用於調節功率轉換器輸入電壓的方法和裝置的製作方法
2023-05-29 11:58:41
專利名稱：用於調節功率轉換器輸入電壓的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及功率轉換，尤其涉及功率轉換器的輸入電壓的調節。
背景技術：
因為現有的化石燃料快速耗盡和現有的功率產生方法的成本增加，所以使用分布參數振蕩器(DG)以從再生能源中產生能量不斷得到市場的認可。一種該類型的DG可以是包括多個光電(PV)模塊的太陽能系統，該PV模塊將從太陽接收的太陽能轉換成直流電(DC)。然後，一個或多個逆變器將來自PV模塊的DC電流轉換成交流電(AC)。然後，產生的AC功率可以用於家用或商用電器，或者可以耦合到商業電網並且賣給商業電力公司。一種可用於DC-AC功率轉換的逆變器是電流源逆變器(CSI)。CSI逆變器是雙電壓源逆變器(VSI);對於CSI，DC電源配置為電流源，而不配置為對於VSI所配置的電壓源。 CSI的一個優點在於，它可以增加電網電壓，而不需要VSI通常所需要的附加DC-DC升壓級。該電壓增加需要CSI的輸入電壓必須低於CSI的輸出電壓。在一些大規模DG設施，例如公用事業規模設施，電網電壓可能下降，需要將額外功率從DG注入到電網上，以維持電網的操作。該電網電壓降可能導致CSI的輸出電壓低於CSI的輸入電壓，引起CSI的當前發電不能被控制的不穩定條件。因此，在現有技術中需要一種用於調節功率轉換模塊輸入電壓的方法和裝置。
發明內容
本發明的實施方式通常涉及調節功率轉換模塊輸入電壓的方法和裝置。在一個實施方式中，該方法包括基於功率轉換模塊的輸出電壓來計算電壓調節閾值；比較功率轉換模塊的輸入電壓和電壓調節閾值；以及當輸入電壓滿足電壓調節閾值時，產生小於電壓調節閾值的平均輸入電壓，其中根據輸入電壓產生平均輸入電壓。附圖
簡要說明因此，通過參照實施方式可具體理解本發明上述特徵的方式、更具體的發明描述和發明內容，其中，在附圖中示出了一些實施方式。但是，應當注意，附圖中僅示出了本發明的典型實施方式，因此不能用於限制本發明的範圍，本發明可以要求其他等同的有效實施方式。圖I是根據本發明一個或多個實施方式的太陽能發電系統的方框圖；圖2是根據本發明一個或多個實施方式的逆變器的方框圖；圖3是根據本發明一個或多個實施方式的控制器的方框圖；圖4是根據本發明一個或多個實施方式的交流輸入電壓調節器的方框圖；以及圖5是根據本發明一個或多個實施方式的用於調節逆變器的輸入電壓的方法的流程圖。
具體實施方式
圖I是根據本發明一個或多個實施方式的太陽能發電系統100的方框圖。該示意圖僅示出了無數種可能的系統結構中的一種。本發明可以運行於各種分布式發電環境和系統。太陽能發電系統100 (「系統100」)包括多個面板104-1、104-2、…、104-N，該多個面板統稱為面板104並且與逆變器106並聯耦合。每個面板104包括多個光電(PV)模塊102-1、102-2、…、102-N，該多個PV模塊統稱為PV模塊102。在一些實施方式中，一個或多個面板104可以包括與其他面板104不同數量的PV模塊102(即每個面板104可以包括不同數量的PV模塊102)。面板104內部的PV模塊102串聯耦合，面板104並聯耦合，以將生成的DC功率提供給逆變器106。PV模塊102可以包括薄膜太陽電池，該薄膜太陽電池與其他類型的PV模塊太陽能電池相比提供了更高的電壓/更低的電流。在某些可替代實施方式中，逆變器106可以從除面板104之外的或替代面板104的一個或多個其他可再生能源中接收DC功率逆變器106通過AC總線108耦合至AC商業電網112。逆變器106是電流源逆變器(CSI)，該電流源逆變器將來自面板104的DC功率轉換成AC功率並且輸出與AC商業電·網電壓同相的AC電流。系統100是產生兆瓦(麗)級AC功率的大規模系統，例如，公用事業規模設施。在一些實施方式中，逆變器106產生277/480V三相三線輸出；其他實施方式中，逆變器106產生三相四線輸出和/或逆變器106可以產生不同電壓級的功率。此外或可替代地，可以存儲產生的能量，以之後使用；例如，可以通過電池、加熱水、高壓泵、H2O-氫轉換等來存儲產生的能量。在一個或多個可替代的實施方式中，逆變器106可以是替代類型的功率轉換器，例如VSI或DC-DC功率轉換器。