CN108664064B - 用于控制电流的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于根据电流命令来控制从逆变器提供给工厂的输出电流的设备。该设备包括计算单元，以确定电流命令与输出电流之间的电流误差，通过将包括电流命令的控制频率的增益施加至电流误差来输出输出电压，并且从输出电压输出输出电流。

Description

用于控制电流的设备和方法
技术领域
各个实施例涉及用于控制电流的设备和方法，并且更特别地，涉及比例谐振(PR)控制设备及其操作方法。
背景技术
通常，用于控制电流的比例与谐振(PR)控制设备被实施在单相或三相系统的静止坐标系上以控制交流电，并且被广泛用于工业中。
因为PR控制设备理论上对于特定频率具有无限增益，所以其具有与初级低通滤波器的特性类似的特性，其中闭环控制系统的传递函数为截止频率。因此，如果截止频率被设计为充分大于要控制的AC信号的频率，则消除了稳态误差。
然而，闭环控制系统的截止频率不能被无限增大，因为其受限于逆变器的开关频率。因此，在具有低开关频率的逆变器中，在谐波电流补偿时相对于高频分量引起稳态误差。
因此，由于PR控制装置典型地被配置为仅对有限的谐波电流进行补偿，所以特定频率上的分量是不可控制的。
发明内容
各个实施例可以提供用于根据电流命令来控制从逆变器提供给工厂的输出电流的设备和方法。
根据各个实施例，该设备可以包括用于确定电流命令与输出电流之间的电流误差的比较单元、用于通过将包括电流命令的控制频率的增益施加至电流误差来输出输出电压的传递函数施加单元以及用于从输出电压输出输出电流的计算单元。
根据各个实施例，该方法可以包括：确定电流命令与输出电流之间的电流误差，通过将包括电流命令的控制频率的增益施加至电流误差来输出输出电压并且从输出电压输出输出电流。
根据各个实施例，因为该设备被实现为次级带通滤波器，所以可以获得在控制频率处消除稳态误差而不管控制变量如何的效果。因此，具有低开关频率的逆变器系统可以有效实现谐波电流控制性能。而且，逆变器系统可以具有改善的谐波控制性能诸如谐波补偿或死亡时间补偿。
附图说明
图1是典型逆变器系统的框图。
图2是图1的单相电等效电路图。
图3和图4是根据各个实施例的电流控制设备的框图。
图5是根据第一实施例的传递函数施加单元的详细配置视图。
图6是根据第二实施例的电流控制设备的配置视图。
图7A是示出了根据第一实施例的电流控制设备的响应特性的示例性视图，并且图7B是示出了根据第二实施例的电流控制设备的响应特性的示例性视图。
具体实施例
为了充分理解本发明的结构和效果，将参照附图描述本发明的优选实施例。然而，本发明不限于下面所描述的实施例，而可以以各种形式的修改被实施。这里所公开的实施例仅仅是说明性的，以帮助理解本发明并且充分告知本发明所属领域技术人员本发明的范围。在附图中，为了便于说明，组成元件在尺寸上被放大，并且组成元件的比例可以被夸大或缩小。
应当理解，当元件被称为在另一元件“上”或与另一元件“相接触”时，该元件与该另一元件直接接触或被连接至该另一元件，或者在其之间不存在介入元件。应当理解，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接与另一元件相接触”时，不存在介入元件。其他描述元件之间关系的表达，例如“之间”和“直接之间”可以被类似地解释。
应当理解，尽管术语第一、第二等在这里可以被用于描述各种元素，但这些元素不应受限于这些术语。这些术语通常仅用于将一个元素与另一个区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一分量”可以被称为“第二分量”，并且类似地，“第二分量”也可以被称为“第一分量”。
单数表示可以包括复数表示，除非其表示与上下文明显不同的含义。诸如“包括”或“具有”的术语在这里被使用并且应当理解，它们旨在指示说明书中所公开的特征、数字、步骤、功能、多个分量或其组合的存在，并且还应理解，更多或更少的特征、数字、步骤、功能、多个分量或其组合同样被利用。
除非另有定义，否则本发明实施例中所使用的术语可以被解释为本领域技术人员通常已知的。
