DE112012001623T5

DE112012001623T5 - Photovoltaik-Leistungswandler

Info

Publication number: DE112012001623T5
Application number: DE112012001623.8T
Authority: DE
Inventors: Gregory Allen
Original assignee: Greenray Inc
Current assignee: Greenray Inc
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2012-04-05
Publication date: 2014-01-23
Also published as: JP2014512162A; WO2012138835A2; US20130094261A1; US8953350B2; DE112012001623T8; WO2012138835A3

Abstract

Es werden Photovoltaik-Leistungswandler-Systeme und -Verfahren beschrieben. In einem Beispiel weist ein Verfahren zur Verwendung beim Betrieb eines Solar-Leistung-Wandlers ein Abtasten einer DC-Verbindung-Spannung einer DC-Verbindung während eines ersten Zyklus einer alternierenden Ausgabespannung einer zweiten Stufe zu einem Zeitpunkt, wenn die alternierende Ausgabespannung Null Volt in einer ersten Richtung quert, auf. Es wird eine Spannungsdifferenz zwischen der während des ersten Zyklus abgetasteten DC-Verbindung-Spannung und einer während eines vorangehenden Zyklus, wenn die alternierende Ausgabespannung Null Volt in der ersten Richtung gequert hat, abgetasteten DC-Verbindung-Spannung bestimmt. Eine DC-Verbindung-Leistung wird basierend, zumindest teilweise, auf der bestimmten Spannungsdifferenz abgeschätzt. Die AC-Leistungs-Abgabe durch die zweite Stufe in einem zweiten Zyklus wird basierend, zumindest teilweise, auf der abgeschätzten DC-Verbindung-Leistung gesteuert.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen US-Anmeldung Nr. 61/516,816, eingereicht am 8. April 2011, und der nicht-provisorischen US-Anmeldung Nr. 13/439,135, eingereicht am 4. April 2012, deren gesamte Offenbarungen hierin durch Inbezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen sein sollen.
GEBIET
Diese Offenbarung betrifft allgemein Leistungssysteme und insbesondere Photovoltaik-Leistungswandler.
HINTERGRUND
In einigen bekannten Solarleistungssystemen ist eine Mehrzahl von Photovoltaikpaneelen (PV) (auch bekannt als Solarpaneele) logisch oder physikalisch zusammengruppiert, um eine Anordnung (array) von Solarpaneelen zu bilden. Die Solarpaneelenanordnung wandelt Solarenergie in elektrische Energie. Die elektrische Energie kann direkt verwendet werden, für lokale Verwendung umgewandelt werden und/oder umgewandelt und an ein elektrisches Netz oder einen anderen Bestimmungsort übertragen werden.
Solarpaneele erzeugen im Allgemeinen elektrische Gleichstromleistung (DC – direct current). Um solche Solarpaneele korrekt an ein elektrisches Netz zu koppeln, oder auf andere Weise Wechselstromleistung (AC – alternating current) bereitzustellen, wird die von den Solarpaneelen empfangene elektrische Leistung von DC- in AC-Leistung umgewandelt. Zumindest einige bekannte Solarstromsysteme verwenden eine einzelne Stufe oder einen zwei-stufigen Leistungswandler, um DC-Leistung in AC-Leistung umzuwandeln. Manche solcher Systeme werden durch ein Steuersystem gesteuert, um die von den Solarpaneelen empfangene Leistung zu maximieren und die empfangene DC-Leistung in AC-Leistung umzuwandeln, die Anforderungen des Netzes des Energieversorgers entspricht.
DC-in-AC-Wandler benötigen typischerweise eine Energiespeicherung, da die unmittelbar eingegebene Leistung DC ist und somit konstant ist, wenn über Perioden von mehreren zehn bis zu Tausenden von Millisekunden gemessen wird, wohingegen die ausgegebene Leistung eine zeitlich variierende AC-Ausgabe ist. Energiespeicherung wird eingesetzt, um Energie zu speichern, wenn die ausgegebene AC-Leistung geringer ist als die eingegebene DC-Leistung, und um Energie freizugeben, wenn die ausgegebene AC-Leistung größer ist als die eingegebene DC-Leistung. Viele bekannte Systeme verwenden elektrolytische Kondensatoren als Hauptenergiespeicherungselement in DC-in-AC-Wandler-Designs.
6 ist ein Graph (als „10” bezeichnet), der einen DC-Energieeingang 12 und einen AC-Energieausgang 14 von einem Energiespeicherungselement als Funktion der Zeit für einen idealen verlustlosen DC-in-AC-Wandler, der in ein Einzel-Phasen-AC-Leistung-Netz bei 60 Hertz und 250 Watt Nennleistung operiert, zeigt. Wie in 10 zu sehen, ist die Differenz zwischen den zwei Kurven eine Leistungswelligkeit („ripple”) beim Doppelten der AC-Netz-Frequenz, 120 Hertz (Hz) Welligkeit in 60 Hz-AC-Leistungssystemen.
In einigen bekannten DC/AC-Wandlern sind Energiespeicherungs-Elektrolyt-Kondensatoren am Eingang zu dem Wandler angeordnet. Die Energiespeicherungskomponente muss nicht am Eingang zu dem Wandler lokalisiert sein, sondern kann stattdessen auch irgendwo in der Mitte des Leistungswandlungsprozesses lokalisiert sein. Zum Beispiel sind einige DC/AC-Systeme dazu ausgelegt, eine DC/DC-Wandlungsstufe aufzuweisen, gefolgt von einer DC-Verbindung-Speicherung, gefolgt von einer DC/AC-Ausgang-Wandlungsstufe. Wenn Elektrolyt-Kondensatoren am Eingang des DC/AC-Wandlers oder in einer DC-Verbindung eingesetzt werden, sind sie typischerweise derart bemessen, um eine Spannung geringer Welligkeit zu erhalten, sowohl bei einer beliebigen Schaltfrequenz, bei der der Wandler operiert, aber auch bei der Welligkeitsfrequenz des Doppelten der AC-Leistungsfrequenz (z. B. 120 Hz in 60 Hz-Leistungssystemen).
Elektrolytische Kondensatoren sind ein relativ kostengünstiger Ansatz, um relativ große Mengen an Speicherkapazität zu erhalten. Allerdings nutzen sich elektrolytische Kondensatoren relativ schnell ab, was ihre nutzbare Lebensdauer begrenzt. Elektrolytische Kondensatoren werden typischerweise mit einer Nennvorgabe von 5.000 bis 10.000 Stunden Vollleistungsbetrieb angegeben. Der typische Verschleißmechanismus in elektrolytischen Kondensatoren ist die Verdampfung von Elektrolyt in dem Kondensator, was bewirkt, dass ein interner Widerstand ansteigt und die Kapazität sinkt. Elektrolytische Kondensatoren haben auch einen relativ hohen internen Widerstand, was potenziell in relativ hohen Leistungsverlusten resultiert und die Effizienz der Wandler reduziert, in denen sie enthalten sind. Dementsprechend wird eine bessere Lösung benötigt.
