專利名稱：采用由dc母線電壓得出的相位基準(zhǔn)的電力變換器設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力變換器設(shè)備和方法，特別涉及用于在AC母線與DC母線之間進(jìn)行電力傳送的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
AC/DC電力變換器用于多種應(yīng)用場合，包括DC電源和不間斷電源(UPS)。例如，UPS可包含輸入整流器，輸入整流器用于將來自例如公用電網(wǎng)電源等AC電源的AC電壓轉(zhuǎn)換為DC母線上的DC電壓，DC母線還可由例如電池等備用電源進(jìn)行供電。可將DC電壓直接供到負(fù)載——如同在電信應(yīng)用場合中常見的那樣，和/或可通過逆變器將DC電壓轉(zhuǎn)換回為AC輸出電壓并用于對AC負(fù)載進(jìn)行供電——如同在數(shù)據(jù)處理和工業(yè)應(yīng)用場合中常見的那樣。
這種輸入整流器可采用多種不同的形式。例如，某些電力變換器可包含例如二極管橋的無源輸入整流器，該整流器產(chǎn)生通常隨著AC輸入電壓而變化的DC輸出。其他的電力變換器采用有源整流器，例如采用可被控制為提供DC輸出電壓調(diào)節(jié)的晶體管橋式電路。在這種有源整流器電路中可采用多種不同的控制技術(shù)。一種傳統(tǒng)技術(shù)——如授予Rathmann的美國專利4,366,390所描述的那樣——涉及雙向變換器單元的使用，該單元通過相對于耦合到AC母線的AC源對AC母線上的AC電壓進(jìn)行移相來穩(wěn)定DC母線電壓。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的某些實施例中，提供了用于在DC母線與AC母線之間傳送電力的方法。對DC母線上的DC電壓做出響應(yīng)地產(chǎn)生DC電壓誤差信號。對DC電壓誤差信號進(jìn)行微分以產(chǎn)生相位偏移信號，并采用例如有源橋式電路等變換器電路，對相位偏移信號做出響應(yīng)地在AC母線與DC母線之間進(jìn)行電力傳送。在某些實施例中，對相位偏移信號做出響應(yīng)地產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號，并對相位基準(zhǔn)信號做出響應(yīng)地在AC母線與DC母線之間進(jìn)行電力傳送。
在某些實施例中，產(chǎn)生對DC母線上的DC電壓的一系列采樣，并且，為DC電壓采樣中相應(yīng)的各個產(chǎn)生相應(yīng)的DC電壓誤差信號值。確定DC電壓誤差信號值中連續(xù)的信號值之間的加權(quán)差，以便產(chǎn)生一系列相位偏移信號值。由這一系列相位偏移信號值產(chǎn)生一系列相位基準(zhǔn)信號值?？捎汕懊嬗嬎愕玫降南辔换鶞?zhǔn)信號值、相位偏移信號值以及每步相角值(phaseangle-per-step value)產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號值?？蓪C母線上的AC電壓做出響應(yīng)地產(chǎn)生每步相角值。
根據(jù)進(jìn)一步的實施形態(tài)，對相位偏移信號做出響應(yīng)地運行電力變換器，以便在AC母線與DC母線之間提供電力傳送。相位偏移信號表示在DC母線上保持所希望的電壓需要的、驅(qū)動AC母線的AC源與電力變換器的輸入之間的相移量。在本發(fā)明進(jìn)一步的實施例中，電力變換器具有耦合到AC母線的第一端口以及耦合到DC母線的第二端口。在不判斷電力變換器第一端口與驅(qū)動AC母線的AC源之間的相差的情況下，對DC母線上的DC電壓做出響應(yīng)地產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號。對相位基準(zhǔn)信號做出響應(yīng)地運行電力變換器。
根據(jù)本發(fā)明更進(jìn)一步的實施例，對DC母線上的DC電壓做出響應(yīng)地產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號。對相位基準(zhǔn)信號和幅值基準(zhǔn)信號做出響應(yīng)地在AC母線與DC母線之間進(jìn)行電力傳送?？蓪C母線的相電流和/或DC母線上的DC電壓做出響應(yīng)地產(chǎn)生幅值基準(zhǔn)信號。相位基準(zhǔn)信號的產(chǎn)生可包含對DC母線上的DC電壓做出響應(yīng)地產(chǎn)生DC電壓誤差信號，對DC電壓誤差信號做出響應(yīng)地產(chǎn)生相位偏移信號，對相位偏移信號做出響應(yīng)地產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號。幅值基準(zhǔn)信號的產(chǎn)生可包含對相電流做出響應(yīng)地產(chǎn)生伏-安無功(VAR)誤差信號、對VAR誤差信號做出響應(yīng)地產(chǎn)生幅值基準(zhǔn)信號。在進(jìn)一步的實施例中，可由DC電壓誤差信號產(chǎn)生幅值基準(zhǔn)信號。在更進(jìn)一步的實施例中，可由VAR誤差信號和DC電壓誤差信號二者產(chǎn)生幅值基準(zhǔn)信號。
本發(fā)明的某些實施例提供了在AC母線與DC母線之間進(jìn)行電力傳送的設(shè)備。設(shè)備包含變換器電路，該電路耦合在AC母線與DC母線之間、并適用于對DC母線上的DC電壓做出響應(yīng)地產(chǎn)生DC電壓誤差信號、對DC電壓誤差信號進(jìn)行微分以產(chǎn)生相位偏移信號、對相位偏移信號做出響應(yīng)地在AC母線與DC母線之間進(jìn)行電力傳送。變換器電路可適用于對相位偏移信號做出響應(yīng)地產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號，并對相位基準(zhǔn)信號做出響應(yīng)地在AC母線與DC母線之間進(jìn)行電力傳送。
在附加實施例中，用于在AC母線與DC母線之間進(jìn)行電力傳送的設(shè)備包含例如有源橋式電路等電力變換器電路，該變換器電路適用于對相位基準(zhǔn)信號和幅值基準(zhǔn)信號做出響應(yīng)地在AC母線與DC母線之間進(jìn)行電力傳送。相位基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路適用于對DC母線上的DC電壓做出響應(yīng)地產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號。幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路適用于對AC母線的相電流和/或DC母線上的DC電壓做出響應(yīng)地產(chǎn)生幅值基準(zhǔn)信號。
