用于操作逆变器的方法和逆变器设备与流程

本发明涉及用于操作逆变器的方法和逆变器设备。

背景技术

逆变器是能够将来自dc电源的dc(直流)电力转换成ac(交流)电力的电气装置。本文中的“逆变器”通常是指能够将直流转换成交流的电子装置或电路系统。逆变器的示例是借助于可控半导体开关例如igbt(绝缘栅极双极晶体管)或fet(场效应晶体管)而实现的半导体桥，其中，可控半导体开关根据所使用的调制或控制方案来控制。

包括逆变器的电力系统的一个示例是其中一个或更多个光伏面板向逆变器供应dc电力的光伏系统例如光伏电厂或发电机，该逆变器将dc电力转换成ac电力，该ac电力可以进一步例如经由ac网络被供应给各种ac负载。大型光伏电厂可以包括各自从光伏面板阵列接收dc电力的多个并联逆变器。所使用的逆变器可以是单级逆变器或多级逆变器。单级逆变器仅包括在逆变器的输入端与输出端之间的单个电力电子级，这不仅考虑到dc至ac转换，还考虑到可能的mppt和/或升压功能。多级逆变器的示例是包括dc至dc级和单独的dc至ac级的两级逆变器，其中，dc至ac级可以执行dc至ac转换，并且dc至dc级可以执行可能的mppt和/或升压功能。

在这样的光伏发电系统中，pv面板的操作点优选地被驱动至最佳可能操作点，即被驱动至能够从pv面板提取最大电力量的点。这种技术通常被称为最大功率点跟踪(mppt)。作为示例，常见的mppt方法是所谓的扰动和观测(p&o)方法及其变型。在该方法中，系统的mppt电压参考不断变化，并且确定所引起的生成电力的变化。基于电力的变化和参考值的变化，然后可以确定参考值应该减小还是增加，以便增加提取的电力量。例如，mppt功能可以借助于逆变器来实现，利用该逆变器，可以改变其dc输入电压并且因此改变由(一个或多个)光伏面板所历经(see)的阻抗，并且因此操作点可以朝向最佳可能操作点移动。

在一些光伏发电系统中，可能优选的是，将可从系统的(一个或多个)pv面板得到的pv峰值功率设定为高于其他系统部件例如逆变器的标称功率或最大功率。例如，如果太阳从晴朗的天空照射，来自(一个或多个)pv面板的峰值功率可能仅在正午期间的相对短时间内可得到。作为示例，可从系统的(一个或多个)pv面板得到的pv峰值功率相对于逆变器的标称功率或最大功率的裕度(oversizing)可以是约1.2至1.6。因此，在大多数晴天期间，逆变器可能需要限制从系统的(一个或多个)pv面板供应的电力以防止自身过热。在这样的电力限幅(clipping)期间，逆变器的最大功率点跟踪器将必须放弃(一个或多个)pv面板的ui曲线的最佳功率点。在这种情况下，逆变器的最大功率点跟踪器将使逆变器的dc输入电压升高至比与最大功率点对应的电压值高的电压水平，以试图通过控制dc电压值更接近(一个或多个)pv面板的开路电压来更少地加载(一个或多个)pv面板。

与上述解决方案有关的问题是光伏发电系统的电力吞吐能力可能不理想。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种方法和用于实现该方法的设备，以便解决或至少减轻上述问题或者至少提供替选解决方案。通过根据本公开内容的方法、计算机程序产品、逆变器设备和电力系统来实现本发明的目的。

根据本发明的一方面，提供了一种操作单级逆变器的方法，所述单级逆变器具有连接至dc电源的dc输入端，所述方法包括：使用单级逆变器将从dc电源供应至单级逆变器的dc输入端的dc电力转换成从单级逆变器的ac输出端供应至ac网络的ac电力，其中通过施加最大功率点跟踪mppt进行dc输入电压控制；响应于在通过施加mppt进行转换期间检测到从dc电源供应至单级逆变器的dc输入端的dc电力超过预定电力阈值，将单级逆变器的dc输入电压控制为降低的值，降低的值低于与mppt的最大功率点对应的电压值；以及在将单级逆变器的dc输入电压控制为降低的值之后，使用单级逆变器将从dc电源供应至单级逆变器的dc输入端的dc电力转换成从单级逆变器的ac输出端供应至ac网络的ac电力，其中通过施加降低的dc输入电压值进行dc输入电压控制。

