EA041589B1 - POWER USE POINT TRACKING INVERTER - Google Patents
POWER USE POINT TRACKING INVERTER Download PDFInfo
- Publication number
- EA041589B1 EA041589B1 EA202091204 EA041589B1 EA 041589 B1 EA041589 B1 EA 041589B1 EA 202091204 EA202091204 EA 202091204 EA 041589 B1 EA041589 B1 EA 041589B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- power
- phase
- pwm
- extraction
- converter
- Prior art date
Links
Description
Уровень техникиState of the art
Однофазный DC/AC-преобразователь преобразует электрическую энергию постоянного тока (DC) от источника DC-энергии в мощность переменного тока (АС), которая соответствует условиям электросети. Условия электросети диктуют, чтобы колеблющаяся АС-мощность, передаваемая по электросети, имела синусоидальную форму волны с конкретным фиксированным пиковым напряжением и с конкретной фиксированной частотой.A single-phase DC/AC converter converts direct current (DC) electrical energy from a DC power source into alternating current (AC) power that meets the grid conditions. Grid conditions dictate that oscillating AC power transmitted over the grid has a sinusoidal waveform with a particular fixed peak voltage and a particular fixed frequency.
Традиционный 3-фазный DC/AC-преобразователь предоставляет АС-мощность в 3 силовые линии со сдвигом фаз 120° (называемых А-фазой, В-фазой и С-фазой) между каждой силовой линией. По своей сути, 3-фазный DC/AC-преобразователь состоит из трех однофазных DC/AC-преобразователей, каждый выполняет извлечение и преобразование для доставки одинаковой усредненной по времени АСмощности в соответствующую силовую линию. Один из однофазных DC/AC-преобразователей, таким образом, предоставляет АС-мощность по первой силовой линии с А-фазой. Второй из однофазных DC/AC-преобразователей, таким образом, предоставляет АС-мощность по второй силовой линии с Вфазой. Третий из однофазных DC/AC-преобразователей, таким образом, предоставляет АС-мощность по третьей силовой линии с С-фазой. Другими словами, каждый набор из трех однофазных DC/ACпреобразователей извлекает примерно одинаковое количество DC-мощности; преобразует эту извлеченную мощность в АС-мощность со сдвигом фаз 120° по сравнению с АС-мощностью, предоставляемой другими однофазными DC/AC-преобразователями; и отправляет АС-мощность в электросеть из 3 или 4 силовых линий. Следовательно, каждая силовая линия несет одну однофазную АС-мощность такой же частоты и такой же величины усредненной по времени мощности, что и АС-мощность других силовых линий; но со сдвигом фаз 120° по сравнению с другими силовыми линиями.A traditional 3-phase DC/AC converter provides AC power to 3 power lines with a 120° phase shift (called A-phase, B-phase and C-phase) between each power line. At its core, a 3-phase DC/AC converter consists of three single-phase DC/AC converters, each extracting and converting to deliver the same time-averaged AC power to the corresponding power line. One of the single-phase DC/AC converters thus provides AC power on the first A-phase power line. The second of the single-phase DC/AC converters thus provides AC power on the second B-phase power line. The third of the single-phase DC/AC converters thus provides AC power on a third C-phase power line. In other words, each set of three single-phase DC/AC converters draws roughly the same amount of DC power; converts this extracted power into AC power with a 120° phase shift compared to AC power provided by other single-phase DC/AC converters; and sends the AC power to the power grid of 3 or 4 power lines. Therefore, each power line carries one single-phase AC power of the same frequency and the same amount of time-averaged power as the AC power of other power lines; but with a phase shift of 120° compared to other lines of force.
Предмет изучения, заявленный в данном документе, не ограничивается вариантами осуществления, которые решают какие-либо недостатки или которые работают только в таких окружениях, которые описаны выше. Скорее, этот уровень техники предоставлен, только чтобы иллюстрировать одну примерную область технологии, где некоторые варианты осуществления, описанные в данном документе, могут быть применены на практике.The subject matter of this document is not limited to embodiments that address any disadvantages or that only work in the environments described above. Rather, this prior art is provided only to illustrate one exemplary area of technology where some of the embodiments described herein may be practiced.
Краткая сущность изобретенияBrief summary of the invention
Варианты осуществления, описанные в данном документе, относятся к устройству управления последовательным извлечением для использования в 3-фазном DC/AC-преобразователе. 3-Фазный преобразователь имеет первый однофазный DC/AC-преобразователь, содержащий первое PWM-устройство извлечения для извлечения из DC-мощности первой АС-мощности, которая имеет первую фазу и которая соответствует условиям электросети, второй однофазный DC/AC-преобразователь, содержащий второе PWM-устройство извлечения для извлечения из DC-мощности второй АС-мощности, которая имеет вторую фазу и которая соответствует условиям электросети, и третий однофазный DC/AC-преобразователь, содержащий третье PWM-устройство извлечения для извлечения из DC-мощности третьей АСмощности, которая имеет третью фазу и которая соответствует условиям электросети. Регулировки продолжительности включения (относительной продолжительности включения) выполняются в зависимости от текущего фрагмента цикла АС-мощности.The embodiments described herein relate to a serial draw control device for use in a 3-phase DC/AC converter. The 3-phase converter has a first single-phase DC/AC converter containing a first PWM extractor for extracting from the DC power the first AC power that has a first phase and which is suitable for power grid conditions, a second single-phase DC/AC converter containing a second A PWM extractor for extracting a second AC power from the DC power, which has a second phase and which is suitable for power grid conditions, and a third single-phase DC/AC converter, comprising a third PWM extractor for extracting a third AC power from the DC power, which has a third phase and which corresponds to the conditions of the mains. The duty cycle (relative duty cycle) adjustments are made depending on the current section of the AC power cycle.
Однако последовательный регулятор инструктирует первому PWM-устройству извлечения иметь первый рабочий цикл, в течение которого первое PWM-устройство извлечения выполняет извлечение, инструктирует второму PWM-устройству извлечения иметь второй рабочий цикл, в течение которого второе PWM-устройство извлечения выполняет извлечение, и инструктирует третьему PWM-устройству извлечения иметь третий рабочий цикл, в течение которого третье PWM-устройство извлечения выполняет извлечение. Соответственно в отличие от традиционных 3-фазных DC/AC-преобразователей, последовательный регулятор инструктирует, чтобы первый, второй и третий рабочие циклы не перекрывались, так что первое, второе и третье PWM-устройства извлечения выполняют извлечение последовательно, а не одновременно. Это улучшает эффективность извлечения мощности из DC-мощности. Последовательный регулятор дополнительно управляет регулировками продолжительности включения для первой, второй и третьей продолжительности включения в соответствии с текущим временем по меньшей мере одного цикла АС-мощности, чтобы, тем самым, регулировать одну или более из первой АС-мощности, второй АС-мощности и третьей АС-мощности. Варианты осуществления, описанные в данном документе, также направлены на 3-фазный DC/AC-преобразователь, который содержит такой последовательный регулятор.However, the sequential controller instructs the first PWM extractor to have a first duty cycle during which the first PWM extractor performs extraction, instructs the second PWM extractor to have a second duty cycle during which the second PWM extractor performs extraction, and instructs the third The PWM extractor has a third duty cycle during which the third PWM extractor performs an extraction. Accordingly, unlike traditional 3-phase DC/AC converters, the serial regulator instructs that the first, second, and third duty cycles do not overlap, so that the first, second, and third PWM extractors perform the extraction sequentially rather than simultaneously. This improves the efficiency of extracting power from DC power. The sequential controller further controls the duty cycle adjustments for the first, second and third duty cycles in accordance with the current time of at least one AC power cycle, to thereby regulate one or more of the first AC power, the second AC power and the third AC power. The embodiments described herein are also directed to a 3-phase DC/AC converter that includes such a series regulator.
Данная сущность предусмотрена для того, чтобы в упрощенной форме представить выбор концепций, которые дополнительно описываются ниже в подробном описании. Эта сущность не предназначена для того, чтобы идентифицировать ключевые признаки или важнейшие признаки заявляемого предмета изобретения, а также не предназначена для того, чтобы быть использованной в качестве помощи при определении объема заявляемого предмета изобретения.This summary is provided to introduce a selection of concepts in a simplified form, which are further described below in the Detailed Description. This summary is not intended to identify key features or essential features of the claimed subject matter, nor is it intended to be used as an aid in determining the scope of the claimed subject matter.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Для того чтобы описать способ, которым вышеупомянутые и другие преимущества и отличительные признаки могут быть получены, более конкретное описание различных вариантов осуществления будет воспроизведено посредством ссылки на сопровождающие чертежи. При условии того, что эти чер- 1 041589 тежи изображают только типичные варианты осуществления изобретения и поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения, варианты осуществления будут описаны и объяснены с помощью дополнительной специфики и подробностей посредством использования прилагаемых чертежей, на которых:In order to describe the manner in which the above and other advantages and features can be obtained, a more specific description of the various embodiments will be reproduced by reference to the accompanying drawings. Provided that these drawings depict only exemplary embodiments of the invention and are therefore not to be construed as limiting the scope of the invention, the embodiments will be described and explained in further specificity and detail through the use of the accompanying drawings, in which:
фиг. 1А изображает модули для последовательности генерации солнечной энергии, чтобы иллюстрировать и разъяснять упоминаемые термины извлечение энергии, подготовка, согласование, DC/AC-преобразование и поставка АС-мощности;fig. 1A depicts modules for a solar power generation sequence to illustrate and clarify the referenced terms power extraction, preparation, matching, DC/AC conversion, and AC power supply;
фиг. 1В символически показывает синусоидально изменяющуюся по времени (колеблющуюся) последовательность АС-напряжения, представляющую АС-сигнал (выходной сигнал DC/ACпреобразователя), который посылается по конкретным силовым линиям электроэнергетической системы;fig. 1B symbolically shows a sinusoidally time-varying (oscillating) AC voltage sequence representing an AC signal (DC/AC converter output signal) that is sent over specific power lines of an electric power system;
фиг. 2А показывает типовую схему повышающего DC/DC-преобразователя, который является примером упоминаемого однофазного устройства извлечения/подготовки (согласования) энергии;fig. 2A shows a typical circuit of a DC/DC boost converter, which is an example of the mentioned single-phase power extraction/preparation (matching) device;
фиг. 2В показывает типовую схему понижающего DC/DC-преобразователя, который является примером упоминаемого однофазного устройства извлечения /преобразования энергии;fig. 2B shows a typical circuit of a DC/DC buck converter, which is an example of the mentioned single-phase power extraction/conversion device;
фиг. 2С показывает мостовую структуру переключателей, которые управляют полярностью выходного сигнала понижающего DC/DC-преобразователя; таким образом создавая результирующую выходную последовательность АС-напряжения, которая изображена на фиг. 1В;fig. 2C shows the bridge structure of the switches that control the output polarity of the DC/DC buck converter; thus producing the resulting AC voltage output sequence as shown in FIG. 1B;
фиг. 2D символически изображает пульсирующую синусоидальную последовательность АСмощности для выходной мощности DC/AC-инвертора, которая посылается в мостовую схему переключателей;fig. 2D symbolically depicts a pulsating AC power sine wave for the DC/AC inverter output power that is sent to the switch bridge;
фиг. 2Е символически изображает импульс DC-энергии, который должен быть согласован посредством понижающего преобразователя в одном PWM-цикле; который описывается как 3 области: областьI, представляющая извлеченную энергию, и область-II и область-Ш, представляющие область излишней энергии;fig. 2E symbolically depicts a DC energy pulse to be matched by a buck converter in one PWM cycle; which is described as 3 regions: region I representing extracted energy, and region-II and region-III representing excess energy region;
фиг. 3А показывает схемы соответствующих устройств извлечения энергии для традиционного 3фазного DC/AC-преобразователя;fig. 3A shows diagrams of suitable power extraction devices for a conventional 3-phase DC/AC converter;
фиг. 3В символически изображает входную DC-мощность в одном PWM-периоде;fig. 3B symbolically depicts DC input power in one PWM cycle;
фиг. 3C символически представляет энергию, одновременно извлеченную в одном PWM-цикле посредством 3 устройств извлечения энергии на фиг. 3;fig. 3C symbolically represents the energy simultaneously extracted in one PWM cycle by the 3 energy extraction devices in FIG. 3;
фиг. 4 символически изображает конфигурацию, в которой источник питания подает DC-мощность Pmx, которая поддерживает два идентичных 3-фазных DC/AC-преобразователя с заявленной номинальной мощностью Pmx, но без MEUPT-устройства;fig. 4 symbolically depicts a configuration in which a power supply supplies DC power P mx that supports two identical 3-phase DC/AC converters of advertised power rating P mx , but without a MEUPT device;
фиг. 5А показывает 3 схемы для извлечения энергии А-фазы, извлечения энергии В-фазы и извлечения энергии С-фазы MEUPT-инвертора;fig. 5A shows 3 circuits for extracting A-phase energy, extracting B-phase energy, and extracting C-phase energy of a MEUPT inverter;
фиг. 5В символически изображает временную последовательность в извлечениях энергии А-фазы, В-фазы и С-фазы, отрегулированных посредством последовательного регулятора на фиг. 5А;fig. 5B symbolically depicts the time sequence in the A-phase, B-phase, and C-phase energy extractions adjusted by the sequential controller of FIG. 5A;
фиг. 6А иллюстрирует блок-схему электростанции в эксперименте, в котором существуют два блока производства АС-мощности, настроенных традиционно с измерителями мощности и энергии, чтобы измерять АС-выходную мощность каждого блока; и фиг. 6В иллюстрирует блок-схему электростанции на фиг. 6А после модификации, чтобы включать в нее развязывающие устройства и энергетический резервуар, и которая была использована, чтобы подтверждать улучшенный вывод энергии в сеть.fig. 6A illustrates a block diagram of a power plant in an experiment in which there are two AC power generation units conventionally configured with power and energy meters to measure the AC output of each unit; and fig. 6B illustrates a block diagram of the power plant of FIG. 6A after modification to include decouplers and an energy reservoir, and which has been used to confirm improved power output to the grid.
Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention
По сути, 3-фазный DC/AC-преобразователь состоит из 3 наборов однофазных DC/ACпреобразователей, выполняющих функции извлечения и преобразования, поставки аналогичной усредненной по времени АС-мощности в 3 пары силовых линий; со сдвигом фаз 120°. Следовательно, для понимания 3-фазного DC/AC-преобразователя следует иметь хорошее понимание однофазного DC/ACпреобразователя; особенно в рассматриваемом предмете изучения, извлечении энергии. Термины силовые линии и силовой кабель являются взаимозаменяемыми в области техники и взаимозаменяемыми в данном документе, пока не указывается иное.Essentially, a 3-phase DC/AC converter consists of 3 sets of single-phase DC/AC converters that perform the functions of extracting and converting, supplying the same time-averaged AC power to 3 pairs of power lines; with a phase shift of 120°. Therefore, to understand the 3-phase DC/AC converter, one should have a good understanding of the single-phase DC/AC converter; especially in the subject under consideration, the extraction of energy. The terms power lines and power cable are used interchangeably in the art and are used interchangeably in this document unless otherwise noted.
Патентные публикации US2016/0036232 и US2017/0149250 А1 описывают открытие, что традиционные однофазные преобразователи могут лишь извлекать и преобразовывать менее половины входной мощности постоянного тока (DC). Эти патентные публикации учат, что для того чтобы эффективно извлекать произведенное DC-электричество для использования энергии, характеристики устройства извлечения энергии должны соответствовать эффективному и продуктивному извлечению произведенной DCэлектроэнергии.Patent publications US2016/0036232 and US2017/0149250 A1 describe the discovery that traditional single-phase converters can only extract and convert less than half of the direct current (DC) input power. These patent publications teach that in order to efficiently extract DC generated electricity for energy use, the characteristics of the power extraction device must match the efficient and productive extraction of DC generated electricity.
Кроме того, эти патентные публикации учат, что связанные устройства также должны соответствовать условию и/или доставке извлеченного электричества для эффективного использования энергии. Вместо использования устройства отслеживания точки максимальной мощности (МРРТ) в качестве оптимизатора для солнечных электростанций, упомянутые публикации предложили использовать устройство отслеживания точки максимального использования энергии (maximum energy utilization point tracker) в качестве оптимизатора для электростанций; особенно PV-электростанций. Такой оптимизаторIn addition, these patent publications teach that related devices must also match the condition and/or delivery of the extracted electricity in order to use energy efficiently. Instead of using a maximum energy utilization point tracker (MPPT) as an optimizer for solar power plants, these publications have suggested using a maximum energy utilization point tracker as an optimizer for power plants; especially PV power plants. Such an optimizer
- 2 041589 будет называться MEUPT-оптимизатором в данном документе.- 2 041589 will be referred to as the MEUPT optimizer in this document.
В соответствии со справочными патентными публикациями, MEUPT-оптимизатор предназначается для захвата того, что они называют излишней энергией или излишней мощностью, которую они определяют как электроэнергию (или мощность соответственно), которая производится, но не извлекается и/или не доставляется в электросеть для использования. Это определение излишней энергии (или излишней мощности) также используется в данном документе. Эта излишняя мощность имеет сдвиг фазы примерно 90° от электросети, так что излишняя мощность не может быть непосредственно отправлена в электросеть. MEUPT-оптимизатор также предназначается, чтобы временно хранить всю захваченную излишнюю энергию в резервуаре энергии; и затем подготавливать и доставлять эту электроэнергию в электросеть для использования. Таким образом, доход от сбыта электричества для PV-электростанции может быть улучшен, когда в нее включен MEUPT-оптимизатор.According to patent reference publications, the MEUPT optimizer is meant to capture what they call surplus energy or surplus power, which they define as electricity (or power, respectively) that is produced but not extracted and/or delivered to the grid for use. . This definition of excess energy (or excess power) is also used in this document. This excess power has a phase shift of approximately 90° from the mains so that the excess power cannot be sent directly to the mains. The MEUPT optimizer is also meant to temporarily store all captured excess energy in an energy reservoir; and then prepare and deliver this electricity to the grid for use. Thus, the electricity sales revenue for a PV power plant can be improved when the MEUPT optimizer is included in it.
Некоторые специальные знания могут быть применены в извлечении DC-энергии, в подготовке энергии, в согласовании энергии и в доставке энергии. Принципы, описанные в данном документе, могут быть использованы независимо от источника DC-энергии. Тем не менее, это изобретение использует последовательность элементов для генерации солнечной энергии в качестве примера источника DCэнергии, чтобы иллюстрировать и разъяснять термины извлечение энергии, подготовка, согласование и доставка, упоминаемые в данном документе, т.е. принципы, описанные в данном документе, не ограничиваются извлечением, подготовкой, согласованием и доставкой в контексте солнечной энергии. Хотя они имеют различное физическое значение, термины энергия и мощность являются взаимозаменяемыми в области техники и взаимозаменяемыми в данном документе, пока не указано иное. Также, хотя они имеют различное физическое значение, термины последовательность АС-мощности и последовательность АС-напряжения являются взаимозаменяемыми в данном документе, пока не указано иное.Some specialized knowledge can be applied in DC power extraction, power preparation, power matching and power delivery. The principles described in this document can be used regardless of the source of DC power. However, this invention uses a sequence of elements for generating solar power as an example of a DC power source to illustrate and clarify the terms power extraction, preparation, matching and delivery referred to in this document, i.e. The principles described in this document are not limited to extraction, preparation, matching and delivery in the context of solar energy. Although they have different physical meanings, the terms energy and power are used interchangeably in the art and are used interchangeably herein unless otherwise noted. Also, although they have different physical meanings, the terms AC power sequence and AC voltage sequence are used interchangeably in this document unless otherwise indicated.
Фиг. 1A показывает компоненты последовательности 10 для генерации солнечной энергии. Последовательность начинается в устройстве 101 фотоэлектрического преобразования энергии (последовательности PV-солнечных панелей), которое генерирует электроэнергию из световой энергии (например, солнечной энергии) в качестве первичного источника энергии. Эта электрическая энергия имеет изменяющееся по времени напряжение, которое зависит от облачности, угла солнца, эффективности PVэлементов и множества других факторов. Электрическая энергия затем подготавливается и согласуется посредством повышающего DC/DC-преобразователя 201 в источник DC-энергии с фиксированным напряжением. При добавлении контроллера 224 переключения полярности модуль 223 DC/ACпреобразования преобразует подготовленную DC-мощность фиксированного напряжения в синусоидальную изменяющуюся по времени (колеблющуюся) последовательность АС-напряжения, изображенную на фиг. 1В.Fig. 1A shows the components of a sequence 10 for generating solar power. The sequence starts at the photovoltaic power conversion device (PV solar panel sequence) 101, which generates electricity from light energy (eg, solar energy) as a primary energy source. This electrical energy has a time-varying voltage that depends on cloudiness, the angle of the sun, the efficiency of the PV cells, and many other factors. The electrical power is then prepared and matched by the DC/DC boost converter 201 to a fixed voltage DC power source. By adding the polarity reversal controller 224, the DC/AC conversion module 223 converts the fixed voltage prepared DC power into the sinusoidal time-varying (oscillating) AC voltage sequence shown in FIG. 1B.
В качестве примера, модуль 223 DC/AC-преобразования может быть понижающим модулем, который управляется посредством широтно-импульсного модулятора (PWM). Понижающий модуль, работающий таким образом, будет также называться DC/AC-преобразователем. Фиг. 2С иллюстрирует пример мостовой структуры 224, которая называется транзистором с интегральным мостовым затвором (IBGT) в области техники, а также в данном документе. Как показано, мостовая структура 224 состоит из набора из 4 переключателей (S1, S2, S3 и S4), которые управляют синхронностью и полярностью последовательности выходного АС-напряжения этого DC/AC-преобразователя. Здесь, НАГРУЗКА представляет нагрузку, обращенную к трансформатору 225 от мостовой структуры 224. Сочетание устройств 201 и 223 может называться PWM-устройством извлечения в данном документе.As an example, the DC/AC conversion module 223 may be a buck module that is controlled by a pulse width modulator (PWM). A step-down module operating in this way would also be referred to as a DC/AC converter. Fig. 2C illustrates an example of a bridge structure 224, which is referred to as an integral bridge gate transistor (IBGT) in the art and also herein. As shown, bridge structure 224 consists of a set of 4 switches (S1, S2, S3 and S4) that control the synchronism and polarity of the AC output voltage sequence of this DC/AC converter. Here, LOAD represents the load facing transformer 225 from bridge structure 224. The combination of devices 201 and 223 may be referred to as a PWM extractor in this document.
Последовательность мощности АС-напряжения, создаваемая посредством мостовой структуры 224, соответствует условиям электросети. Последовательность АС-мощности затем подается через трансформатор 225, чтобы доставлять мощность в сеть 300, которая соединяется с нагрузкой сети. Фиг. 2А показывает пример типичного проекта схемы повышающего DC/DC-преобразователя 201, который может регулировать источник DC-энергии изменяющегося напряжения в DC-источник фиксированного напряжения. Фиг. 2В показывает пример схемного решения типичного, управляемого с помощью PWM понижающего модуля для однофазного DC/AC-инвертора 223, чтобы преобразовывать DC-источник фиксированного напряжения в синусоидальную последовательность АС-мощности. Мостовая структура 224 переключателей (показана на фиг. 2С) управляет полярностью и синхронностью выходного сигнала этого однофазного DC/AC-преобразователя 223. Однофазный DC/AC-преобразователь 223 (или PWMустройство извлечения при объединении повышающего DC/DC-преобразователя 201 и однофазного DC/AC-преобразователя 223) может также действовать в качестве модуля извлечения/преобразования энергии в традиционном однофазном модуле инвертирования традиционного 3-фазного DC/ACпреобразователя, который состоит из 3 однофазных инверторов.The AC voltage power sequence generated by the bridge structure 224 corresponds to the power grid conditions. The AC power sequence is then fed through transformer 225 to deliver power to grid 300 which is connected to the grid load. Fig. 2A shows an exemplary circuit design of a DC/DC boost converter 201 that can regulate a variable voltage DC power source to a fixed voltage DC source. Fig. 2B shows an exemplary circuit design of a typical PWM controlled step-down module for a single-phase DC/AC inverter 223 to convert a fixed voltage DC source into a sinusoidal AC power train. A switch bridge structure 224 (shown in FIG. 2C) controls the polarity and timing of the output of this single-phase DC/AC converter 223. AC converter 223) can also act as a power extraction/conversion module in a traditional single-phase inverting module of a traditional 3-phase DC/AC converter, which consists of 3 single-phase inverters.
Раздел 1. Обзор традиционного DC/AC-преобразования.Section 1. An overview of traditional DC/AC conversion.
В целом, напряжение в точке производства максимальной мощности (MPPPV) в практической последовательности солнечных панелей является переменным по времени и меньшим по сравнению с проектным пиковым напряжением электросети АС. Повышающее напряжение устройство извлечения энергии является необходимым в PV-станциях для извлечения и подготовки энергии. Повышающее напряже- 3 041589 ние устройство извлечения энергии регулирует изменяющийся по времени DC-источник низкого напряжения в источник DC-энергии фиксированного высокого напряжения.In general, the voltage at the point of production of maximum power (MPPPV) in a practical sequence of solar panels is time-varying and less than the design peak voltage of the AC power grid. The step-up energy recovery device is essential in PV stations for energy recovery and preparation. The booster voltage 3 041589 power recovery device regulates a time-varying low voltage DC source into a fixed high voltage DC power source.
Фиг. 2А изображает схему устройства повышения напряжения повышающего DC/DC-модуля 201, который состоит из дросселя L; управляемого переключателя Q, регулируемого посредством регулятора FCDFA продолжительности включения с управлением по обратной связи (не показан); диода D; и конденсатора С. Переключатель Q переключается с высокой частотой (типично около 18 кГц в коммерческих изделиях) с регулируемой продолжительностью включения. Регулятор продолжительности включения с управлением по обратной связи (FCDFA) регулирует регулируемую продолжительность включения так, что этот повышающий DC/DC-модуль 201 производит практически постоянное выходное DCнапряжение (v0). Другими словами, этот повышающий DC/DC-модуль 201 модифицирует источник DCэнергии с изменяющимся по времени напряжением в источник энергии, имеющий фиксированное DCнапряжение v0 (типично, v0=vpk, где vpk является пиковым напряжением АС-сети), которое подходит для следующего устройства в последовательности (а именно, модуля 223 DC/AC-преобразования в случае на фиг. 1А). Этот следующий модуль DC/AC-преобразования преобразует DC-мощность с указанным пиковым напряжением в АС-мощность в форме синусоидальной последовательности мощности, которая соответствует условиям электросети.Fig. 2A is a circuit diagram of a voltage boosting device of the DC/DC boost module 201, which is composed of a choke L; a controlled switch Q controlled by a closed-loop duty cycle controller FCDFA (not shown); diode D; and capacitor C. Switch Q switches at a high frequency (typically about 18 kHz in commercial products) with an adjustable duty cycle. A closed-loop duty cycle controller (FCDFA) controls the adjustable duty cycle so that this DC/DC boost module 201 produces a nearly constant DC output voltage (v 0 ). In other words, this DC/DC boost module 201 modifies a time-varying voltage DC power source into a power source having a fixed DC voltage v 0 (typically, v 0 =v pk , where v pk is the AC mains peak voltage), which is suitable for the next device in the sequence (namely, the DC/AC conversion unit 223 in the case of FIG. 1A). This next DC/AC conversion module converts the DC power with the specified peak voltage into AC power in the form of a sinusoidal power sequence that suits the grid conditions.
