用于电力变换器的通用三相控制器的制作方法

专利名称：用于电力变换器的通用三相控制器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及电力变换器的控制器领域，更确切地，本发 明涉及使用控制器来控制电力变换器的系统和方法。
背景技术：
在分布式发电的电力系统中，开关式电力变换器具有许多应用。
图1-4示出了四种常用的开关式电力变换器。图1A示出了二电平功 率因数校正(PFC)整流器102。这里用PFC整流器102来对线电流ia、 ib、 ie进行整形，使这些电流与对应的线电压Va、 Vb、 K成正比。图 1B示出了线电压与时间以及线电流与时间的曲线图，其中，j用来表 示a、 b或c。可以看出，线电流ij保持与线电压Vj成正比。
图2A示出了二电平有功滤波器(APF)104，该滤波器是另一例电 力变换器。此处，APF 104用来产生反谐波与无功电流，以抑制或消 除电力线中的谐波。图2B示出了系统线电压Vj与时间的示例曲线图。 图2C示出了在通过APF 104进行调节前线电流ij与时间的示例曲线 图。图2D示出了反谐波或无功电流iCj与时间的示例曲线图。图2E 示出了在通过APF 104进行调节后得到的线电流i; j的示例曲线图。
图3A示出了经二电平脉宽调制(P麵)的静态伏安无功(VAR)补偿 器(SVC)106,该补偿器是另一例电力变换器。此处，SVC106用来为 线电流产生超前或滞后线电压的90度的相位偏移，以对电网中的电 力潮流进行控制。该电网通常为电力系统或电力公用设施，它是由 输电线、变压器、负载、发电机、电动机等组成的网络。图3B示出 了线电压Vj、线电流ij与时间的关系曲线图，其中，ij超前Vj。 一 例类似的电力变换器是静态同步补偿器(STATCOM)。图4A示出了二电平联网逆变器(GCI)108，该逆变器是另一例电 力变换器。此处，GCI 108用来将恒定或直流(DC)功率逆变成流入电 网的、时变或交流(AC)功率，其中，所产生的电流(ij)的极性与线电 压(Vj)的极性相反。该电网通常为电力系统或电力公用设施，它是由 输电线、变压器、负载、发电机、电动机等组成的网络。图4B示出 了 Vj与ij与时间的关系曲线图，其中，Vj与ij的极性相反。GCI 108 通常用来逆变由燃料电池、光伏电源、电池等可再生能源或替代能 源提供的DC能量。
通过控制各个开关110的状态(断开或合上)，可以对电力变换 器102-108中的每一种变换器进行操作。 一些传统控制方法采用了 DQ 变换与实时参考电流计算。而这些方法需要高速的数字微处理器与 高性能的A/D变换器，因而需要较高的成本，并导致了较高的复杂 度与较低的可靠性。另一种传统控制方法称为单周控制(OCC)。
OCC是一种统一的脉宽调制(P丽)控制方法，该方法能以相对较 低的成本、较低的复杂度与较高的可靠性来控制基本电力变换器。 在1994年1月11日^t更予的美国专利5， 278， 490中更详细地介绍了 OCC,该专利的全部内容通过引用包含于文中。许多之前的OCC控制 器不能与不同类型的电力变换器102-108 —起工作。需要为电力变 换器102-108中的每一种变换器设计单独的OCC控制器。
近来，已开发出能控制多于一种电力变换器的OCC控制器。例 如，在2001年10月2日授予的美国专利6,297， 980与2003年4月 8日授予的美国专利6,545,887中介绍了能控制PFC 102、 APF 104 与GCI 108的三相二电平OCC控制器，这两个专利的全部内容均通 过引用包含在文中。然而，这些OCC控制器不能控制电力变换器 102-108中的每一种变换器。
因此，需要能控制多种二电平和三电平电力变换器的通用控制器。本文所述的系统和方法提供了用控制器来控制三相三电平电力 变换器的调制方法。在调制方法的一个示范性实施例中，电力变换 器包括第一、第二和第三电压源，其中，每个电压源被配置成输出 时变信号，并以电容性方式耦合到独立的输入节点。各输入节点最 好连接到第一输出节点、第二输出节点和第三输出节点。该电力变 换器还包括连接于第 一与第二输出节点之间的第 一 电容元件和连接 于第二与第三输出节点之间的第二电容元件。各时变电压信号具有 基本相同的周期和不同的相位。
本方法包括为多个子周期中的每一个确定其中电压最高的电压 信号、电压最低的电压信号和具有中间电压(其电压高于上述电压信 号中一个电压信号的电压，但低于另一个电压信号的电压)的电压信 号。然后，在各子周期内，将具有中间电压的电压信号只连接到上 述第一输出节点，将具有最高电压的电压信号连接到上述第二或第 三输出节点之一，并将具有最低电压的电压信号连接到上迷第二或 第三输出节点之一。
在另一示范性实施例中，上述调制方法包括提供具有第一、第 二和第三电压源的电力变换器，其中，各电压源配置成输出时变信 号。第一和第二电压源最好各自以电感方式分别耦合到独立的输入 节点。这些输入节点可以连接到第一和第二输出节点。第三电压源 最好以电感方式耦合到第三输出节点。上述电力变换器也包括连接 于第一与第二输出节点之间的第一电容元件，以及连接于第二与第
三输出节点之间的第二电容元件。各时变电压信号最好具有基本相 同的周期与不同的相位。本方法还包括提供一种控制器，该控制器 配置成对第二和第三电压源到第二和第三输出节点的连接进行控 制。
在调制方法的又一个示范性实施例中，电力变换器包括第一 、 第二和第三电压源，其中，各电压源配置成输出时变信号，并以电感方式分别耦合到一个独立输入节点。各输入节点最好可连接到第 一输出节点、第二输出节点和第三输出节点。该电力变换器还可包 括连接于第 一和第二输出节点之间的第 一 电容元件与连接于第二和 第三输出节点之间的第二电容元件。各时变电压信号最好具有基本 相同的周期和不同的相位。
本发明的方法最好包括为多个子周期中的每一个周期确定其 中电压最高的电压信号、电压最低的电压信号和具有中间电压(其电 压高于上述电压信号中一个电压信号的电压，但低于另一个电压信
号的电压)的电压信号；为上述多个子周期中的各子周期确定主导电 压信号；当该主导电压信号的电压低于非主导电压信号的电压时， 将具有最低电压的电压信号只连接到第三输出节点；在各子周期内， 当上述主导电压信号的电压低于非主导电压信号的电压时，将具有 最高电压的电压信号连接到第一输出节点与第二输出节点之一；在 各子周期内，当上述主导电压信号的电压低于非主导电压信号的电 压时，将具有中间电压的电压信号连接到第二输出节点与第三输出 节点之一；当上述主导电压信号的电压高于非主导电压信号的电压 时，将具有最高电压的电压信号只连接到第二输出节点；在各子周 期内，当上述主导电压信号的电压高于非主导电压信号的电压时， 将具有最低电压的电压信号连接到第一输出节点与第二输出节点之 一；在各子周期内，当上述主导电压信号的电压高于非主导电压信 号的电压时，将具有中间电压的电压信号连接到第二输出节点与第 三输出节点之一。
