CN102549873B - 智能可扩展型电力逆变器 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种智能型电力逆变的方法和设备，可把包括光伏太阳能电池板在内的直流电源所发的直流电逆变为单相或三相交流电并输送给电网。多个不同型式的智能型单输入、双输入、三输入、四输入和多输入电力逆变器可方便地连接一个、两个、三个、四个和多个直流电源，将其直流电逆变成交流电，并通过串级链连接到一起；其产生的总电量等于每个智能可扩展型电力逆变器所发电量的总和。

Description

智能可扩展型电力逆变器
本申请要求2009年7月16日提交的第61/226,141号美国临时专利申请的优先权，该临时申请在此通过以引入并入本文。
本专利涉及直流电(DC)到交流电(AC)的电力逆变即把单个或多个直流电源的直流电逆变成单相或三相交流电，在这里直流电源包括但不限于光伏太阳能电池板，燃料电池，蓄电池和其它直流发电设备。更具体的说，本专利涉及一种同时具备最佳效率和***可扩展性的、可把单个或多个直流电源的直流电智慧地逆变成单相或三相交流电并供给电网的方法和设备。本发明之智能可扩展型电力逆变器包括一种创新的、独一无二的可扩展型设计，使一个直流到交流的电力逆变***可以小到只包含一个逆变器和一个直流电源，也可以大到包含许多逆变器和多个直流电源。多个智能型单输入、双输入、三输入、四输入和多输入的电力逆变器可以很容易地连接一个、两个、三个、四个和多个直流电源，将直流电逆变为交流电。通过串级链连接的多个电力逆变器产生的交流电总电量等于各个智能可扩展型电力逆变器产生的交流电的总和。
在以下的说明中，我们将用光伏(PV)太阳能发电***为例详细说明本发明。传统上，在一个光伏太阳能发电***中，来自每块太阳能电池板的直流电在一个直流转接盒中合并。直流转接盒最终的直流电输出连接到一个大型集中式DC-AC电力逆变器发电。采用集中式逆变器包括以下缺点：
1.如果逆变器损坏，整个太阳能发电***将瘫痪；
2.集中式电力逆变器需要很大的安装空间，会产生大量的热量和噪声，并且造价不菲；
3.因为太阳能发电***的整体性能受***中性能最差的太阳能电池板所制约，其电力生产将受到电池板排列或性能不一致、阳光变化或因云、树木、电池板上灰尘等造成的局部阴影的负面影响；
4.最大功率点跟踪(MPPT)只能应用在***层而不是每块太阳能电池板；
5.需要大量的设计和安装工作以保证所有的太阳能电池板都朝向一致；
6.每块太阳能电池板的直流电输出需连接至直流转接盒，从而导致布线成本高且工作繁重；
7.需使用昂贵的大容量直流电缆连接直流转接盒和集中式电力逆变器以减少电力损耗。
本专利中描述的智能可扩展性电力逆变器能够克服这些缺点，提供良好的可扩展性和灵活性，使安装一套具有最佳发电效率的太阳能发电***变得简单和具有成本效益。
在附图中：
图1用框图描述了一个智能型单输入电力逆变和优化***，包括了一个电力逆变器可将一直流电源的直流电逆变为单相交流电。
图2用框图描述了一个智能型单输入三相电力逆变和优化***，包括了一个三相电力逆变器可将一直流电源的直流电逆变为三相交流电。
图3用框图描述了一个智能型单输入电力逆变和优化***，包括了两个或多个通过串级链连接的电力逆变器，其中每个逆变器都可将一个与其连接的直流电源的直流电逆变为单相交流电。
图4用框图描述了一个智能型单输入三相电力逆变和优化***，包括了两个或多个通过串级链连接的三相电力逆变器，其中每个逆变器都可将一个与其连接的直流电源的直流电逆变为三相交流电。
图5用框图描述了一个智能型双输入电力逆变和优化***，包括了两个或多个通过串级链连接的电力逆变器，其中每个逆变器都可将两个与其连接的直流电源的直流电逆变为单相交流电。
图6用框图描述了一个智能型多输入电力逆变和优化***，包括了两个或多个通过串级链连接的电力逆变器，其中每个逆变器都可将多个与其连接的直流电源的直流电逆变为单相交流电。
图7用框图描述了一个智能型多输入三相电力逆变和优化***，包括了两个或多个通过串级链连接的电力逆变器，其中每个逆变器都可将多个与其连接的直流电源的直流电逆变为三相交流电。
图8用框图描述了一个将一个直流电源的直流电逆变为单相交流电的智能单输入电力逆变器。
图9用框图描述了一个将两个直流电源的直流电逆变为单相交流电的智能双输入电力逆变器。
图10用框图描述了一个将多个直流电源的直流电逆变为单相交流电的智能多输入电力逆变器。
图11用框图描述了一个将一个直流电源的直流电逆变为三相交流电的智能单输入三相电力逆变器。
图12用框图描述了一个将多个直流电源的直流电逆变为三相交流电的智能多输入三相电力逆变器。
图13用框图描述了一个能产生单相交流电的智能型电力逆变和优化***，包括了通过串级链连接的一个智能型单输入电力逆变器、一个智能型双输入电力逆变器、和多个各种类型的多输入电力逆变器。
