CN101958659A - 用于将直流电力转换成交流电力的系统、方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例可提供用于将直流(DC)电力转换成交流(AC)电力的系统、方法和设备。根据一个实施例，可提供一种用于将DC电力转换成AC电力的系统200。系统200可包括向转换器215提供第一DC电力信号的DC电源205。耦合到转换器215的可以是用于将第一DC电力信号变换成多个AC电力信号的控制器230。控制器230还可将多个AC电力信号中的至少一个相移，并且将经过相移的AC电力信号与多个AC电力信号中的其它至少一个进行组合以提供第二DC电力信号。一旦提供第二DC电力信号，控制器230可将第二DC电力信号转换成AC电力信号。

Description

用于将直流电力转换成交流电力的系统、方法和设备
技术领域
本发明涉及电力转换，更具体来说，涉及用于将直流(DC)电力转换成交流(AC)电力的系统、方法和设备。
背景技术
诸如燃料电池或光伏电池之类的直流(DC)电源通常可用作电力源。虽然这些DC电源提供电力源，但是这些源提供的电力在被电耦合到负载之前需要进行调节。例如，由于许多电力应用需要稳定的交流(AC)电源而不是DC电源来工作，所以电力转换系统已经适合修改从DC电源提供的电力。
在修改所提供的DC电力时，电力转换系统可采用开关类型电子系统。要调节由DC电源所提供的DC电力，可快速接通和断开这些开关类型电子系统。但是，这种快速开关会引起从DC电源所吸取的电流改变，从而引起AC纹波电流。这类AC纹波电流引起DC电源中的传导损耗，并且降低系统的效率。常规系统已经采用滤波器和/或修改其电子系统的操作以限制AC纹波电流。但是，这些修改增加组件成本，并且可能减少系统的寿命。
因此，需要一种具有减小的AC纹波电流的电力转换系统，作为用于将DC电力转换成AC电力的系统、方法和设备的组成部分。还需要用于将直流(DC)电力转换成交流(AC)电力的系统、方法和设备。
发明内容
本发明的某些实施例可解决上述部分或全部需要。本发明的某些实施例针对用于将直流(DC)电力转换成交流(AC)电力的系统、方法和设备。本发明的其它某些实施例可提供一种具有减小的AC纹波电流的电力转换系统，作为用于将DC电力转换成AC电力的系统、方法和设备的组成部分。根据一个实施例，可提供一种用于将DC电力转换成AC电力的方法。该方法可包括由转换器从至少一个DC电源接收第一DC电力信号。该方法还可包括将第一DC电力信号变换成多个AC电力信号。该方法还可包括将多个AC电力信号中的至少一个相对于多个AC电力信号中的其它至少一个移位预定相位量。此外，该方法可包括将经过相移的AC电力信号与多个AC电力信号中的其它至少一个进行组合，从而提供第二DC电力信号。该方法还可包括将第二DC电力信号转换成AC电力信号。
根据本发明的另一个实施例，可提供一种用于将DC电力转换成AC电力的系统。该系统可包括电耦合到转换器的至少一个DC电源。至少一个DC电源可向转换器提供第一DC电力信号。耦合到转换器的可以是至少一个控制器。控制器可以可操作以将第一DC电力信号变换成多个AC电力信号，并且将多个AC电力信号中的至少一个相对于多个AC电力信号中的其它至少一个移位预定相位量。此外，控制器可以可操作以将经过相移的AC电力信号与多个AC电力信号中的其它至少一个进行组合，从而提供第二DC电力信号。控制器还可以可操作以将第二DC电力信号转换成AC电力信号。
根据本发明的又一个实施例，可提供一种用于将DC电力转换成AC电力的设备。该设备可包括电耦合到转换器并且可操作以接收第一DC电力信号的至少一个电感器。该设备还可包括电耦合到至少一个电感器的至少一个开关组件。该设备还可包括电耦合到开关组件并且可操作以将第一DC电力信号变换成多个AC电力信号的控制器。控制器还可以可操作以经由至少一个开关组件、将多个AC电力信号中的至少一个相对于多个AC电力信号中的其它至少一个移位预定相位量。控制器还可将经过相移的AC电力信号与多个AC电力信号中的其它至少一个进行组合，从而提供第二DC电力信号。控制器还可将第二DC电力信号转换成AC电力信号。
