并网功率转换系统中的任意电波形的自适应生成和控制的制作方法

专利名称：并网功率转换系统中的任意电波形的自适应生成和控制的制作方法
技术领域：
本发明的实施方式涉及电波形的生成和控制，更具体地涉及使用关联到硬件波形生成器和控制器的软件处理来自适应地生成和控制任意电波形，以及更具体地涉及其在电并网功率转换中的使用。
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背景技术：
波形的谐波失真的特点是在波形中会出现为基频的整数倍的不需要的频率(称为基频的“谐波”)。通过使用傅里叶分析，所有的交流波形的特点都是基本正弦频率及其谐波的和。用于传递能量的理想波形是纯正弦的波形。因此，期望的理想功率信号波形是具有50/60赫兹的基频(取决于国家)且没有谐波失真的纯正弦波形。
在电力网中，不期望的谐波失真会导致感应电机、变压器、电容器发热，且会使中性电力线路过载。需要精确电压波形的设备(例如可控硅整流器(SCR))也会受到谐波失真的影响(例如，过热)。
在多相系统中，由于单个相位失真负载引起的谐波会扩展到其它(例如三个)的相位上，使得中性电流(neutral current)(即中性线路(neutral line)上的电流)的值高于活动线路电流的值。当谐波不存在时，中性线路典型地只携带小的电流。当单相负载引入谐波时，会增加使中性线路过载的风险。中性线路过载增加了过热以及着火的风险，且可能造成接地问题。
电力网系统中的谐波影响变电站变压器和功率因子校正电容器。变压器受失真的电流波形的影响，其中变压器产生过多的热，从而缩短其寿命预期。电容器受电压波形的影响，从而产生过多的热，并伴随爆炸的风险。
在电源和负载中的谐波失真会存在问题，并需要谨慎处理。电力系统(例如在美国连接到电网的光电逆变器)必须符合UL 1741互连标准。该标准要求谐波电压的总的均方根不可以超过额定电压的基频均方根输出的百分之三十4. 1节)。任意一个谐波不可以超过基频均方根输出的百分之十五。这些测量必须使用将其百分之百的额定输出递送到阻性负载的逆变器来做出。
DC-AC功率逆变器(其常出现在光电或风力发电系统中)使用脉宽调制器(PWM)来生成正弦波。虽然这产生了相对纯的正弦波，但是谐波含量仍然存在，且会实际上由逆变器中的其它硬件引入。逆变器的功率输出不能实现减少谐波的最大性能。此外，需要控制和 /或减少谐波以符合连接到电力网的设备的互连标准。在逆变器电源中常使用滤波器，该滤波器使用PWM来消除谐波失真。这些增加了大量的成本以及功率传输的低效。这种滤波器的替换是通过生成逆向谐波信号并将其施加给PWM来补偿检测到的谐波，以消除失真。这种方式需要大量的软件处理或其他昂贵的硬件。在这些传统系统中，设备的成本随着需要控制的谐波数量的增加而上升。为了降低成本和复杂性，常常忽略某些谐波，这使计数器运行到期望的效果。
电网电压和电流之间的相移在“无功功率”的传输中对电网起着重要作用。当该相移发生时，传输线用作感应负载，其降低了沿该线路上的电压。对传输线的这种影响导致电压起伏(brownout)和停电。在应用中最感兴趣的是在电网上的每个地方将这种相移减少到某种程度。通常的实践是将相移保持在大约.90或.95功率因子，以防止发生谐振现象。相移由感应负载引入，但是通常通过数英里以外的大功率发电机提供。通过静态容性补偿器可以进一步本地补偿该相移，但是这是很昂贵的。


以下描述包括对附图的描述，其具有通过本发明的实施方式的实现方式的示例的方式给出图示。附图应当被理解为示例的方式而不是限制的方式。这里所用的对一个或多个“实施方式”的引用应当被理解为描述包括在本发明的至少一个实现方式中的特定特征、 结构或特性。因此，例如这里出现的短语“在一个实施方式中”或“在可替换实施方式中”描述本发明的多种实施方式和实现方式，不必都指代同一个实施方式。但是，它们也不必是相互排斥的。
图1是控制谐波失真的系统的实施方式的框图，该系统具有耦合到硬件波形控制器的软件反馈控制子系统； 图2是控制谐波失真的系统的实施方式的框图； 图3是嵌套(nested)反馈控制系统的内控制环路(inner control loop)的实施方式的框图； 图4是用于基于理想基准信号生成输出信号的过程的实施方式的流程图。
这里示出了对以下某些细节和实现方式的描述，包括对附图的描述(这些附图可以描绘以下所述的实施方式的一些或全部)以及论述本文呈现的创造性概念的其它可能的实施方式或实现方式。以下提供了对本发明的实施方式的概述，之后是参考附图的更具体的描述。
