CN109995083A - 用于pv串、电池、电网及备用负载的混合逆变器电力控制系统 - Google Patents

用于pv串、电池、电网及备用负载的混合逆变器电力控制系统 Download PDF

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Abstract

本公开涉及用于PV串、电池、电网及备用负载的混合逆变器电力控制系统。一种用于光伏阵列的串逆变器，包括用于接收来自光伏阵列的DC电力的串级DC输入通道。输入通道执行通道级最大功率点跟踪。输入‑输出通道将串逆变器连接至电池组。在至少一个DC输入通道与至少一个输入‑输出通道之间的DC‑DC降压升压电路防止超过预定量的DC电压到达该电池组。DC‑AC逆变电路具有作为串逆变器的输出的AC输出。收益级电力表被配置为测量串逆变器的AC输出。

Description

用于PV串、电池、电网及备用负载的混合逆变器电力控制系统
本申请是于2016年4月14日提交的、申请号为201680022968.1、发明名称为“用于PV串、电池、电网及备用负载的混合逆变器电力控制系统”的中国发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年7月13日提交的美国专利申请No.14/798,069的优先权，该美国专利申请No.14/798,069要求2015年4月22日提交的美国临时申请No.62/151,257的权益，这两个申请为了全部目的通过引用的方式全文并入本文。
背景技术
由于不断下降的成本、州及联邦的税收优惠，以及CO2排放与气候变化之间的相关性的证据及认识增多，光伏或“太阳能”电力系统正越来越受到客户、企业和公用事业公司的欢迎。基本的太阳能电力系统包括共同连接在一个或多个串上的太阳能板的阵列，用于将一个或多个串的输出进行汇流的汇流器(combiner)，用于将由串输出的经汇流的直流(DC)转换成交流(AC)的一个或多个串逆变器，以及在电表与客户的主电气面板之间(通常在电表的负载侧)的到交流电网的物理接口。
太阳能电力系统的下一步发展是现场能量存储。由于多种原因，能量存储是重要的。首先，在电网不可用(停电)时，它提供了潜在的电力源。其次，在客户将电力传输回电网不能得到补偿或者得到的补偿低于零售价的州和/或国家，它使得客户能够存储在日间(尤其是在太阳能阵列正产生最大的电力时)生成的能量，然后在太阳落山后消耗该电力，从而降低客户的峰值需求。第三，它使得客户能够在电网最需要电力时将电力一次性供应回电网。本地化的能量存储可以通过供应电力来帮助公用事业公司稳定电网，以提高需求响应，削去需求峰，并且将电力负荷转移到需求较低的时间。第四，它提供了在需求较低时(即，在存在电力剩余时)存储电网电力的机制，从而自下而上地使公用事业公司的电力需求曲线平滑化。第五，通过使客户能够在现场存储能量，可以在电网不可用时(例如，在停电期间)针对供应给备用负载的能量向客户收费。
发明内容
根据一种实施例，用于光伏阵列的串逆变器包括用于接收来自光伏阵列的DC电力的串级DC输入通道。输入通道执行通道级最大功率点跟踪。输入-输出通道将串逆变器连接至电池组。在至少一个DC输入通道与至少一个输入-输出通道之间的DC-DC降压升压电路限制大量的DC电压到达电池组，使得它不会超过预定阈值。DC-AC逆变电路具有作为串逆变器的输出的AC输出。收益级电力表被配置为测量串逆变器的AC输出。
在一种实施例中，串逆变器包括三工位开关，其中，在第一位置，允许AC电力从串逆变器流到客户电表的负载侧以及一个或多个备用负载，在第二位置，允许电力从客户电表的负载侧绕过串逆变器流到一个或多个备用负载，而在第三位置，与串逆变器的输出连接的全部电路都相互电气断连。
在另一种实施例中，串逆变器还包括用于计量在至少一个DC输入通道处接收的来自光伏阵列的总DC电力的第一电路，用于计量在至少一个输入-输出通道处接收的来自电池组的总DC电力的第二电路，以及控制器，该控制器被编程为确定总AC输出中的由收益级电力表测得的可归因于至少一个DC输入通道和至少一个输入-输出通道的部分。
