CN109478788A - 用于光伏能量的能量存储系统和存储光伏能量的方法 - Google Patents

用于光伏能量的能量存储系统和存储光伏能量的方法 Download PDF

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Abstract

用于可再生能量应用的能量系统包括可再生能源、连接到AC总线和DC总线的双向逆变器、连接到双向DC/DC转换器的能量存储单元，和包含一个或多个控制器的控制系统，所述一个或多个控制器联接到所述双向逆变器和所述双向DC/DC转换器。所述双向逆变器通过所述DC总线连接到所述可再生能源和双向DC/DC转换器。所述系统被配置来捕获光伏(PV)阵列的低功率、通常被逆变器限幅损耗的能量，并通过利用斜坡率控制进行捕获。

Description

用于光伏能量的能量存储系统和存储光伏能量的方法
技术领域
本发明涉及能量存储系统和用于将光伏(PV)能量捕获在能量存储器中的方法。
背景技术
电功率转换装置和相关联控制系统可用来接口各种能量资源。例如，功率系统可包括各种互连的分布式能量资源(例如，发电机和能量存储单元)和负载。功率系统也可连接到市电网或微电网系统。功率系统使用电功率转换来在这些能量资源之间转换功率(例如，AC/DC、DC/DC、AC/AC和DC/AC)。
出于将连续功率提供到负载的目的，功率系统可被设计以供应功率、调节功率，并且将功率从一个源传递到另一个。希望以可能的最有效方式提供功率，使得使用最大可能数量的能量生成。然而，拓扑限制和设计要求可以是最终使用的能量生成的限制。常规PV设备由于未能捕获在PV阵列电压低于逆变器的唤醒电压时由PV阵列生成的低电压能量、未能捕获“限幅”能量，并且由于考虑到缩减或能量价格未能将能量供应到电网，而未充分利用由PV阵列生成的功率。
发明内容
本发明的实施例包括用于利用由PV阵列生成的功率的设备和方法。
在一方面，一种用于从功率源捕获低电压能量的功率系统包括：所述功率源，其联接到DC总线；DC/DC功率转换器，其联接到所述DC总线和能量存储装置；功率逆变器，其联接到所述DC总线和AC总线；以及控制系统。所述控制系统可包括一个或多个控制器，所述一个或多个控制器被配置来：监视由所述功率源产生的电压；确定所述功率源是否正产生大于第一预定阈值的电压；当确定所述功率源正产生大于所述第一预定阈值的电压时，确定所述功率源是否正产生小于第二阈值的电压；当确定所述功率源正产生介于所述第一阈值与所述第二阈值之间的电压时：控制所述DC/DC功率转换器以在MPPT模式中操作并将由所述功率源生成的能量存储在所述能量存储装置中；并且控制所述功率逆变器不在MPPT模式中操作；并且当确定所述功率源正产生大于或等于所述第二阈值的电压时：控制所述功率逆变器以在MPPT模式中操作并通过所述AC总线将由所述功率源生成的所述能量供应到电力网；并且控制所述DC/DC功率转换器以不在MPPT模式中操作。
所述第一预定阈值可等于所述DC/DC功率转换器中的预期损耗。
所述功率逆变器具有唤醒电压，所述唤醒电压为所述DC总线处的电压为了使所述功率逆变器操作而必须达到的电压幅度，并且所述第二预定阈值等于所述功率逆变器的所述唤醒电压。
由所述功率源产生的电压可被连续地监视，并且所述控制系统可连续地控制所述DC/DC功率转换器和所述功率逆变器以在操作于MPPT模式中与不操作于MPPT模式中之间转变。
在确定所述功率源是否正产生小于所述第二预定阈值的电压中，所述控制系统可进一步被配置来监视所述DC总线处的所述电压。
还可包括传感器，所述传感器感测所述DC总线处的电压并且将所感测的电压传输到所述功率系统。
在另一方面，一种用于从功率源捕获限幅能量的功率系统可包括：所述功率源，其联接到DC总线；DC/DC功率转换器，其联接到所述DC总线和能量存储装置；功率逆变器，其联接到所述DC总线和AC总线；以及控制系统。所述控制系统可包括一个或多个控制器，所述一个或多个控制器被配置来：监视所述功率逆变器的输出功率；将所述功率逆变器的所述输出功率与预定阈值进行比较；当所述功率逆变器的所述输出功率大于所述预定阈值时，控制所述DC/DC功率转换器以将超过所述预定阈值的所述功率源的输出功率存储在所述能量存储器中。
所述预定阈值可为所述功率逆变器的最大功率定额。
所述功率逆变器的所述输出功率可被连续地监视，并且所述控制系统可连续地控制所述DC/DC功率转换器和所述功率逆变器以在将所述功率源的输出功率存储在所述能量存储器中与不存储在所述能量存储器中之间转变。
