CN202103601U - 功率调节装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型描述了具有最大功率点跟踪(MPPT)的适于直流电源的功率调节装置，特别是一种太阳能光伏板。该功率调节装置包括：连接到直流电源的输入；连接到交流电源供应的输出；耦合到输入的能量存储电容；耦合到能量存储电容和输出的DC-AC转换器，用于将存储于所述能量存储电容中的能量转变成适于所述交流电源供应输出的交流功率；耦合到DC-AC转换器的第一控制模块，其控制用于所述交流电源供应输出的储存在能量存储电容中的能量到交流功率的转换。此外，第一控制模块还包括最大功率点跟踪模组。功率注入控制模块通过测量直流母线上的信号来跟踪最大功率点，其取决于从直流电源获取的功率，因此没有必要测量来自直流电源的直流电压和电流。在某些实施例中，信号是波动电压水平，且功率注入模块控制交流电流输出的幅值，从而使传输到电网主电源的功率量取决于能量存储电容上的正弦电压分量的幅值。

Description

功率调节装置
技术领域
本实用新型涉及用于将功率从直流电源传输到交流电源输出的功率调节装置，要么用于直接连接到公用设施主电源(电网)供应站，要么用于独立于公用设施主电源供应站来直接为主要的电网装置供电。更具体的，本实用新型涉及适用于这种功率调节装置(特别适用于太阳能光伏板)的最大功率点跟踪(MPPT)的方法和设备。
背景技术
我们以前曾描述(见上文)过适用于功率调节装置(逆变器)中的能源控制的改进技术。具体的，这些技术使得从直流到主电源转换器的构造成为可能，它不需要使用电解电容，而这容易发生故障，尤其是在遇到比如在太阳能PV(光伏)板后面的高温时。
背景技术中的现有技术可在以下文献中找到：EP0780750A；JP2000020150A；US 2005/0068012；JP 05003678A；GB2415841A；EP0947905A；WO2006/011071；EP1,235,339A；WO2004/006342；DE 100 64 039 A；US2005/030772；WO96/07130；US6,657,419；US2004/117676；US2006/232220；WO2004/001942；GB2419968A；US7,319,313；US7,450,401；US7,414,870；US7,064,967；“在太阳能和LED照明应用中基于最小电容需求和纹波电源端口的具有成本有效的百年使用寿命的单相逆变器和整流器”，P.T.Kerin和R.S.Balog-技术文件；US2009/0097283，“适用于光伏AC模块的长使用寿命的逆变器”，C.Rodriguez和G.A.J.Amaratunga，IEEE Trans IE，55(7)，2008，p2593；US2008/097655。
现在，我们将描述适于最大功率点跟踪的一些改进技术，上述特别适用于我们先前所描述类型的功率调节装置。
实用新型内容
因此根据本实用新型的第一个方面，提供了一种具有最大功率点跟踪的用于将功率从直流电源传输到交流电源供应输出的功率调节装置。该功率调节装置包括：连接到直流电源的输入；连接到交流电源供应的输出；耦合到输入的能量存储电容；耦合到能量存储电容和输出的DC-AC转换器，用于将存储于所述能量存储电容中的能量转变成适于所述交流电源供应输出的交流功率；以及耦合到DC-AC转换器的第一控制模块，其控制用于所述交流电源供应输出的储存在能量存储电容中的能量到交流功率的转换。其中第一控制模块还包括最大功率点跟踪模组。
根据本实用新型的另一个方面，提供一个具有最大功率点跟踪(MPPT)的用于将功率从直流电源传输到交流电源主电源供应输出的功率调节装置，该功率调节装置包括：用于从所述直流电源接收功率的输入；用于将交流功率传输到所述交流主电源供应的输出；能量存储电容，用于存储来自所述直流电源的以便传输到所述交流主电源供应的主电源输出的能量；耦合到所述输出以便将存储于能量存储电容中的能量转变成适于所述主电源供应输出的交流功率的DC-AC转换器；功率注入控制模块，其具有耦合到所述能量存储电容的感测输入以及具有耦合到所述DC-AC转换器的输出，以便控制所述DC-AC转换器从而控制注入到所述交流主电源供应的功率；并且其中所述功率注入控制模块配置成在不测量由所述直流电源提供的直流电压或直流电流的情况下跟踪所述直流电源的最大功率点。
在一些优选实施例中，能量存储电容上的电压具有正弦电压分量(以两倍于交流主电源的频率)，以及功率注入控制模块配置成控制提供到交流主电源供应输出的电流幅值，这样传输到所述输出的功率值取决于能量存储电容上的正弦电压分量的幅值。在实施例中，传输的平均能量线性依赖于，或者更具体地说是与正弦电压分量的平方值成比例。在实施例中，正弦电压分量叠加到直流母线电压(到DC-AC转换器的输入)上，而该母线电压是比较高的，例如小于200，300，400或500伏特。在这种实施例中，传输的平均功率与峰值(最大)电容电压的平方和波谷(最低)电容电压的平方之间的差值成比例(但是备选的，可设置一个功率调节装置，这样，能量存储电容上存在平均的零直流电压)。在实施例中，传输到交流主电源供应输出的瞬时功率依赖于能量存储电容上的瞬时值，或与能量存储电容上的瞬时值成比例。
