CN102761294A - 用于高效光伏发电站的分布式dc-dc转换器的切换协调 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于高效光伏发电站的分布式DC-DC转换器的切换协调。分布式光伏(PV)发电站(50)包括多个分布式dc-dc转换器(54)。这些dc-dc转换器(54)配置成互相协调地切换使得至少一个dc-dc转换器(54)基于来自一个或多个对应的PV模块串的可用总系统电力将电力转移到公共dc总线。由于这些dc-dc转换器(54)的协调切换，将电力转移到公共dc总线的每个dc-dc转换器(54)持续在它的最佳效率范围内操作以及持续优化最大功率点跟踪以便增加该PV发电站(50)的能量产出。

Description

用于高效光伏发电站的分布式DC-DC转换器的切换协调
关于联邦资助研究&开发的声明
本发明用美国能源部支持、根据合同号DE-EE0000572做出。政府在本发明中具有某些权利。
技术领域
本发明大体上涉及光伏(PV)发电站，并且更具体地涉及用于协调与PV模块关联的分布式dc-dc转换器的切换(switching)来产生高效光伏发电站的系统和方法。
背景技术
光伏电站架构采取从常规中央逆变器系统开始到全分布式系统的若干形式(如在图1-4中示出的)，其的全部可以认为具有多个dc-dc功率转换器。例如，图1图示PV电站架构10，其采用两段中央逆变器12。图2图示PV电站架构20，其采用串组合器分布的dc-dc转换器22。图3图示PV电站架构30，其采用串分布的dc-dc转换器32。图4图示PV电站架构40，其采用模块级分布的dc-dc转换器42。
功率转换器设计成在它的运行功率的范围上具有高效率。维持功率转换器在该功率范围内操作将导致明显的能量节约。PV模块在它们操作时间的大部分不在它们的额定功率；因此与它们关联的dc-dc转换器段总是以部分负载并且在许多情况下以轻负载操作。精心设计的功率转换器对于宽的负载范围具有相对恒定的高效率。然而，因为该功率水平变得更小并且因此这些转换器的轻负载效率急剧下降，转换器损耗构成输入功率的较大比例。
例如上文描述的分布式PV电站架构具有增加电站的能量产出的益处。由于可以控制成同时操作并且共享产生的电力或在需要时接通以及切断的多个dc-dc或dc-ac转换器的可用性，分布式PV电站架构提供例如更多的操作灵活性。尽管分布式PV电站架构提供增加的能量产出以及操作灵活性，它们在PV发电站中仍遭受在部分和/或轻加载时的降低的功率转换效率。
鉴于前述的，存在需要一种操作与PV模块关联的分布式dc-dc转换器来产生更高效的光伏发电站(其减轻由于例如遮蔽、弄脏、不匹配、瞬态事件等引起的损耗影响)的方法。
发明内容
根据一个实施例，串级最大功率点分布式光伏(PV)发电站包括：
一个或多个dc-dc转换器；以及
至少一串PV模块，其中每个dc-dc转换器接收来自至少一个对应的PV模块串的电力，并且另外其中至少一个dc-dc转换器配置成基于来自它对应的PV模块串的每个的可用总系统电力将电力转移到公共dc总线，使得将电力转移到公共dc总线的每个dc-dc转换器持续在它的最佳效率范围内操作来增加PV发电站的能量产出。
根据另一个实施例，操作串级最大功率点分布式光伏(PV)发电站的方法包括：
提供一个或多个dc-dc转换器，每个dc-dc转换器接收来自至少一个对应的PV模块串的电力；以及
将电力从一个或多个dc-dc转换器中的至少一个转移到公共dc总线，使得从贡献电力的每个dc-dc转换器转移到公共dc总线的电力基于来自它对应的PV模块串的每个的可用总系统电力，并且进一步使得转移电力到公共dc总线的每个dc-dc转换器持续在它的最佳效率范围内操作来增加PV发电站的能量产出。
根据再另一个实施例，串级最大功率点分布式光伏(PV)发电站包括多个分布式dc-dc转换器，其配置成互相协调地切换使得至少一个dc-dc转换器基于来自一个或多个对应的PV模块串的可用总系统电力将电力转移到公共dc总线，并且进一步使得转移电力到公共dc总线的每个dc-dc转换器持续在它的最佳效率范围内操作来增加PV发电站的能量产出。
