專利名稱：太陽能逆變器和控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及電能變換，并且更具體來說涉及光電模塊到電力網(wǎng)或負(fù)載的有效 率的連接。
背景技術(shù)：
隨著常規(guī)能源的持續(xù)上升的成本和稀缺以及對于環(huán)境的關(guān)注，如太陽能和風(fēng)力的 備選能源中存在大量關(guān)注。太陽能發(fā)電使用光電(PV)模塊以從太陽發(fā)電。在此類系統(tǒng)中， 將多個(gè)PV電池彼此電連接。通過一個(gè)或多個(gè)功率電子變換器將PV模塊發(fā)的電傳送到電力 網(wǎng)。功率電子變換器的功率損耗是光電系統(tǒng)的單元尺寸設(shè)計(jì)中的重要問題，因?yàn)榇祟?損耗對輸送到負(fù)載的總能量有影響。功率損耗主要在變換器中出現(xiàn)，因?yàn)槔缃^緣柵極雙 極型晶體管(IGBT)、金屬氧化物場效應(yīng)管(MOSFET)和二極管的開關(guān)裝置中存在損耗，這些 裝置一般用在例如濾波器電感器的無源組件或變換器中。這些開關(guān)裝置一般有三種主要類 型的損耗傳導(dǎo)損耗、開關(guān)損耗和柵極驅(qū)動(dòng)損耗。二極管中不存在柵極驅(qū)動(dòng)損耗，但是傳導(dǎo) 損耗和開關(guān)損耗是二極管損耗中的非常大的部分?？焖匍_關(guān)二極管中的損耗通常高于慢速 開關(guān)二極管。開關(guān)損耗對應(yīng)于開關(guān)裝置的狀態(tài)改變期間(接通和斷開期間)發(fā)生的損耗。 傳導(dǎo)損耗對應(yīng)于開關(guān)裝置的傳導(dǎo)(當(dāng)裝置正在傳輸電流時(shí))期間開關(guān)裝置中出現(xiàn)的損耗。 柵極驅(qū)動(dòng)損耗是指對開關(guān)裝置的柵極_源極和柵極_漏極電容充電和放電所要求的能量， 并且其受開關(guān)頻率、漏極-源極電容和所跨電壓影響。濾波器電感器損耗通常由銅和鐵損 耗來構(gòu)成。功率變換器中的銅損耗通常因趨膚和鄰近效應(yīng)而增加。因此，期望確定將解決 前面問題的方法和系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一示范實(shí)施例，提供一種發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于生成直流(DC) 功率的光電模塊和確定用于發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)的控制器。該系統(tǒng)還包括用于從控制器 接收控制信號以將來自PV模塊的功率升壓到將正弦電流注入到電網(wǎng)中所要求的閾值電壓 的升壓變換器和將功率從PV模塊供應(yīng)到電力網(wǎng)的DC到交流(AC)多電平逆變器。該系統(tǒng) 中還提供旁路電路以在DC到AC多電平逆變器的輸入電壓高于或等于閾值電壓時(shí)旁路升壓 變換器。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范實(shí)施例，提供一種用于從包括PV模塊的發(fā)電系統(tǒng)輸送 太陽能的方法。該方法包括為發(fā)電系統(tǒng)確定用于生成正弦電流的閾值電壓，并確定在最大 功率產(chǎn)生的PV模塊的輸出電壓是否高于閾值電壓。該方法還包括在PV模塊的輸出電壓小 于閾值電壓時(shí)將來自PV模塊的功率升壓以達(dá)到閾值電壓電平，并將所升壓的功率變換成 AC功率。該方法還包括在PV模塊的輸出電壓高于閾值電壓時(shí)旁路升壓并直接將來自PV模 塊的功率變換成AC功率。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)示范實(shí)施例，提供一種用于控制發(fā)電系統(tǒng)的方法。該方法包
3括在PV模塊的輸出電壓小于用于為發(fā)電系統(tǒng)生成正弦電流的閾值電壓時(shí)使用升壓變換器 來控制直流(DC)鏈路的中心點(diǎn)的穩(wěn)定性。該方法還包括在PV模塊的輸出電壓高于閾值電 壓時(shí)使用DC到AC多電平變換器來控制中心點(diǎn)的穩(wěn)定性。


