减小电力传输系统谐波影响的系统和方法

专利名称：减小电力传输系统谐波影响的系统和方法
减小电力传输系统谐波影响的系统和方法 相关申请的交叉引用
本专利申请要求优先考虑2005年9月9日提出的名称为"将经有 效控制的AC-AC电源谐波减至最小的系统和方法"的美国在案临时专 利申请No.60/715,781并将其全文；|入作为参照。
关于联邦资助研究项目的声明
不适用。
联合研究协议各方的名称 不适用。
引入供参考的硬盘资料 不适用。
背景技术：
在各种工业和商业应用中，如控制交流电机运行，需要对第一交变 (AC )系统与第二交变系统之间的电能流动进行控制的电源。某些这样 的电源将电能从第一频率和电压转换成第二频率和电压。实现这种系统 的一种办法是使用含一或多个电池的驱动装置，它包括具有直流(DC) 中继链路的两个固态变换器。电池是具有三相交流输入和单相交流输出 的电力器件。在提供给Hammond的美国专利No.5，625,545中描述了一 个这样的系统，其内容在此全文引入供参考。
电池既可以是非回授式(non-regenerative)的也可以是回授式 (regenerative)的。非回授式电池能够驱动电机但不能通过吸收回授电力 控制电流的流动来制动电机。回授式电池有能力吸收回授电力并有选择 地使其返回到电源，因而，使电池能参与制动电机。近来，已经开发出 使用开关器件的电池，如绝缘栅双极晶体管(IGBT),它们使电池既帮 助驱动电机也帮助制动电机。例如，参看此中的图1,电池160包括有 源前端162，后者在电池经输入端142接收来自互感器专用三相次级绕 组的电力时起三相桥路的作用。电池160还包括多个输入开关170-175, 这些开关可以是双向电流控制器件如IGBT或其他的晶体管，闸流晶体 管，或者是其他开关器件。虽然在图1示出了呈桥路形式的六个晶体管(在本实例中，其为三对两个晶体管，每对通过DC终端并联连接)， 但其他型式和数量的输入开关也可以使用。输入开关控制电池中的DC 母线电压。DC滤波器段166包括一个或多个电容器168。电池的下余部 分可包括输出级164如由四个开关131-134组成的H形桥式反相器，跨 接在有源前端162和DC滤波器166的输出端或DC端的各个开关将AC 电传送至输出端144。
含有如图1中电池160的电路，在其接到负载如电机上时，它能够
1所示的输入;换器段162时，驱动i置的开关:用能产生谐波电流。 在单相变换器段连接到电机上时，也可能产生谐波电流。在多个电池的 开关同时运行时谐波能够复合。
美国专利No. 5,625,545揭示出可以使用多绕组互感器来减小由单 向或非回授电池所产生的谐波电流。但是，这一方法未必总能将回授式 电池中的谐波减小到所需的水平。其他方法，如使用主控时钟产生出同 步载波并将这些载波加到与具有无相移次级绕组互感器相连接的多个 变换器上，其并非完全有效，许多方法还增加了驱动装置的复杂性和成 本。
此中所含内容描述了为减小因运行包含单向开关器件的电池所产 生的谐波而作的尝试。

发明内容
在实施方案中，控制电力传输系统的方法包括运行含多个电池的系 统，这些电池与具有一个或多个初级绕组和多个次级绕组的互感器电连 接使得每个电池与其中一个次级绕组电连接而多个次级绕组相对于初 级绕组产生相移。每个电池包括有多个开关器件。该方法包括控制各电 池内开关器件启动的定时使得启动所有电池的有效频率被反射到初级 绕组时比任何单个电池的开关频率大至少三倍。这种控制在有些实施方 案中可能不需要使用同步时钟信号。例如，此控制可包括确定出载波偏 差角，将载波偏差角传至第一电池，以及根据载波偏差角通过第一电池 使载波信号与第一次级电压同步。该方法还包括通过系统中各个另外的 电池使另外的载波信号与各另外电池的次级电压同步。可以使各电池的 载波信号产生交错以便使这些载波信号在反射到电源互感器的初级绕组时基本上呈均勻分布。载波信号还可控制执行命令的定时，这些命令
