CN106030956B - 用于能量转换系统的双级逆变器装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于能量转换系统的双级逆变器装置(图1)及其控制方法，适于控制板上升压器模块的运行，以优化系统的总的电效率。此外，根据本发明的方法允许当只有一个输入通道时，当有被要求并行运行的多个输入通道时以及还有当有被要求彼此独立地运行的多个输入通道时对所述双级逆变器进行控制。

Description

用于能量转换系统的双级逆变器装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及能量转换系统，特别是但不排他地，本发明涉及通过光伏板系统所产生的并适于直接连接到能量分配网络的能量的转换系统。

背景技术

在能量转换的技术领域，特别是，在转换由光伏板系统所产生并且适于直接连接到能量分配网络的能量的技术领域，适于转换产自光伏系统的直流电压的双级逆变器装置是特别重要的。

这些装置适于接收产自光伏发电机的输入DC电压并且产生具有与其中一个能量分配网络兼容的频率和幅度的输出交流电压。

这些装置的结构通常包括输入级和输出级，输入级配备有一个或多个独立输入通道，每个通道连接到单独的光伏发电机，以及输出级依次包括单相或多相类型的全桥逆变器，优选包括由有源器件如IGBT、MOSFET等制成的开关。

所述输入级和所述输出级由能量存储模块连接，通常用术语DC链路表示，包括，例如，多个电容器。本质上说，所述DC链路模块包括描述的双级逆变器装置的输入级的输出端和输出级的输入端。

当运行上述类型的装置时，实施所谓的MPPT(最大功率点跟踪)的功能是非常重要的。

光伏板发电机具有可根据电压/电流曲线并且取决于所述光伏板受到的太阳辐射、所述板的温度和总电阻之间的复杂的且非线性的比率分析的效率值。实现了所谓的MPPT功能的控制算法干扰和采样光伏电池的输出，并且因此施加适当的电负载到光伏电池，以便在每个不同的环境条件中获得最大功率。

所描述的装置的类型内，输入级设置有升压器，当需要时，升压器起作用以确保DC链路的电压值比允许的最小电平高，使得输出级的逆变器可以正确地运行并且连接到AC电压分配网络。

此外，所述升压器模块被编程，以便根据MPPT调整算法来调整在该装置的输入端(即，在光伏板的输出端)的运行电压值。例如，由MPPT算法设定的工作点相关的电压值(V_输入)被加上运行MPPT算法所需要的干扰(V_噪声)，并且确定总输入电压的期望参考值(V_intot＝V_输入+V_噪声)，如在本专利申请的同一申请人的PCT国际申请号WO2007072517和WO2010079517中所描述的，这些申请被引用以获得计算所述干扰V_噪声时的更多细节。

明显的是，在双级逆变器装置内存在所述升压器模块导致当所述升压器模块运行时整体性能下降。因此，期望的是，每次不需要它存在和运行时，即当通过MPPT算法计算的V_输入(在输入端将设置的电压)的最优值大于正确运行逆变器级所需的DC链路的最小运行电压时，升压器模块就被断开，并且这样的电压借助于例如，特定的旁路二极管18被简单地引回DC链路。

当有几个独立的输入通道时，针对该功能仅参考由和同样多的独立的输入通道关联的各种MPPT计算的输入电压中最高的输入电压。

本质上，该装置的控制应如下运行：当在装置的输入端的电压加上给定的滞后值超出由控制系统设定的所述最优的运行电压值时，升压器被断开，直到之后当在装置的输入端的总电压减小到低于所述最优运行电压值，小于一个给定的滞后值时被再次接通。

发明内容

因此，本发明的目的是引入用于能量转换系统的双级逆变器装置及其控制方法，适于控制板上升压器模块的运行，以优化系统的总的电效率。此外，，根据本发明的方法允许当只有一个输入通道时，当有被要求并行运行的多个输入通道时以及当有被要求彼此独立地运行的多个输入通道时对所述双级逆变器的运行进行控制。

通过引入同样的优点，本发明可以既在存在单相系统又在存在多相系统时应用。

用于能量转换系统的双级逆变器装置及其控制方法，适于控制板上升压器模块的运行，以优化系统的总的电效率。此外，根据本发明的方法允许当只有一个输入通道时，当有被要求并行运行的多个输入通道时以及当有被要求彼此独立地运行的多个输入通道时对所述双级逆变器的运行进行控制。

