CN102457204A

CN102457204A - 分布式电源系统

Info

Publication number: CN102457204A
Application number: CN2011103006097A
Authority: CN
Inventors: 山田岁也; 藤井干介; 梅泽一喜; 加藤正树; 片山统弘
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2031-09-21
Also published as: JP5585371B2; JP2012085482A; US8743571B2; CN102457204B; US20120262957A1

Abstract

本发明提供一种分布式电源系统，其中当发生系统瞬间电压降时，不会同时与该系统断开。分布式电源系统包括：逆变器电路，其将由诸如光伏电池的直流电源产生的直流功率转换成交流功率，并向交流电源系统供应该交流功率；以及逆变器控制电路，其用于进行逆变器电路的PWM控制，该逆变器控制电路包括三相电压命令信号生成单元，该三相电压命令信号生成单元由三相基波命令信号生成单元和三次谐波命令信号生成单元构成，其中三相基波信号生成单元从由电压检测器检测到的二相电压来生成三相基波信号，三次谐波信号生成单元将具有基于三相基波信号生成的预定振幅的各相的三次谐波成分相加在一起来生成三次谐波命令信号，并将三相基波信号和三次谐波信号相加在一起，由此生成三相电压命令信号。

Description

分布式电源系统

技术领域

本发明涉及诸如光伏系统或风力系统的与电力系统结合起来供电的分布式电源系统。

背景技术

迄今为止，已开发了连接至电力系统的将由太阳光、风力等产生的直流功率转换成交流功率的诸如光伏系统或风力系统的分布式电源系统。

图6是用于说明这种分布式电源系统的框图。尽管通常用两条或三条(或四条)线来绘示的各系统汇流条和信号线表示两相或三相电路，但此处出于简化目的用一条代表线来绘示汇流条和信号线。

在图6中，附图标记1是向电力系统供电的交流电源，2至4是开关，10是用于电网连接的逆变器电路，11是诸如光伏电池的直流电源，100是控制逆变器电路10的控制电路，5是负载(从交流电源1的电力系统向该负载5供电)，6是检测电力系统的电压的电压检测器，7是检测逆变器电路10的输出电流的电流检测器，8是电容器，以及9是电抗器。

由控制电路100控制的逆变器电路10对由直流电源11输出的直流电压进行脉冲宽度调制(PWM)，并在其输出端子处发出三相交流电压。由逆变器电路10发出的三相交流电压，在由电抗器9和电容器8所构成的LC滤波器移除谐波成分后，传输至由交流电源1供电的电力系统。控制电路100包括锁相环(PLL)计算单元12、三相电压命令生成单元13、坐标转换单元14、输出电流控制单元15、以及选通信号生成电路。PLL计算单元12具有生成角频率ωo的功能，该角频率ωo与由电压检测器6检测到的系统电压的相位一致。下文中将给出对PLL计算单元12的具体动作的描述。

接着，三相电压命令生成单元13基于从PLL计算单元12输出的角频率ωo来生成具有预定振幅的三相电压命令Vuref、Vvref及Vwref。与此同时，坐标转换单元14使用从PLL计算单元12输出的角频率ωo来转换有功电流命令Idref和无功电流命令Iqref的坐标，由此生成U相输出电流命令Iuref和W相输出电流命令Iwref。

输出电流控制单元15进行交流ACR控制，以使从坐标转换单元14输出的U相和W相输出电流命令Iuref和Iwref与由电流检测器7检测到的逆变器电路10的输出电流Iu和Iw相一致。交流ACR控制的结果为，输出电流控制单元15生成校正量ΔVuref、ΔVvref和ΔVwref以用于校正由三相电压命令生成单元13输出的各相电压命令Vuref、Vvref和Vwref。

选通信号生成电路16针对各相将从三相电压命令生成单元13输出的各相电压命令Vuref、Vvref和Vwref与对应于从输出电流控制单元15输出的各相电压命令的校正量ΔVuref、ΔVvref和ΔVwref相加在一起，由此生成各相的调制信号。接着，选通信号生成电路16使用所生成的各相的调制信号和载波信号来进行脉冲宽度调制(PWM)计算。PWM计算的结果被输出作为控制逆变器电路10的选通信号。这种控制方法例如在2001年10月23日的关于静态装置的电气工程讨论会(Electrical Engineers Symposium onStatic Apparatus)中的论文号为SA-01-39的论文中公开。

