CN102055206B

CN102055206B - 混合型风-太阳变换器

Info

Publication number: CN102055206B
Application number: CN201010538501.7A
Authority: CN
Inventors: M·B·罗佩斯
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: DK2317623T3; CN102055206A; EP2317623A1; ES2859732T3; US8232681B2; EP2317623B1; US20110101784A1

Abstract

本发明涉及混合型风-太阳变换器。本发明的某些实施例可包括用于提供混合型风-太阳变换器的系统和方法。根据本发明的示例性实施例，提供用于将功率(108)(110)从替代功率源(102)(104)引导至电网(122)的方法。该方法可包括从多个功率源(102)(104)接收至少两个输入DC功率信号(108)(110)；从电网(122)接收一个或多个控制信号(126)；至少部分地基于一个或多个控制信号(126)来将输入DC功率信号(108)(110)中的至少一些引导至输出DC功率信号(116)；以及将输出DC功率信号(116)转变成输出AC功率信号(119)以经由电网(122)传输。

Description

混合型风-太阳变换器

技术领域

本发明大体涉及功率转换，并且更具体地涉及用于混合型风-太阳功率源的功率转换。

背景技术

已知可使用光电阵列(也称为太阳能电池板)和风力涡轮分别从诸如日光和风的可再生能源中获取电功率。还已知光电阵列在夜间停止产生功率，并且当覆盖云层干扰或阻挡日光时能量产生会显著减少。另一方面，风力涡轮只要风吹动就可持续产生功率，并且因此可与光电阵列组合使用来增加和/或稳定替代能量发电设备的功率输出，尤其在夜间和在阴天期间。

除了极少数情况之外，发电设备产生与电网的频率和相位同步的交流(AC)。然而，光电阵列在暴露于日光时自然产生直流(DC)功率输出。因此，变换器(inverter)用于将来自光电阵列的DC输出转变或转换成适于联接到电网上的AC信号。风力涡轮可产生AC功率输出，但风力涡轮输出的频率和相位分别取决于涡轮发电机内的转子的旋转速度和位置。因此，由风能系统产生的AC功率通常进行整流来产生中间DC功率信号。DC功率信号然后通过有源变换器来转变成AC，以匹配电网的线路频率和相位。

各变换器在构件费用、功率负担和复杂性方面增加了功率系统的成本。因此，需要系统和方法用于将来自风源和太阳源的功率转换成可容易地由电网使用的形式，同时减少与冗余变换器相关的构件数目和费用。还需要系统和方法提供混合型风-太阳变换器。

发明内容

本发明的某些实施例可解决一些或所有上述需求。本发明的某些实施例可包括用于提供混合型风-太阳变换器的系统和方法。其它实施例可包括系统和方法，其用于将来自风源和太阳源的功率转换成可由电网容易地使用的形式，同时减少与冗余变换器相关的构件数目和费用。

根据本发明的示例性实施例，提供用于将功率从替代功率源引导至电网的方法。该方法可包括：从多个功率源接收至少两个输入DC功率信号；从电网接收一个或多个控制信号；至少部分地基于一个或多个控制信号，将至少一些输入DC功率信号引导至输出DC功率信号；以及将输出DC功率信号转变成输出AC功率信号以经由电网传输。

根据本发明的示例性实施例，提供用于供应替代功率至电网的系统。该系统可包括多个功率源、用于将来自功率源的AC功率信号转变成至少一个导出的DC功率信号的一个或多个AC到DC变换器、以及可操作以从多个功率源和一个或多个AC到DC变换器接收功率信号的控制器。控制器可从电网接收控制信号，并且至少部分地基于控制信号来将来自多个功率源和一个或多个AC到DC变换器的至少一些接收的功率信号引导至DC功率输出。该系统还可包括DC到AC变换器，其用于将DC功率输出转变成AC功率输出信号以经由电网传输。

根据本发明的示例性实施例，提供用于将功率从替代功率源引导至电网的控制器。该控制器可包括用于从多个功率源接收DC功率信号的输入端。控制器还可包括用于从电网接收控制信号的输入端。控制器还可包括用于至少部分地基于控制信号来将至少一些接收的DC功率信号引导至DC功率输出的电路。

