CN104967345B - 提供交流电的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于从一直流(DC)电压源转换成一交流电(AC)提供电能给一电网的系统，此系统包括：一变压器，通过受一第一控制信号控制的一第一开关而耦接到DC电压源，且根据一DC电压而提供一转换后电压；一整流器，耦接到变压器以产生转换后电压的一包络电压；多个开关，耦合到整流器以接收转换后电压产生的包络电压，多个开关分别受多个控制信号控制，且从转换后电压产生的包络电压产生AC；以及一控制装置，耦接到第一开关和多个开关，且根据一电网电压而提供第一控制信号和多个控制信号。

Description

提供交流电的系统
本案是申请号：201210273445.8，申请人：财团法人工业技术研究院，发明名称《提供交流电的系统及其装置与方法》的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于提供交流电(alternating current，AC)的系统。
背景技术
并网式电气系统(Grid-tied Electrical System)，也被称为并到网(tied-to-grid)系统或并网(grid-tie)系统，是一种产生电能并馈入电网的系统。传统上，并网式电气系统应用于类似太阳或风等可再生能源。举例来说，并网式电气系统可利用光伏效应(photovoltaic effect)而将太阳能转换为电。
图1为表示将单相(single-phase)交流电(AC)提供给输出AC电压(在本文中被称为电网电压Vgrid)的电网101的传统并网式电气系统100的方块图。参考图1，系统100被并到(tied to)电网101，且包括光伏(photovoltaic，PV)阵列102、最大功率点跟踪(maximumpower point tracking，MPPT)模组104、第一电容器106、第一开关108以及变压器(transformer)110。系统100更包含整流器(rectifier)112、第二电容器114以及多个开关，所述多个开关包含(例如)开关116-1、116-2、116-3以及116-4。
更明确地说，PV阵列102利用光伏效应而将太阳能转换为直流(direct current，DC)电。MPPT模组104耦合到PV阵列102，用以跟踪PV阵列102的一个最大功率点(MPP)，并将MPP电压输入至变压器110相对低电压位准的一侧。变压器110的第一侧(primary side)通过开关108而耦合到MPPT模组104，用以在开关108在预定控制信号Sa'的控制下开启和闭合时，根据变压器匝数比(turns ratio)将处于相对低的电压位准的MPP电压转换至相对高的电压位准的转换后电压VT0。当开关108开启时，变压器110的第一侧也开启。当开关108闭合时，变压器110的第一侧通过接地(ground)而连接到电容器106。通过此开启/闭合机制，开关108执行脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)，并将能量从变压器110的第一侧传送到变压器110的第二侧。
整流器112耦接到变压器110的第二侧，用以将电压VT0(其通常为AC电压)转换为DC电压Vdc。电容器114更使DC电压Vdc平滑化。在开关116-1和116-2分别在预定控制信号S1'和S2'的控制下交替闭合，以及开关116-3和116-4分别在预定控制信号S3'和S4'的控制下交替闭合之下，开关116-1、116-2、116-3以及116-4可操作以产生与电网电压Vgrid相等的AC电压。
图2绘示了模拟结果，模拟结果包括施加到传统系统100(图1)的预定控制信号Sa'、S1'、S2'、S3'以及S4'和上文所述的电压VT0、Vdc以及Vgrid的波形。每一个预定控制信号Sa'、S1'、S2'、S3'以及S4'中皆有相对高的频率的周期性脉冲信号。控制信号Sa'、S1'、S2'、S3'以及S4'分别在不同的时序(timings)下接通/切断开关108、116-1、116-2、116-3以及116-4。另外，如图2中所示，电压VT0为具有相对高的频率和相对高的电压位准的AC电压，且电压Vdc为DC电压。
