CN104184330A - 功率变换器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种功率变换器装置的控制方法。所述功率变换器装置包括直流电链路(2)和诸如电池等直流电负载/源(4)。根据一种相对于穿过所述直流电负载/源(4)的电压V₂来确定一个或多个直流电链路电压空值的方法对所述功率变换器装置进行控制。如果直流电链路电压空值介于所述上限与下限之间，则控制(例如，通过控制器(30))所述有源整流器/逆变器(20)以提供与所述直流电链路电压空值大致相等的直流电链路电压。

Description

功率变换器控制方法

技术领域

本发明涉及一种功率变换器控制方法，确切地说，涉及一种最大限度地减小电流纹波的控制方法。

背景技术

图1示出了N相交错式双向降压变换器(或者逐级降压变换器)拓扑结构。此类变换器1包括并联在直流电链路2与直流电负载/源4之间的N个变换器电路。每个变换器电路具有同步拓扑结构，其中包括第一开关6₁、6₂...6_N；第二开关8₁、8₂...8_N以及反应器(或电感器)10₁、10₂...10_N。换言之，降压变换器(buck converter)1的第一变换器电路(或“相”)包括第一开关6₁、第二开关8₁和反应器10₁；第二变换器电路包括第一开关6₂、第二开关8₂和反应器10₂；每个变换器电路以此类推。

电容器12跨接在直流电链路2两端。

应清楚地认识到，由于降压变换器是双向的，因此电力可以从直流电链路2流动到直流电负载/源4，并且电力可以从直流电负载/源4流动到直流电链路2，具体取决于操作要求。

各个变换器电路的切换策略是交错式(interleaved)的。换言之，变换器电路以相同的占空率(duty ratio)工作，但是它们各自的切换时间的起始点时间位移为：

$t_{\mathrm{start},n}=T\·\frac{n-1}{N}---\left(\mathrm{EQ}1\right)$

其中：

n是对应的变换器电路(即，n＝1，2...N)，

t_start，n是对应变换器电路的时间位移(time displacement)，以及

T是切换时间。

在第一开关6₁、6₂...6_N的“接通”期内流过每个反应器的电流(所谓的短路电流(circuit current))的变化指定为：

$V_1-V_2=L\·\frac{{\mathrm{\Δi}}_n}{D\·T}---\left(\mathrm{EQ}2\right)$

其中：

V₁是直流电链路电压(即，穿过直流电链路2的电压)，

V₂是穿过直流电负载/源4的电压，

L是反应器电感，

i_n是对应变换器电路的短路电流，以及

D是占空率。

类似地，在第一开关6₁、6₂...6_N的“断开”期内，短路电流i_n的变化指定为：

$-V_2=L\·\frac{{\mathrm{\Δi}}_n}{(1-D)\·T}---\left(\mathrm{EQ}3\right)$

在连续工作中，“接通”期内短路电流i_n的升高必须与“断开”期内短路电流的降低匹配，以使短路电流始终不会降低到零。因此：

(V₁-V₂)·D·T＝V₂·(1-D)·T     (EQ4)

V₁·D＝V₂                       (EQ5)

在第一开关6₁、6₂...6_N的“接通”期内，每个变换器电路的短路电流i_n的变化率指定为：

$\frac{{\mathrm{di}}_n}{\mathrm{dt}}=\frac{V_1-V_2}{L}=\frac{V_1\·(1-D)}{L}---\left(\mathrm{EQ}6\right)$

类似地，在第一开关6₁、6₂...6_N的“断开”期内，每个变换器电路的短路电流i_n的变化率指定为：

$\frac{{\mathrm{di}}_n}{\mathrm{dt}}=\frac{-V_2}{L}=\frac{-D\·V_1}{L}---\left(\mathrm{EQ}7\right)$

对于图1中所示的N相交错式双向降压变换器，变换器电流I的总变化率指定为：

$\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}=\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{di}}_n}{\mathrm{dt}}---\left(\mathrm{EQ}8\right)$

如果占空率较低，例如，当D≤1/N时，假定电流交错(interleaving)，则任意特定时间点上最多只能有一个变换器电路处于“接通”(或者充电)状态，其余的变换器电路必须处于“断开”(或者放电)状态。

