CN112994480B - 采用自适应增益来稳定dc链路电压 - Google Patents

采用自适应增益来稳定dc链路电压 Download PDF

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Abstract

一种用于稳定电力转换器(12)的DC链路电压的方法，该方法包括：确定用于电力转换器(12)的DC链路电压的DC链路电压信号(30)；通过将高通滤波器(46，48)应用于DC链路电压信号(30)来确定DC链路电压的波动信号(50)；通过将波动信号(50)与增益值(54)相乘来确定转矩偏移(40)；以及采用转矩偏移(40)来修改参考转矩，以用于控制电力转换器(12)。增益值(54)通过下列来调整：从DC链路电压信号(30)来确定DC链路电压纹波(62)；以及将DC链路电压纹波(62)与阈值进行比较，并且当DC链路电压纹波高于阈值时，增加增益值(54)。

Description

采用自适应增益来稳定DC链路电压
技术领域
本发明涉及用于稳定电力转换器的DC链路电压并且用于控制电力转换器的方法、计算机程序、计算机可读介质和控制器。此外，该方法涉及一种电力转换器系统。
背景技术
在其中电力转换器用于将DC电压转换为要供应给电机的电压并且通过使用二极管全桥整流器来得到DC电压的应用中，DC电压通常具有一些波动。特别是，当转换器系统接近或超过其额定功率来操作时，这些波动可变得更为严重。
在小功率、对称网络中以及全部三相被连接的情况下，波动可能是次要的，并且通常不需要校正动作。但是，如果供应相中的一个相断开，则波动可变得巨大。波动还可因不平衡线电压或者因DC链路的电容器电路的振荡（ringing）(LC谐振现象)而发生。对于这些情况，当波动因如缺失的供应相的其他原因而发生时，如果DC电压被控制成尽可能平滑则可能是有益的。这可能不仅影响DC链路的电容器的使用寿命，而且还影响总体控制性能。
US2013/214717 A1 和US2017/264225A1均涉及用于马达转换器的控制器，所述控制器评估供应所述马达转换器的DC链路的DC链路电压信号。DC链路电压信号采用高通滤波器来过滤，并且所得到的信号与两个因数相乘。因数中的一个因数借助于表从所过滤的DC链路电压信号来确定。最后，经修改的信号加入参考电压的q分量。
EP2284986A1描述逆变器控制器，其中DC电压的纹波分量基于傅里叶变换来确定。
发明内容
本发明的目的是要有效地阻尼（damp）电力转换器的DC链路中的电压波动。
这个目的通过独立权利要求的主题来实现。根据从属权利要求和以下描述，另外的示范实施例是显而易见的。
本发明的方面涉及一种用于稳定电力转换器的DC(直流)链路电压的方法。该方法可由电力转换器的控制器自动执行。这个控制器还可适合于例如通过生成用于电力转换器的开关信号来控制电力转换器。
按照本发明的实施例，该方法包括：确定用于电力转换器的DC链路中的DC链路电压的DC链路电压信号；通过将高通滤波器应用于DC链路电压信号来确定DC链路电压的波动信号；通过将波动信号与增益值相乘来确定转矩偏移；以及采用转矩偏移来修改参考转矩，以用于控制电力转换器。高通滤波器的截止频率可能至多是电网频率的二分之一。例如，当电网频率为60 Hz时，截止频率可低于30 Hz。
可在DC链路中测量DC链路电压信号。还必须注意，DC链路电压信号也可以是数字化信号。可通过将低通滤波器应用于DC链路电压信号并且从原始DC链路电压信号中减去滤波器信号来实现高通滤波器。通常，波动信号可以是指示DC链路电压中的波动的信号，该波动可高于阈值频率。波动信号可以是高频分量信号。
波动信号然后与增益值相乘，以生成转矩偏移。可通过从转矩参考中减去转矩偏移或者通过反转波动信号的符号并且将转矩偏移加入转矩参考来执行转矩参考的修改。
