CN102570492B - 功率逆变器系统和以高直流电压启动该系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明名称是“功率逆变器系统和以高直流电压启动该系统的方法”。功率逆变器系统(10)包括多个功率半导体开关器件(38)。各开关器件(38)包括对应的栅截止电阻(40)，栅截止电阻(40)配置成在逆变器系统(10)的启动周期中增加，使得向功率逆变器系统(10)提供电力的对应电源(12)的开路电压在对应开关截止周期中不超过开关器件(38)额定阻塞电压。启动周期是使对应电源(12)电压从其开路电压电平达到构成多个功率半导体开关器件(38)的安全工作条件的预定电压所需的时间。

Description

功率逆变器系统和以高直流电压启动该系统的方法
技术领域
一般来说，本发明涉及太阳能发电领域，更具体来说，涉及虑及太阳能功率逆变器系统中的高DC电源电压的方法和系统。
背景技术
太阳能发电在全世界正在成为越来越大的能量源。太阳能发电系统通常包括具有多个互连的太阳能电池的一个或多个光伏阵列(PV阵列)，所述太阳能电池通过光伏效应将太阳能转换为DC电力。为了将PV阵列的输出与公用电网接口，功率转换器系统用于将PV阵列的DC电流和DC电压输出转变为60/50Hz AC电流波形，从而将电力馈送到公用电网。
存在用于将PV阵列(或其它DC电源)的DC输出与AC电网进行接口的各种功率转换器系统。功率转换器系统的一种实现包括两级，即，升压转换器级和逆变器级。升压转换器级控制DC电力从PV阵列到DC母线或DC链路(以下称作“DC链路”)的流动。逆变器级将提供给DC链路的电力转换为能够输出到AC电网的适当AC波形。
出现如下情况：需要适应具有高开路电压、例如非常接近功率逆变器系统中采用的半导体器件的额定阻塞电压的开路电压的PV阵列(或其它DC电源)。例如，阵列开路电压为1000Vdc，并且半导体器件的阻塞电压为1200Vdc。诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)之类的功率逆变器半导体器件通常经过选择，以便适应PV阵列的最大功率电压而不是PV阵列的开路电压。以高电压启动中的限制因素是IGBT截止时的电压过冲。
鉴于以上所述，需要虑及启动条件期间的高DC电源电压的太阳 能功率逆变器系统和操作方法。逆变器系统应当防止DC链路电压在PV逆变器启动期间达到或超过逆变器系统半导体器件阻塞电压。
发明内容
本公开的一个实施例针对一种功率逆变器系统，包括：
DC-AC逆变器，所述DC-AC逆变器包括多个功率半导体开关器件；
DC链路，所述DC链路将DC电力耦合到逆变器，DC链路包括DC链路电容器；以及
控制器，所述控制器配置成仅在逆变器系统的启动周期中才增加功率半导体开关器件中每一个的栅截止电阻，使得DC链路电压在对应开关截止周期中不超过功率半导体开关器件额定阻塞电压，其中，启动周期是使对应DC电源电压从开路电压达到构成多个功率半导体开关器件的安全工作条件的预定电压所需的时间。
本公开的另一个实施例针对一种操作功率逆变器系统的方法，该方法包括：
提供逆变器，其中包括多个功率半导体开关器件、包含电容器的DC链路以及逆变器控制器；
经由DC链路电容器将DC电压源耦合到逆变器；以及
在将DC电压源耦合到逆变器之后，仅在其对应启动周期中才增加半导体功率开关器件中每一个的栅截止电阻，使得DC链路电压在对应开关截止周期中不超过相应功率半导体开关器件额定阻塞电压，其中，启动周期是使DC电源电压从开路电压达到构成多个功率半导体开关器件的安全工作条件的预定电压所需的时间。
按照又一个实施例，功率逆变器系统包括多个功率半导体开关器件，各开关器件包括对应的栅截止电阻，栅截止电阻配置成在逆变器系统的启动周期中增加，使得向功率逆变器系统提供电力的对应电源的开路电压在对应开关截止周期中不超过开关器件额定阻塞电压，其 中，启动周期是使对应电源电压从其开路电压电平达到构成多个功率半导体开关器件的安全工作条件的预定电压所需的时间。
附图说明
通过参照附图阅读以下详细描述，会更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点，附图中：
图1是示出按照本公开的一个示范实施例的光伏逆变器系统的框图；
图2示出图1所示PV逆变器系统的更详细视图；
图3是示出按照另一个实施例的PV逆变器系统的框图；
图4是示出按照一个实施例操作图1-3中所示PV系统的方法的流程图；以及
