用于多相交流電機(jī)的低速控制的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】公開了一種電力變換器，其配置為提高風(fēng)力渦輪機(jī)在低風(fēng)速運(yùn)行期間的功率捕獲。電力變換器將由風(fēng)力渦輪機(jī)的交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的功率變換成用于傳送到公用電網(wǎng)或傳送到不依賴于公用電網(wǎng)的電氣負(fù)載的合適的AC電流。電力變換器被配置為在多個(gè)運(yùn)行模式下運(yùn)行，利用同步的和非同步的兩種控制方法，以擴(kuò)展電力變換器的運(yùn)行范圍。在非同步運(yùn)行期間，電力變換器利用調(diào)制例程，其可以在恒定的調(diào)制周期期間變換死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償周期或者變換具有恒定的導(dǎo)通時(shí)間的調(diào)制周期。具有低總諧波失真(THD)的非同步控制方法和同步控制方法之間的無縫轉(zhuǎn)換提高了用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率產(chǎn)生的范圍。
【專利說明】用于多相交流電機(jī)的低速控制的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2011年12月19日提交的序列號為61/577，447的美國臨時(shí)申請的優(yōu)先權(quán)，該美國臨時(shí)申請的全部內(nèi)容在此以引用方式并入。
【背景技術(shù)】
[0003]此處公開的主題涉及電力變換器，并且更具體地，涉及提高低速運(yùn)行期間多相交流(AC)電機(jī)的控制和/或來自多相交流(AC)電機(jī)的功率的變換。
[0004]近幾年，增加的能源需求和增加的對于化石燃料的供應(yīng)以及它們的相應(yīng)污染的關(guān)注已經(jīng)導(dǎo)致對可再生能源的興趣增加。兩種最常見的和開發(fā)的最好的可再生能源是太陽能和風(fēng)能。其他的可再生能源可能包括燃料電池、水電能源、潮汐能源、以及生物燃料或生物發(fā)電機(jī)。然而，使用可再生能源產(chǎn)生電能提出了一系列新的挑戰(zhàn)。
[0005]許多可再生能源提供可變的能量供應(yīng)。例如，供應(yīng)可能根據(jù)風(fēng)量、云層覆蓋、或一天的時(shí)間變換。另外，不同的能源提供不同類型的電能。例如，風(fēng)力渦輪機(jī)更適合于提供交流(AC)能量而光伏電池更適合于提供直流(DC)能量。由于所提供的能量的變化的性質(zhì)以及所產(chǎn)生的能量類型的變化，如果運(yùn)行不依賴于公用電網(wǎng)，電力變換器通常嵌入在可再生能源和公用電網(wǎng)或電氣負(fù)載之間。
[0006]已知電力變換器具有固有損耗，其阻止由可再生能源產(chǎn)生的所有的功率變換成可用的電能。在低功率產(chǎn)生水平下，能源損耗可能大于由可再生能源正在產(chǎn)生的功率。電力變換器通常關(guān)閉以避免一種運(yùn)行條件，在此條件下功率產(chǎn)生系統(tǒng)實(shí)際上正在使用的能量比它正在產(chǎn)生的能量多。
[0007]因此，為了使功率產(chǎn)生系統(tǒng)的效率最大化，可取的是在低功率產(chǎn)生水平下捕獲所產(chǎn)生的能量并且提供能夠在這些低功率產(chǎn)生水平下有效地運(yùn)行的變換器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]此處公開的主題描述了用于低速運(yùn)行期間控制多相電機(jī)的系統(tǒng)和方法，以及更具體地，描述了用于當(dāng)交流發(fā)電機(jī)正在以低速被驅(qū)動(dòng)時(shí)控制電力從交流發(fā)電機(jī)傳輸?shù)南到y(tǒng)和方法。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，公開了低風(fēng)速運(yùn)行期間提高風(fēng)力渦輪機(jī)中的電力的捕獲。提供了電力變換器以將由風(fēng)力渦輪機(jī)的交流發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的所述電力變換成用于傳送到公用電網(wǎng)或到不依賴于公用電網(wǎng)的電氣負(fù)載的合適的AC電流。電力變換器被配置為在多個(gè)運(yùn)行模式下運(yùn)行，利用同步和非同步的兩種控制方法，以擴(kuò)展電力變換器的運(yùn)行范圍。具有低總諧波失真(THD)的非同步和同步控制方法之間的無縫轉(zhuǎn)換提高了用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電力產(chǎn)生的范圍。
[0010]非同步控制方法擴(kuò)展了風(fēng)力渦輪機(jī)的低速電力傳輸能力。為了在低風(fēng)速運(yùn)行期間有效地捕獲電力使用了包括死區(qū)時(shí)間的可變電力的脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制方法。由于傳統(tǒng)的開關(guān)方法在低電力水平下是非常低效的，導(dǎo)致超過了開關(guān)損耗的電力的產(chǎn)生，電力變換器通常在低電力產(chǎn)生期間不運(yùn)行?？勺兊腜WM頻率顯著減少了電力變換期間與固態(tài)電力設(shè)備的開關(guān)相關(guān)的損耗。因此，可變的PWM頻率允許電力變換器系統(tǒng)捕捉在低風(fēng)速運(yùn)行期間所產(chǎn)生的電力。利用這種PWM開關(guān)方法，可用的風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)行范圍向下擴(kuò)展到捕獲這些在目前的電力變換器設(shè)計(jì)下尚未開發(fā)的電力。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，電力變換器被配置為與風(fēng)力渦輪機(jī)一起運(yùn)行并且在多種電力傳輸模式下運(yùn)行。在風(fēng)正在傳統(tǒng)的切入速度以上吹的周期期間內(nèi)，第一同步控制方法從交流發(fā)電機(jī)向公用電網(wǎng)或電氣負(fù)載傳輸電力。隨著風(fēng)速減小，電力減小，并且因此輸出電壓以及由交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的頻率減小。同步控制方法減小調(diào)制電壓。在風(fēng)速減小的周期期間，調(diào)制頻率可能同樣地減小以減小所述電力變換器中的開關(guān)損耗。
[0012]隨著電力水平持續(xù)下降到超出PWM連續(xù)切換的效率范圍，可能會(huì)采取額外的步驟以減小所述電力變換器中的電力損耗并且在增加的運(yùn)行范圍內(nèi)繼續(xù)傳輸風(fēng)力渦輪機(jī)所產(chǎn)生的電力。根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，死區(qū)時(shí)間周期增加了，并且用于所述變換器的調(diào)制的最大導(dǎo)通時(shí)間減小了?？蛇x地，消隱時(shí)間可能在周期性的間隔上被引入調(diào)制方法中。在調(diào)制被禁用的周期期間內(nèi)，所述變換器的輸入端上的反電動(dòng)勢可能被讀取以獲得正在產(chǎn)生的電壓的電角度。在這些周期期間內(nèi)獲得所述反電動(dòng)勢擴(kuò)展了所述變換器的同步控制的運(yùn)行范圍。結(jié)果，使用死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償通過消除二極管的恢復(fù)損耗產(chǎn)生的開關(guān)損耗的減小，使低電力水平被捕獲并且在這個(gè)非常低的電力區(qū)域內(nèi)電力變換器的損耗被最小化。