根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實施形態(tài)，不間斷電源(UPS)包含AC母線、DC母線和電力變換器電路，該變換器電路適用于對相位基準(zhǔn)信號和幅值基準(zhǔn)信號做出響應(yīng)地在AC母線與DC母線之間進(jìn)行電力傳送。UPS還包含相位基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路，該電路適用于對DC母線上的DC電壓做出響應(yīng)地產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號。幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路可適用于對AC母線的相電流和/或DC母線上的DC電壓做出響應(yīng)地產(chǎn)生幅值基準(zhǔn)信號。


圖1為一原理圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明某些實施例的電力變換器設(shè)備；圖2為一原理圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實施例的電力變換器控制結(jié)構(gòu)；
圖3為一原理圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實施例的電力變換器控制結(jié)構(gòu)；圖4為一原理圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實施例、具有采用相位與幅值基準(zhǔn)的脈寬調(diào)制(PWM)控制的有源橋式電路；圖5為一原理圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實施例、對整流器機的控制；圖6為一原理圖，其示出了可用于本發(fā)明某些實施例的例證性PWM控制電路構(gòu)造；圖7為一原理圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實施例的不間斷電源(UPS)。
具體實施例方式
下面將參照附圖介紹本發(fā)明的具體典型實施例。然而，本發(fā)明可用許多不同的形式實現(xiàn)，且不應(yīng)被認(rèn)為限制在這里給出的實施例；相反，提供這些實施例使得本公開徹底、完善，并向本領(lǐng)域技術(shù)人員充分傳達(dá)本發(fā)明的范圍。在附圖中，相同的標(biāo)號表示同樣的元件。可以明了，當(dāng)元件被稱為“連接”或“耦合”到另一元件時，其可以直接連接到或耦合到另一元件，或者，可以存在中間元件?？梢赃M(jìn)一步明了的是，當(dāng)傳送、通信或其他相互作用被描述為在元件“之間”發(fā)生時，這種傳送、通信或其他相互作用可能是雙向的。
圖1-7為原理圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明不同實施例的例證性設(shè)備和方法。在這些附圖中的項目及其組合可采用一個或一個以上的電子電路實現(xiàn)，例如由半橋電路及其驅(qū)動電路等功率電子電路實現(xiàn)，該驅(qū)動電路由處理器——例如微處理器或微控制器——和/或由提供基本相似的功能性的模擬電路進(jìn)行控制?？梢悦髁?，圖中示出的操作及其組合通?？梢栽谝粋€或一個以上的電子電路中實現(xiàn)，例如在一個或一個以上的分立電子元件、一個或一個以上的集成電路(IC)、一個或一個以上的專用集成電路(ASIC)以及專用電路模塊中實現(xiàn)，也可通過計算機程序指令實現(xiàn)，這些指令可由計算機或例如微處理器或數(shù)字信號處理器(DSP)等其他數(shù)據(jù)處理裝置執(zhí)行以便產(chǎn)生某種機構(gòu)，使得在計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理裝置上執(zhí)行的指令建立電子電路或?qū)崿F(xiàn)規(guī)定操作的其他裝置。計算機程序指令還可在一個或一個以上的計算機或其他數(shù)據(jù)處理裝置上執(zhí)行，以便使計算機或其他可編程裝置執(zhí)行的一系列動作產(chǎn)生可用計算機實現(xiàn)的過程，該過程包含規(guī)定操作。因此，框圖支持電子電路和執(zhí)行規(guī)定操作以及執(zhí)行用于進(jìn)行規(guī)定操作的動作的其他裝置?？梢悦髁?，塊可表示電路的功能分組，且即使示出的是分立的功能塊，同樣的電路可用于實現(xiàn)分立塊的功能。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明某些實施例的電力變換器設(shè)備100。設(shè)備100包含電力變換器電路120——例如脈寬調(diào)制有源橋式電路，電力變換器電路120對相位基準(zhǔn)信號∠Ref以及幅值基準(zhǔn)信號|Ref|做出響應(yīng)地在AC母線110與DC母線130之間進(jìn)行電力傳送。設(shè)備100還包含相位基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路150，相位基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路150對DC母線130上的DC電壓vDC做出響應(yīng)地產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號∠Ref。設(shè)備100還包含產(chǎn)生幅值基準(zhǔn)信號|Ref|的幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路140。在本發(fā)明的某些實施例中，幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路140可對AC母線110上的相電流iphase和/或DC母線130上的DC電壓vDC做出響應(yīng)地產(chǎn)生幅值基準(zhǔn)信號|Ref|。在進(jìn)一步的實施例中，幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路140可以用其他的方法產(chǎn)生幅值基準(zhǔn)信號|Ref|。