高压能源采集和变换可回收能源的实用规模的电力系统及用于该系统的可视监控和控制系统的制作方法
【专利摘要】一种具有高压可回收能源采集网络的可回收能源实用规模的电力系统，所述可回收能源采集网络由直流链路连接至集中并网多相同步调节电流源逆变器系统。采集网络包括分布的可回收能源功率优化器和发射器，用于控制向并网多相同步调节电流源逆变器系统发送可回收能源。可提供用于三维视觉导向的虚拟现实显示命令和控制环境的虚拟沉浸式监控和控制系统。
【专利说明】高压能源采集和变换可回收能源的实用规模的电力系统及用于该系统的可视监控和控制系统
【技术领域】
[0001]本申请总体上涉及可回收能源实用规模的电力系统，尤其涉及高压能源采集和变换可回收能源收集和变换系统，以及用于所述系统的可视监控和控制系统，该系统采用直流-直流(DC-DC)变换器。
【背景技术】
[0002]在此所用的术语“可回收能源电力系统”指的是使用大量互联的光伏模块形成的太阳能发电厂或发电站，或者是使用大量互联的风力涡轮发电机形成的风力发电厂或发电站的实用规模的电力系统。
[0003]实用规模(从5-100兆瓦特(MWe)范围的输出容量)的太阳能光伏电力系统包括大量太阳能光伏电力收集器，诸如太阳能光伏模块，其为并列的直流-交流(DC-AC)逆变器提供直流(DC)电源，并列的DC-AC逆变器将该DC电源转为交流(AC)电源。
[0004]实用规模的风力系统包括大量电互联的风力涡轮发电机。风力涡轮驱动发电机组件可以是其输出轴适当地耦合到发电机上的风力涡轮机。各种类型的发电机系统都可以耦合到风力涡轮机上。总所周知的一种这样的系统是行业指定的类型4风力涡轮机发电机电力系统，其中发电机是具有可变频率、可变电压输出的永磁同步发电机，该可变频率、可变电压输出被提供给整流器，整流器整流后的输出DC链路被提供给DC-DC逆变器。之后逆变器输出电流通过线路变压器(line transformer)进行变换，线路变压器将该逆变器输出电压电平变换成电网电压(grid voltage)电平。
[0005]对于无论是太阳能还是风力可回收能源的实用规模的电力系统，该电力系统组件明显比传统的住宅或商业规模的发电站分散在更多的土地上，从而使对该电力系统的物理可视化和控制的挑战超过了用于传统规模的发电站的典型的一条线路的集中化的控制板(typical one line centralized control board)。
[0006]本发明的一个目的是为与集中并网多相调节电流源逆变器系统相结合的高压可回收能源采集网络提供监控和控制系统，其中在采集网络中通过结合DC-DC变换器，该可回收能源采样可被分配地进行功率优化。
[0007]本发明的另一个目的是提供与集中并网多相调节电流源逆变器系统相结合的高压能源采集，以及用于实用规模的可回收能源系统的可视监控和控制系统。
[0008]本发明的另一个目的是提供用于可回收能源实用规模的电力系统的电能收集、变换、监控和控制系统，其包括被系统操作者用于电力系统的集中输入输出控制和监控的三维视觉导向的虚拟现实显不环境(a three dimensional, visually-oriented virtualreality display environment)。
【发明内容】
[0009]本发明的一个方面是可回收能源实用规模的电力系统。该系统具有高压可回收能源采集网络和集中并网多相调节电流源逆变器系统。该高压可回收能源采集网络具有多行(multiple strings)可回收能源收集器,每行有DC输出和分布在采集网络上的多个可回收能源功率优化器(power optimizer)。每个可回收能源功率优化器具有至少一个连接到多行可回收能源收集器的至少一个的能源收集器行的功率优化器输入。多个可回收能源功率优化器和发射器中的每一个具有连接到系统DC链路的高压DC输出。多个可回收能源电力优化器和发射器被排列成组(are arranged in combination),其向该系统DC链路提供单个正高压(single positive high voltage)DC输出和单个负高压(single negative highvoltage)DC输出，该系统DC链路具有连接到该系统DC链路的电接地(electrical ground)上的单个中性线(single electrical neutral)。集中并网多相调节电流源逆变器系统连接到该系统DC链路,并且具有多个可被连接至高压电网(high voltage electrical grid)的并网逆变器封装模块。
[0010]本发明的另一方面是可回收能源实用规模的电力系统。该系统具有高压可回收采集网络；集中并网多相调节电流源逆变器系统；和用于监控和控制该高压可回收采集网络和集中并网多相调节电流源逆变器系统的虚拟沉浸式系统和中心控制系统。该高压可回收能源采集网络具有多行可回收能源收集器，每行具有DC输出，以及多个可回收能源电力优化器和发射器。该多个可回收能源电力优化器和发射器中的每一个具有至少一行功率优化器输入，该功率优化器输入连接至该多行可回收能源收集器中的至少一行的DC输出。多个可回收能源电力优化器和发射器被排列成组，其向该系统DC链路提供单个正高压DC输出和单个负高压DC输出，该系统DC链路具有连接到该系统DC链路的电接地上的单个中性线。集中并网多相调节电流源逆变器系统连接到该系统DC链路，并且具有多个并网逆变器封装模块。
[0011]本发明的另一方面是从实用规模的可回收能源系统中采集、变换、监控和控制可回收能源的方法。该可回收能源包括高压可回收能源采集网络。该采集网络包括多行可回收能源采集器，多个可回收能源收集器中的每一个具有DC输出。该采集网络还包括多个可回收能源电力优化器和发射器。该多个可回收能源电力优化器和发射器中的每一个具有至少一行功率优化器输入，该功率优化器输入连接至该多行可回收能源收集器中的至少一行的DC输出。多个可回收能源电力优化器和发射器被排列成组，其向该系统DC链路提供单个正高压DC输出和单个负高压DC输出，该系统DC链路具有连接到该系统DC链路的电接地上的单个中性线。该可回收能源系统还包括集中并网多相调节电流源逆变器系统，其连接至系统DC链路并具有多个并网逆变器封装模块。本发明中，高压可回收能源采集网络的虚拟沉浸式监控在三维视觉导向的虚拟现实显示环境中执行，并且通过与三维视觉导向的虚拟现实显示环境进行通信，该高压可回收能源采集网络和该集中并网多相调节电流源逆变器系统被中心地控制。
