專利名稱：用于階梯波功率轉(zhuǎn)換器和感應(yīng)逆變器拓?fù)涞念A(yù)測(cè)方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)總體涉及功率轉(zhuǎn)換。
背景技術(shù)：
存在多種用于將直流(DC)電壓轉(zhuǎn)換為階梯波交流(AC)輸出的階梯波功率轉(zhuǎn)換器。針對(duì)階梯波輸出的每一階梯，階梯波功率轉(zhuǎn)換器使用不同的變壓器。多個(gè)不同變壓器的一次繞組通過(guò)多個(gè)電橋電路(bridgecircuit)電聯(lián)接至直流電源。多個(gè)電橋電路中的多個(gè)門電路(gate)控制流過(guò)那些一次繞組的電流，以從二次繞組產(chǎn)生多個(gè)交流輸出階梯。
不幸地是，階梯波功率轉(zhuǎn)換器是體積龐大的，并且針對(duì)每一階梯都需要多個(gè)變壓器。此外，交流輸出中的階梯總數(shù)與用于產(chǎn)生輸出的變壓器的數(shù)量直接對(duì)應(yīng)。為了在三相交流波形輸出中取得更優(yōu)的分辨率，必須在功率轉(zhuǎn)換器中增加更多的變壓器，由此使其體積更加龐大。 這類功率轉(zhuǎn)換器的另一缺陷是，階梯波交流輸出通常方波化(blocky)——因?yàn)閮H通過(guò)疊加正和/或負(fù)的方波化階梯來(lái)形成交流波形輸出。雖然方波化交流波形適合于許多應(yīng)用，但它們不太適用于許多現(xiàn)代電子設(shè)備，所述現(xiàn)代電子設(shè)備諸如電腦、電視機(jī)等，因?yàn)楫?dāng)用嚴(yán)格調(diào)制的交流電源對(duì)這些設(shè)備供電時(shí)，這些現(xiàn)代電子設(shè)備會(huì)運(yùn)行得更好且運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)。 電流控制對(duì)于逆變器電能質(zhì)量是重要的。用于調(diào)節(jié)電壓源型逆變器(VSI)的電流的三種主要技術(shù)是磁滯、斜波比較(ramp comparison)以及預(yù)測(cè)電流控制(predictivecurrent control)。磁滯電流控制器在將負(fù)載電流與參考值相比較中利用了磁滯。斜波比較控制器將誤差電流信號(hào)與三角載波波形相比較，以產(chǎn)生逆變器門脈沖。預(yù)測(cè)控制器計(jì)算迫使所測(cè)電流趨于參考電流所需的逆變器電壓。 預(yù)測(cè)控制器提供的優(yōu)勢(shì)是，以最小的失真更精確地控制電流，并且該預(yù)測(cè)控制器還可以完全實(shí)施在數(shù)字平臺(tái)上。但是，預(yù)測(cè)控制器需要更多的計(jì)算資源，且需要更好地知曉系統(tǒng)參數(shù)，并且要求能夠?qū)ω?fù)載參數(shù)的錯(cuò)誤識(shí)別敏感。也有一些預(yù)測(cè)電流控制方案不是為階梯波逆變器而設(shè)計(jì)的。


圖1是單相并網(wǎng)的全橋電壓源型逆變器的示意圖。
圖2是示出了切換周期的取樣點(diǎn)的圖示。 圖3是單相并網(wǎng)階梯波逆變器的示意圖。 圖4是圖3中示出的階梯波逆變器所產(chǎn)生的電壓波形的示意圖。 圖5A和5B是示出了如何使用圖3中示出的階梯波逆變器進(jìn)行預(yù)測(cè)電流控制的流程圖。 圖6示出了階梯波轉(zhuǎn)換器中的變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)的電壓波形。 圖7示出了階梯波轉(zhuǎn)換器中的變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)的一個(gè)電壓脈沖。 圖8是帶有一次側(cè)電流濾波電感的單相并網(wǎng)階梯波逆變器的示意圖。 圖9示出了一次側(cè)電感與關(guān)聯(lián)的變壓器一體化的另一實(shí)施方案。 圖IO示出了使用單個(gè)變壓器和多個(gè)一次側(cè)電感的階梯波逆變器的另一實(shí)施方案。