在这种情况下，变换器电流I的总变化率指定为：

$\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_1\·(1-D)}{L}-(N-1)\·\frac{D\·V_1}{L}---\left(\mathrm{EQ}9\right)$

该式可简化为：

$\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_1}{L}-\frac{N\·D\·V_1}{L}---\left(\mathrm{EQ}10\right)$

因此，只要下式成立，变换器电流I的变化率将为零：

1＝N·D               (EQ11)

较高的占空率可以定义为：

$\frac{a-1}{N}<D\&le;\frac{a}{N}---\left(\mathrm{EQ}12\right)$

其中a是小于N的正整数。

在这种情况下，a个变换器电路可以在任意特定时间点处于“接通”(或充电)状态，并且(N-a)个变换器电路可以处于“断开”(或者放电)状态。变换器电流I的总变化率指定为：

$\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}=a\&CenterDot;\frac{V_1\&CenterDot;(1-D)}{L}-(N-a)\&CenterDot;\frac{D\&CenterDot;V_1}{L}---\left(\mathrm{EQ}13\right)$

该式可简化为：

$\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}=\frac{a\&CenterDot;V_1}{L}-\frac{N\&CenterDot;D\&CenterDot;V_1}{L}---\left(\mathrm{EQ}14\right)$

因此，只要下式成立，变换器电流I的变化率将为零：

a＝N·D               (EQ15)

发明内容

本发明提供一种操作功率变换器装置的方法，所述装置包括：直流电链路(dc link)；直流电负载/源；具有直流电终端的有源整流器/逆变器，所述有源整流器/逆变器连接到所述直流电链路、并且适用于提供介于上限与下限(V_1，max、V_1，min)之间的可变直流电链路电压(V₁)；以及交错式降压(buck)(或逐级降压)变换器，所述交错式降压变换器具有连接在所述直流电链路与所述直流电负载/源之间的N个变换器电路，每个变换器电路包括第一开关、第二开关和反应器；所述方法包括以下步骤：

根据以下方程式，参考穿过所述直流电负载/源的电压V₂确定一个或多个直流电链路电压空值(null values)V_1，null：

$V_{1,\mathrm{null}}=V_2\&CenterDot;\frac{N}{a}---\left(\mathrm{EQ}16\right)$

其中：

N是大于或等于2的正整数，以及

a是小于N的正整数；以及

如果直流电链路电压空值介于直流电链路电压的上限与下限之间，则控制所述有源整流器/逆变器以提供与所述直流电链路电压空值大致相等的直流电链路电压。

如果控制所述有源整流器/逆变器以提供与直流电链路电压空值大致相等的直流电链路电压，则变换器电流上大体无纹波，即，所述直流电负载/源经历的电流将大体无纹波。在传统功率变换器装置中，通常控制有源整流器/逆变器以提供大体恒定的直流电链路电压。在本发明的方法中，可以响应于穿过所述直流电负载/源的电压V₂发生变化而慎重改变直流电链路电压(例如，通过有源整流器/逆变器的控制器)，以便尝试最大限度地减小电流纹波。

如果有两个或更多个直流电链路电压空值介于所述上限与下限之间，则可以控制所述有源整流器/逆变器以提供与任意所述空值大致相等的直流电链路电压。但是，通常将选择最高空值，因为这能够减小直流电链路电流并减小功率变换器装置的损耗。

在某些情况下，可能没有空值介于直流电链路电压的上限与下限之间。这将取决于穿过所述直流电负载/源的主要电压(prevailingvoltage)V₂、特定功率变换器装置(例如，交错式降压变换器电路的数量)、以及直流电链路电压的运行限制。所述主要电压V₂可能取决于特定类型的直流电负载/源。如果没有空值介于所述上限与下限之间，则所述方法可以进一步包括以下步骤：控制所述有源整流器/逆变器以提供与直流电链路电压的上限或下限大致相等的直流电链路电压。尽管在这种情况下无法实质上消除电流纹波，但是应清楚地认识到，控制有源整流器/逆变器以提供与所述上限或下限大致相等的直流电链路电压可尽可能多地减少电流纹波，同时仍然将直流电链路电压维持在其实践和运行限制内。在适当情况下，在所述上限或下限之间选择时可以基于更接近空值的值，因此将提供最小电流纹波。换言之，可以控制有源整流器/逆变器以提供与所述上限与下限中将提供主要电压V₂的最小电流纹波的那个值大致相等的直流电链路电压。还可以优先于下限选择所述上限，因为这能够减小直流电链路电流并且减少功率变换器装置的损耗。

