CN105379093B - 具有集成的线循环能量储存的单相循环转换器 - Google Patents

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Abstract

用于单相循环转换器的线循环储存的方法和设备。该方法包括从单相循环转换器的输入端口接收输入功率以及监测单相循环转换器的AC输出端口。该方法测量储存在联接至单相循环转换器的AC输出端口的一条线上的线循环能量储存电路中的能量，以及确定AC输出端口的监测的AC电压与线循环能量储存电路的测量的电压之间的相位差。该方法基于相位差控制单相循环转换器中的开关以将能量选择性地储存在线循环能量储存电路中。

Description

具有集成的线循环能量储存的单相循环转换器
技术领域
本公开的实施方式总体涉及具有集成的线循环能量储存的单相循环转换器。
背景技术
在用于生成DC电压的分布式发电机(例如光伏(PV)面板或模块)的发电中频繁地使用功率转换器。PV模块通常串联连接并根据诸如环境的操作因数以变化的速率生成功率。微反相器为功率转换器的一种形式，其能够将PV模块生成的DC功率转换成AC功率。
但是，典型的功率转换器设计在DC输入端口上应用大输入电容器，大输入电容器产生通过功率转换器的脉冲功率传送。这种拓扑可使用对热降解敏感的大的铝电解电容器。这种输入电容器还限制转换器的最小物理尺度和最高工作温度，以及转换器的整体工作寿命。
因此，需要能够产生恒定功率的、具有更小的电容器和降低的脉动电流的转换器。
发明内容
本发明的实施方式大体涉及用于具有集成的线循环能量储存和滤波的单相循环转换器的设备，其大体如附图中至少一个所示和/或结合附图中至少一个所描述的，并且如同在权利要求中更完全地阐述的。
本公开的这些和其它特征和优点可通过阅读本公开的以下详细说明以及附图来理解，在全部附图中，相同的附图标记指代相同的部件。
附图说明
为了能够详细地理解本发明的以上列举的特征，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它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具有控制器的转换器系统的框图；
图2是根据本发明的一个或多个实施方式的转换器的示意图；
图3是根据本发明的一个或多个实施方式的两个示例性组合的线循环储存和滤波电路的框图；
图4是根据本发明的一个或多个实施方式在全功率时用于线频率能量储存和AC源的仿真波形的图表；
图5是根据本发明的一个或多个实施方式的用于单相转换器中的线循环能量储存的方法的流程图；以及
图6是根据本发明的一个或多个实施方式的线循环能量储存系统的框图。
具体实施方式
本发明的实施方式涉及可配置成与AC线频率能量储存操作的循环转换器。在一些实施方式中，循环转换器使用AC线频率能量储存来配置成单相或三相输出。循环转换器可以为谐振转换器、DC-AC反相器等的一部分。如电容器的线频率能量储存装置跨过三相连接中的两个联接至循环转换器输出。电容器的电压波形和电流波形与联接至循环转换器的AC电源相位比维持在预定相位差处。结果是增大循环转换器的发电能力，并且允许通过功率转换器的恒定功率传送。此外，线频率能量储存装置可配置成提供电磁兼容(EMC)和电涌滤波。如下面将更进一步讨论的，本文中讨论的拓扑的其它实施方式可反向操作以将AC功率转换成恒定DC输出。
在一些实施方式中，线频率能量储存装置集成在循环转换器内。在其它实施方式中，线频率能量储存装置经由电缆(例如，电气中继和下降(ETD)功率电缆)联接。电缆位于循环转换器之外并且联接在循环转换器与负载(例如，AC电源)之间。外部配置减小循环转换器的尺寸、减小加热限制并改善使用可靠性和维护。在这种实施方式中，将线频率能量储存装置设置在循环转换器(和谐振转换器)外部允许循环转换器的模块化实现将功率输出为单相。换言之，在一些实施方式中，转换器配置成与附接的线频率能量储存装置操作以提供单相循环转换器操作，以及在没有附接的线频率能量储存装置的情况下作为三相循环转换器操作。
图1是根据本发明的一个或多个实施方式的具有控制器103的转换器系统100的框图。转换器系统100包括循环转换器170、控制器103、DC端口105、DC桥式电路130、振荡回路电容器155、变压器160、线循环能量储存电容器190、AC端口195和监测电路111。
DC端口105包括联接至诸如分布式发电机(例如，PV模块、风力涡轮机等)的DC源110和115的电容器120和125。电容器120和125还联接至DC桥式电路130。在转换器系统100反向操作(即，供给DC功率)的可选的实施方式中，DC源110和115表示用于接收转换的AC功率的DC负载。
