CN102857107B - Dc至dc功率转换器和控制该功率转换器的方法 - Google Patents

Dc至dc功率转换器和控制该功率转换器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明名称为“DC至DC功率转换器和控制该功率转换器的方法”。描述一种配置成向DC链路(84)提供直流(DC)功率的发电系统(10)。该系统包括配置成输出DC功率的第一发电单元(22)。该系统还包括第一DC至DC转换器(70)，第一DC至DC转换器包括输入段(90)和输出段(92)。第一DC至DC转换器的输出段与第一发电单元串联耦合。第一DC至DC转换器配置成处理第一发电单元的DC功率输出的第一部分并将第一发电单元的DC功率输出的未处理的第二部分提供到输出段。

Description

DC至DC功率转换器和控制该功率转换器的方法
有关美国联邦资助的研究和开发的声明
本发明是利用美国政府支持依据能源部(DOE)资助的合同GE-EE0000572完成的。美国政府在本发明中拥有某些权利。
技术领域
本文描述的本发明实施例一般涉及光伏(PV)发电系统，并且更确切地说，涉及用于从光伏收集系统提取功率的方法和系统。
背景技术
太阳能日趋成为具有吸引力的能量源，并且已被视为清洁可再生替代形式的能量。光伏(PV)电池生成直流(DC)功率，其DC电流电平取决于太阳辐射，而其DC电压电平取决于温度。当需要交流(AC)功率时，使用逆变器将DC功率转换成AC功率。通常，PV逆变器采用两级来实现功率处理，其中第一级配置成用于提供恒定的DC电压以及第二级配置成用于将恒定的DC电压转换成AC电流和与电网兼容的电压。通常，PV逆变器使用DC链路作为中间储能步骤，这意味着PV逆变器包括将不稳定的PV阵列电压转换成稳定的DC电压的DC至DC转换器和随后将稳定的DC电压转换成可以注入到电网上的AC电流的DC至AC逆变器。两级式逆变器的效率是影响PV系统的性能的重要参数，并且是个体级效率的倍数。
为了获取更高电流和电压，将PC电池电连接以形成PV模块。除了多个PV电池外，PV模块还可以包括传感器，例如辐照度传感器、温度传感器和/或功率表。还可以将PV模块连接以形成一个串，并且可以将多个串连接以形成PV阵列。通常，将PV阵列输出的DC电压提供到电网逆变器，例如DC至AC电压逆变器。DC至AC电压逆变器将DC电压转换成单相或三相交流(AC)电压和电流。可以将三相AC输出提供到中压功率变压器，该中压功率变压器提升电压以产生注入到配电网中的三相中压AC。
大多数PV发电系统使用中央DC至DC转换器来转换PV阵列的整体功率输出，这导致较高成本和较大重量的解决方案。再有，中央DC至DC转换器通常使用最大功率点跟踪器(MPPT)，其包括用于测量阵列电压和电流以在计算阵列功率中使用的传感器。对于操作DC至DC转换器所需的传感器，此类传感器是附加的。而且，包括全功率转换DC至DC转换器的PV发电系统的缺点称为效率复合(efficiency compounding)效应。PV发电系统的效率可能不比中央DC至DC转换器的效率高。DC至AC转换的总效率因DC至DC转换器效率与DC至AC逆变器效率的复合而降低1％至2％。再者，全额定功率的中央DC至DC转换器中的故障可能导致整个PV阵列的失效。为了防止此类PV阵列失效，通常使用附加的阵列串联二极管和保险丝来隔离DC至DC转换器失效。
发明内容
在一个方面中，提供一种配置成向DC链路提供直流(DC)功率的发电系统。该系统包括配置成输出DC功率的第一发电单元。该系统还包括第一DC至DC转换器，第一DC至DC转换器包括输入段和输出段。第一DC至DC转换器的输出段与第一发电单元串联耦合。第一DC至DC转换器配置成处理第一发电单元的DC功率输出的第一部分，并将所述第一发电单元的DC功率输出的未处理的第二部分提供到所述输出段。
在另一个方面中，提供一种DC至DC部分功率转换器。该DC-DC部分功率转换器包括输入段，该输入段配置成接收发电单元的DC功率输出的第一部分。DC至DC部分功率转换器还包括输出段，该输出段配置成输出包含发电单元的DC功率输出的第一处理的部分和第二未处理的部分的DC功率，以应用于DC链路。
在又一个方面中，提供一种用于控制发电系统的操作的方法。该发电系统包括至少一个发电单元和至少一个部分功率转换器，其中该至少一个部分功率转换器包括控制器，该控制器配置成控制至少一个半导体开关的操作。该方法包括配置部分功率转换器以确定流经至少一个半导体开关的电流的电平，以及配置部分功率转换器以最大化流经至少一个半导体开关的电流的电平，从而最大化至少一个发电单元的功率输出。
附图说明
