CN105048837B - 用于并网逆变器系统的控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于并网逆变器系统的控制器，具体涉及用于并网逆变器系统的具有改善的控制配置用以根据所需的特定电功率来提高输出电流的响应速度的控制器。控制器包括用来输出直流(DC)‑DC变换器控制信号的第一控制电路部和用来输出逆变器控制信号的第二控制电路部，其中由于不具有用于第一控制电路部与第二控制电路部之间的信号输入和输出的链路，因此第一控制电路部和第二控制电路部彼此独立。

Description

用于并网逆变器系统的控制器
技术领域
本说明书涉及用于从直流(下文简称为“DC”)电源供应DC电功率至商业交流(下文简称为“AC”)电网的逆变器系统，并且更具体地，涉及具有改善的顺序控制配置(下文称为控制配置)以便即时供应商业AC电网所需的电功率的用于并网逆变器系统(grid tiedinverter system)的控制器。
背景技术
由譬如光伏能源、风能、燃料电池等等之类的各种DC能量供应源产生的用于供应的DC电压，通过逆变器系统被逆变成等于电网电压的AC电压以便供应至电网。
相关技术的逆变器系统包括连接至DC能量供应源的输出的DC-DC变换器和连接至DC-DC变换器的输出的逆变器，用来基于由控制器产生的命令值控制输出电流。
同样，相关技术的逆变器系统通过施加最大功率点追踪(能够简称为“MPPT”)算法来调节输入电压命令以便根据电网负载的变化来提供最大电功率。
最近，随着保护电网和限制产生电功率量的必要性的上升和相关规则的确立，需要控制由DC能量供应源产生的电功率位于最大电功率之下的技术。
由于相关技术的逆变器系统的控制器使用DC链路电压(DC link voltage)输出逆变器控制信号，其通过输出DC-DC变换器的控制信号而产生，多个控制电路部彼此链接用来输入和输出信号，从输入电压开始至输出电流。据此，用于相关技术逆变器系统的控制器具有的配置是多个控制电路部具有一致的配置。
因此，为了控制电功率，所需功率应当通过反复控制输入电压命令被查明(或确定)，顺序操作多个控制电路部，并且最终提供输出电流。
然而，相关技术的控制方法存在很多问题：由于复杂控制配置增加所需处理时间，以及由于慢响应时间(或低响应速度)而未能即时提供对应于特定电功率的输出电流。
关于并网逆变器系统可以检索到包括韩国授权专利号10-1032720在内的各种现有技术，但没有与本发明中考虑的技术任务相关的任何技术。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于并网逆变器系统的具有改善的控制配置的控制器，用来实现特定电功率的即时控制。
根据本发明通过提供用于并网逆变器系统的控制器能够实现该目的，逆变器系统包括连接至DC能量供应源的输出端的直流(简称为“DC”)-DC变换器，和连接至DC-DC变换器的输出端的逆变器，逆变器用来将从DC能量供应源施加的DC电压逆变成交流(简称为“AC”)电网电压，并将逆变后的AC电网电压供应至电网，控制器包括：
第一控制电路部，其被配置用来输出DC-DC变换器控制信号，用于控制DC-DC变换器；和
第二控制电路部，其被配置用来输出逆变器控制信号，用于控制逆变器，
其中由于第一控制电路部与第二控制电路部之间信号输入和输出的不连接，因此第一控制电路部和第二控制电路部彼此独立，
其中第二控制电路部包含：
输入电压控制电路部，其被配置用来通过输入电压命令来控制输入电压，用以输出输出电流命令；和
输出电流控制电路部，其被配置用来通过由输入电压控制电路部输出的输出电流命令来控制输出电流，用以输出逆变器控制信号。
依照本发明的一个方面，第一控制电路部包括：DC链路电压控制电路部，其被配置用来通过DC链路电压命令来控制DC链路电压，用以输出输入电流命令；和输入电流控制电路部，其被配置用来通过输入电流命令来控制输入电流，用以输出DC-DC变换器控制信号。