具体实施例方式如这里所述，基于理想输出生成输出，其提供针对给定输入信号的对输出信号的谐波失真控制。在一个实施方式中，与硬件波形生成和控制结合的软件处理确保输出波形的形态(shape)、比例以及时序(timing)。输出波形基于输入同步信息(包括但不限于时序、定相和/或频率信息)、实际输出波形的瞬时形式、以及表格数据表示的基准“理想”波形。通过测量实际输出，并提供对控制/生成机制的校正，系统在给定关于时序、定相以及其它频率特性的特定输入信息、实际输出波形以及表示理想目标波形的特定表的任意输出波形上收敛(converge)。这种系统可以用于产生任何的任意输出电波形，该任意输出电波形具有低的不期望谐波失真以及与表示理想波形的基准表格数据相关的任意相位。这样， 就能够控制输出信号的谐波失真和相位。
如这里所述，不是处理与负载相距数英里的“无功功率”的问题，无功功率可以本地生成，从而产生更为成本有效的方法来处理目前存在于并网系统中的“无功功率”问题。 在一个实施方式中，并网功率转换系统动态地在需要时提供有功功率和无功功率的混合， 这节省了成本，并提供更为稳定的电力网。在一个实施方式中，功率转换系统动态地改变其输出电流(本地)与电网电压之间的相移，以在需要时提供有功功率和无功功率的混合。
对本地生成无功功率和相对于目标周期性波形来改变输出波形的相位的参考可以被理解为实现类似的目的。在一个实施方式中，在面对电网时，通过控制输出波形的相移来在负载处本地地控制功率因子。这样，从负载的角度，通过将输出波形的相移与负载的相移相匹配，能够将功率因子维持在“ 1 ”或非常接近于“ 1 ”。因此，相对于电网，输出波形和负载可以异相，从而在负载处本地地有效“生成无功功率”。可以通过将输出波形与理想的期望输出波形相匹配来控制相位，而不是尝试对输出进行滤波或将输出匹配到电网和/或负载。
控制过程(例如，经由微处理器或其它形式的控制器的软件处理来实现)接收用于目标或同步信号的关于特定期望周期性时序、定相或其它频率信息的信息。该控制过程还对生成的输出波形的瞬时幅度进行采样。频率信息和瞬时幅度可以依赖于负载特性。该控制过程逐点地将接收到的数据与基准数字化理想波形(例如，以表格形式存储的基准波形)的设定点(setpoint)进行比较，并逐点地计算误差数据。在一个实施方式中，并行执行所述比较和计算。理想波形可以精确同步到目标或同步信号，或其可以具有固定的相位偏移(phase offset) 0当应用相位偏移时，能够动态地对相位偏移进行硬编码或改变。
该系统将生成的误差数据应用到合适的反馈控制子系统(例如，比例-积分-微分(PID)控制器)，其生成信号更新。在一个实施方式中，误差数据与基准信号是点对点的， 且可以指示在特定输出点改变或什么也不做。误差数据的和可以称为更新表格数据，其被应用到硬件波形生成器和/或控制器。波形生成器产生更紧密地与基准理想波形相匹配的输出波形。该系统允许动态地自适应改进用于任何任意基准波形的更新算法或改进校正的数据的表。
在功率转换实施方式中，通过已知技术(例如，MPPT(最大功率点追踪)或动态阻抗匹配(例如，在2007年7月7日提交的名为“POWEREXTRACTOR DETECTING A POWER CHANGE”的共同未决的专利申请No. 11/774，562中所述，其被转让给相同的公司受让人)) 由所述控制过程来对电源进行采样和控制。对用于功率转换的电源进行采样和控制帮助最大化由输入功率转换器进行的功率传输。
如这里所述，该系统能够在不分析或不知道特定谐波失真的情况下将输出信号收敛到理想基准信号。但是，通过将输出信号及其波形收敛到理想信号/波形，该系统减少了输出波形中的多阶谐波失真，不管其对输入同步信号的相位偏移，而不用知道与单独的谐波频率相关联的相对功率水平。从一个方面来说，可以通过更慎重地致力于输出波形的生成而忽略关于输出波形的特定谐波的信息，来实现谐波失真控制。这样，通过致力于生成理想输出波形而不是致力于特定谐波，可以降低失真更新系统的复杂性，同时更有效地减少失真。