具體實(shí)施例方式肝纏測(cè),制勺申扁先,中德働l (P麗)錄 新穎的電流控制預(yù)測(cè)方案在多級(jí)并網(wǎng)逆變器下運(yùn)行。所述預(yù)測(cè)方案可以用于任何 使用H橋(H-bridge)的多級(jí)逆變器拓?fù)洌谠揌橋處，多個(gè)電橋的輸出被組合，以獲得多級(jí) 輸出波形。例如，預(yù)測(cè)方案可以用于級(jí)聯(lián)的多級(jí)電壓源型逆變器，并且也可以用于其中全橋 的輸出(雖然這些全橋的輸出被互相隔離)通過(guò)變壓器被組合的逆變器。特別地，電流控 制預(yù)測(cè)方案的執(zhí)行可以使用2001年3月6日授權(quán)的第6， 198， 178號(hào)美國(guó)專利中所描述的 階梯波功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)?St印Wave PowerConverter topologies)，該文本以引用方式整 體納入本說(shuō)明書。 單相全橋電壓源型逆變器 圖1示出了單相全橋逆變器10。兩對(duì)晶體管開關(guān)S/S2和33/54均串聯(lián)在直流電 壓源V。c兩端。二極管Dr^分別聯(lián)接在其所關(guān)聯(lián)的晶體管開關(guān)S「S4兩端。晶體管S「&通 過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)12被控制，并被用于產(chǎn)生全橋逆變器10的輸出電壓V。p。電感L聯(lián) 接在晶體管對(duì)S3/S4和電壓電網(wǎng)(power voltage grid) (Vgrid)的第一極之間。所述電網(wǎng)的 第二極聯(lián)接在晶體管對(duì)S乂^之間。負(fù)載電流IlMd穿過(guò)電感L從V。p流到V^d。
功率晶體管S「S4通過(guò)DSP 12接通或切斷，以產(chǎn)生相等于+VDC、0或_VDC的輸出電
壓V。。。例如，接通晶體管S3和S2并切斷晶體管S工和S4產(chǎn)生輸出電壓V。p二+V。c。接通晶
體管S工和S4并切斷晶體管S2和S3產(chǎn)生輸出電壓V。p = -VDC。同時(shí)接通晶體管S工和S3或同 時(shí)接通晶體管S2和S4產(chǎn)生橋輸出電壓V。p = 0。零輸出電壓V。p = 0也可被替代地稱為將 所述逆變器IO旁通掉。 從圖1中示出的簡(jiǎn)化接線圖中可以得出，逆變器的負(fù)載電流(IlMd)由以下等式定 義 r。p = +丄( 1 ) 其中，Vgrid是電網(wǎng)電壓，V。p是逆變器輸出電壓，L是濾波電感。假設(shè)圖1中的逆變 器10以恒定的切換頻率運(yùn)行，切換周期是一恒定值，TpCTi。d。在切換周期[n， n+1]內(nèi)，等式 (1)可寫為以下離散形式<formula>formula see original document page 7</formula>其中，V。D av[n]和Vgrid av[n]分別是切換周期[n，n+l]中的逆變器平均輸出電壓和
電網(wǎng)平均電壓，并且I^d[n+l]、I^d[n]分別是取樣點(diǎn)[n+1]和[n]處所測(cè)量的負(fù)載電流。
圖2中闡釋了改進(jìn)的預(yù)測(cè)控制方法的控制原理。取樣點(diǎn)(點(diǎn)A)就設(shè)置在控制點(diǎn) (點(diǎn)B)之前，其間間隔一控制延遲的時(shí)間。取樣點(diǎn)和控制點(diǎn)之間的延遲很小，因此可以假定 在取樣點(diǎn)[n](點(diǎn)A)取樣的電網(wǎng)電壓和逆變器電流等于控制點(diǎn)[n](點(diǎn)B)處的電網(wǎng)電壓和 逆變器電流的值。因此，所測(cè)量的電流值Iw[n]和電網(wǎng)電壓值V^d—av[n]可被提供給控制 器以預(yù)測(cè)所需的逆變器輸出電壓。所述預(yù)測(cè)控制算法產(chǎn)生了以下對(duì)應(yīng)于切換周期[n，n+l] 內(nèi)的預(yù)測(cè)平均輸出電壓的公式 <formula>formula see original document page 7</formula>
如上所述，等式1中描述的預(yù)測(cè)控制的一個(gè)目標(biāo)是計(jì)算用于迫使所測(cè)量的電流 1^d趨于參考電流I^所需的逆變器電壓。換言之，DSP 12使用[n-1]和[n]時(shí)刻的取樣 值，并試圖使得負(fù)載電流I^d[n+l]在切換周期[n，n+l]結(jié)束時(shí)等于參考電流IMf[n+l]。
電橋的占空比D[n]根據(jù)下式計(jì)算
<formula>formula see original document page 7</formula>
變器201
帶有多橋逆變器運(yùn)行的階梯波功率轉(zhuǎn)換器
