CN107809212B - 光伏逆变器 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种光伏逆变器，其通过将存储在DC链路电容器中的DC电压的反向电压施加到太阳能电池阵列来防止光伏发电效率降低。光伏逆变器包括：DC链路电容器，其被配置为存储从太阳能电池阵列输出的DC电压；功率转换级，其被配置为通过使用存储在DC链路电容器中的DC电压来生成AC功率，以将生成的AC功率传送到功率系统；以及控制器，其被配置为取决于太阳能电池阵列的驱动值是否满足预定的驱动条件而将存储在DC链路电容器中的DC电压施加到功率转换级或者将存储在DC链路电容器中的DC电压的反向电压施加到太阳能电池阵列。

Description

光伏逆变器
技术领域
本公开涉及一种光伏逆变器，并且更具体地涉及通过将存储在DC链路电容器中的DC电压的反向电压施加到太阳能电池阵列来防止光伏发电效率降低的光伏逆变器。
背景技术
由于诸如气候变化等不利影响，化石燃料作为主要能源的使用越来越受到限制。最近，随着煤炭和石油消耗，可再生能源受到关注。因此，可再生能源发电系统变得重要，这是因为其能够生产环保的电功率并且稳定且有效地供应产生的电功率。
在这些当中，光伏系统占有优势，这是因为它具有较少的安装限制并且可自由确定尺寸的优点，这满足了能源趋于多样化和分散化的现状的要求。光伏系统基本上包括太阳能电池阵列和光伏太阳能逆变器。光伏逆变器用于将太阳能电池阵列中生成的DC功率转换为AC功率。
典型地，将太阳能电池阵列安装在被连接到地电位的金属框架中。出于稳定性原因，太阳能电池阵列的输出端子不被连接到地电位。因此，在金属框架和太阳能电池阵列之间产生电位差。如果这样的电位差持续，则发生极化，即在太阳能电池阵列中生成的一些电子通过金属框架流出。这种极化降低了发电的效率，这被称为电位诱发衰减(PID)。
作为改善这种PID的已知方法，先前已经提出了向太阳能电池阵列施加反向电压。在下文中，将参考图1详细描述用于改善PID的现有光伏系统。
图1是用于示出在现有的光伏系统中使用附加的偏移盒而向太阳能电池阵列施加反向电压的方案的图。参考图1，现有的光伏系统包括太阳能电池阵列13、光伏逆变器10和功率系统14。
光伏逆变器10包括DC链路电容器11和功率转换级12。DC链路电容器11存储从光伏阵列13输出的DC电压。此外，功率转换级12将存储在DC链路电容器11中的DC电压转换成AC功率并且将AC功率供应给功率系统14。
根据用于减少PID的现有方案，在光伏发电停止之后，单独的偏移盒20被用于在光伏发电期间施加与被施加到太阳能电池阵列13的电压极性相反的反向电压。
更具体地，当光伏发电停止时，功率转换级12和功率系统14之间的连接以及太阳能电池阵列13和DC链路电容器11之间的连接被切断，并且存储在DC链路电容器11中的高电压通过快速放电电路放电。
太阳能电池阵列13的输出端子分别被连接到具有相反极性的偏移盒20的端子。偏移盒20向太阳能电池阵列13施加反向电压以减少极化。
然而，根据现有的方案，存在除了光伏逆变器之外还需要分开安装的附加偏置盒以减少PID的问题，引起了不必要的成本。
此外，根据现有的方案，从光伏系统外部的外部源供应的功率被用于减少PID，使得存储在DC链路电容器中的剩余能量不能被有效地利用。
发明内容
本公开的目的是提供一种光伏逆变器，其能够通过将存储在DC链路电容器中的DC电压的反向电压施加到太阳能电池阵列来防止光伏发电效率降低。
本公开的另一个目的是提供一种光伏逆变器，其能够通过基于例如太阳能电池阵列的输出电压的大小、驱动时间、极化强度而确定是施加存储在DC链路电容器中的DC电压还是其反向电压来提高光伏发电的效率。
本公开的另一个目的是提供一种光伏逆变器，其能够通过控制将太阳能电池阵列连接到DC链路电容器的开关以将反向电压施加到太阳能电池阵列而不存在用于施加反向电压的单独模块来节省用于建立光伏系统的成本。