如这里所述，输出波形可以在任意形态和相位对准的同步或目标波形上收敛。输出波形可以是电流波形或电压波形。该系统生成输出信号，而不是简单地尝试修改输入信号和/或对输入信号进行滤波。因此，该系统可以在仅具有与同步波形的时序、定相以及其它特性有关的输入信息的情况下，将输出收敛到同步(目标)波形。将生成的输出信号与理想目标波形信息进行比较，以在系统的运行时间(runtime)期间或有源操作期间修改输出波形。该比较允许对值进行更新，以生成比初始表达的波形更接近理想波形的新的输出波形，而不需要分析输出波形的谐波含量。
在一个实施方式中，理想目标波形被存储为值项的表或一组设定点。波形项(或设定点)可以具有任意长度或格式、整数或非整数。理想目标波形项可以在运行中被动态生成，或是硬编码或根据预计算被预编译。波形的动态或预生成包括基于期望输出波形的理想形式来计算理想基准点的值。这些值可以与归一化波形(例如，峰值为“1”)成比例， 或可以使用乘法器(放大或缩小波形)来计算这些值。在所表示的表格中，波形形态可以是正弦或非正弦的。例如，理想波形可以是正弦波、方波、锯齿波或其它周期性波形。
在一个实施方式中，波形项被均勻隔开(在时域或频域中)，但是不是必须被均勻隔开。时序信息可以被包含在该系统中，以指示何时应当进行采样以与理想波形的设定点相对应。波形值项可以在时间上超前运行或超后运行或它们的任意混合。这些项可以以压缩或未压缩格式或状态被存储。在一个实施方式中，可以在运行时间期间改变数据，以影响理想波形到另一个(例如不同的)理想波形的形式的变化。
该系统内的比较机制实施比较算法，该算法可以是比较两个数的任意标准或非标准的算法。该比较可以包括采样技术，但是这种技术不是必需的。在一个实施方式中，比较是逐点进行的。可替换地，可以采样和比较多个点，或者所述采样可以被认为是非逐点进行的。
所述控制过程可以包括选择机制，该选择机制可以执行任何标准或非标准的选择算法。一个示例性的选择算法是比例-积分-微分(PID)控制器。选择算法自身可以执行或不执行计算，并且可以将或者可以不将数据从时域转换到频域作为选择过程的一部分 (反之亦然)。在一个实施方式中，选择机制逐点选择数据。可替换地，选择算法可以按组选择数据。
该系统包括生成输出波形的输出硬件。输出硬件由控制机制驱动，以使该硬件创建输出波形。可以通过使用任何标准或非标准的技术来将更新的表格值应用到输出硬件， 以驱动输出波形的生成。在一个实施方式中，用脉宽调制(PWM)来驱动输出硬件。然而，可以使用其他数字、可变功率控制机制。可替换地，模拟或步长控制机制可以用于驱动输出。
如上所建议的，在一个实施方式中，生成的输出波形可以关于同步波形被同相移动。如这里所述，可以由控制器来调整时序，以以关于同步波形的相位偏移来驱动输出波形生成。与处理或对输入信号进行滤波的传统系统相比，这种相移可以被动态地完成，而不会增加谐波失真。
图1是控制谐波失真的系统的实施方式的框图，其具有耦合到硬件波形控制器的软件反馈控制子系统。系统100包括电源104、负载106和输出和控制系统102。功率路径
7110表示由输出系统102控制的、从电源104到负载106的电能路径。
输出系统102包括输入功率转换器120，用于从电源104接收输入功率，并将该功率转换成另一形式(例如，DC到AC)。输入功率转换器120包括用于接收要转换的功率信号的硬件组件，且可以包括合适的功率组件。在一个实施方式中，输入功率转换器120实施动态阻抗匹配，其能够使输入电子设备传输来自电源104的最大功率。动态阻抗匹配包括持续追踪最大功率点，以及驱动输入功率耦合器(例如，变压器)以尽可能维持平坦的功率斜率(例如，斜率为0)。输入功率转换器120可以从控制器130接收控制信号或信息，并提供输入以指示转换器的工作。
输入前馈112提供关于电源的信息(例如，最大功率值、合适的频率或用于控制输入功率转换器硬件的其它信息)给控制器130。控制器130基于关于输入功率的输入信息来控制输入功率转换器120。控制器130表示可以嵌在输出系统102中的任意类型的处理器控制器。控制器130可以是或可以包括任意类型的微控制器、数字信号处理器(DSP)、逻辑阵列或其它控制逻辑。此外，控制器130可以包括合适的存储器或存储组件(例如，随机存取存储器、只读存储器(ROM)、寄存器和/或闪存)，以用于存储在运行时间操作期间生成或获得的或预计算的代码或值。
