具有多個直流電源的雙向換能器的制造方法
【專利摘要】一種多直流電源的雙向換能器，其包括：多個直流(DC)電源；一個交流(AC)電源；至少一個堆疊交流(AC)相位，每個堆疊交流(AC)相位均具有至少兩個或更多個全橋轉換器，全橋轉換器分別耦接至其中一個直流電源，每個全橋轉換器均具有電耦接至每個全橋轉換器的電感器；以及，耦接至每個全橋轉換器的本地控制器，該本地控制器對在所述全橋轉換器中的開關設備的啟動序列進行控制，以當在一個方向上作為電壓源逆變器運行時生成大約接近正弦曲線的電壓波形或者當在相反方向上作為全波有源整流器運行時生成大約接近恒定的直流(DC)輸出。
【專利說明】具有多個直流電源的雙向換能器
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2011年12月16日提交的美國臨時申請號為61/576363的優先權，其 內容通過引用并入本文。

【技術領域】
[0003] 本發明涉及一種具有獨立直流電源和至少一個交流電源的雙向堆疊電壓源轉換 器，并尤其涉及包括了用于具有直流存儲元件的系統的示例性裝置和方法的具有獨立直流 電源和交流電源的雙向堆疊電壓源逆變器，該逆變器能夠在離網和并網運行中運作。這個 獨有技術的使用的領域為，但不限于，可再生發電與存儲、電動車輛、電能存儲、數據中心電 源管理中的不間斷供電（UPS)以及馬達驅動。

【背景技術】
[0004] 美國專利7, 796, 412公開了一種用于電力轉換的裝置。該裝置具有：至少兩個電 力級，至少兩個電力級的每一個電力級均能夠將直流輸入電力轉換為直流輸出電力；以及 控制器，該控制器基于第一直流電力，用來動態選擇用于將第一直流電力轉換為第二直流 電力的至少兩個電力級的一個或更多電力級，進一步包括耦接至用于將第二直流電力轉換 為交流電力的至少兩個電力級的輸出電路。
[0005] 美國專利8, 089, 178公開了用于脈沖幅度調制（PAM)電流轉換器，稱為"PAMCC" 的直流電，PAMCC連接至單獨的直流電源。該PAMCC接收直流電并在其三個輸出端子提供 脈沖幅度調制電流，其中每個端子的電流與其他兩個端子異向120度。該脈沖在與在一系 列脈沖上調制的信號相比的高頻上生成。在一系列脈沖上調制的信號可以代表部分更低頻 率的正弦波或其他更低頻率的波形，包括直流電。當每個分相位的輸出以與相似PAMCC的 輸出并聯時，形成大量的PAMCC，其中，每個電壓分相位輸出脈沖相對于其他PAMCC的相應 的電流輸出脈沖是異向的。大量的PAMCC形成分散式的三相位多相逆變器，其結合的輸出 為通過每個相位上的每個PAMCC調制的電流脈沖幅度的解調總量。
[0006] 在兩種方法中高壓轉換構件必須用于并聯電網應用。這些方法的主要缺點是由于 高壓設計的半導體構件的高成本和由于高轉換損耗造成的相對低的運行頻率。另外由于低 轉換頻率導致需要大且貴的低通濾波構件。因此，顯然需要一種逆變器，該逆變器能夠具有 高轉換頻率和用于交流電力系統中的應用的高效率地運行。


【發明內容】

[0007] 一方面，已公開用于電力轉換的方法和裝置。所述系統支持多個運行選項，包括但 不限于，網格存儲應用、不間斷供電應用和電動車輛電力應用。為了為這些應用進行服務， 多直流電源雙向換能器包括：多個直流（DC)電源；一個交流（AC)電源；至少一個堆疊交 流（AC)相位，每個堆疊交流（AC)相位均具有至少兩個或更多個全橋轉換器，每個全橋轉換 器分別耦接至其中一個直流電源，每個全橋轉換器均具有電耦接至每個全橋轉換器的電感 器；以及耦接至每個全橋轉換器的本地控制器，該本地控制器對在所述全橋轉換器中的開 關設備的啟動序列進行控制，以當在一個方向上作為電壓源逆變器運行時生成大約接近正 弦曲線的電壓波形或者當在相反方向上作為全波有源整流器運行時生成大約接近恒定的 直流（DC)輸出。
[0008] 在另一方面，多直流電源雙向換能器包括：多個直流（DC)電源；一個交流（AC)電 源；至少兩個或更多個全橋轉換器，每個全橋轉換器分別耦接至其中一個DC電源并且主要 節點和次要節點，每個全橋轉換器均具有陽極節點和陰極節點，每個全橋轉換器均具有以 并聯關系電連接在所述陽極節點和所述陰極節點之間的電壓支持裝置，每個全橋轉換器均 具有電連接在全橋轉換器的主要節點和第一橋臂之間的電感器和連接在所述陽極節點和 所述陰極節點之間的直流（DC)電源；至少一個堆疊交流（AC)相位，每個堆疊交流（AC)相 位均具有多個所述全橋轉換器，每個堆疊交流（AC)相位中的每個所述全橋轉換器以串聯 關系與其中一個所述全橋轉換器的所述次要節點相互連接，其中一個所述全橋轉換器的所 述次要節點連接至另一個全橋轉換器的所述主要節點，所述的串聯連接限定了第一全橋轉 換器和最后一個全橋轉換器，每個交流（AC)相位均具有在所述第一全橋轉換器的所述主 要節點的一個輸入節點以及在所述最后一個全橋轉換器的所述次要節點的輸出節點；交流 (AC)電源跨接所述交流（AC)相位；本地控制器，該本地控制器耦接至每個全橋轉換器，從 而對在所述全橋轉換器中的開關裝置的啟動序列進行控制以當在一個方向上作為電壓源 逆變器運行時生成大約接近正弦曲線的電壓波形或者當在相反方向上作為全波有源整流 器運行時生成大約接近恒定的直流（DC)輸出；以及系統控制器，該系統控制器與每個本地 控制器通信，系統級控制器生成用于進行所述本地控制器的配置激活、去激活以及運行模 式選擇的系統控制信號。
