CN102301578A

CN102301578A - 带有功率控制的能量转换系统

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Publication number: CN102301578A
Application number: CN2009801558116A
Authority: CN
Inventors: R·D·巴滕; T·T·利; V·迪汤姆马索; R·奈克纳威尔; T·S·菲泽
Original assignee: Azuray Technologies Inc
Current assignee: Solarbridge Technologies Inc
Priority date: 2008-12-20
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2029-12-18
Also published as: KR20110104525A; CN102301578B; TW201034354A; WO2010071855A2; WO2010071855A3

Abstract

在一个实施方案中，功率转换系统可以包括控制器，以使得功率级控制去往或来自能量存储器件的功率。在另一实施方案中，功率转换系统可以包括推挽级以及跟随所述推挽级的能量存储器件。在另一实施方案中，集成电路可以包括：功率控制电路系统，其向功率转换器提供功率控制；以及，功率开关，其连接至所述功率控制电路系统，以操作所述功率转换器。在另一实施方案中，功率转换系统可以包括具有功率控制的两个或更多个功率转换器。

Description

带有功率控制的能量转换系统

相关申请的相互参引

本申请是于2008年12月20日提交的序列号为12/340,715的美国专利申请的部分继续，所述美国专利申请通过引用方式纳入本文。本申请要求于2009年2月2日提交的序列号为61/149,305的美国临时专利申请的优先权，所述美国临时专利申请通过引用方式纳入本文。

背景技术

功率转换器用于将电功率从一种形式转换为另一种形式，例如将直流(DC)功率转换为交流(AC)功率。功率转换器的一种重要应用是将来自能量源(例如太阳能板、电池、燃料电池等)的功率传递至配电系统(例如本地电网和区域电网)。大多数电网运行在50或60周期每秒(赫兹或Hz)的线路(或干线)频率的AC电流上。AC电网中的功率以脉动方式(pulsating manner)流动，其中功率峰值出现的频率为线路频率的两倍，即100Hz或120Hz。相反，许多能量源以平稳的方式供应DC功率。因而，用于将功率从DC源传递至AC电网的功率转换系统通常包括某种形式的能量存储，以使平稳的输入功率与脉动的输出功率相平衡。

参考图1能够更好地理解上述内容，图1示出了DC功率源与60HzAC负载之间的失配(mismatch)。从该DC源可得的功率的最大量被示为恒定值。相反，必须被传递至该AC负载的功率的量每8.33毫秒(ms)发生一次从零至最大值然后回落至最小值的波动。在时间T1内，从该DC源可得的功率超过该AC负载要求的瞬时功率。然而，在时间T2内，从该DC源可得的最大功率小于该负载要求的瞬时功率。因而，为了有效地将功率从该DC源传递至该AC负载，该功率转换系统必须在时间T1内存储来自该功率源的过剩能量(被示为阴影区域S)，并且在时间T2内将所存储的能量(被示为阴影区域D)释放至该负载。

用于功率转换器的能量存储器件(energy storage device)往往昂贵、体积大、不可靠且低效。这些因素一直是大规模采用以DC功率形式发电的替代能源(例如太阳能电池和燃料电池)的障碍。它们也一直是为计算机、住宅、学校、企业等大规模采用备用功率系统的障碍。

对于太阳能系统，这些成本和可靠性因素一直尤为关键。太阳能板制造商已经将其产品的可靠性提高到了普遍20年的保证期。然而，功率转换器制造商尚不能提供与太阳能板相媲美的保证期。

附图说明

图1示出了功率转换器中的DC功率源与60Hz AC负载之间的失配。

图2示出了用于将来自光伏(PV)板的DC功率转换为AC功率的一个传统系统。

图3示出了PV板中的功率损失与纹波电压的关系。

图4示出了电容器的成本与电容的关系。

图5示出了一个PV功率转换系统的工作。

图6示出了根据本发明的一些创新原理的具有恒定功率控制的一个功率转换系统的工作。

图7示出了根据本发明的一些创新原理的具有恒定功率控制的功率转换系统的一个实施方案。

图8示出了根据本发明的一些创新原理的功率转换系统的另一实施方案。

图9示出了根据本发明的一些创新原理的具有恒定功率控制的功率转换系统的另一实施方案。

图10示出了根据本发明的一些创新原理的用于实现恒定功率控制的控制器的一个实施方案。

图11示出了根据本发明的一些创新原理的功率转换器系统的一个实施方案。

图12是根据本发明的一些创新原理的适于实现图11的逆变器系统的主功率路径(main power path)的一个实施方案的示意图。

图13至图16示出了根据本发明的一些创新原理的PV板的一些实施方案。

图17示出了来自半桥型DC/AC逆变器的瞬时电压需求与从DC链路电容器可得的电压——其保持在固定电压——的比较。

图18示出了来自半桥型DC/AC逆变器的瞬时电压需求与从DC链路电容器可得的电压——其因根据本发明的一些创新原理的恒定功率控制特征而具有大的AC电压摆动——的比较。

图19示出了根据本发明的一些创新原理的具有谐波失真缓解(harmonic distortion mitigation)的功率转换系统的一个实施方案。

图20示出了根据本发明的一些创新原理的失真缓解系统的一个实施方案。

图21示出了根据本发明的一些创新原理的失真缓解系统的另一实施方案，其中示出了一些示例性实现细节。

图22示出了根据本发明的一些创新原理的具有谐波失真缓解的控制器的另一实施方案。

图23示出了根据本发明的一些创新原理的具有电网电流控制的一个实施方案。

图24示出了根据本发明的一些创新原理的控制器的一个实施方案。

图25示出了根据本发明的一些创新原理的具有预失真(predistortion)的控制器的一个实施方案。

图26至图29示出了根据本发明的一些创新原理的预失真元件的实施方案。

图30示出了根据本发明的一些创新原理的阻抗变换(impedancetransformation)的一个实施方案。

图31示出了没有阻抗变换的功率转换系统的工作。

图32示出了典型的PV板的电压-电流曲线和功率曲线。

图33示出了具有多于一个的本地最大功率点的功率源的电压-电流曲线和功率曲线。

图34示出了根据本发明的一些创新原理的具有恒定功率控制和输入扫描特征(sweeping feature)的功率转换系统的一个实施方案。

图35示出了图20的实施方案，其中根据本发明的一些创新原理，恒定功率控制被禁用。

图36示出了图20和图21的实施方案在一些条件下可以如何工作。

图37示出了根据本发明的一些创新原理的带有多个功率源的系统的一个实施方案。

图38示出了根据本发明的一些创新原理的功率转换系统的一个实施方案，其中多个DC/DC转换器包括恒定功率控制功能性(functionality)。

图39至图42示出了根据本发明的一些创新原理的功率转换系统的一些实施方案，该功率转换系统具有多个带有功率控制的转换器以及一个中枢逆变器(central inverter)。

图43至图51示出了根据本发明的一些创新原理的具有失真缓解的一些实施方案。

图52示出了根据本发明的创新原理的具有EMI缓解的功率转换系统的一个实施方案。

图53示出了根据本发明的创新原理的功率转换系统的另一实施方案。

具体实施方式

图2示出了用于将来自光伏(PV)板的DC功率转换为AC功率的一个传统系统。PV板10以约20伏的典型电压V_PV生成DC输出电流I_PV，但是也可以使用具有其他输出电压的板。DC/DC转换器12将V_PV提升至几百伏的链路电压(link voltage)V_DC。DC/AC逆变器14将该DC链路电压转换为AC输出电压V_GRID。在本实施例中，输出被假定为60Hz的120V AC以便于连接至本地电网，但是也可以使用其他电压和频率。

图2的系统还包括DC链路电容器C_DC和去耦电容器(decouplingcapacitor)C₁。这些电容器之一或两者可以执行能量存储功能，以使得来自该PV板的标称平稳功率流与该电网的波动功率需求相平衡。该系统内的功率脉冲源于DC/AC逆变器14，该逆变器必须以120Hz脉冲向该电网传递功率。在没有基本能量存储器件时，这些电流脉冲将被一路传递回该PV板，在此它们将显示为板电压V_PV和/或电流I_PV中的波动(fluctuations)(或“纹波(ripple)”)。因而，DC链路电容器C_DC或(较不常见)去耦电容器C₁被用于以逐周期(cycle-by-cycle)方式存储足够的能量，以将该PV板处的纹波减小至可接受的水平。

然而，在传统系统中，由于以下原因，能量存储电容器(energystorage capacitor)往往是成问题的部件。首先，足够大以提供适当能量存储的电容器一定一般是电解质类型的，因为其他类型的大电容器通常过于昂贵。在用于将来自PV板的210瓦特的输入功率转换为60Hz的120V AC的示例性系统的说明中可以更好地理解该问题。以逐周期方式来平衡功率所要求的能量存储ΔE由下式给出：

ΔE = \frac{P}{2 ω}

(等式1)

其中，P是功率，单位为瓦特(W)；ω是AC正弦波的角频率，单位为秒^-1；且能量存储ΔE的单位为焦耳(J)。在60Hz的情况下，ω＝120π，从而：

ΔE = \frac{210}{2 (120 π)} \approx 0.3 J

(等式2)

