CN101946392A - 光伏逆变器接口装置、系统和方法 - Google Patents

光伏逆变器接口装置、系统和方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种光伏系统、方法和设备。在示范性实施例中，该系统包括适于耦合到光伏阵列的第一和第二轨的第一和第二输入端；被配置成将来自所述光伏阵列的DC功率转换成AC功率的逆变器；以及耦合到所述第一和第二输入端和所述逆变器的接口部分，所述接口部分被配置成将所述第一和第二输入端中的至少一个与所述逆变器隔离开并且对从所述光伏阵列向所述逆变器的电压的施加进行调制，以便增大所述光伏阵列上的负载并减小从所述光伏阵列向所述逆变器施加的电压。

Description

光伏逆变器接口装置、系统和方法
技术领域
本发明总体上涉及用于将太阳能转换成电能的设备和方法，更具体而言，涉及更高效地将太阳能转换成电能的设备和方法。
背景技术
很长时间以来就知道利用光伏(PV)系统将光能转换成电能，这些光伏系统在住宅、商业和工业应用中得到越来越多的实施。尽管在过去几年已经对这些光伏系统做出了开发和改进以提高它们的效率，光伏系统的效率仍然是继续改善光伏系统的经济可行性的焦点。
光伏系统通常包括光伏阵列和逆变器等部件，光伏阵列产生DC功率，逆变器将DC功率转换成AC功率(例如，单相或三相功率)。常常希望设计和操作光伏阵列以便使输出的电压较高，从而电流较低，以便降低与高电流元件相关联的成本并减少能量损耗。
例如，包括晶体(例如单晶或多晶)硅的光伏阵列例如可以在1200伏下工作在开放负载状态，包括非晶硅的光伏阵列可以在1400伏下工作在开放负载状态。尽管阵列能够施加高的开放负载电压，但阵列很少这样做，因为一旦从阵列汲取电力，阵列的负载电压就会有很大下降。例如，在负载条件下，晶体硅阵列可以工作在780到960伏之间，非晶硅可以工作在680伏附近。
有各种额定电压的逆变器可用，以适应很少遇到的阵列卸载电压条件。但是，额定电压更高的逆变器通常成本更高，工作效率低于用于在较低电压工作的逆变器。因此，如果不需要将逆变器设计成处理高开放负载电压，常常利用比可用的硅效率更低且成本较低的硅来设计逆变器。
例如，使用额定电压大约1400伏的硅的逆变器损耗显著大且成本比使用额定1200伏应用的硅的逆变器高很多。因此，需要一种系统和方法来克服当前技术的不足并提供其他新的和创新特征。
发明内容
下面总结附图所示的本发明的示范性实施例。在具体实施方式部分中更充分地描述了这些和其他实施例。不过，要理解，并没有意图来将本发明限制到发明内容或具体实施方式中所述的形式。本领域的技术人员可以认识到，有很多修改、等价物和替代构造落在如权利要求所表达的本发明精神和范围之内。
在一个实施例中，本发明的特征可以在于一种光伏系统，该光伏系统包括适于耦合到光伏阵列的第一和第二轨(rail)的第一和第二输入端。在该实施例中，逆变器被配置成将来自光伏阵列的DC功率转换成AC功率，接口部分耦合到所述第一和第二输入端和所述逆变器，所述接口部分被配置成将所述第一和第二输入端中的至少一个与所述逆变器隔离开并对从所述光伏阵列向所述逆变器的电压的施加进行调制，以便增大所述光伏阵列上的负载并减小从所述光伏阵列向所述逆变器施加的电压。
在另一实施例中，本发明的特征可以在于一种用于将光伏阵列与逆变器接口连接的方法。在该实施例中，本发明包括将光伏阵列与逆变器电隔离，在光伏阵列的输出端施加初始电压，调制设置在光伏阵列上的负载以便在光伏阵列的输出端提供降低的电压，以及利用降低的电压向逆变器施加功率。
在又一个实施例中，本发明的特征可以在于一种光伏接口，所述光伏接口包括两个能够耦合到光伏阵列的输入端，所述输入端被配置成接收由光伏阵列施加的初始电压。此外，在该实施例中，接口包括两个能够耦合到逆变器的输出端，所述输出端被配置成向逆变器施加工作电压。在该实施例中，开关部分被配置成逐渐在所述两个输入端两端设置负载，以便将由所述光伏阵列施加的初始电压降低到所述逆变器的工作电压。
