CN102170241B - 用于单级功率变换系统的系统与方法 - Google Patents

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Abstract

功率变换系统(10)包括：光伏源(16)，产生直流(DC)功率；直流(DC)-交流(AC)单级逆变器(20)，将来自光伏源(16)的直流(DC)功率变换成交流(AC)功率，以便传递给电力网(14)；以及负载平衡单元(12)，耦合到单级逆变器(20)。该功率变换系统(10)还包括控制器(26)，该控制器配置成：确定功率变换系统(10)的最大功率点；调整单级逆变器(20)的输出电压；计算电力网(14)的功率需要与在最大功率点可得的单级逆变器(20)的输出功率之间的功率平衡差；并且，基于功率平衡差实时控制负载平衡单元(12)。

Description

用于单级功率变换系统的系统与方法
技术领域
本发明通常涉及功率变换，具体而言涉及单级功率变换系统。
背景技术
随着常规能源上升的成本与短缺以及对环境的关注，存在对诸如太阳能与风能的显著兴趣。太阳能发电使用光伏(photovoltaic)源来从太阳发电。在此类系统中，多个光伏源彼此电耦合。光伏源产生的电力通过一个或多个功率电子变换器输送到电力网。根据将直流功率变换为交流功率所采用的级数，通常将功率电子变换器分成二级变换器和单级变换器。
常规单级功率变换系统包括连接到控制器的单级变换器，控制器实现最大功率点(MPP)算法以便将最大交变功率从单级变换器输送给电力网。一般而言，控制单级功率变换器，使得其性能可与刚性(stiff)电流源相比。在此类电流刚性实施例中，控制器通过保证注入电力网的功率与从光伏源获得的功率匹配而确保直流电压(此后称为DC电压)保持在预期值。这通过调整电网(grid)交变电流(此后称为AC电流)使得它跟随从光伏源获得的输入功率的任意变化来实现。电流刚性功率变换系统不设置电网电压。在太阳能应用中，希望不断地调节DC电压以从太阳能阵列提取最大功率。
因此，确定将解决前述问题的方法和系统是合乎需要的。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供一种功率变换系统。该功率变换系统包括：光伏源，产生直流(DC)功率；直流(DC)-交流(AC)单级逆变器(inverter)，将来自光伏源的直流(DC)功率变换成交流(AC)功率，以便传递给电力网；负载平衡单元，耦合到单级逆变器；以及控制器，配置成确定功率变换系统的最大功率点，调整单级逆变器的输出电压，计算电力网的功率需要与在最大功率点可得的单级逆变器输出功率之间的功率平衡差，并且基于功率平衡差实时控制负载平衡单元。
根据本发明的另一实施例，提供一种用于控制功率变换系统的方法，所述功率变换系统包括：光伏源，产生直流(DC)功率；以及直流(DC)-交流(AC)单级逆变器，将来自光伏源的直流(DC)功率变换成交流(AC)功率，以便传递给电力网。该方法包括：确定功率变换系统的最大功率点，调整单级逆变器的输出电压，计算电力网的功率需要与在最大功率点可得的单级逆变器输出功率之间的功率平衡差，并且基于功率平衡差实时控制负载平衡单元。
附图说明
在参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面与优点将被更好地理解，附图中相似标号在整个图中表示相似部件，其中：
图1是根据本发明实施例的包括负载平衡单元的单级功率变换系统的示范配置的框图表示，该负载平衡单元包括能量存储元件和DC-DC变换器以对馈送给电力网的交流功率的电压分量进行控制。
图2是根据本发明实施例的包括负载平衡单元的单级功率变换系统的另一示范配置的图示，该负载平衡单元包括耦合到DC-AC变换器的能量存储元件以对馈送给电力网的交流功率的电压分量进行控制。
图3是根据本发明实施例的包括可变负载的单级功率变换系统的示范配置的图示，该可变负载耦合到光伏源与单级逆变器之间的DC链路。
图4是根据本发明实施例的包括可变负载的单级功率变换系统的示范配置的图示，该可变负载耦合到单级逆变器与电力网之间的电力线。
图5是流程图，表示根据本发明的实施例控制功率变换系统的方法所包括的步骤。
