CN104838555A - 通过混合电网的电力质量问题缓解 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于缓解电力质量问题的电路装置。它向敏感设备提供保护以免受例如电压骤降和骤升。所述系统为连接到AC功率源（100）的负载（例如家庭中连接到电力电网的电视）引入DC功率源（102），该DC功率源（102）耦合到可控逆变器（114）和可控切换机构（106）。通过切换到串联配置，DC功率源（102）（例如光伏功率源）可以汲取或供应电力以便缓解电力质量问题。在正常操作中，通过切换到并联配置，DC功率源（102）可以给负载馈电。

Description

通过混合电网的电力质量问题缓解
技术领域
本发明一般地涉及电力分配领域，并且更特别地涉及用于缓解电力质量问题的电路装置。
背景技术
诸如包含LED照明器的设备之类的敏感负载的寿命和操作受诸如骤降、骤升、闪变等的电力质量问题的负面影响。诸如备用发电机之类的辅助电力系统可以缓解电力中断的影响，但是并不解决电力质量问题。不中断电源（UPS）系统可以缓解电力质量问题，但是具有若干缺点。作为示例，诸如在US专利号7142950中公开的UPS系统在不存在电力问题时没有附加价值。作为另一个示例，UPS系统通常被布置用于缓解电力中断并且因此对于缓解电力质量问题来说规格过大。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于将功率源连接到负载的改进的电路装置。本发明的目的通过引入一种电路装置而实现，所述电路装置包括被布置成在并联配置和串联配置之间切换的可控切换机构。可控切换机构被布置用于将负载耦合到第一电源输入端和第二电源输入端。在并联配置中，第一电源输入端和第二电源输入端并联地耦合到负载；通过第一电源输入端供应的电力和通过第二电源输入端供应的电力两者都可以给负载馈电。在串联配置中，第一电源输入端和第二电源输入端串联地耦合到负载；通过第二电源输入端供应的电力可以补偿在通过第一电源输入端供应的电力中的电力质量问题。通过控制器控制可控切换机构。控制器可确定电力质量参数并且基于该电力质量参数来控制可控切换机构。
在根据本发明的电路装置的一个实施例中，控制器被布置成检测最常见的电力问题中的两个：电压骤降和/或电压骤升。基于在通过第一电源输入端供应的电力中检测这个电压骤降和/或骤升来确定电力质量参数。
在根据本发明的电路装置的另外实施例中，可控切换机构包括三个双向开关。这是有益的，因为该实施例需要很少的部件来实现可控切换机构。双向开关被配置用于在第一和第二双向开关被接通并且第三双向开关被关断时并联地连接第一电源输入端和第二电源输入端。可控切换结构被配置用于在配置颠倒（即第一和第二双向开关被关断并且第三双向开关被接通）时将第二电源输入端串联地连接到第一电源输入端。
在根据本发明的电路装置的尤其有利的实施例中，电路装置还包括可控逆变器。可控逆变器包括DC电源输入端和耦合到可控切换机构的第二电源输入端的电源输出端。控制器还被布置成控制可控逆变器。可以基于例如通过第一电源输入端接收的电力的频率（例如，匹配该频率、乘以该频率）和/或电力的当前相位（例如同步以注入正电压）来控制通过可控逆变器的电源输出端供应的电力的频率和相位。
在根据本发明的电路装置的另外实施例中，可控逆变器是全桥逆变器（例如H桥逆变器、单相桥逆变器）。这是有益的，因为该实施例需要很少的部件来实现可控逆变器。
在根据本发明的电路装置的一个实施例中，可控逆变器还包括并联连接到DC电源输入端的DC链电容器。假如通过DC电源输入端供应的电力不输送足够能量（例如如果DC电源输入端从正接收不足阳光的太阳能电池板接收电力），则该DC链电容器可以输送能量。
在一个实施例中，一种系统包括DC功率源和根据本发明的电路装置。可以基于与负载有关的电力要求（例如独立地向负载供电的能力或限于缓解第一电源输入端所供应的电力中的电力问题的能力）来选择DC功率源。DC功率源具有耦合到可控逆变器的DC电源输入端的DC电源输出端。
在所述系统的一个尤其有利的实施例中，所述系统包括作为DC功率源的光伏功率源（例如太阳能电池板）和根据本发明的电路装置。这是非常有益的，因为光伏功率源具有将阳光转换成电的能力。因此其不仅帮助缓解电力质量问题，而且还在正常操作下输送电力。当可控切换机构切换到并联配置时，光伏功率源的可用能量将给负载馈电。
