CN115853711A - 对电容器组预充电 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及对电容器组预充电，提供对电容器组预充电的系统和方法。具体而言，功率开关和电流限制装置可串联地联接在功率源与电容器组之间。该功率开关的操作可被控制，以在预充电期间限制施加于该电容器组的峰值充电电流。以此方式，脉冲信号的占空比可至少部分地基于流入该电流限制装置的测得的电流来修改。另外，电容器组处的电压可被监测，且当该监测的电压达到阈值时可停止预充电过程。

Description

对电容器组预充电
技术领域
本主题大体上涉及风力涡轮，更具体而言，涉及对风力涡轮内的电容器组预充电的系统和方法。
背景技术
风力被认为是目前可获得的最清洁、最环境友好的能源之一，且风力涡轮在这一点上已获得增加的关注。现代风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱、和一个或更多个转子叶片。转子叶片利用已知的翼型原理从风中获取动能并通过旋转能来传递动能，以转动轴，该轴将转子叶片联接到齿轮箱，或者若不使用齿轮箱则直接联接到发电机的轴。发电机然后将机械能转换可部署到公用电网的电能。
在风力涡轮操作期间，风力涡轮的各种零件由于作用在叶片上的空气动力负载而经历各种负载。叶片负载取决于风速、末梢速度比和/或叶片的桨距设置。末梢速度比是叶片末梢的旋转速度与风速之比。期望基于表示末梢速度比的信号(例如，各种速度读取值)来调整风力涡轮的操作，以调整风力涡轮转子叶片的负载并且/或者增加风力涡轮的能量产生。
为了减小转子叶片负载，各种方法和装置已被开发，以允许转子叶片以卸掉由此经历的负载的一部分。此种方法和装置例如包括在操作中使转子叶片变桨距并且/或者减少发电机转矩。因此，许多风力涡轮包括风力涡轮控制器，该风力涡轮控制器可基于末梢速度比风力涡轮负载来以各种方式操作风力涡轮。例如，在各种操作条件下，风力涡轮可调整发电机的转矩和/或转子叶片的桨距角度，以调整末梢速度比，来满足期望的末梢速度比设定点，以增加由风力涡轮捕获的能量。
转子叶片的桨距角度可被例如利用风力桨距调整马达来控制。风力桨距调整马达可为由DC/DC转换器驱动的直流(DC)马达。典型地，风力桨距调整马达包括DC源、控制电路、变换器电桥、和/或具有一个或更多个电容器装置的DC母线电容器组。由于电容器组的高电容，预充电电路可与旁通接触器结合，以限制进入电容器组中的涌入电流的大小。
常规的预充电电路可包括高功率电阻器、正温度系数(PTC)热敏电阻器、变压器、开关电流源、线性电流源，或其他电路构造，以限制施加于电容器组的电流。然而，此种预充电技术实现起来可为低效、耗时、和/或困难的。
因此，需要以简单、有效和可控的方式对电容器组预充电的系统和方法。
发明内容
本文公开的实施例的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从该描述中习得，或可通过实施例的实践而习得。
本公开的一个示例方面涉及用于对电容器组预充电的系统。该系统包括串联地联接到直流电输入源的功率开关，和串联地联接在该功率开关和电容器组之间的电流限制装置，该电容器组具有一个或更多个电容装置。该系统还包括第一控制装置，该第一控制装置构造成通过接收与指示与电容器组相关的充电电流的一个或更多个信号，且至少部分地基于充电电流来控制该功率开关的操作，从而控制该功率开关的操作。该系统还包括第二控制装置，该第二控制装置构造成确定电容器组处的电容器组电压，和至少部分地基于该确定的电容器组电压来控制该第一控制装置。
本文公开的另一示例方面涉及对包括一个或更多个电容器装置的电容器组预充电的控制方法。该电容器组与功率开关和电流限制装置串联地联接，该电流限制装置在功率源和该电容器组之间。该方法包括通过功率源施加直流电输入以用于对该电容器组预充电。该方法还包括监测流入该电流限制装置中的直流电的大小。该方法还包括选择性地控制该功率开关的操作，使得当直流电的大小达到阈电流值时，关断该功率开关。该方法还包括监测该电容器组处的电压。该方法还包括，当该电容器组处的电压达到阈电压值时，停止对该电容器组预充电，使得绕过该电流限制装置。
本公开的又一示例的方面涉及风力涡轮系统。该风力涡轮系统包括转子、定子、和桨距角度调整马达，该桨距角度调整马达构造成控制与该风力涡轮系统相关的一个或更多个转子叶片的桨距角度。该风力涡轮还包括一个或更多个控制装置，该一个或更多个控制装置构造成通过以下步骤对与该桨距角度调整马达相关的电容器组预充电：开始用于电容器组的预充电过程；监测流入电流限制装置中的直流电的大小，该电流限制装置串联地联接在该电容器组与功率源之间；选择性地控制功率开关的操作，使得当直流电的大小达到阈电流值时，关断该功率开关，从而减小施加到电流限制装置的电流的量；监测电容器组处的电压；和当电容器组处的电压达到阈电压值时，停止该预充电过程。