DC桥式电路130包括开关135、140、145和150。开关135和140横跨电容器120的端子串联联接以形成第一半桥电路。开关135的漏极和开关140的源极联接至振荡回路电容器155的第一端子。振荡回路电容器155的第二端子联接至变压器160的初级绕组158的第一端子。开关140的漏极联接至开关145的漏极。开关145和150横跨电容器125串联联接以形成第二半桥电路，第二半桥电路联接至变压器160的初级绕组158的第二端子。变压器160的次级绕组162联接至循环转换器170。
循环转换器170包括开关172、174、176、178、180、182；电容器175、181、185。在一些实施方式中，线循环能量储存电容器190集成在循环转换器170内并且在其它实施方式中联接至循环转换器170的输出。开关172和174串联联接，以及开关174的漏极联接至结点c3并且联接至电容器175的端子。结点c3联接在开关174和电容器175之间。结点c3还联接至线循环能量储存电容器190的第一端子。开关176和178串联联接，以及开关178的漏极联接至结点c1、结点c4，并联接至电容器181的端子。结点c4联接至线循环能量储存电容器190的第二端子。结点c1联接至AC端口195的第一线194。开关180和182串联联接，以及开关182的漏极联接至结点c2和电容器185的端子。结点c2还联接至AC端口195的第二线。
在一些实施方式中，转换器系统100中的开关可以是在3kHz至10MHz处转换并且通过控制器103操作的晶体管。晶体管可选地为任何其它适当的电子开关，诸如结栅场效应晶体管(JFET)、金属氧化物半导体控制晶闸管(MCT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、双极结型晶体管(BJT)、N型MOSFET、门极可断晶闸管(GTO)等。
转换器系统100中的线循环能量储存电容器190允许DC电桥130处理更大范围的功率(例如，500-600瓦特)。电容器的大小取决于联接至AC端口195的系统。例如，为了将AC端口195联接至230VAC/50Hz的AC电源，600VA转换器系统100将需要线循环能量储存电容器190具有36微法(μF)的容量。
在其它实施方式中，代替在结点c3和c4处联接线循环能量储存电容器190，线循环能量储存电容器190可联接在结点c3和c2处以用于对AC端口195的第二线196的AC输出。在这种实施方式中，结点c1和AC端口195的第一线联接至开关174的源极。
监测电路111包括配置成随着时间测量电压和电流的电压和电流采样电路(未示出)。监测电路111联接至结点c1、c2、c3和c4以测量跨过线循环能量储存电容器190和AC端口195的电压和电流。测量值由控制器103使用以操作转换器系统100中的开关，从而将单相AC输出至AC端口195并控制流过线循环能量储存电容器190的能量。在一些实施方式中，在全功率操作期间，控制器103调节线循环能量储存电容器190的电压和能量以匹配幅值但是延迟于联接至AC端口195的AC源(例如，AC电源)的电压和电流。在放电阶段期间，储存在线循环能量储存电容器190中的能量被供给至AC端口195的第一线194。在小于全功率(例如，1/4功率)的其它实施方式中，线循环能量储存电容器190被调节成成比例地储存更少的能量。
转换器系统100在DC端口105上接收DC输入。DC桥式电路130将DC功率转换成联接至振荡回路电容器155和变压器160的方波。变压器160转换该电压幅值(即，提升或降低电压)并将该功率联接至循环转换器170。
控制器103包括中央处理单元(CPU)112、存储器116和各种支持电路118。CPU 112可包括本领域已知的一个或多个微处理器，和/或专用功能处理器，例如编程为执行专用处理功能的现场可编程门阵列(FPGA)。CPU 112被联接至存储器116和支持电路118。用于CPU112的支持电路118可包括微控制器、专用集成电路(ASIC)、高速缓存、电源、时钟电路、数据寄存器、输入/输出(I/O)接口等。
存储器116储存可由CPU 112执行和/或使用的非瞬时处理器可执行指令和/或数据。这些处理器可执行指令可包括固件、软件等，或者它们的一些组合。具有储存在存储器116中的处理器可执行指令的模块包括开关控制模块127、线循环监测模块129和数据库131。
在示例性实施方式中，存储器116可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，以及信号承载介质，不包括诸如载波等的非瞬时信号。可使用通用计算机实现控制器103，当执行特定的软件时，该通用计算机变成用于执行本发明的各种实施方式的专用计算机。
