CN112368930B - 单相能量利用跟踪逆变器 - Google Patents

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Abstract

一种单相能量利用跟踪器(EUT)逆变器，其包括两个DC/AC转换模块。在任何时间，组合的两个模块可以顺序地提取由DC能源提供的大部分功率并且将其转换成两个AC功率(电压)序列。第一AC功率(电压)序列符合电网惯例；而第二AC功率序列与特定电力线对具有90度的相位差。根据本文中描述的原理，该单相EUT逆变器还包括相位调整器，该相位调整器将第二AC功率(电压)序列的相位调整90度以变成与第一AC功率序列同步；然后，这两个AC功率序列适合于递送至同一电力线中。

Description

单相能量利用跟踪逆变器
技术领域
本申请涉及一种能量利用跟踪逆变器。
背景技术
AC电力网系统(也称为“AC电力网”、“电力网”或简称“电网”)是具有至少一对电力线的电力系统，用于将在一个或更多个潜在的分布式发电厂中产生的电力递送至具有与电力线并联连接的负载的分布式消费者。本文中将这种负载统称为“负载”或“电网负载”。
递送至电网的电力线中的任何电力符合“电网惯例”是必须的。根据电网惯例，递送至电网的能量必须是正弦振荡的交流(AC)电压序列的形式。根据电网惯例，每对电力线的AC功率序列必须具有指定的固定峰电压，具有指定的固定频率，并且与该对电力线中的电力线之间的指定的固定相位差同步。
电网连接的单相DC/AC转换器是可以将直流(DC)电转换成AC功率的转换器，该AC功率符合关于电网的电力线的指定的成对电力线的电网惯例，并且向特定的成对电力线提供AC功率。这种DC/AC转换器被称为电网连接逆变器，或者本文中称为“单相DC/AC转换器”。连接至单相DC/AC转换器的特定的成对电力线在本文中被称为“电力线对”。
光伏(PV)电力发电站转换太阳能以生成DC电能。然后，所产生的DC能量由单相DC/AC转换器转换成AC功率序列，以通过电力线对递送，并且用于由负载消耗。该AC功率序列是在时域中振荡的正弦电压序列的形式；并且该AC功率序列符合电网惯例。该PV电力发电站在本文中被命名为“PV站”。
本文中要求保护的主题不限于解决任何缺点或仅在例如上述环境中操作的实施方式。更确切地说，提供此背景仅用于说明其中可实践本文中所描述的一些实施方式的一个示例性技术领域。
发明内容
本文中描述的实施方式涉及包括单相逆变器的设备，该单相逆变器使用相位调整器和两个DC/AC转换模块。根据本文中描述的原理，该单相逆变器包括第一DC/AC转换模块，该第一DC/AC转换模块提取DC源中的能量并且将其转换以产生符合电网惯例并且与电网的电力线对同步的第一正弦AC功率序列。该单相逆变器还包括第二DC/AC转换模块，该第二DC/AC转换模块提取剩下的DC功率(本文中被称为补充(或剩余)的功率)的至少一部分并且对其进行转换以产生符合电网惯例的第二正弦AC功率序列，所不同的是该第二正弦AC功率序列与电力线对异相90度。注意，这两个转换设备在时域中没有交叠的情况下(例如，顺序地)提取其能量。该剩余的功率通常作为热量损失。
根据本文中描述的至少一些实施方式，单相转换器还包括将第二正弦AC电压序列的相位调整90度的相位调整器。然后，第二正弦AC功率序列变成与第一正弦AC功率序列相位同步，从而允许这两个正弦AC功率序列符合电网惯例并且与电网的电力线对同步。因此，两个AC功率序列可以提供到电力线对上。根据本文中描述的一些实施方式，设备包括三个这样的单相DC/AC转换器，针对三相电网的每个电力线对用一个单相DC/AC转换器。
提供本概述是为了以简化的形式介绍将在以下具体实施方式中进一步描述的一些概念。本概述不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
附图说明
为了描述可以获得上述和其他优点和特征的方式，将通过参照附图呈现各种实施方式的更具体的描述。应理解，这些附图仅描绘了示例实施方式并且因此不应被视为是对本发明的范围的限制，将通过附图的使用以额外的特征和细节来描述和解释这些实施方式，在附图中：
图1A描绘了太阳能发电序列的模块以示出和阐明本文中提及的术语：能量提取、制备、调节、DC/AC转换以及AC功率递送；
图1B象征性地示出了表示通过电网系统的指定电力线发送AC信号(DC/AC转换器输出)的正弦时变(振荡)AC电压序列；