依照本发明的另一个方面，第一控制电路部被配置用来通过DC链路电压命令来控制DC链路电压，用以输出DC-DC变换器控制信号。
依照本发明的又一个方面，第二控制电路部被配置用来通过根据期望的电功率设定的输出电流命令来控制输出电流，用以输出逆变器控制信号。
本申请的适用性的进一步的范围从后文中给出的详细描述中变得更加显而易见。然而，应当理解，详细描述和特定的实例，虽然示出本公开的优选实施例，仅是通过展示的方式给出，因为本公开精神和范围内的各种改变和修改对于所属领域技术人员来说从详细描述中是显而易见的。
附图说明
附图，其被包括在内用来提供对本公开的进一步的理解，并且被合并在本说明中，以及作为本说明书的一部分，示出了示例性的实施例，并且与文字描述一起用来阐述本公开的原理。
在图中：
图1是依照本发明的优选实施例的逆变器系统和用于逆变器系统的控制器的方框图；
图2是示出了根据相关技术的用于逆变器系统的控制器的控制配置的方框图；
图3是依照本发明的优选实施例的控制器的第一控制电路部的配置的方框图；
图4是示出了依照本发明的另一个优选实施例的控制器的第一控制电路部的另一个配置的方框图；以及
图5是示出了依照本发明的优选实施例的控制器的第二控制电路部的配置的方框图。
具体实施方式
参考附图，将详细给出本发明的技术特征的描述。
图1是依照本发明优选实施例的逆变器系统的方框图。根据本发明的逆变器系统包含DC-DC变换器10、逆变器20、滤波器单元30和控制器40。
DC-DC变换器10是稳定由各种类型DC能量供应源产生的DC电压的部件，并且将稳定的DC电压升压或变换成合适的电压水平。图1示例性地示出了升压变换器，但能够依照本发明包括在逆变器系统内的DC-DC变换器10不限于此。
关于图1的DC-DC变换器10，当开关元件S5响应由控制器40提供的DC-DC变换器脉冲宽度调制(后文中简称为“PWM”)控制信号DC-DC PWM而导通(打开)时，根据输入电流Iin的电能存储在电抗器L1内。当开关元件S5关断时，存储在电抗器L1内的电功率源被提供至电容器C2，由此产生为恒定电压的DC链路电压Vdc。
逆变器20连接至DC-DC变换器10的输出端，并且依照由控制器40提供的逆变器PWM控制信号(INV PWM)通过开关元件S1至S4的开关操作将从DC-DC变换器10输出的DC链路电压Vdc逆变为等于电网电压的AC电压。
滤波器单元30是用于消除与逆变器20逆变的AC电源混合的谐波分量的电路。滤波器单元30包含电抗器L2和电容器C3。
控制器40包括第一控制电路部41和第二控制电路部42，以便将输入电压命令Vinref、输入电流命令Iin ref、DC链路电压命令Vdc ref和输出电流命令Iinv ref分别输出至相应的控制电路部，用于控制施加至电容器C1的输入电压Vin，沿电抗器L1流动的输入电流Iin，施加至电容器C2的DC链路电压Vdc，和沿电抗器L2流动的输出电流Iinv。控制器40输出DC-DC变换器PWM控制信号DC-DC PWM和逆变器PWM控制信号INV PWM，用于分别控制DC-DC变换器10和逆变器20的运行。
控制器40一般根据最大功率点追踪(MPPT)算法产生该各种控制信号，使得根据本发明的逆变器系统能够根据电网负载变化而从特定的电压和特定的电流产生最大电功率。同样，控制器40持续改变命令值，用于搜索最大电功率点，使得根据本发明的逆变器系统的输出电功率能够追踪最大电功率点。
第一控制电路部41被配置用来输出DC-DC变换器PWM控制信号DC-DC PWM。第二控制电路部42被配置用来输出逆变器PWM控制信号INV PWM。
鉴于用于根据相关技术的逆变器系统的控制器的控制配置，如图2所示，输入电压控制电路部1、输入电流控制电路部2、DC链路电压控制电路部3和输出电流控制电路部4彼此连接，使得信号能够在它们之间输入和输出。
