CN101636701A - 单相和三相功率变换器的统一控制 - Google Patents

单相和三相功率变换器的统一控制 Download PDF

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Abstract

本文所描述的是对单相和三相控制器的统一控制方法以及实现方式。通过一个实施范例，提出了一个统一控制器以用来控制三相三线、三相四线电压源型变换器、可进行电流整形的三相在线式变换器，以及单相全桥电压源型变换器。

Description

单相和三相功率变换器的统一控制
技术领域
本发明是关于功率变换器的控制，尤其是针对单相和三相功率变换器的统一控制。
背景技术
现在已发展出许多针对单相和三相功率变换器的电压调压和电流整形的控制方法。已知的控制器包括正弦占空比调制以及双位(bang-bang)型的控制器。但是，有限的动态范围，高损耗和谐波失真，以及各相间可能产生的控制冲突，使得它们不如基于空间矢量调制(SVM)的控制器那么普及。作为现在最普及的控制方法，基于SVM的控制器有着良好的特性；但是，其不可或缺的d/q变换需要高速的数字信号处理器(DSP)以及高采样率的模数(A/D)变换，这些都极大程度地增加了设计难度和成本。
因此，需要有一种适用于不同功率变换器的统一控制方法，它能使变换器具有良好性能，却不需要像基于SVM的控制器那样的复杂度和高成本。
发明内容
本文所描述的是对单相和三相控制器的统一控制方法以及实现方式。
通过具体实施范例，本文提出了一个统一控制器，以用来控制三相三线、三相四线电压源型变换器、用来电流整型的三相在线式变换器以及单相全桥电压源型变换器。此统一变换器包括一个反馈信号处理器，一个选区器，一个控制信号选择器，一个控制核心，和一个门信号分配器。基于对功率变换器交流电压过零点的检测，选区器把每个电周期分成不同的有效区。反馈信号处理器把从功率变换器反馈的电压和/或电流信号处理后生成中间级信号(例如，相电压)。控制信号选择器从反馈信号处理器接收中间级信号(例如，相电压)，并根据选区器给出的有效区选择一个或多个中间级信号(例如，相电压)来组成控制信号。控制核心则根据控制信号选择器产生的控制信号来生成占空比信号。门信号分配器根据选区器给出的有效区把占空比信号分别送给功率变换器中适当的开关。
本文例举了用以控制不同功率变换器的不同的反馈信号处理器的实现方式。控制信号选择器和门信号分配器均可用逻辑电路实现，其实现方式是在测出的有效区内，根据相应的逻辑表来选择中间级信号(例如，相电压)作为控制信号，以及发送由控制核心生成的占空比信号。不同的逻辑表可用来控制不同的功率变换器。控制核心的实现范例包括脉宽调制控制(PWM)以及单周控制(OCC)。以上所列的实施以及实现方式仅为范例，并非用以限定此发明所涵盖范围。
以下的图表以及详细说明应足以向行内人士说明此发明的其他系统、方式、特点和优点。所有说明中所包括的附加系统、方法、特点和优点都属本专利范畴，并受到相应的所有权保护。本专利不局限于需要实施范例的细节。
附图说明
通过研习附加的图表，可以在一定程度上理解本专利的细节，包括制作，结构以及操作。这里图表的编号和引文中的编号相对应。
图1所示的是一个三相四线电压源逆变器(VSI)型的电压发生器，以及一个三相三线电压源逆变器型的电压发生器(除去虚线部分)。
图2所示的是一个具有电流整形功能的三相在线功率变换器。
图3所示的是一个单相全桥电压源逆变器(VSI)型的电压发生器。
图4所示的是一个三相交流电压的例子。
图5所示的是一个单相交流电压的例子。
图6所示的是一个门信号驱动的时序图例子。
图7所示的是根据本发明的一个具体实施例子得出的统一控制器框图。
图8所示的是根据本发明的一个具体实施方式得出的可用于电压调压的三相反馈信号处理器。
图9所示的是根据本发明的一个具体实施方式得出的可用于电流整形的三相反馈信号处理器。