Dieser Hintergrund-Absatz soll dazu dienen, den Leser in die verschiedenen Aspekte der Technik einzuführen, die in Bezug stehen können zu verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung, die nachfolgend beschrieben und/oder beansprucht sind. Es wird angenommen, dass diese Diskussion helfen kann, den Leser mit Hintergrundinformation zu versorgen, um ein besseres Verständnis der verschiedenen Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu vereinfachen. Es sollte demgemäß verstanden werden, dass diese Aussagen in diesem Licht zu lesen sind und nicht als Eingeständnis eines Standes der Technik.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Verwendung beim Betrieb eines Solarleistungswandlers. Der Wandler weist eine erste Stufe zum Koppeln an ein Photovoltaikmodul und Ausgeben einer Gleichstromleistung (DC), eine zweite Stufe zum Koppeln an einen Ausgang der ersten Stufe und Ausgeben einer Wechselstromleistung (AC), und eine DC-Verbindung gekoppelt zwischen die erste und die zweite Stufe, auf. Das Verfahren beinhaltet ein Abtasten („sampling”) einer DC-Verbindung-Spannung der DC-Verbindung während eines ersten Zyklus einer Wechsel-Ausgabe-Spannung der zweiten Stufe zu einem Zeitpunkt, wenn die Wechsel-Ausgabe-Spannung null Volt in einer ersten Richtung quert, ein Bestimmen einer Spannungsdifferenz zwischen der DC-Verbindung-Spannung, die während des ersten Zyklus abgetastet wurde, und einer DC-Verbindung-Spannung, die während eines vorangehenden Zyklus abgetastet wurde, wenn die Wechsel-Ausgabe-Spannung null Volt in der ersten Richtung gequert hat, ein Abschätzen einer DC-Verbindung-Leistung basierend zumindest teilweise auf der bestimmten Spannungsdifferenz, und ein Kontrollieren der AC-Leistung-Ausgabe durch die zweite Stufe in einem zweiten Zyklus nach dem ersten Zyklus basierend zumindest teilweise auf der abgeschätzten DC-Verbindung-Leistung.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Solarleistungswandler mit Netzanbindung. Der Wandler umfasst einen Eingang zum Empfangen einer Gleichstromleistungseingabe (DC), eine erste Stufe zum Empfangen der DC-Leistungseingabe und umfassend einen Ausgang zum Bereitstellen einer DC-Leistungsausgabe, eine DC-Verbindung gekoppelt an den Ausgang der ersten Stufe, eine zweite Stufe gekoppelt an die DC-Verbindung und dazu ausgelegt, um DC-Leistung in eine Wechselstromausgabeleistung (AC) zu wandeln, und eine Steuerung, die an die zweite Stufe gekoppelt ist. Die Steuerung ist dazu ausgelegt, eine DC-Verbindung-Spannung der DC-Verbindung abzutasten während eines ersten Zyklus einer Wechsel-Ausgabe-Spannung der zweiten Stufe zu einem Zeitpunkt, wenn die Wechsel-Ausgabe-Spannung null Volt in einer ersten Richtung quert, eine Spannungsdifferenz zwischen der DC-Verbindung-Spannung, die während des ersten Zyklus abgetastet wurde, und einer DC-Verbindung-Spannung, die während eines vorangehenden Zyklus abgetastet wurde, zu bestimmen, wenn die Wechsel-Ausgabe-Spannung null Volt in einer ersten Richtung gequert hat, eine DC-Verbindung-Leistung abzuschätzen basierend zumindest teilweise auf der bestimmten Spannungsdifferenz, und die AC-Leistung-Ausgabe durch die zweite Stufe zu steuern in einem zweiten Zyklus nach dem ersten Zyklus basierend zumindest teilweise auf der abgeschätzten DC-Verbindung-Leistung.
Es existieren zahlreiche Verfeinerungen der in Bezug auf die oben genannten Aspekte angegebenen Merkmale. Es können auch weitere Merkmale in die oben genannten Aspekte aufgenommen werden. Diese Verfeinerungen und zusätzlichen Merkmale können individuell oder in Kombination existieren. Zum Beispiel können verschiedene Merkmale, wie sie weiter unten in Bezug auf irgendeines der veranschaulichten Ausführungsbeispiele diskutiert sind, in irgendeinen der oben beschriebenen Aspekte aufgenommen werden, alleine oder in irgendeiner Kombination.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines beispielhaften Leistungswandlungssystems.
2 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Wandlers zur Verwendung in dem in 1 dargestellten System.
3 ist ein Graph, der die Resultate einer Simulation eines beispielhaften Wandlers zeigt.
4 ist ein Graph einer erwünschten Leistungsausgabe des in 2 gezeigten Wandlers als eine Funktion der DC-Verbindung-Spannung.
5 ist ein schematisches Blockdiagramm einer beispielhaften Installation einschließlich des Leistungswandlungssystems, wie es in 1 gezeigt ist.
6 (Stand der Technik) ist ein Graph einer DC-Energie-Eingabe und einer AC-Energie-Ausgabe von einem Energiespeicherungselement als eine Funktion der Zeit für einen idealen verlustlosen DC-in-AC-Wandler.
Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen bezeichnen ähnliche Elemente.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen betreffen allgemein Leistungssysteme. Spezifischer betreffen die hierin beschriebenen Ausführungsformen Photovoltaik-Leistungswandler zum Wandeln von Gleichstromeingangsleistung in Wechselstromausgabeleistung.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines beispielhaften Leistungswandlungssystems 100. Eine Leistungsquelle 102 ist mit dem Leistungswandlungssystem 100 gekoppelt, um elektrischen Strom zu dem System 100 zuzuführen. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Leistungsquelle 102 eine Photovoltaik- oder „Solar”-Anordnung, die zumindest ein Photovoltaikpaneel aufweist. Alternativ oder ergänzend weist die Leistungsquelle 102 mindestens eine Brennstoffzelle, einen DC-Generator und/oder irgendeine elektrische Leistungsquelle auf, die dem Leistungswandlungssystem 100 ermöglicht, wie hierin beschrieben zu funktionieren.
In einer beispielhaften Ausführungsform weist das Leistungswandlungssystem 100 einen Leistungswandler 104 auf, um DC-Leistung, die von der Leistungsquelle 102 empfangen wird, über einen Eingangskondensator 105 in eine AC-Ausgabe zu wandeln. In anderen Ausführungsformen kann der Leistungswandler 104 DC-Leistung ausgeben. Der beispielhafte Leistungswandler 104 ist ein Zwei-Stufen-Leistungswandler, der eine erste Stufe 106 und eine zweite Stufe 108 aufweist. Eine Energiespeicherungskomponente 109 ist zwischen die erste Stufe 106 und die zweite Stufe 108 gekoppelt. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Energiespeicherungskomponente 109 ein nicht-elektrolytischer Kondensator. Spezifischer ist die beispielhafte Energiespeicherungskomponente 109 ein Polypropylen-Film-Kondensator. In anderen Ausführungsformen kann ein beliebiger anderer geeigneter nicht-elektrolytischer Kondensator verwendet werden. Die erste Stufe 106 ist ein DC-in-DC-Leistungswandler, der eine DC-Leistungseingabe von der Leistungsquelle 102 empfängt und eine DC-Leistung an die zweite Stufe 108 und die Energiespeicherungskomponente 109 ausgibt. Wenn die Ausgabeleistung des Leistungswandlers 104 geringer ist als die DC-Eingabeleistung, wird überschüssige Energie in der Energiespeicherungskomponente 109 gespeichert, welche dann die gespeicherte Energie der zweiten Stufe 108 zuführt, wenn die Ausgabeleistung des Leistungswandlers 104 größer ist als die DC-Eingabeleistung. Die zweite Stufe 108 ist ein DC-in-AC-Leistungswandler (manchmal auch als Inverter bezeichnet), der DC-Leistung, die von der ersten Stufe 106 und/oder der Energiespeicherungskomponente 109 aufgenommen wird, in eine AC-Leistungsausgabe wandelt. In anderen Ausführungsformen kann der Leistungswandler 104 mehr oder weniger Stufen aufweisen. Insbesondere weist in einigen Ausführungsformen der Leistungswandler 104 nur die zweite Stufe 108 auf.
Das Leistungswandlungssystem 100 weist auch einen Filter 110 und ein Steuerungssystem 112 auf, das den Betrieb der ersten Stufe 106 und der zweiten Stufe 108 steuert. Das Steuerungssystem 112 kann einen analogen Controller, einen digitalen Controller oder eine Kombination aus analogen und digitalen Controllern/Komponenten aufweisen. In Ausführungsformen, in denen das Steuerungssystem 112 einen digitalen Controller aufweist, kann das Steuerungssystem 112 einen Prozessor, einen Computer, eine Speichervorrichtung, etc. aufweisen. In solchen Ausführungsformen kann der digitale Controller dazu ausgelegt sein, wie hierin beschrieben zu funktionieren aufgrund von, beispielsweise, geeigneten Anweisungen, die in einer Speichervorrichtung gespeichert sind. Eine Ausgabe 114 des Leistungswandlers 104 wird an einen Filter 110 gekoppelt. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Filter 110 an ein elektrisches Verteilungsnetzwerk 116, wie zum Beispiel ein Stromnetz einer Stromnetzgesellschaft, gekoppelt. Dementsprechend kann der Leistungswandler 104 als ein Netz-gebundener Inverter bezeichnet werden. In anderen Ausführungsformen kann der Leistungswandler 104 an eine andere geeignete Last gekoppelt sein.
