CN115208210A - 具有减少数目的传感器的再生中压驱动器 - Google Patents

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Abstract

公开了具有减少数目的传感器的再生中压驱动器。一种再生功率转换系统具有：相移变压器，该相移变压器具有初级电路和N个次级组，各个次级组有M个次级电路；控制器，该控制器在功率转换系统的再生操作期间基于初级电路的反馈信号使各个再生功率级的整流器开关控制信号与次级电路中的对应次级电路的相角同步。

Description

具有减少数目的传感器的再生中压驱动器
技术领域
本文公开的主题涉及功率转换器。
发明内容
在一个方面，一种再生功率转换系统包括：相移变压器，其具有初级电路和N个次级组，各个次级组有M个次级电路；以及控制器，所述控制器在功率转换系统的再生操作期间基于初级电路的反馈信号使各个再生功率级的整流器开关控制信号与次级电路中的对应次级电路的相角同步。
在另一方面，一种非暂态计算机可读介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由处理器执行时使处理器执行以下操作：对相移变压器的初级电路的反馈信号进行采样；以及在功率转换系统的再生操作期间基于初级电路的反馈信号，使提供给耦接至相移变压器的相应次级电路的每个再生功率级的整流器开关器件的整流器开关控制信号与相应次级电路的相角同步。
在另一方面，一种制造再生功率转换系统的方法包括：在再生功率转换系统的控制器的非暂态计算机可读介质中存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由控制器的处理器执行时使处理器执行以下操作：对相移变压器的初级电路的反馈信号进行采样；以及在功率转换系统的再生操作期间基于初级电路的反馈信号，使提供给耦接至相移变压器的相应次级电路的每个再生功率级的整流器开关器件的整流器开关控制信号与相应次级电路的相角同步。
附图说明
图1是功率转换系统的示意图。
图2是图1的功率转换系统中的功率级的示意图。
图3是流程图。
图4是用于图1的功率转换系统中的对应功率级的前端控制实例的示意图。
图5是图1的功率转换系统中的控制器的同步器的一个示例的示意图。
图6是图1的功率转换系统中的控制器的同步器的另一示例的示意图。
图7是用于图1的功率转换系统中的对应功率级的AFE前端控制实例的示例的示意图。
图8是图7的前端控制实例的一个示例中的调制指数和dc链路电压控制的表。
图9是图7的前端控制实例的一个示例中的示例前端整流器开关控制信号。
图10是用于图1的功率转换系统中的对应功率级的FFE前端控制实例的示例的示意图。
图11是图10的前端控制实例的一个示例中的调制指数和dc链路电压控制的表。
图12是图10的前端控制实例的一个示例中的示例前端整流器开关控制信号。
图13是图10的前端控制实例的一个示例中的另一示例前端整流器开关控制信号。
图14是用于图1的功率转换系统中的对应功率级的另一示例FFE前端控制实例的示意图。
图15是图14的前端控制实例的示例中的角度控制的表。
图16是图1的功率转换系统中的功率级的前端整流器开关电路的示意图。
图17是图14的前端控制实例的一个示例中的AC输入电压和开关控制信号的信号图。
图18是图14的前端控制实例的另一示例中的AC输入电压和开关控制信号的信号图。
图19是用于图1的功率转换系统中的对应功率级的另一示例FFE前端控制实例的示意图。
图20是图19的前端控制实例的示例中的角度控制测量的表。
图21是图19的功率转换系统中的功率级的AC输入电压和开关控制信号的信号图。
图22是用于图1的功率转换系统中的对应功率级的另一示例FFE前端控制实例的示意图。
图23是初级输入电压瞬态期间的前端控制模式时序图。
图24是在输入电压瞬态期间突出显示一些控制任务的前端控制实例的示意图。
图25是在输入电压瞬态期间前端控制模式改变的一个示例流程图。
图26是在输入电压瞬态期间前端控制模式改变的另一示例流程图。
具体实施方式
现在参照附图，在下文中结合附图来描述若干实施方式或实现方式，在附图中，相似的附图标记自始至终用于指代相似的要素，并且其中各个特征未必按照比例绘制。电机驱动和其他功率转换应用中有时采用多电平逆变器，以生成高电压驱动信号并且将其提供给高功率应用中的电机或其他负载。多电平逆变器的一种形式是采用多个串联连接的功率级(例如，H桥逆变器)的级联H桥(CHB)逆变器架构，以用于驱动每个电机绕组相。每个H桥由单独的DC源供电并且由开关信号驱动以生成正或负输出电压，其中多个H桥级的串联组合提供用于驱动负载的多电平逆变器输出能力。
所描述的示例涉及电机驱动型功率转换系统、转换系统控制器、计算机可读介质以及用于转换器的制造方法，所述转换器具有相移变压器和耦接至对应变压器次级电路的级联功率级。所描述的系统提供了前端开关整流器开关信号与对应次级电路的次级电压和相角的同步，而不需要次级侧电压或电流传感器。相反，所示的示例使用初级侧电压和电流传感器以及同步器，以仅使用初级侧反馈感测使各个整流器开关与对应次级电路的相角同步。同步对于再生模式操作是有利的，在再生模式操作中，通过前端开关整流器的选择性操作，将电力从电机或其他负载输送回电网或电源，所述前端开关整流器例如是以高于电源频率的开关频率操作的有源前端(AFE)整流器或以线路频率操作的基本前端(FFE)整流器。所公开的装置和方法利于多相级联H桥(CHB)型多电平转换器的成本、尺寸和重量的显著降低，因为与二极管前端CHB驱动版本相比，再生CHB驱动版本不需要额外的传感器，并且保持与二极管前端CHB驱动版本中相同的集中式控制系统方法。
例如，在具有M＝3组N＝3个级联H桥功率级的N＝3阶的三相七电平CHB电机驱动系统中，关于三相次级电路的相移变压器次级电压和电流的完全感测将需要54个传感器。对于再生转换器，在各个功率级内支持AFE或FFE控制意味着将更多的信号电子器件添加至功率级外壳中，并且不利地影响功率级尺寸和外壳设计、功率级冷却设计、系统可靠性和功率级复杂性、以及增加系统成本。下面进一步描述的某些示例提供了具有初级锁定环(PLL)的集中式电网同步单元(CGSU)或同步器，以使用变压器模型来生成针对各个次级电路的相角。该模型可以考虑相移绕组角度的公差。这些示例将次级侧传感器从9*3＝27个电压传感器减少到0。另外，这些示例中的控制方案允许将次级处的所需电流传感器从9*3＝27个电流传感器减少到0。与二极管前端CHB驱动版本相比，它们仅依赖于DC链路电压信号，允许以最小修改在主控制器或中央控制器中实现AFE/FFE功能。
首先参照图1和图2，图1示出了包括三相多电平逆变器40的示例多电平逆变器电机驱动功率转换系统10，三相多电平逆变器40具有用于与电机负载50的电机相U、V和W相关联的三个部分中的每一个的串联连接的功率级100-1、100-2和100-3。驱动负载50的其他形式的其他实施方式是可能的，其中本公开内容不限于电机驱动型功率转换器。在某些实施方式中，各个功率级100包括具有开关器件(例如，图2中的S1至S4)的H桥开关电路或逆变器140，但是可以在各个功率级100中提供任何适当形式的开关电路140以基于由功率转换器控制器200的逆变器控制组件220提供的开关控制信号222生成具有两个或更多个可能电平中的一个的功率级输出。
本公开内容提供了下文中在多电平逆变器电机驱动功率转换系统10及其变型的上下文中描述的先进的前端整流器控制装置和技术。在其他实现方式中，所公开的整流器控制器和方法可以用于任何有源整流器系统，包括电机驱动器或其他功率转换系统，其包括具有相关联的逆变器或不具有相关联的逆变器的有源整流器。在一个可能的实现方式中，所公开的装置和技术可以与包括作为H桥分支的中性点钳位逆变器的级联中性点钳位(CNPC)功率转换系统相关联地使用。
图1的示例是多相7电平逆变器40，其具有用于三个电机负载相U、V和W中的每一个的N＝3个功率级或功率级100(例如，用于相U的100-U1、100-2和100-U3；用于相V的100-V1、100-V2和100-V3；以及用于相W的级100-W1、100-W2和100-W3)。在其他示例中，本公开内容的各个方面可以与单相或多相、多电平逆变器类型的功率转换系统相关联地实现，所述功率转换系统每输出相具有任何整数“N”个功率级100，其中N大于一。此外，虽然针对电机驱动系统10的每一个相，示出的实施方式利用级联的H-桥级100来形成多电平逆变器40，但是也可以使用其他类型和形式的功率级100，例如具有包含多于或少于四个开关器件的开关电路的级100，其中，本公开内容的更宽泛的方面不限于在所示实施方式中所示的H桥功率级或子级。例如，下述实施方式是可能的，其中各个级或子级可以包括少至两个开关器件或大于或等于二的任何整数数量的开关。