技术方案1：一种用于对电容器组预充电的系统，所述系统包括：
功率开关，其串联地联接到直流电输入源；
电流限制装置，其串联地联接在所述功率开关与电容器组之间，所述电容器组包括一个或更多个电容器装置；
第一控制装置，其构造成通过以下步骤来控制所述功率开关的操作：
接收指示与所述电容器组相关的充电电流的一个或更多个信号；且
至少部分地基于所述充电电流来控制所述功率开关的操作；
第二控制装置，其构造成确定所述电容器组处的电容器组电压和至少部分地基于所确定的电容器组电压来控制所述第一控制装置的操作。
技术方案2：根据技术方案1所述的系统，其中，所述功率开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管。
技术方案3：根据技术方案1所述的系统，其中，所述电流限制装置包括电感器装置。
技术方案4：根据技术方案3所述的系统，还包括回扫二极管，所述回扫二极管联接在所述功率开关与地线之间。
技术方案5：根据技术方案1所述的系统，其中，所述第一控制装置是脉宽调制控制器，且其中，至少部分地基于所述充电电流来控制所述功率开关的操作包括：
将所接收的指示所述充电电流的一个或更多个信号与阈电流值比较；和
当指示所述充电电流的所述信号达到所述阈电流值时关断所述功率开关。
技术方案6：根据技术方案1所述的系统，还包括DC/DC转换器，所述DC/DC转换器构造成对所述第一控制装置提供功率输入。
技术方案7：根据技术方案6所述的系统，还包括独立开关，所述独立开关联接在所述DC/DC转换器与所述第一控制装置之间，且其中，所述第二控制装置通过对所述独立开关提供一个或更多个控制命令来控制所述第一控制装置的操作。
技术方案8：根据技术方案1所述的系统，其中，所述第二控制装置还构造成至少部分地基于平均充电电流和所述电容器组处的确定的电压来确定所述电容器组的电容量。
技术方案9：根据技术方案8所述的系统，其中，所述平均充电电流利用联接到微分运算放大器的电流感测元件来确定。
技术方案10：根据技术方案1所述的系统，其中，所述第二控制装置构造成通过以下步骤至少部分地基于所确定的电容器组电压来控制所述第一控制装置的操作：
将所确定的电容器组电压与阈电压值比较；和
当所确定的电容器组电压达到所述阈电压值时，停止所述第一控制装置的操作。
技术方案11：根据技术方案10所述的系统，其中，所述阈电压值是由所述直流电输入源提供的电压量的一部分。
技术方案12：根据技术方案10所述的系统，还包括旁通接触器，所述旁通接触器与所述功率开关和电流限制装置并联地联接，使得当所述旁通接触器处于闭合状态时，来自所述直流电输入源的电流被引导通过所述旁通接触器。
技术方案13：根据技术方案12所述的系统，其中，所述第二控制装置还构造成控制所述旁通接触器的操作，使得当所述电容器组电压达到所述阈电压值时，所述旁通接触器在闭合状态中操作。
技术方案14：根据技术方案1所述的系统，其中，指示所述充电电流的所述一个或更多个信号利用电流感测元件来确定。
技术方案15：一种对包括一个或更多个电容器装置的电容器组预充电的控制方法，所述电容器组与功率开关和电流限制装置串联地联接，所述电流限制装置在功率源与所述电容器组之间，所述方法包括：
通过所述功率源施加直流电输入以用于对所述电容器组预充电；
监测流入所述电流限制装置中的直流电的大小；
选择性地控制所述功率开关的操作，使得当直流电的大小达到阈电流值时，关断所述功率开关；
监测所述电容器组处的电压；和
当所述电容器组处的电压达到阈电压值时，停止对所述电容器组预充电，使得绕过所述电流限制装置。
技术方案16：根据技术方案15所述的控制方法，其中，选择性地控制所述功率开关的操作，使得当直流电的大小达到阈电流值时，关断所述功率开关包括：当所述直流电的大小达到所述阈电流值时，调整与所述功率开关相关的脉冲列的占空比。
技术方案17：根据技术方案15所述的控制方法，其中，停止对所述电容器组预充电包括对旁通接触器提供一个或更多个控制命令，从而导致所述旁通接触器在闭合状态中操作。
技术方案18：一种风力涡轮系统，其包括：
转子；
定子；
桨距角度调整马达，其构造成控制与所述风力涡轮系统相关的一个或更多个转子叶片的桨距角度；和
一个或更多个控制装置，其构造成通过以下步骤来对与所述桨距角度调整马达相关的电容器组预充电：
开始用于所述电容器组的预充电过程；
监测流入电流限制装置中的直流电的大小，所述电流限制装置串联地联接在所述电容器组与功率源之间；
选择性地控制功率开关的操作，使得当直流电的大小达到阈电流值时，关断所述功率开关，从而减小施加到所述电流限制装置的电流的量；
监视所述电容器组处的电压；和
当所述电容器组处的电压达到阈电压值时，停止所述预充电过程。
