CN102326310A

CN102326310A - 用于并网过渡的功率逆变器控制

Info

Publication number: CN102326310A
Application number: CN2009801569996A
Authority: CN
Inventors: 于大川; M·S·依林达拉; O·M·阿尔克霍利
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2012-01-18
Also published as: US8068352B2; WO2010080431A3; JP2012513187A; DE112009003738T5; WO2010080431A2; US20100157634A1

Abstract

公开了一种用于功率逆变器(140)的控制系统。所述功率逆变器被耦合到接触器(180)，所述接触器(180)被配置为连接电网(190)和去连接电网(190)。所述控制系统包括多个输出电压传感器(172-175)和多个输出电流传感器(182-185)。一旦连接所述电网，所述输出电压传感器被配置为测量在所述接触器处的至少两个线路电压，所述输出电流传感器被配置为测量在所述接触器处的至少两个线路电流。所述控制系统还包括控制器(200)，其被连接到所述输出电压传感器和输出电流传感器。所述控制器被配置为确定用于所述功率逆变器的输出电压的目标幅值和目标频率。所述控制器还被配置为基于所述目标幅值和所述目标频率确定多个功率晶体管切换脉冲。所述控制系统还包括接口电路(210)，其被连接到所述控制器和所述功率逆变器。所述接口电路被配置为向所述功率逆变器提供所述功率晶体管切换脉冲。

Description

用于并网过渡的功率逆变器控制

技术领域

本申请涉及用于并网(grid-tie)过渡的功率逆变器控制，更具体而言，涉及用于并网过渡的反孤岛功率逆变器控制。

背景技术

功率系统包括诸如光电DC功率源或燃料电池DC功率源的分布式功率源以向分布式电力实体提供电力。通常在功率源与负载之间使用功率逆变器(inverter)以使电力适于电力使用。例如，功率系统可包括将DC电力转变为3相AC电力的3相逆变器模块。该3相AC电力被提供到负载。

电力通常并行驱动两种类型的负载：与分布式功率源处的本地负载相关的内部临界负载，以及在各实体之间分布的电网负载。电网负载通过输出接触器被连接到功率逆变器。当连接电网负载时，功率逆变器称为工作在“并网”模式，当去连接电网负载时，功率逆变器称为工作在“孤立”模式。例如，当在电力传输线上出现短路问题时，电网负载被去连接，由功率源供应的负载将仅仅是内部临界负载。

在“并网”模式和“孤立”模式期间，功率逆变器的操作有很大不同。因此，当电网负载被突然去连接(例如，由于电力线短路)时，功率逆变器的控制从一个操作模式跳到另一操作模式。这样的从“并网”模式到“孤立”模式的非平滑过渡典型地称为“孤岛”条件。常规地，为了维持功率逆变器的操作，必须为两个模式单独配置两个单独的功率控制器。例如，在连接电网负载时一个控制器操作在“并网”模式，而当去连接电网负载时另一个控制器接管并操作在孤立模式。然而，两个功率控制器之间的切换会造成各种问题。例如，会造成电压跌落，电压跌落会使得诸如可变频率驱动(VFD)的敏感本地负载停机。

在Ichinose等的美国专利6,304,468(’468专利)中描述了一种被设计为防止在两个操作模式之间的过渡期间的过电流的功率转换器系统。在’468专利中描述的功率转换器系统包括将负载连接到功率系统的电路断路器。当闭合电路断路器时，功率转换器从自换向操作改变到电网连接操作。’468专利描述了将功率转换器的输出电压的相位转换到系统电压的相位的功率转换控制器。特别地，功率转换控制器使用电路断路器的系统侧的电压来调整转换器系统的输出相位。根据’468专利，当输出相位与系统电压的相位一致时，电路断路器会被闭合。

虽然在’468专利中描述的功率转换器系统对于进行在两个操作模式之间的过渡是有效的，但却是不理想的。例如，在’468专利中描述的功率转换器系统不够有鲁棒性(robust)，这是由于其不具有有效的孤岛检测和防止功能。因此，当孤岛条件出现时，在从电网连接操作到自转向操作的过渡期间会出现电压跌落。结果，诸如VFD的本地负载会因电压跌落而停机，由此使功率系统不起作用。

此外，可由三个参数，幅度、频率以及相位来表征AC电压。虽然’468专利的功率转换控制器将转换器输出电压的相位匹配到系统电压，但不能有效地匹配这两个电压的幅度和频率。由于该附加的原因，在’468专利中描述的功率转换器系统不能实现平滑的并网过渡。

