專利名稱：Ups變頻器和線路調節器的制作方法
技術領域：
本發明的至少一個實施方案通常涉及變換器的控制，更具體地說，涉及至少與 不間斷電源、變頻器和線路調節器之一相關聯的變換器的控制。
背景技術：
至少形成不間斷電源(UPS)、變頻器或線路調節器的部件的變換器用來把可靠 的電力提供給許多不同類型的電子設備。時常，這樣的電子設備需要來自變換器的特定 的電壓和/或電流輸入。變換器輸入電流中不想要的畸變能通過變換器輸出加到用電設 備上，這將造成低效操作、生產力損失，而且可能需要昂貴的電子元器件維護和更換費用。圖1提供典型變換器100的方框圖，該變換器形成把穩定功率和備份功率提供給 負荷140的UPS的部件。與圖1所示類似的UPS可從West Kingston的美國能量變換公 司(American PowerConversion (APC) Corporation) RI 購買。變換器 100 可以包括整流器 110、逆變器120、控制器130和電池150。變換器100有分別與輸入AC電源的輸電線 和中性線聯結的輸入端112和114而且有把輸出線和中性線提供給負荷140的輸出端116 和 118。在線操作模式中，在控制器130的控制下，整流器110接受交流輸入電壓并且以 輸出線121和122提供相對于公用線124正的和負的DC輸出電壓。在電池操作模式中， 在失去輸入的交流功率之時，整流器110利用電池150產生DC電壓。公用線124可能 與輸入中性線114和輸出中性線118聯結通過變換器100提供連續的中性線。逆變器120 接受來自整流器110的DC電壓并且以輸電線116和118提供AC輸出電壓。

發明內容
在此揭示的系統和方法監視和控制給UPS、變頻器或線路調節器中的一個或多 個的變換器的輸入。為了提高效率，至少部分地由紋波電壓造成的畸變可以從控制信號 中除去。此外，給變換器的輸入電流可以受到控制。這將改善變換器的操作和至少減少 或消除來自變換器輸入的諧波畸變和次諧波振蕩信號之一。本發明的至少一個方面指向 用來控制變換器的方法。該方法接受包括諸如紋波電壓之類的畸變的電壓信號并且部分 地基于該電壓信號通過將該電壓信號與參考信號與進行比較確定控制信號。該控制信號 可以包括與紋波電壓相關聯的畸變。該方法通過至少濾掉一部分來自該控制信號的紋波 電壓產生畸變比該控制信號少的平均控制信號。該方法至少部分地基于該平均控制信號 產生參考電流值并且向該參考電流值驅動變換器的輸入電流。本發明的至少一個其它方面指向用來控制變換器的系統。該系統包括與變換器 相關聯而且包括濾波器的控制模塊。該濾波器適合接受有與紋波電壓相關聯的畸變的控 制信號，該濾波器還適合產生實質上沒有紋波電壓的平均控制信號。該控制模塊適合至 少部分地基于該平均控制信號產生參考電流值，該控制模塊進一步適合向該參考電流值驅動變換器的輸入電流。本發明的至少一個其它方面指向用來控制不間斷電源的系統。該系統包括用 來過濾有與紋波電壓相關聯的畸變的控制信號產生實質上沒有畸變的平均控制信號的裝 置。控制模塊與不間斷電源相關聯，該控制模塊適合至少部分地基于該平均控制信號產 生參考電流值。該控制模塊進一步適合向該電流參考值驅動不間斷電源的輸入電流。本發明的至少一個其它方面指向一種存有包括將促使處理器控制變換器接受包 括紋波電壓的電壓信號的指令的指令序列的計算機易讀的媒體。那些指令促使處理器控 制變換器部分地基于該電壓信號通過將該電壓信號與參考信號進行比較確定控制信號， 該控制信號包括與紋波電壓相關聯的畸變。那些指令促使處理器控制變換器通過至少濾 掉一部分來自該控制信號的紋波電壓產生平均控制信號并且至少部分地基于該平均控制 信號產生參考電流值。那些指令促使處理器控制變換器向參考電流值驅動變換器的輸入 電流并且把該輸入電流加給至少與不間斷電源、變頻器和線路調節器之一相關聯的整流器。這些方面的各種不同的各種不同的實施方案可能包括為變換器的輸入電流提供 功率因數校正或者偏移該平均控制信號的相位。至少一個實施方案可能包括把來自變換 器的輸出電流提供給負荷。在各種不同的實施方案中，從變換器到負荷的輸出電流可能 有與變換器的輸入電流同步或異步的頻率。