线循环监测模块129接收从监测电路111测量的电压和电流样本的模拟数据或数字数据。在一些实施方式中，用于AC端口195的测量值为联接至AC端口195的AC电源(未示出)的测量值。在其它实施方式中，AC电源的测量值可经由电网接口133通过控制器103直接接收。用于说明性目的，本文将在联接至AC电源的情况下讨论AC端口195。本领域的技术人员将认识到也可联接至其它类型的负载。
开关控制模块127通信地联接至线循环监测模块129，以接收用于控制转换器系统100中的开关的数据。开关控制模块127基于来自监测电路111的测量值调整循环转换器170中的开关的定时。开关控制模块127可通过脉宽调制(PWM)控制循环转换器170。在DC端口105联接至PV模块的实施方式中，开关控制模块127可执行用于最大功率点跟踪(MPPT)的指令。
开关控制模块127控制循环转换器170的开关以产生联接至AC端口195的单相AC输出。开关控制模块127还控制递送至线循环能量储存电容器190以及从线循环能量储存电容器190递送的电流，以使从电源流出的功率函数与流入和流出线循环能量储存电容器190的功率函数之和恒定。换言之，恒定的DC功率流过转换器系统100。
开关控制模块127将跨过线循环能量储存电容器190的电压的幅值维持在于AC电源上测量的电压附近。但是，线循环储存器190的电压与AC电源的测量的电压相比将是相位位移的(例如，移动45度)。相位移动可通过控制循环转换器170中的开关状态之间的定时和各个开关的PWM来调节。
开关控制模块127还控制流向线循环能量储存电容器190的能量，以使从线循环能量储存电容器190流出的电流将类似地(例如，以135度)提前或延迟于AC电源的电流。在全功率操作中，流向线循环能量储存电容器190的功率量(即，电流幅值)还被控制为匹配AC电源的幅值。
开关控制模块127控制循环转换器170以通过线循环能量储存电容器190循环功率(即，充电和放电)从而将成正弦曲线的功率输出至AC端口195和AC电源。在线循环能量储存电容器190为电容器(与另一能量储存器件相反)的实施方式中，电容器的大小由等式1给出：
能量储存＝VA/(2πfv2) (1)
在以上等式1中，VA为AC电源VA额定值，f为AC电源的频率以及v为AC电源的电压。通常，线循环能量储存电容器190的大小设置为在电容值等于等式(1)的情况下确保在全VA操作点时跨过其生成的电压的幅值与AC电源电压幅值相同。在全功率操作时，施加于线循环能量储存电容器190的电压的峰-峰幅值匹配峰-峰电源电压。用于电源相位和线循环能量储存电容器190的电流的峰-峰幅值也为相等值。转换器系统100可利用该相同电容器值以较低功率(例如，1/4功率)操作。
对于1/4功率操作点，线循环能量储存电容器190具有在全功率操作期间的电源峰-峰电压的一半的峰-峰电压以及1/4的电压幅值。用于线循环能量储存电容器电流幅值的电流的幅值也为在全功率操作中得到的值的一半。在可选的实施方式中，线循环能量储存电容器190的大小可小于全功率时的大小并且控制器103维持用于线循环能量储存电容器190的相应的较低操作电压和电流。
继续本示例，线循环能量储存电容器190的无功功率控制由等式2提供：
电容器相位位移＝±45°+θ/2 (2)
功率角θ为电源电压和电源电流之间以实现特定的无功功率控制(例如，恒定输出功率)的期望相位位移。在操作中，分离90°的两个正弦波进行求和以确保来自转换器系统100的恒定输出功率。一个正弦波为流过线循环能量储存电容器190的能量，以及另一个为流向AC端口195的能量。如下面将进一步关于图4讨论的，流出线循环能量储存电容器190的功率函数和电源相位具有相等的峰-峰幅值，但是分离90°。
按照等式2，循环转换器170中的开关被控制以使线循环能量储存电容器190的电压波形为正弦曲线并且相对于AC电源电压波形延迟或提前45度加上期望的功率角的一半(即，)。通过线循环能量储存电容器190的电流波形相对于AC电源具有135度加上功率角的一半的相位差(即，)。在一些实施方式中，控制器103控制循环转换器170中的开关的定时以调节流过线循环能量储存电容器190的电流，从而得到线循环能量储存电容器190上的电压相对于AC电源的相位位移(±45°)。
为了生成有功功率，功率角θ为零，以及为了生成无功功率，功率角θ为AC电源电流和电压之间的期望相位位移。开关控制模块127还将流向线循环能量储存电容器190和从线循环能量储存电容器190流出的能量维持在与流向AC电源相位连接(即，AC端口195)的能量的幅值匹配的幅值上。
在可选的实施方式中，可反向操作循环转换器170使得AC端口195接收AC功率以用于转换成DC功率并输出至DC端口105。反向功率流可以为有功功率流或无功功率流。如同正向操作一样，在反向操作中，不管从AC端口流出的功率以线频率的两倍波动，线循环能量储存电容器190仍类似地确保从DC端口105流出的功率为连续的并且没有电压或电流纹波。在反向变换操作中，循环转换器170中的开关被控制为使得被控制用于电源相位和线循环能量储存电容器190两者的电流为反向的。换言之，在上面讨论的转换器系统100中，在线循环能量储存电容器190的电流延迟于AC电源的情况下，该电流将领先，反之亦然(即，如果在正向操作中领先，则在反向操作中变为延迟)。
