中壓電網電源饋電的輸入濾波器預充電的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明總體上涉及電網。更具體而言，本發明涉及減小中壓電網應用中使用的大功率整流器輸入濾波器中的過電壓和涌流。
【背景技術】
[0002]在常規電力的發電、傳輸和配電中，電力以在高交流(AC)電壓下通過電網長途傳輸的。在一些情況下，由于各種原因，這些高交流電壓必須要作為高直流(DC)電壓傳輸。直流輸電的基本原理是利用整流器將交流電壓變換成直流電壓。在這個過程中常常要用到大功率電壓源或電流源整流器。
[0003]如本領域的技術人員所知，大功率電壓源或電流源整流器通常是由中壓電網電源饋電的。電感器電容器(LC)輸入濾波器用于為中壓電網電源饋電。LC輸入濾波器還輔助相關供電裝置的換向過程以及濾除通常與大功率整流相關聯的線外電流諧波。
[0004]更具體而言，LC濾波器被設計成實現開關諧波的期望水平衰減，并避免正常運行期間殘余諧波被放大。不過，對于大功率應用而言，通常對用于大功率整流器的輸入濾波器進行輕微阻抑以避免過大的功率損耗。
[0005]輸入濾波器和電源變壓器中固有的功率損耗提供了最低程度的阻尼。輸入LC濾波器這樣低的固有阻尼因子通常會在隨后直接將輸入濾波器連接到中壓電網電源時導致輸入濾波器電容器兩端過度的過電壓應力。
[0006]這個問題的常規預充電方案是采用串聯連接的電阻器降低電容器兩端的過電壓和關聯的涌流。不過，這種方案需要使用笨重的預3電電阻器。這些笨重的預充電電阻器不僅降低了整個系統的效率，而且為優化輸入濾波器的預充電留下了有限空間。
[0007]其他常規預充電方案采用了額外的預充電電路部件，例如預充電電阻器和接觸器，導致系統成本上升，并降低了整個系統的效率。這些不希望有的后果尤其適用于直接由中壓電網電源(例如6kV+)饋電的大功率AC-DC變換器。這里，對于最壞的情況，如果預充電電阻器未受到重阻抑，涌流會在電網終端處導致嚴重電流失真。
[0008]其他常規方案包括使用交流側預充電取代直流側預充電。不過，使用交流側預充電取代直流側預充電面臨著要讓濾波電容器采取極小值的挑戰。小濾波電容器值導致從每相到地的連接產生相應小的阻抗。因此，這種方法也不能消除涌流和過電壓。
【發明內容】
[0009]考慮到上述不足，需要這樣的方法和系統，它們能夠消除為了減小輸入濾波器電容器兩端過電壓應力和涌流而對笨重預充電電阻器的需求。更具體而言，需要在連接到中壓電網電源時便于實現平滑電壓上升和零涌流的方法和系統。
[0010]本發明的實施例提供了一種裝置，所述裝置包括配置成向電容器供應預充電電壓的變壓器，以及配置成耦合到變壓器并對增大的調制指數做出響應的變換器。在電容器變得基本充滿之后的時間量子之內調制指數增大，且在所述時間量子期間預充電電壓基本恒定。
[0011]—個例示性實施例提供了一種無需采用任何預充電電阻器的輸入濾波器總體受控預充電方案，以在濾波器電容器上提供平穩的電壓上升和交流側的零涌流。可以預編程示范性預充電方案以在整個預充電過程期間為輸入濾波器預充電輸送恒定的小功率。這種方法還使用了具有更低功率額定值的預充電變壓器。可以利用更低的功率額定值降低整個系統成本并改善整個系統的效率。
[0012]在實施例中，在預充電操作期間控制交流側變換器作為逆變器，以產生輸入濾波器電容器兩端與電網電源電壓同步的電壓。通過這種方式，可以實現輸入濾波器平穩連接到中壓電網電源，無需在示范性電路的交流側變換器的交流側的輸入濾波器兩端設置箝位電路。如下文更詳細所述，可以通過編程適當的調制指數曲線來使實施例中實現的預充電功率最小化。
[0013]下文參考附圖詳細描述本發明的其他特征和優點，以及本發明各實施例的結構和操作。要指出的是，本發明不限于這里描述的具體實施例。這里給出這樣的實施例僅僅是為了例示的目的。基于本文包含的教導，額外的實施例對于相關領域的技術人員將是顯而易見的。
【附圖說明】
[0014]附圖被并入本文并形成說明書的一部分，例示了本發明的實施例，并與描述一起進一步用于解釋本發明的原理，使相關領域的技術人員能夠制作和使用本發明。