在一方面，一种用于选择性地从功率源分派能量的功率系统可包括：所述功率源，其联接到DC总线；DC/DC功率转换器，其联接到所述DC总线和能量存储装置；功率逆变器，其联接到所述DC总线和AC总线；以及控制系统。所述控制系统可包括一个或多个控制器，所述一个或多个控制器被配置来：监视所述功率系统外部的参数；并且选择性地控制所述DC/DC功率转换器以根据所述监视的参数将由所述功率源生成的功率存储在所述能量存储器中。
所述功率系统外部的参数可包括用于通过所述AC总线供应到电力网的能量的PV能量定价信号；以及用于停止或降低供应到所述电力网的能量的数量的缩减信号。
当所述PV能量定价信号中的价格低于预定阈值时，所述DC/DC功率转换器可将由所述功率源生成的功率存储在所述能量存储器中。
当所述PV能量定价信号中的价格等于或大于所述预定阈值时，所述DC/DC功率转换器可将存储在所述能量存储器中的能量供应到电力网。
所述功率系统外部的参数可被连续地监视，并且所述控制系统可连续地控制所述DC/DC功率转换器和所述功率逆变器以在将所述功率源的输出功率存储在所述能量存储器中与不存储在所述能量存储器中之间转变。
在一方面，一种用于控制斜坡率的功率系统可包括：功率源，其联接到DC总线；DC/DC功率转换器，其联接到所述DC总线和能量存储装置；功率逆变器，其联接到所述DC总线和AC总线；以及控制系统。所述控制系统可包括一个或多个控制器，所述一个或多个控制器被配置来监视所述功率逆变器的输出功率和所述功率逆变器的所述输出功率的变化速率；将所述功率逆变器的所述输出功率的所述变化速率与预先限定的斜坡率进行比较；并且当所述功率逆变器的所述输出功率的所述变化速率与所述预先限定的斜坡率相差多于预定量时，控制所述DC/DC转换器以使所述能量存储器充电或放电。
所述功率逆变器的所述输出功率和所述功率逆变器的所述输出功率的变化速率可被连续地监视，并且所述控制系统可连续地控制所述DC/DC功率转换器以使所述能量存储器充电或放电，直到所述功率逆变器的所述输出功率的所述变化速率不再与所述预先限定的斜坡率相差多于所述预定量。
当所述功率逆变器的所述输出功率的所述变化速率比所述预先限定的斜坡率大多于所述预定量时，所述DC/DC功率转换器可将功率供应到所述能量存储器。
当所述功率逆变器的所述输出功率的所述变化速率比所述预先限定的斜坡率小多于所述预定量时，所述DC/DC功率转换器可使功率从所述能量存储器放电到电力网。
附图说明(本公开的非限制实施例)
图1示出根据本发明的一个实施例的使用用于光伏能量的能量存储系统的功率系统。
图2例示在光伏(PV)逆变器操作的过程中来自太阳能阵列的太阳能阵列DC电压和电流。
图3例示可能在逆变器限幅期间损耗的能量的捕获。
图4是根据本发明的一个实施例的示范性DC/DC转换器的示意图。
图5是根据本发明的一个实施例的用于DC/DC转换器的控制结构。
图6是例示根据本发明的一个实施例的通过能量存储系统实现的低电压能量捕获方法的流程图。
图7是例示根据本发明的一个实施例的通过能量存储系统实现的逆变器限幅捕获方法的流程图。
图8是例示根据本发明的一个实施例的通过能量存储系统实现的用于提供可分派PV功率的方法的流程图。
图9是例示根据本发明的一个实施例的通过能量存储系统实现的斜坡率(ramprate)控制方法的流程图。
具体实施方式
现在参考附图，所述附图形成本文的部分，并且所述附图通过图解的方式示出特定的示范性实施例。然而，本文所描述的原理可体现于许多不同形式。附图中的部件不一定按比例绘制，相反重点在于例示本发明的原理。此外，在附图中，相同附图标号遍及不同视图代表对应的部分。
在本发明的以下描述中，某些术语仅用于参考的目的，并且不意图为限制。例如，尽管术语第一、第二等可在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个相区分。如在本发明的描述和所附权利要求书中所使用，单数形式“一个(a/an)”和“所述(the)”意图也包括复数形式，除非上下文另有清楚地指示。还应理解，如本文所使用的术语“和/或”代表并且涵盖相关联的列表术语中的一个或多个的任何和所有可能的组合。将进一步理解，术语“包括(comprises和/或comprising)”在使用于本说明书中时规定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整数、步骤操作、元件、部件和/或其分组的存在或添加。
