專利名稱：Dc至dc功率轉換器和控制該功率轉換器的方法
技術領域：
本文描述的本發(fā)明實施例一般涉及光伏(PV)發(fā)電系統，并且更確切地說，涉及用于從光伏收集系統提取功率的方法和系統。
背景技術：
太陽能日趨成為具有吸引力的能量源，并且已被視為清潔可再生替代形式的能量。光伏(PV)電池生成直流(DC)功率，其DC電流電平取決于太陽輻射，而其DC電壓電平 取決于溫度。當需要交流(AC)功率時，使用逆變器將DC功率轉換成AC功率。通常，PV逆變器采用兩級來實現功率處理，其中第一級配置成用于提供恒定的DC電壓以及第二級配置成用于將恒定的DC電壓轉換成AC電流和與電網兼容的電壓。通常，PV逆變器使用DC鏈路作為中間儲能步驟，這意味著PV逆變器包括將不穩(wěn)定的PV陣列電壓轉換成穩(wěn)定的DC電壓的DC至DC轉換器和隨后將穩(wěn)定的DC電壓轉換成可以注入到電網上的AC電流的DC至AC逆變器。兩級式逆變器的效率是影響PV系統的性能的重要參數，并且是個體級效率的倍數。為了獲取更高電流和電壓，將PC電池電連接以形成PV模塊。除了多個PV電池外，PV模塊還可以包括傳感器，例如輻照度傳感器、溫度傳感器和/或功率表。還可以將PV模塊連接以形成一個串，并且可以將多個串連接以形成PV陣列。通常，將PV陣列輸出的DC電壓提供到電網逆變器，例如DC至AC電壓逆變器。DC至AC電壓逆變器將DC電壓轉換成單相或三相交流(AC)電壓和電流。可以將三相AC輸出提供到中壓功率變壓器，該中壓功率變壓器提升電壓以產生注入到配電網中的三相中壓AC。大多數PV發(fā)電系統使用中央DC至DC轉換器來轉換PV陣列的整體功率輸出，這導致較高成本和較大重量的解決方案。再有，中央DC至DC轉換器通常使用最大功率點跟蹤器(MPPT)，其包括用于測量陣列電壓和電流以在計算陣列功率中使用的傳感器。對于操作DC至DC轉換器所需的傳感器，此類傳感器是附加的。而且，包括全功率轉換DC至DC轉換器的PV發(fā)電系統的缺點稱為效率復合(efficiency compounding)效應。PV發(fā)電系統的效率可能不比中央DC至DC轉換器的效率高。DC至AC轉換的總效率因DC至DC轉換器效率與DC至AC逆變器效率的復合而降低I %至2%。再者，全額定功率的中央DC至DC轉換器中的故障可能導致整個PV陣列的失效。為了防止此類PV陣列失效，通常使用附加的陣列串聯二極管和保險絲來隔離DC至DC轉換器失效。

發(fā)明內容
在一個方面中，提供一種配置成向DC鏈路提供直流(DC)功率的發(fā)電系統。該系統包括配置成輸出DC功率的第一發(fā)電單元。該系統還包括第一 DC至DC轉換器，第一 DC至DC轉換器包括輸入段和輸出段。第一 DC至DC轉換器的輸出段與第一發(fā)電單元串聯耦合。第一 DC至DC轉換器配置成處理第一發(fā)電單元的DC功率輸出的第一部分，并將所述第一發(fā)電單元的DC功率輸出的未處理的第二部分提供到所述輸出段。在另一個方面中，提供一種DC至DC部分功率轉換器。該DC-DC部分功率轉換器包括輸入段，該輸入段配置成接收發(fā)電單兀的DC功率輸出的第一部分。DC至DC部分功率轉換器還包括輸出段，該輸出段配置成輸出包含發(fā)電單兀的DC功率輸出的第一處理的部分和第二未處理的部分的DC功率，以應用于DC鏈路。在又一個方面中，提供一種用于控制發(fā)電系統的操作的方法。該發(fā)電系統包括至少一個發(fā)電單元和至少一個部分功率轉換器，其中該至少一個部分功率轉換器包括控制器，該控制器配置成控制至少一個半導體開關的操作。該方法包括配置部分功率轉換器以確定流經至少一個半導體開關的電流的電平，以及配置部分功率轉換器以最大化流經至少一個半導體開關的電流的電平，從而最大化至少一個發(fā)電單元的功率輸出。


圖I是示范光伏(PV)發(fā)電系統的框圖。圖2是圖I所示的PV發(fā)電系統中可包括的示范DC至DC轉換器的電路圖。圖3是圖2所示的DC至DC轉換器執(zhí)行的功率轉換的總效率的曲線圖，該總效率是DC至DC轉換器的增益的函數。圖4是圖2所示的直流(DC)至DC轉換器輸送的分數功率的曲線圖，該分數功率是DC至DC轉換器的增益的函數。圖5是圖2所示的DC至DC轉換器的總效率的曲線圖，該總效率是DC至DC轉換器轉換的功率的百分比的函數。圖6圖示圖I所示的PV發(fā)電系統的示范電流電壓(IV)特征。圖7是圖I所示的PV發(fā)電系統內可包括的DC至DC轉換器的第一備選實施例的電路圖。圖8是圖I所示的PV發(fā)電系統內可包括的DC至DC轉換器的第二備選實施例的電路圖。圖9是圖I所示的PV發(fā)電系統內可包括的DC至DC轉換器的第三備選實施例的電路圖。圖10是圖I所示的PV發(fā)電系統內可包括的DC至DC轉換器的第四備選實施例的電路圖。圖11是圖I所示的PV發(fā)電系統內可包括的DC至DC轉換器的第五備選實施例的電路圖。圖12是用于操作圖I所示的PV發(fā)電系統的示范方法的流程圖。
