用于能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的雙級逆變器裝置及其控制方法
【專利摘要】一種用于能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的雙級逆變器裝置(圖1)及其控制方法，適于控制板上升壓器模塊的運(yùn)行，以優(yōu)化系統(tǒng)的總的電效率。此外，根據(jù)本發(fā)明的方法允許當(dāng)只有一個輸入通道時，當(dāng)有被要求并行運(yùn)行的多個輸入通道時以及還有當(dāng)有被要求彼此獨(dú)立地運(yùn)行的多個輸入通道時對所述雙級逆變器進(jìn)行控制。
【專利說明】用于能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的雙級逆變器裝置及其控制方法發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，特別是但不排他地，本發(fā)明涉及通過光伏板系統(tǒng)所產(chǎn)生的并適于直接連接到能量分配網(wǎng)絡(luò)的能量的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
[0002]技術(shù)現(xiàn)狀
[0003]在能量轉(zhuǎn)換的技術(shù)領(lǐng)域，特別是，在轉(zhuǎn)換由光伏板系統(tǒng)所產(chǎn)生并且適于直接連接到能量分配網(wǎng)絡(luò)的能量的技術(shù)領(lǐng)域，適于轉(zhuǎn)換產(chǎn)自光伏系統(tǒng)的直流電壓的雙級逆變器裝置是特別重要的。
[0004]這些裝置適于接收產(chǎn)自光伏發(fā)電機(jī)的輸入DC電壓并且產(chǎn)生具有與其中一個能量分配網(wǎng)絡(luò)兼容的頻率和幅度的輸出交流電壓。
[0005]這些裝置的結(jié)構(gòu)通常包括輸入級和輸出級，輸入級配備有一個或多個獨(dú)立輸入通道，每個通道連接到單獨(dú)的光伏發(fā)電機(jī)，以及輸出級依次包括單相或多相類型的全橋逆變器，優(yōu)選包括由有源器件如IGBT、M0SFET等制成的開關(guān)。
[0006]所述輸入級和所述輸出級由能量存儲模塊連接，通常用術(shù)語DC鏈路表示，包括，例如，多個電容器。本質(zhì)上說，所述DC鏈路模塊包括描述的雙級逆變器裝置的輸入級的輸出端和輸出級的輸入端。
[0007]當(dāng)運(yùn)行上述類型的裝置時，實(shí)施所謂的MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤)的功能是非常重要的。
[0008]光伏板發(fā)電機(jī)具有可根據(jù)電壓/電流曲線并且取決于所述光伏板受到的太陽輻射、所述板的溫度和總電阻之間的復(fù)雜的且非線性的比率分析的效率值。實(shí)現(xiàn)了所謂的MPPT功能的控制算法干擾和采樣光伏電池的輸出，并且因此施加適當(dāng)?shù)碾娯?fù)載到光伏電池，以便在每個不同的環(huán)境條件中獲得最大功率。
[0009]所描述的裝置的類型內(nèi)，輸入級設(shè)置有升壓器，當(dāng)需要時，升壓器起作用以確保DC鏈路的電壓值比允許的最小電平高，使得輸出級的逆變器可以正確地運(yùn)行并且連接到AC電壓分配網(wǎng)絡(luò)。
[0010]此外，所述升壓器模塊被編程，以便根據(jù)MPPT調(diào)整算法來調(diào)整在該裝置的輸入端(即，在光伏板的輸出端)的運(yùn)行電壓值。例如，由MPPT算法設(shè)定的工作點(diǎn)相關(guān)的電壓值(V輸入)被加上運(yùn)行MPPT算法所需要的干擾(V疇)，并且確定總輸入電壓的期望參考值(Vintcit=V輸入+V噪聲)，如在本專利申請的同一
【申請人】的PCT國際申請?zhí)朩02007072517和W02010079517中所描述的，這些申請被引用以獲得計(jì)算所述干擾V噪聲時的更多細(xì)節(jié)。
[0011]明顯的是，在雙級逆變器裝置內(nèi)存在所述升壓器模塊導(dǎo)致當(dāng)所述升壓器模塊運(yùn)行時整體性能下降。因此，期望的是，每次不需要它存在和運(yùn)行時，即當(dāng)通過MPPT算法計(jì)算的V輸入(在輸入端將設(shè)置的電壓)的最優(yōu)值大于正確運(yùn)行逆變器級所需的DC鏈路的最小運(yùn)行電壓時，升壓器模塊就被斷開，并且這樣的電壓借助于例如，特定的旁路二極管18被簡單地引回DC鏈路。