在一個實施方案中，紋波電壓可以從電壓信 號中濾掉，而且該電壓信號可能被向參考電壓值驅動。一個實施方案包括按電壓信號周 期的眾多時間例證抽取控制信號子樣以產生平均控制信號。在各種不同的實施方案中， 至少整流器和逆變器之一可能與變換器相關聯，而且濾波器可能適合至少將一部分次諧 波振蕩信號、總諧波畸變信號或兩者從變換器的輸入電流中除去。在一個實施方案中， 超前滯后補償器調整平均控制信號的相位。在各種不同的實施方案中，脈寬調制控制信 號占空比的調整把變換器的輸入電流向參考電流值驅動。這些目標和目的是用依照權利要求1和任何其它權利要求的方法和系統實現 的。進一步的細節可以在剩余的權利要求中找到。在此揭示的系統和方法的其它方面 和優勢從下面與僅僅作為范例舉例說明本發明的原則的附圖相結合的詳細描述將變得明顯。


這些附圖不打算依比例繪制。在這些附圖中，每個在各種不同的附圖中列舉的 同一的或幾乎同一的元器件將用相似的數字表示。為了清楚，可能并非每個元器件在每 幅附圖中都被標注出來。在這些附圖中圖1是依照本發明的實施方案舉例說明變換器的功能方框圖；圖2是依照本發明的實施方案舉例說明變換器的控制的系統方框圖；圖3是依照本發明的實施方案舉例說明變換器輸入電流的次諧波振蕩的曲線 圖；圖4是依照本發明的實施方案舉例說明變換器輸入電流的總諧波畸變的曲線 圖；圖5是依照本發明的實施方案舉例說明移動平均濾波器的增益特征的曲線圖6是依照本發明的實施方案舉例說明變換器的控制的方框圖；圖7是依照本發明的一個實施方案舉例說明移動平均濾波器的信號濾波的曲線 圖；圖8是依照本發明的一個實施方案描繪變換器的操作的曲線圖；而圖9是依照本發明的實施方案用來控制變換器的方法的流程圖。
具體實施例方式這項發明在其應用方面不局限于在下面的描述中陳述的和在附圖中舉例說明的 元器件的構造和安排的細節。本發明可以有其它的實施方案而且能夠以各式各樣的方式 實踐或實現。另外，在此使用的片語和術語是為了描述，不應該被視為限制。本發明的至少一個實施方案改善變換器(例如，圖1的變換器)的控制。然而， 本發明的實施方案不局限于圖1的變換器，而是可能通常用于其它的變換器、電源、變 頻器線路調節器或其它系統。如用于舉例說明的附圖所示，本發明可能體現在用來控制變換器的系統和方法 之中。這些系統和方法能向減少畸變的參考電流值驅動變換器的輸入電流。在此揭示的 系統和方法的實施方案用來濾掉次諧波振蕩、諧波畸變或兩者。圖2是依照本發明的實施方案舉例說明變換器的控制系統200的方框圖。系統 200通常包括至少一個變換器205。變換器205可能包括把交流(AC)信號變換成DC (DC) 信號或者把DC信號變換成AC信號的電路。在一個實施方案中，變換器205包括把AC 信號變換成DC信號和把DC信號變換成AC信號的電路。變換器205可能包括不間斷電 源、變頻器或線路調節器。舉例來說在一個實施方案中，變換器205能包括維持連續地 或幾乎連續地給各種不同的負荷供應電力的不間斷電源(UPS)。這種UPS可能有聯機的 或脫機的變化。在一個實施方案中，變換器205能服從在IEEE-519和IEC 61000-3-2工 業標準中陳述的諧波標準。變換器205可能包括至少one整流器210。整流器210通常包括把AC信號變換 成DC信號的電路。在一個實施方案中，整流器210包括功率因數校正(PFC)整流器。 PFC整流器通常調整整流器210的功率因數減少由整個系統200消散的而且能，舉例來 說，在有非線性負荷的情況下作為在整流器210的輸入電流中的諧波畸變出現的無功功 率損失造成的功率損失。功率因數為1是理想的而且代表損失最小的系統，而系統200 在整流器210包括PFC整流器的一個實施方案中能維持功率因數接近1.0，例如，至少 0.90。整流器210可能在各種不同的實施方案中提供半波或全波整流。在一個實施方案中，變換器205的整流器210能向至少一個逆變器215輸出電壓 Vdc和/或電流IDC。在其它的實施方案中，整流器210能向至少一個負荷220輸出Vdc 或IDe。逆變器215在一個實施方案中能作為變換器205的部件被包括在內。在有逆變器 215存在的一個實施方案中，逆變器215能接受來自整流器210的DC電壓Vdc并且把AC 輸出信號提供給可能包括非線性負荷(例如，計算機負荷或其它電子設備)的負荷220。 在各種不同的實施方案中，逆變器215可能包括三相逆變器或單相逆變器。在一個實施 方案中，逆變器215可能包括像在此通過引證并入的授權給Nelson并且轉讓給本申請的 受讓人的美國專利第6,838,925和7,126,409號所 描述的那樣的逆變器。
