CN105322548A - 阻抗补偿 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于操作功率变换器(1)的方法，该功率变换器(1)优选为太阳能逆变器，其用于将负载电流(I_load)馈送到电网(3)中。该方法包括如下的步骤：确定负载电流(I_load)，监测功率变换器(1)的输出电压(U_out)，以及控制负载电流(I_load)以避免输出电压(U_out)超过电压极限(U_out，lim)，其中依赖于负载电流(I_load)调节电压极限(U_out，lim)。此外，本发明涉及一种对应的用于连接至电网(3)的功率变换器(1)，优选地，其涉及太阳能功率变换器。该功率变换器(1)包括负载电流传感器(142)、输出电压传感器(143)和负载电流控制器(141)。

Description

阻抗补偿

技术领域

本发明涉及一种用于操作功率变换器的方法，该功率变换器优选为太阳能逆变器，用于将负载电流馈送到电网中。该方法包括如下步骤：确定负载电流、监测功率变换器的输出电压、以及控制负载电流以避免输出电压超过电压极限。

此外，本发明涉及用于连接至电网的对应的功率变换器，优选地涉及太阳能功率变换器。该功率变换器包括负载电流传感器、输出电压传感器和负载电流控制器。

背景技术

现有技术中，将负载电流馈送到电网中的功率变换器通常具有针对最大可允许操作电压的固定电压极限，以便保护所连接的电网以及功率变换器与电网之间的连接免于过电压。当将电流馈送到电网中时，由于线路阻抗，功率变换器的输出电压总是高于电网连接点处的电压。当电网电压仍然处于可接受的电平内时，该输出电压可能超过电压极限。在该情况下，功率变换器将关断并且不输送其额定功率。一种已知的避免该问题的方法是使用线路阻抗补偿系统。

US2013/0033103A1(MC.Junkin等人)公开了用于海底配电系统中的阻抗补偿的系统和方法。这些系统和方法包括：包括如电阻器、二极管、电容器和电感器的无源元件的多个阻抗补偿设备、控制这些功率补偿设备的操作的控制器、以及对与海底配电系统相关联的特别是电参数进行检测的检测器。

根据US2013/0033103的公开的系统和方法虑及消除线路阻抗的影响，但是需要额外的硬件。

发明内容

本发明的目的在于创建一种与最初提到的技术领域有关的方法，其虑及功率变换器的可用输出功率的有效使用，而避免额外的硬件成本。

本发明的解决方案由权利要求1的特征所指定。根据本发明，电压极限依赖于负载电流而调节。

功率变换器监测输出电压并控制负载电流，以使得输出电压不超过电压极限。在此，控制的概念可以包括切断负载电流和/或功率变换器，还可以包括控制负载电流以使得其一般遵循参考值或特别地负载电流参考值。出于该目的，提供了电流控制器，其通常包括通过操纵如例如PWM调制器的启动(actuating)器件来对负载电流进行反馈控制。负载电流参考值还可以是零安培(0A)。

这样的方法具有如下的优点：可以依赖于功率变换器的负载情况而设定不同的输出电压极限。该优点在于，功率变换器能够在更广的操作范围内高效地利用其功率容量并且较少依赖于电网连接的质量。此外，不需要额外的硬件。

可以以各种方式来进行电压极限的调节，例如通过定义针对每个负载电流值表征某一电压极限的查找表的步骤和根据该查找表来针对给定负载电流调节电压极限的步骤。

当所调节的电压极限被定义成针对所有的负载电流值恒定时给出该实施例的特殊情况。在另一实施例中，可以定义二维查找表，其还包括作为独立变量的电网电压。该实施例还包括如下的步骤：确定实际的电网电压和根据查找表调节电压极限。

在优选实施例中，调节电压极限包括如下的步骤：确定电压校正值和对电网电压极限加上电压校正值。通常由公用事业所维持的电网电压在定义的容差带中波动，该容差带的上限被指定为电网电压极限。该实施例的优点在于电压极限不依赖于实际的电网电压，并且对电网电压的监测不是必需的。因此，不需要额外的电压传感器，此外，可以更容易的定义校正项。

在本发明的进一步优选实施例中，通过估计由功率变换器和电网之间的线路的线路阻抗所引起的电压降来确定电压校正值。功率变换器输出与电网连接点之间的线路阻抗还可以依赖于负载电流而是非线性的。校正值与由线路阻抗所引起的电压降相关的该发现简化了对电压校正值的确定。电压降的估计还可以通过得到描述负载电流与电压降之间的关系的线路阻抗的模型和/或通过使用涉及物理参数的测量的识别方法并且然后通过将负载电流施加到模型来实现。存在可以用于得到线路阻抗的模型的在现有技术中已知的许多方法。一种公知的方法是例如在线性线路阻抗的情况下的线性回归的方法。

线路阻抗并且因而电压降依赖于网络频率，并且因此能够随系统电压的频率变化而变化。其还可以由于温度波动、传输线路的状态的改变(例如通过接通或切断输出和电网连接点之间的路径内的组件)而是时变的。所有这些改变还可以在估计电压降的步骤中考虑。如果考虑了状态改变，则功率变换器可以在存储在其存储器中的不同模型之间切换，以便估计电压降。

通过估计由线路阻抗所引起的电压降，线路阻抗对输出电压的过电压的影响可以几乎完全或者至少在很大程度上通过调节电压极限来补偿。

在进一步优选的实施例中，估计电压降的方法包括如下的步骤：将测试电流注入到线路中、针对每个测试电流测量功率变换器的输出电压、以及识别线路阻抗。功率变换器具有用于注入测试电流并且用于测量输出电压的器件。只要电网电压在测量期间是稳定的，则这些值足以识别线路阻抗。电压降可以通过将负载电流施加到线路阻抗并且测量输出电压来确定。如果功率变换器是DC至AC或AC至AC功率变换器，则测试电流优选为在幅度和频率方面恒定的交流电流。交流电流的频率优选被选择为与电网的公用频率类似。