根据本发明的另一方面，提供了一种包括计算机程序代码的计算机程序产品，其中，在计算机中执行所述程序代码使得计算机执行上述方法的步骤。

根据本发明的另一方面，提供了一种逆变器设备，包括：具有dc输入端和ac输出端的单级逆变器；以及控制装置，其被配置成：控制单级逆变器以将从dc电源供应至单级逆变器的dc输入端的dc电力转换成从单级逆变器的ac输出端供应至ac网络的ac电力，其中通过施加最大功率点跟踪mppt进行dc输入电压控制；响应于在通过施加mppt进行转换期间检测到从dc电源供应至单级逆变器的dc输入端的dc电力超过预定电力阈值，将单级逆变器的dc输入电压控制为降低的值，所述降低的值低于与mppt的最大功率点对应的电压值；以及在将单级逆变器的dc输入电压控制为降低的值之后，控制单级逆变器以将从dc电源供应至单级逆变器的dc输入端的dc电力转换成从单级逆变器的ac输出端供应至ac网络的ac电力，其中通过施加降低的dc输入电压值进行dc输入电压控制。

根据本发明的又一方面，提供了一种电力系统，包括根据上述逆变器设备以及连接至单级逆变器的dc输入端的光伏dc电源，dc电源包括一个或更多个光伏面板。

本发明基于认识到：将dc输入电压升高至比与最大功率点对应的电压值高的电压水平，较高的操作电压会引起问题，因为逆变器的dc输入电压越高，可以越少地加载逆变器。本发明还基于：响应于检测到从dc电源供应至逆变器的dc输入端的dc电力超过预定电力阈值来将逆变器的dc输入电压控制为降低的值，该降低的值低于与mppt的最大功率点对应的电压值。

本发明的解决方案的优点在于：在逆变器需要通过偏离mppt的最大功率点来限制从dc电源供应的dc电力以防止本身过热的情况下，可以更好地优化逆变器的操作。

附图说明

在下文中，将结合优选实施方式并且参照附图来更详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了根据实施方式的电力系统的示例；

图2示出了根据实施方式的流程图；以及

图3示出了光伏阵列的特性曲线。

具体实施方式

本发明的应用不限于任何特定系统，而是可以结合各种电力系统使用。此外，例如，本发明的使用不限于采用任何特定基频或任何特定电压水平的系统。

图1示出了电力系统的简化示例。该图仅示出了理解本发明所必需的部件。图1的示例性系统包括逆变器10。逆变器10可以是单级逆变器或包括两个或更多个转换器级的多级逆变器。在本文中，术语单级逆变器被认为也可操作地包括单级逆变器，而不管它们可以包括多少个物理级。作为示例，如果多级逆变器的仅dc至ac级是可操作的(有效)并且任何在前的(一个或多个)dc至dc级被旁路(非有效)，则多级逆变器可以可操作地是单级逆变器。如图所示，逆变器10的dc输入端可以连接至dc电源20例如光伏dc电源。光伏dc电源20的示例是光伏(pv)面板或者两个或更多个光伏面板的阵列。还可以利用(一种或多种)其他类型的(一个或多个)dc电源，例如风力dc电源或燃料电池dc电源。在逆变器10与dc电源20之间可以存在一个或更多个开关(未示出)，使得逆变器能够连接至dc电源以及从dc电源断开连接。图1的示例性系统还示出了连接在逆变器10的dc输入端的(正+和负-)极之间的电容c。此外，当电力系统处于正常操作时，逆变器10的ac输出端可以连接至ac网络30例如公共电网或其他类型的ac网络，以便将来自dc电源20的电力供应至ac网络30。在电力系统与ac网络30之间可以存在一个或更多个开关(未示出)，使得电力系统能够连接至ac网络30以及从ac网络30断开连接。例如，逆变器10与ac网络30之间的ac连接可以是如图所示的单相ac连接或三相ac连接。图1的示例性系统还示出了连接至逆变器10的ac输出端的ac输出滤波器40。例如，ac输出滤波器40可以是lcl滤波器。例如，还可以存在连接在逆变器10的ac输出端与ac网络30之间的一个或更多个变压器或变换器(图中未示出)。

图1的示例性系统还包括用于逆变器10的控制设备，该示例性控制设备包括控制单元100。虽然该示例性控制单元已经被示为单独的单元，但是其可以被包括在逆变器10内。例如，控制单元100可以根据所使用的调制方案来控制逆变器10的正常操作。此外，根据本文描述的各个实施方式的功能可以至少部分地借助于用于逆变器10的控制单元100来实现。

