專(zhuān)利名稱：實(shí)用交互系統(tǒng)中的電力變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能將直流(DC)信號(hào)轉(zhuǎn)換成交流(AC)信號(hào)的電力變換器以及用于控制并使該AC信號(hào)同步于實(shí)用產(chǎn)生的AC信號(hào)的一個(gè)相關(guān)方法。
背景技術(shù)：
備用電源常在禁止實(shí)用電源的高壓輸電網(wǎng)(grid)時(shí)用于提供電能。內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)常用作為備用電源。然而，這些發(fā)電機(jī)相對(duì)較大且噪聲很大，并輸出有毒的發(fā)射物。
已知燃料電池能經(jīng)過(guò)化學(xué)過(guò)程產(chǎn)生電能，該化學(xué)過(guò)程只有相對(duì)最少的發(fā)射物，對(duì)環(huán)境的影響極少。因此，已經(jīng)探究將燃料電池作為傳統(tǒng)備用發(fā)電機(jī)的極具吸引力的替代源。然而，與發(fā)電機(jī)不同，燃料電池不能在短時(shí)間周期內(nèi)激活。因此，在備用電源的應(yīng)用中，不論電力高壓輸電網(wǎng)是否運(yùn)行，燃料電源常常連續(xù)地輸出電能。在電源切斷的事件中，燃料電池給臨界元件或高壓輸電網(wǎng)的選擇區(qū)域提供備用電能，該備用電能由高壓輸電網(wǎng)分配。
美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?700804描述了連接到一個(gè)實(shí)用高壓輸電網(wǎng)的備用燃料電池。該燃料電池給逆變器提供DC電壓，該逆變器依次將AC信號(hào)供給實(shí)用配電系統(tǒng)。然而，從逆變器輸出的AC信號(hào)應(yīng)同步于由實(shí)用電路產(chǎn)生的AC信號(hào)，以保證與連接到配電系統(tǒng)的元件的兼容性。此外，相對(duì)于實(shí)用AC信號(hào)的AC逆變器輸出的均方根(rms)和相位應(yīng)當(dāng)可控制，即使在實(shí)用AC信號(hào)中發(fā)生變化時(shí)，以維持有效的電力傳輸。這樣，可同步和可調(diào)整的DC到AC變換電路需要改進(jìn)傳輸特性。
本發(fā)明涉及克服現(xiàn)有技術(shù)中一個(gè)或多個(gè)缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
與本發(fā)明的一個(gè)方面相一致提供一種電力變換電路，該電力變換電路包括逆變電路，脈沖產(chǎn)生電路和控制電路。逆變電路配置成接收一個(gè)DC信號(hào)，輸出第一AC信號(hào)；而脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)相應(yīng)于與第二實(shí)用產(chǎn)生的AC信號(hào)相關(guān)的一個(gè)參數(shù)變化。控制電路耦合到逆變電路，并配置成接收該脈沖信號(hào)。另外，控制電路響應(yīng)于該脈沖信號(hào)，給逆變電路提供一個(gè)控制信號(hào)，以調(diào)整與第一AC信號(hào)相關(guān)的一個(gè)參數(shù)。
與本發(fā)明的另一個(gè)方面相一致提供一種用于控制從逆變電路輸出的AC信號(hào)的方法。該方法包括給逆變電路提供DC信號(hào)；并采樣該AC信號(hào)，從逆變電路輸出該AC信號(hào)，以響應(yīng)該DC信號(hào)。該方法還包括對(duì)AC信號(hào)的參數(shù)值和一個(gè)期望值進(jìn)行比較，并調(diào)整DC信號(hào)，由此調(diào)整AC信號(hào)的參數(shù)。
依據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供用于控制AC信號(hào)的一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括DC-DC轉(zhuǎn)換電路(inverter circuit)，逆變電路和控制電路。DC-DC轉(zhuǎn)換電路接收輸入DC電壓，及提供一個(gè)輸出DC電壓。變換電路配置成接收該輸出DC電壓，并又產(chǎn)生相應(yīng)于該輸出DC電壓的AC信號(hào)。另外，控制電路配置成給DC-DC轉(zhuǎn)換電路提供控制信號(hào)，由此調(diào)整輸出DC電壓的電平。
依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種電力變換電路，該電力變換電路包括逆變電路，電感電路，及電容電路。該逆變電路配置成能接收一個(gè)DC信號(hào)并輸出一個(gè)AC信號(hào)。電感電路配置成控制與該AC信號(hào)相關(guān)的功率通量(powerflow)。電感電路和電容電路配置成能對(duì)該AC信號(hào)進(jìn)行濾波。


