用于檢測并網(wǎng)逆變器中的孤島效應(yīng)條件的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】一種并網(wǎng)逆變器，包括功率電路和與功率電路耦接的控制電路。該功率電路具有用于耦接到DC電源的輸入端和用于耦接到AC電網(wǎng)的輸出端。該控制電路被配置成在不關(guān)閉功率電路的情況下第一次擾動功率電路的AC輸出電流并檢測功率電路的AC輸出電壓的第一變化，第二次擾動功率電路的AC輸出電流并且檢測功率電路的AC輸出電壓的第二變化，并且響應(yīng)于至少檢測到AC輸出電壓的第一變化和AC輸出電壓的第二變化而關(guān)閉功率電路。還公開了示例實(shí)施方式和控制并網(wǎng)逆變器的相關(guān)方法。
【專利說明】用于檢測并網(wǎng)逆變器中的孤島效應(yīng)條件的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及用于檢測并網(wǎng)逆變器中的孤島效應(yīng)條件的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]本章節(jié)提供與本公開相關(guān)的、不一定是現(xiàn)有技術(shù)的背景信息。
[0003]電逆變器是將直流(DC)電轉(zhuǎn)換為交流(AC)電的裝置。被設(shè)計(jì)用于耦接到AC電網(wǎng)的逆變器通常被稱為并網(wǎng)逆變器?！肮聧u效應(yīng)”指的是如下條件:即使不再存在來自電業(yè)網(wǎng)絡(luò)的電力，并網(wǎng)逆變器仍繼續(xù)向某位置供電。孤島效應(yīng)對公用事業(yè)公司的工人是危險的，這些工人可能沒有意識到電路依然被供電，并且孤島效應(yīng)可能阻止裝置的自動重連。出于這些以及其他原因，并網(wǎng)逆變器通常包括用于檢測孤島效應(yīng)條件并且用于在檢測到孤島效應(yīng)條件時將逆變器與它們的負(fù)載(和電業(yè)網(wǎng)絡(luò))斷開的控制電路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本章節(jié)提供本公開的一般概述，并非是其全部范圍或其全部特征的全面公開。
[0005]根據(jù)本公開的一個方面，一種并網(wǎng)逆變器，其包括功率電路和與功率電路耦接的控制電路。該功率電路具有用于耦接到DC電源的輸入端和用于耦接到AC電網(wǎng)的輸出端。該控制電路被配置成，在不關(guān)閉功率電路的情況下，第一次擾動功率電路的AC輸出電流并檢測功率電路的AC輸出電壓的第一變化，第二次擾動功率電路的AC輸出電流并且檢測功率電路的AC輸出電壓的第二變化,并且響應(yīng)于至少檢測到AC輸出電壓的第一變化和AC輸出電壓的第二變化而關(guān)閉功率電路。
[0006]根據(jù)本公開的另一方面，公開了一種控制包括功率電路的并網(wǎng)逆變器的方法。該方法包括:在不關(guān)閉功率電路的情況下，第一次擾動功率電路的AC輸出電流，檢測功率電路的AC輸出電壓的第一變化，第二次擾動功率電路的AC輸出電流，檢測功率電路的AC輸出電壓的第二變化，以及響應(yīng)于至少檢測到AC輸出電壓的第一變化和AC輸出電壓的第二變化而關(guān)閉功率電路。
[0007]根據(jù)這里提供的描述，其他應(yīng)用方面和領(lǐng)域?qū)⒆兊们宄?。?yīng)當(dāng)理解，本公開的各個方面可以單獨(dú)實(shí)施或者與一個或更多個其他方面組合地實(shí)施。還應(yīng)當(dāng)理解，這里的描述和具體示例僅出于說明的目的，并非意在限制本公開的范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]這里描述的附圖僅出于說明所選實(shí)施方式而非所有可能的實(shí)現(xiàn)方案的目的，并且并非意在限制本公開的范圍。
[0009]圖1是根據(jù)本公開的一個示例實(shí)施方式的逆變器的框圖，該逆變器包括用于檢測指示孤島效應(yīng)條件的AC輸出電壓的變化的控制電路。
[0010]圖2不出了當(dāng)圖1的負(fù)載不與AC電網(wǎng)連接時的AC輸出電流和AC輸出電壓的不例波形。[0011]圖3示出了當(dāng)圖1的負(fù)載與AC電網(wǎng)連接時的AC輸出電流和AC輸出電壓的示例波形。
[0012]圖4是根據(jù)另一個示例實(shí)施方式的逆變器的框圖，該逆變器包括用于檢測指示孤島效應(yīng)條件的AC輸出電壓的變化的控制電路。
[0013]圖5是示出根據(jù)另一個示例實(shí)施方式的包括檢測例程和驗(yàn)證例程的、用于檢測可能的孤島效應(yīng)條件的示例例程的流程圖。
[0014]圖6A、6B示出了通過無源方法檢測到的來自具有孤島效應(yīng)條件的3.5kW逆變器的AC輸出電流的示例波形。
[0015]圖7A和7B示出了通過無源方法檢測到的來自具有孤島效應(yīng)條件的5kW逆變器的AC輸出電流的示例波形。
[0016]圖8A-8C示出了通過有源方法檢測到的來自具有孤島效應(yīng)條件的3.5kW逆變器的AC輸出電流的示例波形。
[0017]圖9A-9C示出了通過有源方法檢測到的來自具有孤島效應(yīng)條件的5kW逆變器的AC輸出電流的示例波形。
[0018]在若干附圖中相應(yīng)的附圖標(biāo)記指示相應(yīng)的部分或特征。