因此在本实用新型的相关方面，提供一种具有最大功率点跟踪(MPPT)的用于将功率从直流电源传输到所述交流电源主电源供应输出的功率调节装置，该功率调节装置包括：用于从所述直流电源接收功率的输入；用于将交流功率传输到所述交流主电源供应的输出；能量存储电容，用于存储来自所述直流电源的以便传输到所述交流电源的主电源供应输出的能量；耦合到所述输出以便将存储于能量存储电容中的能量转变成适于所述主电源供应输出的交流功率的DC-AC转换器；功率注入控制模块，其具有耦合到所述能量存储电容的感测输入以及具有耦合到所述DC-AC转换器的输出，以便控制所述DC-AC转换器从而控制注入到所述交流主电源供应的功率；并且其中在操作过程中，所述能量存储电容上的电压具有为所述交流主电源频率两倍的正弦电压分量；其中所述功率注入控制模块被配置成控制提供到交流主电源输出的电流幅值，这样传输到所述交流主电源供应输出的功率值取决于能量存储电容上的所述正弦电压分量的幅值，并且其中所述功率注入控制模块被配置成通过控制所述DC-AC转换器来跟踪所述直流电源的最大功率点。
在上面描述的功率调节装置的实施例中，从直流电源流动到能量存储电容的能量基本与能量存储电容中的能量变化量大体上成比例(这是下文进一步解释)。此外，从能量存储电容获取的以及提供到交流主电源输出的能量的量受到功率注入控制模块的控制，使得传送到交流主电源供应的交流功率依赖于存储于能量存储电容量中的能量的量。因此在这种配置中，配置的功率控制能够通过控制由控制DC-AC转换器而传输到交流主电源供应的功率来跟踪直流电源的最大功率点，而不需要对功率调节装置(其通常包括一个DC-DC转换器)前端进行MPP跟踪。从广义上讲，在第一情况下，功率注入循环从直流电源获取功率并将其传输到能量存储电容内。在第二情况下，功率注入循环从能量存储电容获取能量并将其传输到交流输出。将AC功率传输到输出的需求导致了能量存储电容上的正弦电压分量，并且其是该控制循环的固有组成部分，通常能量存储电容上电压的该波动电压正弦分量(通常是直流)在操作过程中具有至少10伏特，20伏特，30伏特，40伏特，50伏特，60伏特或100伏特的峰值幅值。该电压正弦分量的峰值幅值取决于注入到交流主电源供应输出的电流。
在功率调节装置的直流输入端例如通过DC-DC转换器前端上的控制回路来进行MPPT时，最大功率点跟踪的跟踪算法一般会将一定程度的直流输入电压波动施加到功率调节装置，以便可改变直流电源的操作点，因此可以确定最大功率操作点。操作点根据能量存储电容中的能量变化进行自动调节。
相比之下，我们在实施例中采用了“拉”(“pull”)的配置，其中根据需求，功率从直流电源流入到能量存储电容内，上述需求受到第二功率控制回路的控制。
更详细的，直流母线上的波动程度，更具体的是波动幅度是对从DC输出获取的功率量的有效测量，例如太阳能光伏板。如果波动使功率量降低，则意味着从直流电源输入提供较少的功率，以及在广义上讲，之后功率注入控制模块通过降低注入到电网中的电流(也就是通过调节功率注入)而作出响应。在一些实施例中，通过直流到交流转换器输出的切换速度(速率)来调节电流。当系统跟踪最大功率点时，如果来自直流输入的功率降低，则降低波动并且转换器的切换速度向下调整，以向电网注入减少电流。这使操作点远离最大功率点以及平衡直流电源提供的功率量(其注入电网)。然后控制模块定期增加功率注入模块的切换速度，以期提高流入电网的电流量的目的。在由直流电源提供的能量比获得量高的情况下上述具有增加波动的效果，并且因此控制回路有效操作以便将波动以及获得的能量最大化。根据典型的IV特性(见图9，以后描述)，这相当于在最大功率点附近伺服，更具体是在减少电流和增加电压(如刚才提到的实例)或在增大电流和降低电压的方向上沿特征曲线朝最大功率点运动。
在实施例中，功率注入控制模块产生注入到交流主电源的交流电流的模型。更具体的，模型包括与电网主电源同相位的正弦或半正弦电压，以及根据所测量到的DC母线波动电压对该模型的幅值进行调整，更具体的，根据所测量到的DC母线波动电压是否曾上升或下降而进行调整。因此，在实施例中，该模型信号的幅值响应能量存储电容/直流母线的波动电压。依赖于注入到电网主电源的所测量的交流电流和模型之间的差值的错误信号，被用于控制功率注入控制模块的切换速率。在实施例中，如果该模型幅值大于注入到交流主电源的电流的幅值，则利用该错误信号来提高切换率。以该方式，控制注入的电流，达到将能量存储电容/直流母线波动最大化的目的。
如前所述，在一些实施例中，利用能量存储电容/直流母线处的波动幅值来有效测量来自直流电源(光伏板)的功率。但在原则上可以采用其他技术来在能量存储电容/直流母线处进行测量从直流电源提供的功率。例如，由电源提供的功率缺席损失可由将输入提供到AC-AC转换器的通过直流母线的电压与电流的乘积来假定。然而，由于我们的功率调节装置的优选执行方式具有与输入功率成比例的波动(假设输入和输出功率大致相同)，因此测量波动是用于获得所需的功率信息的有利技术。
在实施例中，感测能量存储电容/直流母线上的信号并且利用该信号来推导出控制(模型)信号，控制(模型)信号具有依赖于从直流电源取自功率水平的幅值，以及更具体依赖于所感测到的该功率水平上的变化。然后基于所感测的AC电流和该控制信号之间的差异控制DC-AC转换器的切换速率，更具体的如果控制(模型)信号大于所感测的交流电流信号则增加输出转换器的切换速率，反之亦然。