[0012]當(dāng)有幾個獨(dú)立的輸入通道時，針對該功能僅參考由和同樣多的獨(dú)立的輸入通道關(guān)聯(lián)的各種MPPT計(jì)算的輸入電壓中最高的輸入電壓。
[0013]本質(zhì)上，該裝置的控制應(yīng)如下運(yùn)行:當(dāng)在裝置的輸入端的電壓加上給定的滯后值超出由控制系統(tǒng)設(shè)定的所述最優(yōu)的運(yùn)行電壓值時，升壓器被斷開，直到之后當(dāng)在裝置的輸入端的總電壓減小到低于所述最優(yōu)運(yùn)行電壓值，小于一個給定的滯后值時被再次接通。
[0014]因此，本發(fā)明的目的是引入用于能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的雙級逆變器裝置及其控制方法，適于控制板上升壓器模塊的運(yùn)行，以優(yōu)化系統(tǒng)的總的電效率。此外，，根據(jù)本發(fā)明的方法允許當(dāng)只有一個輸入通道時，當(dāng)有被要求并行運(yùn)行的多個輸入通道時以及當(dāng)有被要求彼此獨(dú)立地運(yùn)行的多個輸入通道時對所述雙級逆變器的運(yùn)行進(jìn)行控制。
[0015]通過引入同樣的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明可以既在存在單相系統(tǒng)又在存在多相系統(tǒng)時應(yīng)用。
[0016]附圖簡述
[0017]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的運(yùn)行方框圖。
[0018]圖2示出了在存在單個輸入通道和在存在多個輸入通道并且它們并行運(yùn)行時適用的、根據(jù)本發(fā)明的方法的部分的流程圖。
[0019]圖3示出了當(dāng)有多個輸入通道并且它們獨(dú)立運(yùn)行時適用的、根據(jù)本發(fā)明的方法的第一部分的流程圖。
[0020]圖4示出了當(dāng)有多個輸入通道并且它們獨(dú)立運(yùn)行時適用的、根據(jù)本發(fā)明的方法的第二部分的流程圖。
[0021]圖5示出了當(dāng)有多個輸入通道并且它們獨(dú)立運(yùn)行時適用的、根據(jù)本發(fā)明的方法的第三部分的流程圖。
[0022]發(fā)明概述
[0023]用于能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的雙級逆變器裝置及其控制方法，適于控制板上升壓器模塊的運(yùn)行，以優(yōu)化系統(tǒng)的總的電效率。此外，根據(jù)本發(fā)明的方法允許當(dāng)只有一個輸入通道時，當(dāng)有被要求并行運(yùn)行的多個輸入通道時以及當(dāng)有被要求彼此獨(dú)立地運(yùn)行的多個輸入通道時對所述雙級逆變器的運(yùn)行進(jìn)行控制。
[0024]發(fā)明詳述
[0025]根據(jù)本發(fā)明的用于能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的雙級逆變器裝置包括設(shè)置有一個或多個獨(dú)立輸入通道11的輸入級10，每一個獨(dú)立輸入通道11連接到單獨(dú)的光伏發(fā)電機(jī)12;輸出級13，其依次包括優(yōu)選全橋型的單相或多相類型的逆變器模塊14，優(yōu)選包含由有源器件如IGBT、MOSFET等制成的開關(guān)；以及適于根據(jù)用戶設(shè)置和所述裝置的輸入和輸出條件調(diào)整裝置運(yùn)行的控制模塊15。
[0026]所述輸入級10和所述輸出級13是由能量存儲模塊17連接的，能量存儲模塊17通常用術(shù)語DC鏈路表示，包括，例如，多個電容器17。所述DC鏈路模塊17本質(zhì)上形成所述逆變器的輸入級1的輸出端和輸出級13的輸入端。
[0027]所述輸入級10包括至少一個升壓器模塊16，為每個獨(dú)立輸入通道11提供一個升壓器模塊16，適于確保所述能量存儲模塊17(DC鏈路)的電壓值大于允許的最小電平，使得輸出級13的逆變器14可以根據(jù)與所述逆變器14相關(guān)聯(lián)的AC電壓分配網(wǎng)絡(luò)的需求正確地運(yùn)行。此外，所述至少一個升壓器模塊16起作用來使得根據(jù)MPPT調(diào)整算法設(shè)置在該裝置的輸入端(即在所述光伏發(fā)電機(jī)12的輸出端)的最優(yōu)的運(yùn)行電壓值，MPPT調(diào)整算法對所有獨(dú)立輸入通道11提供并在所述控制模塊15中被實(shí)施。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的控制方法允許所述控制模塊15控制所述至少一個升壓器模塊16的運(yùn)行，以優(yōu)化系統(tǒng)的總的電效率，同時僅當(dāng)對于裝置的正確運(yùn)行是必不可少時保持所述至少一個升壓器模塊16運(yùn)行。
