專(zhuān)利名稱(chēng)：可變開(kāi)關(guān)頻率的電力轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于諸如光伏或風(fēng)電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等電負(fù)載、或諸如電動(dòng)機(jī)等其他電負(fù)載的電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在來(lái)自例如光伏或風(fēng)能源的電力發(fā)電中，經(jīng)由諸如并網(wǎng)逆變器(grid-tieinverter)等電轉(zhuǎn)換逆變器向電網(wǎng)饋入所供應(yīng)的電,該電轉(zhuǎn)換逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成適合的電壓和頻率的交流電。在電動(dòng)機(jī)的控制中，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器用來(lái)按照要求調(diào)整向電動(dòng)機(jī)供電的電壓和頻率。通常，逆變器為固態(tài)開(kāi)關(guān)逆變器，該固態(tài)開(kāi)關(guān)逆變器通過(guò)脈寬調(diào)制(PWM, pulse wave modulation)調(diào)整其輸出。就電轉(zhuǎn)換逆變器而言,通過(guò)采用含有實(shí)際存在的電感元件的電濾波器，經(jīng)脈沖處理的輸出變?yōu)檎贾鲗?dǎo)地位的正弦波形。而對(duì)于電動(dòng)機(jī)或其他電機(jī)，機(jī)器的固有電感通常足以在該機(jī)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)此功能。因此，無(wú)論電動(dòng)或發(fā)電，電機(jī)可類(lèi)似地采用轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與電機(jī)所連接至的電系統(tǒng)接口。這里，用于對(duì)來(lái)自輸入到電力網(wǎng)絡(luò)的發(fā)電源的電源進(jìn)行調(diào)整、或者對(duì)控制電機(jī)的電源進(jìn)行調(diào)整的設(shè)備被統(tǒng)稱(chēng)為電力轉(zhuǎn)換器。對(duì)于電力轉(zhuǎn)換器，逆變器自身的效率通常為98%左右，濾波器的效率為99%左右。對(duì)于這樣的系統(tǒng)，在市場(chǎng)中效率是關(guān)鍵的競(jìng)爭(zhēng)因素，因?yàn)槠溆绊懤鐏?lái)自給定的能量源的能量產(chǎn)出。在競(jìng)爭(zhēng)中小至0.2%的效率提升可成為決定性的因素。對(duì)于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器，逆變器自身的效率通常也為98%左右，但相關(guān)的電動(dòng)機(jī)的效率可在約80%至95%的范圍內(nèi)變化，這取決于電動(dòng)機(jī)的額定功率及其設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。通常，一方面驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工業(yè)市場(chǎng)由電機(jī)制造商提供服務(wù)，而另一方面由逆變器制造商提供服務(wù)。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器的制造商相互競(jìng)爭(zhēng)，以生產(chǎn)出在執(zhí)行任務(wù)的靈活性和適應(yīng)性方面的“功能豐富”的、并且在轉(zhuǎn)換器效率上也具競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。因此，通?；谛实馁u(mài)點(diǎn)是不重要的，因?yàn)橄鄬?duì)于轉(zhuǎn)換器的吞吐量以及相對(duì)于電動(dòng)機(jī)內(nèi)的損耗來(lái)講，該損耗是小的。可通過(guò)調(diào)整脈寬調(diào)制的頻率來(lái)最優(yōu)化逆變器的效率。采用脈寬調(diào)制的逆變器承受基于開(kāi)關(guān)事件頻率的損耗。通常，單在高負(fù)載電流下來(lái)看，逆變器的最高效率是以低的開(kāi)關(guān)頻率給出的。這是因?yàn)槟孀兤鲀?nèi)的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)損耗起主導(dǎo)作用。在選擇開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，相反因素可為噪聲和動(dòng)態(tài)控制的質(zhì)量，其通過(guò)較高的開(kāi)關(guān)頻率得以改善。對(duì)于與逆變器連接的機(jī)器或?yàn)V波器，存在由來(lái)自逆變器脈寬調(diào)制的磁通量波動(dòng)引起的附加損耗。