在一些优选实施例中，在直流电源输入和交流电源输出之间包括直流电压放大阶段，且该阶段具有一个基本恒定的放大系数，也就是，该系数不通过执行MPPT的控制回路而变化，但是在一些实施例中，例如可以根据操作环境来选择恒定的放大系数。在一些实施例中，可提供电压放大器控制模块，但不是为了提供可变电压放大控制回路，而是有效地作为一个电源开关来打开和关闭从输入到DC-DC转换器的路径。可选的，取决于电压放大阶段的执行，电压放大器控制模块可将一个(基本恒定占空比)脉冲宽度调制控制信号提供到直流电压放大器。
上述类型的配置有利于直流输入和交流电源供应输出之间的动电隔离，因为MPPT跟踪可在没有任何直接连接到直流输入以便测量来自直流电源的电压和/或电流的情况下执行。
在示例性的执行方式中，DC-AC转换器可包括降压转换器或备选的，例如，与一对功率切换器件结合的“展开桥”，以及可应用输出电感器，如在US7,626,834中描述的那样(其全文结合于此作为参考)。在一些实施方案中，功率注入控制模块可配置成感测(直流母线)能量存储电容上的电压，将上述电压按比例降低，并且将上述电压乘以正弦波(适当相位)以便产生适于与从电网主电源得到的感测信号进行比较的一模型信号，从而以便控制DC-AC转换器的输出电流。在实施例中不需要进行没有直流电流感测。在某些实施例中，功率调节装置可包括抗孤立功能，例如在我们的共同申请悬而未决的美国申请10/555,803(WO2004/100348)中描述的那样(其全文结合于此作为参考)。
在优选的应用中，上述功率调节装置可与一个或多个光伏设备(太阳能电池板)结合使用，也就是它是一个太阳能逆变器。在一些优选实施例中，上述功率调节装置与单一的太阳能电池板结合使用，因而具有相对较低的直流电压输入，但是该技术也可使用一个所谓的“排成一列”的太阳能电池板，在该情况下，直流输入电压可为一伏或几百伏(在这种情况下，直流电压放大器的放大系数将可以等于1，或甚至小于1，虽然在总体上其将大于1)。我们描述的潜在技术的类型也可与其它类型的直流电源，例如一个或多个燃料电池结合使用。在一些优选实施例中，能量存储电容是非电解电容，例如薄膜、聚酯或聚丙烯电容器；电容器可具有少于50μF，40μF，30μF，20μF或10μF的值。
如前所述，在这些实施例中普遍的改变(直流母线)能量存储电容上的正弦分量的波动使得直流电源输入处的电压改变，以及电流(来自直流电源)根据直流电源的电流-电压特性而随着电压的变化而变化。如果功率取自直流母线以及提供到交流主电流输出，那么能量存储电容上的直流电压下降，以及直流输入电压随之下降(反之亦然)。因此，在实施例中，可(仅仅)对能量存储电容上的电压进行感测，以便控制功率调节装置输入处的电流和电压。
附图说明
现在将仅仅通过实例参照附图进一步描述本实用新型的这些和其他方面，其中：
图1显示根据本实用新型一个实施例的适用于执行MPPT跟踪系统的示例性功率调节装置；
图2显示适于图1的功率调节装置的细节；
图3显示在图1的功率调节装置中的DC电容电压；
图4显示在图1的功率调节装置中的控制模块A；
图5显示如本领域内公知的光伏板阵列的示例性特性。
图6显示在图1的功率调节装置中的控制模块B；
图7显示适于图1的功率调节装置的控制模块A和B的示例性细节；
图8显示适于图1的功率调节装置的输出和输入功率；
图9显示光伏板阵列的另外的示例性特性；
图10显示根据本实用新型实施例的结合MPPT跟踪系统的光伏功率调节装置的示例性直流输入部分的框图；
图11显示根据本实用新型实施例的结合MPPT跟踪系统的光伏功率调节装置的示例性交流输出部分的框图；
图12显示根据本实用新型实施例的结合MPPT跟踪系统的光伏功率调节装置的示例性直流输入部分的电路图；
图13显示根据本实用新型实施例的结合MPPT跟踪系统的光伏功率调节装置的示例性交流输出部分的细节；
图14显示根据本实用新型实施例的结合MPPT跟踪系统的光伏功率调节装置中的DC母线电容电压上的电压，示出了电压的正弦分量；
图15显示根据本实用新型实施例的适于具有最大功率点的功率调节装置的功率注入控制模块的示例性控制程序。
具体实施方式
功率调节装置
我们首先描述光伏功率调节装置的实例，在上下文中我们描述可优选使用的MPPT(最大功率点跟踪)技术的实施例。
因此，我们将首先描述控制直流电流能源的方法，具体描述控制下述直流电流能源的方法，上述能源利用电力电子转换器将输入功率转变成供应给主电源的交流电。这种电力电子转换器包括若干转换阶段以及为电容形式的一个能量容器。提出的方法允许较长寿命地使用聚酯或聚丙烯电容器，而不是短寿命的电解电容器。该方法使用两个控制算法：一种算法控制取自能源(给能量容器供能)的功率，以及另一种算法控制从能量容器到电力主电源的功率传输。
