專利名稱：用于單級功率變換系統(tǒng)的系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及功率變換，具體而言涉及單級功率變換系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著常規(guī)能源上升的成本與短缺以及對環(huán)境的關(guān)注，存在對諸如太陽能與風(fēng)能的顯著興趣。太陽能發(fā)電使用光伏(photovoltaic)源來從太陽發(fā)電。在此類系統(tǒng)中，多個(gè)光伏源彼此電耦合。光伏源產(chǎn)生的電力通過一個(gè)或多個(gè)功率電子變換器輸送到電力網(wǎng)。根據(jù)將直流功率變換為交流功率所采用的級數(shù)，通常將功率電子變換器分成二級變換器和單級變換器。常規(guī)單級功率變換系統(tǒng)包括連接到控制器的單級變換器，控制器實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn) (MPP)算法以便將最大交變功率從單級變換器輸送給電力網(wǎng)。一般而言，控制單級功率變換器，使得其性能可與剛性(stiff)電流源相比。在此類電流剛性實(shí)施例中，控制器通過保證注入電力網(wǎng)的功率與從光伏源獲得的功率匹配而確保直流電壓(此后稱為DC電壓)保持在預(yù)期值。這通過調(diào)整電網(wǎng)(grid)交變電流(此后稱為AC電流)使得它跟隨從光伏源獲得的輸入功率的任意變化來實(shí)現(xiàn)。電流剛性功率變換系統(tǒng)不設(shè)置電網(wǎng)電壓。在太陽能應(yīng)用中，希望不斷地調(diào)節(jié)DC電壓以從太陽能陣列提取最大功率。因此，確定將解決前述問題的方法和系統(tǒng)是合乎需要的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供一種功率變換系統(tǒng)。該功率變換系統(tǒng)包括光伏源，產(chǎn)生直流(DC)功率；直流(DC)-交流(AC)單級逆變器(inverter)，將來自光伏源的直流(DC)功率變換成交流(AC)功率，以便傳遞給電力網(wǎng)；負(fù)載平衡單元，耦合到單級逆變器； 以及控制器，配置成確定功率變換系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)，調(diào)整單級逆變器的輸出電壓，計(jì)算電力網(wǎng)的功率需要與在最大功率點(diǎn)可得的單級逆變器輸出功率之間的功率平衡差，并且基于功率平衡差實(shí)時(shí)控制負(fù)載平衡單元。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供一種用于控制功率變換系統(tǒng)的方法，所述功率變換系統(tǒng)包括光伏源，產(chǎn)生直流(DC)功率；以及直流(DC)-交流(AC)單級逆變器，將來自光伏源的直流(DC)功率變換成交流(AC)功率，以便傳遞給電力網(wǎng)。該方法包括確定功率變換系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)，調(diào)整單級逆變器的輸出電壓，計(jì)算電力網(wǎng)的功率需要與在最大功率點(diǎn)可得的單級逆變器輸出功率之間的功率平衡差，并且基于功率平衡差實(shí)時(shí)控制負(fù)載平衡單元。


在參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些及其它特征、方面與優(yōu)點(diǎn)將被更好地理解，附圖中相似標(biāo)號(hào)在整個(gè)圖中表示相似部件，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括負(fù)載平衡單元的單級功率變換系統(tǒng)的示范配置的框圖表示，該負(fù)載平衡單元包括能量存儲(chǔ)元件和DC-DC變換器以對饋送給電力網(wǎng)的交流功率的電壓分量進(jìn)行控制。圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括負(fù)載平衡單元的單級功率變換系統(tǒng)的另一示范配置的圖示，該負(fù)載平衡單元包括耦合到DC-AC變換器的能量存儲(chǔ)元件以對饋送給電力網(wǎng)的交流功率的電壓分量進(jìn)行控制。圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括可變負(fù)載的單級功率變換系統(tǒng)的示范配置的圖示，該可變負(fù)載耦合到光伏源與單級逆變器之間的DC鏈路。圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括可變負(fù)載的單級功率變換系統(tǒng)的示范配置的圖示，該可變負(fù)載耦合到單級逆變器與電力網(wǎng)之間的電力線。圖5是流程圖，表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例控制功率變換系統(tǒng)的方法所包括的步