圖3示出了包括用于單相輸出電壓22的N個(gè)全橋15 (橋#1-橋#N)的階梯波逆 每一個(gè)全橋15通過(guò)直流電源14來(lái)饋給。每一個(gè)橋15的切換通過(guò)DSP 12獨(dú)立于 其他橋而被控制，且每一個(gè)橋#1-橋柳的輸出分別饋給至所關(guān)聯(lián)的變壓器T「TN。每一變 壓器16具有輸出電壓比1 : R。轉(zhuǎn)換器20的組合輸出電壓22通過(guò)電感濾波器82饋給至 負(fù)載84。電容濾波器80連接在負(fù)載84兩端。 參考圖3和4，變壓器1\-TN的二次繞組16A串聯(lián)連接以產(chǎn)生多級(jí)輸出電壓22。對(duì) 于帶有N個(gè)橋15的逆變器20，在輸出電壓22上可以獲得(2N+1)個(gè)輸出級(jí)。圖3中的每 一個(gè)變壓器16的二次繞組16A上的輸出電壓22的大小給出為(R*VDC)。還如圖4中示出 的，來(lái)自電橋電路15之一的輸出電壓根據(jù)不同比例的切換周期的占空比而被脈沖寬度調(diào) 制(P麗)。 例如，第一正輸出級(jí)V^可以代表單個(gè)電橋電路15，該單個(gè)電橋電路15對(duì)所關(guān)聯(lián) 的直流輸入電壓14進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，以形成輸出電壓22的第一正階梯。第二正輸出級(jí) Vd,2可以代表兩個(gè)電橋電路15，每一個(gè)電橋電路都在輸出端18輸出正VDC，以形成逆變器輸 出電壓22的第二正階梯。兩個(gè)電橋電路之一在電壓22的整個(gè)第二階梯中產(chǎn)生正輸出電壓 V。c，而該兩個(gè)電橋電路15中的另一個(gè)對(duì)V。c進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制。類似地，負(fù)輸出級(jí)-V^可以 代表單個(gè)電橋電路15，該單個(gè)電橋電路15對(duì)V。e進(jìn)行負(fù)脈沖寬度調(diào)制。第二負(fù)輸出級(jí)-Vd, 2可以代表兩個(gè)電橋電路15，每一個(gè)電橋電路都將VDC負(fù)連接至橋輸出端18，其中一個(gè)橋15 在整個(gè)第二負(fù)階梯中輸出_VDC，而另一橋15對(duì)-VDC進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制。
以下等式給出了圖3所示的變壓器1\-TN的二次繞組16A的輸出端22的輸出電壓 級(jí)。負(fù)值通過(guò)橋15翻轉(zhuǎn)V。c所提供的輸出電壓而產(chǎn)生。
1個(gè)電橋切換，N-l個(gè)電橋處于旁通狀態(tài)Vda = l*R*Vdc
2個(gè)電橋切換，N-2個(gè)電橋處于旁通狀態(tài)Vd,2 = 2*1 搏&
"
N個(gè)電橋切換，0個(gè)電橋處于旁通狀態(tài)Vd,N = N*R*Vd。 (5)
應(yīng)理解的是， 一些逆變器拓?fù)淇刹皇褂米儔浩鱐rTN。例如，每一個(gè)電橋電路15都 可以將其輸出電壓18直接連接至負(fù)載或如圖1所示的Vgrid 84。對(duì)于未使用變壓器16的 級(jí)聯(lián)電壓源式逆變器而言，上述等式可以被修改為用R = 1來(lái)替代。 圖5A和5B示出了預(yù)測(cè)電流控制如何擴(kuò)展至圖3所示的具有N個(gè)電橋、或具有 (2N+1)級(jí)的多級(jí)逆變器配置。圖5A和5B中的流程圖也計(jì)算了不同橋ftl-柳在逆變器切換 周期內(nèi)的占空比。 在運(yùn)算50中，DSP 12使用上述的等式3預(yù)測(cè)下一切換周期[n， n+1]的平均輸出 電壓V。p—av[n]。預(yù)測(cè)輸出電壓V。p，[n]的正負(fù)號(hào)是通過(guò)DSP12在運(yùn)算52中確定的。在運(yùn)算 54、60、66和72中，將V。p av[n]的大小與等式5中描述的不同的逆變器輸出電壓級(jí)相比較。 例如，DSP 12確定，為了產(chǎn)生等于或剛剛超過(guò)所估算的輸出電壓V。p，[n]的輸出電壓22，需 要激活多少個(gè)電橋電路。換言之，來(lái)自不同電橋電路15的電壓逐個(gè)組合在一起，直到V。p av[n]小于或等于所組合的輸出電壓22。 接著在運(yùn)算58、64、70或76中，針對(duì)一個(gè)確認(rèn)的電橋電路15的組合計(jì)算下一切換
周期內(nèi)的占空比。符號(hào)D"D2......Dw分別代表橋ftl、橋ft2......橋柳的占空比。 例如，在運(yùn)算54中，DSP 12將V。p av[n]的大小與單個(gè)電橋電路15的電壓Vda輸 出相比較。如果V。p，[n]小于或等于V^那么占空比電壓在運(yùn)算56中被設(shè)置為V。二 |V。P av[n] I 。下一切換周期[n， n+l]內(nèi)的單個(gè)電橋電路15的占空比相應(yīng)地在運(yùn)算58中被設(shè)置 為V。和橋#1的輸出電壓之間的比值(Djn] = X^V。/Vd,》)。如果V。p av[n]小于V^其余
的電橋電路#2......橋柳將它們各自的直流輸入電壓14旁通掉。換言之，橋#2......橋
