CN103078535B - 用于操作功率变换***的方法和*** - Google Patents

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Abstract

一种用于为电网（22）提供功率的功率变换***（14）。该***包括耦合到直流（DC）功率源（12）的功率变换器（16）。该***还包括接触器（24），其耦合到功率变换器和电网，并配置成选择性地将功率变换器电耦合到电网。该***还包括***控制器（18），其通信地耦合到功率变换器和接触器，并配置成在所提供的DC电压以一段时间长度保持高于电压电平时闭合接触器，以将功率变换器电耦合到电网并激活功率变换器。该***控制器还被配置成在交流（AC）功率输出保持低于功率级别一段时间长度时使功率变换器去激活而接触器被保持在闭合位置。

Description

用于操作功率变换***的方法和***
背景技术
本文描述的实施例一般地涉及操作功率变换***，更具体地涉及控制功率变换***以向电网提供预定义的功率。
太阳能已经越来越成为具有吸引力的能量源，并已被认为是一种清洁、可再生的替代能源形式。具有阳光的形式的太阳能可以由太阳能电池变换为电能。用于将光转化为电能的装置的一个更一般的术语是“光生伏打电池”。太阳能电池是光生伏打（PV）电池的子集。
为了获得更高的电流和电压，太阳能电池被电气连接以形成太阳能模块。除了多个太阳能电池外，太阳能模块还可以包括传感器，例如辐照度传感器、温度传感器、电压表、电流计和/或功率计。太阳能模块还可以被连接以形成模块串。通常，向例如是直流（DC）-交流（AC）电压逆变器的功率变换器提供由模块串输出的直流电压。该DC-AC电压逆变器将DC电压变换为三相AC电压或电流。从DC-AC逆变器输出的三相AC输出被提供给电力变压器，其输出三相高压AC功率至电网。交流接触器选择性地电耦合功率变换器和电网。
通常，耦合到电网的发电***的操作员同意供给定义的功率级别（power level）给电网。操作员每天尽可能多地为电网提供功率在经济上也是有利的。当太阳升起时，PV阵列电压升高。一旦PV阵列电压达到预定义的电平，功率变换器就被激活，AC接触器被闭合以耦合功率变换器和电网，并且发电***试图将功率提供给电网。如果PV阵列不能提供所定义的功率级别，例如如果辐照度级别不足够高到支持所定义的功率级别，则交流接触器就被断开，这从电网断开功率变换器。通常，在AC接触器闭合以再次试图将功率提供给电网前保持断开预定义的时间长度。重复进行这一过程，直到PV阵列能够支持所定义的功率级别为止。当太阳落下时可重复类似的过程。AC接触器的循环的导通和断开导致磨损并降低AC接触器的使用寿命。
发明内容
在一方面，提供了一种用于为电网提供功率的功率变换***。该***包括功率变换器，该功率变换器耦合到直流（DC）功率源并且配置成接收由直流（DC）功率源生成的功率。该***还包括接触器，该接触器耦合到功率变换器和电网并配置成选择性地将功率变换器电耦合到电网。该***还包括***控制器，其通信地耦合到功率变换器和接触器并配置成在提供给功率变换器的DC电压以预定义的时间长度保持高于预定义的电压电平时，闭合接触器以将功率变换器电耦合到电网并激活功率变换器。***控制器还配置成在功率变换器的交流（AC）功率输出以预定义的时间长度保持低于预定义的功率级别时，使功率变换器去激活，同时将接触器保持在闭合位置。
在另一方面，提供了用于操作功率变换***的方法。功率变换***包括功率变换器和配置成选择性地将功率变换器电耦合到电网的接触器。该方法包括确定提供给功率变换器的直流（DC）电压已以预定义的时间长度保持高于预定义的电压电平。该方法还包括闭合接触器以将功率变换器电耦合到电网并激活功率变换器以将DC电压输入变换为交流（AC）电压输出。该方法还包括确定功率变换器的AC功率输出，以及在AC功率输出以预定义的时间长度保持低于预定义的功率级别时，停止功率变换器的操作，同时将接触器保持在闭合位置。
在又一方面，提供了耦合到功率变换***并且配置成控制功率变换***的操作的***控制器，功率变换***包括耦合到光生伏打（PV）阵列的功率变换器，和配置成选择性将功率变换器电耦合到电网的接触器。***控制器配置成确定功率变换器的AC功率输出并在AC功率小于预定义的功率级别时停止功率变换器的操作。
附图说明
