CN111213309A - 用于控制混合发电系统中的dc电源的集成的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

提出了一种混合发电系统。混合发电系统包括发电机，该发电机经由原动机是可操作的，并且配置成生成交流（AC）功率。混合发电系统还包括第一功率转换器，该第一功率转换器电耦合到发电机，其中，第一功率转换器包括直流（DC）链路。此外，混合发电系统包括DC电源，该DC电源配置成耦合到DC‑链路。此外，混合发电系统还包括第二功率转换器。另外，混合发电系统包括集成控制子系统，该集成控制子系统可操作地耦合到第一功率转换器和DC电源。集成控制子系统包括至少一个旁路开关，该至少一个旁路开关部署于DC电源与DC‑链路之间，并且配置成经由第二功率转换器或旁路第二功率转换器来使DC电源连接到DC‑链路。

Description

用于控制混合发电系统中的DC电源的集成的方法和系统
背景技术
本说明书的实施例一般涉及发电（power generation）系统，并且特别地涉及用于控制混合发电系统中的DC电源的集成的方法和系统。
一些当前可用的混合发电系统采用原动机、辅助电源（例如，光伏电源）以及带有全功率转换系统的同步发电机或带有全功率转换系统或部分功率转换系统的异步发电机。在发电系统的操作期间，电功率可以由异步发电机和辅助电源中的一个或两个生成。因而生成的电功率可以供应至耦合到发电系统的电气负载和/或电网。
在常规混合发电系统中，辅助电源经由一个或多个功率转换器来耦合到异步发电机或同步发电机。在这样的常规混合发电系统中，选择耦合到辅助电源的功率转换器，使得这样的功率转换器的额定功率足以支持/耐受（withstand）由辅助电源生成的最大功率。因此，对于具有较高的发电能力的辅助电源，要求采用增加的额定功率的对应的功率转换器。典型地，与较低的额定功率的功率转换器相比，较高的额定功率的这样的功率转换器更庞大并且更昂贵。
发明内容
根据本说明书的一个实施例，提出了一种混合发电系统。所述混合发电系统包括发电机，所述发电机经由原动机是可操作的，并且配置成生成交流（AC）功率。所述混合发电系统还包括第一功率转换器，所述第一功率转换器电耦合到所述发电机，其中，所述第一功率转换器包括直流（DC）链路。此外，所述混合发电系统包括DC电源，所述DC电源配置成耦合到所述DC-链路。此外，所述混合发电系统还包括第二功率转换器。另外，所述混合发电系统包括集成控制子系统，所述集成控制子系统可操作地耦合到所述第一功率转换器和所述DC电源。所述集成控制子系统包括部署于所述DC电源与所述DC-链路之间的至少一个旁路（bypass）开关，并且所述至少一个旁路开关配置成经由所述第二功率转换器来使所述DC电源连接到所述DC-链路，或通过旁路所述第二功率转换器而使所述DC电源直接地连接到所述DC-链路。
根据本说明书的一个实施例，提出了一种用于控制混合发电系统中的DC电源的集成的方法。所述混合发电系统包括发电机、耦合到所述发电机并且具有DC链路的第一功率转换器、以及第二功率转换器。所述方法包括确定与所述DC电源对应的参考电压的幅值。所述方法还包括确定所述DC-链路的最小电压水平和所述DC-链路的最大电压水平，其中，所述最小电压水平和所述最大电压水平定义DC-链路电压的可接受范围。此外，所述方法包括基于所述参考电压的所述幅值和DC-链路电压的所述可接受范围，经由所述第二功率转换器来使所述DC电源连接到所述DC-链路，或通过旁路所述第二功率转换器而使所述DC电源直接地连接到所述DC-链路。
根据本说明书的一个实施例，提出了一种用于控制混合发电系统中的DC电源的集成的集成控制子系统。所述混合发电系统包括发电机、耦合到所述发电机并且具有DC链路的第一功率转换器、以及第二功率转换器。所述集成控制子系统包括至少一个旁路开关，所述至少一个旁路开关部署于所述DC电源与所述DC-链路之间。所述集成控制子系统还包括控制器，所述控制器可操作地耦合到所述至少一个旁路开关。所述控制器配置成确定与所述DC电源对应的参考电压的幅值。所述控制器进一步配置成确定所述DC-链路的最小电压水平和所述DC-链路的最大电压水平，其中，所述最小电压水平和所述最大电压水平定义DC-链路电压的可接受范围。此外，所述控制器配置成基于所述参考电压的所述幅值和DC-链路电压的所述可接受范围，经由所述第二功率转换器来使所述DC电源连接到所述DC-链路，或通过旁路所述第二功率转换器而使所述DC电源直接地连接到所述DC-链路。
附图说明
当参考附图而阅读下文的详述时，将更好地理解本说明书的这些及其它特征、方面以及优点，在所述附图中，贯穿附图相似字符表示相似部分，其中：
图1是根据本说明书的一个实施例的混合发电系统的框图表示；
图2是根据本说明书的一个实施例的另一混合发电系统的框图表示；
图3A-3D是在图1和图2的混合发电系统中使用的第二功率转换器的示意图示；
图4A-4D是在图1和图2的混合发电系统中使用的第二功率转换器的示意图示；
图5是根据本说明书的一个实施例的采用旁路开关和图3A的第二功率转换器的图1或图2的混合发电系统的至少一部分的框图表示；
图6是根据本说明书的一个实施例的采用旁路开关和图3B的第二功率转换器的图1或图2的混合发电系统的至少一部分的框图表示；
图7是根据本说明书的一个实施例的采用多个旁路开关和图3C的第二功率转换器的图1或图2的混合发电系统的至少一部分的框图表示；
图8是根据本说明书的一个实施例的采用多个旁路开关和图3D的第二功率转换器的图1或图2的混合发电系统的至少一部分的框图表示；
图9是根据本说明书的一个实施例的采用旁路开关和图4A的第二功率转换器的图1或图2的混合发电系统的至少一部分的框图表示；
