CN101765955A - 用于太阳能逆变器的共模滤波系统和方法 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种光伏系统、方法和装置。在示例性实施例中，所述系统包括：光伏阵列；配电系统，其在需求侧能量消费者的建筑物内分配电能；逆变器，其耦合到所述配电系统，所述逆变器用于将来自所述光伏阵列的DC电能转换为AC电能，并将所述AC电能施加给所述配电系统；阻尼部分，用于抑制来自所述逆变器的高频电压；以及陷波电路，其耦合到所述阻尼部分，所述陷波电路用于减小经过所述阻尼部分的低频电流的电平。

Description

用于太阳能逆变器的共模滤波系统和方法

优先权

本申请要求2007年5月23日提交的、标题为“Common Mode Filter ForSolar Inverter”的临时专利申请No.60/939,807的优先权，本文通过引用并入该临时专利申请的全部内容。

技术领域

本发明总体上涉及用于将太阳能转换为电能的装置和方法，并且更具体地，涉及用于更高效地将太阳能转换为电能的装置和方法。

背景技术

在光伏(PV)能量系统中，逆变器用于将由光伏面板生成的DC(直流)电能转换为与AC(交流)配电系统相适应的AC电能，这些AC配电系统被建成为住宅、商业建筑物、工业建筑物和大规模地面安装的太阳能电厂的基础设施。

通常，逆变器是硬接地的(例如，位于逆变器DC输入的负汇流条(negative rail)上)，并且隔离变压器与逆变器相结合来使用，以将逆变器与建筑物的AC电力系统电隔离，并提供电压比变化。然而，变压器使逆变器增加了额外的低效率、复杂性、重量和实际成本。

为了使逆变器设备足够大来保证到公用设备的专用连接(例如，公用变压器将该逆变器连接到该公用设备自己的中压电源)，通常可以从产品中将整体提供的变压器移除。虽然购买时为“无变压器”，但是这种逆变器的工作仍然以存在隔离变压器为基础，以允许传统的硬接地PV阵列配置。尽管由于当卖出时变压器未与逆变器集成，所以这些逆变器已经被标记为“无变压器”，但是建筑物的配电系统(例如，480/277VAC)仍然通过公用变压器与逆变器相隔离。因此，这些“无变压器”的逆变器仍然依靠变压器进行隔离，并且通常限于安装在建筑物处有中压(例如，4160伏到13千伏)变压器的地方。

目前不存在旨在独立于任何隔离变压器而工作的大型PV逆变器(例如，大于10千瓦的逆变器)。目前可用的设备也不允许到480VAC三相电能的直接变换，而是允许变换成低得多的电压，然后整体提供的变压器将该低得多的电压按比率变化为诸如480伏这样的更有用的电压。因此，需要一种系统和方法来解决现有技术的不足，并提供其他新的并且创造性的特征。

发明内容

下面概述了附图中示出的本发明的示例性实施例。在具体实施方式部分对这些及其他实施例进行了更加完整地描述。然而，应该理解，并非意图将本发明限于本发明的此发明内容或具体实施方式中所描述的形式。本领域技术人员可以认识到，存在落入权利要求所表达的本发明精神和范围内的许多修改、等同物和替代结构。

在一个实施例中，本发明可以表征为一种光伏系统，其包括：光伏阵列；配电系统，其在需求侧能量消费者的建筑物内分配电能；逆变器，其耦合到所述配电系统，所述逆变器用于将来自所述光伏阵列的DC电能转换为AC电能，并将所述AC电能施加给所述配电系统；阻尼部分，用于抑制来自所述逆变器的高频电压；以及陷波电路，其耦合到所述阻尼部分，所述陷波电路用于减小经过所述阻尼部分的低频电流的电平。

在另一实施例中，本发明可以表征为一种电能转换设备。在该施例中，所述电能转换设备包括：输入，适于接收DC电能；逆变器部分，用于将所述DC电能转换为AC电能；输出，适于将所述AC电能施加给需求侧能量消费者的建筑物的配电系统；阻尼部分，用于抑制来自所述逆变器的高频电压，从而使所述逆变器部分能够在没有隔离变压器的情况下与所述配电系统耦合；以及陷波电路，用于减小经过所述阻尼电路的低频电流的电平。

