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用于直流 能量 存储器的电路

阅读：73发布：2020-05-12

专利汇可以提供用于直流能量存储器的电路专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及用于直流能量存储器的电路。包括辅助系统的直流能量存储器可运行在包括自支持模式、岛式模式和正常模式的一个或多个不同模式下。在自支持模式下，第一控制器使用指示AC/DC功率转换器的交流端子处的期望交流电压的电压需求信号控制该转换器的开关器件，以实现对应于电压需求信号的期望水平的交流电压。电压需求信号根据电压反馈信号和被预设以为辅助系统提供期望交流电压的第二电压需求信号的比较得出。第二控制器使用指示期望直流环节电流的电流需求信号控制DC/DC功率转换器的开关器件，以实现对应于电流需求信号的期望水平的直流环节电流。电流需求信号根据指示期望直流环节电压的直流环节电压需求信号与直流环节电压反馈信号的比较得出。，下面是用于直流能量存储器的电路专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种直流能量存储器电路，包括：
一个直流能量存储器，其具有辅助系统和直流端子；
一个AC/DC功率转换器，其包括多个半导体功率开关器件，所述AC/DC功率转换器具有交流端子和直流端子，所述交流端子电连接至一个交流电源网络；
一个DC/DC功率转换器，其包括多个半导体功率开关器件，所述DC/DC功率转换器具有第一直流端子和第二直流端子，所述第一直流端子通过一个直流环节电连接至所述AC/DC功率转换器的直流端子，所述第二直流端子电连接至所述直流能量存储器的直流端子；
用于所述AC/DC功率转换器的第一控制器；以及
用于所述DC/DC功率转换器的第二控制器；
其中，当所述直流能量存储器运行在其中功率被从所述直流能量存储器供应至所述直流能量存储器的辅助系统的自支持模式下时：
所述第一控制器使用一个指示所述AC/DC功率转换器的交流端子处的期望交流电压的电压需求信号来控制所述AC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述电压需求信号的期望水平的交流电压，所述电压需求信号根据一个电压反馈信号和一个第二电压需求信号的比较得出，该第二电压需求信号被预设，以为所述直流能量存储器的辅助系统提供期望交流电压；以及
所述第二控制器使用一个指示期望直流环节电流的电流需求信号来控制所述DC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述电流需求信号的期望水平的直流环节电流，所述电流需求信号根据指示期望直流环节电压的一个直流环节电压需求信号与一个直流环节电压反馈信号的比较得出。
2.根据权利要求1所述的直流能量存储器电路，其中所述AC/DC功率转换器的交流端子通过一个滤波器电连接至所述交流电源网络。
3.根据权利要求1所述的直流能量存储器电路，其中所述AC/DC功率转换器的交流端子通过一个变压器电连接至所述交流电源网络。
4.根据权利要求1所述的直流能量存储器电路，其中所述AC/DC功率转换器的交流端子通过一个滤波器和一个变压器电连接至所述交流电源网络。
5.根据权利要求1所述的直流能量存储器电路，其中所述DC/DC功率转换器的第二直流端子通过直流电感器和滤波电容器电连接至所述直流能量存储器的直流端子。
6.根据权利要求1所述的直流能量存储器电路，其中所述第一控制器包括一个PWM调制器，该PWM调制器基于所述电压需求信号和所述交流电源网络所要求的频率得出用于所述AC/DC功率转换器的半导体功率开关器件的触发指令。
7.根据权利要求1所述的直流能量存储器电路，其中，当所述直流能量存储器运行在其中功率被从所述直流能量存储器供应至所述交流电源网络以及所述直流能量存储器的辅助系统的岛式模式下时：
所述第一控制器使用一个指示所述AC/DC功率转换器的交流端子处的期望交流电压的电压需求信号来控制所述AC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述电压需求信号的期望水平的交流电压，所述电压需求信号根据一个电压反馈信号和一个第二电压需求信号的比较得出，所述第二电压需求信号被预设，以为所述交流电源网络提供期望交流电压，以及
所述第二控制器使用一个指示期望直流环节电流的电流需求信号来控制所述DC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述电流需求信号的期望水平的直流环节电流，所述电流需求信号根据指示期望直流环节电压的一个直流环节电压需求信号与一个直流环节电压反馈信号的比较得出。
8.根据权利要求7所述的直流能量存储器电路，其中所述第一控制器包括一个PWM调制器，该PWM调制器基于所述电压需求信号和一个频率需求信号得出用于所述AC/DC功率转换器的半导体功率开关器件的触发指令，所述频率需求信号根据一个频率反馈信号和一个被预设以为所述交流电源网络提供期望交流频率的频率需求信号的比较得出。
9.根据权利要求1所述的直流能量存储器电路，其中所述第二控制器包括一个PWM调制器，该PWM调制器基于一个电压需求信号和一个相位角输入得出用于所述DC/DC功率转换器的半导体功率开关器件的触发指令，所述电压需求信号根据一个电流反馈信号与所述电流需求信号或从一个限流器获得的一个受限形式的所述电流需求信号中的一个的比较得出。
10.根据权利要求1所述的直流能量存储器电路，其中所述第二控制器包括一个限流器，该限流器使用指示所述直流能量存储器的直流端子处的最大允许电流的限流信号得出一个受限形式的所述电流需求信号。
11.根据权利要求10所述的直流能量存储器电路，其中如果所述电流需求信号大于所述限流信号，所述限流器提供一个控制信号。
12.根据权利要求1所述的直流能量存储器电路，其中，当所述直流能量存储器运行在其中功率被从所述交流电源网络供应至所述直流能量存储器以为所述直流能量存储器充电，或者功率被从所述直流能量存储器供应至所述交流电源网络以使所述直流能量存储器放电的正常模式下时：
所述第一控制器使用指示所述AC/DC功率转换器的交流端子处的期望的有效和无功电流的有效和无功电流需求信号，来控制所述AC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述有效和无功电流需求信号的期望水平的有效和无功电流，所述有效电流需求信号根据指示期望直流环节电压的一个直流环节电压需求信号和一个直流环节电压反馈信号的比较得出；以及
所述第二控制器使用一个指示所述直流能量存储器的直流端子处的期望直流电流的电流需求信号来控制所述DC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述电流需求信号的期望水平的直流电流，所述电流需求信号由一个功率计算单元基于以下得出：(i)指示所述AC/DC功率转换器的交流端子处的期望交流功率的功率需求信号，(ii)指示所述直流能量存储器的直流端子处的直流电压的电压反馈信号，以及(iii)所述直流能量存储器电路中的任何损耗。
13.根据权利要求12所述的直流能量存储器电路，其中所述电流需求信号进一步由所述功率计算单元基于一个指示直流环节电压的直流环节反馈信号得出，以及所述有效电流需求信号进一步根据一个由所述第二控制器的功率计算单元提供的电流信号得出。
14.根据权利要求12所述的直流能量存储器电路，其中所述第二控制器包括一个PWM调制器，该PWM调制器基于一个电压需求信号和一个相位角输入得出用于所述DC/DC功率转换器的半导体功率开关器件的触发指令，所述电压需求信号根据一个电流反馈信号与所述电流需求信号或从一个限流器获得的一个受限形式的所述电流需求信号中的一个的比较得出。
15.根据权利要求12所述的直流能量存储器电路，其中所述第二控制器包括一个限流器，该第二控制器的限流器使用指示所述直流能量存储器的直流端子处的最大允许电流的限流信号得出一个受限形式的所述电流需求信号。
16.根据权利要求15所述的直流能量存储器电路，其中如果所述电流需求信号大于所述限流信号，所述限流器向所述功率计算单元提供一个控制信号。
17.根据权利要求12所述的直流能量存储器电路，其中所述电流需求信号进一步由所述功率计算单元基于一个功率反馈信号得出。
18.根据权利要求1所述的直流能量存储器电路，进一步包括多个DC/DC功率转换器，每个DC/DC功率转换器具有第一直流端子和第二直流端子，每个DC/DC功率转换器的所述第一直流端子并联电连接至所述AC/DC功率转换器的直流端子，每个DC/DC功率转换器的所述第二直流端子连接至一个相应的直流能量存储器。
19.一种运行直流能量存储器电路的方法，所述直流能量存储器电路包括：一个直流能量存储器，其具有辅助系统；一个AC/DC功率转换器，其包括多个半导体功率开关器件，所述AC/DC功率转换器具有交流端子和直流端子，所述交流端子电连接至一个交流电源网络；一个DC/DC功率转换器，其包括多个半导体功率开关器件，所述DC/DC功率转换器具有第一直流端子和第二直流端子，所述第一直流端子通过一个直流环节电连接至所述AC/DC功率转换器的直流端子，所述第二直流端子电连接至所述直流能量存储器的直流端子；用于所述AC/DC功率转换器的第一控制器；以及，用于所述DC/DC功率转换器的第二控制器；
其中，所述方法包括以下步骤：使所述直流能量存储器运行在其中功率被从所述直流能量存储器供应至所述直流能量存储器的辅助系统的自支持模式下，使得：
所述第一控制器使用一个指示所述AC/DC功率转换器的交流端子处的期望交流电压的电压需求信号来控制所述AC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述电压需求信号的期望水平的交流电压，所述电压需求信号根据一个电压反馈信号和一个第二电压需求信号的比较得出，该第二电压需求信号被预设，以为所述直流能量存储器的辅助系统提供期望交流电压；以及
所述第二控制器使用一个指示期望直流环节电流的电流需求信号来控制所述DC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述电流需求信号的期望水平的直流环节电流，所述电流需求信号根据指示期望直流环节电压的一个直流环节电压需求信号与一个直流环节电压反馈信号的比较得出。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括以下步骤：使所述直流能量存储器运行在其中功率被从所述直流能量存储器供应至所述交流电源网络以及所述直流能量存储器的辅助系统的岛式模式下，使得：
所述第一控制器使用一个指示所述AC/DC功率转换器的交流端子处的期望交流电压的电压需求信号来控制所述AC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述电压需求信号的期望水平的交流电压，所述电压需求信号根据一个电压反馈信号和一个第二电压需求信号的比较得出，所述第二电压需求信号被预设，以为所述交流电源网络提供期望交流电压，以及
所述第二控制器使用一个指示期望直流环节电流的电流需求信号来控制所述DC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述电流需求信号的期望水平的直流环节电流，所述电流需求信号根据指示期望直流环节电压的一个直流环节电压需求信号与一个直流环节电压反馈信号的比较得出。
21.根据权利要求19所述的方法，进一步包括以下步骤：使所述直流能量存储器运行在其中功率被从所述交流电源网络供应至所述直流能量存储器以为所述直流能量存储器充电，或者功率被从所述直流能量存储器供应至所述交流电源网络以使所述直流能量存储器放电的正常模式下，使得：
所述第一控制器使用指示所述AC/DC功率转换器的交流端子处的期望的有效和无功电流的有效和无功电流需求信号来控制所述AC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述有效和无功电流需求信号的期望水平的有效和无功电流，所述有效电流需求信号根据指示期望直流环节电压的一个直流环节电压需求信号和一个直流环节电压反馈信号的比较得出；以及
所述第二控制器使用一个指示所述直流能量存储器的直流端子处的期望直流电流的电流需求信号来控制所述DC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述电流需求信号的期望水平的直流电流，所述电流需求信号由一个功率计算单元基于以下得出：(i)指示所述AC/DC功率转换器的交流端子处的期望交流功率的功率需求信号，(ii)指示所述直流能量存储器的直流端子处的直流电压的电压反馈信号，以及(iii)所述直流能量存储器电路中的任何损耗。
22.根据权利要求20所述的方法，进一步包括以下步骤：使所述直流能量存储器运行在其中功率被从所述交流电源网络供应至所述直流能量存储器以为所述直流能量存储器充电，或者功率被从所述直流能量存储器供应至所述交流电源网络以使所述直流能量存储器放电的正常模式下，使得：
所述第一控制器使用指示所述AC/DC功率转换器的交流端子处的期望的有效和无功电流的有效和无功电流需求信号来控制所述AC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述有效和无功电流需求信号的期望水平的有效和无功电流，所述有效电流需求信号根据指示期望直流环节电压的一个直流环节电压需求信号和一个直流环节电压反馈信号的比较得出；以及
所述第二控制器使用一个指示所述直流能量存储器的直流端子处的期望直流电流的电流需求信号来控制所述DC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述电流需求信号的期望水平的直流电流，所述电流需求信号由一个功率计算单元基于以下得出：(i)指示所述AC/DC功率转换器的交流端子处的期望交流功率的功率需求信号，(ii)指示所述直流能量存储器的直流端子处的直流电压的电压反馈信号，以及(iii)所述直流能量存储器电路中的任何损耗。