图10是根据本说明书的一个实施例的采用旁路开关和图4B的第二功率转换器的图1或图2的混合发电系统的至少一部分的框图表示；
图11是根据本说明书的一个实施例的采用多个旁路开关和图4C的第二功率转换器的图1或图2的混合发电系统的至少一部分的框图表示；
图12是根据本说明书的一个实施例的采用多个旁路开关和图4D的第二功率转换器的图1或图2的混合发电系统的至少一部分的框图表示；以及
图13是根据本说明书的一个实施例的用于控制图1和图2的混合发电系统中的直流（DC）电源的集成的方法的流程图。
具体实施方式
如本文中所使用的，术语“可以”和“可以是”指示情形的集合内的发生的可能性；所指定的性质、特性或功能的拥有；和/或通过表达与所修饰的动词相关联的能力、性能（capability）或可能性中的一个或多个而修饰另一动词。因此，“可以”和“可以是”的使用指示所修改的术语显然对于所指示的机能（capacity）、功能或使用而言是适当的、能够实现的或合适的，然而考虑到，在某些情形下，所修改的术语有时可能并非是适当的、能够实现的或合适的。
根据本说明书的一些实施例，提出了一种混合发电系统。混合发电系统包括发电机，所述发电机经由原动机是可操作的，并且配置成生成交流（AC）功率。混合发电系统还包括第一功率转换器，所述第一功率转换器电耦合到发电机，其中，所述第一功率转换器包括直流（DC）链路。此外，混合发电系统包括DC电源，所述DC电源配置成耦合到DC-链路。此外，混合发电系统还包括第二功率转换器。另外，混合发电系统包括集成控制子系统，所述集成控制子系统可操作地耦合到第一功率转换器和DC电源。集成控制子系统包括至少一个旁路开关，所述至少一个旁路开关部署于DC电源与DC-链路之间，并且所述至少一个旁路开关配置成经由第二功率转换器或旁路第二功率转换器来使DC电源连接到DC-链路。还提出了集成控制子系统和用于控制混合发电系统中的DC电源的集成的方法。
图1是根据本说明书的一个实施例的混合发电系统100的框图表示。混合发电系统100包括原动机102、发电机104、第一功率转换器106、第二功率转换器108、直流（DC）电源110以及集成控制子系统112。混合发电系统100可以配置成生成交流（AC）电功率并且经由混合发电系统100的输出端口114来将AC电功率供应到电网（未示出）或电气负载（未示出）。输出端口114处的AC电功率可以是单相或多相的（诸如，三相电功率）。在一些实施例中，集成控制子系统112配置成利用第一功率转换器106来控制DC电源110的集成，从而促进对由DC电源110生成的电功率的增加的利用。
原动机102配置成对发电机104的旋转元件（例如，转子）施加旋转运动。原动机102的非限制性示例可以包括风力涡轮、潮汐涡轮、水力涡轮、可以可在变速下操作的引擎、燃气涡轮、压缩机、或其组合。
发电机104可以是同步发电机、异步发电机或双馈感应发电机。一般而言，发电机104包括定子、缠绕于定子上的定子绕组、转子以及缠绕于转子上的转子绕组。发电机104机械地耦合到原动机102。例如，发电机104的转子经由轴116来机械地耦合到原动机102的旋转元件，使得原动机102的旋转元件的旋转引起发电机104的转子的旋转。
第一功率转换器106电耦合到发电机104。通过示例，第一功率转换器106可以电耦合到发电机104的定子绕组或转子绕组或定子绕组和转子绕组两者。在图1的实施例中，第一功率转换器106耦合到发电机104的定子绕组，并且实现为配置成处理由发电机104生成的全部功率的全功率转换器。在一些实施例中，第一功率转换器106可以实现为部分功率转换器（参见图2），并且配置成处理由发电机104生成的功率的至少一部分。第一功率转换器106可以是AC-AC转换器。AC-AC转换器可以包括AC-DC转换器和DC-AC转换器。第一功率转换器106包括DC-链路118。特别地，AC-DC转换器和DC-AC转换器经由DC-链路118来彼此耦合。DC-链路118可以包括至少两个导体120、122——一个维持于正电位，并且另一个维持于负电位。DC-链路118还可以包括电耦合于两个导体120与122之间的DC-链路电容器124。
DC电源110配置成经由集成控制子系统112来耦合到DC-链路118。DC电源110能够生成到DC-链路118的DC功率和/或将DC功率供应到DC-链路118。DC电源的非限制性示例可以包括储能装置、光伏（PV）电源（参见图2）、燃料电池（fuel cell）、基于可再生能源的发电机、基于不可再生能源的发电机、或其组合。储能装置可以包括一个或多个电池，电容器、或其组合。
在一些实施例中，第二功率转换器108可以配置成耦合于DC电源110与第一功率转换器106的DC-链路118之间。第二功率转换器108可以是配置成增加由DC电源110生成的DC功率的水平或降低由DC电源110生成的DC功率的水平的DC-DC转换器。通过示例，第二功率转换器108可以是升压转换器，诸如，在图3A-3D中所示出的转换器中的任一个。通过另一示例，第二功率转换器108可以是降压转换器，诸如，在图4A-4D中所示出的转换器中的任一个。第二功率转换器108的进一步的细节与图3A-3D和图4A-4D联合而描述。
在某些实例中，在混合发电系统100的操作期间，由DC电源110生成的功率可以增加至超过第二功率转换器108的额定功率。在常规混合发电系统中，辅助电源（诸如，DC电源）经由对异步发电机或同步发电机的功率转换器来耦合到异步发电机或同步发电机。在这样的常规配置中，选择耦合到辅助电源的功率转换器，使得这样的功率转换器的额定功率足以支持由辅助电源生成的最大功率。因此，对于具有较高的发电能力的辅助电源，要求采用增加的额定功率的对应的功率转换器。典型地，与较低的额定功率的功率转换器相比，较高的额定功率的这样的功率转换器更庞大并且更昂贵。