但是，这种分布式电源系统要求稳定地向电力系统供电。因此，控制电路100基于电力系统电压的相位和频率对从逆变器电路10输出的电压的频率和相位进行控制。为了实现这种控制，图6所示分布式电源系统的控制电路100包括PLL计算单元12。

在图7中示出JP-A-2010-161901中公开的PLL计算单元的框图作为图6所示PLL计算单元12的示例。

PLL计算单元12包括αβ转换单元121、dq转换单元122、比例积分调节单元123、以及压控振荡器(VCO)单元124。在以下描述中，该比例积分调节单元还称作PI调节单元。

αβ转换单元121将从电压检测器6输入的三相电压信号Vu、Vv和Vw转换成二相电压信号Vα和Vβ。电压信号Vα和Vβ从αβ转换单元121输入至dq转换单元122、且相位信号θ从VCO单元124输入至dq转换单元122。dq转换单元122根据相位信号θ与电压信号Vα、Vβ来计算相位差成分Vd和同相成分Vq。PI调节单元123用比例积分调节器(PI调节器)对计算进行控制，使得相位差成分Vd变为零，并输出校正值。通过用加法器126将校正值加至系统电压信号目标角频率ωs^*所获取的校正角频率ωo被输出至VCR单元124。VCR单元124根据输入校正角频率ωo将相位θ输出至dq转换单元122。

通过该反馈控制，当相位差成分Vd达到零时，该相位差成分Vd被锁定。此时，相位θ与系统电压相位一致。因此，从PLL计算单元12输出的校正角频率ωo与系统电压角频率一致。

然而，由日本电气协会电网连接特别委员会(the grid connection specialcommittee of The Japan Electric Association)发行的电网连接规章(JEAC9701-2006)中规定，当系统中发生错误时，在重新启动分布式电源系统前，应当停止该分布式电源系统一次。因此，该分布式电源系统包括检测系统错误的保护功能。因此，在系统中发生诸如瞬间电压降的错误时，存在连接至同一系统的大量分布式电源系统同时从该系统断开的可能性。在该情况下，牵涉到的是将造成系统频率下降或系统电压波动。出于该原因，需要在即使在比电网连接规章所规定的系统错误更短的时间中发生瞬间电压降时，分布式电源系统也继续稳定地运作。

但是，包含在图6所示的分布式电源系统中的PLL计算单元12包括PI调节单元123。通过将与距预定值的偏差成比例的量和对经由将该偏差和预定量相乘来获得的量进行积分的量相加在一起，并将其作为校正量，PI调节单元123起到使输入信号的偏差变为零的作用。即，由于PI调节单元123具有积分功能，其不能立即使输出适应输入电压信号的突然改变。因此，已知当系统电压由于电力系统的诸相之间的短路发生等而瞬间波动时，在系统电压和从逆变器电路10输出的电压之间短时间内发生大的相位差。因此，存在的问题在于电力系统和逆变器电路10之间发生由相位差造成的过电流，且分布式电源系统停止。

发明内容

为了解决以上所述种类问题而构想的本发明具有提供分布式电源系统的目的，该分布式电源系统即使在电力系统中发生瞬间电压波动时也可向电力系统稳定地供电。

为了实现以上目的，本发明的一方面提供的分布式电源系统包括：逆变器电路，其将由直流电源产生的直流功率转换成交流功率，并向三相交流电源电力系统供应该交流功率；电压检测器，其检测三相交流电源的系统电压；以及逆变器控制电路，其用于进行逆变器电路的PWM控制，该逆变器控制电路包括三相电压命令信号生成单元，三相电压命令信号生成单元由三相基波命令信号生成单元和三次谐波命令信号生成单元来构成，其中三相基波命令信号生成单元从由电压检测器检测到的二相电压生成三相基波命令信号，三次谐波命令信号生成单元将具有基于三相基波命令信号计算的预定振幅的各相的三次谐波信号相加在一起来生成三次谐波命令信号，其中三相电压命令信号生成单元将三相基波命令信号和三次谐波命令信号相加在一起，由此生成三相电压命令信号。