隨著來自交流發(fā)電機(jī)的電力持續(xù)下降，電力開關(guān)的控制被修改為允許來自交流發(fā)電機(jī)的非連續(xù)性電流。來自交流發(fā)電機(jī)的每一相在最小的導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)被交替地連接到DC總線的或者正或者負(fù)電壓軌上。電流將仍有些正弦導(dǎo)致降低了交流發(fā)電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。由于多運(yùn)行模式，所述變換器的運(yùn)行范圍被擴(kuò)展了，而沒有過多的電流尖峰而且沒有對風(fēng)力發(fā)電機(jī)增加任何有害的影響。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，電力變換器包括配置為接收來自多相AC電源的電力的輸入端，具有正和負(fù)電壓軌的DC總線，多個(gè)正開關(guān)設(shè)備,和多個(gè)負(fù)開關(guān)設(shè)備。每個(gè)正開關(guān)設(shè)備選擇性地將所述AC電源的一相連接到所述DC總線的所述正電壓軌，并且每個(gè)負(fù)開關(guān)設(shè)備選擇性地將所述AC電源的一相連接到所述DC總線的所述負(fù)電壓軌。存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)一系列指令，并且控制器被配置為執(zhí)行所述一系列指令。所述控制器執(zhí)行所述指令以確定由所述AC電源產(chǎn)生的電力的大小，以及執(zhí)行調(diào)制模塊以產(chǎn)生用于每個(gè)正開關(guān)設(shè)備的正控制信號和用于每個(gè)負(fù)開關(guān)設(shè)備的負(fù)控制信號。當(dāng)所述AC電源正在產(chǎn)生大于第一閾值的電力大小時(shí)，所述控制信號在第一運(yùn)行模式下被產(chǎn)生，并且當(dāng)所述AC電源正在產(chǎn)生小于所述第一閾值的電力大小時(shí)所述控制信號在第二運(yùn)行模式下被產(chǎn)生。在所述第二運(yùn)行模式期間，每個(gè)所述正開關(guān)設(shè)備被控制以將所述AC電源的每一相順序(in tandem)連接到所述正電壓軌，并且每個(gè)所述負(fù)開關(guān)設(shè)備被控制以將所述AC電源的每一相順序連接到所述負(fù)電壓軌。在所述第一運(yùn)行模式期間，所述控制器以固定的調(diào)制頻率和固定的死區(qū)時(shí)間執(zhí)行所述調(diào)制模塊，并且在所述第二運(yùn)行模式期間，所述控制器以固定的導(dǎo)通時(shí)間和可變的調(diào)制頻率執(zhí)行所述調(diào)制模塊。在所述第二運(yùn)行模式期間，所述控制器可以訪問儲(chǔ)存在存儲(chǔ)設(shè)備中的查找表，其定義了隨當(dāng)前的調(diào)制頻率變化的調(diào)制頻率變化率，其中所述調(diào)制頻率可以從大約10千赫茲變化到大約50赫茲。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述控制信號在當(dāng)所述AC電源正在產(chǎn)生小于所述第一閾值并且大于第二閾值的電力大小時(shí)的中間運(yùn)行模式被產(chǎn)生，并且所述第二閾值小于所述第一閾值。利用所述中間運(yùn)行模式，所述第二運(yùn)行模式在所述第一和所述第二閾值以下執(zhí)行。在所述中間運(yùn)行模式期間，所述控制器以消隱時(shí)間周期性地禁用所述控制信號執(zhí)行所述調(diào)制模塊。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，電力變換器包括配置為接收來自多相AC電源的電力的輸入端，具有正電壓軌和負(fù)電壓軌的DC總線，多個(gè)正開關(guān)設(shè)備和多個(gè)負(fù)開關(guān)設(shè)備。每個(gè)正開關(guān)設(shè)備選擇性地將所述AC電源的一相連接到所述DC總線的所述正電壓軌，并且每個(gè)負(fù)開關(guān)設(shè)備選擇性地將所述AC電源的一相連接到所述DC總線的所述負(fù)電壓軌。存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)一系列指令，并且控制器被配置為執(zhí)行所述一系列指令?？刂破鲌?zhí)行所述指令以確定由所述AC電源產(chǎn)生的電力的大小，以及執(zhí)行調(diào)制模塊以產(chǎn)生用于每個(gè)正開關(guān)設(shè)備的正控制信號和用于每個(gè)負(fù)開關(guān)設(shè)備的負(fù)控制信號。當(dāng)所述AC電源正在產(chǎn)生大于第一閾值的電力大小時(shí)，所述控制信號在第一運(yùn)行模式下產(chǎn)生，并且當(dāng)所述AC電源正在產(chǎn)生小于所述第一閾值的電力大小時(shí)，所述控制信號在第二運(yùn)行模式下產(chǎn)生。在所述第二運(yùn)行模式期間，所述控制器以消隱時(shí)間周期性地禁用所述控制信號。在所述第一運(yùn)行模式期間，所述控制器以固定的調(diào)制頻率和固定的死區(qū)時(shí)間執(zhí)行所述調(diào)制模塊。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，當(dāng)所述AC電源正在生成小于第二閾值的電力大小時(shí)，所述控制信號在第三運(yùn)行模式下產(chǎn)生，其中所述第二閾值小于所述第一閾值。在所述第三運(yùn)行模式期間，每個(gè)正開關(guān)設(shè)備被控制以將所述AC電源的每相順序連接到所述正電壓軌并且每個(gè)負(fù)開關(guān)設(shè)備被控制以將所述AC電源的每相順序連接到所述負(fù)電壓軌。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方式，公開了變換來自具有可變的電力產(chǎn)生能力的可再生能源的電力的方法。所述方法包括步驟:監(jiān)測由所述可再生能源產(chǎn)生的電力的水平，當(dāng)產(chǎn)生的電力水平在第一預(yù)定閾值以上時(shí)，在第一運(yùn)行模式下通過具有固定調(diào)制頻率和固定死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償?shù)拿}寬調(diào)制控制電力變換器，并且在第二運(yùn)行模式下，通過具有周期性的消隱時(shí)間的脈寬調(diào)制控制所述電力變換器，其中所述消隱時(shí)間在由所述可再生能源所產(chǎn)生的電壓的基頻的每個(gè)周期期間的周期性間隔上重復(fù)，并且其中在所述消隱時(shí)間期間所述脈寬調(diào)制被禁用。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述方法包括步驟:當(dāng)產(chǎn)生的所述電力水平低于第二預(yù)定閾值時(shí)，通過具有可變調(diào)制頻率和固定導(dǎo)通時(shí)間的脈寬調(diào)制在第三運(yùn)行模式下控制所述電力變換器，其中所述第二預(yù)定閾值小于所述第一預(yù)定閾值。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述可再生能源產(chǎn)生多相AC輸入電壓，并且其中在所述第三運(yùn)行模式控制所述電力變換器還包括步驟:將來自所述AC輸入電壓的每一相順序連接到所述電力變換器中的DC總線的正電壓軌，并且將來自所述AC輸入電壓的每一相順序連接到所述電力變換器中的DC總線的負(fù)電壓軌，其中所述每一相被交替地連接到所述正電壓軌和負(fù)電壓軌。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的又一種實(shí)施方式，電力變換器包括:配置為接收來自AC電源的電力的輸入端、具有正電壓軌和負(fù)電壓軌的DC總線、具有根據(jù)相應(yīng)的正門控信號選擇性地將所述輸入端連接到所述DC總線的所述正電壓軌的至少一個(gè)正開關(guān)設(shè)備、具有根據(jù)相應(yīng)的負(fù)門控信號選擇性地將所述輸入端連接到所述DC總線的所述負(fù)電壓軌的至少一個(gè)負(fù)開關(guān)設(shè)備、存儲(chǔ)一系列指令的存儲(chǔ)設(shè)備和控制器。