控制器130驱动可编程波形生成器140来生成期望的输出波形。生成器140也位于功率路径110上，并接收来自输入功率转换器120的输入功率以用于输出。在传输功率时，输出的波形没有必要与输入的波形相同。例如，DC信号可以被输出为正弦信号(如图1 的示例所示)。其它功率转换可以以这里所示和描述的类似的方式来完成。在一个实施方式中，生成器140包括PWM以生成输出波形108。生成器140从控制器130接收控制信号和信息，并可以提供状态或操作信息或反馈给控制器130。输出波形可以是电流或电压波形。
输出系统102能够将特定时序、定相或其它频率信息结合到生成输出波形108中。 这种时序、定相或其它频率信息可以称为“输入同步数据”。在一个实施方式中，这种输入同步数据来自实时负载信息，在该情况中，其可以称为“负载同步输入”。负载同步输入或输入同步数据指示确定上述同步信号所需的信息。这种信息在输出系统102中被指示为输出同步114。在预期输出的系统(例如，连接到电网)中，可以预期某电压、时序或其它信息(例如在60Hz时为120V)，且该系统在启动时编程或确定初始估计。基于负载同步数据，可以调整初始估计。
控制器130还测量输出反馈116的功率路径110，以确定由生成器140生成的实际输出。该实际输出与理想基准进行比较，以确定是否正在生成期望的输出。在一个实施方式中，输出反馈116是表示控制器130进行的输出测量的提取(abstraction)，且没有包括自身中的分离组件。在一个实施方式中，输出反馈116包括采样机制或其它数据选择机制， 用于与理想基准信号进行比较。如果输出反馈116包括与控制器130分离的组件，则其可以由控制器130来驱动，并从控制器130接收比较数据并提供误差或反馈信息。在一个实施方式中，输出反馈116被理解为包括反馈控制过程所需的至少硬件组件，以与输出线路连接。此外，输出反馈116可以包括用于执行测量、计算和/或执行处理的其它硬件。
输出同步114和输出反馈116都可以被认为是反馈环路。可以理解，输出同步114 与输出反馈116不是同样的东西，并用于不同的目的。输出同步114指示理想基准信号应当看起来像什么样子，如同在基准波形表132中存储的那样。输出反馈116指示实际输出如何从基准信号变化。更新表134表示响应于输出反馈116而生成的数据。在一个实施方式中，输出同步114基于功率路径110的输出上的电压信息，而输出反馈116则基于在功率路径110的输出处生成的输出电流。
基于输出同步114(或基于对输出同步的初始估计)，输出系统102存储和/或生成基准波形表132，其表示期望由生成器140生成的输出波形的理想形式。基准波形表132 可以被存储为表格或其它的点(或设定点)的集合，其反映输出波形“应当”看起来像什么。 虽然被表示为正弦波形，但是可以使用任意的周期性波形。基准波形表132可以可替换地称为基准波形源。
基于输出反馈116，输出系统102生成更新表134。更新表134包括项或点，用于指示如何修改生成器140的操作以提供更紧密地与基准波形表132的波形相匹配的输出。 当被指示为表格时，更新表Π4可以是以特定间隔(例如，每个项在需要时被更新以反映测量到的误差数据)被修改的存储的表，或可以以每个更新间隔被新生成。更新表134可替换地可以被称为更新数据源。“更新”可以是对旧值的修改、值的替换或，或者可以被存储在可由控制器130访问的存储器中的不同位置中。在一个实施方式中，更新表134中的每个值指示针对点的集合中的每个点的“增大”、“降低”或不变。这些值被施加给控制生成器 140的输出的硬件，以使输出信号在期望的理想波形上收敛。
从一个方面来说，输出系统102可以被视为具有5个特征或组件。虽然这些特征在图1中经由某些框图来描绘，但是可以理解，不同的配置和各种不同的组件可以用于实施这些特征中的一个或多个特征。出于论述而非限制的目的，以下使用例如“特征1”、“特征2”等的引用来描述这些特征。应当理解，这种约定仅是涉及所述特征或组件的主题的速记，不必指示与顺序或重要性有关的任何东西。
特征1可以包括用于结合特定时序、定相或其它频率信息的装置。该装置包括用于生成并接收上述的输入同步数据或负载同步输入(基于输出同步114)的硬件和/或软件。特征2包括基准波形表132，其可以包括表示输出波形108的理想形式的数据表或软件中的方程式。特征3包括控制器130，其可以是或可以包括将由生成器140生成的实际输出波形与如基准波形表132所表示的理想表格进行比较的软件算法。特征4包括控制器130 内的算法，其计算或选择并生成由更新表134表示的更新数据。特征5包括生成器140，其使用来自更新表134的更新数据来生成期望形态、比例、时序以及相位的输出波形108。
