CN107370389B - 用于克服异常电网状况的电力转换***及其操作方法 - Google Patents

用于克服异常电网状况的电力转换***及其操作方法 Download PDF

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Abstract

提供了用于克服异常电网状况或干扰的电力转换***和方法，其中，***整流器在第一模式下操作以调节中间DC电路的DC电压，逆变器在第一模式下操作以转换来自中间DC电路的DC电力以便提供AC输出电力以驱动负载。响应于检测到异常电网状况，***变成第二模式，在第二模式中整流器被关闭，并且逆变器使用来自负载的电力来调节中间DC电路的DC电压。

Description

用于克服异常电网状况的电力转换***及其操作方法
技术领域
以下涉及电机驱动器、有源前端电力转换器和异常电网状况。
发明内容
现在对本公开的各个方面进行概述以有助于对本公开的基本理解，其中本概述不是对本公开的详细综述，并且既不旨在标识本公开的某些要素，也不旨在划定本公开的范围。相反，本概述的主要目的是在下文中给出更详细的描述之前以简要的形式给出本公开的各种理念。本公开提供用于克服异常电网状况或干扰的电力转换***和方法，其中该***在第一模式或正常模式下工作，在该第一模式或正常模式中有源整流器调节中间DC(直流)电路的DC电压，并且逆变器转换来自中间DC电路的DC电力以提供AC(交流)输出电力来驱动负载。响应于检测到异常电网状况，***变成第二模式，在该第二模式中整流器被关闭，并且逆变器使用来自负载的电力来调节中间DC电路的DC电压。
附图说明
图1是示意图。
图2是流程图。
图3是波形图。
具体实施方式
现在更详细地参照附图，在下文中结合附图描述几个实施方式或实现方式，其中相同的附图标记始终用于表示相同的元件，并且各种特征不一定按比例绘制。图1示出了接收来自三相电源2的三相AC输入电力的电机驱动器型电力转换***10，并且驱动器10在正常工作模式下工作以驱动电机负载4。尽管是在驱动三相电机负载的三相输入装置的情形中进行了说明，但是所公开的理念能用于具有任何数目的输入相位和输出相位的多相电力转换***中。电机驱动器10包括耦接在AC输入端子与有源或开关整流器电路30(可替代地称为转换器)的AC输入端子之间的三相LCL输入滤波电路20。
驱动器输入具有通过LCL输入滤波电路20连接到整流器电路30的AC输入的三个输入相位端子。在其他示例中，可以使用L-C滤波器。在图1的示例中，LCL滤波电路20包括电感器L1至L6以及Y形连接的滤波电容器C1至C3。如图1的示例所示，示例LCL滤波电路20包括分别连接在电力转换器输入与整流器AC输入的相应相位之间的三个串联电路。每个串联电路包括一对滤波电感器，其中第一电路包括连接到第一电力转换器输入端子的电感器L1以及连接在L1与整流器30的相位输入之间的滤波电感器L4。类似地，第二串联电路包括连接到第二电力转换器输入端子的电感器L2和滤波电感器L5。第三串联电路包括连接到第三电力转换器输入端子的电感器L3和滤波电感器L6。此外，如图所示，滤波电路20包括分别连接在滤波器相位中的相应滤波器相位与公共连接点(例如中性点)之间的三个电容器C1、C2、C3。在其他示例中，滤波电容器C1至C3能以Delta结构(未示出)连接。
驱动器10还包括中间DC电路40、逆变器50和控制器60，控制器60包括整流器控制器62和逆变器控制器66，以提供整流器开关控制信号62a和逆变器开关控制信号66a来以下文中进一步详细描述的各种模式操作整流器30和逆变器50。在其他示例中，能连接有源前端(AFE)整流器30以提供用于驱动一个或多个负载(例如，单个***内的多个逆变器)的共享DC输出。