本文所述的系统与方法还提供了 一种通用控制器，该控制器能 控制多种三相二电平和三电平电力变换器。该通用控制器可控制处 于PQ域(实功与虛功域)的四个象限中的任一象限的任一种电力变换 器。该通用控制器可包括选区单元、参考信号源单元、驱动信号分 配单元和控制核。该控制核可用单周控制、平均电流模式控制、电 流模式控制、滑动模式控制等来实现。通过调节参考信号源单元，可以将该控制器配置成对许多种电力变换器进行控制。本文还提供 了适于与各种调制方法一起使用的多个关于控制核的实施例。
阅读以下的附图与详细说明后，本领域技术人员将不难得到本 发明的其他系统、方法、特征和优点。我们希望本说明书中包括的 所有附加系统、方法、特征和优点均落在本发明的范围之内，并受 到所附权利要求的保护。我们还希望本发明不受限于示范性实施例 的各项细节。


通过研读附图(其中，相同的附图标记表示相同的部分)，可部 分地了解本发明的包括制造、结构与运行等方面的细节。
图1A的示意图描述示范性的PFC整流器，该整流器是一种电力 变换器。
图1B的电压与时间曲线图示出了图1A所示的PFC整流器的各 种输入和输出信号。
图2A的示意图描述示范性的APF电力变换器。
图2B-C的电压与时间曲线图示出了图2A所示的APF电力变换 器的各种输入和输出信号。
图2D的电压与时间曲线图示出加到图2A所示的APF电力变换 器的输入信号上的电压信号。
图2E的电压与时间曲线图示出图2A所示的APF电力变换器的 输出信号。
图3A的示意图描述示范性的SVC电力变换器。
图3B-C的电压与时间曲线图示出图3A所示的SVC电力变换器 的各种输入与输出信号。
图4A的示意图描述示范性的GCI电力变换器。
图4B的电压与时间曲线图示出图4A所示的GCI电力变换器的 各种输入与输出信号。图5的示意图描述电力变换器系统的一个示范性实施例。 图6的流程图示出为电力变换器的控制器建模的方法。
图7A的电压与时间曲线图示出了 PFC整流器或APF变换器的示 范性参考信号和输入信号。
图7B的示意图描述PFC整流器或APF变换器的参考信号源的一 个示范性实施例。
图8A的电压与时间曲线图示出了 GCI变换器的示范性参考信号 与输入信号。
图8B的示意图描述GCI变换器的参考信号源单元的一个示范性 实施例。
图9A的电压与时间曲线图示出了 SVC变换器的示范性参考信号 和输入信号。
图9B的示意图描述SVC变换器的参考信号源单元的示范性实施例。
图10的示意图描述OCC控制核的示范性实施例。
图11A-B的示意图描述信号调整单元的示范性实施例。
图12的示意图描述三相三电平电力变换器的一个示范性实施例。
图13A的电压与时间曲线图示出一个周期的干线时变电压信号 的示范性工作区间。
图13B的流程图示出一种用于控制电力变换器的示范性调制方法。
图13C的示意图描述用于图13B所示的调制方法的等效三相三 电平电力变换器的示范性实施例。
图13D中的表给出图13B所示的示范性调制方法的占空比与电 压值。
图13E的流程图示出另一种用于控制电力变换器的示范性调制 方法。图13F的示意图描述用于图13E所示的调制方法的等效三相三 电平电力变换器的示范性实施例。
图13G中的表给出图13F所示的示范性调制方法的占空比与电 压值。
图14的示意图描述三相三电平电力变换器的另一个示范性实施例。
图15A的电压与时间曲线图示出一个周期的干线时变电压信号 的示范性工作区间。
图15B的流程图示出了另一种用于控制电力变换器的示范性调 制方法。
图15C的示意图描述用于图15B所示的调制方法的等效三相三 电平电力变换器的示范性实施例。
图15D中的给出图15B所示的示范性调制方法的占空比与电压值。
图16A的示意图描述用于图13B所示的调制方法的0CC控制核 的示范性实施例。
图16B的示意图描述用于图13E所示的调制方法的0CC控制核 的示范性实施例。
图16C的示意图描述用于图15B所示的调制方法的0CC控制核 的示范性实施例。
图17A-C的示意图描述控制核的另一些实施例。
图18A的电压与时间曲线图示出在重负载下工作的PFC整流器 的示范性电压信号。
图18B的电压与时间曲线图示出在轻负载下工作的PFC整流器 的示范性电压信号。
图18C的电压与时间曲线图示出PFC整流器的示范性噪声信号。
图18D的电压与时间曲线图示出PFC整流器的示例性脉宽调制 信号。图18E的流程图示出了示范性的电压限制方法。
具体实施例方式
本文所述的系统与方法针对一种能控制多种类型的三相电力变
换器的通用控制器，并用于对通用控制器进行调制的方法。图5示 出了电力变换器系统500的示范性实施例，该系统具有通用控制器 502，该控制器能控制高电压与^f氐电压应用中的二电平或三电平电力 变换器(图中示出一个二电平电力变换器501)。电力变换器501可以 是任何类型的电力变换器，包括，但不限于PFC、 APF、 SVC和GCI。 控制器502可在任何PQ象限中运行，因而具有许多优点，如可在PFC 整流器与GCI电力变换器501中实现电流的双向流动。在此实施例 中，通用控制器502包括信号选择单元504、控制核506、选区单元 508、驱动信号分配单元510和参考信号源单元512。
此处，将选区单元配置成基于时变电压信号Va、 Vb、 Ve来为电力
变换器确定当前工作区间。以下将参考图13A与图15A对工作区间 进行更为详细的讨论。然后，选区单元508将表示该确定过程的一 个或多个信号509输出给信号选择单元504与驱动信号分配单元 510。参考信号源单元512配置成将一个或多个参考信号V^提供给 输入选择单元504，随后，该输入选择单元将这些参考信号与三个时 变信号Va、 Vb与Ve进行组合，并最好能基于上述当前工作区间来选 择经过适当组合的一个或多个电流信号Rsia、 RJb或Rsie。然后，信 号选择单元504将选出的输入信号505输出给控制核506。
控制核506最好配置成产生驱动电力变换器501中的多个开关 604 (或开关605,此处未示出该开关，但将在下面对其进行说明)的 驱动信号507。控制核506最好配置成基于参考信号、ef、电流信号 Rsia、 Rsib或Rs"、上述工作区间和输出电压Vm从电压回路补偿器582 中产生驱动信号507。控制核506将驱动信号507输出给驱动信号分 配单元510，随后，最好该分配单元基于上述工作区间将驱动信号507<formula>formula see original document page 20</formula>发送到合适的开关604。
最好，根据所控制的电力变换器501的类型来配置参考信号源 单元512。最好，根据以下等式(l)产生参考信号、ef:
(1)
的相位偏移。本文所述的系统和方法提供了一种设计电力变换器501
中使用的通用控制器502的方法。图6示出了一种对通用控制器502 建模的示范性设计方法590。在步骤591中，确定了电力变换器应用 中的参考信号V^的所要的相位偏移与增益。在步骤592中，将这些 相位和增益值插入等式(l)。在步骤593中，用式(l)产生的参考信 号、ef或i
<formula>formula see original document page 20</formula>