存储在电容器中的能量的量由下式给出：

ΔE = \frac{1}{2} C [v_{\max}^{2} - v_{\min}^{2}]

(等式3)

其中，C是电容，单位为法拉。

假定该能量存储功能(function)是在DC链路电容器C_DC中执行的，并且允许该DC链路电压在495伏特DC电平的顶部具有5伏特峰间摆动(peak-to-peak swing)，对该电容求解得出如下结果：

C = \frac{2 (0.3)}{{(500)}^{2} - {(495)}^{2}} \approx 120 μF

(等式4)

一个额定电压足够高的120微法电容器通常需要是电解质电容器，因为这种大小(size)的陶瓷电容器通常过于昂贵。

使用去耦电容器C₁用于能量存储通常更糟糕。因为从输入电压V_PV至链路电压V_DC的电压倍增(multiplication)是约25比1，该DC链路上的5伏特峰间纹波将等同于该去耦电容器上的0.2伏特纹波。再次对该电容求解得出：

C = \frac{2 (0.3)}{{(20)}^{2} - {(19.8)}^{2}} \approx 75 mF

(等式5)

一个75mF(75000微法)电容器几乎必然需要是电解质类型的。

然而，电解质电容器的寿命有限，并且往往具有高故障率。另一复杂因素是，随着电解质消耗和/或损耗，电解质电容器的电容在其寿命中平稳地减小，从而降低了其有效性并且改变了整个系统的动态特性。此外，电解质电容器往往体积大、沉重且易碎，并且具有大的等效串联电阻(ESR)。

从上面的等式明了，在DC链路电容器而非去耦电容器上执行能量存储功能可以更有利，因为这通常减小了所要求的电容器的大小。通常，在小电容器上以较高电压的形式存储能量比在较大电容器上以较低电压的形式存储能量更经济。然而，即使在在DC链路上存储能量的传统系统中，电容器也是昂贵、体积大和不可靠的部件，其常常构成功率转换系统中的最薄弱环节。

此外，在传统系统中对用于能量存储的电容器的大小进行调整呈现出一些困难的设计折衷。例如，即使带有大电容器，在PV电流和/或电压中仍残留纹波。如图3所示，即使少量的纹波也会导致可观的功率损失，这降低了该系统的效率。可以通过使用较大电容器来减小该纹波，但是如图4所示，电容器大小的增大显著提高了其成本。

功率控制

本发明的一些创新原理涉及可以从根本上改变功率转换器与功率源之间的接口的动态特性的功率控制技术。这些原理中的一些涉及的是维持向该功率转换器内观察的受控阻抗。参考图5，PV板可以被模型化为电压源V_PV和串联电阻R_PV。该系统包括可变电阻器R₁，其被控制以使得，不管从该PV板传递至该功率转换器的电流I₁如何，向该功率转换器内观察的阻抗Z_IN都保持恒定。在一个示例性实施方式中，可以如图6所示通过消除输入电压V₁与参考电压V_REF之间的差别来控制可变电阻器R₁。

一些创新原理涉及功率转换器中的阻抗控制与能量存储功能之间的关系。例如，在图7的实施方案中，向第一功率转换器级18内观察的阻抗Z_IN被保持在受控值。一个或多个能量存储器件20使得来自功率源16的瞬时输入功率与瞬时输出功率相平衡，所述瞬时输出功率可以流过一个或多个后续(subsequent)功率级。功率源16可以包括PV板、燃料电池(fuel cell)、电池(battery)、风力涡轮机等。第一级18可以包括一个或多个DC/DC转换器、DC/AC逆变器、整流器(rectifier)等。该能量存储器件可以包括一个或多个电容器、电感器等。该后续级可以包括一个或多个DC/DC转换器、DC/AC逆变器、整流器等。

在一个示例性实施方案中，功率源16包括PV板，第一级18包括DC/DC转换器，且能量存储器件包括链路电容器。向该第一功率转换器级内观察的阻抗Z_IN被保持在恒定值，而该链路电容器上的电压被允许根据后续级的脉动功率需求而波动。因为该输入阻抗控制使该PV板与该链路电容器相隔离，所以该链路电容器上的电压摆动可以远大于没有阻抗控制的系统中的电压摆动。这可以使得该链路电容器的大小能够被减小，因为存储在电容器中的能量的量直接关乎该电容器上的电压摆动。它还可以消除或减小输入处的去耦电容器的大小。

图8示出了根据本发明的一些创新原理的功率转换系统的另一实施方案。图8的系统从PV板22中的光伏电池接收功率。该系统包括DC/DC转换器24、链路电容器C_DC、DC/AC逆变器26和控制器28。该DC/DC转换器可以包括：被布置为预调整器的一个或多个级，例如降压转换器(buck converter)、升压转换器(boost converter)、推挽级(push-pull stage)、整流器等；主级，等等。为了例示，本实施例中的DC/DC转换器被假定为具有预调整级24a后面跟随着主级24b，但是这些创新原理不限于这样的布置。DC/AC逆变器26可以包括任何合适的逆变器拓扑，例如半桥、谐振逆变器等。电压传感器30和电流传感器32分别向控制器28提供表明PV板输出电压V_PV和电流I_PV的信号。该控制器输出驱动信号D₁以控制该预调整器。

控制器28通过以如下方式控制该DC/DC转换器中的预调整器级24a来实现恒定功率控制环(由箭头34概念性地示出)：将PV板输出电压V_PV或电流I_PV保持在消除或减小输入纹波的基本恒定值。这使得该PV板看到本质上恒定的负载，从而导致恒定功率传递。本质上，该恒定功率控制环将该PV板与预调整器24a之后的任何级相隔离，从而该能量存储器件可以被布置在该恒定功率控制环的下游的任何地方。在图8的实施例中，链路电容器被用于能量存储，以提供处于AC输出频率的逐周期功率平衡。然而，在其他一些实施方案中，能量存储可以位于预调整器与主级之间，或者在恒定功率控制环的下游的任何其他附加级中。

因为恒定功率控制环将功率源与下游的能量存储器件相隔离，所以可以允许该能量存储器件在比原本可接受的更宽的波动的情况下工作。例如，电容器可以在较大的电压波动的情况下工作，且电感器可以在较大的电流波动的情况下工作。这进而可以使得能够使用较小的能量存储器件。

根据本发明的一些创新原理，恒定功率控制与最大功率点跟踪(MPPT)不同，但是可以与之结合使用。而MPPT可以力图确定在某些工作条件下使从功率源可得的功率最大化的工作点，恒定功率控制可以使得该系统能够不管负载中的波动而保持在一个工作点。例如，在一些实施方案中，MPPT技术可以被用于为该系统找到工作点，而恒定功率控制技术可以被用于将该系统保持在该工作点，下面参考图22更详细地介绍。

调整恒定DC输入电压或电流可以提供如下优势。首先，减小输入波形中的纹波提高了遭受与纹波有关的电阻性损失(resistive loss)的DC功率源——例如PV板——的效率。其次，将能量存储移动至DC链路电容器可以消除对输入电解质电容器的需要，所述输入电解质电容器是昂贵、体积大和不可靠的短寿命部件。取而代之，能量可以以较高电压的形式存储在DC链路电容器上，所述DC链路电容器较廉价、更可靠、寿命较长且占用空间较少。此外，还可以减小DC链路电容器本身的大小。

在上面参考图8描述的示例性实施方案中，该控制器具有一个感测输入(V_PV或I_PV)以及一个控制输出(D₁)，其控制该DC/DC转换器中的预调整器。即，该恒定功率控制环是通过如下方式实现的：根据在该功率转换器系统的总输入处感测到的参数来控制该功率路径中的第一级。

本发明的一些附加的创新原理使得能够通过如下方式实现恒定功率控制：(1)根据在该系统中任何地方感测到的参数来控制除了该第一级以外的一个或多个功率级；以及/或者(2)根据在该系统中除了总输入处以外的任何地方感测到的一个或多个参数来控制任何一个或多个功率级。

例如，根据这些附加的创新原理中的一些，图8的实施方案可以被修改，以使得控制器28通过如下方式实现恒定功率控制环：根据在DC/AC逆变器26的输出处感测到的参数来控制预调整器24a。作为另一实施例，图8的系统可以被修改，以使得控制器28通过如下方式实现恒定功率控制环：根据输入电压V_PV来控制DC/AC逆变器26。

图9示出了根据本发明的一些创新原理的具有恒定功率控制的功率转换系统的另一实施方案。功率路径36包括N个功率级38，其中N≥1。该功率路径接收来自功率源40的功率，并且向负载42输出功率。控制器44从该功率路径接收一个或多个感测信号S₁、S₂…S_L，并且向该功率路径输出一个或多个驱动信号D₁、D₂…D_M。功率级38可以包括一个或多个DC/DC转换器、DC/AC逆变器、整流器、能量存储器件等，用于在功率从由功率源40提供的形式转换为向负载42传递的形式时处理该功率。所述一个或多个感测信号S₁、S₂…S_L可以从以下位置取得：任何功率级的输入和/或输出；功率级内的点；以及/或者功率级之间的点。所述一个或多个驱动信号D₁、D₂…D_M可以被布置，以控制所述功率级中的一个、任何或全部，或者所述功率级的一部分。驱动信号可以被布置，以协调地(in unison)控制多于一个的驱动级或者一个或多个驱动级的一部分。