根据本说明书的一些方面，混合发电系统100包括集成控制子系统112。集成控制子系统112可操作地耦合到第一功率转换器106、第二功率转换器108以及DC电源110中的一个或多个。集成控制子系统112配置成利用第一功率转换器106来控制DC电源110的集成，从而促进对由DC电源110生成的电功率的增加的利用。此外，根据本说明书的一些实施例的集成控制子系统112，促进与常规混合发电系统的功率转换器相比而具有减小的额定功率的第二功率转换器108的使用。因此，混合发电系统100的总成本和空间要求可以降低。
集成控制子系统112包括至少一个旁路开关（诸如，旁路开关126）。在图1的实施例中，示出一个旁路开关126。将注意到，在不限制本说明书的范围的情况下，还可以采用多于一个旁路开关（参见图2）。旁路开关126可以部署于DC电源110与第一功率转换器106之间。更特别地，在某些实施例中，旁路开关126可以电耦合于DC电源110与第一功率转换器106的DC-链路118之间。在一些实施例中，旁路开关126配置成经由第二功率转换器108来使DC电源110连接到DC-链路118。在一些实施例中，旁路开关126配置成通过旁路第二功率转换器108而使DC电源110直接地连接到DC-链路118。
旁路开关126可以是能够被电子地控制的。在一些实施例中，旁路开关126可以是半导体开关、接触器、断路器、或其组合。这样的半导体开关的非限制性示例可以包括晶体管、门极换流晶闸管、场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、门极关断晶闸管、静电感应晶体管、静电感应晶闸管、或其组合。此外，用于形成半导体开关的材料可以包括但不限于硅（Si）、锗（Ge）、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）、或其组合。
在某些实施例中，集成控制子系统112还可以包括控制器128，用于利用第一功率转换器106来控制DC电源110的集成，从而促进对由DC电源110生成的电功率的增加的利用。控制器128可以包括专门编程的通用计算机、电子处理器（诸如，微处理器、数字信号处理器和/或微控制器）。此外，控制器128可以包括输入/输出端口和存储介质（诸如，电子存储器）。微处理器的各种示例包括但不限于精简指令集计算（RISC）架构类型微处理器或复杂指令集计算（CISC）架构类型微处理器。此外，微处理器可以是单核类型或多核类型。备选地，控制器128可以实现为硬件元件（诸如，带有处理器的电路板）或实现为在处理器（诸如，个人计算机（PC））上运行的软件、或微控制器。在图1的实施例中，控制器128示出为集成控制子系统112的一部分。在某些实施例中，控制器128可以部署于集成控制子系统112外侧。
控制器128可以耦合到第一功率转换器106和第二功率转换器108，用于控制第一功率转换器106和第二功率转换器108的操作。控制器128还可操作地耦合到至少一个旁路开关（诸如，旁路开关126），用于利用第一功率转换器106来控制DC电源110的集成。在非限制性示例中，控制器128可以配置成执行图13的方法，用于控制旁路开关126的切换。用于利用第一功率转换器106来控制DC电源110的集成的控制器128的操作的进一步的细节与图2和图13联合而描述。
图2是根据本说明书的一个实施例的另一混合发电系统200的框图表示。特别地，混合发电系统200是基于双馈感应发电机（DFIG）的发电系统。在一些实施例中，混合发电系统200包括原动机202、DFIG 204、第一功率转换器206、第二功率转换器208、DC电源210、集成控制子系统212以及变压器213中的一个或多个。图2的原动机202类似于图1的原动机102，并且配置成对DFIG 204的旋转元件（例如，转子）施加旋转运动。混合发电系统200可以配置成生成AC电功率并且经由混合发电系统200的输出功率端口214来供应AC电功率。输出功率端口214处的AC电功率可以是单相或多相的（诸如，三相电功率）。在某些实施例中，集成控制子系统212可以控制由混合发电系统200进行的发电，使得未违反变压器213的预定义的电厂辅助设施（Balance of Plant）（BoP）限制。BoP限制包括变压器213的最大有功功率限制、变压器213的最大视在功率限制、变压器213的最大视在电流限制、变压器213的最大温度限制中的至少一个。在一些实施例中，集成控制子系统212还可以通过调节来自DFIG204或DC电源210的功率输出来保护第一功率转换器206。
在一些实施例中，混合发电系统200可以连接到电网（诸如，公用电网）。在一些实施例中，混合发电系统200可以实现为未连接到电网（未示出）的离岛（islanded）发电系统（有时也被称为隔离发电系统）。通过示例，可以设置混合发电系统（诸如，混合发电系统200），其中，到电网的连接是不期望的，或电网是不可用的。
图2的DFIG 204表示图1的发电机104的一个实施例。DFIG 204包括定子216、缠绕于定子216上的定子绕组218、转子220以及缠绕于转子220上的转子绕组222。在一些实施例中，定子绕组218和转子绕组222两者都可以是多相绕组，诸如，三相绕组。定子绕组218可以耦合到公共耦合点（PCC）224。DFIG 204机械地耦合到原动机202。例如，DFIG 204的转子220经由轴226来机械地耦合到原动机202的旋转元件，使得原动机202的旋转元件的旋转引起DFIG 204的转子220的旋转。