[0012]本发明的上述和其它发面在说明书和权利要求书中进一步阐述。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]为了说明本发明，显示在附图中的是目前优选的形式；然而，应当理解本发明并不限于所述的具体排列和方式。
[0014]图1是用于收集和变换太阳能的可回收能源实用规模的电力系统以及用于电力系统的本发明的监控和控制系统的一个实施例的简化单行方块图。
[0015]图2 Ca)是可用于本发明中的太阳能功率优化器和发射器的一个实施例的图解。
[0016]图2(b)是可用于本发明中的太阳能功率优化器和发射器的另一个实施例的图解。
[0017]图3 (a)是可用于图2 (a)所示的太阳能功率优化器和发射器的谐振DC-DC变换器的一个实施例图解。
[0018]图3 (b)是可用于图2 (b)所示的太阳能功率优化器和发射器的谐振DC-DC变换器的一个实施例图解。
[0019]图4图解了当连接至DC-DC变换器的光伏行电压为低时，图3 (a)和图3 (b)所示的谐振DC-DC变换器的变换器电流接近共振的波形。
[0020]图5图解了当连接至DC-DC变换器的光伏行电压为高时，图3 (a)和图3 (b)所示的谐振DC-DC变换器的变换器电流非共振的波形。
[0021]图6所示的是太阳能发电厂的太阳能光伏模块与用于本发明的太阳能功率优化器和发射器之间互联的一个实施例。
[0022]图7是本发明的三维视觉导向的虚拟现实显示环境中的一个三维可视显示图的简化的黑白演绎。
[0023]图8是用于收集和变换风能的可回收能源实用规模的电力系统以及用于电力系统的本发明的监控和控制系统的一个实施例的简化单行方块图。
【具体实施方式】
[0024]图1是用于收集和变换太阳能的可回收能源实用规模的电力系统以及用于电力系统的本发明的监控和控制系统的一个实施例的简化单行方块图。在本实施例中，有高压太阳能光伏能源收集(也指“采集”)网络12 ;集中并网多相同步调节电流源逆变器系统14 ;以及可选的虚拟沉浸式监控和控制系统16。升压变换器18将在并网逆变器封装模块(GrIP) 14a-14d中的逆变器的输出从高压电网隔离。
[0025]高压太阳能光伏能源采集网络和集中并网多相同步调节电流源逆变器系统在专利号为8，130，518的美国专利中有进一步描述。
[0026]该虚拟沉浸式监控和控制系统包括虚拟沉浸设备看门狗(WIEW)模块16a和中心控制模块16b。
[0027] 图2示出了可以被用于图1中的高压太阳能光伏能源收集网络12中的太阳能功率优化器和发射器(SPOT)的一个实施例。图2 Ca)中的SPOT包括多个DC-DC变换器20a(本实施例中有4个)；处理器20b (本实施例中被描述为微处理器(μ P? ;以及收发器20c(本实施例中被描述为具有发射和接收天线20c’的射频RF收发器)。
[0028]图2 (a)中的4个DC-DC变换器将可变光伏“行”电压和电流变换成平行固定的高电压(例如1250伏特DC)。在本实施例中如图2 (a)所示，两个变换器的正(+ )输出并联在一起，两外两个变换器的负(_)输出并联在一起。如图2 (a)所示这4个变换器的剩余4个输出被共同一起连接以形成公共端(中性)电路(common circuit)。变换器的平行正负输出被串联连接(被夹紧)至高DC电压(例如，2.5kV DC)上的系统DC链路(图1和图2 (a)中显示为DC链路总线22)，该高DC电压是每个DC-DC变换器输出电压(例如，1.25kV DC)的两倍。参见图1的单行方块图，其中多个太阳能电力优化器和发射器(如图2 (a)所示)可被连接至多个太阳能光伏模块30。因此，图2 (a)中的4个DC-DC变换器的组合可被描述为图右侧的第一对变换器和图左侧的第二对变换器，其中第一对变换器的正输出连接形成单个正高压DC输出；第二对变换器的负输出连接形成单个负高压DC输出；并且第一对变换器的正输出连接连同第二对变换器的负输出连接形成连接至系统DC链路的公共端的单个中性连接。在本发明的其它实施例中，任何偶数个DC-DC变换器都可以被布置成输出端互联以获取单个正高压DC输出和单个负高压DC输出，该单个正高压DC输出和单个负高压DC输出具有与该4个DC-DC变换器的实施例相似的连接至系统DC链路的单个中性连接。
[0029]图3 (a)是可用于图2 (a)中的太阳能功率优化器和发射器20中的DC-DC变换器的一个图解实施例。每个DC-DC变换器有两部分组成:串联谐振全桥逆变器20a’(a seriesresonant full bridge inverter)(本实施例中显示为半导体开关设备Ql至Q4),以及滤波器和单个整流器的组合输出部分20a’ ’。这两部分通过高频(IOkHz到20kHz的范围)变压器Tx被彼此隔离。从位于端子I和2上的光伏行源的输入端获取的电源随逆变器工作频率而变化。输入电流(Idc)和电源(E)由图2 (a)中的处理器20b测量，该处理器调整逆变器的工作频率使得DC-DC变换器在最大功率点值(maximum power point value)处运行。变换器的输入逆变器的工作频率在共振附近变化，共振由图3 (a)中的形成串联谐振环的感应器Ltank和电容器Ctank的值限定。随着频率接近共振点，逆变器从输入光伏行获得更多的电流，导致光伏行电压下降。如下面进一步描述的，处理器20b的一个功能为将光伏行电压和电流的数学结果维持在最大功率点值处。图4示出了当输入光伏行电压为低时接近共振时的逆变器输出电流，以及图5示出了当输入光伏行电压为高时非共振时的逆变器输出电流。
