阅读说明：本技术 多功率堆叠逆变器内的交流电最优产出控制 (Optimal output control of alternating current in a multi-power stacked inverter ) 是由 V.马图赖 D.R.戈拉普迪 B.阿尔普塔纳坦 于 2019-06-13 设计创作，主要内容包括：提供了一种用于在逆变器内执行AC最优产出控制的方法,所述逆变器包括：配置成供应DC功率的多个DC功率源,用于将直流电功率转换为要被供应给负载的交流电功率的多个转换器,连接到在DC功率源处的DC互连母线并且配置成提供短路保护的多个短路保护装置,配置成感测在短路保护装置处的循环电流的多个电流传感器,以及控制器。控制器控制转换器并监视经由电流传感器沿DC互连母线感测的循环电流,并且当在DC功率源中的一个DC功率源处发生功率降低时,执行闭环控制电流操作以将沿DC互连母线的循环电流可控制地增加到大于短路保护装置的损坏下限。(A method is provided for performing AC optimal production control within an inverter, the inverter comprising: the system includes a plurality of DC power sources configured to supply DC power, a plurality of converters for converting the DC power to ac electrical power to be supplied to a load, a plurality of short-circuit protection devices connected to a DC interconnect bus at the DC power sources and configured to provide short-circuit protection, a plurality of current sensors configured to sense circulating current at the short-circuit protection devices, and a controller. The controller controls the converter and monitors the circulating current sensed along the DC interconnect bus via the current sensor, and when a power reduction occurs at one of the DC power sources, performs a closed-loop control current operation to controllably increase the circulating current along the DC interconnect bus to greater than a damage lower limit of the short-circuit protection device.)

多功率堆叠逆变器内的交流电最优产出控制

技术领域

本发明一般涉及逆变器。具体地，本发明涉及在互连的DC母线之间部署有无源短路保护的并联堆叠的逆变器的AC最优产出控制。

背景技术

传统的多功率堆叠太阳能逆变器用于将直流电（DC）功率转换成要被供应给商业和住宅使用的交流电（AC）功率。DC功率源可以是太阳能电池组（例如，多个太阳能电池阵列）。多堆叠包括一起操作以产生要被供应的AC功率的多个功率堆叠（例如，功率转换器）。

多功率堆叠的太阳能逆变器通常在互连DC母线之间采用无源短路保护装置。这样的布置的目的是避免特定功率转换器DC母线中的短路情形传播到其他功率转换器的后果。但是在其中互连的DC功率源（例如，PV阵列）不成比例的不确定情况期间，它自然地导致经由无源短路保护装置在互连DC桥之间的不受控制的电流循环。这种情况可能损害短路保护电路本身。因此，这些逆变器将输送的AC功率限制为与从不同DC功率源（例如，PV阵列）提取的最小DC功率成比例。但是，降低功率转换器的额定值以避免这个问题将相继降低产生的最终AC功率。发生的可能性是如此之高，因为环境条件（例如，云）每天可影响PV阵列中的一个或多个。

发明内容

考虑到前面提到的缺陷，需要允许逆变器通过以受控的方式增加经由聚合逆变器内的短路保护装置流动的电流来增加输送的交流电（AC）功率的方法和逆变器。此过程合乎期望地通过使用闭环电流控制操作来同时控制电流，所述闭环电流控制操作可控制地增加但确定性地限制在短路保护装置处的循环电流。以这种方式，由于向逆变器供应DC功率的不同DC源（例如，PV阵列）的功率可用性的不匹配而引起的功率产生的限制在聚合功率转换器级被平衡。

根据一个实施例，提供了一种逆变器。逆变器包括：配置成供应DC功率的多个DC功率源；用来将直流电功率转换为要被供应给负载的交流电功率的多个转换器；连接到在DC功率源处的DC互联母线并且配置成提供短路保护的多个短路保护装置；配置成感测在短路保护装置处的循环电流的多个电流传感器；以及控制器。控制器控制转换器并监视经由电流传感器沿DC互连母线感测的循环电流，并且当在DC功率源中的一个DC功率源处发生功率降低时，执行闭环电流控制操作以可控制地增加沿DC互连母线的循环电流到略小于短路保护装置损坏限制或等于短路保护装置的连续电流额定值，并且从而在系统方法中利用保护电路的连续电流额定值以增加在AC侧输送的最终功率。