DFIG 204的转子220以某一转速操作，该转速取决于原动机202的旋转元件的转速，可以是同步速度、子同步速度或超同步速度。在一个示例中，转子220的同步速度可以使用方程（1）来定义。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
方程（1）
其中，N s 表示转子220的同步速度，p表示转子220中的极，并且，F表示电网电压的频率。因此，转子220的子同步速度可以定义为低于转子220的同步速度的速度。类似地，转子220的超同步速度可以定义为高于转子220的同步速度的任何速度。
在操作期间，DFIG 204配置成取决于转子220的转速而在定子绕组218处生成电功率。在定子绕组218处生成的电功率在下文中备选地被称为“定子功率”。此外，DFIG 204配置成取决于转子220的转速而在转子绕组222处生成或吸收电功率。例如，当转子220以超同步速度操作时，DFIG 204配置成在转子绕组222处生成电功率。DFIG 204配置成当转子220以子同步速度操作时，在转子绕组222处吸收电功率。在转子绕组222处生成或吸收的电功率在下文中备选地被称为“转差（slip）功率”。转差功率的幅值取决于DFIG 204的转差值。
第一功率转换器206耦合到DFIG 204和PCC 224。特别地，第一功率转换器206耦合于转子绕组222与PCC 224之间。在一些实施例中，第一功率转换器206包括转子侧转换器228和线路侧转换器230。转子侧转换器228耦合到DFIG 204的转子绕组222。线路侧转换器230直接地或经由变压器（未示出）耦合到PCC 224。转子侧转换器228可以是AC-DC转换器，并且配置成使AC功率转换成DC功率，并且反之亦然。线路侧转换器230可以是DC-AC转换器，并且配置成使DC功率转换成AC功率，并且反之亦然。转子侧转换器228和线路侧转换器230中的每个可以包括一个或多个开关（例如，半导体开关），所述一个或多个开关配置成促进从AC到DC的功率转换，并且反之亦然。通过将控制信号供应到半导体开关的相应的控制端子（例如，栅极端子），可以控制半导体开关。
转子侧转换器228和线路侧转换器230经由DC-链路232来彼此耦合。DC-链路232可以表示图1的DC-链路118的一个实施例。DC-链路232可以包括至少两个导体234、236——一个维持于正电位，并且另一个维持于负电位。DC-链路232还可以包括电耦合于两个导体234与236之间的DC-链路电容器238。
DC电源210可以表示图1的DC电源110的一个实施例。DC电源210耦合到DC-链路232，并且配置成生成DC功率。在一些实施例中，DC电源210包括具有输出功率端口242的PV电源240。PV电源240可以包括一个或多个PV阵列，其中，每个PV阵列可以包括至少一个PV模块。PV模块可以包括多个PV电池（PV cell）的合适布置。PV电源240可以取决于太阳辐射、天气状况和/或一天中的时间而生成DC电压/电流。在某些实施例中，DC电源210还可以包括滤波器244。滤波器244可以耦合到PV电源240的输出端口242。滤波器244可以是电子功率滤波器。通过示例，滤波器244可以包括共模（common mode）滤波器、微分滤波器或两者。
在一些实施例中，第二功率转换器208可以配置成耦合于DC电源210与第一功率转换器206的DC-链路232之间。第二功率转换器208可以是配置成增加由DC电源110生成的DC功率的水平或降低由DC电源110生成的DC功率的水平的DC-DC转换器。第二功率转换器208的进一步的细节与图3A-3D和图4A-4D联合而描述。
在某些实施例中，备选地或除了DC电源210之外，混合发电系统200还可以包括另一DC电源，诸如，储能装置252。储能装置252可以包括一个或多个电池、电容器、或其组合。此外，混合发电系统200还可以包括可以耦合于DC-链路232与储能装置252之间的另一第二功率转换器254。
根据本说明书的方面，混合发电系统200包括集成控制子系统212（使用虚线区域来示出）。集成控制子系统212可操作地耦合到第一功率转换器206、第二功率转换器208以及DC电源210中的一个或多个。集成控制子系统212利用DC-链路232来控制DC电源210的集成，以增加对由DC电源210生成的DC功率的利用。
集成控制子系统212包括至少一个旁路开关（诸如，旁路开关246、248）。虽然在图2的集成控制子系统212中示出两个旁路开关246、248，但在不限制本说明书的范围的情况下，可以采用一个或多个旁路开关。如图2中所描绘的，旁路开关246、248部署于DC电源210与DC-链路232之间。更特别地，旁路开关246、248连接于滤波器244与DC-链路232之间。旁路开关246、248配置成经由第二功率转换器208来使DC电源210连接到DC-链路232，或通过旁路第二功率转换器208而使DC电源210直接地连接到DC-链路232。
在某些实施例中，集成控制子系统212还可以包括旁路开关256、258。如图2中所描绘的，旁路开关256、258连接于储能装置252与DC-链路232之间。旁路开关256、258配置成经由第二功率转换器254来使储能装置252连接到DC-链路232，或通过旁路第二功率转换器254而使储能装置252直接地连接到DC-链路232。旁路开关246、248、256、258可以表示图1的旁路开关126的一个实施例。
