CN105680471A - 用于来自可再生能源的功率的转换和优化消耗管理的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于来自可再生能源的功率的转换和优化消耗管理的装置。公开了不仅用于在家庭环境中转换和优化管理从可再生能源且特别是从太阳能源产生的功率且适合于控制功率的使用以便最大化管理成本效益同时确保优化光伏发电机的能量收集的装置。

Description

用于来自可再生能源的功率的转换和优化消耗管理的装置
发明领域
本发明涉及用于功率转换的系统，特别是但不排他地，本发明涉及用于转换由光伏电池板系统产生的功率并适合于直接连接到电网的系统。
背景技术
在功率转换的技术领域中且特别是在适合于直接连接电网的用于转换由光伏电池板和风力系统产生的功率的系统的技术领域中，不仅在家庭环境中且在有来自可再生能源的发电的情况下管理功率消耗越来越重要。
这种类型的系统包括与逆变器装置相关的、来自替代能源(例如光伏电池板)的功率的发电机，逆变器装置又连接到交流电压电网和可能连接到适合于也在有所述电网AC电压的情况下操作的一组蓄电池以优化来往电网的功率的传输。
例如包括由第一DC-DC转换器和第二DC-AC转换器组成的双转换级的所述逆变器装置适合于将来自替代能源(光伏电池板、风力涡轮机等)的功率转换成交流功率用于供应到主电网(例如eNEL电网)。
在特别是包括光伏发电机的可再生能源的情况下，所述类型的功率转换系统必须管理光伏发电机的功率产生和所述功率到主电网的供应。
除此以外，这种类型的系统还必须管理配电供应商通常强加于在电网中本地产生的功率的供应上的规则——变得对用户越来越严格和难以负担的规则。这些规则确保家庭安装的理想情况是所述家庭安装在以下两方面都尽可能独立于电网：能量的使用方面——自产能量比从电网得到能量明显更方便，和自产功率到电网的供应方面，其受到越来越严格的约束且当不是已经难以负担时对个人用户越来越不方便。
因此，本发明的目的是提供不仅用于转换和优化管理从可再生能源且特别是从太阳能源产生的功率用于家庭使用并适合于控制功率的使用以便最大化管理成本效益同时确保MPPT(最大功率点跟踪)、即最大化通过光伏发电机的能量功率收集的装置。
本发明的另一目的是提供用于产生功率的光伏系统，其包括不仅用于在家庭环境中的功率的转换和使用的优化管理并适合于控制所产生的功率的使用以便最大化管理成本效益的装置。
从作为非限制性例子给出并在附图中示出的下面的详细描述中，本发明的另外的目的、特征和优点将变得更明显，其中：
图1根据本发明示出用于转换并管理从可再生能源产生的功率并适合于直接连接到电网的装置的优选实施方式的示意性方框图；
图2示出在一天期间光伏发电机的典型功率产量的图；
图3示出与一些电网供应商强加于可被供应到电网的自产功率的数量上的限制有关的、在一天期间光伏发电机的典型功率产量的图；
图4根据本发明示出功率转换和管理装置的优选操作模式之一。
本发明的详细描述
参考附图1，根据本发明的装置包括：
输入端子20，其耦合到优选地来自例如基于光伏或风能源的可再生能源的发电机的DC电压；
逆变器模块10，其又包括：
第一DC-DC转换级11，其在输入端连接到所述输入端子20，
第二DC-AC转换级12，其具有耦合到所述第一DC-DC转换级11的输出端的输入端和连接到电网21的输出端，
电池充电器模块19，其在输入端关联到所述第一DC-DC转换级11的输出端和所述第二DC-AC转换级12的输入端，
控制模块17，其适合于调节所述逆变器模块10的操作；
电池模块13，其根据通常被称为“DC链路系统”的配置通过所述电池充电器模块19关联到所述第一DC-DC转换级11的输出端和所述第二DC-AC转换级12的输入端，所述电池模块13适合于在再充电期间存储来自所述第一级11的功率并在放电期间将能量供应到所述第二级12；
至少一个房屋负载14，其关联到所述第二级12的输出端和电网21；
功率计量设备，其适合于测量输入到所述逆变器模块10/从所述逆变器模块10输出的功率和由电网21吸收或供应到电网21的功率；
切换模块16，其适合于控制所述至少一个房屋负载14的接通或断开。
所述控制模块17还关联到所述功率计量设备和所述切换模块16并关联到优选地包括至少显示器和键盘的用户接口。
所述功率计量设备优选地包括在所述至少一个房屋负载14的下游连接在所述第二级12的输出端和电网21之间的AC功率消耗的双向计量设备15。
更详细地，所述第一DC-DC转换级11适合于转换来自可再生能源例如光伏发电机的在不同电平的直流电压的输入直流电压并调节光伏发电机的负载以便例如在光伏能源的情况下通过应用已知的MPPT(最大功率点跟踪)技术来优化其操作。
