CN106487020B - 用于三相有源功率电子转换器的控制器自启动 - Google Patents

用于三相有源功率电子转换器的控制器自启动 Download PDF

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Abstract

一种用于三相有源功率电子转换器的控制器自启动。一种用于调制供电网的电流电平的系统包括：扰动模块，其在分隔频率处注入正弦信号，以调制用于连接到所述供电网的功率转换器的占空比；电流控制器，其监测基准电流和所述功率转换器的电网侧端子的电流，所述电流控制器进一步监测所述供电网的电流；以及参数计算模块，其至少部分基于相位裕度、分隔频率、所述功率转换器的交流侧的电流以及所述占空比来计算所述电流控制器的多个增益值。

Description

用于三相有源功率电子转换器的控制器自启动
背景技术
本公开总体上涉及一种功率控制系统，并且更确切地说涉及一种用于有源功率转换器的控制系统，所述有源功率转换器使连接到电网的能源(例如，光伏发电机或风力涡轮机)、负载(电梯的电机驱动器)或存储系统(例如，电池)对接。
三相并网功率电子转换器广泛应用于多个领域，诸如再生驱动器、连接到电网的能量存储器、以及可再生发电和运输。当转换器连接到弱输电网络时，电网阻抗与本地控制相互作用。这可导致在其他情况下稳定的控制器在安装于最终用户设施上时变得不稳定(或具有低稳定裕度)。最终用户设施的电网阻抗在安装的时候通常是未知的，这可能要求安装者具有高级技术知识和/或导致延迟的启动过程。
用于功率电子转换器的自启动技术可以用来处理模型参数的不确定性。对于三相转换器而言，技术假设固定的电机模型和控制策略。技术还可以在若干频率上施加扰动。
然而，仅报道了用于电网侧转换器的几种自启动技术。应用于并网转换器的已报道技术是复杂的并且是以特定控制策略(诸如无差拍控制和状态空间自适应控制)为目标的。现有的自启动技术通常需要在多个频率下注入扰动以识别输电网络的动态特性。
发明内容
根据本公开的非限制性实施方案，一种用于调制连接到电网的功率转换器的电流电平的系统包括：扰动模块，其在是功率转换器的控制器的分隔频率的单个频率处注入正弦信号，以将占空比提供给连接到供电网的功率转换器；电流控制器，其监测由DC链路的电压控制器提供的基准电流，所述DC链路使并网转换器与电机驱动器、存储系统或发电系统对接，所述电流控制器进一步监测功率转换器的电网侧端子的电流；以及参数计算模块，其至少部分基于相位裕度、分隔频率、功率转换器的交流侧的电流以及占空比来计算电流控制器的多个增益值。
除以上或以下描述的一个或多个特征之外，或作为替代例，其他实施方案还可包括，占空比由扰动注入的调制和电流控制器的输出进一步确定。
除以上或以下描述的一个或多个特征之外，或作为替代例，其他实施方案还可包括，电流控制器的输出由调节模块计算的增益值和功率转换器的交流侧的电流确定。
除以上或以下描述的一个或多个特征之外，或作为替代例，其他实施方案还可包括，通过对电流和在分隔频率处计算的占空比进行离散傅里叶变换来计算振幅和相位。
除以上或以下描述的一个或多个特征之外，或作为替代例，其他实施方案还可包括连接到功率转换器的电梯电机驱动系统，所述功率转换器连接到电网。
除以上或以下描述的一个或多个特征之外，或作为替代例，其他实施方案还可包括多个增益值，所述增益值包括至少一个比例增益值。
根据本公开的非限制性实施方案，一种用于调制功率转换器的交流侧的电流电平的方法包括：在预先确定的单个分隔频率处注入正弦信号，以将扰动提供给连接到供电网的功率转换器的占空比；监测功率转换器的交流侧的电流；监测占空比；以及至少部分基于相位裕度、分隔频率、功率转换器的交流侧的电流以及占空比来计算电流控制器的多个增益值。
除以上或以下描述的一个或多个特征之外，或作为替代例，其他实施方案还可包括，占空比由扰动注入的调制和电流控制器的输出进一步确定。
除以上或以下描述的一个或多个特征之外，或作为替代例，其他实施方案还可包括，电流控制器的输出由调节模块计算的增益值和功率转换器的交流侧的电流确定。
除以上或以下描述的一个或多个特征之外，或作为替代例，其他实施方案还可包括，通过对电流和在分隔频率处计算的占空比进行离散傅里叶变换来计算振幅和相位。
除以上或以下描述的一个或多个特征之外，或作为替代例，其他实施方案还可包括多个增益值，所述增益值包括比例增益值、积分增益值以及微分增益值。
除以上或以下描述的一个或多个特征之外，或作为替代例，其他实施方案还可包括连接到功率转换器的电梯电机驱动系统。
除以上或以下描述的一个或多个特征之外，或作为替代例，其他实施方案还可包括，分隔频率是单个频率并且是固定值。