В течение периода, в котором переключатель Q является включенным, предназначенный дроссель L извлекает энергию от входного блока (в случае на фиг. 1А, последовательностей 101 PV-солнечных панелей). В частности, дроссель L заряжается входной мощностью в течение периода времени, указанного посредством управляемого по обратной связи продолжительности включения PWM-переключателя. Эта зарядка происходит, подгоняя напряжение vsw на клеммах переключателя Q вверх по направлению к входному напряжению vin до тех пор, пока напряжение vsw на клеммах переключателя не достигнет правильного значения. В течение периода, в котором переключатель Q является выключенным, ток протекает от дросселя L через диод D, чтобы заряжать предназначенный конденсатор С, таким образом, создавая установившееся напряжение, равное желаемому выходному напряжению (в случае соединения с сетью, v=v0=vpk). С помощью управления по обратной связи для регулировки продолжительности включения для периода включения-выключения переключателя Q правильно рассчитанной фиксированной PWMчастоты можно повышать выходное напряжение от vin до проектного пикового напряжения электросети AC, v0=vpk. Таким образом, эта повышающая напряжение схема может создавать пиковое напряжение, подходящее для вывода в следующий модуль DC/AC-преобразования. Изображенная выше схема называется повышающим DC/DC-преобразователем или повышающим преобразователем в области техники.During the period in which switch Q is on, dedicated inductor L draws power from the input unit (in the case of FIG. 1A, PV solar panel strings 101). In particular, the inductor L is charged with input power for a period of time indicated by the feedback-controlled on duration of the PWM switch. This charging takes place by pushing the voltage v sw at the terminals of switch Q up towards the input voltage v in until the voltage v sw at the terminals of the switch reaches the correct value. During the period in which switch Q is off, current flows from inductor L through diode D to charge the destined capacitor C, thus producing a steady voltage equal to the desired output voltage (in the case of mains connection, v=v 0 =v pk ). By using feedback control to adjust the on-duration for the on-off period of the switch Q of a correctly calculated fixed PWM frequency, the output voltage can be increased from v in to the design peak voltage of the AC mains, v 0 =v pk . Thus, this voltage step-up circuit can generate a peak voltage suitable for output to the next DC/AC conversion module. The above circuit is called DC/DC boost converter or boost converter in the technical field.
Как описано выше, повышающий преобразователь предназначается, чтобы модифицировать DCисточник с изменяющимся по времени напряжением (например, PV-последовательности) в DC-источник, имеющий практически постоянное напряжение, которое может быть равно пиковому напряжению электросети АС. Отметим, что для того чтобы предотвращать ослабление пикового напряжения питания в одном АС-цикле при обычной работе, достаточная емкость проектируется для конденсатора С повышающей схемы, изображенной на фиг. 2А, т.е. этот конденсатор С существует для поддержания напряжения практически постоянным в течение одного АС-цикла. Конденсатор, который выполняет эту описанную функцию, часто называется конденсатором DC-звена в области техники. Условия электросети допускают очень небольшое изменение напряжения на концах DC-звена. Следовательно, конденсатор DC-звена не предназначается для хранения большой излишней энергии, так как это потребует огромного (и, таким образом, дорогостоящего) конденсатора для того, чтобы оставаться в пределах максимального допустимого изменения напряжения электросети АС.As described above, the boost converter is intended to modify a time-varying voltage DC source (eg, PV sequences) into a DC source having a nearly constant voltage that can be equal to the AC mains peak voltage. Note that in order to prevent the peak supply voltage from being attenuated in one AC cycle during normal operation, sufficient capacitance is designed for capacitor C of the boost circuit shown in FIG. 2A, i.e. this capacitor C exists to keep the voltage nearly constant for one AC cycle. A capacitor that performs this described function is often referred to as a DC link capacitor in the art. Mains conditions allow very little voltage variation at the ends of the DC link. Therefore, the DC link capacitor is not intended to store large amounts of excess energy, as this would require a huge (and thus expensive) capacitor to stay within the maximum allowable AC mains voltage variation.
Фиг. 2В изображает типичный модуль 223 DC/AC-преобразования, который состоит из дросселя LL, управляемого переключателя QQ, регулируемого посредством регулятора DFA продолжительности включения, диода DD и конденсатора СС DC-звена.Fig. 2B shows a typical DC/AC conversion module 223 which consists of a choke LL, a controlled switch QQ controlled by a duty cycle regulator DFA, a diode DD, and a DC link capacitor CC.
Переключатель QQ переключается с высокой частотой (типично около 18 кГц в коммерческих изделиях) с регулируемой продолжительностью включения. Переключатель QQ (который часто называется PWM-переключателем) регулируется по сигналу широтно-импульсного модулятора (PWM). Продолжительность включения этого PWM-переключателя регулируется посредством регулятора DFA продолжительности включения, так что произведенная последовательность АС-мощности этого модуля 223 преобразования соответствует условиям электросети. Изображенный модуль 223 DC/AC-преобразования называется понижающим преобразователем в области техники. Понижающий преобразователь 223, ассоциированный с DFA, может преобразовывать источник DC-энергии с точно указанным пиковым напряжением в синусоидальную последовательность АС-мощности. Эта пульсирующая последовательность АС-мощности посылается через мостовую структуру переключателей, изображенную на фиг. 2С (которая является примером контроллера 224 полярности/синхронности на фиг. 1А); и затем через трансформатор (например, трансформатор 225 на фиг. 1А) и в сеть (например, сеть 300 на фиг. 1А). Как описано, мостовая структура переключателей действует в качестве контроллера полярности и синхронности.The QQ switch switches at a high frequency (typically around 18 kHz in commercial products) with adjustable duty cycle. The QQ switch (often referred to as a PWM switch) is controlled by a pulse-width modulator (PWM) signal. The on duration of this PWM switch is controlled by the on duration controller DFA so that the AC power sequence produced by this conversion module 223 matches the power grid conditions. The depicted DC/AC conversion module 223 is called a buck converter in the art. A buck converter 223 associated with the DFA can convert a DC power source with a precisely specified peak voltage into a sinusoidal AC power sequence. This pulsed AC power train is sent through the switch bridge structure shown in FIG. 2C (which is an example of the polarity/timing controller 224 in FIG. 1A); and then through a transformer (eg, transformer 225 in FIG. 1A) and into a network (eg, network 300 in FIG. 1A). As described, the bridge structure of the switches acts as a polarity and timing controller.
Как изображено на фиг. 2С, когда переключатели S1 и S2, оба являются включенными, а переклю- 4 041589 чатели S3 и S4 являются выключенными, положительное напряжение прикладывается на концах нагрузки. Наоборот, когда переключатели S3 и S4 являются включенными, а переключатели S1 и S2 являются выключенными, отрицательное напряжение прикладывается на концах нагрузки. Когда это переключение управляется посредством синхронизирующего регулятора (не показан на фиг. 2С), это определяет положительные/отрицательные переходы напряжения (или пересечение нулевого напряжения) в электросети, эта мостовая структура 224 (объединенная с регулятором DFA продолжительности включения) может эффективно управлять выходной полярностью и синхронностью однофазного DC/ACпреобразователя.As shown in FIG. 2C, when switches S1 and S2 are both on and switches S3 and S4 are both off, a positive voltage is applied at the ends of the load. Conversely, when switches S3 and S4 are on and switches S1 and S2 are off, a negative voltage is applied at the ends of the load. When this switching is controlled by a synchronizing regulator (not shown in FIG. 2C), this detects positive/negative voltage transitions (or zero voltage crossings) in the mains, this bridge structure 224 (combined with the duty cycle regulator DFA) can effectively control the output polarity and synchronism of a single-phase DC/AC converter.
Синхронный регулятор может своевременно регулировать изменяющуюся по времени корректировку продолжительности включения PWM; так что чистая синусоидальная форма волны мощности создается, которая представляется как cos2(ωt+θ), с требуемой угловой АС-частотой ω, с требуемым пиковым АС-напряжением vpk и с ее фазой θ, синхронной с соответствующей силовой линией сети. При объединении с DC-входным сигналом с фиксированным напряжением и с паразитной индуктивностью и паразитной емкостью в сети, дроссель LL и конденсатор СС могут быть уменьшены или даже опущены на практике. В области техники термины преобразователь и инвертор (и для этого предмета изучения преобразование и инверсия) являются взаимозаменяемыми и, таким образом, являются взаимозаменяемыми в данном документе.The synchronous controller can timely adjust the time-varying adjustment of the PWM duty cycle; so that a pure sinusoidal power waveform is created, which is represented as cos 2 (ωt+θ), with the desired AC corner frequency ω, with the desired peak AC voltage v pk and with its phase θ synchronous with the corresponding mains power line. When combined with a fixed voltage DC input with parasitic inductance and parasitic capacitance in the network, the inductor LL and capacitor CC can be reduced or even omitted in practice. In the technical field, the terms converter and inverter (and for this subject matter, transformation and inversion) are used interchangeably, and thus are used interchangeably in this document.
Регулятор DFA продолжительности включения регулирует продолжительность включения как функцию времени в соответствии с проектом, чтобы включать/выключать переключатель QQ понижающего преобразователя. Таким образом, с правильно спроектированной схемой и подготовленным пиковым напряжением, этот модуль преобразования может создавать желаемое значение выходного напряжения, форму мощности, частоту и фазу, которая соответствует требованию проекта, включающему в себя требование условий электросети АС, и фазу соответствующей силовой линии сети. В случае соединенного с сетью блока, АС-синхронный регулятор (типично встроенный в DC/AC-преобразователь) применяется, чтобы выполнять дрейф выходной величины подготовленной АС-мощности вместе с электросетью в случае, когда пиковое напряжение электросети дрейфует, и/или в случае, когда частота электросети дрейфует. Такой созданный сигнал АС-мощности (не напряжения) изображается на фиг. 2Е. Другими словами, с помощью PWM-устройства извлечения энергии, описанного выше, однофазный DC/ACпреобразователь может извлекать и преобразовывать DC-электроэнергию от источника DC-энергии фиксированного напряжения в АС-мощность, которая соответствует условиям электросети.The duty cycle controller DFA regulates the duty cycle as a function of time according to the design to turn on/off the switch QQ of the buck converter. Thus, with a properly designed circuit and a prepared peak voltage, this conversion module can produce the desired output voltage value, power waveform, frequency and phase that meets the design requirement, including the requirement of AC power grid conditions, and the phase of the corresponding mains power line. In the case of a grid-connected unit, an AC-synchronous regulator (typically built into the DC/AC converter) is used to drift the output value of the prepared AC power along with the mains in the event that the peak voltage of the mains drifts and/or in the event that when the mains frequency drifts. Such a generated AC power (not voltage) signal is shown in FIG. 2E. In other words, with the PWM power extraction device described above, the single-phase DC/AC converter can extract and convert DC power from a fixed voltage DC power source into AC power that meets the power grid conditions.
Очень важно отметить, что выходная мощность P(t) вышеупомянутого однофазного инвертора изменяется со временем в форме cos2(ωt+θ). Таким образом, в течение конкретного периода времени, энергия, доставляемая по силовой линии электросети, равна сумме ее изменяющейся по времени последовательности выходной мощности в течение этого периода. Результирующее интегральное значение равно только половине интегрирования постоянной DC-мощности источника энергии в течение того же периода времени. Другими словами, вышеописанный традиционный однофазный инвертор может лишь извлекать и преобразовывать самое большее лишь половину энергии, предоставляемой посредством источника DC-энергии. Оставшаяся и неиспользованная энергия, таким образом, равна более половины доступной входной энергии. Это оставшееся количество способствует большей части излишней энергии, описанной в вышеупомянутых патентных публикациях.It is very important to note that the output power P(t) of the above single-phase inverter changes with time in the form of cos 2 (ωt+θ). Thus, during a particular period of time, the energy delivered by the mains power line is equal to the sum of its time-varying sequence of output power during that period. The resulting integral value is only half the integration of the constant DC power of the power source over the same period of time. In other words, the above-described conventional single-phase inverter can only extract and convert at most only half of the power provided by the DC power source. The remaining and unused energy is thus equal to more than half of the available input energy. This remaining amount contributes to much of the excess energy described in the aforementioned patent publications.
В целях последующего анализа, предположим, что источник DC-энергии имеет постоянную мощность Pmx в периоде из нескольких циклов АС-мощности. Фиг. 2Е изображает извлеченный импульс DCэнергии в одном PWM-цикле (имеющем период D). Как будет продемонстрировано, извлеченная DCмощность Px меньше или равна DC-мощности Pmx. Продолжительность включения d(t)/D в этом PWMцикле регулируется до значения, равного d(t)/D=cos2(ωt+θ), так что произведенная мощность практически равна Pxcos2((ωt+θ), что соответствует условиям электросети, и где θ является фазой соответствующей силовой линии сети. Фиг. 2Е (в частности, нижняя половина на фиг. 2Е) также изображает пространство мощность-время (называемое пространством энергии) с временным интервалом D в качестве одного PWM-периода; с входной DC-мощностью, равной Pmx; и с извлеченной мощностью, равной Px.For the purposes of the following analysis, let us assume that the DC power source has a constant power P mx over a period of several AC power cycles. Fig. 2E shows the extracted DC energy pulse in one PWM cycle (having a period D). As will be demonstrated, the extracted DC power P x is less than or equal to the DC power P mx . The duty cycle d(t)/D in this PWM cycle is adjusted to a value equal to d(t)/D=cos 2 (ωt+θ), so that the power produced is almost equal to Pxcos 2 ((ωt+θ), which corresponds to the grid conditions , and where θ is the phase of the corresponding field line of the network Fig. 2E (in particular, the lower half of Fig. 2E) also depicts a power-time space (called energy space) with time interval D as one PWM period; - power equal to Pmx and with extracted power equal to P x .
