TWI499157B - 用於在市電併聯型系統中適應性產生及控制任意週期波形之方法與電力轉換系統 - Google Patents

Description

用於在市電併聯型系統中適應性產生及控制任意週期波形之方法與電力轉換系統

本發明之實施例係關於電波形之產生及控制，更特定言之，係關於利用結合硬體波形產生器及控制器之軟體處理之任意電波形之適應性產生及控制，以及甚至更特定言之，係關於其在電氣市電併聯型電力轉換中之用途。

本申請案主張2008年9月26日申請之美國臨時申請案第61/100,628號及2009年2月19日申請之美國臨時申請案第61/153,940號之優先順序之權利。

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一波形之諧波失真之特徵在於在該波形內存在不想要的頻率，該等頻率是該基本頻率(稱為該基本頻率之「諧波」)之整數倍。利用傅立葉(Fourier)分析，所有交流波形之特徵可為該基本正弦波頻率與其諧波之一總和。用於轉移能量之一理想波形為純正弦波。因此，該所需理想電力信號波形在無諧波失真的情況下為具有一基本頻率50/60赫茲(Hertz)(取決於該國家)的純正弦波。

在一電力市電中，不想要的諧波失真可導致感應電動機、變壓器、電容器加熱並且可使中性電力線超載。需要一準確電壓波形之設備，如矽控整流器(SCR)也受到諧波失真之影響(例如，過熱)。

在多相位系統中，由於單相位失真負載之諧波可傳播到其他(例如，三個)相位，該等相位給予中性電流(即，在該中性線上之電流)一比該主動線電流更高的值。當諧波不存在時，該中性線通常僅承載一小電流。當單相位負載引入諧波時，增加了使該中性線超載之風險。使該中性線超載增加了過熱風險及火災風險，並且可導致接地問題。

在一電力市電系統中之諧波影響變電站變壓器及功率因數校正電容器。變壓器受到一失真電流波形影響，其中它們產生過多的熱，從而縮短了它們的壽命。電容器受到該電壓波形影響，它們產生過多的熱，從而帶來爆炸的風險。

諧波失真在該電源及該負載兩者中都是有問題的並且需要認真管理。電氣系統(如併聯於該電力市電之光電轉換器)在美國必須符合該UL 1741互連標準。該標準要求該等諧波電壓之總均方根不得超過該基本均方根輸出額定電壓的百分之三十(版本45.4.1)。任何單一諧波不得超過該基本均方根輸出的百分之十五。此等量測必須以該轉換器將其額定輸出百分之百傳輸至一電阻性負載而完成。

DC至AC電力轉換器(其通常出現在光電或風能發電系統中)利用一脈寬調變器(PWM)以產生正弦波。雖然這產生一相對純正弦波，但是諧波含量依然存在並且實際上可能由該轉換器中之其他硬體引入。轉換器電力輸出不能利用減少該等諧波而實現最大性能。另外，該等諧波可能需要被控制及/或減少以符合連接至該電力市電之設備的互連標準。濾波器通常被用在利用一PWM之轉換器供應中以消除諧波失真。此等明顯增加了成本及電力轉移效率。對於該等濾波器之一替代為藉由產生一反向諧波信號並將它施加至該PWM以消除該失真而補償偵測之諧波。該方法需要大量軟體處理或額外昂貴的硬體。在這些傳統系統中，由於諧波需要控制之次數增加，所以設備之成本上升。為了降低成本及複雜性，通常忽略某些諧波，這違背了所需效果。

在市電電壓與電流之間之該相移在「無效功率」之轉移中對該市電有著重要作用。當該等相移發生時，該等傳輸線作為電感性負載，其沿著該線減少該電壓。對該等傳輸線之該影響導致電力管制及電力中斷。電力部門最關注的是在該市電上之任何地方將該相移減少至某一程度。通常做法是將該相移保持在大約0.90或0.95功率因數以防止發生共振現象。雖然相移由電感性負載引入，但是通常由許多英里以外的大型發電機供應。該相移可更局部地由靜態電容補償器消除，但這是昂貴的。

以下描述包含圖式之討論，該等圖式具有以本發明之實施例之實施之實例的方式給定的說明。應以實例的方式而不是以限制的方式理解該等圖。如此處所使用，參考一或多個「實施例」應理解為描述包含在本發明之至少一實施中之一特定特徵、結構或特性。因此，此處所出現之片語(如，「在一實施例中」或「在一替代性實施例中」)描述本發明之不同實施例及實施，以及並不一定全部參考同一實施例。然而，它們也未必是相互排斥的。

以下為某些細節及實施之描述，其包含該等圖之一描述，該等圖可描繪以下所述之該等實施例之一些或全部，並討論此處所提出之該創造性概念之其他可能實施例或實施。以下提供本發明之實施例之一概述，接著為參考該等圖之一更詳細描述。

