专利名称：用于串联连接逆变器的ac电网连接的系统、方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于将太阳能转换成电能的设备和方法，更具体而言涉及更有效率地和/或有效地将太阳能转换成电能的设备和方法。
背景技术：
长久以来已知利用光伏(PV)系统将光能变换成电能，这些光伏系统正越来越多实现于住宅、商业和工业应用中。尽管已经在近几年对这些光伏系统做出了发展和改善以改善其效果与效率，但仍然继续在尝试改善光伏系统的效果与效率，以便使得光伏系统更加经济可行。光伏系统典型地包括光伏模块和功率变换器等部件。在光伏系统连接到AC电网的情况下，功率变换器将电功率从DC逆变成AC。这些装置或逆变器的尺寸范围很宽，从那些小到足以连接到单个光伏模块的，到能够处理来自数千模块的功率的那些。可以选择逆变器的尺寸以最好地适合光伏系统的特定特性。现有的光伏逆变器，不论尺寸如何，都利用并联或旁路连接而连接到AC电网，如其他连接电网的装置那样。并联电网连 接向连接装置提供恒定的电压，在所连接的装置之间提供了接近完全的独立性。光伏系统设计一直在进化中，致力于降低系统的成本。因此要寻求光伏功率传输和转化操作的当前设计和方法的替代方案。
发明内容
可以将本发明的一些方面表征为一种用于将DC功率变换成AC功率的系统。该系统可以包括主控制器，其耦合到配电系统的相位分支并提供同步信号和功率控制信号，所述配电系统的相位分支具有相电压。此外，该系统包括串联布置成串的多个能够串联连接的DC到AC功率变换器，每个所述能够串联连接的DC到AC功率变换器都接收所述同步信号和功率信号并将其用于将来自多个光伏模块的对应一个的可变DC电压变换成AC电压，从而由多个能够串联连接的功率变换器生成多个对应的AC电压，所述多个对应的AC电压共同累加成相电压，每个所述能够串联连接的功率变换器响应于所述同步信号来控制所述AC电压，使得所述多个对应的可变AC电压全都同相。在其他实施例中，可以将本发明表征为一种能够串联连接的DC到AC功率变换器，包括:DC输入侧，包括用于耦合到通过多个光伏模块的对应一个施加的DC电压的端子；AC输出侧，包括用于施加AC电压的端子；以及接收机，用于接收同步信号和功率信号。该能够串联连接的DC到AC功率变换器还包括:功率变换部件，用于将多个光伏模块的对应一个施加的DC电势变换成AC电压；以及控制器，响应于所接收的同步信号和功率信号来控制功率变换部件，使得所述AC电压的相位与所述同步信号同步，并且从所述能够串联连接的DC到AC功率变换器输出的功率的水平与所述功率信号一致。与几个实施例相一致，可以将本发明表征为一种用于将DC功率变换成AC功率的方法。该方法包括:将多个DC到AC功率变换器中的每个DC到AC功率变换器的AC输出与其他DC到AC功率变换器串联布置；在每个所述DC到AC功率变换器处接收同步信号；使用同步信号，利用每个DC到AC功率变换器将DC功率变换成AC功率，使得DC到AC功率变换器输出的AC电压同相；以及向配电系统的相位分支施加AC功率，施加到所述配电系统相位分支的总电压等于DC到AC功率变换器输出的AC电压的和。
在结合附图参考以下详细描述和所附权利要求时，本发明的各种目的和优点以及更完整的理解是显而易见的，且更容易被认识，在附图中，在所有几个图中，利用相同的附图标记表示相似或类似的元件，其中:图1是示出了现有技术中已知的，在其相应DC输出处串联连接的光伏模块的图示；图2是示出了现有技术已知的并联布置的光伏模块的图示；图3A是示 出了根据本发明几个实施例工作的包括能够串联连接的DC到AC变换器的示范性系统的图示；图3B是示出了能够串联连接的DC到AC变换器示范性实施例的方框图；图4是能够串联连接的变换器的示范性实施例的示意图，该变换器可用于实现参考图3A和3B所述的DC到AC变换器；图5是能够串联连接的变换器的另一示范性实施例的示意图，该变换器可用于实现参考图3A和3B所述的DC到AC变换器。图6是方框图，示出了可以用于实现参考图3，4和5所述的控制部件的示范性控制部件；图7是能够串联连接的变换器的又一实施例的示意图，该变换器可用于实现参考图3A和3B所述的DC到AC变换器；图8是方框图,示出了图7中所示控制部分的示范性实施例；图9是方框图,示出了图7中所示控制部分的又一示范性实施例；图10是方框图，示出了图7中所示控制部分的又一示范性实施例；图1lA和IlB分别是示出了可以实现为参考图3A所述的监督发射机一部分的发射机部分的部件以及可以由发射机部分生成的同步脉冲的方框图；图12A和12B分别是示出了示范性同步接收机的部件和可以利用同步接收机接收和解码的同步脉冲的方框图；图13是方框图，示出了用于将监督发射机耦合到AC配电系统的示范性布置；图14A和14B分别是单相实现的相图和示范性配置；图15A和15B分别是分裂的单相实现的相图和示范性配置；
图16A和16B分别是三相星形实现的相图和示范性配置；图17A和17B分别是三相三角形实现的相图和示范性配置；以及图18是流程图，示出了可以结合这里公开的实施例详细研究的示范性方法。
