CN114123806A - 电力转换装置和电力转换方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及电力转换装置和电力转换方法。电力转换装置1包括：矩阵转换器电路10，被配置为在初级侧电力和次级侧电力之间执行双向电力转换；第一模式控制单元114，被配置为使得矩阵转换器电路10的次级侧频率跟随命令频率；第二模式控制单元115，被配置为将矩阵转换器电路10的次级侧相位和初级侧相位之间的差异维持在60°的奇数倍的±30°内；以及模式切换单元116，被配置为基于命令频率和矩阵转换器电路10的初级侧频率之间的差异和预定阈值来切换矩阵转换器电路10的控制模式。

Description

电力转换装置和电力转换方法
技术领域
本公开涉及电力转换装置和电力转换方法。
背景技术
日本未实审专利申请公布No.2015-82949公开了一种矩阵转换器，其中，当从电力转换单元到负载的输出电压的频率与AC电源的频率之间的差异落在预定范围内时，电力转换单元执行电压增大控制以增大输出电压，并且执行追随控制以使得输出电压的相位跟随AC电源的电压相位，并且在完成这些控制之后，电力转换单元将AC电源直接连接到负载。
发明内容
[本发明要解决的问题]
本公开提供了一种对于实现由矩阵转换器电路进行的控制的自由和对矩阵转换器电路中的开关元件的发热的抑制两者都有效的电力转换装置。
[解决问题的方案]
根据本公开的一方面的一种电力转换装置包括：矩阵转换器电路，被配置为执行初级侧和次级侧之间的双向电力转换；以及控制电路，被配置为：响应于确定命令频率和矩阵转换器电路的初级侧频率之间的命令-初级频率差异高于预定的阈值而选择第一控制模式，其中第一控制模式包括使得矩阵转换器电路的次级侧频率跟随命令频率；响应于确定命令-初级频率差异低于阈值而选择第二控制模式，其中第二控制模式包括将矩阵转换器电路的次级侧相位和初级侧相位之间的初级-次级相位差异维持在预定的目标范围内；并且根据对第一控制模式或第二控制模式的选择来控制矩阵转换器电路。
根据本公开的另一方面的一种电力转换方法包括：响应于确定命令频率和矩阵转换器电路的初级侧频率之间的命令-初级频率差异高于预定的阈值而选择第一控制模式，其中第一控制模式包括使得矩阵转换器电路的次级侧频率跟随命令频率；响应于确定命令-初级频率差异低于阈值而选择第二控制模式，其中第二控制模式包括将矩阵转换器电路的次级侧相位和初级侧相位之间的初级-次级相位差异维持在预定的目标范围内；并且根据对第一控制模式或第二控制模式的选择来控制矩阵转换器电路。
[本发明的效果]
根据本公开，可以提供一种电力转换装置，其对于实现由矩阵转换器电路进行的控制的自由和对矩阵转换器电路中的开关元件的发热的抑制两者都是有效的。
附图说明
图1是图示出电力转换装置的配置的示意图。
图2是示出双向开关的具体示例的示意图。
图3是图示出初级侧电压和次级侧电流的转变的图线。
图4是图示出第一模式控制单元的配置的框图。
图5是图示出第二模式控制单元的配置的框图。
图6是图示出劣化检测单元的配置的框图。
图7是图示出系数剖面的图线。
图8是图示出退化剖面的图线。
图9是图示出控制电路的硬件配置的框图。
图10是图示出控制模式切换过程的流程图。
图11是图示出第一模式控制过程的流程图。
图12是图示出第二模式控制过程的流程图。
图13是图示出相位跟踪控制过程的流程图。
图14是图示出退化检测过程的流程图。
具体实施方式
以下，将参考附图详细描述实施例。在说明书中，相同的元素或者具有相同功能的元素由相同的标号来表示，并且重复描述被省略。
电力转换装置
图1中所示的电力转换装置1是在初级侧和次级侧之间执行双向电力转换的设备。例如，电力转换装置1将从电源91供应的初级侧电力转换成次级侧电力并且将次级侧电力供应给电设备92。电力转换装置1将由电设备92生成的次级侧电力(再生电力)转换成初级侧电力并且将初级侧电力供应给电源91。
初级侧电力和次级侧电力可以是单相AC电力或者三相AC电力。初级侧电力和次级侧电力可以是DC电力。以下，将描述初级侧电力和次级侧电力都是三相AC电力的情况。例如，初级侧电力包括R相、S相和T相这三相，并且次级侧电力包括U相、V相和W相这三相。
电力转换装置1包括矩阵转换器电路10、滤波器30、电压检测电路40、电流传感器50、以及控制电路100。以下，将详细举例说明每个元素的配置。
矩阵转换器电路
矩阵转换器电路10具有多个开关元件，并且在初级侧电力和次级侧电力之间执行双向电力转换，而不经过DC转换过程。例如，矩阵转换器电路10具有初级侧的电力线11R、11S、11T，次级侧的电力线12U、12V、12W，以及九组双向开关2RU、2SU、2TU、2RV、2SV、2TV、2RW、2SW、2TW。电力线11R是R相电力传输线，电力线11S是S相电力传输线，并且电力线11T是T相电力传输线。电力线12U是U相电力传输线，电力线12V是V相电力传输线，并且电力线12W是W相电力传输线。
双向开关2RU、2SU、2TU、2RV、2SV、2TV、2RW、2SW、2TW中的每一者在3种状态之间切换：电流从初级侧流向次级侧的状态，电流从次级侧流向初级侧的状态，以及没有电流流动的状态。
双向开关2RU插入在电力线11R和电力线12U之间，并且在电流从电力线11R流向电力线12U的第一接通状态、电流从电力线12U流向电力线11R的第二接通状态、以及没有电流流动的双向关断状态之间切换。双向开关2SU插入在电力线11S和电力线12U之间，并且在电流从电力线11S流向电力线12U的第一接通状态、电流从电力线12U流向电力线11S的第二接通状态、以及没有电流流动的双向关断状态之间切换。双向开关2TU插入在电力线11T和电力线12U之间，并且在电流从电力线11T流向电力线12U的第一接通状态、电流从电力线12U流向电力线11T的第二接通状态、以及没有电流流动的双向关断状态之间切换。
双向开关2RV插入在电力线11R和电力线12V之间，并且在电流从电力线11R流向电力线12V的第一接通状态、电流从电力线12V流向电力线11R的第二接通状态、以及没有电流流动的双向关断状态之间切换。双向开关2SV插入在电力线11S和电力线12V之间，并且在电流从电力线11S流向电力线12V的第一接通状态、电流从电力线12V流向电力线11S的第二接通状态、以及没有电流流动的双向关断状态之间切换。双向开关2TV插入在电力线11T和电力线12V之间，并且在电流从电力线11T流向电力线12V的第一接通状态、电流从电力线12V流向电力线11T的第二接通状态、以及没有电流流动的双向关断状态之间切换。
双向开关2RW插入在电力线11R和电力线12W之间，并且在电流从电力线11R流向电力线12W的第一接通状态、电流从电力线12W流向电力线11R的第二接通状态、以及没有电流流动的双向关断状态之间切换。双向开关2SW插入在电力线11S和电力线12W之间，并且在电流从电力线11S流向电力线12W的第一接通状态、电流从电力线12W流向电力线11S的第二接通状态、以及没有电流流动的双向关断状态之间切换。双向开关2TW插入在电力线11T和电力线12W之间，并且在电流从电力线11T流向电力线12W的第一接通状态、电流从电力线12W流向电力线11T的第二接通状态、以及没有电流流动的双向关断状态之间切换。
如图2所示，双向开关2RU、2SU、2TU、2RV、2SV、2TV、2RW、2SW、2TW中的每一者包括两个开关21和22。在接通状态中，开关21将电流从初级侧传递到次级侧，而不将电流从次级侧传递到初级侧。在接通状态中，开关22将电流从次级侧传递到初级侧，而不将电流从初级侧传递到次级侧。另外，开关21、22是具有反向阻断能力的开关，能够在关断状态中相对于与接通状态的流动方向相反的方向上的电压施加维持关断状态。
双向开关2RU、2SU、2TU、2RV、2SV、2TV、2RW、2SW、2TW例如通过接通开关21并且关断开关22而处于第一接通状态中，通过关断开关21并且接通开关22而处于第二接通状态中，并且通过关断开关21和22而处于双向关断状态中。在图2中，双向开关2RU、2SU、2TU、2RV、2SV、2TV、2RW、2SW、2TW可包括二极管，其中每个二极管与没有反向阻断能力的开关21和22中的每一者串联连接。在这种情况下，开关21和二极管之间的连接点可以连接到开关22和二极管之间的连接点。