具體實施例方式本文描述的方法、系統和設備有助于控制PV發(fā)電系統內包括的至少一個光伏(PV)模塊的功率輸出，并將該至少一個PV模塊的功率輸出從直流(DC)功率轉換成交流(AC)功率以便應用于電力網。控制DC至DC轉換器以從饋給功率的至少一個PV模塊提取最大功率。由DC至DC轉換器處理PV模塊輸出的總功率的百分比。轉換器損耗被減到最小，因為PV模塊輸出的總功率的僅某個分數由DC至DC轉換器處理。雖然本文是相對PV發(fā)電系統來描述的，但是本文描述的方法、系統和設備可以通用地應用于任何發(fā)電應用。本文描述的方法、系統和設備包括DC至DC功率轉換器，DC至DC功率轉換器被控制為僅處理PV模塊、串或陣列輸送的總功率的某個分數，并且通過如此做，DC至DC功率轉換器控制輸送到高功率電網連接的DC至AC轉換器的總功率。因為輸送到DC至AC逆變器的總功率的僅某個分數被處理，所以將損耗減到最小，導致了 PV發(fā)電系統的提升的效率。提升轉換效率提高了整體能量產量。而且，因為DC至AC逆變器調整主系統DC鏈路電壓，所以能夠使用簡單的算法以便通過簡單最大化輸送到DC鏈路的電流，最大化個體PV模塊、PV串和/或PV陣列輸出的功率。至少部分地因為高度分布式的系統所需的小DC至DC功率轉換器的數量較高，所以這種簡化允許PV發(fā)電系統提高可靠性和降低成本。通過將DC至DC功率轉換器遍布在PV發(fā)電系統，在即使存在模塊不匹配、陰影或如臟染和/或諸如浮云通過(passing cloud)的瞬間事件的其他失衡影響的情況下,仍最大化來自整個PV陣列 的功率。通過適當地控制DC至DC轉換器，能夠安全地限制最大陣列電壓，并且能夠實現串聯二極管隔離和故障容忍。而且，該配置允許對PV模塊進行電弧故障檢測。因為這些功率轉換器額定為比系統輸送的總功率顯著地小的功率，所以減小了該DC至DC轉換器的成本、尺寸和重量。本文描述的方法、系統和設備的技術效果包括如下的至少其中之一 (a)配置部分功率轉換器以確定流經部分功率轉換器內包括的至少一個半導體開關的電流的電平；以及(b)配置該部分功率轉換器以最大化流經該至少一個半導體開關的電流的電平，從而最大化該至少一個發(fā)電單元的功率輸出。圖I是發(fā)電系統10的示范實施例的框圖。在該示范實施例中，發(fā)電系統10包括多個發(fā)電單元12。在該示范實施例中，發(fā)電系統10是包括耦合以形成PV陣列的多個PV單元12的PV發(fā)電系統。換言之，多個PV單元12內的每個PV單元與多個PV單元12內的至少一個其他PV單元電連接以形成PV發(fā)電系統。PV單元12可以包括但不限于PV模塊、PV串和/或一組PV串。PV發(fā)電系統10還包括至少一個DC至AC逆變器14。在該示范實施例中，PV單元12將例如僅數兆瓦或數百千瓦輸送到DC至AC逆變器14。DC至AC逆變器14調節(jié)從PV單元12接收的DC功率并將電網質量的功率輸送到AC電力網16。PV單元12以串聯和/或并聯串連接，然后按若干級組合在一起以用于將其功率輸送到DC至AC逆變器14的輸入18。在該示范實施例中，PV單元12包括第一 PV單元22、第二 PV單元24、第三PV單元26、第四PV單元28、第五PV單元30和第六PV單元32。第一、第二和第三PV單元22、24和26耦合在例如第一串組合器40處以形成第一陣列的串42。第四、第五和第六PV單元28、30和32耦合在例如第二串組合器46處以形成第二陣列的串48。再者，第一陣列的串42和第二陣列的串48通過例如陣列組合器50耦合。陣列組合器50將DC功率輸出到DC至AC逆變器14。雖然描述為包括六個PV單元，三個陣列的串、兩個串組合器和一陣列組合器，但是PV發(fā)電系統10可以包含允許PV發(fā)電系統10按本文描述的實現功能的任何數量的PV單元、串的陣列、串組合器和/或陣列組合器。