該附加損耗通常可通過(guò)采用較高的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)降低。商業(yè)上，用于控制諸如電動(dòng)機(jī)或發(fā)電設(shè)備的輸出等電負(fù)載的電力轉(zhuǎn)換器被設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)未指定的負(fù)載設(shè)備。實(shí)際的方法是:將現(xiàn)貨供應(yīng)的轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)貨供應(yīng)的電負(fù)載相匹配，以獲得在抽象工作點(diǎn)上的最優(yōu)匹配。一些電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器設(shè)計(jì)成具有可選的開(kāi)關(guān)頻率。換句話說(shuō)，這些電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器可具有與逆變器運(yùn)行條件適配的頻率，其中逆變器運(yùn)行條件基于如逆變器熱敏零件的溫度?，F(xiàn)有逆變器開(kāi)關(guān)頻率的調(diào)整僅適配于逆變器的條件。

發(fā)明內(nèi)容
公開(kāi)的實(shí)施例提供用于電負(fù)載的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括:電設(shè)備；轉(zhuǎn)換器，具有經(jīng)脈沖調(diào)制的輸出；控制器，被可操作地連接以控制所述轉(zhuǎn)換器的輸出；以及用于推導(dǎo)的裝置，該裝置用于推導(dǎo)表示來(lái)自所述轉(zhuǎn)換器的輸出的分量的信號(hào)，所述控制器可基于負(fù)載特征和推導(dǎo)出的信號(hào)為所述系統(tǒng)推導(dǎo)出所述逆變器的脈沖開(kāi)關(guān)頻率的最優(yōu)值；并可操作用于按照所述最優(yōu)值控制所述脈沖開(kāi)關(guān)頻率。整個(gè)系統(tǒng)(比如帶有其濾波器的電轉(zhuǎn)換逆變器，或帶有其電動(dòng)機(jī)或機(jī)器的逆變器)的效率是逆變器和濾波器二者、或逆變器和機(jī)器二者內(nèi)的損耗的函數(shù)。對(duì)于特定負(fù)載的特定系統(tǒng)，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到通常存在使系統(tǒng)整體效率最優(yōu)的開(kāi)關(guān)頻率。為使電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器或電轉(zhuǎn)換逆變器的效率最優(yōu)，按照選定的查找表、數(shù)學(xué)表達(dá)式或數(shù)值規(guī)則對(duì)開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行適配，其中查找表、數(shù)學(xué)表達(dá)式或數(shù)值規(guī)則被選擇以使負(fù)載和驅(qū)動(dòng)器(或逆變器)的組合的整體效率最優(yōu)。通過(guò)將開(kāi)關(guān)頻率與負(fù)載電流或某些其他的與該電流相關(guān)的合適參數(shù)相適配以找到最優(yōu)效率。本文公開(kāi)的實(shí)施例利用系統(tǒng)整體運(yùn)行狀況來(lái)使效率最優(yōu)。


現(xiàn)將參考下列附圖以舉例的方式描述實(shí)施例，附圖中:圖1是電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的示意性框圖；圖2是替代的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的示意性框圖；圖3是能量轉(zhuǎn)換器控制系統(tǒng)的示意性框圖。
具體實(shí)施例方式參考圖1,電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)包括變頻逆變器(VFI, variable frequency inverter)10，其具有經(jīng)由線12和14輸入的、直流電源電壓的電源。逆變器10經(jīng)由整流器16被饋以整流器三相交流電。逆變器10可被直接饋以直流電。VFI 10的輸出經(jīng)由電線20、22、24被提供給直流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)18的電輸入。直流鏈路電容26跨接在向逆變器10供電的直流電線12和14之間?；谔幚砥鞯目刂破?8通過(guò)信號(hào)線30控制VFI 10。對(duì)電動(dòng)機(jī)18的要求由輸入設(shè)備32來(lái)設(shè)定。輸入設(shè)備32可為諸如反饋系統(tǒng)等另一控制系統(tǒng)的一部分，其中電動(dòng)機(jī)是該控制系統(tǒng)的部分；或可為諸如控制輸入器等用戶輸入設(shè)備。