优化并联式功率转换器的有源电流共享的系统和方法

优化并联式功率转换器的有源电流共享的系统和方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】
优化并联式功率转换器的有源电流共享的系统和方法
技术领域
[0001] 本发明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，本发明 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。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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）。
[0007] 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。
[0008] 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U)和差模电感（由差模交叉电流遇到的L)可显著地不同。
[0009] 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。
[0010]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。
[0011]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。

【发明内容】

[0012] 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。
[0013] 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发明的主题。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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发 明的主题。
[0018] 本发明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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 本发明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。
[0022] 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。
[0023] 本发明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，以便抑制合 计交叉电流内交叉电流的共模分量、交叉电流的第一差模电流和交叉电流的第二差模电 流。
[0024] 在一些实施例中，所述选择性电流控制执行以下指令，包括(i)在多个转换器中的 一个内计算通过合计来自一个转换器的第一相的第一电流、来自转换器的第二相的第二电 流和来自转换器的第三相的第三电流而形成的合计交叉电流的共模分量，以及（ii)使用控 制器将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共模分量抑制为大约接 近零的值。
[0025] 在一些实施例中，所述选择性电流控制执行以下指令，包括(i)计算通过从合计交 叉电流提取共模分量而形成的合计交叉电流的第一差别分量，以及(ii)使用控制器将多个 转换器中的所述一个内的多个优势谐波中的每个内的第一差别分量抑制为大约接近零的 值。
[0026] 在一些实施例中，所述选择性电流控制执行以下指令，包括(i)计算通过从合计交 叉电流的提取共模分量而形成的合计交叉电流的第二差别分量，以及(ii)使用控制器将多 个转换器中的所述一个内的多个优势谐波中的每个内的第二差别分量抑制为大约接近零 的值。
[0027] 下文参考附图对本发明的其他特征和优点以及本发明的各项实施例的结构和操 作进行更加详细的描述。应注意，本发明不限于本说明书中所描述的具体实施例。此类实施 例仅出于说明性目的而呈现在本说明书中。相关领域的技术人员基于本说明中所包含的教 示将会了解另外的实施例。
[0028] 技术方案1: 一种用于调整功率转换器系统中的交叉电流流动的方法，包括：
[0029] 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；
[0030] 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
[0031] 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。
[0032] 技术方案2:如技术方案1所述的方法，进一步包括：
[0033] 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。
[0034] 技术方案3:如技术方案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。
[0035] 技术方案4:如技术方案1所述的方法，所述方法进一步包括：