具体实施例方式连接到电网的发电容量包括各种装置类型，包括同步电机、感应电机和基于功率电子线路的装置，例如逆变器。这些相应的装置类型包含各式各样的特性。例如，连接到原动机的同步电机行为非常像理想电压源，而特性类似于电流源。不过，在一种特性上它们是相同的:它们都并联连接到电网。并联连接实现了电压的不变性，需要关联的嵌入同步信息来操作同步电机或逆变器。这种并联连接布置用于所有的发电资源，从蒸汽轮机和燃气轮机到风力和光伏发电。光伏系统包括由制造商封装到模块中的光伏电池，有时称为面板。然后在现场安装模块。与前面提到的AC电网发电并联连接的方法不同，最经济的做法是在图1所示的串联串中连接光伏模块的DC输出。这种串联连接允许堆叠模块的较低输出电压，到达逆变器需要的更有用电压。串联连接还允许最优地使用串中使用的导线，因为所有导线都不得不传送相同的电流。进一步假定线规的尺寸适用于该电流。有一类光伏转换设备能够获取一个或多个并联的光伏模块并将功率转换到AC电网，无需将面板堆叠成串或由串生成的更高DC电压。这样的装置使模块的AC电网连接成为并联，如图2所示。这些装置实现了各式各样的好处，例如下至模块水平的高度细化的数据报告以及适于高需求应用的个性化最大功率点跟踪，在高需求应用中，为阵列提供阴影或辐照不对称性的其他源。这种并联连接的布置缺点包括难以有效率地将低值DC电压转换成高得多的AC电网电压。此外，用于从并联串收集功率的AC导线负载不均匀。尽管有可能顺次排列并联串长度上的 收集导线的量规，以允许优化使用导体，但这常常不切实际或不被规范标准许可。因此申请人发现需要创造一种装置，其能够提供个性化数据报告和个性化模块最大功率点操作的好处，同时避免高压比DC到AC功率转换和导体使用不足的缺点。申请人:发现有各式各样的困难与在其输出的AC侧串联连接AC发电源相关联。首先，串联连接的AC发电源的操作倾向于从装置自身掩蔽所施加的电网相电压。这尤其成为问题，因为任何连接AC电网的发电源的要求都是能够生成与所施加相电压相同的反电压。工作于这种状态中的发电机不会输送任何电流，通过扩展，不会输送实的或无功功率。在发电机，无论是旋转电机或诸如逆变器的功率电子装置，偏离这种匹配的反电压状态时，结果是有电流和功率流动。如果防止发电机看到AC功率公司的电压，或其嵌入信息的至少一部分，那么就不可能生成反电压。由此出现了几项挑战:第一，向所有串联连接的发电源传播必要的电网相电压；第二，应用适合于实时生成必要的反电压和关联的期望实和无功功率的装置拓扑和控制。并联连接的发电机，无论是旋转电机还是逆变器，都利用幅度和相位的相位参数的接近解耦而工作。说得再简单些，所生成的反电压的大小与所输送的无功功率强烈相关，而所生成的反电压相对于所施加电网电压的相位与所输送的有效功率强烈相关。利用一串串联连接的发电装置，整个串以相同方式工作，但个体AC发电源不这样工作。每个AC发电源不能单独唯一地确定总的施加相电压。尽管肯定能够通过提高输出电压来增大串联连接逆变器的输出功率，但这样的动作过程会带来不希望的后果，即改变了串的总反电压和无功功率流的大小。接下来参考图3A，示出了根据本发明几个实施例工作的示范性系统300。如图所示，在这种实施方式中，将几个能够串联连接的DC到AC变换器302 (这里也称为能够串联连接的逆变器302)串联连接在其输出307的AC侧，并布置成串304，将几个串304的每个与其他串304并联布置，以提供耦合到监督控制器314和AC市电电源的输出310、312。在本实施例中，将每个DC到AC变换器302都耦合到光伏模块303 (可以包括一个或多个面板)，DC到AC变换器302和对应的光伏模块303 —起形成AC发电源305 ;于是每个串304包括几个串联连接的AC发电源305。光伏模块303可以包括，例如24V面板，但肯定可以利用其他面板电压。在本实施例中,AC发电源305的总额是AC配电系统(例如AC电网)上的电压。如这里进一步论述的，在替代的3相配置中，可以将串304布置成三角形和星形配置。接下来参考图3B，示出了方框图，描绘的是能够串联连接的DC到AC变换器302的示范性实施例(这里也称为能够串联连接的逆变器)，其可用于实现图3A所示的DC到AC变换器302。如图所示，将功率转换部件317耦合到控制器321，控制器321耦合到同步接收机部件319。功率转换部件317 —般被配置成将其输入处的DC功率转换成其输出处的AC功率，并且响应于来自控制器321的控制信号，功率转换部件317适于在与来自其他DC到AC变换器的AC电压同相的AC电压下在其输出处施加功率。此外，功率转换部件317的很多实施例还被配置成施加大小可以改变的AC电压，并利用最大功率点跟踪技术施加功率。参考图4、5和7描述功率转换部件317示范性实施例的其他细节。控制器321 —般响应于在同步接收机319处接收的同步信息控制功率转换部件317的工作，从而可以将功率转换部 件317的AC输出串联地与其他DC到AC转换器的AC输出耦合。参考图6和8、9和10描述控制器321的示范性实施例，参考图12A论述同步接收机319的示范性实施例。