专利名称：用于发电装置的电力转换器的制作方法
技术领域：
这项发明涉及用来转换从发电装置获得的电力的电路、系统和方法。在此描述的电路、系统和方法可以用来将发电装置与配电网对接。
背景技术：
并网连接的发电系统通常包括两个主要部分生产电力的发电装置和接受、调整而后将电力注入配电网的转换器。发电装置包括，举例来说，光电(PV)电池、燃料电池和风力涡轮机。为了在不同的环境下提高发电装置的总效率，例如，PV电池的部分遮蔽或PV电池或风力涡轮机之间的配合不当，对于发电的风车，独立的控制和电力提取是每个发电装置·所需要的。这需要将独立的转换器用于每个发电装置。这可以被称为微逆变器技术。在单相的并网连接的发电系统中，瞬时输出电力以两倍电网频率振荡。在发电装置是PV电池的系统中，产生的输入电力是DC的，因此在转换器输出端瞬时功率的振荡如果在输入中反映则导致输入操作点偏离DC。如果在PV电池一边有任何的功率振荡，那么最大功率只可能在振荡的顶峰达到，这转变为提取比可得的最大功率低的平均功率[1，2]。这是降低PV电池系统效率的电力损失。所以，功率波动是这样的系统的主要问题，而且PV电池转换器应该将输出功率波动与输入DC发电分离以使效率最大化。如上所述，如果在单相逆变器中没有电源解耦，发电装置在PV电池末端将包含导致偏离最佳点的振荡。电路的能量储备可能供应振荡的功率并减少PV电池末端的功率波动。解耦问题通常是通过使用大的电解电容器(例如，毫法拉第的范围)将输出功率波动对输入操作点的影响减到最小解决的。然而，这是非常不受欢迎的，因为它减少逆变器的寿命和增加逆变器的体积、重量和成本。依照拓扑，储存能量的位置可能是不同的。举例来说，就单级拓扑而言，能量储存可能是在PV电池末端实现的。就多级拓扑而言，当电压源逆变器被用在输出端的时候，电源解耦电容器可能放在输入端和/或DC总线(例如，在各级DC-DC转换器和DC-AC逆变器之间)。在DC总线上有大部分解耦电容是有益的，因为该电压水平较高，而且同样数量的能量储备能用较小的电容器实现。高DC电压的产生不是有效的，而且它在逆变器和第一级的输出上引起过度的电压应力。此外，总线上的高电压使输出电流上的高频脉动增大，这需要用大的无源滤波器来抵偿。再者，在这样的方法中，为了除去PV电池输入端的任何振荡，仍然需要在输入端有相对较大的电解电容器。电压源逆变器在输出端的使用需要庞大的感应线圈与电网连接。为了避免这种情况，微逆变器可能在最后一级使用伸展的电力网。然而，采用这种方式，仍然需要在PV电池末端有大的电解电容器组，因为该电压水平非常低而且，所以必需的电容容量变大。一般地说，以变压器作为能量缓冲的拓扑把这样的配置用于电源解耦[1，2，5]。为了减少所需的输入电容器的数量，可能与在文献[3]中一样使用多级的方法处理全部输出电力。然而，这将降低效率和增加转换器的尺寸和重量。此外，因为DC总线电压非常高，在各转换器级的开关上应力非常高，另外用于电流整形的滤波器也变得比较大。在其它的方法[5-10]中，引进辅助的电源电路，该电路吸收电力并且在需要时提供能量。结果是不需要大的电解电容器。辅助的电源电路通常在高电压下操作以减少能量储备元件。这样的方法通常效率低而且电力处理级的数目大。
发明内容
在此描述的是连同发电装置一起使用的电力转换器，其中包括接收来自发电装置的实质上DC的电力的高边输入点和低边输入点；跨接高边和低边输入点的电容器；接收电容器两端之间的电压并且把该电压转换成高频AC电压同时删除或最大限度地减少接收电压中的振荡的第一装置；把高频AC电压转换成实质上呈正弦曲线的AC电压或电流的第二装置；接收实质上呈正弦曲线的AC电压或电流的隔离变压器；把来自变压器的实质上呈正弦曲线的高频AC电压或电流转换成(i)实质上呈正弦曲线的低频AC输出电压或电流和 DC输出电压或电流的第三装置；以及用来输出输出电压或电流的高边输出点和低边输出点。