在本實(shí)施例中，控制器28具有至少一個(gè)電流傳感器34，其被設(shè)置在電動(dòng)機(jī)線20至24的至少一條上。該電流傳感器34提供表不電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流的信號(hào)。控制器具有將所測(cè)量的電流分解成推導(dǎo)出的與電壓相關(guān)的電流分量的機(jī)構(gòu)，其中該分量通常為電流的轉(zhuǎn)矩生成分量和磁化分量。 控制器28具有查找表36。該表36可位于處理器存儲(chǔ)器中或?yàn)樽园?self-contained)的模塊。向查找表36加載電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流的坐標(biāo)(coordinate)或推導(dǎo)出的諸如轉(zhuǎn)矩生成電流等與電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流相關(guān)的值，以及其他諸如電動(dòng)機(jī)電頻率或電動(dòng)機(jī)速度等可選參數(shù)，并且對(duì)于每個(gè)負(fù)載電流值或條件的組合給出VFI輸出開(kāi)關(guān)頻率，以獲得最優(yōu)效率。通常，電動(dòng)機(jī)電流經(jīng)常是有用的輸入?yún)?shù)，因?yàn)樵诓豢紤]電流相位角的情況下，逆變器開(kāi)關(guān)損耗主要是電流幅度的函數(shù)。但在某些情況下，如適合的測(cè)試的結(jié)果所確定的，可發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩生成電流是更有用的參數(shù)。如所指出的，在給定的負(fù)載下，直流電源被轉(zhuǎn)換成在適合于電動(dòng)機(jī)的頻率的且在用于按照期望的速率來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的可變電流幅度的開(kāi)關(guān)輸出交流電源。在本實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)頻率被配置為使得對(duì)于給定的電動(dòng)機(jī)特征而言整個(gè)系統(tǒng)的效率最優(yōu)，其中，該給定的電動(dòng)機(jī)特征為以下變量的函數(shù)，該變量表示與逆變器負(fù)載直接相關(guān)的電動(dòng)機(jī)電流或轉(zhuǎn)矩生成電流?？砂凑崭鞣N方式推導(dǎo)出用于查找表中的負(fù)載電流值的開(kāi)關(guān)頻率值。首先，可從對(duì)額定的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)或類(lèi)型的給定尺寸的電動(dòng)機(jī)展開(kāi)的測(cè)試或運(yùn)算中推導(dǎo)出該開(kāi)關(guān)頻率值。此方法特別適用于配有符合標(biāo)準(zhǔn)化效率等級(jí)的電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器的使用，其中，該標(biāo)準(zhǔn)化效率等級(jí)依照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC60034-30:2009，而該國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)在歐盟的使用是委員會(huì)規(guī)章(Commission Regulation) (EC) No 6400/2009所強(qiáng)制要求的。此方法對(duì)于其他廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)“目標(biāo)電動(dòng)機(jī)”也可適用?？商鎿Q地，可在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試條件下，由查找表中采用的期望值來(lái)表征單個(gè)的電動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型。技術(shù)人員會(huì)了解用于表征電動(dòng)機(jī)的方法，因此這里不再贅述。要求輸入32創(chuàng)建來(lái)自基于處理器的控制器28的控制輸出，該控制輸出施加到VFI10上，產(chǎn)生由查找表向控制器所指定的開(kāi)關(guān)頻率上的輸出驅(qū)動(dòng)電壓。該推導(dǎo)出的信號(hào)與前面所確定的驅(qū)動(dòng)器輸出及負(fù)載的效率直接相關(guān)。機(jī)器的特征提供關(guān)于在給定運(yùn)行條件集下的負(fù)載效率的信息。利用這些參數(shù)，系統(tǒng)可使用關(guān)于整體系統(tǒng)的信息來(lái)確定在給定負(fù)載下整個(gè)電動(dòng)機(jī)-逆變器系統(tǒng)的最優(yōu)開(kāi)關(guān)頻率。