所述控制器被配置為:執(zhí)行所述一系列指令以執(zhí)行調(diào)制例程來產(chǎn)生每個(gè)所述正的和負(fù)的門控信號；確定由所述AC電源產(chǎn)生的電力的大?。划?dāng)由所述AC電源產(chǎn)生的所述電力的大小超過第一預(yù)定閾值時(shí)在第一運(yùn)行模式下為每個(gè)所述正和負(fù)開關(guān)設(shè)備產(chǎn)生所述正的和負(fù)的門控信號，并且當(dāng)由所述AC電源產(chǎn)生的所述電力大小小于所述第一預(yù)定閾值時(shí)在第二運(yùn)行模式下為每個(gè)所述正的和負(fù)的開關(guān)設(shè)備產(chǎn)生所述正的和負(fù)的門控信號。在所述第一運(yùn)行模式期間，所述控制器在所述調(diào)制例程中周期性地插入消隱時(shí)間，在所述消隱時(shí)間期間禁用所述正的和負(fù)的門控信號。在所述第二運(yùn)行模式期間，每個(gè)所述正開關(guān)設(shè)備將所述輸入端順序連接到所述正電壓軌并且每個(gè)所述負(fù)開關(guān)設(shè)備將所述輸入端順序連接到所述負(fù)電壓軌。
[0021]仍然根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在所述第二運(yùn)行模式期間，所述控制器可以通過電流控制器根據(jù)在所述AC電源和所述DC總線之間傳輸?shù)碾娏鞲淖兯鏊绤^(qū)時(shí)間。所述控制器也執(zhí)行具有可變調(diào)制周期和固定導(dǎo)通時(shí)間的所述調(diào)制例程。
[0022]根據(jù)詳細(xì)描述和附圖，本發(fā)明的這些和其他目標(biāo)、優(yōu)點(diǎn)、以及特征對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得明顯。但是應(yīng)理解，盡管詳細(xì)描述和附圖僅表示本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是其是以圖解的方式給出的而不是限制。不脫離其精神可以在本發(fā)明范圍內(nèi)做許多變化和更改，并且本發(fā)明包括所有這些更改。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]在此公開主題的各種實(shí)施例以附圖的形式說明，其中相似的參考數(shù)字表示相似的部分，并且其中:
[0024]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的變換器的示意圖；
[0025]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的轉(zhuǎn)換器的示意圖；
[0026]圖3是作為轉(zhuǎn)子速度和風(fēng)速的函數(shù)的風(fēng)力渦輪機(jī)所產(chǎn)生的功率的圖形表示；
[0027]圖4是本發(fā)明的一種實(shí)施方式的方框圖；
[0028]圖5是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的一個(gè)調(diào)制周期的部分的圖形表示；
[0029]圖6是死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償?shù)膱D形表示；
[0030]圖7是具有固定調(diào)制周期的死區(qū)時(shí)間控制的圖形表示；
[0031]圖8是可變調(diào)制周期的圖形表不；
[0032]圖9是以死區(qū)時(shí)間控制運(yùn)行在第一死區(qū)時(shí)間的圖1的變換器的三相交流電流的圖形表示；
[0033]圖10是以死區(qū)時(shí)間控制運(yùn)行在第二死區(qū)時(shí)間的圖1的變換器的三相交流電流的圖形表示，所述第二死區(qū)時(shí)間大于所述第一死區(qū)時(shí)間；
[0034]圖11是在連續(xù)脈沖寬度調(diào)制下的運(yùn)行期間存在于圖1的變換器的端子上的三相電壓的圖形表不;
[0035]圖12是在具有周期性消隱時(shí)間的脈沖寬度調(diào)制下的運(yùn)行期間存在于圖1的變換器的端子上的三相電壓的圖形表示；以及
[0036]圖13是大于一個(gè)電壓周期的圖12的三相電壓中的一相的圖形表不；
[0037]在圖示的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的描述中，為了清楚起見采用特定術(shù)語。但是，這并不意味著本發(fā)明受限于所選擇的具體術(shù)語并且應(yīng)理解為每個(gè)具體術(shù)語包括所有的等價(jià)技術(shù)特征，其用相似的方式操作以達(dá)到相似的目的。例如，單詞“連接到”，“附接到”或另外相似的術(shù)語經(jīng)常使用。在這樣的連接被本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)為是等效的地方，其不限于直接連接而是包括通過其他元素的連接。
【具體實(shí)施方式】
[0038]參考下面的說明書中的非限制性實(shí)施方式的詳細(xì)描述，在此公開的主題的各種特征和有利細(xì)節(jié)被更全面地解釋。
[0039]首先轉(zhuǎn)到圖1，圖示了包含本發(fā)明的一種實(shí)施方式的典型的電力變換器10。電力變換器10包括三個(gè)輸入端子T1-T3，其配置為接收輸入電壓。圖示的實(shí)施方式的每個(gè)輸入端子T1-T3，被配置為接收由交流發(fā)電機(jī)6產(chǎn)生的多相電壓V1-V3中的一相。例如，交流發(fā)電機(jī)6可以產(chǎn)生三相交流(AC)功率。輸入濾波器28與每個(gè)端子T1-T3串聯(lián)連接。
[0040]電力變換器10接收在端子T1-T3上的多相AC輸入電壓V1-V3，并且使用開關(guān)設(shè)備20和21輸出存在于DC總線12上的所需的DC電壓Vdc。DC總線12包括正電壓軌14和負(fù)電壓軌16，其被用于輸出+Vdc和-Vdc。本領(lǐng)域應(yīng)理解，正電壓軌14和負(fù)電壓軌16可以傳導(dǎo)關(guān)于公共電壓或中性電壓的任何合適的DC電壓電勢并且不限于正的或負(fù)的DC電壓電勢。此外，正電壓軌14或負(fù)電壓軌16中的任何一個(gè)可以被連接到中性電壓電勢。正電壓軌14通常傳導(dǎo)比負(fù)電壓軌16具有更大的電勢的DC電壓。
[0041]開關(guān)設(shè)備20和21通常是固態(tài)功率器件。圖1示出了作為雙極性結(jié)型晶體管(BJT)的開關(guān)設(shè)備20和21 ;然而，可以預(yù)見的是根據(jù)應(yīng)用的需要可以使用任何合適的開關(guān)設(shè)備，包括但并不限于，絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)、場效應(yīng)晶體管(FET)、可控硅整流器(SCR)，如集成門極換流晶閘管(IGCT)或可關(guān)斷晶閘管(GTO)的晶閘管、或其它可控設(shè)備。二極管22被并行連接到每個(gè)開關(guān)設(shè)備20和21，用于在開關(guān)設(shè)備20和21關(guān)斷時(shí)所需的跨過開關(guān)設(shè)備20和21的反向傳導(dǎo)。二極管22也可以是半導(dǎo)體開關(guān)的一部分。對于輸入的每相，正開關(guān)20被連接在輸入端子T1-T3和DC總線12的正電壓軌14之間，并且負(fù)開關(guān)21被連接在輸入端子T1-T3和DC總線12的負(fù)電壓軌16之間。每個(gè)正開關(guān)設(shè)備20被正門控信號24控制并且每個(gè)負(fù)開關(guān)設(shè)備21被負(fù)門控信號25控制。每個(gè)正或負(fù)門控信號24或25，被啟用或禁用以選擇性地允許分別通過正或負(fù)開關(guān)設(shè)備20或21傳導(dǎo)。電容50被連接在DC總線12的正電壓軌14和負(fù)電壓軌16之間。根據(jù)系統(tǒng)要求電容50可以是單個(gè)電容器或串聯(lián)或并聯(lián)的任何數(shù)量的電容器。電容50被配置為減小輸入電壓和DC總線12之間的電壓變換產(chǎn)生的紋波電壓的大小。