如此處所述，基於一理想輸出而產生一輸出，該理想輸出為一給定輸入信號提供一輸出信號之諧波失真控制。在一實施例中，結合硬體波形產生及控制之軟體處理確保一輸出波形之形狀、比例及定時。該輸出波形係基於輸入同步資訊(包含但不限於定時、相位及/或頻率資訊)、該實際輸出波形之暫態形式及一由表列資料表示之參考「理想」波形。經由量測該實際輸出並將校正提供給該等控制/產生機構，一系統收斂於一任意輸出波形給定之特定輸入資訊，其與定時、相位及其他頻率特性、該實際輸出波形及一表示一理想目標波形之特定表有關。該系統可被用於產生任何具有不需要之低諧波失真的任意輸出電波形，以及一與表示一理想波形之參考表列資料有關的任意相位。因此，該輸出信號之諧波失真及相位都可被控制。

如此處所述，不是處理離該負載幾英里以外之該「無效功率」問題，而是可局部地產生該無效功率，產生一種處理當前在市電併聯型系統中存在之該「無效功率」問題之更具成本效益的方法。在一實施例中，一市電併聯型電力轉換系統按需要動態提供有效及無效功率之一混合，其節省成本並且提供一更穩定的電力市電。在一實施例中，一電力轉換系統動態改變在其輸出電流(局部地)及該市電電壓之間的相移，以按需要提供有效及無效功率之一混合。

對與一目標週期波形有關之一輸出波形之局部地產生無效功率及相移的參考可被理解為實現一類似目的。在一實施例中，功率因數藉由在面向一市電時控制該輸出波形之該相移而在一負載被局部地控制。因此，在該負載看來，功率因數可藉由將該輸出波形相移與該負載之波形相移匹配而被保持在或非常接近「1」。因此，該輸出波形及負載相對於該市電可能為在一負載局部地有效「產生無效功率」之異相。可藉由將該輸出波形與該理想所需輸出波形匹配而不是試圖過濾或將該輸出與該市電及/或該負載匹配而控制該相位。

一控制方法(例如，經由一微處理器之軟體方法或控制器之其他形式實施)接收關於一目標或同步信號之特定所需週期定時、相位或其他頻率資訊之資訊。該控制方法還取樣該產生之輸出波形之該暫態幅度。該頻率資訊及該暫態幅度可取決於負載特性。該控制方法將該接收資料與一參考數位化理想波形(例如，一以表列形式儲存之參考波形)之設定點逐點比較並逐點計算錯誤資料。在一實施例中，並行執行該比較及計算。該理想波形可被精確地同步於該目標或同步信號，或它可具有一固定相位偏移。在應用一相位偏移的情況下，可動態硬編碼或改變該相位偏移。

該系統將該產生之錯誤資料應用至一適當回饋控制子系統(例如，一比例-積分-微分(PID)控制器)，該子系統產生信號更新。在一實施例中，該錯誤資料與該參考信號一樣為點至點，並且可指示在一特定輸出點改變或不做變動。該錯誤資料之總和可被稱為更新表列資料，其適用於一硬體波形產生器及/或控制器。該波形產生器產生一輸出波形，該輸出波形更接近匹配該參考理想波形。該系統容許對該更新演算法或用於任何任意參考波形之校正資料之該表進行動態適應性改良。

在一電力轉換實施例中，經由已知技術取樣該電源並由該控制方法控制，如MPPT(最大功率點追蹤)或動態阻抗匹配(例如，如2007年7月7日申請並讓予同一公司受讓人之題為「偵測電力改變之電力提取器(POWER EXTRACTOR DETECTING A POWER CHANGE)」之共同待審中之專利申請案第11/774,562號中所述)。取樣及控制用於電力轉換之該電源有助於最大限度地提高該輸入電力轉換器之電力轉移。

如所述，在不需要分析或知道特定諧波失真的情況下，該系統可將一輸出信號收斂於一理想參考信號。然而，由於將該輸出信號及其波形收斂於一理想信號/波形，在不需要知道與單獨諧波頻率相關之相對電力位準的情況下，不論其對該輸入同步信號之相位偏移，該系統減少在該輸出波形中之多階諧波失真。從一個角度來看，不論關於該輸出波形之特定諧波的資訊，諧波失真控制可藉由更刻意專注於該輸出波形之產生而實現。因此，集中於產生一理想輸出波形而不是集中於特定諧波減少了該失真更新系統之複雜性，同時更有效地減少失真。

如此處所述，該輸出波形可收斂於一任意形狀及相位對準之同步或目標波形。該輸出波形可為一電流波形或一電壓波形。該系統產生一輸出信號而不是簡單地試圖修改及/或過濾一輸入信號。因此，該系統可將該輸出收斂於該同步(目標)波形，該同步波形只具有與該同步波形之定時、相位及其他特性有關之輸入資訊。該產生之輸出信號被與理想目標波形資訊比較以在該系統之運行時間或有效作業期間修飾該輸出波形。在不需要分析該輸出波形之該諧波含量的情況下，該比較容許更新值以產生一比原先表示更接近該理想波形之新輸出波形。

