CN108475940A - 用于管理替代能量源与存储设备之间的功率流的方法和装置 - Google Patents

用于管理替代能量源与存储设备之间的功率流的方法和装置 Download PDF

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Abstract

公开了一种有效捕获和利用替代能量源的最大发电容量的系统。在替代能量源与负载之间提供了第一功率转换器。第一功率转换器被选择为使得该功率转换器的容量小于替代能量源的发电容量。第二功率转换器被选择为使得第二转换器的容量至少等于替代能量源和第一功率转换器的容量之间的差。提供电池以存储由替代能量源产生的附加能量，并且第二功率转换器连接在替代能量源的输出与电池之间。利用从第一功率转换器输出的功率来控制第二功率转换器的运行。

Description

用于管理替代能量源与存储设备之间的功率流的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年12月31日提交的并且名称为“Method and Apparatus forManaging Power Flow Between an Alternate Energy Source and a Storage Device”的美国临时申请序列号62/273,592的优先权，该美国临时申请的全部内容通过引用并入本文。
本发明的背景
本文公开的主题涉及用于管理替代能量源与存储设备之间的功率流的系统。更具体地说，第一功率转换器连接在替代能量源的输出与负载之间，第二功率转换器连接在替代能量源的输出与存储设备之间，并且功率转换器的操作被控制以向负载提供一致且可预测的功率。
如本领域的技术人员所知，替代能量源通常具有可变的发电容量(powergeneration capacity，功率产生容量、功率产生能力)并产生具有可变幅度和/或频率的电压。例如，光伏(PV)阵列产生幅度随着入射到PV板上的光变化的DC电压和电流。由于太阳的角度在空中变化，或者由于云在太阳与PV板之间经过，入射到PV板上的光的量和强度发生变化，从而改变由PV板产生的能量。类似地，风力涡轮机根据经过风力涡轮机的叶片的风速而旋转。因此，由旋转叶片驱动的交流发电机根据风速产生具有可变频率和/或幅度的电压。
期望将由替代能量源产生的可变电压转换成幅度和/或频率保持大体恒定或保持在可接受的变化范围内的电压，以便将该电压提供给负载或提供回公用电力网。历史上，已知的是在替代能量源的输出与负载或公用电网之间提供第一功率转换器，以便将由替代能量源产生的可变功率转换为可提供给负载或公用电力网的恒定功率。
由于能量产生的可变性质，可能会存在替代能量源产生的能量比连接到系统的负载所需的能量多的时段。期望提供能量储存装置来捕获在这些时段期间产生的能量。随后可以在发电容量小于负载所需的能量的时段期间将在过剩的(excess，超额的、过量的)发电容量的时段期间存储的能量提供给负载。历史上，已经提供了第二台功率转换器来调节去往和来自能量存储设备的能量传递。在过剩的能量产生的时段期间，当功率传递到能量存储设备时，能量存储设备和功率转换器作为替代能量源的负载运行。与其他负载类似，期望将功率转换器连接到递送恒定电压的能量源。因此，第二功率转换器通常连接在第一功率转换器的输出处。
如本领域所理解的，第一功率转换器可以利用最大功率点跟踪(MPPT)例程来控制从替代能量源到负载的功率传递。MPPT例程控制能量从替代能量源传递到负载的速率，并且，顾名思义，其根据所产生的功率的量保持第一功率转换器运行在其中第一功率转换器以最大效率传递功率的点。
然而，在MPPT例程下的第一功率转换器的运行不一定导致从替代能量源传递的最大功率可用。由于功率转换设备的尺寸和成本随着设备的功率额定值(power rating，额定功率)的增加而增加，并且由于替代能源产生源可能无法经常以其峰值容量发电，因此提供能够传递替代能源在以其峰值发电容量运行时所产生的全部能量的功率转换器可能不具成本效益。提供能够传递由替代能量源可能输出的峰值能量的功率转换器将导致该功率转换器经常以低于其额定容量运行。功率转换器的这种过剩的容量导致更昂贵的功率转换器，这也需要更多的安装空间。因此，在替代能量源的输出与额定值小于替代能量源的峰值容量的负载之间提供功率转换器可能更为经济。安装功率转换器所需的成本和尺寸可以减小，同时允许功率转换器更经常地以其额定容量运行。
然而，由于功率转换器的额定值低于替代能量源的最大发电容量，因此存在在其期间替代能量源的容量中的一些容量丢失的时间段。因此，将期望提供一种有效捕获和利用替代能量源的最大发电容量的系统。
发明内容
本文公开的主题描述了一种有效捕获和利用替代能量源的最大发电容量的系统。在替代能量源和与负载之间提供了第一功率转换器。第一功率转换器可以被选择为使得该功率转换器的容量小于替代能量源的发电容量。第二功率转换器被选择为使得第二转换器的容量至少等于替代能量源和第一功率转换器的容量之间的差。提供电池以存储由替代能量源产生的附加能量，并且第二功率转换器连接在替代能量源的输出与电池之间。利用从第一功率转换器输出的功率的水平来控制第二功率转换器的操作。
根据本发明的一种实施方式，公开了一种用于连接到替代能量源的能量存储系统。替代能量源包括被可操作地连接以从替代能量源向公用电网提供能量的第一功率转换器。能量存储系统包括能量存储设备、第二功率转换器、至少一个传感器、以及控制器。第二功率转换器具有输入和输出，其中第二功率转换器的输入可操作地连接在替代能量源的输出与到第一功率转换器的输入之间，并且第二功率转换器的输出可操作地连接到能量存储设备。第二功率转换器可操作以管理第二功率转换器的输入与输出之间的双向功率传递。至少一个传感器可操作地连接到第一功率转换器的输出并且生成与从第一功率转换器输出的功率的水平对应的信号，并且控制器接收来自所述至少一个传感器的信号。控制器可操作以生成到第二功率转换器的命令信号，其中命令信号限定通过第二功率转换器的功率流的期望的幅度和方向。命令信号根据与从第一功率转换器输出的功率的水平对应的信号来生成。