技术方案19：根据技术方案18所述的风力涡轮系统，其中，选择性地控制所述功率开关的操作，使得当直流电的大小达到阈电流值时，关断所述功率开关包括：当直流电的大小达到所述阈电流值时调整脉冲列的占空比。
技术方案20：根据技术方案18所述的风力涡轮系统，其中，停止所述预充电过程包括对与所述电流限制装置并联地联接的旁通接触器提供一个或更多个控制命令，从而导致所述旁通接触器在闭合状态中操作，使得绕过所述电流限制装置。
可对本公开的这些示例实施例进行变形和修改。
各种实施例的这些和其他特征、方面和优点将通过参考以下描述和所附权利要求而变得更好理解。并入说明书中且构成其一部分的附图示出了本公开的实施例，且与描述一起用于解释相关原理。
附图说明
针对本领域技术人员的实施例的详细讨论在说明书中阐述，其参考附图，在附图中：
图1描述了根据本文公开的示例实施例的示例风力涡轮的的透视图；
图2描述了根据本文公开的示例实施例的风力涡轮的示例机舱的内部视图；
图3描述了根据本文公开的示例实施例的示例桨距角度调整马达控制系统的概览图；
图4描述了根据本文公开的示例实施例的示例控制器的框图；
图5描述了根据本文公开的示例实施例的用于电容器组的示例预充电控制系统的概览图；
图6描述了根据本文公开的示例实施例的施加到电容器组的示例充电电流的绘图；且
图7描述了根据本文公开的示例实施例的对电容器组预充电的示例方法的流程图。
部件列表
10 风力涡轮
12 塔架
14 支撑表面
16 机舱
18 转子
20 毂
22 转子叶片
24 发电机
26 控制器
28 方向
30 偏航轴线(yaw axis)
32 调整马达
34 桨距轴线
36 偏航轴线
38 偏航驱动机构
40 转子轴
42 发电机轴
44 齿轮箱
46 座板
52 控制柜
100 系统
102 控制电路
104 电容器组
106 功率源
108 预充电电路
110 变换器电桥
112 旁通接触器
120 传感器
122 传感器
124 传感器
200 系统
212 处理器
214 存储器装置
244 传感器接口
247 通信接口
302 电流限制装置
304 功率开关
306 控制装置
308 功率供应源
310 独立开关
314 电容器组电压
316 充电电流
318 电流感测装置
320 微分运算放大器
322 电流感测装置
324 信号
326 回扫二极管(flyback diode)
402 充电期
404 放电期
406 调制期
500 方法
502 方法步骤
504 方法步骤
506 方法步骤
508 方法步骤
510 方法步骤
512 方法步骤。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例，其一个或更多个示例在附图中例示。各示例作为本发明的解释而非本发明的限制来提供。实际上，对本领域技术人员而言将是显而易见的是，在本文发明中可作出各种修改和变化而不偏离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可与另一实施例一起使用，以获得又一其他实施例。因此，预期本发明覆盖落入所附权利要求和它们的等同物的范围内的此种修改和变型。
本文公开的示例方面涉及对电容器组预充电的系统和方法。例如，功率开关和电流限制装置，如电感器装置，可联接在直流功率源和包括一个或更多个电容器装置的电容器组之间。该功率开关的操作可受控制，以限制流过该电流限制装置且进入该电容器组中的充电电流的峰值量大小。当该电容器组处的电压达到阈电压值水平时，该预充电过程可停止。以此方式，旁通接触器可定位成使得，当该旁通接触器闭合时，电流不流过该预充电电路(例如，该功率开关和该电流限定装置)。
更具体而言，该功率开关可为脉宽调制(PWM)控制功率开关，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、IGBT、一个或更多个接触器、功率继电器、或其他功率开关。该电流限定装置可为电感器装置。一个或更多个控制装置可至少部分地基于施加到该电感器的电流大小来驱动功率开关MOSFET的栅极。例如，在该功率开关是MOSFET的实施例中，该一个或更多个控制装置可至少部分地基于施加到该电感器的电流大小来驱动该MOSFET的栅极。电流感测装置，例如电阻、电流变压器、电流换能器、霍尔效应装置、或其他电流感测装置可串联地联接在MOSFET与电感器之间。该电流感测装置可构造成感测施加到电感器的电流，和提供表示去往栅极驱动控制装置的电流大小的信号。
