CN102055366A - 操作逆变器的方法和逆变器控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及操作逆变器的方法和逆变器控制装置。一种通过使用脉宽调制切换方案操作用于把DC功率转换成AC功率的逆变器的方法，其中：使用脉宽调制切换方案来控制该逆变器以基于定义要由逆变器提供的至少一个交流电流的至少电流需求信号来提供至少一个交流电流；提供必须不被至少一个交流电流过冲的上电流阈值；提供必须不被至少一个交流电流下冲的下电流阈值；至少一个交流电流瞬时值被测量；并且在检测到至少一个交流电流的瞬时值过冲上电流阈值或下冲下电流阈值时，脉宽调制切换方案被修正切换方案所替代，该修正切换方案把至少一个交流电流瞬时值控制在上电流阈值和下电流阈值之间。上电流阈值和下电流阈值随至少一个交流相振荡。

Description

操作逆变器的方法和逆变器控制装置
技术领域
本发明涉及一种通过使用脉宽调制方案操作用于把DC功率转换成AC功率的逆变器的方法。另外，本发明涉及一种用于使用脉宽调制方案控制逆变器对DC功率到AC功率的转换的逆变器控制装置。
背景技术
基于脉宽调制方案的逆变器配有用于通过DC转换器输入把转换器AC输出以交替方式连接到DC链路的高或低电压电平的开关，所述转换器AC输出典型地连接到AC设备或电网进行功率传输。基于对连接AC输出到DC链路的电压电平和从DC链路的电压电平断开AC输出提供定时的脉宽调制方案，执行该切换。在AC输出连接到DC链路的时间期间，电流从链路流到输出，反之亦然。
逆变器通常被用来把风力涡轮机连接到电网。风力涡轮机通过使用风直接地或借助于齿轮箱来驱动发电机的转子而把风能转换成电能。通常被称作“定子电压”的在发电机的定子端子处形成的AC频率与转子的旋转速度成正比。在发电机端子处的电压也作为速度的函数且根据发电机的特定类型(根据通量水平)而改变。对于最优的能量捕获，风力涡轮机的输出轴的旋转速度将根据驱动风力涡轮机叶片的风速而改变。为了限制在高风速时的能量捕获，通过更改涡轮机叶片的节距来控制输出轴的旋转速度。
可以通过使用功率转换器来实现由发电机提供的可变电压和频率与电网的标称恒定电压和频率的匹配。
在功率转换器的第一级中，整流器被用来把从发电机传送的AC电压转换成具有高电压电平的DC电压和具有低电压电平的DC电压。这些DC电压被馈送到所谓的DC链路作为链路的高电压电平和链路的低电压电平。在第二级中，连接到DC链路的逆变器使用如上面提及的通过脉宽调制方案驱动的开关来把DC电压转换成匹配电网运营商所要求的电压电平、电网频率和功率因数(power factor)的AC电压。代替由实际功率(P)与表观功率(S)(其是实际功率和无功功率的平方和)之比给出的功率因数，逆变器也可以基于实际功率需求和无功功率需求进行控制。而且，代替直接根据功率因数或者实际和无功功率控制逆变器，其也可以由电流需求信号控制，因为电压振幅在电网中通常是固定参数以便由逆变器馈送到电网的功率可以由电流振幅和电流与电压之间的相位角定义。因此，功率因数需求信号或者实际和无功功率的需求信号可以被转换成电流需求信号，其然后被用于控制逆变器，即用于确定使开关打开和闭合的定时。这种控制模式被称为电流控制。
例如在US 2009/0147549A1中描述了典型的功率转换器，其包括用于把风力涡轮机发电机的AC功率转换成DC功率并且再把DC功率转换成AC功率的有源整流器和有源逆变器。
在US 5,388,041中公开了通过使用所谓的滑动模式控制来把DC电压转换成AC电压的逆变器，其中作为输出状态与参考量的比较和与状态误差相关的切换定律的结果来控制该逆变器。
US 2007/0216373A1公开了具有控制核心的功率转换器的三相控制器，所述控制核心可以使用不同的控制技术来实施，具体地是单周期控制(其为特殊的脉宽调制控制方法)和滑动模式控制。
通过例如风力涡轮机的电网连接逆变器，电网电压的任何突变，诸如在电网故障期间发生的那些突变，必须伴随逆变器端子电压的匹配快速变化，以便限制逆变器电流瞬态的大小并且允许逆变器维持电流控制并保持连接到电网。典型地，为适应电网电压的变化而必须改变逆变器输出电压的时间比确定输出电压状态的控制系统的更新时间短得多。在这些状况下不能快速地修改实际逆变器输出电压导致在逆变器模块中流动的极高电流，其可能大于逆变器模块的瞬时过电流阈值，这然后可能导致要避免的逆变器以及因此风力涡轮机的跳闸状况，因为通常要求在这样的电网故障期间保持连接到电网。
因此要求附加特征以把输出电流维持在具有适合于电路参数的时间常数的瞬时过电流电平之下，所述电路参数即DC链路电压、网络阻抗、网络滤波器阻抗、功率半导体器件过电流保护阈值等等。而且，在控制件中要求以动态、鲁棒的方式重新建立对电流的控制的特征。
防止功率半导体器件跳闸或受压的问题先前如下应对：
典型地，现有的方案添加在正常电流控制功能后的快速动作电流限制块。这个电流限制块基于固定的正和负阈值，在其之下/之上不允许输出电流。当相的输出电流在电流限制阈值之上或之下时，在瞬时电流为负的情况下，管理该电流的功率半导体器件被关断，因此限制电流的进一步增加。针对某个下阈值条件被获得或者时延，重新接通功率半导体器件。这些阈值被设定为在瞬时过电流阈值之下的某个裕度。
