CN102918472A - 用于调节功率转换器输入电压的方法和装置 - Google Patents

Abstract

调节功率转换模块输入电压的方法和装置。在一个实施方式中，该方法包括基于功率转换模块的输出电压来计算电压调节阈值；比较所述功率转换模块的输入电压和所述电压调节阈值；以及，当输入电压满足电压调节阈值时，产生小于电压调节阈值的平均输入电压，其中根据输入电压产生平均输入电压。

Description

用于调节功率转换器输入电压的方法和装置

技术领域

本发明通常涉及功率转换，尤其涉及功率转换器的输入电压的调节。

背景技术

因为现有的化石燃料快速耗尽和现有的功率产生方法的成本增加，所以使用分布参数振荡器（DG）以从再生能源中产生能量不断得到市场的认可。一种该类型的DG可以是包括多个光电（PV）模块的太阳能系统，该PV模块将从太阳接收的太阳能转换成直流电（DC）。然后，一个或多个逆变器将来自PV模块的DC电流转换成交流电（AC）。然后，产生的AC功率可以用于家用或商用电器，或者可以耦合到商业电网并且卖给商业电力公司。

一种可用于DC-AC功率转换的逆变器是电流源逆变器（CSI）。CSI逆变器是双电压源逆变器（VSI）；对于CSI，DC电源配置为电流源，而不配置为对于VSI所配置的电压源。CSI的一个优点在于，它可以增加电网电压，而不需要VSI通常所需要的附加DC-DC升压级。该电压增加需要CSI的输入电压必须低于CSI的输出电压。

在一些大规模DG设施，例如公用事业规模设施，电网电压可能下降，需要将额外功率从DG注入到电网上，以维持电网的操作。该电网电压降可能导致CSI的输出电压低于CSI的输入电压，引起CSI的当前发电不能被控制的不稳定条件。

因此，在现有技术中需要一种用于调节功率转换模块输入电压的方法和装置。

发明内容

本发明的实施方式通常涉及调节功率转换模块输入电压的方法和装置。在一个实施方式中，该方法包括基于功率转换模块的输出电压来计算电压调节阈值；比较功率转换模块的输入电压和电压调节阈值；以及当输入电压满足电压调节阈值时，产生小于电压调节阈值的平均输入电压，其中根据输入电压产生平均输入电压。

附图简要说明

因此，通过参照实施方式可具体理解本发明上述特征的方式、更具体的发明描述和发明内容，其中，在附图中示出了一些实施方式。但是，应当注意，附图中仅示出了本发明的典型实施方式，因此不能用于限制本发明的范围，本发明可以要求其他等同的有效实施方式。

图1是根据本发明一个或多个实施方式的太阳能发电系统的方框图；

图2是根据本发明一个或多个实施方式的逆变器的方框图；

图3是根据本发明一个或多个实施方式的控制器的方框图；

图4是根据本发明一个或多个实施方式的交流输入电压调节器的方框图；以及

图5是根据本发明一个或多个实施方式的用于调节逆变器的输入电压的方法的流程图。

具体实施方式

图1是根据本发明一个或多个实施方式的太阳能发电系统100的方框图。该示意图仅示出了无数种可能的系统结构中的一种。本发明可以运行于各种分布式发电环境和系统。

太阳能发电系统100（“系统100”）包括多个面板104-1、104-2、…、104-N，该多个面板统称为面板104并且与逆变器106并联耦合。每个面板104包括多个光电（PV）模块102-1、102-2、…、102-N，该多个PV模块统称为PV模块102。在一些实施方式中，一个或多个面板104可以包括与其他面板104不同数量的PV模块102（即每个面板104可以包括不同数量的PV模块102）。面板104内部的PV模块102串联耦合，面板104并联耦合，以将生成的DC功率提供给逆变器106。PV模块102可以包括薄膜太阳电池，该薄膜太阳电池与其他类型的PV模块太阳能电池相比提供了更高的电压/更低的电流。在某些可替代实施方式中，逆变器106可以从除面板104之外的或替代面板104的一个或多个其他可再生能源中接收DC功率