[0036] 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
[0037] 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。
[0038] 技术方案5:如技术方案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。
[0039] 技术方案6:如技术方案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。
[0040] 技术方案7:如技术方案1所述的方法，所述方法进一步包括：
[0041] 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；
[0042] 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；
[0043] 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
[0044] 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。
[0045] 技术方案8:如技术方案7所述的方法，所述方法进一步包括：
[0046] 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。
[0047] 技术方案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：
[0048] 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；
[0049] 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
[0050] 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。
[0051 ]技术方案10:如技术方案9所述的方法，所述方法进一步包括：
[0052]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
[0053]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。
[0054]技术方案11:如技术方案9所述的方法，所述方法进一步包括：
[0055] 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)对所述多个转换器中的每个转换器内的所述第二相模式电流求和以 便生成合计第二相模式电流，（ii)将所述合计第二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二相模式电流，以及（iii)从所述多个转换器中的一个的所述第二 相模式电流减去所述被除第二相模式电流;以及
[0056] 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 个内的所述第二相模式电流抑制为大约接近零的值。
[0057]技术方案12:如技术方案9所述的方法，所述方法进一步包括：
[0058] 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 第三相模式电流：（i)对所述多个转换器中的每个转换器内的所述第三相模式电流求和以 便生成合计第三相模式电流，（ii)将所述合计第三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三相模式电流，以及（iii)从所述多个转换器中的一个转换器的所 述第三相模式电流减去所述被除第三相模式电流;以及
[0059] 由所述转换器使用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三相模式电流抑制为大约接近零的值。
[0060] 技术方案13:如技术方案9所述的方法，所述方法进一步包括：
[0061] 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；
[0062] 由所述控制器计算电压限制，确定所述电压限制的方式是计算因饱和而未被传送 到所述转换器系统的电压；
[0063] 由所述控制器计算对应于所述电压计算的电流损失；以及
[0064] 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。
[0065] 技术方案14:如技术方案9所述的方法，进一步包括：
[0066] 由所述控制器向所述初始电压添加所述电压的计算值。
[0067]技术方案15: -种计算机可读设备，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，从而调整电力系统内的交叉电流，所述指令包括：
[0068] 由所述设备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；
[0069] 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