所公开的功率逆变器控制系统和方法旨在克服上述一个或多个问题。

发明内容

在一个方面，本公开涉及一种用于功率逆变器的控制系统。所述功率逆变器被配置为向电网供给功率。所述控制系统包括被配置为测量所述功率逆变器的输出线路电压和输出线路电流的多个输出电压传感器和多个输出电流传感器。所述控制系统还包括耦合到所述功率逆变器的控制器。所述控制器被配置为向所述功率逆变器提供与干扰频率相关的控制信号。所述控制器还被配置为基于所述输出线路电压和输出线路电流确定所述功率逆变器的输出功率，并确定由所述干扰频率造成的所述输出功率的振荡幅值。所述控制器还被配置为如果所述振荡的幅值低于阈值则检测出孤岛条件。所述控制系统还包括接口电路，所述接口电路耦合到所述控制器，并被配置为如果检测到孤岛条件便将所述电网与所述功率逆变器去连接。

在另一方面，本公开涉及一种用于功率逆变器的控制方法。所述功率逆变器被配置为向电网供给功率。所述控制方法包括向所述功率逆变器提供与干扰频率相关的控制信号，以及确定所述功率逆变器的输出功率中的振荡的幅值，其中所述振荡由所述干扰频率造成。所述控制方法还包括如果所述振荡的幅值低于阈值则检测出孤岛条件。所述控制方法还包括如果检测到所述孤岛条件便将所述电网与所述功率逆变器去连接。

附图说明

图1示例了根据本公开的实施例的具有用于功率逆变器的控制系统的示例性功率系统；

图2示例了根据本公开的实施例的示例性控制器；

图3提供了示例根据本公开的实施例的示例功率逆变器控制过程的流程图；

图4提供了根据本公开的实施例的在图2中公开的控制器的示例性反馈控制方案；以及

图5提供了示例根据本公开的实施例的示例最大点功率跟踪过程的流程图。

具体实施方式

图1示例了根据本公开的实施例的具有用于功率逆变器的控制系统的示例性功率系统100。功率系统100包括诸如燃料电池功率源110和光伏功率源120的一个或多个功率源、输入接触器130、功率逆变器140、输出LC滤波器150、线路变压器160、临界负载170、输出接触器180以及电网190。可通过控制系统来控制功率系统100的操作，该控制系统包括各种电压和电流传感器(例如，电压传感器171-175以及电流传感器181-185)、控制器200以及将控制器200耦合到功率系统100的一个或多个部件和该各种电压和电流传感器的接口电路210。

功率系统100转换由一个或多个功率源提供的功率并将该功率供给到连接到该系统的负载。根据本公开，一个或多个功率源向功率系统100提供DC功率。在一些实施例中，功率系统100可将可再生功率源与传统基于燃料的功率源，例如，柴油发电机，进行组合。在一些其他实施例中，功率系统100还组合几个可再生功率源，例如，燃料电池功率源110和光伏功率源120。可设想在功率系统100中并入任何其他适宜的DC功率源。

输入接触器130为可以远程开启和关闭的电路断路器。当闭合输入断路器130时，功率源120和110被连接到功率系统100，以便DC功率被供给到功率系统100。否则，当输入接触器130打开时，功率源110和120与功率系统100去连接，从而功率系统100停机。

当输入接触器130闭合时，功率逆变器140被配置为将由功率源110和120提供的DC功率转换到符合负载需要的AC功率。例如，功率逆变器140提供AC电压和/或电流输出以驱动临界负载170和/或电网190。可设想功率系统100可包括多于一个的功率逆变器。多个功率逆变器被并联连接，并且每一个逆变器被配置为转换DC功率的一部分。

功率逆变器140具有至少一个相位，并且每个相位包括至少一个功率晶体管。例如，如图1所示，功率逆变器140具有三个相位和六个功率晶体管，以便将DC功率转换为三相AC功率。每个功率晶体管通过对应的栅极驱动电路被打开和关闭。出于示例的目的，在本公开中示出并讨论了IGBT。然而，可设想所公开的系统和方法可被应用于其他适宜的功率晶体管，包括但不限于，BJT、达林顿(darlington)器件以及MOSFET。

可以根据诸如脉宽调制(PWM)的切换方案切换功率晶体管以调制由功率逆变器140输出的电压。在一些实施例中，控制器200通过接口电路210被耦合到功率逆变器140以将栅极驱动信号提供到功率晶体管。