逆变器106通过AC总线108耦合至AC商业电网112。逆变器106是电流源逆变器（CSI），该电流源逆变器将来自面板104的DC功率转换成AC功率并且输出与AC商业电网电压同相的AC电流。系统100是产生兆瓦（MW）级AC功率的大规模系统，例如，公用事业规模设施。在一些实施方式中，逆变器106产生277/480V三相三线输出；其他实施方式中，逆变器106产生三相四线输出和/或逆变器106可以产生不同电压级的功率。此外或可替代地，可以存储产生的能量，以之后使用；例如，可以通过电池、加热水、高压泵、H₂O-氢转换等来存储产生的能量。在一个或多个可替代的实施方式中，逆变器106可以是替代类型的功率转换器，例如VSI或DC-DC功率转换器。

根据本发明一个或多个实施方式，逆变器106包括输入电压调节器110，输入电压调节器110确保当电网电压低于电压调节阈值时逆变器106保持操作，这在下文中将进一步描述。

图2是根据本发明一个或多个实施方式的逆变器106的方框图。逆变器106包括I-V监测电路246、输入电压调节器110、DC-AC逆变级204、AC电压采样器248和控制器206。I-V监测电路246耦合在面板104的两端，DC-AC逆变级204包括耦合到AC电网的三线输出；可替代地，DC-AC逆变级204可以包括耦合到AC电网的四线输出。在某些可替代实施方式中，输入电压调节器110可以是耦合在面板104和逆变器106之间的独立部件（即未包括在逆变器106内）。

输入电压调节器110包括电容208、开关210和二极管212。电容208的第一端耦合到开关210的第一端，开关210的第二端耦合到二极管212的阴极端，二极管212的阳极端耦合到电容208的第二端。电容208耦合在I-V监测电路246的两端，开关210的控制端耦合到控制器206。

在一些实施方式中，开关210可以是n型金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）开关，并且第一端和第二端分别是漏极端和源极端。在其他实施方式中，开关210可以p型MOSFET、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、栅极可关断（GTO）开关、双极结晶体管（BJT）等或它们的某些组合。

DC-AC逆变级204包括开关216、218、220、222、224和226，每个开关分别与反向电流阻断二极管228、230、232、234、236和238串联耦合，并且配置为三相H桥250。开关216、218、220、222、224和226可以是n型MOSFET、p型MOSFET、IGBT、GTO开关、BJT等或它们的某些组合。开关216的第一端耦合到开关220的第一端和开关224的第一端；开关216的第二端耦合到二极管228的阳极端。开关218的第一端耦合到二极管228的阴极端，开关218的第二端耦合到二极管230的阳极端。

开关220的第二端耦合到二极管232的阳极端。开关222的第一端耦合到二极管232的阴极端，开关222的第二端耦合到二极管234的阳极端。开关224的第二端耦合到二极管236的阳极端。开关226的第一端耦合到二极管236的阴极端，开关226的第二端耦合到二极管238的阳极端。每一开关216、218、220、222、224和226的控制端耦合到控制器206，控制器206用于可操作地控制（即激活／禁用）开关216、218、220、222、224和226。

二极管230、234和238的阴极端耦合到二极管212的阳极端。第一输出线252耦合到二极管228的阴极端，第二输出线254耦合到二极管232的阴极端，第三输出线256耦合到二极管236的阴极端。在某些可替代实施方式中，可以不包括二极管228、230、232、234、236和238，并且开关216、218、220、222、224和226能够承受大的反向电压，这种开关例如是MOSFET、BJT、IGBT、MOS控制的晶闸管（MCT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）或GTO等。

DC-AC逆变级204还包括电感214和电容240、242和244。电感214耦合在二极管212的阴极端和开关216的第一端之间。电容240耦合在输出线252和254之间，电容242耦合在输出线254和256之间，电容244耦合在输出线252和256之间。

I-V监测电路246对来自面板104的DC电流和电压进行采样（例如，以10-100kHz的速率），并且将DC电流和电压的样本耦合到控制器206；在一些实施方式中，I-V监测电路246包括模数转换器（ADC），用于产生DC电流和电压样本。AC电压采样器248耦合到输出线252、254和256的每一个上，以通过例如10-100kHz的速率对AC线电压进行采样，并且AC电压采样器248还耦合到控制器206上，以将AC电压样本提供给控制器206。在一些实施方式中，AC电压采样器包括用于产生AC电压样本的电压检测变压器和模数转换器（ADC）。