图2A示出了本文中描述的单相能量提取/制备(调节)设备：升压DC/DC转换器的典型电路；
图2B示出了本文中描述的单相能量提取/转换设备：降压DC/DC转换器的典型电路，；
图2C示出了控制DC/DC降压转换器输出的极性；从而产生如图1B中描绘的所得到的AC电压序列输出的开关的桥结构；
图3象征性地描绘了将由降压转换器在一个PWM周期中调节的DC能量脉冲；其被描述为3个区域：区域-I表示提取的能量，区域-II和区域-III表示剩余的能量区域；
图4A描绘了根据本文中描述原理的用于单相EUT逆变器序列的太阳能模块和输入/输出序列；
图4B和图4C示意性地描绘了被分开地发送至两个极性控制器(异相锁定开关桥)的两个90度异相脉动正弦AC功率序列(两个DC/AC转换模块的输出)；
图4D示意性地描绘了被提供给相应异相桥结构的两个功率序列；
图4E和4F示意性地描绘了异相桥结构的两个输出；以及
图4G和图4H示意性地描绘了最终的两个同步的功率序列，其中一个功率序列是通过相位调整而延迟AC电压序列中的一个的结果。
具体实施方式
美国专利公开US2016/0036232和US2017/0149250 A1公开了如下发现：常规的单相转换器只能提取和转换小于一半的直流(DC)功率输入。这些专利公开教导了：为了有效地提取所产生的直流电以用于能量利用，应当匹配能量提取设备的特征以有效地且高效地提取所产生的DC电能。
此外，这些专利公开教导了：还应当对相关设备进行匹配，以调节和/或递送提取的电力以用于高效的能量利用。代替使用最大功率点跟踪(MPPT)设备作为太阳能发电站的优化器，参考公开提出使用“最大能量利用点跟踪器”作为发电站的优化器；特别是PV发电厂的优化器。这种优化器在本文中将被称为“MEUPT优化器”。
根据参考专利公开，MEUPT优化器被设计成捕获它们所谓的“剩余能量”或“剩余功率”，它们将剩余能量”或“剩余功率”定义为产生但未被提取和/或递送至电网以供利用的电能(或相应的功率)。本文中也使用了剩余能量(或剩余功率)的定义。该剩余功率与电网具有约90度的相位差，使得剩余能量不能被直接出售给电网。MEUPT优化器还被设计成将所有捕获的剩余能量临时存储在能量储存器内；并且然后制备且递送该电能至电网以利用。因此，在并入MEUPT优化器时，可以提高PV发电站的电力销售收入。
本领域的几种技术可以用于DC能量提取、能量制备、能量调节和能量递送。无论直流能源如何，都可以使用本文中描述的原理。然而，本公开内容使用太阳能发电串作为DC能源的示例来示出和阐明本文中所提及的术语：能量提取、制备、调节和递送。也就是说，本文中描述的原理不限于太阳能情况下的提取、制备、调节和递送。尽管它们具有不同的物理意义，但术语“能量”和“功率”在本领域中是可互换的，并且在本文中是可互换的，除非另外指明。此外，除非另外指明，否则术语“AC功率序列”和“AC电压序列”在本文中可互换。
图1A示出了太阳能发电序列10的部件。该序列始于光电能转换设备(PV太阳能串)101，该光电能转换设备从作为主要能源的光能(例如，太阳能)生成电能。该电能具有取决于云的覆盖、太阳的角度、PV电池的效率以及许多其他因素的时变电压。然后通过DC/DC升压转换器201制备电能并且将电能调节成具有固定电压的DC能源。在添加极性切换控制器224时，DC/AC转换模块223将制备的固定电压DC功率转换为图1B中描绘的正弦时变(振荡)AC电压序列。
作为示例，DC/AC转换模块223可以是由脉宽调制器(PWM)操作的降压模块。如此操作的降压模块也将被称为DC/AC转换器。图2C是示出桥结构224的示例。如图所示，桥结构224包括控制该DC/AC转换器的AC输出电压序列的同步和极性的一组4个开关(S1、S2、S3和S4)。此处，“负载(LOAD)”表示从桥结构224看向变压器225的负载。本文中可以将设备201和设备223的组合称为“PWM提取器”。
由桥结构224产生的AC电压功率序列符合电网惯例。再次参照图1A，然后通过变压器225馈送AC功率序列，以将功率递送至电网300中，电网300连接至电网负载。图2A示出了可以将变化的电压DC能源调节至固定电压DC源的升压DC/DC转换器201的示例典型电路设计。图2B示出了将固定电压DC源转换为正弦AC功率序列的单相DC/AC逆变器223的典型PWM操作的降压模块电路设计的示例。开关桥结构224(图2C所示)控制单相DC/AC转换器223的输出的极性和同步。单相DC/AC转换器223(或组合升压DC/DC转换器201和单相DC/AC转换器223时的PWM提取器)也可以充当(包括3个单相逆变器的)常规三相DC/AC转换器的常规单相逆变模块中的能量提取/转换模块。