前面已经广泛地概述了各种实施例的一些方面和特征，它们应该被解释为仅是本公开的各种潜在应用的说明。通过以不同方式应用所公开的信息或通过组合所公开实施例的各种方面，可获得其他有益结果。因此，除了由权利要求限定的范围之外，通过参考结合附图进行的示范实施例的详细描述，还可获得其他方面和更全面的理解。

本发明还提供如下技术方案：

技术方案1. 一种逆变器，包括：

多个DC功率源，所述多个DC功率源配置成供应DC功率，

多个转换器，所述多个转换器用于将直流电功率转换为要被供应给负载或公用电网的交流电功率，

多个短路保护装置，所述多个短路保护装置连接到在所述多个DC功率源处的DC互连母线，并且配置成提供短路保护，

多个电流传感器，所述多个电流传感器配置成感测在所述短路保护装置处的循环电流，以及

控制器，所述控制器配置成：

（i）控制所述多个转换器并且监视经由所述电流传感器沿所述DC互连母线感测的所述循环电流，以及

（ii）当在所述多个DC功率源中的一个DC功率源处发生功率降低时，执行闭环控制电流操作以将沿所述DC互连母线的所述循环电流可控制地增加到接近等于所述多个短路保护装置的熔丝损坏下限。

技术方案2. 如技术方案1所述的逆变器，其中，使用以下等式来执行对于熔丝损坏限制的计算：

（熔丝损坏限制）

其中I _{ib_max} 是最大循环电流，I _ib12 、I _ib23 和I _ib34 是在所述DC互连母线的相应短路保护装置处感测的电流，其中所述最大循环电流I _{ib_max} 在大于一时意味着所述逆变器已经达到超过所述短路保护装置的所述损坏下限或连续电流额定值。

技术方案3. 如技术方案1所述的逆变器，其中，使用以下等式来执行基于桥间循环电流的剩余AC电流：

其中，I _r 是基于在点I _ib12 、I _ib23 和I _ib34 处测量的最大循环电流的幅度来计算的剩余线路电流，I _limit 是AC电流限制，其中I _load 是被输送到电网的测量的AC电流。

技术方案4. 如技术方案3所述的逆变器，其中，使用以下等式来执行所述闭环电流控制操作：

其中I _{res_t} 是使用如所述等式中给出的闭环控制技术来动态计算的在实例t处的剩余线路电流限制，G是增益控制环并且dT是所述控制器的采样分辨率。

技术方案5. 如技术方案1所述的逆变器，其中，所述多个DC功率源包括多个光伏阵列。

技术方案6. 如技术方案1所述的逆变器，进一步包括：

多个直流电电路断路器，每个所述直流电电路断路器连接在相应DC功率源和所述多个转换器中的转换器的输入之间，以及

多个交流电电路断路器，每个所述交流电电路断路器连接在每个转换器处和在所述多个转换器中的转换器的输出处。

技术方案7. 如技术方案6所述的逆变器，进一步包括线路滤波器，所述线路滤波器具有连接在所述多个转换器中的每个转换器处的保护电路和相应交流电电路断路器，并且配置成在所述转换器的所述输出处从所述交流电功率去除噪声。

技术方案8. 如技术方案7所述的逆变器，进一步包括主交流电系统电路断路器，所述主交流电系统电路断路器与所述多个交流电路断路器连接并且配置成将所述交流电功率直接供应到所述负载。

技术方案9. 如技术方案8所述的逆变器，进一步包括多个电源接口板，每个所述电源接口板对应于所述多个转换器中的相应转换器并且连接在一起以在所述多个转换器和用于控制操作并且监视每个转换器的状态的所述控制器之间对接，所述多个电源接口板各自配置成从所述控制器向多个转换器供应控制信号。

技术方案10. 一种用于在具有多个转换器和对应的短路保护装置的逆变器内执行AC最优产出控制的方法，所述方法包括：

经由多个DC功率源供应DC功率，

经由多个转换器将直流电功率转换为要被供应给负载或公用电网的交流电功率，

经由连接到在所述多个DC功率源处的DC互连母线的多个短路保护装置提供短路保护，

经由多个电流传感器感测沿所述DC互连母线在所述短路保护装置处的循环电流，以及

当在所述多个DC功率源中的一个DC功率源处发生功率降低时，执行闭环控制电流操作以将沿所述DC互连母线的所述循环电流可控制地增加到大于所述多个短路保护装置的损坏下限。