如上所述，上述实施例和实施方式仅出于例示的目的。从以下描述和权利要求，本领域的技术人员容易认识到本发明的很多其他实施例、实施方式和细节。
附图说明
在结合附图参考以下具体实施方式和所附权利要求时，本发明的各种目的和优点，以及对其更透彻的理解将是显而易见的，并更容易得到理解，
附图中：
图1是示出了光伏系统的示范性实施例的方框图；
图2是参考图1所述的系统的示范性实施例的示意图；
图3是参考图1所述的系统的另一实施例的示意图；
图4A是示出了图3所示作为时间的函数的开关位置的曲线图；
图4B是示出从阵列流到图3所示逆变器的作为时间的函数的电流的曲线图；
图4C是示出了图3所示光伏阵列的作为时间的函数的电压的曲线图；
图5是参考图1所述的系统的另一示范性实施例的示意图；
图6是流程图600，示出了可以结合参考图1-5所述的实施例执行的示范性方法。
具体实施方式
现在参考附图，其中在几幅图中以相同的附图标记表示相像或相似的元件，具体参考图1，这是示出了光伏系统100的方框图，光伏系统100包括经由光伏(PV)接口104耦合到逆变器108的光伏阵列102。
通常，光伏阵列102将太阳能转换成DC电功率，由逆变器108将DC电功率转换成AC功率(例如三相功率)。PV接口204一般用于使逆变器108(被设计成工作在较低电压)能够结合PV阵列102被利用，PV阵列102在至少一部分时间内(例如在无负载时)工作在超过逆变器108设计的工作电压的电压。
在很多实施例中，PV接口104是低占空因数装置，仅在启动和/或关闭期间短暂工作，以逐渐将PV阵列102连接到逆变器108或与逆变器108断开连接。在一些实施例中，例如，PV接口104在启动和/或关闭期间工作一秒或仅仅几秒。在一些实施方式中，例如，从低占空比到高占空比(例如从10％到100％)对接口中的开关部分的占空比进行脉宽调制，以逐渐为PV阵列102加载，因此，将阵列102的电压从初始电压(例如，无负载电压)降低到较低电压(例如，大约为逆变器108的最佳电压)。
一旦PV阵列102被加载，且从其初始电压降低PV阵列的电压，接口104就将PV阵列102耦合到逆变器108，并使接口104的开关部分停止工作。因此，在很多实施例中，逆变器108并未暴露于PV阵列102可能有破坏性的开放负载电压，在稳态工作期间(例如，在PV阵列102的电压减小之后)，接口104的开关部分对系统100的效率的作用就不大了。不过，在几个实施例中，系统100的效率相对于现有技术得到很大提高，因为逆变器108是利用被设计成工作在低于PV阵列102的初始(即无负载电压)电压的电压的硅来实现的。
如这里进一步所述，在一些实施例中，光伏阵列102是双极阵列，在这些实施例中的很多实施例中，布置阵列102的至少一部分以工作于相对于地的正电压下，而阵列102的另一部分工作在地电压以下。但这并非必须要求的，在其他实施例中，光伏阵列102是单极阵列，在一些变化中，其工作在比地高很多或比地低很多的电压下。
在一些实施例中，阵列102中的电池包括晶体(例如单晶或多晶)硅，晶体硅在开放负载状态中工作于1200伏，在加载状态下工作于780和960伏之间。在其他实施例中，阵列包括的电池包括非晶硅，所述非晶硅在开放负载状态下工作于1400伏，在加载状态下工作在大约900伏。不过，本领域技术人员将认识到，光伏阵列102可以包括布置成多种不同构造的各种不同类型的光伏电池。例如，光伏电池可以并联、串联布置或是其组合。
如这里进一步所述，接口104的几个实施例有益地使得能够结合高效率、高压PV阵列利用低成本和高效率的逆变器。例如，不是(例如，在逆变器108的IGBT中)利用1400伏硅来适应1400伏的开放负载PV电压，在一些实施例中，在逆变器108中实施1200伏硅，其成本是1400V硅的大致一半且效率高得多。
接着参考图2，示出了参考图1所述的系统100的示范性实施例的示意图。如图2中所示的系统200中所示，经由示范性接口204将双极光伏阵列202耦合到逆变器208，接口204包括开关部分，开关部分包括分路开关206，分路开关206被布置和配置成将逆变器208耦合到阵列202，而逆变器208不暴露于阵列202可能有破坏性的开放负载电压。
