專利名稱：控制功率因數(shù)的方法、控制無功功率的方法和控制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及根據(jù)三相變換器的不平衡電壓補償，并且更具體地，涉及功率因數(shù)控制和無功功率控制以改善三相變換器中的功率因數(shù)和無功功率，其中三相變換器將三相AC (交流)電源變換為DC (直流)電源。
背景技術：
眾所周知，在電源側發(fā)生的電壓降低，例如瞬時電壓降低(電壓下陷(voltagesag))和長期的電壓降低，會在從電源接收電能供給的負載側產生影響，例如生產線停止和產品缺陷。特別地，由于其對半導體生產設備具有巨大影響，因此對于電壓下陷建立了標準:“SEMI F47-0200” (非專利文獻I)和“SEMI F47-0706” (非專利文獻2)。對于測試方法，在“ SEMI F42-0600 ”中對其進行了描述。通常，通過安裝例如電壓下陷補償裝置和使用電容器和存儲電池的不間斷電源 (UPS)的電子存儲設備可解決這種類型的電壓下陷。利用電子存儲設備的補償裝置可具有安裝在電源側或負載側作為并行設備的結構?；蛘?，以在電源下陷時切換電源系統(tǒng)的結構，也可將其插入在電源側和負載側之間作為串行設備安裝。也已經(jīng)眾所周知，用于將三相交流電源變換為直流電源的(AC-DC)電源變換器的三相交流輸入電壓發(fā)生短時中斷或瞬時電壓下降時，由電壓下陷補償裝置保持對負載的電能供給(例如，見專利文獻I和專利文獻2)。圖16說明傳統(tǒng)電壓波動補償裝置102的結構示例。圖16說明Y型連接的具有各個相位的交流電源101a、101b、IOlc的三相交流電源101。但是，在使用電子存儲設備的傳統(tǒng)系統(tǒng)中，使用哪種連接(Y型連接還是△型連接)是沒有關系的。電壓波動補償裝置102被安裝在三相交流電源101和直流負載(未示出)之間。這里需注意，具有電子存儲設備的三相交流電源適用于Y型連接和Λ型連接中的任何一種。在電壓波動補償裝置102中，就三相交流的相位(a相，b相和c相)而言，用于各個相位的電壓補償電路104a、104b、104c串行連接，對這些電壓補償電路分別提供電容105a、105b、105c作為能量存儲構件，并且設置控制電路103以控制用于各個相位的電壓補償電路 104a、104b、104c。三相交流電源不僅連接到三相等效負載，而且連接到不同的單相負載。這種不同負載的應用或例如天氣現(xiàn)象和突發(fā)現(xiàn)象等影響可偶爾在三相平衡或不平衡的狀態(tài)下導致電壓下陷。基于來自控制電路103的命令，用于各個相位的電源補償電路104a、104b、104c輸出用于各個相位的補償電壓，并補償電壓波動。電壓波動補償裝置102在正常操作期間對電容105a、105b、105c充電。在短時中斷或瞬時電壓下降的情況下，從電容105a、105b、105c釋放的電能保持恒定的輸出電壓，由此繼續(xù)給直流負載提供電能。上述電壓下陷補償裝置存在下面的問題不僅該系統(tǒng)需要用于安裝大型的電子存儲裝置或電容器單元的設備投資，而且還需要定期進行維護。所以，需要在不使用電子存儲裝置的情況下，即使在瞬時電壓降低時，也通過對三相交流輸入電能變換來穩(wěn)定地提供電能。還需要在不使用電子存儲裝置的情況下改善功率因數(shù)。為了解決上述問題，給出下面的建議鑒于在瞬時電壓降低的情況下在電壓下陷期間的輸入電壓變?yōu)槿嗖黄胶?，因此使用三相PWM變換器補償電壓下陷，通過控制電壓下陷期間的三相不平衡輸入電壓來實現(xiàn)電壓下陷補償，而不使用采用了存儲裝置的電壓波動補償裝置。根據(jù)通過使用三相PWM變換器的電壓下陷補償，即使在發(fā)生電壓下陷后，也能持續(xù)地提供在電壓下陷狀態(tài)之前的正常狀態(tài)下供給的電力。以下，將說明三相PWM變換器如何控制三相不平衡輸入電壓。圖17表示電壓下陷時的等效電路。在圖17中，er, es和et表示三相平衡的傳輸線電壓，Z1表不輸電線的阻抗、Z12、Z23> Z31是電壓下陷時的等效阻抗，eab、ebc> eca表不在電 壓下陷時生成的三相不平衡的線電壓、ei。表示零相序電壓，Za、Zb、Z。表示負載阻抗，該負載阻抗是通過將直流負載RtJ圖18所示)變換到三相交流輸入側獲得的負載阻抗的形式來表示的。如果將幅值設為Em，通過下面的等式(I) (3)表示三相平衡的傳輸線電壓電壓
ΘΓ、θ” et er = EmCos cot . · · (I)es = EmCos (ω t_2 Ji /3) . · · (2)et = EmCos ( ω t+2 Ji /3) …(3)由于ep es、et代表三相平衡的傳輸線電壓，所以不會出現(xiàn)負相序分量enfrst)和零相序分量θ。—因此，通過下面的等式⑷來表示負相序分量enfrst)和零相序分量e?！?en(rst) = eo(rst) = O · · ·⑷在圖17的示例中，出現(xiàn)電壓下陷的情況對應于對輸電線阻抗Z1施加了等效阻抗Z12、Z23、Z31的狀態(tài)。此時，端子a、b、c中的線電壓eab、ebe、eea成為三相不平衡狀態(tài)，并生成圖17所不的零相序分量電壓e1()。如圖18所示,對于圖17中的端子a、b和c,左邊所示為三相交流電源100B,右邊所示為三相變換器200的主電路單元。以與三相平衡電壓er、es、et和不平衡因數(shù)等效的方式來表示三相交流電源100B。這里,應用圖17所示的等效阻抗Z12、Z23、Z31來等效地表示不平衡因數(shù)。不平衡電壓補償裝置400利用特定或可測量的三相不平衡輸入相電壓來生成補償信號。對三相PWM變換器200設置三相PWM電路200a和三相PWM控制脈沖生成器200b。三相PWM控制脈沖生成器200b基于三相不平衡輸入電壓補償裝置400生成的三相不平衡輸入電壓而生成控制脈沖信號，由此在三相PWM電路200a上執(zhí)行PWM控制。根據(jù)P麗控制，三相PWM變換器200給直流負載300提供已經(jīng)進行了不平衡電壓補償?shù)闹绷麟妷?。如上所述，由三相PWM變換器控制在電壓下陷期間的三相不平衡輸入電壓，并且在不使用采用了電容器或蓄電池等蓄電設備的電壓波動補償裝置的情況下，實現(xiàn)電壓下陷補償。然而，一般來說，為了控制包含PFC (功率因數(shù)校正)的三相PWM變換器，必須得到相互之間具有120°的相位差的Y型連接的三相不平衡相電壓。將得到的檢測信號變換為旋轉坐標系(dq-軸向)中的變量的處理后，它們被分離成正相序電壓、負相序電壓和零相序電壓，并且使用它們作為控制所必須的反饋信號。作為描述根據(jù)三相PWM變換器控制的電壓下陷補償，例如已知非專利文獻3 5。在這些非專利文獻描述的三相PWM變換器控制中，把相互之間具有120°相位差的Y連接的三相不平衡電壓假設為特定或能夠測量的輸入相電壓。另一方面，一般的三相配電系統(tǒng)是Λ連接。在Λ連接三相配電中能夠實測的電壓是Λ連接三相電壓。Λ連接三相電壓是Λ連接的各端子間的線電壓，不能實測Y連接電壓以及零相序電壓。因此，為了通過目前提出的三相PWM變換器控制來補償Λ連接三相配電中的三相不平衡電壓，必需要從測量的線電壓中獲得相互之間具有120°相位差的Y連接三相不平衡相電壓。當使用三相PWM變換器控制電壓下陷補償時，必需要將接收到的三相不平衡電壓中的△型電壓變換成Y型電壓，以獲得控制參數(shù)。特別重要的是提取零相序電壓。例如，已知專利文獻3公開了一種通過根據(jù)三相PWM變換器進行控制來補償瞬時電壓下降的裝置或方法。專利文獻3所示的瞬時電壓降低補償裝置具備線相電壓變換單元。線相電壓變換單元把線電壓檢測單元檢測出的線電壓信號變換成相電壓變換信號，根 據(jù)該相電壓變換信號生成零相序電壓信號以及相電壓信號。線相電壓變換單元檢測相電壓變換信號(V/、VS'、\')的峰值，根據(jù)這三個峰值計算系數(shù)kl，k2，k3，并根據(jù)計算出的系數(shù)kl，k2，k3來生成零相序電壓信號v0( =kl.V +k2.V +k3.V )、相電壓信號(^、\)。