专利名称：用于光伏电源的电力转换系统以及电力系统的制作方法
技术领域：
本公开涉及用于光伏直流输入源的电力系统。
背景技术：
本部分提供关于本公开的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。光伏(PV)装置将阳光转换为电。PV装置可以由单个板、多个板、刚性板、柔性板、串联板、并联板等构成。PV装置的输出通常是未稳压的(S卩，输出端根据阳光强度、温度等的改变而变化)。此外，由于制造变化、不同工作温度、不平等老化、不同定位和/或安装角度、来自树木、结构或云的不同遮蔽、各个PV装置上的不同数量的灰尘或碎片等，一个PV装置的输出可能不同于另一个PV装置的输出。在美利坚合众国，并网光伏(PV)逆变器系统的安全要求通常将开路PV串电压限制到600VDC并要求PV板与电网电流隔离。PV系统通常将PV串电压最大化以将工作电流水平保持得尽可能低。在通常的安装中，PV串电压通常被限制到550V以维持充足的降额容限。因此，在许多能源生产日，典型安装中的开路PV串电压接近550V。对于大多数可用的PV板或模块，最大功率点(MPP)电压在开路电压的75%到85%的范围内。因而，工作MPP电压通常在420V到460V的范围内。MPP电压随着工作温度升高而降低。当传送相对高的功率水平时，PV板的温度升高而工作MPP电压降得低得多，通常达到大约350V。在非常高的温度和/或PV板上部分遮蔽的一些情况下，MPP电压可以低至250V。这在炎热天气的夏天是常见的。因而，设计了许多商业并网逆变器以在250V至500V的MPP电压范围上工作。然而，并网PV系统连接的额定电网电压通常是230V+/_15%。许多逆变器采用降压转换器拓扑并且需要输入电压高于电网电压的峰值。因而，并网系统的DC至AC逆变器块通常需要大约400V的DC总线作为电压输入。然而，如上所述，MPP电压通常在250V到550V变化，并需要被转换至大约400V的总线电压。图I示出了一个现有技术的并网PV逆变器系统。如所示出的，PV串电压被升压至一个稍高于最大期望MPP电压的水平，该示例中是500V。然后以电网频率将该500V转换为正弦AC电流，且馈入电网。因为美国应用通常要求电流隔离，所以以公用线路频率工作的隔离变压器被用于隔离。图I中示出的拓扑通常尺寸和重量较大。此外，其效率可能低于一些其它拓扑。当在较小占空比下运行时，升压转换器通常以更高效率工作。因为MPP电压大多在350V到400的范围内，所以图I中系统的升压比相对高，并且相应地占空比相对高，且操作效率可能相对低。以高于需要的输入电压来工作可能降低逆变器效率。[0011]在图2中示出的现有技术的并网PV逆变器系统中，PV串电压被升压至大约500V的水平。通过使用高频开关转换器的隔离将DC总线逐渐减低到大约400VDC水平，且馈入并网DC至AC逆变器。这消除了低频隔离变压器。图2中的系统在350至450V的通常工作MPP电压范围中保留了相对大的升压比和占空比。图3示出了另一个现有技术并网PV逆变器系统，其中用降压转换器将PV串电压降低至稍低于最低额定MPP电压的水平。PV串电压被逐渐减低至大约240V DC。然后使用高频隔离开关逆变器级将240V逐渐升至400V DC。该400V DC总线被馈入DC至AC并网逆变器级。和升压转换器不同，降压转换器以更大的占空比以更高的效率工作。图3的系统的效率一定程度上受到将通常350V至450V MPP电压降低到240V所需要的相对小的占空比的限制。由于需要在隔离级中逐渐增加电压，可能使得图3中的系统的隔离级复杂化。
