具有寿命延长的直流链路电容器的逆变器的制造方法
【专利摘要】本公开描述了一种用于与DC电源一起使用的逆变器，该逆变器具有寿命延长的DC链路电容器。该逆变器使用多个可开关电容器以控制电容器上的电压。电容器的预期寿命能够通过将不必要的电容器从电压上断开来延长。电容器可以被周期性地连接到电压上，以便维持电容器的氧化物电介质层。
【专利说明】具有寿命延长的直流链路电容器的逆变器
【技术领域】
[0001]以下说明涉及用于与直流(DC)电源一起使用的逆变器(inverter)，尤其涉及具有寿命延长的DC链路电容器的逆变器。
【背景技术】
[0002]对通常称为太阳能电池板的光电(PV)板的使用日益增长。PV板可以用在独立配置中，或用在并网(grid-tied)或电网互动(grid-1nteractive)配置中，在独立配置中PV板向所连装置供电，在并网或电网互动配置中PV板向交流(AC)配电或输电网(或者简称为‘电网(grid)’)供电。对电网的电能供应通常用仪表计量，并且供应商对供电量做出经济补偿。结果是，鼓励了在家中、建筑物中或其它场所安装PV系统。为了使PV安装在经济方面有吸引力，期望能降低PV系统的成本，包括所需要的装置、以及延长PV系统的寿命和可靠性。
[0003]图1在框图中示出了现有技术的并网PV装置。该安装100包括被定位成接收阳光的多个PV板102a、102b、102η (统称为PV板102)。在特定安装中的PV板的数目可变化很大，从几个板到上万个板。PV安装100包括一个或多个并联连接的支路106a、106η,该支路由串联连接的PV板102形成，该支路继而连接到中央逆变器110。在支路106a、106η中的PV板102的数目可以基于每个支路的最大电压，该最大电压可基于中央逆变器110的最大工作电压确定。中央逆变器UO被示出为两阶段逆变器，但可以使用其他逆变器技术。中央逆变器110将PV板102生成的直流(DC)电能转换成适于注入电网(在图1中被示为240VAC电源104)中的AC电能。中央逆变器110包括DC/DC变流器(converter)112，用于将DC电压升高或降低到适合随后的DC/AC逆变器114的水平。DC/AC逆变器114将DC功率转换成可以注入电网104的AC功率。
[0004]DC链路电容器116被用于在没有电能传递给电网104时，或者在比PV板102正在提供的电能更少的电能被传递给电网104时，在AC信号周期中存储来自PV板102的能量。在比从PV板102传递的电能多的电能被传递给电网104时，DC链路电容器116释放存储的能量。如将理解的，由于电网的交流电流的功率的正弦特性，DC链路电容器116重复地存储和释放能量。
[0005]当如图1中所示的那样使用中央逆变器110时，仅需要单个中央逆变器，因此中央逆变器的单独的部件的成本不会对PV安装的总成本造成大的影响。同样地，包括用于DC链路电容器116的昂贵电容器可能是成本有效(cost effective)的。例如,可使用陶瓷或薄膜电容器。这些电容器，尽管是昂贵的，但不会如其他类型的电容器，诸如电解电容器那样快速地随时间劣化。
[0006]存在用连接到安装中的每个PV板102的单独的逆变器替换中央逆变器110的需求。每个板有一个单独的逆变器允许从每个单独的PV板提取最大电能，而不论其他板的光照情况如何，该其他板可能被遮蔽或被弄脏。但对于中央逆变器并不是这样；被遮蔽的板将降低其所处于的整个串联支路的电流。进一步地，对于中央逆变器110，没有简单的方式来切断PV板提供的电能。例如在安装PV板102时这可能会成问题，因为PV板一暴露于光就会产生电能，而因为这样，安装者就可能暴露于通电的电力线。类似地，在诸如火灾的紧急情况中，如果将PV板连接到中央逆变器110的线路被切断，则急救人员可能暴露于通电的电力线。此外，安装PV板102的职业人员可能没有安装DC功率部件或确定PV板102的并联和串联配置的经验，而被迫需要专业的职业人员由此增加了 PV安装100的成本。通过在每个PV板102处包括逆变器，安装仅需要处理所有电工都熟悉的AC功率部件，因此降低了安装成本。
[0007]尽管可能期望在每个PV板102上放置逆变器，但使用不随时间损耗或损耗地相对较慢的昂贵的电容器的成本变得令人望而却步。不幸的是，成本有效的诸如铝电解电容器(AEC)的湿电解电容器会随时间损耗，增加了逆变器或整个PV板需要被更换的频率，从而增加了 PV安装的成本。
[0008]期望具有一种用于将DC电能转换成AC电能的成本有效的逆变器，同时在不需要更换逆变器部件的情况下提供足够长的寿命。
【发明内容】
[0009]依照本说明书，提供了用于耦合到直流(DC)电源并提供交流(AC)输出的逆变器。该逆变器包括:DC/DC变流器，用于连接到DC电源和提供DC输出；DC/AC逆变器，用于将DC输出转换成AC输出；DC链路能量(DCLE)存储网络，包括分别可耦合成跨接DC/AC逆变器的输入端的多个电容器；和DCLE存储网络控制器，用于选择多个电容器中的一个或多个来耦合跨接DC/AC逆变器的输入端。
[0010]根据本说明书，进一步提供了用于延长在逆变器中使用的多个电容器的预期寿命的方法，该逆变器耦合到直流(DC)电源并提供AC功率输出。该方法包括:确定逆变器的至少一个工作特性；基于确定的至少一个工作特性，确定多个电容器中的至少一个电容器来耦合跨接逆变器的DC/AC逆变器的输入端；和将确定的至少一个电容器耦合以跨接DC/AC逆变器的输入端。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]将参考附图描述用于单独的PV板的逆变器的不同实施例，其中:
[0012]图1以框图形式示出了现有技术的并网PV装置；
[0013]图2以框图形式示出了具有板逆变器的并网PV装置的示意性实施例；
[0014]图3以框图形式示出了图2中的DC链路能量存储网络和控制器的实施例的具体视图；
[0015]图4以框图形式示出了图2中的DC链路能量存储网络和控制器的另一个实施例的具体视图；
[0016]图5以框图形式示出了图3或图4的电容器控制功能的部件的说明性实施例；