控制器44使用如下信号实现恒定功率控制环：来自除了该功率路径的总输入之外的一点的至少一个感测信号(sense signal)；以及/或者，驱动除了该第一级以外的至少一个功率级的至少一个驱动信号。

在一些情况下，提供恒定功率控制可以包括：将参数保持在恒定值，例如，将去往该功率转换器系统的总输入电压保持在恒定值。在其他一些情况下，恒定功率控制可以包括：对参数进行控制以使其具有动态特性，例如，对链路电容器上的AC电压摆动进行控制以使其具有正弦波形。在一些实施方案中，可以让一些级自由运行，例如，不受控制地、以开环、以固定脉冲宽度PWM等，而在其他一些实施方案中，可以对每一级应用某一形式的闭环控制。

在一些实施方案中，恒定功率控制可以包括：调整一个或多个感测到的参数的值，例如，调整在该系统的输入处感测到的输入电压的值。在一些实施方案中，控制器可以使用一个或多个附加的感测到的参数，单独地或与其他感测到的参数组合，作为反馈信号。在其他一些实施方案中，可以使用一个或多个附加的感测到的参数，单独地或与其他感测到的参数组合，作为前馈信号(feedforward signal)。

在图9中，该功率路径中的功率级被示为大致成一行，但是并不要求这些级是串联的。一些级可以被布置成并联的、串联-并联组合的，或者根据这些创新原理的任何其他合适的配置，但是至少一个第一级被连接至该功率路径的总输入。

此外，不是直接调整输入以消除纹波，而是可以控制该系统中其他地方的能量存储器件处的纹波以在输入处产生相同的效果。

图10示出了根据本发明的一些创新原理的用于实施恒定功率控制的控制器的一个实施方案。该控制器从一个或多个感测电路接收一个或多个感测信号S₁、S₂…S_L，所述感测电路可以是简单欧姆连接、分流器、霍尔效应传感器、桥接电路、变压器等。可以使用一个或多个放大器/缓冲器电路46来调节所述感测信号，然后将所述感测信号施加至一个或多个控制块48，每个所述控制块实现函数H₁(s)、H₂(s)…H_L(s)。

来自所述控制块的输出被施加至控制算法段(control algorithmsection)50，控制算法段50实现一个或多个控制算法，以生成输出驱动信号D₁、D₂…D_M。所述一个或多个控制块48和/或所述控制算法段50可以被实现为硬件、软件、固件等，或者其任何组合。硬件可以用模拟电路系统、数字电路系统或其任何组合来实现。

图11示出了根据本发明的一些创新原理的功率转换器系统的一个实施方案。DC功率在端子292和294处被施加至该系统。图11的实施方案被示为处于太阳板290的情境中，但是它也可以与其他DC功率源，例如燃料电池、电池、电容器等，一起使用。在本实施例中，主功率路径通过形成了DC-DC转换器306的部件集合而延续。该DC-DC转换器将DC功率从相对低的电压和高的电流——这是具有晶体电池(crystalline cell)的PV板和一些其他DC功率源的特征——转变为相对较高的电压和较低的电流，具有相对较高的电压和较低的电流的功率适于转换为如下形式的AC功率，该形式的AC功率可以通过电网等被容易地配送至本地用户并且/或者传输至远程用户。在其他一些实施方案中，例如在基于薄膜PV电池的系统中，可以以较高的电压生成DC功率，从而消除或减小升压、预调整等的需要或用处。在本实施方案中，该DC-DC转换器被示为具有两个级：升压型预调整级和推挽型主级。然而，在其他一些实施方案中，DC-DC转换器可以用任何合适的单个或多个级来实现。

再次参考图11，可以利用零纹波输入滤波器296，例如无源滤波器，来减小高频(HF)纹波以提高效率。取决于实现，该零纹波滤波器的益处可能不值得付出附加的成本。

预调整器298可以使得该系统能够在较宽范围的输入电压下工作，以适应来自不同制造商的PV板。该预调整器还可以便于实现高级控制环以减小输入纹波，下面将讨论。为了高效率和紧凑尺寸，该预调整器可以被实现为，例如，具有软切换(soft switching)的高频(HF)升压级(boost stage)。在本实施例中，该预调整器提供适量的初始升压以供给下一级。然而，其他预调整器级，例如降压转换器、降压-升压转换器、推挽转换器等，也可被用作预调整器级。

推挽级300与变压器302和整流器304结合提供了大部分的升压。推挽级的使用可以便于用单个集成电路来实现整个系统，因为用于这两个功率开关的驱动器可以指向同一公共电压。来自整流器级304的输出被施加至DC链路电容器C_DC，DC链路电容器C_DC提供了高压DC母线(bus)以供给DC-AC逆变器级312。

逆变器级312包括高压输出桥308，高压输出桥308在本实施方案中被实现为简单半桥以提供单相AC功率，但是也可以被实现为多相实施方案。在AC输出被施加至中性输出端子N和线路输出端子L处的负载或电网之前，无源输出滤波器310使AC输出的波形平滑。

第一(输入)PWM控制器314根据各个感测输入来控制预调整器296。在图11的实施方案中，电压传感器316和320以及电流传感器318分别提供总输入电压和电流以及预调整器输出电压的测量值。然而，第一PWM控制器可以根据更少或更多的感测输入来工作。例如，可以省略这些感测输入中的任何感测输入，并且/或者可以包括其他感测输入，例如DC链路电容器C_DC上的电压，或在沿着该功率路径的任何其他点测量的电流。

如上面解释的，优选地以恒定速率从DC源汲取功率，而瞬时AC功率输出以AC线路频率的两倍在零与某一最大值之间波动。为了防止这些AC功率波动被反射回该DC功率源，使用能量存储电容器在AC线路周期中的波谷(trough)(或“谷(valley)”)期间存储能量并且在AC线路周期中的峰期间释放能量。这通常通过将大的电解质电容器用作DC链路电容器C_DC来达成，该电容器被保持在具有少量纹波的相对恒定值。

在一些实施方案中，通过控制预调整器296以在输入端子292和294处保持恒定值，第一PWM控制器314实现了如上所述的(并由箭头315概念性地示出的)内部恒定功率控制环。如果从该PV板可得的功率是恒定的，那么保持恒定的板电压也导致了来自该板的恒定输出电流。或者，该控制器可以调整电流而非电压。该恒定功率控制环防止DC链路电容器上的纹波被反射回输入。因而，可以增大该DC链路电容器上的电压摆动，且可以减小该电容器的大小，从而使得能够使用更可靠、更小、更廉价等的电容器。

最大功率点跟踪(MPPT)电路344形成了外部控制环，以将平均输入电压和电流——分别是由电压传感器316和电流传感器318感测到的——保持在最佳点，以使从DC功率源——其在本实施例中是PV板——可得的输出功率最大化。

第二(推挽)PWM控制器324控制了该推挽级，其在本实施方案中以固定的占空比工作。求和节点(summing node)329将来自传感器326的DC链路电压与链路参考电压LINK REF进行比较，并且将该输出施加至链路电压控制电路322。或者，求和节点329的输出可以被施加至第三(输出)PWM控制器330，以使得该输出段能够控制链路电压。

DC链路电压控制器322可以在不同模式下工作。在一种模式下，它可以简单地允许来自求和节点329的输出被施加至该PWM电路，从而使得DC链路电压被调整为恒定值。然而，如果与上面讨论的输入纹波减小环结合使用，DC链路电压控制器322可以过滤掉AC纹波，从而该第三PWM环仅调整DC链路电压的长期DC值(例如RMS值)。即，DC链路电容器上的AC纹波骑在根据DC链路电压控制器而上下滑动的DC消隐脉冲电平(pedestal)上。这对例如控制AC输出功率中的失真可以是有用的，下面将讨论。

第三(输出)PWM控制器330控制了半桥308中的四个开关，以提供正弦AC输出波形。非DQ、非cordic极形式(non-DQ，non-cordicpolar form)数字锁相环(DPLL)322帮助使该输出PWM与AC功率线路同步。总AC输出被电网电流控制环336监测和控制，电网电流控制环336根据来自MPPT电路、DC链路电压控制器、DPLL的输出以及输出电压和/或电流来调整第三PWM控制器330。根据分别由电压传感器340和电流传感器342感测到的输出电压和电流波形，谐波失真缓解电路338通过求和电路334来进一步调整该输出PWM，以消除或减小失真。来自谐波失真缓解电路的输出可以附加地被施加至电网电流控制环336。

来自谐波失真缓解电路338的输出信号还可以被施加至该DC链路电压控制器，用于优化DC链路电压。总之，使DC链路电压最小化以增加总效率可以是优选的。然而，如果该DC链路电容器上的电压偏移(excursion)的波谷降得太低，那么可以导致AC输出中的过度失真。因而，该DC链路电压控制器可以使该DC链路电容器上的DC消隐脉冲电平上下滑动，以将AC波谷的底部保持在可能的最低点，同时将失真保持在该谐波失真缓解电路指示的可接受的水平。