[0030]处理器20b可以是与I/O设备通信的微处理器，该I/O设备感测每个DC-DC变换器20a的输入端的行电压和电流。该处理器在每个变换器的输入出行电压和电流，并且通过执行具有最大功率点跟踪(MPPT)算法的计算机代码来控制对每个变换器的操作以从每个太阳能光伏模块行采集最大功率。例如，该算法可包括“扰动观察”子程序，通过该子程序DC-DC变换器的工作频率可以有少量变换，并且该MPPT算法决定是否随着频率扰动增加或减少采集的功率。
[0031]如果在本发明具体实施例中采用收发器20c，该收发器20c发送电力系统数据给沉浸式监控和控制系统。该电力系统数据可以包括:行电压量；行电流量；行功率量；SP0T输出电流量；SP0T工作温度和SPOT工作状态数据，诸如是否SPOT在来自所有输入光伏行的全最大输入功率(full maximum input power)下工作,还是在来自至少一些输入光伏行的有限输入功率下运行。收发器20c接收电力系统数据，该电力系统数据包括电力系统限制命令数据和电力系统的开关机状态或控制。例如，可以通过检测是否特定的DC-DC变换器处于可操作的震荡状态(电力系统处于开机状态)来确定电力系统的开机或关机状态。远程电力系统的开机或关机命令(来自中心控制模块)可用于促进SPOT的维修。一种收发器20c发送和接收的方法是通过网格无线电系统(mesh radio system)。
[0032]图2 (b)示出了可选的太阳能功率优化器和发射器(SPOT)，该太阳能功率优化器和发射器用于图1中的高压太阳能光伏能源收集网络12的一些实施例中。图2 (b)中的SP0T25包括多个双整流器DC-DC变换器25a (本实施例中为4个)；处理器20b (本实施例中被描述为微处理器(μ P? ;以及收发器20c (本实施例中被描述为具有发射和接收天线20c’的射频RF收发器)。
[0033]图2 (b)中的4个双整流器DC-DC变换器将可变光伏“行”电压和电流变换成平行固定高电压(例如1250伏特DC)。在本实施例中如图2 (b)所示，变换器的4个正(+ )输出并联在一起形成至正DC链路的连接，变换器的4个负(_)输出并联在一起形成至负DC链路的连接。如图2 (b)所，这4个变换器的剩余八个输出被共同一起连接以形成至中性线(COMMON)的公共端连接(a common connection)。变换器的平行正负输出被并联连接(被夹紧)至高DC电压(例如，2.5kV DC)上的系统DC链路(图1和图2 (b)中显示为DC链路总线22)，该高DC电压是每个DC-DC变换器输出电压(例如，1.25kV DC)的两倍。参见图1的单行方块图，其中多个太阳能电力优化器和发射器(如图2 (b)所示)可被连接至多个太阳能光伏模块30。因此，图2 (a)中的4个DC-DC变换器的组合可被描述为4个DC-DC变换器组合，每个变换器具有一对整流器，一个整流器被指定为正整流器(REC2)，另一整流器被指定为负整流器(REC1)。所有正整流器的正输入被连接在一起形成单个正高压DC输出；所有负整流器的负输入被连接在一起形成单个负高压DC输出；负整流器的正连接连同正整流器的负连接被连接在一起形成至系统DC链路的公共端的单个中性连接。在本发明的其它实施例中，任何偶数个DC-DC变换器都可以被布置成输出端互联以获取单个正高压DC输出和单个负高压DC输出，该单个正高压DC输出和单个负高压DC输出具有与该4个DC-DC变换器的实施例相似的连接至系统DC链路的单个中性连接。
[0034]图3 (b)是可用于图2 (b)中的太阳能功率优化器和发射器25中的DC-DC变换器的一个图解实施例。每个DC-DC变换器有两部分组成:串联谐振全桥逆变器25a’(本实施例中显示为半导体开关设备Ql至Q4)，以及组合的两个(成倍或成对)输出滤整流器和滤波器部分25a’’。这两部分通过高频(10kHz到20kHz的范围)变压器Tx被彼此隔离。从位于端子I和2上的光伏行源的输入端获取的电源随逆变器工作频率而变化。输入电流(Idc)和电源(E)由图2 (b)中的处理器20b测量，该处理器调整逆变器的工作频率使得DC-DC变换器在最大功率点值处运行。变换器的输入逆变器的工作频率在共振附近变化，共振由图3 (b)中的形成串联谐振环的感应器Ltank和电容器Ctank的值限定。随着频率接近共振点，逆变器从输入光伏行获得更过的电流，导致光伏行电压下降。如下面进一步描述的，处理器20b的一个功能为将光伏行的电压和电流的数学结果(mathematical product)维持在最大功率点值处。图4示出了当输入光伏行电压为低时接近共振时的逆变器输出电流，以及图5示出了当输入光伏行电压为高时非共振时的逆变器输出电流。
[0035]对图2 (a)、图2 (b)、图3 (a)和图3 (b)中利用的DC-DC变换器的控制可以通过逆变器控制器改变DC-DC变换器中利用的逆变器部分的开关设备(本实施例中为半导体Ql至Q4)的连通频率来执行。
[0036]对DC-DC变换器的另一种控制可以在每个周期内通过逆变器控制器改变DC-DC变换器中利用的逆变器部分的开关设备的传导时间(duration of conduction)来执行，同时维持固定的近共振频率(fixed near resonant frequency)。
[0037]可选地，对DC-DC变换器的另一种控制可以通过将改变连通频率和改变逆变器开关设备的导通时间(duration of conduction)结合起来执行。也就是说,变换器控制可以通过在一个范围内(in a first range)改变逆变器开关设备的连通频率(commutationfrequency),以及在维持固定的共振频率在又一个范围(in a second range)的同时在每个周期内改变逆变器开关设备的导通时间来执行。可变频率范围在共振频率的附近，而逆变器开关设备的固定频率和可变导通时间在远离共振的范围内，。