在一實施例中，該理想目標波形被儲存為值輸入之一表或設定點之一群組。該等波形輸入(或設定點)可能係任何長度或格式、整數或非整數。該等理想目標波形輸入可在運行時動態產生或從預先計算硬編碼或預先編譯。該波形之動態或預先產生包含基於一所需輸出波形之一理想波形計算理想參考點之該等值。該等值可能正比於一正規化波形(例如，峰值「1」)或可利用一倍增器(按比例放大或縮小該波形)計算。該波形形狀可以正弦或非正弦形式表示。該理想波形可為例如一正弦波、方波、鋸齒波或其他週期波形。

在一實施例中，雖然該等波形輸入被均勻間隔(在時域或頻域中)，但是它們並不一定被均勻間隔。定時資訊可被包含在該系統內以指示應何時取樣以回應該理想波形之該等設定點。該等波形值輸入可時間向前或時間向後或其混合運行。該等輸入可以壓縮或非壓縮格式或狀態儲存。在一實施例中，在運行時間期間可改變該資料以影響該理想波形至另一(例如，不同)理想波形之形式改變。

在該系統內之該比較機構實施一比較演算法，該比較演算法可為比較兩個數字之任何標準或非標準演算法。雖然該比較可包括取樣技術，但是並不一定需要該等技術。在一實施例中，該比較為逐點。另外，可取樣或比較多點，或者該取樣可被視為非逐點。

該控制方法可包含一選擇機制，其可執行任何標準或非標準選擇演算法。一實例性選擇演算法為一比例-積分-微分(PID)控制器。作為該選擇方法之一部分，該選擇演算法自身可或不可執行計算以及可或不可將資料從時域變換到頻域或反之亦然。在一實施例中，該選擇機制逐點選擇資料。另外，該選擇機制可以群組方式選擇資料。

該系統包含產生該輸出波形之輸出硬體。該輸出硬體由一控制機構驅動以使該硬體產生該輸出波形。該等更新表值可利用任何標準或非標準技術被應用至該輸出硬體以驅動該輸出波形之產生。在一實施例中，利用脈寬調變器(PWM)驅動該輸出硬體。然而，可使用其他數位可變電力控制機構。另外，類比或步階控制機構可被用於驅動該輸出。

如以上建議，在一實施例中，可相對於該同步波形相移該產生之輸出波形。如此處所述，可由該控制器調整該定時以在相對於該同步波形之一相位偏移下驅動該輸出波形產生。相比於操作或過濾一輸入信號之傳統系統，在不增加諧波失真的情況下可動態完成該相移。

圖1為一系統之一實施例的方塊圖，該系統利用一耦合至一硬體波形控制器之軟體回饋控制子系統控制諧波失真。系統100包含電源104、負載106及輸出及控制系統102。電力路徑110表示由輸出系統102控制之自源104至負載106之電力的路徑。

輸出系統102包含輸入電力轉換器120以從源104接收輸入電力並將它轉換為另一形式(例如，DC至AC)。輸入電力轉換器120包含用於接收一電力信號以轉換之硬體組件並且可包含適當的電力組件。在一實施例中，輸入電力轉換器120實施動態阻抗匹配，其致能該等輸入電子器件自源104轉移最大電力。動態阻抗匹配包含恆定跟蹤一最大電力點以及驅動一輸入電力耦合器(例如，一變壓器)以保持一盡可能平坦之電力斜率(例如，斜率為0)。輸入電力轉換器120可從控制器130接收控制信號或資訊，以及提供輸入以指示該轉換器之作業。

輸入前饋112提供關於該源電力之資訊(例如，適當的最大電力值或控制該輸入電力轉換器硬體之其他資訊)給控制器130。控制器130基於關於該輸入電力之該輸入資訊控制輸入電力轉換器120。控制器130表示可嵌入在輸出系統102中之任何類型處理器控制器。控制器130可為或包含任何類型微控制器、數位信號處理器(DSP)、邏輯陣列或其他控制邏輯器。此外，控制器130可包含適當的記憶體或儲存元件(例如，隨機存取記憶體、唯讀記憶體(ROM)、暫存器及/或快閃記憶體器)以儲存在運行作業或預先計算期間產生或獲得之代碼或值。

控制器130驅動可程式化波形產生器140以產生該所需輸出波形。產生器140也位於電力路徑110上並且從輸入電力轉換器120接收輸入電力以輸出。雖然該電力可被轉移，但是並不一定利用與它被接收之波形相同之波形輸出。例如，一DC信號可被輸出為一正弦信號，如圖1之該實例中所示。可類似地完成其他電力轉換，如所示及所述。在一實施例中，產生器140包含一PWM以產生輸出波形108。產生器140從控制器130接收控制信號及資訊，並且可提供狀態或作業資訊或回饋給控制器130。該輸出波形可為電流或電壓。