图1是包括功率变换***的示例性发电（power generation）***的框图；
图2是用于操作图1中所示的功率变换***的示例性方法的第一流程图；
图3是用于操作图1中所示的功率变换***的示例性方法的第二流程图。
部件列表
10 光生伏打（PV）发电***
12 PV 阵列
14 功率变换***
16 功率变换器
18 ***控制器
20 交流（AC）电压
22 电网
23 存储器装置
24 接触器
26 输出
28 升压变换器
30 反相器
32 输出
34 输入
36 DC总线
40 导体
42 导体
44 第一流程图
46 用于操作功率变换***的方法
48 不活动状态
50 确定PV阵列电压是否大于存储的电压电平
52 确定接触器是否闭合
54 闭合接触器
56 激活功率变换器
58 确定功率变换器的功率输出是否大于存储的功率级别
60 使功率变换器去激活
62 确定接触器是否断开
64 确定接触器断开延时是否已到期
66 断开接触器
70 第二流程图
72 用于操作功率变换***的方法
74 在存储器装置中存储预定义的限制
76 确定DC电压以预定义的时间长度保持高于预定义的电压电平
78 闭合接触器
80 激活功率变换器
82 确定AC功率输出
84 停止功率变换器的操作
86 监测接触器闭合的时间长度
88 断开接触器
具体实施方式
本文所描述的方法和***便于控制包括在发电***内的功率变换***以在提供的功率高于预定义级别时提供功率给电网。本文所描述的方法和***使发电***为电网提供功率的时间量最大化，同时减少选择性地将功率变换***电耦合到电网的接触器的磨损并增加其使用寿命。
本文所描述的方法和***的技术效果包括如下的至少一个：（a）确定提供给功率变换器的直流（DC）电压以预定义的时间长度保持高于预定义的电压电平；（b）闭合接触器以将功率变换器电耦合到电网；（c）激活功率变换器；（d）确定功率变换器的AC功率输出；以及（e）在AC功率输出以预定义的时间长度保持低于预定义的功率级别时，停止功率变换器的操作，同时将接触器维持在闭合位置。
图1是光生伏打（PV）发电***10的一个示例性实施例的框图。在该示例性实施例中，PV发电***10包括PV阵列12和功率变换***14。在该示例性实施例中，功率变换***14包括功率变换器16和***控制器18。***10配置成提供用来传递到负载（例如但不限于变压器或电网22）的交流（AC）输出电压20。电网22可包括配电电网、电力传输网或配置成传递电的任何类型的电网。PV阵列12包括至少一个PV电池（图1中未示出），例如，至少一个太阳能电池。虽然本文中描述的是接收PV阵列12所产生的功率，但两级功率变换器16可以提供有从任何合适的DC源来的功率，该DC源允许***10如本文所描述的那样起作用。
在该示例性实施例中，***控制器18包括存储器装置23或者耦合到存储器装置23。***控制器18被包括在功率变换器16中或者被耦合到功率变换器16，并配置成控制功率变换器16的操作。例如，***控制器18可以生成变换器控制信号，并提供变换器控制信号给变换器16。变换器16根据变换器控制信号操作。
本文所描述的实施例不限于用于执行本文所描述的处理任务的任何特定的***控制器和/或处理器。作为本文所使用的术语，术语“处理器”旨在表示任何能够执行用于执行本文所描述的任务所必需的运算或者计算的机器。术语“处理器”还旨在表示能够接受结构化输入和能够按照规定的规则处理输入以产生输出的任何机器。还应说明的是，如本领域技术人员将会理解的那样，本文所用的词语“配置成”是指处理器配备有用于执行本发明的实施例的任务的硬件和软件的组合。如本文所用的，术语处理器是指中央处理单元、微处理器、微控制器、精简指令集电路（RISC）、专用集成电路（ASIC）、逻辑电路，以及能够执行本文描述的功能的任何其它电路或处理器。
在该示例性实施例中，功率变换***14还包括选择性地耦合功率变换器16和电网22的接触器24。接触器24可以包括AC接触器、继电器和/或允许发电***10如本文所述那样起作用的任何合适开关装置。在该示例性的实施例中，***控制器18通信地耦合到功率变换器16和接触器24并且配置成控制功率变换器16和接触器24的操作。例如，当太阳升起时，功率变换器16是不活动的，***控制器18接收对应于PV阵列12的输出26处的PV阵列开路电压的电压信号。通常情况下，这一电压信号是***控制器18唯一可用的、关于PV阵列12准备好提供电力的指示。PV阵列12的开路电压是辐照度和温度的函数。