[0009] 在另一方面，向交流電（AC)電力系統供應電力的直流電（DC)電壓源逆變器包括： 多個全橋逆變器，每個全橋逆變器具有主要節點和次要節點，每個所述全橋逆變器具有陽 極和陰極節點，每個所述全橋逆變器具有以并聯關系電連接在所述陽極節點和所述陰極節 點之間的電壓支持裝置以及連接在陽極和陰極節點之間的直流電（DC)電源；至少一個堆 疊逆變器相位，每個堆疊逆變器相位具有多個所述全橋逆變器，在每個堆疊逆變器相位中 的每個所述全橋逆變器以串聯方式與連接至另一個全橋逆變器的所述主要節點的其中一 個所述全橋逆變器的所述次要節點相互連接，所述的串聯相互連接限定了第一全橋逆變器 和最后一個全橋逆變器，每個相位在所述第一全橋逆變器的所述主要節點上具有輸入節點 并在所述最后一個全橋逆變器的所述次要節點上具有輸出節點；本地控制器，該本地控制 器耦接至每個全橋逆變器，用于生成至全橋逆變器的控制信號以輸出大致接近正弦電壓波 形；所述全橋逆變器和所述本地控制器的結合形成基本逆變單元（BIU);系統控制器，該系 統控制器與每個基本逆變單元的本地控制器進行通信，該系統控制器生成用于進行所述基 本逆變單元的配置激活、去激活及運行模式選擇的系統控制信號。所述系統包括：通過將多 個直流電源的平均直流電壓與參考直流電壓相比生成第一誤差信號；將平均直流電流與所 述被檢測及平均的交流電流水平相比生成第二誤差信號；基于第一和第二誤差信號激活并 去激活多個全橋逆變器以接近正弦電壓波形。以上各方面的實施可以包括下列的一個或多 個。該方法可以包括檢測多個直流電源的直流電壓和電流水平并計算電力。該方法包括平 均所述直流電壓和電流水平并將所述平均值與參考直流電壓比較。該方法包括將所述平均 值與所述被檢測的和平均的交流電流水平比較。該方法包括從所述第二誤差信號生成相位 調制信號以及交流線電壓被檢測周期。可以使用鎖相回路檢測交流線電壓周期。該方法包 括為使用所述相位調制波形的所述全橋逆變器生成多個啟動參考信號。該方法包括確定調 制指數并為所述的調制指數提供參考表。在另一方面，轉換設備啟動信號可以基于使用數 字信號處理器（DSP)的相位調制信號進行計算。該方法包括在基本逆變單元和系統控制器 之間提供通信。該系統控制器控制基本逆變單元操作范圍，并同樣決定每個基本逆變單元 激活或去激活的需求。該方法包括使用串聯的單導體使多個全橋逆變器相互連接。
[0010] 在一個實施例中，所述系統控制器控制作為電流源運行的單個基本逆變單元和作 為電壓源運行的多個基本逆變單元。
[0011] 在另一個實施例中，所述系統控制器控制作為電壓源運行的多個基本逆變單元。
[0012] 以上系統的其他實施方式中可以包括以下的一個或多個。可使用并且連接三個堆 疊逆變器相位以形成Y形（Y)或三角形（△)連接。每個基本逆變單元整合了開關以在發 生個別的階段故障情況下選擇性地縮短其輸出，使連接至基本逆變單元的余下的串聯繼續 運行。該全橋逆變器可以為第一轉換組和第二轉換組，每個所述的轉換組具有多個轉換單 元以可控制地調節電流流量，每個所述的轉換單元具有第一端部和第二端部，所述第一轉 換組具有與所述第一端部在所述全橋逆變器的所述陽極節點上電連接的多個轉換單元，所 述第一轉換組的所述轉換單元的一個的所述第二端部與所述的主要節點電連接，所述第一 轉換組的另一個所述轉換單元的所述第二端部與所述次要節點電連接，所述第二轉換組具 有與所述第二端部在所述全橋逆變器的所述陰極節點上電連接的多個轉換單元，所述第二 轉換組的所述轉換單元的一個的所述第一端部電連接至所述主要節點，所述第二轉換組的 所述轉換單元的另一個所述轉換單元的所述第一端部電連接至所述次要節點。該主要節點 可以連接至感應器。所述次要節點可以連接至感應器。電容器可以連接在所述主要和次要 節點之間以生成用于將基本逆變單元同步到交流電電網相位的本地交流電壓參考。當存在 電容器時，每個基本逆變單元檢測線頻率。該電容器在單個裝置出現故障時也提供了對反 向電流流量的短期保護。該轉換裝置可以為柵關斷裝置和以并聯方式連接的反并行裝置并 且相互間反向偏置。該柵關斷裝置包括從以下群組中選擇的構件：柵關斷晶體閘流管、絕 緣柵雙極型晶體管（IGBT)、金屬氧化物半導體場效應晶體管（M0SFET)、金屬半導體場效應 晶體管（MESFET)、結晶型場效應晶體管（JFET)、M0SFET控制的晶體閘流管、雙極型晶體管 (BJT)、靜電感應晶體管、靜電感應晶體閘流管以及M0SFET關斷晶體閘流管、氮化鎵（GaN) 晶體管、碳化硅（SiC)晶體管。該反并行裝置可以為二極管。每個全橋逆變器可以連接至 電容器、電池、燃料電池、光伏電池、光伏模塊或生物質電池。降壓或升壓調節電路可以設置 在基本逆變單元中的全橋逆變器和直流電源之間。當以包括光伏電池的直流電源的方式使 用時，有源濾波器可以解耦在每個基本逆變單元中施加到直流電壓的交流電壓調制。可變 數量的基本逆變單元可以用在一個相位中來匹配特定的電網電壓。每個基本逆變單元可以 在不同的直流電力水平上運行。可變數量的基本逆變單元可以用于每個相位。
