CN103378603B - 开路故障检测装置，变流器控制器，能量转换系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种能量转换系统，其包括变流器装置，变压器和变流器控制器。变流器装置将能量源提供的输入能量转换成输出能量。变压器电连接在变流器装置和负载之间。变压器执行电压或者电流变换操作并给变流器装置和负载提供隔离。变流器控制器与变流器装置电性连接，其包括开路故障检测装置。开路故障检测装置接收在该变压器一侧所测量到的第一电信号和第二电信号，判断所测量的第一和第二电信号之间的差值是否小于预设的阈值，并当第一和第二电信号之间的差值小于预设的阈值时，发送控制信号，以使得变流器装置降低输出能量的幅值。本发明还揭示变流器控制器，开路故障检测装置，方法以及光伏能量转换系统。

Description

开路故障检测装置，变流器控制器，能量转换系统和方法
技术领域
本发明公开的实施方式涉及能量转换系统和方法，特别涉及一种对该能量转换系统所遇到的开路故障进行检测的系统和方法。
背景技术
众所周知，包括化石燃料在内的传统能源由于其不可再生，在可预见的时间范围内将会逐渐枯竭，并且其使用成本将会逐渐升高。另外，传统非再生能源的使用也会对环境产生不利影响。因此，从成本和环保两个角度来看，逐渐增加包括太阳能发电系统，燃料发电系统，风力发电系统，以及水力或者潮汐能发电系统在内的可再生能源的使用，以取代传统能源，是社会发展的一个趋势。在过去，可再生能源的使用还不是很普及时，通过可再生能源发电装置所产生的电能在整个电网中所占的比重比较小，因此，在电网发生故障时，例如发生低电压事件时，通常允许这样的可再生能源发电装置脱网。
当前，随着可再生能源发电装置所发出的电能在整个电网中占的比重越来越大，为了维持电网的可靠运作，电网运营者通常会要求可再生能源发电装置满足一定的并网连接规范。其中一种并网连接规范为故障穿越能力，其要求可再生能源发电装置在电网发生故障时，仍然能够维持与电网并网连接。然而，维持故障状态下的并网连接会带来一些问题。其中一个问题是如何快速和准确地检测出开路故障，因为如果不能及时地检测出开路故障，控制器会发生错误的响应，从而该发电装置中的一个或者多个电子器件或者一个或者多个与该发电装置连接的电子器件或者负载，可能会被由该开路故障引发的过电流或者过电压问题损坏。
因此，有必要提供一种改进的系统和方法来解决上述技术问题。
发明内容
有鉴于上面提及之技术问题，本发明的一个方面在于提供一种改进的能量转换系统，其用于向负载提供能量。该能量转换系统包括变流器装置，变压器和变流器控制器。该变流器装置将能量源提供的输入能量转换成输出能量。该变压器电连接在该变流器装置和该负载之间，该变压器执行电压或者电流变换操作并给该变流器装置和该负载提供隔离。该变流器控制器与该变流器装置电性连接，该变流器控制器还包括开路故障检测装置。该开路故障检测装置接收在该变压器一侧所测量到的第一电信号和第二电信号，判断该所测量的第一电信号和第二电信号之间的差值是否小于预设的阈值，并当该所测量的第一电信号和第二电信号之间的差值小于该预设的阈值时，发送控制信号，以使得该变流器装置降低输出能量的幅值。其中，该第一电信号和该第二电信号包括电压信号或者电流信号。
在一些实施方式中，在此提供的能量转换系统中，该变流器控制器还包括负序电流控制模块。该负序电流控制模块被配置成调节该变流器装置所输出的电流的负序分量。其中，该开路故障检测装置还被配置成在第一电信号和第二电信号之间的差值小于该预设的阈值时发送控制信号给该负序电流控制模块，该负序电流控制模块根据该控制信号停止工作。
在一些实施方式中，在提供的能量转换系统中，第一电信号为第一相电流信号，该第二电信号为第二相电流信号。该开路故障检测装置包括求和单元，计算单元，以及比较单元。该求和单元被配置成接收该第一相电流信号和第二相电流信号，并对接收到的第一相电流信号和第二相电流信号执行减法操作，以提供代表该第一相电流信号和第二相电流信号之间差值的电信号。该计算单元被配置成根据该相电流差值电信号计算绝对差值信号。该比较单元被配置成将该绝对相电流差值信号与预设的阈值信号进行比较，并根据比较结果产生电流状态信号。
在一些实施方式中，在提供的能量转换系统中，该开路故障检测装置进一步包括选择单元。该选择单元与该比较单元电性连接，该选择单元从一个固定的阈值和变化的阈值中选择一个较小的量，并将所选择的较小的量设置成该比较单元的预设的阈值。其中，该变化的阈值随最大允许的功率指令信号而变化。
在一些实施方式中，在提供的能量转换系统中，该开路故障检测装置进一步包括开路故障判断单元。该开路故障判断单元被配置成在该电流状态信号显示该第一相电流信号和该第二相电流信号之间的差值小于预设的阈值时，确定该电流状态信号维持状态不变的时间长度，并在该时间长度大于预设的时间范围值时，发送代表开路故障确实正在发生的控制信号。
在一些实施方式中，在提供的能量转换系统中，该开路故障检测装置进一步包括与该开路故障判断单元相连接的信号产生单元，该信号产生单元根据该能量转换系统的工作状态发送使能信号或者不使能信号给该开路故障判断单元，以控制该开路故障判断单元的运作。
在一些实施方式中，在提供的能量转换系统中，该开路故障判断模块进一步包括开关单元。该开关单元与该开路故障判断模块相连接，该开关单元在开路故障判断模块判断出没有开路故障正在发生时与第一功率指令限制信号产生单元相连接，以提供第一功率指令限制信号。该开关单元还被配置成在该开路故障判断模块判断出有开路故障正在发生时与第二功率指令限制信号产生单元相连接，以提供第二功率指令限制信号。
在一些实施方式中，在提供的能量转换系统中，该开路故障检测装置进一步包括电压状态检测模块。该电压状态检测模块被配置成判断在该变流器装置输出端检测到的电压值是否偏离正常的电压值，并根据判断结果发送电压状态信号给开路故障检测单元。
在一些实施方式中，在提供的能量转换系统中，该开路故障判断单元还被配置成接收代表期望在该变流器装置输出端取得的有功功率的指令信号，并至少根据该有功功率指令信号是否为零进行开路故障的检测。
本发明的另一个方面在于提供一种变流器控制器，其被配置成用于控制变流器装置执行能量转换操作，以使得该变流器装置输出的能量通过变压器提供给负载。该变流器控制器包括有功功率调节器调节器，该有功功率调节器接收代表该变流器装置输出端实际输出的有功功率的反馈信号以及期望在该变流器装置输出端得到的理想有功功率的指令信号。该有功功率调节器根据该有功功率反馈信号和该有功功率指令信号产生相位角指令信号。该变流器控制器还包括开路故障检测装置。该开路故障检测装置被配置成接收该变流器一侧所测量到的第一相电流信号和第二相电流信号，判断该所测量到的第一相电流信号和第二相电流信号之间的差值是否小于预设的阈值，并在该所测量的第一相电流信号和第二相电流信号之间的差值被判断出小于该预设的阈值时，发送控制信号，以降低该有功功率指令信号的幅值。
本发明的另一个方面在于提供另一种变流器控制器，其被配置成用于控制变流器装置执行能量转换操作，以使得该变流器装置输出的能量通过变压器提供给负载。该变流器控制器包括负序电流控制模块。该负序电流控制模块被配置成用于调节该变流器装置输出端所输出的电流中的负序分量。该变流器控制器还包括开路故障检测装置。该开路故障检测装置被配置成接收该变压器一侧所测量到的第一相电流信号和第二相电流信号，判断该所测量到的第一相电流信号和第二相电流信号之间的差值是否小于预设的阈值，并在该所测量的第一相电流信号和第二相电流信号之间的差值被判断出小于该预设的阈值时，发送控制信号给该负序电流控制模块，以使得该负序电流控制模块根据该控制信号停止工作。
本发明的另一个方面在于提供一种开路故障检测装置。该开路故障检测装置可以在能量转换系统中执行，用于检测该能量转换系统与电网并网连接时所遇到的一个或者多个开路故障。该能量转换系统至少可以工作在正常模式和开路故障保护模式，且该能量转换系统和电网之间至少通过变压器连接。该开路故障检测装置包括电流状态检测模块和开路故障判断模块。该电流状态检测模块被配置成接收在该变压器一侧所检测到的第一相电流信号和第二相电流信号，判断该第一相电流信号和该第二相电流信号之间的差值是否小于预设的阈值，并在该第一相电流信号和该第二相电流信号之间的差值小于该预设的阈值时，发送电流状态信号给该开路故障判断模块。该开路故障判断模块被配置成判断该电流状态信号是否在预设的时间范围内维持不变，并在该电流状态信号在该预设的时间范围内保持不变时，发送控制信号，使得该能量转换系统根据该控制信号从正常模式切换到开路故障保护模式。