當(dāng)參考附圖來閱讀下文的詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將 變得更好理解，附圖中相似的符號表示遍布這些圖的相似的部件，其中圖1是常規(guī)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的示意圖表示；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的太陽能發(fā)電系統(tǒng)的示意圖表示；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的兩個(gè)電感器升壓變換器連同分開的DC鏈路 (split DC link)的示意圖表示；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的另一個(gè)兩個(gè)電感器升壓變換器和分開的DC鏈路 的示意圖表示；以及圖5是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的二極管鉗位的多電平逆變器的一個(gè)分支(leg)及 其輸出波形的示意圖表示。
具體實(shí)施例方式正如下文詳細(xì)論述的，本發(fā)明的實(shí)施例用于提供用于從太陽能發(fā)電系統(tǒng)到負(fù)載或 電力網(wǎng)的有效功率傳輸?shù)南到y(tǒng)和方法。圖1示出常規(guī)太陽能發(fā)電系統(tǒng)10。該發(fā)電系統(tǒng)包括PV模塊12。PV模塊通過DC/ DC變換器16、DC鏈路18和電網(wǎng)側(cè)三相DC/AC變換器20連接到電力網(wǎng)14。DC/AC變換器 20保持DC鏈路18處的恒定DC電壓，并因此從DC鏈路18到電力網(wǎng)14的能量流被管理。 DC/DC變換器16由控制器22控制，而電網(wǎng)側(cè)變換器20由電網(wǎng)側(cè)控制器24來控制。系統(tǒng)控 制器26為DC/DC變換器22和電網(wǎng)側(cè)變換器20生成參考DC電壓命令、參考輸出電壓幅度 命令以及參考頻率命令。在其他系統(tǒng)中，可以采用多個(gè)單相變換器來替換電網(wǎng)側(cè)三相變換 器和/或?qū)τ趫D1中所示的多個(gè)控制功能可以使用單個(gè)控制器。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的太陽能發(fā)電系統(tǒng)40。在一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng) 包括PV模塊12、升壓變換器42、旁路電路44、分開的DC鏈路46、多電平三相逆變器48、升 壓側(cè)最大功率點(diǎn)控制器(MPPT)控制器50和逆變器側(cè)MPPT控制器52。電網(wǎng)電壓Vac —般 地確定最小DC鏈路電壓。只要DC鏈路電壓高于通常由最大峰值線到線電壓設(shè)置的閾值或 閾值電壓，則由多電平逆變器48注入到電網(wǎng)中的電流將具有正弦波形。如果PV模塊的最 大功率點(diǎn)操作與低于閾值電壓的電壓關(guān)聯(lián)，則使用升壓側(cè)MPPT控制器50來確定對于PV模 塊的電流電壓(I-V)特性的最大功率點(diǎn)，以及向升壓變換器提供開關(guān)信號以操作模塊總 是靠近該點(diǎn)。因此，升壓變換器用于提升DC鏈路電壓以使它至少等于閾值電壓，以便從PV 模塊提取最大功率。在一個(gè)實(shí)施例中，MPPT控制器50利用擾動(dòng)和觀察方法。在擾動(dòng)和觀察方法中，擾 動(dòng)從太陽能電池陣列汲取的電流，并觀察功率變化。如果擾動(dòng)導(dǎo)致功率的增加，則以相同方 向來進(jìn)行后續(xù)擾動(dòng)，反之亦然。當(dāng)在最大功率輸出的PV模塊電壓高于將正弦電流注入到電網(wǎng)中所需的閾值電壓時(shí)，旁路電路44旁路升壓變換器。換言之，當(dāng)光電(PV)模塊處的DC電壓高于分開的DC鏈 路處的最小電壓時(shí)，旁路升壓變換器。因?yàn)樘柲馨l(fā)電系統(tǒng)中的升壓變換器對于某個(gè)持續(xù) 時(shí)間被旁路，所以它通過對于該持續(xù)時(shí)間消除升壓變換器和升壓電感器中的損耗來提高系 統(tǒng)的效率。