CN112368900A - 逆变器系统及用于操作逆变器系统的方法 - Google Patents

逆变器系统及用于操作逆变器系统的方法 Download PDF

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Abstract

例如用于太阳能发电系统的逆变器系统具有多个逆变器(10a…n，10x)，每个逆变器具有可连接到至少一个直流源的输入端(12)、用于将直流电流转换为交流电流的逆变器电路(13)以及连接到总线(18)的输出端(14)，该总线(18)可连接到电网(22)。逆变器系统还具有用于控制所述多个逆变器(10a…n；10x)的控制器(10x)，该控制器被配置为控制所述多个逆变器(10a…n；10x)的所述逆变器电路(13)的切换过程，使得所述多个逆变器(10a…n；10x)中的至少两个逆变器的切换过程相对于彼此相移。

Description

逆变器系统及用于操作逆变器系统的方法
技术领域
本公开涉及包括多个逆变器的逆变器系统、包括这种逆变器系统的太阳能发电系统以及用于操作包括多个逆变器的逆变器系统的方法。
背景技术
太阳能发电系统越来越重要。太阳能发电系统例如用于通过使用大量的太阳能面板来产生电力或热。通常，太阳能发电系统包括逆变器系统，该逆变器系统具有多个逆变器以使用例如脉宽调制(PWM)切换将由太阳能面板产生的直流电力变换为受控的交流电力。由于切换，从逆变器供应到电网的交流电流具有切换纹波，这会导致电网上的失真。该总谐波失真(THD)受标准限制。因此，需要减小THD。
为了减小THD，常规逆变器系统使用在输出端带有无源电路元件的滤波器来对切换纹波滤波。为了更好地对切换纹波滤波，诸如电感(L)和电容(C)之类的无源电路元件必须大。这意味着无源电路元件需要更多的空间并且更昂贵。
发明内容
根据本文公开的第一方面，提供了一种逆变器系统，包括：多个逆变器，每个逆变器具有可连接到至少一个直流源的输入端、用于将直流电流转换为交流电流的逆变器电路以及连接到总线的输出端，该总线可连接到电网；以及用于控制多个逆变器的控制器，该控制器被配置为控制多个逆变器的逆变器电路的切换过程，使得多个逆变器中的至少两个逆变器的切换过程彼此相移。
在示例中，全部逆变器或全部活动转换器的切换过程彼此相移。逆变器系统的逆变器可以是单相或多相逆变器。电网可以是公共电网或隔离电网。
通过向逆变器的逆变器电路的切换过程增加相位角度，由逆变器产生的交流电流的电流纹波也具有相位角度。结果，由总线处的逆变器产生的交流电流的总和将消除或至少减小相互的电流纹波，从而由逆变器系统提供的交流电流具有改善的THD水平。逆变器系统不需要具有附加电路元件的特殊滤波，因此其具有简单且便宜的配置。
在第一方面的示例中，多个逆变器中的一个逆变器用作控制器。换句话说，逆变器系统包括主从系统，其中一个逆变器为主逆变器，并且其它逆变器为从逆变器，其中从逆变器的切换过程由主逆变器控制。可替代地，逆变器系统可以具有用于控制多个逆变器中的全部逆变器的单独的主控制器。
在第一方面的示例中，多个逆变器和控制器经由通信线彼此连接。在示例中，每个逆变器包括控制器，并且多个逆变器的控制器经由通信线彼此连接。
在第一方面的另一个示例中，多个逆变器的切换过程各自由具有调制频率的相应的载波信号控制以产生PWM输出信号，并且控制器被配置为使所述多个逆变器中的至少两个逆变器、在示例中全部或全部活动逆变器的载波信号相对于彼此相移。载波信号可以具有例如三角形或锯齿形波形。
在第一方面的又另一个示例中，多个逆变器中的两个逆变器的有相移的切换过程之间的相位差为δ＝360°/m，其中m为逆变器或活动逆变器的总数。
根据本文公开的第二方面，太阳能发电系统包括：根据第一方面和第一方面的示例中的任一个的上述逆变器系统；以及连接到逆变器系统的多个逆变器的输入端的多个太阳能装置。
根据本文公开的第三方面，在用于操作逆变器系统的方法中，该逆变器系统包括多个逆变器，每个逆变器具有可连接到至少一个直流源的输入端、用于将直流电流转换为交流电流的逆变器电路以及连接到总线的输出端，该总线可连接到电网，多个逆变器的逆变器电路的切换过程被控制为使得多个逆变器中的至少两个逆变器的切换过程相对于彼此相移。