柳相關(guān)的占空比D2[n] 、 D3[n]........DN[n]分別被旁通至0V。 當(dāng)在運(yùn)算54中，所估算的輸出電壓V。p av[n]大于時(shí)，在運(yùn)算60中將V。p av[n] 與兩個(gè)電橋電路15的組合輸出電壓Vd,2相比較。如果V。p，[n]小于或等于Vd,2，那么在運(yùn) 算62中V。 |V。P—av[n]卜Vd,p由于在運(yùn)算54中V。p—av[n]大于Vw，在運(yùn)算64中將電橋電 路#1的占空比Djn]設(shè)置為Djn] = X*l。換言之，第一電橋電路#1在整個(gè)下一切換周期 [n， n+l]中接通。通過(guò)DSP 12將電橋電路#2的占空比D2[n]設(shè)置為比值D2[n] = X^V。/Vd,》。因
為V。pJn]小于或等于^,2，橋#3、橋#4......橋柳各自的占空比D3[n]、 D4[n]........
DN[n]在下一切換周期[n，n+l]被旁通掉，使得D3[n] 、 D4[n]........DN[n] = 0。根據(jù)V。p—
av[n]的值，也可以在運(yùn)算66和72中對(duì)每一切換周期做相似的電壓比較，直到組合的逆變 器輸出電壓被確認(rèn)為超過(guò)V。p av[n]。占空比計(jì)算分別在運(yùn)算68/70、74/76或78中類似地進(jìn) 行。 圖5A和5B中所執(zhí)行的運(yùn)算為連接至電網(wǎng)的逆變器提供了改進(jìn)的DSP電流控制。 上述運(yùn)算可以用于任何使用H橋的多級(jí)逆變器拓?fù)?，并允許橋的輸出可以被疊加以獲得多級(jí)輸出波形。例如，圖5A和5B中的運(yùn)行可以用于級(jí)聯(lián)的多級(jí)電壓源逆變器，并且也可以用 于其中全橋的輸出(雖然這些全橋的輸出被互相隔離)通過(guò)變壓器被組合的逆變器。
可以借助于Texas Instruments TMS320F2407A DSP，對(duì)帶有四個(gè)H橋的階梯波逆 變器實(shí)施所述電流控制方案。顯然，也可使用任何其他類型的可編程控制器12。執(zhí)行圖5 中的運(yùn)行所需要的總運(yùn)算時(shí)間已被測(cè)量為小于11 P s。用于多級(jí)電流控制的這一運(yùn)算時(shí)間 類似于對(duì)單個(gè)電橋預(yù)測(cè)運(yùn)行所測(cè)得的10 y s的時(shí)延。
電感濾波 新型電感濾波拓?fù)涮峁┝藢?duì)一類使用多級(jí)H橋和磁性部件的逆變器的改進(jìn)。該新 型拓?fù)浼捌溆幸嫘Чㄟ^(guò)結(jié)合圖3所示的帶有N個(gè)橋的單相并網(wǎng)階梯波轉(zhuǎn)換器來(lái)闡釋。圖 6和圖7中示出了與圖3的階梯波轉(zhuǎn)換器20相關(guān)聯(lián)的變壓器16的波形。
圖6中的電壓波形250是在圖3中的一次側(cè)16B所接收的電壓，圖6中的電壓波形 252是在圖3中連接至所關(guān)聯(lián)的H橋15的一個(gè)變壓器16的二次側(cè)16B的電壓輸出。交流 電網(wǎng)的時(shí)間尺度(time scale)對(duì)于60赫茲的電網(wǎng)是16.6毫秒。圖6中可以看出，對(duì)于大 小為VDC的直流電源14，變壓器16的一次側(cè)16B上經(jīng)歷了大小為VDC的脈沖寬度調(diào)制(P麗) 波形，且同樣的波形以VDC*R的大小被施加在二次側(cè)16A上，其中R是變壓器16的一次/ 二 次匝數(shù)比。 圖6中的P麗波形250和252對(duì)變壓器16和功率轉(zhuǎn)換器20的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提出了 若干挑戰(zhàn)。首先，切換波形通常是數(shù)千赫的數(shù)量級(jí)，這會(huì)在變壓器16中產(chǎn)生高的聲學(xué)噪聲。 其次，P麗操作引起轉(zhuǎn)換器20產(chǎn)生高電磁噪聲。如圖7所示，其中分別示出了一次波形250 的單個(gè)脈沖254和二次波形252的單個(gè)脈沖256的上升沿。 可以看出，雖然一次側(cè)電壓254是整齊的階梯254，二次側(cè)電壓階梯256經(jīng)歷了數(shù) 百kHz至數(shù)MHz數(shù)量級(jí)的高頻振動(dòng)260。該高頻振蕩260產(chǎn)生射頻噪聲，該射頻噪聲成為轉(zhuǎn) 換器20所產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)的一部分?？刂七@種EMI噪聲的產(chǎn)生是十分困難的，降低 注入電網(wǎng)的EMI的僅有途徑之一是使用EMI濾波器來(lái)將其削弱，而EMI濾波器是昂貴的且 體積龐大。圖6中示出的P麗操作也趨向于使變壓器16飽和。 