在另外一些实施方案中，DC链路电压控制器322可以提供反馈信号，该反馈信号被与参考信号进行比较并且被施加至第二PWM控制器324，然后第二PWM控制器324可以通过调节去往推挽级的PWM来控制DC链路电压。

图12是根据本发明的一些创新原理的适于实现图11的逆变器系统的主功率路径的一个实施方案的示意图。来自DC功率源346的功率在电容器C₁处被施加至该系统，电容器C₁可以是大的能量存储电容器，或者，如果使用了输入纹波减小控制环，是较小的滤波电容器，以防止HF切换瞬态(HF switching transient)被馈回该DC功率源。电感器L1、晶体管Q1和二极管D1形成了由输入PWM控制器控制的预调整升压转换器。

来自该升压转换器的输出出现在电容器C2两端，取决于实现，电容器C2可以提供HF滤波和/或能量存储。推挽级包括晶体管Q2和Q3，它们根据推挽PWM控制器来交替驱动变压器。该变压器可以是：图11所示的裂芯式(split core type)变压器T1、T2；单芯式变压器；或者任何其他合适的配置。该变压器具有适当的匝数比，以在DC链路电容器C_DC两端生成高压DC母线以适当地馈给输出桥。取决于实现，该变压器还可以在该逆变器系统的输入与输出之间提供流电隔离(galvanic isolation)。整流器可以包括：图12所示的无源二极管D2至D5；有源同步整流器；或者任何其他合适的装置。

HV输出桥中的晶体管Q4至Q7被输出PWM控制器控制以生成AC输出，该AC输出在被施加至负载或电网之前被电网滤波器(gridfilter)348过滤。

图12的实施方案的一个优势是，它非常适于制成例如带有单个集成电路(IC)的集成功率转换器。由于大多数功率开关指向公共电源连接，所以这些开关不需要单独的驱动器。由于各部件的增效相互作用，恒定功率控制特征与推挽级和下游能量存储器件的组合可以尤其有益。这些益处也可以延伸至分体(discrete)实现。

在整个结构的一个单片(monolithic)实现中，在输出半桥中的高侧开关与它们对应的低侧开关之间可以存在介电隔离。在该系统的不同段之间也可以存在隔离。例如，位于一个段中的感测电路系统可以将信息传递至另一段中的处理电路系统(circuitry)，所述处理电路系统根据从该第一段接收的信息来执行控制和/或通信和/或其他功能。取决于具体的应用和功率处理要求，所有部件——包括功率电子器件、无源部件和控制电路系统(智能)——可以被直接制作在IC芯片上。在其他一些实施方案中，使最大的无源部件——例如电感器、变压器和电容器——位于芯片外可以是优选的。在另一些实施方案中，图12的系统可以被实现为一个多芯片方案。

本发明的一些附加的创新原理涉及将恒定功率控制功能集成在功率源和/或功率转换系统中。在一些实施方案中，恒定功率控制装置可以以较低层次——例如电池单元层次(cell level)、串层次(stringlevel)等——集成在功率源中。例如，在图13所示的PV板350中，一个或多个恒定功率控制环350可以被集成在该板上的每个电池单元354上。在图14所示的另一实施方案中，一个或多个恒定功率控制环356可以在板358上与每串电池单元360集成。在图15所示的另一实施方案中，单个恒定功率控制环362可以被用于来自板364上的所有电池单元的组合输出。单个环362可以与电池单元之一366集成，或者与任何电池分立。在图16所示的另一实施方案中，多个恒定功率控制环368可以与板370关联，要么与该板一体地，要么与该板分立地。在其他一些实施例中，恒定功率控制环可以与每个电池单元集成，要么作为与每个电池单元关联的一个或多个分体部件，要么部分地或完全地集成在用于每个电池单元的同一基底上。这些类型的集成解决方案可以包括来自多个恒定功率控制环的输出，其可以以串联、并联、串联-并联组合等方式组合。

本发明的一些附加的创新原理涉及在功率转换系统中将功率控制为波动值而非恒定值。例如，在一些实施方案中，功率可以被控制为任何任意函数(arbitrary function)，或者被控制为给具体系统定制的特定函数。在其他一些实施方案中，功率可以被控制为动态值，所述动态值可以与负载的功率需求中的波动、由源供应的功率中的波动或两者的组合等等同步。

失真缓解

本发明的一些附加的创新原理涉及用于缓解(mitigate)功率转换系统中的失真——例如谐波失真——的技术。尽管在也包括恒定功率控制的实施方案的情境中示出了涉及失真缓解的一些原理，但是涉及失真缓解的创新原理可以独立于恒定功率控制及本文公开的其他创新原理而应用。

图17示出了来自半桥型DC/AC逆变器的瞬时电压需求与从DC链路电容器可得的电压——其保持在固定电压——的比较。只要DC链路电压保持高于来自该逆变器的峰电压需求(加上用于净空(headroom)的额外量)，该逆变器就能产生在输出电压和电流波形中几乎没有或没有谐波失真(HD)的AC输出。

图18示出了来自半桥型DC/AC逆变器的瞬时电压需求与从DC链路电容器可得的电压——其因本文描述的恒定功率控制特征而具有大的AC电压摆动——的比较。大体上，DC链路电压上的波动可以导致AC输出中的失真。此外，在线路周期中的某些点，从该链路电容器可得的电压中的最小值与来自该逆变器的电压需求中的峰值重合。在这些点，由于对该逆变器缺少足够的电压和净空，来自该逆变器的AC输出电压和/或电流可以变得过度失真。换言之，在一些实施方案中，取决于DC链路电容器上允许的AC纹波的量，包含恒定功率特征可以造成输出电流中的一些失真。对于并网应用(grid tie application)或者有规章和/或条款限制AC输出中的失真量的任何其他应用，谐波失真尤其麻烦。

图19示出了根据本发明的一些创新原理的具有谐波失真缓解的功率转换系统的一个实施方案。本实施方案包括：功率源52；以及具有第一功率级54、能量存储元件56和第二功率级58的功率路径。控制器60使用从该系统中的任何合适点获得的一个或多个感测输入以及施加至该系统中的任何合适点的一个或多个驱动输出来对该系统施加恒定功率控制。谐波失真缓解(HDM)装置62可以使用从该系统中的任何合适点获得的一个或多个感测输入以及施加至该系统中的任何合适点的一个或多个驱动输出。

根据本发明的一些创新原理，该谐波失真缓解块可以实现多种不同缓解策略中的一种或多种。图11的实施方案中示出了一个实施例。作为另一实施例，该HDM块可采用来自第二功率级58的输入和输出的一个或多个感测输入，并且以与图11的实施方案所示的HDM特征相似的方式控制第一级54和/或第二级58。该HDM功能可以与恒定功率控制功能协作，或者可以独立于恒定功率控制功能而工作。

图20示出了根据本发明的一些创新原理的失真缓解系统的一个实施方案。图20的实施方案包括具有能量存储元件200、功率级202和负载204的功率路径。控制器206接收一个或多个负载信号S_L，负载信号S_L提供关于去往该负载的功率流中的失真的信息。一个或多个控制信号——例如一个或多个调制信号S_M——使得该控制器能够以可以减小失真的方式控制该功率级。来自该能量存储元件的一个或多个感测信号S_ES提供了可以被用来控制该能量存储元件的一个或多个参数的信息。尽管这些信号在图20中被示为连接至或来自特定点，但是这些信号也可以连接至或来自任何其他合适的点。例如，一个或多个负载信号S_L被示为源自该功率级与该负载之间，但是它们也可以直接取自该功率级、该负载或任何其他合适的位置。

控制器206包括控制功能，例如：调制器210，以控制功率级202；同步功能212，以使该调制器与该负载同步；以及，失真缓解功能208，以缓解去往负载的功率流中的失真。该控制器的功能可以被实现在硬件、软件、固件等或者其任何组合中。硬件可以用模拟电路系统、数字电路系统或其任何组合来实现。所述功能的实现可以被巩固在单个装置中，或者分布在多个装置中，等等。

能量存储元件200可以包括一个或多个电容器、电感器或任何其他能量存储元件。功率级202可以包括一个或多个DC/DC转换器、DC/AC逆变器、整流器等。该负载可以是AC负载、DC负载或其任何组合。该控制功能可以包括任何合适类型的调制功能，例如脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)，或者任何其他合适类型的控制或调制功能。同步功能212可以包括锁相环(PLL)功能、延迟锁定环(DLL)功能，或者任何其他合适的功能以使该功率级的控制与该负载同步。失真缓解功能208可以包括谐波失真缓解或消除，或者任何其他类型的失真缓解。

图21示出了根据本发明的一些创新原理的失真缓解系统的另一实施方案，其中示出了一些示例性实现细节。在图21的实施方案中，能量存储元件包括具有波动电压的电容器C_DC，所述波动电压可以例如是由恒定功率控制导致的。功率级214包括DC/AC逆变器，该DC/AC逆变器在本实施例中包括半桥。负载216可以包括任何类型的AC负载，但是在本实施例中，假定该负载包括以传统正弦AC波形工作的功率配送电网。在该半桥和该电网之间可以包括电网滤波器218。