说明书全文

用于直流能量 存储器的电路

技术领域

[0001] 本发明涉及用于直流能量存储器的电路，更具体地，涉及允许直流能量存储器向直流能量存储器的辅助系统——例如，像风扇或泵——供应功率的电路。

背景技术

[0002] 直流能量存储器能够通过许多不同技术实现，所述技术诸如电池(例如，锂和钠硫类型)、包括超级电容器(supercapacitor)和超电容器(ultracapacitor)的电容器以及液流电池(例如钒氧化还原液流电池)。能量能够被存储在直流能量存储器中并在需要时被释放。这种存储和释放能量的能力在许多不同应用中是有用的，所述应用包括存储过量的风能并且在以后当较少的风能可用时将该能量释放给交流电源网络或电力网。一种不同的应用是存储能量以防发电机停止运行。存储在直流能量存储器中的能量可随后用于保持必需的系统和服务运行，直到一个应急或备用发电机启动并投入运行。在一些情况下，对于需要高功率脉冲的能量的应用——诸如用于启动过山车的线性电动机，还可有帮助的是缓慢地存储能量，并允许存储在直流能量存储器中的能量被非常快速地释放。

[0003] 直流能量存储器通常会具有辅助系统，诸如泵、风扇、控制单元以及连接至交流电源网络的其它装置。如果交流电源网络中断或经历电压或频率瞬变，则辅助系统将不接收功率，这可导致直流能量存储器的实际运行产生问题。例如，如果用于冷却直流能量存储器的风扇停止工作，则这会导致不可接受的温度升高。某些类型的直流能量存储器还需要泵来以其最佳效率持续运行。

发明内容

[0004] 本发明提供一种直流能量存储器电路，该直流能量存储器电路包括：一个直流能量存储器，其具有辅助系统(例如，泵、风扇、控制单元以及与所述直流能量存储器相关联的其他设备，与仅仅是连接至交流电源网络或电力网的普通消费负载相反，所述辅助系统对于所述直流能量存储器的正常或标准运行而言通常是必需的)；一个AC/DC功率转换器，其包括多个半导体功率开关器件，所述AC/DC功率转换器具有直流端子和交流端子，所述交流端子可选地通过一个滤波器和/或一个变压器电连接至一个交流电源网络或电力网；一个DC/DC功率转换器，其包括多个半导体功率开关器件，所述DC/DC功率转换器具有第一直流端子和第二直流端子，所述第一直流端子通过一个直流环节(dc link)电连接至所述AC/DC功率转换器的直流端子，所述第二直流端子可选地通过直流电感器和滤波电容器，电连接至所述直流能量存储器的直流端子；用于所述AC/DC功率转换器的第一控制器；以及，用于所述DC/DC功率转换器的第二控制器。

[0005] 所述直流能量存储器电路可运行在三个模式中的一个或多个模式下，可选地，当情况需要时在运行模式之间切换。在“自支持模式(self-supporting mode)”下，直流能量存储器电路被用于当从交流电源网络不可获得功率时将从直流能量存储器供应功率至直流能量存储器的辅助系统。在该模式下，直流能量存储器电路通常将与交流电源网络隔离，以确保交流电源网络中的故障不会妨碍自支持模式下的运行。直流能量存储器电路可通过任意合适的装置例如开关被隔离。在“岛式模式(island mode)”下，当直流能量存储器是主功率源时，所述直流能量存储器电路被用于从直流能量存储器供应功率至辅助系统和连接至交流电源网络的其他电负载。在“正常模式”下，交流电源网络正常运行并且连接至其他发电机。所述直流能量存储器电路被用于分别从交流电源网络供应功率至直流能量存储器，以及从直流能量存储器供应功率至交流电源网络，即，为直流能量存储器充电和使其放电。

[0006] 当直流能量存储器电路运行在其中功率被从所述直流能量存储器供应至所述直流能量存储器的辅助系统的自支持模式下时：

[0007] 所述第一控制器使用一个指示所述AC/DC功率转换器的交流端子处的期望交流电压的电压需求信号来控制所述AC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述电压需求信号的期望水平的交流电压，所述电压需求信号根据一个电压反馈信号和一个第二电压需求信号的比较得出，该第二电压需求信号被预设，以为所述直流能量存储器的辅助系统提供期望交流电压；以及

[0008] 所述第二控制器使用一个指示期望直流环节电流的电流需求信号来控制所述DC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述电流需求信号的期望水平的直流环节电流，所述电流需求信号根据指示期望直流环节电压的一个直流环节电压需求信号与一个直流环节电压反馈信号的比较得出。

[0009] 当通常向辅助系统供应功率的交流电源网络或电力网由于任何原因(例如，故障)不可用时，通常使用所述自支持运行模式。因此，直流能量存储器中存储的功率可被用于向辅助系统供应功率，从而保持它们正常运行或者使得能够发生关停程序。

[0010] 在所述自支持模式下，所述第一控制器优选地包括一个脉冲宽度调制(PWM)调制器，该PWM调制器基于所述电压需求信号和所述交流电源网络所要求的频率得出用于所述AC/DC功率转换器的半导体功率开关器件的触发指令(firing command)。

