CN102082443B - 直流-交流转换系统和方法 - Google Patents

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Abstract

直流-交流转换系统，用以穿越电网瞬时故障，该转换系统(100)包含直流-交流变换器(130)，最大功率点追踪装置(140)，以及直流电压控制器(150)。直流-交流变换器(130)将来自光电阵列(110)的直流电转换成电网(120)的交流电。最大功率点追踪装置(140)耦合到该阵列(110)。直流电压控制器(150)耦合到直流-交流变换器(130)和追踪装置(140)，通过在电网瞬时故障期间利用来自直流-交流变换器(130)的电压数据和来自最大功率点追踪装置(140)的电流数据和阵列电压，通过调节阵列(110)的运行功率点来增大阵列电压，从而防止直流-交流变换器(130)中的直流母线的过压。

Description

直流-交流转换系统和方法
技术领域
本发明涉及直流-交流转换系统和方法，特别是涉及用于穿越电网瞬时故障的直流-交流系统和方法。
背景技术
许多国家规定，在遇到电网发生故障时，作为发电设施的光电(PV)阵列需要保持与电网相连。从工程角度来看，在故障期间(或者称为瞬时故障，诸如低电压穿越(LVRT)或者零电压穿越(ZVRT))保持相连是具有难度的。
传统的直流-交流变换系统将来自阵列的直流电转换成电网中的交流电。在低电压或零电压穿越期间，若阵列仍与电网保持相连，则该系统将容易因直流母线出现过压而导致损坏，此时阵列端变换器会将电能输送到直流母线，而电网端在严重的瞬时故障下会吸收来自电网的电能。
因此，当发生瞬时故障时，光电阵列需要一套新的系统与方法来保持与电网的连接而不遭受损坏。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种直流-交流转换系统，该转换系统包括：直流-交流变换器，其将来自光电阵列的直流电转换成电网的交流电；耦合到所述光电阵列的最大功率点追踪装置；阵列端控制器，该阵列端控制器耦合到所述直流-交流变换器和所述最大功率点追踪装置，并且在电网瞬时故障期间利用来自所述直流-交流变换器的电压数据和来自所述最大功率点追踪装置的电流数据和阵列电压，通过调节所述光电阵列的运行功率点来增大阵列电压，从而防止所述直流-交流变换器中的直流母线的过压。
本发明的另一个方面在于提供一种直流-交流变换方法，用于防止在电网瞬时故障期间，连接到光电阵列的直流-交流变换器中发生过压。该方法包括：接收来自所述直流-交流变换器直流母线的电压数据；接收来自所述光电阵列的电压和电流数据；在发生瞬时故障时，通过在阵列端增大阵列电压命令，改变运行功率点的方法，来防止直流至交流变换器中直流母线电压过压的发生。
附图说明
将参考下面的附图来描述本发明的非限定性非穷举实施例，其中除非另有说明在各个附图中相似的标号指示相似的部分。
图1是示出了根据该发明的转换系统的图示；
图2是示出了根据该发明的光电转换系统的图示；
图3是示出了根据该发明的光电转换系统的图示；
图4是示出了根据该发明的光电转换系统的图示；
图5是示出了根据该发明的光电转换系统的图示；
图6是示出了根据该发明的直流制动斩波器的图示；
图7是示出了根据该发明的直流制动斩波器的图示；以及
图8的流程图示出了当发生电网瞬时故障时防止直流链路中发生过压的方法。
具体实施方式
下列描述力争使得任何本领域普通技术人员能够制造和使用该发明，并且是在特定应用及其需求的上下文中进行的。对于该领域普通技术人员来说，可以容易地对这些实施例作出各种修改，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，这里规定的一些原理可应用到其他实施例和应用中。因此，本发明不是要限于所示实施例，而是要符合与这里所公开的原理、特征和教导相一致的最宽广的范围。