在进一步的实施例中，功率变换器为AC-DC或DC-DC功率变换器并且测试电流为优选的DC电流。

在本发明的进一步的实施例中，在功率变换器的正常操作期间对输出电压和负载电流的至少二元组进行测量，并且线路阻抗根据该数据来估计。

在另一方法中，当注入测试电流时，除输出电压之外，还对电网电压进行测量。因此，电压降可以直接被测量为输出电压与电压降之间的差异，并且仅需要一个测量点、相应地(respectively)输出电压和负载电流的一元组，以便识别线路阻抗。

在另一实施例中，非恒定的、相应地时变的测试电流被注入到电网中。可能有利的是，例如注入遵循伪二进制随机信号或正弦扫描信号的测试电流以便还以高效的方式获得线路阻抗的相位信息。

根据本发明通常在激活电压极限调节之前或者在投入适配方法期间执行识别过程。其应该在每次客户装置经受会导致线路阻抗的修改的变更时重复，例如在网络中安装新的电设备后。同样当接通或切断网络中的设备时，线路阻抗会改变。在这样的情况下，可以考虑将识别过程的结果存储在功率变换器的存储器中并依赖于网络的状态来检索阻抗值。

在另一实施例中，将以给定时间间隔手动或者自动地执行估计过程。如果必须手动开始估计过程，则可以使用计时器来监视时间间隔。如果已经超过时间间隔，则可以自动切断对电压极限的调节。一方面，优选地，必须根据改变、相应地客户装置的修改的频率来选择时间间隔的长度。另一方面，其可以被适配于所提供的输入功率的周期性，例如适配于太阳能逆变器情况下的太阳活动的日常改变和/或电网的负载，其同样服从日常波动。

在进一步优选的实施例中，电压降被估计为线性依赖于负载电流。这意味着线路阻抗也是线性的，这在大多数情况下足以对由线路阻抗所引起的电压降进行估计。优点在于，线路阻抗的识别并且还有电压降的估计非常简单，并可以被非常高效地执行。

在进一步的实施例中，至少一个测试电流为零。当测试电流为零时，各个输出电压表示开路电压。开路电压对应于电网电压，这是因为针对该测试电流的输出电压仅依赖于电网电压。如果注入多于一个等于零的测试电流，则其允许检测测量间的电网电压波动，并对该波动进行补偿或使测量无效。

在另一实施例中，所有注入的测试电流均与零不同。如果具有两个不同电流值的至少两个测量点可用，例如具有不同幅度的负载电流和一个测试电流或两个测试电流，则线性线路阻抗也可以被识别。一旦线路阻抗被识别，则电网电压也可以通过针对0A的负载电流外推电压降来推导出。该实施例的优点在于，在注入测试电流期间功率变换器也可以将电流馈送到电网中。该实施例的另一优点在于，可以实现测量间的更短的时间间隔，这是因为针对不同施加电流的稳定时间将由于负载电流和测试电流间的更小的幅度范围而减少。

有利地，该方法包括以等间隔的时间间隔注入三个连续测试电流的步骤。第一测试电流将被设为零，第二测试电流被设为测试前的负载电流的60％和95％之间的值，优选为负载电流的75％和85％之间，并且第三测试电流又被设为零。注入测试电流之间的时间间隔将在10ms到2500ms的范围内选择，优选为在100ms和500ms之间。

该方法的优点在于其仅包括三个测量点。由于对开路电压测量两次，由电网变化所引起的错误测量可以被检测并因而还被补偿。如果两次测量的变化超过预定的极限，例如额定电网电压的0.5％，则该测试可被定义为无效的。通过采用相等的时间间隔，可以通过取得两个开路电压测量的算数平均值来容易地减少测量期间的恒定电网电压漂移。测量之间的时间应当足够长以计算输出电压、相应地测试电流的RMS值，但是又足够短以保持总的测量较短。短的测量时间保持电网电压的变化也短。第二测试电流在测量期间应当是恒定的，这暗示其应当小于测试前的实际电流，例如80％。在正常负载情况下负载电流在测试期间经受通常不期望的变化。另一方面，测试电流仍然应当足够大以便最小化测量误差如例如测量噪声的影响。

作为替换，还可以选择其它测量序列。例如可以仅测量开路电压，而在测量前的正常操作期间进行第二测量。

在有利的实施例中，对电压校正值进行缩放以使得输出电压不超过功率变换器的最大输出电压。通过依赖于负载电流调节最大电压以便补偿由线路阻抗所引起的电压降，输出电压可超过功率变换器的最大输出电压。除其它因素外，功率变换器的最大输出电压还被强加了技术约束或技术规范。

缩放的步骤可以与负载电流是线性或非线性的。如果估计的电压降是非线性的，则可以有利地考虑非线性的缩放。然而输出电压极限的线性缩放在投入期间非常易于实施并且特别易于参数化。作为替换，电压校正值可以通过最大输出电压的最小值和由线路阻抗所引起的估计电压降来定义。

在进一步优选的实施例中，控制负载电流的步骤包括依赖于输出电压定义负载电流的限制特性的步骤。在第一输出电压电平之下，负载电流的限制特性等于额定负载电流。在第一输出电压电平和第二输出电压电平之间，该限制特性具有负的梯度并且覆盖零到额定负载电流之间的负载电流范围。在第二输出电压电平以上，限制特性为零。第一输出电压电平小于第二输出电压电平，并且第二输出电压电平等于或小于功率变换器的最大输出电压。根据限制特性，如果输出电压超过第一电压电平，则负载电流将减小。在第一和第二电压电平之间，负载电流将随着输出电压增大而进一步减小，限制特性在这些电压之间具有负梯度。