图1是示范光伏(PV)发电系统的框图。
图2是图1所示的PV发电系统中可包括的示范DC至DC转换器的电路图。
图3是图2所示的DC至DC转换器执行的功率转换的总效率的曲线图，该总效率是DC至DC转换器的增益的函数。
图4是图2所示的直流(DC)至DC转换器输送的分数功率的曲线图，该分数功率是DC至DC转换器的增益的函数。
图5是图2所示的DC至DC转换器的总效率的曲线图，该总效率是DC至DC转换器转换的功率的百分比的函数。
图6图示图1所示的PV发电系统的示范电流电压(IV)特征。
图7是图1所示的PV发电系统内可包括的DC至DC转换器的第一备选实施例的电路图。
图8是图1所示的PV发电系统内可包括的DC至DC转换器的第二备选实施例的电路图。
图9是图1所示的PV发电系统内可包括的DC至DC转换器的第三备选实施例的电路图。
图10是图1所示的PV发电系统内可包括的DC至DC转换器的第四备选实施例的电路图。
图11是图1所示的PV发电系统内可包括的DC至DC转换器的第五备选实施例的电路图。
图12是用于操作图1所示的PV发电系统的示范方法的流程图。
具体实施方式
本文描述的方法、系统和设备有助于控制PV发电系统内包括的至少一个光伏(PV)模块的功率输出，并将该至少一个PV模块的功率输出从直流(DC)功率转换成交流(AC)功率以便应用于电力网。控制DC至DC转换器以从馈给功率的至少一个PV模块提取最大功率。由DC至DC转换器处理PV模块输出的总功率的百分比。转换器损耗被减到最小，因为PV模块输出的总功率的仅某个分数由DC至DC转换器处理。虽然本文是相对PV发电系统来描述的，但是本文描述的方法、系统和设备可以通用地应用于任何发电应用。
本文描述的方法、系统和设备包括DC至DC功率转换器，DC至DC功率转换器被控制为仅处理PV模块、串或阵列输送的总功率的某个分数，并且通过如此做，DC至DC功率转换器控制输送到高功率电网连接的DC至AC转换器的总功率。因为输送到DC至AC逆变器的总功率的仅某个分数被处理，所以将损耗减到最小，导致了PV发电系统的提升的效率。提升转换效率提高了整体能量产量。而且，因为DC至AC逆变器调整主系统DC链路电压，所以能够使用简单的算法以便通过简单最大化输送到DC链路的电流，最大化个体PV模块、PV串和/或PV阵列输出的功率。至少部分地因为高度分布式的系统所需的小DC至DC功率转换器的数量较高，所以这种简化允许PV发电系统提高可靠性和降低成本。通过将DC至DC功率转换器遍布在PV发电系统，在即使存在模块不匹配、阴影或如脏染和/或诸如浮云通过(passing cloud)的瞬间事件的其他失衡影响的情况下，仍最大化来自整个PV阵列的功率。通过适当地控制DC至DC转换器，能够安全地限制最大阵列电压，并且能够实现串联二极管隔离和故障容忍。而且，该配置允许对PV模块进行电弧故障检测。因为这些功率转换器额定为比系统输送的总功率显著地小的功率，所以减小了该DC至DC转换器的成本、尺寸和重量。
本文描述的方法、系统和设备的技术效果包括如下的至少其中之一：(a)配置部分功率转换器以确定流经部分功率转换器内包括的至少一个半导体开关的电流的电平；以及(b)配置该部分功率转换器以最大化流经该至少一个半导体开关的电流的电平，从而最大化该至少一个发电单元的功率输出。
图1是发电系统10的示范实施例的框图。在该示范实施例中，发电系统10包括多个发电单元12。在该示范实施例中，发电系统10是包括耦合以形成PV阵列的多个PV单元12的PV发电系统。换言之，多个PV单元12内的每个PV单元与多个PV单元12内的至少一个其他PV单元电连接以形成PV发电系统。PV单元12可以包括但不限于PV模块、PV串和/或一组PV串。PV发电系统10还包括至少一个DC至AC逆变器14。在该示范实施例中，PV单元12将例如仅数兆瓦或数百千瓦输送到DC至AC逆变器14。DC至AC逆变器14调节从PV单元12接收的DC功率并将电网质量的功率输送到AC电力网16。PV单元12以串联和/或并联串连接，然后按若干级组合在一起以用于将其功率输送到DC至AC逆变器14的输入18。
在该示范实施例中，PV单元12包括第一PV单元22、第二PV单元24、第三PV单元26、第四PV单元28、第五PV单元30和第六PV单元32。第一、第二和第三PV单元22、24和26耦合在例如第一串组合器40处以形成第一阵列的串42。第四、第五和第六PV单元28、30和32耦合在例如第二串组合器46处以形成第二阵列的串48。再者，第一阵列的串42和第二阵列的串48通过例如阵列组合器50耦合。阵列组合器50将DC功率输出到DC至AC逆变器14。虽然描述为包括六个PV单元，三个阵列的串、两个串组合器和一阵列组合器，但是PV发电系统10可以包含允许PV发电系统10按本文描述的实现功能的任何数量的PV单元、串的阵列、串组合器和/或阵列组合器。
