CN101919150A - 从局部能源产生具有低谐波畸变的交流功率的电流波形结构 - Google Patents

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Abstract

提供低谐波畸变的交流功率以用于分配的方法和设备，它通过将来自自然或可再生来源的能量转换成电的形式，以及在变压器初级绕组上构造电流波形，其通过重新获取事先存储在变压器中的感应能量以便将所转换的电能在变压器的次级绕组上变换成实质上正弦的交流电压。例如，来自原始电能、来自可再生能源(如太阳能电池)的交流功率可以被提供给公用电力网。逆变器可以利用两个单向开关构造初级绕组的电流波形。在每个半周期，开关中的一个首先将事先从初级绕组电感重新获取的能量，接着将原始能量以公用电力网的频率应用到变压器初级绕组。因此，构造的初级绕组电流可以显示实质上改进的总谐波畸变。

Description

从局部能源产生具有低谐波畸变的交流功率的电流波形结构
相关申请
本申请权利要求2007年9月18日提交的、名称为“SolarEnergy-Derived DC to High Voltage AC Conversion”的、Babcock等人的序列号为60/973,224的美国申请的权益，该申请在此通过引用被全文并入。
技术领域
各种与功率转换系统有关的实施方式和构建波形以提供适合输送到高压配电网的高品质交流电的方法，其来源在某些实现中可以包括可再生或天然能源，如通过举例但不限于，风、波浪、太阳能、地热，和/或流体动力能源。
背景
通常，电力设施分配系统可以被考虑为仔细调谐的谐振能量池，产生的电能以流的方式进入该池而消耗的电能以流的方式离开该池。当输入电能和输出电能大体上平衡时，可以实现可靠的操作(如没有浪涌、电压稳定)。当馈送电能到电力网的发电系统表现出相当大的功率输出瞬态变化时，公用电网和配电系统的其他部分可能没有足够的时间去适应该功率水平的改变。因此，发电机瞬态变化可以促成电网的不稳定。
例如，一台发电机输出功率的快速变化可以引起其他发电机的输出畸变或失真，它可以导致电压瞬变、电压尖峰和/或不希望的谐波分量。在某些例子中，这可以导致电网的一个或多个子站的出现故障状况。这种故障状况可以反过来影响发电机和电网上的用户。
因此，公用事业公司通常规定发电标准，它规范发电机传送能量到所述电力网和/或配电系统的方式。
某些现有太阳能电力系统中，太阳能阵列产生直流电(DC)。为了将这种电能引入公用电网，所述产生的直流电能通过电缆被传导到中央点，然后在那里它可以由大规模商用逆变器转换成交流电(AC)。商用逆变器通常利用高频开关模式技术进行操作以将直流电转换成交流电。这种系统被认为在太阳能阵列的直流输出功率变化期间，利用电池系统来提供功率调节或稳定交流电压输出。
概述
提供低谐波畸变的交流功率以用于分配的方法和设备，它通过将来自自然或可再生来源的能量转换成电的形式，以及在变压器初级绕组上构造电流波形，其通过重新获取事先存储在变压器中的感应能量以便将所转换的电能在变压器的次级绕组上变换成实质上正弦的交流电压。例如，来自原始电能、来自可再生能源(如太阳能电池)的交流功率可以被提供给公用电力网。逆变器可以利用两个单向开关构造初级绕组的电流波形。在每个半周期，开关中的一个首先将事先从初级绕组电感重新获取的能量，接着将原始能量以公用电力网的频率应用到变压器初级绕组。因此，构造的初级绕组电流可以显示实质上改进的总谐波畸变。
某些例子可以通过将谐波磁通移相以实质上衰减耦合到所述变压器次级绕组的谐波磁通，来进一步降低由所述变压器的次级绕组提供的输出电压的谐波畸变。在某些例子中，一个或多个谐波磁通可实质上被抵消，以减少来自变压器次级的大体上正弦的输出电压信号的谐波畸变。变压器包括谐波抑制绕组以产生相移的谐波磁通，它实质上衰减从初级绕组耦合到次级绕组的相应谐波磁通。各个谐波抑制绕组被耦合到电路元件，电流通过电路元件在基频上实质上正交于绕组的电压。
各种实施方式涉及功率转换系统和方法，以转换来自一个或多个局部来源的能量，提供适合于输送到高压电力分配网的高品质交流电功率，
所述来源在某些实现中可以包括可再生或天然能源，例如但不限于，风、波浪、太阳能、地热，和/或流体动力能源。
在各种例子中，以供电频率(line frequency)操作单向开关以提供单向电流到所述变压器的初级绕组。双向电流可以从两个实质上相同的开关模块提供到所述变压器，每个开关模块将它们的输出以相反极性连接到所述初级绕组。
各种实施方式可以有一种或多种优点。例如，某些实施方式可以实质上直接地(如通过单个逆变器和只有单个变压器)将原始的、可变的直流电压处理成为适合于输送到一个或多个电力分配网(如公用电网)的实质上正弦的高品质交流功率。利用仅仅一个变压器级将原始的、可变的直流功率逆变成高品质(如THD少于5％)的处理过程可以利用供电频率开关过程实现，因此实质上减少开关损耗和实质上减少或消除从所述逆变器传导或辐射的电磁干扰，这又消除了对功率转换电路的高频滤波的需要，因此降低成本、尺寸、重量、和组件数量，同时改善工艺性。最小化变压器级的数量可以减少部件数量，避免实质效率损失，且通过简单选择脉宽可以调整可变输出电压，以在所述变压器的次级侧上产生所需的交流输出电压。
在各种实施方式中，所述开关过程通过重新获取存储的磁能(如初级绕组漏电感)和重用那些能源以构造具有更好谐波曲线的初级电流波形，可以进一步提供效率改进。
在某些实施方式中，直流到高压交流的局部转换，通过减少建设和维护大型设施，如图1的设施100的导电材料(如铜、铝)的数量、和为此的成本，而有助于减少布线的成本。在高压时，交流功率利用低电流通过小直径的导体能够在相当长的距离上输送电功率，而不会由于导体内的电阻而招致很大的压降和/或功率损耗。
在各种例子中，能量在电容器中的局部存储通过提供短期支持以渡过瞬变线状态直到所述公用子系统可以反应和调整，来促进公用电网的稳定性。
在下面的附图和描述中阐述了一个或多个实施方式的细节。根据描述和附图，以及根据权利要求，其他特征和优点将是明显的。
附图说明
本文件参考下列附图详细描述这些以及其他方面。
图1表示将低压直流功率转换成供给电力分配系统的供电频率的高压交流功率的能量收集设备的例子。
图2表示示例性单相生成模块(1PGM)。
图3A表示从直流输入向交流电感负载提供能量的一对示范性功率级的示意图。
图3B-3C表示用于说明图3A的功率级的操作的示范性电压和电流波形的曲线图。
图4表示示例性谐波抑制变压器。
图5A-6C举例说明示范性配置和描述实验结果。
图7表示用于直流到交流功率转换的设备的示例性户外机箱。
图8表示通过户外机箱收集功率用于直流-交流转换的能量的ECN的示例性收集。
图9表示用于直流功率到三相交流功率转换的示例性3PGM。
图10表示在3PGM中管理直流功率的示例性过程。
图11A-11C说明3PGM中各种直流功率水平的1PGM和直流互连母线的配置
图12表示向三相交流母线供电的示例性一群3PGM组。
图13表示代表谐波抑制变压器的变压器绕组匝比和THD之间关系的图表。
各附图中的相同参考符号表示相同元件。
说明性实施方式的详细说明
本文件说明涉及从天然或可再生来源收集能量的实现的不同方面和例子，典型地，所述来源处于并不靠近用于连接到公用设施的收集点的多个位置。
在各种实施方式中，用于向电力分配网(如公用电网)提供功率的设备，例如公用电网，包括多个能量收集节点，每个节点提供原始的、可变的直流(或已整流的交流)功率到题为“Supply Architecture for InductiveLoads”的美国专利序列号11/582,115中所描述类型的逆变器，该专利由Babcock等人于2006年10月16日提交。逆变器模块可以从存储在变压器电感中的能量获取反激能量，然后利用所存储的能量，来从变压器的次级产生具有低THD的输出电压，要不然所存储的能量就可能被以磁滞和/或铁心发热方式损耗掉的。
此处所描述的各种实施方式中，以供电频率(如60Hz)切换的逆变器，通过先重复利用获取的反激能量，形成向变压器初级提供的电流波形，然后获取更多的反激能量。每个半周期反激能量的释放和获取有助于构造实质上更正弦(如大约20％THD)的电流波形。在某些实施方式中，变压器包括用于输出的次级绕组，以及谐波抑制绕组，后者当被耦合到合适的电容器时，充分地减小在所述次级输出电压上被选定的谐波。因此，逆变器可以驱动变压器来产生具有接近正弦波(如少于5％THD)电压波形的交流次级电压波形。在各种实施方式中，在源自能量收集节点的原始直流输入电压的相当宽的范围上，通过简单变化每个半周期的脉宽，可以很好地控制输出的电压水平。而且，逆变器被配置成在每个半周期将针对所述变压器的电压和电流重置为零，因此大量地减少或避免磁滞和相关损失，以及可能引起辐射性或传导性发射的谐振。