参照图1和图2，开关116-1、116-2、116-3以及116-4分别在预定控制信号S1'、S2'、S3'以及S4'的控制下在相对高的频率下操作。此外，电容器114在相对高的电压位准下操作。因此，由于较高的系统损耗(system wear)的缘故，系统100的使用寿命可能会减少。
发明内容
依据本发明一实施例，提供了一用于从一直流(DC)电压源转换成一交流电(AC)提供电能给一电网的系统，系统包括：一变压器，通过受一第一控制信号控制的一第一开关而耦接到DC电压源，且根据一DC电压而提供一转换后电压；一整流器，耦接到变压器，用以产生转换后电压的一包络电压(envelope voltage)；多个开关，耦合到整流器以接收转换后电压所产生的包络电压，分别受多个控制信号控制，且从转换后电压产生的包络电压产生AC；以及一控制装置，耦接到第一开关和多个开关，且根据一电网电压而提供第一控制信号和多个控制信号。控制装置包括脉冲调制器、比较器以及模式控制器。脉冲调制器根据电网电压而产生脉冲调制信号。比较器将电网电压与转换后电压的包络电压进行比较，并根据该比较而产生模式控制信号。模式控制器耦接到脉冲调制器和比较器。模式控制器根据模式控制信号而产生该些控制信号。
可理解的是，前述概括描述和以下详细描述两者仅为示范性和解释性的，不限制发明申请的保护范围。
并入到本发明中并构成本发明的一部分的附图连同描述一起说明与本发明内容相一致的实施例，用于阐释本发明的原理。
附图说明
图1为将单相交流(AC)提供给电网的传统并网式电气系统的方块图。
图2为包括施加到图1中所说明的传统并网式电气系统的预定控制信号的波形和电压的波形的模拟结果。
图3为依据本发明的一实施例，将单相AC提供给电网的并网式电气系统的方块图。
图4为依据本发明的一实施例，包括由控制装置提供的控制信号的波形，以及电压的波形的模拟结果。
图5为依据本发明的一实施例，将三相AC提供给电网的并网式电气系统的方块图。
图6为依据本发明的一实施例，包括由控制装置提供的控制信号的波形，以及电压的波形的模拟结果。
附图标记说明
100：传统并网式电气系统
101：电网
102：光伏阵列
104：最大功率点跟踪模组
106：第一电容器
108：第一开关
110：变压器
112：整流器
114：第二电容器
116-1：开关
116-2：开关
116-3：开关
116-4：开关
300：并网式电气系统
301：电网
302：直流电压源
304：电容器
306：第一开关
308：变压器
310：整流器
312-1：开关
312-2：开关
312-3：开关
312-4：开关
320：控制装置
322：输入功率感测器
324输出功率感测器
326：第一脉冲调制器
328：第二脉冲调制器
330：第一比较器
332：第二比较器
334：模式控制器
336：包络提取器
338：可变增益放大器
500：并网式电气系统
501：电网
502：直流电压源
504：电容器
506：第一开关
508：变压器
510：整流器
512-1：开关
512-2：开关
512-3：开关
512-4：开关
512-5：开关
512-6：开关
520：控制装置
522：输入功率感测器
524输出功率感测器
526：第一脉冲调制器
528：第二脉冲调制器
530：第一比较器
532：第二比较器
534：模式控制器
536：包络提取器
538：可变增益放大器
具体实施方式
接下来将会以实施方式的描写配合附图来说明本发明的实施范例。以下的描述引用的元件符号，除非另外说明，否则不同附图出现相同的元件符号将视为相同或相似的元件。以下的实施方式的描写仅是范例，不代表所有本发明的应用。有少数的范例会在专利请求范围中说明。
图3为依据本发明一实施例，将单相交流电(AC)提供给输出单相AC电压(此后称为电网电压Vgrid)的电网301的并网式电气系统300的方块图。参照图3，系统300被并到电网301，且包含一直流(DC)电压源302、一电容器304、一第一开关306、一变压器308、一整流器310以及多个开关，多个开关包括如开关312-1、312-2、312-3以及312-4。系统300更包括一控制装置320，用以提供控制信号Sa、S1、S2、S3以及S4以分别控制开关306及开关312-1、312-2、312-3以及312-4，从而控制系统300的操作。