輸出系統102能夠將特定定時、相位或其他頻率資訊併入到產生輸出波形108中。該定時、相位或其他頻率資訊可被稱為「輸入同步資料」。在一實施例中，該輸入同步資料來自即時負載資訊，在這種情況下它可被稱為「負載同步輸入」。該負載同步輸入或輸入同步資料指示決定以上所討論之該同步信號所必需的資訊。該資訊在輸出系統102中被表示為輸出sync 114。在預先知道該輸出(例如，連接至一電氣市電)之一系統中，可所需某些電壓、定時或其他資訊(例如，在60Hz之120V)，並且在啟動時在該系統中程式化或由該系統作出一初步估計。基於負載同步資料，可調整該初步估計。

控制器130還量測偏離電力路徑110之輸出回饋116以決定由產生器140產生之該實際輸出。該實際輸出被與一理想參考比較以決定是否在產生該所需輸出。在一實施例中，輸出回饋116為表示由控制器130之輸出量測的一抽象名稱，且並不包含在其自身中之分離元件。在一實施例中，輸出回饋116包含一取樣機構或其他資料選擇機構以比較該理想參考信號。若輸出回饋116包含從控制器130分離之元件，則它可由控制器130驅動並且從控制器130接收比較資料且提供錯誤或回饋資訊。在一實施例中，輸出回饋116應理解成至少包含一回饋控制方法所需之硬體元件以接合該等輸出線。此外，輸出回饋116可包含用於執行量測、計算及/或執行處理之其他硬體。

輸出sync 114及輸出回饋116都可被視為回饋迴路。應理解，輸出sync 114及輸出回饋116並不是同一事物並且可用於不同目的。輸出sync 114指示該理想參考信號應看起來像什麼，如儲存在參考波形表132中。輸出回饋116指示該實際輸出如何從該參考信號改變。更新表134表示以回應輸出回饋116而產生之資料。在一實施例中，輸出sync 114係基於在電力路徑110之該輸出上之電壓資訊，而輸出回饋116係基於在該電力路徑110之該輸出上產生之輸出電流。

基於輸出sync 114(或基於該輸出sync之一初步估計)，輸出系統102儲存及/或產生參考波形表132，該表表示由產生器140產生所需之該輸出波形之一理想形式。參考波形表132可被儲存為一表或反映該輸出波形「應」看起來像什麼之其他點設定(或設定點)。雖然表示一正弦波形，但是任何週期波形可被使用。參考波形表132另外可被稱為一參考波形源。

基於輸出回饋116，輸出系統102產生更新表134。更新表134包含指示如何修改產生器140之該作業的輸入或點，以提供一更接近匹配參考波形表132之該波形之輸出。雖然被指示為一表，更新表134可為一在某些間隔被修改(例如，為了反映量測之錯誤資料需要更新每個輸入)之儲存表，或可在每個更新間隔被重新產生。更新表134另外可被稱為一更新資料源。該等「更新」可為舊值之修改、值之替代或可被儲存在由控制器130存取之一記憶體內之不同位置中。在一實施例中，更新表134之每個值指示一組點之各個的一「向上」、「向下」或無改變。該等值被應用於控制產生器140之該輸出之該硬體以使該輸出信號收斂於該所需理想波形。

從一個角度來看，輸出系統102可被視為具有五個特徵或元件。雖然該等特徵在圖1中係藉由某些方塊圖而描繪，應理解不同組態及各種不同元件可被用於實施該等特徵之一或多個。為了討論之目的而不是以限制之方式，以下利用參考(如「特徵1」、「特徵2」等)描述該等特徵。應理解，此常規僅僅被簡寫成指出該所述特徵或元件之標的，且並不一定指示與順序或重要性有關之事物。

特徵1可包含用於併入特定定時、相位或其他頻率資訊之構件。該構件包含用於產生並接收以上指出之該輸入同步資料或負載同步輸入(其係基於輸出sync 114)之硬體及/或軟體。特徵2包含參考波形表132，其可包含一資料表或軟體內之一公式，其表示輸出波形108之該理想形式。特徵3包含控制器130，該控制器可為或包含一軟體演算法，其比較由產生器140產生之該實際輸出波形與由參考波形表132表示之該理想表列表示。特徵4包含一在控制器130內之演算法，其計算或選擇並且產生由更新表134表示之更新資料。特徵5包含產生器140，其利用來自更新表134之該更新資料產生該所需形狀、比例、定時及相位之輸出波形108。

