CN112366956A - 确定变频器的整流器级输出电流和/或电网侧电流的方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于确定变频器(1)的整流器级输出电流和/或电网侧电流(iu，iv，iw)的方法，变频器(1)具有无源整流器(3)、逆变器(4)、在整流器级(3)和逆变器级(4)之间的带有DC链路电感器(Ldc)和DC链路电容器(Cdc)的DC链路。在该变频器中，应该在没有在电网侧(2)的电流传感器的情况下获得电网侧电流(iu，iv，iw)的电流信息。为此，该方法包括以下步骤：通过使用至少DC链路(5)中的整流器(3)的电压值(Urec)和特性和/或电网侧电流来计算DC链路(5)中的电流，以使用计算电流和测量电流或测量电流的一部分来形成校正电流。

Description

确定变频器的整流器级输出电流和/或电网侧电流的方法
技术领域
本发明涉及用于确定变频器的整流器级输出电流和/或电网侧电流的方法，该变频器具有无源整流器、逆变器、整流器和逆变器之间的具有DC链路电感器和DC链路电容器的DC链路和/或整流级的电网侧的AC电感器。
背景技术
变频器通常被用于将从电网提供的具有预定频率的电输入功率转换为具有可控的另一频率的电输出功率。从电网侧提供的电流和电压通过整流级进行整流，并通过DC链路电容器、DC链路电感器和/或电网侧的AC电感器在DC链路中进行一定程度的平滑。DC链路中的直流电压和电流然后由逆变器级以受控方式转换为AC电压和电流。
具有无源整流级的变频器有趣的是它的成本比受控PWM整流级的更低。
在许多情况下，这种变频器的用户对获得整流器侧和/或电网侧的电流信息感兴趣。然而，这需要电流传感器，而电流传感器会对变频器的成本水平产生负面影响，并且通常需要大量的额外空间。此类信息可以用于根据诸如IEC 61000-3-12之类的欧洲标准来评估变频器的谐波性能，或一般出于保护和使用寿命的目的而简单地评估整流器级的热状况。
发明内容
本发明的目的是在电网侧、整流器级和DC链路的整流器侧没有电流传感器的情况下提供关于整流器级的输出电流和/或电网侧电流的信息。
该目的利用开头所述的方法解决，其中，该方法包括以下步骤：通过使用整流级的电压值和特性来计算DC链路的整流器侧的电流和/或电网侧电流，以使用计算电流和测量电流或测量电流的一部分来形成校正电流。
通常，电压值可以很容易地获得，因为电压传感器相对电流传感器而言更便宜，并且需要更少的空间。由于整流级包括DC链路电感器和/或AC电感器以及DC链路电容器，因此可以使用这些部件中的一个或多个部件上或其两端的电压来导出电流或与测量电流或测量电流的一部分组合的电流，为了便于下文的解释说明，将该电流称为“校正电流”。“校正电流”是在整流器级的输出端处流动的电流的估计和/或电网侧电流的估计。
在本发明的实施例中，计算电流和/或计算的电网侧电流的绝对值各自包含AC分量和DC分量，其中，通过将计算的AC分量和DC分量分离，然后通过来自变频器的逆变器侧的测量电流或测量电流的一部分来调整计算的DC分量，来确定每个校正电流。
在本发明的实施例中，计算电流仅包含AC分量，这意味着校正电流是通过将来自变频器的逆变器侧的测量电流的DC分量与计算电流相加而获得的。
在本发明的实施例中，计算电流是通过使用DC电感器的特性和该电感器两端的测量的电压而获得的。作为示例，DC电感器的特性可以是电感器的电感。另一个示例可以是电感器的电感与串联和/或并联电阻的组合。
在本发明的实施例中，计算电流是通过使用DC电容器的特性和该电容器两端的测量的电压而获得的。作为示例，DC电容器的特性可以是电容器的电容。另一个示例可以是电容器的电容与串联和/或并联电阻的组合。
在本发明的实施例中，计算电流是通过使用AC电感器的特性和该电感器两端的测量的电压而获得的。作为示例，AC电感器的特性可以是电感器的电感。另一个示例可以是电感器的电感与串联和/或并联电阻的组合。