如之前所指示的，该栅极驱动控制装置可构造成利用PWM技术来驱动MOSFET的栅极。以此方式，该栅极驱动控制装置可构造成至少部分地基于指示电流大小的信号来调整提供到MOSFET栅极的信号的占空比。如在本文中使用的，占空比是信号脉冲处于活动(例如，高的)状态的持续期间与信号的总调制期之间的比率。具体而言，对于信号脉冲的各调制期，该栅极驱动控制装置可构造成当所感测的电流达到电流阈值时驱动该信号脉冲处于低值，从而切断功率开关。在示例实施例中，该电流阈值可为大约0.7安培与大约1.5安培之间。如此处使用的，用语“大约”当与数值结合地使用时意图指在所声明的数值的30%以内。当该功率开关切断时，电流将不流入该电流限制装置中。以此方式，在紧后面的调制期的开始，该信号脉冲可被驱动处于高值，从而接通功率开关。随着功率开关接通，通过电流限制装置流到电容器组的电流将开始增大。当该电流再次达到该电流阈值时，该信号脉冲可被驱动处于低值，从而切断功率开关。
贯穿该预充电过程，电容器组处的电压将增大。可监测电容器组处的此种电压。该预充电过程可该电容器组处的电压达到电压阈值时停止。例如，该电压阈值可以是在DC输入电压的大约60%与大约95%之间。以此方式，当该电容器组处的测得电压达到该阈电压值时，旁通接触器可闭合，使得电流不流过电流限制装置。
现在参考附图，本公开的示例实施例将被更详细地讨论。例如，图1描绘风力涡轮10一个实施例的透视图。如图所示，该风力涡轮10大体上包括从支撑表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16、联接到机舱16的转子18。转子18包括可旋转的毂20和联接到毂20并从其向外延伸的至少一个转子叶片22。例如，在例示的实施例中，该转子18包括三个转子叶片22。然而，在备选实施例中，该转子18可包括多于或少于三个的叶片22。各转子叶片22可围绕毂20间隔，以促进使转子18旋转，以使动能从风转换为可用的机械能，且随后转换为电能。例如，毂20可以可旋转地联接到位于机舱16内的发电机，以允许产生电能。
该风力涡轮10也可包括涡轮控制系统，该涡轮控制系统包括机舱16内或与该风力涡轮10有关的其他地方的涡轮控制器26。通常，该涡轮控制器26可包含一个或更多个处理装置。因此，在若干实施例中，该涡轮控制器26可包括合适的计算机可读指令，计算机可读指令当被一个或更多个处理装置执行时配置控制器26，以执行各种功能，诸如接收、发送并且/或者执行风力涡轮控制信号。因此，该涡轮控制器26可大体上构造成控制各种操作模式(例如，起动或停机序列)和/或该风力涡轮10的构件。
例如，该控制器26可构造成控制转子叶片22中的各个的叶片桨距或桨距角度(例如，确定转子叶片22关于风方向28的投影的角度)，以通过调整至少一个转子叶片22相对于风的角度位置来控制该转子叶片22上的负载。例如，该涡轮控制器26可通过将合适的控制信号/命令发送到各种桨距驱动器或桨距调整机构(例如风力涡轮10的桨距调整马达32(图2))来个别地或同时地控制该转子叶片22的桨距角度。具体而言，该转子叶片22可以通过一个或更多个桨距轴承(未示出)可旋转地安装到毂20，使得桨距角度可通过利用桨距调整马达32围绕转子叶片22的桨距轴线34旋转转子叶片22来调整。
而且，在该风的方向28改变时，该涡轮控制器26可构造成围绕偏航轴线36控制机舱16的偏航方向，以关于风的方向28定位该转子叶片22，从而控制作用在风力涡轮10上的负载。例如，该涡轮控制器26可构造成将控制信号/命令发送到风力涡轮10的偏航驱动机构38(图2)，使得该机舱16可围绕该偏航轴线30旋转。
而且，该涡轮控制器26可构造成控制发电机24(图2)的转矩。例如，该涡轮控制器26可构造成将控制信号/命令发送到该发电机24，以调制在发电机24内产生的磁通量，从而调整发电机24上的转矩需求。此种发电机24的临时降低额定值可减少转子叶片22的旋转速度，从而减少作用在叶片22上的空气动力负载和各种其他风力涡轮10构件上的反作用负载。
图2描述了该风力涡轮10的机舱16的一个实施例的简化内部视图。如图所示，发电机24可配置在该机舱16内。大体上，该发电机24可联接到该风力涡轮10的转子18，以用于从由转子18生成的旋转能来生成电能。例如，转子18可包括主转子轴40，该主转子轴40联接到毂20以用于与其一起旋转。该发电机24可然后联接到该转子轴40，使得转子轴40的旋转驱动发电机24。例如，在所示的实施例中，该发电机24包括发电机轴42，该发电机轴42通过齿轮箱44而可旋转地联接到该转子轴40。然而，在其他实施例中，应该认识到，该发电机轴42可以直接可旋转地联接到转子轴40。备选地，该发电机24可直接可旋转地联接到转子轴40(常称为“直接驱动风力涡轮”)。
应该认识到，转子轴40可通常通过位于风力涡轮塔架12顶部的支撑框架或座板46而被支撑在该机舱内。例如，该转子轴40可通过安装到座板46的一对枕块而被座板46支撑。
