CN105191045B - 用于将dc输入功率转换成ac输出功率的方法和装置 - Google Patents

用于将dc输入功率转换成ac输出功率的方法和装置 Download PDF

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Abstract

用于将DC输入功率转换成AC输出功率的方法，包括：当DC输入功率处于第一等级时以连续模式操作，其中DC输入功率连续地转换成AC输出功率并施加至AC电力网，以及当检测到DC输入功率处于第二等级时，以突发模式操作，其中半电网周期的AC输出功率突发跟随有持续整数个电网周期的能量存储时期。

Description

用于将DC输入功率转换成AC输出功率的方法和装置
技术领域
本公开的实施方式大体涉及功率转换，并且更具体地涉及用于改进突发模式操作的方法和装置。
背景技术
太阳能电池板之前部署在通常远程的应用中，例如在荒野或卫星中的远程工作间，在这些地方，商业电力是不可利用的。因为安装成本高，太阳能电池板并不是用于生成电力的经济选择，除非没有其他的电力选择可供使用。但是，在世界范围内能量需要的增长导致能源成本的持久增加。另外，现在非常确信的是，目前用于发电的化石能源储备正被快速地消耗。这些对于常规商业发电的日渐增长的阻碍使得太阳能电池板是追求的更好选择。
太阳能电池板或光伏(PV)模块将来自接收的太阳光的能量转换成直流(DC)。PV模块不能存储其产生的电能，所以能量必须分散到诸如电池或泵式水电存储器的储能系统、或者通过负载分散。使用产生的能量的一个选择是使用一个或多个逆变器来将DC电流转换成交流(AC)并且将AC电流耦接至商业电网。通过这种分布式发电(DG)系统产生的功率然后卖给商业电力公司。
PV模块在其产生的电流(I)和电压(V)之间具有非线性关系。PV模块的I-V曲线上的最大功率点(MPP)识别PV模块的最佳操作点；当在这一点处操作时，对于给定温度和太阳辐照度，PV模块产生最大可能输出功率。因此，为了优化从PV模块得到的功率，耦接至PV模块的功率转换设备(诸如逆变器或微逆变器)通常使用最大功率点跟踪(MPPT)技术，以确保PV模块操作在与其MPP对应的电流和电压等级处。MPPT用于快速调节PV模块操作电流和电压等级，以响应于太阳辐照度和/或温度的变化，因此PV模块可以持续在MPP处操作。
在MPPT技术将PV模块偏置到其MPP所需要的时期期间，例如，当PV模块上的太阳辐照度从没有辐照度变换到辐照度增加或处于PV模块/逆变器最初激活时，耦接至PV模块的功率转换设备将面临低效率，直到达到MPP。另外，当PV模块操作于低功率(例如低辐照度)处时，耦接至PV模块的功率转换设备通常将面临低效率。在低辐照度期间，PV模块和相关的逆变器可以效率低地操作，以使得对于整个系统的效率而言，最好是使PV模块和/或其逆变器失效，直到太阳辐照度增加。
因此，现有技术中存在对在实现和跟踪最大功率点时改进PV模块和逆变器操作的方法和装置的需要。
发明内容
本发明的实施方式大体涉及用于将DC输入功率转换成AC输出功率的方法和装置，其大体如至少一个图所示和/或结合至少一个附图所描述的。
根据本发明的一方面，提供了一种用于将DC输入功率转换成AC输出功率的方法，包括：当DC输入功率处于第一等级时以连续模式操作DC-AC逆变器，其中在连续模式期间，DC输入功率连续地转换成AC输出功率并施加至AC电力网；以及当检测到DC输入功率处于低于第一等级的第二等级时，以第一突发模式操作DC-AC逆变器，其中在第一突发模式期间，(i)DC-AC逆变器在第一能量存储时期期间存储能量，(ii)DC-AC逆变器在紧接着第一能量存储时期的第一突发时期期间生成AC输出电流的突发，第一突发时期仅持续AC电力网电网周期的一半，以及(iii)紧接着第一突发时期之后是第二能量存储时期，第二能量存储时期持续整数个AC电力网电网周期，其中在第一能量存储时期和第二能量存储时期期间，DC-AC逆变器不生成输出功率。
根据本发明的一方面，提供了一种用于将DC输入功率转换成AC输出功率的装置，包括：DC-AC逆变器，DC-AC逆变器包括至少一个控制器，控制器用于当DC输入功率处于第一等级时使DC-AC逆变器操作于连续模式，以及当DC输入功率处于低于第一等级的第二等级时使装置操作于第一突发模式；其中，在连续模式期间，DC输入功率连续地转换成AC输出功率并施加至AC电力网，以及在第一突发模式期间，(i)DC-AC逆变器在第一能量存储时期期间存储能量，(ii)DC-AC逆变器在紧接着第一能量存储时期的第一突发时期期间生成AC输出电流的突发，第一突发时期仅持续AC电力网电网周期的一半，以及(iii)紧接着第一突发时期之后是第二能量存储时期，第二能量存储时期持续整数个AC电力网电网周期，其中在第一能量存储时期和第二能量存储时期期间，DC-AC逆变器不生成输出功率。
可以通过阅读本公开的详细描述和附图，理解本公开的这些及其他特征和优点，在附图中，相似的附图标记表示相似的部件。
附图说明
为了能够详细地理解本发明的上述特征，将参照实施方式对上文简要总结的本发明进行更具体的描述，其中一些实施方式在附图中示出。然而，应当注意，附图仅示出了本发明的典型实施方式，因此不应该被认为用于限制本发明的范围，本发明也可以具有其他等同的有效实施方式。
图1是根据本发明的一个或多个实施方式的用于分布式发电(DG)的系统的框图；
图2是根据本发明的一个或多个实施方式的逆变器的框图；
图3是根据本发明的一个或多个实施方式的突发模式控制器的框图；
图4是示出根据本发明的一个或多个实施方式在突发模式期间PV模块功率和电压测量值的收集时期的多个波形；
图5是根据本发明的一个或多个实施方式的DC电压控制器的框图；
图6是根据本发明的一个或多个实施方式的MPPT控制器的框图；
图7是根据本发明的一个或多个实施方式的用于在突发模式中操作逆变器的方法的流程图；
图8是根据本发明的实施方式的Vac、从AC-DC逆变器流到电网的输出电压、和存储电容器充电周期的时序图的图示；