在該示范實施例中，PV發(fā)電系統10包括至少一個DC至DC轉換器68，例如，第一DC至DC轉換器70、第二 DC至DC轉換器72、第三DC至DC轉換器74、第四DC至DC轉換器76、第五DC至DC轉換器78和第六DC至DC轉換器80。在該示范實施例中，第一 DC至DC轉換器70耦合在第一 PV單元22與串組合器40之間，第二 DC至DC轉換器72耦合在第二PV單元24與串組合器40之間，第三DC至DC轉換器74耦合在第三PV單元26與串組合器40之間，第四DC至DC轉換器76耦合在第四PV單元28與第二串組合器46之間，第五DC至DC轉換器78耦合在第五PV單元30與第二串組合器46之間，以及第六DC至DC轉換器80耦合在第六PV單元32與第二串組合器46之間。在第一備選實施例中，第一 DC至DC轉換器70耦合在第一串組合器40與陣列組合器50之間，以及第二 DC至DC轉換器72耦合在第二串組合器46與陣列組合器50之間。在第二備選實施例中，第一 DC至DC轉換器70耦合在陣列組合器50與DC至AC逆變器14之間。再者，可以將至少一個DC至DC轉換器68設在PV發(fā)電系統10內允許PV發(fā)電系統10按本文描述的實現功能的任何位置處。例如，第一 DC至DC轉換器70的額定功率將取決于其在PV發(fā)電系統10內的位置而改變。 控制至少一個DC至DC轉換器68以從多個PV單元12提取最大功率。在該示范實施例中，控制第一 DC至DC轉換器70以從第一 PV單元22提取最大功率，控制第二 DC至DC轉換器72以從第二 PV單元24提取最大功率，控制第三DC至DC轉換器74以從第三PV單元26提取最大功率，控制第四DC至DC轉換器76以從第四PV單元28提取最大功率，控制第五DC至DC轉換器78以從第五PV單元30提取最大功率，以及控制第六DC至DC轉換器80以從第六PV單元32提取最大功率。在第一備選實施例中，控制第一 DC至DC轉換器70以從PV單元22、24和26的組合提取最大功率，以及控制第二 DC至DC轉換器72以從PV單元28、30和32的組合提取最大功率。在第二備選實施例中，控制第一 DC至DC轉換器70以從PV單元22、24、26、28、30和32的組合提取最大功率，將DC至DC轉換器68設為更接近個體PV單元22、24、26、28、30和32增加能夠從PV單元22、24、26、28、30和32提取的功率。這至少部分是因為以下事實PV單元的現場區(qū)域的一部分中的陰影、臟染或模塊失配將不會影響設在該現場區(qū)域的其他部分中的其他PV單元輸送的功率。但是，僅在DC至DC轉換器68是高效率的情況下，將DC至DC轉換器68設為更接近個體PV單元22、24、26、28、30和32增加能夠從PV單元22、24、26、28、30和32提取的功率，這是因為與使用一個有效率的DC至DC轉換器相比，使用多個欠效率的DC至DC轉換器將不會增加從PV單元22、24、26、28、30和32提取的功率。而且，僅在轉換器的成本足夠低以使財務增量不會與增加的能量產量抵消的情況下，將DC至DC轉換器68設為更接近個體PV單元才是實際的。圖2是(圖I所示的)PV發(fā)電系統10內可包括的DC至DC轉換器70的示范實施例的電路圖82。在該示范實施例中，DC至DC轉換器70耦合在PV單元(例如第一 PV單元22)與DC鏈路84之間?？梢詫C負載86設為跨過DC鏈路84。DC負載86可以包括但不限于，電池充電器和/或并網(grid tied)逆變器，例如，DC至AC電壓逆變器14(如圖I所示)?？梢詫C鏈路84耦合到DC至AC逆變器14、第一串組合器46(如圖I所示)和/或陣列組合器50 (如圖I所示)或包含在其中。DC至DC轉換器70在本文中也稱為部分功率轉換器(PPC)，因為PV單元22的功率輸出僅一部分被DC至DC轉換器70轉換。PV單元22的功率輸出的其余部分被提供到DC至DC轉換器70，但是在提供到DC鏈路84之前，未被DC至DC轉換器70轉換和/或處理。在該示范實施例中，DC至DC轉換器70配置為包括至少一個變壓器88的推挽式轉換器。雖然圖示為推挽式轉換器，但是可以使用任何其他適合的DC至DC轉換器布置。至少一個變壓器88包括初級段90 (本文中也稱為輸入段)，以及次級段92 (本文中也稱為輸出段)。在該示范實施例中，初級段90包括至少一個初級繞組，例如第一初級繞組96和第二初級繞組98。初級段90還包括至少一個半導體器件，例如第一半導體器件102和第二半導體器件104。半導體器件102和104可以包括(但不限于包括)絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)或利用硅或寬帶隙材料(例如，碳化硅和/氮化鎵)實現的雙極結型晶體管(BJT)。在該示范實施例中，初級段90還包括控制半導體器件102和104的操作的控制器106。例如，控制器106可以向半導體器件102提供控 制信號，其中控制信號的占空比控制DC至DC轉換器70的電壓輸出。在其中由DC至AC逆變器14來調整DC鏈路84的電壓的備選實施例中，DC至DC轉換器70通過占空比控制來調整關聯的PV單元(例如，PV單元22)的輸入電壓以從PV單元22提取最大功率。