附圖合并入并構(gòu)成本說(shuō)明的一部分，描述本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例，并與本描述一起用于解釋本發(fā)明的原理。
圖1描述與本發(fā)明一個(gè)方面相一致的框圖系統(tǒng)，用于將DC信號(hào)變換為AC信號(hào)；圖2是圖1所示系統(tǒng)的詳細(xì)電路原理圖；圖3描述與本發(fā)明一個(gè)方面相一致的各種波形；圖4描述表格，儲(chǔ)存用于與圖3所示波形相連的信息；
圖5描述與圖3所示波形相關(guān)的一連串點(diǎn)；圖6描述一個(gè)流程圖，描述與本發(fā)明一個(gè)方面相一致的一種方法的步驟；圖7描述一個(gè)流程圖，描述與本發(fā)明又一方面相一致的一種方法的步驟；圖8描述與本發(fā)明另一方面相一致的AC信號(hào)；圖9描述一個(gè)流程圖，描述與本發(fā)明又一方面相一致的一種方法的步驟；圖10A和10B描述與圖1和2所示DC-DC轉(zhuǎn)換電路相聯(lián)的信號(hào)時(shí)序圖；及圖11描述與本發(fā)明另一方面相一致的一個(gè)AC信號(hào)。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將詳細(xì)地參考本發(fā)明的示范性實(shí)施例，這些實(shí)施例中的例子在附圖中描述。在本申請(qǐng)中，附圖中相同的參數(shù)數(shù)字表示相同或類(lèi)似的部件。
圖1描述與本發(fā)明一個(gè)方面相一致的電力變換電路100(power conversioncircuit)。燃料電池10可以是用于給實(shí)用高壓輸電網(wǎng)提供輔助電能的備用燃料電池。燃料電池10的輸出通常是一個(gè)強(qiáng)電流，低電壓DC信號(hào)。該DC電壓提供給含有接觸器25的濾波器電路20，該接觸器25用于選擇性地給變換電路100提供燃料電池輸出。提供濾波器電路20，以平滑燃料電池10輸出中的任何變化。
DC-DC轉(zhuǎn)換電路30從濾波器20接收濾波的DC信號(hào)，并將該接收的低電壓信號(hào)變換到一個(gè)高電壓DC信號(hào)。DC-DC轉(zhuǎn)換電路30的電壓輸出的幅度或電平相應(yīng)于從變換電路100的AC信號(hào)輸出的幅度?？赡芸刂艱C電壓電平，以相應(yīng)于從控制電路50的控制信號(hào)輸出，如同下面更詳細(xì)地討論的。控制電路50能包括微處理器，數(shù)據(jù)信號(hào)處理器(DSP)或其他合適的硬件和/或軟件組合。
逆變電路40從DC-DC轉(zhuǎn)換電路30接收DC信號(hào)輸出，并相應(yīng)于該DC信號(hào)，輸出一個(gè)AC信號(hào)。該AC信號(hào)可以是3相，所以三個(gè)獨(dú)立的AC電壓分別在配電線40-1，40-2和40-3上輸出。相應(yīng)于從自控制電路50輸出的另外的控制信號(hào)，輸出每個(gè)AC電壓，并提供給3相功率通量電感電路60，該電感電路60包括與每條配電線40-1，到40-3相關(guān)的電感器。每個(gè)電感器60-1，60-2和60-3也構(gòu)成3相輸出濾波電容電路70的一部分，該濾波電容電路70配置成平滑并消除從變換電路100輸出的AC信號(hào)中的失真。然后，AC信號(hào)輸出給實(shí)用電力高壓輸電網(wǎng)。
實(shí)用產(chǎn)生的AC信號(hào)(“實(shí)用AC信號(hào)”)是從實(shí)用電力高壓輸電網(wǎng)的一相中分接出來(lái)，并提供給脈沖產(chǎn)生電路80。實(shí)用AC信號(hào)95基本上是正弦電壓波，一般如同圖1中理解和所示的。實(shí)用AC信號(hào)95含有隨時(shí)間變化的瞬時(shí)電壓。在點(diǎn)95-1和95-3，該瞬時(shí)電壓從正值變到負(fù)值。在點(diǎn)95-2和95-4，“零交叉”，實(shí)用AC信號(hào)95的瞬時(shí)電壓從負(fù)值變到正值。脈沖產(chǎn)生電路80采樣實(shí)用AC信號(hào)95的這些零交叉，并通常輸出相應(yīng)于每次的一個(gè)脈沖(見(jiàn)脈沖信號(hào)85)。該脈沖饋送給控制電路50，該控制電路50響應(yīng)于該脈沖給逆變電路40輸出合適的控制信號(hào)。脈沖信號(hào)85由控制電路50使用，使該輸出AC信號(hào)同步于實(shí)用AC信號(hào)95，以及使該輸出AC信號(hào)的相位相對(duì)于該實(shí)用AC信號(hào)95，如同下面更詳細(xì)描述的。雖然從電路50輸出的脈沖信號(hào)85用于調(diào)整從逆變電路40輸出的AC信號(hào)的相位，脈沖信號(hào)85能用于高整與該AC信號(hào)相關(guān)的其他參數(shù)，例如定時(shí)和極性。