数据库131存储转换器系统100的信息和来自外部通信137的数据。外部通信137可通过用于到诸如网关的附加设备(未示出)的无线、有线和电力线通信(PLC)的通信设备来促进。在一些实施方式中，数据库131存储与负载(即，DC需求、AC需求、AC输出频率等)有关的附加信息。
线循环能量储存电容器190可以为具有适当大小的电容器(例如，对于250W微反相器的循环转换器为15μF)。如下面将进一步讨论的，电容器还可以分成两个单独的电容器并与电感器一起提供滤波功能。在可选的实施方式中，线电容器可以使用通常可得到的(感应)“电机运行”型电容器来设置成系统级(即，在转换器以外)。将该电容器在循环转换器170外部设置成系统级还允许转换器和线频率电容器可容易地使用。在这种实施方式中，由于各个转换器电路的模块化片而使得更换电容器变得更容易。同样地，在其它实施方式中，电容器的附接或分离分别将AC端口275从单相输出改变成三相输出，并且转换器系统100可配置成产生适当的输出。
图2为根据本发明的一个或多个实施方式的单相循环转换器200的示意图，线频率能量储存电容器通过该单相循环转换器200分离和连接，使得它们形成有效的滤波功能，从而简化电容滤波器和整体EMC滤波器设计要求。单相循环转换器200通过如上面在图1中所述的、作为转换器系统100的一部分的控制器103利用来自监测电路111的采样来操作。
单相循环转换器200包括DC端口205；电感器210；开关215、220、225、230、235和240；电容器245和250；线频率能量储存电容器255和260以及AC端口275。DC端口205联接至电感器210和电容器245的第二端子。电感器210联接至开关215、225和235的漏极。开关215和220串联联接并且开关220的漏极联接至结点d1、结点d3和电容器245的第一端子。结点d1还联接至AC端口275的第一线265。结点d3联接至线频率能量储存电容器255的第一端子。开关225和230串联联接并且开关230的漏极联接至结点d4。结点d4联接至线频率能量储存电容器255的第二端子和线频率能量储存电容器260的第一端子。开关235和240串联联接，并且开关240的漏极联接至结点d2、结点d5和电容器250的端子。结点d2联接至AC端口275的第二线270。结点d5联接至线频率能量储存电容器260的第二端子。线频率能量储存电容器255和260可具有相等的容量(例如，每个均为18μF)或不同的容量。
控制器(例如，控制器103)基于通过监测电路(未示出)采样的电流和电压的测量值来操作开关215、220、225、230、235、240，该监测电路(未示出)大体上与图1中的监测电路111类似。监测电路从线频率能量储存电容器255和260以及AC端口275采样电压和电流。在一些实施方式中，监测电路联接至结点d1、d4和/或d2。
在操作中，单相循环转换器200通过上面在图1中讨论的控制器103操作，以通过从开关215、220、225、230、235、240至线频率能量储存电容器255和260以及从线频率能量储存电容器255和260至开关215、220、225、230、235、240的能量循环将AC功率供给至AC端口275。线频率能量储存电容器255和260还向AC端口275提供纹波电流或电压的滤波。通过将线频率能量储存电容器255和260联接至结点d3、d4和d5，线频率能量储存电容器255和260上的能量可由控制器103控制以提供EMC、电涌和线循环能量储存功能。
此外，通过控制器103计算电容式无功功率偏置以确定单相转换器200将以最高效率来操作的功率因素(PF)，并且以执行高级电网功能(AGF)。AGF要求PV反相器具有供给或吸收无功功率的能力。使转换器(从而单相循环转换器200)偏置的功率因数将在转换器联接至DC端口205处的DC源(例如，PV模块)时确定转换器在什么情况下将以最高效率操作。可关于电感式PF和电容式PF来计算无功功率因数。例如，利用两个同样大小的线频率能量储存电容器255和260，电容式无功功率偏置在全功率操作时可计算为cos(arcsin 0.25)＝0.968pf。
继续该示例，基于0.986pf.的自然偏置，以90％降额操作的转换器将能够覆盖0.94pf.的电感式无功功率直到0.86pf的电容式无功功率范围。无功功率控制的范围可使用需要的最大电感式无功PF来计算。所需要的电感式PF调节可在所需要的PF为最大电感式PF的情况下根据等式3计算：