根据本发明的另一方面，控制器可以包括存储器，该存储器可操作以存储至少一个设定点。第一设定点与从第一功率转换器输出的最大功率对应，并且当从第一功率转换器输出的功率的水平处于第一设定点时，控制器生成命令信号以将功率从第二功率转换器的输入传递到输出。当从第一功率转换器输出的功率的水平小于第二设定点时，控制器还可以生成命令信号以将功率从第二功率转换器的输出传递到输入，其中第二设定点小于第一设定点。
根据本发明的又一方面，控制器可以包括存储器，该存储器可操作以存储具有多个预定时间窗的时间表。在多个预定时间窗内，可以存在第一时间窗和第二时间窗。在第一时间窗期间，控制器根据最大功率点跟踪程序并且独立于从第一功率转换器输出的功率的水平生成命令信号以将功率从第二功率转换器的输入传递到输出。在第二时间窗期间，控制器根据从第一功率转换器输出的功率的期望水平生成命令信号以将功率从第二功率转换器的输出传递到输入。
根据本发明的又一方面，控制器可以包括可操作以接收功率命令信号的输入，并且当功率命令信号有效时，控制器生成命令信号以将功率从第二功率转换器的输出传递到输入。能量存储系统还可以包括第二控制器。第二控制器接收与从公用电网汲取(draw)的功率的水平对应的信号，并且当从公用电网汲取的功率的水平超过预定的功率水平时，该第二控制器生成功率命令信号。
根据本发明的另一实施方式，公开了一种管理对由替代能量源产生的能量的利用的系统。替代能量源包括被可操作地连接以从替代能量源向AC负载提供能量的第一功率转换器。该系统包括第二功率转换器、至少一个传感器、以及控制器。第二功率转换器具有输入和输出，其中第二功率转换器的输入可操作地连接在替代能量源的输出与到第一功率转换器的输入之间，并且第二功率转换器的输出可操作地连接到功率母线(bus)。功率母线可操作地连接到具有至少一个附加功率源和至少一个能量存储设备的辅助(secondary，从属的、次级)电力系统。第二功率转换器可操作以管理第二功率转换器的输入与输出之间的双向功率传递。传感器可操作地连接到第一功率转换器的输出并且生成与从第一功率转换器输出的功率的水平对应的信号。控制器接收来自至少一个传感器的信号并且可操作以生成到第二功率转换器的命令信号，其中命令信号限定通过第二功率转换器的功率流的期望的幅度和方向。命令信号根据与从第一功率转换器输出的功率的水平对应的信号来生成。
根据本发明的其他方面，AC负载可以是公用电网，并且第一功率转换器可操作以执行最大功率点跟踪例程，以将功率从替代能量源传递到公用电网。能量存储系统还可以包括至少一个传感器，该至少一个传感器可操作地连接到替代能量源的输出，生成与从替代能量源输出的功率的水平对应的信号。控制器可以将与从第一功率转换器输出的功率的水平对应的信号和与从替代能量源输出的功率的水平对应的信号进行比较。当从替代能量源输出的功率的水平大于从第一功率转换器输出的功率的水平时，控制器生成所述命令信号以将功率从第二功率转换器的输入传递到输出，并且当从替代能量源输出的功率的水平小于从第一功率转换器输出的功率的水平时，控制器生成命令信号以将功率从第二功率转换器的输出传递到输入。
根据本发明的又一实施方式，公开了一种用于管理对由替代能量源产生的能量的利用的方法。替代能量源包括被可操作地连接以从替代能量源向AC负载提供能量的第一功率转换器。用可操作地连接到第一功率转换器的输出的至少一个传感器测量从第一功率转换器输出的功率的水平。用控制器将从第一功率转换器输出的功率的水平与第一阈值进行比较。第一阈值与用第一功率转换器传递的功率的最大水平对应，并且第一阈值小于替代能量源的最大发电容量。当从第一功率转换器输出的功率的水平处于第一阈值时，在控制器中生成命令信号，以将功率从第二功率转换器的输入传递到所述第二功率转换器的输出。第二功率转换器的输入可操作地连接在替代能量源的输出与到第一功率转换器的输入之间，并且第二功率转换器的输出可操作地连接到至少一个能量存储设备。第二功率转换器可操作以管理第二功率转换器的输入与输出之间的双向功率传递。将命令信号从控制器传输到第二功率转换器，以将由替代能量源产生的超过第一阈值的功率传递到能量存储设备。
根据详细描述和附图，本发明的这些和其他目的、优点和特征对于本领域的技术人员将变得明显。然而，要理解的是，尽管指示了本发明的优选实施方式，但是详细描述和附图是以说明而非限制的方式给出的。在不脱离本发明的精神的情况下，可以在本发明的范围内做出许多变化和修改，并且本发明包括所有这些修改。
附图说明
在附图中示出了本文公开的主题的各种示例性实施方式，其中相同的附图标记始终表示相同的部分，并且其中：
图1是根据本发明的一种实施方式的用于管理光伏阵列与存储设备之间的功率流的系统的框图表示；
图2是根据本发明的另一实施方式的用于管理光伏阵列与存储设备之间的功率流的系统的框图表示；
图3是由图1的光伏阵列产生的可变功率水平以及电池与光伏阵列的输出之间的功率流的图形表示；
图4是图1的功率转换器的框图表示；
图5是在变化的日射量水平下由光伏阵列产生的功率的图形表示；
图6是当存储设备和相关的功率转换器被停用或不存在时图1的系统中的示例性电流和电压的图形表示，其中：
图6a是在一时间段内从光伏阵列输出的电流的图形表示，
图6b是在该时间段内从光伏阵列输出的电压的图形表示，
图6c是在该时间段内从光伏阵列输出的功率的图形表示，
