CN102484431A - 自适应光电逆变器 - Google Patents

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CN102484431A CN2010800370992A CN201080037099A CN102484431A CN 102484431 A CN102484431 A CN 102484431A CN 2010800370992 A CN2010800370992 A CN 2010800370992A CN 201080037099 A CN201080037099 A CN 201080037099A CN 102484431 A CN102484431 A CN 102484431A
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Abstract

一种用于太阳能电池电力系统中的DC到AC逆变器可包括能够调整逆变器的最小操作电压以增加逆变器单元功率容量的控制器。

Description

自适应光电逆变器
本申请要求于2009年8月20日提交的第61/235,526号临时美国专利申请和于2010年3月11日提交的第12/722,096号美国专利申请的优先权，该申请通过引用全部包含于此。
技术领域
本发明涉及一种用于太阳能模块电力系统中的DC到AC逆变器，所述DC到AC逆变器具有用于调整自己的操作参数的改进设计以处理更多的功率并增加了功率容量。
背景技术
基于太阳能模块的电力系统使用逆变器将来自光电阵列的直流(DC)转换为家用电器或可能是公用电网使用的交流(AC)。逆变器具有定义逆变器如何操作的固定操作参数。光电面板随着时间增长而老化，并减少面板的输出电压和功率。
附图说明
图1是示出包括DC到AC逆变器单元的太阳能系统中的部件的连接的框图。
图2是在图1中示出的DC到AC逆变器单元中使用的电压控制处理的流程图。
图3是包括DC到AC逆变器单元的太阳能电池电力系统的示意框图。
图4是包括DC到AC逆变器单元的太阳能电池电力系统的示意框图。
具体实施方式
逆变器可被用于基于太阳能模块的电力系统以将来自光电阵列的直流(DC)转换为家用电器或交流公用电网使用的交流(AC)。目前，市场上的所有逆变器具有定义逆变器如何操作的固定操作参数。然而，光电面板在实践中随着时间而老化，并且逆变器的理想操作参数应相应改变。具体地说，薄膜面板具有更多的老化因素并可依据技术每年下降1％或更多。现有技术的逆变器的现有状态不会对此进行补偿，结果每瓦特比需要的更昂贵。描述了具有用于太阳能电池电力系统的改进设计的DC到AC逆变器单元。通过在光电面板的使用寿命期间调整DC到AC逆变器单元的操作参数，可达到更好的功率容量。
在一方面，DC到AC逆变器单元可包括DC到AC逆变器和输入电压传感器，其中，所述DC到AC逆变器具有最小操作电压设置，并将高于所述最小操作电压设置的DC电转换为AC电，输入电压传感器被配置为监控输入电压的变化。DC到AC逆变器单元可包括逆变器控制器，所述逆变器控制器被配置为基于输入电压的变化调整最小操作电压设置以增加逆变器单元功率容量。DC到AC逆变器单元可包括电源开关。所述开关可以来回切换以允许电流沿两个交替方向流动。DC到AC逆变器单元可包括与开关电连接的输出变压器。逆变器控制器可包括电压检测模块，所述电压检测模块可调整变压器的输出并且可改变逆变器的最小操作电压。可以手动或自动地进行调整。对变压器输出的调整可致使逆变器的最小操作电压值从大约2％到大约4％的改变。对变压器输出的调整可致使逆变器的最小操作电压值小于5％的改变。对变压器输出的调整可致使逆变器的最小操作电压值小于10％的改变。