图9是作为图1所示的PV系统的示例性实现的一个实施方式的计算机系统的框图；以及
图10是根据本发明的示例性实施方式的用于选择突发模式的方法的流程图。
具体实施方式
图1是根据本发明的一个或多个实施方式的用于分布式发电(DG)的系统100的框图。该图仅示出种种可能的系统配置的一种变型。本发明可以用于各种分布式电力产生环境和系统。
系统100包括多个逆变器1021、1022…102n(统称为逆变器102)、多个PV模块1041、1042…104n(统称为PV模块104)、AC总线和负载中心108。系统100还包括网关110，该网关110包括控制器112和通信电路114并且耦接至多个逆变器1021、1022…102n。网关110作为用于控制至负载中心108以及进一步至电网的功率输送的可选控制器。
每个逆变器1021、1022…102n分别耦接至PV模块1041、1042…104n。在一些实施方式中，DC-DC转换器可以耦接在每个PV模块104和每个逆变器102之间(每个PV模块104一个转换器)。可替代地，多个PV模块104可以耦接至一个逆变器102(即集中的逆变器)；在一些实施方式中，DC-DC转换器可以耦接在PV模块104和集中的逆变器之间。
每个逆变器102使用MPPT技术，以在该逆变器102的MPP处操作对应PV模块104，以使得PV模块104对于给定温度和太阳辐照产生最佳功率输出。逆变器102耦接至AC总线，AC总线接着耦接至负载中心108。负载中心108容纳来自商业电网分布系统的功率线和AC总线之间的连接。逆变器102将通过PV模块104生成的DC功率转换成AC功率，并且计量出与AC商业电网电压同相的AC电流。系统100通过负载中心108将生成的AC功率耦接至商业电网。
根据本发明的一个或多个实施方式，在初始操作期间，逆变器102采用“突发模式”。在突发模式中，逆变器102在一段时间(例如，一个或多个AC电网电压周期(“能量存储时期”))中储存能量，并且随后将存储的能量“突发”至商业电网(“突发时期”)。确定能量存储时期的长度，以使叠加在PV模块输出电压上的脉动电压保持在期望的脉动电压阈值之下。
除改进逆变器102的效率之外，突发模式利用如下所述MPPT技术便于快速收敛至MPP。当在MPP附近操作并且如果PV模块104提供充足的输出功率，逆变器102使突发模式无效并且以连续模式操作，从而使用MPPT技术以保持在MPP附近。如果太阳辐照度和/或温度改变至使PV模块104的输出功率降低至突发模式阈值之下的等级，一个或多个逆变器102则切换回突发模式。
图2是根据本发明的一个或多个实施方式的逆变器102的框图。逆变器102包括I-V监视电路204、存储电容器220、DC-AC逆变器208、DC电压控制器210、MPPT控制器212、突发模式控制器224和转换控制模块214。逆变器102耦接至PV模块104和商业电网。
I-V监视电路204耦接至PV模块104、存储电容器220、和突发模式控制器224。虽然存储电容器220示为输入电容器，但是其可以位于逆变器中的其它地方，例如在DC/DC级和DC/AC级之间的DC-AC逆变器内部。突发模式控制器224还耦接至DC电压控制器210、MPPT控制器212、和转换控制模块214。另外，MPPT控制器212耦接至DC电压控制器210，以及DC电压控制器210耦接至转换控制模块214。DC电压控制器210用于将PV模块104偏置在DC电压设定点(即期望的PV模块操作电压)处，同时MPPT控制器212驱动该DC电压设定点以对应于MPP电压。突发模式控制器224用于在连续模式和突发模式间切换逆变器102，并且在确定DC电压设定点时还测量来自PV模块104的、由MPPT控制器212利用的输入功率。
I-V监视电路204分别监视来自PV模块104的瞬时输入电压和电流Vin和Iin。存储电容器220除耦接至I-V监视电路204之外，还耦接至DC-AC逆变器208，并且DC-AC逆变器208还耦接至DC电压控制器210、转换控制模块214和商业电网。电流Icap流经存储电容器220，并且电流Iinv流至DC-AC逆变器208。
转换控制模块214从商业电网接收参考信号，并且提供用于DC-AC逆变器208的控制信号，以将接收的DC电流Iinv转换成所需的AC输出电流Ireq。该功率转换的一个示例是于2007年9月27日提交的题为“用于将直流电流转换成交流电流的方法和装置”的共同转让的第2007/0221267号美国专利申请公开，该美国专利申请公开通过参考整体并入本文中。来自DC-AC逆变器208的AC输出电流Ireq耦接至商业电网，以使AC输出电流Ireq与商业AC电流同相。
DC电压控制器210使用第一反馈环(“内”环)216，以通过调节从PV模块104流出的电流Iin来将PV模块104偏置在DC电压设定点处。第一反馈环216包括I-V监视电路204、突发模式控制器224、MPPT控制器212、DC电压控制器210和DC-AC逆变器208。DC电压控制器210从突发模式控制器224接收指示PV模块DC(即平均)输入电压VDC的信号，并且从MPPT控制器212接收DC电压设定点。根据VDC和DC电压设定点之间的差值，第一反馈环216驱动DC-AC逆变器208以生成Ireq，以使得从PV模块104流出合适的电流Iin，从而将PV模块104偏置在DC电压设定点处。因此，第一反馈环216迭代地计算用于PV模块104的DC电压设定点和平均PV模块操作电压之间的差值，并且因此调节从PV模块104流出的电流Iin，以使得将PV模块104偏置在DC电压设定点处(即在与MPP大致对应的操作电流和电压处)。