在该示例性实施例中，第一预定义的PV阵列电压电平例如存储在存储器装置23中。第一预定义的PV阵列电压电平是对应于辐照度级别的电压，该电压足够高以使PV阵列12提供能够克服在功率变换器16内的损耗的功率。当***控制器18确定PV阵列电压以预定义的时间长度保持高于第一预定电压电平时，接触器24被闭合，且功率变换器16被激活。预定义的时间长度在本文中也被称为作为唤醒定时器（wake timer），并包括存储在存储器装置23内的预定义的秒数和/或分钟数。在该示例性实施例中，预定义的时间段是在大约一到十分钟之间，或更具体地，是在大约二到八分钟之间，或者，进一步更具体地，是大约五分钟。
当接触器24闭合时，功率变换器16被激活，发电***10试图以大于第一预定义的功率级别的功率级别将功率提供给电网22。第一预定义的功率级别可以是定义的功率级别（即，PV发电***操作者同意提供给电网的功率级别）或允许功率变换***14如本文所述那样起作用的任何其他的功率级别。如果对PV阵列12可用的照度不足够高到支持第一预定义的功率级别，并且功率变换器16的功率输出以一个预定义的时间长度保持低于第一预定义的功率级别，则接触器24保持在闭合位置且***控制器18停止功率变换器16（即断开功率变换器16）的操作。停止功率变换器16的操作导致***10的功率输出变为零。这一预定义的时间长度在本文中也可以被称为睡眠定时器（sleep timer）。在该示例性实施例中，预定义的时间段是在大约一到十分钟之间，或更具体地，是在大约二到八分钟之间，或者，进一步更具体地，是大约五分钟。睡眠定时器的长度和唤醒定时器的长度可以是相同的，或者可以是不同的。
功率变换***14在等待试图为电网22供电时被称为处于睡眠模式。***控制器18继续监测PV阵列电压，以确定何时再试图为电网22供电。重复这一激活和去激活功率变换器16的过程，直到发电***10能够支持所定义的功率级别为止。
一旦***10能够支持所定义的功率级别，功率变换器16就保持“闭合（ON）”（即，被激活并提供功率给电网22），直到由当前辐照度支持的功率下降到小于第一预定义的功率级别并以预定义的时间段（即，睡眠定时器到期）保持低于第一预定义的功率级别为止。例如，当太阳下降时，PV阵列12可用的辐照度级别减少，导致由PV阵列12所支持的输出功率减少。当***控制器18确定***10不能支持第一预定义的功率级别时，***控制器18停止功率变换器16的操作，这会导致***10的功率输出成为零（即，功率变换***14返回到睡眠模式）。例如，***控制器18在***10的功率输出以超过睡眠定时器的时间长度小于第一预定义的功率级别时，可确定***10不能支持第一预定义的功率级别。
***控制器18还监测接触器24闭合的时间长度，在本文中也称为接触器断开延时。接触器24将不会在接触器断开延时到期之前断开。在该示例性实施例中，接触器断开延时是在约15和45分钟之间，或者更具体地，是在约20和40分钟之间，或者进一步更具体地，是约30分钟。如果PV阵列电压已下降至小于预定义的电压电平并以超过唤醒定时器的时间长度保持低于PV阵列电压电平，则接触器24保持闭合，直到接触器断开延时到期为止。一旦接触器断开延时已到期，接触器24就被断开，这从电网22电气断开功率变换器16。
控制功率变换器16的操作而不是循环断开和闭合接触器24，减少了对接触器24的磨损。减少对接触器24的磨损增加了接触器24的使用寿命，这降低了维护成本及与替换接触器24有关的其他成本。
在本示例性实施例中，功率变换器16是包括DC至DC升压变换器28和DC至AC逆变器30的两级功率变换器。虽然示出的是两级功率变换器，但发电***10可包括单级功率变换器、多级功率变换器和/或允许***10如本文所述那样起作用的任何合适的功率变换器。在该示例性实施例中，***控制器18配置成独立地控制升压变换器28和逆变器30的操作。***控制器18配置成确定提供给两级功率变换器16的功率操作点，以控制两级功率变换器16的操作。例如，最大功率点（MPP）可以由***控制器18使用称为最大功率点跟踪（MPPT）的过程来确定。***控制器18提供对应于最大功率点的功率操作点信号给升压变换器28，并且作为响应，升压变换器28配置成从PV阵列12提取最大可用功率。
