具有多个直流电源的双向换能器.pdf

一种多直流电源的双向换能器，其包括：多个直流(DC)电源；一个交流(AC)电源；至少一个堆叠交流(AC)相位，每个堆叠交流(AC)相位均具有至少两个或更多个全桥转换器，全桥转换器分别耦接至其中一个直流电源，每个全桥转换器均具有电耦接至每个全桥转换器的电感器；以及，耦接至每个全桥转换器的本地控制器，该本地控制器对在所述全桥转换器中的开关设备的启动序列进行控制，以当在一个方向上作为电压源逆变器运行时生成大约接近正弦曲线的电压波形或者当在相反方向上作为全波有源整流器运行时生成大约接近恒定的直流(DC)输出。

权利要求书1.  一种多直流电源双向换能器，包括：多个直流电源；一个交流电源；至少两个或更多个全桥转换器，每个全桥转换器均具有主要节点和次要节点，每个全桥转换器均具有阳极节点和阴极节点，每个全桥转换器均具有以并联关系电连接在所述阳极节点和所述阴极节点之间的电压支持设备，每个全桥转换器均具有电连接在全桥转换器的主要节点和第一桥臂之间的电感器和连接在所述阳极节点和所述阴极节点之间的直流电源；至少一个堆叠交流相位，每个堆叠交流相位均具有多个所述全桥转换器，每个堆叠交流相位中的每个所述全桥转换器以串联关系与其中一个所述全桥转换器的所述次要节点相互连接，其中一个所述全桥转换器的所述次要节点连接至另一个全桥转换器的所述主要节点，所述的串联连接限定了第一全桥转换器和最后一个全桥转换器，每个交流相位均具有在所述第一全桥转换器的所述主要节点的一个输入节点以及在所述最后一个全桥转换器的所述次要节点的输出节点；交流电源跨接所述交流相位；本地控制器，耦接至每个全桥转换器，从而对在所述全桥转换器中的开关设备的点火序列进行控制，以当在一个方向上作为电压源逆变器运行时生成接近正弦曲线的电压波形或者当在相反方向上作为全波有源整流器运行时生成接近恒定的直流输出；以及系统控制器，与每个本地控制器进行通信，系统控制器生成用于进行所述本地控制器的配置激活、去激活以及运行模式选择的系统控制信号。2.  根据权利要求1所述的多直流电源双向换能器，其包括三个堆叠逆变器相位。3.  根据权利要求2所述的多直流电源双向换能器，其包括Y形(Y)连接或三角形(Δ)连接。4.  根据权利要求1所述的多直流电源双向换能器，其包括：两极开关；耦接至该开关的第一极的电机；以及耦接至该开关的第二极的交流电源。5.  根据权利要求4所述的多直流电源双向换能器，其包括：将堆叠输出相位连接至交流电源以对直流电源进行充电或向电机提供驱动功率的控制器。6.  根据权利要求1所述的多直流电源双向换能器，其中，每个全桥转换器均包含并联电连接至其主要节点和次要节点的开关，其中，所述开关可由与所述全桥转换器关联的本地控制器或由系统控制器控制，以缩短主要节点和次要节点，从而使其余串联连接的全桥转换器运行。7.  根据权利要求1所述的多直流电源双向换能器，其中，每个全桥转换器均包括：第一转换对和第二转换对，每个所述转换对均具有多个用于控制性地调整电流流动的转换构件。8.  根据权利要求7所述的多直流电源双向换能器，其包括：附接在所述主要节点和所述次要节点之间的电容器。9.  根据权利要求7所述的多直流电源双向换能器，其中，所述转换构件包括：栅关断设备和反并行设备，该栅关断设备和该反并行设备互相并联并且反向偏置。10.  根据权利要求9所述的多直流电源双向换能器，其中，所述 栅关断设备包括选择自由以下晶体管构成的组的部件：栅关断晶体闸流管、绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、金属半导体场效应晶体管、结晶型场效应晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管控制的晶体闸流管、双极型晶体管、静电感应晶体管、静电感应晶体闸流管以及金属氧化物半导体场效应晶体管关断晶体闸流管。11.  根据权利要求9所述的多直流电源双向换能器，其中，所述反并联设备为二极管。12.  根据权利要求1所述的多直流电源双向换能器，其包括在直流电源和全桥转换器之间的降压或升压调整电路。13.  根据权利要求1所述的多直流电源双向换能器，其包括用于在给定的或跨不同交流相位电压下进行配置的可变数量的全桥转换器。14.  根据权利要求1所述的多直流电源双向换能器，其中，每个堆叠全桥转换器以不同的功率运行。15.  根据权利要求1所述的多直流电源双向换能器，其包括用于每个交流相位的可变数量的堆叠全桥转换器。16.  根据权利要求1所述的多直流电源双向换能器，其中，直流电源可为任何可存储电能并供应电能的设备，诸如任何电池、电容器或飞轮。17.  