对开关器件如作为电池AC至DC变换器段组成部分的开关器件进行控 制。在多个电池确定出必须执行的开关命令时，各个电池的载波偏差角 可保证这些命令在反射到互感器的初级时被有效地交错。在基本上等于 基频倍频的频率下通过第一电池可以执行命令。载波偏差角可代表第一 电池的载波信号与第 一 次级电压之间的相位关系。
有选择地，该方法还可包括运行含第二互感器和多个第二电池的第 二系统，其中笫二互感器具有一个或多个初级绕组和多个次级绕组，第 二互感器的初级绕组与电源互感器的初级绕组在一公共点上电连接，第 二系统中的每个电池产生载波信号。可以使第二系统中各电池的载波信 号相交错使得这些信号在被反射到第二互感器的初级绕组时基本上均 匀分布。
在另一实施方案中，运行电力传输系统的方法包括运行含多个电池 的系统，这些电池与具有一个或多个初级绕组和多个次级绕组的第 一互 感器电连接使得每个电池与其中 一个次级绕组电连接而多个次级绕组 相对于初级绕组产生相移。每个电池包括有多个开关器件。第一次级绕 组进行电连接将电力传送至第一电池。方法包括确定载波偏差角，将第 一载波偏差角传至第一电池，以及根据第一载波偏差角通过第一电池使 载波信号与第 一次级电压同步。方法还包括将第二电池连接到电源互感 器的第二次级绕组，其中第二次级绕组的电压相对于第一次级绕组的电 压产生相移，同时使用第二载波偏差角使第二载波信号与第二次级电压 同步。可以使与电源互感器电连接的各电池的载波信号相交错使得这些
控制着执行控制开^器^命令的定时，而步则控:各电池内开关:件
任一单个电池的开关频率大至少三倍。这些开关器件可以是电池的AC 至DC变换器段的组成部分。在多个电池确定出必须执行的开关命令时， 可使这些命令在反射至互感器的初级时被有效地交错。在基本上等于基 频倍频的频率下通过第 一电池执行命令。载波偏差角代表第 一电池的载 波信号与第 一 次级电压之间的相位关系。
在另 一实施方案中，运行电力传输系统的方法包括运行含多个电池 的系统，这些电池与具有一个或多个初级绕组和多个次级绕组的多绕组
7设备电连接使得每个电池与其中一个次级绕组电连接而多个次级绕组 相对于初级绕组产生相移。方法包括对一组电池中的各个电池确定出载 波偏差角并通过组内各电池根据对该电池所确定的载波偏差角使栽波 信号与对该电池的次级电压同步。各电池的载波信号控制该电池内的开
关器件的运行定时。所有电池的开关频率比任何单个电池载波信号的开 关频率大至少三倍。


图1为表示具有双向开关器件的电池典型特征的电路图。
图2画出了包括多个与负载相连接的电池的电路。
图3图示出控制电池的典型控制信号和载波信号。
图4是描述典型的电池电压相位角同步方法的过程流程图。
图5是在反射至互感器初级时典型载波信号分布的图示。
图6为传送到负荷上的一相电压和电流的典型轨迹图示。
图7图示出应用载波同步方法后的典型的电流轨迹。
图8图示出应用载波同步方法后的典型的电压轨迹。
具体实施例方式
在说明本方法，系统以及资料之前，应当明白本公开内容并不限制 在所描述的具体研究方法，系统以及资料，因为这些都是可变的。还应 当明白说明中所用的术语，其目的只是描述具体的方案或实施方案，而 并非对使用范围加以限制。例如，如本文以及所附权利要求中所使用的， 单数形式的"a" , "an"和"the"包括复数范围，除非上下文另有明 确说明。此外，单词"包括"意思是"包括但不限于，，。除非另有说明，
义。 、 、 一'、 、 ' 、5 '