发明内容为至少部分地解决现有技术的上述问题而提出本实用新型。 本部分提供本公开的大体概要，并且该部分并不是其全部范围或其全部特征的全面公开。根据本公开的一个方面，用于光伏(PV)电源的电力转换系统包括用于将第一 DC电压转换为第二 DC电压的DC/DC转换器、隔离变压器、用于将DC电力转换为AC电力的逆变器、以及至少一个用于控制DC/DC转换器和逆变器的控制器。控制器被配置为至少部分基于第一 DC电压是低于还是高于基准电压来将DC / C转换器操作为降压转换器或升压转换器。根据本公开的另一方面，电力系统包括用于从可变DC输入源接收输入电压的输入、用于提供输出电压的输出、降压-升压转换器以及至少一个控制器，该控制器被配置为至少部分基于输入电压是大于还是小于基准电压来将降压-升压转换器操作为降压转换器或升压转换器，并根据最大功率点跟踪算法操作转换器。还根据本公开的另一方面，电力系统包括用于从可变DC输入源接收输入电压的输入、用于提供输出电压的输出、包括用于接收DC电压的输入和用于提供AC电压的输出的逆变器，以及至少一个控制器，该控制器被配置为操作逆变器以根据逆变器输出处的AC电压控制逆变器输入处的DC电压。利用本实用新型的上述方面，当在升压模式和降压模式中的任一模式下操作时，转换器的占空比在其有利的范围内，以提供相对闻的效率。下面描述结合这些方面中的一个或更多个的电力系统、DC / C转换器、DC/AC逆变器和相关方法的示例实施例。根据如下描述，另外的方面和可应用领域将变得明显。应当理解，可以单独实施或结合一个或更多个其它方面来实施本公开的各个方面。也应当理解，本文提供的描述和具体示例只为了说明的目的，而不旨在限定本公开的范围。
本文中描述的附图仅为了示出所选择的实施例而不是所有可能的实施，且不旨在限定本公开的范围。图I是使用升压前端和逐渐减低隔离级的已知并网PV电力系统。[0022]图2是使用升压前端和逐渐减低隔离级的另一已知并网PV电力系统。图3是使用降压前端和逐渐增加隔离级的已知并网PV电力系统。图4是根据本公开一个示例实施例的电力系统的框图。图5是与光伏输入电源使用的图4的电力系统的框图。图6示出图4的电力系统的示例构造。图7是具有用于部分基于AC电网电压来控制逆变器的误差放大器的图6的电力系统的框图。图8是根据本公开另一示例实施例的简化电路图。 相应参考标记指示附图的几个视图中的相应部分。
具体实施方式
下面将参考附图更加全面地描述示例实施例。提供了示例实施例以使得本公开向本领域技术人员透彻且全面地传达范围。描述了许多具体细节，诸如具体部件、装置以及方法的示例，以提供本公开的实施例的全面的理解。对本领域技术人员显而易见的是，不需要采用具体细节、可以以许多不同形式实施示例实施例以及它们不应当被解释为限制本公开的范围。在一些示例实施例中，没有详细描述已知过程、已知装置结构以及已知技术。本文使用的术语只是为了描述特定示例实施例，而不旨在限制。如本文所使用的，单数形式“一个”也可以旨在包括复数形式，除非文中另外明确示出。术语“包括”、“包含”以及“具有”是包括式的，因此指定所叙述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或加入。本文描述的方法步骤、处理以及操作不被解释为必须要求按照讨论或示出的顺序而执行，除非具体指明为执行顺序。也应当理解，可以采用额外或替代步骤。当提及一个元件或层在另一个元件或层“上”、“啮合至”、“连接至”或“耦合至”另一个元件或层时，其可以直接在其它元件或层上、直接啮合至、连接至或耦合至其它元件或层，或可以存在介入中间的元件或层。相反，当提及一个元件“直接在”另一个元件或层“上”、“直接哨合至”、“直接连接至”或“直接耦合至”另一个元件或层时，可能不存在介于中间的元件或层。应该以相似的方式解释描述元件之间的关系的其它词语(例如，“之间”对“直接之间”、“邻近”对“直接相邻”等)。如本文所使用的，术语“和/或”包含一个或更多个相关列出项目的任意或全部组合。尽管本文可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些术语不应当限制这些元件、部件、区域、层和/或部分。这些术语只能用于区分一个元件、部件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分。本文使用的术语诸如“第一”、“第二”和其它数字术语不暗示次序或顺序，除非文中明确示出。因此，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以在不偏离示例实施例的教导的情况下而被称为第二元件、部件、区域、层或部分。图4不出根据本公开的一个不例实施例的系统，且该系统由附图标记400总体表示。