[0070] 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 电流内的共模电流、第一差模电流和第二差模电流，
[0071 ]其中所述设备包括比例控制、积分控制和至少一个谐振器控制。
[0072] 技术方案16:如技术方案15所述的设备，所述设备进一步包括：
[0073] 在所述多个转换器中的一个转换器内计算通过合计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形 成的所述合计交叉电流的所述共模分量；以及
[0074] 由所述设备使用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共模分量抑制为大约接近零的值。
[0075] 技术方案17 :如技术方案15所述的设备进一步包括：
[0076] 为所述电力系统计算通过从所述合计交叉电流提取所述共模分量而形成的所述 合计交叉电流的所述第一差别分量；以及
[0077] 使用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 每个内的所述第一差别分量抑制为大约接近零的值。
[0078] 技术方案18:如技术方案15所述的设备，所述设备进一步包括：
[0079] 为所述电力系统计算通过从所述合计交叉电流提取所述共模分量而形成的所述 合计交叉电流的所述第二差别分量；以及
[0080] 使用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 每个内的所述第二差别分量抑制为大约接近零的值。
[0081 ]技术方案19:如技术方案15所述的设备进一步包括：
[0082] 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；
[0083] 由所述控制器计算电压限制，确定所述电压限制的方式是计算因饱和而未被传送 到所述转换器系统的电压；
[0084] 由所述控制器计算对应于所述电压计算的电流损失；以及
[0085] 由所述控制器通过所述电流损失的量调节所述交叉电流。
[0086]技术方案20:如技术方案19所述的设备，所述设备进一步包括：
[0087] 由所述控制器向所述初始电压添加所述电压的测量值。
【附图说明】
[0088] 并入本说明书并形成本说明书的部分的附图用于说明本发明，并且和描述一起， 进一步用于解释本发明的原理并使本领域技术人员能够制造和使用本发明。
[0089] 图1是示出具有并联连接转换器的变换器电力系统的示例性应用的示意图。
[0090] 图2是示出用于计算图1中系统的交叉电流的示例性序列的示意图。
[0091] 图3是示出控制器内执行图1中变换器系统内的交叉电流抑制的序列的示意图。
[0092] 图4是示出控制器内使用具有防饱和回路的选择性控制器控制交叉电流的序列的 示意图。
【具体实施方式】
[0093] 尽管本说明书中利用用于特定应用的说明性实施例描述本发明，但应理解的是本 发明不限制于此。阅读本说明书提供的教示后，本领域技术人员将认识到在其范围内的另 外修改、应用和实施例以及本发明将显著有用的另外领域。
[0094] 除非另行规定，否则本说明书中所使用的技术和科学术语与本发明所属领域的一 般技术人员所公知的意义相同。本说明书中所用的术语"第一"、"第二"等并不指示任何顺 序、数量或重要性，而是用于区分不同元素。并且，本说明书中的术语"一个"和"一种"并不 限定数量，而是指示存在至少一个所引用的项目。术语"或者"表示包括性的并且表示所列 的项中任一个、任何、若干或者全部。
[0095] 本说明书使用"包括"、"包含"或者"具有"及其变体表示涵盖此后列出的项目和其 等效物及另外的项目。术语"连接"和"親合"并不限制于物理或机械连接或耦合，并可以包 括直接或间接电气连接或耦合。术语"电路"、"电路系统"和"控制器"可包括单个部件或多 个部件，其可以是有源和/或无源部件并且可以任选地连接或以其他方式耦合在一起以提 供所述功能。
[0096]图1是示出在第一线路110、第二线路120和第N线路130中包括并联式转换器的变 换器电力系统100的示意图。每个线路110、120、130包括转换器140,转换器140包括能量存 储器144(例如，电容器)和多个半导体142,多个半导体142通过具有差别电感参数和共模电 感参数的感应器150并联。
[0097] 在大功率应用中，转换器140可以并联以便增加额定电流/功率。如此，转换器140 可以是两级或多级拓扑，诸如但是不限于PWM。
[0098] 当并联转换器140时，在转换器140与负载之间传输的功率应在转换器140之间相 等地共享。确切地说，每个转换器140的电流输出160结合累积电流170，累积电流170应在线 路110、120、130中的每个内的转换器140之间共享。转换器140之间平分累积电流170使转换 器140之间流动的交叉电流最小化。
[0099] 感应器150可以在并联之前与转换器140的端子串联地引入，以便限制由不同线路 110、120、130中的不同步切换引起的交叉电流。例如，如果线路110、120、130中的半导体142 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半导体142的接通和断开 时间，则用于并联的电感可以极小（例如，1 %的分数）。然而，如果线路110、12 0、13 0中的转 换器的切换是交错的，则并联感应器150可能需要较大值，例如，10%-40%。