下面将参考附图根据本发明优选实施例来详细描述本发明。
图1是典型逆变器系统的框图。
参照图1，逆变器系统包括逆变器100和工厂110。在该逆变器系统中，在逆变器100中生成电流并且流入工厂110中。逆变器100被配置为诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)的功率半导体开关。工厂110可以被配置为并网负载111或电机负载112。
可以以包括电感分量、损耗电阻分量和电压的形式对并网负载111和电机负载112进行电配置。即，以包括谐波滤波电感、滤波损耗电阻和电网电源的形式对并网负载111进行电配置，并且以包括电机绕组电感、电机损耗电阻和反电动势的形式对电机负载112进行配置。
图2是图1的单相电等效电路图。
参照图2，当逆变器100生成电压Vconv，输出电流is在工厂110上流过。电感分量Ls、损耗电阻分量Rs和电压分量Vplant配置工厂110的等效电路。
图3和图4是根据各个实施例的电流控制设备的框图。
参照图3，电流控制设备包括第一比较单元301、传递函数施加单元302、加法单元303、第二比较单元304和计算单元305。
第一比较单元301输出要控制的电流命令
Figure BDA0001507759440000041
与实际被施加至工厂110的输出电流is之间的电流误差ierror。传递函数施加单元302通过将反馈分量(fedback component)的第一传递函数施加至电流误差ierror来输出输出电压Vc。加法单元303通过将前馈分量Vff相加给输出电压Vc来输出被施加至工厂110的逆变器电压Vconv。此时，通过从负载电压减去测量值来获得前馈分量Vff。然而，在电机负载112中，使用除测量之外的估计。第二比较单元304输出逆变器电压Vconv与工厂电压Vplant之间的电压误差。计算单元305通过将第二传递函数施加至第二比较单元304的输出来输出被施加至工厂110的输出电流is，其中工厂110的电感分量Ls和损耗电阻分量Rs被表示为频域。
在图3中，如果前馈分量Vff被确定为与工厂110的电压分量Vplant相同，则图3可以等同于图4。即，图3示出了没有前馈分量Vff和工厂110的电压分量Vplant的形式。基于该形式，获得了工厂110的电流关于电流命令的关系的下列[等式1]。
[等式1]
Figure BDA0001507759440000042
图5是根据第一实施例的传递函数施加单元的详细配置视图。
参照图5，根据第一实施例的电流控制设备包括传递函数施加单元502。此时，电流控制设备类似于具有截止频率ωc的初级低通滤波器那样操作。此时，传递函数施加单元502将包括截止频率ωc的增益施加至电流误差ierror。传递函数施加单元502包括第一施加部分510、第一计算部分520、第二计算部分530、第一积分部分540、第二积分部分550、第二计算部分560和第三计算部分570。
第一施加部分510将第一增益Lsωc施加至电流误差ierror。此时，根据工厂110的电感分量Ls和截止频率ωc来确定第一增益Lsωc。第一计算部分520对电流误差ierror执行减法。此时，第一计算部分520通过使用第二计算部分530的输出来对电流误差ierror执行减法。第一积分部分540将第一计算部分520的输出进行积分。第二积分部分550将第一积分部分540的输出进行积分。第二计算部分530通过使用电流命令的控制频率ωac来对第二积分部分550的输出执行减法。第二施加部分560将第二增益Rsωc施加至第一积分部分540的输出。此时，根据工厂110的损耗电阻分量Rs和截止频率ωc来确定第二增益Rsωc。第三计算部分570使用第二施加部分560的输出来对第一施加部分510的输出执行减法。
根据第一实施例，传递函数施加单元502通过将如下列[等式2]中所示的第一传递函数C(s)施加至电流误差ierror来输出输出电压Vc。在[等式2]中，第一增益对应于第一传递函数C(s)的第一项，并且第二增益对应于第一传递函数C(s)的第二项。通过将[等式2]带入[等式1]中，获得了下面的[等式3]。此时，当Lsωc的值充分大于Rs(Lωc＞＞Rs)时，[等式3]被简化为下列[等式4]。[等式4]表示出了具有截止频率ωc的初级低通滤波器的特性。根据[等式4]，电流控制设备像具有截止频率ωc的初级低通滤波器那样操作。
