优化并联式功率转换器的有源电流共享的系统和方法技术方案

本发明专利技术公开一种用于对多个并联式转换器之间流动的交叉电流进行有源控制的方法。交叉电流的控制通过使用至少一个比例积分(PI)控制器和至少一个谐振控制器以无限增益靶向若干所选择的优势谐波来实现，从而确保在稳态下消除目标谐波交叉电流。所述交叉电流被分解为(1)共模分量和差模分量或(2)电流相域分量，并且使用所述控制器将每个分量抑制为大约接近零的值。本发明专利技术还提供一种设备，所述设备包括指令，当由处理器执行时致使所述处理器执行操作，从而调整并抑制电力系统内的交叉电流。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术大体上涉及多个三相电压源功率转换器的并联操作。更确切地说，本专利技术涉及适于并联连接的功率转换器之间的电流共享的有源控制的优化电流控制器。
技术介绍
电压源脉宽调制(PWM)功率转换器在许多功率转换应用中使用，诸如可变速驱动器、风能和太阳能转换器、电源、不间断电力系统(UPS)、电力质量系统等等。采用并联拓扑的电力系统能够使切换频率和功率容量之间的关系去相关，因此避免与单个大功率设备特性相关联的性能约束。所述并联式功率转换器内形成的交叉电流不会促成功率传输并且会减少总的转换器系统效率。另外地，由于交叉电流会引起单独转换器的超载，可以通过使用无源和有源装置减少交叉电流流动。转换器通过转换器输出端的直接连接而在转换器之间不使用感应器的并联被称为硬并联。在硬并联中，引进交叉电流的电压误差主要由不同的半导体开关参数和栅极驱动器特性引起，这会导致在所有转换器上切换不被同步执行。由于需要同步转换器切换以限制直接硬并联式功率转换器中的交叉电流流动，可以使用具有紧密匹配特性的半导体器件。另选地，可以在并联之前与转换器端子串联引入感应器(软并联)。可以通过选择适当的电感值来限制由非同步脉宽调制(PWM)切换引起的瞬时交叉电流。如果转换器切换实例只是最低限度地去同步的(例如，由于驱动器中的控制或公差以及开关的接通和断开时
间)，则用于并联的电感可以非常小(例如，1％的分数)。电流共享控制可以通过局部转换器电流控制回路实现以便确保转换器电流相等。另选地，全局电流控制器可以用来控制累积电流。每个转换器可以使用局部交叉电流控制器，以便通过微调基极电压基准(由累积电流控制器设定)来迫使电流的共享。一个实例是使用具有比例增益(P)的局部电流回路来电子地模仿转换器的额外内电阻，以便增加由交叉电流遇到的有效阻抗。然而，使用局部电流控制回路并未考虑到，由于各种电流路径，由累积电流和交叉电流遇到的电感是不同的。转换器电流可以包括差模和共模(零序)交叉电流分量。在感应器磁性耦合时的情况下，共模电感(由共模交叉电流遇到的L0)和差模电感(由差模交叉电流遇到的L)可显著地不同。另外地，P控制器增益(模仿抗阻)上存在限制，其由于稳定性约束而不能设定成任意高。上限可以是无差拍增益L/Ts的大约接近四分之一(1/4)到二分之一(1/2)，其中L是电感并且Ts是采样周期。因此，容许的控制器增益和随之电流控制中的误差强烈依赖于用于并联的感应器的电感。已经尝试改善交叉电流的循环的减少，包括引入积分(I)控制器(即具有无限增益)。例如，将比例积分(PI)控制器和同步基准框架(SRF)PI控制器引入交叉电流控制系统中(例如，以便允许围绕dc和正序基频局部化的无限增益)。在引进这些积分控制器的情况下，处于dc和正序基频下的交叉电流可以被完全抑制为零。然而，利用这种方法，负序基频和高次谐波交叉电流分量仅可部分地减弱并且在交叉电流路径中的电感较低时的情况下仍然较高。例如，交叉电流中的三次谐波(仅遇到非常小的共模电感)可能超过所述基频分量并且仅将受到此类常规控制器的部分抑制。
技术实现思路
鉴于硬并联和软并联的上述不足，存在对允许实现交叉电流的有源电流共享控制的系统和方法的需要。所期望的系统和方法将包括控