通过结合以下附图进行的以下描述，本发明的其它实施例和方面将会变得显而易见。
附图说明
这样已经概括地描述了本发明，现在将参照附图，附图不一定按比例绘制，其中：
图1示出用于将直流(DC)电力转换成交流(AC)电力的常规系统。
图2示出根据本发明的一个实施例、用于将DC电力转换成AC电力的示范系统。
图3示出根据本发明的另一个实施例、用于将DC电力转换成AC电力的示范系统。
图4示出根据本发明的另一个实施例、用于将DC电力转换成AC电力的示范系统。
图5示出根据本发明的一个实施例、用于将DC电力转换成AC电力的示范方法。
具体实施方式
现在参照附图在下文中更全面地描述本发明，附图中示出本发明的示例实施例。但是，本发明可通过许多不同的形式来实施，而不应当理解为局限于本文所提出的示例实施例；相反，提供这些实施例，使得本公开向本领域的技术人员传达本发明的范围。通篇中相似的标号指代相似的元件。
图1示出用于将直流(DC)电力转换成交流(AC)电力的常规系统100。在系统100中，可提供光伏阵列105作为DC电力的源。虽然光伏阵列105可利用几乎无穷的能量源，但是，如同包括燃料电池、蓄电池等等在内的其它DC电源那样，光伏阵列105不能直接电耦合到如公用电网110之类的负载。相反，因为光伏阵列105提供可随局部条件而改变的DC类型的电力，所以光伏阵列105的DC电力输出应当在被结合到或者以其它方式连接到公用电网110之前经过稳定并且转换成AC电力。在系统100中，可通过将光伏阵列105电耦合到DC-DC转换器115和DC-AC逆变器120来执行这些操作。
DC-DC转换器115和DC-AC逆变器120的组合可把来自光伏阵列105的电能转换成相对稳定可靠的AC电力源。更具体来说，DC-DC转换器115可电耦合到光伏阵列105，并且可调节从光伏阵列105所提供的DC电力，以便使DC电压更一致。DC-AC逆变器120可在将经过调整的电力提供给如公用电网110之类的负载之前，将经过调节的DC电力转换成AC电力。
在系统100中，DC-DC转换器115可以是开关类型调整器，它可操作以使用可由控制器125提供的脉宽调制控制的形式来调节DC电压。因为控制器125在断开和闭合位置之间反复开关或切换DC-DC转换器115的某个部分以调节DC电力，所以DC-DC转换器115可从光伏阵列105吸取AC纹波电流，并且可向DC-AC逆变器120提供AC纹波电流。但是，从光伏阵列105吸取纹波电流可能是不合需要的，因为它可增加从电池所吸取的有效电流，这增加电池中的电阻损耗并且降低电池的效率。类似地，向DC-AC逆变器120提供AC纹波电流也可能是不合需要的，因为它可将不稳定性引入系统100。
因此，在如系统100之类的常规系统中，已经通过滤波和频率修改来减小AC纹波电流。更具体来说，因为AC纹波电流是高频信号，所以电容器已被用于从系统中滤出这类电流。还增大了开关频率，以便减小AC纹波电流。但是，增大DC-DC转换器115中的开关频率可引起增加的开关损耗。而且，虽然对AC纹波电流进行滤波减小AC纹波电流量，但是滤波可引起导体和介电损耗。增加的电力损耗可损害常规系统100的效率，并且可引起增加的成本。有时希望降低与常规系统100关联的这些成本和缺陷。
图2示出根据本发明的一个实施例、用于将DC电力转换成AC电力的示范系统200。系统200可包括DC-DC转换器215和DC-AC逆变器250，或者统称为设备。DC-AC逆变器250可接收来自DC-AC逆变器250的DC电力，并且在将AC电力提供给如公用电网110之类的负载之前，可将DC电力转换成AC电力。系统200还可包括DC电源205，DC电源205可以是任何适当的DC电源，诸如光伏电池、燃料电池、这类电池的阵列、蓄电池等等。
DC-DC转换器215可包括并联输入段，其中的每个段可耦合到相应的电感器。在示范系统200中，DC-DC转换器215可包括耦合到相应电感器220和225的两个并联输入段。电感器220和225可以可操作以接收来自DC电源205的DC电力，并且将这个DC电力提供给DC-DC转换器215的各输入段。一旦接收到来自电感器220和225的DC电力，DC-DC转换器215可适合调节DC电力，以便减小从DC电源205吸取并且提供给DC-AC逆变器250的AC纹波电流量。