在该示范实施例中，PV发电系统10包括至少一个DC至DC转换器68，例如，第一DC至DC转换器70、第二DC至DC转换器72、第三DC至DC转换器74、第四DC至DC转换器76、第五DC至DC转换器78和第六DC至DC转换器80。在该示范实施例中，第一DC至DC转换器70耦合在第一PV单元22与串组合器40之间，第二DC至DC转换器72耦合在第二PV单元24与串组合器40之间，第三DC至DC转换器74耦合在第三PV单元26与串组合器40之间，第四DC至DC转换器76耦合在第四PV单元28与第二串组合器46之间，第五DC至DC转换器78耦合在第五PV单元30与第二串组合器46之间，以及第六DC至DC转换器80耦合在第六PV单元32与第二串组合器46之间。
在第一备选实施例中，第一DC至DC转换器70耦合在第一串组合器40与阵列组合器50之间，以及第二DC至DC转换器72耦合在第二串组合器46与阵列组合器50之间。在第二备选实施例中，第一DC至DC转换器70耦合在阵列组合器50与DC至AC逆变器14之间。再者，可以将至少一个DC至DC转换器68设在PV发电系统10内允许PV发电系统10按本文描述的实现功能的任何位置处。例如，第一DC至DC转换器70的额定功率将取决于其在PV发电系统10内的位置而改变。
控制至少一个DC至DC转换器68以从多个PV单元12提取最大功率。在该示范实施例中，控制第一DC至DC转换器70以从第一PV单元22提取最大功率，控制第二DC至DC转换器72以从第二PV单元24提取最大功率，控制第三DC至DC转换器74以从第三PV单元26提取最大功率，控制第四DC至DC转换器76以从第四PV单元28提取最大功率，控制第五DC至DC转换器78以从第五PV单元30提取最大功率，以及控制第六DC至DC转换器80以从第六PV单元32提取最大功率。在第一备选实施例中，控制第一DC至DC转换器70以从PV单元22、24和26的组合提取最大功率，以及控制第二DC至DC转换器72以从PV单元28、30和32的组合提取最大功率。在第二备选实施例中，控制第一DC至DC转换器70以从PV单元22、24、26、28、30和32的组合提取最大功率，
将DC至DC转换器68设为更接近个体PV单元22、24、26、28、30和32增加能够从PV单元22、24、26、28、30和32提取的功率。这至少部分是因为以下事实：PV单元的现场区域的一部分中的阴影、脏染或模块失配将不会影响设在该现场区域的其他部分中的其他PV单元输送的功率。但是，仅在DC至DC转换器68是高效率的情况下，将DC至DC转换器68设为更接近个体PV单元22、24、26、28、30和32增加能够从PV单元22、24、26、28、30和32提取的功率，这是因为与使用一个有效率的DC至DC转换器相比，使用多个欠效率的DC至DC转换器将不会增加从PV单元22、24、26、28、30和32提取的功率。而且，仅在转换器的成本足够低以使财务增量不会与增加的能量产量抵消的情况下，将DC至DC转换器68设为更接近个体PV单元才是实际的。
图2是(图1所示的)PV发电系统10内可包括的DC至DC转换器70的示范实施例的电路图82。在该示范实施例中，DC至DC转换器70耦合在PV单元(例如第一PV单元22)与DC链路84之间。可以将DC负载86设为跨过DC链路84。DC负载86可以包括但不限于，电池充电器和/或并网(grid tied)逆变器，例如，DC至AC电压逆变器14(如图1所示)。可以将DC链路84耦合到DC至AC逆变器14、第一串组合器46(如图1所示)和/或阵列组合器50(如图1所示)或包含在其中。DC至DC转换器70在本文中也称为部分功率转换器(PPC)，因为PV单元22的功率输出仅一部分被DC至DC转换器70转换。PV单元22的功率输出的其余部分被提供到DC至DC转换器70，但是在提供到DC链路84之前，未被DC至DC转换器70转换和/或处理。
