能量轉換系統及其操作方法、光伏發電系統的製作方法

2023-05-25 12:40:56 3

專利名稱：能量轉換系統及其操作方法、光伏發電系統的製作方法
能量轉換系統及其操作方法、光伏發電系統技術領域
本發明公開的實施方式涉及能量轉換系統和方法，以向電力系統提供電能，特別 涉及一種能量轉換系統的相位補償機制和方法。
背景技術：
基本而言，在全世界範圍內，通過可再生能源發電系統，例如光伏發電系統產生的 電能，其所佔據的份額越來越顯著。一般的光伏發電系統包括一個或者多個光伏陣列，其中 每個光伏陣列又包括多個相互連接的光伏電池單元，該光伏電池單元可以將太陽輻射能轉 換成直流電能。為了實現光伏陣列的併網發電，通常會使用變流器模塊將光伏陣列產生的 直流電能轉換成可供電網傳輸的交流電能。
現有的供光伏發電系統使用的變流器模塊的架構有多種形式。其中一種為二級式 的結構，其包括一個直流-直流變流器和一個直流-交流變流器。該直流-直流變流器控 制從光伏陣列到直流母線間的直流電能的傳輸。該直流-交流變流器則將輸送到直流母線 上的直流電能轉換成可供電網傳輸的交流電能。通常，現有的光伏發電系統還具有一個變 流器控制模塊，其用於通過控制信號控制直流-直流變流器和一個直流-交流變流器的運 作，並對各種系統變量，例如直流母線電壓，交流電網電壓和頻率等變量作補償控制。
在正常併網發電的過程中，為滿足電網運行需求，從能量轉換系統輸出的交流電 流或者交流電壓通常需要保持與電網電壓同步。也即，交流電流或者交流電壓應當控制成 與電網電壓具有相同的相位和頻率。由於電網並不是時刻都維持穩定，通常使用鎖相環裝 置來追蹤電網電壓並提供電網電壓的瞬時相位信息，以用於實時調節輸出的交流電流或者 交流電壓的相位。然而，在發生瞬態或者暫態事件時，例如，在電網故障恢復過程中，由於電 網電壓可能發生較大的相位跳變，因此，傳統的鎖相環裝置無法快速地提供電網電壓的瞬 時相位信息。在正確的電網電壓的相位信息被提供之前，在電網電壓和交流電流或者交流 電壓之間存在的較大相位差會導致能量從電網流向能量轉換系統。而此反向的能量流動可 能會損壞能量轉換系統中的半導體器件，並會使能量轉換系統的直流母線承受較大的電壓 應力。
因此，有必要提供一種改進的能量轉換系統和方法以解決上述的技術問題。發明內容
有鑑於上述提及之技術問題，本發明的一個方面在於提供一種能量轉換系統。該 能量轉換系統基於電壓源控制架構，其包括變流器模塊，變流器控制模塊和相位跳變補償 裝置。該變流器模塊用於執行能量變換操作，以提供可供電網使用的交流電。該變流器控 制模塊用於根據功率反饋信號和功率指令信號在內部產生相位角指令信號，並根據相位角 指令信號產生作用給該變流器模塊的控制信號。該相位跳變補償裝置用於產生與電網的瞬 態事件相關的相位跳變修正信號。該變流器控制模塊被配置成使用該相位跳變修正信號來 調整其相位角指令信號，並根據調整後的相位角指令信號調節作用到該變流器模塊的控制信號。
本發明的另一個方面在於提供一種能量轉換系統。該能量轉換系統基於電壓源控 制架構，其包括變流器模塊，變流器控制模塊和鎖相環電路。該變流器模塊用於執行能量變 換操作，以提供可供電網使用的交流電。該變流器控制模塊用於根據功率反饋信號和功率 指令信號在內部產生相位角指令信號，並根據相位角指令信號產生作用給該變流器模塊的 控制信號。該鎖相環電路接收與電網相關的電壓，並根據接收的電壓產生相位跳變修正信 號。該變流器控制模塊被配置成使用該相位跳變修正信號來調整其相位角指令信號，並根 據調整後的相位角指令信號調節作用到該變流器模塊的控制信號。
本發明的另一個方面在於提供一種能量轉換系統。該能量轉換系統基於電壓源控 制架構，其包括變流器模塊，變流器控制模塊和鎖相環電路。該變流器模塊用於執行能量變 換操作，以提供可供電網使用的交流電。該變流器控制模塊包括有功功率調節器和信號產 生單元。該有功功率調節器用於根據功率反饋信號和功率指令信號在內部產生相位角指令 信號，該信號產生單元用於根據相位角指令信號產生作用給該變流器模塊的控制信號。該 鎖相環電路接收與電網相關的電壓，並根據接收的電壓產生相位跳變修正信號。該變流器 控制模塊被配置成使用該相位跳變修正信號來調整其相位角指令信號，並根據調整後的相 位角指令信號調節作用到該變流器模塊的控制信號。
