CN104081647B - 带有独立直流电源的堆叠电压源逆变器 - Google Patents

带有独立直流电源的堆叠电压源逆变器 Download PDF

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Abstract

此处描述的是一种具有独立的直流电源的堆叠电压源逆变器。该逆变器适用于低或中电压、低到中电力应用诸如光伏通用接口系统,电池存储应用诸如可再生能源峰值调节,马达驱动应用以及用于电动车辆驱动系统。该堆叠的逆变器由至少一个相位组成,其中每个相位具有装配了独立电压源的多个低压全桥逆变器。该逆变器发展了一个具有快速变换和小的低通交流输出滤波器的接近正弦曲线近似电压波形。系统控制器控制每个逆变器的运行参数。该逆变器可以具有在Y形或三角形配置中连接的单相位或多相位实施例。

Description

带有独立直流电源的堆叠电压源逆变器

技术领域

本申请要求2011年12月16日提交的美国临时申请号为61/576363的优先权,其内容通过引用并入本文。

本发明涉及一种带有独立直流电源的堆叠电压源逆变器,并尤其涉及包括了用于光伏系统的示例性装置和方法的带有独立直流电源的堆叠电压源逆变器,该逆变器能够在离网和并网运行中运作。这个独有技术的使用的领域为,但不限于,太阳能发电、电动车辆、电能存储、不间断供电(UPS)、数据中心电源管理以及马达驱动。

背景技术

目前意识到集中的液化石油气和污染性煤炭燃烧的消极的环境、地缘政治、国家安全、医疗费用的影响都驱动着诸如光伏(太阳能)这样的清洁技术的发展。目前,太阳能设备上的电容的广泛使用和安装被多个因素制约。用于将太阳能转换为并网和离网应用的当前的电子解决方案遭受着短的产品寿命、大的外形尺寸/重量,以及实质的使用期成本的问题。

今天,光伏系统使用逆变器将来自太阳能电池的直流电(DC)转换为交流电(AC)以用于并网和离网应用。存在三个种类的太阳能逆变器:集中式、组串式和模块级的(“微逆变器”)。目前,最典型的光伏阵列使用集中式和组串式逆变器。这些标准系统组合具有多个子阵列,每个子阵列轮流使用单个的太阳能板。接线盒将各种子阵列的输出结合以形成供应给逆变器的直流信号。该逆变器将直流电转换为交流电并向电网供应交流电。在这样的系统中,有效地耦接到电网的电量对于系统的成本回收是重要的。同样地,该逆变器必须是尽可能高效地。

由于更高的电力产量直接等于其所有者的更多收入,效率或缺乏效率成为光伏系统中主要的经济驱动力。举例来说,常规的中枢或串行系统提供以串联方式设置的多个太阳能板,来自太阳能板的电力随后在中心点由直流电转换为交流电。然而太阳能板组串式效率可能由于任何一个串联的太阳能板的减弱输出而急剧退化。减弱的输出的来源范围从模块错误到鸟粪,都是由于物理障碍物遮盖或部分遮盖了串联的太阳能板的部分。

为提升总的效率,不论并联或串联,能够使用“微逆变器”以将单独的逆变器耦接每个太阳能板并且独立于临近的模块产生能量。在每个模块上的微逆变器的交流电输出与电网并联地结合并耦接。虽然在系统水平上微逆变器的使用比单个中枢或串行逆变器更有效率,但是现在最好的微逆变器具有95%以下的机组效率,而最好的串行和中枢逆变器具有98%的机组效率。

美国专利7,796,412公开了一种用于电力转换的装置。该装置具:有至少两个电力级,至少两个电力级的每一个电力级能够将直流输入电力转换为直流输出电力;以及控制器,该控制器基于第一直流电力,用来动态选择用于将第一直流电力转换为第二直流电力的至少两个电力级的一个以上电力级,进一步包括耦接到用于将第二直流电力转换为交流电力的至少两个电力级的输出电路。

美国专利8,089,178公开了用于脉冲幅度调制(PAM)电流转换器,称为“PAMCC”,的直流电,PAMCC被连接到单独的直流电源。该PAMCC接收直流电并在其三个输出端子提供脉冲幅度调制电流,其中每个端子的电流与其他两个端子异向120度。该脉冲在与在一系列脉冲上调制的信号相比的高频上产生。在一系列脉冲上调制的信号可以代表部分更低频率的正弦波或其他更低频率的波形,包括直流电。当每个分相位的输出以与相似PAMCC的输出并联时,形成大量的PAMCC,其中每个电压分相位输出脉冲相对于其他PAMCC的相应的电流输出脉冲是异向的。大量的PAMCC形成分散式的三相位多向逆变器,其结合的输出为通过每个相位上的每个PAMCC调制的电流脉冲幅度的解调总量。