逆变器控制器可包括软件控制模块，所述软件控制模块可从输入电压传感器读取输入电压值，并在需要时调整逆变器的操作参数。所述调整可致使逆变器最小操作电压值的小于10％的改变。逆变器控制器可包括可编程逻辑控制模块，所述可编程逻辑控制模块从输入电压传感器读取输入电压值，并在需要时发送命令以调整逆变器的操作参数。所述命令可致使逆变器最小操作电压值小于10％的改变。DC到AC逆变器单元可包括从太阳能模块输入到DC到AC逆变器的DC。DC到AC逆变器单元可包括监视控制和数据采集系统。所述监视控制和数据采集系统可包括：获取关于从太阳能模块输入的DC的数据的传感器、控制单元、从传感器获取数据并将命令发送到电流/电压控制单元的计算机监视系统、与传感器连接的将传感器信号转换为数字数据并将数字数据发送到计算机监视系统的远程终端单元、与远程终端单元连接的人机接口以及将计算机监视系统连接到远程终端单元的通信设施。
在一方面，基于光电模块的电力系统可包括光电阵列和与光电阵列电连接的DC到AC逆变器单元，所述DC到AC逆变器单元具有最小操作电压设置，并将高于所述最小操作电压设置的DC电转换为AC电。所述电力系统可包括输入电压传感器，输入电压传感器被配置为监控输入电压的变化。所述电力系统可包括逆变器控制器，逆变器控制器被配置为基于输入电压的变化调整最小操作电压设置以增加逆变器单元功率容量。基于光电模块的电力系统可包括电源开关。所述开关可来回切换以允许电流沿两个交替方向流动。基于光电模块的电力系统可包括与开关电连接的输出变压器。逆变器控制器可包括对变压器的输出进行调整以改变逆变器的最小操作电压的控制模块。对变压器的输出的调整可致使逆变器的最小操作电压值小于10％的改变。
逆变器控制器可包括从输入电压传感器读取输入电压值并将命令发送到控制模块的软件控制模块。所述命令可致使逆变器的最小操作电压值小于10％的改变。逆变器控制器可包括从输入电压传感器读取输入电压值和将命令发送到控制模块的可编程逻辑控制模块。所述命令可致使逆变器的最小操作电压值小于10％的改变。基于光电模块的电力系统可包括从太阳能模块输入到DC到AC逆变器的DC。基于光电模块的电力系统可包括监视控制和数据采集系统，其中，监视控制和数据采集系统可包括：获取关于从太阳能电池电力系统输入的DC的数据的传感器、电流/电压控制单元、从传感器获取数据并将命令发送到电流/电压控制单元的计算机监视系统、与传感器连接的将传感器信号转换为数字数据并将数字数据发送到计算机监视系统的远程终端单元、与远程终端单元连接的人机接口以及将计算机监视系统连接到远程终端单元的通信设施。基于光电模块的电力系统可包括与逆变器电连接的大功率安全断路开关。基于光电模块的电力系统可包括邻近逆变器的接地故障检测和断路电路。
在一方面，用于建立基于光电模块的电力系统的方法可包括：电连接多个光电模块以形成光电阵列并将DC到AC逆变器单元电连接到光电阵列，其中，DC到AC逆变器单元可包括：DC到AC逆变器、被配置为监视输入电压的变化的输入电压传感器、以及被配置为基于输入电压的变化调整最小操作电压设置以增加逆变器单元功率容量的逆变器控制器，其中，所述DC到AC逆变器单元具有最小操作电压设置，并将高于所述最小操作电压设置的DC电转换为AC电。DC到AC逆变器可包括电源开关，其中，所述开关来回切换以允许电流沿两个交替方向流动。DC到AC逆变器可包括与开关电连接的输出变压器。逆变器控制器可包括对变压器的输出进行调整以改变逆变器的最小操作电压的控制模块。对变压器输出的调整可致使逆变器的最小操作电压值小于10％的改变。
逆变器控制器可包括从输入电压传感器读取输入电压值并将命令发送到控制模块的软件控制模块。所述命令可致使逆变器的最小操作电压值小于10％的改变。逆变器控制器可包括从输入电压传感器读取输入电压值和将命令发送到控制模块的可编程逻辑控制模块。所述命令可致使逆变器的最小操作电压值小于10％的改变。DC到AC逆变器单元可包括从太阳能模块输入到DC到AC逆变器的DC。DC到AC逆变器单元可包括监视控制和数据采集系统，其中，监视控制和数据采集系统可包括：获取关于从太阳能电池电力系统输入的DC的数据的传感器、电流/电压控制单元、从传感器获取数据并将命令发送到电流/电压控制单元的计算机监视系统、与传感器连接的将传感器信号转换为数字数据并将数字数据发送到计算机监视系统的远程终端单元、与远程终端单元连接的人机接口以及将计算机监视系统连接到远程终端单元的通信设施。所述方法可包括将大功率安全断路开关电连接到逆变器的步骤。所述方法可包括接近逆变器安置接地故障检测和断路电路的步骤。
