多相系统中的电力平衡的制作方法
【专利说明】多相系统中的电力平衡
【背景技术】
[0001] 电网是用于从供应者向消费者传递电力的分配网络。传统上，由电力公司通过电 网分配电力已经满足了消费者的电力需求。电网提供区域可用的电力中的大部分。电力在 一个位置生成并通过电网分配到周围的区域。该电力以交流电（AC)电力的形式分配，该交 流电电力沿着电力线以非常高的电压传输。大部分通过电网传输的电力是三相的。
[0002] 电力以三相传输用来提供均衡的电力来源，该电力来源能够容易地以高效的布线 成本在长距离上分配。三相电是沿着三个分离的电力线传输的AC电力。每个电力线处于 不同的相位，其中每个电力线的相位是其它两个电力线的相位移动120度。这些相位相互 移动以使用AC电力提供DC电源的一致性（consistency)。
[0003] 三相电是全世界用于电力分配的标准方法。在美国，电力是以三相分配的，但是大 部分家庭运行的是单相。三相电在变压器分为单相，其中电压逐步下降并且相位分开。然 而，一些家庭和商业被配置为接收三相电。
[0004] 图1示出了连接来自电网的三相电力的家庭105中的电能使用。家庭105可以在 消耗或产生电力的任何地点，例如工业厂房或隔离的太阳能电池板装置。图1示出了三个 电力线125、130和135、家庭105、负载160、和电网120。三个电力线125、130和135从电 网120向家庭105中的负载160以分别在曲线145、150和155中示出的三个不同相位提供 电力。
[0005] 家庭105的负载160由三个电力线125、130和135供电，三个电力线125、130和 135由电网120供电。三个相位的曲线145、150和155示出了电力线125、130和135在时 间上以三分之一周期或120度的相位差移动。该相位差提供电力使得三个相位中的一个将 会在具体电力线的单个周期的三个不同点上达到其波峰，这允许AC电源提供DC电源的一 致性。一些备选发电机（例如太阳能电池板）提供DC电力，但是以便与电网一起使用，DC 电源必须转换为AC电力。
[0006] 太阳能电池板已经变成越来越常见的备选电源。通过尺寸变化的安装，消费者 也已经变成了生产者，导致大量的电力生产者而不是单个生产者。消费者能够生产他们 自己的电力，减少他们对电力公司的依赖。由于太阳能在白天可以更易于使用的性质，随 着全天具体位置变化的需要，住宅消费者可以在白天是生产者，但在夜间是消费者。随着 太阳能装置注入到电网中的电力以及消费者的需求在一天中的变化，额外的电力可能需 要从电网中吸取或者返还到电网中。然而，为了使太阳能装置向电网中注入电力，由装置 (installation)上的太阳能电池板生成的DC电力需要以与电网提供的电力类似的形式转 换为AC电力。
[0007] 来自太阳能电池板的电力的从DC电力向AC电力的转换通常使用逆变器来完成。 典型地，太阳能电池板串联连接，并且然后与高压电缆连接以将DC电力连接到逆变器。这 些太阳能电池板装置使用单一、大型逆变器来将产生的电力转换成可以用于家庭中或可以 反馈至电网的电力。
[0008] 图2示出了电能连接三相电力的家庭205中的电能使用，其中向家庭205供电的 电力是从太阳能电池板215提供的，该太阳能电池板向单个逆变器262提供DC电力。类似 于图1，三个电力线225、230和235向家庭205的负载260提供电力。此外，图2示出了太 阳能电池板215和逆变器262。太阳能电池板215向逆变器262提供DC电力，该逆变器262 转换DC电力并且向三个电力线225、230和235提供AC电力。单个逆变器装置需要大型逆 变器以及重型高压电缆以将DC电力向AC逆变器提供。