本发明的实施例包括用于从太阳能PV设备捕获通常将被浪费的额外能量的系统和方法。本发明的实施例包括用于捕获PV阵列的低电压能量的具有PV功率生成的接口连接存储器。本发明的其它实施例包括用于捕获来自逆变器限幅的能量损耗的具有PV功率生成的接口连接存储器。本发明的其它实施例包括用于提供可分派PV功率的具有PV功率生成的接口连接存储器。本发明的其它实施例包括用于提供斜坡率控制的具有PV功率生成的接口连接存储器。
参考图1，PV加存储生成系统100包括PV阵列2、PV逆变器31、能量存储器11、DC/DC转换器3、控制器110、DC总线130和AC总线120，所述AC总线可连接到市电网、本地负载和/或微电网。
在一个实施例中，用于PV加存储生成系统100的控制系统110可包括控制器110，所述控制器协调转换器3和逆变器31的操作。在另一个实施例中，用于PV加存储生成系统100的控制系统110可包括用于DC/DC转换器3和PV逆变器31中的每一个的分离控制器。在存在用于DC/DC转换器3和PV逆变器31的分离控制器的情况下，控制系统110可包括主控制器，所述主控制器与DC/DC转换器3和PV逆变器31的控制器协调工作。
PV逆变器31在逆变器的AC侧上连接到AC总线120。AC总线120能够联接到市电网、微电网、负载和/或其它AC连接。优选地，逆变器31的DC侧连接到DC/DC转换器3和PV阵列2两者。为简单起见，将阵列展示为单个连接，但是应理解，在本发明的实施例中，面板可能与连接在逆变器之前的重组器框中的串成串地连接。此外，在一个实施例中，PV逆变器31能够进行多于一个最大功率点跟踪(MPPT)输入，在这种情况下可使用多个转换器3。
优选地，DC/DC转换器3连接到PV逆变器31的DC输入并且也连接到能量存储器11。能量存储器可包括例如电池、电池组等。
在一个实施例中，PV逆变器31可例如具有中心或串类型。
优选地，电池11、DC/DC转换器3、控制系统110和PV逆变器31彼此紧密接近地布置以通过减少电缆长度来使成本最小；并且位于使太阳能面板的任何阴影最小的位置中，诸如阵列北侧。然而，应理解，本发明不如此受限制。此外，本发明的实施例包括存储器11、DC/DC转换器3和控制器110可以新构造安装或改装到现有太阳能PV设备。
在本发明的实施例中，控制系统110可通过通信手段(诸如经由铜或光纤的ModbusTCP，或通过近距离无线通信、无线局域网连接等)无线地连接到DC/DC转换器3、能量存储器11和PV逆变器31。可由拥有者、操作者或第三方数据收集服务对功率系统的任何资产做出额外的通信连接，以监视系统的操作和性能。这些远程连接可例如通过蜂窝、卫星、硬连线连接等做出。
图4和图5示出可用作图1中所示的双向DC/DC转换器3的示范性双向DC/DC转换器拓扑和控制结构。应理解，DC/DC转换器3不限于图4和图5中所示的那样，并且可以是另一个DC/DC转换器拓扑，只要转换器能够进行双向功率流动。图4和图5的DC/DC转换器详细地描述于美国申请第15/895,565号，所述美国申请以引用方式整体并入本文。
参考图4，根据本发明的一个实施例的DC/DC转换器400可包括彼此连接的第一转换级410和第二转换级420。第一转换级410和第二转换级420形成双向DC/DC转换器(即，功率流是双向的)。第一转换级410上的电压的幅度可高于或低于或大致上等于第二转换级上的电压的幅度。因而，DC/DC转换器400的任一侧可被用作降压转换器或升压转换器。
在一个实施例中，当对应于电池的输入/输出的电压的幅度高于对应于PV阵列上的电压的输入/输出处的电压的幅度时，第一转换级410操作来将对应于电池的输入/输出电压转换到对应于PV阵列的输入/输出处的所需要的幅度。当对应于PV阵列的输入/输出的电压的幅度大于对应于电池的输入/输出处的电压的幅度时，第二转换级420操作来将对应于PV阵列的输入/输出电压转换到对应于电池的输入/输出处的所需要的幅度。
在一个实施例中，DC/DC转换器400包含串联H桥的级联连接。第一转换级410包含串联连接的第一半桥412和第二半桥414。第一半桥412和第二半桥414中的每一个可包含开关对Q1、Q2和Q3、Q4。第二转换级420包含串联连接的第三半桥422和第四半桥424。第三半桥422和第四半桥424中的每一个可分别包含开关对Q5、Q6和Q7、Q8。