Während des Betriebs erzeugt die Leistungsquelle 102 im Wesentlichen einen Gleichstrom, und eine DC-Spannung wird über den Eingangskondensator 105 erzeugt. Die DC-Spannung und der DC-Strom werden dem Leistungswandler 104 zugeführt. In einer beispielhaften Ausführungsform steuert das Steuersystem 112 die erste Stufe 106 an, die DC-Spannung und DC-Strom in eine im Wesentlichen gleichgerichtete DC-Spannung und DC-Strom zu wandeln. Ferner betreibt das Steuersystem 112 die erste Stufe 104 dazu, eine Nachverfolgung des maximalen Leistungspunkts (maximum power point tracking – MPPT) durchzuführen mittels einer geeigneten MPPT-Technik. MPPT-Techniken sind den gewöhnlichen Fachleuten bekannt und werden hierin nicht weiter erklärt. Die DC-Spannung und DC-Strom-Ausgabe durch die erste Stufe 106 kann andere Eigenschaften aufweisen als die DC-Spannung und DC-Strom, die von der ersten Stufe 106 empfangen werden. Zum Beispiel kann die Stärke der Spannung und/oder des Stroms verschieden sein. Weil die erste Stufe 106 gemäß MPPT-Techniken betrieben wird, kann außerdem die Stärke der Eigenschaften (z. B. die Stärke der Spannung, des Stroms, etc.) der Ausgabe der ersten Stufe 106 über die Zeit hin variieren.
In der beispielhaften Ausführungsform ist die erste Stufe 106 ein isolierter Wandler, der unter anderem dahingehend wirkt, die Leistungsquelle 102 von dem Rest des Leistungswandlungssystems 100 und dem elektrischen Verteilungsnetz 116 zu isolieren. Spezifischer ist die erste Stufe 106 ein verschränkter Dual-Sperrwandler (interleaved dual flyback converter). In anderen Ausführungsformen ist die erste Stufe ein nicht-isolierter Wandler und/oder kann eine beliebige andere geeignete DC/DC-Wandler-Topologie haben. Die DC-Spannung- und -Strom-Ausgabe durch die erste Stufe 106 werden an die zweite Stufe 108 eingegeben, und das Steuersystem 112 steuert die zweite Stufe 108 dazu an, AC-Spannung und -Strom zu erzeugen und eine Frequenz, eine Phase, eine Amplitude und/oder irgendeine andere Eigenschaft der AC-Spannung und des AC-Stroms anzupassen, um sie den Eigenschaften des elektrischen Verteilungsnetzwerks 116 anzugleichen. Die angepasste AC-Spannung und AC-Strom werden an den Filter 110 übertragen, um eine oder mehrere unerwünschte Eigenschaften aus der AC-Spannung und AC-Strom zu entfernen, wie zum Beispiel unerwünschte Frequenzkomponenten und/oder unerwünschte Spannungswelligkeiten. Die gefilterte AC-Spannung und AC-Strom werden dann dem elektrischen Verteilungsnetzwerk 116 zugeführt.
2 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Wandlers 200 zur Verwendung als zweite Stufe 108. Der Wandler 200 ist ein weich-schaltender H-Brücken-Wandler (soft-switching H-bridge converter). Der Wandler 200 kann dazu betrieben werden, DC-Leistung oder AC-Leistung auszugeben. In der beispielhaften Ausführungsform wird der Wandler 200 durch das Steuersystem 112 dazu betrieben, AC-Leistung an das elektrische Verteilungsnetzwerk 116 auszugeben. Generell muss die Spitzenausgabespannung des Wandlers 200 geringer sein als die Eingabespannung zu dem Wandler 200. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Wandler 200 ein 200-Watt-, 120-Volt-, 60 Hz-Netz-gebundener Wandler, der eine Eingabe von 200 bis 400 Vdc empfängt. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist der Wandler 200 ein 250-Watt-, 120-Volt-, 60 Hz-Netzgebundener Wandler, der eine Eingabe von 200 bis 400 Vdc empfängt.
Der Wandler 200 weist einen Eingang 202 zum Empfangen von DC-Leistung auf. Der Eingang 202 weist einen DC-Hoch-Knoten 201 und einen DC-Niedrig-Knoten 203 auf. Die Energiespeicherungskomponente 109 ist an den Eingang 202 gekoppelt. In der beispielhaften Ausführungsform weist die Energiespeicherungskomponente einen Kondensator C7 auf. In einer beispielhaften Ausführungsform weist der Kondensator C7 fünf metallisierte Polypropylen-Film-Kondensatoren auf, die jeder bei 5,6 μF 500 Vdc für eine Gesamtkapazität von 28 μF ausgelegt sind. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform weist der Kondensator C7 sechs metallisierte Polypropylen-Film-Kondensatoren auf, die jeder bei 4,7 μF 450 Vdc für eine Gesamtkapazität von 28,2 μF ausgelegt sind.
Eine H-Brücke ist angekoppelt und weist Schalter Q1, Q2, Q5 und Q6 und Kondensatoren C5, C6, C21 und C23 auf. Diese sind die Hauptleistungsschalter in dem Wandler 200. Die Schalter Q1 und Q5 bilden einen ersten Leistungszweig 204 der H-Brücke und die Schalter Q2 und Q6 bilden einen zweiten Leistungszweig 206 der H-Brücke. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Schalter Q1, Q2, Q5 und Q6 Metall-Oxid-Halbleiter-Feld-Effekt-Transistoren (MOSFETs). Die Schalter Q1, Q2, Q5 und Q6 werden so angesteuert, dass sie nicht auf Leitung der Körperdioden in diesen Schaltern beruhen. Dioden sind jedoch nützlich, um die Schalter Q1, Q2, Q5 und Q6 durch Klemmen von Überspannungen an die DC-Eingangsleistung zu klemmen und zu schützen. Unter normalem Betrieb treten Überspannungsspitzen im Allgemeinen nicht auf. Wenn der Wandler 200 jedoch durch die Steuerung 112 dazu gezwungen wird, plötzlich während des Betriebs herunterzufahren, werden die Schalter Q1, Q2, Q5 und Q6 ausgeschaltet und die Dioden parallel zu den Schaltern Q1, Q2, Q5 und Q6 klemmen die Überspannungsspitze, die ansonsten auftreten würde. In der beispielhaften Ausführungsform haben die Schalter Q1, Q2, Q5 und Q6, die MOSFETs sind, eine eingebaute Körperdiode, so dass eine externe oder diskrete Diode nicht notwendig ist. In anderen Ausführungsformen kann eine separate, diskrete Diode, zusätzlich oder alternativ, parallel mit jedem Schalter Q1, Q2, Q5 und Q6 gekoppelt sein.
Die H-Brücke wird im Allgemeinen wie von einem mit der Technik vertrauten Fachmann verstanden betrieben. Gegenüberliegende Paare von Schaltern werden alternierend an- und aus-geschaltet, um eine AC-Ausgabe zu erzeugen. Spezifischer werden die Schalter Q1 und Q6 zusammen an- und aus-geschaltet, während die Schalter Q2 und Q5 zusammen an- und aus-geschaltet werden. Wenn die Schalter Q1 und Q6 an sind, sind die Schalter Q2 und Q5 aus, und umgekehrt. In der beispielhaften Ausführungsform werden die Schalter Q1, Q2, Q5 und Q6 während Null-Spannung-Bedingungen an- und aus-geschaltet, d. h., Null-Spannung-Schalten (zero voltage switching – ZVS), wodurch Schaltverluste in den Schaltern Q1, Q2, Q5 und Q6 wesentlich minimiert werden.
