CN1163505A - 用于控制功率变换器及功率变换系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是当分布地安装多个变换器时打算抑制流出到电源线的谐波。为此目的，在通过包含与命令值和谐波分量相对应的基波分量的分离的PWM信号用来控制与该电源线相连接的多个功率变换器的功率变换器的控制方法中，该电源线的一个源电压相位被检测，包含在PWM信号中的谐波分量与所检测的源电压相位同步，并且使包含在PWM信号中的谐波分量的相位互不相同。

Description

用于控制功率变换器及功率变换系统的方法

在一个例如钢生产(过程)流水线的工厂，可以同时使用多个功率变换器。在这种情况下，通过各自的(交流变直流)功率变换器(在下文称作变换器)将交流功率(线路功率)一次变换为直流功率，并且反相器的负载通过使用直流功率来驱动。每个变换器单独地被控制，并且每个变换器将进行直流装置的控制和输入电流的控制。当该变换器由PWM控制(脉冲宽度调制控制)所驱动时，则谐波电流流向该线路。根据现有技术抑制该谐波电流，引述如下：

(1)变换器电压同步脉冲宽度调制(PWM)是通过使用与变换器输入电压(用于该变换器的输入电压命令值)同步的三角形的载波来进行的，以便为减少该谐波而去控制各自变换器。

(2)源电压同步脉冲宽度调制(PWM)是通过使用与该电源同步的三角形的载波而进行的，以便驱动各自的变换器，并为减少这些谐波而改变各自三角形的载波的相位。

(3)为减少这些谐波附加了一个谐波滤除器。

该变换器同步PWM是一个适合于抑制在具有低载频的功率变换器中的谐波的PWM系统。因为包含其相位的三角形载波与该变换器的输入电压命令同步，所以所生成的谐波的蕴含因子(inclusion factor)可以保持在大致恒定的低量级。但在实际使用中，会遇到下述问题。

为了获得变换器电压同步PWM，就需要像PLL(锁相环)那样的电路。此外，由于依据负载条件而定，给该变换器的输入电压变化很大，因此，在采用PLL以便起动同步之前存在一个延时，而且，当多个变换器具有独立的负载时，依据各自变换器的工作状态而定，所产生的谐波相位(对该线路功率的相位)将发生变化，这样使得在接收端的谐波可以彼此抵消或重叠，并依据各自的负载条件而增加，从而，该谐波内容将发生很大的变化。因此，难以掌握将要生成的谐波，并且在接收端难以抑制该谐波。

该功率同步PWM从该电源产生一个同步信号，并一个公共的同步信号发送到各自的变换器以便进行PWM控制。在这种情况下，由于包含该相位的三角形载波与线路功率同步，因此，接收端的谐波可以通过改变各自的三角形载波的相位(对该线路功率)而被抑制。特别地，抑制靠近该载频f_c的偶次倍频谐波(2f_c，4f_c，…)的谐波是有效的。但是，当给该变换器的输入电压的相位发生变化时(当该变换器的负载发生变化时)，该谐波内容将变化很大。(在这种情况下，不是该谐波的相位而是幅度变化)。因此，该谐波生成的数量的变化取决于该变换器的负载条件。这一趋势在具有低载频的大功率装置中特别地显著。

该源电压同步PWM将一个公共同步信号施加给多个变换器，并改变各自三角形载波的相位，这样就需要一个用于协同操作的同步信号。如在JP-A-6351106中所披露的那样，当多个变换器被连接到一个变压器时，该公共同步信号可能容易获得，但当几个变换器像在滚轧厂中那样被分布地安装，则难以获得协同操作。

当大的电源滤波器被连接到各自的变换器时，将导致该装置尺寸增大以及输出功率减小。在大功率变换器中，由于所产生的谐波频率低，因此，在设计一个滤波器时必须充分注意反谐波振，而该滤波器设计本身是很难获得的。

本发明的一个目的是提供一种用于功率变换器和功率变换系统的控制方法，当多个变换器分布式地被安装时，该控制方法允许抑制流到电源线的谐波。

以上目的通过检测每个变换器的电源线的源电压相位、使包含在PWM信号中的谐波分量与被检测的源电压相位同步以及使该谐波分量的相位彼此具有不同值而达到。

此外，以上目的也可以通过检测每个变换器的电源线的源电压相位，在该检测值基础上与该源电压相位同步、生成具有不同相位组的三角形载波，以及通过使用三角形载波控制变换器的PWM来达到。

