CN104779636A - 控制换逆变器的功率输出的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种控制逆变器的功率输出的方法和系统。该方法包括：测量逆变器的输出电流，确定输出电流和基准电流之差，以及根据所确定的差值控制逆变器的基准输入电压。该系统包括逆变器，其被布置成根据基准输入电压输出电流。系统还包括控制器，其被布置成确定输出电流和基准电流之差。控制器进一步被布置成根据所确定的差值控制基准输入电压。该方法可考虑到针对给定太阳辐射在低于光伏逆变器的最大能力的功率处控制光伏逆变器，这可避免光伏阵列电压升高到逆变器能运行的电平之上的问题。

Description

控制换逆变器的功率输出的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种用于控制逆变器特别是光伏逆变器的功率输出的方法及相应的系统。特别地，本发明涉及一种用于限制逆变器的功率输出的方法及系统。

背景技术

传统地，光伏逆变器工作在最大功率点(MPP)处以最大化来自太阳能电池板工厂的收益。例如，在US2013/0155735中，在图2B中示出了一种控制逆变器使得光伏阵列电压保持在最大功率点所需的最佳电平处的控制系统。积分控制器(PI控制)和限制器是逆变器内部控制安排的一部分，这使其能够跟踪所需的MPP电压。

然而，近来，存在这样一些情形，其中逆变器输出功率必需被局限在MPP之下。例如，这可能是因为电力公司已经发布了局限工厂的输出功率的命令，因为电力系统可能接受不了工厂的全部功率输出，或出于其他操作的原因。在其他情形中，当阳光很强时，阵列功率输出可能超出工厂的协定最大输出额定—如果阵列故意地相对于逆变器的超过规定规格，并且通过限制功率，使得功率在一整天变化很小，则这有可能发生。这个要求在减少的光伏电池板的资本成本，以及在不动产允许阵列相对于额定输出功率超过规定规格的世界上的部分地方变得更加普通。

然而，当人们试图局限到电网的逆变器的功率输出时，阵列的电压升高。根据系统设计和阵列温度，对于逆变器来说，电压可能变得太高以至于不能运行，并可能升高太高以至于逆变器不能工作。处理这种问题的常规技术包括：

(a)允许电压升高并接受更高电压额定的逆变器的成本，或否则重新调整系统的大小以降低电压，这两者均导致更高的成本；

(b)使用额外的电阻以采用诸如“斩波器”的控制器来耗散不必要的功率(参见例如US2010/0275966)—这很昂贵并且需要设施以耗散在电阻中产生的热能，并且因而在大型系统中并不实用。

因此，在现有技术中存在针对允许局限或限制逆变器的输出功率的更加成本有效且高效的装置的需求。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种控制逆变器的功率输出的方法。该方法包括：测量逆变器的输出电流，确定输出电流和基准电流之间的差值，以及根据确定的差值来控制逆变器的基准输入电压。

这样，上述创新性方法可允许逆变器电压额定更紧密地匹配于光伏阵列，这给出了节约成本以及通过当阵列电压高时降低在受限功率操作期间过压跳闸的趋向来改进可用性的潜力。上述方法可考虑到针对给定太阳辐射而以小于光伏逆变器的最大能力的功率来对光伏逆变器进行控制，这可避免光伏阵列电压升高到逆变器能运行的电平之上的问题。不必要的功率可以自动地并无害地消散在光伏电池板中。

基准电流可对应于逆变器的期望功率输出，期望的功率输出小于逆变器的最大功率输出。换言之，针对给定基准输入电压，基准电流可以等于会产生期望的功率输出的电流。基准电流可通过利用在逆变器输出端子处的电压来缩放所需的输出功率、或通过使用合适的控制算法来导出。

本方法可进一步包括从根据所确定的差值控制基准输入电压切换至根据逆变器的功率输出控制基准输入电压。这样，如果在给定的普遍条件下逆变器不能产生针对给定基准电流的期望的功率输出，那么本方法可切换至传统的MPP追踪以持续地输出最大可用功率。

