逆变器制造技术

在包括缓冲电容器和可控转换电路的用于将直流功率与交流功率相互转换的系统中，所述转换由功率控制量来控制，所述功率控制量反过来取决于保证ＤＣ功率与ＡＣ功率平衡的第一分量以及在所述缓冲电容器的电压波纹的周期中的预定采样点上的指示存储在所述缓冲电容器中能量的变化的第二分量。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术在其一般的方面涉及用于直流(DC)功率和单相交流(AC)功率在两个方向上相互转换的系统。详细地说，本专利技术涉及将太阳能电池或光电池(PV)的DC功率转换成AC功率以便直接供电给电力线配电系统或电网系统，但也适用于在受控整流器应用中将AC功率转换成DC功率。前述类型的系统已为人所知，举例来说美国专利4,494,180，其中负载由同步电机构成。后一种系统包括串联的DC/DC变换电路或变换器、直流链路以及DC/AC逆变电路或逆变器，从而，所述DC链路包括并联的、作为中间临时能量存储元件或缓冲器的电容。DC电源，在本例中为太阳能电池或光电池(PV)阵列，被连接到所述变换器的输入端；负载，在本例中为同步电机，被连接到逆变器的交流输出端，而变换器的输出端则通过前面提到的包括缓冲电容器的DC链路被连接到逆变器的直流输入端。变换器通常用于将DC电源的DC电压电平提升到与驱动AC负载所需的相当的电平。另一个已知的可能性是将DC电源直接连接到逆变器的DC输入端并将产生的AC输出电压通过AC变压器提升到AC负载所需的电平。用哪一种系统与本专利技术无关，而为了说明的需要将会只用前者。单相逆变器的固有问题是它们向负载提供脉动的电能。当电压与电流正弦变化时，所得到的功率为平均DC分量加上两倍AC频率的正弦分量的和，即vac(t)＝Vcos(ωact)(1)并且iac(t)＝Icos(ωact)(2)于是pac(t)=vac(t)·iac(t)]]>=VIcos2(ωact)]]>=VI2(1-cos(2ωact))]]>其中vac(t)为峰值为V、角频率为ωac的时变AC电压，iac(t)为峰值为I的时变AC电流，pac(t)为时变功率。在实际中，电压源逆变器(VSI)由非理想电压源供电；所述电压源可能有较高的阻抗，或包括AC电流或电压分量。比如PV阵列具有输出电压取决于电流的非线性输出特性。因此实际电源提供倍频功率波纹分量的能力是有限的。这个问题显示为逆变器DC端上的电压波纹。这个电压波纹将会以不受欢迎的谐波失真的形式出现在AC输出端。在PV-电网逆变器的情形下的另一个问题会在PV阵列提供波纹功率或部分波纹功率时发生。最大功率点对于给定的一组辐照度和温度条件来说为独特的一组电压、电流及功率。波纹分量意味着操作偏离了最大功率点，因此所述阵列没有转换可能得到的那么多的太阳能。通常，可在逆变器的DC输入端安置大电容以滤除来自电源的波纹，并且大电容也可起到提供倍频功率的能量缓冲器的作用。如果用无限大的电容，电源只提供平均的DC分量。在电容的体积、DC端的电压波纹以及从电源所吸取的功率波纹之间需要进行权衡。如上所述，特别重要的是PV阵列只提供功率的平均DC分量给逆变器的DC链路。如果出现任何电压波纹，那末也会出现电流和功率波纹。如果是这样的情形，那么，所述阵列就没有工作在其最大功率点，从而系统的效率就降低了。本专利技术的目的是使得所述阵列能够工作在固定功率并处在它的最大功率点，没有倍频电压或电流波纹，以及利用在逆变器的输入端的有限的电容来实现这个目的。所述电容的值明显小于传统上所需的用于抑制直流输入端的波纹以及交流输出端的谐波失真的电容值。存在为提供波纹功率的最小能量存储要求，而这个要求来自DC链路的电容。存储在电容中的能量为Edc=12Cdcvdc2---(4)]]>因此使用小的电容会导致大的电压波纹以及比传统上所用的电容的较高的DC电压峰值。