CN112075004A - 用于太阳能领域的dc功率转换和传输的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

系统和方法集成先进的太阳能跟踪器、电池、逆变器和软件技术，以改善性能、工厂输出和成本。系统可以结合先进的钒流电池(VFB)，该VFB通过DC电压(DV)耦合到光伏(PV)阵列，以实现高的往返效率。系统结合DC体系结构，该DC体系结构优化了商业、工业、农业和公用事业应用的性能。一种分布式直流(DC)电力系统包括集中式单级逆变器；PV阵列；耦合在PV阵列和集中式单级逆变器之间的最大功率点跟踪(MPPT)转换器；电池；以及耦合到电池的DC‑DC电池转换器(DCBC)。MPPT转换器最大化PV阵列的太阳能发电并且最小化PV阵列之间的错配。DCBC管理电池的充电和放电，使得PV阵列和电池能够互连，并且向中央逆变器供应恒定的中等电压。

Description

用于太阳能领域的DC功率转换和传输的系统和方法
技术领域
本公开总体上涉及太阳能发电系统。更具体地，本公开涉及利用分布式DC-DC电池转换器、DC功率传输和集中式功率逆变的太阳能系统和方法。
背景技术
太阳能和风能对于全世界的消费者和企业来说是日益重要的可再生的、无污染的能源。对于太阳能，布置为阵列或串的光伏(PV)板通常提供将太阳能转换为电能的装置。在操作光伏(PV)阵列时，最大功率点跟踪(MPPT)通常用于自动确定PV阵列应该操作的电压或电流，以对于特定温度和太阳辐照度生成最大功率输出。虽然MPPT允许生成最大输出功率，但是由PV阵列生成的功率的传输和存储可能是低效和昂贵的。
发明内容
在一个方面，本公开的特征在于一种分布式直流(DC)电力系统。所述分布式直流(DC)电力系统包括，集中式逆变器，所述集中式逆变器将DC逆变为交流(AC)；光伏(PV)串；最大功率点跟踪(MPPT)转换器，所述MPPT转换器分别耦合在所述光伏PV串和所述集中式逆变器之间；电池；以及DC-DC电池转换器(DCBC)，所述DCBC耦合到所述电池。所述MPPT转换器最大化所述PV串的太阳能发电并且最小化所述PV串之间的错配。所述DCBC管理所述电池的充电和放电，并且使得所述PV串和所述电池能够互连。
在各方面，所述分布式DC电力系统还包括电池管理控制器，所述电池管理控制器分别耦合在所述电池和所述DCBC之间。所述电池管理控制器被配置为启动所述DCBC。
在各方面，所述电池是流电池堆，并且所述分布式DC电力系统还包括电池管理控制器，所述电池管理控制器耦合在所述流电池堆中的至少一个流电池堆和所述DCBC中的一个DCBC之间。在各方面，所述电池是钒流电池。
在各方面，所述分布式DC电力系统还包括PV组合器，所述PV组合器耦合到所述PV串，并且包括隔离开关和电弧故障检测器，所述电弧故障检测器耦合到所述隔离开关的输出。在各方面，所述分布式DC电力系统还包括保险丝，所述保险丝分别耦合在所述PV串和所述隔离开关之间。
在各方面，所述分布式DC电力系统还包括，隔离开关，所述隔离开关分别耦合到所述PV串的输出，以及电弧故障检测器，所述电弧故障检测器分别耦合到所述隔离开关的输出。所述MPPT转换器分别耦合到所述电弧故障检测器的输出。
在各方面，所述分布式DC电力系统还包括网络控制单元，所述网络控制单元与所述MPPT转换器中的每个MPPT转换器以及所述DCBC中的每个DCBC进行有线或无线通信。所述网络控制单元管理所述MPPT转换器和所述DCBC的操作。
在各方面，所述集中式逆变器包括碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在各方面，所述集中式逆变器是单级逆变器。
在另一方面，本公开的特征在于一种控制分布式直流(DC)电力系统的方法。所述方法包括，在集中式逆变器的输入处维持恒定的预定中等电压；以恒定电压模式操作分别耦合到电池的DC-DC电池转换器(DCBC)；响应于所述电池的启动，以恒定功率模式操作所述DC-DC电池转换器(DCBC)；以及响应于充电或放电电流的减小，以所述恒定电压模式操作所述DC-DC电池转换器(DCBC)。
在各方面，所述方法还包括，由最大功率点跟踪(MPPT)转换器将功率输出到DC配电母线。