本发明提供了：1)一种用于双级逆变器的控制方法，所述双级逆变器包括输入级(10)、输出级(13)、能量存储模块(17)、以及控制模块(15)，所述输入级设置有连接到至少一个光伏发电机(12)的至少一个输入通道(11)以及包括至少一个升压器模块(16)，所述输出级(13)进而包括逆变器模块(14)，所述能量存储模块(17)与所述输入级(10)和所述输出级(13)相关联以分别形成负载和供电部，所述控制模块(15)适于调整所述装置在MPPT(最大功率点跟踪)模式下的运行，所述方法的特征在于，当所述至少一个升压器模块(16)的输入端的电压大于或等于根据所述AC电压分配网络的需求对所述逆变器模块(14)供电和正确运行所述逆变器模块(14)所需的最小电压时，所述至少一个升压器模块(16)被断开。

根据项1)所述的方法，包括以下步骤：

a)计算所述逆变器模块(14)所需的最小输入电压值(V_bulkmin)；

b)为所述逆变器模块(14)选择第一参考电压值(V_{bulkRefInverter})，使得所述第一参考电压值(V_{bulkRefInverter})大于或等于所述最小输入电压值(V_bulkmin)；

c)对于存在的所有输入通道(11)，为所述升压器模块(16)选择参考电压值(V_bulkRefboost)，使得所述升压器模块(16)的所述参考电压值(V_bulkRefboost)大于或等于所述逆变器模块(14)的所述第一参考电压值(V_{bulkRefInverter})；

d)对于存在的所有输入通道(11)，根据所述MPPT模式计算所述升压器模块(16)的输入电压的参考值；

e)选择所述升压器模块(16)的在上一步骤中计算出的输入电压的参考值中的最大值；

f)基于在上一步骤中选择的值计算所述逆变器模块(14)的第二参考电压值(V_intot)；

g)如果所述升压器模块(16)被接通，则相对于所述升压器模块(16)的所述参考电压值(V_bulkRefboost)加上第一滞后值Δ1，检查(21)所述第二参考电压值(V_intot)的值，如果所述第二参考电压值(V_intot)较大，断开所述升压器模块(16)，否则保持所述升压器模块运行(25)；

h)如果所述升压器模块(16)被断开，则相对于所述升压器模块(16)的所述参考电压值(V_bulkRefboost)减去第二滞后值Δ2，检查(23)所述第二参考电压值(V_intot)，如果所述第二参考电压值(V_intot)较小，接通所述升压器模块(16)，否则让它保持在断开状态(26)。

根据项1)所述的方法，包括以下步骤：

a)计算所述逆变器模块(14)所需的最小输入电压值(V_bulkmin)；

b)为所述逆变器模块(14)选择第一参考电压值(V_{bulkRefInverter})，使得所述第一参考电压值(V_{bulkRefInverter})大于或等于所述最小输入电压值(_Vbulkmin)；

c)对于存在的所有输入通道(11)，为所述升压器模块(16)选择参考电压值(V_bulkRefboost)，使得所述升压器模块(16)的所述参考电压值(V_bulkRefboost)大于或等于所述逆变器模块(14)的所述第一参考电压值(V_{bulkRefInverter})；

d)对于存在的所有输入通道(11)，根据所述MPPT模式计算所述升压器模块(16)的输入电压的参考值；

i)选择所述升压器模块(16)的在上一步骤中并涉及正运行的所有其他通道计算出的输入电压的参考值中的最大值；

j)对于所有的通道(11)，为所述升压器模块(16)选择等于在前述步骤c)计算出的值(V_bulkRefboost)和在前述步骤i)中计算出的值中的最大值的参考电压(V_bulkRefChn)。

本发明还提供了4)一种用于能量转换系统的双级逆变器装置，包括输入级(10)、输出级(13)、能量存储模块(17)和控制模块(15)，所述输入级(10)设置有连接到至少一个光伏发电机(12)的至少一个输入通道(11)，所述输出级(13)进而包括逆变器模块(14)和与AC电压分配网络相关联的输出端，所述能量存储模块(17)与所述输入级(10)和所述输出级(13)相关联以便分别形成负载和供电部，所述控制模块(15)适于根据用户设置和所述装置的输入和输出条件调整所述装置的运行以及适于调整所述装置在MPPT(最大功率点跟踪)模式下的运行，所述输入级(10)包括至少一个升压器模块(16)，所述至少一个升压器模块(16)适于确保所述能量存储模块(17)的电压值大于或等于允许的最小电平，使得所述逆变器模块(14)能够正确地运行，并且所述至少一个升压器模块(16)适于根据所述MPPT模式在所述装置的输入端设置最优运行电压值，所述装置的特征在于，所述控制模块(15)还适于当在所述至少一个升压器模块(16)的输入端的电压大于或等于根据所述AC电压分配网络的需求对所述逆变器模块(14)供电和正确运行所述逆变器模块(14)所需的最小电压时断开所述至少一个升压器模块(16)。