图1表示将低压直流功率转换成用于供给电力分配系统的供电频率的高压交流功率的能量收集设备100的例子。通常，所述能量收集设备100收集太阳能作为低电压直流功率的变化水平，并智能地将该功率输送到低频(如50Hz或60Hz)逆变器。所述低频逆变器将所述低电压直流功率转换成高压交流功率，高压交流功率具有在某些实施方式中足够低的总谐波(THD)水平以达到某些电力设施对于输送功率到他们电力网的要求。直流能量收集和转换到交流功率的例子在美国申请序列号60/973,224中有更详细的讨论，该申请由Babcock等人于2007年9月18日提交，名为“SolarEnergy-Derived DC to High Voltage AC Conversion”，它的完整内容在这里通过引用被全部合并。
能量收集设备100包括一群三相功率发生器模块(3PGM)组102，它们由一群三相交流母线106连接到公用设施接口104。尽管将被讨论的许多例子描述在50Hz或60Hz的三相功率产生，其他实现也是可能的。例如，3PGM组102可以产生在10Hz、20Hz、50Hz、60Hz、100Hz、300Hz或其他交流频率的一个、二个、三个、五个、九个、十二个或其他数目的交流功率相位。在某些实现中，由3PGM组102产生的功率可以方便地作为高电压交流电被传导到所述公用设施接口104，它具有相应减少的电流。相应地，长导体传播中的电阻功率损耗可以大量地减少，因为功率损耗与电流的平方成比例(即功率损耗＝I*I*R)。
公用设施接口104将由3PGM组102产生的三相功率变换成与电力公司相兼容的电压、频率、相位、和/或电流。在某些实现中，公用设施接口104可以包括变压器。例如，公用设施接口104可以是变压器，它接收来自3PGM组102的33KV交流功率，并将其电压升压到公用设施的110KV的传输电压。所述功率可以采用WYE、DELTA或其他希望配置的各种方式进行接口连接。
能量收集设备100还包括控制模块108。所述控制模块108控制能量收集设备100的各种操作，在下面图1的说明中将进一步讨论。
3PGM组102中的每一个包括一群3PGM 110。在某些实现中，3PGM组102可以包括二、三、四、八、十、十二或其他数目的3PGM 110。在图示所述例子中，3PGM 110的输出被合并到三相交流母线106上。例如，每个3PGM 110可以以20KW输出5KVAC，因此四个3PGM 110的输出可以被合并，在三相交流母线106以100KW输出5KVAC。更多的3PGM和3PGM组的结合的例子，将在图2的说明中进行讨论。
3PGM 110中的每一个包括一群单相发生器模块(1PGM)112。在图示的例子中，所述3PGM 110包括九个1PGM 112，然而也可以采用的其他实现。在某些实现中，所述3PGM可以包括三、四、五、六、九、十二、或其他数目的1PGM 112。1PGM 112的每个的输出连接到一群单相交流母线114。
在某些实现中，1PGM 112可以被合并到由一群互连母线116所连接的1PGM簇(bank)。在图示例子中，九个1PGM 112被分类成三个互连的组，每组分别有三个1PGM 112(例如1PGM互连的组118)。1PGM互连的组118中的每一个包括由所述互连母线116连接的三个1PGM 112。1PGM 112中的每一个可以通过所述互连母线116递送和/或提取直流功率。例如，当通过所述互连母线116递送或提取直流功率时，1PGM 112中的每一个能够提供单相交流功率到其中一条单相交流母线114。
在图示例子中，显示了三个1PGM互连组118和三根单相交流母线114，但是其他实现也是可能的。在某些例子中，所述3PGM 110可以包括一、二、三、六、九、十二或其他数目的1PGM互连组118和/或单相交流母线114。在某些实施中，1PGM 112之间的连接，互连母线116，和/或单相交流母线114可以由控制模块108控制。1PGM 112可以被相互连接和被连接到单相交流母线116的各种方式的方法和例子，将在图9和图10的说明中讨论。
所述1PGM 112包括能量收集节点120。在某些实现中，能量收集节点120包括收集太阳能以产生直流功率的太阳能电池。在其他实现中，能量节点120可以是风力发电机、潮汐发电机、波能收集器(wave energycollector)、水力发电机、地热发电机、或其他可以被用来产生直流功率的功率源。
能量收集节点120向直流母线管理器122提供直流功率。直流母线管理器122利用电容器124来稳定由能量收集节点120提供的直流功率的水平。直流母线管理器122将参考图4进一步详细讨论。在太阳能功率收集的例子中，能量节点120的输出可能因云团飘过、日升、日落以及其他原因而变化。在高功率输出期间，直流母线管理器122可以转移和/或存储电容器124中能量的部分或全部。在减少的输出期间，如云层遮住能量节点120时，直流母线管理器122可以利用存储在电容器124中的能量来提升输出到逆变器模块126的功率的数量。
在各种实现中，电容器124可以被一个或多个可以存储由能量收集节点120输出的过剩能量的存储元件所替换或补充，且当能量收集节点120输出的可用功率低于预期水平时，提供临时能量来源。例如，这种能量存储元件可以通过向一个或多个蓄电池组电池充电来存储过剩电能，和/或在飞轮能量存储系统中存储机械能。在某些实现中，能量存储元件可以包括如在实质上密封的容器中(如地下蓄水池、人造密封系统)以压缩气体的形式存储能量的系统，和/或作为升高的液体，以便随后的能量恢复。例如，直流母线管理器122可以通过向存储容器和/或地下空隙泵送压缩气体，然后利用所述压缩气体操作发电机来存储能量。在其他例子中，直流母线管理器122能够利用剩余的直流功率来将水或其他液体泵送到升高的存储容器，并且随后当需要时通过允许重力使得水旋转水力发电机来恢复潜在的能量。
逆变器模块126接收直流能量，处理所述能量，和传送交流功率到变压器128。所述逆变开关各自以供电频率运作和产生具有降低THD(如5％或更小)的交流功率。逆变模块126在图3a的说明中讨论。另外的适合用作逆变模块126的例子，在名为“Supply Architecture for Inductive Loads”的美国专利序列号11/582,115中也有讨论，该专利由Babcock等人于2006年10月16日提交，其内容在这里通过引用被全部合并。
变压器128将逆变器模块126提供的交流功率变换成可以由单相交流母线114传导的电压和电流水平。在某些实现中，变压器128可以被配置成降低输出的交流功率中的THD和谐波水平。变压器128的例子将参考图4-6C进一步详细讨论。
能量收集节点120包括连接到联接器132的辅助能量转换器130。辅助能量转换器130和联接器132可以被用来定位能量收集节点120以改善太阳能收集(如转动和/或倾斜太阳能板以面向太阳)。在某些实现中，所述辅助能量转换器可以通过提取先前存储在电容器124中的能量来运作。例如，直流母线管理器122可以从电容器124向辅助能量转换器130传送功率以定位能量收集节点120。在某些实现中，辅助能量转换器130可以通过从单相交流母线114提取能量来运转。例如，交流功率可以由变压器134降压和由整流器136整流成直流功率，且由直流母线管理器122传输到例如辅助能量转换器130。
在某些例子中，辅助能量转换器130可以在启动或低能量收集期间，从直流母线管理器122和/或通过变压器134和整流器136提取功率。例如，联接器132可以被配置以定向能量收集节点120来跟踪太阳的位置。在日落时，当太阳能变成不能收集时能量收集节点120可能大体上面向西方。当太阳在东方升起时，能量收集节点120可能面向错误的方向而不能收集足够的能量来运转辅助能量转换器130和联接器132。辅助能量转换器130可以暂时从电容器124提取功率来转动能量收集节点120以面向太阳和恢复太阳能的收集。在另一例子中，辅助能量转换器130可以在低能量收集期间或其后，如阴天早晨或日蚀，从电容器124提取功率以重新定位能量收集节点120。在某些实现中，定位系统132可以由控制模块108运作。在一种实施方式中，例如，所述控制模块可以被编程以维持能量储备，该能量储备足以在低能量收集期间主动地定向ECN 120的位置，以便准备恢复能量收集。