[0100] 如上文所述，可以修改电流输出160以便使用有源电流共享控制来控制转换器140 中的交叉电流。
[0101] 被设计用于控制低频交叉电流的有源电流共享控制可以在许多目标谐波频率下 通过使用选择性电流共享控制而极大地增强。
[0102] 所述选择性有源共享电流控制包括(i)获取电流测量值(图1 )，（ ii)确定电流误差 (图2)，以及（iii)应用选择性电流控制（图3)。另外地，在积分器存在于控制回路中的情况 下，所述过程可以执行(iv)具有控制器防饱和保护的电压限制的计算(图4)。
[0103] 首先，获取电力系统100的电流测量值需要确定累积电流170的值，累积电流170定 义为来自每个线路110、120和130的输出电流160的总和。确切地说，累积电流170，i _，定义 为
[0104] icum=ii+i2+---+iN,
[0105] 其中N表示电力系统100内的相的数量。
[0106] 接下来，确定电力系统100的电流误差。为了检测电流误差信号，使用不希望的交 叉电流(ic^ss )，因为交叉电流直接表示电力系统IOO内的误差信号（ien)，确切地说，ierror = iCTClss。误差信号以及交叉电流可以从每个转换器140的相电流中的反馈计算。
[0107] 图2是用于计算电力系统100的交叉电流(误差电流)的示例。
[0108] 作为示例性误差序列200,每个转换器140的功率输出可以分为第i转换器140的相 域;[￡1(1)、：[1 )(1)、:^(1)，其中1 = 1、2^札每个相电流;[￡1(1)、;^(1)、:^(1)包括共模电流分量(：[() (1))和 差模电流分量(^(1)、^(1))。共模电流分量(i0 (1))和差模电流分量(^(1)4(1))的序列计算可 以在图2中示出。
[0109] 如图2中所见，第i转换器140的共模电流io定义为：
[0110]
[0111] 其表示第i转换器140的共模误差信号以及因此交叉电流。确切地说，io(1)由参考 号210表不，i〇 (2)由参考号220表不，并且i〇(N)由参考号230表不。
[0112] 每个线路110、120和130的差模电流分量ia⑴和ip⑴定义为：
[0113]
[0114] 其中参考号212、214分别表示ia(1)和ifs(1);参考号222、224分别表示ia (2)和ifs(2);并 且参考号232、234分别表示ia(N)和ifs (N)。
[0115] 所有N个转换器140的差模电流的总和提供累积模式电流，这涉及转换器140与电 网180/工厂190之间的功率交换。分别作为参考号246和248示出的累积模式电流α和β定义 为：
[0116]
[0117]
[0118]从来自每个转换器140的所有差模的平均值(iavg)减去每个转换器140的差模电流 (idiff )提供差模交叉电流。
[0119]
[0120]
[0121] 参考图2,参考号216、218分别表示线路110处的iAa(1)和参考号226、228分别 表示线路120处的h a(2)和^(2);并且参考号236、238分别表示线路130处的ha (N)和i^(N)。
[0122] 设想到，将每个相电流分解为共模电流分量(io(1))和差模电流分量(^(1)、4(1))说 明了优化实现的一个实例(例如，其中感应器150以不同于共模分量和差别电流分量的电感 作出响应)并且不预先请求使用电流共享控制。
[0123] 另选地，交叉电流可以在相域(ia(i)、ib⑴、ic (i))中导出。对于每个相域(ia(i)、ib(i)、 ic(1))，对应的相交叉电流可以计算为包括复合差模和共模交叉电流。确切地说，每个相域 的电流定义为：
[0124]
[0125]
[0126]
[0127] 在当感应器150是由相与相之间没有磁性耦合的单相感应器组成时的实施例中 (例如，对共模分量和差别电流分量用相同的电感响应），所计算交叉电流h〇 a(1)、iMb(1)、 iA0c(1)可以直接用作交叉电流控制器的输入。在这些实施例中，将计算电流分量分解为共模 分量和差模分量不存在额外的好处。
[0128] 然后可以将共模交叉电流(i〇(1))与差模交叉电流(ha(1)、h b(1)、i&(1))分离：
[0129] iAa⑴= iAOa(i)-io⑴，
[0130] iAb ⑴= iAOb ⑴ _i。⑴，以及
[0131 ] iAC(1) = iA〇c(1)-io(1) = iAa(1)+iAb(1))。
[0132] 最后，一旦识别了每个转换器140的交叉电流(误差电流），就可以在电力系统100 中的优势谐波内将所述误差电流抑制为等于或接近零的最小值。图3中可见的选择性电流 控制器300可以用来抑制交叉电流(误差电流）。
[0133] 控制器300是比例积分谐振(PIR)控制，包括比例控制310、积分控制320和多个谐 振控制330，每个优势谐波内（例如，第1、第3、第5...第h次谐波)有一个谐振控制330。
[0134] 比例控制310使用所计算交叉电流作为误差，控制器300在稳态下将其减少为零， 从而在每个线路110、120、130产生平衡电流。
[0135] 积分控制320确保交叉电流中的直流(DC)分量在稳态下减少为等于或接近零的 值。如果积分控制320在频域中偏移并且以目标频率(例如第1、第3或第h次谐波)为中心，则 交叉电流的减少可以扩展到其他谐波。