在該示范實施例中，次級段92包括至少一個次級繞組，例如第一次級繞組108和第二次級繞組110。次級段92還包括至少一個半導體器件，例如第一二極管114和第二二極管116。在該示范實施例中，PV單元22的輸出120耦合到第一初級繞組96與第二初級繞組98之間的中心抽頭130和第一次級繞組108和第二次級繞組110之間的中心抽頭140。將PV單元22輸出的DC電流(Ipv) 144的第一部分(Ijttinmy) 142提供到初級段90。將PV單元22的DC電流輸出144的第二部分(本文也稱為負載電流(Ilrad)或DC鏈路電流(Inclink) 146)直接提供到次級段92。初級段90和次級段92也被互感耦合。更確切地說，初級繞組96和98互感耦合到次級繞組108和110。在操作中，流經初級繞組96和98的隨時間變化的電流感生跨過次級繞組108和110的電壓。在該示范實施例中，初級段90提取PV單元22生成的DC電流的一部分。再者，次級段92與PV單元22串聯耦合，使得DC至DC轉換器70的輸出電壓150 (Vs)與PV單元22的輸出電壓152 (Vmppt)串聯。換言之，輸送到DC鏈路84的電壓(本文稱為Vraink154)是PV電壓152 (Vmppt)與DC至DC轉換器電壓150 (Vs)之和。而且，輸送到DC鏈路84的功率超過DC至DC轉換器70處理和/或轉換的功率。因此，DC至DC轉換器70的額定功率可以低于將輸送到DC鏈路84的所有功率由DC至DC轉換器70處理和/或轉換的情況。即使DC至DC轉換器70的額定功率低于輸送到DC鏈路84的功率，DC至DC轉換器70仍能夠控制Iltjad146，也稱為DC鏈路電流。在該示范實施例中，DC鏈路電壓154由耦合到電力網16(如圖I所示)的DC至AC逆變器14來控制。圖3是在假定DC至DC轉換器70具有95%的效率的情況下，PPC(例如，DC至DC轉換器70(如圖2所示))執(zhí)行的功率轉換的總效率182的模擬曲線圖，該總效率是DC至DC轉換器70的增益184的函數。本文中將DC至DC轉換器70的增益184定義為DC至DC轉換器70的輸出電壓(例如，輸出電壓(Vs) 150 (如圖2所示))除以DC至DC轉換器70提供的電壓(例如，輸入電壓(Vmppt) 152 (如圖2所示))。在該示范實施例中，DC至DC轉換器70按小于約O. 5的增益操作。如圖所示，在小于約O. 5的增益下，DC至DC轉換器70的總效率182超過98%。隨著DC至DC轉換器轉換的功率的部分減少(S卩，增益184下降)，DC至DC轉換器70的總效率182增加。圖4是PPC (例如，(圖2所示的)DC至DC轉換器70)輸送的分數功率192的模擬曲線圖190，該分數功率是增益184的函數。分數功率192在本文中定義為DC至DC轉換器70輸送的DC功率中被DC至DC轉換器70轉換的部分。對于在小于約O. 5的增益184下操作的DC至DC轉換器70，分數功率192是DC至DC轉換器70輸送到例如DC負載86 (如圖2所示)的總功率的約三分之一。因此，在該示范實施例中，DC至DC轉換器70的額定功率只需是輸送到DC負載86的總功率的大約三分之一。如圖所示，DC至DC轉換器70轉換的實際功率大大地小于DC負載86輸送的總功率。通過轉換小于輸送到DC負載86的總功率，可以在PV發(fā)電系統10(如圖I所示)中使用具有較低額定功率(即，最大功率DC至DC轉換器70額定為能夠在無損壞或過度磨耗的情況下進行轉換)的DC至DC轉換器。較低額定的轉換器通常較之較高額定的轉換器更小、更輕且成本更低。圖5是PPC (例如，DC至DC轉換器70)的總效率182 (圖3所示 的)的模擬曲線圖200，該總效率182是每單位電壓210的函數。每單位電壓210在本文中定義為PV電壓(Vmppt) 152(如圖2所示)對DC鏈路電壓(Vliclink) 154(如圖2所示)的比值。隨著PV電壓152逼近DC鏈路電壓154 (即，Vmppt/VDClink逼近I)，DC至DC轉換器70處理的功率的量下降，并且總PPC效率182逼近100%。通過使用DC至DC轉換器70僅轉換PV單元22 (如圖I所示)輸出的DC功率的某個分數，能夠大大地降低轉換器額定，并因此降低轉換器成本、尺寸和重量。再者，能夠將最終轉換效率提升超過滿功率轉換器的效率。在大PV系統中使用此類型的布置促成更具成本效率的能量產量平衡。再者，在預期的環(huán)境溫度范圍上，例如但不限于-40°攝氏度(C)至65°C，預計每單位電壓210(即，Vmppt/VDaiJ在約O. 6至I. O之間變化。能夠在較大PC電壓152變化上預計效率超過98%。