控制電路50能配置成采樣配電線7上的逆變電路40的輸出上的電流和/或電壓。配電線6攜帶AC實(shí)用電壓和電路70輸出的一個(gè)信號(hào)指示，并提供配電線5，給控制電路50提供實(shí)用AC信號(hào)95的電壓和/或電流的一個(gè)信號(hào)指示。
圖2詳細(xì)地描述變換電路100。變換電路100包括輸入部分19，含有接線端32和34；在接線端上施加輸出燃料電池DC電壓。輸入部分19包括接觸器25，與二極管27及預(yù)充電電阻28并行地連接，一個(gè)附加二極管29從接線端34連接到電絕緣接線端32。當(dāng)燃料電池DC電壓最初施加到接線端32和34時(shí)，接觸器停留在斷開(kāi)狀態(tài)，以保護(hù)變換電路100內(nèi)的元件產(chǎn)生潛在電流浪涌。因此，經(jīng)過(guò)預(yù)充電電阻28，以基本上等于電阻28的電阻值和電容18的電容值乘積的RC時(shí)間常數(shù)對(duì)電容18進(jìn)行充電。一旦電容18上的電壓達(dá)到某一預(yù)定閥值，例如50V，接觸器25閉合，這樣旁路了電阻28，因此，以基于濾波電容22容抗，燃料電池輸出阻抗，及配電線和連接寄生阻抗的時(shí)間常數(shù)，電容18連續(xù)地充電達(dá)到燃料電池DC的輸入電壓。
預(yù)定閥值電壓越高，接觸器25閉合之前所需的時(shí)間越長(zhǎng)。然而，一旦達(dá)到該閥值，全充電電容18所需的電流越少。另外，能減少這充電期間的峰值電流浪涌。
為了使變換電路100與燃料電池10斷開(kāi)，接觸器25斷開(kāi)，而二極管27起作電阻28的短路器，由此，減少電容18放電所需的時(shí)間。
當(dāng)接觸器25閉合時(shí)，燃料電池DC電壓施加到含有電感21和電容22的濾波電路20。濾波電路20用于基本上消除燃料電池DC電壓上的波動(dòng)，以使一個(gè)基本上平滑的DC電壓信號(hào)施加給DC-DC轉(zhuǎn)換電路30。
DC-DC轉(zhuǎn)換電路30包括晶體管36和38，按一種傳統(tǒng)的“推-拉”配置進(jìn)行配置，帶有變壓器電路部分125。二極管31和132與晶體管36及38并行地連接，以保證給變壓器125提供合適電流。典型地，控制電路50將控制信號(hào)分別地提供給晶體管36和38的柵極33和35，以使這些晶體管中的一個(gè)導(dǎo)通，而另一個(gè)截止。這樣，例如，當(dāng)一個(gè)相對(duì)較高的控制信號(hào)施加給柵極33時(shí)，晶體管36導(dǎo)通，而一個(gè)相對(duì)低控制信號(hào)使晶體管38截止。結(jié)果，電流向下流過(guò)變壓器125的初級(jí)繞組(在圖2)，并從變壓器125輸出一個(gè)正電壓。然而，當(dāng)晶體管36和38分別截止和導(dǎo)通時(shí)，電流按相反的方向流過(guò)變壓器繞組，由此，從變壓器125輸出一個(gè)負(fù)電壓。
橋接電路42包括二極管42-1，42-2，42-3和42-4，以按一種已知方式整流變壓器電路125的輸出。進(jìn)一步提供濾波器44，含有電感44-1和電容44-2，以通過(guò)平均橋接電路42的點(diǎn)101和102上產(chǎn)生的脈沖電壓，在電容44-2上輸出一個(gè)基本恒定的DC電壓。典型地，DC-DC轉(zhuǎn)換電路30在正電位+Vdc上維持rail 107，而在負(fù)電位-Vdc上維持rail 109。
接著參考圖10A和10B描述DC-DC轉(zhuǎn)換電路30的工作原理，圖10A和10B是信號(hào)VGATE33，VGATE35，VRECT和V0.VGATE33和VGATE35的示范性時(shí)序圖，分別相應(yīng)于施加到柵極33和35上的控制信號(hào)。VRECT是橋接電路42的點(diǎn)101和102上的輸出電壓，而V0是電容44-2上的電壓，即，該電壓應(yīng)用為逆變電路40的一個(gè)輸入。
在圖10A中，在時(shí)間周期T1期間，VGATE33相對(duì)較低，而VGATE35處于一個(gè)相對(duì)高電位。然而，在時(shí)間周期T2，VGATE35為高電平，同時(shí)VGATE33為高電平。這樣，在時(shí)間周期T1或時(shí)間周期T2的基本上所有期間，VGATE33或VGATE35中的任何一個(gè)處于高電平，且控制信號(hào)VGATE33和VGATE35具有100％的占空因數(shù)。結(jié)果，在時(shí)間周期T1期間，電流按第一方向流過(guò)變壓器125繞組，而在時(shí)間周期T2期間，電流按第二方向流過(guò)，VRECT基本上在兩個(gè)時(shí)間周期T1和T2處于相對(duì)高電壓上。濾波器44在時(shí)間周期T1和T2期間內(nèi)，平均VRECT，因此結(jié)果的輸出電壓為最大值，V0。