因此，流出的谐波可以减小。由于在变换器之间不需要产生协同操作的信号以及不要求用于谐波的滤波器，因此，可以实现装置尺寸的减小和容量的增加。

本发明的另一目的是提供功率变换器和功变换系统的控制方法，该方法允许将谐波减小到一个预定的级别或更低的级别。

上述目的通过在命令值的基础上，估算在从正峰值到负峰值的一个周期内和在从该负峰值在该正峰值的周期内的命令值的平均值(这些周期是三角形载波的半周期)以及通过使用被估算的值补偿该命令值来达到。

在这种情况下，由于通过电压命令补偿该谐波的幅度保持基本恒定，因此减少对负载条件的依赖性，并使该谐波可以减小到该预定的程度或更低的程度。

本发明的再一个目的是提供功率变换器和功率变换系统的控制方法，该方法能将流到该电源线的谐波尽量减少。

上述目的通过检测至各自功率变换器的输入电流，在被检测的输入电流值的基础上确定三角形载波的载波相位的设定以及根据该载波相位设定和源电压相位输出与该源电压相位同步的三角形载波来达到。

在这种情况下，在变换器之间的动态协同操作被获得以便尽量减少流向电源线的谐波。

图1表示一种根据本发明的一个实施例的功率变换系统的配置。

图2表示一种当在本发明中提供二个变换器时的配置。

图3表示一个说明源电压、变换器输入电压和三角形载波之间的关系的曲线图。

图4表示一个说明该变换器输入电压的矢量图。

图5表示一种根据本发明的另一实施例的功率变换系统的配置图。

图6A表示现有技术系统中的命令值和三角形载波之间的关系。

图6B表示在图5的实施例中的命令值和三角形载波之间的关系。

图7表示在本发明和现有技术中谐波产生的数量的比较。

图8表示一种根据本发明的另一实施例的功率变换系统的配置。

图9表示在图8的实施例中一种谐波抑制装置的操作的算法。

图10表示变换器的负载条件和第17谐波产生的数量。

图11表示变换器的负载条件和第5谐波产生的数量。

现在参照附图说明本发明的实施例。

图1表示一种根据本发明的一个实施例的功率变换系统的配置。在图1中，数码1代表电源线，数码2代表本系统的接收端，数码3代表一组功率变换器，数码4代表应用变换器输入电压命令的命令值发生器，数码52代表产生三角形载波的三角形载波发生器，数码51代表用来将命令发生器4的输出与三角形载波进行比较的比较器(PWM控制装置)，数码6代表设定三角形载波的相位的载波相位调节器，数码7代表包含变换器71和变压器72的变换装置，数码8代表用来检测源电压相位Q_e的源电压相位检测器，数码9代表用来根据源电压相位Q_e和载波设定φ_s1～φ_sn计算三角形载波的相位Q_s的相位命令发生器，以及数码10代表一个反相器或诸如交流电动机的变换器的负载设备。

现在来说明图1的工作。

命令值发生器4计算并输出电压命令以便给负载设备10供给必要的功率，并使变换器71的功率因数一致。另一方面，源电压相位Q_e通过源电压相位检测器8被检测并在相位命令发生器9中三角形载波与源电压相位Q_e同步，源电压供电相位Q_e和φ_S1～φ_sn(此处n为变换器71的组的序号)是载波相位调节器6的输出，它们分别被附加以便计算和输出三角形载波的相位Q_s。此处，源电压相位Q_e可以通过电源线直接检测。该载波相位设定值φ_S1～φ_sn由180°/n来确定。例如，当提供两组变换器71时，它们为0°和90°，而当提供四组时，它们为0°，45°，90°和135°。三角形载波发生器52根据相位命令Q_s输出三角形载波。比较器51将命令值发生器4的输出信号与三角形载波发生器52的三角形载波进行比较以便产生PWM脉冲。变换器71的开关设备将根据PWM脉冲进行转换。PWM脉冲包含与命令值和谐波相对应的基波分量，并且每个谐波相位从每个功率变换器3的相位移位360°/n。

因此，在本实施例中，在每个功率变换器3中提供检测源电压相位的功能，在每个功率变换器3中获得同步PWM，并且三角形载波相位对功率相位被设定。

由于从开关设备的特性的立场出发在大容量功率变换器中难以增加开关频率，因此，通过使用低频。在这种情况下，同步的PWM控制将用来避免差拍现象。

同步的PWM术语具有以下二种意义。在第一种情况下，当基频f₁(该变换器的电源线频率)与三角形载波频率f_s的比率N(＝f_s/f₁)为整数(当使用三相交流时，N为三和奇数的倍数)时，它叫做同步PWM，而在第二种情况下，当除上述条件外三角形载波的相位和基波的相位完全匹配时，它叫做同步PWM。对于前面的条件的同步PWM，该基波和三角形载波将以某个相位差工作，而对于后面的条件的同步PWM，该相位差保持为0。在本实施例中，前者被定义为同步PWM。