[0042]控制器40執(zhí)行一系列存儲(chǔ)指令以產(chǎn)生門控信號24和25。控制器40接收來自傳感器的反饋信號，其與遍布電力變換器10上的不同的點(diǎn)的電壓和/或電流的幅值相對應(yīng)。此位置依賴于在控制器40內(nèi)正在被執(zhí)行的特定的控制程序。例如，輸入傳感器26a-26c可以提供存在于每個(gè)輸入端子T1-T3上的電壓幅值。可選地，輸入傳感器26a-26，可以被可操作地連接以提供在每個(gè)輸入端子T1-T3上傳導(dǎo)的電流的幅值。同樣地，電流和/或電壓傳感器28和30，可以被可操作地分別連接到DC總線12的正電壓軌14和負(fù)電壓軌16?？刂破?0與存儲(chǔ)設(shè)備42接口以獲取存儲(chǔ)的指令并且與通信端口 44接口以與外部設(shè)備通信。正如在此所描述的，控制器40被配置為執(zhí)行存儲(chǔ)的指令以控制電力變換器10。
[0043]接著參考圖4，典型的功率變換系統(tǒng)包括第一電力變換器10和作為逆變器運(yùn)行的被DC總線12連接的第二電力變換器60。可選地，能量儲(chǔ)存設(shè)備18可以被連接在DC總線12的正電壓軌14和負(fù)電壓軌16之間。交流發(fā)電機(jī)6，例如風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)，向電力變換器10提供功率，其被變換成DC總線12上的DC電壓，而逆變器60反過來從DC總線12向電氣負(fù)載4或向公用電網(wǎng)(未示出)提供功率。儲(chǔ)存設(shè)備18也可以包括直流到直流變換器以根據(jù)儲(chǔ)存設(shè)備的要求將存在于DC總線12上的DC電壓變換成合適的DC電壓水平。例如，儲(chǔ)存設(shè)備可以是鉛酸電池、鋰離子電池、鋅溴電池、流體電池、或任何其它合適的能量儲(chǔ)存設(shè)備。DC到DC變換器運(yùn)行以根據(jù)應(yīng)用要求在DC總線12和儲(chǔ)存設(shè)備18之間轉(zhuǎn)換能量。
[0044]現(xiàn)參照圖2，典型的逆變器60被連接到DC總線12。例如，逆變器60將來自DC總線12的DC電壓變換成適合被供應(yīng)到公用電網(wǎng)和電氣負(fù)載(如電機(jī))的AC電壓。利用選擇性地連接或者正電壓軌14或者負(fù)電壓軌16到輸出電壓的一相的開關(guān)設(shè)備70執(zhí)行變換。開關(guān)設(shè)備70通常是固態(tài)功率設(shè)備。圖2圖示了開關(guān)設(shè)備70為雙極性結(jié)型晶體管(BJTs)；然而，應(yīng)考慮到根據(jù)應(yīng)用要求任何合適的開關(guān)設(shè)備可以被使用，包括但不限于，絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)、場效應(yīng)晶體管(FET)、可控硅整流器(SCR)，例如集成門極換流晶閘管(IGCT)或可關(guān)斷晶閘管(GTO)的晶閘管、或其它可控設(shè)備。二極管72被并行連接到每個(gè)開關(guān)設(shè)備70上用于在當(dāng)開關(guān)設(shè)備70關(guān)斷時(shí)所需要的跨過所述開關(guān)設(shè)備的反向傳導(dǎo)。二極管72也可以是半導(dǎo)體開關(guān)的一部分。每個(gè)開關(guān)設(shè)備70被門控信號74控制。門控信號74被啟用或禁用以選擇性地允許通過開關(guān)設(shè)備70傳導(dǎo)。
[0045]控制器90執(zhí)行一系列存儲(chǔ)的指令以產(chǎn)生門控信號74。控制器90接收來自傳感器的反饋信號，其對應(yīng)于遍布逆變器60的不同的點(diǎn)的電壓和/或電流的幅值。此位置依賴于在控制器90內(nèi)正在被執(zhí)行的特定的控制程序。例如，傳感器76a-76c可以提供存在于輸出端子62每一相上的電壓的幅值?？蛇x地，輸出傳感器76a-76c可以被可操作地連接以提供在輸出端子62的每一相上傳導(dǎo)的電流的幅值。同樣地，電流和/或電壓傳感器78和80,可以可操作地被分別連接到DC總線12的正電壓軌14和負(fù)電壓軌16?？刂破?0與存儲(chǔ)設(shè)備92接口以獲取存儲(chǔ)的指令并且與通信端口 94接口以與外部設(shè)備通信。根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，第一電力變換器10和第二電力變換器60是具有獨(dú)立的控制器40、90和存儲(chǔ)設(shè)備42、92的獨(dú)立的模塊，其配置為控制各自的電力變換器的運(yùn)行?？蛇x地，單個(gè)控制器和存儲(chǔ)器設(shè)備可以被配置為控制兩個(gè)電力變換器的運(yùn)行。
[0046]運(yùn)行中，電力變換器10將從可變的功率能源提供的功率變換成電力變換器的DC總線12上可用的功率。隨后的能量儲(chǔ)存設(shè)備18或逆變器模塊60可以被連接到DC總線12或者存儲(chǔ)能量源所生成的功率或向電氣負(fù)載4傳送存儲(chǔ)的功率(仍參看圖4)。第一電力變換器10被配置為從電源6向DC總線12傳輸功率并且第二電力變換器60被配置為從DC總線12向負(fù)載4傳輸功率。根據(jù)功率變換所需的形式，每個(gè)電力變換器10、60的控制器40、90執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)控制模塊，其產(chǎn)生門控信號24、25或74以選擇性地分別連接在DC總線12和任何一個(gè)輸入端子T1-T3或者輸出62之間的開關(guān)20、21或者70。根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，風(fēng)力渦輪機(jī)可以包括葉片，其旋轉(zhuǎn)作為風(fēng)的速度的函數(shù)的低速驅(qū)動(dòng)軸。低速驅(qū)動(dòng)軸是到變速箱的輸入，其反過來又旋轉(zhuǎn)高速驅(qū)動(dòng)軸，其輸出作為它的傳動(dòng)(gearing)的函數(shù)。高速驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)交流發(fā)電機(jī)6的轉(zhuǎn)子部分，在定子上產(chǎn)生AC電壓V1-V3。
[0047]接著參考圖3，圖100圖示了對于典型的風(fēng)力渦輪機(jī)在變化的風(fēng)速下運(yùn)行時(shí)作為轉(zhuǎn)子速度的函數(shù)的由交流發(fā)電機(jī)6所產(chǎn)生的功率之間的關(guān)系。例如，渦輪機(jī)葉片的速度可以通過改變?nèi)~片的間距進(jìn)行控制。因此，對于恒定的風(fēng)速，低速驅(qū)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)速度可以改變，并且因此交流發(fā)電機(jī)6中的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度可以改變。然而，可能存在不能以足夠快的速度對葉片間距進(jìn)行調(diào)整以應(yīng)對變化的風(fēng)力條件。除了間距控制之外，或代替間距控制，電力變換器10可以通過調(diào)節(jié)從交流發(fā)電機(jī)6汲取的電流幫助調(diào)節(jié)交流發(fā)電機(jī)6的速度以便可變的制動(dòng)力被施加到交流發(fā)電機(jī)6。電流的電子控制因此可以補(bǔ)償風(fēng)速中的變化來保持運(yùn)行在最大功率點(diǎn)下。