系統(tǒng)對(duì)能夠使系統(tǒng)的整體效率得以維持的變量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖2是圖1的替代方案，其中電流傳感器34被電流傳感器38所替代，電流傳感器38被布置在至VFI的電源線上。于是該傳感器的輸出信號(hào)表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩生成電流。在所有上述例子中，VFI的開(kāi)關(guān)頻率被設(shè)置為適合變量的函數(shù)，該適合的變量表示負(fù)載的相關(guān)轉(zhuǎn)矩生成電流。最典型地，該相關(guān)變量為逆變器交流輸出電流，但其同樣也可從其他變量合理推導(dǎo)出的。例如，在電動(dòng)機(jī)具有低功率因數(shù)，且電流對(duì)電動(dòng)機(jī)功率不是特別敏感的情況下，可采用諸如直流電流等替代的變量。除了查找表以外，可使用諸如多項(xiàng)式等數(shù)學(xué)或算法表達(dá)式或者一系列邏輯比較的形式定義該函數(shù)。對(duì)于逆變器驅(qū)動(dòng)器，該函數(shù)可被設(shè)置為:使得當(dāng)采用特定的目標(biāo)電動(dòng)機(jī)時(shí)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率最優(yōu)，其中，目標(biāo)電動(dòng)機(jī)可為表征的實(shí)際電動(dòng)機(jī)、或標(biāo)準(zhǔn)化的今后會(huì)用來(lái)定義任何新驅(qū)動(dòng)效率等級(jí)的電動(dòng)機(jī)。上面示出，可從各種來(lái)源推導(dǎo)出電動(dòng)機(jī)中關(guān)于電流或轉(zhuǎn)矩生成電流的信息。公開(kāi)的實(shí)施例考慮了系統(tǒng)中的整體損耗，并不僅是使逆變器自身最優(yōu)。在所有上面所討論的例子中，逆變器控制系統(tǒng)還可針對(duì)與其自身操作相關(guān)的原因來(lái)適配開(kāi)關(guān)頻率，比如用來(lái)避免逆變器溫度的過(guò)度升高或適應(yīng)高負(fù)載水平或高環(huán)境溫度。系統(tǒng)效率優(yōu)化功能被設(shè)置為受制于任何其他的系統(tǒng)限制來(lái)選擇最合適的開(kāi)關(guān)頻率，其中在必要的情況下這些系統(tǒng)限制具有更高的優(yōu)先級(jí)。圖3是用于將諸如光伏陣列等直流源42連接至交流網(wǎng)或電網(wǎng)44的VFI電力轉(zhuǎn)換器40的示意性框圖。其包括被設(shè)置為與電網(wǎng)同步的變頻逆變器；濾波器46，該濾波器46防止來(lái)自逆變器脈寬調(diào)制的過(guò)度波紋電流流入網(wǎng)絡(luò)。在一些情況下，可包括輸出變壓器(未示出)。測(cè)量逆變器輸出電流并使其可提供給逆變器控制器，用于與其控制相關(guān)的各種目的，但一個(gè)附加的目的是按電流對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行最優(yōu)化的處理。對(duì)于控制諸如光伏或風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)等發(fā)電系統(tǒng)的輸出的電逆變器，該函數(shù)被設(shè)置為:使包括其預(yù)期輸出電感、濾波器以及任何可應(yīng)用的輸出變壓器在內(nèi)的整個(gè)逆變器的效率最優(yōu)。對(duì)于發(fā)電的情況，整個(gè)系統(tǒng)包括輸出電感或連接至交流電網(wǎng)或負(fù)載的濾波器，以替代作為負(fù)載的電動(dòng)機(jī)。通過(guò)考慮整個(gè)逆變器系統(tǒng)的運(yùn)行條件，特別是在部分負(fù)載處的運(yùn)行條件而獲得提升的效率。這是因?yàn)楝F(xiàn)有的系統(tǒng)將開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定在低的值，以最優(yōu)化全部負(fù)載效率(使全部負(fù)載損耗最小)。但是，該開(kāi)關(guān)頻率在部分負(fù)載處通常不是最優(yōu)的一個(gè)，在部分負(fù)載處，由開(kāi)關(guān)引起的在濾波器內(nèi)的固定損耗比逆變器損耗更顯著。在諸如光伏和其他可再生的電吞吐量可顯著變化的系統(tǒng)中所使用的并網(wǎng)逆變器中，依照諸如EN 50530:2010和加州能量委員會(huì)(California Energy Commission)逆變器測(cè)試協(xié)議等標(biāo)準(zhǔn)的所宣布效率目前為各種負(fù)載處效率的加權(quán)平均。部分負(fù)載效率對(duì)該宣布的值有重要影響，因此使開(kāi)關(guān)頻率按負(fù)載調(diào)整可允許該公布的有效效率得以顯著提升。
權(quán)利要求
