CN103959589B - 功率转换器孤岛检测 - Google Patents
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Abstract
一种功率转换器，包括用于基于提供给电流调节器以生成在正反馈回路中提供并指示孤岛条件的信号的功率转换器中的一个或多个电流和电压的测量来检测孤岛条件的检测设备和方法。
Description
技术领域
一般来说，本发明涉及功率转换器，以及具体来说，涉及基于功率转换器中的电流和电压测量来检测孤岛条件。
背景技术
功率转换器用来把来自直流(DC)电源的电力转换成交流(AC)电力输出，供本地负荷上使用或者供输送到电力网。这类功率转换器在诸如用于从DC分布式电源、例如光伏(PV)电池来提供AC电力应用中是有帮助的。随着对于特别是与温室气体(GHG)和某些其它排放相关的、对人为环境退化的增加的社会关注，存在朝向分布式可再生发电的增加的趋势。例如，近年来，存在已经安装房顶太阳能电池阵列(其生成电力以向家庭或企业供电并且还向电力网提供多余电力)的家庭和企业的数量的急剧增加。这类分布式发电源可要求比较有效、廉价、可靠并且具有最小形状因数的功率转换器。常规功率转换器通常要求DC滤波器、升压转换器、AC滤波器、逆变器以及到电力网的耦合。
在本地负载能够从分布式生成源或者电力网来接收电力的电力的分布式生成或者电力生成使用点中，本地负载能够从电力网被断开，以及分布式生成源能够继续向本地负载供电。这种条件称作孤岛，其中本地负载和分布式生成源被“孤立”或者与电力网的其余部分电隔离。
孤立负载能够引起输送到本地负载的电压与电流之间的本地频率和相位的漂移。另外，孤立条件可对可能在电力线上进行工作并且可能不知道孤立和带电电力线的存在的公用事业工作人员造成危险。因此，当孤岛条件存在时，实现防孤岛过程，以防止从分布式电源向本地负载提供电力。此外，保险商实验室证书(UL1741)要求功率转换器提供用于检测孤岛条件的机制并且实现防孤岛过程。
发明内容
在一个实施例中，逆变器控制器能够包括接收直流(DC)电压信号、第一交流(AC)电流信号、第二AC电流信号和AC电压信号的至少一个输入端子。逆变器控制器还能够包括部分基于DC电压信号、第一AC电流信号、第二AC电流信号和AC电压信号来输出至少一个分量信号（component signal）的电流调节器，其中，至少一个分量信号的一个或多个作为改变AC电压信号的幅值和频率中的任一个或两者的反馈来提供，其中改变在孤岛条件存在时高于对应预定阈值。
在另一个实施例中，控制逆变器的方法能够包括测量直流(DC)电压信号、第一交流(AC)电流信号、第二AC电流信号和AC电压信号。该方法还能够包括接收标称VAR参考信号和DC电压参考信号，以及基于DC电压信号、第一AC电流信号、第二AC电流信号、AC电压信号、标称VAR信号和DC电压参考信号来确定至少一个分量信号。该方法还能够包括至少部分基于分量信号来确定逆变器控制信号，其中至少一个分量信号指示孤岛条件，并且在孤岛条件存在时产生控制来自逆变器的电力输出的逆变器控制信号。
在又一个实施例中，转换器***能够具有：至少一个电源，向升压转换器提供电力以提供直流(DC)电力；至少一个电流传感器，用于测量第一交流(AC)电流信号和第二AC电流信号；以及至少一个电压传感器，用于测量DC电压信号和AC电压信号。转换器***还能够具有：逆变器，基于逆变器控制信号来将DC电力转换成交流(AC)电力；以及逆变器控制器，提供逆变器控制信号。逆变器控制器能够包括电流调节器，部分基于第一DC电压信号、第一AC电流信号、第二AC电流信号和第一AC电压信号来输出至少一个分量信号，其中至少一个分量信号的一个或多个在正反馈回路中提供，并且指示孤岛条件，从而在孤岛条件存在时产生控制逆变器的电力输出的逆变器控制信号。
本文详细描述并且作为要求保护的本发明的一部分来考虑本发明的其它实施例、特征和方面。参照以下详细描述、附图和权利要求书，能够了解其它实施例、特征和方面。