[0038]图2 Ca)和图2 (b)所示的本发明的实施例利用了太阳能功率优化器和发射器，每个光伏行31可包括20-25个光伏模块。取决于太阳能源系统参数，诸如太阳辐照量、阴影或者环境恶化，每行的输出通常在1-10安培DC (在400-1000伏特，DC)。一组4个太阳能光伏模块可被连接至图2 (a)和图2 (b)所示的多个SPOT，以为具有4个行输入的每个SPOT产生大约200-6250 “瓦特/输入行”，最大值为25000瓦特。
[0039]图6示出了利用本发明的太阳能功率优化器和发射器的可回收能源实用规模的电力系统的互联的实施例。最大数量的太阳能两个优化器和发射器，例如20个，可共享每个SPor水平的”总线21a、21b、21c…21x，如图6所示。例如SPOT水平总线21a具有20个连接至总线的太阳能功率优化器和发射器21al至21a20。这些互连的20个太阳能功率优化器和发射器以及连接至这20个太阳能功率优化器和发射器的光伏模块包括光伏能源采集阵列21，其表示图1图解示出的高压光伏能源收集网络12的一部分，并且能从太阳辐射产生500kW的最大值。光伏能源米集阵列21可包括4 (光伏)行光伏模块,该4 (光伏)行光伏模块连接至阵列21中的20个太阳能功率优化器和发射器中的每一个，每个光伏行由大约20-25个光伏模块串联组成。光伏模块的4个光伏行的组合可被看做由大约80-100个模块组成的光伏“组”，由此在有20个太阳能功率优化器和组合器的阵列21内，共有1600-2000个光伏模块被连接至SPOT水平总线21a。其他包括SPOT水平总线21b…21x (其中x是个变量，代表包括光伏收集网络23的最后一个总线和阵列)的光伏能源采集阵列中的每一个也可以从太阳辐射产生500kW的最大值；图6没有示出这些其他阵列中连接至太阳能功率优化器和发射器的光伏行。每个SPOT水平总线分别连接至SPOT “竖直”总线(图6中的26a, 26b, 26c,…26x)，以连接至集中并网多相同步调节电流源逆变器系统14中的并网逆变器封装模块(14a，14b，14c和14d)。基于连接至每个太阳能功率优化器和发射器的光伏模块阵列提供最大10安培DC，这种实用的排列将形成每个SPOT竖直总线的导体尺寸限制为最大电流容量为200安培DC。`
[0040]图1中的中心控制模块16b包括用于在多个太阳能优化器和发射器和集中并网多相同步调节电流逆变器系统内的逆变器模块之间进行通信的电路，以及用于发送和接收电力系统数据，诸如收集从每个SPOT发射的数据；优选地通过安全数据链路17 (图1中虚线所示)诸如安全以太网与并网逆变器封装模块14a-4b进行通信；如果在本发明的具体实施例中使用三维数据导向的虚拟现实显示环境的话，通过例如VIEW计算机系统与三维数据导向的虚拟现实显示环境进行通信；监控被集中逆变器系统注入电网中的高压(HV)电网电压；以及监控采集系统12和变换系统14之间的DC链路22的电压；控制发送至每个并网逆变器封装模块的设定的DC输入电流量，其中设定的DC输入电流量是根据转换系统14的需求将其设定为与采集系统12产生的电流相匹配；以及相对于AC电网电压相位控制注入到电网中的AC电流相位。
[0041]在本发明的一个实施例中，能源变换系统14包括多个并网逆变器封装模块。图1和图6的系统实施例中图示了 4个并网逆变器封装模块14a-14b，通常本发明的其它系统实施例中的并网逆变器封装模块的总数在3到40的范围内。并网逆变器封装模块包括电路，该电路用于:将逆变器封装额定功率(图1中的实施例为2500kW)从DC变换成AC ;将并网逆变器封装操作参数发送(报告)给中心控制模块和三维视觉导向的虚拟现实显示环境(例如VIEW计算机)；从中心控制模块接收操作参数，诸如前一段所述的设定的DC输入电流量设定值和并网逆变器封装的输出相角(phase angle)。发送的操作参数包括:输入至并网逆变器封装模块的DC输入电流；来自并网逆变器封装模块的AC输出相电流(phase currents)；来自并网逆变器封装模块的AC输出相电压；来自并网逆变器封装模块的AC输出功率；来自并网逆变器封装模块的输出频率；并网逆变器封装模块冷却子系统中的冷却剂(如果使用的话)温度；以及选择的并网逆变器封装电路组件温度。
[0042]在本发明的一个实施例中，虚拟沉浸式监控系统是包括VIEW计算机系统的三维视觉导向的虚拟现实显示环境，该VIEW计算机系统收集采集系统信息；利用下面进一步描述的三维虚拟现实技术呈现收集的采集信息；以及基于太阳能能源可回收系统的有效辐射，预测注入到电网的电功率输出。
[0043]图7示出了本发明中虚拟沉浸式监控系统的关键因素，图7是在VIEW计算机可视显示单元上的高压太阳能光伏能源数据网络的部分显示出的三维图像的简化黑白图示。在该图示中，组成光伏行的光伏模块30相对于安装的动态外部环境是可视的，该动态外部环境包括例如组件的动态实时云影(dynamic real time cloud shading of components)。图示了 SP0T20或25的相对位置，连同来自连接至SP0T20或25的输入端的光伏行的导体91，以及SP0T20或25的输出端所连接的DC链路22。每个SPOT可被封装在大约12X12X6的外壳内，如图7所示，该外壳顶部具有用于光伏行输入的4个链接，并且3个经过(除了位于SPOT水平总线末端的SPOT)位于SPOT外壳侧面或SPOT外壳底部的输入和输出导体(如图2 (a)或图2 (b)所示的正、负和中性(公共端))。光伏模块的每个光伏组可被安装在一个结构支架上(structural supporting rack),该结构支架也可作为与光伏组相关联的太阳能功率优化器和发射器的固定结构(mounting structure)(在架子的下面或侧面)。所有的颜色解码元件、云可视化(cloud visualization)和其它下述沉浸式监控系统的显示元件都由VIEW计算机可视显示单元提供的电力系统的三维图像完成，该VIEW计算机可视显示单元是三维视觉导向的虚拟现实显示环境的一个元件。