提供给同步接收机319 (例如从监督控制器314)的同步信号可以包括几条可解码信息。例如，可以在孤岛(island)事件(例如，耦合到能够串联连接的DC到AC变换器302的电力公司发生故障时)期间，或在简单地关闭能够串联连接的DC到AC变换器302时，向同步接收机319发送停机信息。此外，也可以与同步信号一起接收到功率、定时和相位信息(例如，以提供无功功率)。功率信息可以是最大功率信号，可用于减小从能够串联连接的DC到AC逆变器302输出的功率(例如，在功率缩减的情况下)。很多实施方式中的定时信息表示AC配电系统上的过零(在耦合监督控制器314的相连接上)，相位信息可以包括能够串联连接的DC到AC逆变器302的AC输出处电流和电压之间的期望相位(例如，变换器302的一些实施例能够响应于相位信息控制无功功率)。本领域的普通技术人员将认识到，用于同步信号的介质可以包括有线通信、RF链路、功率线载波技术和光学链路。尽管图3A中未示出，但能够串联连接的变换器302还可以包括报告机构，以向监督发射机314往回报告对应面板303或其内部部件的健康状况。接下来参考图4，图4是能够串联连接的变换器402的示范性实施例的示意图，该变换器可用于实现参考图3A和3B所述的能够串联连接的转换器302。如图所示，能够串联连接的变换器402包括工作于实时功率控制模式下的调压降压变换器420，为线路同步的电流源H电桥422馈电。在本实施例中，由降压变换器420结合电流源H电桥422实现图3B中所示的功率转换部件317。还示出了在降压调节器420的输出处获取的DC电压(Vdc)和电流(Idc)测量值，以使控制部件421能够调节降压变换器420的开启功率。AC电压(Vac)和电流(Iac)测量值(H电桥422的输出处)结合在同步接收机419处接收的同步信息使得控制部件421能够控制H电桥422的开关，以使Vac与AC配电系统和其他能够串联连接的转换器402的输出同步。申请人:发现生成实时反电压(counter voltage)是某种非常接近真实电流源的行为。电流源将固有地生成与所施加电压相同的反电压。这种约束的困难是电流源装置不“像”要串联连接的。在申请人利用图4所示的实施例克服的众多障碍中，申请人得到了一种可以串联连接的电流源装置，其呈现出以集体或串304的布置工作的电流源行为。在本实施例中，(由控制部分421)控制降压变换器420的占空比以调节其输出处的功率，该功率被提供到H电桥422。H电桥422响应于控制部分421将从降压变换器420输出的功率变换成AC功率。为了清楚起见，省略了控制部件421和降压变换器420之间的连接；控制部分421和H电桥422之间的连接；以及电压和电流测量(Vdc，Idc, Vac, lac)和控制部分421之间的连接。接下来参考图5，图5是能够串联连接的变换器502的另一实施例的示意图，该变换器能够通过功率调节级提供双向功率流。能够串联连接的变换器502的双向方面允许除了有效功率(real power)之外，还输送消耗性或再生性的无功功率。这种示范性的能够串联连接的变换器502利用了周期性同步信号，以及从跨过AC配电系统的相连接而连接的监督控制器314发送的有功和无功控制信息(可以被编码)。如图所示，变换器520包括四个开关S1，S2，S3和S4，控制其以使得能够串联连接的变换器502能够提供双向功率。在示范性实施例中，在能够串联连接的变换器502提供有效功率时，S4始终导通，调节SI的开关，使得通往逆转电桥522的第一输入530为正，通往逆变电桥522的第二输入532为负。相反，在提供无功功率时，S2始终导通，调节S3的开关，使得逆变电桥522的第一输入530为负，逆变电桥522的第二输入532为正，以逆转功率流，功率至少部分由电容器Cl存储。在工作中，控制部分521接收信号(例如经由同步接收机519)以响应于通信(例如来自监督控制器314)改变功率流的方向，可以在希望施加无功功率(例如，以提供功率因数调整)时发起通信。可以由双层电容器实现电容器Cl，可以由场效应晶体管(FET)器件实现开关SI，S2，S3，S4以及逆变电桥522中的开关。不过，应当认识到，图5中所示的部件是以一般属性示出的，本领域技术人员考虑到本公开将认识到，可以通过多种不同的技术(例如包括晶闸管、氮化镓器件、可控硅整流器(SCR)和IGBT)实现这些部件(例如开关)。尽管未示出，但本领域技术人员还将认识到，可以将地参照用作参考电势，并可以用于安全的目的。提供给同步接收机519的同步信号可以包括几条可解码信息。例如，可以在孤岛事件(例如，串联连接的逆变器耦合到的电力公司发生故障时)期间，或在简单地关闭能够串联连接的逆变器502时，向同步接收机519发送停机信息。此外，也可以接收定时和相位信息。定时信息可以表 示AC配电系统上的过零，相位信息可以包括电流和电压之间的期望相位。同步信号的介质可以包括有线通信、RF链路、功率线载波技术和光学链路。接下来参考图6，图6是方框图，示出了可以用于实现参考图3，4和5所述的控制部件321，421，521的示范性控制部件621。