[0013] 在另一方面，一種用于轉化多個直流電（DC)電源以接近正弦電壓波形的方法，包 括：在堆疊相位被連接至交流電電網網絡的情況下，檢測電網的交流電壓水平；通過系統 控制器計算用于堆疊的基本逆變單元的交流電啟動電壓；計算電力、執行最大電力點跟蹤 算法、并生成參考直流電壓；平均所述的輸入直流電壓水平；將所述平均直流電壓水平與 參考直流電壓比較；從所述平均直流電壓與參考直流電壓的比較中生成第一誤差信號；將 來自直流電壓電源的平均直流電與被檢測的交流電水平進行比較；從所述平均直流電與 被檢測的交流電水平的比較中生成第二誤差信號；從所述第二誤差信號中生成相位調制 信號；檢測具有周期的交流線電壓；生成與所述交流線電壓的周期直接相關的相位參考信 號；生成用于使用所述相位參考波形的全橋逆變器的多個啟動參考信號；確定調制指數； 并且提供用于所述調制指數的參考表。在一個實施方式中，例如中繼、半導體開關或其他的 輸出縮短單元是可選擇的配置。每個基本逆變單元可以具有縮短單元以防止如果串聯的連 接單元之一故障或沒有足夠的直流輸入電力來運行使得系統不能運行的可能性。該縮短單 元的控制可能來自于以下兩種方式：a)本地控制器、或b)來自系統控制器。該系統控制器 可以關閉至少一個具有電流限制裝置的并聯開關，該電流限制裝置將通過堆疊的基本逆變 單元作為相位參考信號所述交流線電壓用于在發電機裝置啟動前的每個基本逆變單元的 同步。
[0014] 在另一方面，一種用于轉換多個直流電源以接近正弦電壓波形的方法，包括：感測 來自多個直流電源的平均直流電壓；基于感測到的直流電壓激活以及去激活多個全橋逆變 器。實施方式可以包括下列的一個或多個。該方法包括在基本逆變單元和系統控制器之間 提供通信單元。該方法包括如果由系統控制器計算的電壓處于范圍之外則檢測交流電壓水 平并制造第一電壓參考信號。該方法包括如果由系統控制器計算的電壓處于范圍之內則檢 測交流電壓水平并制造第一電流參考信號。該方法包括平均所述的交流電壓水平并將所述 平均電壓與參考直流電壓比較。該方法包括平均所述交流電流水平并將所述平均電流與參 考直流電流比較。該方法包括從所述用戶指令信號生成移相信號。該方法包括檢測具有周 期的交流線電壓并生成與所述交流線電壓的所述周期直接相關的相位參考信號。該方法包 括生成用于多個全橋逆變器的多個啟動信號，所述多個全橋逆變器使用所述相位參考信號 和所述移相信號。該方法包括確定調制指數并提供用于所述調制指數的參考表。該方法包 括通過將相位參考信號與可逆數字計數器對比來確定啟動信號。
[0015] 優選的實施例的優點可以包括以下的一個或多個。該系統提供了一種新的改進型 堆疊電壓源逆變器，更具體地提供了一種用于連接至高電壓、高電力交流電系統的堆疊電 壓源逆變器。該系統為電網提供了Y形或三角形配置的堆疊電壓源逆變器界面。該系統對 于每個逆變器僅需要2個電纜。該系統是高效并可擴展的。該系統能夠被配置用于單相或 三相運行。該系統是高度可靠、低波形系數并非常輕便。該系統靈活支持具有單個基本逆 變單元裝置配置的多種電網電壓和頻率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 為便于以上所描述的本發明的特征尤其是本發明的說明書、上述的摘要可以被詳 細理解，可以參考實施例，部分實施例以附圖形式示出。然而，應當注意的是，附圖僅示出本 發明的典型的實施例并因此不被認為是對其范圍的限制，本發明包括其他同樣效果的實施 例。
[0017] 圖1示出了用于電網存儲應用的電力控制系統；
[0018] 圖2示出了用于數據中心應用的電力控制系統；
[0019] 圖3示出了用于電動車輛應用的電力控制系統；
[0020] 圖4示出了用于在網控制放電應用的電力控制系統；
[0021] 圖5示出了用于在網控制充電應用的電力控制系統；
[0022] 圖6示出了用于放電模式的本地控制器的示例性流程；
[0023] 圖7示出了用于充電模式的本地控制器的示例性流程；
[0024] 圖8示出了由本地控制器使用的示例性鎖相回路；
[0025] 圖9示出了用于放電模式的系統控制器的示例性流程；
[0026] 圖10示出了用于電池充電模式的系統控制器的示例性流程；
[0027] 圖11示出了用于離網控制的主基本逆變單元BIU的示例性流程；
[0028] 圖12示出了用于離網控制的本地控制器的示例性流程；
[0029] 圖13示出了用于離網控制的系統控制器的示例性流程。

【具體實施方式】