關於特徵1，該特定定時、相位或其他頻率資訊提供同步資訊給在控制器130中之該比較及更新演算法。該資訊可以一表、公式、即時硬體監視信號之取樣或其他源的方式出現。

關於特徵2，若表示該參考波形之該資料在一表內，則其可為任何長度或任何格式、整數或非整數。該表可在運行時動態產生或在編譯時硬編碼。該波形表示之該理想形式可為正弦或非正弦。該波形可由在時域中均勻間隔或非均勻間隔、時間向前或時間向後或其任何混合之資料值表示。該波形另外可由在頻域中之資料值表示並且以任何方式組織。該資料可被壓縮或非壓縮。該資料可由一公式而不是計算之資料設定點表示，或作為一公式之一部分及作為一表之一部分。在一實施例中，在一表中之該等儲存設定點為一公式之該等計算結果。在運行時在處理期間可改變該資料以將該理想波形之該形式改變成一不同理想波形之形式。若在參考波形表132中之該等值在運行時被改變，則其等可利用不同值修改或替代。該資料可被對準成位於與該輸入波形相同之相位中或它可被相移。

關於特徵3，控制器130可包含任何傳統或標準比較演算法。一控制演算法比較表示該輸出波形之資料值，該等資料值係由硬體取樣並且經由標準或非標準取樣技術被變換成軟體資料值。在一實施例中，該控制器逐點比較該表之該等理想設定點或公式計算與該同步資訊並且逐點產生錯誤資料。在一實施例中，該控制器可替代逐點而一次處理多個點。

關於特徵4，控制器130包含一選擇演算法，其利用任何標準或非標準技術生成或產生新資料。在一實施例中，該選擇演算法包括執行計算。另外，該選擇演算法可在沒有執行處理或執行計算的情況下簡單地選擇資料。該選擇演算法可替代在一設定點之表中之資料值或較佳於利用另一儲存區域而將該等資料值保留在該表中。該選擇演算法可作為其選擇方法之一部分而將該資料從時域變換到頻域並且反之亦然。因為它確定資料值，故該等資料值當被應用時將校正該輸出波形，所以該演算法提供一錯誤更新機制(例如，演算法)。因此，該輸出波形在應用該等資料值之後看起來更像該較佳理想波形。

關於特徵5，由更新表134表示之該等新資料值係經由標準方法被應用至產生器140中之硬體以驅動該輸出波形之產生。在一實施例中，經由一PWM機構或將離散資料值變換成一類比輸出形式之任何其他機構應用該等新資料值。

圖2為一系統之一實施例的方塊圖，該系統控制諧波失真。在一實施例中，圖2之系統200為一實施圖1之系統100之市電併聯型電力轉換系統之一實例。因此，輸入202可對應自源102供電之輸入，以及輸出250可對應在負載106之一輸出。在一實施例中，系統200控制該輸出電流信號之諧波失真及在該市電電壓與一市電併聯型太陽能光電器件或其他源、DC至AC電力轉換系統之該輸出電流信號之間之該相移。

系統200將輸入DC電力202轉換成在輸出250之輸出AC電力。在一實施例中，在輸出250之該電壓及電流都為不受雜散諧波失真之理想60Hz正弦波，其中該電流滯後或超前該電壓一相移。該實施可被用在一市電併聯型系統中，其中該輸出電壓在輸出250由該市電併聯型穩定建立，但是該電流不是。規則UL 1247要求在諧波失真中減少該電流。如所說明，系統200至少提供一理想正弦波形之該資訊，該波形自該市電之該固定電壓相移，在某些態樣看來還未失真。

在一實施例中，系統200之該等作業可被分為三個要素。第一個是在不失真的情況下為具有一所需相移角之該所需波形建立一理想電流波形之表。雖然更特定地描述輸出電流波形及理想電流波形，但是應理解這是一非限制性實例且關於系統200之該討論在修改的情況下還可適用於控制輸出電壓波形，熟習此項技術者將明白。第二個是比較由一波形產生器產生之一實際輸出信號與該理想波形。第三個是利用輸入定時資訊及該錯誤資訊產生值之一更新表，該更新表容許該波形產生器校正該實際輸出波形。該等作業朝著該理想波形(例如，一正弦波)迭代地改良該輸出波形。因此，該等作業之該結果確定一純60Hz電流波形，其在相位上超前或滯後該市電電壓波形。

該主要電力流經路徑在一實施例中如下發生：輸入202為DC輸入電力。PWM產生器230利用一更新值(PWM表輸入更新280)表驅動DC至AC轉換器242。在一實施例中，更新表280對應圖1之表140。輸入DC電力202穿過轉換器硬體240之DC至AC轉換器242並且作為輸出AC電流波形250離開。電流波形偵測器244在輸出250偵測該電流波形。該輸入波形在PWM產生器230被說明為一完全正弦波並且在電流波形偵測器244失真。雖然失真量可能被誇大，但是圖解該輸出波形初步看來可能甚至不太像該理想所需波形。然而，該波形經由該回饋收斂。轉換器硬體240還包含電壓波形偵測器246，其產生sync資訊248，該資訊對應圖1之該輸出sync資訊。