在第二电压电平之上，电流将被设定为零。还可以在达到第二电压电平的情况下切断功率变换器，或者在达到大于第二电压电平的第三电压电平之后切断其。

限制特性定义了根据输出电压的负载电流的极限。根据输出电压限制负载电流还具有根据功率变换器的输出电压限制其输出功率的效果。该实施例的优点在于，其提供了一种根据输出电压控制负载电流的方法，以使得防止由于电网和功率变换器的输出之间的线路阻抗而使输出电压增大以及防止功率变换器关断或切断。尽管负载电流将减小，但是变换器将仍然将电流馈送到电网中，而不超过电压极限。

另一实施例还提供了计时功能，其在输出电压在预定时间内超过第二电压电平的情况下关断功率变换器。

作为替换，负载电流可以紧接在超过第一电压电平之后被设定为零或者甚至关断。

在进一步的优选实施例中，第一输出电压电平与第二输出电压电平之间的限制特性被选择成是线性的，相应地所述负梯度是恒定的。该实施例的优点是实施非常简单。

在可替换的实施例中，第一和第二电压电平之间的负梯度可以是可变的。在非线性的线路阻抗的情况下，这将是有利的。

还有，在另一实施例中，限制特性在第一和第二输入电平之间以阶段式的、相应地非连续的方式变化，而不是具有连续的负梯度，其中步长的电平随着输出电压增大而减小。在本发明的进一步的实施例中，限制特性可以随着分段恒定的梯度而连续变化。

根据输出电压的上述负载电流减小、相应地功率减小的激活还可以独立于输出电压极限的改变而被激活。

优选地，控制负载电流包括通过生成中间负载电流参考值来分步调节负载电流以满足限制特性的步骤。输出电压为负载电流的函数，其中函数包括电网电压和线路阻抗作为参数。对于给定的电网电压和给定的线路阻抗，负载电流和输出电压之间的关系定义了负载电流特性，该负载电流特性在电流-电压平面中与限制特性相交。两个特性之间的交点表示具有稳态负载电流和稳态输出电压的稳态点，如果系统是稳定的则其将会聚到该点。

在本发明的可能的实施例中，通过测量电网电压、计算满足限制特性的稳态负载电流、生成等于稳态负载电流的负载电流参考值以及控制负载电流以达到稳态负载电流来直接对负载电流进行调节以满足限制特性。该操作方法的缺点是，必须测量通常代价很大的实际的电网电压，如果以所有的可能的话。

通常电网电压不是可用的，并且因此稳态负载电流、相应地如果系统稳定的话负载电流和输出电压将会聚到的稳态点也不是已知的。

此外，由于物理约束、相应地物理时间常数，负载电流的适配将不具有立即的效果。它们的示例为负载电流路径中的电感和功率变换器的控制电路中的时延。因而，优选不瞬时而以迭代步骤施加负载电流减小。步长大小和步长时间必须被适配于系统，如适配于第一和第二电压电平之间的限制特性的梯度。在优选实施例中，通过迭代计算考虑了根据限制特性的针对当前输出电压的负载电流减小和实际负载电流值的中间负载电流参考值来获得负载电流的逐步适配。该实施例允许在系统很好调整的情况下非常快速地达到稳态负载电流。在进一步的实施例中，通过根据限制特性的针对当前输出电压的负载电流减小来给出调节步骤的中间负载电流参考值。该实施例非常易于实施，但是稳定性仅可以通过适配限制特性的梯度来实现。在另一实施例中插入了数字滤波器。数字滤波器考虑了在先步骤的负载参考值和针对实际输出电压的负载电流减小，以使得生成中间负载参考值并且负载参考值的适配更平滑。

在优选实施例中，中间负载电流参考值I_load，ref通过下述公式确定：

$I_{load,ref}=(1-\frac{U_{out}\·I_{nom}-U_{100\%}\·I_{load}}{U_{out}\·I_{nom}+(U_{0\%}-U_{100\%})\·I_{load}})\·I_{nom},$

U_0％为第一输出电压电平，U_100％为第二输出电压电平，I_load为实际负载电流，U_out为实际输出电压，以及I_nom为功率变换器的额定负载电流。该公式通过在电网电压为0V的假设之下分步计算稳态点来获得。在本发明的该优选实施例中，生成负载电流参考值以使得负载电流在不振荡的情况下自动朝向稳态点会聚。

针对限制特性的线性梯度，实现了不具有振荡的稳定行为。

在进一步优选的实施例中，第一输出电压电平和第二电压电平依赖于电压极限来适配。

如果负载电流改变，则电压极限将被调节。为了利用电压极限的调节，优选地，第一和第二电压电平也必须随着电压极限变化而变动(shift)，相应地整个特性必须随着电压极限而变动。在进一步优选的实施例中，第一电压电平等于输出电压极限或者在输出电压极限的范围内。第二电压电平与第一电压电平具有恒定的距离。第一和第二电压电平间的距离被选择为使得限制特性的梯度大于负载电流特性的梯度。如果例如电网电压增大，则由限制特性引起的负载电流减小的影响比由减小的负载电流引起的减小的电压极限的影响更重要。负载电流将被减小成使得功率变换器将不切断。该实施例的优点在于功率变换器保持与电网连接并且不必关断并重新连接至网络。

在替代的实施例中，第一和第二电压电平保持恒定。在该情况下，负载电流减小独立于电压极限调节而工作。结果是，如果输出电压超过输出电压极限，则功率变换器可以针对某一负载电流范围而关断。

