长。相对于由高性能串行链路实现的所述菊花链连接，诸如肚&1^站，本发明 的控制系统的有利之处在于可以形成径向通信系统且可以使每个通信链路的数据有效负 荷和带宽要求保持很小。如果所使用的通信链路是全双工链路、使得不仅能够向变换器模块发送开关控制 信号，而且能够发送类似于电流反馈信号或电压反馈信号的反馈信号，或者能够在不使用 时间复用方案的情况下将其它种类的信号从变换器模块传输到中央控制器，则是特别有利 的。根据本发明的控制系统的进一步开发，可以存在被并联地或串联地连接的至少两 个变换器模块。然后，每个变换器模块包括至少一个输入功率端子、至少一个输出功率端 子、以及用于每个输出功率端子的连接在输入功率和相应输出功率端子之间的至少一个有 源开关装置。将至少两个变换器模块并联地或串联地连接允许增加功率变换器的额定功率。特别地，每个变换器模块可以包括至少高压DC端子和低压DC端子作为输入功率 端子或输出功率端子及至少两个AC端子、特别是三个AC端子分别作为输出功率端子或输 入功率端子、以及用于每个AC端子的连接在高DC电压端子与相应AC电压端子之间的至少 上开关装置和连接在低DC电压端子与相应AC电压端子之间的至少下有源开关装置。本发 明的控制系统的此开发允许将DC功率变换成多相AC功率或将多相AC功率变换成DC功 率。重要的应用是使用三个AC端子来将DC功率变换成三相AC功率，或进行相反操作。将 DC功率变换成三相AC功率或进行相反操作的此类变换器通常在许多工业驱动器中和诸如 风轮机的可再生能源应用中使用。特别地，如果期望高额定功率，则可以并联地或串联地连 接包括至少两个AC端子、特别是三个AC端子的两个或更多变换器模块。为了允许单个位错误修正，信号发生器可以三重性地生成控制消息。然后，在与中 央控制器互连的每个变换器模块中将存在对接收到的控制消息运行多数表决算法的表决 模块。因此，可以通过不包含位错误的两个版本的控制消息来修正单个位错误。另外或可替换地，信号发生器可以包括CRC码发生器以生成用于每个控制消息的 CRC码并将所生成的CRC码添加到相应控制消息。在此开发中，在与中央控制器互连的每个 变换器模块中存在对每个接收到的控制消息执行CRC校验的CRC校验模块。所述CRC模块 在CRC校验失败的情况下阻止包含在控制器导出消息中的(一个或多个)开关状态应用于相 应变换器模块的所述至少一个有源开关装置。通过这种方法，可以避免向相应变换器模块 的至少一个有源开关装置应用不正确的开关状态。CRC校验模块或表决模块可以在用于在CRC校验或多数表决失败的许多控制消息 之后的控制消息的CRC校验或多数表决成功的情况下清除包含在所述后续控制消息中的 (一个或多个)开关状态到所述至少一个有源开关装置的应用，或者否则将相应变换器模块 设置为故障状态。在所述后续控制消息满足CRC校验的情况下，变换器模块处于不正确状态直至达到给定数目的循环时间。然而，可以将功率变换器及其直接功率部件设计为能够 渡过此类短的条件。因此，可以提供变换器模块的故障渡过能力。虽然此类不正确的开关 状态可能导致少量的波形失真，但其将足够罕见地发生，使得其可以容忍。重点是变换器系 统的操作能够在短时间的不正确桥状态之后继续，使得即使控制消息中的一个包含不正确 的开关，变换器系统也能够继续运行。通常，CRC校验或多数表决被允许失败的控制消息的数目将是一个，以避免相应变 换器模块在过长的时间内处于不正确的开关状态。然而，如果变换器模块和被连接到变换 器模块的装置容忍处于不正确的开关状态，则控制消息的所述数目可以大于一个以增加故 障渡过能力。本发明的功率变换器包括至少一个输入功率端子、至少一个输出功率端子、以及 用于每个输出功率端子的至少一个变换器模块。每个变换器模块包括连接在输入功率端子 与相应输出功率端子之间的至少一个有源开关装置。特别地，可以存在用于每个输出功率 端子的两个或更多变换器模块以允许有更高的额定功率。此类变换器模块可以被并联地或 串联地连接。所述功率变换器还包括用于控制功率变换的本发明的控制系统。本发明的 功率变换器的性质和优点源自于本发明的控制系统的上述性质和优点，因此不再次进行描 述。请注意，根据本发明，主控制器不需要对于(一个或多个)变换器模块而言是单独 的，例如采取中央控制器的形式。将主控制器定位于直接邻近变换器模块之一处或容纳在 变换器模块之一中将是可行的。通过结合附图的本发明实施例的以下说明，将清楚本发明的其它特征、性质和优