圖6圖示PV發(fā)電系統10 (如圖I所示)的示范電流電壓(IV)特性。更確切地說，圖6包括初級電流(Ilffinmy) 142 (如圖2所示)是每單位電壓210的函數的第一曲線圖220，PV電流(Ipv) 144(如圖2所示)是每單位電壓210的函數的第二曲線222，以及DC負載電流(IlMd)146(如圖2所示)是每單位電壓210的函數的第三曲線224。因為DC至AC逆變器(例如，DC至AC逆變器14 (如圖I所示))控制DC鏈路電壓154，所以當由PV陣列輸送到DC鏈路84(如圖2所示)且由DC至DC轉換器70控制的Iliaink 146達到最大值，例如Vmppt 256時，出現來自給定PV模塊或串的最大功率。因此，執(zhí)行簡單且容易實現的最大功率控制算法，其中使PV發(fā)電系統10中的每個DC至DC轉換器輸送的DC鏈路電流146最大化。因此，簡化了每個DC至DC轉換器的控制(例如，最大化DC鏈路電流146以最大化功率輸出)。只需電流傳感器，其數量比其他電路布置的最大功率控制所需的傳感器數量低。圖7是DC至DC轉換器70 (圖I所示)的第一備選實施例282的電路圖280。在第一備選實施例中，DC至DC轉換器282包括逆向轉換器配置。DC至DC轉換器282包括單個晶體管284、變壓器286、第一電容器288、第二電容器290和整流二極管291。逆向轉換器的操作基本與推挽式轉換器(如圖2所示)的操作相似。DC至DC轉換器70內包括的多個晶體管102和104較之逆向轉換器能夠在更高功率應用中使用。但是，較之推挽式轉換器，逆向轉換器內包括的較低數量的晶體管提供較低成本的解決方案，適于較低功率應用。例如，可以將多個PV單元12的PV單元22、24、26、28、30和32(全部如圖I所示)的功率輸出施加到DC至DC轉換器282。再者，在該備選實施例中，變壓器286具有比變壓器88(如圖2所示)的額定功率容量低的額定功率容量。變壓器286的較低功率額定也促成較低成本的轉換器。在替代實施例中，PV單元22的第一側292或第二側294可以接地，作為備選，第一側292和/或第二側294可以不接地(即，浮動)。圖8是DC至DC轉換器70 (圖I所示)的第二備選實施例310的電路圖300。在第二備選實施例中，DC至DC轉換器310包括正向轉換器配置。與第一備選實施例282 (如圖7所示)相似，DC至DC轉換器310包括單個晶體管312，但是DC至DC轉換器310配置為在中等功率級應用中使用，其至少部分是由于添加了次級電感器314。晶體管312中的初級電流(Ipk) 320與DC負載電流146成比例。如上所述，輸送到DC鏈路84的功率與DC鏈路電流146成比例。因此，要最大化PV單元22的PV功率輸出，感測晶體管312中的初級電流320并使其最大化。使用此最大化功率點跟蹤的方法，無需PV模塊輸出電流傳感器即可最大化PV單元22的PV功率輸出。以此方式，通常感測以便控制DC至DC轉換器310時使用的電流320也用于最大功率跟蹤，無需附加的電流傳感器來測量陣列電流144或DC鏈路電流146。
在該示范實施例中，晶體管312配置成保護DC至DC轉換器70免受高電壓。更確 切地說，使晶體管312 “導通(0N)”防止DC鏈路電壓154超過預定義過電壓電平。此類情況可能發(fā)生在例如DC至DC轉換器70的啟動期間，以及環(huán)境溫度低于預期的范圍和亮度高于預期的范圍時?？梢杂衫缈刂破?22存儲和/或訪問最大PV電壓電平。如果PV電壓152超過最大PV電壓電平，則控制器322將晶體管312保持在“導通”狀態(tài)，這跨過PV單元22產生短路。PV單元22的最大電流輸出限于如下電平，其小于在不損壞DC至DC轉換器70內的組件(例如但不限于晶體管312)的情況下可施加到DC至DC轉換器70的最大電流。圖9是DC至DC轉換器70 (圖I所示)的第三備選實施例362的電路圖360。在第三替代實施例中，DC至DC轉換器362包括全橋轉換器配置。DC至DC轉換器362包括第一晶體管364、第二晶體管366、第三晶體管368和第四晶體管370，這允許DC至DC轉換器362在較高功率電平應用中使用，例如串組合器(例如串組合器40、串組合器46和/或陣列組合器50(全部如圖I所示))輸出的功率電平。正如結合DC至DC轉換器310描述的，通過最大化初級電流320來實現從PV單元22提取的最大功率。DC至DC轉換器362包括用于測量經由第四晶體管370的初級電流320的電流感測裝置372?？梢酝ㄟ^硬開關脈寬調制(PWM)信號、軟開關相移PWM信號和/或任何其他適合的信號來控制DC至DC轉換器362。