在一个实施例中，第一转换级410和第二转换级420使用感应器L1和L2连接。在另一个实施例中，第一感应器L1和第二感应器L2可由如图5中所示的隔离变压器T1替换。
在第一转换级410和第二转换级420通过感应器L1和L2连接的实施例中，DC/DC转换器400可进一步包括任选的中心点连接。中心点连接450例如在输入/输出连接到能量存储器(例如，一个电池/多个电池)的情形中是有利的，因为电池端子上的噪声通过中性的中心点连接450减少。然而，存在针对中心点连接450的设计折衷方案，因为在某种程度上使波纹性能(即电池和PV端口上的波纹电流和电压)折衷。
在一个实施例中，半桥412、414、422、424中的每一个可紧密联接到DC总线电容器C1-C4用于滤波和半导体电压过冲减少。例如，电容器C1可以是用于由Q1和Q2形成的半电桥的滤波电容器。这些电容器C1-C4中的每一个可以是单独电容器或可以是若干离散电容器的串并联组合以达到适当的定额。
在一个实施例中，开关Q1-Q8是具有后主体二极管的半导体开关。可用于Q1-Q8的半导体开关的实例包括但不限于IGBT、MOSFET等。
图5示出根据本发明的一个实施例的用于DC/DC转换器的控制结构。
参考图5，控制结构600包括外控制回路610和内控制回路620。外控制回路610控制接口感应器电流(例如Im1)中的一个，并且内控制回路620控制电池/PV电流的幅度或电池/PV电压的幅度。
在图5中所示的实施例中，控制器参数(例如，两个PI参数)可被调谐以适应硬件参数。调谐取决于若干因素，例如：1)所需要的响应速度——系统的控制带宽——例如，是否希望转换器在1ms或100ms内达到额定电流；以及2)系统的硬件参数——例如，电感、电容和开关频率值。
外控制回路610接收电池电流或PV电压的命令和电池电流或PV电压的反馈作为输入。电池电流或PV电压的命令和电池电流或PV电压的反馈可以是电池电流的所需要的幅度或PV电压的所需要的幅度。电池电流或PV电压的反馈是电池电流的实际幅度或PV电压的实际幅度。所需要的幅度然后通过例如取得所需要的幅度与实际幅度之间的差来与实际幅度进行比较。这个差被输入到控制器612中用于通过感应器中的一个控制接口感应器电流中的一个。控制器612然后将用于接口感应器电流的电流命令Im_cmd输出到内控制回路620。这里，电流命令Im_cmd可以是与接口感应器电流的实际幅度进行比较的用于接口感应器电流的所需要的幅度。
在图5中所示的实施例中，控制器612和622是比例积分(PI)控制器。然而，应理解，这些控制器不限于PI控制器，并且实际上，控制器可以是任何闭合回路控制器，包括例如比例积分微分(PID)控制器和比例(P)控制器。
内控制回路620接收感应器电流命令lm_cmd和感应器电流Im1的实际幅度作为输入。感应器电流命令Im_cmd然后通过例如取得感应器电流命令Im_cmd与感应器电流Im1之间的差来与感应器电流Im1进行比较。这个差然后被输入到控制器622中，用于计算输入到开关Q1-Q8的开关信号的占空值。控制器322将开关信号的占空值输出到DC/DC转换器。占空值影响到开关的信号的占空循环，所述占空循环影响DC/DC转换器400的升压/降压的幅度。占空比取决于DC/DC转换器400的任一侧上的电压的比。
控制结构600可体现在诸如数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)等的控制器上。然而，应理解，控制器不限于这些，并且可为任何类型的处理器。另外，控制结构600可体现在单个控制器或多个控制器(例如，用于外回路和内回路的不同控制器)上。
如以上所述，DC/DC转换器3不限于这个具体配置，并且可以是能够进行双向功率流动的任何DC/DC转换器。
低电压能量
图2例示在PV逆变器31操作的过程中来自PV阵列2的太阳能阵列DC电压和电流。图2被提供来帮助解释本发明的实施例，其中PV加存储生成系统100实现DC/DC转换器3以便存储低于一定阈值(即，“唤醒”电压)的低电压能量。
在传统PV逆变器拓扑的情况下，PV逆变器必须等待最小DC电压由太阳能场(例如，太阳能阵列2)生成以便开始产生功率。这可称为“唤醒”电压。在参考图1和图2所示的实施例中，当PV阵列电压低于逆变器的唤醒电压并且逆变器未操作时(即，在PV阵列2、DC/DC转换器3和逆变器31的DC侧连接的情况下)，DC/DC转换器的添加允许系统从PV阵列提取能量。