在一個(gè)實(shí)施例中，旁路電路包括功率二極管或受電壓控制的開關(guān)。在另一個(gè)實(shí) 施例中，功率二極管包括碳化硅(SiC) 二極管來進(jìn)一步提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)的效率。在提 出的太陽能發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)旁路電路44旁路升壓變換器42時(shí)，對多電平逆變 器48操作MPPT。逆變器側(cè)MPPT控制器52從PV模塊感測電壓和電流，并且它還從旁路電 路44接收信號以確定電路44何時(shí)正在工作。如果旁路升壓變換器，則控制器52向多電平 逆變器48提供開關(guān)命令信號，以便多電平逆變器48將從PV模塊提取最大功率。在一個(gè)實(shí) 施例中，可以將控制器50和52組合成單個(gè)控制器。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的兩個(gè)電感器升壓變換器連同分開的DC鏈路的 示意圖60。升壓變換器42包括開關(guān)裝置62、64、升壓電感器66、68以及二極管70、72和 74。在一個(gè)實(shí)施例中，開關(guān)裝置包括絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)或功率金屬氧化物半導(dǎo) 體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。開關(guān)裝置通常由柵極驅(qū)動(dòng)電路來接通和斷開，并且在一個(gè)實(shí)施 例中，其包括碳化硅裝置以提高電路的效率。分開的DC鏈路46包括兩個(gè)電容器76和78。 在操作中，在一個(gè)步驟中，接通開關(guān)裝置62和64，這使得能量被存儲在升壓電感器66和68 中。在另一個(gè)步驟中，當(dāng)開關(guān)裝置64仍接通時(shí)，開關(guān)裝置62被斷開。此步驟導(dǎo)致通過由 升壓電感器66、二極管70、電容器76、裝置64和升壓電感器68形成的充電路徑對電容器 76充電。在又一個(gè)步驟中，當(dāng)裝置62被接通時(shí)，開關(guān)裝置64被斷開。這導(dǎo)致通過由升壓 電感器66、裝置62、電容器78、二極管72和升壓電感器68形成的充電路徑對電容器78充 電。當(dāng)裝置62和64均被斷開時(shí)，可以通過由升壓電感器66、二極管70、電容器76、78、二極 管72和升壓電感器68形成的充電路徑對電容器76和78充電。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的另一個(gè)兩個(gè)電感器升壓變換器和分開的DC鏈 路的示意圖90。在圖4的實(shí)施例中，將單個(gè)開關(guān)裝置92與兩個(gè)二極管94和96 —起使用， 而非像圖3的實(shí)施例中那樣使用兩個(gè)開關(guān)裝置62和64。在操作中，當(dāng)裝置92被接通時(shí)， 電流從升壓電感器66、裝置92和升壓電感器68流動(dòng)。因此，將能量存儲在兩個(gè)電感器中。 在此時(shí)間期間，二極管70和72分別阻擋電壓Vl和V2。當(dāng)裝置92被斷開時(shí)，電流從升壓電 感器66、二極管70、電容器76和78、二極管72和升壓電感器68流動(dòng)。因此，對電容器76 和78充電。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的二極管鉗位的多電平逆變器的一個(gè)分支或一 個(gè)相及其輸出波形的示意圖110。在一個(gè)實(shí)施例中，多電平逆變器的一個(gè)分支112包括四 個(gè)開關(guān)裝置114、116、118和120和兩個(gè)二極管122和124。電壓Vl和V2由圖3或圖4的 升壓變換器42來控制以保持在Vdc/2，并且電壓V3是相位A電壓。而且，裝置114是裝置 118的互補(bǔ)，S卩，當(dāng)裝置114正在傳導(dǎo)時(shí)，裝置118不在傳導(dǎo)，并且反之亦然。相似地，裝置 116和120是彼此的互補(bǔ)。在操作中，二極管鉗位的多電平逆變器的一個(gè)分支具有三個(gè)開關(guān)級。