例如，幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路140可提供作為固定幅值信號的幅值基準(zhǔn)信號|Ref|。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明某些實施例的相位基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路150′和幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路140′的例證性實施方式，相位基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路150′和幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路140′用于為電力變換器電路120提供基準(zhǔn)信號。特別地，圖2示出了可在處理器(未示出)中實現(xiàn)的例證性控制結(jié)構(gòu)。處理器例如為微控制器或數(shù)字信號處理器(DSP)等，其被配置為提供相位基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路150′與幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路140′的、所示出的功能。可以明了，這種處理器還可用于執(zhí)行變換器電路120的某些功能?？梢悦髁?，盡管圖2示出了分立的(數(shù)字的)控制實施方式，本發(fā)明的其他實施例可包含模擬控制結(jié)構(gòu)或模擬與數(shù)字控制結(jié)構(gòu)的結(jié)合。
參照圖2，相位基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路150′包含第一求和點221，第一求和點221對DC電壓(例如圖1中DC母線130上的電壓)與電壓基準(zhǔn)信號VDCref的比較做出響應(yīng)地產(chǎn)生DC電壓誤差信號eVDC。誤差信號eVDC(即一系列DC電壓誤差值)被提供給補償塊222，補償塊222根據(jù)傳遞函數(shù)G(z)產(chǎn)生相位偏移信號θoffset，傳遞函數(shù)G(z)包含以如下形式對誤差信號eVDC的微分θoffset＝α(eVDC(n)-βeVDC(n-1))，(1)其中，eVDC(n)和eVDC(n-1)為由DC母線電壓的連續(xù)采樣產(chǎn)生的DC電壓誤差的連續(xù)計算值；且其中，α和β為常數(shù)，它們通常依賴于變換器的特定特性，例如變換器的電路參數(shù)(電感、電容等)。
相位偏移信號θoffset(即一系列數(shù)字值)被提供到第二求和點223，第二求和點223與零階保持(zero order hold)(ZOH)塊224協(xié)同，以相位偏移信號值θoffset引入的偏移為條件，根據(jù)每步角度值θ/step，由先前產(chǎn)生的值(由ZOH塊224存儲)產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號∠Ref值。每步角度值θ/step表示在時間上對應(yīng)于環(huán)路計算周期的、AC波形周期中的一部分(例如，60Hz的AC波形和3125Hz的計算速率將產(chǎn)生大約為6.9°/step的對應(yīng)θ/step值)。與變換器電路120協(xié)同的相位基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路150′可被看作鎖相環(huán)，該鎖相環(huán)通過對DC母線電壓誤差進(jìn)行微分來使相位基準(zhǔn)信號∠Ref與AC母線110同步，這與由AC輸入電壓產(chǎn)生相位/頻率基準(zhǔn)信號的現(xiàn)有技術(shù)形成對比。每步角度值θ/step可為基于AC電壓假定(或被測)頻率的固定值，和/或可通過采用例如過零檢測或類似技術(shù)對實際AC波形做出響應(yīng)地進(jìn)行適應(yīng)性變化。適應(yīng)性方法在AC輸入頻率顯著變化的運行模式或環(huán)境下有利，例如，當(dāng)AC輸入來自后備發(fā)電機或來自控制不良的公用電源時。在某些實施例中，提供既具有固定模式又具有適應(yīng)性模式的變換器裝置是有利的。例如，在由例如公用電網(wǎng)等控制相對較好的電源運行時，每步角度值θ/step可以是固定的；在由例如電動發(fā)電機裝置等控制相對較差的AC電源運行時，每步角度值θ/step可以是適應(yīng)性地得到的。
幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路140′包含伏-安無功(VAR)塊216，該塊對AC母線110的相電流iphase和相位基準(zhǔn)信號∠Ref做出響應(yīng)地產(chǎn)生VAR信號VAR。VAR信號VAR表示由變換器電路120傳送的VAR量。具體而言，相位基準(zhǔn)信號∠Ref被變?yōu)檫@樣的基準(zhǔn)信號其由余弦函數(shù)塊217相對于用相位基準(zhǔn)信號∠Ref表示的角度移動90°，并由乘法器218按照幅值基準(zhǔn)信號|Ref|進(jìn)行標(biāo)度。例如，授予Tassitino，Jr等人的美國專利6,549,440示出了確定VAR的例證性技術(shù)，該公開整體并入此處作為參考。
VAR信號VAR被傳送到求和點211，求和點211將VAR信號VAR與VAR基準(zhǔn)信號VARref進(jìn)行比較，并做出響應(yīng)地產(chǎn)生VAR誤差信號eVAR。可以明了，在許多情況下，VAR基準(zhǔn)信號VARref對應(yīng)于基本等于零的VAR等級。然而，在某些應(yīng)用中，例如，在AC母線110上存在已知量的VAR補償電容的應(yīng)用中，VAR基準(zhǔn)信號VARref可對應(yīng)于某些不為零的VAR等級。