如图1中最佳看到的，功率转换器10被提供有来自相移变压器30的多相AC输入电力，该相移变压器30具有从AC电源20接收三相电力的多相初级电路32(在所示实施方式中为德尔塔(delta)配置)。变压器30包括具有三组三个德尔塔配置的三相次级电路34的九个三相次级电路34，其中每组处于不同的相关系。虽然在所示示例中初级电路32和次级电路34被配置为德尔塔绕组，但是替选地可以使用“Y”型连接的初级绕组和/或次级绕组。此外，虽然变压器具有相应的三相初级电路32和三相次级电路34，但可以使用其他单相或多相实现方式。此外，在所示实施方式中的各种次级电路34被相移，但是非相移的实施方式是可能的。图1的示例中的三相次级电路34中的每一个被耦接以提供AC电力以驱动三相多电平逆变器40的对应功率级100的三相整流器120。在一个示例中，功率转换器不具有与次级电路34相关联的传感器，并且可以使用第三绕组的一个或更多个传感器36T和38T来生成初级电路32的一个或更多个初级电压信号和/或初级电流信号，或者可以使用一个或更多个初级侧传感器36和/或38来直接感测初级电路32的一个或更多个电流和/或电压反馈信号。
转换器40包括三个多电平相电路42-U、42-V和42-W。各个相电路42包括用于每个相的7电平输出操作的三个再生功率级100(例如，用于相U的功率级100U-1至100U-3、用于相V的功率级100W-1至100W-3以及用于相W的功率级100W-1至100W-3)，其中相应的功率级输出104串联连接。逆变器40是具有三个级联H桥功率级100U-1至100U-3的7电平逆变器，功率级100U-1至100U-3在电机驱动中性点N与三相电机负载50的第一绕组U之间具有彼此串联(级联)连接的输出104U-1至104U-3，以及对于其他电机相V和W具有类似配置。三个功率级100V-1至100V-3在中性点N与第二绕组V之间提供串联连接的电压输出104V-1至104V-3，以及三个功率级100W-1至100W-3在中性点N与电机50的第三绕组W之间提供串联连接的电压输出104W-1至104W-3。
图2示出了H桥功率级100的一种可能的实现方式。图2中的功率级被实现为如下功率级100，其包括具有可连接以接收AC输入电力(在该情况下，来自诸如图1中的变压器30的次级电路34的AC源的三相电力)的输入端子108A、108B和108C的AC输入108。将AC输入电力从端子108提供到具有形成三相整流器120的板载整流器开关Q1至Q6的整流器电路120，该三相整流器120从对应的变压器次级电路34接收三相AC电力。功率级100还包括DC链路电路130和开关电路(例如，逆变器140)，开关电路向具有第一输出端子104A和第二输出端子104B的功率级输出104提供输出电压VOUT。在所示的实施方式中，整流器120在连接在DC链路电路130的DC链路端子131和132之间的DC电容器C两端提供DC电力。
DC链路电路130又向由配置在“H”桥电路中的四个开关器件S1至S4形成的H桥逆变器140提供输入。任何合适的开关电路配置可以用在具有至少两个开关器件S的各个级100的开关电路140(例如，逆变器)中，所述至少两个开关器件S被配置成在级输出104处选择性地提供至少两个不同电平的电压。此外，任何合适类型的开关器件S可以用在功率级100中，包括但不限于基于半导体的开关，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、可控硅整流器(SCR)、栅极关断晶闸管(GTO)、集成栅极换流晶闸管(IGCT)等。
所示的四开关H桥实现方式允许由控制器200选择性地生成开关控制信号以便以受控方式在输出104处提供至少两个不同的电压电平。例如，当开关器件S1和S4导通(导电)而其他器件Q2和Q3关断(不导电)时，在输出端子104A和104B处提供大体上等于DC链路电容器C两端的DC链路电压的正DC电平的电压(例如，+Vdc)。相反，当S2和S3导通而S1和S4关断时，提供负输出(例如，-Vdc)。因此，示例H桥功率级100允许选择两个不同的输出电压，并且三个这样的级的级联配置(例如，图1)允许由逆变器控制组件220选择性地生成开关控制信号以实现7个不同的电压电平以施加到对应的电机相U、V或W。
可以使用其他可能的开关电路系统来实现各个级100的2电平、3电平或K电平可选择输出，其中，K是大于1的任何正整数。控制器200中的任何合适的逻辑或电路系统可以用于向给定功率级100提供逆变器开关控制信号222。控制器200还可以包括信号电平放大和/或驱动器电路系统(未示出)以提供足以选择性地致动开关器件S1至S4的合适的驱动电压和/或电流电平，例如诸如，比较器、载波发生器或数字逻辑和信号驱动器。
功率转换器控制器200包括处理器201、存储器202和向前端门控电路或组件216提供整流器开关控制信号211的级前端控制组件210，前端门控电路或组件216又经由光纤接口230提供前端整流器开关控制信号212以操作整流器开关器件Q1至Q6并向前端控制器210提供DC电压反馈信号Vdc_ij。控制器210例如经由存储在存储器202中供处理器201执行的处理器可执行指令来实现前端控制器214的N×M个实例(例如，U1 FE控制、U2 FE控制、U3 FE控制、V1 FE控制、V2 FE控制、V3 FE控制、W1 FE控制、W2 FE控制和W3 FE控制)。
控制器200还包括第一信号调节电路39，其被配置成接收初级电路32的一个或更多个反馈信号(例如，vpri，ipri)。在一个示例中，信号调节电路39接收来自三个初级侧电流传感器36和三个初级侧电压传感器38的初级侧反馈信号。在另一示例中，信号调节电路39接收来自三个次级侧电流传感器36T和三个次级侧电压传感器38T的初级侧反馈信号，所述三个次级侧电流传感器36T和三个次级侧电压传感器38T与提供初级电路32的反馈信号vpri、ipri的相应第三次级绕组可操作地耦接。在一个示例中，第一信号调节电路39包括隔离电路系统、放大器电路和模数转换电路系统，以在功率转换系统10的再生操作期间提供初级电路32的采样的初级侧电压反馈信号vpri和初级侧电流反馈信号ipri。
中央控制器200例如经由存储在存储器202中供处理器201执行的处理器可执行指令来实现同步器218(例如，CGSU)。同步器218基于初级电路32的反馈信号vpri、ipri生成M×N个次级角度信号θgrid_ij和M×N个次级电压信号vsec_ij。各个次级角度信号θgrid_ij表示次级电路34中的对应次级电路的相角，并且每个次级电压信号vsec_ij表示次级电路34中的对应次级电路的电压，其中示例索引“i”是范围从1至M的整数，表示来自相关联的三相次级电路的相关联的AC输入相，以及示例索引“j”是范围从1至N的整数，表示在图1中以N＝3组35-1、35-2和35-3布置的一组次级电路34。
在一个示例中，前端控制器210包括或以其他方式实现M×N个前端控制器214，所述前端控制器214分别与次级电路34中的对应次级电路以及再生功率级100中的对应再生功率级相关联。在该示例中，每个单独的前端控制器214被配置成基于表示次级电路34中的对应次级电路的相角的次级角度信号θgrid_ij且基于表示次级电路34中的对应次级电路的电压的次级电压信号vsec_ij来向再生功率级100中的对应再生功率级提供整流器开关控制信号212。
控制器200还包括逆变器控制组件或逆变器控制器220(例如，电机控制器)，其向与第一电机绕组U相关联的功率级100U-1至100U-3提供控制信号222U。逆变器控制器220还向功率级100V-1至100V-3提供控制信号222V以及向功率级100W-1至100W-3提供控制信号222W。控制器200及其组件210、220可以使用任何合适的硬件、处理器执行的软件或固件或它们的组合来实现，其中控制器200的示例性实施方式包括：处理器201，其可以是一个或更多个处理元件，例如微处理器、微控制器、DSP、可编程逻辑等；以及包括程序和数据存储装置的电子存储器202；以及信号调节和驱动器电路系统。
处理元件被编程或以其他方式被配置成生成信号221，所述信号221用于经由逆变器脉宽调制(PWM)电路或组件224和光纤接口230生成逆变器开关控制信号222。逆变器开关控制信号222适合于操作相应功率级100的H桥逆变器部分的开关器件。在该示例中，中央控制器200还包括第二信号调节电路56，该第二信号调节电路被配置成接收来自三个输出电流传感器52和三个输出电压传感器54的输出或电机侧反馈信号。在一个示例中，第二信号调节电路56包括隔离电路系统、放大器电路和模数转换电路系统，以在功率转换系统10的电机驱动和再生操作期间提供电机50的采样的输出电压反馈信号和电流反馈信号。
所描述的示例还包括操作和制造方法以及具有计算机可执行程序指令的非暂态计算机可读介质(例如，存储器202)，所述计算机可执行程序指令在由处理器(例如，处理器201)执行时使处理器实现控制多相多电平再生功率转换器例如上述具有多电平相电路42的示例转换器40的方法，所述多电平相电路42单独地包括多个功率级100，其中相应功率级输出104串联连接。
