多相位电力系统中的功率因子调整的制作方法
【专利说明】多相位电力系统中的功率因子调整
[0001]在先申请的权益要求
[0002]本申请要求于2013年4月16日递交的US临时申请61/812，694的权益，通过参考将其引入本文。
【背景技术】
[0003]在电力传输和配送中，无功伏安(VAR)是用于测量AC电力系统中的无功功率的单位。当电流和电压不同时改变时，AC电路中存在无功功率。VAR功率指的是电力产生系统所供应的总功率的虚分量，由于驱动无功负载使得电流和电压彼此异相而导致的。驱动感性负载导致电流滞后于电压，针对容性负载则导致电流超前于电压。
[0004]因此可以根据需要通过添加电容/电感来补偿功率的无功分量。由位移功率因子Cos(?)来指示无功功率的程度，其中Φ是电流和电压之间的相位角。传统意义上认为电容器产生无功功率，并且电感器消耗无功功率。如果并行设置电容器和电感器，则趋向于消除而不是添加流经电感器和电容器的电流。这是用于控制电力传输中的功率因子(VAR控制)的基本机制；在电路中插入电容器(或电感器)以部分地消除负载“消耗的”无功功率。
[0005]在电网要求必需对任意电网连接的电源输出进行超前或滞后控制的情况下，需要VAR控制。在来自可再生源(具体地太阳能)的电力产生正成为总电力产生的较大部分的情况下，带来新的电网要求。具体的，这些对于无功功率校正的VAR控制具有要求，否则向电网供应电力的不同源的会迫使电网在整个系统的峰值和谷值周期期间进入欠激励或过激励模式。因此，例如在德国，新标准要求吸收或输出VLR的能力，具体的从2012年1月开始新产品将强制使用的VDE4105。因此非常需要对VAR做出反应和校正和/或主动抑制VAR的能力。
【发明内容】
[0006]前述权利要求旨在充当对本发明的一些实施例的简介。它不旨在作为本文档中所公开的所有发明性主题内容的介绍或综述。以下详细说明中所参照的附图将对
【发明内容】
所描述的实施例以及其他实施例进行进一步描述。因此为了理解本文档所描述的所有实施例，需要对
【发明内容】
、详细说明和附图的全面评述。
[0007]本发明的一些实施例提供了用于可再生能源的多相位电力产生系统，其中可以选择性地切入和切出无功元件(即电容器和/或电感器)，以满足特定功率因子要求。在一些实施例中，多相位电力系统的每个相位接收来自一组逆变器所产生的功率，并且每个相位具有一组开关无功元件，用于对属于多相系统的所述特定相位的一组逆变器所产生的功率做出功率因子调整。在一些实施例中，将属于特定相位的该组逆变器的功率输出组合到一个组合AC功率输出中，并且通过该特定相位的一组开关无功元件对组合功率输出执行针对该特定相位的功率因子调整。在一些实施例中，至少一些逆变器是将来自一个或两个太阳能面板的DC功率转换为AC功率的微逆变器。
[0008]在一些实施例中，将该组开关电感器中的电感器的大小规定为它们提供可能所需的最大感性功率因子校正。在一些实施例中，一组开关电容器中的总电容足以提供系统的最大额定功率(例如12kW)上的最大所需功率因子校正(例如90% )。
[0009]在一些实施例中，该组电容器中的最小电容器值提供在最低所需操作功率处功率因子改变中的足够分辨率(例如最小所需全系统功率电平的5% )。在一些实施例中，改变最大电容器的电容，使得它们的电容是彼此功率因子的2次幂。在一些实施例中，对组中的至少一些电容器定值，使得小于给定电容器的所有电容器的和超过该给定电容器值。在一些实施例中，“大”电容器中最小的电容器小于所有“小”电容器值的和。
[0010]—些实施例提供了用于确定从一组开关电容器和/或一组开关电感器中切入或切出哪些电容器和/或电感器的算法。该算法首先用给定负载计算获得目标功率因子值所需的电容。如果所需电容是负数，则算法确定将哪些电容器切入电路中，然后计算要切入电路中的电容的平衡。针对大电容器，如果它是小于所需电容的最大电容器，则一些实施例中的算法选择用于切入的电容器。针对小电容器，一些实施例中的算法检查电容器的每个组合，以确定哪个组合产生具有最小误差的电容目标值。