本发明的实施例提供了一套在发生故障时光电阵列仍保持与电网相连的系统与方法，该系统和方法通过使用直流过压调节器，通过动态地改变阵列端变换器的电流、电压与功率需求命令，使用阵列端变换器来帮助防止电网故障时在直流母线中产生过压。一个实施例使用阵列端的变换器在发生电网故障时控制直流电压，并在电流极限限制内用电网端变换器来跟随最大功率点追踪(MPPT)命令。当光电阵列不具备串联的二极管时，该直流过压调节器可以被调节成反过来供应部分能量至光电阵列，用来防止直流母线中的过电压的发生。也可以在直流母线/光电阵列端/交流电网端增加制动斩波器来防止直流过压的发生。
参照图1所示，作为本发明直流-交流转换系统100(以下简称“系统100”)的一个实施方式，其与光电(PV)阵列110及电网120电力耦合。该系统100包括直流-交流(DC-AC)变换器130，最大功率点追踪(MPPT)装置140，直流电压(Vdc)控制器150以及电网信息检测器160。
该直流-交流变换器130从光电阵列110接收直流电，并将其转换成交流电，用以上载至电网120。最大功率点追踪装置140通过来自阵列110的电压与电流反馈来跟踪阵列110上的最大功率点，并且为直流电压控制器150生成阵列端的基准电流或电压。该最大功率点追踪装置140可以被实现为专用集成电路(ASIC)、软件、和/或其他技术。直流电压控制器150从检测器160接收电网信息(频率及/或相位)，并相应地控制直流-交流转换系统100中的直流-交流变换器130，以避免瞬时故障时发生过压。
与传统系统不同的是，在运行时，直流电压控制是通过电网端与光电端来实现的。相应地，当发生电网120瞬时故障时，直流电压控制器150通过适当地控制电能进入转换系统100中的直流-交流变换器130来防止过压，从而系统100可以保持与电网120相连。下面将结合其他附图来更详细地描述系统100的操作。
图2示出了根据该发明的光电转换系统。为了描述方便起见，该系统被示为单相的，但是在本发明的实施例中也可以是三相。该系统在电网端变换器传输电能下降时，通过向下调整光电端电能，来将直流-交流变换器130中的直流电压几乎保持在一个恒定的水平。这是因为在发生电网故障时，电网端的变换器(如下文讨论的网端变换器220)可能无法将电能上载至电网120，在这种情况下，光电阵列端输入到直流-交流变换器130的电能需要降低来使得从光电阵列110到直流-交流变换器130以及至电网120的功率流达到平衡。否则，直流电容器215将会发生充电现象并导致过压的发生。
在一个实施例中，该系统包括以串联方式，将光电阵列110，通过用来减少直流电流纹波的直流滤波器205、增压变换器210、直流电容215、网端变换器220、网端电感器225、以及变压器230，最终连接到电网120。该增压变换器210、直流电容215以及网端变换器220组成了直流-交流变换器130，该直流-交流变换器130将来自光电阵列110的直流电转换成去往电网120的交流电。谐波过滤器275、网端电感器225可以减少任意电流失真(如消除高频谐波)，然后通过变压器230将电流传输至电网120。
图2的系统还包括了最大功率点追踪装置140和直流过压调节器245，这两者通过加法器耦合，合成光电阵列端变换器中电流调节器235所需电流指令，该电流调节器235又与调制器240耦合，而调制器240与增压变换器210相连。该最大功率点追踪装置140从光电阵列110接收电压与电流反馈。该电流调节器235同样从光电阵列110接收电流反馈。在电网端，电网信息检测器160检测电网相位及/或频率数据，并把其馈送至电流调节器265，电流调节器265还接收经直流-交流变换器130转换后的电流反馈值。该电流调节器265还从直流电压调节器255与可选无功(VAR)调节器260接收电流命令。来自直流电容215的电压馈送至一加法器，其接着流至直流电压调节器255与直流过压调节器245。在该实施例中直流电压调节器255与直流过压调节器245组成了直流电压控制器150(图1)。