本發明的另一個方面在於提供一種能量轉換系統。該能量轉換系統包括直流母 線，變流器模塊，以及變流器控制模塊。該直流母線接收來自於電源的直流電。該變流器模 塊與直流母線連接，並用於將該直流母線上的直流電轉換成交流電。該變流器控制模塊與 該變流器模塊連接，該變流器控制模塊用於根據功率指令信號和功率反饋信號產生相位角 指令信號。該變流器控制模塊還用於基於檢測到的與電網相關的電壓產生與瞬態事件相關 的相位跳變修正信號，基於該相位跳變修正信號調節該相位角指令信號。該變流器控制模 塊還用於至少基於該調節後的相位角指令信號產生控制信號，以使得該變流器模塊在該控 制信號的作用下驅動從變流器模塊輸出的交流電壓跟隨與電網相關的電壓。
本發明的另一個方面在於提供一種變流器控制系統。該變流器控制系統用於發送 控制信號給變流器系統，以驅動變流系統將直流形式的能量轉換成交流形式的能量，該交 流形式的能量被送入到與該變流器連接的電網。該變流器控制系統包括相位補償單元和功 率調節器，該相位補償單元用於接收與該電網相關的電壓反饋信號並根據接收的電壓反饋 信號產生相位跳變修正信號。該功率調節器接收功率指令信號和至少由該電壓反饋信號 計算得到的功率反饋信號，並根據接收的功率指令信號和功率反饋信號產生相位角指令信 號。該功率調節器進一步接收該相位跳變修正信號，並根據該相位跳變修正信號調節該相 位角指令信號。
本發明的另一個方面在於提供一種變流器控制系統。該變流器控制系統用於發送 控制信號給變流器系統，以驅動變流器系統將直流形式的能量轉換成交流形式的能量，該 交流形式的能量被送入到與該變流器連接的電網。該變流器控制系統包括相位補償單元和 功率調節器，該相位補償單元用於接收與該電網相關的電壓反饋信號並根據接收的電壓反 饋信號產生相位跳變修正信號。該功率調節器接收功率指令信號和至少由該電壓反饋信號 計算得到的功率反饋信號，並根據接收的功率指令信號和功率反饋信號產生相位角指令信 號。該功率調節器進一步接收該相位跳變修正信號，並根據該相位跳變修正信號調節該功率指令信號。
本發明的另一個方面在於提供一種操作能量轉換系統的方法。該方法至少包括如 下步驟至少根據功率指令信號和功率反饋信號產生相位角指令信號；根據檢測到的與電 網相關的電壓產生與瞬態事件相關的相位跳變修正信號；至少根據該相位跳變修正信號調 節該相位角指令信號；以及至少根據該調節後的相位角指令信號產生作用到該能量轉換系 統中變流器的控制信號，以驅動從變流器模塊輸出的交流電壓跟隨與電網相關的電壓。
本發明的另一個方面在於提供一種操作能量轉換系統的方法。該方法至少包括如 下步驟至少根據功率指令信號和功率反饋信號產生相位角指令信號；根據檢測到的與電 網相關的電壓產生與瞬態事件相關的相位跳變修正信號；至少根據該相位跳變修正信號調 節該功率指令信號；以及至少根據該調節後的功率指令信號產生作用到該能量轉換系統中 變流器的控制信號，以驅動從變流器模塊輸出的交流電壓跟隨與電網相關的電壓。
本發明的另一個方面在於提供一種光伏發電系統。該光伏發電系統包括變流器模 塊，以及變流器控制模塊。該變流器模塊用於將從光伏電源產生的直流電轉換成交流電。 該變流器控制模塊與該變流器模塊連接，該變流器控制模塊用於根據功率指令信號和功率 反饋信號產生相位角指令信號。該變流器控制模塊還用於基於檢測到的與電網相關的電壓 產生與瞬態事件相關的相位跳變修正信號，基於該相位跳變修正信號調節該相位角指令信 號。該變流器控制模塊還用於至少基於該調節後的相位角指令信號產生控制信號，以使得 該變流器模塊在該控制信號的作用下驅動從變流器模塊輸出的交流電壓保跟隨與電網相 關的電壓。
本發明的另一個方面在於提供一種光伏發電系統。該光伏發電系統包括變流器模 塊，以及變流器控制模塊。該變流器模塊用於將從光伏電源產生的直流電轉換成交流電。該 變流器控制模塊與該變流器模塊連接，該變流器控制模塊用於根據功率指令信號和功率反 饋信號產生相位角指令信號。該變流器控制模塊還用於基於檢測到的與電網相關的電壓產 生與瞬態事件相關的相位跳變修正信號，基於該相位跳變修正信號調節該功率指令信號。 該變流器控制模塊還用於至少基於該調節後的功率指令信號產生控制信號，以使得該變流 器模塊在該控制信號的作用下驅動從變流器模塊輸出的交流電壓跟隨與電網相關的電壓。
