專利名稱：功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
實用級太陽能光伏(PV)逆變器用于將PV陣列生成的DC功率轉(zhuǎn)換為AC功率，用以傳送至實用電力網(wǎng)(utility power grid)。所生成的DC功率具有根據(jù)諸如溫度、負載量、 太陽輻照度(irradiance)水平和壽命等因素而可變的電壓。在PV系統(tǒng)正常運行期間，逆變器給PV陣列提供允許PV陣列運行于其最大功率點(MPP)的負載條件。

發(fā)明內(nèi)容
在一個概括性方案中，一種功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括功率轉(zhuǎn)換器(power converter)、變壓器和電壓調(diào)節(jié)裝置。該功率轉(zhuǎn)換器被配置為接收由功率生成裝置生成的可變DC功率，并將所接收的DC功率轉(zhuǎn)換為第一電壓下的AC功率。該變壓器被配置為接收來自該功率轉(zhuǎn)換器的所述AC功率，并將AC功率以第二電壓傳送至實用輸電網(wǎng)。該電壓調(diào)節(jié)裝置被配置為將該第一電壓調(diào)節(jié)為目標值，其中該目標值是基于所述DC功率的電壓確定的。多個實施例可包括下列之一或更多。該轉(zhuǎn)換器是逆變器。該電壓調(diào)節(jié)裝置電連接至該變壓器。該電壓調(diào)節(jié)裝置形成該變壓器的一部分。該電壓調(diào)節(jié)裝置包括負載抽頭切換器。該電壓調(diào)節(jié)裝置進一步被配置為將所述第一電壓調(diào)節(jié)為落入電壓的預定范圍之內(nèi)。該功率轉(zhuǎn)換器包括轉(zhuǎn)換器，被配置為將所接收的DC功率轉(zhuǎn)換為第三電壓下的AC功率；以及中間變壓器，被配置為將所述第三電壓下的AC功率轉(zhuǎn)換為第一電壓下的AC功率。該功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括第一控制器，被配置為確定所述第一電壓的目標值。所述AC功率的第一電壓的目標值比所述DC功率的電壓小了至少預定的設計裕度。確定所述AC功率的目標值，使得與所述AC功率關(guān)聯(lián)的電流得以最小化。所述第二電壓高于所述第一電壓。所述DC功率基于該功率生成裝置的溫度而變化。該功率生成裝置包括光伏電池。該功率生成裝置包括風力功率(wind power)收集裝置。所述功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括第二控制器，被配置為控制該功率生成裝置來生成預定量的DC功率。所述功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括多個功率轉(zhuǎn)換器，每個功率轉(zhuǎn)換器被配置為接收來自對應的功率生成裝置的DC功率。所述功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括集電器母線，被配置為接收來自所述多個功率轉(zhuǎn)換器的每一個功率轉(zhuǎn)換器的AC功率。該電壓調(diào)節(jié)裝置被配置為調(diào)節(jié)該集電器母線上的所述AC功率的第一電壓。所述功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括多個集電器母線，每個集電器母線被配置為接收來自所述多個功率轉(zhuǎn)換器的子集(subset)的AC功率。在另一個概括性方案中，一種控制功率轉(zhuǎn)換器的方法，其中該功率轉(zhuǎn)換器被配置為接收由功率生成裝置生成的可變DC功率，并將所接收的DC功率轉(zhuǎn)換為AC功率用以傳送至實用輸電網(wǎng)，該方法包括基于由該功率生成裝置生成的所述可變DC功率的電壓來確定所轉(zhuǎn)換的AC功率的目標電壓；以及控制電壓調(diào)節(jié)裝置以將所轉(zhuǎn)換的AC功率的電壓調(diào)節(jié)為所述目標電壓。多個實施例可包括下列之一或更多。確定所述目標電壓，使得所述AC功率的目標電壓比所述DC功率的電壓小了至少預定的設計裕度。確定所述AC功率的目標電壓包括確定與所述AC功率關(guān)聯(lián)的最小電流?？梢酝ㄟ^計算機等各種方式計算所述目標電壓。