此外，集成控制子系统212还包括控制器250，用于利用第一功率转换器206来控制DC电源210的集成，从而促进对由DC电源210生成的电功率的增加的利用。控制器250可以类似于图1的控制器128。控制器250可以耦合到转子侧转换器228、线路侧转换器230、第一功率转换器206以及第二功率转换器208，用于控制相应的操作。控制器250还可操作地耦合到旁路开关246、248，用于控制旁路开关246、248的切换。控制器250还可以可操作地耦合到旁路开关256、258，用于控制旁路开关256、258的切换。在非限制性示例中，控制器128可以配置成执行图13或图14的方法，用于控制旁路开关246、248、256、258的切换。利用第一功率转换器206来控制DC电源210的集成的控制器250的操作的进一步的细节与图2、图13以及图14联合而描述。
图3A-3D是可以在图1和图2的混合发电系统中使用的第二功率转换器302、304、306、308的示意图示。图3A-3D的第二功率转换器302-308分别表示在图1和图2的混合发电系统100、200中使用的第二功率转换器108和208的不同实施例。第二功率转换器302-308中的每个是被操作来提高从DC电源110、210接收的DC功率的水平的升压转换器。在一些实施例中，第二功率转换器302-308中的每个可以包括多个转换器开关（诸如，开关310、312）、电感器314以及电容器316。虽然在图3A-3D中，转换器开关310、312示出为IGBT，但其它类型的半导体开关也可以用作转换器开关310、312，所述其他类型的半导体开关诸如，晶体管、门极换流晶闸管、场效应晶体管、门极关断晶闸管、静电感应晶体管、静电感应晶闸管、或其组合。转换器开关310、312中的每个包括三个端子——发射极端子、集电极端子以及控制端子。电容器316包括两个端子320、322。此外，电感器314包括两个端子324、326。
在第二功率转换器302-308中的每个中，电容器316的两个端子320、322可以分别配置为第二功率转换器302、304、306以及308的输入端口332、336、340以及344。此外，控制器开关310的集电极端子和控制器开关312的发射极端子分别配置为第二功率转换器302、304、306以及308的输出端口334、338、342以及346。此外，控制器开关310的发射极端子在互连点318处连接到控制器开关312的集电极端子。参考标号328和330分别表示控制器开关310和312的控制端子（例如，栅极端子）。控制端子328、330耦合到控制器128或250，以接收控制信号。控制器开关310、312可以取决于控制信号而打开或关闭。
电感器314和电容器316可以按不同方式布置于第二功率转换器302-308中。通过示例，在图3A的第二功率转换器302中，电容器316的端子322连接到控制器开关312的发射极端子，并且，电容器316的端子320连接到电感器314的端子324。此外，电感器314的端子326连接到互连点318。
在图3B的第二功率转换器304中，电容器316的端子322连接到电感器314的端子324，并且，电容器316的端子320连接到控制器开关310的集电极端子。同样地，电感器314的端子326连接到互连点318。
此外，在图3C的第二功率转换器306中，电容器316的端子320连接到互连点318。电感器314的端子326连接到控制器开关312的发射极端子，并且，电感器314的端子324连接到电容器316的端子322。
此外，在图3D的第二功率转换器308中，电容器316的端子322连接到互连点318。电感器314的端子326连接到控制器开关310的集电极端子，并且，电感器314的端子324连接到电容器316的端子320。
图4A-4D是可以在图1和图2的混合发电系统中使用的第二功率转换器402、404、406、408的示意图示。图4A-4D的第二功率转换器402-408分别表示在图1和图2的混合发电系统100、200中使用的第二功率转换器108和208的不同实施例。第二功率转换器402-408中的每个是降压转换器，所述降压转换器被操作来降低从DC电源110、210接收的DC功率的水平。在一些实施例中，第二功率转换器402-408中的每个可以包括多个转换器开关（诸如，开关410、412）、电感器414以及电容器416。在一些实施例中，图4A-4D的开关410、412、电感器414以及电容器416可以类似于图3A-3D的对应的元件。转换器开关410、412中的每个包括三个端子——发射极端子、集电极端子以及控制端子。电容器416包括两个端子420、422。此外，电感器414包括两个端子424、426。
在第二功率转换器402-408中的每个中，控制器开关410的发射极端子在互连点418处连接到控制器开关412的集电极端子。参考标号428和430分别表示控制器开关410和412的控制端子（例如，栅极端子）。控制端子428、430耦合到控制器128或250，以接收控制信号。控制器开关410、412可以取决于控制信号而打开或关闭。此外，电容器416跨过控制器开关410、412而连接。更特别地，电容器416的端子420连接到控制器开关410的集电极端子，并且，电容器416的端子422连接到控制器开关412的发射极端子。此外，电容器416的端子420和422分别定义第二功率转换器402、404、406以及408的输入端口432、436、440以及444。
电感器414可以按不同方式布置于第二功率转换器402-408中。通过示例，在图4A的第二功率转换器402中，电感器414的端子424连接到互连点418。此外，电感器414的端子426和控制器开关412的发射极端子定义第二功率转换器402的输出端口434。在图4B的第二功率转换器404中，电感器414的端子424连接到互连点418。此外，电感器414的端子426和控制器开关410的集电极端子定义第二功率转换器404的输出端口438。在图4C的第二功率转换器406中，电感器414的端子424连接到控制器开关412的发射极端子。此外，电感器414的端子426和互连点418定义第二功率转换器406的输出端口442。在图4D的第二功率转换器408中，电感器414的端子424连接到控制器开关410的集电极端子。此外，电感器414的端子426和互连点418定义第二功率转换器408的输出端口446。
