TWI651911B - 串接式電能轉換裝置 - Google Patents
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Abstract
串接式電能轉換裝置包括多個電網電壓產生器、多數個自主電壓調整控制器以及總電流調整控制器。電網電壓產生器分別提供多數個電網電壓,各電網電壓產生器包括串接的多個電能轉換器,電能轉換器區分為多個前級電能轉換器以及至少一後級電能轉換器。各自主電壓調整控制器依據對應的前級直流電壓以及電網電壓來控制各前級電能轉換器的電壓轉換動作。總電流調整控制器依據多個電網電流以及後級電能轉換器接收的多個後級直流電壓來控制後級電能轉換器的電壓轉換動作。
Description
本發明是有關於一種串接式電能轉換裝置,且特別是有關於一種具有分散式控制機制的串接式電能轉換裝置。
多階層串接式電能轉換裝置是由許多橋式轉換器串接而成,並可應用於較高的電壓層級之電網。其中,各個橋式轉換器針對所接收的直流電壓進行電壓轉換動作,並產生多個不同相位的供應電能。在習知的技術領域中,多階層的串接式電能轉換裝置在硬體實現上,是透過一個中央控制器來回授訊號,並進行傳輸各橋式轉換器所需之開關控制信號。如此一來,中央控制器與橋式轉換器間,需要大量且複雜的通訊連接的導線配置。並且,由於中央控制器需要處理大量的回授信號,造成中央控制器需負擔大量的運算量。此外,當單一橋式轉換器發生故障時,由於整體系統訊號連接是相連的,易造成整組串接式電能轉換裝置的停機。而隨著串接的轉換器的個數的增加,上述的因素都將提升硬體實現上的困難。
本發明提供一種串接式電能轉換裝置,具有分散式的控制機制,可有效提升故障容忍度,並可減低串接式電能轉換裝置中的配線數量,降低系統設計的複雜度。
本發明的串接式電能轉換裝置包括多個電網電壓產生器、多數個自主電壓調整控制器以及總電流調整控制器。電網電壓產生器分別提供多數個電網電壓,各電網電壓產生器包括串接的多個電能轉換器,電能轉換器區分為多個前級電能轉換器以及至少一後級電能轉換器。自主電壓調整控制器分別耦接電網電壓產生器中的前級電能轉換器,各自主電壓調整控制器依據對應的前級直流電壓以及電網電壓來控制各前級電能轉換器的電壓轉換動作。總電流調整控制器耦接電網電壓產生器中的該些級電能轉換器,依據電網電壓產生器上的多個電網電流以及後級電能轉換器接收的多個後級直流電壓來控制後級電能轉換器的電壓轉換動作。
基於上述,本發明提供多個自主電壓調整控制器,以針對串接式電能轉換裝置中,各電網電壓產生器中的多個前級電能轉換器的電壓轉換動作進行控制。並且,本發明另提供一總電流調整控制器來控制串接式電能轉換裝置中的多個後級電能轉換器的電壓轉換動作。藉由分散式的控制機制,串接式電能轉換裝置中的傳輸導線的數量可以減少,且導線的長度都可以減低,降低硬體佈局上困難,並減低硬體所需的面積。有效降低生產的成本,
並增加產品的競爭力。此外,本發明的串接式電能轉換裝置可提升故障容忍度,其中,在部分電能轉換裝置發生故障時,仍可維持系統的正常的運作。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂,下文特舉實施例,並配合所附圖式作詳細說明如下。
100‧‧‧串接式電能轉換裝置
110、120、130‧‧‧電網電壓產生器
AVR11-AVR1J、AVR21-AVR2J、AVR31-AVR3J‧‧‧自主電壓調整控制器
TCR1‧‧‧總電流調整控制器
Va0、Vb0、Vc0‧‧‧電網電壓
111-11N、121-12N、131-13N‧‧‧電能轉換器
PWM、PWMa1、PWMa2、PWMb1、PWMb2、PWMc1、PWMc2、PWMaN、PWMbN、PWMcN‧‧‧控制信號
ia、ib、ic‧‧‧電網電流
VdcaN、VdcbN、VdccN‧‧‧後級直流電壓