控制該電壓調(diào)節(jié)裝置包括確定該電壓調(diào)節(jié)裝置的運行參數(shù)。確定所述運行參數(shù)包括使用查找表?；谟稍摴β兽D(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的所述AC功率的電壓并使用反饋機制來確定所述運行參數(shù)。該電壓調(diào)節(jié)裝置包括負載抽頭切換器(LTC)，而所述運行參數(shù)包括所述LTC的抽頭設置。所述方法包括從與該功率生成裝置關(guān)聯(lián)的控制器接收關(guān)于由該功率生成裝置生成的電壓的報告。該功率轉(zhuǎn)換器被配置為接收由多個功率生成裝置生成的DC功率，并且基于由所述多個功率生成裝置生成的DC功率的最小電壓來確定所述目標電壓?；谠谟稍摴β兽D(zhuǎn)換器接收的所述DC功率的電壓與由該功率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的AC功率的電壓之間的比率來確定所述目標電壓?？刂圃撾妷赫{(diào)節(jié)裝置包括允許在給定的時間段內(nèi)有小于預定次數(shù)的調(diào)節(jié)?？刂圃撾妷赫{(diào)節(jié)裝置是基于所述DC功率的預期改變而進行的。所述方法包括基于所述DC功率的先前變化來確定所述DC功率的預期改變。在再一個概括性方案中，一種方法包括接收來自功率生成裝置的可變DC功率；將所接收的DC功率轉(zhuǎn)換為第一電壓下的AC功率；將所述AC功率的電壓提升為第二電壓；以及將第二電壓下的所述AC功率傳送至實用輸電網(wǎng)。所述第一電壓是基于所接收的DC功率的電壓而確定的。多個實施例可包括下列之一或更多。將所接收的DC功率轉(zhuǎn)換為AC功率包括使用電壓調(diào)節(jié)裝置來調(diào)節(jié)所述AC功率的所述第一電壓。該電壓調(diào)節(jié)裝置包括負載抽頭切換器(LTC)。調(diào)節(jié)所述AC功率的所述第一電壓包括調(diào)節(jié)所述LTC的抽頭設置。在其他優(yōu)點中，本文所述的系統(tǒng)和方法改善了 PV安裝的效率并降低了其整個系統(tǒng)的造價。所述逆變器的AC輸出電壓被調(diào)節(jié)為給逆變器使用的最佳水平，使得來自逆變器的AC輸出電流的幅值和范圍能夠得以減小。減小的電流允許使用較低額定值因此也較為廉價的逆變器。進而，不會在低溫下發(fā)生對逆變器的輸出功率的“限幅(clipping)”，因而由PV陣列生成但沒有被逆變器轉(zhuǎn)換成AC功率的廢損功率得以最小化，并且來自所述PV陣列的收益得以提高?？偠灾孀兤髦袦p小的電流還允許集電器母線中、在逆變器與升壓變壓器之間的纜線中、以及在逆變器內(nèi)的母線連接(bus-work)中的電流得以減小，從而提高了整個系統(tǒng)的效率。
本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將通過后文中的描述和權(quán)利要求而變得明顯。


圖I是聯(lián)網(wǎng)后的PV系統(tǒng)的示意圖。圖2是示出關(guān)于太陽能電池的電流-電壓特性的溫度效應的坐標圖。圖3是示出對于各種太陽輻照度水平的一串PV面板在恒溫下的端子特性(terminal characteristic)的坐標圖。圖4是對于各種太陽輻照度水平的PV陣列的電流-電壓特性以及該陣列的功率-電壓特性的坐標圖。圖5是實用級別PV安裝的示意圖。
圖6A是給出在表I中描述的示例性PV面板的溫度系數(shù)的表。圖6B是示出在表I中描述的PV面板與短路電流、開路電壓和最大功率的溫度關(guān)聯(lián)性的坐標圖。圖7是不出不例性PV陣列與輸出功率和電壓的溫度關(guān)聯(lián)性的坐標圖。圖8是二相逆變器的不意圖。圖9是示出對于來自逆變器的固定AC輸出電壓，PV陣列功率和逆變器輸出電流相對于溫度的坐標圖。圖10是示出對于來自逆變器的固定AC輸出電壓和可變AC輸出電壓，逆變器輸出電流相對于溫度的坐標圖。圖11是具有多個抽頭(tap)且連接至變壓器的負載抽頭切換器(on-loadtap-changer)的示意圖。圖12是示出逆變器DC母線電壓和AC輸出電壓相對于溫度的坐標圖。