在一种配置中，提供一个用于将功率从直流电源传输到交流电源主电源供应输出的功率调节装置，该功率调节装置包括：用于从所述直流电源接收功率的功率调节装置输入；用于传输交流功率的功率调节装置输出；能量存储电容；DC-DC转换器，其具有耦合到所述功率调节装置输入的输入连接以及耦合到能量存储电容的输出连接；DC-AC转换器，其具有耦合到所述能量存储电容的输入连接以及耦合到功率调节装置输出的输出连接；其中所述能量存储电容是一种非电解电容；以及其中所述功率调节装置包括两个控制模块：第一功率引出控制模块，以便控制所述DC-DC转换器来控制从所述直流电源获取并且提供给所述能量存储电容的功率；以及第二功率注入控制模块，以便控制所述DC-AC转换器来控制从所述能量存储电容注入到所述交流主电源供应的功率；以及其中所述功率引出控制模块具有输入和输出，输入耦合到所述功率调节装置输入的用于从所述直流电源接收功率，输出用于控制所述DC-DC转换器以及配置成调整所述直流电源的电压以便控制从所述直流电源引出并且引入到所述能量存储电容中的功率。
AC主电源输出可连接到公用电网，这样功率调节装置将功率传输到电网，或者其可以是用于将电力供给到电气设备的独立的电源输出。
DC-AC转换器可配置为将基本正弦电流或电压传输到交流主电源供应输出，而不管能量存储电容上的电压。这可通过基本以参考正弦电流或电压维持供应到电源输出的电流或电压而实现。这可包括在DC-AC转换器中的控制晶体管，其响应于来自能量存储电容的电压或电流以及供应到电源输出的电流或电压。
能量存储电容可包括非电解电容，例如薄膜型电容(例如聚酯或聚丙烯)。电容的值可与最大功率传输能力(也就是说，有关设备的额定功率)成正比。该值可低于具有相同额定功率的传统功率调节装置中的电容。例如，小于20微法，低于15微法，小于10微法，小于5微法或由非电解电容获得其它大小。
我们也将描述用于将功率从直流电源传输到直流输出的DC-DC转换器，该转换器被配置成在直流电源上维持一定的电压，该电压在一定范围的直流输出电压下基本恒定，该转换器包括用于从所述直流电源接收功率的输入，以及用于传输直流功率的输出，用于将功率从输入传输到输出的至少一个电力装置，用于感测所述输出上电压的感测电路，以及用于响应于所述感测驱动所述至少一个电力装置以便控制所述功率传输的驱动电路。
我们也将描述用于将功率从直流电源传输到交流输出的DC-AC转换器，该转换器被配置成维持基本正弦输出电压或者维持在一定范围的直流电源电压下的电流，该转换器包括用于从所述直流电源接收功率的输入，以及用于传输直流功率的输出，用于将功率从输入传输到输出的至少一个电力装置，耦合到所述输出的低通过滤器，用于感测自所述低通过滤器以及与参考值进行比较的感测电路，以及用于响应于所述感测驱动所述至少一个电力装置以便控制所述功率传输的驱动电路。
我们也将描述用于将功率从直流电源传输动交流主电源供应输出的功率调节装置，其中功率调节装置的链接电容不是电解电容，其以并联方式在所述功率调节装置的DC-DC转换器的输出和所述功率调节装置的DC-AC转换器的输入之间连接。
我们也将描述一种控制功率调节装置以便将功率从直流电源传输到交流电力供应的方法，功率调节包括：用于连接直流电源的输入；用于连接电力供应的输出；用于调节直流电源电压的直流到直流的第一功率转换阶段；用于将功率注入电力供应的第二功率转换阶段；以及用于将功率从直流电源缓冲到电力供应的直流链接能量存储电容；其中该方法包括控制所述第二功率转换阶段以便控制提供给所述交流电力供应输出的交流电流的幅值，这样传输到所述主电源供应输出的功率量取决于所述能量存储电容上的直流电压的波动正弦分量的峰值幅值。
因此，示例性的功率调节装置采用用于将功率从直流能源传输到电力主电源供应的系统，诸如太阳能电池板，燃料电池，直流风力涡轮机等，并且具体地允许用长寿命的聚酯或聚丙烯电容更换短寿命的能量容器。
我们描述的能量控制和最大功率点跟踪(MPPT)技术可在如图1所示的任何电力电子转换装置(1)中使用。该装置(1)由三个主要元件制成：功率转换器阶段A(3)，一个存储电容Cdc(4)，以及一个功率转换器阶段B(5)。该装置(1)具有连接到直流(DC)电源的输入，诸如包括一个或多个串联和/或并联连接的直流电源的太阳能或光伏板阵列(2)。该装置(1)还连接到电力供应(6)，这样从直流电源(1)引出的能量传输到主电源(6)内。
功率转换器阶段A(3)可为不同的类型：它可以是一个逐步降压转换器，其中使用一些电力电子拓扑结构降低输入电压；它可以是一个逐步升压转换器，其中使用不同的电力电子电路来放大输入电压；或者其既可放大也可衰减输入电压。此外，它可能通过变压器或耦合的电感来提供电隔离。无论在什么情况下，输入电压的电力调节应该是这样的，通过电容Cdc(4)的电压总是保持高与电网电压(6)的幅值。此外，此模块包含一个或更多的晶体管，电感和电容。该晶体管(s)可通过脉宽调制(PWM)发生器驱动。该PWM信号(S)具有可变占空比，也就是，相对于信号周期变准时。该占空比的变化有效地控制传输过功率转换阶段A(3)的功率量。
功率转换器阶段B(5)将电流注入到电力供应(6)。因此，拓扑利用一些手段来控制从电容Cdc(4)流动到主电源(6)的电流。该电路拓扑结构可以是一个电压源逆变器或电流源逆变器。
图2显示了一个其上可应用图1控制系统的功率调节装置。在图2中，Q1-Q4，D1-D4，以及变压器形成电压放大器；Q9，D5，D6和Lout执行电流成形；以及Q5-Q6构成“展开”阶段。控制A(图1中的7)可在电力转换器阶段A(21)中连接到晶体管的控制连接(如门或基地)来控制从直流电源(20)的功率传输。该阶段的输入连接到直流能源，以及该阶段的输出连接到直流链接电容器22。该电容器储存来自直流电源的能量以传输给主电源(24)。该控制A可配置成从直流能源获取基本恒定的功率，而不管Cdc上的直流链接电压Vdc。