如图所示，(例如从同步接收机319，419，519)接收同步脉冲630，同步脉冲传达同步信息(例如开始从监督控制器314导出)并结合电网的锁相回路(PLL) 632 (其锁定到电网的频率(例如60Hz)并提供正弦和余弦函数的角度)，生成代表AC配电电压的归一化的参考电压正弦信号634,并生成代表AC配电电流的归一化参考电流信号640。在图示的实施例中，还从同步接收机(例如从同步接收机319、419、519)接收相位控制信息636(例如，加密的相位控制信息)，PI部件638利用来自无功功率计算部件660的反馈提供相位偏移，以生成代表电流的第二正弦参考640，电流可以相对于电压基准同相或不同相。由乘法器642将两个基准信号相乘，以生成正弦平方函数，其表示归一化的实时功率输送信号。乘法器644然后将正弦平方函数乘以从最大功率点控制646部件输出的功率水平系数，可以利用各种已知(例如“扰乱并观察”)技术和尚未开发的技术实现这个目的。然后由上/下移位寄存器650处理所得的功率控制函数，之后传递到滞后控制器652，其操作功率调节部件(例如，部件420，520)。利用来自第二正弦参考640的控制信号641 (表示相位电流流动)将逆变电桥422，522的开关部件的开关与(AC配电系统的)相电流流动同步，并与任意数量的串联连接的其他能够串联连接的变换器一致地逆变功率。接下来参考图7，图7是能够串联连接的变换器702的另一实施例的示意图，其利用了电压源变换器。在参考图7的同时，还将参考图8，9和10，它们是示出了图7所示控制部分721的实施例的方框图。本领域技术人员将认识到，可以由硬件、软件、固件或其组合实现图8，9，10中所示的部件。尽管未示出，但本领域技术人员将容易认识到，图7中所示的能够串联连接的变换器可以在其输入处包括最大功率点跟踪(MPPT)部件，可以由本领域的普通技术人员已知的各种最大功率点调节器的任一种来实现该部件；因此，为了清楚起见，这里不提供MPPT的额外细节。参考图8，控制器821从监督发射机(例如监督发射机314)接收同步脉冲830和期望的线路电流相位信息Q*，其用于生成表示电流的单个参考正弦信号。更具体而言，由锁相回路(PLL)832接收同步脉冲830，其利用同步脉冲830生成从零到2 Ji的重复平滑斜变，以生成归一化的正弦参考信号840。基于期望的电流相位信息Q*和计算的电流相位信息Q之间的差异，为归一化的正弦参考信号840赋予来自比例积分器838的相位偏移，由无功功率计算部件860基于电流(Iac)和电压(Vac)(图7中所示)的测量值计算电流相位信息；于是，计算的电流相位信息Q表不输出电流(Iac)相对于输出电压(Vac)的实际相位。如图所示，然后由乘法器844将归一化正弦参考信号840乘以从最大功率点(MPP)逻辑846输出的功率系数。然后由上/下移位寄存器850处理由乘法器844输出的所得功率控制函数，然后将其传递到滞后控制器852。如图所示，滞后控制器852接收代表输出功率的信号859，信号859是通过将高速反馈电流(Iac)乘以AC端电压(Vac)的本地幅度平均值生成的，AC端电压是由绝对值部件854结合低通滤波器856生成的。然后将这个信号859用作对滞后电流控制的高速反馈。
接下来参考图9，图9是方框图，示出了可用于实现图7中所示控制部分721的控制部分921的另一示范性实施例。如本实施例中所示，由PLL932接收同步脉冲930，PLL生成从零到2π的平滑斜变并随后重置(例如，以锯齿方式)，它是与AC配电系统同步的。此夕卜，接收无功设定点信息Q*936，还(例如从监督控制器314)接收任何功率极限命令947。在工作时，MPP控制器946将利用来自光伏模块的电流和电压信息943，可以从光伏模块提取最大量的功率并发送与最大功率或对应于功率限制命令947的功率水平中较小者对应的功率设定点信号P*信号。作为默认，通常将功率极限设置为高水平。例如，如果向能够串联连接的DC到AC变换器702施加功率的面板是280瓦的面板，限制命令947可以是300瓦，但如果电力公司或所有者/运营商由于某种原因希望削减，监督控制器314将发送功率限制命令947 (例如，指示所有的能够串联连接的DC到AC变换器702应输出50瓦)，该功率限制命令被MPP部件946接收，MPP部件946提供与减小的设定点(例如50瓦)对应的功率设定点信号P*。PLL932提供了使用各种三角函数，包括正弦和余弦波的能力。如图所示，将两个正弦波相乘以生成正弦平方函数940，将正弦和余弦波相乘以生成正弦余弦函数941。正弦平方函数940代表有效功率流，将其乘以944功率设定点信号P*以获得有效功率流的缩放表达。正弦余弦函数941代表无功功率，将其乘以945从比例积分器(PI) 938获得的相位偏移，比例积分器(PI) 938接收无功设定点信息Q*936和计算的无功功率Q960 (表示有效无功功率)之间的差异937。如图所示，通过将有效功率流948的缩放表达与无功功率949的表达相加947，获得功率P (t)函数(实时功能)。因此，P* (t)函数包括有效和无功功率分量，无功和有效表达均可以变化，并可以降低到零，以提供全部有效功率、全部无功功率或每者的非零比例。