在各种不同的实施方案中，多级供电电路包括有驱动负载的多个电 池。图2图示出具有这些电池的电路的典型实施方案。图2中，多绕组 设备如电源或输入互感器210将三相、中等电压水平的电力传送至负载 230，如通过一系歹寸单相反相器(single phase inverter)(也称为电池power cell)传送至三相感应电机。如此中所用，术语"互感器，，用来包括通 常在系统供电侧的任何多绕组设备。互感器210包括初级绕组212,其激励若干个次级绕组214-225。虽然图示的初级绕组212为星形配置， 但是网形配置也是可以的。还有，虽然图示的次级绕组214-215为网形 配置，但是星形配置的次级绕组也是允许的，或者是也可以使用星形和 网形绕组的组合。此外，图2中所示次级绕组的数目只是示范性的，其 他数量的次组绕组也是可以的。这一电路可用于中等电压应用或者是在 某些实施方案中用作其他应用。如此中所用，中等电压是指额定电压大 于690伏(V)而小于69千伏(kV)。在一些实施方案中，中等电压 包括的电压约在1000V-69kV。在此中说明的实施方案中，每个次级绕 组对初级绕组和其他次级绕组产生的相移为依绕组配置而定的某一预 定数值。典型的相移角度约为0°、 +30°、 0°、和-30°。也可能有其他的 相移。在互感器210与负载230之间可接入任意数量的三相电池相。电池 可包括如具有图1所示电池配置的那些电池，或者是可包括具有一个或 一个以上其他配置的电池。参看图2，系统包括跨接在负载三个相位上 的第一组或"排(Rank)"的电池251-253，第二排电池261-263,第三排 电池271-273，以及第四排电池281-283。少于四级或四排，或者多于四 级或四排都是可以的。中央控制系统295将命令信号通过光纤或者其他控制器。参照图1和2,根据晶体管131-134以及170-175从本地调制控制器 292接收的控制信号，直流电流被传送至DC滤波器，交变电流被传送 至电池的输出端144。控制器292选定哪些晶体管将"截止"或"导通"， 从而对传送至输出端144的电力进行调制。有选择地，能够使用如光纤 调制器控制链路290等通信电路使任意一个电池中的全部电路与任意一 个其他电池中的全部电路在电气上相隔离，并减小可能加在本地控制器 292与主调制控制器295之间的电磁干扰的影响。本地调制控制器292 能够从与次级绕组电路输入端电连接的本地控制电源接收电力。图3示出了使用载波信号控制电池如此中所描述的AC/DC电力转 换装置的一种方式。通常，对每个电力输出线路都能够产生出控制信号。 此外，每个电池可包括产生载波信号，例如三角形信号等的电路，此信 号对载波从电池与之电连接的互感器次级绕组接收的电压具有固定的 相位关系。参看图2，在本实例的结构中，各个电力输出线路A, B， C有四个串联的电池，例如A1， A2, A3,以及A4。各个电池的输出相加 产生出合成电力输出线路的信号。此外，对各个电力输出线路A, B, C 的这些合成电力输出线路信号可分别地加在一起来产生出能够供给至 负载的总合成输出信号。在图3中，电力输出线路的控制信号310以等于或基本上等于互感 器初级基频的频率例如50赫兹(Hz)或60赫兹进行振荡。将控制信号 310与以320表示的三角形载波信号相比较，载波信号以预先选定的开 关频率例如1千赫兹(kHz)振荡。载波信号320为三角形波形，其频 率是控制信号10基频的倍数，最好是基频的奇整数倍。载波信号控制 电池执行命令的时间，从而载波信号控制了各电池内开关器件的开关。 例如，每当载波信号320与控制信号310相交的时候，就可以执行运行 电池内一个或多个开关器件的命令。参看图1,通过命令运行的开关器 件是如电池的有源前端162 (即AC至DC变换器l史)中那些开关器件压，从控:系统接收到的信号，和/或其他因素。
L '^、 "" ° ''电池内的每个载波信号相对于与其相应的互感器次级和系统中其 他电池的其他载波信号有一定大小的相移。相移依驱动装置中电池的数 量，驱动装置中电池的位置，以及相应的次级绕组电压与初级电压间的 相对相移而定。从电源互感器的初级侧(原边)观看时每个载波信号的 相移允许载波信号有交错，例如在图5中可以看到，其示出了被反射到 电源互感器初级绕组时的多个交错的载波信号，包括510, 520和530。 如在图5中可以看到，这些信号基本上均匀分布，因此信号不相重叠， 所有载波信号中的波峰间距也基本上一致。