图6d是在该时间段内存储在电池中的功率的图形表示，
图6e是在该时间段内从在光伏阵列的输出与公用电网之间的功率转换器输出的电流的图形表示，
图6f是在该时间段内从在光伏阵列的输出端与公用电网之间的功率转换器输出的电压的图形表示，以及
图6g是在该时间段内从在光伏阵列的输出端与公用电网之间的功率转换器输出的功率的图形表示；并且
图7是当存储设备和相关的功率转换器被启用或存在时图1的系统中的示例性电流和电压的图形表示，其中：
图7a是在一时间段内从光伏阵列输出的电流的图形表示，
图7b是在该时间段内从光伏阵列输出的电压的图形表示，
图7c是在该时间段内从光伏阵列输出的功率的图形表示，
图7d是在该时间段内存储在电池中的功率的图形表示，
图7e是在该时间段内从在光伏阵列的输出与公用电网之间的功率转换器输出的电流的图形表示，
图7f是在该时间段内从在光伏阵列的输出与公用电网之间的功率转换器输出的电压的图形表示，以及
图7g是在该时间段内从在光伏阵列的输出与公用电网之间的功率转换器输出的功率的图形表示。
在描述附图中示出的本发明的优选实施方式时，为了清楚起见将采用特定术语。然而，并不意指本发明限于如此选择的特定术语，并且要理解的是，每个特定术语包括以类似方式起作用以实现类似目的的所有技术上的等同物。例如，经常使用单词“连接”、“附接”或与其类似的术语。它们不限于直接连接，而是包括通过其他元件的连接，其中这样的连接被本领域的技术人员认为是等同的。
具体实施方式
参照在以下描述中详细描述的非限制性实施方式更全面地解释了本文公开的主题的各种特征和有利细节。
如本文所讨论的，公开了一种用于管理替代能量源与存储设备之间的功率流的系统。替代能量源通常产生可变的功率水平，其中该水平通常取决于环境条件。例如，光伏(PV)阵列产生的功率随着入射到阵列内的PV板上的光的强度变化，这样的光的强度也称为日射量。在一天中，光的强度随着空中的太阳相对于地上的PV板的角度的变化而变化。大气条件诸如云、雾、霾、降水等可以减少入射到PV板上的光的量。中断可能持续时间较短或持续一整天。风力涡轮机产生的功率随着经过涡轮机叶片的风的速度而变化。尽管可以在涡轮机中提供附加的控制以例如控制叶片的间距，但是由于持续风的水平以及阵风的水平的变化，所产生的功率的量将会变化。为了方便起见，将关于PV阵列讨论本发明。然而，示例性环境不意在限制，并且该系统可应用于其他可再生能量源，包括但不限于风力涡轮机、燃料电池、波发电等。
首先转到图1，用于管理替代能量源与存储设备之间的功率流的系统的一种实施方式被示出为与PV阵列10一起使用。如本领域所理解的，PV阵列10响应于入射到每个PV板上的光的强度而产生功率。该功率在PV阵列10的输出12处被提供，并且典型地呈直流(DC)功率的形式。DC母线14连接到PV阵列10的输出12以用于其他设备的随后连接并且被配置为传导DC电压和电流。提供第一功率转换器20以将DC功率转换为AC功率。DC母线14连接到第一功率转换器20上的输入22，并且从第一功率转换器20的输出24提供AC功率。根据所示的实施方式，PV阵列10经由断路器26连接到公用电网28。可选地，PV阵列10可以用于离网安装，并且第一功率转换器20的输出24可以直接提供给电力负载。
第二功率转换器50用于管理DC母线14与存储设备之间的能量流。根据所示的实施方式，存储设备是电池60。可以设想，电池60可以是单个电池或以串联连接、并联连接或其组合连接的多个电池。进一步设想，电池60可以包括具有相同结构的一个或多个电池单元，诸如液流电池或锂离子电池，或者可选地，电池60可以包括具有不同结构的一个或多个电池单元，诸如液流电池和锂离子电池。第二功率转换器50连接在DC母线14与电池60之间。第二功率转换器50上的输入52经由DC母线14从PV阵列10的输出12接收功率，并且第二功率转换器50的输出54向电池60提供功率。第二功率转换器50是双向的并且可在第一模式下操作以将由PV阵列10供应的变化的功率转换为用于给电池60充电的期望的电压电平和电流。第二功率转换器50可以在第二模式下操作以使电池60放电，将能量从电池60传递到DC母线14。进一步设想，多个功率转换器50可以并联连接在DC母线14和不同的电池60之间。尽管所示的实施方式示出了DC到DC转换器，但是本发明的其他实施方式可以利用AC到DC转换器，例如，当替代能量源是产生AC功率的风力涡轮机而不是产生DC功率的PV阵列时。
接下来转到图2，用于管理替代能量源与存储设备之间的功率流的系统的另一实施方式被示出为与PV阵列10一起使用。如以上关于图1所讨论的，PV阵列10在DC母线14上输出直流(DC)功率，该DC母线用于其他设备的随后连接并且被配置为传导DC电压和电流。提供第一功率转换器20以将DC功率转换为AC功率。根据所示的实施方式，PV阵列10经由断路器26连接到公用电网28。可选地，PV阵列10可以用于离网安装并且第一功率转换器20的输出24可以直接提供给负载。
如图2所示，第二功率转换器50用于管理来自PV阵列10的DC母线14与第二功率母线65之间的能量流。在该实施方式中，可以设想，第二功率母线可以是第二电力系统的一部分，其中第二电力系统能够存储和返回能量。设想第二电力系统可能还包括其他能量产生源并且可以包括例如经由第二功率母线65与能量存储设备之间的第三功率转换器连接的能量存储设备。另一系统控制器(未示出)可以在第二电力系统中被提供并且可以与用于第二功率转换器50的控制器40通信以提供关于第二电力系统的信息。第二功率转换器50是双向的并且可在第一模式下操作以将由PV阵列10供应的变化的功率转换为期望的电压电平以向第二功率母线65供应功率。第二功率转换器50还可以在第二模式下操作以将功率从第二功率母线65传递到连接在PV阵列10与第一功率转换器20之间的DC母线14。可以设想，第二功率母线65根据与之连接的第二电力系统的要求可以是DC母线或者AC母线任一者。根据替代能量源的类型和系统中的功率母线的类型，可以类似地选择第二功率转换器50以从AC或DC转换为AC或DC功率。