参照图1，太阳能系统100可包括光电或太阳能阵列110。太阳能模块110可以以任何合适的方式被布置，例如，以安置在地面或屋顶的阵列被布置。太阳能阵列110可包括任何合适的光电装置，所述光电装置包括薄膜太阳能装置(例如碲化镉(CdTe)或铜铟镓硒(CIGS))。可选地，光电装置可以是晶体硅太阳能装置或任何其它能够产生直流电的合适的光电装置。由光电阵列110产生的DC电流可通过线缆120输出到DC到AC逆变器单元130。DC到AC逆变器单元130可包括DC到AC逆变器140、输入电压传感器150和控制器160。DC到AC逆变器140将来自光电阵列110的DC输入电力转换为AC输出电力。输入电压传感器150监视输入电压变化。控制器160从输入电压传感器150接收输入电压值并相应地调整逆变器的最小操作电压以处理更多的功率和增加逆变器单元功率容量。DC到AC逆变器单元130可将功率输出到AC电力线170。
当在高电压操作时，逆变器可处理更多功率，但是相同逆变器具有充足电压裕度的规格以适应老化的面板。通过具有随时间调整DC到AC逆变器单元130的最小操作电压的DC到AC逆变器单元130，具有本技术的逆变器可处理明显更多的功率并按与面板相同的速率连续地降低。例如，逆变器通常具有针对450V的最小电压的规格，但是如果逆变器的最小电压是540V，则相同逆变器可以多处理20％的功率。然后，该相同的逆变器可经过十年的时间段将最小电压降至450V。
太阳能系统100可包括监视控制和数据采集(SCADA)系统或其它遥控模块，其中，监视控制和数据采集(SCADA)系统或其它遥控模块可包括：至少一个传感器，获取关于太阳能电池电力系统的输出的数据；电流/电压控制单元；计算机监视系统，从传感器获取数据并将命令发送到电流/电压控制单元；远程终端单元(RTU)，在处理中与传感器连接，将传感器信号转换为数字数据，并将数字数据发送到所述监视系统；以及人机接口，与远程终端单元连接。太阳能系统100还可包括接地故障断路器(GFCI)。
带有控制器/传感器模块的光电逆变器可包括不同功能，诸如从DC到AC的电力转换和最大功率点跟踪(MPPT)。MPPT算法的目标在于从太阳能阵列提取可用的最大功率。可使用更好的MPPT算法增加功率输出。使用逆变器，可对作为整体的太阳能阵列执行MPPT。控制器/传感器模块可在光电面板的使用寿命期间调整控制器/传感器模块的MPPT算法以达到更好的功率容量。
参照图2，实践中，逆变器单元130使用软件控制模块(图3和图4中的162)来调整逆变器的操作参数，诸如最小操作电压。逆变器单元130可连续地监控输入电压，并且当该电压超过特定最小阈值时，逆变器单元130可通知现在需要进行变压器调整并更新逆变器的操作参数。在步骤200，检查输入电压。如果在步骤210输入电压降低(是)，并且在步骤230预设最小阈值被超过(是)，则可在步骤240对输出变压器(图4中的142)进行调整。在步骤250，逆变器140的操作参数可被更新。调整的操作参数可包括接通电压或MPPT开始点。操作参数的调整还可包括MPPT跟踪算法。此外，逆变器控制器可被重新设置以识别到所述单元降低了2.5％(或更多)的功率容量。可使用更低的操作电压减少逆变器的功率处理容量。可固定逆变器的当前容量。控制器还可被预编程以使得能够进行未来到更新的操作模式的切换。相反，如果在步骤210输入电压没有降低(否)，或在步骤230预设最小阈值没有被超过(否)，则不对输出变压器进行调整并且在步骤220逆变器140的操作参数可被保持。在特定实施例中，变压器调整通常每个为2.5％，因此该软件调整也可为2.5％。变压器调整还可为5％、10％、或15％。该技术可应用于所有面板类型，但是薄膜技术经常经历该技术达到最大扩展。