MPPT控制器212使用第二反馈环218(“外”环)，以调整DC电压设定点，使得其对应于MPP电压。第二反馈环218包括I-V监视电路204、突发模式控制器224、MPPT控制器212和DC电压控制器210。突发模式控制器224通过I-V监视电路204接收分别表示瞬时PV模块输入电流和电压Iin和Vin的信号，并且计算来自PV模块104的瞬时输入功率Pin。如以下更详细地描述的那样，突发模式控制器224还处理输入功率Pin，以获得第一和第二功率测量值并且将这些功率测量值提供至MPPT控制器212。MPPT控制器212确定第一和第二功率测量值之间的功率差；根据该功率差，MPPT控制器212确定PV模块操作电压是否必须被增加或减小以达到MPP、相应地修改DC电压设定点、以及将新的DC电压设定点提供至DC电压控制器210。另外，零值功率差表示PV模块104当前偏置在MPP处，并且MPPT控制器212提供对应的DC电压设定点至DC电压控制器210。第二反馈环218因此迭代地确定PV模块104是否在MPP附近操作，并且如果PV模块104不在MPP附近操作，则修改第一反馈环216内的至少一个操作参数以实现MPP(即外环对由内环建立的设置进行“微调”)。
依据初始操作或来自PV模块104的足够低的输出功率，突发模式控制器224以突发模式操作逆变器102，其中在能量存储时期(例如16.67毫秒的一个或多个AC电网电压周期)期间，存储电容器220存储随后在突发时期期间提供至DC-AC逆变器208的能量。在突发模式期间，突发模式控制器224驱动DC电压控制器210，以使由逆变器102生成的输出电流Ireq是“突发模式电流”IB。一旦PV模块104在MPP电压附近操作，并且如果PV模块104正产生足够的输出功率(即如果PV模块的输出功率大于预定突发模式阈值)，突发模式控制器224以连续模式操作逆变器102。如果PV模块输出功率随后降低到突发模式阈值之下，突发模式控制器224将逆变器102切换回突发模式操作。
在突发模式操作的能量存储时期期间，驱动DC-AC逆变器208，以使得逆变器102不生成输出电流(即IB是零)。在该时期期间，阻止电流流至DC-AC逆变器208，从而使PV模块104生成的电流对存储电容器220充电。在一个AC电网电压时期的突发时期开始之前，逆变器102对于如由突发模式控制器224确定的Noff个AC电网电压周期保持在能量存储时期。在突发时期期间，突发模式控制器224使DC电压控制器210驱动DC-AC逆变器208，以使得根据在之前能量存储时期中已存储在存储电容器220的能量来生成突发电流IB。因此，对于给定等级的太阳辐照度和温度，突发时期期间的逆变器的输出电流IB大于连续模式期间的逆变器的输出电流Ireq。在一些实施方式中，IB＝Ireq*(Noff+1)。
由于存储电容器220在突发模式期间的充电和放电，脉动电压(“突发模式脉动电压”或Vr)覆盖存储电容器220上的平均电压，并且导致对应的突发模式脉动电压覆盖PV模块的DC电压VDC。同样地，PV模块操作电压根据突发模式脉动电压Vr的幅值波动；突发模式脉动电压Vr越大，PV模块操作电压的偏移越大。PV模块操作电压中的该波动导致逆变器102的效率降低。例如，当在MPP电压附近操作时，MPP电压周围的较大电压波动导致PV模块104离开MPP电压进行操作的时间时期更大，这导致小于最佳功率的功率从PV模块104流出。
突发模式脉动电压Vr的幅值根据存储电容器220充电和放电的时间长度变化；即，根据能量存储和突发时期。突发模式控制器224控制能量存储时期，即能量存储时期的AC电网电压周期的数量Noff，因此突发模式脉动电压Vr保持预定阈值之下，从而改进逆变器102在突发模式操作期间的效率。
根据本发明的其他实施方式，半周期突发由DC电压控制器210驱动的DC-AC逆变器208产生，而在之前实施方式中，全周期突发由逆变器208产生。在半周期突发由DC-AC逆变器208产生的一个实施方式中，逆变器102保持在能量存储时期中，在能量存储时期中对于多个AC电网电压周期，电容器存储能量，其中AC电网电压周期的数量Noff如之前描述的那样来确定，并且然后被二等分并且舍入至最接近的整数。
例如，如果Noff最初是1或2，那么新的Noff将等于1，但是如果Noff等于3或4，那么新的Noff将等于2。通常在最初Noff等于n的情况下，新的Noff将等于n/2并且被舍入到最接近的整数。在该实施方式中，IB＝Ireq*(2*(新的Noff)+1)。根据该实施方式，因为Noff是整数并且产生1/2个周期，所以周期的极性将自动地交替。周期的极性交替以在特定单元(即逆变器102)中提供平衡或允许在网关110中监视以控制所有PV模块阵列的平衡，在这种情况下，网关引导每个PV单元(即每个逆变器102)以选择特定的极性。根据该实施方式，提供降低由ICAP220产生的脉动电压来增加产量。
在通过DC-AC逆变器208产生半周期突发的另一实施方式中，对于Noff个AC电网电压周期，逆变器102保持在能量存储时期，其中如之前描述的当产生全突发时那样来确定Noff，但是Ireq被增加以在较高效率处运行。根据该实施方式，Ib＝Ireq*(2*n+1)，其中n是周期的数量Noff。
根据一些实施方式，通过网关110的控制器112或突发模式控制器224来选择收获最大能量的策略。在又一实施方式中，逆变器使用双级结构，并且电容器处于第一级和第二级之间，即在诸如DC至DC转换的第一转换级和输出级或DC至AC转换之间。在通过电容器上容许的脉动驱动突发模式的情况下，应用相同的逻辑。
当操作于连续模式中时，逆变器102连续地生成与AC电网功率同相的输出功率(即在每个AC电网电压周期期间)。同样地，逆变器输出功率在AC电网电压零交点处的零输出功率和AC电网电压峰值(正幅度和负幅度)处的峰值输出功率之间振荡。当逆变器输出功率设为零时，阻止来自PV模块104的电流流至DC-AC逆变器208以及因此对存储电容器220充电。当逆变器输出功率设为峰值时，利用除来自PV模块104的瞬时功率之外的存储电容器220所存储的能量，以生成两倍于平均PV模块输出功率的峰值逆变器输出功率。因此，在连续模式期间存储电容器220的充电和放电提供覆盖由PV模块104提供的平均功率的AC分量。