在一个实施例中，DC-DC转换器215可适合通过控制器230来交错与各输入级的DC电力关联的电流，以便减小AC纹波电流。换言之，控制器230可适合修改DC-DC转换器215的一个或多个工作特性。控制器230可使用用于执行上述功能的硬件、软件或者它们的组合来实现。举例来说，控制器230可以是处理器、ASIC、比较器、差分模块或者其它硬件部件。控制器230还可包括软件或者其它计算机可执行指令，它们可存储在存储器中，并且可以是处理器或者其它处理部件可执行的。
在示范实施例中，占空因数控制可由控制器230提供给DC-DC转换器215的一个或多个输入级。占空因数控制涉及当总周期时间固定时开关机构的通断时间之比。在本发明的其它实施例中，可采用频率控制。与占空因数控制不同，当使用频率控制时，总周期时间可改变，而开关机构的通断时间之比可保持固定。在本发明的其它实施例中，可采用占空因数控制和频率控制的组合，使得总周期时间和通断时间之比都可改变。
当使用占空因数控制时，控制器230可通过相移应用于各输入级的占空因数来交错各输入级的DC电力。更具体来说，通过相对于第一输入级来改变DC-DC转换器215的第二输入级的占空因数，提供给DC-DC转换器215的第二输入级的DC电力的纹波电流可相对于提供给DC-DC转换器215的第一输入级的DC电力相移大约180度。一旦DC-DC转换器215的各级的DC电力的纹波电流经过相移，则可例如通过耦合到电容器组的整流器电路或者用于组合多个DC电力源的其它电路来组合各级的DC电力。通过以这种方式组合相移后的纹波电流，总AC纹波电流可因提供给DC-DC转换器215的各级的电流的相反相位而减小。在本发明的其它实施例中，用于组合多个DC电力源的电路可包括作为一个或多个DC-DC升压转换器电路的组成部分的一个或多个二极管。这些DC-DC升压转换器电路可包括诸如IGBT或MOSFET之类的有源开关，它们还可包括反向并联二极管。
举例说明，DC-DC转换器215可电耦合到电流传感器235和240。在236，示出由电流传感器235所测量的、提供给DC-DC转换器215的第一输入级的电流。在241，示出由电流传感器240所测量的、提供给DC-DC转换器215的第二输入级的电流。在将236处的电流与241处的电流进行比较时，与提供给第一输入级的电流相比，如在241所示的提供给DC-DC转换器215的第二输入级的电流可移相大约180度。当来自DC-DC转换器215的第一输入级的电流与来自DC-DC转换器215的第二输入级的电流组合时，其相位可偏移。换言之，当第一电流的幅值如237所示增大到高于大约150Amp DC偏移时，第二电流的幅值如242所示减小近似相同的量而低于大约150Amp DC偏移。因此，当组合两个电流时，与变化相位关联的AC纹波电流可减小，并且只有两个级的DC偏移电压可保持，如245所示。
大家会理解，在一些实施例中，DC-DC转换器215可经过修改以包括附加的输入级。由于与效率、设计限制、代码要求等相关的原因，可进行这类修改。图3示出用于将DC电力转换成AC电力的示范系统300，它包括可经过修改而包括三个输入级的DC-DC转换器315。
与系统200相似，系统300可包括DC电源305和DC-AC逆变器350。经修改而包括三个输入级的DC-DC转换器315可电耦合到电感器320、325和330。控制器335可以可操作以控制DC-DC转换器315，从而例如通过交错和占空因数控制来减小AC纹波电流。在系统300中，电流传感器340、345和347可测量提供给DC-DC转换器315的各并联输入级的电流。
如341、346和348所示，可交错提供给各输入级的电流，并且可减小AC纹波电流。在系统300中，提供给各级的电流可相对于提供给前一级的电流相移大约120度。来自DC-DC转换器315的各并联输入级的三个电流可组合以形成第二DC电力信号，以及部分由于这三个电流的变化相位，AC纹波电流可进一步减小，如355所示。