输出LC滤波器150被配置为滤波功率逆变器140的AC输出。例如，负载希望特定频率的AC电压，而功率逆变器140的AC输出通常包含其他频率的谐波和/或噪声。输出LC滤波器150可被配置为在将AC电压供给到负载之前滤除这些谐波和/或噪声。在一些实施例中，输出LC滤波器150具有与功率逆变器140相同数目的相。每个相包括一个或多个电感(通常标示为“L”)和一个或多个电容(通常标示为“C”)。

功率系统100还包括线路变压器160以将AC电压调整到希望的水平。线路变压器160被电耦合到输出LC滤波器150。在一些实施例中，线路变压器160具有与功率逆变器140和输出LC滤波器150相同数目的相。每个相包括电感性耦合的绕线的主绕组和次级绕组，并被配置为将来自主AC电压的二级感应AC电压缩放一个因子，该因子等于在其各自的绕组中的线的匝数的比例。例如，线路变压器160可具有1∶2的缩放因子，以便190伏的电压被升高至380伏。在一些实施例中，如果功率逆变器140的输出电压具有希望的水平，则可略去线路变压器160。

可通过功率系统100驱动两种类型的负载。一种类型的负载为临界负载170，该负载为与功率系统100相关的本地负载。临界负载170的实例包括例如在功率源110和120处的电阻器、电感器以及电容器。另一类型的负载为电网190，该负载为在各实体之间远程分布的负载。电网190的实例包括例如，在各种家庭、工厂、机关设施、分布式电站以及分布式功率源处的消耗性电子装置。当功率源被作为电网190连接到功率系统100时，其可作为将功率反馈回功率系统100的发电机而不是功率消耗者。

在一些实施例中，电网190通过输出接触器180被连接到功率系统100。与输入接触器130相似，输出接触器180为可以远程开启和关闭的电路断路器。在一些实施例中，输出接触器180具有与功率逆变器140和输出LC滤波器150相同数目的相，并且每个相包括电路断路器。当闭合输出接触器180时，电网190被连接到功率系统100。因此，功率逆变器140工作在“并网”操作模式以将AC功率供给到临界负载170和电网190二者。否则，当输出接触器180打开时，电网190从功率系统100去连接。因此，功率逆变器140工作在“孤立”操作模式下，以将AC功率仅仅供给到临界负载170。电网190还可以由于除了输出接触器180的物理切换之外的原因而被去连接。例如，在电网190或传输线路处出现的短路。在这些情况下，出现孤岛条件，功率逆变器140的操作被立即调整到“孤立”模式，以便保护功率系统100。

与临界负载170相比，电网190的负载显著更高。因此，两个操作模式之间的改变会显著改变功率系统100的功率需要。即，“并网”操作模式和“孤立”操作模式彼此不同。此外，在“并网”操作模式期间，功率流量由两个电压源之间的相位和电压差决定。因此，如果两个操作模式之间的过渡不是平滑的，则会出现影响功率系统100的可靠性和效率的各种问题。

可以包括控制系统以避免或减轻这些过渡问题。如图1所示，控制系统包括各种电压和电流传感器(例如，电压传感器171-175，以及电流传感器181-185)、控制器200以及将控制器200耦合到功率系统100的一个或多个部件和各种电压和电流传感器的接口电路210。可设想控制系统可包括除图1示出的部件之外的多个部件。

电压传感器171可以是配置为测量输入接触器130附近的DC输入电压的DC电压传感器。相似地，电流传感器181为配置为测量输入接触器130附近的DC输入电流的DC电流传感器。电压传感器172-175为被配置为测量AC线路电压的AC电压传感器。例如，电压传感器172和173测量在输出LC滤波器150处的线路电压，以及电压传感器174和175测量在线路变压器160之后的点处的线路电压。根据本公开，AC线路电压为两个AC功率线之间的电压，其中每个功率线对应于电压的相。例如，电压传感器174测量在相“a”和相“b”之间的线路电压，电压传感器175测量在相“b”和相“c”之间的线路电压。相应地，电流传感器182-185为配置为测量AC线路电流的AC电流传感器。根据本公开，AC线路电流为通过AC功率线的电流。例如，电流传感器182和184分别测量在输出LC滤波器150和线路变压器160处的相“a”的线路电流。

通过诸如数据链路的通信线路和接口电路210将电压和电流测量传送到控制器200。接口电路210包括操作为与功率系统100的各种部件、电压传感器和电流传感器以及控制器200通信的一个或多个电路板。在一些实施例中，接口电路210包括诸如网卡、无线收发机的一个或多个通信装置或任何用于提供控制器200与其他部件之间的通信接口的装置。例如，接口电路210可以从电压和电流传感器171-175和181-185收集测量结果。作为另一实例，接口电路210可以向功率逆变器140中的IGBT的栅极提供由控制器200确定的切换信号。接口电路210还向输入接触器130和输出接触器180发送控制信号以远程开启和关闭二者。