这种相移的结果是电源互感器初级绕组上的有效开关频率分量将 至少增加三倍fc(即，使系统内至少三个电池实现同步)，约达到]SPfc, 其中N是电池的数目，fc是单个电池内的载波频率。通常，每个电池的 载波信号将具有基本上与其他电池载波信号相同的载波频率。参看图4，在减小电流谐波的方法中，本地调制控制器或其他器件 可监测或接收410输入电源初级电压(即，互感器初级绕组电压)。如 图2所示，各电池251-283与电源互感器210的次级绕组214-225电连 接。再看图4，电池对次级电压进行监测或接收412，并将此电压传至 本地调制控制器414,其中控制器利用互感器初级的相位数据，用在电池上的互感器次级相位数据，驱动装置中电池的数目，以及驱动装置的 载波偏移参数来计算载波偏差角。确定供电电路或驱动装置(此电路或 装置具有含移相次级绕组的多绕组互感器)中电池载波信号之间相移的 任何恰当的方法都可使用。如上面指出并如图2所示，载波320为三角形波形，其频率是基频 310的整数倍。在有些实施方案中，各电池的载波可描绘成依照公式 2*arcsine ( sine ( 2C+2C0 ) ) /B所构成的载波，相移值20 (图3中的330 ) 表示各电池将使系统中所有电池的载波产生交错的数值，如图5中所示。 上面所列数值还可通过考虑下述方程式得到进一步的了解TC=HN . Tf，其为通过电池内锁相回路被锁定在基频整数倍数和预 定相角2co的载波频率。2C= /Tedt，其为载波角度随时间的变化。2C0=2CR+HN 20,其为由另一角度2o调定的载波基准角，使得在反 射到互感器的初级时此载波与其他电池的载波出现交错。20= ( 2V HN- ( 2B/N ( Trunc ( R/3 ) +P+2R ) ) modulo 2B ) /HN, 在这一方程式中已知编号为0至N-1的N个电池，2v值用于每个电池， 求出的20为将使电路中所有电池的载波实现交错的角度。在上面列出的方程式中2f载波角度(以弧度表示)2m-载波基准帧内的载波偏移2ci^载波基准角(其可以为在所有电池中都相等的一个任意常数值)20=基频基准帧内的载波偏移2v-初级与次级电压角度之间的差(或者是，在另一种实施方案中， 次级电压与所选基准波形，如另一次级电压之间的相位关系) 2f在整个驱动装置的基频基准帧内的起始载波偏移HN二基频与载波频率的倍率因子(任意整数值)Tf载波频率(弧度/秒) T产基频(弧度/秒) N二每个输出相的电池总数 11=编号为0至N-l的电池的位置P二包含有电池的输出相位(A相为-2B/3, B相为O, C相为2B/3)使载波交错所必须的20值可用多种不同方式进行计算，计算结果因 电池而不同。载波偏差角代表电池载波信号与提供给电池的互感器次级 电压之间的固定相位关系。上面的计算结果是一个实例，此中描述的本 发明并不限于以上计算。可以使用计算基波基准帧内载波偏差角的任何 其他方法。示例计算要求有能够使载波与次级基波电压在对于此电压所 要求的角度下保持同步的电池，以及确定初级电压与各电池次级电压之 差的方法。任何现今或此后所知道的计算方法都可以使用。在此中说明的方法中，虽然可以使用主控时钟来确定初始偏移值。 但在完成同步时却不需要使用主时钟，因为系统已经确定了各载波信号 与基波的一组相位关系。因此，在初始偏移确定后，不再需要同步时钟 信号。控制器接着将载波偏差角传给418相对载波线路电压具有相位角偏 移的适当电池，结果是使载波信号与传给其他电池的其他载波信号相交 错。载波偏差角也可传给电池作为代表输入电压(即，电源或互感器的 初级电压)与各电池中实际次级电压之间相角关系的同步信号。同步信 号为PWM载波的组成部分，或者也可作为单独的信号加以传递。然后 电池利用其从控制器接收到的偏差角使其载波信号与次级信号同步 420。图5示出在反射至电源互感器初级绕组时多个电池的多个载波信号 510, 520, 530,等如何同步地相互交错成为基准信号550。