在一些实施方式中，在提供的开路故障检测装置中，该开路故障检测装置还包括电压状态检测模块。该电压状态检测模块被配置成接收该能量转换系统输出端检测到的电压信号，判断该检测到的电压信号和正常的电压信号之间的差值是否小于预设的阈值，并在该检测到的电压信号和该正常的电压信号之间的差值不小于该预设的阈值时，发送电压状态信号给该开路故障判断模块。该开路故障判断模块至少结合该电压状态信号和该电流状态信号发送控制信号。
本发明的另一个方面在于提供另一种开路故障检测装置。该开路故障检测装置可以在能量转换系统中执行，用于检测该能量转换系统与电网并网连接时所遇到的一个或者多个开路故障。该能量转换系统至少可以工作在正常模式和开路故障保护模式，且该能量转换系统和电网之间至少通过变压器连接。该开路故障检测装置包括电流状态检测模块和开路故障判断模块，该电流状态检测模块被配置成接收在该变压器一侧所检测到的第一相电流信号和第二相电流信号，判断该第一相电流信号和该第二相电流信号之间的差值是否小于预设的阈值，并在该第一相电流信号和该第二相电流信号之间的差值大于该预设的阈值时，发送电流状态信号给该开路故障判断模块。该开路故障判断模块根据该电流状态信号，发送控制信号，使得该能量转换系统根据该控制信号从开路故障保护模式切换到正常模式。
本发明的另一个方面在于提供一种开路故障检测方法，用于检测能量转换系统遇到的开路故障。该方法至少包括如下步骤：接收能量转换系统输出端直接在三相坐标系下所测量到的第一相电流信号和第二相电流信号；至少根据该直接在三相坐标系下所测量的的第一相电流信号和第二相电流信号判断该能量转换系统所遇到的至少一个开路故障；以及在判断出至少一个开路故障时发送控制信号，以使得该能量转换系统从正常模式切换到开路故障保护模式。
在一些实施方式中，在提供的开路故障检测方法中，该方法还包括如下步骤：根据该控制信号使得该能量转换系统中执行的负序电流控制模块停止工作。
在一些实施方式中，在提供的开路故障检测方法中，该方法还包括如下步骤：判断测量到的第一相电流信号和第二相电流信号之间的差值是否小于预设的阈值；在该第一相电流信号和第二相电流信号之间的差值小于该预设的阈值时产生电流状态信号；判断该电流状态信号是否在预设的时间范围内维持不变；以及在该电流状态信号被判断出在该预设的时间范围内维持不变时产生控制信号，该控制信号代表该能量转换系统正在遇到开路故障。
本发明的另一个方面在于提供一种光伏能量转换系统。该光伏能量转换系统包括直流母线，光伏变流器以及光伏控制器。该直流母线被配置成用于接收光伏能量源提供的直流电能。该光伏变流器被配置成将该直流母线处的直流电能转换成交流电能。该光伏控制器包括开路故障检测装置。该开路故障检测装置被配置成接收在变压器一侧所测量到的第一相电流信号和第二相电流信号，判断该所测量的第一相电流信号和第二相电流信号之间的差值是否小于预设的阈值，并当该所测量的第一相电流信号和第二相电流信号之间的差值小于该预设的阈值时，发送控制信号，以使得该变流器装置降低输出能量的幅值。
在一些实施方式中，在提供的光伏能量转换系统中，该光伏控制器还包括负序电流控制模块。该负序电流控制模块被配置成调节该光伏变流器所输出的负序电流分量。其中，该开路故障检测装置还被配置成在第一相电流信号和第二相电流信号之间的差值小于该预设的阈值时发送控制信号给该负序电流控制模块，该负序电流控制模块根据该控制信号停止工作。
本发明提供的能量转换系统，变流器控制器，开路故障检测装置，光伏能量转换系统，以及开路故障检测方法等，通过在三相参考坐标系下直接测量到的电信号，例如在变压器一侧所测量到的相电流信号，进行开路故障的判断和检测；与传统的使用通过坐标变换操作而得到的量进行开路故障检测相比较，本发明提供的上述装置，系统和方法可以更加快速的检测出开路故障，以使得系统可以更加快速地响应，避免系统中的元件被开路故障所引发的过电压或者过电流问题损坏。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1所示为能量转换系统的一种实施方式的模块示意图；
图2所示为图1所示的变压器的一种实施方式的详细结构图；
图3所示为图1所示的开路故障检测装置一部分的一种实施方式的详细模块示意图；
图4所示为图1所示的开路故障检测装置一部分的另一种实施方式的详细模块示意图；
图5所示为图1所示的开路故障检测装置一部分的另一种实施方式的详细模块示意图；
图6所示为图1所示的开路故障检测装置另一部分的一种实施方式的详细模块示意图；
图7所示为图1所示的开路故障检测装置另一部分的一种实施方式的详细模块示意图；
图8所示为图1所示的能量转换系统中在开路故障之前，之中以及之后的一种实施方式的波形示意图；
图9所示为开路故障检测方法的一种实施方式的流程图；以及
图10所示为开路故障检测方法的另一种实施方式的流程图。
具体实施方式
本发明揭露的一个或者多个实施方式与能量转换系统或者能量发电系统的故障穿越能力(fault ride-through capability)相关。在此提及的能量转换系统或者能量发电系统(以下称为能量转换系统)包括但不限于下列几种形式：太阳能发电系统，风力发电系统，燃料电池发电系统，水力或者潮汐能发电系统，以及这些形式发电系统的组合等。特别地，在此提及的能量转换系统被设计成具备“开路故障穿越能力”。在此提及的“开路故障穿越能力”是指在电网遇到一个或者多个开路故障时，能量转换系统仍然可以在一定条件下保持并网连接，以使得在电网从开路故障恢复到正常运作时，能量转换系统可以继续向电网输送电能。在此所谓的“开路故障”(或者也称作断路故障)是这样的一种异常电路情形或者状况：部分电路发生断路，中断，或者损坏等状况，使得电流无法流过该部分电路；或者部分电路具有特别高的阻抗，使得电流停止流过。更具体而言，本发明的一个或者多个实施方式提出一种“静止坐标系开路故障检测算法”，其可以被能量转换系统执行，以更加快速地检测出开路故障。在此所谓的“静止坐标系开路故障检测算法”也可以被称作“三相坐标系开路故障检测算法”，其被特别设计成至少基于一个或者多个在静止坐标系或者三相坐标系下测量的电参数进行开路故障的检测，而无须对测量的电参数进行坐标变换，利用变换后的电参数分量，例如旋转坐标系下的电参数分量进行开路故障检测。
在一些实施方式中，在此提出的“静止坐标系开路故障检测算法”可以基于“电压源控制架构或者算法”来执行。在此所谓的“电压源控制架构或者算法”是指在一种具体的控制系统实施方式中，其主要的控制变量包括交流侧电压的幅值和相位角。与电流源控制架构不同，电压源控制架构通常不依赖锁相环电路来获得相位角信号，而在内部产生频率参考信号。在一些实施方式中，当通过执行上述“静止坐标系开路故障检测算法”而检测出一个或者多个开路故障情形时，接下来可以启动一个或者多个保护动作，对能量转换系统的一个或者多个元件提供保护。其中一个保护动作可以为在检测出开路故障后，降低功率指令参考信号的幅值，以限制能量转换系统输出功率或者电流。另外一个保护动作可以为在检测出开路故障后，关闭能量转换系统中的负序电流控制模块，使其停止对输出的负序电流分量进行调节，从而避免控制器作出错误的响应。在更具体的实施方式中，可以通过测量变压器次级侧的电流参数，并基于测量到的电流参数来判断是否发生开路故障。进一步，为了获得更加可靠地的开路故障检测，可以进一步执行防误判机制。在此所谓的“防误判机制”是指在可能发生开路故障的状态信号保持一定的时间长度时，才确认发生开路故障。此外，在一些实施方式中，还可以测量变压器次级侧的电压信号，或者能量转换系统输出端的电压信号，并结合所测量到的电压信号辅助检测开路故障。
