直流-交流轉換系統和方法

2023-05-06 09:53:31 1

專利名稱：直流-交流轉換系統和方法
技術領域：
本發明涉及直流-交流轉換系統和方法，特別是涉及用於穿越電網瞬時故障的直 流-交流系統和方法。
背景技術：
許多國家規定，在遇到電網發生故障時，作為發電設施的光電(PV)陣列需要保持 與電網相連。從工程角度來看，在故障期間(或者稱為瞬時故障，諸如低電壓穿越(LVRT) 或者零電壓穿越(ZVRT))保持相連是具有難度的。傳統的直流-交流變換系統將來自陣列的直流電轉換成電網中的交流電。在低電 壓或零電壓穿越期間，若陣列仍與電網保持相連，則該系統將容易因直流母線出現過壓而 導致損壞，此時陣列端變換器會將電能輸送到直流母線，而電網端在嚴重的瞬時故障下會 吸收來自電網的電能。因此，當發生瞬時故障時，光電陣列需要一套新的系統與方法來保持與電網的連 接而不遭受損壞。

發明內容
本發明的一個方面在於提供一種直流-交流轉換系統，該轉換系統包括直流-交 流變換器，其將來自光電陣列的直流電轉換成電網的交流電；耦合到所述光電陣列的最大 功率點追蹤裝置；陣列端控制器，該陣列端控制器耦合到所述直流-交流變換器和所述最 大功率點追蹤裝置，並且在電網瞬時故障期間利用來自所述直流-交流變換器的電壓數據 和來自所述最大功率點追蹤裝置的電流數據和陣列電壓，通過調節所述光電陣列的運行功 率點來增大陣列電壓，從而防止所述直流-交流變換器中的直流母線的過壓。本發明的另一個方面在於提供一種直流-交流變換方法，用於防止在電網瞬時故 障期間，連接到光電陣列的直流-交流變換器中發生過壓。該方法包括接收來自所述直 流-交流變換器直流母線的電壓數據；接收來自所述光電陣列的電壓和電流數據；在發生 瞬時故障時，通過在陣列端增大陣列電壓命令，改變運行功率點的方法，來防止直流至交流 變換器中直流母線電壓過壓的發生。


將參考下面的附圖來描述本發明的非限定性非窮舉實施例，其中除非另有說明在 各個附圖中相似的標號指示相似的部分。圖1是示出了根據該發明的轉換系統的圖示；圖2是示出了根據該發明的光電轉換系統的圖示；圖3是示出了根據該發明的光電轉換系統的圖示；圖4是示出了根據該發明的光電轉換系統的圖示；圖5是示出了根據該發明的光電轉換系統的圖示；
圖6是示出了根據該發明的直流制動斬波器的圖示；圖7是示出了根據該發明的直流制動斬波器的圖示；以及圖8的流程圖示出了當發生電網瞬時故障時防止直流鏈路中發生過壓的方法。
具體實施例方式下列描述力爭使得任何本領域普通技術人員能夠製造和使用該發明，並且是在特 定應用及其需求的上下文中進行的。對於該領域普通技術人員來說，可以容易地對這些實 施例作出各種修改，並且在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，這裡規定的一些原理可 應用到其他實施例和應用中。因此，本發明不是要限於所示實施例，而是要符合與這裡所公 開的原理、特徵和教導相一致的最寬廣的範圍。本發明的實施例提供了一套在發生故障時光電陣列仍保持與電網相連的系統與 方法，該系統和方法通過使用直流過壓調節器，通過動態地改變陣列端變換器的電流、電壓 與功率需求命令，使用陣列端變換器來幫助防止電網故障時在直流母線中產生過壓。一個 實施例使用陣列端的變換器在發生電網故障時控制直流電壓，並在電流極限限制內用電網 端變換器來跟隨最大功率點追蹤(MPPT)命令。當光電陣列不具備串聯的二極體時，該直流 過壓調節器可以被調節成反過來供應部分能量至光電陣列，用來防止直流母線中的過電壓 的發生。也可以在直流母線/光電陣列端/交流電網端增加制動斬波器來防止直流過壓的 發生。參照圖1所示，作為本發明直流-交流轉換系統100 (以下簡稱「系統100」)的一 個實施方式，其與光電(PV)陣列110及電網120電力耦合。該系統100包括直流-交流 (DC-AC)變換器130，最大功率點追蹤(MPPT)裝置140，直流電壓(Vdc)控制器150以及電 網信息檢測器160。該直流-交流變換器130從光電陣列110接收直流電，並將其轉換成交流電，用以 上載至電網120。最大功率點追蹤裝置140通過來自陣列110的電壓與電流反饋來跟蹤陣 列110上的最大功率點，並且為直流電壓控制器150生成陣列端的基準電流或電壓。該最 大功率點追蹤裝置140可以被實現為專用集成電路(ASIC)、軟體、和/或其他技術。