图2还示意性地示出了包括可选的功率级滤波器110、有源前端开关整流器120(例如，包括如图2所示连接在次级电路34中的相应次级电路与第一DC链路节点131和第二DC链路节点132中的相应DC链路节点之间的整流器开关器件S1至S6)和开关逆变器140(例如，包括如图2所示各自连接在第一DC链路节点131和第二DC链路节点132中的相应DC链路节点与相应功率级输出104之间的逆变器开关器件S1至S4)的单独功率级100之一的示例。
图1所示的示例多相多电平再生功率转换器40包括三个多电平相电路42，其中各个相电路42包括其中相应功率级输出104串联连接的多个再生功率级100。此外如图2所示，各个功率级100分别包括相关联的DC链路电路130，其具有耦接在第一DC链路节点131与第二DC链路节点132之间的至少一个电容器C。各个功率级100还包括：具有各自地耦接在次级电路34中的相应次级电路与第一DC链路节点131和第二DC链路节点132中的相应DC链路节点之间的整流器开关器件Q1至Q6的开关整流器120、以及包括由各自地耦接在第一DC链路节点131和第二DC链路节点132中的相应DC链路节点与相应功率级输出104之间的逆变器开关器件S1至S4形成的H桥的开关逆变器140。
开关整流器120的使用利于系统10的电机驱动和再生操作。功率级100被提供用作单相或多相多电平逆变器40的功率级。如图2所示，各个功率级100包括DC链路电路130、耦接在相应变压器次级电路34与DC链路电路130之间的开关整流器120、以及耦接在DC链路电路130与相应功率级输出104之间的开关逆变器140。
图1中的再生功率转换系统10包括相移变压器30，相移变压器具有初级电路32和N个次级组35，各个次级组有M个次级电路34，其中N是大于2的整数，以及M是大于0的整数。在某些实现方式中，M大于2(例如，在图1的示例中，M＝3)。各个次级组35的次级电路34彼此同相，而不同次级组35的次级电路34彼此异相。在该示例中，各个相电路42具有N＝3个再生功率级100。
如图2中最佳示出的，各个再生功率级100包括线路滤波器、开关整流器120、DC链路电路130、开关逆变器140和相关联的功率级输出104。DC链路电路130包括耦接在第一DC链路节点131与第二DC链路节点132之间的至少一个电容器C，并且开关整流器120包括各自地耦接在次级电路34中的相应次级电路与第一DC链路节点131和第二DC链路节点132中的相应DC链路节点之间的整流器开关器件Q1至Q6。开关逆变器140包括各自地耦接在第一DC链路节点131和第二DC链路节点132中的相应DC链路节点与功率级输出104之间的逆变器开关器件S1至S4。每个相电路42的N个多再生功率级100的开关整流器120耦接至N个次级组中的相应次级组的次级电路34中的相应次级电路，并且每个相电路42的N个多再生功率级100的功率级输出104串联连接。
控制器200是中央控制器，其例如通过处理器201执行存储在存储器202中的指令来实现功率转换系统10的电机驱动和再生操作二者。控制器200被配置成在功率转换系统10的再生操作期间基于初级电路32的反馈信号vpri和/或ipri中的一者或二者使提供给每个再生功率级100的整流器开关器件Q1至Q6的整流器开关控制信号212与次级电路34中的对应次级电路的相角同步。
参照图3和图4，图3示出了方法300。在一个示例中，中央控制器200的存储器202是存储计算机可执行指令的非暂态计算机可读介质202，所述计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201在功率转换系统10的供电操作期间实现方法300。图4示出了用于图1的功率转换系统中的对应功率级的前端控制实例，其中各个前端控制实例214具有控制器410和调制器420。如图4所示，初级电路32处的电源20在0度的电网角具有电网电压vpri，并且相应的次级电路34向有源整流器120提供三相AC输入。
在一个示例中，在302处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201例如使用上面图1的第一信号调节电路39和传感器36和38对相移变压器30的初级电路32的反馈信号(例如，vpri、ipri)进行采样。在图3中的304至312处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201在功率转换系统10的再生操作期间基于初级电路32的反馈信号vpri、ipri使提供给耦接至相移变压器30的相应次级电路34的每个再生功率级100的整流器开关器件Q1至Q6的整流器开关控制信号212与相应次级电路34的相角同步。
在一个示例中，在304处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201实现同步器218以基于初级电路32的一个或多个反馈信号(例如，vpri、ipri)生成M×N个次级电压量值信号|Vsec_ij|+(正序)和|Vsec_ij|-(负序)，其中每个次级电压量值信号对表示次级电路34中的对应次级电路的正序电压分量和负序电压分量。在该示例中，在306处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201实现同步器218以基于初级电路32的反馈信号(例如，vpri、ipri)生成M×N个次级角度信号θgrid_ij +(正序)和θgrid_ij -(负序)，其中每个单独的次级角度信号对表示次级电路34中的对应次级电路的正序相角和负序相角。在该示例中，在308处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201实现同步器218以基于初级电路32的反馈信号(例如，vpri、ipri)生成次级电路34中的对应次级电路的M×N个次级电压波形信号Van_ij、Vbn_ij、Vcn_ij，其中每组三相次级电压波形信号表示次级电路34中的对应次级电路的三相电压。信号θgrid_ij +、θgrid_ij -、|Vsec_ij|+、|Vsec_ij|-、Van_ij、Vbn_ij、Vcn_ij不需要同时被使用。前端控制器可以基于控制实现方式仅依赖于这些信号的子集来实现其控制目标。
在该示例中，在310处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201实现电机控制器220以向控制器410提供电机功率Pmotor和电机速度ωmotor。在312处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201实现调制器420以根据DC链路电压VDC、参考DC链路电压(VDC-ref)、次级电压量值信号|Vsec_ij|+、|Vsec_ij|-、次级电压角度信号θgrid_ij +、θgrid_ij -、次级电压波形Van_ij、Vbn_ij、Vcn_ij、期望的电机功率Pmotor和电机速度ωmotor、以及至图4所示的FE控制器实例214的其他输入来计算一个或更多个调制信号。在314处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201基于表示次级电路34中的对应次级电路的相角的次级角度信号θgrid_ij +(正序)和θgrid_ij -(负序)且基于表示次级电路34中的对应次级电路的电压波形的次级电压波形信号Van_ij、Vbn_ij、Vcn_ij向对应的再生功率级100提供整流器开关控制信号212。在该示例中，在316处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201基于初级电压信号vpri在电网同步器218中生成骤降/骤升事件信号。该信号在初级电压瞬态期间确定前端控制器响应。在318处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201基于故障状况或系统事件在电网同步器218中生成FE启用/禁用信号。该信号启用或禁用整个FE控制器。
图5示出了中央控制器200的示例同步器218，其在功率转换系统10的操作中至少部分地由存储在存储器202中并由处理器201执行的计算机可执行指令实现。在该示例中，同步器218具有过载保护组件或电路502、电压骤降/骤升检测组件或电路504、前端控制器启用/禁用逻辑组件或电路506、功率测量组件或电路508、正序PLL510、负序PLL512、正序变压器角度模型514、负序变压器模型516、以及附加的M×N个次级电压波形信号518(如果需要)。同步器218接收初级电路32的电压反馈信号vpri和电流反馈信号ipri，并且过载保护组件或电路502基于反馈信号vpri和ipri选择性地提供过电流故障信号。电压骤降/骤升检测组件或电路504基于反馈信号vpri和ipri选择性地提供骤降/骤升事件信号和骤降/骤升FE模式信号。前端控制器启用/禁用组件或电路506基于从502生成的过电流故障信号或从504生成的骤降/骤升FE模式信号来提供FE启用/禁用信号。前端控制器启用/禁用逻辑组件或电路506。功率测量组件或电路508基于反馈信号vpri和ipri提供P功率输出信号和Q功率输出信号。正序PLL510基于初级电路32的初级电压反馈信号vpri提供表示初级电路32的正序相角的初级正序相角度信号θgrid_pri +和初级正序电压的量值|vpri|+。负序PLL512基于初级电路32的初级电压反馈信号vpri提供表示初级电路32的负序相角的初级负序相角度信号θgrid_pri -和负序初级电压的量值|vpri|-。
