多相系統(tǒng)中的電力平衡的制作方法
【專利說明】多相系統(tǒng)中的電力平衡
【背景技術(shù)】
[0001] 電網(wǎng)是用于從供應(yīng)者向消費者傳遞電力的分配網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)上，由電力公司通過電 網(wǎng)分配電力已經(jīng)滿足了消費者的電力需求。電網(wǎng)提供區(qū)域可用的電力中的大部分。電力在 一個位置生成并通過電網(wǎng)分配到周圍的區(qū)域。該電力以交流電（AC)電力的形式分配，該交 流電電力沿著電力線以非常高的電壓傳輸。大部分通過電網(wǎng)傳輸?shù)碾娏κ侨嗟摹?br>[0002] 電力以三相傳輸用來提供均衡的電力來源，該電力來源能夠容易地以高效的布線 成本在長距離上分配。三相電是沿著三個分離的電力線傳輸?shù)腁C電力。每個電力線處于 不同的相位，其中每個電力線的相位是其它兩個電力線的相位移動120度。這些相位相互 移動以使用AC電力提供DC電源的一致性（consistency)。
[0003] 三相電是全世界用于電力分配的標準方法。在美國，電力是以三相分配的，但是大 部分家庭運行的是單相。三相電在變壓器分為單相，其中電壓逐步下降并且相位分開。然 而，一些家庭和商業(yè)被配置為接收三相電。
[0004] 圖1示出了連接來自電網(wǎng)的三相電力的家庭105中的電能使用。家庭105可以在 消耗或產(chǎn)生電力的任何地點，例如工業(yè)廠房或隔離的太陽能電池板裝置。圖1示出了三個 電力線125、130和135、家庭105、負載160、和電網(wǎng)120。三個電力線125、130和135從電 網(wǎng)120向家庭105中的負載160以分別在曲線145、150和155中示出的三個不同相位提供 電力。
[0005] 家庭105的負載160由三個電力線125、130和135供電，三個電力線125、130和 135由電網(wǎng)120供電。三個相位的曲線145、150和155示出了電力線125、130和135在時 間上以三分之一周期或120度的相位差移動。該相位差提供電力使得三個相位中的一個將 會在具體電力線的單個周期的三個不同點上達到其波峰，這允許AC電源提供DC電源的一 致性。一些備選發(fā)電機（例如太陽能電池板）提供DC電力，但是以便與電網(wǎng)一起使用，DC 電源必須轉(zhuǎn)換為AC電力。
[0006] 太陽能電池板已經(jīng)變成越來越常見的備選電源。通過尺寸變化的安裝，消費者 也已經(jīng)變成了生產(chǎn)者，導致大量的電力生產(chǎn)者而不是單個生產(chǎn)者。消費者能夠生產(chǎn)他們 自己的電力，減少他們對電力公司的依賴。由于太陽能在白天可以更易于使用的性質(zhì)，隨 著全天具體位置變化的需要，住宅消費者可以在白天是生產(chǎn)者，但在夜間是消費者。隨著 太陽能裝置注入到電網(wǎng)中的電力以及消費者的需求在一天中的變化，額外的電力可能需 要從電網(wǎng)中吸取或者返還到電網(wǎng)中。然而，為了使太陽能裝置向電網(wǎng)中注入電力，由裝置 (installation)上的太陽能電池板生成的DC電力需要以與電網(wǎng)提供的電力類似的形式轉(zhuǎn) 換為AC電力。
[0007] 來自太陽能電池板的電力的從DC電力向AC電力的轉(zhuǎn)換通常使用逆變器來完成。 典型地，太陽能電池板串聯(lián)連接，并且然后與高壓電纜連接以將DC電力連接到逆變器。這 些太陽能電池板裝置使用單一、大型逆變器來將產(chǎn)生的電力轉(zhuǎn)換成可以用于家庭中或可以 反饋至電網(wǎng)的電力。
[0008] 圖2示出了電能連接三相電力的家庭205中的電能使用，其中向家庭205供電的 電力是從太陽能電池板215提供的，該太陽能電池板向單個逆變器262提供DC電力。類似 于圖1，三個電力線225、230和235向家庭205的負載260提供電力。此外，圖2示出了太 陽能電池板215和逆變器262。太陽能電池板215向逆變器262提供DC電力，該逆變器262 轉(zhuǎn)換DC電力并且向三個電力線225、230和235提供AC電力。單個逆變器裝置需要大型逆 變器以及重型高壓電纜以將DC電力向AC逆變器提供。