根据本专利技术，为逆变器构造了特别的预示功率控制量，这可以是具有功率控制输入以从那里接收功率控制信号以调节提供给负载的AC功率的代表技术发展水平的逆变器，从而，除了保证在由电源提供的DC功率与输送给负载的AC功率之间的DC-AC功率平衡的分量之外，根据本专利技术所述预示控制量还包括指示存储在缓冲电容中的、在某一选定的在缓冲电容上的倍频电压波纹分量周期内的采样时间瞬间的能量变化的分量，与某个预先确定的能量值比较，预示功率控制量可由下式表示pinv21=pdc-facCdc(vref2-vdc12),]]>其中pinv21为在采样周期中提供给逆变器的功率，pdc为DC-DC变换器提供的功率，fac为AC电网系统的频率，Cdc为缓冲电容的容量，vref为参考电压，而vdc1为缓冲电容在采样时刻的电压值，采样时刻可选为波纹电压周期的某一点(相位)，在所述点波纹电压处在其最小、最大或平均值。根据本专利技术，通过利用预示功率控制量这样控制逆变器，可以确保缓冲电容上的波纹电压能保持在预先确定的最小值、预先确定的最大值或预先确定的平均值，并且通过结合在不同采样时间瞬间的前向控制量，可确保波纹电压处在预先确定的范围。下面将通过参考附图来更详尽地描述本专利技术，附图中附图说明图1(a)和图1(b)展示了用于将DC功率转换成AC功率的基本电路配置，参照以上提及的图，每个配置具有DC电源DC-SO、逆变器INV、AC负载AC-LO和相应的变压器TR和变换器CO，如图所示。图2展示了电压源逆变器的示意图，其中有缓冲电容器Cdc、受控开关S1-S4、滤波器Lac和AC负载eac。图3展示了被结合在某个系统中的图2中的逆变器，用以将所述电源DC-SO的DC功率转换为在所述负载eac处的单相AC功率。图4展示了用于图2及图3中的开关的电子电路图。图5展示了图3电路中的、作为相位角θ(单位为度)函数的、在输送给负载的AC电压一个周期中的归一化功率、电压和电流值的示意图。图6展示了对于不同的缓冲电容器的归一化电容值归一化波纹电压的简图。图7和图8展示了在不同功率电平下分别对最小值和最大值进行前向控制的情况下归一化波纹电压的简图。图9展示了图3的实施本专利技术的系统的功能示意图。概括地说，参照图1及图2，逆变器用来将输入DC电压转换成具有受控的幅度及频率的输出AC电压。最常用的拓扑为电压源逆变器(VSI)，如图2所示。现有的许多PV逆变器利用线路变压器来将阵列电压幅度与电网相匹配，如图1(a)所示。这种情况的逆变器的输出通常明显低于电网电压的幅度，而变压器将所述电压提升到电网的电平。另外，由于阵列被直接连接到逆变器的输入端，所以，逆变器控制系统通常会调节PV的功率流量以便从阵列吸取最多的能量。这种技术被称为最大功率点跟踪(MPPT)。当前面连接到DC-DC变换器时，如图1(b)所示，逆变器直接连接到电网，并且其输出幅度接近电网的电压；电网与逆变器频率相同，但在逆变器与电网电压之间有些许的取决于功率流量的相位错位。中间DC-DC变换器的使用能够免除线路变压器的相当多的重量。如果需要隔离，则可使用利用高频变压器的DC-DC变换器电路，而这个变压器明显地小而轻。所述DC-DC变换器通常实现MPPT功能。根据本专利技术提议的方法使用展示在图1(b)中的拓扑利用DC-DC变换器来提供从阵列电平到某个适合于逆变器入网工作的电平的电压提升。在逆变器与DC-DC变换器之间的DC链路则有与传统逆变器相比较小的电容。对于给定的功率吞吐量，脉动功率分量总是相同的，并且将完全由DC电容器供给。然而，由于使用了比传统逆变器明显较小的电容器，便产生了大波纹及高峰值的D本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于直流（ＤＣ）功率与交流（ＡＣ）功率之间相互转换的系统，所述系统包括串联的ＤＣ链路和可控转换电路，所述ＤＣ链路包括缓冲电容器，所述可控转换电路用于ＡＣ与ＤＣ功率之间的转换，从而，所述可控转换电路适合于在输送到其功率控制输入端的功率控制量的控制下实现所述ＡＣ与ＤＣ功率之间的所述转换，其特征在于：除了保证在ＤＣ和ＡＣ功率之间的ＤＣ－ＡＣ功率平衡的分量之外，所述功率控制量还包括预示功率控制分量，所述预示功率控制分量表示存储在缓冲电容器中的能量在缓冲电容器上的倍频电压波纹分量周期内的采样时刻相对于预定的能量值的变化。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：A科特索波洛斯，MAM亨德里西，JL杜雅特，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]