在本实施例中，控制器207接收链路电压V_DC，链路电压V_DC是通过电压传感器或连接224从电容器C_DC获得的。PWM调制信号M_a2被从控制器207提供至该半桥。负载信号包括从电流传感器或连接222获得的电网电流I_G，以及从电压传感器或连接220获得的电网电压V_G。

图21的控制器包括正弦PWM元件226，以生成使该半桥产生正弦AC输出的脉冲宽度调制信号M_a2。尽管本实施方案针对正弦波形，但是在其他实施方案中可以利用其他类型的AC波形。同步功能是通过数字锁相环228来执行的，数字锁相环228根据电网电压V_G生成相位信号θ。失真缓解功能是通过谐波失真消除HDC元件230来执行的，HDC元件230根据电网电流I_G和相位信号θ生成幅度信号Ma。该HDC元件可以可选地包括根据链路电压V_G工作的链路电压控制特征。来自该HDC元件和该DPLL的输出被施加至正弦PWM元件226，正弦PWM元件226生成用于控制该半桥的调制信号M_a2。来自该HDC元件和该DPLL的输出可以被直接，或者通过其他的元件组合，施加至正弦PWM元件226。例如，在其他实施方案中，信号Ma可以不被直接施加至正弦PWM元件226，而是可以在加法器中与该正弦PWM元件的输出组合。

根据本发明的一些创新原理，可以对控制器207内的功能的选择和布置进行多种改变。下面通过示例方式描述一些实施例。

图22示出了根据本发明的一些创新原理的具有谐波失真缓解的控制器的另一实施方案。在图22的实施方案中，HDC元件230包括正弦发生器234，正弦发生器234根据来自DPLL的相位信号θ生成正弦信号sin(θ)。信号sin(θ)通过乘法器236与参考信号I_REF组合，以生成比例信号(scaled signal)I_REFsin(θ)，比例信号I_REFsin(θ)通过加法器(或比较器)238与电网电流I_G相比较，以生成误差信号I_ERR。所述误差信号可以通过函数块240经传递函数H(s)，以生成误差幅度信号MAG。

图22的实施方案实现了一种控制功率级的直接方法，其中电网电流被与比例正弦信号I_REFsin(θ)相比较。来自正弦PWM 226的输出Ma2的形式为Ma2＝MAG·sin(θ)。在工作中，MAG部分可以将失真呈现为时间的函数，因为控制环试图保持纯粹正弦的输出，即使链路电压上存在纹波。该系统的缓解谐波失真的能力可以取决于包括比较器238、函数240和正弦PWM 226——它们与半桥和电网滤波器(如果存在的话)形成环——的路径的带宽。所述环通常将消除处于低于所述环的带宽的频率的谐波，例如更低的幅度的阶(order)。因而，包括比较器、H(s)和正弦PWM的路径可以形成相对快的内部环，而包括DPLL 228和正弦发生器234的路径可以形成较慢的外部环。

参考信号I_REF可以是固定的参考信号。或者，如图22所示，I_REF可以由DC链路电压控制特征242提供，作为控制DC链路电压的另一控制环的一部分。链路电压V_DC，或者V_DC的平均或RMS形式，可以与参考信号V_REF相比较以生成I_REF。DC链路电压控制可以被实现为另一相对慢的外部控制环。

本发明的一些附加的创新原理涉及电网电流控制。图23的实施方案包括电网电流控制元件244，以根据电网电流I_G和来自DPLL的相位信号θ以及参考信号I_REF2而生成直流信号I_D和正交信号I_Q。该直流信号和该正交信号被施加至逆DQ变压元件(inverse DQ transformelement)246，生成相位信号

(施加至正弦生成器234)和幅度信号MAG’(施加至正弦PWM 226)。分别来自HDC块230和正弦PWM 226的输出MAG和MAG”被加法器248组合，以提供最终的调制信号Ma2。

通过提供电网电流控制，图23的实施方案可以被配置，以迫使电网电压V_G和电网电流I_G形成更接近的相位关系。例如，在纯粹或主要具有电阻性电网负载(resistive grid load)的系统中，前述图22的实施方案可以提供适当的工作。在具有带有电抗性部件(reactive component)的电网负载的系统中，图23的实施方案的电网电流控制特征可以迫使电网电压和电网电流同相(in phase)，从而对电抗性电网提供改进的谐波失真消除。

尽管本文公开的电网电流控制技术在图23中被示为与HDC特征230结合，但根据本发明的一些创新原理，本文公开的电网电流控制技术可以与HDC特征230或任何其他HDC特征分立地实现。

在图23的情境中示出的电网电流控制技术也可以与各种形式的链路电压控制组合。例如，参考信号I_REF1和I_REF2中的任一或两者可以由一个或多个链路电压控制元件——例如图22所示的元件242——提供。

本发明的一些附加的原理涉及将预失真技术用于失真缓解。图24示出了具有控制功能(例如调制器)210和同步功能212的控制器250的一个实施方案，所述控制功能用于生成一个或多个控制信号S_M以控制功率级，所述同步功能用于根据一个或多个负载信号S_L使功率级的输出与负载同步。预失真元件252根据任何合适的信号——例如来自能量存储元件的传感信号S_ES——来提供某一形式的预失真。所述预失真可以被应用至所述一个或多个控制信号S_M或任何其他信号或元件，以提供失真缓解。所述控制器功能可以以硬件、软件、固件等或其任何组合来实现。硬件可以用模拟电路系统、数字电路系统或其任何组合来实现。所述功能的实现可以被巩固在单个装置中，或者分布在多个装置中，等等。

图25示出了根据本发明的一些创新原理的具有预失真的控制器的一个实施方案。调制信号Ma可以由任何合适的源提供，例如上述实施方案中的任何Ma2信号。在本实施例中，调制信号Ma由简单正弦PWM元件258提供，简单正弦PWM元件258由DPLL 260根据电网电压V_G来控制。预失真元件254生成预失真信号Ma’，预失真信号Ma’通过加法器256与调制信号Ma组合，以生成最终的调制信号Ma”。最终的调制信号Ma”可以被施加至任何合适的功率级。在本实施例中，所述功率级可以是图21所示的半桥。

根据本发明的一些创新原理的预失真方法可以与本文公开的其他类型的失真缓解原理分立地或附加地实现。预失真元件254可以实现任何类型的预失真，以缓解或消除从功率级至负载的功率流中的失真。例如，如果被施加至图21的系统，那么预失真元件254可以生成预失真信号Ma’，预失真信号Ma’预测及补偿由链路电压V_DC上的纹波导致的失真。

图26示出了根据本发明的一些创新原理的预失真元件的一个实施方案。图26的实施方案包括查找表262，以根据瞬时链路电压V_DC和链路电压平均值V_DC(AVERAGE)来提供预失真信号Ma’。

图27示出了根据本发明的一些创新原理的预失真元件的另一实施方案。图27的实施方案通过将链路电压平均值V_DC(AVERAGE)除以瞬时值V_DC来生成预失真信号Ma’。该结果可以被直接用作预失真信号，或者经历附加的处理。例如，该结果可以在经函数f(s)变换后被乘以调制信号Ma，如图27所示。

图28示出了根据本发明的一些创新原理的预失真元件的另一实施方案。图28的实施方案包括查找表264，以根据瞬时链路电压V_DC、链路电压平均值V_DC(AVERAGE)、瞬时电网电压V_G和电网电压RMS值V_G(RMS)来提供预失真信号Ma’。

图29示出了根据本发明的一些创新原理的预失真元件的另一实施方案。图29的实施方案根据瞬时链路电压V_DC、链路电压平均值V_DC(AVERAGE)、瞬时电网电压V_G和电网电压RMS值V_G(RMS)按照任何合适的传递函数H(s)来计算预失真信号Ma’。

在一些应用中，以图26和图27示出的实施方案可以提供适当的失真缓解，其中电网负载具有纯粹或几乎正弦的波形。在其他一些应用中，以图28和图29示出的实施方案可以在电网负载波形包含大量的失真的情况下提供更好的失真缓解。

涉及预失真的创新原理不限于具有正弦AC负载的系统。可以生成预失真信号Ma’，以补偿具有例如三角波、锯齿波、方波等波形的负载中的失真。在具有查找表的实施方案中，所述查找表可以是静态的，或者可以随时间而改变，例如根据各种输入(例如线路电压、频率、链路电压)或任何其他工作参数而改变。根据这些创新原理的失真缓解技术也可以使用任何合适的算法(包括来自音频领域的一些算法)来实现，所述合适的算法可以直接应用，或者与这些创新原理适应后应用。

涉及失真缓解的各种创新原理都可以分立地使用，或者与其他创新原理组合使用。例如，在一些实施方案中，控制器可以将预失真与链路电压控制组合，而在其他一些实施方案中，根据本发明的一些创新原理，控制器可以将直接谐波失真消除与电网电流控制、预失真和链路电压控制组合。

阻抗变换

本发明的一些附加的创新原理涉及如下技术，其用于操纵恒定功率控制环，以提供阻抗变换、确定最大功率点或其他工作点以及/或者用于其他目的。

参考图30，PV板被模型化为电压源V_INTERNAL和串联电阻R_INTERNAL。恒定功率控制环使该PV板看到具有恒定输入阻抗Z_IN＝V_PV/I_PV的恒定负载I_PV。由于阻抗变换，施加至负载I_PV的恒定功率被变换为传输至DC链路的恒定功率。功率P是恒定的，并且等于V_PV*I_PV。由于该功率是恒定的，并且由半桥汲取的电流以线路频率的两倍发生改变，所以链路电压V_DCLINK必须也以线路频率的两倍发生改变，因为电流和电压的乘积必须是恒定的。因而，传输至DC链路的电流的改变为P/V_DCLINK＝V_PV*I_PV/V_DCLINK。

