CN106961208A - 包括用于浪涌电流保护的控制装置的dc/ac转换器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种包括用于浪涌电流保护的控制装置的DC/AC转换器。DC/AC转换器包括在不需要附加的外部装置或不需要使DC/AC转换器强制关停的紧急操作模式的情况下在操作期间管理浪涌电流瞬变的新控制装置和方法。本发明具体地但不排他地针对由于电网中的扰动而常常遭受浪涌电流现象的并网DC/AC转换器。

Description

包括用于浪涌电流保护的控制装置的DC/AC转换器
技术领域
本发明涉及DC/AC转换设备及包括这样的DC/AC转换设备的电力转换和发电系统。具体地但不排他地，本发明涉及由光伏系统产生的并且适于直接连接至电力网的电力的DC/AC转换系统。
背景技术
本发明涉及在由于电网中的扰乱而存在突然的不可预知的浪涌电流时并网DC/AC转换器的控制。浪涌电流现象会在DC/AC转换器中产生大的电流峰值，这可能会使DC/AC转换器跳入到过电流保护模式中，从而中断电力传输。因此，浪涌电流现象的恰当处理对于可靠的电力传输是至关重要。浪涌电流的改进处理还可以降低DC/AC转换器的制造成本，这是因为将电流保持在较低的电平使得能够采用具有较低额定电流的半导体部件，因此不太昂贵。
在可再生能源发电系统中，电力常常是DC，如在例如光伏(PV)电场中，或者变频AC，如在例如风电场中。在这样的系统中，需要并网DC/AC转换器以将电力馈送至AC分配电网，因此所述DC/AC转换器的恰当控制对于实现不中断的电力传输是至关重要的。
浪涌电流现象代表威胁，并且对DC/AC转换器的不中断操作形成重大挑战。浪涌电流主要是由电网侧上突然的电压凹陷引起的，这使得DC/AC转换器中的电感电流增大。所述电网侧电压凹陷可能是由于电网故障，或者其可能是由电网装置例如补偿电容器组的开关引起的。这样的电容器组常常用于PV电场中以符合系统操作员的综合能力要求。浪涌电流现象在发展中国家和新兴市场中更常见，其特征在于常常由可再生能源电场来供应较弱的电网网络。
浪涌电流可以在开关装置中产生过电流，过电流将最可能使DC/AC转换器跳闸。因此，控制系统能够将DC/AC转换器的电流保持在最大容忍值以下以保障不中断的电力传输是非常重要的。此外，改进的控制性能可以增强在常常导致DC/AC转换器中的过电流的电网故障期间的性能。如果可以保障电流保持在较低的阙值以下，则可以采用不太昂贵的半导体来实施转换器开关，从而降低DC/AC转换器的整体制造成本。
在现有的系统中，并网DC/AC转换器中的浪涌电流的减小常常利用插入在电网与DC/AC转换器之间的附加装置来实现。例如，美国专利号8804383公开了用于并网DC/AC转换器的启动器及相关的控制方法。所述启动器包括控制器以及并联连接的第一开关和第一电阻器。控制器检测来自DC/AC转换器的DC电压信号，并且当DC电压超过预定的电压阙值时，接通第一开关，从而对限流电阻器进行分流。
本领域中已知的其他系统通过重载DC/AC转换器的主开关的控制并且进入紧急操作模式来管理以控制浪涌电流，该紧急操作模式通过程序使DC/AC转换器强制关停并且在紧急状况结束之后重启，所述程序一般要求DC/AC转换器在相当长的时间完全或部分不活动。
发明内容
因此，本发明的目的是介绍一种用于DC/AC转换器的新控制装置和方法，该DC/AC转换器适于以快速可靠的方式来管理操作期间的浪涌电流，而不需要附加的外部装置或使DC/AC转换器紧急关停的紧急操作模式。本发明具体地但不排他地针对由于电网中的扰动而常常遭受浪涌电流现象的并网DC/AC转换器。
本发明的另一目的是介绍一种包括所述新控制装置和方法的新DC/AC转换器，具体地但不排他地介绍新并网DC/AC转换器。
附图说明
本发明的另外的特征和优点将在下面参照附图中的图的非限制性实施例的描述中变得明显，所述附图是示意性的并且示出了功能框，所述功能框适于利用根据实践中的不同电路方案的硬件结构或者利用例如编码在固件中并且由合适的数字信号处理器(DSP)执行的软件结构来实施。详细地：
图1例示了根据本发明的DC/AC转换设备的优选实施例的示意图。
具体实施方式
参照附图1，例示了根据本发明的设备的优选实施例的框图，包括：
DC/AC转换器20，所述DC/AC转换器20适于将DC电压源——优选地，包括可再生DC电压源——的电压转换成AC电压以供给负载和传输至公用电网21；