[0044]本发明提供了用于太阳能电力的虚拟沉浸式监控和控制系统的两个实施例。如图1基座31所示的一个实施例利用固定倾斜追踪光伏阵列，另一个利用双轴追踪光伏阵列。太阳能发电厂场所的精确三维描述并入VIEW计算机显示模型中。操作者对VIEW计算机显示模型的视图可被提供在合适的计算机可视输出装置上，例如视频监控器，从无约束地穿过三维空间的虚拟摄像头视图上看到。操作者可通过合适的计算机输入装置控制摄像头穿过三维空间的运动，该计算机输入设备诸如手持控制器、操纵杆或追踪球。该运动可通过光伏阵列，并且可选地可在太阳能发电厂的独立组件的预定三维空间轨迹上。
[0045]太阳能发电厂的每个光伏行的功率输出可被显示在VIEW计算机可视显示单元上。每个光伏行可被SPOT引用(references),用来控制具有相关联行的SPOT通信性能参数的行与中心控制模块。太阳照射在太阳能发电厂上的从早到晚的光线变换可以给光伏模块提供变化的光照水平，并且会影响双轴追踪器(如果用的话)所面对的方向，使其一直垂直于日照方向。在本发明的虚拟沉浸式监控系统的一个实施例中，功率、电流和电压值的大小通过合适的颜色强度范围来表征，用以形成VIEW计算机可视显示单元上的电力系统组件图像，电力系统组件诸如光伏模块、太阳能功率优化器和发射器、互联的电导体、与并网逆变器封装模块相关的开关组件，颜色强度是与电力系统组件相关的功率、电流和电压量值的函数。
[0046]在本发明的一个实施例中，光伏行模块的额定输出的颜色编码由连续色谱的阴影(shade )完成，该连续色谱范围从表示行以全功率运行的亮蓝色到小于全功率的暗蓝色，并且最后到黑色表示功能行产生零功率。颜色变换与额定功率输出成线性关系。由于设备故障而不产生功率的任何行被可视地显示为红色，以将其和产生零功率的正常行区分开。电力系统电导体可被显示绿色以表示通过其的电流大小，亮绿色表示更高的电流水平，暗绿色表示更低的电流水平。导体出现故障或失灵时显示为红色。每个SPOT可由黄色表示，更高的电流水平用亮黄色表示，更低的电流水平用更暗的黄色表示。出现失灵或故障的SPOT外壳用红色显示。逆变器、变压器、电网开关设备和其它组件可由自然颜色(naturalcolor)呈现。可将有源电表图像图标(active meter graphic icon)诸如千瓦放置在可视显示(例如，在放在可视显示的角上)的合适位置，可视显示用于显示在合适单元中产生的实时总电功率。操作者可控的可视显示指示图标可被操作者用于可视地在电表图像图标中显示功率输出的详细信息和具有唯一标示符的系统元件产生的能量，该唯一标示符是诸如元件的编号。
[0047]在虚拟沉浸式监控系统中，云图像(the image of a cloud)可有光伏板表面生成的阴影来重构。通过从太阳能发电场中的一部分采集的的光伏电功率的下降变量来检测阴影。
[0048]系统可包括预测算法的执行，基于相对于站点的云移动参数(云方向和速度)，该算法可视地显示接近未来时间(at near time in the future)(例如，实时的从现在起10分钟)的系统的功率输出。
[0049]在本发明的一个实施例模型中，可视化可通过在VIEW计算机可视显示单元上的专用可视层来完成，以使得通过接通或关闭所选择的显示层来激活设备(例如，做成的透明的光伏模块)和突出(highlight)电力系统的不同阶段。
[0050]图8是用于收集和变换风能的可回收能源实用规模的电力系统以及用于电力系统的本发明的监控和控制系统的一个实施例的简化单行方块图。永磁同步发电机产生的变频AC功率被AC-AC变换器51整流，然后被应用到风力功率优化器和发射器(WP0T)40。风力功率优化器和发射器将最适负载应用到同步发电机，用于在最大功率点值处运行风力涡轮机。风力功率优化器和发射器与太阳能功率优化器和发射器相似，处理其通常但不绝对的，采用单个DC-DC变换器，而不是如图2 (a)或图2 (b)所示用于太阳能功率优化器和发射器的4个DC-DC变换器(或其它偶数个DC-DC变换器)。一个或更多个风力功率优化器和发射器的输出通过高压DC链路42连接至集中并网多相同步调节电流源逆变器系统14，其中该系统采用三个或更多个并网逆变器封装模块，例如图8中所示的模块14a-14b。
[0051]如果在本发明的特定实施例中使用了虚拟沉浸式监控系统，则该虚拟沉浸式监控系统与一个或更多的风力功率优化器和变压器和并网逆变器封装模块通信，以可视化地在VIEW计算机显示单元上描述风力发电厂的运行。三维可视导向的显示环境包括风力发电厂的三维地形层(terrain layer)。可使用通用性的风力发电机。根据涡轮机的数量，可选择合适数量的并网逆变器封装，其中每个涡轮机有大约1.5MW，并且每个并网逆变器封装有
2.5兆瓦特(MW)的额定功率。虚拟沉浸式监控系统的可视化被排列，使得并网逆变器处在前景(foreground)中，并且涡轮机和至逆变器系统的连接都清晰可见。可将变压器放置在逆变器旁边，并且放在放置逆变器的建筑物的外面。风力涡轮机的输出的可视化可以是功率计图像图标(power meter graphic icon),该功率计图像图标被层放在三维视觉导向的显示环境上，具有至少实时功率输出和可选地具有数值或图像形式的历史数据。
[0052]上述描述的用于太阳能能源系统的虚拟沉浸式系统元件也可以被应用到用于风力能源系统的虚拟沉浸式系统，除非该元件特别强调元件或功能唯一地用于太阳能能源而不是风力能源。
[0053]本发明依据优选例子和实施例进行了描述。除去特别强调的那些，任何等价、替代和修改，都可在本发明的范围之内。
【权利要求】