在一个实施方案中，高频AC电压可能是在与配电网频率有关的频率下用实质上呈正弦曲线的电压调制的振幅。第一装置可能包括斩波电路。斩波电路的开关可能是使用脉宽调制控制的。第二装置可能包括谐振电路。谐振电路可能是串联谐振电路。第三装置可能包括整流器和可选择的滤波器，其中输出的是DC电压或电流。第三装置可能包括整流器和逆变器，输出的是AC电压或电流。在此还描述了用于分布式发电装置的微逆变器，其中包括上述的电力转换器；以及为了将电容器两端的电压波动减到最小通过将横跨电容器的电压与基准电压进行比较控制第一装置中的开关的操作的控制器。控制器可能包括一个或多个改进的脉宽调节器、占空比控制器和最大功率点跟踪器。占空比控制器可能包括比例积分-微分补偿器。在此还描述了一种发电系统，其中包括至少一个上述的微逆变器；以及至少一个发电装置。每个发电装置可能与微逆变器连接。在此描述还了一种用来从发电装置获得电力的方法，该方法包括在删除或最大限度地减少发电装置输出功率中的振荡的同时，把来自发电装置的实质上的DC的输出电力转换成高频AC电压；把该高频AC电压转换成实质上呈正弦曲线的高频电压或电流；以及把该实质上呈正弦曲线的高频AC电压或电流转换成(i)DC电压或电流，和(ii)实质上呈正弦曲线的低频AC电压或电流；其中实质上呈正弦曲线的高频AC电压或电流是与DC电压或电流或实质上呈正弦曲线的低频AC电压或电流隔离的。在一个实施方案中，该方法可能包括在与配电网频率有关频率下用实质上呈正弦曲线的电压对高频AC电压进行振幅调制。该方法可能包括使用斩波器把发电装置的输出电力转换成高频AC电压。该方法可能包括使用脉宽调制控制斩波电路的一个或多个开关。该方法可能包括把发电装置的输出电压与基准电压作比较将发电装置的电压波动减到最少。该方法可能包括使用谐振电路把高频AC电压转换成实质上呈正弦曲线的高频AC电压或电流。谐振电路可能由串联谐振电路组成。该方法可能包括把实质上呈正弦曲线的低频输出电压或电流接到配电网上。在上述的电路、系统和方法中，发电装置可能是光电(PV)电池或燃料电池。
为了较好地理解本发明和更清楚地展示它是如何实现的，现在将参照附图通过举例说明描述不同的实施方案，其中图I是微逆变器的广义方框图。图2是依照一个实施方案微逆变器的方框图。图3(a)是依照一个实施方案有最大功率点跟踪的微逆变器的电路图。
图3(b)是依照另一个实施方案有最大功率点跟踪的微逆变器的电路图。图3(c)是展示图3(b)所示电路的工作波形的曲线图。图4(a)是展示PV电池的典型的电流_电压和功率_电压的特性以及最大功率点的曲线图，而图4(b)是展示特性怎样随照射剂量改变的曲线图。图5是展示图2的实施方案的典型的稳态工作波形的曲线图。图6 (a)到(f)展示图3(a)所示实施方案的等价电路的示意图，适用于图5所示曲线图的每个间隔。图7是展示图2所示电路的第k阶调谐等价电路的电路图。图8 (a)和(b)是展示从模拟获得的图3 (a)所示的开关Ml (a)和M2 (b)的零电压切换的曲线图。图9是展示图3(a)所示实施方案使用在此描述的改进的脉宽调制时总线和电网的电压波形以及门信号的曲线图。图10是展示采用传统的脉宽调制和采用改进的脉宽调制的情况下输出栅极电流波形的曲线图。图11是展示以图3(a)所示电路为基础模拟的零电压切换的曲线图。图12是展示以图3(a)的电路为基础模拟的总线电压和谐振回路电流和电压的曲线图。