在该示范实施例中，DC至DC转换器70配置为包括至少一个变压器88的推挽式转换器。虽然图示为推挽式转换器，但是可以使用任何其他适合的DC至DC转换器布置。至少一个变压器88包括初级段90(本文中也称为输入段)，以及次级段92(本文中也称为输出段)。在该示范实施例中，初级段90包括至少一个初级绕组，例如第一初级绕组96和第二初级绕组98。初级段90还包括至少一个半导体器件，例如第一半导体器件102和第二半导体器件104。半导体器件102和104可以包括(但不限于包括)绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或利用硅或宽带隙材料(例如，碳化硅和/氮化镓)实现的双极结型晶体管(BJT)。在该示范实施例中，初级段90还包括控制半导体器件102和104的操作的控制器106。例如，控制器106可以向半导体器件102提供控制信号，其中控制信号的占空比控制DC至DC转换器70的电压输出。在其中由DC至AC逆变器14来调整DC链路84的电压的备选实施例中，DC至DC转换器70通过占空比控制来调整关联的PV单元(例如，PV单元22)的输入电压以从PV单元22提取最大功率。
在该示范实施例中，次级段92包括至少一个次级绕组，例如第一次级绕组108和第二次级绕组110。次级段92还包括至少一个半导体器件，例如第一二极管114和第二二极管116。在该示范实施例中，PV单元22的输出120耦合到第一初级绕组96与第二初级绕组98之间的中心抽头130和第一次级绕组108和第二次级绕组110之间的中心抽头140。将PV单元22输出的DC电流(IPV)144的第一部分(Iprimary)142提供到初级段90。将PV单元22的DC电流输出144的第二部分(本文也称为负载电流(Iload)或DC链路电流(IDClink)146)直接提供到次级段92。初级段90和次级段92也被互感耦合。更确切地说，初级绕组96和98互感耦合到次级绕组108和110。在操作中，流经初级绕组96和98的随时间变化的电流感生跨过次级绕组108和110的电压。
在该示范实施例中，初级段90提取PV单元22生成的DC电流的一部分。再者，次级段92与PV单元22串联耦合，使得DC至DC转换器70的输出电压150(Vs)与PV单元22的输出电压152(Vmppt)串联。换言之，输送到DC链路84的电压(本文称为VDClink154)是PV电压152(Vmppt)与DC至DC转换器电压150(Vs)之和。而且，输送到DC链路84的功率超过DC至DC转换器70处理和/或转换的功率。因此，DC至DC转换器70的额定功率可以低于将输送到DC链路84的所有功率由DC至DC转换器70处理和/或转换的情况。即使DC至DC转换器70的额定功率低于输送到DC链路84的功率，DC至DC转换器70仍能够控制Iload 146，也称为DC链路电流。在该示范实施例中，DC链路电压154由耦合到电力网16(如图1所示)的DC至AC逆变器14来控制。
图3是在假定DC至DC转换器70具有95％的效率的情况下，PPC(例如，DC至DC转换器70(如图2所示))执行的功率转换的总效率182的模拟曲线图，该总效率是DC至DC转换器70的增益184的函数。本文中将DC至DC转换器70的增益184定义为DC至DC转换器70的输出电压(例如，输出电压(Vs)150(如图2所示))除以DC至DC转换器70提供的电压(例如，输入电压(Vmppt)152(如图2所示))。在该示范实施例中，DC至DC转换器70按小于约0.5的增益操作。如图所示，在小于约0.5的增益下，DC至DC转换器70的总效率182超过98％。随着DC至DC转换器转换的功率的部分减少(即，增益184下降)，DC至DC转换器70的总效率182增加。
图4是PPC(例如，(图2所示的)DC至DC转换器70)输送的分数功率192的模拟曲线图190，该分数功率是增益184的函数。分数功率192在本文中定义为DC至DC转换器70输送的DC功率中被DC至DC转换器70转换的部分。对于在小于约0.5的增益184下操作的DC至DC转换器70，分数功率192是DC至DC转换器70输送到例如DC负载86(如图2所示)的总功率的约三分之一。因此，在该示范实施例中，DC至DC转换器70的额定功率只需是输送到DC负载86的总功率的大约三分之一。如图所示，DC至DC转换器70转换的实际功率大大地小于DC负载86输送的总功率。通过转换小于输送到DC负载86的总功率，可以在PV发电系统10(如图1所示)中使用具有较低额定功率(即，最大功率DC至DC转换器70额定为能够在无损坏或过度磨耗的情况下进行转换)的DC至DC转换器。较低额定的转换器通常较之较高额定的转换器更小、更轻且成本更低。
