專利名稱：用于光伏面板和/或風(fēng)力渦輪機(jī)的矩陣連接設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光伏或風(fēng)力渦輪機(jī)能量源發(fā)電機(jī)領(lǐng)域，更具體而言，本發(fā)明涉及用于將單向能量源(即，交流電(AC)或直流電(DC)并且通常具有相同的極性的能量源)連接到電源轉(zhuǎn)換器的連接裝置。
背景技術(shù)：
用于向各種負(fù)載供電或用于將功率注入到電網(wǎng)或電力網(wǎng)絡(luò)的太陽(yáng)能的應(yīng)用變得越來(lái)越普遍。在小型或中型裝置(通常小于數(shù)百瓦)中，應(yīng)用通過(guò)單個(gè)光伏面板或通過(guò)設(shè)置為并列的多個(gè)光伏面板供電的單個(gè)轉(zhuǎn)換器大部分時(shí)間是足夠的。然而，對(duì)于更大功率的或組合的裝置，S卩，包括光伏面板和風(fēng)力渦輪機(jī)兩者的裝置，如圖3的方框圖中所示，光伏面板陣列I和2以及風(fēng)力渦輪機(jī)3連接到各自的轉(zhuǎn)換器4、5、6，該轉(zhuǎn)換器4、5、6連接到供電網(wǎng)或連接到公共負(fù)載7。但是，該配置存在缺點(diǎn)。由于轉(zhuǎn)換器的效率是消耗功率的函數(shù)，因此當(dāng)日照或風(fēng)力條件低時(shí)所述效率較差。類似地，由于轉(zhuǎn)換器需要至少某一最小量的功率來(lái)啟動(dòng)，它們?cè)诘腿照栈虻惋L(fēng)力下不可能啟動(dòng)，因此，需要在該條件下向負(fù)載供電時(shí)必須應(yīng)用替代能源或中間存儲(chǔ)。這導(dǎo)致裝置相對(duì)復(fù)雜并因此成本高且體積龐大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于通過(guò)提出一種用于將單向能源連接到電源轉(zhuǎn)換器的連接裝置以減少上述缺點(diǎn)，該連接裝置使每個(gè)轉(zhuǎn)換器的效率最大且便于在低日照或低風(fēng)力的條件下啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器。通過(guò)設(shè)置在η個(gè)單向能量源和用于向公共負(fù)載供電的至少η+1個(gè)電源轉(zhuǎn)換器之間的矩陣連接設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)該目的，該裝置的特征在于裝置其包括

·η個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)單元，每個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)單元包括η個(gè)連接開(kāi)關(guān)、第一單向能量源出口、第二單向能量源出口，以及以此類推到第η單向能量源出口，η個(gè)連接開(kāi)關(guān)具有連接在一起的η個(gè)連接開(kāi)關(guān)的出口并且具有連接到所述單向能量源的η個(gè)出口的η個(gè)連接開(kāi)關(guān)的η個(gè)入口，第一單向能量源出口連接到每個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)單元的每個(gè)第一開(kāi)關(guān)，第二單向能量源出口連接到每個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)單元的每個(gè)第二開(kāi)關(guān)，第η單向能量源出口連接到每個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)單元的每個(gè)第η開(kāi)關(guān)；·至少一個(gè)附加開(kāi)關(guān)單元，該附加開(kāi)關(guān)單元包括η個(gè)開(kāi)關(guān)，η個(gè)開(kāi)關(guān)具有連接在一起的η個(gè)開(kāi)關(guān)的出口并且具有連接到所述單向能量源各自的η個(gè)出口的η個(gè)開(kāi)關(guān)的η個(gè)入口 ；以及·監(jiān)測(cè)和控制電路，該監(jiān)測(cè)和控制電路用于根據(jù)每個(gè)所述單向能量源可用功率來(lái)啟動(dòng)或不啟動(dòng)所述電源轉(zhuǎn)換器，然后根據(jù)由每個(gè)所述電源轉(zhuǎn)換器中消耗的功率保持其開(kāi)啟或使其不工作。因此，通過(guò)該矩陣連接，可根據(jù)影響每個(gè)能量源(例如，可以是光伏面板或風(fēng)力渦輪機(jī)或兩者的組合)的日照或風(fēng)力條件依次或同時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器。然后，一旦它們被啟動(dòng)，轉(zhuǎn)換器根據(jù)日照或風(fēng)力條件的變化和用于向負(fù)載供電的轉(zhuǎn)換器消耗的功率保持?jǐn)嚅_(kāi)或關(guān)閉。