另外，作為在電源系統(tǒng)中控制電壓和無功功率的方法，已知，將電源系統(tǒng)連接到諸如功率電容、并聯(lián)電抗器和無功功率靜電補償裝置(SVC)等設備。在根據(jù)功率電容和并聯(lián)電抗器的無功功率控制中，根據(jù)系統(tǒng)的容量選擇單位容量。另外，在根據(jù)SVC的無功功率控制中對系統(tǒng)連接了電抗器，其根據(jù)連接到固定電容的可控硅整流器的相位控制來控制電流。在無功功率控制中，通過提高功率因數(shù)來減少無功功率，以便通過將電壓和電流之間的相位差最小化來使得功率因數(shù)接近于1，由此執(zhí)行控制來使得表觀功率等于有功功率。當功率因數(shù)為I時，在相同功率條件下的電流值變?yōu)樽钚≈?，并且可以減少由于在發(fā)送線和布線中的焦耳損耗(Joule loss)而產生的功率損耗，并減少變壓器等中的負載損耗和焦耳損耗。因此，通常執(zhí)行用于控制功率因數(shù)變?yōu)镮的功率因數(shù)改進。典型地，電源系統(tǒng)的負載主要是電感負載，且電流落后于電壓。因此，通常來講，通過電容類型(相位優(yōu)先電容)的電容器執(zhí)行功率因數(shù)的改進。在通過相位優(yōu)先電容進行的功率因數(shù)改進中，因為電能消耗依賴于季節(jié)、白天或黑夜而波動，所以必須改變相位優(yōu)先電容所補償?shù)臒o功功率波動。在相位優(yōu)先電容的值是固定的情況下，由于對電源消耗下降時無功功率的過度補償，因此該功率因數(shù)變?yōu)槌暗墓β室驍?shù)。因此，可能會發(fā)生Ferranti效應，其中負載側的電壓變得比電源供給側的電壓高。為了防止Ferranti效應，必須根據(jù)無功功率調整相位優(yōu)先電容的值。另外，提出一種直流電源供給系統(tǒng)，其中調整不平衡電壓和改進三相交流電源的輸入功率因數(shù)(例如，參見專利文獻4)。該直流電源供給系統(tǒng)檢測三相電壓中的相電壓并調整每個相位的驅動脈沖的相位。因此，調整不平衡電壓并保持每個相位的電流平衡，從而保持高的效率。在逆變器設備中建議將功率因數(shù)設置為任意值，而不將其限于I (專利文獻5)?，F(xiàn)有技術文獻專利文獻[專利文獻I]日本未審專利申請公開號2003-274559(圖1，第
段)[專利文獻2]日本未審專利申請公開號2004-222447[專利文獻3]日本未審專利申請公開號2008-141887(第
段、第
-
段)[專利文獻4]日本未審專利申請公開號2006-262662(第
和
段)[專利文獻5]
日本未審專利申請公開號2003-009593(第
段)非專利文獻[非專利文獻I]作為第一版，1999年9月出版以及2000年2月出版的(SEMI 1999，2000) (SEMII999,2OOl),第 859_864 頁，“Specification for Semiconductor Processing EquipmentVoltage Sag Immunity，，[非專利文獻2]作為第一版，1999年9月出版并且允許在2006年5月出版的(SEMI 1999，2006)，第 1-12 頁，“Specification for Semiconductor Processing Equipment Voltage SagImmunity，，[非專利文獻3]電力電子專家會議，PESC97,第503-508 頁(1997-5)，J. K. Kang, S. K. Sul，oControl of Unbalanced Voltage PWM Converter Using Instantaneous Ripple PowerFeedback”[非專利文獻4]電力電子專家會議，PESC98,第SO3-5O9 頁(1"8_8)，H. S. Kim, H. S. Mok,G. H. Choe, D. S. Hyun, S. Y. Choe, “Design of Current Controller for 3-phase P麗Converter with Unbalanced Input Voltage，，[非專利文獻5]電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)的電力電子會刊，第616-622頁(2009-9)，S. C. Ahn,D. S. Hyun,“New Control Scheme of Three-Phase PWM AC/DC Converter WithoutPhase Angle Detection Under the Unbalanced Input Voltage Conditions，，

發(fā)明內容
[本發(fā)明所解決的問題]在補償三相不平衡方面，存在下面的問題。根據(jù)上述專利文獻3，線相電壓變換單元將實測的線電壓信號變換為相電壓變換信號，并根據(jù)相電壓變換信號生成零序電壓信號以及相電壓信號。通過該配置，可以基于一般的三相配電系統(tǒng)的三相不平衡電壓(線電壓)控制三相PWM變換器，并能夠進行三相不平衡補償。但是，該線相電壓變換單元檢測通過變換線電壓來獲得的相電壓變換信號的峰值，并根據(jù)基于這三個峰值計算出的系數(shù)來生成零序電壓信號以及相電壓信號。因此，為了生成零序電壓信號以及相電壓信號，必需要不止一次地反復測量線電壓已獲得最佳系數(shù)，并且生成信號所需要的時間可能會變長。如果已知Y相電壓的不平衡電壓和相位角，則能夠根據(jù)標準的方式從這些Y相電壓確定不平衡的線電壓。另一方面，即使已知線電壓的不平衡電壓和相位角，也無法根據(jù)標準的方式從這些線電壓來確定Y相電壓。這是由于Y相電壓的基準點不確定，并且存在具有相同的不平衡的電壓和相位角的Y相電壓的無數(shù)組合。為了控制三相PWM變換器，必需在Y相電壓間具有相互120°的相位差的關系，所以必需從Y相電壓的無數(shù)組合中選擇相互具有120°的相位差的特定的Y相電壓。當選擇選定相互之間具有120°的相位差的特定的Y相電壓時，正相序電壓與Y相電壓的特定相(a相)成為同相，并可以根據(jù)之后的dq軸變換處理提取作為控制目標的DC分量，因此，便于三相PWM變換器的控制。此外，由于與正相序電壓相對的負相序電壓的相位角與零相序電壓的相位角，以相互相反的方向表示相同的角度，所以能夠提取零相序電壓。傳統(tǒng)上，為了根據(jù)線電壓獲得相互具有120°的相位差的Y相電壓，必需檢測電壓的不平衡狀態(tài)，并且，必需從正被測量的線電壓選擇相互之間具有120°的相位差的Y相電壓。因此處理時間變長。例如，當在交流中檢測到電壓的不平衡狀態(tài)時，必需在至少1/2周期期間監(jiān)視電壓波動。為了通過控制三相PWM變換器迅速補償電壓的不平衡，要求縮短在電壓的不平衡檢測以及控制信號的生成中所需要的時間，從而必需要根據(jù)瞬時的線電壓獲得瞬時的Y相電壓。這里要注意，瞬時的線電壓是在某一時刻測得的線電壓，瞬時的Y相電壓是根據(jù)在該時刻得到的線電壓的實測值獲得的線電壓的值。Y相電壓與測量時的線電壓一對一地對應，并且這意味著不需要在多個時刻的測定值，就能夠通過一個測定時刻的測定值來獲得Y相電壓。為了在負載側迅速消除因瞬時電壓降低導致的影響，必需響應于三相配電系統(tǒng)的三相線電壓的不平衡狀態(tài)的波動，立即生成控制三相PWM變換器所需要的零序電壓信號以及相電壓信號。在上述線相電壓變換單元中，為了生成零相序電壓信號以及相電壓信號，期望不止一次地重復線電壓的實際測量。因此，可能針對三相線電壓的不平衡狀態(tài)的波動的響應變得不充分。作為針對瞬時電壓降低的響應，例如已知用于電壓下陷抗擾性(voltage sagimmunity)的規(guī)范SEMI F47-0200。用于電壓下陷抗擾性的規(guī)范SEMI F47-0200定義寬帶的范圍(輸入電壓降低的范圍從0%到100%)要由電壓下陷補償來范圍。在電壓下陷抗擾性規(guī)范中，定義了從電壓下陷發(fā)生開始的O. 2秒內的電壓降低率是50%，從O. 2秒到O. 5秒的電壓降低率是70%等。如果對瞬時電壓下降的響應不充分，則很難滿足該電壓下陷抗擾性規(guī)范。 通常來說，下面的技術還不是眾所周知的，S卩，利用線電壓的三相不平衡電壓作為輸入電壓，從瞬時線電壓得到瞬時Y相電壓，由此控制三相PWM變換器和補償不平衡電壓。