[0030] 系統中的獨特拓撲結構、控制和流程實現了諸如，但不限于，電網存儲（圖1)、數 據中心（圖2)以及電動車輛（圖3)等應用中的使用。就標準電池單元的充電和放電而言， 所有這三種應用均具有相同的需求。在這種情況下，通過使幾個小電池單元來聚集電力。在 一些情況下，制造商和系統設計師在單個集群中使用上千個小電池單元以構成更大的電能 存儲容量。在每個電池基礎上應用該獨特逆變/轉換技術的益處在于：高可靠性、高效率、 低成本、重量輕、尺寸小以及雙向優勢。另外，雙向和每個電池電荷平衡逆變和轉換使電池 壽命延長，提供輔助性服務以及減少火災隱患。在電池單元級上發生逆變和充電/放電的 情況下，交流電池單元和組件成為事實，這使移動運輸和存儲的增值成為可能。在所有三個 示例用例（電網存儲、數據中心和電動車輛）中，正是本文件的發明實現了所有的益處。該 技術根本地依靠從直流電逆變至交流電的低電壓逆變和從交流電到直流電的整流，接著通 過使用新型系統控制堆疊串聯的電壓以產生最后的電輸出或輸入，其最可測量的特性使其 優于所有其他逆變方案。
[0031] 現轉向圖1，圖1示出了用于電網存儲應用的示例性電力控制系統。圖1具有多 個向基本逆變單元520提供電力的電能存儲裝置（其中諸如電池）522。基本逆變單元可 以由本地控制器和全橋逆變器組成，該全橋逆變器具有LC輸出濾波器，并且在一個實施例 中，如果需要不同的直流電壓總線來支持系統設計，則全橋逆變器具有直流/直流轉換電 路。該直流/直流轉換器可為升壓（從DC電源電壓增加DC總線電壓）或降壓（將電壓從 DC總線降至DC電源電壓）。基本逆變單元還可由本地控制器和具有LC輸出濾波器的全橋 逆變器組成，并且在一個實施例中，具有在DC電源和AC電源之間提供電流隔離的雙向絕緣 直流/直流轉換器。
[0032] 基本逆變單元520利用由本地控制器所控制的每個基本逆變單元520的輸出串聯 并連接。串聯連接的基本逆變單元520的輸出最初連接至與開關K1 528串聯的電阻器526 和電網534。該信號由基本逆變單元用來確定并鎖定電網頻率。一旦基本逆變單元同步并 啟動，開關K2530將關閉堆疊基本逆變單元并將其連接至電網534,開關528和530可以為 固態開關或繼電器。開關528-530由系統控制器控制以提供系統軟啟動（無過載電流）。 在正常運行期間，若需要，系統控制器可更新由特定基本逆變單元所產生的電量以提供DC 電源平衡（諸如電池）。該系統可以操控可變數量的串聯連接的基本逆變單元，其中每個系 統的最小和最大數量的基本逆變單元由所有串聯連接的全橋逆變器之間的總電網電壓以 及每個基本逆變單元的交流輸出額定電壓的最大值和最小值確定。每個基本逆變單元可以 作為電壓源運行以便于實現有效的基本逆變單元堆疊。該系統控制器通過通信通道與基本 逆變單元進行通信。該通信通道可以是有線的諸如電力線通信通道或可以為無線的諸如無 線個域網收發器，或者可以使用其他單獨的線。該系統控制器也實施檢測非正常的電網狀 況的算法以及通過控制開關K1和K2從電網關閉和斷開堆疊的基本逆變單元的方法。
[0033] 在另一個實施例中，該系統控制器可以配置一個基本逆變單元作為電流源，并且 其余的基本逆變單元可以被用作電壓源。
[0034] 基本逆變單元的三個單獨串聯連接的群組在一個實施例中可以被配置為三相逆 變系統。
[0035] 圖2示出了用于數據中心應用的示例性電力控制系統。在該實施例中，該系統充 當不間斷電源（UPS)系統。在電力網故障的情況下，開關K3 530會將負載540從電力網斷 開并將其連接至不間斷供電系統。該功能可由系統控制器524來進行。在電力網發生故障 的情況下，系統控制器將通過關閉kl來啟動不間斷供電系統，從而在無過沖電流的情況下 啟動基本逆變單元。與圖1相似，圖2具有多個向基本逆變單元520提供直流電力的電能 存儲裝置（其中諸如電池）522。基本逆變單元520利用由本地控制器所控制的每個基本逆 變單元520的輸出串聯連接。串聯連接的基本逆變單元520的輸出利用選配的開關kl 528 也串聯連接至電阻器526。選配的開關kl向在基本逆變單元中的預充電電容器提供具有極 限電流的路徑。一旦基本逆變單元啟動，該系統控制器將連接開關K2 532。開關532向電 網534或信息技術負載540提供連接。在一個位置，開關530將信息技術負載540連接至 電網534,以及在第二個位置開關530將負載540連接至不間斷供電。開關528-530可以或 為固態開關或為繼電器。開關528-532由系統控制器進行控制。該系統可以操控可變數量 的串聯連接的基本逆變單元，其中每個系統的最小和最大數量的基本逆變單元由所有串聯 連接的全橋逆變器之間的總電網電壓以及每個基本逆變單元的交流輸出額定電壓的最大 值和最小值確定。一個基本逆變單元配置為電流源。其他基本逆變單元將使用該電流以鎖 定其頻率。其他基本逆變單元作為電壓源運行以便于實現有效的基本逆變單元堆疊。
[0036] 在另一實施例中，kl開關可直接連接至信息技術負載以允許不間斷供電在空閑模 式中運行。一旦電網發生故障，則系統控制器需要打開K3并關閉K2。由于該轉換可以非常 快速地發生，因此，在運行中的信息技術負載不會中斷。