馬聚ο
具體實(shí)施例方式如下文詳細(xì)論述的，本發(fā)明的實(shí)施例包括用于單級功率變換系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法。 單級功率變換系統(tǒng)設(shè)計(jì)成向電力網(wǎng)提供基本恒定的交流電壓(此后稱為AC電壓)，并且控制輸入功率與輸出功率之間的功率平衡。AC功率的電壓分量通過進(jìn)一步連接到控制器的負(fù)載平衡單元進(jìn)行控制?？刂破鞔_定功率變換系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)(此后稱為MMP)。MPP定義為光伏源提供最大功率作為光伏源輸出的點(diǎn)?？刂破鬟€設(shè)置工作期間在單級逆變器輸出的 AC功率的電壓分量。此外，控制器計(jì)算電力網(wǎng)的功率需要與在MPP可得的單級逆變器輸出功率之間的功率平衡差。控制器基于功率平衡差實(shí)時(shí)控制負(fù)載平衡單元。負(fù)載平衡單元向單級逆變器提供足夠負(fù)載平衡功率，使得太陽能變換單元工作在MPP并且在變化電網(wǎng)條件下在單級逆變器的輸出確?；竞愣ǖ腁C電壓。AC功率饋送給電力網(wǎng)，電力網(wǎng)可包括例如公共電網(wǎng)、小型電網(wǎng)、負(fù)載或者它們的組合。在大多數(shù)常規(guī)單級功率變換系統(tǒng)中饋送給電力網(wǎng)的AC功率通過調(diào)整AC功率的電流分量進(jìn)行控制。在調(diào)整AC功率的電流分量時(shí)，可能難以在改變負(fù)載條件與使輸入功率條件變化期間向電力網(wǎng)提供恒定的AC電壓。與電流控制實(shí)施例相比，圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的單級功率變換系統(tǒng)10的框圖表示，該功率變換系統(tǒng)包括負(fù)載平衡單元12以便對饋送給電力網(wǎng)14的AC功率的電壓分量進(jìn)行控制。功率變換系統(tǒng)10包括光伏源16(此后稱為PV源16)以產(chǎn)生直流功率(此后稱為DC功率)。在示范實(shí)施例中，PV源16可包括一個(gè)或多個(gè)通過互連多個(gè)太陽能電池而制造的光伏陣列或模塊。PV源16捕獲太陽能18并且將太陽能18變換為DC功率。DC功率包括在PV源16的電壓分量Vd。。DC功率通過DC鏈路22輸送給單級逆變器20，作為單級逆變器20的輸入DCin。在一個(gè)實(shí)施例中，單級逆變器20包括三相逆變器20。單級逆變器 20將輸入DCin變換為交流功率(此后稱為AC功率)，作為輸出AC。ut。AC。ut通過電力線M 提供給電力網(wǎng)14。調(diào)整AC。ut以便通過控制功率變換系統(tǒng)10的MPP同時(shí)還提供AC。ut的電壓分量而維持功率變換系統(tǒng)10的最大產(chǎn)出。負(fù)載平衡單元12耦合到控制器沈，控制器沈控制負(fù)載平衡單元12并且確定功率變換系統(tǒng)10的MPP。在示范實(shí)施例中，MPP通過擾動(dòng)與觀察方法來確定。擾動(dòng)與觀察方法提供將從太陽能陣列得到的電壓擾動(dòng)并且觀察功率變化的方法。如
4果擾動(dòng)導(dǎo)致功率增加，則以相同方向進(jìn)行后續(xù)擾動(dòng)，反之亦然。盡管為了說明目的將控制器 26示出為分立框，但是在一些實(shí)施例中，控制器可包括多個(gè)控制單元中的控制功能性。在一個(gè)具體實(shí)施例中，控制器26的至少一部分位于DC-AC逆變器20內(nèi)?？刂破魃蛘{(diào)整輸出AC。ut的電壓分量Va。。在一個(gè)實(shí)施例中，電壓感測器耦合到電力線M，并且控制器沈計(jì)算電壓分量Vae與預(yù)期經(jīng)調(diào)整電網(wǎng)電壓\之間的差vd。在又一具體實(shí)施例中，控制器沈還將差Vd與表示電壓分量va。和經(jīng)調(diào)整電網(wǎng)電壓\中可接受差的預(yù)定義電壓差容限進(jìn)行比較。在差Vd在電壓差容限以外的情況下，控制器沈向單級逆變器 20發(fā)送控制信號(hào)將電壓分量Vae驅(qū)使到經(jīng)調(diào)整電網(wǎng)電壓Vr。