本发明的其它实施例和方面在本文中进行了详细描述，并且认为是所要求保护的本发明的一部分。可参照说明书和附图来理解其它实施例和方面。

附图说明

现在将参考附图，附图不必按比例绘制，在附图中：

图1描绘了示出根据本发明的示例性实施例的混合型风-太阳变换器系统的框图。

图2描绘了示出根据本发明的示例性实施例的用于将来自替代能源的功率引导至DC输出的控制器的框图。

图3为根据本发明的示例性实施例的、用于接收、引导和转变来自替代能源的功率到电网的流程图。

部件列表

100替代能量功率产生系统

102风力涡轮

103由风力涡轮产生的AC功率

104光电(PV)阵列

106风力涡轮变换器

108风输入DC功率信号

109第一DC功率输入端子

110太阳输入DC功率信号

111第二DC功率输入端子

112电网信号端子

114控制器

115输出端子

116聚集的DC功率信号输出

117输出变换器控制输入端子

118输出变换器

119AC输出功率信号

120输出变压器

122电网

124电网电流传感器

125电网电压传感器

126来自电网的控制信号

202a风功率输入传感器

202b太阳功率输入传感器

204a风功率反馈保护装置

204b太阳功率反馈保护装置

205可选的反馈控制信号

206a风功率开关电路

206b太阳功率开关电路

206c储存组(storage bank)开关电路

206d DC输出开关电路

208a风检测的功率输入信号

208b太阳检测的功率输入信号

210a太阳控制开关信号

210b风控制开关信号

210c储存组控制开关信号

210d DC输出控制开关信号

212处理器

214能量储存装置

216功率输出传感器

218检测的功率输出信号

220滤波电感器

222储存组检测器

224检测的储存组信号

具体实施方式

将在下文中参照示出本发明实施例的附图来更为完整地描述本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实现，并且不应认为限于本文所阐述的实施例；相反，这些实施例提供成使得本公开内容将为详尽和完全的，并且将本发明的范围完整地传达给本领域技术人员。相似的标号始终表示相似的元件。

本发明的实施例可使来自多个替代能源(包括风力涡轮和太阳能电池板)的功率能够转换。本发明可减少用于将从替代能源产生的源功率转变成适于与电网相联的形式的变换器的数目。

根据本发明的示例性实施例，控制器可监测和引导来自一个或多个涡轮的整流功率和来自一个或多个光电阵列的DC功率至共同的DC输出。共同的DC输出然后可进行变换(成AC)，用于与电网联接。通过使用具有共同的DC输出的多个DC输入控制器，可显著地减少输出变换器的数目。

图1为示例性替代能量功率产生系统100的框图，该系统100可同时地组合和引导从风力涡轮102和/或太阳能电池板或光电(PV)阵列104产生的电功率至单个输出变换器118，以联接到电网122。在该示例性实施例中，由风力涡轮102产生的AC功率103可通过输入变换器106转换和/或转变成DC，并且获得的DC风功率信号108可经由第一DC功率输入端子109与控制器114通讯。此外，DC太阳功率信号110可由PV阵列104提供，并且可经由第二DC功率输入端子111与控制器114通讯。控制器114可将来自风源和太阳源的聚集的DC功率116经由输出端子115引导至输出变换器118。输出变换器118可将聚集的DC功率信号116转变和/或转换成AC输出功率信号119，以联接到电网122。AC输出功率信号119可直接地联接到电网122，或经由图1所示的可选输出变压器120联接到电网122。

根据本发明的示例性实施例，输出变换器118可在端子117处从电网电流传感器124和/或电网电压传感器125接收一个或多个电网信号126，并且可使用电网信号126来以适于将功率联接到电网122的适合的电压振幅、相位、VAR和/或频率对AC输出功率信号119进行同步和/或整流。如下文参照图2所述，电网信号126还可在端子112处接收，并且可在控制器114处利用用于引导功率信号。

图2示出了根据本发明示例性实施例的控制器114。控制器114可包括输入端子109，111和用于接收和引导来自预定数目的替代能源的功率的相关电路。根据其它示例性实施例，控制器114可包括附加端子和用于从任意数目的功率源接收功率信号的相关电路，但为了简化和图示的目的，图2的示例性实施例中仅描绘了两个功率输入端。