如图4所示，系统400包含DC/DC转换器402、隔离变压器404、DC/AC逆变器406以及控制器408。系统400具有用于连接至输入电源的输入410。系统400还包括用于提供输出电力的输出412。转换器402是能够进行操作以将输入电压转换为输出电压的DC/DC转换器。转换器402可以是降压-升压转换器或任何其它能够进行操作以将输入电压转换为大于或小于输入电压的输出电压的转换器。隔离变压器至少将输入410与输出412隔离。尽管隔离变压器404被示出为系统400的单独部件，但是隔离变压器可以被结合于转换器402和/或逆变器406中。在一些实施例中，隔离变压器404具有大约1:1的匝数比。在这样的实施例中，隔离变压器输出大约等于其DC输入电压的DC电压。逆变器406是用于根据DC输入电压生成AC输出电压的DC/AC逆变器。逆变器406可以包括任何适当的逆变器拓扑。在下文讨论的实施例中，逆变器406是降压衍生(buckderived)逆变器。此外，逆变器406可以是并网逆变器(S卩，被构造为用于将其输出端连接至公用电网)或非并网逆变器(例如，住宅逆变器)。 控制器408控制转换器402、隔离变压器404和逆变器406的操作。控制器408可以是模拟控制器、数字控制器和/或模拟和数字控制器的组合。控制器408可以包括用于转换器402、隔离变压器404以及逆变器406中的一个或更多个的单独控制器。在一些实施例中，通过单独控制器(文中有时单独称为控制器408或统称为多个控制器408)控制转换器402、隔离变压器404和逆变器406中的每个。控制器408可以被结合在转换器402、隔离变压器404和逆变器406中的一个或更多个中。控制器408被配置为当转换器402的输入处的电压大于基准电压时将转换器402操作为降压转换器，而当转换器的输入处的电压小于基准电压时将转换器402操作为升压转换器。控制器408也被配置为根据最大功率点跟踪(MPPT)算法操作转换器402。MPPT算法可以是力图从其输入电源收获最大功率的任何适当的MPPT算法，例如包括扰动和观察(“P&0”)、恒流调节、恒压调节、使用输入电源的定义特征的预测最大功率点跟踪等。可以在硬件或软件中实施MPPT算法。当转换器402的输出电压(例如通过负载)被拉到低于阈值水平时，可以将控制器408(例如通过软件)配置为运行其MPPT算法。例如，控制器408可以最初运行输出电压(或电流)调节模式。随后，当输出电压被拉至低于电压调节水平(例如，指示负载的存在)时，控制器408可以从电压调节模式切换到MPPT模式。另外(或可选地)，可以将控制器408配置为当例如转换器402的输出电压回到卿上升至)电压调节水平时停止运行MPPT算法。在那种情况下，控制器408可以回到电压调节模式。以该方式，如果负载(例如逆变器406)停止接受来自转换器402的最大功率时，转换器402可以停止供应最大功率。另外(或可选地)，可以将控制器408配置为当转换器402的输出电压(或电流)达到阈值水平(诸如低电压阈值)时停止运行MPPT算法。在MPPT模式期间，输出电流通常随着输出电压降低而增加。当转换器402的输出电压降为低于所限定的电压时控制器408将优选地停止运行MPPT算法以阻止高电流对转换器402的损害。控制器408被配置为操作逆变器406从DC输入电压产生AC输出电压。优选地，控制器408被配置为控制逆变器406以控制提供给逆变器输入的电压。例如，控制器408可以控制逆变器406从转换器402获得的电流的量以控制逆变器输入处的电压。优选地，控制器408被配置为控制逆变器406来根据逆变器406的输出处的AC电压来控制提供给逆变器输入的电压。尽管在图4中转换器402、隔离变压器404以及逆变器406被示出为以特定顺序耦合在一起，但是应理解，在本公开的其它实施例中可以以不同的顺序排列转换器402、隔离变压器404以及逆变器406。此外，应当理解，在不偏离本公开的范围的情况下，可以在除逆变器406和/或隔离变压器404之外的其它系统中使用转换器402和被配置为用于其操作的控制器408，也可以在除转换器402和 /或隔离变压器404之外的其它系统中使用逆变器406和被配置为用于其操作的控制器408。