TWI450481B - 並網逆變器的啟動裝置及其控制方法 - Google Patents

並網逆變器的啟動裝置及其控制方法 Download PDF

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Description

並網逆變器的啟動裝置及其控制方法
本發明係有關於並網逆變器，特別係有關於並網逆變器的啟動裝置以及該啟動裝置的控制方法。
當前，能源危機日益嚴重，導致新能源(如風能、太陽能等)技術發展日益受到研發人員的關注和重視。與此同時，在發電系統中，電機輸出的交流電往往與交流電網的頻率和相位不一致，此時，通常需要借助於逆變器(或變流器)，將電機輸出的交流電轉化為一直流電，然後將該直流電逆變為與交流電網的頻率和相位相一致的交流電，從而實現並網發電。例如，在將交流電轉化為直流電以及將直流電再逆變為交流電的過程中，對電力電子器件(如功率開關管)進行PWM控制，藉由這些功率開關管的開通或關斷來完成交流-直流變換和直流-交流變換。
另一方面，隨著電力電子裝置的廣泛應用，電力系統中的諧波和不對稱日趨嚴重，這對於並網發電的上述逆變器的安全運行和穩定可靠性將會產生巨大危害，因而必須對其進行諧波抑制和諧波補償。現有技術中的一種解決方式是在於，採用有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)，以實現諧波的補償。然而，在該APF中，交流側的電感通常較小，其直流側 也只設置濾波電容，若不經過軟啟動過程，直接將APF併入交流電網，勢必會形成相當大的啟動衝擊電流，嚴重威脅功率器件的安全甚至造成APF並網失敗。
有鑑於此，如何設計一種用於並網逆變器的啟動裝置，並對該啟動裝置進行合理的控制，以便在不增加系統的體積和製造成本的同時，使並網逆變器啟動時的衝擊電流降到最低，從而對功率開關器件進行保護，藉由軟啟動過程將逆變器併入電網，是業內相關技術人員亟待解決的一項課題。
針對習知技術中的並網逆變器與交流電網並網時所存在的上述缺陷，本揭示內容提供了一種並網逆變器的啟動裝置以及該啟動裝置的控制方法。
本揭示內容之一態樣係在於提供一種並網逆變器的啟動裝置，包括彼此並聯的一第一開關和一第一電阻。第一開關電連接於一交流電網和並網逆變器之間。該啟動裝置還包括一控制器。該控制器包括一輸入端、一第一輸出端和一第二輸出端。該控制器的輸入端用以接收和檢測逆變器的直流電壓。當該直流電壓超過一預設電壓閾值時，該控制器藉由其第一輸出端發送一第一控制信號以導通第一開關，以及藉由第二輸出端發送一第二控制信號使得並網逆變器進入斬波工作模式。第一控制信號的發送時刻與第二控制信號 的發送時刻之間具有一延時期間td1，並且td1大於0。
在一實施例中，第二控制信號為一脈衝寬度調變(PWM)使能信號，藉由該脈衝寬度調變使能信號使並網逆變器工作於升壓(boost)模式。第二控制信號的發送時刻為電網的相電壓過零點之前T/24時刻至該相電壓過零點之後T/24時刻的區間內的任一時刻。其中，T為工頻週期。進一步，第二控制信號的發送時刻為電網的相電壓過零點。
在一實施例中，啟動裝置還包括一第二開關，與第一電阻串聯連接，該控制器還包括一第三輸出端，藉由該第三輸出端發送一第三控制信號以導通或斷開第二開關。在第一控制信號的發送時刻，第二開關基於一第一電平的第三控制信號仍然處於導通狀態。在該第二控制信號的發送時刻，第二開關基於一第二電平的第三控制信號處於斷開狀態。具有第二電平的第三控制信號的發送時刻與第二控制信號的發送時刻之間具有一延時期間td2。並且td2大於0且小於td1。
在一實施例中，第一控制信號的發送時刻為電網的相電壓過零點之前T/12時刻至該相電壓過零點之後T/12時刻的區間內的任一時刻，其中，T為工頻週期。優選地，第一控制信號的發送時刻為電網的相電壓過零點。
在一實施例中，第一控制信號的發送時刻為電網的相電壓過零點之前(T/12+tc)時刻至該相電壓過零 點之後(T/12+tc)時刻的區間內的任一時刻，其中，T為工頻週期，tc為所述第一開關的動作時間。
此外，啟動裝置還包括一閘刀開關，設置於第一開關與交流電網之間。
此外，預設電壓閾值為交流電網的線電壓峰值的0.8倍。