控制器200还通过接口电路210耦合到功率系统100的各种部件。控制器200被配置为当电网190突然去连接时检查孤岛条件并立即从“并网”模式过渡到“孤立”模式。控制器200还在过渡期间向功率逆变器140提供控制信号。例如，控制器200被配置为确定功率逆变器140的输出电压的目标幅度和目标频率。控制器200还被配置为基于该目标幅度和目标频率确定多个功率晶体管切换脉冲。

图2示例出根据本公开的实施例的示例性控制器200。控制器200可以包括用于收集、分析、监视、存储、报告、分析、优化和/或通讯数据的任何装置。例如，控制器200包括中央处理单元(CPU)210、随机存取存储器(RAM)202、只读存储器(ROM)203、存储装置(204)、数据库205以及用户接口206。在一些实施例中，接口电路210被包括作为控制器200的内部部件。控制器200可被配置为执行并运行软件程序，该程序收集、分析、存储、传送、组织和/或监视与功率系统100有关的各种数据。

CPU 201包括执行指令并处理数据以进行与功率系统100有关的一个或多个处理的一个或多个处理器。例如，CPU 201执行使控制器200从一个或多个电压传感器171-175和电流传感器181-185请求和/或接收电压和电流测量的软件。基于收集的电压和电流测量，CPU 201计算功率逆变器140的输出功率，并确定是否已经出现孤岛条件。例如，CPU 201可检测输出功率的震荡的量。在孤岛条件的情况下，CPU 201确定控制信号以调整功率逆变器140的操作。例如，CPU 201计算由功率源110和120供给的DC功率输入，并计算临界负载170和电网190要求的AC功率输出。CPU 201然后计算用于功率逆变器140的输出电压的目标幅值和目标频率，以便供给符合要求。CPU 201还可执行诸如功率宽度调制器(PWM)的软件工具以基于目标幅值和目标频率确定功率晶体管切换脉冲。

根据一个实施例，存储装置204包括大容量传媒装置(mass mediadevice)，该装置可操作为存储CPU 201所需的任何类型的信息以进行与功率系统100有关的控制处理。例如，存储装置204可存储与功率系统100有关的收集的DC和AC电压和电流。存储装置204包括诸如硬盘驱动器、CD-ROM、DVD-ROM、USB闪存驱动器的一个或多个磁或光盘装置或任何其他类型的大容量传媒装置。

数据库205包括在一个或多个存储器装置上存储的数据集合。数据库205包括CPU201使用的数据。例如，数据库205包括收集的电压和电流、逆变器输出电压的确定的目标幅值和频率、以及用于驱动功率晶体管的切换脉冲信息。

用户接口206包括允许用户输入或存取在控制器200中存储的信息的硬件和/或软件部件。用户接口206包括允许外部用户输入控制指令的图形用户接口(GUI)。例如，外部用户可以指示将电网190连接到功率系统100或将电网190与功率系统100去连接。用户接口206还允许用户监视功率系统100的操作。例如，用户接口206包括数据存取接口，该接口允许外部用户向诸如计算机、PDA、诊断工具的外部系统或任何其他类型的外部数据装置存取、配置、存储和/或下载信息。此外，用户接口206允许用户存取和/或拒绝由CPU 201做出的控制决定。

图3提供了示例根据本公开的实施例的示例性功率逆变器控制过程300的流程图。功率逆变器控制过程300在输入接触器130闭合并且功率系统100开启时开始。控制器200确定是否接收到连接电网190的指令(步骤301)。例如，用户可通过用户接口206输入指令。

如果接收到指令(步骤301：是)，控制器200被配置为在接触器180闭合之前同步功率逆变器140与电网190(步骤302)。在一些实施例中，控制器200计算在临界负载170处的AC功率并根据计算的功率与参考功率之间的差来调整功率逆变器140处的输出线路电压。例如，为了调整输出线路电压，控制器200可提供切换脉冲以驱动功率逆变器140的功率晶体管。在同步功率逆变器140与电网190之后，控制器200发送控制信号以闭合输出接触器180(步骤303)。