【具體實(shí)施方式】
[0019]現(xiàn)將參照附圖更 全面地描述示例實(shí)施方式。
[0020]示例實(shí)施方式被提供使得本公開將是全面的，并且將其范圍完整地傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。大量具體細(xì)節(jié)被闡述，諸如特定組件、裝置和方法的示例，以提供本公開的實(shí)施方式的全面理解。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯見的是，不需要使用具體細(xì)節(jié)，示例實(shí)施方式可以以許多不同形式實(shí)施，并且這些都不應(yīng)當(dāng)被解釋成為對本公開的限制。在一些示例實(shí)施方式中，沒有詳細(xì)描述公知的處理、公知的裝置結(jié)構(gòu)和公知的技術(shù)。
[0021]這里使用的術(shù)語僅出于描述特定示例實(shí)施方式的目的，而非意在成為限制。除非上下文清晰地指出其他情況，否則如這里使用的單數(shù)形式“一個(a、an)”和“該(the)”也可以旨在包括復(fù)數(shù)形式。術(shù)語“包括(comprises)”^包括(comprising)”^包含”和“具有”是內(nèi)含性的，并且因此指明所陳述的特征、整體、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但并未排除一個或更多個其他的特征、整體、步驟、操作、元件、組件和/或其群組的存在或添加。除非具體標(biāo)記為執(zhí)行的順序，否則這里描述的方法的步驟、處理和操作不應(yīng)被解釋為必須要求以討論的或示出的特定順序執(zhí)行它們。還應(yīng)理解，可以使用額外的或替選的步驟。
[0022]雖然這里可能使用術(shù)語第一、第二、第三等描述各種元件、組件、區(qū)域、層和/或部分，但是這些元件、組件、區(qū)域、層和/或部分不受這些術(shù)語的限制。這些術(shù)語可以僅用于將一個元件、組件、區(qū)域、層或部分與另一個元件、組件、區(qū)域、層或部分區(qū)分開來。除非上下文清楚地指示，否則這里使用的諸如“第一”、“第二”的術(shù)語和其他數(shù)字術(shù)語并非意味著順序或次序。因此，在不偏離示例實(shí)施方式的教導(dǎo)的情況下，下面討論的第一元件、組件、區(qū)域、層或部分可以被稱為第二元件、組件、區(qū)域、層或部分。
[0023]這里可能使用空間關(guān)系術(shù)語，諸如“內(nèi)”、“外”、“下方”、“下面”、“下”、“上面”、“上”
等，用于易于描述如圖中示出的一個元件或特征與其他元件或特征的關(guān)系?？臻g關(guān)系術(shù)語可以旨在涵蓋除了圖中所示取向以外的、在使用或操作中的裝置的不同取向。例如，如果圖中的裝置被倒轉(zhuǎn)，則被描述為在其他元件或特征“下面”或“下方”的元件將被取向?yàn)樵谄渌蛱卣鳌吧厦妗?。因此，示例術(shù)語“下面”可以涵蓋上面和下面兩者的取向。裝置可能被另外取向(旋轉(zhuǎn)90度或在其他取向上)并且據(jù)此解釋這里使用的空間關(guān)系描述符。
[0024]在圖1中示出了并且通常由附圖標(biāo)記100指示根據(jù)本公開的一個示例實(shí)施方式的并網(wǎng)逆變器。如圖1所示，逆變器100包括功率電路102和耦接到功率電路102的控制電路104。功率電路102具有用于耦接到DC電源120的輸入端106和用于耦接到AC電網(wǎng)110的輸出端108。
[0025]控制電路104在不關(guān)閉功率電路102的情況下擾動功率電路102的AC輸出電流并且然后檢測功率電路102的AC輸出電壓的變化?？刂齐娐?04然后再次擾動AC輸出電流并且然后再次檢測AC輸出電壓的變化。
[0026]響應(yīng)于檢測到AC輸出電壓的初始變化和AC輸出電壓的后續(xù)變化，控制電路104關(guān)閉功率電路102。替選地，在檢測到AC輸出電壓的兩個以上的變化后關(guān)閉功率電路102。例如，在一些實(shí)施方式中，控制電路104可以在檢測到AC輸出電壓的三個變化、AC輸出電壓的四個變化等以后關(guān)閉功率電路102。
[0027]檢測到的AC輸出電壓的變化可能是孤島效應(yīng)條件的指示。在一些實(shí)施方式中，如果檢測到的變化大于或等于該變化之前的AC輸出電壓的限定值，則檢測到的變化是孤島效應(yīng)條件的指示。該限定值可以是大約百分之四、小于百分之四、大于百分之四等，并且在一些條件下，基于AC輸出電流的擾動。
[0028]例如，圖2示出了當(dāng)電網(wǎng)110與負(fù)載112斷開時的、擾動的AC輸出電流和得到的AC輸出電壓的示例波形。如圖2所示，AC輸出電流的變化產(chǎn)生AC輸出電壓的成正比的變化(由附圖標(biāo)記122指示)。因此，AC輸出電壓的變化(例如，在擾動AC輸出電流之前的AC輸出電壓和AC輸出電流被擾動時的AC輸出電壓之間的變化河能大于限定值。如上所述，這可能指示孤島效應(yīng)條件。
[0029]在其他情況下，檢測到的AC輸出電壓的變化可能是假陽性。例如，檢測到的AC輸出電壓的變化可能不是孤島效應(yīng)條件，相反可能是由于包括例如電力線下垂(sag)(例如節(jié)電等)、失真等的電網(wǎng)動態(tài)條件和/或電網(wǎng)參數(shù)產(chǎn)生的。通過這種方式，基于檢測到的AC輸出電壓的變化的一個實(shí)例來指示孤島效應(yīng)條件可能是不可靠的。