参照图3，太阳能系统100可包括光电或太阳能阵列110。由光电阵列110产生的DC电流可通过线缆120输出到DC到AC逆变器单元130。DC到AC逆变器单元130可包括DC到AC逆变器140、输入电压传感器150和控制器160。DC到AC逆变器140将来自光电阵列110的DC输入电力转换为AC输出电力。输入电压传感器150监视输入电压变化。控制器160从输入电压传感器150接收输入电压值并相应地调整逆变器的最小操作电压以处理更多的功率和增加逆变器单元功率容量。DC到AC逆变器单元130可将电力输出到AC电力线170。控制器160可包括对输出变压器(图4中的142)进行调整以改变逆变器的最小操作电压的控制模块161。对输出变压器的调整可致使逆变器的最小操作电压值按照大约2.5％的步长改变。控制器160可包括从输入电压传感器150读取输入电压值的软件控制模块162。软件控制模块162可使用决定做出处理(图3中示出的流程图)来确定命令是否应被发送到控制模块以调整逆变器的最小操作电压。所述命令可致使逆变器的最小操作电压值按照大约2.5％的步长改变。所述命令还可致使逆变器的最小操作电压值5％、10％或15％的改变。在特定实施例中，控制器160可包括从输入电压传感器150读取输入电压值并将命令发送到控制模块161的可编程逻辑控制模块。在特定实施例中，太阳能系统100还可包括监视控制和数据采集(SCADA)系统或其它遥控模块。
参照作为包括简化逆变器电路的示图的图4，DC到AC逆变器140可包括电源开关141。DC到AC逆变器140可包括与该开关电连接的输出变压器142。开关141可以迅速地来回切换以允许电流通过主线圈的一端然后通过另一端在随后的两个交替路径流回。变压器142中的电流的方向的交替在逆变器140的输出中产生AC。控制器160可包括对输出变压器142进行调整以改变逆变器的最小操作电压的控制模块161。电源开关141可以是电动机械开关、晶体管开关或任何其它合适类型的半导体开关。DC到AC逆变器140可包括任何其它合适类型的电力电路拓扑和控制策略。
已经描述了本发明的多个实施例。然而，将理解在不脱离本发明的精神和范围的情况下可做出各种修改。还应理解，附图不必须成比例，而是呈现说明本发明的基本原理的各种优选特征的某种程度上简化的表示。

Claims (23)

1.一种DC到AC逆变器单元，包括：
DC到AC逆变器，具有最小操作电压设置，并将高于所述最小操作电压设置的DC电转换为AC电；
输入电压传感器，被配置为监控输入电压的变化。
2.如权利要求1所述的DC到AC逆变器单元，还包括：逆变器控制器，被配置为基于输入电压的变化调整最小操作电压设置以增加逆变器单元功率容量。
3.如权利要求1所述的DC到AC逆变器单元，还包括电源开关，其中，所述开关来回切换以允许电流沿两个交替方向流动。
4.如权利要求3所述的DC到AC逆变器单元，还包括与所述开关电连接的输出变压器。
5.如权利要求4所述的DC到AC逆变器单元，其中，所述变压器控制器包括电压检测模块，电压检测模块能够调整变压器的输出并能够改变逆变器的最小操作电压，其中，所述调整能够人工或自动地进行。
6.如权利要求5所述的DC到AC逆变器单元，其中，对变压器的输出的调整能够致使逆变器的最小操作电压值从大约2％到大约4％的改变。
7.如权利要求5所述的DC到AC逆变器单元，其中，对变压器的输出的调整能够致使逆变器的最小操作电压值小于5％的改变。
8.如权利要求5所述的DC到AC逆变器单元，其中，对变压器的输出的调整可致使逆变器的最小操作电压值小于10％的改变。