在某些实施中，辅助能量转换器130可以产生被直流母线管理器122管理的直流功率。例如，辅助能量转换器130可以包括具有再生制动的电动机，例如，其中所述能量转换器130可以动态制动水电涡轮以维持从ECN120到直流母线管理器122的最优化输出功率，包括将过剩能量转换成便于存储的电能。在另一个例子中，能量转换器130可以驱动能量收集节点120的受控运动，当使节点120停止时可以恢复动能。在另一个例子中，辅助能量转换器130可以包括液压或气压驱动器，液压或气压驱动器配置为来给定位机构(如联接器132)增压，和/或通过联接器132将来自ECN120的过剩功率转换成存储的能量。
图2表示示例性1PGM 200。所述1PGM 200包括直流母线管理器202。直流母线管理器202控制由能量收集节点204产生并输出到直流母线206的直流功率的路由和稳定。在某些实现中，能量收集节点204可以从各种来源产生直流功率。例如，能量收集节点204可以包括风力发电机、潮汐发电机、地热发电机、水电发电机、或其他可以产生交流或直流功率的设备。如根据整流和电容性存储(至少在某些例子中，可以提供在逆变器126输入的两端)可以理解，所述直流管理母线提供给逆变器126的电压信号可以是交流、直流或其他非线性或线性波形。
直流母线管理器202包括控制模块208。控制模块208包括处理器模块210。处理器模块210可以执行各种功能，如管理、用户界面、信号处理、和/或功率管理操作。例如，处理器模块210可以监视各种操作，如监视功率水平，和输送功率以稳定直流母线206。
在图示的例子中，处理器模块210通过数字总线被耦合到存储设备，包括存储器212、非易失存储器(NVM)214、和通信接口216。存储器212可以提供用于被监视的母线功率水平的暂时存储。存储器212可以包括，如RAM、缓冲器、或高速缓冲存储器，用于易失性数据存储。在某些实现中，处理器模块210可以快速访问存储器212以取回和/或存储数据。NVM 214可以提供存储空间用于存储数据(如受监控的直流母线功率水平)和/或可以执行指令(如应用软件)。NVM 214可以包括，如闪存、只读存储器(ROM)、EEPROM、具有旋转介质(如光盘或磁盘驱动器)的数据存储设备、带式存储设备、或这些或其他数据源的任何组合。
在这个例子中，NVM 214由数字地址/数据总线耦合到处理器模块210。处理器模块210可以执行指令和通过所述总线取回存储在NVM 214中的信息。例如，NVM 214包括包含指令的代码模块218，所述指令被处理器模块210执行时可以导致处理器模块210执行操作，以在直流母线206上管理功率水平。NVM 145可以包括一些其他代码模块(未示出)以执行其他操作，包括支持基本的直流母线管理操作(如用户界面、启动、配置)。例如，一个代码模块可以基于关于由ECN 204产生的功率和通过直流总线206的电流测量的信息，计算能量存储速率，或它的实质上等效量。功率信息可以被接收，例如通过直接测量、用户输入、和/或其他通信方式。
在控制模块208中，所述数字总线被进一步耦合到通信接口模块216。通信接口模块216与其他直流母线管理器202、ECN 204、和/或控制模块(如图1的控制模块108)相互通信。通信接口模块216可以从节点发送和/或接收数据来监视或管理直流母线206，所述节点通过有线和/或无线网络远程连接到所述直流总线管理器202。例如，通信接口模块216可以被配置成通过天线220与蜂窝式、WiFI、WiMax、蓝牙、和/或其他无线通信网路进行无线通信。在其他例子中，通信接口模块216被配置成利用以太网或其他数据网络格式、电力线通信、USB、RS232、FireWare、和/或其他数据通信格式进行通信。
直流母线管理器202包括充电控制器模块222。充电控制器模块222可以对能量存储模块224进行充电和/或放电。例如，在由ECN 204输出高功率期间，充电控制器模块222可以利用来自直流母线206的功率对能量存储模块224进行充电。在低功率输出期间，充电控制器模块222可以利用来自能量存储模块224的功率来提升直流母线206的功率水平。在某些实现中，能量存储模块224可以包括一个或多个电容器、电池、飞轮、蓄热罐、或其他电的、化学的、运动的、势能的或其他形式的能量存储。
直流母线管理器202可以通过电动机控制器228向电动机226提供功率。在某些实现中，所述电动机226可以包括图1的辅助能量转换器130。例如，电动机控制器228可以向电动机226提供动力以定向ECN 204用于改善能量收集。在某些实现中，直流/直流电源230可以将在直流母线206功率水平的直流功率转换成能被电动机控制器228和电动机226使用的直流功率。例如，直流母线206可以运行在200VDC到600VDC之间，且直流/直流电源230可以将所述直流母线206的功率转换成24VDC供电动机226使用。
直流母线管理器202包括可以将直流母线206连接到直流互连母线116的开关232。在某些实现中，所述直流互连母线可以是图1的直流互连母线116。直流互连母线116在1PGM互连组中(如1PGM互连组118那样的)的1PGM之间双向传导直流功率。
1PGM 200也包括逆变器模块126和变压器238。逆变器模块126将来自直流母线206的直流功率转换成交流功率。逆变器模块126包括逆变开关240和逆变开关242。在某些实现中，逆变开关240可以形成交流波形的一半(如正半波)，而逆变开关242可以形成另一半(如负半波)，因此合并起来，逆变开关240-242的输出可以被合并以构造实质上正弦的波形。逆变器模块126的例子将在图3A的说明中讨论。
变压器238将交流功率从逆变器模块126产生的功率水平变换到可以在单相交流母线(如图1的单相交流母线114)上传输的功率水平，传输到电力公司、和/或传输到电力网。变压器包括谐波抑制模块244和整流器246。谐波抑制模块244抑制由逆变器模块126产生的可能出现在交流功率中的第三次、第五次和/或更高次的谐波。例如，谐波抑制244可以抑制谐波成份以减少出现在变压器238的次级绕组248上的THD，满足电力公司将电力分配到电力网的要求。变压器238的例子将参考图4-6进一步讨论。
在某些实现中，谐波抑制模块244可以包括无源元件(如电感、电阻、电容)。
在某些其他实现中，有源元件可以用于抑制谐波信号成份。例如，有源控制的放大器可以采用数字技术来产生包括一个或多个谐波的电流信号，每个谐波电流被移相到有源地和实质上抵消由相应的初级绕组谐波电流在次级绕组248产生的谐波磁通。在这个例子中，有源产生的谐波抑制电流可以同时在单个绕组上被驱动，所述单个绕组可以与次级输出绕组248同轴绕制。在另一个例子中，有源驱动的谐波电流可以被分离到两个或多个谐波抑制绕组。
在某些实现中，1PGM 200可以利用公用电源，如在ECN 204低输出期间。例如，ECN 204可以不对齐和需要由电动机226进行重新定位，所述能量存储模块224可能被耗尽。在次级绕组248的公用电源可以被变压器238变换和被整流器246整流以提供直流功率到直流母线管理器202。直流母线管理器202可以输送经过变换的公用电源来操作电动机226，向ECN 224充电、和/或运行控制模块208。
图3A-3B表示示范性逆变器和电波形，它能够运行以高效率地产生低THD交流输出功率，于此在各种实施方式中加以说明。逆变器及其运作的例子在美国专利序列号11/582,115中有进一步的说明，该专利名为“SupplyArchitecture for Inductive Loads”，由Babcock等人于2006年10月16日提交，它的全部内容在此通过引用被全文合并。
图3A表示从直流输入提供能量到交流电感负载的一对示范性功率级310a、310b的示意图。在某些实现中，一对功率级510a、510b可以形成图1的逆变器模块126。在这个实现中，所述功率级310a、310b实质上类似，其中它们具有实质上相同的电路和从相同的电源(如通过二极管315)提取功率。它们的主要区别是在其输出信号的定时上。在各种实现中，功率级310a、310b可以交替提供输出电流到负载。特别地，功率级310a可以第一方向提供单向输出电流A、B、C、D到所述负载，而功率级310b可以第二方向提供单向输出电流A’、B’、C’、D’到所述负载。在某些实现中，电容器320可以采用两个或更多并行电容实现，它们可以提供更宽的响应带宽(如低电感通路)和/或增加的电容。
在说明性的实现中，控制器(如图1的控制模块108)可以产生控制信号以利用功率级310a执行一个运行周期。在功率级310a运行周期期间，所述控制器可以关闭功率级310b中的所有开关，因此阻止级310a的任何输出电流流进级310b。类似地，当功率级310b执行其运行周期时，所述控制器可以禁用级310a。
逆变器控制器可以响应公用电力网波形中的关键点(如峰值、过零点)，通过触发逆变器半周期将逆变器切换实质上与供电频率和相位的同步。在某些其他例子中，所述控制器可以同步到由公用设施提供的命令定时信号(如通过RF、陆线(land-line)、卫星)。在某些实现中，相位调整可以被超前或延迟以补偿局部相位状态，它可以是实质上远离公用发电地点，或甚至由于与图1的设备100中的位置相关的相位差异。
