CN102084583A - 用于对将直流转换成交流的转换结构进行控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可适用于专门用于光伏系统的转换直流/交流dc/ac的结构的控制方法。根据本发明的控制方法使半导体的开关损耗能够被减小，由此提高转换结构的效率。本发明还可适用于其它能量领域，例如通过电化学电池或风能的能量生成。

Description

用于对将直流转换成交流的转换结构进行控制的方法

技术领域

本发明提供可适用于DC/AC(直流/交流)转换结构的控制方法，特别设计用于光伏系统，目的在于增强转换结构效率。本发明还可适用于其它能量生成领域，例如通过电化学电池或风能的能量生成。

背景技术

当前，光伏系统在社会上被广泛接受。它们是通过一组光伏板(光伏场)和电子转换器所构成的设施，其中电子转换器变换光伏板所产生的能量以便根据它们是电网连接设施还是隔离系统而注入到电力网或负载馈送。

市场上销售的不同光伏板以及各设施的特定特性意味着，对于相同功率输出，所得光伏场将具有极为不同的电压值。为此，具有宽输入电压范围的转换器的使用受到关注。由于DC/AC结构的降压性质，一个或数个DC/DC升压级通常包含在至光伏转换器的入口处。图1示出通过DC/DC级与DC/AC级之间的联合所构成的光伏转换器的示意图。为了便于稳定DC/DC级输出电压，电容(C_bus)按照所谓的连续母线设置在这两级之间。所述电压称作母线电压(V_bus)。

DC/DC级和DC/AC级均由控制回路控制，控制回路的功能在隔离设施或电网连接设施之间不同：

-在电网连接设施中，DC/DC级控制转换器输入电压，以便从光伏场提取最大功率输出，同时DC/AC级通过控制注入电网的电流的幅度来调节母线电压。

-在隔离设施中，DC/DC级调节母线电压，并且DC/AC级负责控制由转换器馈送到负载的输出电压。

在两种情况下，相应的控制回路将确定引入各级调制器中的指令，以便建立构成该级的不同晶体管的通电/断电顺序。所用调制器通常属于PWM(脉宽调制)或向量类型。

所需的母线电压值通过下列项确定：所用DC/AC转换结构的类型、电网电压值或者隔离系统情况下的正弦电压以及转换器自感应期间的电压暂降。为了确保适当的机能，由DC/AC逆变器输出级所施加的最小电压(V_inv，min)必须大于电网电压峰值(或者隔离系统中的正弦输出电压)

与转换器自感应期间的电压暂降(V_L)之和，如图2所示。施加在DC/AC输出级的电压取决于所使用的拓扑结构。因此，例如，对于H-桥DC/AC级(图3)，由DC/AC级所施加的电压与母线电压一致。在这种情况下：

一般来说，最小参考母线电压(V_busref，min)可表达为：

其中K是取决于所用转换拓扑结构的常数。因此，对于H-桥类型DC/AC级，K＝1，而对于半桥DC/AC级，K＝2。

在电网连接设施的情况下，随时间的有效电网电压值变化产生用于确定母线电压参考值的两种选项：

1.使用常数值，根据最大可接受电网电压的峰值

来计算。

2.按照在给定时间的电网电压峰值来改变母线电压参考值。

在现有技术的这个最后一种技术中，母线电压在与低电网电压配合工作时下降，由此减小半导体开关损耗。

在现有技术中，母线电压参考值通常相对于前述情况中所指示的最小值而增加。因此，在可能的瞬间允许余裕，同时增强电网注入电流质量。电网注入电流质量根据THD(总谐波失真)来评估，THD是测量相对基谐波的谐波幅度的因数。

$\mathrm{THD}=\frac{\sqrt{{I_2}^2+{I_3}^2+{I_4}^2+{I_5}^2+...}}{I_1}\·100$

根据以上所述，现有技术转换器允许完全次于不同规则所确立的极限的THD电流值。图4以示例方式针对比电网电压峰值高10％的参考母线电压示出按照现有技术的先前所述方法起作用的线圈电流演进(L/2)和H-桥单相DC/AC级输出电压的演进。