[0015]圖1是用于減小過電壓和涌流的常規預充電輸入濾波器電路的示意圖。
[0016]圖2是根據本發明實施例構造的示范性預充電輸入濾波器電路的方框圖。
[0017]圖3是與圖2的例不相關聯的不范性時序圖的圖不。
[0018]圖4是實踐本發明實施例的示范性方法的流程圖。
[0019]圖5是可以實施本發明實施例的示范性計算機系統的例示。
【具體實施方式】
[0020]盡管本文利用針對特定應用的例示性實施例描述本發明，但應當理解，本發明不限于此。閱讀本文提供的教導的本領域技術人員將認識到在其范圍之內的其他修改、應用和實施例以及本發明將有重要實用性的其他領域。
[0021]圖1是用于減小來自中壓交流電網電源101的過電壓和涌流的常規預充電輸入濾波器電路100的示意圖。預充電電路100包括連接器(即開關)102，以控制在連接器端子104處供應的電網電壓。與輸入濾波器電感器108和輸入濾波器電容器110串聯設置阻尼電阻器106。
[0022]二電平轉換器(例如整流器)112提供給在響應于電源115經由預充電變壓器114供應的直流預充電電壓的電平下的一個或多個輸出電壓。一旦完成預充電過程，預充電變壓器114就提供直流鏈路電流(Idc)為直流側電容器116充電，驅動負載118，例如電動機或其他設備。
[0023]如本領域的技術人員所知，預充電電路的目的通常是通過消除過電壓和/或減小涌流來使來自電源的峰值電流輸出最小化。在預充電期間，系統電壓緩慢并可控地升高，輸出電流決不會超過最大允許水平。
[0024]例如，在常規預充電電路100工作期間，在連接器102閉合時，在連接器端子104處會突然接收到由電網101供應的中等水平的電網電壓，開始充電。電感器108向預充電電路100饋送中等水平的交流電壓。阻尼電阻器106減小了初始加電浪涌或涌流，并降低了施加于輸入濾波器電容器110上的電壓應力。
[0025]如上所述，電感器108、阻尼電阻器106和電容器110輔助相關供電裝置的換向過程以實現開關諧波的期望衰減。這樣一來，可以在正常運行期間避免通常與大功率整流相關聯的殘余諧波放大。這種常規方法被不確切地稱為從交流側充電。
[0026]不過，常規預充電電路100執行的預充電技術包括相當顯著的偏差。例如，阻尼電阻器106典型地非常大且笨重，最終會增大整個系統的成本。阻尼電阻器106大塊的尺寸還會因為容納電阻器需要額外的印刷電路板(PCB)空間而導致低效率的生產。圖1的常規預充電技術還阻礙了輸入濾波器的預充電優化。
[0027]圖2是根據本發明實施例構造的示范性預充電電路200的方框圖。預充電電路200無需采用預充電電阻器就實現了總體受控的預充電。預充電電路200包括沿垂直線DL劃分的交流側200a和直流側200b。預充電電路200中實現的示范性技術也響應于中壓電網電源101實現了平滑電壓上升和幾乎為零的涌流。圖2的示范性實施例方法最終降低了整個系統成本。
[0028]示范性預充電電路200包括連接端口 202、接觸器204和與輸入濾波器電容器208串聯連接的電感器206。這些連接方便了多電平交流/直流變換器整流器210和中壓電網電源101之間的電流流動。
[0029]跨接在連接端口 202兩端的鎖相環路(PLL) 212包括兩個輸出端口。第一輸出端口產生電網電源電壓(Vs)。在組合器214中將電網電源電壓Vs與濾波器電容器電壓(Vc)組合，并將組合電壓作為輸入提供給比例積分(PI)控制器216。與輸入濾波器電容器208串聯連接的電壓傳感器218感測電容器電壓并提供Vc作為從它的輸入。
[0030]PLL 212的第二輸出端口提供與代表電網電源電壓Vs的波形相關聯的相位數據0 s，作為組合器220的輸入。將相位數據0S與本地參考信號π/2組合以產生相位值Θ m。向脈寬調制(PWM)整流器222提供相位值0 m作為輸入。可編程調制指數模塊224產生調制指數值M，調制指數值規定也作為輸入被提供給PWM整流器222。提供PWM整流器222的輸出作為向交流/直流變換器整流器210的輸入。
[0031]可編程調制指數模塊224在整流器變換器作為逆變器工作時，便于控制變換器整流器210的