[0017]图6示出AC板逆变器的部件；
[0018]图7示出了与图6中的AC板逆变器相适应的AC波形；
[0019]图8示出了另一个AC板逆变器的部件；
[0020]图9示出了与图8中的AC板逆变器相适应的AC波形；[0021]图10示出了另一个AC板逆变器的部件；
[0022]图11以流程图形式示出了延长多个电容器的寿命的示意性方法；
[0023]图12以流程图形式示出了可由图5中的电容器选择器实施的示意性方法；和
[0024]图13以流程图的形式示出了可由图5中的电容器选择器实施的另一个示意性方法。
【具体实施方式】
[0025]本文中描述的逆变器可延长逆变器的电容器的寿命。通过延长电容器的寿命，也延长了逆变器的寿命。此外，可以在逆变器中使用较不昂贵的电容器，同时仍能提供足够长寿命的逆变器。AC逆变器可用于将DC电源转换成AC电能。DC电源可包括燃料电池、风力涡轮机，或诸如电池的不同能量存储装置。进一步地，在本文中描述的逆变器是关于与PV板一起使用的逆变器，但该逆变器可以与其他DC源一起使用。
[0026]与图1中的中央逆变器相比，放置在单独的PV板上的逆变器应该是便宜的。正因如此，可以期望使用可能情况下最便宜的部件，同时仍提供足够好的性能。然而，更便宜的部件可能具有更短的预期工作寿命。例如，由于给定电容乘以电压(CXV)额定值(rating)的成本，可期望使用电解电容器，诸如铝电解电容器(AEC)，用于DC链路电容器。然而，电解电容器，尤其是AEC，随时间损耗并最终失灵，由此迫使更换电容器、逆变器或PV板。而且，由于PV板开始结合到诸如立面材料或屋顶材料的建筑材料中，对逆变器部件的接近变得困难。正因如此，使用电解电容器作为DC链路电容器，尽管在成本方面是令人满意的，但在逆变器的寿命方面具有严重缺陷。期望有一种用于PV板的包括DC链路电容器的逆变器能支撑25年以上，25年是PV板的普通寿命。如以下进一步描述的，可提供多个电容器，并且它们的工作受到控制以便延长它们的寿命，因此允许使用低成本电容器，诸如电解电容器，或者可替换地，进一步延长更昂贵的电容器的预期寿命。尽管由于电解电容器的令人满意的成本而在本文中详细地考虑了电解电容器，但可以预期所描述的用于延长电容器寿命的技术也可以应用于其他类型电容器，这些其它类型的电容器展现的预期寿命取决于施加到其两端的电压。
[0027]在许多可能发生故障的区域，典型地提供在某部件发生故障时替换该部件的“故障转移”或备份部件。然而，这样的布置对于已经损耗的电解电容器却不可行。电解电容器使用电解质作为电容器的其中一个板。当将电压施加到电容器上时，电解质在充当另一个板的金属条上形成氧化层。该氧化层充当电容器的电介质。然而，如果电容器在很长一段时间都未使用，如对于备份或故障转移的电容器就是这种情况，氧化层可能分解(dissolve)从而恢复成电解质。当电压最终施加到电解电容器时，例如在另一个电容器发生故障并且需要备份电容器时，在氧化层已经损坏的地方将发生短路，因此备份电容器也会发生故障。
[0028]图2以框图形式示出了具有板逆变器的并网PV装置的示意性实施例。装置200包括多个AC板204a、204b、204n (统称为AC板204)。每个AC板204a、204b、204n包括各自的PV板202a、202b、202η (统称为PV板202)和各自的板逆变器210a、210b、2IOn (统称为板逆变器210)。AC板204将PV板202生成的电能提供给AC电网104。板逆变器210将PV板的DC电能转换成适合注入AC电网104的AC电能。
[0029]板逆变器210中的每一个均被示出为两阶段逆变器，但可以使用其他技术。每一个板逆变器包括通过DC链路总线213耦合到DC/AC逆变器214的DC/DC变流器212。DC链路能量存储网络216耦合跨接DC/AC逆变器214的输入端。
[0030]DC链路能量存储网络216包括布置成并联的两个或更多个电容器。每一个电容器选择性地可耦合跨接DC/AC逆变器214的输入端。DC链路能量存储网络216代替之前的逆变器的DC链路电容器，并提供适当的电容，同时是成本有效的且提供延长的预期寿命。
[0031]每一个板逆变器210包括控制器218，该控制器218可以是微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或其他类似装置。控制器218控制逆变器210的全部操作。如本文中进一步描述的，控制器218控制DC链路能量存储网络216，以便提供适当的电容，从而有效地存储和释放能量。此外，控制器218可控制DC链路能量存储网络216，以便延长电容器的有效寿命。
[0032]图3以框图形式示出了图2中的DC链路能量存储网络和控制器的实施例的具体视图。DC链路能量存储网络216包括两个可开关电容器302a、302b (统称为可开关电容器302)，其可以在控制器218的控制下分别耦合跨接DC-AC逆变器的输入端。每一个可开关电容器302可以包括与可控开关306a、306b串联连接的电解电容器304a、304b。尽管描述为电解电容器，也可使用其他电容器类型。可开关电容器302受控制器218控制，使得，在正常状态下，同时只有一个可开关电容器耦合跨接DC/AC逆变器的输入端。控制器的电容器控制功能块310确定和控制在特定时间段连接哪一个可开关电容器302。控制器218的测量功能块312测量在DC链路能量存储网络216中的不同点处相对于信号地的电压，这些不同点包括测量DC链路总线电压的测量节点307，和测量可开关电容器302的各个开关306a、306b上的电压的测量节点308a、308b。测量电压可向控制器218提供信息。例如，如本文中进一步描述的，在可开关电容器开关两端测量的电压可用于指示是否电容器在其寿命结尾处或附近。测量功能312还可测量不同位置处的电流和/或功率以及确定在不同位置处的功率，包括例如由DC/DC变流器212提供的功率，该功率与PV板202提供的实际功率成正比。