基于接收的DC电流、DC电压和AC电压样本，控制器206通过同时操作（即，激活／禁用）开关216、218、220、222、224和226来控制H桥250，以将来自面板104的DC功率转换成AC功率。在一些实施方式中，控制器206可以使用脉宽调制（PWM）技术，以控制H桥250；可替代地，可以使用空间矢量PWM、预测调制或类似的技术。此外，控制器206可以执行最大功率点跟踪（MPPT)，以在最大功率点（MPP）处操作面板104。

控制器206还对从面板104接收的输入电压（即一个或多个DC电流样本）和电压调节阈值进行比较，以用于操作输入电压调节器110。电压调节阈值基于AC功率电网112的线电压（即电网电压）。当来自面板104的输入电压低于电压调节阈值时，控制器206将开关210保持在激活（即，“on”）状态中并且将来自面板104的电流连续地输入DC-AC逆变级204中。当来自面板104的输入电压等于或大于电压调节阈值时，控制器206周期地激活/禁用开关210（例如，通过PWM控制、空间矢量PWM、预测调制或类似的技术），以使DC-AC逆变级204的平均输入电压小于电压调节阈值。基于来自面板104的输入电压，控制器106可以确定用于操作开关210的适当切换速率，以使得DC-AC逆变级输入电压低于电压调节阈值。

在一个或多个可替代的实施方式中，逆变器106可以包括位于输入电压调节器110和DC-AC逆变级204之间的电压监测电路（未示出），以监测DC-AC逆变级204的输入电压。在某些这种实施方式中，控制器206可以使用监测后的DC-AC逆变级输入电压，以确定开关210的切换速率。

在某些实施方式中，电压调节阈值可以设置为：

电压调节阈值=Vout-容限（margin）        (1)

其中，Vout=AC功率电网112的最小整流后线间电压，margin（容限）是设定值。在某些实施方式中，可以基于电容208的能量存储周期地再次计算电压调节阈值；例如，可以每毫秒级地再次计算电压调节阈值。在某些实施方式中，margin值可以被预设或保持不变。可替代地，margin值是可调节的。输入电压调节器110被占空比地控制，以使二极管212两端的平均电压满足公式（1）。

图3是根据本发明一个或多个实施方式的控制器206的方框图。控制器206包括支持电路304和存储器306，支持电路304和存储器306都耦合到中央处理单元（CPU）302。CPU302可以包括一个或多个通常可得到的微处理器。可替代地，CPU302可以包括一个或多个专用集成电路（ASIC)。支持电路304是用于支持CPU302的功能的公知电路。这种电路包括但不限于高速缓冲存储器、电源、时钟电路、总线、网卡、输入/输出（I/O）电路等。可以使用通用计算机实现控制器206，当执行特定软件时，该通用计算机称为执行本发明各种实施方式的专用计算机。

存储器306可以包括随机存取存储器、只读存储器、移动磁盘存储器、闪速存储器和这些类型存储器的各种组合。存储器306有时被认为是主存储器，并且可以部分地用作高速缓冲存储器或缓冲存储器。存储器306通常存储控制器206的操作系统（OS）308，该OS308可以由CPU运行。

存储器306可以存储各种形式的应用软件，例如用于控制逆变器106操作的CSI控制模块310和电压调节模块312。电压调节模块312可以控制输入电压调节器110的操作；例如，电压调节模块312可以确定电压调节阈值、比较来自面板104的输入电压和电压调节阈值、确定开关210的切换速率、产生开关210的控制信号、和确定一个或多个margin值等。

另外，存储器306可以存储数据库314，该数据库314存储与逆变器106和/或本发明的操作有关的数据。这种数据可以包括一个或多个电压调节阈值、与来自面板104的输入电压有关的数据和/或输入电压与电压调节阈值的比较、与开关210的切换速率有关的数据、和一个或多个margin值等。

图4是根据本发明一个或多个实施方式的交流输入电压调节器420的方框图。输入电压调节器420是输入电压调节器110的替代实施方式，并且包括电容402、第一开关404、第二开关406、二极管408、第一电感410和第二电感412。电容402耦合在I-V监测电路246的两端。电容402的第一端耦合到第一开关404的第一端，电容402的第二端耦合到第二开关406的第二端。第一开关404和第二开关406的控制端耦合到用于操作（即，激活／禁用）第一开关404和第二开关406的控制器206。