本发明揭示的开路故障检测装置，系统和方法解决了开路故障检测问题，并且至少可以取得如下技术优点或者技术效果：其一，通过执行“静止坐标系开路故障检测算法”可以更加快速地检测出开路故障。由于可以更加快速地检测出开路故障，因此，在开路故障发生时，可以更及时地投入一个或者多个保护动作，给能量转换系统中的一个或者多个元件提供安全保护，从而使得能量转换系统可以安全穿越开路故障；其二，在判断开路故障时，通过防误判机制以及考虑能量转换系统输出端的电流和电压参数等，可以避免开路故障的误判。对于本领域具有通常知识的人员而言，通过阅读下文结合附图所作之详细描述，很容易可以明白本发明具体实施方式还可以产生其他技术优点或者技术效果。
以下将描述本发明的一个或者多个具体实施方式。首先要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，或者为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本发明公开的内容不充分。
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”或者“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或者”包括所列举的项目中的任意一者或者全部。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。此外，“电路”或者“电路系统”以及“控制器”等可以包括单一组件或者由多个主动元件或者被动元件直接或者间接相连的集合，例如一个或者多个集成电路芯片，以提供所对应描述的功能。
图1所示为本发明揭示的能量转换系统10的一种实施方式的概略模块示意图。在图示的实施方式中，该能量转换系统10被描绘成光伏(或者为太阳能)能量转换系统，以方便在下文详细描述开路故障检测算法。然而，对于本领域具有通常知识的人员来讲，在阅读这些详细描述之后，应当可以将此描述的一个或者多个控制实施方式应用到其他类型的能量转换系统中，诸如此类的能量转换系统包括但不限于，风能发电系统，燃料电池发电系统，水力能或者潮汐能发电系统等。如图1所示，该光伏能量转换系统10大致包括光伏变流器装置14，该光伏变流器装置14被配置成将从光伏能量源12获得直流电能转换成具有合适的电压和频率的交流电能，以供电网18输送。在一种实施方式中，该光伏能量源12可以包括一个或者多个光伏阵列，其中每一个光伏阵列又包括相互连接在一起的多个光伏单元，以用于根据光电效应将太阳辐射能转换成直流电能。
在一种实施方式中，图1所示的光伏变流器装置14基于两级式的架构，其包括光伏侧变流器142(也即靠近光伏能量源12侧的变流器)和网侧变流器144(也即靠近电网18侧的变流器)。该光伏侧变流器142可以包括直流-直流变流器，例如升压型直流-直流变流器，其可以升高由光伏能量源12转换输出的直流电压，并将升高后的直流电压提供给直流母线146。在一种实施方式中，图1所示的光伏能量转换系统10还可以进一步包括光伏侧滤波器22，其设置在光伏能量源12和光伏侧变流器142之间。该光伏侧滤波器22包括一个或者多个容性元件和感性元件，用以滤除从光伏能量源12输出的直流电能中的波动分量，并阻止波动信号从光伏侧变流器142流向光伏能量源12。该直流母线146可以包括一个或者多个电容器，用以将直流母线146的直流电压的电压值维持在特定的数值，从而可以控制从直流母线146到电网18的能量流动。该网侧变流器144可以包括直流-交流变流器，用以将直流母线146处的直流电压转换成适合交流电网18输送的交流电压。在一些实施方式中，光伏能量转换系统10还可以进一步包括变压器24，该变压器24设置在网侧变流器144和电网18之间。该变压器24被配置成给网侧变流器144和电网之间提供隔离，并将网侧变流器144的输出电压升高成适合电网18输送的电压。可以理解的是，在其他实施方式中，该光伏变流器装置14也可以基于单级式的架构，也即，其通过一个直流-交流变流器或者网侧变流器直接将直流母线146的直流电压转换成具有适当频率和幅值的交流电压，以供电网18输送。
在一种实施方式中，图1所示的光伏能量转换系统10进一步包括光伏变流器控制装置16，该光伏变流器控制装置16被配置成根据各种系统反馈信号和指令信号执行控制算法，以控制光伏侧变流器142和网侧变流器144运作。更具体而言，在一种实施方式中，该光伏变流器控制装置16包括光伏侧控制器164和网侧控制器156。该光伏侧控制器164可以被配置成根据直流电压指令信号166和通过直流电压传感器145所检测到的直流电压反馈信号154产生并传送光伏侧控制信号168给光伏侧变流器142。该网侧控制器156可以被配置成根据有功功率指令信号158，无功功率指令信号162，通过电压传感器36检测到的电压反馈信号146，以及通过电流传感器34检测到的电流反馈信号152产生并传送网侧控制信号172给网侧变流器144。
更具体而言，在一种实施方式中，该网侧控制器156至少部分被设置成电压源控制架构进行控制。举例而言，该网侧控制器156可以设置有电压幅值控制回路，其可以至少根据无功功率指令信号163和通过电压反馈信号148和电流反馈信号152计算得到的无功功率反馈信号调节网侧变流器144输出电压的幅值。进一步，该网侧控制器156还可以设置有电压相位角控制回路，其可以被配置成至少根据有功功率指令信号158和由电压反馈信号148和电流反馈信号152计算得到的有功功率反馈信号调节网侧变流器144输出电压的相位角。
为了方便描述本发明，在图1所示的实施方式中，该光伏侧控制器164和该网侧控制器156以方框图形式示意成分立的模块，然而，在一些实施方式中，该光伏侧控制器164和该网侧控制器156也可以通过单一的控制器来实现。在实际的应用中，该网侧控制器164可以通过微控制器来执行，也可以通过数字信号处理器(digital signal processor，DSP)或者任何其他合适的可编程装置来执行。在一些实施方式中，除去其他元件之外，该光伏侧控制器164和光伏侧变流器142可以被装配在一个单一的壳体或者内。类似地，除去其他元件之外，该网侧变流器144和网侧控制器156可以被装配在一个单一的壳体内。虽然未在图1中作进一步之示意，该光伏能量转换系统10应当还可以根据实际的应用包括一个或者多个其他元件，包括但不限于，网侧滤波器，接触器，断路器等，该等元件可以被配置并连接在该网侧变流器144和电网18之间。
请进一步参阅图1，该光伏变流器控制装置16或者该网侧控制器156包括开路故障检测模块210。基本而言，该开路故障检测模块210被配置成执行开路故障检测功能，以检测电网18或者其他系统元件，例如连接在网侧144和电网18之间的变压器24所发生的一个或者多个开路故障，并提供一个或者多个状态信号以指示是否有开路故障存在。进一步，该开路故障检测模块210还被配置成在检测到开路故障情形时，将光伏能量转换系统10从正常工作模式切换到开路故障保护模式。在此所谓的“正常工作模式”是指光伏能量转换系统10的一种工作状态，在此状态下，光伏能量转换系统10可以与电网18同步连接，并提供标准电压幅值和频率的交流电能给电网18。在此所谓的“开路故障保护模式”是指光伏能量转换系统10的另一种工作状态，在此状态下，可以根据检测到的开路故障状况，启动一个或者多个保护动作，使得光伏能量转换系统10中的一个或者多个元件免受开路故障所引发的过电流或者过电压问题损坏。此外，该开路故障检测模块210还进一步被配置成在开路故障结束或者被清除时，将光伏能量转换系统10从开路故障保护模式切换回正常工作模式，使得该光伏能量转换系统10可以继续向电网提供标准电压幅值和频率的交流电能给电网18，也即该光伏能量转换系统10可以成功地穿越开路故障。在图示的实施方式中，该开路故障检测模块210被显示成设置在网侧控制器内部156，作为其一部分。在其他实施方式中，该开路故障检测模块210还可以被配置成独立的装置。在具体的实施方式中，该开路故障检测模块210可以体现为一段计算机程序，该计算机程序可以包括若干条可被计算机执行的程序指令，并且该程序指令可以被存储在存储装置内，以供读取和执行；该开路故障检测模块210也可以体现为一块硬件电路，该硬件电路可以包括多个相互连接的电子器件，其同样被配置成执行孤岛检测功能并提供相应的保护功能；或者该开路故障检测模块210也可以为硬件和软件的结合。
