CN103038970A

CN103038970A - 用于光伏面板和/或风力涡轮机的矩阵连接设备

Info

Publication number: CN103038970A
Application number: CN2011800273465A
Authority: CN
Inventors: C·德莱; N·尤尔; P·埃斯托普
Original assignee: AEG Power Solutions BV
Current assignee: AEG Power Solutions BV
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2011-06-01
Publication date: 2013-04-10
Also published as: WO2011151599A2; FR2961035B1; EP2577834B1; FR2961035A1; EP2577834A2; CA2800973A1; US9231408B2; US20130207474A1; WO2011151599A3

Abstract

一种矩阵连接设备，该矩阵连接设备设置在n个光伏面板和/或风力涡轮机（PV1、PV2、PVn）和用于向公共负载（10）供电的n个电源转换器（C1、C2、Cn）之间，所述矩阵连接设备包括：n个矩阵开关单元（I1、I2至In），每个矩阵开关单元包括n个连接开关（Ki1、Ki2至Kin），n个连接开关的出口连接到一起且n个连接开关的n个入口连接到所述光伏面板和/或风力涡轮机的n个出口；至少一个附加开关单元，包括n个开关（K_n+11、K_n+12至K_n+1n），n个开关的出口连接到一起且n个开关的n个入口分别连接到单向能量源的n个出口；以及指令/控制电路（14），用于基于每个光伏面板和/或风力涡轮机的可用功率来开启电源转换器或不开启电源转换器，然后用于基于由每个电源转换器消耗的功率保持电源转换器供电或使它们不工作。

Description

用于光伏面板和/或风力涡轮机的矩阵连接设备

技术领域

本发明涉及光伏或风力涡轮机能量源发电机领域，更具体而言，本发明涉及用于将单向能量源（即，交流电（AC）或直流电（DC）并且通常具有相同的极性的能量源）连接到电源转换器的连接装置。

背景技术

用于向各种负载供电或用于将功率注入到电网或电力网络的太阳能的应用变得越来越普遍。在小型或中型装置（通常小于数百瓦）中，应用通过单个光伏面板或通过设置为并列的多个光伏面板供电的单个转换器大部分时间是足够的。

然而，对于更大功率的或组合的装置，即，包括光伏面板和风力涡轮机两者的装置，如图3的方框图中所示，光伏面板阵列1和2以及风力涡轮机3连接到各自的转换器4、5、6，该转换器4、5、6连接到供电网或连接到公共负载7。但是，该配置存在缺点。由于转换器的效率是消耗功率的函数，因此当日照或风力条件低时所述效率较差。类似地，由于转换器需要至少某一最小量的功率来启动，它们在低日照或低风力下不可能启动，因此，需要在该条件下向负载供电时必须应用替代能源或中间存储。这导致装置相对复杂并因此成本高且体积庞大。

发明内容

本发明的目的在于通过提出一种用于将单向能源连接到电源转换器的连接装置以减少上述缺点，该连接装置使每个转换器的效率最大且便于在低日照或低风力的条件下启动转换器。通过设置在n个单向能量源和用于向公共负载供电的至少n+1个电源转换器之间的矩阵连接设备来实现该目的，该装置的特征在于装置其包括：

·n个矩阵开关单元，每个矩阵开关单元包括n个连接开关、第一单向能量源出口、第二单向能量源出口，以及以此类推到第n单向能量源出口，n个连接开关具有连接在一起的n个连接开关的出口并且具有连接到所述单向能量源的n个出口的n个连接开关的n个入口，第一单向能量源出口连接到每个矩阵开关单元的每个第一开关，第二单向能量源出口连接到每个矩阵开关单元的每个第二开关，第n单向能量源出口连接到每个矩阵开关单元的每个第n开关；

·至少一个附加开关单元，该附加开关单元包括n个开关，n个开关具有连接在一起的n个开关的出口并且具有连接到所述单向能量源各自的n个出口的n个开关的n个入口；以及

·监测和控制电路，该监测和控制电路用于根据每个所述单向能量源可用功率来启动或不启动所述电源转换器，然后根据由每个所述电源转换器中消耗的功率保持其开启或使其不工作。

因此，通过该矩阵连接，可根据影响每个能量源（例如，可以是光伏面板或风力涡轮机或两者的组合）的日照或风力条件依次或同时启动转换器。然后，一旦它们被启动，转换器根据日照或风力条件的变化和用于向负载供电的转换器消耗的功率保持断开或关闭。

本发明的矩阵连接设备进一步包括用于短路每个所述单向能量源的出口的n个短路开关，从而使得能够测量所述可用功率，或实际上可进一步包括与所述n个单向能量源相关联配置的n个功率传感器，以使得能够测量所述可用功率。根据能量源的类型，所述功率传感器可由日照传感器或由用于测量风速的传感器形成。

优选地，每个开关包括与用于保护其不受电压冲击和不受电流冲击的保护电路相关联的绝缘栅双极晶体管（IGBT）或金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），或实际上每个开关仅包括机电组件。