图5是PPC(例如，DC至DC转换器70)的总效率182(图3所示的)的模拟曲线图200，该总效率182是每单位电压210的函数。每单位电压210在本文中定义为PV电压(Vmppt)152(如图2所示)对DC链路电压(VDClink)154(如图2所示)的比值。随着PV电压152逼近DC链路电压154(即，Vmppt/VDClink逼近1)，DC至DC转换器70处理的功率的量下降，并且总PPC效率182逼近100％。通过使用DC至DC转换器70仅转换PV单元22(如图1所示)输出的DC功率的某个分数，能够大大地降低转换器额定，并因此降低转换器成本、尺寸和重量。再者，能够将最终转换效率提升超过满功率转换器的效率。在大PV系统中使用此类型的布置促成更具成本效率的能量产量平衡。再者，在预期的环境温度范围上，例如但不限于-40°摄氏度(C)至65℃，预计每单位电压210(即，Vmppt/VDClink)在约0.6至1.0之间变化。能够在较大PC电压152变化上预计效率超过98％。
图6图示PV发电系统10(如图1所示)的示范电流电压(IV)特性。更确切地说，图6包括初级电流(Iprimary)142(如图2所示)是每单位电压210的函数的第一曲线图220，PV电流(IPV)144(如图2所示)是每单位电压210的函数的第二曲线222，以及DC负载电流(Iload)146(如图2所示)是每单位电压210的函数的第三曲线224。因为DC至AC逆变器(例如，DC至AC逆变器14(如图1所示))控制DC链路电压154，所以当由PV阵列输送到DC链路84(如图2所示)且由DC至DC转换器70控制的IDClink 146达到最大值，例如Vmppt 256时，出现来自给定PV模块或串的最大功率。因此，执行简单且容易实现的最大功率控制算法，其中使PV发电系统10中的每个DC至DC转换器输送的DC链路电流146最大化。因此，简化了每个DC至DC转换器的控制(例如，最大化DC链路电流146以最大化功率输出)。只需电流传感器，其数量比其他电路布置的最大功率控制所需的传感器数量低。
图7是DC至DC转换器70(图1所示)的第一备选实施例282的电路图280。在第一备选实施例中，DC至DC转换器282包括逆向转换器配置。DC至DC转换器282包括单个晶体管284、变压器286、第一电容器288、第二电容器290和整流二极管291。逆向转换器的操作基本与推挽式转换器(如图2所示)的操作相似。DC至DC转换器70内包括的多个晶体管102和104较之逆向转换器能够在更高功率应用中使用。但是，较之推挽式转换器，逆向转换器内包括的较低数量的晶体管提供较低成本的解决方案，适于较低功率应用。例如，可以将多个PV单元12的PV单元22、24、26、28、30和32(全部如图1所示)的功率输出施加到DC至DC转换器282。再者，在该备选实施例中，变压器286具有比变压器88(如图2所示)的额定功率容量低的额定功率容量。变压器286的较低功率额定也促成较低成本的转换器。在替代实施例中，PV单元22的第一侧292或第二侧294可以接地，作为备选，第一侧292和/或第二侧294可以不接地(即，浮动)。
图8是DC至DC转换器70(图1所示)的第二备选实施例310的电路图300。在第二备选实施例中，DC至DC转换器310包括正向转换器配置。与第一备选实施例282(如图7所示)相似，DC至DC转换器310包括单个晶体管312，但是DC至DC转换器310配置为在中等功率级应用中使用，其至少部分是由于添加了次级电感器314。晶体管312中的初级电流(Ipk)320与DC负载电流146成比例。如上所述，输送到DC链路84的功率与DC链路电流146成比例。因此，要最大化PV单元22的PV功率输出，感测晶体管312中的初级电流320并使其最大化。使用此最大化功率点跟踪的方法，无需PV模块输出电流传感器即可最大化PV单元22的PV功率输出。以此方式，通常感测以便控制DC至DC转换器310时使用的电流320也用于最大功率跟踪，无需附加的电流传感器来测量阵列电流144或DC链路电流146。
在该示范实施例中，晶体管312配置成保护DC至DC转换器70免受高电压。更确切地说，使晶体管312“导通(ON)”防止DC链路电压154超过预定义过电压电平。此类情况可能发生在例如DC至DC转换器70的启动期间，以及环境温度低于预期的范围和亮度高于预期的范围时。可以由例如控制器322存储和/或访问最大PV电压电平。如果PV电压152超过最大PV电压电平，则控制器322将晶体管312保持在“导通”状态，这跨过PV单元22产生短路。PV单元22的最大电流输出限于如下电平，其小于在不损坏DC至DC转换器70内的组件(例如但不限于晶体管312)的情况下可施加到DC至DC转换器70的最大电流。