图10所示的是根据本发明的一个具体实施方式得出的可用于电压调压的单相反馈信号处理器。
图11所示的是根据本发明的一个具体实施方式得出的一个三相脉宽调制(PWM)控制核心。
图12所示的是根据本发明的一个具体实施方式得出的一个三相单周控制(OCC)控制核心。
图13所示的是根据本发明的一个具体实施方式得出的一个单相单周控制(OCC)控制核心。
图14所示的是三相四线电压源逆变器带三个单相非线性负载的实验波形。
具体实施方式
在此处所描述的是可用于控制以下功率变换器的统一控制方法以及实现方式：
1.三相四线电压源逆变器(VSI)作为电压发生器，
2.三相三线电压源逆变器(VSI)作为电压发生器，
3.具有电流整形功能的三相在线功率变换器，以及
4.单相全桥电压源逆变器作为电压发生器。
以下例举了这些功率变换器。
图1例举的是一个在不间断电源系统(UPS)以及马达驱动中常用来产生三相电压的三相四线VSI。此三相VSI把直流电压转换成三相交流电压。此VSI包括开关Tap-Txn以及由电感LA-LX和电容CA-CC组成的滤波器，它们连接直流源以及三相交流负载。通过让开关按一个控制器产生的占空比门驱动信号来操作，此VSI可以产生如图4所示的三相交流电压。
若移走虚线内的元件(即中线开关Txp和Txn，中线电感LX和负载中性点和电容中性点间的连接)，图1所示的VSI(仅有实线)则代表了一个三相三线VSI型的电压发生器。三相三线VSI适用于对称的三相负载，而三相四线VSI可用于不对称负载。
图2例举的是一个常用于在线的三相功率变换器，例如功率因素矫正型整流器，有源功率滤波器，或者无功发生器。此功率变换器包括六个开关Tap-Tcn和三个电感LA-Lc，用以连接直流母线E和三相交流源。流过电感的电流可以通过让开关按一个控制器产生的占空比门驱动信号来操作而得到整形。
图3例举的是一个单相全桥VSI，它是图1所示的三相VSI在单相应用中的对应电路。此单相全桥VSI由四个开关T1p-T2n和一个LC滤波器组成。通过让开关按由一个控制器决定占空比的门驱动信号来操作，此单相VSI可以向负载提供如图5所示的单相正弦电压Vo。
这些开关通常是由半导体开关来实现，如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，绝缘栅双极晶体管(IGBT)或带反向并联二极管的碳化硅(SIC)开关。同一个桥臂上的两个开关按互补方式运行。例如，图1的开关Tap和Tan在同一个桥臂上，它们运行方式是互补的，当Tap导通时，Tan关断，反之亦然。
图6所示的是一个进到半导体开关的门驱动信号的时序图例子。当门驱动信号为高时，开关导通；为低时，开关关断。开关工作在从几KHz到几百KHz不等的开关频率上。如图6所示，门驱动信号在一个开关周期Ts内有Ton的时间为高。开关的占空比定义为开关的导通时间Ton和一个开关周期Ts的比值。
图4所示的三相交流电压描述了图1电路所产生的理想的电压参考波形，或是图2电路中的交流电压源波形。在图4中，三个交流电压有相同的频率，如60Hz，但120°的相位差。图5所示的单相电压描述了图3电路向负载提供的理想的电压参考波形。
在图4中，一个电周期可以依据交流电压的过零点被分成六个区，每个区为60°。在图5中，一个电周期可以依据单相交流电压的过零点被分成两个区。例如图5中的电周期被分成了0°～180°和180°～360°的两个区。
图7表示本发明的一个实现电压发生和具有电流整形功能的在线功率变换的统一控制器的一个较优的实施方式。此统一控制器由一个反馈信号处理器110，一个选区器115，一个控制信号选择器120，一个控制核心125，和一个门信号分配器130组成。反馈信号处理器110处理来自功率变换器的反馈电压和/或电流信号，并把结果(由Vp代表)送入控制信号选择器120。基于对功率变换器如图4或图5所示的交流电压过零点的检测，选区器115判断出有效工作区。选区器115把有效区信号送入控制信号选择器120以及门信号分配器130中。控制信号选择器120根据选区器115给出的有效区域信息，选出了来自反馈信号处理器110输出(由Vp代表)的有效控制信号(由CON代表)。被选中的有效控制信号(由CON代表)经控制核心125处理后产生占空比信号(由d代表)。门信号分配器130根据选区器115选择的有效区把占空比信号分别送给功率变换器中适当的开关(由T代表)。