本發明提供的能量轉換系統，變流器控制系統，控制能量轉換系統運作的方法以 及光伏發電系統等，通過基於電壓源的控制架構，產生內部頻率指令信號以及相位角指令 信號，並在能量轉換的過程中遇到瞬態事件時或者瞬態事件恢復過程中，實時計算出電網 電壓發生的相位跳變信息，並基於該計算出的相位角跳變信號對內部產生的相位角指令信 號或者功率指令信號進行補償，以使得從能量轉換系統輸出的交流電流或者交流電壓跟隨 與電網相關的電壓或者保持與電網相關的電壓同步，使得該能量轉換系統更加可靠地進行 併網發電。通過此相位補償機制，可以避免發生瞬態事件時所產生的反向能量流動的技術 問題，並減輕了能量轉換系統中的直流母線由於功率不平衡而遇到的較大電壓壓力的技術 問題。


通過結合附圖對於本發明的實施方式進行描述，可以更好地理解本發明，在附圖
圖1所示為光伏能量轉換系統的一種實施方式的模塊示意圖，其中該能量轉換系 統提供有相位補償功能以處理與電網的瞬態事件相關的相位跳變問題。
圖2所示為圖1所示的網側控制器的一種實施方式的控制框圖。
圖3所示為圖2所示的有功功率調節器結合鎖相環電路的一種實施方式的控制框 圖。
圖4所示為圖3所示的有功功率調節器中的相位角產生器結合鎖相環電路的一種 實施方式的詳細控制框圖。
圖5所示為圖3所示的有功功率調節器中的相位角產生器結合鎖相環電路的另一 種實施方式的詳細控制框圖。
圖6所示為圖4和圖5中所示的鎖相環電路的一種實施方式的控制框圖。
圖7所示為圖6所示的鎖相環電路的一種實施方式的詳細控制框圖。
圖8所示為圖6所示的鎖相環電路的另一種實施方式的詳細控制框圖。
圖9所示為圖6所示的鎖相環電路的又一種實施方式的詳細控制框圖。
圖10所示為圖6所示的鎖相環電路的再一種實施方式的詳細控制框圖。
圖11所示為圖6所示的鎖相環電路的再一種實施方式的詳細控制框圖。
圖12所示為圖6所示的鎖相環電路的再一種實施方式的詳細控制框圖。
圖13所示為圖1所示的網側控制器的另一種實施方式的控制框圖。
具體實施方式
本發明揭露的一個或者多個實施方式涉及相位跳變補償機制，以用於處理能量轉 換系統併網發電過程中發生瞬態事件或者暫態事件或者遇到故障狀況時或者在隨後的恢 復過程中所遇到的相位跳變問題。在此所謂的「相位跳變補償」是指在鎖相環電路不能快 速地提供電網電壓的相位信息的情形下，可以實時追蹤電網電壓，並提供電網電壓的瞬時 相位信息，以用於相位補償。在此所謂的「瞬態或者暫態事件」是指一個或者多個在電網側 引起信號擾動的事件或者狀況，例如，在電網中發生的頻率事件或者相位事件等。更具體 而言，在一種實施方式中，在此描述的相位跳變補償機制結合電壓源控制(Voltage Source Control, VSC)架構或者算法來具體執行。在此所謂的「電壓源控制架構或者算法」是指在 一種具體的實施方式中其主要的控制變量包括交流側電壓的幅值指令和相位角指令之相 關控制機制。進一步而言，基於電壓源控制架構執行相位補償機制涉及快速地提供電網電 壓的瞬時相位信息。因此，在遇到瞬態事件或者故障狀況時或者此後的恢復過程中，基於電 壓源控制架構而在內部產生的相位角指令信號可以根據該瞬時相位信息進行補償，以此可 以對輸出的交流電流或者交流電壓進行調節，以確保交流電流或者交流電壓跟隨電網的電 壓或者基本保持與電網電壓同步。在一些實施方式中，相位跳變補償機制還可以結合電流 限制機制來執行。這裡所謂的「電流限制機制」是指根據預定的電流閾值限制經過相位補 償機制調節後的相位角指令信號，以進一步限制能量轉換系統輸出的電流，以保護能量轉 換系統的內部器件。執行基於電壓源控制架構或者算法的相位跳變補償機制可以產生的技 術效果為從能量轉換系統輸出的交流電流或者交流電壓即便在發生瞬態事件或者故障狀 況的情形下也可以快速的與電網電壓保持同步，取得了避免發生瞬態事件時所產生的反向 能量流動的技術效果，還取得了減輕了能量轉換系統中的直流母線由於功率不平衡而遇到的較大電壓壓力的技術效果。