[0009] 近幾年已經(jīng)出現(xiàn)了對模塊集成的電子器件的興趣。具體地，已經(jīng)注意到太陽能微 型逆變器是作為具有優(yōu)于現(xiàn)有傳統(tǒng)解決方案的多個優(yōu)點的產(chǎn)品。微型逆變器是安裝在太陽 能電池板本身上或安裝在接近太陽能電池板的位置的較小的逆變器。作為單個逆變器將 裝置提供的所有電力進行逆變的替代，微型逆變器對一個或多個太陽能電池板的電力進行 逆變，并且在源太陽能電池板處提供AC電力。微型逆變器提供了很多優(yōu)于傳統(tǒng)逆變器的優(yōu) 點。這些優(yōu)點包括：提高裝置的有效期期間的能量獲得，特別是在太陽能PV裝置中的遮擋 或其他失配原因的場景中；以及低壓DC(來自單個電池板小于80V)，這更加的安全并且顯 著地減少了電弧故障?；谖⑿湍孀兤鞯哪芰渴斋@系統(tǒng)的額外優(yōu)點還包括：查明太陽能電 池板（或太陽能模塊）的故障或問題的能力、以及通過向該裝置添加電池板的可擴縮性。安 裝過程本身還非常容易，，并且可以看做是即插即用的方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010] 本發(fā)明的一些實施例提供了用于保持在多相系統(tǒng)的電力線之間的平衡的電能傳 輸?shù)姆椒?。為了保持平衡的電能傳輸，一些實施例的方法識別與每個微型逆變器連接的電 力線的相位。一些實施例的方法計算多相系統(tǒng)的每個電力線的總電力輸出，并且控制每個 微型逆變器的各自的電力輸出。在一些實施例中，本發(fā)明可以用于使多相系統(tǒng)的電力線的 其它方面平衡，而非保持平衡的電能傳輸。例如，如下文討論的，本發(fā)明的一些實施例提供 用于保持多相系統(tǒng)的電力線之間的平衡的電壓電平。在一些實施例中，該方法由與每個微 型逆變器通信的網(wǎng)關(guān)來執(zhí)行。
[0011] 在一些實施例中，所述方法基于微型逆變器連接的電力線的相位來從每個微型逆 變器接收識別消息，并且基于識別消息計算偏移，以確定微型逆變器連接到哪個電力線。該 方法計算多相系統(tǒng)的每個電力線的總電力輸出。在一些實施例中，方法從每個單獨的微型 逆變器接收電力輸出消息，并且使用各自的電力輸出消息來確定多相系統(tǒng)的每個電力線的 總電力輸出。該方法控制各個微型逆變器的電力輸出，以便調(diào)節(jié)向每個電力線輸出的總電 力。在一些實施例中，該方法發(fā)送導致逆變器關(guān)閉或按比例縮減其電力產(chǎn)生的控制信號，以 便控制總功電力輸出。
[0012] 前述
【發(fā)明內(nèi)容】
部分旨在充當本發(fā)明的一些實施例的簡要介紹。它并不意味著公開 的全部發(fā)明主題的介紹或概述。下文的【具體實施方式】部分以及【具體實施方式】部分中參照的 附圖將進一步描述
【發(fā)明內(nèi)容】
中描述的實施例以及其它實施例。因此，為了理解本文描述的 全部實施例，需要全面的審查
【發(fā)明內(nèi)容】
部分、【具體實施方式】部分和附圖。此外，聲明的主題 并不是由
【發(fā)明內(nèi)容】
部分、【具體實施方式】部分以及附圖中的說明性的細節(jié)限制，而是由附帶 的權(quán)利要求限定，因為在不背離主題的精神的情況下，聲明的主題可以體現(xiàn)為其它具體形 式。
【附圖說明】
[0013] 本發(fā)明的新穎特征在附加的權(quán)利要求中展示。然而，出于解釋的目的，在附圖中展 示本發(fā)明的若干實施例。
[0014] 圖1示出了在連接來自電網(wǎng)的三相電力的家庭中的電能使用。
[0015] 圖2示出了在連接具有單個逆變器的三相電力的家庭中的電能使用。
[0016] 圖3示出了在連接具有衛(wèi)星逆變器的三相電力的家庭中的電能使用。
[0017] 圖4示出了在連接三相電的家庭中的總電力生成。
[0018] 圖5示出了三相系統(tǒng)的電力以及當由獨立電源提供被返還到電網(wǎng)的電力時可以 出現(xiàn)的不平衡。
[0019] 圖6示出了一些實施例的輸出平衡系統(tǒng)。
[0020] 圖7概念地示出了執(zhí)行用來向多相系統(tǒng)的每個電力線提供平衡的電力的過程。
[0021] 圖8概念地示出了一些實施例中由網(wǎng)關(guān)執(zhí)行的用來識別每個微型逆變器連接的 電力線的過程。
[0022] 圖9a_c示出了在AC電力周期的具體點處的從微型逆變器向網(wǎng)關(guān)發(fā)送的消息的定 時。
[0023] 圖10示出了一些實施例的相位識別過程的示例。
[0024] 圖11示出了微型逆變器向網(wǎng)關(guān)報告瞬時電壓幅度的三相電力系統(tǒng)。
[0025] 圖12概念地示出了分析微型逆變器輸出以及調(diào)節(jié)輸出以使向三相系統(tǒng)的每個電 力線的電力輸出平衡的過程。
[0026] 圖13示出了由網(wǎng)關(guān)執(zhí)行的分析以確定向三相電力系統(tǒng)的每個電力線的總輸出的 示例。
[0027] 圖14示出了用于通過關(guān)閉各個微型逆變器來控制向不同電力線的總輸出的方 法。
[0028] 圖15示出了用于通過管理一組微型逆變器的閾值輸出來控制向不同電力線的總 輸出的方法。
[0029] 圖16概念地示出了由系統(tǒng)中每個微型逆變器執(zhí)行以識別本身并且與網(wǎng)關(guān)通信的 過程。
[0030] 圖17示出了一些實施例的微型逆變器的簡化電路設(shè)計圖。