如图所示，在由上/下移位部件950处理之后，滞后控制部件952接收P(t)函数，基于从乘法器958获得的实际功率计算，生成控制信号953。如图所示，控制信号953控制由电压源控制(VSC)的功率调节器(例如，图7中所示的VSC功率调节器)。图9中所示的部件工作于功率调节控制工作模式下。尽管功率调节控制非零，正向功率(在能够串联连接的变换器702施加功率时)决不是小事情，在施加的功率变为零或反向时，控制变换器702需要其他控制方案中不要求的考虑。例如，在电流调节控制方案中，实时测量电流，零电流是有效且容易控制的值，但在功率调节控制模式中，可以将功率减小到零，具有零电压值 、零电流值的任一种或零电压和零电流值两者，因此，功率调节控制回路可能变得模糊。此外，在无功功率流动模式(例如，反向功率模式)中，支配H电桥开关的规则发生变化并变得可变。在正向功率流动模式中，例如，更长时间地触发图7中所示的开关SI和S4，以提供更多功率，更少时间地触发其以提供更少功率；从而在图7中从左至右发生降压变换。但在功率从AC侧流到DC侧(从右到左)时，存在着升压状况，升压装置具有向功率转换部件中的电感中置入大量能量的趋向，尽管净效果是功率从AC侧移动到DC侧，但有些时间段能量进入AC侧的电感中(从左至右)。例如，参考图7中所示的电桥，为了在反向功率流动模式(从AC侧到DC侧)中即时地运转功率，必须将开关S3和S4短接在一起，以增强电感器LI中的电流，然后断开开关，使得电感器LI将向电容器Cl发送其经过整流的能量。但问题是，在将开关S3、S4短接在一起时，能量将从左到右运行。因此，为了解决这个问题，在一些实施例中，在工作在无功功率模式中时，还利用了电压调节来取代功率调节。接下来参考例如图10，示出了控制部分1021，这是图7所示控制部分721的又一个实施例。如图所示，在本实施例中，由PLL1032接收同步脉冲1030，PLL (针对每个同步脉冲)生成从零到2 π的平滑斜变并随后重置(例如，以锯齿方式)，它是与AC配电系统同步的。此外，接收无功设定点信息Q*1036，以及功率设定点信号P*1037(例如，可以从诸如MPP控制器946的MPP控制器接收)。如图所示，使用PLL1032的输出生成正弦平方函数1040(具有归一化振幅I)和正弦余弦函数1041 (具有归一化振幅I)。正弦平方函数1040代表有效功率流，将其乘以1044功率设定点信号P*以获得有效功率流的缩放表达。正弦余弦函数1041代表无功功率，将其乘以1045无功设定点信息1036中的相位偏移。如图所示，通过将有效功率流1046的缩放表达与无功功率1047的表达相加1052，获得功率P* (t)函数(实时函数)。如图所示，将实时功率函数P* (t)，即120Hz的正弦波，馈送到末级加法器1072。如图所示，末级加法器1072还接收来自功率反馈回路的输出1069和来自无功功率反馈回路的输出。如图所示，功率反馈回路包括功率计算部件1056，其提供在变换器702的输出处测量的电压V (t)和电流i (t)的滤波所得。将滤波所得与功率设定点信号P*1037进行比较，以获得差异1055，将差异馈送给比例积分器1058，比例积分器向同步到固定参考帧变换器1068提供正交设定点1059，其生成60Hz的信号1069。无功功率反馈回路包括经过滤波的无功功率所得q (t) 1066，在与无功功率设定点q*1036比较10 60之前，将其馈送给线性放大器1064。将无功设定点Q*和无功功率表达Q之间的差异1061馈送给比例积分器1062，其向同步到固定参考帧变换器1070提供直接设定点信号1063，其提供60Hz信号1071。此外，E归一化前馈功能1080向末级加法器1072提供输出1081，该输出代表能够串联连接的变换器702对能够串联连接的变换器的串(例如串304)贡献的60Hz电压振幅(或50Hz电压)。例如，如果变换器702处于构成N个能够串联连接的变换器的串中，能够串联连接的变换器的串两端间的电压为例如277伏，则输出1081代表277/N伏。如图所示，在末级加法器1072中将E归一化前馈功能1080的输出1081的贡献相加。E归一化前馈功能1080可以是由监督控制器314连同同步(同步信号)、相位(Q*)和功率(P*)信息一起提供的额外信息项。输出1081表示的电压可以表示每个能够串联连接的变换器需要施加的“基础电压”，因此能够串联连接的变换器串总体向配电系统的相位分支施加电压，其既不向配电系统的相位分支发送电流也不从其汲取电流。此外，功率计算部件1082向末级加法器1072提供经滤波的功率信号1083，即表示能够串联连接的变换器702输出处的实测功率的120Hz信号。如图所示，末级加法器1072向脉宽调制(PWM)部件1074提供控制输出，将控制能够串联连接的变换器702的电桥以对其输出进行脉宽调制，以在能够串联连接的变换器702的输出处提供功率和电压，使得能够串联连接的变换器串总体向配电系统的相位分支施加期望的电压电平和相位。从功能上讲，功率反馈回路的部件1056、1054、1058以及无功功率反馈回路的部件1066、1064、1060、1062的部件充当同步参考帧控制器，部件1030、1032、1040、1041、1044、1045、1052充当实时功率函数控制器。