在又一实施例中，本发明可以表征为一种用于将电能施加给需求侧能量消费者的建筑物的配电系统的方法。在该实施例中，所述方法包括：从可再生能源生成DC电能；将所述DC电能转换为AC电能；将所述AC电能直接施加给所述建筑物的配电系统；以及对高频电压进行滤波，以减少传播到所述配电系统和所述PV阵列的高频电压的量。

如之前所述，上述实施例和实现仅用于说明的目的。根据以下说明书和权利要求书，本领域技术人员容易认识到本发明的许多其他的实施例、实现以及细节。

附图说明

当结合附图时，通过参照以下详细描述和所附权利要求，本发明的各种目的和优点以及更完整的理解将是显而易见并且更容易意识到的，在附图中：

图1是描绘光伏系统的示例性实施例的框图；

图2是参照图1所描述的逆变器的示例性实施例的示意图；

图3是可以与参照图1和2所描述的实施例相结合来使用的实施例的示意图；

图4是可以与参照图1和2所描述的实施例相结合来使用的另一实施例的示意图；

图5是描绘示例性逆变器-系统架构的框图；

图6是描绘可以与参照图1-5所讨论的实施例相结合来实行的示例性方法的流程图。

具体实施方式

首先参照图1，示出的是本发明示例性实施例的框图。如所示出的，在该实施例中，第一组光伏面板102和第二组光伏面板104被布置来创建耦合到逆变器108的双极面板阵列106，逆变器108被部署在面板阵列106和配电系统110之间。如所示出的，在该实施例中，配电系统110耦合到Y型配置的中压到480/277的三相变压器112的二次侧，三相变压器112在其星点处接地。

图1中描绘的部件的说明性布置是逻辑性的，并不意图作为实际的硬件图；因此，在实际实现中，附加的部件可以被添加或者与所描绘的部件相组合。还应该认识到，根据本文的公开内容，本领域技术人员可以容易地实现这些部件。

举例来说，尽管将逆变器108描绘为直接耦合到阵列106，但这当然并非必须的。例如，在一些实施例中，PV接口被插入到阵列106和逆变器108之间。在这些实施例中，该PV接口通常用来使得被设计成以低压工作的逆变器108能够与至少一部分时间(例如，空载时)以超过逆变器108的所设计的工作电压而工作的PV阵列106相结合来使用。本文通过引用并入的、标题为“Photovoltaic Inverter Interface Device，System andMethod”的美国申请No.11/967,933公开了可以与本发明的一个或多个实施例相结合来使用的示例性PV接口。

通常，光伏阵列106将太阳能转换为DC电能，逆变器108将该DC电能转换为AC电能(例如，三相电能)。如所示出的，逆变器108输出的AC电能被施加给配电系统110，在许多实施例中，配电系统110是需求侧能量消费者(例如，商业实体、工业实体，或住宅聚集区)的三相配电系统。然而，在其他的实施例中，设想配电系统110是公用配电系统的一部分。在示例性实施例中，变压器112用来将配电系统110耦合到电力公司提供的中压电源。

在一些实施例中，阵列106中的电池包括晶体(例如，单晶或多晶)硅，其在断开负载状态下工作在1200伏，而在负载状态下工作在660到960伏之间。在其他的实施例中，该阵列包括包含无定形硅的电池，所述无定形硅在断开负载状态下工作在1400伏，而在负载状态下工作在900伏附近。然而，本领域技术人员将意识到，光伏阵列102可以包括各种不同类型的光伏电池，它们可以被部署成各种不同的配置。例如，这些光伏电池可以布置为并联、串联或其组合。

如所描绘的，第一组面板102和第二组面板104被连结在一起，并且如所示出的，在一些实施例中，第一和第二组面板102、104在逆变器108的外部被连接在一起。在这些实施例中，设想针对相对低的电流而设定大小的线路(未示出)将通过保险丝使第一组面板102和第二组面板104之间的连结点114在夜间耦合到接地。该连接可以由继电器实现，并且因此当它不产生功率时以传统的方式作为阵列的参考。

该实施例具有在第一和第二面板102、104的连结点114与接地之间使用一条较低规格、因而成本较低的电线的优点。本文通过引用并入的、标题为“System and Method for Ground Fault Detection and Interruption”的美国申请No.12/022,147除了可以与本发明的实施例相结合来使用的技术进步之外，还公开了用于将面板(例如，第一和第二组面板102、104)连结在一起的技术。

