CN102483636B - 用于能量控制的具有线路频率或电压变化模式的交流连接模块 - Google Patents

Abstract

一种对电力系统的分布式发电模块的控制策略，根据预定模式改变线路频率或电压以使光伏逆变器修改其功率输出，避免对电池过度充电。电力系统在孤岛模式操作时，交流负载需求可能低于光伏阵列可用能量，导致电池过度充电。为避免该情况，混合逆变器执行模式生成算法，线性地、指数地或依任何数学函数或查找表改变线路频率或电压。光伏逆变器执行模式检测算法，检测线路频率中线性函数、指数函数或任何数学函数或查找表的变化。作为响应，光伏逆变器修改其功率输出直到消除电池过度充电条件。可在反孤岛限制内改变线路频率/电压以避免电力系统过早毁坏，不需要为了在孤岛、电网连接或发电机组连接中的任何操作模式操作而在设备级增加额外的设置。

Description

用于能量控制的具有线路频率或电压变化模式的交流连接模块

发明领域

本发明大致上涉及用于通过交流连接的模块控制供应到电池的能量的装置和方法，交流连接的模块具有预定的线路频率或电压变化模式生成和检测。

背景

在分布式电力系统中，能量通过配电装置分配，通过分布式发电模块控制，以及存储在储能元件中，多余的能量可能存在于电力系统中，其可能损坏电气设备，尤其是电池。避免积聚在电力系统中的多余能量的不良影响的一种解决方案是在控制设备之间提供有线通信以阻止或减小多余的能量。这种解决方案防止控制设备彼此较远地分开放置，并且需要额外的控制线安装在不同的控制设备之间。另一种解决方案是将多余的能量倾卸在阻性负载中，但这样做显然比较浪费，并且能量被低效分配。

因此，需要一种不需要在电力系统中的控制设备之间使用电线来阻止多余的能量或使用阻性负载浪费地吸收多余的能量的解决方案。

简要概述

提供了在离网孤岛、电网连接和发电机组连接的住宅和商业设施中具有适用性的电源转换器系统，该电源转换器系统与可再生能源整合并在微电网结构内相互作用。该系统架构包含具有灵活的操作模式的分布式发电（DPG）模块以控制功率流用于能量优先化和系统效率最大化。不同的能源被整合在微电网系统内，用于在瞬态和动态条件下在混合转换器的直流和交流端口处的稳定和鲁棒的DPG控制操作。在设备级实现控制结构，并且在混合转换器和光伏逆变器之间不需要有协议通信接口。在离网孤岛模式，当由光伏逆变器提供的能量流入双向混合转换器时，直流电池电压或电流可以达到不可接受的水平。在混合转换器内实现的控制方法使用模式生成算法，该算法以与直流变化率相关的特定的频率变化率改变线路频率或者改变线路电压。直到交流线路频率限制随着电池的直流电平回落在指定的设定点限制内恢复到正常范围，光伏逆变器才停止转换电力。通信代理是交流线路频率或电压，交流线路频率或电压由混合转换器精确地控制。此外，光伏逆变器控制随着模式检测算法的实现被增强了，模式检测算法连续地监测微电网线路频率或电压，并且如果在混合转换器改变由所需的充电曲线确定的线路频率或电压时检测到特定模式，则降低其功率。所提出的控制方法可以应用于单相交流系统、三相交流系统或多相交流系统。

参照附图并参考各种实施方式的详细描述，对本领域中的那些普通技术人员来说，本发明的上述方面以及其他的方面将是明显的，接下来提供附图的简要描述。

附图的简要描述

当阅读下面的详细描述并参照附图时，本发明的上述优势及其他优势将变得明显。

图1是根据本公开内容的一个方面的电力系统的功能框图；

图2是包括模式生成算法的控制算法的功能框图，模式生成算法由在图1中示出的混合控制器的控制器执行；

图3A是示出由模式生成算法产生的三种不同的预定模式的图，模式生成算法根据预定模式中的任何一种改变线路频率；

图3B是对应关于在图1中示出的电池的直流电压变化的函数的交流线路频率响应的变化率的三种预定模式的图；

图4是包括模式检测算法的光伏逆变器的控制方法的功能框图，模式检测算法由在图1中示出的光伏逆变器的控制器执行；

图5A是用于图4中示出的模式检测算法的比例-积分-微分（PID）类型控制器的框图；

图5B是代替在图5A中示出的PID类型控制器的、用于图4中示出的模式检测算法的小波变换和模式选择函数的框图；

图6是示出说明响应于检测线路频率中的线性模式变化的光伏逆变器的功率响应及相关的电池的三个阶段的充电曲线的直流响应的三条曲线的图；以及

图7是示出对应电池电压、线路频率、光伏逆变器功率输出和交流负载电流的四条曲线的图，这四条曲线说明光伏逆变器响应于检测线路频率中的预定模式的功率输出响应和相关的电池的直流响应的影响。

