专利名称：用于能量控制的具有线路频率或电压变化模式的交流连接模块的制作方法
技术领域：
本发明大致上涉及用于通过交流连接的模块控制供应到电池的能量的装置和方法，交流连接的模块具有预定的线路频率或电压变化模式生成和检测。背景在分布式电力系统中，能量通过配电装置分配，通过分布式发电模块控制，以及存储在储能元件中，多余的能量可能存在于电力系统中，其可能损坏电气设备，尤其是电池。 避免积聚在电力系统中的多余能量的不良影响的一种解决方案是在控制设备之间提供有线通信以阻止或减小多余的能量。这种解决方案防止控制设备彼此较远地分开放置，并且需要额外的控制线安装在不同的控制设备之间。另一种解决方案是将多余的能量倾卸在阻性负载中，但这样做显然比较浪费，并且能量被低效分配。因此，需要一种不需要在电力系统中的控制设备之间使用电线来阻止多余的能量或使用阻性负载浪费地吸收多余的能量的解决方案。简要概述提供了在离网孤岛、电网连接和发电机组连接的住宅和商业设施中具有适用性的电源转换器系统，该电源转换器系统与可再生能源整合并在微电网结构内相互作用。该系统架构包含具有灵活的操作模式的分布式发电(DPG)模块以控制功率流用于能量优先化和系统效率最大化。不同的能源被整合在微电网系统内，用于在瞬态和动态条件下在混合转换器的直流和交流端口处的稳定和鲁棒的DPG控制操作。在设备级实现控制结构，并且在混合转换器和光伏逆变器之间不需要有协议通信接口。在离网孤岛模式，当由光伏逆变器提供的能量流入双向混合转换器时，直流电池电压或电流可以达到不可接受的水平。在混合转换器内实现的控制方法使用模式生成算法，该算法以与直流变化率相关的特定的频率变化率改变线路频率或者改变线路电压。直到交流线路频率限制随着电池的直流电平回落在指定的设定点限制内恢复到正常范围，光伏逆变器才停止转换电力。通信代理是交流线路频率或电压，交流线路频率或电压由混合转换器精确地控制。此外，光伏逆变器控制随着模式检测算法的实现被增强了，模式检测算法连续地监测微电网线路频率或电压，并且如果在混合转换器改变由所需的充电曲线确定的线路频率或电压时检测到特定模式，则降低其功率。所提出的控制方法可以应用于单相交流系统、三相交流系统或多相交流系统。参照附图并参考各种实施方式的详细描述，对本领域中的那些普通技术人员来说，本发明的上述方面以及其他的方面将是明显的，接下来提供附图的简要描述。附图的简要描述当阅读下面的详细描述并参照附图时，本发明的上述优势及其他优势将变得明
Mo
图1是根据本公开内容的一个方面的电力系统的功能框图；图2是包括模式生成算法的控制算法的功能框图，模式生成算法由在图1中示出的混合控制器的控制器执行；
图3A是示出由模式生成算法产生的三种不同的预定模式的图，模式生成算法根据预定模式中的任何一种改变线路频率；图;3B是对应关于在图1中示出的电池的直流电压变化的函数的交流线路频率响应的变化率的三种预定模式的图；图4是包括模式检测算法的光伏逆变器的控制方法的功能框图，模式检测算法由在图1中示出的光伏逆变器的控制器执行；图5A是用于图4中示出的模式检测算法的比例-积分-微分(PID)类型控制器的框图；图5B是代替在图5A中示出的PID类型控制器的、用于图4中示出的模式检测算法的小波变换和模式选择函数的框图；图6是示出说明响应于检测线路频率中的线性模式变化的光伏逆变器的功率响应及相关的电池的三个阶段的充电曲线的直流响应的三条曲线的图；以及图7是示出对应电池电压、线路频率、光伏逆变器功率输出和交流负载电流的四条曲线的图，这四条曲线说明光伏逆变器响应于检测线路频率中的预定模式的功率输出响应和相关的电池的直流响应的影响。虽然本发明容许有各种修改和可选形式，但通过示例的方式在附图中示出了具体的实施方式并且将在此详细地描述这些具体的实施方式。然而，应该理解的是，不旨在将本发明局限于所公开的特定形式。相反，本发明将覆盖落在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有的修改形式、等同形式和替代形式。详细描述图1是电力系统100(也称作微电网)的功能框图，其包括分布式发电(DPG)模块、分布式储能元件、配电装置和可控负载114。电力系统100包括交流耦合系统134和可选的直流耦合系统136。电力系统100包括具有第一模块或混合转换器102的交流(AC)耦合系统，第一模块或混合转换器102通过公共耦合点(PPC) 116耦合于第二模块或光伏(PV) 逆变器104。第一模块102还耦合于电池106，例如电池组。第一模块102使用模式生成算法124自动地改变交流(AC)线路的特性(例如，频率或电压)Va。，模式生成算法IM在第一 AC输出端130c处产生修改的输出，该修改的输出根据由第一函数产生的第一预定的模式改变交流线路的特性(例如，频率或电压)。第一模块102包括使用机器可读指令编程以用于执行模式生成算法124的第一控制器122，并且电耦合于电池106以及交流能源108、 110中的至少一个。在示出的例子中，交流能源可以是分布式发电机系统(发电机组)108 或公用电网110。