具体实施例方式在此描述的是用来从发电装置获得电力的系统、电路和方法。发电装置可能是，举例来说，风力涡轮机、燃料电池或光电池。发电装置可能是分布式发电装置。在此描述的系统、电路和方法的实施方案主要与光电池有关，然而，人们将会领会到这些系统、电路和方法不局限于此。在此描述的系统、电路和方法可能被用于适合发电装置的微逆变器。如同在此使用的那样，术语“微逆变器”指的是使发电装置和诸如配电网之类的负荷对接的装置。包括微逆变器的系统展示在图I所示的广义方框图中。微逆变器20接受来自发电装置10的电力并且把电力输出给负荷30。微逆变器20可能包括电力部分200，该部分可能包括一级或多级并且实现一种或多种功能，举例来说，DC-DC变换、DC-AC变换或其组合。微逆变器可能包括控制部分300，该部分可能实现一种或多种功能，举例来说，跟踪发电装置的最大功率点和/或把选通信号提供给电力部分200。选通信号可能是通过测知发电装置的电压和/或电流和/或负荷的电压和/或电流确定的。在此描述的微逆变器在不同的环境和条件下提高电力生产的总效率。举例来说，在PV电池的情况下，PV电池的局部阴影遮蔽或各PV电池之间的错配都会降低系统的总效率。然而，将微逆变器用于每个PV电池或PV电池串或组件允许独立地控制和提取来自每个PV电池或PV电池串或组件的电力，从而不管个别PV电池的条件改变都使从PV电池提取的电力达到最大值。在此描述的微逆变器是紧凑的，以便附着到PV电池上(举例来说，附着到PV电池的背面)。因为微逆变器暴露在各式各样的环境条件下，例如，极端的温度和湿度，它的可靠性和维护是主要问题。这样的暴露也对逆变器的平均寿命和性能产生不利的影响。这些因素要求强健的设计和结构，而且可能需要更昂贵的元器件，从而导致较高的制造成本。结果，微逆变器设计面临的挑战包括实现紧凑性和低成本，例如，通过减少电路元器件的数目和大小。有利地是在此描述的微逆变器不需要昂贵的高压元器件和配线。 在一个实施方案中，微逆变器可能包括一个或多个特征，举例来说，通信、反演(即，DC-AC转换)，峰值功率跟踪、孤岛效应，等等。这样的微逆变器可能被整合到PV模块之内。术语“PV模块”指的是为了产生所需要的电力输出按串联、并联和/或串联-并联连接的一个或多个PV电池。举例来说，PV模块可能是提供(例如，卖)给光电转换系统的最终用户的最小的离散单元。通常，PV模块是连同连接器或其它适合从该组件提取DC输出的硬件一起提供的。然而，如同在此描述的那样，微逆变器可能被整合到PV模块之内，其中这样的连接器或其它适合提取DC输出的硬件是以微逆变器代替的，以便获得一个或多个电特征，例如，上面描述的那些。此外，微逆变器和PV模块的这种整合可能包括微逆变器的包装要么实质上与组件一起、要么合并到组件包装之中，或者以实质上使微逆变器与组件包装统一的方式。PV模块包装可能是现有的，也可能是为适应微逆变器设计的。人们将领会到微逆变器的反演部分可能采用任何设计，举例来说，但不限于，电流源、电压源、谐振，等等，而且可能包括单个或多个功率级。在此描述的微逆变器的控制部分300可能包括最大功率点跟踪(MPPT)。因此，MPPT可以对每个发电装置独立地完成。在PV电池的情况下，局部阴影不能避免时，这是有用的，因为MPPT允许在任何瞬间条件下从每个PV电池提取最大的电力。MPPT除去系统中PV电池之间的任何错配损失。此外，在此描述的微逆变器将模块性提供给个别的发电装置，从而允许在分布式发电系统中实现“即插即用”。控制部分可能是全部或部分地使用分立元器件、使用数字技术(例如，数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)器件)或使用其组合实现的。举例来说，控制部分的一个或多个组成部分可能是以使用适当的硬件语言(例如，超高速集成电路(VHSIC)的硬件描述语言(VHDL)、寄存器传送语言(RTL)或Verilog(仿真模型))的算法实现的。这样的算法可以在，举例来说，FPGA或ASIC装置或其它适当的逻辑装置中实现。数字技术的运用提供紧凑而强健的控制器。如同在此所用的那样，术语“最大功率点跟踪(MPPT) ”和“最大功率点跟踪器(MPP跟踪器)”是有区别的。“MPPT”指的是算法，而“MPP跟踪器”指的是硬件(S卩，电路)。