如所说明的，电压调整可以被控制以输出稍微高于公用设施的电压，以便功率从所述设备输出到公用电力网。通过监视电压和流过公用设施接口104和交流母线106的电流，输送到公用电力网的功率值可以通过适当调整来自1PGM的相位(如定时)和电压(如脉宽)而被监视和控制。
图3B-3C表示说明逆变器126的功率级运行的示范性电压和电流波形图，包括减少谐波成份的初级电流波形构造的示范性说明。
在图3B描述的例子中，曲线334说明直流母线管理器122提供单极性输入电压。在这种情形，所述电压可以由ECN 120提供。在其他例子中，直流母线管理器122可以是其他任何合适的单极性或直流电源，例如半波或全波整流的交流信号。在某些应用中，直流母线管理器122可以展示电压刚性(voltage stiff)，例如它可以由诸如电容器124那样的相当大的保持电容提供。在某些其他应用中，所述电源可以提供整流过的交流信号(如来自地热、风力、或流体动力能量驱动的涡轮发电机)而没有实质的保持电容。
曲线336表示直流母线管理器122在时间段B(如Iin＝Iout)期间提供输入电流Iin到初级绕组，在示范性运行周期的任何其他时间段期间不提供。
曲线338表示在输入节点305处的Vin在时间段A的开始被提高，它反映电容器320上的充电。
输出电流Iout的曲线340，它可以代表所构造的变压器初级绕组电流，说明在时间段A期间的电容器320的放电提供实际能量到负载，它可以有利地减少在运行周期中从直流母线管理器122提取的功率。
曲线338、340也表示在时间段D中电容器320的充电和输出电流Iout中可控的减少。Iout可控的减少可以有利地控制反向电动势(RMVF)的幅度。
曲线342以放大视图说明围绕图340中时间段C的输出电流Iout波形的一部分。在某些例子中，时间段C相对于时间段A、B和D要短。在这个例子中的时间段C期间，曲线340的斜率(如dIout/dt)实质上由限压器325的运行控制。在某些实施方式中，所述斜率可以被控制得相当好，如此以至于可以充分减少与REMF电压信号相关联的幅度和噪声能量。
在某些应用中，在不确定的时间段中可以出现连续运行周期而没有中断，在该时间段期间能量可以被提供到所述负载。例如，运行周期可以具有相当固定的周期，它可以包括但不限于，例如在大约10毫秒到20毫秒之间的时间段，或大约1毫秒到30毫秒之间的时间段，或大约50微秒到1000微秒之间的时间段，或小于60微秒。在某些应用中，一个或多个有限数量的连续周期可以被没有提供功率到负载的可变时间所中断。在某些实施方式中，运行周期的持续期间可以根据负载要求、输入命令或其他要求(如避免可听见的共振频率、滤波要求、与公用事业供电电压同步)而变化。
为了进一步说明的目的，图3C包括示范性曲线350、355、360、365和370，表示在所述负载上的双向电流，例如，如参考图3A所描述。此外，在所描述的例子中的负载包括交流电动机。如此，在图3C的曲线中的波形反映由所述电动机产生的随时间变化的反电动势(back-EMF)。
尽管曲线370的输出电流Iout是双向的并被提供给交流电动机，图1的逆变器模块126在时间段C、D、C’和D’期间提供受控的dIout/dt。如此，所述REMF电压可以被很好地控制，提供上述讨论的各种益处。另外，在时间段D，D’期间获取的能量，可以分别在随后的时间段A，A’期间被再利用。
图4表示包括用于抑制谐波的绕组的示例性变压器400。变压器400包括磁芯410、初级绕组420、和次级绕组430。在某些实施中，初级绕组420可以被连接到逆变器模块(如图1的逆变器模块126)的交流输出，所述次级绕组可以被连接到单相交流母线(如单相交流母线114)。变压器400将功率从由逆变器模块提供的水平变换到可以在单相交流母线上传输的水平。在一个例子中，1KW的逆变模块可以接收300VDC和在大约4.8A的输出208VAC。
所述次级绕组包括三次谐波抑制绕组440和谐波抑制模块450。当适当调谐时，三次抑制绕组和谐波抑制模块450形成实质上消除三次谐波信号的电路，否则所述三次谐波从初级绕组420的输入的交流功率传播到在次级绕组430的交流输出电压信号。在所描述的例子中，变压器400包括耦合到谐波抑制模块450的三次谐波抑制绕组440，和耦合到谐波抑制模块470的五次谐波抑制绕组460，各自被调谐以抑制更高次的谐波。在某些实现中，可以提供和调谐一个或更多个额外的(如七次、十一次)更高次谐波抑制绕组和谐波抑制模块来抑制所选的更高次谐波。相应地，谐波频率可以被抑制以削弱所选谐波和因此减少在次级绕组430的交流输出信号的THD。
在某些实施中，变压器400可以是高阻抗变压器，它可以有利地限制公用电力网万一出故障时通过变压器的故障电流。在某些实现中，变压器400可以与其他部件如直流母线管理器122和/或逆变器模块126一起使用，将直流功率高效率地转换成交流功率(如97％或更高)。在某些实现中，变压器400可以提供在1PGM和所述公用电力网之间的实质上的电气绝缘。在某些实现中，变压器400可以利用多相绕组来构造，包括但不限于2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、15、18、20、24相绕组，它可以被绕在共同或独立的铁芯上，以提供多相交流信号(如WYE、Delta、具有或没有中性连接或诸如此类等等)。
图5A-5D说明在一个示例性实验的测试装置中使用的示例性变压器500的配置和输出。图5A中表示变压器500的侧视图。实验的变压器装置被评定为运行在大约160VDC输入，121VAC输出，和介于大约96W和160W之间。
变压器500被绕制为由根据交流电压到直流电压比的直流电压运行，该交流电压到直流电压比可以充分补偿由逆变器模块产生的降低的阻抗效应。在一个例子中，160VDC的直流供电电压乘以因数1.2导致192VAC设计电压。通过绕制用于192VAC运行的变压器500的初级505，变压器被配置成利用逆变器模块运行在160VDC。
变压器被设计带有1∶1的输入到输出比，以测试直流到交流的功率等效。对所述谐波抑制模块也给予了特别关注，以利用实际元件值得到改进的性能。本实验的一个目标是确定变压器的谐波抑制特性是否可以产生在5％或更少THD水平的交流功率。
变压器原型设计方案被设计成带有同轴绕制的谐波抑制绕组，用于在变压器500的初级505和次级510部分的三次和五次谐波控制。第三套绕组515被加到变压器500，所述变压器500带有磁分路器520作为测试谐波控制的另一选项和其他选项。
进行实验以确定适当的谐波绕组电容值。可以获得许多低成本、非极化电容器用于这个目的。电容器，作为谐波抑制模块起作用，被连接到次级510侧的三次谐波绕组且功率设置为70％。当电容被加到电路时可以观测到结果。通过将电容器连接到次级210侧的三次谐波绕组，反激获取能量没有显著地受影响。当接近180Hz调谐点时，电流峰值被大体上拉到半周期的中心且正弦形循环(rounding)是明显的。初级电流被调谐以产生少于10％的THD。示波器测量显示从次级绕组510输出的电压是带有大约6％THD的大体上的正弦波。进一步微调谐电容器组降低THD到3.8％。
所述逆变器模块是在200欧姆负载上以120VDC运行的装置。获取直流输入、交流输出电压和电流、谐波绕组电流、电压和功率测量值以计算由于绕组电阻的1PGM的I2R损失。I2R损失然后从总功率上减去以计算磁滞损失和功率传输效率。结果如下：
直流输入功率＝800mA(平均数)×120VDC＝96瓦
在120VDC的开关损耗＝6％＝5.76瓦
初级绕组损耗＝1.12ARMS×1.12ARMS×4.2欧姆＝5.26瓦
次级绕组损耗＝0.616ARMS×0.616ARMS×4.2欧姆＝1.8瓦
谐波绕组损耗＝2.88ARMS×2.88ARMS×0.8欧姆＝6.6瓦
谐波电容器损耗(用功率分析仪测得)＝1.3瓦
总开关和I2R损耗＝20.71瓦
输入功率96瓦-I2R损耗20.71瓦＝75.29瓦
变压器输出瓦数＝121VAC RMS×0.616ARMS＝74.54瓦
输出功率74.54/75.29×100＝没有I2R损耗的变压器效率＝99％
本实验暗示1PGM可以运行在99％的效率和1％或更低的变压器铁芯损耗。
另一组试验被进行以考察关于VAC变压器输出调节范围的脉冲宽度，换句话说，以确定当保持总VAC输出THD小于5％时，实验系统具有多少输出VAC电压水平控制。当所述直流输入功率水平被脉宽调制时，变压器500的初级505电流和变压器500输出电压被监视，以试图确定在减少的变压器输出电压上仍然维持满意噪声水平时可以被应用的电能最小量。