进一步设想，第二控制器61可被包括在系统中。第二控制器61可以是向多个控制器40提供命令的中央控制器，该多个控制器各自与单独的PV阵列10或其他替代能量源一起执行。可选地，第二控制器61可以是提供例如监督性能、功率监测、数据记录或其组合的客户控制器。在第二控制器61与第一控制器40之间提供了通信连接62。第二控制器61可以位于远离第一控制器40的位置。可选地，第一控制器和第二控制器可以位于彼此接近的位置。进一步设想，第二控制器61可以接收与系统的操作对应的反馈信号。根据所示的实施方式，第二控制器61的输入64接收来自在第一功率转换器20的输出处的电压传感器31和电流传感器32的电压反馈信号33和电流反馈信号34。可选地，第二控制器61可以类似地接收来自在PV阵列10的输出处的电流传感器35和电压传感器36的电流反馈信号37和电压反馈信号38。根据又一选项，第二控制器61可以经由沿着通信连接62传输的数据消息从第一控制器40接收反馈信号。第二控制器61可以包括暂时性或非暂时性存储器以存储用于在第二控制器61上执行的数据和/或指令。此外，第二控制器61可以包括并行地或单独地执行的一个或多个处理器以执行所存储的指令。
控制器40被提供用以监测系统的操作并命令第二功率转换器50的操作。根据所示的实施方式，控制器40是单独的装置。可选地，控制器40可以被并入到第一功率转换器20或第二功率转换器50任一者中。第一电压传感器31和第一电流传感器32可以可操作地连接到来自第一功率转换器20的输出的导线，以分别生成电压信号33和电流信号34。可选地，第一功率转换器20可以向控制器40提供与电压、电流或者与两者对应的输出信号。根据又一实施方式，瓦特换能器可以连接到输出24并且生成直接与输出24处存在的功率的幅度对应的信号。电压信号33和电流信号34被提供给控制器40的输入42。控制器40根据电压信号33和电流信号34来确定来自第一功率转换器20的功率输出。如果提供了瓦特换能器，则可以直接根据瓦特换能器利用功率信号。
控制器40可以类似地监测DC母线14的操作。第二电压传感器35和第二电流传感器36可以可操作地连接到DC母线14以分别生成电压信号37和电流信号38。可选地，第一功率转换器20或第二功率转换器50任一者可以将与DC母线14上的电压和/或电流对应的输出信号提供给控制器40。根据又一实施方式，瓦特换能器可以连接到DC母线14并且生成直接与DC母线14上存在的功率的幅度对应的信号。电压信号37和电流信号38被提供给控制器40的输入43。控制器40根据电压信号37和电流信号38来确定DC母线14上的功率输出。如果提供了瓦特换能器，则可以直接根据瓦特换能器利用功率信号。
控制器40生成信号45以根据来自第一功率转换器20的功率输出和DC母线14上存在的功率来控制第二功率转换器50的操作。控制器40可以包括暂时性或非暂时性存储器以存储用于在控制器40上执行的数据和/或指令。此外，控制器40可以包括并行地或单独地执行的一个或多个处理器以执行所存储的指令。控制信号45被从控制器40的输出44提供到第二功率转换器50的输入56。可以设想，控制信号45可以与如由控制器40确定的从第一功率转换器20输出的功率的水平对应。可选地，如由控制器40确定的该功率的水平可以被进一步处理成基准信号诸如电流基准，指示要在DC母线14与电池60之间传递的期望的电流的水平。
接下来参照图4，示出了示例性功率转换器。示例性功率转换器可以代表图1的第一功率转换器20或第二功率转换器50任一者。为了方便起见，将关于第一功率转换器20和第二功率转换器50两者来讨论示例性功率转换器。功率转换器20、50中的每一个都具有包括功率电子器件70的功率换算部分和控制部分。控制部分包括能够执行程序以向功率电子器件70发送控制信号71的处理器72以及用于存储能够在处理器72上执行的程序的存储器74。存储器74可以是暂时性的、非暂时性的或者它们的组合。功率转换器20、50可以包括在功率转换器20、50的输入22、52处的电流传感器80和/或电压传感器82以及在功率转换器20、50的输出24、54处的电流传感器84和/或电压传感器86。存在的电压传感器和电流传感器根据功率转换器20、50以及下述例程进行呈现，所述例程在处理器72上执行以控制功率从输入到输出的转换。处理器72读取由各个传感器生成的电压和/或电流信号，以调节通过功率转换器20、50的功率流。第二功率转换器50还可以包括输入56，以从控制器40接收控制信号45。
在操作中，第一功率转换器20和第二功率转换器50一起工作以获得由替代发电源产生的所有能量。第一功率转换器20的功率额定值通常被选择为小于替代发电源的额定值。第一功率转换器20的功率额定值可以被选择为传递替代发电源的最大功率容量的约60％至95％之间，并且更优选地，第一功率转换器20的功率额定值被选择为传递替代发电源的最大功率容量的约80％至90％之间。第二功率转换器50的功率额定值被选择为传递至少替代发电源的最大功率容量与第一功率转换器20的功率额定值之间的差。例如，第二功率转换器50的功率额定值可以被选择为传递替代发电源的最大功率容量与第一功率转换器20的功率额定值之间的差加上第一功率转换器20的额定值的5％到10％之间的附加余量。可选地，第二功率转换器50的功率额定值可以被选择为传递替代发电源的全部额定功率容量。
