CN103010035B - 用于电动或混合动力车辆的车载电力线调节系统 - Google Patents

用于电动或混合动力车辆的车载电力线调节系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于电动或混合动力车辆的车载电力线调节系统。具体地，用于车辆的动力线质量调节系统包括车载可充电直流（DC）能量存储系统和连接到能量存储系统上的车载电力系统。能量存储系统提供DC能量以驱动车辆的电力牵引马达。电力系统以充电模式工作从而来自车辆外部的电力电网的交流（AC）能量被转换为DC能量以对DC能量存储系统充电。电力系统还以车辆至电网电力调节模式工作从而来自DC能量存储系统的DC能量转换为AC能量以调节电力电网的AC电压。

Description

用于电动或混合动力车辆的车载电力线调节系统
关于联邦赞助的研究或发展的声明
本发明是在由美国能源部授予的No.DE-EE0002628号协议的政府支持下做出的。政府对本发明具有某些权力。
技术领域
在此描述的主题的实施例通常涉及一种机动车辆中的电力系统。更特别地，本主题的实施例涉及一种在至少一个工作模式中起作用的车载车辆系统，例如车辆至电网电力线调节器。
背景技术
矩阵转换器可以在电动和/或混合动力车辆中使用以在相对宽的工作电压范围内调节相对高的电力的传送，而同时获得电隔离，相对高的电力因子，低谐波畸变，相对高的电力密度和低成本。例如，双向隔离的矩阵转换器可以用来传送来自交流（AC）能量源的能量，例如在大多数住宅和商业建筑中普遍的单相电网电力，以对直流（DC）能量储存元件充电，例如车辆中的高压可再充电的电池。
发明内容
在此介绍了用于车辆的电力线质量调节系统。系统包括直流（DC）能量存储系统和连接到DC能量存储系统的双向矩阵转换器。双向矩阵转换器包括控制模块和交流（AC）接口以在车辆至源工作模式期间电力地将双向矩阵转换器与AC电力源并联。控制模块配置为在车辆至源工作模式期间控制双向矩阵转换器的工作以使用来自DC能量存储系统的能量调节在AC接口的AC电压。
还提供了一种用于车辆的电力线质量调节系统的另一实施例。系统包括车辆上车载的可充电DC能量存储系统并且配置为提供DC能量以驱动车辆的电力牵引马达。系统还包括车辆上车载并且连接到DC能量存储系统的电力系统，电力系统配置为以充电模式工作从而来自车辆外部的电力电网的AC能量转换为DC能量以为DC能量存储系统充电。电力系统还以车辆至电网电力调节模式工作从而来自DC能量存储系统的DC能量转换为AC能量以调节电力电网的AC电压。
还介绍了用于车辆的车载电力线质量调节系统。系统包括车辆上车载的可充电DC能量存储系统并且配置为提供DC能量以驱动车辆的电力牵引马达。系统还包括车辆上车载并且配置为电力地与AC电力电网并联以支持电网至车辆充电模式和车辆至电网电力调节模式的电力系统。系统还包括用于电力系统的车载控制模块，该控制模块配置为在车辆至电网电力调节模式期间控制电力系统的工作以调节在电力系统与AC电力电网之间在AC接口处的AC电压。
提供了该发明内容从而在以下的具体实施方式中进一步描述以简化的形式介绍概念的选择。该发明内容并不旨在识别要求的主题的关键特征或基本特征，也不是旨在用于帮助确定要求的主题的范围。
本发明还提供了以下方案：
1.一种用于车辆的电力线质量调节系统，该系统包括：
直流（DC）能量存储系统；以及
双向矩阵转换器，该双向矩阵转换器连接到DC能量存储系统并且包括控制模块和交流（AC）接口以在车辆至源工作模式期间电力地将双向矩阵转换器与AC电力源并联连接，其中控制模块配置为在车辆至源工作模式期间控制双向矩阵转换器的工作以使用来自DC能量存储系统的能量调节在AC接口处的AC电压。
2.如方案1所述的系统，其中，控制模块配置为在车辆至源工作模式期间控制双向矩阵转换器的工作以使用来自DC能量存储系统的能量提供AC功率流动和补偿。
3.如方案2所述的系统，其中，控制模块配置为：
获得在AC接口处的瞬时时间区域电压；
获得在AC接口处的瞬时时间区域电流；
获得电力补偿请求；以及
处理瞬时时间区域电压，瞬时时间区域电流，以及电力补偿请求以产生时间区域控制电流以控制双向矩阵转换器的多个开关的工作。
4.如方案1所述的系统，其中，控制模块配置为在车辆至源工作模式期间控制双向矩阵转换器的工作以使用来自DC能量存储系统的能量提供电力谐波控制和补偿。
5.如方案4所述的系统，其中，控制模块配置为：
获得在AC接口处的瞬时时间区域电压；
获得在AC接口处的瞬时时间区域电流；
获得与DC能量存储系统相关连的DC电压；以及
处理瞬时时间区域电压，瞬时时间区域电流，以及DC电压以产生时间区域控制电流以控制双向矩阵转换器的多个开关的工作。
