CN105720804B - 用于使多相电力转换器的共模电流的谐振分量衰减的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开内容涉及用于使多相电力转换器的共模电流的谐振分量衰减的方法。本公开内容描述了用于使多相电力转换器的共模电流的谐振分量衰减的方法和设备，其中电力转换器包括具有至电力转换器的虚地连接的输出滤波器。在方法和设备中，确定共模电流，基于共模电流形成反馈信号，以及将反馈信号引入到共模电流基准中以抑制谐振频率分量。将延迟添加至反馈信号，使得反馈信号具有相对于共模电流的谐振频率分量的随后的周期而言的足够的相位裕度。

Description

用于使多相电力转换器的共模电流的谐振分量衰减的方法
技术领域
本公开内容涉及具有虚地连接(virtual ground connection)的电力转换器，以及更特别地涉及使虚地连接中的共模谐振衰减。
背景技术
本公开内容的上下文中的电力转换器通常包括逆变器。逆变器可以包括被配置成逆变桥的半导体开关。逆变器通过将半导体开关调制成导通或非导通状态来生成输出电压或电流。
电力转换器可以与输出滤波器耦接以提高由电力转换器产生的电力的质量。滤波器可以是例如LC或LCL滤波器。在一些应用中，LCL滤波器可以具有从滤波器的电容器的星点至电力转换器的直流总线的直接连接。在本公开内容中，这样的配置被称为具有虚地(VG)连接的电力转换器。虚地连接可以用于限制逆变器直流总线相对于地电势的高频波动。
输出滤波器中的一部分可以形成共模谐振(CMR)电路，该共模谐振电路在虚地连接上携带循环谐振电流。例如，如果电力转换器包括具有虚地连接的高性能(即低损耗)的LCL滤波器，则因为电路的自然衰减(即在谐振频率处的损耗)会由于高性能、低损耗材料的使用而非常低，所以强的谐振可以经由共模LC电路而出现。即使当逆变器的共模电压控制基准未激起共模谐振时，共模电压的宽的分散谱(由于逆变器调制)仍可以在逆变器的几乎每一操作点处引起该谐振。
因为共模谐振会引起额外的损耗和逆变器的性能退化(例如效率、电磁兼容(EMC)和电网电流控制性能的退化)，所以减轻谐振频率处的共模电压影响会是期望的。例如，CMR的不利影响可以存在于光伏(PV)逆变器中，在光伏逆变器中CMR会经由PV模块的杂散电容而引起增加的泄露电流。泄露电流会具有由标准决定的某些限值，因此使逆变器直流总线上的任意的额外高频成分最小化会是期望的。
可以通过例如使用被动或主动衰减方法来减小共模电压的谐振分量的不利影响。例如，可以用辅助电路系统例如用于减轻共模分量的电阻元件来实现被动共模衰减。然而，这样的额外元件会增加系统的成本并且降低其性能。主动共模衰减方法可能同样要求使用额外的传感器以及/或者在非理想的操作条件下可能不会按照预期的进行操作。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法和用于实现方法的设备以减轻上述缺点。本发明的目的通过根据本发明的实施方式的方法和设备进行实现。
本公开内容描述了用于使多相电力转换器的共模电流的谐振分量衰减的方法，其中，转换器包括具有至电力转换器的虚地连接的输出滤波器，以及其中，转换器的共模分量被基于共模分量基准进行控制。
在方法中，通过例如估计或测量来确定共模电流。然后，可以通过例如使用带通滤波器来确定共模电流在虚地谐振电路的谐振频率处的频率分量。
可以假设所确定的谐振频率分量为(正弦)周期信号。因此，可以认为相距整个周期被采样的信号的样本彼此无法区分。换言之，彼此之间具有360°(＝2π)相移的样本具有(近似)相同的值。
因而，可以通过使所确定的频率分量延迟使得其相移相对于实际的共模电流基本为360°来形成稳定的反馈回路。在确定要诱导至所测量/所估计的谐振频率分量的期望的延迟时可以考虑反馈回路中的其他延迟例如电流测量的模数转换延迟以及/或者电力转换器的调制的切换延迟。
使用经滤波和延迟的反馈信号，可以使共模电流的谐振频率分量可靠地衰减。反馈信号可以为例如被引入到共模电压基准中的相反电压基准的形式。
根据本公开内容的方法使得在谐振频率的附近衰减，而不增加虚接地在谐振频率以上的共模电流分量。