[0009] 近几年已经出现了对模块集成的电子器件的兴趣。具体地，已经注意到太阳能微 型逆变器是作为具有优于现有传统解决方案的多个优点的产品。微型逆变器是安装在太阳 能电池板本身上或安装在接近太阳能电池板的位置的较小的逆变器。作为单个逆变器将 装置提供的所有电力进行逆变的替代，微型逆变器对一个或多个太阳能电池板的电力进行 逆变，并且在源太阳能电池板处提供AC电力。微型逆变器提供了很多优于传统逆变器的优 点。这些优点包括：提高装置的有效期期间的能量获得，特别是在太阳能PV装置中的遮挡 或其他失配原因的场景中；以及低压DC(来自单个电池板小于80V)，这更加的安全并且显 著地减少了电弧故障。基于微型逆变器的能量收获系统的额外优点还包括：查明太阳能电 池板（或太阳能模块）的故障或问题的能力、以及通过向该装置添加电池板的可扩缩性。安 装过程本身还非常容易，，并且可以看做是即插即用的方法。
【发明内容】
[0010] 本发明的一些实施例提供了用于保持在多相系统的电力线之间的平衡的电能传 输的方法。为了保持平衡的电能传输，一些实施例的方法识别与每个微型逆变器连接的电 力线的相位。一些实施例的方法计算多相系统的每个电力线的总电力输出，并且控制每个 微型逆变器的各自的电力输出。在一些实施例中，本发明可以用于使多相系统的电力线的 其它方面平衡，而非保持平衡的电能传输。例如，如下文讨论的，本发明的一些实施例提供 用于保持多相系统的电力线之间的平衡的电压电平。在一些实施例中，该方法由与每个微 型逆变器通信的网关来执行。
[0011] 在一些实施例中，所述方法基于微型逆变器连接的电力线的相位来从每个微型逆 变器接收识别消息，并且基于识别消息计算偏移，以确定微型逆变器连接到哪个电力线。该 方法计算多相系统的每个电力线的总电力输出。在一些实施例中，方法从每个单独的微型 逆变器接收电力输出消息，并且使用各自的电力输出消息来确定多相系统的每个电力线的 总电力输出。该方法控制各个微型逆变器的电力输出，以便调节向每个电力线输出的总电 力。在一些实施例中，该方法发送导致逆变器关闭或按比例缩减其电力产生的控制信号，以 便控制总功电力输出。
[0012] 前述
【发明内容】
部分旨在充当本发明的一些实施例的简要介绍。它并不意味着公开 的全部发明主题的介绍或概述。下文的【具体实施方式】部分以及【具体实施方式】部分中参照的 附图将进一步描述
【发明内容】
中描述的实施例以及其它实施例。因此，为了理解本文描述的 全部实施例，需要全面的审查
【发明内容】
部分、【具体实施方式】部分和附图。此外，声明的主题 并不是由
【发明内容】
部分、【具体实施方式】部分以及附图中的说明性的细节限制，而是由附带 的权利要求限定，因为在不背离主题的精神的情况下，声明的主题可以体现为其它具体形 式。
【附图说明】
[0013] 本发明的新颖特征在附加的权利要求中展示。然而，出于解释的目的，在附图中展 示本发明的若干实施例。
[0014] 图1示出了在连接来自电网的三相电力的家庭中的电能使用。
[0015] 图2示出了在连接具有单个逆变器的三相电力的家庭中的电能使用。
[0016] 图3示出了在连接具有卫星逆变器的三相电力的家庭中的电能使用。
[0017] 图4示出了在连接三相电的家庭中的总电力生成。
[0018] 图5示出了三相系统的电力以及当由独立电源提供被返还到电网的电力时可以 出现的不平衡。
[0019] 图6示出了一些实施例的输出平衡系统。
[0020] 图7概念地示出了执行用来向多相系统的每个电力线提供平衡的电力的过程。
[0021] 图8概念地示出了一些实施例中由网关执行的用来识别每个微型逆变器连接的 电力线的过程。
[0022] 图9a_c示出了在AC电力周期的具体点处的从微型逆变器向网关发送的消息的定 时。
[0023] 图10示出了一些实施例的相位识别过程的示例。
[0024] 图11示出了微型逆变器向网关报告瞬时电压幅度的三相电力系统。
[0025] 图12概念地示出了分析微型逆变器输出以及调节输出以使向三相系统的每个电 力线的电力输出平衡的过程。
[0026] 图13示出了由网关执行的分析以确定向三相电力系统的每个电力线的总输出的 示例。
[0027] 图14示出了用于通过关闭各个微型逆变器来控制向不同电力线的总输出的方 法。
[0028] 图15示出了用于通过管理一组微型逆变器的阈值输出来控制向不同电力线的总 输出的方法。