本发明进一步提供一种功率变换器装置，所述功率变换器装置包括：直流电链路；直流电负载/源；具有直流电终端的有源整流器/逆变器，所述有源整流器/逆变器连接到所述直流电链路、并且适用于提供介于上限与下限之间的可变直流电链路电压；交错式降压(interleavedbuck)(或逐级降压)变换器，所述交错式降压变换器具有连接在所述直流电链路与所述直流电负载/源之间的N个变换器电路，每个变换器电路包括第一开关、第二开关和反应器；以及所述有源整流器/逆变器的控制器，所述控制器适用于实施上述方法。

所述有源整流器/逆变器可以具有任意适当的拓扑结构，并且包括任意合适的功率半导体开关装置，所述功率半导体开关装置使用脉冲宽度调制(PWM)策略选择性地进行控制。例如，在适当情况下，所述有源整流器/逆变器可以具有两级或三级拓扑结构。

附图说明

图1示出了N相交错式双向降压变换器；

图2示出了根据本发明的功率变换器装置；以及

图3和图4示出了图2所示功率变换器装置的模拟结果。

具体实施方式

图2示出了根据本发明的功率变换器装置，其中N相交错式双向降压变换器1与交流/直流电变换器相结合，例如，有源整流器/逆变器20。(降压变换器1与上文参照图1所述的大体相同，类似的零件已使用相同参考数字标出。)在此情况下，降压变换器1是三相变换器1(即，其中N＝3)，并且直流电负载/源4可以是诸如电池等能够充电和放电的直流电储能器。

平滑电容器14并联在直流电负载/源4的两端。

降压变换器1作为直流电/直流电变换器运作/运行。

有源整流器/逆变器20包括多个开关22，所述开关通常根据脉冲宽度调制(PWM)策略进行控制以断开和闭合。有源整流器/逆变器20受控制器30控制，所述控制器提供用于断开和闭合开关22的门命令信号。有源整流器/逆变器20包括连接到降压变换器1的直流电链路2的直流电终端24a、24b，以及连接到交流网络或电网28的交流终端26。可以从交流网络28向直流电负载/源4供电以向直流电负载/源充电，在此情况下，有源整流器/逆变器20将作为有源整流器运作。可以从直流电负载/源4向交流网络28放电，在此情况下，有源整流器/逆变器20将作为逆变器(inverter，反相器)运作。

应清楚地了解到，有源整流器/逆变器20可以操作性地控制直流电链路电压V₁。申请人发现，控制器30可以相对于/参考电压V₂来慎重改变直流电链路电压V₁，以便最大限度地减小变换器电流I上的纹波。

将方程式EQ5与EQ15组合可得到：

$V_1=V_2\&CenterDot;\frac{N}{a}---\left(\mathrm{EQ}17\right)$

其中：

N是交错式变换器电路的总数，以及

a是小于N的正整数。

如果控制直流电链路电压V₁以满足方程式EQ17，则可以实质上消除电流纹波(current ripple)。对于某些类型的直流电负载/源而言，例如，对于电流纹波可能导致额外加热以及关联寿命缩短的电池而言，这能够提供重要技术优势。