本揭示內容之一態樣係在於提供並網逆變器的啟動裝置。該啟動裝置包括一第一開關、一預充電支路和一控制器。該第一開關電連接於一交流電網和並網逆變器之間。該預充電支路與該第一開關並聯連接，包括串接的一第二開關和一第一電阻。該控制器包括一輸入端、一第一輸出端和一第二輸出端。該控制器的輸入端用以接收和檢測逆變器的直流電壓，並且當該直流電壓超過一預設電壓閾值時，控制器藉由第一輸出端發送一第一控制信號以導通第一開關，以及藉由第二輸出端發送一第二控制信號以導通或斷開第二開關。其中，具有一第一電平的第二控制信號的發送時刻與第一控制信號的發送時刻之間具有一延時期間td3，並且td3大於0。
在一實施例中，在第一控制信號的發送時刻，第二開關基於一第二電平的第二控制信號仍然處於導通狀態。第一電平為低電平，用以斷開第二開關。第二電平為高電平，用以導通第二開關。
在一實施例中，第一控制信號的發送時刻為自電 網的相電壓過零點之前T/12時刻至該相電壓過零點之後T/12時刻的區間內的任一時刻，其中T為工頻週期。優選地，第一控制信號的發送時刻為電網的相電壓過零點。
在一實施例中，第一控制信號的發送時刻為自電網的相電壓過零點之前(T/12+tc)時刻至該相電壓過零點之後(T/12+tc)時刻的區間內的任一時刻，其中，T為工頻週期，tc為第一開關的動作時間。
此外，預設電壓閾值為交流電網的線電壓峰值的0.8倍。
本揭示內容之一態樣係在於提供一種啟動裝置的控制方法。該啟動裝置包括彼此並聯的一第一開關和一第一電阻，第一開關電連接於一交流電網和一並網逆變器之間。該控制方法包括：檢測並網逆變器的直流電壓；當直流電壓超過一預設電壓閾值時，發送一第一控制信號以導通第一開關；延時一時間期間td1，其中td1大於0；發送一第二控制信號，使得並網逆變器工作於升壓(boost)模式。
在一實施例中，時間期間td1不小於第一開關完全導通所需的動作時間。
在一實施例中，第二控制信號的發送時刻為自電網的相電壓過零點之前T/24時刻至該相電壓過零點之後T/24時刻的區間內的任一時刻，其中，T為工頻週期。
在一實施例中，第一控制信號的發送時刻為自電網的相電壓過零點之前T/12時刻至該相電壓過零點之後T/12時刻的區間內的任一時刻，其中，T為工頻週期。
此外，預設電壓閾值為交流電網的線電壓峰值的0.8倍。
本揭示內容之一態樣係在於提供啟動裝置的控制方法。該啟動裝置包括彼此並聯的一第一開關和一預充電支路。第一開關電連接於一交流電網和一並網逆變器之間。預充電支路包括串接的一第二開關和一第一電阻。該控制方法包括以下步驟：檢測並網逆變器的直流電壓；當直流電壓超過一預設電壓閾值時，發送一第一控制信號以導通第一開關；延時一時間期間td4，其中td4大於0；發送具有第一電平的一第二控制信號以斷開該第二開關。
在一實施例中，於上述發送第一控制信號的步驟之前，該控制方法還包括：發送具有第二電平的第二控制信號以導通第二開關，使得逆變器直流側的直流母線電容處於預充電狀態。
在一實施例中，第一控制信號的發送時刻為自電網的相電壓過零點之前T/12時刻至該相電壓過零點之後T/12時刻的區間內的任一時刻，其中，T為工頻週期。
此外，預設電壓閾值為交流電網的線電壓峰值的 0.8倍。
採用本發明中的用於並網逆變器的啟動裝置以及該啟動裝置的控制方法，藉由該啟動裝置的控制器發送一第一控制信號以導通主回路開關，並經過一延時期間後再發送一第二控制信號從而使並網逆變器進入斬波工作模式，因此可防止在該主回路開關尚未完全導通時送變器已投入工作，致使預充電電阻上的損耗過大。此外，並網逆變器進入諸如升壓(boost)模式後，直流母線電壓緩慢上升達到參考電壓值，在完成整個軟啟動過程的同時，避免了啟動衝擊電流過大給功率器件帶來的損壞，提升了逆變器運行的穩定性和可靠性。
為了使本申請所揭示之技術內容更加詳盡與完備，可參照附圖以及本發明之下述各種具體實施例，附圖中相同之標記代表相同或相似之組件。然而，本領域的普通技術人員應當理解，下文中所提供的實施例並非用來限制本發明所涵蓋之範圍。此外，附圖僅僅用於示意性地加以說明，未依照其原尺寸進行繪製。
於本申請的具體實施方式部分與專利申請範圍部分，涉及『耦接(coupled with)』之描述，其可泛指一元件透過其他元件而間接連接至另一元件，或是一元件無須透過其他元件而直接連接至另一元件。