Как изображено на фиг. 2Е, это пространство энергии делится на 3 области. Область-I представляет извлеченный импульс DC-энергии с извлеченной мощностью Px; и с продолжительностью времени Dcos2(ωt+θ), которая преобразуется в однофазную АС-мощность P(t)=Pxcos2(ωt+θ) в произвольное время t, которое соответствует времени PWM-извлечения. Область-I также называется зоной извлеченной энергии или областью извлеченной энергии. Зона между мощностью Pmx источника энергии и мощностью Px является областью-Ш. Область-II является зоной после зоны извлеченной энергии в PWMпериоде D. Объединенная зона областей-II и -III представляет зону излишней энергии в этом пространстве энергии. Энергия в зоне (области) излишней энергии не извлекается, не преобразуется в АС-мощность и, таким образом, не используется обычным способом. Вместо этого, эта излишняя энергия в конечном счете поглощается как тепло.As shown in FIG. 2E, this space of energy is divided into 3 regions. Region-I represents the extracted DC energy pulse with the extracted power P x ; and with a duration of time Dcos 2 (ωt+θ), which is converted into single-phase AC power P(t)=Pxcos 2 (ωt+θ) at an arbitrary time t, which corresponds to the PWM extraction time. Area-I is also called the extracted energy zone or the extracted energy area. The zone between the power Pmx of the power source and the power P x is the region-W. Region-II is the zone after the extracted energy zone in PWM period D. The combined zone of regions-II and -III represents the excess energy zone in this energy space. The energy in the excess energy zone (area) is not extracted, converted into AC power, and thus not used in the usual way. Instead, this excess energy is eventually absorbed as heat.
Напомним, традиционный однофазный DC/AC-преобразователь применяет модуль повышения напряжения, чтобы модифицировать источник DC-мощности с изменяющимся по времени напряжением вRecall that the traditional single-phase DC/AC converter uses a voltage boost module to modify the DC power source with a time-varying voltage in
- 5 041589 источник DC-мощности практически с постоянным и точно определенным напряжением, таким как пиковое напряжение сети. Этот DC-источник служит в качестве входного DC-источника для PWMустройства извлечения, чтобы извлекать и преобразовывать входную DC-энергию с постоянным напряжением в пульсирующий сигнал DC-мощности. Когда продолжительность включения в одном PWMцикле регулируется посредством cos2(ωt+θ) во время t (где фаза θ является фазой соответствующей силовой линии электросети), форма выходной мощности соответствует условию АС-мощности. На высоком уровне пространство энергии каждого PWM-цикла состоит из двух областей - области извлеченной энергии (например, область-I на фиг. 2Е) и области излишней энергии (например, сочетание области-II и области-Ш на фиг. 2Е). Извлеченная энергия, таким образом, преобразуется в АС-мощность и предоставляется в соответствующую силовую линию электросети; в то время как излишняя энергия превращается в тепло, если не захватывается и не сохраняется в устройстве, таком как MEUPT-оптимизатор.- 5 041589 DC power source with a practically constant and precisely defined voltage, such as the mains peak voltage. This DC source serves as the DC input source for the PWM extractor to extract and convert DC input DC power into a pulsing DC power signal. When the duty cycle in one PWM cycle is controlled by cos 2 (ωt+θ) at time t (where the phase θ is the phase of the corresponding mains power line), the shape of the output power corresponds to the AC power condition. At a high level, the energy space of each PWM cycle consists of two regions, a extracted energy region (eg, region-I in FIG. 2E) and an excess energy region (eg, a combination of region-II and region-III in FIG. 2E). The extracted energy is thus converted into AC power and provided to the corresponding mains power line; while excess energy is converted into heat if not captured and stored in a device such as a MEUPT optimizer.
Как описано выше, справочные патентные публикации учат, что величина излишней энергии является, по меньшей мере, такой же большой, что и извлеченная энергия, когда интегрируется по нескольким АС-периодам времени. Другими словами, традиционный однофазный DC/AC-преобразователь может извлекать и преобразовывать самое большее лишь половину входной DC-энергии, т.е., когда используется традиционный однофазный DC/AC-преобразователь, по меньшей мере, половина входной DCэнергии станет излишней энергией; которая не извлекается, не преобразуется, не доставляется в электросеть, не используется нагрузкой; и, в конечном счете, превратится в тепло.As described above, reference patent publications teach that the amount of excess energy is at least as large as the extracted energy when integrated over multiple AC time periods. In other words, a conventional single-phase DC/AC converter can only extract and convert at most half of the input DC power, that is, when a conventional single-phase DC/AC converter is used, at least half of the input DC power will become waste power; which is not extracted, not converted, not delivered to the power grid, not used by the load; and eventually turn into heat.
Справочные патентные публикации также подчеркивают, что коренная причина неэффективного извлечения энергии однофазных DC/AC-преобразователей сохраняется в традиционных 3-фазных DC/AC-преобразователях. Причина состоит в том, что, по сути, 3-фазный DC/AC-преобразователь состоит из набора из 3 однофазных DC/AC-преобразователей, выполняющих функцию извлечения и преобразования, доставки одинаковой усредненной по времени АС-мощности в 3 пары силовых линий; со сдвигами фаз 120°.Reference patent publications also emphasize that the root cause of the inefficient power extraction of single-phase DC/AC converters remains in traditional 3-phase DC/AC converters. The reason is that, in essence, a 3-phase DC/AC converter consists of a set of 3 single-phase DC/AC converters that perform the function of extracting and converting, delivering the same time-averaged AC power to 3 pairs of power lines; with phase shifts of 120°.
Раздел 2. Извлечение энергии в традиционных 3-фазных инверторах.Section 2. Extraction of energy in traditional 3-phase inverters.
Существуют три однофазных DC/AC-преобразователя, встроенных в традиционный 3-фазный DC/AC-преобразователь. Каждый из трех однофазных DC/AC-преобразователей оборудуется одним PWM-устройством извлечения энергии. Три устройства извлечения энергии регулируются посредством одновременного регулятора, так что они работают с одинаковой частотой (которая называется PWMчастотой). Фиг. 3А изображает три схемы 301, 302 и 303 соответствующих PWM-устройств извлечения энергии. Каждая схема 301, 302 и 303 является такой же, что и однофазное устройство извлечения энергии, и использует такие же принципы работы, что и описанные выше. Однофазное устройство 301 извлечения энергии выводит АС-мощность А-фазы и имеет переключатель QA; однофазное устройство 302 извлечения энергии выводит АС-мощность В-фазы и имеет переключатель QB; и однофазное устройство 303 извлечения энергии выводит АС-мощность С-фазы и имеет переключатель QC. Одновременный регулятор 310 применяется, чтобы одновременно включать 3 переключателя QA, QB, QC в 3 устройствах извлечения энергии, чтобы начинать извлечение энергии в одно и то же время, с одинаковой частотой, но с различными продолжительностями включения.There are three single-phase DC/AC converters built into the traditional 3-phase DC/AC converter. Each of the three single-phase DC/AC converters is equipped with one PWM power extractor. The three power extracting devices are controlled by a simultaneous regulator so that they run at the same frequency (which is called the PWM frequency). Fig. 3A shows three diagrams 301, 302 and 303 of respective PWM power extraction devices. Each circuit 301, 302 and 303 is the same as a single-phase energy recovery device and uses the same operating principles as described above. The single-phase power extractor 301 outputs the AC power of the A-phase and has a switch Q A ; the single-phase power extraction device 302 outputs AC power of the B-phase and has a switch QB; and the single-phase power extractor 303 outputs C-phase AC power and has a switch Q C . Simultaneous regulator 310 is applied to simultaneously turn on 3 switches Q A , QB, Q C in 3 power extracting devices, so as to start energy extraction at the same time, with the same frequency, but with different on durations.
Предположим, что источник DC-энергии имеет постоянную входную DC-мощность Pmx в одном АС-цикле. Также, предположим, что является верным, что один PWM-период является небольшой долей всего АС-цикла. Фиг. 3В изображает входную DC-мощность в одном PWM-периоде. В одном PWMцикле энергия, извлеченная посредством 3 устройств извлечения энергии, символически представлена на фиг. 3С. Уровень извлеченной мощности указывается как Px на фиг. 3С, который ниже 1/3 входной DCмощности Pmx на фиг. 3В. Продолжительность включения в этом PWM-цикле для устройства извлечения энергии А-фазы регулируется до равной cos2(mt) (или sin2(mt)), так что извлеченная мощность равна Px-cos2(mt) (или Px-sin2(mt)), которая соответствует условию однофазной АС-мощности. Аналогично, продолжительность включения в этом PWM-цикле для устройства извлечения энергии В-фазы регулируется до равной cos2(mt + 120°) (или sin2(mt + 120°)), так что извлеченная мощность равна Px-cos2(mt + 120°) (или Px-sin2(mt + 120°)). Также, продолжительность включения в этом PWM-цикле для устройства извлечения энергии С-фазы регулируется до равной cos2(mt - 120°) (или sin2(mt - 120°)), так что извлеченная мощность равна Px-cos2(mt - 120°) (или Px-sin2(mt - 120°)). Также, сдвиг фаз 3-фазных выходных АСмощностей сохраняется равным 120° в соответствии с условиями 3-фазной электросети.Assume that the DC power source has a constant DC input power P mx in one AC cycle. Also, suppose it is true that one PWM period is a small fraction of the entire AC cycle. Fig. 3B depicts the DC input power in one PWM cycle. In one PWM cycle, the energy extracted by the 3 energy extraction devices is symbolically represented in FIG. 3C. The level of extracted power is indicated as P x in FIG. 3C which is below 1/3 of the DC input power P mx in FIG. 3B. The duty cycle in this PWM cycle for the A-phase energy extractor is adjusted to cos 2 (mt) (or sin 2 (mt)), so that the extracted power is Px-cos 2 (mt) (or Px-sin 2 ( mt)), which corresponds to the condition of single-phase AC power. Similarly, the duty cycle in this PWM cycle for the B-phase power extractor is adjusted to cos 2 (mt + 120°) (or sin 2 (mt + 120°)), so that the extracted power is Px-cos 2 (mt + 120°) (or Px-sin 2 (mt + 120°)). Also, the duty cycle in this PWM cycle for the C-phase power extractor is adjusted to cos 2 (mt - 120°) (or sin 2 (mt - 120°)), so that the extracted power is Px-cos 2 (mt - 120°) (or Px-sin 2 (mt - 120°)). Also, the phase shift of 3-phase AC output powers is kept at 120° according to 3-phase power grid conditions.
Отметим, что извлечения энергии типичного традиционного 3-фазного DC/AC-преобразователя (символически изображенного на фиг. 3C) перекрываются во временной области. Извлечение энергии, которое перекрывается во временной области, называется одновременным извлечением энергии в данном документе; и регулятор (показанный на фиг. 3А), который управляет одновременным извлечением энергии, называется одновременным регулятором в данном документе.Note that the energy extractions of a typical conventional 3-phase DC/AC converter (shown symbolically in FIG. 3C) overlap in the time domain. An energy extraction that overlaps in the time domain is referred to as a simultaneous energy extraction in this document; and a regulator (shown in FIG. 3A) that controls the simultaneous extraction of power is referred to as a simultaneous regulator herein.
Закон преобразования энергии (в сочетании с тем фактом, что характеристики источника электрической энергии могут динамически изменяться), будет диктовать, что сумма уровней трех извлечений мощности при одновременном извлечении мощности должна быть не более входного источника DCмощности Pmx; или Pmx > Px + Px + Px; или Px < (1/3)Pmx. Итоговая сумма традиционной 3-фазной выход- 6 041589 ной АС-мощности равна P(t)=Px (sin2(ωt) + sin2(ωt + 120°) + sin2(ωt - 120°)); или P(t)=Px (cos2(ωt) + cos2(ωt + 120°) + cos2(ωt - 120°)). Может быть показано, что (sin2(ωt) + sin2(ωt + 120°) + sin2(ωt - 120°))=(cos2(ωt) + cos2(ωt + 120°) + cos2(ωt - 120°))=3/2. Таким образом, P(t)=(3/2)Px < (3/2)-(1/3)Pmx=1/2 Pmx. Или вследствие практического применения одновременного извлечения энергии итоговая сумма традиционногоThe law of energy conversion (combined with the fact that the characteristics of the source of electrical energy can dynamically change) will dictate that the sum of the levels of three power extractions while extracting power should be no more than the input DC power source P mx ; or P mx > P x + P x + P x ; or P x < (1/3)P mx . The total sum of conventional 3-phase AC output power is P(t)=P x (sin 2 (ωt) + sin 2 (ωt + 120°) + sin 2 (ωt - 120°)); or P(t)=P x (cos 2 (ωt) + cos 2 (ωt + 120°) + cos 2 (ωt - 120°)). It can be shown that (sin 2 (ωt) + sin 2 (ωt + 120°) + sin 2 (ωt - 120°))=(cos 2 (ωt) + cos 2 (ωt + 120°) + cos 2 ( ωt - 120°))=3/2. Thus, P(t)=(3/2)P x < (3/2)-(1/3)P mx =1/2 P mx . Or due to the practical application of the simultaneous extraction of energy, the total amount of traditional
DC/AC-преобразователя не может быть более (1/2)Pmx, половины входной DC-мощности.DC/AC converter cannot be more than (1/2)P mx , half of the DC input power.