在本发明的实施例中，计算电流是通过使用DC电容器的特性和DC电感器的特性以及组件两端的测量的电压和/或变频器的整流器侧中的任何其他组件的特性而获得的。在本发明的三个先前实施例中给出了组件的特性的示例。变频器的整流器侧中的任何其他组件的特性的示例是整流级中的整流器硅器件的导通状态电压降。
在本发明的实施例中，计算电流是通过使用DC电容器的特性和DC电感器的特性两者和/或AC电感器的特性以及组件两端的测量电压和/或变频器的整流器级中的任何其他组件的特性来获得的。在本发明的四个先前实施例中给出了组件的特性的示例。变频器的整流器侧中的任何其他组件的特性的示例是整流级中的整流器硅器件的导通状态电压降。另一个示例是电网侧的AC电感器的特性。
在本发明的实施例中，测量DC电流并且将其与计算电流组合使用，其中，测量电流和计算电流的组合形成校正电流。在变频器的逆变器侧，在许多情况下已经存在用于控制逆变器级的电流传感器。来自这种电流传感器的信息可以用于导出测量电流。例如，可以使用测量电流，针对电压测量结果、计算模型和组件特性中的不准确性来调整计算电流。
在本发明的实施例中，将来自变频器的逆变器侧的测量电流的DC分量或DC分量的一部分用于调整计算电流。
在本发明的实施例中，DC电流是在两个逆变器侧的DC链路路径中的至少一个路径中测量的。备选地，DC电流是通过使用来自三个逆变器级的支路的电流信息，或逆变器级的至少两个输出端处的电流信息而测量的。当以这些方式中的任一种方式测量电流时，可以根据现有技术获得关于在DC链路的逆变器侧中流动的总电流的信息。
在本发明的另一个实施例中，确定计算电流的平均值或DC分量。该平均值的一部分和测量电流的平均值或DC分量的一部分被用于调整计算电流，以得出校正电流。
在本发明的实施例中，导出计算电流的平均值或DC分量或计算电流的平均值或DC分量的一部分，从计算电流中减去该平均值或DC分量或该平均值或DC分量的一部分，并且将测量的DC电流的平均值或DC分量或该测量的DC电流的平均值或DC分量的一部分与差相加，以形成校正电流。
在本发明的实施例中，计算电流是通过对DC链路电感上的电压降进行积分而导出的。DC链路电感上的电压降可以通过测量整流器级输出侧的电压和DC链路电感下游的电压，例如DC链路电容器上的电压来确定。电感的逆电感与电压在时间上的积分的乘积可得出计算电流。在一些情况下，这足以获得校正电流。然而，当电压测量期间的模型的不准确性或误差太大时，在积分期间可能会发生漂移。在这种情况下，特别有利的是使用测量电流来校正计算电流。
在本发明的实施例中，根据整流器级的输出电压与DC链路电压之间的差来计算电压降。DC链路电压可以例如在DC链路电容器上进行测量。
在本发明的实施例中，整流器级的输出电压是根据在整流器级输入侧的电网电压的瞬时最大值减去瞬时最小值而计算的。如上所述，即使在整流器级的输入侧，也可以以较低的成本执行电压测量。
在本发明的实施例中，通过对每个电网相中的AC电感器上的电压降进行积分来导出每一电网相的计算电流。可以通过测量来确定每一相的AC电感器上的电压降。AC电感器的逆电感与电压在时间上的积分的乘积可得出计算电流。在一些情况下，这足以获得校正电流。然而，当电压测量期间的模型的不准确性或误差太大时，在积分期间可能会发生漂移。在这种情况下，特别有利的是使用测量电流的一部分来校正计算电流。在本发明的该实施例中，由于计算电流是AC电流，因此应该将计算电流的绝对值用于使用变频器的逆变器侧的测量的DC电流的校正步骤。
备选地，代替对每个相中的AC电感器上的电压降进行积分，可以以本领域中已知的方式进行电压降的2相矢量表示(2-phase vectorial representation)。可以根据该矢量表示来确定计算电流。
在本发明的另一个实施例中，计算电流是通过对DC链路电容器上的电压进行微分并乘以电容器的电容而得到的，并且将计算电流与测量电流的平均值相加以形成校正电流。这是获得DC链路电流的纹波的另一种可能方式。这确实涉及一些使用寿命的考虑，因为DC电容会随变频器的使用寿命而变化。此外，相比于积分，微分原理被认为更不可靠。