请参阅图2，图2所示为图1所示的变压器24的一种实施方式的详细结构图。如图2所示，该变压器24包括三个原边侧绕组188，192，194和三个副边侧绕组187，191，193。该三个原边侧绕组188，192，194靠近电网18设置，该三个副边侧绕组187，191，193靠近网侧变流器144设置。其中，每一个该原边侧绕组188，192，194可以相应地与每一个副边侧绕组187，191，193绕设在同一的铁芯上，例如，原边侧绕组188可以和副边侧绕组187共同绕在一个铁芯上。在原边侧171，该三个原边侧绕组188，192，194首尾相接，形成三角形结构，并且该三个原边侧绕组188，192，194分别通过交流连接线174，176，178与电网18相连接，以向电网18提供升压后的交流电能。在副边侧173，该三个副边侧绕组187，191，193的一端共同连接到中性点n以形成星形结构，并且该三个副边侧绕组187，191，193的另一端通过交流连接线182，186，184与网侧变流器144相连接，以接收该网侧变流器144变换得到的交流电能。
在光伏能量转换系统10工作的过程中，当电网18或者其他系统元件未遇到开路故障时，该变压器24将网侧变流器144输出的交流电压升高成适合电网18输送的电压。在此情形下，沿着交流连接线174，176，178传送的三相交流电压和电流，其幅值相等而相位角彼此相差120度。在图2所示的节点a应用基尔霍夫电流定律，有如下的公式关系：
Iload_a+Iab＝Ica(1),
其中，Iload_a为在交流线路174流过的交流电流，Iab为在原边绕组188中流过的交流电流，Ica为在原边绕组192中流过的交流电流。并且，该交流电流Ica和Iab还可以根据下述的变压器方程表达如下：
Ica＝pIc(2),
Iab＝pIa(3),
其中，Ica和Iab分别为在两个原边侧绕组192和188中流过的二相交流电流，Ic和Ia分别为在两个副边侧绕组191和187中流过的二相交流电流，p为原边绕组192和副边绕组191之间的匝数比或者原边绕组188和副边绕组187之间的匝数比。将上述公式(2)和(3)代入公式(1)可以得到如下公式：
Iload_a+pIa＝pIc(4).
由公式(4)可知，当光伏能量转换系统10运作在正常工作模式时，在两个副边侧绕组191和187中流过的二相交流电流Ic和Ia不相等。然而，当光伏能量转换系统10遇到开路故障时，Ic和Ia二者之间的电流关系会发生改变。在一种实施方式中，假设电网18在交流线路174线上的某一位置175处发生开路故障。在此情形下，开路故障导致流过交流线路174的电流值为零或者接近为零的数值。依照公式(4)，交流电流Ic和Ia相等或者基本相等。相类似地，当交流线路176发生开路故障时，交流电流Ia和Ib相等或者基本相等；当交流线路178发生开路故障时，交流电流Ib和Ic相等或者基本相等。因此，可以将开路故障和相应的电流关系总结为如下的表1中。
表1 开路故障和电流关系
开路故障 电流关系
交流线路174开路故障 Ia≈Ic
交流线路176开路故障 Ia≈Ib
交流线路178开路故障 Ic≈Ib
因此，在存在和不存在一个或者多个开路故障情形时，该光伏能量转换系统10将会在变压器24的副边侧具有不同的电流关系。因此，在一些实施方式中，可以至少将如表1所列出的电流关系作为判断标准，来判断电网18是否发生一个或者多个开路故障。关于基于分析该电流关系以及利用该电流关系进行开路故障检测的详细细节将在下面详细描述。
图3所示为图1所示的开路故障检测装置210一部分的一种实施方式的详细模块示意图。基本而言，该开路故障检测模块210包括电流状态检测模块245，该电流状态检测模块245被配置成判定三相电流中的任意二相是否按照预定的标准相等或者近似相等。更具体而言，在图示的实施方式中，该电流状态检测模块245包括第一求和元件216，第二求和元件238以及第三求和元件262。该第一求和元件216接收检测到的第一相电流信号214和第二相电流信号212，并对接收的该第一和第二相电流信号214，212执行减法操作，以产生第一电流偏差信号218。该第二求和元件238接收检测到的第二相电流信号212和第三相电流信号236，并对接收的该第二和第三相电流信号212，236执行减法操作，以产生第二电流偏差信号242。该第三求和元件262接收检测到的第三相电流信号236和第一相电流信号214，并对接收的该第三和第一相电流信号236，214执行减法操作，以产生第三电流偏差信号264。在一种实施方式中，该第一，第二以及第三相电流信号214，212，236可以通过放置在位于副边侧绕组187，191，193的电流传感器来检测得到。在另外一种实施方式中，该第一，第二以及第三相电流信号214，212，236也可以通过放置在位于交流线路182，186，184的电流传感器来检测得到。
请进一步参阅图3，该电流状态检测模块245进一步包括第一计算单元222，第二计算单元244以及第三计算单元266。该三个计算单元222，244，266分别与该三个求和元件216，238，262相连接，以分别用于根据该第一，第二以及第三电流偏差信号218，242，264计算得到对应的绝对值电流偏差信号224，246，268。在一些实施方式中，该三个绝对值电流偏差信号224，246，268可以选择性地分别通过三个滤波元件226，248，272执行滤波操作，以滤除电流偏差信号224，246，268中含有的杂讯，并得到滤波后的信号228，252，274。在一种实施方式中，该绝对值电流偏差信号224，246，268或者滤波后的信号228，252，274可以被进一步传送给相应的电流比较单元232，254，276。该三个电流比较单元232，254，276将接收的电流偏差信号224，246，268或者228，252，274分别与预设的阈值275进行比较，并提供指示信号234，256，278。该指示信号234，256，278反应对应求和元件所接收的二相电流信号是否彼此相等或者近似相等。在一种实施方式中，该指示信号234，256，278为逻辑信号。举例而言，当该三个电流比较单元232，254，276判断出所接收的信号224，246，268或者228，252，274小于该预设的阈值275时，该指示信号234，256，278为逻辑值“1”，而大于该预设的阈值275时，为逻辑值“0”。
在一种实施方式中，图3所示的三个电流比较单元232，254，276可以被设置成具有相同的预设的阈值275，以进行比较判断。在另外的实施方式中，该三个电流比较单元232，254，276也可以被设置成具有不同的阈值，以进行比较判断。在一种实施方式中，该预设的阈值275可以为固定的数值，其可以根据实际的系统要求由操作者进行设置定义。在另外一种实施方式中，该预设的阈值275也可以为变化的数值。举例而言，该预设的阈值275可以被设置成跟随系统最大允许的功率指令值变化。更具体而言，在图示的实施方式中，该预设的阈值275由选择单元299提供，该选择单元299从第一阈值295和第二阈值298中选择较小的一者作为该预设的阈值275。该第一阈值295为固定的数值，其定义了阈值275的最小值。第二阈值298与最大功率指令值293相关联，该最大功率指令值298定义了光伏能量转换系统10最大允许输出的功率。可以理解，在不同的应用场合或者随着环境的变化，该光伏能量转换系统10可能被要求提供不同等级的能量输出。在此情形下，通过设置不同的阈值进行电流状态的判断，可以更加有利检测系统所遇到的开路故障状况。在一种实施方式中，可以通过一个计算单元296将该最大功率指令值293与一个较小的系数相乘来产生该第二阈值298。