另外，如本文中所指示的，该涡轮控制器26还可位于该风力涡轮10的机舱16内。例如，如例示的实施例中示出的，该涡轮控制器26配置在控制柜52内，该控制柜52安装于该机舱16的一部分。然而，在其他实施例中，该涡轮控制器26可配置在风力涡轮10上和/或内的任何其他合适的位置处或配置在远离风力涡轮10的其他合适位置处。而且，如在本文中所描述的，该涡轮控制器26也可通信地联接到风力涡轮10的各种构件，以用于常规地控制该风力涡轮和/或此种构件。例如，涡轮控制器26可通信地联接到风力涡轮10的偏航驱动机构38，以用于控制和/或改变机舱16相对于风的方向28(图1)的的偏航方向。类似地，该涡轮控制器26也可通信地联接到风力涡轮10的各桨距调整马达32(示出其中的一个)，以用于控制和/或改变该转子叶片22相对于风的方向28的桨距角度。例如，涡轮控制器26可构造成将控制信号/命令发送给各桨距调整马达32，使得此种桨距调整马达32的一个或更多个促动器(未示出)可用于相对于毂20旋转该叶片22。
图3描述了根据本公开的示例实施例的用于控制桨距调整马达32的示例系统100的概览图。如图所示，系统100可包括一个DC/DC转换器101。转换器101可包括控制电路102。控制电路102可包括计算机可读指令，该计算机可读指令当由一个或更多个处理器执行时导致一个或更多个过程实现各种控制例程，例如实现与系统100相关的电容器组104的预充电过程。在示例实施例中，控制电路102可对应于涡轮控制器26，或对应于分开的且不同的控制装置。
系统100还可包括DC输入源106，该DC输入源106构造成通过转换器101对桨距调整马达32提供DC电压。具体而言，源106可构造成将DC电压提供通过预充电电路108，且通过变换器电桥110到桨距调整马达32。如前所示，预充电电路108可构造成限制流到电容器组104的电流的大小。电容器组104可构造成减小操作时在桨距调整马达32处的直流电压脉动。如将在下文中更详细地描述的，预充电电路108可包括一个或更多个电流限制元件或装置，其构造成阻止通过预充电电路108的电流。预充电电路108还可包括一个或更多个控制装置，其构造成控制预充电电路108的操作。以此方式，该一个或更多个控制装置可以是与控制电路102分开且不同的装置，或可包含在控制电路102内或以其他方式与其相关。
转换器101可构造成在一个或更多个预充电期间将电流引导通过预充电电路108。以此方式，转换器101还可包括旁通接触器112，以当预充电过程完成时绕过预充电电路108转移电流。例如，控制电路102可构造成通过当电容器组104处的电压达到电压阈值时提供控制命令以闭合旁通接触器112来停止预充电过程，从而将电流改方向通过旁通接触器112。
图4描绘了根据本公开的示例方面的可包括在控制电路102和/或预充电电路108的一个或更多个控制装置中的适当构件的一个实施例的框图。如图所示，该控制电路102可包括一个或更多个处理器212和相关的存储器装置214，它们构造成执行各种计算机实现的功能(例如执行在本文中公开的方法、步骤、计算等)。
如在本文中使用的，用语“处理器”不仅指现有技术中指包含在计算机中的集成电路，也指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路、和其他可编程电路。另外，该存储器装置214可大体上包含存储器元件，包括但不限于计算机可读介质(例如随机存取存储器(RAM))，计算机可读非易失性介质(例如闪速存储器)、软盘、光碟只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字通用光盘(DVD)和/或其他合适的存储器元件。
此种存储器装置214可大体上构造成储存适合的计算机可读指令，该计算机可读指令当由处理器212实现时配置控制电路102，以执行各种功能，包括但不限于从一个或更多个传感器(例如，电流传感器、风速传感器、涡轮速度传感器)直接或间接地接收指示各种输入条件的信号、确定电容器组电压、控制电容器组的预充电过程、和/或各种其他适当的计算机实现的功能。
另外，控制电路102还可包括通信接口247，以促进控制电路102与风力涡轮10的各种组件之间的通信。接口可包括一个或更多个电路、端子、插脚、触头、导体、或用于发送和接收控制信号的其他构件。而且，控制电路102可包括传感器接口244(例如一个或更多个模数转换器)，以允许从传感器(例如，传感器120、122和124)传输的信号被转换成为可被处理器212理解和处理的信号。
图5描述了根据本文公开的示例实施例的用于控制用于叶片桨距驱动器中的电容器组的预充电电路的示例系统200的概览图。具体而言，系统200可至少部分地对应于图3的预充电电路108。如前文指出的，系统200可包括电流限制装置，诸如联接到功率开关304的电感器302。功率开关304可通过由控制装置306提供的脉宽调制(PWM)信号来驱动。控制装置306可包括各种适当的构件，诸如关于图4中的控制电路102描绘的构件中的一个或更多个。应认识到，功率开关304可利用各种其他适当的技术来驱动。系统200还可包括独立的DC/DC功率供应源308和/或转换器，其构造成接收来自DC输入源106的电压并生成用于控制装置306的独立的电压信号(例如IP15)。独立的开关310可联接在控制装置306与功率供应源308之间。开关310可以是光耦合器、光控继电器、或各种其他合适的独立开关。开关310能够在断开状态和闭合状态中选择性地操作，且可由根据本文公开的示例实施例的控制电路102控制或以其他方式驱动。