第一部分：常规DC/AC变换回顾
通常，实际太阳能串中最大功率产生点(MPPPV)处的电压是时变的并且小于AC电网的指定的峰电压。PV站中需要升压能量提取器以用于能量提取和制备；升压能量提取器将时变低压DC源调节为固定的高压DC能源。
图2A描绘了DC/DC升压模块201的升压电路，其包括电感器L；由反馈控制占空比调整器FCDFA(未示出)调节的可控开关Q；二极管D；和电容C。开关Q以具有可调整的占空比的高频率(在商业产品中通常约为18kHz)切换。反馈控制占空比调整器(FCDFA)调节可调整占空比，使得该DC/DC升压模块201产生基本上恒定的DC输出电压(v0)。换言之，该DC/DC升压模块201将具有时变电压的DC能源修改为具有固定DC电压v0(一般地，v0＝vpk，其中vpk是AC电网的峰电压)的能源，该固定DC电压v0适合于序列中的后续设备(即，图1A的情况中的DC/AC转换模块223)。该后续DC/AC转换模块将具有指定的峰电压的DC功率转换为符合电网惯例的正弦电压序列形式的AC电压。
在开关Q接通期间，所设计的电感器L从输入单元(在图1A的情况下，PV太阳能串101)提取能量。具体地，电感器L在由PWM开关的反馈控制的占空比指定的时间段内通过输入功率充电。这种充电发生，促使开关Q两端的电压vsw朝输入电压vin向上升高，直到开关两端的电压vsw达到适当值。在开关Q断开期间，电流从电感器L流过二极管D以对所设计的电容器C充电，从而产生等于期望输出电压的稳态电压(在电网连接情况下，v＝v0＝vpk)。通过使用反馈控制来调整适当设计的固定PWM频率的开关Q的开关周期的占空比，可以将vin的输出电压升高至AC电网指定的峰电压，v0＝vpk。因此，该升压电路可以产生适合于输出至后续DC/AC转换模块的峰电压。上述电路在本领域中被称为“升压DC/DC转换器”或“升压转换器”。
如上所述，该升压转换器被设计成将时变电压DC源(例如PV串)修改为具有基本上恒定的电压的DC源。该基本上恒定的电压可以等于AC电网指定的峰电压值。注意，为了防止所提供的峰电压在正常操作的一个AC周期中衰减，为图2A中描绘的升压电路的电容器C设计足够的电容。也就是说，该电容器C用于维持电压在一个AC周期上基本恒定。执行该功能的电容器在本领域中通常称为“DC链路”电容器。电网惯例容许DC链路上的非常小的电压变化。因此，DC链路电容器未被设计成存储大量剩余能量，因为这样做将需要巨大(且因此昂贵)的电容器以保持在AC电网的最大容许电压变化内。
图2B描绘了典型的DC/AC转换模块223，其包括电感器LL，由占空比调整器DFA调节的可控开关QQ，二极管DD和DC链路电容器CC。开关QQ以具有可调整的占空比的高频率(在商业产品中通常约为18kHz)切换。开关QQ(通常被称为“PWM开关”)由脉宽调制器(PWM)信号调节。该PWM开关的占空比由占空比调整器DFA调节，使得该转换模块223产生的AC功率序列符合电网惯例。所描绘的DC/AC转换模块223在本领域中被称为“降压转换器”。与DFA相关联的降压转换器223可以将具有指定峰电压的DC能源转换为正弦AC功率序列。通过图2C中描绘的开关桥结构(其为图1A的极性/同步控制器224的示例)发送该脉动AC功率序列；并且然后通过变压器(例如，图1A的变压器225)使该脉动AC功率序列进入电网(例如，图1A的电网300)。如上所述，开关桥结构充当极性和同步控制器。
如图2C所描述的，在开关S1和S2都接通并且开关S3和S4都断开时，在负载两端施加正电压。相反，在开关S3和S4都接通并且开关S1和S2都断开时，在负载两端施加负电压。在通过感测电网中的正/负电压(或过零电压)转变的同步调整器(图2C中未示出)来控制这种切换时，该桥结构224(与占空比调整器DFA组合)可以有效地控制单相DC/AC转换器的输出极性和同步。
同步调节器可以及时调节时变PWM占空比调整；使得产生以下纯正弦功率波形，该纯正弦功率波形由cos2(ωt+θ)表示的，具有所需的AC角频率ω，具有所需的AC峰电压vpk，并且具有与电网的对应电力线对同步的其相位θ。在与固定电压DC输入以及与电网中的寄生电感和寄生电容结合时，电感器LL和电容器CC在实践中可以做得很小甚至省略。在本领域中，术语“转换器”和“逆变器”(并且就此而言，“转换”和“逆变”)是可互换的，并且因此在本文中是可互换的。