制器，以便能够将特定交叉电流分量控制为等于或接近零的值。有源共享控制的性能可以在目标谐波频率下通过使用选择性控制器而极大地改善。通过采用一组若干选择性控制器，我们可以靶向交叉电流中的若干优势频谱分量并在稳态下将它们完全抑制。以此方式，交叉电流控制回路的稳态性能可得到极大地增强，甚至在转换器通过低电感并联时的情况下。这种选择性共享控制器是本专利技术的主题。在实施例中，代替现有技术中所见的PI和正序与负序SRF PI基频控制器，将一组谐振控制器引入交叉电流系统中以便确保在中心频率下的零稳态控制误差，由此在交叉电流中存在的任意数量的谐波下完全地抑制交叉电流。为了实现最佳的电流控制性能，电流控制器增益应通过由电流分量遇到的电感相应地缩放。因此，有利的是设计转换器电流控制(而不是复合转换器相电流)以控制区别性的电流分量，诸如累积交叉电流、差模交叉电流分量和共模交叉电流分量。如此，最大电流控制器增益可以被优化而非受到可选电流路径之中的最低电感的限制。在具有交叉电流有源控制的系统中，转换器可以修改局部输出电压基准以便控制交叉电流流动。在此类情况下，无源共享机构对于低频交叉电流的控制则为次重要的。用于并联的电感往往仅设计用于限制高频交叉电流分量。低频交叉电流主要通过有源控制以闭合回路方式进行控制。在具有以低切换频率操作的大功率转换器的系统中，基于简单PI控制器的有源交叉电流控制可以具有相对低的带宽，以便提供对交叉电流的令人满意的抑制水平。在使用并联电感的较低值时的情况下尤其如此。有源共享控制的性能可以在目标谐波频率下通过使用选择性控制器而改善。通过采用一组若干选择性控制器，可以靶向循环电流中的优势频谱分量并且在稳态下将谐波完全地抑制。以此方式，交叉电流控制回路的稳态性能可得到极大地增强，甚至在转换器通过低电
感并联时的情况下。这种选择性共享控制器是本专利技术的主题。本专利技术的一个方面是一种用于在多个并联式转换器之间流动的交叉电流的有源控制的方法。交叉电流的控制通过使用至少一个比例积分(PI)控制器和至少一个谐振控制器以无限增益靶向若干所选择的优势谐波来实现，从而确保在稳态下目标谐波交叉电流的消除。在一些实施例中，所述至少一个谐振控制器调节每个转换器内交叉电流的共模分量或差模分量。共模交叉电流和差模交叉电流在每个转换器内由局部转换器相电流反馈和总累积电流信息计算。使用所述控制器将共模分量和/或差模分量抑制为大约接近零的值。在一些实施例中，所述至少一个谐振控制器调节每个转换器内的交叉电流。第一线路、第二线路和第N线路交叉电流在每个转换器内由局部转换器相电流反馈和总累积电流信息计算。在每个线路中，使用所述控制器将第一相、第二相和/或第三相模式交叉电流抑制为大约接近零的值。本专利技术的另一个方面包括一种在反馈方式中，当达到电压限制时防止选择性控制器的多个谐振器和积分器饱和(winding-up)的方法。在一些实施例中，所述控制器执行以下指令，包括：(i)从多个转换器中的一个导出初始电压基准，(ii)根据计算由于饱和而不由所述转换器系统传送的电压来确定电压限制，(iii)计算电流损失，其对应于由于饱和而不由所述转换器系统传送的电压的计算，(iv)通过所述电流损失的量调节交叉电流的现存量，以及在一些实施例中，(v)向所述初始电压基准添加从交叉电流导出到初始电压基准的可传送电压基准。本专利技术的另一个方面在于提供一种用于在多个并联式转换器之间流动的交叉电流的有源控制的设备。所述设备包括指令，当由处理器执行时致使所述处理器执行操作，从而调整并联式转换器系统内的交叉电流，所述指令包括(i)计算功率转换器系统中多个转换器中每个转换器内的交叉电流现存量，(ii)合计多个转换器中每个转换器
内的交叉电流现存量以便识别交叉电流的共模分量、交叉电流的第一差模分量和交叉电流的第二差模分量，从而产生合计交叉电流，以及(iii)在多个转换器内应用选择性电流控制，以便抑制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于调整功率转换器系统中的交叉电流流动的方法，所述方法包括：由控制器测量所述功率转换器系统内多个转换器中每个转换器内的交叉电流现存量，所述控制器包括比例控制、积分控制和至少一个谐振控制；由所述控制器对多个转换器中每个转换器内的所述交叉电流现存量求和，以产生合计交叉电流；以及由所述控制器应用所述多个转换器内的选择性电流控制，以便抑制所述合计交叉电流内的共模分量、第一差模分量和第二差模分量。