[等式2]
Figure BDA0001507759440000051
[等式3]
Figure BDA0001507759440000052
[等式4]
Figure BDA0001507759440000053
因此，当电流命令的幅值是A(即i*(s)＝Asinωact)时，通过使用[等式4]而被控制的输出电流被表示在时域之内，并且因此可以获得下列[等式5]。在[等式5]中，当经过足够时间后，i(t)右侧的第一项被消除，并且i(t)右侧的第二项确定稳态值。根据第一实施例，当满足ωc＞＞ωac的条件时，稳态值变为与对应于电流命令幅值的Asinωact相同。换句话说，当可以将截止频率ωc设置得充分大于控制频率ωac时，电流控制设备正常操作。例如，如果并网逆变器控制300Hz或420Hz的分量来消除电网电源的谐波效应，则截止频率应当被设置为几kHz。
[等式5]
Figure BDA0001507759440000061
Figure BDA0001507759440000062
Figure BDA0001507759440000063
然而，由于截止频率ωc通常被限制为小于逆变器100的开关频率的值，所以在以5kHz或更低的开关频率操作的系统中，在这种谐波控制性能上存在许多限制。
图6是根据第二实施例的电流控制设备的配置视图。
参照图6，根据第二实施例的电流控制设备600包括比较单元601、传递函数施加单元602和计算单元603。比较单元601输出电流命令
Figure BDA0001507759440000064
与工厂110的输出电流is之间的电流误差ierror。传递函数施加单元602通过将反馈分量的第一传递函数施加至电流误差ierror中来输出输出电压Vc。计算单元603通过将第二传递函数施加至输出电压Vc来输出输出电流is。根据工厂110的电感分量Ls和工厂110的损耗电阻分量Rs来确定第二传递函数。
此时，电流控制设备600像次级带通滤波器(其使用电流命令的控制频率ωac作为中心频率)那样操作，并且变量k表示带通滤波器的品质因子。根据第二实施例，传递函数施加单元602可以将变量k和包括电流命令的控制频率ωac的增益施加至电流误差ierror。
传递函数施加单元602包括第一施加部分610、第一计算部分620、第二计算部分630、第一积分部分640、第二积分部分650、第二施加部分660、第三计算部分670、第三施加部分680和第四计算部分690。
第一施加部分610将第一增益kLsωac施加至电流误差ierror。此时，根据变量k、工厂110的电感分量Ls和电流命令的控制频率ωac来确定第一增益kLsωac。第一计算部分620对电流误差ierror执行减法。此时，第一计算部分620通过使用第二计算部分630的输出来对电流误差ierror执行减法。第一积分部分640对第一计算部分620的输出进行积分。第二积分部分对第一积分部分640的输出进行积分。第二计算部分630通过使用电流命令的控制频率ωac来对第二积分部分650的输出执行乘法。第二施加部分660将第二增益kRsωac施加至第一积分部分610的输出。此时，根据变量k、工厂110的损耗电阻分量Rs和电流命令的控制频率ωac来确定第二增益kRsωac。第三计算部分670使用第二施加部分660的输出来对第一施加部分610的输出执行减法。第三施加部分680将第三增益kLsωac施加至第二计算部分630的输出。此时，根据变量k、工厂110的电感分量Ls和电流命令的控制频率ωac来确定第三增益kLsωac。第四计算部分690使用第三施加部分680的输出来对第三计算部分670的输出执行减法。以这种方式，第四计算部分690输出输出电压Vc。