6.如方案1所述的系统，还包括与双向矩阵转换器连接的数据通信模块以接收在AC接口处影响AC电压调节的数据。
7.如方案6所述的系统，其中，数据表示由双向矩阵转换器产生的请求的实际功率分量。
8.如方案6所述的系统，其中，数据表示由双向矩阵转换器产生的请求的无功功率分量。
9.如方案6所述的系统，其中，数据源于AC电力电网的分量。
10.如方案1所述的系统，其中，DC能量存储系统包括车辆的电力牵引马达的DC能量源。
11.如方案1所述的系统，其中，控制模块配置为在源至车辆工作模式期间控制双向矩阵转换器的工作以将来自AC电力源的AC能量转换以为DC能量存储系统充电。
12.一种用于车辆的电力线质量调节系统，该系统包括：
车辆上车载的可充电的直流（DC）能量存储系统，其配置为提供DC能量以驱动车辆的电力牵引马达；以及
车辆上车载并且连接到DC能量存储系统上的电力系统，电力系统配置为在充电模式工作从而来自车辆外部的电力电网的交流（AC）能量被转换为DC能量以对DC能量存储系统充电，并且电力系统配置为在车辆至电网电力调节模式工作从而来自DC能量存储系统的DC能量转换为AC能量以调节电力电网的AC电压。
13.如方案12所述的系统，其中，电力系统包括双向矩阵转换器。
14.如方案13所述的系统，其中，双向矩阵转换器包括多个开关和连接到多个开关和配置为控制多个开关的工作的控制模块。
15.如方案14所述的系统，其中，控制模块配置为在车辆至电网电力调节模式期间控制多个开关的工作以提供AC功率流并且补偿电力电网。
16.如方案15所述的系统，其中，控制模块配置为：
在电力电网与电力系统之间在AC接口处获得瞬时时间区域电压；
获得在AC接口处的瞬时时间区域电流；
获得电力补偿请求；以及
处理瞬时时间区域电压，瞬时时间区域电流，以及电力补偿请求以产生时间区域控制电流以控制多个开关的工作。
17.如方案14所述的系统，其中，控制模块配置为在车辆至电网电力调节模式期间控制多个开关的工作以提供电力谐波控制并且补偿电力电网。
18.如方案17所述的系统，其中，控制模块配置为：
在电力电网与电力系统之间在AC接口处获得瞬时时间区域电压；
获得在AC接口处的瞬时时间区域电流；
获得与DC能量存储系统相关连的DC电压；以及
处理瞬时时间区域电压，瞬时时间区域电流，以及DC电压以产生时间区域控制电流以控制多个开关的工作。
19.一种用于车辆的车载电力线质量调节系统，该系统包括：
车辆上车载的可充电的直流（DC）能量存储系统，其配置为提供DC能量以驱动车辆的电力牵引马达；
电力系统，其在车辆上车载并且配置为电力地与交流（AC）电力电网并联连接以支持电网至车辆充电模式和车辆至电网电力调节模式；以及
用于电力系统的车载控制模块，该控制模块配置为在车辆至电网电力调节模式期间控制电力系统的工作以调节在电力系统与AC电力电网之间在AC接口处的AC电压。
20.如方案19所述的系统，其中：
控制模块配置为在车辆至电网电力调节模式期间控制电力系统的工作以使用来自DC能量存储系统的能量在AC接口处提供AC功率流和补偿；以及
控制模块配置为在车辆至电网电力调节模式期间控制电力系统的工作以使用来自DC能量存储系统的能量在AC接口处提供电力谐波控制和补偿。
附图说明
当结合以下附图进行考虑时通过参考具体实施方式和权利要求书可以得到本主题的更完全的理解，其中整个附图中相同的附图标记表示相似的元件。
图1是用于与电力电网协作的车辆的示例性工作环境的示意图；
图2是车载车辆至电网电力线质量调节器系统的示例性实施例的示意图；
图3是适于在车辆中使用的电力系统的示例性实施例的示意图；
图4是适于与图3的电力系统一起使用的控制系统的示例性实施例的方框图；以及
图5是适于与图3的电力系统一起使用的控制系统的另一示例性实施例的方框图。
具体实施方式
以下的具体实施方式实质上仅仅是示例性的并且并不旨在限制本主题的实施例或这样的实施例的应用或使用。如在此使用的，文字“示例性”意思是作为例子，举例，或示例。作为示例在此描述的任何实施方式不需要配置为比其它实施方式更优选或更有利的。此外，并不旨在通过在技术领域，背景技术，发明内容或以下具体实施方式之前中存在的任何明示或暗示的理论进行限定。
技术和工艺可以根据功能和/或逻辑块部件，并且参照操作，处理任务的符号表示，以及通过各种计算部件或装置执行的功能在此进行描述。这样的操作，任务，以及功能有时认为是计算机执行的，计算机处理，软件实施，或计算机实施的。应当理解，在附图中示出的各种块部件可以通过配置为执行具体功能的任意数目的硬件，软件，和/或固件部件实现。例如，系统或部件的实施例可以采用在一个或多个微处理器或其它控制装置的控制下执行各种功能的各种集成电路部件，例如，存储元件，数字信号处理元件，逻辑元件，查找表等。
