专利名称：太阳能发电系统以及方法
技术领域：
本发明涉及电能转换，特别是，涉及光伏模块至电网的连接。
背景技术：
由于传统能源的稀缺和成本上升以及对环境的关注，在替代能源例如太阳能以及风能方面产生了浓厚的兴趣。太阳能发电采用光伏(PV)模块以从太阳产生电。在此系统中多个光伏单元相互电连接。在太阳能发电系统中，为了馈送电力至电网，电力电子元件用于进行电力调节。在一实例中，电力电子元件包含通过DC传输线背对背连接的直流(DC)-DC转换器以及DC-交流(AC)逆变器。随着新的电网标准发展来用于太阳能发电系统，以及太阳能的市场渗透水平的增加，太阳能的可变性越来越少被公用事业公司所接受。例如，公用事业公司正加入或希望加入关于电力爬升率限制、电力缩减以及频率稳定的要求。电力缩减指的是减少电力产生系统的输出电力，并且通常当在区域中产生超量电力，且将该电力转移到需求中心的传输能力不足时发生。电力缩减也在某些类型的电网干扰时被公用事业所需要。公用事业的频率稳定要求当太阳能发电系统能够响应于电网条件的改变而增加或减少其输出电力时可以实现。储存超量能量于能量储存装置是来实现电力缩减以及应付频率稳定要求的一种选择，但系统成本会随着储存装置的使用以及尺寸而增加。因此，需要一种改进的太阳能输电系统以解决一个或多个上述问题。
发明内容
根据本发明实施例，提供电力产生系统，包括光伏(PV)模块，用以产生电力。系统还包括电力转换器，耦合成用于从光伏模块接收电力；以及转换器控制器，用以控制电力转换器。每个转换器控制器包括最大电力点追踪控制元件。在该系统中提供主控制器，用于通过控制使电力-电压(P-V)曲线在最大电力点以及离开最大电力点的电力点之间扫掠的电力转换器的数目以及定时，来协调电力转换器的电力输出。根据本发明另一实施例，提供一种控制太阳能发电系统的方法，太阳能发电系统包括光伏模块以及耦合至光伏模块的电力转换器。方法包括使用至少一个处理器以用于通过控制使电力-电压(P-V)曲线在最大电力点以及离开最大电力点的电力点之间扫掠的电力转换器的数目以及定时来协调电力转换器的电力输出。
本发明的这些以及其他特征、方面和优势在参照附图阅读了以下详细描述时将变得更好理解，贯穿这些附图中的相似的符号代表相似的部件，其中。图1是传统太阳能发电系统的示意性图示。
图2是光伏模块V-I特性以及P-V特性的图形表示。图3是根据本发明实施例的太阳能发电系统的示意性表示。图4是图3实施例的光伏模块的V-I曲线、P-V曲线以及电力波形的图形表示。图5是根据本发明实施例的总输出电力波形以及DC-DC转换器输出电力波形的图形表示。图6是根据本发明实施例的光伏模块的另一 V-I曲线、P-V曲线以及电力波形的图形表示。图7是根据本发明另一实施例的太阳能发电系统的示意性表示。
具体实施例方式图1示出了传统太阳能发电系统10。该发电系统包含光伏阵列12，其包含多个连接的光伏模块。光伏阵列通过DC/DC转换器16、DC传输线18以及电网侧三相DC/AC转换器20连接至电网14。在其他系统中，电网侧三相转换器可由多个单相转换器而替代。DC/ DC转换器16由DC/DC控制器22控制，DC/DC控制器22可包括最大电力点追踪(MPPT)控制器，且电网侧转换器20由电网侧控制器M控制。系统控制器沈分别为DC/DC转换器22 以及电网侧转换器20产生参考DC电压命令、参考输出电压幅度命令以及参考频率命令。在其他系统中，单一控制器可用于图1所示的多重控制功能。系统中使用滤波器观来从系统输出电力中移除谐波，以及变压器30用来将电网侧转换器输出电压匹配至电网电压。电网 14可包括公用事业电网或任何其他连接电力产生系统以及负载的系统。图2示出了光伏模块V-I特性42的图线40以及光伏模块P_V特性52的图线50。 图线40中的水平轴44用伏特表示电压尺度，垂直轴46用安培表示电流尺度。光伏模块具有单一操作点或最大电力点(MPP) 48，在该点光伏模块电流⑴以及电压(V)的值导致最大输出电力PMX。这些值对应于特定负载电阻，其按欧姆定律规定等于V/I。可以从图线40中看出，光伏模块的电流与电压之间具有指数关系，最大电力点发生在曲线的拐点，在该点电阻等于负微分电阻(V/I = -dV/dl)。在最大电力点48处的电压由Vmp表示以及电流由Imp 表示。最大电力点追踪控制器使用控制电路或逻辑以搜寻该最大电力点，并且因而使转换器电路从光伏模块提取可用的最大电力。需要注意的是，光伏模块的V-I特性随着温度以及日晒而变化。因此，在不同的温度，最大电力点48可取决于在那个温度的V-I特性而位于不同的电压以及不同的电流。图线50显示了 V-I特性42对应的电力vs电压(P-V)曲线52。从图线50可以看出最大电力Pmax发生在电压Vmp处。图3示出了根据本发明实施例的太阳能发电系统210。