当该PV板的串联电阻R_INTERNAL与负载I_PV呈现的阻抗相匹配时，即当Z_IN＝R_INTERNAL＝V_PV/I_PV时，从该PV板传递至该转换器系统的功率被最大化。

在一些实施方案中，上述实现恒定功率控制的系统可以将DC/DC转换器或其他功率级从低AC阻抗路径变换为高AC阻抗路径。这能通过参考图31得到更好的理解，在图31中AC负载被示为汲取脉动电流I_AC的电流源100。传统的DC/DC转换器被示为低阻抗路径102。如果电容器C₁或C_DC具有大的值，那么它就形成了去往公共节点的低阻抗路径，从而阻挡了脉动电流I_AC被反射回该PV板。然而，如果电容器C₁和C_DC被移除或者大小减小，那么该DC/DC转换器就在负载100和该PV板之间形成了低阻抗AC路径。因而，电流I_AC中的脉动在该PV板的输出处呈现为电压和/或电流波动。

然而，在该DC/DC转换器中实现恒定功率控制环可以导致该转换器表现为具有高AC阻抗的路径。从而防止了脉动AC电流I_AC流过该DC/DC转换器。结果是，全部或大部分AC电流必须流过链路电容器C_DC，这因链路电容器C_DC的低阻抗在其两端造成了大的电压摆动。

因为恒定功率控制的阻抗变换属性可以是控制操作而非硬连线部件(hardwired component)的结果，所以恒定功率控制的阻抗变换属性可以快速地且/或以受控方式改变。例如，该DC/DC转换器的流通阻抗(flow-through impedance)可以被该控制器瞬时地改变。这样的属性可以被利用以提供一些有益的结果。

工作点扫描

一种这样的应用包括：根据本发明的一些创新原理，确定连接至功率转换器的功率源的最大功率点或其他工作点。

参考图32，曲线104示出了典型的PV板在某些工作状态下的电压-电流特性(V-I曲线)，而曲线106示出了同一板在同状态下的对应的功率特性(功率曲线)。该V-I曲线在值I_SC时是零伏特，I_SC是当输出端子短接在一起时由该板生成的短路电流。随着输出电压增大，该V-I曲线保持在相当恒定的电流水平，直至达到拐点，在拐点处快速下降奔向V_OC处的零电流，V_OC是该板的开路输出电压。

该功率曲线简单地是在沿着该V-I曲线的每一点处将电流乘以电压。该功率曲线具有对应于某一电压水平和某一电流水平的最大值。这被已知为最大功率点或MPP。大多数PV功率系统试图工作在最大功率点。然而，最大功率点趋向于基于工作条件(例如照明水平、温度、板的老化等)的变化而改变。因而，在MPP随着时间而改变时，要对算法进行修改来跟踪MPP。

用于最大功率点跟踪(MPPT)的现有算法通常是缓慢的过程，其在与AC线路周期相比相对长的时间内执行。此外，现有算法假定在功率曲线中仅存在一个MPP。然而，对于一些PV板及其他功率源，功率曲线可以具有多个局部最大点。图33中示出了一个实施例，其示出了具有多于一个的局部MPP的功率源的V-I曲线和功率曲线。传统MPPT算法可能从左侧逼近局部最大值MPP1，并且随着该算法向右移动，一旦该算法确定该功率曲线趋向于下降，该算法就停止。在这种情况下，该算法会错误地确定MMP1而非MMP2是最大功率点，而MPP2才是真正的最大功率点。可以修改现有算法使其继续搜索剩余的电压范围，但这在现有技术下是个冗长的过程。

在具有恒定功率控制的功率转换系统中，根据本发明的一些附加的创新原理，可以操纵控制技术以提供最大功率点跟踪或其他技术。如上面解释的，恒定功率控制环可以防止功率脉冲被反射回功率源。这在图34中被示出，其中功率级108被恒定功率控制环110控制，恒定功率控制环110防止来自AC负载112的功率脉冲到达功率源114。

通过选择性地禁用或以其他方式修改恒定功率控制环，一些或全部功率脉动可以通过可观察到的方式被反射回功率源，用于确定工作点或者其他有用的信息。例如，在图35中，控制环110被SW1禁用。这导致该功率级以某一其他模式——例如以固定占空比——工作，从而允许来自AC负载的功率脉冲到达功率源。跟踪电路116测量功率源114的输出中的电压和/或电流波动，并且使用该信息来实现MMPT算法或其他处理。使用相对小的能量存储设备——例如小的电容器，可以使得来自AC负载的功率脉动能够到达功率源。例如，如果使用较大的电容器，那么该电容器可以阻挡脉冲到达功率源。

图36示出了图34和图35的实施方案在某些条件下可以如何工作。假定该系统初始在点B处在恒定功率控制环启用的情况下工作。然后禁用该控制环，以允许功率级108以固定占空比开环工作。来自AC负载的功率脉动被反射回功率源，从而导致，随着来自该功率源的输出电压和电流扫过对应的范围V_SWEEP和I_SWEEP，该工作点沿着功率曲线在点A与点C之间来回移动。跟踪电路116监测该输出电压和电流，从而能够计算A与C之间的每一点处的功率。由于扫描范围既包括局部最大点MPP1又包括局部最大点MPP2，该跟踪电路能够将它们进行比较以确定真正的MPP。

在该实施例中，发现真正的MPP在点B’处。一旦确定了MPP，恒定功率环就可以被重新启用，以使该系统保持在B’处，而不管AC负载中的波动如何。在没有恒定功率控制环的情况下，AC负载中的波动将导致该工作点在点B’附近波动，如图36中的箭头所示。

上述跟踪操作可以提供用于确定MPP或其他工作点的快速且鲁棒的技术，因为上述跟踪操作可以在与MPPT惯例中通常采用的相比较小的时间尺度内——在一些情况下在小于AC负载的线路周期的时间尺度内——扫描大的工作范围。例如，在具有正弦输出的系统中，第一相中的信息与第二相相同。因而，在具有60Hz正弦输出的系统中，获得所有信息仅需要120Hz功率纹波的半个周期。这样，能够在60Hz线路周期的1/4或者约4ms内执行该扫描。

由于恒定功率控制环可以在控制算法中被容易地启用、禁用或修改，其实现可以是快速且简单的。在扫描过程中，由AC负载提供扰动，因而减小或消除了用附加的电路系统来产生扰动的需要。

该过程也可以非常灵活并且适于多种参数的无数变体。例如，功率级可以在扫描操作中被设置到任何合适的固定占空比或其他操作模式。或者，占空比可以步进经过(step through)不同的值，以将扫描范围延伸至AC负载的多个周期。该系统可以被配置，以扫描功率源的整个工作范围，或者可以在扫描范围上布置固定的或灵活的边界。例如，在一些实施方案中，可以简单地允许扫描操作使用功率级中的具体固定占空比扫描由具体AC负载提供的任何范围。在其他实施方案中，可以对来自功率源的输出电压和/或电流设置限制。例如，如果达到上限或下限，那么可以启用恒定功率控制环，要么在原始工作点(B)，要么在某一改变的工作点，例如该限制本身。因而，如果不需要对整个动态范围进行采样，那么可以使用该控制环本身来限制V-I曲线和功率曲线的摆动。

根据一些创新原理，可以根据多种事件来发起扫描操作。在一些实施方案中，可以以周期性的时间间隔来发起扫描操作，例如每秒一次或几秒一次、每分钟一次或几分钟一次，等等。在其他实施方案中，当监测操作确定该系统没有在正常预期的状态下工作时，可以触发扫描操作。或者，可以通过外部刺激来触发扫描操作。

在图34和图35的示例性实施方案中，使用AC负载本身在功率源处产生波动，但是也可以采用其他装置来产生校准的(calibrated)波动。例如，可以用可控负载来替代正常AC负载，以提供处于受控速率且在受控边界内的波动。或者，该可控负载可以提供一个或多个离散负载点，而非扫过范围内的每一点。可控负载可以被独立地控制，或者由用于跟踪操作的同一控制电路系统来控制。

这些特征中的任何或全部可以在专用控制器或逻辑中实现，或者在可以实现该功率转换系统的其他特征的控制器或逻辑中实现。

带有个体功率控制的多个功率源

本发明的一些附加的创新原理涉及功率控制在具有多个功率源的系统中的使用。图37示出了如下系统的一个实施方案，其中N个功率源118中的每个都连接至N个功率转换器120中对应的一个。所述功率转换器的输出被组合器122组合，且被施加至至少一个能量存储器件124。所述功率转换器的输出可以以串联、并联、串联-并联组合方式或者任何其他合适的布置来组合。所述功率源包括光伏器件、燃料电池、电池、风力涡轮机或任何其他功率源，或者其组合。所述功率转换器可以包括由DC/DC转换器、DC/AC逆变器、整流器等或其任何组合构成的一个或多个级。所述功率转换器中的一个或多个包括恒定功率控制功能性126。