[0011] 当所述直流能量存储器电路运行在其中功率被从所述直流能量存储器供应至所述交流电源网络以及所述直流能量存储器的辅助系统的岛式模式下时：

[0012] 所述第一控制器使用一个指示所述AC/DC功率转换器的交流端子处的期望交流电压的电压需求信号来控制所述AC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述电压需求信号的期望水平的交流电压，所述电压需求信号根据一个电压反馈信号和一个第二电压需求信号的比较得出，所述第二电压需求信号被预设，以为所述交流电源网络提供期望交流电压，以及

[0013] 所述第二控制器使用一个指示期望直流环节电流的电流需求信号来控制所述DC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述电流需求信号的期望水平的直流环节电流，所述电流需求信号根据指示期望直流环节电压的一个直流环节电压需求信号与一个直流环节电压反馈信号的比较得出。

[0014] 当直流能量存储器是连接至交流电源网络或电力网的外部负载的主要功率提供者时，通常使用所述岛式运行模式。

[0015] 在所述岛式运行模式下，所述第一控制器优选地包括一个PWM调制器，该PWM调制器基于所述电压需求信号和一个频率需求信号得出用于所述AC/DC功率转换器的半导体功率开关器件的触发指令，所述频率需求信号根据一个频率反馈信号和一个被预设以为所述交流电源网络提供期望交流频率的频率需求信号的比较得出。

[0016] 在所述自支持运行模式和所述岛式运行模式下，所述第二控制器优选地包括一个PWM调制器，该PWM调制器基于一个电压需求信号和一个相位角输入得出用于所述DC/DC功率转换器的半导体功率开关器件的触发指令，所述电压需求信号根据一个电流反馈信号与所述电流需求信号或从一个限流器获得的一个受限形式的所述电流需求信号中的一个的比较得出。

[0017] 在所述自支持运行模式和所述岛式运行模式下，所述第二控制器可包括一个限流器，该限流器使用指示所述直流能量存储器的直流端子处的最大允许电流的限流信号得出一个受限形式的所述电流需求信号。所述限流信号可以由例如直流能量存储器或者其相关联的控制器提供。如果所述电流需求信号大于所述限流信号，所述限流器可提供一个控制信号。在所述自支持运行模式和所述岛式运行模式下，所述控制信号通常被用于使所述直流能量存储器电路断开(trip)或关停。如果所述AC/DC功率交换器的交流端子处的交流电流大于一最大允许电流，可提供一个附加的断开信号。

[0018] 所述直流能量存储器电路还可运行在正常模式下，在该正常模式下，功率被从所述交流电源网络供应至所述直流能量存储器以为所述直流能量存储器充电，或者功率被从所述直流能量存储器供应至所述交流电源网络以使所述直流能量存储器放电。在所述正常运行模式下，用于所述直流能量存储器的辅助系统的功率可或者来自所述交流电源网络或者来自所述直流能量存储器，取决于指示所述AC/DC功率转换器的交流端子处的期望交流功率的功率需求信号的值。所述辅助系统优选地在可选的变压器的任一侧电连接至交流电源网络。更具体地，所述辅助系统可具有相应的交流端子，这些交流端子直接连接至所述交流电源网络，例如，与所述直流能量存储器电路的其余部分并联，或者通过可选的变压器或者任何其他插入的电气部件间接地连接至所述交流电源网络。当所述直流能量存储器电路运行在所述正常模式下时：

[0019] 所述第一控制器使用指示在所述AC/DC功率转换器的交流端子处的期望的有效(real)和无功(reactive)电流的有效和无功电流需求信号来控制所述AC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述有效和无功电流需求信号的期望水平的有效和无功电流，所述有效电流需求信号根据指示期望直流环节电压的一个直流环节电压需求信号与一个直流环节电压反馈信号的比较得出(由此，确保在正常运行模式期间所述直流环节电压优选地保持基本恒定)；以及

[0020] 所述第二控制器使用一个指示所述直流能量存储器的直流端子处的期望直流电流的电流需求信号来控制所述DC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述电流需求信号的期望水平的直流电流，所述电流需求信号由一个功率计算单元基于以下得出：(i)指示所述AC/DC功率转换器的交流端子处的期望交流功率的功率需求信号(即，上文提到的功率需求信号)，(ii)指示所述直流能量存储器的直流端子处的直流电压的电压反馈信号，以及(iii)所述直流能量存储器电路中的任何损耗(例如，在将AC/DC功率转换器连接至交流电源网络的交流电路中的损耗，在连接所述DC/DC功率转换器14的直流端子的直流电路中的损耗，以及所述直流能量电路的辅助系统中的损耗)。

[0021] 在所述正常运行模式下，所述第一控制器可包括一个PWM调制器，该PWM调制器基于D轴和Q轴电压需求信号以及交流电源网络相位角输入——该相位角输入通常从锁相环(PLL)单元得到，使用相对常规的方法得出用于所述AC/DC功率转换器的半导体功率开关器件的触发指令。所述无功电流需求信号可由一个或多个电流需求信号得出，所述一个或多个电流需求信号限定期望水平的交流电源无功电流，消除滤波器的无功电流，以及校正交流电源网络或电力网中的相移，以例如在交流电源网络中的限定点处传送合适的功率。因此，所述无功电流需求信号通常指示交流电路中所要求的交流无功功率电流。所述Q轴电压需求信号可根据有效电流需求信号和指示所述AC/DC功率转换器的交流端子处的有效交流电流的一个电流反馈信号的比较得出。类似地，D轴电压需求信号可以根据无功电流需求信号和指示所述AC/DC功率转换器的交流端子处的无功交流电流的一个电流反馈信号的比较得出。

[0022] 在所述正常运行模式下，所述第二控制器的电流需求信号可进一步由所述功率计算单元基于一个指示直流环节电压的直流环节反馈信号得出，以及所述第一控制器的有效电流需求信号可进一步根据由所述第二控制器的功率计算单元提供的一个电流信号得出。

[0023] 在所述正常运行模式下，所述第二控制器优选地包括一个PWM调制器，该PWM调制器基于一个电压需求信号和一个相位角输入得出用于所述DC/DC功率转换器的半导体功率开关器件的触发指令，所述电压需求信号根据一个电流反馈信号与所述电流需求信号和从一个限流器获得的一个受限形式的所述电流需求信号中的一个的比较得出。

[0024] 在所述正常运行模式下，所述第二控制器优选地包括一个限流器，该限流器使用指示直流能量存储器的直流端子处的最大允许电流的限流信号得出一个受限形式的所述电流需求信号。如果所述电流需求信号大于所述限流信号，所述限流器可向所述功率计算单元提供一个控制信号。如果所述功率计算单元接收到一个控制信号，则其可向系统的用户发出警告：系统在继续运行但是不能供应或吸收所请求的功率。

[0025] 在所述正常运行模式下，所述电流需求信号可进一步由所述功率计算单元基于一个指示所述交流电源网络中的交流功率的功率反馈信号得出。该功率反馈信号被功率计算单元用于应用对所述直流能量存储器电路中的损耗的缓动(slow acing)校正。

[0026] 所述AC/DC功率转换器和所述DC/DC功率转换器可具有任意合适的拓扑，并且可使用任意合适的半导体功率开关器件。所述AC/DC功率转换器和DC/DC功率转换器中的半导体功率开关器件的运行可使用根据常规的PWM策略获得的栅极驱动控制信号进行控制。容易理解，可以考虑各种类型的PWM策略。

[0027] 所述直流能量存储器也可由任意合适的技术诸如蓄电池、电容器和液流电池技术实现。

[0028] 上述直流能量存储器电路提出了两个独立的控制器，但是可将多个控制器的功能性集成到一个物理控制器上。类似地，用于所述AC/DC功率转换器和DC/DC功率转换器的每个控制器的功能性可以分散在一个以上的控制器上(例如，用于直流能量存储器的每个运行模式的不同物理控制器)，如果这对于直流能量存储器电路的实际实现来说方便的话。

[0029] 所述交流电源网络可以具有单相或多相(例如，三相)构造。

[0030] 本发明进一步提供了一种运行直流能量存储器电路的方法，所述直流能量存储器电路包括：一个直流能量存储器，其具有辅助系统；一个AC/DC功率转换器，其包括多个半导体功率开关器件，所述AC/DC功率转换器具有直流端子和交流端子，所述交流端子可选地通过一个滤波器和/或一个变压器电连接至一个交流电源网络；一个DC/DC功率转换器，其包括多个半导体功率开关器件，所述DC/DC功率转换器具有第一直流端子和第二直流端子，所述第一直流端子通过一个直流环节电连接至所述AC/DC功率转换器的直流端子，所述第二直流端子可选地通过直流电感器和滤波电容器电连接至所述直流能量存储器的直流端子；用于所述AC/DC功率转换器的第一控制器；以及，用于所述DC/DC功率转换器的第二控制器；
其中所述方法包括以下步骤：使所述直流能量存储器运行在其中功率被从所述直流能量存储器供应至所述直流能量存储器的辅助系统的自支持模式下，使得：