关于特征1，特定时序、定相或其它频率信息提供同步信息给控制器130中的比较和更新算法。该信息可以来自表格、方程式、对实时硬件监控的信号的采样或其它源。
关于特征2，如果在表格中，则表示基准波形的数据可以是任意长度和任意格式、 整数或非整数。这种表格可以在运行时间被动态地生成或在编译时间被硬编码。表示的波形的理想形式可以是正弦或非正弦的。波形可以由在时域中均勻间隔的数据值来表示，或由不均勻间隔的(在时间上超前或向后或它们的混合)数据值来表示。波形可替换地可以由频域中且以任意方式组织的数据值来表示。数据可以是压缩或未压缩的。数据可以由方程式而不是计算后的数据设定点来表示，或部分由方程式并且部分由表格来表示。在一个实施方式中，在表格中存储的设定点是方程式的计算结果。可以在运行时间时在处理期间改变数据，以将理想波形的形式改变成不同的理想波形。如果在运行时间被改变，则基准波形表132中的值可以被修改或替换成不同值。该数据可以被对准到处于输入波形的精确相
9位处，或可以被同相移位。
关于特征3，控制器130可以包括任意传统或标准的比较算法。控制算法对表示输出波形的数据值进行比较，该这些数据值通过标准或非标准采样技术由硬件进行采样并被转换成软件数据值。在一个实施方式中，控制器逐点地将表的理想设定点或方程式计算结果与同步信息进行比较，并逐点地生成误差数据。在一个实施方式中，控制器可以一次(不是逐点地)处理多个点。
关于特征4，控制器130包括选择算法，其使用任意标准或非标准技术来创建或生成新的数据。在一个实施方式中，选择算法包括执行计算。可替换地，选择算法可以简单地选择数据而不执行处理或执行计算。选择算法可以替换设定点表中的数据值，或使该表中的数据值优选使用另一存储区域。选择算法可以将数据从时域转换到频域(反之亦然)，作为其选择过程的一部分。该算法提供误差更新机制(例如算法)，在于，其识别在应用时将校正输出波形的数据值。因此，在应用所述数据值之后的输出波形显得更像优选的理想波形。
关于特征5，由更新表134表示的新的数据值通过标准过程被应用到发生器生成器140中的硬件，以驱动输出波形的生成。在一个实施方式中，新的数据值经由PWM机制或将离散值转换成模拟输出形式的任意其它机制被应用。
图2是控制谐波失真的系统的实施方式的框图。在一个实施方式中，图2的系统 200是实施图1的系统100的并网功率转换系统的示例。因此，输入202可以对应于来自源 102的输入功率，而输出250可以对应于负载106处的输出。在一个实施方式中，系统200 控制输出电流信号的谐波失真以及并网太阳能光电或其它源(DC-AC功率转换系统)的电网电压与输出电流信号之间的相移。
系统200将输入DC功率202逆变为在输出250处的输出AC功率。在一个实施方式中，在输出250处的电压和电流都是理想的60Hz正弦波，没有由于杂散谐波而导致失真， 其中，电流落后或超前电压一相移。该实现方式可以在并网系统中采用，其中输出电压通过在输出250处的并网而被稳固地建立，但是电流则没有。规章UL 1247要求降低谐波失真中的电流。如所示的，系统200提供至少理想正弦波形的形成，其从固定的电网电压开始同相移位，且没有被失真。
在一个实施方式中，系统200的操作可以被分为三个元素。第一个是建立用于期望的波形的理想电流波形值的表，该期望的波形具有没有失真的期望的相移角。虽然更具体地描述了输出电流波形和理想电流波形，但是可以理解，这是非限制性示例，并且参照系统200的论述也可以应用于控制输出电压波形，其修改是本领域技术人员可以理解的。第二个是将由波形生成器生成的实际输出信号与理想波形进行比较。第三个是使用输入时序信息和误差信息来生成值的更新表，其允许波形生成器校正实际的输出波形。这些操作反复地改善输出波形，使其趋向于理想波形(例如，正弦)。这样，这些操作的结果设置了同相的超前或落后于电网电压波形的纯的60Hz电流波形。
在一个实施方式中，主功率流通路径发生如下输入202是DC输入功率。PWM生成器230使用更新后的值的表(PWM表项更新观0)来驱动DC-AC转换器M2。在一个实施方式中，更新表280对应于图1的表140。输入DC功率202进入逆变器硬件MO的DC-AC转换器242中，并作为输出AC电流波形250离开。电流波形检测器244检测在输出250处的电流波形。输入波形在PWM生成器230处被显示为完美正弦波，在电流波形检测器244处被失真。失真量可能被夸大，但是说明了输出波形可以甚至初始开起来就不像理想的期望波形。但是，该波形通过反馈而收敛。逆变器硬件240还包括电压波形检测器M6，电压波形检测器246生成同步信息M8，该同步信息248对应于图1的输出同步信息。
