CN105144534A

CN105144534A - 逆变器同步

Info

Publication number: CN105144534A
Application number: CN201480023007.3A
Authority: CN
Inventors: 莱安德罗·黛拉弗洛拉
Original assignee: Danfoss Power Electronics AS
Current assignee: Danfoss Power Electronics AS
Priority date: 2013-06-19
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2034-06-10
Also published as: US20160105093A1; US9742260B2; DE112014002899B4; DE112014002899T5; CN105144534B; WO2014203116A1

Abstract

描述了一种启动并网逆变器的方法，其中，减小或避免了涌入电流和直流过电压状况。该方法使用脉宽调制器在电压前馈信号的控制下驱动逆变器，这样使得逆变器输出取决于所测量的电网电压。于是，交流电流反馈控制器被启用并且脉宽调制器用于在电压前馈控制信号和反馈控制信号两者的控制下驱动逆变器。

Description

逆变器同步

发明领域

本发明涉及用于将可再生能源(如太阳能电池板)、有源负载或有源电力滤波器连接到电网上的并网脉宽调制(PWM)逆变器。

发明背景

图1是***的框图，该***总体上用参考数字1指示，该框图示出了本发明力图解决的问题中的某些问题。

***1包括直流电源2、逆变器4、PWM控制器6、并联装置8以及交流电网10。

直流电源2将直流电提供给逆变器4。如本领域中众所周知的，逆变器4能够在PWM控制器6的控制下切换以生成用于供应给电网10的交流电源。提供并联装置8(其可以是开关)以选择地将逆变器4的输出端连接到电网10上。

逆变器4用于通过生成在频率上与电网电压匹配的输出电流来将直流电源2所提供的电能转换成电网10所需要的交流形式，但是那具有取决于如输入电力量、电网电压水平和无功电力设定点等因素的幅值和相位。典型地，逆变器4具有连接到逆变器输入电路上的直流母线电容器组和连接到逆变器输出端的交流滤波器。

逆变器4到电网10的物理连接通过并联装置8实施。该并联装置通常被指示在逆变器启动程序期间将逆变器4与电网10相连接。

取决于在并联装置8的每一侧的电压之间的幅值、相位和频率偏差，在并联装置8闭合的时刻，可能存在涌入电流。逆变器不正确启动的另一个潜在副作用是在从离网到在网操作的过渡期间会有从电网10到逆变器4的暂时反向电力流。这种反向电力流能够导致直流母线电容器过度充电。

在其他场景下，逆变器4可以已经连接到电网10(这样使得并联装置8是闭合的)上，但不能主动地产生任何用于供应给电网的电流或电压。这通常被称为逆变器在“滑行(coast)”或“空闲(idle)”操作模式下，并且从这种空闲模式到运行模式的过渡也能够在交流侧产生涌入电流和/或在直流侧产生过电压。

许多用于使用并联装置将逆变器(如逆变器4)连接到交流电网(如电网10)上的方法是已知的。

在第一方法中，并联装置8在逆变器4启动从而生成输出电压或电流之前是闭合的。这个第一方法没有避免以上概述的涌入电流的问题。这个方法能够扰乱电网电压、对相邻设备造成干扰并且缩短逆变器部件的寿命。

在第二方法中，电网侧电压被监测并且并联装置8在零点交叉是闭合的。由于一旦检测到零点交叉这个并联装置就花费时间响应，这个第二方法没有消除涌入电流。此外，这个方法不适用于同时闭合所有相位的多相并联装置。

在第三方法中，在逆变器侧的电压被主动地测量和控制以最小化与电网侧电压的幅值、相位和频率偏差。该第三方法需要在并联装置两侧都放置电压传感器，这些电压传感器在专用电压反馈控制***中使用，该***被特别设计成用于在使并联装置闭合之前使逆变器侧电压聚集到电网侧电压。除了这种解决方案的成本和复杂性之外，由于电压控制器实质上与逆变器输出滤波器中的高电抗组件一起操作，该第三方法的聚集时间通常是许多电网周期并且存在不稳定性风险或由于逆变器的硬件组件的老化需要重新调谐控制器。