在各方面，所述恒定的预定中等电压在1200V和1600V之间。
附图说明
下面参考附图描述本公开的各个方面，这些附图被结合到本说明书中并且构成本说明书的一部分，其中：
图1是根据本公开的实施例的中央逆变器和分布式DC电池管理系统的示意图；
图2和3是根据本公开的实施例的DC-DC电池转换器的示意图；
图4是根据本公开的实施例的电力系统启动序列的流程图；
图5是根据本公开的实施例的示出单个堆的电池电压和电流操作曲线的图；
图6和7是根据本公开的实施例的控制系统的示意图；
图8A和8B是示出DC功率传输的益处的图；以及
图9是根据本公开的另一实施例的控制系统的示意图。
具体实施方式
本公开的太阳能系统包括集中式AC逆变、分布式DC太阳能和存储功率管理。分布式DC电力系统包括以下组件：
1.集中式或中央逆变器102，用于从DC到AC的功率逆变；
2.分布式MPPT转换器112a-112h，以最大化太阳能发电并且最小化DC太阳能串之间的错配；以及
3.分布式DC-DC电池转换器(DCBC)，管理电池充电和放电以及使DC耦合的PV串和电池能够互连。
该体系结构专用于PV、电池和电网连接的电力电子设备组件，允许基于特定PV与存储尺寸比的元件选择的灵活性。尺寸独立于电网互连容量要求和/或约束。
图1描绘了本公开的示例电力系统。电力系统包括中央逆变器102和分布式DC电池管理组件。中央逆变器102可以是包括三对晶体管(例如，并联电连接的碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))的单级逆变器。因为SiC MOSFET的成本已经降低，所以中央逆变器102可以是成本有效的、高电压和低电流设备。中央逆变器102还可以包括连接到晶体管的输出的滤波器(例如，RL滤波器)。中央逆变器102可以连接到控制器(未示出)，该控制器可以使用脉宽调制(PWM)技术(例如，正弦波(PWM))来控制SiC MOSFET。中央逆变器102经由AC电力线146和变压器148电连接到电网150(例如，公用电网)。
图1的电力系统还包括网络控制单元(NCU)104。NCU 104被设计为与客户进行通信并且经由无线通信设备106或有线通信设备(例如，以太网通信接口108)提供现场级能量管理命令。NCU 104还经由相应的无线通信设备121a-121n,131a-131n与DC-DC电池转换器(DCBC)122a-122n,132a-132n进行通信，并且与每个PV最大功率点跟踪(MPPT)转换器单元112a,112b,...,112h进行通信。NCU 104还与中央逆变器102进行协调，用于整个系统启动和关闭。中央逆变器102可以包括以太网通信接口105,NCU可以通过该以太网通信接口105与中央逆变器102进行通信。系统可以包括分布式跟踪器级功率优化器(TPO)转换器(例如，TPO系统900)，以最大化太阳能发电并且最小化PV串或阵列110a-110h之间的错配。
图2和3描绘了两个不同的DC-DC电池转换器(DCBC)222,322。DCBC 322被配置用于多个流电池堆320a,320b，并且因此具有比DCBC 222更高的额定功率。在实施例中，DCBC222是7.3kW的技术方案，并且DCBC 322是13.6kW的技术方案。用于DC-DC电池转换器222,322的示例规范在下表1中示出：
Figure BDA0002758107040000041
Figure BDA0002758107040000051
表1.示例DCBC规范
如图2和3中示出的，响应于外部命令，DC-DC电池转换器(DCBC)222,322对流电池堆220,320a,320b(例如，钒流电池(VFB)堆)进行充电和放电。例如，这些命令可以由电池管理控制器221,321经由RS-485通信设备或接口223,323并且经由RS-485通信设备或接口224,324发送到DCBC222,322。DCBC 222,322的低压侧(例如，40-80VDC)连接到流电池堆220,320a,320b，而高压侧(例如，恒定的1200-1600VDC)连接到DC配电母线或DC母线145，其它DCBC(例如，DCBC l22a-l22n,l32a-l32n)和太阳能MPPT转换器112a-112n连接到该DC配电母线或DC母线145。