再者，將晶體管364、366、368和370保持在“導通”狀態(tài)防止了當PV電壓152超過預定義電平時，DC鏈路電壓154超過預定義的過電壓電平，這在例如啟動期間和/或極端寒冷和明亮狀態(tài)下可能發(fā)生。圖10是DC至DC轉換器70 (圖I所示)的第四備選實施例376的電路圖374。在第四備選實施例中，DC至DC轉換器376包括饋電流轉換器配置。DC至DC轉換器376包括第一晶體管378、第二晶體管380、第三晶體管382和第四晶體管384。將DC電流(Id) 386饋給到全橋整流器388。全橋整流器388包括第一二極管390、第二二極管392、第三二極管394和第四二極管396。DC至DC轉換器376允許DC鏈路電壓(Vliaink) 154用于通過鉗位二極管390和392鉗制電壓尖峰。因此，通過將能量返回到DC鏈路84以無損耗方式鉗制晶體管378、380、382和384開關時自然出現的電壓尖峰。
圖11是DC至DC轉換器70 (圖I所示)的第五備選實施例402的電路圖400。在第五備選實施例中，DC至DC轉換器402包括部分功率處理升降壓(buck-boost)配置。DC至DC轉換器402的輸入段90包括開關(如晶體管403)、電感器404和輸入電容器405。DC至DC轉換器402的輸出段92包括輸出電容器406，并且可以包括二極管408。DC至DC轉換器402不包括變壓器或輸出整流器。更恰當地，輸入段90直接耦合(即，互感耦合)到輸出段92。因此，DC至DC轉換器402適于在中等功率應用或高功率應用中使用。DC至DC轉換器402的輸出電壓(即，Vliclink 154)等于輸入電壓(即，PV陣列電壓152，Vmppt)與跨過輸出電容器406的電壓(即，Vs150)之和。Vnclink 154取決于晶體管403的占空比(d)。更確切地說，Vmppt 152與Vs 150按如下公式相關聯(公式 I)
此非逆變升降壓轉換器關系允許在寬范圍的Vmppt 152變化上使用DC至DC轉換器 402(例如，Vs150 可大于或小于 Vmppt，以使 Vmppt+Vs = VDClink)。當 V_ 152 小于 Vraink 154時，通過DC至DC轉換器402來處理輸入電壓Vmppt 152的僅某個分數，其中處理的分數取決于乂_ 152與Vraink 154之間的電壓差。更確切地說，當乂_彡Vraink時，DC至DC轉換器402處理的功率的分數可以按如下公式計算(公式 2)
處理的功率的分數=DC,mk當Vmppt 152基本等于Vraink時，所有輸入功率通過DC至DC轉換器402而不進行處理和/或轉換(即，所有Vmppt 152被路由到輸出段92，并且晶體管403轉到“斷開(OFF)”狀態(tài))。當Vmppt 152超過預定義電壓電平時，晶體管403配置成通過保持在“導通”狀態(tài)來限制Vmppt 152。當保持在“導通”狀態(tài)時，晶體管403防止PV陣列電壓152 (Vmppt)超過預定義電平，此在例如啟動期間和/或極端寒冷和明亮狀態(tài)下可能發(fā)生。在圖2和圖7-11所示的電路中，可以將晶體管102、104、284、312、364、366、368、370和403保留“導通”以限制非經常性高陣列電壓的情況中的陣列電壓(Vmppt) 152，這可能發(fā)生在例如非常寒冷和明亮狀況中。當保持在“導通”位置中時，晶體管102、104、284、312、364、366、368、370和/或403是電路保護元件，其實質上“短接(crowbar) ’DC鏈路84以限制PV陣列電壓(Vmppt) 152。通過限制Vmppt 152，減少PV單元22的功率輸出，從而防止對PV單元22的損壞。再者，當處于“導通”位置中時，晶體管102、104、284、312、364、366、368、370和/或403增加流到初級段90的電流(Ijttinmy) 142，并且因此，減少流到DC負載86 (如圖2所示)和/或DC鏈路84(如圖2和圖7-11所示)的電流(Iload) 146。此外，電路82、280、300、360和/或374中的PPC整流二極管(例如，二極管114和116 (如圖2所示)和/或二極管291 (如圖7所示))在轉換器或串失效的情況中起到整流二極管和隔離二極管的雙重作用。這些二極管將防止失效將DC鏈路84短路以及潛在地導致系統中的其他轉換器的級聯失效?？梢杂幸庾R地將每個PV串的其中一端接地或可以將其兩端均保持為浮動。圖12是用于控制發(fā)電系統(例如，PV發(fā)電系統10(如圖I所示))的操作的示范方法412的流程圖410。正如上文所述，發(fā)電系統10包括至少一個發(fā)電單元，例如，PV單元22 (如圖I所示)，以及至少一個部分功率轉換器，例如DC至DC轉換器70 (如圖I所示)。