至單級逆變器的控制信號(hào)設(shè)計(jì)成將輸出電壓驅(qū)使到經(jīng)調(diào)整電網(wǎng)電壓；但是，為了在功率不平衡的條件下提供電壓匹配，還需要解決功率不平衡。因此，除了電壓調(diào)整以外， 控制器沈還進(jìn)一步用于計(jì)算電力網(wǎng)的功率需要與在最大功率點(diǎn)可得的單級逆變器輸出功率之間的功率平衡差(S)。控制器沈然后基于功率平衡差實(shí)時(shí)控制負(fù)載平衡單元。在一個(gè)實(shí)施例中，負(fù)載平衡單元12包括能量存儲(chǔ)元件觀。在示范實(shí)施例中，能量存儲(chǔ)元件28包括電池和超級電容器(ultra-capacitor)。在另一實(shí)施例中，負(fù)載平衡單元 12包括電阻器或者功率耗散元件。在需要時(shí)，響應(yīng)于來自控制器沈的控制信號(hào)，負(fù)載平衡單元12將吸收或提供功率，同時(shí)還允許控制器沈在以可變阻抗特性饋送電力網(wǎng)14并且使功率變換系統(tǒng)10工作在MPP的同時(shí)使電壓Vae能夠維持在預(yù)期參考水平Vr或者在電壓差容限內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，負(fù)載平衡單元將被控制成在電力網(wǎng)需要的功率比在最大功率點(diǎn)可得的單級逆變器輸出功率小第一功率差容限時(shí)吸收功率，并且將被控制成在電力網(wǎng)需要的功率比在最大功率點(diǎn)可得的單級逆變器輸出功率大第二功率差容限(其與第一功率差容限相比可具有相同數(shù)量或不同數(shù)量)時(shí)提供功率。在非限制性示例中，負(fù)載平衡單元12 還包括包含開關(guān)的DC-DC變換器30，可控制所述開關(guān)以便選擇性地在單級逆變器20的輸出提供或者吸收AC功率。圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括負(fù)載平衡單元12的單級功率變換系統(tǒng)10的另一示范配置的圖示，該負(fù)載平衡單元包括耦合到DC-AC變換器32的能量存儲(chǔ)元件觀以便調(diào)整電壓并且控制饋送給電力網(wǎng)14的功率。在該實(shí)施例中，負(fù)載平衡單元12耦合到單級變換器20與電力網(wǎng)14之間的電力線M。如上文在圖1中所論述的，控制器沈調(diào)整電壓分量 Vac以便匹配經(jīng)調(diào)整的電網(wǎng)電壓Vr，計(jì)算電力網(wǎng)的功率需要與在最大功率點(diǎn)可得的單級逆變器輸出功率之間的功率平衡差S，并且基于功率平衡差S實(shí)時(shí)控制負(fù)載平衡單元。響應(yīng)于來自控制器沈的控制信號(hào)，負(fù)載平衡單元12將吸收或提供功率，從而在以可變阻抗特性饋送電力網(wǎng)14并且使功率變換系統(tǒng)10工作在MPP的同時(shí)允許控制器沈使電壓Vae能夠維持在預(yù)期參考水平Vr或預(yù)期在容限帶Vth內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，負(fù)載平衡單元12包括DC-AC 變換器32。圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括負(fù)載平衡單元12的單級功率變換系統(tǒng)10的示范配置的圖示，該負(fù)載平衡單元包括耦合到PV源16與單級逆變器20之間的DC鏈路22的可變負(fù)載42。在示范實(shí)施例中，可變負(fù)載42包括泵或者加熱器?？勺冐?fù)載42可通過至少一個(gè)開關(guān)裝置44耦合到DC鏈路22。如上文在圖1中所論述的，控制器沈調(diào)整電壓分量Vac 以便匹配經(jīng)調(diào)整的電網(wǎng)電壓Vr，計(jì)算電力網(wǎng)的功率需要與在最大功率點(diǎn)可得的單級逆變器輸出功率之間的功率平衡差S，并且基于功率平衡差實(shí)時(shí)控制負(fù)載平衡單元。在一個(gè)實(shí)施例中，在功率平衡差S超過功率平衡差容限的情況下，控制器沈向至少一個(gè)開關(guān)裝置44發(fā)送控制信號(hào)以便切換到閉合狀態(tài)并且在DC鏈路22提供由可變負(fù)載42產(chǎn)生的足夠負(fù)載平衡功率。這將允許控制器沈在以可變阻抗特性饋送電力網(wǎng)14并且使功率變換系統(tǒng)10工作在MPP的同時(shí)使電壓Vae能夠維持在預(yù)期參考水平Vr或在容限帶Vth內(nèi)。圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括可變負(fù)載42的單級功率變換系統(tǒng)10的另一示范配置的圖示，該可變負(fù)載耦合到單級逆變器20與電力網(wǎng)14之間的電力線M。如上文在圖 2中所論述的，控制器沈調(diào)整電壓分量Vae以便匹配經(jīng)調(diào)整的電網(wǎng)電壓Vr，計(jì)算電力網(wǎng)的功率需要與在最大功率點(diǎn)可得的單級逆變器輸出功率之間的功率平衡差S，并且基于功率平衡差S實(shí)時(shí)控制負(fù)載平衡單元。在一個(gè)實(shí)施例中，在功率平衡差S超過功率平衡差容限的情況下，控制器沈向可變負(fù)載42發(fā)送控制信號(hào)以便吸收或提供功率，從而允許控制器沈在以可變阻抗特性饋送電力網(wǎng)14并且使單級功率變換系統(tǒng)10工作在MPP的同時(shí)使電壓Vae 能夠維持在預(yù)期參考水平或在容限帶Vth內(nèi)。圖5是流程圖，表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例控制功率變換系統(tǒng)的方法所包括的步驟，該功率變換系統(tǒng)包括產(chǎn)生直流(DC)功率的光伏源以及將來自光伏源的直流(DC)功率變換為交流(AC)功率以供傳遞給電力網(wǎng)的直流(DC)-交流(AC)單級逆變器。該方法50 包括在步驟52確定功率變換系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)(MPP)。此外，在步驟M調(diào)整單級逆變器的輸出電壓。在步驟56，計(jì)算電力網(wǎng)的功率需要與在最大功率點(diǎn)可得的單級逆變器輸出功率之間的功率平衡差。在步驟58，基于功率平衡差實(shí)時(shí)控制負(fù)載平衡單元。在本發(fā)明的實(shí)施例中，負(fù)載平衡單元并聯(lián)耦合到光伏源與單級逆變器之間的DC鏈路。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，負(fù)載平衡單元可耦合到在單級逆變器與電力網(wǎng)之間的電力線。在本發(fā)明的示范實(shí)施例中，負(fù)載平衡單元包括能量存儲(chǔ)元件或者可變負(fù)載。上述功率變換系統(tǒng)的各種實(shí)施例提供包括負(fù)載平衡單元的電壓受控單級功率變換系統(tǒng)。負(fù)載平衡單元向單級逆變器提供負(fù)載平衡電壓，以確保以經(jīng)調(diào)整電壓將在MPP的 AC功率饋送給電力網(wǎng)。因此，這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)尤其可用于不良電網(wǎng)或孤立(islanded)條件的電壓源受控功率變換系統(tǒng)。此外，通過如本文所述添加負(fù)載平衡單元并且修改控制系統(tǒng)，現(xiàn)有單級功率變換系統(tǒng)可被升級成工作在不良電網(wǎng)環(huán)境中。當(dāng)然，要理解，根據(jù)任何具體實(shí)施例可能不一定實(shí)現(xiàn)上文所述的所有此類目的或優(yōu)點(diǎn)。因此，例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會(huì)，本文所述的系統(tǒng)和技術(shù)可以如下方式來體現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)實(shí)現(xiàn)或優(yōu)化本文教導(dǎo)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)或一組優(yōu)點(diǎn)而沒必要實(shí)現(xiàn)可如本文教導(dǎo)或暗示的其它目的或優(yōu)點(diǎn)。此外，熟練技術(shù)人員將領(lǐng)會(huì)，不同實(shí)施例的各種特征的互換性。例如，針對一個(gè)實(shí)施例的DC-AC變換器可適合與針對本發(fā)明另一實(shí)施例描述的可變負(fù)載一起使用，以便在電壓源受控單級功率變換系統(tǒng)中以最大功率點(diǎn)產(chǎn)生功率。類似地，所述的各種特征以及每個(gè)特征的其它已知等效可被本領(lǐng)域技術(shù)人員混合和匹配，以便根據(jù)本公開的原理構(gòu)造額外的系統(tǒng)和技術(shù)。雖然只是在本文中說明并且描述了本發(fā)明的某些特征，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到多種修改和改變。因此，要理解，隨附權(quán)利要求書旨在覆蓋落入本發(fā)明真實(shí)精神內(nèi)的所有此類修改和改變。