[0031] 所述第一控制器使用一个指示所述AC/DC功率转换器的交流端子处的期望交流电压的电压需求信号来控制所述AC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述电压需求信号的期望水平的交流电压，所述电压需求信号根据一个电压反馈信号和一个第二电压需求信号的比较得出，该第二电压需求信号被预设，以为所述直流能量存储器的辅助系统提供期望交流电压；以及

[0032] 所述第二控制器使用一个指示期望直流环节电流的电流需求信号来控制所述DC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述电流需求信号的期望水平的直流环节电流，所述电流需求信号根据指示期望直流环节电压的一个直流环节电压需求信号与一个直流环节电压反馈信号的比较得出。

[0033] 所述方法可进一步或者替代地包括以下步骤：使所述直流能量存储器电路运行在其中功率被从所述直流能量存储器供应至所述交流电源网络以及所述直流能量存储器的辅助系统的岛式模式下，使得：

[0034] 所述第一控制器使用一个指示所述AC/DC功率转换器的交流端子处的期望交流电压的电压需求信号来控制所述AC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述电压需求信号的期望水平的交流电压，所述电压需求信号根据一个电压反馈信号和一个第二电压需求信号的比较得出，所述第二电压需求信号被预设，以为所述交流电源网络提供期望交流电压，以及

[0035] 所述第二控制器使用一个指示期望直流环节电流的电流需求信号来控制所述DC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述电流需求信号的期望水平的直流环节电流，所述电流需求信号根据指示期望直流环节电压的一个直流环节电压需求信号与一个直流环节电压反馈信号的比较得出。

[0036] 所述方法可进一步或者替代地包括以下步骤：使所述直流能量存储器运行在其中功率被从所述交流电源网络供应至所述直流能量存储器以为所述直流能量存储器充电，或者功率被从所述直流能量存储器供应至所述交流电源网络以使所述直流能量存储器放电的正常模式下，使得：

[0037] 所述第一控制器使用指示所述AC/DC功率转换器的交流端子处的期望的有效和无功电流的有效和无功电流需求信号，来控制所述AC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述有效和无功电流需求信号的期望水平的有效和无功电流，所述有效电流需求信号根据指示期望直流环节电压的一个直流环节电压需求信号和一个直流环节电压反馈信号的比较得出(由此，确保在所述正常运行模式期间所述直流环节电压优选地保持基本恒定)；以及

[0038] 所述第二控制器使用一个指示所述直流能量存储器的直流端子处的期望直流电流的电流需求信号来控制所述DC/DC功率转换器的半导体功率开关器件，以实现对应于所述电流需求信号的期望水平的直流电流，所述电流需求信号由一个功率计算单元基于以下得出：(i)指示所述AC/DC功率转换器的交流端子处的期望交流功率的功率需求信号，(ii)指示所述直流能量存储器的直流端子处的直流电压的电压反馈信号，以及(iii)所述直流能量存储器电路中的任何损耗。附图说明

[0039] 图1是示出本发明的直流能量存储器电路的示意图；

[0040] 图2是示出当直流能量存储器运行在正常模式下时的控制器布置的示意图；

[0041] 图3是示出当直流能量器存储运行在正常模式下时的一个替代的控制器布置的示意图；

[0042] 图4是示出当直流能量存储器运行在自支持模式下时的控制器布置的示意图；

[0043] 图5是示出当直流能量存储器运行在自支持模式下时的一个替代的控制器布置的示意图；

[0044] 图6是示出当直流能量存储器运行在岛式模式下时的控制器布置的示意图；

[0045] 图7是示出当直流能量存储器运行在岛式模式下时的一个替代的控制器布置的示意图。

具体实施方式

[0046] 1.直流能量存储器电路拓扑

[0047] 参照图1，用于直流能量存储器2的电路包括AC/DC功率转换器4。所述AC/DC功率转换器4可以是具有常规的三相两电平拓扑(three-phase two-level topology)的逆变器，带有一系列完全使用脉冲宽度调制(PWM)策略控制和调节的半导体功率开关器件(例如，IGBT、IEGT或IGCT)。然而，在实践中，AC/DC功率转换器4可具有任意合适的拓扑，例如像三电平中性点钳位式拓扑(three-level neutral point clamped topology)或者多电平拓扑。

[0048] AC/DC功率转换器4的交流端子通过一个变压器8、一个无源谐波滤波器电路10以及一个限制PWM谐波电流的常规电抗器(reactor)12连接至三相交流电源6。滤波器电路10被以其最简单的形式示出，但是在实践中若干不同的滤波器电路可被结合，以实现交流电源6中所要求的谐波电压，这可包括在变压器8和滤波器电路10之间的交流连接中的一个额外的电抗器。

[0049] DC/DC功率转换器14通过一个直流环节16连接至AC/DC功率转换器4的直流端子。DC/DC功率转换器14可具有类似于AC/DC功率转换器4的三相两电平拓扑，带有一系列完全使用PWM策略控制和调节的半导体功率开关器件(例如，IGBT、IEGT或IGCT)。然而，如上文关于AC/DC功率转换器所述的，在实践中DC/DC功率转换器14可具有任意合适的拓扑。下面更加详细地描述用于控制AC/DC和DC/DC功率转换器的半导体功率开关器件的栅极驱动指令信号的得出。

[0050] DC/DC功率转换器14提供三个直流电流，这三个直流电流被控制以或者将能量存储在直流能量存储器2中或者从直流能量存储器2提取能量。所述直流能量存储器2通过直流电抗器18连接至DC/DC功率转换器14，所述直流电抗器18限制进入一个可选的平滑电容器22和所述直流能量存储器的PWM谐波电流。

[0051] 所述直流能量存储器2可以是任意合适类型(例如，锂电池、超级电容器、飞轮以及液流电池)。DC/DC功率转换器14的在AC/DC功率转换器侧的直流端子可被调节为处于基本恒定的直流电压，而作为在直流功率被存储或者提取时直流能量存储器2的变化电压的结果，直流能量存储器2的直流电压在不同的运行模式期间可经受直流端子电压的显著变化。

[0052] 容易理解，取决于功率是被从交流电源6供应至直流能量存储器2还是被从直流能量存储器2供应至交流电源6，AC/DC功率转换器4可作为有源整流器或逆变器运行。例如，当功率被从交流电源6供应至直流能量存储器2时(即，直流能量存储器正在充电)，则AC/DC功率转换器4充当有源整流器，将交流电力转化为直流电力，所述直流电力接下来通过插入的DC/DC功率转换器14变得与直流能量存储器的直流端子电压相兼容。当功率被从直流能量存储器2供应至交流电源6时(即，直流能量存储器正在放电)，则AC/DC功率转换器4充当逆变器，以将直流电力转化为交流电力，所述交流电力与交流电源相兼容。因此，所述AC/DC功率转换器4和DC/DC功率转换器16能够实现双向功率流(power flow)。

[0053] 所述AC/DC功率转换器的半导体功率开关器件由控制器24控制，所述DC/DC功率转换器的半导体功率开关器件由控制器46控制。下文关于直流能量存储器2的不同运行模式更加详细地描述所述控制器。

[0054] 根据以上描述容易理解，整个直流能量存储器电路可分为五个子电路，即：

[0055] (i)一个交流电路，其将AC/DC功率转换器4连接至交流电源6；

[0056] (ii)AC/DC功率转换器4；

[0057] (iii)一个直流环节电路16，其将AC/DC功率转换器4的直流端子连接至DC/DC功率转换器14；

[0058] (iv)DC/DC功率转换器14；以及

[0059] (v)一个直流电路20，其将DC/DC功率转换器14的直流端子连接至直流能量存储器2。

[0060] 2.图2和3中所示的正常运行模式

[0061] A.AC/DC功率转换器控制

[0062] 用于AC/DC功率转换器4的控制器24包括锁相环(PLL)单元26，锁相环单元26提供一个指示交流电源6的幅值和相位角的输出信号。交流-直流控制单元28使用PLL单元26的输出信号将来自交流电路中的交流电流传感器30的所测量的交流电流信号转换为直流电流反馈信号Iqfb和Idfb，所述反馈信号Iqfb和Idfb指示在交流电路中流动的实际交流功率电流(actual ac power current)和实际无功电流(actual reactive current)。

[0063] 所述交流电路所要求的交流功率电流由电流信号IQ1和IQ2限定。电流信号IQ2通常由功率计算单元48(见下文)提供，以提供所需求功率(demanded power)的显著变化的前馈信号，从而有助于直流能量存储器电路的稳定性，这在下文更详细地进行解释。

