具有两个直流链的三电平逆变器及其控制装置和方法
【专利摘要】具有两个直流链的三电平逆变器及其控制装置和方法。本发明提供了一种用于将多个光伏（PV）模块内生成的DC电力转换成交流（AC）电力、具有两个直流（DC）链的三电平逆变器，其中该两个DC链中的第一DC链的一端连接至该多个PV模块中的产生第一电位的第一电位点，该两个DC链中的第二DC链的一端连接至该多个PV模块中的产生低于该第一电位的第二电位的第二电位点，该第一DC链的另一端和该第二DC链的另一端都连接至该多个PV模块中的产生具有第一电位和第二电位之间的中间电平的第三电位的第三电位点。
【专利说明】具有两个直流链的三电平逆变器及其控制装置和方法
[0001]本申请要求于2012年10月9日在韩国知识产权局提交的申请号为10-2012-0111919的韩国专利申请的优先权，其公开内容通过引用整体地结合于本文中。
【技术领域】
[0002]本发明涉及控制三电平光伏逆变器的装置和方法，更具体地，涉及被配置为独立地控制两个DC链电压的三电平光伏逆变器以及控制该三电平光伏逆变器的装置和方法。
【背景技术】
[0003]由于因矿物燃料的枯竭而日益严重的能源问题，用于新的可再生能源的发电系统的开发加快，其中，光伏发电系统尤为突出。
[0004]光伏发电系统包括多个光伏模块、逆变器和控制器。
[0005]逆变器根据控制器的控制将多个光伏模块中产生的直流(DC)电力转换成交流(AC)电力，并提供给负载。使用多个光伏模块的原因在于一个太阳能电池的输出电压非常小。
[0006]就是说，光伏模块(S卩，PV模块)是根据情况需要通过串联连接几十个太阳能电池或串联连接几百个太阳能电池生成一个模块并将此模块装配在一个面板上来进行配置的。由于使用一个PV模块不能获得必需的电压和功率，所以串联或并联连接多个PV模块。
[0007]如图1所示，由PV模块输出的功率相对于电压是非线性的。因此，通过控制来从PV模块提供最大功率是重要的。这样，用于跟踪PV模块的最大功率点的控制被称为最大功率点跟踪(MPPT)控制。
[0008]PV模块的输出功率根据太阳光的强度而变化。根据天气条件，阴影(shade)可能会发生于包括在一个光伏发电系统中的多个PV模块的部分中。例如，云或其它障碍物的阴影可能仅产生在多个PV模块的部分中。
[0009]同样地，仅发生在多个PV模块的部分中的阴影被称为“局部阴影”。当局部阴影发生时，PV模块的电压一功率特性发生改变。
[0010]图2是发生局部阴影时，PV模块的电压一功率特征曲线图。比较图2与图1，图1中形成一个峰值，而图2中有多个峰值。
[0011]通常，这样的局部阴影频繁发生。因此，需要用于控制在局部阴影的情况下所要提供的最大功率的方案。对于MPPT，所提出的传统技术仍然不能表现令人满意的结果。
【发明内容】
[0012]本发明提供一种即使在发生局部阴影时仍可以提供最大功率的光伏(PV)模块的逆变器以及一种控制该逆变器的方法和装置。
[0013]根据本发明的一个方面，提供一种用于将多个光伏(PV)模块内生成的DC电力转换成交流(AC)电力、具有两个直流(DC)链的三电平逆变器，其中该两个DC链中的第一 DC链的一端连接至该多个PV模块中的产生第一电位的第一电位点，该两个DC链中的第二 DC链的一端连接至该多个PV模块中的产生低于该第一电位的第二电位的第二电位点，该第一 DC链的另一端和该第二 DC链的另一端都连接至该多个PV模块中的产生具有第一电位和第二电位之间的中间电平的第三电位的第三电位点。
[0014]根据本发明的另一方面，提供一种用于控制具有两个DC链的三电平逆变器的装置，该装置包括:两个最大功率点跟踪(MPPT)执行单元，该MPPT执行单元用于对该两个DC链中的每一个独立地执行MPPT，以分别生成DC链电压参考值；算术运算单元，该算术运算单元用于通过接收从该两个MPPT执行单元输出的DC链电压参考值，执行每个DC链电压参考值的和运算以及差运算；相电压参考单元，该相电压参考单元用于基于通过执行算术运算单元的和运算计算的值生成每个相电压参考值；零序电压参考单元，该零序电压参考单元用于基于通过执行算术运算单元的差运算计算的值，生成零序电压的参考值；以及栅极驱动单元，该栅极驱动单元用于生成最终参考值并使用该最终参考值向该三电平逆变器的开关元件的每个栅极施加信号，该最终参考值是通过将由该零序电压参考单元计算的零序电压的参考值与该相电压参考单元的每个相电压参考值相加而得到的。