在本发明一实施例中，DC电压源302用以提供相对低的电压位准的DC电压，系统300从DC电压产生AC电压Vgrid。举例来说，DC电压源302可为利用光伏效应将太阳能转换为直流(DC)电的光伏(PV)阵列或风力系统(wind power system)。DC电压源302将能量提供给变压器308。系统300更包括一MPPT模组，耦接到该PV阵列，且用以跟踪该PV阵列的MPP。
在本发明一实施例中，电容器304与DC电压源302并联耦接。变压器308的第一侧耦接到DC电压源302并经由开关306接地。耦接的变压器308用以在开关306受控制装置320提供的控制信号Sa的控制而开启和闭合时，根据变压器匝数比在第二侧上输出相对高的电压位准的转换后电压VT。当开关306开启时，变压器308的第一侧也开启。当开关306闭合时，变压器308的第一侧通过接地而连接到DC电压源302和电容器304。通过此开启/闭合机制，开关306执行脉冲宽度调制(PWM)，并将能量从变压器308的第一侧传送到变压器308的第二侧。
在本发明一实施例中，整流器310耦接到变压器308的第二侧，用以从转换后电压VT产生包络电压Venv。随后，在开关312-1和312-2分别在控制信号S1和S2的控制下交替闭合，且开关312-3和312-4分别在控制信号S3和S4的控制下交替闭合时，系统300可产生单相AC。
在本发明一实施例中，控制装置320可包括一输入功率感测器322、一输出功率感测器324、一第一脉冲调制器(pulse modulator)326、一第二脉冲调制器328、一第一比较器(comparator)330、一第二比较器332、一模式控制器334、一包络提取器(envelopeextractor)336以及一可变增益放大器338。
在本发明一实施例中，输入功率感测器322用以从DC电压源302感测系统300的输入功率，以及输出功率感测器324用以感测该系统300对电网301的输出功率。举例来说，输入功率感测器322可通过感测从DC电压源302输出的电压和从DC电压源302流出的电流以感测系统300的输入功率。同样的，举例来说，输出功率感测器324可通过感测电网电压Vgrid和对应的输出电流来感测系统300的输出功率。
在本发明一实施例中，比较器332耦接到输入功率感测器322和输出功率感测器324。比较器332用以将系统300的感测到的输出功率与系统300的感测到的输入功率作比较，根据比较而输出用以调节可变增益放大器338的增益调节信号(gain adjustingsignal)。举例来说，感测到的输出功率通常接近于感测到的输入功率。如果比较器332指出感测到的输出功率大于感测到的输入功率，那么比较器332便输出增益调节信号以减少可变增益放大器338的增益。同样的，举例来说，如果比较器332指出感测到的输出功率小于感测到的输入功率，那么比较器332便输出增益调节信号以增加可变增益放大器338的增益。
在本发明一实施例中，包络提取器336用以从电网电压Vgrid提取一种反馈包络电压。可变增益放大器338耦接到包络提取器336和比较器332，用以放大提取到的反馈包络电压。如上所述，可通过从比较器332输出的增益调节信号以调节可变增益放大器338的增益。可变增益放大器338更将经放大的反馈包络电压Venvfb输出至脉冲调制器326。
在本发明一实施例中，脉冲调制器326用以根据例如脉冲宽度调制(PWM)技术等脉冲调制技术而产生控制信号Sa。举例来说，脉冲调制器326将来自可变增益放大器338的经放大的反馈包络电压Venvfb当作输入参考，并产生一第一脉冲调制信号以作为控制信号Sa，从而控制从整流器310输出并馈送回脉冲调制器326的对应的包络电压Venv。而且，举例来说，根据PWM技术，脉冲调制器326可输出脉冲序列。当来自可变增益放大器338的经放大的反馈包络电压Venvfb的振幅(amplitude)变大时，脉冲调制器326可产生宽脉冲序列，以相应地使从整流器310输出的包络电压Venv的振幅变大。