然而，在其他的实施例中，第一和第二组面板102、104在逆变器108内通过一般情况下断开的开关(其在逆变器108工作期间闭合)来连结在一起。

有利的是，与通常方法不同，图1中描绘的实施例在逆变器108和配电系统110之间不包括单独的隔离变压器，因此，提高了系统的效率，同时降低了逆变器108的成本、大小和重量。

此外，多个逆变器可以并排放置而没有隔离变压器。并且有利的是，可以并排放置的逆变器的数目在实际中是不受限制的，并且这些逆变器可以被放置在方便的位置(例如，远离建筑物的公用电源的入口点)。

接着参照图2，示出的是图1中描绘的逆变器108的示例性实施例。如所示出的，该实施例中的逆变器包括串联排列的接地故障部分、断开接触器、浪涌保护设备、共模扼流圈、逆变器部分、线路电抗器、AC接触器以及EMI滤波器。另外，驱动板被示出为耦合在逆变器和控制计算机之间，并且该控制计算机被耦合到逆变器接口，该逆变器接口包括前门接口(front door interface)、数据报告计算机以及以太网接口和无线接口。

如所描绘的，在该实施例中，共模扼流圈位于转换器的DC侧，但是这不是必须的，在其他的实施例中，共模扼流圈可以位于逆变器的AC侧。已经发现太阳能阵列到地面的电容可能会引起不期望的逆变器不稳定性。增加滤波部件(例如，共模扼流圈及其他滤波部件)防止了该不期望的状况的发生。

如本文所进一步讨论的，还发现消除一般被插入在逆变器和配电系统(例如，配电系统110)之间的隔离变压器可能导致将高频(例如，18kHZ(千赫))共模电压传播到光伏系统。尽管这些高频电压取决于逆变器的开关频率而可能频率不同，但是它们都可能对可以耦合到该配电系统的其他逆变器或该配电系统中的其他负载产生不利的后果。

另外，已经发现当对高频电压进行滤波时，源自脉宽调制饱和的180Hz(赫兹)电压也可能传播通过高频滤波器，这会造成相当大的能量损耗和发热。此外，例如由于非对称负载而引起的60Hz电压波动可能传播通过配电系统。

因此，示例性实施例中的共模扼流圈被实现为与阻尼电路相结合来去除高频(例如，18kHz)电压，与低频(例如，180Hz)陷波器相结合来防止180Hz电压流过阻尼电路。

参照图3，例如，示出的是可以与参照图1和2所描述的实施例相结合来使用的共模扼流圈302的示意图，其与阻尼网络304和用作180Hz电压的陷波器的并联谐振储能电路306相结合来使用。在工作中，阻尼网络304对高频(例如，18kHz)电压进行滤波，而并联谐振储能电路306用来产生针对180Hz频率的高阻抗。由此，阻尼电路304移除可能有害的高频电流，而并联谐振储能电路306通过阻止180Hz电流流过阻尼网络304，来防止180赫兹电压产生相当大的能量损耗。

虽然没有要求，但每个阻尼网络304中的电容器可以用60微法的电容器来实现，而每个阻尼网络304中的电阻器可以用50欧姆的电阻器来实现。另外，并联谐振储能电路306中的电容器可以用40微法的电容器来实现，而电感器可以用19.5微亨的电感器来实现。并联的电感器和电容器的组合用作180Hz处的开路电路，以使得高频被衰减，但不会在180Hz处消耗过多功率。

参照图4，示出的是参照图3描述的实施例的可替代实施例的示意图。如所示出的，除了参照图3描述的多个并联谐振储能电路306被也用作180Hz电压的陷波器的单个并联谐振储能电路406替代之外，该实施例与图3中描绘的实施例基本相同。在工作中，阻尼网络404对高频(例如，18kHz)电压进行滤波，而并联谐振储能电路406使用少于谐振储能电路306的部件来产生针对180Hz频率的高阻抗。

接着参照图5，示出的是逆变器-系统架构的示例性实施例。如所示出的，在该实施例中，N个逆变器被配置来与单个配电系统相结合来工作，而无需使用隔离变压器。有利的是，共模扼流圈(例如，参照图2、3和4所讨论的共模扼流圈)与阻尼网络(例如，阻尼网络304、404)相结合使得多个逆变器能够与同一个配电系统一起使用，而无需相应的隔离变压器；由此允许实现多逆变器系统，而无需安装昂贵、庞大并且沉重的隔离变压器。