於本申請的具體實施方式部分與專利申請範圍部分，除非文中對於冠詞有所特別限定，否則『一』與『該』可泛指單個或多個。
本文中所使用的『約』、『大約』或『大致』用以修飾任何可些微變化的數量，但這種些微變化並不會改變其本質。於實施方式中若無特別說明，則代表以『約』、『大約』或『大致』所修飾之數值的誤差範圍一般是容許在百分之二十以內，較佳地是在百分之十以內，而更佳地則是在百分之五以內。
第1圖繪示依據本發明的一具體實施方式，並網逆變器的啟動裝置的電路結構示意圖。
請參照第1圖，本發明中用於並網逆變器的啟動裝置包括彼此並聯的開關S3和電阻R(也可稱為“預充電電阻”)、控制器20。其中，開關S3耦接於一交流電網和並網逆變器10之間，並網逆變器的直流電壓Udc可藉由電容C兩端所載入的電壓予以檢測。
控制器20用來控制逆變器10的軟啟動過程。具體來說，控制器20包括一輸入端IN1、一第一輸出端OUT1和一第二輸出端OUT2。輸入端IN1用來接收和檢測逆變器10的直流電壓Udc，第一輸出端OUT1連接至開關S3，用於發送一第一控制信號以便開關S3執行導通動作，第二輸出端OUT2耦接至逆變器10，用於發送一第二控制信號(諸如脈衝寬度調變(PWM)使能信號)，從而使逆變器進入斬波工作模式。在此， 斬波工作模式(chopping mode)可包括升壓(boost)工作模式和逆變模式。例如，當逆變器處於boost工作模式時，來自交流電網的交流電進入逆變器10，並藉由逆變器10轉換為一直流電，從而直流母線電容C兩端的直流電壓緩慢上升以到達母線電壓的參考值。又如，當逆變器處於逆變模式時，逆變器10將直流母線電容C兩端所存儲的直流電壓逆變為交流電，從而在並網成功後向交流電網輸送電能。
需要特別指出的是，在該實施方式中，當該直流電壓Udc超過一預設電壓閾值時，控制器20先藉由該第一輸出端OUT1發送該第一控制信號以導通開關S3，然後藉由該第二輸出端OUT2發送該第二控制信號使逆變器10進入斬波工作模式。亦即，對於控制器20來說，第一控制信號的發送時刻與第二控制信號的發送時刻之間具有一延時期間td1，並且該延時期間td1大於0。換言之，本發明的啟動裝置並非在開關S3導通的同一時刻，向逆變器發送控制信號以使其進入斬波工作模式。
在一具體實施例中，預設電壓閾值為交流電網的線電壓峰值的0.8倍。然而，本發明並不只局限於此，例如，根據逆變器的電路連接方式、開關管的型號、開關管的耐壓值、直流母線電容的充放電速度等性能指標，可靈活調整預設電壓閾值與電網線電壓峰值之間的數值關係。
在一具體實施例中，該啟動裝置還包括一第二開關(第1圖未示出)。該第二開關與電阻R串聯連接。與此同時，控制器20還包括一第三輸出端，藉由該第三輸出端發送一第三控制信號，以導通或斷開該第二開關。例如，在來自第一輸出端OUT1的第一控制信號的發送時刻，該第二開關基於一第一電平(如高電平)的第三控制信號仍然處於導通狀態，並且在來自第二輸出端OUT2的第二控制信號的發送時刻，該第二開關基於一第二電平(如低電平)的第三控制信號處於斷開狀態。由此可知，在第一控制信號的發送時刻與第三控制信號的發送時刻之間的這一時間區間，該第二開關藉由第二電平的第三控制信號執行關斷操作。換言之，具有第二電平的第三控制信號的發送時刻與第二控制信號的發送時刻之間具有一延時期間td2，該延時期間屬於上述延時期間td1的一個子期間，且小於延時期間td1。
在一具體實施例中，該啟動裝置還包括一閘刀開關S1，設置於開關S3與交流電網之間。例如，該啟動裝置在導通開關S3之前，手動導通閘刀開關S1，以便利用控制器20來控制開關S3的導通時刻和逆變器斬波工作時的啟動時刻，從而實現逆變器10的軟啟動過程。
第2圖繪示第1圖的啟動裝置在軟啟動過程中的控制信號時序以及直流電壓的變化曲線示意圖。參照 第2圖，以逆變器10工作於boost升壓模式為例，根據直流母線電容兩端的直流電壓的區間，可將軟啟動過程劃分為預充電階段(t1時間期間)、軟啟動過渡階段(t2時間期間)和boost升壓階段(t3時間期間)。