检测并实施反馈的控制环路流发生如下关于DC输入功率204的信息和输入相移信息206定义了基准理想波形210。如上所述，基准理想波形可以被存储为表。在一个实施方式中，同时对PWM生成器230的输出进行峰值检测222并被允许缩放基准波形水平控制224中的理想表。水平控制2M的输出是期望的瞬时理想波形。来自基准波形水平控制 224的基准波形和实际输出在PID (比例-积分-微分)控制器260处被接收。
PID控制器260包括PWM表误差检测器沈2，其接收缩放后的基准波形和实际的输出波形。误差成为比例误差块沈4、积分误差块沈6以及微分误差块268的误差输入。这些误差信号的和是PWM表误差和，其提供PID控制器输出给PWM表项更新280。这些更新后的表值被反馈到PWM生成器230中并驱动该生成器调整逆变器硬件240的输入，从而将输出信号收敛到基准波形210。
图3是嵌套反馈控制系统的内控制环路的实施方式的框图。基准波形控制300是并网系统的控制器。基准波形控制300包括嵌套反馈控制系统的内控制环路310。嵌套环路是相互关联的。也就是说，一个控制环路的功能影响用作另一个控制环路的输入的信号。 外控制环路(outer control loop)校正如之前所述的输出波形中的瞬态谐波失真。内控制环路310被完全地嵌套在外控制环路内。内控制环路310接收与内控制环路310为其提供反馈的值有关的输入信息。
在内控制环路310中，输入功率信息302被接收并与误差信号表峰值调整352相结合。这里使用的“结合”是指使用输入或基于输入来执行一个或多个操作，且不能被理解为限于加法或累加功能。输入功率信息302和表峰值调整352的选择性结合生成基准增益控制354，其在基准波形增益360处设定并调整基准波形304的增益以动态调整逆变器输出，从而适应包括输入功率和本地电网特性的电流工作条件。
在一个实施方式中，基准波形控制300如下调整基准波形检查最近或最当前的正弦波生成器表308并由峰值检测器320提取峰值表值。将实际峰值的值332与目标峰值的值334进行比较，从而生成峰值误差值336。目标峰值的值334可以基于典型的硬件特性而被硬编码，或可以被实时确定。误差信号由PID控制或控制器340调节，以调整内控制环路310的频率响应来防止其与外控制环路响应不合适地相互作用。
PID控制340的输出是表峰值调整信号352，其与输入功率信息302相结合以得到基准波形增益控制信号354。通过使用基准增益控制信号354，基准波形增益360可以增大或减小基准波形304的幅度以调整基准波形输出306，来与功率转换系统的操作条件所需的信息精确匹配。
在一个实施方式中，输入功率信息302是恒定的或与内控制环路310相比是非常缓慢移动的(例如，大约慢10倍或更慢)。当输入功率信息302缓慢移动时，内控制环路 310实时微调基准波形304的幅度以确保PWM表值涵盖包含特定最小和最大值的值的特定范围。在值的特定范围内包含PWM表值增强了并网转换器递送最大输出功率同时维持最大波形控制分辨率的能力。
11 具有互相关联的控制环路可以导致系统不稳定，因为由一个环路生成的误差可以由另一个环路以盘旋上升的方式传播并放大。帮助实现稳定性的一个方法是以比内控制环路310的校正操作的频率更低的频率来执行外控制环路的校正操作。这样，内控制环路 310可以在外环路操作以校正谐波失真误差之前有时间相对于基准波形输出306的给定值而稳定。在一个实施方式中，外控制环路以Ix的频率被执行，相比之下，内控制环路310以 IOx的频率被执行。调整频率的量级差异允许更稳定的操作。可以理解，IOx是量级的一个示例，但是执行频率的比较可以大约为10或更大。
图4是基于理想基准信号生成输出信号的过程的实施方式的流程图。这里所示的流程图提供不同过程动作序列的示例。虽然以特定序列或顺序示出，但是除非另有指明，否则这些动作的顺序可以修改。因此，所示的实现方式应当被理解为仅作为示例，且可以以不同顺序来执行安全通道的建立，且可以并行执行某些动作。此外，在本发明的多种实施方式中，可以省略一个或多个动作；因此，在每个实现方式中并非需要所有的动作。其它过程流也是可以的。