图9是DC至DC转换器70(图1所示)的第三备选实施例362的电路图360。在第三替代实施例中，DC至DC转换器362包括全桥转换器配置。DC至DC转换器362包括第一晶体管364、第二晶体管366、第三晶体管368和第四晶体管370，这允许DC至DC转换器362在较高功率电平应用中使用，例如串组合器(例如串组合器40、串组合器46和/或阵列组合器50(全部如图1所示))输出的功率电平。正如结合DC至DC转换器310描述的，通过最大化初级电流320来实现从PV单元22提取的最大功率。DC至DC转换器362包括用于测量经由第四晶体管370的初级电流320的电流感测装置372。可以通过硬开关脉宽调制(PWM)信号、软开关相移PWM信号和/或任何其他适合的信号来控制DC至DC转换器362。再者，将晶体管364、366、368和370保持在“导通”状态防止了当PV电压152超过预定义电平时，DC链路电压154超过预定义的过电压电平，这在例如启动期间和/或极端寒冷和明亮状态下可能发生。
图10是DC至DC转换器70(图1所示)的第四备选实施例376的电路图374。在第四备选实施例中，DC至DC转换器376包括馈电流转换器配置。DC至DC转换器376包括第一晶体管378、第二晶体管380、第三晶体管382和第四晶体管384。将DC电流(Id)386馈给到全桥整流器388。全桥整流器388包括第一二极管390、第二二极管392、第三二极管394和第四二极管396。DC至DC转换器376允许DC链路电压(VDClink)154用于通过钳位二极管390和392钳制电压尖峰。因此，通过将能量返回到DC链路84以无损耗方式钳制晶体管378、380、382和384开关时自然出现的电压尖峰。
图11是DC至DC转换器70(图1所示)的第五备选实施例402的电路图400。在第五备选实施例中，DC至DC转换器402包括部分功率处理升降压(buck-boost)配置。DC至DC转换器402的输入段90包括开关(如晶体管403)、电感器404和输入电容器405。DC至DC转换器402的输出段92包括输出电容器406，并且可以包括二极管408。DC至DC转换器402不包括变压器或输出整流器。更恰当地，输入段90直接耦合(即，互感耦合)到输出段92。因此，DC至DC转换器402适于在中等功率应用或高功率应用中使用。
DC至DC转换器402的输出电压(即，VDClink 154)等于输入电压(即，PV阵列电压152，Vmppt)与跨过输出电容器406的电压(即，Vs150)之和。VDClink 154取决于晶体管403的占空比(d)。更确切地说，Vmppt 152与Vs 150按如下公式相关联：
(公式1)
此非逆变升降压转换器关系允许在宽范围的Vmppt 152变化上使用DC至DC转换器402(例如，Vs150可大于或小于Vmppt，以使Vmppt+Vs＝VDClink)。当Vmppt 152小于VDClink 154时，通过DC至DC转换器402来处理输入电压Vmppt 152的仅某个分数，其中处理的分数取决于Vmppt152与VDClink 154之间的电压差。更确切地说，当Vmppt≤VDClink时，DC至DC转换器402处理的功率的分数可以按如下公式计算：
(公式2)
当Vmppt 152基本等于VDClink时，所有输入功率通过DC至DC转换器402而不进行处理和/或转换(即，所有Vmppt 152被路由到输出段92，并且晶体管403转到“断开(OFF)”状态)。当Vmppt 152超过预定义电压电平时，晶体管403配置成通过保持在“导通”状态来限制Vmppt152。当保持在“导通”状态时，晶体管403防止PV阵列电压152(Vmppt)超过预定义电平，此在例如启动期间和/或极端寒冷和明亮状态下可能发生。
在图2和图7-11所示的电路中，可以将晶体管102、104、284、312、364、366、368、370和403保留“导通”以限制非经常性高阵列电压的情况中的阵列电压(Vmppt)152，这可能发生在例如非常寒冷和明亮状况中。当保持在“导通”位置中时，晶体管102、104、284、312、364、366、368、370和/或403是电路保护元件，其实质上“短接(crowbar)”DC链路84以限制PV阵列电压(Vmppt)152。通过限制Vmppt 152，减少PV单元22的功率输出，从而防止对PV单元22的损坏。再者，当处于“导通”位置中时，晶体管102、104、284、312、364、366、368、370和/或403增加流到初级段90的电流(Iprimary)142，并且因此，减少流到DC负载86(如图2所示)和/或DC链路84(如图2和图7-11所示)的电流(Iload)146。此外，电路82、280、300、360和/或374中的PPC整流二极管(例如，二极管114和116(如图2所示)和/或二极管291(如图7所示))在转换器或串失效的情况中起到整流二极管和隔离二极管的双重作用。这些二极管将防止失效将DC链路84短路以及潜在地导致系统中的其他转换器的级联失效。可以有意识地将每个PV串的其中一端接地或可以将其两端均保持为浮动。