[0029]首先，所述控制方法提供了設(shè)置關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的裝置的各個部分的控制回路的參考值。所述逆變器模塊14所需的最小輸入電壓((Vbulkmin)取決于考慮到轉(zhuǎn)換設(shè)備和使用的調(diào)制技術(shù)的固有損失而增加了系數(shù)k的與所述逆變器模塊14相關(guān)聯(lián)的AC電壓網(wǎng)絡(luò)的峰值，根據(jù)這些被恰好計(jì)算。值Vbulkmin是與裝置的運(yùn)行條件有關(guān)系的運(yùn)行參考值，并且被用來計(jì)算并設(shè)置根據(jù)本發(fā)明的方法采用的其它參考值。
[0030]從Vbulkmin值開始，計(jì)算了所述逆變器模塊14的參考電壓值VbulkRef Inverter，將其設(shè)置為等于Vbulkmin加上量Vdeltal的值，Vdeltal^O:
[0031 ] VbulkRefInverter — Vbulkmin+Vdeltal ο
[0032]相對于所述逆變器模塊14的相似的參考電壓值(VbulkRefInverter)，升壓器模塊16的相似的參考值(VbulkRrfbcicist)被設(shè)定為較大的值，使得在相關(guān)的控制回路之間沒有關(guān)于所述DC鏈路的電壓調(diào)整的相互作用。
[0033 ] VbulkRefboost — VbulkRef Inverter+Vdelta2 — Vbulkmin+Vdeltal+Vdelta2，中 Vdelta2 X) ο
[0034]然后計(jì)算對于所述逆變器模塊14的總輸入電壓int0t= V?K+V疇的實(shí)際參考值，其中V輸人是輸入電壓參考值，其具有通過涉及存在的和運(yùn)行的各個輸入通道的各種MPPT算法計(jì)算出的所有的輸入電壓參考值中的最大值，并且其中如前所述，根據(jù)例如在本專利申請的同一
【申請人】的PCT國際申請N0.W02007072517和W02010079517中所描述的，V疇描述了對于逆變器模塊的運(yùn)行所需的所述MPPT算法內(nèi)設(shè)置的運(yùn)行干擾。
[0035]在本質(zhì)上，在根據(jù)本發(fā)明的裝置的運(yùn)行過程中，所有獨(dú)立地運(yùn)行的輸入通道11有其自己的MPPT，其連續(xù)調(diào)整并運(yùn)行以便設(shè)定它們的工作點(diǎn)，即對于其被連接到的光伏發(fā)電機(jī)來說被認(rèn)為是理想的參考電壓值;所述參考電壓值在裝置的運(yùn)行過程中被連續(xù)更新，并且通?？赡軙l(fā)生變化以補(bǔ)償運(yùn)行條件的任何變化。
[0036]在所有時刻，這些參考值中的最高參考值是作為下游的轉(zhuǎn)換器的新的參考值的候選，即對于所述逆變器模塊14 ,Vintcit被計(jì)算，例如，如以上所解釋的。
[0037]因此根據(jù)本發(fā)明的控制方法挑出三種情況:I)單輸入通道，2)并行運(yùn)行的多個輸入通道3)互相獨(dú)立運(yùn)行的多個輸入通道。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的控制方法設(shè)置了兩個額外的閾值:
[0039]涉及斷開升壓器模塊16的第一閾值等于參考電壓VbuikRrfBoost加上第一個滯后值ΔI，使得當(dāng)總參考電壓值Vintcit超過所述第一閾值時，即簡言之，當(dāng)條件VintC^VbuIkRefb_t+ Δ I發(fā)生時，所述升壓器模塊16被斷開。
[0040]涉及接通升壓器模塊16的第二閾值等于參考電壓VbulkRefbcicist減去第二滯后值Δ2，使得當(dāng)總輸入電壓值減小到相對于所述第二閾值的低電平時，即簡言之，當(dāng)條件Vintclt〈VbulkRefboost- A 2發(fā)生時，所述升壓器模塊16被接通。
[0041 ] 通常，所述第一和第二滯后值Δ I和Δ 2可以相同或彼此不同。
[0042]更詳細(xì)地并參考涉及單個輸入通道的情況I)和多個并行的輸入通道的情況2)的附圖2，根據(jù)本發(fā)明的方法循環(huán)控制20所述升壓器模塊16的運(yùn)行狀態(tài)。