一般而言，第一或第二电压电平可以保持恒定或者第一和第二电压电平可以依赖于电压极限而以不同的值变动。

本发明还涉及一种用于连接至电网的功率变换器，优选为太阳能功率变换器，包括负载电流传感器、输出电压传感器和用于执行依赖于负载电流调节电压极限的步骤的负载电流控制器。该实施例的优点是功率变换器能够在更广的操作范围内高效地利用其功率容量，并更少依赖于电网连接的质量。其它有利的实施例和特征的组合根据下述的具体实施方式和权利要求的全体而显出。

附图说明

用于解释实施例的附图示出：

图1将负载电流馈送到电网中的功率变换器的示意图。

图2针对功率变换器与电网间的连接的相对于距离的电压特性。

图3根据本发明的说明性操作方法的流程图。

图4本发明的说明性实施例的电压极限特性。

图5根据本发明的注入测试电流期间的负载电流曲线。

图6根据图5中所示的示例的注入测试电流期间的输出电压曲线。

图7根据本发明的根据输出电压的负载电流的限制特性的示例。

图8确定稳态点的数值示例。

图9图示了根据本发明的操作方法的实施例的负载电流和输出电压的相空间图。

图10根据图9中所示的示例的负载电流的瞬时响应。

图11图示了根据本发明的操作方法的另一实施例的负载电流和输出电压的相空间图。

图12根据图11中所示的示例的负载电流的瞬时响应。

图13根据本发明的另一优选操作方法的负载电流的瞬时响应。

图14使限制特性适配于负载电流的示例。

图15根据本发明的对负载馈电的功率变换器的实施例的示意图。

在图中，相同组件被给出相同的附图标记。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的功率变换器1，其将负载电流I_load馈送到电网3中。在该实施例中，功率变换器1由具有DC电压U_in的DC电压源12馈电，所述DC电压源12连接至功率变换器1的输入8，例如为光伏系统。功率变换器1将输出电压U_out输出到电网3，输出电压U_out为AC电压。在另一实施例中，电源还可以是AC源，例如是连接至发电机的风力涡轮机。还可能的是，功率变换器1将DC电流馈送到电网3中。负载电流馈送到电网中的线路可以被分为两部分：将功率变换器1的输出5连接至电网连接点6的专用引线4、以及将电网连接点6连接至电网3的电网侧连接网络7。专用引线4通常属于用户的装置。

引线4的阻抗和电网侧连接网络7的线路阻抗可以由集中元件、相应地线路阻抗9和电网侧线路阻抗10表示。在电网连接点6处，其它用户装置11也可以连接至电网(虚线)。由于线路阻抗9和电网侧线路阻抗10，功率变换器的输出电压U_out高于电网连接点6处的电压U_con和电网的输入处的电网电压U_grid(参考地2作为公共电压参考)。在本文中，当提及功率变换器1的输出5处的电压时使用下标“out”，当提及电网电压时使用下标“grid”，而当提及电网连接点处的电压时使用下标“con”。使用另外的索引“lim”来指示功率变换器1的输出5处的输出电压的限制，在输出电压在施加额定电流时获得的情况下使用“nom”。相对于“lim”，下标“limit”用在谈及稳态情况时。下标“max”指定某一电压值的最大值。

图2示出了针对功率变换器输出5和电网3之间的连接的、针对给定负载电流I_load的相对于距离1的典型电压特性20。

当将负载电流I_load馈送到电网3中时，功率变换器的输出电压U_out总是高于电网电压U_grid。电压在功率变换器输出5处以输出电压U_out开始，在电网连接点6处降至电压U_con。从电网连接点6到电网3，电压进一步降至电网电压U_grid。由于与电网侧连接网络7相比，引线4通常具有较差的线路阻抗9，所以引线4上的电压降U′_drop通常比电网侧连接网络7上的电压降明显要重要得多，并因此贡献了功率变换器1的输出5与电网3之间电压降U_drop的大部分。因此，线路阻抗9还表示由线路阻抗9和电网侧线路阻抗10之和给出的阻抗的主要部分。尽管电压降在功率变换器1与电网3之间是分段线性的，但是电压降也可以依赖于系统而为非线性的。其还可以分布在多于两个分段线性子部分上，这是因为线路本身可以包括串联和/或并联连接的不同导体部分。

由于国家规定，电网连接点6处的电压U_con不应超过最大允许电网电压U_grid，max。该限制的目的在于避免公共网络中的电负载由于过电压而损坏。在德国，例如，额定电压为230V的低压网络的电压极限是超过额定电压10％，相应地U_grid，max＝253V。

在本发明的第一实施例中，功率变换器1的电压极限U_out，lim(t)依赖于负载电流I_load(t)进行适配。图3示出了根据本发明的操作方法的流程图31。

操作方法在步骤S1处进入包括步骤S1-S6的重复循环。在步骤S1中检查功率变换器1的运行情况。如果运行情况为TRUE，则功率变换器留在迭代循环中并继续步骤S2。否则，如果运行情况为FALSE，则其将继续步骤S7并停止或切断。当留在迭代循环中时，执行包括测量负载电流I_load(t)的步骤的后续步骤S2。该测量可以例如由功率变换器1的集成电流传感器来执行。在下一步骤S3中，电压校正值被确定为时间依赖的负载电流I_load(t)的函数。当线路阻抗9(Z)已知时，可以通过应用项U_drop(t)＝Z·I_load(t)(其中Z表示线路阻抗9)来确定负载电流依赖的电压降。接着，在随后的步骤S4中，通过对最大电网电压U_grid，max加上负载电流依赖的电压降U_drop(t)来调节电压极限U_out，lim：

U_out，lim(t)＝U_grid，max+Z·I_load(t)

还可能的是，阻抗Z依赖于负载电流I_load为非线性的。在该情况下，输出电压可以优选地适配成

U_out，lim(t)＝U_grid，max+Z(I_load)·I_load(t)，

其中考虑了阻抗的非线性。

在后续的步骤S5中，参考电压极限U_out，lim(t)对输出电压U_out(t)进行监测。如果输出电压U_out(t)超过电压极限U_out，lim(t)，则在步骤S6中调节负载电流I_load以使得在返回至步骤S1之前输出电压不超过电压极限U_out，lim(t)，否则直接执行步骤S1。