根据项4)所述的装置，其中所述控制模块(15)实施根据项1)-3)所述的方法。

附图说明

图1示出了根据本发明的装置的运行方框图。

图2示出了在存在单个输入通道和在存在多个输入通道并且它们并行运行时适用的、根据本发明的方法的部分的流程图。

图3示出了当有多个输入通道并且它们独立运行时适用的、根据本发明的方法的第一部分的流程图。

图4示出了当有多个输入通道并且它们独立运行时适用的、根据本发明的方法的第二部分的流程图。

图5示出了当有多个输入通道并且它们独立运行时适用的、根据本发明的方法的第三部分的流程图。

具体实施方式

根据本发明的用于能量转换系统的双级逆变器装置包括设置有一个或多个独立输入通道11的输入级10，每一个独立输入通道11连接到单独的光伏发电机12；输出级13，其依次包括优选全桥型的单相或多相类型的逆变器模块14，优选包含由有源器件如IGBT、MOSFET等制成的开关；以及适于根据用户设置和所述装置的输入和输出条件调整装置运行的控制模块15。

所述输入级10和所述输出级13是由能量存储模块17连接的，能量存储模块17通常用术语DC链路表示，包括，例如，多个电容器17。所述DC链路模块17本质上形成所述逆变器的输入级10的输出端和输出级13的输入端。

所述输入级10包括至少一个升压器模块16，为每个独立输入通道11提供一个升压器模块16，适于确保所述能量存储模块17(DC链路)的电压值大于允许的最小电平，使得输出级13的逆变器14可以根据与所述逆变器14相关联的AC电压分配网络的需求正确地运行。此外，所述至少一个升压器模块16起作用来使得根据MPPT调整算法设置在该装置的输入端(即在所述光伏发电机12的输出端)的最优的运行电压值，MPPT调整算法对所有独立输入通道11提供并在所述控制模块15中被实施。

根据本发明的控制方法允许所述控制模块15控制所述至少一个升压器模块16的运行，以优化系统的总的电效率，同时仅当对于装置的正确运行是必不可少时保持所述至少一个升压器模块16运行。

首先，所述控制方法提供了设置关于根据本发明的装置的各个部分的控制回路的参考值。所述逆变器模块14所需的最小输入电压((V_bulkmin)取决于考虑到转换设备和使用的调制技术的固有损失而增加了系数k的与所述逆变器模块14相关联的AC电压网络的峰值，根据这些被恰好计算。值V_bulkmin是与装置的运行条件有关系的运行参考值，并且被用来计算并设置根据本发明的方法采用的其它参考值。

从V_bulkmin值开始，计算了所述逆变器模块14的参考电压值V_{bulkRefInverter}，将其设置为等于V_bulkmin加上量V_delta1的值，V_delta1≥0：

V_{bulkRefInverter}＝V_bulkmin+V_delta1。

相对于所述逆变器模块14的相似的参考电压值(V_{bulkRefInverter})，升压器模块16的相似的参考值(V_bulkRefboost)被设定为较大的值，使得在相关的控制回路之间没有关于所述DC链路的电压调整的相互作用。

V_bulkRefboost＝V_{bulkRefInverter}+V_delta2＝V_bulkmin+V_delta1+_Vdelta2,其中V_delta2≥0。

然后计算对于所述逆变器模块14的总输入电压intot＝V_输入+V_噪声的实际参考值，其中V_输入是输入电压参考值，其具有通过涉及存在的和运行的各个输入通道的各种MPPT算法计算出的所有的输入电压参考值中的最大值，并且其中如前所述，根据例如在本专利申请的同一申请人的PCT国际申请No.WO2007072517和WO2010079517中所描述的，V_噪声描述了对于逆变器模块的运行所需的所述MPPT算法内设置的运行干扰。

在本质上，在根据本发明的装置的运行过程中，所有独立地运行的输入通道11有其自己的MPPT，其连续调整并运行以便设定它们的工作点，即对于其被连接到的光伏发电机来说被认为是理想的参考电压值；所述参考电压值在装置的运行过程中被连续更新，并且通常可能会发生变化以补偿运行条件的任何变化。

