CN111293716A - 启动逆变器系统的方法和逆变器系统 - Google Patents

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Abstract

描述了一种逆变器系统。所述逆变器系统包括DC电源（诸如多个光伏（PV）板）、逆变器和控制器。所述逆变器包括以适当的逆变器拓扑来布置的多个半导体装置（例如，诸如IGBT的可控半导体开关和反并联连接的二极管）。所述逆变器包括借助于DC链路而被连接到所述PV板的DC输入端子，以及至少一个AC输出端子。当启动所述逆变器时，所述控制器被配置成通过控制所述半导体开关以在所述DC输入端子之间产生短路来启用所述逆变器的短路状态，使得所述逆变器携带大体上等于所述PV板的短路电流的电流。该短路电流可用于预加热所述逆变器的所述半导体装置，以降低当所述半导体装置后续在所述逆变器的正常操作期间经历高阻断电压时由宇宙辐射引起的故障率。

Description

启动逆变器系统的方法和逆变器系统
技术领域
本发明涉及启动逆变器系统的方法和逆变器系统，并且特别地涉及包括逆变器（或功率转换器）的逆变器系统，所述逆变器（或功率转换器）用于将直流（DC）输入电压转换成例如将被输出到AC供电网络或公用电网的交流（AC）输出电压。
在一种布置中，逆变器系统可以是太阳能逆变器系统，其中太阳能逆变器被连接到一个或多个光伏（PV）板。
背景技术
太阳能逆变器在太阳能发电厂中具有关键作用，并且用于将由一个或多个PV板的阵列提供的DC输出电压转换成可被输出到AC电力网络或公用电网的AC输出电压。
太阳能逆变器包括多个可控半导体开关，所述多个可控半导体开关可以根据适当的控制策略被接通和断开以产生期望的AC输出电压。供太阳能逆变器中使用的特定半导体开关和其它半导体装置（如快速恢复二极管）的适用性由它们的技术规范（或数据表）所确定，并且包括例如它们的最大额定集电极-发射极电压或最大额定电流。
EP2416480公开了一种太阳能逆变器系统和一种在高开路电压（例如1000 VDC或更高）下启动太阳能逆变器系统的方法。该逆变器系统包括太阳能逆变器和逆变器预充电器，该逆变器预充电器用于在将逆变器系统连接到AC公用电网和PV板的阵列之前对逆变器进行预充电。该太阳能逆变器被充电，直到DC链路电压达到小于PV阵列的预确定开路电压的第一DC链路电压。该逆变器预充电器被配置成在将逆变器系统连接到PV阵列之前并且在将逆变器系统连接到AC公用电网之后使DC链路电压降低到第二DC链路电压。该第二DC链路电压是对于控制经由太阳能逆变器而产生的AC电网电流所需的最小电压电平。
大型现代太阳能发电厂通常被额定为1500 VDC，这意味着太阳能逆变器的DC输入电压取决于PV板的温度和日射以及其它条件而最大为1500 VDC。太阳能逆变器的半导体功率装置必须被相应地额定。太阳能逆变器可以在适当的电路拓扑中利用具有适当电压额定值和电流额定值的IGBT。例如，具有1200V的阻断电压能力的IGBT可被应用在三电平中性点箝位式电压源转换器（NPC VSC）拓扑中，其中每个IGBT必须阻断DC输入电压的一半，即750VDC。在两电平VSC拓扑中，每个IGBT必须阻断全部DC输入电压。因此，电压额定值为1700V的半导体开关可被应用于阻断1500 VDC的DC输入电压。在这种情况下，阻断电压裕度（～200V）是小的。此外，由于阻断电压额定值是温度相关的，因此它将在较低温度下小于数据表值。这意味着，例如如果在低于大约25℃的温度下操作逆变器，则对于冷半导体开关和二极管，阻断电压裕度甚至更小。
即使是改进的IGBT和二极管，在它们冷时在非常接近它们的阻断电压额定值的阻断电压处也表现出不可接受的高故障率。通常，所有半导体开关（诸如IGBT、GTO、IGCT等）和功率二极管的阻断能力受由于宇宙辐射而引起的故障所削弱。例如，已知由宇宙射线而引起的单粒子烧毁（SEB）对随机故障率有作用。单粒子烧毁的出现强烈地取决于开关阻断电压并取决于开关温度。特别地，故障率随较高的阻断电压并随较低的结温（junctiontemperature）而增加。
在太阳能逆变器的情况下，它将常常必须在早晨较早启动，此时太阳能逆变器的环境温度——并且因此还有半导体开关和二极管的结温——相对低。这可能导致半导体功率装置的高故障率。
本发明旨在确保逆变器的半导体开关和/或二极管仅在它们的结温已经增加到高于某一温度（例如，75℃）之后才被用于阻断高电压。例如，当启动逆变器时，可以使用本发明。
发明内容
本发明提供一种控制逆变器系统（例如，可形成太阳能发电厂的一部分的太阳能逆变器系统）的方法，所述逆变器系统包括：
直流（DC）电源；以及
逆变器（例如，太阳能逆变器），所述逆变器包括多个半导体装置，每个半导体装置至少包括可控半导体开关，所述逆变器具有借助于DC链路而连接到所述DC电源的DC输入端子，以及至少一个交流（AC）输出端子；
其中所述方法包括以下步骤：
在所述逆变器最初处于关断状态的情况下，通过控制所述逆变器的半导体开关（例如，接通所述半导体开关中的一些或全部）以在所述DC输入端子之间产生短路来启用所述逆变器的短路状态，使得所述逆变器携带大体上等于所述DC电源的短路电流的电流。
逆变器的每个半导体装置还可以包括反并联连接的二极管，即，与二极管的关联的可控半导体开关反并联连接的二极管。本文中对“半导体装置”的任何引用可以在适当时指可控半导体开关和/或反并联连接的二极管。正常包括反并联连接的二极管的可控半导体开关将包括例如绝缘栅双极晶体管（IGBT）。正常不具有或不需要反并联连接的二极管的可控半导体开关将包括例如反向传导IGBT（RC-IGBT）、双模绝缘栅晶体管（BIGT）、和利用硅碳的金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）。