[0011]在一些实施例中，系统控制器控制多相位电力供应系统。在一些实施例中，系统控制器是对于多相位电力产生系统的网关控制器，用户可以通过系统控制器来监视并控制系统的操作。在一些实施例中，系统控制器还对多相位系统的不同相位之间的功率产生操作进行协调。在一些实施例中，系统控制器收集来自系统中的每个微逆变器的功率输出读数并执行对不同相位之间的功率输出电平的平衡。然后每个相位的VAR控制使用平衡后的功率输出电平来校正该相位的功率因子。
【附图说明】
[0012]在所附权利要求中阐述了本发明的新颖特征。然而，为了解释，在以下附图中阐述本发明的若干实施例。
[0013]图1示出了包括用于执行功率因子补偿的电网要求曲线的示例功率因子图。
[0014]图2示出了具有针对每个相位的VAR控制电路的多相位电力产生系统。
[0015]图3示出了通过三相电力产生系统的示例功率因子调整/VAR控制操作。
[0016]图4a_b示出了不包括用于执行VAR控制的可切换无功元件的微逆变器。
[0017]图5示出了包括它自身用于执行VAR操作的开关电容器的集合的微逆变器。
[0018]图6示出了三相电力系统的组合器。
[0019]图7示出了三相电力系统的VAR控制器。
[0020]图8概念性地示出了执行VAR控制的过程。
[0021]图9示出了适用于通过VAR控制操作来切入的无功元件的集合。
[0022]图10示出了示例开关电容器。
[0023]图11示出了电感器组件。
[0024]图12a_b示出了开关电感器。
[0025]图13a示出了大电容器的使用。
[0026]图13b示出了小电容器的使用。
[0027]图14概念性地示出了为了执行功率因子校正而选择要切入或切出的无功元件的过程。
[0028]图15示出了当所需功率因子调整需要负电容值时的功率因子调整。
[0029]图16示出了当所需功率因子调整需要正电容值时的功率因子调整。
[0030]图17示出了其中系统控制器产生直接针对开关电容器和电感器的每一个的开关驱动的三相电力产生系统。
[0031]图18示出了其中系统控制器向VAR控制模块提供不同相位的电网电流和电压测量的三相电力产生系统。
[0032]图19示出了其中VAR控制模块直接从电网传感器获得电流和电压的电网测量的三相电力产生系统。
[0033]图20概念性地示出了执行相位平衡和VAR控制二者的多相系统的过程。
[0034]图21概念性地示出了用于实现本发明的一些实施例的计算系统的一个示例。
【具体实施方式】
[0035]在以下说明中，为了解释的目的阐述各种细节。然而本领域技术人员将认识到可以不用这些具体细节来实现本发明。在其他实例中，用框图的形式示出了熟知的结构和设备，以免不必要的细节模糊本发明的描述。
[0036]本发明的一些实施例提供了用于可再生能源的多相位电力产生系统，其中可以选择性地切入和切出无功元件(即电容器和/或电感器)，以满足特定功率因子要求。在一些实施例中，多相位电力系统的每个相位接收来自一组逆变器所产生的功率，并且每个相位具有一组开关无功元件，用于对属于多相系统的所述特定相位的一组逆变器所产生的功率做出功率因子调整。在一些实施例中，将属于特定相位的该组逆变器的功率输出组合到一个组合AC功率输出中，并且通过该特定相位的一组开关无功元件对组合功率输出执行针对该特定相位的功率因子调整。在一些实施例中，至少一些逆变器是将来自一个或两个太阳能面板的DC功率转换为AC功率的微逆变器。
[0037]在电力产生系统的一些实施例中，系统确定在任意一个时刻由属于多相位系统的特定相位的一组逆变器所提供的总的最大(额定)ac功率输出的分数。系统中的控制器在向一组无功元件发送控制信号以在该相位的组合AC功率输出两端选择性地切入或切出电容器和或电感器之前，使用该信息来确定要针对该特定相位的ac输出的而切入的所需电抗。电容器/电感器的切入/切出可以采用开/关控制以将电容器/电感器切入或切出，或者可以采用相位控制来控制电容器切入的ac周期的比例，以提供可变程度的功率因子调整或补偿。