[0048]通過虛線101在圖3中進(jìn)一步圖示了，交流發(fā)電機(jī)6的運(yùn)行可能遵循平方冪法則，其中渦輪機(jī)產(chǎn)生的功率隨風(fēng)速的平方增加。對于每個(gè)風(fēng)速，控制器40被配置為在最大功率點(diǎn)(MPP)運(yùn)行，以便在那個(gè)風(fēng)速下可能由交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的最大功率被傳輸?shù)紻C總線12。跟蹤可變風(fēng)速下的這些最大功率點(diǎn)產(chǎn)生的指數(shù)函數(shù)形式的平方冪曲線101，直到額定功率的產(chǎn)生發(fā)生。在那個(gè)點(diǎn)上，控制器40被配置為將功率的產(chǎn)生限制到額定值以防止損壞交流發(fā)電機(jī)6或電力變換器10的組件?？刂破?0可以被配置為執(zhí)行控制程序以既控制葉片的間距又控制在交流發(fā)電機(jī)6和DC總線12之間傳導(dǎo)的電流?？蛇x地，可以使用分離的控制器40，每個(gè)執(zhí)行控制模塊中的一個(gè)。
[0049]在正常運(yùn)行條件下為了調(diào)節(jié)從交流發(fā)電機(jī)6中汲取的電流，控制器40可以執(zhí)行第一電流調(diào)節(jié)器，其配置為用于從交流發(fā)電機(jī)6到DC總線12的電流的同步控制，這在本領(lǐng)域是已知的。同步電流調(diào)節(jié)器接收參考電流并且使用測得的電流信號確定電流誤差值。同步電流調(diào)節(jié)器然后確定所需的受控電流以補(bǔ)償電流誤差值?？刂破?0然會(huì)確定適合的門控信號24和25，以選擇性地將輸入端子T1-T3的每一相連接到DC總線12以產(chǎn)生交流發(fā)電機(jī)6和DC總線12之間所需的被控電流。
[0050]因?yàn)榻涣靼l(fā)電機(jī)6產(chǎn)生AC功率，控制器40也需要存在于輸入端T1-T3上的AC電壓的電角度的信息。當(dāng)在最低速度以上運(yùn)行時(shí)，控制器40可通過檢測存在于交流發(fā)電機(jī)6上的反電勢確定電角度。隨著交流發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度增加，反電勢的幅值同樣增加。然而，反電動(dòng)勢是交流發(fā)電機(jī)參數(shù)的函數(shù)也是轉(zhuǎn)子速度的函數(shù)。因此，在其上可以檢測到反電動(dòng)勢的最小速度是本應(yīng)用的功能。然而，反電動(dòng)勢的幅值可能通?？煽康卦诮涣靼l(fā)電機(jī)6的額定速度的約10%至約20%之間檢測到。
[0051]接著參考圖5，同步電流調(diào)節(jié)器使用所需的被控電流值和檢測到的交流發(fā)電機(jī)6的電角度來產(chǎn)生電壓參考信號154以產(chǎn)生門控信號24、25。在圖5中，圖示了根據(jù)典型的正弦三角PWM調(diào)制技術(shù)150對于AC電壓的一相的一個(gè)周期的一段的門控信號24、25的產(chǎn)生。在正弦三角PWM調(diào)制技術(shù)150下，三角波形152與電壓參考154相比以產(chǎn)生門控信號24和25。三角波形152的一個(gè)周期是由PWM程序的開關(guān)周期156定義的。在開關(guān)周期156期間，如果電壓參考154大于三角波形152，正門控信號24被設(shè)置為高而負(fù)門控信號25被設(shè)置為低。如果電壓參考154小于正三角波形152，正門控信號24被設(shè)置為低而負(fù)門控信號25被設(shè)置為高?？梢钥紤]，如本領(lǐng)域技術(shù)人員可能已知的例如空間矢量或多電平切換的其它的調(diào)制技術(shù)，也可以被用來產(chǎn)生輸出電壓。另外，如圖4所示，調(diào)制技術(shù)可以通過比較模擬信號、數(shù)字信號(例如被向上或向下增加的寄存器)、或它們的組合來實(shí)現(xiàn)。
[0052]圖5示出了理想的開關(guān)條件，在此條件下正門控信號24和負(fù)門控信號25同時(shí)反轉(zhuǎn)狀態(tài)以便正開關(guān)20和負(fù)開關(guān)21不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。然而，在實(shí)踐中，開關(guān)20和21不是理想的并且也不會(huì)如圖5所示來切換。還參考圖6，每個(gè)開關(guān)20和21，要求有限的時(shí)間來關(guān)斷Iff，或來導(dǎo)通tm。為了防止正開關(guān)20和負(fù)開關(guān)21同時(shí)導(dǎo)通，可以使用死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償。死區(qū)時(shí)間td，通常被設(shè)置得比開關(guān)20和21的關(guān)斷時(shí)間Iff長。當(dāng)或者正門控信號24或者負(fù)門控信號25被命令關(guān)斷時(shí)，如圖所示在切換瞬間tsw，控制器40延遲設(shè)置其他的正門控信號24或負(fù)門控信號25在死區(qū)時(shí)間td期間導(dǎo)通，防止正和負(fù)開關(guān)20和21兩者在同一階段上同時(shí)導(dǎo)通，其在DC總線12的正電壓軌14和負(fù)電壓軌16之間產(chǎn)生短路。在開關(guān)20或21關(guān)斷Iff時(shí)的延遲導(dǎo)致不希望的導(dǎo)通的短的時(shí)間段27，而在開關(guān)20或21導(dǎo)通tm時(shí)的延遲導(dǎo)致不希望的不導(dǎo)通的短的時(shí)間段29。
[0053]如前面所指出的，同步電流調(diào)節(jié)器需要由AC交流發(fā)電機(jī)6產(chǎn)生的AC功率的電角度的信息以控制功率從交流發(fā)電機(jī)6傳輸?shù)紻C總線12。交流發(fā)電機(jī)6的角位置通常是從產(chǎn)生的電氣波形獲得的。使用，例如，反電動(dòng)勢電壓的測量，鎖相環(huán)可以提取交流發(fā)電機(jī)6的角位置。隨著轉(zhuǎn)子的速度減慢，反電動(dòng)勢的大小減小直到幅值變得太小以至于無法準(zhǔn)確地檢測。此前，沒有電角度的準(zhǔn)確知識，變換器10將需要關(guān)閉以防止不穩(wěn)定、無法傳輸功率、和/或由于產(chǎn)生門控信號24和25產(chǎn)生的對逆變器的可能損壞。在此速度變換器10可以運(yùn)行的這個(gè)最小速度也被稱為切入速度。雖然變換器10停止運(yùn)行，交流發(fā)電機(jī)6仍然能夠在切入速度以下產(chǎn)生功率。
[0054]為了提高交流發(fā)電機(jī)6的效率以及繼續(xù)接收在低速運(yùn)行期間由交流發(fā)電機(jī)6產(chǎn)生的功率，變換器10，正如在此所公開的，在多個(gè)運(yùn)行模式下執(zhí)行以擴(kuò)展它的運(yùn)行范圍。如上面所討論的，變換器10在第一閾值或者在第一閾值以上在第一運(yùn)行模式執(zhí)行同步控制方法。這個(gè)第一閾值對應(yīng)于交流發(fā)電機(jī)6的運(yùn)行速度，在此速度由交流發(fā)電機(jī)6產(chǎn)生的反電動(dòng)勢電壓可以被可靠地檢測，其通常是額定速度的大約10-20%。在第一運(yùn)行模式下運(yùn)行期間，調(diào)制例程以固定周期T1和固定死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償td執(zhí)行?？蛇x地，調(diào)制頻率可以在第一運(yùn)行模式期間作為由交流發(fā)電機(jī)6正在產(chǎn)生的電壓的頻率的函數(shù)改變，并且因此，周期也可以在第一運(yùn)行模式期間作為由交流發(fā)電機(jī)6正在產(chǎn)生的電壓的頻率的函數(shù)改變。例如，開關(guān)頻率的范圍可以在5-10千赫茲之間。