反相器需要的PF＝cos(arcsin(5sin(arc cos(PF))/4)) (3)
类似地，需要的电容式无功PF调节可根据等式4计算：
最大电容式PF＝cos(arcsin(3sin(arccos(PF))/2) (4)
在上面的等式4中，PF也为所需的最大电感式PF。线频率能量储存电容器255和260跨过AC端口275有效地联接。因此控制器103可应用等式3或4通过计算电容式无功功率偏置来确保最高效率操作。在这种实施方式中，控制器103还监测AC端口275以计算和确定功率因数的改变。
图3是根据本发明的一个或多个实施方式的两个示例性组合的线循环储存和滤波电路305和310的框图。滤波电路305和310通过上面在图1中讨论的控制器103控制，以接收或输出单相AC功率。控制器103直接控制AC转换器电路315和332中的开关。滤波电路305为三相滤波器以及滤波电路310为单相滤波器。
第一系统301包括AC转换器电路315和组合的线循环储存和滤波电路(在下文中称作“电路”)305。电路305包括EMC/电涌电感器320、322和324；线频率能量储存电容器380和382；以及AC端口330。AC端口330联接至可表示商业AC电网的AC电网360。AC转换器电路315通过端口f1、f2和f3联接至EMC/电涌电感器320、322和324。端口f1联接至EMC/电涌电感器320，EMC/电涌电感器320还联接至线325和结点e2。端口f2联接至线318和EMC/电涌电感器322和结点e1。端口f3联接至EMC/电涌电感器324，EMC/电涌324还联接至线335和结点e3。结点e1联接至线频率能量储存电容器380和382的端子。结点e2联接至线频率能量储存电容器380的另一端子。结点e3联接至线频率能量储存电容器326的另一端子。
AC转换器电路315(例如，循环转换器)通过输出端口f1、f2和f3向线325、318和335输出三相功率。如图1中所示，控制器103控制AC转换器电路315中的开关的操作以控制到线频率能量储存电容器380和382的能量为相位移动的但是与被监测的(例如，通过监测电路111)AC电网360具有相同幅值。除了向AC端口330提供恒定功率之外，EMC/电涌电感器320、322和324以及线频率能量储存电容器380和382还作为EMC和电涌滤波器操作。
第二系统302包括AC开关电路332和组合的线循环储存和滤波电路(在下文中称作“电路”)310。电路310包括电涌电感器338和340、线频率能量储存电容器334和336、以及AC端口342。AC端口342被描述为联接至可表示商业AC电网的AC电网370。
AC转换器电路332通过端口f4、f5和f6联接至电路310。端口f4联接至结点e4、电涌电感器338和AC端口342的线350。端口f5联接至结点e5、电涌电感器340和AC端口342的线355。端口f6联接至线334，线334联接至线频率能量储存电容器334和336的端子。结点e4联接至线频率能量储存电容器336的另一端子，以及结点e5联接至线频率能量储存电容器334的另一端子。
EMC/电涌电感器320联接至线325和结点e2，结点e2联接至线频率能量储存电容器380的端子。EMC/电涌电感器322联接至线318和结点e1。结点e1联接至线频率能量储存电容器380和382的端子。EMC/电涌电感器324联接至线335和结点e3，结点e3联接至线频率能量储存电容器326的端子。
AC开关电路332(例如，循环转换器)向线325、318和335输出三相功率。如图1中所示，控制器103控制AC转换器电路332中的开关的操作以控制到线频率能量储存电容器334和336的能量是相位位移的但是与被监测的(例如，通过监测电路111)AC电网370具有相同幅值。除了向AC端口360提供恒定功率之外，EMC/电涌电感器338和340以及线频率能量储存电容器334和336还作为EMC和电涌滤波器操作。
图4是根据本发明的一个或多个实施方式在全功率时用于线频率能量储存和AC源的图表集合400。图表405、410和415为当通过如上面图1中所示的控制器103监测和操作并联接至AC电源(即，公用电网)时单相循环转换器的操作的曲线图。
为了便于简化说明，将根据图1对图表进行讨论，但是本领域技术人员可应用图2和图3中的另外的拓扑。对于所有下列图表，“中间”引脚(例如，图1中的结点c1连接至线循环能量储存电容器190和AC端口195的线194两者)用作参考点。以此方式，循环转换器170可被认为是作为正交两相AC供给操作。一个相位为AC电源相位，正交的第二相位来自线循环能量储存电容器190。