[0033]电容器304a、304b中的每一个是遭受损耗机制的电容器，导致电容器具有预期寿命。该电容器可以是湿电容器，其需要湿电解质用于电容器的其中一个板，该电容器具有的预期寿命除取决于施加到电容器上的电压，等等。此外，随着电容器老化，所提供的电容可能会减小。例如，铝电解电容器(AEC)具有液体电解质，其充当电容器的其中一个板。该电解质逐渐从电容器中泄露或蒸发出，这样一旦仅有一部分电解质剩下，电容器的电容就会降低。进一步地，如果电解质最终从电容器中完全漏光或蒸发光，则电容器将彻底失效。附加类型的电容器可遭受类似的损耗机制并且可能用在DC链路能量存储网络中；然而，在此考虑该电容器为AEC类型的电容器，因为这类电容器相对低的成本和CXV特性。例如，尽管其他电容器可使用电解质，诸如湿钛电容器，或气凝胶电容器(aerogel capacitor),但是在与AEC类型的电容器相比时，它们目前或者是更昂贵的并且/或者不能与预期电压一起良好工作。
[0034]电容器的大小，即它的电容，是基于预期工作特性选择的，该预期工作特性诸如是最大生成PV功率、由DC/DC变流器212提供的DC电压、在DC链路总线上的最大期望电压纹波和通过电容器的最大纹波电流。由DC/DC变流器提供的DC电压可以在200-450V的范围内。尽管其他值也是可行的，但近似200-450V的范围能按照典型电网电压所需要的提供DC/DC变流器212和DC/AC逆变器214的有效操作。
[0035]由于每个板逆变器连接到PV板，由每个单独的逆变器传送给AC电网的功率小于由中央逆变器传送的功率，因中央逆变器提供来自多个单独的PV板的功率。这允许使用相对较小的电容器，这是十分有利的，因为同种类型的电容器的价格典型地基于它们的大小、额定电压和预期寿命。正因如此，可以针对与更大、质量更低的电容器相同的成本使用质量更高的小电容器。典型地，电容器的质量越高，其寿命预期更长。
[0036]为了板逆变器210的功率效率，期望具有在接通状态下其电阻小于电容器304a、304b的等效串联电阻(ESR)的开关306a、306b。由于在每个PV板上使用板逆变器而导致可能使用的大小较小的电容器304a、304b，具有与中央逆变器中使用的大电容器的等效串联电阻(ESR)相比相对大的ESR，正因如此对开关的选择或设计提出的限制较少。可使用不同类型的开关，其在接通状态下提供比电容器304a、304b的ESR小的电阻。由于传送给AC电网的AC功率的循环性，所用的开关必须还能够在两个方向上导通电流。开关306a、306b可以是，例如，金属氧化物场效应晶体管(MOSFET )。其他类型的开关也是可以的，例如机械开关，诸如通过在开关附近生成磁场来打开的Reed开关。
[0037]如上所述，可开关电容器302受控制器218控制，使得在正常状态下，同时只有一个电容器稱合到DC/AC逆变器的输入端。每个电容器的大小是基于PV板202的最大标称输出功率和DC/DC变流器212的输出电压选择的。控制器218的电容器控制功能块310确定在当前时间段中应连接哪一个可开关电容器302。电容器控制功能块310改变在不同时间段中被连接的可开关电容器302。在切换到另一个可开关电容器之前单个可开关电容器保持连接的时间段可以是，例如一天。可以预计到，以使用其他时间段，诸如数个小时、数周或数个月用于切换哪些电容器被连接。然而，如果在DC链路能量存储网络中使用湿电解质类型的电容器，时间段应该足够短以确保电容器的氧化层不会分解，这通过周期性地在电容器两端施加电压来实现。选择长达一天的时间段，因为如本文中进一步描述的，在PV板不产生能量的夜间，两个可开关电容器均关闭，或从DC/AC逆变器214的输入端断开。正因如此，当白天时间段到来时，将开启或连接成跨接DC/AC逆变器214的输入端的可开关电容器可在PV板产生任何能量之前接通。因此，在施加到电容器的电压需要处理的同时不会因为电容器的接通或切断而产生瞬变。尽管被描述为在没有电压施加到电容器上的时间中切换，但可以预计到可利用软切换以便在电容器完全接通之前对电容器进行预充电，从而允许在电压施加到电容器的同时切换电容器而不会产生不可接受的瞬变。
[0038]通过断连接各个电容器使得没有电压被施加，电容器304a、304b的寿命预期被延长。电容器的寿命除取决于其他因素外，还取决于施加到其上的电压。例如，一个电容器制造商Cornell-Dubilier,提供的电容器寿命为:
[0039]L=Lb*Mv*2v2~(Tm_Tc)) /10 (I)
[0040]其中:
[0041]L=以小时为单位的预期寿命；
[0042]Lb=以小时为单位的基本寿命；
[0043]Tm=取大温度；
[0044]Tc=工作温度；和
[0045]Mv=电压因数。[0046]电压因数Mv由下式给出:
[0047]Mv=4.3-3.3*Va / Vr (2)
[0048]其中:
[0049]Va=施加电压
[0050]Vr=额定电压
[0051]从以上等式可以看出，当施加电压等于额定电压并且工作温度等于最大温度时，预期寿命将是基本的或额定的寿命。然而，如果施加电压为零，则预期寿命将是额定寿命的
4.3倍。预期寿命等式(I)仅仅是预期电容器寿命的一个模型。应理解，存在可替换的电容器寿命模型，其根据施加电压的减小预计寿命延长的变动程度。正因如此，如果没有电压施加到电容器上，电容器的寿命可能延长。然而，如上所述，如果很长一段时间没有电压施加到电容器上，则氧化层可能劣化，这可能在电压再次施加时导致电容器发生故障。为了维持电容器的氧化层，周期性地打开每个可开关电容器。
[0052]将理解，通过使用在此描述的控制技术，可使预期寿命取决于施加到其上的电压的任何类型电容器的寿命延长。即，尽管湿电解电容器可具有与它们的使用相关联的附加有利因素，诸如它们的低成本，但通过该电容器的工作寿命中降低施加电压，其他类型电容器的寿命也可延长。
[0053]如上所述，通过周期性地将可开关电容器从施加电压断开，可延长该可开关电容器的寿命。电容器控制功能块310可用于进一步延长DC链路能量存储网络216的寿命。由于PV板仅在光入射到其上时才产生电能，可开关电容器可在夜间断开连接，该时间可基于控制器218的内部时钟来确定。可选地，可监视入射到PV板上的光的量，并且如果没有足够的光来产生电能，可将可开关电容器断开连接。仍是可选地，可监视PV板产生的功率，并且如果该功率降到阈值以下，则可断连可开关电容器。根据DC/AC逆变器的具体技术，电压可供应给DC链路总线，并因此供应到可开关电容器上，即使在PV板没有产生功率时也如此。因此，通过在不需要电容器将电能从PV板传送到电网时断连电容器，由于降低了施加到电容器上的电压而可延长电容器的寿命。