9.如权利要求5所述的DC到AC逆变器单元，其中，所述逆变器控制器包括软件控制模块，软件控制模块从输入电压传感器读取输入电压值并在需要时调整逆变器的操作参数。
10.如权利要求9所述的DC到AC逆变器单元，其中，所述调整操作能够致使逆变器的最小操作电压值按照大约2.5％的步长改变。
11.如权利要求5所述的DC到AC逆变器单元，其中，所述逆变器控制器包括可编程逻辑控制模块，可编程逻辑控制模块从输入电压传感器读取输入电压值并在需要时发送命令以调整逆变器的操作参数。
12.如权利要求11所述的DC到AC逆变器单元，其中，所述命令能够致使逆变器的最小操作电压值按照大约2.5％的步长改变。
13.如权利要求1所述的DC到AC逆变器单元，还包括从太阳能模块输入到DC到AC逆变器的DC。
14.如权利要求13所述的DC到AC逆变器单元，还包括监视控制和数据采集系统，其中，监视控制和数据采集系统包括：
传感器，获取关于从太阳能模块输入的DC的数据；
控制单元；
计算机监视系统，从传感器获取数据并将命令发送到电流/电压控制单元；
远程终端单元，与传感器连接，将传感器信号转换为数字数据并将数字数据发送到计算机监视系统；
人机接口，与远程终端单元连接；
通信设施，将计算机监视系统连接到远程终端单元。
15.一种基于光电模块的电力系统，包括：
光电阵列；
与光电阵列电连接的DC到AC逆变器单元，包括：
DC到AC逆变器，具有最小操作电压设置，并将高于所述最小操作电压设置的DC电转换为AC电；
输入电压传感器，被配置为监控输入电压的变化；
逆变器控制器，被配置为基于输入电压的变化调整最小操作电压设置以增加逆变器单元功率容量。
16.如权利要求15所述的基于光电模块的电力系统，还包括：电源开关，其中，所述开关来回切换以允许电流沿两个交替方向流动。
17.如权利要求16所述的基于光电模块的电力系统，还包括与所述开关电连接的输出变压器。
18.如权利要求17所述的基于光电模块的电力系统，其中，所述逆变器控制器包括控制模块，控制模块对变压器的输出进行调整以改变逆变器的最小操作电压。
19.如权利要求18所述的基于光电模块的电力系统，其中，对变压器的输出的调整能够致使逆变器的最小操作电压值小于10％的改变。
20.如权利要求17所述的基于光电模块的电力系统，其中，所述逆变器控制器包括软件控制模块，软件控制模块从输入电压传感器读取输入电压值并将命令发送到控制模块。
21.如权利要求15所述的基于光电模块的电力系统，还包括监视控制和数据采集系统，其中，监视控制和数据采集系统包括：
传感器，获取关于从太阳能电池电力系统输入的DC的数据；
电流/电压控制单元；
计算机监视系统，从传感器获取数据并将命令发送到电流/电压控制单元；
远程终端单元，与传感器连接，将传感器信号转换为数字数据并将数字数据发送到计算机监视系统；
人机接口，与远程终端单元连接；
通信设施，将计算机监视系统连接到远程终端单元。
22.一种建立基于光电模块的电力系统的方法，包括：
电连接多个光电模块以形成光电阵列；
电连接DC到AC逆变器单元与光电阵列，其中，DC到AC逆变器单元包括：
DC到AC逆变器，具有最小操作电压设置，并将高于所述最小操作电压设置的DC电转换为AC电；
输入电压传感器，被配置为监控输入电压的变化；
逆变器控制器，被配置为基于输入电压的变化调整最小操作电压设置以增加逆变器单元功率容量。
23.如权利要求22所述的方法，其中，DC到AC逆变器单元包括监视控制和数据采集系统，其中，监视控制和数据采集系统包括：
传感器，获取关于从太阳能电池电力系统输入的DC的数据；
控制单元；
计算机监视系统，从传感器获取数据并将命令发送到控制单元；
远程终端单元，与传感器连接，将传感器信号转换为数字数据，并将数字数据发送到计算机监视系统；
人机接口，与远程终端单元连接；
通信设施，将计算机监视系统连接到远程终端单元。
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