图38示出了功率转换系统的一个实施方案，其中多个DC/DC转换器包括根据本发明的一些创新原理的恒定功率控制功能性。在图38的实施方案中，功率源被实现为PV板128，每个PV板128都向对应的DC/DC转换器130提供功率。所述DC/DC转换器的输出以串联方式布置以生成DC链路电压V_d，DC链路电压V_d被施加至链路电容器C_DC。DC/AC逆变器132将该链路电压转换为AC电压V_GRID。

每个DC/DC转换器130都实现了恒定功率控制环134，以保持来自其关联PV板的恒定功率传递。每个DC/DC转换器130也可以实现最大功率点跟踪功能(MPPT)，其作为较慢的外部控制环围绕相对较快的内部恒定功率控制环而工作。每个DC/DC转换器都输出恒定功率，该恒定功率对应于由每个个体功率源提供的输入功率。链路电容器C_DC作为用于所有DC/DC转换器的组合能量存储元件而工作。链路电压V_d在DC分量顶部包括AC纹波分量，其中AC纹波的量取决于链路电容器的大小，下面将讨论。来自每个DC/DC转换器的输出电压和电流被允许浮动，从而它们能够落定在使整个功率系统的电压约束和电流约束平衡的值。因为在本实施例中转换器130以串联方式布置，所以经过每个DC/DC转换器的输出电流一定相等，同时输出电压的和一定等于DC链路电压V_d。其他实施方案可以针对不同的约束而布置。例如，在DC/DC转换器以并联方式连接的实施方案中，每个转换器可以提供不同量的电流。

图38的系统还可以包括链路电压控制功能，其调节来自DC/AC逆变器的需求以将链路电压的平均值或RMS值保持在如下水平：该水平提供DC/AC逆变器的最佳工作并且/或者防止或减小输出处的谐波失真。

因为每个DC/DC转换器130都实现个体恒定功率控制环，所以每个转换器处的输入纹波可以针对每个PV面板而最佳地最小化。通过向每个转换器添加MPPT功能性，还可以优化来自每个PV板的功率输出，不管每个板的工作条件——例如照明条件、温度、老化等——有何不同。

此外，取决于实现细节，可以减小链路电容器C_DC的大小。例如，在具有带有谐波失真缓解特征的DC/AC逆变器132的一个实施方案中，减小链路电容器的大小是可能的。即使使用较小电容器会造成链路电容器上的较大电压波动，谐波失真缓解特征的存在也可以将AC输出中的失真减小至可接受的水平。然而，在具有没有谐波失真缓解的传统DC/AC逆变器的实施方案中，仍有必要使用相对大的链路电容器，因为链路电容器上的大纹波电压可以造成AC输出中的不可接受的失真水平。

本发明的一些附加的创新原理涉及可以单独地或以各种组合使用本文公开的某些或全部其他创新原理来实现的功率转换系统架构。将参考下面的图来描述所述架构中的一些。

图39示出了一个实施方案，其中多个模块400——这些模块中的一些或全部包括恒定功率控制402——被串联布置以生成DC链路V_LINK，V_LINK被施加至传统的中枢逆变器404。因为使用了传统的中枢逆变器404，所以利用相对大的链路电容器C_LINK来限制AC纹波，并且提供防止AC输出中的过度失真的受约束DC链路(constrained DClink)。

图40示出了一个实施方案，其中多个模块400——这些模块中的一些或全部包括恒定功率控制402——被并联布置。

图41示出了一个并联-串联实施方案，其中多个模块400首先被布置为并联单元。然后所述并联单元被串联布置以提供DC链路V_LINK。

图42示出了一个串联-并联实施方案，其中多个模块400首先被布置为串联单元或串。然后个体串被布置为并联组合以生成DC链路V_LINK。

在图39至图42的每个实施方案中，这些模块可以用各种替代结构来实现，例如，在一些实施方案中，每个模块400可以是一个或多个集成有恒定功率控制402的太阳能板、燃料电池或其他功率源。在其他一些实施方案中，这些模块可以包括一个或多个功率源以及关联的DC/DC转换器，其中恒定功率控制402可以是该DC/DC转换器的一部分。其他模块配置也是可能的，包括本文公开的配置的组合。

而且，在图39至图42的每个实施方案中，由于使用了传统的中枢逆变器404，所以利用相对大的链路电容器C_LINK来限制AC纹波，并且提供防止AC输出中的过度失真的受约束DC链路。

一些附加的创新原理涉及在中枢逆变器或其他功率级中使用谐波失真缓解，与具有恒定功率控制的一个或多个功率源结合。

图43示出了根据本发明文本的创新原理的一个实施方案，其中基于逆变器桥406的中枢逆变器包括谐波失真缓解408。在本实施方案中，DC链路V_LINK可以由一个或多个功率源生成，这些功率源中的一些或全部包括恒定功率控制。例如，可以使用图39至图42中示出的任何功率源布置来生成V_LINK。然而，因为半桥406包括谐波失真缓解408，所以可以放松(relax)V_LINK上的纹波约束，从而可以使用较小的链路电容器。即，由于谐波失真缓解408的工作，在V_LINK上可以允许较大的电压波动而不造成AC输出中的过度失真。因而，可以允许这一个或多个具有恒定功率控制的功率源在较小电容器上生成松弛DC链路(relaxed DC link)。

图44示出了可以与松弛DC链路一起工作的中枢逆变器的另一实施方案。在该实施方案中，该逆变器包括推挽级410，后面跟随着提供隔离的变压器412、整流器414和逆变器桥406。该逆变器桥包括谐波失真缓解408。在本实施方案中，能量存储可以由布置在该整流器和该逆变器桥之间的相对小的DC链路电容器C_LINK提供。在另一实施方案中，链路电容器可以被布置在推挽级的前面，如图45所示。在又一实施方案中，能量存储可以分布在多个位置。这些实施方案中的任一个还可以包括其他功率级，例如预调整器等。类似地，MPPT可以被包括在任何合适的点处，例如在推挽级或逆变器桥的输入处。

图46示出了可以与松弛DC链路一起工作的中枢逆变器的另一实施方案。在本实施方案中，松弛DC链路输入被施加至DC/DC转换器416，DC/DC转换器416还可以包括恒定功率控制418。DC/DC转换器级的输出被施加至具有失真缓解408的逆变器桥406。相对小的DC链路电容器C_LINK可以被布置在该DC/DC转换器和该逆变器桥之间。

图47示出了可以与松弛DC链路一起工作的中枢逆变器的另一实施方案。在本实施方案中，松弛DC链路输入V_LINK被施加至具有失真缓解409的线路频率逆变器桥407。来自该逆变器桥的输出被施加至线路频率变压器411，线路频率变压器411将该逆变器连接至功率电网或其他AC负载。

一些附加的创新原理涉及在与一个或多个传统功率源组合的中枢逆变器或其他功率级中使用恒定功率控制。

图48示出了中枢逆变器的一个实施方案，该中枢逆变器可以用直接来自一个或多个功率源——例如PV板、燃料电池等——的输入工作。所述一个或多个功率源生成DC母线V_BUS，V_BUS被输入具有恒定功率控制422的DC/DC转换器420。该DC/DC转换器后面跟随着推挽级410、变压器412、整流器414和具有失真缓解408的逆变器桥406。

相对小的电容器可以用于链路电容器C_LINK，因为恒定功率环防止该电容器上的纹波被反射回所述一个或多个功率源，同时失真缓解可以防止或减小由DC链路上的纹波造成的AC输出上的失真。因而，可以使用松弛DC链路。

在图48的实施方案中，链路电容器C_LINK被布置在整流器和逆变器桥之间，但是在其他一些实施方案中，链路电容器可以被布置在DC/DC转换器420和推挽级410之间，如图49所示，或者逆变器中的任何其他合适的位置。

在图48和图49的实施方案中，MPPT功能还可以被实现在DC/DC转换器中、逆变器桥处或者逆变器中的任何其他地方，以设置用于恒定功率控制的工作点，从而使来自DC母线上的功率源的功率传递最大化。

参照图44至图49的实施方案描述的创新原理可以被应用至带有中枢逆变器、分布式逆变器或其组合等的系统。

一些附加的创新原理涉及对分布式逆变器——也被称作微逆变器或纳米逆变器——使用失真缓解。

图50示出了一个系统的实施方案，其中多个分布式逆变器424接收直接来自多个功率源430的功率。这些逆变器中的一些或全部包括恒定功率控制426和失真缓解428。来自这些分布式逆变器的输出被组合，以向电网或其他AC负载提供AC输出。

图51示出了一个系统的实施方案，其中多个分布式逆变器432接收来自多个功率源436的功率。这些功率源中的一些或全部包括恒定功率控制438以向这些逆变器提供松弛DC链路，并且这些逆变器中的一些或全部包括失真缓解434以防止松弛DC链路上的纹波造成AC输出中的不可接受的失真。来自这些分布式逆变器的输出被组合，以向电网或其他AC负载提供AC输出。