和"ref对通用控制器502建模。 在图7-9中，示出了一些示范性的参考信号V^和用于产生参考
信号V^的参考信号源单元512的结构。图7A示出了当电力变换器 501为PFC整流器或APF时使用的示范性参考信号Vref。此处，参考 信号、ef为常数电压(优选为地电压)，该电压与用Vj表示的输入信
号Vp Vb或Ve无关。图7B示出了一种结构的一个示范性实施例，可 用该结构来为每一条干线A、 B和C产生参考信号iaref、 ^ef和i^f。
图8A示出了当电力变换器501为GCI时使用的示范性参考信号 Vref。此处，Vref与输入信号Vj成正比。图8B示出了参考信号源单元 512的一个示范性实施例，且该单元配置成产生图8A所示的Vw信
号。在此实施例中，将输入电压Va、 Vb或Ve输入到正在运行的放大
器(该放大器具有到达其负输入端的反馈)的正输入端，以产生参考 信号
<formula>formula see original document page 20</formula>
图9A示出了当电力变换器501为SVC时使用的示范性参考信号
Vfef。此处，Vref的幅值与输入信号Vj的幅值成正比，且其相位与上
述输入信号的相位相差90度。图9B示出了用来产生图9A所示的V^ 信号的参考信号源单元512的示范性实施例。在此实施例中，将输入电压、、Vb或V。输入到PLL 514，而PLL 514优选地确定上述输入 信号的频率，并用存储器515中的查询表来确定上述输入信号的延 迟时间，以在参考信号V^r、 V^f和V^f中产生合适的相位延迟。PLL 514最好具有+/- j V^e的增益。应当注意，图7-9中的这些实施例 仅为il明性实施例，本文无意用它们限制本文所述的系统和方法。 根据应用的需要，可使用任何参考信号源单元512。
可用许多种控制方法来实施控制核506。最好，控制核506实施 成OCC核506。图10示出了控制核506的示范性实施例，其中，控 制核506实施成与美国专利6,545,887中所述的控制核类似的矢量 操作的0CC核506。该矢量控制的0CC核506能够以等于2/3开关频 率的速度运行。由于控制器502是OCC控制器，且因为将内部电流 控制回路嵌入在脉宽调制器内来提供 一 个开关周期的动态响应，因 而该控制器能实现快速的动态响应。因此，在线电流中的总谐波失 真(THD)较低的情况下，控制器502可在较宽的线频率范围(如0-2kHz) 内运行。
在此实施例中，可以用相对较少的线性及逻辑元件来实施控制 器502。将来自信号选择单元的输入信号505输入信号调整单元520。 图11A-B示出了信号调整单元520的两个示范性实施例。在图11A 所示的示范性实施例中，调节单元具有两个输入信号ip与in。将这 些输入信号输入低通滤波器521，然后这些滤波器的输出到达放大器 522与加法器523的交叉耦合级联结构，并由该结构输出累加信号 524。在此实施例中，各放大器522的增益为2。
图11B示出一个信号调整单元520的示范性实施例，该单元具 有三个输入信号505 (这里示出为ip、 it与U。各输入信号505被输 入到低通滤波器521，然后，在加法器523中从信号"与"中各减 去信号it,随后，该加法器输出所得信号524。本领域技术人员不难 发现，在控制核506中可使用任何信号调整单元520，因此，本文所 述的系统和方法不限于图11A-B所示的实施例。再来看图10，信号524各自输入到比较器526，该比较器配置 成将信号524与积分器单元528输出的信号525进行比较，而积分 器单元528则配置成对来自电压回路补偿器534的输出信号535进 行积分。最好，也为积分器528设置复位器。本领域技术人员不难 发现，可以将任何类型的积分器或其等价物用作积分器528。比较器 526将所得的经过比较的信号527输出到触发器530。此实施例中， 触发器530为S/R触发器。
本文所述的系统和方法还提供了控制电力变换器501的调制方 法。这些调制方法各自取决于508确定的电力变换器501的工作区 间，例如由选区单元确定的工作区间工作区间。图12示出了与本文 所述的几种调制方法一起使用的 一个普通的三相三电平变换器5 01 。
在此实施例中，将三个干线时变电压、、Vb或、加到电感元件606 上，然后，将所得的信号通过开关阵列604和605进行传送。此处， 各电压信号Va、 Vb和V。通过开关604-605连接到三个节点601-603。 这三个节点由电容元件608隔离。具体地说，通过标识为Tap、 1^和 Tq的开关604分别将电压信号Va、 Vb和V。连接到节点601(图中示为
P节点)。类似地，通过标识为Tan、 T^和L的开关604分别将电压
信号、、Vb和V。连接到节点603 (图中示为N节点)。通过标识为Sa、 Sb和S。的开关605分别将电压信号Va、 Vb和V。连接到节点602。
最好，用通用控制器502产生的驱动信号507来控制各开关604 和605 。在此实施例中，各开关604优选为功率晶体管(如功率 MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极晶体管) 等等)，而开关605优选为四象限开关，等等。本领域技术人员不难 发现，根据应用的需要，可使用任何类型的开关。
图13A的电压与时间曲线图示出一个周期610内的电压信号Va、 Vb和Ve，上述电压信号之间各具有优选为120度的相位差。此处， 周期610被分成用于一种矢量控制方法的六个工作区间611(或子周 期)。在此实施例中，在各区间611中的电压信号Va、 Vb和Ve彼此具有一种共同的关系。例如，在-30度至30度的范围内，V。的电压高 于、的电压，而、的电压又高于Vb的电压。在30度至90度的范围
内，Va的电压高于Ve的电压，而V。的电压又高于Vb的电压。贯穿于
该说明书的始终，将特定区间611内具有最高电压的信号称为高信
号，将具有最低电压的信号称为低信号，将具有中间电压(如高于上 述低信号但低于上述高信号的电压)的信号称为中间信号。
图13B的流程图示出在图13A所示的工作区间611中使用的调 制方法630。在调制方法630中，基于当前的工作区间611来断开或 合上电力变换器501中的开关604和605。在步骤631中，确定了当 前的工作区间611及其对应的高信号、中间信号与低信号。在步骤632 中，接通或合上上述中间信号的开关Si(这里i可以是a、 b或c)， 以将该信号连接到节点602。在步骤633中，将用于中间信号的开关 T^与Tip切断或断开，以使中间信号不连接到节点601和603。在步 骤634中，切断用于高信号的开关Tin。然后，在步骤635中，用于 高信号的开关Tin与Si ^皮互补i也(complementary to each other)驱 动，其中Si的占空比由dp定义。在步骤636中，用于低信号的开关 Tip断开，然而，在步骤637中，开关T"与Si被互补地驱动，其中Si 的占空比由dp定义。在步骤638中，该方法返回到步骤631,并为下 一个工作区间611重复上述方法。应当注意，不必按上面列举的顺 序来进行步骤632-638，事实上，可以以任何顺序(包括同时)来执行 这些步骤。