在两种方法中高压转换构件必须用于并联电网应用。这些方法的主要缺点是由于高压设计的半导体构件的高成本和由于高转换损耗造成的高相对低的运行频率。另外由于低转换频率导致需要大且贵的低通滤波构件。因此,显然需要一种逆变器,该逆变器能够具有高转换频率和用于交流电力系统中的应用的高效率地运行。

相应地,本发明的目的在于提供一种新的和改进的堆叠电压源逆变器并且更具体地为用来连接高压、高功率的交流电系统的堆叠电压源逆变器。

另一个目的为提供一种Y型或三角形构造的用于电网的光伏接口的堆叠高压电源逆变器。

发明内容

一方面,已公开用于电力转换的方法和装置。向交流电(AC)电力系统供应电力的直流电(DC)电压源逆变器包括:多个全桥逆变器,每个全桥逆变器具有主要节点和次要节点,每个所述的全桥逆变器具有阳极和阴极节点,每个所述全桥逆变器具有在所述阳极节点和所述阴极节点之间以并联关系电连接的电压支持器件,以及连接在阳极和阴极节点之间的直流电(DC)电源;至少一个堆叠逆变器相位,每个堆叠的逆变器相位具有多个所述全桥逆变器,在每个堆叠逆变器相位中的每个所述全桥逆变器以串联方式与连接到另一个全桥逆变器的所述主要节点的所述全桥逆变器中的一个的所述次要节点相互连接,所述串联的相互连接限定了第一全桥逆变器和最后的全桥逆变器,每个相位在所述第一全桥逆变器的所述主要节点上具有输入节点并在所述最后的全桥逆变器的所述次要节点上具有输出节点;本地控制器,本地控制器该耦接到每个全桥逆变器,并产生到全桥逆变器的控制信号以输出大致接近正弦电压的波形;所述全桥逆变器和所述本地控制器的结合形成基本逆变单元(BIU);系统级控制器,该系统级控制器与每个基本逆变单元的本地控制器通讯,该系统级控制器产生用于所述基本逆变单元的配置激活、去激活及运行模式选择的系统控制信号。

该方法包括:通过将多个直流电源的平均直流电压与参考直流电压相比产生第一误差信号;将平均的直流电流与所述被检测及平均的交流电流水平相比产生第二误差信号;基于第一和第二误差信号激活并去激活多个全桥逆变器以接近正弦电压波形。

以上各方面的实施可以包括下列的一个或多个。该方法可以包括检测多个直流电源的直流电压水平并计算电力。该方法包括平均所述的直流电压水平并将所述平均值与参考直流电压比较。该方法包括将所述平均值与所述被检测的和平均的交流电水平比较。该方法包括从所述第二误差信号产生相位调制信号以及交流线电压被检测周期。可以使用锁相回路检测交流线电压周期。该方法包括为使用所述相位调制讯号的所述全桥逆变器产生多个发射参考信号。该方法包括确定调制参数并为所述的调制参数提供参考表。在另一方面,转换设备发射信号可以基于相位调制信号使用数字信号处理器(DSP)计算。

该方法包括在基本逆变单元和系统控制器之间提供通讯。该系统控制器控制基本逆变单元操作范围并同样决定每个基本逆变单元激活或去激活的需求。该方法包括使用串联的单导体使多个全桥逆变器相互连接。

在一个实施例中,该系统控制器控制作为电流源运行的单个基本逆变单元和作为电压源运行的多个基本逆变单元。

在另一个实施例中,该系统控制器控制作为电压源运行的多个基本逆变单元。

以上系统的其他实施方式中可以包括以下的一个或多个。三个堆叠逆变器相位可以被使用并连接以形成Y形(Y)或三角形(Δ)连接。每个基本逆变单元整合了开关以在发生个别的阶段故障情况下选择性地短路其输出,使连接到基本逆变单元的余下的串联继续运行。该全桥逆变器可以为第一转换组和第二转换组,每个所述的转换组具有多个转换单元以可控制地调节电流流量,每个所述的转换单元具有第一端部和第二端部,所述第一转换组具有与所述第一端部在所述全桥逆变器的所述阳极节点上电连接的多个转换单元,所述第一转换组的所述转换单元的一个的所述第二端部与所述的主要节点连接,所述第一转换组的另一个所述转换单元的所述第二端部与所述次要节点电连接,所述第二转换组具有与所述第二端部在所述全桥逆变器的所述阴极节点上电连接的多个转换单元,所述第二转换组的所述转换单元的一个的所述第一端部连接到所述主要节点,所述第二转换组的所述转换单元的另一个所述转换单元的所述第一端部电连接到所述次要节点。该主要节点可以连接到电感器。该次要节点可以连接到电感器。电容器可以连接在主要和次要节点之间以产生用于将基本逆变单元同步到交流电电网相位的本地交流电压参考。当存在电容器时,每个基本逆变单元检测线频率。该电容器在单个装置故障时也提供了对反向电流流量的短期保护。该转换装置可以为栅关断装置和以并联方式连接的反并行装置并且相互间反向偏置。该栅关断装置包括从以下群组中选择的构件:栅关断晶体闸流管、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)、金属半导体场效应晶体管(MESFET)、结晶型场效应晶体管(JFET)、MOSFET控制的晶体闸流管、双极型晶体管(BJT)、静电感应晶体管、静电感应晶体闸流管以及MOSFET关断晶体闸流管、氮化镓(GaN)晶体管、碳化硅(SiC)晶体管。该反并行装置可以为二极管。每个全桥逆变器可以连接到电容器、电池、燃料电池、光伏电池或生物质电池。降压或升压调节电路可以设置在基本逆变单元中的全桥逆变器和直流电源之间。当以包括光伏电池的直流电源的方式使用时,有源滤波器可以解耦在每个基本逆变单元中施加到直流电压的交流电压调制。可变数量的基本逆变单元可以用在一个相位中来匹配特定的电网电压。每个基本逆变单元可以在不同的直流电力水平上运行。可变数量的基本逆变单元可以用于每个相位。