具體實施例方式參見圖1，在聯(lián)網(wǎng)后的太陽能光伏(PV)系統(tǒng)150中，光伏陣列100包括串聯(lián)/并聯(lián)排列的多個PV面板102的集合。每個PV面板包括多個互聯(lián)的PV電池(“太陽能電池”)104。串聯(lián)起來的PV面板(集合起來被認為是“串”106)使得高運行電壓得以實現(xiàn)。多個串106被并聯(lián)起來以實現(xiàn)PV陣列100的目標生成功率額定值。PV陣列100被連接至逆變器110的DC母線108，該逆變器110將PV陣列100生成的DC功率轉(zhuǎn)換成AC功率。AC功率的電壓由升壓(step-up)變壓器112增大,用以傳送至中壓(例如,34. 5kV)集電器(collector)母線114。在一些實施例中，PV陣列100生成中壓，而逆變器110是中壓逆變器，其將轉(zhuǎn)換后的中壓AC功率直接傳送至集電器母線114。參見圖2，針對固定的太陽輻照度(S卩，照射到太陽能電池上的太陽光的量)，示出關(guān)于典型的太陽能電池的端子電壓相對于電流的特性。開路電壓、或在OA負載下跨過(across)太陽能電池的電壓與太陽能電池溫度成反比地變化(區(qū)域200)。短路電流、或在跨過電池的電壓為零時的電流相對恒定(區(qū)域202)。參見圖3，PV陣列的端子電壓相對于電流的特性的形狀與單個太陽能電池的類似。所述陣列的電壓范圍較大，反映了每個PV面板的多個太陽能電池以及串聯(lián)的多個PV面板；電流范圍也較大，反映了多個太陽能電池以及上述串聯(lián)/并聯(lián)排列的多個PV面板。在圖3中，溫度保持25°C恒定；每條曲線表示不同的太陽輻照度。較高的太陽輻照度在PV陣列中生成較多的電流。參見圖3和圖4，為了最大化由PV陣列生成的功率(因而最大化出售給電力實體的值)，PV陣列運行于其最大功率點(MPP)。MPP是陣列的特性電壓-電流(V-I)曲線上的點，PV陣列的電壓和電流的乘積在該點達到最大值，并且MPP依賴于太陽輻照度和溫度這兩者。在圖3中，示例性PV陣列的MPP針對每個標繪的太陽輻照度水平而標識出；MPP曲線302表示PV串功率輸出最大化的理想運行點。例如，對于1000W/m2的太陽輻照度，MPP出現(xiàn)在大約180V和6A (點300)處。圖4示出另一個示例性PV陣列在各級太陽輻照度水平下的典型的V-I曲線(細實線)和功率曲線(粗實線)。每個太陽輻照度水平下的MPP落在每條功率曲線的最大點處。例如，IOOOff/m2功率曲線上的點400表示該輻照度下的最大功率，其對應于圖3中示出的MPP (點300)。參見圖5，在實用級別PV安裝500中，集電器母線114從多個逆變器110收集AC輸出功率，其中每個逆變器均連接至PV陣列100。多個集電器母線114上承載的AC功率被 功率變壓器116 (例如在變電站118處)升壓為輸電電壓(例如，138kV)。在輸電電壓下的AC功率被傳送至實用功率傳輸系統(tǒng)120。與逆變器110關(guān)聯(lián)的控制器(被認為是最大功率點追蹤器(MPPT))調(diào)節(jié)逆變器的DC母線電壓以匹配PV陣列100的MPP。MPP整天都在(并且季節(jié)性地)隨著溫度和太陽輻照度的改變而變化；即使條件有改變，控制器也會將DC母線電壓持續(xù)保持在MPP處。MPPT通常通過公知算法以軟件實現(xiàn)。在其他實施例中，MPPT以電路實現(xiàn)。在本說明書的上下文中，MPPT控制PV陣列的電子運行點。還存在有機械MPPT，隨著太陽越過天空的移動而將PV面板102物理地調(diào)節(jié)為直接指向太陽。在一些實施例中，小規(guī)模PV系統(tǒng)的MPPT將逆變器的DC母線電壓設置成在全日照條件下開路PV電壓的預定百分比，例如76 %。為了效率最大化和減少典型的PV安裝的造價，PV陣列100的開路DC輸出電壓被設置的盡可能高，但不超出每個面板的最大系統(tǒng)電壓額定值。表I中給出了示例性PV面板的電子特性。對于這個PV面板，最大系統(tǒng)電壓額定值是1000V。
權(quán)利要求
1.一種功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括 功率轉(zhuǎn)換器，被配置為接收由功率生成裝置生成的可變DC功率，并將所接收的DC功率轉(zhuǎn)換為第一電壓下的AC功率； 變壓器，被配置為接收來自該功率轉(zhuǎn)換器的所述AC功率，并將AC功率以第二電壓傳送至實用輸電網(wǎng)；以及 電壓調(diào)節(jié)裝置，被配置為將該第一電壓調(diào)節(jié)為目標值，其中該目標值是基于所述DC功率的電壓確定的。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中該轉(zhuǎn)換器是逆變器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中該電壓調(diào)節(jié)裝置電連接至該變壓器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中該電壓調(diào)節(jié)裝置形成該變壓器的一部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中該電壓調(diào)節(jié)裝置包括負載抽頭切換器。