返回到图1，滤波器30在其初级侧减小电压或电流的谐波成分。例如，滤波器30包括电感器31R、31S、31T以及电容器34R、34S、34T。电感器31R、31S、31R分别设在电力线11R、11S、11T中。电容器34R被设在电力线11R与电感器31R的次级侧的中性点35之间(电感器31R与双向开关2RU、2RV、2RW之间)。电容器34S被设在电力线11S与电感器31S的次级侧的中性点35之间(电感器31S与双向开关2SU、2SV、2SW之间)。电容器34T被设在电力线11T与电感器31T的次级侧的中性点35之间(电感器31T与双向开关2TU、2TV、2TW之间)。如上所述，由于滤波器30被设在电源91和矩阵转换器电路10之间，所以电源91的电压或电流的谐波成分被滤波器30减小。
电压检测电路40(电压传感器)检测矩阵转换器电路10的初级侧的电压的瞬时值。例如，电压检测电路40检测滤波器30的每个初级侧的相电压的瞬时值。电压检测电路40可检测滤波器30的次级侧的相电压的瞬时值。以下，矩阵转换器电路10的初级侧的电压被称为“初级侧电压”。矩阵转换器电路10的初级侧的电流被称为“初级侧电流”。
电流传感器50检测矩阵转换器电路10的次级侧的电流(在矩阵转换器电路10和电设备92之间流动的电流)的瞬时值。例如，电流传感器50检测电力线12U、12V、12W的电流的瞬时值。以下，矩阵转换器电路10的次级侧的电流被称为“次级侧电流”。矩阵转换器电路10的次级侧的电压被称为“次级侧电压”。电流传感器50可被配置为检测电力线12U、12V、12W的所有相的次级侧电流值，或者可被配置为检测电力线12U、12V、12W的任何两相的次级侧电流值。只要不生成零相电流，U相、V相和W相的电流值之和就为零，从而，即使当检测到两相的次级侧电流值时，也获得所有相的次级侧电流值的信息。
控制电路
控制电路100控制矩阵转换器电路10执行初级侧电力和次级侧电力之间的电力转换。如果在矩阵转换器电路10中维持次级侧相位和初级侧相位对齐的状态，则电流集中在矩阵转换器电路10的开关元件中的任何一者上，并且开关元件中的发热增加。次级侧相位和初级侧相位对齐的状态对应于初级侧相位和次级侧相位之间没有差异的状态。此外，随着次级侧频率接近初级侧频率，这种现象按次级侧频率和初级侧频率之差的频率反复发生。
另一方面，控制电路100被配置为：响应于确定命令频率和矩阵转换器电路10的初级侧频率之间的命令-初级频率差异高于预定的阈值而选择第一控制模式，其中第一控制模式包括使得矩阵转换器电路10的次级侧频率跟随命令频率；响应于确定命令-初级频率差异低于阈值而选择第二控制模式，其中第二控制模式包括将矩阵转换器电路10的次级侧相位和初级侧相位之间的初级-次级相位差异维持在预定的目标范围内；并且根据对第一控制模式或第二控制模式的选择来控制矩阵转换器电路10。例如，控制电路100被配置为执行：第一模式控制，包括通过矩阵转换器电路10执行初级侧电力和次级侧电力之间的双向电力转换，来使得矩阵转换器电路10的次级侧频率跟随命令频率；第二模式控制，包括通过矩阵转换器电路10将矩阵转换器电路10的次级侧相位和初级侧相位之间的差异维持在60°的奇数倍±30°；以及模式切换，包括切换第一模式控制和第二模式控制，以使得如果命令-初级频率差异高于阈值，则执行第一模式控制，而如果命令-初级频率差异低于阈值，则执行第二模式控制。因此，避免了次级侧相位和初级侧相位对齐的状态，从而抑制了开关元件的发热。应当注意，差异下降到预定阈值以下意味着差异的幅值(绝对值)下降到预定阈值以下，不管差异是正值还是负值。类似地，差异超过预定阈值意味着差异的幅值超过预定阈值。这同样适用于以下描述。
例如，控制电路100具有相位/幅度计算单元111、电力转换控制单元112、电流信息获取单元113、第一模式控制单元114、第二模式控制单元115、模式切换单元116、以及劣化检测单元117，作为功能配置(以下称为“功能块”)。
相位/幅度计算单元111基于由电压检测电路40获得的电力线11R、11S、11T的相位电压，计算初级侧电压的相位、振荡幅度和频率。以下，相位、振荡幅度和频率的计算结果被称为“初级侧电压的信息”。
电力转换控制单元112结合载波来切换双向开关2RU、2SU、2TU、2RV、2SV、2TV、2RW、2SW、2TW的接通/关断，以便向矩阵转换器电路10的次级侧输出与控制命令相对应的AC电压或AC电流。例如，基于初级侧电压信息和电压命令，电力转换控制单元112结合载波来切换双向开关2RU、2SU、2TU、2RV、2SV、2TV、2RW、2SW、2TW的接通/关断，以便输出与电压命令相对应的次级侧电压。
更具体而言，电力转换控制单元112基于初级侧电压信息来依次选择R相、S相和T相中的每一者作为参考相，并且根据参考相与其他两相之间的电势差来控制矩阵转换器电路10输出与电压命令相对应的次级侧电压。例如，电力转换控制单元112按初级侧电压的频率重复：在R相的电压为最大值的第一部分中将R相设置为正参考相，在T相的电压为最小值的第二部分中将T相设置为负参考相，在S相的电压为最大值的第三部分中将S相设置为正参考相，在R相的电压为最小值的第四部分中将R相设置为负参考相，在第五部分中将T相设置为正参考相，并且在第六部分中将S相设置为负参考相。
电力转换控制单元112维持参考相与次级侧连接的状态，同时，在其他两相与次级侧之间切换接通/关断。例如，在第一部分中，电力转换控制单元112在保持双向开关2RU、2RV、2RW中的任何一者接通的同时，切换双向开关2SU、2TU、2SV、2TV、2SW、2TW接通和关断。在第二部分中，电力转换控制单元112在保持双向开关2SU、2SV、2SW中的任何一者接通的同时，切换双向开关2RU、2TU、2RV、2TV、2RW、2TW接通和关断。在第三部分中，电力转换控制单元112在保持双向开关2TU、2TV、2TW中的任何一者接通的同时，切换双向开关2RU、2SU、2RV、2SV、2RW、2SW接通和关断。在第四部分中，电力转换控制单元112在保持双向开关2RU、2RV、2RW中的任何一者接通的同时，切换双向开关2SU、2TU、2SV、2TV、2SW、2TW接通和关断。在第五部分中，电力转换控制单元112在保持双向开关2SU、2SV、2SW中的任何一者接通的同时，切换双向开关2RU、2TU、2RV、2TV、2RW、2TW接通和关断。在第六部分中，电力转换控制单元112在保持双向开关2TU、2TV、2TW中的任何一者接通的同时，切换双向开关2RU、2SU、2RV、2SV、2RW、2SW接通和关断。第一部分到第六部分中的每一者的长度(相位角)是一个周期的1/6(60°)。以下，R相、S相和T相中的任何一者为正参考相的时段(第一部分、第三部分和第五部分)被称为正参考时段，并且R相、S相和T相中的任何一者为负参考相的时段(第二部分、第四部分和第六部分)被称为负参考时段。
电力转换控制单元112通常控制初级侧电流的相位，使得初级侧功率因数为一，以便最大限度地利用初级侧电压对次级侧电压。电力转换控制单元112可以通过在如下范围内移动第一部分至第六部分来调整初级侧的功率因数：在该范围中，R相的电压在第一部分中成为正峰值，T相的电压在第二部分中成为负峰值，S相的电压在第三部分中成为正峰值，R相的电压在第四部分中成为负峰值，而S相的电压在第六部分中成为负峰值。例如，电力转换控制单元112在相对于R相、S相和T相的电压成为正峰值的相位大于-30°和小于30°的范围内移动第一部分、第三部分和第五部分的中心相位。此外，电力转换控制单元112在R相、S相和T相的电压相对于负峰值大于-30°和小于30°的范围内移动第二部分、第四部分和第六部分的中心相位。下面，第一部分、第三部分和第五部分的中心相位被称为正参考相。第二部分、第四部分和第六部分的中心相位被称为负参考相。R相、S相和T相的电压成为正峰值的相位被称为“初级侧正峰值相”。R相、S相和T相的电压成为负峰值的相位被称为“初级侧负峰值相”。