[0038]1.具有VAR控制的多相位电力系统
[0039]AC电力系统的功率因子被定义为流向负载的实际功率与电路中的表观功率的比值。它是-1与1之间的无量纲的数。实际功率是在特定时间执行工作的电路的容量。表观功率是电路的电流和电压的乘积。由于负载中存储的并返回源的能量，或者由于使从源汲取的电流的波形失真的非线性负载，表观功率将大于实际功率。在仅具有一个频率的正弦电流和电压的线性电路中，仅由电流和电压之间的相位差引起功率因子。这被称为“位移功率因子”。
[0040]可以将位移功率因子表达为Cos(?)，其中Φ是电流和电压之间的相位角。在一些实施例中，位移功率因子用于指定无功或VAR功率。在电网要求必需对任意电网连接的电源输出进行超前或滞后控制的情况下，需要功率因子/无功功率补偿或VAR控制。一些实施例提供了一种功率产生系统，所述功率产生系统根据电网要求来执行用可切换无功元件的VAR控制，其中所述电网要求需要在功率产生系统的ac功率输出的不同电平处的特定功率因子。
[0041]图1示出了包括电网要求曲线100的示例功率因子图，一些实施例基于其来执行VAR控制或功率因子补偿。在竖直轴和水平轴上绘制电网要求曲线100。标有“P/PE_”的水平轴指示电源的输出功率电平⑵与电源的最大额定功率(PE_)的比值。标有Cos(?)的竖直轴指示特定功率电平比值处的功率因子，其中Φ是AC电流和AC电压之间的相位差。竖直轴的中心位置与φ = 0或功率因子Cos(C>) = 1.0(单位功率因子)相对应。这指示在ac电流的相位与AC电压的相位之间存在零差异(即，Φ为正)。高于Cos(?)=1.0的功率因子与其中电流超前于电压的过激励负载相对应。低于Cos(?) =1.0的功率因子与其中电流滞后于电压的过激励负载相对应(即，Φ为负正)。
[0042]在一些实施例中，要求曲线100与VDE4105要求相对应，在VDE4105要求中必须基于全部负载系统功率的百分比来连续控制功率产生系统输出高于3.68kVA的功率的功率因子。对于高于13.8kVA的电源，当功率电平比值？/^_在0%和50%之间时，要求功率因子为1.0( S卩，Φ = 0)。曲线100在50%功率电平比值之后开始线性地朝向100%功率电平比值处的欠激励(即电流滞后)的Cos(?) =0.9弯折。对于低于13.8kVA的电源，曲线100在50%功率电平比值之后开始线性地朝向100%功率电平比值处的欠激励的Cos(?)=0.95弯折。
[0043]图1还示出了无VAR控制的电源的示例功率因子曲线110。曲线110在P/PEniaJ9同一范围上(0%-100%)绘示出了该特定电源的位移功率因子。如所示出的，示例功率因子曲线110在较低功率电平处“低于”电网要求曲线100并在较高功率电平处“高于”电网要求曲线100。例如，在50%功率电平比值处，位移功率因子110低于电网要求100。这指示电流的相位滞后于电压的相位过多(或超前过少)。另一方面，在80%功率电平比值处，位移功率因子110高于电网要求曲线100。这指示电流的相位超前电压的相位过多(或滞后过少)。为了使电源符合电网的要求，一些实施例将通过执行VAR控制将位移功率因子曲线110 “移动”接近要求曲线100(8卩，使用要求曲线100作为“目标”功率因子曲线)。在这些实施例的一些中，VAR控制在功率因子低于要求曲线时使系统切入更多电容(或更少电感)，并在功率因子高于要求曲线时使系统切入更多电感(或更少电容)。
[0044]在一些实施例中，按照多相位电力产生系统的每个相位来执行参照图1所描述的VAR控制。图2示出了多相位电力产生系统200，其中电力产生系统的每个相位具有它自身的VAR控制电路，该VAR控制电路执行如针对该相位产生的功率的VAR控制。具体地，多相位电力产生系统200是产生来自三组逆变器的三相(相位A、B和C)AC功率的三相产生系统。每组逆变器接收来自一组DC电源的功率。通过组合器将由每个特定相位的逆变器产生的功率或电流组合在一起，