[0015]根据本发明的另一方面，提供一种用于控制具有两个DC链的三电平逆变器的方法，所述方法包括:(a)对该两个DC链中的每一个独立地执行最大功率点跟踪(MPPT)，以分别生成DC链电压参考值；(b)通过接收在(a)中生成的DC链电压参考值，执行各个DC链电压参考值的和运算以及差运算；(c)基于通过执行(b)中的和运算计算的值，生成每个相电压参考值；(d)基于通过执行(b)中的差运算计算的值，生成零序电压的参考值；以及(e)生成最终参考值，并使用该最终参考值将信号施加到该三电平逆变器的开关元件的每个栅极，该最终参考值是通过将在(d)中计算的零序电压的参考值与在(C)中计算的每个相电压参考值相加而得到的。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]通过参考附图详细描述本发明的示例性实施方式，本发明的上述及其它特征和优点将变得更加显而易见，其中:
[0017]图1是光伏(PV)模块的电压-功率特征曲线；
[0018]图2是局部阴影发生时，PV模块的电压-功率特征曲线；
[0019]图3是根据本发明实施方式的包括三电平逆变器的发电系统的示意结构图；
[0020]图4是图3中所示的控制器的功能框图；
[0021]图5是图4中所示的零序电压参考单元的详细结构图；
[0022]图6是使用电压向量表示的三电平逆变器的电压输出状态图；
[0023]图7是用于载波控制的参考图；
[0024]图8是示出当R-L负载连接到三电平逆变器时，每个电压向量的拓扑示例电路图以及S Vd。的等效电路图；
[0025]图9是根据本发明的反馈控制环路的示例；
[0026]图10是图9中所示的反馈控制环路的示意图；
[0027]图11是示出根据零序电压的参考值，载波和最终参考值之间的关系图；
[0028]图12示出逆变器中点电流根据输出相电流符号的变化的一些示例；
[0029]图13是当在特定的阴影条件下执行根据本发明的最大功率点跟踪(MPPT)时的电流-电压曲线和功率-电压特征曲线；以及
[0030]图14示出根据相关技术在与图13中相同的阴影条件下执行MPPT的结果。【具体实施方式】
[0031]现在将结合附图更加详细地描述本发明，在附图中例示了本发明的示例性实施方式。
[0032]图3中示出了根据本发明实施方式的包括三电平逆变器200的发电系统。如图3所示，该发电系统包括多个发电模块300、三电平逆变器200和控制器100。
[0033]多个发电模块300表不用于发电的一组兀件。在本实施方式中，由于光伏发电系统是其一个不例，所以发电模块300对应于光伏(PV)模块。然而，发电模块300不必限于PV模块。
[0034]三电平逆变器200执行将从PV模块300产生的电力提供给负载的每个相的功能。在本实施方式中，三电平逆变器200具有三相(a-相、b-相和c-相)输出。三电平逆变器200包括至少一个开关元件，并具有两个DC链，即，第一 DC链210和第二 DC链220。
[0035]这里，第一 DC链210和第二 DC链220中的每一个都构成三电平逆变器200的输入端。电容器能够被置于每个DC链上。
[0036]两个DC链中的第一 DC链210 (在下文中，称为“高侧DC链”)的一端连接至PV模块300中的产生第一电位的第一电位点。
[0037]假定两个PV模块310和320串联连接，则第一电位点可以对应于具有相对高电位的PV模块310 (在下文，称为“高侧PV模块”)的正极点。
[0038]这里，除了直接连接之外，到第一电位点的连接还包括经由预定元件(例如，二极管)的连接。
[0039]第二 DC链220 (在下文中，称为“低侧DC链)的一端能够连接至PV模块310和320中的产生低于第一电位的第二电位的第二电位点。例如，假定两个PV模块310和320串联连接，则第二电位点可以与具有相对低电位的PV模块320(在下文中，称为“低侧PV模块”)的负极点相对应。