占空比调整器DFA根据设计来调整作为时间的函数的占空比以接通/断开降压转换器的开关QQ。因此，通过适当设计的电路和制备的峰电压，该转换模块可以产生与(包括AC电网惯例的要求以及电网的对应电力线的相位)设计要求相符合的期望的输出电压值、功率形式、频率和相位。在电网连接的单元的情况下，假使电网的峰电压漂移和/或假使电网的频率漂移，则采用AC同步调整器(通常内置于DC/AC转换器中)来使制备的AC功率输出与电网一起漂移。这种产生的AC功率信号在图3中描绘。换言之，使用上述PWM能量提取器，单相DC/AC转换器可从固定电压DC能源提取DC电能并且将其转换为符合电网惯例的AC电力。
非常重要的是，注意，以上单相逆变器的输出功率P(t)以cos2(ωt+θ)的形式随时间变化。因此，在指定时间段内，通过电网的电力线递送的能量等于电网的电力线在该时间段内的时变输出功率序列的积分。得到的积分值仅等于在相同时间段内能源的恒定DC功率的积分的一半。换言之，上述常规单相逆变器至多只能提取和转换由DC能源提供的能量的仅一半。因此，剩余和未使用的能量多于可用输入能量的一半。该剩余量贡献了在以上参考的专利公开中描述的剩余能量的大部分。
出于以下分析的目的，假设DC能源在几个AC功率循环的周期中具有恒定功率Pmx。图3描绘了在一个PWM周期(具有周期D)中提取的DC能量脉冲。如将要说明的，提取的DC功率Px小于或等于DC功率Pmx。在该PWM周期处的占空比d(t)/D被调整为等于d(t)/D＝cos2(ωt+θ)的值，使得产生的功率基本上等于符合电网惯例的Px*cos2(ωt+θ)，并且其中θ是电网的对应电力线对的相位。图3(具体地，图3的下半部分)还描绘了功率-时间空间(称为能量空间)，其中一个PWM周期为时间间隔D；其中输入DC功率为Pmx；并且提取的功率为Px。
如图3所描绘的，该能量空间被分成3个区域。区域-I表示具有提取的功率Px的提取的DC能量脉冲；并且具有D*cos2(ωt+θ)的持续时间，其在与PWM提取时间对应的任意时间t处，被转换为P(t)＝Px*cos2(ωt+θ)的单相AC功率。区域-I也称为“能量提取区”或“能量提取区域”。能源的功率Pmx与功率Px之间的区域是区域-III。区域-II为PWM周期D中能量提取区域之后的区域。区域-II和区域-III的组合区域表示能量空间中的剩余能量区域。剩余能量区(区域)中的能量未被提取，未被转换为AC功率，并且因此未被常规地利用。相反，该剩余能量最终作为热量被吸收。
重申，常规的DC/AC单相转换器采用升压模块来将具有时变电压的DC电源修改为具有基本上恒定且指定的电压(例如电网的峰电压)的DC电源。该DC源用作PWM提取器的输入DC源以提取和转换DC输入能量。当一个PWM周期中的占空比在时间t处由cos2(ωt+θ)调节时(其中，相位θ是电网的对应的电力线的相位)，输出功率形式符合AC功率惯例。在高电平处，每个PWM周期的能量空间包括两个区域——提取的能量区域(例如，图3中的区域-I)和剩余能量区域(例如，图3中的区域-II和区域-III的组合)。因此，提取的能量被转换为AC电力并且提供给电网的对应的电力线对；而剩余的能量变成热量，除非被捕获且存储在例如MEUPT优化器的设备中。
如上所述，参考的专利公开教导了：在通过对几个AC时间段进行积分时，剩余能量的量至少与提取的能量一样大。换言之，常规的单相DC/AC转换器至多只能提取和转换输入DC能量的一半。换言之，在使用常规的单相DC/AC转换器时，输入DC能量的至少一半将变成剩余的能量；剩余的能量未被提取，未被转换，未被递送至电网，未被负载利用，并且最终将变成热量。
第二部分：单相EUT逆变器的原理
尽管本领域的普通技术人员没有认识到，但是实际存在有两种方式来减轻单相逆变器的上述不期望的结果。第一种方式是遵循参考专利公开中描述的原理，将MEUPT优化器并入能量系统中。另一种方式是遵循本文中描述的原理，本文提出了设计包括一组两个DC/AC转换模块和相位调整器的单相逆变器，并且在这两个DC/AC转换模块之间交替地按顺序提取能量，其中该交替是由该相位调整器引起的。该新的单相逆变器称为单相能量利用跟踪逆变器或单相EUT逆变器。