具体而言，控制电路102可构造成至少部分地基于电容器组电压314来控制开关310的状态。例如，电容器组104处的电压可被监测、感测，并且/或者以其他方式测量，且可对控制电路102提供指示电压的信号。当电容器组104处的电压314达到电压阈值时，控制电路102可构造成提供一个或更多个命令信号给开关310，该命令信号导致开关310在断开状态下操作，从而断开功率供应源308与控制装置306之间的电路。控制电路102可附加地构造成提供控制命令给旁通接触器112(如图3中所描述的)，以导致旁通接触器112在闭合状态下操作。
控制电路102还可构造成确定电容器组104的电容量。以此方式，控制电路还可接收指示施加到电容器组104的充电电流316的信号。在示例实施例中，该指示充电电流316的信号可以是施加到电容器组104的平均充电电流。如描述的那样，该施加到电容器组104的充电电流可利用电流感测装置318来感测。电流感测装置318可包括任何合适的电流感测装置，诸如电阻器、电流变压器、霍尔效应装置、电流换能器、或任何其他合适的电流感测装置。指示该充电电流的信号可被通过微分放大器(诸如微分运算放大器(op-amp)320)提供到控制电路102。以此方式，微分运算放大器320可构造成将由电流感测装置318提供的微分电压信号转换成单端信号316，并将单端信号316提供给控制电路102。控制电路102于是可至少部分地从平均电流信号316和/或电压314来确定电容器组104的电容量。
如前文所示，控制装置306可构造成限制在预充电期间流入电感器302中的电流的大小。以此方式，电流感测装置322可构造成监测、测量和/或感测流入电感器302中的电流，并对控制装置306提供指示该电流的信号324。在备选实施例中，信号324可被通过滤波器(例如RC滤波器)来发送，以降低与信号324相关的噪声的水平。控制装置306可生成脉冲列，并将该脉冲列提供至功率开关304，从而导致功率开关与该脉冲列一致地接通或关断。在示例实施例中，控制装置306可构造成至少部分地基于电流信号324来调整脉冲列的占空比。具体而言，控制装置306可构造成当电流信号324达到电流阈值时驱动该脉冲信号处于低值，从而导致功率开关304关断或以其他方式在断开状态中操作。在紧后面的调制期的开始，脉冲信号可被驱动处于高值，直到电流信号324再次达到该电流阈值。以此方式，对于由控制装置306生成的脉冲列的各调制期，功率开关304可接通，直到流过功率开关304的电流达到电流阈值。如将关于图6的在下文中更详细地描述的，在预充电电路的电流限制装置是电感器装置(例如电感器302)的实施例中，当功率开关304关断时，电流可从电感器302放出，从而导致施加到电容器组104的充电电流近似流过电感器302的平均电流。在此种实施例中，预充电电路还可包括联接在电感器302与地线之间的回扫二极管326。以此方式，回扫二极管326可用于当功率开关304关断时回扫充电电流。
图6描述了根据本公开的示例实施例的感应电流限制装置的示例电流信号324的绘图。具体而言，电流信号324可包括充电期402和放电期404。充电期402和放电期404可在例如由控制装置306生成的脉冲列的各调制期406期间至少部分地发生。应该认识到调制期406的持续时间可为任何合适的持续时间。在具体的实施中，该调制期406的持续时间可至少部分地基于该电感器302的电感值来选择。
如图所示，充电期402可发生在调制期406的初始部分期间。具体而言，充电期402可在功率开关304被接通时发生，从而导致电流流过电感器302。电感器302的感应特性可导致电感器302阻止电流的流动，从而导致通过电感器302的电流上升，因为电感器302储存能量。如前文指出的，当电流信号324达到电流阈值(例如1安培)时，控制装置306可导致功率开关304关断，从而切断去往电感器302的电流的流动。此种情况可导致电感器302在放电期404期间与电流信号324一致地放出电流。如图所示，电感器302可放出电流，直到信号324达到0安培。电流信号324于是可保持在0安培，直到下个调制期的开始当功率开关304接通且电感器302开始再次储存能量。以此方式，负载电流(例如施加到电容器组104的平均电流)可通常是阈值电流的大约一半。
然而应认识到，该电流信号324在调制期406结束前可能达不到0安培。在此种情况下，功率开关304可在根据本公开的示例实施例的下个调制期的开始仍接通。
