TW201436445A - 多重直流電壓源逆變器與其方法 - Google Patents

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Abstract

本系統及方法揭露一種多重直流電壓源逆變器，用以供電給一交流電力系統，本系統包括複數個全橋式逆變器級，各全橋式逆變器級具有一主要節點與一次要節點，各全橋式逆變器級具有一正極節點與一負極節點，且各全橋式逆變器級具有一電壓供應裝置，並聯於正極節點與負極節點之間，並以一直流電源連接正極節點與負極節點。至少一堆疊逆變器相位，每一堆疊逆變器相位具有這些全橋式逆變器級，於每一個堆疊逆變器相位中，這些全橋式逆變器級處於一互相串聯狀態，且這些全橋式逆變器級其中之一的次要節點相連至相鄰的這些全橋式逆變器級其中之另一的主要節點，互相串聯狀態界定一第一個全橋式逆變器級與一最後一個全橋式逆變器級，每一堆疊逆變器相位具有一輸入節點與一輸出節點，輸入節點為第一個全橋式逆變器級之主要節點，輸出節點為最後一個全橋式逆變器級之次要節點。一局部控制器耦接各全橋式逆變器級，用以對各全橋式逆變器級傳遞一控制訊號，以輸出一近似正弦的電壓波形。一與局部控制器通訊的系統控制器，系統控制器產生一系統控制訊號，系統控制訊號用以指示局部控制器的配置、同步、啟動、停止及選取操作模式的其中之一或組合。

Description

多重直流電壓源逆變器與其方法 【相關申請的交叉引用】
此申請案為2011年12月16日所申請之臨時案(案號No.61576363)之後續，該申請案之內容包含於參考文獻中。
本發明係為一種分散式電壓源逆變器及其方法，特別是關於一種多重直流電壓源逆變器與其方法。
當前之發明主要為，將數股直流電源轉換為交流電之逆變器。現今對於人類活動可能對地球造成衝擊之意識，驅使綠能科技(如太陽能面板、太陽能電池板)之發展。太陽能系統(或光伏系統)使用一逆變器，將太陽能電池所提供之直流電源轉為交流電，以供家電等電器使用。一般太陽能面板之陣列皆含有多個子陣列，而每個子陣列則使用獨立的太陽能電池板。一接線盒將數個子陣列之輸出合成一直流訊號，並以之供給逆變器；逆變器接著將直流電轉為交流電，並將之提供至電力網。在該系統中，與電力網有效耦合之電量對系統本身的成本回收而言相當重要。因此，逆變器當則效率高者為佳。為增進系統之整體效率，將目前習用之「微型逆變器」技術，使用在逆變多個太陽能電池板所提供之直流電源上(其方式為：將各個微型逆變器與相應之太陽能電池板耦合)。這些微型逆變器所輸出之交流電以並聯方式連接，且逆變器本身與電力網耦合。雖然微型逆變器的使用較單一逆變器效率為佳，但各個微型逆變器之轉換效率通常仍只有95%或更低。
本系統及方法，透過以多重直流(DC)電壓源逆變器供給一交流(AC)電力系統而揭示。本系統包含數個全橋式逆變器級，其上皆有一主要節點與一次要節點，及一正極節點與一負極節點，且所有上述全橋式逆變器級均有一電壓供應裝置，並聯於前述正極節點與負極節點之間，並以一直流電源連接正極與負極節點。該系統亦至少包含一堆疊逆變器相位，每一堆疊逆變器相位中含有多個上述之全橋式逆變器級，這些全橋式逆變器級全部互相串聯，且一全橋式逆變器級的次要節點與另一全橋式逆變器級的主要節點相連；此一串聯關係導致第一與最後一個全橋式逆變器級的產生。每一相位於前述的第一個全橋式逆變器級之主要節點處有一輸入節點，並在最後一個全橋式逆變器級之次要節點處有一輸出節點。與每一全橋式逆變器級連結的局部控制器對該全橋式逆變器級傳遞控制訊號，輸出一近似正弦的電壓波形；另有一系統級的控制器與各個局部控制器溝通，該控制器傳送系統控制訊號，用以配置、同步、啟動、或停止局部控制器，並選取其操作模式。