本发明力图解决以上概述的问题中的至少某些问题。

发明概述

本发明提供了一种(例如启动或同步并网逆变器)方法，该方法包括：启用该并网逆变器的一个交流电压前馈控制器；将该交流电压前馈控制器的电压前馈增益设置归一(unity)(例如通过斜升到1)并且使用该交流前馈控制器生成一个前馈控制信号，该前馈控制信号是该电网的测量电压与该电压前馈增益的乘积；在该前馈控制信号的控制下使用一个脉宽调制器驱动该逆变器，这样使得逆变器输出取决于所测量的电网电压；启用一个交流电流前馈控制器；基于该逆变器的测量输出电流使用该交流电流反馈控制器生成一个反馈控制信号；并且在该前馈控制信号和该反馈控制信号两者的控制下使用该脉宽调制器驱动该逆变器。因此，这个方法最先使用该脉宽调制器在电压前馈信号的控制下驱动该逆变器，这样使得逆变器输出依赖于所测量的电网电压并且然后该交流电流反馈控制器被启用，并且该脉宽调制器被用于在该电压前馈控制信号和该反馈控制信号两者的控制下驱动该逆变器。

本发明还提供了一种逆变器(通常是并网逆变器)，该逆变器包括：一个具有电压前馈增益的交流电压前馈控制器，其中，该交流电压前馈控制器被用于生成一个前馈控制信号，该前馈控制信号是该电网的测量电压和该电压前馈增益的乘积；一个交流电流反馈控制器，该交流电流反馈控制器被配置成用于基于该逆变器的测量输出电流生成一个反馈控制信号；以及一个驱动该逆变器的脉宽调制器，其中：当该交流电流反馈控制器被禁用并且该交流电压前馈控制器的电压前馈增益被设置成归一时，该脉宽调制器在该前馈控制信号的控制下驱动该逆变器，这样使得该逆变器输出取决于所测量的电网电压；并且当该交流电流反馈控制器被启用时，该脉宽调制器在该前馈控制信号和该反馈控制信号两者的控制下驱动该逆变器。

因此，所测量的电网电压可以直接用于以前馈方式命令逆变器，其中逆变器电流反馈控制器最初被解除激活但是逐渐被引入用于实现从电压控制操作模式到电流控制操作模式的软过渡。这确保了在并联装置/交流继电器闭合之前，逆变器侧电压在频率上与电网侧电压匹配，由此消除了最初的涌入电流。如以下所描述的，不管逆变器是否在滑行模式下已经连接到电网上，可以应用相同的基本原理。

交流继电器(或某种其他并联装置)可以用于将逆变器连接到电网上。

在该交流继电器最初在一个断开位置的情况下，当该脉宽调制器在该前馈控制信号的控制下正在驱动该逆变器时该交流继电器是闭合的，并且在该交流继电器闭合之后，该交流电流反馈控制器被启用。

在该交流继电器最初是闭合的情况下，当已经使用归一的电压前馈增益启用该交流电压前馈控制器之后，该脉宽调制器可以被启用。在本实施例中，在脉宽调制器已经启动之后，交流电流反馈控制器可以被启动。

在本发明的某些形式中，在交流电流反馈控制器被启用之后，将交流电压前馈控制器的电压前馈增益从归一减小到正常操作值(例如，0.8)。可以通过渐变(ramping)来减小。

可以提供直流母线电压控制器，该控制器被配置成用于调节该逆变器直流母线电压。在本发明的某些形式中，在交流电流反馈控制器已经被启用之后，直流母线电压控制器被启用(虽然这对于本发明的所有形式不是必不可少的：例如，直流母线电压控制器和交流电流反馈控制器可同时被启用)。该直流母线电压控制器可以具有一个较快的第一操作模式和一个较慢的第二操作模式，其中，当该直流母线电压控制器被启用时，该第一操作模式被使用，并且在一段时间之后，该第二操作模式被使用。

因此，该电流控制器可以最初通过所谓的快速直流母线电压调节器被驱动，该直流母线电压调节器被设计成使得直流母线电压在启动序列期间保持被控制。然后，该快速直流母线电压调节器可被慢速电压调节器替换，逆变器的正常操作需要该慢速电压调节器，以确保良好的性能(例如，就电流谐波畸变而言)。