虽然本发明容许有各种修改和可选形式，但通过示例的方式在附图中示出了具体的实施方式并且将在此详细地描述这些具体的实施方式。然而，应该理解的是，不旨在将本发明局限于所公开的特定形式。相反，本发明将覆盖落在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有的修改形式、等同形式和替代形式。

详细描述

图1是电力系统100（也称作微电网）的功能框图，其包括分布式发电（DPG）模块、分布式储能元件、配电装置和可控负载114。电力系统100包括交流耦合系统134和可选的直流耦合系统136。电力系统100包括具有第一模块或混合转换器102的交流（AC）耦合系统，第一模块或混合转换器102通过公共耦合点（PPC）116耦合于第二模块或光伏（PV）逆变器104。第一模块102还耦合于电池106，例如电池组。第一模块102使用模式生成算法124自动地改变交流（AC）线路的特性（例如，频率或电压）V_ac，模式生成算法124在第一AC输出端130c处产生修改的输出，该修改的输出根据由第一函数产生的第一预定的模式改变交流线路的特性（例如，频率或电压）。第一模块102包括使用机器可读指令编程以用于执行模式生成算法124的第一控制器122，并且电耦合于电池106以及交流能源108、110中的至少一个。在示出的例子中，交流能源可以是分布式发电机系统（发电机组）108或公用电网110。

第一模块102被示为具有两个交流输入端，第一交流输入端130a用于接收来自公用电网110的能量，第二交流输入端130b用于接收来自发电机组108的能量。可选地，第一模块102可仅具有一个交流输入端或具有多于两个的交流输入端。第一模块102确定所监测的电池106的电流或电压是否满足预定的标准。第一模块102可以包括混合转换器，混合转换器用于将直流（DC）能量或交流能量、或者交流能量和直流能量两者提供给耦合于第一模块102的分布式元件106、114、104、108、110、118，以及从耦合于第一模块102的分布式元件106、114、104、108、110、118接收直流（DC）能量或交流能量、或者交流能量和直流能量两者。适合的混合转换器包括由Xantrex科技有限公司提供的6kVA XW6048转换器模块。

电力系统100可以置于三种配置或模式中的任何一种。在孤岛模式，公用电网110被断开连接。在电网连接模式，公用电网110被连接。在发电机组连接模式，发电机组108（例如，通过柴油发电机或丙烷发电机）被连接。

第二模块104电耦合于第一模块102并远离第一模块102，且通过模式检测算法128检测由第一模块102产生的修改的输出，以及响应于该检测，导致施加给电池106用于给电池106充电的电流或电压通过第一模块102改变。第二模块104包括使用机器可读指令编程的用于执行模式检测算法128的第二控制器126。

第二模块104、118耦合于将可再生能源转换成电力的可再生能量转换单元112、120。可再生能量转换单元112、120可以包括例如耦合于光伏（PV）逆变器104或光伏（PV）转换器118的光伏（PV）阵列并输出相应的电流（在耦合于光伏转换器118的情况下为直流电流，在耦合于光伏逆变器104的情况下为交流电流）。

第一模块102可以是具有集成的交流转换开关和三种操作模式的四象限脉宽调制（PWM）双向能量转换器（混合转换器）。混合转换器在交流端口130a-c和直流端口132两者处连接例如光伏发电机、风力涡轮机、燃料电池的直流能源和例如公用电网110和发电机组108的交流能源。在第一模式，混合转换器102作为电压控制源转换器操作，其中混合转换器102将直流能量转换成用于逆变器模式的孤岛的备份电力的交流能量，以满足电力质量要求。在该模式，混合转换器102控制电力系统（或微电网）100内的交流电压和频率。在第二模式，混合转换器102作为电流控制源转换器操作，其中当交流源110、108被连接（电网连接模式或发电机组连接模式）时，混合转换器102将直流能量转换成交流能量。发电机组108或公用电网110生成交流电压和频率。当从自然资源生成的可再生能量（诸如太阳能、风能、雨能、潮汐能、微型水力、或地热能）从混合转换器102的直流端口132输出到微电网交流网络时，主要使用这种电流控制源模式。在图1中，可选的光伏太阳能阵列120通过可选的PWM DC/DC光伏转换器118连接到电池106。在第三模式，混合转换器102在具有可选的功率因数校正（PFC）的有源整流器模式操作。在有源整流器模式，混合转换器102将交流能量转换成直流能量并且例如根据确定电池106（例如，24/48V）的充电曲线（例如，快充、均充或浮充阶段）的传统的电池充电算法将到电池106的直流电压或电流调节在规定的限制内。光伏转换器118基于光伏发电量或电池充电的状态调节直流电池电压或电流。