技术方案11. 如技术方案10所述的方法，其中，使用以下等式来执行对于熔丝损坏限制的计算：

（熔丝损坏限制）

其中I _{ib_max} 是最大循环电流，I _ib12 、I _ib23 和I _ib34 是在所述DC互连母线的相应短路保护装置处感测的电流，其中所述最大循环电流I _{ib_max} 在大于一时意味着所述逆变器已经达到超过所述短路保护装置的所述损坏下限或连续电流额定值。

技术方案12. 如技术方案11所述的方法，其中，使用以下等式来执行基于桥间循环电流的剩余AC电流：

其中，I _r 是基于在点I _ib12 、I _ib23 和I _ib34 处测量的最大循环电流的幅度来计算的剩余线路电流，I _limit 是AC电流限制，其中I _load 是被输送到所述公用电网的测量的AC电流。

技术方案13. 如技术方案12所述的方法，其中，使用以下等式来执行所述闭环控制电流操作：

其中I _{res_t} 是使用如所述等式中给出的闭环控制技术来动态计算的在实例t处的剩余线路电流限制，其中G是增益控制环并且dT是所述控制器的采样分辨率。

技术方案14. 如技术方案10所述的方法，进一步包括：

经由在所述多个转换器的所述输出处与多个交流电路断路器连接的主电路断路器，将所述交流电功率直接供应给所述负载。

技术方案15. 如技术方案14所述的方法，进一步包括：

通过从所述控制器向多个转换器供应控制信号，经由多个电源接口板，将所述多个转换器和用于控制操作并且监视每个转换器的状态的所述控制器对接。

技术方案16. 一种逆变器，包括：

多个DC功率源，所述多个DC功率源配置成供应DC功率，

一对并联单级转换器，所述并联单级转换器用于将直流电功率转换为要被供应给负载或公用电网的交流电功率，

短路保护装置，所述短路保护装置连接到在所述多个DC功率源处的DC互连母线，并且配置成提供短路保护，

电流传感器，所述电流传感器配置成感测在所述短路保护装置处的循环电流，以及

控制器，所述控制器配置成：

（i）控制所述一对转换器并且监视经由所述电流传感器沿所述DC互连母线感测的所述循环电流，以及

（ii）当在所述多个DC功率源中的一个DC功率源处发生功率降低时，执行闭环控制电流操作以将沿所述DC互连母线的所述循环电流可控制地增加到大于所述短路保护装置的损坏下限。

附图说明

附图仅用于说明优选的实施例的目的，并且不应被解释为限制本公开。考虑到附图的以下使能描述，本公开的新颖方面对于本领域技术人员应该变得显而易见。本详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标记已经被用于指代本发明的实施例的相似或类似部分。

图1是图示根据本发明的一个或多个实施例的包括多个转换器的逆变器（例如，太阳能逆变器）的示范示意图。

图2是图示AC最优产出控制的示范方法的结果的图表，其中连接到不同DC功率源的图1的聚合逆变器正控制其自身以与可在实施例内实现的其他DC功率源相比优化所输送的AC电流。

图3是图示根据实施例的如图1中所示出的具有多个转换器的逆变器中的AC最优产出控制的示范方法的流程图表。

图4是在其上可实践本发明的实施例的方面的示范计算机系统的框图图示。

具体实施方式

如所要求的，本文中公开了详细的实施例。必须理解的是，所公开的实施例仅仅是各种和备选形式的示范。如本文中所使用的，词语“示范”被广泛使用以指代充当说明、样本、模型或模式的实施例。附图不一定是按比例的，并且一些特征可能被夸大或最小化以示出特定组件的细节。

在其他实例中，没有详细描述对于本领域技术人员已知的公知组件、设备、材料或方法，以便避免模糊本公开。因此，本文中公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅作为权利要求的基础并且作为用于教导本领域技术人员的代表性基础。

如上面所指出的，实施例提供了用于太阳能逆变器（例如单级1500V DC级并联堆叠风冷太阳能逆变器）内的多堆叠转换器的自动功率控制的系统和方法。本发明不限于在特定逆变器内被采用，并且可被改变以适合于其他应用。