滤波器19，所述滤波器19插入在所述DC/AC转换器20的输出端与所述电网21之间，并且适于从所述AC电压中去除高频纹波；
控制器12，所述控制器12适于管理和调节所述DC/AC转换器的操作，所述控制器12优选地与用户接口相关联。
所述DC/AC转换器20可以包括单级或双极DC/AC转换器。
单级DC/AC转换器包括适于将来自所述DC电压源的DC电压转换成AC电压的逆变器，该AC电压适于被传输至公用电网21，并且供给定位有DC/AC转换器的微电网内的AC负载。
双级DC/AC转换器包括DC/DC转换器11和级联型逆变器13。包括斩波转换器16的另一个框可以作为所述DC/DC转换器11与所述逆变器13之间的DC链路电压的“制动器(brake)”而存在，并且适于将会导致危险高压的可能的电力过剩耗散在DC链路电容器组的两端以及耗散至下游的逆变器13。所述斩波转换器16通常是闲置的，并且在DC输入电压比DC链路电压大预定量时、在转换器故障的情况下或者在危险瞬变的情况下进行操作。
DC/DC转换器11适于增强和/或调节来自DC电压源14的DC电压以使其更稳定，并且在光伏电源的情况下，优选地采用根据本领域公知技术的合适的MPPT(最大功率点跟踪)算法来优化来自可再生DC电压源的电力传输。
级联型逆变器13适于将来自所述上游DC/DC转换器11的DC电压转换成AC电压，该AC电压适于被传输至公用电网21或者供给定位有DC/AC转换器的微电网内的AC负载。
根据本发明的DC/AC转换器的控制器12包括混合电流控制器并且意在检测浪涌电流的存在。所述控制器12可以有利地利用硬件或编码在固件中的并且由合适的处理单元例如数字信号处理器(DSP)执行的软件结构来实施。
如果检测到浪涌电流，则根据本发明的DC/AC转换器的电流的控制从初级电流控制器转移至次级瞬变电流控制器，该次级瞬变电流控制器在相对于瞬变之前的电流基准IRef减小的电流基准IRef的情况下启动工作，所述次级控制器优选地比所述初级控制器更快，并且适于在非常短的时间内接管电流控制以处理快且短的瞬变。在瞬变的早期阶段减小电流基准IRef增大了距电流极限的距离，从而改善了瞬变控制动作的有效性并且避免了DC/AC转换器跳入过电流保护模式的风险。在瞬变结束之后，控制转移回初级控制器。
因此，在根据本发明的DC/AC转换器的优选实施例中，所述控制器12包括：
电压控制器17；
初级电流控制器15，其在正常操作条件下是活动的；
次级电流控制器或瞬变电流控制器18，其在浪涌电流情形下是活动的，所述初级控制器15和所述次级控制器18彼此独立；
用于检测浪涌瞬变的存在的装置；
用于在检测到浪涌瞬变之后在所述初级电流控制器15与所述次级电流控制器或瞬变电流控制器18之间转移控制的装置。
所述控制器12优选地实施双调节回路、内输出电流调节回路和外输入电压调节回路。所述外电压回路适于基于可用的输入DC电压的电平来为所述内输出电流调节回路提供电流基准值IRef，所述内电流回路适于调节注入电网21的电流，并且因此对由转换器输出的电力品质负责。
通常，采用比例积分(PI)调节器来实现电压跟踪。电流控制可以采用本领域已知的若干控制方法：比例积分控制(PI)、比例谐振控制(PR)、无差拍(DB)控制、线性二次型控制(LQR)、基于滞后的控制等，并且可以根据本领域公知的技术来在旋转或静止参考系中进行。
输出电流调节回路基于所述初级电流控制器15和所述次级电流控制器18，二者均适于感测DC/AC转换设备的输出AC电流IOut并且根据所感测的电流来控制所述逆变器13的瞬时输出电流的生成。控制逆变器13的瞬时输出电流的生成以使得输出AC电流遵循基准电流IRef。
输入电压调节回路基于电压控制器17，该电压控制器17适于感测DC链路电压VDC(所述逆变器13的输入电压和所述DC/DC转换器11的输出电压)并且控制与所感测的电流IOut进行比较的基准电流IRef的生成。输入电压调节回路还可以适于使输入电压与基准点VRef匹配。
用于检测浪涌瞬变的存在的装置优选地包括传感器23，该传感器23适于测量与DC/AC转换器的AC侧上的滤波器19相关联的电压的变化率。也可以采用检测正在发生的浪涌瞬变的其他方式。与滤波器19相关联的电压的变化率的感测和测量在其他中是优选的，因为其是可靠的——尽管其基于对逆变器侧电流的读取，该电流受开关纹波影响——并且似乎不太容易由于电磁噪声而出现误差。优选地，根据本发明，所感测的与滤波器19相关联的电压是滤波器19的分流支路两端的电压。因此在LC或LCL型滤波器的情况下，所感测的滤波电压是电容器C两端的电压。