[0054]尽管通过降低施加到电容器上的电压或者减少电压施加到电容器上的时间量而延长了电容器的寿命，电容器依然还要老化，降低了它们的有效电容。在之前的逆变器中，一旦电容器到达其使用期终止点(E0L)，则不得不更换电容器或逆变器，其中使用期终止点通常被认为或者是电容器的电容降低到其原始电容的80%时或者是电容器的ESR升高到其原始值的200%时。然而，电容器控制功能310可将DC链路能量存储网络216的寿命延长成超过单独的可开关电容器304a、304b的E0L。一旦确定可开关电容器304a、304b处于它们的E0L，电容器控制功能块308将连接两个可开关电容器304a、304b，而不是单个电容器。结果是，并联连接的两个EOL电容器的有效电容可足以提供DC链路能量存储网络216的足够好的性能。
[0055]以上描述了如果两个可开关电容器304a、304b均处于其EOL则打开这两个可开关电容器。可选地，如果两个可开关电容器中仅一个到达其E0L，则电容器控制器310可更支持(favor)非EOL可开关电容器并且在多数时间内单独连接该非EOL可开关电容器。在这样的情况下，电容器控制器310应确保EOL可开关电容器周期性地连接到电压，与非EOL电容器并联，以便向DC链路能量(DCLE)存储网络提供足够的电容，从而维持EOL电容器的氧化物电介质。一旦两个可开关电容器均处于其EOL，电容器控制器310可总是打开两个EOL电容器，以便为DC链路能量存储网络提供足够的电容。额外地或可选地，如果所需要的电容能够由单个EOL电容器提供，例如由于PV板输出的功率减小，则可打开其中一个EOL电容器。
[0056]如上所述，电容器控制器310可以基于可开关电容器304a、304b的状态,例如它们是否处于其E0L，来控制可开关电容器304a、304b，以在DC链路能量存储网络216中提供足够大的电容。电容器控制器310可进一步基于逆变器的工作状态来控制可开关电容器，以便在DC链路能量存储网络中提供足够大的电容。例如，电解电容器的电容是温度的函数，温度越低电容越小。因此，如果逆变器的工作温度低于阈值，电容器控制器208可连接两个可开关电容器，以便即使在冷的工作环境中也能在DC链路能量存储网络216中提供足够大的电容。
[0057]图3描述了使用两个等大小的可开关电容器302的DC链路能量存储网络。电容器304a、304b的大小是基于PV板的标称功率输出和DC/DC变流器212的输出电压选择的。尽管被描述为仅具有两个可开关电容器302，但也可以使用附加的可开关电容器302。
[0058]图4以框图形式示出了图2中的DC链路能量存储网络和控制器的另一个实施例的具体视图。图4中的DC链路能量存储网络216类似于以上参考图3描述的DC链路存储网络；然而，使用了三个可开关电容器402a、402b、402c。
[0059]如以上参考图3描述的，电容器304a、304b的大小是基于PV板的标称输出选择的。然而，PV板的实际输出可仅在一部分工作时间中提供标称输出。正因如此，电容器304a,304b的大小可大于当PV板输出小于标称输出时的一部分工作时间所需要的大小。
[0060]图4中的DC链路能量存储网络216使用三个可开关电容器402a、402b、402c (统称为可开关电容器402),这些电容器的大小是基于标称输出的一小部分,例如1/2或3/4。电容器控制功能块410可确定由PV板提供的当前功率输出，并选择适当的可开关电容器402来连接。例如，假定电容器的大小选择成用于标称输出的50%，如果PV板当前输出其标称功率的100%，则将连接两个可开关电容器402。然而，如果PV板的输出小于其标称输出的50%，则仅连接单个可开关电容器402。
[0061]电容器控制功能块410，类似于电容器控制功能块310，交替改变所连接的可开关电容器402，以便减小电压施加到电容器404a、404b、404c的时间，因此延长了它们的寿命。控制器218可包括测量功能块312，其测量在DC链路能量存储网络216的不同点处的电流和电压。测量功能块312可基于所测得的电流和电压确定不同位置处的功率，或者可测量不同位置处的功率。测量功能块312可测量在测量节点407以及测量节点408a、408b、408c处相对于地信号基准点的电压，其中测量节点407提供DC链路总线213的电压，测量节点408a、408b、408c提供开关电容器402的各个开关上的电压。电容器控制功能块410还基于工作条件，例如温度或者是否电容器404a、404b、404c中的任何电容器处于其E0L，来确定要连接的可开关电容器402的适当数目。
[0062]可使用可开关电容器的开关上的电压确定是否可开关电容器中的相关电容器已经到达其E0L。当电解电容器到达其EOL时，ESR将增大。ESR的增大将导致开关两端的测量电压降低，因为开关的电阻和电容器的ESR实际上提供了分压器。正因如此，可相对于阈值检测开关两端的测量电压，以确定是否相关电容器已经到达其E0L。[0063]如上所述，电容器的预期寿命受施加到其上的电压影响。电容器的预期寿命也可能受通过它的纹波电流影响。纹波电流的幅度越大，寿命预期减少的越大。纹波电流的大小由电容的有效大小决定。电容越大，纹波电流越小。因此，通过并联连接更多的可开关电容器402，有效电容增大并且纹波电流减小，由此潜在地延长了电容器的寿命。
[0064]图4的以上描述已经描述了具有三个可开关电容器402的DC链路能量存储网络216。预计可使用更多个可开关电容器。对在DC链路能量存储网络216中使用的电容器的数目的限制可基于添加更多个电容器和开关的成本、附加大小和其他考虑因素来确定。此夕卜，可开关电容器已经被描述为全部具有相同电容；可预计到，可使用不同大小的可开关电容器以便基于PV板提供的实际功率调整由DC链路能量网络提供的电容。例如，替代具有基于1/2的标称输出调整大小的三个电容器，可提供基于例如1/4、1/2和3/4的标称输出的三个不同大小。