負荷220可能包括線性或非線性負荷。舉例來說，負荷220可能包括計算機、月艮 務器、通信設備、數據存儲設備、插件模塊，或需要輸入功率的其它電子設備或器件。 負荷220可能包括DC負荷或AC負荷，而且在各種不同的實施方案中，負荷220能至少 接受整流器210和逆變器215之一的電壓輸出作為輸入。系統200描述逆變器215是存 在的并且把輸出提供給負荷220的實施方案。在一個實施方案中，系統200可能不包括 逆變器215。舉例來說，變換器205可能包括變頻器，而整流器210的輸出能被作為輸入 應用于負荷220。 在一個實施方案中，變換器205形成AC-DC-AC雙轉換電源轉換器系統(例 如，不間斷電源、變頻器或AC線路調節器)的部件。這樣的雙轉換系統可以按同步或 異步操作模式運行。在同步運行期間，變換器205的輸出電流有通常與變換器205輸入 電流的頻率同步的頻率。在異步運行期間，變換器205的輸出有通常有與變換器205的 輸入電流的頻率不同步的頻率。在一個實施方案中，輸出頻率可能不同于輸入頻率。在 同步或異步運行之下，AC-DC-AC雙轉換系統的整流器210的輸入電流的畸變能引起總 諧波畸變(THD)和較低的輸入功率因數。在雙轉換系統的一個實施方案中，變換器205包括整流器210和逆變器215，而 整流器210可能包括PFC前端整流器。通常，整流器210的輸入電流在同步和異步模式 之下都可能畸變。舉例來說，按異步操作模式操作AC-DC-AC雙轉換系統能將次諧波振 蕩引進整流器210的輸入電流，因為整流器210可能從圖1的主線路112和114吸取振蕩 電流。圖3是曲線圖舉例說明次諧波振蕩of變換器輸入電流依照an實施方案。如同圖 3的實施方案列舉的那樣，整流器210的DC總線電壓Vdc中的紋波電壓VDC(Rippid弓丨起次 諧波振蕩和使整流器210輸入電流Iin發生畸變。舉例來說，當整流器210輸入電流攜帶 頻率低于整流器210的輸出頻率的成份的時候，圖3描繪的次諧波振蕩可能發生。這能 在整流器210的電源變壓器和電感線圈引起磁飽和。次諧波振蕩還能在系統200的公用 聯結點(PCC)引起電壓波形畸變而且能引起不想要的視覺感知的光閃爍。圖4是依照本發明的實施方案曲線圖舉例說明變換器輸入電流的諧波畸變。在 各種不同的實施方案中，當變換器205在同步或異步模式下運行的時候，諧波畸變可能 發生。變換器205的輸入電流IIN，(即，整流器210的輸入電流)的畸變能增加IinTHD 水平和已減少的輸入功率因數。回到圖2，在一個實施方案中，在此揭示的系統和方法包括在同步和異步模式之 下進入變換器205的輸入特性的數字控制。舉例來說，在此揭示的控制系統和方法能在 AC-DC-AC雙轉換系統的變換器205按異步模式運行的時候消除次諧波振蕩而且能在同 步和異步模式期間減少AC-DC-AC雙轉換系統的輸入電流總諧波畸變。參照圖2的系統200，變換器205的特性可能受至少一個控制模塊225的控制。 控制模塊225通常控制變換器205的操作而且可能包括至少一個處理器。舉例來說控制 模塊225可能控制整流器210的一個或多個輸入電流Iin和電壓VDC。舉例來說整流器210 能沿著至少一條總線線路饋送一個或多個IDe和VDe，而逆變器215能把一個或多個電壓 Vqut和電流Iqut饋送給負荷220。在這個范例的各種不同的實施方案中，逆變器215的 輸出電壓(即，Vqut)的頻率可能與整流器210的輸入電壓的頻率相同或不同。就這個范例繼續，控制模塊225能調整整流器210的輸入電流IIN，通過，舉例來說，至少部分地基 于負荷220的電力需求調節整流器210的輸入電流，將DC總線電壓Vdc保持在參考電壓 Vdco在一個實施方案中，控制模塊225包括至少一個電壓調節器230。