如在此使用的，“结点”意思是存在给定信号，逻辑水平，电压，数据模式，电流或量的任意的内部或外部参考点，连接点，连接，信号线，传导元件等。此外，两个或更多结点可以通过一个物理元件实现（并且即使通过公共结点接收或输出时两个或更多信号可以多道传递，调整，或以其他方式识别）。
以下的描述涉及“连接”或“连结”在一起的元件或节点或特色。如在此使用的，除非清楚地指出否则，“连接”意思是一个元件/结点/特征直接地连接到另一元件/结点/特征上，而不是必要机械地。同样地，除非清楚地指出否则，“连结”意思是一个元件/结点/特征间接地或间接地连接到（或直接地或间接地连通）另一元件/结点/特征上，而不是必要机械地。
此外，仅仅是为了参考，某些术语还可以在以下描述中使用并且并不旨在进行限制。例如，术语“第一”，“第二”以及其他的涉及结构的数字术语并不暗示顺序或次序，除非由上下文清楚地指出。
典型的电力线分配系统必须处理各种真实的世界性问题，例如无功功率，电压缓解，谐波，相位平衡，断电和电力系统阻尼。在此展现的系统和技术涉及在车辆电网电力线质量调节器系统中使用的基于车辆的双向矩阵转换器的改进。调节器系统以调节电力线的方式使用电动/混合动力车辆的车载能量存储装置。车载调节器系统使得减轻一些以上认定的电力系统分配问题变得可能。
图1是用于与交流（AC）电能的源，例如电力电网102协作的车辆的示例性工作环境100的示意图。该电力电网102可以是作为具有地线104或任何适当的参考点的AC电压源的概念模型。如更好地理解，电力电网102电力地电力地并联到从电力电网102获得工作电力的非线性负荷106上。图1示意地描述了与电力电网102相关连的线路电感108；线路电感108可以是作为在电力电网102与非线性负荷106之间串联的电感器的模型。
图1包括表示车辆的边界的短划线110。短划线110的右边表示主机车辆，以及短划线110的左侧表示不认为是主机车辆的一部分的元件，特征，和部件。对于该例子，主机车辆包括可以可移除地在结点114连接到电力电网102上的车载车辆至电网（车辆至源）的电力线质量调节器系统112。结点114可以实施为包含线路电感器109的连接板，其提供了至非线性负荷106的公共连接点（PCC）。在优选实施例中，调节器系统112与主机车辆为一体并且与主机车辆合并，并且调节器系统112确定为主机车辆的安装的，固定的和不可移除部件。
车辆输入或连接可以对应于或实现为插头，连接器，或任意合适地构成的电接口特征。例如，输入可以实施为与标准AC电源插座配合的标准的三插脚电源线插头。当连接到如图1所示的电力电网102时，调节器系统112电力地电力电网102和非线性负荷106两者。如图1所示，电力电网102，非线性负荷106，以及调节器系统112全部都参考相同的地线104。因此，调节器系统112表示用于电力电网102的分流电力线质量调节器系统。
在某些实施例中，调节器系统112包括主机车辆的至少一个直流（DC）能量存储系统或与主机车辆的至少一个直流（DC）能量存储系统协作。此外，调节器系统112可以基于配置为将AC能量转换为DC能量（为了对主机车辆的DC能量存储系统充电），以及将DC能量转换为实际和/或电抗的AC能量（为了调节电力电网的电力线）的电力系统。关于这一点，图2是调节器系统112的示例性实施例的示意图。该调节器系统112的具体实施例通常包括，并不限制为：电力系统120；DC电力存储系统（ESS）122；以及数据通信模块124。
电力系统120可以根据需要经由结点114（见图1）可移除地连接到电力电网102上。对于该实施例，电力系统120构成并且布置为双向矩阵转换器（BMC）。此外，电力系统120可以以不同模式工作，包括电网至车辆充电模式（其中为了对ESS122充电来自电力电网102的AC能量被转换）以及车辆至电网电力线调节模式（其中来自ESS122的DC能量转换为布置在电力电网102上的实际和/或电抗AC能量）。
ESS122连接到电力系统120以按需要提供DC能量。在示例性实施例中，ESS122实现为具有标称上的从约200至约500伏特DC的DC电压范围的可充电的高电压电池组。关于这一点，ESS122可以包括用于另一电力系统的主要能量源和/或车辆中的电动机。例如，ESS122可以连接到电力逆变器上，该电力逆变器配置为提供电压和/或电流至电动机，该电动机随后可以与变速箱接合以以传统的方式驱动车辆。在其它实施例中，ESS122可以实现为电池，超级电容，燃料电池，或其它适当的能量储存元件。