[0136] 使积分控制320的目标频率偏移可以形成谐振控制330,其在目标频率处具有无限 增益。谐振控制330确保在稳态下抑制目标频谱分量。在高谐振控制330处，增益仅围绕中心 谐振频率局部化，这可以在维持PIR控制回路的稳定性同时得以实现。如图3中所见，当多个 积分控制320以零频率为中心时，积分控制320可以用作谐振控制器330中的一个或多个。多 个谐振控制330允许控制器300靶向若干优势谐波(例如，第0、第1、第3…第h次)分量以便在 稳态下抑制那些谐波。
[0137] 图3中所示的序列提供被设置在解调器级340与调制器级350之间的积分控制320 的频率偏移。调制和解调由使用转换器140累积模式控制基准框架的角度Θ生成的正交信号 sin/cos执行。以此方式，谐振控制330可以用转换器140和输出频率谐波的输出频率（ω〇) 为中心。
[0138] 来自比例控制310的增益(Kp)和来自积分控制320的增益(Ki)可以用若干方式参数 化，例如使用PIR控制回路的输出频率带宽（ω Β?〇和相关阻尼(ζ)。比例控制增益和积分控制 增益分别定义为：
[0139]
[0140]
[0141] 其中Lsrale3是基于调整共模电流或是差模电流而确定的缩放电感。
[0142] 拉氏变换(例如，频域或S-域)中的控制器300的总增益(Gc)定义为，
[0143]
[0144] 控制器300可以包括以下部件(未详细示出）中的一个或多个：（i)核心，包括微控 制器、微处理器、可编程逻辑控制器(PLC)、复杂可编程逻辑设备（CPLD)、场可编程门阵列 (FPGA)等等；（ii)存储器，用于存储和存取数据，诸如静态随机存取存储器、电可擦可编程 只读存储器等等；（iii)输入，用于功率传送和模拟/数字信息；（iv)输出，用于驱动器或逻 辑；以及(V)通信链接，以允许设备(或它们的微控制器)在不具有主机计算机系统，例如局 部网(LAN)、城域网(MN)或广域网(WAN)的情况下与彼此通信。
[0145] 应理解的是，尽管描述指的是计算机可读指令，但本发明的实施例也可以结合其 他程序模块和/或作为除了或替代计算机可读指令的硬件和软件的组合来实现。
[0146] 设想到，控制器300可以包括除谐振控制器330之外或替带谐振控制器330的特征。 例如，一个或多个谐振控制330可以从频域(s-域)谐振控制变换成Z-域谐振控制传输函数， 其表示为二阶冲激不变响应(IIR)滤波器的形式。
[0147] 在积分控制320存在于控制回路内的一些实施例中，控制器300可以使用如图4中 所见的防饱和保护执行电压限制序列400。
[0148] 在由于它们的固有积分作用的瞬态期间，积分控制320和谐振控制330可迫使电压 基准为电压限制，这会引起控制器300的积分饱和(or wind-up)和控制器300的劣化动态响 应。在仅存在一个谐振控制330的情况下，可以通过将限值引入到积分控制320的输出上对 饱和进行调整。
[0149] 然而，当多个谐振控制330存在于控制器300内时，将限值引入到积分控制320的输 出上是次优的，因为总电压裕度(voltage margin)的分数需要在未知实际电压电平的情况 下任意地分布到特定积分器，所述积分器通常是抑制特定频谱分量所需要的。例如，当谐振 器积分(RI)输出达到预设定局部限值时，发生不完全的电流谐波补偿而同时总电压在可用 电压裕度内。
[0150]如图4中所见，电压限制序列400产生单点限制405,位于复合控制器的输出处，以 便最佳地利用对于转换器局部电压基准微调可用的电压裕度。电压限制序列400由以下项 组成：（i)计算由于饱和的非传送电压，（ii)计算用于基准电流校正的限制反馈电流信号， 所述限制反馈电流信号在不存在限制的情况下通过电压限制器410利用所述非传送电压产 生，以及（iii)由限制电流校正交叉电流基准。
[0151] 一旦控制器300的输出达到预设定局部限值以上的水平，输出就达到饱和。为了计 算非传送电压，必须确定是否使用基于载波的调制或空间向量调制执行电力系统100的调 制。用于调制的电压差可以在a、b、c相或0、α、β域中表达。例如，如果电压基准在相域中表达 并接着被限制(VLim )，则由于饱和的非传送电压(例如，电压损失)为：
[0152] Δ VRe f a(1) = VLim-VRe f a(1)，if I VRe f a(1) I >VLim else Δ VRe f a(1) = 0;
[0153] Δ VRe f b(1) = VLim-VRe f b(1)，if I VRe f b(1) I >VLim else Δ VRe f b(1) = 0;
[0154] 以及
[0155] Δ VRe f C(1) = VLim-VRe f C(1)，if I VRe f C(1) I >VLim else Δ VRe f C(1) = 0〇
[0156] 根据电流回路的电网180/工厂190模型，计算并反馈将由非传送电压产生的所得 电流，以便修改控制器300的输入处的基准。例如，如果交叉电流的控制由控制器300在0、α、 β域中执行，则电压差被传输到0、α、β域（Δ VRefQ(1)、Δ VRefa(1)、Δ VRefP(1))中并且然后对应的 电流计算为：
[0157]
[0158]
[0159]