电压命令包括幅度命令值和相位命令值。幅度命令值是次级侧电压的振荡幅度的命令值。相位命令值是次级侧电压的相位的命令值。作为示例，幅度命令值对应于固定坐标系中的电压命令矢量的幅值，并且相位命令值对应于固定坐标系中的电压命令矢量的旋转角度。固定坐标系是固定到电设备92的定子的坐标系。固定坐标系的具体示例包括αβ坐标系，该坐标系具有作为坐标轴的彼此正交的α轴和β轴。
电力转换控制单元112获得幅度命令值和相位命令值，并且控制矩阵转换器电路10输出具有与幅度命令值和相位命令值相对应的振荡幅度和相位的次级侧电压。电流信息获取单元113获取次级侧电流的信息。例如，电流信息获取单元113从电流传感器50获得电力线12U、12V、12W的电流值。
第一模式控制单元114被配置为使得矩阵转换器电路10的次级侧频率跟随命令频率。次级侧频率是指次级侧电压或次级侧电流的频率。例如，第一模式控制单元114控制矩阵转换器电路10，以使得次级侧电压的频率跟随命令频率。次级侧电流的频率跟随次级侧电压的频率。因此，使得次级侧电压的频率跟随命令频率是与使得次级侧电流的频率跟随命令频率同义的。以下，第一模式控制单元114进行的控制被称为“第一模式控制”。
第二模式控制单元115被配置为根据第二控制模式来控制矩阵转换器电路10。例如，第二模式控制单元115被配置为将初级-次级相位差异维持在预定的目标范围内。初级侧可包括初级侧相位和初级侧相邻相位。初级侧相位和次级侧相位的组合的一个示例是R相的电压相位和S相的电压相位。初级侧相位和次级侧相位的组合的另一示例是S相的电压相位和T相的电压相位。初级侧相位和次级侧相位的组合的另一示例是T相的电压相位和R相的电压相位。第二模式控制单元115还可被配置为将初级-次级相位差异维持在目标范围内，并且将次级侧相位维持在初级侧相位和初级侧相邻相位之间。在三相AC电力中，初级侧相位和初级侧相邻相位之间的初级内相位差异为120°。例如，R相和S相之间的初级内相位差异为120°，S相和T相之间的初级内相位差异也为120°，并且T相和R相之间的初级内相位差异也为120°。在这种情况下，第二模式控制单元115还可被配置为将初级-次级相位差异维持在目标范围内，该目标范围为60°的奇数倍的±30°。60°的奇数倍可以是正值或者负值。将初级-次级相位差异维持在目标范围内意味着将初级-次级相位差异的绝对值维持在目标范围内。例如，第二模式控制单元115可将次级侧相位与初级侧相位之间的差异维持在45°至75°，可将次级侧相位与初级侧相位之间的差异维持在55°至65°，并且可将次级侧相位与初级侧相位之间的差异维持在大体60°。
次级侧相位是次级侧电压或次级侧电流的相位。初级侧相位是初级侧电压或初级侧电流的相位。初级侧相位可以是矩阵转换器电路10的初级侧电压的相位(矩阵转换器电路10的初级侧电压相位)，而次级侧相位可以是矩阵转换器电路10的初级侧电流的相位(矩阵转换器电路10的次级侧电流相位)。例如，第二模式控制单元115还可被配置为控制矩阵转换器电路10，以便将由电流信息获取单元113获取的次级侧电流相位和由相位/幅度计算单元111计算的初级侧电压相位之间的初级-次级相位差异维持在60°的奇数倍的±30°之内。例如，第二模式控制单元115还可被配置为：计算在目标范围内预定的目标差异与初级-次级相位差异之间的偏差；计算电压命令以减小该偏差；并且使得矩阵转换器电路10的次级侧电压跟随电压命令。以下，第二模式控制单元115进行的控制被称为“第二模式控制”。
模式切换单元116被配置为：响应于确定命令-初级频率差异高于预定阈值而选择第一控制模式；以及响应于确定命令-初级频率差异低于阈值而选择第二控制模式。第一模式控制单元114或第二模式控制单元115根据对第一控制模式或第二控制模式的选择来控制矩阵转换器电路10。例如，如果模式切换单元116选择第一控制模式，则第一模式控制单元114控制矩阵转换器电路。如果模式切换单元116选择第二控制模式，则第二模式控制单元115控制矩阵转换器电路。例如，模式切换单元116被配置为基于命令频率和初级侧频率之间的命令-初级差来切换矩阵转换器电路10的控制模式，以便当命令-初级差超过预定阈值时，执行由第一模式控制单元114进行的控制，而当命令-初级差低于阈值时，执行由第二模式控制单元115进行的控制。例如，当命令频率和初级侧频率之间的差异变得等于或小于预定的第一阈值时，模式切换单元116将由第一模式控制单元114进行的控制转移到由第二模式控制单元115进行的控制。模式切换单元116可以响应于命令频率和初级侧频率之间的差异超过预定的第二阈值，而将由第二模式控制单元115进行的控制转移到由第一模式控制单元114进行的控制。初级侧频率是指初级侧电压或初级侧电流的频率。
例如，当命令频率和初级侧电压的频率之间的差异下降到低于第一阈值时，模式切换单元116将由第一模式控制单元114进行的控制转移到由第二模式控制单元115进行的控制，而当命令频率和初级侧电压的频率之间的差异超过第二阈值时，将由第二模式控制单元115进行的控制转移到由第一模式控制单元114进行的控制。第一阈值和第二阈值可以彼此相等或不同。例如，第二阈值可以大于第一阈值。
初级侧电压的频率基本上等于初级侧电流的频率。因此，命令频率和初级侧电压的频率之间的差异下降到低于第一阈值，与命令频率和初级侧电流的频率之间的差异下降到低于第一阈值，是同义的。命令频率和初级侧电压频率之间的差异超过第二阈值，与命令频率和初级侧电流频率之间的差异超过第二阈值，是同义的。
在模式切换单元116将由第一模式控制单元114进行的控制转移到由第二模式控制单元115进行的控制之后，第二模式控制单元115可以将次级侧相位和初级侧相位之间的差异从60°的奇数倍的±30°的范围之外逐渐改变到该范围之内，然后再将次级侧相位和初级侧相位之间的差异维持在60°的奇数倍的±30°之内。
图3是图示出在模式切换单元116将由第一模式控制单元114进行的控制转移到由第二模式控制单元115进行的控制之前和之后初级侧电压和次级侧电流的转变的图线。在该图线中，水平轴表示经过的时间，垂直轴表示初级侧电压或次级侧电流的幅值，实线图表示初级侧电压的转变，并且虚线图表示次级侧电流的转变。
从与图线的原点相对应的时间t0到时间t1，由第一模式控制单元114执行控制。在这个控制中，命令频率逐渐增大，并且在时间t1中，命令频率和初级侧电压的频率之间的差异下降到低于第一阈值。模式切换单元116现在将由第一模式控制单元114进行的控制转移到由第二模式控制单元115进行的控制。
第二模式控制单元115从时间t1到时间t2逐渐改变次级侧电流的相位和初级侧电压的相位之间的差异，最高达60°。然后，第二模式控制单元115将次级侧电流的相位和初级侧电压的相位之间的差异维持在大体60°。通过将次级侧电流的相位和初级侧电压的相位之间的差异保持在60°，次级侧频率变得与初级侧频率相等，但避免了次级侧电流的相位和初级侧电压的相位对齐的状态。
劣化检测单元117被配置为：基于次级侧电流、载波频率、以及矩阵转换器电路的初级侧频率和次级侧频率之间的初级-次级频率差异，来计算劣化水平；并且响应于确定劣化水平超过预定水平，输出劣化通知。例如，劣化检测单元117基于由相位/幅度计算单元111计算的初级侧电压的信息、命令频率、由电流信息获取单元113获取的次级侧电流的信息以及电力转换控制单元112中的载波频率，来评估开关元件的劣化水平。下面，将更详细地举例说明第一模式控制单元114、第二模式控制单元115和劣化检测单元117的配置。
第一模式控制单元
当第一模式控制被模式切换单元116选择时，第一模式控制单元114从主机控制器200获取命令频率，并且控制矩阵转换器电路10，以便次级侧频率跟随命令频率。作为示例，如图4所示，第一模式控制单元114包括电压命令生成单元121、幅度命令值计算单元122、以及相位命令值计算单元123，并且由这些单元重复一系列的控制周期。
电压命令生成单元121基于命令频率ω*计算次级侧电压的电压命令。例如，电压命令生成单元121通过V/f方法计算旋转坐标系中的电压命令矢量。旋转坐标系是与命令频率同步旋转的坐标系。旋转坐标系的具体示例包括γδ坐标系，其中以转子的磁极方向作为目标方向的γ轴和与γ轴垂直的δ轴是坐标轴。电压命令生成单元121可以基于次级侧电流的检测值、转矩命令之类的来计算出电压命令矢量。
幅度命令值计算单元122计算次级侧电压的振荡幅度的命令值。下面，次级侧电压的振荡幅度的命令值被称为“幅度命令值”。例如，幅度命令值计算单元122将电压命令矢量的幅值计算为幅度命令值|V|。