在步骤402中，功率转换器系统接收输入功率。该系统将接收到的功率转换成不同的形式，或用作净化(clean up)输入功率信号的助推器(boost)并将干净(clean)信号放回到电网。在步骤404，基准设定点生成器获得输入功率信号。如参照图4所述，不同的处理元件可以被描述为该系统的单独组件，例如基准设定点生成器。根据在以上某些实施方式中所述的，这些元件可以是单独的组件，或主系统控制器的所有部件。该系统可以包括对输入功率进行采样并进行某些计算以生成之后被发送到信号生成器的信息的逻辑。在步骤406，基准设定点生成器生成表示基准(理想输出)波形的一组设定点。该基准波形是该系统的最可能的输出(或理想输出)看起来可能像的波形。
在一个实施方式中，基准设定点生成器在表中存储基准波形设定点以供以后使用。可替换地，可以根据实施方程式的算法来计算基准设定点。基准设定点生成器可以以调度(例如，基于时间量)的方式或响应于检测到输入信号中的差异来偶尔更新基准设定点ο 在步骤410，基本输出波形生成器生成输出波形。在一个实施方式中，该系统包括采样电路，用于对输出波形进行采样(步骤412)。采样器发送输出波形采样给反馈系统。 反馈系统获得相应的基准波形设定点(步骤414)，基准波形设定点指示采样的值应当是什么。反馈系统将输出波形采样与基准波形设定点进行比较(步骤416)，并基于输出波形采样与基准波形设定点之间的差异来生成校正控制信号(步骤418)。
系统控制器基于接收到校正控制信号来调整基本输出波形生成器的操作。因此， 响应于接收到校正控制信号，该系统调整输出硬件的操作(步骤420)。在一个实施方式中， 输出波形的生成和采样以及之后的误差校正可以被视为连续操作。也就是说，操作将在系统可操作时继续。偶尔地，该系统可以调整基准波形。因此，该系统可以确定是否重新计算基准波形(步骤42幻。如果在步骤4M该系统确定不重新进行计算，则该系统将继续执行 “内环路”，即与基准波形比较来调整输出波形。如果在步骤似4该系统确定进行重新计算， 则基准设定点生成器更新其关于输入功率信号的信息，重新计算基准波形，且该系统将输出信号与更新后的基准波形进行比较。
这里所述的各种操作或功能可以被描述或定义为软件代码、指令、配置和/或数据。内容可以是直接可执行的(“对象”或“可执行”格式)、源代码、或差分代码(difference code) ( “delta”或“补丁”代码)。这里所述的实施方式的软件内容可以经由制造商的其上存储有内容的产品来提供，或经由操作通信接口以经由通信接口发送数据的方法来提供。 机器可读介质可以使机器执行所述的功能或操作，且包括提供(即，存储(例如，机器可读介质)和/或传送(例如，通信介质))机器(例如，计算设备、电子系统等)可访问形式的信息的任意机制，该机制例如是可记录/不可记录介质(例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存设备等)。通信接口包括连接到硬线、无线、光等介质中的任意一者以与另一设备进行通信的任意机制，该机制例如是存储器总线接口、处理器总线接口、因特网连接、磁盘控制器等。可以通过提供配置参数和/或发送信号以准备提供描述软件内容的数据信号的通信接口来配置通信接口。通信接口可以经由发送到通信接口的一个或多个命令或信号而被接入。
这里所述的各种组件可以是用于执行所述操作或功能的装置。这里所述的每个组件包括软件、硬件或软件与硬件的组合。组件可以被实施为软件模块、硬件模块、专用硬件 (例如专用硬件、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)等)、嵌入式控制器、硬连线电路等。
除了这里所述的，在不偏离本发明范围的情况下，可以对本发明的公开的实施方式和实现方式做出各种修改。因此，这里的图示和示例应当视为示例性而非限制性的。本发明的范围仅参考权利要求来定。
1权利要求