[0065]图5以框图形式示出了图3或图4的电容器控制功能块的部件的说明性实施例。电容器控制功能块500包括监视PV板的功率输出的PV功率监视器502。电容器控制功能块进一步包括确定要连接单个可开关电容器或多个可开关电容器的电容器选择器504。可周期性地，例如一小时一次、每3小时一次、每天一次、每3天一次、每周一次或每个月一次，来确定应连接哪一个电容器或哪些电容器。电容器选择器504可基于当前PV板特性，诸如PV功率监视器502监视的由PV板提供的当前功率，来确定要连接哪些可开关电容器。确定哪个(些)可开关电容器要连接可以是基于工作环境的测量温度的。此外，确定要连接哪个(些)可开关电容器也可以基于电容器信息506，该信息例如指示不同可开关电容器的电容、哪些可开关电容器处于其EOL或者哪些电容器不再起作用因此不应被连接。确定要连接哪个(些)可开关电容器也可以基于自从电容器上一次被连接之后的时间长度或者哪些电容器最近被连接或断开，以确保氧化层保持完整。
[0066]电容器信息506被图示为存储在‘文件’中。该‘文件’可以是诸如随机存取存储器(RAM)或非易失性(NV)存储器的存储器中的特定位置。然而，预计到电容器信息可以被确定并且按照需要直接提供给电容器选择器504。电容器监视器508将电容器信息506或者直接提供给电容器选择器504，或者提供来用于存储在可以是RAM或NV存储器的存储器中。
[0067]电容器监视器508确定每个可开关电容器的电容器信息。该信息可通过测量各个电容器的特性来确定。如上所述，如果电容器的ESR已经升高到阈值以上则可确定电容器已经达到其E0L。可以通过测量可开关电容器的开关在处于接通状态时的电压来监视ESR的升高。当电容器的ESR升高时，相关开关上的电压将降低。进一步地，如果在可开关电容器被连接时纹波电流在阈值以上，则可以确定电容器已经达到其E0L。仍是可选地，可确定和比较电容，以了解其是否在阈值(例如，电容的原始电容的80%)以下。
[0068]电容器控制500也被图示为具有开关控制510。如果在电压施加到可开关电容器的同时电容器控制连接或断连可开关电容器，则可利用开关控制510来将瞬变减小到可接受水平。开关控制510可通过在完全连接或断连可开关电容器之前对可开关电容器进行预先充电或放电、通过调整开关电阻或通过用短脉冲序列进行切换，来提供对可开关电容器的‘软切换’。
[0069]以上描述的AC板逆变器可延长逆变器的电容器的寿命，因此潜在地降低了在逆变器整个寿命上平均后的逆变器成本。如上所述，延长逆变器的寿命的一个方法是通过将电容器从跨接DC/AC逆变器的输入端上断连来降低施加到电容器上的电压。电容器可具有取决于施加到其上的电压的寿命，因此降低施加到其上的电压可以延长电容器的寿命。如以下进一步描述的，DC/AC逆变器可被控制成调节DCLE网络上的电压，以便控制提供给电网或其它负载的功率。
[0070]图6示出AC板逆变器的部件。逆变器600类似于以上描述的逆变器，并可连接到PV板202。逆变器600包括DC/DC变流器602、DCLE存储网络604和控制器606，以及DC/AC逆变器608。
[0071]DC/DC变流器602可包括最大功率点跟踪器(MPPT) 610。如将体会到的，由PV板生成的潜在功率将根据包括入射到板上的光的量的不同因素而变化。为了最大化PV板生成的功率，MPPT可控制PV板的电压或由DC/DC变流器从板汲取的电流。MPPT可以不同方式执行，包括例如摄动(perturb)和观测(observer)方法、增量电导(incrementalconductance)方法、人工神经网络方法、模糊逻辑方法等。无论采用何种MPPT技术，MPPT610会最大化PV板提供的功率。尽管没有包括在以上逆变器的描述中，可预计到之前描述的板逆变器可利用MPPT算法来提高PV板的效率。
[0072]令人期望的是使提供给电网或其它负载的平均功率匹配由PV板生成的功率。SP，提供给电网的功率，在AC信号的一个或多个周期中进行平均后，应等于板生成的功率或DC/DC变流器的多个特定输出。可控制DC/AC逆变器以便将DC/AC逆变器608的输入端上的平均电压维持成尽可能接近基准电压。DC/AC逆变器可包括控制器612，其提供控制信号622 (可以是例如基准电流)，用于控制DC/AC逆变器的工作。如图6中所示的，控制信号622可以控制DC/AC逆变器的工作，使得输入端上的平均电压被维持在特定基准电压。控制器612可包括求和功能块616，其确定DCLE网络电压与基准电压618之间的差异。如将理解的，由于逆变器输出的AC性质，DCLE网络上的电压将随时间而变。正因如此，控制器可进一步包括低通滤波器620，其在AC信号的两个或更多个周期上通过求和功能块来平均电压信号输出，以生成平均差异信号。通过乘法器626将该平均差异乘以时变正弦波624。产生的控制信号622可被DC/AC逆变器用作电流基准，用于确定DCLE存储网络的平均需要电压。可调节DC/AC逆变器608，以将平均DC链路维持成尽可能接近基准电压618。基准电压618设置成使得DC链路电压总是高到足以使得DC/AC逆变器能够产生所施加的均方根(RMS)电网电压水平的所需输出电流。
[0073]图7示出与图6中的DC/AC逆变器608相适应的电压信号。在图7中显而易见的是，每个电压信号702、704、706是施加到DC电平上的正弦波。该正弦波的幅度随PV板功率水平而变。如所示出的，不同的电压信号702、704、706具有相同的平均电压，该平均电压等于VMf618，而不论PV板功率水平如何。在图7中，假定100瓦特是最大功率输出。由于较小的功率由板产生，又被提供给电网，电压信号的幅度发生改变，然而，电压信号的平均值被维持成尽可能接近V&618。