[0160] 如果交叉电流的控制在相域中执行，则可以使用相a、b、c电压差执行类似计算。
[0161] 由于电流基准的防饱和反馈和修改，从控制器的角度来看，电压限制的作用将不 可见，因为如果不存在电压限制，反馈和修改的基准电流返回正好是反馈信号将返回的。一 旦发现控制器输出在电压限值内，在目标谐波处的完全补偿就将恢复，因为电流基准修改 将衰减为零。
[0162] 在由电压限制器410处理后，将交叉电流的电压基准添加到来自累积电流的控制 的基准。
[0163] 将理解的是，【具体实施方式】部分，而不是
【发明内容】
和摘要部分，旨在用于解释权利 要求书。
【发明内容】
和摘要部分可以阐述
【发明人】设想的本发明的一个或多个、但不是所有的 示例性实施例，并且因此不旨在以任何方式限制本发明和随附权利要求书。
【主权项】
1. 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)对所述多个转换器中的每个转换器内的所述第二相模式电流求和以便生 成合计第二相模式电流，（ii)将所述合计第二相模式电流除以所述多个转换器的数量的整 数以便形成被除第二相模式电流，以及（iii)从所述多个转换器中的一个的所述第二相模 式电流减去所述被除第二相模式电流;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 的所述第二相模式电流抑制为大约接近零的值。12. 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三 相模式电流：（i)对所述多个转换器中的每个转换器内的所述第三相模式电流求和以便生 成合计第三相模式电流，（ii)将所述合计第三相模式电流除以所述多个转换器的数量的整 数以便形成被除第三相模式电流，以及（iii)从所述多个转换器中的一个转换器的所述第 三相模式电流减去所述被除第三相模式电流;以及 由所述转换器使用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三相模式电流抑制为大约接近零的值。13. 如权利要求9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； 由所述控制器计算电压限制，确定所述电压限制的方式是计算因饱和而未被传送到所 述转换器系统的电压； 由所述控制器计算对应于所述电压计算的电流损失；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。14. 如权利要求9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添加所述电压的计算值。15. -种计算机可读设备，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，从而调整电力系统内的交叉电流，所述指令包括： 由所述设备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； 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 内的共模电流、第一差模电流和第二差模电流， 其中所述设备包括比例控制、积分控制和至少一个谐振器控制。16. 如权利要求15所述的设备，所述设备进一步包括： 在所述多个转换器中的一个转换器内计算通过合计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形成的 所述合计交叉电流的所述共模分量；以及 由所述设备使用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共模分量抑制为大约接近零的值。17. 如权利要求15所述的设备，所述设备进一步包括： 为所述电力系统计算通过从所述合计交叉电流提取所述共模分量而形成的所述合计 交叉电流的所述第一差别分量；以及 使用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 内的所述第一差别分量抑制为大约接近零的值。18. 如权利要求15所述的设备，所述设备进一步包括： 为所述电力系统计算通过从所述合计交叉电流提取所述共模分量而形成的所述合计 交叉电流的所述第二差别分量；以及 使用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 内的所述第二差别分量抑制为大约接近零的值。19. 如权利要求15所述的设备，所述设备进一步包括： 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； 由所述控制器计算电压限制，确定所述电压限制的方式是计算因饱和而未被传送到所 述转换器系统的电压； 由所述控制器计算对应于所述电压计算的电流损失；以及 由所述控制器通过所述电流损失的量调节所述交叉电流。20. 如权利要求19所述的设备，所述设备进一步包括： 由所述控制器向所述初始电压添加所述电压的测量值。
【文档编号】H02M1/00GK105915091SQ201610094548
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年2月19日
【发明人】D.巴西奇, M.吉鲁
【申请人】通用电气能源能量变换技术有限公司