电池60根据应用需求进行选择。应用需求包括例如替代能量源的类型(例如，PV、风等)、第一功率转换器20与替代能量源的容量之间在功率额定值上的差、以及替代能量源产生超过第一功率转换器20的容量的功率的操作时间的预期百分比。根据一种实施方式，选择具有足够存储容量的电池以接受由替代能量源产生的超过预期由第一功率转换器传递到公用电网或负载的容量的能量。存储在电池60中的能量随后在低发电期间被递送到公用电网28，如将在下面更详细地讨论的。
除了被选择用于新的装置之外，设想该系统可以改装到现有的装置。许多现有的装置包括替代能量源和第一功率转换器。如上所述，第一功率转换器20的大小被设计成处理小于其连接的替代能量源的额定容量。可以如上所述选择第二功率转换器50和电池60。第二功率转换器50连接在替代能量源的输出处，诸如连接在图1所示的DC母线14，并且位于第一功率转换器20之前。控制器40和传感器也被添加以生成用于第二功率转换器的控制信号。因此，第二功率转换器50、电池60和控制器40可以改装到现有的装置，而不需要重新配置现有的装置。
接下来参照图3，示出了由示例性PV阵列10产生的功率。曲线100展示了一天过程中的示例性功率曲线。在第一时间t1，日出开始并且PV阵列10开始产生功率。在第二时间t2、通常是中午，太阳在空中处于其峰值点，并且PV阵列10正在产生其最大容量。在第三时间t3，日落完成并且PV阵列10不再产生功率。同样参照图5，曲线图90示出了在不同的日射量水平下示例性PV阵列的电压和电流关系。在PV阵列10正在接收最大光的时段期间，其能够如顶部曲线92所表示的那样产生其最大功率。在中等和低光强度的时段，PV阵列10的功率容量降低，如由曲线94和96表示的那样。每个日射量曲线展示了将由PV阵列10在特定电压下输出的电流。因为电流-电压关系是非线性的，所以第一功率转换器20可以执行最大功率点跟踪(MPPT)模块以识别操作点，在该操作点，对于给定的日射量水平，最大功率可以被从PV阵列10传递到DC母线，该操作点被识别为MPPT1至MPPT3。可以设想，第一功率转换器20可以利用任何合适的MPPT例程，包括但不限于扰动观察、增量电导、电流扫描或恒定电压。然而，当第一功率转换器20达到其额定容量时，其必须将功率传递限制到其额定容量。随着日射量持续增加，第一功率转换器20可以沿着较高日射量曲线选择具有较低电压水平的操作点，使得总功率(即，电压乘以电流)保持在功率转换器20的额定值。
再次参照图3，控制器40可以包括一个或多个可配置设定点以控制第二功率转换器50的操作。根据所示的实施方式，提供了两个设定点102、110。第一设定点102，Set1，可配置成识别第一功率转换器20自身运行的最大功率。第一设定点102必须不大于第一功率转换器20的最大功率额定值108，Invmax。如图3所示，第一设定点102设定为接近最大功率额定值108。通过设定第一设定点102小于第一功率转换器20的最大功率额定值108，第一功率转换器20能够继续利用其MPPT例程运行而不是饱和在最大功率额定值108。第一设定点可以是例如比最大功率额定值108小5％至10％。将第二功率转换器50的额定值选择成比源的最大功率额定值与第一功率转换器20的最大功率额定值之间的差大5％至10％允许第二功率转换器50也传递由源产生的在第一设定点102和第一功率转换器的最大额定值108之间的附加功率。
控制器40接收来自如图所示的电压传感器31和电流传感器32或来自瓦特传感器的反馈信号33、34以确定来自第一功率转换器20的功率输出。控制器40可以使用电压反馈信号33和电流反馈信号34确定来自第一功率转换器20的输出功率，或者可选地，如果提供了瓦特换能器，则使用直接与功率对应的反馈信号。当第一功率转换器20正在输出等于或大于第一设定点102的功率时，控制器40生成命令信号45以启用第二功率转换器50。
在启用第二功率转换器50的情况下，第二功率转换器50开始以使第一功率转换器50保持处于或几乎处于第一设定点102的速率直接从DC母线14汲取功率。控制回路监测从第一功率转换器50输出的功率量。随着功率增加，控制回路命令第二功率转换器50从DC母线14汲取更多功率。随着功率减少，控制回路命令第二功率转换器50从DC母线14汲取更少的功率。因此，在一天的功率曲线100大于第一设定点102的时段期间，第二功率转换器50将保持启用，在其他条件诸如云不存在的情况下。如可以理解的，随着由PV阵列10产生的功率减少到第一设定点102以下，控制回路命令第二功率转换器汲取的功率的量将下降到零，并且第二功率转换器50被停用。由附图标记106标识的区域与经由第二功率转换器50传递到电池60的千瓦时的能量对应。由附图标记104标识的区域与经由第一功率转换器20直接传递到公用电网28的千瓦时对应。
控制器40还可以包括第二设定点110，Set2，该第二设定点可以用于命令第二功率转换器50将能量从电池60传递回DC母线14。第二设定点110可以被选择为通常在一天将近结束时发生的水平，并且对应于由PV阵列10产生的功率以及因此来自第一功率转换器20的功率输出下降到第二设定点110以下的时间。如果在电池60中存储有能量，则控制器再次启用第二功率转换器50，但是这次调节从电池60到DC母线14的功率流。
控制回路再次监测从第一功率转换器50输出的功率量。随着功率减少，控制回路命令第二功率转换器50向DC母线14传递更多的功率。如果功率增加，则控制回路命令第二功率转换器50向DC母线14传递较少的功率。如可以理解的，控制回路仅可以命令第二功率转换器50以最高达第二功率转换器50的额定容量的速率传递功率。可选地，由于电池的类型和/或物理结构，传递的速率也可能受到限制。此外，第二功率转换器50将仅继续向DC母线14传递功率，直到电池60中的能量被放电。结果，电池60存储PV阵列10在最大生产的时段期间的过剩发电量，并且在减少的能量生产时段期间将能量返回到DC母线并且最终经由第一功率转换器20返回到公用电网28。由附图标记112标识的区域与在第一功率转换器20正在运行时从电池传递到电网的功率对应。