当利用软件结构来实施控制器12时，与逆变器AC侧上的滤波器19相关联的电压的导数以及因此与滤波器19相关联的电压的变化率可以通过下面的对三相系统有效的差分方程来估计：
Δp[k]＝1/Ts·max{|vrs[k]–vrs[k-1]|,|vst[k]–vst[k-1]|,|vtr[k]–vtr[k-1]|}
其中vrs、vst和vtr是相间逆变器滤波器电压，并且其中Ts是测量所述相间逆变器滤波器电压的采样时间。
当存在浪涌瞬变时，相应的浪涌电流使与滤波器19相关联的电压的变化率也变化，使得对于相r、s和t中的任何一个相，Δp[k]均超过预定阙值，从而确定浪涌瞬变紧急状况的存在，并且激活用于在所述初级电流控制器15与所述次级电流控制器18之间进行切换的装置。因此，当检测到浪涌瞬变时，DC/AC转换器电流的控制从所述初级电流控制器15转移至所述次级电流控制器18，并且立即减小电流基准IRef的幅值。
当检测到浪涌瞬变时，用于在所述初级电流控制器15与所述次级电流控制器18之间转移控制的装置可以包括与所述初级控制器15和所述次级控制器18相关联的开关模块22，所述开关模块22由用于检测浪涌瞬变的存在的装置的输出信号来控制。
在正常操作期间，所述开关模块22例如将启用所述初级控制器15并且禁用所述次级控制器18。当检测到浪涌瞬变时，所述开关模块22例如将禁用所述初级控制器15并且启用所述次级控制器18，从而使得根据本发明的DC/AC转换设备能够进入紧急操作模式。所述开关模块22可以利用与所述初级控制器15和所述次级控制器18相关联的一个或更多个受控开关来实施，并且适于将所述初级控制器15和所述次级控制器18与所述控制器12的输出电流调节回路连接和断开。
在已经检测到浪涌瞬变并且DC/AC转换设备进入紧急操作模式之后，所述次级控制器18开始在新电流基准值的情况下进行操作，该新电流基准值低于所述初控制器15在浪涌瞬变之前的正常操作期间所采用的基准。可以根据公用事业或电网21的需求或任何其他需要来任意地选择新电流基准值。
强制较低的电流基准值导致所述外输入电压调节回路的初始饱和，并且因此在双级转换器的情况下，转换器将立刻操作而不实现MPPT。
在紧急操作模式下的预定时间T1之后，DC/AC转换器的控制转移回正常操作模式，所述次级控制器18被禁用，并且所述初级控制器15被重新启用。优选地，在某过渡时间T2期间以连续的方式来进行所述初级控制器15与所述次级控制器18之间的过渡。当紧急操作模式结束时，过渡操作模式开始，其中，输出电流调节回路的控制被选为所述次级控制器18和所述初级控制器15的组合以确保平滑过渡。为了该目的，可以采用时间相关的加权因子，将所述输出电流调节回路的控制函数u(t)用公式表示为初级控制器输出和次级控制器输出的加权和。因此，所述紧急操作模式延伸通过任意选择的时间间隔T1+T2。作为示例，在所述时间间隔T2期间，所述输出电流调节回路的控制函数u(t)可以被表示为：
u(t)＝λ(t)u2(t)+(1-λ(t))u1(t)，
其中，λ(t)是初始值为1且最终值为0的时间的线性函数，u1(t)是当仅启用所述初级控制器15时所述输出电流调节回路的控制函数，以及u2(t)是当仅启用所述次级控制器18时所述输出电流调节回路的控制函数。
可以根据公用事业或电网21的需求或任何其他需要来选择其他的过渡策略。
可以以若干已知的方式来实施所述输出电流调节回路的控制：比例积分控制(PI)、比例谐振控制(PR)、无差拍控制(DB)、线性二次型控制(LQR)、基于滞后的控制等。一般，至少对于该类型的应用，DB和LQR控制被认为是使得能够实施更快的调节回路。
作为非限制性的示例，所述初级控制器15可以利用比例积分控制来实施，并且所述次级控制器18可以利用更快的线性二次型控制来实施。
根据本发明的不同实施例，可以使用对称调制或非对称调制来操作所述逆变器13的开关。在对称调制中，控制器的输出是分段常数阶梯函数，其中每个阶梯的长度为1/fPWM，其中fPWM是PWM的开关频率。因此，调制器的脉冲以开关间隔为中心。
在非对称调制中，控制器的输出是分段常数阶梯函数，其中每个阶梯的长度为1/2fPWM。因此，调制器的脉冲不需要以开关间隔为中心。由于在非对称PWM中，控制器在相对于对称PWM两倍的频率下进行操作，因此非对称PWM具有更小的延迟并且可以对扰动更快地反应。特别地，非对称PWM可以减小在浪涌现象发生时出现的电流峰值。因此，当需要更快的性能时，非对称PWM是优选的。