在本发明一实施例中，脉冲调制器328用以根据例如脉冲宽度调制(PWM)技术等脉冲调制技术而产生一第二脉冲调制信号。举例来说，脉冲调制器328将电网电压Vgrid当作输入参考，并产生第二脉冲调制信号，以控制馈送回脉冲调制器328的对应的输出电流。
在本发明一实施例中，比较器330用以将电网电压Vgrid与从整流器310输出的包络电压Venv作比较，并产生模式控制信号以指出电网电压Vgrid与包络电压Venv之间的差值是否大于一第二预定临界值。模式控制器334耦接到比较器330和脉冲调制器328，用以至少根据模式控制信号产生控制信号S1、S2、S3以及S4，以分别控制开关312-1、312-2、312-3以及312-4。
在本发明一实施例中，比较器330确定电网电压Vgrid与从整流器310输出的包络电压Venv之间的差值大于第二预定临界值，并将表示确定的模式控制信号输出到模式控制器334。于是，模式控制器334控制各开关312-1、312-2、312-3以及312-4在正常模式下操作。在正常模式下，模式控制器334根据来自脉冲调制器328的第二脉冲调制信号而产生控制信号S1、S2、S3以及S4。通过控制各开关312-1、312-2、312-3以及312-4在正常模式下操作，各开关312-1、312-2、312-3以及312-4产生AC，及通过调节(例如，补偿)从整流器310输出的包络电压Venv而与电网电压Vgrid相等的一个AC电压。
在本发明一实施例中，比较器330确定电网电压Vgrid与从整流器310输出的包络电压Venv之间的差值不大于第二预定临界值，并将表示确定的模式控制信号输出至模式控制器334。于是，模式控制器334控制各开关312-1、312-2、312-3以及312-4以在旁路模式下操作。在旁路模式下，模式控制器334产生用以分别控制各开关312-1、312-2、312-3以及312-4的控制信号S1、S2、S3以及S4，以在不调节包络电压Venv的情况下传导和切换从整流器310输出的包络电压Venv的极性，以用于产生AC和与电网电压Vgrid相等的AC电压。由于在旁路模式下开关312-1、312-2、312-3以及312-4的操作频率相对于来自脉冲调制器328的第二脉冲调制信号的操作频率是较低的，所以可减少系统损耗，且可提高系统效率。
图4绘示依据本发明一实施例的模拟结果400，包括由控制装置320(图3)提供的控制信号Sa、S1、S2、S3以及S4的波形以及上文所述的电压VT、Venv以及Vgrid的波形。为了显示更多细节，已放大在第一时间周期t1和第二时间周期t2期间的电压VT、Venv以及Vgrid和控制信号Sa。如图4所示，电压VT和控制信号Sa各自为具不同脉冲宽度且具有相对高的频率的脉冲信号，而控制信号Sa、S1、S2、S3以及S4各自具有相对低的频率。另外，电压Venv为非DC电压，且不同于图2中所示的电压Vdc。
参照图3和图4，在本发明一实施例中，模式控制器334控制各开关312-1、312-2、312-3以及312-4以在旁路模式下操作。模式控制器334产生用以分别控制各开关312-1、312-2、312-3以及312-4的控制信号S1、S2、S3以及S4，以对包络电压Venv的极性进行传导和切换，以作为所产生的AC电压。由于开关312-1、312-2、312-3以及312-4在旁路模式下在相对低的频率下操作，所以可减少系统损耗，且可提高系统效率。
图5为依据本发明一实施例，将三相AC电能提供给电网501输出三相AC电压(在本文中被称为电网电压，包含三个电压分量Vgrid1、Vgrid2以及Vgrid3)的并网式电气系统500的方块图。参照图5，系统500被并到电网501，且包括一DC电压源502、一电容器504、一第一开关506、一变压器508、一整流器510以及多个开关，多个开关包括如开关512-1、512-2、512-3、512-4、512-5以及512-6。系统500更包括控制装置520，以提供控制信号Sa、S1、S2、S3、S4、S5以及S6以分别控制该开关506和各开关512-1、512-2、512-3、512-4、512-5以及512-6，从而控制系统500的操作。