发电系统210包含产生DC 电力的多个光伏模块212、提供可控DC电力至馈电装置(feeder)216的多个DC-DC转换器 214、多个转换器控制器222，以及从将来自馈电装置216的DC电力转换至AC电力并传送 AC电力至电网220的DC-AC逆变器218。每个DC-DC转换器214连接至至少一个相应光伏模块212。尽管图3中为了说明而包含每个DC-DC转换器214对应一个光伏模块，在某些实施例中，多个光伏模块可包含于阵列中以便耦合至相应DC-DC转换器，且本发明意在涵盖这两种实施方式。在一实施例中，可以有多个DC-AC逆变器，其连接至相应DC-DC转换器 214。在又另一实施例中，多个DC-AC逆变器无需经过任何DC-DC转换器可以直接耦合至多个光伏模块。根据图3所描述的DC-DC转换器的控制也适用于图7所示的直接耦合实施例710,图7中使用直接耦合的DC-AC逆变器714。发电系统210进一步包含主控制器224以提供控制信号至转换器控制器222以交错的方式操作DC-DC转换器214。在很多实施例中， 转换器控制器222以及主控制器2M收容于分开的控制单元中，然而，如果需要，这些控制器可备选地集成于公共控制单元中。转换器控制器222包含用于光伏模块212的最大电力点追踪(MPPT)控制器221、 脉冲宽度调制(PWM)发生器223以及延迟块225。由于光伏模块212的V-I特性会根据很多因素例如温度以及云覆盖而变化，MPPT控制器221在V-I曲线上连续追踪新的修改的最大电力点。MPPT控制器221接收Vdc以及Idc作为来自光伏模块212的两个输入，其中Vdc 以及Idc为光伏模块的DC电压以及DC电流。MPPT控制器221可以包含任何适合的MPPT 算法，其中若干示例包含扰乱和观察算法以及递增传导(incremental conduction)算法。图4示出了光伏模块212(图3)的V-I曲线230、P_V曲线MO以及电力波形250 的靠近最大电力点处的放大图。从图示中可以看出，当在P-V曲线240上确定最大电力(MP) 点M2时，MPPT控制器221 (图3)从最大电力点242左边的离开最大电力点244到位于最大电力点242右边的另一离开最大电力点246扫掠P-V曲线M0。从光伏模块汲取的对应的电压以及电流也如V-I曲线230所示变化。需要注意的是，即使电力波形250由于定标而表现出平滑波状波形，如果放大则波状波形将会看起来像阶梯状波形。从电力波形250 可以看出，其包含平均值254以及最大电力值252。在一实施例中，一旦最大电力点由MPPT 控制器221确定，电压以及电流在将取决于应用的特定时间段内(即维持时间段)保持在此特定值不变。通常维持时间段在几秒至几分的范围内。在维持时间段后，MPPT算法然后再次用于察看P-V曲线是否已经改变或最大电力点是否已经移至曲线上的新位置。需要注意的是，由于MPPT算法是连续运行(此处使用的连续意思是包含或者不包含扫掠之间的维持时间段)，需要时则更易于快速切换至相关最大电力点。总输出电力为来自DC-DC转换器的所有输出电力的总和。每个DC-DC转换器可操作于缩减模式或正常模式。当操作于正常模式，DC-DC转换器处于维持期间并操作于由 MPPT算法确定的最大电力点，或者位于MPP扫掠以重新确定MPP。当操作于缩减模式，DC-DC 转换器操作成具有性质不同于MPP扫掠的扫掠。扫掠性质的差异将取决于MPP扫掠的特性以及类型。在某些实施例中，在缩减模式中扫掠会较慢(几乎是步进而不是扫掠运动)以降低电力输出。在某些实施例中，在缩减模式中扫过曲线的范围将会变长。操作于缩减模式DC-DC转换器的数目以及缩减的扫掠的性质可以基于来自电网的电力缩减要求而确定。为了最小化总的整体上的电力起伏，缩减的DC-DC转换器的电力输出会有相位偏移。在缩减模式被控制的DC-DC转换器的数目越多，平滑改变总的输出电力的弹性就越大。 为了在少于所有的DC-DC转换器被缩减时提供系统元件的一致性使用，监督控制器会在某一段时间后命令不同的一组DC-DC转换器操作于缩减模式，且原来一组DC-DC转换器返回正常模式。从缩减模式至正常模式的转变，或是从正常模式至缩减模式的转变可发生在几毫秒至几秒内，例如，对于从一个模式至另一模式的转变，仅仅转换器的扫掠的定时或性质需要改变。在本发明的另一实施例中，即使没有来自电网的缩减要求，转换器的扫掠则以排期的方式进行控制。即使在没有缩减计划或要求的实施例中，依然对错开MPP扫掠以最小化输出电力的起伏是有益的。例如，如果存在60个转换器，每个安排1秒MPPT扫掠和在MPP扫掠之间的1分钟MPP维持时间段，在一实施例中，可控制转换器使得第一个转换器在每分钟的第一秒进行扫掠，第二个转换器在每分钟的第二秒进行扫掠，以此类推。在另一相关实施例中，其中自缩减用来如果电网需要额外电力时提供灵活性，可以提供这种自缩减的排期。例如，如果有总共1000个转换器，则预先确定好排期，哪些转换器应该在哪些时间操作于缩减模式。