[0037] 圖3是用于在電動車輛驅動應用中的堆疊逆變器的對應圖。與圖1相似，圖2具 有多個向基本逆變單元520提供直流電力的電能存儲裝置（其中諸如電池）522。在正常運 行中，開關K3 535會將電機負載連接至雙向轉換器系統。為了對電池再充電，開關K3 535 將連接至電網位置或再生制動電源并對電池進行充電。該功能可由系統控制器524進行。 在充電模式下，開關kl向在基本逆變單元中的預充電電容器提供具有極限電流的路徑。一 旦基本逆變單元啟動，則系統控制器將連接開關K2 530。開關530由螺線管532控制。將 開關528或530的輸出提供至由螺線管536控制的開關535。在一個位置，開關535連接至 電網534,以及，在第二個位置，開關535連接至電機538。這些開關可以或為固態開關或為 繼電器并且由系統控制器控制。通信通道540設置在系統控制器524和基本逆變單元520 之間。該通信通道540可以是通過有線的、無線的或在電力線及其他。
[0038] 圖4示出了用于在網應用的示例性電力控制系統。儲能裝置（諸如電池）530向 全橋逆變器532提供直流電（DC)輸出。將全橋逆變器532的輸出提供給低通濾波器534， 低通濾波器534在一個實施例中可以為感應電容（LC)型濾波器。將濾波器534的輸出提 供給交流電力網或交流電總線。通過本地控制器550對濾波器534的輸出進行監控。系統 控制器540監控具有堆疊基本逆變單元的相的輸出電壓和電流。該系統控制器向通信模塊 568發送指令以設置限制器558的參數從而調整由逆變器532生成的電壓和電流。
[0039] 倍增器551監控來自儲能裝置530的電壓和電流。倍增器551的輸出由驅動電力 控制器556的加法電路或加法器554接收，在一個實施例中其可以為比例積分控制器。參 考電流值為電力控制器的輸出。將控制器556輸出連接至限制器558以生成輸出m、調制 指數。倍增器560接收限制器558和鎖相環（PLL) 570的輸出以生成輸出m sin0。該限制 器558和鎖相環570隨著監控電網輸出穿過低通濾波器534供應監控電網輸出。將倍增器 560的輸出供應給驅動器566,諸如驅動全橋逆變器532的脈寬調制（PWM)驅動器。
[0040] 圖5示出了示例性的用于在網控制充電應用的電力控制系統；該系統與圖4的系 統相似，外加來自從倍增器551至限制器558的電池電力和電壓信號。在該模式下，從電網 獲得電能以對電池進行充電。
[0041] 圖6示出了示例性的用于放電模式的本地控制器的示例性流程；在圖6中，從系 統控制器（610)接收最大和最小電壓值。接著，該系統樣本逆變器輸出電壓Vom和電流 lom(612)。接著，在614中該流程確定是否Vom小于Vommin。如果輸出電壓參考Voref = Vommin，則接著運行電壓控制器環。將誤差信號e設置為Voref-Vom(616)并且接著將調 制指數m設置為Kl* e +K2* e /s (618)。
[0042] 從614,如果Vom大于或等于Vommin，則該流程確定是否Vom>Vommax(620)。如果 是，那么將Voref設置為Vommax并且將e設置為Voref_Vom(622)并且運行電壓控制限制 環。該流程接著將m設置為Kl* e +K2* e /s(624)。如果為否，則該常規電流環運行將loref 設置為Iref,并且e被設置為Iref_lom(626)。接著，將m設置為K3*e+k4*e/ s(628)。
[0043] 從操作618、624或628,該流程繼續來檢查調制指數m的可接受范圍。將對m 的限制設置為mmin為Vommin/Vp以及mmax為Vomax/Vp (630)。接著，該流程測試是 否m>mmax (632)。如果是，則該流程設置m = mmax (634)。如果否，則該流程測試是否 m〈mmax (636)并且如果是的話則將m設置為mmin (636)。
[0044] 圖7示出了示例性的用于充電模式的本地控制器的示例性流程；從系統控制器接 收最大和最小電壓值（610)。接著，該系統樣本逆變器輸出電壓Vom和電流lom(612)。接 著，在614中該流程確定是否Vom小于Vommin。如果輸出電壓參考Voref = Vommin，貝丨J接 著運行電壓控制器環。將誤差信號e設置為V〇ref-V〇m(616)并且接著將調制指數m設置 為 Kl* e +K2* e/s (618)。
[0045] 從614,如果Vom大于或等于Vommin，則該流程確定是否Vom>Vommax(620)。如果 是，那么將Voref設置為Vommax并且將e設置為Voref-Vom(622)并且運行電壓控制限 制環。該流程接著將111設置為1(1*￡+1(2*￡/8(624)。從620，如果否，則該系統檢測是否 Vom>Vbmax(630),以及如果為否，則該常規電流環運行將loref設置為Iref并且e被設置 為 Iref-lom(626)。接著，將 m 設置為 K3* e +k4* e /s(628)。從 630,如果 Vom>Vbmax，貝丨J 將Voref設置為Vbmax并且將e設置為Voref_Vom(632)以及將m設置為Kl* e +K2* e / s(636)。