根据本发明的该方面，即使系统电压发生瞬间电压波动的情况下，也有可能生成相位与系统电压的相位相同的电压命令信号。因此，有可能避免因系统电压和由逆变器电路输出的电压之间的相位不同而发生过电流。因此，有可能避免诸分布式电源系统同时与该系统断开。

在本发明的优选实施例中，根据本发明该方面的分布式电源系统包括：交流电源和逆变器电路之间的滤波器电路，其中通过该三相基波命令信号生成单元包括带通滤波器和相位调节单元，该三相电压命令信号生成单元生成考虑了滤波器电路的相位特性的三相电压命令信号，其中带通滤波器提取由电压检测器检测到的电压的基波成分，而相位调节单元调节由滤波器电路的相位特性造成的输入与输出电压之间的相位差。

根据该实施例，尽管滤波器电路存在于分布式电源系统和交流电源之间，仍将由分布式电源系统输出的电压控制成在滤波器电路的输出点处与交流电源电压的相位同相位。结果，即使在系统电压突然改变时，也有可能将分布式电源系统的输出电压控制成与系统电压一致，且有可能避免发生过电流。因此，有可能使分布式电源系统继续运作。

在本发明的优选实施例中，三次谐波命令信号生成单元基于由三相基波命令信号生成单元输出的基波命令信号生成各相的三次谐波成分，并将所生成的各相的三次谐波成分相加在一起，由此生成三次谐波信号。

根据该实施例，由于三相电压命令信号是通过将相同的三次谐波命令信号加到各相的基波命令信号来形成的梯形波形信号，因此与用正弦波调制时相比，这有可能改善从直流电源输出的直流电压的利用率。另外，由于对各相使用相同的三次谐波信号，因此即使在系统电压的二相之间发生瞬间短路时，也不会造成零相电压。

根据该发明，即使在电力系统中发生瞬间电压降，也有可能提供可向电力系统稳定地供电的分布式电源系统。

附图简述

图1是用于说明根据本发明的分布式电源系统的框图；

图2是示出三相电压命令信号生成单元的示例的框图；

图3是示出相位调节单元的示例的框图；

图4是示出三次谐波信号生成单元的示例的框图；

图5是示出基准信号生成单元的示例的框图；

图6是用于说明已知分布式电源系统的框图；以及

图7是示出PLL控制单元的示例的框图。

具体实施方式

下面，将基于图1-5对本发明的实施例进行描述。在图1-5中，对与图6所示已知分布式电源系统的部件相同的部件使用相同的附图标记或字符，并省略对其的描述。

图1是用于说明根据本发明的分布式电源系统的第一实施例的框图。在图1中，附图标记1-11所指示的部件与图6所示分布式电源系统的部件相同。同时，在图1的分布式电源系统中，不同之处在于逆变器电路10受控制电路101控制。

控制电路101包括三相电压命令信号生成单元20、基准信号生成单元30、坐标转换单元14、输出电流控制单元15、以及选通信号生成电路16。在上述部件中，用附图标记14-16来指示的部件与控制电路100的部件相同。

三相电压命令信号生成单元20根据由电压检测器6检测到的二相电压信号Vu和Vw来生成三相电压命令信号Vuref、Vvref和Vwref。图2是示出三相电压命令信号生成单元20的示例的框图。如图2所示，三相电压命令信号生成单元20具有三相基波信号生成单元21和三次谐波信号生成单元25。

三相基波信号生成单元21具有带通滤波器(BPF)22和相位调节单元23。在以下描述中，带通滤波器还可称作BPF。

BPF 22是从包含在输入信号的频率成分中仅提取并输出预定频率成分的滤波器。在此，系统电压的基波成分信号被提取并输出。

相位调节单元23输出信号VurefBase(Vu基准基波)和VwrefBase(Vw基准基波)，VurefBase和VwrefBase与从BPF 22输出的信号Vubpf和Vwbpf具有相同振幅，且相对于输入信号具有预定量的相位调节。