调制方法630是一种矢量控制方法，对每个工作区间611而言， 它允许将图12所示的电力变换器501分解成不同的双升压变换器。 图1!3C示出了在-30度至30度的工作区间内应用调制方法630所得 到的电力变换器501的示范性实施例。此处，示出了等效的双升压 变换器形式的电力变换器501，该变换器501具有两个锯齿波电压源 Vca与Vab,并且，为形成各自的干线A、 B、 C，将这些电压源配置成 与电感元件606连接。且C干线上的电感性元件606与开关Se和Tcp连接。而开关Tep又与电容元件608连接。类似地，将B干线的电感
元件606与开关T^和Sb相连。而开关Tbn又与另一个电容元件608 相连，该电容元件则与另一个电容元件以及A干线的电感元件606 的输出相连。开关Sb与Se连接在一起，并与A干线的电感性元件606 的输出相连。本领域技术人员不难发现，对每个工作区间611而言， 当将调制方法630应用到电力变换器501时，将导致不同的等效电 路。
下式(2)中，给出了调制方法630的DC增益等式
<formula>formula see original document page 24</formula>(2)
其中，dp与d。为占空比，E为节点之间的电压，而Vp与V。分别为节 点601与603处的电压。图13D示出了调制方法630的各工作区间611 的占空比dp与d。和电压Vp与vn。
图13E的流程图示出了另一种用于图13A所示的工作区间611 的调制方法640。在调制方法640中，基于当前的工作区间来断开或 合上电力变换器501中的开关604和605。在步骤641中，确定了当 前工作区间611及其对应的高信号、中间信号与低信号。在步骤642 中，接通或合上用于低信号的开关SJ其中i可以是a、 b或c),以 使该信号连接到节点602。在步骤643中，切断或断开用于中间信号 的开关T;n与Tip,以不使该中间信号连接到节点601与603。在步骤 644中，将用于高信号的开关Si断开。然后，在步骤645中，该高信 号的开关L与Tip被互补地驱动其中T^的占空比由dp定义。在步骤 646中，将低信号的开关S.,断开，在步骤647中，高信号的开关Tip 与U皮互补地驱动，其中1^的占空比由d。定义。在步骤648中， 该方法返回到步骤641，为下一个工作区间611重复该方法。应当注 意，不必按列出的顺序来执行步骤642-648,实际上，可以按任何顺 序(包括同时)来执行这些步骤。
调制方法640也是一种矢量控制方法，对各工作区间611而言， 该方法允许将图12所示的电力变换器501分解成不同的双升压变换器。图13F示出了在-30度至30度的工作区间611使用调制方法640 所得到的电力变换器501的示范性实施例。此处，示出电力变换器501 为等效的双升压变换器，该变换器具有两个锯齿波电压源V^与Vab， 且这些电压源与干线A、 B和C各自的电感元件相连。C干线的电感 性元件606与开关T^和Tep相连，而这些开关又与电容元件608相 连。类似的，B干线的电感元件606与开关T^和Tbp相连，而这些开 关又与电容元件608相连。A干线的电感元件606也与电容元件608 相连。本领域技术人员不难认识到，对各工作区间611而言，将调 制方法640用到电力变换器501将导致不同的等效电路。 下式(3)给出了调制方法640的DC增益等式
一 1'2 一11「、—
1-2《_一5—-1 2iv
(3)
式中，dp与dn为占空比，E为P节点与N节点之间的电压。而Vp与Vn
分别为P节点与N节点处的电压。图13G中的表649给出调制方法640 的各工作区间611的占空比dp与dn,以及电压Vp与vn。
图14示出了用于另一种示范性调制方法650的电力变换器501 的示范性实施例。该实施例与图12所示的实施例类似，不同之处在 于在该实施例中去掉了开关Sb、 Sc、 T叩与Tan，并用短接线取代了开 关Sa。从而，仅使用开关Tbn、 Tbp、 T^和Tep来实现三相转换。也可 以用图13C所示的等效电路来表示电力变换器501的该实施例。在 该实施例中，不需进行矢量控制的运行，且不需将电压信号Va、 Vb 和、的周期分成六个不同的工作区间611。电力变换器501的该实施 例可能会承受较高的直流干线电压与不对称的线电流。
下式(4)给出了调制方法650的DC增益等式
—1-2《—1■2 -厂_ ^ 一
1-2《一 ￡一l 2一、
(4)
式中，dp与d。为占空比，E为P节点与N节点之间的电压。且T^与 Tbp的占空比分别为dp与dn。'
图15A示出了电压信号Va、 Vb和Vc的一个周期610的电压与时间曲线图，其中，每个信号的相位之间最好相距120度。此处，
在下面进行更详细说明的矢量控制的调制方法650中，将周期610 分成12个工作区间或子周期611。在该实施例中，在各个区间611 中，每个电压信号Va、 Vb和Vc彼此之间也具有一种共同的关系。例 如，在-30度至0度的第一区间611中，、为高信号，Va为中间信号， Vb为低信号。同样，在这个区间611中，Vc具有正极性，而Vb与Va 具有负极性。对于各区间611而言， 一个信号的极性最好与其他两 个信号的极性相反，且该信号称为主导信号。并将具有相同的相反 极性的上述两个信号称为非主导信号。中间信号可始终被视为非主 导信号。此实施例中，区间0-30、 30-60、 120-150、 150-180、 240-270和270-300中的主导信号极性为负，而在区间-30-0、 60-90、 90-120、 180-210、 210-240、 300-330中的主导信号极性为正。
图15B的流程图示出了用于图15A所示的工作区间611的示范 性调制方法660。在调制方法660中，基于当前工作区间611来断开 或合上电力变换器501中的开关604和605。在步骤661中，确定了 当前的工作区间及其相应的高信号、中间信号、低信号、主导信号 和非主导信号。如果主导信号为低信号，则该方法转至步骤662-668。 如果主导信号为高信号，则该方法转至步骤672-678。
如果主导信号为低信号，则在步骤662中，接通或合上用于低 信号的开关Tin，以使该信号连接到节点602。在步骤663中，断开 用于低信号的对应的开关T4和Sp以不将低信号连接到低节点601 和603。在步骤664中，断开用于高信号的开关Tin。在步骤665中， 高信号的开关、与Si被互补地驱动用于，其中，Si的占空比由dp定 义。在步骤666中，断开用于中间信号的开关SP在步骤667中，
对应的开关T4与Tin被互补地驱动，其中，Tin的占空比由d。定义。
在步骤668中，该方法返回到步骤661,为下一个工作区间611重复 上述步骤。