在另一种实施例中，串逆变器可操作以接收AC电力，将AC电力整流为DC电力，并且将经整流的DC电力输送到电池组。
根据另一种实施例，用于光伏阵列的串逆变器包括用于接收来自光伏阵列的DC电力的至少一个串级DC输入通道，用于将串逆变器连接至电池组的至少一个输入-输出通道，具有作为串逆变器的输出的AC输出的DC-AC逆变电路，以及控制通过串逆变器的电力流动的开关。在一种变型中，该开关被配置为使得在第一状态中，允许AC电力从串逆变器流到客户电表的负载侧以及一个或多个备用负载，在第二状态中，允许电力从客户电表的负载侧绕过串逆变器流到一个或多个备用负载，而在第三状态中，与串逆变器的输出连接的全部电路都与逆变器电气断开。
根据另一种实施例，用于光伏阵列的串逆变器包括用于接收来自光伏阵列的DC电力的至少一个串级DC输入通道，用于将串逆变器连接至电池组的至少一个输入-输出通道，具有作为串逆变器的输出的AC输出的DC-AC逆变电路，以及配置为测量串逆变器的AC输出的收益级电力表。在一种变型中，收益级电力表包括用于计量在至少一个DC输入通道处接收的来自光伏阵列的总DC电力的第一电路，用于计量在至少一个输入-输出通道处接收的来自电池组的总DC电力的第二电路，以及控制器，该控制器被编程为确定总AC输出中的由收益级电力表测得的可归因于至少一个DC输入通道和至少一个输入-输出通道的部分。
根据另外一种实施例，用于光伏阵列的串逆变器包括用于接收来自光伏阵列的DC电力的至少一个串级DC输入通道，用于将串逆变器连接至电池组的至少一个输入-输出通道，与至少一个DC输入通道耦接的被配置为防止超过预定量的电压到达电池组的DC-DC降压升压电路，以及具有作为串逆变器的输出的AC输出的DC-AC逆变电路。
根据另外一种实施例，用于光伏阵列的串逆变器包括用于接收来自光伏阵列的DC电力的至少一个串级DC输入通道，用于将串逆变器连接至电池组的至少一个输入-输出通道，与至少一个输入-输出通道耦接的被配置为防止超过预定量的电压到达电池组的DC-DC降压升压电路，以及具有作为串逆变器的输出的AC输出的DC-AC逆变电路。
附图说明
图1示出了根据一种实施例的示例性太阳能发电系统的框图，
图2示出了图1所示的系统的更详细的框图；
图3示出了根据一种实施例的逆变器箱的两侧；
图4示出了用于计量由系统产生的电力的量的技术；以及
图5-9示出了根据各种实施例的逆变器系统的各种可能的电力流动状态。
具体实施方式
为了释放太阳能发电系统内的能量存储器件的全部潜力并确保安全高效的操作，需要更加精密的控制系统以及能够与高电压现场能量存储系统进行接口连接的相关电路。为此，本公开教导了用于改进包含本地化能量存储的太阳能发电系统的操作的系统、方法、器件及相关电路。
图1示出了根据本文所公开的各种实施例的示例性太阳能发电系统的框图，并且图2示出了同一系统的更详细的框图，用于示出附加的内部构件、整体系统布线以及逆变器接线室互连。
在图1和图2的系统中，一对光伏(PV)串102被输入到逆变器PCS(电力控制系统)104。每个串可以包括串联连接的多个PV板(未示出)，其具有100伏与1000伏之间的累加的直流(DC)电压，取决于诸如板的数量、其效率、其输出等级、环境温度以及每个板上的照射的因素。此外，每个MPPT(最大功率点跟踪)通道输入可以接收并联连接的两个或更多个单独串的输出(即，在每个MPPT通道输入处的二(或多)合一汇流器)。
在一些实施例中，当来自每个串的高压DC线路被输入到逆变器时，其经受串层面的最大功率点跟踪(MPPT)(例如，在图1和2的示例性系统中的双MPPT)。可替代地，每个模块(或者各个串中的多个个体模块)可以包括DC优化器，DC优化器在模块级或者N模块级输出处而不是在串级处执行MPPT。各种实施例都可兼容集中式或分布式的MPPT。