请进一步参阅图3，在一种实施方式中，该电流状态检测模块245可以进一步包括逻辑模块279，该逻辑模块279被配置成报告电流状态的判断结果。在图示的实施方式中，该电流状态检测模块245判断三组电流状态。在其他实施方式中，当只判断一组电流状态，也即仅判断两相电流之间的关系时，该逻辑模块279也可以省去。在此情形下，上述产生的指示信号234，256，278中的任意一者可以被直接传送给开路故障判断单元286，以供判断是否有开路故障在发生，该开路故障判断单元286将在下文详细描述。在图示的实施方式中，该逻辑模块279包括第一逻辑单元258和第二逻辑单元282。该第一逻辑单元258和第二逻辑单元282结合在一起工作，以提供电流状态信号284。更具体而言，该第一逻辑单元258与第一电流比较单元232和第二电流比较单元254电连接，以接收该第一电流比较单元232提供的第一指示信号234和该第二电流比较单元254提供的第二指示信号256。在一种实施方式中，当该第一指示信号234和第二指示信号256任意一者为逻辑值“1”时，该第一逻辑单元258提供逻辑值为“1”的第一逻辑信号274。该第二逻辑单元282与该第一逻辑单元258以及第三电流比较单元276连接，以接收该第一逻辑单元282提供的第一逻辑信号274以及该第三电流比较单元276提供的第三指示信号278。当该第一逻辑信号274和该第三指示信号278中的任意一者为逻辑值“1”时，该第二逻辑单元282提供逻辑值为“1”的第二逻辑信号或者电流状态信号284。在此实施方式中，通过使用第一逻辑单元258和第二逻辑单元282的好处是，仅用一个电流状态信号284即可表示多组电流关系的判断结果。
请继续参阅图3，在一种实施方式中，该开路故障检测模块210进一步包括开路故障判断单元286。该开路故障判断单元286被配置成至少根据上述电流状态检测模块245提供的电流状态信号284判断该光伏能量转换系统10是否遇到开路故障。在一种实施方式中，为了保证可靠的开路故障检测，该开路故障判断单元286被进一步配置成计算从该电流状态检测单元245所提供的该电流状态信号284维持状态不变的时间长度，并判断该维持状态不变的时间长度是否超过预设的时间范围值。当该维持状态维持不变的时间长度超过该预设的时间长度时，该开路故障判断单元286提供控制信号288，确认至少有一路开路故障正在发生。当该维持状态不变的时间长度未超过该预设的时间长度时，该开路故障判断单元286不提供该控制信号288，或者提供不存在开路故障的控制信号。在一种实施方式中，该控制信号288为逻辑信号，例如，当确认有开路故障发生时，该控制信号288为逻辑值“0”。
请继续参阅图3，在可替换的实施方式中，该开路故障检测模块210可选地或者进一步地包括信号产生单元292，该信号产生单元292与该开路故障判断单元286相连接。该信号产生单元292被配置成根据光伏能量转换系统10的各种运行状态发送使能/不使能信号(enable/disable)信号294给该开路故障判断单元286，以控制该开路故障判断单元286的运作。例如，当光伏能量转换系统10被检测到正运行在遇到短路故障状态时，该信号产生单元292可以产生使能信号294给该开路故障判断单元286，使该开路故障判断单元286停止工作。
在另外一种实施方式中，为了确保更加可靠的开路故障检测，除了上面描述的通过电流状态检测模块245来检测电流关系之外，该开路故障检测模块210还可以进一步结合检测电压关系。更具体而言，在一种实施方式中，可以通过进一步判断网侧变流器144输出端的电压是否偏离正常的电压值。与其他故障情形不同，例如，短路故障发生时，网侧变流器144输出端的电压可以会暂时跌落到一个较小的数值，也即偏离标准的电压值；在开路故障发生时，网侧变流器144输出端的电压基本维持不变。因此，在替换的实施方式中，通过进一步的电压关系判断，可以在一定程度上避免开路故障的误判。
图4所示为图1所示的开路故障检测装置210一部分的另一种实施方式的详细模块示意图。如图4所示，在一种实施方式中，该开路故障检测模块210进一步包括电压状态检测模块243。该电压状态检测模块243被配置成判断该网侧变流器144输出端的电压是否偏离正常电压值。更具体而言，该电压状态检测模块243被配置成判断该网侧变流器144输出端的电压是否按照预定的标准小于正常电压值。在一种实施方式中，该电压状态检测模块243包括求和元件235。该求和元件235接收通过例如电压传感器所测量到的输出电压信号231以及正常电压信号233，并将该接收的电压信号231和233相减，以得到电压偏差信号237。在一种实施方式中，该输出电压信号231可以为单相电压信号，也可以为三相电压信号。并且，该输出电压信号可以为电压最大幅值或者电压均方根值。在特定的实施方式中，该输出电压信号231可以在称为电压公共连接点(point of terminal connection，POTC或者pointof common coupling，POCC)的地方检测得到。该电压偏差信号237被进一步提供电压比较单元239。该电压比较单元239将该电压偏差信号237和预定的电压阈值比较，并根据比较结果提供电压状态信号241给开路故障判断单元286。
在一种实施方式中，该电压状态信号241为逻辑信号。例如，当该电压偏差信号237被判断出大于该预设的电压阈值时，该电压状态信号241为逻辑值“0”。在此情形下，该光伏能量转换系统10可能正遇到短路故障，该短路故障使得网侧变流器144输出的电压小于正常电压值。因此，即便上述电流状态检测模块245所提供的电流状态信号284显示有两相电流相等或者近似相等时，由于输出电压小于正常值，此时，开路故障判断单元286不应当输出开路故障提示信号或者输出未发生开路故障的提示信号。而当该电压偏差信号237被判断出小于该预设的电压阈值时，该电压状态信号241为逻辑值“1”。在此情形下，该开路故障判断单元286至少根据该电流状态信号284，电压状态信号241以及使能信号294判断是否遇到开路故障情形。
在进一步的实施方式中，在检测开路故障时，还可以进一步考查输入给该光伏能量转换系统10的一个或者多个指令信号。图5所示为图1所示的开路故障检测装置210一部分的另一种实施方式的详细模块示意图。如图5所示，在一种实施方式中，该开路故障判断单元286还接收有功功率指令信号158，该有功功率指令信号158代表期望在该光伏能量转换系统10输出端取得的有功功率。该开路故障判断单元286判断该有功功率指令信号158是否为零或者接近为零。当该开路故障判断单元286判断出该有功功率指令信号158为零或者接近为零时，该开路故障判断单元286不提供控制信号288或者提供未遇到开路故障的指示信号。另一方面，当该开路故障判断单元286判断出该有功功率指令信号158不为零时，该开路故障判断单元286至少根据上述之电流状态信号284，电压状态信号241以及使能信号294等进行开路故障的判断，以决定是否提供控制信号288。在此提及的“功率指令信号为零或者接近为零”是指或者为零或者具有稍许的正值或者负值，其数值足够小，以进行开路故障的判断。
图6和图7所示为图1所示的光伏能量转换系统10在开路故障检测模块210确认检测到一个或者多个开路故障时所要采取的保护动作。特别地，图6所示为图1所示的开路故障检测装置210另一部分的一种实施方式的详细模块示意图。基本而言，在开路故障检测装置210确认检测到开路故障时，可以降低输入的功率指令，例如有功功率指令的幅值。在一种实施方式中，该开路故障检测装置210还包括功率指令限制信号产生模块320，该功率指令限制信号产生模块320与该开路故障判断单元286连接，以用于接收该开路故障判断单元286所提供的控制信号288。该功率指令限制信号产生模块320还至少根据该控制信号288产生功率指令限制信号，以用于对系统的功率指令信号158进行限制。例如，当该控制信号288显示光伏能量转换系统10没有遇到任何开路故障时，该功率指令限制信号产生模块320被配置成产生正常功率指令限制信号，对功率指令信号158进行限制，以使得光伏能量转换系统10可以在正常模式下运行。当该控制信号288显示光伏能量转换系统10正遇到一个或者多个开路故障时，该功率指令限制信号产生模块320还被配置成产生开路功率指令限制信号，对功率指令信号158进行限制，使得光伏能量转换系统10可以在开路故障保护模式下运行或者可以穿越一个或者多个开路故障。