本公开的另一个目的是提供一种光伏逆变器，其能够通过使用从太阳能电池阵列输出的开路电压来减少太阳能电池阵列的极化而不是对开路电压进行放电，从而有效地利用光伏发电的剩余能量。
本公开的目的不限于上面描述的目的，并且本领域技术人员可以从以下描述中理解其它目的和优点。此外，将容易地理解，本公开的目的和优点可以通过所附权利要求及其组合中所述的手段来实践。
根据本公开的一个方面，光伏逆变器包括：DC链路电容器，其被配置为存储从太阳能电池阵列输出的DC电压；功率转换级，其被配置为通过使用存储在DC链路电容器中的DC电压来生成AC功率，以将生成的AC功率传送到功率系统；以及控制器，其被配置为取决于太阳能电池阵列的驱动值是否满足预定的驱动条件而将存储在DC链路电容器中的DC电压施加到功率转换级或者将存储在DC链路电容器中的DC电压的反向电压施加到太阳能电池阵列。
根据本公开的示例性实施例，可以通过将存储在DC链路电容器中的DC电压的反向电压施加到太阳能电池阵列来防止光伏发电效率降低。
根据本公开的另一示例性实施例，可以通过基于例如太阳能电池阵列的输出电压的大小、驱动时间、极化强度而确定是施加存储在DC链路电容器中的DC电压还是其反向电压来提高光伏发电的效率。
根据本公开的示例性实施例，可以通过控制将太阳能电池阵列连接到DC链路电容器的开关来将反向电压施加到太阳能电池阵列，而没有用于施加反向电压的单独模块，从而节省了用于配置光伏系统的成本。
此外，根据本公开的示例性实施例，从太阳能电池阵列输出的开路电压不被放电，而是被用于减少太阳能电池阵列的极化，使得光伏发电的剩余能量可以有效地被利用。
附图说明
图1是用于示出使用现有光伏系统中的附加偏移盒而向太阳能电池阵列施加反向电压的方案的图；
图2是用于示出根据本公开的示例性实施例的光伏逆变器的图；
图3是用于示出被连接到太阳能电池阵列和功率系统的根据本公开的示例性实施例的光伏逆变器的图；
图4是用于示出根据本公开的示例性实施例的被连接在太阳能电池阵列和DC链路电容器之间的开关单元的图；
图5是用于示出根据本公开的示例性实施例的被连接到太阳能电池阵列的光伏逆变器的图；
图6是用于示出被配置为将存储在DC链路电容器中的DC电压施加到功率转换级的电路的图；
图7是用于示出被配置为通过DC链路电容器存储从太阳能电池阵列输出的开路电压的电路的图；并且
图8是用于示出被配置为将存储在DC链路电容器中的DC电压的反向电压施加到太阳能电池阵列的电路的图。
具体实施方式
从参考附图的详细描述，上述目的、特征和优点将变得显而易见。实施例被足够详细地描述以使本领域技术人员能够容易地实践本公开的技术思想。可以省略对公知的功能或构造的详细描述，以免不必要地模糊本公开的要点。在下文中，将参考附图详细描述本公开的实施例。贯穿附图，相同的附图标记表示相同的元件。
图2是用于示出根据本公开的示例性实施例的光伏逆变器100的图。参考图2，根据本公开的示例性实施例的光伏逆变器100包括DC链路电容器110、功率转换级120、控制器130和开关单元140。图2中示出的光伏断路器100仅仅是本公开的示例性实施例，并且元件不限于图2中示出的那些。一些元件可以根据需要被添加、修改或清除。
图3是用于示出被连接到太阳能电池阵列310和功率系统320的根据本公开的示例性实施例的光伏逆变器100的图。在下文中，将参考图2和图3详细描述光伏逆变器100及其元件，即DC链路电容器110、功率转换级120、控制器130和开关单元140。
参考图3，根据本公开的示例性实施例的DC链路电容器110可以存储从太阳能电池阵列310输出的DC电压。更具体地，DC链路电容器110可以存储从太阳能电池阵列310输出的DC电压并通过开关单元140传送。开关单元140可形成传输路径，从太阳能电池阵列310输出的DC电压通过该传输路径被传送，这将在后面描述。