图7描述了根据本公开的示例实施例的对电容器组预充电的示例方法500的流程图。该方法500可至少部分地利用一个或更多个控制装置(诸如图5中描述的控制器中的一个或更多个)来实现。另外，图7描述了为了例示和讨论而以特定顺序执行的步骤。通过利用在本文中提供的公开内容，本领域技术人员将理解，在本文中公开的任何方法的步骤可以各种方式修改、扩展、省略、重排、和/或修改，而不偏离本文公开的范围。
在502处，方法500可包括开始用于电容器组的预充电过程。该电容器组可包括串联和/或并联地联接的一个或更多个电容器装置。该电容器组可联接到功率开关和电流限制装置。具体而言，该功率开关和该电流限制装置可串联地联接在功率源与该电容器组之间。如前文所述的，该功率开关和该电流限制装置可构造成限制施加至该电容器组的电流的峰值量。
在504处，方法500可包括施加DC电压，以用于对电容器组预充电。该DC电压可由DC功率源供应，且可为任何合适的电压水平。
在506处，方法500可包括监测流入电流限制装置中的电流的大小。具体而言，在电流限制装置是电感器装置的实施例中，通过电感器装置的电流可至少在最初的时期中随着时间而增加。例如，该通过电感器的电流可随时间而线性地增加。此种电流可至少部分地利用电流感测装置来监测，例如电流感测电阻器或其他电流感测装置。具体而言，该电流感测装置可串联地联接在功率开关与电流限制装置之间。该电流感测装置可将指示施加到电流限制装置的电流的信号提供至一个或更多个控制装置，诸如图5的控制装置中的一个或更多个。
在508处，方法500可包括至少部分地基于监测的电流来选择性地控制功率开关的操作。具体而言，该功率开关可被控制成当该被监测的电流的大小达到电流阈值时关断。例如，该电流阈值可在大约0.7安培与1.5安培之间。在示例实施例中，该功率开关可利用PWM技术来驱动。以此方式，施加到该功率开关的PWM信号的占空比可在监测的电流达到电流阈值时被调整。
在510处，方法500可包括监测电容器组处的电压。例如，在电流施加到该电容器组时，电容器组处的电压可在预充电期间随时间而增大。此种电压可被监测，且指示该监测的电压的信号被提供给一个或更多个控制装置。
在512处，方法500可包括当该电压达到电压阈值时停止对电容器组预充电。在示例实施例中，该电压阈值可确定为在由DC源供应的DC电压的大约60%与95%之间。以此方式，当电容器组处的电压达到该电压阈值时，去往功率开关驱动器的功率可被切断。附加地或备选地，当电容器组处的电压达到电压阈值时，旁通接触器可闭合，以从预充电电路(例如功率开关和电流限制装置)转移电流。例如，该旁通接触器可与预充电电路并联地联接。以此方式，电流可通过旁通接触器流入该电容器组中。
尽管参考对用于风力涡轮系统中的电容器组预充电而讨论了本公开的示例方面，但应认识到，此种讨论仅用于例示目的。具体而言，通过利用在本文中公开的内容，本领域技术人员将理解，在本文中讨论的预充电技术可用于各种其他适当的应用中，而不偏离本公开的范围。例如，在本文中描述的预充电技术可用于电池电动车辆应用，电功率辅助系统、摩托车应用、和/或各种其他合适的应用中。
本书面说明利用示例来公开本发明，包括最佳实施方式，并且还使任何本领域技术人员能够实现本发明，包括制作和利用任何装置或系统和执行任何合并的方法。本发明的可获得专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于对电容器组预充电的系统，所述系统包括：
功率开关，其串联地联接到直流电输入源；
电流限制装置，其串联地联接在所述功率开关与电容器组之间，所述电容器组包括一个或更多个电容器装置；
第一控制装置，其构造成通过以下步骤来控制所述功率开关的操作：
接收指示与所述电容器组相关的充电电流的一个或更多个信号；且
至少部分地基于所述充电电流来控制所述功率开关的操作；
第二控制装置，其构造成确定所述电容器组处的电容器组电压和至少部分地基于所确定的电容器组电压来控制所述第一控制装置的操作；
其中，所述第二控制装置还构造成至少部分地基于施加到所述电容器组的平均充电电流来确定所述电容器组的电容量。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述功率开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电流限制装置包括电感器装置。
4.根据权利要求3所述的系统，还包括回扫二极管，所述回扫二极管联接在所述功率开关与地线之间。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一控制装置是脉宽调制控制器，且其中，至少部分地基于所述充电电流来控制所述功率开关的操作包括：
将所接收的指示所述充电电流的一个或更多个信号与阈电流值比较；和
当指示所述充电电流的所述信号达到所述阈电流值时关断所述功率开关。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括DC/DC转换器，所述DC/DC转换器构造成对所述第一控制装置提供功率输入。