直流電 壓控制器150從檢測器160接收電網信息(頻率及/或相位)，並相應地控制直流_交流轉 換系統100中的直流-交流變換器130，以避免瞬時故障時發生過壓。與傳統系統不同的是，在運行時，直流電壓控制是通過電網端與光電端來實現的。 相應地，當發生電網120瞬時故障時，直流電壓控制器150通過適當地控制電能進入轉換系 統100中的直流-交流變換器130來防止過壓，從而系統100可以保持與電網120相連。下 面將結合其他附圖來更詳細地描述系統100的操作。圖2示出了根據該發明的光電轉換系統。為了描述方便起見，該系統被示為單相 的，但是在本發明的實施例中也可以是三相。該系統在電網端變換器傳輸電能下降時，通過 向下調整光電端電能，來將直流-交流變換器130中的直流電壓幾乎保持在一個恆定的水 平。這是因為在發生電網故障時，電網端的變換器(如下文討論的網端變換器220)可能無 法將電能上載至電網120，在這種情況下，光電陣列端輸入到直流-交流變換器130的電能 需要降低來使得從光電陣列110到直流-交流變換器130以及至電網120的功率流達到平 衡。否則，直流電容器215將會發生充電現象並導致過壓的發生。
在一個實施例中，該系統包括以串聯方式，將光電陣列110，通過用來減少直流電 流紋波的直流濾波器205、增壓變換器210、直流電容215、網端變換器220、網端電感器225、 以及變壓器230，最終連接到電網120。該增壓變換器210、直流電容215以及網端變換器 220組成了直流-交流變換器130，該直流-交流變換器130將來自光電陣列110的直流電 轉換成去往電網120的交流電。諧波過濾器275、網端電感器225可以減少任意電流失真 (如消除高頻諧波)，然後通過變壓器230將電流傳輸至電網120。圖2的系統還包括了最大功率點追蹤裝置140和直流過壓調節器245，這兩者通 過加法器耦合，合成光電陣列端變換器中電流調節器235所需電流指令，該電流調節器235 又與調製器240耦合，而調製器240與增壓變換器210相連。該最大功率點追蹤裝置140 從光電陣列110接收電壓與電流反饋。該電流調節器235同樣從光電陣列110接收電流反 饋。在電網端，電網信息檢測器160檢測電網相位及/或頻率數據，並把其饋送至電流調節 器265，電流調節器265還接收經直流-交流變換器130轉換後的電流反饋值。該電流調 節器265還從直流電壓調節器255與可選無功(VAR)調節器260接收電流命令。來自直流 電容215的電壓饋送至一加法器，其接著流至直流電壓調節器255與直流過壓調節器245。 在該實施例中直流電壓調節器255與直流過壓調節器245組成了直流電壓控制器150 (圖 1)。在工作中，最大功率點追蹤裝置140通過相應地控制陣列端電流調節器235來調 節陣列110的電壓與電流，從而達到最大可用功率。此外，為防止瞬時故障期間過壓的發 生，直流過壓調節器245使用陣列端調節器235來防止直流過壓並保護系統100。調節器 245接收直流電壓控制限額(電壓最大值)與直流電壓反饋(跨直流電容215的電壓)之 間差值的輸入。當直流-交流變換器130的直流母線電壓(bus voltage)超過某一閾值 時，通過在來自最大功率點追蹤裝置140的原始信號上疊加一電流補償信號直流過壓調節 器245將降低光電陣列端電流調節器235的電流命令。如果光電陣列110不允許反向功率， 則通過在光電端電流命令上增加一限制值(較低限額為0)，光電增壓變換器210將停止把 功率泵至直流-交流變換器130，從而使直流電容215上的電壓保持恆定或者至少在其正常 運行範圍內。就是說，該限制值將把電流調節器235的基準鉗位在0。如果光電陣列110允 許反向功率，則調節器245將把光電端調節器235電流命令設置為負數，使得光電陣列110 也被用來防止直流過壓。此外，電網端電流調節器265調節電流，使得來自直流-交流變換器130的電流 與由電網信息檢測器160檢測出的頻率與/或相位匹配，然後通過變壓器230饋送至電網 120。如果有必要，可以使用可選無功調節器260控制無功功率。圖3是示出了根據本發明實施例的光電端轉換系統的圖。圖3中示出的系統與圖 2中示出的系統基本類似，除了用電網故障檢測模塊310將電網故障數據饋送至直流電壓 調節器320、加法器、和電網端電流命令計算器330來替換直流過壓調節器245與直流電壓 調節器255。