附图说明
在说明书的结论部分具体指出并且明确要求保护主题。根据结合附图进行的以下详细描述，本公开的前述和其他特征和优点将变得更为显而易见，在附图中：
图1是电梯系统的示意图；
图2示出根据本公开的一个实施方案的电流控制器；
图3示出根据本公开的一个实施方案的用于电流控制器启动的方法。
具体实施方式
参考图1，电梯系统10可包括静止支承结构11和具有由结构11大体限定的边界的至少一个通道(即，所示的三个通道13、15、17)，所述静止支承结构大体可以是多层建筑的组成部分。电梯系统10还包括至少一个轿厢14，所述轿厢在通道13、15、17中的至少一个内行进。轿厢14可在垂直方向上行进，并且还可在通道15中沿专用向上方向和在通道13中沿专用向下方向行进(作为一个非限制性实例)。可以进一步设想和理解的是，电梯系统10可以是自动推进的，并且可具有在任一个通道13、15、17中行进的多个轿厢14以及在通道15中沿向上方向和在通道13中沿向下方向行进的多个轿厢。在其他实施方案中，轿厢14可以在单个通道中沿两个方向行进。
电梯系统10还可包括至少一个传送站30，所述传送站大体位于顶层处或之上和位于底层处或之下。至少一个传送站30可施加轿厢14的水平移动，进而使轿厢14在通道13、15、17之间传送。尽管图1中未示出，但是可在第一层与顶层之间使用类似于站30的一个或多个中间传送站。下部传送站32可位于底层处或之下。图2示出根据一个实施方案的控制器200。控制器200可连接到配电系统。配电系统可连接到工业系统的电机驱动器204，所述电机驱动器(例如)对电机系统10施加运动。
尽管图1中的系统示出多轿厢无绳电梯系统，但是可以进一步设想和理解的是，控制器200可应用于包括绳索式电梯系统的任何驱动应用。控制器200还可应用于加热、通风和空调系统或连接到输电网络的任何系统。
在其他实施方案中，控制器200和配电系统可通过功率转换器206、由电感器218、220和电容器224组成的滤波器以及DC链路222来连接到工业系统的可再生发电系统或存储系统。
配电系统可包括功率转换器206，所述功率转换器(例如)使电机驱动器204与电网对接。控制器200可监测由功率转换器206提供的基准电流，所述功率转换器可提供使工业系统与电网208对接的直流链路。在一个实施方案中，功率转换器206是至少由六个绝缘栅双极晶体管(IGBT)组成的双向电压源转换器。功率转换器206连接到电网208。在操作中，与常规的供电网相比，电网208可具有大阻抗。因此，可要求功率转换器206的调节以确保将足够的功率电平提供给电机驱动器204或从所述电机驱动器提供足够的功率电平。功率转换器206的调节可通过由控制器200生成的占空比来提供并且可至少部分基于电网208的阻抗。控制器200可监测供应到功率转换器206的电网侧端子的电流，所述功率转换器将电流从电网208供应给电机驱动器204(或反之亦然)，所述功率转换器作为电流控制配置的一部分，电网电压用作锁相环路(PLL)的一部分并且用作并入电流控制器的其他功能(诸如前馈补偿或主动阻尼)的一部分，以及DC链路母线电压作为电压控制器226的电压控制配置的一部分。系统是双向的，因此电机驱动器将在再生操作期间将功率提供给电网208。电流控制器可例如在静止参考系(a-b-c坐标系或α-β坐标系)或同步坐标系(d-q坐标系)中实现，并且可并入滤波器和去耦合网络。对于电机驱动器204或连接到电网208的另一个外部系统所需的任何功率电平而言，控制器200可利用期望的占空比来命令功率转换器206，以便在动态稳定的状况下操作并且具有由作为控制器的输入给出的相位裕度和分隔频率规格确定的动态性能。
在一些实施方案中，控制器200可包括扰动模块210。扰动模块注入作为功率转换器206的占空比调节的一部分的正弦信号。如以下更详细地描述，在单个分隔频率(例如480赫兹)处注入正弦信号。可以在系统安装的时候指定单个分隔频率。通过图2的实施方案中公开的配置来减轻对将应用于扰动信号的频谱的需要。作为本公开的有利特征，使用单频代替多频导致识别需要调谐电流控制器的功率转换器的设备参数所需的时间的急剧减少和参数计算功能的更简单实现方式。
在一些实施方案中，控制器200还包括电流控制器212、启动控制器213和电压控制器226。电压控制器226可以是DC链路电压控制器。电流控制器212监测(例如)由电机驱动器204的直流链路的电压控制器提供的基准信号和电网侧电流。电流控制器212输出利用正弦信号调制的信号。在调节功率转换器206的占空比时注入调制信号。启动控制器213可以类似方式应用于其他类型的控制器，诸如DC链路电压控制器。
