CN103187917A

CN103187917A - 高压dc功率发生

Info

Publication number: CN103187917A
Application number: CN2011104534748A
Authority: CN
Inventors: G.I.罗斯曼; S.J.莫斯; S.J.方
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2013-07-03

Abstract

本发明涉及高压DC功率发生。一种DC功率发生系统包括永磁发电机（PMG）、与PMG进行电通信的有源整流器以及与有源整流器进行电通信的控制器，其中，控制器被配置为在同步参考系中调节PMG的定子电流的d-q分量。

Description

高压DC功率发生

技术领域

本文公开的主题一般地涉及电功率发生系统（EPGS）的领域，并且更特别地涉及具有有源整流的高压直流（DC）功率发生。

背景技术

一般地，用于陆上车辆的DC功率发生系统采用永磁发电机（PMG）和有源整流器。考虑到在PMG的工作旋转速度内的有源整流器的可控性范围，发电机设计必须适应反EMF要求。可能需要在存在恒定功率负载的情况下改善电压调节性能并由于大的PMG速度范围变化而增加有源整流器工作范围。

发明内容

根据本发明的一方面，DC功率系统包括永磁发电机（PMG）、与PMG进行电通信的有源整流器以及与有源整流器进行电通信的控制器，其中，控制器被配置为在同步参考系中调节PMG的定子电流的d-q分量。

根据本发明的另一方面，DC功率系统包括永磁发电机（PMG）、与PMG进行电通信的有源整流器以及与有源整流器进行电通信的控制器，其中，控制器被配置为基于有源整流器的电压反馈、有源整流器的电流反馈、PMG的估计速度以及在PMG处产生的功率的估计角度在同步参考系中调节PMG的定子电流的d-q分量。

通过结合附图进行的以下说明，本发明的其它方面、特征和技术将变得更加显而易见。

附图说明

现在参考附图，其中，在多个图中相同的元件被相同地编号：

图1举例说明根据示例性实施例的DC功率发生系统；

图2举例说明根据示例性实施例的电压调节器；以及

图3举例说明根据示例性实施例的同步电流调节器。

具体实施方式

在本文中提供了DC功率发生系统的实施例，下面更详细地讨论示例性实施例。根据示例性实施例，通过有源控制进行的电压调节中的技术益处和改善降低了关于DC功率发生系统内的dc链路电容器的大小的要求，结果得到改善的重量、尺寸和成本。

转到图1，示出了DC功率系统。DC功率系统100可以是车辆（例如汽车、卡车或其它陆上车辆）的功率系统。如所示，系统100包括永磁发电机（PMG）101。

系统100还包括与PMG 101的每个相输出端通信的电压传感器102。电压传感器102被配置为为PMG101的每个相输出端提供电压反馈信号。

系统100还包括通过安全干线接触器（MLC）与PMG 101进行电通信的有源整流器120。有源整流器120包括被配置为响应于从门极驱动105施加的脉宽调制（PWM）信号而接通/关断的多个开关S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆。有源整流器120还包括被配置为从PMG 101的每个相输出端提供电流反馈的多个电流换能器CT_A、CT_B和CT_C。电流换能器CT_A、CT_B和CT_C被布置在所述多个开关S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆中的各开关的输入部分处。

有源整流器101还包括在多个开关S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆中的每个开关的输出端两端耦合的DC电容器C_DC1以及在DC电容器C_DC1两端并联地耦合的电压传感器103。电压传感器103被配置为为有源整流器120提供电压反馈。有源整流器120还包括沿着有源整流器120的DC输出总线的第一轨串联地布置的电感L_F1和L_D1以及沿着有源整流器120的DC输出总线的第二轨串联地布置的电感L_F2和L_D2。还可以在DC输出总线上布置电阻R_D1和R_D2，其分别与电感L_D1和L_D2进行并行通信。此外，可以在DC输出总线两端布置滤波器电容器C_F1。

系统100还包括与有源整流器120进行通信的负载104。负载104可以是施加于有源整流器120的DC输出总线的任何适当DC负载。例如，如上所述，DC负载可以是相对大且恒定的DC负载。

系统100还包括与有源整流器120进行通信的门极驱动105。可以将门极驱动105配置为打开和闭合多个开关S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆中的每一个。

系统100还包括与门极驱动105通信的控制器106。控制器106被配置为向门极驱动105施加脉宽调制（PWM）信号。控制器106包括被配置为提供PWM信号的PWM调制器107。

控制器106还包括与PWM调制器107和有源整流器120通信的同步电流调节器108。例如，同步电流调节器108可以与有源整流器120的多个电流换能器CT_A、CT_B和CT_C进行通信。参考图3，下面更全面地描述同步电流调节器108。

控制器106还包括与同步电流调节器108和有源整流器120进行通信的电压调节器109。例如，电压调节器109可以与有源整流器120的电压传感器103通信。参考图2，下面更全面地描述电压调节器109。

