功率调节器、控制方法和发电系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种功率调节器，即使在断开时也能稳定地获得直流电输出。该功率调节器包括DC/DC转换器（12）、直流电输出单元（18）、电网互连开关（14）、逆变器（13）、AC开关（16）、整流器（17）以及控制单元（19），其中DC/DC转换器（12）接收来自发电设备的直流电输出的输入，直流电输出单元（18）用于向外部单元输出该直流电输出，电网互连开关（14）连接至电网（22），逆变器（13）经过电网互连开关（14）连接至电网（22）并通过将来自DC/DC转换器（12）的直流电输出转换为交流电并将交流电输出至电网（22）来执行DC/AC转换，AC开关（16）连接至电网互连开关（14）的、电网（22）的一侧，整流器（17）经过AC开关（16）连接至电网（22）、整流来自电网（22）的交流电并将整流后的电流输出至DC/DC转换器（12），当电网互连开关（14）在预定的断开条件下断开时，控制单元（19）在电网互连开关（14）断开之前使AC开关（16）连接。
【专利说明】功率调节器、控制方法和发电系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2011年6月22日提交的第2011-138793号日本专利申请的优先权和权益,该申请的全部内容通过弓I用并入本文。
【技术领域】
[0003]本发明涉及连接发电设备和商业电力网(电网)的功率调节器、控制方法和发电系统。
【背景技术】
[0004]设有发电设备的发电系统诸如太阳能板等均设有用于连接发电设备和电网的功率调节器。一种已知示例的这种功率调节器设有用于蓄电池的直流电输出单元，用来自发电设备和来自电网的电力为蓄电池充电，并且当电网发生故障诸如断电或电网电压下降时,通过从蓄电池放电维持电力(例如,参见专利文献I)。
[0005]根 据“Grid Interconnection Technical Requirements Guidelines forGuaranteeing Electric Power Quality (用于保障电力质量的电网互连技术要求准则)”(Agency for Natural Resources and Energy,自然资源与能源机构，2004 年 10 月 I 日)，当电网电压下降时，“用于瞬间电压下降采取应对措施的时间间隔约达两秒”。因此，当电网电压下降时，发电设备61需要在两秒内断开。在断开后，断开状态通常保持一定时间段，并且一旦确定该电网未发生故障，发电设备会自动恢复(连接)。
[0006]引用列表
[0007]专利文献I JP2OO3I8M77A
【发明内容】
[0008]替代连接蓄电池，直流电负荷可连接至直流电输出单元，并且从发电设备获得的DC电力可由DC/DC转换器升压以驱动直流电负荷。而且，因为能从具有双向逆变器的电网获得DC电力，所以即使当发电设备例如是太阳能板时，也可能在夜间获得DC电力。
[0009]但是，通过这样的结构，在断开期间，用于直流电负荷的唯一电源是发电设备，并且直流电负荷可能未被供给充足电力。具体地，当发电设备是太阳能板并且断开发生在夜间时，无法获得DC电力，从而不可能驱动直流电负荷。应注意，这种问题不限于发电设备是太阳能板的情况，当来自多种发电设备诸如风力发电机、私人发电机等的DC电力波动时也会出现这种问题。
[0010]本发明是鉴于上述情况而作出的，本发明的目的是提供即使在断开时期也能稳定地获得DC电力的发电系统、功率调节器和控制方法。
[0011]根据本发明的第一方面的功率调节器包括DC/DC转换器、直流电输出单元、电网互连开关、逆变器、AC开关、整流器、以及控制单元，其中DC/DC转换器配置为接收由发电设备输出的直流电的输入，直流电输出单元配置为将来自DC/DC转换器的直流电输出至外部单元，电网互连开关配置为连接至商业电力网，逆变器配置为经过电网互连开关连接至商业电力网，并且通过将来自DC/DC转换器的直流电输出转换为交流电并将该交流电输出至商业电力网来执行DC/AC转换，AC开关连接至电网互连开关的、商业电力网的一侧，整流器配置为经过AC开关连接至商业电力网，整流器对来自商业电力网的交流电进行整流并将整流后的电流输出至DC/DC转换器，当电网互连开关在预定的断开条件下断开时，控制单元被配置为在电网互连开关断开之前使AC开关连接。