結合第1圖和第2圖，簡要描述該啟動裝置的軟啟動過程：首先，手動導通開關S1(對應第2圖中的A點)，利用逆變器10中的開關管的反並聯二極體(如閘極絕緣雙載子型電晶體IGBT的體二極體)，經預充電電阻R給電容C進行預充電，此時直流電壓緩慢上升至預設電壓閾值(對應第2圖中的B點)。然後，控制器20發送控制信號，以導通開關S3，當開關S3導通後，預充電電阻R被短路，此時，為了防止S3未完全導通時逆變器10已基於PWM使能信號進入boost升壓模式，自開關S3導通時刻起，延時一時間期間t2，即軟啟動過渡階段，以便開關S3有足夠時間執行導通動作。此外，最好在當前的直流電壓數值達到預設電壓閾值時，立即導通開關S3，因為一旦先延時再導通S3，將會在電路中產生很大的衝擊電流，導致電路中的功率器件損壞。最後，在時間期間t2結束時，確認開關S3完全導通，則控制器20藉由第二輸出端OUT2發送PWM使能信號(對應第2圖中的C點)，以使其進入boost升壓模式，經過t3時間期間後，直流電壓緩慢上升達到直流母線電壓的指令值(對應第2圖中的D點)，完成整個軟啟動過程。
在一具體實施例中，可檢測開關S3兩端的電壓，以確認開關S3是否完全導通。例如，當開關S3靠近交流電網一端的電壓值與開關S3靠近逆變器一端的電壓值相等或大致相同時，確認開關S3已完全導通，控制器20可發送PWM使能信號給逆變器10。
第3圖繪示依據第2圖的控制信號時序，第一控制信號發送時刻的一具體實施例。
請參照第3圖，其中，Uline表示三相線電壓，Uphase表示三相相電壓，Theta表示鎖相角度，Imax為衝擊電流。在該實施例中，第2圖的B點所對應的時刻(即，時間期間t1的結束時刻或時間期間t2的開始時刻)，剛好為線電壓Uab的過零點Z1。也就是說，第一控制信號的發送時刻為線電壓Uab的過零點Z1。當經歷時間期間t2後，即第2圖的C點所對應的時刻，控制器20再發送第二控制信號以便逆變器10進入boost升壓模式。
第4圖繪示依據第2圖的控制信號時序，第一控制信號發送時刻的另一具體實施例。
請參照第4圖，其中，Uline表示三相線電壓，Uphase表示三相相電壓，Theta表示鎖相角度，Imax為衝擊電流。在該實施例中，第2圖的B點所對應的時刻(即，時間期間t1的結束時刻或時間期間t2的開始時刻)，剛好為相電壓Ua的過零點Z2。也就是說，第一控制信號的發送時刻為相電壓Ua的過零點Z2。 當經歷時間期間t2後，即第2圖的C點所對應的時刻，控制器20再發送第二控制信號以便逆變器10進入boost升壓模式。
應當指出，藉由逆變器中的半導體元件對直流母線電容預充電所達到的電壓(即第2圖中的B點所對應的Udc)與軟啟動過渡階段結束時直流母線電容即將達到的電壓(即第2圖中的C點所對應的Udc)會有壓差△U。將第4圖與第3圖進行比較，在第3圖中，於線電壓Uab過零點Z1處導通開關S3，衝擊電流最大的一相為第3圖中Uca波形的加粗部分，隨著電壓接近峰值△U逐漸變大，衝擊電流Imax上升速度越來越快，且電壓較長時間保持在峰值附近，如此一來，衝擊電流可能仍然較大。相比之下，在第4圖中，為了降低第3圖中的衝擊電流Imax，於相電壓Ua過零點Z2處導通開關S3，例如，通過鎖相判斷相電壓的過零點從而準確控制開關S3的導通時刻，此時，作用於直流母線電容兩端為線電壓，Z2點對應線電壓Uca的峰值，此時△U最大，衝擊電流Imax(電流最大的一相)上升最快，直流電壓能夠很快被拉到較高值，隨後線電壓Uca從最高點開始下降，而△U也能夠在最快的時間裡變到很小，衝擊電流Imax的上升斜率也隨之降低，因此獲得了最長的預充電時間，進而可最大限度地抑制衝擊電流。
在一具體實施例中，第一控制信號的發送時刻為 電網的相電壓過零點之前T/12時刻至該相電壓過零點之後T/12時刻的區間內的任一時刻，其中，T為工頻週期。進一步，第一控制信號的發送時刻為電網的相電壓過零點，以便直流母線電容可得到最長的預充電時間，進而可最大限度地抑制衝擊電流。
在一具體實施例中，第一控制信號的發送時刻為電網的相電壓過零點之前(T/12+tc)時刻至該相電壓過零點之後(T/12+tc)時刻的區間內的任一時刻，其中，T為工頻週期，tc為開關S3導通所需的動作時間。
第5圖繪示依據第2圖的控制信號時序，第二控制信號發送時刻的一具體實施例。參照第5圖，在該實施例中，第二控制信號為一PWM使能信號，藉由該PWM使能信號使並網逆變器工作於boost模式。