图表405为电压随时间变化的曲线图。电压信号420为跨过线路侧电容器(例如，线循环能量储存电容器190)的电压，电压信号425为AC电源的电压，以及电压信号430为电压信号420与425之间的差值。观察电压信号420和425，线循环能量储存电容器190的电压延迟于AC电源的电压。在时间T1处，电压信号420达到峰值，以及在时间T2处，电压信号425达到峰值，并且它们之间具有45度的峰-峰值差异。电压信号420和425的峰-峰幅值相同(例如，230VAC)。此外，当结合线频率能量储存电容器190的电流(信号440)观察时，因为线频率能量储存电容器190为无功元件，因此，线频率能量储存电容器190上的电压和电流在时间T1和T3处有90度的相位差。
这些相位位移是通过控制器103调整循环转换器170中的开关以控制到线循环能量储存电容器190的能量和来自线循环能量储存电容器190的能量的结果。在其它实施方式中，线循环能量储存电容器190的电压可领先于AC电源电压45度。如图表410中所示，为了确保45度差是恒定的，各个电流被控制为具有135度的相位差，以使线循环能量储存电容器190的电流延迟于AC电源的电流相位(信号435)。因此，对线循环能量储存电容器190上电流的控制(在图表410中示出为信号440)产生图表405中得到的电压信号。
图表410为电流相对时间的曲线图。信号440为线循环能量储存电容器190的电流，信号435为AC电源的电流，以及信号445为电流之间的差值。来自AC电源的电流以整功率因数绘制。如从时间段T3到时间段T4看出的，线循环能量储存电容器190的电流延迟于AC电源的电流135度。在其它实施方式中，线循环能量储存电容器190的电流可被控制为领先于AC电源45度。
图表415为功率随着时间的曲线图。信号450为AC电源的功率(Vphase*Iphase)以及信号455为线循环能量储存电容器190的功率。信号450为与流出电源的功率相关的正弦功率函数并具有两倍于电压或电流的线频率的频率。流出AC电源的功率为具有500W的最大功率和0W的最小功率并具有250W的平均功率(线460)的单极功率。
信号455表示流出线循环能量储存电容器190的功率的功率函数(Vcap*Icap)，其也具有两倍于线频率的频率。流出线循环能量储存电容器190的功率为具有在+250W与-250W之间的具有0W的平均功率(线465)的双极功率。因此，流出AC电源相位的平均功率为250W，以及流出线循环能量储存电容器190的平均功率为0W，因为持续功率不能从电容器得到，因此仅用于将功率流至电容器中或流到电容器外。根据图表415，当两个功率函数(信号450和455)加在一起时，产生恒定的250W功率流(如线460所示)。在包括PV模块的实施方式中，当向AC电源供给正弦功率时，250W然后将为从PV模块得到的功率。
对有功功率输出的控制包含控制递送至线循环能量储存电容器190中的电流，以使流入线循环能量储存电容器190中的能量的幅值总是匹配流向电源相位连接的能量的幅值。用于控制的基本依据已经以在施加于线循环能量储存电容器190的电压和电源相位电压之间维持45度差异为基础进行了说明。
另外的实施方式为线循环能量储存电容器190的电压位移135度(延迟或领先)以及电流位移45度(延迟或领先)。这种位移导致平衡的电压信号，然而电流信号将需要确定循环转换器170的引脚之间的电压应力。在这种实施方式中，通过将电压控制为平衡来代替图表410所示的电流，在转换器系统100上将具有增大的峰值电流应力。
在施加于线循环能量储存电容器190的电压与电源相位电压具有135°的相位分离的实施方式中，电源与循环转换器的电容器引脚之间的峰值电压应力高于峰值电源相位电压应力。因此，开关晶体管的额定电压需要高于在电压之间使用45°相位分离的实施方式的额定电压。此外，相比电压分离为135°的情况下，从三个各自的循环转换器引脚得到的电流更不均匀地传播，由此导致比当电压分离为45°时更高的电阻性损失。
对于有必需要反转功率流的情况，进一步的实施方式也可通过控制理论反转。该转换器可被控制为实现具有有功功率流或无功功率流的反向功率流。在这种模式下，转换器用作AC至DC转换器，并且转换器的AC端口处的能量储存(例如，通过线循环能量储存电容器190)确保即使在从AC端口得到的功率以线频率的两倍脉动的情况下从DC端口递送的功率也是连续的(没有电压或电流纹波)。除了被控制以用于电源相位和线循环能量储存电容器190这两者的、需要被反转的电流这个区别以外，对于有功功率流和无功功率流的情况而言反向功率流控制逻辑和DC-AC功率流控制逻辑是相同的。对于AC至DC转换，因为线循环能量储存电容器190在转换器100的输出处，因此具有减小的纹波。此外，因为功率可通过线频率电容器恒定地从AC电源流出，因此基本上消除了DC输出端口处的纹波电压。