以下將描述本發明的一個或者多個具體實施方式
。首先要指出的是，在這些實施 方式的具體描述過程中，為了進行簡明扼要的描述，本說明書不可能對實際的實施方式的 所有特徵均作詳盡的描述。應當可以理解的是，在任意一種實施方式的實際實施過程中，正 如在任意一個工程項目或者設計項目的過程中，為了實現開發者的具體目標，或者為了滿 足系統相關的或者商業相關的限制，常常會做出各種各樣的具體決策，而這也會從一種實 施方式到另一種實施方式之間發生改變。此外，還可以理解的是，雖然這種開發過程中所作 出的努力可能是複雜並且冗長的，然而對於與本發明公開的內容相關的本領域的普通技術 人員而言，在本公開揭露的技術內容的基礎上進行的一些設計，製造或者生產等變更只是 常規的技術手段，不應當理解為本公開的內容不充分。
除非另作定義，在本說明書和權利要求書中使用的技術術語或者科學術語應當為 本發明所屬技術領域內具有一般技能的人士所理解的通常意義。本說明書以及權利要求書 中使用的「第一」或者「第二」以及類似的詞語並不表示任何順序、數量或者重要性，而只是 用來區分不同的組成部分。「一個」或者「一」等類似詞語並不表示數量限制，而是表示存在 至少一個。「或者」包括所列舉的項目中的任意一者或者全部。「包括」或者「包含」等類似 的詞語意指出現在「包括」或者「包含」前面的元件或者物件涵蓋出現在「包括」或者「包含」 後面列舉的元件或者物件及其等同元件，並不排除其他元件或者物件。「連接」或者「相連」 等類似的詞語並非限定於物理的或者機械的連接，而是可以包括電性的連接，不管是直接 的還是間接的。此外，「電路」或者「電路系統」以及「控制器」等可以包括單一組件或者由 多個主動元件或者被動元件直接或者間接相連的集合，例如一個或者多個集成電路晶片， 以提供所對應描述的功能。
圖1所示為能量轉換系統10 —種實施方式的模塊示意圖。在下面的描述中，為了 更好的理解本發明的最佳實施方式，能量轉換系統10被圖示並描述成一種光伏或者太陽 能能量轉換系統。但是，應當可以理解的是，對於本發明所屬技術領域內具有一般技能的人 士來講，本發明所披露的一個或者多個實施方式應當不僅僅限制在光伏領域，其中的一些 方面，例如，基於電壓源控制架構或者算法的相位跳變補償機制，應當可以通過類似的方式 應用到其他領域，例如，燃料電池發電系統，風能發電系統以及潮汐能發電系統等。
概括而言，該光伏能量轉換系統10包括一個光伏變流器模塊14。該光伏變流器模 塊14可以視作連接在光伏電源12和電網18之間的能量轉換接口，以用於不同形式能量的 轉換。詳細而言，該光伏變流器模塊14被配置成將從光伏電源12輸出的直流電壓或者電流 形式的能量(下文簡稱為直流電)轉換成適合輸入到電系統18的交流電壓或者電流形式 的能量(下文簡稱為交流電)。在一種實施方式中，光伏電源12可以包括一個或者多個光 伏陣列，其中每個光伏陣列可以包括多個相互連接的光伏單元，該光伏單元基於光電效應 進行太陽能到直流電能的轉換。在一種實施方式中，電系統18可以為輸送交流電的電網， 該光伏能量轉換系統10可以被配置成輸送具有適當頻率和幅值的三相交流電給電網18。 在其他實施方式中，該電系統18也可以包括交流負載，例如交流電機或者馬達。
在一種實施方式中，圖1所不的光伏變流器模塊14基於兩級式的架構,其包括光 伏側變流器142(也即靠近光伏電源12側的變流器)和網側變流器144(也即靠近電網18 側的變流器)。該光伏側變流器142可以包括直流-直流變流器，例如升壓型直流-直流變流器，其可以升高由光伏電源12轉換輸出的直流電壓，並將升高後的直流電壓提供給直流 母線146。該直流母線146可以包括一個或者多個電容器，用以將直流母線146的直流電壓 的電壓值維持在特定的數值，從而可以控制從直流母線146到電網18的能量流動。該網側 變流器144可以包括直流-交流變流器，用以將直流母線146處的直流電壓轉換成適合交 流電網18輸送的交流電壓。可以理解的是，在其他實施方式中，該光伏變流器模塊14也可 以基於單級式的架構，也即，其通過一個直流-交流變流器直接將直流母線的直流電壓轉 換成具有適當頻率和幅值的交流電壓，以供電網18輸送。不管是單級式架構還是多級式架 構的具體實施方式