[0030]例如，圖3示出了對AC輸出電壓的影響最小的擾動的AC輸出電流的示例波形。這可能是因?yàn)殡娋W(wǎng)110 (如果連接到負(fù)載112)向負(fù)載112提供足夠的電力來抵消(由電流調(diào)節(jié)引起的)電力的暫時變化，使用多個逆變器來抵消電力的暫時變化等。
[0031]回來參照圖1，為了驗(yàn)證檢測到的AC輸出電壓的變化是孤島效應(yīng)條件，控制電路104至少再一次擾動AC輸出電流并且然后再次檢測AC輸出電壓。如果AC輸出電壓的后續(xù)變化大于限定值，則孤島效應(yīng)條件被驗(yàn)證。以這種方式，控制電路104驗(yàn)證AC輸出電壓的初始變化是孤島效應(yīng)條件。
[0032]另外，雖然本公開描述了一次驗(yàn)證檢測到的AC輸出電壓的變化，但是應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離本公開的范圍的情況下，該驗(yàn)證可以進(jìn)行不止一次。
[0033]在圖1的示例中，控制電路104可以僅在AC輸出電壓的初始變化大于或等于初始變化前的AC輸出電壓的限定值(如上所述)時在后續(xù)時間擾動功率電路102的AC輸出電流。例如，在擾動AC輸出電流以后，AC輸出電壓從240VAC變化到220VAC。AC輸出電壓的該20VAC的變化大約是240VAC的8.3%，并且因而大于百分之四的限定值。因而，在該示例中，控制電路104將在后續(xù)時間擾動功率電路102的AC輸出電流。
[0034]響應(yīng)于驗(yàn)證孤島效應(yīng)條件(例如檢測到AC輸出電壓的至少一個后續(xù)的變化)，控制電路104關(guān)閉功率電路102。功率電路102可以以任何合適的方式被關(guān)閉。例如，如圖1所示，功率電路102可以包括一個或更多個功率開關(guān)118，并且控制電路104可以向功率開關(guān)118提供具有占空周期的信號?？刂齐娐?04可以通過將占空周期設(shè)定為零來關(guān)閉功率電路 102。
[0035]AC輸出電流的擾動和AC輸出電壓的變化的后續(xù)檢測可以被稱作阻抗測量。
[0036]控制電路104可以通過減少AC輸出電流或增加AC輸出電流來擾動AC輸出電流。例如通過改變控制電路102內(nèi)的電流基準(zhǔn)，其接著改變AC輸出電流，可以實(shí)現(xiàn)擾動。AC輸出電流的擾動可以持續(xù)任何期望的時間。例如，該擾動可能持續(xù)大約一個AC周期、小于一個AC周期或者大于一個AC周期的間隔。
[0037]AC輸出電流的擾動可能引起AC輸出電壓的相似變化。在不關(guān)閉功率電路102的情況下AC輸出電壓的變化被控制電路104檢測到。在一些示例實(shí)施方式中，當(dāng)AC輸出電流被擾動時，可以在大約一個AC周期內(nèi)檢測到AC輸出電壓的變化，包括當(dāng)AC輸出電流被擾動時，小于一個AC周期、精確的一個AC周期或者大于一個AC周期。出于這個目的，可以在擾動之后的AC輸出電壓周期期間的特定時刻(諸如負(fù)峰值、正峰值等)對AC輸出電壓進(jìn)行采樣，或者替換地，在擾動之后的AC輸出電壓周期期間對AC輸出電壓進(jìn)行多次采樣并且對樣本取平均。無論采用什么方法，可以將AC輸出電壓的變化與擾動前的AC輸出電壓值進(jìn)行比較以檢測AC輸出電壓的變化。
[0038]為了檢測變化，可以在AC輸出電流擾動的整個期間內(nèi)對AC輸出電壓進(jìn)行感測、測量等，或者在該期間內(nèi)對AC輸出電壓進(jìn)行一次或更多次感測、測量等。另外，可以通過使用任何合適的度量，諸如峰值電壓、平均電壓、均方根(rms)等，對AC輸出電壓進(jìn)行感測、測量
坐寸ο
[0039]例如，控制電路104可以對擾動AC輸出電流之前的AC輸出電壓進(jìn)行感測、測量等并且然后在AC輸出電流擾動期間對AC輸出電壓進(jìn)行感測、測量等。然后控制電路104可以比較這兩個值來檢測AC輸出電壓的變化。
[0040]在圖1的示例中，功率電路102可以經(jīng)由繼電器114耦接到負(fù)載112。在一些實(shí)施方式中，響應(yīng)于AC輸出電壓的后續(xù)變化，控制電路104可以斷開繼電器114。以這種方式，一旦孤島效應(yīng)條件被驗(yàn)證，則可以將功率電路102從負(fù)載112斷開。替選地，繼電器114可以響應(yīng)于關(guān)閉功率電路102 (如上所述)而斷開。例如，在功率電路102關(guān)閉后，AC輸出電力開始減少。在AC電力的一個或更多個參數(shù)(例如電壓幅度、頻率等)落在操作的限定范圍以外后，繼電器114可以斷開。這樣，可以將功率電路102從負(fù)載112斷開。
[0041]繼電器114可以是任何合適的繼電器，包括例如電磁繼電器等。另外，雖然圖1示出了繼電器114與功率電路102分離，但是繼電器也可以在功率電路102內(nèi)部。
[0042]另外，在圖1的示例中，DC電源120可以包括例如分布式發(fā)電(DG)源或者任何其他合適的DC電源。DG源可以包括一個或更多個分布的能量源，包括例如太陽能電源、風(fēng)能電源等。
[0043]另外，在圖1的示例中，逆變器100經(jīng)由繼電器114電耦接到AC電網(wǎng)110。以這種方式，當(dāng)繼電器114被接通時，圖1的逆變器100是并網(wǎng)逆變器。