[0040]而且，第一 DC链210的另一端和第二 DC链220的另一端连接至PV模块310和320的产生具有介于第一电位和第二电位之间的中间电平的第三电位的第三电位点。例如，假定两个PV模块310和320串联连接，则第三电位点可以与高侧PV模块310的负极点与低侧PV模块320的正极点相交的点相对应。
[0041]也就是说，高侧DC链210的另一端和低侧DC链220的另一端都连接至相同的第三电位点。
[0042]在下文中，共同连接至三电平逆变器200的高侧DC链210和低侧DC链220的点(图3中的“0”点)被称为“逆变器中点”。
[0043]根据相关技术，没有公开逆变器中点连接至PV模块300的配置，但这一配置是本发明的主要特征之一。
[0044]三电平逆变器200的开关元件的配置并不限于图3中的配置，并且各种不同的配置都是可能的。
[0045]控制器100执行控制三电平逆变器200的功能。[0046]为了控制三电平逆变器200，控制信号应该被施加到三电平逆变器200的每个开关元件(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))的控制端。控制器100执行以此方式将控制信号施加到开关元件的功能。
[0047]为了该控制，控制器100可以接收在三电平逆变器200的输入端和输出端检测到的、作为反馈信息的电流和/或电压。例如，控制器100可以从预定的传感器(未示出)接收与三电平逆变器200的输入端相对应的每个DC链210或220的端电压，并且可以从与三电平逆变器200的输出端相对应的点接收每个相电流或相电压。
[0048]用于感测三电平逆变器200的每个位置的电压或电流的传感器的配置以及用于通过使用传感器向控制器100反馈信号的电路是已知的技术，因此为了方便从图3中省略。
[0049]图4中示出控制器100的详细功能框图。
[0050]如图4所示，控制器100可以包括两个最大功率点跟踪(MPPT)执行单元111和112、算术运算单元120、相电压参考单元130、零序电压参考单元140以及栅极驱动单元150。
[0051]每个MPPT执行单元111或112独立地对DC链210和220中的每一个执行MPPT以生成DC链电压参考值。
[0052]例如，第一 MPPT执行单元111通过接收高侧DC链210的电压和电流生成高侧DC链电压参考值，第二 MPPT执行单元112通过接收低侧DC链220的电压和电流生成低侧DC
链电压参考值。
[0053]这样，独立地控制各个DC链210或220意味着不对称地控制各个DC链210或220
的电压。
`[0054]能够将各种算法应用到通过第一和第二 MPPT执行单元111和112执行的MPPT。例如，基于扰动观测法(P&0)和电导增量(IncCond)方法的算法能够被应用到MPPT。执行MPPT是已知的并且不是本发明的重点，因此将省略其详细的说明。
[0055]算术运算单元120接收从两个MPPT执行单元111和112输出的DC链电压参考值，并执行DC链电压参考值的和运算以及差运算。此外，算术运算单元120可以接收高侧DC链电压和低侧DC链电压并可以执行每个DC链电压的和运算和/或差运算。
[0056]相电压参考单元130基于通过算术运算单元120的和运算计算的值生成每个相电压参考值。例如，相电压参考单元130可以通过使用DC链电压参考值的和运算和/或DC链电压的和运算生成每个相电压参考值。
[0057]在图4中，与图3中的a-相有关的相电压参考值用V^s表示，与图3中的b_相有关的相电压参考值由V\s表示，与图3中的C-相有关的相电压参考值由V^s表示。
[0058]通过执行DC链电压参考值的和运算计算的值对应于与三电平逆变器200的全部DC链相关的参考值。这样，基于与全部DC链相关的参考值生成每个相参考值是已知技术，因此将省略其详细的说明。