上述系統的完成可能包含以下各項。多個直流電壓源逆變器可能會有三個堆疊逆變器相位，因而可進一步以Y形接法或三角形接法連接。每一全橋式逆變器級相位均包含一非必要之開關，以減少其輸出；且在此配置下，若有一全橋式逆變器級失靈，則其餘串聯之全橋式逆變器級仍可運作。可將一元件連接於前述全橋式逆變器級之正極與負極節點之間，該元件可由下列各種類型間挑選：電容、電池、燃料電池、光伏電池，或者生質電池。可將一非獨立切換式之電壓調節電路(如環火，或升壓變流器)，置於直流電源及前述全橋式逆變器級之交流電橋間。一獨立切換式之電壓調整迴路(如一順向、推拉，或半橋)可連接於直流電源及前述全橋式逆變器級之交流電橋間。前述全橋式逆變器級中可包含一主動濾波器；在使用包含光伏電池在內的直流電源時，加諸於直流電壓源的交流電壓調變，可由該主動濾波器解耦。每 一堆疊全橋式逆變器級皆能以不同於另一全橋式逆變器級的電力層級運作。不同數量的全橋式逆變器級可用於各個相位。一系統控制器包含至少一開關，將各個堆疊逆變器相位與電力網連接。多個直流電壓源變流器具有一系統控制器，提供由與電力網同步之鎖相迴路或局部震盪器所衍生之系統相位及頻率基準。利用一獨立電線，或使用透過連接於系統控制器及前述串聯之全橋式逆變器級間之電線所發送之高頻調節傳輸，即可傳送一週期性之相位基準同步訊號給所有的全橋式逆變器級。與每一全橋式逆變器級耦合之局部控制器均有一偵測用之電路，該電路被用以恢復由系統控制器所產生的同步訊號。前述之局部控制器包含一相位偏移之容錯鎖相迴路。前述系統控制器計算出起始電壓及運作電壓範圍，並將此訊號傳送給各個全橋式逆變器級。該系統控制器亦決定了各個全橋式逆變器級之開始與停止指令。
另一方面，一產生基準角度之方法包含：於堆疊逆變器相位與電力網連結處偵測電力網之頻率；以偵測到的電力網之頻率為基礎，製造並傳送一週期性之相位基準同步訊號；於各個全橋式逆變器級處，過濾並偵測前述之同步訊號；以前述之同步訊號為基準，製造一0至2pi之角度；並使用成比例、遲滯、或最低誤差之控制方法，以產生一調節訊號，並傳送給前述之全橋式逆變器級。
另一方面，逆變數道直流電源之電壓訊號，並產生一近似正弦之電壓波形，其方法包括：計算複數堆疊逆變器之交流啟動電壓；計算電力並製造一直流基準電壓；平均前述直流電之電壓；比較前述直流電之電壓大小與基準直流電之電壓大小；將前述平均電壓與前述基準直流電之電壓相比，產生第一道誤差訊號；將基準直流電大小與偵測到的交流電比較；由前述第一道誤差訊號產生一基準訊號；以前述針測得之交流電量，並以與前述基準比較所得之訊號，產生第二道誤差訊號；由前述之第二道誤差訊號，產生一相位調變訊號；偵測交流電之週期性線路電壓；產生一相位基準訊號，此訊號與前述交流電線路電壓之週期有直 接相關；使用前述相位基準訊號及相位調變訊號，產生數道訊號傳送給各個全橋式逆變器級；並為前述之調變指數提供一參考表格。
在特定情況下，此發明揭示了一種可使電力逆變之方法與設備。在該種情況下，此設備包含多個全橋式逆變器級，每一全橋式逆變器級皆有能力將輸入的直流電轉為交流電輸出；此設備亦包含有一系統控制器，以至少兩條電纜管理將直流電轉為交流電之全橋式逆變器級；全橋式逆變器級及系統控制器皆以串聯方式連接，並使用兩條電纜以菊鍊方式連接。
此項發明的完成可包含下列各項。在特定情況下，全橋式逆變器級具有一直流電橋及一交流電橋、一逆變控制器，及一無線電收發機(使系統控制器得以將訊息傳送給逆變控制器)。全橋式逆變器級可由太陽能面板取得能量，並選擇性的將能量供給光伏電池，以作為直流電之來源。太陽能面板之輸出可由電容校平。將太陽能面板所輸出之直流電提供給一交流電橋。該交流電橋之輸出透過濾波器後提供至輸出區段，以供交流電輸出。系統控制器可任意指定一全橋式逆變器級以電流源之方式運作，而剩餘之全橋式逆變器級則以電壓源之方式使用。該系統可操縱為數眾多、以串聯方式連接之全橋式逆變器級，而全橋式逆變器級數量之最小及最大值，則由所有串聯起來之全橋式逆變器級的柵極電壓、每一全橋式逆變器級的最大交流輸出電壓、以及每一全橋式逆變器級的最大交流輸出電流共同決定。在特定狀況下，以串聯方式連接的各組全橋式逆變器級可以三相逆變系統來表示。