在所有时刻，这些参考值中的最高参考值是作为下游的转换器的新的参考值的候选，即对于所述逆变器模块14，V_intot被计算，例如，如以上所解释的。

因此根据本发明的控制方法挑出三种情况：1)单输入通道，2)并行运行的多个输入通道3)互相独立运行的多个输入通道。

根据本发明的控制方法设置了两个额外的阈值：

涉及断开升压器模块16的第一阈值等于参考电压V_bulkRefBoost加上第一个滞后值Δ1，使得当总参考电压值V_intot超过所述第一阈值时，即简言之，当条件V_intot>V_bulkRefboost+Δ1发生时，所述升压器模块16被断开。

涉及接通升压器模块16的第二阈值等于参考电压V_bulkRefboost减去第二滞后值Δ2，使得当总输入电压值减小到相对于所述第二阈值的低电平时，即简言之，当条件V_intot<V_bulkRefboost-Δ2发生时，所述升压器模块16被接通。

通常，所述第一和第二滞后值Δ1和Δ2可以相同或彼此不同。

更详细地并参考涉及单个输入通道的情况1)和多个并行的输入通道的情况2)的附图2，根据本发明的方法循环控制20所述升压器模块16的运行状态。

如果所述升压器模块16被接通，相对于参考电压值V_bulkRefboost加上第一滞后值Δ1检查21总输入电压的值V_intot，如果总输入电压的值V_intot更大，所述升压器模块16被断开22，否则它保持在运行状态25。

当所述检查20确定所述升压器模块16在该时刻断开，相对于参考电压值V_bulkRefBoost减去第二滞后值Δ2，检查23总输入电压的值V_intot，如果总输入电压的值V_intot更小，所述升压器模块16被接通24，否则它保持在断开状态26。

参考附图3，其涉及存在多个独立运行的输入通道的情况3)，输入通道是否正在运行被循环检查27；如果只有一个所述输入通道正在运行，根据本发明的方法如同在上述单个通道或并行的多个通道的情况下继续。

反之如果有两个或更多个独立通道在运行，所有的通道将有其涉及电压V_bulk的参考电压(V_bulkRefChn)。所述参考电压V_bulkRefChn设置28为等于升压器16的值的参考电压值V_bulkRefBoost的最大值，和涉及正运行的其他通道的最大的总输入电压V_intot。

对于每个存在的通道，我们如同在上述单个通道或并行的多个通道的情况下进行下面的情况，如附图4和图5的流程图所示。

如果所述电压V_intotmaxabs比V_bulkRefBoost+Δ1大，将导致具有通过其自身的MPPT计算出的最高总输入电压V_intotmaxabs的升压器模块16的通道被关断。

与此同时，所述逆变器模块14再次设置为它的输入电压调整参考，即DC链路电压的输入电压调整参考，根据输出电压计算的电压V_{bulkRefInverter}和所有的输入电压中的越大电压V_intotmaxabs中的较大者。

从而如果升压器模块16中的一个因为它的V_intot等于V_intotmaxabs被断开，这样的电压将实际上由逆变器模块从那时起调整。

当有几个独立的通道运行时，为了尽可能将根据本发明的装置所产生的功率流保持恒定，根据本发明的方法还可以提供：每当所述升压器模块16接通24或断开20时，重新同步涉及每个存在的输入通道的干扰V_噪声。

Claims (10)

1.一种用于双级逆变器装置的控制方法，所述双级逆变器装置包括输入级(10)、输出级(13)、能量存储模块(17)、以及控制模块(15)，所述输入级设置有连接到至少一个光伏发电机(12)的至少一个输入通道(11)以及包括至少一个升压器模块(16)，所述输出级(13)进而包括逆变器模块(14)，所述能量存储模块(17)与所述输入级(10)和所述输出级(13)相关联以分别形成负载和供电部，所述控制模块(15)适于调整所述装置在MPPT(最大功率点跟踪)模式下的运行，所述方法的特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

a)计算所述逆变器模块(14)所需的最小输入电压值(V_bulkmin)；

b)为所述逆变器模块(14)选择第一参考电压值(V_{bulkRefInverter})，使得所述第一参考电压值(V_{bulkRefInverter})大于或等于所述最小输入电压值(V_bulkmin)；

c)对于所述至少一个输入通道(11)中的每一个，为所述升压器模块(16)选择参考电压值(V_bulkRefboost)，使得所述升压器模块(16)的所述参考电压值(V_bulkRefboost)大于或等于所述逆变器模块(14)的所述第一参考电压值(V_{bulkRefInverter})；

d)对于所述至少一个输入通道(11)中的每一个，根据所述MPPT模式计算所述升压器模块(16)的输入电压的参考值；

e)选择所述升压器模块(16)的在上一步骤中计算出的输入电压的参考值中的最大值(V_in)；

f)基于在上一步骤中选择的值计算所述逆变器模块(14)的第二参考电压值(V_intot)，使得所述第二参考电压值(V_intot)大于或等于所述最大值(V_in)；