电力转换***10包括由控制器60实现的先进的控制能力，以用于克服异常电网状况或其他电网干扰，其中***整流器30在第一模式下工作以调节中间DC电路40的DC电压Vdc，逆变器在第一模式下工作以转换来自中间DC电路40的DC电力，从而提供AC输出电力以驱动负载4。响应于检测到异常电网状况，***变成第二模式，在第二模式下整流器30被关闭，并且逆变器50使用来自机械负载4的动能来调节中间DC电路40的DC电压Vdc。以这种方式，控制器60使用来自旋转的电机负载4的动能，以便支持中间DC电路40中的DC总线电压Vdc以帮助***10克服与AC输入电源2相关联的电网电压下跌或其他异常电网状况。这种操作能有利地提高电力转换***10在电力干扰瞬变期间的鲁棒性和可靠性。在某些示例中，控制器60通过处理器64以及相关联的存储器66中的编程指令来实现故障检测功能68，以检测异常电网状况或干扰。在一个示例中，如图1所示，故障检测部件或功能68接收指示一个或多个输入线路上的AC输入电压的幅度的一个或多个传感器信号或值。在一个示例中，当AC输入电压幅度从预期水平下降一定的阈值量时，控制器60选择性地识别出异常电网状况。在其他实施方式中还能使用其他适合的异常电网状况检测算法和技术。
在正常工作中，控制器60执行电机控制功能，以使用整流器30将来自电源2的AC输入电力转换为DC电力，并且使用逆变器50转换来自中间DC电路40的DC电力，以生成可变频率、可变幅度的三相AC输出电压和电流来驱动电机负载4。开关整流器30包括分别耦接在AC输入相位中的相应的AC输入相位与中间DC电路40的相应的DC端子(DC+或DC-)之间的开关装置S1至S6。控制器60包括整流器控制器62，整流器控制器62根据使用任何适合的脉冲宽度调制技术向整流器开关S1至S6提供的脉冲宽度调制(PWM)整流器开关控制信号62a以开关模式操作整流器30，以使整流器30转换所接收的三相AC输入电力，从而在中间DC电路40的DC总线电容C4的两端之间提供DC电压Vdc。逆变器50接收来自中间DC电路40的DC输入电力，并且逆变器50包括分别耦接在正DC总线端子或负DC总线端子中的一个DC总线端子与在本示例中耦接到电机负载4的相应输出相位之间的逆变器开关S7至S12。在某些示例中，逆变器输出直接连接到电机负载4的引线。在其他示例中，一个或多个个中间部件(例如滤波器和/或变压器(未示出))可以连接在逆变器50的输出与电机负载4之间。逆变器开关S7至S12根据由控制器60的逆变器控制器66提供的逆变器开关控制信号66a来工作。控制器60根据任何适合的脉冲宽度调制技术来生成信号66a以转换来自中间DC电路40的DC电力，从而提供可变频率、可变幅度的AC输出电力来驱动电机负载4。开关整流器30和逆变器50可以采用任何适合的形式的开关装置S1至S12，包括但不限于绝缘栅双极晶体管(IGBT)、可控硅整流器(SCR)、栅极截止晶闸管(GTO)、集成栅极换向晶闸管(IGCT)等。
如图1所示，控制器60可以包括一个或多个部件，所述部件可以被实现为执行中的软件和/或固件部件、包括比较逻辑的可编程逻辑等，该比较逻辑操作为将计算机计算的和/或测量的一个或多个值与一个或多个阈值进行比较，以有助于对实际相位丢失状况或疑似相位丢失状况的检测。此外，控制器60可以提供指示相位丢失的输出信号(未示出)，并且还可以指示丢失了哪个特定相位。因此，在一个实现方式中，可以采取补救措施，例如关闭电机驱动器10以及/或者例如向与电机驱动器10相关联的用户接口和/或向所连接的网络(未示出)提供警报或警告信号或其他指示。
图2示出了操作电力转换***的示例性处理或方法200。在一个可能的实现方式中，能通过控制器60来实现该方法200，以便操作图1所示的电机驱动器10。通常，该处理或该方法200包括以第一模式或正常模式工作，在该第一模式或正常模式下，控制器60操作整流器以调节中间DC电路40的DC电压Vdc，同时操作逆变器50以转换来自中间DC电路40的DC电力，从而提供AC输出电力来驱动电机负载4。该方法200还包括响应于检测到异常电网状况在第二模式下工作，在第二模式下，控制器60关断整流器30的开关S1至S6，并提供开关控制信号66a以操作逆变器50来调节DC总线电压Vdc。该方法200在第一操作模式或正常操作模式下开始，并且在201处，控制器60监测一个或多个线路电压。在一个示例中，控制器60评估线路电压以识别AC输入电压的下降或下跌。在202处，控制器60实现故障检测部件68(图1)以确定是否检测到异常电网状况。如果未检测到异常电网状况(在202处为否)，则控制器60在201和202处继续正常工作模式。