根据实施方式，逆变器10可以被操作成使得由逆变器将从dc电源20供应至逆变器10的dc输入端的dc电力转换成从逆变器的ac输出端供应至ac网络30的ac电力，其中通过施加最大功率点跟踪mppt进行dc输入电压控制。因此，根据所应用的mppt技术来控制逆变器10的dc输入电压并且因此控制dc电源20的输出电压。例如，所使用的mppt技术可以选自已知的mppt技术例如爬山(hillclimbing)技术。爬山技术的示例是扰动和观测方法。在通过应用mppt进行转换期间，响应于检测到从dc电源20供应至逆变器10的dc输入端的dc电力超过预定电力阈值，逆变器的dc输入电压被控制为降低的值，该降低的值低于与mppt的最大功率点对应的电压值。根据实施方式，单级逆变器的dc输入电压被控制为降低的值，使得从dc电源供应至逆变器的dc输入端的dc电力最多等于预定电力阈值。在将逆变器的dc输入电压控制为降低的值之后，由逆变器将从dc电源20供应至逆变器10的dc输入端的dc电力转换成从逆变器的ac输出端供应至ac网络30的ac电力，其中通过施加降低的dc输入电压值进行dc输入电压控制。根据实施方式，例如，预定电力阈值可以等于逆变器10的最大功率或标称功率。根据实施方式，预定电力阈值是单级逆变器的dc输入电压的函数。例如，预定电力阈值可以依赖于逆变器10的温度和/或逆变器10的一个或更多个部件的温度和/或逆变器10的环境温度。因此，例如，预定电力阈值可以根据预定公式或因子而适应于温度。

根据实施方式，在通过施加降低的dc输入电压值进行转换期间，响应于检测到从dc电源20供应至逆变器10的dc输入端的dc电力低于预定电力阈值，开始由逆变器10将从dc电源20供应至逆变器10的dc输入端的dc电力转换成从逆变器的ac输出端供应至ac网络30的ac电力，其中通过施加mppt进行dc输入电压控制。因此，如果在通过施加降低的dc输入电压值进行转换期间，从dc电源20供应至逆变器10的dc输入端的dc电力变得低于预定电力阈值，则可以通过再次施加mppt来恢复转换。

根据实施方式，响应于降低的dc输入电压值低于预定电压阈值，逆变器10的dc输入电压被控制为升高的值，该升高的值高于与mppt的最大功率点对应的电压值。根据实施方式，逆变器10的dc输入电压被控制为升高的值，使得从dc电源20供应至逆变器10的dc输入端的dc电力最多等于预定电力阈值。在将逆变器的dc输入电压控制为升高的值之后，由逆变器将从dc电源20供应至逆变器10的dc输入端的dc电力转换成从逆变器的ac输出端供应至ac网络的ac电力，其中通过施加升高的dc输入电压值进行dc输入电压控制。因此，可以限制逆变器10的dc输入电压可以被控制为多低。例如，这样的预定电压阈值可能以添加至其的适当余量，可以对应于逆变器10的ac输出端的整流后的ac电压，或者通常可以对应于逆变器10的最小可允许dc输入电压。并且，在满足预定电压阈值时，可以通过从mppt的最大功率点偏离至比与mppt的最大功率点对应的电压值高的电压值来限制从dc电源20供应的dc电力。根据实施方式，响应于在通过施加升高的dc输入电压值进行转换期间检测到从dc电源20供应至逆变器10的dc输入端的dc电力低于预定电力阈值，开始由逆变器10将从dc电源20供应至逆变器10的dc输入端的dc电力转换成从逆变器的ac输出端供应至ac网络30的ac电力，其中通过施加mppt进行dc输入电压控制。因此，如果在通过施加升高的dc输入电压值进行转换期间，从dc电源20供应至逆变器10的dc输入端的dc电力变得低于预定电力阈值，则可以通过再次施加mppt来恢复转换。

