用於操作逆變器的方法和逆變器與流程

2023-09-11 09:12:25

本發明涉及用於操作逆變器的方法和逆變器。

背景技術：

逆變器是一種能夠將來自直流電源的DC(直流)電力轉換成AC(交流)電力的電氣設備。本文中的「逆變器」通常是指能夠將直流電轉換成交流電的電子設備或電路系統。逆變器的一個示例是通過由根據使用的調製方案或控制方案控制的可控半導體開關諸如IGBT(絕緣柵雙極型電晶體)或FET(場效應電晶體)實現的半導體橋。

包括逆變器的電氣系統的一個示例是光伏系統，諸如光伏電站或光伏發電系統，其中一個或更多個光伏面板向逆變器提供DC電力，逆變器將DC電力轉換成AC電力，AC電力可以經由例如AC電網被進一步提供至各種AC負載。大型光伏電站可以包括多個並聯逆變器，每個並聯逆變器從光伏面板的陣列接收DC電力。

在這種光伏發電系統中，PV面板的操作點優選地被驅動至最佳的可能操作點，即驅動至從PV面板可以提取最大量的功率的點。這種技術通常稱為最大功率點跟蹤(MPPT)。作為示例，最常見的MPPT方法是擾動觀察(perturb&observe,P&O)法及其變型。在該方法中，逆變器的MPPT電壓參考是不斷變化的，並且確定所生成的功率的相應變化。然後，基於功率的變化和參考值的變化，可以確定應該降低還是增加參考值以便於增加提取的功率的量。

這種光伏系統的逆變器的調製方法可以基於損耗、選擇的拓撲和輸出電流品質之間的折衷。輸出AC電流品質不僅取決於調製方法和可能的電網濾波器，而且取決於AC電網本身。如果AC電網是剛性的，那麼輸出AC電流的品質可以通過較少的整流換向而保持為合格。例如，饋送到AC電網的輸出AC電流的質量可以通過AC電流的總諧波失真(THD)和/或通過AC電流的一個或更多個個體諧波來量化。饋送到AC電網的輸出AC電流的質量的最小水平通常是預先確定的，也就是說，從逆變器提供至AC電網的AC電流的諧波含量總是需要低於所設定的最大水平。

與上述解決方案相關的問題是，逆變器的操作可能太受限並且不能實現最佳功率輸出。

技術實現要素：

因此，本發明的目的是提供一種用於實現該方法的方法和設備，以便解決或至少緩解上述問題或至少提供一種替代解決方案。本發明的目的通過方法、電腦程式產品、逆變器和電氣系統來實現，其特徵在於獨立權利要求中所述的內容。在從屬權利要求中描述了本發明的優選實施方式。

本發明基於以下想法：檢測增加從逆變器提供至AC電網的AC電流的諧波含量超過預定最大水平的需要，檢查是否允許增加AC電流的諧波含量超過預定最大水平，並且如果允許增加AC電流的諧波含量超過預定最大水平，那麼提高在逆變器的操作中使用的預定最大水平。

本發明的解決方案的優點在於，在需要增加有功功率或無功功率輸出或者需要在低DC電壓下保持功率輸出的情況下，通過降低輸出AC電流的品質可以更好地優化逆變器的操作。

附圖說明

在下文中，將結合優選實施方式以及參照附圖對本發明進行更詳細地描述，其中：

圖1示出了根據實施方式的電氣系統的示例；

圖2示出了根據實施方式的流程圖；以及

圖3示出了根據實施方式的流程圖。

具體實施方式

本發明的應用不限於任何特定的系統，而是可以結合各種電氣系統使用。此外，本發明的用途不限於例如採用任何特定基頻或任何特定電壓電平的系統。

圖1示出了電氣系統的簡化示例。該附圖僅示出了理解本發明所必要的部件。圖1的示例性系統包括逆變器10。如圖所示，逆變器10的DC輸入可以連接至DC電源20。DC電源20的示例是光伏(PV)面板或者兩個或更多個光伏面板的陣列。也可以使用其他類型的DC電源。在逆變器10與DC電源20之間可以存在一個或更多個開關(未示出)，使得能夠將逆變器與DC電源連接/將逆變器與DC電源斷開。圖1的示例性系統還示出了連接在逆變器10的DC輸入的電極之間的電容C。另外，逆變器10的AC輸出可以連接至AC電網30，諸如公共電網或其他種類的AC電網，以便於當電氣系統正常操作時將功率從DC電源20提供至AC電網30。在電氣系統與AC電網30之間可以存在一個或更多個開關(未示出)，使得能夠將電氣系統與AC電網30連接/將電氣系統與AC電網30斷開。例如，逆變器10與AC電網30之間的AC連接可以是單相AC連接或如圖所示的三相AC連接。圖1的示例性系統還示出了連接至逆變器10的AC輸出的AC輸出濾波器40。例如，AC輸出濾波器40可以是LCL濾波器。例如，還可以存在連接在逆變器10的AC輸出與AC電網30之間的一個或更多個變壓器或變流器(圖中未示出)。