如图所示，分路开关206布置于阵列202的正负轨两端，并通过输入引线212耦合到接口204的控制部分210。此外，沿着系统200的正轨与接触器216串联地布置二极管214，接触器216通过控制引线218耦合到控制部分210，尽管未示出，在很多实施方式中，接口的负轨还包括DC接触器，以将阵列202的负输出端连接到逆变器208或与其断开。
在很多实施例中，开关206是绝缘栅极双极晶体管(IGBT)，布置其以便将IGBT的集电极-发射极电流路径耦合在接口204的正负轨之间，开关206的栅极耦合到控制引线212。不过，在其他实施例中，由其他开关技术来实现开关206而不脱离所主张的发明范围。
在一些实施例中，通过处理器实现控制部分210，处理器被配置成执行存储器中存储的指令，但这不是必需的，在其他实施例中，通过硬件实现控制部分210。还想到在其他实施例中通过硬件和软件的组合来实现控制部分210。还应当认识到，控制部分210的绘示仅仅是逻辑上的，可以由分布于接口204之内和/或外部的控制部件来控制接口204。
在一些实施例中，在启动期间，在阵列202正在产生可能对逆变器208有破坏的初始电压的同时，利用接口204使逆变器208与阵列202联机(online)。在其他实施例中，在关闭期间采用接口204以从阵列移除逆变器208，同时阵列202仍然在系统200的轨的两端施加基本电压。在其他实施例中，在启动和关闭期间都使用接口204。
在示范性启动过程期间，将电容器215(例如，利用未示出的软起动开关装置或PV阵列202)充电到大致为逆变器208的工作电压(例如，大约900伏)，并打开逆变器208，使接触器216开放。然后闭合分路开关206使得阵列202短路，然后在通过打开分路开关206迫使电流进入逆变器208之前，闭合接触器216。在该实施例中，二极管214防止在闭合分路开关206的同时损伤总线电容器215。
在关闭期间，在一个实施例中，闭合分路开关206以防止大量电流通过接触器216流向逆变器208。然后打开接触器216以将逆变器208与阵列202隔离开，然后打开分路开关206。
接着参考图3，示出了参考图1所述的系统的另一实施例的示意图。如图所示，该实施例中的系统300包括阵列302，阵列302经由接口304耦合到逆变器308，接口304部分由开关部分实现，开关部分包括沿系统300的正轨串联布置的开关320。如图所示，在平行于DC接触器316的路径中，连同电感器322一起布置开关320，DC接触器316沿着接口304的正轨布置。还示出了耦合于接口302的正负轨之间的电容器324以及耦合于开关320和电感器322的接头之间的循环二极管326。在该实施例中，控制部分310耦合到开关320的输入引线328和接触器316的控制引线318。
在很多工作模式中，图3所示的接口304用于逐渐将阵列302耦合到逆变器308，使得逆变器308不暴露于阵列302可能有破坏性的电压(例如，开放负载电压)。例如，参考图4A、4B和4C，示出了曲线图，分别示出了作为时间的函数的开关320的位置、从阵列302流到逆变器308的电流以及阵列302的电压。
如图所示，一开始，在阵列302暴露于日光但尚未耦合到逆变器308时，接触器316是打开的，阵列302向接口304施加开放负载电压V1，但没有电流从阵列302通过接口304流到逆变器308。在时间t1，如图4A所示，短暂闭合开关320；如图4B所示，电流开始流过接口304；如图4C所示，阵列302输出的电压开始降到V1以下。
如图4A所示，在这种示范性工作模式中，对发送到开关320的信号328，从而对开关320的闭合进行脉宽调制，使得在时间t1和t2之间开关320相继闭合更长的时间量。如图4A、4B和4C所示，在时间t1和t2之间增大开关320的占空比的同时，从阵列302到逆变器308通过接口304的电流持续增大，阵列302输出端的电压继续从V1降到V2。在一个实施例中，对开关320进行脉宽调制，使得从时间t1和t2，开关320的占空比从大约10％变到100％，在t1和t2之间大约一秒时间内施加脉冲(和闭合)开关320大约100次，但不必一定要求这样，在其他实施例中，使用其他调制方案。