图14用框图描述了一个能产生三相交流电的智能型电力逆变和优化***，包括了通过串级链连接的一个智能型双输入电力逆变器、一个智能型三输入电力逆变器、和多个各种类型的多输入电力逆变器。
图15用流程图描述了运行在MFA微控制器里的主体软件程序。
图16用流程图描述了嵌入在MFA微控制器中的中断服务程序，包括了关键的组件、功能、和步骤。
本文中的“机构”一词用来表示硬件、软件或它们的任意组合。
图1用框图描述了一个智能型单输入电力逆变和优化***，包括了一个电力逆变器可将一直流电源的直流电逆变为单相交流电。该***包含一个电力逆变器10，一直流电源(如一太阳能电池板)20，一个逆变器交流输出端口12，一个逆变器直流输入端口14，一个直流电源的直流连接器16，一根直流电缆18，一根单相交流电输电线24，一个配电盘26，和电网28。这是一套最简单的直流到交流的电力逆变和优化***的例子。它仅包含了一个连接了一个直流电源的电力逆变器，将直流逆变为单相交流电，通过交流输电线24和配电盘26输出交流电给电网28。如果直流电源是光伏太阳能电池板，该***就可被认为是一套个人太阳能发电***，可由那些能干的屋主在拿到许可证后自行安装。
图2用框图描述了一个智能型单输入三相电力逆变和优化***，包括了一个三相电力逆变器可将一直流电源的直流电逆变为三相交流电。该***包含一个电力逆变器30，一个直流电源(如太阳能电池板)40，一个逆变器的交流输出端口32，一个逆变器直流输入端口34，一个直流电源的直流连接器36，一根直流电缆38，一根三相交流输电线44，一个三相配电盘46，和三相交流电电网48。这个连接了一个直流电源的电力逆变器将直流电逆变为三相交流电，通过交流输电线44和配电盘46，输出交流电给电网48。
图3用框图描述了一个智能型单输入电力逆变和优化***，包括了两个或多个通过串级链连接的电力逆变器，其中每个逆变器都可将一个与其连接的直流电源的直流电逆变为单相交流电。该***包含n个智能型电力逆变器50，和同样数量的直流电源60。每个智能型电力逆变器包含一个交流输入端口51，一个交流输出端口52，和一个直流输入端口54。每个直流电源(如太阳能电池板)60包含一个直流连接器56和一根连接到电力逆变器的直流电缆58。所有智能型电力逆变器50通过串级链连接；第一个电力逆变器的交流输入端口53悬空，最后一个电力逆变器的交流输出端口55通过单相交流输电线64连接到配电盘66。***产生的交流电输送至电网68。
本文档中，n＝1，2，3，...，为整数。基于智能可扩展型逆变器的具体设计，能够通过串级链连接的逆变器的实际数量可能受到一定的限制。这是因为该***输出的总交流电流不能大于配电盘中分支电路断路开关的容量限制。每个配电盘可以根据实际应用中发电量的需求增加多个分支电路。
不失一般性，我们以n＝16为例。这意味着16个智能型电力逆变器可以通过串级链连接。每个智能型电力逆变器交流输出端口连接到另一个智能型电力逆变器的输入端口上，依此类推。第一个电力逆变器的交流输入端口悬空，最后一个电力逆变器输出端口连接到一个交流配电盘，把产生的交流电输送到电网。这个方法极大地简化了安装光伏太阳能发电***时的布线工作。
尽管我们说电力逆变器通过串级链连接，每个电力逆变器的输出连接到另一个电力逆变器的输入上，实际上逆变器之间的连接是直通的(pass-through)。也就是说，从每个电力逆变器产生的交流电是并联到交流输电线上的。如此，那些有缺陷或低效能的逆变器不会干扰到其它可正常发电的逆变器。一个有缺陷或低效能的逆变器可通过它内部的固态开关机构自动关掉。因此，除非交流输电线损坏，所有连接到交流输电线上的正常电力逆变器都将继续工作。
图4用框图描述了一个智能型单输入三相电力逆变和优化***，包括了两个或多个通过串级链连接的三相电力逆变器，其中每个逆变器都可将一个与其连接的直流电源的直流电逆变为三相交流电。该***包含n个智能型电力逆变器70，和同样数量的直流电源80。每个智能型电力逆变器包含一个交流输入端口71，一个交流输出端口72，和一个直流输入端口74。每个直流电源(如太阳能电池板)80包含一个直流连接器76和一根连接到电力逆变器的直流电电缆78。所有智能型电力逆变器70通过串级链连接；第一个电力逆变器的交流输入端口73悬空，最后一个电力逆变器的交流输出端口75通过三相交流输电线84连接到三相配电盘86。***产生的交流电输送至电网88。
图5用框图描述了一个智能型双输入电力逆变和优化***，包括了两个或多个通过串级链连接的电力逆变器，其中每个逆变器都可将两个与其连接的直流电源的直流电逆变为单相交流电。该***包含n个智能型电力逆变器90，和两倍数量的直流电源100，所以直流电源的总数就是2xn(n的2倍)。每个直流电源(如太阳能电池板)100包含一个直流电连接器96。每个智能型双输入电力逆变器有两个直流输入端口94和95，通过直流电缆98和99分别连接相应的直流电源。每个智能型电力逆变器包含一个交流输入端口91，一个交流输出端口92。所有智能型电力逆变器90通过串级链连接；第一个电力逆变器的交流输入端口101悬空，最后一个电力逆变器的交流输出端口103通过单相交流输电线104连接到配电盘106。***产生的交流电输送至电网108。