如果母线电压小于V_busref，min，则调制器变为饱和，从而失去在电网电压最大值对电流的控制，这将需要电流THD的增加。因此，现有技术转换器避免这种饱和。

另一方面，使设施所产生的能量最大的重要性要求使用高效元件。为了增强转换器效率，其损耗必须减小。电子转换器损耗可分为三个主要组：

1.关联到功率半导体的损耗。这些损耗又分为：

-传导损耗：与半导体饱和电流和电压成比例。

-开关损耗：与半导体所支持的电流、截止电压和开关频率成比例。

2.电感组件的损耗。这些是出现在例如线圈或转换器输出变压器的元件中的损耗。

3.关联到控制电子器件的损耗。这一组包含电源损耗和控制电路损耗(集成电路、电阻器、微处理器等)。

更有效率组件的使用增强转换器效率。但是，必须达到限制转换器效率的效率/价格折衷。

关联到半导体和线圈的损耗取决于所用转换拓扑结构。光伏转换器中常用的DC/AC结构是具有单极PWM调制的H-桥(图3)，所述结构已经证明了优良的效率/复杂度比。但是，为了增强H-桥性能，已经开发了具有较少损耗的DC/AC转换拓扑结构，例如EP1369985、US2005286281或WO2008015298A1中所公开的那些。这些拓扑结构增强DC/AC结构的效率，但增加转换结构的复杂度。

发明内容

本发明对应于一种控制方法，该方法可适用于DC/AC转换结构、具体而言可适用于光伏系统的电子转换器以及更具体而言可适用于通过将一个或数个DC/DC级与一个或数个DC/AC级结合而构成的转换结构。所提议控制方法减小半导体开关损耗，从而增强转换结构效率。本发明还可适用于其中使用DC/AC转换结构的其它能量生成领域，例如通过电化学电池或风能的能量生成。

本发明提议在由至少一个具有其相应控制回路的DC/AC级所构成的电子转换器中实现新控制方法。所述控制方法包括下列阶段：

-通过调节器来计算各DC/AC级的输入电压参考值(又称作母线电压)，以便使各级在可控时间段以饱和状态起作用。

-在饱和时间期间使各DC/AC级的晶体管保持切断。

这样，新控制回路调节母线电压参考值。这个回路负责根据预设谐波电流失真来计算所述电压的值。通过建立比没有调制器饱和所得到的更大的失真值，这个新回路将使调制器在电网电压最大值期间以可控制方式变为饱和。

因此，获得两个效率增强：

1.母线电压降低，开关能量随后下降。

2.DC/AC结构的晶体管在最大电流时间期间切断，从而显著减少开关损耗。

调制器饱和产生输出电流的变形，并且因此相对现有技术产生电流THD的增加。所提议控制方法控制THD值，从而始终保证预设值。

通过控制在预定时间段各DC/AC级的饱和时间的调节器，电流THD与调制器饱和时间之间的关系允许计算母线电压参考值。所述时间段可以是电网电压的倍数或约数。

在确定各DC/AC级的参考输入电压之后，电压控制回路确定各DC/AC级的输出电流幅度。随后，各DC/AC级的至少一个电流控制回路确定引入各DC/AC级的调制器中的参考。

本发明设想存在至少一个DC/AC输入级、从而通过所述级控制母线电压的情况。在这种情况下，电压控制回路确定DC/AC级的电流幅度。随后，各DC/DC级的至少一个电流控制回路确定引入各DC/AC级的调制器中的参考。

