CN104471816B - 输入ac电压控制双向功率转换器 - Google Patents

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Abstract

功率转换器家族具有输入ac电压调节而不是输出dc电压调节。双向转换器控制功率流并且将输入ac电压维持在某一参考值处或其附近。这些双向功率转换器处理有功和无功功率这二者，同时将输入ac电压维持在小容差内。对于未来的电网维护而言，这些转换器的使用是优选的，原因在于它们（i）确保负载需求遵循功率生成以及（ii）为电网提供分布式稳定性支持。转换器可以被用于有助于稳定电网的未来的智能负载中。

Description

输入AC电压控制双向功率转换器
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年6月1日提交的US专利申请序列号61/654,628的权益，本文通过引用将其全部内容包含在内。
技术领域
本文所公开的主题事项涉及双向AC-DC功率转换器和双向AC-AC转换器的输入ac电压调节和功率流控制。
背景技术
气候变化的提高意识已经促使全世界许多政府强加呼吁引入可再生能源的政策。当前的功率生成是“集中式的”和“单向的”。通过监视电网的电压和频率，公共事业公司可以确定负载中心（诸如城市）所需要的电量并且可以从发电厂生成所需的电功率量。功率生成与负载的平衡是针对功率系统的稳定性的必要条件。尽管功率生成与负载需求之间的差异可以被能量存储吸收，但是能量存储要么是昂贵的（诸如电池）要么依赖于位置（诸如水库）。对于现有的功率系统而言，控制范式是要使“功率生成遵循负载需求”以便维持功率系统稳定性。
在未来的电网中，诸如太阳能面板和风力发电厂之类的可再生能源将以“分布式”方式安装并且功率流可以是“双向的”，即功率可以从这些发电厂供应到电网或者由这些发电厂从电网取得。对于公共事业公司均已知或未知的这些分布式可再生功率源使得电力公司非常难以控制功率平衡。因此，需要偏移针对其中大量渗透间歇式可再生能量的未来电网的控制范式。在新的范式中，“负载需求必须遵循功率生成”。
为了达到功率平衡，之前已经提出各种方法。调度减载已经是负载功率控制中的传统方法。然而，此类方法对于实时地维持动态功率平衡而言不是有用的。已经针对实时功率平衡提出了诸如制冷机和空调系统[1-3]之类的具有针对电负载的开/关控制的智能负载。参见文章[1]S.C. Lee等人的“Demand Side Management With Air ConditionerLoads Based on Queuing System Model”，IEEE Transactions on Power Systems，卷：26，期：2，2011年，页码661-668；[2]G.C. Heffner等人的“Innovative approaches toverifying demand response of water heater load control”，IEEE Transactions onPower Delivery，卷：21，期：1，2006年，页码388-397；以及[3]A. Brooks等人的“DemandDispatch”，IEEE Power and Energy Magazine，卷：8，期：3，2010年，页码20-29。然而，关闭电器是冒昧的并且可能引起对消费者的不便和由消费者的反对。
最近，基于300年历史的胡克定律的电弹簧概念已经被提出并实际上嵌入在电负载中以调节电网中的线路或干线电压。参见[4]S.Y.R. Hui等人于2010年10月4日提交的US专利申请序列号61/389,489“Power Control Circuit and Method for Stabilizing aPower Supply”（专利申请公布号第US2012/0080420 A1）。电弹簧概念是指使用功率转换器连同它的负载来形成可以提供干线电压的调节的“智能负载”单元。借助于输入电压控制（而不是传统输出电压控制），无功功率转换器（即，仅处理无功功率而非有功功率的功率转换器）已经被用来实施电弹簧概念。基于与电负载串联连接的受控电压源的使用的电弹簧实现在以上所标识的Hui的文章中描述并在图1中示出。受控电压源可以利用无功功率转换器来实现。如图2中所示，功率转换器可以是其中大电容器Cdc被用作可控dc电压源（Vdc）的功率逆变器。功率逆变器然后可以以正弦脉冲宽度调制（PWM）的方式被切换以生成具有强基波电压和一些高频电压谐波的切换式PWM电压波形。高频电压谐波被电感电容（LC）滤波器滤波，以使得跨LC滤波器的电容器仅生成正弦基波电压（Va）作为电弹簧的电压输出。应指出，在图2中所示的控制方案中，电弹簧使用“输入电压控制”。控制变量是无功功率转换器的输入电压，其是装备的安装位置处的干线电压（Vs）。允许无功功率控制（Vo）的输出电压进行波动以用于干线电压Vs的调节。为了确保功率转换器充当无功功率控制器，Va和I0的矢量关系在I0不为零时是垂直的，这如图4中所示。