本文中对逆变器的“关断状态”的任何引用可以指这样的状态：在所述状态中，逆变器尚未被启用，但是通常将指这样的状态：在所述状态中，逆变器被启用，但是在所述状态中，所有半导体开关都关断。
除非另有说明，否则本文中对被“连接”的部件的任何引用包括直接电连接或耦合和间接电连接或耦合（例如，具有借助于一个或多个插入式部件使部件被电连接或耦合在一起的选项）两者。
控制逆变器以携带通过接通的半导体开关的短路电流将由于通过正常传导损耗产生的热量而增加半导体开关的温度。如果半导体装置包括反并联二极管，则将理解二极管将不总是传导短路电流，因此将不总是由于传导损耗而被直接加热。但是，二极管可以通过与关联的可控半导体开关的热耦合而被间接加热，例如通过公共基板或散热器，特别是如果开关和二极管被集成在同一封装中。因此，将理解，短路电流可以用于向逆变器的半导体装置提供直接加热和间接加热两者。
所述方法还可以包括以下步骤：将逆变器的短路状态维持达某一时间段，或者至少直到逆变器的温度超过温度阈值为止。例如，可以选择所述时间段，使得逆变器的温度增加，但是不超过最大温度阈值。可以选择最大温度阈值以防止半导体装置被损坏。这可以在预加热半导体装置而无需测量逆变器的温度的方面提供一些益处。
一般而言，可维持逆变器的短路状态，直到超过阈值或满足特定标准为止，该阈值或标准可以是例如时间阈值（例如，时间段）或温度阈值。
逆变器的温度可以是测量的温度，诸如环境温度或逆变器柜内的温度、或者与逆变器的半导体装置中的至少一个关联的温度。
与温度阈值进行比较的温度可以直接或间接地测量、估计、或在其它方面以任何合适的方式来确定。例如，可以使用可能能够测量半导体装置的内部温度的合适传感器（诸如热敏电阻、热电偶等）或者例如基板或散热器来直接测量温度。测量的温度可以用于估计或以其它方式导出本身不能被直接测量的温度（例如半导体装置的结温），然后将其与温度阈值进行比较。可以使用具有一个或多个输入参数的合适的热模型来准确地估计或确定温度，所述一个或多个输入参数可包括例如测量的温度（诸如环境温度或逆变器柜内的温度）或者逆变器或逆变器系统的一个或多个电参数。例如，可以参考查找表或模型，使用一个或多个测量的参数（诸如相对稳定的短路电流和半导体开关中的一个或多个半导体开关的导通状态电压或电压降）来确定温度。还可以通过确定相对于初始测量温度的温度增加（例如通过对传导的短路电流在时间上进行积分）来准确地估计温度。
温度阈值可以被设置在这样的水平：该水平将允许逆变器的至少一个半导体装置被加热到这样的温度，该温度在逆变器的后续操作期间提供故障率的显著降低，所述故障率是在至少一个半导体装置经历高阻断电压时由于宇宙辐射而引起的。例如，温度阈值可以在约50℃至约125℃之间并且更优选地在约75℃至约100℃之间的范围中。还已知的是，一般的开关行为是温度相关的，并且在较低温度下常常变得更难以处理。因此，在低结温下常常避免逆变器操作。温度阈值可以在约5℃至约25℃的范围中，以便为半导体装置提供最小操作温度而无需外部加热。
优选地，在短路状态被禁用之前，逆变器的半导体装置的大部分，并且最优选地是它们的全部，将被加热达某一时间段或被加热到温度阈值。
DC电源通常将在其正常操作时提供标称电流，并且在其处于短路状况时提供短路电流。本发明特别适用于太阳能逆变器系统，其中DC电源包括一个或多个光伏（PV）板。这是因为当PV板在其最大功率点（MPP）处被操作时，PV板的短路电流仅适度地高于（例如，约10%到20%）其标称电流。但是，将容易理解，本发明也适用于其它类型的DC电源，例如，某些类型的电池或燃料电池。
逆变器可以利用任何合适的可控半导体开关（例如IGBT）和反并联连接的二极管，它们可以采用任何合适的拓扑（例如，两电平VSC拓扑或三电平中性点可控（neutral pointpiloted）（NPP）VSC拓扑）来布置，并且可以被控制器控制以接通和断开。半导体装置将被选择以具有参考特定逆变器拓扑的电压额定值和电流额定值，所述特定逆变器拓扑允许逆变器当逆变器在短路状态下被操作时有规律且安全地携带DC电源的短路电流。
逆变器可以包括多个相腿，其中每个相腿被并联连接在逆变器的正和负DC轨之间并且被连接到相应的AC输出端子，使得逆变器提供多相AC输出电压。逆变器的正和负DC轨可以连接到或限定逆变器的DC输入端子。每个相腿将包括根据特定拓扑所布置的多个半导体开关和可选二极管。每个相腿中的半导体开关中的至少一些半导体开关将被串联连接在逆变器的DC端子之间，即，在正和负DC轨之间、或者在正和负DC轨之一与任何中间DC轨或点之间——可以通过相腿中的两个或更多个相腿的某些半导体开关经由中间DC轨或点来提供正和负DC轨之间的单个短路路径。为了将逆变器置于短路状态，至少一个相腿的适当半导体开关被控制以接通，使得由DC电源产生的短路电流可以直接在正和负DC轨之间流动。例如，在特定相腿内或在逐相腿的基础上，相腿中的半导体开关可以同时或以适当的顺序全部接通。适当的顺序可以包括用于相腿中的一个或多个相腿中的半导体开关的适当开关模式。这种开关模式可以在任何合适的开关频率（例如5 Hz到5 kHz）下操作——较高的开关频率通常意味着较高的开关损耗，并且因此意味着较好的加热。
