[发明专利]多相电网同步调节电流源逆变器系统

说明书

技术领域

本发明涉及将来自通常不稳定的源的直流(dc)电功率转换为具有适合注入电功率电网的适当质量的交流(ac)电功率的装置和方法。

背景技术

电功率的非传统备选源可构造为电池如光伏或燃料电池以跨势差产生dc电流。图1图示了包括多个电连接的光伏模块102的光伏阵列100，每一光伏模块包括多个电学上互连的光伏电池。尽管图1中示出了三列“n”行(其中n可以是任何正整数)结构，但光伏阵列可包括任何数量行和列的光伏模块。为了方便，光伏阵列称为“PVA”。PVA为dc电功率的源(图1中的输出端+DC和-DC)，其性能特性如图2中所示。PVA的电压和电流容量是入射在光伏电池上的日光及光伏电池周围的温度(现场参数)的函数。另外，来自PVA的输出的电流需求水平直接影响dc输出电压的量。曲线120a-120e中的每一曲线表示，对于特定类型的光伏电池和/或现场参数，PVA输出电流相对于PVA输出电压变化的变化；曲线120a′-12Oe′表示PVA输出功率相对于PVA输出电压变化的对应变化。如系列曲线120a-12Oe所示，随着输出电压增加，电流输出逐渐减小，直到对于给定水平的入射日光和周围温度达到PVA的最大容量为止。在每一电流曲线中的该点处，电流输出快速下降。对应的PVA功率输出由系列曲线120a′-12Oe′表示；PVA输出功率随电压输出增加到定义为“最大功率点”(MPP)的点，在图2中该点由虚线MPP和每一功率曲线的交叉确定，然后PVA输出功率快速下降。因此，功率产生PVA的所希望的最佳运行点为MPP点。

通常，PVA表示输出稳定性方面具有一定程度的不可预见性的直流源，因为输出是瞬时无法控制的因素如入射日光或环境温度的瞬时水平的函数。

为将有点数量的电功率从PVA传到传统的电功率系统(称为“电网”)，PVA直流输出功率必须转换为与电网功率同步的电网频率和相位下的交流功率。备选“发电站”，如由一组光伏阵列和直流-交流功率转换器形成的光伏(太阳能)发电场，可具有从几千瓦到数百兆瓦的电输出容量。太阳能发电场优选建立在具有充裕日光的区域，如山区和沙漠。太阳能发电场也可建立在高容量功率用户的屋顶上，如冷冻储存设备、工业制造厂、计算机网络服务器的组装机架体和商场。

图3示出了典型的现有技术三相开关模式电压源逆变器130。该逆变器包括三个支路，每一支路具有两个开关装置(SW1和SW2；SW3和SW4；或SW5和SW6)。开关模式电压源逆变器中使用的开关装置可以是任何类型的可控制的单向传导半导体装置，例如双极结型晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸管(GTO)、或门极换向晶闸管(GCT)。每一开关装置用反并联二极管(D1-D6)分流。开关模式电压源逆变器的直流电压输入来自PVA100。平滑电容器C_dc在通过逆变器输出频率的每半周期的直流电流瞬时改变的同时使输入直流电压稳定。开关装置通过以几千赫的高速率顺序将它们从传导(开)状态切换为非传导(关)状态而进行调制，使得逆变器输出电流在通过交流低通滤波器132之后将接近理想的正弦波形。之后，逆变器输出电流通过线路变压器134进行变换，该变压器使逆变器输出与电网92隔离并将逆变器输出电压水平变换为电网电压水平。提供给电网的电流馈给负载R_load，因此减少通过电网阻抗Z_line提供功率的电网功率源V_ac的负担。

图4(a)到图4(c)的曲线描述图3中所示的开关模式电压源逆变器的运行。由图4(a)中波形140表示的高频(通常1000到5000赫兹)锯齿控制信号与波形142表示的正弦参考信号比较，该参考信号与逆变器输出相电压同步。这些波形图示了一相如相A，另两相即相B和C一样但相移正和负120度。

当锯齿信号的瞬时量值大于参考正弦信号的量值时，(连接到+DC的)正开关装置SW1导通，(连接到-DC的)负开关装置SW2不导通。在该瞬间，正电势施加到逆变器输出相。当锯齿信号的瞬时量值小于正弦参考信号的量值时，正开关装置SW1不导通，及负开关装置SW2导通。在该瞬间，负电势施加到逆变器输出相。因此，由图4(b)中波形144表示的高频脉宽调制(PWM)的电压脉冲串在每一逆变器输出相上产生。