根据权利要求1所述的多直流电源双向换能器，其中，每个全桥转换器的阳极节点和阴极节点均连接至一个或多个直流电池单元，其中，每个所述全桥转换器的本地控制器均基于确定的充放电曲 线对电池的充电或放电进行调整，其中，这类曲线可由系统控制器静态或动态确定。18.  根据权利要求4所述的多直流电源双向换能器，其中，系统控制器通过具有主模块来驱动电机生成参考频率，并且驱动其他模块锁定至该参考频率。19.  根据权利要求4所述的多直流电源双向换能器，其中，系统控制器通过动态控制功率并驱动参考频率来控制电机。20.  根据权利要求8所述的多直流电源双向换能器，其中，每个所述转换构件均具有第一端部和第二端部，所述第一转换对具有在所述全桥逆变器的所述阳极节点处的在所述第一端部处电连接的多个转换构件，所述第一转换对的其中一个所述转换构件的所述第二端部电连接至电感器-电容器低通滤波器的一个端部，并且所述电感器-电容器低通滤波器的第二端部连接至所述主要节点，所述第一转换对的另一个所述转换构件的所述第二端部电连接至所述次要节点，所述第二转换对具有在所述全桥逆变器的所述阴极节点处的在所述第二端部上电连接的多个转换构件，所述第二转换对的其中一个所述转换构件的所述第一端部电连接至所述主要节点，所述第二转换对的另一所述转换构件所述的第一端部电连接至所述次要节点。21.  一种从一个或多个直流电源提供电能的方法，其包括：检测电网交流电压水平，其中，堆叠相位连接至电网网络；计算用于堆叠全桥的交流启动电压；从计算功率与参考功率的所述比较中生成第一误差信号并且生成参考直流电流；通过比较所述平均输出电流水平与参考直流电流，整流并平均交流电流；从所述平均值与所述参考直流电流水平的比较中生成第二误差信 号；检测具有周期的交流线电压；生成与所述交流线电压直接相关的相位参考信号；限制由系统控制器所提供的每配置限制的相位参考信号；检测调制指数；提供用于所述调制指数的参考表格；以及通过使用所述相位参考信号和所述相移偏置信号与所述平均相移信号的所述总和生成用于多个全桥逆变器的多个启动参考信号。

说明书具有多个直流电源的双向换能器
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年12月16日提交的美国临时申请号为61/576363的优先权，其内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种具有独立直流电源和至少一个交流电源的双向堆叠电压源转换器，并尤其涉及包括了用于具有直流存储元件的系统的示例性装置和方法的具有独立直流电源和交流电源的双向堆叠电压源逆变器，该逆变器能够在离网和并网运行中运作。这个独有技术的使用的领域为，但不限于，可再生发电与存储、电动车辆、电能存储、数据中心电源管理中的不间断供电(UPS)以及马达驱动。
背景技术
美国专利7,796,412公开了一种用于电力转换的装置。该装置具有：至少两个电力级，至少两个电力级的每一个电力级均能够将直流输入电力转换为直流输出电力；以及控制器，该控制器基于第一直流电力，用来动态选择用于将第一直流电力转换为第二直流电力的至少两个电力级的一个或更多电力级，进一步包括耦接至用于将第二直流电力转换为交流电力的至少两个电力级的输出电路。
美国专利8,089,178公开了用于脉冲幅度调制(PAM)电流转换器，称为“PAMCC”的直流电，PAMCC连接至单独的直流电源。该PAMCC接收直流电并在其三个输出端子提供脉冲幅度调制电流，其中每个端子的电流与其他两个端子异向120度。该脉冲在与在一系列脉冲上调制的信号相比的高频上生成。在一系列脉冲上调制的信号可以代表部分更低频率的正弦波或其他更低频率的波形，包括直流电。当每个分相位的输出以与相似PAMCC的输出并联时，形成大量的PAMCC，其 中，每个电压分相位输出脉冲相对于其他PAMCC的相应的电流输出脉冲是异向的。大量的PAMCC形成分散式的三相位多相逆变器，其结合的输出为通过每个相位上的每个PAMCC调制的电流脉冲幅度的解调总量。
在两种方法中高压转换构件必须用于并联电网应用。这些方法的主要缺点是由于高压设计的半导体构件的高成本和由于高转换损耗造成的相对低的运行频率。另外由于低转换频率导致需要大且贵的低通滤波构件。因此，显然需要一种逆变器，该逆变器能够具有高转换频率和用于交流电力系统中的应用的高效率地运行。
发明内容
一方面，已公开用于电力转换的方法和装置。所述系统支持多个运行选项，包括但不限于，网格存储应用、不间断供电应用和电动车辆电力应用。为了为这些应用进行服务，多直流电源双向换能器包括：多个直流(DC)电源；一个交流(AC)电源；至少一个堆叠交流(AC)相位，每个堆叠交流(AC)相位均具有至少两个或更多个全桥转换器，每个全桥转换器分别耦接至其中一个直流电源，每个全桥转换器均具有电耦接至每个全桥转换器的电感器；以及耦接至每个全桥转换器的本地控制器，该本地控制器对在所述全桥转换器中的开关设备的启动序列进行控制，以当在一个方向上作为电压源逆变器运行时生成大约接近正弦曲线的电压波形或者当在相反方向上作为全波有源整流器运行时生成大约接近恒定的直流(DC)输出。