光伏逆变器104和光伏转换器118优选为在直流输入端具有相应的嵌入式最大功率点跟踪（MPPT）算法的脉宽调制转换器，以从各自的光伏阵列112、120获取最大能量。MPPT算法对本公开内容所属领域中的普通技术人员来说是熟知的。第二模块104、118中的MPPT算法优选地被优化成平衡快速能量获取与控制稳定性，并且扫过I-V曲线以找到总体的最大值。光伏逆变器104在电流控制模式中操作，以将直流能量转换成交流能量并控制交流电流的幅度和相位。光伏逆变器104由于其较高的效率和较小的尺寸和重量，优选是无变压器的。光伏转换器118在MPPT模式中操作，同时维持所需的多阶段充电曲线（快充、均充和浮充）。

当电力系统100在电网连接模式时，来自电池106的可用能量通过在电流控制源模式操作的双向混合转换器102传输到交流负载114或传输回公用电网110。如果公用电网110处于故障状态，混合转换器102将电力系统100转换到孤岛模式。当公用电网110发生故障时，可以在混合转换器102中实施传统的间接电流算法以用于电力的连续传输。

在图1中示出的交流耦合系统134配置有光伏阵列112，光伏阵列112通过光伏逆变器104连接到PCC116用于最大化能量转换效率。当存在公用电网110时，混合转换器102将电力系统100转换到电网连接模式。在电网连接模式，交流负载114可以由光伏逆变器104和公用电网110两者供电。混合转换器102在有源整流器模式操作，对电池106充电以免超出电网的电流容量。如果公用电网110发生故障，电力系统100被转换到孤岛模式，并且混合转换器102在电压控制模式操作。如果交流负载114的需求超出来自光伏逆变器104和电池106的可用能量，则发电机组108自动启动。

在发电机组连接模式，可能不期望光伏逆变器104向发电机组108反向供电。混合转换器102连续地监测到所有端口130a-c的交流电流，并且在交流端口130a和130b（AC1和AC2）两者上具有集成的转换开关，以允许通过AC2端口130b断开连接发电机组108。如果来自交流负载114的负载需求超出发电机组108和光伏逆变器104的电力输出容量，混合转换器102通过将来自直流端口132的能量转换到交流端口130c进入发电机组支持模式而作为电流控制源。如果公用电网110和发电机组108都不可用作交流负载114的能源，则可用的能源由光伏阵列112和电池106组成。连接到混合转换器102的交流端口130c的交流线路138习惯上操作以用于在额定的基本频率或标称频率50Hz或60Hz的120V/240或230V的单相系统或者120V或230V的三相系统。

在电力系统100中存在的多余能量能够损坏电气设备，尤其是电池106。对电池106过度充电可不良地导致析气、漏水和/或栅板腐蚀，并可缩短其寿命。当电力系统100在孤岛模式时，混合转换器102在电压控制源模式操作并控制交流线路138上的交流电压和频率。光伏逆变器104从光伏阵列112获取太阳能并在交流电流控制模式操作。用于交流负载114的能量可通过光伏阵列112和电池106中的一个或两者提供。如果太阳能大于负载114的负载需求，剩余的电力将从PCC116流过混合转换器102，最终对电池106过度充电。

所提出的模式生成算法124维持正常条件下的交流线路138上的恒定的微电网交流线路频率和电压幅度（例如，+/-0.2Hz和标称电压的+/-0.5%）直到达到对电池106过度充电的点。线路频率变化或电压变化可以用作混合转换器102和光伏逆变器104之间的相互作用参数。例如，在孤岛模式，当光伏逆变器104产生大于负载需求的能量时，到电池106的有源功率流以及电池106的直流电压或电流可超出可接受的要求。混合转换器102积极地监测和应用正确的电池充电曲线：如果电池106的直流电压或电流超出电池充电限制要求，则混合转换器102根据预定的模式改变微电网线路频率。光伏逆变器104可能因为交流线路138的频率超出其频率范围限制而断开连接，或者如果通过监测交流线路频率、通信代理控制实现特定的控制，可以减少从光伏阵列112产生的电流。强调的是，改变交流电压幅度可以代替地用作通信代理以防止电池过度充电。然而，使用交流电压幅度没有使用交流频率精确，因为电压降是电力配线特性的函数。