上述之情況之優點如下所述。該系統內之每一逆變器均只需使用兩條電纜便能互相串聯。該系統效率極高，且擴展性高。該系統以單相或者三相之組成皆可運作。該系統可靠度高、外型小巧，且輕薄便利。
以上之概述與接下來的實施例，皆是為了進一步說明本發明之技術手段與達成功效，然所敘述之實施例與圖式僅提 供參考說明用，並非用來對本發明加以限制者。
10‧‧‧微型逆變器
100‧‧‧太陽能面板
102‧‧‧直流電橋
104‧‧‧交流電橋
106‧‧‧逆變控制器
108‧‧‧通訊收發器
12、14、16及18‧‧‧數條電線與接頭
120‧‧‧直流電源
124‧‧‧直流電橋
126‧‧‧主動濾波器
130‧‧‧直流鏈路電容
140‧‧‧交流電橋
150‧‧‧交流濾波器
160‧‧‧輸出電路
170及180‧‧‧串聯之交流電連接於接頭
20‧‧‧全橋式逆變器級
22‧‧‧標準單心電纜及接頭
22及24‧‧‧電纜
304‧‧‧示範性直流電橋
306‧‧‧示範性交流電橋
308‧‧‧示範性交流濾波器
310‧‧‧輸出電路
410‧‧‧系統控制器
420‧‧‧全橋式逆變器級
422‧‧‧電纜
424‧‧‧接頭
510‧‧‧系統控制器
520‧‧‧全橋式逆變器級
530‧‧‧三相系統控制器
620‧‧‧系統控制單元
622及624‧‧‧繼電器
630‧‧‧全橋式逆變器級
640‧‧‧通訊頻道
650‧‧‧電力網
710‧‧‧微型逆變器
730‧‧‧電力網utility grid
720‧‧‧標準鎖相迴路(PLL)演算
Vs1、Vs2及Vs3‧‧‧示範性同步訊號
Vg‧‧‧電力網電壓的檢測樣本
920‧‧‧數位鎖相迴路
930‧‧‧收訊電路
950‧‧‧鎖相迴路
970‧‧‧獨立電線
980‧‧‧系統控制器
1055‧‧‧耦合電路
1010‧‧‧全橋式逆變器級
1020‧‧‧鎖相迴路
1030‧‧‧接收電路
1035‧‧‧耦合電路
1060‧‧‧電源線
t1、t2‧‧‧延遲
為使此發明之上述特徵可清楚被理解，上述對該發明更為詳細之描述，可透過該發明之具現化而得知(其中部分以附件中之圖示)。然而需注意到，附件之圖示僅為此發明的一種形式，因此不可以之限制此發明之範圍，而此發明亦可承認其他具有相同效力之形式。
圖1A為交流電流之內接電纜及接頭，以及用於一實施例之習用微型逆變器電力逆變系統，該系統使用複數並聯之微型逆變器之示意圖。
圖1B為本發明一實施例之精簡電纜及接頭結構圖。
圖2為本發明一實施例之全橋式逆變器級之整合實施電路圖。
圖3-1至圖3-4為本發明一實施例之全橋式逆變器級配置之功能方塊圖。
圖3-5為本發明一實施例之數個全橋式逆變器級子系統之實施電路圖。
圖4為本發明一實施例之三個全橋式逆變器級之示意圖。
圖5A為本發明一實施例系統之具有八個全橋式逆變器級之示意圖。
圖5B為本發明一實施例之具有十三個全橋式逆變器級之示意圖。
圖5C為本發明一實施例之三相系統示意圖。
圖6為本發明一實施例之用於控制及同步串聯起來的多個全橋式逆變器級的控制及通訊系統之示意圖。
圖7為一實施例之習用微型逆變器運用於連接電力網之同步架構圖。
圖8為本發明一實施例之系統控制器發送給各個全橋式逆變器級之同步訊號圖。
圖9為本發明一實施例使用其他電線所傳送同步訊號之同步架構圖。
圖10為本發明一實施例使用注入電纜之同步訊號的同步架構圖。
圖11為本發明一實施例之耦接於不同串聯之全橋式逆變器級之間的偵測電路之延遲差異及同步訊號之傳播延遲之示意圖。
圖1A為交流電流之內接電纜及接頭，以及用於一實施例之習用微型逆變器電力逆變系統，該系統使用複數並聯之微型逆變器之示意圖。本圖僅顯示眾多可能中的其中一種電纜及接頭組成。習用的供電系統具有一微型逆變器10，及數條電線與接頭12、14、16及18。數個微型逆變器在電力網上以並聯方式連接。圖1A所示之系統相較於本發明，需要更為複雜之多線電纜及接頭。於此實施例中，一全橋式逆變器級20使用兩種標準單心電纜及接頭22。相較於圖1A中之習用電纜及接頭系統，本發明僅使用兩條單心電纜/接頭，因而可減少電纜及接頭材料費成本，以及裝設如圖1B所示系統之人力成本。本發明中之每一全橋式逆變器級(full bridge inverter stages)均提供交流電源至一串聯之交流電路。該交流電路最後接上系統控制器。系統控制器將所有以串聯方式連接之全橋式逆變器級的輸出集合起來，以形成單一的交流電源供給一電子面板。