在另一方面，多直流电源双向换能器包括：多个直流(DC)电源；一个交流(AC)电源；至少两个或更多个全桥转换器，每个全桥转换器分别耦接至其中一个DC电源并且主要节点和次要节点，每个全桥转换器均具有阳极节点和阴极节点，每个全桥转换器均具有以并联关系电连接在所述阳极节点和所述阴极节点之间的电压支持装置，每个全桥转换器均具有电连接在全桥转换器的主要节点和第一桥臂之间的电感器和连接在所述阳极节点和所述阴极节点之间的直流(DC)电源；至少一个堆叠交流(AC)相位，每个堆叠交流(AC)相位均具有多个 所述全桥转换器，每个堆叠交流(AC)相位中的每个所述全桥转换器以串联关系与其中一个所述全桥转换器的所述次要节点相互连接，其中一个所述全桥转换器的所述次要节点连接至另一个全桥转换器的所述主要节点，所述的串联连接限定了第一全桥转换器和最后一个全桥转换器，每个交流(AC)相位均具有在所述第一全桥转换器的所述主要节点的一个输入节点以及在所述最后一个全桥转换器的所述次要节点的输出节点；交流(AC)电源跨接所述交流(AC)相位；本地控制器，该本地控制器耦接至每个全桥转换器，从而对在所述全桥转换器中的开关装置的启动序列进行控制以当在一个方向上作为电压源逆变器运行时生成大约接近正弦曲线的电压波形或者当在相反方向上作为全波有源整流器运行时生成大约接近恒定的直流(DC)输出；以及系统控制器，该系统控制器与每个本地控制器通信，系统级控制器生成用于进行所述本地控制器的配置激活、去激活以及运行模式选择的系统控制信号。
在另一方面，向交流电(AC)电力系统供应电力的直流电(DC)电压源逆变器包括：多个全桥逆变器，每个全桥逆变器具有主要节点和次要节点，每个所述全桥逆变器具有阳极和阴极节点，每个所述全桥逆变器具有以并联关系电连接在所述阳极节点和所述阴极节点之间的电压支持装置以及连接在阳极和阴极节点之间的直流电(DC)电源；至少一个堆叠逆变器相位，每个堆叠逆变器相位具有多个所述全桥逆变器，在每个堆叠逆变器相位中的每个所述全桥逆变器以串联方式与连接至另一个全桥逆变器的所述主要节点的其中一个所述全桥逆变器的所述次要节点相互连接，所述的串联相互连接限定了第一全桥逆变器和最后一个全桥逆变器，每个相位在所述第一全桥逆变器的所述主要节点上具有输入节点并在所述最后一个全桥逆变器的所述次要节点上具有输出节点；本地控制器，该本地控制器耦接至每个全桥逆变器，用于生成至全桥逆变器的控制信号以输出大致接近正弦电压波形；所述全桥逆变器和所述本地控制器的结合形成基本逆变单元(BIU)；系统控制器，该系统控制器与每个基本逆变单元的本地控制器进行通信，该系统控制器生成用于进行所述基本逆变单元的配置激活、去激活及 运行模式选择的系统控制信号。所述系统包括：通过将多个直流电源的平均直流电压与参考直流电压相比生成第一误差信号；将平均直流电流与所述被检测及平均的交流电流水平相比生成第二误差信号；基于第一和第二误差信号激活并去激活多个全桥逆变器以接近正弦电压波形。以上各方面的实施可以包括下列的一个或多个。该方法可以包括检测多个直流电源的直流电压和电流水平并计算电力。该方法包括平均所述直流电压和电流水平并将所述平均值与参考直流电压比较。该方法包括将所述平均值与所述被检测的和平均的交流电流水平比较。该方法包括从所述第二误差信号生成相位调制信号以及交流线电压被检测周期。可以使用锁相回路检测交流线电压周期。该方法包括为使用所述相位调制波形的所述全桥逆变器生成多个启动参考信号。该方法包括确定调制指数并为所述的调制指数提供参考表。在另一方面，转换设备启动信号可以基于使用数字信号处理器(DSP)的相位调制信号进行计算。该方法包括在基本逆变单元和系统控制器之间提供通信。该系统控制器控制基本逆变单元操作范围，并同样决定每个基本逆变单元激活或去激活的需求。该方法包括使用串联的单导体使多个全桥逆变器相互连接。
在一个实施例中，所述系统控制器控制作为电流源运行的单个基本逆变单元和作为电压源运行的多个基本逆变单元。
在另一个实施例中，所述系统控制器控制作为电压源运行的多个基本逆变单元。