在操作的连续模式和突发模式期间，由存储电容器220的充电和放电所引起脉动电压提供用于最大功率点跟踪的机会。因为PV模块104上的脉动电压在平均(即，DC)PV模块电压之上或之下变化，所以PV模块输出功率根据脉动电压进行变化。如果与在PV模块104的DC电压之下操作时相比在PV模块104的DC电压之上操作时PV模块104产生更大功率，那么PV模块DC电压在MPP之下以及必须被增加以达到MPP。如果与在PV模块104的DC电压超之上操作时相比在PV模块104的DC电压之下操作时PV模块104产生更大功率，那么PV模块DC电压在MPP之上以及必须被减少以达到MPP。因此，当PV模块104在其DC电压之上操作时通过PV模块104产生的平均功率和当PV模块104在其DC电压之下操作时通过PV模块104产生的平均功率之间的差值表示PV模块DC电压的方向必须转变以达到MPP。另外，如果该差值为零，PV模块104被偏置在MPP处。在一些实施方式中，可以在AC电网电压的某些相期间根据PV模块输出功率确定该功率差，如以下进一步描述的。
图3是根据本发明的一个或多个实施方式的突发模式控制器224的框图。突发模式控制器224包括乘法器302、操作模式模块304和功率测量模块306。
乘法器302通过I-V监视电路204接收分别表示来自PV模块104的瞬时输入电流和电压Iin和Vin的信号，并且生成表示来自PV模块104的瞬时输入功率的输出信号Pin。乘法器302的输出耦接至功率测量模块306和操作模式模块304；另外，功率测量模块306接收Iin和Vin的输入。操作模式模块304进一步耦接至DC电压控制器210，并且接收表示来自DC电压控制器210的估计的PV模块输入电流Iest的信号。Iest是估计的将从PV模块104流出的输入电流，其将使得将PV模块104偏置在期望的DC电压设定点处。操作模式模块304还耦接至功率测量模块306，另外接收突发模式功率阈值PB的输入信号。
操作模式模块304比较PV模块输入功率Pin和突发模式阈值PB。如果逆变器102操作于连续模式并且Pin小于PB，操作模式模块304将逆变器102切换至突发模式；一旦Pin大于PB，操作模式模块304将逆变器102切换回到连续模式。
功率测量模块306从转换控制模块214(例如转换控制模块214的锁相环)接收表示AC电网电压相位的输入。在AC电网电压周期的某些部分期间功率测量模块306累计PV模块输入功率Pin，以获得第一功率“bin”PB1和第二功率“bin”PB2。另外，在AC电网电压周期的一部分累计PV模块输入电压Vin，以获得DC电压bin，VDCB，其中，利用VDCB来确定DC(即平均)PV模块输入电压VDC。在一些实施方式中，当操作于连续模式时在AC电网电压的每个周期期间，在AC电网电压周期的90°-180°相位期间功率测量模块306累计Pin，以获得PB1；并且在相同AC电网电压周期的180°-270°相位期间功率测量模块306累计Pin，以获得PB2。在整个90°-270°相位期间累计PV模块输入电压Vin，以获得VDCB。在突发模式期间，如以下进一步描述的那样，来确定功率bin和平均PV模块输入电压。
根据PB1和PB2，功率测量模块306分别确定第一功率测量值P1和第二功率测量值P2。在连续模式期间，P1＝PB1，并且P2＝PB2；在突发模式期间，如以下进一步描述的那样来确定功率测量值。第一和第二功率测量值提供至MPPT控制器212，以确定PV模块104是否操作于MPP处、之上或之下、以及在DC电压设定点中的任何所需的转变以达到MPP。另外，根据VDCB，功率测量模块306确定PV模块DC电压VDC。功率测量模块306将VDC提供至DC电压控制器210，以确定Ireq。在下一AC电网电压周期期间，施加新的DC电压设定点和所需的输出电流Ireq。
当从连续模式切换至突发模式时，对于能量存储时期，操作模式模块304确定AC电网电压周期的最大数量Noff，因此突发模式脉动电压Vr将保持预定阈值之下。在一些实施方式中，利用了PV模块DC电压VDC的10％的阈值。在一些实施方式中，Noff如下面这样进行计算：
Noff＜C*Vdc*Vr/Pin*T
在上述公式中，C是存储电容器220的电容量，VDC是PV模块DC电压，Vr是突发模式脉动电压，Pin是来自PV模块104的输入功率，以及T是AC电网电压周期期间。
在突发模式期间，功率测量模块306累计在能量存储时期期间AC电网电压周期的某些部分上的PV模块输入功率Pin，以获得PB1和PB2。为了在其中确定累计Pin的AC电网电压周期的部分，能量存储时期的Noff个AC电网周期被划分为两个相等部分：能量存储时期的“第一半”和能量存储时期的“第二半”，其中第一半在第二半之前发生。例如，对于一个AC电网电压周期的能量存储时期，第一半包括0°-180°的AC电网电压周期，第二半包括180°-360°的相同AC电网电压周期。对于两个AC电网电压周期的能量存储时期，第一半包括整个第一AC电网电压周期，并且第二半包括整个第二AC电网电压周期。对于大于两个AC电网电压周期的能量存储时期，近似地限定第一半和第二半。
为了获得PB1，在能量存储时期的第一半内发生的90°-270°AC电网电压相位时期的任何时期期间，功率测量模块306累计PV模块输入功率Pin。为了获得PB2，在能量存储时期的第二半内发生的90°-270°AC电网电压相位时期的任何时期期间，功率测量模块306累计PV模块输入功率Pin。另外，在整个能量存储时期期间在每个90°-270°相位中并且在随后的突发周期期间在90°-270°相位中，功率测量模块306累计PV模块输入电压Vin，以获得VDCB。