附图说明
当下列详细说明参照附图阅读时，本发明的这些和其他特征、方面和优势将变得更好理解，其中：
图1图示采用两段中央逆变器的PV电站架构；
图2图示采用串组合器分布的dc-dc转换器的PV电站架构；
图3图示采用串分布的dc-dc转换器的PV电站架构；
图4图示采用模块级分布的dc-dc转换器的PV电站架构；
图5图示根据一个实施例的用选择性转换器切换来操作的每串具有单个dc-dc转换器的分布式PV架构；
图6是图示根据一个实施例的每串的中央分布式dc-dc转换器与每串具有协调切换的分布式dc-dc转换器之间的效率对比的曲线图；
图7是图示根据一个实施例的对于多个不同串转换器的全局MPP扫描定序的时序图；
图8图示根据一个实施例的每个组合器箱具有中央控制器的一组选择性切换的串转换器；
图9图示根据一个实施例的交错式降压-升压串转换器拓扑；
图10图示根据一个实施例的在图9中描绘的交错式降压-升压串转换器在不同的输入功率水平的操作和效率；
图11图示常规的两段中央PV逆变器拓扑；
图12图示根据一个实施例的在图11中描绘的两段中央PV逆变器的dc-dc段的协调切换；
图13是图示根据一个实施例的对于具有用在图12中描绘的协调切换操作的dc-dc段的两段中央PV逆变器的效率曲线的曲线图。
尽管上文识别的图形阐述特定实施例，也设想本发明的其他实施例(如在论述中指出的)。在所有情况下，该公开通过非限制的代表方式呈现本发明的图示实施例。许多其他修改和实施例可以由本领域内技术人员想出，其落入本发明的原理的范围和精神内。
具体实施方式
本文描述的实施例通过选择性地操作一定数量的dc-dc转换器提供太阳能发电站的增加的功率转换效率，因为每个转换器将经历比所有的转换器一直操作时更高的输入功率用于处理，该数量的dc-dc转换器当在它们的最高效率操作区域中操作时足以操纵由PV模块产生的电力。因此，个体操作转换器效率对于更宽范围的总输入功率将保持更高。
PV电站架构采取例如在本文参照图1-4描述的从常规中央逆变器系统开始到全分布式系统的若干形式。在图2-4中描绘的PV电站架构的全部可以认为具有多个dc-dc转换器。转换器的选择性操作在例如在图4中图示的模块级分布的情况下变得不能适用，这是因为它可导致关联的模块的总关机，这与最大化电站能量产出的期望结果相抵触。转换器的选择性操作反而适用于例如在图2-3中图示的全分布式PV电站架构。
连接到PV串的dc-dc转换器可以堆叠在串组合器箱52中，该串组合器箱52位于关于例如在图5(其图示根据一个实施例的用选择性转换器切换操作、每串具有单个dc-dc转换器54的分布式PV架构50)中描绘的串的中央位置处。电力流通过开关组53控制，这些开关组53可以是半导体装置或机械开关。每个串的终端56通向组合器箱52。基于由这些串馈送的电力的量，操作足够数量的dc-dc转换器54来将电力转移到对应的dc总线58(即对于部分加载)，一些转换器54切断并且多个串并联来向例如在图5中描绘的其他转换器54馈电。
根据一个实施例，本地控制器5 1操作以当若干串连接到每个操作的转换器54时确保在转换器54之间适当的电流共享。与独立操作dc-dc转换器54串相比，当使用适当数量的转换器54的协调切换时，以相等电流共享处理部分电力的串级转换器的系统的效率明显地提高。此外，当与中央高功率dc-dc转换器相比时，协调切换提供了在轻负载时的提高，这在高负载条件仍保持稍高的效率。
图6是图示根据一个实施例(其包括一组14个串14，每个以3kWp为额定功率并且连接到串组合器，从而提供总42kWp)的每串的中央分布式dc-dc转换器与采用协调切换的每串的分布式dc-dc转换器之间的效率对比的曲线图60。结果说明：当PV电池板产生小于它们额定功率的50％时，采用协调切换的串转换器开始显示系统效率提高；并且该提高当功率减小时显著增加。此外，可以看出选择性切换的dc-dc转换器优于处理低于大约25％的发电容量的该功率的中央dc-dc转换器。