以上系统的其他实施方式中可以包括以下的一个或多个。可使用并且连接三个堆叠逆变器相位以形成Y形(Y)或三角形(Δ)连接。每个基本逆变单元整合了开关以在发生个别的阶段故障情况下选择性地缩短其输出，使连接至基本逆变单元的余下的串联继续运行。该全桥逆变器可以为第一转换组和第二转换组，每个所述的转换组具有多个转换单元以可控制地调节电流流量，每个所述的转换单元具有第一端部和第二端部，所述第一转换组具有与所述第一端部在所述全桥逆变器的所述阳极节点上电连接的多个转换单元，所述第一转换组的所述转换单元的一个的所述第二端部与所述的主要节点电连接，所述第 一转换组的另一个所述转换单元的所述第二端部与所述次要节点电连接，所述第二转换组具有与所述第二端部在所述全桥逆变器的所述阴极节点上电连接的多个转换单元，所述第二转换组的所述转换单元的一个的所述第一端部电连接至所述主要节点，所述第二转换组的所述转换单元的另一个所述转换单元的所述第一端部电连接至所述次要节点。该主要节点可以连接至感应器。所述次要节点可以连接至感应器。电容器可以连接在所述主要和次要节点之间以生成用于将基本逆变单元同步到交流电电网相位的本地交流电压参考。当存在电容器时，每个基本逆变单元检测线频率。该电容器在单个装置出现故障时也提供了对反向电流流量的短期保护。该转换装置可以为栅关断装置和以并联方式连接的反并行装置并且相互间反向偏置。该栅关断装置包括从以下群组中选择的构件：栅关断晶体闸流管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、金属半导体场效应晶体管(MESFET)、结晶型场效应晶体管(JFET)、MOSFET控制的晶体闸流管、双极型晶体管(BJT)、静电感应晶体管、静电感应晶体闸流管以及MOSFET关断晶体闸流管、氮化镓(GaN)晶体管、碳化硅(SiC)晶体管。该反并行装置可以为二极管。每个全桥逆变器可以连接至电容器、电池、燃料电池、光伏电池、光伏模块或生物质电池。降压或升压调节电路可以设置在基本逆变单元中的全桥逆变器和直流电源之间。当以包括光伏电池的直流电源的方式使用时，有源滤波器可以解耦在每个基本逆变单元中施加到直流电压的交流电压调制。可变数量的基本逆变单元可以用在一个相位中来匹配特定的电网电压。每个基本逆变单元可以在不同的直流电力水平上运行。可变数量的基本逆变单元可以用于每个相位。
在另一方面，一种用于转化多个直流电(DC)电源以接近正弦电压波形的方法，包括：在堆叠相位被连接至交流电电网网络的情况下，检测电网的交流电压水平；通过系统控制器计算用于堆叠的基本逆变单元的交流电启动电压；计算电力、执行最大电力点跟踪算法、并生成参考直流电压；平均所述的输入直流电压水平；将所述平均直流电压水平与参考直流电压比较；从所述平均直流电压与参考直流电压的 比较中生成第一误差信号；将来自直流电压电源的平均直流电与被检测的交流电水平进行比较；从所述平均直流电与被检测的交流电水平的比较中生成第二误差信号；从所述第二误差信号中生成相位调制信号；检测具有周期的交流线电压；生成与所述交流线电压的周期直接相关的相位参考信号；生成用于使用所述相位参考波形的全桥逆变器的多个启动参考信号；确定调制指数；并且提供用于所述调制指数的参考表。在一个实施方式中，例如中继、半导体开关或其他的输出缩短单元是可选择的配置。每个基本逆变单元可以具有缩短单元以防止如果串联的连接单元之一故障或没有足够的直流输入电力来运行使得系统不能运行的可能性。该缩短单元的控制可能来自于以下两种方式：a)本地控制器、或b)来自系统控制器。该系统控制器可以关闭至少一个具有电流限制装置的并联开关，该电流限制装置将通过堆叠的基本逆变单元作为相位参考信号所述交流线电压用于在发电机装置启动前的每个基本逆变单元的同步。
在另一方面，一种用于转换多个直流电源以接近正弦电压波形的方法，包括：感测来自多个直流电源的平均直流电压；基于感测到的直流电压激活以及去激活多个全桥逆变器。实施方式可以包括下列的一个或多个。该方法包括在基本逆变单元和系统控制器之间提供通信单元。该方法包括如果由系统控制器计算的电压处于范围之外则检测交流电压水平并制造第一电压参考信号。该方法包括如果由系统控制器计算的电压处于范围之内则检测交流电压水平并制造第一电流参考信号。该方法包括平均所述的交流电压水平并将所述平均电压与参考直流电压比较。该方法包括平均所述交流电流水平并将所述平均电流与参考直流电流比较。该方法包括从所述用户指令信号生成移相信号。该方法包括检测具有周期的交流线电压并生成与所述交流线电压的所述周期直接相关的相位参考信号。该方法包括生成用于多个全桥逆变器的多个启动信号，所述多个全桥逆变器使用所述相位参考信号和所述移相信号。该方法包括确定调制指数并提供用于所述调制指数的参考表。该方法包括通过将相位参考信号与可逆数字计数器对比来确定启动信号。
优选的实施例的优点可以包括以下的一个或多个。该系统提供了一种新的改进型堆叠电压源逆变器，更具体地提供了一种用于连接至高电压、高电力交流电系统的堆叠电压源逆变器。该系统为电网提供了Y形或三角形配置的堆叠电压源逆变器界面。该系统对于每个逆变器仅需要2个电缆。该系统是高效并可扩展的。该系统能够被配置用于单相或三相运行。该系统是高度可靠、低波形系数并非常轻便。该系统灵活支持具有单个基本逆变单元装置配置的多种电网电压和频率。