接着参照图6，示出的是描绘可以与参照图1-5所描述的实施例相结合来实行的示例性方法的流程图。如所示出的，首先生成DC电能(例如，来自诸如通过阵列106捕获的太阳能这样的可再生能源)(框602、604)；然后在将AC电能施加给配电系统(例如，用于大型居住、商业或工业机构的配电系统)(框608)之前，(例如通过参照图1-5所描述的逆变器)将DC电能转换成AC电能(框606)。在许多实施例中，AC电能被直接施加给配电系统(例如，未在逆变器和配电系统之间插入隔离变压器)。

如图6所示，在许多实现中，对可以由逆变器生成的高频分量进行滤波，以减少或阻止通常情况下会传播到DC电能的源(例如，阵列106)或可以耦合到配电系统的其他设备(例如，其他逆变器或电子设备)的高频分量(框610)。另外，在一些实施例中，已经发现减小低频电流的流是有利的，否则的话该低频电流的流可能流过用于高频电压的滤波器(框612)。例如，如前面所讨论的，源自脉宽调制饱和的180Hz电压可能传播通过该高频滤波器，并产生相当大的能量损耗和发热。

本领域技术人员可以容易地认识到，在本发明中可以进行许多变化和替换，其使用及配置所获得的结果与本文描述的实施例所获得的结果基本相同。因此，并不意图将本发明限于所公开的示例性形式。许多变型、修改和替代结构落入所公开的发明的范围和精神内。

Claims (16)

1.一种光伏系统，包括：

光伏阵列；

配电系统，其中，所述配电系统在需求侧能量消费者的建筑物内分配电能；

逆变器，其耦合到所述配电系统，所述逆变器用来将来自所述光伏阵列的DC电能转换为AC电能，并将所述AC电能施加给所述配电系统；以及

阻尼部分，用于抑制来自所述逆变器的高频电压，其中，所述高频电压的频率取决于所述逆变器的开关频率；以及

陷波电路，其耦合到所述阻尼部分，所述陷波电路用于减小经过所述阻尼部分的低频电流的电平。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光伏阵列为双极阵列，包括工作在地电势之上的第一阵列部分和工作在地电势之下的第二阵列部分。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述配电系统是三相配电系统。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阻尼部分被安放在所述逆变器内。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阻尼电路用于抑制频率在18kHz附近的高频电压。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述陷波电路用于基本上阻止180Hz电流流过所述阻尼电路。

7.根据权利要求1所述的系统，包括多个耦合到所述配电系统的逆变器。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述逆变器用于将来自所述光伏阵列的DC电能直接转换成480VAC的三相电能。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述逆变器在没有隔离变压器的情况下被直接耦合到所述配电系统。

10.一种电能转换设备，包括：

输入，适于接收DC电能；

逆变器部分，用于将所述DC电能转换为AC电能；

输出，适于将所述AC电能施加给需求侧能量消费者的建筑物的配电系统；

阻尼部分，用于抑制来自所述逆变器的高频电压，从而使得所述逆变器部分能够在没有隔离变压器的情况下与所述配电系统耦合；以及

陷波部分，其耦合到所述阻尼部分，所述陷波部分用于减小经过所述阻尼电路的低频电流的电平。

11.根据权利要求10所述的电能转换设备，其中，所述逆变器适于将超过600VDC的DC电压转换为480VAC。

12.根据权利要求10所述的电能转换设备，其中，所述阻尼部分包括两个阻尼网络，每个所述阻尼器网络耦合在所述逆变器的相应汇流条和接地之间。

13.根据权利要求12所述的电能转换设备，其中，所述陷波部分被部署在每个所述阻尼网络和接地之间。

14.一种用于向需求侧能量消费者的建筑物的配电系统施加电能的方法，包括：

从可再生能源生成DC电能；

将所述DC电能转换为AC电能；

将所述AC电能直接施加给所述建筑物的配电系统；以及

对高频电压进行滤波，以减少传播到所述配电系统的高频电压的量。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，生成步骤包括：

使用工作在地电势之上的第一光伏阵列来生成DC电能；

使用工作在地电势之下的第二光伏阵列来生成DC电能；

将所述第一光伏阵列的负汇流条连结到所述第二光伏阵列的正汇流条，以创建双极阵列；以及

将来自所述第一阵列的正汇流条和所述第二阵列的负汇流条的电能施加给所述逆变器。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，转换步骤包括：

使用多个逆变器将所述DC电能转换为AC电能；

将来自所述多个逆变器中的每一个的AC电能直接施加给所述建筑物的配电系统。

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