以下提供了此统一控制器各构成要素的实现方式的例子。
反馈信号处理器的实现方式
可以实现反馈信号处理器110的方式很多。实现方式取决于，例如，此统一控制器是否用在三相电压产生器上以进行三相电压调压(如图1所示)，用于在线功率变换器上进行三相电流整形(如图2所示)，或单相电压产生器上进行单相电压调压(如图3所示)。
图8表示可用于三相电压发生器(如图1所示)上进行电压调压的反馈信号处理器的实现实例。在此实现方式中，三相电压发生器的三相相电压VA、VB、VC检测后乘增益Hsv再和三相参考电压VA-ref、VB-ref、VC-ref相比较。它们的差异被送入三个比例积分微分(PID)补偿器。PID补偿器的输出减去被测电流IAF-ICF乘以增益Hsi以及传递函数Hfilter，其结果放大Ki倍后可构成电压Vp-A、Vp-B和Vp-C，它们被送入控制信号选择器120。
如表1所示，被测电流IAF-ICF可以为零，电感电流IL，电容电流IC，或者经过高频滤波器Hhpf的电容电流Ic。表1列举了可成为IAF-ICF的不同的被测电流和相应的Hfilter。如表1所示，被测电流IAF-ICF，可从三相电压发生器(如图1所示)的电感LA-LC的电流ILA-ILC中检测或从电容CA-CC的电流中检测得到。电流可由电阻检测，这样反馈信号处理器中的被测电流以正比于被测电流的电压形式存在。
表1.三相双环补偿器控制参数
  控制器//参数   无电流补偿 IL补偿器 IC补偿器   带高通滤波器的IC补偿器
  IAF-ICF   0   ILA-ILC   ICA-ICC   ICA-ICC
  Hfilter   0   1   1   Hhpf
图9例举了一个用在具有电流整形功能的在线功率变换器(如图2所示)的反馈信号处理器110的实现。在此实现中，直流母线电压E按HDC的比例被检测并和参考电压Vref比较。PID补偿器补偿它们的差别以保持直流母线电压稳定。PID补偿器的输出乘以由增益Hsv检测出的三相交流电压(如图4所示)，其结果和乘以增益Hsi的检测出的电感电流ILA、ILB和ILC相加后构成电压Vp-A、Vp-B、Vp-C，它们被送入控制信号选择器。领先或落后于交流电压90°的无功功率参考电压，被加入Vp-A、Vp-B和Vp-C中以产生无功(VAR)(如虚线内所示)。当无功功率参考电压的幅值为零时，功率源电流不包含VAR成分。
图10例举了一个用于单相电压发生器(如图3所示)电压调压的反馈信号处理器110的实现。在此实现中，电压Vo按HDC的比例被检测并和参考电压Vref比较，它们的差别由PID补偿器补偿。PID补偿器的输出减去被测电流IF乘以增益Hsi和传递函数Hfilter，其结果放大Ki倍后可构成电压Vp，它们被送入控制信号选择器120。
如表2所示，被测电流IF可以为零，电感电流IL，电容电流IC，或者经过高通滤波器Hhpf的电容电流Ic。
表2.单相双环补偿器控制参数
  控制器//参数   无电流补偿 IL补偿器 IC补偿器   带高通滤波器的IC补偿器
  IF   0   IL   IC   IC
  Hfilter   0   1   1   Hhpf
控制信号选择器和门信号分配器的实现
控制信号选择器120和门信号分配器130可以由纯逻辑电路实现。控制信号选择器120选择出有效相电压并把它们送入控制核心125，而门信号分配器把从控制核心来的占空比信号分配给适当的开关。表3列出了控制三相功率变换器(如图1和2所示)的逻辑，表4列出了控制单相功率变换器(如图3所示)的逻辑。