二极管408的阴极端耦合到第一开关404的第二端和第一电感410的第一端。二极管408的阳极端耦合到第二开关406的第一端和第二电感412的第一端。第一电感410和第二电感412的第二端耦合在DC-AC逆变级204两端。第一电感410和第二电感412具有相同的电感值。在某些实施方式中，第一电感410和第二电感412可以具有共同的磁芯，即第一电感410和第二电感412可以缠绕在共同的磁芯上；第一电感410和第二电感412建立于单个磁路上。

在某些实施方式中，第一开关404和第二开关406可以是MOSFET开关，其中第一端和第二端分别是漏极端和源极端，控制端是栅极端。在其他实施方式中，第一开关404和第二开关406可以是p型MOSFET、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、栅极可关断（GTO）开关、双极结晶体管（BJT）等、或它们的某些组合。

与输入电压调节器110的操作类似，控制器206对来自面板104的输入电压（即一个或多个DC电压样本）和电压调节阈值（即公式（1）的电压调节阈值）进行比较，以用于操作输入电压调节器420。可以基于电容402的能量存储周期地再次计算电压调节阈值（例如，每毫秒级地进行计算）。当来自面板104的输入电压低于电压调节阈值时，控制器206将第一开关404和第二开关406保持在激活（即，“on”）状态中并且将连续来自面板104的电流保持在DC-AC逆变级204中。

当来自面板104的输入电压等于或大于电压调节阈值时，控制器206同时地激活/禁用（例如，通过相同的驱动信号）第一开关404和第二开关406，例如通过PWM控制、空间矢量PWM、预测调制或类似的技术，以使DC-AC逆变级204的平均输入电压小于电压调节阈值。基于来自面板104的输入电压，控制器206可以确定用于操作第一开关404和第二开关406的适当切换速率，以使得DC-AC逆变级输入电压低于电压调节阈值。输入电压调节器420被占空比地控制，以使二极管408两端的平均电压满足公式（1）。因此，输入电压调节器420提供完全对称的切换，该完全对称的切换减少DC-AC逆变级204的输入电压（即维持满足公式（1）的二极管408两端的平均电压）和消除至AC功率电网112的任何共模电流。因此，电路被平衡，从而减少传导的或辐射的共模发射。

如之前相对于公式（1）描述的，margin值可以被预设或保持不变。可替代地，margin值可以是可调整的。

图5是根据本发明一个或多个实施方式用于调节逆变器的输入电压的方法500的流程图。在某些实施方式中，逆变器是电流源逆变器（CSI），电流源逆变器是用于产生兆瓦级AC功率公用事业规模的设施的一部分（例如，逆变器106）。逆变器可以从多个面板接收DC功率，多个面板的每个都包括光电（PV）模块（例如，面板104包括PV模块102）并且将产生的AC功率耦合到商业电网。在一个或多个可替代的实施方式中，逆变器可以从除面板之外的或替代面板的一个或多个其他可再生能源中接收DC功率，例如风电场、水电系统等。在某些可替代实施方式中，逆变器可以是电压源逆变器（VSI）或DC-DC功率转换器。

方法500起始于步骤502，并且之后执行步骤504。在步骤504中，逆变器操作为将接收的DC功率转换成AC功率并且将AC功率耦合到商业电网。在步骤506中，监测商业电网电压。在某些实施方式中，可以通过例如10-100kHz的速率对电网电压进行采样。在某些这种实施方式中，逆变器可以包括用于获取电网电压样本的AC电压采样器。

方法500接着进行步骤508，在步骤508中，确定电压调节阈值。在某些实施方式中，电压调节阈值可以计算为：

电压调节阈值=Vout-容限        （2）

其中，Vout=商业电网的最小整流后的线间电压，并且margin是设定值。在某些实施方式中，可以通过每毫秒级地再次计算电压调节阈值。在某些实施方式中，margin值可以被预设或保持不变。可替代地，margin值可以是可调整的。