在工作中，最大功率点追踪装置140通过相应地控制阵列端电流调节器235来调节阵列110的电压与电流，从而达到最大可用功率。此外，为防止瞬时故障期间过压的发生，直流过压调节器245使用阵列端调节器235来防止直流过压并保护系统100。调节器245接收直流电压控制限额(电压最大值)与直流电压反馈(跨直流电容215的电压)之间差值的输入。当直流-交流变换器130的直流母线电压(bus voltage)超过某一阈值时，通过在来自最大功率点追踪装置140的原始信号上叠加一电流补偿信号直流过压调节器245将降低光电阵列端电流调节器235的电流命令。如果光电阵列110不允许反向功率，则通过在光电端电流命令上增加一限制值(较低限额为0)，光电增压变换器210将停止把功率泵至直流-交流变换器130，从而使直流电容215上的电压保持恒定或者至少在其正常运行范围内。就是说，该限制值将把电流调节器235的基准钳位在0。如果光电阵列110允许反向功率，则调节器245将把光电端调节器235电流命令设置为负数，使得光电阵列110也被用来防止直流过压。
此外，电网端电流调节器265调节电流，使得来自直流-交流变换器130的电流与由电网信息检测器160检测出的频率与/或相位匹配，然后通过变压器230馈送至电网120。如果有必要，可以使用可选无功调节器260控制无功功率。
图3是示出了根据本发明实施例的光电端转换系统的图。图3中示出的系统与图2中示出的系统基本类似，除了用电网故障检测模块310将电网故障数据馈送至直流电压调节器320、加法器、和电网端电流命令计算器330来替换直流过压调节器245与直流电压调节器255。在该实施例中，直流电压控制器150包括了直流电压调节器320。该系统在由于瞬时故障引起的电网端功率(同时包括电压)降低的情况下，使用电流命令来增大光电阵列端电压。
在正常工作中，最大功率点追踪装置140产生光电阵列端电流基准电流命令(Ipv_ref)，其将被馈送至电流命令计算器330，并根据光电阵列110的电压与电网120的电压计算电网端的有功电流命令(IxCmd)；并且进一步被馈送至电网端电流调节器265以用来调节进入电网120的有功功率。直流电压控制命令与反馈之间的差值被馈送至直流电压调节器320。直流电压调节器320的输出又被馈送至光电阵列端电流调节器235，以调整光电阵列110的电流，并最终调节从光电阵列110到直流-交流变换器130的功率，并且将直流母线电压(直流电容215上的电压)维持在一定水平。
电网故障检测模块310从电网120接收电压反馈，并将任何瞬时故障事件通知给调节器320和计算器330。在瞬时故障事件期间，直流电容215的电压升高，同时直流电压调节器320降低其输出，使得阵列端电流调节器235限制从光电阵列110到增压变换器210的电流(即，降低了从光电阵列110到直流-交流变换器130的功率，甚至降到0)。电流命令计算器330根据来自最大功率点追踪装置140的信号，限制了网端变换器220输出的电流，以确保网端变换器220的电流输出不超过系统的负荷。
图4是示出了根据本发明实施例的光电端转换系统的图。图4的系统与图2的系统类似，但包括了一个光电阵列端电压调节器410，该光电电压调节器410接收来自光电阵列110的电压反馈和来自最大功率点追踪装置140的基准电压，而不是直接将电流命令馈送至调节器235。光电电压调节器410通过加法器与直流过压调节器245结合，产生用于阵列端电流调节器235的电流命令，来调节增压变换器210处的电流。与图2中的系统类似，为了防止直流过压，运行功率点被降低，但是是由光电电压调节器410向电流命令计算器330发出电流命令，而不是直接由电流调节器235控制。在该实施例中，直流电压控制器150包括调节器255与245。
图5是示出了根据本发明实施例的光电阵列端转换系统的图示。图5的系统与图3的系统类似，只是如图4中一样根据来自最大功率点追踪装置140的电压命令，通过阵列端电压调节器410，来降低运行功率点，以防止瞬时故障时发生直流过压。图5的实施例中的直流电压控制器150包含直流电压调节器320。
图6示出了根据本发明实施例的直流制动斩波器。直流过压检测器610监督直流母线电压。如果直流电容215的电压超过了设置为低于其极限电压的阈值，则检测器610将发出开启信号以闭合斩波器电路中的开关；当直流母线的电压回复到正常运行范围内时，该斩波器电路中的开关被断开。图6的系统可以增加额外的组件，但是为了清楚未示出。