圖2為本發明一實施例之全橋式逆變器級之整合實施電路圖。此處顯示其中之全橋式逆變器級的主要功能。一太陽能面板100(或是光伏能接收器或者面板)具有數個配置於疊片段(置於基質之表面)中之太陽能電池。合適的太陽能電池包含習用的單晶或多晶矽太陽能電池、薄膜太陽能電池(非晶質矽、碲化鎘，或CIGS等)，及III-V太陽能電池。雖然單一串太陽能電池可被安排於單一列中，但在其他狀況下有可能使用較多或較少的太陽能電池，因此可沿著基質安排於一、二，甚至是更多互相平行的列當中。此外，兩塊以上的太陽能面板100可以頭尾相連之方式放 置並耦合，以提供較大的接收器使用。
每一太陽能面板100均與一全橋式逆變器級耦合，該全橋式逆變器級可將由太陽能面板100所產生之直流電轉為交流電。本發明之全橋式逆變器級限制了與交流電力網之電流同相之電流流量，並可產生低失真之電流。其方法為使用多個整合電路。在特定情況下，太陽能面板100之輸出由一直流電橋102所調節，該直流電橋之輸出提供給一交流電橋104。交流電橋104之輸出與本發明之其他全橋式逆變器級互相串聯。直流電橋102及交流電橋104由逆變控制器106所控制，該控制器透過一通訊收發器108與系統控制器互通訊息。該通訊收發器108可為一有線通訊收發器、一無線通訊收發器如紫蜂(Zigbee)收發器，或其他形式之通訊收發器。
一電子面板可透過系統控制器，將數個以串聯方式連接之全橋式逆變器級之電源，與電力網連接；甚至在某些情況下，與使用者之使用場所內的各種設備連接。例如在一般住家中，電子面板為一習用之交流配電集線器，具有數個斷路器及保險絲，以將電流分配至家中各個不同迴路。電子面板透過電表與電力網耦合。電表決定了提供至電力網之電量，因而使太陽能面板100之所有人能得到提供電力之補償。
全橋式逆變器級根據逆變控制器106所產生之控制及開關訊號，將直流電轉為交流電。為回應直流及交流訊號，逆變控制器106產生前述之控制及開關訊號。因此，全橋式逆變器級可被最佳化控制，並使用一特定運作模式以對應當前的直流與交流訊號狀態；亦即，將交流輸出與電力網之相位進行最佳化配對，使得交流電源有效率地與電力網耦合，並自太陽能面板處取得最大可能之直流電流。
接下來討論本發明中全橋式逆變器級之構造及功能。圖3-1至圖3-4為本發明一實施例之全橋式逆變器級配置之功能方塊圖。全橋式逆變器級之最基本之型態由圖3-1所示。一直流電源120提供電力予交流電橋140。直流鏈路電容130過濾由交 流電橋產生之開關漣波，以及由交流電力網產生之低頻漣波。交流電橋140由脈寬調變控制，以提供一近似正弦的輸出訊號。交流濾波器150為一低通濾波器，可將高頻之脈寬調變雜訊過濾掉。輸出電路160提供一選擇性之斷路繼電器。串聯之交流電連接於接頭170及180。
具有直流電橋124之另一種形式如圖3-2所示。該直流電橋可為一升壓或降壓轉換電路。一升壓電路可被用來增加直流鏈路電容130之運作電壓，因此可於交流輸出端點提供較大的峰至峰間交流運作電壓。一較大之峰至峰間交流運作電壓，可允許在產生一給定之堆疊交流輸出電壓時，使用數量較少的全橋式逆變器級。一降壓轉換電路可被用來減少直流連接電容之運作電壓。此舉使得使用者能選用低電壓之電晶體作為交流電橋的一部分，因而降低成本、提高電路效能，並增加堆疊全橋式逆變器級(stacked full bridge inverter stages)之數量。
圖3-3更進一步顯示了一種主動濾波器126，可用以維持來自太陽能面板電流之恆定，並具有最小需求電容量，以使用雙倍線頻率解耦交流漣波電流，並由太陽能面板處取得最大可能電力。