，該變流器模塊被控制成進行交流電能調節以確保併網發電時發出的交 流電壓或者交流電流能夠跟隨電壓電壓或者基本與電網電壓保持同步。
在一種實施方式中，圖1所示的該能量轉換系統10進一步包括變流器控制模塊 或者變流器控制系統16。該變流器控制模塊16被配置成調節從網側變流器144輸出的功 率。在一種實施方式中，該變流器控制模塊16被配置成包括光伏側控制器162和網側控 制器164。該光伏側控制器162被配置成根據各種指令信號和反饋信號發送光伏側控制信 號166給光伏側變流器142，以調節直流母線146處的電壓或者功率。例如，在一種實施方 式中，該光伏側變流器142根據電壓傳感器145檢測到的直流電壓反饋信號156和輸入的 直流電壓指令信號292提供光伏側控制信號166給光伏側變流器142，以調節該直流母線 146處的電壓。該網側控制器164被配置成根據各種指令信號和反饋信號發送網側控制信 號168給網側變流器144，以調節從網側變流器144輸出的有功功率或者無功功率。該光 伏側變流器142可以包括任何拓撲結構的變流器，例如，半橋式變流器，全橋式變流器以及 推挽式變流器等。該網側變流器144可以包括任意拓撲結構的直流-交流變流器，例如，兩 電平式變流器，三電平式變流器或者多電平式變流器等。該光伏側變流器142和該網側變 流器144可以包括一定數量的半導體開關器件，例如，集成門極換流晶閘管，(Integrated Gate Commutated Thyristors, IGCTs)和絕緣柵雙極型電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBTs)。該等開關器件可以在光伏側控制信號166和網側控制信號168的作 用下被開通或者關斷。雖然圖1示出了使用兩個獨立的控制器162，164進行控制，但是在 其他實施方式中，應當也可以使用單一的控制器對光伏側變流器142和網側變流器144進 行控制。
在一種實施方式中，圖1所示的能量轉換系統10還可以進一步包括光伏側濾波器 22，該光伏側濾波器22包括一個或者多個容性元件和感性元件，用以濾除從光伏電源12輸 出的直流電能中的波動分量，並阻止波動信號從光伏側變流器142流向光伏電源12。該能 量轉換系統10還可以包括網側濾波器24，該網側濾波器24也包括一個或者多個感性元件 或者容性元件，以濾除從網側變流器144輸出的三相交流電中的諧波分量。
請繼續參閱圖1，該能量轉換系統10或者更具體而言該網側控制器164進一步包 括相位跳變補償裝置290，以解決電網18在發生瞬態事件或者遇到故障狀況所產生的相位 跳變問題。在一種實施方式中，如圖1所示，該相位跳變補償裝置290可以配置在該網側控 制器164中。在其他實施方式中，該相位跳變補償裝置290還可以配置在該網側控制器164 之外或者部分位於該網側控制器164之中。更具體而言，該相位跳變補償裝置290被配置 成追蹤電網18電壓信號，並偵測電壓信號，並提供代表電壓信號所存在的較大相位跳變的 瞬時相位信息。從該相位跳變補償裝置290提供的瞬時相位信息可以被用來調節從網側控制器164輸出給網側變流器144的網側控制信號168。通過此相位調節，從網側變流器144 輸出的交流電壓或者交流電流可以快速地跟隨電網電壓或者與電網電壓保持同步。因此， 可以避免能量從電網18反向流入網側變流器144。更多關於相位跳變補償裝置290的細節 將在下文詳細描述。
圖2所示為圖1所示的網側控制器164 —種實施方式的至少一部分的控制框圖。 圖2所示網側控制器164中的功能模塊可以通過硬體(hardware)的形式來實現，也可以通 過固件(firmware)或者軟體(software)的形式來實現,或者通過硬體結合軟體的形式來 實現。在實際的應用中，該網側控制器164可以通過微控制器來執行，也可以通過數位訊號 處理器(digital signal processor, DSP)來執行。基本而言，在圖示的實施方式中，網側 控制器164被構建成基於電壓源控制架構。