在输出接触器180被闭合之后，控制器200将“并网”模式控制应用于功率逆变器140(步骤304)。例如，控制器200计算用于功率逆变器140的输出电压的目标幅值(“|Vinv|”)和目标频率(“finv”)，以便由功率源110和120提供的DC功率输入匹配临界负载170和电网190所要求的AC功率输出。在一些实施例中，控制器200使用两个单独反馈环路来得出目标幅值和目标频率。将通过图4描述反馈控制方案的细节。控制器200还确定功率晶体管切换脉冲并通过接口电路210将该切换脉冲提供到功率逆变器140。

除了通常的“并网”模式控制之外，控制器200向功率逆变器140的目标电压频率加入干扰频率(步骤305)。在一些实施例中，正弦干扰频率被加入到目标电压频率。根据本公开，将干扰频率选择为在闭环控制系统的带宽内。当连接电网190时，由功率逆变器140传送的输出功率围绕电网190和临界负载170的希望的功率振荡。在一些实施例中，干扰频率的幅值极小以将功率振荡保持在可接受的水平。然而，当孤岛条件出现并且负载和功率逆变器140相匹配时，由于负载仅仅从功率逆变器140提取固定量的功率，因此功率逆变器140的输出功率不能振荡。因此，可以基于输出功率中的振荡的幅值来检测孤岛条件。

在步骤306中，控制器200连续地从线路变压器160附近的电压传感器174和175和电流传感器184和185接收AC电压和电流测量。电压传感器174测量相“a”与相“b”之间的线路电压(“Vtab”)，以及电压传感器175测量相“b”与相“c”之间的线路电压(“Vtbc”)。相应地，电流传感器184和185分别测量相“a”的线路电流(“Ita”)和相“c”的线路电流(“Itc”)。

基于电压和电流测量，控制器200计算有功功率P(步骤307)。在DC电路中，电压和电流波形处于在每个周期的相同瞬时改变极性的相位。因此，DC功率总是呈现实数值。不同于DC功率，AC功率依赖于系统负载的特性而呈现复数值。例如，存在电抗性负载(例如，具有电容器或电感器)时，负载中的能量存储导致电流与电压波形之间的时间差。功率的可做功的部分(即，复数值的实部)称为有功功率(也称为实际功率)，而功率的在负载处不做功的部分称为无功功率(即，复数值的虚部)。根据本公开，控制器200基于步骤305中的电压和电流测量来计算复数AC功率。在步骤307中，控制器200采用复数功率的实部作为有功功率P。

由于在步骤304中加入的干扰，有功功率P包括振荡。在步骤308中，检测振荡的幅值。在一些实施例中，带通滤波器(BPF)被应用于计算的有功功率P，并且通过幅值检测器来检测经滤波的有功功率的振荡的幅值。孤岛逻辑被应用到经检测的幅值(步骤309)。例如，使用孤岛逻辑确定振荡的幅值是否低于阈值。在一些实施例中，阈值为由用户选择的名义值(nominal value)。基于孤岛逻辑，控制器200确定是否已经出现孤岛条件(步骤310)。例如，如果幅值低于阈值，则检测到孤岛条件(步骤310：是)。相应地，控制器200打开输出接触器180以保护功率系统100(步骤311)。否则，如果没有检测到孤岛条件(步骤310：否)，控制器200继续将“并网”模式控制施加到功率逆变器140(步骤304)。

图4提供了根据本公开的实施例的在图2中公开的控制器200的示例性反馈控制方案400。反馈控制方案400可用来检测孤岛条件，并得出用于“并网”操作和“孤立”操作二者的逆变器电压幅值(“|V|”)和逆变器电压频率(“fv”)。图4示出的反馈控制方案400包括分别用于|V|和fv的两个反馈环路。

反馈控制方案400包括开关421-425。每个开关具有两个切换状态：上位置(“1位置”)和下位置(“0位置”)。切换一个或多个开关421-425使反馈控制方案400适应于两个不同的操作模式：“孤立”操作模式和“并网”操作模式。根据本公开，在“孤立”操作期间，电网190与功率系统100去连接。相应地，开关421-425均处于下位置。在“孤立”操作模式下，|V|被设定为在判定节点(decision node)407处的名义幅值|Vnom|，这是因为到判定节点407的其他两个输入(来自积分器405和低通滤波器(LPF)406)均为0。相似地，fv被设定为在判定节点413处的名义频率。