在該實施例中，本發明通過鎖相環節來判斷三相電網電壓中某一相的相電壓過零點時刻，以便控制器20發送PWM使能信號使逆變器10開始進入boost升壓模式。此時，控制器20輸出占空比中的某一相從零開始緩慢變大，另外兩相占空比按照對稱三相之間的約束關係變化。不妨定義三相綜合衝擊電流I inrush (t )和三相綜合占空比D (t )，則I inrush (t )和D (t )可分別表示為：I inrush (t )=|i inrush_a (t )|+|i inrush_b (t )|+|i inrush_c (t )|
D (t )=|D a (t )|+|D b (t )|+|D c (t )|
其中(i inrush_x 為某相衝擊電流， ex為對應相電網相電壓，Dx為對應相逆變器調製占空比，Udc為BUS電壓)。
由第5圖可知，三相綜合衝擊電流與三相綜合占空比成比例關係，當某一相的相電壓過零(如M點)時，三相綜合占空比有最小值，從而達到抑制衝擊電流的綜合效果。在一實施例中，第二控制信號的發送時刻為電網的相電壓過零點之前T/24時刻至該相電壓過零點之後T/24時刻的區間內的任一時刻，其中，T為工頻週期。較佳地，第二控制信號的發送時刻為電網的相電壓過零點。
第6圖繪示依據本發明的一具體實施方式，啟動裝置的控制方法的流程示意圖。該啟動裝置包括彼此並聯的一第一開關和一第一電阻，該第一開關電連接於一交流電網和一並網逆變器之間。參照第6圖，在該控制方法中，首先執行步驟S11，檢測並網逆變器的直流電壓。例如，檢測逆變器的直流側的直流母線電容兩端所載入的直流電壓。然後，在步驟S13中，判斷直流電壓是否超過預設電壓閾值(threshold)，並且在直流電壓超過預設電壓閾值時，發送一第一控制信號以導通該第一開關。接著，在步驟S15中，延時一時間期間td1，以便預留第一開關完全導通所需的動作時間，避免在第一開關未完全導通時逆變器就開始進入boost工作模式，其中，td1大於0。最後，在步 驟S17中，發送一第二控制信號，使逆變器工作於boost模式，也就是說，第一控制信號的發送時刻與第二控制信號的發送時刻之間設置一時間間隔td1，以便在第一開關完全導通的情形下才使能逆變器開始進入boost工作模式。
在一具體實施例中，第二控制信號的發送時刻為自電網的相電壓過零點之前T/24時刻至該相電壓過零點之後T/24時刻的區間內的任一時刻，其中T為工頻週期。
在一具體實施例中，第一控制信號的發送時刻為自電網的相電壓過零點之前T/12時刻至該相電壓過零點之後T/12時刻的區間內的任一時刻，其中T為工頻週期。
第7圖繪示依據本發明的又一具體實施方式，並網逆變器的啟動裝置的電路結構示意圖。
請參照第7圖，本發明中用於並網逆變器的啟動裝置包括一開關S3、一預充電支路和一控制器30。其中，開關S3耦接於一交流電網和並網逆變器10之間，並網逆變器10的直流電壓Udc可藉由電容C兩端所載入的電壓予以檢測。預充電支路與開關S3並聯連接，該預充電支路包括串聯連接的一開關S2和一電阻R，用以通過逆變器中的半導體元件對逆變器直流側的直流母線電容進行預充電。
控制器30用來控制逆變器10的軟啟動過程。具 體來說，控制器30包括一輸入端IN1、一第一輸出端OUT1、一第二輸出端OUT2和一第三輸出端OUT3。輸入端IN1用來接收和檢測逆變器10的直流電壓Udc。第一輸出端OUT1連接至開關S3，用於發送一第一控制信號以便開關S3執行導通動作。第三輸出端OUT3耦接至開關S2，用於發送一第二控制信號以導通或關斷開關S2。例如，控制器30的第三輸出端OUT3發送一高電平的第二控制信號來導通開關S2，以及發送一低電平的第二控制信號來關斷開關S2。在一些實施例中，當來自第三輸出端OUT3的第二控制信號關斷開關S2後，設計合理的控制時序，還可藉由第二輸出端OUT2發送一PWM使能信號給逆變器10，使得該逆變器10進入boost工作模式。