图5示出按照一个实施例的电压箝位栅控制系统。
虽然上述附图提出备选实施例，但是还可预期本发明的其它实施例，如论述中所述。在所有情况下，本公开通过代表而不是限制的方式来提供本发明的所示实施例。本领域的技术人员能够设计出许多其它修改和实施例，它们都落入本发明原理的范围和精神之内。
具体实施方式
图1示出用于将PV阵列12生成的DC电力22转换为适合向AC电网20馈送的AC电力28的两级PV功率逆变器系统10的框图。功率逆变器系统10的第一级能够包括DC-DC转换器14，例如升压转换器，它将DC电力24提供给DC链路26。DC链路26将DC-DC转换器14耦合到作为PV逆变器系统10的第二级来操作的逆变器16。逆变器16将DC链路26上的DC电力24转换成适合提供给AC电网20的AC电力28。DC-DC转换器14能够是逆变器16的一部分或与之构成整体，或者能够是与逆变器16分离的独立结构。另外，不止一个转换器14能够通过一个或多个DC链路耦合到同一逆变器 16。
PV逆变器系统10包括控制系统18，它配置成控制DC-DC升压转换器14和DC-AC逆变器16。例如，控制系统18能够配置成按照控制方法来调节DC-DC转换器14的输出，所述控制方法调整DC-DC转换器14中使用的开关器件(IGBT或其它功率电子器件)的占空比(开关速度)。控制系统18还能够配置成通过改变提供给逆变器16的调制命令来调节逆变器16的输出。调制命令控制逆变器16的脉宽调制，并且能够用于改变逆变器16的有功和无功输出功率。控制系统18能够独立于DC-DC升压转换器14和DC-AC逆变器16，或者可集成到相应系统级14、16中的一个或两者中。
当PV逆变器系统10工作于稳态条件时，控制系统18能够通过调整逆变器16的AC输出来调节DC链路26的DC链路电压24(并且相应地调节PV阵列12的PV阵列电源电压)。例如，控制系统18能够通过控制逆变器16的AC电流输出来调节DC链路26的DC链路电压24。在稳态条件下，逆变器16通常被控制以向AC电网20提供有功功率流(即，逆变器输出AC电压和逆变器输出AC电流的向量积的实部)，它等于DC-DC转换器14提供给DC链路26的功率。改变逆变器16的输出AC电流将基于一个或多个输出变压器和公用电网20的阻抗而引起逆变器16的输出AC电压的变化。调整逆变器16的输出AC电压将相应地引起DC链路26的DC链路电压24的变化。
在需要适应具有高开路电压的PV阵列12(或其它DC电源)的情况下，希望使DC链路电压24保持为小于PV阵列12的开路电压。通过使DC链路电压24保持为小于PV阵列12的开路电压，由PV阵列12提供给PV逆变器系统10的PV阵列电源电压也能够保持为小于PV阵列12的开路电压，例如保持在PV阵列12的最大功率电压。在稳态条件下，控制系统18能够通过控制逆变器16的输出将DC链路电压24调节为小于PV阵列12的开路电压。但是，当所连接PV阵列的开路电压非常接近PV逆变器半导体功率器件的额定阻 塞电压(例如阵列开路电压为1000Vdc并且半导体器件的阻塞电压为1200Vdc)时启动PV逆变器系统，可能因DC链路电压过冲而成问题。
图2示出采用功率半导体器件38栅限流电阻器40来修改的图1所示PV逆变器系统10。在启动PV逆变器系统10时的限制因素是在可包括例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)的半导体功率器件38截止时的DC链路电压过冲。DC链路26电压过冲一般由Vdc_overshoot＝L×di/dt来表示。因此，DC链路电压过冲实际上与电流幅值无关，而是与电流增长速率和换向路径中的电感相关。这种电压过冲只是在使IGBT器件38截止时的一个问题。使IGBT器件38导通不存在电压过冲问题。
本发明人单独认识到，如果半导体功率器件电流经由诸如图2所示电阻器之类的大的栅电阻器40以极低di/dt速率截止，则当所连接PV阵列12的开路电压非常接近逆变器半导体功率器件38额定阻塞电压(例如阵列开路电压为1000Vdc并且半导体功率器件38额定阻塞电压为1200Vdc)时，操作诸如图1所示PV逆变器系统10之类的PV逆变器系统是可能的。本发明人还认识到，结合大的栅电阻40来操作半导体功率器件38有利地提供预期低di/dt速率，但是功率器件38工作效率处于不合需要的水平；并且能够通过在对于PV阵列12仅持续极短时间段的这个操作模式期间降低电流和开关频率来降低上述不合需要的损失。