[0044]如圖1所示，功率電路102的輸出端108經(jīng)由繼電器114耦接到負(fù)載112(例如寫字樓、住宅等)。以這種方式，負(fù)載112可以從AC電網(wǎng)110和/或功率電路102接收AC電力。雖然圖1的示例中示出了一個負(fù)載112，但是不止一個負(fù)載可以耦接到功率電路102和/或電網(wǎng)110。另外，雖然圖1示出了輸出端108耦接到繼電器114的輸入側(cè)，但是輸出端108可以在繼電器114的輸出側(cè)耦接(例如耦接在負(fù)載112和功率電路102的感測參數(shù)116之間)。
[0045]如圖1的示例中所示，控制電路104可以感測功率電路102的參數(shù)116來控制功率電路102、繼電器114、其他電力轉(zhuǎn)換組件(未示出)等。另外，感測的參數(shù)116可以協(xié)助檢測AC輸出電壓的變化，如上所述AC輸出電壓的變化可以指示孤島效應(yīng)條件。例如，參數(shù)116可以是輸出電壓、輸出電流等。雖然圖1的示例中僅示出一個感測的參數(shù)，但是如果需要可以感測多個參數(shù)。另外，雖然示出的參數(shù)116是從功率電路102的輸出感測的，但是可以從任何合適的位置感測參數(shù)116和/或另外的參數(shù)。
[0046]圖4示出了并網(wǎng)逆變器200的示例，并網(wǎng)逆變器200包括功率電路和繼電器(共同稱為功率電路202)，以及耦接到功率電路202的控制電路204。功率電路202的輸出耦接到AC電網(wǎng)210 (經(jīng)由開關(guān)裝置SW)和負(fù)載212。雖然圖4的示例示出了負(fù)載212作為包括電阻器、電感器和電容器(RLC)的負(fù)載，但是任何合適的負(fù)載可以被耦接到功率電路202。
[0047]雖然圖4的示例將繼電器和功率電路示為一個模塊，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，在不偏離本公開的范圍的情況下，繼電器和功率電路可以是分離的模塊。
[0048]在圖4的示例中，控制電路204可以使用有源方法(例如上述阻抗測量等)和/或無源方法來檢測可能的孤島效應(yīng)條件。優(yōu)選地，同時(但獨(dú)立地)使用這兩種方法來檢測可能的孤島效應(yīng)條件。例如，在不平衡負(fù)載條件期間，無源方法可以比有源方法更快地檢測到可能的孤島效應(yīng)條件。但是，在平衡負(fù)載條件期間，可以使用有源方法來檢測可能的孤島效應(yīng)條件。
[0049]控制電路204可以采用與上述控制電路104相同的特性。例如，控制電路204感測AC輸出電壓Vac并且存儲表示感測的AC輸出電壓Vac的值?？刂齐娐?04然后通過例如改變控制電路202的電流基準(zhǔn)(例如圖4的DC基準(zhǔn)Iref)來擾動AC輸出電流Ιο。
[0050]AC輸出電流1可以被調(diào)整到任何合適的水平。在一些實(shí)施方式中，AC輸出電流1可以減少約百分之十二( 12%)。在一些實(shí)施方式中，可以選擇AC輸出電流1的調(diào)整值來獲得AC輸出電壓的期望的變化。另外，AC輸出電流的調(diào)整值可以根據(jù)逆變器200的實(shí)現(xiàn)和功率而改變。
[0051]當(dāng)AC輸出電流1被擾動時，可以再次感測AC輸出電壓Vac。例如，可以在AC輸出電流1被擾動后的任何點(diǎn)感測該AC輸出電壓Vac。優(yōu)選地，當(dāng)AC輸出電流1被擾動時在一個AC周期內(nèi)感測AC輸出電壓Vac?？刂齐娐?04可以存儲表示該感測的AC輸出電壓Vac的另一值。
[0052]可以比較兩個感測的AC輸出電壓來確定AC輸出電壓Vac的變化。當(dāng)AC輸出電壓Vac的該變化超過限定值時，可能存在孤島效應(yīng)條件(如上所述)。
[0053]如果AC輸出電壓Vac指示孤島效應(yīng)條件，則控制電路204可以暫時標(biāo)記并存儲該條件。例如，控制電路204可以在每次出現(xiàn)孤島效應(yīng)條件時使計(jì)數(shù)器(圖2未示出)遞增值I。替選地，如果AC輸出電壓Vac的變化不超過限定值，則計(jì)數(shù)器可以清零。
[0054]控制電路204然后通過再次擾動AC輸出電流1并且檢測AC輸出電壓Vac的另一個變化來驗(yàn)證檢測到的AC輸出電壓Vac的變化是孤島效應(yīng)條件的指示。如果AC輸出電壓Vac的后續(xù)變化大于限定值，則孤島效應(yīng)條件被驗(yàn)證。
[0055]如果AC輸出電壓的后續(xù)變化大于限定值，則控制電路204可以標(biāo)記該條件并且向電網(wǎng)210的監(jiān)控和報告系統(tǒng)發(fā)送合適的通信。另外，控制電路204可以關(guān)閉功率電路，如同上述參照圖1所述的那樣。在關(guān)閉功率電路202以后，繼電器可以斷開以將功率電路202從負(fù)載212斷開。
[0056]在每次AC輸出電流1擾動后，控制電路204可以通過改變DC電流基準(zhǔn)Iref將AC輸出電流1調(diào)整回初始的AC輸出電流1水平。另外，可以將在相反方向上表示擾動電流的幅度的電流變化量(delta)添加到DC電流基準(zhǔn)Iref。電流變化量可以平衡功率電路202的大容量電容器(未示出)的能量。但是，如果開關(guān)SW被接通，則該電流變化量可以向電網(wǎng)210提供動態(tài)電流。替選地，在一些實(shí)施方式中，因?yàn)锳C輸出電流1可以在數(shù)個AC周期之后平衡大容量電容器內(nèi)的能量，所以可以不添加電流變化量。