[0059]零序电压参考单元140基于通过由算术运算单元120执行的差运算计算的值生成零序电压的参考值。例如，通过使用DC链电压参考值的差运算和/或DC链电压的差运算，零序电压参考单元140可以生成每个相上共同的零序电压的参考值。
[0060]在这种情况下，当考虑反馈时，零序电压参考单元140可以考虑DC链电压的差运算；然而，当不考虑反馈时，零序电压参考单元140可以通过仅使用DC链电压参考值的差运算生成每个零序电压参考值。在图4中，由零序电压参考单元140生成的零序电压参考值由表示。
[0061]在这种情况下，零序电压参考单元140生成零序电压的参考值，在该参考值处，DC链210和220之间的电压差跟踪通过算术运算单元120的差运算计算的值。
[0062]图5示出零序电压参考单元140的详细功能图。如图5所示，零序电压参考单元140可以包括比例积分处理单元141和电压参考输出单元142。
[0063]这里，比例积分处理单元141从由算术运算单元120的差运算计算的值中减去DC链210和220之间的电压差，并对减法运算后的值使用预定增益来执行比例积分，从而生成逆变器中点电流参考值。
[0064]这里，如图3所示，逆变器中点电流由inp表示，并且表示从逆变器中点流入三电平逆变器200的电流，逆变器中点参考值表示与逆变器中点电流相关的参考值并且由 ηρ表
/
[0065]电压参考输出单元142通过使用由比例积分处理单元141生成的逆变器中点电流参考值，执行生成并输出零序电压的参考值V*zs的功能。
[0066]具体地，电压参考输出单元142根据来自曲线图中的每个操作状态来确定临界点，该曲线图的X轴设为逆变器中点电流inp，Y轴设为零序电压的参考值v*zs，电压参考输出单元142使用所确定的临界点执行线性插值(interpolation),从而生成与由比例积分处理单元141生成的逆变器中点电流参考值 ηρ相对应的零序电压的参考值V:。
[0067]当确定每个操作状态的临界点时，电压参考输出单元142可以使用采样周期(图11中的Tsamp)、相电流幅值、相电压参考值和DC链电压幅值。
[0068]下文中将详细描述确定操作状态和处理临界点的操作。
[0069]同时，栅极驱动单元150执行生成最终参考值并使用最终参考值向三电平逆变器200的开关元件的每个栅极施加信号的功能，该最终参考值是通过将由零序电压参考单元140计算的零序电压的参考值与相电压参考单元130的每个相电压参考值相加得到的。
[0070]在这种情况下，栅极驱动单元150可以通过使用幅值根据每个DC链电压和上述最终参考值动态变化的载波来生成脉宽调制(PWM)信号，并可以将PWM信号施加到开关元件的每个栅极。
[0071]这有助于对DC链210和220的电压的独立控制。
[0072]图6通过使用电压向量示出三电平逆变器200的电压输出状态。
[0073]当高侧DC链的电压和低侧DC链的电压相同时，三相电压输出能够表示为充满等边三角形的六角形平面内的顶点之一。即，根据幅值，这些向量能够被分成零向量、小向量、中等向量和大向量。
[0074]当Vde(=VdeH+VdJ增加10%并且VdeH和VdeL之间的比率是6:4时，电压向量从顶点偏离，如图6中的虚线向量所示。在图3中定义了 “p”、“o”和“η”的电位。
[0075]应当执行三角函数的复杂运算，从而从几何上补偿电压平面内的这种失真。然而，结合基于载波的PWM能够很容易地理解对于DC链210和220的非对称电压的补偿。
[0076]图7示出有关a-相的最终参考电压V\。与高侧载波相交的情况。在图7中，图3中的(s2，s4)被固定为(导通，截止)，通过将v\。与载波相比较来改变(s1;s3)的开关状态。
[0077]在下文中，假定在图7的^和！^间隔期间，三电平逆变器200的高侧/低侧DC链电压彼此不相同。
[0078]首先，在T1间隔期间假定图6中的非对称电压平面，则测量到的Vd。的一半被施加到高侧/低侧载波的高度(height)上。
[0079]起初，在T1期间，a-相伏秒的预期输出应为A和C的面积和；然而，实际高侧电容器电压Vdcfl小于?发生的损失与区域c相对应。