電壓調節器 230維持通常不變的輸出電壓水平而且可能包括，舉例來說，任何比例(P)型、比例-積 分(PI)型，或比例-積分-微分(PID)型的電壓調節器。電壓調節器230的輸出在實施 方案中能作為至少一個濾波器的輸入(例如，至少一個移動平均濾波器235)。移動平均 濾波器235通常這樣操作，S卩，計算來自輸入信號的許多抽樣點的平均值產生輸出信號 的每個點。移動平均濾波器235能對電壓調節器230的輸出進行濾波，而且在各種不同 的實施方案中，移動平均濾波器235可以包括有低時間常數將對整流器210電壓回路穩定 性的影響減到最小的一階系統。在一個實施方案中，移動平均濾波器包括有限脈沖響應 (FIR)濾波器。雖然圖2沒有展示，但是人們應該領會到控制模塊225的輸出可能作為變換器 205的輸入。舉例來說，控制模塊225的參考電流Iin'可能在整流器210處加給變換器 205的輸入端。在一個實施方案中，控制模塊225向控制模塊225參考電流Ili；的數值驅 動變換器205的輸入電流IIN。在一個實施方案中，變換器205包括控制模塊225。舉例 來說，控制模塊225可能被集成到變換器205之中或作為變換器205的部件。圖5是依照本發明的實施方案舉例說明移動平均濾波器235的增益特征的曲線 圖。如同在圖5中列舉的那樣，移動平均濾波器235可能在頻率fw及其倍數下提供零增 益，而在DC信號下提供單位增益。舉例來說，如果移動平均濾波器235的輸入是DC信 號，它將沒有衰減地傳送到輸出端。在一個實施方案中，如果移動平均濾波器235的輸 入60Hz信號而且時間窗口 Tw = 1/ \ν(即，在這個范例中為1/60Ηζ)，那么移動平均濾 波器235的輸出可能是零。移動平均濾波器235的輸出在2 \ν、3 \ν之類整數倍的輸入頻 率(即，120Hz，180Hz, 240Hz，等等)下也可能是零。在一個實施方案中，移動平均 濾波器235的輸入信號頻率可能是50Hz，其中Tw=l/60Hz。在這個范例中，增益可能 介于零和一之間。在這個范例的一個實施方案中，增益可能小于或等于0.25。進一步參照圖2，系統200可能還包括至少一個超前滯后補償器240，該超前滯 后補償器在一個實施方案中能調整可能由移動平均濾波器235引進的相位滯后。舉例來 說移動平均濾波器235可能在電壓回路的零交叉頻率或其周圍引進相位滯后。在這個實 施方案中，超前滯后補償器240可能與移動平均濾波器235串聯，以便在頻率響應中調整 這個滯后。舉例來說，就方程(1)而論，在一個實施方案中，移動平均濾波器235可能包 括一階低通濾波器，其中Gmaf(S)是移動平均濾波器235以為它的時間常數的等 價s域(即，頻率域)的轉移函數，而1+s τ ^f是移動平均濾波器235的有效極點。在 一個實施方案中，移動平均濾波器235的有效極點可能充分地遠離電壓回路過渡頻率， 以便它不干擾電壓回路的穩定性通常控制整流器210的輸入電流的總諧波畸變。舉例來 說，移動平均濾波器235的有效極點可能在大于或和等于60赫茲的位置，其中電壓回路 過渡頻率在大約6-ΙΟΗζ。(1) Gmaf (S) = 1/(1+s τ MAF)在系統200包括超前滯后補償器240的一個實施方案中，移動平均濾波器235在零交叉頻率周圍引進的相位變化能通過把超前滯后補償器240與移動平均濾波器235串聯 連接進行調整，如方程(2)所示，其中GLFAD-LAG(s)是超前滯后補償器240的s域轉 移函數，Tz和0.11是超前滯后補償器240的零點和極點的時間常數。在一個實施方案 中，時間常數1可能被設定在τΜΑΡ，(即，Tz= τ MAF),以便在方程(1)的實施方案中 補償移動平均濾波器235的極點。在另一個實施方案中，時間常數Tz可能被放在τ MAF 附近以減少移動平均濾波器235的極點影響。(2) Glead_lag = (l+sTz) /[1+ (O.lTz) s]在一個實施方案中，穩定態均方根(RMS)輸入電壓VIN(RMS)能隨著變換器205輸 出功率逐漸增加或由于供應規則從舉例來說120V的名義值逐漸減少。