[0057]控制電路204可以票決的方式檢測AC輸出電壓Vac的變化。例如，控制電路204可以在一個或更多個AC周期內(nèi)完成檢測指示孤島效應(yīng)條件的AC輸出電壓Vac的變化的例程(例如檢測例程)以及檢測AC輸出電壓的后續(xù)變化的例程(例如驗(yàn)證例程)。
[0058]每個檢測例程和/或每個驗(yàn)證例程可以在AC周期的過零點(diǎn)處開始。例如，AC輸出電流1可以在AC輸出電流1的過零點(diǎn)處被擾動(例如通過改變DC電流基準(zhǔn)Iref )。這可以與在每個AC周期的過零點(diǎn)被更新的逆變器200的DC基準(zhǔn)Iref —致，以減少逆變器200的電流失真。因而，當(dāng)AC輸出電流1通過DC基準(zhǔn)Iref被擾動時，得到的AC輸出電流1的變化將持續(xù)一個AC周期。另外，得到的AC輸出電壓的變化(如果存在)將在該一個AC周期內(nèi)與擾動的AC輸出電流同步。因此，對AC輸出電壓的該變化的檢測可以在AC輸出電流1被擾動的同一過零點(diǎn)處開始。
[0059]另外，每個檢測例程的間隔可以是任何期望的間隔。優(yōu)選地，限定該檢測例程間隔，使得該例程對功率電路202 (例如最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)效率等)和/或逆變器200的影響極少或沒有。
[0060]例如，可以將檢測例程間隔設(shè)定為小于安全機(jī)構(gòu)所需的時間(例如IEEE限定的兩秒)的時間。在一些實(shí)施方式中，可以將檢測例程間隔設(shè)定為安全機(jī)構(gòu)所需的時間的四分之一(1/4)、安全機(jī)構(gòu)所需的時間的二分之一(1/2)等。這將確?？梢栽谧钚〉陌踩珯C(jī)構(gòu)所需的時間內(nèi)執(zhí)行檢測例程間隔。優(yōu)選地，檢測例程間隔大約是一秒或者更小，以限制擾動對功率電路202和/或逆變器200的其他功能的影響。
[0061]替選地，可以通過按照期望的孤島效應(yīng)檢測(包括驗(yàn)證)次數(shù)來劃分期望的跳閘時間(trip time)(例如安全機(jī)構(gòu)所需的時間)來設(shè)定檢測例程間隔。例如，期望的孤島效應(yīng)檢測次數(shù)可以是二(如上參照圖1所述)、三、四等。
[0062]在其他實(shí)施方式中，檢測例程間隔可以是特定數(shù)目的周期、半周期(例如100個半周期等)等。例如，在60Hz下，在兩秒的安全機(jī)構(gòu)所需的時間內(nèi)有大約119個周期。因而，每個檢測例程間隔的特定數(shù)目的周期可以是被期望的孤島效應(yīng)檢測劃分的大約119個周期(如上所述)。[0063]驗(yàn)證例程的間隔(例如后續(xù)擾動AC輸出電流1和檢測AC輸出電壓Vac的變化)可能是與檢測例程間隔相同的間隔。替選地，該間隔可以更短或更長。例如，該間隔可以被設(shè)定為6個半周期、8個半周期、10個半周期等。
[0064]圖5示出了包括如上所述的檢測例程和驗(yàn)證例程的一個示例例程。在電網(wǎng)電壓的過零點(diǎn)處在每個第η個半周期執(zhí)行圖5的示例例程。該示例例程可以被編碼到指令中并且被這里公開的控制電路執(zhí)行。在圖5中，AV_OV_Crossing對應(yīng)于電網(wǎng)電壓的過零點(diǎn)；icount對應(yīng)于用于確保每個第η個半周期執(zhí)行示例例程的計(jì)數(shù)器的狀態(tài);ACV對應(yīng)于交流電壓；kIMULT對應(yīng)于從反孤島控制輸出的電流；以及kVRAT1對應(yīng)于變壓器的初級側(cè)電壓和次級側(cè)電壓之間的比。
[0065]回來參照圖4的示例，控制電路204接收表示感測的AC輸出電壓Vac、AC輸出電流1和輸入電壓Vin的模擬信號。如上面更進(jìn)一步解釋的，可以以任何合適的方式對AC輸出電壓Vac、AC輸出電流1和輸入電壓Vin進(jìn)行感測、測量等。優(yōu)選地，使用AC電壓波形和AC電流波形的不止一個點(diǎn)的平均值來分別測量AC輸出電壓Vac和AC輸出電流Ιο。可以通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC) 206來對每個信號進(jìn)行采樣。然后可以通過軟件操縱數(shù)字化的信號。
[0066]如圖4所示，變壓器216耦接在控制電路204和電網(wǎng)210之間以提供控制電路204和電網(wǎng)210之間的隔離。變壓器216可以是任何合適的變壓器，包括例如低頻變壓器。雖然圖4中沒有示出，但是在變壓器216和控制電路204之間可以耦接整流器。整流器可以減少由于來自功率電路202的一個或更多個二極管(未示出)的DC偏置引起的電壓偏移。在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，整流器可以包括精密整流器(例如耦合為半波整流器的運(yùn)算放大器和二極管)來使該偏移最小。
[0067]在圖4的示例中，控制電路204還包括反孤島效應(yīng)控制226。反孤島效應(yīng)控制226控制如上所述的對AC輸出電流1的擾動和對AC輸出電壓Vac的變化的檢測。另外，反孤島效應(yīng)控制226生成輸出kMult。