在一个实施例中，DC母线145的电压是标称1400VDC。在其它实施例中，DC母线的恒定电压在1200VDC和1600VDC之间。如图2中示出的，NCU 104可以通过经由无线通信设备121a-121n,131a-131n向DCBC 122a-122n,132a-132n中的每个DCBC的BMC 221,321发送控制信号或消息来控制作为恒定电压源的DC母线145的电压，所述无线通信设备121a-121n,131a-132n连接到相应的DCBC 122a-122n,132a-132n。
图4示出了根据一个实施方式的电力启动序列。在系统启动时，在框402，中央逆变器102首先启动，并且在框404，维持DC母线145上的预定中等电压(例如，1400VDC)。在DC母线145上存在预定中等电压之后，在框406，MPPT转换器112a-112n开始向DC配电母线或DC母线145输出功率，并且跟踪PV阵列110a-110n的最大功率。
DCBC 122a-122n,132a-132n的启动410基于来自电池管理控制器(BMC)(例如，图3的BMC 221或BMC 321)的命令信号或消息。在启动时，在框412，每个DCBC122a-122n,132a-132n以恒定电压模式操作。在一个实施例中，默认启动电压可以是40VDC。在框414，BMC221,321管理电池初始充电。在此期间，可以从DCBC低压侧汲取最大2kW。在电池的初始充电之后，DCBC基于来自BMC 221,321的命令信号或消息改变到恒定功率模式416。在充电或放电循环结束时，充电或放电电流减小，并且在框418，DCBC改变到恒定电压模式。此后，对于随后的充电或放电循环，DCBC重复恒定功率模式416和恒定电压模式418。
当DCBC 222,322以恒定电压模式操作时(例如，在启动时)，它可以保持恒定低电压(例如，40V)，或者来自BMC 221,321的命令电压。在充电或放电循环即将结束时，DCBC222,322可以保持恒定电压，直到电流降低到零。
图5描绘了在充电和放电期间在恒定功率模式期间的电压和电流操作曲线。在一个实施例中，DC-DC电池转换器222,322可以在该曲线的整个范围内操作。DC-DC电池转换器222,322通过RS-485通信接口或连接224,324遵循功率命令。在一些实施例中，流电池堆220,320a,320b可能需要大约1.3kW的寄生或辅助负载。
在实施例中，中央或集中式逆变器102可以具有如下表2中描绘的各种规范：
Figure BDA0002758107040000071
表2.示例集中式逆变器规范
功率缩减操作可以被构建到系统的组件中。例如，当DC母线145的电压高于1400VDC时，MPPT 112a-112n和DCBC 122a-122n,132a-132n(例如，DCBC 222,322)都具有内置功率缩减曲线。当DC母线145的电压接近1500VDC时，这些曲线线性地下降到零。在一个实施例中，当从NCU 104和/或电网150接收到功率缩减命令时，或者当输出功率达到允许为电网150供电的最大值时，中央逆变器102升高DC母线145的电压。然后，当上面的条件被清除时，中央逆变器102恢复恒定的1400VDC。在一个实施例中，与TPO系统900或SPC 610,710进行通信的NCU 104和DCBC允许在云覆盖期间的恒定功率输出，而独立于中央逆变器102的控制。在一些实施例中，TPO系统900和DCBC的输出可以被设计为输出恒定的1400VDC标称(最大1500VDC)。中央逆变器102也在恒定输入电压下操作。标准PV组合器盒(例如，PV组合器142和电池组合器144)可以用于组合PV阵列110a-110n和流电池120a-120n,130a-130n。
在实施例中，太阳能控制系统可以被设计为操作用于并网和离网应用，并且可以进行一个或多个功能，包括：
1.电网电压和频率调节；
2.多个并联逆变器；以及
3.计划性孤岛。