相位命令值计算单元123计算出次级侧电压的相位的命令值。以下，次级侧电压的相位的命令值被称为“相位命令值”。例如，相位命令值计算单元123基于旋转坐标系相对于固定坐标系的旋转角度和电压命令矢量在旋转坐标系中的相位角度来计算出相位命令值θPWM。
幅度命令值计算单元122向电力转换控制单元112输出幅度命令值|V|，并且相位命令值计算单元123向电力转换控制单元112输出相位命令值θPWM。电力转换控制单元112控制矩阵转换器电路10输出具有与幅度命令值|V|相对应的振荡幅度和与相位命令值θPWM相对应的相位的次级侧电压。
第二模式控制单元
第二模式控制单元115还可被配置为：生成次级侧电压相位的目标相位，以将初级-次级相位差异维持在目标范围内；并且基于目标相位和次级侧电压相位之间的比较来计算偏差。第二模式控制单元115还可被配置为：检测次级侧电压相位和次级侧电流相位之间的电流-电压相位差异；并且基于该电流-电压相位差异来生成目标相位。第二模式控制单元115还可被配置为：生成目标相位，以使得目标相位和初级侧电压相位之间的目标-初级相位差异在目标范围内；并且基于目标相位和次级侧电流相位之间的比较来计算偏差。例如，当第二控制模式被模式切换单元116选择时，第二模式控制单元115可以生成次级侧电压相位的目标相位，以将初级-次级相位差异维持在60°的奇数倍的±30°内，并且控制矩阵转换器电路10，以便减小目标相位与次级侧电压的相位之间的偏差。例如，第二模式控制单元115还可被配置为使得次级侧电压的幅度(矩阵转换器电路10的次级侧电压幅度)跟随不同于初级侧电压的幅度(矩阵转换器电路10的初级侧电压幅度)的幅度命令值。第二模式控制单元115可基于该偏差来生成相位命令值，并且控制矩阵转换器电路10输出具有与幅度命令值相对应的振荡幅度和与相位命令值相对应的相位的次级侧电压。第二模式控制单元115可以将幅度命令值设置为与初级侧电压的振荡幅度不同的值。
作为示例，如图5所示，第二模式控制单元115包括电压命令生成单元136、幅度命令值计算单元131、电流-电压相位差异检测单元133、目标相位计算单元132、以及相位命令值计算单元134，并且由这些单元重复一系列的控制周期。
与电压命令生成单元121一样，电压命令生成单元136基于命令频率ω*计算次级侧电压的电压命令。例如，电压命令生成单元136通过V/f方法计算旋转坐标系中的电压命令矢量。电压命令生成单元136可以基于次级侧电流的检测值、转矩命令之类的来计算出电压命令矢量。
幅度命令值计算单元131与幅度命令值计算单元122类似地计算幅度命令值。例如，幅度命令值计算单元131将电压命令矢量的幅值计算为幅度命令值|V|。幅度命令值|V|可以与初级侧电压的振荡幅度不同。电流-电压相位差异检测单元133计算次级侧电压相对于次级侧电流的相位的相位差异。下面，由电流-电压相位差异检测单元133计算的差异被称为“电流-电压相位差异”。
例如，电流-电压相位差异检测单元133获取在先前控制周期中输出到电力转换控制单元112的相位命令值作为指示出次级侧电压的相位的信息。下面，该相位命令值被称为“先前周期的相位命令值”。另外，电流-电压相位差异检测单元133基于由电流信息获取单元113获取的电力线12U、12V、12W的电流值Iu、Iv、Iw来计算次级侧电流的相位。然后，电流-电压相位差异检测单元133基于先前周期的相位命令值和计算出的次级侧电流的相位来计算电流-电压相位差异。
目标相位计算单元132生成次级侧电压的目标相位，以使得次级侧电流的相位与初级侧电压的相位之间的差异具有60°的奇数倍的±30°的值。例如，目标相位计算单元132计算出电流目标相位，其与初级侧电压的相位之间的差异为60°的奇数倍的±30°。如果次级侧电流的相位领先于初级侧电压的相位，则目标相位计算单元132可以通过将60°的奇数倍的±30°加到初级侧电压的相位来计算电流目标相位。如果次级侧电流的相位落后于初级侧电压的相位，则目标相位计算单元132可以通过从初级侧电压的相位中减去60°的奇数倍的±30°来计算电流目标相位。目标相位计算单元132基于由电流-电压相位差异检测单元133计算出的电流-电压相位差异和电流目标相位来生成次级侧电压的目标相位。例如，可通过从次级侧电压相位中减去次级侧电流相位来计算电流-电压相位差异。在该情况下，目标相位计算单元132可以通过将电流-电压相位差异加到电流目标相位来生成次级侧电压的目标相位。
相位命令值计算单元134基于目标相位与次级侧电压的相位之间的偏差来计算相位命令值。例如，相位命令值计算单元134计算目标相位与先前周期的相位命令值之间的偏差，并且计算相位命令值，以便减小该偏差。例如，相位命令值计算单元134计算目标相位与先前周期的相位命令值之间的偏差，如加法点141中所示。相位命令值计算单元134对该偏差执行比例-积分运算，如块142所示。另外，相位命令值计算单元134将比例-积分运算的结果乘以一个控制周期的时段Ts，以计算出相位变化量，如块143所示。另外，相位命令值计算单元134通过将相位变化量加到先前周期的相位命令值来计算相位命令值θPWM2，如加法点144中所示。
幅度命令值计算单元131向电力转换控制单元112输出幅度命令值|V|，并且相位命令值计算单元134向电力转换控制单元112输出相位命令值θPWM2。电力转换控制单元112控制矩阵转换器电路10输出具有与幅度命令值|V|相对应的振荡幅度和与相位命令值θPWM2相对应的相位的次级侧电压。
如上所述，由于电流-电压相位差异检测单元133将相位变化量加到先前周期的相位命令值，因此在相位命令值θPWM2中包括一个周期的延迟，并且相应地延迟了偏差的减小。因此，第二模式控制单元115还可被配置为：基于初级侧频率来计算延迟补偿值；基于延迟补偿值来修改相位命令值，以便补偿偏差减小的延迟；并且使得次级侧电压相位跟随修改后的相位命令值。第二模式控制单元115还可被配置为重复控制周期，该控制周期包括：计算偏差；基于在先前控制周期中计算的先前相位命令值和偏差来计算相位命令值；基于初级侧频率来计算延迟补偿值；基于延迟补偿值来修改相位命令值；并且使得次级侧电压相位跟随修改后的相位命令值。
第二模式控制单元115还可被配置为基于该偏差和控制周期的周期时间来计算延迟补偿值。例如，第二模式控制单元115可以基于初级侧频率来计算延迟补偿值，并且将延迟补偿值加到相位命令值以补偿偏差减小的延迟。第二模式控制单元115还可被配置为：根据命令频率和初级侧频率的加权平均来计算延迟补偿值；并且在从第一控制模式转移到第二控制模式之后逐渐增大初级侧频率在延迟补偿值中的权重。第二模式控制单元115还可被配置为在从第二控制模式转移到第一控制模式之前，逐渐增大命令频率在延迟补偿值中的权重。例如，第二模式控制单元115还包括补偿值计算单元135。
补偿值计算单元135基于初级侧频率ωin来计算延迟补偿值。例如，补偿值计算单元135通过将初级侧频率ωin乘以时段Ts来计算延迟补偿值。如加法点147中所示，相位命令值计算单元134将延迟补偿值加到先前周期的相位命令值，以计算出当前次级侧电压的相位估计值，并且将该相位估计值输入到加法点144。相应地，通过将相位变化量加到次级侧电压的当前相位估计值，来计算相位命令值θPWM2。
随着在第一模式控制转移到第二模式控制时命令频率ω*接近初级侧频率ωin，补偿值计算单元135可以基于命令频率ω*和初级侧频率ωin的加权平均来计算延迟补偿值。例如，补偿值计算单元135通过将加权平均乘以时段Ts来计算延迟补偿值。在模式切换单元116将第一模式控制转移到第二模式控制之后，补偿值计算单元135逐渐增大初级侧频率ωin在延迟补偿值中的权重，并且逐渐减小命令频率ω*的权重。结果，次级侧频率被从命令频率ω*转移到初级侧频率ωin，从第一模式控制到第二模式控制的转移变得更加平滑，并且在第二模式中更稳定的控制成为可能。