[0080]在间隔T2期间，高侧和低侧载波的幅值被调整为与高侧/低侧DC链电压成比例，从而补偿这种损失。在这种情况下，最终参考值和载波彼此相交的时刻被延迟，使得伏秒输出增加并且能够输出与A和C的面积和相等的区域B。这样，调整整个载波的高度，使得高侧载波被调整为与Vdcfl的电压幅值成比例，低侧载波被调整为与Vdcl的电压幅值成比例，从而能够很容易地补偿电压输出的失真。
[0081]在下文中，将描述通过图4中的零序电压参考单元140调整实际DC链210和220之间的电压差的理论背景。
[0082]参照图6，已提到根据电压向量的幅值将电压向量分成四种类型。当R-L负载(电阻-线圈负载)被连接至图3中的三电平逆变器200时，与每个电压向量相对应的电路连接如图8所示。
[0083]如从图8的(b)和(C)中已知，小向量被分为两种。尽管负载的连接状态相同，但是负载能够连接至三电平逆变器200的高侧电容器(即，高侧DC链210中包括的电容器)或者三电平逆变器200的低侧电容器(即，低侧DC链220中包括的电容器)。
[0084]这里，能够获得用于逆变器中点电压控制的提示。假定负载连接至理想电压源从而使全部DC链电压的和恒定，并且负载的L很小从而使功率系数接近I。于是，在图8的
(b)中，由负载所消耗的有效功率包括在高侧电容器中从而使逆变器中点电位增加。与此相反，在图8的(c)中，低侧电容器包括负载的有效功率从而使逆变器中点电位降低。
[0085]也就是说，在图8的(b)和(C)中，尽管负载的连接状态是相同的，但是对于逆变器中点的作用却是彼此相反的。然而，通过使用增加到相电压参考值上的零序电压，能够有限地调节图8中(b )和(c )的电压输出之间的比率。这样，通过使用零序电压，逆变器中点的电位能够在有限的范围内被调节。
[0086]上述分析是关于输出功率的定性分析。电容器的电压变化能够以数学方式表示为与流经电容器的电流相关的函数。具有等效串联电阻(ESR)Rd。的高侧/低侧电容器的电压和电流具有如下关系。相关变量如图8中定义。
I
[_] VdcH(t) = VdcH0+ Rdc*idcH(t)+ Ho idcH (t)dt
^dc..(n
[0088]VdcL(t) = VdcL0+ Rdc-1dcL (t)+ ^-J0 idcL (t)dt
^dc.- (2)
[0089]另外，在图4中，下文的(3)由基尔霍夫电流定律(KCL)建立。
[0000] idcH(t)-1dcL(t) = inp(t)
[0091]…(3)[0092]为了基于(3)分析inp的作用，能够从(1)中减去(2)。
【权利要求】
1.一种具有两个直流(DC)链的三电平逆变器，所述三电平逆变器用于将多个光伏(PV)模块内生成的DC电力转换成交流(AC)电力，其中所述两个DC链中的第一 DC链的一端连接至所述多个PV模块中的产生第一电位的第一电位点，以及所述两个DC链中的第二 DC链的一端连接至所述多个PV模块中的产生低于所述第一电位的第二电位的第二电位点，以及所述第一 DC链的另一端和所述第二 DC链的另一端都连接至所述多个PV模块中的产生具有所述第一电位和所述第二电位之间的中间电平的第三电位的第三电位点。
2.一种用于控制根据权利要求1的具有两个DC链的三电平逆变器的装置，所述装置包括:两个最大功率点跟踪(MPPT)执行单元，所述MPPT执行单元用于对所述两个DC链中的每一个独立地执行MPPT以分别生成DC链电压参考值；算术运算单元，所述算术运算单元用于通过接收从所述两个MPPT执行单元输出的所述DC链电压参考值，执行所述DC链电压参考值中的每一个的和运算以及差运算；相电压参考单元，所述相电压参考单元用于基于通过执行所述算术运算单元的和运算计算的值生成每个相电压参考值；零序电压参考单元，所述零序电压参考单元用于基于通过执行所述算术运算单元的差运算计算的值，生成零序电压的参考值；以及栅极驱动单元，所述栅极驱动单元用于生成最终参考值并使用所述最终参考值向所述三电平逆变器的开关元件的每个栅极施加信号，所述最终参考值是通过将由所述零序电压参考单元计 算的所述零序电压的参考值与所述相电压参考单元的每个相电压参考值相加得到的。