[0055]調(diào)制技術(shù)控制正開關(guān)20和負(fù)開關(guān)21以交替地在DC總線12的或者正或者負(fù)電壓軌14和16之間連接每個(gè)端子T1-T3。接著參考圖11，圖示了從交替地在DC總線12的或者正或者負(fù)電壓軌14和16之間連接每個(gè)端子T1-T3得到的調(diào)制電壓波形。隨著交流發(fā)電機(jī)6的速度減小，交流發(fā)電機(jī)中的反電動(dòng)勢的頻率和幅值同樣減小。然而，因?yàn)檫B接到電力變換器10的逆變器60正在產(chǎn)生用于連接到公用電網(wǎng)或連接到電氣負(fù)載4的AC電壓，所以功率變換系統(tǒng)在DC總線12上保持大致恒定的DC電壓水平。因此，隨著反電動(dòng)勢的幅值減小，調(diào)制波形的峰值幅值保持不變并且變得比交流發(fā)電機(jī)6產(chǎn)生的反電動(dòng)勢的幅值大得多，引入在試圖讀取反電動(dòng)勢的值時(shí)的顯著的噪聲或不確定性。還參考圖12和13，圖示了在交流發(fā)電機(jī)6低頻率運(yùn)行期間與反電動(dòng)勢電壓123的大小相比調(diào)制減壓121的大小上的不同。
[0056]為了提高控制器在其中可以可靠地測量反電動(dòng)勢的范圍，控制器40可以進(jìn)入消隱控制運(yùn)行模式。隨著交流發(fā)電機(jī)6的運(yùn)行頻率減小，消隱控制運(yùn)行模式被配置為引入在其中調(diào)制停止的短的間隔或消隱時(shí)間120。在消隱時(shí)間120期間，控制器40可以讀取不受來自調(diào)制電壓的干擾的反電動(dòng)勢電壓。消隱時(shí)間120足夠短以致交流發(fā)電機(jī)6和風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的慣性使交流發(fā)電機(jī)6很少或根本沒有改變交流發(fā)電機(jī)6的旋轉(zhuǎn)速度。消隱時(shí)間120是在由交流發(fā)電機(jī)6產(chǎn)生的電壓的基頻的一個(gè)周期期間內(nèi)的周期性間隔上引入的。調(diào)制周期期間，由交流發(fā)電機(jī)6產(chǎn)生的功率被傳輸?shù)紻C總線12。如上所述的消隱時(shí)間的引入，允許電力變換器10暫時(shí)中斷調(diào)制和讀取反電動(dòng)勢。反電動(dòng)勢的電角度被確定并且對控制器40使用的用來進(jìn)行調(diào)制的角度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。開關(guān)20和21的調(diào)制在修正角重新開始以從交流發(fā)電機(jī)6向DC總線12傳輸功率。因此，反電動(dòng)勢控制被執(zhí)行的運(yùn)行范圍可以被擴(kuò)展到交流發(fā)電機(jī)6的額定速度的幅值的大約5%。
[0057]接著參考圖7，隨著速度的減小，并且因此產(chǎn)生的相應(yīng)的由交流發(fā)電機(jī)6產(chǎn)生的功率減小，變換器也可以被配置為運(yùn)行在另一種具有固定周期，T1和可變的死區(qū)時(shí)間控制的運(yùn)行模式下。固定周期T1的持續(xù)時(shí)間被選擇為與在先前的運(yùn)行模式運(yùn)行期間控制器40所使用的周期156相同。同樣地，用于死區(qū)時(shí)間控制的初始死區(qū)時(shí)間tdx，被選擇為與在先前的運(yùn)行模式運(yùn)行期間所使用的死區(qū)時(shí)間td相同。結(jié)果，從具有同步電流調(diào)節(jié)器或具有電流消隱控制的運(yùn)行轉(zhuǎn)變到具有可變死區(qū)時(shí)間的運(yùn)行在這些運(yùn)行參數(shù)中沒有階躍變化。
[0058]雖然在運(yùn)行參數(shù)中沒有階躍變化，但運(yùn)行模式之間的調(diào)制技術(shù)有變化。如上面關(guān)于圖5所討論的，脈寬調(diào)制產(chǎn)生門控信號24和25，其作為每個(gè)端子T1-T3上的輸入電壓的電角度的函數(shù)。結(jié)果，用于輸入端子T1-T3的每一相的正門控信號24和負(fù)門控信號25是不同的。相反，死區(qū)時(shí)間控制期間，變換器10產(chǎn)生基本相同的用于每個(gè)輸入端子T1-T3的正門控信號24和負(fù)門控信號25。所產(chǎn)生的效果是每個(gè)正開關(guān)20被順序?qū)ú⑶颐總€(gè)負(fù)開關(guān)21被順序?qū)ā？刂破?0產(chǎn)生門控信號24和25，以便正開關(guān)20和負(fù)開關(guān)21隨著死區(qū)時(shí)間td的控制以很短的持續(xù)時(shí)間交替地被脈沖導(dǎo)通和關(guān)斷。
[0059]被串聯(lián)連接在輸入端子T1-T3的每一相與每個(gè)開關(guān)20或21之間的多相電感器28限制了電流的變化率。另外，由交流發(fā)電機(jī)6產(chǎn)生的電壓的幅值在低速時(shí)比較低，其也減小了通過電感器28的電流的變化率。因此，雖然同時(shí)切換每個(gè)正開關(guān)20或負(fù)開關(guān)21將會(huì)另外建立跨過交流發(fā)電機(jī)6的短路電流，但是在這個(gè)運(yùn)行模式期間得到的電流波形通常是正弦的，如圖9和圖10所示。 [0060]電流的大小是分別對于每個(gè)開關(guān)20或21的門控信號24或25的持續(xù)時(shí)間的函數(shù)。死區(qū)時(shí)間td和導(dǎo)通時(shí)間反相關(guān)，這意味著隨著導(dǎo)通時(shí)間tm減少，死區(qū)時(shí)間td增加?？刂破?0被配置為執(zhí)行第二電流調(diào)節(jié)器，例如，用于控制作為由交流發(fā)電機(jī)6產(chǎn)生的電流的函數(shù)的死區(qū)時(shí)間、的比例積分(PI)調(diào)節(jié)器。圖7中，圖(a)-(c)分別地圖示了在死區(qū)時(shí)間控制下運(yùn)行時(shí)從最長的導(dǎo)通時(shí)間tml，到最小的導(dǎo)通時(shí)間tm3的演變。在最初切換到死區(qū)時(shí)間控制時(shí)，交流發(fā)電機(jī)6正在產(chǎn)生最多的能量數(shù)量并且可以在交流發(fā)電機(jī)6和DC總線12之間傳輸最多的功率數(shù)量。因此，最初的導(dǎo)通時(shí)間1。?處于其最大持續(xù)時(shí)間。隨著風(fēng)速繼續(xù)下降，交流發(fā)電機(jī)6能夠產(chǎn)生的功率水平持續(xù)下降，要求每個(gè)開關(guān)20或21的導(dǎo)通時(shí)間tm減小。在某個(gè)點(diǎn)，變換器達(dá)到最小導(dǎo)通時(shí)間tm，其對應(yīng)于在其上由開關(guān)20和21產(chǎn)生的損耗超過導(dǎo)通時(shí)間tm期間所傳輸?shù)墓β实狞c(diǎn)。在這個(gè)點(diǎn)上，控制器40開始改變調(diào)制頻率。
[0061]如上所述的轉(zhuǎn)變(transition)，允許控制器40轉(zhuǎn)換到運(yùn)行參數(shù)中沒有階躍變化的死區(qū)時(shí)間控制。雖然運(yùn)行參數(shù)中沒有階躍變化，但是調(diào)制技術(shù)有變化。如以上關(guān)于圖5所討論的，脈寬調(diào)制產(chǎn)生門控信號24和25，其作為每個(gè)輸入端子T1-T3上的輸入電壓的電角度的函數(shù)。同步電流控制期間，用于輸入端子T1-T3的每一相的正門控信號24和負(fù)門控信號25是不同的。相反，死區(qū)時(shí)間控制期間，變換器10產(chǎn)生基本相同的用于每個(gè)端子T1-T3的正門控信號24和負(fù)門控信號25。所產(chǎn)生的效果是每個(gè)正開關(guān)20被順序?qū)ú⑶颐總€(gè)負(fù)開關(guān)21被順序?qū)?。控制?0產(chǎn)生門控信號24和25，以便正開關(guān)20和負(fù)開關(guān)21隨著死區(qū)時(shí)間td的控制以很短的持續(xù)時(shí)間交替地被脈沖導(dǎo)通或關(guān)斷。