由扰动模块210和电流控制器提供的正弦信号的调制确定功率转换器206的占空比。在操作中，功率转换器206在电网侧端子处提供电流的双向调节。电感器218、220和电容器224可存在于功率转换器的滤波器内，然而不包括电感器220和电容器224的滤波器拓扑结构以及这些结构的变型也可存在。阻抗可由于电网208和连接到电网208的任何其他负载的变化而改变。
在一些实施方案中，控制器200的启动控制器213还包括参数计算模块216，所述参数计算模块计算电流控制器212的多个增益值。多个增益值可以至少部分基于相位裕度、分隔频率、功率转换器AC电流、以及占空比。参数计算模块216至少部分基于由振幅和相位计算生成的振幅值和相位值来计算电流控制器212的增益值。
可基于环路增益的所需相位裕度和分隔频率以及受控设备的振幅和相位以各种方式计算电流控制器212的增益值。以下基于连续时域上的简单分析表达式来提供一些实例。在那些方程式中，设备i表示功率转换器AC电流“iL1”与占空比“d”之间的动态关系，ω分隔表示分隔频率，并且PM表示相位裕度。
可在一个实施方案中使用PI控制器。基于方程式(1)的系统来进行参数拟合。
Figure BDA0001100593580000071
当相位滞后由于数字延迟而相当大时，PID可用于相位增加和动态性能的增强。本文考虑的实现方式包括两个重合的零点和两个重合的高频极点，其中极点和零点在频率上相隔因数Ki。基于方程式(2)的系统来进行参数拟合。
Figure BDA0001100593580000072
在本公开中也可考虑其他线性控制器(诸如包括谐振补偿器的PI补偿器)并且所述线性控制器可遵循类似过程进行调谐。另外，可基于其他AC电流振幅(诸如iL2)来计算设备。
振幅和相位模块215基于功率转换器的交流侧处的电流与分隔频率处的占空比之间的关系来计算具有功率转换器的设备的振幅和相位。通过对电流和在分隔频率处计算的占空比两者进行离散傅里叶变换来生成振幅和相位，所述振幅和相位随功率转换器的交流侧上的电流和扰动信号的占空比变化。在使用例如带通滤波器应用离散傅里叶变换之前可对那些信号进行预处理。代替离散傅里叶变换，可应用用于计算分隔频率处的振幅和相位的替代手段。通过使用分隔频率和相位裕度值来另外计算增益值。增益值可包括比例增益值、积分增益值以及微分增益值。通过参数计算模块216将增益值传输到电流控制器212。
在一些实施方案中，电流控制器212测量流过功率转换器206的电流。电流控制器212针对流过功率转换器206的电流的基准可由调节DC链路222中的电容器两端的电压的电压控制器226提供。例如，DC链路222的调节电容器可与功率转换器206和电机驱动器204并联连接。然而，任何合适的配置可能能够生成电流控制器212针对功率转换器206的交流侧的电流的基准电流。在一些实施方案中，电流控制器212将比例增益值、积分增益值以及微分增益值应用于所测量的电网电流值与基准电流值之间的误差。然而，在其他实施方案中，只可应用比例增益值，或只可应用比例增益值和积分增益值。然而，在其他实施方案中，可应用比例增益值和/或积分增益值和/或额外的增益值。应当理解，电流控制器212可包括能够提供额外增益值的其他配置。
因此，电流控制器212生成经调整的电网电流值，所述电网电流值随后用由扰动模块210生成的正弦信号进行调制。
图3示出根据本公开的一个实施方案的电流调节的方法。在框302处，可在预先确定的单个分隔频率处注入正弦信号。例如，正弦信号可将对占空比的扰动提供给连接到供电网的功率转换器。占空比可由扰动注入的调制和电流控制器的输出进一步确定。
在框304处，可监测连接到供电网的功率转换器的AC电流。电流可以是转换器AC滤波器的电感两端的测量值。在框306处，监测功率转换器的占空比。在框308处，计算电流控制器的多个增益值。多个增益值可以至少部分基于相位裕度、分隔频率、功率转换器的AC电流、以及由注入的正弦信号调制的占空比。多个增益值可以另外基于由电流和单个分隔频率处计算的占空比两者的离散傅里叶变换提供的振幅和相位计算。
虽然仅仅结合有限数量的实施方案对本公开进行了详细描述，但应易于理解，本公开不限于这些所公开的实施方案。相反，本公开可进行修改来并入之前未予描述但与精神和范围相符的任何数量的变化方案、替代方案、替换方案或等效布置。另外，尽管已经描述了各种实施方案，但应理解，本公开的各个方面可仅包括所述实施方案中的一些。因此，本公开不应被视为受到前述描述的限制，而是仅受所附权利要求书的范围限制。在不脱离本发明的范围的情况下可以对权利要求书的特征做出修改和等效替换。