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述零序电压参考单元生成零序电压的参考值，在该参考值处所述DC链之间的电压差跟踪由所述算术运算单元的差运算计算的值。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其中，所述零序电压参考单元包括:比例积分处理单元，所述比例积分处理单元用于从由所述算术运算单元的差运算计算的值中减去所述DC链之间的所述电压差，用于通过使用预定增益对减法运算后的值执行比例积分，以及用于生成逆变器中点电流参考值；以及电压参考输出单元，所述电压参考输出单元用于通过使用由所述比例积分处理单元生成的所述逆变器中点电流参考值，生成并输出所述零序电压的参考值。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述电压参考输出单元根据来自曲线图中的每个操作状态来确定临界点，通过使用所确定的临界点执行线性插值，从而生成与由所述比例积分处理单元生成的所述逆变器中点电流参考值相对应的零序电压的参考值，所述曲线图的X轴设为逆变器中点电流，Y轴设为零序电压的参考值。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，当确定所述操作状态和计算所述临界点时，所述电压参考输出单元使用所述相电压参考值、采样周期、每个相电流幅值和每个DC链电压幅值。
7.根据权利要求2所述的装置，其中，所述栅极驱动单元通过使用载波来生成脉宽调制(PWM)信号，并将所述PWM信号施加到所述开关元件的每个栅极，所述载波的幅值根据每个DC链电压和所述最终参考值而动态变化。
8.一种用于控制根据权利要求1的具有两个DC链的三电平逆变器的方法，所述方法包括: (a)对所述两个DC链中的每一个独立地执行最大功率点跟踪(MPPT)以分别生成DC链电压参考值； (b)通过接收在(a)中生成的所述DC链电压参考值，执行所述DC链电压参考值中的每一个的和运算以及差运算； (c)基于通过执行(b)中的和运算计算的值，生成每个相电压参考值； Cd)基于通过执行(b)中的差运算计算的值，生成零序电压的参考值；以及(e)生成最终参考值，并使用所述最终参考值将信号施加到所述三电平逆变器的开关元件的每个栅极，所述最终参考值是通过将在(d)中计算的零序电压的参考值与在(C)中计算的每个相电压参考值相加而得到。
9.根据权利要求8中的所述方法，其中，(d)包括生成零序电压的参考值，在该参考值处所述DC链之间的电压差跟踪通过(b )中的差运算计算的值。
10.根据权利要求8或9中所述的方法，其中，Cd)包括: (dl)从由(b)中的所述差运算计算的值中减去所述DC链之间的电压差，通过使用预定增益对减法运算后的值执行比例积分，并且生成逆变器中点电流参考值；以及 (d2)通过使用在(dl)中生成的所述逆变器中点电流参考值生成并输出零序电压的参考值。
11.根据权利要求10的所述方法，其中，(d2)包括: 根据来自曲线图中的每个操作状态来确定临界点，所述曲线图的X轴设为逆变器中点电流，Y轴设为零序电压的参考值；以及 通过使用所确定的临界点执行线性插值，从而生成与(dl)中生成的所述逆变器中点电流参考值相对应的零序 电压的参考值。
12.根据权利要求11的所述方法，其中，所述相电流参考值、采样周期、每个相电流幅值、以及每个DC链电压幅值被用于确定所述操作状态和计算所述临界点。
13.根据权利要求8的所述方法，其中，(e)包括: (el)通过使用载波来生成脉宽调制(PWM)信号，所述载波的幅值根据每个DC链电压和所述最终参考值而动态变化；以及 (e2)将在(el)中生成的所述PWM信号施加到所述开关元件的每个栅极。
【文档编号】H02M7/48GK103715924SQ201310071251
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年3月6日 优先权日:2012年10月9日
【发明者】朴容淳, 薛承基, 林春浩, 李成勋, 李基成 申请人:Lg优普乐株式会社, （财团法人）基础电力研究院