圖1的示例性系統還包括用於逆變器10的控制設備，該示例性控制設備包括控制單元100和測量單元101。雖然這些示例性單元被示出為分開的單元，但是它們可以被實現為單個單元。此外，可以包括在用於逆變器10的控制設備中的單元100、101可以物理地包括在逆變器10內，即使在附圖中單元100、101被示出為與逆變器10分開。控制設備可以根據所使用的調製方案來控制逆變器10的正常操作。此外，根據本文中所述的各種實施方式的功能可以至少部分地通過用於逆變器10的控制設備來實現。

根據實施方式，逆變器10可以被操作成通過應用最大功率點跟蹤即MPPT使得從DC電源20提供至逆變器10的DC輸入的DC電力通過逆變器轉換為從逆變器的AC輸出提供至AC電網30的AC電力，使得從逆變器10提供至AC電網30的AC電流的諧波含量保持在預定最大水平內。使用的MPPT方法可以是任意類型的MPPT方法，諸如擾動觀察法。例如，從逆變器10提供至AC電網30的AC電流的諧波含量的預定最大水平可以取決於AC電網30的要求。此外，根據實施方式，在將DC電力轉換成AC電力期間逆變器10的操作可以包括如下：首先檢測增加從逆變器提供至AC電網的AC電流的諧波含量超過預定最大水平的需要。然後，響應於檢測到增加AC電流的諧波含量超過預定最大水平的需要，執行檢查是否允許增加AC電流的諧波含量超過預定最大水平，並且如果允許增加AC電流的諧波含量超過預定最大水平，那麼提高在轉換中使用的預定最大水平。

根據實施方式，從逆變器10提供至AC電網30的AC電流的諧波含量可以基於AC電流的總諧波失真(THD)和/或AC電流的一個或更多個個體諧波來確定。在圖1的示例中，AC電流的總諧波失真和/或AC電流的一個或更多個個體諧波可以利用測量單元101來確定。例如，測量可以在如圖所示可能的AC輸出濾波器40之後或在逆變器10與濾波器40之間進行。

根據實施方式，可以基於逆變器的確定的MPPT電壓參考小於預定電壓閾值來檢測增加AC電流的諧波含量的需要。本文中的術語「確定的MPPT電壓參考」通常是指根據使用的MPPT方法確定的電壓參考值。確定的MPPT電壓參考的預定閾值優選地等於或高於最低DC電壓值，利用最低DC電壓值使標稱AC電流諧波含量保持在預定最大水平內。作為示例，確定的MPPT電壓參考的預定閾值可以被確定為主電路AC電壓的峰值+預定電壓儲備。替代地或另外地，可以基於從逆變器10提供至AC電網30的AC電流的諧波含量高於預定的諧波閾值水平來檢測增加AC電流的諧波含量的需要。AC電流的諧波含量的預定閾值水平優選地等於或低於AC電流的諧波含量的預定最大水平。替代地或另外地，可以基於逆變器10的溫度高於預定溫度閾值水平來檢測增加AC電流的諧波含量的需要。逆變器10的溫度的預定閾值水平取決於逆變器特性。替代地或另外地，可以基於在逆變器10中接收到增加AC電流的諧波含量的請求或許可來檢測增加AC電流的諧波含量的的需要。因此，逆變器10接收到增加AC電流的諧波含量的具體請求或許可並且通過這種方式來檢測增加AC電流的諧波含量的需要也是可以的。例如，這樣的請求或許可可以來自另一個系統元件或來自系統的操作者。