Claims (13)

1.一种用于调制连接到供电网的功率转换器的电流电平的系统，所述系统包括：
电流控制器，其监测至少一个功率转换器电流和至少一个基准电流；
扰动模块，其在是所述电流控制器的分隔频率的单个频率处注入正弦信号，以将占空比提供给连接到所述供电网的功率转换器；以及
参数计算模块，其至少部分基于相位裕度、分隔频率、所述功率转换器的交流侧的电流以及所述占空比来计算所述电流控制器的多个增益值，
其中，所述电流控制器配置成基于监测的功率转换器电流和基准电流以及由所述参数计算模块计算的增益值提供输出信号，并且
其中，所述占空比由所述扰动模块注入的正弦信号和由所述电流控制器提供的输出信号的调制确定。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述功率转换器电流在所述功率转换器的交流端子处进行测量。
3.如权利要求1所述的系统，其中针对所述电流提供的基准由调节直流链路中的电容器两端的电压的电压控制器提供。
4.如权利要求1所述的系统，还包括振幅和相位模块，其基于所述功率转换器的交流侧处的电流与所述分隔频率处的所述占空比之间的动态关系来计算连接到所述电网的功率转换器的设备的振幅和相位。
5.如权利要求4所述的系统，其中通过对所述交流侧处的所述电流和所述分隔频率处的所述占空比执行离散傅里叶变换来计算所述振幅和所述相位。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述多个增益值包括至少一个比例增益值。
7.一种调制功率转换器的电流电平的方法，所述方法包括：
在单个分隔频率处注入正弦信号，以将占空比提供给连接到供电网的功率转换器；
监测所述功率转换器的所述占空比；
监测所述功率转换器的AC电流；以及
至少部分基于相位裕度、分隔频率、所述功率转换器的交流侧的电流以及所述占空比来计算多个增益值，
其中，所述占空比由所述正弦信号和由电流控制器提供的输出信号的调制确定，其中由所述电流控制器提供的所述输出信号至少由所述增益值、所述功率转换器的所述电流以及基准电流信号确定。
8.如权利要求7所述的方法，其中通过对所述电流和所述分隔频率处的所述占空比进行离散傅里叶变换来计算振幅和相位。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述多个增益值包括比例增益值、积分增益值以及微分增益值。
10.如权利要求7所述的方法，其中所述分隔频率是单个频率并且是固定值。
11.一种电梯电机驱动系统，其被配置来执行权利要求7所述的方法。
12.一种用于调制功率转换器的交流侧的电流的电梯系统，所述电梯系统包括：
电流控制器，其监测至少一个功率转换器电流和至少一个基准电流；
扰动模块，其在是电流控制器的分隔频率的单个频率处注入正弦信号，以将占空比提供给连接到供电网的功率转换器；以及
参数计算模块，其至少部分基于相位裕度、所述分隔频率、所述功率转换器的交流侧的电流以及所述占空比来计算所述电流控制器的多个增益值，
其中，所述电流控制器配置成基于监测的功率转换器电流和基准电流以及由所述参数计算模块计算的增益值提供输出信号，并且
其中，所述占空比由所述扰动模块注入的正弦信号和由所述电流控制器提供的输出信号的调制确定。
13.一种用于调制功率转换器的交流侧的电流电平的加热、通风和空调系统，所述系统包括：
电流控制器，其监测至少一个功率转换器电流和至少一个基准电流；
扰动模块，其在是电流控制器的分隔频率的单个频率处注入正弦信号，以将占空比提供给连接到供电网的功率转换器；以及
参数计算模块，其至少部分基于相位裕度、所述分隔频率、所述功率转换器的交流侧的电流以及所述占空比来计算所述电流控制器的多个增益值，
其中，所述电流控制器配置成基于监测的功率转换器电流和基准电流以及由所述参数计算模块计算的增益值提供输出信号，并且
其中，所述占空比由所述扰动模块注入的正弦信号和由所述电流控制器提供的输出信号的调制确定。
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