逆变器模块的调整范围被观测为在104VAC和126VAC之间(22VRMS的范围)。在调整范围的大部分中，变压器输出保持在4％THD以下。这种PWM功率调整方式显示大体上接近无损耗。针对调整本身没有发现显著的功率损耗。
执行进一步的实验以观察实验系统如何处理畸变和异常负载。示波器与提供到大楼的公用电源同步以执行1PGM相对于公用设施的功率比较测试。观测结果显示相比于4.3％的THD的公用设施，1PGM交流输出功率具有2.7％的THD水平。
例如，进行实验以观察实验系统在大的电感负载下的性能。将20mH的扼流圈与200欧姆负载串联连接，实验系统在没有可察觉的问题的情况下运行。扼流圈似乎增加大约7欧姆阻抗到所述输出电路，并降低小量的电压。然后用400mH的电感负载取代20mH的电感负载，结果输出电压被升到超过300VAC且带有小的失真电流。同样真实的功率水平被观察，1PGM无损地处理负载。
所述逆变器频率和相位定时可以基于同步信号，单独或由可调整相位延迟所调整。基于实验观察，调相控制的调整显示锁定于公用电源信号的+90度到-90度的相位调整，性能大体上没有瞬时现象。
在一种示范性的实施方式中，可以得到公用供电频率的两倍的同步信号(如100Hz、120Hz)，例如从线电压的峰值点和/或过零点。在某些例子中，同步信号可以采取例如120Hz脉冲流的形式。在某些例子中，逆变器可以利用两个完整周期的延迟被同步到公用电网的电压，如采用延迟定时器的确定。例如，延迟可以是在公用同步信号后两个周期(如大约33.33毫秒)。所述延迟的120Hz同步信号可以驱动60Hz逆变器的开关过程。在示例性例子中，采用大约33.33毫秒延迟可以引起所述逆变器初级电流在相位上与市电电压的过零点大体上一致。如果定时器延迟减少4.15毫秒，那么初级电流将比市电电压提前90度开始。假如定时器延迟增加4.15毫秒，那么初级电流将比市电电压滞后90度开始。如此，相位控制可以平滑地(如实质没有瞬变现象)和连续地在宽的范围上被可控地调整，从而在功率流结合的位置(如公用设施接口104)准确地和廉价地将所提供的功率的相位精确地匹配到公用供电电压的相位。
基于实验观察，逆变器运行可以在一个事件后被关闭长达约一半周期(如失去同步脉冲)，且作为关闭的结果实质上没有产生瞬变现象。
相信逆变器的快速关闭不会引起瞬变现象，至少部分地，因为逆变器每半个周期重新获取存储在所述初级线圈中的磁能。相信这个重新获取过程将变压器磁芯返回到实质上切断电流的状态。相应地，相信当逆变器被迫突然关闭时，所述能量的重新获取实质上减少或消除变压器铁芯中磁能产生不受控的瞬变能量(如电压尖峰)的机会。
图5B表示变压器500的实验性配置550。采用了三次谐波抑制绕组555和250uF电容器560。
图5C表示示例性示波器屏幕截图570，它显示在实验期间被观察到的几个示例性波形575-590。波形575显示变压器初级505输入电压波形。波形580显示变压器初级505输入电流波形。波形585显示变压器次级510输出电压波形，和波形590显示变压器次级510输出电流波形。波形575显示逆变器模块可以获取反激能量以产出双向直流电压波形，该双向直流电压波形具有接近正弦的电流波形580且实质上削弱了除I2R损耗外的损耗(如铁芯损耗、开关损耗)。波形580是构造的波形，它是由1PGM的电开关过程和利用存储的变压器500铁芯能量而产生，否则，那些存储的能量会由于磁滞和/或变压器铁芯发热而损耗掉。
在这个实验中，系统利用波形构造(没有谐波抑制绕组)以产生交流的初级电流波形580，它在大约20％的纯正弦波范围内且具有良好的谐波外形。通过在变压器500的次级侧510上增加一个谐波抑制绕组，变压器500被调谐为定位180Hz的三次谐波的相位，从而实质上抵抗与初级绕组相关的三次谐波磁通，变压器500产生带有实质上减少的三次谐波含量的次级绕组输出电压信号。实验得到的次级绕组功率输出由次级电压波形585和次级电流波形590表示。波形的形成也影响初级电流波形580，它显示THD从20％THD到7.5％THD的THD减少。
如图5D中所示，针对输出电压的THD百分比在各种脉宽下通过实验确定。表592表示在各种开关脉冲宽度下测量到的针对输出电压的示例性根据实验得到的THD百分比，以评估由逆变器126采用的脉冲宽度和在变压器550的次级绕组510上的输出电压调整之间的关系。在这个实验中，逆变器系统被配置成输出120VDC脉宽调制信号，变压器初级绕组带有200欧姆的负载。当脉宽调制变化时，测量变压器输出电压和THD百分比。
表592显示结果的代表性抽样，其中变压器输出THD百分比是5％或更少。如表592所示，在实验的配置中，逆变器的调整范围大约从104VAC到126VAC(或22V RMS的范围)。贯穿这个范围的大部分，THD百分比大体上保持在5％以下。例如，在120VAC应用78％的采用的脉宽时测得2.52％THD的输出。
图6A-6C表示在第二实验性测试装置中使用的示例性变压器600的配置和输出。图6A表示变压器600的侧视图。本实验的变压器600被构造成带有1∶1匝比的初级绕组605和次级绕组610以用于300VAC输出。分流器615将绕组605隔开。分流器615可以被调整以满足各种实现的需要。例如，反激能量获取可以通过调整分流器以增加初级漏电感而被增加，它可以被逆变开关240、242重新获取。在某些实施方式中，初级绕组505的初级漏电感可以提供足够的反激能量获取以实现满足系统THD规范的波形构造。在其他实施方式中，补充的电感可以与初级绕组串联在一起被提供，以便可以重新获取足够的反激能量来实现满足系统THD规范的波形构造。
图6B表示变压器600的实验性配置650。配置650包括1∶1匝数比的初级绕组605和次级绕组610。在实验原型中，谐波抑制绕组655与次级绕组610同中心绕制。电容器660与谐波抑制绕组655并联连接。
在配置650中，电容器660的值被通过实验调整以引起在初级绕组605和谐波抑制绕组655的基波电流之间大约60度的超前相移。在某些现中，这个相移被认为使谐波抑制绕组上的三次谐波电流波形相移以与初级绕组605中的三次谐波电流不同相。在这个实验中，在次级绕组610上对三次谐波电压实现大幅度削减的电容器660的值被确定是在大约50uF。电容值可以被选择，如通过调整抑制绕组655的电路参数(如匝数、电感、电容)以实质上控制绕组605、655上的三次谐波电压的相对相位。在另一个例子中，电容值可以被选择以产生在初级绕组605和谐波抑制绕组(如绕组655)的基波电流之间的相移，以便在那些绕组中的n次谐波电流产生实质地抵消耦合到次级绕组610的n次谐波磁通。这实现了带有充分衰减的三次谐波成份的输出电压。
图6C表示示例性示波器屏幕截图670，它显示实验期间被观察到的几个示例性波形675-690。波形675、680分别表示谐波抑制绕组655的电压和电流。波形685表示在全负载(如300VDC、1KW，90欧姆负载)下的变压器600次级绕组610上观察到的电压。波形690表示电流，在初级绕组605上由逆变器利用重新获取的反激能量构造。THD百分比在输出电压波形685上测得是2.2％。
注意波形675、680显示谐波抑制绕组655的基波电压和电流似乎实质上有90度相位差，表明在谐波抑制绕组655中基波频率上的功率损耗似乎主要地包含电阻损耗。
在实验中逆变器运行期间，如逆变器126的示例性实施方式，变压器600的响应在50％到100％的电阻负载(低于50％的负载没有记录数据)范围内大体上是平坦的(如较好地被调整和稳定)和脉宽调制可控的。变压器600被观察到在连续运转时输送全功率基本上没有问题。
图7显示示例性户外机箱(outdoor enclosure)700，它包括用于直流功率到交流功率的转换的设备。在某些例子中，机箱700被配置成大体上模块化以便快速安装、维护和一个或多个子部件的替换。在某些实施方式中，模块化的机箱700可以包括快速断开信号、电源和通信的接口，它允许整个机箱700在几分钟内被安装或换掉。在某些实施方式中，用于每个1PGM的变压器可以从所述模块单独地移开，以减少重量和提供灵活性，例如提供如不同数量的相位，这可能随时间推移通过增加辅助变压器和/或1PGM电子模块到机箱700而增大。因此，机箱700可适应向上和向下可扩展性以满足设备100的操作和预算要求。
总之，户外机箱700可以靠近直流功率的局部来源(如一个或多个能量收集节点120)定位，以减少直流功率被传导的距离，在该直流功率被转换成用于在设备100中相当长的距离上(如大于50英尺)传输的高电压交流功率前，以相对的低电压和高电流传导。