总体上讲，本实施例中的控制器1021充当增益补偿的E归一化前馈控制系统。在示范性实施例中，在变换器702工作于无功功率模式中时，控制器1021可以停止在调节功率模式下工作，变为调节电压模式。更具体而言，在工作于无功功率模式中时，中止120Hz功率输入1053、1083对末级加法器1072的反馈，控制器利用60Hz的输入1069、1071、1081，利用调节电压模式控制脉宽调制1074。在很多实施方式中，在能够串联连接的变换器702的输出电压v(t)接近零时，中止120Hz功率输入1053、1083对末级加法器1072的反馈，控制器利用60Hz的输入1069、1071、1081控制脉宽调制1074。接下来参考图1lA和11B，示出了方框图，分别绘示了发射机的部件和发射机发射的同步脉冲。可以在监督控制器314中实现图1lA中所示的发射机，如图所示，在工作中，由过零检测器检测AC配电系统处的过零，并(例如由FSK调制器)编码到AC线路上，AC线路耦合到能够串联连接的变换器302。尽管在本实施例中使用功率线承载方法向能够串联连接的变换器302发射同步信息，但这决不是必须的，可以使用各种其他通信方法(例如有线和无线)和编码技术来发射同步信息。尽管图1lA中示出了频移键控(FSK)调制器，但本领域技术人员将认识到，可以利用替代的调制技术，例如调幅和相移键控技术等。在替代实施方式中，通过在AC线路过于零时导通载波并在其低于零时关闭它，将过零同步发送到能够串联连接的变换器。可以在独立的信道上从规则的PLC命令和控制信号发射这个信号，其向能够串联连接的变换器提供最大功率、无功功率(也称为相位或VAR设定点)和开/关信号。也可以经由这个PLC信道向监督控制器发回相对于健康和每个能够串联连接的变换器的数据报告。接下来参考图12A和12B，示出了方框图，绘示了示范性同步接收机(可用于实现这里所述的同步接收机319、419、519、619、719)的部件和可以由这里参考图6，8，9和10所述的控制器利用的已解码同步脉冲。如图所示，对同步信息解码以生成用于锁相回路(例如PLL732，832，932，1032)的同步脉冲(例如，同步脉冲630，830，930，1030)，并将线路电流相位控制信息Q* (例如相位控制信息636，836，936，1036)馈送给控制部件(例如，控制部件321，421，521，621，721，821，921，1021)。接下来参考图13，示出了方框图，绘示了用于将监督发射机1314耦合到AC配电系统(例如以检测过零)，并向串联连接的逆变器302提供同步信息(经由功率线载体)同时防止(利用隔离滤波器)同步信息传播到AC配电系统的示范性布置。本领域的普通技术人员将认识到，可以利用例如在AC侧上接地的串联陷波电路以及隔离该频率并防止短接到地的并联陷波电路(在光伏侧)设计隔离滤波器。非常希望有一种适于连接到单个光伏模块的装置，其尽可能地小。这允许有效地安装装置，相当可能作为光伏模块自身的一部分。必须要将低DC电压逆变成较高AC电压的现有技术的并联连接装置的前述特性使得物理上的紧凑性困难，因为需要多个DC到AC功率处理级和比例变化变压器。这里描述的能够串联连接的变换器302的几个实施例不包含多个DC到AC级，它们也不需要变压器。这导致能够串联连接的装置具有独有的特性:模块参照。光伏装置的安装者和调整者很感兴趣的是相对于地、相对于模块和任何其他设备施加的电压。尽管由于逆变器中存在隔离变压器，对于前述现有技术的并联连接模块级逆变器而言这些电压是最小的，但对于常规的图1所示的串接方式，相当担心施加的电压。尽管有几种参考地的可接受方法，但常规构造的阵列，在系统中任何一点施加到地的电压是地参考电气位置 、串接系统中被观测点的位置以及阵列的操作条件的函数。例如，在热段上或距地参考最远的收集导体上施加到地的电压在热天负载严重时观察到的低压状态以及冷天开路条件之间有巨大的差异。就是这种对地电压的操作相关性限制了大部分光伏系统设计和调整。对于这里描述的能够串联连接的(例如变压器)逆变器的很多实施例而言，DC到AC变换模块相对于地的电压是AC电压，而不是DC电压(对于常规逆变器而言，大的和模块级别都是这种情况)。尽管电压相对于地的大小是能够串联连接的DC到AC逆变器在串中位置的函数，但在几个实施例中，它一点也不取决于模块或阵列的工作条件。图14A示出了作为串工作进入单相电网连接的八个串联连接的变换器的相图。与中性或参考地的收集导体最近的面板看到最小大小的交流对地电压。距中性线最远的面板看到的交流对地电压非常接近对地相电压。只要电网连接并且不随着阵列操作而变化，这些外加电压就是相容的。尽管串联连接的装置仅看到小的差分电压(显著小于相电压)，但其对地电压容限必须适于所施加的相对地电压。假设这种条件，累积差分装置输出之和可以堆叠地任意高。如图14-17所示，可以在各种电网配置中连接装置及其相应的监督控制器/发射机。这些包括单相、分裂单相、三相星形和三角形和每种的所有相对地的变化。