專利名稱：用于并網(wǎng)過渡的功率逆變器控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及用于并網(wǎng)(grid-tie)過渡的功率逆變器控制，更具體而言，涉及用于并網(wǎng)過渡的反孤島功率逆變器控制。
背景技術(shù)：
功率系統(tǒng)包括諸如光電DC功率源或燃料電池DC功率源的分布式功率源以向分布式電力實體提供電力。通常在功率源與負(fù)載之間使用功率逆變器(inverter)以使電力適于電力使用。例如，功率系統(tǒng)可包括將DC電力轉(zhuǎn)變?yōu)?相AC電力的3相逆變器模塊。該 3相AC電力被提供到負(fù)載。電力通常并行驅(qū)動兩種類型的負(fù)載與分布式功率源處的本地負(fù)載相關(guān)的內(nèi)部臨界負(fù)載，以及在各實體之間分布的電網(wǎng)負(fù)載。電網(wǎng)負(fù)載通過輸出接觸器被連接到功率逆變器。當(dāng)連接電網(wǎng)負(fù)載時，功率逆變器稱為工作在“并網(wǎng)”模式，當(dāng)去連接電網(wǎng)負(fù)載時，功率逆變器稱為工作在“孤立”模式。例如，當(dāng)在電力傳輸線上出現(xiàn)短路問題時，電網(wǎng)負(fù)載被去連接，由功率源供應(yīng)的負(fù)載將僅僅是內(nèi)部臨界負(fù)載。在“并網(wǎng)”模式和“孤立”模式期間，功率逆變器的操作有很大不同。因此，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載被突然去連接(例如，由于電力線短路)時，功率逆變器的控制從一個操作模式跳到另一操作模式。這樣的從“并網(wǎng)”模式到“孤立”模式的非平滑過渡典型地稱為“孤島”條件。 常規(guī)地，為了維持功率逆變器的操作，必須為兩個模式單獨配置兩個單獨的功率控制器。例如，在連接電網(wǎng)負(fù)載時一個控制器操作在“并網(wǎng)”模式，而當(dāng)去連接電網(wǎng)負(fù)載時另一個控制器接管并操作在孤立模式。然而，兩個功率控制器之間的切換會造成各種問題。例如，會造成電壓跌落，電壓跌落會使得諸如可變頻率驅(qū)動(VFD)的敏感本地負(fù)載停機。在Ichinose等的美國專利6，304，468 (，468專利)中描述了一種被設(shè)計為防止在兩個操作模式之間的過渡期間的過電流的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。在’ 468專利中描述的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)包括將負(fù)載連接到功率系統(tǒng)的電路斷路器。當(dāng)閉合電路斷路器時，功率轉(zhuǎn)換器從自換向操作改變到電網(wǎng)連接操作?！?68專利描述了將功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的相位轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)電壓的相位的功率轉(zhuǎn)換控制器。特別地，功率轉(zhuǎn)換控制器使用電路斷路器的系統(tǒng)側(cè)的電壓來調(diào)整轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的輸出相位。根據(jù)’468專利，當(dāng)輸出相位與系統(tǒng)電壓的相位一致時，電路斷路器會被閉合。雖然在’ 468專利中描述的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)對于進行在兩個操作模式之間的過渡是有效的，但卻是不理想的。例如，在’ 468專利中描述的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)不夠有魯棒性 (robust)，這是由于其不具有有效的孤島檢測和防止功能。因此，當(dāng)孤島條件出現(xiàn)時，在從電網(wǎng)連接操作到自轉(zhuǎn)向操作的過渡期間會出現(xiàn)電壓跌落。結(jié)果，諸如VFD的本地負(fù)載會因電壓跌落而停機，由此使功率系統(tǒng)不起作用。此外，可由三個參數(shù)，幅度、頻率以及相位來表征AC電壓。雖然’ 468專利的功率轉(zhuǎn)換控制器將轉(zhuǎn)換器輸出電壓的相位匹配到系統(tǒng)電壓，但不能有效地匹配這兩個電壓的幅度和頻率。由于該附加的原因，在’468專利中描述的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)不能實現(xiàn)平滑的并網(wǎng)過渡。所公開的功率逆變器控制系統(tǒng)和方法旨在克服上述一個或多個問題。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，本公開涉及一種用于功率逆變器的控制系統(tǒng)。所述功率逆變器被配置為向電網(wǎng)供給功率。所述控制系統(tǒng)包括被配置為測量所述功率逆變器的輸出線路電壓和輸出線路電流的多個輸出電壓傳感器和多個輸出電流傳感器。所述控制系統(tǒng)還包括耦合到所述功率逆變器的控制器。所述控制器被配置為向所述功率逆變器提供與干擾頻率相關(guān)的控制信號。所述控制器還被配置為基于所述輸出線路電壓和輸出線路電流確定所述功率逆變器的輸出功率，并確定由所述干擾頻率造成的所述輸出功率的振蕩幅值。所述控制器還被配置為如果所述振蕩的幅值低于閾值則檢測出孤島條件。所述控制系統(tǒng)還包括接口電路，所述接口電路耦合到所述控制器，并被配置為如果檢測到孤島條件便將所述電網(wǎng)與所述功率逆變器去連接。在另一方面，本公開涉及一種用于功率逆變器的控制方法。所述功率逆變器被配置為向電網(wǎng)供給功率。所述控制方法包括向所述功率逆變器提供與干擾頻率相關(guān)的控制信號，以及確定所述功率逆變器的輸出功率中的振蕩的幅值，其中所述振蕩由所述干擾頻率造成。所述控制方法還包括如果所述振蕩的幅值低于閾值則檢測出孤島條件。所述控制方法還包括如果檢測到所述孤島條件便將所述電網(wǎng)與所述功率逆變器去連接。


圖1示例了根據(jù)本公開的實施例的具有用于功率逆變器的控制系統(tǒng)的示例性功率系統(tǒng)；圖2示例了根據(jù)本公開的實施例的示例性控制器；圖3提供了示例根據(jù)本公開的實施例的示例功率逆變器控制過程的流程圖；圖4提供了根據(jù)本公開的實施例的在圖2中公開的控制器的示例性反饋控制方案；以及圖5提供了示例根據(jù)本公開的實施例的示例最大點功率跟蹤過程的流程圖。
具體實施例方式圖1示例了根據(jù)本公開的實施例的具有用于功率逆變器的控制系統(tǒng)的示例性功率系統(tǒng)100。功率系統(tǒng)100包括諸如燃料電池功率源110和光伏功率源120的一個或多個功率源、輸入接觸器130、功率逆變器140、輸出LC濾波器150、線路變壓器160、臨界負(fù)載 170、輸出接觸器180以及電網(wǎng)190?？赏ㄟ^控制系統(tǒng)來控制功率系統(tǒng)100的操作，該控制系統(tǒng)包括各種電壓和電流傳感器(例如，電壓傳感器171-175以及電流傳感器181-18 、控制器200以及將控制器200耦合到功率系統(tǒng)100的一個或多個部件和該各種電壓和電流傳感器的接口電路210。功率系統(tǒng)100轉(zhuǎn)換由一個或多個功率源提供的功率并將該功率供給到連接到該系統(tǒng)的負(fù)載。根據(jù)本公開，一個或多個功率源向功率系統(tǒng)100提供DC功率。在一些實施例中，功率系統(tǒng)100可將可再生功率源與傳統(tǒng)基于燃料的功率源，例如，柴油發(fā)電機，進行組合。在一些其他實施例中，功率系統(tǒng)100還組合幾個可再生功率源，例如，燃料電池功率源 110和光伏功率源120?？稍O(shè)想在功率系統(tǒng)100中并入任何其他適宜的DC功率源。輸入接觸器130為可以遠(yuǎn)程開啟和關(guān)閉的電路斷路器。當(dāng)閉合輸入斷路器130時， 功率源120和110被連接到功率系統(tǒng)100，以便DC功率被供給到功率系統(tǒng)100。否則，當(dāng)輸入接觸器130打開時，功率源110和120與功率系統(tǒng)100去連接，從而功率系統(tǒng)100停機。當(dāng)輸入接觸器130閉合時，功率逆變器140被配置為將由功率源110和120提供的DC功率轉(zhuǎn)換到符合負(fù)載需要的AC功率。例如，功率逆變器140提供AC電壓和/或電流輸出以驅(qū)動臨界負(fù)載170和/或電網(wǎng)190?？稍O(shè)想功率系統(tǒng)100可包括多于一個的功率逆變器。多個功率逆變器被并聯(lián)連接，并且每一個逆變器被配置為轉(zhuǎn)換DC功率的一部分。功率逆變器140具有至少一個相位，并且每個相位包括至少一個功率晶體管。例如，如圖1所示，功率逆變器140具有三個相位和六個功率晶體管，以便將DC功率轉(zhuǎn)換為三相AC功率。每個功率晶體管通過對應(yīng)的柵極驅(qū)動電路被打開和關(guān)閉。出于示例的目的，在本公開中示出并討論了 IGBT。然而，可設(shè)想所公開的系統(tǒng)和方法可被應(yīng)用于其他適宜的功率晶體管，包括但不限于，BJT、達(dá)林頓(darlington)器件以及M0SFET?？梢愿鶕?jù)諸如脈寬調(diào)制(PWM)的切換方案切換功率晶體管以調(diào)制由功率逆變器 140輸出的電壓。在一些實施例中，控制器200通過接口電路210被耦合到功率逆變器140 以將柵極驅(qū)動信號提供到功率晶體管。輸出LC濾波器150被配置為濾波功率逆變器140的AC輸出。例如，負(fù)載希望特定頻率的AC電壓，而功率逆變器140的AC輸出通常包含其他頻率的諧波和/或噪聲。輸出LC濾波器150可被配置為在將AC電壓供給到負(fù)載之前濾除這些諧波和/或噪聲。在一些實施例中，輸出LC濾波器150具有與功率逆變器140相同數(shù)目的相。每個相包括一個或多個電感(通常標(biāo)示為“L”)和一個或多個電容(通常標(biāo)示為“C”)。功率系統(tǒng)100還包括線路變壓器160以將AC電壓調(diào)整到希望的水平。線路變壓器160被電耦合到輸出LC濾波器150。在一些實施例中，線路變壓器160具有與功率逆變器140和輸出LC濾波器150相同數(shù)目的相。每個相包括電感性耦合的繞線的主繞組和次級繞組，并被配置為將來自主AC電壓的二級感應(yīng)AC電壓縮放一個因子，該因子等于在其各自的繞組中的線的匝數(shù)的比例。例如，線路變壓器160可具有1 2的縮放因子，以便190 伏的電壓被升高至380伏。在一些實施例中，如果功率逆變器140的輸出電壓具有希望的水平，則可略去線路變壓器160?？赏ㄟ^功率系統(tǒng)100驅(qū)動兩種類型的負(fù)載。一種類型的負(fù)載為臨界負(fù)載170，該負(fù)載為與功率系統(tǒng)100相關(guān)的本地負(fù)載。臨界負(fù)載170的實例包括例如在功率源110和120 處的電阻器、電感器以及電容器。另一類型的負(fù)載為電網(wǎng)190，該負(fù)載為在各實體之間遠(yuǎn)程分布的負(fù)載。電網(wǎng)190的實例包括例如，在各種家庭、工廠、機關(guān)設(shè)施、分布式電站以及分布式功率源處的消耗性電子裝置。當(dāng)功率源被作為電網(wǎng)190連接到功率系統(tǒng)100時，其可作為將功率反饋回功率系統(tǒng)100的發(fā)電機而不是功率消耗者。在一些實施例中，電網(wǎng)190通過輸出接觸器180被連接到功率系統(tǒng)100。與輸入接觸器130相似，輸出接觸器180為可以遠(yuǎn)程開啟和關(guān)閉的電路斷路器。在一些實施例中，輸出接觸器180具有與功率逆變器140和輸出LC濾波器150相同數(shù)目的相，并且每個相包括電路斷路器。當(dāng)閉合輸出接觸器180時，電網(wǎng)190被連接到功率系統(tǒng)100。因此，功率逆變器140工作在“并網(wǎng)”操作模式以將AC功率供給到臨界負(fù)載170和電網(wǎng)190 二者。否則， 當(dāng)輸出接觸器180打開時，電網(wǎng)190從功率系統(tǒng)100去連接。因此，功率逆變器140工作在 “孤立”操作模式下，以將AC功率僅僅供給到臨界負(fù)載170。電網(wǎng)190還可以由于除了輸出接觸器180的物理切換之外的原因而被去連接。例如，在電網(wǎng)190或傳輸線路處出現(xiàn)的短路。在這些情況下，出現(xiàn)孤島條件，功率逆變器140的操作被立即調(diào)整到“孤立”模式，以便保護功率系統(tǒng)100。與臨界負(fù)載170相比，電網(wǎng)190的負(fù)載顯著更高。因此，兩個操作模式之間的改變會顯著改變功率系統(tǒng)100的功率需要。即，“并網(wǎng)”操作模式和“孤立”操作模式彼此不同。 此外，在“并網(wǎng)”操作模式期間，功率流量由兩個電壓源之間的相位和電壓差決定。因此，如果兩個操作模式之間的過渡不是平滑的，則會出現(xiàn)影響功率系統(tǒng)100的可靠性和效率的各種問題?？梢园刂葡到y(tǒng)以避免或減輕這些過渡問題。如圖1所示，控制系統(tǒng)包括各種電壓和電流傳感器(例如，電壓傳感器171-175，以及電流傳感器181-185)、控制器200以及將控制器200耦合到功率系統(tǒng)100的一個或多個部件和各種電壓和電流傳感器的接口電路210?？稍O(shè)想控制系統(tǒng)可包括除圖1示出的部件之外的多個部件。電壓傳感器171可以是配置為測量輸入接觸器130附近的DC輸入電壓的DC電壓傳感器。相似地，電流傳感器181為配置為測量輸入接觸器130附近的DC輸入電流的DC電流傳感器。電壓傳感器172-175為被配置為測量AC線路電壓的AC電壓傳感器。例如，電壓傳感器172和173測量在輸出LC濾波器150處的線路電壓，以及電壓傳感器174和175 測量在線路變壓器160之后的點處的線路電壓。根據(jù)本公開，AC線路電壓為兩個AC功率線之間的電壓，其中每個功率線對應(yīng)于電壓的相。例如，電壓傳感器174測量在相“a”和相 “b”之間的線路電壓，電壓傳感器175測量在相“b”和相“C”之間的線路電壓。相應(yīng)地，電流傳感器182-185為配置為測量AC線路電流的AC電流傳感器。根據(jù)本公開，AC線路電流為通過AC功率線的電流。例如，電流傳感器182和184分別測量在輸出LC濾波器150和線路變壓器160處的相“a”的線路電流。通過諸如數(shù)據(jù)鏈路的通信線路和接口電路210將電壓和電流測量傳送到控制器 200。接口電路210包括操作為與功率系統(tǒng)100的各種部件、電壓傳感器和電流傳感器以及控制器200通信的一個或多個電路板。在一些實施例中，接口電路210包括諸如網(wǎng)卡、無線收發(fā)機的一個或多個通信裝置或任何用于提供控制器200與其他部件之間的通信接口的裝置。例如，接口電路210可以從電壓和電流傳感器171-175和181-185收集測量結(jié)果。作為另一實例，接口電路210可以向功率逆變器140中的IGBT的柵極提供由控制器200確定的切換信號。接口電路210還向輸入接觸器130和輸出接觸器180發(fā)送控制信號以遠(yuǎn)程開啟和關(guān)閉二者?？刂破?00還通過接口電路210耦合到功率系統(tǒng)100的各種部件?？刂破?00被配置為當(dāng)電網(wǎng)190突然去連接時檢查孤島條件并立即從“并網(wǎng)”模式過渡到“孤立”模式。 控制器200還在過渡期間向功率逆變器140提供控制信號。例如，控制器200被配置為確定功率逆變器140的輸出電壓的目標(biāo)幅度和目標(biāo)頻率?？刂破?00還被配置為基于該目標(biāo)幅度和目標(biāo)頻率確定多個功率晶體管切換脈沖。圖2示例出根據(jù)本公開的實施例的示例性控制器200。控制器200可以包括用于收集、分析、監(jiān)視、存儲、報告、分析、優(yōu)化和/或通訊數(shù)據(jù)的任何裝置。例如，控制器200包括中央處理單元(CPU) 210、隨機存取存儲器(RAM) 202、只讀存儲器(ROM) 203、存儲裝置Q04)、 數(shù)據(jù)庫205以及用戶接口 206。在一些實施例中，接口電路210被包括作為控制器200的內(nèi)部部件?？刂破?00可被配置為執(zhí)行并運行軟件程序，該程序收集、分析、存儲、傳送、組織和/或監(jiān)視與功率系統(tǒng)100有關(guān)的各種數(shù)據(jù)。CPU 201包括執(zhí)行指令并處理數(shù)據(jù)以進行與功率系統(tǒng)100有關(guān)的一個或多個處理的一個或多個處理器。例如，CPU 201執(zhí)行使控制器200從一個或多個電壓傳感器171-175 和電流傳感器181-185請求和/或接收電壓和電流測量的軟件?；谑占碾妷汉碗娏鳒y量，CPU 201計算功率逆變器140的輸出功率，并確定是否已經(jīng)出現(xiàn)孤島條件。例如，CPU 201可檢測輸出功率的震蕩的量。在孤島條件的情況下，CPU 201確定控制信號以調(diào)整功率逆變器140的操作。例如，CPU 201計算由功率源110和120供給的DC功率輸入，并計算臨界負(fù)載170和電網(wǎng)190要求的AC功率輸出。CPU 201然后計算用于功率逆變器140的輸出電壓的目標(biāo)幅值和目標(biāo)頻率，以便供給符合要求。CPU 201還可執(zhí)行諸如功率寬度調(diào)制器 (PWM)的軟件工具以基于目標(biāo)幅值和目標(biāo)頻率確定功率晶體管切換脈沖。根據(jù)一個實施例，存儲裝置204包括大容量傳媒裝置(mass media device)，該裝置可操作為存儲CPU 201所需的任何類型的信息以進行與功率系統(tǒng)100有關(guān)的控制處理。 例如，存儲裝置204可存儲與功率系統(tǒng)100有關(guān)的收集的DC和AC電壓和電流。存儲裝置 204包括諸如硬盤驅(qū)動器、⑶-ROM、DVD-ROM、USB閃存驅(qū)動器的一個或多個磁或光盤裝置或任何其他類型的大容量傳媒裝置。數(shù)據(jù)庫205包括在一個或多個存儲器裝置上存儲的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)庫205包括 CPU201使用的數(shù)據(jù)。例如，數(shù)據(jù)庫205包括收集的電壓和電流、逆變器輸出電壓的確定的目標(biāo)幅值和頻率、以及用于驅(qū)動功率晶體管的切換脈沖信息。用戶接口 206包括允許用戶輸入或存取在控制器200中存儲的信息的硬件和/或軟件部件。用戶接口 206包括允許外部用戶輸入控制指令的圖形用戶接口(⑶I)。例如，外部用戶可以指示將電網(wǎng)190連接到功率系統(tǒng)100或?qū)㈦娋W(wǎng)190與功率系統(tǒng)100去連接。用戶接口 206還允許用戶監(jiān)視功率系統(tǒng)100的操作。例如，用戶接口 206包括數(shù)據(jù)存取接口， 該接口允許外部用戶向諸如計算機、PDA、診斷工具的外部系統(tǒng)或任何其他類型的外部數(shù)據(jù)裝置存取、配置、存儲和/或下載信息。此外，用戶接口 206允許用戶存取和/或拒絕由CPU 201做出的控制決定。圖3提供了示例根據(jù)本公開的實施例的示例性功率逆變器控制過程300的流程圖。功率逆變器控制過程300在輸入接觸器130閉合并且功率系統(tǒng)100開啟時開始?？刂破?00確定是否接收到連接電網(wǎng)190的指令(步驟301)。例如，用戶可通過用戶接口 206 輸入指令。如果接收到指令(步驟301 是)，控制器200被配置為在接觸器180閉合之前同步功率逆變器140與電網(wǎng)190(步驟30 。在一些實施例中，控制器200計算在臨界負(fù)載 170處的AC功率并根據(jù)計算的功率與參考功率之間的差來調(diào)整功率逆變器140處的輸出線路電壓。例如，為了調(diào)整輸出線路電壓，控制器200可提供切換脈沖以驅(qū)動功率逆變器140 的功率晶體管。在同步功率逆變器140與電網(wǎng)190之后，控制器200發(fā)送控制信號以閉合輸出接觸器180(步驟303)。
在輸出接觸器180被閉合之后，控制器200將“并網(wǎng)”模式控制應(yīng)用于功率逆變器140(步驟304)。例如，控制器200計算用于功率逆變器140的輸出電壓的目標(biāo)幅值 (“ I Vinvl ”)和目標(biāo)頻率("finv")，以便由功率源110和120提供的DC功率輸入匹配臨界負(fù)載170和電網(wǎng)190所要求的AC功率輸出。在一些實施例中，控制器200使用兩個單獨反饋環(huán)路來得出目標(biāo)幅值和目標(biāo)頻率。將通過圖4描述反饋控制方案的細(xì)節(jié)?？刂破?00 還確定功率晶體管切換脈沖并通過接口電路210將該切換脈沖提供到功率逆變器140。除了通常的“并網(wǎng)”模式控制之外，控制器200向功率逆變器140的目標(biāo)電壓頻率加入干擾頻率(步驟30 。在一些實施例中，正弦干擾頻率被加入到目標(biāo)電壓頻率。根據(jù)本公開，將干擾頻率選擇為在閉環(huán)控制系統(tǒng)的帶寬內(nèi)。當(dāng)連接電網(wǎng)190時，由功率逆變器140 傳送的輸出功率圍繞電網(wǎng)190和臨界負(fù)載170的希望的功率振蕩。在一些實施例中，干擾頻率的幅值極小以將功率振蕩保持在可接受的水平。然而，當(dāng)孤島條件出現(xiàn)并且負(fù)載和功率逆變器140相匹配時，由于負(fù)載僅僅從功率逆變器140提取固定量的功率，因此功率逆變器140的輸出功率不能振蕩。因此，可以基于輸出功率中的振蕩的幅值來檢測孤島條件。在步驟306中，控制器200連續(xù)地從線路變壓器160附近的電壓傳感器174和 175和電流傳感器184和185接收AC電壓和電流測量。電壓傳感器174測量相“a”與相 “b”之間的線路電壓(“Vtab”)，以及電壓傳感器175測量相“b”與相“C”之間的線路電壓(“Vtbc”)。相應(yīng)地，電流傳感器184和185分別測量相“a”的線路電流(“Ita”)和相 “C”的線路電流(“Itc”)?；陔妷汉碗娏鳒y量，控制器200計算有功功率P (步驟307)。在DC電路中，電壓和電流波形處于在每個周期的相同瞬時改變極性的相位。因此，DC功率總是呈現(xiàn)實數(shù)值。 不同于DC功率，AC功率依賴于系統(tǒng)負(fù)載的特性而呈現(xiàn)復(fù)數(shù)值。例如，存在電抗性負(fù)載(例如，具有電容器或電感器)時，負(fù)載中的能量存儲導(dǎo)致電流與電壓波形之間的時間差。功率的可做功的部分(即，復(fù)數(shù)值的實部)稱為有功功率(也稱為實際功率)，而功率的在負(fù)載處不做功的部分稱為無功功率(即，復(fù)數(shù)值的虛部)。根據(jù)本公開，控制器200基于步驟305 中的電壓和電流測量來計算復(fù)數(shù)AC功率。在步驟307中，控制器200采用復(fù)數(shù)功率的實部作為有功功率P。由于在步驟304中加入的干擾，有功功率P包括振蕩。在步驟308中，檢測振蕩的幅值。在一些實施例中，帶通濾波器(BPF)被應(yīng)用于計算的有功功率P，并且通過幅值檢測器來檢測經(jīng)濾波的有功功率的振蕩的幅值。孤島邏輯被應(yīng)用到經(jīng)檢測的幅值(步驟309)。 例如，使用孤島邏輯確定振蕩的幅值是否低于閾值。在一些實施例中，閾值為由用戶選擇的名義值(nominal value) 0基于孤島邏輯，控制器200確定是否已經(jīng)出現(xiàn)孤島條件(步驟 310)。例如，如果幅值低于閾值，則檢測到孤島條件(步驟310:是)。相應(yīng)地，控制器200 打開輸出接觸器180以保護功率系統(tǒng)100(步驟311)。否則，如果沒有檢測到孤島條件(步驟310 否)，控制器200繼續(xù)將“并網(wǎng)”模式控制施加到功率逆變器140(步驟304)。在輸出接觸器180打開之后或如果沒有接收到指令(步驟301 否)，在步驟312 中，控制器200將功率逆變器140的輸出電壓的幅值設(shè)定為名義電壓幅值(“IVnoml”)。 控制器200還將功率逆變器140的輸出電壓的頻率設(shè)定為名義電壓頻率(“ I fnoml ”)。在一些實施例中，可以預(yù)先確定名義幅值IVnomI和名義頻率fnom并寫入在控制器200中。 例如，可基于由功率源110和120供給的DC功率輸入以及臨界負(fù)載170來確定|Vnom|和fnom。在步驟312之后，功率逆變器控制處理300終止。圖4提供了根據(jù)本公開的實施例的在圖2中公開的控制器200的示例性反饋控制方案400。反饋控制方案400可用來檢測孤島條件，并得出用于“并網(wǎng)”操作和“孤立”操作二者的逆變器電壓幅值(“|V|”)和逆變器電壓頻率(“fv”)。圖4示出的反饋控制方案 400包括分別用于|V|和fv的兩個反饋環(huán)路。反饋控制方案400包括開關(guān)421-425。每個開關(guān)具有兩個切換狀態(tài)上位置(“1 位置”)和下位置(“0位置”)。切換一個或多個開關(guān)421-425使反饋控制方案400適應(yīng)于兩個不同的操作模式“孤立”操作模式和“并網(wǎng)”操作模式。根據(jù)本公開，在“孤立”操作期間，電網(wǎng)190與功率系統(tǒng)100去連接。相應(yīng)地，開關(guān)421-425均處于下位置。在“孤立”操作模式下，V被設(shè)定為在判定節(jié)點(decision node)407處的名義幅值Vnom|，這是因為到判定節(jié)點407的其他兩個輸入(來自積分器405和低通濾波器(LPF)406)均為0。相似地，fv被設(shè)定為在判定節(jié)點413處的名義頻率。當(dāng)接收到連接電網(wǎng)190的指令時，開關(guān)似4被切換到上位置，并且開關(guān)421-423和 425保持在下位置。相應(yīng)地，在閉合開關(guān)421-423和425之外，同步功率逆變器140?？赏ㄟ^P計算器402基于在臨界負(fù)載170處測量的線路電壓Vtab和Vtbc以及線路電流Ita和 Itc計算有功功率P。在比較節(jié)點409，比較經(jīng)計算的有功功率P與參考有功功率P*?？墒褂肕PPT工具確定參考有功功率P *。參考圖5描述示例性MPPT處理。在比較節(jié)點409處計算P和P*的差動功率(differential power)。根據(jù)本公開，差動功率為測量的功率與參考功率之間的差。例如，在比較節(jié)點409處計算的差動功率為計算的有功功率P與參考有功功率P*之間的差。差動功率通過頻率下垂環(huán)路。作為頻率下垂操作的第一步驟，差動功率被提供到比例控制器410，該比例控制器410被配置為放大差動功率。作為第二步驟，放大的差動功率被提供到低通濾波器 (LPF)412. LPF 412被配置為濾除差動功率中的高頻分量。例如，濾除噪聲。濾波的差動功率被發(fā)送到判定節(jié)點413，節(jié)點413用于確定逆變器輸出電壓的目標(biāo)頻率fv。由于開關(guān) 421和開關(guān)422保持在下位置，判定節(jié)點407保持輸出名義幅值|Vnom|作為逆變器輸出電壓IVinvI的目標(biāo)幅值。在閉合輸出接觸器180之后，開關(guān)421-425都被切換到上位置。相應(yīng)地，功率逆變器140工作在“并網(wǎng)”操作模式。可通過Q計算器401基于測量的線路電壓Vtab和Vtbc和線路電流Ita和Itc來計算無功功率Q。在比較節(jié)點402處，比較計算的無功功率與確定的參考無功功率Q*。在比較節(jié)點402處計算Q和(Γ的差動功率。差動功率可以以并行方式通過頻率下垂環(huán)路和積分環(huán)路。在電壓下垂環(huán)路期間，差動功率被供給到比例控制器404， 該比例控制器放大這個差。放大的差然后被LPF 406過濾。使用低通濾波器406有助于在 “孤立”和“并網(wǎng)”操作模式之間無縫地過渡。在一些實施例中，可以包括有積分環(huán)路以減少穩(wěn)態(tài)誤差。在積分環(huán)路期間，差動功率首先被調(diào)整器403調(diào)整。在一些實施例中，如果差動功率大于0，調(diào)整器403輸出0. 1而無論差動功率的實際值。如果差動功率低于0，則調(diào)整器403輸出-0. 1如果差動功率為0， 調(diào)整器輸出0?？稍O(shè)想，調(diào)整器403可被設(shè)計為具有不同的設(shè)定值。可設(shè)想調(diào)整器403為本領(lǐng)域公知的任何類型的調(diào)整器。調(diào)整的差動功率被供給到積分器405。積分器405計算調(diào)整的差動功率的積分。由低通濾波器406濾波的差動功率和由積分器405積分的差動功率均被發(fā)送到判定節(jié)點407。判定節(jié)點407被配置為確定逆變器輸出電壓的目標(biāo)幅值|V|。另一方面，與無功功率相似，通過P計算器408計算有功功率P，以及在比較節(jié)點 409處確定計算的有功功率P和參考有功功率P *的差動功率。在“并網(wǎng)”操作模式下，有功功率P和參考有功功率P *的差通過頻率下垂環(huán)路(包括比例控制器410和LPF 412)。除了頻率下垂環(huán)路之外，由于開關(guān)423在上位置，差動功率還通過附加積分環(huán)路。同樣，包括積分環(huán)路以減小穩(wěn)態(tài)誤差。在積分環(huán)路期間，差動功率被供給到積分器411。積分器411計算差動功率的積分。由LPF 412濾波的差動功率和由積分器411積分的差動功率均被發(fā)送到判定節(jié)點 413，在判定節(jié)點413處確定功率逆變器140的輸出電壓的目標(biāo)頻率。在“并網(wǎng)”操作模式期間，還包括干擾產(chǎn)生器414以向判定節(jié)點413提供干擾頻率。干擾頻率可被添加到目標(biāo)頻率上。在一些實施例中，干擾頻率為正弦干擾頻率。該干擾頻率信號被設(shè)計為在閉環(huán)反饋控制方案400的帶寬內(nèi)，以便可以在有功功率P中產(chǎn)生相當(dāng)量的振蕩。根據(jù)一個實施例，當(dāng)多于一個的功率逆變器被包括在功率系統(tǒng)100中時，可對功率逆變器使用多個干擾產(chǎn)生器。在該情況下，可以同步干擾的相位以防止與不同的功率逆變器有關(guān)的振蕩彼此抵消。開關(guān)425當(dāng)被切換到上位置時接觸抗孤島控制環(huán)路?？构聧u控制環(huán)路被配置為基于有功功率P中的振蕩的幅值檢測孤島條件。在一些實施例中，通過帶通濾波器(BPF)415 濾波計算的有功功率P。根據(jù)一些實施例，由用戶基于干擾頻率和閉環(huán)反饋控制方案400的帶寬來設(shè)定BPF 415的通帶。例如，通帶被設(shè)計為使得濾波的有功功率基本上包括由干擾頻率產(chǎn)生的振蕩。濾波的有功功率被傳送到檢測振蕩的幅值的幅值檢測器416。檢測的幅值被發(fā)送到孤島邏輯塊417。在一些實施例中，孤島邏輯塊417將閾值 (“τ”)應(yīng)用于幅值。例如，如果幅值高于T，孤島邏輯塊417輸出1，否則，孤島邏輯塊417 輸出0。孤島邏輯塊417的輸出被發(fā)送到接口電路210。在一些實施例中，“0”輸出表示孤島條件出現(xiàn)，并相應(yīng)地觸發(fā)接口電路210以打開輸出接觸器180。一旦輸出接觸器180被物理打開，開關(guān)412-425被切換到下位置。即，反饋控制方案400返回到“孤立”操作模式。在二個操作模式(即，“孤立”和“并網(wǎng)”)下，由無功功率環(huán)路確定的|V|和由有功功率環(huán)路確定的fv被輸出到脈寬調(diào)制器(PWM)450。在一些實施例中，逆變器電壓的目標(biāo)初始相位也被輸入到PWM 450。例如，0的初始相位被輸入到PWM 450。根據(jù)本公開，PWM 基于希望的逆變器電壓幅值I Vl、逆變器電壓頻率fv以及初始電壓相位來得出IGBT切換脈沖。得出的切換脈沖通過接口電路210而被提供到功率逆變器140中的每個IGBT的柵極?？墒褂酶鞣N算法來確定在反饋控制方案400中使用的參考有功功率P*。根據(jù)本公開，可使用最大點功率跟蹤(MPPT)方案。MPPT方案最大程度地利用由功率源110和120 提供的DC功率輸入。圖5提供了根據(jù)本公開的實施例的示例性MPPT處理500的流程圖。 MPPT處理500在參考有功功率P被初始化時開始(步驟501)。例如，Pl皮初始化為0。控制器200周期地請求DC電壓測量和DC電流測量(步驟50幻。例如，通過電壓傳感器171 測量DC電壓VDC，以及通過電流傳感器181測量DC電流。根據(jù)本公開，每個周期地測量的 DC電壓VDe被臨時地存儲在RAM202中或數(shù)據(jù)庫205中?？刂破?00基于測量的DC電壓和DC電流計算DC功率(步驟503)。例如，DC功率被計算為DC電壓和DC電流的積。根據(jù)本公開，每個周期地計算的DC功率被臨時地存儲在RAM 202中或數(shù)據(jù)庫205中。在步驟504中，將當(dāng)前的DC功率值PDC(k)與最近期存儲的值Pdc (k-Ι)相比較。如果Pdc (k) > Pdc (k-Ι)(步驟504 是)，MPPT處理進行到步驟505。 在步驟505，控制器200計算導(dǎo)數(shù)dp。例如，dp被確定為PDC(k)與PDe(k-l)之間的差。然后用dp更新參考有功功率P* (步驟506)。例如，通過將dp加到最近期的值P* (k-Ι)來確定P*的當(dāng)前值P* (k)。根據(jù)本公開，每個周期性更新的Pl皮臨時存儲。如果Pdc(k) ( Pdc (k-Ι)(步驟504 否)，控制器200比較DC電壓的當(dāng)前測量與最近期的測量(步驟507)。如果Vdc (k) > Vdc (k-Ι)(步驟507 是)，控制器200將導(dǎo)數(shù)dp和導(dǎo)數(shù)dv 二者設(shè)定到0 (步驟508)。MPPT處理500然后返回到步驟502以測量下一 DC電壓和DC電流。否則，如果VDe(k) ( Vdc(k-1)(步驟507 否)，控制器200計算導(dǎo)數(shù)dv。例如， dv被確定為Vdc(k)與Vdc(k-Ι)之間的差。在步驟509中，然后用dv代替dp更新參考有功功率P*。例如，通過從最近期的值P* (k-Ι)減去dv來確定當(dāng)前值P* (k)。在步驟509之后，參考有功功率P* (k-1),Pdc (k)以及VDC(k)的歷史值被更新(步驟510)。例如，將使用 P*(k)、PDC(k)以及VDC(k)的當(dāng)前值代替舊的值。在步驟510之后，MPPT處理500返回到步驟502以測量下一 DC電壓和DC電流。重復(fù)迭代步驟502-510直到找到DC功率的峰值。工業(yè)適用件雖然關(guān)于“孤立”操作模式與“并網(wǎng)”操作模式之間的過渡而描述了公開的實施例， 但公開的實施例還可以應(yīng)用于其中可靠的功率逆變器控制是需要的或是有益的任何應(yīng)用。 例如，公開的實施例可以應(yīng)用于在功率系統(tǒng)100中出現(xiàn)任何改變時的無縫過渡，例如，電網(wǎng) 190處的增加/減小的負(fù)載、在電網(wǎng)190處添加/去除功率源、功率源110和120的添加/
去除等等。特別地，公開的用于功率逆變器140的控制系統(tǒng)包括被配置為測量線路電壓的多個電壓傳感器172-175和被配置為測量功率系統(tǒng)100的輸出線路電流的多個電流傳感器 182-185。控制系統(tǒng)還包括耦合到功率逆變器140的控制器200?？刂破?00被配置為向功率逆變器140提供與干擾頻率有關(guān)的控制信號?？刂破?00還被配置為基于輸出線路電壓和輸出線路電流確定功率逆變器140的輸出功率，并確定由干擾頻率造成的輸出功率的振蕩的幅值。控制器200還被配置為如果振蕩的幅值低于閾值則檢測出孤島條件。該公開的系統(tǒng)還包括耦合到控制器200并被配置為如果檢測出孤島條件便將功率逆變器140與電網(wǎng) 190去連接的接口電路210。根據(jù)本公開的所公開的實施例，公開的功率逆變器控制系統(tǒng)改善了功率系統(tǒng)100 的可靠性和魯棒性。例如，使用圖3示出的功率逆變器控制處理300和圖4示例的反饋控制方案400，公開的控制系統(tǒng)可以在電網(wǎng)190突然去連接時有效地檢測到孤島條件。一旦檢測出孤島條件，控制系統(tǒng)從“并網(wǎng)”控制模式過渡到“孤立”控制模式。此外，公開的控制系統(tǒng)確定用于功率逆變器140的輸出電壓的適宜的目標(biāo)幅值和目標(biāo)頻率。結(jié)果，可以切換功率逆變器140的功率晶體管以便輸出電壓符合負(fù)載需要。因此，在從“并網(wǎng)”操作模式過渡到“孤立”操作模式期間不會出現(xiàn)電壓跌落。結(jié)果，避免了諸如本地負(fù)載停機的問題，由此增強了功率系統(tǒng)100的可靠性。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是，可以在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，對公開的功率逆變控制系統(tǒng)進行各種修改和變化。通過考慮本公開的說明和實踐，本公開的其他實施例對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的。希望僅僅將說明書和實例考慮為示例性的，而本公開的真實范圍由下列權(quán)利要求及其等價物指出。
權(quán)利要求
1.一種用于功率逆變器(140)的控制系統(tǒng)，其中所述功率逆變器被耦合到接觸器 (180)，所述接觸器(180)被配置為連接電網(wǎng)(190)和去連接電網(wǎng)(190)，所述控制系統(tǒng)包括多個輸出電壓傳感器(172-17 和多個輸出電流傳感器(182-185)，其中所述輸出電壓傳感器被配置為一旦所述被電網(wǎng)連接，測量在所述接觸器處的至少兩個線路電壓，所述輸出電流傳感器被配置為，一旦所述被電網(wǎng)連接，測量在所述接觸器處的至少兩個線路電流；控制器(200)，被連接到所述輸出電壓傳感器和輸出電流傳感器，所述控制器被配置為確定用于所述功率逆變器的輸出電壓的目標(biāo)幅值和目標(biāo)頻率；以及基于所述目標(biāo)幅值和所述目標(biāo)頻率確定多個功率晶體管切換脈沖；以及接口電路(210)，被連接到所述控制器和所述功率逆變器，所述接口電路被配置為向所述功率逆變器提供所述功率晶體管切換脈沖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的控制系統(tǒng)，其中所述控制器還被配置為在接收到連接所述電網(wǎng)的指令之后以及在所述電網(wǎng)被連接之前同步所述功率逆變器與所述電網(wǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的控制系統(tǒng)，其中所述功率逆變器還被連接到至少一個功率源(110 或120)，其中所述功率源向所述功率逆變器提供DC功率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的控制系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)還包括被配置為測量由所述功率源供給的DC電壓的輸入電壓傳感器(171)和被配置為測量由所述功率源供給的DC電流的輸入電流傳感器(181)，其中所述控制器還被配置為基于所述DC電壓和所述DC電流確定參考有功功率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的控制系統(tǒng)，其中所述控制器被配置為確定所述目標(biāo)頻率包括所述控制器被配置為基于所述線路電壓和所述線路電流計算有功功率；以及使用反饋控制環(huán)路匹配所述有功功率與所述參考有功功率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的控制系統(tǒng)，其中所述控制器被配置確定所述目標(biāo)幅值包括所述控制器被控制為使用功率因子修正來確定參考無功功率； 基于線路電壓和所述線路電流計算無功功率；以及使用反饋控制環(huán)路匹配所述無功功率與所述參考無功功率。
7.一種用于功率逆變器(140)的控制方法，其中所述功率逆變器被耦合到接觸器 (180)，所述接觸器(180)被配置為連接電網(wǎng)(190)和去連接電網(wǎng)(190)，所述控制方法包括一旦所述電網(wǎng)被連接，測量在所述接觸器處的至少兩個線路電壓和至少兩個線路電流；確定用于所述功率逆變器的輸出電壓的目標(biāo)幅值和目標(biāo)頻率； 基于所述目標(biāo)幅值和所述目標(biāo)頻率確定多個功率晶體管切換脈沖；以及向所述功率逆變器提供所述功率晶體管切換脈沖。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的控制方法，其中所述控制方法還包括測量由功率源向所述功率逆變器提供的DC電壓和DC電流；以及基于所述DC電壓和所述DC電流確定參考有功功率。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的控制方法，其中確定所述目標(biāo)頻率包括 基于所述線路電壓和所述線路電流計算有功功率；以及使用反饋控制環(huán)路匹配所述有功功率與所述參考有功功率，其中所述反饋控制環(huán)路包括積分環(huán)路和功率下垂環(huán)路，其中所述功率下垂環(huán)路包括低通濾波器(412)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的控制方法，其中確定所述目標(biāo)幅值包括 基于所述線路電壓和所述線路電流計算無功功率；以及使用反饋控制環(huán)路匹配所述無功功率與參考無功功率，其中所述反饋控制環(huán)路包括積分環(huán)路和功率下垂環(huán)路，其中所述功率下垂環(huán)路包括低通濾波器(406)。
全文摘要
公開了一種用于功率逆變器(140)的控制系統(tǒng)。所述功率逆變器被耦合到接觸器(180)，所述接觸器(180)被配置為連接電網(wǎng)(190)和去連接電網(wǎng)(190)。所述控制系統(tǒng)包括多個輸出電壓傳感器(172-175)和多個輸出電流傳感器(182-185)。一旦連接所述電網(wǎng)，所述輸出電壓傳感器被配置為測量在所述接觸器處的至少兩個線路電壓，所述輸出電流傳感器被配置為測量在所述接觸器處的至少兩個線路電流。所述控制系統(tǒng)還包括控制器(200)，其被連接到所述輸出電壓傳感器和輸出電流傳感器。所述控制器被配置為確定用于所述功率逆變器的輸出電壓的目標(biāo)幅值和目標(biāo)頻率。所述控制器還被配置為基于所述目標(biāo)幅值和所述目標(biāo)頻率確定多個功率晶體管切換脈沖。所述控制系統(tǒng)還包括接口電路(210)，其被連接到所述控制器和所述功率逆變器。所述接口電路被配置為向所述功率逆變器提供所述功率晶體管切換脈沖。
文檔編號H02J3/38GK102326310SQ200980156999
公開日2012年1月18日 申請日期2009年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者M·S·依林達(dá)拉, O·M·阿爾克霍利, 于大川 申請人:卡特彼勒公司