太阳能电池阵列310可以包括串联或并联连接的一个或多个太阳能电池板，其使用太阳能产生电能。太阳能电池阵列310可以将入射的太阳光的光能转换为DC电压并将其输出。
DC链路电容器110可以存储从具有等于或大于预定电平的电压电平的太阳能电池阵列310输出的DC电压，以将电压供应给稍后将描述的功率转换级120。为此，可以在DC链路电容器110和太阳能电池阵列310之间布置DC/DC转换器，其为步升电路或开关稳压器等。DC链路电容器110可以通过对来自DC/DC转换器和开关稳压器等的输出电压进行平滑来存储预定电平或以上的DC电压。
返回参考图3，功率转换级120可以使用存储在DC链路电容器110中的DC电压生成AC功率，并且可以将生成的AC功率传送到功率系统320。更具体地，功率转换级120可以通过PWM(脉宽调制)控制将存储在DC链路电容器110中的DC电压转换为交流电。
功率转换级120还可以包括用于对存储在DC链路电容器110等中的DC电压进行步升的DC/DC转换器。功率转换级120可以将通过PWM(脉宽调制)控制被步升的DC电压转换为交流电。
功率系统320可以包括执行功率的生成和使用的系统。例如，功率系统320可以包括消耗从典型家庭到大型工业设施的功率的任何系统。
根据本公开的示例性实施例的控制器130可以确定太阳能电池阵列310的驱动值是否满足预定的驱动条件。控制器130可以基于确定结果将存储在DC链路电容器110中的DC电压施加到功率转换级120。此外，控制器130可以基于确定结果将存储在DC链路电容器110中的DC电压的反向电压施加到太阳能电池阵列310。
太阳能电池阵列310的驱动值可以包括以下中的至少一个：从太阳能电池阵列310输出的DC电压的大小、太阳能电池阵列310的驱动时间、太阳能电池阵列310的驱动时间段以及太阳能电池阵列310的极化强度。
如本文使用的，驱动时间是指太阳能电池阵列310当前被驱动的时间，并且驱动时间段是指从太阳能电池阵列310开始被驱动直到现在为止的经过的连续时间。
例如，当当前时间为2:30pm时，对于从上午10:00am开始驱动的太阳能电池阵列310，驱动时间为2:30pm，并且驱动时间段为4小时又30分钟。极化强度[C/m2]是表示每单位面积的极化电荷量或每单位面积引起的电偶极矩的密度的数值。
驱动条件是驱动太阳能电池阵列310，并且可以根据太阳能电池阵列310的驱动值来设置。更具体地，如果太阳能电池阵列310的驱动值是从太阳能电池阵列310输出的DC电压的大小，则驱动条件可以是用于驱动太阳能电池阵列310的电压范围。
例如，从太阳能电池阵列310输出的DC电压的大小可以为600V，并且驱动条件、即驱动电压的范围可以为400V或更高。在该示例中，DC电压的大小大于400V，并且因此太阳能电池阵列310的驱动值可以满足驱动条件。
如果太阳能电池阵列310的驱动值是太阳能电池阵列310的驱动时间，则当太阳能电池阵列310的驱动时间位于预定的驱动开始时间和预定的驱动结束时间内时，可以满足驱动条件。
例如，太阳能电池阵列310的驱动时间为5:30pm并且太阳能电池阵列310的驱动开始时间和驱动结束时间(其为驱动条件)可以分别为10:00am和6:00pm。在这个示例中，由于时间5:00pm在上午10:00至下午6:00之间，因此太阳能电池阵列310的驱动值可以满足太阳能电池阵列310的驱动条件。
当太阳能电池阵列310的驱动值是太阳能电池阵列310的驱动时间段时，当太阳能电池阵列310的驱动时间段位于预定的最大驱动时间段内时，可以满足驱动条件。
例如，太阳能电池阵列310的驱动时间段为12小时，并且太阳能电池阵列310的最大驱动时间(其驱动条件)可以为10小时。在该示例中，驱动时间段大于10小时，太阳能电池阵列310的驱动值可能不满足驱动条件。