在本发明的实施例中，使用电网电压的过零点来从表示整流器级输出电流的校正电流导出每个电网相电流。过零点指示无源整流器级的相中哪些相导电，哪些相不导电。这是一种简单的在电网相上分配表示整流器级的输出电流的校正电流的方式。
在本发明的另外的实施例中，对测量的电网电压矢量的相位进行检测，以从表示整流器级输出电流的校正电流导出每个电网相电流。旋转电网电压矢量的相位角指示无源整流器级的相中哪些相导电，哪些相不导电。这是一种简单在电网相上分配表示整流器级的输出电流的校正电流的方式。
在本发明的实施例中，从计算电流或从校正电流和电网电压获得的信息被用于计算不平衡、电压畸变、RMS值和THC值中的至少一项。在许多情况下，这些数据中的至少一项是变频器的用户所感兴趣的。在许多情况下，用户对多于一种信息感兴趣。
在本发明的实施例中，从校正电流或从校正电流和电网侧电压获得的信息被用于变频器或变频器的至少一个组件的保护和/或使用寿命估计。可以用这种方式来可靠地规划变频器的维护和修理。
附图说明
现在参考附图更详细地描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出了三相变频器的电路图的示意图。
具体实施方式
变频器1连接到电网6，电网6具有三相u、v和w。电网表现为每一相的一些电网阻抗2。备选地，电网阻抗模块2可以表示变频器模块1的总AC电感器。
为了便于进行下面的解释说明，电路图被划分为电网侧6、整流器级7、逆变器级8和电机侧9。
整流器级7包括无源整流器3。无源整流器3由整流器硅器件形成，例如在本领域中一般已知的二极管D1-D6。备选地，二极管可以是在一些变频器中被用于涌浪电流限制的晶闸管。所示出的整流器3是3相整流器，但是也可以是单相整流器或另一种多相整流器。DC链路电感Ldc连接到整流器3的输出侧。备选地，可以是在低侧路径(rail)和高侧路径二者中的两个DC扼流器的情况。两个DC扼流器增加了电压感测装置的复杂性，这对本发明来说无关紧要。DC链路电容器Cdc连接在DC链路电感器Ldc下游的DC链路5的正极路径10和负极路径11之间。DC电容器在物理上可以被应用为变频器中串联的若干个电容器，这对本发明来说无关紧要。
逆变器4包括六个受控开关T1-T6，其中，开关T1-T6中的每个开关与反并联二极管相关联。
逆变器4包括三个输出12、13、14，其中，输出12-14中的每个输出连接到两个开关T1、T4；T2、T5；T3、T6之间的点，这是本领域中已知的。逆变器4可以具有多于或少于三相的输出。未示出用于控制开关的装置，因为这对本发明来说无关紧要。
电网2的三相u、v、w向每对二极管D1、D4；D2、D5；D3、D6之间的点提供电流iu、iv、iw和电压Vu、Vv、Vw。电压和电流在整流器3中被整流，使得整流器3的输出为脉动的输出DC电压Urec，这是本领域中已知的。该输出电压Urec可以很容易地测得。然而，当测量到整流器3的电网侧6处的电势Vu、Vv、Vw时，也可以通过电势Vu、Vv、Vw之间的电压差的瞬时最大值减去瞬时最小值来进行计算。这使感测电路比测量Urec复杂。
整流器级7输出直流电流iLdc，直流电流iLdc流过DC链路电感器Ldc。DC链路电感器Ldc和DC链路电容器Cdc一起可以对电流iLdc进行平滑。然而，仍存在纹波，该纹波和由逆变器级感应的与电流idc相关联的纹波电流一起流入电容器Cdc。电感器电流的剩余部分，其实质上是电感器电流的平均值，经由正极路径10提供给逆变器级4，并且经由负极路径11返回到整流器级3。在给定时刻，根据基尔霍夫定律，电流iLdc等于图中所示的电流iCdc和idc之和。在稳态下，电流iCdc平均为零。
该电路图示出了通过DC链路5的正极路径10的电流idc，每个逆变器支路中的电流ibu、ibv、ibw，逆变器级4的每个输出中的电流imu、imv、imw，以及通过DC链路电容器Cdc的电流iCdc。
这些电流中的每个电流可以由相应的电流传感器15-22进行测量，其中，通过DC链路的电流idc可以在正极路径(idcH)中或负极路径(idcL)中进行测量。