交流线路138上的频率作为用于在混合转换器102和光伏逆变器104之间通信的一种手段以预定的方式改变。不需要额外的电线用于通信，并且模块102、104的位置可彼此远离：混合转换器102和电池106在一个位置，而光伏逆变器104和光伏阵列112在不同的较远的位置。

当电力系统100在孤岛模式时，混合转换器102控制交流线路138的频率和电压调节。当光伏逆变器104产生比来自负载114的负载需求大的能量时，有功功率流向电池106。混合转换器102同时在两种模式下操作：具有交流电压/频率调节的逆变器模式以及给电池106充电的有源整流器模式。当以下两个条件满足时：（1）有功功率从交流端口130c流向直流端口132；以及（2）电池106的直流电压（例如均充、浮充）或直流电流充电电平超出某一设定点限制，模式生成算法124开始起作用。

模式生成算法124根据预定的模式通过减少或增加交流线路138的频率的标称值f₀=50/60Hz来控制交流线路138的频率。如在下面更详细地描述的，模式生成算法124可具有线性响应或指数响应或线性-指数响应。模式生成算法可以被实现成输出任何其他的数学函数或预定的查找表。图2示出了用于在电压控制源逆变器模式操作的混合转换器102的包括模式生成算法124的控制算法200的功能框图。PCC116交流网络电压V_ac与参考电压v^* _ac进行比较并且其误差由电压控制器Gvv补偿，电压控制器Gvv的输出变成交流电流参考i^* _ac；i^* _ac和电感器交流电流i_ac之间的差值由电流控制器Gvi补偿，电流控制器Gvi产生占空比命令。在电压控制源逆变器模式中的混合转换器102的输出电压V_ac通过两项表示：乘以交流正弦波电压参考v^* _ac的第一项需要接近于单位1以用于输出电压参考跟踪，而乘以交流输出电流i₀的第二项需要接近于零以用于负载干扰解耦：

$v_{\mathrm{ac}}\left(s\right)=\frac{G_{\mathrm{vv}}\left(s\right)\·G_{\mathrm{vi}}\left(s\right)}{s^2\mathrm{LC}+s\·C\·G_{\mathrm{vi}}\left(s\right)]+G_{\mathrm{vv}}\left(s\right)G_{\mathrm{vi}}\left(s\right)}{v}_{\mathrm{ac}}^{*}\left(s\right)-\frac{\mathrm{sL}+G_i\left(s\right)}{s^2\mathrm{LC}+s\·C\·G_{\mathrm{vi}}\left(s\right)+G_{\mathrm{vv}}\left(s\right)G_{\mathrm{vi}}\left(s\right)}{i}_0\left(s\right)$   （函数1）

其中，LC表示输出滤波器，拉普拉斯算子s近似于jω，ω为角频率。正弦波电压跟踪和动态的负载干扰解耦控制的实现必须是鲁棒且稳定的，因为在孤岛模式中，光伏逆变器104主动的反孤岛控制趋向于使电压和频率调节不稳定。如果有功功率流的方向改变，即混合转换器102吸收电流且直流电池106的电压或电流达到V^* _dc/I^* _dc最大的规定值，则模式生成算法124的输出K_VI线性地（在这一实例中）降低参考频率f₀。比例积分（PI）补偿器被数字地实现成分别为直流电压电池控制器和直流电流电池控制器提供比例增益k_P和积分增益k_I，以及选择器函数Kvi。正弦波参考v^* _ac(t)通过具有调制指数m、振幅大小参考V_M和相角θ₀的查找表生成：

$v_{\mathrm{ac}}^{*}\left(t\right)=m\·V_M\sin [2\mathrm{\π}(f_0-|K_{\mathrm{vi}}\left(t\right)\left|\right)\·t+{\mathrm{\θ}}_0]$   （函数2）

在这一示例中，如果所监测的电池106的直流电压和电流超出最大的规定值（V^* _dc/I^* _dc），频率f₀(t)将从其标称值下降；相反地，如果需要，控制算法200可以调节频率的升高。选择器函数Kvi由下式给出：

K_vi(t)＝min{K_v(t),K_i(t)}  （函数3）

直流电压电池控制器和直流电流电池控制器的钳位输出通过函数（4）和（5）表示：

$K_v\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{x}_v\left(t\right),& x_v\left(t\right)<0\\ 0,& x_v\left(t\right)\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$   （函数4）

$K_i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{x}_i\left(t\right),& x_i\left(t\right)<0\\ 0,& x_i\left(t\right)\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$ （函数5）