作为举例而示出图2和图3的示例元件，其它系统和设备实施例可具有更少或更多数量的元件，并且这类元件可根据本发明的其它实施例以其它配置来设置。也就是说，虽然上述实施例涉及具有两个或三个并联输入段的转换器，但是应当理解，可采用更多并联输入段。当采用多个输入段时，提供给关联转换器的各并联输入级的DC电力可相移预定量。例如，在一些实施例中，对于转换器中的每n个并联输入级，提供给转换器的各并联输入级的DC电力可相移大约360/n度。
此外，在上述两个实施例中，示范值被选择成减小DC电源中的AC纹波电流，使得总电流相对恒定。大家会理解，在许多实施例中，相对少量的AC纹波电流可持续。在一些实施例中，持续的AC纹波电流的量可与转换器中的并联段的数量有关。在其它实施例中，持续的AC纹波电流的量可与转换器是否可操作以将DC电源205所提供的DC电力从第一电压升高到第二电压有关。在AC纹波电流持续的这种情况下，滤波器可与用于减小总AC纹波电流的开关组件组合使用。
图4示出用于将DC电力转换成AC电力的系统400，该系统采用滤波器405和410，与组成DC-DC转换器415并且耦合到DC-AC逆变器450-统称设备-的多个开关组件相结合。DC-DC转换器415包括耦合到三个并联电感器的三个并联输入级。第一输入级包括耦合到绝缘栅双极晶体管(IGBT)417和电感器418的IGBT 416。第二输入级包括耦合到IGBT 420和电感器421的IGBT 419。第三输入级包括耦合到IGBT 423和电感器424的IGBT 422。电感器418、421和424可并联耦合到DC电源、如光伏阵列425。
大家会理解，虽然在示范实施例中示出IGBT开关机构，但是也可使用其它开关机构。可使用的其它开关机构包括但不限于以下各项：MOSFET、双极结型晶体管或者半导体开关。
系统200中如控制器230之类的控制器可适合操作DC-DC转换器415的IGBT，并且通过电感器418、421和424将提供给各并联输入级的DC电力相移。IGBT的占空因数与输入和输出电压相关，并且可在0％与100％之间改变。更具体来说，在一个实施例中，能以大约50％占空因数来接通和断开IGBT，以便提供预期响应。例如，可在大约50％占空因数的前沿接通IGBT 417。当接通IGBT 417时，提供给DC-DC转换器415的第一级的电流可提升到高于DC偏移，如图表440所示。在与120度相位对应的时间，可接通IGBT 420。换言之，可将应用于IGBT 420的大约50％占空因数时间延迟与大约120度相位对应的量。这样，时间/相位延迟可使提供给DC-DC转换器415的第二级的电流提升到高于DC偏移，但是与第一级中的电流相比，大约120度异相，如图表441所示。类似地，IGBT 423可在对应于比接通IGBT 417时要迟大约240度的时间接通，并且可提供如442所示的电流响应。通过这些方式，当组合来自DC-DC转换器415的三个并联输入级的电力时，AC纹波电流可减小，如443所示，因为在各并联输入级的电流的相位可相对彼此偏移。在本发明的一个备选实施例中，IGBT 416、419和422可在其反向并联二极管正传导电流的时间或者在其它时间接通，以便提供附加特征和功能性。
对于可能保留的任何AC纹波电流，滤波器405和410可用作系统400的组成部分。因为本发明的某些实施例可减小系统400中存在的总AC纹波电流，所以用作系统400的组成部分的一些或全部滤波器可具有相对较小的电力设计，以便适应较小的AC纹波电流。在示范实施例中，滤波器405和410被示为用于将高频电流引导到地、例如大地或AC地的电容器。大家会理解，在其它实施例中，可使用其它滤波器。其它类型的滤波器包括但不限于以下各项：二极管、整流器或无源组件。
图5示出根据本发明的一个实施例、用于将DC电力转换成AC电力的示范方法500。方法500可在框505开始，其中来自DC电源的第一DC电力信号可提供给如图2中的DC-DC转换器215之类的转换器并且由其接收。DC电源可对应于任何DC电力源。例如，示范DC电源可包括但不限于光伏电池、燃料电池、这类电池的阵列、蓄电池等等。