尽管图14A示出了八个串联连接的变换器和对应模块的单个串，如图14B中所示，可以由几个并联的串实现图14A中所示的单个串，每个并联串可以包括能够串联连接的变换器。参考图15A和15B，分别示出了串联连接的充当进入分裂单相电网连接的串的变换器的相图和分裂单相配置的示范性实施。图16A示出了作为进入三相星形电网连接的串工作的串联变换器的相图，图16B示出了三相星形配置的示范性实施。图17A示出了作为进入三相三角形电网连接的串工作的串联变换器的相图，图17B示出了三相三角形配置的示范性实施。接下来参考图18，这是流程图，示出了可以结合这里公开的实施例详细研究的方法。如图所示，在这种方法中，与其他DC到AC功率变换器串联布置多个DC到AC功率变换器中的每个DC到AC功率变换器(例如DC到AC功率变换器302)的AC输出(方框1802)。此外，响应于在配电系统的相上的感测的电压过零(例如，由监督控制器314)生成同步信号(方框1804)，并将同步信号发送到DC到AC功率变换器(方框1806)。如图所示，在每个DC到AC功率变换器处接收同步信号(方框1808)`，利用每个DC到AC功率变换器，利用同步信号将DC功率变换成AC功率，使得DC到AC功率变换器输出的AC电压同相(方框1810)。然后向配电系统的相施加AC功率，施加到配电系统相的总电压等于DC到AC功率变换器输出的AC电压之和(方框1812)。在一个或多个示范性实施例中，可以在硬件、软件、固件或其任意组合中实现所述功能。如果在软件中实现，可以在非暂态计算机可读介质上存储函数或作为一条或多条指令或代码传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，包括便于从一地到另一地传输计算机程序的任何介质。存储介质可以是可以由计算机访问的任何可用介质。例如，但不做限制，这样的计算机可读介质可以包括闪速存储器(例如NAND存储器)RAM,ROM,EEPROM,CD-ROM或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁存储介质，或任何其他能够用于以指令或数据结构的形式承载或存储期望程序代码且可以被处理器访问的介质。而且，可以将任何连接适当地称为计算机可读介质。例如，如果利用同轴电缆、光缆、扭绞线对、数字用户线路(DSL)或诸如红外线、无线电和微波的无线技术从网站、服务器或其他远端源传输软件，那么同轴电缆、光缆、扭绞线对、数字用户线路(DSL)或诸如红外线、无线电和微波的无线技术包括在介质的定义中。如这里使用的，磁盘和盘片包括紧致盘(CD)、激光盘、光盘、数字多用途盘(DVD)、软盘和blu-ray盘，其中磁盘通常以磁性方式再现数据，而盘片利用激光以光学方式再现数据。以上的组合也包括在计算机可读介质的范围之内。总之，本发明提供了一种用于串联连接的光伏变换器的AC电网连接的系统和方法等。本领域的技术人员能够容易地认识到，可以在本发明、其用法和其配置中做出众多变化和置换，以实现与这里所述实施例所实现的相同结果。因此，并非要将本发明限制到公开的示范性形式中。很多变化、修改和替代构造都落在如权利要求表达的所公开发明的范围和精神之 内。
权利要求
1.一种用于将DC功率变换成AC功率的系统，所述系统包括: 主控制器，其耦合到配电系统的相位分支并且提供同步信号和功率控制信号，所述配电系统的所述相位分支具有相电压； 串联布置成串的多个能够串联连接的DC到AC功率变换器，每个所述能够串联连接的DC到AC功率变换器都接收所述同步信号和所述功率信号，并且使用所述同步信号和所述功率信号以将来自多个光伏模块中的对应一个的可变DC电压变换成AC电压,从而由多个能够串联连接的功率变换器生成多个对应的AC电压，所述多个对应的AC电压共同累加成所述相电压，每个所述能够串联连接的功率变换器响应于所述同步信号来控制所述AC电压，使得所述多个对应的可变AC电压全都同相。
2.根据权利要求1所述的系统，其中每个所述能够串联连接的功率变换器包括: DC输入侧，包括用于耦合到通过所述多个光伏模块中的对应一个施加的DC电压的端子; AC输出侧，包括用于施加AC电压的端子，所述AC电压基于所述DC电压的电平； 接收机，用于接收所述同步信号和所述功率信号； 功率变换部件，用于将所述多个光伏模块中的对应一个施加的DC电势变换成所述AC电压和控制电压；以及 控制器，响应于所接收的同步信号和所述功率信号来控制所述功率变换部件。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述串的长度由所述AC电压的标称个体电压与总体相电压的比率来确定。
4.根据权利要求1所述的系统，其中组合所述能够串联连接的功率变换器的多个串。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所组合的串连接到所述相位分支。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所组合的串连接在单相与中性点之间施加的电压两端。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所组合的串连接在分裂的单相施加的电压两端。