[0064] 电压反馈信号VDCbus由直流环节电路中的直流电压传感器32提供，并且指示直流环节电压。电压反馈信号VDCbus与电压需求信号VDCr相比较，该电压需求信号VDCr指示在AC/DC功率转换器4和DC/DC功率转换器14的额定范围(例如，1kV直流)以内的所要求的直流环节电压。容易理解，在附图中示出的各种布置使用了多个放大器，所述放大器将实际信号与该信号所要求的值相比较，然后所得到的这两个信号之间的差被放大并用于减小这两个信号之间的任何误差。这样的放大器通常具有如下一个电路：该电路具有比例(P)增益用于获得快速响应以及积分(I)增益用于获得更准确的较长时间的响应，通常被称为P+I放大器。电压反馈信号VDCbus和电压需求信号VDCr之间的比较在P+I电压放大器34中进行，P+I电压放大器34为AC/DC功率转换器4的控制器24提供电流信号I Q1。这确保了在直流能量存储器2的运行期间直流环节电压被控制在所要求的准确度水平。

[0065] 电流信号IQ1和IQ2在IQ加法器36中被加在一起，以给出一个净电流需求信号Iqr，该净电流需求信号Iqr指示在交流电路中所要求的净交流功率电流。

[0066] 在具有P+I电路的交(quadrature，Q)轴误差放大器38中将电流需求信号Iqr和直流电流反馈信号Iqfb进行比较，以为AC/DC功率转换器4给出一个交轴电压需求信号Vqr。交轴电压需求信号Vqr是这样一个直流信号：使用代表交流电源6的相位角的来自PLL单元26的输出信号，该直流信号被转化为用于AC/DC功率转换器4的半导体功率开关器件的合适触发指令。结果是实现由电流需求信号Iqr所限定的交流功率电流的流。

[0067] 交流电路所要求的交流电源无功电流由电流需求信号IVARr、ICAPr和IPAr限定。电流需求信号IVARr通常由直流能量存储器2的用户提供，以请求直流能量存储器电路提供交流电源无功电流的限定值。这样做的通常原因是为了将交流电源电压控制在交流电源6中的限定点。电流需求信号ICAPr通常被预设，以消除谐波滤波器电路10的无功电流。电流需求信号IPAr通常由IQ加法器36提供，以校正在交流电源6中的相位偏移，从而在交流电源中的限定点传送合适功率。电流需求信号IVARr、ICAPr和IPAr在ID加法器40中被加在一起，以给出一个指示在交流电路中所要求的交流无功功率电流的净无功电流需求信号Idr。

[0068] 在具有P+I电路的直(direct，D)轴误差放大器42中将电流需求信号Idr和直流电流反馈信号Idfb进行比较，以为AC/DC功率转换器4给出一个直轴电压需求信号Vdr。所述直轴电压需求信号Vdr是这样一个直流信号：使用代表交流电源6的相位角的来自PLL单元26的输出信号，该直流信号被转化为用于AC/DC功率转换器4的半导体功率开关器件的合适触发指令。结果是实现如由电流需求信号Idr所限定的交流电源无功电流的流。

[0069] 交轴电压需求信号Vqr和直轴电压需求信号Vdr被转化为PWM调制器44中的触发指令。

[0070] 容易理解，AC/DC功率转换器控制在功能上相对类似于用于将交流电动机器(例如，马达)接口连接至交流电源的功率转换器驱动。

[0071] 尽管在图2和3中未示出，但直流能量存储器2包括对于其正常运行来说所必需的辅助系统68(图4和5)。例如，辅助系统可包括用于使电解质循环通过钒氧化还原电池的单元的泵、冷却风扇、用于控制直流能量存储器的控制单元等。辅助系统68连接至交流电源6，并且可从变压器8的任一侧被提供。在正常运行中，辅助系统68将直接从交流电源6获取能量。

[0072] B.DC/DC功率转换器控制

[0073] 用于DC/DC功率转换器14的控制器46包括功率计算电路48，该功率计算电路48提供指示在直流电路中所要求的直流电流的电流需求信号Ior。所述电流需求信号Ior是使用功率需求信号Powerr、电压反馈信号Vofb以及电路损耗与直流输出功率关系的查找表得出的，所述功率需求信号Powerr指示在交流电路中所要求的交流功率，所述电压反馈信号Vofb指示在直流电路中的直流电压并且由直流电压传感器50提供。所述功率需求信号Powerr通常由直流能量存储器2的用户提供，以请求直流能量存储器电路供应限定值的交流电源功率(例如，1.0MW)。这样做的通常原因是为了控制进入以及离开交流电源6的功率流，以满足交流电源的其他用户提出的功率需求。功率流还可用于或者控制交流电源6的稳定性或频率，或者用于用户所要求的任何其他用途。

[0074] 下面将更详细解释电流需求信号Ior的推导。

[0075] 电流需求信号Ior在限流器52中受到限制，以在如果通过功率需求信号Powerr提出过量需求的情况下防止电路由于过流而断开。限流器52的输出是受限形式的电流需求信号Ior1。如下文参照图3更详细描述的，最大允许电流可通过直流能量存储器2或其控制系统(未示出)提供的限流信号Ilimit限定。这意味着，如果电流需求信号Ior小于或者等于限流信号Ilimit，则电流需求信号Ior不被限制(即，Ior1＝Ior)。然而，如果电流需求信号Ior大于限流信号Ilimit，则电流需求信号Ior被限制到最大允许电流(即，Ior1＝Ilimit)。由限流信号Ilimit设置的最大允许电流可以是固定的或者根据直流能量存储器2的运行参数变化。

[0076] 受限形式的电流需求信号Ior1与电流反馈信号Iofb相比较，该电流反馈信号Iofb指示在直流电路中的直流电流并且由直流电流传感器54提供。相同的信号还可通过测量在直流电抗器18中的三个直流电流并将这些信号相加实现。

[0077] 在P+I电流环路放大器56中进行受限形式的电流需求信号Ior1和电流反馈信号Iofb之间的比较，以为DC/DC功率转换器14给出一个电压需求信号Vor。电压需求信号Vor是这样一个直流信号：使用相位角输入，该直流信号被转化为用于DC/DC功率转换器14的半导体功率开关器件的合适触发指令，以获得所要求的直流输出电流。电压需求信号Vor是一个直流信号，该直流信号的幅值被改变以获得所要求的直流电流，然而如果要求固定值的输出电流，则电压需求信号Vor将是一个恒定振幅的直流信号。

[0078] 电压需求信号Vor被转化为PWM调制器58中的触发指令。由于要求直流输出，PWM调制器58的相位角信号被设置为零。

[0079] C.功率计算

[0080] 参照图2，当直流能量存储器2放电时，即，当来自直流能量存储器的功率被供应至交流电源6时，下列等式适用：

[0081] Aac＝Bdc-Lac (等式1)

[0082] Cdc＝Ddc-Ldc (等式2)

[0083] Ddc＝Vo·Io (等式3)

[0084] 其中：

[0085] Aac是在点“A”处(即，在交流电源处)所要求的交流功率；

[0086] Bdc是在点“B”处(即，在AC/DC功率转换器4的直流端子处)的直流功率；

[0087] Cdc是在点“C”处(即，在DC/DC功率转换器14的在AC/DC功率转换器侧的直流端子处)的直流功率；

[0088] Ddc是在点“D”处(即，在直流能量存储器2处)的直流功率；

[0089] Lac是在交流电源6和AC/DC功率转换器4之间的交流电路中的损耗；

[0090] Ldc是在DC/DC功率转换器14和直流能量存储器2之间的直流电路20中的损耗；

[0091] Vo是直流输出电压，即，在直流电路中的直流电压；以及

[0092] Io是直流输出电流，即，在直流电路中的直流电流。

[0093] 如果通过交轴误差放大器38和P+I电压放大器34的作用，直流环节电压被保持恒定，则点“B”处的直流功率一定等于点“C”处的直流功率。

[0094] 因此可将等式1至等式3结合，以提供用于控制交流电源6的交流功率的下列等式：

[0095] (等式4)

[0096] 辅助系统(未示出——但是参见上文)从交流电源6获取能量，等式4可被进一步修改为包括辅助系统中的损耗(Laux)：

[0097] (等式5)

[0098] 等式4和等式5形成用于准确控制交流电源6中的交流功率的基础，因为电路损耗通常低，且在没有总体的交流功率环路的情况下直流能量存储器电路具有非常动态的响应。当从交流电源6向直流能量存储器2供应功率时(即，当直流能量存储器充电时)，可以使用相同等式4和5，但是损耗项的极性颠倒。

[0099] 因此，容易理解，功率计算单元48可基于功率需求信号Powerr(指示在点“A”处所要求的交流功率Aac)、电压反馈信号Vofb(指示所要求的直流输出电压Vo)以及如下一个查找表来确定电流需求信号Ior(指示所要求的直流输出电流Io)，所述查找表用于基于直流输出功率计算直流能量存储器电路中的各种损耗(Ldc和Lac，并且可选地，还有Laux)。

[0100] 为了改善直流能量存储器电路的动态响应，电流信号IQ2可被用于一通过功率需求信号Powerr提出一个新的功率需求，就向AC/DC功率转换器4发出一个需求。如果使用电流信号IQ2，则来自PLL单元26的电压反馈信号VACfb需要被供应至功率计算单元48，如图2中所示。