维持对从逆变器到电网的电流的鲁棒控制的问题先前如下应对：在常规的矢量控制逆变器中，电流控制器在这样的电网电压瞬态期间要求附加增益。这是借助于电流控制器中的电网电压前馈项而获得的。在稳态中，这个前馈项被严重滤波以最大化稳定性。在电网故障的开始和结束时的瞬态期间，这个前馈项被很轻微地滤波。这个轻微滤波是动态性能和电网稳定性之间的折衷。
通过脉宽调制马达驱动的双模控制所获得的电流限制被描述在US 4,904,919中。在这种双模控制中，用于在脉宽调制驱动中在正弦-三角调制和滞后调制(hysteresis modulation)之间切换的方法和控制电路被用来克服在瞬态条件期间在正弦-三角调制中出现的困难，所述瞬态条件可能造成对生成波进行调制的脉冲中较大的不期望的瞬时电流值。为防止这种不期望的瞬时电流值，正弦-三角脉宽调制方案用滞后调制方案替代，其中响应于达到滞后带上限的所感测相电流来控制相电压命令以便产生阈值所表示的限制电流。在稍后的时间，响应于所感测相电流的幅度降到滞后带下限而回归到正弦-三角调制。
发明内容
关于所提及的现有技术，本发明的目标是提供一种通过使用在过电流保护中有利的脉宽调制方案操作用于把DC功率转换成AC功率的逆变器的方法。本发明的进一步目标是提供一种用于使用在过电流保护中有利的脉宽调制方案控制逆变器对DC功率到AC功率的转换的逆变器控制装置
这些目标是通过根据权利要求1的操作逆变器的方法和通过根据权利要求11的逆变器控制装置而解决的。从属权利要求含有本发明的进一步发展。
根据通过使用脉宽调制切换方案来操作用于把DC功率转换成AC功率的逆变器的发明方法，通过使用脉宽调制切换方案来控制该逆变器以基于定义要由逆变器提供的至少一个交流电流的至少电流需求信号来提供至少一个交流电流。而且，提供必须不被至少一个交流电流过冲(overshot)的上电流阈值，并且提供必须不被至少一个交流电流下冲(undershot)的下电流阈值。至少一个交流电流的瞬时值被测量，并且在检测到至少一个交流电流的瞬时值过冲上电流阈值或下冲下电流阈值的情况下，脉宽调制切换方案被修正的切换方案所替代，该修正的切换方案把至少一个交流电流的瞬时值控制在上电流阈值和下电流阈值之间。根据本发明，上电流阈值和下电流阈值如至少一个电流需求信号所定义的那样随至少一个交流相(alternatingphase)振荡，例如与至少一个交流电流同相振荡。具体而言，上电流阈值和下电流阈值将典型地被给定为逆变器输出必须分别不过冲和下冲的正弦型参考值。
具体而言，当检测到瞬时过电流时，脉宽调制方案可以由滑动模式控制所替代。
通过修改正弦型上阈值和下阈值，构成逆变器的功率开关(其典型地为半导体器件)上的热应力被最小化。与其中电流过冲的奇异固定上电流阈值被限制为上阈值而电流下冲的奇异固定下电流阈值被限制为下阈值的现有电流限制技术水平相比，本发明方法限制逆变器的切换设备上的应力。现有电流限制水平将导致逆变器的输出波形是截断的正弦波。这种波形的均方根(rms)可能高达相同振幅的未截断的正弦波的均方根的1,41倍，因此开关的热损耗变成高达将由相同振幅的正弦波形产生的近似两倍。尽管电网故障事件是短暂的，例如典型地为100毫秒到三秒，但是施加到开关上的热应力可能很大并且最终成为形成开关尺寸的因数。利用本发明方法，在电网故障期间的热应力可以被减小，这进而降低用于形成开关尺寸的限制。
在本发明中，控制软件可以基于定期以软件执行的标准矢量控制。每个软件扫描/执行周期，软件计算下一周期的脉宽调制切换时间。另外，软件计算下一周期的瞬时逆变器电流的容许上限值和下限值(阈值)。换言之，电流阈值可以从电流需求信号中导出。任何，在下一控制器周期期间，控制器硬件在所计算的时间创建功率半导体器件切换边缘并且累积逆变器电流反馈。
对切换方案所做的修改用来把瞬时相电流维持在上限值和下限值内。这例如可以通过关断两级逆变器的相中的一个或两个设备或者甚至接通先前关断的设备来实现。这样的技术同样可应用于两级和多级逆变器。
从电流需求信号导出电流阈值可以通过向电流需求信号添加偏移量(offset)或者通过把电流需求信号乘上增益因数(gain factor)来完成。另外，可能通过添加偏移量并且乘上增益因数来导出电流阈值。如果仅涉及添加偏移量，则可以通过添加正偏移量来从电流需求信号中导出上电流阈值并且可以通过添加负偏移量来从电流需求信号中导出下电流阈值。如果另一方面没有涉及偏移量，则可以通过把电流需求信号乘上大于一的增益因数来从电流需求信号中导出上电流阈值并且可以通过把电流需求信号乘上小于一的增益因数来从电流需求信号中导出下电流阈值。如果涉及偏移量和增益因数两者，则正或负偏移量可以与大于或小于一的增益因数组合用于计算上和下电流阈值。因此，同时使用偏移量和增益因数提高了定义阈值的灵活性。另外，这些阈值可以被钳位在上限和下限内。
如已经提及的，可以以第一速率在多个时间步长中执行逆变器控制，其中电流需求信号被每个时间步长地更新。在这样的时间步长期间电流需求信号是恒定的。电流阈值也从电流需求信号被每个时间步长地计算。然而，可以通过在这个时间步长内外插电流需求信号的角度而在时间步长期间重新计算电流阈值至少一次。通过这种措施，可以使更新阈值的速率高于更新电流需求信号的速率，这允许对瞬时过电流的较快响应。