如以下所述的那样与DC链路电压中的电压纹波相关地调整增益值。当电压纹波是高的时，增加增益值，和/或当电压纹波是低的时，减小增益值。利用转矩偏移，可调整由转换器所供应的电机的转矩，以阻尼DC链路中的波动。特别是，利用转矩偏移，可调整从DC链路所汲取的功率，以阻尼这些波动。
按照本发明的实施例，增益值通过下列来调整：从DC链路电压信号来确定DC链路电压纹波；以及将DC链路电压纹波与阈值进行比较，并且当DC链路电压纹波高于阈值时，增加增益值。类似地，该方法可包括：当DC链路电压纹波低于阈值时，减小增益值。
DC链路电压纹波可以是DC链路电压纹波中的波动量的指示符(该指示符可作为数字和/或值来提供)。DC链路电压纹波可从波动信号来确定。但是，还有可能的是，DC链路电压纹波直接从DC链路电压信号来确定。当波动较高时，DC链路电压纹波值可能是较高的。DC链路电压纹波可通过分析其频谱从DC链路电压信号来确定。例如，可通过确定DC链路电压信号的频带和/或频率的幅值来确定DC链路电压纹波。必须注意，用于波动信号的高通滤波器的阈值频率(即，截止频率)可低于对DC链路电压纹波所考虑的最低频率。
还可通过取某个量的样本并且通过计算那个样本编组中的最小值与最大值之间的差来确定DC链路电压纹波。
当DC链路电压纹波高于阈值时，可增加增益值。类似地，当DC链路电压纹波小于阈值时，可减小增益值。
也许有可能的是，在若干步骤中增加和/或减小增益值。当一段时间之后确定DC链路电压纹波仍然高于阈值但增益值已经增加时，该增益值可更进一步增加。例如，可采用恒定增量值来执行DC链路电压纹波的递增。类似地，可采用相同恒定增量值来执行DC链路电压纹波的递增。
按照本发明的实施例，增益值至少被增加到最大增益值。通常，增益值可被限制在最小值与最大值之间。增益值的最小值可能为0。在这种情况下，可以完全不执行波动的阻尼。最大值可能是预设值。
按照本发明的实施例，该方法进一步包括：当达到最大增益值并且DC纹波没有减小到低于(例如第二)阈值时，减小电力转换器的输出功率极限。这个(第二)阈值可高于或等于上述阈值。用于稳定DC链路的另外的措施是要降低转换器的总输出功率。输出功率极限可以是控制器中设置的参数，其控制向电机所供应的可能最大输出功率。例如，最大输出功率极限可设置成比未调整的最大输出功率极限的80%要低的值。
在通过调整增益不可减少的波动的情况下，可假定电力转换器的一个输入相已丢失。按照这种方式，输入相的丢失可通过降低最大输出功率来补偿。
按照本发明的实施例，该方法进一步包括：当达到最大增益值并且DC链路电压纹波没有减小第二阈值时，检查来自电力网的DC链路的供应是否丢失。例如，可测量用于供应DC链路的整流器的输入电压，以及当其输入相电压的一个或多个低于阈值电压时，能够直接确定供应至少部分丢失。
在这种情况（即，当检测到供应的部分丢失时）下，也可减小电力转换器的输出功率极限。
按照本发明的实施例，当供应丢失时，生成故障信号。当供应丢失并且电压纹波不能减小时，也有可能生成故障信号。在这种情况下，电力转换器系统可关机。
按照本发明的实施例，通过傅立叶变换DC链路电压信号并且合计（summing）来自经变换的DC链路电压信号的频带来确定DC链路电压纹波。可从DC链路电压信号的频率分量的幅值来计算DC链路电压纹波。可对这些幅值离散地积分，以确定DC链路电压纹波的值。
按照本发明的实施例，通过还将陷波滤波器应用于DC链路电压信号来确定DC链路电压的波动信号，其中调整陷波滤波器，以去除由供应DC链路的整流器所生成的电网频率的高阶谐波。例如，当整流器是具有三个半桥的三相整流器时，它可生成6阶谐波。可采用陷波滤波器来滤出这些谐波，以改进波动信号的质量。