Другими словами, суммарная выходная АС-мощность традиционного 3-фазного DC/ACпреобразователя (применяющего одновременное извлечение энергии) не может быть более половины входной DC-мощности. Или, традиционный 3-фазный DC/AC-преобразователь может извлекать и преобразовывать лишь менее половины мощности, производимой в последовательностях фотоэлектрических (PV) солнечных панелей, когда преобразователь содержится в PV-электростанциях. И, по меньшей мере, половина произведенной с помощью PV DC-мощности становится излишней энергией, которая превращается в тепло в некоторый момент; если эта излишняя энергия не захватывается и не сохраняется в устройстве, таком как MEUPT-устройство.In other words, the total AC output power of a traditional 3-phase DC/AC converter (using simultaneous power extraction) cannot be more than half of the DC input power. Or, a traditional 3-phase DC/AC converter can only extract and convert less than half of the power produced in strings of photovoltaic (PV) solar panels when the converter is contained in PV power plants. And at least half of the DC power produced by PV becomes waste energy, which turns into heat at some point; unless this excess energy is captured and stored in a device such as a MEUPT device.
Напомним, по сути, традиционный 3-фазный DC/AC-преобразователь задействует три однофазных DC/AC-преобразователя, чтобы выполнять функции извлечения и преобразования в качестве однофазного DC/AC-преобразователя, доставки аналогично усредненной по времени АС-мощности в 3 или 4 пары силовых линий; со сдвигами фаз 120°. Другими словами, традиционный 3-фазный DC/ACпреобразователь является DC/AC-преобразователем, который задействует три однофазных DC/ACпреобразователя. Каждый однофазный DC/AC-преобразователь извлекает половину своей входной DCмощности (которая равна 1/3 входной DC-мощности); преобразует величину извлеченной DC-мощности в АС-мощность со сдвигом фаз 120°; и посылает три однофазных выходных сигнала АС-мощности в электросеть из 3 или 4 силовых проводов. Каждая силовая линия несет одну однофазную АС-мощность с одинаковой частотой (частотой АС-мощности), с одинаковой величиной усредненной по времени мощности; но со сдвигами фаз 120°. Термины силовые провода и силовые кабели являются взаимозаменяемыми в области техники и в данном документе.Recall, in fact, the traditional 3-phase DC/AC converter uses three single-phase DC/AC converters to perform the functions of extracting and converting as a single-phase DC/AC converter, delivering similar time-averaged AC power in 3 or 4 pairs of lines of force; with phase shifts of 120°. In other words, a traditional 3-phase DC/AC converter is a DC/AC converter that uses three single-phase DC/AC converters. Each single-phase DC/AC converter draws half of its DC input power (which is equal to 1/3 of its DC input power); converts the amount of extracted DC power into AC power with a phase shift of 120°; and sends three single-phase AC power outputs to a 3- or 4-wire power grid. Each power line carries one single-phase AC power with the same frequency (AC power frequency), with the same time-averaged power; but with phase shifts of 120°. The terms power wires and power cables are used interchangeably in the art and in this document.
В соответствии с полученным результатом, описанным в справочных патентных публикациях и снова подтвержденным в теоретических выводах выше, каждый однофазный преобразователь (в 3фазном DC/AC-преобразователе) извлекает и преобразует менее половины входной DC-мощности (которая меньше или равна 1/3 сгенерированной DC-мощности) в каждом однофазном выходном сигнале АСмощности. Следовательно, суммарный максимум (извлеченной и преобразованной) 3-фазной АСмощности, выводимой из любого традиционного 3-фазного DC/AC-преобразователя в какое-либо время, может быть равен самое большее лишь половине произведенной DC-мощности; т.е. P(t)=3-(1/2)-(1/3)Pmx=(1/2)Pmx.According to the result described in the reference patent publications and again confirmed in the theoretical findings above, each single-phase converter (in a 3-phase DC/AC converter) extracts and converts less than half of the DC input power (which is less than or equal to 1/3 of the generated DC -power) in each single-phase AC power output signal. Therefore, the total maximum (extracted and converted) 3-phase AC power output from any conventional 3-phase DC/AC converter at any time can be at most only half the DC power produced; those. P(t)=3-(1/2)-(1/3)Pmx=(1/2)Pmx.
Подчеркнем, вышеупомянутые теоретические выводы обнаруживают серьезное последствие, которое привносится посредством общепринятой практики проектирования для использования одновременного извлечения энергии в традиционной отрасли 3-фазных DC/AC-преобразователей. Эта общепринятая практика проектирования соблюдалась в отрасли 3-фазных DC/AC-преобразователей в течение долгого времени; даже без знания отрасли о существовании серьезного последствия. Эта практика одновременного извлечения энергии приводит в результате к серьезному последствию, которое обнаруживается в вышеприведенных теоретических выводах впервые. Это серьезное последствие является тем, что итоговая сумма 3 выходных АС-мощностей от традиционного 3-фазного DC/AC-преобразователя меньше половины входной DC-мощности. Эта обнаруженная общепринятая практика проектирования подтверждена как долговременная практика в отрасли природосберегающей возобновляемой электроэнергии; в частности, в отрасли PV-солнечной энергии.To emphasize, the above theoretical findings reveal a serious implication that is introduced through common design practice for the use of simultaneous power extraction in the traditional 3-phase DC/AC converter industry. This common design practice has been followed in the 3-phase DC/AC converter industry for a long time; even without the knowledge of the industry about the existence of a serious consequence. This practice of simultaneously extracting energy results in a serious consequence, which is revealed for the first time in the above theoretical conclusions. This serious consequence is that the total sum of the 3 AC output powers from a traditional 3-phase DC/AC converter is less than half the DC input power. This discovered common design practice has been validated as a long-term practice in the green renewable electricity industry; particularly in the PV-solar industry.
Перефразируя иначе, традиционная отрасль PV-солнечной энергии применяет на практике одновременное извлечение энергии. В свою очередь, закон преобразования энергии (в сочетании с тем фактом, что характеристики источника электроэнергии могут динамически изменяться) будет диктовать, что итоговая сумма трех уровней извлеченной мощности Px должна быть меньше трети источника PVсгенерированной DC-мощности Pmx (т.е. Px < (1/3)Pmx). Тогда может быть показано, что итоговая сумма традиционных 3-фазных выходных АС-мощностей равна P(t)=(3/2)Px; что равно (3/2)-(1/3)-Pmx < (1/2)Pmx или меньше половины PV-произведенной DC-мощности. Следовательно, по меньшей мере, половина PV-произведенной DC-мощности становится излишней мощностью при использовании традиционного 3-фазного DC/AC-преобразователя. Эта величина излишней энергии превращается в тепло в конечном счете; если эта излишняя энергия не захватывается и не сохраняется в устройстве, таком как MEUPTоптимизатор.To put it another way, the traditional PV-solar energy industry puts into practice the simultaneous extraction of energy. In turn, the law of energy conversion (combined with the fact that the characteristics of the electric power source can dynamically change) will dictate that the total sum of the three levels of extracted power P x must be less than a third of the source PV generated DC power P mx (i.e. P x < (1/3)P mx ). Then it can be shown that the total sum of conventional 3-phase AC output powers is P(t)=(3/2)P x ; which is equal to (3/2)-(1/3)-P mx < (1/2)P mx or less than half of the PV-produced DC power. Therefore, at least half of the PV-produced DC power becomes waste power when using a traditional 3-phase DC/AC converter. This amount of excess energy is eventually converted into heat; unless this excess energy is captured and stored in a device such as the MEUPT optimizer.
Как описано выше, по меньшей мере, половина входной DC-мощности может становиться излишней мощностью при использовании традиционного 3-фазного DC/AC-преобразователя. При наличии этой информации, раскрытой в данном документе, может быть следующий вопрос: Можно ли применять более одного дополнительного 3-фазного DC/AC-преобразователя для извлечения, преобразования излишней DC-энергии, чтобы предоставлять АС-мощность?. Ответ является отрицательным по причинам, описанным далее в данном документе.As described above, at least half of the DC input power can become wasted power when using a traditional 3-phase DC/AC converter. With this information disclosed in this document, the question may be: Can more than one additional 3-phase DC/AC converter be used to extract, convert excess DC energy to provide AC power?. The answer is no for the reasons described later in this document.
- 7 041589- 7 041589
Как изображено на фиг. 4, два идентичных набора 3-фазных DC/AC-преобразователей 4210 и 4220 (каждый заявленной номинальной мощностью Pmx) соединяются с PV-генератором 4110, предоставляющим источник Pmx DC-мощности без устройства (такого как MEUPT-оптимизатор) для захвата и сохранения излишней энергии. Закон преобразования энергии позволит каждому из двух параллельно соединенных DC/AC-преобразователей 4210 и 4220 потреблять лишь половину суммарной входной DCмощности с уровнем мощности Pmx (т.е. потреблять только 1/2 Pmx для каждого преобразователя в качестве входной мощности). Другими словами, каждый из двух идентичных 3-фазных DC/ACпреобразователей имеет входную DC-мощность, равную 1/2 Pmx.As shown in FIG. 4, two identical sets of 3-phase DC/AC converters 4210 and 4220 (each with advertised power rating P mx ) are connected to a 4110 PV generator providing a source of P mx DC power without a device (such as a MEUPT optimizer) to capture and save excess energy. The power conversion law will allow each of the two 4210 and 4220 DC/AC converters connected in parallel to consume only half of the total DC input power at the power level P mx (i.e. consume only 1/2 P mx for each converter as input power). In other words, each of two identical 3-phase DC/AC converters has a DC input power equal to 1/2 P mx .
Напомним, что 3 устройства извлечения энергии (в традиционном 3-фазном DC/ACпреобразователе) применяют на практике одновременное извлечение энергии. Как описано выше, каждый из 3-фазных DC/AC-преобразователей может преобразовывать лишь половину входной DCмощности, чтобы производить выходную АС-мощность; которая равна (1/2)-(1/2)-Pmx, или 1/4 Pmx. Суммарные выходные АС-мощности двух преобразователей равны 2-(1/4)Pmx; что все еще равно (1/2)Pmx. Аналогичный анализ может быть выполнен, чтобы делать то же заключение для случаев, которые либо обеспечиваются большей номинальной мощностью, либо снабжаются большим количеством DC/ACинверторов. Снова подчеркнем, одновременное извлечение энергии является коренной причиной, которая приводит в результате к тому, что более половины произведенной DC-мощности становится излишней энергией.Recall that 3 energy extraction devices (in a traditional 3-phase DC/AC converter) are used in practice to extract energy simultaneously. As described above, each of the 3-phase DC/AC converters can only convert half of the DC input power to produce AC output power; which is equal to (1/2)-(1/2)-P mx , or 1/4 P mx . The total output AC powers of the two converters are equal to 2-(1/4)P mx ; which is still (1/2)P mx . A similar analysis can be performed to reach the same conclusion for cases that are either supplied with a higher power rating or supplied with a large number of DC/AC inverters. Again, energy extraction is the root cause, which results in more than half of the DC power produced becoming waste energy.
Может быть следующий вопрос: можем ли мы выполнить эксперимент, чтобы определенно доказать, что половина произведенной солнцем мощности становится излишней энергией, когда извлекается посредством традиционного 3-фазного DC/AC-преобразователя? Следующий раздел описывает эксперимент, чтобы доказать, что, по меньшей мере, половина произведенной солнцем мощности становится излишней энергией, когда извлекается посредством традиционного 3-фазного DC/AC-преобразователя.The next question might be: can we perform an experiment to prove definitively that half of the power produced by the sun becomes waste energy when extracted through a traditional 3-phase DC/AC converter? The following section describes an experiment to prove that at least half of the power produced by the sun becomes waste energy when extracted through a traditional 3-phase DC/AC converter.
Раздел 3. Экспериментальное исчерпывающее доказательство.Section 3. Experimental exhaustive proof.
MEUPT-оптимизатор предназначен, чтобы захватывать/использовать эту оставшуюся электроэнергию, излишнюю энергию. Включая в себя MEUPT-оптимизатор, последующее описывает экспериментальные настройки и пошаговые исполнения эксперимента, который предназначается, чтобы исчерпывающим образом доказывать, что, по меньшей мере, половина произведенной солнцем мощности становится излишней энергией, когда извлекается посредством традиционного 3-фазного DC/ACпреобразователя.The MEUPT optimizer is designed to capture/use this remaining power, the surplus power. Including the MEUPT optimizer, the following describes experimental setups and step-by-step executions of the experiment, which is intended to conclusively prove that at least half of the power produced by the sun becomes waste energy when extracted by a traditional 3-phase DC/AC converter.
Фиг. 6А изображает начальную настройку PV-электростанции 6000А, содержащей 2 блока 6100А и 6200А производства АС-мощности. Каждый из блоков 6100А и 6200А производства АС-мощности применяет на практике слепое МРРТ-согласование; и предоставляет 3-фазную АС-мощность в электросеть 6600А. Блок 6100А производства АС-мощности состоит из генератора 6110А DC-мощности (30 кВт) и 3фазного DC/AC преобразователя 6130А (30 кВт). Блок 6200А производства АС-мощности состоит из генератора 6220А DC-мощности (30 кВт) и 3-фазного DC/АС преобразователя 6230А (30 кВт). Генератор 6110А мощности использует 2 параллельно-соединенные PV-последовательности 6111А и 6112А, чтобы генерировать DC-электричество. Генератор 6220А мощности использует другие 2 параллельносоединенные последовательности 6221А и 6222А солнечных панелей, чтобы генерировать DCэлектричество. Каждая из 4 PV-последовательностей состоит из 25 последовательно соединенных солнечных панелей; каждая панель приспособлена для производства 300 Вт мощности ровно в полдень и при ясном небе.Fig. 6A shows the initial setup of a PV power plant 6000A containing 2 AC power production units 6100A and 6200A. The AC power units 6100A and 6200A each practice blind MPPT matching; and provides 3-phase AC power to the 6600A grid. The 6100A AC power generation unit consists of a 6110A DC power generator (30 kW) and a 6130A 3-phase DC/AC converter (30 kW). The 6200A AC power generation unit consists of a 6220A DC power generator (30kW) and a 6230A 3-phase DC/AC converter (30kW). The 6110A power generator uses 2 parallel-connected PV strings 6111A and 6112A to generate DC electricity. The 6220A power generator uses the other 2 solar panel strings 6221A and 6222A in parallel to generate DC electricity. Each of the 4 PV strings consists of 25 solar panels connected in series; each panel is designed to produce 300 watts of power at high noon and under clear skies.