图7是说明根据本发明实施例的直流制动斩波器的图示。图7的系统与图6的系统类似，只是其不包括增压变换器210。图7的系统可以增加额外的组件，但是为了清楚未示出。
图8是说明在瞬时故障中防止直流-交流变换器过压的方法800的流程图。方法800包括接收(810)直流-交流变换器中的直流母线电压数据；接收(820)来自光电阵列110的电压数据；以及通过使用接收到的电压数据来调节(830)阵列110的运行功率点，以避免直流-交流变换器130中过压。该调节(830)使用光电变换器的光电阵列端电流、电压或者功率需求命令。该调节(830)可按照上述任意实施例完成。在一个实施例中，如果(840)直流-交流变换器130中的直流母线电压仍旧达到低于其极限电压的一个阈值，则过压检测器610将激活(850)直流-交流变换器130中的功率耗散装置(如制动斩波器)来防止过压。
虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (10)

1.一种直流-交流转换系统，包括：
直流-交流变换器，其将来自光电阵列的直流电转换成电网的交流电；
耦合到所述光电阵列的最大功率点追踪装置；
电流调节器，其直接基于来自所述光电阵列的电流反馈及来自所述最大功率点追踪装置生成的基准电流来调节所述直流-交流变换器中的电流；及
直流过压调节器，其接收来自所述直流-交流变换器的直流母线电压反馈与电压控制限额的差值，并输出对应的电流补偿信号至所述电流调节器，以降低所述电流调节器的电流命令。
2.如权利要求1所述的直流-交流转换系统，其中，如果所述光电阵列在所述直流-交流变换器的直流母线电压超过其电压额度时不允许反向功率，则所述直流过压调节器被配置来将所述电流调节器的基准钳位到0。
3.如权利要求1所述的直流-交流转换系统，其中，如果所述光电阵列允许反向功率则所述直流过压调节器被配置来设置所述电流调节器以发出负电流命令。
4.如权利要求1所述的直流-交流转换系统，其中，所述直流-交流转换系统还包括直流电压调节器；并且所述最大功率点追踪装置被配置通过所述直流电压调节器来发出用来降低所述光电阵列的运行功率点的电压命令。
5.如权利要求1所述的直流-交流转换系统，其中，所述直流-交流变换器包括串联耦合的直流电容及网端变换器，并且所述系统还包括过压检测器，该过压检测器在来自所述直流电容的电压超过某一阈值时激活功率耗散装置，该阈值低于所述直流-交流变换器的直流母线电压极限值。
6.如权利要求5中所述的直流-交流转换系统，其中，所述功率耗散装置包括制动斩波器。
7.一种直流-交流转换系统，包括：
直流-交流变换器，其将来自光电阵列的直流电转换成电网的交流电；
耦合到所述光电阵列的最大功率点追踪装置；
直流过压调节器，其接收来自所述直流-交流变换器的直流母线电压反馈与电压控制限额的差值，并输出对应的电流补偿信号；
电流调节器，其基于来自所述光电阵列的电流反馈及所述直流过压调节器输出的电流补偿信号来调节所述直流-交流变换器中的电流，以维持所述直流-交流变换器中的直流母线电压；及
电流命令计算器，其基于来自所述最大功率点追踪装置生成的基准电流及电网端的瞬时故障事件通知来调节去往电网的有效功率，以限制来自网端变换器的电流输出。
8.如权利要求7所述的直流-交流转换系统，其中，所述直流-交流转换系统还包括直流电压调节器；并且所述最大功率点追踪装置被配置通过所述直流电压调节器来发出用来降低所述光电阵列的运行功率点的电压命令。
9.如权利要求7所述的直流-交流转换系统，其中，所述直流-交流变换器包括串联耦合的直流电容及网端变换器，并且所述系统还包括过压检测器，该过压检测器在来自所述直流电容的电压超过某一阈值时激活功率耗散装置，该阈值低于所述直流-交流变换器的直流母线电压极限值。
10.如权利要求9中所述的直流-交流转换系统，其中，所述功率耗散装置包括制动斩波器。
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