[0101] 在这种情况下，电流信号IQ2＝Powerr/(VACfb×√3)。

[0102] 直流能量存储器电路通常被控制，使得直流能量存储器2能够在从交流电源6充电时以用户限定的值存储直流功率，以及通过以用户限定的值对所述直流能量存储器放电来输出交流功率。直流能量存储器电路通常会被设计为通常在从全功率输入变化至全功率输出或者从全功率输出变化至全功率输入的一个电源周期(mains cycle)中具有快速交流功率响应，而不需要闭合的交流功率环路，因为闭合的交流功率环路将需要传感器用于提供交流电源6中的交流功率的测量值，这往往是缓动且昂贵的。

[0103] 可添加到图2的直流能量存储器电路的附加特征在图3中示出。一个接触器或直流断路器60被添加到直流电路20，以使得出于维护或保护原因，直流能量存储器2能够被隔离。在启动放大器62中，一个控制信号Estorer与电压反馈信号Vofb相比较。启动放大器62的输出信号通过开关64被供应至P+I电流环路放大器56，并被用于预设所述P+I电流环路放大器的输出，以在直流能量存储器电路启动时在直流断路器60两端提供一个净零电压。因此，所述直流断路器60可以无任何瞬变地被闭合，开关64可被断开，以使得直流能量存储器2的正常运行能够开始。还可能的是，省略使用启动放大器62并将控制信号Estorer直接连接至开关64。这不那么准确，但是可具有在实践中可使用的足够的准确度。

[0104] 可能有用的是确定直流能量存储器2是否过载以及是否需要在较低直流电流下运行。因此可从直流能量存储器2提供一个限流信号Ilimit到限流器52。所述限流信号Ilimit由直流能量存储器2的控制系统(未示出)计算，且通常会被设置为一个限定的最大允许电流值，以保护直流能量存储器。然而，如果直流能量存储器2的任何部分受到威胁，例如正在变得过热，则可相应地降低限流信号Ilimit以保持直流能量存储器电路运行，而不需要断开和关停。

[0105] 限流信号Ilimit通常被持续提供至限流器52。限流器52可以多种不同方式运行：

[0106] (i)如果功率需求信号Powerr导致电流需求信号Ior设置的直流电流小于或等于限流信号Ilimit，则直流能量存储器电路将视功率流的方向而定供应所请求的功率或者吸收所请求的功率。限流器52具有由限流信号Ilimit控制的正极限和负极限，因此当直流能量存储器2被充电和放电时相同的运行适用。如果正在使用电流信号IQ2，则IQ2＝Powerr/(VACfb×√3)。

[0107] (ii)如果直流能量存储器2正在供应功率，则其直流电压将下降，且这由直流电压传感器54测量。结果是，针对一个所请求功率的电流需求信号Ior将增加并且可给出一个大于限流信号Ilimit的电流需求信号Ior。所供应的功率则将被限定为直流电压乘以限流信号Ilimit的值。然后控制信号InLimit被发送至功率计算单元48，以通知功率计算单元48由功率需求信号Powerr请求的功率不能被供应。在这种模式下，仅用于供应功率的限流器52的极限起作用。如果功率计算单元48接收到控制信号InLimit，则其向直流能量存储器电路的用户发出警告：该直流能量存储器电路是可运行的，但是不能供应所请求的功率。如果正在使用电流信号IQ2，则IQ2＝(Vofb x Ilimit)/(VACfb×√3)。

[0108] (iii)如果功率需求信号Powerr被设置在如下一个值：该值给出的电流需求信号Ior大于限流信号Ilimit，则所供应的功率将被限定为直流电压乘以限流信号Ilimit的值。然后控制信号InLimit被发送至功率计算单元48，以通知功率计算单元48由功率需求信号Powerr请求的功率不能被供应或吸收。限流器52具有由限流信号Ilimit控制的正极限和负极限，因此当直流能量存储器2被充电和放电时相同的运行适用。如果功率计算单元48接收到控制信号InLimit，则其向直流能量存储器电路的用户发出警告：该直流能量存储器电路是可运行的，但是不能供应或吸收所请求的功率。如果正在使用电流信号IQ2，则IQ2＝(Vofb x Ilimit)/(VACfb×√3)。

[0109] (iv)如果直流能量存储器正在一个延长时期内供应或吸收功率，则其可能超出其适当的运行状态。结果是，限流信号Ilimit将降低，并且如果它达到导致电流需求信号Ior大于限流信号Ilimit的一个值，则所供应的功率将被限定为直流电压乘以限流信号Ilimit的值。然后控制信号InLimit被发送至功率计算单元48，以通知功率计算单元48由功率需求信号Powerr请求的功率不能被供应或吸收。限流器52具有由限流信号Ilimit控制的正极限和负极限，因此当直流能量存储器2被充电和放电时相同的运行适用。如果功率计算单元48接收到控制信号InLimit，则其向直流能量存储器电路的用户发出警告：该直流能量存储器电路是可运行的，但是不能供应或吸收所请求的功率。如果正在使用电流信号IQ2，则IQ2＝(Vofb x Ilimit)/(VACfb×√3)。

[0110] 直流能量存储器电路具有非常快的动态响应，但是其依赖于如等式5中所限定的对损耗的估计。如果需要更准确的控制，则可在变压器8和交流电源6之间的交流电路中包括一组功率传感器66，以提供指示实际交流功率的功率反馈信号Poutfb。功率反馈信号Poutfb被供应至功率计算单元48，在该功率计算单元中，功率反馈信号Poutfb被用于对等式5中使用的损耗项应用缓动校正。如果需要该特征，则在功率计算单元48内的缓动P+I放大器中比较功率需求信号Powerr和功率反馈信号Poutfb，以给出一个添加到电流需求信号Ior的附加误差信号。这将使得实现所要求的准确性。由于使用等式5之后有一个更缓动的P+I校正项来消除任何小的误差——如果有的话，所以直流能量存储器电路将具有相同的快速响应。

[0111] 尽管未示出，但直流能量存储器电路可被扩展以具有多个直流能量存储器，所述多个直流能量存储器通过相应的DC/DC功率转换器和直流电路连接至一个共同的直流环节。每个DC/DC功率转换器将受其自身的控制器控制(用于每个DC/DC功率转换器的控制器可选地被集成为单个物理控制器)，但是所有直流能量存储器有一个共同的功率计算单元48。

[0112] 在其中存在两个直流能量存储器的情况下，功率计算单元48使用一个共同的功率需求信号Powerr、指示在每个直流能量存储器的直流电路中所要求的直流输出电压Vo1和Vo2的第一和第二电压反馈信号Vofb1和Vofb2以及指示每个直流能量存储器的最大允许电流的第一和第二限流信号Ilimit1和Ilimit2，得出应用至每个控制器的相应限流器的第一和第二电流需求信号Ior1和Ior2。在图2和3中所示的所有其他控制电路都独立地起作用。

[0113] 当直流能量存储器2被放电时，第一电流需求信号Ior1(指示在第一直流能量存储器的直流电路中所要求的直流电流Io1)和第二电流需求信号Ior2(指示在第二直流能量存储器的直流电路中所要求的直流电流Io2)基于下面的等式得出，并且如下所述地取决于由每个控制器的相应限流器提供至共同的功率计算单元48的第一和第二控制信号Ilimit1和Ilimit2的状态：

[0114] (i)如果第一和第二电流需求信号Ior1和Ior2所设置的直流电流分别小于或等于第一和第二限流信号Ilimit1和Ilimit2，则第一和第二直流能量存储器将供应所请求的功率如下：

[0115] (等式6)

[0116] (等式7)

[0117] 其中：

[0118] Lac1是由于第一直流能量存储器在交流电源和AC/DC功率转换器之间的交流电路中的损耗；

[0119] Ldc1是在DC/DC功率转换器和第一直流能量存储器之间的直流电路中的损耗；

[0120] Laux1是在第一直流能量存储器的辅助系统中的损耗；

[0121] Vo1是在第一直流能量存储器的直流电路中的直流电压；

[0122] Lac2是由于第二直流能量存储器在交流电源和AC/DC功率转换器之间的交流电路中的损耗；

[0123] Ldc2是在DC/DC功率转换器和第二直流能量存储器之间的直流电路中的损耗；

[0124] Laux2是在第二直流能量存储器的辅助系统中的损耗；以及

[0125] Vo2是在第二直流能量存储器的直流电路中的直流电压。

[0126] (ii)如果第一电流需求信号Ior1设置的直流电流大于第一限流信号Ilimit1，以及第二电流需求信号Ior2设置的直流电流小于或等于第二电流信号Ilimit2，则直流能量存储器将在第一直流能量存储器的端子处供应功率Pes1如下：

[0127] Io1＝Ilmt1 (等式8)

[0128] 其中：

[0129] Ilmt1是由第一限流信号Ilimit1设置的最大允许电流值。

[0130] Pes1＝Ilmt1·Vo1 (等式9)