在示例中，全部逆变器或全部活动转换器的切换过程彼此相移。逆变器系统的逆变器可以是单相或多相逆变器。通过向逆变器的逆变器电路的切换过程增加相位角度，由逆变器产生的交流电流的电流纹波也具有相位角度。结果，由总线处的逆变器产生的交流电流的总和将消除或至少减小相互的电流纹波，从而由逆变器系统提供的交流电流具有改善的THD水平。逆变器系统不需要具有附加电路元件的特殊滤波，因此其具有简单且便宜的配置。
在第三方面的示例中，多个逆变器的逆变器电路的切换过程由多个逆变器中的用作主逆变器的一个逆变器控制。这意味着逆变器系统包括主从系统，其中一个逆变器为主逆变器，并且其它逆变器为从逆变器，其中，从逆变器的切换过程由主逆变器控制。可替代地，可以通过单独的主控制器来控制多个逆变器中的全部逆变器。
在第三方面的示例中，多个逆变器的切换过程各自由具有调制频率的载波信号控制以产生PWM输出信号，其中，多个逆变器中的至少两个逆变器、在示例中多个逆变器中的全部或全部活动逆变器的载波信号相对于彼此相移。载波信号可以具有例如三角形或锯齿形波形。
在第三方面的另一个示例中，多个逆变器中的两个逆变器的有相移的切换过程之间的相位差为δ＝360°/m，其中m为逆变器或活动逆变器的总数。
附图说明
为了帮助理解本公开并示出可以如何实施实施例，通过示例的方式参考附图，在附图中：
图1示意地示出了根据本公开的实施例的逆变器系统的示例的配置；
图2示意性地示出了用于说明根据本公开的示例的逆变器的逆变器电路的PWM结构的图；
图3示意性地示出了用于说明根据本公开的示例的逆变器系统的一个逆变器的切换纹波的图；
图4示意性地示出了用于说明根据本公开的示例的有相移的载波信号的图；
图5示意性地示出了用于比较根据本公开的示例的逆变器系统与常规逆变器系统的输出电流的图；以及
图6示意性地示出了图7的图的放大细节。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本公开的示例的用于太阳能发电系统的逆变器系统的实施例。
逆变器系统包括多个逆变器10x和10a…n，其中一个逆变器10x用作主逆变器，并且其它逆变器10a…n用作从逆变器。
逆变器10x、10a…n中的每一个包括输入端12，该输入端12可以连接到用作直流源的至少一个太阳能装置。太阳能装置将入射的太阳能转换为电能。太阳能装置可以是例如太阳能面板的形式，其具有多个太阳能电池，这些太阳能电池从入射的太阳能产生电力。太阳能电池是将光能转化为电的电气装置。太阳能电池可以是例如光伏装置，该光伏装置是通过光伏效应将光能直接转换为电的半导体装置。作为替代，太阳能装置可以是“集中器”的形式，集中器将太阳能集中到小区域中。
此外，每个逆变器10x、10a…n包括逆变器电路13，该逆变器电路13用于将由连接到输入端12的太阳能装置提供的直流电流转换为交流电流。逆变器电路13可以被配置为单相或多相逆变器电路。逆变器电路13具有例如半桥，该半桥包括彼此串联连接的两个切换元件，该切换元件是功率装置，诸如，例如MOSFET或IGBT。此外，每个逆变器10x、10a…n包括输出端14，该输出端14经由传输线16连接到公共总线18。全部逆变器10x、10a…n的总交流电流从总线18经由传输线20供应到电网22。电网22可以是公共电网或隔离电网。
另外，每个逆变器10x、10a…n包括例如由处理器或微控制器等形成的控制器15。逆变器10x、10a…n，更具体地说是逆变器10x、10a…n的控制器15经由通信线24彼此连接。主逆变器10x控制主逆变器10x和从逆变器10a…n的逆变器电路13的切换过程。更精确地，主逆变器10x的控制器15控制主逆变器10x的逆变器电路13的切换过程，以及经由从逆变器10a…n的相应控制器15控制全部从逆变器10a…n的逆变器电路13的切换过程。
在图1的示例中，逆变器系统被配置为逆变器的主从系统。在本公开的替代示例中，可以存在单独的主控制器以控制逆变器系统的全部逆变器，特别是逆变器系统的全部逆变器的控制器。
接下来，参考图2至图6，将说明操作根据本公开的如图1中所示的这种逆变器系统的示例。