根据本公开内容的主动衰减方法可以被实现使得其仅依赖于并且基于输出滤波器的参数而不依赖交流输出频率。因此也可以容易地在交流频率变化的应用(例如电机驱动装置)中采用方法。
使用根据本公开内容的方法，可以在没有额外的电路系统或测量的情况下使共模谐振衰减。
附图说明
在下文中，将参考附图借助于优选实施方式来对本发明进行详细地描述，在附图中：
图1示出具有虚地LCL配置的示例性三相线转换器；
图2示出图1的示例性配置的谐振电路的单相等效电路表示；
图3示出根据本公开内容的反馈环路的实现的示例性的简化框图；以及
图4示出作为共模控制环路的一部分的图3的示例性实现。
具体实施方式
本公开内容描述了用于使多相(例如三相)电力转换器的共模电流的谐振分量衰减的方法，其中，电力转换器包括具有至电力转换器的虚地连接的输出滤波器。电力转换器可以是例如逆变器或变频器。共模电流流过虚地连接并且可以基于共模电流基准被控制。例如，共模电流基准可以用于控制所产生的输出电力的三次谐波成分。输出滤波器可以包括沿虚地连接形成谐振电路的至少一个电感性元件和至少一个电容性元件。输出滤波器可以是将电力转换器连接至例如电力网的LC滤波器或LCL滤波器。
图1示出具有虚地LCL配置的示例性三相线转换器。在图1中，转换器为与电网相连的包括逆变桥的三相变频器11。充当输出滤波器的LCL滤波器12连接在变频器11和电网13之间。
在图1中，LCL滤波器12包括转换器侧的三个相电感器Lconv,a至Lconv,c、电网侧的三个电感器Lgrid,a至Lgrid,c以及三个相电容器Cf,a至Cf,c。电容器Cf,a至Cf,c均连接至公共星点M。虚地连接14将LCL滤波器12的星点M连接至变频器11的直流线路的中性点N。共模电流Inp在图1中的星点M与中性点N之间流动。
转换器侧的相电感器Lconv,a至Lconv,c连同相电容器Cf,a至Cf,c一起经由虚地连接形成谐振电路。作为结果，共模电流可以包括由谐振电路诱导的谐振频率分量。
图2示出图1的示例性配置的谐振电路的单相等效电路表示。转换器侧的相电感器Lconv,a至Lconv,c由单个电感器Lconv表示，而相电容器Cf,a至Cf,c由单个电容器Cf表示。变频器由可控电压源Vconv表示。谐振电路的电感器和电容器的内电阻由图2中的电阻器Rconv和Rcf表示。共模电流Inp流过图2的电路。
基于图2中的单相等效图，虚地电流的转移函数(transfer function)Glc(s)可以如下写为：
根据本公开内容的方法包括：确定共模电流；基于共模电流形成反馈信号；以及将反馈信号引入到共模电流基准中以抑制谐振频率分量。反馈信号表示共模电流的正弦谐振频率分量。通过向共模电流基准引入作为相反的谐振频率分量的分量，可以减小谐振。可以例如根据相电流来确定共模电流或者可以从虚地连接直接测量共模电流。
为了确保衰减仅在期望的频率范围内是有效的，期望的会是对反馈信号进行滤波。例如，电力转换器的控制系统可以包含将三次谐波分量引入到控制输出功率中。为了避免妨碍三次谐波引入，期望的是将衰减限于仅谐振频率并且忽略其他频率。因此，可以用具有其与谐振电路的谐振频率相一致的通带的带通滤波器来确定根据本公开内容的方法中的正弦谐振频率分量。带通滤波器可以是例如二阶巴特沃斯滤波器。巴特沃斯滤波器具有线性相移，所以其非常适合于根据本公开内容的方法。
共模电流电路的谐振频率中的双极(double pole)产生相移，该相移会使得对谐振频率以上的频率进行控制是困难的。然而，如果周期信号的幅度相对慢地改变，则可以认为信号的连续的周期彼此无法区分。因此，可以通过添加延迟——该延迟造成相对于谐振频率分量的随后的周期而言的足够的相位裕度——来实现经典的稳定标准。例如，可以通过使所确定的频率分量延迟使得其相移相对于要控制的原始信号基本为360°来形成稳定的反馈回路。
因此，在根据本公开内容的方法中形成反馈信号可以包括向反馈信号添加延迟。延迟可以使得所确定的谐振频率分量具有相对于共模电流的正弦谐振频率分量的随后的周期而言的足够的相位裕度以形成稳定的控制回路。
在根据本公开内容的方法中，不使谐振的(至少)第一周期衰减。然而，因为谐振的幅度实际上从零逐渐增大，所以根据本公开内容的方法能够有效抑制谐振。