在根据本发明的优选实施例中，S6中的调节负载电流还可以包括切断或关断功率变换器，相应地将运行情况设定为FALSE。

图4示出了本发明的另一实施例的作为负载电流I_load函数的电压极限特性40。在图中以虚线描绘了功率变换器1的最大输出电压U_out，max42和电网电压极限41。未经缩放的电压极限特性43示出本发明的前述实施例的曲线，其中电压校正值被确定成使得其补偿所测量的线路阻抗，未经缩放的电压极限特性43具有等于线路阻抗9的梯度。在该情况下，对于接近额定负载电流I_nom的负载电流I_load，可能会超过功率变换器1的最大输出电压U_out，max42。

此外，可能不精确知晓线路阻抗9，或者仅知晓线路阻抗9和电网侧线路阻抗10之和(图1)。因此本发明的优选实施例提供对电压校正值的缩放，以使得对于直至额定负载电流I_nom的整个负载电流范围，功率变换器1的输出电压极限U_out，lim40不会超过功率变换器1的最大输出电压U_out，max42。

对于额定负载电流I_nom，可以通过确定最大校正值U_diff来计算缩放因子c，以使得达到最大输出电压或者完全补偿线路阻抗9。

由额定负载电流I_nom处的线路阻抗9引起的估计电压降和功率变换器1的最大输出电压U_out，max42与最大允许电网电压U_grid，max之间的差异之间的最小值来给出针对电压极限U_out，lim40的最大校正值U_diff。这样得到由最大校正值U_diff与由额定电流I_nom处的线路阻抗Z所引起的电压降Z·I_nom之间的比所定义的缩放因子c：

$c=\frac{U_{diff}}{Z\·I_{nom}}=\frac{min(Z\·I_{nom},U_{out,max}-U_{grid,max})}{Z\·I_{nom}}.$

假定功率变换器1的输出电压极限为282V，电网电压极限为253V，额定负载电流为100A，并且线路阻抗9为0.5Ω。然后，最大校正值U_diff等于29V，从而缩放因子c为0.58。然后，电压极限特性40由下述关系式定义：

U_out，lim(t)＝U_max，grid+c·Z·I_load(t)

在遇到由于安装不佳(例如由于功率变换器1到电网连接点的长距离所造成)所引起的过电压问题或者在连接线具有低剖面的情况下，优选激活调节电压极限的操作方法。但是，其也可以在功率变换器1安装期间激活。在另一实施例中，该功能在频繁(例如在24小时内多于一次)达到过电压后自动激活。

在本发明的又一实施例中，线路阻抗9通过由功率变换器注入AC测试电流来识别。

图5示出了本发明的优选实施例的典型负载电流曲线50，其中三个连续的测试电流由功率变换器1以1秒的等间隔的时间间隔注入到电网3中。

图6示出了对应的输出电压信号曲线60。

当将测试电流馈送到电网中时，功率变换器1的输出电压U_out发生变化。通过比较针对不同测试电流的功率变换器1的输出电压U_out，可以估计功率变换器1和电网3之间的总阻抗，相应地线路阻抗9和电网侧线路阻抗10之和(图1)。在大多数情况下，电网线路阻抗10仅向所测量的电压降贡献小部分，相应地少于10％。在该情况下由电网侧线路阻抗10所导致的电压降可被忽略。否则电网侧线路阻抗10的电压降的贡献可以通过前述的缩放因子c来考虑。

在开始测量前，在时间间隔-2s＜t＜-1s中，负载电流I_load在10到11A的范围内变化。除其他之外，负载电流I_load的变化是由于功率变换器1的输入8处的供应的功率的改变，例如在太阳能电池连接至功率变换器1的情况下由于太阳强度改变，或者在风力涡轮机连接至功率变换器1的情况下由于风速变化。随着测试序列的开始，在测量的开始点51处在t＝-1s处对功率变换器1的负载电流I_load进行测量，其在该示例中为10A。后续测量的测量时间应当足够长，从而允许准确确定负载电流I_load和/或输出电压U_out的RMS值，因此，测量时间应当为至少一个信号周期。公共网络通常具有50和60Hz之间的公用频率，以使得用于针对每个测试电流测量输出电压U_out的最小测量时间应当大于16ms。

然后，在t＝-1s处对负载电流I_load测量后，切断负载电流，相应地在另一秒之后在t＝0s处生成等于零的测试电流I_test以便测量第一开路电压63，相应地第一电网电压U_grid，1。一秒的时间间隔充分长以便允许负载电流I_load稳定在0A并且测量第一开路电压63、相应地第一电网电压U_grid，1(在我们的示例中，为240V)(图6)。之后，由功率变换器1施加、相应地生成测试电流I_test，load。测试电流I_test，load应该尽可能高以获得可靠的测量数据，但是不要太接近额定负载电流I_nom，这是因为在测量间隔期间电流必须保持恒定，这在额定负载电流I_nom处不保证。测试电流I_test，load应当至少为额定负载电流电平的30％，但不超过测量前的负载电流I_load的85％。在本示例中我们选择测量开始时的负载电流的80％的测试电流，相应地测试电流I_test，load被设定为8A。再次选择1s的时间间隔，以使得测试电流具有充分的时间来稳定。对应的测试负载输出电压64在t＝1s处被测量，其在我们的示例中为U_test，load＝247.5V(图6)。