图5-12示出不同实施例，所述不同实施例示出图1和图2的发电系统中的旁路开关的布置。为了易于图示，图5-12参考图1的混合发电系统100而描述。将注意到，图5-12的配置也适用于图2的混合发电系统200。
现在参考图5，根据本说明书的一个实施例，提出了采用旁路开关和图3A的第二功率转换器302的图1或图2的混合发电系统的至少一部分的框图表示500。在图5的实施例中，旁路开关126耦合于DC电源110与第一功率转换器106（未在图5中示出）的DC-链路118之间。更特别地，旁路开关126耦合于电容器316的端子320与第二功率转换器302的控制器开关310的集电极端子之间。
图6是根据本说明书的一个实施例的采用旁路开关和图3B的第二功率转换器304的图1或图2的混合发电系统的至少一部分的框图表示600。在图6的实施例中，旁路开关126耦合于DC电源110与第一功率转换器106（未在图6中示出）的DC-链路118之间。更特别地，旁路开关126耦合于电容器316的端子322与第二功率转换器304的控制器开关312的发射极端子之间。
图7是根据本说明书的一个实施例的采用多个旁路开关和图3C的第二功率转换器306的图1或图2的混合发电系统的至少一部分的框图表示700。在图7的实施例中，采用两个旁路开关126。旁路开关126耦合于DC电源110与第一功率转换器106（未在图7中示出）的DC-链路118之间。更特别地，虽然一个旁路开关126耦合于电容器316的端子320与控制器开关310的集电极端子之间，但另一旁路开关126耦合于电容器316的端子322与第二功率转换器306的控制器开关312的发射极端子之间。
图8是根据本说明书的一个实施例的采用多个旁路开关和图3D的第二功率转换器308的图1或图2的混合发电系统的至少一部分的框图表示800。在图8的实施例中，同样地，采用两个旁路开关126。旁路开关126耦合于DC电源110与第一功率转换器106（未在图8中示出）的DC-链路118之间。更特别地，虽然一个旁路开关126耦合于电容器316的端子320与控制器开关310的集电极端子之间，但另一旁路开关126耦合于电容器316的端子322与第二功率转换器308的控制器开关312的发射极端子之间。
现在参考图9，根据本说明书的一个实施例，提出了采用旁路开关和图4A的第二功率转换器402的图1或图2的混合发电系统的至少一部分的框图表示900。在图9的实施例中，旁路开关126耦合于DC电源110与第一功率转换器106（未在图9中示出）的DC-链路118之间。更特别地，旁路开关126耦合于电容器416的端子420与第二功率转换器402的电感器414的端子426之间。
图10是根据本说明书的一个实施例的采用旁路开关和图4B的第二功率转换器404的图1或图2的混合发电系统的至少一部分的框图表示1000。在图10的实施例中，旁路开关126耦合于DC电源110与第一功率转换器106（未在图10中示出）的DC-链路118之间。更特别地，旁路开关126耦合于电容器416的端子422与第二功率转换器404的电感器414的端子426之间。
图11是根据本说明书的一个实施例的采用多个旁路开关和图4C的第二功率转换器406的图1或图2的混合发电系统的至少一部分的框图表示1100。在图11的实施例中，采用两个旁路开关126。旁路开关126耦合于DC电源110与第一功率转换器106（未在图11中示出）的DC-链路118之间。更特别地，虽然一个旁路开关126耦合于电容器416的端子420与互连点418之间，但另一旁路开关126耦合于电容器316的端子422与第二功率转换器406的电感器414的端子426之间。
图12是根据本说明书的一个实施例的采用多个旁路开关和图4D的第二功率转换器408的图1或图2的混合发电系统的至少一部分的框图表示1200。在图12的实施例中，采用两个旁路开关126。旁路开关126耦合于DC电源110与第一功率转换器106（未在图11中示出）的DC-链路118之间。更特别地，虽然一个旁路开关126耦合于电容器416的端子420与电感器414的端子426之间，但另一旁路开关126耦合于电容器416的端子422与控制器开关410和412之间的互连点418之间。
图13是根据本说明书的一个实施例的用于控制图1和图2的混合发电系统100、200中的直流（DC）电源110、210的集成的方法的流程图1300。将注意到，虽然图13参考图1的混合发电系统100而描述，但图13的方法也适用于图2的混合发电系统200。
在步骤1302，控制器128配置成确定与DC电源110对应的参考电压的幅值。在一些实施例中，控制器128可以基于DC电源110的期望输出功率而确定参考电压的幅值。通过示例，如果DC电源110包括PV电源，则通过调节DC电源110的输出端子处的电压，可以控制来自DC电源110的输出功率。在一些实施例中，控制器128可以使用已知的最大功率点跟踪器（MMPT）技术来确定可用的DC功率。在一些实施例中，控制器128还可以连接到外部日照（external insolation）传感器，并且配置成从外部日照传感器接收反馈信号。此外，控制器128取决于各种系统额定约束和外部命令而确定最大DC电源。然后，控制器128可以确定对于DC电源110的功率设定点，所述功率设定点包括参考电压的幅值。此外，控制器128可以将控制信号发送到第二功率转换器108的控制器开关（参见图5-12），使得跨电容器（参见图5-12）的电压的幅值等同于由控制器128确定的参考电压的幅值。