国际电工技术委员会条例IEC 61000-3-2要求20W或以上的离线电气装备以符合电磁兼容性要求。对于由ac干线馈给的装备而言，输入功率因数必须保持在0.9处或者以上。在诸如用于计算机和服务器的切换模式电源之类的现代电气装备中，功率因数校正（PFC）ac-dc功率转换器通常被用来确保输入电压和输出电流是同相的（即，如果输入电流是正弦形状，则为单位功率因数）。在这方面，功率逆变器（图3中的半桥或全桥逆变器）可以被用作如图5中所示的ac-dc功率转换器。
在现有的ac-dc功率转换应用中，总是假定干线电压是正弦的并且在其标称rms值（诸如230V）处是稳定的，这是因为大多数发达国家已经很好地调节干线电压，其被保持为其标称值，其中在发达国家具有+/-6%容差并且在其他地区中具有+/-10%容差。因此，传统ac-dc功率转换器通常假定相当稳定的ac干线供应。出于此原因，没有输入电压控制（除在Hui等人的文章和本发明人的申请中的之外）被报告。传统ac-dc功率转换器采用“输出电压控制”，这是因为它们被用于调节输出dc电压。对于图5中的功率因数校正（PFC）转换器而言，干线电压被感测以使得可以切换功率转换器以强制功率转换器的输入电流遵循干线电压的正弦形状并且与干线电压同相。以此方式，可以实现近单位功率因数。输入电流的量值被控制成维持相当恒定的输出dc电压（Vdc）通过“输出电压控制”反馈回路。对于220V-240Vrms干线供应而言，典型的Vdc被控制在约400V的dc电压处。因为该PFC转换器的输入电压和电流同相，所以具有其输出负载的PFC功率转换器模拟纯电阻器。因此，PFC转换器馈给的负载系统消耗有功功率。此外，功率流从干线到负载是单向的。然而，在具有间歇性质的大量可再生能源的未来电网中，干线电压可以在+/-6%内是稳定的假定是有问题的。
发明内容
本发明针对用于通过使用双向无功功率控制器布置来稳定包括大量间歇式能源的电网的方法和装置。
在说明性实施例中，可以在连接到干线的许多消费者产品上找到的ac-dc功率转换器被修改以使得它具有输入电压控制，这继而允许它充当智能负载并稳定电网。自然地，电网对于任何一个转换器都太强大以至于不能平衡它，因此考虑将在大量数目的产品中实现转换器以使得总体效果将是经稳定的电网。
本发明关于传统ac-dc功率转换方法的区别特征在图6中图示。在传统方案中，不存在输入电压控制，这是因为其中的现有的干线电压被很好地调节。如之前所解释的，可再生能源的分布式和间歇性质可以引起功率生成与负载需求之间的功率不平衡，从而导致功率不稳定的可能性，诸如干线电压中的波动。未来电网中的干线电压可能不稳定。因此，针对具有有功和无功功率流控制这二者的ac-dc功率转换器提出了“输入电压控制”。该原理适用于单相和多相系统这二者。
在Hui发表的专利申请中，电负载与功率转换器的滤波器电容器C串联连接（图7A）。对应的功率流图在图7B中示出。有功功率不流过功率转换器。由于图7A中的功率转换器的dc大容量电容器不消耗有功功率，所以图7A中的功率转换器仅处理无功功率。
Hui中还存在一个版本的无功功率控制器布置，其可以处理图8中所示的有功和无功功率这二者。应指出，该功率转换器使有功功率循环通过功率转换器，并且有功功率不来自电负载。实际上，这是Hui中所描述的提案中的限制。这意味着在Hui的提案中有功功率不能从电负载传递回到ac干线供应。然而，根据本发明，电负载连接到dc大容量电容器，而使得图9A中的功率转换器处理有功和无功功率这二者。本发明的该实施例的功率流图在图9B中示出。在本发明中，有功和无功功率组件这二者必须从干线通过功率转换器去到负载。图7B中的功率流图与图9B中的功率流图的比较突显了本发明与Hui发表之间的主要差异。由于该提案中的功率转换器可以处理有功和无功功率这二者，所以输入电压和电流可以处于任何相位关系。
本发明对于具有能量存储元件的电负载特别有用。例如，电动车具有电池，并且如果必需的话，有功功率可以从电池传递到ac干线供应。