需要特別指出的是，在該實施方式中，當該直流電壓Udc超過一預設電壓閾值時，控制器30先藉由該第一輸出端OUT1發送該第一控制信號以導通開關S3，然後藉由該第三輸出端OUT3發送一第二控制信號以導通或關斷開關S2。例如，該第三輸出端OUT3發送一第二電平的第二控制信號以導通開關S2，發送一第一電平的第二控制信號以關斷開關S2。並且，該第一電平的第二控制信號的發送時刻與第一控制信號的發送時刻之間具有一延時期間td3，並且該延時期間td3大於0。換言之，本發明的啟動裝置並非在開關S3導通的同一時刻，向開關S2發送第二控制信號以執行 關斷動作，而是在開關S3完全導通後(經歷延時期間t3)才發送第二控制信號以關斷預充電支路中的開關S2。
在一具體實施例中，預設電壓閾值為交流電網的線電壓峰值的0.8倍。然而，本發明並不只局限於此，例如，根據逆變器的電路連接方式、開關管的型號、開關管的耐壓值、直流母線電容的充放電速度等性能指標，可靈活調整預設電壓閾值與電網線電壓峰值之間的數值關係。
在一具體實施例中，該啟動裝置還包括一閘刀開關S1，設置於開關S3與交流電網之間。例如，該啟動裝置在導通開關S3之前，手動導通閘刀開關S1，以便利用控制器30來控制開關S3的導通時刻和開關S2的導通與關斷時刻。
第8圖繪示第7圖的啟動裝置在軟啟動過程中的控制信號時序以及直流電壓的變化曲線示意圖。參照第8圖，以逆變器10工作於boost升壓模式為例，根據直流母線電容兩端的直流電壓的區間，可將軟啟動過程劃分為預充電階段(t2時間期間)、軟啟動過渡階段(t3+t4時間期間)和boost升壓階段(t5時間期間)。
結合第7圖和第8圖，簡要描述該啟動裝置的軟啟動過程：首先，手動導通開關S1，控制器30的第三輸出端OUT3發送控制信號以導通開關S2(對應第8圖中的A點)，利用逆變器10中的開關管的反並聯 二極體(如IGBT的體二極體)，經預充電電阻R給電容C進行預充電，此時直流電壓緩慢上升至預設電壓閾值(對應第8圖中的B點)。然後，控制器30發送控制信號，以導通開關S3，當開關S3導通後，預充電支路被短路，此時，為了確保開關S3有足夠的動作時間完成導通，自開關S3導通時刻起，延時一時間期間t3，保持主電路的正常啟動，並防止開關S2和開關S3同時斷開的情形。接著，控制器30發送第二控制信號以關斷開關S2(對應第8圖中的C點)，延時一時間期間t4，確保開關S2有足夠的時間執行關斷動作。最後，控制器30從第二輸出端OUT2發送一PWM使能信號(對應第8圖中的D點)，以便逆變器10進入boost升壓模式，並經由時間期間t5使直流電壓緩慢上升達到直流母線電壓的指令值(對應第8圖中的E點)，完成整個軟啟動過程。
在一具體實施例中，可檢測開關S3兩端的電壓，以確認開關S3是否完全導通。例如，當開關S3靠近交流電網一端的電壓值與開關S3靠近逆變器一端的電壓值相等或大致相同時，確認開關S3已完全導通，控制器30可發送PWM使能信號給逆變器10。
在一具體實施例中，於第一輸出端OUT1的第一控制信號的發送時刻，開關S2基於一第二電平的第二控制信號仍然處於導通狀態。例如，第二控制信號為低電平時，用以關斷開關S2，第二控制信號為高電平 時，用以導通開關S2。
在一具體實施例中，第一控制信號的發送時刻為電網的相電壓過零點之前T/12時刻至該相電壓過零點之後T/12時刻的區間內的任一時刻，其中，T為工頻週期。進一步，第一控制信號的發送時刻為電網的相電壓過零點，以便直流母線電容可得到最長的預充電時間，進而可最大限度地抑制衝擊電流。
在一具體實施例中，第一控制信號的發送時刻為電網的相電壓過零點之前(T/12+tc)時刻至該相電壓過零點之後(T/12+tc)時刻的區間內的任一時刻，其中，T為工頻週期，tc為開關S3導通所需的動作時間。
第9圖繪示依據本發明的再一具體實施方式，啟動裝置的控制方法的流程示意圖。該啟動裝置包括彼此並聯的一第一開關和一預充電支路，該第一開關電連接於一交流電網和一並網逆變器之間，該預充電支路包括串接的一第二開關和一第一電阻。參照第9圖，在該控制方法中，首先執行步驟S21，檢測並網逆變器的直流電壓。例如，檢測逆變器的直流側的直流母線電容兩端所載入的直流電壓。然後，在步驟S23中，判斷直流電壓是否超過預設電壓閾值，並且在直流電壓超過預設電壓閾值時，發送一第一控制信號以導通該第一開關。接著，在步驟S25中，延時一時間期間td4，以便預留第一開關完全導通所需的動作時間，其中td4大於0。最後，在步驟S27中，發送具有 第一電平的一第二控制信號以斷開第二開關。