正序变压器模型514对相移变压器30的正序角度关系进行建模，并为九个前端控制器214中的各个前端控制器提供次级绕组正序电压量值信号|Vsec_ij|+和次级正序角度信号θgrid_ij +。负序变压器模型516对相移变压器30的负序角度关系进行建模，并为九个前端控制器214中的各个前端控制器提供次级绕组负序电压量值信号|Vsec_ij|-和次级负序角度信号θgrid_ij -。M×N个次级电压波形信号518通过图5所示的方法基于正序变压器模型514和负序变压器模型516的输出生成次级电路34中的对应次级电路的次级电压波形信号Van_ij、Vbn_ij、Vcn_ij。该实现方式用实现为处理器执行的计算机可读指令的组件502至518中的一个或更多个来提供信号(例如，电压、数字值等)，并且利于正序PLL510和负序PLL512与正序变压器模型514和负序变压器模型516结合使用，以利于中央控制器200实现集中的初级电压和电流测量，以用于：过载保护、电压骤降/骤升检测、用于功率级100的再生模式操作的电网同步和功率测量，其中正序PLL508和负序PLL512提供初级电压量值、频率和角度的集中计算。
图6示出了中央控制器200的另一示例同步器218，其在功率转换系统10的操作中至少部分地由存储在存储器202中并由处理器201执行的计算机可执行指令实现。在该示例中，同步器218具有过载保护组件或电路602、电压骤降/骤升检测组件或电路604、功率测量组件或电路608、变压器电路状态空间模型610和附加的M×N个正序PLL612(如果需要)。同步器218接收初级电路32的电压反馈信号vpri和电流反馈信号ipri，并且过载保护组件或电路602基于反馈信号vpri和ipri选择性地提供过电流事件信号。电压骤降/骤升检测组件或电路604基于反馈信号vpri和ipri选择性地提供骤降/骤升事件信号和骤降/骤升FE模式。前端控制器启用/禁用组件或电路606基于从602生成的过电流故障信号或从604生成的骤降/骤升FE模式信号来提供FE启用/禁用信号。功率测量组件或电路608基于反馈信号vpri和ipri提供P功率输出信号和Q功率输出信号。基于vpri波形信号，变压器电路模型610计算次级电路34中的对应次级电路的次级电压波形信号Van_ij、Vbn_ij、Vcn_ij。M×N个正序PLL612基于次级中的对应次级的对应的Van_ij、Vbn_ij、Vcn_ij提供表示正序相角的次级正序相角度信号θgrid_ij +和次级正序电压的量值|Vsec_ij|+。
图7示出了用于图1的功率转换系统10中的对应功率级100的示例前端控制实例214。在该示例中，各个前端控制器214包括无功功率控制器702、DC链路电压控制器704、有功功率控制器706、电压波形发生器和负序补偿器708、以及正弦PWM AFE调制器420。无功功率控制器702基于与相应前端控制器214相对应的次级正序电压量值信号|Vsec_ij|+来提供调制指数模式信号m模式和DC电压参考VDC_ref。DC链路电压控制器704基于DC电压误差信号和电机功率Pmotor提供功率参考信号Pref。DC链路电压控制器可以使用ωmotor信息进行DC链路电压过滤。有功功率控制器706基于功率参考信号Pref和与相应前端控制器214相对应的次级正序电压量值信号|Vsec_ij|+提供功率角度信号δ。电压波形发生器和负序补偿器708取θgrid_ij +、θgrid_ij -、|Vsec_ij|+、|Vsec_ij|-、δ、VDC_ref作为输入，并产生调制指数信号m和每单位参考波形Uref。调制器420基于调制指数m和每单位参考波形Uref向再生功率级100中的对应再生功率级提供整流器开关控制信号212。基于初级电压信号vpri在电网同步器218中所生成的骤降/骤升事件信号在初级电压瞬态期间确定AFE控制器响应。基于故障状况或系统事件在电网同步器218中所生成的FE启用/禁用信号启用或禁用整个AFE控制器。
在该示例中，中央控制器200通过DC链路电压调节、无功功率补偿(在标称条件；输入电压不平衡；对称/非对称电压骤降期间)和正弦PWM调制来提供AFE电机驱动和再生。在操作中，DC链路电压控制器704的主要任务是基于参考DC链路电压(VDC-ref)与测量的DC链路电压(VDC)之间的误差来设置参考有功功率(Pref)。DC链路电压控制器704使用Pmotor的前馈信号来帮助DC链路电压干扰抑制并减少电流过冲。在DC链路电压控制器中实现的另一重要任务是FE输入电压瞬态补偿。该功能在输入电压瞬态期间被激活，同时DC链路电压控制器的主要功能被禁用。有功功率控制器706通过设置功率角度δ来控制AFE 120与变压器的次级之间的有功功率流，功率角度δ是AFE输出电压相对于来自同步器218的估计次级电压的角度。有功功率控制器706使用次级正序电压量值信号|Vsec_ij|+的前馈来补偿电压骤降/骤升事件，其中，功率变化ΔP≈f(|Vsec_ij|+)*Δδ。
图8示出了图7的前端控制实例214的一个示例中的调制指数模式信号m模式和dc链路电压控制的表800。在该示例中，在801处，响应于与相应前端控制器214相对应的次级正序电压量值信号|Vsec_ij|+大于或等于阈值TH，无功功率控制器702提供具有值为1的调制指数模式信号m模式。这将电压波形发生器和负序补偿器708设置为强制调制指数m具有mmax的值，并且前端控制器214将DC电压参考VDC_ref控制在第一值VDC,min与第二值VDC,max之间。在802处，响应于与相应前端控制器214相对应的次级正序电压量值信号|Vsec_ij|+小于阈值TH，无功功率控制器702提供具有值在0至1之间的调制指数模式信号m模式。这将电压波形发生器和负序补偿器708设置为允许调制指数m具有0至mmax之间的值，并且前端控制器214将DC电压参考VDC_ref控制在第一值VDC,min。
这些实现方式提供使次级电路34的次级绕组中的无功功率流最小化的无功功率补偿。在操作中，无功功率控制器702提供使Vsec_ij与VAFE量值之间的差最小化的闭环调节，其中无功功率ΔQ≈Vsec_ij-VAFE。无功功率控制器702通过控制DC链路电压参考(VDC-ref)和/或调制指数模式信号m模式来控制VAFE的量值，其中VAFE≈f(m模式*VDC_ref)。在一个实现方式中，阈值TH是固定的(例如，如表800中所示的90％)。在另一实现方式中，控制器200根据针对给定系统的特定设计参数例如基于标称或额定次级电压改变阈值TH。
图9示出了信号图900，其示出了开关频率为fsw的正弦PWM AFE操作的示例前端整流器开关控制信号。调制器420根据计算出的调制指数m和每单位参考波形Uref选择性地控制功率级整流器开关Q1至Q6的门控。
图10示出了用于图1的功率转换系统10中的对应功率级100的示例前端控制实例214。在该示例中，各个前端控制器214包括无功功率控制器1002、DC链路电压控制器1004、有功功率控制器1006、电压波形发生器和负序补偿器1008、以及功率角度FFE调制器420。无功功率控制器1002基于与相应前端控制器214相对应的次级正序电压量值信号|Vsec_ij|+来提供调制指数模式信号m模式和DC电压参考VDC_ref。DC链路电压控制器1004基于DC电压误差信号和电机功率Pmotor提供功率参考信号Pref。DC链路电压控制器可以使用ωmotor信息进行DC链路电压过滤。有功功率控制器1006基于功率参考信号Pref和与相应前端控制器214相对应的次级正序电压量值信号|Vsec_ij|+提供功率角度信号δ。电压波形发生器和负序补偿器1008取θgrid_ij +、θgrid_ij -、|Vsec_ij|+、|Vsec_ij|-、δ、VDCc_ref作为输入，并产生调制信号m和每单位参考波形Uref。调制器420基于调制指数m和每单位参考波形Uref向再生功率级100中的对应再生功率级提供整流器开关控制信号212。基于初级电压信号vpri在电网同步器218中所生成的骤降/骤升事件信号在初级电压瞬态期间确定FFE控制器响应。基于故障状况或系统事件在电网同步器218中所生成的FE启用/禁用信号启用或禁用整个FFE控制器。
在该示例中，中央控制器200通过DC链路电压调节、无功功率补偿(在标称条件；输入电压不平衡；对称/非对称电压骤降期间)和功率角度FFE调制来提供基本前端FFE电机驱动和再生。在操作中，DC链路电压控制器1004的主要任务是基于参考DC链路电压(VDC-ref)与测量的DC链路电压(VDC)之间的误差来设置参考有功功率(Pref)。DC链路电压控制器1004使用Pmotor的前馈信号来帮助DC链路电压干扰抑制并减少电流过冲。在DC链路电压控制器中实现的另一重要任务是FE输入电压瞬态补偿。该功能在瞬态期间被激活，同时DC链路电压控制器的主要功能被禁用。有功功率控制器1006通过设置功率角度δ来控制FFE 120与变压器的次级之间的有功功率流，功率角度δ是FFE输出电压相对于来自同步器218的估计次级电压的角度。有功功率控制器1006使用次级正序电压量值信号|Vsec_ij|+的前馈来补偿电压骤降/骤升事件，其中，功率变化ΔP≈f(|Vsec_ij|+)*Δδ。