根据本发明的DC/AC转换器以及相关联的控制方法适于在不关断逆变器的情况下管理浪涌瞬变。该特征带来的极大优点是：电力传输至电网不再遭受中断。
此外，根据本发明的DC/AC转换器以及相关联的控制方法使得浪涌瞬变的管理在某种程度上能够在浪涌瞬变期间最小化传输至电网的输出电力的暂时减小。所述输出电力的暂时减小由现有的瓦特表将几乎不能够检测到，所述现有的瓦特表通常依赖于在完整的基本周期内的电流和电压的RMS值的测量。

Claims (15)

1.一种用于将DC输入电压转换成AC电压的设备，包括：
DC/AC转换器(20)，所述DC/AC转换器(20)适于将DC电压源(17)的电压转换成AC电压以供给负载和传输至公用电网(21)；
滤波器(19)，所述滤波器19插入在所述DC/AC转换器(20)的输出端与所述电网(21)之间，并且适于从所述AC电压中去除高频纹波；
控制器(12)，所述控制器(12)适于管理和调节所述DC/AC转换器(20)的操作，所述控制器(12)包括电压控制器(17)和电流控制器，所述电压控制器适于基于可用的输入DC电压的电平来为所述电流控制器提供电流基准值(IRef)，所述电流控制器适于调节注入到所述电网(21)中的电流，特征在于，
所述电流控制器包括初级电流控制器(15)和次级电流控制器(18)，以及
所述控制器(12)还包括：
用于检测所述DC/AC转换器(20)的输出端上的浪涌电流的存在的装置；
用于在检测到浪涌瞬变之后在所述初级电流控制器(15)与所述次级电流控制器(18)之间转移控制的装置，所述次级电流控制器(18)在相对于瞬变之前的所述初级电流控制器(15)的电流基准(IRef)减小的电流基准(IRef)的情况下工作。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述用于检测所述DC/AC转换器(20)的输出端上的浪涌电流的存在的装置包括传感器(23)，所述传感器(23)适于测量与所述滤波器(19)相关联的电压的变化率。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述与所述滤波器(19)相关联的电压是所述滤波器(19)的分流支路两端的电压。
4.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的设备，其特征在于，所述用于在检测到浪涌瞬变之后在所述初级电流控制器(15)与所述次级电流控制器(18)之间转移控制的装置包括开关模块(22)，所述开关模块(22)由所述用于检测所述DC/AC转换器(20)的输出端上的浪涌电流的存在的装置的输出信号来控制，所述开关模块(22)适于：
在正常操作模式期间，启用所述初级控制器(15)并且禁用所述次级控制器(18)；以及
在检测到所述DC/AC转换器(20)的输出端上的浪涌电流之后，禁用所述初级控制器(15)并且启用所述次级控制器(18)，从而使得所述DC/AC转换器(20)能够进入紧急操作模式。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述开关模块(22)还适于：
在紧随所述紧急操作模式的过渡操作模式期间，逐渐启用所述初级控制器(15)并且逐渐禁用所述次级控制器(18)，其中，输出电流调节回路的控制被选为所述次级控制器(18)和所述初级控制器(15)的组合。
6.根据权利要求4至5中的一项或更多项所述的设备，其特征在于，所述开关模块(22)包括一个或更多个受控开关，所述一个或更多个受控开关与所述初级控制器(15)和所述次级控制器(18)相关联，并且适于根据所述用于检测所述DC/AC转换器(20)的输出端上的浪涌电流的存在的装置的输出信号的状态来启用和禁用所述初级控制器(15)和所述次级控制器(18)。
7.一种用于DC/AC转换器(20)的控制器(12)，所述控制器(12)适于在浪涌电流瞬变期间管理和调节所述DC/AC转换器(20)的操作，所述控制器(12)包括电压控制器(17)和电流控制器，所述电压控制器适于基于可用的输入DC电压的电平来为所述电流控制器提供电流基准值(IRef)，所述电流控制器适于通过所述DC/AC转换器(20)来调节注入到所述电网(21)中的电流，特征在于，