在这个例子中描述的户外机箱700通过输入导管702被连接到直流功率的来源。若干直流导体704通过输入导管702。在某些实现中，导管702可以实质上保护直流导体704免受机械损坏，和/或被配置用于快速安装到模块化的底座。直流母线管理器706将直流功率从直流导体704传导到直流母线管理器708，若干逆变器模块710a-710c，和交流-直流转换器模块712。在某些实现中，直流母线管理器708可以是图1的直流母线管理器122。在某些实现中，逆变器模块710a-710c可以是如逆变器模块126那样的逆变器模块。在某些实现中，当能量收集低时，交流-直流转换器模块712可以将公用交流功率变换成直流功率用于设备运行。在某些例子中，交流-直流转换器模块712可以包括图1的变压器134和整流器136的结合，和/或图2的整流器246。
直流母线管理器708被连接到电容器组714。电容器组可以包括一个或多个可以用于存储和/或提供功率到直流母线706的电容器716。电容器组714被连接到电容器扩展空间模块718。在某些实现中，电容器扩展空间模块718可以通过提供空间和连接以增加附加能量存储元件(如电容器176)，被用于连接增加可被直流母线管理器706所用的电容性存储容量。在机箱700中的电容器存储提供随时间升级、维护和替换能量存储元件的灵活性，以满足和维持要求的性能(例如由系统规范所要求)。
逆变器模块710a-710c中的每一个也被连接到变压器720a-720c。逆变器模块710a-710c将直流母线706的直流功率转换成交流功率。在某些实现中，变压器720a-720c的每一个包括变压器128。
在某些实现中，变压器720a-720c将交流功率变换成可以被公用设施、公用设施接口(如图1的公用设施接口104)，和/或下游的电气设备使用的电压水平。在某些实现中，变压器720a-720c可以实质上抑制输出电压信号中的一个或多个谐波。在某些实现中，变压器720a-720c可以将逆变器模块710a-710c从公用设施隔离。
变压器720a-720c被设置在隔离的高压区722。在某些实现中，隔离的高压区722可以实质上将变压器720a-720c与户外机箱700中的其他部件物理上和/或电气上隔离。例如，户外机箱700可以被技术人员打开以接近部件704-710而防止所述技术人员接触到变压器720a-720c。
变压器720a包括附加的初级绕组724。在某些实现中，附加的初级绕组724可以被用于将连接到所述次级绕组的公用电源变换成可以被交流-直流转换器模块712使用的功率水平以产生直流功率。
变压器720a-720c的交流输出被连接到断路盒(disconnect box)726。在某些实现中，断路盒726可以提供开关、断路器、熔断器、闭锁、和/或其他可以被用于连接或断开交流功率的部件。连接到断路盒726的交流功率导体通过交流导管728从所述户外机箱引出。
尽管户外机箱700被举例说明包括三个交流输出，其他数目的输出也可以使用。在某些实现中，逆变器模块710a-710c可以被独立地调整相位。例如，三个逆变器模块710a-710c可以被配置成产生三相输出。在某些实现中，逆变器器模块710a-710c的部分、全部或没有可以被同步以输出单个相位。例如，逆变器模块710a-710c可以被同步以输出合并的、单相交流信号，它大于单个逆变器模块可以在其上产生的交流信号。
在某些实现中，逆变器模块710a-710c的同步和非同步的各种组合可以在能量收集设备(如图1所示的能量收集设备100)内提供灵活性。例如，户外机箱可以被配置成在能量收集设备构造早期的三相输出。当附加的ECN和户外机箱100被部署时，机箱100可以被重新配置成输出单相(如第一相)。户外机箱100的第二安装，可以被配置成输出第二相，以及第三安装可以被配置成输出第三相。在另一个例子中，户外机箱100的相位调整可以被重新配置以克服在一组ECN的断电或户外机箱100的其他情形，或有助于稳定不平衡的电相位。
图8表示ECN 805的示例性集合800，ECN 805收集功率由户外机箱810进行直流-交流转换。通常，由ECN 805收集的直流功率被合并和传导到户外机箱810，在那里直流功率被转换成三相交流功率。
多个ECN 805被汇集成三个组815a-815c，其中各个ECN 805的输出在接线盒820a、820b和820c被合并。组815a-815c中的每一个在这个例子中被设定产生25KW直流功率(如52A的480VDC)用于总共75KW。
所述直流功率被传导到户外机箱810。在某些实施中，户外机箱810可以是图7的户外机箱700。户外机箱810将三路直流输入转换成用于总共75KW的三相交流功率的三个12KVAC、2.1ARMS的相位。
图9表示用于将直流功率转换成三相交流功率的示例性3PGM 900。ECN的每一个提供25KW直流电源905。25KW直流电源905的每一个被连接到逆变器模块910a、910b和910c的输入。逆变器910a-910c将三个直流输入转换成用于总共75KW的三相交流功率的三个12KVAC、2.1ARMS的相位。逆变器模块910a、910b、910c的交流输出各自分别地被连接到断路模块915a、915b和915c。然后交流输出传递到三相交流功率收集母线920的三个相位上。
逆变器模块910a、910b和910c的直流输出也被电气连接到一组开关925a、925b和925c上。开关925a-925c依次被连接到直流母线930。在某些实现中，开关925a-925c可以被配置以促使直流功率在图示直流母线的两根或三根之间被共享。
直流母线930被电气连接到直流母线管理器935。在某些实现中，直流母线管理器935可以是图1的直流母线管理器122。直流母线管理器935被电气连接到电容器940以便存储来自直流母线930的能量和/或增加能量到直流母线930。
图10显示用于3PGM(在如图1的3PGM 110)中直流功率管理的示例性过程1000。所述过程的步骤可以被一个或多个元件控制和/或监视，元件联合工作且包括，例如但不限于，编程的设备(微处理器、微控制器、逻辑阵列、ASIC(专用集成电路))，单独或与模拟和/或混合信号组件结合。在某些实施方式中，所述过程的步骤可以在指令程序的硬件执行时实施，所述指令程序可以包括一个或多个程序模块，可以在有形的介质如数据存储中(如非易失或易失存储器、旋转的或固定的存储介质)被切实地实体化。
当直流管理器(如直流母线管理器122)从1PGM互连组中的每个ECN接收功率输出状态时，过程1000开始(步骤1005)。然后直流母线管理器为每个1PGM互连组确定最低可用功率输出水平状态(步骤1010)。例如，在三个1PGM互连组的集合中，一个组可以具有所述集合的最低总功率输出，且该最低功率输出值将被用于过程1000中的随后操作。
假如最低可用功率输出水平被确定是低于低阈值(步骤1015)，那么3PGM被禁用(步骤1020)且未使用的1PGM功率被传送到直流互连母线(步骤1025)。
假如最低可用功率输出水平被确定是不低于低阈值(步骤1015)，则如果最低可用功率输出水平被确定低于中间阈值(步骤1030)，则每个互连组的1PGM被启用(步骤1035)。
假如在步骤1030中，最低可用功率输出水平被确定不低于中间阈值，则如果在步骤1040中，最低可用功率输出水平被确定低于高阈值，则在步骤1045，每个互连组的两个1PGM被启用。
假如在步骤1040中，最低可用功率输出水平不低于高阈值，那么接着步骤1050互连母线可以被有选择地断开。然后接着步骤1055，互连组中的所有三个1PGM都被启用。
在某些实施方式中，互连组118中1PGM之间的直流功率的流动可以通过有选择地无效任何一个被选择的逆变器126而得到控制。相应地，在某些例子中，逆变器的选择性断开并不意味相应1PGM 112中的继电器或其他开关元件的打开。
图11A-11C表示在各种直流功率水平的3PGM中1PGM和直流互连母线的配置。在某些实现中，配置可以是图10中过程1000的结果。
图11A表示示例性3PGM 110低功率配置，它依照于图10中的步骤1035。在某些例子中，当直流功率收集水平低于中间阈值时，所举例的配置可以被使用，以实质上将1PGM互连组中的所有直流功率传送通过单个1PGM时。在某些实现中，传送直流功率通过1PGM互连组中的少于三个的1PGM，可以获得增加的1PGM效率。
在所举的例子中，1PGM互连组118a被配置成传送它的直流功率到被使能用于第一相交流母线114a的单个1PGM。1PGM互连组118b被配置成传送它的直流功率到被使能用于第二相交流母线114b的单个1PGM，以及1PGM互连组118c被配置成传送它的直流功率到被使能用于第三相交流母线114c的单个1PGM。在某些实现中，交流母线114a-114c可以包括图1中三相交流母线106的三相。