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中該電壓調(diào)節(jié)裝置進一步被配置為將所述第一電壓調(diào)節(jié)為落入電壓的預定范圍之內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，進一步包括第一控制器，被配置為確定所述第一電壓的目標值。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中該功率轉(zhuǎn)換器包括 轉(zhuǎn)換器，被配置為將所接收的DC功率轉(zhuǎn)換為第三電壓下的AC功率；以及 中間變壓器，被配置為將所述第三電壓下的AC功率轉(zhuǎn)換為所述第一電壓下的AC功率。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述AC功率的第一電壓的目標值比所述DC功率的電壓小了至少預定的設計裕度。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述AC功率的目標值被確定為使得與所述AC功率關(guān)聯(lián)的電流被最小化。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述DC功率基于該功率生成裝置的溫度而變化。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中該功率生成裝置包括光伏電池。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中該功率生成裝置包括風力功率收集裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述第二電壓高于所述第一電壓。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，還包括多個功率轉(zhuǎn)換器，每個功率轉(zhuǎn)換器被配置為接收來自對應的功率生成裝置的DC功率。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，還包括集電器母線，被配置為接收來自所述多個功率轉(zhuǎn)換器的每一個功率轉(zhuǎn)換器的AC功率。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中該電壓調(diào)節(jié)裝置被配置為調(diào)節(jié)該集電器母線上的所述AC功率的第一電壓。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，還包括多個集電器母線，每個集電器母線被配置為接收來自所述多個功率轉(zhuǎn)換器的子集的AC功率。
19.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，還包括第二控制器，被配置為控制該功率生成裝置來生成預定量的DC功率。
20.一種控制功率轉(zhuǎn)換器的方法，其中該功率轉(zhuǎn)換器被配置為接收由功率生成裝置生成的可變DC功率，并將所接收的DC功率轉(zhuǎn)換為AC功率用以傳送至實用輸電網(wǎng)，該方法包括 基于由該功率生成裝置生成的所述可變DC功率的電壓來確定所轉(zhuǎn)換的AC功率的目標電壓； 控制電壓調(diào)節(jié)裝置以將所轉(zhuǎn)換的AC功率的電壓調(diào)節(jié)為所述目標電壓。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述AC功率的目標電壓比所述DC功率的電壓小了至少預定的設計裕度。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中確定所述AC功率的目標電壓包括確定與所述AC功率關(guān)聯(lián)的最小電流。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中確定所述目標電壓包括計算所述目標電壓。