如果控制器60检测到异常电网状况(在202处为是)，则在204处，控制器60可选地检查异常电网状况克服功能是否启用。如果启用异常电网状况克服功能(在202和204处为是)，则控制器60响应于检测到异常电网状况，从第一模式变成第二模式。该模式切换包括在206处禁用整流器开关S1至S6(例如，使用来自图1中的整流器控制器62的适合的控制信号62a)。此外，在一个实现方式中，在208处，控制器60在检测到故障时或者接近检测到故障时测量DC总线电压Vdc。在210处，控制器60使用逆变器控制器66来提供逆变器开关控制信号66a，以操作逆变器50的开关S7至S12来调节DC总线电压Vdc。在某些示例中，整流器控制器62和逆变器控制器66在从第一模式转换成第二模式期间进行信号交换，以交换DC总线调节点或设定点参考值，并且逆变器控制器66在第二模式下将DC总线电压调节为与整流器控制器62在第一模式下使用的设定点参考值相同的设定点参考值。在另一示例中，逆变器控制器66在210处根据在208处测量的DC总线电压值来调节DC总线电压。在210处，逆变器控制器66能使用任何适合的脉冲宽度调制开关控制算法，以便选择性地传输来自旋转的电机负载4的电力，以用可控的方式对DC总线电容器C4进行选择性充电，从而调节DC总线电压Vdc。
在某些示例中，控制器60在逆变器50调节DC总线电压的同时继续监测一个或多个输入线路电压。在图2中的212处，控制器60确定先前检测到的异常电网状况或干扰状况是否已被清除。如果先前检测到的异常电网状况或干扰状况未被清除(在212处为否)，则在210处控制器60继续操作逆变器控制器66来调节DC总线电压，同时整流器30保持关闭。一旦控制器60确定故障状况已经被清除(在212处为是)，则控制器60在214处再次测量DC总线电压。而且，控制器60在214处通过经由逆变器50停止或中断DC总线调节而从第二模式切换回第一模式，并且在216处通过整流器30恢复DC总线调节。在一个示例中，控制器60在216处以第二测量电压电平开始基于整流器的DC总线调节。此后，在218处，控制器60将DC总线调节设定点或参考值提升或降低至标称设定点值。这有利地缓和了与在整流器30和逆变器50控制和调节DC总线电压电平Vdc的操作中的突然阶跃变化相关联的电流尖脉冲。
图3示出了曲线图300、310、320和330，其示出了在根据处理200的操作期间在电力转换***10中的波形和状态变化。曲线图300示出了表示电压Vdc的DC总线电压曲线302。曲线图310中的曲线312表示整流器控制器62在第一模式下调节DC总线电压时所使用的整流器设定点值，并且曲线图320中的曲线322表示整流器30在第一模式和第二模式下的操作状态(OR)。曲线图330包括示出逆变器50的控制操作状态的曲线332，逆变器50在在第一模式下控制AC输出与在第二模式下控制或调节DC总线电压之间转换。在本示例中，在时间T1处检测到异常电网状况，并且控制器60通过从第一模式工作变成第二模式工作(包括关闭整流器并且使逆变器50控制DC总线电压)来进行响应。在图3的示例中，DC总线电压曲线302在逆变器50调节期间从T1处至T2处经历增长。在其他示例中，逆变器50可以使用闭环控制调节来调节DC总线电压，以提供比图3的示例中所示的DC总线电压电平更稳定的DC总线电压电平。此外，如上所述，控制器60可以响应于检测到异常电网状况而获得DC总线电压Vdc的测量值，并且在第二模式下使用该值作为逆变器控制器66进行调节的设定点参考。