数据通信模块124可以配置为接收来自传送实体，装置，系统或部件的数据（例如，状态信息，命令，指令，和/或要求）。例如，数据通信模块124可以经由无线的或有形的连接126接收来自部件，站，或电力电网102的子系统数据。在某些实施方式中，在数据通信模块124接收的数据可以识别或以其他方式传送与电力电网102相关连的当前的电力线状态或情况，由调节器系统112将产生的需要或要求的实际电力部件，由调节器系统112将产生的需要或要求的无功功率等。响应于接收的数据，数据通信模块124提供对应的命令，工作参数，输入，或变量至电力系统120。随后，调节器系统112以如下所述的方式被控制布置在电力电网102上的产生所需的实际电力和/或所需的无功功率。
图3描述了电力系统120的示例性实施例，其适于在车辆中使用，例如电动或混合动力车辆。电力系统120包括，并不限制为，第一接口302，第一能量转换模块304，隔离模块306，第二能量转换模块308，感应元件310，电容性元件312，第二接口314，以及控制模块316。第一接口302通常表示用于将电力系统120连接至DC能量源318的物理接口（例如，终端，连接器等等），以及第二接口314通常表示用于将电力系统120连接至诸如电力电网的AC能量源320的物理接口（例如，终端，连接器等等）。因此，为了方便起见，第一接口302在此可以称作DC接口以及第二接口314在此可以称作AC接口。在示例性实施例中，控制模块316连接到能量转换模块304，308并且以充电模式操作能量转换模块304，308以将来自AC能量源320的能量传递至DC能量源318以在DC接口302获得所需的DC输出电压（VREF）。如在下文中详细描述的，控制模块316还以车辆至电网（V2G）电力调节模式操作能量转换模块304，308。
在示例性实施例中，DC能量源318（或可替换地，能量储存源或ESS）提供并且维持穿过第一接口302的特别的DC电压水平（由箭头360表示的）。如参照图2如上所述的，DC能量源318可以实现为具有标称上的从约200至约500伏特DC的DC电压的可充电高电压电池组。
AC能量源320（或电源）提供并且维持穿过第二接口314的特别的AC电压水平（由箭头380表示的）。AC能量源320可以实现为用于建筑，住宅或电力电网内的其它结构（例如，主要的电力或电网电力）的主要电力供给或主要电力系统。根据一个实施例，AC能量源320包括对大多数居住建筑物而言普遍的单相电力供给，其取决于地理区域而变化。例如，在美国，AC能量源320可以实现为在60Hz的120伏特（RMS）或240伏特（RMS），而在其它区域AC能量源320可以实现为在50Hz的110伏特（RMS）或220伏特（RMS）。在可替换的实施例中，AC能量源320可以实现为适于用电力系统120工作的任意的AC能量源。
如在下文中更详细地描述的，DC接口302连接到第一能量转换模块304和AC接口314经由电感元件310连接到第二能量转换模块308。隔离模块306连接在能量转换模块304，308之间并且提供两个能量转换模块304，308之间的电流隔离。控制模块316连接到能量转换模块304，308并且操作第一能量转换模块304和第二能量转换模块308以将DC能量转换成AC能量（以车辆至电网模式）并且将AC能量转换为DC能量（以电网至车辆模式）。以下的描述集中在以车辆至电网模式中电力系统120的工作上（例如，DC能量源318作为能量源用于提供实际的和电抗AC分量至AC能量源320）。尽管如此，应当理解该主题可以以电网至车辆模式实施和/或使用（例如，AC能量源320传送能量至DC能量源318）。
在示出的实施例中，第一能量转换模块304包括四个开关元件9-12，并且每个开关元件具有配置为反并联的至各自的开关元件上以调节双向能量传送的二极管29-32。如所示，如本领域将会理解的，电容器326配置为电力地并联穿过DC接口302以减小DC接口302处的电压脉动。
在示例性实施例中，开关元件9-12是晶体管，并且可以实现为使用任意适当的半导体晶体管开关，例如绝缘栅双极晶体管（IGBT），场效应晶体管（例如，MOSFET等），或在本领域中公知的任意其它可比较的装置。开关和二极管是反并联的，意思是开关和二极管电力地反向并联或极性相反。如本领域将会理解的，反并联的结构当闭锁电压单向时允许双向电流流动。在该结构中，通过开关的电流方向与通过各个二极管的容许电流的方向相反。反并联二极管穿过每个开关连接以提供当各个开关闭合时用于对DC能量源318充电的电流至DC能量源318的路径。