在一些实施例中，逆变器可以包括PV输入侧的DC/DC转换级106。DC/DC级通常被用来确保供应到DC/AC级108的电压对于逆变是足够高的。但是，与常规的逆变器不同，图1和图2的逆变器还包括DC链路总线，DC链路总线与电池组110附接，使得来自串的DC电力可以被用来将DC电力输送给电池组110，以“对电池进行充电”。DC链路总线由在图1中示于两个DC-DC逆变器与DC-AC部分之间的电容器组表示。电池组110具有最小和最大关联的工作电压窗口。因为电池组110具有最大接触(exposed)输入电压限制，该电压限制在许多情况下低于来自串的理论最大DC电压(开路电压，Voc)，所以本发明的各种实施例在逆变器104的串级PV输入与到电池组的DC链路连接之间包括降压升压电路112。降压升压电路112的引入将防止安全阈值以上的电压接触到电池组110，由此消除电池组110受到过电压应力的破坏的可能性。
应当理解的是，逆变器104可以具有多于一种操作模式。在一些模式中，没有电力可以从PV串102流到电池组110，而在其它模式中，电力可以只流到电池组，而在另外一些模式中，电力可以流到电池组和AC电网的组合。在第一模式中，如图7所示，全部可用的PV电力均可以优先进入电池组110，任意剩余电力被供应到逆变器104的DC/AC级108(图1)，以被供应到电网114或者被输送到备用负载116。在第二模式中，如图5所示，可以将所产生的全部电力供应到逆变器104的DC/AC级108，要么用于给备用负载116供电，要么供应到电网114。在其它模式中，如图6和8所示，电池组110可以单独对逆变器104的DC/AC级108放电(图8)，和/或与来自串102(图6)的PV电力一起对AC电网114和/或备用负载116进行供电。在又一种模式中，如图9所示，电力可以来自电网114，通过DC/AC逆变器108(图1)对电池组110充电，例如，在PV阵列102不在发电且电力需求处于其最低点时(例如，在日落后)。在各种实施例中，模式选择可以通过电池组110内的逻辑、逆变器104内的逻辑或这二者内的逻辑来控制，或者该选择可以基于来自外部来源的信号。这些不同的操作模式将在下文结合图5-9更详细地描述。
继续参考图1的示例性太阳能发电系统，在该图中，有两个标记为“DC/DC(降压-升压)”的块106/112。这些块106/112表示可替代实施例。在第一实施例中，降压升压电路位于逆变器104的前端的DC链路内(如块106所示)，使得来自PV串102的一个或多个DC输入总是经受到降压或升压操作，使DC链路总线处的电压保持为对于逆变足够高的水平，同时还防止给电池组110提供过高的电压。在本实施例中，其它任何地方都不需要第二降压升压电路。在第二实施例中，降压升压电路位于逆变器104的DC链路总线与电池组110之间(如块112所示)，使得每当电压接触到电池组110时，来自串102的高压DC输入仅通过降压升压电路。在该替代实施例中，在逆变器的输入处可以存在附加的DC-DC升压级，但其它任何地方都不需要第二降压电路。每种实施例都将防止电池组110接触到由PV阵列产生的过高的电压。来自该阵列的电压可能高达500伏，或者在l kV的PV系统的情况下甚至达到750伏。
应当理解的是，图1和图2中的电池组110可以是示例性的市售住宅用锂离子电池组，只有它自己的电池120或者具有DC/DC升压转换器118的电池120，或者其它拓扑结构。替代地，电池120可以是铅酸电池、高级铅酸电池、液流电池(flow battery)、有机电池或者其它电池类型。本文所公开的各种实施例可兼容许多不同的电池化学物质。所公开的各种实施例将同样可以利用其它市售电池组来工作，但是，这些实施例对于使用高压电池组(例如，>48伏)(如200V-750V的电池组)的系统可能具有特别的用处。如同图2中框着逆变器PCS104和电池组110的虚线所示，逆变器PCS 104和电池组110可以被安置在位于住宅或商业建筑物内部或外部的壁挂式外壳内。替代地，电池组110和逆变器PCS 104可以位于单独的外壳内。