如图5所不，图4的系统400可以用于光伏(PV)输入电源。更具体地,输入端410可以耦合至光伏(PV)源502。PV源502可以是单个PV板或包括多于一个PV板的PV阵列。PV阵列可以包含串联和/或并联耦合的两个或更多个PV板。例如，PV阵列可以包含相互串联连接以形成PV串的两个或更多个板、并联耦合的两个或多个PV板、并联耦合的两个或各更多个PV串等。串联连接的PV电池的数量确定PV串的开路输出电压。并联连接的PV板和/或PV串的数量确定PV阵列所能够产生的最大电流。PV源502可以包含PV电池的任何适当配置以产生期望的输出电压和电流。通过图6和图7的电力系统600示出电力系统400的示例构造。在该示例实施例中，电压系统600被配置为向230V AC电网提供AC电压。电力系统600中的DC/DC转换器402是降压-升压转换器。降压-升压转换器能够作为升压转换器操作以生成大于其输入电压的输出电压或作为降压转换器操作以生成小于其输入电压的输出电压。当转换器402的输入电压接近其输出电压时,转换器可以在降压-升压模式中同时作为降压转换器和升压转换器操作。控制发送至转换器402的开关的控制信号的占空比的组合以实现输出电压的调节。电力系统600所要耦合到的PV源被设计为具有最大大约550V的开路电压，以允许从最大允许600V的充足的降额容限。凭借大约550V的最大开路电压，PV源的最大功率点电压(MPPV)从低至250V DC到高至500V DC变化。DC / C转换器402将PV源的输出转换为DC总线电压。隔离变压器404接收DC总线电压并将其输出至逆变器406。逆变器根据从隔离逆变器404接收的DC总线电压生成AC输出电压并将其输出至AC电网。在此示例中，期望大约400V的DC总线。通过DC / C转换器402将PV源电压转换至400VDC总线。如果PV串电压高于400V，那么包括Ql、Dl和LI的DC/DC转换器的降压部分作为降压转换器操作并逐渐减低输入电压至大于输出电容器C2两端的400V。在这种情况下，延缓升压开关Q2，且整个负载电流通过D2。如果PV源电压低于400V，那么DC/DC转换器402在升压模式中工作。开关Ql持续保持开启，而开关Q2作为升压开关操作以将输入电压逐渐增加至400VDC水平。未涉及降压续流二极管D1，而二极管D2作为升压续流二极管操作。利用该配置，当在任一模式下操作时，有源电力转换器的占空比在其有利的范围内。例如，在通常的350V至450V MPPV范围以外，降压转换器的占空比在450V操作下相对较高，而升压转换器的占空比在350V操作下相对较低。因此，在任一情况下，转换器402在有利的工作条件下工作以提供相对高的效率。[0053]根据最大功率点跟踪(MPPT)算法操作降压-升压转换器。可以用于电力系统600的一个示例MPPT技术是一种控制被馈入至DC / C转换器402的PV源电流或电压的技术。因为DC / C转换器402的输入能量被控制，所以使其成为功率极限受MPPT支配的软电源。当按比例增加电流以保持功率恒定时，DC / C转换器402允许输出电压降至400V的初始调节水平以下。逆变器406将400V DC总线加载到DC总线退出电压调节的点，以保证在MPPT电路所设置的工作点工作。因为DC / C转换器402输出大约400V的DC总线，且逆变器需要大约400V的输入电压，所以隔离变压器404可以I增益工作。隔离级将400V DC总线转换为隔离的400VDC总线。这允许变压器TXl中的1:1的匝数比，并导致相对简单的磁构造。在其它实施例中，隔离变压器404可以以除了 I以外的增益操作。隔离变压器404 (其在本文中有时仍被称为DC总线电压)的输出被输入至逆变器406。在工作中，逆变器的输出端被连接至AC电网(有时也被称为公用电网(utility grid)或公用线路(utility line))。逆变器406基于降压转换器拓扑。当以高占空比工作时降 压转换器通常以高效率工作。逆变器406可以在接近95%的最大占空比工作。大多数时间，公用线路以325V的峰值电压在230V额定RMS水平工作。