如果太阳能电池阵列310的驱动值是太阳能电池阵列310的极化强度，则如果太阳能电池阵列310的极化强度位于用于驱动太阳能电池阵列310的极化强度的范围内，则可以满足预定的驱动条件。
例如，用于驱动太阳能电池阵列310的极化强度的范围可以被设置为小于特定的极化强度。极化强度的范围可以取决于太阳能电池的性能和用户的设置而变化。
此外，根据本公开的示例性实施例，光伏逆变器还可以包括电压传感器、计时器、用于测量极化强度的装置等，以用于测量上面描述的太阳能电池阵列310的驱动值。
如上面描述的，如果太阳能电池阵列310的驱动电压满足预定的驱动条件，则控制器130可以将存储在DC链路电容器110中的DC电压施加到功率转换级120。另一方面，如果太阳能电池阵列310的驱动值不满足预定的驱动条件，则控制器130可以将存储在DC链路电容器110中的DC电压的反向电压施加到太阳能电池阵列310。
如本文使用的，反向电压是指具有与DC链路电容器110中存储的DC电压相同的大小和相反极性的电压。例如，如果存储在DC链路电容器110中的DC电压为+500V，则反向电压为-500V。
以这种方式，当存储在DC链路电容器110中的DC电压的反向电压被施加到太阳能电池阵列310时，可以减少在太阳能发电期间增加的太阳能电池的极化。因此，可以防止光伏发电效率降低。
根据本公开的示例性实施例，基于太阳能电池阵列310的各种驱动值来确定是施加存储在DC链路电容器110中的DC电压还是其反向电压，并且因此可以减少上面描述的太阳能电池的极化，并且还可以提高光伏发电的效率。
参考图3，控制器130控制开关单元140，使得存储在DC链路电容器110中的DC电压被施加到功率转换级120，或者存储在DC链路电容器110中的DC电压的反向电压被施加到太阳能电池阵列310。在下文中，将参考图4至图7详细描述由控制器130控制的开关单元140。
图4是用于示出根据本公开的示例性实施例的被连接在太阳能电池阵列和DC链路电容器之间的开关单元的图。参考图4，根据本公开的示例性实施例的开关单元140将太阳能电池阵列310的正极端子和负极端子连接到DC链路电容器110的正极端子和负极端子或者负极端子和正极端子，从而形成传输路径。
更具体地，开关单元140包括：第一开关，其被连接在太阳能电池阵列310的正极端子(+)和DC链路电容器110的正极端子(+)之间；第二开关，其被连接在太阳能电池阵列310的负极端子(-)和DC链路电容器110的负极端子(-)之间；第三开关，其被连接在太阳能电池阵列310的正极端子(+)和DC链路电容器110的负极端子(-)之间；以及第四开关，其被连接在太阳能电池阵列310的负极端子(-)和DC链路电容器110的正极端子(+)之间。
第一至第四开关可以由来自控制器130的控制信号而接通或关断。它们可以使用切换元件诸如门极可关断晶闸管(GTO)、双极结型晶体管(BJT)、金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)和IGBT(绝缘栅双极型晶体管)来实施。
图5是示出了根据本公开的示例性实施例的光伏逆变器100被连接到太阳能电池阵列310的电路的图。参考图5，光伏逆变器100可以被配置使得包括第一至第四开关、DC链路电容器110和功率转换级120的开关单元140共享正极端子和负极端子。
光伏逆变器100的正极端子可以分别经由第一开关和第四开关被连接到太阳能电池阵列310的正极端子和负极端子。此外，光伏逆变器100的负极端子可以分别经由第二开关和第三开关被连接到太阳能电池阵列310的负极端子和正极端子。
尽管在附图中未示出，但是控制器130可以控制第一至第四开关以在太阳能电池阵列310和DC链路电容器110之间形成传输路径。