在圖10B中，VGATE35只在時(shí)間周期T1的約一半時(shí)間內(nèi)為高電平，而VGATE33在時(shí)間周期T2的基本上一半時(shí)間內(nèi)為高電平。因此，在這種情況中，VGATE35和VGATE33具有50％的占空因數(shù)，VRECT只在T1和T2時(shí)間周期的一半時(shí)間內(nèi)處于相對(duì)高電壓。結(jié)果，由濾波器44平均時(shí)，施加到逆變器40的輸入端上的電壓為二分之一V0，或與上面討論的100％占空因數(shù)相關(guān)的一半。因此，例如，通過(guò)調(diào)整施加給柵極33和35的控制信號(hào)的占空因數(shù)，能改變施加給逆變電路40電壓電平。
返回到圖2，接著將描述逆變電路40。逆變電路40包括多個(gè)開(kāi)關(guān)元件，例如，晶體管46，50-3，52，54，56，58和60-7。二極管46-1，50-1，52-1，54-1，57-1，59-1和60-5分別連接在每個(gè)晶體管46，50-3，52，54，56，58和60-7的發(fā)射極和集電極之間。例如，即使晶體管46導(dǎo)通，在電流不能流過(guò)晶體管46的事件中，二極管46-1給經(jīng)過(guò)晶體管46的通路提供一條替代電流通路。同樣地，二極管50-1，52-1，54-1，57-1，59-1和60-5提供能分別旁路晶體管50-3，52，54，56，58和60-7的替代電流通路。為了在rail 109的電位高于電阻48-1和晶體管46之間一點(diǎn)上的電位的事件中，提供平行于電阻48-1的低阻抗通路，含有二極管48-2。
晶體管46和電阻48-1及二極管48-2構(gòu)成逆變電路40的一條支路(leg)，有利于逆變電路40的“電阻性高壓輸電網(wǎng)”方式運(yùn)行。在電阻性高壓輸電網(wǎng)方式中，DC電壓能從晶體管46和電阻48-1之間的連接中輸出。電阻性DC高壓輸電網(wǎng)DC電壓作為一個(gè)DC電源，能用于獨(dú)立地測(cè)試DC-DC變換電路30和變換電路100的運(yùn)行，例如，當(dāng)評(píng)估燃料電池耐用性時(shí)。替代地，當(dāng)實(shí)用連接不可用時(shí)，能應(yīng)用電阻性高壓輸電網(wǎng)。
在電阻性高壓輸電網(wǎng)方式期間，從控制電路50輸出的控制信號(hào)分別提供給晶體管50-3，52，54，56，58和60-7的基極51，53，55，57，59及61，以截止并使這些晶體管中的每一個(gè)變成非傳導(dǎo)性。一個(gè)相對(duì)高電位施加給基極105，以導(dǎo)通晶體管46。因此，電流流過(guò)晶體管46和電阻48-1到-Vdc rail 109。然后，例如為評(píng)估目的，能測(cè)量電阻48-1上的電位降，如上面注釋的。
替代地，逆變器40可按“實(shí)用交互方式”運(yùn)行，在該方式中，從控制電路輸出的控制信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)每個(gè)基極51，53，55，59和61，同時(shí)使使晶體管46截止并變成非傳導(dǎo)。晶體管50-3和56構(gòu)成逆變電路40的一條支路，連接到配電線40-1，并分別經(jīng)過(guò)應(yīng)用給基極51和57的適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)來(lái)控制晶體管50-3和56。晶體管50-3和56配置成將電流的變化量提供給配電線40-1，以在配電線40-1上輸出一個(gè)交變電流/電壓信號(hào)，如下面更詳細(xì)討論的。從控制電路50輸出控制信號(hào)，以在配電線40-1上產(chǎn)生3相AC信號(hào)的一個(gè)相。類(lèi)似地，晶體管52和58構(gòu)成第二條支路，用于在配電線40-2上輸出AC信號(hào)的第二相信號(hào)，分別響應(yīng)施加給基極53和59上另外的控制信號(hào)，而晶體管54和60-7構(gòu)成逆變電路40的第三條支路，用于依據(jù)施加給相應(yīng)基極55和61上的附加控制信號(hào)，在配電線40-3上輸出第三相。
每條配電線40-1，40-2和40-3耦合到電感60-1，60-2和60-3中相應(yīng)的一個(gè)電感。每個(gè)電感用于調(diào)節(jié)與由配電線40-1，40-2和40-3攜帶的每個(gè)AC相位信號(hào)相關(guān)的功率通量。另外，電感60-1，60-2和60-3構(gòu)成濾波電路70-1，70-2和70-3的一部分。又如圖2所示，每個(gè)濾波電路進(jìn)一步包括幾個(gè)電容和一個(gè)電阻。例如，濾波電路70-1包括電容72和81，濾波電路70-2包括電容76和82，而濾波電路70-3包括電容78和83。另外，濾波電路70-1，70-2和70-3分別包括電阻74，78和80-1。濾波電路70-1，70-2和70-3都配置成按已知方式給實(shí)用電力高壓輸電網(wǎng)輸出基本上無(wú)失真的AC電壓波形。