根据第二实施例，传递函数施加单元602通过将如下列[等式6]中所示的第一传递函数C(s)施加至电流误差ierror来输出输出电压Vc。在[等式6]中，第一增益对应于第一传递函数C(s)的第一项，第二增益对应于第一传递函数C(s)的第二项，并且第三增益对应于第一传递函数C(s)的第三项。通过将[等式6]带入[等式1]中，获得了下列[等式7]。[等式7]表示具有以电流命令的控制频率为中心频率ωac的次级带通滤波器的特性并且变量k表示带通滤波器的品质因子。根据[等式7]，电流控制设备600像具有以电流命令的控制频率ωac为中心频率的次级带通滤波器那样操作。
[等式6]
Figure BDA0001507759440000081
[等式7]
Figure BDA0001507759440000082
因此，当电流命令的幅值为A(即i*(s)＝Asinωact)时，通过使用[等式7]而被控制的输出电流如下面的[等式8]所表示的那样被表示在时域中。在[等式8]中，当经过足够时间后，i(t)右侧的第一项被消除，并且i(t)右侧的第二项确定稳态值。根据第二实施例，稳态值不受可变因素影响，并且总是具有与电流命令的幅值相同的幅值。即，根据第一实施例，当满足ωc＞＞ωac的条件时，稳态值变为与对应于电流命令幅值的Asinωact相等。另一方面，根据第二实施例，在没有任何条件的情况下，前馈状态值变成与电流命令相等。
[等式8]
Figure BDA0001507759440000083
Figure BDA0001507759440000084
图7A是示出了根据第一实施例的电流控制设备的响应特性的示例性视图，并且图7B是示出了根据第二实施例的电流控制设备的响应特性的示例性视图。
图7A示出了[等式4]的波特图，其中箭头方向指示了截止频率ωc降低的方向。由于初级低通滤波器的特性，截止频率ωc不能被设计得足够大。结果是，当截止频率ωc降低时，可控制的谐波区域减少(即朝向箭头方向减少)。
另一方面，图7B示出了[等式7]的波特图，其中箭头方向指示了变量k减小的方向。由于次级带通滤波器的特性，不管变量k如何，控制频率ωc处的增益都为1，并且因此改善了稳态性能。
根据第二实施例，因为电流控制设备像次级带通滤波器那样操作，所以不管控制变量如何，都在控制频率处消除了稳态误差。因此，即使是在具有低开关频率的系统中，也能有效保证谐波电流控制性能。因此，在逆变器系统中，可以改善诸如谐波补偿或死亡时间补偿的谐波控制性能。
根据各个实施例，提供了用于根据电流命令来控制从逆变器100提供给工厂110的输出电流的设备600及其方法。
根据各个实施例，电流控制设备600可以包括用于确定电流命令与输出电流之间的电流误差的比较单元601、用于通过将包括电流命令的控制频率的增益施加至电流误差来输出输出电压的传递函数施加单元602以及用于从输出电压输出输出电流的计算单元603。
根据各个实施例，电流控制设备600可以像具有以控制频率为中心频率的次级带通滤波器那样操作，以输出具有与稳态中的电流命令的幅值相同的幅值的输出电流。
根据各个实施例，传递函数施加单元602可以通过将第一传递函数施加至电流误差来输出输出电压，所述第一传递函数根据指示带通滤波器品质因子的变量、控制频率、工厂110的电感分量和工厂110的损耗电阻分量来确定。
根据各个实施例，可以由下列[等式9]来确定第一传递函数。
[等式9]
Figure BDA0001507759440000091
(其中k为变量，ωac为控制频率，Ls为电感分量，并且Rs为损耗电阻分量。)
根据各个实施例，传递函数施加单元602可以包括将第一增益施加至电流误差的第一施加部分610，所述第一增益根据变量、控制频率和工厂110的电感分量来确定。
根据各个实施例，传递函数施加单元602可以进一步包括用于对电流误差执行减法的第一计算部分、用于将第一计算部分620的输出进行积分的第一积分部分640以及用于将第二增益施加至第一积分部分640的输出的第二积分部分，所述第二增益根据变量、控制频率和工厂110的损耗电阻分量来确定。
根据各种实施例，传递函数施加单元602可以进一步包括用于将第一积分部分640的输出进行积分的第二积分部分650、用于对第二积分部分650的输出执行乘法的第二计算部分630以及用于将第三增益施加至第二计算部分630的输出的第三施加部分680，所述第三增益根据变量、控制频率和工厂110的电感分量来确定。