上述DC/AC级可属于单相或三相类型。另外，它们可具有多级类型。

本发明还可适用于其它能量生成领域，例如通过电化学电池或风能的能量生成。

为了完成本描述并且为了更好理解本发明的特性，包含一组附图作为所述描述的整体部分，其中以说明性而非限制性的方式给出下文。

附图说明

图1示出一般现有技术光伏转换器的示意图。

图2示出由DC/AC逆变器输出级所施加的电压(V_inv，min)、电网电压峰值

和转换器自感应期间的电压暂降(V_L)之间的关系。

图3示出现有技术H-桥DC/AC逆变器级。

图4针对350V母线电压参考和230V电网电压示出按照现有技术的先前所述方法起作用的前述附图中H-桥单相DC/AC级的线圈电流和输出电压的演进。

图5示出所提议本发明的优选实施例。

图6示出所提议本发明的第二优选实施例。

图7以示例方式示出在应用所提议控制方法之后具有单极PWM调制的H-桥单相DC/AC级的线圈电流和输出电压的演进。

具体实施方式

如前面所述，现有技术的示例如图1、图2、图3和图4所示。

图5示出所提议控制方法的优选实施例。在这里，母线电压参考值(V_bus ref)根据电流THD误差和电网电压值计算。为此：

-THD误差根据参考THD值(THD_ref)和测量电流THD(THD)来计算。

-将所述THD误差引入调节器(Reg)中。

-从电网电压峰值

中减去调节器输出值(Reg)，由此得到参考母线电压(V_bus ref)。

图6示出基于电流THD与调制器饱和时间之间关系的所提议控制方法的第二优选实施例。在这种情况下，母线电压参考值(V_bus ref)从通过电网周期控制调制器饱和时间的调节器(Reg)获得，其中考虑饱和时间和电网电压值(V_bus ref)的误差。为此：

-调制器饱和时间误差根据参考值(t_sat ref)和测量饱和时间(t_sat)来计算。

-将所述饱和时间误差引入调节器(Reg)中。

-从电网电压峰值

中减去调节器输出值(Reg)，由此得到参考母线电压(V_bus ref)。

图7以示例方式示出在应用所提议控制方法之后具有单极PWM调制的H-桥单相DC/AC级的线圈(L)电流I(L)和输出电压(VAB)的演进。所提议控制方法通过减小母线电压和抑制开关来增强转换器效率。

在本发明的优选实施例中，结合有确定各DC/AC级的各输出电流的幅度的母线电压控制回路。

另一个优选实施例的特征在于，结合有至少一个电流控制回路，该电流控制回路确定引入调制器中的各参考。

Claims (13)

1.一种用于对将直流转换成交流的转换结构进行控制的方法，所述转换结构由至少一个具有其相应控制回路和调制器的DC/AC级构成，其特征在于它包括：

-通过调节器计算各DC/AC级的输入电压参考值，以便使各DC/AC级在受控时间段以饱和方式起作用；

-在饱和期期间使各DC/AC级的晶体管保持切断。

2.如权利要求1所述的用于对将直流转换成交流的转换结构进行控制的方法，其特征在于，通过调节器获得各DC/AC级的所述输入电压参考值，所述调节器控制各DC/AC级输出电流的总谐波失真(THD)。

3.如权利要求1所述的用于对将直流转换成交流的转换结构进行控制的方法，其特征在于，通过调节器获得各DC/AC级的所述输入电压参考值，所述调节器控制各DC/AC级在所确定时间段的饱和时间。

4.如权利要求3所述的用于对将直流转换成交流的转换结构进行控制的方法，其特征在于，所述时间段在电网电压周期的倍数和约数之间选取。

5.如以上权利要求中任一项所述的用于对将直流转换成交流的转换结构进行控制的方法，其特征在于它包括：通过各DC/AC级的输入电压控制回路来确定各DC/AC级的输出电流幅度。

6.如权利要求5所述的用于对将直流转换成交流的转换结构进行控制的方法，其特征在于它包括：通过各DC/AC级的至少一个电流控制回路来确定引入各DC/AC级的调制器中的参考。

7.如以上权利要求中任一项所述的用于对将直流转换成交流的转换结构进行控制的方法，其特征在于它结合有至少一个DC/DC输入级。

8.如权利要求7所述的用于对将直流转换成交流的转换结构进行控制的方法，其特征在于它包括：通过各DC/AC级的电压控制回路来确定各DC/DC级的电流幅度。

9.如权利要求8所述的用于对将直流转换成交流的转换结构进行控制的方法，其特征在于它包括：通过电流控制回路来确定引入各DC/DC级的调制器中的参考。

10.如以上权利要求中任一项所述的对将直流转换成交流的转换结构进行控制的方法，其特征在于，所述DC/AC级是单相的。

11.如以上权利要求中任一项所述的对将直流转换成交流的转换结构进行控制的方法，其特征在于，所述DC/AC级是三相的。

12.如以上权利要求中任一项所述的对将直流转换成交流的转换结构进行控制的方法，其特征在于，所述DC/AC级是多级的。

13.如以上权利要求中任一项所述的对将直流转换成交流的转换结构进行控制的方法，其特征在于，它专门设计用于光伏设施中。

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