图11示出了图10的前端控制实例214的一个示例中的调制指数模式信号m模式和DC链路电压控制的表1100。在该示例中，在1101处，响应于与相应前端控制器214相对应的次级正序电压量值信号|Vsec_ij|+大于或等于阈值TH，无功功率控制器1002提供具有值为1的调制指数模式信号m模式。这将电压波形发生器和负序补偿器1008设置为强制调制指数m在一个实现方式中具有值1或在另一实现方式中具有值mmax，并且前端控制器214将DC电压参考VDC_ref控制在第一值VDC,min与第二值VDC,max之间。在1102处，响应于与相应前端控制器214相对应的次级正序电压量值信号|Vsec_ij|+小于阈值TH，无功功率控制器1002提供具有值在0至1之间的调制指数模式信号m模式。这将电压波形发生器和负序补偿器1008设置为允许调制指数m在一个实现方式中具有0至1之间的值或在另一实现方式中具有值mmax，并且前端控制器214将DC电压参考VDC_ref控制在第一值VDC,min。
这些实现方式提供使次级电路34的次级绕组中的无功功率流最小化的无功功率补偿。在操作中，无功功率控制器1002提供使Vsec_ij与VFFE量值之间的差最小化的闭环调节，其中无功功率ΔQ≈Vsec_ij-VFFE。无功功率控制器1002通过控制DC链路电压参考(VDC-ref)和/或调制指数模式信号m模式来控制VFFE的量值，其中VFFE≈f(m模式*VDC_ref)。在一个实现方式中，阈值TH是固定的(例如，如表1100中所示的90％)。在另一实现方式中，控制器200根据针对给定系统的特定设计参数例如基于标称或额定次级电压改变阈值TH。
图12示出了具有曲线1202的信号图1200，曲线1202示出了开关频率等于线路频率(例如，60Hz)的基本前端(FFE)操作的示例前端整流器开关控制信号。调制器420根据所计算的调制指数m选择性地控制功率级整流器开关Q1至Q6的门控中的延迟角1204(α)。在图12中的左侧，在统一调制指数(m＝1)下，每个开关导通180度，其中在该示例中开关频率为60Hz。继续到图12中的右侧，对于m<1，每个开关由具有延迟角α的准方波门控信号驱动，由于每周期三个开关事件，这产生180Hz的净开关频率，其中
Figure BDA0003584742430000161
调制指数m＝cosα。
图13示出了具有曲线1302的另一示例前端整流器开关控制信号图1300。在该示例中，调制器420根据所计算的调制指数m选择性地控制功率级整流器开关Q1至Q6的门控中的延迟角1304(α)。在该实现方式中，由于每周期3个开关事件，开关频率为180Hz，并且在标称操作时使用最大调制指数mmax来减小正常操作时的次级电流的低阶谐波，其中
Figure BDA0003584742430000162
并且调制指数是延迟角的余弦(m＝cosα)。
图14示出了用于图1的功率转换系统10中的对应功率级100的另一示例前端控制实例214。在该示例中，各个前端控制器214包括无功功率控制器1402、DC链路电压控制器1404、再生控制器1406、角度控制器1408和延迟角度调制器420。无功功率控制器1402基于与相应前端控制器214相对应的次级正序电压量值信号|Vsec_ij|+来提供DC链路电压控制模式信号DC模式和DC电压参考VDC_ref。DC链路电压控制器1404被配置成基于DC电压误差信号和与相应前端控制器214相对应的次级正序电压量值信号|Vsec_ij|+提供在0至1的范围内的前端打开信号“FE.打开”。DC链路电压控制器可以使用ωmotor信息进行DC链路电压过滤。再生控制器1406基于来自电机控制器220的电机功率Pmotor提供具有值为0或1的前端模式信号“FE.模式”。在该示例中，前端控制实例214还包括角度控制器1408，其基于前端打开信号“FE.打开”、前端模式信号“FE.模式”和DC链路电压控制模式信号DC模式提供延迟角度信号α。调制器420基于延迟角度信号α和次级电路34中的对应次级电路的次级电压波形信号Van_ij、Vbn_ij、Vcn_ij或θgrid_ij +向再生功率级100中的对应再生功率级提供整流器开关控制信号212。基于初级电压信号vpri在电网同步器218中所生成的骤降/骤升事件信号在初级电压瞬态期间确定FFE控制器响应。基于故障状况或系统事件在电网同步器218中所生成的FE启用/禁用信号启用或禁用整个FFE控制器。
该示例通过再生能力和DC链路电压调节提供FFE控制，其中再生控制器1406基于电机功率产生指示再生条件的二进制信号(FE.模式)。DC电压控制器1404的主要任务是基于参考DC链路电压VDC-ref与测量的DC链路电压VDC之间的误差和次级正序电压量值信号在电压骤降事件期间通过将信号值(FE.打开)调节到0至1之间的值而将DC链路电压调节到标称参考值。在DC链路电压控制器中实现的另一重要任务是FE输入电压瞬态补偿。该功能需要|Vsec_ij|+信号作为输入并且在瞬态期间被激活，同时DC链路电压控制器的主要功能被禁用。在再生时，在正常操作期间，FE.打开被设置为1，以及电压骤降事件期间，FE.打开被设置在0至1之间。这允许FFE根据
Figure BDA0003584742430000171
来调节DC链路电压，其中ΔV是由FFE前端120看到的等效电感上的电压降。
图15示出了图14的前端控制实例214的一个示例中的DC链路电压控制模式信号DC模式和DC电压参考VDC_ref的表1500。在该示例中，在1501处，响应于与相应前端控制器214相对应的次级正序电压量值信号|Vsec_ij|+大于或等于阈值TH，无功功率控制器1402提供具有值为1的DC链路电压控制模式信号DC模式。这将角度控制器设置为强制延迟角度信号α具有0度的值，并且前端控制器214将DC电压参考VDC_ref控制在第一值VDC,min与第二值VDC,max之间。在1502处，响应于与相应前端控制器214相对应的次级正序电压量值信号|Vsec_ij|+小于阈值TH，无功功率控制器1402提供具有值在0至1之间的DC链路电压控制模式信号DC模式。这将角度控制器设置为允许延迟角度信号α具有0至30度之间的值，并且前端控制器214将DC电压参考VDC_ref控制在第一值VDC,min。
图16示出了具有图1的功率转换系统中的功率级的开关Q1至Q6的前端整流器开关电路120。图17示出了具有曲线1701、1702和1703的信号图1700，曲线1701、1702和1703分别示出了AC输入电压Van、Vbn和Vcn，表示提供给调制器的次级电路34中的对应次级电路的次级电压波形信号Van_ij、Vbn_ij、Vcn_ij。曲线1711、1712和1713分别示出了在图14中的调制器420的一个示例实现方式中的开关Q1、Q2和Q3的开关控制信号。在该示例中，直接使用次级电压波形信号Van_ij、Vbn_ij、Vcn_ij，或者使用θgrid_ij +来生成正弦电压波形。然后将任一者馈送至调制器420。如图17所示，在相应相是最大或最小的时刻测量给定前端整流器开关的延迟角α。开关的开关控制信号示出了延迟角α＝0度导致120度导通，以及延迟角α>0度导致120-2α的对称导通。
图18示出了图14中的调制器420的另一实现方式。曲线1801、1802和1803分别示出了AC输入电压Van、Vbn和Vcn，表示提供给调制器的次级电路34中的对应次级电路的次级电压波形信号Van_ij、Vbn_ij、Vcn_ij。曲线1811、1812和1813分别示出了开关Q1、Q2和Q3的开关控制信号。在该示例中，直接使用次级电压波形信号Van_ij、Vbn_ij、Vcn_ij，或者使用θgrid_ij +来生成正弦电压波形。然后将任一者馈送至调制器420。在图18中，在相应相是最大或最小的时刻测量给定前端整流器开关的延迟角α。开关的开关控制信号示出了延迟角α＝0度导致120度导通，以及延迟角α>0度导致120-α的非对称导通。在调制器420中使用次级电压波形信号Van_ij、Vbn_ij、Vcn_ij而不是使用从θgrid_ij +生成的正弦电压波形来更有效地补偿电压不平衡。