MPPT计算分布式发电装置(例如，光电池)的最佳工作点，并且为MPP跟踪器准备参考点以便将系统引导到最佳工作点。如同在此所用的那样，术语“光电池(PV电池)”指的是任何有光吸收材料吸收光子并借助光电效应产生电子的电池。光电池的非限制性例子是太阳能电池。光吸收材料可以吸收任何波长或波长组合的光，包括，举例来说，到达地球表面的阳光的波长和/或地球大气之外的阳光的波长。两种以上有特定的光吸收波长的光吸收材料可能被组合使用以便利用不同的光吸收和电荷分离机制。光吸收材料可能被配置为，举例来说，散装材料、薄膜(例如，无机层、有机染料和有机聚合物)和/或纳米晶体。光电池可能被组合成阵列、串、组件或面板。举例来说，光伏电池串可能包括按串联、并联、串联-并联或其它配置连接在一起的众多光电池。为了简单，术语“PV电池”如同在此使用的那样指的是单一的电池或任何这样的电池组合。现有的微逆变器拓扑综述揭示了把电解电容器、非常高的总线电压或辅助电力电路用于电源解耦。前者有寿命、大小和维护问题而后面的方法主要呈现危及性能的效率低、级数闻和/或闻电压应力。在此描述的微逆变器拓扑解决了上述问题。图2展示电力电路200与控制部分300在一起的实施方案的方框图。参照图2，电容器Cpvi跨接在发电装置10和电压斩波器210的输入端。电压斩波器拓扑可能是，举例来说，半桥或全桥的。从电压斩波器开始，该·电路包括谐振电路220、隔离变压器230、第一转换器240、电容器Cbus、第二转换器250和输出滤波器260。转换器可能是电压源转换器。半桥或全桥整流器可能是在隔离变压器的输出端提供的。控制部分300把选通信号提供给电压斩波器210而且可能还提供最大功率点跟踪。控制部分还提供电压斩波级210的解耦和高的切换频率，以保证当在PV末端只使用小的电容器Cpvi的时候，主要的功率波动取自总线电容器Cbus而且输入功率提取是不变的。解耦方法先在中段转换器240产生DC+AC电压，而后使用改进的脉宽调制(PWM)技术把倍频谐波从输出电流中除去。所以，功率波动对输入功率提取或输出功率注入有最小的影响。通过接受总线上的大的AC振荡和控制平均的总线电压，总线电容器的数值和逆变器上的电压应力都可以被优化。举例来说，输入电容和总线电容都可以减少到小于20微法，相对于先前的设计有二或三个数量级的进步。因此，在此描述的拓扑和控制系统得到适合微逆变器应用的紧凑设计。在此描述的微逆变器使用采用高切换频率的孤立的谐振模式拓扑。高切换频率(例如，IOkHz以上)相对于较低的切换频率允许使用小的电路元器件，从而导致高功率密度。一般地说，随着切换频率增加，与有源器件的开关相关联切换损失也增加，通常导致转换效率低。然而，在本文描述的实施方案中，高切换频率的度不影响电路的效率，因为使用的是软切换技术。软切换指的是器件的切换(即，开或关器件)发生在器件两端的电压为零(即，零电压切换(ZVS))或通过器件的电流为零(即，零电流转变(ZCS))的时候。换句话说，在谐振模式拓扑中，切换损失低，从而允许谐振转换器以高切换频率在低切换损失下工作。在一个实施方案中，孤立的谐振模式转换器是串联的谐振转换器。这个实施方案以非常高的恒定频率(例如，IOOkHz以上)运行的时候呈现切换损失在零附近。元件计数是低的，从而使它对于微逆变器应用来说是可行的。图2的实施方案适合从发电装置获得电力和使电源与AC负荷(例如，配电系统)对接。图3(a)展示没有转换器级250(见图2)但是有负荷&的实施方案的可仿效的电路图，其中输出可能是DC。这个实施方案也使用串联的谐振DC-DC转换器。如图3(a)所示，该实施方案可能包括控制部分300，其中可能使用最大功率点跟踪(MPPT)。发电装置10可能是PV电池。电路包括斩波器(Mp M2,以它们的体两极管Dmi和Dm2表示)、串联谐振回路(Cs，Ls)、高频隔离变压器(T)、整流电路(DpD2)和输出滤波器(Cf)。