在另一方面,一种用于转化多个直流电(DC)电源以接近正弦电压波形的方法,包括:在堆叠相位被连接到交流电电网网络的情况下,检测电网的交流电压水平;通过系统控制器计算用于堆叠的基本逆变单元的交流电启动电压;计算电力、执行最大电力点跟踪算法、并产生参考直流电压;平均所述的输入直流电压水平;将所述平均直流电压水平与参考直流电压比较;从所述平均直流电压与参考直流电压的比较中产生第一误差信号;将来自直流电压电源的平均直流电与被检测的交流电水平进行比较;从所述平均直流电与被检测的交流电水平的比较中产生第二误差信号;从所述第二误差信号中产生相位调制信号;检测具有周期的交流线电压;产生与所述交流线电压的周期直接相关的相位参考信号;产生用于使用所述相位参考讯号的全桥逆变器的多个启动参考信号;确定调制参数;并且提供用于所述调制参数的参考表。

在一个实施方式中,例如继电器、半导体开关或其他的输出短路单元是可选择的配置。每个单一的逆变单元可以具有短路单元以防止如果串联的连接单元之一故障或没有足够的直流输入电力来运行使得系统不能运行的可能性。该短路单元的控制可能来自于以下两种方式:a)本地控制器、或b)来自系统控制器。该系统控制器可以关闭至少一个带有电流限制装置的并联开关,该电流限制装置将通过堆叠的基本逆变单元作为相位参考信号所述交流线电压用于在发电机设备启动前的每个基本逆变单元的同步。

在另一方面,一种用于转换多个直流电源以接近正弦电压波形的方法,包括:感测来自多个直流电源的平均直流电压;基于感测到的直流电压激活以及去激活多个全桥逆变器。

实施方式可以包括下列的一个或多个。该方法包括在基本逆变单元和系统控制器之间提供通讯单元。该方法包括如果由系统控制器计算的电压处于范围之外则检测交流电压水平并制造第一电压参考信号。该方法包括如果由系统控制器计算的电压处于范围之内则检测交流电压水平并制造第一电流参考信号。该方法包括平均所述的交流电压水平并将所述平均电压与参考直流电压比较。该方法包括平均所述交流电流水平并将所述平均电流与参考直流电流比较。

该方法包括从所述用户指令信号产生移相信号。该方法包括检测具有周期的交流线电压并产生与所述交流线电压的所述周期直接相关的相位参考信号。该方法包括产生用于多个全桥逆变器的多个启动信号,所述多个全桥逆变器使用所述相位参考信号和所述移相信号。该方法包括确定调制参数并提供用于所述调制参数的参考表。

该方法包括通过将相位参考信号与可逆数字计数器对比来确定启动信号。

优选的实施例的优点可以包括以下的一个或多个。该系统对于每个逆变器仅需要2个电缆。该系统是高效并可扩展的。该系统能够被配置用于单相或三相运行。该系统是高度可靠、低波形系数并非常轻便。该系统灵活支持带有单个基本逆变单元设备配置的多种电网电压和频率。

附图说明

为便于以上所描述的本发明的特征尤其是本发明的说明书、上述的摘要可以被详细理解,可以参考实施例,部分实施例以附图形式示出。然而,应当注意的是,附图仅示出本发明的典型的实施例并因此不被认为是对其范围的限制,本发明包括其他同样效果的实施例。