单个短路电流路径可通过相腿中的一个或多个来提供，或者两个或更多个并联短路电流路径可同时通过相腿中的两个或更多个来提供。例如，短路路径可通过第一相腿、然后通过第二相腿、然后通过第三相腿、然后通过第一相腿等来提供，或者并联短路路径可通过第一相腿和第二相腿、然后通过第二相腿和第三相腿、然后通过第一相腿和第三相腿、然后通过第一相腿和第二相腿等来提供。半导体开关可以采用任何适当的方式（可选地参考DC链路中的短路电流）来控制，并且可以在任何适当的时间段内被接通以提供短路路径。将理解，在短路路径之间不应当存在间断，因为这将导致DC链路中的电容器被充电。因此，如果例如在逐相腿的基础上接通相腿中的串联连接的半导体开关，则短路路径之间存在一些重叠是重要的。
当逆变器处于短路状态时，由于携带短路电流而引起的半导体开关中的传导损耗将使半导体开关（以及任何热耦合的二极管）的温度增加。在一些布置中，反并联连接的二极管也可通过由于携带短路电流而引起的传导损耗来直接加热。因此，DC电源的短路电流被用于预加热逆变器的半导体装置达某一时间段，或者使得逆变器的温度（例如，半导体装置中的至少一个半导体装置的结温）超过温度阈值。在逆变器启动时，即在半导体装置在逆变器的后续正常操作期间经历高阻断电压之前，将半导体装置的温度增加到约75℃可以显著地降低故障率。在逆变器启动时，将半导体装置的温度增加到较低温度（例如，约5-25℃）可能不提供在降低故障率方面的所有益处，但是这允许获得半导体装置的最小操作温度而不需要外部加热。
逆变器的半导体装置在正常操作期间正常将由冷却系统来冷却。特别地，必须去除在逆变器的操作期间由于传导和开关损耗而产生的热量，以防止半导体装置过热。至少当在逆变器启动时有意地预加热半导体装置时，可以适当地控制冷却系统或者甚至暂时禁用冷却系统，以便不阻碍该过程。在一些情况下，冷却系统可以被适当地控制以有意地影响半导体装置的预加热，例如以确保根据特定的加热分布来加热半导体装置。
逆变器系统可以包括被连接在DC电源和逆变器的DC输入端子之间（即，作为DC链路的一部分）的DC开关。逆变器系统还可包括AC电路，其被连接到逆变器的（一个或多个）AC输出端子并可连接到AC供电网络或公用电网。AC电路可以包括AC开关和变压器，以及AC线路滤波器等。逆变器的（一个或多个）AC输出端子可被连接到AC开关，并且AC开关可进而被连接到变压器的初级绕组，其中变压器的次级绕组可连接到AC供电网络或公用电网。AC电路可以具有任何合适数量的相，但是三相将是典型的，其中逆变器具有三个相腿、三个AC输出端子等。
在太阳能逆变器系统的情况下，DC开关正常将在夜间闭合，使得逆变器保持连接到将未正发电的一个或多个PV板。AC开关正常在夜间是断开的，以将太阳能逆变器系统从AC电力网络或公用电网断开。
所述方法可以在任何合适的时间（例如，在日出之前）开始，使得逆变器在PV板开始发电之前从关断状态转变到短路状态。所述方法也可以在日间（例如在维护或修理之后）开始，并且其中DC开关和AC开关正常是断开的。
所述方法可以响应于启动命令而开始。
所述方法可以从DC开关断开或闭合开始。当逆变器处于短路状态时，AC开关必须断开。AC开关可在逆变器已转变到操作状态之后闭合——参见下文。
所述方法还可以包括以下步骤：确定DC链路电压是否超过第一电压阈值。在一种布置中，在启动时DC开关为闭合的情况下，如果超过第一电压阈值，则所述方法还可包括以下步骤：断开DC开关，对DC链路进行放电直到DC链路电压不超过第一电压阈值为止，使逆变器从关断状态转变到短路状态，以及闭合DC开关。如果未超过第一电压阈值，则所述方法还可包括以下步骤：使逆变器从关断状态转变到短路状态。换句话说，如果DC链路电压不超过第一电压阈值，例如在约10 VDC到约100 VDC之间的范围中，则逆变器仅从关断状态转变到短路状态。如果DC链路电压超过第一电压阈值，则它将指示DC链路中的电容器也被充电到DC链路电压。例如，这在以下情况下可能发生：所述方法在日出之后开始，使得PV板已经开始发电并且DC开关最初是闭合的。如果逆变器被转变到短路状态，则DC链路中的电容器也将短路，并且这将导致不可接受的高短路电流，所述高短路电流可能对半导体装置造成严重损坏。如果DC链路电压超过第一电压阈值，则断开DC开关允许DC链路被放电。特别地，其允许DC链路中的电容器通过放电电阻器、通过等待一段时间而被动放电，或者通过执行逆变器的适当操作或某一其它动作而主动放电。一旦电容器被放电，逆变器就可以被安全地转变到短路状态，并且DC开关可被闭合以连接DC电源。
在一种布置中，在DC开关在启动时断开的情况下，如果DC链路电压超过第一电压阈值（如上面所定义），则所述方法还可以包括以下步骤：对DC链路进行放电，直到DC链路电压不超过第一电压阈值为止；将逆变器从关断状态转变到短路状态；以及闭合DC开关。如果DC链路电压不超过第一电压阈值，则所述方法还可包括以下步骤：将逆变器从关断状态转变到短路状态；以及闭合DC开关。如果所述方法在DC开关断开的情况下开始，则正常将期望DC链路中的电容器不会被充电，从而将启用逆变器的短路状态。但是如果不是这种情况，则如上所述，对DC链路进行放电，直到DC链路电压不超过第一电压阈值为止。一旦电容器被放电，逆变器就可以安全地转变到短路状态，并且DC开关可以被闭合以连接DC电源。
逆变器的半导体开关可被控制以禁用短路状态，例如，以将逆变器从短路状态转变到关断状态或转变到零状态，在所述零状态中，逆变器的AC输出电压为零或近似为零。在零状态中，所有半导体开关被控制以处于合适的开关状态（即，导通或关断），使得逆变器的每个输出相被连接到同一DC电压电平，并且瞬时AC输出电压为零。