根据本发明的示例性实施例，输入功率信号108，110可由功率输入传感器202a，202b监测，以产生相应的检测的功率输入信号208a，208b。根据示例性实施例，控制器DC输出116还可由功率输出传感器216监测，以产生检测的功率输出信号218。根据示例性实施例，检测的功率输入信号208a，208b、检测的输出功率信号218、检测的储存组信号224和/或电网信号126中的一个或多个的组合可由处理器212使用，以便控制开关(206a，206b，206c，206d)来将一些或所有输入功率信号108，110引导至控制器DC输出端子115，或者可选地，一些或所有输入功率信号108，110可引导至能量储存组214。根据本发明的示例性实施例，储存组214可包括以下能量储存装置的任何组合：可再充电蓄电池、电容器组、电感器和/或超级电容器。

根据本发明的示例性实施例，反馈保护装置204a，204b可包括在控制器内，以防止或另外最小化功率朝替代能源回流。因此，反馈保护装置204a，204b可视为单向装置，因为它们容许功率仅单向(朝输出)流动。根据示例性实施例，反馈保护装置204a，204b可为相对简单的二极管，或它们可包括二极管和诸如金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)的半导体开关装置的组合。这些装置可为无源的，或它们可经由可选的反馈控制信号205由处理器212有源地控制。

根据本发明的示例性实施例，开关206a-206d可在由处理器212提供的开关信号210a-210d的控制下。开关可包括继电器或半导体装置，诸如MOSFET或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。开关信号210a-210d可至少部分地基于检测的功率输入信号208a，208b、检测的功率输出信号218、检测的储存组信号224和/或电网信号126中的一个或多个。在示例性实施例中，多输入比较可在存在于处理器212处的所有输入126，208a，208b，218，224之间进行，以确定用于控制开关206a-206d的开关信号210a-210d的状态。例如，输入功率传感器202a，202b可检测到功率可从一个或多个功率输入108，110获得，但电网信号126可指出不需要功率。在此情况下，除206d外的所有开关都适于闭合，从而将产生的过多功率引导至储存组214。在另一实例中，功率传感器202a，202b可检测到中间功率可从一个或多个功率输入108，110获得，但电网信号126可指出不需要功率。在此情况下，处理器212可监测和比较检测的功率输入信号208a，208b和源于储存组检测器222的检测的储存组信号224。如果检测的储存组信号224指出储存组214具有可用功率，并且如果检测的功率输入信号208a，208b指出没有产生替代功率(例如，存在覆盖云层并且没有风吹动)，则处理器212可至少引导储存组开关电路206c和输出开关电路206d闭合，使得来自储存组214的功率可流至控制器DC输出端子115。相反，如果检测的储存组信号224指出储存组214耗尽，但检测的功率输入信号208a，208b指出风和/或太阳产生的功率可用，则处理器212可发送信号来闭合除输出开关电路206d之外的所有开关，直到在储存组214处达到所需的DC功率水平来使输出变换器118适当工作，并且随后闭合输出开关电路206d，使得来自替代能源108，110的功率可朝DC输出端子115流动。

根据本发明的示例性实施例，控制器114可包括电感器220，用于抑制电压和/或电流尖峰传播至控制器DC输出116。还可包括图2中未示出的附加滤波，以调节来自控制器114的DC输出116信号。

应当理解的是，图1和图2中所描绘的监测传感器124，125，202a，202b，216，222中的各个可测量电压、电流、相位、频率、无功功率、纹波等的任何组合。

现在将参照图3的流程图来描述用于将来自替代能源的功率引导至电网的示例性方法300。从方框302开始，根据本发明的示例性实施例，输入功率信号可从两个或多个替代功率源接收。替代功率源可包括具有风力涡轮变换器106的风力涡轮102和光电阵列104的任何组合。来自功率源的功率输入可大致为DC形式。在方框304中，根据本发明的示例性实施例，一个或多个电网信号126可从电网122接收。电网信号126可包括来自电网的即时信息，包括电压、电流、频率、相位、无功功率、振幅等。在方框306中，根据本发明的示例性实施例，接收的输入DC功率信号108，110中的零个、一些或所有可至少基于一个或多个电网信号126来引导至输出DC功率信号116。在方框308中，根据本发明的示例性实施例，输出DC功率信号116可转变成AC功率信号119，以经由电网122传输。

因此，本发明的示例性实施例可提供的技术效果在于，创造了将来自两个或多个替代功率源的输入功率引导至输出的某些系统和方法。本发明的示例性实施例可提供的进一步技术效果在于，提供了用于将输出DC功率转变成AC功率以经由电网传输的系统和方法。