附图说明
现在参照附表和附图，附图不一定按比例绘制，其中：
图1是包括具有能够按照本发明的一个实施例来操作的逆变器的功率转换器的示例电力***的框图表示。
图2是按照本发明的一个实施例的示例逆变器控制器的框图表示。
图3是按照本发明的一个实施例、检测图1的电力***中的孤岛条件的示例方法的流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更全面地描述本发明的实施例，附图中示出本发明的实施例。但是，本发明可通过许多不同的形式来实施，而不应被理解为局限于本文所提出的实施例；相反，提供这些实施例，以使得本公开将是透彻和全面的，并且将向本领域的技术人员全面地传达本发明的范围。相似标号通篇表示相似元件。
本发明的实施例可提供用于孤岛条件的改进检测的设备、***和方法。这种改进可需要例如测量功率转换器中的电流和电压，并且向逆变器控制器提供测量，其中电流调节器提供在正反馈回路中使用并且在孤岛条件存在时使逆变器控制信号停止逆变器的操作的信号。通过这样做，逆变器在孤岛条件存在时不提供AC电力，并且防孤岛被实现。在一个方面，防孤岛可使用功率转换器本身中的电压和电流测量来实现。在另一方面，防孤岛可通过实行超过阈值的电力输出的频率、相位或者频率和相位的改变以使逆变器跳闸的电流调节器的正反馈回路来实现。
现在将参照附图来描述本发明的示例实施例。
现在参照图1，描述能够按照本发明的一个实施例来操作的电力***100。电力***100能够包括：功率转换器101；DC电源，例如光伏(PV)阵列102；本地负载RL；开关Sgrid；以及到电力网116的耦合114。功率转换器101能够包括DC滤波器104，其电连接到DC电源102(其还能够电连接到DC升压转换器106)并且从其中接收电力。DC升压转换器106能够连接到逆变器108，其向AC滤波器112输出AC电力，其中在DC升压转换器106与逆变器110之间电容器C2从电力旁路到地。逆变器108还可包括逆变器控制器110或逆变器调节器，以用于生成用于逆变器108的操作并且用于控制逆变器108的输出的控制信号。AC滤波器112的输出能够经由开关Sgrid与到电力网116的耦合114以及与本地负载RL电连接。在功率转换器101的孤立条件下，AC滤波器112的输出只可在本地负载RL中耗散，而没有提供给电力网116。
虽然DC电源示为PV阵列102，但是在其它实施例中，它能够是任何DC电源，包括但不限于光伏电池、燃料电池和电解电池或者其组合。作为另一实施例，电源能够是非DC电源，例如来自风力收集、水力收集或太阳热(太阳能聚能器)源。附加电源能够包括经整流涡轮发电机输出，其中涡轮机使用任何种类的已知方法来驱动，包括但不限于燃烧矿物燃料和其它碳氢化合物、核、水力发电或者其组合。
DC输入滤波器104能够包括电感器Ldc和电容器Cdc。DC输入滤波器104的一个目的能够是防止升压转换器106的具有斩波频率的电流流到电源102并且由此中断电源102的操作。电感器Ldc和电容器Cdc可适当地确定大小以滤出升压转换器106的斩波频率。DC输入滤波器104还可通过除了所示的LC配置之外的任何已知备选配置来实现。
DC升压转换器106的一个目的可以是建立DC电压。换言之，DC升压转换器106可以以某个DC输入电压来接收电力，并且以大于DC输入电压的电压来输出电力。
电容器C2的一个目的可以是在将信号提供给逆变器108之前，滤出在DC升压转换器106的输出处的任何高频分量。将具有升压电压的DC电力提供给逆变器108，以及逆变器108在其输出将DC电力转换成AC电力。逆变器108能够由逆变器控制器110来控制，以及下面结合图2更详细描述逆变器控制器110。
AC滤波器112的一个目的可以是调节逆变器108的输出电力，以便从逆变器108输出中滤出任何高频分量、例如逆变器108的斩波频率。AC滤波器112可包括电感器Lac、电容器Cac和电阻器Rac。AC滤波器112的AC电力输出还可由本地负载RL来消耗，并且还提供给电力网116。