图11B表示依据图10中步骤1045的示例性中等功率配置中的3PGM110。1PGM互连组118a-118c中的每一个传送直流功率到每个组中三个1PGM中的两个，这样来自分离的1PGM互连组的两个1PGM被使能用于每根交流母线114a-114c。例如，第一相交流母线114a由来自1PGM互连组118a-118c的1PGM供电，第二相交流母线114b由1PGM互连组118a和118b供电，以及第三相交流母线114c由1PGM互连组118b和118c供电。
图11C表示依据图10中步骤1055的示例性高功率配置中的3PGM110。在这个配置中，在三个1PGM互连组118a-118c的每一个中的所有1PGM被使能用于三相交流母线114a-114c。在某些实现中，1PGM之间直流互连母线可以被断开。在其他实现中，直流互连母线可以保持连接以允许1PGM从公共直流功率水平运行和/或共享直流互连母线的管理。
上述参考图10-11描述的操作可以根据可用相位的最大数目(如2、4、5、6、24)和可用输出线的数目被按比例决定。
图12表示3PGM组的示例性集合1200，其向三相交流母线供电。所述集合包括图1的3PGM组102中的四个，其中每个3PGM组102包括四个3PGM 110。在所举的例子中，每个3PGM 110产生31.5KW的6KVAC三相RMS功率。3PGM组因此产生4×31.5KW或126KW的6KVAC流三相RMS。
四个3PGM组102将它们的功率加到6KVAC三相母线106。母线106被连接到公用设施接口104。公用设施接口104包括0.5MW变压器，它将母线106上的功率从6KVAC变换到69KVAC，且进一步包括适当的开关设备。在某些实现中，通过将电功率提升到更高的交流电压，与以较低电压和较高电流传输相同功率相比较，功率传输可以具有减少的功耗、压降，以及基础设施成本。
图13表示曲线图1300，它代表显示THD对于在图1的1PGM 112中变压器128的谐波抑制绕组和初级绕组之间匝数比的依赖关系的示例性设计关系。参考图5B，曲线图1300具有X轴，X轴代表变压器550中谐波抑制绕组555的匝数相对于初级绕组505匝数的比率范围。Y轴代表THD百分比值的范围。
通常，实验表明某些实施方式一般在低的谐波绕组与初级绕组匝数比处可以展现高THD百分比水平。所述THD百分比水平通常趋于随着谐波绕组对于初级绕组匝数比的增加而减少。但是，实验结果表明有一个优选的绕组比值的设计范围1310。低于范围1310，THD百分比值可能超过预定的上限规范，例如最大THD百分比(如大约0.001％、0.01％、0.1％、1％、5％、7％、10％)可以由电力分配系统(如公用电网)的经营者所要求。假如绕组比高于范围1310，1PGM 112可以输出过多电压提升，和/或所述系统可能展示不良负载调节。在某些实现中，通过适当选择谐波绕组相对于初级匝数的比的匝数比，和/或通过匹配谐波绕组到适当的电容，各种实施方式可以实质上抑制在次级510的电压输出波形上的被选择的谐波信号。
尽管参考附图对示范性的实施方式进行了描述，其他实现也是可能的。例如，在某些例子中，能量收集设备100可以有选择地与一个或多个预定的电力分配网接口连接，所述分配网的部分或全部可以是实质上无关的。在一个例子中，设备100可以被配置成提供三相传输水平的交流电到处于不同的传输电压(如分别是30KV、50KV)、频率、配置(如WYE或Delta型配置)以及相位调整的两个不同公共公用设施，而同时被配置成提供中等电压(如6KV)的五相交流功率到专有的局部负载(如冶炼厂、汽车厂)。通过适当控制开关设备和适当控制相位调整、频率，和通过直流母线管理器122和各个1PGM 112和3PGM 110中的逆变器126传送的功率流，设备传输母线106可以传输实质上独立的交流功率来用于通过公用设施接口104分配。
在上述各例子中3PGM组102被表示为包括各自输出三相交流母线106的四个3PGM 110。在其他实现中，3PGM组102可以包括更多或更少数目的3PGM 110。在各种实现中，3PGM组可以包括大约2、3、5、6、7、8、9、10、12、15、20、25个或更多3PGM 102，具有可以输送预先选择数目的相位的输出交流母线106，以及在每个3PGM组102中组成的3PGM110的相位可以被并行保持或组合。在这种例子中，相位的数目可以不同于三个，且在能量收集设备100的不同部分中可以是不同的。
运行中，1PGM 112可以被操作以便选择的逆变器可以被无效而直流功率通过互连母线116重新选择通路到互连组118中的一个或多个其他选择的成员。相应地，每个3PGM可以提供一、二或任何数目的相位，一直到互连组118中元件的数目。因此，能量收集设备可以动态地重新配置提供到公用设施接口104的交流功率的规格。例如，每个1PGM产生的电压和电流的智能监控，可以被控制108所利用以大体上维持设备100中子系统的平衡运行。
虽然各种例子已经描述了利用能量存储元件来从每个1PGM 112中的能量收集节点获取过剩的可用输出功率，以存储在能量存储元件，如在相同1PGM 112中的元件124。在其它实施方式中，直流母线管理器可以被配置成从一个1PGM 112传送过剩能量以存储在中心位置的补充的能量存储元件(如飞轮)或不同1PGM 112中，以接收来自3PGM 110、3PGM组102或来自能量收集设备100中任何地方的能量。
在各种例子中，在每个1PGM 112中产生的可用输出能量的一部分，在非高峰时间可以被转移进行存储以便在所述电力分配网的峰值要求时间的随后恢复。
在各种实施方式中，设备控制器108可以在能量存储和分配到公用电力网之间传送可用能量的功率流，从而实质上使基于电力方案的营业收入最大化。例如，如果公用设施在高要求条件下提供较高的定价，设备100可以通过增加能量存储水平和输送所述存储的能量以满足峰值负载要求而获得更多的收入。
各种实施方式将低压直流电功率转换成供电频率(例如，约50或60Hz)的高压交流电功率以提供给电力分配系统。各种例子实现高效率的转换而没有高频开关模式的逆变器和没有二次升压变压器。在特殊例子中，直流功率源包括太阳能发电机的阵列。一种示范性大规模发电结构利用小型坚固耐用的逆变器的分布式网络，将来自一组太阳能发电装置(solarelectric unit)的直流功率转换成供电频率的中压或高压的交流电，其中每个逆变器被放置在接近于该组太阳能发电装置的位置，因此降低传输电缆的载流要求。来自若干逆变器的中压或高压交流输出功率可以被组合起来以输送到公用电力网。某些实现包括示范性的直流母线稳定系统，其利用电容性能量存储来从太阳能阵列提供功率输出瞬态期间的能量要求。其他特征和实施方式在下面描述。各种例子参考附图1-9中描述的例子进行描述。
电气开关技术，在此也称作ADCP，可以实质上改善如变压器和电动机那样的感应设备的可控性和效率。例如，ADCP开关技术可以促进各种太阳能发电技术的技术和经济可行性。ADCP开关装置和方法的例子在美国专利序列号11/582,115中描述，该专利名为“Supply Architecture forInductive Loads”，由Babcock等人于2006年10月16日提交，它的全部内容在此通过引用被全部并入。
某些实施方式可提供一种或更多的优势。在某些实施方式中，太阳聚焦的太阳能阵列可被包括在具有改进的效率和/或成本效益的实现中。暴露于对太阳的每平方英尺面积产生的有效功率数量可以足够大以使太阳能生产比更传统类型的发电方式(如化石燃料发电)更有竞争力。
在各种实施中，ADCP开关技术通过大量地减小导线尺寸和硬件要求可以有利地降低基础设施成本。ADCP可以提供智能和高度可控的性能，例如，它可以改善具有高转换效率的电压调节。某些例子运行实质上没有电池，也没有典型高频开关模式的逆变器模块。ADCP可以实质上减少灾难性系统故障的可能性。某些实施方式可以展示非常长的、低维护的预期寿命，在某些情况下它可以实质上超过三十年。各种实施可以跨越很宽范围的温度和环境条件提供实质上可靠和坚固耐用的性能。各种例子满足可适用的公用事业公司安全性、质量、排放要求和标准。
ADCP和某些半导体开关设计通过实质上减少或消除电气共振、利用反向电动势(EMF)作为电能的第二来源和大量地消除或减少作为电阻抗和电磁发射的来源的反向电动势，可以被用来改善标准60Hz变压器和电感的电效率。在此描述的处理电功率的电子装置的例子公开在美国专利序列号11/582,115中，该专利名为“Supply Architecture for Inductive Loads”，由Babcock等人于2006年10月16日提交，它的全部内容在这里通过引用被全部并入。各种半导体开关设计是双向的且可以有效地将直流电源电流逆变成被用于向交流60Hz变压器供电的双向直流电流。