控制器106还包括与电压调节器109、同步电流调节器108和电压传感器102通信的PMG电角度估计器110。可以将PMG电角度估计器110配置为估计在PMG 101处产生的功率的电角度，并将该估计提供给同步电流调节器108。此外，可以将PMG电角度估计器110配置为估计PMG 101的旋转速度并将速度估计提供给电压调节器109。在题为“Shaft sensorless angular position and velocity estimation for a dynamoelectric machine based on extended rotor flux,”的美国专利号7,072,790中详细地描述了示例性PMG电角度估计器，其被整体地通过引用结合到本文中。

图2举例说明根据示例性实施例的电压调节器109。电压调节器109包括非线性增益/放大以改善负载瞬态现象期间的有源整流器120的DC输出总线的动态性能。如所示，电压调节器109从有源整流器（例如有源整流器120）接收基准电压和反馈电压。在加法器（summer）201处确定基准和反馈电压之间的差（例如，电压误差）。在方框205处将电压误差的绝对值（202）的非线性增益（204）与电压误差相加以向比例积分（PI）块209提供电压误差的平方函数。通过作为电流基准的d分量和PMG 101的定子电流的幅值的函数的PI的动态极限来确定（将提供给同步电流调节器108的）基准电流I_{q_ref}的q分量。此动态极限（210～211）促进将定子电流保持在预定水平内。

通过定子电流的适当Id部分的加法器208来确定基准电压的d分量，电流I_{d_ref}（例如，将提供给同步电流调节器108的基准电流）。定子电流的Id分量根据通过块201～202确定的电压误差而动态地增加（206），并根据PMG旋转速度而静态地增加（207）。

如图1所示，电流I_{q_ref}和I_{d_ref}被提供给同步电流调节器108。图3举例说明根据示例性实施例的同步电流调节器108。

同步电流调节器108在同步参考系中控制PMG 101的定子电流的d-q分量。同步电流调节器108确定用于PMG的每个相输出的整流的适当调制信号ma、mb和mc。该调制信号是响应于定子相电压基准的d-q分量在dq至abc变换块304的输出端上导出的。分别响应于电流误差（iq_err和id_err）在比例积分块302、306的输出端上导出定子相电压矢量的d-q分量（vq_ref_c和vd_ref_c）。例如，在块301处，通过从有源整流器10的电流换能器CT_A、CT_B和CT_C接收到的反馈电流的q分量（iq_fdbk）和I_{q_ref}的加和来确定Iq_ref的电流误差。此外，在块305处，通过从有源整流器120的电流换能器CT_A、CT_B和CT_C接收到的反馈电流的d分量（id_fdbk）和I_{d_ref}的加和来确定电流I_{d_ref}的电流误差。使用通过角度估计器110估计的角θ以及从有源整流器120的电流换能器CT_A、CT_B和CT_C接收到的反馈电流，通过abc至dq变换块307来变换iq_fdbk和id_fdbk两者。在电压解耦块303处将电压矢量的d-q分量（vq_ref和vd_ref）解耦。电压解耦块303改善了电流环路的稳定性且可以是可选的。

如果实现了电压解耦块303，则在块304处变换解耦的参考值以使用通过角度估计器110估计的角θ来产生适当的调制信号ma、mb和mc，以进行PMG的每个相输出的整流。可以通过以下等式1和2来实现解耦：

等式1：v_{d_ref} = v_{d_ref_c} + ω * L_d * i_{q_fdbk}

等式2：v_{q_ref} = v_{q_ref_c} – ω * L_q * i_{d_fdbk}

根据以上等式1和2，Ld和Lq是PMG 101的d和q轴定子自感。

替换地，如果未实现电压解耦块303，则可以在块304处直接变换快302和306的输出以使用通过角度估计器110估计的角θ来产生适当的调制信号ma、mb和mc，以进行PMG的每个相输出的整流。

根据上述实施例，可以利用有源整流器120的基准电压和电流的电角度估计、速度估计和d-q分量通过控制器106来建立PWM方案，控制器106增加有源整流器120的DC输出总线的响应。以这种方式，DC输出电压被保持在相对恒定的水平，这打消了对大DC总线电容器的需要。因此，示例性实施例的技术效果和益处包括跨越宽速度范围的DC总线电压调节的增加、大的负载施加和去除期间的改善的动态性能、大的恒定负载施加期间的改善的DC总线稳定性以及DC功率发生系统的尺寸、成本和重量的缩减。

本文所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，并且并不意图限制本发明。虽然已经出于图示和说明的目的提出了本发明的说明，但其并不意图是排他性的或局限于所公开的形式的本发明。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，未描述的许多修改、变化、变更、置换或等价布置对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，应理解的是本发明的方面可以仅包括所述实施例中的某些。因此，不应将本发明视为受前述说明的限制，而是仅仅由所附权利要求的范围来限制。