【技术特征摘要】
2015.02.20 US 14/6270411.一种用于调整功率转换器系统中的交叉电流流动的方法，所述方法包括：由控制器测量所述功率转换器系统内多个转换器中每个转换器内的交叉电流现存量，所述控制器包括比例控制、积分控制和至少一个谐振控制；由所述控制器对多个转换器中每个转换器内的所述交叉电流现存量求和，以产生合计交叉电流；以及由所述控制器应用所述多个转换器内的选择性电流控制，以便抑制所述合计交叉电流内的共模分量、第一差模分量和第二差模分量。2.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：在所述多个转换器中的一个内计算通过对来自一个转换器的第一相的第一电流、来自所述转换器的第二相的第二电流和来自所述转换器的第三相的第三电流求和形成的所述合计交叉电流的所述共模分量。3.如权利要求2所述的方法，其中使用所述控制器将所述多个转换器中的所述一个内的多个优势谐波中的每个内的所述共模分量抑制为大约接近零的值。4.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：为所述电力系统计算通过对所述多个转换器中的每个的第一差模分量求和形成的所述合计交叉电流的所述第一差模分量；以及为所述电力系统计算通过对所述多个转换器中的每个的第一差模分量求和形成的所述合计交叉电流的所述第二差模分量。5.如权利要求4所述的方法，其中使用所述控制器将所述多个转换器中的所述一个内的多个优势谐波中的每个内的所述第一差别分量抑制为大约接近零的值。6.如权利要求4所述的方法，其中使用所述控制器将所述多个转
\t换器中的所述一个转换器内的多个优势谐波中的每个内的所述第二差别分量抑制为大约接近零的值。7.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：由所述控制器从所述多个转换器中的一个转换器导出初始电压基准；由所述控制器执行电压限制，确定所述电压限制的方式是计算因饱和而未被所述转换器系统传送的电压；由所述控制器计算对应于所述计算电压的、因饱和而未被所述转换器系统传送的电流损失；以及由所述控制器通过所述电流损失的量调节交叉电流的所述现存量。8.如权利要求7所述的方法，所述方法进一步包括：由所述控制器向所述初始电压基准添加从所述初始电压基准的交叉电流导出的可传送电压基准。9.一种用于调整并联式转换器系统中的交叉电流流动的方法，所述方法包括：由控制器计算所述功率转换器系统内多个转换器中每个转换器内的交叉电流现存量，所述控制器包括比例控制、积分控制和至少一个谐振控制；由所述控制器对多个转换器中每个转换器内的所述交叉电流现存量求和，以便识别所述交叉电流的共模分量、所述交叉电流的第一差模分量和所述交叉电流的第二差模分量，从而产生合计交叉电流；以及由所述控制器应用所述多个转换器内的选择性电流控制，以便抑制所述合计交叉电流内的所述交叉电流的所述共模分量、所述交叉电流的所述第一差模电流和所述交叉电流的所述第二差模电流。10.如权利要求9所述的方法，所述方法进一步包括：在所述多个转换器中的所述一个转换器内通过以下步骤计算所述转换器的所述第一相模式电流：(i)对所述多个转换器中每个转换器
\t内的所述第一相模式电流求和以便生成合计第一相模式电流，(ii)将所述合计第一相模式电流除以所述多个转换器的数量的整数以便形成被除第一相模式电流，以及(iii)从所述多个转换器中的一个的所述第一相模式电流减去所述被除第一相模式电流；以及由所述控制器将所述多个转换器中的所述一个转换器内的多个优势谐波中的每个内的所述第一相模式电流抑制为大约接近零的值。11.如权利要求9所述的方法，所述方法进一步包括：在所述多个转换器中的所述一个转换器内通过以下步骤计算所述转换器的所述第二相模式电流：(i...

【专利技术属性】
技术研发人员：D巴西奇，M吉鲁，
申请(专利权)人：通用电气能源能量变换技术有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB