用于能量轉換系統的雙級逆變器裝置及其控制方法
【專利摘要】一種用于能量轉換系統的雙級逆變器裝置(圖1)及其控制方法，適于控制板上升壓器模塊的運行，以優化系統的總的電效率。此外，根據本發明的方法允許當只有一個輸入通道時，當有被要求并行運行的多個輸入通道時以及還有當有被要求彼此獨立地運行的多個輸入通道時對所述雙級逆變器進行控制。
【專利說明】用于能量轉換系統的雙級逆變器裝置及其控制方法發明領域
[0001]本發明涉及能量轉換系統，特別是但不排他地，本發明涉及通過光伏板系統所產生的并適于直接連接到能量分配網絡的能量的轉換系統。
[0002]技術現狀
[0003]在能量轉換的技術領域，特別是，在轉換由光伏板系統所產生并且適于直接連接到能量分配網絡的能量的技術領域，適于轉換產自光伏系統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自光伏發電機的輸入DC電壓并且產生具有與其中一個能量分配網絡兼容的頻率和幅度的輸出交流電壓。
[0005]這些裝置的結構通常包括輸入級和輸出級，輸入級配備有一個或多個獨立輸入通道，每個通道連接到單獨的光伏發電機，以及輸出級依次包括單相或多相類型的全橋逆變器，優選包括由有源器件如IGBT、M0SFET等制成的開關。
[0006]所述輸入級和所述輸出級由能量存儲模塊連接，通常用術語DC鏈路表示，包括，例如，多個電容器。本質上說，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]當運行上述類型的裝置時，實施所謂的MPPT(最大功率點跟蹤)的功能是非常重要的。
[0008]光伏板發電機具有可根據電壓/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雜的且非線性的比率分析的效率值。實現了所謂的MPPT功能的控制算法干擾和采樣光伏電池的輸出，并且因此施加適當的電負載到光伏電池，以便在每個不同的環境條件中獲得最大功率。
[0009]所描述的裝置的類型內，輸入級設置有升壓器，當需要時，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行并且連接到AC電壓分配網絡。
[0010]此外，所述升壓器模塊被編程，以便根據MPPT調整算法來調整在該裝置的輸入端(即，在光伏板的輸出端)的運行電壓值。例如，由MPPT算法設定的工作點相關的電壓值(V輸入)被加上運行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國際申請號W02007072517和W02010079517中所描述的，這些申請被引用以獲得計算所述干擾V噪聲時的更多細節。
[0011]明顯的是，在雙級逆變器裝置內存在所述升壓器模塊導致當所述升壓器模塊運行時整體性能下降。因此，期望的是，每次不需要它存在和運行時，即當通過MPPT算法計算的V輸入(在輸入端將設置的電壓)的最優值大于正確運行逆變器級所需的DC鏈路的最小運行電壓時，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]當有幾個獨立的輸入通道時，針對該功能僅參考由和同樣多的獨立的輸入通道關聯的各種MPPT計算的輸入電壓中最高的輸入電壓。
[0013]本質上，該裝置的控制應如下運行:當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設定的所述最優的運行電壓值時，升壓器被斷開，直到之后當在裝置的輸入端的總電壓減小到低于所述最優運行電壓值，小于一個給定的滯后值時被再次接通。
[0014]因此，本發明的目的是引入用于能量轉換系統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行，以優化系統的總的電效率。此外，，根據本發明的方法允許當只有一個輸入通道時，當有被要求并行運行的多個輸入通道時以及當有被要求彼此獨立地運行的多個輸入通道時對所述雙級逆變器的運行進行控制。
[0015]通過引入同樣的優點，本發明可以既在存在單相系統又在存在多相系統時應用。
[0016]附圖簡述
[0017]圖1示出了根據本發明的裝置的運行方框圖。
[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行時適用的、根據本發明的方法的部分的流程圖。
[0019]圖3示出了當有多個輸入通道并且它們獨立運行時適用的、根據本發明的方法的第一部分的流程圖。
[0020]圖4示出了當有多個輸入通道并且它們獨立運行時適用的、根據本發明的方法的第二部分的流程圖。
[0021]圖5示出了當有多個輸入通道并且它們獨立運行時適用的、根據本發明的方法的第三部分的流程圖。
[0022]發明概述
[0023]用于能量轉換系統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行，以優化系統的總的電效率。此外，根據本發明的方法允許當只有一個輸入通道時，當有被要求并行運行的多個輸入通道時以及當有被要求彼此獨立地運行的多個輸入通道時對所述雙級逆變器的運行進行控制。
[0024]發明詳述
[0025]根據本發明的用于能量轉換系統的雙級逆變器裝置包括設置有一個或多個獨立輸入通道11的輸入級10，每一個獨立輸入通道11連接到單獨的光伏發電機12;輸出級13，其依次包括優選全橋型的單相或多相類型的逆變器模塊14，優選包含由有源器件如IGBT、MOSFET等制成的開關；以及適于根據用戶設置和所述裝置的輸入和輸出條件調整裝置運行的控制模塊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可以根據與所述逆變器14相關聯的AC電壓分配網絡的需求正確地運行。此外，所述至少一個升壓器模塊16起作用來使得根據MPPT調整算法設置在該裝置的輸入端(即在所述光伏發電機12的輸出端)的最優的運行電壓值，MPPT調整算法對所有獨立輸入通道11提供并在所述控制模塊15中被實施。
[0028]根據本發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的運行，以優化系統的總的電效率，同時僅當對于裝置的正確運行是必不可少時保持所述至少一個升壓器模塊16運行。
[0029]首先，所述控制方法提供了設置關于根據本發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)取決于考慮到轉換設備和使用的調制技術的固有損失而增加了系數k的與所述逆變器模塊14相關聯的AC電壓網絡的峰值，根據這些被恰好計算。值Vbulkmin是與裝置的運行條件有關系的運行參考值，并且被用來計算并設置根據本發明的方法采用的其它參考值。
[0030]從Vbulkmin值開始，計算了所述逆變器模塊14的參考電壓值VbulkRef Inverter，將其設置為等于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)被設定為較大的值，使得在相關的控制回路之間沒有關于所述DC鏈路的電壓調整的相互作用。