在本发明的某些实施例中，替代能量功率产生系统100可包括执行为便于任何操作的任意数目的软件应用。

在某些实施例中，一个或多个I/O接口可便于在替代能量功率产生系统100与一个或多个输入/输出装置之间的通讯。例如，通用的串行总线端口、串行端口、磁盘驱动器、CD-ROM驱动器和/或一个或多个用户接口装置，诸如显示器、键盘、小键盘、鼠标、控制面板、触摸屏显示器、麦克风等，便于用户与替代能量功率产生系统100的交互。一个或多个I/O接口可用于从很多种输入装置接收或采集数据和/或用户指令。接收的数据可如本发明的各种实施例期望地由一个或多个计算机处理器处理，和/或储存在一个或多个存储装置中。

一个或多个网络接口可便于替代能量功率产生系统100的输入和输出连接到一个或多个适合的网络和/或连接上，例如，便于与同系统相关的任意数目的传感器通讯的连接。一个或多个网络接口还可便于连接到一个或多个适合的网络，例如，局域网、宽域网、因特网、蜂窝网络、射频网络、蓝牙^TM网络、Wi-Fi^TM网络、基于卫星的网络、任何有线网络、任何无线网络等，用于与外部装置和/或系统进行通讯。

如所期望地，本发明的实施例可包括具有多于或少于图1和图2所示的构件的替代能量功率产生系统100。

上文参照根据本发明的示例性实施例的系统、方法、设备和/或计算机程序产品的框图和流程图来描述本发明。应当理解的是，框图和流程图的一个或多个方框，以及框图和流程图的方框组合可分别由计算机可执行程序指令来实现。同样，根据本发明的一些实施例，框图和流程图中的一些方框可不必以示出的顺序执行，或可完全不必执行。

这些计算机可执行程序指令可加载到通用计算机、专用计算机、处理器或其它可编程数据处理设备上来产生具体的机器，使得在计算机、处理器或其它可编程数据处理设备上执行的指令形成用于实现流程图的方框或多个方框中指定的一个或多个功能的装置。这些计算机程序指令还可储存在计算机可读存储器中，该存储器可引导计算机或其它可编程数据处理设备以特定方式运行，使得储存在计算机可读存储器中的指令产生包括实现流程图的方框或多个方框中指定的一个或多个功能的指令装置的制品。举例来说，本发明的实施例可提供计算机程序产品，包括具有计算机可读程序代码或在其中实现的程序指令的计算机可用介质，所述计算机可读程序代码适于执行为实现流程图的方框或多个方框中指定的一个或多个功能。计算机程序指令还可加载到计算机或其它可编程数据处理设备上，以形成将在计算机或其它可编程设备上执行的一系列运算元件或步骤，以产生计算机实现的过程，使得在计算机或其它可编程设备上执行的指令提供用于实现流程图的方框或多个方框中指定的功能的元件或步骤。

因此，框图和流程图的方框支持用于执行指定功能的装置的组合，用于执行指定功能的元件或步骤的组合，以及用于执行指定功能的程序指令装置。还将理解的是，框图和流程图中的各方框，以及框图和流程图中的方框组合可由专用的基于硬件的计算机系统执行，该计算机系统执行指定功能、元件或步骤，或专用硬件和计算机指令的组合。

尽管已经结合当前认为是最为实用的各种实施例来描述本发明，但应当理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而相反，意图涵盖包括在所附权利要求的范围内的各种修改和等同布置。尽管本文使用了特殊用语，但它们仅用于一般性和描述性的意义，而非出于限制的目的。

本说明书使用实例来公开本发明，包括优选模式，并且还使本领域技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何合并的方法。本发明的专利范围限定在权利要求中，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有并非不同于本权利要求的字面语言的结构元件，或者如果这些其它实例包括与本权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则这些其它实例意图在本权利要求的范围内。