功率转换级120可以通过诸如PWM控制的切换控制将存储在DC链路电容器110中的DC电压转换为交流电，以生成AC功率。为此，功率转换级120可以包括多个切换元件。功率转换级120还可以包括被连接到功率系统320的断路器以将生成的AC功率传送到功率系统320。
图6是用于示出处于将存储在DC链路电容器110中的DC电压施加到功率转换级120的模式的电路的图。参考图6，如果太阳能电池阵列310的驱动值满足预定的驱动条件，则控制器130接通第一开关和第二开关，并关断第三开关和第四开关。
更具体地，如果满足了用于驱动太阳能电池阵列310的条件，则控制器130接通第一开关和第二开关，并关断第三开关和第四开关，以形成传输路径。换句话说，如果满足了用于驱动太阳能电池阵列310的条件，则太阳能电池阵列310的正极端子和负极端子可以分别被连接到DC链路电容器110的正极端子和负极端子。
因此，DC链路电容器110可以存储从太阳能电池阵列310输出的DC电压VDC。功率转换级120可以通过切换控制将存储在DC链路电容器110中的DC电压VDC转换成AC功率，并且经由断路器将AC功率传送到功率系统320。
图7是示出了根据本公开的示例性实施例的被配置为由DC链路电容器110来存储从太阳能电池阵列310输出的开路电压(Vopen)的电路的图。图8是用于示出被配置为将存储在DC链路电容器110中的DC电压的反向电压施加到太阳能电池阵列310的电路的图。
参考图7，如果太阳能电池阵列310的驱动值不满足预定的驱动条件，则功率转换级120可以中断被传送到功率系统320的AC功率。更具体地，如果不满足用于驱动太阳能电池阵列310的条件，则功率转换级120可以断开断路器以中断光伏逆变器100和功率系统320之间的连接。
再次参考图7，如果太阳能电池阵列310的驱动值不满足预定的驱动条件，则DC链路电容器110可以存储从太阳能电池阵列310输出的开路电压Vopen。
更具体地，如上面描述的，当功率转换级120关断断路器以中断光伏逆变器100和功率系统320之间的连接时，光伏逆变器100的内部电路可以是开路。太阳能电池阵列310的输出电压可以是开路电压Vopen，并且DC链路电容器110可以存储从太阳能电池阵列310输出的开路电压Vopen。
参考图8，如果太阳能电池阵列310的驱动值不满足预定的驱动条件，则控制器130可以关断第一开关和第二开关，并接通第三开关和第四开关。换句话说，如果满足了用于驱动太阳能电池阵列310的条件，则太阳能电池阵列310的正极端子和负极端子可以分别被连接到DC链路电容器110的负极端子和正极端子。
从太阳能电池阵列310的正极端子下降到太阳能电池阵列310的负极端子的电压可以是-VDC，其为DC链路电容器110中存储的DC电压VDC的反向电压。因此，当施加了反向电压时，太阳能电池阵列310的正极端子的电位可以低于太阳能电池阵列310的负极端子的电位。
另一方面，如果太阳能电池阵列310的驱动值不满足预定的驱动条件，则如上面描述的，光伏逆变器100的内部电路可以是开路。存储在DC链路中的DC电压VDC可以等于开路电压Vopen，并且从太阳能电池阵列310的正极端子下降到光伏电池阵列310的负极端子的电压可以是-Vopen。
如上面描述的，为了将开路电压Vopen的反向电压施加到太阳能电池阵列310，可以期望的是在控制器130控制开关单元140之前通过功率转换级120来断开断路器。
更具体地，当功率转换级120断开断路器时，开路电压Vopen被存储在DC链路电容器110中。然后，当控制器130控制开关单元140形成如图8中示出的传输路径时，开路电压Vopen的反向电压可以被施加到太阳能电池阵列310。
如上面描述的，根据本公开的示例性实施例，可以通过控制将太阳能电池阵列连接到DC链路电容器的开关来将反向电压施加到太阳能电池阵列，而没有用于施加反向电压的单独模块，从而节省了建立光伏系统的成本。