1.可回收能源、实用规模电力系统，包括: 高压可回收能源采集网络，包括: 多行可回收能源收集器，所述多行可回收能源收集器的每一行有DC输出； 多个可回收能源功率优化器和发射器，所述多个可回收能源功率优化器和发射器的每一个具有至少一个行功率优化器输入，所述行功率优化器输入连接至至少一个所述多行可回收能源收集器的所述DC输出，所述多个可回收能源功率优化器和发射器的每一个具有连接至系统DC链路的高压DC输出，所述多个可回收能源功率优化器和发射器的每一个被设置为将单个正高压DC输出和单个负高压DC输出连接至所述系统DC链路，所述系统DC链路具有连接至系统DC链路接地线的单个电中性线；以及 集中并网多相同步调节电流源逆变器系统，所述集中并网多相同步调节电流源逆变器系统具有多个并网逆变器封装模块，所述多个并网逆变器封装模块的每一个具有连接至所述系统DC链路的输入。
2.根据权利要求1所述的可回收能源、实用规模电力系统，其中，所述多行可回收能源收集器的每一行包括多个太阳能光伏模块，并且所述多个可回收能源功率优化器和发射器的每一个包括: 至少一对DC-DC变换器，所述至少一对DC-DC变换器的每一个具有行逆变器输入和变换器对DC链路输出，所述行逆变器输入连接至所述至少一个行功率优化器输入，并且所述变换器对DC链路输出连接至所述高压DC输出；以及 处理器，用于感测和监控所述至少一对DC-DC变换器的每一个的行逆变器输入的电压和电流，以及用于控制所述至少一对DC-DC变换器的每一个在最大功率点。
3.根据权利要求1或2所述的可回收能源、实用规模电力系统，进一步包括逆变器控制器，所述逆变器控制器用于控制所述多个可回收能源功率优化器和发射器中的每一个中的多个逆变器开关设备的连通频率。
4.根据权利要求1或2所述的可回收能源、实用规模电力系统，进一步包括逆变器控制器，所述逆变器控制器用于在维持固定的近共振频率的同时控制周期内所述多个可回收能源功率优化器和发射器中的每一个中的多个逆变器开关设备的导通时间。
5.根据权利要求1或2所述的可回收能源、实用规模电力系统，进一步包括逆变器控制器，所述逆变器控制器用于在近共振频率范围内控制所述多个可回收能源功率优化器和发射器中的每一个中的多个逆变器开关设备的连通频率，以及将固定频率维持在非共振范围内的同时控制周期内所述多个可回收能源功率优化器和发射器中的每一个中的多个逆变器开关设备的导通时间。
6.根据权利要求1所述的可回收能源、实用规模电力系统，其中所述多行可回收能源收集器的每一行包括多个太阳能光伏模块，并且所述多个可回收能源功率优化器和发射器的每一个包括: 4个DC-DC变换器的组合，所述4个DC-DC变换器的每一个包括独立的第一和第二对DC-DC变换器，所述4个DC-DC变换器的组合的每一个具有连接至所述至少一个行功率优化器输入的每一个的行逆变器输入，和由单个整流器提供的正变换器输出和负变换器输出，第一对独立的DC-DC变换器具有平行连接至单个正高压输出的正变换器输出，所述正高压输出连接至所述系统DC链路，以及第二对独立的DC-DC变换器平行连接至单个负高压输出的负变换器输出，所述负高压输出连接至所述系统DC链路，所述第一对独立的DC-DC变换器的负变换器输出和所述第二对独立的DC-DC变换器的正变换器输出共同一起连接至所述单个电中性线。 处理器，用于感测和监控所述4个DC-DC变换器的每一个的行逆变器输入的电压和电流，以及用于控制所述4个DC-DC变换器的每一个在最大功率点；以及 收发器，所述收发器连接至天线，所述天线用于发射和接收多个高压可回收能源采集系统数据和多个集中并网多相同步调节电流源逆变器系统数据。
7.根据权利要求1所述的可回收能源、实用规模电力系统，其中所述多行可回收能源收集器的每一行包括多个太阳能光伏模块，并且所述多个可回收能源功率优化器和发射器的每一个包括: 多个DC-DC变换器的组合，所述4个DC-DC变换器的每一个具有连接至所述至少一个行功率优化器输入的每一个的行逆变器输入，以及成对的整流器，所述成对的整流器的每一个包括正整流器和负整流器，所述4个DC-DC变换器的组合的所述正整流器的正输出一起平行连接至所述单个正高压输出，所述单个正高压输出连接至所述系统DC链路，所述4个DC-DC变换器的组合的所述负整流器的负输出一起平行连接至所述单个负高压输出，所述单个负高压输出连接至所述系统DC链路，所述4个DC-DC变换器的组合的所述正整流器的负输出和所述多个个DC-DC变换器的组合的所述负整流器的正输出一起连接至所述单个电中性线。 处理器，用于感测和监控所述4个DC-DC变换器的每一个的行逆变器输入的电压和电流，以及用于控制所述4 个DC-DC变换器的每一个在最大功率点；以及 收发器，所述收发器连接至天线，所述天线用于发射和接收多个高压可回收能源采集系统数据和多个集中并网多相同步调节电流源逆变器系统数据。
8.根据权利要求1或2所述的可回收能源、实用规模电力系统，进一步包括: 装置，用于在所述多个太阳能优化器和发射器和所述多个并网逆变器封装模块之间进行通信； 装置，用于发送和接收多个高压可回收能源采集网络数据和多个集中并网多相同步调节电流逆变器系统数据。
9.根据权利要求6所述的可回收能源、实用规模电力系统，其中所述4个DC-DC变换器的每一个进一步包括变频可控谐振逆变器，所述变频可控谐振逆变器具有连接至所述行逆变器输入的谐振逆变器输入和通过隔离变压器连接至所述单个整流器的输入的谐振逆变器输出，所述单个整流器具有连接至所述正整流器和负整流器输出的输出，以及用于通过改变所述变频可控谐振逆变器的工作频率来将所述4个DC-DC变换器的每一个控制在最大功率点的处理器。
10.根据权利要求7所述的可回收能源、实用规模电力系统，其中所述4个DC-DC变换器的每一个进一步包括变频可控谐振逆变器，所述变频可控谐振逆变器具有连接至所述行逆变器输入的谐振逆变器输入和通过隔离变压器器连接至所述成对整流器的输入的谐振逆变器输出，以及用于通过改变所述变频可控谐振逆变器的工作频率来将所述4个DC-DC变换器的每一个控制在最大功率点的处理器。