在三相變換器的控制中，在控制功率因數(shù)和無功功率方面存在下面的問題。在專利文件5中，已知在變換器設備中任意設置功率因數(shù)。然而，這個功率因數(shù)控制涉及到變換器的功率因數(shù)，該變換器執(zhí)行從電源生成器到商業(yè)電源供給系統(tǒng)的交流-交流變換，該交流-交流變換以任意功率因數(shù)提供電力。因此，沒有已知一種用于在控制三相變換器中任意地設置功率因數(shù)的技術，該三相變換器使得三相交流電壓受到PWM變換從而輸出直流電源。特別地，在三相電壓不平衡的情況下，利用線電壓的三相不平衡電壓作為輸入電壓來控制三相PWM變換器由此任意地控制功率因數(shù)的技術，還并不為人所知。在一些情況下，需要在電力系統(tǒng)中任意地設置功率因數(shù)。通過示例，“Guidelinesfor ensuring the technical requirements for interconnection of powerquality”(自然資源和能源機構，2004 年，10 月 I 日),“Guideline for interconnection technique in dispersed power supply system”等,定義如下:在配電線的互聯(lián)中，“原則上，接收點的適當?shù)墓β室驍?shù)被設置為等于或大于85%，并且當從系統(tǒng)側看時，防止功率因數(shù)變?yōu)槌肮β室驍?shù)”。為了滿足這個定義，需要任意地設置功率因數(shù)。如上所述，如果控制功率因數(shù)為任意值或等于I，則根據(jù)通過選擇連接到電源系統(tǒng)的電源電容或并聯(lián)電抗器的單位容量的通常的功率因數(shù)控制，存在需要測量功率因數(shù)的處理或配置的問題。另外，還有另一問題從選擇單位容量的處理等可能會阻止快速響應的響應率問題的觀點來看，對三相線電壓的功率因數(shù)的變化的響應變得不足。另外，與之前提到的不平衡電壓補償類似，如果通過控制三相PWM變換器并利用線電壓的三相不平衡電壓作為輸入電壓來執(zhí)行功率因數(shù)控制和無功功率控制，則必需要重復測量線電壓以及在線相電壓變換構件中生成零相序電壓信號和相電壓信號。因此，還有一個問題，就是對功率因數(shù)的變化的響應變得不足。因此，在三相變換器執(zhí)行的通常的功率因數(shù)控制和無功功率控制中，存在下面的問題很難任意地控制功率因數(shù)，對三相線電壓的功率因數(shù)變化的響應不足，并且在控制功率因數(shù)中，需要測量功率因數(shù)的處理或配置?？紤]到上述情況，本發(fā)明的一個目的是，為了解決上述現(xiàn)有問題，在三相變換器中任意地設置和控制功率因數(shù)并且還控制無功功率。本發(fā)明的另一目的是在不必需要用于測量三相變換器中的功率因數(shù)的處理或配置的情況下，控制功率因數(shù)和無功功率。本發(fā)明的另一目的是基于從實際測量的瞬時線電壓中獲得瞬時Y相電壓來控制三相PWM變換器，并且在補償不平衡電壓的同時，通過對三相線電壓中的功率因數(shù)變化的良好的響應率來控制功率因數(shù)和無功功率。注意到在三相交流中，從是在△型連接中生成的三相不平衡電壓的線電壓的一個實際測量值中獲得正相序電壓、負相序電壓和零相序電壓，該正相序電壓、負相序電壓和零相序電壓是在實際測量時相互之間具有120°的相位差的Y型連接三相不平衡電壓。根據(jù)這些得到的電壓，控制三相PWM變換器來補償不平衡電壓，并且進一步地，控制功率因數(shù)和無功功率。這里，線電壓的瞬時值是在某個時刻實際測量的線電壓的值，Y相電壓的瞬時值是基于線電壓的實際測量值得到的Y相電壓的值。
在不平衡電壓補償中，在不使用在多個測量點得到的實際測量值的情況下，使用在某個時刻實際測量的線電壓以得到在測量時刻獲得的Y相電壓，且通過使用得到的Y相電壓控制三相PWM變換器。解決問題的手段圖I是說明本發(fā)明的不平衡電壓補償和功率因數(shù)控制的概要圖。[ 不平衡電壓補償]首先，將描述不平衡電壓補償。在三相不平衡電壓ela、eil^Pei。未知或不能直接測量的情況下，通過利用端子a、b、c上的線電壓補償不平衡電壓，并且進一步，利用在一個時刻實際測量的線電壓，得到相互之間具有120°的相位差的Y型連接的Y相電壓的瞬時值，從而執(zhí)行不平衡補償。在圖17中，與端子a、b、c相關聯(lián)，以包括平衡電壓er、es&et、傳輸阻抗21以及電壓下陷的情況下的等效阻抗Z12、Z23、Z31的等效電路來表示三相交流電源100B側。傳統(tǒng)地，如圖18所示，假設由相對于平衡電壓e,、es、et的不平衡因素產生該三相交流電源100B的不平衡狀態(tài)。因此，在三相不平衡電壓ela、elb、elca已知或能夠測定的情況下，不平衡電壓補償裝置400能夠補償三相不平衡電壓。但是，如果三相不平衡電壓ela、elb、elc未知或不能測定，則無法補償不平衡電壓。與處理上述不平衡狀態(tài)的現(xiàn)有方式相比，在根據(jù)本發(fā)明的不平衡電壓補償中，如圖I所示的三相交流電源100A包括各自具有2有之間的相位角的不平衡電壓ela、elb、elc,并且可以假設，這些不平衡電壓分別在端子a、b、c上感應出感應電壓eab、ebc;、ec;a。由此，能夠將感應電壓eab、eb。、eca作為由三相交流電源100A的三相不平衡電壓ela、elb、elc而產生的電壓。換句話說，在不能直接獲得這些不平衡電壓時，可以將這些感應電壓假設為補償所獲得的不平衡電壓ela、elb、elc0根據(jù)之前描述的本發(fā)明的處理不平衡電壓補償中的不平衡狀態(tài)的概述，即使在三相不平衡電壓ela、elb、O1。未知或不能測定時,也能夠通過使用感應電壓eab、eb。、eca來求出三相不平衡電壓ela、elb、ei。，來補償不平衡電壓。這里，感應電壓eab、eb。、eca分別對應于端子a、b、c的線電壓。本發(fā)明的三相交流的不平衡電壓補償是針對三相交流電的不平衡電壓補償來說的，其中根據(jù)不平衡電壓補償裝置I的線電壓/三相不平衡電壓變換單元1A，從線電壓的瞬時值獲得相互之間具有120°的相位差的Y連接的Y相電壓的瞬時值，由此控制三相PWM變換器補償不平衡電壓。因此，即使在三相不平衡輸入電壓未知或難以測定時也能進行不平衡電壓補償。著眼于一般的三相配電系統(tǒng)中的輸入電壓的本發(fā)明的不平衡電壓補償是基于Λ型連接(線電壓)而不是Y型連接(Y相電壓)，并且通過對線電壓進行向量運算來獲得相互之間具有120°的相位差的Y相電壓和零相序電壓的瞬時值。為了控制三相變換器，必需獲得Y相電壓和零相序電壓。本發(fā)明中，對通過向量運算求得的Y相電壓進行dq軸變換處理，抽出正相序分量的直流分量，將直流分量作為反饋信號來控制三相變換器。本發(fā)明的不平衡電壓補償用于一般的三相配電系統(tǒng)中的三相不平衡的線電壓，并且根據(jù)通過重心向量運算從線電壓向Y相電壓的變換方法，從是三相不平衡電壓的線電壓的瞬時值獲得相互之間具有120°的相位差的Y相電壓的三相不平衡電壓和零相序電壓的瞬時值。在上述從線電壓計算Y相電壓中，本發(fā)明的發(fā)明者發(fā)現(xiàn)在由三相交流電壓的各相的端子電壓的形成頂點的三角形中，根據(jù)本發(fā)明的重心向量運算步驟，當對連接兩個端子的各個線電壓向量求出重心向量時，這些重心向量的重心與相互之間具有120°的相位差的各Y相電壓的零相序分量的基準點一致。從線電壓求出的重心向量電壓雖然不包含對稱分量電壓的零相序分量，但包含對稱分量電壓的正相序分量以及負相序分量。因此，根據(jù)重心向量的重心與零相序分量的基準點一致的關系，能夠通過dq軸變換處理將重心向量電壓作為相互之間具有120°的相位差的Y相電壓。 在對稱分量計算中，對在所述重心向量運算中求出的各Y相電壓進行dq軸變換，計算d軸的電壓信號和q軸的電壓信號，對計算出的d軸以及q軸的電壓信號進行頻率分離，從直流分量求出正相序電壓，并從交流分量計算負相序電壓。