在图3中的T2处，控制器60检测到故障状况清除(在上面的图2中的212处为是)，并且响应于检测到该故障清除，从第二模式变成第一模式。在图2的示例中，控制器60在214处再次测量DC总线电压作为测量电压VM(如图3的曲线图300和310所示)。如图3所示，由整流器控制器62进行的第一模式DC总线电压调节使用曲线图300和310中所示的标称参考电压或设定点值作为VNOM。如图3中的曲线302所示，在时间T2后从逆变器调节转换成整流器调节可以导致DC总线电压在从T2至T3处略微降低。此外，在本示例中，控制器60根据设定为测量值VM的设定点值在T2处开始恢复基于整流器的DC总线电压调节。此后，从T2至T4，控制器60使设定点值(例如图3中的曲线312)降低到标称值VNOM，并且DC总线电压曲线302的闭环调节通常跟踪该降低的设定点。如果没有该降低操作，整流器30可以使用标称设定点在T2处开始工作，该标称设定点与中间DC电路40的当前工作电平显著不同。在这种情况下，整流器控制器62能尝试对设定点差异进行过补偿，导致整流器电流过大。高整流器电流又能导致电机驱动器电力转换***10的不期望的跳闸。此外，基于中间DC电路40中的低DC总线电压电平，在短暂或瞬时的异常电网状况期间调节DC总线电压有助于避免或缓解不期望的跳闸。因此，本公开的理念使用电机驱动器10中的预先存在的硬件来提供高级异常电网状况克服功能，以促进***10的连续工作并且减少在瞬态电网电压干扰或故障期间由于过电流或欠电压跳闸而导致的停机的可能性。
上述示例仅说明了本公开的各个方面的几个可能的实施方式，其中在阅读和理解本说明书和附图之后，本领域技术人员可以进行等同的改变和/或修改。特别地，关于由上述部件(组件、装置、***、电路等)执行的各种功能，除非另有说明，否则即使在结构上与所公开的、实现在本公开的示出的实现方式中的功能的结构不等同，用于描述这样的部件的术语(包括所提及的“装置”)旨在与实现所描述的部件的指定功能(即，功能上等同)的任何部件(例如硬件、处理器执行软件或其组合)相对应。此外，尽管可能仅针对若干实现方式中的一个公开了本公开的特定功能，但是这样的特征可以如期望地以及对任何给定或特定应用有利地与其他实现方式中的一个或多个其他特征进行组合。此外，就在具体实施方式和/或权利要求中使用的术语“包括”、“包含”、“具有”、“有”、“带有”或其变型来说，这些术语旨在以与术语“含有”相类似的方式为非排他性的。在前面的说明书中，已经参照附图描述了各个实施方式。然而，显而易见的是，在不偏离所附权利要求中阐述的本发明的较宽的范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变，并且可以实现另外的实施方式。相应地，本说明书和附图被认为是说明性的而非限制性意义的。

Claims (10)

1.一种电力转换***，包括：
AC输入，所述AC输入能够耦接为接收来自AC电网的AC输入电力；
整流器，所述整流器包括多个AC输入端子、第一DC输出端子和第二DC输出端子以及多个整流器开关装置，所述多个整流器开关装置分别耦接在所述AC输入端子中的相应的AC输入端子与所述第一DC输出端子和所述第二DC输出端子中的相应的DC输出端子之间；
滤波电路，所述滤波电路耦接在所述AC输入与所述整流器之间；
逆变器，所述逆变器包括第一DC输入端子和第二DC输入端子、多个AC输出端子以及多个逆变器开关装置，所述多个逆变器开关装置分别耦接在所述DC输入端子中的相应的DC输入端子与所述AC输出端子中的相应的AC输出端子之间；
中间DC电路，所述中间DC电路包括耦接在所述整流器的第一DC输出端子与第二DC输出端子之间的电容器；以及
控制器，所述控制器在第一模式下操作用于：提供整流器开关控制信号以操作所述整流器开关装置，以根据设定点值来调节所述中间DC电路的DC电压；以及提供逆变器开关控制信号以操作所述逆变器开关装置来转换来自所述中间DC电路的DC电力，以便向所述AC输出端子提供AC输出电力；
其中，所述控制器在第二模式下操作用于提供所述整流器开关控制信号以关断所述整流器开关装置，并且提供所述逆变器开关控制信号以操作所述逆变器开关装置来调节所述中间DC电路的DC电压，