200‧‧‧串接式電能轉換裝置
210-230‧‧‧電網電壓產生器
211-21N‧‧‧電能轉換器
Vdca1-VdcaN‧‧‧(前級)直流電壓
idca1-idcaN‧‧‧直流電流
Va1、Va2、Va3、VaM‧‧‧電壓
O‧‧‧原點
M‧‧‧連接點
300‧‧‧自主電壓調整控制器
310、330‧‧‧運算器
320‧‧‧調整器
340‧‧‧調變器
Vdc*‧‧‧直流電壓命令
Va1*‧‧‧命令電壓值
331‧‧‧乘法器
332‧‧‧加法器
Vmag‧‧‧電壓
400‧‧‧總電流調整控制器
410‧‧‧總功率控制器
420‧‧‧群集電壓控制器
430‧‧‧電流控制器
440‧‧‧調變器
413‧‧‧調整器
460‧‧‧獨立電壓平衡控制器
4122、470‧‧‧運算器
411‧‧‧第一部分
412‧‧‧第二部分
4123‧‧‧減法器
4124‧‧‧加法器
VdcaJ+1~VdcaN、VdcbJ+1~VdcbN、VdccJ+1~VdccN‧‧‧後級直流電壓
F11~F1M、F21~F2M、F31~F3M‧‧‧濾波器
4111a~4111c、4112a~4112c、4121、4122‧‧‧運算器
V’dcaJ+1~V’dcaN、V’dcbJ+1~V’dcbN、V’dccJ+1~V’dccN‧‧‧濾波後的後級直流電壓
VdcaT、VdcbT、VdccT‧‧‧平均
Iq P*‧‧‧功率電流命令
Iff*‧‧‧偏移電流命令
421-423‧‧‧減法器
424-426‧‧‧調整器
427‧‧‧零序電壓命令計算器
PCa*、PCb*、PCc*‧‧‧群集功率命令
Vo*TCR‧‧‧需求電壓命令
Vqd pn‧‧‧注入電壓
Iqd pn‧‧‧注入電流電壓
AD1-AD6‧‧‧加法器
Id P*、Id n*、Iq n*‧‧‧注入電流命令
Va3*、Vb3*、Vc3*‧‧‧電壓控制命令
圖1繪示本發明一實施例的串接式電能轉換裝置的示意圖。
圖2繪示本發明實施例的串接式電能轉換裝置的電網電壓產生器的硬體架構示意圖。
圖3繪示本發明實施例的自主電壓調整控制器的實施方式的示意圖。
圖4繪示本發明實施例的總電流調整控制器的實施方式的示意圖。
請參照圖1,圖1繪示本發明一實施例的串接式電能轉換裝置的示意圖。串接式電能轉換裝置100包括電網電壓產生器110、120及130、自主電壓調整控制器AVR11~AVR1J、AVR21~AVR2J、AVR31~AVR3J以及總電流調整控制器TCR1。其中,電網電壓產生器110、120及130分別提供電網電壓Va0、Vb0
以及Vc0。電網電壓產生器110包括電能轉換器111~11N;電網電壓產生器120包括電能轉換器121~12N;電網電壓產生器130則包括電能轉換器131~13N。在電網電壓產生器110中,電能轉換器111~11J可以為前級電能轉換器,電能轉換器11J+1~11N則可以為後級電能轉換器;在電網電壓產生器120中,電能轉換器121~12J可以為前級電能轉換器,電能轉換器12J+1~12N則可以為後級電能轉換器;在電網電壓產生器130中,電能轉換器131~13J可以為前級電能轉換器,電能轉換器13J+1~13N則可以為後級電能轉換器。
自主電壓調整控制器AVR11~AVR1J、AVR21~AVR2J、AVR31~AVR3J分別耦接至做為前級電能轉換器的電能轉換器111、112、121、122、131以及132。各自主電壓調整控制器AVR11~AVR1J、AVR21~AVR2J、AVR31~AVR3J依據對應的前級直流電壓以及電網電壓來控制各前級電能轉換器(即電能轉換器111、112、121、122、131以及132)的電壓轉換動作。以自主電壓調整控制器AVR11為範例,自主電壓調整控制器AVR11耦接至電能轉換器111,並接收電能轉換器111所接收的前級直流電壓Vdca1。另外,自主電壓調整控制器AVR11感測對應的電網電壓Va0,並且依據前級直流電壓Vdca1以及電網電壓Va0來產生控制信號PWMa1。其中,控制信號PWMa1被傳送至電能轉換器111並用以控制電能轉換器111的電壓轉換動作。