直流电压电池控制器或直流电流电池控制器的输出通过关系（6）表示：

x_v(t)＝k_Pv·e_v(t)+∫k_Iv·e_v(t)dt

                              （函数6）

x_i(t)＝k_Pi·e_i(t)+∫k_Ii·e_i(t)dt

直流电压参考V^* _dc表示可以基于电池类型调整的快充电压水平、均充电压水平或浮充电压水平。直流电压参考值因为电池的化学性质的原因被温度补偿，以获得优化的充电曲线（例如，对于48V铅酸富液电池为-0.108V/℃）。直流电流参考I^* _dc表示电池106可接受的最大电流限制。在参考值和瞬时值之间的差额表示施加到PI补偿器的误差值：

$\begin{array}{c}{e}_v\left(t\right)=V_{\mathrm{dc}}^{*}-v_{\mathrm{dc}}\left(t\right)\\ e_i\left(t\right)=I_{\mathrm{dc}}^{*}-i_{\mathrm{dc}}\left(t\right)\end{array}$   （函数7）

图3A示出了具有线性响应（α=1）或指数响应（α>1）的频率函数响应：

f₀(t)＝f₀-[K_v(t)]α

                   （函数8）

f₀(t)＝f₀-[K_i(t)]β

在图3A中，示出了修改交流线路频率的具有不同的系数α值的作为时间的函数的三种预定的模式300a-c：对于线性模式300a，α=1；对于指数模式300b、300c，分别为α=2、α=0.4。当电池电压或电流满足第一标准时，模式生成算法124可以根据第一预定的模式（例如，线性）改变交流线路频率或电压，并且当电池电压或电流满足第二标准时，模式生成算法124可以根据第二预定的模式（例如，指数）改变交流线路频率或电压。一般地，当应用模式生成算法124时提供从标称频率的平稳过渡以避免引入频率干扰和允许光伏逆变器104有时间检测预定的模式是可取的，例如在预定的模式300b中示出的。此外，像模式300b的指数模式在窄频率范围中工作得更好，例如在电力系统100的交流线路138的反孤岛限制内。反孤岛限制可以由保险商实验室（Underwriters Laboratory，UL）1741或电气与电子工程师协会（IEEE）1547标准或根据其他国家的要求提出的其他反孤岛限制定义。例如，对于交流线路138上的60Hz额定频率来说，反孤岛限制可以在59-61Hz之间。优选地，频率模式在+/-0.4Hz内变化（例如，对于60Hz的额定的基本频率，为59.6-60.4Hz，或者对于50Hz的额定的基本频率，为49.6-50.4Hz）。一般地，频率模式应该在交流线路138的基本频率以上和以下2Hz范围内变化。

通过对比，预定的模式300c提供了从标称的交流线路频率的相对快速的过渡。当在电池过电压条件下有突然的增加时，模式生成算法124可以导致混合转换器102根据预定的模式300c改变交流线路频率或电压以迫使光伏逆变器104快速地对过电压做出反应，并减少或消除正在给电池106充电的电流或电压。一般地，如果电池电压的变化率急剧地增大或突然增大，突然地改变频率使得光伏逆变器104可以快速地反应以减少其功率输出，并相应地减少给电池106充电所供应的电流或电压是可取的。对于这种情况，输出预定的模式300c可能是可取的。

尽管以上论述了线性模式和指数模式，但可以使用不会被通过例如发电机和负载的其他设备置于交流线路上的模式混淆的任何预定的（例如，有意图的、非天然的、编程的、审慎的）模式。所用模式需要与由电力系统中的电气设备建立的导致交流线路的频率或电压改变的其他模式区分开。例如，发电机线性地改变频率/电压，因此，如果使用线性模式改变交流线路的频率或电压，应该注意避免使用可能由发电机产生的模式。在不存在异常的电池充电条件时，这可能不必要地导致光伏逆变器104改变电池的充电电压或电流。

图3B示出了作为电池106的直流电压变化的函数的交流线路频率响应的变化率。如果电压/电流误差较大，则迅速控制交流线路频率f₀(t)。在该示例中，频率被线性地降低，并且通过使系数α和β成为瞬时直流电压和电流的函数，变化率可以是线性-指数响应的组合。频率响应可以用在图3B中可以看到的对称恢复实现，图3B示出了三种预定的模式302a-c，每一种模式通过具有以下直流充电电压/电流d(v_dc,i_dc)/dt比率的线性函数产生：对于对称的频率恢复，模式302a，dv_dc/dt=0.3V/s；模式302b，dv_dc/dt=0.25V/s；以及模式302c，dv_dc/dt=0.375V/s。

将电力转换到公用电网110的电网连接的DPG模块需要具有孤岛检测的能力。DGP模块被允许转换电力的交流线路频率范围是受限制的，并具有不同的要求：最大和最小频率的范围对50Hz电网系统可以是51-48Hz或对60Hz电网系统可以是60.5-59.3Hz。低于其标称值的频率范围更大，因此光伏逆变器104具有低于50/60Hz的较广的操作范围。