Claims

1.一种DC功率系统，包括：

永磁发电机（PMG）；

与PMG进行电通信的有源整流器；以及

与有源整流器进行电通信的控制器，其中，所述控制器被配置为在同步参考系中调节PMG的定子电流的d-q分量。

2.权利要求1的系统，其中，所述控制器包括与有源整流器进行电通信的同步电流调节器，并且其中，所述同步电流调节器被配置为调节定子电流的d-q分量。

3.权利要求2的系统，其中，所述控制器还包括与PMG和同步电流调节器进行通信的电角度估计器，并且其中，所述电角度估计器被配置为估计PMG的速度和在PMG处产生的功率的角度。

4.权利要求3的系统，其中，所述控制器还包括与同步电流调节器和电角度估计器进行通信的电压调节器，并且其中，所述电压调节器被配置为将在有源整流器处输出的反馈电压的d-q分量提供给同步电路调节器，d-q分量是基于PMG的估计速度和反馈电压。

5.权利要求4的系统，其中，所述控制器还包括与同步电流调节器和有源整流器进行通信的脉宽调制（PWM）调制器，PWM调制器被配置为基于定子电流的调节d-q分量来控制有源整流器。

6.权利要求1的系统，其中，控制器包括与有源整流器进行电通信的同步电流调节器，并且其中，同步电流调节器被配置为通过对定子电流的d-q分量的调节来向有源整流器提供脉宽调制（PWM）方案。

7.权利要求1的系统，其中，控制器包括与有源整流器进行电通信的同步电流调节器，并且其中，同步电流调节器被配置为基于有源整流器的电流误差的比例积分来向有源整流器提供脉宽调制（PWM）方案。

8.权利要求1的系统，其中，控制器包括与有源整流器进行电通信的同步电流调节器，并且其中，同步电流调节器被配置为基于有源整流器的基准电压的d-q分量向有源整流器提供脉宽调制（PWM）方案。

9.权利要求1的系统，其中，所述控制器包括：

与有源整流器进行通信的同步电流调节器；

与同步电流调节器进行通信的电压调节器；以及

与同步电流调节器和电压调节器进行通信的电角度估计器。

10.权利要求9的系统，其中，所述电角度估计器被配置为估计在PMG处产生的功率的角度和PMG的速度，其中，电压调节器被配置为基于基准电压和估计速度来确定有源整流器的基准电压的d-q分量，并且其中，同步电流调节器被配置为基于估计角度和基准电压的d-q分量来调节定子电流的d-q分量。

11.一种DC功率系统，包括：

永磁发电机（PMG）；

与PMG进行电通信的有源整流器；以及

与有源整流器进行电通信的控制器，其中，所述控制器被配置为基于有源整流器的电压反馈、有源整流器的电流反馈、PMG的估计速度以及在PMG处产生的功率的估计角度在同步参考系中调节PMG的定子电流的d-q分量。

12.权利要求11的系统，其中，所述控制器包括与有源整流器进行电通信的同步电流调节器，并且其中，所述同步电流调节器被配置为基于基准电压的d-q分量、电流反馈的d-q分量和估计角度来调节定子电流d-q分量。

13.权利要求12的系统，其中，所述控制器还包括与PMG和同步电流调节器进行通信的电角度估计器，并且其中，所述电角度估计器被配置为估计速度并估计角度。

14.权利要求13的系统，其中，所述控制器还包括与同步电流调节器和电角度估计器进行通信的电压调节器，并且其中，所述电压调节器被配置为提供反馈电压的d-q分量。

15.权利要求14的系统，其中所述控制器还包括与同步电流调节器和有源整流器进行通信的脉宽调制（PWM）调制器，PWM调制器被配置为基于定子电流的调节d-q分量来控制有源整流器。

16.权利要求11的系统，其中，所述控制器包括与有源整流器进行电通信的同步电流调节器，并且其中，所述同步电流调节器被配置为向有源整流器提供脉宽调制（PWM）方案。

17.权利要求11的系统，其中，控制器包括与有源整流器进行电通信的同步电流调节器，并且其中，同步电流调节器被配置为基于有源整流器的电流误差的比例积分来向有源整流器提供脉宽调制（PWM）方案。

18.权利要求11的系统，其中，控制器包括与有源整流器进行电通信的同步电流调节器，并且其中，同步电流调节器被配置为基于基准电压的d-q分量来向有源整流器提供脉宽调制（PWM）方案。

19.权利要求11的系统，其中，所述控制器包括：

与有源整流器进行通信的同步电流调节器；

与同步电流调节器进行通信的电压调节器；以及

与同步电流调节器和电压调节器进行通信的电角度估计器。

20.权利要求19的系统，其中，所述电角度估计器被配置为估计角度和速度，其中，电压调节器被配置为基于基准电压和估计速度来确定有源整流器的基准电压的d-q分量，并且其中，同步电流调节器被配置为基于估计角度和基准电压的d-q分量来调节定子电流的d-q分量。