根據實施方式，可以通過檢查在逆變器10中的存儲器中或連接至逆變器10的存儲器中存儲的一個或更多個參數的值來執行檢查是否允許增加AC電流的諧波含量超過預定最大水平。逆變器10中可能的存儲器或連接至逆變器10的可能的存儲器可以是適於存儲至少一個參數的任何種類的存儲器，該參數指示是否允許增加AC電流的諧波含量超過預定最大水平。這種存儲器可以包括例如資料庫，並且還可以包含與AC電流的諧波含量的要求相關的數據和/或參數。這種連接至逆變器10的存儲器可以位於遠離逆變器10之處，例如在AC電網30內，並且在逆變器10與連接至逆變器10的可能的存儲器之間可以存在任意種類的合適的數據連接，有線連接或無線連接或其組合。根據另一實施方式，可以通過檢查逆變器10所接收的一個或更多個信號的值來執行檢查是否允許增加AC電流的諧波含量超過預定最大水平。例如，可以由逆變器10連續地或周期性地接收這種指示是否允許增加AC電流的諧波含量超過預定最大水平的信號。根據實施方式，可以響應於從逆變器10發送的查詢來接收這樣的一個或更多個信號。例如，這樣的一個或更多個信號可以源自AC電網30。

根據實施方式，如果允許增加AC電流的諧波含量超過預定最大水平，那麼可以將轉換中使用的預定最大水平提高到預定(較高)水平。因此，可以存在在轉換中使用的AC電流的諧波含量的預定最大水平可以提高到的某個預定水平。根據另一實施方式，如果允許增加AC電流的諧波含量超過預定最大水平，那麼可以將在轉換中使用的預定最大水平提高到在檢查是否允許增加AC電流的諧波含量超過預定最大水平期間或之後確定或獲得的水平。換句話說，如果允許增加AC電流的諧波含量超過預定最大水平，那麼可以在檢查的同時或之後確定在轉換中使用的AC電流的諧波含量的新的較高水平。這種確定可以基於從逆變器10中的可能的存儲器或連接至逆變器10的可能的存儲器接收或得到的信息或者由逆變器10接收的所述可能的一個或更多個信號內的信息。

圖2示出了根據示例性實施方式的流程圖。首先，在步驟200中啟動逆變器10。在啟動之後，在步驟210中，逆變器10通過應用最大功率點跟蹤即MPPT將從DC電源20提供至逆變器10的DC輸入的DC電力轉換成從逆變器的AC輸出提供至AC電網30的AC電力，使得從逆變器10提供至AC電網30的AC電流的諧波含量保持在預定最大水平內。當在驗證的(例如，在型式試驗中)MPPT電壓範圍內操作時，可能沒有必要單獨監測諧波含量。在步驟220中，在轉換210期間連續地或周期性地檢查逆變器的所確定的MPPT電壓參考Vmppt_ref是否小於預定閾值Vmppt_th。如果逆變器的所確定的MPPT電壓參考Vmppt_ref等於或高於預定閾值Vmppt_th，那麼轉換210繼續而不作任何改變。如果逆變器的所確定的MPPT電壓參考Vmppt_ref小於預定閾值Vmppt_th，那麼在步驟230中檢查是否允許增加AC電流的諧波含量超過預定最大水平。如果不允許增加AC電流的諧波含量超過預定最大水平，那麼在步驟270中，優選地將逆變器的MPPT電壓參考Vmppt_ref至少增加至預定閾值Vmppt_th，此後，轉換210以增加的MPPT電壓參考繼續。如果允許增加AC電流的諧波含量超過預定最大水平，那麼在步驟240中，通過擴大AC電流的總諧波失真的相應限制和/或AC電流的一個或更多個個體諧波的相應限制來增加在轉換中使用的AC電流的諧波含量的預定最大水平。此後，在步驟250中，可以另外地檢查AC電流的所測量的諧波含量Imeas_harm是否小於AC電流的經增加的諧波含量最大水平Iext_harm_limit。如果AC電流的所測量的諧波含量Imeas_harm不小於AC電流的經增加的諧波含量最大水平Iext_harm_limit，那麼在步驟270中，優選地將逆變器的MPPT電壓參考Vmppt_ref增加成使得所得到的AC電流的諧波含量保持在AC電流的經增加的諧波含量最大水平內，此後，轉換210以經增加的MPPT電壓參考繼續。如果AC電流的所測量的諧波含量Imeas_harm小於AC電流的經增加的諧波含量最大水平Iext_harm_limit，那麼在步驟260中，可以減小逆變器的MPPT電壓參考Vmppt_ref。這可以通過將MPPT電壓參考的預定閾值Vmppt_th降低成對應於AC電流的經增加的諧波含量最大水平來實現。可選地，可以結合步驟240來執行將MPPT電壓參考的預定閾值Vmppt_th降低成對應於AC電流的經增加的諧波含量最大水平。最後，轉換210可以以經減小的MPPT電壓參考繼續。