对于图2所示的功率变换器装置(即，其中N＝3)而言，如果将直流电链路电压V₁控制为3V₂(即，其中a＝1)或3V₂/2(即，其中a＝2)，则变换器电流I上大体无纹波。这些直流电链路电压值在本说明书中称为空值，并且还可以视作降压变换器1的占空因数(duty cycle)D的空值。可以针对每个a值并且相对于/参考方程式EQ16中所示的主要电压V₂确定(例如，通过控制器30)直流电链路电压空值。随后可以控制有源整流器/逆变器20以提供与空值大致相等的直流电链路电压V₁。可以通过这种方式控制有源整流器/逆变器20，无论有源整流器/逆变器是作为有源整流器还是逆变器运作。以传统方式控制降压变换器1，以从直流电链路2向直流电负载/源4供电或者从直流电负载/源向直流电链路供电，具体取决于直流电负载/源4是正在充电还是放电。

在实践性功率变换器装置中，直流电链路电压V₁通常将限制在上限与下限之间。如果没有介于上限与下限之间的空值，则无法实质上消除纹波电流，只能通过控制有源整流器/逆变器20以提供与上限和下限中的一个值大致相等的直流电链路电压V₁来尽可能多地最小化纹波电流，在上限与下限之间选择时，通常取最接近直流电链路电压空值或者最小化功率变换器装置损耗的值。应了解，这对于直流电链路电压V₁维持大体恒定的传统功率变换器装置而言仍然提供了有效改进。

图3和图4示出了图2所示功率变换器装置的模拟结果。

在图3中，以传统方式控制功率变换器装置，以使直流电链路电压V₁维持大体恒定。

在图4中，根据本发明的方法控制功率变换器装置，以慎重改变直流电链路电压V₁，从而最大限度地减小电流纹波。模拟参数包括直流电链路电压V₁的上限，以使不超过直流电链路电容器12的额定电压，以及下限，以使得直流电链路电压始终高于电网侧交流波形的峰值。具体来说，直流电链路电压V₁不得高于1200V(即，V_1，max＝1200V)或者低于800V(即，V_1，min＝800V)。

图3和图4中的上曲线图示出了穿过直流电负载/源4的电压V₂以恒速从430V升高到600V的情况。图3和图4中的下曲线图示出了电流纹波。

在图3中，中曲线图示出了直流电链路电压V₁如何维持在大体恒定值1kV。

在图4中，中曲线图示出了控制器30如何针对有源整流器/逆变器20慎重改变直流电链路电压V₁，以便最大限度地减少电流纹波。

起初，电压V₂为430V，分别指定直流电链路电压的上空值和下空值为1290V(即，其中a＝1)和645V(即，其中a＝2)。直流电链路电压V₁不得设置为任一这些控制，因为它们均已超出上限和下限。因此，控制有源整流器/逆变器20以提供等于上限1200V的直流电链路电压V₁。

直流电链路电压V₁保持恒定在上限1200V，并且电流纹波随着电压V₂升高而逐渐升高。这是因为直流电链路电压V₁逐渐远离主要电压V₂的上空值。

最后，随着电压V₂升高，直流电链路电压V₁最好处于下限800V。因此，控制有源整流器/逆变器20以将直流电链路电压V₁从上限1200V切换到下限800V。

控制有源整流器/逆变器20以将直流电链路电压V₁维持恒定在下限800V，并且电流纹波随着电压V₂升高而逐渐减小。这是因为直流电链路电压V₁逐渐接近主要电压V₂的下空值。

当电压V₂达到533V时，直流电链路电压的上空值和下空值分别为1599V(即，其中a＝1)和800V(即，其中a＝2)。上空值1599V仍然超出了上限和下限。但是，下空值800V等于直流电链路电压V₁的下限。随着电压V₂进一步升高，a＝2的下空值将在上限和下限内，因此控制有源整流器/逆变器20以提供与主要电压V₂的下空值大致相等的直流电链路电压V₁(即，其中V₁＝3V₂/2)。可以看出，直流电链路电压V₁将通过逐渐升高电压V₂来逐步升高。变换器电流I上的纹波得以最小化并且维持大体恒定。

概括来说，对于图2中所示的功率变换器装置以及上述直流电链路电压V₁的上限和下限，可以针对介于267V与400V之间(即，其中a＝1)和介于533V与800V之间(即，其中a＝2)的电压V₂实质上消除电流纹波。直流电负载/源4可以经选择以大体在以上一个(或两个)范围内的电压下运作。对于超出这些范围内的电压V₂，只能控制有源整流器/逆变器20来将直流电链路电压V₁设置为上限或下限，以便尽可能多地最小化电流纹波。