附图说明
为便于以上所描述的本发明的特征尤其是本发明的说明书、上述的摘要可以被详细理解，可以参考实施例，部分实施例以附图形式示出。然而，应当注意的是，附图仅示出本发明的典型的实施例并因此不被认为是对其范围的限制，本发明包括其他同样效果的实施例。
图1示出了用于电网存储应用的电力控制系统；
图2示出了用于数据中心应用的电力控制系统；
图3示出了用于电动车辆应用的电力控制系统；
图4示出了用于在网控制放电应用的电力控制系统；
图5示出了用于在网控制充电应用的电力控制系统；
图6示出了用于放电模式的本地控制器的示例性流程；
图7示出了用于充电模式的本地控制器的示例性流程；
图8示出了由本地控制器使用的示例性锁相回路；
图9示出了用于放电模式的系统控制器的示例性流程；
图10示出了用于电池充电模式的系统控制器的示例性流程；
图11示出了用于离网控制的主基本逆变单元BIU的示例性流程；
图12示出了用于离网控制的本地控制器的示例性流程；
图13示出了用于离网控制的系统控制器的示例性流程。
具体实施方式
系统中的独特拓扑结构、控制和流程实现了诸如，但不限于，电 网存储(图1)、数据中心(图2)以及电动车辆(图3)等应用中的使用。就标准电池单元的充电和放电而言，所有这三种应用均具有相同的需求。在这种情况下，通过使几个小电池单元来聚集电力。在一些情况下，制造商和系统设计师在单个集群中使用上千个小电池单元以构成更大的电能存储容量。在每个电池基础上应用该独特逆变/转换技术的益处在于：高可靠性、高效率、低成本、重量轻、尺寸小以及双向优势。另外，双向和每个电池电荷平衡逆变和转换使电池寿命延长，提供辅助性服务以及减少火灾隐患。在电池单元级上发生逆变和充电/放电的情况下，交流电池单元和组件成为事实，这使移动运输和存储的增值成为可能。在所有三个示例用例(电网存储、数据中心和电动车辆)中，正是本文件的发明实现了所有的益处。该技术根本地依靠从直流电逆变至交流电的低电压逆变和从交流电到直流电的整流，接着通过使用新型系统控制堆叠串联的电压以产生最后的电输出或输入，其最可测量的特性使其优于所有其他逆变方案。
现转向图1，图1示出了用于电网存储应用的示例性电力控制系统。图1具有多个向基本逆变单元520提供电力的电能存储装置(其中诸如电池)522。基本逆变单元可以由本地控制器和全桥逆变器组成，该全桥逆变器具有LC输出滤波器，并且在一个实施例中，如果需要不同的直流电压总线来支持系统设计，则全桥逆变器具有直流/直流转换电路。该直流/直流转换器可为升压(从DC电源电压增加DC总线电压)或降压(将电压从DC总线降至DC电源电压)。基本逆变单元还可由本地控制器和具有LC输出滤波器的全桥逆变器组成，并且在一个实施例中，具有在DC电源和AC电源之间提供电流隔离的双向绝缘直流/直流转换器。
基本逆变单元520利用由本地控制器所控制的每个基本逆变单元520的输出串联并连接。串联连接的基本逆变单元520的输出最初连接至与开关K1 528串联的电阻器526和电网534。该信号由基本逆变单元用来确定并锁定电网频率。一旦基本逆变单元同步并启动，开关K2530将关闭堆叠基本逆变单元并将其连接至电网534，开关528和530可以为固态开关或继电器。开关528-530由系统控制器控制以提供系统 软启动(无过载电流)。在正常运行期间，若需要，系统控制器可更新由特定基本逆变单元所产生的电量以提供DC电源平衡(诸如电池)。该系统可以操控可变数量的串联连接的基本逆变单元，其中每个系统的最小和最大数量的基本逆变单元由所有串联连接的全桥逆变器之间的总电网电压以及每个基本逆变单元的交流输出额定电压的最大值和最小值确定。每个基本逆变单元可以作为电压源运行以便于实现有效的基本逆变单元堆叠。该系统控制器通过通信通道与基本逆变单元进行通信。该通信通道可以是有线的诸如电力线通信通道或可以为无线的诸如无线个域网收发器，或者可以使用其他单独的线。该系统控制器也实施检测非正常的电网状况的算法以及通过控制开关K1和K2从电网关闭和断开堆叠的基本逆变单元的方法。
在另一个实施例中，该系统控制器可以配置一个基本逆变单元作为电流源，并且其余的基本逆变单元可以被用作电压源。
基本逆变单元的三个单独串联连接的群组在一个实施例中可以被配置为三相逆变系统。