图6用框图描述了一个智能型多输入电力逆变和优化***，包括了两个或多个通过串级链连接的电力逆变器，其中每个逆变器都可将多个与其连接的直流电源的直流电逆变为单相交流电。不失一般性，该***包含n个智能型电力逆变器110，每个智能型电力逆变器包含多个直流输入端口113114，......，115。每个直流电源120有一个直流电连接器116。对于每个智能型多输入电力逆变器，m个直流电源120通过直流电电缆117，118......，119分别连接到对应的电力逆变器上。每个智能型电力逆变器包含一个交流输出端口111和一个交流输出端口112。所有智能型电力逆变器110通过串级链连接；第一个电力逆变器的交流输入端口121悬空，最后一个电力逆变器的交流输出端口123通过单相交流输电线124连接到配电盘126。***产生的交流电输送至电网128。通过这种可扩展方案，该***可以有nxm(n乘m)个直流电源(如光伏太阳能电池板)；其中n是电力逆变器的总数，m是连接到每个电力逆变器的直流电源的总数。
本文档中，m＝1，2，3，......为整数。智能可扩展型电力逆变器可以被设计成具有单输入(m＝1)、双输入(m＝2)、三输入(m＝3)、四输入(m＝4)等。实际应用中，智能型电力逆变器可以被设计成多种带有不同输入端口数量的产品。这些产品必须实用、满足分支电路的容量限制、和满足实际应用的经济性。因为每个智能型多输入电力逆变器可以连接m个直流电源，这比按一对一设计的单输入电力逆变器可节省很多成本。此外，n个智能型多输入电力逆变器的交流电接口可以通过串级链连接，这样在安装太阳能发电***时可显著地减少布线的工作量。
对于多输入电力逆变器，能够通过串级链连接的逆变器的实际数量受到该分支电路子***里所有直流电源产生的总电量的限制。在本例的配置中，总共有nxm(n乘m)个直流电源。如果一个分支电路子***可容纳16个直流电源所发的电，我们可以通过串级链连接8个双输入电力逆变器或者4个四输入电力逆变器来符合这一要求。如果在一个***中有大量的直流电源，通常可在配电盘增加更多的分支电路。在这种情况下，该太阳能发电***将包含若干个子***，每个子***包含nxm个直流电源，n个智能可扩展型电力逆变器和一个分支电路。
图7用框图描述了一个智能型多输入三相电力逆变和优化***，包括了两个或多个通过串级链连接的电力逆变器，其中每个逆变器都可将多个与其连接的直流电源的直流电逆变为三相交流电。不失一般性，该***包含n个智能型多输入电力逆变器130，每个智能型电力逆变器包含m个直流输入端口133134......，135。每个直流电源140有一个直流连接器136。对于每个智能型多输入电力逆变器，m个直流电源140通过直流电缆137，138......，139分别连接到对应的电力逆变器上。每个智能型电力逆变器包含一个交流输出端口131和一个交流输出端口132。n个智能型电力逆变器130通过串级链连接，第一个电力逆变器的交流输入端口141悬空，最后一个电力逆变器的交流输出端口143通过单相交流输电线144连接到配电盘146。***产生的交流电输送至电网148。
图8用框图描述了一个将一个直流电源的直流电逆变为单相交流电的智能单输入电力逆变器。该智能型单输入电力逆变器150包含一个DC-DC升压转换器154，一个DC-AC逆变器156，一个负载接口电路158，一个固态开关电路160，一个MFA微控制器162，一个线路检测电路164，一个输电线通讯接口电路166，一个输电线通讯调制解调器168，和一个直流电源170。
MFA微控制器162以及图9、10、11、和12中所示的MFA微控制器是一个由单个集成电路(IC)组成的小型计算机或者是一套由包含了晶体管振动器、定时器、看门狗、串行和模拟输入/输出通道(I/O)、内存模块、脉宽调制(PWM)发生器、和用户软件程序等功能和外设的中央处理器(CPU)集成电路的组合。本应用中选用了一个32位高性能浮点微控制器。MFA微控制器为智能可扩展型电力逆变器执行实时控制和优化功能；其中无模型自适应(MFA)控制器用于控制DC-DC升压转换器，MFA优化器提供最大功率点跟踪(MPPT)使电力逆变器实现最大电力输出。MFA控制和优化技术已经在美国专利6,055,524、6,556,980、6,360,131、6,684,115、6,684,112、7,016,743、7,142,626、7,152,052、7,415,446、以及相关国际专利和其它待审批的专利中描述。