在示出的实施例中，开关9连接在DC接口302的结点328与结点322之间，并且开关9配置为提供当开关9闭合时用于从结点328至结点322的电流流动的路径。二极管29连接在结点322与结点328之间，并且二极管29配置为提供从结点322至结点328的电流流动的路径（例如，二极管29反并联至开关9）。开关10连接在DC接口302的结点330与结点322之间，并且开关10配置为提供当开关10闭合时用于从结点322至结点330的电流流动的路径。二极管30连接在结点322与结点330之间以提供从结点330至结点322的电流流动的路径。以类似的方式，开关11连接在结点328与结点324之间以提供当开关11闭合时从结点328至结点324的电流流动的路径，二极管31连接在结点324与DC接口302之间以提供从结点324至结点328的电流流动的路径，开关12连接在结点330与结点324之间以提供当开关12闭合时从结点324至结点330的电流流动的路径，并且二极管32连接在结点324与DC接口302之间以提供从结点330至结点324的电流流动的路径。
在示例性实施例中，第二能量转换模块308有利于AC能量源320和/或电感元件310与隔离模块306之间的电流（或能量）流动。在示出的实施例中，第二能量转换模块308实现为包括八个开关元件1-8的前端单相矩阵换算模块，其中与以上关于第一能量转换模块304中可以按类似方式阐述的，每个开关元件具有配置为与各个开关元件反并联的二极管21-28。为了方便起见，但并不构成限制，第二能量转换模块308可以可替换地在此涉及矩阵变换模块。如在下文中更详细地描述的，控制模块316根据需要支持所需的工作模式调整（例如，断开和/或闭合）矩阵转换模块308的开关1-8。
在图3示出的实施例中，第一对开关1，2以及二极管21，22连接在结点332与结点334之间，其中第一开关与反并联的二极管（例如开关1与二极管21）配置为与第二开关和反并联的二极管（例如开关2与二极管22）具有反向极性。用这样的方式，开关1和二极管22配置为当开关1闭合，打开，或以其他方式启动时提供通过开关1从结点334和二极管22至结点332的电流流动的路径，并且在结点334的电压比在结点332的电压更正向。开关2和二极管21配置为当开关2闭合，打开，或以其他方式启动时提供通过开关2从结点332和二极管21至结点334的电流流动的路径，并且在结点332的电压比在结点334的电压更正向。以按类似方式，第二对开关3，4和二极管23，24连接在结点336与结点338之间，第三对开关5，6以及二极管25，26连接在结点332与结点336之间，以及第一对开关7，8以及二极管27，28连接在结点334与结点338之间。
在示出的实施例中，如在下文中更详细地描述的，开关1，3，5，7包括对一类开关，当通过电感元件310的电流以反方向（例如，iL<0）流动时其能够整流从结点338至结点332的通过电感元件310（iL）的电流（由箭头390示出），并且开关2，4，6，8包括第二类开关，当通过电感元件310的电流以正方向（例如，iL>0）流动时其能够整流从节点332至节点338的通过电感元件310的电流。换句话说，开关1，3，5，7能够通过电感元件310传导在反方向流动的至少一部分电流，以及开关2，4，6，8能够通过电感元件310传导在正方向流动的至少一部分电流。如在此使用的，整流将应被理解为通过矩阵变换模块308的开关和二极管通过电感元件310循环电流的处理，从而通过电感元件310的电流的流动不会被中断。
在示例性实施例中，隔离模块306包括连接在第一能量转换模块304的结点322，324之间的第一组绕组344，以及连接在结点334，336之间的第二组绕组346。为了解释目的，绕组346在此可以包括初级绕组阶段（或初级绕组）并且绕组344在此可以包括次级绕组阶段（或次级绕组）。如本领域将会理解的，绕组344，346提供了电感元件，以传统的方式磁性地连接以形成变压器。在示例性实施例中，隔离模块306实现为高频变压器。关于这一点，隔离模块306包括设计为在高频率的特别的电力水平的变压器，例如能量转换模块304，308的开关的切换频率（例如，50kHz），使得变压器的实际尺寸相对于为相同电力水平的低频率变压器，例如，AC能量源320的频率（例如，主频率）减小。
在示例性实施例中，电感元件310实现为电感器，其配置为电力地串联在矩阵变换模块308的结点332与AC接口314的结点340之间。因此，为了方便起见，但并不构成限制，电感元件310在此指的是电感器。在电力系统120的工作期间电感器310起高频率的电感能量储存元件的作用。电容元件312实现为连接在AC接口314的结点340与结点342之间的电容器，即，电容器312配置为电力地与AC接口314并联。电容器312与电感器310协作地配置为提供高频滤波器以将由调整开关1-8产生的在AC接口314处的电压脉动最小化。