如果主导信号为高信号，则在步骤672中将用于高信号的开关Ti。接通，以将该信号连接到节点602。在步骤673中，断开用于高信号 的对应的开关Tin与Sp以不将高信号连接到节点601和603。在步 骤674中，断开用于低信号的开关Tip。在步骤675中，用于低信号 的开关T4与Si被互补地驱动，其中，Si的占空比由dp定义。在步骤 676中，断开用于中间信号的开关Sj，而在步骤677中，对应的开关 Tip与Tin被互补地驱动，其中Tip的占空比由~定义。在步骤678中， 该方法返回到步骤661,为下一个工作区间重复上述步骤。应当注意， 不必按列出的顺序来执行步骤662-668和步骤672-678，可按任何顺 序(包括同时)来执行这些步骤，
与调制方法630和640类似，调制方法650为矢量控制方法， 对图15A所示的每个工作区间611而言，该方法允许将图12所示的 电力变换器501分解成更简单的等效电路。图15C示出了在0至30 度的工作区间611应用调制方法660所得的电力变换器501的示范 性实施例。此处，干线B与节点603直接相连，并去掉了开关Tbp与 Tcn。本领域技术人员不难得出，对每个工作区间611而言，将调制 方法660应用于电力变换器501将导致不同的等效电路。
下式(5)给出了调制方法660的DC增益等式
式中，dp与d。为占空比，E为P与N节点之间的电压，且Vp与^分 别为P节点与N节点处的电压。图15D中的表669给出调制方法660 的各工作区间611的占空比~与^和电压Vp与vn。
许多电力变换器应用(包括PFC、 APF、 GCI和SVC)的共同目标是, 线电流与线电压成正比，且线电流与线电压之间的相位差为所要的 值。例如，对PFC与APF而言，角度e为0°,对GCI而言，这个角 度为180°，对SVC而言，该角度为+/-90°。角度0可处于-180°与180。 之间，也就是说，电力变换器501可汲取或注入有功、无功VAR或 两者的组合。下式(6)表达了这个控制目标<formula>formula see original document page 28</formula>(8)
在各区间中，对该特定区间和调制方法630、 640、 650和660而言，
ip和"的值将与Vp和Vn的值对应。
而且，对PFC与APF型的电力变换器501,可假设1" = ^. ,且 可将式(8)进一步简化成下式(9):
<formula>formula see original document page 28</formula>(9)
应当注意，该式中取消了电压信号，从而可以进一步简化控制电路。对于GCI型的电力变换器501，可以进行类似的代数处理。然 而，基于简化等式(9)的GCI电力变换器501可能会使电力变换器系 统500变得不稳定。
由于已将用于PFC、 APF、 STATC0M和GCI的控制关键方程统一 在式(8)中，从而便可开发出图5和9所示的通用控制器502,如上 所述，由于参考信号源单元512的结构的缘故，使得可以实现适用 于所有类型的电力变换器(包括，但不限于PFC、 APF、 SVC和GCI)的 通用控制器502。尽管上述所有的推导均建立在三相二电平电力变换 器和0CC的基础上，但也可方便地将该概念推广到所有其他三相三 电平结构和调制方法630-660。
可以将用于调制方法6 30的控制关键方程表示成下式(10):
v〈、-r-2 - rV
-一1 2--1 2_
(10)
可以将用于调制方法640的控制关键方程表示成下式(ll)
V2<陽2 - r—2 - rV
_-1 2——一1 2_
(11)
可以将用于调制方法650的控制关键方程表示成下式(12):
l-2乂 卜2乂
'2 -l 一l 2
一K
2 -1 一l 2
H」
(12)
可以将用于调制方法660的控制关键方程表示成下式(13)
一 1-2 r-2 rV
l一《—一5'1 2—A 、21 2—
(13)
使用美国专利6,297,980和6,545,887中所述的概念，控制关 键方程(10) - (13)可用来实现通用控制器502 (该控制器配置成用来为 电力变换器501产生脉宽调制的驱动信号507)。输入电流信号"和 L代表非主导相的电流，并且，在各区间中，可用适当的逻辑电路(如 与图5有关的上述输入选择单元504、选区单元508和驱动信号分配 单元510)来选择这些信号。图9示出了可用于调制方法630的OCC控制核506的示范性实施例。图16A-C示出了可用于三种调制方法 640-660中的各方法的三电平控制核506。由于调制方法650仅依赖 于ib和ie,因而不需要输入选择单元504、选区单元508和驱动信 号分配单元510。
图16A示出了 OCC控制核506的一个示范性实施例，该控制核 基于调制方法，640在通用控制器502中实现。该实施例类似于图9 中描述的实施例，两者的不同之处在于，在图16A的实施例中，积 分器528的输入电阻器的电阻值被减半。
图16B示出了 OCC控制核506的另一个示范性实施例，该控制 核基于调制方法650在通用控制器502中实现。该实施例类似于图16A 中描述的实施例，两者的不同之处在于，在图16B的实施例中，由 于仅使用了输入电流U和ic，因而不需输入选择单元504、选区单 元508和驱动信号分配单元510，便可在通用控制器502中实现控制 核506的该实施例。
图16C示出了 OCC控制核506的另一个示范性实施例，该控制 核基于调制方法660在通用控制器502中实现。该实施例类似于图9 中描述的实施例，两者的不同之处在于，在图16C的实施例中，设 有其输入电阻值是另一个积分器528的输入电阻值的两倍的第二积 分器580。而且，该第二积分器580的输出被提供给与Qp触发器相连 的比较器526。
除图16A-C所示的OCC核506夕卜，在系统500中也可使用基于 不同控制方法的其他核506。图17A-C示出了控制核506的另一些结 构。图17A示出了配置成平均电流模式控制核的控制核506的示范 性实施例。在该实施例中，取决于使用的特定调制方法630-660,为 各工作区间611选择了两个矢量电压信号Vp和Vn和两个电流信号ip 和in。将"和in信号输入具有交叉连接的放大器711与加法器712 的线性组合电路710。并将来自该线性组合电路710的输出信号713 输出到加法器714。电压信号、和Vn被输入乘法器715,在该乘法器中与Vj目乘，
以形成可调整的电压信号716(V/Vm与Vn*Vm)。然后，这些电压信号 716被输入第二线性组合电路710,该电路将信号716输出到加法器 714。加法器714将信号717与713相加，并输出组合信号718到补 偿器719,各补偿器最好具有函数Ge(s)。最好，补偿器719将信号 720输出到脉宽调制单元721,该单元最好将信号720与锯齿波信号 或三角波信号(未示出)进行比较来进行脉宽调制(P醫)。这样得到的 经调制的信号722 (Qp和Qn)就成为用于电力变换器501的驱动信号 507。最好，根据调制方法630-660将这些信号722引导或传送到合 适的开关604或605。