在表3中，控制信号选择器120从反馈信号处理器110产生的Vp-A、Vp-B和Vp-C中选出有效信号CONp、CONn、CONx。符号Vp-AB代表Vp-A减去Vp-B，同样的标志方式也用于Vp-AC、Vp-BC，等等。符号dp、dn和dx是从控制核心125输出的占空比信号，它们由门信号分配器130分配给图1和2所示的功率变换器的适当的开关Tap-Txn。符号dt是在整个区都导通的占空比信号。CONx和dx的选择逻辑只有图1所示的三相四线VSI需要。
表3.三相控制信号选择器和门信号分配器的逻辑
 区域   CONp   CONn   CONx   dp   dn   dt＝1   dx
 I：0°～60°   Vp-AB   Vp-CB   -Vp-B   Tan   Tcn   Tbn   Txn
 II：60°～120°   Vp-AB   Vp-AC   Vp-A   Tbp   Tcp   Tap   Txp
 III：120°～180°   Vp-BC   Vp-AC   -Vp-C   Tbn   Tan   Tcn   Txn
 IV：180°～240°   Vp-BC   Vp-BA   Vp-B   Tcp   Tap   Tbp   Txp
 V：240°～300°   Vp-CA   Vp-BA   -Vp-A   Tcn   Tbn   Tan   Txn
 VI：300°～360°   Vp-CA   Vp-CB   Vp-C   Tap   Tbp   Tcp   Txp
例如，在0°～60°区，有效信号CONp、CONn、CONx分别是Vp-AB、Vp-CB和-Vp-B。占空比信号dp、dn和dx被分别分配到开关Tan、Tcn和Txn，而Tbn在整个区都导通。因为其他的开关Tap、Tcp、Txn和Tbp和开关Tan，Tcn，Txn和Tbn的操作互补，所以它们的占空比也由表3决定。占空比信号提供了半导体开关的门驱动信号。
在表4中，控制信号选择器120的输出是CON，而反馈信号处理器110的输出是Vp。在此处，Vp总是被选择为CON。符号dp是由门信号分配器130分配给图3所示的功率变换器的开关T1p或T1n的占空比信号。符号dt是在整个区都导通的占空比信号。
表4.单相控制信号选择器和门信号分配器的逻辑
  区域   CON   dp   dt＝1
  I：0°～180°   Vp   T1p   T2n
  II：180°～360°   Vp   T1n   T2p
控制核心的实现
几乎所有的直流-直流控制器都可用作控制核心。图11和12例举了用于三相功率变换器(如图1和2所示)的控制核心120的两个实现方式。图13例举了用于单相功率变换器(如图3所示)的控制核心的实现方式。
图11表示了用脉宽调制型(PWM)方式实现的三相控制核心。在PWM实现方式中，控制核心125由三个SR触发电路和三个比较器组成。占空比信号dp、dn和dx产生于三个触发器的Q终端。在每个开关周期的开始，触发器通过S终端由一个时钟信号置位，然后通过R终端由三个比较器的输出复位，比较器的输出是控制信号选择器输出CONp、CONn、CONx和锯齿波的比较结果。时钟信号工作在几kHz到几百kHz的开关频率。
在每个开关周期的开始，时钟信号通过触发器的S终端把其Q终端置高，同时，锯齿波开始上升。当锯齿波和每个比较器对应的CON信号相交时，比较器将其相应的触发器Q终端置复位为低。
图12表示了用单周控制器(OCC)的方式实现三相控制核心。在OCC的实现方式中，源电压E由增益Hocc检测并送入一个由电容，电阻和运算放大器组成的积分器中。这个积分器的时间常数和开关周期相同，并在每个开关周期结束时复位清零。积分器的输出和检测出的源电压E相加以产生一个类锯齿波的信号，此信号的斜率和源电压E有关。然后，这个产生出的类锯齿波信号就以和图11所示的PWM控制核心相似的模式和控制信号选择器120输出信号CONp、CONn、CONx比较来生成占空比信号dp、dn和dx。对于PWM和OCC实现方式，虚线部分只在用于三相四线VSI时有效。