在修正的切换方案中，例如可以借助于最小脉冲定时器或者借助于电流阈值上的滞后带来限制切换频率。最小脉冲定时器和滞后带的组合也是可能的。限制切换频率是为了考虑到每个切换过程耗散半导体切换设备中的功率而完成的。在切换频率太高的情况下，过多功率被耗散以致切换设备经受热应力。例如，如果在状态误差为零或接近零的情况下滑动模式控制用于修改的切换方案，则可能发生高切换频率。注意，也可能可以允许有限数量的切换事件的较高切换频率，条件是遵守功率半导体器件的热限制。
如果对于给定的时间段至少一个交流电流的瞬时值未过冲上电流阈值并且未下冲下电流阈值，则该方法可以返回到常规(regular)脉宽调制方案。可选地，可以通过提供在上电流阈值之下的和在下电流阈值之上的附加阈值并且当检测到瞬时电流已返回到这些附加阈值之间时返回到常规脉宽调制方案，完成到常规脉宽调制方案的返回。
在发明方法的进一步发展中，由逆变器提供的交流电流是三相交流电流。然后为三相交流电流的每个相电流提供上电流阈值和下电流阈值。此外，三相交流电流的相电流的瞬时值被测量，并且在检测到三相交流电流的至少一个相电流的瞬时值过冲其上电流阈值或下冲其下电流阈值的情况下，脉宽调制切换方案被修正的切换方案所替代。控制DC功率到三相AC功率的转换是本发明的最重要应用之一，因为其可以用于连接电力发电机例如像风力涡轮机到电力网。
本发明也提供一种用于使用脉宽调制切换方案控制逆变器对DC功率到AC功率的转换的逆变器控制装置。该逆变器控制装置包括：
-电流控制器，用于基于至少一个电流需求信号建立至少一个电压需求信号，电流控制器具有用于接收电流需求信号的至少一个电流需求信号输入和用于输出至少一个电压需求信号的至少一个电压信号输出；
-脉宽调制发生器，包括：至少一个电压信号输入，连接到电流控制器的至少一个电压信号输出用以接收电压需求信号；以及门驱动(gate drive)命令信号计算器，用于基于至少一个电压需求信号根据脉宽调制切换方案来建立门驱动命令信号从而生成至少一个交流电流；以及
-电流限制器，用于限制至少一个交流电流，该电流限制器包括：至少一个上电流阈值信号输入，用于接收上电流阈值信号；至少一个下电流阈值信号输入，用于接收下电流阈值信号；电流反馈信号输入，用于从至少一个交流电流接收电流反馈信号；至少第一比较器，用于比较电流反馈信号与上电流阈值信号；至少第二比较器，用于比较电流反馈信号与下电流阈值信号；以及用于如果交流电流过冲上电流阈值或下冲下电流阈值则修正调制切换方案的装置。
电流控制器还包括：装置，用于基于至少一个电流需求信号来计算与如至少一个电流需求信号定义的交流电流同相振荡的至少一个振荡上电流阈值和至少一个振荡下电流阈值并且用于建立表示振荡上电流阈值的上电流阈值信号和表示振荡下电流阈值的下电流阈值信号。所述装置例如可以被实施为一个或多个专用集成电路(ASIC)、为FPGA(现场可编程门阵列)或者其他可编程逻辑器件，或者为通用中央处理器单元(CPU)。
另外，电流控制器包括：至少一个上电流阈值信号输出，连接到电流限制器的至少一个上电流阈值信号输入；以及至少一个下电流阈值信号输出，连接到电流限制器的至少一个下电流阈值信号输入。
本发明逆变器控制装置适于执行操作逆变器的发明方法并且因此获得如同它们关于发明方法已经讨论的相同的效果和优点。
电流控制器还可以包括：至少一个第一加法器，用于通过把第一值添加到电流需求信号来导出至少一个振荡上电流阈值；以及至少一个第二加法器，用于通过把第二值添加到电流需求信号来导出至少一个振荡下电流阈值。可选地或者另外，电流控制器可以包括：至少一个第一乘法器，用于通过把电流需求信号乘上第一增益因数来导出至少一个振荡上电流阈值；以及至少一个第二乘法器，用于通过把电流需求信号乘上第二增益因数来导出至少一个振荡下电流阈值。第一增益因数可以具体地为一或大于一，而第二增益因数可以具体地为一或小于一。然而，如果一起使用乘法器和加法器，则可以组合要添加到电流需求信号用于导出上阈值和下阈值的各种值以及各种增益因数，电流需求信号可以乘上所述各种增益因数以导出上和下电流阈值。
逆变器控制装置还可以包括用于提供修正切换方案的最小脉冲定时器和/或滞后比较器。
在例如适合于与风力涡轮机的功率转换器一起使用的逆变器控制装置的具体实施方式中，该装置适于通过使用脉宽调制切换方案控制逆变器对DC功率到三相AC功率的转换。在逆变器控制装置的这种实施方式中，电流控制器适于基于至少两个电流需求信号建立至少两个电压需求信号并且具有用于接收电流需求信号的至少两个电流需求信号输入和用于输出至少两个电压需求信号的至少两个电压信号输出。
另外，这种实施方式的脉宽调制发生器包括：至少两个电压信号输入，连接到电流控制器的电压信号输出以接收电压需求信号；以及门驱动命令信号计算器，用于基于至少两个电压需求信号根据脉宽调制切换方案来建立门驱动命令信号。