在所述系统的又另一个实施例中，所述系统包括作为DC功率源的电池和根据本发明的电路装置。这是有益的，因为对于光伏功率源来说没有足够的阳光用于输送足够电力时其可以输送能量。此外，可以在正常操作下对电池充电并且可以在需要时（例如在白天期间电力最贵时或者在存在电力质量问题时）可以使用所存储的能量。光伏功率源和电池的组合提供这些功率源的各自优点的组合。
本发明的一个目的是提供一种用于将功率源连接到负载的改进的方法。本发明的目的是通过引入包括利用可控切换机构将负载耦合到第一和第二电源输入端的方法来实现的。可控切换机构被布置用于在并联和串联配置之间切换。所述方法还包括确定电力质量参数并基于该电力质量参数控制可控切换机构。
附图说明
在以下图中：
图1示意性和示例性地示出了包括根据本发明的电路装置的系统的实施例，所述电路装置包括AC功率源和DC功率源；
图2示意性和示例性地示出了包括根据本发明的电路装置的系统的实施例，所述电路装置包括AC功率源和DC功率源，其中可控逆变器包括全桥逆变器，并且其中可控切换机构包括三个双向开关；
图3示意性和示例性地示出了作为根据本发明的电路装置的实施例的一部分的控制器；
图4示意性和示例性地示出了具有第一电源的负循环的指示的处于串联配置中的图2的简化版本，其中逆变器正在注入电压；
图5示意性和示例性地示出了具有第一电源的正循环的指示的处于串联配置中的图2的简化版本，其中逆变器正在注入电压；
图6示意性和示例性地示出了具有第一电源的正循环的指示的处于串联配置中的图2的简化版本，其中逆变器未正在注入电压；
图7示意性和示例性地示出了具有第一电源的负循环的指示的处于串联配置中的图2的简化版本，其中逆变器未正在注入电压。
具体实施方式
在图1中示出了包括根据本发明的电路装置的系统的实施例。该电路装置缓解电力质量问题，从而保护广泛见于工业仪器和住宅电器中的电子部件。包括例如可编程逻辑控制器（PLC）、可调节速度驱动器、光学设备、发光二极管（LED）照明器和紧凑荧光灯（CFL）照明器的仪器和电器受电力质量问题的负面影响。作为示例，这样的部件的寿命预期受电力质量问题的负面影响。作为另一个示例，作为电力质量问题的结果，这样的部件的操作可能失败。
在图1中，AC功率源100和DC功率源102通过被布置用于在并联和串联配置之间切换的可控切换机构106连接到负载104。控制器108向可控逆变器112提供第一控制信号10并且向可控切换机构106提供第二控制信号112。可控逆变器114从DC功率源102接收电力作为输入。控制可控逆变器114的第一控制信号110涉及AC功率源100所供应的电力的频率、相位、电压或电流。控制可控切换构件106的第二控制信号112涉及将连接到DC功率源102的可控逆变器114并联地连接到AC功率源100或者将其串联地连接在AC功率源100和负载104之间。
作为示例，控制器108可以检测电力质量问题并且设定对应于电力质量问题的存在的电力质量参数（例如Ppq=‘真’；其中Ppq是指示电力质量问题的存在的电力质量参数，所述参数具有布尔值）。在该示例中控制器108然后可以基于对应于电力质量问题的存在的电力质量参数来控制可控切换机构106（例如在Ppq具有值‘真’时切换到串联配置）。可以基于例如测量AC功率源所提供的电力的电压、电压骤降的存在、预期电力质量问题的定时等等来确定电力质量参数。同样地，存在用于基于电力质量参数控制可控切换机构106的许多实现方式，例如，将电力质量参数与预设值比较（例如与参考电压比较或者将预期电力质量问题的定时与当前时间比较）。控制器108可以包括确定和处理多个电力质量参数的逻辑。
在图2中示出了包括根据本发明的电路装置的系统的另外实施例。电路装置包括全桥逆变器（包括四个开关）和可控切换机构（包括三个双向开关）。在该图中，AC功率源100（其中在多个图中使用一附图标记的情况下，其指的是公共部件、连接等）通过干线204和中性206连接连接到负载104。DC功率源102（例如光伏功率源或电池）通过可控逆变器112连接到电网210。可控逆变器112包括DC链电容器216、第一开关218、第二开关220、第三开关122和第四开关224。可控逆变器112在第一开关218和第四开关224之间通过公共耦合点230（PCC）耦合到电网210。中性连接耦合232经由双向开关242通过第二开关220和第三开关222之间的耦合236将可控逆变器112耦合到电网210。干线连接耦合238经由双向开关244通过第二开关220和第三开关222之间的耦合236将可控逆变器112耦合到电网210。PCC 230和干线连接耦合238通过双向开关240耦合。