在此可以得知,在本發明實施例中,自主電壓調整控制
器AVR11~AVR1J、AVR21~AVR2J、AVR31~AVR3J分別依據對應的前級直流電壓Vdca1~VdcaJ、Vdcb1~VdcbJ、Vdcc1~VdccJ,以及分別依據對應的電網電壓Va0、Vb0以及Vc0來分別產生控制信號PWMa1~PWMaJ、PWMb1~PWMbJ、PWMc1~PWMcJ。控制信號PWMa1~PWMaJ、PWMb1~PWMbJ、PWMc1~PWMcJ分別傳送至做為前級電能轉換器的電能轉換器111~11J、121~12J以及131~13J,並分別控制電能轉換器111~11J、121~12J以及131~13J所分別進行的電壓轉換動作。
總電流調整控制器TCR1耦接至電網電壓產生器110、120及130中的後級電能轉換器(電能轉換器11J+1~11N、12J+1~12N以及13J+1~13N)。總電流調整控制器TCR1接收電網上不同相位的電網電流ia、ib以及ic,並且接收電能轉換器11J+1~11N、12J+1~12N以及13J+1~13N對應的後級直流電壓VdcaJ+1~VdcaN、VdcbJ+1~VdcbN以及VdccJ+1~VdccN,並分別依據電網電流ia、ib以及ic以及後級直流電壓VdcaJ+1~VdcaN、VdcbJ+1~VdcbN以及VdccJ+1~VdccN來產生控制信號PWMaJ+1~PWMaN、PWMbJ+1~PWMbN以及PWMcJ+1~PWMcN。控制信號PWMaJ+1~PWMaN、PWMbJ+1~PWMbN以及PWMcJ+1~PWMcN分別傳送至做為後級電能轉換器的電能轉換器11J+1~11N、12J+1-12N以及13J+1-13N,並用以控制電能轉換器11N-13N的電壓轉換動作。
由上述的說明可以得知,針對電網電壓產生器110~130中的前級電能轉換器(電能轉換器111~11J、121~12J、131~13J),
本發明實施例提供一對一的自主電壓調整控制器AVR11~AVR1J、AVR21~AVR2J、AVR31~AVR3J來分別控制電能轉換器111~11J、121~12J、131~13J的電壓轉換動作。而對於後級電能轉換器(電能轉換器11J+1~11N、12J+1~12N以及13J+1~13N),則透過總電流調整控制器TCR1來進行其電壓轉換動作的控制。如此一來,總電流調整控制器TCR1不需要與所有的電能轉換器111~13N進行信號通訊,有效降低傳輸導線的需求數量。並且,自主電壓調整控制器AVR11~AVR1J、AVR21~AVR2J、AVR31~AVR3J與分別對應的電能轉換器111~11J、121~12J、131~13J也可以透過佈局在相近的位置,使總電流調整控制器TCR1與後級電能轉換器11J+1~11N、12J+1~12N以及13J+1~13N佈局在相近的位置,以減低信號傳輸路徑的長度,除可提升信號品質外,也可降低系統設計的複雜度,降低生產成本。並且,本發明實施例的串接式電能轉換裝置100可提升故障容忍度,其中,在部分電能轉換裝置發生故障時,串接式電能轉換裝置100仍可維持系統的正常的運作。
附帶一提的,在本實施例中所提及的前級電能轉換器為各電網電壓產生器110~130中,配置位置較接近產生電網電壓Va0、Vb0、Vc0的傳輸導線的電能轉換器。相對的,所謂的後級電能轉換器則是其配置位置較接近電網電壓產生器110~130的共同耦接點M(較遠離產生電網電壓Va0、Vb0、Vc0的傳輸導線)的電能轉換器。並且,對應單一相的電網電壓,後級電能轉換器的數
量可以是一個或是多個,沒有固定的限制。