单相EUT逆变器的第一DC/AC转换模块通过提取并且转换每个PWM周期的能量空间中的第一能量区域(例如，图3中的区域I)来产生第一AC功率序列。相反，单相EUT逆变器的第二DC/AC转换模块通过提取并且转换区域-I之后的能量区域(例如，图3中的区域-II)来产生第二AC功率序列。因此，在时间t处，第一AC功率为P(t)＝Px*cos2(ωt+θ)；而第二AC功率为P’(t)＝Px-Px*cos2(ωt+θ)＝Px*(1-cos2(ωt+θ))＝Px*sin2(ωt+θ)；)。这两个输出AC功率序列具有相同的峰功率和相同的频率，但彼此异相90度。这意味着在第一AC功率序列符合电网惯例和对应的电力线对的相位时，第二AC功率序列将与电网的对应的电力线对异相90度。换言之，第一AC功率序列可以被递送至电网的对应的电力线对并且向其提供电能；而第二AC功率序列不适合向同一电力线对递送和提供电力。
根据本文中描述的原理，提出的单相EUT逆变器还包括相位调整器。该相位调整器可以将上述第二AC功率序列的相位调整90度。因此，第二AC功率序列被变换为与电网的对应的电力线对同步。如上所述，单相EUT逆变器的两个输出(第一AC功率序列和第二AC功率序列)因此可以符合同一电力线对的电网惯例。因此，两个单相AC功率序列可以被递送至电网的同一电力线对中，用于随后供连接负载来消耗。
图4A示意性地描绘了框图，其示出了用于单相EUT逆变器400的能量生成和输入。输入能量(表征为具有时变电压)由PV太阳能串401产生。输入能量经过升压模块402，该升压模块402执行能量调节以产生具有固定电压的DC能源。升压模块402可以如以上针对图2A的升压模块201所描述的那样构造。
通过第一PWM操作的DC/AC降压模块403A来部分地提取来自升压模块402的固定电压DC能量以产生第一AC功率序列4031A(参照图4B)，P(t)＝Px*cos2(ωt+θ)，该第一AC功率序列4031A符合电网惯例，并且具有与电网的对应的电力线相同的相位θ；参照图2B，回想这是通过使占空比调整器DFA控制开关QQ以具有占空比d1(t)/D＝cos2(ωt+θ)来实现的。第一PWN操作的DC/AC降压模块403A可以被构造成与关于图2B的以上描述的DC/AC降压模块223相同，不同之处在于：DFA还耦接至异相锁定模块405。
还通过第二PWM操作的DC/AC降压模块403B部分地提取来自升压模块的固定电压DC能量。第二DC/AC降压模块403B可以被构造成与第一DC/AC降压模块403A相同，并且包括彼此连接的开关SQQ、二极管SDD、电感器SLL和电容器SCC，其彼此连接的方式与第一DC/AC降压模块403A的开关QQ、二极管DD、电感器LL和电容器CC彼此连接的方式类似。此外，第二DC/AC降压模块403B的开关SQQ、二极管SDD、电感器SLL和电容器SCC的相应的尺寸可以与第一DC/AC降压模块403A的开关QQ、二极管DD、电感器LL和电容器CC相同。
然而，第二DC/AC降压模块403B的开关SQQ经由异相锁定模块405耦接至占空比调整器DFA。异相锁定模块405确保在第一DC/AC降压模块的开关QQ接通时，第二DC/AC降压模块的开关SQQ断开，反之亦然。因此，开关SQQ的占空比将为1-d1(t)＝1-cos2(ωt+θ)＝sin2(ωt+θ)。因此，由第二DC/AC降压模块403B产生的第二AC功率序列4031B(参照图4C)具有时变功率序列P’(t)＝Px*sin2(ωt)。如下面进一步描述的，该第二AC功率序列的相位还由相位调整器调整，使得第二AC功率序列的相位被调整。
图4B的功率序列4031B随后被调整90度成为AC功率序列，P”(t)＝Px*sin2(ωt+θ+90°)。在相位调整之后，AC功率序列P(t)和P”(t)二者成为同步的，这是由于第一AC功率序列4031A(其为P(t)＝Px*cos2(ωt)+θ)和第二AC功率序列4031B(其通过调整成为P”(t)＝Px*sin2(ωt+θ+90°)＝Px*cos2(ωt)+θ))成为同步的并且适合于提供给电网的同一电力线对。现在，足以将第一功率序列P(t)(即，图4B的信号4031A)提供给锁定桥开关结构404A，并且将第二功率序列P’(t)(即，图4C的信号4031B)提供给与第一锁定桥结构404A异相的第二锁定桥结构404B。下文将参照图4D至图4H进一步描述异相锁定桥结构404A和404B的操作和结构。
第三部分：应用于三相EUT逆变器的原理