具体实施方式
如下文详细论述的，本发明的实施例包括用于单级功率变换系统的系统和方法。单级功率变换系统设计成向电力网提供基本恒定的交流电压(此后称为AC电压)，并且控制输入功率与输出功率之间的功率平衡。AC功率的电压分量通过进一步连接到控制器的负载平衡单元进行控制。控制器确定功率变换系统的最大功率点(此后称为MMP)。MPP定义为光伏源提供最大功率作为光伏源输出的点。控制器还设置工作期间在单级逆变器输出的AC功率的电压分量。此外，控制器计算电力网的功率需要与在MPP可得的单级逆变器输出功率之间的功率平衡差。控制器基于功率平衡差实时控制负载平衡单元。负载平衡单元向单级逆变器提供足够负载平衡功率，使得太阳能变换单元工作在MPP并且在变化电网条件下在单级逆变器的输出确保基本恒定的AC电压。
AC功率馈送给电力网，电力网可包括例如公共电网、小型电网、负载或者它们的组合。在大多数常规单级功率变换系统中馈送给电力网的AC功率通过调整AC功率的电流分量进行控制。在调整AC功率的电流分量时，可能难以在改变负载条件与使输入功率条件变化期间向电力网提供恒定的AC电压。
与电流控制实施例相比，图1是根据本发明实施例的单级功率变换系统10的框图表示，该功率变换系统包括负载平衡单元12以便对馈送给电力网14的AC功率的电压分量进行控制。功率变换系统10包括光伏源16(此后称为PV源16)以产生直流功率(此后称为DC功率)。在示范实施例中，PV源16可包括一个或多个通过互连多个太阳能电池而制造的光伏阵列或模块。PV源16捕获太阳能18并且将太阳能18变换为DC功率。DC功率包括在PV源16的电压分量Vdc。DC功率通过DC链路22输送给单级逆变器20，作为单级逆变器20的输入DCin。在一个实施例中，单级逆变器20包括三相逆变器20。单级逆变器20将输入DCin变换为交流功率(此后称为AC功率)，作为输出ACout。ACout通过电力线24提供给电力网14。
调整ACout以便通过控制功率变换系统10的MPP同时还提供ACout的电压分量而维持功率变换系统10的最大产出。负载平衡单元12耦合到控制器26，控制器26控制负载平衡单元12并且确定功率变换系统10的MPP。在示范实施例中，MPP通过扰动与观察方法来确定。扰动与观察方法提供将从太阳能阵列得到的电压扰动并且观察功率变化的方法。如果扰动导致功率增加，则以相同方向进行后续扰动，反之亦然。尽管为了说明目的将控制器26示出为分立框，但是在一些实施例中，控制器可包括多个控制单元中的控制功能性。在一个具体实施例中，控制器26的至少一部分位于DC-AC逆变器20内。
控制器26调整输出ACout的电压分量Vac。在一个实施例中，电压感测器耦合到电力线24，并且控制器26计算电压分量Vac与预期经调整电网电压Vr之间的差Vd。在又一具体实施例中，控制器26还将差Vd与表示电压分量Vac和经调整电网电压Vr中可接受差的预定义电压差容限进行比较。在差Vd在电压差容限以外的情况下，控制器26向单级逆变器20发送控制信号将电压分量Vac驱使到经调整电网电压Vr。
至单级逆变器的控制信号设计成将输出电压驱使到经调整电网电压；但是，为了在功率不平衡的条件下提供电压匹配，还需要解决功率不平衡。因此，除了电压调整以外，控制器26还进一步用于计算电力网的功率需要与在最大功率点可得的单级逆变器输出功率之间的功率平衡差(S)。控制器26然后基于功率平衡差实时控制负载平衡单元。
在一个实施例中，负载平衡单元12包括能量存储元件28。在示范实施例中，能量存储元件28包括电池和超级电容器(ultra-capacitor)。在另一实施例中，负载平衡单元12包括电阻器或者功率耗散元件。在需要时，响应于来自控制器26的控制信号，负载平衡单元12将吸收或提供功率，同时还允许控制器26在以可变阻抗特性馈送电力网14并且使功率变换系统10工作在MPP的同时使电压Vac能够维持在预期参考水平Vr或者在电压差容限内。在一个实施例中，负载平衡单元将被控制成在电力网需要的功率比在最大功率点可得的单级逆变器输出功率小第一功率差容限时吸收功率，并且将被控制成在电力网需要的功率比在最大功率点可得的单级逆变器输出功率大第二功率差容限(其与第一功率差容限相比可具有相同数量或不同数量)时提供功率。在非限制性示例中，负载平衡单元12还包括包含开关的DC-DC变换器30，可控制所述开关以便选择性地在单级逆变器20的输出提供或者吸收AC功率。