接著，參考圖3-5描述控制信號(hào)的產(chǎn)生。施加到基極51，53，55，57，59和61的控制信號(hào)通常是由所謂“三角形PWM”技術(shù)產(chǎn)生的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，該技術(shù)是由控制電路50實(shí)現(xiàn)的。特別地，如圖3所示，控制電路50確定某一時(shí)間函數(shù)，在這個(gè)例子中，它是正弦波表示或控制正弦波，如曲線310所示的；和三角波表示，如曲線320圖形顯示的，疊加在正弦波表示310上。對(duì)于越過(guò)正弦波310的三角波320的那些部分，輸出相對(duì)低的電位電平327，而對(duì)于低于或在正弦波表示310之下的三角波320的部分，輸出相對(duì)高電壓325。因此，又如圖3所示，產(chǎn)生一連串寬度可變脈沖或PWM脈沖。典型地，獨(dú)特的一連串這樣的脈沖施加給每個(gè)基極51和57，由此選擇地使逆變電路40的第一分支內(nèi)的晶體管50-3和56導(dǎo)通和截止，由此產(chǎn)生一個(gè)AC信號(hào)，在這種情況下，那是三相位AC信號(hào)中的第一相。其他PWM信號(hào)施加給基極53和59，以及基極55和61，由此從逆變電路40的第二和第三分支分別輸出第二和第三AC相位信號(hào)，例如，配電線40-2攜帶第二相，在配電線40-3上能輸出AC信號(hào)的第三相。
從儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器內(nèi)，控制電路50內(nèi)且如圖4所示的查閱表400，的信息中產(chǎn)生正弦波表示310。在本例子中，表400包含行410-1到410-n，每一行儲(chǔ)存了以50微秒增量的時(shí)間值，及相應(yīng)的時(shí)間函數(shù)，例如正弦函數(shù)值f(t)，這里f(t)等于sin(2πft)?？刂齐娐?0配置成以50微秒間隔順序地讀取每個(gè)正弦函數(shù)值，如由圖4的箭頭415指明的。一旦到達(dá)表400中最后一行，控制電路50循環(huán)回到第一行410-1(箭頭425)或這種情況中的起點(diǎn)，如同前面順序地讀出其余的正弦函數(shù)值。結(jié)果，獲得如圖5所示的正弦波表示310的一連串點(diǎn)500，每次循環(huán)經(jīng)過(guò)表400，就重復(fù)該波形。因此，連續(xù)地產(chǎn)生PWM控制信號(hào)330，以維持從逆變電路40輸出一個(gè)恒定的AC信號(hào)。
借助于又一個(gè)例子，正弦波表示310的起點(diǎn)相應(yīng)于上面討論的開(kāi)始表400讀取循環(huán)的那一行。在圖5中，該起點(diǎn)可以是點(diǎn)510，在該點(diǎn)，特殊的PWM信號(hào)施加給逆變電路400的晶體管，以相應(yīng)于特殊起始電壓的一個(gè)瞬時(shí)電壓?jiǎn)?dòng)該輸出AC信號(hào)。如圖11所示，這起始電壓可以是0伏的起始電壓1110，從這點(diǎn)起，其余的AC信號(hào)1100及時(shí)地傳播，即，AC信號(hào)1100遵守一個(gè)時(shí)間函數(shù)，在這種情況中，該函數(shù)基本上是正弦。然而，其他起點(diǎn)，和起始電壓可由控制電路50設(shè)置。例如，起點(diǎn)可以設(shè)置到與表400內(nèi)某一不同行相關(guān)的點(diǎn)520，由此獲得圖11中一個(gè)相應(yīng)起始電壓1120。在這種情況中，控制電路50從表400中順序地讀取正弦函數(shù)值，但從新的起點(diǎn)開(kāi)始每個(gè)讀取循環(huán)。因此，通過(guò)調(diào)整表400的讀取循環(huán)的起點(diǎn)，及這樣的該輸出AC信號(hào)的起始電壓，就能夠控制從逆變電路40輸出的AC信號(hào)的相位。
與本發(fā)明的又一方面相一致，變換電路100能按一種實(shí)用交互方式運(yùn)行，由此，能獲得來(lái)自逆變電路40的輸出AC信號(hào)的一個(gè)期望的均方根(rms)，及輸出AC信號(hào)和實(shí)用AC信號(hào)之間的相位差或功率角。接著，將參考圖6-9描述逆變電路40的運(yùn)行方法。為了簡(jiǎn)化，下列的討論將參考AC輸出的一個(gè)相位。應(yīng)當(dāng)理解可按類(lèi)似方式能控制其他AC相位。
作為背景，AC信號(hào)通常擺動(dòng)某平均值，稱作為該信號(hào)的“有功”功率。有功功率是用戶可用的功率。如果平均值為零，那么，傳輸?shù)乃泄β史Q為“無(wú)功”功率。無(wú)功功率通常儲(chǔ)存在系統(tǒng)的電感和電容內(nèi)，并不能使用。這樣，通常用零無(wú)功功率使有功功率最大化。然而，在某些情況中，希望是有功和無(wú)功功率的組合。