圖3-4包含一主動濾波器126以降低直流鏈路電容之大小及成本，且不需使用其他獨立直流電橋。
本發明之另一實施例全橋式逆變器級之功能方塊圖如圖3-5所示，並如下述討論。直流電可由太陽能面板、電池，或者一媒介直流電源產生器等直流電源所提供。直流電源之輸出提供至一示範性直流電橋304，而該直流電橋之輸出由一濾波電容器使平滑，並提供至一示範性交流電橋306。該交流電橋之輸出提供至一示範性交流濾波器308，而輸出電路310與使用電纜22及24之其他全橋式逆變器級的輸出互相連接。
圖4為本發明一實施例之具有三個全橋式逆變器級420之系統，並分別使用電纜422及接頭424以串聯前述之全橋式逆變器級。全橋式逆變器級420受其專屬局部控制器之控制。一 系統控制器410提供與電力網之同步、開啟及關閉之指令，以及監測其功能。一全橋式逆變器級420可作為電流來源，而剩下之全橋式逆變器級420可作為電壓源而運作。
圖5A為本發明一實施例系統之具有八個全橋式逆變器級之示意圖。此系統中，八個全橋式逆變器級520連接至一系統控制器510。圖5B唯一實施例系統，其中系統控制器510連接至十三個全橋式逆變器級520。
圖5C為本發明一實施例之三相系統示意圖。每一相位均由數個以串聯方式連接之全橋式逆變器級520供電，且所述之全橋式逆變器級均與一三相系統控制器530相連。該系統控制器需提供一同步訊號至各個全橋式逆變器級；在三相系統當中，每一相位之間均有一120度相位。
圖6為本發明一實施例之用於控制及同步串聯起來的多個全橋式逆變器級的控制及通訊系統之示意圖。本系統用以控制數個全橋式逆變器級。一系統控制單元620控制繼電器622及624，而前述之繼電器將產生之電力供應至一電力網650。該系統控制單元620透過一通訊頻道640，由全橋式逆變器級630處接收訊號。通訊頻道640可被接成電力線路之通訊頻道，或者如紫蜂(Zigbee)等之無線接收器。系統控制器以演算法偵測電力網之異常狀態，並以控制繼電器622及624作為切斷本發明與電力網間聯繫之方法。此外，系統控制器將提供電力網之同步訊號至每一全橋式逆變器級。
圖7為一實施例之習用微型逆變器運用於連接電力網之同步架構圖。任何與電力網相連之逆變器(inverter)皆需與電力網同步。前案之微型逆變器710直接連接至電力網730，該電力網為一剛性之電壓源。標準鎖相迴路(PLL)演算720之可靠度高，可對剛性之電壓源使用，以將前案之逆變器與電力網之相位及頻率同步。本發明之全橋式逆變器級並未直接與電力網相連。每一以串聯方式連接之全橋式逆變器級，其端點處之區域電壓均非剛性之電壓源。因此，每一以串聯方式連接之全橋式逆變器級，無 法以習用之鎖相迴路(PLL)同步方法，可靠地將其輸出相位與頻率和電力網同步。本發明提出一全新之分散式同步方法，以實現將每一全橋式逆變器級之相位與頻率，可靠地和電力網同步之目的。本發明之系統控制器與電力網相連。系統控制器可因此使用習用之鎖相迴路(PLL)演算法，以與電力網之相位和頻率達成穩健之同步。於並網系統中，系統控制器之鎖相迴路功能可產生一周期性之相位同步訊號，並以發送至各個串聯起來之全橋式逆變器級的電力網頻率，將此同步訊號提供至本發明之系統。於下網系統中，系統控制器本身即為系統頻率之來源。
圖8為由系統控制器傳送至全橋式逆變器級之三種可能的實施例同步訊號Vs1、Vs2及Vs3。同步訊號之傳輸由系統控制器計時，並使用電力網之電力網電壓的檢測樣本Vg將之與電力網之相位對齊；該相位由圖9所示之系統控制器980的鎖相迴路950所偵測。Vs1為一同步訊號之可能波形，該同步訊號可被傳輸至每一由串聯方式透過獨立電線970而連接之全橋式逆變器級910。每一由串聯方式連接之全橋式逆變器級910有一收訊電路930，以取得送出之同步訊號；且有其專屬之數位鎖相迴路920，以與電力網之相位及頻率作區域性同步，如圖9所示。此方式之缺點為，需要一獨立電線970，因此可能增加系統之電纜即接頭成本。