即，输入电压控制电路部1通过输入电压命令Vin ref来控制输入电压Vin，用来输出输入电流命令Iin ref。输入电流控制电路部2通过输入电流命令Iin ref来控制输入电流Iin，用来输出DC-DC变换器PWM控制信号DC-DCPWM，由此控制DC-DC变换器10。
当通过控制DC-DC变换器10来产生DC链路电压Vdc时，DC链路电压控制电路部3通过DC链路电压命令Vdc ref来控制DC链路电压Vdc，由此输出逆变器20的输出电流命令Iinvref。
输出电流控制电路部4通过输出电流命令Iinv ref来控制输出电流Iinv，用来输出逆变器PWM控制信号INV PWM，由此控制逆变器20的运行。
即，相关技术的用于逆变器的控制器具有以输入电压控制电路部1产生输入电流命令Iin ref来追踪(或控制)输入电压Vin，并且输入电流控制电路部2运行和产生用于期望输入电流流动的DC-DC变换器PWM控制信号DC-DC PWM的方式来运行DC-DC变换器10的顺序配置。
DC链路电压Vdc根据DC-DC变换器10的运行状态而变化。DC链路电压控制电路部3输出输出电流命令Iinv ref，用来维持期望的DC链路电压Vdc。输出电流控制电路部4运行并产生逆变器PWM控制信号INV PWM，用于期望的输出电流Iinv的流动，由此运行逆变器20。
以该方式，用于根据现有技术的逆变器系统的控制器具有多个控制电路部彼此一致的配置。这导致控制电路部之间的相互依赖性提高以及导致输出电流Iinv的慢响应时间。
响应过程将详细阐述。为改变输出电流Iinv，输出电流控制电路部4的输出电流命令Iinv ref必须改变。为此目的，DC链路电压控制电路部3的输出必须改变。
然而，由于DC链路电压Vdc必须一致地得到维持，因此输入电流控制电路部2的输入必须改变。为此目的，输入电流控制电路部2的输出必须改变。同样，为了改变输入电压控制电路部1的输出，输入电压控制电路部1的输入必须改变。
因此，为改变输出电流Iinv，顺序控制配置中的最前面的输入电压控制电路部1的输入必须改变，使得多个控制电路部能够以顺序的方式起作用，用来获得期望的控制结果。
在图2中，在每个控制电路部内使用的控制以比例积分(后文中能够简称为PI)控制的形式示例性地示出，但本发明并不限于PI控制。譬如比例控制、比例积分微分(能够简称为PID)控制等等之类的其它常规控制方法也可以应用于本发明。
本发明概略地将相关技术的配置划分为两个部分，即，第一控制电路部41和第二控制电路部42，以便消除相互依赖性并获得用于输出电流控制的快速响应速度，其中由于多个控制电路部之间的连接结构，多个控制电路部实际上作为一致的顺序配置而运行。
第一控制电路部41和第二控制电路部42具有彼此独立的配置。DC-DC变换器10响应从第一控制电路41输出的DC-DC变换器PWM控制信号DC-DC PWM而运行，但DC-DC变换器10的运行不影响第二控制电路部42的输入信号。第二控制电路部42，不管第一控制电路部41如何，产生输入电压命令Vin ref和/或输出电流命令Iinv ref，并且输出逆变器PWM控制信号INV PWM作为输出信号。
这表明DC-DC变换器10免于用于逆变器的控制。这允许DC链路电压Vdc在逆变器系统电路上是恒定的，并且还促成用于输出电流Iinv的快速即时控制。
图3是示出了第一控制电路部的独立配置的方框图。如图3所示，用于控制DC链路电压Vdc的DC链路电压控制电路部403的输出被变换为输入电流命令Iin ref。一旦接收到输入电流命令Iin ref，输入电流控制电路部404据此控制DC-DC变换器10。因此，第一控制电路部41恒定地维持图1的电路内的DC链路电压Vdc，但与带有第二控制电路部42的输入/输出链路分离，以便独立于第二控制电路部42而运行。
图4是示出了第一控制电路部41的配置的另一个示例性的实施例的方框图。图4示出了移除了输入电流控制电路部404，并且因此DC链路电压控制电路部403能够直接控制DC-DC变换器10的配置。