偵測及實施該回饋之該控制迴路流程係如下發生：關於該DC輸入電力204及輸入相移資訊206之資訊提煉一參考理想波形210。如上所述，該參考理想波形可被儲存為一表。在一實施例中，同時峰值偵測222 PWM產生器230之該輸出並且容許其在參考波形位準控制224下縮放該理想表。位準控制224之該輸出為所需之該暫態理想波形。在PID(比例-積分-微分)控制器260接收來自參考波形位準控制224之該參考波形及該實際輸出。

PID控制器260包含PWM表錯誤偵測器262，其接收該縮放之參考波形及該實際輸出波形。該錯誤變成用於比例錯誤模組264、積分錯誤模組266及微分錯誤模組268之該錯誤輸入。該等錯誤信號之總和為PWM表錯誤總和，其提供該PID控制器輸出至PWM表輸入更新280。該等更新表值被回授到PWM產生器230中並且驅動該產生器調整轉換器硬體240之該輸出，以將該輸出信號收斂於參考波形210。

圖3為一嵌套回饋控制系統之一內控制迴路之一實施例的方塊圖。參考波形控制300為一市電併聯型系統之一控制器。參考波形控制300包含一嵌套回饋控制系統之內迴路控制迴路310。該等嵌套迴路是相互依存的。即，一控制迴路的功能影響用作其他另一控制迴路之一輸入之一信號。該外控制迴路校正在該輸出波形中之瞬態諧波失真，如先前所述。內控制迴路310被完全嵌套在外控制迴路內。內控制迴路310接收為與內控制迴路310提供給回饋之值有關的輸入資訊。

在內控制迴路310內，輸入電力資訊302被接收且與該錯誤信號表峰值調整352組合。如此處所使用，「組合」是指利用或基於該等輸入執行一或多個作業，並且不理解為限制於加法或累加功能。輸入電力資訊302及表峰值調整352之該選擇組合產生參考增益控制354，其設定並調整參考波形304之該增益於參考波形增益360，以動態調整該轉換器輸出以適應包含輸入電力及當地市電特性之電流作業條件。

在一實施例中，參考波形控制300調整該參考波形如下：檢查最新正弦波產生器表308，且由峰值偵測器320提取該峰值表值。比較實際峰值值332與目標峰值值334，產生峰值錯誤值336。目標峰值值334可基於典型硬體特性而硬編碼，或其可被即時決定。該錯誤信號受PID控制或控制器340調整以修改內控制迴路310之該頻率回應，以防止其與該外控制迴路回應不適當地交互作用。

PID控制340之該輸出為該表峰值調整信號352，其與該輸入電力資訊302組合以推導出參考波形增益控制信號354。利用參考增益控制信號354，參考波形增益360可增加或減少該參考波形304之振幅，以將參考波形輸出306調整成精確地匹配用於電力轉換之該系統之該等作業條件所需。

在一實施例中，輸入電力資訊302為恆定的或相較於內控制迴路310非常緩慢移動(例如，大約慢10倍或更多)。當輸入電力資訊302緩慢移動時，內控制迴路310即時微調參考波形304之振幅，以確保該等PWM表值橫跨包含特定最小及最大值之值之一特定範圍。在值之一特定範圍內含有該等PWM表值提高了該市電併聯型轉換器傳遞最大輸出功率的能力，同時保持最大波形控制解析度。

由於由一控制迴路產生之錯誤可被傳播且由其他另一控制迴路以一不斷上升之方式放大，所以具有相互依存之控制迴路可能導致系統不穩定。幫助實現穩定性之一種方法是比內控制迴路310之該校正作業更低頻率地執行外控制迴路之該校正作業。以這種方式，內控制迴路310在校正諧波失真錯誤之該外迴路作業之前相對於參考波形輸出306之一給定值可能有時間穩定下來。在一實施例中，在相較於內控制迴路310之一頻率10x之一頻率1x執行該外控制迴路。頻率調整中之幅值差的數量級容許更穩定作業。應理解10x為幅值之一數量級之一實例，且性能頻率中之該比較可為大約10或更多。

圖4為一基於一理想參考信號產生一輸出信號之方法之一實施例的流程圖。此處所說明之流程圖提供各種方法動作之順序的實例。雖然以一特定順序顯示，但是除非另有指定，該等動作之順序可被修改。因此，該等所說明之實施應僅理解為一實例，且可以一不同順序執行用於建立該安全通道之該方法，並且可並行執行一些動作。此外，在本發明之不同實施例中可省略一或多個動作。因此，在每個實施中並不需要全部動作。其他方法流程圖是有可能的。