控制模块316通常表示硬件，固件和/或软件，其配置为操作和/或调整能量转换模块304，308的开关以获得从DC能量源318至AC能量源320的所需的功率流。取决于实施例，控制模块316可以实施或实现为设计为支持和/或执行在此描述的功能的通用处理器，微处理器，微控制器，按内容访问存储器，数字信号处理器，专用集成电路，字段可编程门阵列，任意适当的可编程逻辑器件，不连续的门或晶体管逻辑，不连续的硬件部件，或其任意的组合。
在用于电网至车辆应用的操作期间，控制模块316确定PWM指令信号，该PWM指令信号控制矩阵变换模块308的开关1-8的正时和任务循环以产生穿过隔离模块306的初级绕组346的高频率的AC电压。穿过初级绕组346的高频率的AC电压在结点322，324感应穿过次级绕组344的电压，其产生了流入DC接口302的所需电流以对DC能量源318充电或以其他方式传送能量至DC能量源318。控制模块316产生PWM工作循环控制值，其影响，控制，或以其他方式控制开关1-8的任务循环以在切换间隔期间（例如，切换频率的反相）实施适当的开关模式。在切换间隔期间（或PWM循环），控制模块316在操作开关1-8之间交替以有效地短路结点332，338并且通过矩阵变换模块308循环能量以在操作开关1-8之前作用穿过电感器310的电压从而释放电感器310的储存的能量和/或电压（可替换地，回扫电压）。回扫电压的总和与在AC接口314处的AC电压水平380作用到隔离模块306的初级绕组346上，使得电力传送至结点322，324和/或DC能量源318。以这样的方式，控制模块316操作矩阵变换模块308的开关1-8以通过电感器310循环能量与传送能量至DC接口302之间交替。在各自的切换间隔期间，矩阵变换模块308传送能量至DC接口302的切换间隔的百分比（或PWM循环）对应于矩阵变换模块308的工作循环。
在车辆至电网工作期间，控制模块316操作第一能量转换模块304从而以指定的切换率，例如50kHz产生穿过隔离模块306的第一组绕组344的高频矩形波电压。高频电压经由第二组绕组346磁性地连接到结点334，336。控制模块316提供正弦波PWM，SPWM，切换模式以控制能量转换模块308的开关装置。SPWM控制开关模式的结果是将在结点334，336处的高频电压50kHz转换为在结点340，342处的低频电压（例如，60Hz）。
在示例性实施例中，控制模块316获得或以其他方式监控：通过电感器310的电流390（例如，经由电力地与电感器310串联的电流传感器测量的电感器电流（iL））；通过电容器312的电流390（由箭头385表示的）（例如，经由电力地与电容器312串联的电流传感器测量的电容器电流（iCAP））；在AC接口314的AC电压水平380；以及在DC接口302处的DC电压水平360。控制模块316实施为控制系统以根据需要确定用于操作矩阵变换模块308的开关1-8和第一能量转换模块304的开关9-12的PWM任务循环控制值。在示例性实施例中，控制模块316获得在电流PWM循环期间在特别的及时的瞬间采样，测量，或以其他方式获得的电感器电流（iL），电容器电流（iCAP），在AC接口314的电压（VAC），在DC接口302的电压（VDC）的瞬时值，其中由控制模块316确定的PWM任务循环控制值决定在随后的PWM循环期间电力系统120的工作。
应当理解，为了解释目的并且并不旨在以任何方式限制在此描述的主题的范围和应用性，图3是电力系统120的简化表示。因此，整个图3描述了电路元件和/或末端之间的直接电气连接，可替换的实施例可以采用当以实质上类似的方式起作用的同时采用插入电路元件和/或部件。此外，尽管在此描述的电力系统120在上下文中是用于车辆的矩阵变换模块308，但本主题并不旨在限制为车的和/或汽车的应用，并且在此描述的主题可以以其它应用实施，其中能量转换模块用来使用开关元件传送能量或在其它电力系统中，其中使用前馈控制方案以通过将输入口作为无损耗的电阻器的模式而获得电力因数修正。
图4描述了适于通过图3的控制模块316使用的控制系统400的示例性实施例。控制系统400调节并且管理电力系统120中开关的工作以提供在车辆至电网电力线质量调节模式中功率流控制和补偿。该控制系统400的示例性实施例包括，但并不限制为：瞬时相位角度检测器402；坐标变换模块404；瞬时电力计算单元406；效率补偿选择器408；电力至电流转换器410；电流回路模块412；控制电流产生器414；以及栅极驱动器模块416。控制系统400的元件，模块，和示出的部件可以实现为由控制模块316执行的处理逻辑。
相位角度检测器402获得在结点114的瞬时电压和流出车辆至在结点114的电网的瞬时电流（见图1）。瞬时时间区域电压，，以及瞬时时间区域电流作为至相位角度检测器402的输入。相位角度检测器402基于瞬时电压和电流检测电网电压的相位和频率。坐标变换模块404将单相电压和电流变换为d-q框架坐标，其中d分量表示现实分量以及q分量是与d分量成90度的相位差。因此，坐标变换模块404接收相位角度检测器402的输出并且产生电压（在d-q坐标中表示）以及电流（用d-q坐标表示）。