在一具體實施例中，在上述步驟S23之前，該控制方法還包括發送具有第二電平的第二控制信號以導通第二開關，使得逆變器直流側的直流母線電容處於預充電狀態。例如，在開關S3的導通時刻之前，控制器30的第三輸出端OUT3發送高電平的第二控制信號，使開關S2導通，從而藉由預充電支路中的電阻R、逆變器中的半導體元件(諸如IGBT)對逆變器直流側的直流母線電容C進行預充電。
在一具體實施例中，第一控制信號的發送時刻為自電網的相電壓過零點之前T/12時刻至該相電壓過零點之後T/12時刻的區間內的任一時刻，其中T為工頻週期。進一步，該第一控制信號的發送時刻為電網的相電壓過零點。
採用本發明中的用於並網逆變器的啟動裝置以及該啟動裝置的控制方法，藉由該啟動裝置的控制器發送一第一控制信號以導通主回路開關，並經過一延時期間後再發送一第二控制信號從而使並網逆變器進入斬波工作模式，因此可防止在該主回路開關尚未完全導通時逆變器已投入工作，致使預充電電阻上的損耗過大。此外，並網逆變器進入諸如boost模式後，直流母線電壓緩慢上升達到參考電壓值，在完成整個軟啟動過程的同時，避免了啟動衝擊電流過大給功率器件帶來的損壞，提升了逆變器運行的穩定性和可靠性。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧並網逆變器
20、30‧‧‧控制器
S1‧‧‧閘刀開關
S2、S3‧‧‧開關
R‧‧‧電阻
C‧‧‧電容
Udc‧‧‧直流電壓
IN1‧‧‧輸入端
OUT1、OUT2、OUT3‧‧‧輸出端
td1~td4‧‧‧延時期間
t1~t5‧‧‧時間期間
Uline‧‧‧三相線電壓
Uphase‧‧‧三相相電壓
Theta‧‧‧鎖相角度
Imax‧‧‧衝擊電流
Uab、Ubc、Uca‧‧‧線電壓
Ua、Ub、Uc‧‧‧相電壓
Z1、Z2‧‧‧過零點
△U‧‧‧壓差
T‧‧‧工頻週期
S11~S17、S21~S27‧‧‧步驟
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖係繪示依據本發明的一具體實施方式，並網逆變器的啟動裝置的電路結構示意圖。
第2圖係繪示第1圖之啟動裝置在軟啟動過程中的控制信號時序以及直流電壓的變化曲線示意圖。
第3圖係繪示依據第2圖之控制信號時序，第一控制信號發送時刻的一具體實施例。
第4圖係繪示依據第2圖之控制信號時序，第一控制信號發送時刻的另一具體實施例。
第5圖係繪示依據第2圖之控制信號時序，第二控制信號發送時刻的一具體實施例。
第6圖係繪示依據本發明的一具體實施方式，啟動裝置的控制方法的流程示意圖。
第7圖係繪示依據本發明的又一具體實施方式，並網逆變器的啟動裝置的電路結構示意圖。
第8圖係繪示第7圖之啟動裝置在軟啟動過程中 的控制信號時序以及直流電壓的變化曲線示意圖。
第9圖係繪示依據本發明的再一具體實施方式，啟動裝置的控制方法的流程示意圖。

Claims (14)

  1. 一種並網逆變器的啟動裝置，包括彼此並聯的一第一開關和一第一電阻，該第一開關電連接於一交流電網和該並網逆變器之間，其中，該啟動裝置還包括：一控制器，包括一輸入端、一第一輸出端和一第二輸出端，該控制器之輸入端用以接收和檢測該逆變器的直流電壓的信號，並且當該直流電壓超過一預設電壓閾值時，該控制器藉由該第一輸出端發送一第一控制信號以導通該第一開關，以及藉由該第二輸出端發送一第二控制信號使得該並網逆變器進入斬波工作模式，其中，該第一控制信號的發送時刻與該第二控制信號的發送時刻之間具有一延時期間td1，且td1大於0；其中，該第一控制信號的發送時刻為電網的相電壓過零點之前(T/12+tc)時刻至該相電壓過零點之後(T/12+tc)時刻的區間內的任一時刻，其中T為工頻週期，tc為該第一開關的動作時間。
  2. 根據請求項1所述之啟動裝置，其中，該第二控制信號為一脈衝寬度調變(PWM)使能信號，藉由該脈衝寬度調變使能信號使該並網逆變器工作於升壓(boost)模式，該第二控制信號的發送時刻為電網的相電壓過零點之前T/24時刻至該相電壓過零點之後T/24時刻的區間內的任一時刻。