根據本發明一個或多個實施方式，逆變器106包括輸入電壓調節器110，輸入電壓調節器110確保當電網電壓低於電壓調節閾值時逆變器106保持操作，這在下文中將進一步描述。圖2是根據本發明一個或多個實施方式的逆變器106的方框圖。逆變器106包括I-V監測電路246、輸入電壓調節器110、DC-AC逆變級204、AC電壓採樣器248和控制器206。I-V監測電路246耦合在面板104的兩端，DC-AC逆變級204包括耦合到AC電網的三線輸出；可替代地，DC-AC逆變級204可以包括耦合到AC電網的四線輸出。在某些可替代實施方式中，輸入電壓調節器110可以是耦合在面板104和逆變器106之間的獨立部件(SP未包括在逆變器106內)。輸入電壓調節器110包括電容208、開關210和二極體212。電容208的第一端耦合到開關210的第一端，開關210的第二端耦合到二極體212的陰極端，二極體212的陽極端耦合到電容208的第二端。電容208耦合在I-V監測電路246的兩端，開關210的控制端耦合到控制器206。在一些實施方式中，開關210可以是η型金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)開關，並且第一端和第二端分別是漏極端和源極端。在其他實施方式中，開關210可以P型M0SFET、絕緣柵雙極電晶體(IGBT)、柵極可關斷(GTO)開關、雙極結電晶體(BJT)等或它們的某些組合。DC-AC逆變級204包括開關216、218、220、222、224和226，每個開關分別與反向電流阻斷二極體228、230、232、234、236和238串聯耦合，並且配置為三相H橋250。開關216、218、220、222、224 和 226 可以是 η 型 MOSFET、p 型 MOSFET、IGBT,GTO 開關、BJT 等或它們的某些組合。開關216的第一端耦合到開關220的第一端和開關224的第一端；開關216的第二端耦合到二極體228的陽極端。開關218的第一端耦合到二極體228的陰極端，開關218的第二端耦合到二極體230的陽極端。開關220的第二端耦合到二極體232的陽極端。開關222的第一端耦合到二極體232的陰極端，開關222的第二端耦合到二極體234的陽極端。開關224的第二端耦合到二極體236的陽極端。開關226的第一端耦合到二極體236的陰極端，開關226的第二端耦合到二極體238的陽極端。每一開關216、218、220、222、224和226的控制端耦合到控制器206，控制器206用於可操作地控制(即激活/禁用)開關216、218、220、222、224和226。二極體230、234和238的陰極端耦合到二極體212的陽極端。第一輸出線252耦合到二極體228的陰極端，第二輸出線254耦合到二極體232的陰極端，第三輸出線256耦合到二極體236的陰極端。在某些可替代實施方式中，可以不包括二極體228、230、232、234、236和238，並且開關216、218、220、222、224和226能夠承受大的反向電壓，這種開關例如是MOSFET、BJT、IGBT、MOS控制的晶閘管(MCT)、集成門極換流晶閘管(IGCT)或GTO等。 DC-AC逆變級204還包括電感214和電容240、242和244。電感214耦合在二極體212的陰極端和開關216的第一端之間。電容240耦合在輸出線252和254之間，電容242耦合在輸出線254和256之間，電容244耦合在輸出線252和256之間。I-V監測電路246對來自面板104的DC電流和電壓進行採樣(例如，以IO-IOOkHz的速率)，並且將DC電流和電壓的樣本耦合到控制器206 ;在一些實施方式中，I-V監測電路246包括模數轉換器(ADC),用於產生DC電流和電壓樣本。AC電壓米樣器248稱合到輸出線252,254和256的每一個上，以通過例如IO-IOOkHz的速率對AC線電壓進行採樣，並且AC電壓米樣器248還稱合到控制器206上，以將AC電壓樣本提供給控制器206。在一些實施方式中，AC電壓採樣器包括用於產生AC電壓樣本的電壓檢測變壓器和模數轉換器(ADC)。基於接收的DC電流、DC電壓和AC電壓樣本，控制器206通過同時操作卿，激活/禁用)開關216、218、220、222、224和226來控制H橋250，以將來自面板104的DC功率轉換成AC功率。在一些實施方式中，控制器206可以使用脈寬調製(PWM)技術，以控制H橋250 ;可替代地，可以使用空間矢量PWM、預測調製或類似的技術。此外，控制器206可以執行最大功率點跟蹤(MPPT)，以在最大功率點(MPP)處操作面板104。控制器206還對從面板104接收的輸入電壓(即一個或多個DC電流樣本)和電壓調節閾值進行比較，以用於操作輸入電壓調節器110。電壓調節閾值基於AC功率電網112的線電壓(即電網電壓)。當來自面板104的輸入電壓低於電壓調節閾值時，控制器206將開關210保持在激活(即，「on」)狀態中並且將來自面板104的電流連續地輸入DC-AC逆變級204中。當來自面板104的輸入電壓等於或大於電壓調節閾值時，控制器206周期地激活/禁用開關210 (例如，通過PWM控制、空間矢量PWM、預測調製或類似的技術)，以使DC-AC逆變級204的平均輸入電壓小於電壓調節閾值。基於來自面板104的輸入電壓，控制器106可以確定用於操作開關210的適當切換速率，以使得DC-AC逆變級輸入電壓低於電壓調節閾值。在一個或多個可替代的實施方式中，逆變器106可以包括位於輸入電壓調節器110和DC-AC逆變級204之間的電壓監測電路(未示出)，以監測DC-AC逆變級204的輸入電壓。在某些這種實施方式中，控制器206可以使用監測後的DC-AC逆變級輸入電壓，以確定開關210的切換速率。在某些實施方式中，電壓調節閾值可以設置為電壓調節閾值=Vout-容限(margin)(I)其中，Vout=AC功率電網112的最小整流後線間電壓，margin (容限)是設定值。在某些實施方式中，可以基於電容208的能量存儲周期地再次計算電壓調節閾值；例如，可以每毫秒級地再次計算電壓調節閾值。在某些實施方式中，margin值可以被預設或保持不變。可替代地，margin值是可調節的。輸入電壓調節器110被佔空比地控制，以使二極體212兩端的平均電壓滿足公式(I)。圖3是根據本發明一個或多個實施方式的控制器206的方框圖。控制器206包括支持電路304和存儲器306，支持電路304和存儲器306都耦合到中央處理單元(CPU)302。 CPU302可以包括一個或多個通常可得到的微處理器。可替代地，CPU302可以包括一個或多個專用集成電路(ASIC)。支持電路304是用於支持CPU302的功能的公知電路。這種電路包括但不限於高速緩衝存儲器、電源、時鐘電路、總線、網卡、輸入/輸出(I/O)電路等。可以使用通用計算機實現控制器206，當執行特定軟體時，該通用計算機稱為執行本發明各種實施方式的專用計算機。存儲器306可以包括隨機存取存儲器、只讀存儲器、移動磁碟存儲器、閃速存儲器和這些類型存儲器的各種組合。存儲器306有時被認為是主存儲器，並且可以部分地用作高速緩衝存儲器或緩衝存儲器。存儲器306通常存儲控制器206的作業系統(OS) 308，該0S308可以由CPU運行。存儲器306可以存儲各種形式的應用軟體，例如用於控制逆變器106操作的CSI控制模塊310和電壓調節模塊312。電壓調節模塊312可以控制輸入電壓調節器110的操作；例如，電壓調節模塊312可以確定電壓調節閾值、比較來自面板104的輸入電壓和電壓調節閾值、確定開關210的切換速率、產生開關210的控制信號、和確定一個或多個margin值等。另外，存儲器306可以存儲資料庫314，該資料庫314存儲與逆變器106和/或本發明的操作有關的數據。這種數據可以包括一個或多個電壓調節閾值、與來自面板104的輸入電壓有關的數據和/或輸入電壓與電壓調節閾值的比較、與開關210的切換速率有關的數據、和一個或多個margin值等。圖4是根據本發明一個或多個實施方式的交流輸入電壓調節器420的方框圖。輸入電壓調節器420是輸入電壓調節器110的替代實施方式，並且包括電容402、第一開關404、第二開關406、二極體408、第一電感410和第二電感412。電容402耦合在I-V監測電路246的兩端。電容402的第一端稱合到第一開關404的第一端，電容402的第二端I禹合到第二開關406的第二端。第一開關404和第二開關406的控制端耦合到用於操作(即，激活/禁用)第一開關404和第二開關406的控制器206。二極體408的陰極端耦合到第一開關404的第二端和第一電感410的第一端。二極體408的陽極端稱合到第二開關406的第一端和第二電感412的第一端。第一電感410和第二電感412的第二端耦合在DC-AC逆變級204兩端。第一電感410和第二電感412具有相同的電感值。在某些實施方式中，第一電感410和第二電感412可以具有共同的磁芯，即第一電感410和第二電感412可以纏繞在共同的磁芯上；第一電感410和第二電感412建立於單個磁路上。在某些實施方式中，第一開關404和第二開關406可以是MOSFET開關，其中第一端和第二端分別是漏極端和源極端，控制端是柵極端。在其他實施方式中，第一開關404和第二開關406可以是P型M0SFET、絕緣柵雙極電晶體(IGBT)、柵極可關斷(GTO)開關、雙極結電晶體(BJT)等、或它們的某些組合。與輸入電壓調節器110的操作類似，控制器206對來自面板104的輸入電壓(即一個或多個DC電壓樣本)和電壓調節閾值(即公式(I)的電壓調節閾值)進行比較，以用於操作輸入電壓調節器420。可以基於電容402的能量存儲周期地再次計算電壓調節閾值(例如，每毫秒級地進行計算)。當來自面板104的輸入電壓低於電壓調節閾值時，控制器206將第一開關404和第二開關406保持在激活(即，「on」)狀態中並且將連續來自面板104的 電流保持在DC-AC逆變級204中。當來自面板104的輸入電壓等於或大於電壓調節閾值時，控制器206同時地激活/禁用(例如，通過相同的驅動信號)第一開關404和第二開關406，例如通過PWM控制、空間矢量PWM、預測調製或類似的技術，以使DC-AC逆變級204的平均輸入電壓小於電壓調節閾值。基於來自面板104的輸入電壓,控制器206可以確定用於操作第一開關404和第二開關406的適當切換速率，以使得DC-AC逆變級輸入電壓低於電壓調節閾值。輸入電壓調節器420被佔空比地控制，以使二極體408兩端的平均電壓滿足公式(I)。因此，輸入電壓調節器420提供完全對稱的切換，該完全對稱的切換減少DC-AC逆變級204的輸入電壓(SP維持滿足公式(I)的二極體408兩端的平均電壓)和消除至AC功率電網112的任何共模電流。因此，電路被平衡，從而減少傳導的或輻射的共模發射。如之前相對於公式(I)描述的，margin值可以被預設或保持不變。可替代地，margin值可以是可調整的。圖5是根據本發明一個或多個實施方式用於調節逆變器的輸入電壓的方法500的流程圖。在某些實施方式中，逆變器是電流源逆變器(CSI)，電流源逆變器是用於產生兆瓦級AC功率公用事業規模的設施的一部分(例如，逆變器106)。逆變器可以從多個面板接收DC功率，多個面板的每個都包括光電(PV)模塊(例如，面板104包括PV模塊102)並且將產生的AC功率耦合到商業電網。在一個或多個可替代的實施方式中，逆變器可以從除面板之外的或替代面板的一個或多個其他可再生能源中接收DC功率，例如風電場、水電系統等。在某些可替代實施方式中，逆變器可以是電壓源逆變器(VSI)或DC-DC功率轉換器。方法500起始於步驟502，並且之後執行步驟504。在步驟504中，逆變器操作為將接收的DC功率轉換成AC功率並且將AC功率耦合到商業電網。在步驟506中，監測商業電網電壓。在某些實施方式中，可以通過例如IO-IOOkHz的速率對電網電壓進行採樣。在某些這種實施方式中，逆變器可以包括用於獲取電網電壓樣本的AC電壓採樣器。方法500接著進行步驟508，在步驟508中，確定電壓調節閾值。在某些實施方式中，電壓調節閾值可以計算為電壓調節閾值=Vout-容限(2)其中，Vout=商業電網的最小整流後的線間電壓,並且margin是設定值。在某些實施方式中，可以通過每毫秒級地再次計算電壓調節閾值。在某些實施方式中，margin值可以被預設或保持不變。可替代地，margin值可以是可調整的。方法500接著進行步驟510。在步驟510中，監測逆變器的輸入電壓(S卩，來自PV面板的DC電壓)。在某些實施方式中，可以通過例如IO-IOOkHz的速率對逆變器的輸入電壓進行採樣。在某些這種實施方式中，逆變器可以包括用於獲取輸入電壓樣本的監測電路。在步驟512中，輸入電壓(即一個或多個DC電壓樣本)與電壓調節閾值進行比較；在步驟514中，確定輸入電壓是否低於電壓調節閾值。如果在步驟514中確定輸入電壓低於電壓調節閾值，那麼方法500執行步驟516。在步驟516中，逆變器的輸入電壓被允許繼續不被調節。在某些實施方式中，從PV面板到逆變器的電流允許為繼續不被改變(例如通過控制一個或多個開關)。然後，方法500返回步驟506。如果在步驟514中確定輸入電壓等於或大於電壓調節閾值，方法500執行步驟518。在步驟518中，逆變器的電壓輸入被調節，以使逆變器的平均輸入電壓小於電壓調節閾值。在某些實施方式中，通過周期地激活/禁用一個或多個對從面板到逆變器的電流進 行控制的開關，來調節輸入電壓。在某些這種實施方式中，可以使用開關的脈寬調製(PWM)控制，以控制來自面板的電流，從而，實現逆變器的期望平均輸入電壓；可替代地，可以使用空間矢量PWM、預測調製或類似的技術。在某些實施方式中，在對稱的切換系統(例如輸入電壓調節器420)中可以使用兩個開關，以消除至商業電網的任何共模電流。方法500執行步驟520，在步驟520中，確定是否繼續操作逆變器。如果在步驟520中確定繼續操作逆變器，方法500返回步驟506。如果在步驟520中確定不繼續操作逆變器，方法500執行步驟522，在步驟522中，方法500結束。本發明實施方式的上述描述包括執行所述各種功能的多個元件、設備、電路和/或組件。這些元件、設備、電路和/或組件是用於執行各自所述功能的示意性實現裝置。雖然上面描述了本發明的實施方式，但是在不背離本發明基本範圍和權利要求書中所確定的範圍的情況下，可以設想本發明的其他或進一步的實施方式。
權利要求
1.一種調節功率轉換模塊輸入電壓的方法,包括 基於所述功率轉換模塊的輸出電壓計算電壓調節閾值； 比較所述功率轉換模塊的輸入電壓和所述電壓調節閾值；以及 當所述輸入電壓滿足所述電壓調節閾值時，產生小於所述電壓調節閾值的平均輸入電壓，其中，所述平均輸入電壓是根據所述輸入電壓產生的。
2.如權利要求I所述的方法，其中，產生所述平均輸入電壓包括驅動至少一個開關。
3.如權利要求2所述的方法，其中，經由完全對稱的切換來產生所述平均輸入電壓。
4.如權利要求I所述的方法，還包括 基於所述輸入電壓，確定用於驅動所述至少一個開關的切換速率。
5.如權利要求I所述的方法，其中，所述輸出電壓是耦合到所述功率轉換模塊的AC線的最小的整流後線間電壓。
6.如權利要求5所述的方法，其中，所述電壓調節閾值等於所述輸出電壓和容限的差值。
7.如權利要求2所述的方法，其中，使用脈寬調製、空間矢量PWM或預測調製中的至少一種來驅動所述至少一個開關。
8.—種功率轉換模塊的輸入電壓的調節裝置，包括 電壓調節模塊，用於(i)基於所述功率轉換模塊的輸出電壓來計算電壓調節閾值；( )比較所述功率轉換模塊的輸入電壓和所述電壓調節閾值jP(iii)驅動輸入電壓調節器，以便當所述輸入電壓滿足所述電壓調節閾值時產生小於所述電壓調節閾值的平均輸入電壓，其中所述平均輸入電壓是根據所述輸入電壓產生的。
9.如權利要求8所述的裝置，還包括輸入電壓調節器，其中，所述電壓調節模塊驅動所述輸入電壓調節器的至少一個開關，以產生所述平均輸入電壓。
10.如權利要求9所述的裝置，其中，所述輸入電壓調節器提供完全對稱的切換。
11.如權利要求9所述的裝置，其中，所述電壓調節模塊基於所述輸入電壓來確定用於驅動所述至少一個開關的切換速率，以產生所述平均輸入電壓。
12.如權利要求8所述的裝置，其中，所述輸出電壓是耦合到所述功率轉換模塊的AC線的最小整流後線間電壓。
13.如權利要求12所述的裝置，其中，所述電壓調節閾值等於所述輸出電壓和容限之間的差值。
14.如權利要求9所述的方法，其中，使用脈寬調製、空間矢量PWM或預測調製的至少一種來驅動所述至少一個開關。
15.如權利要求8-14中任一項所述的裝置，還包括用於提供所述輸入電壓的至少一個光電模塊。
全文摘要
調節功率轉換模塊輸入電壓的方法和裝置。在一個實施方式中，該方法包括基於功率轉換模塊的輸出電壓來計算電壓調節閾值；比較所述功率轉換模塊的輸入電壓和所述電壓調節閾值；以及，當輸入電壓滿足電壓調節閾值時，產生小於電壓調節閾值的平均輸入電壓，其中根據輸入電壓產生平均輸入電壓。
文檔編號G05F1/66GK102918472SQ201180026324
公開日2013年2月6日 申請日期2011年5月27日 優先權日2010年5月27日
發明者馬丁·馮納格 申請人:恩菲斯能源公司