在本发明一实施例中，DC电压源502、电容器504、开关506、变压器508以及整流器510分别以类似于DC电压源302、电容器304、开关306、变压器308以及整流器310(图3)的操作方式操作。举例来说，整流器510用以产生在变压器508的第二侧上输出的转换后电压VT的包络电压Venv，并输出包络电压Venv。系统500可随后在开关512-1和512-2分别在控制信号S1和S2的控制下交替闭合，开关512-3和512-4分别在控制信号S3和S4的控制下交替闭合，且开关512-5和512-6分别在控制信号S5和S6的控制下交替闭合时，根据包括三个电压分量Vgrid1、Vgrid2以及Vgrid3的电网电压而产生三相AC以作为输出。
在本发明一实施例中，控制装置520可包括一输入功率感测器522、一输出功率感测器524、一第一脉冲调制器526、一第二脉冲调制器528、一第一比较器530、一第二比较器532、一模式控制器534、一包络提取器536以及一可变增益放大器538。控制装置520以类似于控制装置320(图3)的操作方式操作。
不同于控制装置320(图3)，由于系统500的输出电压是三相AC，所以包络提取器536分别针对所述三个电压分量Vgrid1、Vgrid2以及Vgrid3提取三个反馈包络电压，且随后将三个电压分量的三个反馈包络电压相加以获得电网电压的反馈包络电压。输出功率感测器524还分别针对三个电压分量Vgrid1、Vgrid2以及Vgrid3感测三个分量功率，且随后将三个分量功率相加以获得系统500的输出功率。
另外，第二脉冲调制器528分别根据所述三个电压分量Vgrid1、Vgrid2以及Vgrid3而产生包括三个信号分量的脉冲调制信号，三个信号分量中每个信号分量本身就是脉冲调制信号。举例来说，第二脉冲调制器528将电压分量Vgrid1当作输入参考，并产生第一信号分量。同样地，脉冲调制器528产生脉冲调制信号的第二信号分量和第三信号分量。模式控制器534随后使用脉冲调制信号的第一信号分量、第二信号分量以及第三信号分量以产生分别用于开关512-1和512-2、开关512-3和512-4，以及开关512-5和512-6的控制信号。
在本发明一实施例中，比较器530用以将电网电压与从整流器510输出的包络电压Venv作比较，并产生模式控制信号以表示电网电压与包络电压Venv之间的差值是否大于预定的临界值。举例来说，比较器530可将电网电压的三个电压分量Vgrid1、Vgrid2以及Vgrid3与包络电压Venv单独进行比较，并输出模式控制信号，模式控制信号包括分别表示包络电压Venv与所述三个电压分量Vgrid1、Vgrid2以及Vgrid3之其一的差值是否大于预定的临界值的第一信号分量、第二信号分量以及第三信号分量。模式控制器534随后至少根据模式控制信号的第一信号分量而产生控制信号S1和S2；至少根据模式控制信号的第二信号分量而产生控制信号S3和S4；以及至少根据模式控制信号的第三信号分量而产生控制信号S5和S6。
在本发明一实施例中，比较器530确定电网电压的电压分量(例如，Vgrid1)与从整流器510输出的包络电压Venv之间的差值大于预定的临界值，并将包括用以表示确定的第一信号分量的模式控制信号输出至模式控制器534。于是，模式控制器534控制各开关512-1和512-2在正常模式下操作。在正常模式下，模式控制器534使用从脉冲调制器528接收的脉冲调制信号的第一信号分量以产生用以分别控制开关512-1和512-2的控制信号S1和S2。通过控制各开关512-1和512-2在正常模式下操作，各开关512-1和512-2通过调节(例如，补偿)以从整流器510输出的包络电压Venv而产生三相AC的分量以及电压分量Vgrid1。同样地，模式控制器534可控制各开关512-3和512-4以及各开关512-5和512-6在正常模式下操作。