本發(fā)明的矩陣連接設(shè)備進(jìn)一步包括用于短路每個(gè)所述單向能量源的出口的η個(gè)短路開(kāi)關(guān)，從而使得能夠測(cè)量所述可用功率，或?qū)嶋H上可進(jìn)一步包括與所述η個(gè)單向能量源相關(guān)聯(lián)配置的η個(gè)功率傳感器，以使得能夠測(cè)量所述可用功率。根據(jù)能量源的類型，所述功率傳感器可由日照傳感器或由用于測(cè)量風(fēng)速的傳感器形成。
優(yōu)選地，每個(gè)開(kāi)關(guān)包括與用于保護(hù)其不受電壓沖擊和不受電流沖擊的保護(hù)電路相關(guān)聯(lián)的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(M0SFET)，或?qū)嶋H上每個(gè)開(kāi)關(guān)僅包括機(jī)電組件。


通過(guò)非限制指示給出的以下說(shuō)明書(shū)和參照附圖使得本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)顯得更加清楚，其中
圖1示出了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的矩陣連接設(shè)備的太陽(yáng)能裝置的實(shí)施方案；
圖2示出了使其可以通過(guò)3個(gè)光伏面板向3個(gè)轉(zhuǎn)換器供電的各個(gè)步驟的流程圖； 以及
圖3是太陽(yáng)能/風(fēng)力裝置組合的現(xiàn)有技術(shù)的示例。
具體實(shí)施方式
圖1概略地示出了其中的多個(gè)光伏面板PV1、PV2至PVn連接到對(duì)應(yīng)的用于向共同負(fù)載10 (應(yīng)用)供電的多個(gè)電源轉(zhuǎn)換器C1、C2至Cn的太陽(yáng)能裝置。根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)，這些電源轉(zhuǎn)換器可以是直流到直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器或直流到交流(DC/AC)轉(zhuǎn)換器。通過(guò)說(shuō)明的方式自然地提及該具有η個(gè)光伏面板的能量轉(zhuǎn)換裝置，且基于單向能量源的其他類型的任何其他裝置是可能的?！?br> 根據(jù)本發(fā)明，該連接通過(guò)矩陣連接設(shè)備12建立，矩陣連接設(shè)備12包括η個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)單元I1、12至In,每個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)單元具有η個(gè)連接開(kāi)關(guān)Kil、Ki2至Kin,該η個(gè)連接開(kāi)關(guān)具有連接到一起的η個(gè)連接開(kāi)關(guān)出口且具有連接到光伏面板的η個(gè)出口的η個(gè)連接開(kāi)關(guān)的 η個(gè)入口。更精確而言，第一光伏面板PVl的出口連接到每個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)單元11、12至In的每個(gè)第一開(kāi)關(guān)Kil，第二光伏面板PV2的出口連接到每個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)單元11、12至In的每個(gè)第二開(kāi)關(guān)Ki2，并以此類推直到第η光伏面板PVn的出口，第η光伏面板PVn的出口連接到每個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)單元I1、12至In的每個(gè)第η開(kāi)關(guān)Kin。
此外，還提供用于短路每個(gè)光伏面板的出口的N個(gè)短路開(kāi)關(guān)K10、K20至KnO。利用根據(jù)監(jiān)測(cè)和控制電路14預(yù)確定的控制關(guān)系來(lái)控制開(kāi)關(guān)，監(jiān)測(cè)和控制電路14從所述開(kāi)關(guān)和從電源轉(zhuǎn)換器接收多種信息。更精確而言，所述監(jiān)測(cè)和控制電路首先接收短路開(kāi)關(guān)閉合時(shí)通過(guò)短路開(kāi)關(guān)K10、K20至KnO的每一個(gè)的電流值(該電流值對(duì)應(yīng)于給定開(kāi)關(guān)所連接的光伏面板的短路電流)，其次接收來(lái)自轉(zhuǎn)換器Cl、C2至Cn的每一個(gè)的出口電流值。