在图50和图51的实施方案中，MPPT功能还可以被实现在这些分布式逆变器中或任何这些功率源中，以设置用于恒定功率控制的工作点，从而使来自所述功率源的功率传递最大化。

应用

尽管已经在涉及DC-AC逆变器系统的一些具体实施方案的情境下描述了本发明的一些创新原理，但是这些创新原理可以广泛适用于各种如下功率转换系统：这些系统看到动态负载和/或动态功率源，从而要求能量存储器件来平衡从源至负载的功率流。这些创新原理在可靠性较重要但能量存储器件传统上一直不可靠的情况下可以尤其有利。合适的应用的一些实施例包括：电动汽车和混合动力汽车、叉车、大众运输工具、有轨车辆、地铁系统；空气冷却系统；包括逆变器/转换器盒的太阳能系统和风能系统；能量存储(电池)去耦；各种功率供应；各种电机驱动；能量转换系统，例如电池充电器和充电控制器；感应加热；包括高压应用的EMI减小滤波器；等等。

此外，已经在具有相对平稳功率源和波动负载的实施方案的情境下描述了涉及恒定功率控制的一些创新原理，但是恒定功率控制还可以被应用于具有波动功率源和相对平稳负载的系统。它们还可以被应用于既具有波动功率源也具有波动负载同时在源和负载之间具有相对平稳的功率链路的系统。大体上，恒定功率控制可以被应用于将具有相对平稳功率的一个或多个部分与具有波动功率的一个或多个部分隔离。

例如，涉及恒定功率控制的创新原理可以被应用于如下能量转换：(a)从DC至AC，例如从太阳能至电网，从燃料电池至电网；(b)从AC至DC，例如从电网至电池；(c)从AC至可变机械负载，例如从AC至各种电机，例如在生产线上；(d)从DC至可变机械负载，例如从电池至电动车辆(EV)中的电动机；(e)从可变机械发电机至AC负载，例如从风力涡轮机至电网；(f)从可变机械发电机至DC负载，例如从风力涡轮机至电池；等等。在一些实施方案中，机械负载可以是热负载，例如在感应加热中。

另一示例性实施例包括涉及如下方面的创新原理的应用：对供给电网或其他AC负载的风力涡轮机进行恒定功率控制。如果风流(windflow)是恒定的，即层流对湍流(laminar flow versus turbulent flow)类型，那么所得的功率是均匀的。这可以被类比为PV板上的恒定辐射。这样，均匀功率流不得不以逐周期方式存储以用于传递至AC电网。这可以被类比为用于将DC功率从PV板传递至AC负载的逐周期功率存储。

另一方面，如果风流是湍流，那么所得功率是动态的，这可以被比拟为PV板上的遮蔽效应，但是有可能更快且具有更多变化。在这种情况下，利用涉及将快速MPPT与逐周期能量存储组合的创新原理可以具有有益效果。即，快速MPPT可以被用于确定频率间隔处的最佳工作点，而恒定功率控制环可以被用于将该系统保持在最新近确定的工作点处。

图53示出了根据本发明的创新原理的功率转换系统的另一实施方案。功率路径148将功率从功率源154传递至负载156。该功率路径包括能量存储器件150和功率级152。控制器158使得该功率级控制去往或来自该能量存储器件的功率。该功率可以被控制为恒定值、波动值等。来自该功率源的功率可以具有恒定值、波动值等。负载功率可以具有恒定值、波动值等。

本发明的一些附加的创新原理涉及电磁干扰(EMI)的缓解。

图52示出了根据本发明的创新原理的具有EMI缓解的功率转换系统的一个实施方案。具有一个或多个功率级的功率路径140将功率从功率源138传递至负载142。恒定功率控制144使得该功率路径对该功率源呈现恒定输入阻抗。EMI缓解元件146在该功率路径上工作，以减小或消除该功率路径中发生的EMI。

上面已经参考一些具体示例性实施方案描述了本发明的创新原理，但是在不背离本发明的主旨的前提下，这些实施方案在布置和细节方面可以改变。例如，一些实施方案是在向AC电网传递功率的情境下描述的，但是这些创新原理也适用于其他类型的负载。作为另一示例，一些实施方案被描述为将电容器作为能量存储器件并且具有波动的DC链路电压，但是这些创新原理也适用于其他类型的能量存储器件，例如可以提供DC链路电流——其具有AC纹波电流而非电压——的电感器。作为另一示例，本文描述的任何恒定功率控制技术还也可以用波动功率控制或任何其他类型的功率控制来实现。这样的改变和改型被认为落入下列权利要求的范围内。

Claims

1.一种系统，包括：

转换器，其将来自功率源的功率传递至负载，所述转换器具有功率级和能量存储器件；以及

控制器，其使得所述功率级控制去往或来自所述能量存储器件的功率。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述功率被控制为基本恒定值。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述功率被控制为波动值。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述功率源或所述负载具有基本恒定功率。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述功率源或所述负载具有波动功率。

6.一种系统，包括：

转换器，其在功率源和具有波动功率需求的负载之间传递功率；以及

控制器，其提供功率控制；

其中所述转换器包括推挽级以及跟随所述推挽级的能量存储器件。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述功率控制包括基本恒定功率控制或波动功率控制。

8.根据权利要求6所述的系统，其中所述控制器被布置，以控制所述能量存储器件的参数。

9.一种集成电路，包括：

功率控制电路系统，其向功率转换器提供功率控制；以及

功率开关，其连接至所述功率控制电路系统，以操作所述功率转换器。

10.根据权利要求9所述的集成电路，进一步包括第二功率开关，其连接至所述功率控制电路系统，以操作所述功率转换器。

11.根据权利要求10所述的集成电路，其中所述第一功率开关和所述第二功率开关被配置，以操作所述功率转换器中的推挽级。

12.根据权利要求9所述的集成电路，进一步包括失真缓解电路系统。

13.根据权利要求9所述的集成电路，进一步包括控制所述功率转换器中的能量存储器件的参数的电路系统。

14.根据权利要求9所述的集成电路，进一步包括扫描所述功率转换器的输入处的工作点的电路系统。

15.根据权利要求9所述的集成电路，进一步包括EMI缓解电路系统。

16.一种系统，包括：

两个或更多个功率转换器，其将来自两个或更多个源的功率转换至具有波动功率需求的一个或多个负载；

其中所述两个或更多个功率转换器具有功率控制。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述两个或更多个功率转换器的输出以串联、并联、串联-并联或者并联-串联方式连接。

18.根据权利要求16所述的系统，其中所述两个或更多个功率转换器的输出被组合以向同一负载提供功率。

19.根据权利要求18所述的系统，进一步包括能量存储器件，其连接至所述第一转换器和所述第二转换器的组合输出。

20.根据权利要求18所述的系统，其中来自每一转换器的输出被允许浮动。

21.一种系统，包括：

转换器，其在功率源和具有波动功率需求的负载之间传递功率；

控制器，其提供功率控制；以及

失真缓解电路。

22.根据权利要求21所述的系统，其中：

所述转换器包括能量存储器件；且

所述失真缓解电路控制所述能量存储器件的参数。

23.根据权利要求22所述的系统，其中所述失真缓解电路可以使所述参数的DC部分滑动，以防止所述参数的AC部分的极值造成不可接受的失真。

24.根据权利要求21所述的系统，其中所述失真缓解电路包括正弦发生器。

25.根据权利要求21所述的系统，其中所述失真缓解电路包括预失真电路。

26.根据权利要求21所述的系统，其中所述控制器包括电网电流控制。

27.一种系统，包括：

控制器，其提供功率控制；

其中所述控制器可以选择性地禁用所述功率控制。

28.根据权利要求27所述的系统，其中：

所述功率控制防止功率波动到达所述功率源；且

禁用所述功率控制使得功率波动能够到达所述功率源。

29.根据权利要求27所述的系统，进一步包括跟踪电路，以监测所述功率源。

30.根据权利要求29所述的系统，其中所述跟踪电路确定所述功率控制被禁用时的工作点。

31.根据权利要求30所述的系统，其中所述工作点包括最大功率点。

32.根据权利要求29所述的系统，其中所述功率控制被周期性地禁用，或者当所述转换器的工作参数偏离预期值时被禁用。

33.根据权利要求32所述的系统，其中当所述转换器的工作参数超过限度时，所述控制器可以重新启用所述功率控制。

34.一种系统，包括：

功率路径，其具有第一功率级，所述第一功率级连接至所述功率路径的输入；以及

控制器，其生成驱动信号，以根据来自所述功率路径的感测信号来提供功率控制；

其中所述感测信号取自除了所述功率路径的输入以外的位置，或者所述驱动信号在除了所述第一功率级以外的位置被施加至所述功率路径。

35.根据权利要求34所述的系统，其中所述感测信号取自所述功率路径的输出。

36.根据权利要求34所述的系统，其中通过将所述功率路径的参数控制为恒定值来控制功率。

37.根据权利要求34所述的系统，其中通过将所述功率路径的参数控制为波动值来控制功率。

38.根据权利要求34所述的系统，其中所述功率路径包括：

能量存储器件，其跟随所述第一功率级；以及

第二功率级，其有输入连接至所述能量存储器件。

39.根据权利要求38所述的系统，其中所述驱动信号被施加至所述第二功率级。