图2例示典型的PV逆变器操作，其中黑色走向(即，顶部走向)是太阳能阵列DC电压并且灰色走向(即，底部走向)是来自太阳能阵列的电流。拓扑限制将限制典型的PV逆变器试图将来自太阳能阵列的能量转换到电网能量，直到PV阵列达到唤醒电压。当参考图2时，可注意到，逆变器不能从阵列产生功率，直到阵列电压达到唤醒电压，在这种情况下大致700VDC。因此，从日光入射在太阳能阵列2的太阳能面板上的点到阵列达到唤醒电压的点，存在可从面板获得的能量。传统的实现方式不能捕获在唤醒电压的阈值以下可获得的能量/功率。
在一个实施例中，对于低电压捕获，DC/DC转换器3以最大功率点跟踪模式操作并且将PV生成的能量存储到能量存储器11中。然后可以各种方式使用捕获的能量。例如，低电压捕获的能量可在稍后时间通过逆变器31放电到电网120，或者可在稍后时间用来供电至局部负载。
控制系统110控制DC/DC转换器3和PV逆变器31的操作，使得系统100捕获低电压能量。例如，如图6中所示，在一个实施例中，在启动时，控制系统：
210：监视由PV阵列产生的电压。
220：确定PV阵列2是否正在产生大于第一预定阈值的电压。根据一个实施例，将第一预定阈值设定为等于DC/DC转换器3中的预期损耗。控制系统110通过使用在DC总线130上感测的电压和任选的太阳辐照传感器来确定PV阵列2是否具有足够的可获得的功率。这被用于确保PV阵列2中可获得的功率多于在DC-DC转换器3正操作时将在所述DC-DC转换器中损耗的功率。如果DC-DC转换器3在低电压操作期间损耗比所述DC-DC转换器3在PV阵列2中可获得的更多的功率，则能量存储器11可结束放电。
230：当控制系统110确定PV阵列2正在产生大于第一预定阈值的电压时，控制系统110然后确定PV阵列2是否正在产生小于第二预定阈值的电压。在一个实施例中，将用于电压的这个第二预定阈值设定为等于PV逆变器31的唤醒电压。控制系统110通过监视DC总线130上的电压以确定DC总线130电压是否小于唤醒电压来确定PV阵列2是否正在产生小于第二预定阈值的电压。这样的监视可通过使用感测DC总线130上的电压的幅度的传感器而发生。
240：当控制系统110确定PV阵列2具有大于第一预定阈值的可获得的功率并且正产生小于第二预定阈值的电压时，控制系统110控制DC/DC转换器3来以MPPT模式操作并将PV生成的能量存储到能量存储器11中，并且控制系统110控制PV逆变器31不以MPPT模式操作。
当控制系统110控制DC/DC转换器3来以MPPT模式操作时，控制系统110继续监视PV阵列电压以确定PV阵列电压是否已达到第二预定阈值(例如，唤醒电压)。
250：当确定PV阵列电压已达到第二预定阈值时，控制系统110控制PV逆变器31来以MPPT模式操作使得将由PV阵列产生的能量提供到电网120。当控制器110将逆变器31置于MPPT模式中时，控制系统110停止用于DC/DC转换器3的MPPT模式。
一旦PV阵列电压已达到或超过第二预定阈值，控制系统110继续监视PV阵列电压以确定其幅度是否降到第二预定阈值之下。这可发生在当云、灰尘或其它对象干扰入射在PV阵列2上的日光时，或者当太阳开始落下时。当PV阵列电压降到第二预定阈值之下时，控制系统110再次控制DC/DC转换器3来以MPPT模式操作使得将能量存储在能量存储器11中，并且停止用于PV逆变器31的MPPT模式。
一旦PV阵列电压降到第二预定阈值之下，控制系统110继续监视PV阵列电压以确定其幅度是否再次达到第二预定阈值，在幅度再次达到第二预定阈值的点处，控制系统将再次控制PV逆变器31来以MPPT模式操作使得将由PV阵列2产生的能量提供到电网120，并且停止用于DC/DC转换器3的MPPT模式。
尽管针对DC/DC转换器3连接到能量存储器11的情况描述了以上方法，但是应理解本发明不限于这个特定情况。例如，在另一个实施例中，类似的控制方法由控制系统110应用于DC/DC转换器3，所述DC/DC转换器具有连接到PV阵列2的一侧和连接到PV逆变器31的另一侧。在这种情况下，DC/DC转换器3不用来存储能量，但是实情是，DC/DC转换器3在低电压阵列PV输出情形下将电压升压到超过PV逆变器31的唤醒电压。因而，当控制系统确定PV电压小于第二阈值时，控制系统控制DC/DC转换器3以将电压升压到PV逆变器31的唤醒电压以上。
逆变器限幅捕获
图3例示可能在逆变器限幅期间损耗的能量的捕获。