這可能發生在包括 計算機之類非線性負荷220的實施方案中。在一個實施方案中，RMS電壓校正可能適用 于控制模塊225補償這種減少實現恒定的功率控制(即，保持電壓調節器230的輸出P'在 輸入主線的電壓Vin變動期間通常是不變的)。在其它的實施方案中，RMS電壓校正能 用來改善系統200對抗輸入電壓Vin變化(例如，驟升或急降)之類的線路干擾的動態響 應。舉例來說，控制模塊225可能包括均方根(RMS)輸入電壓前饋回路245。通常， Vin(RMS)的下降能通過使用RMS輸入電壓前饋回路245來補償，該RMS輸入電壓前饋回 路在一個實施方案中調整參考電流I;以便乂⑶在滿負荷條件下保持在VDe'。在一個實 施方案中，RMS輸入電壓前饋回路245可能包括至少一個RMS電壓校正控制器，該控制 器，舉例來說，可能包括與數學運算或控制算法(包括，舉例來說，數字信號處理(DSP) 代碼)相關聯用來補償輸入主線電壓Vin的穩定態下降和在任何負荷220條件(包括非線 性負荷220的滿負荷條件)下保持乂⑶在VDe'或其附近的積分型控制器或低通濾波網絡。RMS輸入電壓前饋回路245通常實現恒定的功率控制，舉例來說，在包括各個 輸入相分享負荷的多相逆變器的應用中。RMS輸入電壓前饋回路245可能還改善變換器 205的動態響應，例如，在線路干擾(例如，輸入電壓Vin改變)期間DC總線電壓VDe 的和輸入電流的響應。在控制模塊225不包括RMS輸入電壓回路245的一個實施方案中，電壓調節器 230的輸出可能包括用于輸入電流Iin的參考電流振幅。圖6是舉例說明變換器205的控 制的方框圖，該方框圖包括這個實施方案的范例。如同圖6列舉的那樣，電壓調節器230 的輸出可能被接到移動平均濾波器235 (在圖6中未展示)上，以便濾掉來自電壓調節器 輸出電流I1/的紋波。進一步參照圖2，VIN(RMS是輸入電壓Vin的均方根數值，P'是輸入功率參考值， I1/是用來控制整流器210的輸入電流參考值。在一個實施方案中，輸入電流Iin可能與 Vin同相，而DC總線電流IDC—REC(整流器210的輸出電流)和IDC—INV(逆變器215的輸入 電流)至少能包括DC項、開關頻率項和低頻AC項之一。在一個或多個IDe—REe和Idcunv 中的AC項可能在DC總線電壓VDe中引起對應的紋波成份。在一個實施方案中，當與低 頻紋波電壓進行比較的時候，VDe中的開關頻率紋波電壓由于其較低的振幅可能被忽略。 所以，穩定態總線電壓Vdc除了包括參考電壓Vdc之外還包括低頻紋波電壓VDC(Rippi6)，如 方程⑶所示。(3) Vdc = VDC*+VDC(Rippie)在一個包括逆變器215的實施方案中，VDe(Rippk)可以被分成方程(4)展示的成份，其中哪里 VDC—REC(Rippl6)和 Vdc JNV(Ripple) 包括分別由整流器210和逆變器215貢獻的紋波 電壓。(4)VDC(Ripple)= “VdC—REC (Ripple)+VdC—INV(Ripple)在變換器205包括單一 DC總線的實施方案中，紋波電壓VDC—REC(Ripple)可能包含 在2XfIN及其倍數下的成份，其中fIN是變換器205的線路頻率。在替代實施方案中，變 換器205包括分立的DC總線，紋波電壓VDC—REC(Rippk)可能包含在fIN及其倍數下的成份。 類似地，在一個有逆變器215的實施方案中，紋波電壓VDe—INV(Rippk)在逆變器215包括多 電平逆變器的情況下可能包含在逆變器215輸出頻率^ut及其倍數下的成份，舉例來說， 在逆變器215包括雙電平逆變器的情況下在2XfQUT。在一個實施方案中，在穩定態，電壓調節器230處理紋波電壓VDC—REC(Ripple)和 vDe—INV(Rippk)并且把對應的紋波項引進參考功率信號P'。在這個實施方案中，如果不將 這些紋波項從P'中濾掉(舉例來說，用移動平均濾波器235)，它們就能轉嫁到參考電流 值Ili；上。在一個實施方案中，在參考電流值I1/中由VDe—REe(Rippk)引進的紋波如果不被 濾掉就可能在控制模塊225把Iin驅向Iin'的數值時引起整流器210輸入電流Iin的諧波畸 變。