方法500接着进行步骤510。在步骤510中，监测逆变器的输入电压（即，来自PV面板的DC电压）。在某些实施方式中，可以通过例如10-100kHz的速率对逆变器的输入电压进行采样。在某些这种实施方式中，逆变器可以包括用于获取输入电压样本的监测电路。在步骤512中，输入电压（即一个或多个DC电压样本）与电压调节阈值进行比较；在步骤514中，确定输入电压是否低于电压调节阈值。如果在步骤514中确定输入电压低于电压调节阈值，那么方法500执行步骤516。在步骤516中，逆变器的输入电压被允许继续不被调节。在某些实施方式中，从PV面板到逆变器的电流允许为继续不被改变（例如通过控制一个或多个开关）。然后，方法500返回步骤506。

如果在步骤514中确定输入电压等于或大于电压调节阈值，方法500执行步骤518。在步骤518中，逆变器的电压输入被调节，以使逆变器的平均输入电压小于电压调节阈值。在某些实施方式中，通过周期地激活/禁用一个或多个对从面板到逆变器的电流进行控制的开关，来调节输入电压。在某些这种实施方式中，可以使用开关的脉宽调制（PWM）控制，以控制来自面板的电流，从而，实现逆变器的期望平均输入电压；可替代地，可以使用空间矢量PWM、预测调制或类似的技术。在某些实施方式中，在对称的切换系统（例如输入电压调节器420）中可以使用两个开关，以消除至商业电网的任何共模电流。

方法500执行步骤520，在步骤520中，确定是否继续操作逆变器。如果在步骤520中确定继续操作逆变器，方法500返回步骤506。如果在步骤520中确定不继续操作逆变器，方法500执行步骤522，在步骤522中，方法500结束。

本发明实施方式的上述描述包括执行所述各种功能的多个元件、设备、电路和/或组件。这些元件、设备、电路和/或组件是用于执行各自所述功能的示意性实现装置。

虽然上面描述了本发明的实施方式，但是在不背离本发明基本范围和权利要求书中所确定的范围的情况下，可以设想本发明的其他或进一步的实施方式。

Claims (15)

1.一种调节功率转换模块输入电压的方法，包括：

基于所述功率转换模块的输出电压计算电压调节阈值；

比较所述功率转换模块的输入电压和所述电压调节阈值；以及

当所述输入电压满足所述电压调节阈值时，产生小于所述电压调节阈值的平均输入电压，其中，所述平均输入电压是根据所述输入电压产生的。

2.如权利要求1所述的方法，其中，产生所述平均输入电压包括驱动至少一个开关。

3.如权利要求2所述的方法，其中，经由完全对称的切换来产生所述平均输入电压。

4.如权利要求1所述的方法，还包括：

基于所述输入电压，确定用于驱动所述至少一个开关的切换速率。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述输出电压是耦合到所述功率转换模块的AC线的最小的整流后线间电压。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述电压调节阈值等于所述输出电压和容限的差值。

7.如权利要求2所述的方法，其中，使用脉宽调制、空间矢量PWM或预测调制中的至少一种来驱动所述至少一个开关。

8.一种功率转换模块的输入电压的调节装置，包括：

电压调节模块，用于（i）基于所述功率转换模块的输出电压来计算电压调节阈值；（ii）比较所述功率转换模块的输入电压和所述电压调节阈值；和（iii）驱动输入电压调节器，以便当所述输入电压满足所述电压调节阈值时产生小于所述电压调节阈值的平均输入电压，其中所述平均输入电压是根据所述输入电压产生的。

9.如权利要求8所述的装置，还包括输入电压调节器，其中，所述电压调节模块驱动所述输入电压调节器的至少一个开关，以产生所述平均输入电压。

10.如权利要求9所述的装置，其中，所述输入电压调节器提供完全对称的切换。

11.如权利要求9所述的装置，其中，所述电压调节模块基于所述输入电压来确定用于驱动所述至少一个开关的切换速率，以产生所述平均输入电压。

12.如权利要求8所述的装置，其中，所述输出电压是耦合到所述功率转换模块的AC线的最小整流后线间电压。

13.如权利要求12所述的装置，其中，所述电压调节阈值等于所述输出电压和容限之间的差值。

14.如权利要求9所述的方法，其中，使用脉宽调制、空间矢量PWM或预测调制的至少一种来驱动所述至少一个开关。

15.如权利要求8-14中任一项所述的装置，还包括用于提供所述输入电压的至少一个光电模块。

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