權(quán)利要求
1.一種功率變換系統(tǒng)(10)，包括 光伏源(16)，產(chǎn)生直流(DC)功率；直流(DC)-交流(AC)單級逆變器(20)，將來自所述光伏源(16)的直流(DC)功率變換成交流(AC)功率，以便傳遞給電力網(wǎng)(14)；負(fù)載平衡單元(12)，耦合到所述單級逆變器00)；以及控制器06)，配置成確定所述功率變換系統(tǒng)(10)的最大功率點(diǎn)； 調(diào)整所述單級逆變器00)的輸出電壓；計(jì)算所述電力網(wǎng)(14)的功率需要與在所述最大功率點(diǎn)可得的所述單級逆變器OO)的輸出功率之間的功率平衡差；并且基于所述功率平衡差實(shí)時(shí)控制所述負(fù)載平衡單元(12)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述負(fù)載平衡單元(12)包括能量存儲(chǔ)元件( )、電阻器或者功率耗散元件。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述能量存儲(chǔ)元件08)包括電池或者超級電容器。
4.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述負(fù)載平衡單元(12)還包括DC-DC變換器(30)， 并且所述能量存儲(chǔ)元件0 通過所述DC-DC變換器(30)耦合到在所述光伏源(16)與所述單級逆變器OO)之間的DC鏈路02)。
5.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述負(fù)載平衡單元(12)還包括DC-AC變換器(32)， 并且所述能量存儲(chǔ)元件08)通過所述DC-AC變換器(3 耦合到在所述單級逆變器OO) 與所述電力網(wǎng)(14)之間的電力線04)。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述負(fù)載平衡單元(12)包括可變負(fù)載G2)。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述可變負(fù)載02)包括泵或者加熱器。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述可變負(fù)載0 耦合到在所述光伏源(16)與所述單級逆變器OO)之間的DC鏈路02)或者在所述單級逆變器OO)與所述電力網(wǎng)(14) 之間的電力線04)。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述負(fù)載平衡單元(12)包括至少一個(gè)開關(guān)裝置 (44)，并且所述控制器06)配置成向所述至少一個(gè)開關(guān)裝置G4)發(fā)送控制信號(hào)。
10.一種控制功率變換系統(tǒng)(10)的方法(50)，所述功率變換系統(tǒng)(10)包括產(chǎn)生直流 (DC)功率的光伏源(16)以及將來自所述光伏源(16)的直流(DC)功率變換成交流(AC)功率以便傳遞給電力網(wǎng)(14)的直流(DC)-交流(AC)單級逆變器(20)，所述方法(50)包括確定所述功率變換系統(tǒng)(10)的最大功率點(diǎn)； 調(diào)整所述單級逆變器OO)的輸出功率；計(jì)算所述電力網(wǎng)(14)的功率需要與在所述最大功率點(diǎn)可得的所述單級逆變器OO)的輸出功率之間的功率平衡差；并且基于所述功率平衡差實(shí)時(shí)控制負(fù)載平衡單元(12)。
全文摘要
功率變換系統(tǒng)(10)包括光伏源(16)，產(chǎn)生直流(DC)功率；直流(DC)-交流(AC)單級逆變器(20)，將來自光伏源(16)的直流(DC)功率變換成交流(AC)功率，以便傳遞給電力網(wǎng)(14)；以及負(fù)載平衡單元(12)，耦合到單級逆變器(20)。該功率變換系統(tǒng)(10)還包括控制器(26)，該控制器配置成確定功率變換系統(tǒng)(10)的最大功率點(diǎn)；調(diào)整單級逆變器(20)的輸出電壓；計(jì)算電力網(wǎng)(14)的功率需要與在最大功率點(diǎn)可得的單級逆變器(20)的輸出功率之間的功率平衡差；并且，基于功率平衡差實(shí)時(shí)控制負(fù)載平衡單元(12)。
文檔編號(hào)H02M7/42GK102170241SQ201110051950
公開日2011年8月31日 申請日期2011年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月26日
發(fā)明者K·A·奧布里恩, R·泰希曼 申請人:通用電氣公司