类似地，可确定DC链路电压纹波，使得当从DC链路电压信号的频谱来计算DC链路电压纹波时，排除由整流器所生成的电网频率的高阶谐波。
按照本发明的实施例，参考转矩是下列中的至少一个：参考电流的q分量；DTC或向量控制的转矩参考；向量控制的q轴电流参考；向量控制的q轴电压参考；DTC或向量控制的通量参考；向量控制的d轴电流参考；向量控制的d轴电压参考；标量控制的频率参考；标量控制的电压参考。通常，可使用每一个可能的转矩参考。作为示例，可在dq系统中确定电流参考，该电流参考用于控制转换器。q分量通常与由转换器所供应的电机的转矩成比例。因此，通过将转矩偏移加入q分量，可控制转矩并且因此控制从DC链路所汲取的功率，以阻尼DC链路波动。
本发明的另外的方面涉及一种用于控制电力转换器的方法。利用该方法，可以不仅控制DC链路电压，而且还控制电力转换器以及特别是将DC链路电压转换为AC(交流)输出电压的逆变器的半导体开关。
按照本发明的实施例，该方法包括：确定电力转换器的输出电压；接收用于由电力转换器所供应的电机的速度参考；从速度参考来确定转矩参考；通过执行DC链路稳定方法的步骤来确定转矩偏移并且将转矩偏移加入转矩参考；以及基于转矩参考来控制电力转换器。
输出电压可通过测量来确定。输出电压可以是多相或三相电压。从所测量的输出电压和速度参考，可确定转矩参考，该转矩参考用于控制电力转换器以及特别用于生成逆变器的开关信号。转矩参考可以是dq系统中提供的参考电流的q分量。
利用DC链路稳定方法，可确定转矩偏移，并且这个转矩偏移可被加入转换器控制方法中使用的转矩参考。
按照本发明的实施例，基于脉宽调制的开关信号从转矩参考来确定，并且被应用于电力转换器。例如，可使用空间向量脉宽调制。
本发明的另外的方面涉及一种用于稳定DC链路电压和/或用于控制电力转换器的计算机程序，该计算机程序在由处理器执行时适合于执行如上文和下文所述的方法。例如，该计算机程序可在电力转换器的控制器中存储和/或执行，所述控制器可具有处理器和存储器。
本发明的另外的方面涉及一种计算机可读介质，在所述计算机可读介质中，存储这种计算机程序。计算机可读介质可以是控制器的存储器。通常，计算机可读介质可以是软盘、硬盘、USB(通用串行总线)存储装置、RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)、EPROM(电可擦可编程只读存储器)或FLASH存储器。计算机可读介质还可以是数据通信网络(例如因特网)，该数据通信网络允许下载程序代码。通常，计算机可读介质可以是非暂时或暂时介质。
本发明的另外的方面涉及用于电力转换器的控制器，所述控制器适合于执行如上文和下文所述的方法。特别是，控制器可包括电流控制级和/或脉宽调制级。电流控制级可接收速度参考，以及基于转换器系统中的测量(例如电力转换器的输出电压和可选的DC链路电压)可确定转矩和/或电流参考。从转矩和/或电流参考，脉宽调制级可确定开关信号，该开关信号被应用于电力转换器以及特别应用于其半导体开关。
本发明的另外的方面涉及一种电力转换器系统，该电力转换器系统包括：具有至少一个电容器的DC链路；逆变器，所述逆变器用于将DC链路中的DC链路电压转换为要供应给电机的AC输出电压；以及例如上文和下文所述的控制器。逆变器可包括一个或多个半桥，所述半桥由可控半导体开关组成。
按照本发明的实施例，电力转换器系统进一步包括整流器，所述整流器用于把来自电力网的AC电压整流为供应给DC链路的DC电压。整流器可以是无源整流器，该无源整流器可由一个或多个半桥组成，所述半桥由二极管组成。
按照本发明的实施例，电力转换器系统进一步包括由逆变器所供应的旋转电机。旋转电机可以是马达或发电机。