所述电流控制器包括初级电流控制器(15)和次级电流控制器(18)，以及
所述控制器(12)还包括：
用于检测所述DC/AC转换器(20)的输出端上的浪涌电流的存在的装置；
用于在检测到浪涌瞬变之后在所述初级电流控制器(15)与所述次级电流控制器(18)之间转移控制的装置，所述次级电流控制器(18)在相对于瞬变之前的所述初级电流控制器(15)的电流基准(IRef)减小的电流基准(IRef)的情况下工作。
8.根据权利要求7所述的控制器，其特征在于，所述用于检测所述DC/AC转换器(20)的输出端上的浪涌电流的存在的装置包括传感器(23)，所述传感器(23)适于测量与所述滤波器(19)相关联的电压的变化率。
9.根据权利要求7至8中的一项或更多项所述的控制器，其特征在于，所述用于在检测到浪涌瞬变之后在所述初级电流控制器(15)与所述次级电流控制器(18)之间转移控制的装置包括开关模块(22)，所述开关模块(22)由所述用于检测所述DC/AC转换器(20)的输出端上的浪涌电流的存在的装置的输出信号来控制，所述开关模块(22)适于：
在正常操作模式期间，启用所述初级控制器(15)并且禁用所述次级控制器(18)；以及
在检测到所述DC/AC转换器(20)的输出端上的浪涌电流之后，禁用所述初级控制器(15)并且启用所述次级控制器(18)，从而使得所述DC/AC转换器(20)能够进入紧急操作模式。
10.根据权利要求9所述的控制器，其特征在于，所述开关模块(22)还适于：
在紧随所述紧急操作模式的过渡操作模式期间，逐渐启用所述初级控制器(15)并且逐渐禁用所述次级控制器(18)，其中，输出电流调节回路的控制被选为所述次级控制器(18)和所述初级控制器(15)的组合。
11.根据权利要求9至10中的一项或更多项所述的控制器，其特征在于，所述开关模块(22)包括一个或更多个受控开关，所述一个或更多个受控开关与所述初级控制器(15)和所述次级控制器(18)相关联，并且适于根据所述用于检测所述DC/AC转换器(20)的输出端上的浪涌电流的存在的装置的输出信号的状态来启用和禁用所述初级控制器(15)和所述次级控制器(18)。
12.一种用于在浪涌电流瞬变期间管理和调节DC/AC转换器(20)的操作的方法，包括以下步骤：
a.提供控制器(12)，所述控制器(12)包括电压控制器(17)和电流控制器，所述电压控制器适于基于可用的输入DC电压的电平来为所述电流控制器提供电流基准值(IRef)，所述电流控制器适于调节注入到所述电网(21)中的电流并且包括初级电流控制器(15)和次级电流控制器(18)；
b.检测浪涌电流瞬变的存在；
c.如果检测到浪涌电流，则修改所述电流控制器的实际电流基准(IRef)以降低通过所述DC/AC转换器(20)注入到所述电网(21)中的电流，禁用所述初级控制器(15)，并且启用所述次级控制器(18)，从而进入紧急操作模式；
d.在时间T之后，恢复所述电流控制器的先前的电流基准(IRef)，启用所述初级控制器(15)，并且禁用所述次级控制器(18)，从而恢复正常操作模式。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，通过下面的步骤来执行所述步骤d.：
d1.在时间T1之后，启动过渡操作模式时间间隔T2，其中，逐渐禁用所述次级控制器(18)，并且逐渐启用所述初级控制器(15)；
d2.在时间T2之后，完全启用所述初级控制器(15)，并且完全禁用所述次级控制器(18)，从而恢复正常操作模式。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述时间间隔T2期间，所述输出电流调节回路的控制函数u(t)是采用时间相关的加权因子的初级控制器(15)输出和次级控制器(18)输出的加权和。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述时间间隔T2期间，所述输出电流调节回路的控制函数u(t)是u(t)＝λ(t)u2(t)+(1-λ(t))u1(t)，其中，λ(t)是初始值为1且最终值为0的时间的线性函数，u1(t)是当仅启用所述初级控制器(15)时所述电流控制器的控制函数，以及u2(t)是当仅启用所述次级控制器(18)时所述输出电流调节回路的控制函数。
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