[0012]本发明的第二方面是根据第一方面的功率调节器，当使AC开关连接时，控制单元在发电设备发电的情况下，使发电设备输出的直流电的电压与来自整流器的整流后的电压—致。
[0013]本发明的第三方面是根据第二方面的功率调节器，DC/DC转换器具有对由发电设备输出的直流电进行最大功率点跟踪的功能，并且控制单元暂停最大功率点跟踪的功能的操作，并使发电设备输出的直流电的电压与来自整流器的整流后的电压一致。
[0014]本发明的第四方面是根据第三方面的功率调节器，功率调节器连接至作为发电设备的、包括太阳能板的设备。
[0015]本发明的第五方面是根据第一方面的功率调节器，控制单元在预定的断开条件下使电网互连开关断开并使AC开关连接，预定的断开条件为商业电力网的电网电压和电网频率中的一个偏离预定范围。
[0016]本发明的第六方面是根据第五方面的功率调节器，控制单元在自检测到预定的断开条件起的第一时间间隔内使电网互连开关断开并使AC开关连接。
[0017]本发明的第七方面是根据第五方面的功率调节器，第一时间间隔为两秒。
[0018]本发明的第八方面是根据第一方面的功率调节器，在使电网互连开关断开并使AC开关连接后，当自电网互连开关断开后经过了第二时间间隔时，控制单元执行电网互连恢复过程。
[0019]本发明的第九方面是根据第八方面的功率调节器，第二时间间隔为10秒。
[0020]本发明的第十方面是根据第八方面的功率调节器，作为电网互连恢复过程，控制单元在不满足预定的断开条件时使电网互连开关连接并使AC开关断开。
[0021]发明的第十一方面是根据第十方面的功率调节器，当使电网互连开关连接时，控制单元在使AC开关断开之前将电网互连开关连接。
[0022]发明的第十二方面是根据第八方面的功率调节器，DC/DC转换器具有对由发电设备输出的直流电进行最大功率点跟踪的功能，以及当执行电网互连恢复过程时，控制单元开始用于最大功率点跟踪的功能的操作。
[0023]本发明的第十三方面是根据第一方面的功率调节器，逆变器是双向逆变器并且还被配置为通过将来自商业电力网的交流电转换为直流电并将该直流电输出至直流电输出单元来执行AC/DC转换，以及双向逆变器选择性地执行DC/AC转换和AC/DC转换。
[0024]本发明的第十四方面是用于控制功率调节器的方法，功率调节器包括DC/DC转换器、直流电输出单元、电网互连开关以及逆变器，其中，DC/DC转换器配置为接收由发电设备输出的直流电的输入，直流电输出单兀配置为向外部单兀输出来自DC/DC转换器的直流电输出，电网互连开关配置为连接至商业电力网，逆变器配置为经过电网互连开关连接至商业电力网，并且通过将来自DC/DC转换器的直流电输出转换为交流电并将该交流电输出至商业电力网来执行DC/AC转换；该方法包括:将AC开关连接至电网互连开关的、商业电力网的一侧；将整流器配置为经过AC开关连接至商业电力网、对来自商业电力网的交流电进行整流、以及将整流后的电流输出至DC/DC转换器；以及将控制单元配置为:当电网互连开关在预定的断开条件下断开时，在电网互连开关断开之前使AC开关连接。
[0025]本发明的第十五方面是包括发电设备和功率调节器的发电系统，其中功率调节器包括DC/DC转换器、直流电输出单元、电网互连开关、逆变器、AC开关、整流器、以及控制单兀，其中DC/DC转换器配置为接收由发电设备输出的直流电的输入,直流电输出单兀配置为将来自DC/DC转换器的直流电输出至外部单元，电网互连开关配置为连接至商业电力网，逆变器配置为经过电网互连开关连接至商业电力网，并且通过将来自DC/DC转换器的直流电输出转换为交流电并将该交流电输出至商业电力网来执行DC/AC转换，AC开关连接至电网互连开关的、商业电力网的一侧，整流器配置为经过AC开关连接至商业电力网，整流器对来自商业电力网的交流电进行整流并将整流后的电流输出至DC/DC转换器，当电网互连开关在预定的断开条件下断开时，控制单元被配置为在电网互连开关断开之前使AC开关连接。
[0026]根据本发明，即使当断开时也能够稳定地获得直流电输出。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是示意性示出根据本发明的一个实施方式的功率调节器的结构的框图；
[0028]图2是示出图1中的功率调节器的操作的流程图；以及
[0029]图3是示出图2中的恢复过程的流程图。
【具体实施方式】
[0030]下文参照附图描述了本发明的实施方式。