根据各种实施例，第一计算部分620可以使用第二积分部分650的输出对电流误差执行减法。
根据各种实施例，传递函数施加单元602可以进一步包括用于使用第二施加部分660的输出来对第一施加部分610的输出执行减法的第三计算部分670以及用于使用第三计算部分680的输出来对第三计算部分670的输出执行减法的第四计算部分690，以输出输出电压。
根据各种实施例，计算单元603可以通过将第二传递函数施加至输出电压来输出输出电流，所述第二传递函数根据工厂110的电感分量和损耗电阻分量来确定。
根据各种实施例，操作电流控制设备600的方法可以包括：确定电流命令和输出电流之间的电流误差，通过将包括电流命令的控制频率的增益施加至电流误差来输出输出电压，并且从输出电压输出输出电流。
根据本发明的前述实施例仅仅是说明性的，并且本领域技术人员将理解，在不脱离如所附权利要求所定义的本发明的精神和范围的情况下可以作出各种变化和修改。因此，本发明的技术范围应当由下列权利要求来确定。

Claims (8)

1.一种用于根据电流命令来控制从逆变器提供给工厂的输出电流的设备，所述设备包括：
比较单元，其用于确定所述电流命令与所述输出电流之间的电流误差；
传递函数施加单元，其用于通过将包括所述电流命令的控制频率的增益施加至所述电流误差来输出输出电压；以及
计算单元，其用于从所述输出电压输出所述输出电流；
所述传递函数施加单元通过将第一传递函数施加至所述电流误差来输出所述输出电压，所述第一传递函数根据指示所述带通滤波器品质因子的变量、所述控制频率、所述工厂的电感分量和所述工厂的损耗电阻分量来确定；
由下列等式来确定所述第一传递函数，
Figure FDA0002316319490000011
其中，k为所述变量，ωac为所述控制频率，Ls为所述电感分量，并且Rs为所述损耗电阻分量。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述计算单元像具有作为中心频率的控制频率的次级带通滤波器那样操作，以便以具有与稳态中的所述电流命令的幅值相同的幅值的方式来输出所述输出电流。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述传递函数施加单元包括用于将第一增益施加至所述电流误差的第一施加部分，所述第一增益根据所述变量、所述控制频率和所述工厂的电感分量来确定。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述传递函数施加单元进一步包括：
第一计算部分，其用于对所述电流误差执行减法；
第一积分部分，其用于对所述第一计算部分的输出进行积分；以及
第二施加部分，其用于将第二增益施加至所述第一积分部分的输出，所述第二增益根据所述变量、所述控制频率和所述工厂的损耗电阻分量来确定。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述传递函数施加单元包括：
第二积分部分，其用于对所述第一积分部分的输出进行积分；
第二计算部分，其用于使用所述控制频率对所述第二积分部分的输出执行乘法；以及
第三施加部分，其用于将第三增益施加至所述第二计算部分的输出，所述第三增益根据所述变量、所述控制频率和所述工厂的电感分量来确定。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述第一计算部分使用所述第二积分部分的输出对所述电流误差执行减法。
7.根据权利要求5所述的设备，其中，所述传递函数施加单元进一步包括：
第三计算部分，其用于使用所述第二施加部分的输出来对所述第一施加部分的输出执行减法；以及
第四计算部分，其用于使用所述第三施加部分的输出来对所述第三计算部分的输出执行减法，以输出所述输出电压。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述计算单元通过将第二传递函数施加至所述输出电压来输出所述输出电流，所述第二传递函数根据所述工厂的电感分量和所述工厂的损耗电阻分量来确定。
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