[0043]如果所述升壓器模塊16被接通，相對于參考電壓值VbulkRefboost加上第一滯后值δ I檢查2 I總輸入電壓的值Vintot，如果總輸入電壓的值Vintot更大，所述升壓器模塊16被斷開22，否則它保持在運(yùn)行狀態(tài)25。
[0044]當(dāng)所述檢查20確定所述升壓器模塊16在該時刻斷開，相對于參考電壓值VbulkRefBoost減去第二滯后值Δ 2，檢查23總輸入電壓的值Vintot，如果總輸入電壓的值Vintot更小，所述升壓器模塊16被接通24，否則它保持在斷開狀態(tài)26。
[0045]參考附圖3，其涉及存在多個獨(dú)立運(yùn)行的輸入通道的情況3)，輸入通道是否正在運(yùn)行被循環(huán)檢查27;如果只有一個所述輸入通道正在運(yùn)行，根據(jù)本發(fā)明的方法如同在上述單個通道或并行的多個通道的情況下繼續(xù)。
[0046]反之如果有兩個或更多個獨(dú)立通道在運(yùn)行，所有的通道將有其涉及電壓Vbulk的參考電壓(VbulkRefChn)。所述參考電壓VbulkRef Chn設(shè)置28為等于升壓器16的值的參考電壓值VbulkRefBoost的最大值，和涉及正運(yùn)行的其他通道的最大的總輸入電壓Vintot ο
[0047]對于每個存在的通道，我們?nèi)缤谏鲜鰡蝹€通道或并行的多個通道的情況下進(jìn)行下面的情況，如附圖4和圖5的流程圖所示。
[0048]如果所述電壓Vintcitmaxabs比VbuikRefB—t+Δ I大，將導(dǎo)致具有通過其自身的MPPT計(jì)算出的最高總輸入電壓Vintotmaxabs的升壓器模塊16的通道被關(guān)斷。
[0049]與此同時，所述逆變器模塊14再次設(shè)置為它的輸入電壓調(diào)整參考，S卩DC鏈路電壓的輸入電壓調(diào)整參考，根據(jù)輸出電壓計(jì)算的電壓VbuIkRef Inverter和所有的輸入電壓中的越大電壓Vintotmaxabs中的較大者。
[0050]從而如果升壓器模塊16中的一個因?yàn)樗腣intot等于Vintotmaxabs被斷開，這樣的電壓將實(shí)際上由逆變器模塊從那時起調(diào)整。
[0051]當(dāng)有幾個獨(dú)立的通道運(yùn)行時，為了盡可能將根據(jù)本發(fā)明的裝置所產(chǎn)生的功率流保持恒定，根據(jù)本發(fā)明的方法還可以提供:每當(dāng)所述升壓器模塊16接通24或斷開20時，重新同步涉及每個存在的輸入通道的干擾V噪聲。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于雙級逆變器的控制方法，所述雙級逆變器包括輸入級(10)、輸出級(13)、能量存儲模塊(17)、以及控制模塊(15)，所述輸入級設(shè)置有連接到至少一個光伏發(fā)電機(jī)(12)的至少一個輸入通道(11)以及包括至少一個升壓器模塊(16)，所述輸出級(13)進(jìn)而包括逆變器模塊(14)，所述能量存儲模塊(17)與所述輸入級(10)和所述輸出級(13)相關(guān)聯(lián)以分別形成負(fù)載和供電部，所述控制模塊(15)適于調(diào)整所述裝置在MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤)模式下的運(yùn)行，所述方法的特征在于，當(dāng)所述至少一個升壓器模塊(16)的輸入端的電壓大于或等于根據(jù)所述AC電壓分配網(wǎng)絡(luò)的需求對所述逆變器模塊(14)供電和正確運(yùn)行所述逆變器模塊(14)所需的最小電壓時，所述至少一個升壓器模塊(16)被斷開。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括以下步驟: a)計(jì)算所述逆變器模塊(14)所需的最小輸入電壓值(Vbulkmin); b )為所述逆變器模塊(14 )選擇第一參考電壓值(VbulkRrfInverter )，使得所述第一參考電J3i{E( VbulkRefIn verter )大于或等于所述最小輸入電壓值(Vbulkmin)； C )對于存在的所有輸入通道(11)，為所述升壓器模塊(I 