本发明提出新方法以便在稳定未来电网中利用电弹簧概念。类似于Hui中所描述的电弹簧实现，该新的实现具有一些相同的电弹簧特征。这些包括：
(i) 在功率转换器中使用“输入电压控制”，其中干线电压作为输入，
(ii) 使用诸如功率逆变器的功率转换器（即ac-dc功率转换器），以及
(iii) 预置输入电压调节功能（即干线电压的调节）。
然而，不像Hui中的方法，本发明具有以下差异：如图7B和图9B中所图示的，使用单相系统作为示例（该原理也同样适用于多相系统）。
(i) 电负载连接到功率转换器的大容量dc电容器（而Hui中的电负载与功率转换器的滤波器电容器串联连接）。
(ii) 电负载可以包括第二功率转换器级、能量存储设备和输出负载。
(iii) 功率转换器可以处理有功和无功功率这二者（而Hui中的功率转换器仅处理无功功率）。
(iv) 有功和无功功率可以在两个方向上流动，即从干线到功率转换器，并且反之亦然。
(v) 功率转换器的输入电压和输入电流的矢量不必固定在垂直位置处。它们可以处于任何相位关系。
(vi) 功率转换器中的控制参数还可以包括干线频率ωs以改善电网稳定性。
(vii) 当功率转换器向电网仅提供无功功率补偿时，调节功率转换器的输出电压。
(viii) 当功率转换器向电网提供有功功率补偿时，允许功率转换器的输出电压进行波动。
附图说明
本发明的前述和其他特征将根据本发明的说明性实施例的以下具体实施方式和附图更容易显而易见，其中遍及各个附图的相似附图标记指代相似部件，除非另有明确指定，并且在所述附图中：
图1图示针对中立（neutral）、提升和降低功能的电弹簧概念；
图2是以逆变器形式的现有技术无功功率转换器的框图；
图3A和3B分别是可以被用作无功功率转换器的现有技术的半桥和全桥逆变器的示意图；
图4是图示电流I0不为零时的图2的无功功率控制器的电压与电流之间的矢量关系的示图；
图5A和5B分别是具有“输出电压”调节的基于半桥和全桥功率逆变器的现有技术ac-dc功率转换器的单相示例的示意图；
图6A和6B分别是具有输出电压控制的现有技术ac-dc功率转换器和根据本发明的具有输入电压控制的ac-dc功率转换器的示意图；
图7A是如Hui发表中的使用具有无功功率控制的电弹簧的单相功率转换器的示意图；
图7B是图7A的功率转换器的功率流图；
图8是图示其中串联功率控制器吸收有功功率并且分流功率控制器将有功功率馈给回到干线功率线路的Hui发表中的电弹簧的一个版本的框图；
图9A是依照本发明的实施例的使用具有有功和无功功率控制这二者的电弹簧的单相功率转换器的示意图；
图9B是图9A的功率转换器的功率流图；
图10是具有很好调节的干线电压的现有技术ac-dc功率转换中的输出电压控制的框图；
图11是其中干线电压可能由于电网上的间歇式可再生能源而不稳定的根据本发明的实施例的具有输入电压控制的ac-dc功率转换器的框图；
图12是具有用以改善瞬态和动态功率系统稳定性的辅助控制信号的根据本发明的另一实施例的具有输入电压控制的ac-dc功率转换器的框图；
图13是使用电流模式控制方法的根据本发明的另一实施例的具有输入电压控制的ac-dc功率转换器的框图；
图14是根据本发明的再另一实施例的具有输入电压控制的ac-dc功率转换器的框图；以及
图15是根据本发明的又另一实施例的具有输入电压控制的ac-dc功率转换器的框图。
具体实施方式
使用具有ac-dc功率转换器的输入电压与输入电流的矢量关系的灵活控制的双向ac-dc功率转换器的主要目标是提供调节干线电压的新机制。该目的借助于输入电压控制回路（图5）来实现。具有该前端双向ac-dc功率转换器和输入电压控制的电负载可以被视为可以有助于稳定可能经受由可再生功率源的间歇性质所引起的扰动和波动的未来电网中的干线电压的新形式的“智能负载”。该提案中的转换器还可以执行诸如减载之类的负载需求响应，或者甚至向电网提供有功功率补偿/注入以改善功率平衡。
本发明中所涉及的双向ac-dc功率转换器不仅包括被构造有包括2级或N级图腾柱布置中的功率开关的转换器脚的标准功率转换器，而且包括ac-dc功率转换器的其他变形，诸如Z逆变器。该原理适用于单相和多相系统这二者。