在一种布置中，从短路状态到关断状态或零状态的转变可以在已经过某一时间段之后发生，或者仅在逆变器的温度超过温度阈值时发生（参见上文）。例如，从短路状态到关断状态或零状态的转变可以使用当启用短路状态时开始的时序。可以选择这样的时序，使得逆变器的温度增加，但是不超过最大温度阈值。
在一种布置中，仅当（i）逆变器的温度超过温度阈值，和/或（ii） DC电源的输出功率超过功率阈值时，才禁用短路状态。优选地，在逆变器从短路状态转变到关断状态或零状态之前，将满足标准（i）和（ii）两者。如果逆变器的温度不超过温度阈值，并且DC电源的输出功率不超过功率阈值，则逆变器通常将被维持在短路状态。通常对逆变器可以保持处于短路状态多长时间直到满足标准（i）和（ii）两者为止没有限制。但是将理解，如果尚未超过功率阈值，但是逆变器的温度超过最大温度阈值，则可以采取单独的保护性步骤，所述最大温度阈值高于标准（i）的温度阈值并且可被选择以防止半导体装置被损坏。例如，如果尚未超过温度阈值，但是PV板的输出功率（或短路电流）超过最大功率（或电流）阈值，则可以采取单独的保护性步骤。将采取合适的保护性步骤，诸如禁用逆变器系统的操作。
DC电源的可用输出功率可以通过任何适当的手段来确定，例如通过测量DC链路中的短路电流并使用该短路电流来导出可用输出功率（其然后与功率阈值进行比较）来确定。在DC电源是一个或多个PV板的情况下，短路电流和PV板的可用输出功率之间的关系是公知的，例如参见图10。短路电流可以通过在DC链路中（通常在（一个或多个）DC链路电容器和DC电源之间）的合适传感器（例如，电流换能器）来测量。同一传感器还能够在逆变器的其它操作状态期间提供对DC链路电流的测量。在DC链路中还可以提供合适的电压传感器以测量DC链路电压。
例如，功率阈值可以是逆变器标称功率的约2%。
在逆变器已被转变到关断状态或零状态之后，DC电源被用于对DC链路进行预充电，并且特别地被用于对DC链路中的电容器进行充电。
所述方法还可以包括以下步骤：控制逆变器的半导体开关以将逆变器从关断状态或零状态转变到操作状态，例如，其中常规地控制逆变器。如果DC链路电压超过第二电压阈值，则可以执行以下步骤：将逆变器从关断状态或零状态转变到操作状态。第二电压阈值可以在例如约800 VDC和约1000 VDC之间的范围中，并且可被选择为逆变器系统的最小操作电压。
如上所提及，在关断状态或零状态期间，DC链路将由DC电源来充电。例如，当DC链路电压已经达到准许功率从DC电源有效地输出到AC供电网络或公用电网的最小操作电压（例如，900 VDC）时，逆变器然后可被转变到操作状态。假设已经满足DC功率阈值，则在逆变器从短路状态转变到关断状态或零状态之后，DC链路电压将非常快速地增加。这意味着，在逆变器后续转变到操作状态之前，逆变器的温度，并且特别是至少一个半导体装置、其基板或其散热器的温度，不降低到任何显著的程度。
本发明还提供一种逆变器系统（例如，可以形成太阳能发电厂的一部分的太阳能逆变器系统），包括：
DC电源；
逆变器（例如，太阳能逆变器），所述逆变器包括多个半导体装置，每个半导体装置至少包括可控半导体开关，所述逆变器具有借助于DC链路而被连接到所述DC电源的DC输入端子，以及至少一个AC输出端子；以及
控制器；
其中，所述控制器被配置成：
在所述逆变器最初处于关断状态的情况下，通过控制所述逆变器的半导体开关（例如，接通所述半导体开关中的一些或全部）以在所述DC输入端子之间产生短路来启用所述逆变器的短路状态，使得所述逆变器携带大体上等于所述DC电源的短路电流的电流。
所述控制器可被配置成维持所述逆变器的所述短路状态达一段时间，或者至少直到所述逆变器的温度（例如，所述半导体装置中的至少一个半导体装置的结温）超过温度阈值。
所述控制器可被配置成禁用所述短路状态，例如，以将所述逆变器从所述短路状态转变到所述关断状态或零状态，如上文更详细描述的。
所述逆变器系统优选地不需要用于对将所述逆变器的所述DC输入端子连接到所述DC电源的所述DC链路进行预充电的外部设备。
所述DC链路可以包括一个或多个电容器。
所述控制器可以例如借助于插入式功率转换器从DC链路接收功率，或者从合适的外部电源接收功率。在其最简单的实际植入（implantation）中，所述逆变器系统不需要来自DC开关的DC电源侧的电压测量，因为可以基于如本文所述的对所述短路电流的测量来做出控制决定。
例如，所述控制器可以与所述逆变器集成在一起，或者是独立控制器。
所述控制器还可被配置成执行本文描述的方法步骤。
本发明的第一实施例的技术益处包括：
- 降低逆变器的半导体装置的故障率，并增加可靠性及寿命，
- 在太阳能逆变器系统的特定情况下，在逆变器启动之前，本发明的第一实施例提供对太阳能发电的可用性的容易且精确的检测，以及
- 本发明的第一实施例不需要用于DC链路（其将逆变器连接到DC电源）的单独的预充电系统，并且可被用于在不连接到供电网络或公用电网的情况下启动逆变器。
本申请提供了如下的技术方案：
技术方案1. 一种控制逆变器系统（1）的方法，所述逆变器系统（1）包括：
直流DC电源（8）；以及
逆变器（2），所述逆变器（2）包括多个半导体装置，每个半导体装置至少包括可控半导体开关，所述逆变器具有借助于DC链路（10）而被连接到所述DC电源（8）的DC输入端子（4），以及至少一个交流AC输出端子（6）；
其中所述方法包括以下步骤：
在所述逆变器（2）初始处于关断状态的情况下，通过控制所述逆变器（2）的半导体开关以在所述DC输入端子（4）之间产生短路来启用所述逆变器（2）的短路状态，使得所述逆变器（2）携带大体上等于所述DC电源（8）的短路电流的电流。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，还包括以下步骤：将所述逆变器（2）的所述短路状态维持达一段时间，或者至少直到所述逆变器（2）的温度超过温度阈值为止。