该逆变器可以是单相逆变器。可替代地，该逆变器可以是多相逆变器。闭合这种多相逆变器的交流继电器将通常包括将逆变器的每一相连接到公用电网上。

在本发明的许多形式中，直流电源(如太阳能电池板阵列)可以用于向逆变器提供交流输入。

附图简要说明

现在将参考以下示意图进一步详细地描述本发明，在附图中：

图1是已知的并网逆变器的框图；

图2是根据本发明的一个方面的并网逆变器的框图；以及

图3是示出了根据本发明的一个方面的算法的流程图。

发明详细说明

图2是根据本发明的一个方面的并网逆变器***的框图，以参考数字20概括指示。

***20包括直流电源22(如太阳能电池板阵列)、逆变器24、PWM调制器26、并联装置28以及电网30，这些与以上描述的***10的元件2至10相似。如图2中所示，交流电网30由交流电源32和电感34表示。如以下详细描述的，***20另外包括交流电压前馈控制器36、交流电流反馈控制器38、直流母线电压控制器40和求和器42。

交流电压前馈控制器36基于电网侧电压测量U_g生成逆变器前馈命令U_前馈。在典型的设计中，前馈控制器简单地将所测量的电网电压U_g乘以前馈增益k_ff以提供信号U_前馈。如以下详细描述的，本发明的方法操控前馈增益k_ff以更改电网电压U_g对逆变器24的控制的影响。

交流电流反馈控制器38控制逆变器输出电流I_ac从而与有功电流设定点I_dRef和无功电流设定点I_qRef匹配。交流电流反馈控制器38生成电压反馈命令U_反馈，该命令与电压前馈命令U_前馈结合使用以产生用于逆变器输出级的参考电压U_命令。

直流母线电压控制器40通过调整在如上所述的交流电流反馈控制器38内使用的有功电流设定点I_dRef调节逆变器直流母线电压U_dc以与参考U_dcRef匹配。在典型的设计中，直流母线电压控制器40包含比例积分反馈补偿器(PI控制器)，该反馈补偿器可以被组合到前馈控制上。本算法(如以下详细描述的)提供了第一(快速)控制模式，该第一控制模式被设计成用于在并行过程期间提供快速响应，并且提供了第二(慢速)控制模式，该第二控制模式被设计有特别针对***的正常运行模式的较慢动态响应。该算法使用该第一(快速)直流母线控制模式来避免直流过电压，直至过渡完成。该算法在逆变器进入***的正常运行模式之前逐渐用第二(慢速)直流母线控制模式替换第一(快速)直流母线控制模式。

根据本发明的一个实施例，该第一(快速)直流母线控制模式使用比例增益值k_p来实现，该比例增益值大于在正常在网操作期间使用的比例增益。此外，直流母线电压控制器40可以用数字方式实现并且这样的话执行速率在并行过程期间可以更高以确保最佳控制性能。

以上描述的直流母线电压控制器40表示一种可能的实现方式。可以提供除PI型之外的其他类型的控制器和其他实现方式形式。此外，取决于所使用的特定逆变器24，对具有快速设计和慢速设计的需要也经受变化。控制器被初始化以及确定设定点的形式的方式也经受变化。以下对这个***20及其某些其他可能的变体进行了进一步描述。

在整个控制方案中，逆变器电路24由电压命令U_命令驱动，该电压命令通过PWM调制器26和专用电路变成断开或闭合逆变器电子开关的命令(如本领域中众所周知的)。信号U_命令由求和器42从信号U_反馈和U_前馈的和中生成。

为简化和简洁起见，省略了组成该逆变器控制***的其他功能，如生成直流母线电压调节器40的电压设定点U_dcref的逻辑、产生无功电流设定点I_qRef的无功电力控制器、逆变器保护功能、锁相环等。本领域技术人员将认识到这些特征的许多实现方式。

此外，在启用该算法的时刻，假定已经启动了所有初步例程，如逆变器自检查(如果提供的话)、直流电容器预充电、与直流电源并联，电网状况监测以及锁相环等，从而使得在此描述的本算法的主要功能是确保逆变器以受控方式与交流电网30并联，以便当逆变器之前是或者离网的或者在滑行模式下时，消除涌入电流并且避免直流过电压。