图1是图示用于向负载50供应AC功率的太阳能逆变器100的示意图，所述太阳能逆变器100包括光伏（PV）阵列（例如，多个太阳能电池阵列）102A-102D、多个功率转换器110A-110D以及多个DC电路断路器104A-104D。还包括连接到AC电路断路器120A-120D并且向负载50供应AC功率方向的主电路断路器125。

每个PV阵列102A-102D是由具有连接在一起的多个太阳能电池模块并且具有输出功率的太阳能电池串形成的DC功率源。太阳能逆变器100被配置成经由多个转换器110A-110D将由每个PV阵列102A-102D供应的DC功率变换为AC功率。

DC电路断路器104A-104D连接到DC互连母线105，所述DC互连母线105包括用于提供短路保护的多个短路保护装置106A-106C。多个电流传感器107A-107C在每个短路保护电路106A-106C处被提供以测量通过那里的电流。

DC和AC电路断路器104A-104D和120A-120D充当隔离器，用来在故障发生时独立地隔离各个转换器110A-110D以及相关联的组件（例如PV阵列102A-102D和PIB 130A-130B（将在下面被讨论））与剩余的健康转换器110A-110D。

在图1的示范图示中，线路滤波器108被连接在每个转换器110A-110D和相应AC电路断路器120A-120B之间。线路滤波器108是从相应转换器110A-110D的线路上的AC电流去除噪声的低通滤波器。

多个转换器110A-110D内的逆变器被配置成基本上是同样的，包括相同的组件。每个转换器110A-110D包括例如绝缘栅双极型晶体管的半导体器件。根据实施例，转换器110A-110D是DC到AC转换器，虽然本发明并不如此限制。

转换器110A-110D可以是适合于本文中阐述的目的的任何类型的转换器。虽然图1图示了单级四个并联堆叠的DC桥间短路保护转换器，本发明不限于此并且可包括任何特定数量和/或类型的转换器110A-110D，所述转换器110A-110D包括对应的短路保护装置106A-106C（例如熔丝）。

太阳能逆变器100进一步包括多个电源接口板（PIB）130A-130D。每个PIB 130A-130D对应于相应转换器110A-110D并且连接到控制器150。此布置被配置成控制和监视每个转换器110A-110D的状态。

PIB 130A-130D被配置成在接收到时将控制信号从控制器150供应给相应转换器110A-110D。

根据本发明的示范实施例，如图2和图3中所示出的，控制器150是具有双核中央处理单元（CPU）和要连接到PIB 130A-130D的多个以太网端口的集成功率电子输入/输出（I/O）控制器。然而，本发明不限于集成功率电子I/O控制器。

在图1中，在正常操作期间，DC断路器104A-104D被闭合并且PV阵列102A-102D直接向转换器110A-110D供应DC功率。DC功率在转换器110A-110D处被转换并且噪声经由每个线路滤波器108被去除。AC电路断路器120A-120D与主AC电路断路器125一起被闭合，以允许AC功率被供应给负载50（例如，公用电网）。

如果例如由于减弱的天气条件，要从PV阵列102A-102D供应的DC功率在PV阵列102A-102D中的任何一个PV阵列处降低，则控制器150被配置成控制在短路保护装置106A-106C处检测到的电流。此控制经由电流传感器107A-107C通过闭环控制技术发生，以基于短路保护装置106A-106C的连续电流额定值来限制循环电流。通过优化电流，可增加供应给负载50的总的AC功率，而与由PV阵列102A-102D中的一个或多个PV阵列生成的DC功率的降低无关。

控制器150被配置成根据以下示范表达式来执行闭环电流控制操作：

（熔丝损坏限制）

其中，I _{ib_max} 是最大循环电流，I _ib12 是在电流传感器107A处感测的电流，I _ib23 是在电流传感器107B处感测的电流，并且I _ib34 是在电流传感器107C处感测的电流。最大循环电流I _{ib_max} 小于短路保护装置106A-106C的熔丝损坏限制，