VAR誤差信號eVAR由增益塊212(其提供增益Gvar(z))進(jìn)行補償，產(chǎn)生一信號，該信號被提供給求和點213以及對該信號進(jìn)行積分(累積)的、相關(guān)聯(lián)的ZOH塊215，產(chǎn)生幅值基準(zhǔn)信號|Ref|。如虛線所示，DC電壓誤差信號eVDC可經(jīng)由增益塊214(其提供增益GDC(z))饋送到求和點213。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實施例的幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路140″的替代構(gòu)造，其中，在不需要VAR控制環(huán)的情況下，由DC電壓誤差信號eVDC產(chǎn)生幅值基準(zhǔn)信號|Ref|。這種構(gòu)造在例如由電路而不是由變換器提供VAR補償?shù)那闆r下是有益的。圖2和圖3中同樣的元件用相同的參考標(biāo)號表示，并根據(jù)前面對圖2的介紹不再對這些元件進(jìn)行討論。如同圖2所示控制結(jié)構(gòu)一樣，圖3示出了可在處理器(未示出)中實施的控制結(jié)構(gòu)。處理器例如為微控制器或數(shù)字信號處理器(DSP)，其被配置為提供相位基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路150′和幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路140″的、所示出的功能?？梢悦髁?，這樣的一種處理器還可用于執(zhí)行變換器電路120的某些功能。可以明了，盡管圖3示出了分立的(數(shù)字的)控制實施方式，本發(fā)明的其他實施例可包含模擬控制結(jié)構(gòu)或模擬與數(shù)字控制結(jié)構(gòu)的組合。
圖4示出了三相變換器電路120′，其可被相位基準(zhǔn)信號和幅值基準(zhǔn)信號控制，例如被圖2與圖3所示的相位基準(zhǔn)信號和幅值基準(zhǔn)信號∠Ref和|Ref|控制。變換器120′包含有源橋式電路420，該電路被耦合到AC母線410和DC母線430、并由PWM控制器電路450對相位基準(zhǔn)信號∠Ref和幅值基準(zhǔn)信號|Ref|做出響應(yīng)地進(jìn)行控制。如圖所示，整流器電路420包含三個半橋電路，所述半橋電路包含互補絕緣柵雙極晶體管(IGBT)對Q1a/Q2a、Q1b/Q2b與Q1c/Q2c以及輸入電感器La、Lb與Lc。
相位基準(zhǔn)信號∠Ref和幅值基準(zhǔn)信號|Ref|被供給三相基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路440，該電路產(chǎn)生三個正弦基準(zhǔn)信號vrefa、vrefb與vrefc，所述信號具有由相位基準(zhǔn)信號∠Ref控制的定相(定時)、并被根據(jù)幅值基準(zhǔn)信號|Ref|進(jìn)行標(biāo)度。具體而言，第一基準(zhǔn)信號vrefa這樣產(chǎn)生在正弦函數(shù)塊443中產(chǎn)生與相位基準(zhǔn)信號∠Ref對應(yīng)的正弦信號，并用幅值基準(zhǔn)信號|Ref|對此信號進(jìn)行標(biāo)度。第二基準(zhǔn)信號vrefb這樣產(chǎn)生在相移塊441中向相位基準(zhǔn)信號∠Ref增加120°，在正弦函數(shù)塊443中由結(jié)果得到的信號產(chǎn)生正弦信號，并用幅值基準(zhǔn)信號|Ref|對此信號進(jìn)行標(biāo)度。第三基準(zhǔn)信號vrefc這樣產(chǎn)生在相移塊442中從相位基準(zhǔn)信號∠Ref中減去120°，在正弦函數(shù)塊443中由結(jié)果得到的信號產(chǎn)生正弦信號，并用幅值基準(zhǔn)信號|Ref|對此信號進(jìn)行標(biāo)度。三個基準(zhǔn)信號vrefa、vrefb與vrefc被提供給PWM控制器450，該控制器對基準(zhǔn)信號vrefa、vrefb與vrefc做出響應(yīng)地對晶體管Q1a/Q2a、Q1b/Q2b以及Q1c/Q2c進(jìn)行操作，以便控制橋式電路420的變量(例如相電流和/或電壓)。PWM控制器450可采用多種不同的控制技術(shù)中的任意一種，例如，授予Tracy等人的美國專利6,201,720中描述的空間矢量域控制技術(shù)。在本發(fā)明進(jìn)一步的實施例中，相應(yīng)的基準(zhǔn)信號vrefa、vrefb與vrefc可由相應(yīng)的幅值與相位基準(zhǔn)信號對——其中每一對由相應(yīng)的不同相電流(或其他相變量)產(chǎn)生——產(chǎn)生，而不是由一對幅值與相位基準(zhǔn)信號∠Ref與|Ref|產(chǎn)生三相基準(zhǔn)信號vrefa、vrefb與vrefc。這樣的一種方法在對AC母線上的相位不平衡進(jìn)行補償中是有用的。
參照圖2、3與4，假設(shè)圖2和圖3中的變換器120采取圖4所示變換器120′的形式，采用形成誤差控制振蕩器——該振蕩器由DC電壓誤差信號eVDC進(jìn)行控制——的、圖4中的正弦波發(fā)生器電路440以及圖2(或圖3)中的ZOH塊224與求和點223，通過對VAR誤差和/或DC電壓誤差做出響應(yīng)地調(diào)節(jié)AC幅值基準(zhǔn)信號|Ref|，并通過采用鎖相環(huán)(PLL)——其從DC電壓誤差信號eVDC得出相位信息——調(diào)節(jié)AC相位基準(zhǔn)信號∠Ref，圖2與圖3的控制結(jié)構(gòu)對變換器120′(例如脈寬調(diào)制橋式電路，如圖4所示)進(jìn)行控制。這種PLL的帶寬通?？膳cAC母線的頻率無關(guān)，并且，與試圖直接判定輸入AC波形相位的某些傳統(tǒng)相位/頻率控制環(huán)相比，這種PLL可在相對較高的計算速率(即帶寬)下穩(wěn)定運行。這種的傳統(tǒng)相位/頻率環(huán)典型地可在兩倍于AC母線相數(shù)與AC母線基頻之積的最大速率產(chǎn)生相位基準(zhǔn)，例如，對于60Hz的三相檢測器大約為360Hz。與采用這種有限帶寬檢測器(例如過零檢測器)的方法形成對比的是，根據(jù)圖2、圖3與圖4所示本發(fā)明某些實施例的PLL可以用比AC母線相數(shù)與AC基頻之積的兩倍大得多的速率運行。例如，60Hz AC輸入的三相UPS的例證性同步整流器控制器包含沿圖2、圖3與圖4所示線的PLL，其以超過3kHz的速率產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號。