[0031]图1是示意性示出根据本发明的一个实施方式的功率调节器的结构的框图。功率调节器10包括直流电输入单元11、DC/DC转换器12、双向逆变器13、电网互连开关14、交流电输入/输出单元15、AC开关16、整流器17、直流电输出单元18、和控制单元19。
[0032]直流电输入单元11包括连接端子和电压/电流检测电路，并且接收由发电设备21诸如太阳能板、风力发电机、燃料电池、私人发电机等输出的直流电(DC)输入。直流电输入单元11的直流电输出被输入至DC/DC转换器12中。来自直流电输入单元11中的电压/电流检测电路的检测输出被输入至控制单元19中。
[0033]DC/DC转换器12具有通过控制单元19控制的、用于最大功率点跟踪(MPPT)的功能，控制输入直流电电压，并且将直流电输入至双向逆变器13以及直流电输出单元18中。
[0034]通过由控制单元19控制，双向逆变器13对来自DC/DC转换器12的直流电输入选择性地执行DC/AC转换，并且经由电网互连开关14和交流电输入/输出单元15向商业电力网(电网)提供反向功率流。通过由控制单元19控制，双向逆变器13还对来自电网22的通过交流电输入/输出单元15和电网互连开关14的交流电(AC)选择性地执行AC/DC转换，并且将转换后的直流电输入至直流电输出单元18中。
[0035]电网互连开关14配置有继电器开关，该继电器开关由控制单元19控制处于ON(连接)或OFF (断开)，并且选择性地将发电设备21与电网22断开。换言之，在图1的情况下，双向逆变器13选择性地从电网22断开。因此，电网互连开关14是发电设备21的断开点。
[0036]交流电输入/输出单元15包括连接端子、电压/电流检测电路、和频率检测电路，并且执行来自电网22的交流电以及来自双向逆变器13的交流电的输入和输出。来自交流电输入/输出单元15中的电压/电流检测电路以及频率检测电路的检测输出被输入至控制单元19中。
[0037]AC开关16配置有继电器开关，该继电器开关由控制单元19控制处于ON或OFF。当处于ON时,AC开关16将从电网22经过交流电输入/输出单兀15输入的交流电输入至整流器17中。
[0038]整流器17将来自电网22的交流电整流为直流电。整流后的直流电输出被输入至DC/DC转换器12中。
[0039]直流电输出单元18包括连接端子。需要直流电力供给的直流电负荷23，诸如蓄电池、LED照明设备、个人电脑、逆变器装置等连接至该连接端子。来自DC/DC转换器12或双向逆变器13的直流电力被馈送至直流电负荷23。直流电输出单元18包括电压/电流检测电路，并且其检测输出被输入至控制单元19中。
[0040]控制单元19包括存储器、计时器功能等，其中该存储器存储控制程序、各种调节范围、调节值等。基于来自直流电输入单元11的电压/电流检测输出、来自交流电输入/输出单元15的电压/电流检测输出和频率检测输出、以及来自直流电输出单元18的电压/电流检测输出，控制单元19控制DC/DC转换器12的MPPT功能、电网互连开关14和AC开关16的打开和关闭等。
[0041]下面参照图2中的流程图描述根据本实施方式的功率调节器10的操作。应注意，在初始状态下，假设电网互连开关14处于0N，而AC开关16处于OFF。
[0042]首先，控制单元19确定是否满足预定的断开条件(步骤S201)。作为预定的断开条件，控制单元19基于来自交流电输入/输出单元15的电压/电流检测输出和频率检测输出，确定电网22的电网电压或电网频率是否偏离调节范围。
[0043]因此，如果两者都在调节范围内，那么根据发电设备21所产生的电力与直流电负荷23所消耗的电力(直流电负荷电力)的相对量将电力从发电设备21或电网22供给至直流电负荷23。例如，如果产生的电力〉直流电负荷电力，那么产生的电力经过DC/DC转换器12被提供至直流电负荷23。产生的电力还经过DC/DC转换器12和双向逆变器13由反向功率流到达电网22。如果产生的电力〈直流电负荷电力，那么随着产生的电力，来自电网22的电流被双向逆变器13转换为直流电并馈送至直流电负荷23。如果产生的电力=直流电负荷电力，那么产生的电力在不经过反向功率流也没有从电网22获得电力的情况下经过DC/DC转换器12提供至直流电负荷23。
[0044]相反地，在步骤S201中，当确定电网22的电网电压或电网频率已偏离调节范围时，控制单元19将AC开关16转至ON (步骤S202)。以这种方式，来自电网22的交流电由整流器17整流为直流电，并且被提供至DC/DC转换器12。而且，控制单元19基于来自直流电输入单元11的电压/电流检测输出确定发电设备21是否在发电(步骤S203)。