g)如果所述升压器模块(16)被接通，则相对于所述升压器模块(16)的所述参考电压值(V_bulkRefboost)加上第一滞后值Δ1，检查(21)所述第二参考电压值(V_intot)的值，如果所述第二参考电压值(V_intot)较大，断开(22)所述升压器模块(16)，否则保持所述升压器模块运行(25)；

h)如果所述升压器模块(16)被断开，则相对于所述升压器模块(16)的所述参考电压值(V_bulkRefboost)减去第二滞后值Δ2，检查(23)所述第二参考电压值(V_intot)，如果所述第二参考电压值(V_intot)较小，接通(24)所述升压器模块(16)，否则让它保持在断开状态(26)。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括步骤：

j)对于所述至少一个输入通道(11)中的每一个，为所述升压器模块(16)选择(28)等于在前述步骤c)计算出的值(V_bulkRefboost)和在前述步骤e)中计算出的值(V_in)中的最大值的参考电压(V_bulkRefChn)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一滞后值Δ1和所述第二滞后值Δ2具有相同的值。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述最小输入电压值(V_bulkmin)取决于增加了系数k的与所述逆变器模块(14)相关联的AC电压网络的峰值。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述最小输入电压值(V_bulkmin)取决于增加了系数k的与所述逆变器模块(14)相关联的AC电压网络的峰值。

6.一种用于能量转换系统的双级逆变器装置，包括输入级(10)、输出级(13)、能量存储模块(17)和控制模块(15)，所述输入级(10)设置有连接到至少一个光伏发电机(12)的至少一个输入通道(11)并包括至少一个升压器模块(16)，所述输出级(13)进而包括逆变器模块(14)和与AC电压分配网络相关联的输出端，所述能量存储模块(17)与所述输入级(10)和所述输出级(13)相关联以便分别形成负载和供电部，所述控制模块(15)适于根据用户设置和所述装置的输入和输出条件调整所述装置的运行以及适于调整所述装置在MPPT(最大功率点跟踪)模式下的运行，所述装置的特征在于，所述控制模块(15)还适于

a)计算所述逆变器模块(14)所需的最小输入电压值(V_bulkmin)；

b)为所述逆变器模块(14)选择第一参考电压值(V_{bulkRefInverter})，使得所述第一参考电压值(V_{bulkRefInverter})大于或等于所述最小输入电压值(V_bulkmin)；

c)对于所述至少一个输入通道(11)中的每一个，为所述升压器模块(16)选择参考电压值(V_bulkRefboost)，使得所述升压器模块(16)的所述参考电压值(V_bulkRefboost)大于或等于所述逆变器模块(14)的所述第一参考电压值(V_{bulkRefInverter})；

d)对于所述至少一个输入通道(11)中的每一个，根据所述MPPT模式计算所述升压器模块(16)的输入电压的参考值；

e)选择所述升压器模块(16)的在上一步骤中计算出的输入电压的参考值中的最大值(V_in)；

f)基于在上一步骤中选择的值计算所述逆变器模块(14)的第二参考电压值(V_intot)，使得所述第二参考电压值(V_intot)大于或等于所述最大值(V_in)；

g)如果所述升压器模块(16)被接通，则相对于所述升压器模块(16)的所述参考电压值(V_bulkRefboost)加上第一滞后值Δ1，检查(21)所述第二参考电压值(V_intot)的值，如果所述第二参考电压值(V_intot)较大，断开(22)所述升压器模块(16)，否则保持所述升压器模块运行(25)；

h)如果所述升压器模块(16)被断开，则相对于所述升压器模块(16)的所述参考电压值(V_bulkRefboost)减去第二滞后值Δ2，检查(23)所述第二参考电压值(V_intot)，如果所述第二参考电压值(V_intot)较小，接通(24)所述升压器模块(16)，否则让它保持在断开状态(26)。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述控制模块(15)进一步适于

j)对于所述至少一个输入通道(11)中的每一个，为所述升压器模块(16)选择(28)等于在前述步骤c)计算出的值(V_bulkRefboost)和在前述步骤e)中计算出的值(V_in)中的最大值的参考电压(V_bulkRefChn)。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述第一滞后值Δ1和所述第二滞后值Δ2具有相同的值。

9.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述最小输入电压值(V_bulkmin)取决于增加了系数k的与所述逆变器模块(14)相关联的AC电压网络的峰值。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述最小输入电压值(V_bulkmin)取决于增加了系数k的与所述逆变器模块(14)相关联的AC电压网络的峰值。