然后，电流被关断、相应地被设定为0A，并且在另一秒后在t＝2s处，第二开路电压65、相应地第二电网电压U_grid，2被测量(243V)。一方面，这两个测量值允许计算电网电压U_grid61的算术平均值(图6，U_grid＝241.5V)。另一方面，可能的是，通过考虑电网电压值的变化(为了精确测量，其必须很小)来对测量进行验证。参考额定电网电压，两个测量值之间的变化应当小于0.5％。在图6中描绘了整个测量间隔上的电网电压曲线62的变化。此外，还应当核实测试负载输出电压64(U_test，load)是否比电网电压U_grid61高，例如高1％。由线路阻抗引起的最大电压降U_drop，max可以通过取得测试负载输出电压U_test，load63和电网电压U_grid的算术平均值之间的差异并将其缩放至额定电流I_nom来计算：

$U_{drop,\max }=(U_{test,load}-U_{grid})\frac{I_{nom}}{I_{test,load}}$

如果在测量期间电网电压U_grid受到线性漂移，则该漂移对确切确定最大电压降U_drop，max并且因此对确定线路阻抗9和电网侧线路阻抗10之和没有不利影响，这是因为测量间的时间间隔是相等的。

在本发明的进一步的实施例中，操作方法包括根据图7的根据功率变换器1的输出电压U_out的负载电流I_load的限制特性70，负载电流I_load以额定负载电流I_nom的百分比来表示。限制特性70定义了根据输出电压U_out的负载电流I_load的极限。限制根据输出电压U_out的负载电流I_load还具有对根据其输出电压U_out限制功率变换器1的输出功率的影响。该功能允许控制根据输出电压U_out的负载电流I_out，以使得其防止使输出电压U_out由于线路阻抗9和电网侧线路阻抗10而超过电压极限U_out，lim并防止功率变换器关断或切断。因此，其也防止电网连接点6处的电压U_con超过最大电网电压U_grid，max。直到第一电压电平71(U_100％)，负载电流I_load受到额定负载电流I_nom限制。第一和第二电压电平U_100％和U_0％之间的相邻部分是线性的，具有恒定的负梯度73。其在第一电压电平71(U_100％)处以等于额定负载电流I_nom的负载电流I_load开始，并在第二电压电平72(U_0％)处以等于0A的负载电流I_load结束。同样在第二电压电平72(U_0％)以上，负载电流I_load被限制为0A。第一电压电平71(U_100％)应当在额定电网电压U_grid以上(例如在欧洲中在230V以上)，并且在功率变换器1的最大输出电压U_out，max(例如282V)以下。在该实施例中，梯度73是恒定的，但是根据本发明，该限制特性还可以在第一电压电平71(U_100％)和第二电压电平72(U_0％)之间是非线性的。

当输出电压在第二电压电平72(U_0％)以上时，负载电流(I_load)减少至0A。在该情况下，功率变换器1不切断并且可以在输出电压U_out降到第二电压电平72(U_0％)以下时重新连接。

图8示出了本发明的说明性数值示例，其中第一电压电平71处于U_100％＝240V，并且第二电压电平72处于U_0％＝260V。这些值可以由用户设定并存储在功率变换器的存储器中。除了电流限制特性70之外，功率变换器1的输出电压U_out到负载电流I_load特性81已在图中用虚线描绘出，其表示功率变换器1的输出电压U_out和由功率变换器与电网之间的线路阻抗引起的负载电流I_load之间的相关性。对于无负载情况相应地对于I_out＝0A，输出电压U_out等于电网电压U_grid，在该示例中为235V。针对额定负载电流I_nom的输出电压U_out，nom等于251V。

当使得负载电流I_load减小时并且在减小根据输出电压U_out的负载电流I_load的操作方法是稳定的假设之下，负载电流I_load和输出电压U_out将朝向稳态点82会聚，所述稳态点82由电流限制特性70和输出电压U_out到负载电流I_load特性81之间的交点所定义，稳态点具有坐标(U_limit；I_limit/I_nom)。

在可能的实施例中，输出电压U_out到负载电流I_load特性81是已知的，相应地电网电压U_grid和/或梯度73、具有坐标(U_limit；I_limit/I_nom)的稳态点82可以通过执行下述计算的步骤来直接确定：

$U_{\lim it}=\frac{U_{0\%}\·(U_{out,nom}-U_{grid})+U_{grid}\·(U_{0\%}-U_{100\%})}{U_{out,nom}-U_{grid}+U_{0\%}-U_{100\%}};\frac{I_{\lim it}}{I_{nom}}=(1-\frac{U_{\lim it}-U_{100\%}}{U_{0\%}-U_{100\%}})$

通常电网电压不是已知的，而使得不能直接计算稳态点82，但是必须分步近似。

将在下文讨论当激活负载电流减小、相应地功率减小功能时提供稳态点82的分步近似的不同实施例。

在本发明的一个实施例中，负载电流参考值针对每一步骤直接采用为对应于实际输出电压U_out的电流限制特性70的值(图9)。

图9示出功率变换器的负载电流I_load和对应的输出电压U_out的相空间图，以图示该操作模式的实施例。在图中，针对调节负载电流的不同步骤绘出了负载电流I_load和输出电压U_out的转变。当功率变换器1将等于额定负载电流I_nom的100％的负载电流I_load馈送到电网中时激活功率减小功能，输出电压为251V。针对该输出电压U_out的对应的负载电流极限I_load，lim为额定负载电流I_nom的45％。因此，生成等于额定负载电流I_nom的45％的负载电流参考值I_load，ref，从而导致变换器将使负载电流I_load减少至额定负载电流I_nom的45％，如图9中所示(第一转变90)。将负载电流减少至45％使输出电压U_out减少至约245V(第二转变91)。对应于输出电压U_out＝245V的根据电流限制特性70的对应负载电流极限I_load，lim为约87％。因此负载电流参考值I_load，ref将被设为额定负载电流I_nom的87％(第三转变92)。在下面的步骤中，负载电流和输出电压U_out将朝向具有值I_limit＝69.45A和U_limit＝246.11V的稳态点82会聚。