Die H-Brücke wird an den Ausgang 114 gekoppelt. In der beispielhaften Ausführungsform weist der Ausgang 114 einen ersten Ausgangsknoten 208 und einen zweiten Ausgangsknoten 210 auf. Ein erster Ausgangsinduktor L2 ist zwischen die H-Brücke und den ersten Ausgangsknoten 208 gekoppelt. Spezifischer ist der erste Ausgangsinduktor L2 zwischen den ersten Leistungszweig 204 und den ersten Ausgangsknoten 208 gekoppelt. Ein zweiter Ausgangsinduktor L4 ist zwischen die H-Brücke und den zweiten Ausgangsknoten 210 gekoppelt. Spezifischer ist der zweite Ausgangsinduktor L4 zwischen den zweiten Leistungszweig 206 und den zweiten Ausgangsknoten 210 gekoppelt. Der erste und der zweite Ausgangsinduktor L2 und L4 sind die Haupt-Ausgang-Filter-Induktoren für den Wandler 200. Separate Induktoren können elektromagnetische Emissionen eines gemeinsamen Modus (common mode electromagnetic emissions) von dem Wandler 200 reduzieren. In anderen Ausführungsformen können die Ausgabeinduktoren L2 und L4 durch einen einzelnen Induktor ersetzt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform ist jeder Ausgangsinduktor L2 und L4 bei 1,3 mH angegeben und ist gebildet durch Winden von 148 Windungen aus Nummer-20-AWG-Magnet-Draht auf einen magnetischen Kern.
Ein Ausgangskondensator C16 ist über den Ausgang 114 gekoppelt. In der beispielhaften Ausführungsform weist der Ausgangskondensator C16 zwei Filmkondensatoren auf, die parallel verbunden sind. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die zwei Filmkondensatoren jeder 0,68 μF-Kondensatoren. In anderen Ausführungsformen weist der Ausgangskondensator C16 einen einzelnen Kondensator auf. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Ausgangskondensator C16 ein 0,47 μF-Kondensator, der für 310 Vac angegeben ist.
Eine weich-schaltende Schaltung 212 ist zwischen den ersten Ausgangsinduktor L2 und den zweiten Ausgangsinduktor L4 gekoppelt. Die weich-schaltende Schaltung 212 ist dazu ausgelegt, ein Null-Spannung-Schalten der Schalter Q1, Q2, Q5 und Q6 der H-Brücke zu vereinfachen. Die weich-schaltende Schaltung 212 weist einen ersten Zweig 214 mit einem ersten an den ersten Ausgangsinduktor L2 gekoppelten Ende und einen zweiten Zweig 216 mit einem ersten an den zweiten Ausgangsinduktor L4 gekoppelten Ende auf. Das gegenüberliegende oder zweite Ende des ersten und des zweiten Zweiges 214 und 216 sind zusammengekoppelt. Der erste und der zweite Zweig 214 und 216 sind im Wesentlichen identisch.
Der Wandler 200 weist vier Pulskondensatoren C5, C6, C21 und C23 auf, um ein weiches Schalten des Wandlers 200 zu vereinfachen. Die Kondensatoren C5, C6, C21 und C23 sind jeweils über die Schalter Q1, Q2, Q5 und Q6 gekoppelt. Die durch die Kondensatoren C5, C6, C21 und C23 hinzugefügte Kapazität verlangsamt die Veränderungsrate der Spannungen über die Schalter Q1, Q2, Q5 und Q6 und reduziert dadurch den Einfluss kleiner Fehler im Steuersignal-Timing. In anderen Ausführungsformen sind die Kondensatoren C5, C6, C21 und C23 eliminiert und die Ausgabekapazität der Schalter Q1, Q2, Q5 und Q6 ohne zusätzlich hinzugefügte Kapazität steuert die Eigenschaften des weichen Schaltens des Wandlers 200. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Kondensatoren C5, C6, C21 und C23 Pulskondensatoren, die bei 1000 pF, 2 kV angegeben sind. In noch einer anderen Ausführungsform kann ein Kondensator verwendet werden anstelle der vier Kondensatoren C5, C6, C21 und C23, angeschlossen zwischen L2 bis L4 an der H-Brücke-Seite von L2 und L4.
Widerstände R28 und R29 sind Stromerfassungswiderstände. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Widerstände R28 und R29 nicht-induktive Widerstände mit 0,025 Ohm, 1 Watt. Signale von den Widerständen R28 und R29 werden durch eine Verstärkerschaltung (nicht gezeigt) verstärkt und durch das Steuersystem 112 als Rückkopplung zum Steuern des Ausgabestroms des Wandlers 200 verwendet. In der beispielhaften Ausführungsform fließt der Ausgabestrom des Wandlers 200 durch R29, wenn die Schalter Q1 und Q6 an sind. Wenn der Ausgabestrom positiv ist, dann wird eine positive Spannung über den Widerstand R29 entwickelt und dieses Signal, nach Verstärkung, wird durch das Steuersystem 112 verwendet als Rückkopplung zum Steuern eines positiven Ausgabestroms. Wenn die Schalter Q1 und Q5 an sind, fließt der Ausgabestrom durch den Widerstand R28. Wenn der Ausgabestrom negativ ist, dann wird eine positive Spannung über den Widerstand R28 entwickelt und dieses Signal, nach Verstärkung, wird durch das Steuersystem 112 verwendet als Rückkopplung zum Steuern des negativen Ausgabestroms. In anderen Ausführungsformen werden positive und/oder negative Signale von beiden Erfassungswiderständen als Rückkopplung durch das Steuersystem 112 verwendet. Das Aufnehmen von Stromerfassungsverstärkern und Stromerfassungswiderständen R28 und R29 kann die Notwendigkeit für irgendwelche Stromtransformatoren in dem Wandler 200 vermeiden.
Gemäß einem Aspekt dieser Offenbarung verwendet ein Zwei-Stufen-Photovoltaik-Leistungswandler, wie der Wandler 100, einen Kondensator relativ kleiner Kapazität als eine Energiespeicherungskomponente, wie als Energiespeicherungskomponente 109, zwischen seinen zwei Stufen, und eine relativ große Welligkeitsspannung wird an der Energiespeicherungskomponente 109 erlaubt. Wie oben diskutiert umfasst die Energiespeicherungskomponente 109 einen nicht-elektrolytischen Filmkondensator. Filmkondensatoren haben typischerweise eine vorteilhafte Eigenschaft dahingehend, dass sie eine „selbst-heilende” Auslegung aufweisen, wenn sie Überspannungsbedingungen unterliegen. Wenn ein Teil eines Filmkondensators fehlerhaft ist, wird der fehlerhafte Teil typischerweise von dem Rest des Kondensators isoliert und ein katastrophales Versagen wird somit vermieden. Filmkondensatoren haben typischerweise einen geringeren äquivalenten Serienwiderstand (equivalent series resistance – ESR) als ihre elektrolytischen Entsprechungen und können daher mit höheren relativen Mengen an Spannungswelligkeit operieren ohne großen negativen Einfluss auf Zuverlässigkeit oder Effizienz.