在圖2所示的實施方式中，該基於電壓源控制架構的網側控制器164配置有功功 率調節器210。該有功功率調節器210被配置成接收功率指令信號212和功率反饋信號 214，並基於接收到的功率指令信號212和功率反饋信號214產生相位角指令信號216。該功 率指令信號212代表從網側變流器144輸出的功率，而該網側功率反饋信號214則代表實 際測量或者計算得到的功率。該相位角指令信號216代表期望從網側變流器144輸出的交 流輸出電壓的相位值。在一種實施方式中，該功率反饋信號214可以通過電流反饋信號154 和電壓反饋信號152計算得到，其中，該電流反饋信號154和該電壓反饋信號152可以分別 通過設置在網側變流器144輸出端和電網18之間的電流傳感器34和電壓傳感器36(如圖1所示)測量得到。在一種實施方式中，該電流傳感器34和電壓傳感器36可以為霍爾效 應傳感器。雖然在圖1所示的實施方式中，作為一種示意性的舉例，電流傳感器34和電壓 傳感器36被放置在網側濾波器24和電網之間成為公共連接點的位置處，但是在其他實施 方式中，可以在網側變流器144和電網18之間電連接路線上的任意點進行電壓和電流的測 量，以用於計算功率反饋信號214。
請繼續參閱圖2，該基於電壓源控制架構的網側控制器164還配置有無功功率調 節器220。該無功功率調節器220被配置成接收無功功率指令信號222和無功功率反饋信 號224，並根據該無功功率指令信號222和無功功率反饋信號224產生電壓幅值指令信號 226。該無功功率指令信號222代表希望從網側變流器144輸出的無功功率，其可以由電網 運營商指定也可以根據實際的系統參數設計進行確定。該無功功率反饋信號224代表從網 側變流器144輸出端測量或者計算得到的無功功率。該電壓幅值指令信號226代表期望從 網側變流器144輸出的交流電壓的幅值。在一種實施方式中，該無功功率調節器220包括 求和元件(圖未示出)，以將該無功功率指令信號222和該無功功率反饋信號224相減，以 得到代表該無功功率指令信號222和該網側無功功率反饋信號224之間差值的無功功率偏 差信號。該無功功率調節器220還可以包括無功調節單元和電壓調節單元(圖未示出)，以 根據該無功功率偏差信號產生電壓幅值指令信號226。
請繼續參閱圖2，該基於電壓源控制架構的網側控制器164進一步包括相位跳變 補償裝置290。可以理解，在此實施方式中，該相位跳變補償裝置配置於該網側控制器164 內部，在其他實施方式中，該相位跳變補償裝置290也可以配置在該網側控制器164的外 部。該相位跳變補償裝置290被配置成接收電壓反饋信號(例如信號152)，並根據該電壓 反饋信號152產生相位跳變修正信號286。在一些實施方式中，使用如圖1所不的相同的電壓傳感器36來檢測電壓信號，並用來計算相位跳變修正信號。然而，在其他實施方式中，也可以使用放置在網側變流器144和電網18之間電連接路徑上不同位置的傳感器，來檢測電壓信號，並分別用於計算功率反饋信號和相位跳變修正信號。該相位跳變修正信號286被輸送給有功功率調節器210，以用於調節相位角指令信號216。在其他實施方式中，如圖中虛線294從該相位跳變補償裝置290指向該功率指令信號212，該相位跳變修正信號286也可以選擇性地或者進一步地用來調節該功率指令信號212。
請繼續參閱圖2，該基於電壓源控制架構的網側控制器164進一步包括信號產生單元240。該信號產生單元240被配置成根據相位角指令信號216和電壓幅值指令信號226 產生作用到網側變流器144的網側控制信號168。在發生瞬態事件或者遇到故障狀況時或者從瞬態事件的恢復過程中，該信號產生單元240根據調節後的相位角指令信號216產生網側控制信號168，因此該交流輸出電壓或者交流輸出電流可以跟隨電網電壓或者保持與電網電壓同步。在一種實施方式中，該信號產生單元240可以使用脈衝寬度調製(Pulse Width Modulation, PWM)單元來產生PWM型控制信號168。