一電力轉換器系統接收輸入電力402。該系統將該接收電力轉換成一不同形式，或作為一升壓(boost)以清除該輸入電力信號並將一清除信號放回至該市電上。一參考設定點產生器獲得輸入電力資訊404。如關於圖4所討論，各種處理元件可被描述為該系統之分離元件，如該參考設定點產生器。根據在以上某些實施例中所述，該等元件可為分離元件或全部作為一主系統控制器之部分。該系統可包含邏輯器，其取樣該輸入電力並作某些計算以產生該資訊，該資訊接著被發送至該等信號產生器。該參考設定點產生器產生一組設定點，該等設定點表示一參考(理想輸出)波形406。該參考波形為看起來像該系統之最有可能輸出(或理想輸出)之波形。

在一實施例中，該參考設定點產生器將該等參考波形設定點儲存在一表中以留作後用。另外，該等參考設定點可自實施一公式之一演算法計算。該參考設定點產生器可以一預定(基於時間)方式或以回應偵測在該輸入信號中之一差而偶爾更新該等參考設定點。

該基本輸出波形產生器產生一輸出波形410。在一實施例中，該系統包含一取樣電路以取樣該輸出波形412。該取樣器發送該輸出波形樣本至一回饋系統。該回饋系統獲得一相應參考波形設定點414，該設定點指示該樣本之值應為什麼。該回饋系統比較該輸出波形樣本與該參考波形設定點416並且基於該輸出波形樣本與該參考波形設定點之間之一差產生一校正控制信號418。

一系統控制器基於接收該校正控制信號而調整一基本輸出波形產生器之作業。因此，為了回應接收該校正控制信號，該系統調整該輸出硬體之該作業420。在一實施例中，該輸出波形之該產生及取樣及隨後之錯誤校正可被視為一連續作業。亦即，當該系統作業時，該作業將繼續。有時，該系統可調整該參考波形。因此，該系統可決定是否重新計算該參考波形422。若該系統決定不重新計算424，則該系統將繼續執行相較於該參考波形而調整該輸出波形之該「內迴路」。若該系統決定重新計算424，則該參考設定點產生器更新其關於該輸入電力信號之資訊，且重新計算該參考波形，以及該系統比較該輸出信號與該更新之參考波形。

此處描述各種作業或功能，其等可被描述或定義為軟體代碼、指令、組態及/或資料。該內容可為可直接執行(「物件」或「可執行」形式)、源代碼或不同代碼(「增量(delta)」或「修補(patch)」代碼)。此處所述之該等實施例之該軟體內容可藉由利用儲存在其上之該內容製造之一物件或藉由一種作業一通信介面以經由該通信介面發送資料之方法而提供。一機器可讀媒體可使一機器執行所述之該等功能或作業並且包含以一可由一機器(例如，計算裝置、電子系統等)存取之形式提供(即，儲存(例如，電腦可讀媒體))及/或傳輸(例如，通信媒體)資訊之任何機構，如可記錄/非可記錄媒體(例如，唯讀記憶體(ROM)、隨機存取記憶體(RAM)、磁碟儲存媒體、光學儲存媒體、快閃記憶體裝置等)。一通信介面包含接合至一硬接線、無線、光學等媒體之任何一個之任何機構以通信至另一裝置，如一記憶體匯流排介面、一處理器匯流排介面、一網際網路連接、一磁碟控制器等。該通信介面可藉由提供組態參數及/或發送信號以使該通信介面準備提供一描述該軟體內容之資料信號而配置。可經由發送至該通信介面之一或多個命令或信號存取該通信介面。

此處所述之各種元件可為一用於執行所述之該等作業或功能之構件。此處所述之每個元件包含軟體、硬體或其等之組合。該等元件可被實施為軟體模組、硬體模組、專用硬體(例如，特定應用硬體、特定應用積體電路(ASIC)、數位信號處理器(DSP)等)、嵌入式控制器、硬接線電路等。

除了此處所述以外，在不偏離它們範圍的情況下可對本發明之該等揭示之實施例及實施作各種修改。因此，該等說明及實例在此處應解釋為一說明性而並不是一限制之意。本發明之範圍應僅藉由參考以下技術方案為度。