在孤岛模式，交流线路138的频率通过混合转换器102设定；当超出电池106的直流电压或电流时，模式生成算法124开始根据预定的模式，例如线性地或指数地改变线路频率或电压。当达到最小频率限制时，光伏逆变器104从交流网络断开连接，中断到直流端口的电力，并且交流线路频率恢复到标称值50/60Hz。混合转换器102将剩余的能量从交流网络传输到直流端口132，并且虽然当电池106在快速充电阶段结束时被充电80%-85%，但电池充电持续到均充阶段。

完整的电池充电曲线将要求调节电池的均充、浮充的直流电压，其充电阶段如在图6中所看到的。在这种情况下，光伏逆变器必须访问用于控制其局部交流电流的直流电池电压信息。需要进行通信以执行电池电压调节。在此提出了冗余操作模式：通信代理是在交流线路的反孤岛限制的范围内的任意的交流线路频率变化。可选地，交流电压模式变化可替代地用作通信代理，但没有用频率更精确，因为电压易受配线阻抗变化的影响。光伏逆变器104中的模式检测算法将感测特定的频率（或电压）变化模式并调整其局部交流电流，从MPPT模式退出到交流耦合模式。在交流耦合模式下，混合转换器102在确定的积分期间交替频率变化斜率以使交流线路频率的平均值在其标称值50/60Hz。

图4示出了作为电流控制源操作的光伏逆变器104的控制方法的框图。通过LUT（正弦生成器查找表）生成的正弦波电流参考i^* _ac与电网频率f(t)和相位θ₀同步以实现单位功率因数。

特定的频率（或电压）模式通过混合转换器102的模式生成算法124生成并通过模式检测算法128精确地感测，因为光伏逆变器104从MPPT模式退出并调节其频率（或电压）模式变化的局部输出函数。如果频率变化不遵循特定的模式，则选择函数M选择MPPT模式用于控制交流输出电流。

在控制选择中，快速傅里叶变换、PID类型的控制（比例-积分-微分控制）、模糊逻辑等，优选用于频率变化检测的小波方法。小波变换具有优良的频率-时间定位并跟踪快速变化的信号。交流线路频率变化检测可以用PI频率控制器G_cf（图5A）实现或更精确地用小波频率跟踪WT和模式选择函数Fs（图5B）实现。当检测到特定的线路频率模式时，频率系数K_f控制光伏逆变器104的输出电流。

连续的小波变换被应用于来自上述函数1的感测信号。作为这一过程的结果，生成了小波系数C(a,b)，其中a是比例，b是位置。

$C_v(a,b)=\underset{-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}{v}_{\mathrm{ac}}\left(t\right)\&CenterDot;{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{ab}}\left(t\right)\mathrm{dt}$   （函数9）

其中，Ψ_a,b(t)是用作分析工具的小波函数，并且应该检测在任何时间间隔中的频率变化。

${\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{ab}}=\frac{1}{\sqrt{a}}{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{ab}}\left(\frac{t-b}{a}\right)$   （函数10）

小波振荡给出v_ac(t)的频率内容，并且小波系数的值将反映小波如何与信号的具体部分密切相关，如通过位置参数所给出的。在该示例中，模式检测算法128使用Morlet小波变换：

$V(a,b)=\frac{1}{\sqrt{a}}{\&Integral;v}_{\mathrm{ac}}\left(t\right)\&CenterDot;e^{\frac{-{\left(\frac{t-b}{a}\right)}^2}{2}}\&CenterDot;e^{\mathrm{j\&omega;}\left(\frac{t-b}{a}\right)}\mathrm{dt}$   （函数11）

函数11测量小波基函数和感测信号v_ac(t)之间的相似性。Morlet小波基函数由下式给出：

$\mathrm{\&psi;}\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;f_b}}{e}^{2\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;f_0\&CenterDot;i\&CenterDot;x}\&CenterDot;e^{\frac{{-x}^2}{f_b}}$   （函数12）

小波的有限持续时间和Morlet小波的频谱由下式给出：

$\mathrm{\&psi;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\sqrt{2\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;}{e}^{\frac{{-(\mathrm{\&omega;}-{\mathrm{\&omega;}}_0)}^2}{2}}$   （函数13）

接下来描述使用Morlet小波变换的模式检测算法。对信号v_ac(t)应用Morlet小波变换（WT）。Morlet小波变换的输出由系数C(a,b)表示。

目的是跟踪细微的频率变化。参数a的较小值将压缩较小的频率变化检测的小波。因此，在该示例中感兴趣的是对应第1级（a=1）的比例参数a的系数。对于位置参数b，在该示例中选择每个电网周期100个样本。