必须理解，如上文和下文所述的方法的特征可以是如上文和下文所述的计算机程序、控制器和转换器系统的特征，并且反之亦然。
本发明的这些方面及其他方面根据在下文所述的实施例将是显然的，并且参照在下文所述实施例来说明。
附图说明
在下文中将参照附图中图示的示范实施例更详细地说明本发明的主题。
图1示意示出按照本发明的实施例的转换器系统。
图2示意示出按照本发明的实施例并且图示按照本发明的实施例的方法的控制器的框图。
附图中使用的参考符号及其含意在参考符号的列表中以概括形式列出。大体上，在附图中，相同部件提供有相同参考符号。
具体实施方式
图1示出驱动系统10，该驱动系统10包括电力转换器12，该电力转换器12互连在电力网14与电机16(例如电马达和/或发电机)之间。
转换器12包括整流器18，该整流器18用于对由电力网所提供的AC输入电压进行整流。输入电压可以是三相电压，和/或整流器18可以是无源三相整流器。经整流的输入电压然后被供应给DC链路20，该DC链路20包括一个或多个DC链路电容器。
逆变器22连接到DC链路20，并且将DC链路电压转换成AC输出电压，该AC输出电压被供应给电机16。输出电压可以是三相电压。逆变器22可包括一个或多个半桥，其具有可控半导体开关。
转换器12以及特别是逆变器22由控制器24来控制，该控制器24可包括电流控制级26和PWM(脉宽调制)控制级28。控制器24接收DC链路电压信号30，并且输出电压信号32和速度参考33。DC链路电压信号30和输出电压信号32可通过传感器测量相应电压来提供。速度参考33可由高级（superordinated）控制器来提供。
从速度参考33、DC链路电压信号30和输出电压信号32，电流控制级26确定参考电压34，该参考电压34被供应给PWM控制级28。从其中的PWM控制级28借助于脉宽调制来生成开关信号36。内部地，电流控制级26可确定转矩参考和/或电流参考，根据所述转矩参考和/或所述电流参考，计算参考电压34。
电流控制级26还包括DC链路稳定器38，该DC链路稳定器38将针对图2来说明。利用自适应DC链路稳定器38，可自动减轻DC链路20中的DC电压波动。
图2示出DC链路稳定器38的控制块，所述控制块还可被理解为由控制器24所执行的方法的方法步骤。通常，DC链路稳定器38接收DC链路电压信号30，并且输出转矩偏移40。转矩偏移然后被加入控制器24中使用的转矩参考，例如电流参考的q分量。
可跨DC链路20测量的DC链路电压信号30可在框42中被数字化。在框44中，陷波滤波器被应用于DC链路电压信号30，以去除由供应DC链路20的整流器18所生成的电网频率的高阶谐波。例如，通过使用陷波滤波器44来特意忽略6倍于电网频率的频率分量(例如300Hz或360 Hz)。
后续框46和48可共同被看作是高通滤波器，所述高通滤波器用于确定DC链路电压的波动信号50。在框46中，低通滤波器被应用于来自框44的信号，以去除高频分量，以及利用框48，从通过框44所过滤的信号中减去低通过滤信号，以及结果被反转以形成波动信号50。
在框52中，波动信号50与增益值54相乘，以生成转矩偏移40。如已所述，采用转矩偏移40来修改参考转矩，以用于控制电力转换器12。
自适应增益值54通过块56来提供，所述块56可存储增益值54。增益值54可根据DC链路的电压纹波来增加和减小，这将在下面更详细描述。如图2中所示，当接收对应信号58时，增益值54可被启用和禁用，即，设置为0。
在框60中，从DC链路电压信号30来确定可以是值的DC链路电压纹波62，其中从DC链路电压信号30的一个或多个频率分量来确定DC链路电压纹波62。DC链路电压信号30可针对其频率含量来分析。例如，可通过傅立叶变换DC链路电压信号30并且合计(和/或离散积分)来自经变换的DC链路电压信号30的频带来确定DC链路电压纹波62。频带的更低频率可高于高通滤波器56、58的阈值频率。