如图6所示，该开路故障判断单元286与开关单元316相连接，并提供控制信号288给该开关单元316，以控制该开关单元316的动作。在一种实施方式中，该控制信号288为逻辑信号，并在至少一个开路故障被确认时具有逻辑值“0”，没有开路故障时具有逻辑值“1”。该开关单元316根据该逻辑值为“1”的开关信号，选择与第一功率指令限制信号产生单元312相连接，以允许该第一功率指令限制信号产生单元312提供的正常功率指令限制信号314被传送给指令限制单元344。该正常功率指令限制信号314可以包括上限值和下限值，其定义光伏能量转换系统10最大和最小允许的功率值。该指令限制单元344根据该正常功率指令限制信号314对输入的功率指令信号158进行限制，并提供限制的功率指令信号346给有功功率调节器348。该有功功率调节器348进一步根据限制的功率指令信号346对功率反馈信号356进行调节，并提供相位角指令信号352，该相位角指令信号352被图1所示的该网侧控制器156用来产生网侧控制信号172，以控制网侧变流器144输出的电压的相位角。
请继续参阅图6，当该开路故障判断单元286提供的控制信号288为逻辑值“0”时，其表示此时光伏能量转换系统10正遇到开路故障，因此，为了保护系统的一个或者多个元件，此时需要将该光伏能量转换系统10从正常模式切换到开路故障保护模式下运行。更具体而言，该开关单元316根据该控制信号288选择与第二功率指令限制信号产生单元324相连接，并将该第二功率指令限制信号产生单元324产生的开路功率指令限制信号322传送给该指令限制单元344。在图示的实施方式中，该开路功率指令限制信号为零或者接近为零的数值。在此情形下，该指令限制单元344功率拱了拱指令限制信号322对输入的功率指令信号158进行限制，并特别地将该功率指令信号158降低到零或者接近为零的数值。该限制后的功率指令信号346被传送给该有功功率调节器348，并由该有功功率调节器348进行调节，从而使得该网侧变流器144输出的功率降低为零或者接近为零的数值。将网侧变流器144输出功率降低为零或者接近为零的数值，可以保护该光伏能量转换系统10中的一个或者多个元件，例如网侧变流器144，避免器被一个或者多个开路故障所引起的过电流损坏。在此提及的“网侧变流器输出功率降低为零或者接近为零”是指为零或者具有稍许的正值或者负值，其数值足够小，以避免系统在开路故障时被损坏。
请进一步参阅图6，当该光伏能量转换系统10所遇到的一个或者多个开路故障已经结束或者被清除时，上述启动的保护动作应当被取消，也即将网侧变流器输出的功率降低为零或者接近为零的保护动作取消，使得该光伏能量转换系统10可以从开路保护模式切换回正常工作模式。更具体而言，在开路故障结束或者被清除时，该开路故障判断单元根据其接收的电流状态信号284，电压状态信号241以及使能信号294更新控制信号288，例如使其具有逻辑值“1”。该开关单元316根据该控制信号288，重新与第一功率限制信号产生单元312相连接，以将其产生的正常功率指令限制信号314传送给指令限制单元344，在正常模式下对输入指令信号158进行限制。
图7所示为图1所示的开路故障检测装置210另一部分的一种实施方式的详细模块示意图。基本而言，在图7所示的实施方式中，在确认检测到一个或者多个开路故障时，使该光伏能量转换系统10中的负序电流控制模块360停止工作，并在开路故障被清除后，重新使负序电流控制模块360恢复工作。该负序电流控制模块360可以通过软件方式执行，也可以通过硬件方式执行或者软件与硬件的结合，其用于调节由于例如非对称的短路故障所产生的负序电流分量。在图示的实施方式中，该负序电流控制模块360包括d轴负序电流调节器358和q轴负序电流调节器362。该d轴负序电流调节器358被配置成至少基于d轴负序电流信号353和q轴负序电流信号355产生d轴负序电压指令信号359。该q轴负序电流调节器362被配置成至少根据该d轴负序电流信号353和q轴负序电流信号355产生q轴负序电压指令信号361。
在一种实施方式中，如图7所示，该负序电流控制模块360还包括负序限制单元350，该负序限制单元350与该开路故障判断单元286相连接，以接收该开路故障判断单元286提供的控制信号288。该负序限制器350还被配置成根据该控制信号288的状态对该d轴负序电压指令信号359和q轴负序电压指令信号361进行限制。例如，当该控制信号288显示该光伏能量转换系统10正遇到一个或者多个开路故障时，该负序限制单元350将该d轴负序电压指令信号359和q轴负序电压指令信号361限制为零或者接近为零。当该控制信号288显示该光伏能量转换系统10未遇到开路故障时，该负序限制单元350允许该d轴负序电压指令信号359和q轴负序电压指令信号361通过。
请继续参阅图7，在一种实施方式中，该负序限制单元350包括第一乘法单元364和第二乘法单元366。该d轴负序电压指令信号359和q轴负序电压指令信号361被分别提供给第一乘法单元364和第二乘法单元366。当光伏能量转换系统10运行在正常工作模式时，也即没有遇到开路故障时，该开路故障判断单元286发送逻辑值为“1”的控制信号288给该第一乘法单元364和第二乘法单元366。该第一乘法单元364和该第二乘法单元366分别将d轴负序电压指令信号359和q轴负序电压指令信号361与该控制信号288相乘，以提供d轴和q轴负序电压指令信号363，365，以进行后续的电流调节。另一方面，当光伏能量转换系统10遇到开路故障时，该开路故障判断单元286提供逻辑值为“0”的控制信号288给该第一乘法单元364和该第二乘法单元366。该第一乘法单元364和该第二乘法单元366分别将该d轴负序电压指令信号359和q轴负序电压指令信号361与该控制信号288相乘，使其提供的d轴和q轴负序电压指令信号363，365为零，从而停止调节负序电流。
与上文结合图6所作的描述相类似，在图7所示的实施方式中，在检测到一个或者多个开路故障已经结束或者被清除后，该开路故障判断单元286更新控制信号288，使其逻辑值为“1”。该控制信号288被传送给第一乘法单元364和第二乘法单元366，分别与d轴负序电压指令信号359和q轴负序电压指令信号361相乘，以提供d轴和q轴负序电压指令信号363，365。在一种实施方式中，当光伏能量转换系统10所遇到的一个或者多个开路故障已经结束或者被清除后，从而从开路故障保护模式切换回正常工作模式时，可以将该控制信号288直接从“0”切换到“1”。在另外一种实施方式中，也可以作用一个与时间相关的系数，使得从该开路故障判断单元286所提供的控制信号286在预定的时间间隔内从状态“0”逐渐变化为“1”。在此情形下，可以使得负序电流控制模块360逐渐恢复到正常工作状态，避免系统发生大的暂态。
请进一步参阅图7，在一种可替换的实施方式中，该开路故障判断单元286提供的控制信号288可以选择性或者进一步被提供给d轴负序电流调节器358和q轴负序电流调节器362。更具体而言，在一种实施方式中，当开路故障判断单元286提供的控制信号288为逻辑值“0”时，也即系统遇到一个或者多个开路故障时，该d轴负序电流调节器358和q轴负序电流调节器362中的一个或者多个积分器件可以停止工作，避免在开路故障发生时，发生积分器饱和现象。另一方面，当开路故障判断单元386提供的控制信号288为逻辑值“1”时，也即系统没有遇到开路故障或者一个或者多个开路故障已经清除时，该d轴负序电流调节器358和q轴负序电流调节器362中的一个或者多个积分器重新开始工作。
图8所示为图1所示为通过仿真实验获得的光伏能量转换系统10中在开路故障发生之前，之中以及之后的一种实施方式的波形示意图。更具体而言，如图8所示，上半部分的波形图371显示在变压器24副边侧的三相电流波形375，377，379，而下半部分的波形图373显示有功功率指令波形381和实际测量的有功功率波形383。如图8所示，在时间范围t0和t1内，光伏能量转换系统10没有遇到开路故障，此时，光伏能量转换系统10运作在正常工作模式，其根据有功功率指令381输出交流电能。可以看出，实际测量的有功功率383基本跟随有功功率指令381。同时，在此时间范围t0和t1内，该光伏能量转换系统10提供幅值相等但相位角彼此相差120度的三相交流电流375，377，379。大致从时间点t1开始，至少发生一个开路故障，此时二相交流电流375，377幅值和相位角均相等或者基本相等，因此，可以利用该电流关系来检测开路故障。当该开路故障持续发生一定时间到时间点t2时，系统确认开路故障确实发生，此时，有功功率指令信号381被减低为零或者基本为零。根据该降低的有功功率指令信号381，光伏能量转换系统10实际输出的有功功率383逐渐减小，以避免系统的电子元件被开路故障引起的过电流或者过电压问题损坏。大致从时间点t3开始，该系统所遇到的开路故障被清除，该有功功率指令信号381逐渐从零上升到正常的功率值。大致在时间点t4以后，根据正常的有功功率指令381，该光伏能量转换系统10返回到正常工作模式，并提供幅值相等而相位角彼此相差120度的三相交流电流375，377，379。