在第一開關(guān) 級中，裝置114和116被接通，并且裝置118和120被斷開。假定穩(wěn)定操作VI = V2 = Vdc/2, V3變成Vdc。在第二開關(guān)級中，當(dāng)裝置112和120被斷開時(shí)，裝置116和118被接通。在 此級中，V3等于Vdc/2。在此級中，輸出電壓等于多電平變換器的中心抽頭(tap)或中心點(diǎn)126處的電壓。中心點(diǎn)126是指兩個(gè)DC鏈路電容器之間的連接點(diǎn)。在其中有多于兩個(gè) DC鏈路電容器的一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)所利用的DC鏈路電容器的數(shù)量，可能有多于一個(gè)中心 點(diǎn)。在操作中，根據(jù)由多電平變換器供應(yīng)到電力網(wǎng)的負(fù)載電流，中心點(diǎn)電壓不可保持穩(wěn)定， 并且因此電壓Vl和V2可從值Vdc/2波動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施例中，在PV模塊的輸出電壓小于 閾值電壓時(shí)，中心點(diǎn)的穩(wěn)定性由升壓變換器來控制；而在PV模塊的輸出電壓高于閾值電壓 時(shí)，中心點(diǎn)的穩(wěn)定性由多電平變換器來控制。在第三開關(guān)級中，裝置114和116被接通，而裝置118和120被斷開。這導(dǎo)致V3 變成零，如波形130中所示。因此，能看到相位電壓V3具有三個(gè)電平Vdc、Vdc/2和0。然后 將二極管鉗位的三相逆變器的所有三個(gè)分支組合，并且將所得到的線電壓(其具有五個(gè)電 平，即Vdc、Vdc/2、0、-Vdc/2和-Vdc)饋送到電力網(wǎng)，如圖2中所示。在另一個(gè)實(shí)施例(未 示出)中，多電平逆變器可以包括快速電容器逆變器，該快速電容器逆變器包括梯形結(jié)構(gòu) 的DC電容器或級聯(lián)的H橋逆變器，其中各個(gè)單相逆變器被串聯(lián)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到， 能根據(jù)電路拓?fù)洳⒂纱烁鶕?jù)電路中的裝置和二極管的數(shù)量將圖5的三電平逆變器112增加 到任何電平。隨著逆變器中的電平數(shù)量增加，逆變器的輸出波形接近純正弦波，從而導(dǎo)致輸 出電壓中的諧波更低。多電平逆變器的優(yōu)點(diǎn)是降低對無源裝置(例如電感器)的dv/dt應(yīng)力，這是因?yàn)?電壓步階中小的增量、降低的電磁兼容性、開關(guān)裝置和濾波器組件的更小的額定值以及輸 出電壓在更少的失真、更低的諧波內(nèi)容和更低的開關(guān)損耗方面的更好特征所引起的。雖然本文僅示出并描述了本發(fā)明的某些特征，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到許多修 改和改變。因此，要理解所附權(quán)利要求旨在涵蓋落在本發(fā)明真正精神內(nèi)的所有此類修改和
改變。
要素列表
10常規(guī)太陽能發(fā)電系統(tǒng)
12PV陣列
14電力網(wǎng)
16DC/DC變換器
18DC鏈路
20電網(wǎng)側(cè)變換器
22DC/DC控制器
24電網(wǎng)側(cè)控制器
26系統(tǒng)控制器
40太陽能發(fā)電系統(tǒng)
42升壓變換器
44旁路電路
46分開的DC鏈路
48多電平三相逆變器
50升壓側(cè)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制器
52逆變器側(cè)MPPT控制器
60兩個(gè)電感器升壓變換器的示意圖
62，64開關(guān)裝置66，68升壓電感器70，72，74 二極管76，78 電容器90兩個(gè)電感器升壓變換器的示意圖92開關(guān)裝置94，96 二極管110包括分開的DC鏈路的二極管鉗位的多電平逆變器的一個(gè)分支的示意圖112 二極管鉗位的多電平逆變器的一個(gè)分支114，116，118，120 開關(guān)裝置122，124 二極管126中心點(diǎn)130多電平逆變器的一個(gè)分支的輸出波形。
權(quán)利要求