11.根据权利要求1所述的可回收能源、实用规模电力系统，其中所述多行可回收能源收集器的每一个包括多个风力涡轮机驱动的AC发电机，所述风力涡轮机驱动的AC发电机具有整流的dc输出，并且所述多个可回收能源功率优化器和发射器的每一个包括: 至少一对DC-DC变换器，所述至少一对DC-DC变换器的每一个具有行逆变器输入和变换器对DC链路输出，所述行逆变器输入连接至所述至少一个行功率优化器输入，以及所述变换器对DC链路输出连接至所述高压DC输出；以及 处理器，用于感测和监控所述至少一对DC-DC变换器的每一个的行逆变器输入的电压和电流，以及用于控制所述至少一对DC-DC变换器的每一个在最大功率点。
12.利用实用规模可回收能源系统采集、变换、监控和控制可回收能源的方法，包括:高压可回收能源采集网络，包括:多行可回收能源收集器，所述多行可回收能源收集器的每一行有DC输出；以及集中并网多相同步调节电流源逆变器系统，所述集中并网多相同步调节电流源逆变器系统具有多个并网逆变器封装模块，所述方法包括将所述多行可回收能源收集器的所述DC输出优化至最大功率点的步骤，使多个可回收能源功率优化器和发射器分布在所述高压可回收能源采集网络内，并且使多个可回收能源功率优化器和发射器被设置成提供具有单个电中性线的单个正高压DC输出和单个负高压DC输出，以及通过系统DC链路将单个正和负高压DC输出和所述多个可回收能源功率优化器和发射器的所述单个电中性线连接至所述集中并网多相同步调节电流源逆变器系统，所述系统DC链路具有正、负和公共总线，所述正、负和公共总线分别连接至所述单个正高压DC输出、所述单个负高压DC输出和单个电中性线。
13.可回收能源、实用规模电力系统，包括: 高压可回收能源采集网络，包括: 多行可回收能源收集器，所述多行可回收能源收集器的每一行有DC输出； 多个可回收能源功率优化器 和发射器，所述多个可回收能源功率优化器和发射器的每一个具有至少一个行功率优化器输入，所述行功率优化器输入连接至至少一个所述多行可回收能源收集器的所述DC输出，所述多个可回收能源功率优化器和发射器的每一个具有连接至系统DC链路的高压DC输出，所述多个可回收能源功率优化器和发射器的每一个被设置将单个正高压DC输出和单个负高压DC输出连接至所述系统DC链路，所述系统DC链路具有连接至系统DC链路的接地线的单个电中性线；以及 集中并网多相同步调节电流源逆变器系统，所述集中并网多相同步调节电流源逆变器系统具有多个并网逆变器封装模块，所述多个并网逆变器封装模块的每一个具有连接至所述系统DC链路的输入，以及 虚拟沉浸式监控系统和中心控制系统，用于监控和控制所述高压可回收能源采集网络和所述集中并网多相同步调节电流源逆变器系统。
14.根据权利要求13所述的可回收能源、实用规模电力系统，其中，所述多行可回收能源收集器的每一行包括多个太阳能光伏模块，并且所述多个可回收能源功率优化器和发射器的每一个包括: 至少一对DC-DC变换器，所述至少一对DC-DC变换器的每一个具有行逆变器输入和变换器对DC链路输出，所述行逆变器输入连接至至少一个行功率优化器，并且所述变换器对DC链路输出连接至所述高压DC输出；以及 处理器，用于感测和监控所述至少一对DC-DC变换器的每一个的行逆变器输入的电压和电流，以及用于将所述至少一对DC-DC变换器的每一个控制在最大功率点。
15.根据权利要求13或14所述的可回收能源、实用规模电力系统，进一步包括逆变器控制器，所述逆变器控制器用于控制所述多个可回收能源功率优化器和发射器中的每一个中的多个逆变器开关设备的连通频率。
16.根据权利要求13或14所述的可回收能源、实用规模电力系统，进一步包括逆变器控制器，用于在维持固定的近共振频率的同时控制周期内所述多个可回收能源功率优化器和发射器中的每一个中的多个逆变器开关设备的导通时间。
17.根据权利要求13或14所述的可回收能源、实用规模电力系统，进一步包括逆变器控制器，所述逆变器控制器用于在近共振频率范围内控制所述多个可回收能源功率优化器和发射器中的每一个中的多个逆变器开关设备的连通频率，以及在将固定频率维持在非共振范围内的同时控制周期内所述多个可回收能源功率优化器和发射器中的每一个中的多个逆变器开关设备的导通时间。
18.根据权利要求13所述的可回收能源、实用规模电力系统，其中所述多行可回收能源收集器的每一行包括多个太阳能光伏模块，并且所述多个可回收能源功率优化器和发射器的每一个包括: 4个DC-DC变换器的组合，所述4个DC-DC变换器的每一个包括独立的第一和第二对DC-DC变换器，所述4个DC-DC变换器的组合的每一个具有连接至所述至少一个行功率优化器输入的每一个的行逆变器输入，和由单个整流器提供的正变换器输出和负变换器输出，第一对独立的DC-DC变换器具有平行连接至单个正高压输出的正变换器输出，所述正高压输出连接至所述系统DC链路，以及第二对独立的DC-DC变换器平行连接至单个负高压输出的负变换器输出，所述负高压输出连接至所述系统DC链路，所述第一对独立的DC-DC变换器的负变换器输出和所述第二对独立的DC-DC变换器的正变换器输出共同一起连接至所述单个电中性线。 处理器，用于感测和监控所述4个DC-DC变换器的每一个的行逆变器输入的电压和电流，以及用于控制所述4个DC-DC变换器的每一个在最大功率点；以及 收发器，所述收发器连接至天线，所述天线用于将多个高压可回收能源采集系统数据和多个集中并网多相同步调节电流源逆变器系统数据发送至所述虚拟沉浸式监控系统和中心控制系统，以及从所述虚拟沉浸式监控系统和中心控制系统接收多个高压可回收能源采集系统数据和多个集中并网多相同步调节电流源逆变器系统数据。