计算这些系数的局部最大值和最小值。搜索包络的多项式最佳拟合函数，该函数将反映原始信号频率随时间的变化。例如，如果频率具有线性的变化模式，则可以构建线性类型的数学函数。

图6是示出了示例性曲线602、604、606的图600，这些示例性曲线对应于作为时间（以秒为单位）的函数的以下变量：交流线路138上的交流线路频率电压V_ac（曲线602）、由混合转换器102的直流端口132监测的电池106的电压V_dc（曲线604）和光伏逆变器104的功率输出P_{光伏逆变器}。当电池电压超出预定的电流或电压时，导致过度充电状态，混合转换器102通过模式生成算法124根据线性函数开始减少交流线路频率。光伏逆变器104检测到交流线路频率中的线性模式变化，并减少其到交流线路138上的电力输出，导致电池电压下降到过度充电状态以下。电池的预定电流或电压可以对应于电池制造商的过度充电电池阈值或者可以是任何预定的电流或电压（例如，在示出的例子中为高于最大的充电电压或电流大约5%或更高）。区间I：表示快速充电阶段，在该阶段能量从光伏逆变器104传输到电池组106。在区间I和II的边界处，直流电压电平超出57.6V的铅酸蓄电池的均充电压。混合转换器102的模式生成算法124开始降低线路频率（曲线602），线路频率由光伏逆变器104的模式检测算法128监测，光伏逆变器104开始降低其输出功率P_{光伏逆变器}（曲线606）。因此，直流电池电压V_dc（曲线604）斜降在57.6V的阈值以下。混合转换器102开始将线路频率（曲线602）增大到标称值。如在图6中可看到的，频率在反孤岛范围内改变+/-0.4Hz，并且净平均频率目标是50Hz，这对线路频率的影响甚微。当均充充电阶段结束时（区间II），混合转换器102继续平均电压电平为54V的浮充电阶段（区间III）。当光伏逆变器104专门检测用于控制其输出功率（曲线606）的预定模式时，光伏逆变器104在除了区间II和III以外处于最大功率点跟踪（MPPT）模式。

图7是示出了示例性曲线702、704、706、708的图700，这些示例性曲线对应于作为时间的函数的以下变量：交流线路频率f（曲线702）、由混合转换器102的直流端口132监测的电池106的电池电压V_dc（曲线704）、光伏逆变器104的电流输出I_dc和负载114的交流电流I_{ac_负载}。这些曲线用双向6kVA Xantrex转换器模块（XW6048）102生成，且其交流端口130a被配置为230V/50Hz，其直流端口132被配置为40-65V且连接到225Ah铅酸蓄电池106。控制函数122、124、126、128被实现在运行在150MHz的32位TMS320F2812DSP上。

在图7中，模式生成算法124的效果导致混合转换器102以等于0.4Hz/s的变化率线性地改变交流线路频率。如接下来所描述的，在区间I-IV示出了电力系统100在离网孤岛模式中的结果。区间I：光伏逆变器104关闭且交流线路频率f为50Hz+/-0.01。区间II：光伏逆变器104打开且混合转换器102用20Adc给电池106充电。区间III：电池106仍处于快充阶段模式并且从光伏阵列112获取更多能量。在区间II和III上都看出，交流线路频率被光伏逆变器104的反孤岛算法干扰但影响甚微（最大为+/-0.1Hz）。在区间III的末端，光伏逆变器104不能够检测到频率模式变化并且继续将电力传输给电池106。因此，直流电压（曲线704）继续上升到高于可接受的限制，并且频率进一步下降到超出光伏逆变器104的反孤岛限制。区间IV：因为在之前的区间超出了频率限制，所以直流电池电压下降（V_dc，10V/div）到休眠电池电压，从而避免对电池106过度充电。当超出反孤岛限制时，没有配备模式检测算法128的传统的光伏逆变器可以在区间IV内操作，以防止电池106过度充电。然而，当频率在反孤岛限制内时，这样的传统的光伏逆变器不能防止电池106过度充电。

应该注意的是，在此示出和论述的算法124、128可以具有执行特定功能并相互作用的多种模块。应该理解的是，为了方便说明起见，这些模块只是基于它们的功能进行分类，且其表示计算机硬件和/或存储在计算机可读介质上的用于在适当的计算硬件上执行的可执行软件代码。不同模块和单元的多种功能可以如上述模块一样以任何方式组合或分离为硬件和/或存储在计算机可读介质上的软件，并且可以分开使用或组合使用。