图17B示出了配置成电流模式控制核的控制核506的另一个优 选实施例。与根据图17A所述的实施例类似，在该实施例中，根据 所用的特定调制方法630-660,为各工作区间611选择两个矢量电压
信号Vp和Vn和两个电流信号ip和in。将电压信号Vp和V。输入乘法
器715来将它们与Vm相乘而形成可调整的电压信号716(V^V^与 Vn*Vm)。然后，将这些电压信号716输入线性组合电^各710,该电路 将信号717输出到比较器7 30的负输入端。
ip和"信号被输入具有交叉连接的放大器711与加法器712的 线性组合电路710。时钟732产生时钟信号733,该信号最好用来在 同步器736处产生经同步的锯齿波信号737。在一个加法器712处， 将该锯齿波信号737与经放大的信号R,ip与Rs"之和相加。来自加 法器712的输出信号713被输入到比较器730的正输入端。在加法 器714处，该锯齿波信号737与经放大的信号RJn与RJp之和相力口， 然后，加法器714的输出信号734被输入到另一比较器730的正输 入端，如图17B所示。
比较器730的输出信号被输入到触发器738，在此实施例中，被 输入到S-R触发器738的R输入端。时钟信号733 :故输入触发器738 的S输入端。时钟信号733将各触发器738置位，并且，当各比较器输出731改变状态时，对应的触发器738将^皮复位。所得到的触 发器输出信号739 (Qp和Q》便为电力变换器501的驱动信号。根据调 制方法630-660,这些信号739最好引导或输出到合适的开关604或 605。
图17C示出了配置成滑动才莫式控制核的控制核506的示范性实 施例。与根据图17A-B说明的上述实施例类似，在该实施例中，根 据所用的特定调制方法630-660,为各工作区间611选择两个矢量电
压信号Vp和V。和两个电流信号"和in。电压信号Vp和V。被输入到
乘法器715来将它们与电压信号Vm相乘，以形成可调整电压信号716。 然后，这些电压信号716被输入到线性组合电路710，而该电路将信 号717输出到施密特触发器758的负输入端。"和"信号被输入到 另一个线性组合电路710，且来自该线性组合电路的输出信号713被 输入到施密特触发器758的正输入端。施密特触发器758产生可变 频率输出信号760 (Qp和Qn),作为电力变换器501的驱动信号507。 最好，根据调制信号630-660，将这些信号760引导或发送到合适的 开关604或605。为减少信号760的可变频率或为提供恒定的频率， 可以用锁相环(PLL)或可变磁滞施密特触发器等其他电路来替代施密 特触发器758。
本文所述的系统和方法还才是供了 一种用以改善轻负载下工作的 三相二电平与三相三电平PFC整流器(与图1A所示的类似)的性能的 方法。图18A示出了在相对较重负载下PFC整流器中的VJ言号802 的电压与时间的曲线图以及"或ij言号804，而图18B示出了在相 对较轻负载或零负载下的相同信号。因为在PFC整流器中，电流接 近于恒定，因此在图18A-B中均将ip或"信号804表示成直线。图 18C的电压与时间曲线图示出了 PFC整流器的噪声电平806。而图18D 的电压与时间曲线图示出了 PFC整流器的P麵驱动信号808。因为信 号802与804保持成比例，因而信号802与804之间的交点803在 各种负载电平下保持不变，最好，在负载电平变化的情况下，P聰驱动信号808保持恒定来保持相同的输出电平，以输出DC增益。此处， 交点803用来在T。、 T,和T2处产生P丽信号808。
从图18A-B中可看出，在重负载较下，VJ言号802的电压峰-峰 值范围以及信号802的斜率比其在轻负载下的上述范围和斜率大得 多。结果，在重负载下噪声806对于VJ言号802的影响比其在轻负 载下对信号802的影响小。从而，PFC整流器在轻负载下可能会变得 不稳定，使其不能正常运行。
图18E示出了一种示范性限制方法810,该方法可以用来限制信 号802的最低电平，从而改善PFC整流器的性能。在步骤812中， 将三相线电压信号Va、 Vb和Ve按比例缩小，例如缩小到重负栽条件 下电流信号804的电平的5%。在步骤814中，将这些缩小的信号作 为参考信号输入PFC整流器，而取代以地为参考信号。这限制了信 号802与804的最小值。在步骤816中，运行PFC整流器。与重负 载条件下的信号804相比，这些注入的参考信号较小，并且仅会少 量地增加电压信号Va、 Vb和Ve。也可以将方法810用于APF、 SVC和 各种其他具有非线性负载的电力变换器501，以对轻负载条件下的不
稳定问题进行补救。
也可以用本文所述的系统和方法来为APF或SVC以及其他具有 非线性负载的类似变换器501改善性能。为密切跟随非线性负载下 的电流流动，要求电感元件606的值相对專交小。然而，该低电感值 增加了在开关频率处或其附近流过电感性元件606的谐波电流。而 这在轻负载条件下将导致不可接受的THD电平。
为对该问题进行补救，将通用控制器502的开关频率根据负载 电平进行调整。最好，首先从满足重负载下的紋波和THD要求之目 的出发来选择最小的开关频率和电感值。然后，当负载减小时，可 增加该开关频率，以让THD在重负载和轻负载两种条件下均可接受。
本领域技术人员不难看出，可以用数字元件而不是模拟元件(或 是在模拟元件之外还可使用数字元件)来实施本文所述的所有实施例。因此，本文所述的系统和方法不限于控制系统500的模拟实施 形式及其各种组成元件，实际上，本文所述的系统和方法包括系统
500、通用控制器502和本文所述的各种元件的数字实施形式及其模 拟/数字组合。
采用0CC控制核506的通用控制器502的实施例的其他优点包 括数字式控制、在平衡或不平衡网络条件下均可运行，以及具有 可靠的全局收敛性的稳定运行(以增强稳定性)。而且，在不具备乘 法器、添加的软件或谐波计算的情况下，这些0CC控制器也可以运 行。与传统的电路相比，它们所采用的元件数也得以大幅度减少。
以上说明中，根据具体的实施例对本发明进行了说明。然而， 显而易见的是，在不背离本发明的更宽广的实质内容和范围的情况 下，可以对这些实施例进行各种修改和变更。例如，可以将一个实
互配合。根据需要，也可以加入本领域技术人员已知的特征和过程。 另外，显而易见的是，可以根据需要加入或减少特征。因此，除受 到所附权利要求和它们的等价物的约束之外，本发明不受任何其他 事项的约束。
权利要求