圖3所示為圖2所示的有功功率調節器210的一種實施方式的詳細控制框圖。在圖3所示的實施方式中，該有功功率調節器210包括求和元件250，功率調節單元260和相位角產生器270。該求和元件250將該功率參考信號218與該功率反饋信號214相減，以提供代表該功率參考信號218與該功率反饋信號214之間差值的功率偏差信號252。該功率偏差信號252被提供給該有功功率調節器210中的功率調節單元260，其中該功率調節單元 260根據該功率偏差信號252產生頻率指令信號262。該頻率指令信號262被進一步提供給該有功功率調節器210中的相位角產生器270，其中，該相位角產生器270根據該頻率指令信號262產生相位角指令信號216。該相位角指令信號216被信號產生單元240 (參閱圖 2)用來產生網側控制信號168。
請進一步參閱圖3，在一種實施方式中，鎖相環電路280被配置成接收電壓反饋信號152，並根據該接收的電壓反饋信號152提供相位跳變修正信號286。在一種實施方式中， 該電壓反饋信號152可以包括通過電壓傳感器36所檢測到的三相正弦交流電壓信號。可以理解 的是，在其他實施方式中，該電壓反饋信號152也可以包括單相或者多相的電壓信號。 在一種實施方式中，考慮基波分量，該三相交流電壓信號152也可以表達為下式
權利要求
1.一種能量轉換系統，其特徵在於該能量轉換系統包括直流母線，變流器模塊，以及變流器控制模塊；該直流母線接收來自於電源的直流電；該變流器模塊與直流母線連接，並用於將該直流母線上的直流電轉換成交流電；該變流器控制模塊與該變流器模塊連接，該變流器控制模塊用於根據功率指令信號和功率反饋信號產生相位角指令信號；該變流器控制模塊還用於基於檢測到的與電網相關的電壓產生與瞬態事件相關的相位跳變修正信號，基於該相位跳變修正信號調節該相位角指令信號；該變流器控制模塊還用於至少基於該調節後的相位角指令信號產生控制信號，以使得該變流器模塊在該控制信號的作用下驅動從變流器模塊輸出的交流電壓跟隨與電網相關的電壓。
2.如權利要求1所述的能量轉換系統，其特徵在於該變流器模塊包括網側變流器，該網側變流器用於將該直流母線上的直流電轉換成交流電，其中該變流器控制模塊包括網側控制器，該網側控制器用於產生作用到該網側變流器的控制信號；其中該網側控制器包括功率調節器和相位角產生器，該功率調節器用於基於該功率指令信號和功率反饋信號產生內部頻率指令信號；該相位角產生器用於根據該功率調節器輸出的內部頻率指令信號產生相位角指令信號。
3.如權利要求2所述的能量轉換系統，其特徵在於該相位角產生器包括積分元件和第一求和元件，該積分元件用於將該內部指令信號積分以產生相位角指令信號；該第一求和元件用於將該相位跳變修正信號和該相位角指令信號結合，以產生調節後的相位角指令信號。
4.如權利要求3所述的能量轉換系統，其特徵在於該積分元件包括用於限制從該積分元件產生的相位角指令信號的上限值和下限值，其中該相位跳變修正信號進一步被用於調節該上限值和下限值。
5.如權利要求1所述的能量轉換系統，其特徵在於該變流器控制模塊還包括相位跳變補償裝置，該相位跳變補償裝置用於產生相位跳變修正信號，其中，該相位跳變補償裝置包括坐標旋轉變換單元和相位跳變計算單元，該坐標旋轉變換單元用於接收電網電壓，並對接收到的電網電壓執行坐標變換操作，以產生在同步旋轉d_q參考坐標系下的d軸電壓信號和q軸電壓信號；該相位跳變計算單元連接於該坐標旋轉變換單元，該相位跳變計算單元用於根據該d軸電壓信號和該q軸電壓信號計算該相位跳變修正信號。
6.如權利要求5所述的能量轉換系統，其特徵在於該相位跳變計算單元根據下述公式計算該相位跳變修正信號
7.如權利要求5所述的能量轉換系統，其特徵在於該相位跳變計算單元根據如下公式計算該相位跳變修正信號
8.如權利要求5所述的能量轉換系統，其特徵在於該相位跳變補償裝置進一步包括濾波單元，該濾波單元用於濾除該相位跳變修正信號中包含的高頻噪聲信號。
9.如權利要求8所述的能量轉換系統，其特徵在於該相位跳變補償裝置進一步包括與該濾波單元連接的比較單元，該比較單元具有滯回比較功能，其用於接收經濾波後的相位跳變修正信號，並提供限制相位角的相位跳變修正信號。