矩陣連接設(shè)備進(jìn)一步包括附加電源轉(zhuǎn)換器Cn+Ι，附加電源轉(zhuǎn)換器的出口也連接到負(fù)載10且附加電源轉(zhuǎn)換器的入口連接到附加開(kāi)關(guān)單元In+1的出口，附加開(kāi)關(guān)單元In+1包括η個(gè)開(kāi)關(guān)Kn+ll,Kn+12至Kn+ln,n個(gè)開(kāi)關(guān)的出口連接到一起且η個(gè)開(kāi)關(guān)的η個(gè)入口連接到相應(yīng)η個(gè)光伏面板。
優(yōu)選地，采用包含IGBT或MOSFET的電子器件并且以已知的方式實(shí)現(xiàn)每個(gè)開(kāi)關(guān)，每個(gè)開(kāi)關(guān)包括用于保護(hù)它不受電壓沖擊和不受電流沖擊的保護(hù)電路。然而，采用機(jī)電組件(繼電器等等)的實(shí)現(xiàn)也是很可能的。以下參考圖2說(shuō)明本發(fā)明的矩陣連接設(shè)備的操作，圖2示出了用于控制通過(guò)三個(gè)光伏面板供電的三個(gè)轉(zhuǎn)換器的流程圖。當(dāng)然，以下描述的方法可應(yīng)用于η個(gè)光伏面板。類似地，該方法可擴(kuò)展到所有單向能量源尤其是風(fēng)力渦輪機(jī)，假設(shè)與可用功率成比例的短路電流在所述其它源處可用。假設(shè)初始狀態(tài)對(duì)應(yīng)于缺乏日照(例如，夜間)。在此狀態(tài)下，短路開(kāi)關(guān)KlO (步驟100)、Κ20 (步驟102)至Κ30 (步驟104)是閉合的(轉(zhuǎn)換器Cl、C2和C3停止)，并且只要流經(jīng)所述開(kāi)關(guān)且與來(lái)自光伏面板的可用功率成比例的電流值不大于對(duì)應(yīng)于它的最小操作功率的預(yù)定最小確定值(步驟106、108、110檢驗(yàn))，短路開(kāi)關(guān)保持閉合。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)采集值大于所述預(yù)定值時(shí)，該值被發(fā)送至電路14 (步驟112)并且當(dāng)總電流值超過(guò)啟動(dòng)第一轉(zhuǎn)換器Cl所需的最小電流時(shí)(步驟114檢驗(yàn))，則斷開(kāi)短路開(kāi)關(guān)Κ10、Κ20和Κ30并且閉合第一連接開(kāi)關(guān)單元Il的三個(gè)開(kāi)關(guān)Κ11、Κ12和Κ13 (步驟116)，其它兩個(gè)開(kāi)關(guān)單元12和13的其它三個(gè)開(kāi)關(guān)K2i和K3i (i=l至 η)保持?jǐn)嚅_(kāi)(步驟118和120)，其可以使得以此方式并聯(lián)連接的三個(gè)光伏面板直接向第一轉(zhuǎn)換器Cl供電(步驟122)。因此，與現(xiàn)有技術(shù)不同，為了啟動(dòng)第一轉(zhuǎn)換器，不再必須等待其連接的光伏面板通過(guò)其自身產(chǎn)生該啟動(dòng)所必須的可用功率，而是通過(guò)并聯(lián)連接足夠數(shù)量的光伏面板足以獲得該必須的可用功率，假設(shè)由每個(gè)所選擇的面板中所發(fā)射的功率大于用于其自身操作的它的最小功率。因此，即使少量的日照足以啟動(dòng)太陽(yáng)能裝置的至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器。只要可用功率不足以啟動(dòng)第二轉(zhuǎn)換器(步驟124檢驗(yàn)的答案為“否”)并且使得可用功率不回落到低于其最小啟動(dòng)功率(步驟126)，在該情況下，第一轉(zhuǎn)換器Cl停止并且短路開(kāi)關(guān)再次閉合，而第一轉(zhuǎn)換器Cl仍然是唯一有效的轉(zhuǎn)換器。當(dāng)可用功率足以啟動(dòng)第二轉(zhuǎn)換器(步驟124檢驗(yàn)的答案為“是”)時(shí)，斷開(kāi)第一開(kāi)關(guān)單元Il的開(kāi)關(guān)Κ12 (步驟128)并閉合并聯(lián)的第二開(kāi)關(guān)單元12的開(kāi)關(guān)Κ22 (步驟130)，使得其可以向第二轉(zhuǎn)換器C2供電(步驟134)，第三開(kāi)關(guān)單元13的三個(gè)開(kāi)關(guān)K3i (i=l至η)如同上面一樣保持?jǐn)嚅_(kāi)(步驟132)。只要可用功率不足以啟動(dòng)第三轉(zhuǎn)換器(步驟136檢驗(yàn)的答案為“否”)并且使得可用功率不回落到低于它的最小啟動(dòng)功率(步驟138)，在該情況下，第二轉(zhuǎn)換器C2停止并且短路開(kāi)關(guān)Κ12和Κ22分別再次閉合和再次斷開(kāi)，所述第二轉(zhuǎn)換器C2仍然有效。