图6描绘了根据实施例的太阳能跟踪器控制系统600的组合器版本。控制系统600包括具有PV阵列603a-603n的跟踪器602。PV阵列603a-603n连接到相应的保险丝604a-604n。保险丝604a-604n又连接到自供电控制器(SPC)610的相应的隔离开关614a-614n，这可以在图1的PV组合器142中实施。隔离开关614a-614n的输出一起连接到电弧故障检测器(AFD)615，该AFD 615的输出经由图1的DC母线145被提供到中央逆变器102。AFD 615监视和分析从PV阵列603a-603n输出的电流和/或电压波形中的图案。当AFD 615感测到指示潜在危险电弧的波形图案时，AFD 615使得隔离开关614a-614n断开。
来自电弧故障检测器615的输出还连接到高电压(HV)到低电压(LV)转换器616，该HV到LV转换器616将DC母线145上的电压转换为较低的电压，该较低的电压用于向控制器电子设备618供电。控制器电子设备618可以包括用于驱动太阳能跟踪器602的电动机(未示出)的驱动电路(未示出)。
图7描绘了根据另一实施例的太阳能跟踪器控制系统700的串级MPPT版本。控制系统700包括具有PV阵列603a-603n的跟踪器602和自供电控制器710。PV阵列603a-603n连接到相应的隔离开关614a-614n。隔离开关614a-614n又连接到相应的电弧故障检测器715a-715n。电弧故障检测器(AFD)715a-715n监视和分析从相应的PV阵列603a-603n输出的电流和/或电压波形中的图案。当AFD 715a-715n中的一个或多个AFD感测到指示潜在危险电弧的波形图案时，AFD 715a-715n中的一个或多个AFD使得相应的隔离开关614a-614n断开。
电弧故障检测器715a-715n连接到相应的MPPT转换器717a-717n(例如，10KW MPPT转换器)。MPPT转换器717a-717n的输出经由图1的DC母线145连接到中央逆变器102。最后一个电弧故障检测器715n的输出还连接到高电压(HV)到低电压(LV)转换器616，该HV到LV转换器616将从最后一个PV串603n输出的电压转换为较低的电压，该较低的电压用于向控制器电子设备618供电。因此，控制系统700的特征在于跟踪器级功率监视和串级MPPT转换(即，MPPT转换不仅针对每个跟踪器602，而且针对PV串或阵列603a-603n中的每个PV串或阵列)。
图8A和8B示出了说明用于太阳能领域的恒定直流(DC)电压传输的益处的图。对于相同的电压电势，DC比AC更有效地传输能量。如图8A的图中示出的，缩放的三相AC波形范围在-1V和+1V之间。缩放的三相AC波形和恒定的+1VDC或-1VDC电势之间的差被示为区域802，该区域802表示从DC传输获得的效率。太阳能领域中的能量生成是用于太阳能和存储的DC。所有的太阳能DC平衡系统(BOS)对于开路电压Voc(用于隔离)和短路电流Isc(用于铜或导体)都被额定。
如图8B的图中示出的，将传输电压升高到接近开路电压Voc，减小了大约三分之一的传输电流(由区域804表示)，并且消除了大约三分之一的BOS成本。另外，在集中式逆变器102的输入处维持恒定电压，将集中式逆变器102的容量增加20％至50％。此外，稳定的传输电压使得存储集成更容易。
图9描绘了根据实施例的跟踪器功率优化器(TPO)系统900。TPO系统900最大化太阳能发电并且最小化PV阵列110a-110n之间的错配。TPO系统900通过利用串级最大功率点跟踪(MPPT)112a-112n来实现这一点。串级MPPT消除了PV串或阵列110a-110n之间的错配，这对于双面太阳能模块将行效率增加1-2％。另外，串级功率监视易于操作和维护(O&M)，从而降低了O&M成本并且增加了太阳能站点的发电。并且，串级功率监视提供了实时开路检测以及对于东西和南北两个方向的遮挡的检测。TPO系统900可以使用来自PV阵列110a-110n的能量，用于移动或定位跟踪器602，这在跟踪器602上提供了最大空间利用。TPO系统900的SPC 910类似于图8的SPC 810，除了HV到LV转换器616连接到MPPT转换器717a-717n的组合输出。