切换可在基准输入电压超过预定阈值的情况下发生，例如在基准输入电压达到可触发逆变器的跳闸的电平的情况下。可选地，预定的阈值可以是对应于逆变器的最大功率输出的电压。例如，系统可判定何时、在何种情形下MPP已经达到，以避免在没有功率输出的进一步增长的情况下电压的进一步增长，系统可切换至MPP追踪。

基准输入电压的控制优选地包括反馈控制。例如，在基准电流大于输出电流的情况下基准输入电压可增加。另外，在基准电流小于输出电流的情况下基准输入电压可降低。

在本发明的第二方面中，描述了一种用于控制逆变器的功率输出的系统。该系统包括逆变器，其被布置成根据基准输入电压来输出电流。该系统还包括控制器，其被布置成确定输出电流和基准电流之间的差值。该控制器进一步被布置成根据所确定的差值来控制基准输入电压。

该系统可进一步包括用于根据逆变器的功率输出来控制基准输入电压的追踪器。

该系统可进一步包括用于在由控制器对基准输入电压进行控制和由追踪器对基准输入电压进行控制之间切换的切换装置。上述切换装置可被布置成在基准输入电压超过预定的阈值时从控制器向跟踪器切换对基准输入电压的控制。该预定的阈值可以是对应于逆变器的最大功率输出的电压。该系统可进一步包括限制器，其被布置成检测何时基准输入电压超过预定的阈值。

附图说明

现在将连同附图一起描述本发明的优选实施方式，其中：

图1a是示出了典型的逆变器的电流/电压曲线的曲线图；

图1b是示出了典型的逆变器的功率/电压曲线的曲线图；

图2是依据本发明的优选实施方式的、用于控制逆变器的功率输出的系统的框图；以及

图3是依据本发明的优选实施方式的、用于控制逆变器的功率输出的方法的流程图。

具体实施方式

本发明寻求提供一种用于控制逆变器的功率输出的改进的方法及系统。当本发明的各种实施方式在下文被描述时，本发明并不限于这些实施方式，并且这些实施方式的变型可以很好地落入仅通过所附权利要求限制的本发明的范围之内。

在详细描述本发明的实施方式之前，下面对典型的现有技术的逆变器的操作进行简要讨论。

典型地，逆变器利用内部控制回路操作，该内部控制回路使输出电流的有功分量适配于输出电流以给出DC输入电压的期望的基准值。上述回路作使得如果电压增加则有功电流增加，这因此增加了逆变器输入电流并校正了电压的变化。在通常的MPP追踪模式中，利用追踪算法，这个基准电压持续地被调制来寻找最佳值，上述追踪算法很多是已知的。

如果需要功率输出在MPP以下，那么需要控制逆变器以给出具有期望值的恒定输出功率。于是通常存在两对可能的电压和电流的值。这在图1a和图1b中示出，图中示出了典型的光伏阵列的电压的电流函数和功率函数，以表明针对固定功率的可能的工作点。

在点1处，电压的小增加导致从阵列递送的功率的增加，这是因为当电压增加了相对较大的量时电流仅降低了小的量。这因而导致电压的进一步增加使得系统快速地在功率曲线上移动到点2。在点2处，电压的任何进一步的增加导致从阵列递送的功率和电流(按照图1a)的快速下降，因此系统在点2处自然地稳定。这样，在没有干预的情况下，如果输出的功率在逆变器控制系统中是固定的，那么系统自然地向更高电压状态移动，即，在图1b中的点2，因为那个状态是固有地稳定的。