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中控制該電壓調(diào)節(jié)裝置包括確定該電壓調(diào)節(jié)裝置的運行參數(shù)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中確定所述運行參數(shù)包括使用查找表。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中基于由該功率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的所述AC功率的電壓并使用反饋機制來確定所述運行參數(shù)。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中該電壓調(diào)節(jié)裝置包括負載抽頭切換器(LTC)，而所述運行參數(shù)包括所述LTC的抽頭設置。
28.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，還包括從與該功率生成裝置關(guān)聯(lián)的控制器接收關(guān)于由該功率生成裝置生成的電壓的報告。
29.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中該功率轉(zhuǎn)換器被配置為接收由多個功率生成裝置生成的DC功率；以及，基于由所述多個功率生成裝置生成的DC功率的最小電壓來確定所述目標電壓。
30.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中基于在由該功率轉(zhuǎn)換器接收的所述DC功率的電壓與由該功率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的AC功率的電壓之間的比率來確定所述目標電壓。
31.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中控制該電壓調(diào)節(jié)裝置包括允許在給定的時間段內(nèi)有小于預定次數(shù)的調(diào)節(jié)。
32.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中控制該電壓調(diào)節(jié)裝置是基于所述DC功率中的預期改變而進行的。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，還包括基于所述DC功率的先前變化來確定所述DC功率中的預期改變。
34.一種方法，包括 接收來自功率生成裝置的可變DC功率； 將所接收的DC功率轉(zhuǎn)換為第一電壓下的AC功率，所述第一電壓是基于所接收的DC功率的電壓而確定的； 將所述AC功率的電壓提升為第二電壓；以及 將第二電壓下的所述AC功率傳送至實用輸電網(wǎng)。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中將所接收的DC功率轉(zhuǎn)換為AC功率包括使用電壓調(diào)節(jié)裝置來調(diào)節(jié)所述AC功率的所述第一電壓。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中該電壓調(diào)節(jié)裝置包括負載抽頭切換器(LTC)。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其中調(diào)節(jié)所述AC功率的所述第一電壓包括調(diào)節(jié)所述LTC的抽頭設置。
全文摘要
在一個概括性方案中，一種功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括功率轉(zhuǎn)換器、變壓器和電壓調(diào)節(jié)裝置。該功率轉(zhuǎn)換器被配置為接收由功率生成裝置生成的可變DC功率，并將所接收的DC功率轉(zhuǎn)換為第一電壓下的AC功率。該變壓器被配置為接收來自該功率轉(zhuǎn)換器的所述AC功率，并將AC功率以第二電壓傳送至實用輸電網(wǎng)。該電壓調(diào)節(jié)裝置被配置為將該第一電壓調(diào)節(jié)為目標值，其中該目標值是基于所述DC功率的電壓確定的。
文檔編號H02J3/38GK102782974SQ201080053270
公開日2012年11月14日 申請日期2010年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月24日
發(fā)明者安立德·P·克爾利, 道格拉斯·C·福爾茨 申請人:美國超導公司