在很多实施例中，一旦阵列302输出的电压减小到期望水平(例如，可以被逆变器308容忍的水平和/或电力传输的最佳水平)，就闭合接触器316，打开开关320，从而将从阵列302输出的电压V2施加到逆变器308。在一些实施例中，例如，电压V1大约为1200VDC，V2大约为900VDC。
在一些实施例中，接口304还被配置成在阵列302向逆变器308施加较高电压(例如全负载电压)的同时从阵列302解耦逆变器308。在这些实施例中，闭合开关320，然后打开接触器316，从而使开关320能够通过从高占空比(例如100％的占空比)切换到低占空比(例如0％)而从逆变器308解除阵列302的耦合。
接着参考图5，示出了参考图1所述的系统100的另一示范性实施例的示意图。如图所示，系统500中的接口504包括分路开关206以及由控制部分510控制的串联设置的开关320。在该实施例中，在启动期间利用串联开关320逐渐将逆变器508耦合到阵列502，同时阵列以参考图3和4所述的方式向系统500的轨施加电压，且分路开关306用于如参考图2所述从阵列502解除逆变器508的耦合。
尽管参考图3和4所述的串联开关320或参考图2所述的分路开关206可用于启动和关闭过程，但在该实施例中，分路开关206能够更快速地从逆变器508移除阵列502，串联开关320通常更适于更平稳地将阵列502耦合到逆变器508。
接下来参考图6，示出了流程图600，示出了可以结合参考图1-5所述的实施例执行的示范性方法。如图所示，一开始，在阵列正在阵列输出端施加电压(例如开放负载电压)时，光伏阵列(例如阵列102)与逆变器(例如逆变器108)电隔离(方框602、604和606)。然后调制设置在光伏阵列上的负载，以在光伏阵列的输出端提供下降的电压，并利用下降的电压向逆变器施加功率(方框608、610和612)。
如上所述，在一些实施例中，利用包括分路开关(例如分路开关206)的开关部分调制设置在阵列上的负载。在其他实施例中，利用包括串联布置的开关(例如，串联布置的开关320)的开关部分调制设置在阵列两端的负载。
总之，本发明提供了一种用于与光伏阵列进行接口连接的系统和方法，等等。本领域的技术人员可以容易认识到，可以在本发明、其用途及其构造中做出众多变化和置换以实现与这里所述实施例实现的基本相同的结果。因此，无意将本发明限制到所公开的示范性形式。很多变化、修改和备选构造落在如权利要求所表达的所公开发明的范围和精神之内。

Claims (19)

1.一种光伏系统，包括：
适于耦合到光伏阵列的第一和第二轨的第一和第二输入端；
被配置成将来自所述光伏阵列的DC功率转换成AC功率的逆变器；以及
耦合到所述第一和第二输入端和所述逆变器的接口部分，所述接口部分被配置成将所述第一和第二输入端中的至少一个与所述逆变器隔离开并且对从所述光伏阵列向所述逆变器的电压的施加进行调制，以便增大所述光伏阵列上的负载并且减小从所述光伏阵列向所述逆变器施加的电压。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述接口部分包括
与隔离开关并联布置的串联开关，所述串联和所述隔离开关中的每一个都耦合到所述第一和第二输入端中的一个，所述隔离开关被配置成打开，以便将所述第一和第二输入端中的一个与所述逆变器隔离开，所述串联开关被配置成能够闭合相继的更长的时间，以便对从所述光伏阵列向所述逆变器的所述电压的所述施加进行调制。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述串联开关包括绝缘栅极双极晶体管。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述接口部分包括：
布置在所述第一和第二输入端两端的分路开关，所述分路开关被配置成闭合相继的更短的时间，以便对从所述光伏阵列向所述逆变器的所述电压的所述施加进行调制。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述接口部分包括：