图2示出了逆变器10的交流输出如何通过其逆变器电路使用脉宽调制(PWM)切换来产生。图2的下图中所示的PWM输出信号c是通过比较图2的上图中所示的载波信号a和基准波信号b两者产生的。在图2中所示的示例中，载波信号a具有三角形波形，但是在其它示例中，载波信号a可以具有锯齿形波形或一些其它波形。基准波信号a通常具有正弦波形。当基准波信号b高于载波信号a时，逆变器电路13的半桥的一个切换元件被触发，并且正直流电压被施加到逆变器输出端14。在另一种情况下，当基准波信号b低于载波信号a时，逆变器电路13的半桥的另一个切换元件被触发，并且负直流电压被施加到逆变器输出端14。基准波信号b的大小和频率确定输出电压的幅度和频率，并且载波信号a的频率被称为调制频率。
由于PWM调制，在逆变器10的电流输出中存在切换纹波。特别地，由逆变器供应的电流中的切换纹波是逆变器的PWM输出信号c的方波波形的结果。图3示出了对于小切换频率的逆变器10的交流电流纹波d1，其中波形d2示出了切换纹波的平均值。
如图4中所示，全部逆变器10的逆变器电路13的载波信号a相对于彼此相移。如果某些逆变器10是不活动的，例如由于当前连接到其输入端12的太阳能装置未产生电流，则在示例中，仅活动逆变器10的逆变器电路13的载波信号a相对于彼此相移。逆变器的载波信号a之间的相位差δ取决于逆变器10或活动逆变器10的总数。当m是(活动)逆变器10的总数时，该相位差δ由δ＝360°/m确定。
在逆变器10的主从系统的本示例中，主逆变器10x确定从逆变器10a…n的逆变器电路13的载波信号a的相移。例如，主逆变器10x的载波信号a将是相移为0°的基准，而n个从逆变器10a…n的相移将等于(((360°/(n+1)*从逆变器的数量)。详细地说，主逆变器10x的载波信号a的相移为0°，第一从逆变器10a的载波信号a的相移为0°+1δ，第二从逆变器10b的载波信号a的相移为0°+2δ，并且第n从逆变器10n的载波信号a的相移为0°+nδ。在包括四个逆变器10的逆变器系统的示例中，将存在一个主逆变器10x和三个从逆变器10a、10b、10c，从而导致360°/4＝90°的相位差δ并且相移分别为0°、90°、180°和270°。
逆变器10x、10a…n的载波信号a之间的相位差使这些逆变器的逆变器电路13的切换过程移位。结果，逆变器10的电流输出的切换纹波也相对于彼此相移。因此，在总线18处的全部(活动)逆变器10的电流输出的总和导致至少部分地相互消除切换纹波，如图5和图6中示例性地示出的。
图5和图6的上图示出了根据常规解决方案的逆变器系统的交流电流输出，即，多个逆变器10的交流电流输出的总和。图5和图6的下图示出了根据本公开的逆变器系统的交流电流输出，即，多个逆变器10的交流电流输出的总和。如图6的放大细节中所示的，常规逆变器系统的交流电流输出具有大的THD，而所公开的逆变器系统的交流电流输出中的切换纹波被大大减小。在示例性软件仿真的逆变器系统中，例如，切换纹波的大小可以减小约80％。
如以上参考图1至图6所说明的，本公开的逆变器系统不需要用于对逆变器的输出端处的切换纹波滤波的较大或附加的电路元件而获得较好的THD和较低的切换纹波水平。相反，仅增加了逆变器的切换过程的相移，特别是用于逆变器的逆变器电路的切换过程的载波信号的相移。由于其成本效益和简单的配置，本公开的逆变器系统特别在太阳能发电系统中是有利的。本公开的逆变器系统可以用于具有多个逆变器的任何类型的太阳能发电场。
将理解的是，本文中所指的处理器或处理系统或电路系统实际上可以由单个芯片或集成电路或多个芯片或集成电路(可选地作为芯片组)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、图形处理单元(GPU)等来提供。一个或多个芯片可以包括用于体现一个或多个数据处理器、一个或多个数字信号处理器、基带电路和射频电路系统中的至少一个或多个的电路系统(以及可能的固件)，它们是可配置的，以便根据示例性实施例操作。就这一点而言，示例性实施例可以至少部分地由存储在(非暂态)存储器中并且可由处理器执行的计算机软件来实现，或者通过硬件或者通过有形存储的软件和硬件(以及有形存储的固件)的组合来实现。
本文描述的示例应被理解为本发明的实施例的说明性示例。设想了进一步的实施例和示例。关于任何一个示例或实施例描述的任何特征可以单独使用或与其它特征结合使用。另外，关于任何一个示例或实施例描述的任何特征也可以与示例或实施例中的任何其它的一个或多个特征或者示例或实施例中的任何其它的任何组合结合使用。此外，在权利要求书所限定的本发明的范围内，也可以采用在此未描述的等同物和修改形式。