图1示出了示例性的电力控制系统。

图2A示出了示例性的带有用于电网应用的系统控制器的堆叠相位逆变器。

图2B示出了示例性的用于电网应用的光伏的本地控制系统。

图3示出了示例性的用于光伏应用的最大电力点跟踪(MPPT)流程。

图4示出了示例性的模块电压和电流限制流程以及调制参数计算和对运行限制的校验。

图5示出了示例性的带有逆派克变换的锁相环。

图6A示出了示例性的用于控制图2A的系统的系统控制流程。

图6B示出了示例性的基本逆变单元,其包括本地控制器、带有LC输出滤波器的全桥逆变器、以及输入直流电升压斩波器。

图6C示出了示例性的基本逆变单元,其包括本地控制器、带有LC输出滤波器的全桥逆变器、输入直流电升压斩波器、以及有源滤波器。

图6D示出了示例性的基本逆变单元,其包括本地控制器、带有LC输出滤波器的全桥逆变器、以及推拉式直流转换器(独立版本配置)。

图7示出了示例性的离网的电力系统控制应用。

图8示出了示例性的用于图7的离网应用的主基本逆变单元控制流程。

图9示出了示例性的用于图7的离网应用的从基本逆变单元控制流程。

图10示出了示例性的用于图7的离网应用的系统控制流程。

图11示出了示例性的本发明的发电系统的集成电路实施方式。

具体实施方式

图1示出了示例性的电力控制系统。该系统包括一个或多个光伏板502。由光伏板502产生的电力被提供给光伏逆变器以及滤波组合506并被提供给电力网510。本地控制器504(以下详细讨论)监控光伏板和电网电压并产生控制信号给逆变器和滤波器506。

在一个实施例中,本地控制器504控制全桥逆变器、以及通讯接口以使本地控制器与系统控制器通讯。该全桥逆变器可以获得由光伏板产生的电能。通过电容器使光伏板的输出平顺。该全桥输出随后在被提供在输出部分上之前被提供给低通滤波器。

图2A示出了带有用于并网应用的系统控制器的堆叠相。图2A具有提供电力给基本逆变单元520的多个太阳能板522。基本逆变单元520被串联连接,并且由系统控制器524控制的每个基本逆变单元520的输出。串联连接的基本逆变单元520的输出也被连接到与开关K1528串联的电阻器526。该基本逆变单元520也与开关K2530串联。开关528和530可以或为固态开关或为继电器。开关528-530由系统控制器控制。开关528-530的输出被提供给电网534。该系统可以操控可变数量的串联连接的基本逆变单元,其中每个系统的最小和最大数量的基本逆变单元,由穿过所有串联连接的全桥逆变器的总电网电压以及每个基本逆变单元的交流输出额定电压的最大值和最小值确定。每个基本逆变单元可以作为电压源运行以便于有效地实现基本逆变单元堆叠。

在另一个实施例中,该系统控制器可以配置一个基本逆变单元作为电流源,并且其余的基本逆变单元可以被用作电压源。

基本逆变单元的三个单独串联连接的群组在一个实施例中可以被配置为三相逆变系统。

在一个示例性电网应用的光伏模块中,系统控制器包括控制给电网供电的控制开关K1和K2的外部调整环。该系统控制器通过通讯通道从基本逆变单元中接收通讯。该通讯通道可以是有线的诸如电力线通讯通道或可以为无线的诸如无线个域网及其他。该系统控制器也实施检测非正常的电网状况的算法以及通过控制开关K1和K2从电网断开堆叠的基本逆变单元的方法。

图2B示出了图1的基本逆变单元的实施例。太阳电池板530提供直流电(DC)输出给全桥逆变器532。全桥逆变器532的输出被提供给低通滤波器534,低通滤波器534在一个实施例中可以为感应电容(LC)型滤波器。滤波器534的输出被提供给交流电力网或交流电总线。通过本地控制器550监控滤波器534的输出。如图2A所示,系统控制器540监控具有基本逆变单元的相的输出电压和电流。该系统控制器发送指令给通讯模块568设置限制器558的参数以调整由逆变器532产生的电压和电流。

图2B的系统通过最大电力点跟踪(MPPT)模块551监控,细节在图3中讨论。该MPPT模块552监控来自电池板530的电力。该MPPT模块551的输出由驱动直流电压控制器556的加法电路554接收,在一个实施例中其可以为比例积分控制器。参考电流值为直流电压控制器的输出。电压控制器556输出被连接到限制器558以产生输出m、调制参数。倍增器560接收限制器558和锁相环(PLL)570的输出以产生输出m 该限制器558和PLL 570随着监控电网输出穿过低通滤波器534供应监控电网输出。倍增器560的输出被供应给驱动器572,诸如驱动全桥逆变器532的脉宽调制(PWM)驱动器。

图3示出了示例性的MPPT流程。首先,该系统感测在时间k V(k)的电压以及在时间k l(k)的电流580。接着,确定电流周期和在先周期之间的电压差和电流差582。在584中,如果电压差存在,则流程前往586以确定是否l(k)+ΔΙ/ΔV(V(k)=0,并且如果是的话则前往598。如果不是,由586中的流程确定是否l(k)+ΔΙ/ΔV(V(k)>0588,并且如果是的话则增加Vr 592,否则减少Vr 590。

相应地,在584中,如果电压差为零,则流程前往592以确定是否ΔΙ=0,并且如果是的话则前往598。如果不是,由592的流程确定是否ΔΙ>0594,并且如果是的话则增加Vr596否则减少Vr 594。