1. 一种调制三相三电平电力变换器的方法，所述变换器包含第一、第二和第三电压源，各电压源配置成输出时变信号，并以电感方式耦合到独立的输入节点，各输入节点可连接到第一输出节点、第二输出节点和第三输出节点，所述变换器还包含连接于第一和第二输出节点之间的第一电容元件和连接于第二和第三输出节点之间的第二电容元件，其中，各时变电压信号具有基本相同的周期和不同的相位，所述方法包括如下步骤为多个子周期中的各子周期确定具有最高电压、最低电压和中间电压的电压信号，其中，所述中间电压高于其中一个电压信号，并低于另一个电压信号；在各子周期中，将具有中间电压的电压信号只连接到第一输出节点；在各子周期中，将具有最高电压的电压信号连接到第二或第三输出节点之一；以及在各子周期中，将具有最低电压的电压信号连接到第二或第三输出节点之一。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，所述第一电压源的输入节点能通过第一开关元件连接到第一输出节点、通过第二开关元件连接 到第二输出节点、通过第三开关元件连接到第三输出节点，所述第二 电压源的输入节点能通过第四开关元件连接到第一输出节点、通过第 五开关元件连接到第二输出节点、通过第六开关元件连接到第三输出 节点，所述第三电压源的输入节点能通过第七开关元件连接到第一输 出节点、通过第八开关元件连接到第二输出节点、通过第九开关元件 连接到第三输出节点。
3. 如权利要求2所述的方法，其中，所述时变电压信号的周期 可分成六个基本相等的子周期。
4. 如权利要求3所述的方法，还包括如下步骤连接第一、第二和第三电压信号，以使第二输出节点处的电压为具有最高电压的信 号的电压，且第三输出节点处的电压为具有最低电压的信号的电压。
5. 如权利要求2所述的方法，还包括如下步骤提供配置成产 生多个驱动信号的通用控制器，各驱动信号用来控制一个开关元件。
6. 如权利要求1所述的方法，其中，所述通用控制器包含平均 电流模式控制核。
7. 如权利要求1所述的方法，其中，所述通用控制器包含电流 模式控制核。
8. 如权利要求1所述的方法，其中，所述通用控制器包含滑动 模式控制核。
9. 一种调制三相三电平电力变换器的方法，包括如下步骤 提供电力变换器，该电力变换器包含第一、第二和第三电压源，各自配置成输出时变信号，第一和第二电压源各自以电感方式耦合到 独立的输入节点，输出节点可连接到第一和第二输出节点，第三电压 源以电感方式耦合到第三输出节点，所述电力变换器还包含连接于第 一和第二输出节点之间的第 一 电容元件，以及连接于第二和第三输出 节点之间的第二电容元件，其中，各时变电压信号具有基本相同的周 期和不同的相位；以及提供控制器，用来对第二和第三电压源到第二和第三输出节点的 连接进行控制。
10. 如权利要求9所述的方法，其中，所述输入节点能通过多个 开关元件连接到第 一和第二输出节点。
11. 如权利要求9所述的方法，其中，所述通用控制器包含一个 单周控制核。
12. 如权利要求9所述的方法，其中，所述通用控制器包含一个 平均电流模式控制核。
13. 如权利要求9所述的方法，其中，所述通用控制器包含一个电流模式控制核。
14. 如权利要求9所述的方法，其中，所述通用控制器包含一个 滑动模式控制核。
15. —种调制三相三电平电力变换器的方法，所述变换器包括第 一、第二和第三电压源，各电压源配置成输出时变信号，并以电感方 式耦合到独立的输入节点，各输入节点可连接到第一输出节点、第二 输出节点和第三输出节点，所述变换器还包含连接于第 一和第二输出 节点之间的第 一 电容元件和连^t妾于第二和第三输出节点之间的第二 电容元件，其中，各时变电压信号具有基本相同的周期和不同的相位，所述方法包括如下步骤为多个子周期中的各子周期确定具有最高电压、最低电压和中间 电压的电压信号，其中，所述中间电压高于一个电压信号，并低于另 一个电压信号；为多个子周期中的各子周期确定主导电压信号；当主导电压信号低于非主导电压信号时，将具有最低电压的电压 信号只连接到所述第三输出节点；当主导电压信号低于非主导电压信号时，将具有最高电压的电压 信号连接到第 一输出节点与第二输出节点之一 ；当主导电压信号低于非主导电压信号时，将具有中间电压的电压 信号连接到所述第二输出节点与所述第三输出节点之一；当主导电压信号高于非主导电压信号时，将具有最高电压的电压 信号只连接到所述第二输出节点；当主导电压信号高于非主导电压信号时，将具有最低电压的电压 信号连接到第 一输出节点与第二输出节点之一；当主导电压信号高于非主导电压信号时，将具有中间电压的电压 信号连接到第二输出节点与第三输出节点之一 ；
16. 如权利要求15所迷的方法，其中，所述输入节点能通过多 个开关元件连接到第一和第二输出节点。
17. 如权利要求17所述的方法，还包括如下步骤提供用来控 制多个开关元件的通用控制器。
18. 如权利要求17所述的方法，其中，所述通用控制器包含单 周控制核。
19. 如权利要求15所述的方法，其中，所述通用控制器包含平 均电流模式控制核。
20. 如权利要求15所述的方法，其中，所述通用控制器包含电 流模式控制核。
21. 如权利要求15所述的方法，其中，所述通用控制器包含滑 动模式控制核。
22. 如权利要求16所述的方法，其中，所述第一电压源的输入 节点能通过第一开关元件连接到第一输出节点、通过第二开关元件连 接到第二输出节点、通过第三开关元件连接到第三输出节点，所述第 二电压源的输入节点能通过第四开关元件连接到第 一输出节点、通过 第五开关元件连接到第二输出节点、通过第六开关元件连接到第三输 出节点，所述第三电压源的输入节点能通过第七开关元件连接到第一 输出节点、通过第八开关元件连接到第二输出节点、通过第九开关元 件连接到第三输出节点。
23. 如权利要求22所述的方法，其中，所述时变电压信号的周 期可分成12个基本相等的子周期。
24. —种三相二电平通用控制器，包括用来产生多个驱动信号的单周控制(OCC)核；用来监测第一、第二和第三时变电压信号的区间选择单元，各电 压信号具有不同的相位，且该单元用来基于各时变信号来确定工作区 间；与所述区间选择单元和OCC核连接的信号选择单元，该单元用 来基于工作区间选择一个或多个输入信号并将选出的信号提供给控 制核；以及连接到OCC核与区间选择单元的驱动信号分配单元，该单元用来将驱动信号分配给静止伏安无功(VAR)补偿器(SVC)，其中所述驱 动信号用来控制SVC中的多个开关元件。
25. 如权利要求24所述的通用控制器，还包含参考信号源单元， 该单元用来将参考信号提供给控制核。
26. 如权利要求25所述的通用控制器，其中，所述信号选择单元用来将参考信号与各时变电压信号进行组合，并从所组合的信号中 选择一个或多个输入信号。
27. —种三相三电平通用控制器，包括 单周控制(OCC)核，用来产生多个驱动信号； 区间选择单元，用来监测第一、第二和第三时变电压主信号，各电压信号具有不同的相位，并用来基于各主信号确定工作区间；信号选择单元，与区间选择单元和OCC核连接，用来基于工作区间选择一个或多个输入信号并将选出的信号提供给控制核；以及 驱动信号分配单元，连接到OCC核与区间选择单元，用来将驱动信号分配给有功滤波器(APF)，其中所述驱动信号用来控制所述APF中的多个开关元件。
28. 如权利要求27中所述的通用控制器，还包括用来将参考信 号提供给控制核的参考信号源单元。
29. 如权利要求28所述的通用控制器，其中，所述信号选择单元用来将参考信号与各时变电压信号进行组合，并从所组合的信号中 选择一个或多个输入信号。