图19示出了用于图1的功率转换系统10中的对应功率级100的另一示例前端控制实例214。在该示例中，各个前端控制器214包括无功功率控制器1902、DC链路电压控制器1904、再生控制器1906、占空比控制器1908和占空比FFE调制器420。无功功率控制器1902基于与相应前端控制器214相对应的次级正序电压信号|Vsec_ij|+来提供DC链路电压控制模式信号DC模式和DC电压参考VDC_ref。DC链路电压控制器1904被配置成基于DC电压误差信号和与相应前端控制器214相对应的次级正序电压量值信号|Vsec_ij|+提供在0至1的范围内的前端打开信号“FE.打开”。DC链路电压控制器可以使用ωmotor信息进行DC链路电压过滤。再生控制器1906基于来自电机控制器220的电机功率Pmotor提供具有值为0或1的前端模式信号“FE.模式”。在该示例中，前端控制实例214还包括占空比控制器1908，其基于前端打开信号“FE.打开”、前端模式信号“FE.模式”和DC链路电压控制模式信号DC模式提供占空比信号d。调制器420基于占空比信号d和次级电路34中的对应次级电路的次级电压波形信号Van_ij、Vbn_ij、Vcn_ij或θgrid_ij +向再生功率级100中的对应再生功率级提供整流器开关控制信号212。基于初级电压信号vpri在电网同步器218中所生成的骤降/骤升事件信号在初级电压瞬态期间确定FFE控制器响应。基于故障状况或系统事件在电网同步器218中所生成的FE启用/禁用信号启用或禁用整个FFE控制器。
该示例通过再生能力和DC链路电压调节提供FFE控制，其中再生控制器1906基于电机功率产生指示再生条件的二进制信号(FE.模式)。DC电压控制器1904的主要任务是基于参考DC链路电压VDC-ref与测量的DC链路电压VDC之间的误差在电压骤降事件期间通过将信号值(FE.打开)调节到0至1之间的值而将DC链路电压调节到标称参考值。在DC链路电压控制器中实现的另一重要任务是FE输入电压瞬态补偿。该功能需要次级电压正序量值|Vsec_ij|+信号作为输入并且在瞬态期间被激活，同时DC链路电压控制器的主要功能被禁用。在再生时，在正常操作期间，FE.打开被设置为1，以及电压骤降事件期间，FE.打开被设置在0至1之间。这允许FFE根据
Figure BDA0003584742430000191
来调节DC链路电压，其中ΔV是由FFE前端120看到的等效电感上的电压降。
图20示出了图18的前端控制实例214的一个示例中的DC链路电压控制模式信号DC模式和DC电压参考VDC_ref的表2000。在该示例中，在2001处，响应于与相应前端控制器214相对应的次级正序电压信号|Vsec_ij|+大于或等于阈值TH，无功功率控制器1902提供具有值为1的DC链路电压控制模式信号DC模式。这将占空比控制器设置为强制占空比信号d具有0的值，并且前端控制器214将DC电压参考VDC_ref控制在第一值VDC,min与第二值VDC,max之间。在2002处，响应于与相应前端控制器214相对应的次级正序电压量值信号|Vsec_ij|+小于阈值TH，无功功率控制器1902提供具有值在0至1之间的DC链路电压控制模式信号DC模式。这将占空比控制器设置为允许占空比信号d具有0至1之间的值，并且前端控制器214将DC电压参考VDC_ref控制在第一值VDC,min。
基于图16所示的前端整流器开关电路，图21示出了具有曲线2101、2102和2103的信号图2100，曲线2101、2102和2103分别示出了AC输入电压Van、Vbn和Vcn，表示提供给调制器的次级电路34中的对应次级电路的次级电压波形信号Van_ij、Vbn_ij、Vcn_ij。在该示例中，直接使用次级电压波形信号Van_ij、Vbn_ij、Vcn_ij，或者使用θgrid_ij +来生成正弦电压波形。然后将任一者馈送至调制器420。曲线2111、2112和2113分别示出了在占空比d＝0的情况下开关Q1、Q2和Q3的开关控制信号。曲线2121、2122和2123分别示出了在占空比0<d<1的情况下开关Q1、Q2和Q3的开关控制信号。在调制器420中使用次级电压波形信号Van_ij、Vbn_ij、Vcn_ij而不是使用从θgrid_ij +生成的正弦电压波形来更有效地补偿电压不平衡。
图22示出了用于图1的功率转换系统10中的对应功率级100的另一示例前端控制实例214。在该示例中，各个前端控制器214包括无功功率控制器2202、由与三个相相对应的三个控制器实例2206组成的DC链路电压控制器2204、再生控制器2208、占空比控制器2210和调制器420。无功功率控制器2202基于与相应前端控制器214相对应的次级正序电压信号|Vsec_ij|+来提供DC链路电压控制模式信号DC模式和DC电压参考VDC_ref。DC链路电压控制器实例2206的主要任务是基于DC电压误差信号提供在0至1的范围内的前端分支打开信号“分支.打开”。在DC链路电压控制器实例2206中实现的另一重要任务是FE输入电压瞬态补偿。该功能需要Van_ij、Vbn_ij、Vcn_ij信号作为输入并且在瞬态期间被激活，同时DC链路电压控制器的主要功能被禁用。使用次级电压波形信号Van_ij、Vbn_ij、Vcn_ij而不是使用次级正序电压信号|Vsec_ij|+导致在电压不平衡和非对称电压骤降下的改进的前端响应。DC链路电压控制器可以使用ωmotor信息进行DC链路电压过滤。再生控制器2208基于来自电机控制器220的电机功率Pmotor提供具有值为0或1的前端模式信号“FE.模式”。在该示例中，前端控制实例214还包括占空比控制器2210，其基于三个前端打开信号“分支.打开”、前端模式信号“FE.模式”和DC链路电压控制模式信号DC模式提供三个占空比信号d1、d2、d3。调制器420基于占空比信号信号d1、d2、d3和次级电路34中的对应次级电路的次级电压波形信号Van_ij、Vbn_ij、Vcn_ij或θgrid_ij +向再生功率级100中的对应再生功率级提供整流器开关控制信号212。在调制器420中使用次级电压波形信号Van_ij、Vbn_ij、Vcn_ij而不是使用从θgrid_ij +生成的正弦电压波形来更有效地补偿电压不平衡。基于初级电压信号vpri在电网同步器218中所生成的骤降/骤升事件信号在初级电压瞬态期间确定FFE控制器响应。基于故障状况或系统事件在电网同步器218中所生成的FE启用/禁用信号启用或禁用整个FFE控制器。
参照图23和图24，在图23中示出了变压器初级输入电压瞬态期间的FE控制器模式时序图2300。图2301示出了由于电压骤降引起的初级电压vpri下降。基于该电压骤降事件，同步器218中的电压骤降/骤升检测组件504或604向FE控制器启用/禁用组件506或606产生骤降/骤升FE模式信号。基于506或606中的逻辑，FE控制器启用/禁用组件506或606向FE控制器214中的每一个生成启用/禁用信号。另外，同步器218中的电压骤降/骤升检测组件504或604向FE控制器214中的每一个产生骤降/骤升事件信号，这仅在FE控制器启用/禁用组件506、606向FE控制器214产生启用信号的情况下才有效。图2302示出了对应的骤降事件。图2303示出了在骤降事件之前、在骤降事件期间以及在骤降事件之后的FE控制器模式。在电压骤降事件开始时，FE控制器214从正常操作模式转换到瞬态操作模式，在短瞬态时间tr之后，FE控制器214转换到骤降操作模式。在初级电压vpri恢复时，FE控制器转换到另一短瞬态时间tr，然后转换回正常操作模式。图24示出了表示图7、图10、图14、图19和图22中提供的任何示例的FE控制器实例的一般框图。在所有这些示例中，DC链路电压控制器2402具有两个任务。主要任务是DC链路电压调节2404，以及另一任务是FE输入电压瞬态补偿。DC链路电压调节任务由处理器201在正常操作模式或骤降/骤升操作模式下执行。然而，FE输入电压瞬态补偿任务由处理器201在瞬态操作模式期间执行。DC链路电压控制器2402的输出基于选择器2408确定，选择器2408的控件从骤降/骤升事件信号逻辑导出。在正常或骤降/骤升操作模式期间，DC链路电压控制器2402的输出由DC链路电压调节任务2404的输出确定。在瞬态操作模式期间，DC链路电压控制器2402的输出由FE输入电压瞬态补偿2408的输出确定。
在一个示例中，中央控制器200的存储器202是存储计算机可执行指令的非暂态计算机可读介质202，所述计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201实现图25所示的方法2400，以确定在图23的图2300所示的瞬态操作模式期间的FE控制器214响应。该方法与图7和图10中的FE控制器示例的操作相关联。在该示例中，在2502处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201实现图3中表示FE控制器的正常操作模式或骤降/骤升操作模式的方法300。在该示例中，在2504处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201基于初级电压vpri执行同步器218中的电压骤降/骤升检测组件504或604。在检测到初级电压瞬态时，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201强制骤降/骤升事件信号从0变为1或从1变为0。响应于骤降/骤升事件信号的变化，在该示例中，在2506处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201禁用每个FE控制器214中的调制组件420。