8.根据权利要求4所述的系统，其中多组所组合的串连接在多相系统中的相应相。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所组合的串连接在所述多相系统的线与中性点之间的相电压两端。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所组合的串连接在所述多相系统的线与线之间的相电压两端。
11.一种能够串联连接的DC到AC功率变换器，包括: DC输入侧，包括用于耦合到通过多个光伏模块中的对应一个光伏模块施加的DC电势的端子； AC输出侧,包括用于施加AC电压的端子； 接收机，用于接收同步信号和功率信号； 功率变换部件，用于将多个光伏模块中的所述对应一个光伏模块施加的DC电势变换成AC电压；以及 控制器，响应于所接收的同步信号和所述功率信号来控制所述功率变换部件，使得所述AC电压的相位与所述同步信号同步，并且从所述能够串联连接的DC到AC功率变换器输出的功率水平与所述功率信号一致。
12.根据权利要求11所述的能够串联连接的DC到AC功率变换器，其中所述功率变换部件被配置成在所述控制器接收到在所述接收机处接收的无功功率流信号时，响应于所述控制器来提供无功功率流。
13.根据权利要求11所述的能够串联连接的DC到AC功率变换器，其中所述同步信息是由监督控制器发射且由所述接收机接收的共模信号提供的。
14.根据权利要求13所述的能够串联连接的DC到AC功率变换器，包括线路输出ac-旁路电容器，其使得能够通过所述能够串联连接的DC到AC功率变换器传输所述同步信号。
15.根据权利要求13所述的能够串联连接的DC到AC功率变换器，其中所述接收机经由相对于所提供的信号地的所述共模信号来接收所述同步信息。
16.根据权利要求11所述的能够串联连接的DC到AC功率变换器，其中所述接收机接收相位信息，并且所述控制器基于所述相位信息控制所述功率变换部件以提供有功功率控制和无功功率控制。
17.根据权利要求11所述的能够串联连接的DC到AC功率变换器，其中所述功率变换部件是电流源变换部件，其能够利用实时功率调节回路与其他能够串联连接的DC到AC功率变换器串联放置，所述实时功率调节回路使用正弦平方功率函数的滞后调制，所述正弦平方功率函数是基于实时最大功率点跟踪状态的同步合成电压基准正弦、定相电流基准正弦和功率缩放系数的乘积。
18.根据权利要求11所述的能够串联连接的DC到AC功率变换器，其中所述功率变换部件是电压源变换器。
19.根据权利要求18所述的能够串联连接的DC到AC功率变换器，其中所述电压源变换器包括工作于静止参照系中的控制部分。
20.根据权利要求18所述的能够串联连接的DC到AC功率变换器，其中所述电压源变换器包括工作于同步参照系中的控制部分。
21.根据权利要求20所述的能够串联连接的DC到AC功率变换器，其中所述控制部分利用脉冲宽度调制来控制所述电压源变换器。
22.一种用于将DC功率变换成AC功率的方法，包括: 将多个DC到AC功率变换器中的每个DC到AC功率变换器的AC输出布置成与其他DC到AC功率变换器串联连接； 在每个所述DC到AC功率变换器处接收同步信号； 使用所述同步信号，利用每个所述DC到AC功率变换器将DC功率变换成AC功率，使得所述DC到AC功率变换器输出的AC电压同相；以及 向配电系统的相位分支施加所述AC功率，施加到所述配电系统的所述相位分支的总电压等于所述DC到AC功率变换器输出的所述AC电压的和。
23.根据权利要求22所述的方法，包括: 响应于所述配电系统的相上的电压的被感测过零，生成所述同步信号；以及 向所述DC到AC功率变换器发射所述同步信号。
24.根据权利要求22所述的方法，其中每个所述DC到AC功率变换器观察到的所施加对地电压唯一地是每个所述DC到AC功率变换器在串联连接的串中的位置和所施加相电压的函数。
25.根据权利要求22所述的方法，包括将多个DC到AC功率变换器中的每个DC到AC功率变换器的所述AC输出与其他DC到AC功率变换器布置成串联布置，而不使用电隔离变压器 。
全文摘要
公开了一种用于将DC功率变换成AC功率的系统、方法和设备。该系统包括主控制器，其耦合到配电系统的相并提供同步信号，所述配电系统的相具有相电压。该系统还包括多个能够串联连接的DC到AC功率变换器，其接收所述同步信号并用于将来自多个光伏面板的对应一个的可变DC电压变换成可变AC电压，从而由多个能够串联连接的功率变换器生成多个对应的AC电压，所述多个对应的AC电压共同累加成相电压，每个所述能够串联连接的功率变换器响应于所述同步信号控制所述可变AC电压，使得所述多个对应的可变AC电压同相。
文档编号H02J3/38GK103238270SQ201180057945
公开日2013年8月7日 申请日期2011年10月18日 优先权日2010年10月18日
发明者E·西摩, M·阿姆斯特朗, J·A·吉尔摩 申请人:先进能源工业公司