然后功率测量模块306使用测量的功率bin PB1和PB2，以分别确定第一和第二功率测量值P1和P2。在一些实施方式中，在突发模式期间，P1＝PB1/Noff，并且P2＝PB2/Noff。另外，功率测量模块306根据VDCB确定VDC。对于合适的MPPT和逆变器的输出电流处理，第一和第二功率测量值P1和P2提供至MPPT控制器212，并且VDC提供至DC电压控制器210。该处理的输出(即新的DC电压设定点和来自逆变器102的所需输出电流)被施加至在下一个能量存储时期后的突发周期。
在有些情况下，存储电容器220可能随时间退化，并且使逆变器102的性能退化。为了识别这种情况，在能量存储时期中当AC电网电压周期的数量(即Noff)等于或大于2时，在突发模式期间可以评价存储电容器220的操作。在一些实施方式中，功率测量模块306确定在能量存储时期的第一和第二AC电网电压周期期间来自PV模块104的平均输入电压Vin之间的差值(即ΔV)。存储电容器220的电容量C因此可以估计为：
C＝Iin/Fgrid*ΔV
其中Iin是来自PV模块104的输入电流，并且Fgrid是电网电压的频率。如果电容量低于电容量阈值，功率测量模块306可以提供输出报警以指示该情况。
图4是示出根据本发明的一个或多个实施方式的在突发模式期间PV模块功率和电压测量值的收集时期的多个波形400。
波形402对应于一个AC电网电压周期的计算的能量存储时期。在第一AC电网电压周期T1期间，逆变器操作于连续模式。通过在AC电网电压的90°-180°和180°-270°相位期间累计PV模块输入功率Pin，来分别获得功率bin PB1和PB2，并且在整个90°-270°期间累计PV模块输入电压Vin以获得DC电压bin VDCB。P1设置成PB1，P2设置成PB2，并且根据VDCB计算平均DC电压VDC。利用功率和电压测量值PB1、PB2和VDC，来确定用于下一AC电网电压周期的逆变器操作参数，在下一AC电网电压周期中逆变器生成输出功率。
在T1结束时，逆变器切换到突发模式并且进入能量存储时期。在该期间逆变器不生成输出功率。通过在能量存储时期的第一半内在90°-270°相位(即T2的90°-180°相位)期间累计PV模块输入功率Pin来获得功率bin PB1，并且通过在能量存储时期的第二半内在90°-270°相位(即T2的180°-270°相位)期间累计PV模块输入功率Pin来获得功率bin PB2。另外，在T2的整个90°-270°期间，累计PV模块输入电压Vin，以获得电压bin VDCB。
在T3处，逆变器开始突发周期并且开始生成输出功率。相应地调节在T1期间确定的操作参数，以驱动逆变器，从而生成突发模式电流IB。在T3期间，PV模块输入电压Vin在T3的整个90°-270°期间被累计，并且被加到电压bin VDCB。P1设置成PB1，P2设置成PB2，并且平均DC电压VDC根据VDCB计算。利用功率和电压测量值P1、P2和VDC，来确定用于下一AC电网电压周期的逆变器操作参数，其中在下一AC电网电压周期中逆变器生成输出功率。
在T4处，逆变器开始能量存储时期。类似于T2期间的操作，获得PB1、PB2和VDCB。在时间T5处，逆变器开始突发周期。相应地调节在T3期间确定的操作参数，以驱动逆变器，从而生成突发模式电流IB。类似于在T3期间的操作，PV模块输入电压Vin在T5的整个90°-270°时期期间被累计，并且被加到电压bin VDCB。P1设置成PB1，P2设置成PB2，并且VDC根据VDCB计算。利用功率和电压测量值P1、P2和VDC，来确定用于下一AC电网电压周期的逆变器操作参数，其中在下一AC电网电压周期中逆变器生成输出功率。
波形404对应于两个AC电网电压周期的计算的能量存储时期。在第一AC电网电压周期T1期间，逆变器操作于连续模式。通过在AC电网电压的90°-180°和180°-270°相位期间累计PV模块输入功率Pin，来分别获得功率bin PB1和PB2，并且在整个90°-270°时期期间累计PV模块输入电压Vin以获得DC电压bin VDCB。P1设置成PB1，P2设置成PB2，并且平均DC电压VDC根据VDCB计算。利用功率和电压测量值P1、P2和VDC，来确定用于下一AC电网电压周期的逆变器操作参数，其中在下一AC电网电压周期中逆变器生成输出功率。
在T2处，逆变器切换到突发模式并且进入两个AC电网电压周期的能量存储时期。在该时期期间逆变器不产生输出功率。通过在能量存储时期的第一半内发生的90°-270°相位的部分(即T2的90°-270°相位)期间累计Pin来获得功率bin PB1，并且通过在能量存储时期的第二半内发生的90°-270°相位的部分(即T3的90°-270°相位)期间累计Pin来获得功率bin PB2。另外，在能量存储时期的每个90°-270°时期期间(即T2和T3的90°-270°相位时期)，累计PV模块输入电压Vin，以获得电压bin VDCB。
在T4处，逆变器开始突发周期并且开始生成输出功率。相应地调节在T1期间确定的操作参数，以驱动逆变器，从而生成突发模式电流IB。在T4期间，PV模块输入电压Vin在T4的整个90°-270°时期期间被累计，并且被加到电压bin VDCB。P1设置成PB1/2，P2设置成PB2/2，并且VDC根据VDCB计算。利用功率和电压测量值P1、P2和VDC，来确定用于下一AC电网电压周期的逆变器操作参数，其中在下一AC电网电压周期中逆变器生成输出功率。
在T5处，逆变器开始能量存储时期。类似于T2和T3期间的操作，获得PB1、PB2和VDCB。在时间T7处，逆变器开始突发周期。相应地调节在T4期间确定的操作参数，以驱动逆变器，从而生成突发模式电流IB。类似于在T2和T3期间的操作，PV模块输入电压Vin在T7的整个90°-270°时期期间被累计，并且被加到电压bin VDCB。P1设置成PB1/2，P2设置成PB2/2，并且VDC根据VDCB计算。利用功率和电压测量值P1、P2和VDC，来确定用于下一AC电网电压周期的逆变器操作参数，其中在下一AC电网电压周期中逆变器生成输出功率。