有功和無(wú)功功率定義如下PΦ=1X(V1V2sinδ)[W]---(1)]]>QΦ=1X(V1V2cosδ-V22)[VAR]---(2)]]>這里，PΦ＝每相有功功率，以瓦為單位(W)QΦ＝每相無(wú)功功率，以無(wú)功伏安為單位(VAR)X＝功率通量控制電感60-1，60-2，60-3的每相感抗(輸出濾波電感)V1＝逆變器輸出相位電壓基的均方根(rms)(the fundamental ofthe...)V2＝實(shí)用相位電壓的rms(假定為正弦)如圖8所示，d(？應(yīng)為δP)13-9)是實(shí)用AC信號(hào)820和從逆變電路810輸出的AC信號(hào)之間的功率角或相位差。為了將無(wú)功功率Q減少到零，能將逆變器輸出電壓變化為功率角d(P)13-12)。依據(jù)上面的公式并假定零無(wú)功功率的結(jié)果。因此V1V2cosδ＝V22(3)V1＝V2/costδ (4)
V2通常由實(shí)用程序固定，而d(功率角)的值通?；谳斎氲娇刂齐娐?0的電流命令并表示從燃料電池10汲取的電流量。因此，通過(guò)調(diào)整存儲(chǔ)器讀取循環(huán)的起點(diǎn)(見(jiàn)圖4)，并這樣AC信號(hào)的起始電壓，如上面討論的，能夠?qū)崿F(xiàn)期望的功率角。另外，能依椐提供給逆變電路40的DC-DC轉(zhuǎn)換電路30的輸出來(lái)控制V1。這樣，能將功率角和V1設(shè)置成滿足上面的公式，產(chǎn)生基本上為零的無(wú)功功率。
更詳細(xì)地，從變換電路100輸出的AC信號(hào)通常是先同步的，跟著調(diào)整功率角和V1，以使無(wú)功功率減少到最小。將連同圖6所示的流程圖描述用實(shí)用AC信號(hào)同步逆變器輸出AC的方法。
實(shí)用AC信號(hào)電壓擺動(dòng)約為零伏。在AC實(shí)用電壓的正零交叉期間，該信號(hào)的瞬時(shí)電壓從負(fù)值變到正值。在步驟610，實(shí)用AC信號(hào)是由脈沖產(chǎn)生電路80采樣的，并在步驟620，由脈沖產(chǎn)生電路80產(chǎn)生一個(gè)脈沖，以響應(yīng)實(shí)用AC信號(hào)的每個(gè)正零交叉。該脈沖提供給控制電路50，控制電路50設(shè)置正弦波表示310和表400的讀取循環(huán)的起點(diǎn)，以與實(shí)用AC信號(hào)的零交叉相符(步驟630)。
因此，來(lái)自表400的讀取循環(huán)設(shè)置成在能產(chǎn)生PWM控制信號(hào)的起點(diǎn)開(kāi)始(步驟640)，該P(yáng)WM控制信號(hào)相應(yīng)于零逆變器輸出電壓。PWM控制信號(hào)提供給逆變電路40(步驟650)，逆變電路40依次產(chǎn)生相應(yīng)于儲(chǔ)存在表400中的起點(diǎn)的零起始電壓(步驟660)。結(jié)果，將AC信號(hào)的瞬時(shí)電壓調(diào)整或設(shè)置到零起始電壓。因此，每次實(shí)用AC信號(hào)跨過(guò)零時(shí)，從逆變電路40輸出的AC信號(hào)將跨過(guò)零，因?yàn)閮烧叨纪ǔＷ袷貢r(shí)間正弦波函數(shù)。這樣，兩個(gè)AC信號(hào)都同步于零功率角。雖然可將瞬時(shí)電壓控制或調(diào)整到上面注釋的，以響應(yīng)從脈沖產(chǎn)生電路80輸出的脈沖，這些脈沖能用于調(diào)整與輸出AC信號(hào)相關(guān)的其他參數(shù)。
一旦已實(shí)現(xiàn)同步，能執(zhí)行功率角和V1的調(diào)整，以達(dá)到?jīng)]有無(wú)功功率，或某種有功和無(wú)功功率的混合。接著參考圖7和9描述功率角和V1的調(diào)整，圖7和9描述流程圖700和900，略述用于分別控制功率角和V1的方法。
在圖7中，由控制電路50接受一個(gè)電流命令，相應(yīng)于由變換電路100汲取的電流量(步驟710)，并在步驟720，使逆變電路40的輸出同步于實(shí)用AC信號(hào)。在步驟730，依據(jù)電流命令確定功率角。例如，測(cè)量從變換電路100輸出的電流，通過(guò)從由電流命令定義的電流值減去該測(cè)量電流來(lái)確定誤差值，并且該誤差乘以一個(gè)增益因子，由此獲得功率角。因此，依據(jù)該功率角，可調(diào)整表400讀取循環(huán)的起點(diǎn)，及正弦波表示310的起點(diǎn)(步驟740)。依據(jù)新起點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)?shù)腜WM控制信號(hào)(步驟750)，并依據(jù)該P(yáng)WM控制信號(hào)輸出一個(gè)相應(yīng)的AC信號(hào)電壓(步驟760)。
結(jié)果，從圖8的逆變電路40輸出的AC信號(hào)(相應(yīng)于曲線810)在與實(shí)用AC信號(hào)(曲線820)相同時(shí)刻不會(huì)越過(guò)零伏，但是在圖8所示的不同交叉點(diǎn)。這樣，使逆變電路40輸出的AC信號(hào)相對(duì)于實(shí)用AC信號(hào)產(chǎn)生了漂移。兩個(gè)AC信號(hào)之間的漂移量或相位差構(gòu)成功率角。這樣，通過(guò)改變正弦波表示310的起點(diǎn)，如上面討論的，使逆變電路40輸出的AC信號(hào)產(chǎn)生有效地漂移，在獲得所期望的功率角。