另外，补偿值计算单元135可以在模式切换单元116将第二模式控制转移到第一模式控制之前，逐渐增大命令频率ω*的权重，并且逐渐减小初级侧频率ωin在延迟补偿值中的权重。例如，当命令频率与初级侧电压的频率之间的差异超过第二阈值时，模式切换单元116向第二模式控制单元115输出转移准备命令。相应地，补偿值计算单元135逐渐增大命令频率ω*在延迟补偿值中的权重，并且逐渐减小初级侧频率ωin的权重。在这个时段期间，第二模式控制继续进行。当初级侧频率ωin在延迟补偿值中的权重变为零时，第二模式控制单元115向模式切换单元116输出准备完成通知。据此，模式切换单元116将第二模式控制转移到第一模式控制。
第二模式控制单元115可以生成次级侧电流的目标相位，而不是次级侧电压的目标相位，并且控制矩阵转换器电路10以减小目标相位与次级侧电流的相位之间的偏差。例如，第二模式控制单元115可以通过对目标相位与次级侧电流的相位之间的偏差执行比例-积分运算或类似运算来计算相位变化量，并且将相位变化量加到次级侧电压的相位估计值，从而来计算相位命令值θPWM2。
劣化检测单元
劣化检测单元117可被配置为：基于次级侧电流和载波频率来估计平均加热值(平均加热水平)；基于初级侧频率和次级侧频率之间的初级-次级频率差异来计算浓度系数；基于平均加热值和浓度系数来估计局部加热水平；基于局部加热水平来计算劣化水平；并且通知劣化水平超过预定水平。
例如，如图6所示，劣化检测单元117包括平均温度上升估计单元151、系数计算单元152、局部温度上升估计单元153、劣化水平计算单元154、比较单元157、以及通知单元158。平均温度上升估计单元151被配置为基于次级侧电流和载波频率来估计平均加热值。例如，平均温度上升估计单元151基于以下表达式来计算平均加热值。
ΔT＝A·I2+(B+C·fc+D)·I (1)
ΔT：平均加热值
I：次级侧电流的振荡幅度
fc：载波频率
A、B、C、D：系数
系数A、B、C、D是通过实际的机器测试或者仿真来预先获得的。由表达式(1)计算的平均发热值包括由次级侧电流的传导引起的稳定损耗和由开关元件的接通/关断引起的开关损耗。
系数计算单元152被配置为基于初级-次级频率差异来计算浓度系数。例如，系数计算单元152从模式切换单元116获取关于初级侧频率和命令频率之间的差异的信息，并且基于该信息来计算浓度系数。详细地说，系数计算单元152随着初级侧频率和命令频率之间的绝对差异减小而增大浓度系数。例如，劣化检测单元117还包括系数剖面(profile)存储单元161。
系数剖面存储单元161(剖面存储设备)存储表示初级-次级相位差异的绝对值与浓度系数之间的关系的系数剖面，以使得浓度系数随着初级-次级频率差异的绝对值减小而增大。初级-次级频率差异可以是初级侧频率和命令频率之间的差异(命令-初级频率差异)。存储在系数剖面存储单元161中的系数剖面可以是离散的数据序列或者函数。
系数计算单元152还可被配置为基于初级-次级频率差异的绝对值和系数剖面来计算浓度系数。例如，系数计算单元152得出系数剖面中与初级侧频率和命令频率之间的绝对差异相对应的浓度系数。
图7是图示出系数剖面的图线，其中水平轴表示差异的绝对值的幅值，并且垂直轴表示浓度系数。系数剖面被确定为，当绝对差异值等于或大于预定的阈值f1时，浓度系数为零，而当绝对差异值小于阈值f1时，浓度系数随着绝对差异值减小而逐渐增大。
局部温度上升估计单元153被配置为基于平均加热值(平均加热水平)和浓度系数来估计局部加热水平。例如，局部温度上升估计单元153通过将平均加热值乘以浓度系数来计算局部加热水平。在如图7所示确定系数剖面的情况下，当差异的绝对值等于或大于阈值f1时，局部加热水平被设置为零，并且由于温度上升造成的劣化的进度被忽略。
劣化水平计算单元154被配置为基于局部加热水平来计算开关元件的劣化水平。例如，劣化水平计算单元154还可被配置为：基于局部加热水平来计算劣化进度；并且对劣化进度进行积分来更新劣化水平。劣化水平计算单元154可以通过在控制周期中基于局部加热水平重复计算劣化进度并且对劣化进度进行积分来计算劣化水平。
由于温度上升而引起开关元件劣化的原因之一是温度上升和温度下降引起的导电部分的收缩，因此开关元件的劣化水平也受到温度上升和温度下降的重复频率的影响。因此，劣化水平计算单元154还可被配置为：基于初级-次级频率差异来计算温度上升频率；并且按温度上升频率对劣化进度进行积分来更新劣化水平。例如，劣化水平计算单元154还可被配置为：通过重复地基于局部加热水平计算劣化进度，基于初级-次级频率差异计算温度上升频率，并且对将劣化进度乘以温度上升频率的结果进行积分，来计算劣化水平。例如，劣化水平计算单元154包括劣化剖面存储单元162、劣化进度计算单元155、频率计算单元156、以及积分单元159，并且劣化进度被这些单元反复进行积分。
劣化剖面存储单元162(劣化剖面存储设备)存储表示局部加热水平和劣化进度之间的关系的劣化剖面。图8是图示出劣化剖面的图线，其中水平轴表示局部加热水平，并且垂直轴表示劣化进度。劣化剖面表明，劣化进度随着局部加热水平增大而增大。例如，劣化剖面可以被定义为，当局部加热水平等于或小于预定的阈值T1时，劣化进度为零，而当局部加热水平超过阈值T1时，劣化进度随着局部加热水平增大而增大。此外，劣化剖面可以被定义为，当局部加热水平等于或大于阈值T2时，劣化进度为常数，其中该阈值T2大于T1。
劣化进度可以是通过将开关元件的劣化转换为温度增大和温度减小的重复次数而获得的数值。由于开关元件的寿命(允许的劣化水平)可以由温度增大/减小的重复次数来决定，所以当劣化进度由温度增大/减小的重复次数来表示时，可以容易地比较劣化水平和寿命。
劣化进度计算单元155被配置为基于局部加热水平和劣化剖面来计算劣化进度。例如，劣化进度计算单元155得出劣化剖面中与局部加热水平相对应的劣化进度。
频率计算单元156计算每单位时间(例如，每一秒钟)发生的局部温度上升的频率。开关元件的温度在初级侧电压的相位和次级侧电流的相位对齐的时段期间局部增大，并且随着初级侧电压的相位和次级侧电流的相位之间的相位差异增大而逐渐减小。因此，可以说每单位时间内初级侧电压的相位和次级侧电流的相位对齐的频率与局部温度上升的频率基本成比例。因此，频率计算单元156将初级侧频率和次级侧频率之间的差异计算为局部温度上升的频率。例如，频率计算单元156将初级侧频率和命令频率之间的绝对差异计算作为局部温度上升的频率。
积分单元159按照由频率计算单元156计算出的频率对由劣化进度计算单元155计算出的劣化进度进行积分。例如，积分单元159将劣化进度乘以频率来计算每单位时间的劣化进度，并且还将劣化进度乘以控制周期的时段Ts来计算每一个周期的劣化进度。然后，将每一个周期的劣化进度加到在先前控制周期中计算的劣化水平。
比较单元157将劣化水平计算单元154计算的劣化水平与预定水平进行比较。通知单元158通知劣化水平超过预定水平。例如，通知单元158在诸如液晶显示器之类的显示屏上显示劣化水平已超过了预定水平。通知单元158可以向主机控制器200输出通知信号，指出劣化水平已超过了预定水平。
如上所述，随着初级侧频率和次级侧频率之间的差异的减小，初级侧电压的相位与次级侧电流的相位对齐的状态持续的时间增大。因此，随着初级侧频率和次级侧频率之间的差异变小，矩阵转换器电路10的开关元件中的任何一者的局部温度上升值变大，并且由于这个引起的温度的波动宽度也变大。根据劣化检测单元117，有可能在考虑到温度波动的情况下评估开关元件的劣化水平，并且在适当的时机通知开关元件的劣化。
在第一控制模式中，可以无限制地改变矩阵转换器电路10的次级侧相位和初级侧相位之间的差异。另一方面，在第二控制模式中，次级侧相位和初级侧相位之间的差异被维持在目标范围内。当模式切换单元116将第一模式控制转移到第二模式控制时，强行避免了初级侧电压相位和次级侧电流相位对齐的状态，从而抑制了局部温度上升的发生。相应地，系数计算单元152还可被配置为响应于从第一控制模式向第二控制模式的转移而减小浓度系数。例如，系数计算单元152可以在第一模式控制转移到第二模式控制时将浓度系数设置为零。
模式切换单元116对应于状态转变单元，该状态转变单元被配置为响应于初级-次级频率差异下降到预定阈值以下，将矩阵转换器电路中的状态从第一状态转移到具有比第一状态更小的开关损耗的第二状态。将第一控制模式转移到第二控制模式是响应于初级-次级频率差异下降到预定阈值以下而将矩阵转换器电路10中的状态从第一状态转移到具有比第一状态更小的开关损耗的第二状态的示例。第二状态可以是开关损耗和稳定损耗的总损耗(功率损耗)小于第一状态的状态。