在离散系统中，由测量(例如模数转换)所诱导的各种延迟以及/或者脉冲宽度调制会对控制系统具有显著影响。为了计算要添加的合适的延迟，期望的会是确定(或至少近似)各种固有系统延迟。可以基于例如至少切换延迟、输出滤波器在谐振频率处的相移以及模数转换延迟来计算被添加至反馈信号的延迟的值。系统中包含的延迟D(s)可以用例如一阶帕德近似进行建模：
其中，Ts表示系统中的采样和/或切换频率。
增益裕度的经典控制稳定性标准可以设置反馈回路的增益的界限。此外，电力转换器的调制指数可以向增益设置限制。
图3示出根据本公开内容的反馈回路的实现的示例性的简化框图。在图3中，电力转换器系统31基于共模电压基准Vz *产生共模电流inp。电力转换器系统可以是例如与LCL输出滤波器耦接的三相变频器。
在电力转换器系统31中，实现了等式(1)的虚地电流块32与第一延迟块33耦接。第一延迟块33具有表示系统中包含的各种延迟的和的转移函数Mod(s)。
在图3中，通过使用反馈装置34、基于共模电流inp形成反馈信号Vz,vd。将反馈信号Vz,vd引入到共模电压基准Vz *中以减轻共模谐振。图3中的反馈装置34包括具有转移函数H(s)的带通滤波器35。滤波器35的通带与虚地电流块32的谐振电路的谐振频率一致。带通滤波器是图3中的二阶巴特沃斯滤波器。
图3中的反馈装置34还包括第二延迟块36和增益37。第二延迟块36产生以下延迟：该延迟使得反馈信号具有相对于谐振频率分量的随后的周期而言的足够的相位裕度。可以基于例如至少切换延迟、输出滤波器在谐振频率处的相移特性以及模数转换延迟来计算延迟的值。可以基于电力转换器的调制指数——电力转换器的调制指数可以向增益设置限制——来确定增益37。
可以将根据本公开内容的反馈回路合并至共模控制回路。例如，可以将反馈回路添加至共模电流控制回路。图4示出作为共模控制回路的一部分的图3的示例性实现。控制器41基于共模电流基准Iz,ref和共模电流反馈42来控制共模电流Iz。控制器41产生电压基准Vz,ref，电压基准Vz,ref被提供至电力转换器系统31作为基准。由反馈装置34生成的衰减反馈信号Vz,vd被引入到电压基准Vz,ref中。
本公开内容还描述了用于使多相电力转换器的共模电流的谐振分量衰减的设备。电力转换器包括具有至电力转换器的虚地连接的输出滤波器。电力转换器可以是例如逆变器或变频器。输出滤波器包括沿虚地连接形成谐振电路的至少一个电感性元件和至少一个电容性元件。共模电流被基于共模电流基准进行控制。
设备包括被配置成执行根据本公开内容的方法的装置。装置可以被配置成：确定共模电流；基于共模电流来形成反馈信号(表示共模电流在谐振电路的谐振频率处的谐振频率分量)；并且将反馈信号引入到共模电流基准中以抑制谐振频率分量。如果电力转换器为变频器，则变频器可以包括例如被配置成执行方法的装置。
装置可以被配置成通过以带通滤波器对所确定的共模电流进行滤波并且通过将延迟添加至反馈信号来形成反馈信号。带通滤波器可以具有其与谐振电路的谐振频率相一致的通带以确定共模电流在谐振频率处的正弦谐振频率分量。延迟可以使得所确定的谐振频率分量具有相对于共模电流的谐振频率分量的随后的周期而言的足够的相位裕度以形成稳定的控制回路。
在变频器作为电力转换器的情况下，可以在计算共模电流时利用变频器的用于测量相电流的电流传感器。或者，变频器可以包括虚地连接中的用于直接测量共模电流的传感器。变频器的控制电路系统可以用于基于共模电流来形成反馈信号。可以将根据本公开内容的方法的带通滤波器实现为变频器上的模拟或数字滤波器。例如，可以将反馈信号引入到变频器的控制器中的共模电流基准中。可以将期望的延迟添加至控制器中的反馈信号。
根据本公开内容的方法或设备不限于以上示例。例如，根据本公开内容的方法或设备不仅可以应用于逆变器或变频器，而且可以应用于能够有效地调节电力的共模分量的其他装置。
根据本公开内容的方法或设备不限于LC或LCL滤波器，而是可以用于抑制沿虚地连接形成谐振电路的任意滤波器的谐振。此外，输出滤波器不必连接在电力转换器与电网之间。例如，滤波器可以形成在电力转换器与电机之间。