其中I _r 是按比例放大到测量的最大桥间循环电流的聚合逆变器的剩余负载电流，

其中I_res是闭环AC剩余电流计算技术，其将在此方法中被部署以使电流限制功能性是动态的，但是电流允许功能性被滤波，以避免生成的负载电流中的波动。

如图2中所示出的，示范图表200图示了AC最优产出控制的方法的示例。在图2的示例中，图1的逆变器的DC功率源102C（PV源3）与如图1中所示出的其他DC功率源102A、102B和102D（PV源1、PV源2和PV源4）相比，生成更少的功率，并且控制技术确定性地允许电流在点204和304经由短路保护装置106B和106C从102A、102B和102D（PV源1、PV源2和PV源4）流到102C（PV源3）。

如所示出的，当在DC功率源102C处功率的可用性相对较小时，控制器150将DC电流输入在点202增加到2240安培（A），直到在电流传感器107A、107B和107C（如图1所描绘的）处的电流在点204达到180A的设定点值。在控制器150不执行循环电流的最优产出控制的情况下，DC电流将被限制为在点302示出的2100A，而在母线105处的电流在点304达到180A的设定点值。

图3是图示了如图1中所描绘的具有多个转换器的逆变器中的AC最优产出控制的示范方法300的流程图。在图3中，方法300在操作310开始经由多个DC功率源供应DC功率。在操作320，多个转换器将DC功率转换成要被供应给负载的AC电流功率。在操作330，经由连接到在多个DC功率源处的DC互连母线的多个短路保护装置提供短路保护。

在操作340，方法300通过经由多个电流传感器感测沿DC互连母线在短路保护装置处的循环电流而继续。在操作350，当在多个DC功率源中一个DC功率源处发生功率降低时，执行闭环控制电流操作被执行以将沿DC互连母线的循环电流可控制地增加到几乎等于多个的短路保护装置的损坏限制。可使用上面提到的等式来执行由控制器执行的闭环控制电流操作。

图4示出了计算机控制器400的框图，在所述计算机控制器400上可实现本发明的方面，诸如图3的步骤350。计算机控制器400包括具有特定结构的处理器402。通过存储在包括在其中的存储器404中的指令和/或通过可由处理器402从存储介质418获取的指令420将特定结构赋予处理器402。

如所示出的，存储介质418可与控制器400共置，或者它可位于别处并且通信地耦合到控制器400。控制器400可以是独立的可编程系统，或者它可以是位于大得多的系统中的可编程模块。例如，控制器400可被集成，即，被嵌入在电路内。

控制器400可包括配置成获取、解码、执行、存储、分析、分发、评估、诊断和/或分类信息的一个或多个硬件和/或软件组件。此外，控制器400可包括I/O模块414，所述I/O模块414配置成与诸如变频驱动的驱动器控制器模块和/或开关矩阵或旁路模块的多个远程装置对接。

处理器402可包括一个或多个处理装置或核（未示出）。在一些实施例中，处理器402可以是各自具有一个或多个核的多个处理器。处理器402可配置成执行从存储器404（即从存储器块412、存储器块410、存储器块408或电流控制模块406中的一个）获取的指令，或者可从存储介质418或从经由通信接口416连接到控制器400的远程装置获取指令。

本发明提供了增加在逆变器中产生的总AC功率的优点，并且还避免了在其中在DC功率源中的一个DC功率源处功率可能被降低的某些环境条件期间的短路保护组件的损坏。

本书面描述使用示例以公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践发明，包括制作和使用任何装置或设备以及执行任何合并的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求的字面语言无不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这样的其他示例意图在权利要求的范围内。

部件列表

图1

50 负载

100 逆变器

102A PV阵列

102B PV阵列

102C PV阵列

102D PV阵列

104A 电路断路器

104B 电路断路器

104C 电路断路器

104D 电路断路器

105 互连母线

106A 保护装置

106B 保护装置

106C 保护装置

107A 电流传感器

107B 电流传感器

107C 电流传感器

108 滤波器

110A 转换器

110B 转换器

110C 转换器

110D 转换器

120A 电路断路器

120B 电路断路器

120C 电路断路器

120D 电路断路器

125 断路器

130A PIB

130B PIB

130C PIB

130D PIB

150 控制器

图2

200 点

202 点

204 点

302 点

304 点

图3

310 操作

320 操作

330 操作

340 操作

350 操作

图4

400 控制器

402 处理器

404 存储器

406 模块

408 存储器块

410 存储器块

412 存储器块

414 I/O模块

416 通信接口

418 存储设备

420 指令