由于在重心向量運算中求出的Y相電壓不包含零相序分量，因此為了在對稱分量 計算中計算出零相序電壓，通過使用基于負相序電壓計算出的幅值和基于正相序電壓以及負相序電壓計算出的相位來計算零相序電壓。[功率因數(shù)控制]接下來，將描述功率因數(shù)和無功功率控制。當平均有功功率被表示為P·，平均無功功率被表示為Qave時，功率因數(shù)COS Θ被定義如下cos Θ = Pave/(Pave2+Qave2)1/2在本發(fā)明中，根據(jù)功率因數(shù)cos Θ和、平均有功功率P·和平均無功功率Qave之間的關系執(zhí)行功率因數(shù)和無功功率控制。根據(jù)本發(fā)明，功率因數(shù)和無功功率控制單元2任意設置功率因數(shù)cos Θ設置為任意的值，并基于三相變換器的輸出得到平均有功功率Ρ_。然后，根據(jù)獲得的平均有功功率P·和任意設置的功率因數(shù)cos Θ，得到相關的平均無功功率Q·。由此，根據(jù)得到的平均有功功率和平均無功功率，生成控制三相變換器的控制信號。根據(jù)該結構，功率因數(shù)可由任意配置的設定的功率因數(shù)控制，且無功功率可由該設定的功率因數(shù)控制。根據(jù)功率因數(shù)cos Θ、平均有功功率Pave和平均無功功率Qave之間的關系，平均無功功率Qave表示如下Qave = Pave · [I-(cos Θ )2]1/2/cos θ該等式表示平均無功功率Qave由平均有功功率Pave和該設定的功率因數(shù)COS Θ確定。在本發(fā)明中，上述的功率因數(shù)、平均有功功率和平均無功功率之間的關系表示考慮到下面的情況來控制功率因數(shù)和無功功率可利用相對于平均有功功率任意設置的功率因數(shù)進行控制，且通過設定的功率因數(shù)可以控制無功功率。在本發(fā)明的功率因數(shù)控制中，平均有功功率P·表示如下Pave = cos Θ · V apparent power = cos θ · (Pave2+Qave2)1/2因此，通過設置功率因數(shù)為“-I”并控制功率因數(shù)和無功功率，能夠根據(jù)三相變換器的輸出在三相交流側再生功率。本發(fā)明包括以下方面控制三相變換器的功率因數(shù)的方法、控制三相變換器的無功功率的方法以及三相變換器的控制器。任何一個上述方面都包括以下技術要素任意設置功率因數(shù)COS Θ，從三相變換器的輸出得到平均有功功率P·，，基于得到的平均有功功率Pave和設置的功率因數(shù)COS Θ的值，與所設定的功率因數(shù)COS Θ相關聯(lián)地得到的值，從設置的得到的平均無功功率Q_。通過該結構，利用設定的功率因數(shù)執(zhí)行控制，并且關聯(lián)于設定的功率因數(shù)來控制無功功率，可任意配置該設定的功率因數(shù)。另外，上述任一方面都具有這些技術要素不平衡補償(即，重心向量運算)，對稱分量計算，補償不平衡電壓的信號的生成。本發(fā)明的第一方面涉及三相變換器的功率因數(shù)控制，并且更具體地，涉及在對三相交流電進行PWM變換以輸出直流的電力變換中控制功率因數(shù)的方法。在對三相交流電進行PWM變換以輸出直流電的三相變換器的電力變換中，本發(fā)明的功率因數(shù)控制方法具備對稱分量計算步驟、平均有功功率計算步驟、功率因數(shù)控制步 驟、電流指令值生成步驟以及恒定電流控制步驟。在對稱分量計算步驟中，根據(jù)三相變換器的三相交流輸入的Y相電壓計算三相平衡系統(tǒng)的對稱分量電壓值，在平均有功功率計算步驟中，利用三相變換器的直流輸出的輸出電壓值和輸出電流值計算平均有功功率值。然后，在功率因數(shù)控制步驟，根據(jù)在平均有功功率計算步驟中計算中計算出的平均有功功率值和設定的功率因數(shù)，基于平均有功功率值、平均無功功率值和功率因數(shù)之間的關系，計算與所設定的功率因數(shù)相關聯(lián)的平均無功功率。在電流指令值生成步驟中，根據(jù)在平均有功功率計算步驟中計算出的平均有功功率值、在功率因數(shù)控制步驟中計算出的平均無功功率值和在對稱分量計算步驟中計算出的三相交流電壓的對稱分量電壓值，計算電流指令值。然后，在恒定電流控制步驟中，基于電流指令值和三相變換器的輸入電流值，對三相交流電壓的正相序電壓值進行恒定電流控制，并計算恒定電流控制值。在恒定電流控制步驟計算出的恒定電流控制值的基礎上，生成用于補償三相交流電壓的不平衡電壓的補償信號以及控制功率因數(shù)的PWM控制信號。然后，基于由此生成的補償信號和PWM控制信號，得到控制不平衡電壓和功率因數(shù)的相互之間具有120°的相位差的Y相電壓。最后，在得到Y相電壓的基礎上，三相交流電壓經(jīng)過PWM變換并生成用于輸出直流的PWM控制信號。注意，恒定電流控制步驟形成結合了不平衡電壓補償信號和功率因數(shù)的PWM控制信號的信號。在本發(fā)明的對稱分量計算步驟中，將根據(jù)三相交流電的每個線電壓在重心向量運算步驟得到的Y相電壓作為三相變換器的三相交流輸入的Y相電壓使用，Y相電壓用于計算三相平衡系統(tǒng)的對稱分量，并且因此，根據(jù)線電壓計算對稱分量。重心向量運算步驟用來根據(jù)三相交流電的每個線電壓得到相互之間具有120°的相位差的Y相電壓。對從三相線電壓內選擇出的兩個線電壓的全部組合進行向量運算。通過該向量運算得到重心向量電壓，該重心向量電壓從端子電壓重心指向各個端子電壓。然后，得到的向量電壓分別呈現(xiàn)為相互之間具有120°的相位差的Y相電壓。在對稱分量計算步驟中，根據(jù)變換器的三相交流輸入中的多個Y相電壓，計算三相平衡系統(tǒng)的對稱分量電壓值，該多個Y相電壓是在所述重心向量運算步驟中獲得的。在本發(fā)明的平均有功功率運算步驟中，通過將直流輸出的輸出電壓值和輸出電流值的整數(shù)值合并值，與通過使輸出電壓值和電壓指令值之間的差受到比例積分控制(PI控制)而獲得的值進行相加，由此計算平均有功功率。在本發(fā)明的功率因數(shù)控制步驟，將平均有功功率值乘以[(1-(設置的功率因數(shù))2)1/2/(設置的功率因數(shù))]，由此能夠基于設置的功率因數(shù)控制平均無功功率。在本發(fā)明的功率因數(shù)控制步驟，設置的功率因數(shù)被配置為負值，由此并且從三相變換器的直流輸出側至交流輸入側再生平均有功功率值的功率。本發(fā)明的第二方面涉及三相變換器的無功功率控制方法，并且更具體的，涉及在對三相交流電進行PWM變換以輸出直流電的功率變換中控制無功功率的方法。在對三相交流電進行PWM變換以輸出直流電的三相變換器的電力變換中，本發(fā)明的無功功率控制方法具備對稱分量計算步驟、平均有功功率計算步驟、無功功率控制步驟、電流指令值生成步驟以及恒定電流控制步驟。在對稱分量計算步驟，根據(jù)三相變換器的三相交流輸入的Y相電壓計算三相平衡系統(tǒng)的對稱分量電壓值。在平均有功功率運算步驟，使用三相變換器的直流輸出的輸出電壓值和輸出電流值，計算平均有功功率。在無功功率控制步驟，基于平均有功功率值、平均無功功率值和功率因數(shù)之間的關系，并根據(jù)平均有功功率運算步驟中計算得到的平均有功功率值和設置的功率因數(shù)，計算與設置的功率因數(shù)關聯(lián)的平均無功功率值。