图8中，来自直流电源152的电力输送到DC-DC升压转换器154。例如：一块标准24V光伏太阳能电池板可以在24V到40V范围内产生高达8A的直流电。为了产生通用的240V交流电，输入直流电压至少需要升压至一可用电压如170VDC。电感、电容、二极管、开关，受控的PWM(脉宽调制)信号等可用来实现直流升压电路。直流电通过DC-AC逆变器156逆变成电压大于240VAC的交流电。产生的交流电通过负载接口电路158与内部交流输电线159中的交流电组合。交流电的高频部分被负载接口电路158过滤。固态开关160由MFA微控制器162控制从而在太阳能不发电时隔离内部输电线159和外部输电线172。如此在不发电时，太阳能发电单元从电网中消耗的电力是最少的。线路检测电路164与交流输电线159相连，用于检测来自电网的交流电的相位和过零点信号。相位和过零点信号被送至MFA微控制器162用于实现交流电同步以保证向电网输送高质量的同步电力。输电线通讯调制解调器168通过接口电路166与电网隔离，用于建立MFA微控制器162和外界通过输电线传输的双向数字通讯。因为数字信号已嵌入在交流电信号内，该***不需要额外的数字信号线。直流电源170从外部交流输电线172提取电力为逆变器的电子元器件提供直流电。
MFA微控制器162用于执行以下任务：(i)监视直流升压电压，(ii)控制DC-DC升压转换器，(iii)实施最大功率点跟踪(MPPT)，(iv)实施DC-AC逆变和交流电同步，(v)测量交流电流和电压并监视发电量和工作状态，(vi)实施输电线通讯，(vii)执行交流输电线切换和隔离等逻辑控制。
图9用框图描述了一个将两个直流电源的直流电逆变为单相交流电的智能双输入电力逆变器。智能型双输入电力逆变器180包含2个DC-DC升压转换器183，184，一个直流电力组合器185，一个DC-AC逆变器186，一个负载接口电路188，一个固态开关电路190，一个MFA微控制器192，一个线路检测电路194，一个输电线通讯接口电路196，一个输电线通讯调制解调器198，和一个直流电源200。来自直流电源181，182的电力分别输送到DC-DC升压转换器183，184；然后通过直流电力组合器185汇合。汇合后的直流电通过DC-AC逆变器186逆变成大于240VAC的交流电。产生的交流电通过负载接口电路188与内部交流输电线189中的交流电组合。固态开关190由MFA微控制器192控制从而在太阳能不发电时隔离内部输电线189和外部输电线202。线路检测电路194与交流输电线189相连，用于检测来自电网的交流电的相位和过零点信号。相位和过零点信号被送至MFA微控制器192用于实现交流电同步以保证向电网输送高质量的同步电力。输电线通讯调制解调器198通过接口电路196与电网隔离，用于建立MFA微控制器192和外界通过输电线传输的双向数字通讯。直流电源200从外部交流输电线202提取电力为逆变器的电子元器件提供直流电。MFA微控制器192用于执行以下任务：(i)监视每一路DC-DC升压转换器的直流升压电压，(ii)控制DC-DC升压转换器，(iii)实施最大功率点跟踪(MPPT)，(iv)实施DC-AC逆变和交流电同步，(v)测量交流电流和电压并监视发电量和状态，(vi)实施输电线通讯，(vii)执行交流输电线切换和隔离等逻辑控制。
图10用框图描述了一个将多个直流电源的直流电逆变为单相交流电的智能多输入电力逆变器。智能型多输入电力逆变器206包含m个DC-DC升压转换器212，213，......，214，一个直流电力组合器215，一个DC-AC逆变器216，一个负载接口电路218，一个固态开关电路220，一个MFA微控制器222，一个线路检测电路224，一个输电线通讯接口电路226，一个输电线通讯调制解调器228，和一个直流电源230。来自直流电源208，209，......，210的电力分别输送到DC-DC升压转换器212，213，......，214；然后通过直流电力组合器215汇合。汇合后的直流电通过DC-AC逆变器216逆变成大于240VAC的交流电。产生的交流电通过负载接口电路218与内部交流输电线219中的交流电组合。固态开关220由MFA微控制器222控制从而在太阳能不发电时隔离内部输电线219和外部输电线232。线路检测电路224与交流输电线219相连，用于检测来自电网的交流电相位和过零点信号。相位和过零点信被送至MFA微控制器222用于实现交流电同步以保证向电网输送高质量的同步电力。输电线通讯调制解调器228通过接口电路226与电网隔离，用于建立MFA微控制器222和外界通过输电线传输的双向数字通讯。直流电源230从外部交流输电线232提取电力为逆变器的电子元器件提供直流电。MFA微控制器222用于执行以下任务：(i)监视每一路DC-DC升压转换器的直流升压电压，(ii)控制DC-DC升压转换器，(iii)实施最大功率点跟踪(MPPT)，(iv)实施DC-AC逆变和交流电同步，(v)测量交流电流和电压并监视发电量和工作状态，(vi)实施输电线通讯，(vii)执行交流输电线切换和隔离等逻辑控制。