附图说明

通过非限制指示给出的以下说明书和参照附图使得本发明的特征和优点显得更加清楚，其中：

图1示出了实现本发明的矩阵连接设备的太阳能装置的实施方案；

图2示出了使其可以通过3个光伏面板向3个转换器供电的各个步骤的流程图；以及

图3是太阳能/风力装置组合的现有技术的示例。

具体实施方式

图1概略地示出了其中的多个光伏面板PV1、PV2至PVn连接到对应的用于向共同负载10（应用）供电的多个电源转换器C1、C2至Cn的太阳能装置。根据负载的性质，这些电源转换器可以是直流到直流（DC/DC）转换器或直流到交流（DC/AC）转换器。通过说明的方式自然地提及该具有n个光伏面板的能量转换装置，且基于单向能量源的其他类型的任何其他装置是可能的。

根据本发明，该连接通过矩阵连接设备12建立，矩阵连接设备12包括n个矩阵开关单元I1、I2至In，每个矩阵开关单元具有n个连接开关Ki1、Ki2至Kin，该n个连接开关具有连接到一起的n个连接开关出口且具有连接到光伏面板的n个出口的n个连接开关的n个入口。更精确而言，第一光伏面板PV1的出口连接到每个矩阵开关单元I1、I2至In的每个第一开关Ki1，第二光伏面板PV2的出口连接到每个矩阵开关单元I1、I2至In的每个第二开关Ki2，并以此类推直到第n光伏面板PVn的出口，第n光伏面板PVn的出口连接到每个矩阵开关单元I1、I2至In的每个第n开关Kin。

此外，还提供用于短路每个光伏面板的出口的N个短路开关K10、K20至Kn0。利用根据监测和控制电路14预确定的控制关系来控制开关，监测和控制电路14从所述开关和从电源转换器接收多种信息。更精确而言，所述监测和控制电路首先接收短路开关闭合时通过短路开关K10、K20至Kn0的每一个的电流值（该电流值对应于给定开关所连接的光伏面板的短路电流），其次接收来自转换器C1、C2至Cn的每一个的出口电流值。

矩阵连接设备进一步包括附加电源转换器Cn+1，附加电源转换器的出口也连接到负载10且附加电源转换器的入口连接到附加开关单元In+1的出口，附加开关单元In+1包括n个开关Kn+11，Kn+12至Kn+1n，n个开关的出口连接到一起且n个开关的n个入口连接到相应n个光伏面板。

优选地，采用包含IGBT或MOSFET的电子器件并且以已知的方式实现每个开关，每个开关包括用于保护它不受电压冲击和不受电流冲击的保护电路。然而，采用机电组件（继电器等等）的实现也是很可能的。

以下参考图2说明本发明的矩阵连接设备的操作，图2示出了用于控制通过三个光伏面板供电的三个转换器的流程图。当然，以下描述的方法可应用于n个光伏面板。类似地，该方法可扩展到所有单向能量源尤其是风力涡轮机，假设与可用功率成比例的短路电流在所述其它源处可用。

假设初始状态对应于缺乏日照（例如，夜间）。在此状态下，短路开关K10（步骤100）、K20（步骤102）至K30（步骤104）是闭合的（转换器C1、C2和C3停止），并且只要流经所述开关且与来自光伏面板的可用功率成比例的电流值不大于对应于它的最小操作功率的预定最小确定值（步骤106、108、110检验），短路开关保持闭合。当一个或多个采集值大于所述预定值时，该值被发送至电路14（步骤112）并且当总电流值超过启动第一转换器C1所需的最小电流时（步骤114检验），则断开短路开关K10、K20和K30并且闭合第一连接开关单元I1的三个开关K11、K12和K13（步骤116），其它两个开关单元I2和I3的其它三个开关K2i和K3i（i=1至n）保持断开（步骤118和120），其可以使得以此方式并联连接的三个光伏面板直接向第一转换器C1供电（步骤122）。

因此，与现有技术不同，为了启动第一转换器，不再必须等待其连接的光伏面板通过其自身产生该启动所必须的可用功率，而是通过并联连接足够数量的光伏面板足以获得该必须的可用功率，假设由每个所选择的面板中所发射的功率大于用于其自身操作的它的最小功率。因此，即使少量的日照足以启动太阳能装置的至少一个转换器。

只要可用功率不足以启动第二转换器（步骤124检验的答案为“否”）并且使得可用功率不回落到低于其最小启动功率（步骤126），在该情况下，第一转换器C1停止并且短路开关再次闭合，而第一转换器C1仍然是唯一有效的转换器。当可用功率足以启动第二转换器（步骤124检验的答案为“是”）时，断开第一开关单元I1的开关K12（步骤128）并闭合并联的第二开关单元I2的开关K22（步骤130），使得其可以向第二转换器C2供电（步骤134），第三开关单元I3的三个开关K3i（i=1至n）如同上面一样保持断开（步骤132）。