7.根据权利要求6所述的系统，还包括独立开关，所述独立开关联接在所述DC/DC转换器与所述第一控制装置之间，且其中，所述第二控制装置通过对所述独立开关提供一个或更多个控制命令来控制所述第一控制装置的操作。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二控制装置还构造成至少部分地基于所述平均充电电流和所述电容器组处的确定的电压来确定所述电容器组的电容量。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述平均充电电流利用联接到微分运算放大器的电流感测元件来确定。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二控制装置构造成通过以下步骤至少部分地基于所确定的电容器组电压来控制所述第一控制装置的操作：
将所确定的电容器组电压与阈电压值比较；和
当所确定的电容器组电压达到所述阈电压值时，停止所述第一控制装置的操作。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述阈电压值是由所述直流电输入源提供的电压量的一部分。
12.根据权利要求10所述的系统，还包括旁通接触器，所述旁通接触器与所述功率开关和电流限制装置并联地联接，使得当所述旁通接触器处于闭合状态时，来自所述直流电输入源的电流被引导通过所述旁通接触器。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述第二控制装置还构造成控制所述旁通接触器的操作，使得当所述电容器组电压达到所述阈电压值时，所述旁通接触器在闭合状态中操作。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，指示所述充电电流的所述一个或更多个信号利用电流感测元件来确定。
15.一种对包括一个或更多个电容器装置的电容器组预充电的控制方法，所述电容器组与功率开关和电流限制装置串联地联接，所述电流限制装置在功率源与所述电容器组之间，所述方法包括：
通过所述功率源施加直流电输入以用于对所述电容器组预充电；
通过第一控制装置监测流入所述电流限制装置中的直流电的大小；
通过所述第一控制装置选择性地控制所述功率开关的操作，使得当直流电的大小达到阈电流值时，关断所述功率开关；
通过第二控制装置监测所述电容器组处的电压；
至少部分地基于所述电容器组处的电压，通过所述第二控制装置控制所述第一控制装置的操作；和
当所述电容器组处的电压达到阈电压值时，停止对所述电容器组预充电，使得绕过所述电流限制装置；
其中，所述第二控制装置还构造成至少部分地基于施加到所述电容器组的平均充电电流来确定所述电容器组的电容量。
16.根据权利要求15所述的控制方法，其中，选择性地控制所述功率开关的操作，使得当直流电的大小达到阈电流值时，关断所述功率开关包括：当所述直流电的大小达到所述阈电流值时，调整与所述功率开关相关的脉冲列的占空比。
17.根据权利要求15所述的控制方法，其中，停止对所述电容器组预充电包括对旁通接触器提供一个或更多个控制命令，从而导致所述旁通接触器在闭合状态中操作。
18.一种风力涡轮系统，其包括：
转子；
定子；
桨距角度调整马达，其构造成控制与所述风力涡轮系统相关的一个或更多个转子叶片的桨距角度；和
一个或更多个控制装置，其构造成通过以下步骤来对与所述桨距角度调整马达相关的电容器组预充电，其中，所述一个或更多个控制装置包括第一控制装置和第二控制装置：
开始用于所述电容器组的预充电过程；
通过所述第一控制装置监测流入电流限制装置中的直流电的大小，所述电流限制装置串联地联接在所述电容器组与功率源之间；
通过所述第一控制装置选择性地控制功率开关的操作，使得当直流电的大小达到阈电流值时，关断所述功率开关，从而减小施加到所述电流限制装置的电流的量；
通过所述第二控制装置监测所述电容器组处的电压；
至少部分地基于所述电容器组处的电压，通过所述第二控制装置控制所述第一控制装置的操作；和
当所述电容器组处的电压达到阈电压值时，停止所述预充电过程；
其中，所述第二控制装置还构造成至少部分地基于施加到所述电容器组的平均充电电流来确定所述电容器组的电容量。
19.根据权利要求18所述的风力涡轮系统，其中，选择性地控制所述功率开关的操作，使得当直流电的大小达到阈电流值时，关断所述功率开关包括：当直流电的大小达到所述阈电流值时调整脉冲列的占空比。
20.根据权利要求18所述的风力涡轮系统，其中，停止所述预充电过程包括对与所述电流限制装置并联地联接的旁通接触器提供一个或更多个控制命令，从而导致所述旁通接触器在闭合状态中操作，使得绕过所述电流限制装置。
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