图12是用于控制发电系统(例如，PV发电系统10(如图1所示))的操作的示范方法412的流程图410。正如上文所述，发电系统10包括至少一个发电单元，例如，PV单元22(如图1所示)，以及至少一个部分功率转换器，例如DC至DC转换器70(如图1所示)。再者，DC至DC转换器70包括控制器，例如，控制器106(如图2所示)，其配置成控制至少一个半导体开关，例如晶体管102和晶体管104的操作。在该示范实施例中，方法412包括配置414部分功率转换器70以确定流经晶体管102的电流的电平，以及配置416部分功率转换器70以最大化流经晶体管102的电流的电平以及由此最大化PV单元22的功率输出。
在该示范实施例中，方法412还包括当在例如启动期间和/或极端寒冷和明亮状态下PV单元22的电压输出超过预定义电平时，配置418控制器106以将晶体管102保持在第一位置(例如，“导通”位置)。控制器106还配置成420操作晶体管102以限制发电系统10内的故障电流。方法412还包括配置422部分功率转换器70以对输送到负载(例如，输送到DC负载86(如图2所示))的总功率的一部分进行输送。而且，发电系统10还包括DC至AC逆变器，例如DC至AC逆变器14(如图1所示)，以及方法412还可以包括配置424DC至AC逆变器14以控制部分功率转换器70的功率输出的电压电平。
本文描述的方法、系统和设备提供优于全功率DC至DC转换器的有益之处，包括：更高的系统效率以及由此实现的高能量产量；更低的额定功率转换器；更小的尺寸；更低的重量；更低的成本；更高的能量产量；以及无需传感器来实现最大功率点跟踪。本文描述的方法、系统和设备能够使得分布式架构对于大商用和公用设施级别的系统具有成本效率。除了商用和公用设施级别的系统外，本文描述的方法、系统和设备还可以适用于模块级的较小系统，如住宅或小商用。再者，本文描述的方法、系统和设备所能够实现的尺寸、成本和重量的减少，使得DC至DC转换器能够容易地与PV模块集成(即，可以将DC至DC转换器设在PV发电系统内的接线盒处)。
本文描述的是用于转换和控制PV模块、串或一组串输送的功率的一部分的示范方法、系统和设备，与转换PV模块、串或一组串输送的全部功率相比，这些示范方法、系统和设备促成转换总效率的提升并降低转换器的成本。更确切地说，本文描述的方法、系统和设备使得较低功率的转换器能够在电方面设置得更靠近PV模块，例如设在串组合器盒中，或直接连接到串输出，因为较低功率的转换器具有较低成本，且在功率电平上额定为与PV模块、串或一组串输送的功率相似。
本文描述的方法、系统和设备有助于实现高效且经济的发电。本文详细地描述和/或图示方法、系统和设备的示范实施例。该方法、系统和设备不限于本文描述的特定实施例，相反，可以彼此独立地且分开地利用本文描述的每个系统和/或设备的组件以及每个方法的步骤。每个组件和每个方法步骤还可以彼此组合来使用。
当介绍本文描述和/或图示的方法和设备的元件/组件等时，冠词“一”、“该”和“所述”意在表示存在一个或多个元件/组件等。术语“包括”、“包含”和“具有”应是涵盖性的，并且表示可能存在所列元件/组件等之外的附加的元件/组件等。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，以及还使本领域技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统及执行任何结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求定义，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求字面语言无不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质不同的等效结构要素，则它们规定为在权利要求的范围之内。
部件列表
10 发电系统
12 多个PV单元
14 DC至AC逆变器
16 电力网
18 输入
22 第一PV单元
24 第二PV单元
26 第三PV单元
28 第四PV单元
30 第五PV单元
32 第六PV单元
40 第一串组合器
42 第一阵列的串
46 第二串组合器
48 第二阵列的串
50 阵列组合器
68 至少一个DC至DC转换器
70 第一DC至DC转换器
72 第二DC至DC转换器
74 第三DC至DC转换器
76 第四DC至DC转换器
78 第五DC至DC转换器
80 第六DC至DC转换器
82 电路图
84 DC链路
86 DC负载
88 变压器
90 初级段