参考图3，该图示出了根据本发明的各种实施例的逆变器箱的两侧。标记为“逆变器”的左侧包括一般为固定配置并且并非打算由安装人员或操作人员来修改的内部构件。标记为“接线盒”的右手侧包括到AC电网114的接线接口，以及到受保护的或备用的家庭负载116的连接。例如，如图2所示，备用负载116可以包括AC压缩机、风扇和/或洗衣机。冰箱/冷柜组合可以是另一个备用负载。这些仅为示例，并不意指为限制性的。可以通过将逆变器的AC输出直接接线至房主的或营业场所的主电气面板内的一个或多个断路器而根据安装人员或房主的需要来决定特定的备用负载。经由用于备用负载的逆变器PCS接线盒来提供单独的连接可以使电池组能够在失去电网电力的情况下被用作某些负载的备用电源。应当注意的是，图2中所示的电网标准(240V L-L/120V L-N)仅为示例性的。其它电网标准(诸如208 1-ph,3-ph/277l-ph/480 3-ph)，可以与本文所描述的各种技术相结合。
在典型的太阳能发电系统中，逆变器包括在输出端的高精度交流(AC)收益级电表(RGM)，使得太阳能供应商和/或客户可以确定系统在任何给定时刻正在产生多少电力以及随着时间推移产生了多少电力，并且在某些情况下使得可以用能量信用来对客户进行计费或补偿。典型地，该信息通过无线方式从逆变器发送给位于家庭或营业场所内的无线路由器，使得可以在本地或远程图形用户界面上查看该信息。但是，在添加了电池的情况下，可能不仅需要有对逆变器到AC电网或备用负载的输出进行更精细的测量的能力，而且还要有对光伏系统和电池的各自输出进行更精细测量的能力(例如，每个电源贡献了多少百分比的总AC电力)。在某些情况下，诸如当电网停电时，可能需要针对经由电池组或PV电源供应到客户的备用负载的电力向客户收费，因为通常当电网断电时，串逆变器停止输出电力。
为了实现这点，如图3和4所示，在本发明的某些实施例中，收益级电表312对从PV系统和电池进入逆变器内的电力进行单独的DC测量。测量电路410通过测量DC输入通道处的电流(I)、电压(V)和功率(P)对接收自光伏阵列102的总DC电力进行准确计量。测量电路412通过测量输入-输出通道处的电流(I)、电压(V)和功率(P)对接收自电池组110的总DC电力进行计量。控制器414可以被编程为确定由收益级电力表测得的总AC输出中的可归因于光伏阵列102和电池组110的部分。通过这样做，由收益级电表312测得的经汇流的AC输出电力可以被单独分配为由PV系统产生的电力以及由电池组供应的电力。同样，在图2和3中可看出，在各种实施例中，逆变器PCS 104的接线盒侧可以包括单个DC断路器(disconnect)，其使得操作人员能够手动关闭来自电池和PV系统的全部DC电力。
图3所示的实施例的一个附加特征是内置于逆变器PCS接线盒内或者位于其外部的旁路开关318。在一些实施例中，该开关可以是三工位开关。在第一位置，开关318可以将逆变器连接至电网114，并且还使用内部继电器(诸如图3中所示的继电器316)将逆变器连接至备用负载116。在第二位置，开关318可以绕开备用负载116直接连到电网114。开关的第三位置可以断开全部电路，使得一切都断开连接，这意味着AC电网114和备用负载116与逆变器断开连接。这可能是有用的，例如，如果逆变器PCS的逆变器侧发生故障并且需要进行维修或更换。如图3所示，逆变器的内部构件可以包括防孤岛型继电器(anti-islandingrelay)314和负载保护型继电器(protected load relay)316。继电器314和316连同旁路开关318一起至少部分基于旁路开关318的位置对逆变器和电网114与备用负载116之间的电力进行路由。