图2是根据本发明实施例的包括负载平衡单元12的单级功率变换系统10的另一示范配置的图示，该负载平衡单元包括耦合到DC-AC变换器32的能量存储元件28以便调整电压并且控制馈送给电力网14的功率。在该实施例中，负载平衡单元12耦合到单级变换器20与电力网14之间的电力线24。如上文在图1中所论述的，控制器26调整电压分量Vac以便匹配经调整的电网电压Vr，计算电力网的功率需要与在最大功率点可得的单级逆变器输出功率之间的功率平衡差S，并且基于功率平衡差S实时控制负载平衡单元。响应于来自控制器26的控制信号，负载平衡单元12将吸收或提供功率，从而在以可变阻抗特性馈送电力网14并且使功率变换系统10工作在MPP的同时允许控制器26使电压Vac能够维持在预期参考水平Vr或预期在容限带Vth内。在一个实施例中，负载平衡单元12包括DC-AC变换器32。
图3是根据本发明实施例的包括负载平衡单元12的单级功率变换系统10的示范配置的图示，该负载平衡单元包括耦合到PV源16与单级逆变器20之间的DC链路22的可变负载42。在示范实施例中，可变负载42包括泵或者加热器。可变负载42可通过至少一个开关装置44耦合到DC链路22。如上文在图1中所论述的，控制器26调整电压分量Vac以便匹配经调整的电网电压Vr，计算电力网的功率需要与在最大功率点可得的单级逆变器输出功率之间的功率平衡差S，并且基于功率平衡差实时控制负载平衡单元。在一个实施例中，在功率平衡差S超过功率平衡差容限的情况下，控制器26向至少一个开关装置44发送控制信号以便切换到闭合状态并且在DC链路22提供由可变负载42产生的足够负载平衡功率。这将允许控制器26在以可变阻抗特性馈送电力网14并且使功率变换系统10工作在MPP的同时使电压Vac能够维持在预期参考水平Vr或在容限带Vth内。
图4是根据本发明实施例的包括可变负载42的单级功率变换系统10的另一示范配置的图示，该可变负载耦合到单级逆变器20与电力网14之间的电力线24。如上文在图2中所论述的，控制器26调整电压分量Vac以便匹配经调整的电网电压Vr，计算电力网的功率需要与在最大功率点可得的单级逆变器输出功率之间的功率平衡差S，并且基于功率平衡差S实时控制负载平衡单元。在一个实施例中，在功率平衡差S超过功率平衡差容限的情况下，控制器26向可变负载42发送控制信号以便吸收或提供功率，从而允许控制器26在以可变阻抗特性馈送电力网14并且使单级功率变换系统10工作在MPP的同时使电压Vac能够维持在预期参考水平或在容限带Vth内。
图5是流程图，表示根据本发明的实施例控制功率变换系统的方法所包括的步骤，该功率变换系统包括产生直流(DC)功率的光伏源以及将来自光伏源的直流(DC)功率变换为交流(AC)功率以供传递给电力网的直流(DC)-交流(AC)单级逆变器。该方法50包括在步骤52确定功率变换系统的最大功率点(MPP)。此外，在步骤54调整单级逆变器的输出电压。在步骤56，计算电力网的功率需要与在最大功率点可得的单级逆变器输出功率之间的功率平衡差。在步骤58，基于功率平衡差实时控制负载平衡单元。在本发明的实施例中，负载平衡单元并联耦合到光伏源与单级逆变器之间的DC链路。在本发明的另一实施例中，负载平衡单元可耦合到在单级逆变器与电力网之间的电力线。在本发明的示范实施例中，负载平衡单元包括能量存储元件或者可变负载。
上述功率变换系统的各种实施例提供包括负载平衡单元的电压受控单级功率变换系统。负载平衡单元向单级逆变器提供负载平衡电压，以确保以经调整电压将在MPP的AC功率馈送给电力网。因此，这些技术实现尤其可用于不良电网或孤立(islanded)条件的电压源受控功率变换系统。此外，通过如本文所述添加负载平衡单元并且修改控制系统，现有单级功率变换系统可被升级成工作在不良电网环境中。
当然，要理解，根据任何具体实施例可能不一定实现上文所述的所有此类目的或优点。因此，例如，本领域技术人员将领会，本文所述的系统和技术可以如下方式来体现或实现：实现或优化本文教导的一个优点或一组优点而没必要实现可如本文教导或暗示的其它目的或优点。