每个电池有 其自己的基准信号，各个电池的基准信号将会是相似的但是不一定相 同。各个电池中的载波信号将决定开关命令在该电池中出现的时间。如 图5所示，由于每个载波信号与来自其他电池载波信号的相移为一预定 值(2o),各电池的开关命令在反射到互感器初级时其作用将是依据20 值加大时间间隔，或交4昔间隔。因此，代替所有电池在同一时间有效地 执行同样的开关操作(这会引起大的谐波干扰)，依据载波信号基本上 均等的偏移在互感器初级快速有序地出现了这些开关操作的效果。此 外，由于在电源互感器初级看到的载波信号的有效频率相当高(如数值 约为fc.N),谐波还可得到进一步平滑，因为电源互感器本身的阻抗 可以滤掉 一 些或全部高频谐波。在一些实施方案中，多台驱动装置可接到一单个互感器或者是共用 公用初级电压的一组互感器。在这种情况下，通过调节各驱动装置的驱动载波偏差角和将各驱动装置置于同一载波频率，多个驱动装置可拥有 其交错的载波信号。在此中给出的实施方案中，载波信号的交错提高了电压谐波的频率并减小了电压谐波的峰值，而这本身又减小了电流谐波。例如，图6示 出了从驱动装置传到负载的一相电压610和一相电流620的典型轨迹， 该驱动装置拥有^f吏用初级额定电压为7200伏，次级额定电压为600伏 的电源互感器的二十一个回授式电池。在图6所示特性中，虽然电源互 感器具有移相的次数，但是载波去同步(即，由偏移产生的载波信号频 移)未曾进行，在轨迹中电压谐波和电流谐波仍非常明显。图7和图8 示出了在应用中如此描述的那些载波同步方法后在同样电路中的电流 720和电压810的轨迹。在一些实施方案中，使用除了调节载波信号以外的已知的一些方法 也可出现开关作用的交错。例如，如果使用空间向量调制法而不是此中 描述的正弦三角形法，这一方法还包括在反射到初级时使开关作用的有 效定时出现交错。通过阅读上述详细说明以及一些典型实施方案的附图还有一些其 他实施方案对本领域普通技术人员也会变得显而易见。应当了解到大量 的变更、修改、以及另外的实施方案都是可能办到的。因此，所有这些 变更、修改以及实施方案都将被视为是在本申请的构思与范围之内。
权利要求
1.控制电力传输系统所述的方法，该方法包括运行包含多个电池的系统，这些电池与具有一个或一个以上初级绕组以及多个次级绕组的第一互感器在电气上相连接使得每个电池与其中一个次级绕组电连接并使多个次级绕组相对于初级绕组产生相移，其中每个电池包括多个开关器件；及控制各电池内开关器件的启动定时使得对所有电池启动的有效频率在反射到初级时比任一单个电池的开关频率大至少三倍。
2. 按照权利要求1所述的方法，其中所述控制不需要使用同步时钟信号。
3. 按照权利要求1所述的方法，其中所述控制包括 确定载波偏差角； 将载波偏差角传给第一电池；及根据栽波偏差角通过第一电池使载波信号与第一次级电压同步。
4. 按照权利要求3所述的方法，其还包括通过系统中各个另外的电 池使另外的载波信号与各另外电池的次级电压同步。
5. 按照权利要求3所述的方法，其中使各个电池的载波信号发生交 错使得这些载波信号在反射到电源互感器的初级绕组时基本上均匀分 布。
6. 按照权利要求3所述的方法，其中载波信号还对控制开关器件的 命令的执行定时进行控制。
7. 按照权利要求6所述的方法，其中开关器件是电池的AC至DC 变换器段的组成部分。
8. 按照权利要求6所述的方法，其中多个电池确定出必须执行的开 关命令，各个电池的载波偏差角保证这些开关命令在反射到互感器初级 时有效地实现交错。
9. 按照权利要求8所述的方法，其中 通过第一电池在基本上等于基频倍频的频率下执行命令。
10. 按照权利要求3所述的方法，其中载波偏差角代表第一电池的 载波信号与第一次级电压的相位关系。