此外，在一個實施方案中，VDe—INV(Rippk)引進的紋波能在‘中引起次諧波振蕩和諧 波畸變，舉例來說，當變換器205按異步操作模式工作(例如，輸出電流Icjut有與輸入電 流IIN的頻率fIN異步的頻率Gut)的時候。在替代實施方案中，VDe—INV(Rippk)引進的紋波 可能引起Iln中的諧波畸變，舉例來說，當變換器205按同步操作模式工作(例如，輸出 電流Icjut有與輸入電流Iin的頻率同步的頻率Gut)的時候。在一個實施方案中，變換器205可能包括單一的AC-DC變換系統。這可能發生 在，舉例來說，沒有逆變器215而且負荷220包括越過DC總線線路與整流器210連接的 DC負荷的時候。在這個范例的一個實施方案中，Vdc可能只包括能增加整流器210輸入 電流Iin中的總諧波畸變的紋波電壓VDC—REC(Rippk)。在這個范例中，紋波電壓VDC—REC(Rippk) 能與Vin同步，而且作為結果在這個實施方案中整流器輸入電流Iin可能不包含次諧波振 蕩。繼續這個范例，輸入電流Iin可能包括在fIN及其倍數下的電流成份。通常，輸入電 流Iin可能有基本頻率(例如，線路頻率)和在各種不同的頻率(包括線路頻率的倍數) 下的電流成份和諧波電流成份。在這個范例中，輸入電流Iin的總諧波畸變可能受遵從諧 波標準IEEE-519和IEC61000-3-2 (例如，6_10Hz)的低帶寬電壓回路控制。在一個實施方案中，變換器205可能包括有整流器210和逆變器215的 AC-DC-AC雙轉換系統。在這個實施方案中，當逆變器215按同步模式運行的時候(即， 當輸出電流Iqut包括與輸入電流Iin的頻率同步的頻率的時候)，紋波電壓VDC—REC(Rippld和 VDe—INV(Rippk)能與輸入電流Iin的頻率同步。在這個范例中，次諧波振蕩在輸入電流Iin中通 常是不可察覺的，而且紋波電壓通常只引起諧波畸變。在這個范例的一個實施方案中， 在逆變器215給電阻性負荷220供電的情況下，紋波電壓VDC—REC(Ripple)和Vdc JNV(Ripple) 可能 至少部分地彼此抵消，因此減少諧波畸變水平。然而，在逆變器215給非線性負荷220或 無功負荷220供電的實施方案中紋波電壓VDe—REe(Rippk)和VDe—INV(Rippk)通常不彼此抵消，而 且作為結果與這些紋波電壓相關聯的諧波畸變如果不被濾掉就能出現在輸入電流Iin中。在另一個實施方案中，當逆變器215按異步操作模式運行以致Icjut的頻率Wcjut) 不同于Iin的頻率(fIN)的時候，紋波電壓VDC_INV(Ripple)可能不與VDC—REC(Rippl6)或Vin同步。在這個范例中，在作為&和Gut之差的絕對值(即，li^-fc^l)的頻率下的次諧波 振蕩可能是發生在參考輸入電流I1/之中。在這個范例的一個實施方案中，移動平均濾 波器235將可能出現在電壓調節器230的輸出端P'的次諧波振蕩濾掉，以便控制模塊225 把輸入電流Iin)向包含降低電平的次諧波振蕩的電流參考值I;驅動。在各種不同的實施方案中，控制模塊225能濾掉參考功率信號P'中的紋波電 壓。舉例來說，控制模塊225可能使用移動平均濾波器235實現數字濾波。圖7是依照 一個實施方案舉例說明用移動平均濾波器235實現電壓調節器230輸出信號過濾的曲線 圖。移動平均濾波器235通常包括移動窗口 Tw，該窗口在一個實施方案中可能是完成計 算抽樣點平均值的持續時間。舉例來說，如同在圖7中列舉的那樣，移動窗DTw可能是 電壓調節器230的輸出電壓的輸出頻率fQUT的倒數(即，l/fQUT)。在一個實施方案中，移動平均濾波器235的移動窗口 Tw能對應于參考功率信號 P'的紋波周期。舉例來說，當變換器205包括分立的DC總線線路的時候和當逆變器215 包括多電平逆變器的時候，在VDe中并因此在P'中的紋波電壓在異步操作期間周期可能 為1/ (If1N-WI)，而在同步操作期間周期可能為l/fIN。舉例來說，在& = 50Hz而fQUT = 60Hz(即，異步操作)的實施方案中，移動窗DTw等于100ms。