考慮到這些問(wèn)題，新型功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)浔３至硕鄠€(gè)橋和變壓器的基本構(gòu)思，但消 除了上述問(wèn)題。功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)湓谝韵卤幻枋鰹橛糜诓⒕W(wǎng)應(yīng)用，但是該拓?fù)湟部梢杂糜讵?dú) 立的逆變器的應(yīng)用。 圖8示出了使用多個(gè)全橋(或H橋)15的逆變器100。橋ftl-橋柳的輸出0PJ-0P— N分別通過(guò)所關(guān)聯(lián)的電感LrL,連接至所關(guān)聯(lián)的變壓器L-T『變壓器16的二次繞組16A串 聯(lián)連接在一起。在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)電感17約在0. 25-1. 0亨利之間。
先前在圖3中示出的DSP 12被用于獨(dú)立地開關(guān)每一個(gè)橋#1_橋柳中的不同的功 率晶體管110，并允許使用圖6所描述的脈沖寬度調(diào)制。在其中逆變器100向交流負(fù)載供電 的離網(wǎng)(off-grid)應(yīng)用中，可以使用相移載波P麗(PSCP麗，Phase Shift Carrier P麗)。 此外，對(duì)于其中逆變器IOO將交流電流注入公用電網(wǎng)(utility grid)的并網(wǎng)運(yùn)行，也可以 使用如圖l-5所述的電流控制方案。 對(duì)于帶有N個(gè)全橋15和N個(gè)變壓器16的并網(wǎng)應(yīng)用，可以看出，電網(wǎng)電壓102將在 N個(gè)二次繞組16A之間平均劃分。因此，對(duì)于均方根(RMS)電網(wǎng)電壓V^d，每一個(gè)二次繞組 16A將承受VCTid/N，且每一個(gè)一次電壓將是VCTid/ (N*R)。
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所述繞組電壓相比于圖6和圖7中的階梯波轉(zhuǎn)換器的P麗波形是正弦的。因此， 圖8中的拓?fù)渫ㄟ^(guò)在繞組16A和16B兩端施加正弦電壓，消除了變壓器在P麗下運(yùn)行的缺 陷。換言之，圖8中的變壓器16的聲學(xué)噪聲被顯著降低，并且振蕩所產(chǎn)生的EMI噪聲也被 消除。正弦運(yùn)行也意味著變壓器TrT,可被設(shè)計(jì)為常規(guī)形式，且不需要考慮P麗運(yùn)行的特殊需要。 圖9示出了電感LrLN如何分別與變壓器TrTN集成在同一組件120中。磁性部件 的集成可以通過(guò)將所需的濾波電感L并入到變壓器T的磁性線圈結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)。這一方案形 成了 N個(gè)磁性部件，其中每一磁性部件包括具有集成的電感L的變壓器T?？梢詫⒚總€(gè)組件 120制造為將電感L和其所關(guān)聯(lián)的變壓器T包括在相同外殼或組件中。
圖IO示出了通過(guò)使用單個(gè)變壓器125和多個(gè)電感L「L,以執(zhí)行所計(jì)劃的拓?fù)涞?另一實(shí)踐途徑。在這一方案下，變壓器125的構(gòu)造包括一個(gè)二次繞組130和多個(gè)一次繞組 132，其中每一個(gè)一次繞組均與一個(gè)電橋電路15相關(guān)聯(lián)。圖10中示出的拓?fù)湫纬闪?N個(gè)電 感L「L,和一個(gè)變壓器125。該單個(gè)變壓器125的結(jié)構(gòu)可以被構(gòu)造為集成所需的電感L「L,， 并形成功率轉(zhuǎn)換器中的唯一一個(gè)磁性部件。 在一次繞組132上使用電感LrLN有效地將不同的橋#1_柳去耦合，允許每一個(gè)橋 15獨(dú)立運(yùn)行，甚至在其連接至同一變壓器125時(shí)也可獨(dú)立運(yùn)行。如上所述，電感L「LN的位 置也允許變壓器125的二次側(cè)130可被直接連接至電網(wǎng)102。 上述的階梯波功率轉(zhuǎn)換器(SWPC)除了將來(lái)自單個(gè)直流電源的功率轉(zhuǎn)換為交流功 率外，具有廣泛的用途。這些用途中的一種包括通過(guò)單個(gè)SWPC，合并(consolidation)、集 成并監(jiān)控多個(gè)電源，同時(shí)將每個(gè)電源隔離，以使每一電源以最優(yōu)效率運(yùn)行。連接至SWPC的 電源可以包括柴油或汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)輪機(jī)、太陽(yáng)能光伏(PV)電池陣列、水力發(fā)電機(jī)、電池、 汽輪機(jī)、燃料電池等。 