[0046] 圖8示出了示例性的由本地控制器使用的示例性鎖相回路；將單相電壓（v P )和 內部生成的信號（v a)用作向派克變換塊（a p-dq)的輸入。將該派克變換的d軸輸出 用于控制環中以獲取輸入信號的相和頻率信息。通過使用逆派克變換獲得V a，其中該輸入 為通過一階極塊反饋的派克變換（dq-a ￠)的d軸和q軸輸出。將極用作在內部反饋環中 引入儲能元件。在另一實施例中，鎖相環算法可在系統控制器中運行，以及可以由各種通信 構件將同步信號提供給本地控制器。
[0047] 圖9示出了示例性的用于放電模式的系統控制器的示例性流程；該流程首先利用 每個n串聯連接的基本逆變單元對通信進行初始化（660)。該流程接著測量電網電壓Vgm 并確定基本逆變單元啟動電壓Voms = Vgm/n，以及用于基本逆變單元的運行范圍（基于電 網電壓和基本逆變單元的數量），Vo_ax以及Vommin(662)。接著，該流程關閉繼電器或開 關K1并發送確定的Voms、Vommax、Vommin給每個基本逆變單元（664)。
[0048] 接著，該流程確定是否堆疊逆變器相電壓，Vgs大于或等于電網電壓，Vgm(666)，并 且如果為否，則該流程等待直到達到所需要的電壓。一旦達到，該流程關閉繼電器或開關 K2(668)。這是來自n基本逆變單元的電力被傳輸給交流電網的正常的運行模式。接著，該 流程監控傳送到電網的電力Ps，如果電力Ps大于或等于最小運行電力Pmin (670)，則該流 程循環回到670并繼續提供電力。如果為否，則該流程開啟繼電器K1和K2并進行操作系 統關閉（672)。
[0049] 圖10示出了示例性的用于電池充電模式的系統控制器的示例性流程；該流程首 先利用每個n串聯連接的基本逆變單元對通信進行初始化（660)。該流程接著測量電網電 壓Vgm并確定基本逆變單元啟動電壓Voms = Vgm/n,以及用于基本逆變單元的運行范圍 (基于電網電壓和基本逆變單元的數量），Vo_ax以及Vommin (662)。接著，該流程關閉繼 電器或開關K1并發送確定的Voms、Vommax、Vommin給每個基本逆變單元（664)。
[0050] -旦達到，該流程關閉繼電器或開關K2 (669)。從669,該流程檢查是否充電電流 需要調整（671)，如果是，則改變用于特殊基本逆變單元的參考電流Iref (672)。從671或 672,該流程檢查是否充電電流Pch大于或等于Pmin (677)，并且如果為否，則充電完成時打 開kl和K2并進行操作系統關閉（678)。
[0051] 圖11示出了用于離網控制的主控制器或系統控制器的示例性流程。該系統設置 一個輸入參考電壓Vmref為Vg/n，其中n為串聯連接的基本逆變單元的數量（710)。接 著，該流程運行電流環路（716)并基于環路輸出和由系統控制器接收的頻率信息產生調制 信號。該系統接著確定是否Vm等于Vmref(718)。如果為否，則該系統檢查是否需要的電 力高于系統可以提供的電力（720)。如果沒有完成最大化電力，則該系統重新運行電流環 路（724)。可選擇地，如果完成最大化電力，則該系統通知系統控制器最大化電力已經完成 (722)。在718,如果Vm = Vmref，則該流程發送設置點信息給系統控制器（726)。
[0052] 圖12示出了用于離網控制的基本逆變單元的本地控制器的示例性流程。該系統 設置一個輸入參考電壓Vmref為Vg/n，其中n為串聯連接的基本逆變單元的數量（740)。接 著，該流程運行鎖相環、鎖定至交流頻率，運行電流環路（742)并基于鎖相環輸出和環路輸 出生成調制信號。該系統接著確定是否Vm等于Vmref(744)。如果為否，則該系統檢查是否 需要的電力高于系統可以提供的電力（746)。如果最大化電力未完成，則該系統重新運行電 流環路（750)。可選擇地，如果最大化電力完成，則該系統通知系統控制器最大電力已經完 成（748)。在744中，如果Vm = Vmref，則該流程發送設置點信息給系統控制器（752)。
[0053] 圖13示出了示例性的用于離網控制的系統控制器的示例性流程；該系統設置一 個輸入參考電壓Vmref為Vgref/n，其中n為串聯連接的的基本逆變單元的數量（760)。 Vgref為電網參考電壓并確定輸出頻率。接著，該流程發送參考電壓信息和輸出頻率給基本 逆變單元（762)。接著，該流程確定是否Vg等于Vgref(764)。如果為否，該系統檢查每個 基本逆變單元來觀察是完成最大化電力（766)。如果沒有基本逆變單元低于最大化電力，則 該流程檢查超過低壓限制的輸出電壓（768)。可選擇地，對于輸出低于最大化可用電力的 基本逆變單元，該流程增加目標電壓Vm'至這些基本逆變單元（770)。從764,如果Vg等于 Vgref，則該流程通知系統設置點電壓已經完成（772)。