[0029] 图16概念地示出了由系统中每个微型逆变器执行以识别本身并且与网关通信的 过程。
[0030] 图17示出了一些实施例的微型逆变器的简化电路设计图。
[0031] 图18示出了本发明的一些实施例实现的电路系统。
【具体实施方式】
[0032] 在下文的本发明【具体实施方式】部分，呈现并描述本发明的多个细节、示例和实施 例。然而，本领域技术人员将会清楚并且显而易见的是，本发明并不限于呈现的实施例，并 且本发明在不需要一些讨论的具体细节和示例的情况下可以实现。
[0033] 本发明的一些实施例提供了用于向多相电力网提供平衡的输出的系统。该系统包 括用于监视并管理多个微型逆变器的网关、用于向多相系统的每个电力线提供电力输出的 多个微型逆变器、以及用于在网关与微型逆变器之间传输并接收消息的通信系统。在一些 实施例中，该通信系统是具有位于网关并且位于每个微型逆变器的无线发射机和接收机的 无线系统。在其它实施例中，通信系统可以是有线通信系统或者一些其它备选通信系统。
[0034] 图3示出了用于向家庭305提供三相电力的三相电力系统300。三相电力系统300 的电力由电力公司以及一组太阳能电池板提供。图3示出了用于向家庭305提供电力的电 网320。三个电力线325、330和335以三个不同相位从电网320向家庭305中的负载360 提供电力。电力线325、330和335的电压电平分别在曲线345、350和355中示出。微型逆 变器365、370和375将由太阳能电池板315收获的DC电力转换为AC电力，并且将转换的 AC电力分别注入三个电力线325、330和335。
[0035] 尽管微型逆变器365、370和375分别示出为连接到单个线，对于本领域技术人员 应该清楚的是，微型逆变器附加地连接到基准中性点（第四线）或者连接到其它有效的线 中之一。基准中性点用作电力的返回线。在其它情况下，微型逆变器可以将电力注入一条 线并且还连接到第二条线。例如，微型逆变器375可以具有与线335的第一连接作为吸取 并且具有与线330的第二附加连接作为返回线。类似地，微型逆变器370可以具有与线330 的第一连接作为吸取并且具有与线325的第二附加连接作为返回线。类似地，微型逆变器 365可以具有与线325的第一连接作为吸取并且具有与线335的第二附加连接作为返回线。
[0036] 电力线325、330和335向电网320以及负载360供电。由于三个电力线的中的每 一个以三相电力系统的不同相位来输送电力，所以在本发明中用于输送具体相位的电力的 电力线有时由该具体相位来识别。例如，向三相系统的"相位1"的电力线提供电力的微型 逆变器有时被称作"相位1"微型逆变器，并且输送三相系统的"相位1"的电力的电力线有 时被称作"相位1"电力线。将电力注入具体相位的电力线的微型逆变器有时被称作"具体 相位的"微型逆变器或者"与具体相位相关联的"微型逆变器。
[0037] 并不像用于转换整个太阳能电池板装置的电力的图2的大型逆变器，微型逆变器 是用于转换由一个或多个太阳能电池板产生的电力的较小的逆变器。在图3的示例中，微 型逆变器组365、370和375中的每个微型逆变器连接一个或多个太阳能电池板。尽管微型 逆变器组被示出为根据其连接的电力线来分成几组，本领域技术人员将会认识到，装置中 微型逆变器的物理布局可以变化。例如，在一些实施例中，附着到电网的每个电力线的微型 逆变器可以物理地穿插在附着到其它电力线的微型逆变器上。
[0038] 为了使微型逆变器365、370和375(即通过电力线325、330和335)将生成的电力 注入到电网320中，由微型逆变器产生的电压电平（level)必须与电网320上的电压电平 相匹配。由于电网320上的电力是AC电力，所以电网上的电压电平是正弦曲线并且周期地 经历不同相位（例如0°到360° )。由于为了将微型逆变器的电压电平与电网上的电压电 平相匹配，微型逆变器生成的电力的相位必须与电网320的相位相匹配。由于电网320是 具有在三个不同相位上的三个不同电力线325、330和335