另一用途是用于備用電源系統(tǒng)中，包括對(duì)包含有備用電源系統(tǒng)的電源的集成、隔 離并管理。另一用途是，管理以分布式發(fā)電模式安裝的發(fā)電機(jī)的功率。另一用途是電網(wǎng)末 端和線上電壓以及電能質(zhì)量的調(diào)整。進(jìn)一步的用途包括標(biāo)準(zhǔn)60赫茲或定制的頻率調(diào)整；在 需要時(shí)向電網(wǎng)或離網(wǎng)負(fù)載饋給無(wú)功功率的能力；以及根據(jù)需要向每一應(yīng)用提供定制或優(yōu)化 的可編程微處理器控制器。 上面列舉的附圖闡釋了本應(yīng)用的優(yōu)選實(shí)施例以及這些實(shí)施例的運(yùn)行。在附圖中， 方框的大小并不意在代表各種物理部件的大小。當(dāng)同一元件出現(xiàn)在多幅附圖中時(shí)，同樣的 參考數(shù)字在該元件出現(xiàn)的所有附圖中均表示該元件。 僅示出和描述了向本領(lǐng)域普通技術(shù)人員傳達(dá)對(duì)于實(shí)施例的理解所需要的各種單 元的那些部分。未示出的部分和元件是本領(lǐng)域中常規(guī)的和已知的。 上述系統(tǒng)可以使用專用處理器系統(tǒng)、微控制器、可編程邏輯器件，或運(yùn)行部分或全 部所述運(yùn)行的微處理器。上述的一些運(yùn)行可以在軟件中執(zhí)行，而另一些運(yùn)行可以在硬件中 執(zhí)行。 出于方便的目的，所述運(yùn)行被描述為各種互相連接的功能塊或獨(dú)立的軟件模塊。 但是這并不是必要的，也可能存在如下情況，即其中這些功能塊或模塊被等價(jià)地集合至具 有非明確邊界的單個(gè)邏輯器件、程序或運(yùn)算中。在任何情況下，功能塊和軟件模塊或靈活接 口的部件可以單獨(dú)執(zhí)行或與硬件或軟件中的其他運(yùn)行聯(lián)合執(zhí)行。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中描述和闡釋了本發(fā)明的原理之后，應(yīng)清楚的是，本發(fā) 明可以在布置和細(xì)節(jié)上進(jìn)行修改而不偏離本發(fā)明的原理。在下述權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi) 進(jìn)行的所有修改和變化都屬于本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
一種階梯波功率轉(zhuǎn)換器，包括多個(gè)不同的電橋電路，其被配置為將直流電壓輸入轉(zhuǎn)換為交流電壓輸出；以及處理器，其被配置為估算來(lái)自多個(gè)不同電橋電路的平均電壓輸出，以用于控制來(lái)自多個(gè)不同電橋電路的電流輸出；確認(rèn)為提供所估算的平均輸出電壓所需的電橋電路數(shù)量；以及在下一切換周期內(nèi)控制所確認(rèn)的電橋電路，以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所估算的平均輸出電壓的逆變器組合輸出電壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的階梯波功率轉(zhuǎn)換器，其中所述平均輸出電壓根據(jù)下式被估算^["〗-0.5 ^["-1〗".7"" + 1]-其中;一是切換周期[n，n+l]，V。p—av[n]是切換周期[n，n+l]內(nèi)的平均逆變器輸出電壓，Vgrid—av[n]是切換周期[n，n+l]內(nèi)的平均電網(wǎng)電壓，I^dW是取樣點(diǎn)[n]處所測(cè)量的負(fù)載電流。流Iref[n+1]是取樣點(diǎn)[n+1]處的參考電流，以及L是濾波電感。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的階梯波功率轉(zhuǎn)換器，其中所述處理器還被配置為為電橋電路確認(rèn)等于或剛剛超過(guò)所估算的輸出電壓的組合輸出電壓；確定下一切換周期的占空比，所述占空比與組合輸出電壓超出所估算的平均輸出電壓的量成比例——如果有超出的話；在整個(gè)下一切換周期中接通所確認(rèn)的電橋電路中除一個(gè)電橋電路以外的所有電橋電路，并在所述下一切換周期中根據(jù)所確認(rèn)的占空比，接通所確認(rèn)的電橋電路中的余下的一個(gè)電橋電路。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的階梯波功率轉(zhuǎn)換器，其中在所述的下一切換周期中根據(jù)所確認(rèn)的占空比對(duì)所述余下的一個(gè)電橋電路進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的階梯波功率轉(zhuǎn)換器，其中所述處理器還被配置為在所述的下一切換周期中將任何其余未確認(rèn)的電橋電路旁通掉。