在電流指令值生成步驟，根據(jù)平均有功功率計算步驟中計算出的平均有功功率值、無功功率控制步驟計算出的平均無功功率值和在對稱分量計算步驟計算出的三相交流電壓的對稱分量電壓值，計算電流指令值。在恒定電流控制步驟，基于電流指令值和三相變換器的輸入電流值，對三相交流電壓的正相序電壓值進行恒定電流控制，從而計算恒定電流控制值。在恒定電流控制步驟計算出的恒定電流控制值的基礎上，生成用于補償三相交流電壓的不平衡電壓的補償信號以及控制無功功率的PWM控制信號，并根據(jù)該補償信號和PWM控制信號，得到用于控制不平衡電壓和無功功率的相互之間具有120°的相位差的Y相電壓。然后，在得到Y相電壓的基礎上，三相交流電壓經(jīng)過PWM變換并生成用于輸出直流的PWM控制信號。注意，恒定電流控制步驟形成結合了不平衡電壓補償信號和無公功率PWM控制信號的信號。本發(fā)明的對稱分量計算步驟使用在重心向量運算步驟根據(jù)三相交流電的每個線電壓得到的Y相電壓作為三相變換器的三相交流輸入的Y相電壓，Y相電壓用于計算三相平衡系統(tǒng)的對稱分量，從而能夠根據(jù)線電壓計算對稱分量。重心向量運算步驟用來根據(jù)三相交流電的每個線電壓得到相互之間具有120°的相位差的Y相電壓。該步驟對從線電壓中選擇出的兩個線電壓的全部組合進行向量運算。通過該向量運算得到重心向量電壓，該重心向量電壓從端子電壓重心指向各端子電壓。并且，這些得到的向量電壓被假設為相互之間具有120°的相位差的Y相電壓。對稱分量計算步驟根據(jù)變換器的三相交流輸入的Y相電壓，計算三相平衡系統(tǒng)的對稱分量電壓值，其中的Y相電壓是重心向量運算步驟得到的電壓。
本發(fā)明的平均有功功率運算步驟將直流輸出的輸出電壓值和輸出電流值的合并值，與通過使輸出電壓值和電壓指令值之間的差受到比例積分控制(PI控制)而獲得的值進行相加，由此計算平均有功功率。在本發(fā)明的功率因數(shù)控制步驟，將平均有功功率值乘以[(1-(設置的功率因數(shù))2)1/2/(設置的功率因數(shù))]，由此與設置的功率因數(shù)相關聯(lián)地計算平均無功功率。
本發(fā)明的第三方面涉及三相變換器的控制器，并且更具體的，涉及通過使三相交流電壓受到PWM變換而執(zhí)行功率變換以輸出直流電的三相變換器的控制器。本發(fā)明三相變換器的控制器，控制使三相交流電壓受到PWM變換以輸出直流電的三相變換器，具有對稱分量運算單元，根據(jù)三相變換器的三相交流輸入的Y相電壓計算三相平衡系統(tǒng)的對稱分量電壓值；平均有功功率運算單元，利用直流輸出的輸出電壓值和輸出電流值計算平均有功功率值；功率因數(shù)和無功功率控制單元，基于平均有功功率值、平均無功功率值和功率因數(shù)之間的關系，并根據(jù)平均有功功率運算步驟中計算得到的平均無功功率值和設置的功率因數(shù)，計算關聯(lián)于設置的功率因數(shù)的平均無功功率值；電流指令值生成部件，根據(jù)平均有功功率運算單元計算出的平均有功功率值、功率因數(shù)和無功功率控制單元計算出的平均無功功率值以及對稱分量運算單元計算出的三相交流電壓的對稱分量電壓值，計算電流指令值；和恒定電流控制單元，基于電流指令值和三相變換器的輸入電流值，對三相交流電壓的正相序電壓值進行恒定電流控制并計算恒定電流控制值，其中，基于恒定電流控制單元計算出的恒定電流控制值，生成用于補償三相交流電壓的不平衡電壓信號的補償信號以及控制功率因數(shù)的PWM控制信號，并基于該補償信號和PWM控制信號，得到 控制不平衡電壓和功率因數(shù)的、相互之間具有120°的相位差的Y相電壓，并根據(jù)得到的Y相電壓，生成控制三相交流電壓進行PWM變換來輸出直流的PWM控制信號。注意，恒定電流控制單元形成結合了不平衡電壓補償信號和功率因數(shù)PWM控制信號的信號。本發(fā)明的三相變換器的控制器，在重心向量運算單元，根據(jù)三相交流電的每個線電壓得到Y相電壓，在對稱分量運算單元，由重心向量運算單元得到的Y相電壓被假設為三相變換器的三相交流輸入的Y相電壓，并且通過由此得到的Y相電壓，計算三相平衡系統(tǒng)的對稱分量電壓值。重心向量運算單元是用于根據(jù)三相交流電的每個線電壓得到相互之間具有120°的相位差的Y相電壓的運算單元。對從三相線電壓中選擇出的兩個線電壓的全部組合進行向量運算。通過該向量運算得到重心向量電壓，該重心向量電壓從端子電壓重心指向各端子電壓。然后，分別使這些得到的向量電壓成為相互之間具有120°的相位差的Y相電壓。在對稱分量運算單元，根據(jù)變換器的三相交流輸入的Y相電壓，計算三相平衡系統(tǒng)的對稱分量電壓值，該Y相電壓是在重心向量運算步驟得到的電壓。本發(fā)明的平均有功功率運算單元將直流輸出的輸出電壓值和輸出電流值的合并值，與通過使輸出電壓值和電壓指令值之間的差受到比例積分控制獲得的值進行相加，由此計算平均有功功率。在本發(fā)明的功率因數(shù)和無功功率控制單元設置功率因數(shù)，并根據(jù)將平均有功功率值乘以[(1-(設置的功率因數(shù))2)1/2/(設置的功率因數(shù))]的運算，由此能夠計算平均無功功率，并基于設置的功率因數(shù)控制平均無功功率。在本發(fā)明的功率因數(shù)和無功功率控制單元中，功率因數(shù)可被設置為負值，由此能夠從三相變換器的直流輸出側至交流輸入側，再生平均有功功率值的功率。根據(jù)本發(fā)明的各個方面，可以在三相變換器中將功率因數(shù)設置為任意值，并且功率因數(shù)變得可控制，還可基于設置的功率因數(shù)控制無功功率。根據(jù)本發(fā)明的各個方面，設置的功率因數(shù)可被設為負值，由此從三相變換器的直流輸出側至交流輸入側再生功率。
根據(jù)本發(fā)明的用于從線電壓得到Y相電壓的的方面，在不使用在多個測量時刻取得的線電壓的實測值，而基于在一個時刻實測的線電壓，能夠獲得在一個測量時刻的Y相電壓。由于可以基于在一個時刻實測的線電壓獲得Y相電壓，因此可以減少檢測電壓的不平衡和生成控制信號所需要的時間，由此從瞬時線電壓獲得瞬時Y相電壓。另外，根據(jù)該變換器的控制，在三相不平衡電壓狀態(tài)下，能夠在不使用存儲設備的情況下保持額定輸出，并輸出三相平衡電流。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的控制三相變換器的功率因數(shù)的方法、控制三相變換器的無功功率的方法和三相變換器的控制器，能夠控制功率因數(shù)為任意設置的值并控制三相變換器中的無功功率。根據(jù)本發(fā)明，能夠在三相變換器中執(zhí)行功率因數(shù)控制和無功功率控制，而不需要用于測量功率因數(shù)的任何處理和配置。根據(jù)本發(fā)明，基于從實測的瞬時線電壓得到的瞬時Y相電壓控制三相PWM變換器，并且能夠與對不平衡電壓進行補償?shù)耐瑫r，以對于三相線電壓中的功率因數(shù)變化的良好的響應率來控制功率因數(shù)和無功功率。


圖I是說明本發(fā)明的不平衡電壓補償和功率因數(shù)控制的概要圖。圖2是說明本發(fā)明的不平衡電壓補償裝置和功率因數(shù)控制的概要結構圖。圖3是說明通過本發(fā)明的不平衡補償?shù)闹匦南蛄窟\算從線電壓求得Y相電壓的過程的流程圖。圖4是說明通過本發(fā)明的不平衡補償?shù)闹匦南蛄窟\算從Y相電壓計算出對稱分量電壓的過程的流程圖。圖5是說明本發(fā)明的不平衡補償?shù)闹匦南蛄窟\算的電壓向量圖。圖6是說明本發(fā)明的不平衡補償?shù)闹匦南蛄窟\算的電壓向量圖。圖7是說明本發(fā)明的不平衡電壓補償裝置和功率因數(shù)和無功功率控制器的更詳細的結構例的圖。