Claims

1.一种用于将功率从替代功率源引导至电网的方法，所述方法包括：

从多个功率源接收至少两个输入DC功率信号；所述功率源包括风力涡轮和光电阵列；

从所述电网接收一个或多个控制信号；

将所述输入DC功率信号的一部分选择性地引导至可再充电蓄电池；

感测从所述至少两个输入DC功率信号可用的功率；

基于可用功率的感测和来自所述电网的一个或多个控制信号，将所述至少两个输入DC功率信号中的一个或多个选择性地切换成联接到输出DC功率信号；

至少部分地基于所述一个或多个控制信号，将所述输入DC功率信号中的至少一些引导至输出DC功率信号；以及

将所述输出DC功率信号转变成输出AC功率信号以经由所述电网传输；

其中，所述的控制信号包括电网信号(126)；所述的电网信号(126)来自电网电流传感器(124)和/或电网电压传感器(125)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述多个功率源接收所述输入DC功率信号包括从以下中的至少一个接收功率：光电电池、燃料电池、蓄电池或风力涡轮。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述电网接收一个或多个控制信号包括至少接收电流命令。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述输入DC功率信号中的一些引导至输出DC功率信号包括，将所述输入DC功率信号的一部分引导至能量储存装置。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述输入DC功率信号中的一些引导至输出DC功率信号包括，将所述输入DC功率信号中的一个或多个选择性地联接到所述输出DC功率信号。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述选择性地联接至少部分地基于感测在所述至少两个输入DC功率信号处可用的功率。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述选择性地联接通过切换所述至少两个输入DC功率信号中的一个或多个以与所述输出DC功率信号选择性地联接而执行。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述输出DC功率信号转变成输出AC功率信号以经由所述电网传输包括，通过DC到AC变换器将所述输出DC功率信号转变成输出AC功率信号。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，控制所述输出DC功率信号的频率和相位，以匹配所述电网的频率和相位。

10.一种用于供应替代功率至电网的系统，所述系统包括：

多个功率源；所述功率源包括风力涡轮和光电阵列；

一个或多个AC到DC变换器，其用于将来自所述功率源的AC功率信号转变成至少一个导出的DC功率信号；

用于选择性地储存DC功率的一个或多个可再充电蓄电池；

控制器，其可操作以：

从所述多个功率源和所述一个或多个AC到DC变换器接收功率信号；

感测从所述至少两个输入DC功率信号可用的功率；

从所述电网接收控制信号；

基于可用功率的感测和来自所述电网的一个或多个控制信号，将所述至少两个输入DC功率信号中的一个或多个选择性地切换成联接到输出DC功率信号；以及

至少部分地基于所述控制信号，将来自所述多个功率源、所述一个或多个可再充电蓄电池和所述一个或多个AC到DC变换器的接收的功率信号中的至少一些引导至DC功率输出；以及

DC到AC变换器，其用于将所述DC功率输出转变成AC功率输出信号以经由所述电网传输；其中，所述的控制信号包括电网信号(126)；所述的电网信号(126)来自电网电流传感器(124)和/或电网电压传感器(125)。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述多个功率源包括以下中的至少一个：光电电池、燃料电池、蓄电池或风力涡轮。

12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述控制器还操作以从所述电网接收控制信号，其中，所述控制信号至少包括同步信号。

13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述控制器还操作以将接收的功率信号中的至少一些引导至能量储存装置。

14.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述控制器还操作以通过一个或多个开关将接收的功率信号中的至少一些选择性地联接到DC功率输出。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述一个或多个开关包括一个或多个半导体开关。

16.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述DC到AC变换器至少部分地基于从所述电网接收的同步信号来调整所述AC功率输出信号的频率和相位。

17.一种用于将功率从替代功率源引导至电网的控制器，所述控制器包括：

用于从多个功率源接收DC功率信号的输入端；所述功率源包括风力涡轮和光电阵列；

用于从电网接收控制信号的输入端；

用于从可再充电蓄电池接收信号的至少一个输入端；

用于感测从所述至少两个输入DC功率信号可用的功率的电路；

用于基于可用功率的感测和来自所述电网的一个或多个控制信号来将所述至少两个输入DC功率信号中的一个或多个选择性地切换成联接到输出DC功率信号的电路；

用于至少部分地基于所述控制信号来将接收的DC功率信号中的至少一些引导至DC功率输出的电路；以及

用于至少部分地基于所述控制信号来将来自所述可再充电蓄电池的信号中的至少一些选择性地引导至所述DC功率输出的电路；

18.根据权利要求17所述的控制器，其特征在于，所述控制器还包括至少一个反馈保护装置以保护所述功率源。

19.根据权利要求17所述的控制器，其特征在于，所述控制器还包括能量储存装置。

20.根据权利要求17所述的控制器，其特征在于，用于将接收的功率信号中的至少一些引导至DC功率输出的电路包括一个或多个开关装置。