当接收到连接电网190的指令时，开关424被切换到上位置，并且开关421-423和425保持在下位置。相应地，在闭合开关421-423和425之外，同步功率逆变器140。可通过P计算器402基于在临界负载170处测量的线路电压Vtab和Vtbc以及线路电流Ita和Itc计算有功功率P。在比较节点409，比较经计算的有功功率P与参考有功功率P^＊。可使用MPPT工具确定参考有功功率P^＊。参考图5描述示例性MPPT处理。在比较节点409处计算P和P^＊的差动功率(differential power)。根据本公开，差动功率为测量的功率与参考功率之间的差。例如，在比较节点409处计算的差动功率为计算的有功功率P与参考有功功率P^＊之间的差。差动功率通过频率下垂环路。

作为频率下垂操作的第一步骤，差动功率被提供到比例控制器410，该比例控制器410被配置为放大差动功率。作为第二步骤，放大的差动功率被提供到低通滤波器(LPF)412。LPF 412被配置为滤除差动功率中的高频分量。例如，滤除噪声。滤波的差动功率被发送到判定节点413，节点413用于确定逆变器输出电压的目标频率fv。由于开关421和开关422保持在下位置，判定节点407保持输出名义幅值|Vnom|作为逆变器输出电压|Vinv|的目标幅值。

在闭合输出接触器180之后，开关421-425都被切换到上位置。相应地，功率逆变器140工作在“并网”操作模式。可通过Q计算器401基于测量的线路电压Vtab和Vtbc和线路电流Ita和Itc来计算无功功率Q。在比较节点402处，比较计算的无功功率与确定的参考无功功率Q^＊。在比较节点402处计算Q和Q^＊的差动功率。差动功率可以以并行方式通过频率下垂环路和积分环路。在电压下垂环路期间，差动功率被供给到比例控制器404，该比例控制器放大这个差。放大的差然后被LPF 406过滤。使用低通滤波器406有助于在“孤立”和“并网”操作模式之间无缝地过渡。

在一些实施例中，可以包括有积分环路以减少稳态误差。在积分环路期间，差动功率首先被调整器403调整。在一些实施例中，如果差动功率大于0，调整器403输出0.1而无论差动功率的实际值。如果差动功率低于0，则调整器403输出-0.1如果差动功率为0，调整器输出0。可设想，调整器403可被设计为具有不同的设定值。可设想调整器403为本领域公知的任何类型的调整器。调整的差动功率被供给到积分器405。积分器405计算调整的差动功率的积分。由低通滤波器406滤波的差动功率和由积分器405积分的差动功率均被发送到判定节点407。判定节点407被配置为确定逆变器输出电压的目标幅值|V|。

另一方面，与无功功率相似，通过P计算器408计算有功功率P，以及在比较节点409处确定计算的有功功率P和参考有功功率P^＊的差动功率。在“并网”操作模式下，有功功率P和参考有功功率P^＊的差通过频率下垂环路(包括比例控制器410和LPF 412)。除了频率下垂环路之外，由于开关423在上位置，差动功率还通过附加积分环路。同样，包括积分环路以减小稳态误差。在积分环路期间，差动功率被供给到积分器411。积分器411计算差动功率的积分。

由LPF 412滤波的差动功率和由积分器411积分的差动功率均被发送到判定节点413，在判定节点413处确定功率逆变器140的输出电压的目标频率。在“并网”操作模式期间，还包括干扰产生器414以向判定节点413提供干扰频率。干扰频率可被添加到目标频率上。在一些实施例中，干扰频率为正弦干扰频率。该干扰频率信号被设计为在闭环反馈控制方案400的带宽内，以便可以在有功功率P中产生相当量的振荡。

根据一个实施例，当多于一个的功率逆变器被包括在功率系统100中时，可对功率逆变器使用多个干扰产生器。在该情况下，可以同步干扰的相位以防止与不同的功率逆变器有关的振荡彼此抵消。

开关425当被切换到上位置时接触抗孤岛控制环路。抗孤岛控制环路被配置为基于有功功率P中的振荡的幅值检测孤岛条件。在一些实施例中，通过带通滤波器(BPF)415滤波计算的有功功率P。根据一些实施例，由用户基于干扰频率和闭环反馈控制方案400的带宽来设定BPF 415的通带。例如，通带被设计为使得滤波的有功功率基本上包括由干扰频率产生的振荡。滤波的有功功率被传送到检测振荡的幅值的幅值检测器416。

检测的幅值被发送到孤岛逻辑块417。在一些实施例中，孤岛逻辑块417将阈值(“T”)应用于幅值。例如，如果幅值高于T，孤岛逻辑块417输出1，否则，孤岛逻辑块417输出0。孤岛逻辑块417的输出被发送到接口电路210。在一些实施例中，“0”输出表示孤岛条件出现，并相应地触发接口电路210以打开输出接触器180。一旦输出接触器180被物理打开，开关412-425被切换到下位置。即，反馈控制方案400返回到“孤立”操作模式。