以类似的方式，第二功率转换器50和电池60可以在一整天中为从第一功率转换器20供应的功率提供平滑功能。如果电池60具有一些电荷并且例如云在太阳和PV阵列10之间经过，则日射量可能显著下降。来自第一转换器20的功率输出可能降至第二阈值110以下，并且第二功率转换器50可以开始向DC母线10提供能量。当云飘过后，日射量可再次增加，使得PV阵列10产生高于第一功率转换器20的容量的功率。控制器40将命令第二功率转换器50切换操作并且开始从DC母线10汲取功率，使得第一功率转换器20在第二功率转换器50的操作的整个过渡中继续以MPPT模式操作。
进一步设想，第二功率转换器50可用于“调峰(peak shaving)”，以减少在连接到系统的负载所需的功率中的临时尖峰。尽管未示出，但可以设想的是，电力负载可以连接在第一功率转换器20的输出24与公用电网28之间。配电板(service panel)可以例如连接到在第一功率转换器20与公用电网28之间延伸的功率导线，并且提供断路器可以连接到其的母线，以用于到住宅或商业设施中的各个负载的功率分配。如果从配电板汲取的电力负载小于由替代能量源产生的功率量，则将过剩的容量递送到公用电网28。然而，如果从配电板汲取的电力负载大于由替代能量源产生的功率，则电力负载所需的过剩的功率从公用电网28中汲取。如上所述，替代能量源可以产生可变的功率水平。因此，在较低的功率产生时段期间，连接到系统的电力负载可能对功率有较高的需求。在高需求的时段期间，第二功率转换器50可以被命令从能量存储设备60向DC母线14供应功率，以减少来自公用电网28的峰值功率需求。
同样参照图2，远程或第二控制器61可以被提供给能量存储系统以产生用于第一控制器40的功率命令。第二控制器61可以监测由负载汲取的功率以及从第一功率转换器20供应的功率。第二控制器61可以存储由负载从公用电网28汲取的峰值功率的阈值。如果由负载汲取的功率的水平减去从第一功率控制器40供应的功率达到或超过阈值，则第二控制器61生成功率命令信号，请求第一控制器40从能量存储设备60或从功率母线65供应功率以减少峰值需求。功率命令信号经由通信连接62传输到第一控制器40。第一控制器40命令第二功率转换器50将能量从能量存储设备60或从功率母线65传递到PV阵列10与第一功率转换器20之间的母线14。第一功率转换器20又将由第二功率转换器50传递的附加功率连同由替代能量源产生的功率一起供应到配电板以由电力负载使用，从而减少了从公用电网28汲取的功率。
还可以设想，第二控制器61可以向第一控制器40提供功率命令以实现第一功率转换器20的期望的功率调节。如前所述，本文公开的能量存储系统可以连接到现有的替代能量源和现有的功率转换器。通常期望和/或要求不对现有系统进行修改。然而，通过向第二功率转换器50发送期望的功率命令，能量存储系统可以有效地控制现有的功率转换器的操作。例如，如果期望没有来自第一功率转换器20的功率输出，则第二功率转换器50可以接收命令以将来自DC母线14的所有功率汲取到能量存储设备60或功率母线65。第一功率转换器20像PV阵列不产生功率或者产生非常小的功率例如在夜间一样运行，并且不传递功率。如上所述，第二功率转换器可以类似地接收功率命令以增补或平滑由PV阵列10供应的功率中的跌落或减少来自附接到系统的电力负载的峰值需求。第二功率转换器50向DC母线14传递功率和传递来自DC母线的功率，以在第一功率转换器20的输出处实现期望的操作，而不需要对现有系统进行修改。可选地，可以设想，功率控制的一部分或全部可以在第一控制器40内实现。
如果控制器40被配置为不包括第二设定点110或在图3所示的第三时间t3之后(即，日落过后)能量保留在电池60中，则电池60仍然必须被放电，使得它在过剩产生的下一时段期间准备好接受能量。因此，不是利用第二设定点110或除了利用该第二设定点之外，控制器40可以被配置为当PV阵列10不再产生功率时开始放电循环。控制器40使第二功率转换器50能够将能量传递到DC母线14。第一功率转换器20将进行响应，而不知晓能量是由PV阵列10产生还是由电池60供应，并且开始将功率传递到公用电网28。控制器命令第二功率转换器50继续功率传递直到电池60被放电。由附图标记114标识的区域与在这样的放电循环期间从电池传递到电网的功率对应。
第二功率转换器50可以被配置为接收各种命令以控制电池60与DC母线14之间的功率传递。功率命令可以是但不限于电流限制、DC母线上的电压带、功率命令或电流命令。如前所述，这些命令可以促进获得替代能量源的完整能量产生能力、使从替代能量源到电力负载的功率供应平滑、或者减少来自公用电网的峰值功率需求。进一步设想，第二功率转换器50可以用于又一个应用中，以例如为能量消费者减少能量费用。例如，基于包括但不限于预计的能量供应能力、预计的能量需求或天气状况的因素，能量消耗的成本可能在一整天中变化。在能量成本较低的时段期间，可以命令第二功率转换器50执行如上面关于第一功率转换器20所讨论的MPPT例程，以从替代能量源汲取最高达第二功率转换器50的额定容量的功率到能量存储设备60。在能量成本高的时段期间内，第二功率转换器50然后可以被命令以将存储在能量存储设备60中的能量供应回第一功率转换器20以供应连接到系统的负载或者将功率卖回给公用电网28。因此，连接到能量存储系统的电力负载可以在低能量成本的时段期间从公用电网28进行供应并且在较高的能量成本时段期间由替代能量源供应。