控制B(图1中的8)可在功率转换阶段B(23)中连接到晶体管的控制连接以便控制将功率传输到主电源。该阶段的输入连接到直流链接电容以及该阶段的输出连接到主电源供应。控制B可配置成将基本正弦电流注入到主电源供应，而不管Cdc上的直流链接电压。
该电容Cdc(4)起到从输入到输出的能量缓冲的作用。能量经由功率级A(3)供应到电容，同时，能量经由功率级B(5)从电容获取能量。该系统提供了一种控制方法，其平衡平均能量传输，并允许由交流电源注射到主电源(6)叠加到电容Cdc(4)的平均电直流电压上导致的电压波动，如图3所示。该图显示了475V平均电压和峰值幅值为30V的100Hz的波动。峰值幅值取决于从输入(图1中的2)到输出(6)传输的功率量。该振荡频率可以是100Hz或120Hz，取决于线电压频率(分别为50Hz或60Hz)而定。
两个同步且独立的控制模块控制系统(1)，两个同步且独立的控制模块为直接控制功率级A(3)的控制模块A(7)，以及直接控制功率级B(5)的控制模块B(8)。
一个控制模块(7)具有图4中所示的构造。其包括一个加法器(31)，负比例增益(32)，一个PWM发生器(33)，系统设备(34)，和反馈增益(35)。这个控制模块调节通直流电源(2)的电压。这个电压Vin由增益K1(35)衡量和调整。然后利用加法器(31)减去一个参考电压Vref。然后误差(Vref-k1vin)由为-K2的因数放大。由此产生的信号与误差成反比。因此，一个正误差相反地产生驱动信号的减小。这个驱动信号输入到可为微控制器或PWM集成电路的PWM发生器(33)。此模块产生数字脉冲，其继而驱动功率级A(3)(其等同于系统设备(34))的晶体管。
如图5中适于光伏板阵列所示的那样，控制直流电源(2)电压直接控制被传输通过功率级A(3)的功率。
控制模块B(8)具有图6所示的构造。它包括一个加法器(41)，具有周期的采样和保持(SH)的T模块(42)，比例微分(PD)补偿器(43)，系统设备(44)，低通滤波器(LPF)反馈模块(45)。这个控制模块调节通过电容Cdc(4)的平均电压。因为电压Vdc包含恒定电压和波动正弦分量的总和，用LPF模块(45)对信号进行缩放和过滤。使用加法器(41)使其产生一个具有比较参考，Vdc-ref，的恒定电压。利用采样和保持(SH)模块(42)每T秒对该误差进行测量。由此产生的抽样误差被发送到PD补偿器(43)，其经由功率级B(5)设定注入到主电源(6)的电流幅值。该电流参考，Iref，幅值每T秒更新一次，其是线电压频率的倒数。因此，它可以采取分别为50或60Hz的线路频率分别为0.02或0.0167秒的值。这是必要的，以防止电流注入失真。
图7中示出一个控制模块A和B的执行。两个模块独立运作，但为了简便共享一个共同的微控制器。微控制器在图6中执行适于模块B的控制策略。此外，在输入源是模块A中的光伏板的情况下，微控制器可结合最大功率点跟踪控制的一些手段，以产生图4中使用的一个参考输入电压。因此输入电压和电流以及直流母线电压通过运算放大器或信号调理模块的配置被送入微控制器。
利用图7(51)所示的为运算放大器和相移PWM控制器形式的模拟电子件来控制图4中示出的适于模块A的控制。如前所述，通过微控制器经由数字到模拟转换器(DAC)获得输入电压参考值。在相移PWM控制器内获得比例误差，其继而产生适于阶段A(21)的晶体管的PWM信号。
控制B(52)的执行包括一个电流传感器，用来感测整流的输出电流。利用运算放大器将这个信号调节到适当的电压水平，然后对参考电流进行比较。在微控制器中通过图6中所示的算法产生参考电流，以及由此产生的数字字码发送到DAC，以获得模拟的瞬间电流参考值。对电流幅值进行定期变动(周期等于电网电压周期)，以避免电流失真。参考值和实际电流之间比较的结果通过D双稳态多谐振荡器进行缓冲，其继而驱动图2中的晶体管Q9。晶体管Q5-Q8利用与电网电压同步的模拟电路形成在线频率下切换的一个完整的桥。晶体管Q5和Q8在电网电压的正半循环中以及Q6和Q7在电网电压的负半循环中。
图8显示利用上述控制的输出和输入功率。显然，瞬时功率输出被正弦叠加到一个平均正值上。与此相反，在整个线电压周期内输入保持恒定。功率差异造成能量不匹配，其由电容Cdc吸收。如图3所示，这有效地显示为通过电容的波动。
MPPT(最大功率点跟踪)技术
我们将描述用于跟踪耦合到负载时的能量发生器最大功率点和从该发生器获取最大功率的方法和系统。在实施例中，该方法/系统包括两个独立的控制模块。第一个模块控制与能量发生器接口连接的电压放大级。能量发生器最好是太阳能模块。在实施例中，第一个控制模块不起到调节能量的作用，而是仅起到一个开关的作用，允许能量从发生器流动以及通过放大级，或阻止任何能量从发生器流动以及通过放大级，而不管量大小。电压放大级输出耦合到能量存储电容器。因此，能量流动取决于存储电容中的“空间”(可被存储的额外能量的量)量而定。第二控制模块是一个反馈控制回路，将能量存储电容界面接合到耦合的输出负载。第二控制模块通过排空能量存储电容来调节被注入到负载的功率量。在专门的实施例中，第二控制模块利用能量容器(存储电容)上的电压波动水平来控制从能量发生器获取的功率量以及还控制被注入到负载中的功率量。在某些实施例中没有利用(测量)电流值。因此，在实施例中，最大功率点跟踪使用两个完全独立的回路，并使用能量存储电容的专门变化特征。