图5是示出了第二控制电路部42的配置的方框图，其示出了输入电压控制电路部401的输出直接连接至输出电流控制电路部402使得输出电流控制电路部402的输出信号是用于逆变器20的控制信号的配置。因此，由于顺序控制配置从根据图2中的相关技术的四级控制改变为根据本发明的两级控制，因此用于输出输出电流Iinv的响应时间相比于相关技术能够显著地缩短。
在所需功率低于最大电功率点的情况下，为了允许输出电流Iinv的即时控制，通过断开输入电压控制电路部401与输出电流控制电路部402之间的链路，仅输出电流控制电路部402能够独立地运行，从而通过输出电流Iinv的控制来改变输入电压Vin。
换句话说，因为P(电功率)＝V(电压)×I(电流)，当输出电流Iinv被控制时，期望的电功率能够即时得到控制。据此，当通过根据所需的电功率设置输出电流命令Iinv ref来运行输出电流控制电路部402时，期望的输出电流Iinv能够即时被获得，不管输入电压控制电路部401的输出信号如何。
以该方式，本发明具有通过划分为第一控制电路部41和第二控制电路部42来配置用于逆变器系统的控制器以便取得关于期望的电功率水平的快速反应以及因此最大化响应速度，并且为其提供详细的控制配置的技术特征。
如上所述，在本发明中，因为用于逆变器系统的控制器的顺序控制配置以划分的形式被改善，其中控制电路部被连接成整体的形式，因此用于输出电流的直接控制能够得以实现，并且对应于期望的电功率的输出电流能够即时被提供。
由于在脱离本发明的特性的情况下当前的特征可以以多种形式实施，还应当理解，上述实施例不限于前面描述的任意细节，除非另作说明，而是应当广泛地理解为附加的权利要求中所限定的范围，并且因此落入权利要求的范围和界限，或该范围和界限的等价物的所有的改变和修改因此意在囊括在随附的权利要求中。

Claims (3)

1.一种用于并网逆变器系统的控制器，逆变器系统包括连接至DC能量供应源的输出端的DC-DC变换器，以及连接至DC-DC变换器的输出端的逆变器，所述逆变器用来将从DC能量供应源施加的DC电压逆变成AC电网电压，并将逆变后的AC电网电压供应至电网，所述控制器包括：
第一控制电路部，其被配置用来输出DC-DC变换器控制信号，用于控制所述DC-DC变换器；和
第二控制电路部，其被配置控制所述逆变器的输出电流，并用来输出逆变器控制信号，用于控制所述逆变器，
其中由于所述第一控制电路部与所述第二控制电路部之间信号输入和输出的不连接，因此所述第一控制电路部和第二控制电路部彼此独立，
其中所述第二控制电路部包括：
输入电压控制电路部，其被配置为通过输入电压命令来控制输入电压，以输出输出电流命令；和
输出电流控制电路部，其被配置为在需要所述DC能量供应源的最大电功率点的情况下，通过从所述输入电压控制电路部输出的输出电流命令来控制所述输出电流，以及在需要比所述最大电功率点低的电功率的情况下，通过断开输入电压控制电路部与输出电流控制电路部之间的链路，通过根据所需电功率设定的输出电流命令来控制所述输出电流。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中所述第一控制电路部包括：
DC链路电压控制电路部，其被配置为通过对来自DC链路电压控制电路部的DC链路电压命令和来自DC链路电容器的DC链路电压之间的差进行比例积分，来生成输入电流命令；和
输入电流控制电路部，其被配置为通过对来自输入电流控制电路部的输入电流命令和来自DC能量供应源的输入电流之间的差进行比例积分，来生成DC-DC变换器控制信号。
3.根据权利要求1所述的控制器，其中所述第一控制电路部被配置为通过对来自第一控制电路部的DC链路电压命令和来自DC链路电容器的DC链路电压之间的差进行比例积分，来生成所述DC-DC变换器控制信号。
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