Генератор 6110А DC-мощности подает DC-мощность к 3-фазному DC/AC-преобразователю 6130А; а генератор 6220А DC-мощности подает DC-мощность к 3-фзному DC/AC-преобразователю 6230А. Эти два преобразователя 6130А и 6230А затем преобразуют поданную DC-мощность в 3-фазную АСмощность. В эксперименте АС-выходная мощность блоков 6100А и 6200А производства мощности была измерена посредством двух 3-фазных АС-ваттметров (в кВт) 6351А и 6352А соответственно. Производство АС-энергии (в кВт-ч) этих двух блоков 6100А и 6200А производства мощности также было измерено посредством двух кВт-ч-измерителей 6361А и 6362A соответственно. Произведенная 3-фазная АСмощность была затем предоставлена в сеть 6600А через трансформатор 6500А. PV-электростанция работала; и производство энергии двух блоков 6100А и 6200А для производства АС-мощности измерялось в течение 7 дней.The 6110A DC power generator supplies DC power to the 6130A 3-phase DC/AC converter; and the 6220A DC power generator supplies DC power to the 6230A 3-phase DC/AC converter. These two 6130A and 6230A converters then convert the applied DC power to 3-phase AC power. In the experiment, the AC power output of the power generation units 6100A and 6200A was measured using two 3-phase AC wattmeters (in kW) 6351A and 6352A, respectively. The AC power production (in kWh) of these two power generation units 6100A and 6200A was also measured by two kWh meters 6361A and 6362A, respectively. The 3-phase AC power produced was then provided to the 6600A network through a 6500A transformer. PV power plant worked; and the power production of two units 6100A and 6200A for AC power production was measured for 7 days.
Показания двух кВт-ч-измерителей показывали равные значения каждый день в течение этого периода времени. Это обеспечивает высокую достоверность того, что все элементы этих двух блоков 6100А и 6200А производства мощности (включающих в себя два комплекта инструментов для измерения) являются практически идентичными. После этого этапа один из двух блоков 6200А производства АС-мощности был сохранен неизменным, в то время как другой блок 6100А производства АС-мощности был модифицирован с другой конфигурацией 6100В, которая изображена с левой стороны на фиг. 6В.The readings of the two kWh meters showed equal values every day during this period of time. This provides high confidence that all elements of the two power generation units 6100A and 6200A (including two sets of measurement tools) are nearly identical. After this step, one of the two AC power production units 6200A was kept unchanged, while the other AC power production unit 6100A was modified with a different configuration 6100B, which is shown on the left side of FIG. 6B.
Блок 6200В производства мощности на фиг. 6В является немодифицированным блоком 6200А производства мощности на фиг. 6А. Также, элементы 6351В, 6361В, 6352В, 6362В, 6500В, 6600В на фиг. 6В являются такими же, что и элементы 6351А, 6361А, 6352А, 6362А, 6500А, 6600А соответственно на фиг.Power generation unit 6200B in FIG. 6B is the unmodified power generation unit 6200A of FIG. 6A. Also, elements 6351B, 6361B, 6352B, 6362B, 6500B, 6600B in FIG. 6B are the same as elements 6351A, 6361A, 6352A, 6362A, 6500A, 6600A, respectively, in FIG.
- 8 041589- 8 041589
6А. Кроме того, хотя конфигурация блока 6100В производства мощности отличается на фиг. 6В по сравнению с блоком 6100А производства мощности на фиг. 6А, некоторые из элементов блока 6100В производства мощности на фиг. 6В являются такими же, что и элементы, которые включены в блок 6100А производства мощности на фиг. 6А. Например, PV-последовательности 6111В и 6112В на фиг. 6В являются такими же, что и PV-последовательности 6111А и 6112А соответственно на фиг. 6А. Аналогично, DC/AC-преобразователь 6130В на фиг. 6В является таким же, что и DC/AC-преобразователь 6130А на фиг. 6А.6A. In addition, although the configuration of the power production unit 6100B is different in FIG. 6B compared to power generation unit 6100A in FIG. 6A, some of the elements of power generation unit 6100B in FIG. 6B are the same as those included in the power generation unit 6100A in FIG. 6A. For example, PV sequences 6111B and 6112B in FIG. 6B are the same as PV sequences 6111A and 6112A, respectively, in FIG. 6A. Similarly, the DC/AC converter 6130B in FIG. 6B is the same as the DC/AC converter 6130A in FIG. 6A.
Следующие шесть (6) этапов описывают, как блок 6100А производства мощности был модифицирован в конфигурацию 6100В, и описывается относительно левой стороны на фиг. 6В. Этапом 1 было добавление набора развязывающих диодов 6311В между последовательностями 6111В и 6112В солнечных панелей и 3-фазным DC/AC-преобразователем 6130В, который применяет на практике слепое МРРТ-согласование. Этапом 2 было добавление энергетического резервуара 6410В в конфигурацию. Этапом 3 было соединение энергетического резервуара 6410В с DC-клеммами DC/AC-преобразователя 6130В через другой набор развязывающих диодов 6312В и через переключатель SW1. Этапом 4 было добавление другого 3-фазного DC/AC-преобразователя 6130S (20 кВт) в конфигурацию, причем этот преобразователь 6130S работал в соответствии с управлением предназначенного MEUPT-контроллера 6420В. Этапом 5 было соединение DC/AC-преобразователя 6130S с энергетическим резервуаром 6410В через другой набор развязывающих диодов 6313В и через переключатель SW2. Этапом 6 было соединение выходных клемм преобразователя 6130S с набором 6351В и 6361В инструментальных средств для измерения мощности и энергии через переключатель SW3. Отметим, что упомянутый набор развязывающих диодов может быть такими диодами, которые называются блокирующими диодами в области техники. Отметим также, что переключатели SW1, SW2 и SW3 добавляются, как изображено на фиг. 6В, так что соответствующие устройства могут быть введены (или удалены) в эксперименты в правильное время на предназначенных этапах выполнения эксперимента, описанных ниже.The following six (6) steps describe how the power generation unit 6100A has been modified into configuration 6100B and is described relative to the left side of FIG. 6B. Step 1 was to add a set of 6311V decoupling diodes between the 6111V and 6112V solar array strings and the 6130V 3-phase DC/AC converter that implements blind MPPT matching. Step 2 was to add the 6410V energy reservoir to the configuration. Step 3 was to connect the 6410V energy reservoir to the DC terminals of the 6130V DC/AC converter through another set of 6312V decoupling diodes and through switch SW1. Step 4 was to add another 6130S 3-phase DC/AC converter (20kW) to the configuration, with this 6130S converter operating under the control of the dedicated 6420B MEUPT controller. Step 5 was to connect the 6130S DC/AC converter to the 6410V energy tank through another set of 6313V decoupling diodes and through switch SW2. Step 6 was to connect the output terminals of the 6130S transmitter to the 6351B and 6361B Power and Energy Measurement Toolkit via switch SW3. Note that said set of decoupling diodes may be such diodes as are called blocking diodes in the art. Note also that switches SW1, SW2 and SW3 are added as shown in FIG. 6B so that appropriate devices can be introduced (or removed) into experiments at the correct time in the intended experimental steps described below.
Первой ночью, после того как вышеупомянутая модификация была выполнена, SW1 был включен, в то время как переключатели SW2 и SW3 были выключены. Преобразователи 6130В и 6230В начали работать следующим ранним утром. Измерители 6351В и 6352В мощности, измеряющие два выхода блоков 6100В и 6200В производства мощности, показали одинаковое показание. Резервуар 6410В также начал заряжаться, как указано посредством измерения высокого напряжения на клеммах резервуара 6410В. Система работала, как описано, весь первый день. Измеренная энергия, предоставленная от двух блоков 6100В и 6200В производства мощности, была одинаковой; как показано в показаниях кВт-чизмерителей 6361В и 6362В. Этот экспериментальный этап продемонстрировал, что добавленные наборы 6311В развязывающих диодов и резервуар 6410В не изменили производства мощности и энергии блока 6100В производства мощности.On the first night, after the above modification was done, SW1 was turned on while switches SW2 and SW3 were turned off. The 6130B and 6230B converters started working early the next morning. The 6351V and 6352V power meters measuring the two outputs of the 6100V and 6200V power units showed the same reading. The 6410V tank also started to charge as indicated by measuring the high voltage at the 6410V tank terminals. The system worked as described for the entire first day. The measured energy supplied from the two power generation units 6100V and 6200V was the same; as shown on the 6361V and 6362V kW meters. This experimental step demonstrated that the added decoupling diode sets 6311B and reservoir 6410B did not change the power and energy production of the power production unit 6100B.
Переключатели SW1, SW2 и SW3 были включены ночью после первого дня работы (второй ночью). Преобразователи 6130В и 6230В начали работать рано ранним утром (второй день), в то время как преобразователь 6130S начал работать при более низком уровне преобразования мощности приблизительно через 15 минут после того, как преобразователи 6130В и 6230S начали работать. После этого преобразователь 6130S повышал свой уровень мощности преобразования примерно каждые 2 мин; что согласуется с проектом контроллера и увеличением уровня энергии резервуара. Показание измерителя 6351В мощности (для блока 6100В) достигло почти двойного показания измерителя 6352В мощности (для блока 6200В) за весь день - почти до заката. Энергия, предоставленная от двух блоков 6100В и 6200В производства мощности в конце второго дня, была получена из показаний двух кВт-ч-измерителей. Результат показал, что энергия, предоставленная от модифицированного блока 6100В производства мощности, была больше вдвое по сравнению с энергией, предоставленной от немодифицированного блока 6200В производства мощности. В течение следующих шести последовательных дней переключатели SW1, SW2 и SW3 оставались включенными, и энергия, предоставленная от модифицированного блока 6100В производства мощности, была постоянно вдвое больше энергии блока 6200В производства мощности каждый день.Switches SW1, SW2 and SW3 were turned on at night after the first day of operation (the second night). The 6130B and 6230B drives started running early in the early morning (second day), while the 6130S drive started running at a lower power conversion level approximately 15 minutes after the 6130B and 6230S drives started running. Thereafter, the 6130S increased its conversion power level approximately every 2 minutes; which is consistent with the design of the controller and the increase in the energy level of the reservoir. The 6351V power meter reading (for the 6100V unit) nearly doubled the reading of the 6352V power meter (for the 6200V unit) for the entire day - almost to sunset. The energy supplied from the two power generation units 6100V and 6200V at the end of the second day was obtained from the readings of two kWh meters. The result showed that the power supplied from the modified 6100V power generation unit was more than twice that of the energy supplied from the unmodified 6200V power production unit. For the next six consecutive days, switches SW1, SW2 and SW3 remained on, and the energy provided from the modified 6100V power generation unit was consistently twice that of the 6200V power production unit each day.
Следующей ночью переключатели SW2 и SW3 были выключены. Измеренная энергия, предоставленная от блоков 6100В и 6200В производства мощности, вернулась к одинаковому уровню в течение последующих 5 последовательных дней, во время которых переключатели SW2 и SW3 оставались выключенными. Следующей ночью переключатели SW2 и SW3 снова были включены. Измеренное производство энергии блока 6100В производства мощности стало снова больше вдвое по сравнению с производством энергии блока 6200В производства мощности каждый день в течение последующих 5 последовательных дней с переключателями SW2 и SW3, остающимися включенными.Switches SW2 and SW3 were turned off the next night. The measured energy supplied from the power generation units 6100V and 6200V returned to the same level for the next 5 consecutive days, during which the switches SW2 and SW3 remained off. The next night switches SW2 and SW3 were turned on again. The measured energy production of the power production unit 6100B was again more than double that of the energy production of the power production unit 6200V each day for the next 5 consecutive days with switches SW2 and SW3 remaining on.
Как описано выше, пошаговое выполнение этого эксперимента определенно доказывает существование излишней энергии в PV-электростанции, как спрогнозировано в разделе 2. В частности, в PVэлектростанции, когда произведенная DC-энергия извлекается посредством 3-фазного DC/ACпреобразователя, около половины PV-произведенной энергии все еще существует в качестве оставшейся излишней энергии.As described above, stepping through this experiment definitely proves the existence of excess energy in a PV power plant, as predicted in section 2. In particular, in a PV power plant, when the generated DC power is extracted by a 3-phase DC/AC converter, about half of the PV power generated still exists as residual surplus energy.
- 9 041589- 9 041589
Существуют два способа смягчения нежелательного последствия, описанного выше. Первым способом является следование принципам, описанным в справочных патентных публикациях, чтобы включать MEUPT-оптимизатор в энергетическую систему. Другим способом является следование принципам, описанным в данном документе, которые предлагают применять на практике последовательное извлечение энергии, ассоциированное с предложенными регулировками продолжительности включения для Афазы, В-фазы и С-фазы.There are two ways to mitigate the unwanted effect described above. The first way is to follow the principles described in patent reference publications to include a MEUPT optimizer in the power system. Another way is to follow the principles described in this document, which propose to put into practice the sequential energy extraction associated with the proposed adjustments of the duration of the inclusion for the A-phase, B-phase and C-phase.
Раздел 4. Предложенное последовательное извлечение энергии.Section 4. Proposed Sequential Energy Extraction.