在光伏應用中習用的方法，為使用已存在之電線連接串聯之全橋式逆變器級及系統控制器。一低電壓、高頻率之訊號(Vs2及Vs3)可被系統控制器注入一電線(該電線透過系統控制器與電力網串聯)，隨後由每一以串聯方式連接之全橋式逆變器級獲取。Vs2及Vs3為頻率較電力網高3-4數量級之訊號。為排除每一堆疊微型逆變器所收到同步訊號之雜訊，應使用帶通濾波器濾除帶外之雜訊，並確保能正確取得同步訊號。Vs2及Vs3為示範性同步訊號。同步訊號之相位的偏移、頻率、長度、調變，及週期性於其他形式中均可不同。
如下所討論，本發明之同步訊號需傳送給與電力網 波形相位十分一致之系統控制器。
如下面討論的，本發明的同步訊號必須被系統控制器發送，其中系統控制器發送與電力網波相位十分一致的同步訊號。如圖8所示之當前範例，同步訊號於電力網的上升邊緣之每一零點交叉處傳輸。在其他實施例中，同步訊號亦可以為每一電力網週期之波峰頂點下傳輸，或是其他決定的時點下傳輸。在圖10所繪示的耦合電路1055是必需被注入高頻同步訊號到全橋式逆變器級1010的電源線1060，且在每一個全橋式逆變器級1010的耦合電路1035接收上述高頻同步訊號，耦合電路1035、1055可以是變壓器或電容器，其中耦合電路係為用於低頻的高阻抗和用於高頻的低阻抗。
圖11繪示一實例型的恢復訊號在每一串接的全橋式逆變器級。如圖中所示，在每一串接的全橋式逆變器級(Vi1 to Vin)中的這恢復同步訊號將被延遲，其中上述延遲係與系統控制器(Vs1)所發送的訊號比較。而上述延遲的總量將與距離(特別是全橋式逆變器級到系統控制器的距離)、在帶通濾波器上的元件公差以及接收器電路，係具有相關性。上述延遲可能會隨著任何位置而不同，從幾微秒到幾十微秒。這種延遲的變化需要一種特殊的鎖相迴路方法，這種特殊的鎖相迴路方法在每一個串聯連接的全橋式逆變器級，將產生一個適當的本地相位基準訊號。
與此相反，常規的做法，是將電流轉換為同步訊框(synchronous frame)的d-q和執行一個比例積分(PI)控制迴路，以消除電壓和電流之間的任何延遲(d應為零)。強大的積分迴路可以使這種延遲忽略不計。
在圖11之本發明一實施例中，一個全橋式逆變器級具有一t1的延遲，且產生具有上述t1的延遲的電流，一第二個全橋式逆變器級將偵測到一相位偏移，這相位偏移自t1到t2，且將試著去改變其基準而移動電流到t2的延遲。其結果是，兩個全橋式逆變器級將其本地基準訊號推到相對側，以對應獲得一致的電流在t1和t2的延遲上。因為電流是相同的(串聯連接)，這兩個 全橋式逆變級將不能夠實現零相位偏移，並且系統將無法正常運作。本發明介紹一種新穎的控制方法以解決這個問題。
在一個實施例中，本發明的每一個全橋式逆變器級做出一個修正，在每一個串接的全橋式逆變器級對其本地基準訊號去容忍同步信號恢復延遲變化。由於10us的程度是相對於電力網頻率的十分之一，所以這個誤差可以忽略不計。在其他實施例中，本發明的每一個全橋式逆變器級可以使用下列示範性控制方法的其中之一，以成功實現電力網的相位和頻率同步：
(1)比例控制迴路：該控制器允許誤差。而潛在的問題是誤差的總量太大。
(2)一具有非常小的積分增益的比例積分迴路也將會容忍可能的相位誤差。
(3)一具有允許最小誤差的比例積分控制迴路。這意味著，如果誤差小於最大檢測誤差(上述的10us)，這誤差將被視為零。
(4)一個遲滯控制器，可以移動相應於相位誤差的總量(+/-10us)的基準訊號。
接著，本發明之系統的啟動和關閉將被討論。由系統控制器進行啟動和關閉之重要步驟，包括：
(1)檢查所需的全橋式逆變器級的足夠數量，以建立電力網電壓，是可以預備進行運作的。
(2)系統控制器發送一個週期性同步信號給所有的全橋式逆變器級。
(3)系統控制器確認所有全橋式逆變器級回報同步運作成功。
(4)系統控制器將關閉其繼電器，並將系統連接到電力網。電力網電壓將經由每一個串接的全橋式逆變器級的輸出濾波電容共享。
(5)系統控制器發送一個啟動指令至串聯連接的全橋式逆變器級。