在該實施例中，直流電壓控制器150包括了直流電壓調節器320。該系統在由 於瞬時故障引起的電網端功率(同時包括電壓)降低的情況下，使用電流命令來增大光電 陣列端電壓。在正常工作中，最大功率點追蹤裝置140產生光電陣列端電流基準電流命令 (Ipv_ref)，其將被饋送至電流命令計算器330，並根據光電陣列110的電壓與電網120的電壓計算電網端的有功電流命令(IxCmd)；並且進一步被饋送至電網端電流調節器265以用 來調節進入電網120的有功功率。直流電壓控制命令與反饋之間的差值被饋送至直流電壓 調節器320。直流電壓調節器320的輸出又被饋送至光電陣列端電流調節器235，以調整光 電陣列110的電流，並最終調節從光電陣列110到直流-交流變換器130的功率，並且將直 流母線電壓(直流電容215上的電壓)維持在一定水平。電網故障檢測模塊310從電網120接收電壓反饋，並將任何瞬時故障事件通知給 調節器320和計算器330。在瞬時故障事件期間，直流電容215的電壓升高，同時直流電壓 調節器320降低其輸出，使得陣列端電流調節器235限制從光電陣列110到增壓變換器210 的電流(即，降低了從光電陣列110到直流-交流變換器130的功率，甚至降到0)。電流命 令計算器330根據來自最大功率點追蹤裝置140的信號，限制了網端變換器220輸出的電 流，以確保網端變換器220的電流輸出不超過系統的負荷。圖4是示出了根據本發明實施例的光電端轉換系統的圖。圖4的系統與圖2的系 統類似，但包括了一個光電陣列端電壓調節器410，該光電電壓調節器410接收來自光電陣 列110的電壓反饋和來自最大功率點追蹤裝置140的基準電壓，而不是直接將電流命令饋 送至調節器235。光電電壓調節器410通過加法器與直流過壓調節器245結合，產生用於 陣列端電流調節器235的電流命令，來調節增壓變換器210處的電流。與圖2中的系統類 似，為了防止直流過壓，運行功率點被降低，但是是由光電電壓調節器410向電流命令計算 器330發出電流命令，而不是直接由電流調節器235控制。在該實施例中，直流電壓控制器 150包括調節器255與245。圖5是示出了根據本發明實施例的光電陣列端轉換系統的圖示。圖5的系統與圖 3的系統類似，只是如圖4中一樣根據來自最大功率點追蹤裝置140的電壓命令，通過陣列 端電壓調節器410，來降低運行功率點，以防止瞬時故障時發生直流過壓。圖5的實施例中 的直流電壓控制器150包含直流電壓調節器320。圖6示出了根據本發明實施例的直流制動斬波器。直流過壓檢測器610監督直流 母線電壓。如果直流電容215的電壓超過了設置為低於其極限電壓的閾值，則檢測器610將 發出開啟信號以閉合斬波器電路中的開關；當直流母線的電壓回復到正常運行範圍內時， 該斬波器電路中的開關被斷開。圖6的系統可以增加額外的組件，但是為了清楚未示出。圖7是說明根據本發明實施例的直流制動斬波器的圖示。圖7的系統與圖6的系 統類似，只是其不包括增壓變換器210。圖7的系統可以增加額外的組件，但是為了清楚未 示出。圖8是說明在瞬時故障中防止直流_交流變換器過壓的方法800的流程圖。方法 800包括接收(810)直流-交流變換器中的直流母線電壓數據；接收(820)來自光電陣列 110的電壓數據；以及通過使用接收到的電壓數據來調節(830)陣列110的運行功率點，以 避免直流-交流變換器130中過壓。該調節(830)使用光電變換器的光電陣列端電流、電 壓或者功率需求命令。該調節(830)可按照上述任意實施例完成。在一個實施例中，如果 (840)直流-交流變換器130中的直流母線電壓仍舊達到低於其極限電壓的一個閾值，則過 壓檢測器610將激活(850)直流-交流變換器130中的功率耗散裝置(如制動斬波器)來 防止過壓。雖然結合特定的實施例對本發明進行了說明，但本領域的技術人員可以理解，對本發明可以作出許多修改和變型。因此，要認識到，權利要求書的意圖在於覆蓋在本發明真 正構思和範圍內的所有這些修改和變型。
權利要求
1.一種直流-交流轉換系統，包括直流-交流變換器，其將來自光電陣列的直流電轉換成電網的交流電；耦合到所述光電陣列的最大功率點追蹤裝置；陣列端控制器，該陣列端控制器耦合到所述直流-交流變換器和所述最大功率點追蹤 裝置，並且在電網瞬時故障期間利用來自所述直流-交流變換器的電壓數據和來自所述最 大功率點追蹤裝置的電流數據和陣列電壓，通過調節所述光電陣列的運行功率點來增大陣 列電壓，從而防止所述直流-交流變換器中的直流母線的過壓。