然而，应该注意的是，在最小配置中并非所有的电流传感器15-22都是必需的。只有DC链路中的电流传感器15或16，或者逆变器级4的支路中的电流传感器17-19，或者逆变器级4的输出12-14中的电流传感器20-22中的两个电流传感器就足够了。
如果电压Urec、Udc的电压测量结果和DC链路组件模型足够精确，则考虑到本发明，可以在理论上省略电流传感器15-22。然而，以必要的准确度执行电压测量相当困难。
确定在变频器1的电网侧2处的电网侧电流iu、iv、iw的第一种方法是计算通过DC链路电感的电流iLdc。这可以通过在整流器级3的输出处的电压Urec和在DC链路电容器上的电压Udc之间形成差来很容易地进行。该差是DC链路电感器Ldc上的电压降。通过在时间上对该电压降进行积分并且将其除以DC链路电感器Ldc的电感，理论上可以计算出由逆变器级3汲取的电流。然而，在许多情况下，对电压Urec和电压Udc的测量或确定不够精确，使得这种积分会导致漂移，在极端情况下会导致正无穷大或负无穷大。此外，组件模型的特性可能不准确。为了避免该问题，形成计算电流的平均值。从计算电流中减去该平均值，以便消除任何漂移，仅保留有关于电流的“纹波”的信息。为了获得用于整流级3的真实电流信息，“校正电流”，通过电流传感器15-22中的一个或多个电流传感器来测量通过DC链路5的电流idc。将测量电流的平均值与计算电流和计算电流的平均值之间的差相加。备选地，两个平均值之间的差的一部分被用于得出校正电流。本领域技术人员可以认识到，这相当于增益Kp小于1的比例控制器。同样，在第一种情况下，比例控制器的增益Kp为1。因此，补偿公式可被描述为类似ILdc_校正值＝ILdc+Kp*(Idc_平均值-ILdc_平均值)。当计算电流的平均值不够精确时，使用小于1的Kp会在校正电流的DC分量中产生误差。因此，作为备选，本发明中的术语“一部分”可以与使用包括积分功能的控制器有关，例如众所周知的PI控制器或PID控制器等。在这种情况下，当在上式中使用小于1的Kp时，所采用的控制器的积分功能消除了引入的误差。
备选地或附加地，也可以通过使用通过DC链路电容器Cdc的电流iCdc来计算电流。为此，可以对DC链路电容器Cdc上的电压Udc进行微分，以计算通过DC链路电容器Cdc的电流iCdc。在这种情况下，将测量的DC链路电流idc的平均值与该计算电流iCdc相加，以获得到整流器级3的电流的“真实”值。
应当注意，当DC链路电感器Ldc表现为欧姆串联电阻或与电阻器串联连接时，也可以使用本发明方法。在这种情况下，在开始积分之前，应从测量的电感器的电压降中减去电阻器的电压降。因此，可以将DC链路电感器Ldc视为电感和欧姆电阻的组合。
此外还假设电流iCdc的平均值为零，这在稳态操作中是合理的。然而，动态仿真表明，如果在瞬态序列(transient sequence)中通过DC链路电容器Cdc的电流iCdc的平均值不为零，则该方法也可以以很高的准确性进行应用。因此，即使本发明涵盖了该模型，也不必使其复杂化，因为可以在动态模型中同时使用Ldc和Cdc来瞬时改进校正电流。
基于上述校正电流ILdc，可以通过检测电网电压的过零点或相位来计算电网相电流。
作为上述DC电感器方法的备选或等效，可以通过使用图中的电网侧的AC电感器的特性以及它两端上的测量的压降来直接计算电网电流iu、iv和iw。同样，可能会出现漂移，使用电流idc的平均值来对该漂移进行等效补偿。由于电网的每一相在2/3的时间中导通，因此在这种情况下，应相应地缩放所应用的idc的平均值。
当计算电流和/或计算的电网侧电流的绝对值各自包含AC分量和DC分量时，通过将计算的AC分量和DC分量分离，然后通过来自变频器逆变器侧的测量电流或测量电流的一部分来调整计算的DC分量，来确定每个校正电流。
在一些情况下，计算电流仅包含AC分量。这意味着校正电流是通过将来自频率的逆变器侧的测量电流的DC分量与计算电流相加而获得的。