图11用框图描述了一个将一个直流电源的直流电逆变为三相交流电的智能单输入三相电力逆变器。智能型三相单输入电力逆变器236包含一个DC-DC升压转换器242，一个DC-AC逆变器246，一个负载接口电路248，一个固态开关电路250，一个MFA微控制器252，一个线路检测电路254，一个输电线通讯接口电路256，一个输电线通讯调制解调器258，和一个直流电源260。来自直流电源238的电力输送到DC-DC升压转换器242并提升电压至一定值。直流电通过DC-AC逆变器246逆变成大于208VAC的三相交流电。产生的交流电通过负载接口电路248与内部交流输电线249中的交流电组合。固态开关250由MFA微控制器252控制从而在太阳能不发电时隔离内部三相输电线249和外部三相输电线262。线路检测电路254与交流输电线249相连，用于检测来自电网的三相交流电的相位和过零点信号。相位和过零点信被送至MFA微控制器252用于实现交流电同步以保证向电网输送高质量的同步三相交流电。输电线通讯调制解调器258通过接口电路256与电网隔离，用于建立MFA微控制器252和外界通过输电线传输的双向数字通讯。直流电源260从外部三相交流输电线262提取电力为逆变器的电子元器件提供直流电。MFA微控制器252用于执行以下任务：(i)监视直流升压电压，(ii)控制DC-DC升压转换器，(iii)实施最大功率点跟踪(MPPT)，(iv)实施DC-AC逆变和交流电同步，(v)测量交流电流和电压并监视发电量和工作状态，(vi)实施输电线通讯，(vii)执行交流输电线切换和隔离等逻辑控制。
图12用框图描述了一个将多个直流电源的直流电逆变为三相交流电的智能多输入三相电力逆变器。智能型多输入三相电力逆变器266包含m个DC-DC升压转换器272，273，......，274，一个直流电力组合器275，一个DC-AC逆变器276，一个负载接口电路278，一个固态开关电路280，一个MFA微控制器282，一个线路检测电路284，一个输电线通讯接口电路286，一个输电线通讯调制解调器288，和一个直流电源290。来自直流电源268，269，......，270的电力分别输送到DC-DC升压转换器272，273，......，274；然后通过直流电力组合器275汇合。汇合后的直流电通过DC-AC逆变器276逆变成大于208VAC的三相交流电。产生的交流电通过负载接口电路278与内部交流输电线279中的交流电组合。固态开关280由MFA微控制器282控制从而在太阳能不发电时隔离内部三相输电线279和外部三相输电线292。线路检测电路284与交流输电线279相连，用于检测来自电网的三相交流电的相位和过零点信号。相位和过零点信号被送至MFA微控制器282用于实现交流电的同步以保证向电网输送高质量的同步电力。输电线通讯调制解调器288通过接口电路286与电网隔离，用于建立MFA微控制器282和外界通过输电线传输的双向数字通讯。直流电源290从外部三相交流输电线292提取电力为逆变器的电子元器件提供直流电。MFA微控制器282用于执行以下任务：(i)监视每一路DC-DC升压转换器的直流升压电压，(ii)控制DC-DC升压转换器，(iii)实施最大功率点跟踪(MPPT)，(iv)实施DC-AC逆变和交流电同步，(v)测量交流电流和电压并监视发电量和工作状态，(vi)实施输电线通讯，(vii)执行交流输电线切换和隔离等逻辑控制。
用于此专利实施方式中的DC-DC升压转换器可以是在MuhammadH.Rashid编著的，由美国学术出版社(AcademicPress)于2007年出版的《电力电子手册》(PowerElectronicsHandbook)一书中所描述的任何一种众所周知的转换器，包括Buck转换器、升压转换器、Buck升压转换器、超升压-罗氏转换器和串级升压转换器。用于此专利实施方式中的DC-AC逆变器可以是在同一本书中所描述的任何一种众所周知的DC-AC逆变器，包括半桥逆变器、全桥逆变器、两级脉宽调制逆变器、单极脉宽调制逆变器和正弦波脉宽调制逆变器。用于此专利实施方式中的直流电力组合器可以设计成能将各DC-DC升压转换器的输出并联连接的电路由此可使各路的直流输出电流叠加。用于此专利实施方式中的电力调制解调器可以是市场上任何可以通过输电线提供双向数字通讯的集成电路。此专利实施方式中涉及的其它模块包括负载接口、固态开关、线路测量电路、输电线接口电路、和直流电源等可以由一个或多个已知的电子元件实现，包括电阻、电容、电感、固态开关、变压器、二极管、晶体管、运算放大器和陶瓷过滤器等。
图13用框图描述了一个能产生单相交流电的智能型电力逆变和优化***，包括了通过串级链连接的一个智能型单输入电力逆变器、一个智能型双输入电力逆变器、和多个各种类型的多输入电力逆变器。该***包括了一个智能型单输入电力逆变器300，一个智能型双输入电力逆变器302，和n-2(n减2)个智能型多输入电力逆变器304。智能型单输入电力逆变器300将来自直流电源330的直流电逆变成交流电，智能型双输入电力逆变器302将来自直流电源332和334的直流电逆变成交流电，多输入电力逆变器304将来自直流电源336、338和340的直流电逆变成交流电。单输入电力逆变器300通过直流输入端口318、直流电源的直流连接器342、以及直流电缆348连接直流电源330。双输入电力逆变器302通过直流输入端口320和322、直流电源的直流连接器344以及直流电缆350和352分别连接直流电源332和334。多输入电力逆变器304通过直流输入端口324、326和328，直流电源的直流连接器346以及直流电缆354、356、和358分别连接直流电源336、338、和340。