其中，所述控制器操作用于：检测所述AC电网的异常电网状况；检测所述异常电网状况的清除；以及响应于检测到所述异常电网状况的清除，从所述第二模式变成所述第一模式，以及
其中，所述控制器操作用于：
响应于检测到所述异常电网状况的清除，测量所述DC电压，
当从所述第二模式变成所述第一模式时，将所述设定点值初始地设定为所测量的DC电压值，以及
在从所述第二模式变成所述第一模式之后，将所述设定点值渐变到标称设定点值。
2.根据权利要求1所述的电力转换***，其中，所述控制器操作用于：响应于检测到所述异常电网状况，从所述第一模式变成所述第二模式。
3.根据权利要求2所述的电力转换***，其中，所述控制器在所述第二模式下操作用于提供所述逆变器开关控制信号以操作所述逆变器开关装置，以根据响应于检测到所述异常电网状况所测量的DC电压的值来调节所述中间DC电路的DC电压。
4.根据权利要求1所述的电力转换***，其中，所述控制器在所述第二模式下操作用于提供所述逆变器开关控制信号以操作所述逆变器开关装置，以根据响应于检测到所述异常电网状况所测量的DC电压的值来调节所述中间DC电路的DC电压。
5.一种用于操作电力转换***的方法，所述电力转换***具有整流器、逆变器以及耦接在所述整流器与所述逆变器之间的中间DC电路，所述方法包括：
检测AC电网的异常电网状况，并且检测所述异常电网状况的清除；
在第一模式下：
操作所述整流器以转换来自所述AC电网的AC输入信号，以根据设定点值调节所述中间DC电路的DC电压，以及
操作所述逆变器以转换来自所述中间DC电路的DC电力来提供AC输出电力以驱动负载；
在第二模式下：
关闭所述整流器，以及
操作所述逆变器以使用来自所述负载的能量来调节所述中间DC电路的DC电压；
响应于检测到所述异常电网状况的清除，从所述第二模式变成所述第一模式；
响应于检测到所述异常电网状况的清除，测量所述DC电压；
当从所述第二模式变成所述第一模式时，将所述设定点值初始地设定为所测量的DC电压值；以及
在从所述第二模式变成所述第一模式之后，将所述设定点值渐变到标称设定点值。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括：
响应于检测到所述异常电网状况，从所述第一模式变成所述第二模式。
7.根据权利要求5所述的方法，还包括：
在所述第二模式下，操作所述逆变器以根据响应于检测到所述异常电网状况所测量的DC电压的值来调节所述DC电压。
8.一种具有计算机可执行指令的非暂态计算机可读介质，所述计算机可执行指令用于操作具有整流器、逆变器以及耦接在所述整流器与所述逆变器之间的中间DC电路的电力转换***，所述计算机可读介质包括用于下述操作的计算机可执行指令：
检测AC电网的异常电网状况，并且检测所述异常电网状况的清除；
在第一模式下：
操作所述整流器以转换来自所述AC电网的AC输入信号，以根据设定点值调节所述中间DC电路的DC电压，以及
操作所述逆变器以转换来自所述中间DC电路的DC电力来提供AC输出电力以驱动负载；
在第二模式下：
关闭所述整流器，以及
操作所述逆变器以使用来自所述负载的能量来调节所述中间DC电路的DC电压，
在所述第一模式下，操作所述整流器以根据设定点值来调节所述DC电压；
响应于检测到所述异常电网状况的清除，测量所述DC电压；
当从所述第二模式变成所述第一模式时，将所述设定点值初始地设定为所测量的DC电压值；以及
在从所述第二模式变成所述第一模式之后，将所述设定点值渐变到标称设定点值。
9.根据权利要求8所述的非暂态计算机可读介质，还包括用于下述操作的计算机可执行指令：
响应于检测到所述异常电网状况，从所述第一模式变成所述第二模式。
10.根据权利要求8所述的非暂态计算机可读介质，还包括用于下述操作的计算机可执行指令：
在所述第二模式下，操作所述逆变器以根据响应于检测到所述异常电网状况所测量的DC电压的值来调节所述DC电压。
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