圖8是說明通過基于軟件的CPU的運算處理，來執(zhí)行本發(fā)明的不平衡電壓補償運算和功率因數(shù)控制運算的構成例的圖。圖9是說明通過基于軟件的CPU的運算處理，來執(zhí)行本發(fā)明的不平衡電壓補償運算和功率因數(shù)控制運算的構成例的流程圖。圖10是說明本發(fā)明的不平衡電壓補償?shù)膶嶒灷膱D。圖11是說明本發(fā)明的不平衡電壓補償?shù)膶嶒炇纠膱D。圖12是說明本發(fā)明的不平衡電壓補償?shù)膶嶒炇纠膱D。圖13是說明本發(fā)明的不平衡電壓補償?shù)膶嶒炇纠膱D。圖14是說明本發(fā)明的不平衡電壓補償?shù)膶嶒炇纠膱D。圖15是說明本發(fā)明的不平衡電壓補償?shù)膶嶒炇纠膱D。圖16是表示現(xiàn)有的電壓波動補償裝置的結構例的圖。圖17是表示電壓下陷情況下的等效電路的圖。圖18是表示分別在三相變換器的輸入側以及負載側的等效電路的圖
具體實施例方式以下，參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細說明。本發(fā)明的功率因數(shù)和無功功率控制將以三相變換器為例，使用圖2 圖9進行說明，并使用圖10 圖15對實施例的實驗結果進行說明。參照圖2，對本發(fā)明的功率因數(shù)和無功功率控制的示意性配置進行說明。在圖2中，三相交流電源100供給三相交流電力，三相變換器200對三相交流電進行PWM變換，并將直流電壓輸出到直流負載300。本發(fā)明的三相變換器具有不平衡電壓補償裝置I和功率因數(shù)和無功功率控制器
2。不平衡電壓補償裝置I補償三相交流電力的不平衡電壓，并抑制輸出到直流負載300的電壓的波動。此外，功率因數(shù)和無功功率控制器2反饋輸入到直流負載300的、是從三相變換器200的直流輸出的電壓以及電流，并通過PFC (功率因數(shù)校正)控制執(zhí)行功率因數(shù)和無功功率控制。

不平衡電壓補償裝置I具備根據(jù)線電壓得到的相互之間具有120°相位差的Y相電壓的重心向量運算單元10，從重心向量運算單元10求出的Y相電壓計算三相平衡系統(tǒng)的對稱分量電壓的對稱坐標分量運算單元20，和形成用于補償三相交流電壓的不平衡電壓的補償信號的恒定電流控制單元40。功率因數(shù)和無功功率控制器2具有根據(jù)從三相變換器200輸出的電壓值和電流值并基于PI控制來得到平均功率因數(shù)的平均有功功率運算單元50，任意設置功率因數(shù)并通過設置的功率因數(shù)控制功率因數(shù)和無功功率的功率因數(shù)和無功功率控制單元90，和形成用于控制三相交流電壓的功率因數(shù)和無功功率的控制信號的恒定電流控制單元40。恒定電流控制單元40具有通常用于形成用于不平衡電壓的補償信號和用于形成用于控制功率因數(shù)和無功功率的PWM控制信號的結構。加法器30將零相序電壓和負相序電壓相加以從恒定電流控制單元40輸出，并生成PWM控制信號以在三相變換器200中將三相交流電壓進行PWM變換。三相變換器200具有三相PWM電路200a和用來生成用以控制三相PWM電路200a的操作以執(zhí)行PWM控制的脈沖信號的三相PWM脈沖生成部200b。三相PWM脈沖生成部200b基于加法器30生成的控制信號形成脈沖信號。例如，可通過由開關元件組成的橋電路(bridged circuit)來形成三相PWM電路200a,并且脈沖信號控制開關元件的開/關操作來執(zhí)行PWM控制。重心向量運算單元10對從線電壓內選擇出的兩個線電壓的全部組合進行向量運算。通過向量運算得到從△連接的端子電壓的重心分別指向端子電壓的重心向量電壓，將得到的各向量電壓輸出給對稱坐標分量運算單元20，假設這些電壓為為相互之間具有120°的相位差的Y相電壓。對稱坐標分量運算單元20從在重心向量運算器10中得到的Y相電壓計算是三相平衡系統(tǒng)的對稱分量電壓的正相序電壓、負相序電壓、零相序電壓，并將這些電壓輸出給加法器30。不平衡電壓的補償以及功率因數(shù)和無功功率的控制的結構由下述組成根據(jù)對稱坐標分量運算單元20計算出的正相序電壓以及向負載側的輸入功率的反饋值來進行恒定電流控制并生成電流指令值的恒定電流控制單元40，根據(jù)PI控制基于三相變換器200的輸入電流和輸入電壓來計算平均功率因數(shù)的平均有功功率運算單元50，設置功率因數(shù)并基于設置的功率因數(shù)計算平均無功功率的功率因數(shù)和無功功率控制單元90，和執(zhí)行恒定電流控制后將負相序電壓以及零相序電壓添加到電流命令信號的加法器30。作為補償三相交流電壓的不平衡電壓的補償信號添加零相序電壓。加法器30輸出相互之間具有120°的相位差的Y相電壓，來補償不平衡電壓，并控制功率因數(shù)和無功功率。從加法器30輸出的Y相電壓作為用于對三相交流電壓進行PWM變換以輸出直流電壓的PWM控制信號，被輸出到三相變換器200的三相PWM脈沖生成單元200。 例如，通過基于在三相變換器的直流輸出側或負載側檢測出的電流和電壓計算平均有功功率，可以在平均有功功率運算單元50中獲得作為對恒定電流控制單元40的反饋的輸入功率。[通過重心向量運算計算Y相電壓]接著，參考圖3、4的流程圖以及圖5、6的向量圖對于在本發(fā)明的不平衡補償中，使用重心向量運算根據(jù)線電壓得到相互之間具有120°的相位差的Y相電壓的過程、以及根據(jù)得到的Y相電壓計算對稱分量電壓的過程進行說明。檢測三相交流的各端子間的線電壓(eab、ebc;、eJ。這里，線電壓eab是端子“a”和端子“b”之間的向量電壓，線電壓eb。是端子b和端子c之間的向量電壓，線電壓eca是端子“c”和端子“a”之間的向量電壓(SI)。對檢測出的線電壓(eab、ebc;、eJ進行向量運算，并計算重心向量(e2a、e2b、e2。)e2a = (eab_ej/3 …(5)e2b = (ebc-eab) /3 …(6)e2c = (eca-ebc) /3 …(7)本發(fā)明的發(fā)明者關注在計算線電壓的重心向量得到的重心向量(e2a、e2b、e2。)和相互之間具有120°相位差的Y相的向量電壓(ela、elb、ei。)之間具有以下等式⑶的關系ela = e2a+el0elb = e2b+el0elc = e^+ei。...(8)等式⑶表示通過線電壓的重心向量(e2a、e2b、e2c)與零相序電壓eio的向量和表示為相互具有120°相位差的Y相電壓(ela、elb、elc;)。本發(fā)明的發(fā)明者發(fā)現(xiàn)根據(jù)上述等式
(8)可以通過獲得零相序電壓ei。，從線電壓的重心向量(e2a、e2b、e2c)得到相互具有120°相位差的Y相電壓(ela、elb、elc)，并且，根據(jù)該關系，能夠從線電壓的重心向量(e2a、e2b、e2c)求出相互之間具有120°相位差的Y相電壓(ela、elb、elc;)的正相序電壓elp和負相序電壓
eIn0本發(fā)明利用上述的線電壓的重心向量與Y相電壓的關系。通過使用容易由向量運算從是Λ電壓的線電壓(eab、ebc;、eJ計算出的重心向量(e2a、e2b、e2。)，而不是直接檢測相互之間具有120°相位差的Y相電壓(ela、elb、elc;),將該重心向量(e2a、e2b、e2。)用于三相PWM變換器的控制，由此使三相交流的不平衡電壓補償更容易。
(重心向量和相電壓的關系)以下，說明將通過向量運算求出的重心向量(e2a、e2b、e2c)相當于相互之間具有120°相位差的Y相電壓。圖5表示Λ電壓和Y相電壓的關系。在圖5中，Λ電壓由端子“a”和“b”、“b”