100．．．系統

102．．．輸出系統

104．．．源

106．．．負載

108．．．輸出波形

110．．．電力路徑

112．．．輸入前饋

114．．．輸出同步

116．．．輸出回饋

120．．．輸入電力轉換器

130．．．控制器

132．．．參考波形表

134．．．更新表

140．．．可程式化波形產生器

200．．．系統

202．．．輸入

204．．．輸入電力資訊

206．．．輸入相移資訊

210．．．參考波形

222．．．脈寬調變峰值偵測器及比例積分微分控制

224．．．參考波形位準控制

230．．．脈寬調變產生器

240．．．轉換器硬體

242．．．DC-AC轉換器

244．．．電流波形偵測器

246．．．電壓波形偵測器

248．．．同步

250．．．輸出

260．．．比例積分微分控制器

262．．．脈寬調變表錯誤偵測器

264．．．脈寬調變表比例錯誤

266．．．脈寬調變表積分錯誤

268．．．脈寬調變表微分錯誤

269．．．脈寬調變表錯誤總和

280．．．脈寬調變表輸入更新

300．．．參考波形控制

302．．．輸入電力資訊

304．．．參考波形

306．．．參考波形輸出

308．．．正弦波產生器表

310．．．內控制迴路

320．．．峰值偵測器

332．．．實際峰值表值

334．．．目標峰值值

336．．．峰值錯誤值

340．．．比例積分微分控制

352．．．表峰值調整

354．．．參考增益控制

360．．．參考波形增益

圖1為一系統之一實施例的方塊圖，該系統利用一耦合至一硬體波形控制器之軟體回饋控制子系統來控制諧波失真；

圖2為一系統之一實施例的方塊圖，該系統控制諧波失真；

圖3為一嵌套回饋控制系統之一內控制迴路之一實施例的方塊圖；及

圖4為一基於一理想參考信號產生一輸出信號之方法之一實施例的流程圖。

(無元件符號說明)

Claims (13)

1. 一種用於在一市電併聯型(grid-tied)電力轉換系統中適應性產生及控制任意週期波形之方法，其包括：接收關於一目標週期波形之特性形狀及相位資訊；基於該所接收之特性形狀及相位資訊來產生一參考輸出電流波形，表示該目標週期波形之一理想化形式(idealized version)之該參考輸出電流波形具有一相位，該相位經選擇等於或不同於該目標週期波形；利用輸出硬體產生一輸出電流波形；取樣該輸出電流波形；比較該輸出電流波形與該參考輸出電流波形；基於比較該輸出電流波形與該參考輸出電流波形而產生一回饋信號；及基於該回饋信號，在運行時調整該輸出硬體之一作業，其中調整該輸出硬體之該作業使該輸出電流波形朝著該參考輸出電流波形形狀及相位收斂。
2. 如請求項1之方法，其中產生該輸出波形包括：基於一脈寬調變之基本波形產生該輸出波形，該脈寬調變之基本波形係生成自一脈寬調變器(PWM)表中之輸入。
3. 如請求項2之方法，其中調整該輸出硬體之該作業進一步包括：基於該產生之回饋信號，在運行時間期間動態地調整在該PWM表中之一或多個輸入。
4. 如請求項1之方法，其中取樣該輸出波形且比較該輸出波形與該參考輸出波形包括：在該兩個波形之間逐點取樣且比較。
5. 如請求項1之方法，其中比較該輸出波形與該參考輸出波形包括：在取樣該輸出波形之前，預先計算表示該參考輸出波形之一組理想取樣點；及儲存該等預先計算之取樣點。
6. 如請求項1之方法，其中比較該輸出波形與該參考輸出波形包括：利用一PID(比例-積分-微分)控制器比較該輸出波形之一取樣點與一相應參考設定點。
7. 如請求項1之方法，其中調整該輸出硬體之該作業進一步包括：在沒有執行一特定諧波失真分析的情況下，調整該輸出硬體之該作業以減少在該輸出波形中之諧波失真。
8. 如請求項1之方法，進一步包括：在運行時間期間，動態地調整在一參考波形表中之輸入以動態地調整該參考輸出波形。
9. 如請求項1之方法，進一步包括：在沒有增加諧波失真的情況下，相對於該目標週期波形動態地相移該輸出波形。
10. 一種用於在一市電併聯型系統中適應性產生及控制任意週期波形之電力轉換系統，其包括： 一參考波形，其表示一目標週期波形之一理想形式，該參考波形係基於該目標週期波形之該所接收之特性形狀及相位資訊而產生，該參考波形係一參考輸出電流波形，表示該目標週期波形之一理想形式之該參考輸出電流波形具有一相位，該相位經選擇等於或不同於該目標週期波形；輸出硬體，用於產生一輸出電流波形；一回饋迴路，用於量測該輸出電流波形，及一控制器，用於比較輸出電流波形量測與該參考波形，並且基於該比較產生一回饋信號；其中該輸出硬體用於基於該回饋信號調整一作業，其中調整該輸出硬體之該作業以使該輸出電流波形朝著該參考波形形狀及相位收斂。
11. 如請求項10之電力轉換系統，其中：該控制器係用於逐點比較該等輸出波形量測與表示該參考波形之設定點。
12. 如請求項10之電力轉換系統，進一步包括：該控制器用於在運行時間期間動態地調整在一參考波形表中表示該參考波形的輸入，以動態地調整該參考波形。
13. 如請求項10之電力轉換系統，進一步包括：該輸出硬體用於在沒有增加諧波失真的情況下相對於該目標週期波形動態地相移該輸出波形。