[0031] 圖18示出了本發(fā)明的一些實施例實現(xiàn)的電路系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0032] 在下文的本發(fā)明【具體實施方式】部分，呈現(xiàn)并描述本發(fā)明的多個細節(jié)、示例和實施 例。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會清楚并且顯而易見的是，本發(fā)明并不限于呈現(xiàn)的實施例，并 且本發(fā)明在不需要一些討論的具體細節(jié)和示例的情況下可以實現(xiàn)。
[0033] 本發(fā)明的一些實施例提供了用于向多相電力網(wǎng)提供平衡的輸出的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包 括用于監(jiān)視并管理多個微型逆變器的網(wǎng)關(guān)、用于向多相系統(tǒng)的每個電力線提供電力輸出的 多個微型逆變器、以及用于在網(wǎng)關(guān)與微型逆變器之間傳輸并接收消息的通信系統(tǒng)。在一些 實施例中，該通信系統(tǒng)是具有位于網(wǎng)關(guān)并且位于每個微型逆變器的無線發(fā)射機和接收機的 無線系統(tǒng)。在其它實施例中，通信系統(tǒng)可以是有線通信系統(tǒng)或者一些其它備選通信系統(tǒng)。
[0034] 圖3示出了用于向家庭305提供三相電力的三相電力系統(tǒng)300。三相電力系統(tǒng)300 的電力由電力公司以及一組太陽能電池板提供。圖3示出了用于向家庭305提供電力的電 網(wǎng)320。三個電力線325、330和335以三個不同相位從電網(wǎng)320向家庭305中的負載360 提供電力。電力線325、330和335的電壓電平分別在曲線345、350和355中示出。微型逆 變器365、370和375將由太陽能電池板315收獲的DC電力轉(zhuǎn)換為AC電力，并且將轉(zhuǎn)換的 AC電力分別注入三個電力線325、330和335。
[0035] 盡管微型逆變器365、370和375分別示出為連接到單個線，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員 應(yīng)該清楚的是，微型逆變器附加地連接到基準中性點（第四線）或者連接到其它有效的線 中之一?；鶞手行渣c用作電力的返回線。在其它情況下，微型逆變器可以將電力注入一條 線并且還連接到第二條線。例如，微型逆變器375可以具有與線335的第一連接作為吸取 并且具有與線330的第二附加連接作為返回線。類似地，微型逆變器370可以具有與線330 的第一連接作為吸取并且具有與線325的第二附加連接作為返回線。類似地，微型逆變器 365可以具有與線325的第一連接作為吸取并且具有與線335的第二附加連接作為返回線。
[0036] 電力線325、330和335向電網(wǎng)320以及負載360供電。由于三個電力線的中的每 一個以三相電力系統(tǒng)的不同相位來輸送電力，所以在本發(fā)明中用于輸送具體相位的電力的 電力線有時由該具體相位來識別。例如，向三相系統(tǒng)的"相位1"的電力線提供電力的微型 逆變器有時被稱作"相位1"微型逆變器，并且輸送三相系統(tǒng)的"相位1"的電力的電力線有 時被稱作"相位1"電力線。將電力注入具體相位的電力線的微型逆變器有時被稱作"具體 相位的"微型逆變器或者"與具體相位相關(guān)聯(lián)的"微型逆變器。
[0037] 并不像用于轉(zhuǎn)換整個太陽能電池板裝置的電力的圖2的大型逆變器，微型逆變器 是用于轉(zhuǎn)換由一個或多個太陽能電池板產(chǎn)生的電力的較小的逆變器。在圖3的示例中，微 型逆變器組365、370和375中的每個微型逆變器連接一個或多個太陽能電池板。盡管微型 逆變器組被示出為根據(jù)其連接的電力線來分成幾組，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認識到，裝置中 微型逆變器的物理布局可以變化。例如，在一些實施例中，附著到電網(wǎng)的每個電力線的微型 逆變器可以物理地穿插在附著到其它電力線的微型逆變器上。
[0038] 為了使微型逆變器365、370和375(即通過電力線325、330和335)將生成的電力 注入到電網(wǎng)320中，由微型逆變器產(chǎn)生的電壓電平（level)必須與電網(wǎng)320上的電壓電平 相匹配。由于電網(wǎng)320上的電力是AC電力，所以電網(wǎng)上的電壓電平是正弦曲線并且周期地 經(jīng)歷不同相位（例如0°到360° )。由于為了將微型逆變器的電壓電平與電網(wǎng)上的電壓電 平相匹配，微型逆變器生成的電力的相位必須與電網(wǎng)320的相位相匹配。由于電網(wǎng)320是 具有在三個不同相位上的三個不同電力線325、330和335