所述第二DC-AC转换级12适合于将来自所述第一级11的输出中的直流电压转换成适合于供应到电网21并给电气负载例如家用电器等供电的交流电压。
所述控制模块17特别是通过适当地与所述功率计量设备和与所述切换模块16交互而适合于管理从所述可再生能源产生的功率的使用，以便特别是通过最大化所谓的自消耗和最大化自足性来最大化管理成本效益，自消耗被定义为由用户在他家里消耗的自产功率或电能的量与自产功率或电能的总量之比，自足性即在本地产生和使用的功率或电能的部分与由用户在他家里消耗的功率或电能的总量之比。
更一般地，根据本发明的装置的控制模块17允许调节所述逆变器模块10和所述切换模块16的操作，使得到所述逆变器模块10的输入功率/来自所述逆变器模块10的输出功率的值与由电网21吸收或供应到电网21的功率的值的组合大约等于所需的值。
以这种方式，通过作用于所涉及的各种功率——每一个可选地由例如具有在0和1之间的值的适当和预先定义的乘法系数加权——的适当组合，可能使根据本发明的装置的操作适应于所有各种条件，根据待实现的结果例如成本效益、自己的消耗、能量自足性等优化其行为。
考虑例如包括光伏发电机的可再生能源，在附图2中示出的曲线图代表在典型的一天中所述光伏发电机的产量。垂直线大致指示能量产量峰值时间。
参考所描述的逆变器模块10，在可选择的操作模式之一中，我们认为在有最大功率产量时的时间之前，完全利用包含在所述电池组13中的功率以满足所述至少一个房屋负载14的需求是优选的。事实上，在接下来的时间中，由所述光伏发电机产生的相当大数量的功率仍然可用于对电池完全充电，以便满足所述至少一个房屋负载14的夜晚消耗峰值。
在附图3中所示的曲线图仍然代表在典型的一天中所述光伏发电机的产量，其与常常由电网21供应商强加于可被自由供应到电网或至少不引起奖励比率的减少或甚至处罚的自产功率的量的限制有关，该限制由水平线表示。
最左边的垂直线指示上述限制被超过时的时间。
因此在达到上述限制的时间之前，完全使用包含在所述电池组13中的能量以满足所述至少一个房屋负载14的需求是优选的。因此目的是达到当产量限制被超过时，该电池组13包含最小可能数量的功率，以便能够通过给所述电池组13再充电来吸收过量的自产功率。
在后一情况下，所述电池组13因此用作功率缓冲器，该功率缓冲器能够针对待供应到的负载和针对控制并限制自产功率到电网的供应的供应商的要求来优化自产功率管理。
为了进一步优化自产功率的管理，所述切换模块16连接或断开所述第二级12的输出端与所述至少一个房屋负载14，以便特别是通过最大化所谓的自消耗和最大化自足性来最大化管理成本效益，自消耗被定义为由用户在他家里消耗的自产功率的量与自产功率的总量之比，自足性即在本地产生和使用的功率的部分与由用户在他家里消耗的功率的总量之比。
在本发明的优选实施方式中，所述切换模块16包括适合于停止或启动向所述至少一个房屋负载14供应功率的至少一个受控开关18。
在本发明的另一优选实施方式中，可通过能够驱动对设置有适当的通信接口的房屋负载(所谓的智能家电)的接通或断开的任何通信线——有线或无线——来实现所述切换模块16。
参考附图1，我们可看到由光伏发电机产生的功率P1、来自所述第二级12的输出中的功率P2、给所述至少一个房屋负载14供电的功率P3、从所述双向计量设备15流出(在这种情况下被指示为P4-)和流到所述双向计量设备15(在这种情况下被指示为P4+)的双向功率P4以及分别在放电期间从所述电池组13流出(在这种情况下被指示为P5+)和在再充电步骤期间流到所述电池组13(在这种情况下被指示为P5-)的同样双向的功率P5。
由逆变器模块10产生的功率P2是可用可再生功率P1(例如通过由所述控制模块17实现的MPPT算法被最大化)和可由电池供应或吸收的功率P5的函数。
事实上，所述控制模块17读取双向计量设备15并接收关于与电网交换的功率P4的量的信息。此时，所述控制模块17调节所述逆变器模块10的操作以便通过改变与所述电池组13交换的功率P5的份额而将与电网交换的功率P4保持在由用户设置的阈值处。
此外，所述控制模块17控制所述切换模块16以便接通或断开房屋负载(锅炉、加热器等)。控制模块17因此起作用以便也根据需要基于用户的设置并基于所测量的瞬时功率P1、P2、P5和P4的值来改变家庭消耗P3。
例如，所述控制模块17可操作以便例如通过使用适当的MPPT算法来最大化如上面定义的自消耗以及可用可再生功率P1。由用户在他家里消耗的自产电力的量因此等于自产电力(等于自产功率P2乘以时间t的乘积)减去被供应到电网21的电力(等于流到所述双向计量设备15的功率P4+乘以时间t的乘积)。