也可以通过使用DC电感器的特性和该电感器两端的测量的电压来获得计算电流。DC电感器的特性可以是电感器的电感。另一个示例可以是电感器的电感与串联和/或并联电阻的组合。
另一可能方式是，计算电流是通过使用DC电容器的特性和电容器两端的测量的电压而获得的。DC电容器的特性可以仅是电容器的电容或者是电容器的电容与串联和/或并联电阻的组合。
获得计算电流的另一种可能方式是使用AC电感器的特性和电感器两端的测量的电压。AC电感器的特性可以是电感器的电感或电感器的电感与串联和/或并联电阻的组合。
此外，计算电流可以通过使用DC电容器的特性和DC电感器的特性以及组件两端的测量的电压和/或变频器的整流器侧中的任何其他组件的特性来获得。组件的特性可以与上述特性相同。
计算电流可以通过使用DC电容器的特性和DC电感器的特性两者和/或AC电感器的特性以及组件两端的测量的电压和/或变频器的整流器级中的任何其他组件的特性来获得。所述特性可以与上述特性相同。
此外，计算电流可以通过使用来自变频器的逆变器侧的测量电流的DC分量或DC分量的一部分来调整。
此外，每一电网相的计算电流可以通过对每个电网相中的AC电感器上的电压降进行积分来得出。可以通过测量结果来确定每一相的AC电感器上的电压降。AC电感器的逆电感与电压在时间上的积分值的乘积得出计算电流。在一些情况下，这足以获得校正电流。然而，当电压测量期间的模型不准确性或误差太大时，积分期间可能会发生漂移。在这种情况下，有利的是使用测量电流的一部分来校正计算电流。由于本实施例中的计算电流是AC电流，因此应该将计算电流的绝对值用于使用变频器的逆变器侧的测量的DC电流的校正步骤。
此外，可以对测量的电网电压矢量的相位进行检测，以从表示整流器级中输出电流的校正电流得出每个电网相电流。旋转的电网电压矢量的相位角指示无源整流器级的相中的哪些相导电，哪些相不导电。这是一种简单的在电网相上分配表示整流器级的输出电流的校正电流的方式。

Claims (22)

1.一种用于确定变频器(1)的整流器级输出电流和/或电网侧电流(iu，iv，iw)的方法，所述变频器(1)具有无源整流器(3)、逆变器(4)、在所述整流器(3)和所述逆变器(4)之间的带有DC链路电感器(Ldc)和DC链路电容器(Cdc)的DC链路和/或在整流级的电网侧的AC电感器，其特征在于，所述方法包括以下步骤：通过使用至少所述整流级和/或所述DC链路的电压值和特性来计算所述DC链路(5)中的电流和/或电网侧电流，以使用计算电流和测量电流或测量电流的一部分来形成校正电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算电流和/或计算的电网侧电流的绝对值各自包含AC分量和DC分量，其中，通过以下步骤来确定每个校正电流：将计算的AC分量和DC分量分离，然后通过来自所述变频器的逆变器侧的测量电流或测量电流的一部分来调整计算的DC分量。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述计算电流仅包含AC分量，意指所述校正电流是通过将来自所述变频器的逆变器侧的测量电流的DC分量与所述计算电流相加而获得的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述计算电流是通过使用DC电感器的特性和电感器两端的测量电压而获得的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述计算电流是通过使用DC电容器的特性和电容器两端的测量电压而获得的。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述计算电流是通过使用AC电感器的特性和电感器两端的测量电压而获得的。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述计算电流是通过使用DC电容器的特性和DC电感器的特性以及组件两端的测量电压和/或所述变频器的整流器侧中的任何其他组件的特性而获得的。