像这样地，当第一双向开关240和第二双向开关242被接通并且第三双向开关244被关断时，可控逆变器112并联地连接到AC功率源100。当第一双向开关240和第二双向开关242被关断并且第三双向开关244被接通时，可控逆变器112串联地连接在AC功率源100和负载104之间。
当并联地连接到AC功率源100时，DC功率源102将通过可控逆变器112向负载104馈送能量。如果DC功率源102是光伏功率源，则这可以降低所使用的来自AC功率源100的电力量，并且如果作为示例AC功率源100是公共事业公司供应的电力电网，则这可以降低能源账单。如果DC功率源102不能供应（足够的）电力，例如当DC电源102是光伏功率源并且没有足够的阳光时，AC功率源100供应的电力可以向负载馈电。
DC链电容器216的尺寸决定了其中假如DC功率源102并不输送足够电力则可缓解电力质量问题的时间段的持续时间。对DC链电容器的大小的选择可以基于下面的等式1。
         等式1；
其中Prated是额定功率，ω是基频，VDCnom是DC链标称电压，并且ΔVDCmax是DC链电压的最大允许纹波。
在图3中示出了作为根据本发明的电路装置的一部分的控制器的实施例。控制器被布置成向可控切换机构106提供第一控制信号110并且向可控逆变器112提供第二控制信号112。基于检测与AC功率源100供应的电力有关的电力质量问题（例如检测电压骤降或骤升）的第一级304和选择配置的第二级308而生成第一控制信号110。第一级将测得的AC电压312（VAC_mes）和AC电压参考314（VAC_ref）当作输入，并且提供电力质量问题信号306作为输出。对电力质量问题的检测可以基于例如确定VAC_mes 312和VAC_ref 314之间的增量。如果该增量超过预定门限值，则检测到电力质量问题。电力质量问题检测的其他实现方式包括监测各种其他输入或者应用基于规则的检测。
选择配置的第二级308将电力质量问题信号306当作输入，并且向可控切换机构106提供第一控制信号110作为输出。该第一控制信号110确定双向开关218、220、222、224的设置。在表格1中示出开关设置。
双向开关 未检测到电力质量问题（并联配置） 检测到电力质量问题（串联配置）
240 接通 关断
242 接通 关断
244 关断 接通
表格1。
多路转接器310接收串联控制信号316和并联控制信号318作为输入。在电力质量问题信号306指示存在电力质量问题时，它选择串联控制信号316。在电力质量问题信号306指示不存在电力质量问题时多路转接器选择并联控制信号318。多路转接器310基于该选择而将串联控制信号316或并联控制信号318作为第二控制信号110传递到可控逆变器112。
串联控制信号316由串联控制块320生成。并联控制信号318由并联控制块322生成。串联控制块320将VAC_mes 312、VAC_ref 314和测得的负载电流326（ILoad_mes）当作输入信号。串联控制块320在第一级328中确定所需要的电压注入的幅度，其在第二级330中确定相位，并且该第一级328和第二级330两者为第三级332提供输入，第三级332确定切换模式。
第一级328将基于VAC_mes 312和VAC_ref 314的时变电压334当作输入，并且提供表示所需要的电压注入的幅度的信号336作为输出。第二级330将VAC_mes 312和ILoad_mes 326当作输入，并且提供表示所需要的电压注入的相位的信号338作为输出。这两个信号336、338在第三级332中用来确定切换模式并且提供相关的功率宽度调制（PWM）信号；该第一PWM信号是串联控制信号316。在电压骤降和骤升下的切换模式分别见于表格2和3。
输入V I电流 要注入的V 开关218 开关220 开关222 开关224
+ve +ve +ve 关断 关断 接通 接通
+ve +ve 0 关断 关断 接通 关断
+ve -ve +ve 接通 接通 关断 关断
+ve -ve 0 关断 接通 关断 关断
-ve -ve -ve 接通 接通 关断 关断
-ve -ve 0 关断 接通 关断 关断
-ve +ve -ve 关断 关断 关断 关断
-ve +ve 0 关断 关断 接通 关断
表格2
输入V I电流 要注入的V 开关218 开关220 开关222 开关224
+ve +ve -ve 关断 关断 关断 关断
+ve +ve 0 关断 关断 关断 接通
+ve -ve -ve 关断 关断 关断 关断
+ve -ve 0 接通 关断 关断 关断
-ve -ve +ve 关断 关断 关断 关断
-ve -ve 0 接通 关断 关断 关断