[0045]结果，当发电设备21正在发电时，如果DC/DC转换器12在执行MPPT操作，那么控制单元19暂停MPPT功能的操作(步骤S204)，并且使DC/DC转换器12中的发电设备21所产生的电力的电压与来自整流器17的整流后的电压一致(步骤S205)。然后，控制单元19将电网互连开关14转至OFF并将双向逆变器13的栅极块转至0N，即，关闭栅极信号(步骤S206)。以这种方式，发电设备21和双向逆变器13均从电网22断开。如上所述，这些组件在自步骤S201中确定出电网22的电网电压或电网频率已偏离调节范围的两秒内断开。应注意，在步骤S203中，当发电设备21不发电时，过程前进至步骤S206。
[0046]随后，控制单元19启动被设置为用于在断开后的恢复时间间隔(例如，10秒)的调节值的计时器，并且执行电网互连恢复过程(步骤S207)。
[0047]图3是示出图2中的恢复过程的流程图。首先，控制单元19确定计时器是否达到调节值(步骤S301)。当计时器已达到调节值时，则基于来自交流电输入/输出单元15的电压/电流检测输出以及频率检测输出，控制单元19确定电网22是否已恢复，即，用于电网频率的电网电压是否已返回至调节值(步骤S302)。
[0048]结果，当确定出电网22已恢复时，控制单元19将电网互连开关14转至ON并将双向逆变器13的栅极块转至OFF，S卩，提供栅极信号(步骤S303)。以这种方式，发电设备21和双向逆变器13连接至电网22。
[0049]随后，控制单元19将AC开关16转至OFF (步骤S304)，开始DC/DC转换器12的MPPT功能的操作(步骤S305)，以及终止恢复过程。
[0050]以这种方式，通过根据本实施方式的功率调节器10，在检测到电网电压或电网频率已偏离调节范围时，电网22的交流电被整流器17整流为直流电，并且在开关断开之前提供至DC/DC转换器12。因此，当双向逆变器13随后断开时，DC电力也能够在不受发电设备21所产生的电力的影响下连续地馈送至直流电负荷23。因此，能够平稳地驱动直流电负荷23。
[0051]而且，整流器17的整流后的输出被输入至DC/DC转换器12中，因此整流器17不必一定需要以稳定电压输出直流电，而可输出脉冲电流。因此，在整流器17中能够采用具有单个二极管的半波整流器电路或具有二极管桥的全波整流器电路的简单结构。
[0052]应注意，本发明不限于上述实施方式，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下能够进行各种修改。例如，在图1中，直流电负荷可连接在双向逆变器13与电网互连开关14之间，并且直流电负荷可由发电设备21或电网22供电。而且，DC/DC转换器12可设有图1中的直流电输入单兀11的功能。同样地，双向逆变器13可设有交流电输入/输出单元15的功能。DC/DC转换器12的MPPT功能可进行控制，从而当AC开关16处于ON时始终暂停MPPT功能的操作。两个电网互连开关14也可设置为串联。
[0053]参考标号列表
[0054]10:功率调节器
[0055]11:直流电输入单元
[0056]12:DC/DC 转换器
[0057]13:双向逆变器
[0058]14:电网互连开关
[0059]15:交流电输入/输出单元
[0060]16:AC 开关
[0061]17:整流器
[0062]18:直流电输出单元[0063]19:控制单元
[0064]21:发电设备
[0065]22:商业电力网(电网)
[0066]23:直流电负荷。
【权利要求】
1.一种功率调节器，包括: DC/DC转换器,配置为接收由发电设备输出的直流电的输入； 直流电输出单元，配置为将来自所述DC/DC转换器的直流电输出至外部单元； 电网互连开关，配置为连接至商业电力网； 逆变器，配置为经过所述电网互连开关连接至所述商业电力网，并且通过将来自所述DC/DC转换器的直流电输出转换为交流电并将该交流电输出至所述商业电力网来执行DC/AC转换； AC开关，连接至所述电网互连开关的、所述商业电力网的一侧； 整流器，配置为经过所述AC开关连接至所述商业电力网，所述整流器对来自所述商业电力网的交流电进行整流并将整流后的电流输出至所述DC/DC转换器；以及 控制单元，当所述电网互连开关在预定的断开条件下断开时，所述控制单元被配置为在所述电网互连开关断开之前使所述AC开关连接。