[0062]被串聯(lián)連接在輸入端子T1-T3的每一相和每個(gè)開關(guān)20或21之間的多相電感器28限制了電流的變化率。另外，由交流發(fā)電機(jī)6產(chǎn)生的電壓的幅值在低速時(shí)比較低，其也減小了通過電感器28的電流的變化率。因此，雖然同時(shí)切換每個(gè)正開關(guān)20或負(fù)開關(guān)21將另外建立跨過交流發(fā)電機(jī)6的短路電流，但是在這個(gè)運(yùn)行模式期間得到的電流波形通常是正弦的，如圖9和圖10所示。
[0063]接著參考圖8，為了在已經(jīng)到達(dá)最小導(dǎo)通時(shí)間tm以后，繼續(xù)從交流發(fā)電機(jī)6向DC總線12傳輸能量，控制器40執(zhí)行調(diào)制例程，其中導(dǎo)通時(shí)間保持恒定而調(diào)制周期T變化。例如，圖8的圖(a)可以表明在這個(gè)運(yùn)行模式下的最初的運(yùn)行點(diǎn)。初始周期T1與圖7中所示的轉(zhuǎn)變期間使用的周期T1相等，而導(dǎo)通時(shí)間對應(yīng)于最小導(dǎo)通時(shí)間tm3。結(jié)果，運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)變同樣沒有對于調(diào)制周期T或?qū)〞r(shí)間的階躍變化。
[0064]如圖8所示，變換器10保持導(dǎo)通時(shí)間恒定并且控制調(diào)制周期。初始周期T1可以是例如100微秒，其對應(yīng)于10千赫茲的開關(guān)頻率。隨著交流發(fā)電機(jī)6提供的電流繼續(xù)減小，調(diào)制周期可以被延長，例如，延長到T2并且隨后延長到T3?？梢钥紤]的是，調(diào)制周期可以被延長到至少20毫秒，其對應(yīng)于50赫茲的開關(guān)頻率。因此，隨著風(fēng)速和相應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減小，變頻器10繼續(xù)運(yùn)行在更寬的運(yùn)行范圍內(nèi)以增加從風(fēng)力渦輪機(jī)獲得的能量的數(shù)量。
[0065]在以可變的調(diào)制頻率運(yùn)行期間，控制器40可以訪問儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器42中的查找表以幫助運(yùn)行，因?yàn)樵陔娏鞣抵械淖兓c調(diào)制周期的持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系是非線性的。例如，調(diào)制周期中的10微秒的變化在運(yùn)行在10千赫茲的開關(guān)頻率(即100微秒的周期)時(shí)代表比運(yùn)行在50赫茲的開關(guān)頻率(即20毫秒的周期)時(shí)更大百分比的增量。為了提高控制器40對于低功率運(yùn)行期間電流幅值中的變化的反應(yīng)時(shí)間，當(dāng)變換器10正運(yùn)行在較低的開關(guān)頻率時(shí)比當(dāng)變換器正運(yùn)行在較高的開關(guān)頻率時(shí)，調(diào)制周期以更大的增量變化。查找表可以存儲(chǔ)變化的運(yùn)行點(diǎn)上的調(diào)制頻率中期望的增量變化。
[0066]隨著風(fēng)速以及相應(yīng)的由交流發(fā)電機(jī)6產(chǎn)生的功率開始增加，控制器40反轉(zhuǎn)全部運(yùn)行模式的步驟。最初，控制器40以固定的導(dǎo)通時(shí)間〖。?運(yùn)行并且減小調(diào)制周期Τ，直到它再次達(dá)到在第一和第二運(yùn)行模式所需的運(yùn)行持續(xù)時(shí)間。因?yàn)檫@兩種運(yùn)行模式包括共同的運(yùn)行點(diǎn)，從具有可變的調(diào)制周期T和固定的導(dǎo)通時(shí)間tm的運(yùn)行到具有固定調(diào)制周期T和可變的導(dǎo)通時(shí)間tm的運(yùn)行的轉(zhuǎn)變同樣是無縫的。同樣地，隨著風(fēng)速和相應(yīng)的由交流發(fā)電機(jī)6產(chǎn)生的功率繼續(xù)增加，死區(qū)時(shí)間td減小直到它達(dá)到用于在第一運(yùn)行模式中運(yùn)行的死區(qū)時(shí)間td。在這個(gè)點(diǎn)上，交流發(fā)電機(jī)6正產(chǎn)生在足夠水平上的功率以使控制器40可以準(zhǔn)確地確定交流發(fā)電機(jī)6的反電動(dòng)勢?？刂破鏖_始監(jiān)測反電動(dòng)勢并且確定相應(yīng)的電角度，例如，使用鎖相環(huán)并且可以然后切換回具有同步電流調(diào)節(jié)器的第一運(yùn)行模式運(yùn)行。因?yàn)樵谵D(zhuǎn)變點(diǎn)上用于每個(gè)模式的周期T和死區(qū)時(shí)間td是相同的，所以模式之間的轉(zhuǎn)變同樣是無縫的。
[0067]應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不將其應(yīng)用限于本文中闡述的組件的結(jié)構(gòu)和安排的細(xì)節(jié)。本發(fā)明能有其他的實(shí)施方式并且能夠以各種方式被實(shí)踐或?qū)嵤Ｇ笆龅淖兓托薷脑诒景l(fā)明范圍內(nèi)。還應(yīng)被理解的是，此處公開和定義的本發(fā)明延伸到所有的從文中和/或圖中提到的或證明的兩個(gè)或多個(gè)單個(gè)特征的可選擇的組合。所有這些不同的組合構(gòu)成本發(fā)明的各種可選的方面。在此描述的實(shí)施方式解釋了已知的實(shí)施本發(fā)明的最好的方式并且將使本領(lǐng)域的其他的技術(shù)人員能夠應(yīng)用本發(fā)明。
【權(quán)利要求】
1.一種電力變換器，所述電力變換器包括: 輸入端，其配置為接收來自多相AC電源的電力； DC總線，其具有正電壓軌和負(fù)電壓軌； 多個(gè)正開關(guān)設(shè)備，每個(gè)正開關(guān)設(shè)備選擇性地將所述AC電源的一相連接到所述DC總線的所述正電壓軌； 多個(gè)負(fù)開關(guān)設(shè)備，每個(gè)負(fù)開關(guān)設(shè)備選擇性地將所述AC電源的一相連接到所述DC總線的所述負(fù)電壓軌； 存儲(chǔ)設(shè)備，其存儲(chǔ)一系列指令；以及 控制器，其配置為執(zhí)行所述一系列指令以完成以下操作: 確定由所述AC電源產(chǎn)生的電力的大小，以及 執(zhí)行調(diào)制模塊以產(chǎn)生用于每個(gè)正開關(guān)設(shè)備的正控制信號和用于每個(gè)負(fù)開關(guān)設(shè)備的負(fù)控制信號，其中: 當(dāng)所述AC電源正在產(chǎn)生的電力的大小大于第一閾值時(shí),在第一運(yùn)行模式下產(chǎn)生所述控制信號； 當(dāng)所述AC電源正在產(chǎn)生的電力大小小于所述第一閾值時(shí)，在第二運(yùn)行模式下產(chǎn)生所述控制信號； 在所述第二運(yùn)行模式期間，每個(gè)正開關(guān)設(shè)備被控制以將所述AC電源的每一相順序連接到所述正電壓軌并且每個(gè)負(fù)開關(guān)設(shè)備被控制以將所述AC電源的每一相順序連接到所述負(fù)電壓軌。
2.如權(quán)利要求1所述的電力變換器，其中在所述第一運(yùn)行模式期間，所述控制器以固定的調(diào)制頻率和固定的死區(qū)時(shí)間執(zhí)行所述調(diào)制模塊。
3.如權(quán)利要求2所述的電力變換器，其中在所述第二運(yùn)行模式期間，所述控制器以固定的導(dǎo)通時(shí)間和可變的調(diào)制頻率執(zhí)行所述調(diào)制模塊。
4.如權(quán)利要求3所述的電力變換器，其中所述控制器訪問存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)設(shè)備中的查找表，所述查找表定義了在所述第二運(yùn)行模式期間所述調(diào)制頻率的變化率，所述調(diào)制頻率的變化率隨當(dāng)前調(diào)制頻率而變。