和“c”、“c”和“a”之間的線電壓(eab、ebc;、eJ來表示。Y相電壓(eka、ekb、ek。)由從任意的點k到各端子a、b、c的向量電壓來表示。點k是在Y相電壓中任意確定的基準點。這里,如果Y相電壓(eka、ekb、ek。)已知,則以標準方式確定Δ電壓(eab、eb。、eca)。另一方面，即使Λ電壓(eab、eb。、eca)已知，但由于基準點k能夠被限定在任意位置從而存在無數(shù)個基準點。所以不能以標準的方式確定Y相電壓(eka、ekb、ek。)，并存在能夠以Y相電壓(eka、ekb、ek。)表述的無數(shù)個組合。注意，將基于Y相電壓(eka、ekb、ek。)的零相序電壓假 設為ek。，假設點“O”為零相序電壓的基準點。根據(jù)圖5所示的△電壓(線電壓)和Y相電壓的關系可以得出eab-eca = eka_ekb-(ekc_eka)= 3eka- (eka+ekb+ekc)= 3eka-3ek0 …(9)根據(jù)式(9)的關系，Y相電壓(eka、eitb、ek。)能夠由Λ電壓(eab、eb。、ej和零相序電壓ek。,使用下式(10) (12)來表不eka = (eab_eca/3+ek0 …(10)ekb = (ebc-eab) /3+eko ...(11)ekc = (eca-ebc) /3+eko …(12)另一方面，作為相互之間具有120°相位差的Y相電壓，當用α來表示a相的相位角Cpla時，a相、b相、c相的各相的相位角Cpla、Cp16、Cple由下式表示Φ 3 = α(J)lb = α -2 Ji /3φ1ε = α +2 Ji /3... (13)正相序分量電壓的相位角與相互具有120電相位差的關系的Y相電壓的a相為同相。根據(jù)該關系，由于能夠通過dq軸變換提取出作為三相PWM變換器的控制對象的直流分量，所以使三相PWM變換器的控制更容易。此外，在相互之間具有120°相位差的Y相電壓中，相對于正相序電壓，負相序電壓的相位角和零相序電壓的相位角在相反方向具有相同的角度。圖6A表不相互之間具有120°相位差的關系的Y相電壓和零相序電壓的基準點“ο”的關系，圖6B表不相互之間具有120°相位差的關系的Y相電壓和重心向量的基準點(重心)的關系。在圖6中，以K= I來表示相互之間具有120°相位差的關系的Y相電壓的基準點，以K = 2來表示重心向量的基準點(重心)。如圖6A所示，假設式(10) (12)中K = 1，相互之間具有120。相位差的Y相電壓(ela、elb、elc)，通過下式(14)來表示ela = (eab_ej /3+elo = eoa+eloelb = (ebc-eab) /3+elo = eob+eloelc = (eca-ebc) /3+elo = eoc+elo
…(14)另一方面，如圖6B所示，對于Λ電壓(eab、ebc;、eJ內的兩個線電壓通過向量運算求出重心向量(e2a、e2b、e2。)，當由K = 2來表示該重心向量的點時,重心向量通過下式(15)來表示(S2)e2a = (eab-eca) /3e2b = (ebc-eab) /3e2c = (eca-ebc) /3e2o = (e2a+e2b+e2c) /3 = 0“.(15)根據(jù)圖6B，當使用重心向量(e2a、e2b、e2。)表示相互之間具有120°相位差的Y相電壓(ela、elb、ei。)時，可以得到上述的式(8)。如上所述，式⑶通過線電壓的重心向量(e2a、e2b、e2。)與零相序電壓e1()的向量和來表不Y相電壓(ela、elb、elc)。另一方面，相互之間具有120°相位差的Y相電壓，當用α來表示a相的相位角時，a相、b相、c相的相位角φ1α、Φ16 ' φ1 ；由下式表示Φ 3 = α(J)lb = α -2 Ji /3(J)lc = α +2 Ji /3... (16)正相序相序電壓的相位角與相互之間具有120°相位差的關系的Y相電壓的a相為同相。根據(jù)上述關系，由于能夠通過dq軸變換取得作為三相PWM變換器的控制對象的直流分量，所以使三相PWM變換器的控制更容易(S3)。在相互之間具有120°相位差的Y相電壓中，相對于正相序電壓，負相序電壓的相位角和零相序電壓相的相位角在相反方向具有相同角度。 所以，代替相互之間具有120°相位差的Y相電壓(ela、elb、elc)，使用線電壓的重心向量(e2a、e2b、e2。)從該重心向量(e2a、e2b、e2。)提取正相序電壓ep以及負相序電壓eq，從而取得作為三相PWM變換器的控制對象的直流分量，并且進一步地，能夠通過抽出零相序電壓補償不平衡電壓(S4)。然后，對在步驟S2中求出的重心向量(e2a、e2b、e2c)進行dq軸變換處理，并求出d軸分量eld和q軸分量elq。進行這種變換的目的是通過直流分量來控制三相PWM變換器
(S3)。為了執(zhí)行dq軸變換，進行從空間向量向實向量的變換。當把Y相電壓(ela、elb、elc)與三相平衡電壓(er、es、et)的相位差設為α時，Y相電壓(ela、elb、elc;)相當于以空間向量表不的Y相電壓的實部，并由下式(17)表不Y相電壓(ela、elb、elc)ela = ElamCos (cot+α )elb = ElbmCos ( ω t+ a -2 π /3)elc = ElcmCos ( ω t+a+2 /3)…(17)當對這些Y相電壓進行dq軸變換時,可以得到d軸、q軸、零相序分量。但是,在Δ連接中相互之間具有120°相位差的Y相電壓(ela、elb、ei。)無法直接被檢測而且沒有被給出。因此，該零相序電壓^。是不清楚。在本發(fā)明中，代替無法直接檢測的Y相電壓(ela、elb、elc)，使用通過使檢測到的線電壓受到重心向量運算得到的重心向量(e2a、e2b、e2。)。由此，通過在一個測量時間點的線電壓可以補償三相不平衡電壓。在對式⑶的Y相電壓(ela、elb、elc;)進行了 dq軸變換時，下面的等式(18)建立

權利要求
1.一種控制三相變換器的功率因數(shù)的方法，所述方法在通過三相變換器對電能進行變換時對三相變換器的功率因數(shù)進行控制，所述三相變換器使三相AC受到PWM變換以輸出DC,所述方法包括 對稱分量計算步驟，用于根據(jù)三相變換器的三相AC輸入的Y相電壓，計算三相平衡系統(tǒng)的對稱分量電壓值； 平均有功功率運算步驟，用于利用三相變換器的DC輸出的輸出電壓值和輸出電流值，計算平均有功功率 值； 功率因數(shù)控制步驟，用于根據(jù)在所述平均有功功率計算步驟中計算出的所述平均有功功率值和設置的功率因數(shù)，基于平均有功功率值、平均無功功率值和功率因數(shù)之間的關系，計算平均無功功率值，所述平均無功功率值與所述設置的功率因數(shù)相關聯(lián)； 電流指令值生成步驟，用于根據(jù)在所述平均有功功率計算步驟中計算出的所述平均有功功率值、在所述功率因數(shù)控制步驟中計算出的所述平均無功功率值和在所述對稱分量計算步驟中計算出的三相AC電壓的對稱分量電壓值，計算電流指令值；以及 恒定電流控制步驟，用于基于所述電流指令值和所述三相變換器的輸入電流值，通過使所述三相AC電壓的正相序電壓值受到恒定電流控制，計算恒定電流控制值；其中， 基于在所述恒定電流控制步驟中計算出的所述恒定電流控制值，生成用于補償三相AC電壓的不平衡電壓的補償信號以及用于控制功率因數(shù)的PWM控制信號， 基于所述補償信號和所述PWM控制信號，獲得用于控制不平衡電壓和功率因數(shù)的多個Y相電壓，所述多個Y相電壓相互之間具有120°的相位差，及 基于所獲得的多個Y相電壓，生成用于使三相AC受到PWM變換以輸出DC的PWM控制信號。
2.根據(jù)權利要求I所述的控制三相變換器的功率因數(shù)的方法，進ー步包括重心向量運算步驟，用于從三相AC的線電壓獲得相互之間具有120°的相位差的多個Y相電壓，其中， 所述重心向量運算步驟，對從多個線電壓中選擇出的兩個線電壓的全部組合進行向量運算，通過所述向量運算獲得從端子電壓重心指向各個端子電壓的重心向量電壓，并使所述向量電壓分別作為相互之間具有120°的相位差的多個Y相電壓，以及 所述對稱分量計算步驟根據(jù)變換器的三相AC輸入中的多個Y相電壓，計算三相平衡系統(tǒng)的對稱分量電壓值，所述多個Y相電壓是在所述重心向量運算步驟中獲得的。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的控制三相變換器的功率因數(shù)的方法，其中， 所述平均有功功率運算步驟，通過將DC輸出的輸出電壓值和輸出電流值的合并值，與通過使輸出電壓值和電壓指令值之間的差受到比例積分控制獲得的值進行相加，來計算平均有功功率值。