(6)全橋式逆變器級啟動在電壓模式下，且只要這些全橋式逆變器級發現電流流過串接的交流電路中，這些全橋式逆變器級切換到功率模式，並開始提供最大可用功率從各自的本地直流電源。
在另一個實施方式中，系統控制器首先啟動全橋式逆變器級在電壓模式，在系統控制器關閉其繼電器且連接串線到電力網之後，以獲得交流電串電壓等於電力網電壓。一旦全橋式逆變器級檢測到電流流動時，全橋式逆變器級將切換到功率模式。
關機時，系統控制器將檢測到的一低功率位準，並發出一關機命令到所有的全橋式逆變器級。全橋式逆變器級將轉換交流電橋並停止供電。電流將下降到接近零，同時間，系統控制器可以打開其繼電器和從電力網斷開系統。
系統控制器是在系統中唯一的裝置，其中上述系統是直接連接到電力網。也是系統中的唯一的裝置，其中上述系統具有一個基準接地。因此，系統控制器必須存在每個系統，以符合適用的地區和國家法規安全要求，例如：
(1)異常電力網電壓檢測和自動斷線
(2)異常電力網頻率檢測和自動斷線
(3)防電力網分裂檢測和自動斷線
(4)接地故障檢測和斷線
(5)可能的過電流系統保護
雖然各種實施例已在上面描述，但應理解的是，以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。因此，一個最佳實施例的廣度和範圍不應由任何上述實施例限制，而是應當僅根據所附權利要求及其等同物限定。
410‧‧‧系統控制器
420‧‧‧全橋式逆變器級
422‧‧‧電纜
424‧‧‧接頭

Claims (16)

  1. 一種多重直流電壓源逆變器，用以供電給一交流電力系統，包括：複數個全橋式逆變器級，各該全橋式逆變器級具有一主要節點與一次要節點，各該全橋式逆變器級具有一正極節點與一負極節點，且各該全橋式逆變器級具有一電壓供應裝置，並聯於該正極節點與該負極節點之間，並以一直流電源連接該正極節點與該負極節點；至少一堆疊逆變器相位，每一該堆疊逆變器相位中包含有該些全橋式逆變器級，於每一該堆疊逆變器相位中，該些全橋式逆變器級處於一互相串聯狀態，且該些全橋式逆變器級其中之一的該次要節點相連至相鄰的該些全橋式逆變器級其中之另一的該主要節點，該互相串聯狀態界定一第一個全橋式逆變器級與一最後一個全橋式逆變器級，每一該堆疊逆變器相位具有一輸入節點與一輸出節點，該輸入節點為該第一個全橋式逆變器級之主要節點，該輸出節點為該最後一個全橋式逆變器級之次要節點；一局部控制器，耦接各該全橋式逆變器級，用以對各該全橋式逆變器級傳遞一控制訊號，以輸出一近似正弦的電壓波形；及一與該局部控制器通訊的系統控制器，該系統控制器產生一系統控制訊號，該系統控制訊號用以指示該局部控制器的配置、同步、啟動、停止及選取操作模式的其中之一或組合。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多重直流電壓源逆變器，更包括三個堆疊逆變器相位。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之多重直流電壓源逆變器，其中該三個堆疊逆變器相位係以Y接方式連接。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之多重直流電壓源逆變器，其中該三個堆疊逆變器相位係以Delta(△)接方式連接。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之多重直流電壓源逆變器，其中各該全橋式逆變器級採用一開關，以使各該全橋式逆變器級的輸出短路，及於該堆疊逆變器相位中的其餘該些全橋式逆變器級串接運作。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之多重直流電壓源逆變器，更包括一元件，耦接於各該全橋式逆變器級的該正極節點與該負極節點之間，該元件係選自電容、電池、燃料電池、光伏電池及生質電池的其中之一。