根据同步PWM是否与源电压或变换器输入电压(由命令值发生器4输出的电压)是否同步，它被分类为源电压同步PWM或变换器电压同步PWM。

参照图2～4，将说明在本实施例的接收端2减小谐波的原理。在图2中，二组变换器被连接到电源线1。对于变换器1，变换器输入电压V_c对源电压E的相位是通过变压器72的漏电感而被相移的。假设V_c对E的相位差为φ₁，则波形E和V_C之间的关系示于图3(a)中。该关系的矢量表示于图4中。正如从图4中所看到的那样，当输入电流i增加时，输入ACL(交流电抗器)电压V_L将增加，并且相位差φ₁将增加。因此，为使输入功率因数保持一致(为使E和i同相)必须根据输入电流i的大小来改变φ₁和V_C。就是说，V_C和三角形载波之间的相位也将同步地改变。对于变换器2同样是正确的。

如图3(b)和(c)所示，当通过变换器1和2的载波相位调节器6将三角形载波对E的相位设定为0°和90°时，所产生的谐波的相位(特别是在偶数倍数的载频附近的分量的相位)基本上不取决φ₁的变化。在这种情况下，该谐波的相位彼此相反，并且当使用两组变换器时，相应的谐波彼此抵消，这样使得在接收端2的谐波减少。

在本实施例中，当变换器按照源电压同步PWM方式工作时，则在每个变换器中提供了源电压相位检测器8和相位命令发生器9，并且每个变换器被提供与电源线1的源电压相位同步的功能，而电源线1和三角形载波的相位通过在每个变换器中的载波相位调定器开始设定。即通过将载波相位对电源线1进行不同的设定，当使用多组变换器时，在接收端2的谐波将会减少。

顺便说及，由于命令值(输入电压V_C的命令值)和三角形载波是以变换器电压同步PWM方法进行同步的。因此，每个变换器的谐波可能始终被抑制到预定的电平或更低的电平。但是，由于依靠负载条件(输入电流)V_C变化很大(特别是相位φ₁变化大)，因此，必须对此变化产生同步。在输入电流变化大的系统中，在同步开始之前包括一个延迟，并且在该周期期间，将产生各种频率分量的谐波，尽管它们是瞬变状态。当变换器被用作单个装置时，谐波发生量是恒定的，而当多组变换器单独地被驱动时，在接收端的谐波将取决于相应的变换器的相位方面的变化，并且它们可能被抵消掉或被加强。结果，难以将谐波抑制到预定的或更低的电平。

在JP-A-6-351106文献中举出一种现有技术作为参考，一个同步信号从电源中产生，它通常被加到多个变换器中，并且各自的三角形载波被移相以便抑制接收端的谐波。在本发明的功能变换系统中，每个变换器被提供有源电压相位检测器8和相位命令发生器9，并且每个变换器具有与该源电压同步的功能。因此，在变换器之间不必供给该同步信号，并且一旦通过在每个变换器中的载波相位调定器6开始设定源电压和三角形载波的相位角，则在接收端的谐波可以减少。因此，对于分布地安装了相应的变换器的系统，各自变换器的独立性将增强并且作用变大。

此外，根据本实施例，由于不必连接滤波器用来抑制谐波，因此，该装置的尺寸可以缩小。而且，由于变换器的载频可以设定得较低，因此，开关损耗被减小，并且可以增大该装置的容量。

图5表示本发明的另一个实施例。在本实施例中，一个命令值补偿设备11被附加到图1的系统，参照图6A和6B，将说明该命令值补偿设备11的工作。

在图6A中示出一种现有技术PWM系统。在该现有技术PWM系统中，命令值V(t)^*与三角形载波et(t)相比较以便产生一个PWM脉冲。在该三角形波比较方法中，通过使用在每个锯齿形载波的半周期中的三角波，该命令值的瞬时值(高度)被采样(在图6A和6B中的某点P)，并将命令值的高度转换为一个脉冲宽度。但是，如图6A所示，当载频较低(低到该命令值的频率的十分之一)时，该采样点并不始终代表周期Δt。即使用PWM增加了差误。结果，所产生的谐波发生很大变化，这取决于该命令值V(t)^*和三角形载波et(t)的相位状态