-ve +ve +ve 关断 关断 接通 接通
-ve +ve 0 关断 关断 关断 接通
表格3。
并联控制信号318由并联控制块324生成。并联控制块324将VAC_mes 312、测得的DC电压340（VDC_mes）和DC电压参考342（VDC_ref）当作输入信号。第一级344中的并联控制块324创建锁相环信号346，PI补偿在第二级348中被确定，并且在第三级350中生成PWM信号。第一级344将VAC_mes 312当作输入并且提供锁相环信号346作为输出第二级346将基于VDC_mes 340和VDC_ref 342的时变电压352当作输入，并且提供表示与提供VDC_ref作为输出电压的逆变器有关的逆变器的所需要的切换频率的信号354作为输出。在第三级中生成PWM信号以便施加处于适当的相位和幅值的DC链电压；该第二PWM信号是并联控制信号318。
在图4和图5中示出了具有电路装置中分别在第一功率源供应的电力的正循环和负循环期间的电流流动指示的处于串联配置中（双向开关240和242关；244开）的图2的简化版本，其中第二功率源正在注入电压。在电压骤降下，在串联配置中，可控逆变器可将电压（要注入的V；表格2）注入以缓解电压骤降。
在图6和图7中，示出了具有电路装置中分别在第一功率源供应的电力的正循环和负循环期间的电流流动指示的处于串联配置中的图2的简化版本，其中第二功率源未正在注入电压。可以例如通过可控逆变器在注入电压（图4针对正循环，图5针对负循环）和未注入电压（图6针对正循环，图7针对负循环）之间切换直到已经达到要注入的电压的期望幅度为止，来控制在电压骤降下的串联配置中注入的电压的幅度。
未示出与其他电力问题（例如电压骤升）的存在有关的串联配置，也未示出并联配置。
应当注意的是，上述实施例举例说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下设计供替换的实施例。在权利要求书中，置于括号之间的任何附图标记不应当被解释为限制权利要求。措词‘包括’并不排除在权利要求未列出的元件或步骤的存在。元件前面的措词‘一’或‘一个’并不排除多个这样的元件的存在。本发明可以借助于包括若干不同元件的硬件并且借助于适当编程的计算机来实现。在列举若干构件的单元权利要求中，这些构件中的若干可以由硬件或软件的一个并且同一个项目来体现。措词第一、第二和第三等的使用并不指示任何次序。这些措词应被解释为名称。不意图要求特定的动作顺序，除非具体指明。

Claims (10)

1. 一种用于将功率源连接到负载（104）的电路装置，所述电路装置包括：
- 可控切换机构（106），其被布置用于将所述负载耦合到第一电源输入端和第二电源输入端，所述可控切换机构（106）被布置用于在并联配置和串联配置之间切换；以及
- 控制器（108），其被布置成确定电力质量参数并基于所述电力质量参数来控制所述可控切换机构（106）。
2. 如权利要求1所述的电路装置，其中所述电力质量参数基于对通过所述第一电源输入端接收的电力中的电压骤降或电压骤升的存在的检测。
3. 如权利要求1-2中任何一项所述的电路装置，其中所述可控切换机构（106）包括三个双向开关。
4. 如权利要求1-3中任何一项所述的电路装置，还包括可控逆变器（112）；
其中所述可控逆变器（112）包括DC电源输入端和耦合到所述可控切换机构（106）的所述第二电源输入端的电源输出端；并且
其中所述控制器（108）还被布置成控制所述可控逆变器（112）。
5. 如权利要求4所述的电路装置，其中所述可控逆变器（112）是全桥逆变器。
6. 如权利要求4-5中任何一项所述的电路装置，其中所述可控逆变器（112）还包括DC链电容器（216）。
7. 一种包括如权利要求4-6中任何一项所述的电路装置的系统，还包括DC功率源（102），所述DC功率源（102）具有耦合到所述可控逆变器（112）的所述DC电源输入端的DC电源输出端。
8. 如权利要求7所述的系统，其中所述DC功率源（102）包括光伏功率源。
9. 如权利要求7所述的系统，其中所述DC功率源（102）包括电池。
10. 一种将功率源连接到负载（104）的方法，所述方法包括：
- 利用可控切换机构（106）将所述负载耦合到第一电源输入端和第二电源输入端，其中所述可控切换机构（106）被布置用于在并联和串联配置之间切换；
- 确定电力质量参数；以及
- 基于所述电力质量参数控制所述可控切换机构（106）。
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