在框64中，DC电压纹波62与阈值进行比较。通常，当DC电压纹波62超过可对于触发输入相丢失故障所需的阈值时，仅可激活自适应DC链路稳定器38。可能的是，DC链路稳定器38缺省地处于待机模式，并且只有当DC电压纹波62超过预定义阈值水平时才被激活。当增益值54设置为0时，待机模式可存在。
在框66中，当DC链路电压纹波62高于阈值时，增加增益值54。DC链路稳定器38的增益值54可按照自适应方式增加，以减少DC链路电压的电压纹波。可能的是，增益例如在若干步骤中增加到与对于具有平滑DC链路电压所需的增益同样高。
当DC链路电压纹波62低于阈值时，增益值54则可减小或者设置为0。DC链路稳定器38然后继续进行框60。
可能的是，增益值54可根据上述来限制，和/或增益值54至少增加到最大增益值。为此，在框68中，增益值54与最大增益值进行比较。当增益值高于（higher as）最大增益值时，在框70中，增益值54被限制到最大增益值。否则，DC链路稳定器38在框60中继续。
当已经达到最大增益值时，DC链路稳定器38还可继续进行框72。
在框72中，DC链路电压纹波62与第二阈值进行比较，该第二阈值高于或等于在框64中所使用的阈值。当DC链路电压纹波62低于第二阈值时，DC链路稳定器38在框60处继续。否则，执行后续框/方法步骤。
在框74中，可检查供应相丢失功能设定，这可通过其他控制器部件来提供。通常，当达到最大增益值并且DC链路电压纹波62没有减小到低于阈值时，可检查来自电力网14的DC链路20的供应相是否丢失。
在框76中，基于在框74中所确定的功能设定，可确定低或禁用电网相电压。在这种情况下，在框78中，激活和/或减小输出功率极限。当达到最大增益值并且DC链路电压纹波62没有减小到低于阈值时，电力转换器12的输出功率极限可减小。输出功率极限可减小到适当值(例如最大50%)，使得电压纹波保持为足够低。还可进行功率降低，以保护电容器。
当基于功能设定时而在框76中确定故障，在框80中生成故障。当达到最大增益值并且DC电压纹波62仍然高于框82的阈值时，也可生成故障。
虽然在附图和以上描述中详细图示和描述了本发明，但是这种图示和描述被认为是说明性或示范性而不是限制性的；本发明并不局限于所公开的实施例。根据研究附图、本公开和所附权利要求书，通过本领域熟练的并且实施要求保护的本发明的技术人员能够理解和实现对所公开的实施例的其他变更。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，以及不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单处理器或控制器或其他单元可实现权利要求中所记载的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不指示这些措施的组合不能有利地使用。权利要求书中的任何参考符号不应当被理解为限制范围。
参考标号列表
10　驱动系统
12　转换器
14　电力网
16　电马达
18　整流器
20　DC链路
22　逆变器
24　控制器
26　电流控制级
28　PWM控制级
30　DC链路电压信号
32　输出电压信号
33　速度参考
34　参考电压
36　开关信号
38　DC链路稳定器
40　转矩偏移
42　数字化仪块
44　陷波滤波器块
46　低通滤波器块
48　减法块
50　波动信号
52　乘法器块
54　增益值
56　增益值调整器块
58　启用/禁用信号
60　纹波确定块
62　DC链路电压纹波
64　第一阈值比较块
66　增加/减小增益值块
68　最大增益值比较块