因此，逆变器406会需要大约342V DC输入以成功生成用于230V电网连接的低失真正弦电流。然而，需要针对DC总线上的低频波纹考虑一些容限。通常，通过选择适当的降压电容来将这些波纹控制为低于30V峰至峰或给定平均值的+/-15V。利用该考虑，当电网电压为230V时，360V的总线电压能够成功驱动逆变器406。较宽的占空比工作也允许使用较小的输出电感器，或者当用于针对400V DC总线操作而设计的传统电感器时，可以实现较低的总谐波电流失真水平。如图7所示，可以是控制器408的一部分的线路感测电路检测稳定状态电网电压和其峰值。逆变器406迫使DC总线为低于400V但充分高于峰值线路电压的DC水平以在控制下适当且完全地操作逆变器406。例如，可以是控制器408的一部分的误差放大器可以比较DC总线电压和可编程基准电压。当可编程基准电压是例如360V时，误差放大器输出将导致逆变器增加逆变器电流，直到DC总线电压降到360V为止，然后调节逆变器电流以在稳定状态条件下将DC总线电压保持在360V。当AC电网电压改变时，感测电路检测改变并迫使逆变器406相应地改变DC总线电压。例如，如果AC线路电压是230V RMS而DC总线是360VDC且AC线路电压改变至250V时，那么感测电路检测该改变且操作该逆变器406以导致DC总线电压增加至大约370V。如果线路电压突然改变，那么可能有些DC总线电压调节的延迟。在该时间期间，可能短时间经历一些电流失真，一旦DC总线电压变到适当水平，该失真恢复。根据AC电网电压的变化而改变对误差放大器的参考，保持其略微高于峰电网电压以在最大化效率的同时允许完全控制。忽略AC电网电压中的较小和/或快速的变化。可以忽略的变化的大小可以基于具体逆变器能够实现的最大占空比和/或具体应用的DC总线电压上的可允许低频波纹。图8示出电力系统800的另一示例实施例，其中隔离变压器404耦合至PV输入源而其输出提供对DC/DC转换器402的输入。电力系统800以与本文公开的其它电力系统(例如，400、600)大致相同的方式工作。尽管本文所描述的用于光伏系统，但是本公开的电力系统可以用于包括例如风车的其它电源。[0060]本文描述的各个部件(例如，转换器402、隔离变压器404、逆变器406等)可以单独使用或与(包括本文未示出或描述的)一个或更多个其它部件一起使用。此外，本公开的方面可以单独地使用或以与本公开的其它方面的各种组合方式使用。为了说明和描述的目的，已经提供了对实施例的上述描述。上述描述不旨在是穷尽的或限制本公开。具体实施例的单独元件或特征一般不限于该具体实施例，但是，当可应用时是可交换的并且能够在所选择的实施例中使用，即使没有具体示出或说明。这也可以以多种方式变化。这样的变化不被认为偏离本公开，且本公开的范围旨在包括这些修改。
权利要求1.一种用于光伏(PV)电源的电力转换系统,所述系统包括 直流DC/DC转换器，用于将第一 DC电压转换为第二 DC电压； 隔离变压器； 逆变器，用于将DC电力转换为交流AC电力；以及 其特征是，所述系统还包括至少一个控制器，用于控制所述DC/DC转换器和所述逆变器，所述控制器被配置为至少部分基于所述第一 DC电压是小于还是大于基准电压来将所述DC/DC转换器操作为降压转换器或升压转换器。
2.根据权利要求I所述的系统，其特征是，所述控制器被配置为根据最大功率点跟踪MPPT算法来操作所述DC/DC转换器。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述逆变器是并网逆变器。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述隔离变压器具有1:1的匝数比。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征是，所述逆变器包括用于接收DC电压的输入和用于提供AC电压的输出，而所述控制器被配置为操作所述逆变器以根据所述逆变器的输出处的所述AC电压来控制所述逆变器的输入处的所述DC电压。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征是，所述DC/ C转换器包括经由所述隔离变压器耦合至所述逆变器的输入的输出。