只要可用功率不足以启动第三转换器（步骤136检验的答案为“否”）并且使得可用功率不回落到低于它的最小启动功率（步骤138），在该情况下，第二转换器C2停止并且短路开关K12和K22分别再次闭合和再次断开，所述第二转换器C2仍然有效。当可用功率足以启动第三转换器（步骤“136”检验的答案为“是”）时，断开第一开关单元I1的开关K13（步骤140）并闭合并联的第三开关单元I3的开关K33（步骤144），使得其可以向第三转换器C3供电（步骤146），第二开关单元I2的开关K22如同上面一样保持闭合（步骤142）。因此，只要第三转换器的可用功率保持大于它的启动功率，所有三个转换器保持运行（步骤148检验）。否则，所述第三转换器停止并且开关K13和K33分别再次闭合和再次断开，以返回至仅有两个转换器C1和C2的操作。在实现中，监测和控制电路14通过决定是否关闭多个开关来优化转换器效率，以这种方式将来自光伏面板的能量引导至合适数量的转换器。基于转换器的出口电流乘以负载10的端子上的公共出口电压的结果简单地计算转换器的功率。

注意到，附加电源转换器Cn+1的存在使得其可以有利地更换有缺陷的转换器，从而使得其可以有利地继续应用由光伏面板传送的所有功率，附加电源转换器具有连接到负载10的附加电源转换器出口并且具有连接到本发明的矩阵连接设备中的附加开关单元In+1的出口的附加电源转换器入口。当然，还可能应用多个附加转换器而不是应用单个附加转换器，尤其是用于需要多个转换器的高功率的情况下。

还注意到，当数量n为高时，并且基于光伏面板的各自的日照水平，不必须断开还未达到它们的最小操作功率的光伏面板的开关K1i（i=1至n），而并行连接的光伏面板的数量可小于n。

最后，注意到，虽然在以上描述中基于在光伏面板的出口处的短路开关中测得的短路电流值来确定用于启动转换器的可用功率，还可以基于仅从与所述面板相关联配置的日照传感器获得的日照测量值来确定用于启动转换器的可用功率。在例如应用风力涡轮机的其他类型的单向能量源的情况下，当短路电流不易得到时，用于测量风速的传感器可然后用于确定所述可用功率。

Claims

1.一种矩阵连接设备，所述矩阵连接设备设置在n个单向能量源（PV1、PV2、PVn）和用于向公共负载（10）供电的至少n+1个电源转换器（C1、C2、Cn，Cn+1）之间，所述矩阵连接设备的特征在于包括：

·n个矩阵开关单元（I1、I2至In），每个所述矩阵开关单元包括n个连接开关（Ki1、Ki2至Kin），所述n个连接开关的出口连接到一起并且所述n个连接开关的n个入口连接至所述单向能量源的n个出口，第一单向能量源（PV1）出口连接至每个所述矩阵开关单元（I1、I2至In）的每个第一开关（Ki1），第二单向能量源（PV2）出口连接到每个所述矩阵开关单元（I1、I2至In）的每个第二开关（Ki2），以此类推直至第n单向能量源（PVn）出口连接到每个所述矩阵开关单元（I1、I2至In）的每个第n开关（Kin）；

·至少一个附加开关单元（In+1），所述附加开关单元包括n个开关（K_n+11、K_n+12至K_n+1n），所述n个开关的出口连接到一起并且所述n个开关的n个入口连接至所述单向能源的相应的n个出口；以及

·监测和控制电路（14），所述监测和控制电路用于根据每个所述单向能量源的可用功率来启动或不启动所述电源转换器，然后用于根据每个所述电源转换器消耗的功率保持所述电源转换器开启或使所述电源转换器不工作。

2.根据权利要求1所述的矩阵连接设备，其特征在于，所述矩阵连接设备进一步包括与所述n个单向能量源相关联配置的n个功率传感器，以便使得能够测量所述可用功率。

3.根据权利要求2所述的矩阵连接设备，其特征在于，所述功率传感器由日照传感器或由用于测量风速的传感器形成。

4.根据权利要求1所述的矩阵连接设备，其特征在于，所述矩阵连接设备进一步包括用于短路每个所述单向能量源中的出口的n个短路开关（K10、K20至Kn0），从而使得能够测量所述可用功率。

5.根据上述任一项权利要求所述的矩阵连接设备，其特征在于，每个所述开关包括与用于保护所述开关不受电压冲击和不受电流冲击的保护电路相关联的IGBT或MOSFET。

6.根据上述任一项权利要求所述的矩阵连接设备，其特征在于，每个所述开关包括机电组件。

7.根据上述任一项权利要求所述的矩阵连接设备，其特征在于，所述单向能量源为光伏面板或风力涡轮机或两者的组合。

8.一种包括根据权利要求1至7中任一项所述的矩阵连接设备的能量转换装置，所述能量转换装置用于通过单向能量源向电源转换器供电。