点ο

图1示意性地示出风轮机及其电气设备。图2示出了图1所示的逆变器和逆变器控制器。图3示意性地示出用于高额定功率逆变器的示例。图4示意性地示出了逆变器的电路的第一实施例。图5示意性地示出了逆变器的电路的第二实施例和中央控制器。在下文中，将结合风轮机的功率变压器来示例性地描述本发明。然而，还可以在其 它功率变换器中体现本发明，例如用来控制变速电动机的此类功率变换器、或在类似于例 如太阳能电池的其它可再生能源装置中使用的此类功率变换器。图1示意性地示出了用于控制发电机和功率输出的典型风轮机及其电气设备。风 轮机1包括转子3，转子3具有将转动转子3的旋转动量传送至齿轮箱7的转子轴5。在齿 轮箱7中，以一定的传动比发生旋转到输出轴9的传送。输出轴9固定于AC发电机11的 转子，其将由输出轴9的旋转提供的机械功率变换成电功率。AC发电机11可以是同步发 电机或异步发电机(单馈送或双馈送)。在同步发电机中，转子以与由发电机的定子产生的 旋转磁场相同的旋转频率旋转。相反，在异步发电机中，定子磁场和转子的旋转频率是不同 的。通过发电机的滑动(slip)来描述旋转频率的差。图1所示的发电机11是变速发电机， 即允许转子的旋转速度根据风力条件而改变。为了为风轮机被连接到的电网提供标称固定频率电力，风轮机1装配有功率电子 变换器13，其将由发电机11递送的变频电力的一部分或全部变换成具有适合于该电网的
10标称固定频率的电功率。另外，功率电子变换器13控制由风轮机1提供的电力的输出功率。如果风轮机是风电场的一部分，则其通常被连接到作为内部中间电压网17的一 部分的集电电缆(collector cable) 1、通过采取电抗器形式的滤波器19和变压器21。内 部电网17经由包括变压器的变电站23连接到公用电网，该公用电网通常将以公用系统运 营商所请求的某个功率因数进行操作。将结合图1和2来描述由风轮机1提供的电力的功率输出的调节。由风轮机1的 功率电子变换器13根据功率因数请求、或者替换地根据有功功率请求和无功功率请求来 控制功率输出。功率电子变换器13包括用于从由风轮机1提供的变频AC电压产生具有高 压水平和低压水平的DC电压的有源整流器25、从该DC电压产生固定频率AC电压的逆变器 27、以及将有源整流器25与逆变器27相连的DC链路四。功率电子变换器13还包括通过 控制AC发电机11的定子电流或定子电压来控制由AC发电机11起作用的转矩的发电机控 制器31、以及控制功率电子变换器13的输出电流以便以由所请求的功率因数指定的角度 供应具有超前或滞后电流的三相AC功率的逆变器控制器33。逆变器控制器33接收DC链路四上的电压水平、逆变器输出端37处的电流水平、 滤波器19与变压器21之间的电压水平、以及来自功率控制器41的电流控制信号并根据所 请求功率因数来生成电流需求信号。图2示出了逆变器27的结构和逆变器控制器33的一 般结构。同样地，发电机控制器31接收DC链路四上的电压水平、发电机输出端处的电路 和/或电压水平、以及来自功率控制器41的控制信号。虽然可以用逆变器以及整流器来体现本发明，但以下说明局限于逆变器的说明以 避免不必要的重复。逆变器27包括三对有源开关装置35，类似于绝缘栅双极晶体管(IGBT)、双极 结晶体管、场效应晶体管(M0SFET)、达林顿晶体管、栅极截止闸流晶体管(gate turn-off thyristor)或IGCT。在本实施例中，每对有源开关装置35包括两个绝缘栅双极晶体管作 为有源开关装置35。成对的有源开关装置35被连接在DC链路四的高压水平(有源开关装 置35_U)与低压水平(有源开关装置35_L)之间。此类成对有源开关装置35也称为半桥或 相。逆变器输出端37的三条线路每个被连接到成对有源开关装置35中的不同的一个，即 连接到不同的半桥，并在那里连接到相应半桥的开关装置35之间的节点。