与隔离开关并联布置的串联开关，所述串联和所述隔离开关中的每一个都耦合到所述第一和第二输入端中的一个，所述隔离开关被配置成打开，以便将所述第一和第二输入端中的一个与所述逆变器隔离开，所述串联开关被配置成闭合相继的更长的时间，以便对从所述光伏阵列向所述逆变器的所述电压的所述施加进行调制；以及
布置在所述第一和第二输入端两端的分路开关，所述分路开关被配置成闭合相继的更长的时间段，以便对从所述光伏阵列向所述逆变器的所述电压的所述施加进行调制。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述串联开关适于闭合相继的更长的时间，以便相继增大所述光伏阵列上的负载，所述分路开关被配置成闭合相继的更长的时间段，以便减小设置在所述光伏阵列中的逆变器负载。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述接口部分被配置成将从所述光伏阵列施加到所述逆变器的电压从大于1000伏的电压降低到小于1000伏的电压。
8.一种用于使光伏阵列与逆变器进行接口连接的方法，包括：
将所述光伏阵列与所述逆变器电隔离；
在光伏阵列的输出端施加初始电压；
调制设置在所述光伏阵列上的负载，以便在所述光伏阵列的输出端提供降低的电压；以及
利用所述降低的电压向所述逆变器施加功率。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，将光伏阵列与逆变器电隔离包括将所述光伏阵列的一个轨与所述逆变器隔离。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，施加在所述光伏阵列的输出端的初始电压超过1300伏，并且其中所述降低的电压小于1000伏。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述调制包括相继将所述负载设置在所述光伏阵列上更长的时间段。
12.根据权利要求8所述的方法，包括在来自所述光伏阵列的降低的电压达到期望电压之后，将所述光伏阵列电耦合到所述逆变器。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述初始电压高于所述逆变器的设计电压。
14.根据权利要求8所述的方法，包括：
从所述逆变器分流电流以降低从所述光伏阵列施加到所述逆变器的电压；以及
在所述分流之后，将所述光伏阵列与所述逆变器电隔离，从而从所述光伏阵列移除所述逆变器。
15.一种光伏接口装置，包括：
能够耦合到光伏阵列的两个输入端，所述输入端被配置成接收由所述光伏阵列施加的初始电压；
能够耦合到逆变器的两个输出端，所述输出端被配置成向所述逆变器施加工作电压；以及
被配置成逐渐在所述两个输入端两端设置负载的开关部分，以便将由所述光伏阵列施加的所述初始电压降低到所述逆变器的所述工作电压。
16.根据权利要求15所述的光伏接口，其中，所述开关部分包括与隔离开关并联布置的串联开关，所述串联和所述隔离开关中的每一个都耦合到所述第一和第二输入端中的一个，所述隔离开关被配置成打开，以便将所述第一和第二输入端中的一个与所述逆变器隔离开，所述串联开关被配置成能够闭合相继的更长的时间，以便对从所述光伏阵列向所述逆变器的所述电压的所述施加进行调制。
17.根据权利要求16所述的光伏接口，其中，所述开关部分包括设置在所述第一和第二输入端两端的分路开关。
18.根据权利要求16所述的光伏接口，其中，所述开关部分包括：
与所述第一和第二输入端中的至少一个串联布置的串联开关，所述串联开关被配置成从低占空比调整到高占空比，以便逐渐将所述光伏阵列耦合到所述逆变器。
19.根据权利要求18所述的光伏接口，其中，所述开关部分包括：
布置在所述第一和第二输入端两端的分路开关，所述分路开关被配置成闭合，以便能够从所述光伏阵列移除所述逆变器而不将所述逆变器暴露于破坏性的电流。
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