坐标变换模块404的输出作为输入至瞬时电力计算单元406。瞬时电力计算单元406由用d-q坐标表示的电压和电流计算实际电力的瞬时值，以及无功功率。尤其是：
和的值提供作为电力补偿选择器408的输入，其还获得影响活性或无功功率补偿的选择的命令，指令，或请求420。请求420可以表示由电力系统120产生的请求的实际功率分量，请求的无功功率分量由电力系统120等产生。如参照图2所述的，请求420可以源于电力电网的系统或部件。取决于请求420的类别，为了车辆至电网电力电网补偿，电力补偿选择器408选择活性（实际）电力，无功功率，或两者。因此，数据通信模块124（见图2）可以用来接收影响AC电压和AC接口314的调节的数据（例如，电力补偿或调节请求420）。
响应于接收的请求420，电力补偿选择器408确定并且产生实际电力控制命令，，和/或无功功率控制命令，（星号记法表示量是命令或请求的量）。这些量表示车辆应当布置在电力电网上的电力。电力至电流转换器410认为瞬时电力（和）存在在结点114并且在d-q框架中产生电流命令作为输出。为了该特别的实施例，电力至电流转换器执行以下操作以产生d-q电流命令分量：
产生的电流命令分量（以及）作为至当前循环模块412的输入，其还接收在结点114测量的瞬时时间区域电流，，作为输入。当前循环模块412将在结点114的瞬时电流与命令的电流分量进行比较并且产生需要在结点114获得所需的电流的电流坐标。如图4所示，电流回路模块412产生-坐标中的电流，即和。
控制电流产生器414处理-电流坐标并且将-电流转换为在时间区域中的控制电流，。该控制电流是用来驱动栅极驱动器模块416的PWM栅极驱动器的所需的电流。PWM栅极驱动器调节并且控制电力系统120中开关1-12的工作（见图3）。因此，为了调节在结点114看到的功率，该控制方案启动控制模块316以调节并且控制电力系统120的工作。
图5是适于与电力系统120一起使用的控制系统500的另一示例性实施例的方框图。控制系统500调节并且管理电力系统120中开关的工作以提供在车辆至电网电力线质量调节模式中电力调和控制和补偿。实际上，控制系统500可以与控制系统400协作以控制电力系统120的工作。关于这一点，控制系统400，500可以与具有所需功能的组合的控制系统为一体。
该控制系统500的示例性实施例包括，但并不限制为：瞬时相位角度检测器502；坐标变换模块504；调和检测模块505；电流回路模块512；控制电流产生器514；以及栅极驱动器模块516。控制系统500的元件，模块，和示出的部件可以实现为由控制模块316执行的处理逻辑。
瞬时相位角度检测器502和坐标变换模块504配置为起如上所述的控制系统400中它们的相应物的作用。调和检测模块505接收并且处理d-q电压分量和d-q电流分量（其由坐标变换模块504提供）。调和检测模块505由在d-q坐标中表示的电压和电流确定在结点114的谐波电流，（见图1）。谐波电流作为一个输入至电流回路模块512。
DC总线电压调节器监控DC总线电压530并且响应于DC总线电压530产生控制电流命令，。对于该例子，DC总线电压530对应于穿过第一接口302的DC电压水平（见图3）。控制电流命令作为第二输入至电流回路模块512，其还接收作为另一输入的在结点114测量的瞬时电流，。电流回路模块512处理，，以及以产生在结点114需要获得谐波电流的电流坐标。如图5所示，电流回路模块512产生在坐标中的电流，即，和。
控制电流产生器514和栅极驱动器模块516配置为起如上所述的在控制系统400中它们的相应物的作用。因此，为了调和在结点114看到的电力，控制系统500启动控制模块316以谐波调节并且控制电力系统120的工作。在某些实施例中，以连续的或交替的方式（即，在不同的时间）执行电力调节和谐波调节。
尽管在上述具体实施方式中已经介绍了至少一个示例性实施例，应当理解存在各种变化。应当理解，在此描述的示例性的一个或多个实施例并不旨在以任何方式限制请求的主题的范围，应用性，或结构。然而，上述具体实施方式将为本领域技术人员提供实施上述一个或多个实施例的便利的路线图。应当理解，在不背离由权利要求限定的范围的情况下元素的功能和布置可以做出各种变化，其包括在提交该专利申请时的公知的等同形式和可预见到的等同形式。

Claims (20)

1.一种用于车辆的电力线质量调节系统，该系统包括：
直流（DC）能量存储系统；以及