第一模块102被示为具有两个交流输入端，第一交流输入端130a用于接收来自公用电网110的能量，第二交流输入端130b用于接收来自发电机组108的能量。可选地，第一模块102可仅具有一个交流输入端或具有多于两个的交流输入端。第一模块102确定所监测的电池106的电流或电压是否满足预定的标准。第一模块102可以包括混合转换器， 混合转换器用于将直流(DC)能量或交流能量、或者交流能量和直流能量两者提供给耦合于第一模块102的分布式元件106、114、104、108、110、118，以及从耦合于第一模块102的分布式元件106、114、104、108、110、118接收直流(DC)能量或交流能量、或者交流能量和直流能量两者。适合的混合转换器包括由Xantrex科技有限公司提供的6kVA XW6048转换器模块。电力系统100可以置于三种配置或模式中的任何一种。在孤岛模式，公用电网 110被断开连接。在电网连接模式，公用电网110被连接。在发电机组连接模式，发电机组 108(例如，通过柴油发电机或丙烷发电机)被连接。第二模块104电耦合于第一模块102并远离第一模块102，且通过模式检测算法 128检测由第一模块102产生的修改的输出，以及响应于该检测，导致施加给电池106用于给电池106充电的电流或电压通过第一模块102改变。第二模块104包括使用机器可读指令编程的用于执行模式检测算法128的第二控制器126。第二模块104、118耦合于将可再生能源转换成电力的可再生能量转换单元112、 120。可再生能量转换单元112、120可以包括例如耦合于光伏(PV)逆变器104或光伏(PV) 转换器118的光伏(PV)阵列并输出相应的电流(在耦合于光伏转换器118的情况下为直流电流，在耦合于光伏逆变器104的情况下为交流电流)。第一模块102可以是具有集成的交流转换开关和三种操作模式的四象限脉宽调制(PWM)双向能量转换器(混合转换器)。混合转换器在交流端口 130a-c和直流端口 132 两者处连接例如光伏发电机、风力涡轮机、燃料电池的直流能源和例如公用电网110和发电机组108的交流能源。在第一模式，混合转换器102作为电压控制源转换器操作，其中混合转换器102将直流能量转换成用于逆变器模式的孤岛的备份电力的交流能量，以满足电力质量要求。在该模式，混合转换器102控制电力系统(或微电网)100内的交流电压和频率。在第二模式，混合转换器102作为电流控制源转换器操作，其中当交流源110、108被连接(电网连接模式或发电机组连接模式)时，混合转换器102将直流能量转换成交流能量。 发电机组108或公用电网110生成交流电压和频率。当从自然资源生成的可再生能量(诸如太阳能、风能、雨能、潮汐能、微型水力、或地热能)从混合转换器102的直流端口 132输出到微电网交流网络时，主要使用这种电流控制源模式。在图1中，可选的光伏太阳能阵列 120通过可选的PWM DC/DC光伏转换器118连接到电池106。在第三模式，混合转换器102 在具有可选的功率因数校正(PFC)的有源整流器模式操作。在有源整流器模式，混合转换器102将交流能量转换成直流能量并且例如根据确定电池106(例如，24/48V)的充电曲线 (例如，快充、均充或浮充阶段)的传统的电池充电算法将到电池106的直流电压或电流调节在规定的限制内。光伏转换器118基于光伏发电量或电池充电的状态调节直流电池电压或电流。光伏逆变器104和光伏转换器118优选为在直流输入端具有相应的嵌入式最大功率点跟踪(MPPT)算法的脉宽调制转换器，以从各自的光伏阵列112、120获取最大能量。 MPPT算法对本公开内容所属领域中的普通技术人员来说是熟知的。第二模块104、118中的MPPT算法优选地被优化成平衡快速能量获取与控制稳定性，并且扫过I-V曲线以找到总体的最大值。光伏逆变器104在电流控制模式中操作，以将直流能量转换成交流能量并控制交流电流的幅度和相位。光伏逆变器104由于其较高的效率和较小的尺寸和重量，优选是无变压器的。光伏转换器118在MPPT模式中操作，同时维持所需的多阶段充电曲线(快充、均充和浮充)。当电力系统100在电网连接模式时，来自电池106的可用能量通过在电流控制源模式操作的双向混合转换器102传输到交流负载114或传输回公用电网110。如果公用电网Iio处于故障状态，混合转换器102将电力系统100转换到孤岛模式。当公用电网110 发生故障时，可以在混合转换器102中实施传统的间接电流算法以用于电力的连续传输。在图1中示出的交流耦合系统134配置有光伏阵列112，光伏阵列112通过光伏逆变器104连接到PCC 116用于最大化能量转换效率。当存在公用电网110时，混合转换器 102将电力系统100转换到电网连接模式。在电网连接模式，交流负载114可以由光伏逆变器104和公用电网110两者供电。混合转换器102在有源整流器模式操作，对电池106充电以免超出电网的电流容量。如果公用电网110发生故障，电力系统100被转换到孤岛模式，并且混合转换器102在电压控制模式操作。如果交流负载114的需求超出来自光伏逆变器104和电池106的可用能量，则发电机组108自动启动。