當(dāng)可用功率足以啟動(dòng)第三轉(zhuǎn)換器(步驟“136”檢驗(yàn)的答案為“是”)時(shí)，斷開(kāi)第一開(kāi)關(guān)單元Il的開(kāi)關(guān)Κ13 (步驟140)并閉合并聯(lián)的第三開(kāi)關(guān)單元13的開(kāi)關(guān)Κ33 (步驟144)，使得其可以向第三轉(zhuǎn)換器C3供電(步驟146)，第二開(kāi)關(guān)單元12的開(kāi)關(guān)Κ22如同上面一樣保持閉合(步驟142)。因此，只要第三轉(zhuǎn)換器的可用功率保持大于它的啟動(dòng)功率，所有三個(gè)轉(zhuǎn)換器保持運(yùn)行(步驟148檢驗(yàn))。否則，所述第三轉(zhuǎn)換器停止并且開(kāi)關(guān)Κ13和Κ33分別再次閉合和再次斷開(kāi)，以返回至僅有兩個(gè)轉(zhuǎn)換器Cl和C2的操作。在實(shí)現(xiàn)中，監(jiān)測(cè)和控制電路14通過(guò)決定是否關(guān)閉多個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)優(yōu)化轉(zhuǎn)換器效率，以這種方式將來(lái)自光伏面板的能量引導(dǎo)至合適數(shù)量的轉(zhuǎn)換器?；谵D(zhuǎn)換器的出口電流乘以負(fù)載10的端子上的公共出口電壓的結(jié)果簡(jiǎn)單地計(jì)算轉(zhuǎn)換器的功率。注意到，附加電源轉(zhuǎn)換器Cn+Ι的存在使得其可以有利地更換有缺陷的轉(zhuǎn)換器，從而使得其可以有利地繼續(xù)應(yīng)用由光伏面板傳送的所有功率，附加電源轉(zhuǎn)換器具有連接到負(fù)載10的附加電源轉(zhuǎn)換器出口并且具有連接到本發(fā)明的矩陣連接設(shè)備中的附加開(kāi)關(guān)單元 In+1的出口的附加電源轉(zhuǎn)換器入口。當(dāng)然，還可能應(yīng)用多個(gè)附加轉(zhuǎn)換器而不是應(yīng)用單個(gè)附加轉(zhuǎn)換器， 尤其是用于需要多個(gè)轉(zhuǎn)換器的高功率的情況下。
還注意到，當(dāng)數(shù)量η為高時(shí)，并且基于光伏面板的各自的日照水平，不必須斷開(kāi)還未達(dá)到它們的最小操作功率的光伏面板的開(kāi)關(guān)Kli( i=l至η)，而并行連接的光伏面板的數(shù)量可小于η。
最后，注意到，雖然在以上描述中基于在光伏面板的出口處的短路開(kāi)關(guān)中測(cè)得的短路電流值來(lái)確定用于啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器的可用功率，還可以基于僅從與所述面板相關(guān)聯(lián)配置的日照傳感器獲得的日照測(cè)量值來(lái)確定用于啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器的可用功率。在例如應(yīng)用風(fēng)力渦輪機(jī)的其他類型的單向能量源的情況下，當(dāng)短路電流不易得到時(shí)，用于測(cè)量風(fēng)速的傳感器可然后用于確定所述可用功率。
權(quán)利要求
1.一種矩陣連接設(shè)備，所述矩陣連接設(shè)備設(shè)置在η個(gè)單向能量源(PVl、PV2、PVn)和用于向公共負(fù)載(10)供電的至少η+1個(gè)電源轉(zhuǎn)換器(Cl、C2、Cn，Cn+Ι)之間，所述矩陣連接設(shè)備的特征在于包括 η個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)單元(I1、12至In)，每個(gè)所述矩陣開(kāi)關(guān)單元包括η個(gè)連接開(kāi)關(guān)(Ki1、Ki2至Kin),所述η個(gè)連接開(kāi)關(guān)的出口連接到一起并且所述η個(gè)連接開(kāi)關(guān)的η個(gè)入口連接至所述單向能量源的η個(gè)出口，第一單向能量源(PVl)出口連接至每個(gè)所述矩陣開(kāi)關(guān)單元(I1、12至In)的每個(gè)第一開(kāi)關(guān)(Kil)，第二單向能量源(PV2)出口連接到每個(gè)所述矩陣開(kāi)關(guān)單元(I1、12至In)的每個(gè)第二開(kāi)關(guān)(Ki2)，以此類推直至第η單向能量源(PVn)出口連接到每個(gè)所述矩陣開(kāi)關(guān)單元(I1、12至In)的每個(gè)第η開(kāi)關(guān)(Kin)； 至少一個(gè)附加開(kāi)關(guān)單元(Ιη+1)，所述附加開(kāi)關(guān)單元包括η個(gè)開(kāi)關(guān)(Κη+11、Κη+12至Κη+1η),所述η個(gè)開(kāi)關(guān)的出口連接到一起并且所述η個(gè)開(kāi)關(guān)的η個(gè)入口連接至所述單向能源的相應(yīng)的η個(gè)出口 ；以及 監(jiān)測(cè)和控制電路(14)，所述監(jiān)測(cè)和控制電路用于根據(jù)每個(gè)所述單向能量源的可用功率來(lái)啟動(dòng)或不啟動(dòng)所述電源轉(zhuǎn)換器，然后用于根據(jù)每個(gè)所述電源轉(zhuǎn)換器消耗的功率保持所述電源轉(zhuǎn)換器開(kāi)啟或使所述電源轉(zhuǎn)換器不工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矩陣連接設(shè)備，其特征在于，所述矩陣連接設(shè)備進(jìn)一步包括與所述η個(gè)單向能量源相關(guān)聯(lián)配置的η個(gè)功率傳感器，以便使得能夠測(cè)量所述可用功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的矩陣連接設(shè)備，其特征在于，所述功率傳感器由日照傳感器或由用于測(cè)量風(fēng)速的傳感器形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矩陣連接設(shè)備，其特征在于，所述矩陣連接設(shè)備進(jìn)一步包括用于短路每個(gè)所述單向能量源中的出口的η個(gè)短路開(kāi)關(guān)(KlO、Κ20至KnO )，從而使得能夠測(cè)量所述可用功率。
5.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的矩陣連接設(shè)備，其特征在于，每個(gè)所述開(kāi)關(guān)包括與用于保護(hù)所述開(kāi)關(guān)不受電壓沖擊和不受電流沖擊的保護(hù)電路相關(guān)聯(lián)的IGBT或MOSFET。
6.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的矩陣連接設(shè)備，其特征在于，每個(gè)所述開(kāi)關(guān)包括機(jī)電組件。
7.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的矩陣連接設(shè)備，其特征在于，所述單向能量源為光伏面板或風(fēng)力渦輪機(jī)或兩者的組合。
8.一種包括根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的矩陣連接設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換裝置，所述能量轉(zhuǎn)換裝置用于通過(guò)單向能量源向電源轉(zhuǎn)換器供電。
全文摘要
一種矩陣連接設(shè)備，該矩陣連接設(shè)備設(shè)置在n個(gè)光伏面板和/或風(fēng)力渦輪機(jī)(PV1、PV2、PVn)和用于向公共負(fù)載(10)供電的n個(gè)電源轉(zhuǎn)換器(C1、C2、Cn)之間，所述矩陣連接設(shè)備包括n個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)單元(I1、I2至In)，每個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)單元包括n個(gè)連接開(kāi)關(guān)(Ki1、Ki2至Kin)，n個(gè)連接開(kāi)關(guān)的出口連接到一起且n個(gè)連接開(kāi)關(guān)的n個(gè)入口連接到所述光伏面板和/或風(fēng)力渦輪機(jī)的n個(gè)出口；至少一個(gè)附加開(kāi)關(guān)單元，包括n個(gè)開(kāi)關(guān)(Kn+11、Kn+12至Kn+1n)，n個(gè)開(kāi)關(guān)的出口連接到一起且n個(gè)開(kāi)關(guān)的n個(gè)入口分別連接到單向能量源的n個(gè)出口；以及指令/控制電路(14)，用于基于每個(gè)光伏面板和/或風(fēng)力渦輪機(jī)的可用功率來(lái)開(kāi)啟電源轉(zhuǎn)換器或不開(kāi)啟電源轉(zhuǎn)換器，然后用于基于由每個(gè)電源轉(zhuǎn)換器消耗的功率保持電源轉(zhuǎn)換器供電或使它們不工作。
文檔編號(hào)H02J3/38GK103038970SQ201180027346
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2011年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月4日
發(fā)明者C·德萊, N·尤爾, P·埃斯托普 申請(qǐng)人:安奕極電源系統(tǒng)有限責(zé)任公司