1.一种方法，该方法包括接收关于目标周期性波形的特征形态和相位信息；使用输出硬件生成输出波形；对所述输出波形进行采样；将所述输出波形与对应的基准输出波形进行比较，该基准输出波形表示基于接收到的特征形态和相位信息的所述目标周期性波形的理想版本；基于将所述输出波形与所述基准输出波形进行比较来生成反馈信号；以及基于所述反馈信号在运行时间时调整所述输出硬件的操作，其中调整所述输出硬件的操作将所述输出波形向所述基准输出波形和相位收敛。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述输出波形和所述基准输出波形分别包括输出电流波形和基准输出电流波形。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述输出波形包括基于脉宽调制基本波形来生成所述输出波形，该脉宽调制基本波形根据脉宽调制器 (PWM)表中的项得到创建。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，调整所述输出硬件的操作还包括基于生成的反馈信号，在运行时间期间动态地调整所述PWM表中的一个或多个项。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述输出波形进行采样以及将所述输出波形与所述基准输出波形进行比较包括逐点地在两个波形之间进行采样和比较。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述输出波形与所述基准输出波形进行比较包括在对所述输出波形进行采样之前，预计算表示所述基准输出波形的理想采样点的集合；以及存储预计算的采样点。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述输出波形与所述基准输出波形进行比较包括使用PID (比例-积分-微分)控制器将所述输出波形的采样点与对应的基准设定点进行比较。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，调整所述输出硬件的操作还包括在不执行特定谐波失真分析的情况下调整所述输出硬件的操作以减少所述输出波形中的谐波失真。
9.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括在运行时间期间动态地调整基准波形表中的项，以动态地调整所述基准输出波形。
10.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括在不增加谐波失真的情况下，相对于所述目标周期性波形来动态地对所述输出波形进行同相移位。
11.一种功率转换系统，该功率转换系统包括表示目标周期性波形的理想版本的基准波形，该基准波形基于接收到的所述目标周期性波形的特征形态和相位信息而被生成；输出硬件，该输出硬件用于生成输出波形；反馈环路，该反馈环路用于测量所述输出波形；以及控制器，该控制器用于将输出波形测量结果与所述基准波形进行比较，并基于比较结果生成反馈信号；其中，所述输出硬件用于基于所述反馈信号来调整操作，其中调整所述输出硬件的操作是用于将所述输出波形向所述基准波形和相位收敛。
12.根据权利要求11所述的功率转换系统，其中，所述输出波形和所述基准波形分别包括输出电流波形和基准输出电流波形。
13.根据权利要求11所述的功率转换系统，其中，所述控制器用于逐点地将所述输出波形测量结果与表示所述基准波形的设定点进行比较。
14.根据权利要求11所述的功率转换系统，该功率转换系统还包括所述控制器用于在运行时间期间动态地调整表示所述基准波形的基准波形表中的项， 以动态地调整所述基准波形。
15.根据权利要求11所述的功率转换系统，该功率转换系统还包括所述输出硬件用于在不增加谐波失真的情况下，相对于所述目标周期性波形来动态地对所述输出波形进行同相移位。
全文摘要
功率转换系统将输出波形向表示期望的输出波形的理想版本的基准波形收敛。该系统接收关于目标周期性波形的形态和相位的特征信息，生成输出波形，并将该输出波形与基准波形进行比较。该比较可以产生用于改变输出硬件的校正信号，以将输出波形改变成更紧密地与基准波形相匹配。该系统可以针对理想电压或电流波形来收敛输出波形，并可以引入相移。功率系统可以在不执行特定谐波失真分析的情况下输出功率信号，在输出波形中该功率信号具有减少的谐波失真。
文档编号H02J3/01GK102187542SQ200980138202
公开日2011年9月14日 申请日期2009年9月25日 优先权日2008年9月26日
发明者F·P·马罗内, A·F·麦金利, F·C·霍顿, W·B·J·韦斯特布罗特, J·M·克莱姆, M·J·布伦, S·马坦 申请人:艾克斯兰能源技术公司