开关Sgrid可有选择地断开从逆变器108到电力网116的电力。当Sgrid闭合时，来自逆变器108的AC电力可经由耦合114提供给电力网116。因此，在非孤岛条件中，功率转换器101可采用电感耦合114连接到电力网116，并且因此可看到相对电感性负载。但是，在孤立条件下，功率转换器101可以仅向本地负载RL提供电力，并且因此看到相对电阻性负载。在一个方面，功率转换器101的负载的差能够用来区分孤立和非孤立条件。
在电力***100的操作期间，各种电压和电流测量可进行，并且提供给逆变器控制器110。这些测量可使用各种电流和电压传感器进行，如本领域众所周知的那样。测量可包括DC电压即在对逆变器108的输入所测量的DC反馈电压(VdcFbk)、第一AC电流即在逆变器108的输出所测量的AC线反馈电流(L_IFbk)、AC电压即在AC滤波器的输出所测量的电压反馈(VFbk)以及第二AC电流即也在AC滤波器的输出所测量的反馈电流(IFbk)。这些电流和电压测量的相对值可指示功率转换器101是否处于孤立状态，并且因此可用来对孤立条件进行监测并且起作用。
现在参照图2，描述按照本发明一个实施例的示例逆变器控制器110。在一个方面，逆变器控制器110能够按时序接收如上所述的电压和电流测量，并且操纵测量以生成逆变器控制信号。逆变器控制信号可以是调制逆变器110中的固态开关(未示出)的信号。这类信号也可以是用于选通包括逆变器110的绝缘栅双极晶体管(IGBT)的桥接器的脉宽调制(PWM)信号。所生成信号还可在功率转换器处于孤立条件时使逆变器110停止起作用或者跳闸。
现在将继续参照图2来论述逆变器控制信号的生成。VFbk和IFbk能够分别提供给解调器块120和122，以便在旋转参考系中提供两个测量VFbk和IFbk的分解信号。在一个方面，解调器120和122可从锁相环(PLL)124接收角信息以生成正交信号，以便产生输入信号VFbk和IFbk的正交分解。VFbk测量可分解为两个正交信号VxFbk和VyFbk，以及IFbk测量可分解为两个正交信号IxFbk和IyFbk。
信号VxFbk和VyFbk能够提供给幅值计算块126，以将VFbk的幅值确定为VregFbk。另外，VxFbk、VyFbk、IxFbk和IyFbk能够提供给VAR计算块128，以将电流和电压的叉积确定为信号VARFbk。信号VyFbk也提供给PLL 124以生成角信息，其由解调器120和122以及解调器132和旋转器144来使用。
测量VdcFbk可从DC参考电压VdcRef(其被提供给逆变器控制器110)中减去，并且差能够提供给DC电压调节器130。将测量L_IFbk提供给解调器132。解调器132与解调器120和122相似地进行操作，其中输入测量L_IFbk能够分解为两个正交信号L_IxFbk和L_IyFbk。L_IxFbk信号从DC电压调节器130的输出减去，并且差能够提供给电流调节器134，其生成命令信号L_VxCmd。电流调节器能够是已知调节器类型的任一个，其中包括但不限于比例(P)、比例积分(PI)、比例积分微分(PID)或者其组合。在一个方面，L_VxCmd可以是净电流调节器134输出或者所有分量输出之和。
继续进行图2，可提供标称电压电流无功(VAR)参考信号。在示例中，标称VAR参考信号可从电力公司来提供，以控制电力网116上的无功功率量。标称VAR参考可与来自反馈回路的信号求和，以生成命令信号VARCmd。VARFbk信号可从VARCmd信号中减去，并且提供给VAR调节器136，以提供另一个命令信号VregCmd。VAR调节器136能够调节将多少功率提供给电力网116。VregFbk信号可从VregCmd信号中减去，并且提供给AC电压调节器138。信号L_IyFbk能够从AC电压调节器的输出中减去，并且提供给电流调节器139。与电流调节器134相似，电流调节器139可具有任何已知类型，并且可生成若干分量信号，例如积分信号或微分信号。电流调节器139的分量信号的一个或多个可与DC电压调节器130的输出、标称电抗器电感和标称电网频率的乘积以及AC电压调节器138的输出和标称电抗器电阻的乘积求和，以产生命令信号L_VyCmd。如这里所述，调节器输出与乘积信号的配合使用可称作调节器前馈。