逆变器负载比(ILR)定义为安装的DC PV功率与AC逆变器(例如，逆变器31)定额的比。当绘图在白天过程中的太阳能系统的功率输出时，1的ILR产生连续抛物线——假设没有云覆盖和其它变化的理想辐照。ILR越高，系统将越快地达到其输出功率定额。例如，与较大的ILR相比，1的ILR将具有直到逆变器最大输出功率定额的较缓慢的斜坡。相反，高ILR将产生较陡的斜坡和较快的时间以达到逆变器最大输出功率定额。
为了最大化来自太阳能PV设备的能量生产，可部署大于1的ILR，其中1.2到1.3的ILR值是常见的并且大于2的ILR并非罕见的。然而，当使用较高的ILR值时，虽然功率输出将更快速地达到逆变器定额，但会发生逆变器限幅。在图3中所示的实例中，存在近似1.3MW的PV面板和1MW PV逆变器(ILR＝1.3)。这个配置将PV输出功率限制于1MW并且将收集深灰色阴影区域的能量。然而，这个配置不能捕获如浅灰色区域所示的在1MW以上可获得的所有能量。在图1中所示的实施例中，转换器和控制系统将“限幅”能量存储到能量存储器11中，所述“限幅”能量随后可在稍后时间被分派。
控制系统110控制DC/DC转换器3和PV逆变器31的操作，使得系统100捕获限幅能量。例如，如图7中所示，在一个实施例中，控制系统：
310：监视PV逆变器31的输出功率。在一个实施例中，控制系统110可监视AC总线120上的电压。这样的监视可通过使用感测由PV逆变器31输出的电压和电流的幅度的传感器而发生。这样的传感器可例如被放置在PV逆变器31的输出处或PV逆变器的箱内。在一个实施例中，可将传感器并入PV逆变器中。
320：确定PV阵列功率是否已达到预定阈值。在一个实施例中，控制系统110已将PV逆变器31定额存储在其中，并且将PV逆变器31定额设定为预定阈值。例如，如果存在1MW太阳能逆变器和1.5MW的太阳能面板，则控制系统监视太阳能逆变器31的输出功率的幅度，并且一旦太阳能逆变器变成在1MW处限制的功率，则控制系统110控制DC/DC转换器3以将任何可获得的过剩功率存储到能量存储器11中。
330：在输出功率超过预定阈值之后，控制系统110继续监视PV逆变器31的输出功率以确定输出功率是否降到预定阈值之下，在此之后不存在将要存储的比较久的过剩功率。
可分派的PV
在一个实施例中，控制系统110将由PV阵列2产生的能量存储在能量存储器11中，使得所述能量可在稍后时间被分派。当太阳能设备不被缩减时或当输出(例如，电力公司、大型工业设施、城镇等)将为能量支付额外费用时，可使用能量。
例如，在一个实施例中，如图8中所示，控制系统110：
710：监视电网参数和能量定价以确定使用PV能量对能量存储器11充电而不是将PV能量发送到电网是否为有益的。例如，控制系统110可接收用于供应给电网的能量的定价信号，或控制系统110可接收减少或停止将太阳能发电从公共设施或其它实体供应到电网的信号。
720：确定太阳能生成的能量不应被供应给电网，控制系统110控制DC/DC转换器3以将来自PV阵列2的功率存储在能量存储器11中。控制系统110然后可通过例如预定时间量过去或通过从实体(例如，公共设施)接收信号来确定缩减结束，或能量价格已增加，这使将功率供应到电网更能产生利润。
730：一旦缩减结束，或能量价格增加，控制系统110可控制PV逆变器31以将功率提供到电网120，所述电网可包括局部负载、公共设施、大型工业设施、城镇等。
这个实施例是有利的，因为如果太阳能设备处的太阳能阵列2被缩减(即使缩减是一天长)，而不是全部损耗，则将尽可能多的能量存储在能量存储器中。然后在太阳能设备脱机的稍后时间(例如，夜间)，因为不存在日光，所以设备不能使能量存储器11放电到电网。
斜坡率控制
PV功率生产取决于日光，并且因而，PV功率生产可随云的经过或其它阴影事件而波动。当这些阴影事件发生时，下坡(down-ramping)发生。当日光返回时，上坡(up-ramping)发生。如果存在急剧上坡或下坡，则可能损坏功率系统或连接到功率系统的其它系统(例如，高斜坡率可引起频率过高/不足事件，所述频率过高/不足事件将引起系统故障)。例如，如果当太阳能电场(solar farm)在全功率处时相当大的云覆盖来到，则来自太阳能电场的输出功率可从在最大功率处或最大功率附近转到一个很低的值，并且电网和负载未被良好地装配以处理功率的非常快的变化速率。在一个实施例中，控制系统110和DC/DC转换器3通过在上坡事件期间部分地充电和在下坡事件期间部分地放电来缓和由阴影引起的上坡和下坡事件，以维持预先限定的斜坡率(关于时间的功率的变化速率)。