为了在点1处获得稳定的操作(即，在较低电压处)，有必要在调节功率时实现击败自然趋向于不稳定的控制功能。如果逆变器以固定的电压基准值简单地工作，那么稳定的工作在任何(物理可实现的)电压处都是可能的。在这种模式中，如果电压趋向升高，则逆变器内部控制回路通过输出更多功率来调节电压，这抵消了在输出的功率是固定的情况下发生的趋向于不稳定。然而，这个系统无法单独输出可控输出功率，而仅是碰巧在设定的电压处及在普遍条件下可用的一定量的功率。因此，为了输出可控输出功率，必须增加额外的控制功能。

图2示出了根据本发明的优选实施方式的用于控制逆变器的功率输出的系统10。系统10包括光伏逆变器12，光伏逆变器12被布置成输出有功电流I_A。电流I_A被馈入减法块14或其他适当的装置，减法块14或其他适当的装置也接收基准电流I_A ^*。减法块14与积分器16相连，积分器16被布置成控制向逆变器12输入的基准DC链路(link)电压V_DC ^*。积分器16可通过公知的技术、以逆变器12中的软件实现，或以分离的控制器实现，或以硬件实现。系统10进一步包括MPP追踪控制器18。开关元件17被布置成交替地使积分器16和MPP追踪控制器18调节V_DC ^*。开关元件17由限制器15控制，该限制器检测何时达到最大电压。

系统10利用了下述事实：当工作在功率/电压曲线的上升侧时(即，在图1b中包括点1的一侧)，低于MPP，在逆变器12中设定的DC电压的增加导致输出功率的增加。积分器16的相位是这样的：在这个状态下可达到稳定的控制，而针对在MPP之上的电压，反馈变为正并且控制不稳定。

逆变器12包括控制系统，控制系统可起到控制输出到AC电网的有功电流I_A的作用以将DC链路电压V_DC维持在期望值。在常规应用中使用最大功率点追踪器(MPPT)以使从光伏阵列提取的功率最大化，MPP追踪控制器18将控制直流母线电压基准值。

根据本发明，期望的有功电流被指定为基准(例如，期望的)值输入I_A ^*。在减法块14中将期望的电流I_A ^*与由逆变器12输出的实际电流I_A相比较，该实际电流作为在逆变器12中的数据可用。通过积分器16使用积分控制功能处理差值，以确定DC链路电压V_DC ^*的基准值。这代替了通常从MPP追踪算法中导出的电压基准值。

现在参考图3，描述系统10的操作的优选方法。

积分器16在逆变器12所允许的DC电压的最小值或其附近处被初始化。因此，在启动时(步骤20)，DC电压较低并且由光伏阵列输出的功率可能以减小的电压而处于最小值。因此，输出的有功电流I_A也低。如果有功电流基准I_A ^*低于I_A(步骤21)，那么系统10将无限期地保持在这个较低的电压处，这输出了在上述条件下的最低可能功率(步骤22)，除非被一些其他机制停止。

如果输出的电流I_A最初小于基准电流I_A ^*，则积分器16增加DC电压(步骤23)使得从阵列接收的功率增加。当达到期望的有功电流输出时，积分器16调节DC电压使得不会发生电压的进一步增加。电压控制回路优选地快速起作用以确保在这个条件中的稳定操作(步骤21-22-23)。通过使用积分控制，防止恒定功率控制功能抵消固有稳定的恒定电压控制。

如果基准电流I_A ^*高于在普遍条件下能达到的值，则DC电压持续升高。当V_DC ^*超过MPP电压时(例如对应于最大功率输出的电压)，反馈回路变得不稳定(正反馈)并且电压快速升高直到其达到预定的极限值。电压受到限制使得逆变器12不会由于过度的电压而跳闸。这个条件可由限制器15检测(步骤24)，在该点开关元件17启动至MPPT控制器18的反转(步骤25)。换言之，如果期望的输出功率在普遍条件下不能达到，则系统10被布置成返回至在MPPT控制器18下进行控制，以通过追踪MPP来获得最大功率输出(步骤26)。