[0054] 在一個用于離網電力控制應用的實施例中，該系統控制器確定用于每個逆變單元 的輸出頻率和運行電壓。接著，該系統控制器將主功能分配給一個基本逆變單元，以及該系 統控制器將子功能分配給所有其他基本逆變單元。主基本逆變單元首先啟動并向子基本逆 變單元提供用作參考頻率的交流電力。每個子基本逆變單元均鎖定使用鎖相環的參考頻率 并啟動生成其自身的交流電力。如需要，該系統控制器監控電力生產并且調整基本逆變單 元操作。
[0055] 在一個實施例中，基本逆變單元均通過使用單芯電纜和連接器串聯連接。僅僅單 芯電纜和連接器的使用減少了材料成本。每個基本逆變單元提供輸出交流電力給串聯連接 的交流電總線。該交流電總線在系統控制器中終止。該系統控制器總體上將來自所有基本 逆變單元的輸出連接在一起以形成單一的交流電反饋。
[0056] 在一個實施例中，該系統包括具有兩個標準電纜和連接器的基本逆變單元。僅僅 兩個單芯電纜/連接器的使用減少了在安裝系統中的材料和人工成本。每個基本逆變單元 提供輸出交流電力給串聯連接的交流電總線。該交流電總線在系統控制器盒中終止。該系 統控制器總體上將來自所有基本逆變單元的輸出連接在一起以形成單一的交流電反饋給 配電板。
[0057] 在一種實施方式中，電池組可以將來自多個串聯連接的基本逆變單元的電力通過 系統控制器將接到電網，并且在一些應用中連接至用戶裝置的電器。例如，在家中，配電板 為一個已知的具有各種斷路器和/或熔斷器的交流電配電中心，以將電力分配給家中的各 種電路。該配電板通過電表耦接至電力網。該電表確定供應給電網的電力的量，以使光伏 板的所有者可以補償供應的電力。
[0058] 該基本逆變單元根據由本地控制器產生的控制和轉換信號將直流電轉換為交流 電。該控制器產生控制和轉換信號以響應直流電和交流電信號的樣本。因此，該基本逆變 單元最適合被控制來利用特殊的操作模式以符合交流電和直流電信號的當前狀態，即平衡 交流電源的充電以提供更久的系統運行和延長直流電存儲元件的使用壽命。
[0059] 使用這樣的交流電總線和單個的基本逆變單元，該系統對于匹配用戶的任何需求 上是可擴展并靈活的。基本逆變單元的結構和功能在以下進行討論。
[0060] DC電源提供輸入電力給交流電橋。解耦電容器濾波來自交流電橋的轉換波動以 及來自交流電網的低頻率波動。該交流電橋可以為PWM控制的半橋或全橋逆變器，該交流 電橋輸出端子連接至交流濾波器。該交流濾波器可以為濾除高頻PWM諧波噪聲的低通濾波 器。該輸出電路實施用于同步交流電網頻率和斷路繼電器的傳感電路。
[0061] 在一些實施例中，直流電轉換級可能需要調整直流電總線電壓以用于最佳操作。 例如，升壓電路可以用來增加穿過直流電連接電容器的運行電壓，從而使較大峰值達到穿 過交流電輸入和輸出端子的交流運行電壓的峰值。達到交流運行電壓的峰值的較大的峰 值，使得使用較少的單級逆變器來產生所需要的堆疊的相位交流輸出電壓。降壓電路可以 被用來降低穿過直流電連接電容器的運行電壓。這將使在交流電橋中的較低額定電壓晶體 管的使用成為可能，從而使一個堆疊的相位增加的電量可以產生并反過來減少系統成本。
[0062] 直流電能通過DC電源供應，該DC電源可以存儲電能，諸如電池、發電機電容器或 飛輪以及其他。DC電源的輸出被提供給直流級，通過濾波器其輸出平順并被提供給橋電路。 橋電路的輸出被提供給濾波器并且作為結果的輸出級被串聯連接至使用適合電纜的其他 基本逆變單元的輸出。
[0063] 當各種實施例已經在以上進行描述時，應當理解的是它們僅僅是一種示例的方式 而非限制。因此，優選地實施例的幅度和范圍不應當受以上所描述的任何示例性實施例限 制，而應當僅僅按照以下技術方案與其等同的內容來確定。
【權利要求】
1. 一種多直流電源雙向換能器，包括： 多個直流電源； 一個交流電源； 至少兩個或更多個全橋轉換器，每個全橋轉換器均具有主要節點和次要節點，每個全 橋轉換器均具有陽極節點和陰極節點，每個全橋轉換器均具有以并聯關系電連接在所述陽 極節點和所述陰極節點之間的電壓支持設備，每個全橋轉換器均具有電連接在全橋轉換器 的主要節點和第一橋臂之間的電感器和連接在所述陽極節點和所述陰極節點之間的直流 電源； 至少一個堆疊交流相位，每個堆疊交流相位均具有多個所述全橋轉換器，每個堆疊交 流相位中的每個所述全橋轉換器以串聯關系與其中一個所述全橋轉換器的所述次要節點 相互連接，其中一個所述全橋轉換器的所述次要節點連接至另一個全橋轉換器的所述主要 節點，所述的串聯連接限定了第一全橋轉換器和最后一個全橋轉換器，每個交流相位均具 有在所述第一全橋轉換器的所述主要節點的一個輸入節點以及在所述最后一個全橋轉換 器的所述次要節點的輸出節點；交流電源跨接所述交流相位； 本地控制器，耦接至每個全橋轉換器，從而對在所述全橋轉換器中的開關設備的點火 序列進行控制，以當在一個方向上作為電壓源逆變器運行時生成接近正弦曲線的電壓波形 或者當在相反方向上作為全波有源整流器運行時生成接近恒定的直流輸出；以及 系統控制器，與每個本地控制器進行通信，系統控制器生成用于進行所述本地控制器 的配置激活、去激活以及運行模式選擇的系統控制信號。