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述计算电流是通过使用DC电容器的特性和DC电感器的特性两者和/或AC电感器的特性以及组件两端的测量电压和/或所述变频器的整流器级中的任何其他组件的特性而获得的。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，测量DC电流(idc)并且将所述DC电流(idc)与所述计算电流组合使用，其中，所述测量电流(idc)和所述计算电流的组合形成所述校正电流。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使用来自所述变频器的逆变器侧的测量电流的DC分量或DC分量的一部分来调整计算电流。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述DC电流是在两个逆变器侧的DC链路(5)路径中的一个路径、逆变器级的至少两个支路和/或逆变器级(4)的至少两个输出端(12-14)中测量的。
12.根据权利要求9或11中任一项所述的方法，其特征在于，确定计算电流的平均值或DC分量。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其特征在于，导出计算电流的平均值或DC分量或平均值或DC分量的一部分，从所述计算电流中减去所述平均值或所述DC分量或所述平均值或所述DC分量的一部分，并且将测量的DC电流(idc)的平均值或DC分量或平均值或DC分量的一部分与差相加，以形成校正电流。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，通过对DC链路电感(Ldc)上的电压降进行积分来导出所述计算电流。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，根据整流器级(3)的输出电压(Urec)和DC链路电压(Udc)之间的差来计算所述电压降。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，根据在所述整流器级(3)的输入侧的电网电压(Vu，Vv，Vw)的瞬时最大值减去瞬时最小值来计算所述整流器级(3)的输出电压(Urec)。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，通过对每个电网相中的AC电感器上的电压降进行积分来导出每一电网相的计算电流。
18.根据权利要求2至17中任一项所述的方法，其特征在于，通过对所述DC链路电容器(Cdc)上的电压(Udc)进行微分来导出所述计算电流，并且将所述计算电流与所述测量电流(idc)的平均值相加，以形成所述校正电流。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其特征在于，使用线线间电网电压(Vu-Vv，Vv-Vw，Vw-Vu)的过零点来从表示整流器级(3)的输出电流的校正电流中导出每个电网相电流(iu，iv，iw)。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，对测量的电网电压矢量的相位进行检测，以从表示整流器级的输出电流的校正电流中导出每个电网相电流。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的方法，其特征在于，将从所述计算电流或从所述校正电流和电网电压获得的信息用于计算不平衡、电压畸变、RMS值和THC值中的至少一项。
22.根据权利要求1至20中任一项所述的方法，其特征在于，将从所述校正电流或从所述校正电流和电网侧电压获得的信息用于所述变频器或所述变频器的组件的保护和/或使用寿命估计。
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