這個實施方案是用圖8 舉例說明的，該圖是依照本發明的一個實施方案描繪變換器的操作的曲線圖。圖8描繪 在依照本發明的一個實施方案包括電阻性負荷220、50Hz輸入頻率fIN和60Hz輸出頻率 W的異步操作期間AC-DC-AC雙轉換系統的DC總線電壓范例。這個說明性的實施方 案在起作用的時候可能在電壓回路中引進延遲而且可能需要大量內存的存儲容量把所有 的參考功率信號P*子樣儲存在IOOms窗口中。在另一個實施方案中，移動窗口 Tw當逆變器215包括多電平逆變器的時候可以 如方程(5)所示被設定為輸出頻率的倒數，而當逆變器215包括雙電平逆變器的時候可以 如方程(6)所示被設定為兩倍輸出頻率的倒數。(5) Tw = l/foux(6) Tw = 1/(2 Xfoux)在一個實施方案中，逆變器紋波電壓VDe—INV(Rippk)能在異步操作期間在參考電流 值I1/中引起次諧波振蕩。在這個實施方案中，舉例來說，移動平均濾波器235對于濾 掉在參考功率信號P'中由能出自VDe—!^α^Μ引起的紋波可能是充份的。然而，在相關 的實施方案中，移動平均濾波器235也能衰減參考功率信號P'中由VDe—REe(Rippk)引起的紋 波，這將減少在參考輸入電流IIN'和輸入電流Iin中的畸變。在各種不同的實施方案中，當變換器205處于同步操作模式的時候，逆變器215 能給可能包括至少一個非線性負荷或無功負荷的至少一個負荷220供電。在這樣的實施 方案中，逆變器紋波電壓VDe JNV(Ripple) 和整流器紋波電壓Vdc REC (Ripple) 通常不彼此抵消， 而且移動平均濾波器235能衰減參考功率信號P'中至少部份地由一個或多個VDe—!Nvftippk) 和VDe—REe(Rippk)造成的紋波，在輸入電流Iin中獲得低的總諧波畸變(THD)。雖然THD 的水平能大范圍地改變，但是，在一個實施方案中，THD水平可能是，舉例來說，低 于5%。在一個實施方案中，輸入電流Iin WTHD水平可能是，舉例來說，少于或等于 3.5%。輸入電流Iin的THD水平大于5%的實施方案是可能的。移動平均濾波器235可能，舉例來說，包括有20Xm個數字式抽樣點的移動平均濾波器235，其中20Xm個內存位置編號儲存參考功率信號P'在移動窗口 Tw上的子 樣。在這個范例中，20Xm是在移動窗口 Tw*可得的P'子樣的數目。以這個說明性的 實施方案繼續，20Xm個抽樣點的移動平均濾波器可能用來獲得參考功率信號在方程(7) 所示移動窗口 Tw上的平均值PAV(；，其中Tw能按抽樣頻率更新。
IOXm
權利要求
1.一種用來控制變換器的方法，該方法包括 接受包括紋波電壓的電壓信號；部分地基于該電壓信號通過將該電壓信號與參考信號進行比較確定控制信號，該控 制信號包括與紋波電壓相關聯的畸變；通過至少濾掉一部分來自該控制信號的紋波電壓產生平均控制信號； 至少部分地基于該平均控制信號產生參考電流值；以及 把變換器的輸入電流向該參考電流值驅動。
2.根據權利要求1的方法，其中驅動輸入電流包括為該變換器的輸入電流提供功率因 數校正。
3.根據權利要求1的方法，進一步包括 偏移該平均控制信號的相位。
4.根據權利要求1的方法，進一步包括把來自變換器的輸出電流提供給負荷，其中輸出電流有與輸入電流的頻率同步的頻率。
5.根據權利要求1的方法，進一步包括把來自變換器的輸出電流提供給負荷，其中該輸出電流有與輸入電流的頻率異步的頻率。
6.根據權利要求1的方法，進一步包括 把紋波電壓從該電壓信號中濾掉；以及 把該電壓信號向參考電壓值驅動。
7.根據權利要求6的方法，進一步包括 把該電壓信號加給與變換器相關聯的逆變器。
8.根據權利要求1的方法，其中產生參考電流值包括 接受來自變換器的均方根輸入信號。
9.根據權利要求1的方法，其中驅動輸入電流包括 調整與輸入電流相關聯的脈寬調制控制信號的占空比。
10.根據權利要求1的方法，其中紋波電壓包括整流器紋波電壓和逆變器紋波電壓。
11.根據權利要求1的方法，進一步包括控制變換器按同步操作模式和異步操作模 式之一操作。
12.根據權利要求1的方法，其中變換器至少包括不間斷電源、變頻器和線路調節器之一。