图3是示出相位调节单元23的示例的框图。在对相位调节单元23的功能的以下描述中，相位调节单元23的输入信号为Vin(V_输入)而输出信号为Vout(V_输出)。

首先，相位调节单元23使用乘法器232将通过使输入信号Vin输入至低通滤波器(LPF)231所获得的信号乘以预定乘数K₁来生成信号Vinlpf。接着，由加法器233计算因乘法获得的信号Vinlpf与输入信号Vin之间的差ΔVin(＝Vin-Vinplf)，由此生成信号ΔVin。此外，通过使用乘法器234对因该计算获得的信号ΔVin乘上预定乘数K₂，由此生成输出信号Vout。

在此，当低通滤波器(LPF)231的截止频率为fc时，该截止频率的周期T为T＝1/fc。另外，各频率ω由ω＝2πffc来表示。在该情况下，相对于相位调节单元23的输入信号Vin，输出信号Vout的相位

和增益|g|的特性由以下等式1和等式2来表示。

等式1

根据以上等式1，有可能相对于输入信号Vin用乘数K₁调节从相位调节单元23输出的信号Vout的相位

由相位调节单元23调节的相位的量是由逆变器电路10输出的电压的相位与该电压通过由电容器8和电抗器9构成的LC滤波器所输出的电压之间发生的相位差。

另外，根据以上等式2，有可能相对于输入信号Vin用乘数K₂调节从相位调节单元23输出的信号Vout的增益|g|。增益|g|被调节成输入信号Vin和输出信号Vout之间的比为1∶1(增益|g|＝1)。

回到图2，三相基波信号生成单元21通过使用BPF 22和相位调节单元23来生成U相和W相基波信号VurefBase和VwrefBase，它们的相位是从由电压检测器6检测到的U相和W相系统电压信号Vu和Vw调节而得的。此外，三相基波信号生成电路21通过使用加法器24根据基波信号VurefBase和VwrefBase生成V相基波信号VvrefBase(＝0-VurefBase-VwrefBase)。

图4是示出三次谐波信号生成单元25的示例的框图。在三次谐波信号生成单元25中，由三相基波信号生成单元21生成的三相基波信号VurefBase、VwrefBase和VvrefBase被输入至三次谐波信号计算单元251，并生成各相的三次谐波信号。此外，在由加法器252将所生成的各相的三次谐波信号相加在一起后，由乘法单元253将该结果与预定乘数K₃相乘，由此生成三次谐波信号V3ref。

在此，三次谐波信号计算单元251可相对于输入信号根据(例如)以下等式3来计算三次谐波信号。

等式2

sin3α＝3sinα-4sin³α..................(3)

另外，三次谐波信号计算单元251可计算是各相的基波信号的相位数据的三倍的数据，并基于该相位数据，通过使用诸如从一表中读出振幅值的方法来生成三次谐波信号，该表中预先记录了对应于相位数据的正弦信号的振幅值。

但是，当三相基波信号VurefBase、VwrefBase和VvrefBase是各自具有(2/3)π的相位差的信号时，各相的三次谐波成分是具有相同频率、振幅和相位的等同信号。因此，计算三次谐波信号V3ref的乘法器单元253的乘数K₃在被乘上1/3以获得各相的三次谐波成分的平均值后，进一步被乘上约0.1是合乎要求的。

通过以该方式生成三次谐波信号V3ref，有可能使通过将三次谐波信号V3ref相加到各相的基波信号VurefBase、VvrefBase和VwrefBase所获得的各相的电压命令信号Vuref、Vvref和Vwref成为梯形波形。

由于相同的谐波信号V3ref被加到各相的电压命令信号Vuref、Vvref和Vwref，因此由逆变器电路10输出的电压的任一相中都不出现所加的三次谐波成分。另外，通过将三次谐波信号V3ref加到电压命令，并使各相的电压命令Vuref、Vvref和Vwref成为梯形波形，有可能增大逆变器电路10的电压的利用率。即，甚至在光伏电池等所生成的电压比执行正弦调制时更低的区域，逆变器电路10也可输出期望输出电压。

另外，即使在两个系统电压相之间发生瞬间短路，也不造成零相电压。此外，由于逆变器电路10可输出与各系统电压相一致的电压，因此即使在电力系统中发生瞬间电压降时，也有可能避免过电流。