常规的单相DC/AC转换器的低效能量提取的根本原因也在于常规的三相DC/AC转换器中。实质上，常规的三相DC/AC转换器操作三个执行提取和转换的单相DC/AC转换器，并且将相似的时间平均AC功率递送至三对电力线；具有120度的相位差。因此，在单相DC/AC转换器中出现的剩余能量也出现在常规的三相DC/AC转换器的三个单相DC/AC转换器中的每一个中。坏消息是，单相DC/AC转换器的能量提取效率低下的任何根本原因都在常规三相DC/AC转换器中持续了三次。好消息是适用于单相逆变器能量提取的缺点的任何有效改进措施也可以是对三相逆变器能量提取的缺点适用三次的有效改进措施。
在三相DC/AC逆变器包括三组上述单相EUT逆变器时，三相DC/AC逆变器被称为三相EUT逆变器。三相EUT逆变器的单相EUT逆变器中的每一个可以提取由DC能源(例如，PV串或电站)提供的DC功率的三分之一(1/3)并且将其转换为两个单相AC功率序列并且将其递送至三相电网的同一电力线对。例如，第一单相EUT逆变器将提取由DC能源提供的DC功率的三分之一并且将其转换为第一组两个同步的单相AC功率序列，并且将该第一组同步的单相AC功率序列递送至电网的第一对应电力线对。第二单相EUT逆变器将提取由DC能源提供的DC功率的另外三分之一并且将其转换为第二组两个同步的单相AC功率序列(第二组两个同步的单相AC功率序列与第一组两个同步的单相AC功率序列异相120度，但其与电网的第二电力线对同步)并且将该第二组同步的单相AC功率序列递送至电网的第二对应电力线对。第三单相EUT逆变器将提取由DC能源提供的DC功率的另外三分之一并且将其转换为第三组两个同步的单相AC功率序列中(该第三组两个同步的单相AC功率序列与该第一和第二同步的单相AC功率序列异相120度，但其与电网的第三电力线对同步)并且将该第三组同步的单相AC功率序列递送至电网的第三对应电力线对。
因此，三相EUT逆变器中的三个单相EUT逆变器的共同努力可以提取由能源提供的几乎所有整个输入DC功率并且将其递送至三相电网的三对电力线中。因此，根据本文中描述的原理，在使用三相EUT逆变器代替常规的三相DC/AC逆变器时，可以提取从DC能源提取的能量的量的两倍；以将输出AC功率递送至三相电网以供消耗。
第四部分：相位调整器的示例
可以采用本领域的几种技术来设计本文中提及的相位调整器。例如，如本领域中公知的，单相变压器可以使单相AC电压序列延迟与极性反转相关联的半个AC周期。这意味着单相变压器可以在不改变波形或频率的情况下将AC功率序列的相位移位90度。理想的变压器(初级和次级匝数比等于1)还可以保持输入AC功率序列的峰电压。具有匝数比为1的实际变压器可能引入轻微的峰电压降。然而，这种引入的峰电压降可以通过将次级与初级的匝数比调整到合适的值来校正。因此，单相变压器可以是用于本文中所述原理的非常实用的相位调整器。每个单相EUT逆变器可以采用一个适当的单相变压器作为其相位调整器。三相EUT逆变器可以采用3个单相EUT逆变器，每个都具有这样的相位调整器。也就是说，相位调整也可以通过电感器或电容器的使用来实现。
此外，三相变压器可以在不改变波形或频率的情况下将AC功率序列中的三相中的每个相移位90度。因此，如上所述，三相EUT逆变器也可以仅采用一个三相变压器作为组合的相位调整器，以调节所有三个异相AC电压序列以与三相电网中的三对电力线同步。通过用一个组合的调整器代替三相EUT逆变器中的三个调整器；该候选相调整器还可以降低三相EUT逆变器的成本。
第五部分：总结
如第一部分所分析的，常规的AC单相提取器采用PWM提取器来提取DC输入功率。当一个PWM周期的占空比在时间t中由cos2(ωt+θ)调节时，输出功率符合假定合适的同步相位θ的AC功率惯例。注意，每个PWM周期的能量空间包括两个区域；一个是提取的能量区域，而另一个是剩余的能量区域。所参考的专利公开教导了：在通过对几个AC时间段进行积分时，剩余能量的量至少与提取的能量一样大。换言之，单相DC/AC转换器至多只能提取和转换输入DC功率的一半。将提取的能量转换为AC电力并且提供给电网；而剩余的能量变成热量，除非被捕获且存储在诸如MEUPT设备的设备中。