图13所示的是由OCC实现的单相控制核心。在此实现方式中，占空比信号dp在触发器的Q终端产生。在每个开关周期的开始，一个时钟信号将触发器的S终端置位，因而使Q终端的占空比信号dp为高。比较器的输出又将触发器的R终端复位，这里比较器的输出是控制信号选择器输出CON的绝对值和积分器输出比较而得的结果。复位后，在Q终端的占空比信号dp降为低。这两个信号在进行任何比较前都需要经过由|X|代表的绝对值取出器。积分器从开关周期开始积分由Hocc检测回来的源电压E，并在每个开关周期结束时复位。积分器的电阻和电容所构成的时间常数被设置成和开关周期相等。因此，积分结果是一个含源电压E信息的类锯齿波波形。
以上所提供的PWM和OCC控制核心的实现方式仅为例子，因为控制核心还有许多其他的实现方式。
优势和应用
这里所描述的统一控制器是既通用又简单。它可以综合性的控制三线和四线电路以实现三相电压发生，三相电流整形，和单相电压生成。此统一控制器的实现方式相对比较简单，既不需要DSP也不需要微处理器。
此统一控制方法的应用例子包括：
1.为不间断供电(UPS)系统，包括三相三线系统，三相四线系统和单相系统进行电压发生。
a.三相四线系统的电压发生。
图7所示的统一控制器可以控制图1所示的VSI为三相四线UPS系统进行电压发生。应用在这里的统一控制器可以通过让控制信号选择器和门信号分配器根据表3的逻辑运行，用三相PWM(图11)或三相OCC(图12)作为控制核心并用电压调节器(图8)作为反馈信号处理器来实现。
b.三相三线电压发生
应用在这里的实现方式和上一个方式类似。仅有的区别是在VSI(图1)和控制核心(图11和图12)虚线内所画的元件都被移走了，且使表3中给CONx和dx的逻辑失效。
c.单相电压发生
图7所示的统一控制器可以控制图3所示的VSI为单相UPS系统进行电压发生。应用在这里的统一控制器可以通过让控制信号选择器和门信号分配器按照表4的逻辑运行，用单相OCC(图13)作为控制核心，并用电压调节器(图10)作为反馈信号处理器来实现。
2.负载接在直流母线上的功率因数矫正(PFC)整流器，此整流器的交流源电压和电流同相。
3.和三相负载并联连接的有源功率滤波器(APF)。在这里，交流源电压和电流也同相。
4.在线逆变器(GCI)，它的交流源电压和电流反相。
5.用于马达驱动前级有再生式刹车功能的双向交流/直流变换器，根据马达的工作情况，它的电流可以流入或流出源端。
6.VAR产生器，其源电流领先或落后交流电压90°。
此统一控制器在2-6的应用中的实现方式是一致的，都用于图2所示的功率变换器。其控制信号选择器和门信号分配器均按照表3的逻辑运行，三相PWM(图11中实线部分)或三相OCC(图12中实线部分)均可作为其控制核心，并用了三相电流整型器(图9)作为反馈信号处理器。电流整型反馈信号处理器中的无功功率参考仅在生成VAR时需要(应用6)。
以上所例举的应用均有样机和实验验证。此处例举了从三相四线VSI样机中测出的实验结果。图14所示是在三个单相非线性负载情况下测出的实验波形。很明显，当三相电流IA、IB和IC畸变严重时，三相输出电压(VA、VB和VC)的波形质量仍很高。
如前所述，本专利是参考其特定实施方式加以描述的。很显然，在更广泛的本专利的原理和广度范畴内仍存在许多修改和变动的可能性。例如，在一个实施范例中的一个功能可以和其他实施范例中的别的功能相混合和匹配。同样在本专业内普遍所知的功能和工序也可根据需要加入。此外，也是显然的，有些功能可以根据需求被加上或去除。因此，除了根据附件中的权利要求以及与其等效的要求外，本专利不受其他限制。

Claims (24)

1.功率变换器的一个控制器，包括：