第一批200个转换器可以在一天的上午9点至11点操作于缩减模式。然后下一批200个转换器可以在下两个小时操作于缩减模式，且第一批 200个转换器将回到正常模式。如果在给定的时间段内，电网要求更多的电力，操作于缩减模式的转换器的一些或者全部会切换到正常模式，或者降低它们的缩减度。如果在给定的时间段内，从电网需要有缩减要求，额外的转换器可以从它们的正常操作模式转换至缩减的操作模式。图5示出了根据本发明实施例的具有DC-DC转换器的相位偏移(交错)操作的总输出电力波形四0以及个体DC-DC转换器输出电力波形270，观0。从图5可以看出，电力波形280从电力波形270进行了约180度角度的延迟的相位偏移，即对于第二 DC-DC转换器的PWM波形与第一 DC-DC转换器的PWM波形相比，相位偏移了 180度。总输出电力如波形 290所示为两个DC-DC转换器的输出电力的总和，且如292所示具有平均值。再次参考图3，在一实施例中，主控制器2M接收总输出电力命令Pdc以及实际电力输出I^act作为分别来自监督控制器(未显示)以及DC-DC转换器214的输入信号，并产生相位偏移角度(或“延迟”角度)，多个DC-DC转换器214的切换脉冲偏移该角度。监督控制器基于电网干扰或有太阳能发电系统所产生的超量电力时产生总输出电力命令Pdc。 在一实施例中，基于总输出电力命令Pdc，主控制器2M也识别哪些转换器要操作于缩减模式，哪些转换器要操作于正常模式。此外，主控制器2M还可以确定每个转换器的扫掠时间段。在缩减模式中，由主控制器2M提供的延迟角度命令可以由下式得出
权利要求
1.一种电力产生系统(210)，包括 光伏(PV)模块(212)，用以产生电力；电力转换器014)，耦合成从所述光伏模块012)接收电力；转换器控制器022)，用以控制所述电力转换器014)，每个所述转换器控制器(222) 包括最大电力点追踪控制元件021)；主控制器0 )，配置成通过控制使电力-电压(P-V)曲线在最大电力点以及离开最大电力点的电力点之间扫掠的电力转换器014)的数目和定时来协调所述电力转换器(214) 的电力输出。
2.如权利要求1所述的电力产生系统，其特征在于，所述主控制器配置成协调来自所述电力转换器中的至少两个的电力输出的缩减。
3.如权利要求2所述的电力产生系统，其特征在于，所述主控制器配置成命令所述转换器控制器，以操作任意剩余电力转换器在该剩余电力转换器的相应P-V曲线的最大电力点ο
4.如权利要求2所述的电力产生系统，其特征在于，每个所述转换器控制器(222)包括脉冲宽度调制发生器(22 用以为所述电力转换器(214)产生切换脉冲。
5.如权利要求2所述的电力产生系统，其特征在于，所述电力转换器中的所述至少两个包括少于所有的电力转换器。
6.如权利要求5所述的电力产生系统，其特征在于，所述主控制器随时间控制哪些电力转换器包括所述电力转换器中的所述至少两个。
7.—种控制太阳能发电系统OlO)的方法，所述太阳能发电系统(210)包括光伏模块 (212)以及耦合至所述光伏模块012)的电力转换器014)，所述方法包括使用至少一个处理器(224)用于通过控制使电力-电压(P-V)曲线在最大电力点以及离开最大电力点的电力点之间扫掠的电力转换器014)的数目和定时来协调所述电力转换器的电力输出。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述最大电力点的单边上扫掠所述P-V曲线。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述最大电力点的两边上扫掠所述P-V曲线。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，协调所述光伏模块的电力输出包括操作所述电力转换器中的至少两个在缩减模式以及操作任何剩余电力转换器在正常模式。
全文摘要
本发明涉及太阳能发电系统以及方法。一种电力产生系统(210)包括光伏(PV)模块(212)，用以产生电力；以及电力转换器(214)，耦合成从光伏模块(212)接收电力。该电力产生系统(210)进一步包括转换器控制器(222)，用以控制电力转换器(214)，每个转换器控制器(222)包括最大电力点追踪控制元件(221)。电力产生系统(210)中的主控制器(224)配置成通过控制使电力-电压(P-V)曲线在最大电力点以及离开最大电力点的电力点之间扫掠的电力转换器(214)的数目和定时，来协调电力转换器(214)的电力输出。
文档编号H02N6/00GK102570909SQ20111025773
公开日2012年7月11日 申请日期2011年8月26日 优先权日2010年8月27日
发明者J·A·萨巴特, K·A·奥布里恩, O·J·谢伦斯 申请人:通用电气公司