智能型单输入电力逆变器包含一个交流电输入端口314和一个交流电输出端口316；智能型双输入电力逆变器包含一个交流电输入端口310和一个交流电输出端口312；智能型多输入电力逆变器包含一个交流输入端口306和一个交流电输出端口308。不失一般性，通常***中可包含多个混合输入类型的智能型电力逆变器。所有智能可扩展型电力逆变器通过串级链连接，第一个电力逆变器的交流输入端口306悬空，最后一个电力逆变器的交流输出端口316通过交流输电线364连接到配电盘366。***发的电输送给电网368。
图14用框图描述了一个能产生三相交流电的智能型电力逆变和优化***，包括了通过串级链连接的一个智能型双输入电力逆变器、一个智能型三输入电力逆变器、和多个各种类型的多输入电力逆变器。该***包含了一个智能型双输入电力逆变器370，一个智能型三输入电力逆变器372，和n-2(n减2)个多输入电力逆变器374。双输入电力逆变器370将来自两个直流电源376的直流电逆变为交流电，三输入电力逆变器372将来自三个直流电源378的直流电逆变为交流电，多输入电力逆变器374将来自多个直流电源380的直流电逆变为交流电。不失一般性，通常***中可包含多个混合输入类型的智能型电力逆变器。所有智能可扩展型电力逆变器通过串级链连接，第一个电力逆变器的交流输入端口悬空，最后一个电力逆变器的交流输出端口通过交流输电线384连接到配电盘386。***发的电输送给电网388。
图15用流程图描述了运行在MFA微控制器里的主体软件程序。在程序块390中，首先对微控制器的器件层、外设层、***层、中断服务程序、以及模拟和数字控制程序等进行初始化操作。更具体的说，初始化将包括但不限于设置寄存器、I/O接口、定时器，和激活中断服务程序的内部中断。最后设置’任务＝1’。
在主程序中，有两个主要任务。任务1涉及智能可扩展型电力逆变器的控制和管理。任务2涉及电力逆变器通过输电线通讯调制解调器和外界通讯。初始化完成后，主程序进入主循环入口392并执行程序块394。
在程序块394，程序检查任务1是否计划运行。如果应答是Yes(是)，即执行程序块396的功能，其中包括：(i)按直流输入电源、电力逆变、和交流输电线的状况，打开或关闭有关的发电电路；(ii)计算在一段时间内的总发电量等电力统计值；(iii)执行***诊断程序。然后程序设置’任务＝2’并返回到主循环入口392。主程序继续运行，将经过程序块394到达程序块398。在程序块398，程序检查任务2是否计划运行，如果应答是Yes，即执行程序块400的的功能，其中包括：(i)为电力逆变器设置单元地址，(ii)响应来自数据采集设备的请求，报告发电状态。然后程序设置’任务＝1’并返回主循环入口392。主程序按照预设的循环周期连续执行预定的任务。当有中断产生时，微控制器将立即执行在等待处理的中断服务程序。
图16用流程图描述了嵌入在MFA微控制器中的中断服务程序，包括了关键的组件、功能、和步骤。程序块402是中断服务程序(ISR)的入口。中断服务程序是微控制器响应中断时调用的软件程序。微控制器中所有需按时序执行的功能都放在ISR中执行，以确保其实时性。在程序块404，ISR保存主程序的当前状态。在程序块406，ISR读取模拟和数字输入，其中包括但不限于直流电源、DC-DC升压转换器、DC-AC逆变电路中的电压和电流信号以及交流电的相位和过零点信号。在程序块408，ISR执行MFA优化器使每一路的直流电源电路达到最大功率跟踪点。在程序块410，ISR实施DC-AC逆变以及交流同步。在程序块412，PWM控制信号通过数字输出端口给DC-DC升压转换器和DC-AC逆变器电路。在程序块414，ISR恢复在进入中断程序前主程序的状态。在中断服务程序(ISR)退出后，主程序将继续执行在进入中断程序前所执行的任务。
本专利通过插图特别是通过图1、2、13和14所描述的***展示了此发明之可扩展性的本质。人们可使用不同数量和大小的智能可扩展型电力逆变器来构建一个小型的或是超大规模的光伏太阳能发电***。无论每个电力逆变器所接的直流电源之数量和种类如何，同一系列的智能型电力逆变器可以通过串级链连接并发电。这种“无所不能”(anythinggoes)的设计显著地提高了可再生能源发电***包括光伏太阳能发电***的可扩展性、灵活性、用户友好性、和投资回报率。此外，现有的***可以很容易地通过安装更多的太阳能电池板和智能型电力逆变器进行扩展。由于只需追加投资就可持续扩展，这使得太阳能发电***对预算有限的家庭和公司会很有吸引力。本发明对于可再生能源工业和社会将具有战略性的重要意义。