Die minimale Menge an Kapazität, die in der Energiespeicherungskomponente 109 benötigt wird, hängt von mehreren Faktoren ab. Die Leistungsangabe oder Nennleistung des Wandlers 104 skaliert direkt mit der Menge benötigter Speicherungskapazität. Die Anzahl von Phasen erzeugter Leistung beeinflusst ebenfalls die benötigte Energiespeicherungskapazität in der Energiespeicherungskomponente 109. Ein Drei-Phasen-Wandler 104 benötigt typischerweise viel weniger Speicherungskapazität als ein äquivalenter Leistungs-Ein-Phasen-Wandler 104, weil eine augenblickliche Leistungsabgabe in einem Drei-Phasen-System derjenigen von DC-Leistung viel näher ist. Die durch die zweite Stufe 108 erreichbare Modulationstiefe beeinflusst ebenfalls die Menge benötigter Speicherungskapazität. Obwohl einige Berechnungen hierin davon ausgehen, dass ein Inverterdesign für die zweite Stufe 108 vorliegt, bei dem die Modulationstiefe ideal ist und von 0% bis 100% gehen kann, gibt es in realen Designs häufig Beschränkungen dahingehend, wie hoch oder niedrig der Auslastungsgrad in der zweiten Stufe 108 gehen kann. Praktische Designs für den Wandler 104 verwenden im Allgemeinen eine zusätzliche Toleranzspanne oberhalb der für einen idealen Inverter berechneten minimalen Kapazität. Die Effizienz der zweiten Stufe 108 kann ebenfalls einen kleinen Einfluss darauf haben, wie viel Speicherungskapazität benötigt wird. Wenn die Effizienz der zweiten Stufe 108 sinkt, wird ein wenig mehr Speicherungskapazität benötigt. Abschließend beeinflusst die Durchschnittsspannung an der Energiespeicherungskomponente 109 relativ zu der AC-Ausgabespannung die Menge an benötigter Speicherungskapazität in der Energiespeicherungskomponente 109. Die minimale Kapazität für die Energiespeicherungskomponente 109 sollte derart gewählt sein, dass, während des Betriebs des Wandlers 104, die augenblickliche Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109 nicht derart stark absinkt, dass eine Regulierung des Ausgabe-AC-Stroms oder -Spannung verloren geht.
3 ist ein Graph 300, der die Resultate einer Simulation eines beispielhaften Wandlers 104 zeigt, die durchgeführt wurden, um die minimale Kapazität für die Energiespeicherungskomponente 109 zu bestimmen, die eine korrekte Ausgaberegulation aufrechterhält. In dieser Simulation war die zweite Stufe 108 ein 250-Watt-Inverter basierend auf dem Wandler 200 und die durchschnittliche Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109 war 300 Volt. In der Simulation war die Kapazität der Energiespeicherungskomponente 109 8,8 Mikrofarad (μF).
Der Graph 300 zeigt eine Hälfte eines AC-Zyklus in der Zeit. Eine DC-Verbindung-Spannung 302 (d. h., die Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109) startet und endet bei 300 V. Wenn eine DC-Leistung 304 in die Energiespeicherungskomponente 109 größer ist als eine AC-Leistungsausgabe 306 der zweiten Stufe 108, steigt die DC-Verbindung-Spannung 302. Wenn die DC-Leistung 304 in die Energiespeicherungskomponente 109 geringer ist als die AC-Leistungsausgabe 306 der zweiten Stufe 108, sinkt die DC-Verbindung-Spannung 302 in ähnlicher Weise. Die DC-Verbindung-Spannung 302 fällt auf einen Wert in etwa gleich der momentanen AC-Spannungsausgabe 308 der zweiten Stufe 108 in einer Zeit von ungefähr 6 Millisekunden. Dementsprechend kann eine ideale zweite Stufe 108 korrekt operieren bei einer 250-Watt-Ausgabe mit einer 300-Volt-Durchschnittsspannung an der Energiespeicherungskomponente 109 mit einem 8,8-μF-Kondensator für die Energiespeicherungskomponente 109. Eine kleinere Kapazität in der Energiespeicherungskomponente 109 würde zu einer Simulation führen, die eine DC-Verbindung-Spannung 302 zeigt, die unter die AC-Spannungsausgabe 308 absinkt. In einem solchen Wandler 104 würde die Ausgaberegulation in einem idealen Inverter, der bei 0 bis 100% Modulationstiefe operieren kann, verloren gehen. Eine größere Kapazität in der Energiespeicherungskomponente 109 würde in einer Simulation resultieren, die eine DC-Verbindung-Spannung 302 zeigt, die nie auf einen Wert gleich der AC-Spannungsausgabe 308 absinkt. In einem solchen Wandler 104 würde die Ausgaberegelung aufrechterhalten bleiben, aber die Kapazität in der Energiespeicherungskomponente 109 könnte mehr sein, als benötigt.
Die minimale für die Energiespeicherungskomponente 109 benötigte Kapazität variiert jedoch basierend auf der Stärke der an die Energiespeicherungskomponente 109 angelegten Spannung (z. B. die Ausgabespannung der ersten Stufe 106). Die minimale Kapazität für die Energiespeicherungskomponente 109 sollte für Spannungen bestimmt werden, die an die Energiespeicherungskomponente 109 während des Betriebs des Wandlers 104 angelegt werden können. Spezifischer sollte die minimale Kapazität bestimmt werden als den Bereich von Spannungen abdeckend, die an die Energiespeicherungskomponente 109 angelegt werden können, wenn die zweite Stufe 108 dazu betrieben wird, eine AC-Leistungsabgabe abzugeben. Wie den mit der Technik vertrauten Fachleuten bekannt ist, werden Inverter in Photovoltaiksystemen typischerweise nicht dazu betrieben, eine AC-Leistungsabgabe abzugeben, bis ihre Eingabespannung (z. B. die Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109) einen Schwellenwert übersteigt. Simulationen wurden durchgeführt für den beispielhaften Wandler 104 wie oben beschrieben für Spannungen der Energiespeicherungskomponente 109, die von 200 Volt bis 300 Volt reichen. Die Resultate zeigen eine gewünschte minimale Kapazität im Bereich von etwa 30 μF für eine 200-Volt-DC-Verbindung-Spannung bis etwa 8,8 μF für eine 300-Volt-DC-Verbindung-Spannung, wenn bei voller Leistung betrieben wird.
Wenn eine kleinere Kapazität in der Energiespeicherungskomponente 109 verwendet wird, steigt, wie oben beschrieben, die Spannungswelligkeit, die an der Energiespeicherungskomponente 109 auftritt. Eine solche gesteigerte wellige Spannung kann in einer verzerrten Ausgabe des Wandlers 104 resultieren. Die Steuerung 112 betreibt den Wandler 104 jedoch in Übereinstimmung mit einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung, um eine saubere Sinuswelle mit relativ geringer gesamter harmonischer Verzerrung (THD – total harmonic distortion) auszugeben.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung setzt die Steuerung 112 die erwünschte, oder zu erzielende, Stärke des AC-Ausgabestroms einmal pro vollem AC-Zyklus. Ein AC-Zyklus ist der Zyklus, der die positive und die negative Auslenkung eines AC-Signals beinhaltet. Für eine AC-Leistungsabgabe ist der volle AC-Zyklus diejenige Zeit, während der die Abgabe von 0 Volt auf ihren Spitzenwert ansteigt, auf ihre null Volt absinkt, auf ihren negativen Spitzenwert absinkt (durch null Volt durchgehend) und zurück auf null Volt ansteigt. Für eine 60-Hz-Abgabe dauert der volle Zyklus ungefähr 16,7 Millisekunden. Die Auswahl des Anfangs- und Endpunkts des Zyklus ist selbstverständlich beliebig und es kann auch davon ausgegangen werden, dass der Zyklus bei 0 Volt beginnt und zu seinem negativ Spitzenwert absinkt, dass er bei einem Wert beginnt und endet, der sich von null unterscheidet, etc. Wenn die Stärke des AC-Abgabestroms öfter als einmal pro Zyklus gesetzt wird, kann der harmonische Anteil der Ausgabe-Strom-Welligkeit ansteigen. Insbesondere kann ein Anpassen des Ausgabestroms bei jedem Nulldurchgang der AC-Ausgabe geradzahlige Harmonische in die Ausgabe-Strom-Welligkeit einführen. In anderen Ausführungsformen kann die Steuerung 112 die Stärke des AC-Ausgabestroms öfter als einmal pro vollem AC-Zyklus setzen. In anderen Ausführungsformen setzt die Steuerung 112 den Ziel-AC-Strom seltener als einmal pro AC-Zyklus.