1.一種電力轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，該電力轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)包括: 電負(fù)載； 電力轉(zhuǎn)換器，該電力轉(zhuǎn)換器具有連接至所述負(fù)載的變頻輸出； 控制器，被可操作地連接以控制所述電力轉(zhuǎn)換器的所述輸出； 用于產(chǎn)生信號(hào)的裝置，所述信號(hào)表示負(fù)載電流； 用于推導(dǎo)的裝置，該用于推導(dǎo)的裝置基于所述信號(hào)和所述負(fù)載的特征的表達(dá)推導(dǎo)出所述電力轉(zhuǎn)換器的所述輸出的開(kāi)關(guān)頻率的值；以及 用于設(shè)定的裝置，該用于設(shè)定的裝置按照所述值設(shè)定所述電力轉(zhuǎn)換器的所述開(kāi)關(guān)頻率。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述用于推導(dǎo)的裝置包括查找表。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述用于推導(dǎo)的裝置包括用于運(yùn)行算法的裝置。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述用于推導(dǎo)的裝置包括用于運(yùn)行數(shù)學(xué)表達(dá)式的裝置，所述數(shù)學(xué)表達(dá)式如多項(xiàng)式表達(dá)式。
5.如權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述用于產(chǎn)生信號(hào)的裝置包括與所述電轉(zhuǎn)換器的所述輸出相關(guān)地設(shè)置的電流傳感器。
6.如權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述用于產(chǎn)生信號(hào)的裝置包括與所述電轉(zhuǎn)換器的電源相關(guān)地設(shè)置的電流傳感器。
7.如權(quán)利要求1-6中任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng),其中所述電力轉(zhuǎn)換器從直流電輸入產(chǎn)生交流電輸出。
8.如權(quán)利要求1-7中任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng),其中所述負(fù)載為從電力輸入產(chǎn)生機(jī)械輸出的電機(jī)，例如，諸如交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)。
9.如權(quán)利要求1-7中任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述負(fù)載為電力網(wǎng)絡(luò)，并且所述電力轉(zhuǎn)換器被供以可再生能量源，諸如光伏電池或風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
10.如權(quán)利要求1-9中任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述用于設(shè)定的裝置可操作用于設(shè)定所述開(kāi)關(guān)頻率以使所述系統(tǒng)的效率最優(yōu)化。
11.一種從具有連接至電負(fù)載的變頻輸出的電力轉(zhuǎn)換器處進(jìn)行電轉(zhuǎn)換的電轉(zhuǎn)換方法，所述電轉(zhuǎn)換方法包括: 產(chǎn)生表示負(fù)載電流的信號(hào)； 基于所述信號(hào)和所述負(fù)載的特征的表達(dá)式推導(dǎo)出所述電力 轉(zhuǎn)換器的所述輸出的開(kāi)關(guān)頻率的值；以及 按照所述值設(shè)定所述電力轉(zhuǎn)換器的所述開(kāi)關(guān)頻率。
全文摘要
本發(fā)明涉及可變開(kāi)關(guān)頻率的電力轉(zhuǎn)換器。電力轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)包括電負(fù)載；電力轉(zhuǎn)換器，該電力轉(zhuǎn)換器具有連接至所述負(fù)載的變頻輸出；控制器，被可操作地連接以控制所述電力轉(zhuǎn)換器的所述輸出；用于產(chǎn)生信號(hào)的裝置，所述信號(hào)表示負(fù)載電流；用于推導(dǎo)的裝置，該用于推導(dǎo)的裝置基于所述信號(hào)和所述負(fù)載的特征的表達(dá)推導(dǎo)出所述電力轉(zhuǎn)換器的所述輸出的開(kāi)關(guān)頻率的值；以及用于設(shè)定的裝置，該用于設(shè)定的裝置按照所述值設(shè)定所述電力轉(zhuǎn)換器的所述開(kāi)關(guān)頻率。
文檔編號(hào)H02M7/48GK103166492SQ201210548648
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月16日
發(fā)明者科林·哈吉斯 申請(qǐng)人:控制技術(shù)有限公司