參考圖9，流程圖900略述與本發(fā)明又一方面相一致的用于調(diào)整V1的一種電路。在步驟910中，在逆變電路40輸出端的輸出電壓經(jīng)過(guò)采樣，計(jì)算出相應(yīng)的均方根(rms)值(V1)。然后作出這樣的一個(gè)決定有關(guān)該采樣V1是否基本上等于一個(gè)與給定功率角相關(guān)的期望值(步驟920)。如果是，又采樣該逆變器輸出的rms值，并且所述方法返回到步驟910。如果否，控制電路50調(diào)整提供給DC-DC轉(zhuǎn)換電路30的控制信號(hào)的占空因數(shù)(步驟930)，以按類(lèi)似于上面連同圖10A和10B描述的方式，改變到逆變電路40的DC輸入電壓的電平(步驟940)。該調(diào)整的DC電壓提供給逆變電路40(步驟940)，并當(dāng)所述方法返回到步驟910時(shí)，又采樣V1值。
V1涉及從DC-DC轉(zhuǎn)換電路30輸出的提供給逆變電路40的DC電平。這樣，通過(guò)經(jīng)占空因數(shù)調(diào)整改變DC-DC轉(zhuǎn)換電路輸出，能將V1改變到一個(gè)能滿足上面描述的V1，V2和功率角之間關(guān)系的一個(gè)期望值，由此產(chǎn)生一個(gè)期望的無(wú)功功率。
應(yīng)當(dāng)注意例如，通過(guò)調(diào)整與正弦波表示310相關(guān)的調(diào)制指數(shù)，也可控制V1。調(diào)制指數(shù)涉及正弦波表示310的幅度，并通過(guò)減少這個(gè)幅度或調(diào)制指數(shù)，能相應(yīng)地減少V1。然而，當(dāng)調(diào)制指數(shù)降低時(shí)，來(lái)自控制電路50的該輸出PWM控制信號(hào)更易受失真和噪聲的影響。因此，與本發(fā)明又一方面相一致，通過(guò)控制DC-DC轉(zhuǎn)換電路30的輸出可調(diào)整V1，同時(shí)將正弦波表示310的調(diào)制指數(shù)維持在基本上等于1的最大值。因此，結(jié)果的PWM控制信號(hào)相對(duì)地?zé)o失真，以使能從逆變電路40輸出一個(gè)期望的AC信號(hào)。
工業(yè)應(yīng)用與本發(fā)明的又一方面相一致，例如備用燃料電池經(jīng)過(guò)電力變換電路耦合到實(shí)用電力高壓輸電網(wǎng)。該燃料電池給變換電路輸出一個(gè)DC信號(hào)，該變換電路響應(yīng)于該信號(hào)依次輸出一個(gè)AC信號(hào)。典型地，即使高壓輸電網(wǎng)絡(luò)處于運(yùn)行狀態(tài)，該AC信號(hào)連續(xù)地提供給實(shí)用電力高壓輸電網(wǎng)。為了使變換電路的性能最佳化，控制電路依據(jù)該變換電路的輸出及輸入到該控制電路的電流命令，調(diào)整均方根(rms)和該AC信號(hào)相對(duì)于實(shí)用產(chǎn)生的AC信號(hào)的相位或功率角。通過(guò)監(jiān)視變換電路的輸出維持該rms和相位參數(shù)。另外，該控制電路配置成通過(guò)用實(shí)用AC信號(hào)的每個(gè)零交叉將AC信號(hào)復(fù)位到起點(diǎn)，使該輸出的AC信號(hào)與實(shí)用AC信號(hào)同步。此外，給該輸出AC信號(hào)的濾波和功率通量控制提供單輸出電感器。
如上面描述的，本發(fā)明經(jīng)過(guò)同步和控制輸出AC信號(hào)的相對(duì)相位及輸入到逆變電路40的DC電壓的電平，能將由變換電路提供的無(wú)功功率減少到零值。如需要，可調(diào)整這些參數(shù)，以獲得無(wú)功和有功功率的變化量。
而且，上面描述的同步方案允許從逆變電路40輸出的AC信號(hào)依據(jù)實(shí)用AC信號(hào)的正零交叉跟蹤實(shí)用AC信號(hào)。這樣，該輸出AC信號(hào)能維持它正弦波形狀，并繼續(xù)地同步于該實(shí)用AC信號(hào)，即使在該實(shí)用AC信號(hào)上發(fā)生瞬時(shí)變化或不連續(xù)。
另外，電感60-1到60-3提供功率通量控制，并分別用作為輸出濾波電路70-1到70-3的一部分(見(jiàn)圖2)。因此，上面討論的變換電路100具有相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。同樣地，雖然本發(fā)明描述將變換電路耦合到燃料電池，也可連接到電池或其他DC電源的其他電源。
那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將從考慮到這里發(fā)明的說(shuō)明和實(shí)踐中明白本發(fā)明的其他實(shí)施例，它指在該說(shuō)明和例子僅考慮作為示范性的，具有由下面的權(quán)利要求書(shū)指明的本發(fā)明的真正范疇和精神。
權(quán)利要求