11. 按照权利要求3所述的方法，该方法还包括 运行包括有第二互感器和多个第二电池的第二系统，其中第二互感器具有一个或一个以上初级绕组和多个次级绕组； 第二互感器的初级绕组与电源互感器的初级绕组在公共点上电连 接；及第二系统中的每个电池都产生出载波信号；其中使第二系统中各电池的载波信号发生交错使得这些信号在反 射到第二互感器的初级绕组时基本上均匀分布。
12. 运4亍电力传输系统所述的方法，该方法包括 运行含多个电池的系统，这些电池与具有一个或一个以上初级绕组和多个次级绕组的第 一互感器电连接使得每个电池与其中 一个次级绕 组电连接并使多个次级绕组相对于初级绕组产生相移，其中每个电池包 括多个开关器件；其中对第一次级绕组进行电连接将电力传送至第一电池；确定载波偏差角；将第一载波偏差角传给第一电池；根据第一载波偏差角通过第一电池使载波信号与第一次级电压同 步；及对于与电源互感器的第二次级绕组相连接的第二电池来说，其中第 二次级绕组的电压相对于第一次级绕组的电压有相移，利用第二载波偏 差角使第二载波信号与第二次级电压同步。
13. 按照权利要求12所述的方法，其中使与电源互感器电连接的各 个电池的载波信号产生交错使得这些载波信号在反射到电源互感器的 初级绕组时基本上均匀分布。
14. 按照权利要求12所述的方法，其中每个电池的栽波信号还对控制开关器件的命令的执行定时进行控 制；及同步对各电池内开关器件的启动定时进行控制使得对所有电池启 动的有效频率在反射到初级时比任一单个电池的开关频率大至少三倍。
15. 按照权利要求14所述的方法，其中命令对作为各电池的AC至 DC变换器段组成部分的开关器件进行控制。
16. 按照权利要求14所述的方法，在多个电池确定出必须执行的幵 关命令时，在这些命令反射到互感器初级时产生有效的交错。
17. 按照权利要求14所述的方法，其中在基本上等于基频倍频的频率下通过第一电池执行命令。
18. 按照权利要求12所述的方法，其中载波偏差角代表第一电池的 载波信号与第一次级电压之间的相位关系。
19. 运行电力传输系统的方法，该方法包括运4亍含多个电池的系统，这些电池与具有一个或一个以上初级绕组 和多个次级绕组的多绕组设备电连接使得每个电池与其中一个次级绕 组电连接并使多个次级绕组相对于初级绕组产生相移；对一组电池中的每个电池确定出载波偏差角；根据对电池所确定的载波偏差角通过该组内各电池使载波信号与 对该电池的次级电压同步；及其中各电池的载波信号对该电池内开关器件的运行定时进行控制。
20. 按照权利要求19所述的方法，其中对所有电池的开关频率比对 任一单个电池的载波信号的开关频率大至少三倍。
21. 电力传输系统，该系统包括多个电池，这些电池与具有一个或一个以上初级绕组和多个次级绕 组的第一互感器电连接使得每个电池与其中一个次级绕组电连接并使 多个次级绕组相对于初级绕组产生相移；及包括在各电池内被定时的多个开关器件，其中各电池内开关器件的电池的开关频率大至少三倍。
22. 按照权利要求21所述的系统，其中开关器件的启动不需要同步 时钟信号。
23. 按照权利要求21所述的系统，其中通过载波偏差角确定有效频率，将载波偏差角传给第一电池并根据载波偏差角通过第一电池使载波 信号与第一次级电压同步。
24. 按照权利要求21所述的系统，其中各个电池包括的载波信号相 交错使得这些载波信号在反射到电源互感器的初级绕组时基本上均匀分布。
全文摘要
电力传输系统及其运行方法。系统包括多个电池，这些电池与具有一个或一个以上初级绕组以及多个次级绕组的多绕组设备进行电连接使得每个电池与其中一个次级绕组电连接而多个次级绕组相对于初级绕组产生相移。方法包括对一组电池中的每个电池确定出载波偏差角，并且通过组内的每个电池根据对该电池所确定的载波偏差角使载波信号与该电池的次级电压同步。各电池的载波信号控制该电池内开关器件运行的定时。
文档编号H02M1/12GK101263646SQ200680033142
公开日2008年9月10日 申请日期2006年9月11日 优先权日2005年9月9日
发明者J·C·布斯菲尔德三世, R·奥斯曼 申请人:西门子能量及自动化公司