13.根據權利要求1的方法，其中產生平均控制信號包括 按電壓信號周期的眾多時間例證抽取控制信號的子樣。
14.根據權利要求1的方法，其中接受電壓信號、確定控制信號、產生平均控制信 號、產生參考電流值和向參考電流值驅動變換器的輸入電流是至少部分地用處理器完成 的，而且該方法是至少部分地用儲存在計算機易讀的媒體之中并且用處理器運行的程序 實現的。
15.—種變換器，其中包括配置成接受輸入電流的輸入端；配置成提供輸出電流輸出端； 包括濾波器的控制模塊；該濾波器適合接受有與紋波電壓相關聯的畸變的控制信號和產生實質上沒有紋波電 壓的平均控制信號；該控制模塊適合至少部分地基于該平均控制信號產生參考電流值；而且 該控制模塊適合向參考電流值驅動變換器的輸入電流。
16.根據權利要求15的變換器，進一步包括 適合接受輸入電流的整流器。
17.根據權利要求16變換器，進一步包括與整流器相關聯的逆變器，其中輸入電流是與逆變器輸出電流同相的。
18.根據權利要求16變換器，進一步包括 逆變器；以及適合至少將一部分次諧波振蕩信號從輸入電流中除去的濾波器。
19.根據權利要求16的變換器，其中紋波電壓至少包括整流器紋波電壓和逆變器紋波 電壓之一。
20.根據權利要求16變換器，進一步包括 適合調整平均控制信號相位的超前滯后補償器。
21.根據權利要求16變換器，進一步包括 與逆變器相關聯的整流器；以及適合至少把一部分諧波畸從輸入電流中除去的濾波器。
22.根據權利要求21的變換器，其中諧波畸變小于或等于輸入電流的3.5%。
23.根據權利要求16的變換器，其中控制模塊適合調整控制信號向參考電壓值驅動整 流器電壓。
24.根據權利要求23的變換器，其中控制模塊適合至少部分地基于整流器電壓的均方 根值產生參考電流值。
25.根據權利要求15的變換器，其中濾波器適合至少把一部分諧波畸變從輸入電流中 除去。
26.根據權利要求15的變換器，進一步包括與控制模塊相關聯的控制信號發生器，該控制信號發生器適合調整脈寬調制控制信 號的占空比向參考電流值驅動變換器的輸入電流。
27.根據權利要求15的變換器，至少進一步包括有整流器的AC-DC脈寬調制變換器 和有整流器和逆變器的AC-DC-AC脈寬調制變換器中的至少一個。
28.根據權利要求15的變換器，至少進一步包括不間斷電源、變頻器和線路調節器中 的至少一個。
29.根據權利要求15的變換器，進一步包括頻率介于55Hz和65Hz之間的變換器 輸出電流。
30.根據權利要求29的變換器，進一步包括頻率介于45Hz和55Hz之間的變換器 輸出電流。
31.—種用來控制不間斷電源的系統，其中包括用來過濾有與紋波電壓相關聯的畸變的控制信號產生實質上沒有畸變的平均控制信 號的裝置；與不間斷電源相關聯并且適合至少部分地基于平均控制信號產生參考電流值的控制 模塊；而且該控制模塊適合向參考電流值驅動不間斷電源的輸入電流。
32.根據權利要求31的系統，其中不間斷電源至少包括變頻器和線路調節器之一。
33.一種存有包括將促成處理器控制變換器完成下列任務的指令的指令序列的計算機 易讀的媒體接受與包括紋波電壓的電壓信號有關的信息； 通過至少從控制信號中濾掉一部分紋波電壓產生平均控制信號； 部分地基于該電壓信號通過將該電壓信號與參考信號進行比較確定該控制信號，該 控制信號包括與紋波電壓相關聯的畸變；至少部分地基于該平均控制信號產生參考電流值； 向該參考電流值驅動變換器的輸入電流；以及把該輸入電流加給至少與不間斷電源、變頻器和線路調節器之一相關聯的整流器。
全文摘要
在此揭示的系統和方法監視和控制給UPS、變頻器或線路調節器中的一個或多個的變換器的輸入。至少部分地由紋波電壓造成的畸變能從控制給該變換器的輸入電流中除去。在此描述的系統和方法提供簡單有效的減少或消除在同步和異步操作模式期間來自變換器輸入電流一種或多種次諧波振蕩和總諧波畸變。該變換器可能包括一個或多個整流器和逆變器。
文檔編號H02M1/42GK102017376SQ200980116684
公開日2011年4月13日 申請日期2009年3月24日 優先權日2008年3月24日
發明者D·克里基克, P·普瑞薩德, R·格霍什 申請人:美國能量變換公司