图9所示为开路故障检测方法的一种实施方式的流程图4000。该方法流程图4000可以编程为程序指令或者计算机软件，并保存在可以被电脑或者处理器读取的存储介质上。当该程序指令被电脑或者处理器执行时，可以实现如流程图所示的各个步骤。可以理解，电脑可读的介质可以包括易失性的和非易失性的，以任何方法或者技术实现的可移动的以及非可移动的介质。更具体言之，电脑可读的介质包括但不限于随机访问存储器，只读存储器，电可擦只读存储器，闪存存储器，或者其他技术的存储器，光盘只读存储器，数字化光盘存储器，或者其他形式的光学存储器，磁带盒，磁带，磁碟，或者其他形式的磁性存储器，以及任何其他形式的可以被用来存储能被指令执行系统访问的预定信息的存储介质。
在一种实施方式中，该方法4000可以从步骤4002开始执行。在步骤4002中，接收测量到的电流信号。在一种实施方式中，该电流信号包括三相电流信号，并且该三相电流信号可以通过测量如图1和图2中所示流过变压器24副边侧的三个副边绕组187，193，191的交流电流得到。在另外一种实施方式中，该三相电流信号也可以通过测量连接在网侧变流器144和变压器24之间的三条交流线路182，186，184上的交流电流而得到。
在步骤4004中，该方法4000继续计算三相电流中任意两相之间的差值。更具体而言，在一种实施方式中，可以计算任意两相交流电流之间的绝对差值。在可选的实施方式中，该计算的电流绝对差值也可以通过滤波器进行滤波操作，滤除其中的杂讯，以供后续操作。
在步骤4006中，该方法4000进一步执行判断步骤，以确定上述计算的电流差值是否满足特定的电流标准。在一种实施方式中，可以判断该计算的电流绝对差值是否小于预设的阈值。如果该电流绝对差值小于该预设的阈值，那么流程转向步骤4008执行。如果该电流绝对差值大于该预设的阈值，那么流程返回步骤4002执行，以继续接收测量的电流信号。
在步骤4008中，提供至少一个电流状态信号，以显示至少两相电流信号相等或者基本相等，并且至少一个开路故障可能正在发生。在特定的实施方式中，当需要同时检测三相开路故障时，可以使用如图3至图5所示的第一逻辑单元258和第二逻辑单元282提供电流状态信号，该电流状态信号显示至少两相电流彼此相等或者大致相等。可以理解，当只需要检测单相开路故障时，该第一逻辑单元258和第二逻辑单元282可以被省去。
在步骤4012中，该方法4000进一步执行判断步骤，以确定该电流状态信号是否在预定的时间范围内保持不变。由于在光伏能量系统10或者电网18处发生的一些瞬态事件可能会导致任意两相电流相等，因此，通过此判断步骤4102可以确保真正的开路故障被检测出来。在特定的实施方式中，该电流状态信号为逻辑信号，具有逻辑值。如果该电流状态信号被判断成在预定的时间范围内保持不变，例如逻辑值为“0”的信号在预定的时间范围内维持状态不变，该方法4000转向步骤4014执行。如果该电流状态信号被判断成在预定的时间范围内发生变化，则该方法返回步骤4002执行，以继续接收测量的电流信号。
在步骤4014中，该方法4000继续执行，以提供显示开路故障已被检测到的控制信号。该控制信号被进一步用来供光伏能量转换系统10启动一个或者多个保护动作，以保护系统中的电子元件，从而使得该光伏能量转换系统可以顺利穿越开路故障。
在步骤4016中，根据上述提供表示开路故障已被检测到的控制信号，启动一种保护动作，降低输入到光伏能量转换系统10的功率指令信号。在一种实施方式中，如图6所示的开关单元316可以被用来对由开路故障检测单元286提供的控制信号作响应，并选择性地传送指令限制信号322给指令限制单元344，以限制该功率指令信号158。在一种特定的实施方式中，该指令限制信号322被设置成零或者接近为零的数值，以将该光伏能量转换系统10的输出功率基本降低为零。通过降低输出功率可以保护该光伏能量转换系统10中的一个或者多个电子元件，避免其被开路故障所引起的过电流或者过电压问题等损坏。因此，可以通过这样的保护动作使得该光伏能量转换系统10可以顺利穿越开路故障。
步骤4018为一个可以选择执行的步骤。在步骤4018中，根据上述提供表示开路故障已被检测到的控制信号，启动另外的保护动作，使在该光伏能量转换系统10中执行的负序电流控制模块停止工作。在图7所示的实施方式中，通过两个乘法元件364，366与开路故障检测单元286所提供的例如逻辑值为“0”的控制信号相乘，使得该负序电流控制模块无负序电压指令信号输出。在可替换的实施方式中，也可以根据上述提供表示开路故障已被检测到的控制信号，将该负序电流控制模块中的一个或者多个积分器件停止工作，避免在开路故障发生时发生积分器饱和问题。
在其他实施方式中，上图9所描述的方法流程图4000也可以通过各种方式加以变更。举例而言，该方法流程图4000中的一个或者多个步骤可以在一些实施方式中被省去，例如，4018关于停止负序电流控制模块工作的步骤在一些实施方式中可以省去。另外，方法流程图4000描述的步骤并不必须严格按照流程图所示的顺序执行。此外，该方法流程图4000也可以增加一个或者多个步骤。例如，在一种实施方式中，在步骤4016或者步骤4018之后，还方法4000可以增加一个判断步骤，判断检测到的一个或者多个开路故障是否结束或者被清除。当执行该判断步骤所获得的判断结论为该一个或者多个开路故障已经结束或者被清除时，该方法4000还可以增加其他步骤，例如取消上述在步骤4016和4018中执行的保护动作。
图10所示为开路故障检测方法4000的另一种实施方式的流程图。如图10所示，在判断步骤4012作出肯定之判断结论之后，该方法4000还进一步包括判断步骤4013，以确定该光伏能量转换系统10输出的电压是否满足预定的标准。更具体而言，可以测量网侧变流器144输出的电压或者在公共连接点处的电压，并将该测量的电压与正常的电压值相比较，以确定该测量的电压是否小于正常的电压。如果该判断步骤确认该测量的电压小于该正常的电压，那么流程转向步骤4014执行。如果该判断步骤确认该测量的电压不小于该正常的电压，那么流程转向步骤4002执行，以继续接收测量的电流信号。
虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (17)

1.一种能量转换系统，用于向负载提供能量，其特征在于：该能量转换系统包括变流器装置，变压器和变流器控制器；该变流器装置被配置成用于将能量源提供的输入能量转换成输出能量；该变压器电连接在该变流器装置和该负载之间，该变压器被配置成执行电压或者电流变换操作并给该变流器装置和该负载提供隔离；该变流器控制器与该变流器装置电性连接，该变流器控制器还包括开路故障检测装置，该开路故障检测装置被配置成接收在该变压器一侧所测量到的第一相电流信号和第二相电流信号，判断该所测量的第一相电流信号和第二相电流信号之间的差值是否小于预设的阈值，并当该所测量的第一相电流信号和第二相电流信号之间的差值小于该预设的阈值时，发送控制信号，以使得该变流器装置降低输出能量的幅值；
其中，表示该差值的电信号被用来计算绝对差值信号；该绝对差值信号被用来与预设的阈值信号进行比较，并根据比较结果产生电流状态信号；
其中，该开路故障检测装置进一步包括开路故障判断单元，该开路故障判断单元被配置成在该电流状态信号显示该第一相电流信号和该第二相电流信号之间的差值小于预设的阈值时，确定该电流状态信号维持状态不变的时间长度，并在该时间长度大于预设的时间范围值时，发送代表开路故障确实正在发生的控制信号。