在本實施例中,電網電壓Va0、Vb0、Vc0可以為三個具有不同相位的三個電壓信號,其中,電網電壓Va0、Vb0、Vc0可以兩兩具有1200的相位差。
以下請參照圖2,圖2繪示本發明實施例的串接式電能轉換裝置的電網電壓產生器的硬體架構示意圖。串接式電能轉換裝置200包括電網電壓產生器210~230。其中,電網電壓產生器210~230彼此間可具有相同的硬體架構。以電網電壓產生器210為範例,電網電壓產生器210可包括多個電能轉換器211~21N,電能轉換器211~21N彼此間可具有相同的硬體架構。如電能轉換器211所示,各電能轉換器211~21N可由四個電晶體開關所組成。電能轉換器211~21N分別接收直流電壓Vdca1~VdcaN以及對應的直流電流idca1~idcaN,並依據所接收的控制信號使四個電晶體分別進行切換動作以分別產生電壓Va1、Va2以及Va3。透過串接的電壓Va1、Va2以及Va3可使電網電壓產生器210產生電壓VaM,並藉以產生電網電壓Va0。
另外,電網電壓產生器210-230可分別提供電網電流ia、ib以及ic。而在本實施例中,電網電壓產生器210-230並可共同耦接至原點O以形成Y形的連接組態。
以下請參照圖3,圖3繪示本發明實施例的自主電壓調整控制器的實施方式的示意圖。自主電壓調整控制器300包括運算器310、調整器320、運算器330以及調變器340。運算器310接
收對應的前級電能轉換器所接收的前級直流電壓Vdca1以及直流電壓命令Vdc*,並計算出直流電壓命令Vdc*與前級直流電壓Vdca1的差值。在本實施方式中,運算器310為一減法器。
調整器320耦接至運算器310,並接收運算器310所計算出的差值。調整器320針對所接收的差值進行調整,並產生調整後差值。在本實施方式中,調整器320可以為一比例積分調整器(PI regulator),且其轉移函數可以為Kpti+Kiti/S,其中,常數Kpti、Kiti可以由設計者進行設定,其數值沒有固定的限制。
運算器330耦接調整器320,並接收調整後差值,並依據對應的電網電壓Va0來對調整後差值進行算數運算,來產生一命令電壓值Va1*。在本實施方式中,運算器330包括乘法器331以及加法器332。其中,電網電壓Vao可先透過與電壓Vmag相除以產生一正規化電網電壓(Va0/Vmag)。其中,電壓Vmag可以為電網電壓Vao的最大可能電壓值。乘法器331則可使調整後差值與正規化電網電壓(Va0/Vmag)相乘。另外,加法器332則使乘法器331所產生的乘法結果與電網電壓Va0除以N所獲得的商(做為前饋信號)相加,並藉以產生命令電壓值Va1*。其中,N可以等於串接式電能轉換裝置的相位數。
調變器340接收命令電壓值Va1*,並依據命令電壓值Va1*進行調變動作,並藉此產生控制信號PWMa1。控制信號PWMa1可以為寬調變信號,並用以控制對應的電能轉換器的電晶體開關的切換動作。
以下請參照圖4,圖4繪示本發明實施例的總電流調整控制器的實施方式的示意圖。總電流調整控制器400包括總功率控制器410、群集電壓控制器420、電流控制器430、調變器440、獨立電壓平衡控制器460以及運算器470。其中,總功率控制器410包括第一部分411以及第二部分412,並用來進行串接式電能轉換裝置的總體的電壓控制。第一部分411為平均電壓計算器,計算後級直流電壓VdcaJ+1~VdcaN、VdcbJ+1~VdcbN以及VdccJ+1~VdccN的平均值。群集電壓控制器420則用來進行串接式電能轉換裝置中,對應同一相位的電網電壓的電能轉換器所構成的群集的電壓控制,其中以產生三個相位的電網電壓為例,串接式電能轉換裝置具有三個電能轉換器群集。