斩波器的功能是将DC输入电压(Vg)转换成高频AC电压。串联谐振回路把这个AC电压转换成振荡的(即，实质上呈正弦曲线的)电流(i)，有低频电压成份。这个特征是有用的，举例来说，当负荷是把电力注入配电网的逆变器的时候。逆变器所产生的低频率涟波可能实质上被谐振回路阻断，从而阻止它出现在输入端，并且允许使用小的储能电容器。高频变压器为输出电压提供匹配和隔离。整流电路和输出滤波器把高频谐振电流转换成DC输出电压。负荷&可能是DC负荷、转换器级或转换器和/或逆变器级，如图2所示。举例来说，负荷可能是产生适合注入配电网的AC输出电力的逆变器。如同在此所用的那样，术语“低频”指的是从AC电网频率派生的谐振频率。如同在此所用的那样，术语“高频”指的是转换器的切换频率及其一个或多个谐·波。可替换的实施方案展示在图3(b)中。这个实施方案以有串联谐振回路的全桥谐振转换器为基础。全桥可能是使用改进的相移调制技术控制的。电力MOSFET开关M1-M4的软切换可以通过调整低于谐振逆变器工作频率的串联谐振电路Cs-Ls的谐振频率来实现。这是感应模式，其中从谐振回路Zin的输入口看的阻抗变成感应性的。谐振电路滞后于基本电压，作为结果Θ变成正的。开关MjPM3在负电流期间接通，所以，它们在零电压接通，因为电流总是从调压二极管转移到M0SFET。对于开关M2和M4情况是相同的。在非零谐振电流条件下，所有的开关都关闭。缓冲电容器可以用来减少关闭开关的损失。图3(b)所示实施方案的原则操作波形展示在图3(c)中。就图3(c)中的Ml和M3而言，转换器的输出电压(Vab)是通过两个脉冲之间相移α的变化调整的。当输入电容器电压下降的时候，相移的角度增加，而当输入电容器电压增加的时候，相移的角度减少。这样，不管用下一级或PV模块的环境条件规定的输出负荷(RL)，输入电压都能得到调整，以便除去、减少或最大限度地减少来自输入端口的振荡和实质上避免偏离最大功率点。现在将详细地描述图2和3 (a)的实施方案。逆变器输出电流控制器迫使电流与电网电压同相。因为从发电装置提取的输入电力是DC，功率振荡将来自总线电容器Cbus和谐振回路的无源元件。作为结果，无源元件可能很小。通过一些简化，总线电压振荡可以从下式导出
' ,尸‘H=
山Wime Vbm<孤)这个方程式表示对于给定的DC总线电压和输入功率，如果总线电压变化大，可以选择较小的总线电容器。举例来说，在传统的方法中，总线电压变化可能是I伏特，然而在本文描述的实施方案中，电压变化可能是20伏特，所以，电容器可以小20倍。总线电压可以这样估算V—W =+
V—(2)作为结果，该实施方案的等价阻抗可以这样计算
权利要求
1.一种连同发电装置一起使用的电力转换器，其中包括 用来接收来自发电装置的实质上为DC的电力的高边输入点和低边输入点； 跨接高边和低边输入点的电容器； 接收电容器两端的电压并且把该电压转换成高频AC电压同时删除或最大限度地减少接收电压中的振荡的第一装置； 把高频AC电压转换成实质上呈正弦曲线的AC电压或电流的第二装置； 接收实质上呈正弦曲线的AC电压或电流的隔离变压器； 第三装置，其用于把来自变压器的实质上呈正弦曲线的高频AC电压或电流转换成(i)实质上呈正弦曲线的低频AC输出电压或电流和(ii) DC输出电压或电流；以及用来输出输出电压或电流的高边输出点和低边输出点。
2.根据权利要求I的电力转换器，其中第一装置包括斩波电路。
3.根据权利要求2的电力转换器，其中斩波电路的开关是用脉宽调制控制的。
4.根据权利要求I的电力转换器，其中第二装置包括谐振电路。
5.根据权利要求4的电力转换器，其中谐振电路是串联谐振电路。
6.根据权利要求I的电力转换器，其中第三装置包括整流器和可选择的滤波器，并且输出的是DC电压或电流。
7.根据权利要求I的电力转换器，其中第三装置包括整流器和使用改进的脉宽调制控制的逆变器，并且输出的是AC电压或电流。