因此，一般地说，目的是最大化下面的比：
[(P2)*t–(P4+)*t]/P2*t
为了这么做，所述控制模块17可操作以便根据下面的模式驱动所述切换模块16：
a)所述逆变器模块10的调节和所述切换模块16的接通以及因而属于它的一个或多个开关18的闭合取决于达到被供应到电网21并由所述双向计量设备15检测到的自产功率P4+的阈值(P4+)th。实际上，当被供应到电网的自产功率P4+的量变得太大并可能变成对供应商或用户来说不希望有的过量部分时，所述至少一个房屋负载14中的一个或多个被启动以便将该过量部分用到连接到所述逆变器模块10的房屋家电。在这种情况下，通过保持比率[(P2)*t–(P4+)*t]/P2*t高，来最大化自消耗，且超过由供应商对供应到电网的自产电力的量强加的限制也被防止。如果所述至少一个房屋负载14中的一个或多个的启动不足以落在期望限制内，则在这个操作模式中可能进一步限制由所述第二级12的所述逆变器产生的功率。
b)所述逆变器模块10的调节和所述切换模块16的启动以及因而属于它的一个或多个开关18的闭合取决于达到被供应到电网21的自产功率P4+的水平的阈值。实际上，当被供应到电网的自产功率P4+的量变得太大并超过某个启动阈值时，所使用的功率P5-的量增加以给所述电池组13充电和/或一个或多个所述至少一个房屋负载14被启动。
在这种情况下的目标是防止超过由供应商对供应到电网的自产功率的量设置的限制，和通过相对于电池充电将优先级分配到房屋负载14来最大化自消耗，同时总是通过例如使用适当的算法MPPT来最大化可用可再生功率P1。因为负载14被指定优先级，为了满足负载的要求，电池充电可被中断，且它也可被设置为放电。如果所述至少一个房屋负载14中的一个或多个的启动不足以落在期望限制内且仍然超过由电网供应商强加的被供应到电网的自产功率P4+的限制，则在这个操作模式中，可能限制由所述第二级12的所述逆变器产生的功率P2。
c)所述切换模块16的启动以及因而属于它的一个或多个开关18的闭合取决于达到由所述第二级12供应的功率P2的水平的阈值。实际上，当由所述第二级12的逆变器供应的功率的量变得太大并超过启动阈值时，所述至少一个房屋负载14中的一个或多个被启动。在这种情况下，不一定使用所述双向计量设备15，因为功率P2直接由所述第二级12的逆变器读取，且如在前一情况b)中的必须减小功率P2也被防止。
d)所述逆变器模块10的调节和所述切换模块16的启动以及因而属于它的一个或多个开关的闭合以如下方式发生，以便在第一时间窗中将更高的优先级给予所述电池模块13的放电(例如使用包含在其中的功率用于给所述至少一个房屋负载14供电和/或将该功率转换成AC发送到电网21)，并接着在第二时间窗中将更高的优先级给予所述电池模块13的充电。以这种方式，确保所述电池模块13在所述第一时间窗结束时包含尽可能少的量的功率，使本身可用于在相继的时间窗中累积在给所述逆变器模块10的输入中提供的功率的可能过量部分。
e)如在附图4中所示的，所述切换模块16与多个时间窗相关，在所述时间窗内，不同的启动阈值关于不同的控制参数被评估。以这种方式，所述启动阈值可与被供应到电网21的自产功率P4+、被供应到电网的自产功率和电池充电功率的和(P4+)+(|P5-|)或所产生的光伏功率P1有关。
其它操作模式可由用户通过经由优选地包括至少显示器和键盘的相应用户接口对所述控制模块17起作用来被编程和选择。
也清楚的是，基于功率值的读取、计算和设置而描述的操作模式当然可简单地通过引入适当的参考时间间隔来扩展到不基于功率值但基于电能的类似操作模式，因为如已知的能量等于功率乘以时间。

Claims (13)

1.一种用于转换和管理功率的装置，包括：
输入端子(20)，其耦合到输入DC电压；
逆变器模块(10)，其包括：在输入端连接到所述输入端子(20)的第一DC-DC转换级(11)、具有耦合到所述第一DC-DC转换级(11)的输出端的输入端和连接到电网(21)的输出端的第二DC-AC转换级(12)、在输入端关联到所述第一DC-DC转换级(11)的输出端和所述第二DC-AC转换级(12)的输入端的电池充电器模块(19)以及适合于调节所述逆变器模块(10)的操作的控制模块(17)；
电池模块(13)，其耦合到所述电池充电器模块(19)的输出端，所述电池模块(13)适合于在再充电期间存储来自所述第一DC-DC转换级(11)的功率并在放电期间将功率供应到所述第二DC-AC转换级(12)；
