模块化逆变器系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请按35U.S.C. § 119(e)要求于2012年6月25日提交的美国临时专利申请 61/663, 703的优先权，其内容通过引用的方式全部并入本文。
技术领域
[0003] 本实用新型一般涉及功率转换，尤其涉及在功率转换系统中使用的逆变器模块。【背景技术】
[0004] 功率转换系统通常是指一种将获得的天然存在的能源转换为电力的系统。天然存 在的能源的示例尤其包括石油、煤、天然气、核能、水能、风能和太阳能。光伏（PV)系统是指 一种利用太阳能电池板将光能转换成电能的系统。PV系统具有许多不同的尺寸。小型的 PV系统可用于为例如是灯的小型独立设备提供电功率。另一方面，所述PV系统可以耦合到 电力网，从而满足许多用户的能量需求。
[0005] 太阳电池板PV模块产生直流（DC)功率。在给定阵列中的PV模块通常串联连接， 以获得指定的电压。这些串联排列在本领域中通常被称为"串"。随后，各种PV串然后被并 联连接以获得指定的电流。如果所述PV系统被连接到所述电网，所述系统包括被配置为将 DC功率转换成交流（AC)功率的逆变器系统。术语"电网"指的是公共电力网，因此，并网PV 系统提供了具有AC功率的公共电力网。
[0006] 逆变器通常由级联的例如绝缘栅双极晶体管（IGBT)的电子开关器件组成。当通 过电子开关的控制系统触发其时，开关网络中的每个电子开关产生脉冲。在网络中的各种 脉冲被组合以形成近似于正弦波形的步进阶梯波形。这种方法的一个缺点为如下的经验法 贝1J:步进输出电压越接近纯正弦波，逆变器越昂贵。
[0007] 使用为公共电网提供功率的光伏系统，将随着对功率需求的广泛增长而变得越来 越有吸引力。参照图l(a)-l(d)，四个图表提供了传统的PV逆变器的历史回顾。并网逆变 器为PV功率转换系统的关键部件之一，并且基本上存在三种类型：在图1(a)中所示的集中 式逆变器系统；图1 (b)说明了串技术以及图1 (c)说明了多串技术；和图1 (d)说明了AC模 块和AC电池技术。这些方法中的每一种方法都具有必须仔细考虑的优点和缺点。因此，实 现这些系统通常变现出对各种系统属性的折衷，这些系统属性例如是谐波抑制能力、简单 性、效率、灵活性、可靠性、安全性、模块化和成本。
[0008] 对于中等功率应用，认为图l(b)_(c)中示出的串或多串技术是最适合的配置，其 中PV电池的一个或多个串被连接到单个逆变器。与集中式配置不同，此拓扑提供灵活性来 优化用于特定应用功率水平的串和逆变器的数量，以提高总效率并减少损耗。多串系统是 若干PV串与并网逆变器的组合，并且被许多人视为上述折衷有希望的解决方案，因为它有 望同时获得例如设计灵活、便于放大和高效率的益处。
[0009] 参照图2,示出了相关技术并网逆变器系统2的图解描述。在图2中示出的逆变器 2是无变压器的半桥二极管钳位三电平逆变器。本质上，所述控制系统导通开关S1和S2,以 提供正向输出电压，而导通开关S2和S3以提供零电压输出。最后，当开关S3和S4被导通 时，提供负向电压。这种拓扑的主要缺点是在正向电网电压期间，仅加载第一串（#1)，然而 在负向电网电压期间，仅加载第二串（#2)。相应地，去耦电容器（C1和C2)必须相对较大。 此外，这种拓扑缺乏模块化，因为不同地加载每一串，难以增加附加的串来提高电压电平。
[0010] 图3涉及另外的相关技术光伏逆变器3。逆变器3包括连接两个PV串的两电平电 压源逆变器（VSI)。与图2的系统相比较，必须使所述逆变器3的开关频率加倍，以便使用 相同或相似大小的电网的电感器，因为它只能产生双电平输出电压。优点在于各自最大峰 值功率跟踪器（MPPT)可以应用于每个串，并且通过在另一个PV串添加晶体管，电容器和电 感器轻易地获得进一步的扩大。这种拓扑的缺点在于其本身的降压特性；即最小输入电压 总是必须大于最大的电网电压。
[0011] 参照图4,示出了传统的三串逆变器4的图解描述。在相关技术的逆变器中，DC-DC 转换器是具有嵌入HF变压器和桥式整流器的基于电流源的全桥逆变器。轻易地将PV串连 接到所述系统接地，并且所述PV串应该容许所述系统被扩大。然而，实际上，增加功率比是 困难的，这是因为电网接口逆变器的配置是固定的并且有效地限制系统的扩展。
[0012] 逆变器系统所需要的是：提供具有改进的功率效率的模块化解决方案。还需要采 用了"即插即用"概念的逆变器系统。换句话说，系统设计人员将欢迎和赞赏能容易地调节 附加的PV串和逆变器模块来增加功率比的系统。事实上，这样的系统为设计人员提供了为 任何用户规范定制所述系统的自由，无论其功率要求是大或小。提供的系统都优化了设计 的灵活性和简便性。 【实用新型内容】
[0013] 本实用新型解决了上述需求，并涉及一种可在分布式PV系统中使用的模块化多 脉冲逆变器，并且其被配置为连接到公用电力网。本实用新型以改进的功率效率为特征，因 为它在中和高功率应用中在线路频率以相对较低的成本进行操作。本实用新型还以模块化 的解决方案为特征，由于当期望增加功率比时，本实用新型的系统容易地调节附加的PV串 和逆变器模块，所述模块化的解决方案采用了 "即插即用"的概念。事实上，本实用新型为 设计人员提供了为任何用户规范定制所述系统的自由，无论其功率要求是大或小。这种自 由对优化设计灵活性和简单性大有帮助。
[0014] 本实用新型的一个方面涉及一种模块化逆变器系统。所述系统包括至少一个逆变 器模块，所述逆变器模块包括第一逆变器，所述第一逆变器具有多个第一开关元件，所述第 一开关元件耦合到直流（DC)电压并根据基于所述至少一个AC相位信号的第一组控制信号 来触发。所述第一逆变器提供了具有预定谐波分量的第一电压信号。所述至少一个逆变器 模块进一步包括第二逆变器，所述第二逆变器具有多个耦合到直流（DC)电压并根据相对 于所述第一组控制信号相位延迟的第二组控制信号来触发的第二开关元件。所述第二开关 逆变器提供了具有预定谐波分量的第二电压信号。至少一个变压器模块包括至少一个耦合 到所述第一逆变器的第一初级绕组和至少一个耦合到所述第二逆变器的第二初级绕组。所 述变压器模块进一步包括至少一个次级绕组，对于至少一个AC相位信号的每一个，所述次 级绕组耦合到至少一个第一初级绕组、所述至少一个第二初级绕组和所述AC电力网。所述 次级绕组被配置为通过组合所述第一电压信号和第二电压信号来为所述AC电力网提供次 级输出电压，使得所述预定的谐波分量基本上抵消。
[0015] 本实用新型附加的特征和的优点将在随后的详细描述中阐述，并且对于本领域技 术人员从说明书或通过实施本实用新型所认识到的部分附加的特征和的优点是显而易见 的，正如本文所描述的，包括在随后的权利要求书和附图中的详细描述。
[0016] 应当理解的是前述的一般描述和以下详细描述都只是本实用新型的示例，并旨在 提供用于理解如所要求保护的实用新型的性质和特征的概述或框架。附图被包括在内以提 供对本实用