6)選擇參考電壓值(VbulkRrfbC1Cist),使得所述升壓器模塊(16)的所述參考電壓值(VbulkRefb_t)大于或等于所述逆變器模塊(14)的所述第一參考電壓值(VbulkRefIrwerter)； d)對于存在的所有輸入通道(11)，根據(jù)所述MPPT模式計(jì)算所述升壓器模塊(16)的輸入電壓的參考值； e)選擇所述升壓器模塊(16)的在上一步驟中計(jì)算出的輸入電壓的參考值中的最大值； f)基于在上一步驟中選擇的值計(jì)算所述逆變器模塊(14)的第二參考電壓值(Vintcit); g)如果所述升壓器模塊(16)被接通，則相對于所述升壓器模塊(16)的所述參考電壓值(VbulkRefb.t)加上第一滯后值A(chǔ)l，檢查(21)所述第二參考電壓值(Vintcit)的值，如果所述第二參考電壓值(Vintcit)較大，斷開所述升壓器模塊(16)，否則保持所述升壓器模塊運(yùn)行(25); h)如果所述升壓器模塊(16)被斷開，則相對于所述升壓器模塊(16)的所述參考電壓值(VbulkRrfboost)減去第二滯后值Δ 2，檢查(23)所述第二參考電壓值(Vintot)，如果所述第二參考電壓值(Vintcit)較小，接通所述升壓器模塊(16)，否則讓它保持在斷開狀態(tài)(26)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括以下步驟: a)計(jì)算所述逆變器模塊(14)所需的最小輸入電壓值(Vbulkmin); b )為所述逆變器模塊(14 )選擇第一參考電壓值(VbulkRrfInverter )，使得所述第一參考電壓值(VbuikRrfirwerter)大于或等于所述最小輸入電壓值(Vbulkmin); C )對于存在的所有輸入通道(11)，為所述升壓器模塊(I 6)選擇參考電壓值(VbulkRefbC1Cist),使得所述升壓器模塊(16)的所述參考電壓值(VbulkRefb_t)大于或等于所述逆變器模塊(14)的所述第一參考電壓值(VbulkRefIrwerter)； d)對于存在的所有輸入通道(11)，根據(jù)所述MPPT模式計(jì)算所述升壓器模塊(16)的輸入電壓的參考值； i)選擇所述升壓器模塊(16)的在上一步驟中并涉及正運(yùn)行的所有其他通道計(jì)算出的輸入電壓的參考值中的最大值； j)對于所有的通道(11)，為所述升壓器模塊(16)選擇等于在前述步驟c)計(jì)算出的值(VbuIkRrfbcicist)和在前述步驟i)中計(jì)算出的值中的最大值的參考電壓(VbuIkRrfChn)。4.一種用于能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的雙級逆變器裝置，包括輸入級(10)、輸出級(13)、能量存儲模塊(17)和控制模塊(15)，所述輸入級(10)設(shè)置有連接到至少一個光伏發(fā)電機(jī)(12)的至少一個輸入通道(11)，所述輸出級(13)進(jìn)而包括逆變器模塊(14)和與AC電壓分配網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)的輸出端，所述能量存儲模塊(17)與所述輸入級(10)和所述輸出級(13)相關(guān)聯(lián)以便分別形成負(fù)載和供電部，所述控制模塊(15)適于根據(jù)用戶設(shè)置和所述裝置的輸入和輸出條件調(diào)整所述裝置的運(yùn)行以及適于調(diào)整所述裝置在MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤)模式下的運(yùn)行，所述輸入級(10)包括至少一個升壓器模塊(16)，所述至少一個升壓器模塊(16)適于確保所述能量存儲模塊(17)的電壓值大于或等于允許的最小電平，使得所述逆變器模塊(14)能夠正確地運(yùn)行，并且所述至少一個升壓器模塊(16)適于根據(jù)所述MPPT模式在所述裝置的輸入端設(shè)置最優(yōu)運(yùn)行電壓值，所述裝置的特征在于，所述控制模塊(15)還適于當(dāng)在所述至少一個升壓器模塊(16)的輸入端的電壓大于或等于根據(jù)所述AC電壓分配網(wǎng)絡(luò)的需求對所述逆變器模塊(14)供電和正確運(yùn)行所述逆變器模塊(14)所需的最小電壓時斷開所述至少一個升壓器模塊(16) ο5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述控制模塊(15)實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的方法。
【文檔編號】H02J3/38GK106030956SQ201380080376
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2013年10月21日
【發(fā)明人】西爾維奧·斯卡萊蒂, 紹羅·馬切里尼, 克勞迪奧·瓜爾杜齊, 萊昂納多·卡納奇
【申請人】Abb技術(shù)股份公司