方法500可在框510继续进行，其中可将DC电源所提供的第一DC电力信号变换成多个AC电力信号。例如，在一个实施例中，可将DC电力信号变换成两个AC电力信号，如同系统200中那样，在系统200中，与DC-DC转换器215组合的电感器220和225可把来自DC电源205的DC电力信号变换成在236和241所示的两个AC电流信号。在另一个实施例中，可将DC电源所提供的DC电力信号变换成三个AC电力信号，如同系统300中那样。在其它实施例中，可将DC电源所提供的DC电力信号变换成三个以上AC电力信号。
在框515，可将多个AC电力信号中的至少一个相对于多个AC电力信号中的其它至少一个移位预定相位量。例如，如关于图2所述，在将DC电力信号变换成两个AC电力信号时，预定相位量可以是大约180度。在另一个实施例中，在将DC电力信号变换成三个AC电力信号时，预定相位量可以是大约120度。在其它实施例中，在将DC电力信号变换成n个AC电力信号时，预定相位量可以是大约360/n度。虽然在示范实施例中，所提出的预定相位量为对称的，但是大家会理解，在其它实施例中，预定相位量无需是对称的。
方法500可进行到框520，其中可将经过相移的AC电力信号与多个AC电力信号中的其它至少一个进行组合，从而提供第二DC电力信号。在一个实施例中，可经由电耦合到电容器组来将经过相移的AC电力信号与多个AC电力信号中的其它至少一个进行组合。在另一个实施例中，可使用整流器电路。在又一些实施例中，可使用用于将多个DC电力源与AC电力组件组合的其它电路。
在一些实施例中，一旦生成第二DC电力信号，则可调节第二DC电力信号。例如，第二DC电力信号可经过稳定和/或调整，以便以某个功率级来提供一致的DC电力信号。在一些实施例中，如DC-DC转换器215之类的转换器可适合用于这个目的。类似地，在可调整第二DC电力信号时，还可例如采用增压转换器或升压转换器将第二DC电力信号从第一电压升高到第二电压。
在框525，方法500可继续例如采用分别在图2和图3中的DC-AC逆变器250和350来将第二DC电力信号转换成AC电力信号。大家会理解，作为举例而示出图5的示例元件，其它过程实施例可具有更少或更多数量的元件，并且这类元件可根据本发明的其它实施例以备选配置来设置。
在示范实施例中，方法500可用于将DC电力转换成AC电力，并且减小AC纹波电流。虽然在一些实施例中，完全消除AC纹波电流可能是极高成本的，但是大家会理解，相对较小的AC纹波电流可提供某些特征。例如，通过相对较小的AC纹波电流，相对较小但更经济的滤波电路可用于减小剩余的AC纹波电流。实现更经济的设计是本发明的至少一种技术效果。此外，较小的AC纹波电流可支持关联DC电源的效率，因为采用恒定电流吸取，存在更少的传导损耗。增加的系统效率是本发明的至少一种其它技术效果。
获益于以上描述及关联附图所提供的教导的、本发明相关领域的技术人员将会想到本文所提出的发明的许多修改和其它实施例。因此，本领域的技术人员会理解，本发明可通过许多形式来实施，而不应当局限于上述实施例。因此，要理解，本发明并不局限于所公开的具体实施例，修改和其它实施例意欲包含在所附权利要求的范围之内。虽然本文中采用具体术语，但是它们仅以一般的描述意义来使用，而不是用于限制。
配件表
100 系统
105 光伏阵列
110 公用电网
115 DC-DC转换器
125 控制器
150 DC-AC逆变器
200 系统
205 DC电源
215 DC-DC转换器
220 电感器
225 电感器
230 控制器
235 电流传感器
240 电流传感器
250 DC-AC逆变器
300 系统
305 DC电源
315 DC-DC转换器
320 电感器
325 电感器
330 电感器
335 控制器
340 电流传感器
345 电流传感器
347 电流传感器
350 DC-AC逆变器
400 系统
405 滤波器
410 滤波器
415 DC-DC转换器
416 IGBT
417 IGBT
418 电感器
419 IGBT
420 IGBT
421 电感器
422 IGBT
423 IGBT
424 电感器
425 光伏阵列
450 DC-AC逆变器
500 方法
505 框
510 框
515 框
520 框
525 框

Claims (10)

1.一种用于将直流(DC)电力转换成交流(AC)电力的方法(500)，所述方法包括：
由转换器(115)接收(505)来自至少一个DC电源(105)的第一DC电力信号；