图10示出了负载电流I_load的瞬时响应100，其对应于图9的相空间图中设计的负载电流转变。如可以看出的，电流围绕稳态点82(图9)振荡，同时缓慢会聚于稳态电流I_limit，其电平(level)由虚线101指示。该行为很大程度上依赖于负载电流限制特性70的梯度，并且如果限制特性70的梯度73增大，则该算法遭受变得不稳定。

在另一实施例中，对照于在先的示例，生成中间负载电流参考值。开始于具有等于额定负载电流I_nom的负载电流I_load和251V的输出电压U_out的与在先的示例中相同的初始情况，针对第一步骤的对应的负载电流极限I_load，lim再次为45％。对照于在先实施例，我们不直接将负载电流参考值I_load，ref降低至额定负载电流I_nom的45％，但是我们将负载电流参考值I_load，ref设定为对应于实际电压输出U_out的负载电流极限I_load，lim与实际负载电流I_load之间的中间值。在该实施例中，我们通过经由使用加权平均函数计算新的电流参考值来获得负载电流参考值I_load，ref的中间值，针对步骤n的负载电流参考值I_load，ref可以例如被计算为：

$I_{load,ref}\left(n\right)=\frac{1\·I_{load}\left(n\right)+2\·I_{load,\lim }\left(U_{load}\right(n))}{3}$

图11示出了对于不同步骤的具有负载电流I_load和输出电压U_out的转变的对应相空间图。在第一步骤中，负载电流参考值I_load，ref将减少至额定负载电流I_nom的约82％(转变110)，从而导致约248V的输出电压U_out(转变111)。对于该输出电压U_out，对应的负载电流极限I_load，lim为额定负载电流I_nom的60％。实际负载电流I_load为额定负载电流I_nom的82％，新的负载电流参考值I_load，ref将为额定负载电流I_nom的74％(转变112)。减小的负载电流I_nom导致输出电压U_out进一步减小至约247V(转变113)，其已经靠近具有值I_limit＝69.45A和U_limit＝246.11V的稳态点82。

图12示出负载电流I_load的瞬时响应120，其对应于图11的相空间图中设计的负载电流I_load转变。如可以看出的，负载电流I_load在无过冲的情况下会聚于稳态点82，稳态负载电流I_limit由虚线101指示。该行为很大程度上依赖于负载电流限制特性70的梯度73，并且如果该梯度增大，则该算法经受变得不稳定。

在本发明的进一步改进的实施例中，通过下式计算中间负载电流参考值：

$I_{load,ref}=(1-\frac{U_{out}\·I_{nom}-U_{100\%}\·I_{load}}{U_{out}\·I_{nom}+(U_{0\%}-U_{100\%})\·I_{load}})\·I_{nom}$

该等式在通过假定电网电压U_grid等于0V来计算电流限制特性70和负载电流特性的交点(并因此稳态点82)时获得。图13示出了负载电流I_load的瞬时曲线130。负载电流I_load缓慢并且在无过冲的情况下朝向其稳态值(I_limit)会聚，这由虚线101指示。该实施例的优点在于，其独立于所选电流限制特性70并独立于给定的输出电压U_out到负载电流I_load特性81而是稳定的。

图14示出本发明的另一实施例。在该实施例中，第一和第二电压电平依赖于负载电流相应地随着负载电流依赖的电压极限U_out，lim而变动。虚线示出负载电流特性81，其表示功率变换器1的输出电压U_out与负载电流I_load之间的依赖性。图14进一步示出了针对两个不同负载电流的限制特性。实线示出了针对是额定电流I_nom的100％的负载电流I_load的限制特性70a，而虚线示出了针对是额定电流I_nom的50％的负载电流的限制特性70b。限制特性70a、70b根据负载电流I_load而变动，相应地其第一电压电平71a、71b(U_100％，U′_100％)以及其第二电压电平72a、72b(U_0％，U′_0％)依赖于电压极限U_out，lim而变动。在该示例中，第一电压电平U_100％被选择为使其在最大允许电网电压U_max，grid处与额定电流I_nom处的逆变器的输出电压U_out，nom一致。具有针对额定负载电流I_nom的限制特性的负载电流特性的交点82a具有坐标(U_100％(I_nom)；I_nom/I_nom)。第二电压极限72a被选择为使得该电压限制特性的梯度73比负载电流I_load特性81的梯度陡。这样，当电网电压U_grid增大超过最大允许电网电压U_max，grid的情况下，负载电流I_load将降低得更快，从而防止过电压和功率逆变器1的切断。负载电流将降低得足够快，以使得由降低的负载电流I_load所引起的输出电压U_out的降低将大于同样与负载电流I_load有联系的电压极限U_out，lim的降低。

随着负载电流I_load的减小/增大，第一和第二电压电平朝向较低/较高的电压变动。在图14的示例中，这两个电压电平均变动相同的量ΔU，以使得在负载电流I_load为0A处，第二电压电平U_0％与最大允许电网电压U_grid，max一致：

$\mathrm{\Δ}U=(U_{out,max}-U_{grid,max})\·\frac{I_{load}}{I_{nom}}$

在本示例中，当使负载电流减小至额定负载电流I_nom的50％时，第一电压电平U_100％从第一电压电平71a变动-13.5V到另一第一电压电平71b。类似地，第二电压电平U_0％从第二电压电平72a变动-13.5V到另一第二电压电平72b。

具有坐标(273V；100％)的针对额定负载电流I_nom的交点82a移至具有坐标(263V；50％)的新交点82b。随着负载电流增大，第一和第二电压电平将朝向更高的电压移动。