在第二状态中，矩阵转换器电路10的初级侧和次级侧之间的连接的切换比在第一状态中执行的频率要低。例如，第一状态可以是执行矩阵转换器电路10的初级侧和次级侧之间的连接的切换的状态，而第二状态可以是执行该连接的切换的频率小于第一状态的状态。例如，第二状态可以是载波频率低于第一状态的状态。例如，在第一状态中，连接状态的切换被以第一载波频率反复执行，在第二状态中，连接的切换被以小于第一载波频率的第二载波频率反复执行。
初级侧的初级线和次级侧的次级线可以在第一状态中被反复连接和断开，而初级线和次级线之间的电连接在第二状态中可以被维持。例如，第二状态可以是初级侧和次级侧被矩阵转换器电路10直接连接的状态。例如，第二状态可以是电力线11R、11S、11T(初级线)和电力线12U、12V、12W(次级线)被矩阵转换器电路10直接连接的状态。
控制电路的硬件配置
图9是图示出控制电路100的硬件配置的框图。如图9中所示，控制电路100包括处理器191、存储器192、存储部193、通信端口194、输入/输出端口195、以及开关控制电路196。处理器191可以包括多个处理设备，存储器192可以包括多个存储器设备，并且存储部193可以包括多个存储设备。
存储部193包括计算机可读存储介质，例如非易失性半导体存储器。存储部193存储了程序来使得控制电路100执行一种电力转换方法，包括：第一模式控制，包括通过矩阵转换器电路10执行初级侧电力和次级侧电力之间的双向电力转换，来使得矩阵转换器电路10的次级侧频率跟随命令频率；第二模式控制，包括由矩阵转换器电路10将矩阵转换器电路10的次级侧相位和初级侧相位之间的差异维持在60°的奇数倍的±30°内；以及模式切换，包括基于命令频率和矩阵转换器电路10的初级侧频率之间的差异和预定的阈值来切换矩阵转换器电路10的控制模式，以便如果差异高于阈值，则执行由第一模式控制单元114进行的控制，而如果差异低于阈值，则执行由第二模式控制单元115进行的控制。存储部193可以存储程序来使得控制电路100执行电力转换方法，包括基于在初级侧电力和次级侧电力之间执行双向电力转换的矩阵转换器电路10的次级侧电流来估计平均加热值(平均加热水平)，基于矩阵转换器电路10的初级侧频率和次级侧频率之间的差异来计算浓度系数，基于平均加热值和浓度系数来估计局部加热水平，基于局部加热水平来计算劣化水平，并且通知劣化水平已超过了预定水平。例如，存储部193存储了用于配置控制电路100中的每个功能块的程序。
存储器192临时存储从存储部193的存储介质加载的程序和处理器191的操作结果。处理器191通过与存储器192合作执行该程序，来构成控制电路100的每个功能块。输入/输出端口195根据来自处理器191的命令，在电压检测电路40和电流传感器50之间输入和输出电信号。通信端口194根据来自处理器191的命令，执行与主机控制器200的信息通信。开关控制电路196根据来自处理器191的命令，向矩阵转换器电路10输出用于接通和关断双向开关2RU、2SU、2TU、2RV、2SV、2TV、2RW、2SV、2TW的驱动信号。
应当注意，控制电路100不一定限于通过程序配置每个功能的电路。例如，控制电路100的至少一部分功能可以由专用逻辑电路或集成了专用逻辑电路的专用集成电路(ASIC)来配置。
电力转换过程
接下来，将描述由控制电路100执行的矩阵转换器电路10的控制过程，作为电力转换方法的示例。该控制过程包括：第一模式控制，包括通过矩阵转换器电路10执行初级侧电力和次级侧电力之间的双向电力转换，来使得矩阵转换器电路10的次级侧频率跟随命令频率；第二模式控制，包括由矩阵转换器电路10将矩阵转换器电路10的次级侧相位和初级侧相位之间的差异维持在60°的奇数倍的±30°内；以及模式切换，包括基于命令频率和矩阵转换器电路10的初级侧频率之间的差异和预定的阈值来切换矩阵转换器电路10的控制模式，以便如果差异高于阈值，则执行由第一模式控制单元114进行的控制，而如果差异低于阈值，则执行由第二模式控制单元115进行的控制。控制过程还可包括基于在初级侧电力和次级侧电力之间执行双向电力转换的矩阵转换器电路10的次级侧电流来估计平均加热水平，基于矩阵转换器电路10的初级侧频率和次级侧频率之间的差异来计算浓度系数，基于平均加热值和浓度系数来估计局部加热值(局部加热水平)，基于局部加热水平来计算劣化水平，并且通知劣化水平超过预定水平。
例如，控制电路100并行地执行控制模式切换过程、第一模式控制过程、第二模式控制过程、以及劣化检测过程。下面，将详细举例说明每个过程。
控制模式切换过程
如图10所示，控制电路100依次执行步骤S01、S02、S03、S04、S05、S06。在步骤S01中，模式切换单元116向第一模式控制单元114输出第一模式命令。作为响应，第一模式控制单元114发起了第一模式控制过程。在步骤S02中，模式切换单元116等待命令频率和初级侧频率之间的差异下降到第一阈值以下。在步骤S03中，模式切换单元116向第二模式控制单元115输出第二模式命令。作为响应，第二模式控制单元115发起第二模式控制过程。在步骤S04中，模式切换单元116等待命令频率和初级侧频率之间的差异超过第二阈值。
在步骤S05中，模式切换单元116向第二模式控制单元115输出到第一模式控制的转移准备命令。作为响应，第二模式控制单元115发起到第一模式控制的转移准备，如下文所述。在步骤S06中，模式切换单元116等待第二模式控制单元115完成转移准备。然后控制电路100将处理返回到步骤S01。从而，再次重新继续由第一模式控制单元114进行的第一模式控制过程。控制电路100重复上述过程。
第一模式控制过程
如图11所示，控制电路100依次执行步骤S11至S16。在步骤S11中，第一模式控制单元114等待来自模式切换单元116的第一模式命令的输出。在步骤S12中，电压命令生成单元121基于命令频率ω*计算次级侧电压的电压命令矢量。在步骤S13中，幅度命令值计算单元122将电压命令矢量的幅值计算为幅度命令值。在步骤S14中，相位命令值计算单元123基于旋转坐标系相对于固定坐标系的旋转角度和电压命令矢量在旋转坐标系中的相位角度来计算相位命令值。在步骤S15中，幅度命令值计算单元122向电力转换控制单元112输出幅度命令值，并且相位命令值计算单元123向电力转换控制单元112输出相位命令值。电力转换控制单元112控制矩阵转换器电路10输出具有与次级侧电压的振荡幅度相对应的振荡幅度和与相位命令值相对应的相位的次级侧电压。
在操作S16中，第一模式控制单元114检查第二模式命令是否被从模式切换单元116输出。如果在操作S16中确定没有输出第二模式命令，则控制电路100将处理返回到操作S12。此后，重复第一模式控制过程，直到模式切换单元116输出第二模式命令为止。如果在操作S16中确定输出了第二模式命令，则控制电路100完成了第一模式控制过程。
第二模式控制过程
如图12所示，控制电路100首先执行步骤S21、S22、S23、S24。在步骤S21中，第二模式控制单元115等待来自模式切换单元116的第二模式命令的输出。在步骤S22中，补偿值计算单元135开始逐渐增大初级侧频率的权重，并且逐渐减小命令频率在延迟补偿值中的权重。在步骤S23中，第二模式控制单元115执行相位跟踪控制，以将次级侧电流的相位与初级侧电压的相位之间的差异维持在60°的奇数倍的±30°内。稍后将描述步骤S23的具体内容。在步骤S24中，第二模式控制单元115确认是否从模式切换单元116输出了到第一模式控制的转移准备命令。
如果在步骤S24中确定没有输出转移准备命令，则控制电路100将处理返回到步骤S23。此后，继续进行相位跟踪控制，直到输出转移准备命令为止。
如果在步骤S24中确定输出了转移准备命令，则控制电路100执行步骤S25、S26、S27。在步骤S25中，补偿值计算单元135开始逐渐增大命令频率在延迟补偿值中的权重，并且逐渐减小初级侧频率的权重。在步骤S26中，第二模式控制单元115执行相位跟踪控制。在步骤S27中，第二模式控制单元115检查初级侧频率在延迟补偿值中的权重是否已经达到零。