对dc-dc转换器的输入电力流由许多开关控制。这些开关，(其可以是机械开关或半导体开关)可以在功率转换器内或外部。采用例如在图9和12中的交错拓扑的转换器开关还可以采用控制交错式dc-dc转换器的通道之间的电力流的方式协调。对于这些开关的控制信号可以通过本地控制器或中央控制单元提供。除在图9和12中的拓扑外，协调切换可以采用相似的方式应用于具有任何数量的通道的任何交错式dc-dc转换器拓扑。
根据一个实施例，根据本文描述的原理的串转换器的协同操作有利地允许全局最大功率点(MPPT)搜索的协调。用中央dc-dc转换器进行全局MPPT搜索在扫描的时段期间引起明显的功率下降。如果在个体转换器上进行MPPT搜索，这可以转变为若干小的功率降低，使得电站总发电对于采用串转换器的协同操作的电站架构不受到明显影响。根据一个实施例，中央控制器可以用于对于正由中央控制器控制的所有转换器实现时移全局MPPT扫描。图7是图示根据一个实施例的对于多个不同的串转换器的全局MPPT扫描的时序的时序图70。
图8图示根据一个实施例(其适于实现例如在本文参照图7描述的时移全局MPPT扫描)的每个组合器箱82具有中央控制器以及具有电力流引导开关83的协调切换串转换器。期望的中央控制可以根据一个实施例在例如在图5中图示的电站级上实现，或可以用放置在与例如在图8中描绘的本地转换器控制器86通信的每个组合器箱82中的控制器84实现。
图9图示根据一个实施例的交错式降压-升压串dc-dc转换器拓扑，其适于在协调切换过程中使用。切换频率以及操作通道的数量一起确定每个通道切换脉冲之间的延迟。该操作的结果是期望的更高的部分负载效率特性。
图10图示操作段以及在图9中描绘的交错式降压-升压串转换器90对于5.25kW转换器(其分成三个1.75kW功率额定值的通道)在不同的输入功率水平的所得的部分负载效率特性。
图11图示常规的两段中央PV逆变器拓扑110。图12图示根据一个实施例在图11中描绘的两段中央PV逆变器的dc-dc段的协同操作。更具体地，之前在本文描述的相同的切换协调概念和原理可以通过系统地选择输入升压转换器120的多少个支路被操作使得转换器总效率在例如对于在图13中的一个实施例图示的宽负载范围上增加而应用于常规的两段中央PV逆变器拓扑110。
图13是图示根据一个实施例的对于具有在图12中描绘的协调切换dc-dc段1 20的两段中央PV逆变器的dc-dc段部分的效率曲线的曲线图130。示出两段中央PV逆变器使用dc-dc段120的一个支路、dc-dc段120的两个支路以及dc-dc段120的三个支路的操作。可以看出，对于低于大约PV电站额定发电的70％的输入功率，使用切换协调的dc-dc段120的效率超出使用常规操作技术的dc-dc段120的效率。
根据本文描述的原理的分布式dc-dc转换器的协调切换对于PV发电站的dc转换段有利地提供高且恒定的总效率曲线。
此外，如本文描述的分布式dc-dc转换器的协调切换有利地允许协调MPPT全局搜索，其采用使得它们不都统一在同一时间从而防止发生PV电站输出功率的明显下降并且允许在更短的时间内进行个体全局搜索的方式。至于本地MPPT搜索，它可以是集中式的或对于dc-dc转换器的每个是独立的。
本文描述的概念和原理可以延伸到包含交错式或并行式输入dc-dc段的两段太阳能逆变器。此外，对于具有向如在图2中示出的中央逆变器馈电的多串dc-dc转换器的PV电站，这些dc-dc转换器还可以根据正由电站产生的电力的量用协调切换来操作。
由本文描述的协调切换概念和原理提供的其他优势无限制地包括：1)提高对于分布式系统的监测和诊断能力；以及2)降低每个dc-dc转换器的平均操作时间，从而增加遍布电站的转换器的总寿命，这是因为电站的操作只需要足以操纵产生的电力的一定数量的dc-dc转换器。使激活dc-dc转换器以及使dc-dc转换器去激活所采用的序列旋转还有助于提供整个PV发电站的所有转换器的寿命的统一增加。