而且，这种实施方式的电流限制器适于限制三相交流电流的相电流。该电流限制器包括：至少两个电流反馈信号输入，用于从三相交流电流的至少两个相电流中接收电流反馈信号；至少两个上电流阈值信号输入，用于接收至少两个相电流的每个的上电流阈值信号；以及至少两个下电流阈值信号输入，用于接收至少两个相电流的每个的下电流阈值信号。另外，电流限制器包括：对每个电流反馈信号，第一比较器，用于比较相应相电流反馈信号与其上电流阈值信号；和第二比较器，用于比较相应相电流反馈信号与其下电流阈值信号。注意，如果平衡的三相AC电流中的相电流合计为零，则第三上和下电流阈值可以可能从第一和第二上和下电流阈值中导出。然而，三个第三上和下电流阈值不必需要合计为零，假定这些阈值具有带有增益和偏移量的正弦波的混合。
具体而言，电流限制器可以包括三个电流反馈信号输入，因为在电网故障的情况下相电流可能不再总计为零以致不能从其他两个相电流中导出第三相电流。
而且，电流限制器包括用于如果检测到相应瞬时相电流过冲其上电流阈值或下冲其下电流阈值则关于至少一个相电流修正调制切换方案的装置，例如ASIC、FPGA或CPU。
根据本发明，电流控制器包括：装置，例如ASIC或CPU或等效物(可以是dsp(数字信号处理器)、模拟计算机、并行处理器或等效物)，用于基于电流需求信号为交流电流的至少两个相电流计算振荡上电流阈值和振荡下电流阈值，上电流阈值和下电流阈值两者与如电流需求信号定义的相应相电流同相振荡；并且用于为所述至少两个相电流的每个建立表示振荡上电流阈值的上电流阈值信号和表示振荡下电流阈值的下电流阈值信号。电流控制器的至少两个上电流阈值信号输出连接到电流限制器的上电流阈值信号输入，而电流控制器的至少两个下电流阈值信号输出连接到电流限制器的下电流阈值信号输入。
注意，上面提及的输入和输出不必需要是物理输入/输出而是也可以是逻辑输入/输出。这样的逻辑输入/输出例如可以通过使用单个物理输入/输出和时间复用方案来实现。而且，输入和输出可以例如以总线结构的形式被提供。
根据本发明的进一步方面，提供一种计算机程序产品，其可以具体地存储在计算机可用介质上。计算机程序产品包括用于使计算机执行操作逆变器的发明方法的计算机可读程序装置。
附图说明
本发明的进一步特征、属性和优点将通过结合附图的本发明实施例的以下描述而变得清楚。
图1示出风力涡轮机的电设备。
图2示出作为图1所示的风力涡轮机电设备的一部分的逆变器。
图3示出图2的逆变器控制器。
图4示出在逆变器控制器中使用的脉宽调制发电机。
图5示出在逆变器控制器中使用的阈值计算机设备的第一可选方案。
图6示出在逆变器控制器中使用的阈值计算机设备的第二可选方案。
具体实施方式
图1以示意图示出形成风电场的许多风力涡轮机中的两个。具体而言，该图示出用于控制发电机和功率输出的风力涡轮机的电设备。
许多风力涡轮机1往往被连接在一起以定义风电场，其中这些风力涡轮机通过集电器电缆15而并联连接到风电场变换器35。风电场变换器35进而连接到标称固定频率公用电网(在图中标记为网络)。每个风力涡轮机1通过输入线电抗器19和风力涡轮机变换器21而连接到集电器电缆15。
每个风力涡轮机1包括转子3，转子3具有把转向转子3的旋转动量传递到齿轮箱7的转子轴5。在齿轮箱7中，发生以特定传动比的旋转到输出轴9的传动。输出轴9固定到AC发电机11的转子，AC发电机11把由输出轴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(单馈或双馈的)同步发电机或异步发电机。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。相比而言，在异步发电机中，定子磁场和转子的旋转频率不同。旋转频率的差异由发电机的空转(slip)描述。发电机21是可变速度发电机，即允许转子的旋转速度根据风力情况而改变。可选地，可以省略齿轮箱并且可以使用PM机器。
为了把固定频率AC功率供应到风力涡轮所连接的公用电网，每个风力涡轮机1配有功率电子转换器13，其根据公用电网的要求把由发电机11传送的部分或全部变频电力转换成具有固定频率的电功率。另外，功率电子转换器13控制由风力涡轮机1供应的电力的输出功率。
功率输出由单独风力涡轮机1的功率电子转换器13根据功率因数要求或者可选地根据有功功率要求和无功功率要求进行控制。每个功率电子转换器13包括用于从由风力涡轮机1提供可变频率AC电压产生具有高电压电平和低电压电平的DC电压的有源整流器25、从DC电压产生固定频率AC电压的逆变器27、以及连接有源整流器25与逆变器27的DC链路29。每个功率电子转换器13还包括：发电机控制器13，其通过控制AC发电机11的转子电流或转子电压来控制AC发电机11反抗的转矩；以及逆变器控制器33，控制功率电子转换器13的输出电流以供应具有以由所要求的功率因数所规定的角度超前或滞后的电流的三相AC功率。
逆变器控制器33接收DC链路29上的电压电平、在逆变器输出37处的电流电平、滤波器19和变换器21之间的电压电平以及来自功率控制器41的电流控制信号，所述功率控制器41根据所要求的功率因数生成电流需求信号。在图2中示出逆变器27的结构和逆变器控制器33的总体结构。