通过切换有源开 关装置35的适当方案，可以将电压链路四上的DC电压变换成具有电流水平的逆变器输出 端37处的三相AC电压，从而匹配电网频率和所请求的功率因数。相对于图2所示的逆变器27所述的功率变换器拓扑结构称为2级变换器。然而，在本发明的范围内，除相对于逆变器27所述的拓扑结构之外的拓扑结构可 适用于功率变换器，诸如3级中性钳位(neutral clamped)拓扑结构、浮置(Floating)对称 电容器变换器、级联H桥等。由于在现有技术中这些其它拓扑结构通常是已知的，所以这里 将不对其进行描述。根据脉宽调制方案来进行有源开关装置35的切换。中央逆变器控制器33根据脉 宽调制方案来确定用于逆变器27的有源开关装置35的开关控制信号并将其发送到逆变器 27的电路39。每个开关控制信号包括定义将在随后的循环时间中在逆变器中的有源开关 装置35中设置的开关状态BL、BU、YL、YU、RL、RU的控制消息和允许电路39确定用于每个 有源开关装置35的精确切换时间的定时信息。
电路39还获取反馈信号，在本示例性实施例中类似于来自逆变器输出端的电流 和电压反馈信号，并将其发送到中央控制器43。此外，电路39可以在已在逆变器输出端处 检测到过电流的情况下将例如禁用信号的快速干预信号发送到中央逆变器控制器33。可以通过将许多变换器模块并联地或串联地连接来增加如图2所示的逆变器27 或其它功率变换器的功率额定值。作为具有高功率额定值的功率变换器的示例性实施例， 图3示出了包括被并联地连接在DC链路四与变换器输出端37之间的三个逆变器模块 27_1、27_2、27_3。每个逆变器模块27_1、27_2、27_3对应于相对于图2所述的逆变器27。 中央控制器32通过提供各开关控制信号来控制所有的逆变器模块27_1、27_2、27_3。每个 逆变器模块27_1、27_2、27_3被采取例如铜线或光缆的单个全双工电缆形式的串行数据链 路40_1、40_2、40_3连接到中央控制器33。中央控制器33包括传送和接收电路41，该传送和接收电路41形成用于允许向和 从也形成串行接口的逆变器模块27_1、27_2、27_3的电路39_1、39_2、39_3进行串行数据传 输的串行接口。定时电路45提供具有等于或优选地小于逆变器模块27_1、27_2、27_3的最 短时间常数的循环时间的定时信号。虽然图3未明确地示出，逆变器模块27_1、27_2、27_3 的电路39_1、39_2、39_3还包括此类定时电路。逆变器模块27_1、27_2、27_3中的最短时间常数通常是有源开关装置35的所谓 “死区时间”。半桥中的有源开关装置35的开关被协调为使得在接通半桥中的另一装置之 前允许开关装置的特性所固有的断开延迟。接通所述另一装置之前的等待时间是死区时 间。死区时间通常是2 μ S，并且脉宽调制方案中的最小脉冲时间通常是4 μ S。在本实施 例中，由定时电路提供的循环时间因此已被选择为具有2 μ s或更小的长度。此外，在开关 控制信号中传送的控制消息具有2 μs或更小的持续时间。因此，通过将消息持续时间保 持在2 μ s或更小，可以容易地用串行数据链路40_1、40_2、40_3来更新开关状态。对相对于图2所述的变换器模块27的要求将是给定脉宽调制周期中的开关状态 的边缘分辨率是100 ns或更小。此外，用于不同变换器模块27_1、27_2、27_3之间的边缘 的定时准确度需要是100 ns或更小。为此，控制器消息还包括允许具有100 ns或更小的 时间分辨率的细定时(fine timing)的定时信息。在其中循环时间具有2 μ s的长度的本示例的情况下，需要将定时信息划分成至 少20个子区间以便实现<100 ns的定时分辨率。可以通过使用5位编码消息来实现此类 细分。对于每个半桥(或相)而言，通过传送5位的定时信息来实现最低数据有效负荷。此外，需要一位，用于定义逆变器模块27_1、27_2、27_3中的有源开关装置的开关 状态。因此，每个半桥每2 μ s的循环时间要求总共七位的信息，对于如图2中的三相二 级逆变器模块而言给出总共21位。这允许相互独立地控制每个相，这是控制系统的要求。如果每个功率模块包括整流器和逆变器模块、并因此包括总共六个相，则当附加 格式化和控制位被视为存在于控制消息、及其它各种控制数据中时，则要求约100位的消 息长度。为了在2 μ S的循环时间内传输整个消息，约50至100 MHz的传送和接收电路的 时钟频率是足够的。如果逆变器(27)能够在发生控制消息错误的情况下继续运行，则是有利的。将相 对于图4来描述用于实现这一点的第一替换，同时将相对于图5来描述第二替换。