2.根据权利要求1所述的功率调节器，其中， 当使所述AC开关连接时，所述控制单元在所述发电设备发电的情况下，使所述发电设备输出的直流电的电压与来自所述整流器的整流后的电压一致。
3.根据权利要求2所述的功率调节器，其中， 所述DC/DC转换器具有对`由所述发电设备输出的直流电进行最大功率点跟踪的功能，以及 所述控制单元暂停所述最大功率点跟踪的功能的操作，并使所述发电设备输出的直流电的电压与来自所述整流器的整流后的电压一致。
4.根据权利要求3所述的功率调节器，其中， 所述功率调节器连接至作为所述发电设备的、包括太阳能板的设备。
5.根据权利要求1所述的功率调节器，其中， 所述控制单元在所述预定的断开条件下使所述电网互连开关断开并使所述AC开关连接，所述预定的断开条件为所述商业电力网的电网电压和电网频率中的一个偏离预定范围。
6.根据权利要求5所述的功率调节器，其中， 所述控制单元在自检测到所述预定的断开条件起的第一时间间隔内使所述电网互连开关断开并使所述AC开关连接。
7.根据权利要求5所述的功率调节器，其中， 所述第一时间间隔为两秒。
8.根据权利要求1所述的功率调节器，其中， 在使所述电网互连开关断开并使所述AC开关连接后，当自所述电网互连开关断开后经过了第二时间间隔时，所述控制单元执行电网互连恢复过程。
9.根据权利要求8所述的功率调节器，其中， 所述第二时间间隔为10秒。
10.根据权利要求8所述的功率调节器，其中， 作为所述电网互连恢复过程，所述控制单元在不满足所述预定的断开条件时使所述电网互连开关连接并使所述AC开关断开。
11.根据权利要求10所述的功率调节器，其中， 当使所述电网互连开关连接时，所述控制单元在使所述AC开关断开之前将所述电网互连开关连接。
12.根据权利要求8所述的功率调节器，其中， 所述DC/DC转换器具有对由所述发电设备输出的直流电进行最大功率点跟踪的功能，以及 当执行所述电网互连恢复过程时，所述控制单元开始用于所述最大功率点跟踪的功能的操作。
13.根据权利要求1所述的功率调节器，其中， 所述逆变器是双向逆变器并且还被配置为通过将来自所述商业电力网的交流电转换为直流电并将该直流电输出至所述直流电输出单元来执行AC/DC转换，以及所述双向逆变器选择性地执行所述DC/AC转换和所述AC/DC转换。
14.一种用于控制功率调节器的方法，所述功率调节器包括: DC/DC转换器,配置为接收由发电设备输出的直流电的输入； 直流电输出单元，配置为将来自所述DC/DC转换器的直流电输出至外部单元； 电网互连开关，配置为连接至所述商业电力网；以及 逆变器，配置为经过所述电网互连开关连接至所述商业电力网，并且通过将来自所述DC/DC转换器的直流电输出转换为交流电并将该交流电输出至所述商业电力网来执行DC/AC转换；所述方法包括: 将AC开关连接至所述电网互连开关的、所述商业电力网的一侧； 将整流器配置为经过所述AC开关连接至所述商业电力网、对来自所述商业电力网的交流电进行整流、以及将整流后的电流输出至所述DC/DC转换器；以及 将控制单元配置为:当所述电网互连开关在预定的断开条件下断开时，在所述电网互连开关断开之前使所述AC开关连接。
15.一种包括发电设备和功率调节器的发电系统，其中， 所述功率调节器包括: DC/DC转换器,配置为接收由发电设备输出的直流电的输入； 直流电输出单元，配置为将来自所述DC/DC转换器的直流电输出至外部单元； 电网互连开关，配置为连接至商业电力网； 逆变器，配置为经过所述电网互连开关连接至所述商业电力网，并且通过将来自所述DC/DC转换器的直流电输出转换为交流电并将该交流电输出至所述商业电力网来执行DC/AC转换； AC开关，连接至所述电网互连开关的、所述商业电力网的一侧； 整流器，配置为经过所述AC开关连接至所述商业电力网，所述整流器对来自所述商业电力网的交流电进行整流并将整流后的电流输出至所述DC/DC转换器；以及 控制单元，当所述电网互连开关在预定的断开条件下断开时，所述控制单元被配置为在所述电网互连开关断开之前使所述AC开关连接。
【文档编号】H02J3/38GK103688437SQ201280030937
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年6月22日 优先权日:2011年6月22日
【发明者】佐竹正臣 申请人:京瓷株式会社