控制系统110控制DC/DC转换器3和PV逆变器31的操作，使得系统100在斜坡控制中操作以维持预先限定的斜坡率。例如，在一个实施例中，如图9中所示，控制系统110被配置来：
510：当斜坡控制被引发时，控制系统110监视PV逆变器21到电网的输出功率。这样的监视可通过使用感测由PV逆变器31输出的电压的幅度的传感器而实现。
520：控制系统110确定功率的变化速率是否与预先限定的斜坡率相差设定的量。
530：当确定速率相差设定的量时，控制系统110控制DC/DC转换器3以使能量存储器11放电或充电以减缓上坡或下坡(例如，补充损耗的太阳能产量以减慢输出功率的斜坡率)。
在本发明的实施例中，DC/DC转换器3促进PV阵列2的低电压能量的捕获、被逆变器限幅损耗的能量的捕获、可分派的PV和斜坡率控制。在实施例中，将在能量存储器11与PV阵列2之间使用DC/DC转换器3。PV阵列2可具有与市AC电网连接的逆变器。因此，转换器的功率流动应为双向的(从PV充电的电池、经由PV逆变器放电到电网的电池)。电池(能量存储器)电压可高于或低于或大致等于具有功率流动的两个方向的PV电压。因此，可将转换器的任一侧用作降压或升压。
在实施例中，DC/DC转换器3也用来将不同化学物质的多个电池并联连接到单个逆变器，或当添加新的电池以升级现有电池设备的能力时促进电池的电流共享。
这个系统也可使用在不存在公共设施连接的微电网中。
这个系统也可用来服务DC负载而不需要AC逆变器。
本发明的实施例使得可能从太阳能PV设备捕获额外的能量，从而改进所有者的投资回报率(ROI)。另外，本发明的实施例使得可能使太阳能PV能量生产的分派时间位移以寻址尖峰并基于当日时刻(TOD)速率分派能量。
本发明的实施例允许用户基于历史数据或一些模拟软件(例如PVSyst)评估PV系统的生产，以确定被逆变器限幅或在低电压阵列时间期间损耗的能量，并且一旦添加存储器和转换器，计算修正的ROI。
尽管在以上所论述的某些示范性实施例中，将DC/DC转换器400描述为连接在能量存储器与PV阵列/逆变器之间，但是应理解，本发明不限于这种应用。本领域普通技术人员将容易理解，本发明的实施例适合于其他的应用，诸如其中在第一和第二输入/输出侧上的重叠电压的情况下需要DC/DC转换的应用。其他的实例包括变频驱动器(VFD)应用中的备用功率。DC/DC转换器可与VFD的DC总线连接。当电网电压存在时，DC总线电压通过电网建立并且VFD对电动机马达馈电。当电网停止运行(例如，停电)时，DC/DC转换器可通过使电池放电到VFD中来支撑DC总线，从而允许VFD无中断地运行。
本领域技术人员将显而易见，可在不脱离本公开范围的情况下对所公开的功率系统做出各种修改和变化。本领域技术人员将根据说明书的考虑和本公开的实践显而易见本公开的其它实施例。意图在于，说明书和实例被视为仅为示范性的，并且本公开的真实范围由以下权利要求书和其等效物指示。

Claims (18)

1.一种用于从功率源捕获低电压能量的功率系统，所述功率系统包括：
所述功率源，其联接到DC总线；
DC/DC功率转换器，其连接到所述DC总线和能量存储装置；
功率逆变器，其连接到所述DC总线和AC总线；以及
控制系统，所述控制系统包括一个或多个控制器，所述一个或多个控制器被配置来：
监视由所述功率源产生的电压；
确定所述功率源是否正在产生大于第一预定阈值的电压；当确定所述功率源正在产生大于所述第一预定阈值的电压时，确定所述功率源是否正在产生小于第二阈值的电压；
当确定所述功率源正在产生介于所述第一阈值与所述第二阈值之间的电压时：
控制所述DC/DC功率转换器以在MPPT模式中操作并将由所述功率源生成的能量存储在所述能量存储装置中；并且
控制所述功率逆变器以不在MPPT模式中操作；并且
当确定所述功率源正在产生大于或等于所述第二阈值的电压时：
控制所述功率逆变器以在MPPT模式中操作并通过所述AC总线将由所述功率源生成的能量供应到电力网；并且
控制所述DC/DC功率转换器以不在MPPT模式中操作。
2.如权利要求1所述的功率系统，其中所述第一预定阈值等于所述DC/DC功率转换器中的预期损耗。
3.如权利要求1所述的功率系统，其中所述功率逆变器具有唤醒电压，所述唤醒电压是所述DC总线处的电压必须达到以使所述功率逆变器可操作的电压幅度，并且所述第二预定阈值等于所述功率逆变器的所述唤醒电压。