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的階梯波功率轉(zhuǎn)換器，其中還包括聯(lián)接在多個(gè)不同電橋電路和電網(wǎng)電壓之間的一個(gè)或多個(gè)變壓器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的階梯波功率轉(zhuǎn)換器，其中還包括聯(lián)接在電橋電路和其所關(guān)聯(lián)的所述一個(gè)或多個(gè)變壓器的一次繞組之間的電流濾波電感。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的階梯波功率轉(zhuǎn)換器，其中所估算的平均輸出電壓被計(jì)算以使右所測(cè)量的負(fù)載電流趨于參考電流
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的階梯波功率轉(zhuǎn)換器，其中每一個(gè)所述電橋電路包括分別布置為串聯(lián)的兩對(duì)門電路對(duì)，且每對(duì)門電路對(duì)連接在直流輸入電壓兩端，每個(gè)電橋電路所關(guān)聯(lián)的變壓器的一次繞組的第一端部連接在兩對(duì)門電路對(duì)中的第一對(duì)門電路之間，且所述一次繞組的第二端部連接在兩對(duì)門電路對(duì)中的第二對(duì)門電路之間。
10. —種方法，包括使用功率逆變器中的多個(gè)不同電橋電路以將一個(gè)或多個(gè)直流電壓源轉(zhuǎn)換為用于連接至電網(wǎng)的交流電壓；根據(jù)一個(gè)切換周期內(nèi)所測(cè)量的電網(wǎng)電壓和所測(cè)量的逆變器負(fù)載電流，預(yù)測(cè)所述逆變器在下一切換周期內(nèi)的輸出電壓；確認(rèn)需要哪一些電橋電路以基本產(chǎn)生所預(yù)測(cè)的下一切換周期的輸出電壓；以及激活所確認(rèn)的電橋電路以基本輸出所預(yù)測(cè)的輸出電壓，同時(shí)將任何未確認(rèn)的電橋電路的輸出旁通掉。
11. 根據(jù)權(quán)利要求io所述的方法，其中還包括計(jì)算所預(yù)測(cè)的輸出電壓，以使下一切換周期結(jié)束時(shí)的逆變器負(fù)載電流值基本等于所述切換周期結(jié)束時(shí)的參考電流值。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中還包括重復(fù)預(yù)測(cè)每個(gè)切換周期的輸出電壓；重復(fù)確認(rèn)需要哪一些電橋電路以基本產(chǎn)生所重復(fù)預(yù)測(cè)的每一個(gè)切換周期的輸出電壓；以及對(duì)每一切換周期，激活重復(fù)確認(rèn)的電橋電路數(shù)目，以基本產(chǎn)生所重復(fù)預(yù)測(cè)的輸出電壓。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中還包括計(jì)算所確認(rèn)的電橋電路的組合輸出電壓；根據(jù)組合輸出電壓超出所預(yù)測(cè)的輸出電壓的量計(jì)算占空比一一如果有超出的話；以及在下一切換周期內(nèi)，與所計(jì)算的占空比成比例地接通已確認(rèn)的電橋電路中的其中一個(gè)電橋電路。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中包括在下一切換周期內(nèi)從所確認(rèn)的電橋電路中的其中一個(gè)電橋電路產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制輸出電壓，同時(shí)對(duì)所述下一切換周期，從所確認(rèn)的其他電橋電路產(chǎn)生恒定的正或負(fù)的輸出電壓。
15. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的階梯波功率轉(zhuǎn)換器，其中所預(yù)測(cè)的輸出電壓根據(jù)下式被計(jì)算<formula>formula see original document page 3</formula>其中T^。d是切換周期[n，n+l]，V。p—av[n]是切換周期[n，n+l]內(nèi)的平均逆變器輸出電壓，Vgrid—av[n]是切換周期[n，n+l]內(nèi)的平均電網(wǎng)電壓，1^d[n]是取樣點(diǎn)[n]處所測(cè)量的負(fù)載電流。流Iref[n+1]是取樣點(diǎn)[n+l]處的參考電流，以及L是濾波電感。
16. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，其中還包括在將來(lái)自單個(gè)獨(dú)立電橋電路的輸出電壓組合在一起之前，對(duì)來(lái)自獨(dú)立電橋電路的電流輸出進(jìn)行濾波。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中一個(gè)或多個(gè)變壓器包括聯(lián)接至所關(guān)聯(lián)的電橋電路的不同的一次繞組，以及連接至電網(wǎng)的一個(gè)或多個(gè)二次繞組，并且還包括在將輸出電壓饋給至一個(gè)或多個(gè)變壓器所關(guān)聯(lián)的一次繞組之前，對(duì)來(lái)自電橋電路的電流輸出進(jìn)行濾波。
18. 逆變電路，包括一個(gè)或多個(gè)電橋電路，其被配置為將一個(gè)或多個(gè)直流(DC)電壓轉(zhuǎn)換為交流(AC)電壓；一個(gè)或多個(gè)變壓器，其具有與所述一個(gè)或多個(gè)電橋電路相關(guān)聯(lián)的不同的一次繞組；以及聯(lián)接在電橋電路和所關(guān)聯(lián)的一次繞組之間的電感，該電感在來(lái)自電橋電路的電流被饋給至所關(guān)聯(lián)的一次繞組之前，對(duì)該電流輸出進(jìn)行濾波。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18的逆變器電路，其中還包括多個(gè)不同的變壓器，每個(gè)變壓器具有通過(guò)所關(guān)聯(lián)的一個(gè)不同電感連接至所關(guān)聯(lián)的一個(gè)電橋電路的一次繞組。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的逆變器電路，其中不同變壓器與所關(guān)聯(lián)的電感集成為同一變壓器部件。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18的逆變器電路，其中還包括一個(gè)如下的變壓器，該變壓器具有多個(gè)不同的一次繞組，其中每個(gè)不同的一次繞組通過(guò)所關(guān)聯(lián)的一個(gè)不同的電感聯(lián)接至所關(guān)聯(lián)的一個(gè)電橋電路；并且該電壓器還具有單個(gè)二次繞組，該二次繞組被配置為聯(lián)接至交流負(fù)載或電網(wǎng)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求18的逆變器電路，其中還包括控制器，該控制器被配置為預(yù)測(cè)下一切換周期的平均輸出電壓；確認(rèn)為提供所預(yù)測(cè)的平均輸出電壓而需要的電橋電路數(shù)量；以及在下一切換周期接通所確認(rèn)的電橋電路以產(chǎn)生所預(yù)測(cè)的平均輸出電壓。
23. 根據(jù)權(quán)利要求18的逆變器電路，其中每一個(gè)電橋電路還包括第一和第二門電路對(duì)，其中每一個(gè)門電路對(duì)串聯(lián)布置在一個(gè)直流電壓兩端，其中與電橋電路相關(guān)聯(lián)的電感的一端聯(lián)接在第一門電路對(duì)之間，另一端聯(lián)接在所關(guān)聯(lián)的變壓器的一次繞組的第一端子上，其中一次繞組的第二端子連接在第二門電路對(duì)之間。
全文摘要
一種階梯波功率轉(zhuǎn)換器，其包括多個(gè)被配置為將直流電壓輸入轉(zhuǎn)換為交流電壓輸出的不同電橋電路?？刂破鞅慌渲脼楣烙?jì)來(lái)自多個(gè)不同電橋電路的平均電壓輸出，以控制來(lái)自多個(gè)不同電橋電路的電流輸出。確認(rèn)提供所估算的平均輸出電壓所需用的電橋電路數(shù)量，并且所確認(rèn)的電橋電路在下一切換周期被控制，以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所估算的平均輸出電壓的組合的逆變器輸出電壓。在另一實(shí)施方案中，一個(gè)或多個(gè)變壓器與不同的電橋電路相關(guān)聯(lián)。在電橋電路和所關(guān)聯(lián)的變壓器的一次繞組之間聯(lián)接電感。所述電感在將來(lái)自電橋電路的電流輸出饋給變壓器之前，對(duì)來(lái)自電橋電路的電流輸出進(jìn)行濾波。
文檔編號(hào)H02J3/34GK101790827SQ200880024403
公開日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2008年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月4日
發(fā)明者R·J·默拉什, R·薩奇德瓦 申請(qǐng)人:可持續(xù)能源技術(shù)公司