此外，熟练技术人员将领会，不同实施例的各种特征的互换性。例如，针对一个实施例的DC-AC变换器可适合与针对本发明另一实施例描述的可变负载一起使用，以便在电压源受控单级功率变换系统中以最大功率点产生功率。类似地，所述的各种特征以及每个特征的其它已知等效可被本领域技术人员混合和匹配，以便根据本公开的原理构造额外的系统和技术。
虽然只是在本文中说明并且描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将想到多种修改和改变。因此，要理解，随附权利要求书旨在覆盖落入本发明真实精神内的所有此类修改和改变。

Claims (10)

1.一种功率变换系统(10)，包括：
光伏源(16)，产生直流(DC)功率；
直流(DC)-交流(AC)单级逆变器(20)，将来自所述光伏源(16)的直流(DC)功率变换成交流(AC)功率，以便传递给电力网(14)；
电压感测器，用于获取所述交流功率的电压分量；
负载平衡单元(12)，耦合到所述单级逆变器(20)；以及
控制器(26)，配置成：
确定所述功率变换系统(10)的最大功率点；
计算所述交流功率的电压分量与预期电网电压之间的差；
利用所述交流功率的电压分量与预期电网电压之间的差向所述单级逆变器产生控制信号，以将所述交流功率的电压分量驱使到所述预期电网电压；
计算所述电力网(14)的功率需要与所述单级逆变器(20)在所述最大功率点处可得的输出功率之间的功率差；并且
基于所述功率差实时控制所述负载平衡单元(12)。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述负载平衡单元(12)包括能量存储元件(28)、电阻器或者功率耗散元件。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述能量存储元件(28)包括电池或者超级电容器。
4.如权利要求2所述的系统，其中所述负载平衡单元(12)还包括DC-DC变换器(30)，并且所述能量存储元件(28)通过所述DC-DC变换器(30)耦合到在所述光伏源(16)与所述单级逆变器(20)之间的DC链路(22)。
5.如权利要求2所述的系统，其中所述负载平衡单元(12)还包括DC-AC变换器(32)，并且所述能量存储元件(28)通过所述DC-AC变换器(32)耦合到在所述单级逆变器(20)与所述电力网(14)之间的电力线(24)。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述负载平衡单元(12)包括可变负载(42)。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述可变负载(42)包括泵或者加热器。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述可变负载(42)耦合到在所述光伏源(16)与所述单级逆变器(20)之间的DC链路(22)或者在所述单级逆变器(20)与所述电力网(14)之间的电力线(24)。
9.如权利要求1所述的系统，其中所述负载平衡单元(12)包括至少一个开关装置(44)，并且所述控制器(26)配置成向所述至少一个开关装置(44)发送控制信号。
10.一种控制功率变换系统(10)的方法(50)，所述功率变换系统(10)包括产生直流(DC)功率的光伏源(16)以及将来自所述光伏源(16)的直流(DC)功率变换成交流(AC)功率以便传递给电力网(14)的直流(DC)-交流(AC)单级逆变器(20)，所述方法(50)包括：
确定所述功率变换系统(10)的最大功率点；
感测所述交流功率的电压分量；
计算所述交流功率的电压分量与预期电网电压之间的差；
利用所述交流功率的电压分量与预期电网电压之间的差向所述单级逆变器产生控制信号，以将所述交流功率的电压分量驱使到所述预期电网电压；
计算所述电力网(14)的功率需要与所述单级逆变器(20)在所述最大功率点处可得的输出功率之间的功率差；并且
基于所述功率差实时控制负载平衡单元(12)。
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