图5-9示出了根据各种实施例的逆变器PCS系统的各种可能的电力流动状态。图5-9所示的各种数值是示例性的，并且为了更清晰地传达各种示例性的电力流动状态而单独提供。在状态1中，如图5所示，逆变器104将提供与PV阵列102的最大额定功率相等的最大功率输出，归因于逆变器104的任何转换损失较小。在这种完全PV逆变器模式中，电池组110处于待机状态(没有在充电或放电)。在这种状态下，对电网114或备用负载116的AC输出功率可以为例如～6kW。
参考图6，该图示出了状态2，经汇流的PV与电池逆变器模式，在该模式中，PV阵列102和电池组110的经汇流的输出被逆变并被供应给AC电网114或备用负载116。在图6的示例中，逆变器104提供例如为～6kW的最大AC输出，但是只是它的部分功率(例如，4kW)来源于太阳能发电系统102，而其余功率(例如，2kW)由电池组110的放电量供应。AC输出电力可以被输送给电网114或备用负载116。
图7示出了状态3，另一种部分逆变器模式，其中PV阵列102正在产生其理论最大输出(例如，6kW+)，该输出被供应给逆变器PCS104。替代于对该功率全部进行逆变，首先部分功率(例如，2kW)被用来对电池110充电，剩余部分被进行逆变并被供应给AC电网114或备用负载116。在PV阵列102产生8kW+的可替代示例性实施例中，可以用2kW来对电池组110充电，全部6kW被提供给AC电网/备用负载。
图8示出了状态4，称为完全电池逆变器模式。在这种模式中，由逆变器PCS 104供应给AC电网114或备用负载116的全部功率均源自电池110的放电。这可能会发生于例如夜间或者在PV系统102在其它情况下无法发电时。在本示例中，放电的电池110仅供应例如～2kW的AC功率。典型地，电池110的电力容量将会小于或等于PV阵列102的最大输出，但是所公开的实施例并非意指限定于此。这种模式可能有利于帮助减轻负荷分担/转移场景，并且有助于削峰。
图9示出了第5种电力流动状态。在这种状态中，像状态4那样，PV系统102不产生电力，但是，电网114正通过双向逆变器回供电力以对电池110充电。这可以在例如电网电力需求相对低且较便宜时进行。然后，当天的晚些时候，当需求快速升高时，系统可以切换至模式4或者模式4的变型，其中电池110要么给电网114供电要么给备用负载116供电。
本文所描述的实施例并不限定于以上所述的具体实施例的范围之内。实际上，除了本文所述的那些修改之外，这些实施例的各种修改对于阅读了前述描述及附图的本领域技术人员而言将是明显的。此外，尽管本文已经在特定环境下用于特定用途的具体实施方式的背景下描述了一些实施例，但是本领域技术人员应当意识到，它们的实用性并不限定于此，并且它们可以在许多环境中针对众多用途有利地实现。因此，应当在考虑到本文所公开的实施例的全部迹象和精神的情况下来理解本公开。

Claims (18)

1.一种用于光伏阵列的逆变器电力控制系统PCS，包括：
用于接收来自光伏阵列的DC电力的至少一个串级直流DC输入通道；
用于将逆变器PCS连接至电池组的至少一个输入-输出通道；
直流DC-交流AC逆变电路，具有作为逆变器PCS的输出的AC输出；
继电器，被配置为控制通过逆变器PCS的电力的流动；以及
旁路开关，被配置为控制逆变器PCS输出的电力的流动，所述旁路开关包括耦接到一个或多个备用负载的第一端子、耦接到继电器的第二端子、以及耦接到继电器和AC电网的第三端子，其中所述旁路开关和继电器被配置为使得：在第一组合状态，允许AC电力从所述逆变器PCS流到AC电网以及所述一个或多个备用负载，在第二组合状态，允许电力从AC电网绕过继电器流到所述一个或多个备用负载，其中逆变器PCS输出被禁用，并且在第三组合状态，AC电网以及所述一个或多个备用负载与所述逆变器PCS电气断连。
2.根据权利要求1所述的逆变器PCS，其中所述至少一个输入通道被耦接到执行通道级最大功率点跟踪的DC优化器。
3.根据权利要求1所述的逆变器PCS，其中所述逆变器PCS被配置为给一个或多个备用负载供电。
4.根据权利要求1所述的逆变器PCS，其中所述逆变器PCS是双向逆变器，并且可操作以接收AC电力并将AC电力转换成DC电力，以及将所述DC电力供应给所述电池组以对其充电。