图4示出了示例性的用于电网电压的电流限制流程。从系统控制器610接收所述最大和最小电压值。接下来,该系统样本逆变器输出电压Vom和电流lom 612。接着,在614中该流程确定是否Vom小于Vommin。如果输出电压参考Voref=Vommin,则接着运行电压控制器环。ε被设置为Voref-Vom 616并且接着m被设置为kl*ε+k2*ε/s618。

从614,如果Vom大于或等于Vommin,那么该流程确定是否Vom>Vommax620。如果是,那么Voref被设置为Vommax并且ε被设置为Voref-Vom 622并且运行电压控制限制环。该流程接着将m设置为kl*ε+k2*ε/s 624。如果为否,则该常规电流环运行将loref设置为Iref并且ε被设置为Iref-lom 626。接着,m被设置为k3*ε+k4*ε/s628。

从操作618、624或628,该流程继续来检查调制参数m的可接受范围。对m的限制被设置为mmin为Vommin/Vp以及mmax为Vomax/Vp 630。接着,该流程测试是否m>mmax 632。如果是,则给流程设置m=mmax 634。如果否,则该流程测试是否m<mmax 636并且如果是的话则m被设置为mmin 636。

图5示出了示例性的锁相环。单相电压(νβ)和内部产生的信号(να)被用作向派克变换块(αβ-dq)的输入。该派克变换的d轴输出被用在控制环中以获取输入信号的相和频率信息。通过使用逆派克变换获得Vα,其中该输入为通过一阶极块反馈的派克变换(dq-αβ)的d轴和q轴输出。极被用来在内部反馈环中引入能量存储元件。

图6A示出了用于控制图2A的系统的示例性的流程。该流程首先初始化与每个n串联连接的基本逆变单元之间的通讯660。该流程接着测量电网电压Vgm并确定基本逆变单元启动电压Voms=Vgm/n,以及用于基本逆变单元的运行范围(基于电网电压和基本逆变单元的数量),Vommax以及Vommin 662。接下来,该流程关闭继电器或开关K2并发送确定的Voms、Vommax、Vommin给每个基本逆变单元664。

接下来,该流程确定是否堆叠逆变器相电压,Vgs大于或等于电网电压,Vgm666,并且如果为否,则该流程等待直到达到所需要的电压。一旦达到,该流程关闭继电器或开关K1668。这是来自P电池板的电力被传输给交流电网的正常的运行模式。接下来,该流程监控传送到电网的电力Ps,如果电力Ps大于或等于最小运行电力Pmin670,则该流程回到670并继续提供电力。如果为否,则该流程开启继电器K1和K2并执行操作系统关闭672。

接下来,图6B-6D示出了可以被用于图2A的示例性的基本逆变单元。图6B示出了示例性的基本逆变单元,包括:本地控制器、带有LC输出滤波器的全桥逆变器、以及直流提升电路;图6C示出了示例性的基本逆变单元,包括:本地控制器、带有LC输出滤波器的全桥逆变器、直流提升电路、以及有源去耦滤波器;并且图6D示出了示例性基本逆变单元,包括:本地控制器、带有LC输出滤波器的全桥逆变器、以及推拉直流变换器(单独版本)。一般而言,该升压转换器(升压转换器)为输出直流电压大于输入直流电压的电源转换器。它为一类开关式电源(SMPS)包括至少两个半导体开关(二极管或晶体管)以及至少一个能量存储元件。由电容器(有时与电感器结合)组成的滤波器通常添加到升压转换器的输出来减少输出电压波动。

升压斩波器的基本原理由两个不同的状态组成:在开启状态中,开关被关闭,导致感应电流增大;在关闭状态中,开关被打开并且提供给感应电流的唯一的路径穿过输出二极管、电容器和负载。这导致传递在开启状态输出电容器中所累积的电能。该输入电流与感应电流相同,所以如在降压转换器中是不连续的并且输入滤波器上的要求与降压转换器相比是不严格的。

图7示出了示例性的离网电力控制应用。在这个流程中,该系统控制器确定了每个基本逆变单元的输出频率和运行电压690。接下来,该系统控制器指定了一个基本逆变单元的主函数692,并且该系统控制器指定了所有其他堆叠基本逆变单元的从函数694。该主基本逆变单元首先启动并提供交流电作为从基本逆变单元的参考频率696。每个从基本逆变单元使用PLL锁定到参考频率的并启动产生其自身的交流电力698。该系统控制器监控电力生产并随着需求调节基本逆变单元运行699。