双向矩阵转换器，该双向矩阵转换器连接到DC能量存储系统并且包括控制模块和交流（AC）接口以在车辆至源工作模式期间电力地将双向矩阵转换器与AC电力源并联连接，其中控制模块配置为在车辆至源工作模式期间控制双向矩阵转换器的工作以使用来自DC能量存储系统的能量调节在AC接口处的AC电压。
2.如权利要求1所述的系统，其中，控制模块配置为在车辆至源工作模式期间控制双向矩阵转换器的工作以使用来自DC能量存储系统的能量提供AC功率流动和补偿。
3.如权利要求2所述的系统，其中，控制模块配置为：
获得在AC接口处的瞬时时间区域电压；
获得在AC接口处的瞬时时间区域电流；
获得电力补偿请求；以及
处理瞬时时间区域电压，瞬时时间区域电流，以及电力补偿请求以产生时间区域控制电流以控制双向矩阵转换器的多个开关的工作。
4.如权利要求1所述的系统，其中，控制模块配置为在车辆至源工作模式期间控制双向矩阵转换器的工作以使用来自DC能量存储系统的能量提供电力谐波控制和补偿。
5.如权利要求4所述的系统，其中，控制模块配置为：
获得在AC接口处的瞬时时间区域电压；
获得在AC接口处的瞬时时间区域电流；
获得与DC能量存储系统相关连的DC电压；以及
处理瞬时时间区域电压，瞬时时间区域电流，以及DC电压以产生时间区域控制电流以控制双向矩阵转换器的多个开关的工作。
6.如权利要求1所述的系统，还包括与双向矩阵转换器连接的数据通信模块以接收在AC接口处影响AC电压调节的数据。
7.如权利要求6所述的系统，其中，数据表示由双向矩阵转换器产生的请求的实际功率分量。
8.如权利要求6所述的系统，其中，数据表示由双向矩阵转换器产生的请求的无功功率分量。
9.如权利要求6所述的系统，其中，数据源于AC电力电网的分量。
10.如权利要求1所述的系统，其中，DC能量存储系统包括车辆的电力牵引马达的DC能量源。
11.如权利要求1所述的系统，其中，控制模块配置为在源至车辆工作模式期间控制双向矩阵转换器的工作以将来自AC电力源的AC能量转换以为DC能量存储系统充电。
12.一种用于车辆的电力线质量调节系统，该系统包括：
车辆上车载的可充电的直流（DC）能量存储系统，其配置为提供DC能量以驱动车辆的电力牵引马达；以及
车辆上车载并且连接到DC能量存储系统上的电力系统，电力系统配置为在充电模式工作从而来自车辆外部的电力电网的交流（AC）能量被转换为DC能量以对DC能量存储系统充电，并且电力系统配置为在车辆至电网电力调节模式工作从而来自DC能量存储系统的DC能量转换为AC能量以调节电力电网的AC电压。
13.如权利要求12所述的系统，其中，电力系统包括双向矩阵转换器。
14.如权利要求13所述的系统，其中，双向矩阵转换器包括多个开关和连接到多个开关和配置为控制多个开关的工作的控制模块。
15.如权利要求14所述的系统，其中，控制模块配置为在车辆至电网电力调节模式期间控制多个开关的工作以提供AC功率流并且补偿电力电网。
16.如权利要求15所述的系统，其中，控制模块配置为：
在电力电网与电力系统之间在AC接口处获得瞬时时间区域电压；
获得在AC接口处的瞬时时间区域电流；
获得电力补偿请求；以及
处理瞬时时间区域电压，瞬时时间区域电流，以及电力补偿请求以产生时间区域控制电流以控制多个开关的工作。
17.如权利要求14所述的系统，其中，控制模块配置为在车辆至电网电力调节模式期间控制多个开关的工作以提供电力谐波控制并且补偿电力电网。
18.如权利要求17所述的系统，其中，控制模块配置为：
在电力电网与电力系统之间在AC接口处获得瞬时时间区域电压；
获得在AC接口处的瞬时时间区域电流；
获得与DC能量存储系统相关连的DC电压；以及
处理瞬时时间区域电压，瞬时时间区域电流，以及DC电压以产生时间区域控制电流以控制多个开关的工作。
19.一种用于车辆的车载电力线质量调节系统，该系统包括：
车辆上车载的可充电的直流（DC）能量存储系统，其配置为提供DC能量以驱动车辆的电力牵引马达；
电力系统，其在车辆上车载并且配置为电力地与交流（AC）电力电网并联连接以支持电网至车辆充电模式和车辆至电网电力调节模式；以及
用于电力系统的车载控制模块，该控制模块配置为在车辆至电网电力调节模式期间控制电力系统的工作以调节在电力系统与AC电力电网之间在AC接口处的AC电压。
20.如权利要求19所述的系统，其中：
控制模块配置为在车辆至电网电力调节模式期间控制电力系统的工作以使用来自DC能量存储系统的能量在AC接口处提供AC功率流和补偿；以及
控制模块配置为在车辆至电网电力调节模式期间控制电力系统的工作以使用来自DC能量存储系统的能量在AC接口处提供电力谐波控制和补偿。
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