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征是，所述逆变器的输出耦合至AC公用电网。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征是，所述DC/ C转换器包括耦合至PV电源的输入。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征是，所述第二DC电压至少在所述控制器根据所述MPPT算法操作所述DC / C转换器时是所述基准电压。
10.一种电力系统,包括 输入，用于从可变直流DC输入源接收输入电压； 输出，用于提供输出电压； 降压-升压转换器， 其特征是，所述系统还包括至少一个控制器，被配置为至少部分基于所述输入电压是大于还是小于基准电压来将所述降压-升压转换器操作为降压转换器或升压转换器，以及根据最大功率点跟踪MPPT算法来操作所述转换器。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征是，所述转换器能够进行操作以将第一DC电压转化为第二 DC电压，并且其中所述第二 DC电压至少在所述控制器根据所述MPPT算法操作所述DC/DC转换器时是所述基准电压。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征是，所述系统还包括逆变器，所述逆变器包括用于接收DC电压的输入和用于提供交流AC电压的输出。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征是，所述系统还包括隔离变压器，所述降压-升压转换器包括经由所述隔离变压器耦合至所述逆变器的输入的输出。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征是，所述隔离变压器具有1:1的匝数比。
15.一种电力系统,包括 输入，用于从可变直流DC输入源接收输入电压； 输出，用于提供输出电压；逆变器，包括用于接收DC电压的输入和用于提供交流AC电压的输出； 其特征是，所述系统还包括至少一个控制器，被配置为操作所述逆变器以根据所述逆变器的输出处的所述AC电压来控制所述逆变器的输入处的所述DC电压。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征是，所述逆变器是并网逆变器。
17.根据权利要求16所述的系统，其特征是，所述系统还包括DC/DC转换器，所述DC/DC转换器包括用于接收第一 DC电压的输入和用于输出第二 DC电压的输出。
18.根据权利要求17所述的系统，其特征是，所述系统还包括隔离变压器，所述DC/ C转换器输出经由所述隔离变压器耦合至所述逆变器的输入。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征是，所述控制器被配置为操作所述逆变器以根据所述逆变器的输出处的所述AC电压来控制所述逆变器的输入处的所述DC电压，以将所述逆变器的输入处的所述DC电压维持在所述逆变器的输出处的所述AC电压的峰值以上的限定范围内。
20.根据权利要求19所述的系统，其特征是，所述控制器被配置为至少部分基于所述输入电压是大于还是小于基准电压来将所述DC/DC转换器操作为降压转换器或升压转换器。
专利摘要一种用于光伏直流输入源的电力系统，包括DC/DC转换器，用于将第一DC电压转换为第二DC电压；隔离变压器；逆变器，用于将DC电力转换为AC电力；以及至少一个控制器，用于控制DC/DC转换器和逆变器，控制器被配置为至少部分基于第一DC电压是小于还是大于基准电压来将DC/DC转换器操作为降压转换器或升压转换器。
文档编号H02J3/38GK202550576SQ20112046401
公开日2012年11月21日 申请日期2011年11月21日 优先权日2010年11月23日
发明者维贾伊·G·帕德克, 詹姆斯·西加马尼 申请人:雅达电子国际有限公司