[0074]尽管以上描述的控制器612能够控制逆变器以向AC电网提供最大的功率量，其通过维持DC/AC逆变器输入端上的平均电压并因此维持DCLE存储网络上的电压而不论由板产生的和电网汲取的功率数量如何来实现。通过基准电压的值确定平均电压值，该基准电压是基于PV板的最大可能输出功率来选择的。然而，PV板不会总是生成最大可能功率，正因如此，在PV板不生成最大功率时基准电压可能比必需的电压高。因此，控制器612可以在DCLE存储网络上施加比必需的电压更高的电压，由此缩短了 DCLE存储网络的预期寿命。令人期望的是，仅提供针对板功率水平必需的最小DC链路电压，以进一步将电容器的寿命延长到尽可能或可实现的程度。
[0075]图8示出了另一个AC板逆变器的部件。AC板逆变器800类似于AC板逆变器600，正因如此，类似部件不再另外详细地进行描述。与调节DC/AC逆变器输入端上的电压以将平均电压维持成接近基准电压的控制器612相对比，AC板逆变器800包括DC/AC逆变器控制器812，该DC/AC逆变器控制器812可基于将DC/AC逆变器输入端上的电压信号的最小电压维持成尽可能接近基准电压，来对电压进行控制。对于小于全功率的功率水平，在DCLE上的DC电压水平相对于参考图6和图7描述的情形有利地降低。正因如此，可进一步延长电容器的寿命。
[0076]图9是针对不同板功率水平在DC/AC逆变器输入端上的电压作为时间的函数的图形。如所示的，针对不同板输出功率的电压信号902、904、906的正弦波的最小值维持为尽可能接近VMf816。这与参考图7和图8描述的控制不同，在参考图7和图8描述的控制中，受控制的是信号的平均值，而不是它们的最小值。如图9中可以看出，通过基于电压信号最小值控制DC/AC逆变器，由于PV板功率输出减小，施加到DC/AC逆变器输入端上的平均电压减小，并因此施加到DCLE存储网络上的平均电压减小。
[0077]控制器812可包括最小值检测器814，其捕获在AC周期中DC/AC逆变器输入端上的电压的最小值。此最小值与基准电压VMf816之间的差异通过求和功能块818来计算。此差异被乘法器822乘以时变正弦波820。产生的控制信号824可被DC/AC逆变器用作电流基准，用于确定DCLE存储网络上的最小需要电压。最小值检测器814俘获在DC/AC逆变器输入电压纹波的每两个或更多个周期中DC/AC逆变器输入端上的电压的最小值。进一步地，求和功能块818接收的最小值仅仅在DC/AC逆变器的输出电流通过或接近其零点时才被更新，以便最小化输出功率中的所有谐波失真。
[0078]图10示出了另一个AC板逆变器的部件。AC板逆变器1000类似于以上描述的AC板逆变器600、800，正因如此，不再进一步描述类似部件。以上描述的两个AC板逆变器600、800基于基准电压VMf618、816控制在DC/AC逆变器输入端上的电压，但各自如何控制电压的细节是不同的。DC/AC逆变器控制1012的具体控制逻辑1014可如以上参考图6描述的那样基于电压的平均值来控制电压，或者可如以上参考图8描述的那样基于检测到的最小值来控制电压。不论使用何种特定控制，基准电压1024必须设置成使得施加到DC/AC逆变器输入端上的DC链路电压将总是高到足以使得DC/AC逆变器1008能够产生施加的RMS电网电压水平的所需输出电流。电网电压1020将通常在指定限制内波动。例如，对于北美电网通常允许的电网电压的标准波动根据其标称RMS值被加上或减去15%。在以上参考图6和图8描述的控制中，基准电压，Vref，被设置成固定值，其考虑了 RMS电网电压的最大允许正偏移(excursion)。尽管这确保了 DC链路电压总是高到足以使得DC/AC逆变器能够在所有情况下产生需要的输出电流，但这意味着在一些情况下DC链路电压比需要的情况高。这种不必要高的链路电压不必要地减少了 DC链路电容器的寿命。
[0079]不是将Vref设置成固定值，而是如图10中所示的根据电网电压导出基准电压1024。电压感测部件1022测量AC电网电压并向Vref控制部件1024输出RMS AC电网电压。Vref控制部件1024设置基准电压值。如所示出的，可基于缩放因子K加上偏移值J来设置基准电压1024。可基于DC/AC逆变器1012的特征来选择这些值，该特征包括DA/AC逆变器的效率、DA/AC逆变器的工作限制，以及所利用的电压控制的类型。由于电网标称RMS值引起的电网电压的改变导致基准电压的相应改变，这于是导致DC链路电压的相应改变，通过在AC电网电压减小时降低电压而有利地延长了 DC链路电容器的寿命。
[0080]图11以流程图形式示出了延长多个电容器的预期寿命的示意性方法。该电容器可用在耦合到诸如PV板的直流(DC)电源的逆变器中，但其他DC电源也是可以的。方法1100确定逆变器(1102)的至少一个工作特性。该工作特性可包括，例如，逆变器的温度、DC电源输出的功率、DC/DC变流器输出的功率、多个电容器中的一个或多个的确定剩余寿命、多个电容器中的一个或多个的确定电容、多个电容器中的一个或多个的确定等效串联电阻(ESR)、入射到PV板上的光的量、自从多个电容器中的一个或多个耦合跨接到DC/AC逆变器输入端之后的时间量、多个电容器中哪些电容器最近耦合跨接到DC/AC逆变器的输入端，以及一天中的时刻。一旦确定了工作特性，该方法基于确定出的至少一个工作特性来确定多个电容器中的要耦合跨接到逆变器的DC/AC逆变器的输入端的至少一个电容器(1104)，并将确定的电容器耦合跨接到DC/AC逆变器的输入端(1106)。
[0081]图12以流程图形式示出了可由图5中的电容器选择器实施的示意性方法。方法1200被示出为由电容器选择器连续执行的循环。方法1200从确定当前时间段(1202)开始。该时间段可以是一天、一个小时、一个月或其它适当的时间段。一旦确定了时间段，则确定该时间段是否是夜晚(1204)，并且如果是(在1204处的判断结果为是)，则产生适当的控制信号用于关闭或断连所有的可开关电容器(1206)。如果不是夜晚(在1204处的判断结果为否)，那么产生适当的控制信号以便打开或连接与该时间段相关的可开关电容器(1208)。一旦在1206或在1208生成控制信号，则确定是否处于时间段结尾(1210)。如果不处于时间段结尾(在1210处的判断结果为否)，则在再次检查以了解是否处于时间段结尾(1210)之前执行延迟(1212)。如果处于时间段结尾(在1210处的判断结果为是)，那么方法返回到1202处确定当前时间段。