  3. 根據請求項1所述之啟動裝置，其中該啟動裝置還包括一第二開關，與該第一電阻串聯連接，該控制器還包括一第三輸出端，藉由該第三輸出端發送一第三控制信號以導通或斷開該第二開關，其中在該第一控制信號的發送時刻，該第二開關基於該第三控制信號仍然處於導通狀態，以及在該第二控制信號的發送時刻，該第二開關基於該第三控制信號處於斷開狀態，其中具有第二電平的該第三控制信號的發送時刻與該第二控制信號的發送時刻之間具有一延時期間td2，其中td2大於0且小於td1。
  4. 根據請求項1所述之啟動裝置，其中該第一控制信號的發送時刻為電網的相電壓過零點之前T/12時刻至該相電壓過零點之後T/12時刻的區間內的任一時刻，其中T為工頻週期。
  5. 一種並網逆變器的啟動裝置，包括：一第一開關，電連接於一交流電網和該並網逆變器之間；一預充電支路，與該第一開關並聯連接，包括串接的一第二開關和一第一電阻；及一控制器，包括一輸入端、一第一輸出端和一第二輸出端，該輸入端用以接收和檢測該逆變器的直流電 壓，當該直流電壓超過一預設電壓閾值時，該控制器藉由該第一輸出端發送一第一控制信號以導通該第一開關，以及藉由該第二輸出端發送一第二控制信號以導通或斷開該第二開關，其中，具有一第一電平的第二控制信號的發送時刻與該第一控制信號的發送時刻之間具有一延時期間td3，且td3大於0；其中，該第一控制信號的發送時刻為自電網的相電壓過零點之前(T/12+tc)時刻至該相電壓過零點之後(T/12+tc)時刻的區間內的任一時刻，其中，T為工頻週期，tc為該第一開關的動作時間。
  6. 根據請求項5所述之啟動裝置，其中，在該第一控制信號的發送時刻，該第二開關基於一第二電平的該第二控制信號仍然處於導通狀態。
  7. 根據請求項5所述之啟動裝置，其中，該第一控制信號的發送時刻為自電網的相電壓過零點之前T/12時刻至該相電壓過零點之後T/12時刻的區間內的任一時刻，其中T為工頻週期。
  8. 一種啟動裝置的控制方法，該啟動裝置包括彼此並聯的一第一開關和一第一電阻，該第一開關電連接於一交流電網和一並網逆變器之間，該控制方法包含： a)檢測該並網逆變器的直流電壓；b)當該直流電壓超過一預設電壓閾值時，發送一第一控制信號以導通該第一開關；c)延時一時間期間td1，其中td1大於0；d)發送一第二控制信號，使得該並網逆變器工作於升壓(boost)模式；其中，該第一控制信號的發送時刻為自電網的相電壓過零點之前(T/12+tc)時刻至該相電壓過零點之後(T/12+tc)時刻的區間內的任一時刻，其中T為工頻週期，tc為該第一開關的動作時間。
  9. 根據請求項8所述之控制方法，其中該時間期間td1不小於該第一開關完全導通所需的動作時間。
  10. 根據請求項8所述之控制方法，其中，該第二控制信號的發送時刻為自電網的相電壓過零點之前T/24時刻至該相電壓過零點之後T/24時刻的區間內的任一時刻，其中T為工頻週期。
  11. 根據請求項8所述之控制方法，其中，該第一控制信號的發送時刻為自電網的相電壓過零點之前T/12時刻至該相電壓過零點之後T/12時刻的區間內的任一時刻，其中T為工頻週期。
  12. 一種啟動裝置的控制方法，該啟動裝置包括彼此並聯的一第一開關和一預充電支路，該第一開關電連接於一交流電網和一並網逆變器之間，該預充電支路包括串接的一第二開關和一第一電阻，該控制方法包含：a)檢測該並網逆變器的直流電壓；b)當該直流電壓超過一預設電壓閾值時，發送一第一控制信號以導通該第一開關；c)延時一時間期間td4，其中td4大於0；d)發送具有第一電平的一第二控制信號以斷開該第二開關；其中，該第一控制信號的發送時刻為自電網的相電壓過零點之前(T/12+tc)時刻至該相電壓過零點之後(T/12+tc)時刻的區間內的任一時刻，其中T為工頻週期，tc為該第一開關的動作時間。
  13. 根據請求項12所述之控制方法，其中，在上述步驟b之前，該控制方法還包含：發送具有第二電平的該第二控制信號以導通該第二開關，使得該逆變器直流側的直流母線電容處於預充電狀態。
  14. 根據請求項12所述之控制方法，其中，該第一控制信號的發送時刻為自電網的相電壓過零點之前T/12時刻至該相電壓過零點之後T/12時 刻的區間內的任一時刻，其中T為工頻週期。
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