現(xiàn)在參照圖5，在本發(fā)明的某些實施例中，沿著圖2與圖4所示線的控制電路530(例如圖4所示有源橋以及圖3與圖4中的相關(guān)控制結(jié)構(gòu))可用于控制整流器機510的有源橋式電路512，有源橋式電路512經(jīng)由整流器濾波器514在DC母線520與AC源10之間傳送電力。整流器濾波器514包含電感LR、電阻RR和電容CR(其可包含例如VAR補償電容)，并經(jīng)由電感LU與電阻RU(例如與分布網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的電阻和電感)耦合到AC源10。橋式電路512由控制電路530對DC母線520上的DC電壓做出響應(yīng)地以及視情況可選擇對相電流iphase做出響應(yīng)地進(jìn)行控制，其可被看作一變換器，該變換器對濾波器514的“輸出”上的AC電壓v′進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便在AC源10與DC母線520之間獲得所希望的電力傳送。對該電壓的頻率(或相角，其是頻率的積分)和/或幅值進(jìn)行的控制可控制在DC母線520與AC源10之間的電力流。如圖所示，相電流iphase可在濾波器514的不同點上進(jìn)行測量，且在哪一點上檢測相電流可影響用于VAR環(huán)——其在幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器140′中實現(xiàn)——的VAR基準(zhǔn)。例如，如果濾波器電容CR基本對應(yīng)于連接到公用電網(wǎng)的VAR補償電容，可在電容CR與電阻及電感RR、LR之間的點上對電流進(jìn)行采樣，并采用非零VAR基準(zhǔn)。
圖6示出了可用在圖5所示構(gòu)造之中的內(nèi)部控制環(huán)結(jié)構(gòu)。基準(zhǔn)信號vref(例如圖3中的基準(zhǔn)信號vrefa、vrefb與vrefc)可被供到控制環(huán)，該控制環(huán)對整流器濾波器514的相電流iphase出響應(yīng)地控制橋式電路512。該控制環(huán)包含前向補償塊620、具有傳遞函數(shù)Hi的反饋增益塊650和求和點610，前向補償塊620在這里示為提供低通傳遞函數(shù)Gv。用在例證性連續(xù)域控制器中的傳遞函數(shù)Gv(s)由下式給出Gv(s)=gv1s+gz1s+gp1,---(2)]]>其中，gv1為常數(shù)，gp1表示極點頻率，gz1表示零點頻率。相應(yīng)的離散(數(shù)字)域傳遞函數(shù)由下式給出Gv(z)=gv2x0+x1*z-11+y1*z-1,---(2)]]>其中，gv2為常數(shù)，x0、x1和y1為提供等效極點與零點的系數(shù)。對于具有100微亨電感的輸入電感和13毫歐電阻的三相20kVa、208V不間斷電源(UPS)中的整流器，發(fā)現(xiàn)gv2＝1，x0＝0.332，x1＝0，y1＝-0.668的值可以用速率為12.5kHz的控制器提供有益的性能。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實施例的UPS 700。UPS 700包含電力變換器電路720，該電路在AC母線710與DC母線730之間轉(zhuǎn)移電力；逆變器電路740，該電路由DC母線730上的DC電壓產(chǎn)生AC輸出760；還包含備用DC電源750，該電源為DC母線730提供備用電力。電力變換器電路720包含整流器電路722，整流器電路722由幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器724與相位基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路726分別產(chǎn)生的幅值基準(zhǔn)信號與相位基準(zhǔn)信號|Ref|與∠Ref進(jìn)行控制。如圖所示，幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路724可對AC母線710的相電流iphase和/或DC母線730上的DC電壓vDC做出響應(yīng)地產(chǎn)生幅值基準(zhǔn)信號|Ref|。相位基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路726對DC母線730上的DC電壓vDC做出響應(yīng)地產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號∠Ref?？梢悦髁?，變換器720可沿著上面參照圖1至6討論的線運行。可以進(jìn)一步明了的是，盡管圖7示出了“在線式”UPS結(jié)構(gòu)，本發(fā)明同樣適用于采用涉及AC與DC母線之間的電力傳送的其他電路構(gòu)造的UPS，例如“在線互動式”UPS。
在附圖和說明書中公開了本發(fā)明的例證性實施例。盡管采用了具體的術(shù)語，它們僅僅用作通用性和描述性意義，并非出于限制目的。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種在DC母線與AC母線之間傳送電力的方法，該方法包含響應(yīng)所述DC母線上的DC電壓，產(chǎn)生DC電壓誤差信號；對所述DC電壓誤差信號進(jìn)行微分，以便產(chǎn)生相位偏移信號；以及響應(yīng)所述相位偏移信號，在所述AC母線與所述DC母線之間傳送電力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，傳送電力包含響應(yīng)所述相位偏移信號，產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號；以及響應(yīng)所述相位基準(zhǔn)信號，在所述AC母線與所述DC母線之間傳送電力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法其中，產(chǎn)生DC電壓誤差信號包含產(chǎn)生所述DC母線上的所述DC電壓的一系列采樣；以及為所述DC電壓的所述采樣中相應(yīng)的各個產(chǎn)生相應(yīng)的DC電壓誤差信號值；其中，對所述DC電壓誤差信號進(jìn)行微分包含確定所述DC電壓誤差信號值中連續(xù)的信號值之間的加權(quán)差，以產(chǎn)生一系列相位偏移信號值；并且其中，響應(yīng)所述相位偏移信號、產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號包含由所述一系列相位偏移信號值產(chǎn)生一系列相位基準(zhǔn)信號值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中，由所述一系列相位偏移信號值產(chǎn)生一系列相位基準(zhǔn)信號值包含由前面計算出的相位基準(zhǔn)信號值、相位偏移信號值和每步相角值產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其進(jìn)一步包含響應(yīng)所述AC母線上的AC電壓，產(chǎn)生所述每步相角值。