不必在对共模电流进行滤波之后添加延迟。也可以通过以下操作来实现在共模电流的正弦谐振频率分量的随后的周期与经滤波的谐振频率分量之间的期望的相移：使所确定的共模电流延迟，并且根据延迟的共模电流对谐振频率分量进行滤波。
带通滤波器不必为二阶巴特沃斯滤波器。可以使用任意其他合适的滤波器类型，例如椭圆滤波器或切比雪夫滤波器。滤波器阶同样不限于二阶滤波器。
虽然本公开内容的示例示出根据在三相系统中实现的本公开内容的方法和装置，但是方法也可以用于具有任意多个相的系统中，只要相被用经由虚地连接形成共享谐振电路的滤波器进行滤波并且共模电流经由地连接被控制即可。
分量值的波动(变化)(在公差范围内)会对实际谐振频率有影响。谐振的变化仍相对小，所以一个带通滤波器可以用于分量值的所有变化(在公差范围内)。然而，可以自适应地选择带通参数值。可以通过向谐振电路引起脉冲(通过使用电力转换器)并且通过观察所出现的谐振来确定谐振频率。
电力转换器不必与电网相连。例如，根据本公开内容的方法也可以应用于与电机相连的电力转换器(例如在电力转换器和电机具有将他们相连的长的电缆的应用中)。可以将根据本公开内容的方法的各个部分(例如带通滤波器、反馈回路延迟)实现为数字或模拟实现。
对于本领域内技术人员而言明显的是发明概念可以用各种方式进行实现。本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (9)

1.一种用于使多相电力转换器的共模电流的谐振分量衰减的方法，所述电力转换器包括具有至所述电力转换器的虚地连接的输出滤波器，其中，所述输出滤波器包括沿所述虚地连接形成谐振电路的至少一个电感性元件和至少一个电容性元件，其中，所述共模电流被基于共模电流基准进行控制，以及其中，所述方法包括：
确定所述共模电流，
基于所述共模电流来形成反馈信号，所述反馈信号表示所述共模电流的谐振频率分量，以及
将所述反馈信号引入到所述共模电流基准中以抑制所述谐振频率分量，
其中，形成所述反馈信号包括：
用具有与所述谐振电路的谐振频率相一致的通带的带通滤波器对所确定的共模电流进行滤波，以确定所述共模电流在所述谐振频率处的正弦谐振频率分量，以及
向所述反馈信号添加延迟，所述延迟使得所确定的谐振频率分量具有相对于所述共模电流的所述谐振频率分量的随后的周期而言的足够的相位裕度以形成稳定的控制回路。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于至少切换延迟、所述输出滤波器的相移特性以及由测量引起的延迟来计算被添加至所滤波的谐振频率分量的延迟的值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，基于所述电力转换器的调制指数来确定所述反馈信号的增益。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，根据相电流来确定所述共模电流，或者从所述虚地连接来直接测量所述共模电流。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述输出滤波器为LC滤波器或LCL滤波器。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述电力转换器为与电网相连的转换器。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述带通滤波器为二阶巴特沃斯滤波器。
8.一种用于使多相电力转换器的共模电流的谐振分量衰减的设备，所述电力转换器包括具有至所述电力转换器的虚地连接的输出滤波器，其中，所述输出滤波器包括沿所述虚地连接形成谐振电路的至少一个电感性元件和至少一个电容性元件，其中，所述共模电流被基于共模电流基准进行控制，其中，所述设备包括被配置成执行根据权利要求1至7中的任一项所述的方法的装置。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述电力转换器为变频器。
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