4.根據(jù)權利要求I所述的控制三相變換器的功率因數(shù)的方法，其中， 所述功率因數(shù)控制步驟通過將平均有功功率值乘以[(1-(設置的功率因數(shù))2)"V(設置的功率因數(shù))]，來計算平均無功功率。
5.根據(jù)權利要求I所述的控制三相變換器的功率因數(shù)的方法，其中， 功率因數(shù)控制步驟將功率因數(shù)設置為負值，并且從三相變換器的DC輸出側到AC輸入側再生平均有功功率值的功率。
6.一種控制三相變換器的無功功率的方法，所述方法在通過三相變換器對電能進行變換時對三相變換器的功率因數(shù)進行控制，所述三相變換器使三相AC受到PWM變換以輸出DC,所述方法包括 對稱分量計算步驟，用于根據(jù)三相變換器的三相AC輸入的Y相電壓，計算三相平衡系統(tǒng)的對稱分量電壓值； 平均有功功率計算步驟，用于利用三相變換器的DC輸出的輸出電壓值和輸出電流值，計算平均有功功率； 無功功率控制步驟，用于根據(jù)在所述平均有功功率計算步驟中計算出的所述平均有功功率值和設置的功率因數(shù)，基于所述平均有功功率值、平均無功功率值和功率因數(shù)之間的關系，計算平均無功功率值，所述平均無功功率值與所述設置的功率因數(shù)相關聯(lián)； 電流指令值生成步驟，用于根據(jù)在所述平均有功功率計算步驟中計算出的所述平均有功功率值、在所述無功功率控制步驟中計算出的所述平均無功功率值和在所述對稱分量計算步驟中計算出的三相AC電壓的對稱分量電壓值，計算電流指令值；以及 恒定電流控制步驟，用于基于所述電流指令值和所述三相變換器的輸入電流值，通過使所述三相AC電壓的正相序電壓值受到恒定電流控制，計算恒定電流控制值；其中， 基于在所述恒定電流控制步驟中計算出的所述恒定電流控制值，生成用于補償三相AC電壓的不平衡電壓的補償信號以及用于控制功率因數(shù)的PWM控制信號， 基于所述補償信號和所述PWM控制信號，獲得用于控制不平衡電壓和無功功率的多個Y相電壓，所述多個Y相電壓相互之間具有120°的相位差，及 基于所獲得的多個Y相電壓，生成用于使三相AC受到PWM變換以輸出DC的PWM控制信號。
7.根據(jù)權利要求6所述的控制三相變換器的無功功率的方法，進ー步包括重心向量運行步驟， 用于根據(jù)三相AC的線電壓獲得相互之間具有120°的相位差的多個Y相電壓，其中，所述重心向量運算步驟，對從多個線電壓中選擇出的兩個線電壓的全部組合進行向量運算，通過所述向量運算獲得從端子電壓重心指向各個端子電壓的重心向量電壓，并使所述向量電壓分別作為相互之間具有120°的相位差的多個Y相電壓，以及 所述對稱分量計算步驟根據(jù)變換器的三相AC輸入的多個Y相電壓，計算三相平衡系統(tǒng)的對稱分量電壓值，所述多個Y相電壓是在所述重心向量運算步驟中獲得的。
8.根據(jù)權利要求6或7所述的控制三相變換器的無功功率的方法，其中， 所述平均有功功率運算步驟，通過將DC輸出的輸出電壓值和輸出電流值的合并值，與通過使輸出電壓值和電壓指令值之間的差受到比例積分控制獲得的值進行相加，來計算平均有功功率值。
9.根據(jù)權利要求6所述的控制三相變換器的無功功率的方法，其中， 在所述無功功率控制步驟通過將平均有功功率值乘以[(1-(設置的功率因數(shù))2)1/2/(設置的功率因數(shù))]，來計算平均無功功率。
10.ー種用于控制三相變換器的控制器，所述三相變換器使三相AC受到PWM變換以輸出DC，所述控制器包括 對稱分量計算單元，用于根據(jù)三相變換器的三相AC輸入的Y相電壓，計算三相平衡系統(tǒng)的對稱分量電壓值；平均有功功率運算單元，用于利用三相變換器的DC輸出的輸出電壓值和輸出電流值，計算平均有功功率值； 功率因數(shù)和無功功率控制單元，用于根據(jù)在所述平均有功功率運算單元計算出的所述平均有功功率值和設置的功率因數(shù)，基于平均有功功率值、平均無功功率值和功率因數(shù)之間的關系，計算平均無功功率值，所述平均無功功率值與所述設置的功率因數(shù)相關聯(lián)； 電流指令值生成部，用于根據(jù)在所述平均有功功率運算單元中計算出的所述平均有功功率值、在所述功率因數(shù)和無功功率控制單元中計算出的所述平均無功功率值和在所述對稱分量計算單元中計算出的三相AC電壓的對稱分量電壓值，計算電流指令值；以及 恒定電流控制單元，用于基于所述電流指令值和所述三相變換器的輸入電流值，對所述三相交流電壓的正相序電壓值進行恒定電流控制，計算恒定電流控制值；其中， 基于在所述恒定電流控制単元中計算出的所述恒定電流控制值，生成用于補償三相AC電壓的不平衡電壓的補償信號以及用于控制功率因數(shù)的PWM控制信號， 基于所述補償信號和所述PWM控制信號，獲得用于控制不平衡電壓和功率因數(shù)的多個Y相電壓，所述多個Y相電壓相互之間具有120°的相位差，及 基于所獲得的多個Y相電壓，生成用于使三相AC受到PWM變換以輸出DC的PWM控制信號。
11.根據(jù)權利要求10所述的用于控制三相變換器的控制器，進ー步包括重心向量運算単元，所述重心向量運行單元用于從三相AC的線電壓獲得相互之間具有120°的相位差的Y相電壓，其中 所述重心向量運算單元，對從多個線電壓中選擇出的兩個線電壓的全部組合進行向量運算，通過所述向量運算獲得從端子電壓重心指向各個端子電壓的重心向量電壓，并使所述向量電壓分別作為相互之間具有120°的相位差的多個Y相電壓，以及 對稱分量計算單元，根據(jù)變換器的三相AC輸入中的多個Y相電壓，計算三相平衡系統(tǒng)的對稱分量電壓值，所述多個Y相電壓是在所述重心向量運算步驟中獲得的。
12.根據(jù)權利要求10或11所述的用于控制三相變換器的控制器，其中， 平均有功功率運算單元，通過將DC輸出的輸出電壓值和輸出電流值的合并值，與通過使輸出電壓值和電壓指令值之間的差受到比例積分控制獲得的值進行相加，來計算平均有功功率值。
13.根據(jù)權利要求10所述的用于控制三相變換器的控制器，其中， 所述功率因數(shù)和無功功率控制單元包括， 功率因數(shù)設置單元，用于設置功率因數(shù)，和 平均無功功率運算單元，用于通過利用在功率因數(shù)設置單元中設置的功率因數(shù)計算平均無功功率，其中 所述平均無功功率運算單元通過執(zhí)行如下操作來計算平均無功功率將在所述平均有功功率運算單元中計算出的平均有功功率值乘以[(1-(設置的功率因數(shù))2)1/2バ設置的功率因數(shù))]。
14.根據(jù)權利要求10所述的用于控制三相變換器的控制器，其中， 所述功率因數(shù)和無功功率控制單元將功率因數(shù)設置為負值，并且從三相變換器的DC輸出側到AC輸入側再生平均有功功率值的功率。
全文摘要
本發(fā)明提供一種控制功率因數(shù)的方法、控制無功功率的方法和控制器。在三相變換器中，將功率因數(shù)控制為任意設置的值從而控制無功功率。在對三相交流電壓進行PWM變換輸出直流電壓的電力變換中，根據(jù)三相變換器的三相交流輸入的Y相電壓計算三相平衡系統(tǒng)的對稱分量電壓值。在三相變換器的交流輸入側，設置功率因數(shù)，根據(jù)輸出電壓值和輸出電流值計算平均有功功率，根據(jù)設置的功率因數(shù)計算平均無功功率?；趯ΨQ分量電壓值、平均有功功率、平均無功功率，生成用于補償三相交流電壓的不平衡電壓的補償信號以及控制功率因數(shù)的控制信號，生成對三相交流電壓進行PWM變換而輸出直流電壓的PWM控制信號。
文檔編號H02J3/26GK102651551SQ20121004217
公開日2012年8月29日 申請日期2012年2月22日 優(yōu)先權日2011年2月22日
發(fā)明者岡野毅, 秦佳久, 讓原逸男, 高柳敦 申請人:株式會社京三制作所