图2示出了根据示例性实施方式的流程图。首先，在步骤200中启动逆变器10。在启动之后，在步骤210中，逆变器10将从dc电源20供应至逆变器10的dc输入端的dc电力转换成从逆变器的ac输出端供应至ac网络30的ac电力，其中通过施加最大功率点跟踪进行dc输入电压控制。在步骤220中，在通过施加最大功率点跟踪进行转换210期间，例如连续地或周期性地检查从dc电源20供应至逆变器10的dc电力是否超过预定电力阈值。例如，可以基于由逆变器10测量的dc或ac电流和电压来确定从dc电源20供应至逆变器10的dc电力。如果所确定的从dc电源20供应至逆变器10的dc电力等于或低于预定电力阈值，那么转换210可以继续而不发生任何变化。但是，如果所确定的从dc电源20供应至逆变器10的dc电力高于预定电力阈值，那么逆变器的dc输入电压被控制230为降低的值，例如，使得从dc电源供应至逆变器的dc输入端的dc电力等于或低于预定电力阈值，并且转换可以以逆变器10的降低的dc输入电压值继续。在步骤240中，在通过施加降低的dc输入电压值进行转换230期间，检查从dc电源20供应至逆变器10的dc电力是否等于预定电力阈值。如果所确定的从dc电源20供应至逆变器10的dc电力低于预定电力阈值，那么可以恢复通过施加mppt进行的转换210。如果所确定的从dc电源20供应至逆变器10的dc电力仍然等于预定电力阈值，那么在步骤250中，可以另外检查逆变器10的dc输入电压值是否低于预定电压阈值。如果逆变器10的dc输入电压值等于或高于预定电压阈值，那么使用降低的dc输入电压值的转换230可以继续。然而，如果逆变器10的dc输入电压值低于预定电压阈值，那么在步骤260中，逆变器10的dc输入电压被控制为升高的值，例如，使得从dc电源20供应至逆变器的dc输入端的dc电力等于或低于预定电力阈值，并且转换可以以逆变器10的升高的dc输入电压值继续。在步骤270中，在通过施加升高的dc输入电压值进行转换260期间，检查从dc电源20供应至逆变器10的dc电力是否等于预定电力阈值。如果所确定的从dc电源20供应至逆变器10的dc电力低于预定电力阈值，那么可以恢复通过施加mppt进行的转换210。如果所确定的从dc电源20供应至逆变器10的dc电力仍然等于预定电力阈值，那么使用升高的dc输入电压值的转换260可以继续。

作为示例性情况，在早上，当光伏发电系统的逆变器10被启动时，来自pv阵列20的可用电力可能相当低。如果pv阵列20峰值功率被设定为高于逆变器标称功率，则稍后在天空晴朗状况的白天期间，对应于最大功率点的pv阵列电力可能升高至逆变器的标称功率以上，并且逆变器的控制器100可能被迫离开pv阵列的最大功率点并针对逆变器的电力限制进行操作。通常当逆变器的电力受到限制时，逆变器的dc电压参考升高。发生这种情况是由于以下事实：控制器试图更少地加载pv阵列，并且从而控制dc电压参考值更接近pv阵列的开路电压。当逆变器向电网30馈送全标称电力并且在相当高的dc电压水平下进行操作时，逆变器可能还需要减少更多的电力，因为在较高的dc电压值下可以更少地加载逆变器。由于pv阵列不是在最大功率点处进行操作，所以在pv阵列ui曲线上存在两个操作点，所述操作点给出相同的输出电力。并且，由于更接近约1.42的最佳dc/ac电压比率(即略高于整流后的ac电压的水平)进行操作对逆变器更有利，所以pv阵列的限制优选地应该通过降低dc电压而不是升高dc电压来完成。由于dc链路(dc-link)电压不能下降至整流后的ac电压水平以下(例如，由于在没有dc升压的单级逆变器的情况下的逆变器桥的反并联二极管)，因此pv阵列电力不能线性地降低至零，通常，电力限制期间的dc电压从mppt被驱动至更高的方向而不是更低的方向。然而，在操作电压下降至整流后的峰值电压值以下时，pv阵列电力也将被限制在较低的操作值处，因为来自ac电网的峰值电压尖峰将经由反并联二极管被馈送至dc链路并且开始限制从pv发电机至电网的电力。由于限制后的电力通常在标称逆变器电力的约20％至30％——有时在冷环境温度下甚至是50％——的范围内，朝向较低dc电压水平的电力限制通常不会使dc电压下降至整流后的ac电压水平以下。在dc电压下降至太接近整流后的电压水平的情况下(例如，由于热pv面板或者太高的dc/ac电力比率设定)，逆变器可以越过mppt电力山并且开始在最大功率点曲线的较高侧进行操作。该特征可能要求逆变器能够在短时间内向电网馈送比标称功率高的电力，或者在短时间内停止电力馈送并且在更高的操作电压下开始电力馈送。