總功率控制器410包括多個濾波器F11~F1M、F21~F2M以及F31~F3M、運算器4111a~4111c、4112a~4112c、4121以及4122、減法器4123、調整器413以及加法器4124。濾波器F11~F1M、F21~F2M以及F31~F3M分別針對後級直流電壓VdcaJ+1~VdcaN、VdcbJ+1~VdcbN以及VdccJ+1~VdccN進行濾波。運算器4111a~4111c計算濾波後的後級直流電壓V’dcaJ+1~V’dcaN、V’dcbJ+1~V’dcbN、V’dccJ+1~V’dccN的和。運算器4112a~4112c分別計算濾波後的後級直流電壓V’dcaJ+1~V’dcaN、V’dcbJ+1~V’dcbN、V’dccJ+1~V’dccN的平均VdcaT、VdcbT、VdccT,並透過運算器4121計算出濾波後的後級直流電壓V’dcaJ+1~V’dcaN、V’dcbJ+1~V’dcbN、V’dccJ+1~V’dccN的平均的總和VdcT。運算器4122使總和VdcT除以3
並計算出後級直流電壓VdcaJ+1~VdcaN、VdcbJ+1~VdcbN以及VdccJ+1~VdccN的平均值。減法器4123使直流電壓命令Vdc*減去上述的平均值以產生減法結果。調整器413則針對減法結果進行調整以產生一調整後減法結果。其中,調整器413可以為一比例積分調整器,其轉移函數可以為Kpto+Kito/S,其中,常數Kpto、Kito可以由設計者進行設定,其數值沒有固定的限制。
加法器4124則使上述的調整後減法結果與偏移電流命令Iff*相加,並藉以產生(q軸上的)功率電流命令Iq P*。
在另一方面,群集電壓控制器420包括多數個減法器421-423、多數個調整器424-426以及零序電壓命令計算器427。減法器421-423分別使運算器4112a~4112c的輸出與運算器4122的輸出相減,並產生多個減法結果。調整器424-426分別接收減法器421-423所產生的減法結果,並針對減法器421-423所產生的減法結果進行調整以分別產生多個群集功率命令PCa*、PCb*以及PCc*。調整器424-426可以為具有相同轉移函數的比例積分調整器,其轉移函數可以為Kptc+Kitc/S,其中,常數Kptc、Kitc可以由設計者進行設定,其數值沒有固定的限制。
零序電壓命令計算器427則接收群集功率命令PCa*、PCb*以及PCc*,並依據群集功率命令PCa*、PCb*以及PCc*進行零序電壓命令計算以產生需求電壓命令Vo*TCR。
在本實施方式中,零序電壓命令計算器427可以為具有運算能力的處理器。零序電壓命令計算器427可讀取存在記憶體
(或其他任意儲存媒介)中關於零序電壓命令計算的演算法來進行計算。在此,零序電壓命令計算的演算法可應用本領域具通常知識者所熟知的各種演算法,沒有特定的限制。
電流控制器430接收功率電流命令Iq P*以及d-q軸上的正、負注入電壓Vqd pn、注入電流電壓Iqd pn來進行計算,並產生三相的電壓需求。在本實施方式中,電流控制器430另接收d軸的正注入電流命令Id P*,並設定d-q軸的負注入電流命令Id n*、Iq n*等於0。電流控制器430另應用加法器AD1-AD3來使需求電壓命令Vo*TCR與其所計算出的三相電壓需求進行相加,並透過運算器470以及加法器AD4~AD6來分別產生電壓控制命令Va3*、Vb3*、Vc3*。其中,加法器AD4~AD6另接收獨立電壓平衡控制器460所產生的對應各相的平衡信號,以達到三相電壓平衡的功效。
調變器440則接收電壓控制命令Va3*、Vb3*、Vc3*並分別依據電壓控制命令Va3*、Vb3*、Vc3*來產生控制信號PWM。其中,控制信號PWM控制對應三個不同相位的電網電壓的後級電能轉換器的電壓轉換動作。
由上述的說明可以得知,本發明提供分散式的控制機制,透過自主電壓調整控制器來個別控制各前級電能轉換器的電壓轉換動作,並透過總電流調整控制器來控制總體的以及各群集電能轉換器的電壓轉換動作。藉由分散式控制的架構,控制器(自主電壓調整控制器以及總電流調整控制器)與電能轉換器間的通訊通道數量可以有限的被減低,大幅降低系統設計的複雜度。有