旋转参考系中的命令信号L_VyCmd和L_VxCmd可提供给旋转器142以生成组合L_VyCmd和L_VxCmd的信号，以便生成非旋转参考系中的命令信号UCmd。命令信号UCmd然后能够提供给调制器144，以生成逆变器控制信号。在调制器144的输出处的逆变器控制信号能够是例如用于选通逆变器108的桥接器的PWM信号。
电流调节器139的分量信号的一个或多个能够提供给滤波器、例如带通滤波器140并且被反馈，以及与标称VAR参考求和，以生成VARCmd信号。实际上，反馈回路能够通过经由带通滤波器140将电流调节器139的分量信号的一个或多个反馈到VAR调节器136来提供。在一个方面，反馈回路可以是正反馈回路。在一个实施例中，在正反馈回路中反馈的电流调节器139的分量信号可以是积分分量。
在一个方面，电流调节器139的分量信号的反馈回路可在孤岛条件存在时扰动逆变器108的输出电力的频率或幅值或者加速其扰动。超出对应预定阈值的逆变器输出信号的频率或幅值的偏差可使调制器144停止生成逆变器控制信号或者生成减小或者基本上停止逆变器108在其输出处输出电力的逆变器控制信号。因此，逆变器的输出电力能够基于功率转换器101中的电压和电流的测量有效地减小。在其它实施例中，电流调节器139的分量信号的反馈回路可经过带通滤波器140反馈到VAR调节器136、AC电压调节器138或者电流调节器139。
应当注意，在多相电力***100中，逆变器控制器110可接收电力***100的每相的测量，并且提供电力***100的每相的控制信号。例如，在三相电力***中，逆变器控制器110可接收DC电压VdcFbk以及与电力***的每相A、B和C对应的第一AC电流L_IFbk_A、L_IFbk_B和L_IFbk_C、AC电压VFbk_A,、VFbk_B和VFbk_C以及第二AC电流IFbk_A、IFbk_B和IFbk_C测量。逆变器控制器110还可生成与每相对应的中间信号，并且提供电力***的每相UCmd_A、UCmd_B和UCmd_C的控制信号。
在其它实施例中，可为逆变器108的每相提供如图2所示的逆变器控制器110。换言之，如果逆变器108提供其中每相具有120°的相对相位的三相电力，则可存在如图2所示的三个独立逆变器控制器110，各控制逆变器108输出的每相。
在其它实施例中，如图2所示的逆变器控制器110可以仅使用单个AC电流测量连同DC电压测量和AC电压测量，以生成逆变器控制信号。在这种情况下，可估计而不是测量第二AC电流信号。
还应当注意，按照本发明的某些实施例，逆变器控制器110的电路拓扑可按照各种方式来修改。例如，在某些实施例中，一个或多个电路组件可消除或者采用等效或接近等效电路元件来替代。另外，在其它实施例中，其它电路元件可添加到或者存在于逆变器控制器110中。
现在参照图3，示出提供逆变器控制信号的示例方法200。方法200能够使用如参照图1和图2所公开的电路、设备和***来实现。在框202，可测量DC电压信号、第一AC电流信号、第二AC电流信号和AC电压信号。如参照图1所述，DC电压可以是在逆变器108的输入所测量的VdcFbk，第一AC电流信号可以是在逆变器108的输出所测量的L_IFbk，第二AC电流信号可以是在AC滤波器112的输出所测量的IFbk，以及AC电压信号可以是在AC滤波器112的输出所测量的VFbk。在框204，可接收标称VAR信号和DC电压参考信号。两个信号、即标称VAR参考和VdcRef可在如图2所示的逆变器控制器来接收。在框206，分量信号可部分基于所测量DC电压信号、第一AC电流信号、第二AC电流信号和AC电压信号以及标称VAR信号来确定。分量信号的确定可对应于参照图2所述的机制。在框208，逆变器控制信号部分基于分量信号来确定。然后在框210，将逆变器控制信号提供给逆变器，以控制逆变器的电力输出。