此外，根据本公开的示例性实施例，从太阳能电池阵列输出的开路电压不被放电，而是被用于减少太阳能电池阵列的极化，使得光伏发电的剩余能量可以有效地被利用。
根据本公开的示例性实施例，控制器130可以控制DC电压VDC，使得从太阳能电池阵列310输出的DC电压VDC跟踪太阳能电池阵列310的最大功率。
由于诸如太阳能电池阵列310的材料等因素，因此DC电压VDC和从太阳能电池阵列310输出的电流具有非线性特性。更具体地，随着DC电压VDC增加，从太阳能电池阵列310输出的电流逐渐下降并且然后在特定时间段内急剧下降。
因此，太阳能电池阵列310相对于直流电压VDC的发电随着DC电压VDC的增加而增加，并且当DC电流电压VDC超过一定电压时急剧下降。换句话说，当DC电压VDC为一定电压时，太阳能电池阵列310的发电量可以是最大值。
根据本公开的示例性实施例，控制器130可以控制从太阳能电池阵列310输出的电压VDC的大小，使得其基于太阳能电池阵列310的电特性而跟踪太阳能电池阵列310的最大功率(最大功率点跟踪(MPPT))。
可以根据现有技术中的各种实施例来执行这样的方法：控制从太阳能电池阵列310输出的DC电压VDC的大小，使得太阳能电池阵列310的发电量跟踪最大功率。
在不脱离本公开的范围和精神的情况下，本发明所属领域的技术人员可以对上面描述的内容进行各种替代、改变和修改。因此，本公开不限于上面提到的示例性实施例和附图。

Claims (5)

1.一种用于向太阳能电池阵列施加反向电压的光伏逆变器，其中，所述逆变器包括：
DC链路电容器，其配置为存储从所述太阳能电池阵列输出的DC电压；
功率转换级，其被配置为通过使用存储在所述DC链路电容器中的DC电压来生成AC功率，以将生成的AC功率传送到功率系统；
开关单元，包括：第一开关，其被连接在所述太阳能电池阵列的正极端子和所述DC链路电容器的正极端子之间；第二开关，其被连接在所述太阳能电池阵列的负极端子和所述DC链路电容器的负极端子之间；第三开关，其被连接在所述太阳能电池阵列的正极端子和所述DC链路电容器的负极端子之间；以及第四开关，其被连接在所述太阳能电池阵列的负极端子和所述DC链路电容器的正极端子之间；以及
控制器，其被配置为根据所述太阳能电池阵列的驱动值是否满足预定的驱动条件，控制所述开关单元，将存储在所述DC链路电容器中的DC电压施加到所述功率转换级，或者在利用所述功率转换级所包含的断路器断开向所述功率系统传送的所述AC功率之后，控制所述开关单元，将存储在所述DC链路电容器中的从所述太阳能电池阵列输出的开路电压的反向电压施加到所述太阳能电池阵列；
如果所述太阳能电池阵列的驱动值不满足所述预定的驱动条件，则所述控制器关断所述第一开关和所述第二开关，并且接通所述第三开关和所述第四开关。
2.根据权利要求1所述的逆变器，其中，所述太阳能电池阵列的驱动值包括以下中的至少一个：从所述太阳能电池阵列输出的DC电压的大小、所述太阳能电池阵列的驱动时间、所述太阳能电池阵列的驱动时间段和所述太阳能电池阵列的极化强度。
3.根据权利要求1所述的逆变器，其中，如果所述太阳能电池阵列的驱动值满足所述预定的驱动条件，则所述控制器将存储在所述DC链路电容器中的DC电压施加到所述功率转换级，并且其中如果所述太阳能电池阵列的驱动值不满足所述预定的驱动条件，则所述控制器将存储在所述DC链路电容器中的DC电压的反向电压施加到所述太阳能电池阵列。
4.根据权利要求1所述的逆变器，其中，如果所述太阳能电池阵列的驱动值满足所述预定的驱动条件，则所述控制器接通所述第一开关和所述第二开关，并且关断所述第三开关和所述第四开关。
5.根据权利要求1所述的逆变器，其中，如果所述太阳能电池阵列的驱动值不满足所述预定的驱动条件，则所述功率转换级中断被传送到所述功率系统的AC功率。
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