图15示意性地示出了根据本发明的功率变换器1，其将三相负载电流I_load馈送到电网3中。在该实施例中，功率变换器1由DC电压源12馈电，例如为光伏系统，其连接至功率变换器1的输入8。功率变换器1将三相负载电流I_load输出到电网3中，负载电流I_load为AC电流。负载电流I_load在其中馈入到电网中的线路可以被分为两个部分：将功率变换器1的输出5连接至电网连接点6的专用三极引线4、以及将电网连接点6连接至电网3的电网侧连接网络7。三极引线的线路阻抗可以由集中三相线路阻抗9表示，电网侧连接网络7的线路阻抗由集中三相电网侧线路阻抗10表示。

功率变换器1包括使用六个高速开关(典型为IGBT或MOSFET)实施的三相桥140，其连接至功率变换器的输入8。这些开关是脉宽调制(PWM)的，以经由滤波模块144将负载电流I_load施加到电网3中。功率变换器进一步包括电流控制器141，其控制开关将电流施加到电网3中。电流控制器141连接至三个负载电流传感器142(优选为霍尔效应传感器)，其每个对在电网连接点6处将功率变换器1连接至电网的三个相位之一的负载电流I_load进行测量。电流控制器还连接至三个输出电压传感器143，其每个连接在三相引线4的两相之间。电流控制器141优选包括对三相桥140的开关进行控制的微控制器。

总之，应当注意本发明创建了一种用于操作将负载电流馈送到电网中的功率变换器的方法，其使得能够补偿电网与功率变换器的输出之间的线路阻抗的影响。通过针对负载电流调节电压极限，其允许有效使用变换器的可用输出功率，而避免额外的硬件成本。

还应当注意，通过根据输出电压的负载电流减小，一种操作方法被提供。其允许功率变换器的连续操作，即使是在以接近例如最大输出电压或电压极限的最大极限的输出电压进行操作时。通过防止功率变换器将切断并且必须重新连接至电网，功率变换器可以更可靠且更高效地工作。

Claims (14)

1.一种用于操作功率变换器(1)的方法，该功率变换器(1)优选为太阳能逆变器，其用于将负载电流(I_load)馈送到电网(3)中，该方法包括如下的步骤：

a)确定负载电流(I_load)，

b)监测功率变换器(1)的输出电压(U_out)，

c)控制负载电流(I_load)，以避免输出电压(U_out)超过电压极限(U_out，lim)，

其特征在于如下的步骤：

d)依赖于负载电流(I_load)来调节电压极限(U_out，lim)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中调节电压极限(U_out，lim)包括如下的步骤：

a)确定电压校正值，

b)对电网电压极限(U_grid，max)加上电压校正值。

3.根据权利要求2所述的方法，其中电压校正值通过估计由功率变换器(1)与电网(3)之间的线路的线路阻抗所引起的电压降(U_drop)来确定。

4.根据权利要求3所述的方法，其中估计电压降(U_drop)包括如下的步骤：

a)将测试电流注入到线路(4)中以及

b)针对每个测试电流测量功率变换器(1)的输出电压(U_out)，

c)识别功率变换器(1)与电网(3)之间的线路的线路阻抗。

5.根据权利要求4所述的方法，其中电压降(U_drop)被估计为依赖于负载电流(I_load)为线性的。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于至少一个测试电流为零。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于以等间隔的时间间隔注入三个连续的测试电流的步骤，

a)第一测试电流为零，

b)第二测试电流为测试前的负载电流I_load的60％到95％之间，优选为测试前的负载电流I_load的75％和85％之间，

c)第三测试电流为零，

d)测试电流之间的时间间隔被选择为在10ms到2500ms的范围内，优选为在100ms和500ms之间。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的方法，其中对电压校正值进行缩放以使得输出电压U_out不超过功率变换器(1)的最大输出电压(U_out，max)。

9.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其中控制负载电流(I_load)包括依赖于输出电压(U_out)定义负载电流(I_load)的限制特性(70)的步骤，所述限制特性

a)在第一输出电压电平(U_100％)以下等于额定负载电流(I_nom)，

b)在第一输出电压电平(U_100％)和第二输出电压电平(U_0％)之间具有负梯度(73)，

c)覆盖零和额定负载电流(I_nom)之间的负载电流值范围，

d)在第二输出电压电平(U_0％)以上为零，

e)其中第一输出电压电平(U_100％)小于第二输出电压电平(U_0％)，

f)第二输出电压电平(U_0％)等于或小于最大输出电压(U_out，max)。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于第一输出电压电平(U_100％)和第二输出电压电平(U_0％)之间的限制特性(70)被选择成是线性的。

11.根据权利要求10所述的方法，其中控制负载电流(I_load)包括分步调节负载电流(I_load)以通过生成中间负载电流参考值来满足限制特性(70)的步骤。

12.根据权利要求11所述的方法，其中中间负载电流参考值I_loed，ref通过下述公式确定：

$I_{load,ref}=(1-\frac{U_{out}\·I_{nom}-U_{100\%}\·I_{load}}{U_{out}\·I_{nom}+(U_{0\%}-U_{100\%})\·I_{load}})\·I_{nom},$

U_0％为第一输出电压电平，U_100％为第二输出电压电平，I_load为实际负载电流，U_out为实际输出电压，以及I_nom为功率变换器(1)的额定负载电流。

13.根据权利要求11至12中任一项所述的方法，其中第一电压电平(U_{100 ％})和第二电压电平(U_0％)依赖于电压极限(U_out，lim)来适配。

14.一种用于连接至电网(3)的功率变换器(1)，其优选为太阳能功率变换器，包括：负载电流传感器(142)、输出电压传感器(143)和负载电流控制器(141)，所述负载电流控制器(141)用于根据权利要求1-13中任一项来执行依赖于负载电流(I_load)调节电压极限(U_out，lim)的步骤。