控制器40还可以存储具有预定时间窗的时间表。在第一时间窗期间，第二功率转换器50可被控制成从DC母线14汲取功率，并且在第二时间窗期间，第二功率转换器50可被控制成向DC母线14供应功率。
接下来参照图6和图7，示出了该系统的示例性操作。在图6中，第二功率转换器50不存在和/或被停用。图6c示出了从PV阵列10供应的功率146。该功率斜升，直到其达到最大水平，然后保持恒定。如图6e至6g所示，电流150、电压152、以及进而功率154类似地增加，直到第一功率转换器20达到最大功率额定值。在第一功率转换器20达到其极限的同时，从PV阵列10汲取的功率146达到其极限。如在图6a和图6b可以看出，第一功率转换器20必须在其达到其额定容量的点处偏离其MPPT操作。PV阵列10上的日射量继续增加，这可以由来自PV阵列10的电流140的持续增加证明。然而，因为第一功率转换器20已经达到其最大功率额定值，所以它必须在日射量曲线上向回移动并且在如PV阵列电压曲线142上所示的减少的电压下操作。一旦日射量减少到第一功率转换器20的额定容量以下，则电流150、电压152、以及进而功率154曲线开始斜降，并且第一功率转换器20再次在其MPPT例程下运行。
在图7中，第二功率转换器存在和/或被启用。如为图6所示的曲线所提供的那样，由PV阵列10提供相同的功率产生。如图7e至7g所示，第一功率转换器20以与在没有第二功率转换器50存在时相同的方式操作。然而，在图7c中，观察到来自PV阵列的功率146大于图6所示的示例。PV阵列上的电压142保持在恒定的或接近恒定的水平，指示第一功率转换器20能够在MPPT例程下保持操作。随着日射量增加，PV阵列上的电流140继续增加。如图7d所示，不同之处在于功率148被供应到电池。提供给电池60的功率对应于PV阵列10的过剩的发电容量。与其中没有功率被传递到电池60的图6d不同，在图7d中，在峰值发电的时段期间，第二功率转换器50将PV阵列10的过剩的发电容量传递到电池60。尽管没有示出，但是如上所述，在PV阵列10低发电或不发电的时段期间，功率将随后从电池60被放电回DC母线14。
应该理解的是，本发明在其应用方面不限于本文阐述的结构的细节和组件的布置。本发明能够具有其他实施方式并且能够以各种方式实践或实施。前述的变化和修改在本发明的范围内。还要理解的是，本文公开和限定的本发明延伸到从文本和/或附图中提及或显明的两个或更多个单独特征的所有替代性组合。所有这些不同的组合构成了本发明的各种替代性方面。本文描述的实施方式阐明了用于实践本发明的已知最佳模式，并且将使本领域的其他技术人员能够利用本发明。

Claims (20)

1.一种用于连接到替代能量源的能量存储系统，其中，所述替代能量源包括被可操作地连接以从所述替代能量源向公用电网提供能量的第一功率转换器，所述能量存储系统包括：
能量存储设备；
第二功率转换器，所述第二功率转换器具有输入和输出，其中：
所述第二功率转换器的输入可操作地连接在所述替代能量源的输出与到所述第一功率转换器的输入之间，
所述第二功率转换器的输出可操作地连接到所述能量存储设备，并且
所述第二功率转换器能操作以管理所述第二功率转换器的输入与输出之间的双向功率传递；
至少一个传感器，所述至少一个传感器可操作地连接到所述第一功率转换器的输出并且生成与从所述第一功率转换器输出的功率的水平对应的信号；以及
控制器，所述控制器接收来自所述至少一个传感器的信号，其中：
所述控制器能操作以产生到所述第二功率转换器的命令信号，
所述命令信号限定通过所述第二功率转换器的功率流的期望的幅度和方向，并且
所述命令信号根据与从所述第一功率转换器输出的功率的水平对应的信号来生成。
2.根据权利要求1所述的能量存储系统，其中：
所述控制器包括存储器，所述存储器能操作以存储至少一个设定点，
所述至少一个设定点包括与从所述第一功率转换器输出的最大功率对应的第一设定点，并且
当从所述第一功率转换器输出的功率的水平处于所述第一设定点时，所述控制器生成所述命令信号以将功率从所述第二功率转换器的输入传递到输出。
3.根据权利要求2所述的能量存储系统，其中：
所述至少一个设定点包括小于所述第一设定点的第二设定点，并且
当从所述第一功率转换器输出的功率的水平小于所述第二设定点时，所述控制器生成所述命令信号以将功率从所述第二功率转换器的输出传递到输入。
4.根据权利要求1所述的能量存储系统，其中：
所述控制器包括存储器，所述存储器能操作以存储包括多个预定时间窗的时间表，并且
所述多个预定时间窗包括至少一个第一时间窗，在所述第一时间窗期间，所述控制器根据最大功率点跟踪例程并且独立于从所述第一功率转换器输出的功率的水平来生成所述命令信号以将功率从所述第二功率转换器的输入传递到输出。
5.根据权利要求4所述的能量存储系统，其中，所述多个预定时间窗包括至少一个第二时间窗，在所述第二时间窗期间，所述控制器根据从所述第一功率转换器输出的功率的期望水平来生成所述命令信号以将功率从所述第二功率转换器的输出传递到输入。
6.根据权利要求1所述的能量存储系统，其中：
所述控制器包括能操作以接收功率命令信号的输入，并且
当所述功率命令信号有效时，所述控制器生成所述命令信号以将功率从所述第二功率转换器的输出传递到输入。
7.根据权利要求6所述的能量存储系统，还包括第二控制器，其中，所述第二控制器接收与从所述公用电网汲取的功率对应的信号，并且当从所述公用电网汲取的功率的水平超过预定的功率水平时，所述第二控制器生成所述功率命令信号。
8.一种管理对由替代能量源产生的能量的利用的系统，其中，所述替代能量源包括被可操作地连接以从所述替代能量源向交流负载提供能量的第一功率转换器，所述系统包括：