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之多重直流電壓源逆變器，更包括一非獨立切換式之電壓調節電路，耦接於各該全橋式逆變器級的一直流電源及一交流電橋之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之多重直流電壓源逆變器，更包括一獨立切換式之電壓調節電路，耦接於各該全橋式逆變器級的一直流電源及一交流電橋之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之多重直流電壓源逆變器，更包括一主動濾波器，耦接於各該全橋式逆變器級的一直流電源及一交流電橋之間，用以解耦合交流電流調變並施加到該直流電壓源上，並使用於限制具有光伏電池的直流電源的電流上。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之多重直流電壓源逆變器，其中堆疊的各該全橋式逆變器級係操作於不同的功率。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之多重直流電壓源逆變器，其中於每一該堆疊逆變器相位中，該些全橋式逆變器級的堆疊數量係為一 可變數量。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之多重直流電壓源逆變器，其中該系統控制器採用至少一開關，用以選擇性地將每一該堆疊逆變器相位連接到一電力網。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之多重直流電壓源逆變器，更包括：該系統控制器提供一系統相位及頻率基準，而從一鎖相迴路同步到一電力網或是從一局部振盪器取得該系統相位及頻率基準係，該系統控制器包括一週期性之相位基準同步訊號給每一堆疊逆變器的手段，每一堆疊逆變器使用一獨立電線或透過高頻率調變傳輸注入到電纜，而電纜耦接於該系統控制器串接該些全橋式逆變器級之間；及該局部控制器耦接各該全橋式逆變器級，各該全橋式逆變器級具有一偵測電路，該系統控制器產生用於恢復的同步訊號；其中，該局部控制器包括一個相位偏移測量誤差容錯同步方法。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之多重直流電壓源逆變器，更包括：該系統控制器計算並傳輸啟動電壓，以及操作各該全橋式逆變器級的電壓範圍；該系統控制器決定並傳輸控制命令，以觸發或停止各該全橋式逆變器級；及該系統控制器決定並傳輸控制命令，以觸發或停止該多重直流電壓源逆變器。
  15. 一種方法，用以產生基準角度，包括：於一堆疊逆變器相位連接到一電力網處，偵測該電力網之頻率；根據偵測到該電力網之頻率，以製造並傳送一週期性之相位基準 同步訊號；於每一個全橋式逆變器級處，過濾並偵測該週期性之相位基準同步訊號；根據該週期性之相位基準同步訊號，以製造一角度，該角度的範圍為0至2pi；使用比例、遲滯或最小誤差之控制方法以消除相位誤差；及產生一調節訊號並傳送給各該全橋式逆變器級。
  16. 一種方法，用以轉換複數個直流電壓訊號為一近似正弦的電壓波形，包括：計算交流電啟動電壓以用於堆疊全橋式逆變器級；計算功率及產生一基準直流電壓；平均該些直流電壓位準；以該基準直流電壓比較該些直流電壓位準之平均值；根據該基準直流電壓與該些直流電壓位準之平均值的比較值，以產生一第一誤差訊號；以偵測到的交流電電流位準比較一基準直流電流；根據該第一誤差訊號以產生一基準訊號；根據該偵測到的交流電電流位準與該基準直流電流的比較值，以產生一第二誤差訊號；根據該第二誤差訊號以產生一相位調變訊號；偵測一週期之一交流線電壓；產生一基準相位訊號，該基準相位訊號係直接關聯到該交流線電壓的該週期；產生複數個觸發訊號用於複數個全橋式逆變器級，該些全橋式逆 變器級係使用該相位基準訊號和相位調變訊號；及提供一基準表用於該調變指數。
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