逆变器27包括三对有源切换设备35，比如绝缘栅双极晶体管(IBT)、双极结晶体管、场效应晶体管、达林顿晶体管或者可关断晶闸管。在本实施例中，每对有源切换设备35包括作为有源切换设备35的两个绝缘栅双极晶体管。有源切换设备35对连接在DC链路29的高电压电平和低电压电平之间。逆变器输出37的三条线的每条在切换设备35之间的中部连接到有源切换设备35对的不同对。通过切换有源切换设备35的合适方案，电压链路29上的DC电压可以被变换成在逆变器输出37处具有电流电平的三相AC电压以便匹配所要求的功率因数。该切换是根据由脉宽调制发生器39提供的脉宽调制换向信号完成的，所述脉宽调制发生器39是逆变器控制器33的一部分并且接收由逆变器控制器33的电流控制器设备43提供的电压需求信号。
在图3中更详细地示出逆变器控制器。如所提及的，逆变器控制器包括电流控制器设备43和脉宽调制发生器39。电流控制器设备43基于电流需求信号IQ_NET＊和ID_NET＊确定电压需求信号VQ_NET＊、VD_NET＊。电压需求信号VQ_NET＊和VD_NET＊被脉宽调制发生器39用来确定逆变器27中有源切换设备35的门驱动命令信号RU、RL、YU、YL、BU和BL，其定义切换设备35的切换时间。
电流需求信号IQ_NET＊和ID_NET＊基于功率因数要求由功率控制器计算。它们被定义在与电网电压同步旋转的旋转参考系(所谓的旋转场参考系)中。在这个参考系中，平衡的三相电流可以按照与电网电压在相位上相差1/4周期流动的直轴电流ID和与电网电压同相流动的正交轴电流IQ来表达。通过使用三个相电流被平衡即它们共计为零以便每个相电流可以从其他两个相电流被确定的事实，这两个电流可以而从三个相电流中导出。因此，三个相电流可以被变换成由相电流的不同组合表示的两个独立电流。使用第三电流组合，即所有三个相电流之和，来定义第三电流分量，然而其总是为零，因为AC三相电流被平衡。两个非零或零电流可以通过使用合适的坐标变换而被表达在随电网电压旋转的旋转参考系中。在这样的旋转参考系中，平衡的三相AC电流可以由两个向量表示，所述两个向量表示在通量矢量(即旋转参考系的所谓的直轴)的方向上流动的电流和与电网电压同相(即在旋转参考系的所谓的正交轴的方向上)流动的电流。与电网电压在相位上相差1/4周期流动的电流是直轴电流ID，而与电网电压同相流动的电流是电流IQ。以直轴电流ID和正交轴电流IQ的形式表示AC电流的优点在于在旋转参考系中这两个电流是处于稳态的直流并且稳态误差可以由比例积分控制器(PI控制器)控制到零。
电流控制器设备43包括：两个电流需求输入，即用于接收正交轴电流需求信号IQ_NET＊的第一电流需求输入和用于接收直轴电流需求信号ID_NET＊的第二电流需求输入；两个电流反馈输入，即用于接收正交轴电流反馈IQ_NET的第一电流反馈输入和用于接收直轴电流反馈ID_NET的第二电流反馈输入。两个反馈信号可以通过合适的变换从在逆变器输出处的输出电流的三个相位的测量中导出。而且，电流控制器包括两个电压反馈输入，即用于接收正交轴电压反馈VQ_NET的第一电压反馈输入和用于接收直轴电压反馈VD_NET的第二电压反馈输入。如同电流反馈信号，电压反馈信号可以通过使用合适的变换而从在滤波器19和变换器21a之间测量的输出电压的三个相位的测量中导出。在电流控制器43处存在用于接收网络电压波形的频率WN的进一步输入。
在电流控制器设备中以下列方式导出电压需求信号VQ_NET＊、VD_NET＊：在第一加法器中，从正交轴电流需求信号IQ_NET＊中减去正交轴电流反馈信号IQ_NET以形成正交轴误差信号EQ，其然后由PI控制器45接收，PI控制器45基于这个误差信号EQ产生第一控制信号C1。同样，第二加法器连接到用于接收相应电流的第二电流需求信号输入和第二电流反馈信号输入。第二加法器49从直流轴电流需求信号ID_NET＊中减去直流轴电流反馈信号ID_NET以产生直轴(direct axis)误差信号ED，其被输出到第二PI控制器51，第二PI控制器51基于直轴误差信号ED确定第二控制信号C2。
而且，电流控制器设备43包括第一乘法器53和第二乘法器57，第一乘法器53连接到用于接收正交轴电流需求信号IQ_NET＊的正交轴电流需求信号输入以及用于接收网络电压波形的频率WN的频率输入。第一乘法器53将所接收的正交轴电流需求信号IQ_NET＊乘上所接收的频率WN和滤波器19的感应率L。乘法的结果形成表示第一电流前馈项的第三控制信号C3。第二乘法器57连接到用于接收直轴电流需求信号ID_NET＊的直轴电流需求信号输入以及用于接收网络电压波形的频率WN的频率输入。其将所接收的直轴电流需求信号ID_NET＊乘上所接收的频率WN和滤波器19的感应率L以形成表示第二电流前馈项的第四控制信号C4。
第一加法器装置连接到用于接收第一控制信号C1的第一PI控制器47、到用于接收第四控制信号C4的第二乘法器57以及到用于接收正交轴电压反馈信号VQ_NET的第一电压反馈输入。其通过求和三个接收的信号来计算第一电压需求信号VQ_NET＊。所接收的正交轴电压需求信号VQ_NET＊然后通过第一电压需求输出而输出到脉宽调制发生器39。
在电流控制器设备43中存在第二加法器装置61，其连接到用于接收第二控制信号C2的第二PI控制器51、到用于接收第三控制信号C3的第一乘法器53以及到用于接收直轴电压反馈信号VD_NET的第二电压反馈输入。其形成三个接收的信号之和以生成第二电压需求信号，即直轴电压需求信号VQ_NET＊。直轴电压需求信号VQ_NET＊然后通过第二电压需求输出而输出到脉宽调制发生器39。关于图3的描述是仅正序控制的描述。事实上，也可以执行负序电流的控制。