[0131] 其中：

[0132] Pes1是第一直流能量存储器在其端子处供应的功率。

[0133] (等式10)

[0134] (iii)如果第二电流需求信号Ior2设置的直流电流大于第二限流信号Ilimit2，以及第一电流需求信号Ior1设置的直流电流小于或等于第一电流信号Ilimit1，则第一和第二直流能量存储器将在第二直流能量存储器的端子处供应功率Pes2如下：

[0135] Io2＝Ilmt2 (等式11)

[0136] 其中：

[0137] Ilmt2是由第二限流信号Ilimit2设置的最大允许电流值。

[0138] Pes2＝Ilmt2·Vo2 (等式12)

[0139] 其中：

[0140] Pes2是由第二直流能量存储器在其端子处供应的功率。

[0141] (等式13)

[0142] (iv)如果第一和第二电流需求信号Ior1和Ior2所设置的直流电流分别大于第一和第二限流信号Ilimit1和Ilimit2，则第一和第二直流能量存储器将供应所请求的功率如下：

[0143] Io1＝Ilmt1 (等式14)

[0144] Io2＝Ilmt2 (等式15)

[0145] Pes1＝Ilmt1·Vo1 (等式16)

[0146] Pes2＝Ilmt2·Vo2 (等式17)

[0147] 在该情形中，直流能量存储器运行但是不能供应所请求的功率。此外，功率计算单元48将向直流能量存储器电路的用户发出警告：直流能量存储器电路是可运行的，但是不能供应或吸收所请求的功率。如果正在使用电流信号IQ2，则IQ2＝(Vofb1 x Ilimit1)/(VACfb×√3)+(Vofb2 x Ilimit2)/(VACfb×√3)。

[0148] 当直流能量存储器2正在充电时，可以使用相同的等式6至17，但是损耗项的极性颠倒。

[0149] 容易理解，相同的等式还可适合于任意数目的直流能量存储器。概括而言，功率计算单元将基于一个共同的功率需求信号、每个直流能量存储器的电压反馈信号以及针对每个直流能量存储器的限流信号，得出每个直流能量存储器的电流需求信号。

[0150] 3.图4和5中示出的自支持运行模式

[0151] 当由于任意原因(例如，中断交流电源6的故障)所述交流电源不再可用时，使用自支持运行模式，直流能量存储器2中的功率被用于向通常从交流电源获取能量的辅助系统68供应功率。尽管辅助系统68在图4和5的左手侧被示出，但容易理解，在实践中，辅助系统将物理地位于和它们相关联并一同使用的直流能量存储器2处或附近。直流能量存储器电路的与图2和3中所示的部分相同的部分被赋予相同的参考数字。

[0152] 在自支持模式下，通过断开开关(未示出)或其他合适的隔离装置，直流能量存储器电路与交流电源6隔离。这确保了交流电源6上的故障不会防止直流能量存储器电路运行在自支持模式下。

[0153] 在自支持运行模式期间，辅助系统68通过AC/DC功率转换器4以及辅助系统所连接至的交流电路从直流能量存储器2接收功率。这意味着，主交流电源6一恢复，辅助系统68就可重新开始正常运行，并且还可能的是，维持直流能量存储器2的正常运行，或者，如果需要，关停直流能量存储器并且维持最佳关停状态。换言之，即使失去交流电源6，对于直流能量存储器2的恰当和安全运行而言所必需的风扇、泵等仍可继续运行。

[0154] 容易理解，在自支持运行模式期间，直流能量存储器2仅放电，即，直流功率被从直流能量存储器供应至交流电源6，并因此通过相关联的交流电路被供应至辅助系统68。因此，AC/DC功率转换器4和DC/DC功率转换器14的控制在某种程度上被简化，这是因为不需要提供双向功率流。

[0155] A.AC/DC功率转换器控制

[0156] 用于AC/DC功率转换器4的控制器24包括一个ACV单元70，该ACV单元提供电压反馈信号VACfb。电压反馈信号VACfb根据来自交流电路中的交流电压传感器72的所测得的交流电压信号得出，并且指示在交流电路中的实际交流电压。

[0157] 电压反馈信号VACfb与电压需求信号VACsr相比较，该电压需求信号VACs r通常被预设以为辅助系统68提供合适的交流电压。电压反馈信号VACfb和电压需求信号VACsr之间的比较在P+I电压放大器74中进行，以为AC/DC功率转换器4提供一个电压需求信号VACr。电压需求信号VACr是这样一个直流信号：该直流信号被转化为用于AC/DC功率转换器4的半导体功率开关器件的合适触发指令。结果是，在交流电路中实现一个由电压需求信号VACs r限定的交流电压。交流电源的频率由一个预设的交流电源频率信号ACF确定，该交流电源频率信号连同电压需求信号VACr一起被供应至PWM调制器76。交流电源频率信号ACF通常被预设以为辅助系统68提供合适的交流频率。

[0158] 如果超过最大允许交流电流，交流电路中的交流电流传感器30提供一个断开信号TRIP，该断开信号关停直流能量存储器电路。

[0159] B.DC/DC功率转换器控制

[0160] 用于DC/DC功率转换器14的控制器46以类似于上述控制器的方式运行。然而，没有功率计算单元，并且指示直流电路中所要求的直流电流的电流需求信号Ior是通过将指示直流环节电压的电压反馈信号VDCbus与在AC/DC功率转换器4和DC/DC功率转换器14的额定范围(例如，1kV直流)以内的电压需求信号VDCr进行比较得出的。

[0161] 电压反馈信号VDCbus和电压需求信号VACr之间的比较在P+I电压放大器78中进行。

[0162] 电流需求信号Ior在限流器52中受到限制，以防止电路由于过流而断开。电压需求信号Vor被转化为PWM调制器58中的触发指令。

[0163] 参考图4，当直流能量存储器2正在放电时，即，正在从直流能量存储器向辅助系统68供应功率时，下列等式适用：

[0164] Aac＝Bdc-Lac (等式18)

[0165] 其中：

[0166] Aa是在点“A”处(即，在交流电源处)所要求的交流功率；

[0167] Bd是在点“B”处(即，在AC/DC功率转换器4的直流端子处)的直流功率；以及[0168] Lac是在交流电源6和AC/DC功率转换器4之间的交流电路中的损耗。

[0169] 如果直流环节电压由于P+I电压放大器78的作用被保持恒定，则在点“B”处和在点“C”处的直流功率一定相等，这意味着正在从直流能量存储器2供应合适的功率。

[0170] 可添加到图4的直流能量存储器电路的附加特征在图5中示出。一个接触器或直流断路器60被添加到直流电路20，以使得出于维护或保护原因，直流能量存储器2能够被隔离。在启动放大器62中，一个控制信号Estorer与电压反馈信号Vofb相比较。启动放大器62的输出信号通过开关64被供应至P+I电流环路放大器56，并被用于预设所述P+I电流环路放大器的输出，以在直流能量存储器电路启动时，在直流断路器60两端给出一个净零电压。因此，所述直流断路器60可以无任何瞬变地被闭合，开关64可被断开，使得直流能量存储器2的正常运行能够开始。还可能的是，省略使用启动放大器62并将控制信号Estorer直接连接至开关64。这不那么准确，但是可具有能在实践中使用的足够准确度。

[0171] 可能有用的是确定直流能量存储器2是否过载以及是否需要在较低直流电流下运行。因此可从直流能量存储器2提供一个限流信号Ilimit到限流器52。所述限流信号Ilimit由直流能量存储器2的控制系统(未示出)计算，且通常会被设置为一个限定的最大允许电流值，以保护直流能量存储器。如果直流电流超过限流信号Ilimit，则限流器52提供的控制信号InLimit导致系统断开。

[0172] 尽管未示出，但直流能量存储器电路可被扩展以具有多个直流能量存储器，所述多个直流能量存储器通过相应的DC/DC功率转换器和直流电路连接至一个共同的直流环节。每个DC/DC功率转换器将受其自身的控制器控制(用于每个DC/DC功率转换器的控制器可选地被集成为单个物理控制器)，但是具有一个共同的P+I电压放大器，该共同的P+I电压放大器将一个共同的电流需求信号Ior供给进每个直流能量存储器的单独限流器中。

[0173] 在其中存在两个直流能量存储器的情况下，限流器使用指示每个直流能量存储器的最大允许电流的第一和第二限流信号Ilimit1和Ilimit2得出应用至每个控制器的相应P+I电流环路放大器56的第一和第二受限电流需求信号Iorl1和Iorl2。图4和图5中示出的所有其他控制电路都独立地起作用。

[0174] 直流能量存储器电路的运行取决于第一和第二限流信号Ilimit1和Ilimit2，如下：

[0175] (i)如果电流需求信号Ior设置的直流电流分别小于或等于第一和第二限流信号Ilimit1和Ilimit2，则第一和第二直流能量存储器将自动供应所请求的功率的50％。