2. 根據權利要求1所述的多直流電源雙向換能器，其包括三個堆疊逆變器相位。
3. 根據權利要求2所述的多直流電源雙向換能器，其包括Y形（Y)連接或三角形（A) 連接。
4. 根據權利要求1所述的多直流電源雙向換能器，其包括： 兩極開關； 耦接至該開關的第一極的電機；以及 耦接至該開關的第二極的交流電源。
5. 根據權利要求4所述的多直流電源雙向換能器，其包括：將堆疊輸出相位連接至交 流電源以對直流電源進行充電或向電機提供驅動功率的控制器。
6. 根據權利要求1所述的多直流電源雙向換能器，其中，每個全橋轉換器均包含并聯 電連接至其主要節點和次要節點的開關，其中，所述開關可由與所述全橋轉換器關聯的本 地控制器或由系統控制器控制，以縮短主要節點和次要節點，從而使其余串聯連接的全橋 轉換器運行。
7. 根據權利要求1所述的多直流電源雙向換能器，其中，每個全橋轉換器均包括：第 一轉換對和第二轉換對，每個所述轉換對均具有多個用于控制性地調整電流流動的轉換構 件。
8. 根據權利要求7所述的多直流電源雙向換能器，其包括：附接在所述主要節點和所 述次要節點之間的電容器。
9. 根據權利要求7所述的多直流電源雙向換能器，其中，所述轉換構件包括：柵關斷設 備和反并行設備，該柵關斷設備和該反并行設備互相并聯并且反向偏置。
10. 根據權利要求9所述的多直流電源雙向換能器，其中，所述柵關斷設備包括選擇自 由以下晶體管構成的組的部件：柵關斷晶體閘流管、絕緣柵雙極型晶體管、金屬氧化物半導 體場效應晶體管、金屬半導體場效應晶體管、結晶型場效應晶體管、金屬氧化物半導體場效 應晶體管控制的晶體閘流管、雙極型晶體管、靜電感應晶體管、靜電感應晶體閘流管以及金 屬氧化物半導體場效應晶體管關斷晶體閘流管。
11. 根據權利要求9所述的多直流電源雙向換能器，其中，所述反并聯設備為二極管。
12. 根據權利要求1所述的多直流電源雙向換能器，其包括在直流電源和全橋轉換器 之間的降壓或升壓調整電路。
13. 根據權利要求1所述的多直流電源雙向換能器，其包括用于在給定的或跨不同交 流相位電壓下進行配置的可變數量的全橋轉換器。
14. 根據權利要求1所述的多直流電源雙向換能器，其中，每個堆疊全橋轉換器以不同 的功率運行。
15. 根據權利要求1所述的多直流電源雙向換能器，其包括用于每個交流相位的可變 數量的堆疊全橋轉換器。
16. 根據權利要求1所述的多直流電源雙向換能器，其中，直流電源可為任何可存儲電 能并供應電能的設備，諸如任何電池、電容器或飛輪。
17. 根據權利要求1所述的多直流電源雙向換能器，其中，每個全橋轉換器的陽極節點 和陰極節點均連接至一個或多個直流電池單元，其中，每個所述全橋轉換器的本地控制器 均基于確定的充放電曲線對電池的充電或放電進行調整，其中，這類曲線可由系統控制器 靜態或動態確定。
18. 根據權利要求4所述的多直流電源雙向換能器，其中，系統控制器通過具有主模塊 來驅動電機生成參考頻率，并且驅動其他模塊鎖定至該參考頻率。
19. 根據權利要求4所述的多直流電源雙向換能器，其中，系統控制器通過動態控制功 率并驅動參考頻率來控制電機。
20. 根據權利要求8所述的多直流電源雙向換能器，其中，每個所述轉換構件均具有第 一端部和第二端部，所述第一轉換對具有在所述全橋逆變器的所述陽極節點處的在所述第 一端部處電連接的多個轉換構件，所述第一轉換對的其中一個所述轉換構件的所述第二端 部電連接至電感器-電容器低通濾波器的一個端部，并且所述電感器-電容器低通濾波器 的第二端部連接至所述主要節點，所述第一轉換對的另一個所述轉換構件的所述第二端部 電連接至所述次要節點，所述第二轉換對具有在所述全橋逆變器的所述陰極節點處的在所 述第二端部上電連接的多個轉換構件，所述第二轉換對的其中一個所述轉換構件的所述第 一端部電連接至所述主要節點，所述第二轉換對的另一所述轉換構件所述的第一端部電連 接至所述次要節點。
21. -種從一個或多個直流電源提供電能的方法，其包括： 檢測電網交流電壓水平，其中，堆疊相位連接至電網網絡； 計算用于堆疊全橋的交流啟動電壓； 從計算功率與參考功率的所述比較中生成第一誤差信號并且生成參考直流電流； 通過比較所述平均輸出電流水平與參考直流電流，整流并平均交流電流； 從所述平均值與所述參考直流電流水平的比較中生成第二誤差信號； 檢測具有周期的交流線電壓； 生成與所述交流線電壓直接相關的相位參考信號； 限制由系統控制器所提供的每配置限制的相位參考信號； 檢測調制指數； 提供用于所述調制指數的參考表格；以及 通過使用所述相位參考信號和所述相移偏置信號與所述平均相移信號的所述總和生 成用于多個全橋逆變器的多個啟動參考信號。
【文檔編號】H02M7/48GK104428988SQ201380018799
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年3月30日 優先權日:2012年4月6日
【發明者】米蘭·伊利奇 申請人:恩寶微系統有限公司, 米蘭·伊利奇, 米卡·諾奇奧, 喬恩·博南諾