在该示例中，在2508处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201禁用反馈机制并将DC链路电压控制器组件704或1004中的主要任务的输出Pref保存在每个FE控制器214中的410中。这个保存的Pref值表示刚好在骤降/骤升事件之前前端所需提供的有功功率参考。在该示例中，在2510处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201等待基于初级电压瞬态计算的时间Δt。在该示例中，在2512处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201启用每个FE控制器214中的调制组件420。在该示例中，在2514处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201启用并执行DC链路电压控制器组件中的FE输入电压瞬态补偿器而不是主要任务基于设计计算的时间tr-Δt，以基于VDC、VDC_ref及保存的Pref产生Pref信号。在该示例中，在2516处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201禁用FE输入电压瞬态补偿器。在该示例中，在2518处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201启用每个FE控制器214中的410中的DC链路电压控制器组件704和1004中的主要任务。在该示例中，在2520处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201实现图3中表示FE控制器正常操作模式或骤降/骤升操作模式的方法300。
在另一示例中，中央控制器200的存储器202是存储计算机可执行指令的非暂态计算机可读介质202，所述计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201实现图26所示的方法2600，以确定在图23的图2300所示的瞬态操作模式期间的FE控制器214响应。该方法与图14、图19和图22中的FE控制器示例的操作相关联。在该示例中，在2602处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201实现图3中表示FE控制器的正常操作模式或骤降/骤升操作模式的方法300。在该示例中，在2604处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201基于初级电压vpri执行同步器218中的电压骤降/骤升检测组件504或604。在检测到初级电压瞬态时，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201强制骤降/骤升事件信号从0变为1或从1变为0。响应于骤降/骤升事件信号的变化，在该示例中，在2606处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201禁用每个FE控制器214中的调制组件420。
在该示例中，在2608处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201禁用每个FE控制器214中的410中的DC链路电压控制器组件1404、1904或2204中的主要任务。在该示例中，在2610处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201等待基于初级电压瞬态计算的时间Δt。在该示例中，在2612处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201启用每个FE控制器214中的调制组件420。在该示例中，在2614处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201启用并执行DC链路电压控制器组件中的FE输入电压瞬态补偿器而不是主要任务以基于次级正序电压量值信号|Vsec_ij|+或次级电压波形信号Van_ij、Vbn_ij、Vcn_ij产生“FE.打开”或“分支.打开”信号。在该示例中，在2616处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201等待基于设计计算出的时间tr-Δt。在该示例中，在2618处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201启用每个FE控制器214中的410中的DC链路电压控制器组件1404、1904或2204中的主要任务。在该示例中，在2620处，存储在存储器202中的计算机可执行指令在由处理器201执行时使处理器201实现图3中表示FE控制器正常操作模式或骤降/骤升操作模式的方法300。
另一方面提供了一种制造再生功率转换系统10的方法，包括通过在其中存储计算机可执行指令来对非暂态计算机可读介质(例如，中央控制器存储器202)进行编程，所述计算机可执行指令在由控制器200的处理器201执行时使处理器201实现本文所示和所描述的控制方面。
参照附图描述各种实施方式。在不背离如所附权利要求中阐述的本发明的更广泛的范围的情况下可以对其进行修改和改变，并且可以实现另外的实施方式。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。上述示例仅仅是说明本公开内容的各个方面的几个可能实施方式，其中本领域的技术人员在阅读和理解本说明书和附图时将会想到等同的更改和/或修改。此外，虽然本公开内容的特定特征可能针对几个实现方式中的仅一个来公开，但是这样的特征可以与其他实现方式中的一个或更多个其他特征组合，这对于任何给定的或特定的应用来说可能是期望的和有利的。此外，就在详细描述中和/或权利要求中使用术语“包括(including)”、“包括(includes)”、“具有(having)”、“具有(has)”、“带有”或其变型而言，这样的术语旨在以类似于术语“包含”的方式是包含性的。

Claims (21)

1.一种再生功率转换系统，包括：
相移变压器，所述相移变压器具有初级电路和N个次级组，各个次级组有M个次级电路，N是大于2的整数，M是大于0的整数，各个次级组的次级电路彼此同相，以及不同次级组的次级电路彼此异相；
M个相电路，各个相电路具有N个再生功率级，各个再生功率级包括：
DC链路电路，所述DC链路电路包括耦接在第一DC链路节点与第二DC链路节点之间的至少一个电容器，
开关整流器，所述开关整流器包括整流器开关器件，所述整流器开关器件各自地耦接在所述次级电路中的相应次级电路与所述第一DC链路节点和所述第二DC链路节点中的相应DC链路节点之间，
功率级输出，以及
开关逆变器，所述开关逆变器包括逆变器开关器件，所述逆变器开关器件各自地耦接在所述第一DC链路节点和所述第二DC链路节点中的相应DC链路节点与所述功率级输出之间；以及
控制器，所述控制器被配置成在所述功率转换系统的再生操作期间基于所述初级电路的反馈信号使提供给每个再生功率级的整流器开关器件的整流器开关控制信号与所述次级电路中的对应次级电路的相角同步；
每个相电路的N个多再生功率级的开关整流器耦接至所述N个次级组中的相应次级组的次级电路中的相应次级电路；以及
每个相电路的N个多再生功率级的功率级输出串联连接。
2.根据权利要求1所述的功率转换系统，其中，M大于2。
3.根据权利要求1所述的功率转换系统，其中，所述控制器包括：
同步器，所述同步器被配置成基于所述初级电路的反馈信号来生成M×N个次级角度信号和M×N个次级电压信号，每个单独的次级角度信号表示所述次级电路中的对应次级电路的相角，以及每个次级电压信号表示所述次级电路中的对应次级电路的电压；以及
M×N个前端控制器，所述M×N个前端控制器各自与所述次级电路中的对应次级电路以及所述再生功率级中的对应再生功率级相关联，每个单独的前端控制器被配置成基于表示所述次级电路中的对应次级电路的相角的次级角度信号以及表示所述次级电路中的对应次级电路的电压的次级电压信号来向所述再生功率级中的对应再生功率级提供所述整流器开关控制信号。
4.根据权利要求3所述的功率转换系统，其中，所述同步器包括：
锁相环(PLL)，所述锁相环被配置成基于所述初级电路的反馈信号提供表示所述初级电路的相角的初级相角度信号；以及
变压器模型，所述变压器模型被配置成基于所述初级相角度信号向对应的前端控制器提供所述次级角度信号。
5.根据权利要求3所述的功率转换系统，其中，各个前端控制器包括：
无功功率控制器，所述无功功率控制器被配置成基于与相应前端控制器相对应的次级电压信号来提供调制指数；
DC链路电压控制器，所述DC链路电压控制器被配置成基于DC电压误差信号和电机控制功率设定点来提供功率参考信号；