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，響應(yīng)所述相位偏移信號、產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號包含響應(yīng)所述相位偏移信號和所述AC母線上的AC電壓的頻率，產(chǎn)生所述相位基準(zhǔn)信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號包含以這樣的速率對所述相位基準(zhǔn)信號進(jìn)行更新，該速率與所述AC母線上的AC電壓的頻率無關(guān)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號包含以這樣的頻率對所述相位基準(zhǔn)信號進(jìn)行更新，該頻率大于所述AC母線的相數(shù)與所述AC母線上的AC電壓基頻之積的兩倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在所述AC母線與所述DC母線之間傳送電力包含響應(yīng)所述相位偏移信號地運行電力變換器以便在所述AC母線與所述DC母線之間提供電力傳送，且其中，所述相位偏移信號表示在所述電力變換器的輸入與保持所述DC母線上所希望的電壓需要的、驅(qū)動所述AC母線的AC源之間的相移大小。
10.一種在AC母線與DC母線之間傳送電力的方法，該方法包含響應(yīng)所述DC母線上的DC電壓，產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號；產(chǎn)生幅值基準(zhǔn)信號；響應(yīng)所述相位基準(zhǔn)信號與所述幅值基準(zhǔn)信號，在所述AC母線與所述DC母線之間傳送電力。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號包含響應(yīng)所述DC母線上的所述DC電壓，產(chǎn)生DC電壓誤差信號；響應(yīng)所述DC電壓誤差信號，產(chǎn)生相位偏移信號；以及響應(yīng)所述相位偏移信號，產(chǎn)生所述相位基準(zhǔn)信號。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中，產(chǎn)生相位偏移信號包含對所述DC電壓誤差信號進(jìn)行微分以產(chǎn)生所述相位偏移信號。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法其中，產(chǎn)生DC電壓誤差信號包含產(chǎn)生所述DC母線上的所述DC電壓的一系列采樣；以及為所述DC電壓的所述采樣中相應(yīng)的各個產(chǎn)生相應(yīng)的DC電壓誤差信號值；其中，對所述DC電壓誤差信號進(jìn)行微分包含確定所述DC電壓誤差信號值中連續(xù)的信號值之間的加權(quán)差，以產(chǎn)生一系列相位偏移信號值；并且其中，響應(yīng)所述相位偏移信號、產(chǎn)生所述相位基準(zhǔn)信號包含由所述一系列相位偏移信號值產(chǎn)生一系列相位基準(zhǔn)信號值。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中，由所述一系列相位偏移信號值產(chǎn)生一系列相位基準(zhǔn)信號值包含由前面計算出的相位基準(zhǔn)信號值、相位偏移信號值和每步相角值產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號值。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其進(jìn)一步包含響應(yīng)所述AC母線上的AC電壓，產(chǎn)生所述每步相角值。
16.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中，響應(yīng)所述相位偏移信號、產(chǎn)生所述相位基準(zhǔn)信號包含響應(yīng)所述相位偏移信號和所述AC母線上的AC電壓的頻率，產(chǎn)生所述相位基準(zhǔn)信號。
17.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，產(chǎn)生幅值基準(zhǔn)信號包含響應(yīng)所述AC母線的相電流和/或所述DC母線上的所述DC電壓，產(chǎn)生所述幅值基準(zhǔn)信號。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，產(chǎn)生幅值基準(zhǔn)信號包含響應(yīng)所述相電流，產(chǎn)生伏-安無功(VAR)誤差信號；以及響應(yīng)所述VAR誤差信號，產(chǎn)生所述幅值基準(zhǔn)信號。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中，產(chǎn)生VAR誤差信號包含響應(yīng)所述相電流、所述幅值基準(zhǔn)信號以及所述相位基準(zhǔn)信號，產(chǎn)生VAR推定信號；以及響應(yīng)所述VAR推定信號以及VAR基準(zhǔn)信號，產(chǎn)生所述VAR誤差信號。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的方法其中，產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號包含響應(yīng)所述DC母線上的所述DC電壓，產(chǎn)生DC電壓誤差信號；以及響應(yīng)所述DC電壓誤差信號，產(chǎn)生所述相位基準(zhǔn)信號；并且其中，產(chǎn)生幅值基準(zhǔn)信號包含響應(yīng)所述DC電壓誤差信號，產(chǎn)生所述幅值基準(zhǔn)信號。
21.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，在所述AC母線與所述DC母線之間傳送電力包含響應(yīng)所述相位基準(zhǔn)信號，產(chǎn)生正弦基準(zhǔn)信號；按照所述幅值基準(zhǔn)信號對所述正弦基準(zhǔn)信號進(jìn)行標(biāo)度；以及響應(yīng)所述標(biāo)度的正弦基準(zhǔn)信號，在所述AC母線與所述DC母線之間傳送電力。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法其中，產(chǎn)生正弦基準(zhǔn)信號包含響應(yīng)所述相位基準(zhǔn)信號，產(chǎn)生多個正弦基準(zhǔn)信號，按照預(yù)先確定的相角對所述正弦基準(zhǔn)信號彼此之間進(jìn)行移相，所述預(yù)先確定的相角對應(yīng)于所述AC母線相間的相移；其中，對所述正弦基準(zhǔn)信號進(jìn)行標(biāo)度包含按照所述幅值基準(zhǔn)信號對所述多個正弦基準(zhǔn)信號中的各個進(jìn)行標(biāo)度；并且其中，傳送電力包含響應(yīng)所述標(biāo)度的正弦基準(zhǔn)信號中相應(yīng)的各個，有選擇地將所述AC母線的所述相中相應(yīng)的各個耦合到所述DC母線。