图8示出了示例性的用于图7的离网应用的主基本逆变单元控制流程。该系统设置一个输入参考电压Vmref为Vg/n,其中n为串联的基本逆变单元的数量710。接下来,该流程运行电流环路716并基于环路输出和由系统控制器接收的频率信息产生调制信号。该系统接着确定是否Vm等于Vmref 718。如果为否,则该系统检查MPPT是否MPPT被完成720。如果MPPT没有完成,则该系统重新运行电流环路724。可选择地,如果MPPT被完成,则该系统通知系统控制器最大化电力已经完成722。在718,如果Vm=Vmref,则该流程发送设置点信息给系统控制器726。

图9示出了示例性的用于图7的离网应用的从基本逆变单元。该系统设置输入参考电压Vmref为Vg/n,其中n为串联连接的基本逆变单元的数量740。接下来,该流程运行PLL、锁定到交流频率,运行电流环路742并基于PLL输出和环路输出产生调制信号。该系统接着确定是否Vm等于Vmref 744。如果为否,则该系统检查是否MPPT完成746。如果MPPT未完成,则该系统重新运行电流环路750。可选择地,如果MPPT被完成,则该系统通知系统控制器最大电力已经完成748。在744中,如果Vm=Vmref,则该流程发送设置点信息给系统控制器752。

图10示出了示例性的用于图7的离网应用的系统控制流程。该系统设置了输入参考电压Vmref为Vg/n,其中n为串联连接的基本逆变单元的数量760并确定输出频率。接下来,该流程发送参考电压信息和输出频率给基本逆变单元762。接下来,该流程确定是否Vg等于Vgref 764。如果为否,该系统检查每个基本逆变单元来观察是否MPPT被完成766。如果没有基本逆变单元低于MPPT,则该流程检查超过低压限制的输出电压768。可选择地,对于输出低于MPPT的基本逆变单元,该流程增加目标电压Vm'到该基本逆变单元770。在764,如果Vg等于Vgref,则该流程通知系统设置点电压已经完成772。

在一个实施例中,该系统包括带有两个标准电缆的接线盒和连接器。仅仅两个单芯电缆/连接器的使用减少了材料和安装系统的人工成本。每个基本逆变单元提供输出交流电给串联的交流电总线。该交流电总线在系统控制器盒中终止。该系统控制器总体上将来自所有基本逆变单元的输出连接在一起以形成单一的交流电反馈给电池板。该光伏(PV)太阳能接收器或板使用设置在基质的上表面上堆叠的层中的多个太阳能电池。适当的太阳能电池可以包括,举例来说,常规的单一或多晶体硅太阳能电池、薄膜(例如,非晶硅、碲化镉、或铜铟镓硒)太阳能电池、以及III-V太阳能电池。

图11示出了示例性的发电系统的整合电路实施方式。光伏(PV)太阳能接收器或板100具有设置在基质的上表面堆叠的层中的多个太阳能电池。适当的太阳能电池可以包括,举例来说,常规的单或多晶硅太阳能电池、薄膜(例如,例如,非晶硅、碲化镉、或铜铟镓硒)太阳能电池,以及III-V太阳能电池。虽然单串太阳能电池可以设置在一个行中,在其他变化中,可以使用更多或更少的太阳能电池,并且该更多或更少的太阳能电池可以被设置在一个、两个或多个沿着基质的平行的行。另外,两个以上光伏板100可以端部对端部地设置并电气性地并流动地耦接以提供更大的接收器。

每个光伏板100被耦接到微逆变器,该微逆变器将光伏板100产生的直流电转化为交流电。本发明的微逆变器测量出与交流电网电流同相的电流并产生轻度失真的此种电流。这使用多个集成电路来完成。在一个实施例中,光伏板100的输出通过直流电源桥(DPB)102来调整,该输出被提供给交流电源桥(APB)104。APB 104的输出被提供给输电网络110。DPB 102和APB 104通过芯片级逆变控制器(CSIC)106来控制,其通过通讯收发器(CTRX)108与系统控制器通讯。CTRX108可以为电力线通讯、无线通讯诸如无线个域网、或另一种通讯形式。

配电板可以用来将来自多个串联连接的基本逆变单元的电力通过系统控制器将接到电网并且,在一些应用中连接到用户设备的电器。举例来说,在家中,配电板为一个已知的具有各种断路器和/或熔断器的交流电配电板以分配电力给家中的各种电路。该配电板通过电表耦接到电网。该电表确定供应给电网的电力的量,以使太阳能板的所有者可以补偿供应的电力。

按照控制器产生的控制和转换信号,基本逆变单元将直流电转换为交流电。该控制器产生控制和转换信号以响应直流电和交流电信号的样本。因此,该基本逆变单元最适合被控制来利用特殊的操作模式以符合交流电和直流电信号的当前状态,即,最适合地将交流电输出匹配到电网的相位中以使交流电力高效地耦接到电网。

使用这样的交流电总线和单个的基本逆变单元,该系统对于匹配用户的任何需求上是可扩展并灵活的。基本逆变单元的结构和功能在以下进行讨论。

直流电源提供输入电能给交流电桥。解耦电容器滤波来自交流电桥的转换波动以及来自交流电网的低频率波动。该交流电桥可以为PWM控制的半桥或全桥逆变器,该交流电桥输出端子连接到交流滤波器。该交流滤波器可以为滤除高频PWM次谐波噪声的低通滤波器。该输出电路实施用于同步交流电网频率和断路继电器的传感电路。