如第二部分所述，提出的新的单相DC/AC转换器设计包括一组两个DC/AC转换模块和相位调整器，并且使用其来执行顺序的能量提取。新的单相DC/AC转换器在本文中也称为“单相EUT逆变器”。单相EUT逆变器的第一DC/AC转换模块通过从在每个PWM周期的能量空间中的第一能量区域(例如，图3中的区域I)提取和转换来产生第一AC功率序列；而第二DC/AC转换模块通过从在第一能量区域之后的能量区域(例如，图3中的区域II)提取和转换来产生第二AC功率序列。因此，在时间t处，第一AC功率为P(t)＝Px*cos2(ωt+θ)；而第二AC功率为P’(t)＝Px*sin2(ωt+θ)。这两个输出AC功率序列具有相同的峰功率、相同的频率，但彼此异相90度(比较图4B和图4C)。这意味着在第一AC功率序列符合电网惯例并且与电网的对应电力线对同步时，而第二AC功率序列与该电网的同一电力线对异相90度。换言之，第一AC功率序列可以被递送至电网的对应的电力线对并且向其提供电能；而第二AC功率序列不适合向同一电力线对递送和提供电力。
单相EUT逆变器还包括相位调整器。该相位调整器可以将上述第二AC功率序列的相位调整90度。因此，第二AC功率序列被变换为与电网的对应的电力线对同步。如上所述，单相EUT逆变器的两个输出(第一AC功率序列和第二AC功率序列)因此可以符合同一电力线对的电网惯例。因此，单相EUT逆变器的输出(两个单相AC功率序列)可以被递送至电网的同一电力线对中并且由连接的负载进行消耗。
如第三部分所述，在三相DC/AC逆变器包括三组上述单相EUT逆变器时，三相DC/AC逆变器被称为三相EUT逆变器。三相EUT逆变器的单相EUT逆变器中的每一个可以提取由DC能源(例如，PV串或电站)提供的DC功率的三分之一并且将其转换为两个单相AC功率序列并且将其递送至三相电网的同一电力线对。因此，三相EUT逆变器中的三个单相EUT逆变器的共同努力可以提取由能源提供的整个输入DC功率并且将其递送至三相电网的三对电力线中。因此，根据本文中描述的原理，在使用三相EUT逆变器代替常规的三相DC/AC逆变器时，可以提取来自DC能源的电力的量的两倍。如上所述，常规单相逆变器的改进措施也是常规三相逆变器的改进措施。
第四部分描述了可以对第二AC功率序列执行所需的90度相位调整并且维持所有其他规格以符合电网惯例的实用设备。此外，该候选也适用于三相EUT逆变器。
为了示出和阐明本文描述的原理中使用的相关术语，图4A描绘了用于单相EUT逆变器400的太阳能输入和输出序列的模块。该输入序列以在太阳能串401中产生的能量作为具有变化电压的能源开始，该变化电压用作升压模块402的输入源。能源的输出被储存在电容器C中并且是几乎恒定的电压DC源。
换言之，该升压模块402将变化电压DC能源修改为存储在DC链路电容器C中的固定电压DC能源(参见图2A的电容器C)。然后，该固定电压DC能源被用作两组DC/AC转换模块403A和403B的输入。这两个转换模块由异相PWM锁定开关QQ和SQQ操作，从而从DC链路电容器C顺序地提取能量。因此，DC/AC转换模块各自生成相应的脉动正弦功率序列4031A和4031B(也在图4B和图4C中示出)，这些脉动正弦功率序列彼此异相90度。如图4D所示，然后，这两个90度异相的脉动功率序列4031A(P’(t))和4031B(P’(t))被各自送入相应的异相锁定桥开关结构404A和404B(也如图4D所示)。锁定桥结构404A和404B中的每一个可以被如图2C的桥结构224所描述的那样构造，不同之处在于：开关S1和SS1被异相地控制、开关S2和S22被控制为异相、开关S3和S33被控制为异相，以及开关S4和S44被控制为异相。
这些桥结构控制输入4031A和4031B的极性；以及产生具有90度相位差的两个AC电压序列，其分别描绘为图4E的405A和图4F的405B。如图4F所示，可以将第二AC电压序列405B提供到90度相位调整器406中，从而使第二AC电压序列405B与第一AC电压序列405A成为相位同步的。因此，两个AC电压序列均适合于(经由变压器)递送至电网的同一电力线对。为了完整起见，图4G和图4H还描绘了最终两个同步的功率序列，其中一个功率序列是通过相位调整406延迟的所得信号407B。延迟部分在图4H中用虚线描绘。另一所得的功率信号407A未被延迟。
在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他具体形式实施。所描述的实施方式被认为在所有方面仅作为说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而非由前面的描述来指示。在权利要求书的等同物的含义和范围内的所有变化都包括在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种能量利用跟踪逆变器，包括：