23.一種用于在AC母線與DC母線之間傳送電力的設(shè)備，該設(shè)備包含變換器電路，其耦合在所述AC母線與所述DC母線之間，并適用于響應(yīng)所述DC母線上的DC電壓、產(chǎn)生DC電壓誤差信號，對所述DC電壓誤差信號進(jìn)行微分以產(chǎn)生相位偏移信號，響應(yīng)所述相位偏移信號、在所述AC母線與所述DC母線之間傳送電力。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的設(shè)備，其中，所述變換器電路適用于響應(yīng)所述相位偏移信號、產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號，響應(yīng)所述相位基準(zhǔn)信號、在所述AC母線與所述DC母線之間傳送電力。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的設(shè)備，其中，所述變換器電路適用于產(chǎn)生所述DC母線上的所述DC電壓的一系列采樣，為所述DC電壓的所述采樣中相應(yīng)的各個產(chǎn)生相應(yīng)的DC電壓誤差信號值，確定所述DC電壓誤差信號值中連續(xù)的信號值之間的加權(quán)差以產(chǎn)生一系列相位偏移信號值，由所述一系列相位偏移信號值產(chǎn)生一系列相位基準(zhǔn)信號值，響應(yīng)所述相位基準(zhǔn)信號值、在所述AC母線與所述DC母線之間傳送電力。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的設(shè)備，其中，所述變換器電路適用于由前面計算出的相位基準(zhǔn)信號值、相位偏移信號值和每步相角值產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號值。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的設(shè)備，其中，所述變換器電路進(jìn)一步適用于響應(yīng)所述AC母線上的AC電壓，產(chǎn)生所述每步相角值。
28.根據(jù)權(quán)利要求25的設(shè)備，其中，所述變換器電路適用于響應(yīng)所述相位偏移信號和所述AC母線上的AC電壓的頻率，產(chǎn)生所述相位基準(zhǔn)信號。
29.根據(jù)權(quán)利要求23的設(shè)備，其中，所述變換器電路包含有源橋式電路，所述有源橋式電路適用于響應(yīng)所述相位偏移信號，在所述AC母線與所述DC母線之間傳送電力。
30.一種用于在AC母線與DC母線之間傳送電力的設(shè)備，該設(shè)備包含電力變換器電路，其適用于響應(yīng)相位基準(zhǔn)信號和幅值基準(zhǔn)信號，在所述AC母線與所述DC母線之間傳送電力；相位基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路，其適用于響應(yīng)所述DC母線上的DC電壓，產(chǎn)生所述相位基準(zhǔn)信號；以及幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路，其適用于產(chǎn)生所述幅值基準(zhǔn)信號。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的設(shè)備，其中，所述相位基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路適用于響應(yīng)所述DC母線上的所述DC電壓、產(chǎn)生DC電壓誤差信號，響應(yīng)所述DC電壓誤差信號、產(chǎn)生相位偏移信號，響應(yīng)所述相位偏移信號、產(chǎn)生所述相位基準(zhǔn)信號。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的設(shè)備，其中，所述相位基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路適用于對所述DC電壓誤差信號進(jìn)行微分以產(chǎn)生所述相位偏移信號。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的設(shè)備，其中，所述相位基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路適用于產(chǎn)生所述DC母線上的所述DC電壓的一系列采樣，為所述DC電壓的所述采樣中相應(yīng)的各個產(chǎn)生相應(yīng)的DC電壓誤差信號值，確定所述DC電壓誤差信號值中連續(xù)的信號值之間的加權(quán)差以產(chǎn)生一系列相位偏移信號值，由所述一系列相位偏移信號值產(chǎn)生一系列相位基準(zhǔn)信號值。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的設(shè)備，其中，所述相位基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路適用于由前面計算出的相位基準(zhǔn)信號值、相位偏移信號值和每步相角值產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號值。
35.根據(jù)權(quán)利要求30的設(shè)備，其中，所述幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路適用于響應(yīng)所述AC母線上的相電流和/或所述DC母線上的所述DC電壓，產(chǎn)生所述幅值基準(zhǔn)信號。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的設(shè)備，其中，所述幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路適用于響應(yīng)所述相電流、產(chǎn)生伏-安無功(VAR)誤差信號，響應(yīng)所述VAR誤差信號、產(chǎn)生所述幅值基準(zhǔn)信號。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的設(shè)備，其中，所述幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路適用于響應(yīng)所述相電流、所述幅值基準(zhǔn)信號以及所述相位基準(zhǔn)信號地產(chǎn)生VAR推定信號，響應(yīng)所述VAR推定信號以及VAR基準(zhǔn)信號地產(chǎn)生所述VAR誤差信號。