Wie oben beschrieben wird die erste Stufe 104 durch die Steuerung 112 dazu angesteuert, die Eingangsspannung zu regulieren und eine maximale Leistungsnachführung der Quelle 102 durchzuführen. Die erste Stufe 106 gibt im Allgemeinen die gesamte zur Verfügung stehende Energie in die Energiespeicherungskomponente 109 aus. Diese Energie kann fluktuieren, aber solange sie sich nicht zu erheblich von einem AC-Zyklus zum nächsten ändert, kann eine saubere Sinuswellenausgabe durch die zweite Stufe 108 aufrechterhalten werden. Die Steuerung 112 muss jedoch die Eingangsleistung zu der Energiespeicherungskomponente 109 kennen oder zumindest approximieren, um die zweite Stufe 108 zu betreiben. In der beispielhaften Ausführungsform wird die Eingangsleistung in die Energiespeicherungskomponente 109 durch die Steuerung 112 abgeschätzt. In anderen Ausführungsformen kann die DC-Eingangsleistung durch andere Verfahren bestimmt werden, einschließlich zum Beispiel direkter Messung.
Die DC-Eingangsleistung zu der Energiespeicherungskomponente 109 während eines AC-Zyklus (manchmal als ein erster Zyklus bezeichnet) wird abgeschätzt zur Verwendung beim Bestimmen der in dem nachfolgenden AC-Zyklus (manchmal als ein zweiter Zyklus bezeichnet) auszugebenden AC-Leistung. Die Steuerung bestimmt, wie stark sich die Stärke der Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109 während des ersten Zyklus änderte. Bei einem der zwei Nulldurchgänge der AC-Ausgangsspannung während eines einzelnen AC-Zyklus wird die Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109 durch die Steuerung 112 gemessen. Die Spannung wird in jedem AC-Zyklus bei einem Nulldurchgang gleicher Richtung abgetastet. Beispielsweise kann die Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109 bei jedem ansteigenden Nulldurchgang (d. h. mit einer positiven Steigung) der AC-Ausgangsspannung gemessen werden. In anderen Ausführungsformen kann die Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109 bei jedem absinkenden Nulldurchgang (d. h. mit negativer Steigung) der AC-Ausgangsspannung gemessen werden. Ferner wird bei manchen Ausführungsformen die Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109 bei jedem Zyklus an beiden Nulldurchgängen der AC-Ausgangsspannung abgetastet. Die Veränderung bei der Spannung der Energiespeicherungskomponente 109 wird als die Differenz zwischen der aktuellen Messung und der letzten Messung der Spannung der Energiespeicherungskomponente 109 berechnet.
Wenn der Wandler 104 im stationären Zustand operiert, ist die Eingangsspannung in die Energiespeicherungskomponente 109 gleich der Ausgangsspannung von der Energiespeicherungskomponente 109. Wenn es eine Diskrepanz bei der Leistung gibt, wird die Spannung der Energiespeicherungskomponente 109 entweder ansteigen oder abfallen, abhängig von dem Betrag und der Richtung der Diskrepanz. Die DC-Eingabeleistung zu der Energiespeicherungskomponente 109 wird abgeschätzt durch: Pdc_est = Pac + Vhv_delta·Vhv·Chv·Fac [1] wobei Pac die gemessene AC-Ausgangsleistung während des letzten Zyklus in Watt ist, Chv die Kapazität an der Energiespeicherungskomponente 109 in Farad ist, Vhv die durchschnittliche Spannung der Energiespeicherungskomponente 109 des vorangehenden Betriebszyklus in Volt ist, und Fac die AC-Netzfrequenz in Hz ist. Wie durch Untersuchen der Gleichung 1 zu sehen, ist bei Vhv_delta = 0, was bedeutet, dass die Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109 nicht ansteigt und nicht fällt, Vhv-delta = 0 und Pdc_est = Pac. Dies ist eines der Ziele für einen stationären Betrieb. In einem nicht-stationären Betrieb ist die Veränderung bei der Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109 jedoch nicht null und Pdc_est wird gleich einem anderen Betrag als Pac sein.
Eine gewünschte oder zu erzielende Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109 wird als nächstes bestimmt. Die zu erzielende Spannung hängt von dem Niveau der DC-Eingangsleistung ab. Im Allgemeinen sollte die Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109 niedrig sein, wenn das Leistungsniveau niedrig ist, und sollte ansteigen, wenn das Leistungsniveau ansteigt, um ein Stabilisieren der Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109 und einen Leistungsbetrieb zu vereinfachen. In der beispielhaften Ausführungsform wird diese Beziehung beschrieben durch eine geradlinige Kurve, wie in 4 gezeigt. 4 zeigt eine gewünschte Leistungsausgabe der zweiten Stufe 108 als eine Funktion der Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109. Die zweite Stufe 108 operiert nicht dahingehend, AC-Leistung auszugeben, bis die Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109 230 Volt DC erreicht. Die Leistungsausgabe wird linear gesteigert, bis die Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109 320 Volt DC erreicht und die Leistungsausgabe bei einem Maximum von 250 Watt ist. In anderen Ausführungsformen können andere Spannungswerte und Leistungsausgänge verwendet werden. Ferner kann die Zielbeziehung zwischen der Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109 und der Leistungsausgabe der zweiten Stufe 108 in anderen Ausführungsformen andere Formen, einschließlich nicht-linearer Formen, haben.
In der beispielhaften Ausführungsform ist die zu erzielende Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109 (bezeichnet als Vhv_target) 230 Volt, wenn der abgeschätzte DC-Leistungseingang (d. h., Pdc_est) geringer als 0 ist. Wenn Pdc_est größer als 250 W ist, wird Vhv_target auf 320 Volt gesetzt. Für alle anderen Werte von Pdc_est wird Vhv_target gesetzt durch: Vhv_target = 230 + (320 – 230)·(Pdc_est/250) [2] Die Ausgangsleistung der zweiten Stufe 108 wird durch die Steuerung 112 nach oben oder nach unten wie benötigt angepasst, um die Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109 entsprechend der Zielspannung zu steuern. In der beispielhaften Ausführungsform setzt die Steuerung einen Ziel-AC-Leistungsausgang gemäß: Pac_target = Pdc_est + Khv·Chv·Vhv·Fac·(Vhv – Vhv_target) [3]
Dabei ist Vhv die Durchschnittsspannung der Energiespeicherungskomponente 109 des vorangehenden Betriebszyklus, Vhv_target ist die Zielspannung, die in Gleichung 2 bestimmt wurde, Khv ist eine Feedback-Konstante proportionalen Amplitudenverhältnisses (proportional gain feedback constant) (anfänglich auf 0,5 gesetzt), Chv ist die Kapazität an der Energiespeicherungskomponente 109, und Fac ist die AC-Netzfrequenz in Hz.
Als nächstes wird der gewünschte oder angestrebte AC-Ausgangsstrom bestimmt. Die gewünschte Ausgangsstromamplitude, Iac_peak, wird bestimmt als: Iac_peak = Pac_target·(√2)/Meas.Vgrid [4] wobei Meas.Vgrid die AC-Netz-Spannung gemessen von dem vorangehenden Betriebszyklus ist und Pac_target die Ziel-AC-Ausgangsleistung bestimmt in Gleichung 3 ist. In anderen Ausführungsformen kann die gemessene AC-Netz-Spannung Meas.Vgrid ersetzt werden durch die nominale Netz-Spannung. Solche Ausführungsformen werden insbesondere verwendet, wenn die AC-Netz-Spannung nicht wesentlich variiert. In anderen Ausführungsformen kann Iac_peak bestimmt werden aus einer Kurve von Iac_target gegen die Spannung der Energiespeicherungskomponente 109, wie zum Beispiel unter Verwendung einer Nachschlagetabelle oder einer Gleichung.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die Verwendung von Vorwärtskompensation (feed forward compensation) beim Steuern der zweiten Stufe 108. Der Regelkreis für die zweite Stufe 108 ist ein schneller Regelkreis, der einmal pro Schaltfrequenzzyklus ausgeführt wird. Die Schaltfrequenz der zweiten Stufe 108 in dieser beispielhaften Ausführungsform ist nominal 48 kHz und die zweite Stufe 108 wird in einem kontinuierlichen Leitungsmodus bei allen Leistungsniveaus betrieben. Weil die Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109 einen hohen Betrag an 120-Hz-Welligkeit hat (wie oben beschrieben), vereinfacht die Vorwärtskompensation ein Minimieren des Fehlerterms in dem Regelkreis zum Steuern der AC-Ausgang-Strom-Welligkeit. In der beispielhaften Ausführungsform wird die Ausgangsspannung auf die Eingangsspannung und den Betriebszyklus wie folgt bezogen: Vout = Vin·(2·Duty – 1,0) [5]
Wobei Vout die momentane AC-Ausgangsspannung (v_ac) ist, Vin die Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109 (v_hv) ist und Duty die Betriebszykluskontrolle (duty cycle control) der H-Brücken-MOSFETs ist. Wenn der Betriebszyklus 50% (0,50) ist, dann ist Vout = 0 Volt. In einem idealen DC/AC-Wandler kann Duty von 0,0 bis 1,0 (0 bis 100%) variieren.