因此，当载频低并且在图1的系统中的相应的变换器独立地工作时，由相应的变换器所产生的谐波数量各不相同以及在接收端的谐波抵消数量发生变化，从而依靠条件该谐波的抑制效应可能被减弱。

为解决以上的问题，在本实施例中，增加了命令值补偿设备11。如图11所示，该命令值补偿设备11将使用每个周期Δt平均该命令值V(t)，并产生平均值作为新的命令值V(t)并将它与三角形载波et(t)相比较。该命令值的平均值V(t)通过使用原始命令值V(t)^*的瞬时值进行估算。结果，通过三角载波et(t)和命令值V(t)^*之间的相位差减少了谐波数量的变化，并且由每个变换器71所产生的谐波被抵消到与该条件无关的大致相同的程度。

图7表示在三角形载波et(t)对命令值V(t)^*的相位角φ1发生变化时(对于单组变换器，N＝9)用于改变谐波电流Ih(所有谐波分量的有效值)的模拟结果。如图7中的虚线所示，在没有命令值补偿(现有技术系统)时，可见在最坏的情况下谐波增加1.5倍之多。但是，如图7中的实线所示，通过增加命令值补偿，可知谐波对φ_s的依赖性将基本消失。

在本实施例中，由于通过电压命令补偿，谐波幅度基本上保持恒定，谐波对负载条件的依赖性减小。此外，即使载频低，由于所产生的谐波数量可以被抑制到大致恒定的程度，因此，即使相应的变换器独立地被驱动，在接收端2的谐波也可以被抑制到基本恒定或更低的程度。

图8表示本发明的另外实施例。在图1和5的实施例中，相应的变换器71独立地被驱动，并且在接收端2的谐波是通过最初设定该载波相位设定φ_s被抑制。但是，当特定的谐波将被抑制或者该谐波将要被进一步抑制到某一限度时，图8的实施例是很有效的。

在本实施例中，根据每个变换器的负载条件，三角形载波的相位设定φ_s被实时地改变以便在变换器之间进行协同操作。在图8中，数码12代表在每个变换器中的用来检测输入电流i1，i1，i3，…，的电流检测器，而数码13代表用于读取每个变换器的输入电流并将适当的载波相位设定φ_s(φ_s1，φ_s2，φ_s3，…，φ_sn)加到每个载波相位调定器6以便抑制在接收端2的谐波的电流检测器。

图9表示谐波抑制设备3的一种操作算法，首先，读取相应的变换器的输入电流i1～in，然后根据该电流值，计算相应的变换器的工作条件X(X1-Xn)。如图4所示，X＝tanφ₁并可以由X＝ωLi/E来确定。即一旦知道输入电流i，就可以从电源电压E和电感L计算X。当X为正时，它表示一种将功率供给负载(功率运行)的状态，当X为负时，它表示一种再生状态，而当X为零时，它表示一种无负载条件。然后将载波相位设定φ_s1～φ_sn暂时设定为适当的值。例如，将多个变换器的一半设定为0°，而另一半设定为90°。然后，由相应的变换器所产生的谐波根据载波相位设定和X₁～X_n进行估算。谐波Hn表示对变换器的直流电压的谐波产生比率，并与由该变换器所产生的电流谐波相对应。图10和图11分别表示第17和第Sine(正弦)分量Hn的值。如图中所示，Hn是以前被计算作为φ_s和X的函数，并存储在一个表中。在接收端2的谐波是相应的变换器的Hn的总和。值X通过该变换器的工作条件被确定，而值φ_s可以任意地确定，这样使得谐波(Hn的总和)总量通过使用φ_s可以尽量减少。即如图9所示，Hn(在接收端的谐波)的总和在φ_s被设定之后进行计算，所产生的谐波量被计算，并且如果该值不满意，就再次设定φ_s，并计算Hn的总和，这一操作反复进行以便确定Hn的最小值点。与这样确定的最小值点相对应的载波相位设定φ_s1～φ_sn被加到相应的载波相位调定器6。

当变换器的数目小时，φ_s可以不进行上述相应的计算被设定。下面将说明φ_s的一种特殊的设定方法。

假定如图2所示提供两个变换器，并且准备抑制第17谐波(图10)。假定变换器1被设定为φ_s1＝90°，并且在X＝0.1处被驱动，而变换器2在X＝-0.1处被驱动。为了抵消在接收端2由变换器1和2所产生的谐波，最好使两个谐波的极性相反而其绝对值彼此接近。在图10中，不是B而是C等于A的大小，这样使得φ_s2为180°而不是0°时第17谐波更多地被抑制。因此，在这种条件下，谐波抑制设备13将φ_s1＝90°和φ_s2＝180°的载波相位设定加到载波相同调定器6。因此，谐波分量被减到最少。