图2示出了用于数据中心应用的示例性电力控制系统。在该实施例中，该系统充当不间断电源(UPS)系统。在电力网故障的情况下，开关K3 530会将负载540从电力网断开并将其连接至不间断供电系统。该功能可由系统控制器524来进行。在电力网发生故障的情况下，系统控制器将通过关闭k1来启动不间断供电系统，从而在无过冲电流的情况下启动基本逆变单元。与图1相似，图2具有多个向基本逆变单元520提供直流电力的电能存储装置(其中诸如电池)522。基本逆变单元520利用由本地控制器所控制的每个基本逆变单元520的输出串联连接。串联连接的基本逆变单元520的输出利用选配的开关k1 528也串联连接至电阻器526。选配的开关k1向在基本逆变单元中的预充电电容器提供具有极限电流的路径。一旦基本逆变单元启动，该系统控制器将连接开关K2 532。开关532向电网534或信息技术负载540提供连接。在一个位置，开关530将信息技术负载540连接至电网534，以及在第二个位置开关530将负载540连接至不间断供电。开关528-530可以或为固态开关或为继电器。开关528-532由系统控制器进 行控制。该系统可以操控可变数量的串联连接的基本逆变单元，其中每个系统的最小和最大数量的基本逆变单元由所有串联连接的全桥逆变器之间的总电网电压以及每个基本逆变单元的交流输出额定电压的最大值和最小值确定。一个基本逆变单元配置为电流源。其他基本逆变单元将使用该电流以锁定其频率。其他基本逆变单元作为电压源运行以便于实现有效的基本逆变单元堆叠。
在另一实施例中，k1开关可直接连接至信息技术负载以允许不间断供电在空闲模式中运行。一旦电网发生故障，则系统控制器需要打开K3并关闭K2。由于该转换可以非常快速地发生，因此，在运行中的信息技术负载不会中断。
图3是用于在电动车辆驱动应用中的堆叠逆变器的对应图。与图1相似，图2具有多个向基本逆变单元520提供直流电力的电能存储装置(其中诸如电池)522。在正常运行中，开关K3 535会将电机负载连接至双向转换器系统。为了对电池再充电，开关K3 535将连接至电网位置或再生制动电源并对电池进行充电。该功能可由系统控制器524进行。在充电模式下，开关k1向在基本逆变单元中的预充电电容器提供具有极限电流的路径。一旦基本逆变单元启动，则系统控制器将连接开关K2 530。开关530由螺线管532控制。将开关528或530的输出提供至由螺线管536控制的开关535。在一个位置，开关535连接至电网534，以及，在第二个位置，开关535连接至电机538。这些开关可以或为固态开关或为继电器并且由系统控制器控制。通信通道540设置在系统控制器524和基本逆变单元520之间。该通信通道540可以是通过有线的、无线的或在电力线及其他。
图4示出了用于在网应用的示例性电力控制系统。储能装置(诸如电池)530向全桥逆变器532提供直流电(DC)输出。将全桥逆变器532的输出提供给低通滤波器534，低通滤波器534在一个实施例中可以为感应电容(LC)型滤波器。将滤波器534的输出提供给交流电力网或交流电总线。通过本地控制器550对滤波器534的输出进行监控。系统控制器540监控具有堆叠基本逆变单元的相的输出电压和电流。该系统控制器向通信模块568发送指令以设置限制器558的参数 从而调整由逆变器532生成的电压和电流。
倍增器551监控来自储能装置530的电压和电流。倍增器551的输出由驱动电力控制器556的加法电路或加法器554接收，在一个实施例中其可以为比例积分控制器。参考电流值为电力控制器的输出。将控制器556输出连接至限制器558以生成输出m、调制指数。倍增器560接收限制器558和锁相环(PLL)570的输出以生成输出m该限制器558和锁相环570随着监控电网输出穿过低通滤波器534供应监控电网输出。将倍增器560的输出供应给驱动器566，诸如驱动全桥逆变器532的脉宽调制(PWM)驱动器。
图5示出了示例性的用于在网控制充电应用的电力控制系统；该系统与图4的系统相似，外加来自从倍增器551至限制器558的电池电力和电压信号。在该模式下，从电网获得电能以对电池进行充电。
图6示出了示例性的用于放电模式的本地控制器的示例性流程；在图6中，从系统控制器(610)接收最大和最小电压值。接着，该系统样本逆变器输出电压Vom和电流lom(612)。接着，在614中该流程确定是否Vom小于Vommin。如果输出电压参考Voref＝Vommin，则接着运行电压控制器环。将误差信号ε设置为Voref-Vom(616)并且接着将调制指数m设置为K1*ε+K2*ε/s(618)。
从614，如果Vom大于或等于Vommin，则该流程确定是否Vom>Vommax(620)。如果是，那么将Voref设置为Vommax并且将ε设置为Voref-Vom(622)并且运行电压控制限制环。该流程接着将m设置为K1*ε+K2*ε/s(624)。如果为否，则该常规电流环运行将loref设置为Iref，并且ε被设置为Iref-lom(626)。接着，将m设置为K3*ε+k4*ε/s(628)。