Der gewünschte Betriebszyklus wird jedes Mal berechnet, wenn der Regelkreis ausgeführt wird, basierend auf der Spannung der Energiespeicherungskomponente 109 (v_hv) und der AC-Ausgangsspannung (v_ac). Die Berechnung des Vorwärts-Betriebszyklus (feed forward duty cycle) ist unabhängig von dem oben bestimmten Ausgangsstrom-Betrieb-Einstellpunkt. Nach einem Auflösen nach Duty und Substituieren in v_ac und v_hv für Vout und Vin wird die Gleichung 5: Duty = (v_ac + v_hv)/(2·v_hv) [6]
Im Betrieb der beispielhaften Ausföhrungsform arbeitet die Optimalwertsteuerung (feed forward control) wie folgt. Die Steuerung 112 bestimmt einen Referenz-AC-Ausgangsstrom aus einer Sinuswellen-Nachschlagetabelle. Es wird ein Fehler zwischen dem gemessenen Ausgangsstrom der zweiten Stufe 108 und dem Referenzsignal berechnet. Die Steuerung 112 berechnet Abschätzungen davon, was v_ac und v_hv in dem nächsten Schaltzyklus sein werden. Der gewünschte Betriebszyklus für den nächsten Schaltzyklus wird berechnet unter Verwendung der abgeschätzten nächsten Zykluswerte für v_ac und v_hv anstelle der gemessenen Werte und das Resultat wird mit einem Proportionalverstärkungsgrad multipliziert. Die zweite Stufe 108 wird dann durch die Steuerung 112 basierend auf dem bestimmten gewünschten Betriebszyklus unter Verwendung abgeschätzter nächster Zykluswerte für den AC-Ausgang (v_ac) und die Spannung an der Energiespeicherungskomponente 109 (v_hv) gesteuert.
Die oben beschriebenen Verfahren und Systeme funktionieren gut in stationären und langsam variierenden Leistungsbedingungen. Während extremer Übergangsbedingungen (z. B. wenn die Eingangsspannung sehr schnell absinkt) können einige Zyklen verzerrten AC-Ausgangsstroms auftreten. 5 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Installation von PV-Quellen 102. Der Ausgang jeder PV-Quelle 102 wird zu einem separaten Wandler 104 und einem Ausgangsfilter 110 gekoppelt. Die Ausgänge aller Filter 110 werden an ein elektrisches AC-Netz 116 gekoppelt. Weil jede Quelle 102 zu einem separaten Wandler 104 gekoppelt ist und die Ausgänge aller Wandler 104 zu demselben AC-Netz 116 gekoppelt sind, minimiert die Aggregation die Wirkung etwaiger Verzerrungen in dem Ausgang der Wandler 104.
Leistungswandlungssysteme, wie sie hierin beschrieben sind, können Ergebnisse erzielen, die denjenigen bekannter Verfahren und Systeme überlegen sind. Leistungswandler gemäß der vorliegenden Offenbarung verwenden nicht-elektrolytische Kondensatoren in einer DC-Verbindung zwischen einem DC/DC- und einem DC/AC-Wandler. Die nicht-elektrolytischen Kondensatoren haben typischerweise eine geringere Kapazität, aber eine längere Lebensdauer und geringeres ESR als elektrolytische Kondensatoren. Somit können hierin beschriebene Systeme und Verfahren in länger haltbaren und/oder effizienteren Leistungswandlern resultieren. Ferner werden in hierin beschriebenen Systemen geringere Kapazitäten verwendet, was ermöglicht, weniger Kondensatoren zu verwenden, wodurch Kosten zum Herstellen der beispielhaften Wandler sinken. Dementsprechend können die hierin beschriebenen Verfahren und Systeme zu kostengünstigeren, effizienteren und länger haltbaren Leistungswandlern führen.
Wenn Elemente der vorliegenden Erfindung oder Ausführungsformen davon eingeführt werden, sollen die Artikel „ein”, „eine”, „der”, „dieser” und ähnliche bedeuten, dass es ein oder mehrere dieser Elemente geben kann. Die Begriffe „aufweisend”, „einschließlich” und „haben” sind als inklusive zu verstehen und bedeuten, dass es zusätzliche Elemente über die gelisteten Elemente hinaus geben kann.
Da vielzählige Änderungen in dem oben Genannten durchgeführt werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, ist beabsichtigt, dass der gesamte Gehalt, der in der obigen Beschreibung enthalten ist und in den begleitenden Zeichnungen gezeigt ist, als veranschaulichend interpretiert werden soll und nicht in einem beschränkenden Sinne.