单相DC/AC转换器，所述单相DC/AC转换器包括：
第一DC/AC转换模块，由脉宽调制器操作以从基本上固定电压的DC能源执行第一能量提取，所述第一DC/AC转换模块被配置成在所述脉宽调制器的脉宽调制器信号的占空比的第一部分内执行所述第一能量提取以产生第一正弦AC功率序列；
第二DC/AC转换模块，由所述脉宽调制器操作以从所述DC能源执行第二能量提取，所述第二DC/AC转换模块被配置成在所述脉宽调制器的所述脉宽调制器信号的占空比的第二部分内执行所述第二能量提取以产生第二正弦AC功率序列，所述占空比的所述第二部分与所述占空比的所述第一部分不交叠，所述占空比的所述第二部分与所述占空比的所述第一部分相邻，使得所述第一能量提取和所述第二能量提取是顺序的；以及
相位调整器，被配置成将所述第一正弦AC功率序列或所述第二正弦AC功率序列中的一个调整90度相移，使得所述第一正弦AC功率序列和所述第二正弦AC功率序列二者具有相同的相位，所述单相DC/AC转换器耦接至电网的电力线对，所述第一正弦AC功率序列和所述第二正弦AC功率序列的相位与所述电网的所述电力线对同步。
2.根据权利要求1所述的能量利用跟踪逆变器，所述相位调整器包括单相变压器。
3.根据权利要求1所述的能量利用跟踪逆变器，所述相位调整器包括电感器。
4.根据权利要求1所述的能量利用跟踪逆变器，所述相位调整器包括电容器。
5.根据权利要求1所述的能量利用跟踪逆变器，包括：
三相DC/AC转换模块，所述三相DC/AC转换模块包括作为第一DC/AC转换模块的所述单相DC/AC转换模块，其中所述相位调整器为第一相位调整器，所述脉宽调制器是第一脉宽调制器，并且所述第一DC/AC转换模块的所述第一正弦AC功率序列和所述第二正弦AC功率序列的相位与电网的第一电力线对同步。
6.根据权利要求5所述的能量利用跟踪逆变器，所述三相DC/AC转换模块还包括：
第三DC/AC转换模块，由第二脉宽调制器操作以从所述DC能源执行第三能量提取，所述第三DC/AC转换模块被配置成在所述第二脉宽调制器的脉宽调制器信号的占空比的第一部分内执行所述第三能量提取以产生第三正弦AC功率序列；
第四DC/AC转换模块，由所述第二脉宽调制器操作以从所述DC能源执行第四能量提取，所述第四DC/AC转换模块被配置成在所述第二脉宽调制器的所述脉宽调制器信号的占空比的第二部分内执行所述第四能量提取以产生第四正弦AC功率序列，所述第二脉宽调制器的所述脉宽调制器信号的所述占空比的所述第二部分与所述第二脉宽调制器的所述脉宽调制器信号的所述占空比的所述第一部分不交叠；以及
第二相位调整器，被配置成将所述第三正弦AC功率序列或所述第四正弦AC功率序列中的一个调整90度相移，使得所述第三正弦AC功率序列和所述第四正弦AC功率序列二者具有与所述电网的第二电力线对同步的相位。
7.根据权利要求6所述的能量利用跟踪逆变器，所述第一相位调整器包括第一单相变压器，所述第二相位调整器包括第二单相变压器。
8.根据权利要求6所述的能量利用跟踪逆变器，所述三相DC/AC转换模块还包括：
第五DC/AC转换模块，由第三脉宽调制器操作以从所述DC能源执行第五能量提取，所述第五DC/AC转换模块被配置成在所述第三脉宽调制器的脉宽调制器信号的占空比的第一部分内执行所述第五能量提取以产生第五正弦AC功率序列；
第六DC/AC转换模块，由所述第三脉宽调制器操作以从所述DC能源执行第六能量提取，所述第六DC/AC转换模块被配置成在所述第三脉宽调制器的所述脉宽调制器信号的占空比的第二部分内执行所述第六能量提取以产生第六正弦AC功率序列，所述第三脉宽调制器的所述脉宽调制器信号的所述占空比的所述第二部分与所述第三脉宽调制器的所述脉宽调制器信号的所述占空比的所述第一部分不交叠；以及
第三相位调整器，被配置成将所述第五正弦AC功率序列或所述第六正弦AC功率序列中的一个调整90度相移，使得所述第五正弦AC功率序列和所述第六正弦AC功率序列二者具有与所述电网的第三电力线对同步的相位。
9.根据权利要求8所述的能量利用跟踪逆变器，所述第一相位调整器包括第一单相变压器，所述第二相位调整器包括第二单相变压器，并且所述第三相位调整器包括第三单相变压器。
10.根据权利要求8所述的能量利用跟踪逆变器，其中，三相变压器包括所述第一相位调整器、所述第二相位调整器以及所述第三相位调整器。
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