2.如權利要求1所述的直流-交流轉換系統，其中，所述陣列端控制器包括電流調節器 和直流過壓調節器，該電流調節器基於來自所述最大功率點追蹤裝置的電流命令來調節所 述直流-交流變換器中的電流，該直流過壓調節器接收來自直流-交流變換器的直流母線 電壓數據。
3.如權利要求2所述的直流-交流轉換系統，其中，如果所述光電陣列在所述直流-交 流變換器的直流母線電壓超過其電壓額度時不允許反向功率，則所述直流過壓調節器被配 置來將所述電流調節器的基準鉗位到0。
4.如權利要求2所述的直流-交流轉換系統，其中，如果所述光電陣列允許反向功率則 所述直流過壓調節器被配置來設置所述電流調節器以發出負電流命令。
5.如權利要求1所述的直流-交流轉換系統，其中所述陣列端控制器包括直流電壓調節器；所述直流-交流變換器包括電網端變換器和陣列端變換器，該電網端變換器根據所述 光電陣列的最大功率來調節去往電網的有效功率，該陣列端變換器調節來自所述光電陣列 的功率流，以維持所述直流-交流變換器中的直流母線電壓。
6.如權利要求5所述的直流-交流轉換系統，還包括耦合到所述最大功率點追蹤裝置 的電流命令計算器，用來限制來自網端變換器的電流輸出。
7.如權利要求1所述的直流-交流轉換系統，其中，所述陣列端控制器包括電壓調節器 和直流過壓調節器，該電壓調節器基於來自所述最大功率點追蹤裝置的電壓命令來調節所 述直流-交流變換器中的電流，該直流過壓調節器接收來自所述直流-交流變換器的反饋 直流母線電壓。
8.如權利要求1所述的直流-交流轉換系統，其中，所述陣列端控制器包括直流電壓調 節器；並且所述最大功率點追蹤裝置被配置來發出用來降低所述光電陣列的運行功率點的 電壓命令。
9.如權利要求1所述的直流-交流轉換系統，其中，所述直流-交流變換器包括串聯耦 合的直流電容及網端變換器，並且所述系統還包括過壓檢測器，該過壓檢測器在來自所述 直流電容的電壓超過某一閾值時激活功率耗散裝置，該閾值低於所述直流-交流變換器的 直流母線電壓極限值。
10.如權利要求9中所述的直流-交流轉換系統，其中，所述功率耗散裝置包括制動斬 波器。
11.一種直流-交流轉換方法，用於在電網瞬時故障期間，防止連接到光電陣列的直 流-交流變換器中發生過壓，該方法包括接收來自直流-交流變換器的電壓數據；接收來自光電陣列的電壓和電流數據；在發生瞬時故障時，根據直流至交流變換器中直流母線電壓數據以及陣列電壓與電流 數據，通過在陣列端增大陣列電壓指令值來調整運行功率點的方法，來防止直流至交流變 換器中直流母線過壓的發生。
12.如權利要求11的直流-交流轉換方法，其中防止過壓包括如果所述光電陣列允許 反向功率則在直流-交流變換器中利用反向電流。
13.如權利要求11的直流-交流轉換方法，還包括限制來自網端變換器的電流輸出。
14.如權利要求11的直流-交流轉換方法，還包括如果所述直流-交流變換器中的電 壓超過某一閾值，則激活所述直流-交流變換器中的功率耗散裝置，而該閾值低於所述直 流-交流變換器中的直流母線電壓極限值。
15.如權利要求14的直流-交流轉換方法，其中所述功率耗散裝置包括制動斬波器。
全文摘要
直流-交流轉換系統和方法，用以穿越電網瞬時故障，該轉換系統(100)包含直流-交流變換器(130)，最大功率點追蹤裝置(140)，以及直流電壓控制器(150)。直流-交流變換器(130)將來自光電陣列(110)的直流電轉換成電網(120)的交流電。最大功率點追蹤裝置(140)耦合到該陣列(110)。直流電壓控制器(150)耦合到直流-交流變換器(130)和追蹤裝置(140)，通過在電網瞬時故障期間利用來自直流-交流變換器(130)的電壓數據和來自最大功率點追蹤裝置(140)的電流數據和陣列電壓，通過調節陣列(110)的運行功率點來增大陣列電壓，從而防止直流-交流變換器(130)中的直流母線的過壓。
文檔編號H02M7/537GK102082443SQ200910249850
公開日2011年6月1日 申請日期2009年11月27日 優先權日2009年11月27日
發明者翁海清, 袁小明, 譚卓輝 申請人:通用電氣公司