在一些实施例中,直流电转换相位可能需要调整直流电总线电压以用于最佳操作。举例来说,升压电路可以用来增加穿过直流连接电容器的运行电压从而使较大峰值达到穿过交流电输入和输出端子的交流运行电压的峰值。达到交流运行电压的峰值的较大的峰值使得使用较少的单级逆变器来产生所需要的堆叠的相位交流输出电压。降压电路可以被用来降低穿过直流电连接电容器的运行电压。这将使在交流电桥中的较低额定电压晶体管的使用成为可能,从而使一个堆叠的相位增加的电量可以产生并反过来减少系统成本。

直流电能通过直流电源供应,该直流电源可以为太阳能板、电池、或车辆直流发电机以及其他。直流电源的输出被提供给直流相位,通过滤波器其输出平顺并被提供给桥电路。桥电路的输出被提供给滤波器并且作为结果的输出相位被串联连接到使用适合电缆的其他基本逆变单元的输出。

在本系统的另一个实施方式中,直流电能通过光伏板被供应给每个基本逆变单元。该光伏板的输出被提供给升压电路,通过电容器其输出平顺并提供给全桥逆变器电路。全桥逆变器电路的输出被提供给滤波器,并且作为结果的输出被串联连接到使用电缆的其他基本逆变单元中。

在一个实施例中,穿过输入电容的波动电流具有在双倍的线频率上的正弦波的形式。使用有源解耦滤波器,来自光伏板的电流可以被保持恒定并且来自光伏板的最大的电能可以被获得。

当各种实施例已经在以上进行描述时,应当理解的是它们仅仅是一种示例的方式而非限制。因此,优选地实施例的幅度和范围不应当受以上描述的任何示例性实施例限制,而应当仅仅按照以下技术方案与其等同的内容确定。

Claims (23)