Claims (10)

1.一种为电网输送交流电的***，该***从多个具有直流输出端口的单个直流电源获取电能，所述***包括：
多个电力逆变器，每个所述电力逆变器有m个直流电输入端口、交流电输入端口,和交流电输出端口，每个所述直流电输入端口连接至一个直流电源，m为大于或等于2的整数；
其中，在所述多个电力逆变器中，每个电力逆变器的交流输出端口通过串级链连接到下一个电力逆变器的交流输入端口，只有第一个电力逆变器的交流输入端口悬空、最后一个电力逆变器的交流输出端口连接到电网配电盘；每个所述电力逆变器包含：
m个DC‐DC升压转换器,它们每个各自连接一个所述直流电源并被配置为将电源电压转换到适合逆变的更高的直流电压；
与所述m个DC‐DC升压转换器相连的直流电力组合器，所述直流电力组合器用于合并所有DC‐DC升压转换器的直流输出并且能使所述DC‐DC升压转换器并联连接将所有直流电流叠加到一起；
与所述直流电力组合器连接的DC‐AC逆变器，所述DC‐AC逆变器被配置为将直流电逆变成交流电，所述DC‐AC逆变器的电压比输入交流电压更高；
内部输电线，用于组合所产生的交流电和来自电网的外部交流电；
连接所述DC‐AC逆变器和内部交流输电线的负载接口电路，所述负载接口电路被配置为过滤所述DC‐AC逆变器交流电输出的高频成分；
与所述DC‐DC升压转换器、DC‐AC逆变器、和接口负载电路连接的无模型自适应微控制器，所述无模型自适应微控制器被配置为监视DC提升电压、控制DC‐DC升压转换器、实现最大功率点跟踪、实现DC‐AC逆变和交流电同步、检测交流电流和电压并计算发电量和状态、实现输电线通讯、以及执行交流输电线切换的逻辑控制和隔离的逻辑控制；
与所述无模型自适应微控制器连接的并且通过接口电路与内部输电线连接的输电线调制解调器，所述输电线调制解调器在所述无模型自适应微控制器和所述电网之间发送和接收性能数据；
与所述内部输电线和所述无模型自适应微控制器连接的线路检测电路，所述线路检测电路用于检测来自电网的输入交流电的相位和过零点信号；以及
与所述内部交流输电线和外部交流输电线连接的固态开关，所述固态开关被配置为在不发电情况下断开所述内部输电线和交流电网之间的连接。
2.如权利要求1所述的***，其中每个所述电力逆变器的输出为单相交流电或三相交流电。
3.一种DC‐AC电力逆变器，包括：
至少两个直流电输入端口，其中每个所述直流电输入端口连接至一个直流电源；
一个交流电输出端口，所述交流电输出端口被配置为向电网输送交流电，其中，对应每个直流电源，所述逆变器包含与所述直流电源连接的DC‐DC升压转换器,所述DC‐DC升压转换器被配置为将电源电压转换到适合逆变的更高的直流电压；
与多个DC‐DC升压转换器相连的直流电力组合器，所述直流电力组合器用于合并所有DC‐DC升压转换器的直流输出并且能使所述DC‐DC升压转换器并联连接将所有直流电流叠加到一起；
与所述DC‐DC升压转换器连接的DC‐AC逆变器，所述DC‐AC逆变器被配置为将直流电逆变成交流电，所述DC‐AC逆变器的电压比输入交流电压更高；
内部输电线，用于组合所产生的交流电和来自电网的外部交流电；
连接所述DC‐AC逆变器和内部交流输电线的负载接口电路，所述负载接口电路被配置为过滤所述DC‐AC逆变器交流电输出的高频成分；
与所述DC‐DC升压转换器、DC‐AC逆变器、和接口负载电路连接的无模型自适应微控制器，所述无模型自适应微控制器被配置为监视DC提升电压、控制DC‐DC升压转换器、实现最大功率点跟踪、实现DC‐AC逆变和交流电同步、检测交流电流和电压并计算发电量和状态、实现输电线通讯、以及执行交流输电线切换的逻辑控制和隔离的逻辑控制；
与所述无模型自适应微控制器连接的并且通过接口电路与内部输电线连接的输电线调制解调器，所述输电线调制解调器在所述无模型自适应微控制器和所述电网之间发送和接收性能数据；
与所述内部输电线和所述无模型自适应微控制器连接的线路检测电路，所述线路检测电路用于检测来自电网的输入交流电的相位和过零点信号；以及
与所述内部交流输电线和外部交流输电线连接的固态开关，所述固态开关被配置为在不发电情况下断开所述内部输电线和交流电网之间的连接。
4.如权利要求3所述的DC‐AC电力逆变器，其中每个所述电力逆变器的输出为单相交流电或三相交流电。
5.一种可扩展型DC‐AC电力逆变***，所述可扩展型DC‐AC电力逆变***从多个具有直流输出端口的单个直流电源获取电能并为电网输送交流电，所述可扩展型DC‐AC电力逆变***包括：
多个电力逆变器，每个所述电力逆变器具有至少两个直流电输入端口，交流电输入端口,和交流电输出端口，每个所述直流电输入端口连接至一个直流电源；
其中，在所述多个电力逆变器中，每个电力逆变器的交流输出端口通过串级链连接到下一个电力逆变器的交流输入端口，只有第一个电力逆变器的交流输入端口悬空、最后一个电力逆变器的交流输出端口连接到电网配电盘；以及