图3是显示了根据本发明的一个方面的算法的流程图，该算法以参考数字100概括指示。

首先，当该算法在步骤S1开始时，逆变器24不在其输出端主动产生任何电压或电流，这意味着PWM调制器26、交流电压前馈控制器36、交流电流反馈控制器38和直流母线电压控制器40没有在执行。

在步骤S2，特定操作模式决定要遵循的同步程序。在逆变器离网的情况下，并联装置28是断开的并且逆变器侧的电压与电网侧的电压不匹配。在这种情况下，该算法移动到步骤S3。在逆变器是在空闲/滑行模式的情况下，该算法移动到以下进一步描述的步骤S14。

在步骤S3，将前馈增益k_ff设置为0。然后，为了建立逆变器侧电压U_m，交流电压前馈控制器36和PWM调制器26被启动(分别在步骤S4和S5)。

在步骤S6至S8，在预先确定的时间量T₁内，前馈增益k_ff逐渐从0增加到1。在那之后，k_ff保持在1，并且在另一预先确定的时间段T₂内计时器被激活(步骤S9)。在这一阶段，由于交流电流反馈控制器38还未被启动，到PWM调制器(U_命令)的输入完全取决于交流电压前馈控制器(U_前馈)。由于k_ff＝1，U_前馈跟随着U_g。因此，逆变器输出受到控制，从而使得其跟随电网电压U_g。

当时间T₂到期时(步骤S10)，发送命令以使交流并联装置28闭合(步骤S11)并且监测并联装置的状态(步骤S12)。当并联装置28闭合时，逆变器输出应与电网电压U_g匹配(因为以上概述的原因)，这样使得避免了涌入电流和直流过电压状况。

一旦检测到并联装置闭合(步骤S13)，该算法移动到步骤S17，其中交流电流反馈控制器38和直流母线电压控制器40(特别是控制器40的快速直流母线电压调节器)被激活(步骤S17至S19)。如以上所描述的，为了控制直流电压以避免直流过电压状况，快速直流母线电压调节器模式在这一阶段被使用。

接着步骤S19，电压前馈增益k_ff在预先确定的时间量T₃内从1斜降(步骤S20和S22)到正常在网操作值(其可能是例如0.7)。如在逆变器的正常操作下所期望的，对PWM调制器(U_命令)的控制输入现在取决于电网侧比例(U_g)和交流电流反馈控制器38的输出比例。

一旦电压前馈增益k_ff已经被降低到正常操作水平，通过在预定义的时间段T₄内从快速到慢速设计斜降比例增益k_p，快速直流母线控制器逐渐被慢速直流母线控制器替换(即“正常模式”直流母线电压控制器)(步骤S23至S25)。

在该比例增益达到其正常设计值之后(针对“正常模式”)，直流稳压器以其正常速率执行(步骤S26)，这推断出同步算法(步骤S27)。

因此，算法100直接用所测量的电网电压U_g以前馈方式命令逆变器，其中逆变器电流反馈控制器38最初被解除激活但是逐渐被引入用于实现从电压控制操作模式到电流控制操作模式的软过渡。这确保了在并联装置28闭合之前，逆变器侧电压在幅值、相位和频率上与电网侧电压匹配，由此消除了初始涌入电流。该电流控制器最初由所谓的快速直流母线电压调节器驱动，该直流母线电压调节器被设计为使得直流母线电压在启动序列期间保持被控制。然后，该快速直流母线电压调节器被慢速电压调节器替换，逆变器的正常操作需要该慢速电压调节器，以确保良好的性能(例如，就电流谐波畸变而言)。如以下所描述的，当逆变器24在滑行模式已经连接到电网30上，可以应用相同的基本原理。

如以上所指出的，在逆变器在滑行模式下操作的情况下，在步骤S2，该算法移动到步骤S14(这样使得实施步骤S14至S16，而不是以上描述的步骤S3至S13)。

在步骤S14，电压前馈增益k_ff被设定为1，并且，在步骤S15，交流电压前馈控制器36被启动。

在步骤S16，PWM调制器26被启动。这是需要的，因为调制器将会在滑行模式下被解除激活。

一旦被激活，PWM调制器26就由控制电压(U_命令)驱动，该控制电压完全取决于电网电压U_g。因此，当PWM调制器被激活时(在步骤S16)，该逆变器被控制，这样使得该逆变器的输出与电网电压U_g匹配。因此，避免了涌入电流和直流过电压状况。