在步骤1304，控制器128配置成确定DC-链路118的最小电压水平和DC-链路118的最大电压水平。最小电压水平和最大电压水平定义DC-链路电压的可接受范围。DC-链路电压的可接受范围是可变范围。在一些实施例中，控制器128可以基于混合发电系统100的输出端口114处的电压而确定DC-链路118的最小电压水平。在当混合发电系统100连接到电网时的配置中，DC-链路118的最小电压水平基于电网电压（V 电网 ）的幅值而确定。
在一些实施例中，控制器128可以基于例如在第一功率转换器106中使用的半导体装置和/或DC链路电容器124的组件的电压额定，确定DC-链路118的最大电压水平（V DC max）。此外，在步骤1306，控制器128可以配置成基于参考电压的幅值和DC-链路电压的可接受范围，经由第二功率转换器108来使DC电源110连接到DC-链路118，或通过旁路第二功率转换器108而使DC电源110直接地连接到DC-链路118。步骤1306包括子步骤1308和1310。
在子步骤1308，控制器128配置成基于参考电压的幅值（在步骤1302所确定的）和DC-链路电压的可接受范围（在步骤1304所确定的），确定至少一个旁路开关（诸如，旁路开关126）的期望操作状态。期望操作状态可以是导通状态或非导通状态。在导通状态下，旁路开关126允许电流通过其流过。在导通状态下，旁路开关126不允许电流通过其流过。在一些实施例中，在子步骤1308确定旁路开关126的操作状态可能取决于第二功率转换器108的类型，诸如，升压转换器（参见图3A-3D）或降压转换器（参见图4A-4D））。
在一些实施例中，当第二功率转换器108是升压转换器（诸如，图3A-3D的第二功率转换器302-308中的任一个）时，并且，如果参考电压的幅值在DC-链路电压的可接受范围（在步骤1304所确定的）内，则控制器128可以选择导通状态作为旁路开关126的期望操作状态。然而，如果参考电压的幅值（在步骤1302所确定的）小于DC-链路118的最小电压水平（V DC min）（在步骤1304所确定的），则控制器128可以选择非导通状态作为旁路开关126的期望操作状态。
在一些实施例中，当第二功率转换器108是降压转换器（例如，图4A-4D的第二功率转换器402-408的中的任一个）时，并且，如果参考电压的幅值（在步骤1302所确定的）在DC-链路电压的可接受范围（在步骤1304所确定的）内，则控制器128可以选择导通状态作为旁路开关126的期望操作状态。然而，如果参考电压的幅值（在步骤1302所确定的）超过DC-链路118的最大电压水平（V DC max）（在步骤1304所确定的），则控制器128可以选择非导通状态作为旁路开关126的期望操作状态。
在子步骤1310，控制器128配置成在期望操作状态（在子步骤1308所确定的）下操作至少一个旁路开关（诸如，旁路开关126）。在子步骤1308，如果期望操作状态被选择为非导通状态，则控制器128可以配置成在非导通状态下操作至少一个旁路开关（诸如，旁路开关126）。更特别地，当旁路开关126在导通状态下被操作时，DC电源110经由第二功率转换器108连接到DC-链路118。在子步骤1308，如果期望操作状态被选择为导通状态，则控制器128可以配置成在导通状态下操作至少一个旁路开关（诸如，旁路开关126）。更特别地，当旁路开关在导通状态下被操作时，DC电源110通过旁路第二功率转换器108而直接地连接到DC-链路118。
为了在期望操作状态下操作旁路开关126，控制器128可以基于旁路开关126的期望操作状态而发送控制信号。更特别地，控制器128可以将控制信号发送到旁路开关126的控制端子。在非限制性示例中，如将领会的那样，如果旁路开关126是IGBT，则控制器128可以取决于IGBT的类型（例如，N沟道IGBT或P沟道IGBT）而将控制信号发送到旁路开关126的栅极端子。
取决于应用的需要，可以将前述步骤中的任一个合适地置换、重新排序或移除，并且，可以插入额外的步骤。
根据本文中所描述的实施例，提供促进增强的电功率输出的混合发电系统配置。特别地，集成控制子系统112、212利用第一功率转换器106、206来控制DC电源110、210的集成，从而促进对由DC电源110、210生成的电功率的增加的利用。通过示例，取决于第二功率转换器108、208的类型（例如，升压转换器或降压转换器），DC电源110、210通过旁路第二功率转换器108、208而直接地连接到DC-链路118、232。第二功率转换器108、208的这样的旁路帮助规避（circumvent）由第二功率转换器108、208的额定功率施加的限制。结果，增强通过发电的电功率产生，从而导致增加的AEP。另外，由于电功率产生的增加，电功率的每单位电功率产生的成本下降。
将领会，上文所公开的和其他特征以及功能或其备选方案的变型可以被组合，以创建许多其它不同应用。其中的各种未预料到的备选方案、修改、变化或改进可以随后由本领域技术人员作出，并且还旨在被下文的权利要求书所包含。

Claims (19)

1.一种混合发电系统，包括：
发电机，所述发电机经由原动机是可操作的，并且配置成生成交流（AC）功率；
第一功率转换器，所述第一功率转换器电耦合到所述发电机，其中，所述第一功率转换器包括直流（DC）链路；
DC电源，所述DC电源配置成耦合到所述DC-链路；
第二功率转换器；以及
集成控制子系统，所述集成控制子系统可操作地耦合到所述第一功率转换器和所述DC电源，其中，所述集成控制子系统包括部署于所述DC电源与所述DC-链路之间的至少一个旁路开关，并且所述至少一个旁路开关配置成经由所述第二功率转换器来使所述DC电源连接到所述DC-链路，或通过旁路所述第二功率转换器而使所述DC电源直接地连接到所述DC-链路。