19.根据权利要求13所述的可回收能源、实用规模电力系统，其中所述多行可回收能源收集器的每一行包括多个太阳能光伏模块，并且所述多个可回收能源功率优化器和发射器的每一个包括: 多个DC-DC变换器的组合，所述4个DC-DC变换器的每一个具有连接至所述至少一个行功率优化器输入的每一个的行逆变器输入，以及成对的整流器，所述成对的整流器的每一个包括正整流器和负整流器，4个DC-DC变换器的组合的所述正整流器的正输出一起平行连接至单个正高压输出，所述正高压输出连接至所述系统DC链路，所述4个DC-DC变换器的组合的所述负整流器的负输出一起平行连接至单个负高压输出，所述负高压输出连接至所述系统DC链路，所述4个DC-DC变换器的组合的所述正整流器的负输出和所述多个DC-DC变换器的组合的所述负整流器的正输出一起连接至所述单个电中性线。处理器，用于感测和监控所述4个DC-DC变换器的每一个的行逆变器输入的电压和电流，以及用于控制所述4个DC-DC变换器的每一个在最大功率点；以及 收发器，所述收发器连接至天线，所述天线用于将多个高压可回收能源采集系统数据和多个集中并网多相同步调节电流源逆变器系统数据发送至所述虚拟沉浸式监控系统和中心控制系统，以及从所述虚拟沉浸式监控系统和中心控制系统接收多个高压可回收能源采集系统数据和多个集中并网多相同步调节电流源逆变器系统数据。
20.根据权利要求13或14所述的可回收能源、实用规模电力系统，进一步包括: 用于在所述多个太阳能优化器和发射器和所述多个并网逆变器封装模块之间进行通信的装置； 用于发送和接收多个高压可回收能源采集网络数据和多个集中并网多相同步调节电流逆变器系统数据的装置； 用于与所述虚拟沉浸式监控系统通信的装置。
21.根据权利要求13或14所述的可回收能源、实用规模电力系统，其中，所述虚拟沉浸式监控系统包括虚拟沉浸设备看门狗计算机系统，所述虚拟沉浸设备看门狗计算机系统，用于收集多个高压可回收能源采集系统数据和多个集中并网多相同步调节电流源逆变器系统数据；用于在三维视觉导向虚拟现实环境中视觉显示所述多个高压可回收能源采集系统数据和所述多个集中并网多相同步调节电流源逆变器系统数据；以及用于基于所述多行可回收能源收集器的有效辐射，预测用于注入到高压电网的来自所述高压可回收能源采集网络的电功率输出。
22.根据权利要求18所述的可回收能源、实用规模电力系统，其中所述4个DC-DC变换器的每一个进一步包括变频可控谐振逆变器，所述变频可控谐振逆变器具有连接至所述行逆变器输入的谐振逆变器输入和通过隔离变压器连接至所述单个整流器的输入的谐振逆变器输出，所述单个整流器具有连接至所述正整流器和负整流器输出的输出，以及所述处理器用于通过改变所述变频可控谐振逆变器的工作频率来将所述4个DC-DC变换器的每一个控制在最大功率点。
23.根据权利要求19所述的可回收能源、实用规模电力系统，其中所述4个DC-DC变换器的每一个进一步包括变频可控谐振逆变器，所述变频可控谐振逆变器具有连接至所述行逆变器输入的谐振逆变器输入和通过隔离变压器器连接至所述成对整流器的输入的谐振逆变器输出，以及所述处理器用于通过改变所述变频可控谐振逆变器的工作频率来将所述4个DC-DC变换器的每一个控制在最大功率点。
24.根据权利要求13所述的可回收能源、实用规模电力系统，其中，所述多行可回收能源收集器的每一个包括多个风力涡轮机驱动的AC发电机，所述风力涡轮机驱动的AC发电机具有整流的dc输出，并且所述多个可回收能源功率优化器和发射器的每一个包括: 至少一对DC-DC变换器，所述至少一对DC-DC变换器的每一个具有行逆变器输入和变换器对DC链路输出，所述行逆变器输入连接至所述至少一个行功率优化器输入，以及所述变换器对DC链路输出连接至所述高压DC输出；以及 处理器，用于感测和监控所述至少一个DC-DC变换器的每一个的行逆变器输入的电压和电流，以及用于将所述至少一个DC-DC变换器的每一个控制在最大功率点。
25.根据权利要求13所述的可回收能源、实用规模电力系统，其中，所述虚拟沉浸式监控系统包括虚拟沉浸设备看门狗计算机系统，所述虚拟沉浸设备看门狗计算机系统用于收集多个高压可回收能源采集系统数据和多个集中并网多相同步调节电流源逆变器系统数据；以及用于在三维视觉导向虚拟现实环境中视觉显示所述多个高压可回收能源采集系统数据和所述多个集中并网多相同步调节电流源逆变器系统数据。
26.根据权利要求24所述的可回收能源、实用规模电力系统，其中，所述至少两个DC-DC变换器的每一个进一步包括变频可控谐振逆变器，所述变频可控谐振逆变器具有连接至所述至少一个行逆变器输入的每一个的谐振逆变器输入和通过隔离变压器器连接至单个整流器的输入的谐振逆变器输出，所述单个整流器具有连接至所述正整流器和负整流器输出的输出，以及所述处理器用于通过改变所述变频可控谐振逆变器的工作频率来将所述至少一个DC-DC变换器的每一个控制在最大功率点。
27.利用实用规模可回收能源系统采集、变换、监控和控制可回收能源的方法，包括:高压可回收能源采集网络，包括:多行可回收能源收集器，所述多行可回收能源收集器的每一行有DC输出；以及多个可回收能源功率优化器和发射器，所述多个可回收能源功率优化器和发射器的每一个具有至少一个行功率优化器输入，所述行功率优化器输入连接至至少一个所述多行可回收能源收集器的所述DC输出，所述多个可回收能源功率优化器和发射器的每一个具有连接至系统DC链路的高压DC输出，并且多个可回收能源功率优化器和发射器被设置成提供具有单个中性线的单个正高压DC输出和单个负高压DC输出，并且所述单个正高压DC输出、所述单个负高压DC输出和所述单个电中性线被连接至所述系统DC链路的正、负和公共总线；以及集中并网多相同步调节电流源逆变器系统，所述集中并网多相同步调节电流源逆变器系统具有多个并网逆变器封装模块；所述方法包括以下步骤:在三维视觉导向虚拟现实环境中虚拟沉浸式监控所述高压可回收能源采集网络，以及中心控制所述高压可回收能源采集网络和所述集中并网多相同步调节电流源逆变器系统与所述三维视觉导向虚拟现实环境进`行通信。
【文档编号】H02J3/38GK103688436SQ201280034496
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年5月13日 优先权日:2011年5月12日
【发明者】欧来阁·S·费什曼, 乌尔里克·K·W·施瓦布 申请人:艾利肯获取有限公司