脉宽调制发生器39建立单独的切换命令以用于通过打开和闭合相应切换设备35把逆变器27的相应输出线R、Y、B连接到DC链路的上电压电平VU和DC链路的下电压电平VL并且使它们从DC链路的上电压电平VU和DC链路的下电压电平VL中断开。各个信号命令RU、RL、YU、YL、BU和BL通过使用总电压幅度V_NET＊＝SQRT(VQ_NET＊2+VD_NET＊2)、角度
Figure BSA00000343291000131
与
Figure BSA00000343291000132
之和(其是网络电压角度的度量)以及脉宽调制频率(其例如由三角波发生器生成)。
所描述的电流控制器43和脉宽调制发生器39的操作到目前为止是常规操作，即在公用电网的正常电网状况下的操作。然而，在电网故障的情况下，不期望大的瞬时相电流值可能由利用调制方案的规则脉冲产生。这样不期望高的电流可能导致增加的功耗，其可能损坏逆变器的切换设备35。此外，这可能导致根据许多电网规范要避免的跳闸状况。因此，图3所示的电流控制器43包括阈值计算器，其针对每个相电流计算必须分别不是过冲或下冲的上电流阈值和下电流阈值。这些阈值被输出为由脉宽调制发生器39接收的上阈值信号和下阈值信号IR_TH_U、IR_TH_L、IY_TH_U、IY_TH_L、IB_TH_U和IB_TH_L另外，脉宽调制发生器39接收表示相电流IR、IY和IB的反馈回信号。
图4更详细地示出脉宽调制发生器。对于每个相电流，脉宽调制发生器包括一对滞后比较器，包括具有其上阈值和下阈值的相应电流反馈。具体而言，滞后比较器65和67两者接收红相的电流反馈。另外，滞后比较器65接收红相的上阈值信号IR_TH_U而滞后比较器67接收红相的下阈值信号IR_TH_L。在红相的反馈信号IR超过上阈值信号IR_TH_U或者降到下阈值信号IR_TH_L之下的情况下，相应滞后比较器65和67输出信号COMP_R。同样，在相应相电流反馈IY、IB超过其上阈值或者降到其下阈值之下的情况下，其他两对滞后比较器69、71和73、75输出信号COMP_Y、COMP_B。
脉宽调制发生器39还包括门驱动命令信号计算器77，其计算门驱动命令信号RU、RL、YU、YL、BU和BL。在逆变器控制器的常规操作模式期间，即在没有电网故障的情况下，门驱动命令信号计算器77基于给定的常规脉宽调制方案计算门驱动命令信号。然而，在门驱动命令信号计算器77从这些滞后比较器对之一接收输出信号COMP的情况下，门驱动命令信号计算器77针对从比较器接收高电平的相电流而从常规脉宽调制方案切换到另一种切换方案。修正的切换方案例如可以提供以下电压电平来控制相应相电流的瞬时值以便将其保持在其上阈值和下阈值之间：
如果I_NET-I_NET＊＞0，则U＝Umin
如果I_NET-I_NET＊＜0，则U＝Umax
其中U是逆变器的输出电压值，Umin是最小DC电压值，Umax是最大DC电压值，I_NET是表示相应相电流的瞬时值的电流反馈电平，I_NET＊是相应相的电流需求电平。当检测到瞬时过电流时，这样的实施方式用滑动模式控制来替换常规脉宽调制方案。
在上电流阈值过冲的情况下，(正弦的)上电流阈值可以被用作电流需求电平I_NET＊，并且在下电流阈值下冲的情况下，下电流阈值可以被用作电流需求电平I_NET＊。然而，也可能使用相电流需求信号作为相电流需求电平I_NET＊，其是通过把正交轴电流需求信号IQ_NET＊和直轴电流需求信号ID_NET＊变换成如静止参考系中表示的三相的相电流需求信号而导出的。
把相应相电流保持在修正的切换模式中直到相应的滞后比较器对返回到低输出电平。由于使用滞后比较器的事实，如果使相应相电流回到上阈值和下阈值所限定的范围中但到更窄的范围中，则不发生到低输出电平的返回。因此，给出安全裕度以返回到常规脉宽调制方案。
由于DC链路的上电压电平和下电压电平之间的切换仅基于相应相的电流反馈和相应相的电流需求之间的差异来执行的事实，在电流反馈和电流需求之间的差异为零或者接近零的情况下切换频率可能变得相当高。然而，在开关中高切换频率将比较低切换频率消耗更多功率以致例如通过使用限定最小脉宽的最小脉冲定时器来约束切换频率是可优选的。然而，如果遵守开关的热限制，则可以允许针对有限数量的切换事件的较高切换频率。
另外，当脉宽调制发生器以所描述的方式干扰时，所获得的相电压故意与由常规脉宽调制方案所获得的不同。如果脉宽调制发生器可以例如借助于低通滤波器来计算在修改的切换模式期间获得的相端子电压，则这个获得的电压的值可以被反馈给电流控制器作为用于再播其的电压反馈。
现在将关于图5描述导出相电流的阈值上限和阈值下限，图5示出阈值计算器63的第一实施方式。阈值计算器63包括接收正交轴电流需求信号IQ_NET＊和直轴电流需求信号ID_NET＊的坐标变换单元。其把在随通量矢量旋转的参考系中给出的电流需求信号变换成三个相电流需求信号IR_NET＊、IY_NET＊、IB_NET＊。而且，阈值计算器63包括存储器，该存储器含有要添加或从电流需求信号IR_NET＊、IY_NET＊、IB_NET＊减去的偏移值。尽管一个偏移值足以用于执行本发明，但是也可能为每个相电流提供不同的偏移值。上和下电流阈值IR_TH_U、IR_TH_L、IY_TH_U、IY_TH_L、IB_TH_U和IB_TH_L通过分别添加或减去偏移值而从相应的电流需求信号IR_NET＊、IY_NET＊、IB_NET＊进行计算。这些阈值信号然后输出到脉宽调制发生器39。