图5是根据本发明的一个或多个实施方式的用于转换器中的线循环能量储存的方法500的流程图。方法500通过上面图1中描述的转换器系统100实施。方法500以用于将接收的DC功率转换为AC功率的前向操作方式进行描述。但是，附加的实施方式包括反向操作以及接收用于转换为DC功率的AC功率。方法500描述了全功率操作模式，在全功率操作模式的情况下，施加于线储存器的电压的峰-峰幅值匹配电源相位，以及电源相位的电流与线储存器的电流相等。
功率减小的操作的可选的实施方式包括相应地调节跨过线储存器的电压幅值。例如，在1/4功率操作中，横跨线储存器的电压幅值为1/2电源电压幅值。通过线储存器的电流幅值为全功率操作的电流的1/2以及电源电流为全功率操作的电流的1/4。
方法500从步骤505开始并继续至步骤510。在步骤510，通过转换器(例如，转换器系统100)接收输入功率。在步骤515，通过监测电路(例如，监测电路111)测量AC电流和AC电压。从AC端口195采样测量值以测量AC电源的AC电流和AC电压。随着时间采样具有足够数据的测量值以能够计算用于电压和电流的相位位移和幅值数据。在步骤520，通过监测电路测量线频率能量储存器(例如，线循环能量储存电容器190)的电压和电流。
在步骤520，通过监测电路随着时间测量跨过储存器(例如，线循环能量储存电容器190)的电压。流向线储存器的电流和来自线储存器的电流也可被测量。在步骤525处，比较AC电源和线储存器的跨过相同时间段的测量的电压。
在步骤530，基于来自步骤525的比较，确定AC电源电压和跨过线储存器的电压之间的相位差。在步骤535，相位差与预定值进行比较。如上所述，预定值可以为电压波形之间的45°差异。例如，跨过线储存器的电压偏置可延迟于AC电源的电压。
在步骤540，方法500确定所确定的相位差值是否等于预定值。如果值不相等，则方法500转到步骤545。在步骤545，调节转换器系统100的循环转换器(例如，循环转换器170)中的开关以控制流向线储存器的电流或从线储存器流出的电流。调节包括修改开关定时以延伸或缩短线储存器的电压波形的相位延迟或领先。然后方法500返回到步骤515。
回到步骤540，如果相位差的值相等，则方法500进行到步骤550。在步骤550，确定是否继续方法500。如果确定继续方法500，则方法500返回到步骤515。否则，方法500在步骤555处结束。
在其它实施方式中，可测量和比较电流。在这种实施方式中，用于到线循环能量储存电容器190的电流的相位位移应当延迟于AC电源的电流135度。预定的相位位移值可存储在控制器103中。
图6是包括本发明的一个或多个实施方式的线循环能量储存系统600的框图。在一些实施方式中，除了线循环能量储存之外，线循环能量储存系统600还提供EMC和电涌滤波。该图示仅示出了可利用本发明的大量可能的系统配置和装置的一个变型。本发明可用在采用用于在电源的最大功率点处操作电源的最大功率点跟踪的任何系统或装置中。
系统600包括共同称作功率转换器602的多个功率转换器602-1、602-2...….602-N；共同被称作线循环储存电路603的多个线循环储存电路603-1、603-2...603-N；共同被称作分布式发电机605的多个分布式发电机605-1、605-2...605-N；系统控制器606；总线608；负载中心610。分布式发电机605可以为可在最大功率点处操作的任何适当的发电机，例如光电、风力涡轮机或其它DC源。
每个功率转换器602-1、602-2...602-N分别联接至单个分布式发电机或者分别联接至一组分布式发电机605-1、605-2...605-N。在一些实施方式中，功率转换器602中的每个均对应于如上面图1至图3中所描述的转换器或循环转换器。在一些其它实施方式中，功率转换器602可以为AC-DC转换器。线循环储存电路603中的每个均对应于上面在图1至图3中描述的线循环储存电路和电容器。分布式发电机605对应于PV模块。
功率转换器602通过总线608联接至系统控制器606。在一些实施方式中，线循环储存电路603通过总线608联接至系统控制器606以用于与系统控制器606通信。系统控制器606能够通过无线和/或有线通信(例如，电力线通信)与功率转换器602通信，以用于提供功率转换器602的操作控制。功率转换器602还通过总线608联接至负载中心610。在一些实施方式中，线循环储存电路603通过PLC、有线或无线网络(未示出)联接至网关(例如，系统控制器606)以用于从系统600的外部通信。
在功率转换器602为DC-AC反相器的一些实施方式中，功率转换器602每个均能够将接收的DC功率转换为AC输出。功率转换器602通过总线608将产生的AC输出功率联接至电网或能量储存器。产生的功率然后可以被分布以供例如一个或多个电器使用，和/或产生的能量可例如使用电池、加热的水、液压泵、H2O至氢转换等进行储存以供以后使用。在一些可选的实施方式中，功率转换器602可以为AC-DC功率转换器，以及总线608为将功率递送至为DC负载的605的AC总线。