第二功率转换器，所述第二功率转换器具有输入和输出，其中：
所述第二功率转换器的输入可操作地连接在所述替代能量源的输出与到所述第一功率转换器的输入之间，
所述第二功率转换器的输出可操作地连接到功率母线，其中，所述功率母线可操作地连接到具有至少一个附加功率源和至少一个能量存储设备的辅助电力系统，并且
所述第二功率转换器能操作以管理所述第二功率转换器的输入与输出之间的双向功率传递；
至少一个传感器，所述至少一个传感器可操作地连接到所述第一功率转换器的输出并且生成与从所述第一功率转换器输出的功率的水平对应的信号；以及
控制器，所述控制器接收来自所述至少一个传感器的信号，其中：
所述控制器能操作以生成到所述第二功率转换器的命令信号，
所述命令信号限定通过所述第二功率转换器的功率流的期望的幅度和方向，并且
所述命令信号根据与从所述第一功率转换器输出的功率的水平对应的信号来生成。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述交流负载是公用电网，并且其中，所述第一功率转换器能操作以执行最大功率点跟踪例程以将功率从所述替代能量源传递到所述公用电网。
10.根据权利要求9所述的系统，其中：
所述控制器包括存储器，所述存储器能操作以存储至少一个设定点，
所述至少一个设定点包括与从所述第一功率转换器输出的最大功率对应的第一设定点，并且
当从所述第一功率转换器输出的功率的水平处于所述第一设定点时，所述控制器生成所述命令信号以将功率从所述第二功率转换器的输入传递到输出。
11.根据权利要求10所述的系统，其中：
所述至少一个设定点包括小于所述第一设定点的第二设定点，并且
当从所述第一功率转换器输出的功率的水平小于所述第二设定点时，所述控制器生成所述命令信号以将功率从所述第二功率转换器的输出传递到输入。
12.根据权利要求9所述的系统，其中：
所述控制器包括存储器，所述存储器能操作以存储包括多个预定时间窗的时间表，并且
所述多个预定时间窗包括至少一个第一时间窗，在所述第一时间窗期间，所述控制器根据最大功率点跟踪例程并且独立于从所述第一功率转换器输出的功率的水平来生成所述命令信号以将功率从所述第二功率转换器的输入传递到输出。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述多个预定时间窗包括至少一个第二时间窗，在所述第二时间窗期间，所述控制器根据从所述第一功率转换器输出的功率的期望水平来生成所述命令信号以将功率从所述第二功率转换器的输出传递到输入。
14.根据权利要求9所述的系统，其中：
所述控制器包括能操作以接收功率命令信号的输入，并且
当所述功率命令信号有效时，所述控制器生成所述命令信号以将功率从所述第二功率转换器的输出传递到输入。
15.根据权利要求14所述的能量存储系统，还包括第二控制器，其中，所述第二控制器接收与从所述公用电网汲取的功率对应的信号，并且当从所述公用电网汲取的功率的水平超过预定的功率水平时，所述第二控制器生成所述功率命令信号。
16.根据权利要求8所述的能量存储系统，还包括至少一个传感器，所述至少一个传感器可操作地连接到所述替代能量源的输出并且生成与从所述替代能量源输出的功率的水平对应的信号，其中，所述控制器将与从所述第一功率转换器输出的功率的水平对应的信号和与从所述替代能量源输出的功率的水平对应的信号进行比较。
17.根据权利要求16所述的能量存储系统，其中，当从所述替代能量源输出的功率的水平大于从所述第一功率转换器输出的功率的水平时，所述控制器生成所述命令信号以将功率从所述第二功率转换器的输入传递到输出。
18.根据权利要求16所述的能量存储系统，其中，当从所述替代能量源输出的功率的水平小于从所述第一功率转换器输出的功率的水平时，所述控制器生成所述命令信号以将功率从所述第二功率转换器的输出传递到输入。
19.一种用于管理对由替代能量源产生的能量的利用的方法，其中，所述替代能量源包括被可操作地连接以从所述替代能量源向交流负载提供能量的第一功率转换器，所述系统包括下述步骤：
用可操作地连接到所述第一功率转换器的输出的至少一个传感器测量从所述第一功率转换器输出的功率的水平；
用控制器将从所述第一功率转换器输出的功率的水平与第一阈值进行比较，其中，所述第一阈值与用所述第一功率转换器传递的功率的最大水平对应，并且其中，所述第一阈值小于所述替代能量源的最大发电容量；
当从所述第一功率转换器输出的功率的水平处于所述第一阈值时，在所述控制器中生成命令信号，以将功率从第二功率转换器的输入传递到所述第二功率转换器的输出，其中，所述第二功率转换器的输入可操作地连接在所述替代能量源的输出与到所述第一功率转换器的输入之间，所述第二功率转换器的输出可操作地连接到至少一个能量存储设备，并且所述第二功率转换器能操作以管理所述第二功率转换器的输入与输出之间的双向功率传递；以及
将所述命令信号从所述控制器传输到所述第二功率转换器，以将由所述替代能量源产生的超过所述第一阈值的功率传递到所述能量存储设备。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括下述步骤：
当从所述第一功率转换器输出的功率的水平在第二阈值以下时，在所述控制器中生成命令信号以将功率从所述第二功率转换器的输出传递到所述第二功率转换器的输入，其中，所述第二阈值小于所述第一阈值；以及
将来自所述控制器的所述命令信号传输至所述第二功率转换器，以将存储在所述能量存储设备中的功率传递至所述第一功率转换器的输入。
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