波形406对应于三个AC电网电压周期的计算的能量存储时期。在第一AC电网电压周期T1期间，逆变器操作于连续模式。通过在AC电网电压的90°-180°和180°-270°相位期间累计PV模块输入功率Pin，来分别获得功率bin PB1和PB2，并且在整个90°-270°期间累计PV模块输入电压Vin以获得DC电压bin VDCB。P1设置成PB1，P2设置成PB2，并且平均DC电压VDC根据VDCB计算。利用功率和电压测量值P1、P2和VDC，来确定用于下一AC电网电压周期的逆变器操作参数，其中在下一AC电网电压周期中逆变器生成输出功率。
在T2处，逆变器切换到突发模式并且进入三个AC电网电压周期的能量存储时期。在该时期期间逆变器不产生输出功率。通过在能量存储时期的第一半内发生的90°-270°相位的部分(即T2的90°-270°相位和T3的90°-180°相位)期间累计Pin来获得功率bin PB1，并且通过在能量存储时期的第二半内发生的90°-270°相位的部分(即T3的180°-270°相位和T4的90°-270°相位)期间累计Pin来获得功率bin PB2。另外，在能量存储时期的每个90°-270°时期期间(即T2、T3和T4的90°-270°相位时期)，累计PV模块输入电压Vin，以获得电压bin VDCB。
在T5处，逆变器开始突发周期并且开始生成输出功率。相应地调节在T1期间确定的操作参数，以驱动逆变器，从而生成突发模式电流IB。在T5期间，PV模块输入电压Vin在整个90°-270°相位期间被累计，并且被加到电压bin VDCB。P1设置成PB1/3，P2设置成PB2/3，并且VDC根据VDCB计算。利用功率和电压测量值P1、P2和VDC，来确定用于下一AC电网电压周期的逆变器操作参数，其中在下一AC电网电压周期中逆变器生成输出功率。
图5是根据本发明的一个或多个实施方式的DC电压控制器210的框图500。DC电压控制器210包括加法器/减法器502、比例积分(PI)控制器504、增益模块506以及突发模式调节模块508。DC电压控制器210利用第一反馈环216，以控制提供至DC-AC逆变器208的电流，以使PV模块104偏置在DC电压设定点处。
加法器/减法器502从突发模式控制器224接收表示PV模块DC电压VDC的信号，并且从MPPT控制器212接收表示DC电压设定点的信号。加法器/减法器502的输出将VDC和DC电压设定点之间的差值耦接至PI控制器504。PI控制器504用于通过估计将从PV模块104流出的输入电流Iest来校正该差值，该输入电流Iest使得PV模块104偏置在DC电压设定点处。
PI控制器504的输出耦接至增益模块506，并且提供表示Iest的信号至增益模块506。增益模块506进一步接收来自转换控制模块214的AC电网电压幅度的输入VAC、和来自突发模式控制器224的VDC，并且确定来自逆变器的所需的输出电流Ireq，以从PV模块104流出Iest。在一些实施方式中，Ireq如下这样计算：
Ireq＝VDC*Iest/VAC*eff
在上述公式中，eff是逆变器的效率额定值。
增益模块506的输出耦接至突发模式调节模块508。根据从突发模式控制器224接收的控制信号，突发模式调节模块508在突发模式期间调节所需的逆变器的输出电流Ireq，以使其对应于突发模式输出电流IB。突发模式调节模块508的输出耦接至DC-AC逆变器208，并且驱动DC-AC，以在连续模式期间生成输出电流Ireq并且在突发模式期间生成输出电流IB。
图6是根据本发明的一个或多个实施方式的MPPT控制器212的框图。MPPT控制器212包括功率差模块602、积分器604和加法器608。MPPT控制器212利用第二反馈环218来确定与MPP电压对应的用于PV模块104的DC电压设定点。
功率差模块602从突发模式控制器224接收表示第一和第二功率测量值P1和P2的信号。功率差模块602计算P1和P2之间的功率差，并且利用功率差来确定误差信号ε。在一些实施方式中，功率差计算为(P2-P1)/(P2+P1)。
来自功率差模块602的误差信号ε耦接至积分器604。积分器604累计误差信号ε并且将累计的误差信号耦接至加法器608。加法器608还接收标称电压Vnom的输入，其中Vnom是MPP电压的初始估计值。累计的误差信号用于“微调”标称电压，以使DC电压设定点(即累计的误差和标称电压的和)对应于MPP电压。然后DC电压设定点提供至DC电压控制器210，以驱动PV模块104在DC电压设定点处操作。
图7是根据本发明的一个或多个实施方式的用于在突发模式中操作逆变器的方法700的流程图。在一些实施方式(诸如下文描述的实施方式)中，诸如DC-AC逆变器的功率转换设备耦接至PV模块，并且将来自PV模块的DC功率转换至AC功率，其中该AC功率耦接至商业电网。在一些实施方式中，多个PV模块可以耦接至单个集中的DC-AC逆变器；可替代地，各个PV模块可以耦接至各个DC-AC逆变器(例如每个DC-AC逆变器一个PV模块)。在一些实施方式中，DC-DC转换器可以耦接在一个或多个PV模块与DC-AC逆变器之间。
方法700开始于步骤702，并且进行至步骤704。在步骤704中，逆变器操作于连续模式并且生成输出电流Ireq，以使PV模块偏置在MPP电压附近。在步骤708中，分别获得来自PV模块的输入功率的第一和第二功率测量值P1和P2。在一些实施方式中，第一功率测量值包括在AC电网波形周期的90°-180°相位期间累计来自PV模块的输入功率Pin，以获得第一“功率bin”PB1，其中P1＝PB1，并且第二功率测量值包括在相同的AC电网波形周期的180°-270°相位期间累计Pin，以获得第二“功率bin”PB2，其中P2＝PB2。在一些实施方式中，在这些相位中可以采样Pin，以获得第一和第二功率测量值；例如，可以通过256倍的商业电网频率的速率对Pin进行采样。在可替代性实施方式中，在AC电网波形周期的不同相位期间可以获得第一和第二功率测量值。