图5是示出基准信号生成单元30的示例的框图。基准信号生成单元30由BPF 31、相位调节单元32、以及90度相位调节单元33来构成。

BPF 31与图2所示的BPF 22相同。即，向BPF 31输入由电压检测器检测到的系统U相电压Vu，BPF 31提取并输出该电压Vu的基波成分Vubpf。

接着，相位调节单元32在由BPF 31输出的基波成分Vubpf作为输入的情况下输出基准正弦信号sinωt，这是一个基准信号。相位调节单元32与图3所示的相位调节单元23相同。因此，基准正弦信号sinωt的相位使得由于由电容器8和电抗器9构成的LC滤波器所特有的相位特性而发生的输入和输出电压之间的相位差相对于输入基波成分Vubfp进行调节。

另外，90度相位调节单元33在由相位调节单元32输出的基准正弦信号sinωt作为输入的情况下输出基准余弦波信号cosωt，该基准余弦波信号cosωt的相位例如使用移动平均计算相对于输入信号延迟90度。

接着，由基准信号生成单元30输出的基准正弦信号sinωt和基准余弦波信号cosωt被输入到坐标转换单元14。坐标转换单元14使用基准正弦信号sinωt和基准余弦波信号cosωt将有功电流命令Idref和无功电流命令Iqref转换成U相输出电流命令Iuref和W相输出电流命令Iwref。

包含在基准正弦信号sinωt和基准余弦波信号cosωt中的角频率ω与图6所示的校正角频率ωo相同。即，在图6所示的控制电路100中，由PLL计算单元12生成校正角频率ωo，且由坐标转换单元14通过使用该校正角频率ωo来计算基准信号sinωot和cosωot，而在图1所示控制电路101中，由基准信号生成单元30直接生成基准正弦信号sinωt和基准余弦波信号cosωt。

如上所述，根据该发明，有可能提供即使在电力系统中发生瞬间电压降时也可向电力系统稳定地供电的分布式电源系统。

Claims

1.一种分布式电源系统，包括：

逆变器电路，其将由直流电源产生的直流功率转换成交流功率，并向三相交流电源电力系统供应所述交流功率；

电压检测器，其检测所述三相交流电源的系统电压；以及

逆变器控制电路，其用于进行所述逆变器电路的PWM控制，

所述逆变器控制电路包括三相电压命令信号生成单元，所述三相电压命令信号生成单元由以下单元构成：

三相基波命令信号生成单元，其根据由所述电压检测器检测到的二相电压来生成三相基波命令信号；以及

三次谐波命令信号生成单元，其将具有基于所述三相基波命令信号计算的预定振幅的各相的三次谐波信号相加在一起，由此生成三次谐波命令信号，其中

所述三相电压命令信号生成单元将所述三相基波命令信号和三次谐波命令信号相加在一起，由此生成三相电压命令信号。

2.如权利要求1所述的分布式电源系统，其特征在于，还包括：

滤波器电路，其在所述交流电源和逆变器电路之间，其中

所述三相基波命令信号生成单元包括：

带通滤波器单元，其提取所述电压检测器检测到的电压的基波成分；以及

相位调节单元，其调节由所述滤波器电路的相位特性所造成的输入和输出电压之间的相位差。

3.如权利要求2所述的分布式电源系统，其特征在于，

所述三次谐波命令信号生成单元基于由所述三相基波命令信号生成单元输出的所述基波命令信号生成各相的三次谐波成分，并将所生成的各相的三次谐波成分相加在一起，由此生成三次谐波信号。

4.一种用于逆变器电路的PWM控制的逆变器控制电路，所述逆变器电路将由直流电源产生的直流功率转换成交流功率以用于供应到具有三相交流电源的电力系统，所述逆变器控制电路包括：

三相电压命令信号生成单元，包括：

三相基波命令信号生成单元，其根据由电压检测器检测到的所述电力系统的系统电压生成三相基波命令信号，以及

三次谐波信号生成单元，其针对所述三相基波命令信号的各相成分导出三次谐波，并将全部所述相的所述三次谐波相加在一起，所述三次谐波信号生成单元基于所述相加结果进一步生成三次谐波信号；以及

加法器，其将所述三次谐波信号分别加到所述三相基波命令信号，以便生成在所述逆变器电路的所述PWM控制中使用的三相电压命令信号。