在图6中示出阈值计算器的可选实施方式。为避免重复，仅描述与图5所示的阈值发生器的差异。在图6所示的实施例中，存储器81含有在0和1之间的范围(例如在0和0.2之间)中的偏移量X。这个偏移量由第一增益因数形成单元83接收并且加一以形成大于一的第一增益因数。此外，这个偏移量也由第二增益因数形成单元85接收并且从一被减去以形成小于一的第二增益因数。相电流的上阈值信号和下阈值信号I_TH_U和I_TH_L通过分别把所述相电流需求信号乘上第一增益因数(即大于一的增益因数)和第二增益因数(即小于一的增益因数)二从相应的相电流需求信号I_NET＊中导出。计算的上和下电流阈值信号然后输出到脉宽调制发生器39。
尽管在阈值计算器的两个所示实施例中通过添加偏移量或者通过乘上增益因数来描述了上阈值和下阈值，但是这些阈值也可以通过添加偏移量和乘上增益因数的组合来计算并且在应用增益和偏移量后也可以把限制应用于这些阈值。而且，如果电流需求信号关于其角度进行外插，则阈值信号可以在电流控制的执行时间步长期间被更新一次或多次，这取决于在这个执行时间步长期间外插的速率。
如在示例性实施例中描述的发明提供一种在电网故障的情况下允许更精密控制的、操作逆变器的方法。具体而言，该方法也可以被用作一种在电网故障期间控制电网电流而不是仅仅将其限制为减小硬件跳闸风险的电平的手段。另外，修正的方案减小逆变器的开关上的热应力。

Claims (16)

1.一种通过使用脉宽调制切换方案来操作用于把DC功率转换成AC功率的逆变器的方法，其中：
-通过使用脉宽调制切换方案来控制该逆变器以基于定义要由逆变器提供的至少一个交流电流的至少电流需求信号来提供至少一个交流电流，
-提供必须不被至少一个交流电流过冲的上电流阈值，
-提供必须不被至少一个交流电流下冲的下电流阈值，
-至少一个交流电流的瞬时值被测量，并且
-在检测到至少一个交流电流的瞬时值过冲上电流阈值或下冲下电流阈值的情况下，脉宽调制切换方案被修正的切换方案所替代，该修正的切换方案把至少一个交流电流的瞬时值控制在上电流阈值和下电流阈值之间，
其中上电流阈值和下电流阈值随至少一个交流相振荡。
2.如权利要求1所述的方法，其中电流阈值从电流需求信号中导出。
3.如权利要求2所述的方法，其中电流阈值通过添加偏移量而从电流需求信号中导出。
4.如权利要求2或权利要求3所述的方法，其中电流阈值通过把电流需求信号乘上增益因数而从电流需求信号中导出。
5.如权利要求1到4中任一项所述的方法，其中
-以第一速率在多个时间步长中执行逆变器控制，其中电流需求信号被每个时间步长地更新并且在时间步长期间是恒定的，并且
-电流阈值根据电流需求信号被每个时间步长地计算并且通过在时间步长内外插电流需求信号的角度而在时间步长期间被重新计算至少一次。
6.如权利要求1到5中任一项所述的方法，其中在修正的脉宽调制方案中限制调制脉冲的频率。
7.如权利要求1到6中任一项所述的方法，其中在检测到至少一个交流电流的瞬时值过冲上电流阈值或下冲下电流阈值的情况下，脉宽调制切换方案被滑动模式控制方案所替代。
8.如权利要求1到7中任一项所述的方法，其中如果对于给定的时间段至少一个交流电流的瞬时值未过冲上电流阈值并且未下冲下电流阈值，则该方法返回到常规脉宽调制切换方案。
9.如权利要求1到7中任一项所述的方法，其中提供在上电流阈值之下的附加阈值和在下电流阈值之上的附加阈值，且其中如果至少一个交流电流的瞬时值在这些附加阈值之间，则该方法返回到常规脉宽调制切换方案。
10.如权利要求1到9中任一项所述的方法，其中
-交流电流是三相交流电流，
-为三相交流电流的每个相电流提供上电流阈值和下电流阈值，
-三相交流电流的相电流瞬时值被测量，并且
-在检测到三相交流电流的至少一个相电流的瞬时值过冲其上电流阈值或下冲其下电流阈值的情况下，控制相应相的脉宽调制切换方案被修正的切换方案所替代，该修正的切换方案把相应相电流的瞬时值控制在其上电流阈值和其下电流阈值之间。
11.一种用于使用脉宽调制切换方案控制逆变器(27)对DC功率到AC功率的转换的逆变器控制装置(33)，该逆变器控制装置(33)包括：
-电流控制器(43)，用于基于至少一个电流需求信号(IQ_NET＊、ID_NET＊)建立至少一个电压需求信号(VQ_NET＊、VD_NET＊)并且具有用于接收电流需求信号(IQ_NET＊、ID_NET＊)的至少一个电流需求信号输入和用于输出至少一个电压信号(VQ_NET＊、VD_NET＊)的至少一个电压信号输出；
-脉宽调制发生器(39)，包括：至少一个电压信号输入，连接到电流控制器(43)的至少一个电压信号输出用于接收至少一个电压需求信号(VQ_NET＊、VD_NET＊)；以及门驱动命令信号计算器(77)，用于基于至少一个电压需求信号(VQ_NET＊、VD_NET＊)根据常规脉宽调制切换方案来建立门驱动命令信号(RU、RL、YU、YL、BU、BC)从而生成至少一个交流电流；以及