1.一种供应电力给交流电(AC)电力系统的多重直流电(DC)电压源逆变器,包括:
多个全桥逆变器,每个该全桥逆变器具有主要节点和次要节点,每个所述全桥逆变器具有阳极和阴极节点,每个所述全桥逆变器具有电压支持装置,该电压支持装置在所述阳极节点和所述阴极节点之间以并联关系电连接并且直流电(DC)电源连接在所述阳极和阴极节点之间;
至少一个堆叠逆变器相位,每个该堆叠逆变器相位具有多个所述的全桥逆变器;在每个所述堆叠逆变器相位中,每个所述全桥逆变器以串联方式相互连接,一个所述全桥逆变器的所述次要节点连接到另一个全桥逆变器的所述主要节点;所述的串联连接确定第一全桥逆变器以及最后的全桥逆变器,每个相位具有在所述第一全桥逆变器的所述主要节点的一输入节点以及在所述最后的全桥逆变器的所述次要节点的一输出节点;
本地控制器,该本地控制器耦接到每个所述全桥逆变器,以提供控制信号给每个全桥逆变器使得每个全桥逆变器输出近似正弦的电压波形,该本地控制器耦接到一通讯收发器;以及
系统控制器,该系统控制器与所述通讯收发器通讯,该系统控制器产生用于所述本地控制器的配置、激活、去激活以及运行模式选择的系统控制信号;其中,该系统控制器生成用于所述本地控制器的激活和去激活的系统控制信号时,具体通过将多个直流电源的平均直流电压与参考直流电压相比产生第一误差信号;将平均的直流电流与被检测及平均的交流电流水平相比产生第二误差信号;基于第一和第二误差信号激活并去激活多个全桥逆变器以接近正弦电压波形。
2.如权利要求1所述的多重直流电压源逆变器,包括三个堆叠逆变器相位。
3.如权利要求2所述的多重直流电压源逆变器,包括以Y形(Y)连接方式进行连接的三个堆叠的相位。
4.如权利要求2所述的多重直流电压源逆变器,包括以三角形(Δ)连接方式进行连接的三个堆叠的相位。
5.如权利要求1所述的多重直流电压源逆变器,其中每个全桥逆变器整合了开关以在故障情况下短路其输出,以使与其串联连接的其余全桥逆变器运行。
6.如权利要求1所述的多重直流电压源逆变器,其中每个全桥逆变器包括:
第一转换对和第二转换对,每个所述的转换对具有多个转换单元用于控制性地调整电流流动,每个所述的转换单元具有第一端部和第二端部,所述第一转换对具有在所述全桥逆变器的所述阳极节点上在所述第一端部电连接的多个转换单元,所述第一转换对的一个所述转换单元的所述第二端部电连接到所述主要节点,所述第一转换对的另一个所述转换单元的所述第二端部电连接到所述次要节点,所述第二转换对具有在所述全桥逆变器的所述阴极节点上在所述第二端部上电连接的多个转换单元,所述第二转换对的一个所述转换单元的所述第一端部电连接到所述主要节点,所述第二转换对的另一所述转换单元的第一端部电连接到所述次要节点。
7.如权利要求6所述的多重直流电压源逆变器,包括连接在转换单元和主要以及次要节点之间的无源低通滤波器。
8.如权利要求6所述的多重直流电压源逆变器,其中电容器连接在主要和次要节点之间以用于节点同步。
9.如权利要求6所述的多重直流电压源逆变器,其中所述转换对包括栅关断设备和反并行设备,该栅关断设备和该反并行设备互相并联并且反向偏置。
10.如权利要求9所述的多重直流电压源逆变器,其中所述的栅关断设备包括由以下群组中选择的构件:栅关断晶体闸流管、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)、金属半导体场效应晶体管(MESFET)、结晶型场效应晶体管(JFET)、MOSFET控制的晶体闸流管、双极型晶体管(BJT)、静电感应晶体管、静电感应晶体闸流管以及MOSFET关断晶体闸流管、氮化镓(GaN)晶体管、碳化硅(SiC)晶体管。
11.如权利要求9所述的多重直流电压源逆变器,其中反并行设备为二极管。
12.如权利要求1所述的多重直流电压源逆变器,包括在所述全桥逆变器的所述阳极和阴极节点之间连接的构件,其中该构件在以下群组中选择:电容器、电池、燃料电池、光伏电池以及生物质电池。
13.如权利要求1所述的多重直流电压源逆变器,包括在所述直流电源和所述全桥逆变器之间的非绝缘的开关模式电压调整电路。
14.如权利要求13所述的多重直流电压源逆变器,其中所述非绝缘的开关模式电压调整电路是降压或升压转换器。
15.如权利要求1所述的多重直流电压源逆变器,包括在所述直流电源和所述全桥逆变器之间的绝缘的开关模式电压调整电路。
16.如权利要求15所述的多重直流电压源逆变器,其中所述绝缘的开关模式电压调整电路是正向的、推拉式的或半桥的。
17.如权利要求1所述的多重直流电压源逆变器,包括有源滤波器,在于与包括光伏电池的直流电源一起使用时,解耦在每个基本逆变单元中施加到直流电压的交流电压调制;所述全桥逆变器和所述本地控制器的结合形成所述基本逆变单元。
18.如权利要求1所述的多重直流电压源逆变器,包括用于可变电网电压配置的可变数量的全桥逆变器。
19.如权利要求1所述的多重直流电压源逆变器,其中每个堆叠的全桥逆变器不同电力运行。
20.如权利要求1所述的多重直流电压源逆变器,包括用于每个相的可变数量的堆叠的全桥逆变器。
21.如权利要求1所述的多重直流电压源逆变器,具有系统控制器,该系统控制器整合了选择性地连接每个堆叠的逆变器相到电网的两个并联开关,其中至少一个并联的开关以串联方式与电流限制设备相连接。
22.如权利要求1所述的多重直流电压源逆变器,其中
所述系统控制器包括在堆叠的逆变器相和电网之间以串联方式连接的至少两个并联的开关,每个所述的开关作为堆叠的逆变器相和电网的断开单元,其中至少一个所述开关串联到电流限制设备,其中所述开关提供传导通路作为电流限制相参考信号,该电流限制相参考信号来自在系统初始化中用于一个或多个本地控制器的交流电(AC)线电压;
所述系统控制器对每个基本逆变单元(BIU)的启动电压以及运行电压范围进行计算和通讯;所述全桥逆变器和所述本地控制器的结合形成所述基本逆变单元;
所述系统控制器确定并传送用于激活和去激活每个基本逆变单元(BIU)的控制指令;
所述系统控制器确定并传送用于霍尔电压源逆变器的激活和去激活的控制指令。
23.一种用于将多个直流(DC)电压水平逆变到接近正弦电压波形的方法,包括:
检测电网交流电压水平,其中堆叠的相将被连接到电网网络;
计算用于堆叠的全桥的交流启动电压;
计算电力并产生参考直流电压;
平均所述多个直流电压水平以产生一平均直流电压水平;
将所述平均直流电压水平与参考直流电压比较;
从所述平均直流电压水平与参考直流电压的比较中产生第一误差信号;
将参考直流电流与检测的交流电流水平进行比较;
从所述的第一误差信号中产生参考信号;
从所述参考直流电流与所述检测的交流电流水平的比较中产生第二误差信号;
从所述第二误差信号中产生相位调制信号;
检测具有周期的交流线电压;
产生与所述交流线电压直接相关的相位参考信号;
产生用于多个全桥逆变器的多个启动信号,所述多个全桥逆变器使用所述相位参考信号以及相位调制信号;
确定调制参数;并且
提供用于所述调制参数的参考表格。
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