图10示出双向ac-dc功率转换器100的传统“输出电压控制”方案。传统上，不使用输入电压控制，这是因为在不具有或者具有有限的间歇式可再生功率生成的现有功率系统中，可以假定严格的干线电压（Vs）调节。如图10中所示，dc输出电压Vdc在比较器102中与参考电压相比较。差异信号被施加于PI控制器104，其输出在乘法器106中乘以输入干线电压Vs。输入电流Is_mea被测量并施加于电流模式控制108。乘法器106的输出是电流参考信号Is ref，其也被施加于电流模式控制108。电流模式控制108的输出驱动脉冲宽度调制生成器110，其设定AC功率转换器100中的脉冲宽度和频率。输入电流（Is）被AC功率转换器切换并整形为具有根据Is_ref的量值和相位角的所需的正弦形状。
图12示出用于具有有功和无功功率流控制这二者的双向ac-dc功率转换器100的新的输入电压控制方案的版本。该功率转换器以其被安装的干线电压（Vs）被感测为反馈变量（以虚线示出）。根据该感测的电压信号，可以从电路118获得ac干线电压的相位角和/或频率。所感测的干线电压在比较器116中与干线电压参考（Vs_ref）相比较。干线电压参考可以利用下垂（Droop）特性电路113基于PWM信号的量值（M）、无功功率（Q）和输入电流（Is）来导出。如图11中所描绘的，下垂特性电路可以包括被施加于信号M的反馈增益K，以及该信号与标称干线信号Vs在比较器114中的比较以导出干线电压参考Vs_ref。差异信号eVs被施加于误差放大器/补偿器112。如图11中所示，该电路的输出被施加于量值与相位角电路120。此外，同步电路118接收干线信号Vs，并且其输出也被施加于电路120。电路120生成至少两个控制变量，也就是被施加于栅极图案生成器110'的PWM的量值（M）和相位角（σ），所述栅极图案生成器110'继而驱动前级ac-dc功率转换器100，其中目的在于控制双向ac-dc功率转换器的有功和无功功率以使得干线电压Vs将被调节为某一干线电压参考Vs_ref。图12中所示的更复杂版本包括控制电路122，其输出依赖于输入电流（Is）、角频率（ωs）、有功功率（Ps）以及无功功率（Qs）。误差放大器/补偿器112和电路122的输出在真实且无功功率计算电路124中进行组合。连同同步电路118的输出一起，电路124的两个输出被施加于量值与相位角电路120。结果是量值控制信号（M）和相位角（σ）。
对于单相双向ac-dc功率转换器，从栅极图案生成器110'施加于转换器100的该PWM电压是图9A中的点x与y之间的电压（即Vxy）。除Vxy的量值控制信号（M）之外，控制回路还提供相位角（σ），其为Vs与Vxy之间的角度。利用对Vxy和σ的控制，可以控制输入电流（即输入电感器电流）的量值和相位角。因此，有功和无功功率这二者可以被控制以将干线电压调节为安装位置处的干线电压参考值。
另一输入电压控制方案在图13中示出。在该控制方案中，输入电压（Vs）与输入电流（Is）这二者被感测。因而获得诸如输入电压（Vs）、输入电流（Is）、角频率（ωs）、Vs与Is之间的相位角、有功功率（P）以及无功功率（Q）之类的信息。利用P和Q的知识以及同步电路118的帮助，用于ac-dc功率转换器100的量值（M）和角度（σ）控制信号可以被导出，其中目的在于将输入干线电压Vs调节为遵循其参考Vs_ref。
图11和图12示出生成用于双向ac-dc功率转换器的PWM电压的控制信号的两个控制方案。这两个方案通过直接控制ac-dc功率转换器的PWM电压来间接控制输入电流。如图13中所示的可替代的控制方案使用直接电流控制。图13中的直接电流控制方案在下垂控制和电压的使用方面类似于间接电流控制方案。然而，该方案所生成的量值和角度控制变量是针对输入电流的直接控制。在图13中，即时输入电流在电路126中被感测并馈给到电流控制回路中，以用于与通过输入电压控制方案在误差电路112的输出处所生成的电流参考Is_q_ref相比较。该输入电流（Is）被双向功率转换器切换并整形为具有根据输入电压控制的量值和相位角的所需的正弦形状，其中目的在于调节输入ac电压。特别地，正交相位电流Is_q与Is_q_ref在比较器128中相比较。同相电流Is_p与来自dc电压控制回路的输出的参考电流Is_p_ref在比较器130中相比较。比较器128、130的输出被导向电流模式控制120'，其继而驱动栅极图案生成器110'。
在图14中示出了基于比例积分（PI）补偿器的输入电压控制方案的实现的示例。在图14中，输入电压被采样并施加于均方根转换器132和锁相环电路134这二者。比较器114和116被用来以与图11中所示的相同方式（除比较器116的输入之一为均方根转换器132的输出而不是输入电压Vs之外）生成输出eVc。信号eVc被施加于比例积分（PI）补偿器136，其输出被施加于量值计算电路138。注意电路138不生成相位信号而仅生成量值信号M。此外，信号M驱动正弦波生成器140。锁相环电路134的输出还被施加于生成器140，其具有驱动PWM生成器142的输出。生成器142控制AC功率转换器100。