另外，计算来自PV模块的平均或DC电压VDC。在一些实施方式中，，来自PV模块的电压Vin在AC电网电压的90°-270°相位期间被累计，以获得DC电压“bin”VDCB。然后根据VDCB计算VDC。
方法700进行至步骤710，其中利用P1、P2和VDC来确定用于PV模块的DC电压设定点，以使DC电压设定点对应于MPP电压。在步骤712中，确定所需的逆变器的输出电流Ireq，该所需的逆变器的输出电流Ireq将使PV模块偏置在期望的DC电压设定点处。方法700的步骤704至712包括外反馈环，外反馈环确定PV模块是否当前偏置在MPP电压，并且必要时调节DC电压设定点以实现MPP。
方法700进行至步骤714，其中确定PV模块输入功率是否超过突发模式阈值。如果步骤714中的条件被满足，方法700返回步骤704并且逆变器继续操作于连续模式。如果步骤714中的条件未被满足，方法700进行至步骤716。
在步骤716中，根据突发模式脉动电压阈值，来确定用于能量存储时期的AC电网电压周期的最大数量Noff。在一些实施方式中，利用PV模块DC电压VDC的10％的突发模式脉动电压阈值。在步骤718中，逆变器切换到突发模式，并且开始Noff个AC电压电网周期的能量存储时期。在能量存储时期期间，逆变器不生成任何输出功率，并且通过PV模块生成的功率存储在逆变器中。
在步骤720中，收集第一和第二功率bin PB1和PB2、以及DC电压bin VDCB。在一些实施方式中，Noff个AC电网周期划分成两个相等部分：Noff个AC电压电网周期的“第一半”和Noff个交流电压电网周期的“第二半”，其中第一半在第二半之前发生。通过在第一半内发生的90°-270°AC电网电压相位时期的任何时期期间累计PV模块输入功率Pin，来获得PB1，并且通过在第二半内发生的90°-270°AC电网电压相位时期的任何时期期间累计PV模块输入功率Pin，来获得PB2。另外，在能量存储时期期间在每个90°-270°相位中累计PV模块输入电压Vin，以获得VDCB。
方法700进行至步骤724。在步骤724中，在能量存储时期后，突发周期被激活并且逆变器开始生成输出功率。在一些实施方式中，突发周期包括单个AC电网电压周期。在突发周期期间，根据能量存储时期期间存储的能量数量，在步骤712中确定的所需的输出电流Ireq被调节，以使逆变器生成突发电流IB。在一些实施方式中，IB＝Ireq*(Noff+1)。
在步骤728中，来自PV模块的输入电压被测量并且被加到DC电压bin VDCB；在一些实施方式中，PV模块输入电压Vin在AC电网电压周期的90°-270°相位中被累计并且被加到VDCB。方法进行至步骤730，其中在步骤730中确定P1、P2和VDC。在一些实施方式中，P1＝PB1/Noff，P2＝PB2/Noff，并且VDC是VDCB的平均值。在步骤732中，根据P1、P2和VDC，确定用于PV模块的DC电压设定点。在步骤734中，确定所需的逆变器的输出电流Ireq，其中该所需的逆变器的输出电流Ireq将使PV模块偏置在期望的DC电压设定点处。
方法700进行至步骤736，其中在步骤736中确定逆变器的操作是否应该继续。如果步骤736中的条件被满足，方法700返回步骤714。如果步骤736中的条件未被满足，方法700进行至步骤738，其中在步骤738中方法结束。
图8是根据本发明的实施方式的电网电压Vac、从AC-DC逆变器流到电网的输出电流Iout、和存储电容器充电周期的时序图的图示。Vac的波形800示出电网电压的几个不同阶段。在第一阶段期间，部分801，电流的突发正输出至电网，如波形802中所示。然后，对于Noff个周期的时期，电容器处于存储模式，如描绘电容器电压Vcap和电容器电流Icap的波形804和806所示，并且如波形802中所示，没有输出电流输出至电力网(即，在存储模式期间不生成输出电流)。在Noff＝1个周期后，输出可以返回全周期突发来代替半周期突发以产生全周期，或者如波形802中示出的，在Noff个周期后，在部分803中产生具有交替极性的1/2周期突发。
根据使用半周期突发模式的一些实施方式，通过产生相等数量的正半周期突发和负半周期突发，来自特定逆变器的功率被平衡(所以平均的DC值是0)；在其他实施方式中，网关监视阵列并且控制来自逆变器的半周期突发的极性，以平衡阵列的功率输出。根据其他示例性实施方式，注入到电网的电流在正1/2电压周期期间被累加，并且然后在负半电压周期期间被减去，使累加的电流值为零。如果累加的值不为零，对正向或负向中电流的值进行小的校正，以确保为了避免配电变压器饱和的0DC电流。
图9是作为图1所示的系统100的示例性实现的一个实施方式的计算机系统900的框图。计算机系统900包括处理器902、存储器904和各种支持电路906。中央处理器(CPU)902可以包括本领域已知的一个或多个微处理器、和/或诸如编程为执行专用处理功能的现场可编程门阵列的专用功能处理器。用于处理器902的支持电路908包括微控制器、专用集成电路(ASIC)、高速缓冲存储器、电源、时钟电路、数据寄存器、输入/输出(I/O)接口等。
存储器904存储非瞬态处理器可执行的指令、和/或可以通过处理器902执行和/或使用的数据。这些处理器可执行指令可以包括固件、软件等、或其组合。在存储器904中存储的具有处理器可执行指令的模块包括网关950、突发模式控制器952和MPPT控制器954。网关950还可以包括控制器956。
在示例性实施方式中，存储器904可以包括以下中的一个或多个：随机存取存储器、只读存储器、磁阻式读/写存储器、光学读/写存储器、高速缓冲存储器、磁读/写存储器等、以及信号承载媒介(不包括诸如载波等的非瞬变信号)。
图10是根据本发明的示例性实施方式的用于选择半周期突发方法的方法1000的流程图。方法1000表示实现为在存储器904上存储并在计算机系统900上执行的控制器956的、控制器112的一部分的执行。