一些能量发生器，诸如太阳能光伏电池，构成了一个非线性的功率特性曲线，诸如图9所示的一个曲线。在图中在标有X的点处获得最大功率，它表现出最大功率点电流Imp和电压Vmp。优选是获得和维持产生最大能量的操作点。我们描述的方法不使用在能量发生器的输出处测量的电压和电流值进行最大功率点跟踪。相反，该方法测量直流母线中的电压波动并且使用测量值来追踪最大功率点。
参照图10和11，这些图显示根据本实用新型实施例的结合了适于功率调节装置的直流输入侧的MPPT控制方法的太阳能光伏功率调节系统1000的实施例的输入阶段1002的和输出阶段1004的框图。因此，图10显示了用具有基本恒定放大因数(这可能低于，等于或大于1，例如，取决于直流输入是否来自一个单一太阳能电池板或一列串联连接的电池板)给电压放大级1012供电的能量发生器1010，诸如一个或多个光伏板。在存储电容在输入、电压放大级和输出、电容逆转阶段之间耦合到直流母线的实施例中，这继而给能量容器1014供电。控制模块A 1016控制电压放大级1012，但在某些实施例中，仅仅将功率从能量发生器开关切换到能量容器。在某些实施例中，控制模块A不提供可变增益控制，而只是包括一个固定频率振荡器。电压逆转阶段1018具有耦合到能量容器1014的输入以及例如经由电网连接将交流主电源输出提供给负载1020。控制模块B 1022通过感测连接1022a(但在某些实施例中没有感测该链接上的电流)监测直流母线上的电压，并通过感测连接1022b，1022c监测负载中的电流和负载上的电压，以及提供栅极驱动输出电压信号1022d，以便控制电压逆转(“展开”)级1018的，更具体用于控制从能量容器获取的以及经由电网提供到负载中的功率。栅极驱动信号1022d按顺序发送以便控制电压逆转级1018的功率转换开关(还参见图2)；上述提供了用于控制这一阶段的切换频率的方便技术。
在图10中，控制模块A起到功率开关的功能，使功率从能量发生器流动到电压放大级(或有效地切换电压放大级开/关或输入/输出)。控制模块A也可以设置成在过压和欠压状态下关闭来自能量发生器的功率。
电压放大级可以有一个固定的放大比例或诸如可由抽头变压器提供的可选择或多路共用比例。电压放大级可包括半桥、全桥、推拉式或类似的电压逆转阶段。这种逆转阶段可包括半导体开关器件如MOSFET。电压逆转阶段可耦合到变压器，其放大比例导致直流母线存储电容中所需的电压，例如400伏的级别。变压器的输出耦合到一个整流阶段。在整流桥和直流母线存储容器之间可包括一个电感。
根据输入电压，电压放大级1012可提供x5到x20范围内的放大，例如大约x12以便提供～35伏的直流输入电压，提供约420伏的直流母线电压。
图12显示了执行我们描述的控制方法的示例性输入阶段1002的更详细电路图。能量发生器可能是一个太阳能模块或太阳能模块组。在该实例中，电压放大级包括一个半桥，其依次由两个串联开关(MOSFET)Q1和Q2、以及两个串联电容C1和C2以及变压器TX1构成。由二极管构成的整流桥1013耦合到变压器的输出。整流桥本身经由滤波电感Ld耦合到直流母线电容Cd。图12中的控制模块产生一个恒定的PWM占空比信号，从而实现无调制。如果在Cd满载的情况下，定义为通过其的电压等于或大于自变压器的次级整流输出，尽管Q1和Q2被持续打开和关闭也没有功率流入Cd。因此，控制模块A不对从发生器获取的功率量进行调整。
图13显示了执行我们描述的控制方法的示例性输入阶段1004的更详细电路图。参照图13，控制模块测量直流母线中的电压波动，该电压波动用于对从能量发生器获取的功率量以及因此注入到负载中的功率量进行调节。优选的负载是公用电网。在电网负载的情况下，控制B通过缩放电路(即R3和R4的分压器电路)测量直流母线电容的波峰和波谷电压。波峰电压Vp和波谷电压Vt用于计算通过电容的功率量(如下所述)。在实施例中，电压检测连接通过整流器连接到控制模块B。
能量存储电容和直流母线电容
由于被传输到电网的功率的交流性质以及由太阳能模块产生功率的电流电压特性，如果最大功率是从太阳能模块获取的，那么能量储存在光伏逆变器中是必不可少的。在我们的优选设计中，能量存储被委派给直流母线存储电容。传输进入电网的功率量与电容的能量变化有关，以及因此与电容上的电压纹动有关。在直流母线上执行能量存储的一个优势是可以允许电容的较大波动。方程1说明了能量的变化，电容和电容器上的电压之间的关系：
U R = 1 2 C dc ( V P 2 - V T 2 ) - - - ( 1 )
其中VP是电容峰值电压以及VT是电容槽电压。传输的功率将是每秒的能量变化。图14显示在直流母线电容上的波动(正弦波)。
模块B自动实现通过参考(依赖)直流母线电压波动调节注入电流的量来实现最大功率点跟踪。
然而，我们所描述的MPPT最大功率跟踪技术并不限于在一个功率调节装置中的操作，其特意允许直流母线上的交流波动程度(以及基于直流母线上的交流波动程度进行控制)。因此，可有助于扩展对该技术的实施方案操作的描述。