图3示出了根据示例性实施方式的光伏阵列的特性曲线。在该示例中，示出了在不同辐照条件期间的pv阵列的特性曲线。最低辐照iu和pu曲线对示出了在600w/m²辐照水平下可从pv阵列得到的电流和功率。针对800w/m²和1000w/m²的辐照水平示出了类似曲线。用实线绘制了iu(电流与电压，即if(u))曲线，并且用虚线绘制了pu(功率与电压，即pf(u))曲线。线pnom_inv示出了pv逆变器的标称功率，线pinv_deratef(v)示出了由于使用的操作dc电压水平而引起的pv逆变器的功率降额因子。因此，在图3的实施方式中，线pinv_deratef(v)表示逆变器10的最大功率，并且因此表示作为逆变器10的dc输入电压的函数的预定电力阈值。由图3的实施方式中的线pinv_deratef(v)表示的预定电力阈值因此发生变化并且总是由逆变器10的主要dc输入电压确定。线pinv_min_dc示出了pv逆变器的最小操作水平，所述最小操作水平对应于例如整流后的ac电压的水平。线ppk_array示出了在1000w/m²辐照水平下可从pv阵列得到的峰值功率。由于示例性系统的dc/ac电力比率，pv逆变器能够馈送在高达800w/m²辐照水平(操作点1)下可从pv阵列得到的所有电力，从此开始，pv逆变器不再能够在最大功率点处进行操作，而是需要限制可用电力。在1000w/m²的辐照水平下，逆变器将被迫通过根据由线pnom_inv示出的pv逆变器的标称功率在操作点2或4处进行操作来限制电力。由于逆变器以满功率在高电压水平下进行操作，在某些(高)环境温度条件下，由于pv逆变器电压降额(pinv_deratef(v))，pv逆变器可能需要甚至进一步降低电力，并因此需要在操作点3处进行操作。这样的降额可能由于各种原因而发生。例如，可能执行逆变器降额以便防止逆变器的部件过热。此外，系统的其他部件例如可能的电容c和/或滤波器40可能受到高电压的压力而需要对电力降额。通过在这样的电力限幅期间在操作点4(即在相应pu曲线中的最大功率点的左侧)处操作逆变器，逆变器可能由于电压降额曲线而实际上根据线pinv_deratef(v)在操作点5处进行操作。操作点5对应于比操作点3高得多的电力水平。换言之，如可以从图中看到的，在根据图3的示例中作为逆变器10的dc输入电压的函数并且由线pinv_deratef(v)表示的预定电力阈值在操作点5比在操作点3处高。因此，系统可以在电力限幅模式下向负载(电网)馈送更多电力。

控制设备100或控制根据本文中的任一实施方式的逆变器的其他装置或其组合可以被实现为被配置成实现各种实施方式的功能的一个物理单元或者两个或更多个单独的物理单元。在本文中术语“单元”通常是指物理或逻辑实体，例如物理装置或其一部分或者软件例程。例如，根据任一实施方式的控制设备100可以至少部分地借助于设置有合适的软件的一个或更多个计算机或相应的数字信号处理(dsp)装备来实现。这样的计算机或数字信号处理装备优选地至少包括为算术运算提供存储区域的工作存储器(ram)以及中央处理单元(cpu)例如通用数字信号处理器。cpu可以包括一组寄存器、算术逻辑单元和控制单元。cpu控制单元由从ram传输至cpu的一系列程序指令来控制。cpu控制单元可以包含许多用于基本操作的微指令。微指令的实现可以根据cpu设计而变化。可以通过编程语言来对程序指令进行编码，编程语言可以是高级编程语言例如c、java等或者低级编程语言例如机器语言或汇编器。计算机也可以具有操作系统，该操作系统可以向使用程序指令编写的计算机程序提供系统服务。实现本发明的计算机或其他设备或其一部分还可以包括合适的用于接收例如测量数据和/或控制数据的输入装置以及用于输出例如控制数据或其他数据的输出装置。也可以使用用于实现根据任一实施方式的功能的一个或多个特定集成电路或者分立电子部件和器件。

本发明可以在现有电力系统部件例如逆变器中实现。本逆变器可以包括可以用在根据本文描述的各种实施方式的功能中处理器和存储器。因此，用于在现有电力系统部件例如逆变器中实现实施方式而所需要的所有修改和配置可以作为软件例程被执行，所述软件例程可以被实现为增加的或更新的软件例程。如果本发明的至少部分功能通过软件来实现，则这样的软件可以作为包括计算机程序代码的计算机程序产品来提供，当所述计算机程序代码在计算机上运行时使计算机或相应设备执行根据如本文描述的实施方式的功能。这样的计算机程序代码可以被存储或通常被呈现在计算机可读介质例如合适的存储器例如快闪存储器或光学存储器上，所述计算机程序代码可以从所述计算机可读介质加载至执行程序代码的一个或多个单元。另外，例如，实现本发明的这样的计算机程序代码可以经由合适的数据网络被加载至执行计算机程序代码的一个或多个单元，并且它可以代替或更新可能存在的程序代码。

对于本领域技术人员而言明显的是，随着技术的进步，本发明的基本构思可以以各种方式实现。因此，本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。