8.根据权利要求I的电力转换器，其中发电装置是光电(PV)电池或燃料电池。
9.根据权利要求I的电力转换器，其中发电装置是至少一个PV电池。
10.一种用于分布式发电装置的微逆变器，其中包括 权利要求I中的电力转换器；以及 为了将横跨电容器的电压波动减到最小通过将电容器两端的电压与基准电压进行比较从而控制第一装置中开关的操作的控制器。
11.根据权利要求10的微逆变器，其中控制器包括一个或多个改进的脉宽调制器、占空比控制器和最大功率点跟踪器。
12.根据权利要求10的微逆变器，其中占空比控制器包括比例积分-微分补偿器。
13.—种发电系统,其中包括 至少一个根据权利要求10的微逆变器；以及 至少一个发电装置。
14.根据权利要求13的系统，其中每个发电装置都被接到微逆变器上。
15.根据权利要求13的系统，其中发电装置是光电(PV)电池或燃料电池。
16.根据权利要求13的系统，其中发电装置是至少一个PV电池。
17.一种从发电装置获得电力的方法，其中包括 把来自发电装置的实质上的DC输出转换成高频AC电压同时删除或最大限度地减少发电装置输出电力中的振荡； 把高频AC电压转换成实质上呈正弦曲线的高频电压或电流；以及把实质上呈正弦曲线的高频AC电压或电流转换成(i)DC电压或电流和(ii)实质上呈正弦曲线的低频AC电压或电流；其中实质上呈正弦曲线的高频AC电压或电流是与DC电压或电流或实质上呈正弦曲线的低频AC电压或电流隔离的。
18.根据权利要求17的方法，包括使用斩波器把来自发电装置的输出电力转换成高频AC电压。
19.根据权利要求18的方法，包括使用脉宽调制控制斩波电路的一个或多个开关。
20.根据权利要求19的方法，包括将发电装置与基准电压进行比较以便将发电装置的电压波动减到最小。
21.根据权利要求17的方法，包括使用谐振电路把高频AC电压转换成实质上呈正弦曲线的高频AC电压或电流。
22.根据权利要求21的方法，包括使用串联谐振电路。
23.根据权利要求17的方法，其中发电装置是光电池或燃料电池。
24.根据权利要求17的方法，其中发电装置是至少一个PV电池。
25.根据权利要求17的方法，进一步包括把实质上呈正弦曲线的低频输出电压或电流接到配电网上。
26.集成到PV电池或模块之中的根据权利要求I的微逆变器。
27.根据权利要求26的微逆变器，其中微逆变器包括一个或多个选自通信、反演(DC-AC转换)、峰值电力跟踪和孤岛效应的特征。
28.根据权利要求26的微逆变器，其中微逆变器和PV电池或模块的集成包括实质上一起或合并到组件包装中或者以实质上使微逆变器和组件包装统一的方式包装微逆变器。
29.根据权利要求28的微逆变器，其中PV电池或模块包装是先前存在的或是为适应微逆变器设计的。
30.根据权利要求27的微逆变器，其中微逆变器的逆变部分属于选自电流源、电压源、谐振的设计，而且可能包括单一的或多样的功率级。
全文摘要
本发明提供用来从发电装置中，例如，光电池或燃料电池，获得电力的方法、电路和系统。这些方法、电路和系统包括实质上将来自发电装置的DC输出电力转换成高频AC电压同时删除或最大限度地减少发电装置输出电力的振荡；把高频AC电压转换成实质上呈正弦曲线的高频电压或电流；以及把实质上呈正弦曲线的高频AC电压或电流转换成(i)DC电压或电流和(ii)实质上呈正弦曲线的低频AC电压或电流；其中把实质上呈正弦曲线的高频AC电压或电流与DC电压或电流或实质上呈正弦曲线的低频AC电压或电流隔离。
文档编号H02M3/24GK102918760SQ201180025536
公开日2013年2月6日 申请日期2011年4月26日 优先权日2010年4月26日
发明者潘尚智, 赛义德阿里·哈杰霍丹, 普拉文·K·简恩, 阿里利萨·巴赫沙恩 申请人:金斯顿女王大学