30. —种三相三电平通用控制器，包括 单周控制(OCC)核，用来产生多个驱动信号； 区间选择单元，用来监测第一、第二和第三时变电压主信号，各电压信号具有不同的相位，并用来基于各主信号来确定工作区间； 信号选择单元，与区间选才奪单元和OCC核连接，用来基于工作区间选择一个或多个输入信号并将所选出的信号提供给控制核；以及驱动信号分配单元，连接到occ核与区间选择单元，用来将驱动信号分配给联网逆变器(GCI)，其中所述驱动信号用来控制GCI中 的多个开关元件。
31. 如权利要求30中所述的通用控制器，还包括将参考信号提 供给控制核的参考信号源单元。
32. 如权利要求31所述的通用控制器，其中，所述信号选择单 元用来将参考信号与各时变电压信号进行组合，并从所组合的信号中 选择一个或多个输入信号。
33. —种三相三电平通用控制器，包括 单周控制(OCC)核，用来产生多个驱动信号； 区间选择单元，用来监测第一、第二和第三时变电压主信号，各电压信号具有不同的相位，并用来基于各主时变信号来确定工作区 间；信号选择单元，与区间选择单元和OCC核连接，用来基于所述 工作区间选择一个或多个输入信号并将选出的信号提供给所述控制 核；以及驱动信号分配单元，连接到occ核与区间选择单元，用来将驱 动信号分配给svc变换器，其中所述驱动信号用来控制所述svc变 换器中的多个开关元件。
34. 如权利要求33中所述的通用控制器，还包括将参考信号提 供给控制核的参考信号源单元。
35. 如权利要求34所述的通用控制器，其中，所述信号选择单 元用来将参考信号与各时变电压信号进行组合，并从所组合的信号中 选择一个或多个输入信号。
36. —种对电力变换器系统建模的方法，包括如下步骤 为参考信号确定相位偏移值和增益值，其中，所述参考信号被输入用来控制电力变换器的控制器模型；通过将所确定的相位和增益值代入公式:<formula>formula see original document page 8</formula>来对所述参考信号进行建才莫，式中Ge为增益值，e为相位偏移值，va、 Vb和v。是电力变换器的输入信号，且i^f、 i&ef和U是与Va、 Vb和Ve对应的参考信号；以及 使用所述公式产生的所述参考信号来对所述控制器进行建模。
37. —种三相三电平通用控制器，包括单周控制(OCC)核，用来产生多个驱动信号，所述OCC核包含 信号调节单元，用来调节多个输入信号并输出第 一和第二经调节的信号；积分器，用来对来自电力变换器的输出电压信号进行积分，并输 出经积分的信号；第一和第二比较器，各与积分器和信号调节单元通信地连接，第 一比较器用来将第一经调节信号与经积分信号进行比较，并输出第一 经比较信号，且第二比较器用来将第二经调节信号与经积分信号进行 比较，并输出第二经比较信号；第一触发器，与第一比较器和时钟信号发生器通信地连接，并用 来输出第一驱动信号；以及第二触发器，与第一比较器和时钟信号发生器通信地连接，并用 来输出第二驱动信号，其中第一和第二驱动信号用来与所述电力变换 器的工作区间无关地直接控制所述电力变换器。
38. 如权利要求37所述的控制器，其中，第一触发器和第二触 发器为S/R触发器。
39. 如权利要求37所述的控制器，其中，所述驱动信号用来控制电力变换器，该变换器包括第一电压源，用来输出第一时变信号，其中所述第一电压源以电感方式耦合到第一输出节点；第 一开关元件，连接于第 一输入节点和第 一输出节点之间； 第二开关元件，连接于第 一输入节点和第二输出节点之间； 第三开关元件，连接于第二输入节点和第 一输出节点之间； 第四开关元件，连接于第二输入节点和第二输出节点之间； 第一电容元件，连接于第一和第二输出节点之间； 第二电容元件，连接于第二输出节点和第三输出节点之间，其中，第三电压源以电感方式耦合到第三输出节点，且各时变电压信号具有基本相等的周期和不同的相位。
40. —种三相三电平通用控制器，包括单周控制(OCC)核，用来产生多个驱动信号，该OCC核包含信号调节单元，用来调节多个输入信号并输出第一和第二经调节信号；第 一 积分器，用来对来自电力变换器的输出电压信号进行积分, 并输出第一经积分信号；第二积分器，用来对来自电力变换器的输出电压信号进行积分， 并输出第二经积分信号；第一比较器，与第二积分器和信号调节单元通信地连接，所述第 一比较器用来将第一经调节信号与第二经积分信号进行比较，并输出 第一经比较信号；第二比较器，与第一积分器和信号调节单元通信地连接，所述第 二比较器用来将第二经调节信号与第一经积分信号进行比较，并输出 第二经比较信号；第一触发器，与第一比较器和时钟信号发生器通信地连接，并用 来输出第一驱动信号；第二触发器，与第一比较器和时钟信号发生器通信地连接，并用来输出第二驱动信号，其中第一和第二驱动信号用来控制所述电力变 换器。
41. 如权利要求40所述的控制器，其中，第一触发器和第二触发器为S/R触发器。
42. 如权利要求41所述的控制器，还包括 区间选择单元，用来监测第一、第二和第三时变电压信号，各电压信号具有不同的相位，并基于三个时变电压信号来确定工作区间； 信号选择单元，与区间选择单元和OCC核连接，并用来基于工作区间选择多个输入信号并将选出的信号提供给控制核；以及驱动信号分配单元，连接到OCC核与区间选择单元，所述驱动信号分配单元用来将驱动信号分配给电力变换器，其中所述驱动信号用来控制所述电力变换器中的多个开关元件。
43. —种为电力变换器产生参考信号的方法，用以稳定在一定负 载条件范围内的性能，该方法包括如下步骤按比例缩小第一、第二和第三千线电压信号，其中，各电压信号 具有不同的相位；将这些经过缩小的信号作为参考信号输入电力变换器；以及 运行所述电力变换器。
44. 如权利要求43所述的方法，其中，所述第一、第二和第三 干线电压信号由实质性负载下的电压信号电平按比例缩小。
45. 如权利要求43所述的方法，其中，所述电力变换器为功率 因数校正(PFC)整流器。
46. 如权利要求43所述的方法，其中，所述电力变换器为有功 功率过滤器(APF)。
47. 如权利要求43所述的方法，其中所述电力变换器为静止伏 安无功(VAR)补偿器(S VC)。
48. —种调制电力变换器中的开关频率的方法，包括如下步骤提供用来对具有某一 负载电平的非线性负载的电力变换器进行控制的控制器，其中所述控制器具有某一输入电压开关频率；响应所述电力变换器的负载电平的变化而改变所述开关频率，其 中，当负载电平降低时提高所述开关频率，而当负载电平增加时降低 所述开关频率。
全文摘要
本文所述的系统和方法提供了一种能对多种三相二电平和三电平电力变换器进行控制的通用控制器。该通用控制器能控制位于PQ域的任何象限中的电力变换器。该通用控制器可包括区间选择单元、参考信号源单元和控制核。可以用单周期控制、平均电流模式控制、电流模式控制或滑动模式控制等控制方法来实现该控制核。所述控制器可通过调节所述参考信号源来控制不同类型的电力变换器。本文还提供了多种用于控制电力变换器的调制方法。
文档编号H02PGK101416376SQ200480039045
公开日2009年4月22日 申请日期2004年11月1日 优先权日2003年10月30日
发明者K·斯梅德利, T·金 申请人:加州大学评议会