简要来说，用于高效光伏(PV)发电站的分布式dc-dc转换器的切换协调已经在本文描述。根据一个实施例，PV发电站可无限制地包括一个或多个dc-dc转换器和至少一个PV模块串。每个dc-dc转换器接收来自至少一个对应的PV模块串的电力。至少一个dc-dc转换器配置成基于来自每个对应的PV模块串的可用总系统电力将电力转移到公共dc总线，使得将电力转移到公共dc总线的每个dc-dc转换器持续在它的最佳效率范围内操作来增加PV发电站的能量产出。
尽管已经从各种具体实施例方面描述本发明，本领域内技术人员将认识到本发明可以在权利要求的精神和范围内采用修改来实践。
部件列表
Figure BSA00000682126500071
Figure BSA00000682126500081

Claims (10)

1.一种串级最大功率点分布式光伏PV发电站(50)，包括：
一个或多个dc-dc转换器(54)；以及
至少一串PV模块，其中每个dc-dc转换器(54)接收来自至少一个对应的PV模块串的电力，并且进一步地，其中至少一个dc-dc转换器(54)配置成基于来自它对应的PV模块串的每个的可用总系统电力将电力转移到公共dc总线(58)，使得将电力转移到所述公共dc总线(58)的每个dc-dc转换器(54)持续在它的最佳效率范围内操作来增加所述PV发电站(50)的能量产出。
2.如权利要求1所述的发电站(50)，其中至少一个dc-dc转换器(54)配置成与对应的ac-dc转换器一起提供两段中央逆变器。
3.如权利要求2所述的发电站(50)，其中与对应的ac-dc转换器一起配置成提供两段中央逆变器的每个dc-dc转换器(54)包括交错式降压-升压串转换器拓扑。
4.如权利要求1所述的发电站(50)，其中所述一个或多个dc-dc转换器(54)和所述至少一串PV模块一起配置成提供PV模块串组合器分布结构。
5.如权利要求1所述的发电站(50)，其中所述一个或多个dc-dc转换器(54)和所述至少一串PV模块一起配置成提供PV模块串分布结构。
6.如权利要求1所述的发电站(50)，其进一步包括至少一个组合器箱(52)，每个组合器箱(52)包括：
至少一个本地控制单元(51)，其中每个本地控制单元(51)配置成基于经由外部通信总线接收的命令控制从所述一个或多个dc-dc转换器选择的单个dc-dc转换器(54)；以及
配置成在本地控制单元(51)之间提供通信的本地数据总线，其中每个本地控制单元(51)配置成选择并且控制它对应的dc-dc转换器(54)的操作使得至少一个dc-dc转换器(54)基于来自它对应的PV模块串的每个的可用总系统电力将电力转移到公共dc总线，并且进一步使得将电力转移到所述公共dc总线的每个dc-dc转换器(54)持续在它的最佳效率范围内操作来增加所述PV发电站(50)的能量产出。
7.如权利要求6所述的发电站(50)，其中每个组合器箱(52)进一步包括中央控制单元(84)，其配置成基于经由所述中央控制单元(84)提供的命令控制所述本地控制单元(51)的操作。
8.如权利要求1所述的发电站(50)，其中至少一个dc-dc转换器(54)包括交错式降压-升压串转换器拓扑。
9.一种串级最大功率点分布式光伏(PV)发电站(50)，包括多个分布式dc-dc转换器(54)，其配置成互相协调地切换使得至少一个dc-dc转换器(54)基于来自一个或多个对应的PV模块串的可用总系统电力将电力转移到公共dc总线，并且进一步使得转移电力到所述公共dc总线的每个dc-dc转换器(54)持续在它的最佳效率范围内操作来增加所述PV发电站(50)的能量产出。
10.如权利要求9所述的PV发电站(50)，其进一步包括：
多个机械或半导体开关(53)；以及
多个本地控制器(51)或中央控制单元(84)，其中所述多个机械或半导体开关(53)配置成响应于从所述多个本地控制器(51)或所述中央控制单元(84)接收的信号控制所述dc-dc转换器(54)之间的电力流。
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