从步骤S16，该算法进行到步骤S17并且步骤S17至S27如以上所描述的那样被实施。

上述本发明的实施例进行许多变化，例如以下：

1.可以在并联装置28的逆变器侧安装传感器以评估例如逆变器与电网侧电压之间的偏差是否低于预定义的阈值，这可以在步骤S11期间用作使并联装置闭合或不闭合的额外条件。算法100与其他已知解决方案之间的区别可以是：如果测量了逆变器侧电压，则反馈控制***不是将该电压用于主动地校正相对于电网侧电压测量值的最终偏差。

2.虽然大多并网PWM逆变器在逆变器电子开关与并联装置之间具有滤波器，这样使得滤波器的逆变器侧的电流被控制，而不是滤波器的电网侧的电流被控制，但是本发明的算法适用于控制滤波器的任一侧的电流。

3.在图2中展示的电网30是由与电感串联的电压源组成的简化模型。然而，在实际安装中，可能有各种各样的设备，例如滤波器、开关、断路器、变压器、负载、电源等。不管与逆变器连接的电网多么复杂，该算法是适用的。

4.如图2中所示的并网PWM逆变器的简化表示在单相或多相逆变器之间不区分；不管逆变器与电网之间的无线连接(相)数量多少，该算法是适用的。本发明同样适用于具有或不具有与电网零线或到接地上的连接的逆变器。

5.在具体实现方式中，交流电压前馈控制器36能够包含滤波器、模数转换器、相位延迟补偿器、变压等，为了简洁，这些都从本发明说明中省略了。本发明的算法将电压前馈增益k_ff定义为表示从测量电网侧电压U_g的点到实际逆变器输出电压U_m的电网频率上的等效环增益，这不考虑在这两点之间***的元件的实际数量和复杂性。

6.在步骤S20至步骤S22，前馈增益逐渐从1渐变到其正常在网设计，但是如果在逆变器并联操作模式中的k_ff值和设定到在网模式的值之间没有差异时，能够跳过这些步骤。

7.如果需要确保逆变器与电网侧电压之间的良好匹配，可以估计并补偿由像逆变器输出滤波器、信号调理电路、采样、数字处理等元素在前馈环中引起的电压降和相位延迟。

8.虽然本发明的优选实施例将直流母线电压控制器40描述为数字实现方式的PI型调节器，但是可替代地，可以使用除PI调节器之外的其他类型的控制方案和其他实现形式。此外，对具有快速和慢速设计的需要不是强制性的，而是取决于特定的逆变器要求。在两种设计都需要的情况下，根据以上描述的本发明的实施例，从快速到慢速控制器的过渡并不是一定要发生的，而是取决于在使用中的控制方案，其存在变化。并且，启动直流母线电压控制器40以及确定其设定点的形式的方式可以变化。

9.快速和慢速母线电压控制器之间的过渡不需要在前馈增益斜降到其正常设计值之后，而是在那之前或是同时的。

10.不是使用快速直流母线电压调节器来避免直流过电压，而是能够在某一阈值启动针对交流电流控制器的主动命令以确保逆变器一旦以物理方式连接到电网上，逆变器就开始输出电力。

11.本发明具有多个实例，其中与在步骤S6至S8和S20至S25相同，在预定义的时间段内增益斜升或斜降；然而，对执行逐渐过渡的需要不是强制性的，而是取决于实际逆变器要求，存在变化。此外，如果需要逐渐过渡，过渡不一定必须以关于时间的渐变形式来实现。

12.步骤S9至S10在并联装置被命令闭合之前实现延迟，但是取决于特定逆变器要求，可以省略这些步骤。

13.在步骤S12至S13，在继续进行到步骤S17之前，检查并联装置的状态；替代性变化不需要检查装置状态而是等待预先确定的时间量，跳过步骤S12和S13或使用其他方式检测连接何时完成。

14.虽然本发明实施例考虑了从直流源变压到交流电网上的能量，但本发明容易地适用于任何类型的并网脉宽调制逆变器，该逆变器在交流端与直流端之间交换电力而不考虑能量流的方向。因此，例如，本发明适用于有源前端整流器和有源电力滤波器。