按照一个实施例，当PV阵列电压达到其最大功率点(MPP)电压(比PV阵列12的开路电压低大约20％)时，一个或多个大值栅电阻器40切换回到较小标称电阻值。按照另一个实施例，一个或多个栅电阻器40包括可变电阻器件，随着PV阵列电压的值不断下降而接近MPP电压，可变电阻器件线性或非线性减小半导体功率器件栅电阻的值。例如，图5示出按照一个实施例的电压箝位栅控制架构100，该架构100操作以在启动条件期间随着栅电压从初始开路电压102减小到MPP电压104而逐步地减小开关器件栅电阻40。
虽然图2示出逆变器16的三相AC输出，但是使用了本文所提供的公开内容的本领域技术人员应当易于理解，逆变器16能够类似地根据需要提供单相AC输出或其它多相AC输出，而没有背离本发明的范围。逆变器16使用一个或多个逆变器桥电路，逆变器桥电路包括用于将DC链路26上的DC电力转换为适当AC波形的功率器件38，诸如IGBT和二极管。例如，在某些实施例中，逆变器16使用脉宽调制(PWM)使输出AC电压同步在AC电网频率。通过按照众所周知的PWM控制技术向逆变器16的逆变器桥电路的IGBT 38提供选通定时命令，能够控制逆变器16的输出。从逆变器16流动的输出AC电流具有PWM斩波频率和电网频率的分量。
PV逆变器系统10还可包括PV阵列电压传感器42。PV阵列电压传感器42监测PV阵列12的电压，并且向控制系统18提供反馈信号。控制系统18能够基于PV阵列电压传感器42所检测的PV阵列电压，对PV逆变器系统10的半导体功率器件38栅电阻40或其它工作参数、例如半导体功率器件38开关频率进行调整。
图3是示出按照另一个实施例的PV逆变器系统50的简化框图。PV逆变器系统50与PV逆变器系统10相似，除了PV逆变器系统50没有采用诸如本文参照图1和图2所述的升压转换器14之类的DC-DC转换器之外。能够看到PV逆变器系统50包括DC-AC逆变器控制单元19。按照一个实施例，逆变器控制单元19配置成控制逆变器半导体功率器件38的开关频率，并且还控制各半导体功率器件38的栅电阻值。按照一个方面，当PV阵列12开路电压非常接近半导体功率器件额定阻塞电压(例如阵列开路电压为1000Vdc并且半导体功率器件的阻塞电压为1200Vdc)时，开关频率降低到低于其常规工作值，并且栅电阻增加到高于其常规工作值。按照一个实施例，当PV阵列12所生成的电压达到比PV阵列12的开路电压低大约20％的MPP电压时，在半导体功率器件38截止期间所采用的栅截止电阻器40经由控制单元19切换回到较小值。按照另一个实施例，一个或 多个栅电阻器40包括可变电阻器件，可变电阻器件响应从控制单元19接收的信号，随着PV阵列电压输出的值减小而减小值。
图4是示出按照一个实施例的功率转换器系统1、50的开始过程60的流程图。开始过程60有利地避免对于在启动条件期间使PV阵列12的电压下降所需的附加硬件的任何要求。开始过程60还有利地消除使用降低效率并且增加系统成本的、具有较高额定阻塞电压的半导体功率器件(例如1700V的IGBT)的必要性。
继续参照图4，开始过程60开始于将DC电压源、例如PV阵列12连接到PV逆变器系统10、50，如步骤62所示。DC链路电压优选地小于PV阵列12的开路电压Voc。按照一个实施例，控制器18、19能够通过控制逆变器16的AC输出，以第一DC链路电压来操作DC链路。PV阵列电压传感器42能够用于确定PV阵列12是工作在开路电压还是其它电压。
在将PV阵列12耦合到PV逆变器系统10、50之后，如果所监测PV阵列电压非常接近半导体功率器件额定阻塞电压，则控制器18、19起作用以在启动周期中将各半导体功率器件、例如IGBT的栅截止电阻40快速增加到比其标称工作值大的值，如步骤64所示。按照一个实施例，如果所监测PV阵列电压非常接近半导体功率器件额定阻塞电压，则在相应启动周期中的半导体功率器件开关频率也被降低到比其标称工作值低的值。
在达到比PV阵列的开路电压低大约20％的PV阵列MPP跟踪电压时，按照一个实施例，控制器18、19进行操作以使对应的一个或多个截止栅电阻40切换回到较小的标称工作值，如步骤66所示。按照一个实施例，控制器18、19跟踪PV阵列电压，以便随着PV阵列电压的值不断减小而接近MPP电压，线性地或非线性地减小对应的一个或多个栅电阻40。