1.一種電力變換電路，其特征在于，包括逆變電路，配置成接收一個(gè)DC信號(hào)并輸出第一AC信號(hào)；脈沖產(chǎn)生電路，配置成產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，以響應(yīng)與實(shí)用產(chǎn)生的AC信號(hào)相關(guān)的一個(gè)參數(shù)的改變，所述實(shí)用產(chǎn)生AC信號(hào)是第二AC信號(hào)；及控制電路，耦合到所述逆變電路，所述控制電路配置成接收所述脈沖信號(hào)并給所述逆變電路提供一個(gè)控制信號(hào)，調(diào)整與所述第一AC信號(hào)相關(guān)的參數(shù)，以響應(yīng)于所述脈沖信號(hào)。
2.按照權(quán)利要求1所述電力變換電路，其特征在于，所述第二AC信號(hào)的所述參數(shù)是所述第二AC信號(hào)的瞬時(shí)電壓的一個(gè)值。
3.按照權(quán)利要求2所述電力變換電路，其特征在于，所述改變是從所述第二AC信號(hào)的所述瞬時(shí)電壓的一個(gè)負(fù)值改變到所述第二AC信號(hào)的所述瞬時(shí)電壓的一個(gè)正值。
4.按照權(quán)利要求3所述電力變換電路，其特征在于，所述第一AC信號(hào)遵守含有一個(gè)起點(diǎn)的時(shí)間函數(shù)，所述第一AC信號(hào)的所述瞬時(shí)間電壓被設(shè)置成與所述起點(diǎn)相關(guān)的一個(gè)電壓，以響應(yīng)所述第二AC信號(hào)的所述參數(shù)的所述改變。
5.按照權(quán)利要求1所述電力變換電路，其特征在于，所述控制信號(hào)是一個(gè)脈寬調(diào)制信號(hào)。
6.按照權(quán)利要求1所述電力變換電路，其特征在于，所述DC信號(hào)是第一DC信號(hào)，所述電力變換電路又包括DC-DC轉(zhuǎn)換電路，所述DC-DC轉(zhuǎn)換電路配置成接收第二DC信號(hào)，并輸出所述第一DC信號(hào)。
7.按照權(quán)利要求6所述電力變換電路，其特征在于，所述控制信號(hào)是第一控制信號(hào)，所述控制電路配置成給所述DC-DC轉(zhuǎn)換電路提供第二控制信號(hào)，由此調(diào)整所述第一DC信號(hào)的電平。
8.按照權(quán)利要求7所述電力變換電路，其特征在于，所述第一DC信號(hào)的所述電平是依據(jù)與所述DC-DC轉(zhuǎn)換器相關(guān)的占空因數(shù)，所述占空因數(shù)基于所述第二控制信號(hào)。
9.按照權(quán)利要求1所述電力變換電路，其特征在于，進(jìn)一步包括電感電路和電容電路，所述電感電路配置成控制與所述第一AC信號(hào)相關(guān)的功率通量，并且所述電感電路和所述電容電路配置成對(duì)所述第一AC信號(hào)進(jìn)行濾波。
10.一種用于控制從逆變電路輸出的AC信號(hào)的方法，其特征在于，包括給所述逆變電路提供一個(gè)DC信號(hào)；采樣所述AC信號(hào)，從所述逆變電路輸出所述AC信號(hào)，以響應(yīng)所述DC信號(hào)；對(duì)所述AC信號(hào)的一個(gè)參數(shù)值與一個(gè)期望值進(jìn)行比較；及調(diào)整所述DC信號(hào)，由此調(diào)整所述AC信號(hào)的所述參數(shù)。
11.用于控制AC信號(hào)的一種系統(tǒng)，其特征在于，包括DC-DC轉(zhuǎn)換電路，所述DC-DC轉(zhuǎn)換電路接收一個(gè)輸入DC電壓，并提供一個(gè)輸出DC電壓；逆變電路，所述逆變電路配置成接收所述輸出DC電壓，并響應(yīng)所述輸出DC電壓，產(chǎn)生所述AC信號(hào)；及控制電路，所述控制電路配置成給所述DC-DC轉(zhuǎn)換電路提供控制信號(hào)，由此調(diào)整所述輸出DC電壓的電平。
全文摘要
與本發(fā)明的一個(gè)方面相一致，例如，經(jīng)一種電力變換電路將備用燃料電池耦合到實(shí)用電力高壓輸電網(wǎng)。該電力變換電路可以包括逆變電路，脈沖產(chǎn)生電路和控制電路。所述逆變電路配置成接收一個(gè)DC信號(hào)并輸出第一AC信號(hào)，而所述脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，以響應(yīng)與第二實(shí)用產(chǎn)生AC信號(hào)相關(guān)的一個(gè)參數(shù)的改變。所述控制電路耦合到所述逆變電路，并配置成接收所述脈沖信號(hào)。另外，所述控制電路給所述逆變電路提供一個(gè)控制信號(hào)，以調(diào)整與所述第一AC信號(hào)相關(guān)的一個(gè)參數(shù)，以響應(yīng)所述脈沖。
文檔編號(hào)H02M1/12GK1738171SQ200510082379
公開(kāi)日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月16日
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