[0068]控制電路204可以使功率電路202的輸出與電網(wǎng)210同步。該同步部分地使用鎖相環(huán)(PLL)控制224來獲得。PLL控制224生成與電網(wǎng)210同步的正弦輸出B。如下文進(jìn)一步描述的，該正弦輸出B可以用于生成與期望的負(fù)載成比例的正弦電流基準(zhǔn)C。PLL控制224可以是例如軟件PLL、DQ PLL等。另外，PLL控制224還可以設(shè)定在控制電路204內(nèi)使用的頻率。例如，該頻率可以是PLL控制224完成一個AC周期的時間的倒數(shù)。
[0069]另外，控制電路204可以以各種方式控制功率電路202的輸出。在圖4的示例中，控制電路204包括負(fù)載控制208 (耦接到ADC206)。負(fù)載控制208通過輸入電壓調(diào)節(jié)控制來控制功率電路202。替選地，控制電路204可以在MPPT負(fù)載控制中操作。
[0070]如圖4的示例中所示，負(fù)載控制208生成DC基準(zhǔn)Iref。負(fù)載控制208可以根據(jù)需要更新DC基準(zhǔn)Iref (并且因此如上所述更新AC輸出電流Ιο)。例如，負(fù)載控制208可以與去往開關(guān)裝置(例如功率電路202的開關(guān)裝置214)的脈寬調(diào)制(PWM)信號、該P(yáng)WM信號的倍數(shù)等一樣快地更新DC基準(zhǔn)Iref。在其他的實(shí)施方式中，負(fù)載控制208可以以PWM信號的頻率為模更新DC基準(zhǔn)Iref。替選地，假定大容量電容器(圖4未示出)足夠大到保存充足的能量，則可以以較慢的速率更新DC基準(zhǔn)Iref，包括每半個AC周期、單個AC周期、多個AC周期等。[0071 ] 在一些優(yōu)選實(shí)施方式中并且如上文所述，負(fù)載控制208可以在AC過零點(diǎn)處更新DC基準(zhǔn)Iref，因此不會引入不必要的動力學(xué)因素。另外，為了改善諧波，可以使用單個AC周期更新來平衡半周期電流。
[0072]如圖4所示，控制電路204還包括與ADC206耦接的監(jiān)督控制218。監(jiān)督控制218接收來自PLL控制224、反孤島效應(yīng)控制226和ADC206的信號。監(jiān)督控制218向數(shù)字脈寬調(diào)制(DPWM)控制222提供信號以禁用一個或更多個PWM信號，用來關(guān)閉功率電路202 (如上所述)。監(jiān)督控制218還可以提供信號以斷開/接通繼電器，使得功率電路202可以從負(fù)載212斷開或連接到負(fù)載212。另外，監(jiān)督控制218可以提供欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、欠頻保護(hù)、過頻保護(hù)等。
[0073]在圖4的示例中，負(fù)載控制208的DC基準(zhǔn)Iref和反孤島效應(yīng)控制226的輸出kMult相乘以生成輸出A。然后輸出A和PLL控制224的正弦輸出B相乘以生成正弦電流基準(zhǔn)C。然后將該正弦電流基準(zhǔn)C與感測的AC輸出電流1進(jìn)行比較來生成被應(yīng)用于比例積分(PI)補(bǔ)償器220的輸出D。PI補(bǔ)償器220向DPWM控制222提供輸出信號。DPWM控制222向功率電路202的一個或更多個開關(guān)裝置(例如開關(guān)裝置214)提供一個或更多個PWM信號。以這種方式，控制電路204提供功率電路202的閉環(huán)、平均模式電流控制。
[0074]測試已表明，這里公開的控制電路提供了安全機(jī)構(gòu)所需的時間內(nèi)的孤島效應(yīng)條件檢測和驗(yàn)證。例如，圖6A和6B示出了來自具有-5% (圖6A)和+5% (圖6B)的不平衡的無功電感器和電容器功率的100%負(fù)載下的3.5kff逆變器的AC輸出電流的示例波形。AC輸出電流被提供給RLC負(fù)載。如圖6A、6B所示，點(diǎn)A指示AC電網(wǎng)從RLC負(fù)載斷開的情況，并且點(diǎn)B指示3.5kff逆變器從RLC負(fù)載斷開的情況。
[0075]如圖6A所示，通過擾動AC輸出電流(通常由附圖標(biāo)記600指示)開始檢測孤島效應(yīng)條件的有源方法。但是，因?yàn)闊o源方法在不平衡負(fù)載下檢測孤島效應(yīng)條件更快，所以首先通過頻移的無源方法檢測孤島效應(yīng)條件。如圖6A和6B所示，在96毫秒和90.8毫秒分別檢測孤島效應(yīng)條件。
[0076]類似地，圖7A和7B圖示了來自具有和_5% (圖7A)和+5% (圖7B)的不平衡的無功電感器和電容器功率的100%負(fù)載下的5Kw逆變器的AC輸出電流的示例波形。如圖7A和7B所示，點(diǎn)A指示AC電網(wǎng)從RLC負(fù)載斷開的情況，并且點(diǎn)B指示5kW逆變器從RLC負(fù)載斷開的情況。通過頻移的無源方法檢測孤島效應(yīng)條件(與圖6A、6B相似)。如圖7A和7B所示，在79.2毫秒和102毫秒分別檢測孤島效應(yīng)條件。
[0077]在一些情況下，可能出現(xiàn)使得檢測不到孤島效應(yīng)條件的環(huán)境。這些環(huán)境可以包括例如逆變器耦接到平衡負(fù)載而控制逆變器的控制電路使用無源模式來檢測可能的孤島效應(yīng)條件。當(dāng)諸如這種環(huán)境的情況出現(xiàn)時，控制電路可以使用這里公開的示例實(shí)施方式來可靠地檢測并驗(yàn)證孤島效應(yīng)條件。