再者，DC至DC轉換器70包括控制器，例如，控制器106 (如圖2所示)，其配置成控制至少一個半導體開關，例如晶體管102和晶體管104的操作。在該示范實施例中，方法412包括配置414部分功率轉換器70以確定流經晶體管102的電流的電平，以及配置416部分功率轉換器70以最大化流經晶體管102的電流的電平以及由此最大化PV單元22的功率輸出。在該示范實施例中，方法412還包括當在例如啟動期間和/或極端寒冷和明亮狀態(tài)下PV單元22的電壓輸出超過預定義電平時，配置418控制器106以將晶體管102保持在第一位置(例如，“導通”位置)。控制器106還配置成420操作晶體管102以限制發(fā)電系統10內的故障電流。方法412還包括配置422部分功率轉換器70以對輸送到負載(例如，輸送到DC負載86(如圖2所示))的總功率的一部分進行輸送。而且，發(fā)電系統10還包括DC至AC逆變器，例如DC至AC逆變器14(如圖I所示)，以及方法412還可以包括配置424DC至AC逆變器14以控制部分功率轉換器70的功率輸出的電壓電平。本文描述的方法、系統和設備提供優(yōu)于全功率DC至DC轉換器的有益之處，包括更高的系統效率以及由此實現的高能量產量；更低的額定功率轉換器；更小的尺寸；更低的重量；更低的成本；更高的能量產量；以及無需傳感器來實現最大功率點跟蹤。本文描 述的方法、系統和設備能夠使得分布式架構對于大商用和公用設施級別的系統具有成本效率。除了商用和公用設施級別的系統外，本文描述的方法、系統和設備還可以適用于模塊級的較小系統，如住宅或小商用。再者，本文描述的方法、系統和設備所能夠實現的尺寸、成本和重量的減少，使得DC至DC轉換器能夠容易地與PV模塊集成(即，可以將DC至DC轉換器設在PV發(fā)電系統內的接線盒處)。本文描述的是用于轉換和控制PV模塊、串或一組串輸送的功率的一部分的不范方法、系統和設備，與轉換PV模塊、串或一組串輸送的全部功率相比，這些示范方法、系統和設備促成轉換總效率的提升并降低轉換器的成本。更確切地說，本文描述的方法、系統和設備使得較低功率的轉換器能夠在電方面設置得更靠近PV模塊，例如設在串組合器盒中，或直接連接到串輸出，因為較低功率的轉換器具有較低成本，且在功率電平上額定為與PV模塊、串或一組串輸送的功率相似。本文描述的方法、系統和設備有助于實現高效且經濟的發(fā)電。本文詳細地描述和/或圖示方法、系統和設備的示范實施例。該方法、系統和設備不限于本文描述的特定實施例，相反，可以彼此獨立地且分開地利用本文描述的每個系統和/或設備的組件以及每個方法的步驟。每個組件和每個方法步驟還可以彼此組合來使用。當介紹本文描述和/或圖示的方法和設備的元件/組件等時，冠詞“一”、“該”和“所述”意在表示存在一個或多個元件/組件等。術語“包括”、“包含”和“具有”應是涵蓋性的，并且表示可能存在所列元件/組件等之外的附加的元件/組件等。本書面描述使用示例來公開包括最佳模式的本發(fā)明，以及還使本領域技術人員能實踐本發(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統及執(zhí)行任何結合的方法。本發(fā)明可取得專利的范圍由權利要求定義，且可包括本領域技術人員想到的其它示例。如果此類其它示例具有與權利要求字面語言無不同的結構要素，或者如果它們包括與權利要求字面語言無實質不同的等效結構要素，則它們規(guī)定為在權利要求的范圍之內。部件列表10發(fā)電系統12多個PV單元
14DC至AC逆變器I6電力網18 輸入22 第一 PV 單元24 第二 PV 單元26第三PV單元28第四PV單元3O第五PV單元 32第六PV單元40第一串組合器42第一陣列的串46第二串組合器48第二陣列的串50陣列組合器68至少一個DC至DC轉換器70第一 DC至DC轉換器72第二 DC至DC轉換器74第三DC至DC轉換器76第四DC至DC轉換器78第五DC至DC轉換器
80第六DC至DC轉換器82電路圖84DC 鏈路86DC 負載88變壓器90初級段92次級段96第一初級繞組98第二初級繞組102 晶體管104晶體管106控制器108第一次級繞組110第二次級繞組114 第一二極管116 第二二極管120 輸出130 中心抽頭140 中心抽頭
142初級電流144PV 電流146DC負載電流150DC轉換器電壓152PV陣列電壓154DC鏈路電壓180曲線圖182總效率184增益190曲線圖192分數功率200曲線圖210每單位電壓220第一曲線圖222第二曲線圖224第三曲線圖256最大電壓280電路圖282第一備選DC至DC轉換器284晶體管286變壓器288第一電容器290第二電容器291整流二極管292第一例294第二側300電路圖310第二備選DC至DC轉換器312晶體管314電感器320初級電流322控制器360電路圖362第三備選DC至DC轉換器364第一晶體管366第二晶體管368第三晶體管370第四晶體管372電流感測裝置