38.根據(jù)權(quán)利要求35的設(shè)備，其中，所述相位基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路適用于響應(yīng)所述DC母線上的所述DC電壓、產(chǎn)生DC電壓誤差信號，響應(yīng)所述DC電壓誤差信號、產(chǎn)生所述相位基準(zhǔn)信號；且其中，所述幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路適用于響應(yīng)所述DC電壓誤差信號，產(chǎn)生所述幅值基準(zhǔn)信號。
39.根據(jù)權(quán)利要求30的設(shè)備，其中，電力變換器包含有源橋式電路。
40.根據(jù)權(quán)利要求30的設(shè)備，其中，所述電力變換器電路適用于響應(yīng)所述相位基準(zhǔn)信號、產(chǎn)生正弦基準(zhǔn)信號，按照所述幅值基準(zhǔn)信號對所述正弦基準(zhǔn)信號進(jìn)行標(biāo)度，響應(yīng)所述標(biāo)度的正弦基準(zhǔn)信號、在所述AC母線與所述DC母線之間傳送電力。
41.一種不間斷電源(UPS)，其包含AC母線；DC母線；電力變換器電路，該電路適用于響應(yīng)相位基準(zhǔn)信號和幅值基準(zhǔn)信號，在所述AC母線與所述DC母線之間傳送電力；相位基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路，該電路適用于響應(yīng)所述DC母線上的DC電壓，產(chǎn)生所述相位基準(zhǔn)信號；以及幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路，該電路適用于產(chǎn)生所述幅值基準(zhǔn)信號。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的UPS，其中，所述相位基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路適用于響應(yīng)所述DC母線上的所述DC電壓、產(chǎn)生DC電壓誤差信號，響應(yīng)所述DC電壓誤差信號、產(chǎn)生相位偏移信號，響應(yīng)所述相位偏移信號、產(chǎn)生所述相位基準(zhǔn)信號。
43.根據(jù)權(quán)利要求42的UPS，其中，所述相位基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路適用于對所述DC電壓誤差信號進(jìn)行微分以產(chǎn)生所述相位偏移信號。
44.根據(jù)權(quán)利要求41的UPS，其中，所述幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路適用于響應(yīng)所述AC母線上的相電流和/或所述DC母線上的所述DC電壓，產(chǎn)生所述幅值基準(zhǔn)信號。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的UPS，其中，所述幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路適用于響應(yīng)所述相電流、產(chǎn)生伏-安無功(VAR)誤差信號，響應(yīng)所述VAR誤差信號、產(chǎn)生所述幅值基準(zhǔn)信號。
46.根據(jù)權(quán)利要求45的UPS，其中，所述幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路適用于響應(yīng)所述相電流、所述幅值基準(zhǔn)信號以及所述相位基準(zhǔn)信號地產(chǎn)生VAR推定信號，響應(yīng)所述VAR推定信號以及VAR基準(zhǔn)信號地產(chǎn)生所述VAR誤差信號。
47.根據(jù)權(quán)利要求44的UPS，其中，所述相位基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路適用于響應(yīng)所述DC母線上的所述DC電壓、產(chǎn)生DC電壓誤差信號，響應(yīng)所述DC電壓誤差信號、產(chǎn)生所述相位基準(zhǔn)信號；且其中，所述幅值基準(zhǔn)信號發(fā)生器電路適用于響應(yīng)所述VAR誤差信號和所述DC電壓誤差信號，產(chǎn)生所述幅值基準(zhǔn)信號。
48.根據(jù)權(quán)利要求41的UPS，其中，所述電力變換器電路適用于響應(yīng)所述相位基準(zhǔn)信號、產(chǎn)生正弦基準(zhǔn)信號，按照所述幅值基準(zhǔn)信號對所述正弦基準(zhǔn)信號進(jìn)行標(biāo)度，響應(yīng)所述標(biāo)度的正弦基準(zhǔn)信號、在所述AC母線與所述DC母線之間傳送電力。
全文摘要
在例如不間斷電源等電力變換器設(shè)備中，對DC母線上的DC電壓做出響應(yīng)地產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號。對AC母線的相電流和/或DC母線上的DC電壓做出響應(yīng)地產(chǎn)生幅值基準(zhǔn)信號。對相位基準(zhǔn)信號和幅值基準(zhǔn)信號做出響應(yīng)地在AC與DC母線之間進(jìn)行電力傳送。相位基準(zhǔn)信號的產(chǎn)生可包含對DC母線上的DC電壓做出響應(yīng)地產(chǎn)生DC電壓誤差信號，對DC電壓誤差信號做出響應(yīng)地產(chǎn)生相位偏移信號，對相位偏移信號做出響應(yīng)地產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號。幅值基準(zhǔn)信號的產(chǎn)生可包含對相電流做出響應(yīng)地產(chǎn)生伏－安無功(VAR)誤差信號，對VAR誤差信號做出響應(yīng)地產(chǎn)生幅值基準(zhǔn)信號。
文檔編號H02M7/219GK1950999SQ200580013620
公開日2007年4月18日 申請日期2005年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月29日
發(fā)明者J·G·特蕾西, H-E·普菲策爾, K·鮑曼 申請人:伊頓動力品質(zhì)公司