Принципы, описанные в данном документе, предлагают применять на практике последовательное извлечение энергии для А-фазы, В-фазы и С-фазы, что может предотвращать возникновение перекрывающегося по времени извлечения энергии. При применении на практике последовательного извлечения энергии во всех до единого PWM-периодах А-фаза своевременно извлекает DC-энергию первой; В-фаза затем своевременно извлекает DC-энергию сразу после извлечения А-фазы; и, наконец, С-фаза своевременно извлекает оставшуюся DC-энергию. Таким образом, уровень извлечения энергии, Px в каждой фазе может достигать своего максимального значения, которое равно Pmx. Это последствие отличается от применения на практике одновременного извлечения энергии, в котором уровень извлечения энергии может равняться только одной трети (1/3)Pmx.The principles described in this document propose to practice sequential energy extraction for the A-phase, B-phase and C-phase, which can prevent the occurrence of overlapping energy extraction in time. When applying in practice the sequential extraction of energy in every single PWM period, the A-phase extracts the DC energy first in a timely manner; The B-phase then extracts DC energy in a timely manner immediately after the A-phase is extracted; and finally, the C-phase extracts the remaining DC energy in a timely manner. Thus, the level of energy extraction, P x in each phase can reach its maximum value, which is equal to P mx . This consequence is different from the practice of simultaneous energy recovery, in which the energy recovery level may be only one third of (1/3)P mx .
Чтобы сделать последующий анализ интуитивным и без потери общности, предположим, что АСчастота равна 50 Гц, а PWM-частота равна 18 кГц. Это предположение делает опережение фазного угла АС-мощности точно равным 1° на протяжении времени каждого PWM-периода. Фиг. 5А изображает предложенные схемы для этого нового устройства извлечения энергии. Схемы извлечения энергии являются аналогичными схемам традиционного устройства извлечения энергии, изображенного на фиг. 3А. Отметим, что одновременный регулятор 310 традиционного устройства извлечения энергии, изображенный на фиг. 3А, теперь заменяется последовательным регулятором 510, который изображен на фиг. 5А.To make the following analysis intuitive and without loss of generality, assume that the AC frequency is 50 Hz and the PWM frequency is 18 kHz. This assumption makes the AC power phase angle advance exactly 1° during each PWM period. Fig. 5A depicts proposed circuits for this new energy extraction device. The power recovery circuits are similar to those of the conventional power recovery device shown in FIG. 3A. Note that the concurrent controller 310 of the conventional power recovery apparatus shown in FIG. 3A is now being replaced by the serial regulator 510 shown in FIG. 5A.
Подчеркнем, устройство извлечения энергии, регулируемое посредством одновременного регулятора, является устройством одновременного извлечения энергии, а извлечение энергии, выполняемое посредством устройства одновременного извлечения энергии, является определенной практикой одновременного извлечения энергии. С другой стороны, устройство извлечения энергии, регулируемое посредством последовательного регулятора, является устройством последовательного извлечения энергии; и извлечение энергии, выполняемое посредством устройства последовательного извлечения энергии, является практическим применением предложенного последовательного извлечения энергии.To emphasize, a power recovery device controlled by a simultaneous regulator is a simultaneous power recovery device, and a power recovery performed by a simultaneous power recovery device is a specific practice of simultaneous power recovery. On the other hand, a power recovery device controlled by a sequential regulator is a power recovery device in series; and the power recovery performed by the sequential power recovery device is a practical application of the proposed sequential power recovery.
В качестве варианта осуществления, фиг. 5В изображает 3-фазный DC/AC-преобразователь, применяющий последовательный регулятор для регулирования извлечений энергии 3 фаз. В этом практическом применении извлечения энергии извлечение энергии А-фазы выполняется с возможностью начинаться в начале PWM-цикла с продолжительностью времени dA(t); извлечение энергии В-фазы выполняется с возможностью начинаться при окончании извлечения А-фазы с продолжительностью времени dB(t); и извлечение энергии С-фазы выполняется с возможностью следовать за окончанием извлечения энергии В-фазы с продолжительностью времени dC(t). Эти 3 извлечения энергии выполняются с возможностью исполняться последовательно и без останова. Может быть видно, что не возникает перекрывающееся во временной области извлечение энергии, как изображено на фиг. 5В. В реальности, может быть некоторый временной промежуток между окончанием одного извлечения энергии и началом другого извлечения энергии. Однако этот временной промежуток в каждом PWM-цикле может сохраняться довольно небольшим, и предпочтительно ниже 33, 20, 10 или даже 1% PWM-цикла. Следовательно, уровень извлечения мощности Px в каждой фазе может быть спроектирован равным своему максимальному значению, входной DC-мощности Pmx; в отличие от доли (1/3) входной мощности, которая используется в одновременном извлечении энергии.As an embodiment, FIG. 5B shows a 3-phase DC/AC converter using a series regulator to control the 3-phase power extractions. In this practical application of energy extraction, A-phase energy extraction is configured to start at the beginning of the PWM cycle with a time duration d A (t); the energy extraction of the B-phase is performed with the ability to start at the end of the extraction of the A-phase with a duration of time d B (t); and the C-phase energy extraction is operable to follow the end of the B-phase energy extraction with a duration of time d C (t). These 3 energy extractions are made to be executed sequentially and non-stop. It can be seen that there is no time-domain overlapping energy extraction as depicted in FIG. 5V. In reality, there may be some time gap between the end of one energy extraction and the start of another energy extraction. However, this time period in each PWM cycle can be kept quite small, and preferably below 33%, 20%, 10% or even 1% of the PWM cycle. Therefore, the power extraction level Px in each phase can be designed to be equal to its maximum value, the DC input power P mx ; as opposed to the fraction (1/3) of the input power that is used in the simultaneous extraction of energy.
Зададим продолжительность времени одного PWM-периода как D. Продолжительность включения для извлечения А-фазы определяется как dA(t)/D; продолжительность включения для извлечения В-фазы равна dB(t)/D; и продолжительность включения для извлечения С-фазы тогда равна dC(t)/D. Кроме того, принципы, описанные в данном документе, предлагают назначать значения этих трех коэффициентов режима работы как: dA(t)/D=2/3 cos2(mt), dB(t)/D=2/3 cos2(mt + 120°), и dc(t)/D=2/3 cos2(mt - 120°). Соответствующий временной интервал для 3 извлечений энергии может тогда быть назначен в соответствии с соответствующими значениями продолжительности включения. Отметим, что суммарные временные продолжительности этих трех извлечений энергии, dA(t) + dB(t) + dC(t) точно равны D, временному интервалу одного PWM-периода.Let's set the duration of one PWM period as D. The duration of switching on for extracting the A-phase is defined as d A (t)/D; the duration of the inclusion for the extraction of the B-phase is equal to d B (t)/D; and the duration of the inclusion for the extraction of the C-phase is then equal to d C (t)/D. In addition, the principles described in this document suggest assigning the values of these three duty factors as: d A (t)/D=2/3 cos 2 (mt), dB(t)/D=2/3 cos 2 ( mt + 120°), and dc(t)/D=2/3 cos 2 (mt - 120°). The respective time interval for the 3 energy extractions can then be assigned in accordance with the respective duty cycle values. Note that the total time durations of these three energy extractions, dA(t) + d B (t) + d C (t), are exactly equal to D, the time interval of one PWM period.
Как упомянуто выше, временной интервал одного PWM-периода равен временному интервалу опережения по фазе на 1° в цикле АС-мощности; таким образом, 3 сдвига фаз будут с интервалом 120° плюс-минус 1°, что является хорошим в пределах допуска существующей электросети. Итоговая сумма мощности, передаваемой по трем парам силовых линий, тогда равна P(t)=PA(t) + PB(t) + PC(t)=Pmx (2/3) (cos2(mt) + cos2(mt + 120°) + cos2(mt - 120°))=Pmx (2/3) (3/2)=Pmx. Другими словами, суммарная мощность, передаваемая по 3-фазным силовым линиям в какое-либо время, практически равна величине производимой DC-мощности. Другими словами, при применении на практике последовательного извлеченияAs mentioned above, the time interval of one PWM period is equal to the time interval of 1° phase advance in the AC power cycle; so the 3 phase shifts will be 120° apart plus or minus 1°, which is good within the tolerance of the existing mains. The total amount of power transmitted over three pairs of power lines is then P(t)=PA(t) + PB(t) + PC(t)=Pmx (2/3) (cos 2 (mt) + cos 2 (mt + 120°) + cos 2 (mt - 120°))=P mx (2/3) (3/2)=P mx . In other words, the total power transmitted over 3-phase power lines at any time is almost equal to the amount of DC power produced. In other words, when applying in practice the sequential extraction
- 10 041589 энергии, не существует (или существует незначительная) оставшейся излишней энергии. Иначе говоря, когда содержится устройство последовательного извлечения энергии, 3-фазный DC/AC-преобразователь может извлекать всю или практически всю производимую DC-мощность с нулевой или практически нулевой излишней энергией.- 10 041589 energy, there is no (or little) remaining excess energy. In other words, when a series power extraction device is included, a 3-phase DC/AC converter can extract all or substantially all of the DC power produced with zero or substantially zero waste energy.
Повторимся, принципы, описанные в данном документе, предлагают начинать каждое извлечение энергии 3 фаз последовательно и без останова. Когда извлечения энергии 3 фаз становятся последовательными событиями, уровень извлеченной мощности может быть задан равным входной DC-мощности Pmx. Принципы, описанные в данном документе, дополнительно предлагают иметь 3 продолжительности включения, равные 2/3 cos2(ωt) для А-фазы, 2/3 cos2(ωt + 120°) для В-фазы, и 2/3 cos2(ωt -120°) для Сфазы. Таким образом, эти события 3-фазного извлечения энергии могут иметь место последовательно; и 3 события извлечений энергии могут без проблем заканчиваться точно в одном PWM-периоде; и все сдвиги фаз АС-мощности между А-фазой, В-фазой и С-фазой равны 120° в пределах приемлемого допуска 1°.To reiterate, the principles described in this document suggest starting each 3-phase energy extraction in sequence and without stopping. When the 3 phase power extractions become successive events, the level of the extracted power can be set equal to the input DC power P mx . The principles described in this document further suggest having 3 duty cycles equal to 2/3 cos 2 (ωt) for A-phase, 2/3 cos 2 (ωt + 120°) for B-phase, and 2/3 cos 2 (ωt -120°) for Sphase. Thus, these 3-phase power extraction events can take place sequentially; and 3 power draw events can end exactly in the same PWM period without problems; and all AC power phase shifts between A-phase, B-phase and C-phase are 120° within an acceptable tolerance of 1°.
Следовательно, когда 3-фазный DC/AC-преобразователь содержит предложенное устройство последовательного извлечения энергии, спроектированный DC/AC-преобразователь тогда может извлекать и преобразовывать всю производимую солнцем мощность, Pmx без оставшейся излишней энергии; и произведенная выходная АС-мощность может соответствовать условиям 3-фазной АС-электросети.Therefore, when the 3-phase DC/AC converter contains the proposed sequential energy extraction device, the designed DC/AC converter can then extract and convert all the power produced by the sun, P mx without any excess energy remaining; and the produced AC output power can meet the conditions of a 3-phase AC power grid.
Раздел 5. Конструктивные соображения для последовательного регулятора.Section 5. Design Considerations for a Sequential Regulator.
В одном варианте осуществления можно применить начало PWM для начала извлечения А-фазы с продолжительностью времени (2/3)Dcos(ωt); затем применить изменение сигнала извлечения А-фазы (с периода включения на период выключения), чтобы инициировать начало извлечения В-фазы с продолжительностью времени (2/3)Dcos(ωt + 120°); и затем применить переключение сигнала извлечения Вфазы (с периода включения на период выключения), чтобы инициировать начало извлечения С-фазы.In one embodiment, a PWM start can be applied to start A-phase extraction with a time duration of (2/3)Dcos(ωt); then apply a change in the A-phase extraction signal (from the on period to the off period) to initiate the start of the B-phase extraction with a time duration of (2/3)Dcos(ωt + 120°); and then apply a switch of the B-phase extraction signal (from the on period to the off period) to initiate the start of the C-phase extraction.
В другом варианте осуществления, так как один PWM-период создает точно определенное опережение АС-фазы (скажем, 1°), можно построить таблицу с точно определенным конечным временем извлечения А-фазы в качестве первого значения и точно определенным конечным временем извлечения Вфазы в качестве второго значения. Эта таблица может содержать ряд столбцов, чтобы использовать весь цикл мощности (скажем, 180 столбцов для 180°). Отметим, что цикл напряжения 360° создает цикл мощности каждые 180°, так как мощность является пропорциональной квадрату напряжения, и квадратирование формы синусоидальной волны напряжения создает волну мощности с двойной частотой.In another embodiment, since one PWM period produces a well-defined AC phase advance (say 1°), a table can be constructed with the well-defined final A-phase extraction time as the first value and the well-defined final B-phase extraction time as second meaning. This table may contain a number of columns to make use of the entire power cycle (say 180 columns for 180°). Note that a 360° voltage cycle creates a power cycle every 180° because power is proportional to the square of the voltage, and squaring the voltage sine waveform creates a power wave with twice the frequency.
С помощью двух последовательных линий времени в каждом столбце этой таблицы времени проект может периодически назначать две линии времени в одном PWM-периоде времени в качестве начального времени (начало PWM) и конечного времени (первое значение времени в столбце) для извлечения энергии А-фазы; для начального времени (первое значение времени в столбце) и конечного времени (второе значение времени в столбце) для извлечения энергии В-фазы; и для начального времени (второе значение времени в столбце) и конечного времени (конец PWM) для извлечения энергии С-фазы. Окончание 180 столбцов означает окончание DC/AC-преобразования для одного цикла АС-мощности. Процесс может затем быть повторен для следующего раунда DC/AC-инверсии, и т.д. Тактовый генератор с временным разрешением более чем 1/18000 с (или 5 мкс) должен быть использован в этом варианте осуществления.With two consecutive time lines in each column of this time table, the project can periodically assign two time lines in one PWM time period as the start time (PWM start) and end time (first time value in the column) to extract A-phase energy; for the start time (the first time value in the column) and the end time (the second time value in the column) to extract the B-phase energy; and for start time (second time value in column) and end time (end of PWM) to extract C-phase energy. The end of 180 columns means the end of DC/AC conversion for one AC power cycle. The process can then be repeated for the next round of DC/AC inversion, and so on. A clock with a time resolution greater than 1/18000 s (or 5 µs) must be used in this embodiment.