一个设定成可从功率变换器的多个反馈信号来产生多个中间级信号的反馈信号处理器；
一个设定成可测出功率变换器每个电周期不同区域的选型器，其输出的区域信号指出了功率变换器正处在的工作区；
一个设定成可产生多个控制信号的控制信号选择器，其中，控制信号选择器根据选型器的区域信号为每个控制信号选择至少一个中间级信号；
一个设定成可接受多个控制信号并基于所接受的控制信号产生多个占空比信号的控制核心；和
一个设定成可以根据选型器的区域信号分配多个占空比信号给功率变换器开关的信号分配器。
2.在权利要求1的控制器中，控制信号选择器根据选区器产生的区信号，按照一个逻辑表格选择至少一个中间级信号作为一个控制信号。
3.在权利要求1的控制器中，信号分配器根据选区器产生的区信号，跟随一个逻辑表格分配多个占空比信号。
4.在权利要求1的控制器中，选区器被设定成可根据功率变换器的多个交流(AC)电压信号的过零点测出有效区。
5.在权利要求1的控制器中，所分的区共有六个，每个占有功率变换器一周期的60°。
6.在权利要求1的控制器中，占空比信号的开关频率范围为1kHz到10MHz。
7.在权利要求1的控制器中，控制核心被设定为单周控制器(OCC)或脉宽调制控制器(PWM)。
8.在权利要求1的控制器中，反馈信号由功率变换器的被测电压信号构成。
9.在权利要求8的控制器中，反馈信号处理器被设定为可比较被测电压信号和参考电压信号，并至少部分根据比较结果产生中间级信号。
10.在权利要求9的控制器中，参考电压信号由交流(AC)电压信号组成。
11.在权利要求9的控制器中，反馈信号处理器被设定成可根据被测电压信号和参考电压信号的不同产生差异信号，把此差异信号送入多个PID补偿器的输入端，并从PID补偿器输出端信号减去多个被测电流信号以产生中间级信号。
12.在权利要求11的控制器中，被测电流信号是从功率变换器的电感或电容中流过的电流上检测得到的。
13.在权利要求1的控制器中，功率变换器指一个三相三线功率变换器或三相四线功率变换器。
14.在权利要求1的控制器中，反馈信号处理器被设定成可根据一个被测的直流(DC)电压和参考电压的不同产生差异信号，把此差异信号送入一个PID补偿器的输入端，PID补偿器的输出信号和从功率变换器的被测电压相乘，相乘的结果和从功率变换器来的被测电流相加以构成中间级信号。
15.在权利要求14中的控制器中，被测电流是从功率变换器的电感上流过的电流上检测的。
16.在权利要求15中的控制器中，功率变换器指一个在线三相功率变换器。
17.功率变换器的一个控制器，包括：
一个设定成可根据从功率变换器来的至少一个反馈信号产生至少一个中间级信号的反馈信号处理器；
一个设定成可接受中间级信号并基于接受的中间级信号产生至少一个占空比信号的控制核心；
一个设定成可测出功率变换器每个周期有效区的选型器，其输出的区域信号指出了功率变换器正处在的工作区；和
一个设定成可以根据选型器的区域信号分配至少一个占空比信号给功率变换器开关的信号分配器。
18.在权利要求17的控制器中，信号分配器根据选区器产生的区域信号，跟随一个逻辑表格分配多个占空比信号。
19.在权利要求17的控制器中，选区器被设定成可根据功率变换器的至少一个交流(AC)电压信号的过零点测出不同的工作区。
20.在权利要求17的控制器中，所分的不同区域共有两个，每个占有功率变换器电周期的180°。
21.在权利要求17的控制器中，至少一个占空比信号的开关频率范围为1kHz到10MHz。
22.在权利要求17的控制器中，控制核心为单周控制器(OCC)。
23.在权利要求17的控制器中，反馈信号是来自功率变换器的一个被测电压信号，而反馈信号处理器被设为比较被测电压信号和参考电压信号，并至少部分地基于比较结果产生至少一个中间级信号。
24.在权利要求23的控制器中，参考电压指交流(AC)电压信号。
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