[0082]图13以流程图的形式示出了可由图5中的电容器选择器实施的另一个示意性方法。该方法1300从确定是否处于夜晚开始(1302)，如果是(在1302处的判断结果为是)，则产生适当的控制信号用于关闭或断连所有的可开关电容器(1304)。如果不是夜晚(在1302处的判断结果为否)，那么确定工作温度是否在阈值以下(1306)，并且如果是(在1306处的判断结果为是)，产生适当的控制信号用于打开或连接所有的可开关电容器(1308)。尽管描述为打开所有的可开关电容器，但可预计到该方法可以确定要打开的可开关电容器的适当数目以便提供恰当的电容。如果温度不处于阈值以下(在1306处的判断结果为否)，则该方法基于PV板生成的实际功率确定需要打开的电容器的数目(1310)。该方法然后打开适当数目的可开关电容器(1312)。可基于哪些可开关电容器已经关闭了最长的时间来确定哪些可开关电容器要打开，这样可确保电压周期性地施加到每个可开关电容器上以便维持可开关电容器的氧化层。该方法然后确定是否被打开的可开关电容器超过了其E0L( 1314)。如果它们没有(在1314处的判断结果为否)，那么该方法在返回到确定是否为夜晚(1302)之前延迟一段时间(1316)。如果被打开的可开关电容器超过了其EOL(在1314处的判断结果为是)，那么该方法打开一个或多个附加可开关电容器(1318)以便基于PV板生成的功率提供适当的电容。尽管关于电容器是否超过EOL的确定被描述为在打开可开关电容器之后发生，但可预计到该确定可在打开可开关电容器之前做出。一旦打开了附加可开关电容器，该方法可在再次检查是否处于夜晚(1302)之前进行延迟(1316)。
[0083]尽管以上公开了示例性方法、除包括其它部件外还包括在硬件上执行的软件的设备，应注意到这样的方法和设备仅仅是示意性的，并且旨在提供对延长用于PV板的逆变器中的电容器的寿命的透彻理解。例如，可预计到这些硬件和软件部件中的任意或全部可以排他性地以硬件实施、排他性地以软件实施、排他性地以固件实施，或以硬件、软件和/或固件的任意组合来实施。因此，尽管以下描述了示例性方法和设备，本领域普通技术人员很容易理解所提供的示例并不是实施这样的方法和设备的唯一方式。
[0084]在此描述的AC板逆变器利用低成本电解电容器，但该AC板逆变器可以延长具有的寿命取决于施加电压的其他类型电容器的寿命。通过控制施加到电容器上的电压，可以延长每个单独的电容器的预期寿命。通过延长电容器的预期寿命，可以在更长的一段时间内提供更可靠的性能。由于单独的电容器的寿命延长，可以提供具有更大的容错性的逆变器，这是因为可用于替换故障电容器的附加电容器可以在更长的时间内可用。例如，如果在工作了 11年之后，在具有两个电容器的逆变器中，其中一个电容器发生故障，第二个剩余电容器的预期寿命可以足够在逆变器的期望寿命(诸如用于25年的整个寿命的另外15年)中提供正常工作。
[0085]此外，以上已经描述了一种DC链路能量存储网络，其可以通过周期性地连接电解电容器和将该电解电容器从DC链路总线上断开以降低施加到该电容器上的电压同时还能确保氧化层不劣化，来延长该电解电容器的预期寿命。如所描述的，通过周期性地将电压施加到电解电容器上，电介质氧化层被保持。可预计到，不是周期性地打开和关闭电容器以延长其寿命同时维持氧化层，而是可开关电容器可保持关闭直至其例如由于其他可开关电容器到达EOL而被需要。为了确保可开关电容器不会在再次打开时由于氧化层的劣化而发生故障，可通过在长到足以重新形成氧化层的时间内施加电压来重新形成电介质氧化层。
[0086]尽管以上已经描述了用于与PV板一起使用的板逆变器，但可预计到该逆变器，或该逆变器的部件可以与其他DC电源一起使用。以上描述的逆变器能够提供经济的逆变器，同时还通过延长电容器的寿命提供足够长的预期寿命。
【权利要求】
1.一种逆变器，用于耦合到直流(DC)电源和提供交流(AC)输出，该逆变器包括: DC/DC变流器，用于连接到DC电源和提供DC输出； DC/AC逆变器，用于将所述DC输出转换成AC输出； DC链路能量(DCLE)存储网络，包括分别能够耦合跨接所述DC/AC逆变器的输入端的多个电容器；和 DCLE存储网络控制器，用于选择所述多个电容器中的一个或多个来耦合跨接所述DC/AC逆变器的输入端。
2.如权利要求1所述的逆变器，其中所述DCLE存储网络控制器包括: 电容器选择器，用于基于至少一个监视的特性选择一个或多个电容器以耦合到DC/AC逆变器的输入端。
3.如权利要求2所述的逆变器，其中所述至少一个监视的特性包括以下中的一个或多个: 温度; 所述DC电源的功率输出； 所述DC/DC变流器的功率输出； 所述多个电容器中的一个或多个电容器的确定的剩余寿命；` 所述多个电容器中的一个或多个电容器的确定的电容； 所述多个电容器中的一个或多个电容器的确定的等效串联电阻(ESR); 入射到所述PV板上的光的量； 自从所述多个电容器中的一个或多个电容器耦合跨接所述DC/AC逆变器的输入端之后的时间量； 所述多个电容器中的哪些电容器最近耦合跨接所述DC/AC逆变器的输入端；和 一天中的时刻。
4.如权利要求1或2所述的逆变器，其中所述至少一个监视的特性包括对是否所述多个电容器中的一个或多个电容器已经达到其寿命结尾(EOL)的指示，所述DCLE存储网络控制器包括: 电容器监视器，用于确定所述多个电容器中每一个电容器的电容器特性，所述电容器特性包括是否电容器已经到达寿命结尾(E0L)。
5.如权利要求4所述的逆变器，其中所述电容器特性包括是否电容器已经发生故障。
6.如权利要求1至5中任一项所述的逆变器，进一步包括: 多个开关，分别与所述多个电容器中的相应一个电容器相关联，用于在所述DCLE存储网络控制器的控制下选择性地将相关联的电容器耦合跨接所述DC/AC逆变器的输入端。
7.如权利要求6所述的逆变器，其中所述多个开关中的每个开关是金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)。