在本发明一实施例中，比较器530确定电网电压的电压分量如Vgrid1与从整流器510输出的包络电压Venv之间的差值不大于预定的临界值，并将包括用以表示确定的第一信号分量的模式控制信号输出到模式控制器534。于是，模式控制器534对各开关512-1和512-2进行控制，以在旁路模式下操作。在旁路模式下，模式控制器534产生用以分别控制各开关512-1和512-2的控制信号S1和S2，以在不调节包络Venv的情况下传导和切换从整流器510输出的包络电压Venv的极性，以用于产生三相AC的分量以及电压分量Vgrid1。由于在旁路模式下开关512-1和512-2的操作频率相对于来自脉冲调制器528的脉冲调制信号的第一信号分量的操作频率较低，所以可减少系统损耗，且可提高系统效率。同样地，模式控制器534可对各开关512-3和512-4以及开关512-5和512-6进行控制，以在旁路模式下操作。
图6绘示依据本发明一实施例的模拟结果600，模拟结果600包括由控制装置520(图5)提供的控制信号Sa、S1、S2、S3、S4、S5以及S6的波形以及上文所述的电压VT、Venv、Vgrid1、Vgrid2以及Vgrid3的波形。为了显示更多细节，已放大了在一第一时间周期t1和一第二时间周期t2期间的电压VT、Venv、Vgrid1、Vgrid2以及Vgrid3和控制信号Sa。如图6中所示，电压VT和控制信号Sa各自为具不同脉冲宽度且具有相对高的频率的脉冲信号。另外，电压Venv为非DC电压，且不同于图2中所示的电压Vdc。
参照图5和图6，在本发明一实施例中，模式控制器534控制各开关512-1、512-2、512-3、512-4、512-5以及512-6在正常模式或旁路模式下操作。举例来说，模式控制器534产生用以分别控制各开关512-5和512-6的控制信号S5和S6，以在第一时间周期T3期间在正常模式下操作。同样的，举例来说，模式控制器534产生用以分别控制各开关512-5和512-6的控制信号S5和S6，以在第二时间周期T4期间在旁路模式下操作。由于开关512-5和512-6在旁路模式下是在相对低的频率下操作，所以可减少系统损耗，且可提高系统效率。
通过考虑发明内容的规范和实践的教导，所属领域的技术人员将可推导得发明的其它实施例。发明的范围意欲涵盖遵循一般原理所进行且包含了譬如以运用此技术中的已知或惯例实践偏离本发明的任何变化、使用或改编。所述规范和实例视为仅是示范性的，发明的真正范围和精神则以权利要求书为准。
可理解的是，本发明内容不限于上文已描述以及附图中所说明的确切构造，且可在不脱离本发明范围的情况下做出各种修改和改变。发明范围仅受权利要求书所限制。

Claims (3)

1.一种用以提供交流电(AC)的系统，其中该系统从一直流(DC)电压源转换成一交流电(AC)提供电能给一电网，该系统包括：
一变压器，通过受一第一控制信号控制的一第一开关而耦接到该DC电压源，且用以根据一直流(DC)电压而提供一转换后电压；
一整流器，耦接到该变压器，用以产生该转换后电压的一包络电压；
多个开关，耦合到该整流器以接收该转换后电压产生的该包络电压，该些开关分别受多个控制信号控制，且用以从该转换后电压产生的该包络电压产生该交流电(AC)；以及
一控制装置，耦接到该第一开关和该些开关，且用以根据一电网电压而提供该第一控制信号和该些控制信号，该控制装置包括：
一脉冲调制器，用以根据该电网电压而产生一脉冲调制信号；
一比较器，用以将该电网电压与该转换后电压的该包络电压进行比较，并根据该比较而产生一模式控制信号；以及
一模式控制器，耦接到该脉冲调制器和该比较器，且用以根据该模式控制信号而产生该些控制信号。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当该模式控制信号指出该电网电压与该转换后电压的该包络电压之间的差值大于一预定的临界值时，该模式控制器用以：
根据该脉冲调制信号而产生该些控制信号，以控制该多个开关操作于一正常模式，其中该些开关用以调整该转换后电压的该包络电压。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当该模式控制信号指出该电网电压与该转换后电压的该包络电压之间的差值不大于一预定的临界值时，该模式控制器用以：
产生该些控制信号中，以控制该些开关操作于一旁路模式，并切换该转换后电压的该包络电压的极性。
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