图4中所述的电流纹波模拟了一种功率变换器装置，其中降压变换器1的反应器10₁、10₂和10₃拥有理想特征。但是，反应器将具有杂散(寄生)电阻，可能影响实践中能够实际实现的电流纹波。

Claims (6)

1.一种操作功率变换器装置的方法，所述功率变换器装置包括：

直流电链路(2)；

直流电负载/源(4)；

具有直流电终端(24a、24b)的有源整流器/逆变器(20)，所述有源整流器/逆变器连接到所述直流电链路(2)并且适用于提供介于上限与下限之间的可变直流电链路电压(V₁)；以及

交错式降压变换器(1)，所述交错式降压变换器具有连接在所述直流电链路(2)与所述直流电负载/源(4)之间的N个变换器电路，每个变换器电路包括第一开关(6₁、6₂、6₃)、第二开关(8₁、8₂、8₃)和反应器(10₁、10₂、10₃)；

所述方法包括以下步骤：

根据以下方程式，相对于穿过所述直流电负载/源(4)的电压V₂确定一个或多个直流电链路电压空值V_1，null：

$V_{1,\mathrm{null}}=V_2\&CenterDot;\frac{N}{a}$

其中：

N是大于或等于2的正整数，以及

a是小于N的正整数；以及

如果直流电链路电压空值介于所述直流电链路电压的所述上限与下限之间，则控制所述有源整流器/逆变器(20)来提供与所述直流电链路电压空值大致相等的直流电链路电压。

2.根据权利要求1所述的操作功率变换器装置的方法，进一步包括以下步骤：

如果有两个或更多个直流电链路电压空值介于所述上限与下限之间，则控制所述有源整流器/逆变器(20)以提供与其中的最高空值大致相等的直流电链路电压。

3.根据权利要求1或2所述的操作功率变换器装置的方法，进一步包括以下步骤：

如果没有直流电链路电压空值介于所述上限与下限之间，则控制所述有源整流器/逆变器(20)以提供与所述直流电链路电压的所述上限或下限大致相等的直流电链路电压。

4.一种功率变换器装置，包括：

直流电链路(2)；

直流电负载/源(4)；

具有直流电终端(24a、24b)的有源整流器/逆变器(20)，所述有源整流器/逆变器连接到所述直流电链路(2)并且适用于提供介于上限与下限之间的可变直流电链路电压(V₁)；

交错式降压变换器(1)，所述交错式降压变换器具有连接在所述直流电链路(2)与所述直流电负载/源(4)之间的N个变换器电路，每个变换器电路包括第一开关(6₁、6₂、6₃)、第二开关(8₁、8₂、8₃)和反应器(10₁、10₂、10₃)；以及

用于所述有源整流器/逆变器(20)的控制器(30)；

其中所述控制器(30)适用于根据以下方程式相对于穿过所述直流电负载/源的电压V₂确定一个或多个直流电链路电压空值V_1，null：

$V_{1,\mathrm{null}}=V_2\&CenterDot;\frac{N}{a}$

其中：

N是大于或等于2的正整数，以及

a是小于N的正整数；以及

如果直流电链路电压空值介于所述直流电链路电压的所述上限与下限之间，则所述控制器(30)适用于控制所述有源整流器/逆变器(20)来提供与所述直流电链路电压空值大致相等的直流电链路电压。

5.根据权利要求4所述的功率变换器装置，其中

如果有两个或更多个直流电链路电压空值介于所述上限与下限之间，则所述控制器(30)进一步适用于控制所述有源整流器/逆变器(20)以提供与其中的最高空值大致相等的直流电链路电压。

6.根据权利要求4或5所述的功率变换器装置，其中

如果没有直流电链路电压空值介于所述上限与下限之间，则所述控制器(30)进一步适用于控制所述有源整流器/逆变器(20)来提供与所述直流电链路电压的所述上限或下限大致相等的直流电链路电压。