其中，所述可扩展型DC‐AC电力逆变***能够通过增加或减少直流电源和由串级链连接的逆变器的数量逐步扩展。
6.如权利要求5所述的可扩展型DC‐AC电力逆变***，其中每个所述电力逆变器的输出为单相交流电或三相交流电。
7.如权利要求5或权利要求6所述的可扩展型DC‐AC电力逆变***，其中每个所述可扩展型DC‐AC电力逆变器包括：
一个交流电输出端口，被配置为向电网输送交流电，其中，对应每个直流电源，所述电力逆变器包含与所述直流电源连接的DC‐DC升压转换器,所述DC‐DC升压转换器被配置为将电源电压转换到适合逆变的更高的直流电压；
与所述多个DC‐DC升压转换器相连的直流电力组合器，用于合并所有DC‐DC升压转换器的直流输出并且能使所述DC‐DC升压转换器并联连接将所有直流电流叠加到一起；
与所述DC‐DC升压转换器连接的DC‐AC逆变器，所述DC‐AC逆变器被配置为将直流电逆变成交流电，所述DC‐AC逆变器的电压比输入交流电压更高；
内部输电线，用于组合所产生的交流电和来自电网的外部交流电；
连接所述DC‐AC逆变器和内部交流输电线的负载接口电路，所述负载接口电路被配置为过滤所述DC‐AC逆变器交流电输出的高频成分；
与所述DC‐DC升压转换器、DC‐AC逆变器、和接口负载电路连接的无模型自适应微控制器，所述无模型自适应微控制器被配置为监视DC提升电压、控制DC‐DC升压转换器、实现最大功率点跟踪、实现DC‐AC逆变和交流电同步、检测交流电流和电压并计算发电量和状态、实现输电线通讯、以及执行交流输电线切换的逻辑控制和隔离的逻辑控制；
与所述无模型自适应微控制器连接的并且通过接口电路与内部输电线连接的输电线调制解调器，所述输电线调制解调器在所述无模型自适应微控制器和所述电网之间发送和接收性能数据；
与所述内部输电线和所述无模型自适应微控制器连接的线路检测电路，所述线路检测电路用于检测来自电网的输入交流电的相位和过零点信号；以及
与所述内部交流输电线和外部交流输电线连接的固态开关，所述固态开关被配置为在不发电情况下断开所述内部输电线和交流电网之间的连接。
8.一种使DC‐AC电力逆变***能逐步扩展的方法，所述方法包括：
提供多个直流电源和多个DC‐AC电力逆变器，每个所述DC‐AC电力逆变器有交流输入端口、交流输出端口、和至少两个直流输入端口；
将所述多个直流电源中的一个直流电源连接到每个所述直流输入端口；以及
将至少两个所述DC‐AC电力逆变器通过串级链连接，其中每个DC‐AC电力逆变器的交流输出端口通过串级链连接到下一个DC‐AC电力逆变器的交流输入端口，只有第一个DC‐AC电力逆变器的交流输入端口悬空、最后一个DC‐AC电力逆变器的交流输出端口连接到电网配电盘；
其中，产生的总交流电量是每个所述DC‐AC电力逆变器提供的交流电量的总和。
9.如权利要求8所述的方法，其中每个所述DC‐AC电力逆变器的输出为单相交流电或三相交流电。
10.如权利要求8或权利要求9所述的方法，其中每个所述DC‐AC电力逆变器包括：
一个交流电输出端口被配置为向电网输送交流电，其中，对应每个直流电源，所述DC‐AC电力逆变器包含与所述直流电源连接的DC‐DC升压转换器,所述DC‐DC升压转换器被配置为将电源电压转换到适合逆变的更高的直流电压；
与所述多个DC‐DC升压转换器相连的直流电力组合器，所述直流电力组合器用于合并所有DC‐DC升压转换器的直流输出并且能使所述DC‐DC升压转换器并联连接将所有直流电流叠加到一起；
与所述DC‐DC升压转换器连接的DC‐AC逆变器，所述DC‐AC逆变器被配置为将直流电逆变成交流电，所述DC‐AC逆变器的电压比输入交流电压更高；
内部输电线，用于组合所产生的交流电和来自电网的外部交流电；
连接所述DC‐AC逆变器和内部交流输电线的负载接口电路，所述负载接口电路被配置为过滤所述DC‐AC逆变器交流电输出的高频成分；
与所述DC‐DC升压转换器、DC‐AC逆变器、和接口负载电路连接的无模型自适应微控制器，所述无模型自适应微控制器被配置为监视DC提升电压、控制DC‐DC升压转换器、实现最大功率点跟踪、实现DC‐AC逆变和交流电同步、检测交流电流和电压并计算发电量和状态、实现输电线通讯、以及执行交流输电线切换的逻辑控制和隔离的逻辑控制；
与所述无模型自适应微控制器连接的并且通过接口电路与内部输电线连接的输电线调制解调器，所述输电线调制解调器在所述无模型自适应微控制器和所述电网之间发送和接收性能数据；
与所述内部输电线和所述无模型自适应微控制器连接的线路检测电路，所述线路检测电路用于检测来自电网的输入交流电的相位和过零点信号；以及
与所述内部交流输电线和外部交流输电线连接的固态开关，所述固态开关被配置为在不发电情况下断开所述内部输电线和交流电网之间的连接。
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