2.根据权利要求1所述的混合发电系统，其中，所述发电机包括同步发电机、异步发电机或双馈感应发电机。
3.根据权利要求1所述的混合发电系统，其中，所述第一功率转换器包括AC-DC转换器和DC-AC转换器，其中，所述DC-AC转换器经由所述DC-链路来耦合到所述AC-DC转换器。
4.根据权利要求3所述的混合发电系统，其中，所述DC电源包括光伏电源，所述光伏电源包括输出功率端口。
5.根据权利要求4所述的混合发电系统，其中，所述DC电源还包括耦合到所述光伏电源的所述输出功率端口的滤波器。
6.根据权利要求5所述的混合发电系统，其中，所述至少一个旁路开关耦合于所述滤波器与所述DC-链路之间。
7.根据权利要求1所述的混合发电系统，还包括控制器，所述控制器可操作地耦合到所述第一功率转换器、所述DC电源、所述第二功率转换器以及所述至少一个旁路开关中的一个或多个，其中，所述控制器配置成至少基于与所述DC电源对应的参考电压的幅值而控制所述至少一个旁路开关的切换。
8.根据权利要求7所述的混合发电系统，其中，所述控制器配置成使用最大功率点跟踪器（MMPT）技术和所述DC电源的期望输出功率中的至少一个，来确定与所述DC电源对应的所述参考电压的所述幅值。
9.根据权利要求8所述的混合发电系统，其中，所述控制器进一步配置成：
确定所述DC-链路的最小电压水平和所述DC-链路的最大电压水平，其中，所述最小电压水平和所述最大电压水平定义DC-链路电压的可接受范围；
基于所述参考电压的所述幅值和所述DC-链路电压的所述可接受范围而确定所述至少一个旁路开关的期望操作状态，其中，所述期望操作状态包括导通状态或非导通状态；以及
在所述期望操作状态下操作所述至少一个旁路开关。
10.根据权利要求9所述的混合发电系统，其中，所述控制器配置成：如果所述参考电压的所述幅值在所述DC-链路电压的所述可接受范围内，则选择所述导通状态作为所述期望操作状态。
11.根据权利要求9所述的混合发电系统，其中，所述控制器配置成：如果所述参考电压的所述幅值小于所述DC-链路的所述最小电压水平，则选择所述非导通状态作为所述期望操作状态。
12.根据权利要求9所述的混合发电系统，其中，所述控制器配置成：如果所述参考电压的所述幅值大于所述DC-链路的所述最大电压水平，则选择所述非导通状态作为所述期望操作状态。
13.一种用于控制发电系统中的DC电源的集成的方法，其中，所述发电系统包括发电机、耦合到所述发电机并且包括直流（DC）链路的第一功率转换器、以及第二功率转换器，所述方法包括：
确定与所述DC电源对应的参考电压的幅值；
确定所述DC-链路的最小电压水平和所述DC-链路的最大电压水平，其中，所述最小电压水平和所述最大电压水平定义DC-链路电压的可接受范围；以及
基于所述参考电压的所述幅值和DC-链路电压的所述可接受范围，经由所述第二功率转换器来使所述DC电源连接到所述DC-链路，或通过旁路所述第二功率转换器而使所述DC电源直接地连接到所述DC-链路。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，确定所述参考电压的所述幅值包括使用最大功率点跟踪器（MMPT）技术和所述DC电源的期望输出功率中的至少一个，来确定所述参考电压的所述幅值。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，经由所述第二功率转换器来使所述DC电源连接到所述DC-链路或使所述DC电源直接地连接到所述DC-链路包括：
基于所述参考电压的所述幅值和所述DC-链路电压的所述可接受范围而确定所述至少一个旁路开关的期望操作状态，其中，所述期望操作状态包括导通状态或非导通状态；以及
在所述期望操作状态下操作所述至少一个旁路开关。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，确定所述期望操作状态包括：如果所述参考电压的所述幅值在所述DC-链路电压的所述可接受范围内，则选择所述导通状态作为所述期望操作状态。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，确定所述期望操作状态包括：如果所述参考电压的所述幅值小于所述DC-链路的所述最小电压水平，则选择所述非导通状态作为所述期望操作状态。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，确定所述期望操作状态包括：如果所述参考电压的所述幅值大于所述DC-链路的所述最大电压水平，则选择所述非导通状态作为所述期望操作状态。
19.一种用于控制发电系统中的DC电源的集成的集成控制子系统，其中，所述发电系统包括发电机、耦合到所述发电机并且包括直流（DC）链路的第一功率转换器、以及第二功率转换器，所述集成控制子系统包括：
至少一个旁路开关，所述至少一个旁路开关部署于所述DC电源与所述DC-链路之间；以及
控制器，所述控制器可操作地耦合到所述至少一个旁路开关，其中，所述控制器配置成：
确定与所述DC电源对应的参考电压的幅值；
确定所述DC-链路的最小电压水平和所述DC-链路的最大电压水平，其中，所述最小电压水平和所述最大电压水平定义DC-链路电压的可接受范围；以及
基于所述参考电压的所述幅值和DC-链路电压的所述可接受范围，经由所述第二功率转换器来使所述DC电源连接到所述DC-链路，或通过旁路所述第二功率转换器而使所述DC电源直接地连接到所述DC-链路。
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