在框212，确定孤岛条件是否存在。如果孤岛条件存在，则在框214，逆变器控制信号可修改成使得逆变器基本上不输出电力，以及在框210，将所产生控制信号提供给逆变器，以控制逆变器的输出电力。
在一个实施例中，孤岛条件可在逆变器控制器110的调制器块144、例如基于分量信号的值来检测。在一个方面，当孤岛条件存在时，逆变器108输出的频率可被扰动高于上预定阈值或者低于下预定阈值。与标称频率的这种分歧可在逆变器控制器110来检测，之后接着逆变器控制器110按照方法200的框214来修改逆变器控制信号，以基本上减小或停止在逆变器108的输出处输出电力。频率与标称值的偏差以及具体来说超过上阈值或下阈值可通过逆变器控制器110的电流调节器138的分量信号的正反馈回路来实行或加速。换言之，电流调节器138的分量信号、例如积分分量的反馈回路可迫使生成逆变器控制器110的逆变器控制信号的机制将逆变器输出电力的基频推送到超出极限，并且当孤岛条件存在时使逆变器“跳闸”或者基本上停止输出电力。作为一个示例，如果标称基频为60 Hz，则上预定阈值可以是大约63 Hz，以及下确定阈值频率可以是大约57 Hz。
在另一个实施例中，当孤岛条件存在时，逆变器108输出的幅值可被扰动高于上预定阈值或者低于下预定阈值。与标称幅值的这种分歧可在逆变器控制器110来检测，之后接着逆变器控制器110按照方法200的框214来修改逆变器控制信号，以基本上减小或停止在逆变器108的输出处输出电力。幅值与标称值的偏差以及具体来说超过上阈值或下阈值可通过逆变器控制器110的电流调节器138的分量信号的正反馈回路来实行或加速。换言之，电流调节器138的分量信号、例如积分分量的反馈回路可迫使生成逆变器控制器110的逆变器控制信号的机制将逆变器输出电力的幅值推送到超出极限，并且当孤岛条件存在时使逆变器“跳闸”或者基本上停止输出电力。
在又一些实施例中，逆变器输出的频率和幅值可被扰动高于对应上预定阈值或者低于对应下预定阈值。在这种情况下，逆变器108输出的频率或幅值的任一个或两者可部分用来使逆变器“跳闸”。
应当注意，按照本发明的某些实施例，方法200可按照各种方式来修改。例如，在本发明的其它实施例中，方法200的一个或多个操作可消除或者无序运行。另外，按照本发明的其它实施例，其它操作可添加到方法200。
虽然结合当前被认为最实际的内容和各种实施例来描述了本发明的某些实施例，但是要理解，本发明并不局限于所公开的实施例，相反，它意在涵盖包含于所附权利要求的范围之内的各种修改和等效布置。虽然本文中采用具体术语，但是它们仅以一般性和描述性意义来使用，而不是用于限制的目的。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明的某些实施例，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明的某些实施例，包括制作和使用任何装置或***，以及执行任何结合方法。本发明的某些实施例的专利范围通过权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元，则预计它们落入权利要求的范围之内。
Claims (18)
1.一种用于光伏阵列的转换器***，包括：
至少一个电源，提供直流(DC)电力；
逆变器，基于逆变器控制信号来将所述(DC)电力转换成交流(AC)电力；
所述***还接收标称电压电流无功(VAR)参考信号；
多个电流传感器，用于测量：
逆变器输出的第一交流(AC)电流信号，
交流滤波器输出的第二交流(AC)电流信号；
多个电压传感器，用于测量：
逆变器输入的直流(DC)电压信号
交流滤波器输出的交流(AC)电压信号；
以及
逆变器控制器，提供所述逆变器控制信号，所述逆变器控制器包括：
电流调节器，部分基于直流(DC)电压信号、所述交流(AC)电压信号、所述第一交流(AC)电流信号、所述第二交流(AC)电流信号和所述标称电压电流无功(VAR)参考信号来输出至少一个分量信号，