本领域技术人员易于理解，半导体功率开关器件栅电阻和开关频率将取决于特定应用、系统架构以及功率逆变器系统中采用的半导体 功率开关器件。开关特性和栅电阻能够通过使用或者没有使用算法软件来实现，取决于具体应用。按照一个实施例，算法软件如果被采用，则驻留在控制器18、19内。按照一个实施例，控制器18、19配置成在SVM(空间向量调制符)的零向量实例改变各功率半导体开关器件38的栅截止电阻。本文所使用的零向量被定义为DC-AC逆变器16中在逆变器输出端提供零电压的功率半导体器件38的开关配置(例如，当所有上方IGBT导通而下方IGBT截止时，出现三相二电平DC/AC逆变器中的正零向量。当所有上方IGBT截止而下方IGBT导通时，将发生负零向量)。按照另一个实施例，控制器18、19还配置成在DC-AC逆变器16的零/低电压穿越(ZVRT/LVRT)事件期间增加栅截止电阻。
虽然本文仅说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域的技术人员会想到许多修改和变更。因此要理解，所附权利要求意在涵盖落入本发明的真实精神之内的所有这类修改和变更。
元件表
(10)  两级光伏(PV)功率逆变器系统
(12)  PV阵列
(14)  DC-DC转换器
(16)  DC-AC逆变器
(18)  控制系统
(19)  AC逆变器控制系统
(20)  公用电网
(22)  经由PV阵列生成的DC电力
(24)  经由DC-DC转换器生成的DC电力
(26)  DC链路
(28)  经由DC-AC逆变器生成的AC电力
(38)  功率半导体器件
(40)  功率半导体器件栅电阻器
(42)  PV阵列电压传感器(一个或多个)
(50)  PV逆变器系统
(102) 初始开路电压
(104) 最大功率点(MPP)电压。

Claims (10)

1.一种功率逆变器系统(10)，包括：
DC-AC逆变器(16)，所述DC-AC逆变器(16)包括多个功率半导体开关器件(38)；
DC链路(26)，所述DC链路(26)有选择地将DC电力耦合到所述逆变器(16)；以及
控制器(18)，所述控制器(18)配置成在所述逆变器系统(10)的启动周期中增加所述功率半导体开关器件(38)中每一个的栅截止电阻(40)，使得所述DC链路(26)电压在对应开关截止周期中不超过所述功率半导体开关器件(38)额定阻塞电压，其中，所述启动周期是使对应DC电源(12)电压从开路电压达到构成所述多个功率半导体开关器件(38)的安全工作条件的预定电压所需的时间。
2.如权利要求1所述的功率逆变器系统(10)，其中，所述预定电压包括所述DC电源最大功率点电压。
3.如权利要求1所述的功率逆变器系统(10)，还包括配置成生成所述DC电力的光伏阵列(12)。
4.如权利要求1所述的功率逆变器系统(10)，其中，所述控制器(18)还配置成仅当所述DC链路(26)电压处于预定义的最小和最大电压值以内时，才基于所述功率半导体开关器件(38)的额定阻塞电压来增加所述栅截止电阻(40)。
5.如权利要求1所述的功率逆变器系统(10)，其中，所述功率半导体开关器件(38)包括绝缘栅双极晶体管。
6.如权利要求1所述的功率逆变器系统(10)，其中，所述控制器(18)还配置成在所述功率逆变器系统(10)的启动周期中降低所述DC-AC逆变器(16)的开关频率。
7.如权利要求1所述的功率逆变器系统(10)，其中，所述控制器(18)还配置成基于所述DC电源(12)电压电平逐步地或者非逐步地控制各功率半导体开关器件(38)的所述栅截止电阻(40)。
8.如权利要求1所述的功率逆变器系统(10)，其中，所述控制器(18)还配置成在对应空间向量调制符的零向量实例改变各功率半导体开关器件(38)的所述栅截止电阻(40)，其中零向量被定义为DC-AC逆变器(16)中在所述逆变器(16)输出端提供零电压的所述功率半导体器件(38)的开关配置。
9.如权利要求1所述的功率逆变器系统(10)，其中，所述控制器(18)还配置成在所述DC-AC逆变器(16)的零/低电压穿越(ZVRT/LVRT)事件期间增加所述栅截止电阻(40)。
10.一种包括多个功率半导体开关器件(38)的功率逆变器系统(10)，各开关器件(38)包括对应的栅截止电阻(40)，所述栅截止电阻(40)配置成在所述逆变器系统(10)的启动周期中增加，使得向所述功率逆变器系统(10)提供电力的对应电源(12)的开路电压在对应开关截止周期中不超过所述开关器件(38)额定阻塞电压，其中，所述启动周期是使所述对应电源(12)电压从其开路电压电平达到构成所述多个功率半导体开关器件(38)的安全工作条件的预定电压所需的时间。
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