圖3示出了根據示例性實施方式的流程圖。首先，在步驟300中啟動逆變器10。在啟動之後，在步驟310中，逆變器10通過應用最大功率點跟蹤即MPPT將從DC電源20提供至逆變器10的DC輸入的DC電力轉換成從逆變器的AC輸出提供至AC電網30的AC電力，使得從逆變器10提供至AC電網30的AC電流的諧波含量保持在預定最大水平內。在步驟320中，在轉換310期間連續地或周期性地檢查逆變器的所確定的MPPT電壓參考Vmppt_ref是否小於預定閾值Vmppt_th。如果逆變器的所確定的MPPT電壓參考Vmppt_ref等於或高於預定閾值Vmppt_th，那麼轉換310繼續而不作任何改變。如果逆變器的所確定的MPPT電壓參考Vmppt_ref小於預定閾值Vmppt_th，那麼在步驟321中，可替代地可以進一步檢查從逆變器10提供至AC電網30的AC電流的諧波含量是否高於預定諧波閾值水平和/或逆變器10的溫度是否高於預定溫度閾值水平。如果逆變器的諧波含量和/或溫度等於或低於相應的預定閾值水平，那麼轉換310可以繼續而不作任何改變。否則，在步驟330中，檢查是否允許增加AC電流的諧波含量超過預定最大水平。如果不允許增加AC電流的諧波含量超過預定最大水平，則在步驟370中增加逆變器的MPPT電壓參考Vmppt_ref。在步驟370之後，在步驟371中可以檢查MPPT電壓參考是否低於可以應用脈寬調製的最小DC電壓Ugrid,peak。如果MPPT電壓參考不低於可以應用脈寬調製的最小DC電壓Ugrid,peak，那麼轉換310可以以經增加的MPPT電壓參考繼續。如果MPPT電壓參考低於可以應用脈寬調製的最小DC電壓Ugrid,peak，那麼在步驟372中，可以增加逆變器10的開關頻率和/或可以將逆變器10的調製方案改變為更合適的調製方案。例如，在過調製情形的情況下，可以增加逆變器10的開關頻率。如果允許增加AC電流的諧波含量超過預定最大水平，那麼在步驟340中，通過擴大AC電流的總諧波失真的相應限制和/或AC電流的一個或更多個個體諧波的相應限制來增加在轉換中使用的AC電流的諧波含量的預定最大水平。之後，在步驟350中，可以另外地檢查實際的無功功率Qpow是否等於擴大/第二參考值，如果實際的無功功率Qpow不等於擴大/第二參考值，那麼行進至步驟370。否則，在步驟351中，可以另外地檢查AC電流的所測量的諧波含量Imeas_harm是否小於AC電流的經增加的諧波含量最大水平Iext_harm_limit。如果AC電流的所測量的諧波含量Imeas_harm不小於AC電流的經增加的諧波含量最大水平Iext_harm_limit，那麼行進至步驟370。否則，在步驟352中，可以另外地檢查逆變器溫度Tinv是否在允許限制內。如果逆變器溫度Tinv不在允許限制內，那麼行進至步驟370。否則，在步驟360中，可以減小逆變器的MPPT電壓參考Vmppt_ref。這可以通過將MPPT電壓參考的預定閾值Vmppt_th減小成對應於AC電流的經增加的諧波含量最大水平來實現。在步驟360之後，可以在步驟361中檢查MPPT電壓參考是否低於可以應用脈衝寬度調製的最小DC電壓Ugrid,peak。如果MPPT電壓參考不低於可以應用脈衝寬度調製的最小DC電壓Ugrid,peak，那麼轉換310可以以經減小的MPPT電壓參考繼續。如果MPPT電壓參考低於可以應用脈衝寬度調製的最小DC電壓Ugrid,peak，那麼在步驟362中，可以減少逆變器10的開關頻率和/或可以將逆變器10的調製方案改變為更合適的調製方案。例如，即使DC電壓低於AC主電壓的峰值，過調製方案也允許將電力注入到AC電網。

根據實施方式，結合以下情形可以實現檢查是否存在來自例如AC電網/設施所有者的擴大輸出AC電流的諧波含量的限制的許可的想法：

1)在低DC電壓情況下維持期望的無功功率注入水平的需要/期望。在PV發電機的最大功率點電壓下降到對於PV逆變器能夠保持將所期望的無功功率水平注入電網並且仍然執行MPPT的最小正常允許水平(MPPT可以正常工作並允許PV逆變器將無功功率注入電網的最小水平)的情況下，唯一的選擇是降低輸出電流的品質，這使得PV逆變器能夠降低DC電壓電平。這可能是如下情況：當PV發電機變得非常熱或者由PV面板產生的DC電壓電平隨著時間而退化降低。