在图6,7和9的配置中，控制系统600,700和900向集中式逆变器102输出恒定的中等电压(例如，1200V到1600V)。通过向集中式逆变器102提供恒定的中等电压，增加了集中式逆变器102的容量。
虽然已经在附图中示出了本公开的多个实施例，但是不旨在将本公开限制于此，因为旨在使本公开的范围与本领域所允许的一样宽，并且同样地阅读说明书。上面的实施例的任何组合也是可以预见的，并且在所附权利要求的范围内。因此，上面的描述不应该被解释为限制，而是仅应该被解释为特定实施例的示例。所属领域的技术人员将预见所附权利要求书的范围内的其它修改。

Claims (13)

1.一种分布式直流(DC)电力系统，其特征在于，包括：
中央逆变器，所述中央逆变器将DC逆变为交流(AC)；
多个光伏(PV)串；
多个最大功率点跟踪(MPPT)转换器，所述多个MPPT转换器分别耦合在所述多个光伏(PV)串和所述中央逆变器之间，所述多个MPPT转换器被配置为最大化所述多个PV串的太阳能发电并且最小化所述多个PV串之间的错配；
多个电池；以及
多个DC-DC电池转换器(DCBC)，所述多个DCBC耦合到所述多个电池并且被配置为管理所述多个电池的充电和放电，使得所述多个PV串和所述多个电池能够互连，并且向所述中央逆变器提供恒定的中等DC电压。
2.根据权利要求1所述的分布式DC电力系统，其特征在于，进一步包括多个电池管理控制器，所述多个电池管理控制器分别耦合在所述多个电池和所述多个DCBC之间，所述多个电池管理控制器被配置为启动所述多个DCBC。
3.根据权利要求1所述的分布式DC电力系统，其特征在于，所述多个电池是多个流电池堆，
进一步包括电池管理控制器，所述电池管理控制器耦合在所述多个流电池堆中的至少一个流电池堆和所述多个DCBC中的一个DCBC之间。
4.根据权利要求1所述的分布式DC电力系统，其特征在于，所述多个电池是钒流电池。
5.根据权利要求1所述的分布式DC电力系统，其特征在于，进一步包括PV组合器，所述PV组合器耦合到所述多个PV串，并且包括多个隔离开关和电弧故障检测器，所述电弧故障检测器耦合到所述多个隔离开关的输出。
6.根据权利要求5所述的分布式DC电力系统，其特征在于，进一步包括多个保险丝，所述多个保险丝分别耦合在所述多个PV串和所述多个隔离开关之间。
7.根据权利要求1所述的分布式DC电力系统，其特征在于，进一步包括：
多个隔离开关，所述多个隔离开关分别耦合到所述多个PV串的输出；以及
多个电弧故障检测器，所述多个电弧故障检测器分别耦合到所述多个隔离开关的输出，
其中，所述多个MPPT转换器分别耦合到多个电弧故障检测器的输出。
8.根据权利要求1所述的分布式DC电力系统，其特征在于，进一步包括网络控制单元，所述网络控制单元与所述多个MPPT转换器中的每个MPPT转换器以及所述多个DCBC中的每个DCBC进行有线或无线通信，所述网络控制单元被配置为管理所述多个MPPT转换器和所述多个DCBC的操作。
9.根据权利要求1所述的分布式DC电力系统，其特征在于，所述中央逆变器包括多个碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
10.根据权利要求1所述的分布式DC电力系统，其特征在于，所述中央逆变器是单级逆变器。
11.一种控制分布式直流(DC)电力系统的方法，其特征在于，所述方法包括：
在中央逆变器的输入处维持恒定的预定中等电压；
以恒定电压模式操作分别耦合到多个电池的多个DC-DC电池转换器(DCBC)；
响应于所述多个电池的启动，以恒定功率模式操作所述多个DC-DC电池转换器(DCBC)；以及
响应于充电或放电电流的减小，以所述恒定电压模式操作所述多个DC-DC电池转换器(DCBC)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括，由多个最大功率点跟踪(MPPT)转换器将功率输出到DC配电母线。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述恒定的预定中等电压在1200V和1600V之间。
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