5.一种用于光伏阵列的逆变器电力控制系统PCS，包括：
用于接收来自光伏阵列的DC电力的至少一个串级直流DC输入通道；
用于将逆变器PCS连接至电池组的至少一个输入-输出通道；
DC-AC逆变电路，具有作为逆变器PCS的输出的AC输出；
第一开关，被配置为控制进入逆变器PCS的DC电力的流动，其中所述第一开关被配置为使得，在第一状态，允许来自光伏阵列和电池组的DC电力流动，并且在第二状态，切断来自光伏阵列和电池组的电力；
继电器，被配置为控制通过逆变器PCS的电力的流动；以及
第二开关，被配置为控制逆变器PCS输出的AC电力的流动，所述第二开关包括耦接到一个或多个备用负载的第一端子、耦接到继电器的第二端子、以及耦接到继电器和AC电网的第三端子，其中所述第二开关和继电器被配置为使得：在第一组合状态，允许AC电力从逆变器PCS流到所述一个或多个备用负载，并且在第二组合状态，允许电力从AC电网绕过继电器流到所述一个或多个备用负载，其中逆变器输出被禁用。
6.根据权利要求5所述的逆变器PCS，其中第一开关和第二开关是位于逆变器PCS上的单独的开关。
7.根据权利要求5所述的逆变器PCS，其中第二开关和继电器被进一步配置为使得，在第三组合状态，AC电网和所述一个或多个备用负载与逆变器PCS电气断连。
8.根据权利要求5所述的逆变器PCS，其中所述逆变器PCS被配置为给一个或多个备用负载供电。
9.根据权利要求5所述的逆变器PCS，其中所述逆变器PCS是双向逆变器，并且可操作以接收AC电力并将AC电力转换成DC电力，以及将所述DC电力供应给所述电池组以对其充电。
10.根据权利要求5所述的逆变器PCS，其中所述至少一个输入通道执行通道级最大功率点跟踪。
11.一种用于光伏阵列的逆变器电力控制系统PCS，包括：
用于接收来自光伏阵列的DC电力的至少一个串级DC输入通道；
用于将所述逆变器PCS连接至电池组的至少一个输入-输出通道；
DC-AC逆变电路，具有作为所述逆变器PCS的输出的AC输出；以及
收益级电力表，被配置为测量在所述逆变器PCS的输出处提供的所述逆变器PCS的AC输出；
防孤岛型继电器，耦接到收益级电力表；
负载保护型继电器，耦接到防孤岛型继电器；以及
第一开关，耦接到负载保护型继电器，并且被配置为与防孤岛型继电器和负载保护型继电器一起控制通过逆变器PCS的电力的流动，其中所述第一开关和继电器被配置为使得：在第一组合状态，允许AC电力从负载保护型继电器流到AC电网以及所述一个或多个备用负载，并且在第二组合状态，允许电力从AC电网绕过负载保护型继电器流到所述一个或多个备用负载。
12.根据权利要11所述的逆变器PCS，其中防孤岛型继电器耦接在收益级电力表与负载保护型继电器之间，并且被配置为使收益级电力表与AC电网断连。
13.根据权利要求11所述的逆变器PCS，其中负载保护型继电器被配置为使所述一个或多个备用负载与收益级电力表或防孤岛型继电器断连。
14.根据权利要求11所述的逆变器PCS，其中第一开关和继电器被进一步配置为使得，在第三组合状态，电池组、AC电网以及所述一个或多个备用负载与逆变器PCS电气断连。
15.根据权利要求11所述的逆变器PCS，还包括被配置为控制进入逆变器PCS的DC电力的流动的第二开关，其中所述第二开关被配置为使得，在第一状态，允许来自光伏阵列和电池组的DC电力流动，并且在第二状态，切断来自光伏阵列和电池组的电力。
16.根据权利要求11所述的逆变器PCS，其中所述逆变器PCS被配置为给一个或多个备用负载供电。
17.根据权利要求11所述的逆变器PCS，其中所述逆变器PCS是双向逆变器，并且可操作以接收AC电力并将AC电力转换成DC电力，以及将所述DC电力供应给所述电池组以对其充电。
18.根据权利要求11所述的逆变器PCS，其中所述至少一个输入通道执行通道级最大功率点跟踪。
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