產生無功功率增加電網電壓比產生純有功功率增加電網電壓需要較高的DC電壓。因此，當允許較高的諧波含量時，操作範圍增加。益處是，在低電網電壓條件下需要來自發電逆變器的支持很可能在高功率需求下發生，在許多情況中這發生在高溫期間，在PV系統的情況下意味著最低的DC電壓條件。當在低電壓下允許無功功率產生時，當在無功功率生成期間可以維持最大功率點電壓時來自PV發電機的有效功率生產也被最大化。這可以與降低開關頻率或改變調製結合來使得操作範圍進一步增加。

2)擴大逆變器的功率(有功或無功)輸出超過額定值的需要/期望。如果允許降低逆變器的輸出AC電流的品質，那麼可以擴大逆變器電力水平超過額定值。這可能是如下情況：AC電網的電壓或頻率需要來自逆變器的較高的輸出值以便保持在限制內。這可以通過例如通過降低開關頻率或改變調製方案來犧牲輸出電流品質來實現。

3)在低DC電壓條件下使有功功率注入最大化的需要/期望。有時可能期望通過犧牲輸出電流的品質和通過減少注入到AC電網的無功功率值來在低DC電壓條件下使PV逆變器的有功功率產生最大化。這可以通過如下來實現：例如，直到DC電壓降低到最小DC電壓電平為止正常地利用MPPT；並且低於最小DC電壓電平時，可以基於逆變器溫度和允許的擴大的限制來控制逆變器。根據擴大電力控制的方案，可以允許MPPT在輸出電流的品質、有功功率參考和/或逆變器溫度的儘可能低的限制下工作。當DC電壓電平接近經整流的AC電壓的電平時，可以降低開關頻率或改變調製方案。

控制根據本文的實施方式中的任一實施方式所述的逆變器的控制設備100、101或其他裝置或其組合可以被實現為被配置成實現各個實施方式的功能的一個物理單元或兩個或更多個單獨的物理單元。本文中，術語「單元」通常是指物理或邏輯實體，例如物理設備或其一部分或軟體例程。例如，根據實施方式中任一實施方式的控制設備100、101可以至少部分地通過設置有合適的軟體的一個或更多個計算機或相應的數位訊號處理(DSP)設備來實現。這樣的計算機或數位訊號處理設備優選地至少包括提供用於算術運算的存儲區域的工作存儲器(RAM)和中央處理單元(CPU)諸如通用數位訊號處理器。CPU可以包括一組寄存器、算術邏輯單元和控制單元。CPU控制單元由從RAM傳送到CPU的程序指令序列控制。CPU控制單元可以包含用於基本操作的大量微指令。微指令的實現可以根據CPU設計而變化。程序指令可以由程式語言編碼，程式語言可以是高級程式語言(諸如C、Java等)或低級程式語言(諸如機器語言或彙編器)。計算機還可以具有作業系統，作業系統可以向用程序指令編寫的電腦程式提供系統服務。實現本發明或其一部分的計算機或其他裝置還可以包括用於接收例如測量數據和/或控制數據的合適的輸入裝置，以及用於輸出例如控制數據或其他數據的輸出裝置。還可以使用用於實現根據實施方式中任一實施方式的功能的專用集成電路或電路或者分立的電氣部件和裝置。

本發明可以以諸如逆變器的現有電氣系統部件實現。本逆變器可以包括可以在根據本文所述的各種實施方式的功能中使用的處理器和存儲器。因此，在現有電氣系統部件(例如逆變器)中實現實施方式所需的所有修改和配置可以作為軟體例程來執行，其可以被實現為添加的或更新的軟體例程。如果本發明的功能的至少一部分由軟體來實現，那麼這樣的軟體可以被提供為包括電腦程式代碼的電腦程式產品，當在計算機上運行時，所述電腦程式代碼使得計算機或相應的裝置執行根據如本文所述的實施方式的功能。這樣的電腦程式代碼可以被存儲或大體上包含在可以從其加載到執行程序代碼的單元的計算機可讀介質上，諸如合適的存儲器例如快閃記憶體或光存儲器。此外，實現本發明的這種電腦程式代碼可以例如經由適當的數據網絡加載到執行電腦程式代碼的單元，並且可以替換或更新可能存在的程序代碼。

對於本領域技術人員明顯的是，隨著技術的進步，本發明的基本思想可以以各種方式實現。因此，本發明及其實施方式不限於上述示例，而是可以在權利要求的範圍內變化。