从操作618、624或628，该流程继续来检查调制指数m的可接受范围。将对m的限制设置为mmin为Vommin/Vp以及mmax为Vomax/Vp(630)。接着，该流程测试是否m>mmax(632)。如果是，则该流程设置m＝mmax(634)。如果否，则该流程测试是否m<mmax(636)并且如果是的话则将m设置为mmin(636)。
图7示出了示例性的用于充电模式的本地控制器的示例性流程； 从系统控制器接收最大和最小电压值(610)。接着，该系统样本逆变器输出电压Vom和电流lom(612)。接着，在614中该流程确定是否Vom小于Vommin。如果输出电压参考Voref＝Vommin，则接着运行电压控制器环。将误差信号ε设置为Voref-Vom(616)并且接着将调制指数m设置为K1*ε+K2*ε/s(618)。
从614，如果Vom大于或等于Vommin，则该流程确定是否Vom>Vommax(620)。如果是，那么将Voref设置为Vommax并且将ε设置为Voref-Vom(622)并且运行电压控制限制环。该流程接着将m设置为K1*ε+K2*ε/s(624)。从620，如果否，则该系统检测是否Vom>Vbmax(630)，以及如果为否，则该常规电流环运行将loref设置为Iref并且ε被设置为Iref-lom(626)。接着，将m设置为K3*ε+k4*ε/s(628)。从630，如果Vom>Vbmax，则将Voref设置为Vbmax并且将ε设置为Voref-Vom(632)以及将m设置为K1*ε+K2*ε/s(636)。
图8示出了示例性的由本地控制器使用的示例性锁相回路；将单相电压(νβ)和内部生成的信号(να)用作向派克变换块(αβ-dq)的输入。将该派克变换的d轴输出用于控制环中以获取输入信号的相和频率信息。通过使用逆派克变换获得Vα，其中该输入为通过一阶极块反馈的派克变换(dq-αβ)的d轴和q轴输出。将极用作在内部反馈环中引入储能元件。在另一实施例中，锁相环算法可在系统控制器中运行，以及可以由各种通信构件将同步信号提供给本地控制器。
图9示出了示例性的用于放电模式的系统控制器的示例性流程；该流程首先利用每个n串联连接的基本逆变单元对通信进行初始化(660)。该流程接着测量电网电压Vgm并确定基本逆变单元启动电压Voms＝Vgm/n，以及用于基本逆变单元的运行范围(基于电网电压和基本逆变单元的数量)，Vommax以及Vommin(662)。接着，该流程关闭继电器或开关K1并发送确定的Voms、Vommax、Vommin给每个基本逆变单元(664)。
接着，该流程确定是否堆叠逆变器相电压，Vgs大于或等于电网电压，Vgm(666)，并且如果为否，则该流程等待直到达到所需要 的电压。一旦达到，该流程关闭继电器或开关K2(668)。这是来自n基本逆变单元的电力被传输给交流电网的正常的运行模式。接着，该流程监控传送到电网的电力Ps，如果电力Ps大于或等于最小运行电力Pmin(670)，则该流程循环回到670并继续提供电力。如果为否，则该流程开启继电器K1和K2并进行操作系统关闭(672)。
图10示出了示例性的用于电池充电模式的系统控制器的示例性流程；该流程首先利用每个n串联连接的基本逆变单元对通信进行初始化(660)。该流程接着测量电网电压Vgm并确定基本逆变单元启动电压Voms＝Vgm/n，以及用于基本逆变单元的运行范围(基于电网电压和基本逆变单元的数量)，Vommax以及Vommin(662)。接着，该流程关闭继电器或开关K1并发送确定的Voms、Vommax、Vommin给每个基本逆变单元(664)。
一旦达到，该流程关闭继电器或开关K2(669)。从669，该流程检查是否充电电流需要调整(671)，如果是，则改变用于特殊基本逆变单元的参考电流Iref(672)。从671或672，该流程检查是否充电电流Pch大于或等于Pmin(677)，并且如果为否，则充电完成时打开k1和K2并进行操作系统关闭(678)。
图11示出了用于离网控制的主控制器或系统控制器的示例性流程。该系统设置一个输入参考电压Vmref为Vg/n，其中n为串联连接的基本逆变单元的数量(710)。接着，该流程运行电流环路(716)并基于环路输出和由系统控制器接收的频率信息产生调制信号。该系统接着确定是否Vm等于Vmref(718)。如果为否，则该系统检查是否需要的电力高于系统可以提供的电力(720)。如果没有完成最大化电力，则该系统重新运行电流环路(724)。可选择地，如果完成最大化电力，则该系统通知系统控制器最大化电力已经完成(722)。在718，如果Vm＝Vmref，则该流程发送设置点信息给系统控制器(726)。