其中所述至少一个分量信号的一个或多个作为改变所述交流(AC)电压信号的幅值和频率的任一个或两者的正反馈来提供，从而在孤岛条件存在时产生控制所述逆变器的电力输出的所述逆变器控制信号。
2.如权利要求1所述的转换器***，还包括所述至少一个分量信号的一个或多个的所述正反馈回路中的滤波器。
3.如权利要求1所述的转换器***，还包括用于确定所述交流(AC)电压信号的相角的锁相环(PLL)。
4.如权利要求3所述的转换器***，还包括用于解调第一交流(AC)电流信号和所述交流(AC)电压信号的至少一个解调器以及用于旋转至少一个信号的至少一个旋转器，
其中将所述相角提供给所述至少一个解调器和所述至少一个旋转器。
5.如权利要求1所述的转换器***，还包括用于计算所述交流(AC)电压的幅值的幅值计算器。
6.一种逆变器控制器，包括：
至少一个输入端子，接收直流(DC)电压信号、第一交流(AC)电流信号、第二交流(AC)电流信号和交流(AC)电压信号；
接收标称电压电流无功(VAR)参考信号；
电流调节器，部分基于所述直流(DC)电压信号、所述第一交流(AC)电流信号、第二交流(AC)电流信号、交流(AC)电压信号和所述标称电压电流无功(VAR)参考信号来输出至少一个分量信号；以及
其中所述至少一个分量信号的一个或多个作为改变所述交流(AC)电压信号的幅值和频率的任一个或两者的反馈来提供，其中所述改变在孤岛条件存在时高于对应预定阈值。
7.如权利要求6所述的逆变器控制器，还包括调制器，所述调制器基于至少所述分量信号来输出控制所述第一交流(AC)电流信号的逆变器控制信号。
8.如权利要求7所述的逆变器控制器，其中，所述逆变器控制信号控制所述逆变器在所述交流(AC)电压的幅值和频率之一的所述改变高于所述对应预定阈值时基本上不输出电力。
9.如权利要求6所述的逆变器控制器，还包括所述至少一个分量信号的一个或多个的正反馈回路中的滤波器。
10.如权利要求6所述的逆变器控制器，还包括用于确定所述交流(AC)电压信号的相角的锁相环(PLL)。
11.如权利要求10所述的逆变器控制器，还包括用于解调信号的至少一个解调器以及用于旋转至少一个信号的至少一个旋转器，
其中将所述AC电压信号的相角提供给所述至少一个解调器和所述至少一个旋转器。
12.如权利要求6所述的逆变器控制器，还包括用于计算所述AC电压的幅值的幅值计算器。
13.一种控制逆变器的方法，包括：
测量直流(DC)电压信号、第一交流(AC)电流信号、第二交流(AC)电流信号和交流(AC)电压信号；
接收标称电压电流无功(VAR)参考信号和DC电压参考信号；
基于所述直流(DC)电压信号、第一交流(AC)电流信号、第二交流(AC)电流信号、所述交流(AC)电压信号、所述标称电压电流无功(VAR)信号和所述DC电压参考信号来确定至少一个分量信号；以及
至少部分基于所述分量信号来确定逆变器控制信号，
其中所述至少一个分量信号的一个或多个作为改变所述交流(AC)电压信号的幅值和频率的任一个或两者的反馈来提供，其中所述改变在孤岛条件存在时高于对应预定阈值。
14.如权利要求13所述的方法，还包括在孤岛条件存在时控制来自所述逆变器的电力输出。
15.如权利要求13所述的方法，还提供多个电流传感器和多个电压传感器，以测量所述直流 (DC)电压信号、第一交流(AC)电流信号、第二交流(AC)电流信号和交流(AC)电压信号。
16.如权利要求13所述的方法，其中，所述至少一个分量信号的一个或多个在正反馈回路中提供。
17.如权利要求16所述的方法，还包括提供所述至少一个分量信号的一个或多个的所述正反馈回路中的滤波器。
18.如权利要求13所述的方法，还提供用于提供所述第一交流(AC)电流信号和所述交流(AC)电压信号其中之一的相角的锁相环(PLL)，并且部分基于所述相角来确定所述逆变器控制信号。
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