如果在步骤S27中确定初级侧频率在延迟补偿值中的权重没有达到零，则控制电路100将处理返回到步骤S26。此后，继续进行相位跟踪控制，直到初级侧频率在延迟补偿值中的权重达到零为止。如果在步骤S27中确定初级侧频率在延迟补偿值中的权重达到零，则控制电路100完成第二模式控制过程。
图13是图示出步骤S23、S26中的相位跟踪控制过程的流程图。如图13所示，控制电路100依次执行步骤S31、S32、S33、S34、S35、S36、S37、S38、S39。在步骤S31中，电压命令生成单元136基于命令频率ω*计算次级侧电压的电压命令矢量。在步骤S32中，幅度命令值计算单元131将电压命令矢量的幅值计算为幅度命令值。
在步骤S33中，电流信息获取单元113获取次级侧电流的信息。例如，电流信息获取单元113从电流传感器50获得电力线12U、12V、12W的电流值。在步骤S34中，电流-电压相位差异检测单元133计算次级侧电压相对于次级侧电流的相位的相位差异(电流-电压相位差异)。
在步骤S35中，目标相位计算单元132生成次级侧电压的目标相位，以使得次级侧电流的相位与初级侧电压的相位之间的差异为60°的奇数倍的±30°。例如，目标相位计算单元132计算电流目标相位，其与初级侧电压的相位之间的差异为60°的奇数倍的±30°，并且通过将电流-电压相位差异加到电流目标相位来生成次级侧电压的目标相位。在步骤S36中，相位命令值计算单元134计算目标相位与先前周期的相位命令值之间的偏差，并且计算用于减小该偏差的相位变化量。
在步骤S37中，补偿值计算单元135计算延迟补偿值。在步骤S38中，相位命令值计算单元134将延迟补偿值加到先前周期的相位命令值，以计算当前次级侧电压的相位估计值，并且将相位变化量加到相位估计值，以计算相位命令值。
在步骤S39中，幅度命令值计算单元131向电力转换控制单元112输出幅度命令值，并且相位命令值计算单元134向电力转换控制单元112输出相位命令值。电力转换控制单元112控制矩阵转换器电路10输出具有与幅度命令值相对应的振荡幅度和与相位命令值相对应的相位的次级侧电压。从而，一个周期的相位追随控制过程就完成了。应当注意，可以酌情改变步骤的执行顺序。
劣化检测过程
如图14所示，控制电路100首先执行步骤S41、S42、S43、S44、S45、S46、S47。在步骤S41中，平均温度上升估计单元151基于次级侧电流和载波频率估计平均加热值。在步骤S42中，系数计算单元152基于初级侧频率和次级侧频率之间的差异来计算浓度系数。在步骤S43中，局部温度上升估计单元153基于平均加热值和浓度系数来估计局部加热水平。在步骤S44中，劣化进度计算单元155基于局部加热水平和劣化剖面来计算劣化进度。
在步骤S45中，频率计算单元156将初级侧频率和次级侧频率之间的差异计算为局部温度上升的频率。在步骤S46中，积分单元159通过将劣化进度计算单元155计算的劣化进度与频率计算单元156计算的频率进行积分来计算劣化水平。在步骤S47中，比较单元157检查由劣化水平计算单元154计算的劣化水平是否超过预定水平。
如果步骤S47确定劣化水平不超过预定水平，则控制电路100将处理返回到步骤S41。此后，直到劣化水平超过预定水平为止，重复劣化进度和频率的计算以及通过频率的计算结果对劣化进度的积分。
如果步骤S47确定劣化水平超过预定水平，则控制电路100执行步骤S48。在步骤S48中，通知单元158通知劣化水平超过了预定水平。这样就完成了劣化检测过程。
当前实施例的效果
如上所述，电力转换装置1包括：矩阵转换器电路10，被配置为在初级侧电力和次级侧电力之间执行双向电力转换；第一模式控制单元114，被配置为使得矩阵转换器电路10的次级侧频率跟随命令频率；第二模式控制单元115，被配置为将矩阵转换器电路10的次级侧相位和初级侧相位之间的差异维持在60°的奇数倍的±30°内；以及模式切换单元116，被配置为基于命令频率和矩阵转换器电路10的初级侧频率之间的差异和预定的阈值来切换矩阵转换器电路10的控制模式，以便如果差异高于阈值，则执行由第一模式控制单元114进行的控制，而如果差异低于阈值，则执行由第二模式控制单元115进行的控制。
在矩阵转换器电路中，当维持次级侧相位和初级侧相位对齐的状态时，由于开关引起的损耗集中在矩阵转换器电路的开关元件中的任何一者上，并且开关元件中的发热变大。
为了抑制次级侧相位和初级侧相位对齐的状态中的损耗，由矩阵转换器电路直接连接次级侧和初级侧是有效的，但在次级侧和初级侧直接连接的状态中，次级侧振荡幅度不能被控制。
与之不同，根据电力转换装置1，随着次级侧频率接近初级侧频率，由第一模式控制单元114进行的控制被切换到由第二模式控制单元115进行的控制。第二模式控制单元115通过矩阵转换器电路10将次级侧相位和初级侧相位之间的差异维持在60°的奇数倍的±30°内。因此，避免了次级侧相位和初级侧相位对齐的状态，从而抑制了开关元件的发热。另外，在由第二模式控制单元115进行的控制期间，维持了对次级侧振荡幅度的控制自由。因此，对于实现控制次级侧电力的自由度和对开关元件的发热的抑制，都是有效的。
第二模式控制单元115还可被配置为：生成矩阵转换器电路10的次级侧电压的目标相位，以使得矩阵转换器电路10的次级侧电流的相位与矩阵转换器电路10的初级侧电压的相位之间的差异为60°的奇数倍的±30°；并且控制矩阵转换器电路10以减小目标相位与次级侧电压的相位之间的偏差。相应地，可以更可靠地抑制开关元件中的发热。当次级侧电流成为正峰值的相位(以下，称为“次级侧正峰值”)为正参考值(第一部分、第三部分和第五部分的中心相位)时，开关元件中的损耗最大，而当次级侧正峰值与正参考值之间的相位差异为60°的奇数倍时，开关元件中的损耗最小。因此，当初级侧的功率因数为一时(当正参考相位与初级侧正峰值相位一致时)，通过将次级侧电流与初级侧电压的相位之间的差异设置为60°的奇数倍的±30°，可以减小开关元件中的损耗。如上所述，电力转换控制单元112可以从初级侧正峰值相位转移正参考相位，用于初级侧电力的功率因数调整。相应地，相移范围往往被限制在大于-30°和小于30°的范围内。因此，即使在这种情况下，如果次级侧电流的相位与初级侧电压的相位之间的差异是60°的奇数倍的±30°，那么开关元件中的损耗至少比次级侧电流与初级侧电压之间没有相位差异的情况要小。
第二模式控制单元115还可被配置为：生成目标相位，以使得目标相位与矩阵转换器电路10的初级侧电压的相位之间的差异为60°的奇数倍的±30°；并且控制矩阵转换器电路10以减小目标相位与矩阵转换器电路10的次级侧电流的相位之间的偏差。在这种情况下，可以更可靠地抑制开关元件中的发热。
第二模式控制单元115还可被配置为基于该偏差生成相位命令值，并且控制矩阵转换器电路10输出具有与该相位命令值相对应的相位的次级侧电压。在这种情况下，次级侧电压的相位可以迅速跟随目标相位。
第二模式控制单元115还可被配置为：基于初级侧频率来计算延迟补偿值；并且将延迟补偿值加到相位命令值，以便补偿偏差的减小延迟。在这种情况下，次级侧电压的相位可以更迅速地跟随目标相位。
第二模式控制单元115还可被配置为：根据命令频率和初级侧频率的加权平均来计算延迟补偿值；以及在模式切换单元116将由第一模式控制单元114进行的控制转移到由第二模式控制单元115进行的控制之后，逐渐增大初级侧频率在延迟补偿值中的权重。在这种情况下，由第一模式控制单元114进行的控制可以被平稳地转移到由第二模式控制单元115进行的控制。
第二模式控制单元115还可被配置为在模式切换单元116将由第二模式控制单元115进行的控制转移到由第一模式控制单元114进行的控制之前，逐渐增大命令频率在延迟补偿值中的权重。在这种情况下，由第二模式控制单元115进行的控制可以被平稳地转移到由第一模式控制单元114进行的控制。
第二模式控制单元115还可被配置为控制矩阵转换器电路10输出具有与不同于初级侧电压的振荡幅度的幅度命令值相对应的振荡幅度的次级侧电压。在这种情况下，可以有效地利用控制的自由度。
电力转换装置1还可包括：平均温度上升估计单元151，被配置为基于次级侧电流和载波频率来估计平均加热值(平均加热水平)；系数计算单元152，被配置为基于初级侧频率和命令频率之间的差异来计算浓度系数；局部温度上升估计单元153，被配置为基于平均加热水平和浓度系数来估计局部加热水平，劣化水平计算单元154，被配置为基于局部加热水平来计算劣化水平；以及通知单元158，被配置为通知劣化水平超过预定水平。在这种情况下，通过以下两者的组合可以进一步改善矩阵转换器电路10的可靠性：在考虑到在次级侧频率接近初级侧频率时可能发生的损耗集中的情况下对劣化水平的评估，以及通过切换控制模式而进行的对损耗集中的抑制。