70　最大增益值设置器（setter）块
72　第二阈值比较块
74　检查供应相块
76　故障确定块
78　输出功率限制器块
80　故障生成块。

Claims (12)

1.一种用于稳定电力转换器(12)的DC链路电压的方法，所述方法包括：
确定用于所述电力转换器(12)的所述DC链路电压的DC链路电压信号(30)；
通过将高通滤波器(46，48)应用于所述DC链路电压信号(30)来确定所述DC链路电压的波动信号(50)；
通过将所述波动信号(50)与增益值(54)相乘来确定转矩偏移(40)；
采用所述转矩偏移(40)来修改参考转矩，以用于控制所述电力转换器(12)；
其中所述增益值(54)通过下列来调整：
从所述DC链路电压信号(30)来确定DC链路电压纹波(62)；
将所述DC链路电压纹波(62)与阈值进行比较，以及当所述DC链路电压纹波高于所述阈值时，将所述增益值(54)至少增加到最大增益值；
其中所述方法还包括：
当达到所述最大增益值并且所述DC链路电压纹波(62)没有减小到低于阈值时，减小所述电力转换器(12)的输出功率极限。
2.如权利要求1所述的方法，
当达到所述最大增益值并且所述DC链路电压纹波(62)没有减小到低于所述阈值时，检查来自电力网(14)的所述DC链路(20)的供应是否丢失。
3.如权利要求2所述的方法，进一步包括：
当所述供应丢失时，生成故障信号。
4.如前述权利要求中的任一项所述的方法，
其中，通过傅立叶变换所述DC链路电压信号(30)并且合计来自经变换的DC链路电压信号(30)的频带来确定所述DC链路电压纹波(62)。
5.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，
其中，通过还将陷波滤波器(44)应用于所述DC链路电压信号(30)来确定所述DC链路电压的所述波动信号(50)，其中调整所述陷波滤波器(44)，以去除由供应所述DC链路(20)的整流器(18)所生成的电网频率的高阶谐波。
6.一种用于控制电力转换器(12)的方法，所述方法包括：
确定所述电力转换器(12)的输出电压(32)；
接收用于由所述电力转换器(12)所供应的电机(16)的速度参考(33)；
从所述速度参考(33)和所述输出电压(32)来确定转矩参考；
通过执行如前述权利要求中的任一项所述的方法的步骤来确定转矩偏移(40)，并且采用所述转矩偏移(40)来修改所述转矩参考；
基于经修改的转矩参考来控制所述电力转换器(12)。
7.如权利要求6所述的方法，
其中，开关信号(36)基于脉宽调制从所述转矩参考来确定，并且被应用于所述电力转换器(12)。
8.一种用于稳定DC链路电压和/或用于控制电力转换器(12)的计算机程序，所述计算机程序在由处理器执行时适合于执行如前述权利要求中的任一项所述的方法。
9.一种计算机可读介质，在所述计算机可读介质中，存储如权利要求8所述的计算机程序。
10.一种用于电力转换器(12)的控制器(24)，所述控制器(24)适合于执行如权利要求1至7中的任一项所述的方法。
11.一种电力转换器系统(10)，包括：
具有至少一个电容器的DC链路(20)；
逆变器(22)，所述逆变器（22）用于将所述DC链路(20)中的DC链路电压转换为要供应给电机(16)的AC输出电压；
如权利要求10所述的用于控制所述逆变器(22)的控制器(24)。
12.如权利要求11所述的电力转换器系统(10)，进一步包括：
整流器(18)，所述整流器(18)用于把来自电力网(14)的AC电压整流为供应给所述DC链路(20)的DC电压；和/或
由所述逆变器(22)所供应的所述电机(16)。
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