-电流限制器(64)，用于限制至少一个交流电流，该电流限制器包括：至少一个上电流阈值信号输入，用于接收上电流阈值信号(IR_TH_U、IY_TH_U、IB_TH_U)；至少一个下电流阈值信号输入，用于接收下电流阈值信号(IR_TH_L、IY_TH_L、IB_TH_L)；至少一个电流反馈信号输入，用于从交流电流接收电流反馈信号(IR_NET、IY_NET、IB_NET)；至少第一比较器(65、69、73)，用于比较电流反馈信号(IR_NET、IY_NET、IB_NET)与上电流阈值信号(IR_TH_U、IY_TH_U、IB_TH_U)；至少第二比较器(67、71、75)，用于比较电流反馈信号(IR_NET、IY_NET、IB_NET)与下电流阈值信号(IR_TH_L、IY_TH_L、IB_TH_L)；以及用于如果交流电流过冲上电流阈值或下冲下电流阈值则修正调制切换方案的装置，
其中
-电流控制器(43)包括：阈值计算装置(63)，用于基于电流需求信号(IQ_NET＊、ID_NET＊)来计算与交流电流同相振荡的至少一个振荡上电流阈值和至少一个振荡下电流阈值并且用于建立表示振荡上电流阈值的上电流阈值信号(IR_TH_U、IY_TH_U、IB_TH_U)和表示振荡下电流阈值的下电流阈值信号(IR_TH_L、IY_TH_L、IB_TH_L)；至少一个上电流阈值信号输出，连接到电流限制器(64)的至少一个上电流阈值信号输入；以及至少一个下电流阈值信号输出，连接到电流限制器(64)的至少一个下电流阈值信号输入。
12.如权利要求11所述的逆变器控制装置(33)，其中阈值计算装置(63)包括：至少一个第一加法器，用于通过把第一值添加到电流需求信号来导出至少一个振荡上电流阈值；以及至少一个第二加法器，用于通过把第二值添加到电流需求信号来导出至少一个振荡下电流阈值。
13.如权利要求11或权利要求12所述的逆变器控制装置(33)，其中阈值计算装置(63)包括：至少一个第一乘法器，用于通过把电流需求信号乘上第一增益因数来导出至少一个振荡上电流阈值；以及至少一个第二乘法器，用于通过把电流需求信号乘上第二增益因数来导出至少一个振荡下电流阈值。
14.如权利要求11到13中任一项所述的逆变器控制装置(33)，其包括最小脉冲定时器和/或滞后比较器。
15.根据权利要求11到14中任一项所述的逆变器控制装置(33)，其适于使用脉宽调制切换方案控制逆变器对DC功率到三相AC功率的转换，且其中
-电流控制器(43)适于基于至少两个电流需求信号(IQ_NET＊、ID_NET＊)建立至少两个电压需求信号(VQ_NET＊、VD_NET＊)并且具有用于接收电流需求信号(IQ_NET＊、ID_NET＊)的至少两个电流需求信号输入和用于输出至少两个电压需求信号(VQ_NET＊、VD_NET＊)的至少两个电压信号输出；
-脉宽调制发生器(39)，包括：至少两个电压信号输入，连接到电流控制器(43)的电压信号输出用于接收电压需求信号(VQ_NET＊、VD_NET＊)；以及门驱动命令信号计算器(77)，用于基于至少两个电压需求信号(VQ_NET＊、VD_NET＊)根据脉宽调制切换方案来建立门驱动命令信号(RU、RL、YU、YL、BU、BL)；以及
-电流限制器(64)，用于限制三相交流电流的相电流，该电流限制器包括：
-至少两个电流反馈信号输入，用于从三相交流电流的相电流中接收电流反馈信号(IR_NET、IY_NET、IB_NET)，
-至少两个上电流阈值信号输入，用于接收至少两个相电流的每个的上电流阈值信号(IR_TH_U、IY_TH_U、IB_TH_U)，
-至少两个下电流阈值信号输入，用于接收至少两个相电流的每个的下电流阈值信号(IR_TH_L、IY_TH_L、IB_TH_L)，
-对每个电流反馈信号(IR_NET、IY_NET、IB_NET)，第一比较器(65、67、73)，用于比较电流反馈信号(IR_NET、IY_NET、IB_NET)与其上电流阈值信号(IR_TH_U、IY_TH_U、IB_TH_U)；和第二比较器(65、71、75)，用于比较电流反馈信号(IR_NET、IY_NET、IB_NET)与其下电流阈值信号(IR_TH_L、IY_TH_L、IB_TH_L)，以及
-用于如果检测到相应瞬时相电流过冲其上电流阈值或下冲其下电流阈值则关于至少一个相电流修正切换方案的装置，
其中
-电流控制器(43)包括：
-阈值计算装置，用于基于电流需求信号(IQ_NET＊、ID_NET＊)为交流电流的至少两个相电流计算与相应相电流同相振荡的振荡上电流阈值和振荡下电流阈值，并且用于为所述至少两个相电流的每个建立表示振荡上电流阈值的上电流阈值信号(IR_TH_U、IY_TH_U、IB_TH_U)和表示振荡下电流阈值的下电流阈值信号(IR_TH_L、IY_TH_L、IB_TH_L)，
-至少两个上电流阈值信号输出，连接到电流限制器(64)的上电流阈值信号输入，以及
-至少两个下电流阈值信号输出，连接到电流限制器(64)的下电流阈值信号输入。
16.一种计算机程序产品，具体地存储在计算机可用介质上，包括：计算机可读程序装置，用于使计算机执行如权利要求1到10中任一项所述的操作逆变器的方法。
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