技术方案3. 根据技术方案2所述的方法，其中，所述逆变器（2）的所述温度是与所述半导体装置中的至少一个半导体装置关联的温度。
技术方案4. 根据任一前述技术方案所述的方法，其中，所述逆变器（2）包括多个相腿（26a，26b，26c），其中，在所述短路状态期间，至少一个相腿的半导体开关被控制以接通，使得短路电流在所述逆变器（2）的所述DC输入端子（4）之间流动。
技术方案5. 根据技术方案4所述的方法，其中，同时或以适当的顺序接通每个相腿（26a，26b，26c）中的串联连接的半导体开关。
技术方案6. 根据任一前述技术方案所述的方法，其中，所述逆变器系统包括被连接在所述DC电源（8）与所述逆变器（2）的所述DC输入端子（4）之间的DC开关（14），其中，在所述DC开关（14）闭合的情况下，所述方法还包括以下步骤：
如果DC链路电压超过第一电压阈值，则：
断开所述DC开关（14），
对所述DC链路（10）进行放电，直到所述DC链路电压不超过所述第一电压阈值为止，
将所述逆变器（2）从所述关断状态转变到所述短路状态，以及
闭合所述DC开关（14）；
或者
如果所述DC链路电压不超过所述第一电压阈值，则：
将所述逆变器（2）从所述关断状态转变到所述短路状态。
技术方案7. 根据技术方案1至5中任一项所述的方法，其中，所述逆变器系统包括被连接在所述DC电源（8）与所述逆变器（2）的所述DC输入端子（4）之间的DC开关（14），其中，在所述DC开关（14）断开的情况下，所述方法还包括以下步骤：
如果所述DC链路电压超过第一电压阈值，则：
对所述DC链路（10）进行放电，直到所述DC链路电压不超过所述第一电压阈值为止，
将所述逆变器（2）从所述关断状态转变到所述短路状态，以及
闭合所述DC开关（14）；
或者
如果所述DC链路电压不超过所述第一电压阈值，则：
将所述逆变器（2）从所述关断状态转变到所述短路状态，以及
闭合所述DC开关（14）。
技术方案8. 根据任一前述技术方案所述的方法，还包括以下步骤：当（i）所述逆变器（2）的所述温度超过所述温度阈值，和/或（ii）所述DC电源（8）的输出功率超过功率阈值时，通过将所述逆变器（2）转变到所述关断状态或转变到零状态来禁用所述短路状态，在所述零状态下，所述逆变器（2）的AC输出电压为零或近似为零。
技术方案9. 根据技术方案8所述的方法，还包括以下步骤：将所述逆变器（2）从所述关断状态或所述零状态转变到操作状态；例如，当所述DC链路电压超过第二电压阈值时。
技术方案10. 一种逆变器系统（1），包括：
DC电源（8）；
逆变器（2），所述逆变器（2）包括多个半导体装置，每个半导体装置至少包括可控半导体开关，所述逆变器（2）具有借助于DC链路（10）而被连接到所述DC电源（8）的DC输入端子（4），以及至少一个AC输出端子（6）；以及
控制器（32）；
其中，所述控制器（32）被配置成：
在所述逆变器（2）初始处于关断状态的情况下，通过控制所述逆变器（2）的半导体开关以在所述DC输入端子（4）之间产生短路来启用所述逆变器（2）的短路状态，使得所述逆变器（2）携带大体上等于所述DC电源（8）的短路电流的电流。
技术方案11. 根据技术方案10所述的逆变器系统（1），其中，所述控制器（32）还被配置成：将所述逆变器（2）的所述短路状态维持达一段时间，或者至少直到所述半导体开关中的至少一个半导体开关的温度超过温度阈值为止。
技术方案12. 根据技术方案11所述的逆变器系统（1），其中，所述控制器（32）还被配置成：当（i）所述逆变器（2）的所述温度超过所述温度阈值，和/或（ii）所述DC电源（8）的输出功率超过功率阈值时，通过将所述逆变器（2）转变到所述关断状态或转变到零状态来禁用所述短路状态，在所述零状态下，所述逆变器（2）的AC输出电压为零或近似为零。
技术方案13. 根据技术方案8所述的逆变器系统（1），其中，所述控制器（32）还被配置成：将所述逆变器（2）从所述关断状态或所述零状态转变到操作状态；例如，当所述DC链路电压超过第二电压阈值时。
技术方案14. 根据技术方案10至13中任一项所述的逆变器系统（1），还包括被连接在所述DC电源（8）与所述逆变器（2）的所述DC输入端子（4）之间的DC开关（14），以及被连接到所述逆变器（2）的所述AC输出端子（6）并且可连接到AC供电网络或公用电网（24）的AC电路（16）。
技术方案15. 根据技术方案10至14中任一项所述的逆变器系统（1），所述逆变器系统（1）是太阳能逆变器系统，其中，所述逆变器是太阳能逆变器（2），并且所述DC电源包括一个或多个光伏PV板（8）。
附图说明
图1是示出根据本发明的太阳能逆变器系统的示意图；
图2示出具有三个相腿的两电平VSC拓扑，其可以在图1的太阳能逆变器系统的太阳能逆变器中被实现；
图3示出具有三个相腿的三电平NPP VSC拓扑，其可以在图1的太阳能逆变器系统的太阳能逆变器中被实现；
图4是启动图1的太阳能逆变器系统的方法的流程图；
图5示出具有两电平VSC拓扑的布置，其中在短路状态期间，三个并联短路电流路径通过所有三个相腿而被同时提供；
图6至图8示出具有两电平VSC拓扑的布置，其中在短路状态期间，单个短路路径通过每个相腿而被顺序提供；
图9示出具有三电平NPP VSC拓扑的布置，其中在短路状态期间，两个并联短路路径通过所有三个相腿而被同时提供；