如果在MPPT模式中的有功电流I_A随后被确定超过基准电流I_A ^*(步骤27)，那么开关装置17使对V_DC ^*的控制返回至积分器16(步骤28)。优选地，在返回之前，积分器16被预加载一小于MPPT电压的电压，以确保积分器16以稳定方式起到返回期望的功率的作用。

总之，根据上述实施方式，存在需要被输出的设定功率(对应于设定的有功电流)。在这种情况下，不使用MPPT，并且开关装置17将逆变器基准输入电压V_DC ^*与控制器16的输出相连接，以允许对逆变器12的输出电流进行控制从而给出期望的功率。这样，光伏阵列电压可被控制在电压较低的功率曲线的上升侧。在没有控制回路的情况下，电压将自然地跳至功率曲线的下降侧并寻找自然平衡点，但在这个点电压相对高并且在一些情况下对于逆变器12来说太高以至于不能起运转。如果没有足够的太阳能以实现所需的功率，则MPP追踪可仍被使用。在这种情况下，控制回路致使积分器16达到其上限，在该点控制被转递到MPPT控制器18。

尽管已经结合优选实施方式描述了本发明，然而应当理解，本发明并不限于这些实施方式，并且这些实施方式的替选方案、修改及变型可由本领域技术人员在不脱离本发明的范围的情况下来执行。

例如，当本发明的原理应用处于光伏转换器领域时，上述构思可同样很好地适用于诸如DC/DC转换器的光伏控制器的替选形式。

Claims (17)

1.一种控制逆变器的功率输出的方法,包括:

测量所述逆变器的输出电流；

确定所述输出电流和基准电流之间的差值；

根据所确定的差值来控制所述逆变器的基准输入电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基准电流对应于所述逆变器的期望的功率输出,所述期望的功率输出小于所述逆变器的最大功率输出。

3.根据权利要求1或2所述的方法,还包括从根据所确定的差值来控制所述基准输入电压切换至根据所述逆变器的功率输出来控制所述基准输入电压。

4.根据权利要求3所述的方法,其中，在所述基准输入电压超过预定的阈值的情况下进行所述切换。

5.根据权利要求4所述的方法,其中，所述预定的阈值是对应于所述逆变器的最大功率输出的电压。

6.根据权利要求1或2所述的方法,其中，对所述基准输入电压的所述控制包括反馈控制。

7.根据权利要求6所述的方法,其中，在所述基准电流大于所述输出电流的情况下升高所述基准输入电压,并且其中，在所述基准电流小于所述输出电流的情况下降低所述基准输入电压。

8.根据前述任一权利要求所述的方法,其中，所述逆变器是光伏逆变器。

9.一种用于控制逆变器的功率输出的系统,包括:

逆变器，其被布置成根据基准输入电压来输出电流；以及

控制器，其被布置成:

确定所述输出电流和基准电流之间的差值；以及

根据所确定的差值来控制所述基准输入电压。

10.根据权利要求9所述的系统,还包括:

用于根据所述逆变器的功率输出来控制所述基准输入电压的追踪器。

11.根据权利要求9或10所述的系统,还包括:

用于在由所述控制器对所述基准输入电压的控制和由所述追踪器对所述基准输入电压的控制之间进行切换的开关装置。

12.根据权利要求11所述的系统,其中，所述开关装置被布置成在所述基准输入电压超过预定的阈值时，从所述控制器对所述基准输入电压的控制切换到所述追踪器对所述基准输入电压的控制。

13.根据权利要求12所述的系统,其中，所述预定的阈值是对应于所述逆变器的最大功率输出的电压。

14.根据权利要求12或13所述的系统，还包括限制器，其被布置成检测所述基准输入电压何时超过所述预定的阈值。

15.一种机器可读指令，所述机器可读指令被存储在介质上，并且当在机器上被执行时被布置成执行根据权利要求1-8中任一项所述的方法。

16.一种基本上如上文所描述并参考图3的、控制逆变器的功率输出的方法。

17.一种基本上如上文所描述并参考图2的、控制逆变器的功率输出的系统。