图12示出了用于离网控制的基本逆变单元的本地控制器的示例性流程。该系统设置一个输入参考电压Vmref为Vg/n，其中n为串联连接的基本逆变单元的数量(740)。接着，该流程运行锁相环、锁定至交流频率，运行电流环路(742)并基于锁相环输出和环路输出生成 调制信号。该系统接着确定是否Vm等于Vmref(744)。如果为否，则该系统检查是否需要的电力高于系统可以提供的电力(746)。如果最大化电力未完成，则该系统重新运行电流环路(750)。可选择地，如果最大化电力完成，则该系统通知系统控制器最大电力已经完成(748)。在744中，如果Vm＝Vmref，则该流程发送设置点信息给系统控制器(752)。
图13示出了示例性的用于离网控制的系统控制器的示例性流程；该系统设置一个输入参考电压Vmref为Vgref/n，其中n为串联连接的的基本逆变单元的数量(760)。Vgref为电网参考电压并确定输出频率。接着，该流程发送参考电压信息和输出频率给基本逆变单元(762)。接着，该流程确定是否Vg等于Vgref(764)。如果为否，该系统检查每个基本逆变单元来观察是完成最大化电力(766)。如果没有基本逆变单元低于最大化电力，则该流程检查超过低压限制的输出电压(768)。可选择地，对于输出低于最大化可用电力的基本逆变单元，该流程增加目标电压Vm'至这些基本逆变单元(770)。从764，如果Vg等于Vgref，则该流程通知系统设置点电压已经完成(772)。
在一个用于离网电力控制应用的实施例中，该系统控制器确定用于每个逆变单元的输出频率和运行电压。接着，该系统控制器将主功能分配给一个基本逆变单元，以及该系统控制器将子功能分配给所有其他基本逆变单元。主基本逆变单元首先启动并向子基本逆变单元提供用作参考频率的交流电力。每个子基本逆变单元均锁定使用锁相环的参考频率并启动生成其自身的交流电力。如需要，该系统控制器监控电力生产并且调整基本逆变单元操作。
在一个实施例中，基本逆变单元均通过使用单芯电缆和连接器串联连接。仅仅单芯电缆和连接器的使用减少了材料成本。每个基本逆变单元提供输出交流电力给串联连接的交流电总线。该交流电总线在系统控制器中终止。该系统控制器总体上将来自所有基本逆变单元的输出连接在一起以形成单一的交流电反馈。
在一个实施例中，该系统包括具有两个标准电缆和连接器的基本逆变单元。仅仅两个单芯电缆/连接器的使用减少了在安装系统中的材 料和人工成本。每个基本逆变单元提供输出交流电力给串联连接的交流电总线。该交流电总线在系统控制器盒中终止。该系统控制器总体上将来自所有基本逆变单元的输出连接在一起以形成单一的交流电反馈给配电板。
在一种实施方式中，电池组可以将来自多个串联连接的基本逆变单元的电力通过系统控制器将接到电网，并且在一些应用中连接至用户装置的电器。例如，在家中，配电板为一个已知的具有各种断路器和/或熔断器的交流电配电中心，以将电力分配给家中的各种电路。该配电板通过电表耦接至电力网。该电表确定供应给电网的电力的量，以使光伏板的所有者可以补偿供应的电力。
该基本逆变单元根据由本地控制器产生的控制和转换信号将直流电转换为交流电。该控制器产生控制和转换信号以响应直流电和交流电信号的样本。因此，该基本逆变单元最适合被控制来利用特殊的操作模式以符合交流电和直流电信号的当前状态，即平衡交流电源的充电以提供更久的系统运行和延长直流电存储元件的使用寿命。
使用这样的交流电总线和单个的基本逆变单元，该系统对于匹配用户的任何需求上是可扩展并灵活的。基本逆变单元的结构和功能在以下进行讨论。
DC电源提供输入电力给交流电桥。解耦电容器滤波来自交流电桥的转换波动以及来自交流电网的低频率波动。该交流电桥可以为PWM控制的半桥或全桥逆变器，该交流电桥输出端子连接至交流滤波器。该交流滤波器可以为滤除高频PWM谐波噪声的低通滤波器。该输出电路实施用于同步交流电网频率和断路继电器的传感电路。
在一些实施例中，直流电转换级可能需要调整直流电总线电压以用于最佳操作。例如，升压电路可以用来增加穿过直流电连接电容器的运行电压，从而使较大峰值达到穿过交流电输入和输出端子的交流运行电压的峰值。达到交流运行电压的峰值的较大的峰值，使得使用较少的单级逆变器来产生所需要的堆叠的相位交流输出电压。降压电路可以被用来降低穿过直流电连接电容器的运行电压。这将使在交流电桥中的较低额定电压晶体管的使用成为可能，从而使一个堆叠的相 位增加的电量可以产生并反过来减少系统成本。
直流电能通过DC电源供应，该DC电源可以存储电能，诸如电池、发电机电容器或飞轮以及其他。DC电源的输出被提供给直流级，通过滤波器其输出平顺并被提供给桥电路。桥电路的输出被提供给滤波器并且作为结果的输出级被串联连接至使用适合电缆的其他基本逆变单元的输出。
当各种实施例已经在以上进行描述时，应当理解的是它们仅仅是一种示例的方式而非限制。因此，优选地实施例的幅度和范围不应当受以上所描述的任何示例性实施例限制，而应当仅仅按照以下技术方案与其等同的内容来确定。