5.如權(quán)利要求4所述的電力變換器，其中所述調(diào)制頻率從大約10千赫茲變化到大約50赫茲。
6.如權(quán)利要求3所述的電力變換器，其中當(dāng)所述AC電源正在產(chǎn)生的電力大小小于所述第一閾值并且大于第二閾值時(shí)，在中間運(yùn)行模式產(chǎn)生所述控制信號，其中所述第二閾值小于所述第一閾值并且其中所述第二運(yùn)行模式在所述第二閾值以下執(zhí)行。
7.如權(quán)利要求6所述的電力變換器，其中在所述中間運(yùn)行模式期間，所述控制器執(zhí)行具有周期性地禁用所述控制信號的消隱時(shí)間的所述調(diào)制模塊。
8.一種電力變換器，所述電力變換器包括: 輸入端，其配置為接收來自多相AC電源的電力； DC總線，其具有正電壓軌和負(fù)電壓軌； 多個(gè)正開關(guān)設(shè)備，每個(gè)正開關(guān)設(shè)備選擇性地將所述AC電源的一相連接到所述DC總線的所述正電壓軌； 多個(gè)負(fù)開關(guān)設(shè)備，每個(gè)負(fù)開關(guān)設(shè)備選擇性地將所述AC電源的一相連接到所述DC總線的所述負(fù)電壓軌； 存儲(chǔ)設(shè)備，其存儲(chǔ)一系列指令；以及 控制器，其配置為執(zhí)行所述一系列指令以完成以下操作: 確定由所述AC電源產(chǎn)生的電力的大小，以及 執(zhí)行調(diào)制模塊以產(chǎn)生用于每個(gè)正開關(guān)設(shè)備的正控制信號和用于每個(gè)負(fù)開關(guān)設(shè)備的負(fù)控制信號，其中: 當(dāng)所述AC電源正在產(chǎn)生的電力大小大于第一閾值時(shí)在第一運(yùn)行模式下產(chǎn)生所述控制信號; 當(dāng)所述AC電源正在產(chǎn)生的電力大小小于所述第一閾值時(shí)在第二運(yùn)行模式下產(chǎn)生所述控制信號； 在所述第二運(yùn)行模式期間，所述控制器周期性地禁用所述控制信號一段消隱時(shí)間。
9.如權(quán)利要求8所述的電力變換器，其中在所述第一運(yùn)行模式期間，所述控制器以固定的調(diào)制頻率和固定的死區(qū)時(shí)間執(zhí)行所述調(diào)制模塊。
10.如權(quán)利要求9所述的電力變換器，其中當(dāng)所述AC電源正在產(chǎn)生的電力大小小于第二閾值時(shí)，在第三運(yùn)行模式下產(chǎn)生所述控制信號，其中所述第二閾值小于所述第一閾值，并且其中在所述第三運(yùn)行 模式期間，每個(gè)正開關(guān)設(shè)備被控制以將所述AC電源的每相順序連接到所述正電壓軌并且每個(gè)負(fù)開關(guān)設(shè)備被控制以將所述AC電源的每相順序連接到所述負(fù)電壓軌。
11.如權(quán)利要求10所述的電力變換器，其中所述存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)查找表，所述查找表定義了在所述第三運(yùn)行模式期間的所述調(diào)制頻率的變化率，所述調(diào)制頻率的變化率隨當(dāng)前調(diào)制頻率而變。
12.如權(quán)利要求11所述的電力變換器，其中所述調(diào)制頻率從大約10千赫變化到大約50赫茲。
13.一種變換來自具有可變的電力產(chǎn)生能力的可再生能源的電力的方法，所述方法包括以下步驟: 監(jiān)測由所述可再生能源產(chǎn)生的電力水平； 當(dāng)所產(chǎn)生的電力水平在第一預(yù)定閾值以上時(shí)，在第一運(yùn)行模式下通過具有固定調(diào)制頻率和固定死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償?shù)拿}寬調(diào)制控制電力變換器；以及 在第二運(yùn)行模式下通過具有周期性的消隱時(shí)間的脈寬調(diào)制控制所述電力變換器，其中所述消隱時(shí)間在由所述可再生能源產(chǎn)生的電壓的基頻的每個(gè)周期期間的周期性間隔上重復(fù)，并且其中在所述消隱時(shí)間期間，所述脈寬調(diào)制被禁用。
14.如權(quán)利要求13所述的變換電力的方法，所述方法還包括以下步驟:當(dāng)所產(chǎn)生的所述電力水平低于第二預(yù)定閾值時(shí)，通過具有可變調(diào)制頻率和固定導(dǎo)通時(shí)間的脈寬調(diào)制在第三運(yùn)行模式下控制所述電力變換器，其中所述第二預(yù)定閾值小于所述第一預(yù)定閾值。
15.如權(quán)利要求14所述的變換電力的方法，其中所述可再生能源產(chǎn)生多相AC輸入電壓，并且其中在所述第三運(yùn)行模式下控制所述電力變換器還包括以下步驟: 將來自所述AC輸入電壓的每一相順序連接到所述電力變換器中的DC總線的正電壓軌；以及 將來自所述AC輸入電壓的每一相順序連接到所述電力變換器中的DC總線的負(fù)電壓軌，其中每一相被交替地連接到所述正電壓軌和負(fù)電壓軌。
16.一種電力變換器，所述電力變換器包括: 輸入端，其配置為接收來自AC電源的電力； DC總線，其具有正電壓軌和負(fù)電壓軌； 至少一個(gè)正開關(guān)設(shè)備，其根據(jù)相應(yīng)的正門控信號選擇性地將所述輸入端連接到所述DC總線的所述正電壓軌； 至少一個(gè)負(fù)開關(guān)設(shè)備，其根據(jù)相應(yīng)的負(fù)門控信號選擇性地將所述輸入端連接到所述DC總線的所述負(fù)電壓軌； 存儲(chǔ)設(shè)備，其存儲(chǔ)一系列指令；以及 控制器，其配置為執(zhí)行所述一系列 指令以完成以下操作: 執(zhí)行調(diào)制例程以產(chǎn)生所述正門控信號和所述負(fù)門控信號中的每一個(gè)； 確定由所述AC電源產(chǎn)生的電力的大小，當(dāng)由所述DC電源產(chǎn)生的電力的大小超過第一預(yù)定閾值時(shí)，在第一運(yùn)行模式下針對所述正開關(guān)設(shè)備和所述負(fù)開關(guān)設(shè)備中的每一個(gè)產(chǎn)生所述正門控信號和所述負(fù)門控信號，以及當(dāng)由所述DC電源產(chǎn)生的電力的大小小于所述第一預(yù)定閾值時(shí)，在第二運(yùn)行模式下針對所述正開關(guān)設(shè)備和所述負(fù)開關(guān)設(shè)備中的每一個(gè)產(chǎn)生所述正門控信號和所述負(fù)門控信號，其中 在所述第一運(yùn)行模式期間，所述控制器在所述調(diào)制例程中周期性地插入消隱時(shí)間，在所述消隱時(shí)間期間禁用所述正門控信號和所述負(fù)門控信號，以及 在所述第二運(yùn)行模式期間，所述正開關(guān)設(shè)備中的每一個(gè)順序地將所述輸入端連接到所述正電壓軌，并且所述負(fù)開關(guān)設(shè)備中的每一個(gè)順序地將所述輸入端連接到所述負(fù)電壓軌。
17.如權(quán)利要求16所述的電力變換器，其中在所述第二運(yùn)行模式期間，所述控制器執(zhí)行電流控制器，所述電流控制器根據(jù)在所述AC電源和所述DC總線之間傳輸?shù)碾娏鞲淖兯鏊绤^(qū)時(shí)間。
18.如權(quán)利要求16所述的電力變換器，其中在所述第二運(yùn)行模式期間，所述控制器以可變調(diào)制周期和固定導(dǎo)通時(shí)間執(zhí)行所述調(diào)制例程。
19.如權(quán)利要求18所述的電力變換器，其中所述存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)查找表，所述查找表定義了在所述第三運(yùn)行模式期間的所述調(diào)制周期的變化率，所述調(diào)制周期的變化率隨當(dāng)前調(diào)制周期而變。
【文檔編號】H02J3/38GK104011987SQ201280062909
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月19日
【發(fā)明者】杰弗里·A·賴卡德, 內(nèi)森·喬布, 托馬斯·艾倫·勞本斯特恩 申請人:Zbb能源公司