[0033 ] VbulkRefboost — VbulkRef Inverter+Vdelta2 — Vbulkmin+Vdeltal+Vdelta2，中 Vdelta2 X) ο
[0034]然后計算對于所述逆變器模塊14的總輸入電壓int0t= V?K+V疇的實際參考值，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行的各個輸入通道的各種MPPT算法計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行所需的所述MPPT算法內設置的運行干擾。
[0035]在本質上，在根據本發明的裝置的運行過程中，所有獨立地運行的輸入通道11有其自己的MPPT，其連續調整并運行以便設定它們的工作點，即對于其被連接到的光伏發電機來說被認為是理想的參考電壓值;所述參考電壓值在裝置的運行過程中被連續更新，并且通常可能會發生變化以補償運行條件的任何變化。
[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被計算，例如，如以上所解釋的。
[0037]因此根據本發明的控制方法挑出三種情況:I)單輸入通道，2)并行運行的多個輸入通道3)互相獨立運行的多個輸入通道。
[0038]根據本發明的控制方法設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，使得當總參考電壓值Vintcit超過所述第一閾值時，即簡言之，當條件VintC^VbuIkRefb_t+ Δ I發生時，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，當條件Vintclt〈VbulkRefboost- A 2發生時，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，根據本發明的方法循環控制20所述升壓器模塊16的運行狀態。
[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，否則它保持在運行狀態25。
[0044]當所述檢查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26。
[0045]參考附圖3，其涉及存在多個獨立運行的輸入通道的情況3)，輸入通道是否正在運行被循環檢查27;如果只有一個所述輸入通道正在運行，根據本發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。
[0046]反之如果有兩個或更多個獨立通道在運行，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，我們如同在上述單個通道或并行的多個通道的情況下進行下面的情況，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，將導致具有通過其自身的MPPT計算出的最高總輸入電壓Vintotmaxabs的升壓器模塊16的通道被關斷。
[0049]與此同時，所述逆變器模塊14再次設置為它的輸入電壓調整參考，S卩DC鏈路電壓的輸入電壓調整參考，根據輸出電壓計算的電壓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中的一個因為它的Vintot等于Vintotmaxabs被斷開，這樣的電壓將實際上由逆變器模塊從那時起調整。
[0051]當有幾個獨立的通道運行時，為了盡可能將根據本發明的裝置所產生的功率流保持恒定，根據本發明的方法還可以提供:每當所述升壓器模塊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。
【主權項】
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)，所述輸入級設置有連接到至少一個光伏發電機(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)相關聯以分別形成負載和供電部，所述控制模塊(15)適于調整所述裝置在MPPT(最大功率點跟蹤)模式下的運行，所述方法的特征在于，當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所述AC電壓分配網絡的需求對所述逆變器模塊(14)供電和正確運行所述逆變器模塊(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.根據權利要求1所述的方法，包括以下步驟: a)計算所述逆變器模塊(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)，根據所述MPPT模式計算所述升壓器模塊(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Al，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(26)。3.根據權利要求1所述的方法，包括以下步驟: a)計算所述逆變器模塊(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)，根據所述MPPT模式計算所述升壓器模塊(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行的所有其他通道計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)計算出的值(VbuIkRrfbcicist)和在前述步驟i)中計算出的值中的最大值的參考電壓(VbuIkRrfChn)。4.一種用于能量轉換系統的雙級逆變器裝置，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)設置有連接到至少一個光伏發電機(12)的至少一個輸入通道(11)，所述輸出級(13)進而包括逆變器模塊(14)和與AC電壓分配網絡相關聯的輸出端，所述能量存儲模塊(17)與所述輸入級(10)和所述輸出級(13)相關聯以便分別形成負載和供電部，所述控制模塊(15)適于根據用戶設置和所述裝置的輸入和輸出條件調整所述裝置的運行以及適于調整所述裝置在MPPT(最大功率點跟蹤)模式下的運行，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)能夠正確地運行，并且所述至少一個升壓器模塊(16)適于根據所述MPPT模式在所述裝置的輸入端設置最優運行電壓值，所述裝置的特征在于，所述控制模塊(15)還適于當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所述AC電壓分配網絡的需求對所述逆變器模塊(14)供電和正確運行所述逆變器模塊(14)所需的最小電壓時斷開所述至少一個升壓器模塊(16) ο5.根據權利要求4所述的裝置，其中所述控制模塊(15)實施根據權利要求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技術股份公司