有功功率控制器，所述有功功率控制器被配置成基于所述功率参考信号和与所述相应前端控制器相对应的次级电压信号来提供功率角度信号；以及
调制器，所述调制器被配置成基于所述调制指数、所述功率角度信号和表示所述次级电路中的对应次级电路的相角的次级角度信号向所述再生功率级中的对应再生功率级提供所述整流器开关控制信号。
6.根据权利要求5所述的功率转换系统，其中，所述同步器包括：
锁相环(PLL)，所述锁相环被配置成基于所述初级电路的反馈信号提供表示所述初级电路的相角的初级相角度信号；以及
变压器模型，所述变压器模型被配置成基于所述初级相角度信号向对应的前端控制器提供所述次级角度信号。
7.根据权利要求5所述的功率转换系统，其中：
响应于与所述相应前端控制器相对应的所述次级电压信号大于或等于阈值：
所述无功功率控制器被配置成提供具有值为1的调制指数，并且
所述前端控制器被配置成将DC电压参考控制在第一值与第二值之间；以及
响应于与所述相应前端控制器相对应的所述次级电压信号小于所述阈值：
所述无功功率控制器被配置成基于与所述相应前端控制器相对应的所述次级电压信号来提供具有值在0至1之间的调制指数，并且
所述前端控制器被配置成将所述DC电压参考控制在所述第一值。
8.根据权利要求5所述的功率转换系统，其中：
响应于与所述相应前端控制器相对应的所述次级电压信号处于标称值：
所述无功功率控制器被配置成提供具有值为1的调制指数，并且
所述前端控制器被配置成将DC电压参考控制在额定值；
响应于与所述相应前端控制器相对应的所述次级电压信号大于或等于阈值且不等于所述标称值：
所述无功功率控制器被配置成提供具有值为1的调制指数，并且
所述前端控制器被配置成将所述DC电压参考控制在第一值与第二值之间；
响应于与所述相应前端控制器相对应的所述次级电压信号小于所述阈值：
所述无功功率控制器被配置成基于与所述相应前端控制器相对应的所述次级电压信号来提供具有值在0至1之间的调制指数，并且
所述前端控制器被配置成将所述DC电压参考控制在所述第一值。
9.根据权利要求3所述的功率转换系统，其中，各个前端控制器包括：
DC电压控制器，所述DC电压控制器被配置成基于DC电压误差信号和与相应前端控制器相对应的次级电压信号来提供在0至1的范围内的前端打开信号；
再生控制器，所述再生控制器被配置成基于电机控制功率设定点来提供具有值为0或1的前端模式信号；以及
角度控制器，所述角度控制器被配置成基于所述前端打开信号和所述前端模式信号来提供延迟角度信号；以及
其中，所述调制器被配置成基于所述延迟角度信号向所述再生功率级中的对应再生功率级提供所述整流器开关控制信号。
10.根据权利要求9所述的功率转换系统，其中，所述同步器包括：
锁相环(PLL)，所述锁相环被配置成基于所述初级电路的反馈信号提供表示所述初级电路的相角的初级相角度信号；以及
变压器模型，所述变压器模型被配置成基于所述初级相角度信号向对应前端控制器提供所述次级角度信号。
11.根据权利要求9所述的功率转换系统，其中，所述角度控制器被配置成：
响应于所述次级电压信号等于标称值，提供具有值为0度的延迟角度信号；以及
响应于所述次级电压信号小于所述标称值，提供具有值为0度至30度的延迟角度信号。
12.根据权利要求所述的功率转换系统，其中，所述功率转换系统不具有与所述相移变压器的次级电路相关联的传感器。
13.一种存储有计算机可执行指令的非暂态计算机可读介质，所述计算机可执行指令在由处理器执行时使所述处理器执行以下操作：
对相移变压器的初级电路的反馈信号进行采样；以及
在功率转换系统的再生操作期间基于所述初级电路的反馈信号，使提供给耦接至所述相移变压器的相应次级电路的每个再生功率级的整流器开关器件的整流器开关控制信号与所述相应次级电路的相角同步。
14.根据权利要求13所述的非暂态计算机可读介质，还存储有如下计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由所述处理器执行时使所述处理器执行以下操作：
基于所述初级电路的反馈信号生成M×N个次级电压信号，每个次级电压信号表示次级电路中的对应次级电路的电压；
基于所述初级电路的反馈信号生成M×N个次级角度信号，每个单独的次级角度信号表示所述次级电路中的对应次级电路的相角；以及
基于表示所述次级电路中的对应次级电路的相角的所述次级角度信号以及表示所述次级电路中的对应次级电路的电压的所述次级电压信号来向对应再生功率级提供所述整流器开关控制信号。
15.根据权利要求14所述的非暂态计算机可读介质，还具有如下计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由所述处理器执行时使所述处理器执行以下操作：
使用变压器模型，基于来自锁相环PLL的初级相角度信号向对应前端控制器提供所述次级角度信号。
16.根据权利要求14所述的非暂态计算机可读介质，还具有如下计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由所述处理器执行时使所述处理器执行以下操作：
基于与相应前端控制器相对应的次级电压信号来提供调制指数；
基于DC电压误差信号和电机控制功率设定点来提供功率参考信号；
基于所述功率参考信号和与所述相应前端控制器相对应的所述次级电压信号来提供功率角度信号；以及
基于所述调制指数、所述功率角度信号和表示所述次级电路中的对应次级电路的相角的所述次级角度信号向再生功率级中的对应再生功率级提供所述整流器开关控制信号。
17.根据权利要求14所述的非暂态计算机可读介质，还具有如下计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由所述处理器执行时使所述处理器执行以下操作：
基于DC电压误差信号和与相应前端控制器相对应的次级电压信号来提供在0至1的范围内的前端打开信号；
基于电机控制功率设定点来提供具有值为0或1的前端模式信号；以及
基于所述前端打开信号和所述前端模式信号来提供延迟角度信号；以及
基于所述延迟角度信号向再生功率级中的对应再生功率级提供所述整流器开关控制信号。
18.一种制造再生功率转换系统的方法，所述方法包括：
在所述再生功率转换系统的控制器的非暂态计算机可读介质中存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由所述控制器的处理器执行时使所述处理器执行以下操作：
对相移变压器的初级电路的反馈信号进行采样；以及
在所述功率转换系统的再生操作期间基于所述初级电路的反馈信号，使提供给耦接至所述相移变压器的相应次级电路的每个再生功率级的整流器开关器件的整流器开关控制信号与所述相应次级电路的相角同步。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
在所述非暂态计算机可读介质中还存储如下计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由所述控制器的处理器执行时使所述处理器执行以下操作：
基于所述初级电路的反馈信号生成M×N个次级电压信号，每个次级电压信号表示次级电路中的对应次级电路的电压；
基于所述初级电路的反馈信号生成M×N个次级角度信号，每个单独的次级角度信号表示所述次级电路中的对应次级电路的相角；以及
基于表示所述次级电路中的对应次级电路的相角的次级角度信号以及表示所述次级电路中的对应次级电路的电压的次级电压信号来向对应再生功率级提供所述整流器开关控制信号。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
在所述非暂态计算机可读介质中还存储如下计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由所述控制器的处理器执行时使所述处理器执行以下操作：
基于与相应前端控制器相对应的次级电压信号来提供调制指数；
基于DC电压误差信号和电机控制功率设定点来提供功率参考信号；
基于所述功率参考信号和与所述相应前端控制器相对应的所述次级电压信号来提供功率角度信号；以及
基于所述调制指数、所述功率角度信号和表示所述次级电路中的对应次级电路的相角的所述次级角度信号向所述再生功率级中的对应再生功率级提供所述整流器开关控制信号。
21.根据权利要求19所述的方法，还包括：
在所述非暂态计算机可读介质中还存储如下计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由所述控制器的处理器执行时使所述处理器执行以下操作：
基于DC电压误差信号和与相应前端控制器相对应的次级电压信号来提供在0至1的范围内的前端打开信号；
基于电机控制功率设定点来提供具有值为0或1的前端模式信号；以及
基于所述前端打开信号和所述前端模式信号来提供延迟角度信号；以及
基于所述延迟角度信号向再生功率级中的对应再生功率级提供所述整流器开关控制信号。
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