Claims (10)

1.一种逆变器系统，包括：
多个逆变器(10a…n，10x)，每个逆变器具有能够连接到至少一个直流源的输入端(12)、用于将直流电流转换为交流电流的逆变器电路(13)以及连接到总线(18)的输出端(14)，该总线(18)能够连接到电网(22)；和
控制器(10x)，用于控制所述多个逆变器(10a…n；10x)，
其中，所述控制器(10x)被配置为控制所述多个逆变器(10a…n，10x)的所述逆变器电路(13)的切换过程，使得所述多个逆变器(10a…n，10x)中的至少两个逆变器的切换过程相对于彼此相移。
2.根据权利要求1所述的逆变器系统，其中，所述多个逆变器(10a…n，10x)中的一个逆变器(10x)用作所述控制器(10x)。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的逆变器系统，其中，所述多个所述逆变器(10a…n，10x)和所述控制器(10x)经由通信线(24)彼此连接。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的逆变器系统，其中
所述多个逆变器(10a…n，10x)的切换过程各自由具有调制频率的相应载波信号(a)控制，以产生PWM输出信号(c)；和
所述控制器(10x)被配置为使所述多个逆变器(10a…n，10x)中的至少两个逆变器的载波信号(a)相对于彼此相移。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的逆变器系统，其中，所述多个逆变器(10a…n，10x)中的两个逆变器的有相移的切换过程之间的相位差(δ)为δ＝360°/m，其中m为逆变器(10a…n，10x)或活动逆变器(10a…n，10x)的总数。
6.一种太阳能发电系统，包括权利要求1至5中的任一项所述的逆变器系统以及连接到所述逆变器系统的所述多个逆变器(10a…n，10x)的输入端(12)的多个太阳能装置。
7.一种用于操作逆变器系统的方法，所述逆变器系统包括多个逆变器(10a…n，10x)，每个逆变器具有能够连接到至少一个直流源的输入端(12)、用于将直流电流转换为交流电流的逆变器电路(13)以及连接到总线(18)的输出端(14)，该总线(18)能够连接到电网(22)，
其中，所述多个逆变器(10a…n，10x)的所述逆变器电路(13)的切换过程被控制为使得所述多个逆变器(10a…n，10x)中的至少两个逆变器的切换过程相对于彼此相移。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述多个逆变器(10a…n，10x)的所述逆变器电路的切换过程由所述多个逆变器(10a…n，10x)中的用作主逆变器的一个逆变器(10x)来控制。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的方法，其中，所述多个逆变器(10a…n，10x)的切换过程各自由具有调制频率的载波信号(a)控制，以产生PWM输出信号(c)，所述多个逆变器(10a…n，10x)中的至少两个逆变器的所述载波信号(a)相对于彼此相移。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的方法，其中，所述多个逆变器(10a…n，10x)中的两个逆变器的有相移的切换过程之间的相位差(δ)为δ＝360°/m，其中m为逆变器(10a…n，10x)或活动逆变器(10a…n，10x)的总数。
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