该方法从步骤1002开始，并且进行至步骤1004。在使用特定的半周期方法之前，如果在步骤1004中确定Ireq大于逆变器102的最大额定值，在步骤1006中选择可替代方法，其中在可替代性方法中新的Noff将等于n/2并且舍入到最接近的整数。如果在步骤1008中Ireq不大于逆变器102的最大额定值，那么新的Ireq计算为Ireq*(2*Noff+1)。方法1000然后终止于步骤1010。
虽然上文针对本发明的实施方式，但是也可以不脱离本发明的基本范围的情况下设想本发明的其他和进一步的实施方式，并且本发明的范围由所附权利要求书确定。

Claims (15)

1.一种用于将DC输入功率转换成AC输出功率的方法，包括：
当所述DC输入功率处于第一等级时以连续模式操作DC-AC逆变器，其中在所述连续模式期间，所述DC输入功率连续地转换成AC输出功率并施加至AC电力网；以及
当检测到所述DC输入功率处于低于所述第一等级的第二等级时，以第一突发模式操作所述DC-AC逆变器，其中在所述第一突发模式期间，(i)所述DC-AC逆变器在第一能量存储时期期间存储能量，(ii)所述DC-AC逆变器在紧接着所述第一能量存储时期的第一突发时期期间生成AC输出电流的突发，所述第一突发时期仅持续AC电力网电网周期的一半，以及(iii)紧接着所述第一突发时期之后是第二能量存储时期，所述第二能量存储时期持续整数个AC电力网电网周期，其中在所述第一能量存储时期和所述第二能量存储时期期间，所述DC-AC逆变器不生成输出功率。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二能量存储时期用于舍入至最接近整数的(Noff/2)个AC电网电压周期，其中，Noff是对于全电网周期用于突发的能量存储的电网周期数量。
3.如权利要求2所述的方法，还包括：将在所述第一突发时期期间通过所述DC-AC逆变器生成的AC输出电流IB计算为Ireq*(2*(新的Noff)+1)，其中新的Noff＝(舍入至最接近整数的(Noff/2))，并且其中Ireq是所需的逆变器AC输出电流。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，还包括：在多个AC电力网电网周期中，使在后面的突发时期期间生成的AC输出功率的极性自动地交替。
5.如权利要求1所述的方法，还包括：
将在第二突发模式期间通过所述DC-AC逆变器生成的所述电流IB计算为Ireq*(2*Noff+1)；以及
将所述DC-AC逆变器限制为操作于具有Noff个能量存储时期的所述第二突发模式，其中Noff是对于全电网周期用于突发的能量存储的电网周期的数量，并且其中Ireq是所需的逆变器AC输出电流。
6.如权利要求5所述的方法，还包括：
如果Ireq大于用于所述DC-AC逆变器的最大额定值，选择所述第一突发模式；以及
如果Ireq不大于用于所述DC-AC逆变器的所述最大额定值，选择所述第二突发模式。
7.如权利要求5所述的方法，还包括：基于收获更多能量的突发模式，从所述第一突发模式或所述第二突发模式中选择突发模式。
8.一种用于将DC输入功率转换成AC输出功率的装置，包括：
DC-AC逆变器，所述DC-AC逆变器包括至少一个控制器，所述控制器用于当所述DC输入功率处于第一等级时使所述DC-AC逆变器操作于连续模式，以及当所述DC输入功率处于低于所述第一等级的第二等级时使所述装置操作于第一突发模式；其中，在所述连续模式期间，所述DC输入功率连续地转换成AC输出功率并施加至AC电力网，以及在所述第一突发模式期间，(i)所述DC-AC逆变器在第一能量存储时期期间存储能量，(ii)所述DC-AC逆变器在紧接着所述第一能量存储时期的第一突发时期期间生成AC输出电流的突发，所述第一突发时期仅持续AC电力网电网周期的一半，以及(iii)紧接着所述第一突发时期之后是第二能量存储时期，所述第二能量存储时期持续整数个AC电力网电网周期，其中在所述第一能量存储时期和所述第二能量存储时期期间，所述DC-AC逆变器不生成输出功率。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述第二能量存储时期用于舍入到最接近整数的(Noff/2)个AC电网电压周期，其中，Noff是当在全电网周期中AC输出功率突发时能量存储的电网周期数量。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述至少一个控制器还配置为：将在所述第一突发时期期间通过所述DC-AC逆变器生成的AC输出电流IB计算为Ireq*(2*(新的Noff)+1)，其中新的Noff＝(舍入至最接近整数的(Noff/2))，并且其中Ireq是所需的逆变器AC输出电流。
11.如权利要求8-10中任一项所述的装置，其中，所述至少一个控制器还配置为：在多个AC电力网电网周期中，使在后面的突发时期期间生成的AC输出功率的极性自动地交替。
12.如权利要求8所述的装置，其中，所述至少一个控制器还配置为：
将在第二突发模式期间通过所述DC-AC逆变器生成的所述电流IB计算为Ireq*(2*Noff+1)；以及
将所述DC-AC逆变器限制为操作于具有Noff个能量存储时期的所述第二突发模式，其中Noff是当全电网周期中AC输出功率突发时能量存储的电网周期数量，并且其中Ireq是所需的逆变器AC输出电流。
13.如权利要求12所述的装置，其中，所述至少一个控制器还配置为：
如果Ireq大于用于所述DC-AC逆变器的最大额定值，选择所述第一突发模式；以及
如果Ireq不大于用于所述DC-AC逆变器的所述最大额定值，选择所述第二突发模式。
14.如权利要求12所述的装置，其中，所述至少一个控制器还配置为：基于收获更多能量的突发模式，从所述第一突发模式或所述第二突发模式中选择突发模式。
15.如权利要求8-10和12-14中任一项所述的装置，还包括：用于提供所述DC输入功率的光伏(PV)模块。
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