在二个操作模式(即，“孤立”和“并网”)下，由无功功率环路确定的|V|和由有功功率环路确定的fv被输出到脉宽调制器(PWM)450。在一些实施例中，逆变器电压的目标初始相位也被输入到PWM 450。例如，0的初始相位被输入到PWM 450。根据本公开，PWM基于希望的逆变器电压幅值|V|、逆变器电压频率fv以及初始电压相位来得出IGBT切换脉冲。得出的切换脉冲通过接口电路210而被提供到功率逆变器140中的每个IGBT的栅极。

可使用各种算法来确定在反馈控制方案400中使用的参考有功功率P^＊。根据本公开，可使用最大点功率跟踪(MPPT)方案。MPPT方案最大程度地利用由功率源110和120提供的DC功率输入。图5提供了根据本公开的实施例的示例性MPPT处理500的流程图。MPPT处理500在参考有功功率P被初始化时开始(步骤501)。例如，P^＊被初始化为0。控制器200周期地请求DC电压测量和DC电流测量(步骤502)。例如，通过电压传感器171测量DC电压V_DC，以及通过电流传感器181测量DC电流。根据本公开，每个周期地测量的DC电压V_DC被临时地存储在RAM202中或数据库205中。

控制器200基于测量的DC电压和DC电流计算DC功率(步骤503)。例如，DC功率被计算为DC电压和DC电流的积。根据本公开，每个周期地计算的DC功率被临时地存储在RAM 202中或数据库205中。在步骤504中，将当前的DC功率值P_DC(k)与最近期存储的值P_DC(k-1)相比较。如果P_DC(k)＞P_DC(k-1)(步骤504：是)，MPPT处理进行到步骤505。在步骤505，控制器200计算导数dp。例如，dp被确定为P_DC(k)与P_DC(k-1)之间的差。然后用dp更新参考有功功率P^＊(步骤506)。例如，通过将dp加到最近期的值P^＊(k-1)来确定P^＊的当前值P^＊(k)。根据本公开，每个周期性更新的P^＊被临时存储。

如果P_DC(k)≤P_DC(k-1)(步骤504：否)，控制器200比较DC电压的当前测量与最近期的测量(步骤507)。如果V_DC(k)＞V_DC(k-1)(步骤507：是)，控制器200将导数dp和导数dv二者设定到0(步骤508)。MPPT处理500然后返回到步骤502以测量下一DC电压和DC电流。否则，如果V_DC(k)≤V_DC(k-1)(步骤507：否)，控制器200计算导数dv。例如，dv被确定为V_DC(k)与V_DC(k-1)之间的差。在步骤509中，然后用dv代替dp更新参考有功功率P^＊。例如，通过从最近期的值P^＊(k-1)减去dv来确定当前值P^＊(k)。在步骤509之后，参考有功功率P^＊(k-1)、P_DC(k)以及V_DC(k)的历史值被更新(步骤510)。例如，将使用P^＊(k)、P_DC(k)以及V_DC(k)的当前值代替旧的值。在步骤510之后，MPPT处理500返回到步骤502以测量下一DC电压和DC电流。重复迭代步骤502-510直到找到DC功率的峰值。

工业适用性

虽然关于“孤立”操作模式与“并网”操作模式之间的过渡而描述了公开的实施例，但公开的实施例还可以应用于其中可靠的功率逆变器控制是需要的或是有益的任何应用。例如，公开的实施例可以应用于在功率系统100中出现任何改变时的无缝过渡，例如，电网190处的增加/减小的负载、在电网190处添加/去除功率源、功率源110和120的添加/去除等等。

特别地，公开的用于功率逆变器140的控制系统包括被配置为测量线路电压的多个电压传感器172-175和被配置为测量功率系统100的输出线路电流的多个电流传感器182-185。控制系统还包括耦合到功率逆变器140的控制器200。控制器200被配置为向功率逆变器140提供与干扰频率有关的控制信号。控制器200还被配置为基于输出线路电压和输出线路电流确定功率逆变器140的输出功率，并确定由干扰频率造成的输出功率的振荡的幅值。控制器200还被配置为如果振荡的幅值低于阈值则检测出孤岛条件。该公开的系统还包括耦合到控制器200并被配置为如果检测出孤岛条件便将功率逆变器140与电网190去连接的接口电路210。