一種發(fā)電系統(tǒng)(40)，包括光電(PV)模塊(12)，生成直流(DC)功率；控制器(50)，用于確定用于所述發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)；升壓變換器(42)，用于從所述控制器(50)接收控制信號以將來自所述PV模塊(12)的功率升壓到將正弦電流注入到電網(wǎng)中所要求的閾值電壓；直流(DC)到交流(AC)多電平逆變器(48)，將所述功率從所述PV模塊(12)供應(yīng)到電力網(wǎng)；以及旁路電路(44)，用于在所述DC到AC多電平逆變器(48)的輸入電壓高于或等于所述閾值電壓時(shí)旁路所述升壓變換器(42)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述控制器還配置成在正常操作狀況下向所述升壓 變換器(42)發(fā)送MPPT控制信號，以及在旁路操作狀況期間向所述多電平逆變器(48)發(fā)送 MPPT控制信號。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述升壓變換器的輸出級包括分開的DC鏈路(46)。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多電平逆變器(48)是從二極管鉗位的多電平逆 變器、快速電容器多電平逆變器和級聯(lián)的H橋多電平逆變器中選擇的。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多電平逆變器(48)包括三電平逆變器。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述旁路電路包括功率二極管。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述旁路電路包括兩個(gè)碳化硅二極管。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多電平逆變器(48)配置成在所述升壓變換器 (42)被旁路時(shí)從所述PV模塊直接獲取最大功率。
9.一種從包括光電(PV)模塊(12)的發(fā)電系統(tǒng)輸送太陽能的方法，所述方法包括為所述發(fā)電系統(tǒng)確定用于獲取最大功率點(diǎn)的閾值電壓；確定所述PV模塊的輸出電壓是否高于閾值電壓；在所述PV模塊的輸出電壓小于所述閾值電壓時(shí)，將來自所述PV模塊的功率升壓以達(dá) 到所述閾值電壓電平，并且然后將所升壓的功率變換成交流(Ac)功率；以及在所述PV模塊的輸出電壓高于所述閾值電壓時(shí)，旁路所述升壓并直接將來自所述PV 模塊的功率變換成交流(AC)功率。
10.一種控制發(fā)電系統(tǒng)(40)的方法，所述方法包括在PV模塊的輸出電壓小于用于為所述發(fā)電系統(tǒng)生成正弦電流的閾值電壓時(shí)，使用升 壓變換器(42)來控制直流(DC)鏈路(46)的中心點(diǎn)(126)的穩(wěn)定性；以及在所述PV模塊的輸出電壓高于所述閾值電壓時(shí)，使用DC到交流(AC)多電平變換器 (48)來控制所述中心點(diǎn)(126)的穩(wěn)定性。
全文摘要
本發(fā)明名稱為“太陽能逆變器和控制方法”。提供一種包括生成直流(DC)功率的光電(PV)模塊(12)的發(fā)電系統(tǒng)(40)。該系統(tǒng)包括確定用于發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)的控制器(50)和用于從控制器(50)接收控制信號以將來自PV模塊(12)的功率升壓到將正弦電流注入到電網(wǎng)中所要求的閾值電壓的升壓變換器(42)。在系統(tǒng)中提供DC到交流(AC)多電平逆變器(48)以將功率從PV模塊提供到電力網(wǎng)。該系統(tǒng)還包括用于在DC到AC多電平逆變器(48)的輸入電壓高于或等于閾值電壓時(shí)旁路升壓變換器(42)的旁路電路(44)。
文檔編號H02M7/5387GK101902145SQ20101019664
公開日2010年12月1日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月28日
發(fā)明者K·A·奧布賴恩, R·泰希曼 申請人:通用電氣公司