在发电机组连接模式，可能不期望光伏逆变器104向发电机组108反向供电。混合转换器102连续地监测到所有端口 130a-c的交流电流，并且在交流端口 130a和130b (ACl 和AC2)两者上具有集成的转换开关，以允许通过AC2端口 130b断开连接发电机组108。如果来自交流负载114的负载需求超出发电机组108和光伏逆变器104的电力输出容量，混合转换器102通过将来自直流端口 132的能量转换到交流端口 130c进入发电机组支持模式而作为电流控制源。如果公用电网110和发电机组108都不可用作交流负载114的能源， 则可用的能源由光伏阵列112和电池106组成。连接到混合转换器102的交流端口 130c 的交流线路138习惯上操作以用于在额定的基本频率或标称频率50Hz或60Hz的120V/240 或230V的单相系统或者120V或230V的三相系统。在电力系统100中存在的多余能量能够损坏电气设备，尤其是电池106。对电池 106过度充电可不良地导致析气、漏水和/或栅板腐蚀，并可缩短其寿命。当电力系统100 在孤岛模式时，混合转换器102在电压控制源模式操作并控制交流线路138上的交流电压和频率。光伏逆变器104从光伏阵列112获取太阳能并在交流电流控制模式操作。用于交流负载114的能量可通过光伏阵列112和电池106中的一个或两者提供。如果太阳能大于负载114的负载需求，剩余的电力将从PCC 116流过混合转换器102，最终对电池106过度充电。所提出的模式生成算法IM维持正常条件下的交流线路138上的恒定的微电网交流线路频率和电压幅度(例如，+/-0. 2Hz和标称电压的+/-0. 5% )直到达到对电池106过度充电的点。线路频率变化或电压变化可以用作混合转换器102和光伏逆变器104之间的相互作用参数。例如，在孤岛模式，当光伏逆变器104产生大于负载需求的能量时，到电池 106的有源功率流以及电池106的直流电压或电流可超出可接受的要求。混合转换器102 积极地监测和应用正确的电池充电曲线如果电池106的直流电压或电流超出电池充电限制要求，则混合转换器102根据预定的模式改变微电网线路频率。光伏逆变器104可能因为交流线路138的频率超出其频率范围限制而断开连接，或者如果通过监测交流线路频率、 通信代理控制实现特定的控制，可以减少从光伏阵列112产生的电流。强调的是，改变交流电压幅度可以代替地用作通信代理以防止电池过度充电。然而，使用交流电压幅度没有使用交流频率精确，因为电压降是电力配线特性的函数。交流线路138上的频率作为用于在混合转换器102和光伏逆变器104之间通信的一种手段以预定的方式改变。不需要额外的电线用于通信，并且模块102、104的位置可彼此远离混合转换器102和电池106在一个位置，而光伏逆变器104和光伏阵列112在不同
7的较远的位置。当电力系统100在孤岛模式时，混合转换器102控制交流线路138的频率和电压调节。当光伏逆变器104产生比来自负载114的负载需求大的能量时，有功功率流向电池 106。混合转换器102同时在两种模式下操作具有交流电压/频率调节的逆变器模式以及给电池106充电的有源整流器模式。当以下两个条件满足时(1)有功功率从交流端口 130c流向直流端口 132 ；以及O)电池106的直流电压(例如均充、浮充)或直流电流充电电平超出某一设定点限制，模式生成算法1 开始起作用。模式生成算法IM根据预定的模式通过减少或增加交流线路138的频率的标称值 f0 = 50/60HZ来控制交流线路138的频率。如在下面更详细地描述的，模式生成算法124 可具有线性响应或指数响应或线性-指数响应。模式生成算法可以被实现成输出任何其他的数学函数或预定的查找表。图2示出了用于在电压控制源逆变器模式操作的混合转换器 102的包括模式生成算法124的控制算法200的功能框图。PCC 116交流网络电压Va。与参考电压v\。进行比较并且其误差由电压控制器Gvv补偿，电压控制器Gvv的输出变成交流电流参考i\。； i*ac和电感器交流电流ia。之间的差值由电流控制器Gvi补偿，电流控制器Gvi 产生占空比命令。在电压控制源逆变器模式中的混合转换器102的输出电压Va。通过两项表示乘以交流正弦波电压参考<。的第一项需要接近于单位1以用于输出电压参考跟踪， 而乘以交流输出电流io的第二项需要接近于零以用于负载干扰解耦
权利要求