图4在高度示意性的图中示出了用于从和向中央控制器33接收和发送信号的逆 变器模块27及其电路。电路39包括用于根据经由串行数据链路40从中央控制器33接收 到的控制消息将开关状态分发到开关装置35的解码器电路47。由中央控制器33通过串行 数据链路40来三重性地发送控制消息。电路39中的表决模块49(或者，可替换地，连接到 电路39)接收三重性控制消息并运行多数表决算法。然后，如果控制消息的全部三个拷贝 是相同的，则将该控制消息转送到解码器电路47。在对于某个位而言三个拷贝中只有两个 相同的情况下，在被转送到分发电路47的控制消息的版本中使用包含在这两个控制消息 中的位。在全部的三个控制消息在某个位方面彼此不同的情况下，表决模块可以将逆变器 模块27设置为故障状态，或者可以保持先前设置的开关状态，直至接下来的三重性控制消 息到达为止。在同样地在此接下来的控制消息中控制消息的全部三个拷贝彼此不同的情况 下，逆变器模块27被设置为故障状态。否则，包含在此控制消息中的开关状态被分发给有 源开关装置35，使得逆变器模块27的操作能够继续。因此，用相对于图4所述的替换，变换 器甚至在发生单个消息错误的情况下也能够继续运行。虽然，在单个消息错误的情况下，接 收到该单个消息错误的相应逆变器模块将处于不正确状态达到2 μs的时间段，这导致少 量的波形失真，但可以将该系统和与之相连的装置布置为使得此类波形失真是可容忍的。图5中示出了允许逆变器在消息错误的情况下继续运行的第二替换。该图示出具 有其电路33的逆变器模块27，电路33包含相对于图4所示的解码器电路47和CRC校验模 块51。中央控制器包括CRC码发生器51，其针对每个控制消息生成校验和并在经由串行数 据链路40将控制消息发送到逆变器模块27之前将校验和添加到控制消息。在接收到控制 消息的逆变器模块27中，CRC校验模块重新计算CRC码，并且在发现CRC码与接收到的代码 相同的情况下，将控制消息转送到解码器电路47。在CRC校验模块计算与接收到的CRC不同 的CRC码的情况下，控制消息未被转送到解码器电路47，并且逆变器模块27被设置为故障 状态，或者优选地，有源开关装置被保持在其已根据先前接收到的控制消息被设置的状态。 然后，当接收到下一个控制消息且由CRC校验模块51计算的CRC码与接收到的CRC码相同 时，此控制消息被转送到解码器电路47，并且各开关状态被分发给有源开关装置35。在由 CRC校验模块51计算的所述后续消息的CRC码同样与接收到的CRC码不同的情况下，逆变 器模块27被设置为故障状态。可以将多数表决和CRC校验两种方法组合。总而言之，可以检测消息错误，并且如果可能的话，由多数表决算法来修正或由 CRC校验算法来检测该消息错误。在仅检测到单个消息错误且后续控制消息无错误的情况 下，系统可以仅仅被保持在先前设置的开关状态，使得其可以处于不正确状态直至下一个 定时循环为止。如果两个连续控制消息包含错误，则相应逆变器模块被设置为故障状态。然 而，请注意，如果两个连续控制消息包含错误、则将逆变器模块设置为故障状态不是强制性 的。如果逆变器模块和由变换器模块控制的装置容忍不正确的开关状态达到不止一个定时 循环，则只有当不止两个连续的控制消息包含错误时，才可以将逆变器模块设置为故障状 态。在控制消息在其定时数据中包含错误时，可以通过在接收电路处包括附加逻辑来 处理这些错误，这保证满足变换器桥的直接要求，例如遵守死区时间和最小开/关时间。如相对于图3所述的，将中央控制器33和逆变器模块27_1、27_2、27_3互连的通信链路是全双工链路。这意味着在从中央控制器33向逆变器模块27_1、27_2、27_3传送数 据的同时，可以从逆变器模块27_1、27_2、27_3向中央控制器33传送数据。