在此公开的任何一种算法包括由（a）微处理器、（b）微控制器和/或（c）任何其他合适的处理设备执行的机器可读指令。容易理解的是，在此涉及的控制器122、128包括这样合适的处理设备。任何算法，例如在此公开的算法122、128，可以包含在存储在例如闪存、CD-ROM、软盘、硬盘驱动器、数字多功能磁盘（DVD）或其他存储器设备上的软件中，但本领域中的普通技术人员将容易意识到，整个算法或其中的一部分可以可替代地通过除控制器外的设备执行，和/或以众所周知的方式包含在固件或专用硬件中（例如，可以通过专用集成电路（ASIC）、可编程逻辑器件（PLD）、现场可编程逻辑器件（FPLD）、分立的逻辑器件等实现）。而且，在此描绘的任何流程图中表示的机器可读指令中的一些或全部可以手动实现。此外，尽管参考在此描绘的流程图或功能框图描述了特定的算法，本领域中的普通技术人员将容易意识到，可以可替代地使用实现示例的机器可读指令的许多其他的方法。例如，可以改变框的执行顺序，和/或可以改变、去除或组合所描述的一些框。

虽然图示和描述了本发明的具体实施方式和应用，但要理解的是，本发明不局限于在此公开的精确的结构和组成，并且根据上述说明显然可以进行各种修改、改变和变化而不偏离在所附权利要求中限定的本发明的精神和范围。

Claims (19)

1.一种通过监测交流电流（AC）线路的特性自动地控制施加到电池的电流或电压的方法，所述方法包括：

在第一模块中确定所述电池的被监测电流或电压是否满足预定的标准；

响应于所述电池的电流或电压满足所述标准，通过所述第一模块，使用模式生成算法自动地改变所述交流线路的所述特性，所述模式生成算法产生修改的输出，所述修改的输出根据由第一函数产生的第一预定模式改变所述交流线路的所述特性，其中所述第一模块包括使用机器可读指令编程以执行所述模式生成算法的第一控制器，并且所述第一控制器被电耦合到所述电池和至少一个交流能源；以及

在远离所述第一模块的第二模块处，通过模式检测算法检测所述修改的输出，并且响应于所述检测，使施加到所述电池用于给待充电的所述电池充电的电流或电压通过所述第一模块改变，其中所述第二模块包括使用机器可读指令编程以执行所述模式检测算法的第二控制器，并且所述第二控制器被电耦合到所述第一模块。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述特性是所述交流线路的频率或电压。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述标准是所述电池的电流或电压是否超出预定的电流或电压。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述标准是所述电池的电流或电压是否下降到预定的电流或电压以下。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述第一模块包括用于提供和接收能量的混合转换器。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述第二模块被耦合到可再生能量转换单元，所述可再生能量转换单元将可再生能源转换成电力。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述第二模块包括光伏逆变器，所述光伏逆变器从耦合于所述第二模块的光伏阵列接收太阳能并输出相应的交流电流。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述特性在所述交流线路的反孤岛限制内变化，其中所述交流线路被额定在基本频率振荡，并且其中所述反孤岛限制不超过所述基本频率以上或以下2Hz。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述反孤岛限制在保险商实验室（UL）1741或电气与电子工程师协会（IEEE）1547中所定义的反孤岛限制内。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述第一函数包括指数函数。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述第一函数包括线性函数。

12.如权利要求1所述的方法，其中所述第一函数包括线性-指数函数。

13.如权利要求1所述的方法，其中所述交流线路的所述特性首先根据所述第一预定模式改变，其次根据由不同于所述第一函数的第二函数产生的第二预定模式改变。

14.如权利要求1所述的方法，其中所述模式检测算法包括小波变换函数、PID、模糊逻辑或快速傅里叶变换。

15.如权利要求1所述的方法，其中所述交流能源是公用电网或分布式发电机系统。

16.如权利要求2所述的方法，其中所述标准是所述电池的电流或电压是否落在电流或电压的预定的范围之外，其中所述第一模块包括用于提供和接收能量的混合转换器，其中所述第二模块耦合于可再生能量转换单元，所述可再生能量转换单元将可再生能源转换成电力，其中所述第二模块包括光伏逆变器或转换器，所述光伏逆变器或所述转换器从耦合于所述第二模块的光伏阵列接收太阳能并输出相应的电流，并且其中所述第一函数包括指数函数、线性函数或线性-指数函数。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述交流能源是公用电网或分布式发电机系统。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述特性在所述交流线路的反孤岛限制内改变，其中所述交流线路在基本频率振荡，并且其中所述反孤岛限制不超过所述基本频率以上或以下1Hz。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述模式检测算法包括小波变换函数。

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