在本发明中提出的输入电压控制方案不排除涉及使用输出电压反馈来协助所提出的输入电压控制的控制方法。在图15中示出了如由图14的布置所表示的、协助于用于双向功率转换器的“输入电压控制”的输出电压反馈的、图11的输入电压控制方案的实现的示例。特别地，作为将锁相环电路134的输出被直接施加于生成器140的代替，将其施加于比较器156。布置的dc输出电压Vdc与参考在比较器150中相比较。输出edc驱动第二PI控制器152，其输出驱动角度计算电路154。角度计算电路154的输出是对于比较器156的第二输入。连同来自量值计算电路138的信号M一起驱动正弦波生成器140的是比较器156的输出。
尽管在本文中已经使用各种方法和系统描述和示出了某些示例性技术，但是本领域技术人员应理解可以在不偏离所要求保护的主题事项的情况下做出各种其他修改，并且可以替换等价物。附加地，可以在而不偏离本文所描述的中心概念的情况下做出许多修改以使特定情形适于所要求保护的主题事项的教导，。因此，意图的是所要求保护的主题事项不限于所公开的特定示例，而是此类要求保护的主题事项还可以包括落在所附权利要求的范围内的所有实现及其等价物。
在说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等的任何引用意指结合所述实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。此类短语在说明书中的各种地方中的出现未必都指代相同的实施例。此外，本文所公开的任何发明或其实施例的任何元件或限制可以与本文所公开的任何和/或所有其他元件或限制（单独地或以任何组合）或任何其他发明或其实施例进行组合，并且所有此类组合以本发明的范围而不是到其的限制来考虑。
应理解，本文所描述的示例和实施例是仅用于说明性目的，并且根据其的各种修改或改变将被暗示给本领域技术人员并被包括在该申请的精神和范围内。

Claims (10)

1.一种由电网ac功率源馈给，且向电负载提供输出的双向功率转换器，所述双向功率转换器能够以双向方式处理有功功率、无功功率或者这二者，其包括：
电网电压控制与调节器；
负载电压反馈回路；并且
其中所述双向功率转换器的电压和电流矢量不限于90度，以及其中所述电负载连接在所述双向功率转换器的负载端，其中所述电负载包含至少一个能量存储元件，并且所述双向功率转换器将有功和无功功率从电负载传递回到电网ac功率源，以便调节电网ac功率源的电网ac电压。
2.根据权利要求1所述的双向功率转换器，其中所述电网ac功率源是由具有大量间歇式可再生能源的ac功率源所生成的不稳定ac干线电压。
3.根据权利要求1所述的双向功率转换器，其中所述电网电压控制与调节器关于电网ac电压而控制输入电流量值及其相位角，以便将电网ac电压调节为标称值或者标称值的范围内。
4.根据权利要求1所述的双向功率转换器，其中所述电网电压控制与调节器在采用电压模式控制时生成用于控制双向功率转换器的电压量值和相位角信号，并且在采用电流模式控制时生成用于控制双向功率转换器的电流量值和相位角信号。
5.根据权利要求4所述的双向功率转换器，其中相位角信号借助于同步电路来生成。
6.根据权利要求1所述的双向功率转换器，其中所述电网电压控制与调节器通过各种控制方法之一来实现，包括比例积分微分（PID）方法、超前滞后补偿方法、以及状态空间控制、滑动模式控制、非线性边界控制方法。
7.根据权利要求1所述的双向功率转换器，其中其处理电网ac功率源和电负载之间的有功功率或无功功率或者这二者；并且
其中由双向功率转换器所生成的电压矢量和电流矢量能偏离90度，以便处理有功功率。
8.根据权利要求1所述的双向功率转换器，其中双向功率转换器是AC-DC功率转换器或者AC-DC-AC功率转换器或者AC-AC功率转换器。
9.根据权利要求1所述的双向功率转换器，其中电网电压控制与调节器将下垂控制技术用于针对电网ac电压控制的控制回路中。
10.根据权利要求1所述的双向功率转换器，其中电网电压控制与调节器包括相移控制和脉冲宽度调制切换方法。
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