[0078]例如，圖8A、8B和8C示出了來自分別具有33%、66%和100%的平衡的負(fù)載的3.5kff逆變器的AC輸出電流的示例波形800A、800B和800C。如圖8A、8B和8C所示，點(diǎn)A指示AC電網(wǎng)從RLC負(fù)載斷開的情況，并且點(diǎn)B指示3.5kff逆變器從RLC負(fù)載斷開的情況。
[0079]如上所述，控制3.5kff逆變器的控制電路擾動AC輸出電流并且檢測AC輸出電壓的變化。如圖8A、8B和8C所示，附圖標(biāo)記804A、804B、804C通常表示AC輸出電流被擾動的情況。另外，如圖8A、8B和8C所示，在1.20秒、988毫秒和1.04秒分別檢測孤島效應(yīng)條件。[0080]類似地，圖9A、9B和9C示出了來自分別具有33%負(fù)載、66%負(fù)載和100%負(fù)載的平衡負(fù)載的5kW逆變器的AC輸出電流的示例波形900A、900B和900C。如圖8A、8B和8C所示，點(diǎn)A指示AC電網(wǎng)從RLC負(fù)載斷開的情況，并且點(diǎn)B指示3.5kff逆變器從RLC負(fù)載斷開的情況。另外，附圖標(biāo)記904A、904B、904C通常表示AC輸出電流被擾動的情況。如圖9A、9B和9C所示，在1.46秒、1.60秒和1.54秒分別檢測孤島效應(yīng)條件。
[0081]這里描述的功率電路可以是能夠?qū)C電力轉(zhuǎn)換為AC電力的任何合適的逆變器。例如，功率電路可以是太陽能逆變器、微逆變器等。另外，如果需要，逆變器可以耦接到其他電力轉(zhuǎn)換組件(例如DC-DC轉(zhuǎn)換器等)。
[0082]這里公開的控制電路可以包括模擬控制電路、數(shù)字控制電路(例如數(shù)字信號控制器(DSC)、數(shù)字信號處理器(DSP)等)或者混合控制電路(例如數(shù)字控制單元和模擬電路)以實(shí)現(xiàn)這里公開的示例例程和/或控制這里公開的逆變器。
[0083]控制電路可以以極小的成本或沒有額外成本地提供可靠的孤島效應(yīng)檢測和驗(yàn)證系統(tǒng)，同時提供相對容易的實(shí)現(xiàn)方案。測試已表明，在沒有孤島效應(yīng)條件下，沒有觀察到由于孤島效應(yīng)檢測和驗(yàn)證系統(tǒng)引起的逆變器跳閘、關(guān)閉等的實(shí)例。另外，通過使用控制電路來檢測和驗(yàn)證孤島效應(yīng)條件，對系統(tǒng)內(nèi)的總諧波失真(THD )、諧波、功率因數(shù)(PF)、MPPT等的影響極小或沒有。
[0084]根據(jù)上述可知，本發(fā)明的實(shí)施例包括但不限于以下技術(shù)方案:
[0085]方案1.一種并網(wǎng)逆變器，包括:
[0086]功率電路，具有用于耦接到直流DC電源的輸入端和用于耦接到交流AC電網(wǎng)的輸出端；以及
[0087]控制電路，耦接到所述功率電路，所述控制電路被配置成，在不關(guān)閉所述功率電路的情況下，第一次擾動所述功率電路的AC輸出電流并檢測所述功率電路的AC輸出電壓的第一變化，第二次擾動所述功率電路的所述AC輸出電流并且檢測所述功率電路的所述AC輸出電壓的第二變化，并且響應(yīng)于至少檢測到所述AC輸出電壓的所述第一變化和所述AC輸出電壓的所述第二變化而關(guān)閉所述功率電路。
[0088]方案2.根據(jù)方案I所述的并網(wǎng)逆變器，其中，所述功率電路包括至少一個功率開關(guān)，其中所述控制電路被配置成向所述至少一個功率開關(guān)提供具有占空周期的信號，并且其中所述控制電路被配置成通過將所述占空周期設(shè)定為零來關(guān)閉所述功率電路。
[0089]方案3.根據(jù)方案I所述的并網(wǎng)逆變器，其中，所述控制電路被配置成當(dāng)所述AC輸出電流被第一次擾動時在大約一個AC周期內(nèi)檢測所述AC輸出電壓的所述第一變化。
[0090]方案4.根據(jù)方案I所述的并網(wǎng)逆變器，其中，所述控制電路被配置成在所述AC輸出電流的過零點(diǎn)處擾動所述AC輸出電流。
[0091]方案5.根據(jù)方案I所述的并網(wǎng)逆變器，其中，所述控制電路被配置成在第一間隔內(nèi)第一次擾動所述AC輸出電流并檢測所述AC輸出電壓的所述第一變化，其中所述控制電路被配置成在第二間隔內(nèi)第二次擾動所述AC輸出電流并檢測所述AC輸出電壓的所述第二變化，并且其中所述第二間隔比所述第一間隔短。
[0092]方案6.根據(jù)方案I至5中任一項(xiàng)所述的并網(wǎng)逆變器，其中，所述控制電路被配置成僅當(dāng)所述AC輸出電壓的所述第一變化大于或等于所述第一變化之前的所述AC輸出電壓的大約百分之四時才第二次擾動所述AC輸出電流。[0093]方案7.—種控制包括功率電路的并網(wǎng)逆變器的方法，所述方法包括:
[0094]在不關(guān)閉所述功率電路的情況下，
[0095]第一次擾動所述功率電路的交流AC輸出電流，
[0096]檢測所述功率電路的AC輸出電壓的第一變化，
[0097]第二次擾動所述功率電路的所述AC輸出電流，
[0098]檢測所述功率電路的所述AC輸出電壓的第二變化，以及
[0099]響應(yīng)于至少檢測到所述AC輸出電壓的所述第一變化和所述AC輸出電壓的所述第二變化而關(guān)閉所述功率電路。