至少一个房屋负载(14)，其关联到所述第二级(12)的输出端和所述电网(21)；
功率计量设备，其适合于测量输入到所述逆变器模块(10)/从所述逆变器模块(10)输出的功率和由所述电网(21)吸收或供应到所述电网(21)的功率；
切换模块(16)，其关联到所述至少一个房屋负载(14)并适合于控制所述至少一个房屋负载(14)的接通或断开；
特征在于，
所述控制模块(17)还关联到所述功率计量设备和所述切换模块(16)，并适合于调节所述逆变器模块(10)和所述切换模块(16)的操作，使得乘以合适倍增系数的、到所述逆变器模块(10)的输入功率(P1，P5+)的值/来自所述逆变器模块(10)的输出功率(P2，P5-)的值与由所述电网(21)吸收的功率(P4-)的值或供应到所述电网(21)的功率(P4+)的值的组合实质上等于所需的值。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制模块(17)适合于：根据适合于最大化由所述至少一个房屋负载(14)吸收的自产功率部分(P1)和总自产功率(P1)之间的比的操作模式，来调节所述逆变器模块(10)和所述切换模块(16)的操作。
3.如前述权利要求中的一项或多项所述的装置，其特征在于，所述控制模块(17)适合于：根据适合于最大化由所述至少一个房屋负载(14)吸收的自产功率部分(P1)和由所述至少一个房屋负载(14)吸收的总功率(P3)之间的比的操作模式，来调节所述逆变器模块(10)的操作和所述切换模块(16)的操作。
4.如前述权利要求中的一项或多项所述的装置，其特征在于，所述控制模块(17)适合于：根据适合于通过增加由所述至少一个房屋负载(14)吸收的功率(P3)来限制被供应到所述电网(21)的来自所述第二级(12)的输出中的功率(P4+)的操作模式，来调节所述逆变器模块(10)的操作和所述切换模块(16)的操作。
5.如前述权利要求中的一项或多项所述的装置，其特征在于，所述控制模块(17)适合于：根据适合于通过增加来自所述电池充电器模块(19)的输出中的功率(P5-)来限制被馈送到所述电网(21)的功率(P4+)的操作模式，来调节所述逆变器模块(10)的操作和所述切换模块(16)的操作。
6.如前述权利要求中的一项或多项所述的装置，其特征在于，所述控制模块(17)适合于：根据适合于在第一时间窗中给所述电池模块(13)的放电以优先级而在第二时间窗中给所述电池模块(13)的充电以优先级的操作模式，来调节所述逆变器模块(10)的操作和所述切换模块(16)的操作。
7.如前述权利要求中的一项或多项所述的装置，其特征在于，所述控制模块(17)适合于定义在同一天内的多个时间窗，不同的操作模式应用于所述时间窗。
8.如前述权利要求中的一项或多项所述的装置，其特征在于，所述控制模块(17)包括用户接口，所述用户接口至少包括显示器和键盘。
9.如前述权利要求中的一项或多项所述的装置，其特征在于，所述切换模块(16)至少包括受控开关(18)，所述受控开关(18)适合于中断或启用给所述至少一个房屋负载(14)的功率供应。
10.如前述权利要求中的一项或多项所述的装置，其特征在于，所述切换模块(16)包括适合于驱动所述至少一个房屋负载(14)的接通或断开的有线或无线的通信接口，所述至少一个房屋负载(14)设置有与所述通信接口兼容的通信设备。
11.如前述权利要求中的一项或多项所述的装置，其特征在于，耦合到所述输入端子(20)的所述DC输入电压由基于光伏能源的可再生电力的发电机产生。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述第一DC-DC转换级(11)适合于通过应用MPPT算法来调节所述基于光伏能源的可再生电力的发电机的负载。
13.一种光伏装置，其用于产生单相或三相交流功率并将所述单相或三相交流功率供应到公用电网(21)或房屋负载(14)，所述光伏装置包括：至少一个光伏电池板，其包括电输出端，适合于暴露于太阳辐射用于接收太阳能，并适合于从所述太阳能产生直流电压和功率；用于转换和管理功率的装置，其包括电输出端和连接到所述光伏电池板的电输出端的输入端子(20)，所述用于转换和管理功率的装置适合于将所述直流电压和功率转换成单相或三相交流电压和功率并通过所述电输出端供应该单相或三相交流电压和功率，以由连接到所述电输出端的公用电网(21)或房屋负载(14)使用，其中所述用于转换和管理功率的装置为根据权利要求1到12中的一项或多项所述的类型。
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