374電路圖376第四備選DC至DC轉換器378第一晶體管380第二晶體管382第三晶體管384第四晶體管386DC 電流388全橋整流器 390第一二極管392第二二極管394第三二極管396第四二極管400電路圖402第五備選DC至DC轉換器404電感器405輸入電容器406輸出電容器408二極管410流程圖412用于控制發(fā)電系統的操作的方法414配置部分功率轉換器以確定流經晶體管的電流的電平416配置部分功率轉換器以最大化流經晶體管的電流的電平，從而最大化PV模塊的功率輸出418配置控制器以在PV模塊的電壓輸出超過預定義電平時將晶體管保持在第
一位置420配置控制器以操作晶體管來限制發(fā)電系統內的故障電流422配置部分功率轉換器以對輸送到負載的總功率的一部分進行輸送424配置DC至AC逆變器以控制部分功率轉換器的功率輸出的電壓電平
權利要求
1.一種配置成向DC鏈路(84)提供直流(DC)功率的發(fā)電系統(10)，所述系統包括 第一發(fā)電單元(22)，其配置成輸出DC功率；以及 第一 DC至DC轉換器(70)，其包括輸入段(90)和輸出段(92)，其中所述第一 DC至DC轉換器的所述輸出段與所述第一發(fā)電單元串聯耦合，所述第一 DC至DC轉換器配置成處理所述第一發(fā)電單元的所述DC功率輸出的第一部分并將所述第一發(fā)電單元的所述DC功率輸出的未處理的第二部分提供到所述輸出段。
2.根據權利要求I所述的系統(10)，其中，所述第一DC至DC轉換器(70)處理的DC功率輸出的所述第一部分小于提供到所述DC鏈路(84)的總功率。
3.如權利要求I所述的系統(10)，其中，所述第一發(fā)電單元(22)包括至少一個光伏(PV)單元。
4.如權利要求I所述的系統(10)，其中，所述第一DC至DC轉換器(70)的所述輸入段(90)和所述輸出段(92)互感耦合。
5.如權利要求I所述的系統(10)，其中，所述第一DC至DC轉換器(70)包括至少一個變壓器(88)，其中所述輸入段(90)包括所述至少一個變壓器的初級繞組(96)，以及所述輸出段(92)包括所述至少一個變壓器的次級繞組(108)，以及其中所述初級繞組接收所述第一發(fā)電單元(22)的所述DC功率輸出的所述第一部分，并感生跨過所述次級繞組的電壓，其與所述第一發(fā)電單元的所述DC功率輸出的所述第二未處理的部分結合并被提供到所述DC鏈路(84)。
6.如權利要求I所述的系統(10)，其中，所述第一DC至DC轉換器(70)配置成控制DC鏈路電流(146)以從所述第一發(fā)電單元(22)提取最大功率。
7.如權利要求6所述的系統(10)，其中，所述第一DC至DC轉換器(70)配置成最大化所述DC鏈路電流(146)以最大化所述第一發(fā)電單元(22)的輸出功率。
8.如權利要求I所述的系統(10)，其中，所述第一DC至DC轉換器(70)包括的額定功率小于提供到所述DC鏈路(84)的DC功率。
9.一種直流(DC)至DC部分功率轉換器(70)，包括 輸入段(90)，其配置成接收發(fā)電單元(22)的DC功率輸出的第一部分；以及 輸出段(92)，其配置成將包含所述發(fā)電單元的所述DC功率輸出的所述第一處理的部分和第二未處理的部分的DC功率輸出到DC鏈路(84)。
10.如權利要求9所述的轉換器(70)，其中所述輸出段(92)直接耦合到所述輸入段(90)。
全文摘要
本發(fā)明名稱為“DC至DC功率轉換器和控制該功率轉換器的方法”。描述一種配置成向DC鏈路(84)提供直流(DC)功率的發(fā)電系統(10)。該系統包括配置成輸出DC功率的第一發(fā)電單元(22)。該系統還包括第一DC至DC轉換器(70)，第一DC至DC轉換器包括輸入段(90)和輸出段(92)。第一DC至DC轉換器的輸出段與第一發(fā)電單元串聯耦合。第一DC至DC轉換器配置成處理第一發(fā)電單元的DC功率輸出的第一部分并將第一發(fā)電單元的DC功率輸出的未處理的第二部分提供到輸出段。
文檔編號H02M3/335GK102857107SQ201210142028
公開日2013年1月2日 申請日期2012年4月28日 優(yōu)先權日2011年6月29日
發(fā)明者R·L·施泰格瓦爾德, A·埃拉澤, J·A·薩巴特, M·H·托多羅維奇, M·阿加米 申請人:通用電氣公司