图10是示出针对不同日射水平的PV板或PV板的阵列的电流对电压和功率对电压曲线的曲线图；
图11是图10的曲线图，其另外示出在DC开关最初是闭合的情况下当方法在日出时或在日出之前开始时的逆变器状态；以及
图12是图10的曲线图，其另外示出在DC开关最初是断开的情况下当方法在日间开始时的逆变器状态。
图1示出根据本发明的太阳能逆变器系统1。太阳能逆变器系统1包括具有两个DC输入端子4和三个AC输出端子6的太阳能逆变器2。DC输入端子4借助于DC链路10而被连接到多个光伏（PV）板8。DC链路10包括一个或多个电容器12和DC开关14。
AC端子6被连接到AC电路16。AC电路16是三相AC电路，并且包括AC滤波器18、AC开关20和变压器22。变压器22包括被连接到太阳能逆变器2的AC端子6的初级绕组，以及被连接到AC供电网络或公用电网24的次级绕组。
太阳能逆变器2包括多个可控半导体开关（例如IGBT）以及反并联连接的二极管，它们具有合适的电压额定值和电流额定值，并且它们采用合适的拓扑来布置。图2示出具有三个相腿26a、26b和26c的两电平VSC拓扑。图3示出具有三个相腿26a、26b和26c的三电平NPP VSC拓扑。将容易理解，在太阳能逆变器的实际实现中可以使用其它拓扑。每个相腿26a、26b和26c包括被串联连接在太阳能逆变器2的正DC轨28和负DC轨30之间的半导体开关对。正DC轨28和负DC轨30被连接到或限定太阳能逆变器2的DC输入端子4，并被连接到DC链路10。每个相腿26a、26b、26c还限定太阳能逆变器2的相应AC输出端子6，并被连接到三相AC电路16的对应相（即U、V和W）。在图3中所示的三电平NPP VSC拓扑的情况下，被串联连接在正DC轨28和负DC轨30之间的半导体开关对限定第一（或“垂直”）分支。每个相腿26a、26b和26c还包括第二（或“水平”）分支中的半导体开关，该第二分支被连接在第一分支中的半导体开关的连接点和DC链路10的中间DC点（标记为NP）之间。第一电容器12a被连接在中间DC点与正DC轨28之间，并且第二电容器12b被连接在中间点与负DC轨30之间。太阳能逆变器2的半导体开关由控制器32控制以接通和断开。控制器32通过功率转换器34从DC链路10接收功率，或者附加地或备选地从外部电源36接收功率。
控制器32从合适的传感器或换能器接收对DC链路电流和DC链路电压的测量。
图4是根据本发明的启动太阳能逆变器系统1的方法的流程图。所述方法可以在DC开关14断开或闭合的情况下开始。
太阳能逆变器2最初处于关断状态（步骤0）。例如，太阳能逆变器2通常将被禁用，直到它接收到启动命令为止——参见下文。
所述方法响应于启动命令而开始（步骤1）。例如，可以从太阳能逆变器系统或太阳能发电厂的控制器接收启动命令。如果DC开关14最初是闭合的，则可以从DC链路电压导出启动命令，例如，如果DC链路电压超过正常将小于第一电压阈值的第零电压阈值，则可以发起启动命令——参见下文。在接收到启动命令时，太阳能逆变器2可以被启用，但是所有半导体开关将保持处于关断状态。
在步骤2，所述方法检查以查看DC链路电压（UDC）是否超过第一电压阈值（UTH1）。例如，第一电压阈值可以在约10 VDC和约100 VDC之间的范围中。如果未超过第一电压阈值（即，UDC＜UTH1），则太阳能逆变器2从关断状态转变到短路状态（步骤3），如下面更详细描述的。
如果超过第一电压阈值（即UDC＞UTH1），则这指示DC链路10中的电容器12也被充电到DC链路电压。例如，这在以下情况下可能发生：所述方法在日出之后开始，使得PV板8已经开始发电并且DC开关14被闭合。如果太阳能逆变器2被转变到了短路状态，则DC链路10中的电容器12也将被短路，并且这将导致不可接受的高短路电流，其可能对半导体开关造成严重损坏。因此，如果所述方法在DC开关14闭合的情况下开始了，则由控制器32来断开DC开关14（步骤4）。如果所述方法在DC开关14断开的情况下（例如在维护或修理之后）开始了，则DC开关保持断开。然后，DC链路10中的电容器12被放电（步骤5），例如，通过放电电阻器（未示出）、通过等待一段时间而被动放电，或者通过执行逆变器的适当操作而主动放电。一旦对电容器12进行放电并且不再超过第一电压阈值（即，UDC＜UTH1），太阳能逆变器2就可以安全地转变到短路状态（步骤3），并且DC开关14可以被控制器32闭合以连接PV板8 （步骤6）。
为了将太阳能逆变器2转变到短路状态，相腿26a、26b和26c中的至少一个相腿的半导体开关被接通以在正DC轨28和负DC轨30之间并因此在太阳能逆变器2的DC输入端子之间提供至少一个短路电流路径，PV板8被短路并且产生沿太阳能逆变器2内的（一个或多个）短路路径流动的短路电流，图5示出两电平VSC拓扑的布置，其中所有三个相腿26a、26b和26c中的每个相腿的两个半导体开关（总共六个半导体开关）被同时接通以提供通过相腿的三个并联短路路径P1、P2和P3。然而，图6至图8示出这样的布置，其中第一相腿26a中的两个半导体开关被接通以提供通过第一相腿的短路路径P1，同时所有其它半导体开关都被断开（图6）；然后第二相腿26b中的两个半导体开关被接通以提供通过第二相腿的短路路径P2，同时所有其它半导体开关都被断开（图7）；然后第三相腿26c中的两个半导体开关被接通以提供通过第三相腿的短路路径P3，同时所有其它半导体开关都被断开（图8）；然后第一相腿26a中的两个半导体开关被接通以提供通过第一相腿的短路路径P1，同时所有其它半导体开关都被断开（图6）；等等。这在逐相腿的基础上提供了短路路径P1、P2和P3。将理解，在短路路径P1、P2和P3之间不应当有间断，因为这将导致DC链路10中的电容器被充电。因此，例如，如果在逐相腿的基础上接通相腿26a、26b和26c中的串联连接的半导体开关，则短路路径P1、P2和P3之间存在一些重叠是重要的。也可以利用顺序创建短路路径的其它方式，例如一次创建通过相腿中的两个相腿的两个并联短路路径。