在系统600中，线循环储存电路603中的每个均监测转换至储存装置(例如，电容器)的功率以及来自总线608的AC功率。
本发明实施方式的以上描述包括执行所述各种功能的多个元件、装置、电路和/或组件。这些元件、装置、电路、和/或组件是用于执行它们各自所述功能的器件的示例性实施。
虽然上述针对本发明的实施方式，但是可在不背离本发明的基本范围的情况下设计本发明的其它和进一步的实施方式，并且本发明的范围通过所附权利要求限定。

Claims (15)

1.一种用于单相循环转换器中线循环能量储存的方法，包括：
从所述单相循环转换器的输入端口接收输入功率；
监测所述单相循环转换器的AC输出端口；
测量在与所述单相循环转换器的所述AC输出端口的一条线相联接的线循环能量储存电路中储存的能量；
确定在所述AC输出端口监测的AC电压与在所述线循环能量储存电路中测量的电压之间的相位差；以及
基于所述相位差控制所述单相循环转换器中的多个开关以将能量选择性地储存在所述线循环能量储存电路中，其中，所述多个开关包括并联联接的第一对开关、第二对开关以及第三对开关；其中，所述第一对开关、所述第二对开关以及所述第三对开关中的每个为双向四象限开关；以及其中，所述线循环能量储存电路联接在所述多个开关中的两个开关的漏极端子之间。
2.如权利要求1所述的方法，其中，控制所述单相循环转换器中的所述多个开关还包括：
操作所述多个开关以使跨过所述线循环能量储存电路的电压与所述监测的AC电压相比时具有45度的相位差。
3.如权利要求2所述的方法，其中，当与进一步联接至AC源的所述监测的AC输出端口的电流相比时，所述线循环能量储存电路的电流具有135度的电流相位差。
4.如权利要求1所述的方法，其中，控制所述单相循环转换器中的所述多个开关还包括：
操作所述多个开关以使所述监测的AC电压的幅值等于在所述线循环能量储存电路测量的电压的幅值。
5.如权利要求1所述的方法，其中，控制所述单相循环转换器中的所述多个开关还包括：
在使跨过所述线循环能量储存电路的电压幅值与通过所述线循环能量储存电路循环的电流的幅值减半的功率减小的模式中的操作。
6.如权利要求1所述的方法，其中，控制所述单相循环转换器中的所述多个开关还包括：
操作所述多个开关以使所述线循环能量储存电路的电流幅值与联接至AC源的所述监测的AC输出端口的电流幅值为相同值。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述接收的输入功率为DC功率以及所述AC输出端口联接至AC源。
8.如权利要求1所述的方法，还包括：
通过包括联接至所述输出端口的至少一个线循环电容器和至少一个电感器的所述线循环能量储存电路提供无功功率支持和滤波。
9.一种操作成在单相循环转换器中提供线循环能量储存的设备，包括：
控制器，操作所述单相循环转换器的多对开关；
并联联接的第一对开关、第二对开关以及第三对开关，其中，所述第一对开关、所述第二对开关以及所述第三对开关中的每个为双向四象限开关；
AC输出端口，跨接在所述第一对开关和所述第二对开关上；
线循环能量储存电路，联接至用于单相操作的所述AC输出端口，并且联接在所述第一对开关、所述第二对开关以及所述第三对开关中的两个开关的漏极端子之间；以及
监测电路，联接至所述控制器，配置成测量所述AC输出端口和所述线循环能量储存电路处的电压，并在所述测量的电压之间维持预定的相位差。
10.如权利要求9所述的设备，其中，所述线循环能量储存电路包括联接在所述AC输出端口的线与所述第三对开关之间的至少一个线循环电容器。
11.如权利要求10所述的设备，其中，所述控制器操作所述第一对开关、所述第二对开关以及所述第三对开关，以使所述线循环能量储存电路的电压与联接至所述AC输出端口的末端的AC源的电压具有45度相位差。
12.如权利要求10所述的设备，其中，所述控制器操作所述第一对开关、所述第二对开关以及所述第三对开关，以使所述线循环能量储存电路的电流与联接至所述AC输出端口的末端的AC源的电流具有135度相位差。
13.如权利要求10所述的设备，其中，所述线循环能量储存电路通过集成有至少一个电容器和电感器的电缆联接在所述AC输出端口与AC源之间。
14.如权利要求9所述的设备，其中，所述线循环能量储存电路包括串联联接至所述AC输出端口的每条线的至少一个电涌保护电感器以及并联联接在所述AC输出端口的每条线之间的至少一个电容器。
15.如权利要求9-14中的任一项所述的设备，还包括至少一个光伏模块，其中，所述单相循环转换器为功率转换系统的一部分，并且所述光伏模块为所述功率转换系统提供DC输入。
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