[0100]方案8.根據(jù)方案7所述的方法，其中，所述功率電路包括至少一個功率開關(guān)，并且其中關(guān)閉所述功率電路包括將去往所述至少一個功率開關(guān)的信號的占空周期設(shè)定為零。
[0101]方案9.根據(jù)方案7所述的方法，還包括:響應(yīng)于關(guān)閉所述功率電路，將所述功率電路從負(fù)載斷開。
[0102]方案10.根據(jù)方案7至9中任一項(xiàng)所述的方法，其中第二次擾動所述AC輸出電流包括:僅當(dāng)所述AC輸出電壓的所述第一變化大于或等于所述第一變化之前的所述AC輸出電壓的大約百分之四時才第二次擾動所述AC輸出電流。
[0103]上述實(shí)施方式的描述是出于說明和描述的目的而提供的。其并非旨在是無遺漏的或限制本公開。即使沒有具體示出或描述，特定實(shí)施方式的各個元件或特征通常不限于該特定實(shí)施方式，而是在適當(dāng)?shù)那闆r下，是可互換的并且可以用在所選的實(shí)施方式中。這些實(shí)施方式還可以以許多方式變形。這些變形不被視作偏離本公開，并且所有這些修改都應(yīng)當(dāng)包含在本公開的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種并網(wǎng)逆變器，包括: 功率電路，具有用于耦接到直流DC電源的輸入端和用于耦接到交流AC電網(wǎng)的輸出端；以及 控制電路，耦接到所述功率電路，所述控制電路被配置成，在不關(guān)閉所述功率電路的情況下，第一次擾動所述功率電路的AC輸出電流并檢測所述功率電路的AC輸出電壓的第一變化，第二次擾動所述功率電路的所述AC輸出電流并且檢測所述功率電路的所述AC輸出電壓的第二變化，并且響應(yīng)于至少檢測到所述AC輸出電壓的所述第一變化和所述AC輸出電壓的所述第二變化而關(guān)閉所述功率電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并網(wǎng)逆變器，其中，所述功率電路包括至少一個功率開關(guān)，其中所述控制電路被配置成向所述至少一個功率開關(guān)提供具有占空周期的信號，并且其中所述控制電路被配置成通過將所述占空周期設(shè)定為零來關(guān)閉所述功率電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并網(wǎng)逆變器，其中，所述控制電路被配置成當(dāng)所述AC輸出電流被第一次擾動時在大約一個AC周期內(nèi)檢測所述AC輸出電壓的所述第一變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并網(wǎng)逆變器，其中，所述控制電路被配置成在所述AC輸出電流的過零點(diǎn)處擾動所述AC輸出電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并網(wǎng)逆變器，其中，所述控制電路被配置成在第一間隔內(nèi)第一次擾動所述AC輸出電流并檢測所述AC輸出電壓的所述第一變化，其中所述控制電路被配置成在第二間隔內(nèi)第二次擾動所述AC輸出電流并檢測所述AC輸出電壓的所述第二變化，并且其中所述第二間隔比所述第一間隔短。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的并網(wǎng)逆變器，其中，所述控制電路被配置成僅當(dāng)所述AC輸出電壓的所述第一變化大于或等于所述第一變化之前的所述AC輸出電壓的大約百分之四時才第二次擾動所述AC輸出電流。
7.—種控制包括功率電路的并網(wǎng)逆變器的方法，所述方法包括: 在不關(guān)閉所述功率電路的情況下， 第一次擾動所述功率電路的交流AC輸出電流， 檢測所述功率電路的AC輸出電壓的第一變化， 第二次擾動所述功率電路的所述AC輸出電流， 檢測所述功率電路的所述AC輸出電壓的第二變化，以及 響應(yīng)于至少檢測到所述AC輸出電壓的所述第一變化和所述AC輸出電壓的所述第二變化而關(guān)閉所述功率電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述功率電路包括至少一個功率開關(guān)，并且其中關(guān)閉所述功率電路包括將去往所述至少一個功率開關(guān)的信號的占空周期設(shè)定為零。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括:響應(yīng)于關(guān)閉所述功率電路，將所述功率電路從負(fù)載斷開。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項(xiàng)所述的方法，其中第二次擾動所述AC輸出電流包括:僅當(dāng)所述AC輸出電壓的所述第一變化大于或等于所述第一變化之前的所述AC輸出電壓的大約百分之四時才第二次擾動所述AC輸出電流。
【文檔編號】H02M7/48GK104038086SQ201410074674
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年3月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月4日
【發(fā)明者】維賈伊·甘加達(dá)爾·帕德克, 揚(yáng)西·豐塔尼拉·博卡托 申請人:雅達(dá)電子國際有限公司