图9示出三电平NPP VSC拓扑的布置，其中第一相腿26a的第一和第二分支中的某些半导体开关以及第二相腿26b的第一和第二分支中的某些半导体开关被接通，以在第一DC轨28和第二DC轨30之间提供经由中间DC点的短路路径P1。然后，可以通过第二相腿26b和第三相腿26c、然后通过第一相腿26a和第三相腿26c、等等来提供对应的短路路径。如果半导体开关被控制以采用适当的顺序接通和断开，则这种短路路径还可以提供每个相腿26a、26b和26c的第二（或“水平”）分支中的反并联二极管的直接加热。为了完整起见，示出第二短路路径P2，其中第三相腿26c的第一分支中的两个半导体开关被接通。也可以利用在没有间断的情况下顺序创建通过相腿中的一个或多个相腿的短路路径的其它方式。
由于传导损耗等，携带短路电流的半导体开关（在一些情况下，以及反并联连接的二极管）的温度将增加。在二极管不被直接加热的情况下，它们可以通过与关联的半导体开关的热耦合而被间接加热。因此可以理解，通过适当控制每个相腿中的半导体开关，可能在太阳能逆变器2启动时并且在后续在正常操作期间施加高阻断电压之前对半导体装置进行预加热。这种预加热可以显著地降低由宇宙辐射引起的故障率，诸如SEB，已知SEB强烈地取决于阻断电压和开关温度。这种预加热还可以允许获得半导体装置的最小操作温度而不需要外部加热。
在图4的流程图的步骤7，例如使用所测量的短路电流来确定PV板8的可用输出功率。
在步骤8，所述方法检查以查看半导体装置中的一个或多个半导体装置的温度（TJ），例如结温，是否超过温度阈值（TTH）。可以直接或间接地测量、估计、或在其它方面以如本文所述的任何合适的方式来确定温度。在一种布置中，例如，温度阈值可以在约50℃到约125℃之间并且更优选地在约75℃到约100℃之间的范围中。在另一布置中，例如，温度阈值可以在约5℃至约25℃之间的范围中。如果没有超过温度阈值（即，TJ＜TTH），则太阳能逆变器2维持在短路状态——所述方法返回到步骤3。如果超过温度阈值（即，TJ＞TTH），则所述方法进行到步骤9。
在步骤9，所述方法检查以查看PV板的所确定的可用输出功率（PPV）是否超过功率阈值（PTH）。功率阈值可以是逆变器标称功率的约2%。因此，例如，对于大型现代太阳能发电站（其中太阳能逆变器可被额定为4 MW 1500 VDC），功率阈值将为约80 kW。如果没有超过功率阈值（即，PPV＜PTH），则太阳能逆变器2维持在短路状态——所述方法返回到步骤3。如果超过功率阈值（即PPV＞PTH），则太阳能逆变器2转变到零状态（步骤10）。尽管未示出，但是如果尚未超过功率阈值，但是逆变器的温度超过最大温度阈值（其被选择以防止半导体开关和/或二极管被损坏），则可以采取单独的保护性步骤。例如，如果尚未超过温度阈值，但是PV板的输出功率（或短路电流）超过最大功率（或电流）阈值，则可以采取单独的保护性步骤。将采取适当的保护性步骤，诸如禁用逆变器系统的操作。
在零状态下，太阳能逆变器2的AC输出电压为零或近似为零。特别地，为了将太阳能逆变器2从短路状态转变到零状态，每个相腿26a、26b和26c中的半导体开关被切换到适当的开关状态，使得太阳能逆变器的每个输出相（即，U、V和W）被连接到同一DC电压电平，例如，被连接到图2中所示的正DC轨28或负DC轨30。在零状态期间，PV板8被用于对DC链路10进行预充电，并且特别地被用于对DC链路中的电容器12进行充电。
在步骤11，所述方法检查以查看DC链路电压（UDC）是否超过第二电压阈值（UTH2）。如果未超过第二电压阈值（即，UDC＜UTH2），则太阳能逆变器2维持在零状态——所述方法返回到步骤10，并且继续对DC链路进行充电。如果超过第二电压阈值（即，UDC＞UTH2），则太阳能逆变器2转变到操作状态（步骤12），即，其中开始太阳能逆变器的正常操作。例如，第二电压阈值可以在约800 VDC和约1000 VDC之间的范围中，并且可以被选择为太阳能逆变器系统的最小操作电压。例如，可以参考太阳能逆变器系统或太阳能发电厂的操作参数来设置最小操作电压，以准许功率从PV板8有效地输出到AC供电网络或公用电网24。
在备选布置中，代替将太阳能逆变器2从短路状态转变到零状态，还可能禁用短路状态并且将太阳能逆变器转变到关断状态，即，其中所有半导体开关都处于关断状态。所述方法的其余部分将是相同的。
图10是示出针对不同日射水平的PV板或PV板的阵列的电流对电压和功率对电压曲线的曲线图。
图11和图12是示出与图10相同的曲线的曲线图，但是其中还指示逆变器状态。特别地，图11指示当图4的方法在日出之前开始时的逆变器状态。DC开关14最初是闭合的，即，DC链路电压为零或大体上为零。在点A处，没有对PV板8的日射，因此没有开路电压，并且太阳能逆变器2处于关断状态。所述方法开始并且太阳能逆变器2转变到短路状态。其保持在点A，因为仍然没有对PV板8的日射。在日出之后，PV板8开始产生短路电流，并且操作点朝点B移向对应于实际日射水平的曲线。当半导体开关已经被预加热时，太阳能逆变器2从短路状态（点B）转变到零状态，在零状态下，开始通过PV板8对DC链路10进行预充电。操作点朝点C移动。在点C处，DC链路电压超过第二电压阈值（例如，900 VDC），并且太阳能逆变器2转变到操作状态。特别地，太阳能逆变器操作可以开始以使其在实际日射水平下在PV板8的最大功率点（MPP）处进入正常操作状态（点D）。