4.如权利要求1所述的功率系统，其中所述功率源产生的所述电压被连续地监视，并且所述控制系统连续地控制所述DC/DC功率转换器和所述功率逆变器从而在操作于MPPT模式与不操作于MPPT模式之间转变。
5.如权利要求1所述的功率系统，其中在确定所述功率源是否正在产生小于所述第二预定阈值的电压中，所述控制系统进一步被配置来监视所述DC总线处的电压。
6.如权利要求5所述的功率系统，其进一步包括传感器，所述传感器感测所述DC总线处的所述电压并将所感测的电压传输到所述功率系统。
7.一种用于从功率源捕获限幅能量的功率系统，所述功率系统包括：
所述功率源，其连接到DC总线；
DC/DC功率转换器，其连接到所述DC总线和能量存储装置；
功率逆变器，其连接到所述DC总线和AC总线；以及
控制系统，所述控制系统包括一个或多个控制器，所述一个或多个控制器被配置来：
监视所述功率逆变器的输出功率；
将所述功率逆变器的所述输出功率与预定阈值进行比较；
当所述功率逆变器的所述输出功率大于所述预定阈值时，控制所述DC/DC功率转换器以将超过所述预定阈值的所述功率源的输出功率存储在所述能量存储器中。
8.如权利要求7所述的功率系统，其中所述预定阈值是所述功率逆变器的最大功率定额。
9.如权利要求7所述的功率系统，其中所述功率逆变器的所述输出功率被连续地监视，并且所述控制系统连续地控制所述DC/DC功率转换器和所述功率逆变器以在将所述功率源的输出功率存储与不存储在所述能量存储器中之间转变。
10.一种用于选择性地从功率源分派能量的功率系统，所述功率系统包括：
所述功率源，其连接到DC总线；
DC/DC功率转换器，其连接到所述DC总线和能量存储装置；
功率逆变器，其连接到所述DC总线和AC总线；以及
控制系统，所述控制系统包括一个或多个控制器，所述一个或多个控制器被配置来：
监视所述功率系统外部的参数；并且
选择性地控制所述DC/DC功率转换器以根据监视的参数将由所述功率源生成的功率存储在所述能量存储器中。
11.如权利要求10所述的功率系统，其中所述功率系统外部的所述参数包括：
用于通过所述AC总线供应到电力网的能量的PV能量定价信号；以及
用于停止或降低供应到所述电力网的能量的数量的缩减信号。
12.如权利要求11所述的功率系统，其中当所述PV能量定价信号中的价格低于预定阈值时，所述DC/DC功率转换器将由所述功率源生成的功率存储在所述能量存储器中。
13.如权利要求12所述的功率系统，其中当所述PV能量定价信号中的价格等于或大于所述预定阈值时，所述DC/DC功率转换器通过所述功率逆变器将存储在所述能量存储器中的能量供应到所述电力网。
14.如权利要求10所述的功率系统，其中所述功率系统外部的所述参数被连续地监视，并且所述控制系统连续地控制所述DC/DC功率转换器和所述功率逆变器以在将所述功率源的输出功率存储与不存储在所述能量存储器中之间转变。
15.一种用于控制斜坡率的功率系统，所述功率系统包括：
功率源，其连接到DC总线；
DC/DC功率转换器，其连接到所述DC总线和能量存储装置；
功率逆变器，其连接到所述DC总线和AC总线；以及
控制系统，所述控制系统包括一个或多个控制器，所述一个或多个控制器被配置来：
监视所述功率逆变器的输出功率和所述功率逆变器的所述输出功率的变化速率；
将所述功率逆变器的所述输出功率的所述变化速率与预先限定的斜坡率进行比较；并且
当所述功率逆变器的所述输出功率的所述变化速率与所述预先限定的斜坡率相差多于预定量时，控制所述DC/DC转换器以使所述能量存储器充电或放电。
16.如权利要求15所述的功率系统，其中所述功率逆变器的所述输出功率和所述功率逆变器的所述输出功率的变化速率被连续地监视，并且所述控制系统连续地控制所述DC/DC功率转换器以使所述能量存储器充电或放电，直到所述功率逆变器的所述输出功率的所述变化速率不再与所述预先限定的斜坡率相差多于所述预定量。
17.如权利要求15所述的功率系统，其中当所述功率逆变器的所述输出功率的所述变化速率比所述预先限定的斜坡率大多于所述预定量时，所述DC/DC功率转换器将功率供应到所述能量存储器。
18.如权利要求15所述的功率系统，其中当所述功率逆变器的所述输出功率的所述变化速率比所述预先限定的斜坡率小多于所述预定量时，所述DC/DC功率转换器使功率从所述能量存储器放电到电力网。
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