在某些实现中，为了替换作为调节和存储设备的电池，实质上稳定电压波动，和/或减少或实质上消除在直流分配母线上的高电压尖峰，高度隔离半导体开关设计可以被用于控制超级电容。例如，在具有长直流母线电缆线路的应用中，可以有利地实现更好的母线稳定性，所述长直流母线电缆线路可以是与例如反向电动势(EMF)、电压摆动、或高达数千伏的高压尖峰相关联的母线不稳定性的来源。
在示范性实现中，直流-交流转换可以由一些分布在与一个或多个太阳能电源组靠得很近的位置上的小规模逆变系统完成。小规模逆变系统在与太阳能直流电源接近的地方将太阳能直流电功率直接地转换成60Hz的交流公用高电压，然后太阳能电能可以在交流电功率系统上作为交流电流以较高的传输电压和较低的基础设施成本被输送到公用电网。在一个示例性例子中，若干较小的直流母线可以实质上替换大规模直流母线设计。这种直流母线可以在有限距离的线路上(如小于大约100英尺)承载有限的电流(如小于大约20A)。采用这种较小直流母线的系统可以实质上减小任何直流母线要求的尺寸和成本，和/或实质上减小灾难性故障的可能性。
例如，在分布式逆变器的一个中的故障可能仅导致相关联的太阳能阵列离线。在某些例子中，直流开关设备可以自动地将直流输出功率从带有故障逆变器的一组太阳能阵列传送到附近的一组带有可操作的逆变器的太阳能阵列。
在ADCP逆变开关的示范性实施方式中，ADCP过程可以是管理电能的实质上非谐振的方法，其用于通过实质控制感应元件(如变压器)中上升和下降的磁状态来改善电感控制和效率。
在说明性例子中，反向电动势(EMF)在电感内部作为源电流阻抗的来源被有效地移除。反向电势被获取和利用以引起工作和产生用于改善电感效率的电荷。这是利用将直流源电功率转换成脉宽调制(PWM)和受控的双向直流电流的多态开关过程和开关技术来实现的。所述多态开关过程也控制和利用作为增加电感效率的来源的反向电动势，也消除作为电噪声和电磁干扰源(EMI)的来源的反向电动势。所述开关技术产生大量地减少的传导和/或辐射的EMI水平。
在某些例子中，ADCP逆变开关以耦合到供电频率公用级变压器的供电频率(如60Hz)工作，以将直流电功率逆变成在公用传输电压的公用级交流电功率。
在某些实施方式中，所述ADCP逆变开关可以与用于HID(高强度放电)镇流器型(如包括变压器)照明、金属卤化物、高压钠、和荧光灯照明的照明控制系统一同使用。例如，60Hz HID灯镇流器可利用直流电源和ADCP逆变以改善的效率工作，而不是利用120VAC的壁电流来使灯泡镇流器工作。
在某些示范性实施方式中，无线通信系统可以在1PGM 112内的逆变器126、ECN 120(如太阳能收集控制)和直流母线管理器122之间互连，和/或在1PGM 112、3PGM 110、3PGM组102，和/或控制108之间互连。这种特性的区域宽广的发电系统的通信和控制是另外的基础设施成本和考虑因素。逆变系统设计可以利用人工智能。通信、控制和数据采集涉及如局域(LAN)网的某些通信路由，它们在一个很大地理范围上与连接整个系统的通信协议一起将所有所述系统和设备连接到中央控制点。
这种通信网可以是有线的、光的、和/或无线的。在某些例子中，如以太网或令牌环网的硬连线网路，可以往返于每个太阳能电圆盘传送带(solarelectric carousel)和相关逆变设备传送数字数据。某些例子采用高频无线技术用于在广阔的地理区域上通信。无线通信可以被用来在总发电系统的数百个(如果不是数千个的话)不同单元间传输大量的数字数据。低成本的发射器接收器可以被嵌入单独的逆变开关、母线管理器122(如在用于驱动能量收集节点120的控制中)。在一个例子中，直流互连母线116可以被用于连接到互连母线116的1PGM 112之间的数据传输和收集。
在无线(如蜂窝式电话)实现中，中央发射器接收器可以连接到服务器，服务器提供接口和控制信息到设备100的多个元件，那些元件可以散布在广阔的区域上。根据此处描述的方法和装置，兆瓦特的发电可以被以完善的方式进行电监控(如收集实时系统信息)和自动控制。
在某些具体实施方式中，1PGM可以通过电力公司电网进行通信。例如，1PGM可以将通信消息转换为利用电力公司电网的交流供电频率作为载波频率的信号，且通信消息可以被调制成随载波进行传播的更高频率的信号。在某些实施方式中，电力线通信可以遵循现行标准。例如，电力线通信可以遵照消费类电子电力线通信联盟(CEPCA)标准、ETSI电力线通信(PLT)标准、HomePlug电力线联盟标准、IEEE P 1675、IEEE P 1775、IEEE P 1901、开放式PLC欧洲研究联盟(OPERA)标准、POWERNET标准、通用电力线协会(UPA)标准、和/或用于电力线通信的其他标准。
许多实现已经被描述。然而，应当认识到可以进行各种更改而不脱离本发明的精神和范围。例如，如果将公开的技术的步骤以不同的顺序执行、如果将公开的系统中的部件以不同的方式进行组合、或如果将部件由其他部件进行替换或补充，则可以得到有益的结果。功能和过程(包括算法)可以采用硬件、软件、或它们的结合来实现，以及某些实现可以在与这里所描述的不同的模块或硬件上实现。相应地，其他实现也在下面权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种形成提供给变压器初级绕组的电流波形的方法，所述方法包括：
构造包括一系列交替极性的电流信号的电流波形，构造的波形具有相应于基波频率的周期，其中通过执行包括下述的步骤，每个电流信号被形成在一个周期的一半内：
(i)接通相应于被构造的所述电流信号的极性的开关；
(ii)通过对电容放电直到所述电容上的电压大体上匹配第一电压源的电压，来将从输出节点提供的电流从实质上零增加到第一电流水平；
(iii)通过将所述输出节点实质上直接连接到所述电压源来将所述电流从所述第一电流水平增加到第二电流水平；
(iv)断开所述开关一次；以及
(v)通过引导所述开关断开后继续流动的电流对所述电容进行再充电，来实质上将所述电流降低到零；
提供所述构造的波形到变压器的第一绕组。
2.如权利要求1所述的方法，还包括响应于将所述构造的波形提供到所述变压器的所述第一绕组，而在所述变压器的第二绕组产生输出电压。
3.如权利要求2所述的方法，还包括实质上衰减所述输出电压的k次谐波，其中k是奇数。
4.如权利要求3所述的方法，其中实质上衰减所述输出电压的k次谐波包括：提供与所述变压器中第三绕组相关联的所述k次谐波上的磁通势，以与构造的电流波形相关联的所述k次谐波上的磁通势互相作用。
5.如权利要求4所述的方法，其中提供与所述变压器中的第三绕组相关联的所述k次谐波上的磁通势包括：移动所述k次谐波上的磁通势的相位以关于所述构造的电流波形相关联的所述k次谐波上的磁通势实质上不同相。
6.如权利要求1所述的方法，还包括从可再生能源接收电功率以提供能量的至少一部分给所述第一电压源。
7.如权利要求1所述的方法，还包括选择所述基波频率以实质上匹配公用线电压的基波频率。
8.一种用于产生输送给高压电力分配网的高品质交流(AC)电功率的系统，所述系统包括：
能量收集节点，所述能量收集节点将自然存在形式的能量转换成电能；
能量处理模块，所述能量处理模块将转换的电能转换成交流信号，所述交流信号具有在基波频率上和所述基波频率的至少一个谐波上的能量；
变压器，所述变压器包括：
(i)接收所述交流信号的第一绕组；
(ii)通过以实质上正弦电压信号的形式传送所述功率来输出交流功率的第二绕组；
(iii)第三绕组；以及
谐波抑制模块，所述谐波抑制模块被耦合到所述第三绕组并响应于所述第一绕组中的交流电，且进一步被配置成实质上抵消从所述第一绕组耦合到所述第二绕组的在所述至少一个谐波频率上的能量。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述谐波抑制模块包括电容器。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述谐波抑制模块通过移动磁通的至少一个选择的谐波的相位以与来自耦合到所述第二绕组的在所述选择的谐波的磁通实质上相反，来抵消所述能量。
11.如权利要求8所述的系统，其中在所述第三绕组中的所述基波频率上的电压和电流相位大致相差90度。
12.如权利要求8所述的系统，其中从所述第二绕组传送的功率至少是大约1千瓦。
13.如权利要求8所述的系统，其中从所述第二绕组提供的电压高于至少500伏特。
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