图12指示当图4的方法在日间开始时的逆变器状态，其中DC开关14初始断开（即，在DC开关的PV板侧端子处具有高开路电压），并且太阳能逆变器处于关断状态（点A）。所述方法开始并且太阳能逆变器2转变到短路状态。操作点朝点B移向对应于实际日射水平的曲线，并且DC开关14是闭合的。当半导体开关已经被预加热时，太阳能逆变器2从短路状态（点B）转变到零状态，在零状态下，开始通过PV板8对DC链路10进行预充电。操作点朝点C移动。在点C处，DC链路电压超过第二电压阈值（例如，900 VDC），并且太阳能逆变器2转变到操作状态。特别地，太阳能逆变器操作可以开始以使其在实际日射水平下在PV板8的MPP处进入正常操作状态（点D）。

Claims (10)

1.一种控制逆变器系统（1）的方法，所述逆变器系统（1）包括：
直流DC电源（8）；以及
逆变器（2），所述逆变器（2）包括多个半导体装置，每个半导体装置至少包括可控半导体开关，所述逆变器具有借助于DC链路（10）而被连接到所述DC电源（8）的DC输入端子（4），以及至少一个交流AC输出端子（6）；
其中所述方法包括以下步骤：
在所述逆变器（2）初始处于关断状态的情况下，通过控制所述逆变器（2）的半导体开关以在所述DC输入端子（4）之间产生短路来启用所述逆变器（2）的短路状态，使得所述逆变器（2）携带大体上等于所述DC电源（8）的短路电流的电流。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：将所述逆变器（2）的所述短路状态维持达一段时间，或者至少直到所述逆变器（2）的温度超过温度阈值为止。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述逆变器（2）的所述温度是与所述半导体装置中的至少一个半导体装置关联的温度。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述逆变器（2）包括多个相腿（26a，26b，26c），其中，在所述短路状态期间，至少一个相腿的半导体开关被控制以接通，使得短路电流在所述逆变器（2）的所述DC输入端子（4）之间流动。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，同时或以适当的顺序接通每个相腿（26a，26b，26c）中的串联连接的半导体开关。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述逆变器系统包括被连接在所述DC电源（8）与所述逆变器（2）的所述DC输入端子（4）之间的DC开关（14），其中，在所述DC开关（14）闭合的情况下，所述方法还包括以下步骤：
如果DC链路电压超过第一电压阈值，则：
断开所述DC开关（14），
对所述DC链路（10）进行放电，直到所述DC链路电压不超过所述第一电压阈值为止，
将所述逆变器（2）从所述关断状态转变到所述短路状态，以及
闭合所述DC开关（14）；
或者
如果所述DC链路电压不超过所述第一电压阈值，则：
将所述逆变器（2）从所述关断状态转变到所述短路状态。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述逆变器系统包括被连接在所述DC电源（8）与所述逆变器（2）的所述DC输入端子（4）之间的DC开关（14），其中，在所述DC开关（14）断开的情况下，所述方法还包括以下步骤：
如果所述DC链路电压超过第一电压阈值，则：
对所述DC链路（10）进行放电，直到所述DC链路电压不超过所述第一电压阈值为止，
将所述逆变器（2）从所述关断状态转变到所述短路状态，以及
闭合所述DC开关（14）；
或者
如果所述DC链路电压不超过所述第一电压阈值，则：
将所述逆变器（2）从所述关断状态转变到所述短路状态，以及
闭合所述DC开关（14）。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括以下步骤：当（i）所述逆变器（2）的所述温度超过所述温度阈值，和/或（ii）所述DC电源（8）的输出功率超过功率阈值时，通过将所述逆变器（2）转变到所述关断状态或转变到零状态来禁用所述短路状态，在所述零状态下，所述逆变器（2）的AC输出电压为零或近似为零。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：将所述逆变器（2）从所述关断状态或所述零状态转变到操作状态；例如，当所述DC链路电压超过第二电压阈值时。
10.一种逆变器系统（1），包括：
DC电源（8）；
逆变器（2），所述逆变器（2）包括多个半导体装置，每个半导体装置至少包括可控半导体开关，所述逆变器（2）具有借助于DC链路（10）而被连接到所述DC电源（8）的DC输入端子（4），以及至少一个AC输出端子（6）；以及
控制器（32）；
其中，所述控制器（32）被配置成：
在所述逆变器（2）初始处于关断状态的情况下，通过控制所述逆变器（2）的半导体开关以在所述DC输入端子（4）之间产生短路来启用所述逆变器（2）的短路状态，使得所述逆变器（2）携带大体上等于所述DC电源（8）的短路电流的电流。
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