将所述第一DC电力信号变换(510)成多个AC电力信号；
将所述多个AC电力信号中的至少一个相对于所述多个AC电力信号中的其它至少一个移位(515)预定相位量；
将至少一个经过相移的AC电力信号与所述多个AC电力信号中的其它至少一个进行组合(520)，从而提供第二DC电力信号；以及
将所述第二DC电力信号转换(525)成AC电力信号。
2.一种用于将直流(DC)电力转换成交流(AC)电力的系统(200)，所述系统包括：
至少一个DC电源(205)，所述至少一个DC电源(205)电耦合到转换器(215)并且可操作以向所述转换器提供第一DC电力信号；
至少一个控制器(230)，所述至少一个控制器(230)电耦合到所述转换器并且可操作以执行下列步骤：
将所述第一DC电力信号变换(510)成多个AC电力信号；
将所述多个AC电力信号中的至少一个相对于所述多个AC电力信号中的其它至少一个移位(515)预定相位量；
将至少一个经过相移的AC电力信号与所述多个AC电力信号中的其它至少一个进行组合(520)，从而提供第二DC电力信号；以及
将所述第二DC电力信号转换(525)成AC电力信号。
3.如权利要求2所述的系统(200)，其中，所述至少一个DC电源(205)包括下列各项中的至少一个：光伏电池、燃料电池或蓄电池。
4.如权利要求2所述的系统(200)，还包括：
电耦合到所述转换器(215)的至少一个DC-AC逆变器(250)，其中所述至少一个DC-AC逆变器(250)可操作以接收来自所述转换器(215)的所述第二DC电力信号，并且将所述第二DC电力信号转换成AC电力信号。
5.如权利要求4所述的系统(200)，还包括滤波器，所述滤波器电耦合到所述转换器(215)和所述DC-AC逆变器(250)，并且可操作以调节所述第二DC电力信号。
6.如权利要求2所述的系统(200)，其中所述转换器(215)包括三个并联输入段，并且其中所述控制器可操作以执行下列步骤：
将所述第一DC电力信号变换(510)成第一AC电力信号、第二AC电力信号和第三AC电力信号；
相对于所述第一AC电力信号将所述第二AC电力信号移位(515)大约120度，并且相对于所述第二AC电力信号将所述第三AC电力信号移位大约120度；以及
组合(520)所述第一AC电力信号、经过相移的所述第二AC电力信号和经过相移的所述第三AC电力信号，从而提供第二DC电力信号。
7.如权利要求2所述的系统(200)，其中所述转换器(215)包括n个并联输入段，并且其中所述控制器可操作以执行下列步骤：
将所述第一DC电力信号变换(510)成n个AC电力信号；
将第n个AC电力信号移位(515)(360/n)度；以及
组合(520)n个经过相移的AC电力信号以提供第二DC电力信号。
8.一种用于将直流(DC)电力转换成交流(AC)电力的设备(400)，所述设备包括：
电耦合到转换器(415)的至少一个电感器(418)，其中所述电感器(418)可操作以接收第一DC电力信号；
电耦合到所述至少一个电感器(418)的至少一个开关组件(416)；以及
控制器(230)，所述控制器(230)电耦合到所述至少一个开关组件(416)和所述转换器(230)，并且可操作以执行下列步骤：
将第一DC电力信号变换(510)成多个AC电力信号；
经由所述至少一个开关组件(416)，将所述多个AC电力信号中的至少一个相对于所述多个AC电力信号中的其它至少一个移位(520)预定相位量；
将经过相移的AC电力信号与所述多个AC电力信号中的其它至少一个进行组合(520)，从而提供第二DC电力信号；以及
将所述第二DC电力信号转换(525)成AC电力信号。
9.如权利要求8所述的设备(400)，其中，所述开关组件(416)包括下列各项中的至少一个：绝缘栅双极晶体管、MOSFET、双极结型晶体管、闸流管或者半导体开关。
10.如权利要求8所述的设备(400)，还包括电耦合到所述转换器并且可操作以调节所述第二DC电力信号的至少一个组件，其中所述至少一个组件包括下列各项中的至少一个：无源组件、二极管或者整流器。
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