[0176] (ii)如果电流需求信号Ior设置的直流电流大于第一限流信号Ilimit1，以及电流需求信号Ior设置的直流电流小于或等于第二电流信号Ilimit2，则第一直流能量存储器将继续运行，但是以第一限流信号Ilimit1限定的电流运行。共同的P+I电压放大器78会响应于此，并且会改变电流需求信号Ior，使得第二直流能量存储器将自动供应一个足以供应所请求的功率的电流。这保持整个系统可运行。

[0177] (iii)如果电流需求信号Ior设置的直流电流大于第二限流信号Ilimit2，以及电流需求信号Ior设置的直流电流小于或等于第一电流信号Ilimit1，则第二直流能量存储器将继续运行，但是以第二限流信号Ilimit2限定的电流运行。共同的P+I电压放大器78会响应于此，并且会改变电流需求信号Ior，使得第一直流能量存储器将供应一个足以供应所请求的功率的电流。这保持整个系统可运行。

[0178] (iv)如果电流需求信号Ior设置的直流电流大于第一和第二限流信号Ilimit1和Ilimit2，则第一和第二直流能量存储器将断开，系统将停止运行。

[0179] 容易理解，相同的运行还可适合于任意数目的直流能量存储器。

[0180] 4.图6和7中示出的岛式运行模式

[0181] 当直流能量存储器2是给连接至交流电源6的外部负载的功率的主要提供者时，使用岛式运行模式。同时，附加的发生器还可向交流电源6供应功率。功率还被供应至直流能量存储器2的辅助系统(未示出)。直流能量存储器电路的与图2至5中所示的部分相同的部分被赋予相同的参考数字。

[0182] 在岛式运行模式期间，交流电源6通过AC/DC功率转换器4从直流能量存储器2接收功率。容易理解，在岛式运行模式期间，直流能量存储器2仅放电(即，直流功率被从直流能量存储器供应至交流电源6)。因此，AC/DC功率转换器4和DC/DC功率转换器14的控制在某种程度上被简化，因为不需要提供双向功率流。

[0183] A.AC/DC功率转换器控制

[0184] 用于AC/DC功率转换器4的控制器24包括一个ACV&ACF单元80，该ACV&ACF单元80提供电压反馈信号VACfb和频率反馈信号FACfb。电压反馈信号VACfb和频率反馈信号FACfb根据来自交流电路中的交流电压传感器72的所测得的交流电压信号得出，并且分别指示在交流电路中的实际交流电压和交流频率。

[0185] 电压反馈信号VACfb与电压需求信号VACsr相比较，该电压需求信号VACsr通常被预设以为交流电源6提供合适的交流电压。

[0186] 电压反馈信号VACfb和电压需求信号VACsr之间的比较在P+I电压放大器74中进行，以为AC/DC功率转换器4提供一个电压需求信号VACr。频率反馈信号FACfb与频率需求信号FACsr相比较，该频率需求信号通常被预设以为交流电源6提供合适的交流频率。

[0187] 频率反馈信号FACfb和频率需求信号FACsr之间的比较在P+I电压放大器82中进行，以为AC/DC功率转换器4提供一个频率需求信号 FACr。

[0188] 电压需求信号VACr和频率需求信号FACr是这样的直流信号：所述直流信号被PWM调制器76转化为用于AC/DC功率转换器4的半导体功率开关器件的合适触发指令。结果是，在交流电路中实现一个由电压需求信号VACsr限定的交流电压以及如下一个交流电源频率，该交流电源频率在交流电源上的负载变化时被保持恒定，或者具有下垂特性以与连接至交流电源6的任何其他发生器共享负载。

[0189] 交流电路中的交流电流传感器30提供一个断开信号TRIP，该断开信号被用于关停直流能量存储器电路。

[0190] B.DC/DC功率转换器控制

[0191] 用于DC/DC功率转换器14的控制器46如上所述运行。

[0192] 可添加到图6的直流能量存储器电路的附加特征在图7中示出。一个接触器或直流断路器60被添加到直流电路20，以使得出于维护或保护原因，直流能量存储器2能够被隔离。在启动放大器62中，一个控制信号Estorer与电压反馈信号Vofb相比较。启动放大器62的输出信号通过开关64被供应至P+I电流环路放大器56，并被用于预设所述P+I电流环路放大器的输出，以在直流能量存储器电路启动时在直流断路器60两端给出一个净零电压。因此，所述直流断路器60可以无任何瞬变地被闭合，开关64可被断开，使得直流能量存储器2的正常运行能够开始。还可能的是，省略使用启动放大器62并将控制信号Estorer直接连接至开关64。这不那么准确，但是可具有能在实践中使用的足够准确度。

[0193] 可能有用的是确定直流能量存储器2是否过载以及是否需要在较低直流电流下运行。因此，可从直流能量存储器2提供一个限流信号Ilimit到限流器52。所述限流信号Ilimit由直流能量存储器2的控制系统(未示出)计算，且通常将被设置为一个限定的最大允许电流值，以保护直流能量存储器。如果直流电流超过限流信号Ilimit，则限流器52提供的控制信号InLimit导致系统断开。

[0194] 尽管未示出，但直流能量存储器电路可被扩展以具有多个直流能量存储器，所述多个直流能量存储器通过相应的DC/DC功率转换器和直流电路连接至一个共同的直流环节。每个DC/DC功率转换器将由其自身的控制器控制(用于每个DC/DC功率转换器的控制器可选地被集成为单个物理控制器)，但是具有一个共同的P+I电压放大器，该共同的P+I电压放大器将一个共同的电流需求信号Ior供给进每个直流能量存储器的单独限流器中。

[0195] 在其中存在两个直流能量存储器的情况下，限流器使用指示每个直流能量存储器的最大允许电流的第一和第二限流信号Ilimit1和Ilimit2得出应用至每个控制器的相应P+I电流环路放大器56的第一和第二受限电流需求信号Iorl1和Iorl2。图6和图7中示出的所有其他控制电路都独立地起作用。

[0196] 直流能量存储器电路的运行取决于第一和第二限流信号Ilimit1和Ilimit2，如下：

[0197] (i)如果电流需求信号Ior设置的直流电流分别小于或等于第一和第二限流信号Ilimit1和Ilimit2，则第一和第二直流能量存储器将自动供应所请求的功率的50％。

[0198] (ii)如果电流需求信号Ior设置的直流电流大于第一限流信号Ilimit1，以及电流需求信号Ior设置的直流电流小于或等于第二电流信号Ilimit2，则第一直流能量存储器将继续运行，但是以第一限流信号Ilimit1限定的电流运行。共同的P+I电压放大器78会响应于此，并且会改变电流需求信号Ior，使得第二直流能量存储器将自动供应一个足以供应所请求的功率的电流。这保持整个系统可运行。

[0199] (iii)如果电流需求信号Ior设置的直流电流大于第二限流信号Ilimit2，以及电流需求信号Ior设置的直流电流小于或等于第一电流信号Ilimit1，则第二直流能量存储器将继续运行，但是以第二限流信号Ilimit2限定的电流运行。共同的P+I电压放大器78会响应于此，并且会改变电流需求信号Ior，使得第一直流能量存储器将自动供应一个足以供应所请求的功率的电流。这保持整个系统可运行。

[0200] (iv)如果电流需求信号Ior设置的直流电流大于第一和第二限流信号Ilimit1和Ilimit2，则第一和第二直流能量存储器将断开，系统将停止运行。

[0201] 容易理解，相同的运行还可适合于任意数目的直流能量存储器。本发明的直流能量存储器电路的一些主要的技术好处是：

[0202] ●对于自支持运行模式，在失去交流电源时为与直流能量存储器相关联的辅助系统供应功率的能力，由此允许主交流电源一恢复就重新开始正常运行，或者关停以及冷却直流能量存储器以维持最佳关停状态的能力

[0203] ●使用标准I GBT PWM转换器作为AC/DC功率转换器4和DC/DC功率转换器14[0204] ●使用任意类型的直流能量存储器存储和输出功率的能力

[0205] ●输入交流功率并且以用户限定的值存储为直流电功率的能力

[0206] ●通过以用户限定的值释放所存储的直流电功率来输出交流功率的能力[0207] ●快速的交流功率响应，而不使用闭合交流功率环路

[0208] ●使用一个可选的接触器或直流断路器以出于隔离、维护或保护原因而断开直流能量存储器的能力

[0209] ●使用可选电路来逼近具有预先已有电压的直流能量存储器，而不经历电流浪涌[0210] ●使用可选电路来限制流入和流出直流能量存储器的电流

[0211] ●使用可选电路来提供一个闭合环路功率修整，以在仍保持动态响应的同时提高输入或输出的功率的准确性

[0212] ●在逆变器电路的直流端子上使用不止一个直流能量存储器的能力[0213] ●对于岛式运行模式，成为可以可选地具有其他相连的发生器的一系列外部负载的主要功率提供者的能力

[0214] ●对于岛式运行模式，在失去交流电源时保持外部负载运行的能力和/或与其他交流发生器并联工作的能力。

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用于直流能量存储器的电路

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