1.一种方法，所述方法通过监测交流电流(AC)线路的特性自动地控制施加到电池的电流或电压，所述方法包括在第一模块中确定所述电池的被监测电流或电压是否满足预定的标准；响应于所述电池的电流或电压满足所述标准，通过所述第一模块，使用模式生成算法自动地改变所述交流线路的所述特性，所述模式生成算法产生修改的输出，所述修改的输出根据由第一函数产生的第一预定模式改变所述交流线路的所述特性，其中所述第一模块包括使用机器可读指令编程以执行所述模式生成算法的第一控制器，并且所述第一控制器被电耦合到所述电池和至少一个交流能源；以及在远离所述第一模块的第二模块处，通过模式检测算法检测所述修改的输出，并且响应于所述检测，使施加到所述电池用于给待充电的所述电池充电的电流或电压通过所述第一模块改变，其中所述第二模块包括使用机器可读指令编程以执行所述模式检测算法的第二控制器，并且所述第二控制器被电耦合到所述第一模块。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述特性是所述交流线路的频率或电压。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述标准是所述电池的电流或电压是否超出预定的电流或电压。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述标准是所述电池的电流或电压是否下降到预定的电流或电压以下。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述第一模块包括用于提供和接收能量的混合转换器。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述第二模块被耦合到可再生能量转换单元，所述可再生能量转换单元将可再生能源转换成电力。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述第二模块包括光伏逆变器，所述光伏逆变器从耦合于所述第二模块的光伏阵列接收太阳能并输出相应的交流电流。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述特性在所述交流线路的反孤岛限制内变化，其中所述交流线路被额定在基本频率振荡，并且其中所述反孤岛限制不超过所述基本频率以上或以下2Hz。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述反孤岛限制在保险商实验室(UL)1741或电气与电子工程师协会(IEEE) 1547中所定义的反孤岛限制内。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述第一函数包括指数函数。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述第一函数包括线性函数。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述第一函数包括线性-指数函数。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述交流线路的所述特性首先根据所述第一预定模式改变，其次根据由不同于所述第一函数的第二函数产生的第二预定模式改变。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述模式检测算法包括小波变换函数、PID、模糊逻辑或快速傅里叶变换。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述交流能源是公用电网或分布式发电机系统(发电机组)。
16.如权利要求2所述的方法，其中所述标准是所述电池的电流或电压是否落在电流或电压的预定的范围之外，其中所述第一模块包括用于提供和接收能量的混合转换器，其中所述第二模块耦合于可再生能量转换单元，所述可再生能量转换单元将可再生能源转换成电力，其中所述第二模块包括光伏逆变器或转换器，所述光伏逆变器或所述转换器从耦合于所述第二模块的光伏阵列接收太阳能并输出相应的电流，并且其中所述第一函数包括指数函数、线性函数或线性-指数函数。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述交流能源是公用电网或分布式发电机系统 (发电机组)。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述特性在所述交流线路的反孤岛限制内改变， 其中所述交流线路在基本频率振荡，并且其中所述反孤岛限制不超过所述基本频率以上或以下1Hz。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述模式检测算法包括小波变换函数。
全文摘要
一种对电力系统的分布式发电模块的控制策略，根据预定模式改变线路频率或电压以使光伏逆变器修改其功率输出，避免对电池过度充电。电力系统在孤岛模式操作时，交流负载需求可能低于光伏阵列可用能量，导致电池过度充电。为避免该情况，混合逆变器执行模式生成算法，线性地、指数地或依任何数学函数或查找表改变线路频率或电压。光伏逆变器执行模式检测算法，检测线路频率中线性函数、指数函数或任何数学函数或查找表的变化。作为响应，光伏逆变器修改其功率输出直到消除电池过度充电条件。可在反孤岛限制内改变线路频率/电压以避免电力系统过早毁坏，不需要为了在孤岛、电网连接或发电机组连接中的任何操作模式操作而在设备级增加额外的设置。
文档编号G05F1/67GK102483636SQ201080037180
公开日2012年5月30日 申请日期2010年8月11日 优先权日2009年8月21日
发明者伊曼纽尔·塞尔邦 申请人:赞特雷克斯科技公司