然后假定变换器1，变化到X＝-0.1时，而变换器2仍然在X＝-0.1处。(所产生的谐波数量变化到A¹)。由于现在B接近A的大小，当φ_s2＝0°时，该分量谐波更多的地抑制。因此，φ_s2＝0°时的命令值被输出到变换器2。这样，谐波分量被减少到最少。

通过适当地转换φ_s，在接收端2的特定谐波可以被抑制，并且该谐波可以被抑制到该限度。这一方法并不限于第17谐波，而同样可以适用于在图11中所示的第5谐波和其它谐波分量。该抑制特定谐波分量的能力当滤波器准备插在接收端2时能防止反谐振。此外，预先计算在接收端2的谐波发生数量的变化并应用将该总量减到最少的载波相位是可能的。

Claims (10)

1.一种用来通过包含与命令值和谐波分量相对应的基波分量的分离的PWM信号控制与电源线相连接的多个功率变换器的功率变换器的控制方法，其特征在于：所述电源线的电源电压相位被检测，所述谐波分量基本上与所检测的电源电压相位同步，并且使谐波分量的相位彼此不相同。

2.根据权利要求1的功率变换器的控制方法，其特征在于，当所述功率变换器的组数目为n时，该特定的谐波分量相位相互相移360°/n。

3.根据权利要求1的功率变换器的控制方法，其特征在于，所述PWM信号根据命令值和三角形载波被获取，在从相应于所述三角形载波的半个周期的正峰值到负峰值的一个周期内和从相应于所述半个周期的从该负峰值到该正峰值的一个周期的命令值的平均值在所述命令值基础上被估算，而所述命令值通过使用被估算的值进行补偿。

4.根据权利要求1的功率变换器的控制方法，其特征在于，至所述相应的功率变换器的输入电流被检测，并在所检测的输入电流值的基础上确定所述谐波分量的相位。

5.根据权利要求3的功率变换器的控制方法，其特征在于，至所述相应的功率变换器的输入电流被检测，并根据所检测的输入电流值确定所述谐波分量的相位。

6.一种功率变换系统，具有一个在电源线上的接收端和多个与所述接收端相连接的功率变换器，每个所述功率变换器包含一个用于产生三角形载波的三角形载波发生器以及用于输出根据命令值和三角形载波所产生的PWM信号并控制所述功率变换器的一个PWM控制单元，该功率变换系统的特征在于，在每个所述的功率变换器中提供了一个用于检测所述电源线的电源电压相位的检测器和一个用于输出与通过所述检测器所检测的电源电压相位同步的三角形载波的三角形载波发生器，以及在所述功率变换器中所提供的该三角形载波发生器输出相位互不同的三角形载波。

7.根据权利要求6的功率变换系统其特征在于，当所述功率变换器的组数目为n时，相应的三角形载波发生器将输出具有其相位相互移位180°/n的三角形载波。

8.根据权利要求6的功率变换系统其特征在于，该系统提供了一个命令值补偿设备，该设备用于根据所述命令值估算在相应于所述锯齿载波的半个周期的一个正峰值顶端到一个负峰值的一个周期内和在相应于所述半个周期的从该负峰到该正峰值的周期内的命令值的平均值，并通过使用被估算的值补偿该命令值。

9.根据权利要求6的功率变换系统其特征在于，在每个所述功率变换器中提供一个输入电流检测器，用于检测至该功率变换器的输入电流，提供了一种用于从所述输入电流检测器输入被检测的输入电流值，并在所检测的输入电流值基础上为每个三角形载波发生器确定不同的载波相位设定，以及在所检测的电源电压相位和截波相位设定，以及在所检测的电源电压相位的载波相位设定的基础上所述三角形载波发生器输出与该电源电压相位同步的三角形载波。

10.根据权利要求8的功率变换系统其特征在于，在每个所述功率变换器中提供了一个输入电流检测器，用于检测给该功率变换器的输入电流，提供了一种用于从所述输入电流检测器输入电流值为每个三角形载波发生器确定不同的载波相位设定，以及在所检测的电源电压相位和载波相位设定的基础上所述三角形载波发生器输出与该电源电压相位同步的三角形载波。

Images