劣化水平计算单元154还可被配置为通过反复地基于局部加热水平计算劣化进度并且对乘以劣化进度的结果进行积分来计算劣化水平。在这种情况下，可以更恰当地评估劣化水平。
劣化水平计算单元154还可被配置为通过反复地基于局部加热水平计算劣化进度、基于初级侧频率和命令频率之间的差异计算温度上升频率并且对劣化进度乘以温度上升频率的结果进行积分，来计算劣化水平。在这种情况下，可以更恰当地评估劣化水平。
系数计算单元152还可被配置为响应于从由第一模式控制单元114进行的控制转变到由第二模式控制单元115进行的控制而减小浓度系数。在这种情况下，可以抑制对劣化程度的高估，并且可以高效地使用矩阵转换器电路10。
虽然上面已经描述了实施例，但本发明并不一定限于上面描述的实施例，而是可在不脱离本发明的范围的情况下进行各种修改。

Claims (20)

1.一种电力转换装置，包括：
矩阵转换器电路，被配置为执行初级侧和次级侧之间的双向电力转换；
第一模式控制单元，被配置为使得所述矩阵转换器电路的次级侧频率跟随命令频率；
第二模式控制单元，被配置为将所述矩阵转换器电路的次级侧相位和初级侧相位之间的初级-次级相位差异维持在预定的目标范围内；以及
模式切换单元，被配置为基于所述命令频率和所述矩阵转换器电路的初级侧频率之间的命令-初级频率差异和预定的阈值来切换所述矩阵转换器电路的控制模式，以便如果所述差异高于所述阈值，则执行由所述第一模式控制单元进行的控制，而如果所述差异低于所述阈值，则执行由所述第二模式控制单元进行的控制。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中所述初级侧包括所述初级侧相位和与所述初级侧相位相邻的初级侧相邻相位，并且
其中所述第二模式控制单元还被配置为将所述初级-次级相位差异维持在所述目标范围内，并且将所述次级侧相位维持在所述初级侧相位和所述初级侧相邻相位之间。
3.根据权利要求2所述的电力转换装置，其中所述初级侧相位和所述初级侧相邻相位之间的初级内相位差异为120°，并且
其中所述第二模式控制单元还被配置为将所述初级-次级相位差异维持在所述目标范围内，所述目标范围为60°的奇数倍的±30°。
4.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中所述初级侧相位是所述矩阵转换器电路的初级侧电压相位，
其中所述次级侧相位是所述矩阵转换器电路的次级侧电流相位，并且
其中所述第二模式控制单元还被配置为：
计算在所述目标范围内预定的目标差异与所述初级-次级相位差异之间的偏差；
计算电压命令以减小所述偏差；并且
使得所述矩阵转换器电路的次级侧电压跟随所述电压命令。
5.根据权利要求4所述的电力转换装置，其中所述第二模式控制单元还被配置为：
生成所述次级侧电压相位的目标相位，以将所述初级-次级相位差异维持在所述目标范围内；并且
基于所述目标相位和所述次级侧电压相位之间的比较来计算所述偏差。
6.根据权利要求5所述的电力转换装置，其中所述第二模式控制单元还被配置为：
检测所述次级侧电压相位和所述次级侧电流相位之间的电流-电压相位差异；并且
基于所述电流-电压相位差异来生成所述目标相位。
7.根据权利要求4所述的电力转换装置，其中所述第二模式控制单元还被配置为：
生成目标相位，以使得所述目标相位和所述初级侧电压相位之间的目标-初级相位差异在所述目标范围内；并且
基于所述目标相位和所述次级侧电流相位之间的比较来计算所述偏差。
8.根据权利要求4所述的电力转换装置，其中所述第二模式控制单元还被配置为：
基于所述初级侧频率来计算延迟补偿值；
基于所述延迟补偿值来修改所述相位命令值，以对所述偏差减小的延迟进行补偿；并且
使得所述次级侧电压相位跟随修改后的相位命令值。
9.根据权利要求8所述的电力转换装置，其中所述第二模式控制单元还被配置为：
计算所述偏差；
基于在先前控制周期中计算的先前相位命令值和所述偏差来计算所述相位命令值；
基于所述初级侧频率来计算所述延迟补偿值；
基于所述延迟补偿值来修改所述相位命令值；并且
使得所述次级侧电压相位跟随所述修改后的相位命令值。
10.根据权利要求9所述的电力转换装置，其中所述第二模式控制单元还被配置为基于所述偏差和所述控制周期的周期时间来计算所述延迟补偿值。
11.根据权利要求8至10中的任一项所述的电力转换装置，其中所述第二模式控制单元还被配置为：
根据所述命令频率和所述初级侧频率的加权平均来计算所述延迟补偿值；并且
在从由所述第一模式控制单元进行的控制转移到由所述第二模式控制单元进行的控制之后，逐渐增大所述初级侧频率在所述延迟补偿值中的权重。
12.根据权利要求11所述的电力转换装置，其中所述第二模式控制单元还被配置为在从由所述第二模式控制单元进行的控制转移到由所述第一模式控制单元进行的控制之前，逐渐增大所述命令频率在所述延迟补偿值中的权重。
13.根据权利要求2至10中的任一项所述的电力转换装置，其中所述第二模式控制单元还被配置为使得所述矩阵转换器电路的次级侧电压幅度跟随不同于所述矩阵转换器电路的初级侧电压幅度的幅度命令值。
14.根据权利要求2至10中的任一项所述的电力转换装置，还包括：
平均温度上升估计单元，被配置为基于所述矩阵转换器电路的次级侧电流和载波频率来估计平均加热水平；
系数计算单元，被配置为基于所述初级侧频率和所述命令频率之间的初级-次级频率差异来计算浓度系数；
局部温度上升估计单元，被配置为基于所述平均加热水平和所述浓度系数来估计局部加热水平；
劣化水平计算单元，被配置为基于所述局部加热水平来计算劣化水平；以及
通知单元，被配置为通知所述劣化水平超过预定水平。
15.根据权利要求14所述的电力转换装置，其中所述劣化水平计算单元还被配置为：
基于所述局部加热水平来计算劣化进度；并且
对所述劣化进度进行积分来更新所述劣化水平。
16.根据权利要求15所述的电力转换装置，其中所述劣化水平计算单元还被配置为：
基于所述初级-次级频率差异来计算温度上升频率；并且
按所述温度上升频率对所述劣化进度进行积分来更新所述劣化水平。
17.根据权利要求14所述的电力转换装置，其中所述系数计算单元还被配置为响应于从由所述第一模式控制单元进行的控制转变到由所述第二模式控制单元进行的控制而减小所述浓度系数。
18.根据权利要求14所述的电力转换装置，还包括剖面存储设备，其存储表示所述初级-次级频率差异的绝对值与所述浓度系数之间的关系的系数剖面，以使得所述浓度系数随着所述初级-次级频率差异的绝对值减小而增大，
其中所述系数计算单元还被配置为基于所述初级-次级频率差异的绝对值来计算所述浓度系数。
19.一种电力转换方法，包括：
响应于确定命令频率和矩阵转换器电路的初级侧频率之间的命令-初级频率差异超过预定阈值而选择第一控制模式，其中所述第一控制模式包括使得所述矩阵转换器电路的次级侧频率跟随所述命令频率；
响应于确定所述命令-初级频率差异低于所述阈值而选择第二控制模式，其中所述第二控制模式包括将所述矩阵转换器电路的次级侧相位和初级侧相位之间的初级-次级相位差异维持在预定的目标范围内；并且
根据对所述第一控制模式或所述第二控制模式的选择来控制所述矩阵转换器电路。
20.一种非暂态存储器设备，其上存储有指令，所述指令响应于被处理设备执行，而使得所述处理设备执行操作，所述操作包括：
响应于确定命令频率和矩阵转换器电路的初级侧频率之间的命令-初级频率差异超过预定阈值而选择第一控制模式，其中所述第一控制模式包括使得所述矩阵转换器电路的次级侧频率跟随所述命令频率；
响应于确定所述命令-初级频率差异低于所述阈值而选择第二控制模式，其中所述第二控制模式包括将所述矩阵转换器电路的次级侧相位和初级侧相位之间的初级-次级相位差异维持在预定的目标范围内；并且
根据对所述第一控制模式或所述第二控制模式的选择来控制所述矩阵转换器电路。
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