根据本公开的所公开的实施例，公开的功率逆变器控制系统改善了功率系统100的可靠性和鲁棒性。例如，使用图3示出的功率逆变器控制处理300和图4示例的反馈控制方案400，公开的控制系统可以在电网190突然去连接时有效地检测到孤岛条件。一旦检测出孤岛条件，控制系统从“并网”控制模式过渡到“孤立”控制模式。此外，公开的控制系统确定用于功率逆变器140的输出电压的适宜的目标幅值和目标频率。结果，可以切换功率逆变器140的功率晶体管以便输出电压符合负载需要。因此，在从“并网”操作模式过渡到“孤立”操作模式期间不会出现电压跌落。结果，避免了诸如本地负载停机的问题，由此增强了功率系统100的可靠性。

对本领域的技术人员显而易见的是，可以在不背离本发明的范围的情况下，对公开的功率逆变控制系统进行各种修改和变化。通过考虑本公开的说明和实践，本公开的其他实施例对本领域的技术人员是显而易见的。希望仅仅将说明书和实例考虑为示例性的，而本公开的真实范围由下列权利要求及其等价物指出。

Claims

1.一种用于功率逆变器(140)的控制系统，其中所述功率逆变器被耦合到接触器(180)，所述接触器(180)被配置为连接电网(190)和去连接电网(190)，所述控制系统包括：

多个输出电压传感器(172-175)和多个输出电流传感器(182-185)，其中所述输出电压传感器被配置为一旦所述被电网连接，测量在所述接触器处的至少两个线路电压，所述输出电流传感器被配置为，一旦所述被电网连接，测量在所述接触器处的至少两个线路电流；

控制器(200)，被连接到所述输出电压传感器和输出电流传感器，所述控制器被配置为：

确定用于所述功率逆变器的输出电压的目标幅值和目标频率；以及

基于所述目标幅值和所述目标频率确定多个功率晶体管切换脉冲；以及

接口电路(210)，被连接到所述控制器和所述功率逆变器，所述接口电路被配置为向所述功率逆变器提供所述功率晶体管切换脉冲。

2.根据权利要求1的控制系统，其中所述控制器还被配置为在接收到连接所述电网的指令之后以及在所述电网被连接之前同步所述功率逆变器与所述电网。

3.根据权利要求1的控制系统，其中所述功率逆变器还被连接到至少一个功率源(110或120)，其中所述功率源向所述功率逆变器提供DC功率。

4.根据权利要求3的控制系统，其中所述控制系统还包括：

被配置为测量由所述功率源供给的DC电压的输入电压传感器(171)和被配置为测量由所述功率源供给的DC电流的输入电流传感器(181)，

其中所述控制器还被配置为基于所述DC电压和所述DC电流确定参考有功功率。

5.根据权利要求4的控制系统，其中所述控制器被配置为确定所述目标频率包括：所述控制器被配置为：

基于所述线路电压和所述线路电流计算有功功率；以及

使用反馈控制环路匹配所述有功功率与所述参考有功功率。

6.根据权利要求1的控制系统，其中所述控制器被配置确定所述目标幅值包括：所述控制器被控制为：

使用功率因子修正来确定参考无功功率；

基于线路电压和所述线路电流计算无功功率；以及

使用反馈控制环路匹配所述无功功率与所述参考无功功率。

7.一种用于功率逆变器(140)的控制方法，其中所述功率逆变器被耦合到接触器(180)，所述接触器(180)被配置为连接电网(190)和去连接电网(190)，所述控制方法包括：

一旦所述电网被连接，测量在所述接触器处的至少两个线路电压和至少两个线路电流；

确定用于所述功率逆变器的输出电压的目标幅值和目标频率；

向所述功率逆变器提供所述功率晶体管切换脉冲。

8.根据权利要求7的控制方法，其中所述控制方法还包括：

测量由功率源向所述功率逆变器提供的DC电压和DC电流；以及

基于所述DC电压和所述DC电流确定参考有功功率。

9.根据权利要求8的控制方法，其中确定所述目标频率包括：

基于所述线路电压和所述线路电流计算有功功率；以及

使用反馈控制环路匹配所述有功功率与所述参考有功功率，

其中所述反馈控制环路包括积分环路和功率下垂环路，其中所述功率下垂环路包括低通滤波器(412)。

10.根据权利要求7的控制方法，其中确定所述目标幅值包括：

基于所述线路电压和所述线路电流计算无功功率；以及

使用反馈控制环路匹配所述无功功率与参考无功功率，

其中所述反馈控制环路包括积分环路和功率下垂环路，其中所述功率下垂环路包括低通滤波器(406)。