从逆变器模块 传送到中央控制器的此类数据可以包括电压反馈、电流反馈、干预信号，例如在过电流的情 况下的禁用信号等。这样，在不需要额外专用通信线路的情况下，使用单个电缆通信系统， 可以实现并联或串联连接的逆变器模块的协调断开。因此，虽然根据相对于图1至5所述 的本发明，功率变换器的每个变换器模块仅通过类似于铜电缆或光缆的串行电缆连接到中 央控制器，但可以向满足以下要求的变换器模块发送控制消息 -给定脉宽调制周期内的开关状态的边缘分辨率小于100 ns ； -在变换器模块之间，脉宽调制边缘准确度小于100 ns ； -存在对错误条件的低等待时间响应，即在过电流的情况下禁用，其小于5 μ s ； -提供了用于主控制系统(中央控制器)与分布式变换器模块之间的互连的可行且可承 受的物理介质；
-提供对单个位错误的容忍。
以上列表中给出的数字是以示例的方式，根据功率电路的特性和相关时间常数， 可适用其它值。
权利要求
1.一种用于通过控制切换每个变换器模块(27)中的至少一个有源开关装置(35)的 定时来控制至少一个变换器模块(27)中的输入功率到输出功率的变换的方法，所述至少一 个变换器模块(27)包括至少一个输入功率端子、至少一个输出功率端子、用于每个输出功 率端子的连接在输入功率端子与相应输出功率端子之间的至少一个有源开关装置(35)，其 中，通过从主控制器(33)向每个变换器模块(27)发送开关控制信号来控制该开关，每个开 关控制信号包含定义用于至少一个有源开关装置(35)的开关状态的控制消息和相对于从 主控制器导出的时间基准的时间，在该时间，将在相应变换器模块(27)中应用用于至少一 个有源开关装置(35)的定义开关状态，其特征在于以循环时间来发送开关控制信号，该循环时间等于或小于与所使用的相应变换器模块 (27)有关的直接功率电路元件和所使用的变换器模块(27)的最短时间常数，并且控制消息 的持续时间等于或小于循环时间。
2.如权利要求1所述的方法， 其特征在于以等于或小于所述至少一个有源开关装置(35)的死区时间的循环时间来发送开关控 制信号。
3.如权利要求1或权利要求2所述的方法， 其特征在于控制消息包含定时信息，该定时信息定义循环时间内的包含在控制消息中的开关状态 将被应用于相应变换器模块中的至少一个有源开关装置(35)时的时间，其中，所述定时信 息具有比循环时间高的时间分辨率。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的方法， 其特征在于要应用于变换器模块(27)的至少一个有源开关装置(35)的开关状态被至少三重性地 包含在控制消息中，并且向该三重性开关状态应用多数表决算法以便确定要应用于至少一 个有源开关装置(35)的实际开关状态。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的方法， 其特征在于-每个控制消息还包含CRC码； -对每个控制消息执行CRC校验；以及-如果CRC校验失败，则不向相应变换器模块(27 )的至少一个有源开关装置(35 )应用 包含在控制消息中的开关状态。
6.如权利要求4或权利要求5所述的方法， 其特征在于包含在预定最大数目的控制消息之后的控制消息中的开关状态被应用于所述至少一 个有源开关装置(35)，条件是用于所述后续控制消息的CRC校验或多数表决分别是成功 的，而对于所述预定最大数目的控制消息而言，CRC校验或多数表决分别已失败。
7.如权利要求1至6中的任一项所述的方法， 其特征在于使用全双工数据传输来向所述至少一个变换器模块(27)传送开关控制信号。
8. 一种用于通过控制至少一个有源开关装置(35)的开关定时来控制至少一个变换器 模块(27)中的输入功率到输出功率的变换的控制系统，所述至少一个变换器模块(27)包 括至少一个输入功率端子、至少一个输出功率端子、以及用于每个输出功率端子的连接在 输入功率端子与相应输出功率端子之间的至少一个有源开关装置(35)，所述系统包括主控 制器(33 )和用于由主控制器(33 )控制的每个变换器模块的将主控制器(33 )与相应变换器 模块(27)互连的通信链路(40)；其特征在于-定时发生器(45)，生成定时信号，该定时信号具有等于或小于与所使用的相应变换 器模块(27)有关的直接功率电路元件和变换器模块(27)的最短时间常数的循环时间，定 时发生器(45)被集成在主控制器(33)中或与主控制器(33)互连；-信号发生器(46)，被集成在主控制器(33)中或与主控制器(33)互连，其生成开关控 制信号，每个开关控制信号包含定义用于与主控制器(33)互连的变换器模块(27)中的至 少一个有源开关装置(35)的开关状态的控制消息，每个控制消息的持续时间等于或小于循 环时间；并且在于-通信链路(40 )是串行通信链路。