仅通过示例的方式提供以上描述的本发明实施例。技术人员将认识的是，可以进行各种修改、变化、和替换而不脱离本发明的范围。本发明的权利要求书旨在涵盖如落在本发明的精神和范围内的所有此类修改、变化和替换。

Claims

1.一种方法，包括：

启用一个并网逆变器的一个交流电压前馈控制器；

将该交流电压前馈控制器的电压前馈增益设置归一并且使用该交流前馈控制器生成一个前馈控制信号，该前馈控制信号是该电网的测量电压与该电压前馈增益的乘积；

在该前馈控制信号的控制下使用一个脉宽调制器驱动该逆变器，这样使得逆变器输出取决于所测量的电网电压；

启用一个交流电流前馈控制器；

基于该逆变器的测量输出电流使用该交流电流反馈控制器生成一个反馈控制信号；以及

在该前馈控制信号和该反馈控制信号两者的控制下使用该脉宽调制器驱动该逆变器。

2.如权利要求1所述的方法，其中，使用一个交流继电器将该逆变器连接到该电网上。

3.如权利要求2所述的方法，其中，在该交流继电器最初在一个断开位置上的情况下，当该脉宽调制器在该前馈控制信号的控制下正在驱动该逆变器时该交流继电器是闭合的，并且在该交流继电器闭合之后，该交流电流反馈控制器被启用。

4.如权利要求2或权利要求3所述的方法，其中，在该交流继电器最初是闭合的情况下，在已经使用归一的电压反馈增益启用了该交流电压前馈控制器之后，该脉宽调制器被启用。

5.如任一前述权利要求所述的方法，进一步包括在该交流电流反馈控制器被启用之后，将该交流电压前馈控制器的电压反馈增益从归一降到一个正常操作值。

6.如任一前述权利要求所述的方法，进一步包括一个被配置成用于调节逆变器直流母线电压的直流母线电压控制器。

7.如权利要求6所述的方法，其中，在该交流电流反馈控制器已经被启用之后或与其同时，该直流母线电压控制器被启用。

8.如权利要求6或权利要求7所述的方法，其中，该直流母线电压控制器具有一个较快的第一操作模式和一个较慢的第二操作模式，其中，当该直流母线电压控制器被启用时，该第一操作模式被使用，并且在一段时间之后，该第二操作模式被使用。

9.一种逆变器，包括：

一个具有电压前馈增益的交流电压前馈控制器，其中，该交流前馈控制器用于生成一个前馈控制信号，该前馈控制信号是该电网的测量电压与该电压前馈增益的乘积；

一个交流电流反馈控制器，该交流电流反馈控制器被配置成用于基于该逆变器的测量输出电流生成一个反馈控制信号；以及

一个驱动该逆变器的脉宽调制器，

其中：

当该交流电流反馈控制器被禁用并且该交流电压前馈控制器的电压前馈增益被设置成归一时，该脉宽调制器在该前馈控制信号的控制下驱动该逆变器，这样使得逆变器输出取决于所测量的电网电压；以及

当该交流电流反馈控制器被启用时，该脉宽调制器在该前馈控制信号和该反馈控制信号两者的控制下驱动该逆变器。

10.如权利要求9所示的逆变器，进一步包括一个用于将该逆变器连接到该电网上的交流继电器。

11.如权利要求10所述的逆变器，其中，在该交流继电器最初在一个断开位置上的情况下，当该脉宽调制器在该前馈控制信号的控制下正在驱动该逆变器时该交流继电器是闭合的，并且在该交流继电器闭合之后，该交流电流反馈控制器被启用。

12.如权利要求10或权利要求11所述的逆变器，其中，在该交流继电器最初是闭合的情况下，在已经使用归一电压反馈增益启用了该交流电压前馈控制器之后，该脉宽调制器被启用。

13.如权利要求9至13中任一项所述的逆变器，进一步包括一个被配置成用于调节逆变器直流母线电压的直流母线电压控制器。

14.如权利要求13所述的逆变器，其中，在该交流电流反馈控制器被启用之后或与其同时，该直流母线电压控制器被启用。

15.如权利要求9至14中任一项所述的逆变器，其中，该逆变器是多相逆变器。