92 次级段
96 第一初级绕组
98 第二初级绕组
102 晶体管
104 晶体管
106 控制器
108 第一次级绕组
110 第二次级绕组
114 第一二极管
116 第二二极管
120 输出
130 中心抽头
140 中心抽头
142 初级电流
144 PV电流
146 DC负载电流
150 DC转换器电压
152 PV阵列电压
154 DC链路电压
180 曲线图
182 总效率
184 增益
190 曲线图
192 分数功率
200 曲线图
210 每单位电压
220 第一曲线图
222 第二曲线图
224 第三曲线图
256 最大电压
280 电路图
282 第一备选DC至DC转换器
284 晶体管
286 变压器
288 第一电容器
290 第二电容器
291 整流二极管
292 第一例
294 第二侧
300 电路图
310 第二备选DC至DC转换器
312 晶体管
314 电感器
320 初级电流
322 控制器
360 电路图
362 第三备选DC至DC转换器
364 第一晶体管
366 第二晶体管
368 第三晶体管
370 第四晶体管
372 电流感测装置
374 电路图
376 第四备选DC至DC转换器
378 第一晶体管
380 第二晶体管
382 第三晶体管
384 第四晶体管
386 DC电流
388 全桥整流器
390 第一二极管
392 第二二极管
394 第三二极管
396 第四二极管
400 电路图
402 第五备选DC至DC转换器
404 电感器
405 输入电容器
406 输出电容器
408 二极管
410 流程图
412 用于控制发电系统的操作的方法
414 配置部分功率转换器以确定流经晶体管的电流的电平
416 配置部分功率转换器以最大化流经晶体管的电流的电平，从而最大化PV模块的功率输出
418 配置控制器以在PV模块的电压输出超过预定义电平时将晶体管保持在第一位置
420 配置控制器以操作晶体管来限制发电系统内的故障电流
422 配置部分功率转换器以对输送到负载的总功率的一部分进行输送
424 配置DC至AC逆变器以控制部分功率转换器的功率输出的电压电平

Claims (6)

1.一种发电系统(10)，所述系统包括：
多个发电单元，每个配置成输出DC功率，其中所述发电单元包括光伏单元；
多个DC至DC部分功率转换器，每个都耦合到相应的发电单元并且每个都包括输入段和输出段，其中所述输出段与相应发电单元串联耦合，其中每个DC至DC部分功率转换器配置成处理相应发电单元的所述DC功率输出的第一部分并将相应发电单元的所述DC功率输出的第二未处理的部分提供到所述输出段，
至少一个组合器，用于组合来自所述DC至DC部分功率转换器的所述输出段的所述DC功率输出并将所组合的DC功率提供到主系统DC链路；以及
至少一个DC至AC逆变器，其耦合到所述主系统DC链路并且配置成控制在所述主系统DC链路上的、来自所述DC至DC部分功率转换器的所述功率输出的电压水平。
2.如权利要求1所述的系统(10)，其中，对于所述DC至DC部分功率转换器的每一个，所述输入段和所述输出段直接耦合。
3.如权利要求1所述的系统(10)，其中，所述DC至DC部分功率转换器的每一个都包括至少一个变压器，其中所述输入段包括所述至少一个变压器的初级绕组，以及所述输出段包括所述至少一个变压器的次级绕组，以及其中所述初级绕组接收相应发电单元的所述DC功率输出的所述第一部分，并感生跨过所述次级绕组的电压，其与相应发电单元的所述DC功率输出的所述第二未处理的部分结合并被提供为来自所述DC至DC部分功率转换器的功率输出。
4.如权利要求1所述的系统(10)，其中，所述DC至DC部分功率转换器的每一个配置成从相应发电单元提取最大功率。
5.如权利要求4所述的系统(10)，其中，所述DC至DC部分功率转换器的每一个配置成最大化来自所述DC至DC部分功率转换器的电流输出以最大化相应发电单元的输出功率。
6.一种DC至DC部分功率转换器，包括：
输入段，其配置成接收光伏发电单元的DC功率输出的第一部分，所述输入段包括输入电容器、开关和电感器；以及
输出段，其配置成将包含所述发电单元的所述DC功率输出的第一处理的部分和第二未处理的部分的DC功率输出到DC链路，并且所述输出段包括输出电容器和输出二极管，
其中，所述输出电容器和所述输出二极管各连接到DC链路的正节点，所述输入电容器和所述开关各耦合到DC链路的负节点，并所述电感器被连接在所述输入电容器和所述输出电容器之间的一端处以及所述输出二极管和所述开关之间的另一端处。
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