Claims

Verfahren zur Verwendung beim Betreiben eines Solar-Leistung-Wandlers aufweisend eine erste Stufe zum Koppeln an ein Photovoltaikmodul und Ausgeben einer Gleichstromleistung (DC), eine zweite Stufe zum Koppeln an einen Ausgang der ersten Stufe und Ausgeben einer Wechselstromleistung (AC) und eine DC-Verbindung gekoppelt zwischen die erste und zweite Stufe, wobei das Verfahren aufweist: Abtasten einer DC-Verbindung-Spannung der DC-Verbindung während eines ersten Zyklus einer alternierenden Ausgangsspannung der zweiten Stufe zu einem Zeitpunkt, wenn die alternierende Ausgangsspannung null Volt in einer ersten Richtung kreuzt; Bestimmen einer Spannungsdifferenz zwischen der während des ersten Zyklus abgetasteten DC-Verbindung-Spannung und einer DC-Verbindung-Spannung, die während eines vorangehenden Zyklus, wenn die alternierende Ausgangsspannung null Volt in der ersten Richtung gekreuzt hat, abgetastet wurde; Abschätzen einer DC-Verbindung-Leistung basierend zumindest teilweise auf der bestimmten Spannungsdifferenz; und Steuern des AC-Leistung-Ausgangs durch die zweite Stufe in einem zweiten Zyklus nach dem ersten Zyklus basierend zumindest teilweise auf der bestimmten DC-Verbindung-Leistung.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend ein Bestimmen eines DC-Verbindung-Spannung-Ziels als eine Funktion der geschätzten DC-Verbindung-Leistung, wobei ein Steuern der AC-Leistung zumindest teilweise auf dem DC-Verbindung-Spannung-Ziel basiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein Steuern des AC-Leistung-Ausgangs zumindest teilweise basierend auf der geschätzten DC-Verbindung-Leistung ein Bestimmen eines Ziel-AC-Leistung-Ausgangs der zweiten Stufe basierend zumindest teilweise auf der geschätzten DC-Verbindung-Leistung und dem DC-Verbindung-Spannung-Ziel aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner aufweisend ein Bestimmen einer durchschnittlichen DC-Verbindung-Spannung für den ersten Zyklus.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Abschätzen der DC-Verbindung-Leistung ferner basiert wird auf der durchschnittlichen DC-Verbindung-Spannung für den ersten Zyklus.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Bestimmen des Ziel-AC-Leistung-Ausgangs ein Bestimmen des Ziel-AC-Leistung-Ausgangs zumindest teilweise basierend auf der geschätzten DC-Verbindung-Leistung, der durchschnittlichen DC-Verbindung-Spannung und einer Differenz zwischen der durchschnittlichen DC-Verbindung-Spannung und dem DC-Verbindung-Spannung-Ziel aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner aufweisend ein Bestimmen eines Ziel-AC-Ausgang-Stroms für die zweite Stufe basierend zumindest teilweise auf dem Ziel-AC-Leistung-Ausgang, und wobei ein Steuern des AC-Leistung-Ausgangs ein Steuern eines AC-Ausgang-Stroms der zweiten Stufe basierend zumindest teilweise auf dem Ziel-AC-Ausgang-Strom aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Ziel-AC-Ausgang-Strom einmal pro Zyklus gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abschätzen der DC-Verbindung-Leistung ferner zumindest teilweise auf einem gemessenen AC-Leistung-Ausgang basiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Steuern des AC-Leistung-Ausgangs ein Steuern eines AC-Ausgang-Stroms der zweiten Stufe aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Wandler an ein AC-Netz gekoppelt ist und ein Steuern des AC-Ausgang-Stroms zumindest teilweise auf einer gemessenen Spannung des Netzes in dem ersten Zyklus basiert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Wandler an ein AC-Netz gekoppelt ist und ein Steuern des AC-Ausgang-Stroms basiert wird zumindest teilweise auf einer Nominalspannung des Netzes.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Stufe eine DC-Hoch-Schiene gekoppelt an die DC-Verbindung, eine DC-Niedrig-Schiene gekoppelt an die DC-Verbindung, einen ersten Leistungszweig und einen zweiten Leistungszweig gekoppelt zwischen die DC-Hoch-Schiene und die DC-Niedrig-Schiene, aufweist, wobei der erste Leistungszweig und der zweite Leistungszweig jeder einen Widerstands-Nebenschluss (resistive shunt) aufweist, und wobei das Verfahren ferner ein Abtasten von Signalen von den Widerstands-Nebenschlüssen des ersten und des zweiten Leistungszweigs aufweist und ein Steuern des Betriebs der zweiten Stufe basierend zumindest teilweise auf den abgetasteten Signalen.
Netz-Bindung-Solar-Leistung-Wandler, aufweisend: einen Eingang zum Empfangen eines Gleichstrom-Leistung-Eingangs (DC); eine erste Stufe zum Empfangen des DC-Leistung-Eingangs und aufweisend einen Ausgang zum Bereitstellen eines DC-Leistung-Ausgangs; eine DC-Verbindung gekoppelt an den Ausgang der ersten Stufe; eine zweite Stufe gekoppelt an die DC-Verbindung und konfiguriert zum Wandeln der DC-Leistung in eine Wechselstrom-Ausgang-Leistung (AC); eine Steuerung gekoppelt an die zweite Stufe, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist: eine DC-Verbindung-Spannung der DC-Verbindung während eines ersten Zyklus einer alternierenden Ausgangsspannung der zweiten Stufe zu einem Zeitpunkt, wenn die alternierende Ausgangsspannung null Volt in einer ersten Richtung quert, abzutasten; eine Spannungsdifferenz zwischen der während dem ersten Zyklus abgetasteten DC-Verbindung-Spannung und einer während eines vorangehenden Zyklus, wenn die alternierende Ausgangsspannung null Volt in der ersten Richtung gequert hat, abgetasteten DC-Verbindung-Spannung zu bestimmen; eine DC-Verbindung-Leistung basierend zumindest teilweise auf der bestimmten Spannungsdifferenz abzuschätzen; und den AC-Leistung-Ausgang der zweiten Stufe in einem zweiten Zyklus nach dem ersten Zyklus basierend zumindest teilweise auf der abgeschätzten DC-Verbindung-Leistung zu steuern.
Netz-Bindung-Solar-Leistung-Wandler nach Anspruch 14, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, ein DC-Verbindung-Spannung-Ziel zu bestimmen als eine Funktion der abgeschätzten DC-Verbindung-Leistung, wobei das Steuern der AC-Leistung zumindest teilweise auf dem DC-Verbindung-Spannung-Ziel basiert wird.
Netz-Bindung-Solar-Leistung-Wandler nach Anspruch 15, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, den AC-Leistung-Ausgang basierend zumindest teilweise auf der geschätzten DC-Verbindung-Leistung zu steuern durch Bestimmen eines Ziel-AC-Leistung-Ausgangs der zweiten Stufe basierend zumindest teilweise auf der abgeschätzten DC-Verbindung-Leistung und dem DC-Verbindung-Spannung-Ziel.
Netz-Bindung-Solar-Leistung-Wandler nach Anspruch 16, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, eine durchschnittliche DC-Verbindung-Spannung für den ersten Zyklus zu bestimmen.
Netz-Bindung-Solar-Leistung-Wandler nach Anspruch 17, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, die DC-Verbindung-Leistung basierend zumindest teilweise auf der durchschnittlichen DC-Verbindung-Spannung für den ersten Zyklus abzuschätzen.
Netz-Bindung-Solar-Leistung-Wandler nach Anspruch 17, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, den Ziel-AC-Leistung-Ausgang basierend zumindest teilweise auf der abgeschätzten DC-Verbindung-Leistung, der durchschnittlichen DC-Verbindung-Spannung und einer Differenz zwischen der durchschnittlichen DC-Verbindung-Spannung und dem DC-Verbindung-Spannung-Ziel zu bestimmen.
Netz-Bindung-Solar-Leistung-Wandler nach Anspruch 19, wobei die Steuerung ferner dazu ausgelegt ist, einen Ziel-AC-Ausgang-Strom für die zweite Stufe basierend zumindest teilweise auf dem Ziel-AC-Leistung-Ausgang zu bestimmen und einen AC-Ausgang-Strom der zweiten Stufe basierend zumindest teilweise auf dem Ziel-AC-Ausgang-Strom zu steuern.
Netz-Bindung-Solar-Leistung-Wandler nach Anspruch 20, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, den Ziel-AC-Ausgang-Strom einmal pro Zyklus zu setzen.
Netz-Bindung-Solar-Leistung-Wandler nach Anspruch 14, wobei die DC-Verbindung einen nicht-elektrolytischen Kondensator aufweist.
Netz-Bindung-Solar-Leistung-Wandler nach Anspruch 22, wobei der nicht-elektrolytische Kondensator einen Filmkondensator aufweist.
Netz-Bindung-Solar-Leistung-Wandler nach Anspruch 23, wobei die zweite Stufe einen 250-Watt-Einphasen-120-Volt-AC-Inverter aufweist.
Netz-Bindung-Solar-Leistung-Wandler nach Anspruch 24, wobei der Filmkondensator eine Kapazität von weniger als 30 Mikrofarad hat.
Netz-Bindung-Solar-Leistung-Wandler nach Anspruch 23, wobei der Filmkondensator eine Mehrzahl von Filmkondensatoren aufweist, die miteinander parallel verschaltet sind.
Netz-Bindung-Solar-Leistung-Wandler nach Anspruch 14, wobei die zweite Stufe eine DC-Hoch-Schiene gekoppelt an die DC-Verbindung, eine DC-Niedrig-Schiene gekoppelt an die DC-Verbindung, einen ersten Leistungszweig und einen zweiten Leistungszweig gekoppelt zwischen die DC-Hoch-Schiene und die DC-Niedrig-Schiene aufweist, wobei der erste Leistungszweig und der zweite Leistungszweig jeder einen Widerstandsnebenschluss aufweisen und wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, Signale von den Widerstandsnebenschlüssen des ersten und des zweiten Leistungszweiges abzutasten und den Betrieb der zweiten Stufe basierend zumindest teilweise auf den abgetasteten Signalen zu steuern.