2.如权利要求1所述的能量转换系统，其特征在于：该变流器控制器还包括负序电流控制模块，该负序电流控制模块被配置成调节该变流器装置所输出的电流的负序分量；其中，该开路故障检测装置还被配置成在第一相电流信号和第二相电流信号之间的差值小于该预设的阈值时发送控制信号给该负序电流控制模块，该负序电流控制模块根据该控制信号停止工作。
3.如权利要求1所述的能量转换系统，其特征在于：该开路故障检测装置包括求和单元，计算单元，以及比较单元；该求和单元被配置成接收该第一相电流信号和第二相电流信号，并对接收到的第一相电流信号和第二相电流信号执行减法操作，以提供代表该第一相电流信号和第二相电流信号之间差值的电信号；该计算单元被配置成根据该相电流差值电信号计算该绝对差值信号；该比较单元被配置成将该绝对相电流差值信号与该预设的阈值信号进行比较，并根据比较结果产生该电流状态信号。
4.如权利要求3所述的能量转换系统，其特征在于：该开路故障检测装置进一步包括选择单元，该选择单元与该比较单元电性连接，该选择单元被配置成从一个固定的阈值和变化的阈值中选择一个较小的量，并将所选择的较小的量设置成该比较单元的预设的阈值，其中，该变化的阈值随最大允许的功率指令信号而变化。
5.如权利要求1所述的能量转换系统，其特征在于：该开路故障判断模块进一步包括开关单元，该开关单元与该开路故障判断模块相连接，该开关单元被配置成在开路故障判断模块判断出没有开路故障正在发生时与第一功率指令限制信号产生单元相连接，以提供第一功率指令限制信号；该开关单元还被配置成在该开路故障判断模块判断出有开路故障正在发生时与第二功率指令限制信号产生单元相连接，以提供第二功率指令限制信号。
6.如权利要求1所述的能量转换系统，其特征在于：该开路故障检测装置进一步包括电压状态检测模块，该电压状态检测模块被配置成判断在该变流器装置输出端检测到的电压值是否偏离正常的电压值，并根据判断结果发送电压状态信号给开路故障检测单元。
7.如权利要求1或6所述的能量转换系统，其特征在于：该开路故障判断单元还被配置成接收代表期望在该变流器装置输出端取得的有功功率的指令信号，并至少根据该有功功率指令信号是否为零进行开路故障的检测。
8.一种变流器控制器，其被配置成用于控制变流器装置执行能量转换操作，以使得该变流器装置输出的能量通过变压器提供给负载，其特征在于：该变流器控制器包括有功功率调节器调节器，该有功功率调节器接收代表该变流器装置输出端实际输出的有功功率的反馈信号以及期望在该变流器装置输出端得到的理想有功功率的指令信号，该有功功率调节器根据该有功功率反馈信号和该有功功率指令信号产生相位角指令信号；该变流器控制器还包括开路故障检测装置，该开路故障检测装置被配置成接收该变流器一侧所测量到的第一相电流信号和第二相电流信号，判断该所测量到的第一相电流信号和第二相电流信号之间的差值是否小于预设的阈值，并在该所测量的第一相电流信号和第二相电流信号之间的差值被判断出小于该预设的阈值时，发送控制信号，以降低该有功功率指令信号的幅值。
9.一种变流器控制器，其被配置成用于控制变流器装置执行能量转换操作，以使得该变流器装置输出的能量通过变压器提供给负载，其特征在于：该变流器控制器包括负序电流控制模块，该负序电流控制模块被配置成用于调节该变流器装置输出端所输出的电流中的负序分量；该变流器控制器还包括开路故障检测装置，该开路故障检测装置被配置成接收该变压器一侧所测量到的第一相电流信号和第二相电流信号，判断该所测量到的第一相电流信号和第二相电流信号之间的差值是否小于预设的阈值，并在该所测量的第一相电流信号和第二相电流信号之间的差值被判断出小于该预设的阈值时，发送控制信号给该负序电流控制模块，以使得该负序电流控制模块根据该控制信号停止工作。
10.一种开路故障检测装置，其特征在于：该开路故障检测装置可以在能量转换系统中执行，用于检测该能量转换系统与电网并网连接时所遇到的一个或者多个开路故障，该能量转换系统至少可以工作在正常模式和开路故障保护模式，且该能量转换系统和电网之间至少通过变压器连接；该开路故障检测装置包括电流状态检测模块和开路故障判断模块，该电流状态检测模块被配置成接收在该变压器一侧所检测到的第一相电流信号和第二相电流信号，判断该第一相电流信号和该第二相电流信号之间的差值是否小于预设的阈值，并在该第一相电流信号和该第二相电流信号之间的差值小于该预设的阈值时，发送电流状态信号给该开路故障判断模块，该开路故障判断模块被配置成判断该电流状态信号是否在预设的时间范围内维持不变，并在该电流状态信号在该预设的时间范围内保持不变时，发送控制信号，使得该能量转换系统根据该控制信号从正常模式切换到开路故障保护模式。
11.如权利要求10所述的开路故障检测装置，其特征在于：该开路故障检测装置还包括电压状态检测模块，该电压状态检测模块被配置成接收该能量转换系统输出端检测到的电压信号，判断该检测到的电压信号和正常的电压信号之间的差值是否小于预设的阈值，并在该检测到的电压信号和该正常的电压信号之间的差值不小于该预设的阈值时，发送电压状态信号给该开路故障判断模块，该开路故障判断模块至少结合该电压状态信号和该电流状态信号发送控制信号。
12.一种开路故障检测装置，其特征在于：该开路故障检测装置可以在能量转换系统中执行，用于检测该能量转换系统与电网并网连接时所遇到的一个或者多个开路故障，该能量转换系统至少可以工作在正常模式和开路故障保护模式，且该能量转换系统和电网之间至少通过变压器连接；该开路故障检测装置包括电流状态检测模块和开路故障判断模块，该电流状态检测模块被配置成接收在该变压器一侧所检测到的第一相电流信号和第二相电流信号，判断该第一相电流信号和该第二相电流信号之间的差值是否小于预设的阈值，并在该第一相电流信号和该第二相电流信号之间的差值大于该预设的阈值时，发送电流状态信号给该开路故障判断模块，该开路故障判断模块根据该电流状态信号，发送控制信号，使得该能量转换系统根据该控制信号从开路故障保护模式切换到正常模式。
13.一种用于开路故障检测的方法，其特征在于：该方法至少包括如下步骤：
接收能量转换系统输出端直接在三相坐标系下所测量到的第一相电流信号和第二相电流信号；
至少根据该直接在三相坐标系下所测量的的第一相电流信号和第二相电流信号判断该能量转换系统所遇到的至少一个开路故障；以及
在判断出至少一个开路故障时发送控制信号，以使得该能量转换系统从正常模式切换到开路故障保护模式。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于：该方法还包括如下步骤：
根据该控制信号使得该能量转换系统中执行的负序电流控制模块停止工作。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于：该方法还包括如下步骤：
判断测量到的第一相电流信号和第二相电流信号之间的差值是否小于预设的阈值；
在该第一相电流信号和第二相电流信号之间的差值小于该预设的阈值时产生电流状态信号；
判断该电流状态信号是否在预设的时间范围内维持不变；以及
在该电流状态信号被判断出在该预设的时间范围内维持不变时产生控制信号，该控制信号代表该能量转换系统正在遇到开路故障。
16.一种光伏能量转换系统，其特征在于：该光伏能量转换系统包括直流母线，光伏变流器以及光伏控制器；该直流母线被配置成用于接收光伏能量源提供的直流电能；该光伏变流器被配置成将该直流母线处的直流电能转换成交流电能；该光伏控制器包括开路故障检测装置，该开路故障检测装置被配置成接收在变压器一侧所测量到的第一相电流信号和第二相电流信号，判断该所测量的第一相电流信号和第二相电流信号之间的差值是否小于预设的阈值，并当该所测量的第一相电流信号和第二相电流信号之间的差值小于该预设的阈值时，发送控制信号，以使得该变流器装置降低输出能量的幅值。
17.如权利要求16所述的光伏能量转换系统，其特征在于：该光伏控制器还包括负序电流控制模块，该负序电流控制模块被配置成调节该光伏变流器所输出的电流的负序分量；其中，该开路故障检测装置还被配置成在第一相电流信号和第二相电流信号之间的差值小于该预设的阈值时发送控制信号给该负序电流控制模块，该负序电流控制模块根据该控制信号停止工作。
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