9.如权利要求8所述的控制系统， 其特征在于通信链路(40 )是全双工链路。
10.如权利要求8或权利要求9所述的控制系统， 其特征在于存在被并联地或串联地连接的至少两个变换器模块(27_1、27_2、27_3)，其中，每个变 换器模块(27_1、27_2、27_3)包括至少一个输入功率端子、至少一个输出功率端子、和用于 每个输出功率端子的连接在输入功率端子与相应输出功率端子之间的至少一个有源开关 装置(35)。
11.如权利要求8至10中的任一项所述的控制系统， 其特征在于每个变换器模块(27)包括高压DC端子和低压DC端子作为输入功率端子或输出功率 端子、至少两个AC端子分别作为输出功率端子或输入功率端子、以及用于每个AC端子的被 连接在高DC电压端子与相应AC电压端子之间的至少上有源开关装置(35_U)、和被连接在 低DC电压端子与所述相应AC电压端子之间的至少下有源开关装置(35_L)。
12.如权利要求8至11中的任一项所述的控制系统， 其特征在于-信号发生器(46)三重性地生成控制消息；以及-在与主控制器(33)互连的每个变换器模块(27)中存在对接收到的控制消息运行多 数表决算法的表决模块(49)。
13.如权利要求8至12中的任一项所述的控制系统， 其特征在于-信号发生器(46)包括CRC码发生器以生成用于每个控制消息的CRC码并将所生成的 CRC码添加到相应控制消息；以及-在与主控制器(33)互连的每个变换器模块(27)中存在对每个接收到的控制消息执 行CRC校验的CRC校验模块(51)，在接收到的CRC校验失败的情况下，所述CRC校验模块 (51)阻止向相应变换器模块(27)的至少一个有源开关装置(35)应用包含在所述控制消息 中的开关状态。
14.如权利要求12或权利要求13所述的控制系统， 其特征在于包含在预定最大数目的控制消息之后的控制消息中的开关状态被应用于所述至少一 个有源开关装置(35)，条件是用于所述后续控制消息的CRC校验或多数表决分别是成功 的，或者，否则将相应变换器模块(27)设置为故障状态，而对于所述预定最大数目的控制消 息而言，CRC校验或多数表决分别已失败。
15.一种功率变换器，包括 -至少一个输入功率端子， -至少一个输出功率端子，-对于每个输出功率端子而言，至少一个变换器模块(27)包括连接在输入功率端子与 相应输出功率端子之间的至少一个有源开关装置(35)，以及 -用于控制功率变换的控制系统； 其特征在于所述控制系统是如权利要求8至14中的任一项所述的控制系统。
全文摘要
本发明涉及用于控制功率变换器中的功率变换的方法和控制系统。提供了用于通过控制至少一有源开关装置的开关定时来控制至少一变换器模块中的输入功率到输出功率的变换的控制系统，至少一变换器模块包括至少一输入功率端子、至少一输出功率端子、用于每个输出功率端子的连接在输入功率端子与相应输出功率端子之间的至少一有源开关装置。控制系统包括主控制器和将主控制器与相应变换器模块互连的通信链路。其还包括生成定时信号的定时发生器。定时发生器被集成在主控制器中或与主控制器互连。此外，该控制系统包括被集成在主控制器中或与主控制器互连的信号发生器，其生成开关控制信号，每个开关控制信号包含控制消息。通信链路是串行通信链路。
文档编号H02M7/5387GK102130620SQ20111000742
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月14日 优先权日2010年1月14日
发明者P. 韦特 P., V. 富尔彻尔 R., 琼斯 R. 申请人:西门子公司