考虑到由一个光伏电源提供给逆变器的输入电流I和电压V，直流母线电流Id和电压Vd，以及输出电流Igrid和电压Vgrid传输到电网主电源。由于Vgrid近似为常数，注入到电网电源的功率正比于Igrid。此外，缺席的损失，输入功率I..V＝Id.Vd，并且这样Id.Vd确定光伏IV特性上的点，系统在该点运行。广义上讲，在实施例中，该系统感测Vd上的波动，其是流动通过直流母线的功率的测量值(如上所述)。更具体的，该系统控制输出“展开”阶段(比如一个降压级电源转换器)，以最大限度地将直流母线电压/能量存储电容器上的该波动分量(振幅)级别最大化，因此还最大限度地将注入到交流主电源的功率最大化。(本领域的技术人员将意识到Vd本身不提供对直流母线上的功率的测量)。
在优选实施方式中，控制模块1022生成与电网同相的半正弦模型电压(具有在零和3.3伏之间的变化幅度)，以便与感测的负载电流1022b的(整流)方式进行比较。检测到的负载电压1022c仅用于确定交流主电源相。模型的幅度依赖于能量存储电容/DC母线(通过线路1022a)上感测到的波动程度进行调整。如果模型幅度比所感测到的电网电流的幅度更大，切换频率提高到将更多的功率注入电网，反之亦然。因此，从广义上讲，模型的幅度依赖于直流母线波动进行调整，以及控制输出电流以便与模型幅度匹配。
现在参考图15，其显示适于控制模块B1022的示例性控制过程。图15仅仅是一个实例，本领域的技术人员将意识到许多变化是可能的。
假定该程序在启动逆变器时开始，程序首先将模型信号的幅值进行初始化到例如任意相对低的幅值，例如在前述0-3.3伏范围内的0.5伏(步骤S1500)。再次参照图9，在该点上从光伏板输出最大的输出电压，以及输出电流实质上为零；直流母线上的波动水平也实质上为零。
该程序确定交流电网主电源电压(S1502)的相位以及和栅极同步的半正弦模型。然后该程序例如通过感测通过电流感测电阻器的电压来感测栅极电流(S1504)；在启动时其将接近于零。该程序然后从模型和感测栅极电流(S1506)之间的差异确定误差值E，在启动时其(继续上面的例子)为0.5。该程序然后根据该误差确定适于电压逆转阶段1018的切换速率，在一个实例中，如果E是正值则增加切换速率，以及如果E是负值则减小切换速率。因此在本实例中，在启动时，模型幅度大于所感测栅极电流的幅度，因此切换速率增加。这增加了注入到交流电网主电源的电流(以及因此功率)，这样使直流母线上的波动电压也随之增加。
在步骤S1510，该程序测量直流母线上的波动电压，在步骤S1512，依赖于该测量值来调整模型幅度，更具体的，如果波动电压增加则增加幅度，反之亦然。该程序然后循环回到步骤S1504以便再次感测被注入到交流主电源的电流。因此，举例来说，如果误差是正值则模型振幅增大，这样使其再次超过注入到电网内的感测电流，从而电压转化阶段的切换率再次增加。但是，如果以前的变化减少，则测量的波动电压(其感测从光伏板获取的功率)模型幅度、以及因此电压逆转阶段的切换速率也减小。以该方式，控制技术操作来控制输出电压逆转阶段，这样光伏板维持在实质上的其最大输出功率点处。
因此，我们描述了具有适于光伏板的MPPT的功率调节装置，其中功率注入控制模块具有耦合到直流母线上的能量存储电容器的感测输入，并控制DC-AC转换器来控制注入的主电源功率。在功率注入控制模块通过测量直流母线上的信号来跟踪最大功率点，其取决于从直流电源惑的功率，因此没有必要测量来自PV板的直流电压和电流信号。在某些实施例中，信号是波动电压等级以及功率注入控制模块控制交流电流输出的幅度，这样传送到电网主电源的功率量取决于能量存储电容上的正弦电压分量而定。
最大功率跟踪MPPT系统的优选实施例与上述类型的常规逆变器一起工作，但该技术也可与其他类型的逆变器以其使用，例如，在专利US7,626,834中的“四项开关”逆变器，特别是如果在前端提供半桥或全桥DC升压级(具有变压器)的情况下。
本实用新型的优选实施例在适于光伏板的逆变器中应用，但原则上本实用新型实施例可备选地应用适于燃料电池的最大功率点跟踪。毫无疑问，本领域的那些技术人员会研发许多其他有效的替换形式。将理解本实用新型并不限于所述的实施例，而是涵盖那些对于本领域技术人员显而易见的落入所附权利要求范围内的变形。

Claims (23)

1.具有最大功率点跟踪的用于将功率从直流电源传输到交流电源供应输出的功率调节装置，其特征在于，该功率调节装置包括：
连接到直流电源的输入；
连接到交流电源供应的输出；
耦合到输入的能量存储电容；
耦合到能量存储电容和输出的DC-AC转换器，用于将存储于所述能量存储电容中的能量转变成适于所述交流电源供应输出的交流功率；
耦合到DC-AC转换器的第一控制模块，其控制用于所述交流电源供应输出的储存在能量存储电容中的能量到交流功率的转换；
其特征在于第一控制模块还包括最大功率点跟踪模组。
2.如权利要求1所述的功率调节装置，其特征在于该功率调节装置还包括：
连接在所述输入和所述能量存储电容之间的DC-DC转换器；
连接到DC-DC转换器的第二控制模块，用于控制DC-DC转换器的转换。
3.如权利要求1所述的功率调节装置，其特征在于，所述第二控制模块包括脉冲宽度调制发生器。