Модуль синхронизации в традиционном 3-фазном DC/AC-преобразователе может быть использован для синхронизации начала PWM при максимуме и минимуме циклов АС-мощности; так что фаза произведенной АС-мощности может дрейфовать вместе с дрейфом фазы/частоты, возникающим в электросети время от времени. Принципы, описанные в данном документе, также могут применять устройство для приспосабливания к дрейфу фазы/частоты.The timing module in a traditional 3-phase DC/AC converter can be used to time PWM start at maximum and minimum AC power cycles; so that the phase of the produced AC power can drift along with the phase/frequency drift that occurs in the mains from time to time. The principles described in this document can also use the device to accommodate for phase/frequency wander.
Раздел 6. Итоги.Section 6. Results.
Как описано в разделе 1, традиционный однофазный АС-преобразователь применяет PWMустройство извлечения для извлечения входной DC-мощности. Когда продолжительность включения в одном PWM-цикле регулируется посредством cos2(ωt) (или sin2(ωt)) во время t, выходная АС-мощность соответствует условиям электросети. Отметим, что существуют две области в пространстве энергии каждого PWM-цикла; одна является областью извлеченной энергии, в то время как другая является областью излишней энергии. Справочные патентные публикации учат, что величина излишней энергии является, по меньшей мере, такой же большой, что и извлеченная энергия, когда интегрируется по нескольким АС-периодам времени. Другими словами, однофазный DC/AC-преобразователь может извлекать и преобразовывать самое большее лишь половину входной DC-мощности. Извлеченная энергия преобразуется в АС-мощность и предоставляется в электросеть; в то время как излишняя энергия превращается в тепло, если не захватывается и не сохраняется в устройстве, таком как MEUPT-устройство.As described in section 1, the traditional single-phase AC converter uses a PWM extractor to extract the DC input power. When the duty cycle in one PWM cycle is controlled by cos 2 (ωt) (or sin 2 (ωt)) at time t, the AC output power is in accordance with the grid conditions. Note that there are two regions in the energy space of each PWM cycle; one is an area of extracted energy, while the other is an area of excess energy. Reference patent publications teach that the amount of excess energy is at least as large as the extracted energy when integrated over multiple AC time periods. In other words, a single-phase DC/AC converter can only extract and convert at most half of the DC input power. The extracted energy is converted into AC power and provided to the power grid; while excess energy is converted into heat unless captured and stored in a device such as a MEUPT device.
Как описано в разделе 2, традиционный 3-фазный DC/AC-преобразователь задействует три идентичных однофазных DC/AC-преобразователя. Каждый однофазный DC/AC-преобразователь извлекает и преобразует половину своей входной DC-мощности в АС-мощность. Отметим, что вследствие практического применения одновременного извлечения энергии эта входная DC-мощность может быть равнаAs described in Section 2, a traditional 3-phase DC/AC converter uses three identical single-phase DC/AC converters. Each single-phase DC/AC converter extracts and converts half of its DC input power to AC power. Note that due to the practical application of simultaneous energy extraction, this DC input power can be equal to
- 11 041589 максимум лишь одной трети сгенерированной DC-мощности. Следовательно, 3-фазный DC/ACпреобразователь преобразует и извлекает самое большее половину произведенной DC-мощности. Выходные АС-мощности этих трех однофазных преобразователей имеют сдвиг фаз 120° относительно друг друга. Также эти 3 однофазные выходные АС-мощности посылаются в электросеть по 3 или 4 силовым проводам.- 11 041589 only one third of the generated DC power at most. Therefore, a 3-phase DC/AC converter converts and extracts at most half of the generated DC power. The AC output powers of these three single-phase converters are phase shifted by 120° from each other. Also, these 3 single phase AC outputs are sent to the grid via 3 or 4 power wires.
Перефразируя иначе, традиционная отрасль PV-солнечной энергии использует традиционный DC/AC-преобразователь, который применяет на практике одновременное извлечение энергии, так что закон сохранения энергии диктует, что итоговая сумма трех извлеченных уровней мощности Px должна быть меньше трети PV-сгенерированного источника Pmx DC-мощности (т.е. Px < (1/3)Pmx). Может затем быть показано, что итоговая сумма традиционных 3-фазных выходных АС-мощностей равна P(t)=(3/2)Px в лучшем случае, что меньше (1/2)Pmx, или половины PV-сгенерированной DC-мощности. Следовательно, по меньшей мере, половина PV-произведенной DC-мощности становится излишней мощностью при использовании традиционных 3-фазных DC/AC-преобразователей. Эта величина излишней энергии превратится в тепло в конечном счете, если не захватывается и не сохраняется в устройстве, таком как MEUPT-оптимизатор.To put it another way, the traditional solar PV industry uses a traditional DC/AC converter that puts into practice the simultaneous extraction of energy, so that the law of conservation of energy dictates that the total sum of the three extracted power levels P x must be less than a third of the PV-generated source P mx DC power (i.e. P x < (1/3)P mx ). It can then be shown that the sum of conventional 3-phase AC output powers is P(t)=(3/2)P x at best, which is less than (1/2)P mx , or half of the PV-generated DC- power. Therefore, at least half of the PV-produced DC power becomes waste power when using traditional 3-phase DC/AC converters. This amount of excess energy will turn into heat eventually if not captured and stored in a device such as a MEUPT optimizer.
Теоретические выводы, описанные в разделе 2, обнаруживают серьезное последствие, которое привносится посредством общепринятой практики проектирования в традиционной отрасли 3-фазных DC/AC-преобразователей. Эта общепринятая практика проектирования применялась в отрасли 3-фазных DC/AC-преобразователей в течение долгого времени; даже без знания отрасли о существовании серьезного последствия. Этой общепринятой практикой является то, что традиционные 3-фазные DC/ACпреобразователи применяют на практике одновременное извлечение энергии. Эта практика может определенно приводить в результате к серьезному последствию, которое обнаружилось впервые в отрасли в вышеприведенных теоретических выводах. Это серьезное последствие является тем, что итоговая сумма 3 выходных АС-мощностей от 3-фазного DC/AC-преобразователя меньше половины входной DCмощности. Эта обнаруженная общепринятая практика проектирования была утверждена как долговременная практика в отрасли природосберегающей возобновляемой электроэнергии; в частности в отрасли PV-солнечной энергии.The theoretical conclusions described in Section 2 reveal a major implication that is introduced by the common design practice in the traditional 3-phase DC/AC converter industry. This common design practice has been adopted by the 3-phase DC/AC converter industry for a long time; even without the knowledge of the industry about the existence of a serious consequence. It is common practice that traditional 3-phase DC/AC converters put into practice the simultaneous extraction of energy. This practice can definitely result in a serious consequence, which is revealed for the first time in the industry in the above theoretical findings. This serious consequence is that the total sum of the 3 AC output powers from the 3-phase DC/AC converter is less than half of the DC input power. This discovered common design practice has been validated as a long-term practice in the green renewable electricity industry; particularly in the PV-solar industry.
Двумя способами, чтобы смягчить вышеописанное нежелательное последствие, являются 1) следование принципам, описанным в справочных патентных публикациях, чтобы включать MEUPTоптимизатор в энергетическую систему, или 2) следовать принципам, описанным в данном документе, которые предлагают применять на практике последовательное извлечение энергии, ассоциированное с предложенными регулировками продолжительности включения для А-фазы, В-фазы и С-фазы.The two ways to mitigate the above undesirable consequence are 1) following the principles described in patent reference publications to incorporate a MEUPT optimizer into an energy system, or 2) following the principles described herein which propose to put into practice the sequential energy recovery associated with suggested adjustments for the duty cycle for A-phase, B-phase and C-phase.
Раздел 4 описывает предложенное последовательное извлечение энергии с предложенными регулировками продолжительности включения. При применении на практике описанного последовательного извлечения энергии во всех без исключения PWM-периодах А-фаза своевременно извлекает должным образом DC-энергию первой; В-фаза своевременно извлекает надлежащим образом DC-энергию сразу после извлечения А-фазы; и С-фаза своевременно извлекает надлежащим образом DC-энергию в конечном счете. Таким образом, уровень извлечения энергии, Px в каждой фазе может достигать своего максимального значения, которое равно произведенной мощности, Pmx. Это отличается от последствия, получающегося в результате применения на практике традиционного одновременного извлечения энергии; которое вынуждает уровень извлечения энергии, Px в каждой фазе достигать лишь 1/3 для Pmx в лучшем случае.Section 4 describes the proposed sequential energy recovery with proposed duty cycle adjustments. When applying the described sequential energy extraction in practice in all PWM periods without exception, the A-phase properly extracts the DC energy first in a timely manner; The B phase properly extracts DC energy in a timely manner immediately after the A phase is extracted; and the C-phase properly extracts the DC power in the long run in a timely manner. Thus, the level of energy extraction, P x in each phase can reach its maximum value, which is equal to the generated power, P mx . This is different from the consequences resulting from the practice of traditional simultaneous energy extraction; which forces the level of energy extraction, P x in each phase to reach only 1/3 of P mx at best.
Принципы, описанные в данном документе, предполагают, что время начало извлечения энергии для каждой фазы регулируется посредством последовательного регулятора. Извлечения энергии 3 фаз становятся последовательными событиями; так что уровень извлечения мощности может равняться входной DC-мощности Pmx. Принципы, описанные в данном документе, дополнительно предлагают иметь 3 продолжительности включения, равные 2/3 cos2(ωt) для А-фазы, 2/3 cos2(ωt + 120°) для В-фазы, и 2/3 cos2(ωt - 120°) для С-фазы. Эти события 3-фазного извлечения энергии могут тогда последовательно иметь место без останова; и 3 события извлечения энергии могут также заканчиваться точно в одном PWM-периоде. Кроме того, сдвиги фаз АС-мощности между А-фазой, В-фазой и С-фазой могут быть спроектированы равными 120° ± 1°. Следовательно, когда 3-фазный DC/AC-преобразователь содержит предложенное устройство последовательного извлечения энергии, новый спроектированный DC/ACпреобразователь может извлекать и преобразовывать всю (или практически всю) произведенную мощность, Pmx без (или с небольшой) оставшейся излишней энергии. Кроме того, произведенные выходные АС-мощности могут легко соответствовать условиям 3-фазной АС-электросети.The principles described in this document assume that the start time of energy extraction for each phase is controlled by a sequential controller. The energy extractions of the 3 phases become successive events; so that the power extraction level can be equal to the input DC power P mx . The principles described in this document further suggest having 3 duty cycles equal to 2/3 cos 2 (ωt) for A-phase, 2/3 cos 2 (ωt + 120°) for B-phase, and 2/3 cos 2 (ωt - 120°) for the C-phase. These 3-phase power extraction events can then take place consecutively without stopping; and 3 power extraction events can also end in exactly the same PWM period. In addition, AC power phase shifts between A-phase, B-phase and C-phase can be designed to be 120° ± 1°. Therefore, when the 3-phase DC/AC converter contains the proposed series power extraction device, the newly designed DC/AC converter can extract and convert all (or substantially all) of the generated power, Pmx, with no (or little) remaining excess energy. In addition, the output AC powers produced can easily meet the conditions of a 3-phase AC power grid.
Настоящее изобретение может быть осуществлено в других характерных формах без отступления от своего духа или неотъемлемых характеристик. Описанные варианты осуществления должны рассматриваться во всех отношениях только как иллюстративные, а не ограничивающие. Рамки изобретения, следовательно, указаны скорее приложенной формулой изобретения, чем предшествующим описанием. Все изменения, которые появляются внутри смысла и рамок равнозначности формулы изобретения, должны быть охвачены ее рамками.The present invention may be embodied in other characteristic forms without departing from its spirit or inherent characteristics. The described embodiments are to be considered in all respects only as illustrative and not restrictive. The scope of the invention is therefore indicated by the appended claims rather than by the preceding description. All changes that appear within the meaning and scope of the equivalence of the claims must be covered by its scope.
--
Claims (12)
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US15/838,044 | 2017-12-11 | ||
US16/197,139 | 2018-11-20 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EA041589B1 true EA041589B1 (en) | 2022-11-10 |
Family
ID=
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6481621B2 (en) | Power converter and three-phase AC power supply | |
US9780645B2 (en) | Method and apparatus for providing power conversion using an interleaved flyback converter with reactive power control | |
US9859814B2 (en) | Method and apparatus for independent control of multiple power converter sources | |
WO2013000185A1 (en) | Grid-connected inverter | |
Abramovich et al. | Modified proportional integral controller for single ended primary inductance converter | |
US20100213768A1 (en) | Apparatus for photovoltaic power generation | |
EA041589B1 (en) | POWER USE POINT TRACKING INVERTER | |
Mahalakshmi et al. | Reactive power control in microgrid by using Photovoltaic Generators | |
AU2018385437B2 (en) | Energy utilization point tracker inverter | |
US20180166975A1 (en) | Energy utilization point tracker inverter | |
TWI697190B (en) | 3-phase dc/ac converter with sequential energy extraction | |
EP3815235B1 (en) | Single-phase energy utilization tracking inverter | |
EA042368B1 (en) | SINGLE-PHASE INVERTER WITH ENERGY USE TRACKING | |
TW201306424A (en) | Merging and inverting device | |
Manjunatha et al. | A Simplified PWM Technique for Isolated DC-DC Converter Fed Switched Capacitor Multi-Level Inverter for Distributed Generation | |
Jantharamin et al. | Maximum-Power-Point Tracking Using Multiphase Interleaved Converters Based on Multi-Unit Synchronization |