8.如权利要求1至7中任一项所述的逆变器，其中所述DCLE存储网络控制器包括: 开关控制器，用于提供所述多个电容器中的每一个电容器的软切换。
9.如权利要求1至8中任一项所述的逆变器，其中所述多个电容器中的一个或多个电容器是电解电容器。
10.如权利要求9所述的逆变器，其中所述DCLE存储网络控制器在给定时间段内将所述一个或多个电解电容器中的每一个耦合到所述DC/AC逆变器的输入端至少一次。
11.如权利要求10所述的逆变器，其中所述给定时间段包括以下中的一个: 一个小时； 多个小时； 一天; 多天； 一周； 多个周； 一个月；和 多个月。
12.如权利要求9至11中任一项所述的逆变器，其中所述DCLE存储网络将所述多个电容器中的每一个电解电容器耦合到所述DC/AC逆变器的输入端，这通过以下操作来实现:如果所述电解电容器已经在长于劣化阈值的一段时间内没有耦合到所述DC/AC逆变器的输入端，则提高所述电解电容器上的电压以重新形成所述电解电容器的氧化电介质层。
13.如权利要求12所述的逆变器，其中所述劣化阈值是: 多个周； 一个月；和` 多个月。
14.如权利要求1至13中任一项所述的逆变器，其中所述DCLE存储网络包括两个电容器，这两个电容器的大小是基于所述DC电源的预期功率输出。
15.如权利要求1至14中任一项所述的逆变器，其中所述DCLE存储网络包括三个或更多个电容器，这些电容器的大小是基于所述DC电源的预期功率输出的一小部分。
16.如权利要求1至15中任一项所述的逆变器，其中所述多个电容器中的每一个是铝电解电容器(AEC)。
17.如权利要求1至16中任一项所述的逆变器，其中所述DC电源包括以下中的一个: 光电(PV)板； 燃料电池； 风力发动机；和 电池。
18.如权利要求1至17中任一项所述的逆变器，进一步包括: DC/AC逆变器控制器，用于控制所述DC/AC逆变器的输入端上的电压。
19.如权利要求18所述的逆变器，其中所述DC/AC逆变器控制器基于将所述DC/AC逆变器的输入端上的电压的平均值维持成尽可能接近基准电压，来控制所述DC/AC逆变器的输入端上的电压。
20.如权利要求18所述的逆变器，其中所述DC/AC逆变器控制器基于将所述DC/AC逆变器的输入端上的电压的最小值维持成尽可能接近基准电压来控制所述DC/AC逆变器的输入端上的电压。
21.如权利要求19或20所述的逆变器，其中所述AC输出被提供给AC电能电网，并且其中所述基准电压取决于应用的电网电压。
22.一种用于延长在逆变器中使用的多个电容器的预期寿命的方法，该逆变器耦合到直流(DC)电源并提供AC功率输出，该方法包括: 确定所述逆变器的至少一个工作特性； 基于确定的至少一个工作特性，确定所述多个电容器中的至少一个电容器以耦合跨接所述逆变器的DC/AC逆变器的输入端；和 将确定的至少一个电容器耦合跨接所述DC/AC逆变器的输入端。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述至少一个工作特性包括以下中的至少一个: 温度; 所述DC电源的功率输出； 所述DC/DC变流器的功率输出； 所述多个电容器中的一个或多个电容器的确定的剩余寿命； 所述多个电容器中的一个或多个电容器的确定的电容； 所述多个电容器中的一个或多个电容器的确定的等效串联电阻(ESR)； 入射到所述PV板上的光的量； 自从所述多个电容器中的一个或多个电容器耦合跨接所述DC/AC逆变器的输入端之后的时间量；` 所述多个电容器中的哪些电容器最近耦合跨接所述DC/AC逆变器的输入端；和 一天中的时刻。
24.如权利要求22所述的方法，进一步包括: 检测所述多个电容器中的一个已经发生故障；和 将所述多个电容器中的没有发生故障的至少一个电容器耦合跨接所述DC/AC逆变器的输入端，以提供需要的电容。
25.如权利要求22所述的方法，进一步包括: 确定是否所述多个电容器中的一个或多个电容器已经达到寿命结尾(EOL);和基于是否一个或多个电容器已经达到其EOL来确定将要耦合跨接所述DC/AC逆变器的输入端的至少一个电容器。
26.如权利要求22所述的方法，进一步包括: 当将确定的至少一个电容器耦合到所述DC/AC逆变器的输入端或从该输入端去耦合时，提供所述确定的至少一个电容器的软切换。
27.如权利要求22所述的方法，其中确定将耦合跨接所述DC/AC逆变器的输入端的至少一个电容器包括:确定所述至少一个电容器以确保在时间段内所述多个电容器中的每一个耦合跨接所述DC/AC逆变器的输入端。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述给定时间段包括以下中的一个: 一个小时； 多个小时； 一天; 多天； 一周； 多个周；一个月；和 多个月。
29.如权利要求22所述的方法，进一步包括: 在将多个电容器中的一个电容器耦合跨接所述DC/AC逆变器的输入端之前，在没有电压施加到可能已经劣化的该电容器上一段时间之后，重新形成该电容器的氧化物电介质层。
30.如权利要求22至29中任一项所述的方法，进一步包括: 确定所述PV板的最大功率点；和 控制所述PV的工作电压以优化所述PV板的功率输出。
31.如权利要求22所述的方法，进一步包括: 控制所述DC/AC逆变器的输入端上的电压。
32.如权利要求31所述的方法，其中控制所述DC/AC逆变器的输入端上的电压是基于将所述DC/AC逆变器的输入端上的电压的平均值维持成尽可能接近基准电压。
33.如权利要求31所述的方法，其中控制所述DC/AC逆变器的输入端上的电压是基于将所述DC/AC逆变器的输入端上的电压的最小值维持成尽可能接近基准电压。
34.如权利要求32或33所述的方法，其中所述AC输出被提供给AC电网，该方法进一步包括基于应用的电网电压设置`所述基准电压。
【文档编号】H01G9/28GK103518318SQ201280022561
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年3月8日 优先权日:2011年3月9日
【发明者】C.科乔卡鲁, R.K.奥尔 申请人:索兰特罗半导体公司