效提升串接式電能轉換裝置的效能。
雖然本發明已以實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明的精神和範圍內,當可作些許的更動與潤飾,故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
Claims (9)
- 一種串接式電能轉換裝置,包括:多個電網電壓產生器,分別提供多數個電網電壓,各該電網電壓產生器包括串接的多數個電能轉換器,該些電能轉換器區分為多個前級電能轉換器以及至少一後級電能轉換器;多數個自主電壓調整控制器,分別耦接該些電網電壓產生器中的該些前級電能轉換器,各該自主電壓調整控制器依據對應的前級直流電壓以及電網電壓來控制各該前級電能轉換器的電壓轉換動作;以及一總電流調整控制器,耦接該些電網電壓產生器中的該些後級電能轉換器,依據該些電網電壓產生器上的多個電網電流以及該些後級電能轉換器接收的多個後級直流電壓來控制該些後級電能轉換器的電壓轉換動作,其中各該自主電壓調整控制器包括:一第一運算器,計算對應的前級直流電壓與一直流電壓命令的一差值;一第一調整器,耦接該第一運算器,調整該差值以獲得一調整後差值;一第二運算器,耦接該第一調整器,依據對應的電網電壓來對該調整後差值進行一算數運算,以產生一命令電壓值;以及一第一調變器,接收該命令電壓值並依據該命令電壓值以產生一控制信號, 其中,該控制信號用以控制對應的前級電能轉換器的電壓轉換動作。
- 如申請專利範圍第1項所述的串接式電能轉換裝置,其中該第一運算器為一減法器,該減法器接收對應的前級直流電壓與該直流電壓命令,並使該直流電壓命令減去對應的前級直流電壓以產生該差值。
- 如申請專利範圍第1項所述的串接式電能轉換裝置,其中該第一調整器為比例積分調整器。
- 如申請專利範圍第1項所述的串接式電能轉換裝置,其中該第二運算器包括:一乘法器,依據該調整後差值與對應的電網電壓進行乘法運算以獲得一乘法結果;以及一加法器,依據該乘法結果與對應的電網電壓進行乘法運算以獲得該命令電壓值。
- 如申請專利範圍第1項所述的串接式電能轉換裝置,其中該總電流調整控制器包括:一總功率控制器,依據該些後級直流電壓的一平均值來產生一功率電流命令;以及一群集電壓控制器,分別依據該些後級直流電壓與該平均值的多數個差值產生多個群集功率命令,並針對該些群集功率命令進行零序電壓命令計算以產生一需求電壓命令; 一電流控制器,依據該電流命令、注入電壓、注入電流以及該需求電壓命令來產生多個電壓控制命令;以及一第二調變器,依據該些電壓控制命令來產生多個控制信號以控制該些後級電能轉換器的電壓轉換動作。
- 如申請專利範圍第5項所述的串接式電能轉換裝置,其中該總功率控制器包括:一平均電壓計算器,計算該些後級直流電壓的該平均值;一減法器,使該平均值減去一直流電壓命令以產生一減法結果;一第二調整器,調整該減法結果以產生一調整後減法結果;以及一加法器,使該調整後減法結果與一偏移電流命令相加以產生該功率電流命令。
- 如申請專利範圍第6項所述的串接式電能轉換裝置,其中該第二調整器為比例積分調整器。
- 如申請專利範圍第5項所述的串接式電能轉換裝置,其中該群集電壓控制器包括:多數個減法器,分別使該些後級直流電壓與該平均值相減,並產生多個減法結果;多數個第二調整器,分別調整該些減法結果以分別產生該些群集功率命令;以及 一零序電壓命令計算器,依據該些群集功率命令進行零序電壓命令計算以產生該需求電壓命令。
- 如申請專利範圍第8項所述的串接式電能轉換裝置,其中該些第二調整器為比例積分調整器。
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