4.如权利要求1所述的功率调节装置，其特征在于，所述第一控制模块还包括比例微分补偿器。
5.如权利要求1所述的功率调节装置，其特征在于，所述第一控制模块还包括耦合到所述能量存储电容的感测输入，以及耦合到该感测输入的幅值控制模组。
6.如权利要求1所述的功率调节装置，其特征在于，所述第一控制模块是与所述输入动电隔离的。
7.如权利要求6所述的功率调节装置，其特征在于，所述第一控制模块没有耦合到所述输入。
8.如权利要求1所述的功率调节装置，其特征在于，所述第一控制模块包括耦合到所述能量存储电容的第一感测输入、耦合到所述输出的第二感测输入、耦合到第一感测输入的电压倍增器、以及耦合到电压倍增器和第二感测输入的比较器模组。
9.如权利要求1所述的功率调节装置，其特征在于，所述第一控制模块包括耦合在所述输入和所述能量存储电容之间的直流电压放大器，以提高所述直流电源到能量存储电容的电压。
10.如权利要求9所述的功率调节装置，其特征在于，所述功率调节装置还包括耦合到所述直流电压放大器的脉冲宽度调制发生器。
11.如权利要求1所述的功率调节装置，其特征在于，所述第一控制模块包括耦合到所述能量存储电容和所述最大功率点跟踪模组的感测输入。
12.具有最大功率点跟踪的用于将功率从直流电源传输到交流电源主电源供应输出的功率调节装置，该功率调节装置包括：
用于从所述直流电源接收功率的输入；
用于将交流功率传输到所述交流主电源供应的输出；
耦合到输入的能量存储电容，用于存储来自所述直流电源，以便传输到所述交流主电源供应输出的能量；
耦合到能量存储电容和所述输出，以便将存储于所述能量存储电容中的能量转变成适于所述主电源供应输出的交流功率的DC-AC转换器；
功率注入控制模块，其具有耦合到所述能量存储电容的感测输入以及具有耦合到所述DC-AC转换器的输出，以便控制所述DC-AC转换器从而控制注入到所述交流主电源供应的功率；以及
其特征在于，功率注入控制模块还包括最大功率点跟踪模组，在不测量由所述直流电源提供的直流电压或直流电流的情况下跟踪所述直流电源的最大功率点。
13.如权利要求12所述的功率调节装置，其特征在于，所述能量存储电容上的电压具有为交流主电源的频率两倍的正弦电压分量，其中所述感测输入感测所述正弦电压分量的值，且其特征在于所述功率注入控制模块包括幅值控制模组以控制提供到交流主电源供应输出的电流幅值，这样传输到所述交流主电源供应输出的功率量取决于所述能量存储电容上的所述正弦电压分量的幅值。
14.如权利要求13所述的功率调节装置，其特征在于，所述功率注入控制模块被配置成控制所述交流电源的所述幅值，提供使得所述正弦电压分量的所述值最大化的所述交流主电源。
15.如权利要求14所述的功率调节装置，其特征在于，所述功率注入控制模块被配置成提供所述交流主电源的所述交流电流的模型，以便响应于所述正弦电压分量的所述值来调节幅值，以及响应于所述模型和取决于所述正弦电压分量的值之间的差异来控制所述功率注入控制模块，从而控制所述正弦电压分量的所述值的所述幅值。
16.如权利要求13、14或15所述的功率调节装置，其特征在于，所述注入功率控制模块被配置成利用所述正弦电压分量的平方值来确定从所述直流电源到所述交流主电源供应的功率，以及响应于所述确定的传输功率控制所述DC-AC转换器。
17.如权利要求12、13、14或15所述的功率调节装置，其特征在于，所述功率注入控制模块是与所述直流电源动电隔离的。
18.如权利要求12、13、14或15所述的功率调节装置，其特征在于，所述功率注入控制模块被配置成将来自所述能量存储电容的感测电压乘以正弦模型来生成模型信号，以及将所述模型信号与从所述输出感测的信号进行比较，从而控制所述DC-AC转换器。
19.如权利要求12、13、14或15所述的功率调节装置，其特征在于，还包括在所述输入和所述能量存储电容之间耦合的直流电压放大器，以便通过将来自所述交流电源的电压乘以大体恒定的放大因数而提高该电压。
20.如权利要求19所述的功率调节装置，其特征在于，所述功率调节装置还包括电压放大器控制模块，以利用大体恒定的占空比脉宽调制控制信号来驱动所述直流电压放大器，以及提供来自所述直流电压放大器的直流输出的开关控制。
21.如权利要求12、13、14或15所述的功率调节装置，其特征在于，从所述直流电源流动到所述能量存储电容的能量大体与存储于所述能量储存电容中的能量的量成比例，且其中从所述能量存储电容获取的并提供给所述输出的能量的量受到所述功率注入控制模块的控制，从而存储于所述能量储存电容中的能量的所述量依赖于传输到所述交流主电源供应的所述交流功率，其中所述功率注入模块能够通过控制传输到所述交流主电源供应的所述交流功率来跟踪所述最大功率点。
22.如权利要求12、13、14或15所述的功率调节装置，其特征在于，所述功率注入控制模块被配置成通过感测在所述感测输入响应于从所述直流电源获取的功率的信号来跟踪最大功率点，以及控制注入到所述交流主电源供应的所述功率从而大体将所述感测到的信号最大化。
23.如权利要求22所述的功率调节装置，其特征在于，所述感测到的信号包含取决于所述能量存储电容上的电压波动水平的信号。
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