10.如權利要求9所述的能量轉換系統，其特徵在於該相位跳變補償裝置進一步包括與該比較單元連接的補償單元，該補償單元對限制相位角的相位跳變修正信號作用補償係數，並產生補償的相位跳變修正信號。
11.如權利要求10所述的能量轉換系統，其特徵在於該相位跳變補償裝置進一步包括求和元件，該求和元件連接在該相位跳變計算單元和該濾波單元之間，該求和元件用於將從補償單元輸出的補償的相位跳變修正信號與從該相位跳變計算單元計算出的相位跳變修正信號相減，以提供相位跳變偏差修正信號給該濾波單元。
12.如權利要求8所述的能量轉換系統，其特徵在於該相位角補償裝置進一步包括與該濾波單元連接的補償單元，該補償單元對濾波後的相位跳變修正信號作用補償係數，並產生補償的相位跳變修正信號。
13.如權利要求12所述的能量轉換系統，其特徵在於該相位跳變補償裝置進一步包括求和元件，該求和元件連接在該相位跳變計算單元和該濾波單元之間，該求和元件用於將從該補償單元輸出的補償的相位跳變修正信號與從該相位跳變計算單元計算出的相位跳變修正信號相減，以得到相位跳變偏差修正信號給該濾波單元。
14.如權利要求13所述的能量轉換系統，其特徵在於該相位跳變補償裝置進一步包括與該補償單元連接的比較單元，該比較單元具有滯回比較功能，其用於接收補償的相位跳變修正信號，並提供限制相位角的相位跳變修正信號。
15.一種操作能量轉換系統的方法，其特徵在於該方法至少包括如下步驟 至少根據功率指令信號和功率反饋信號產生相位角指令信號； 根據檢測到的電網電壓產生與瞬態事件相關的相位跳變修正信號； 至少根據該相位跳變修正信號調節該相位角指令信號；以及 至少根據該調節後的相位角指令信號產生作用到該能量轉換系統中的變流器模塊的控制信號，以驅動從變流器模塊輸出的交流電壓跟隨與電網相關的電壓。
16.如權利要求15所述的方法，其特徵在於該方法還包括如下步驟 對相位跳變修正信號進行濾波，以濾除該相位跳變修正信號中含有的高頻噪聲信號； 對該相位跳變修正信號提供補償係數；以及 通過滯回比較功能限制該相位跳變修正信號的相位角。
17.如權利要求15所述的方法，其特徵在於該方法還包括如下步驟根據預定的電流閾值限制經相位角補償後的相位角指令信號。
18.一種光伏發電系統，其特徵在於該光伏發電系統包括變流器模塊，以及變流器控制模塊；該變流器模塊用於將從光伏電源產生的直流電轉換成交流電；該變流器控制模塊與該變流器模塊連接，該變流器控制模塊用於根據功率指令信號和功率反饋信號產生相位角指令信號；該變流器控制模塊還用於基於檢測到的電網電壓產生與瞬態事件相關的相位跳變修正信號；該變流器控制模塊還用於根據該相位跳變修正信號調節該相位角指令信號；該變流器控制模塊還用於至少基於該調節後的相位角指令信號產生控制信號，以使得該變流器模塊在該控制信號的作用下驅動從變流器模塊輸出的交流電壓跟隨與電網相關的電壓。
19.如權利要求18所述的光伏發電系統，其特徵在於該變流器控制器進一步包括電流限制器，該電流限制器根據預定的電流閾值對經過相位角補償後的相位角指令信號進行相位角限制。
全文摘要
本發明揭示能量轉換系統及其操作方法、光伏發電系統，該能量轉換系統包括直流母線，變流器模塊，以及變流器控制模塊。直流母線接收來自於電源的直流電。變流器模塊將直流母線上的直流電轉換成交流電。變流器控制模塊根據功率指令信號和功率反饋信號產生相位角指令信號。變流器控制模塊在發生瞬態事件時基於檢測到的電網電壓產生相位跳變修正信號，基於該相位跳變修正信號調節該相位角指令信號。該變流器控制模塊至少基於該調節後的相位角指令信號產生控制信號，以使得該變流器模塊在該控制信號的作用下驅動從變流器模塊輸出的交流電壓在發生瞬態事件時保持與電網電壓同步。本發明還揭示變流器控制系統，控制能量轉換系統運作的方法以及光伏發電系統。
文檔編號H02M7/42GK103023361SQ20111030491
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月23日 優先權日2011年9月23日
發明者譚卓輝, 鄔心慧, 鄔雪琴, 公茂忠 申請人:通用電氣公司