升压变换器28的输出32被至少一个导体（例如DC总线36）耦合到逆变器30的输入34。PV阵列12被通过至少一个导体40耦合到两级功率变换器16，且逆变器30通过至少一个导体42耦合到电网22。虽然是作为单线示出，但导体40、导体42和DC总线36可包括允许***10如本文所述那样起作用的任何数量的独立导体。例如，如果PV发电***10是单相***，则导体40、导体42和DC总线36可以各包括单一的导体。或者，如果PV发电***10是三相***，则导体40、导体42和DC总线36可以各包括三个独立的导体，每相一个。此外，PV发电***10可包括任何合适数量的相。当它穿过由升压变换器28提供的任何的功率级别时，DC总线电压由逆变器30控制。逆变器30还调节AC输出电流（有功和无功的）。更具体地，***控制器18控制逆变器30的操作以控制DC总线电压，和/或控制由逆变器30输出并提供给电网22的AC电压20的功率因数。
图2是用于操作例如功率变换***14（图1中所示）的功率变换***的示例性方法46的第一流程图44。在该示例性实施例中，方法46开始于功率变换器，例如处于不活动状态48（在本文中也称为“断开（OFF）”或“睡眠模式”）中的功率变换器16（图1中所示）。在示例性实施例中，***控制器18确定50 PV阵列电压是否大于与将使功率变换器16激活的电压电平对应的存储的电压电平。如果***控制器18确定50 PV阵列电压高于存储的电压电平，并以超过预定义的时间长度（即，唤醒定时器）保持高于存储的电压电平，则***控制器18确定52例如接触器24（在图1中示出）的接触器是否闭合。如果***控制器18确定52接触器24没有闭合，则***控制器18闭合54接触器24。如果***控制器18确定52接触器24闭合或在***控制器18闭合54接触器24之后，***控制器激活56功率变换器16。
在该示例性的实施例中，***控制器18确定58功率变换器16的功率输出是否大于存储的功率级别。如果功率变换器16的功率输出大于所存储的功率级别，则功率变换器16保持激活（即，保持运行）。如果功率变换器16的功率输出低于所存储的功率级别并以超过预定义的时间长度（即，睡眠定时器）保持低于所存储的功率级别，则功率变换器16被去激活60（即，断开（“OFF”））。在功率变换器16被去激活60时，***控制器18将功率变换器16返回到不活动状态48。
在该示例性实施例中，如果***控制器18确定50 PV阵列电压小于存储的电压电平，则***控制器18确定62接触器24是否是断开的。如果接触器24是断开的，则功率变换器16保持处于不活动状态48。如果接触器24是闭合的，则***控制器18确定64接触器断开延时是否已到期。如果接触器断开延时尚未到期，则功率变换器16保持在不活动状态48并且接触器24保持在闭合位置。如果接触器断开延时已过期，则***控制器18断开66接触器24并且功率变换器16仍然处于不活动状态48。接触器断开延时允许功率变换***14循环唤醒和/或睡眠，而不重复循环断开和闭合接触器24。
图3是用于操作例如功率变换***14（图1中所示）的功率变换***的示例性方法72的第二流程图70。在该示例性实施例中，方法72可以包括在例如存储器装置23（图1中所示）的存储器装置中存储74预定义的限制，该预定义的限制可包括但不限于预定义的电压电平和预定义的功率级别。在该示例性实施例中，方法72包括确定76提供给例如功率变换器16（图1中所示）的功率变换器的DC电压以预定义的时间长度保持高于预定义的电压电平。例如***控制器18（图1中所示）的***控制器可确定76提供给功率变换器16的直流电压是否适合于试图为例如电网22（图1中所示）的电网提供功率。更具体地说，***控制器18可确定76 DC总线电压是否以预定义的时间长度保持高于预定义的电压电平。
在该示例性实施例中，方法72还包括闭合78例如接触器24（图1中所示）的接触器，以将功率变换器16电耦合至例如电网22（图1中所示）的电网。例如，在提供给功率变换器16的DC电压以预定义的时间长度保持高于预定义的电压电平时，***控制器18提供信号到接触器24。接触器24响应该信号而闭合78。在该示例性实施例中，方法72还包括激活80功率变换器16以将DC电压输入变换为AC电压输出。
在该示例性的实施例中，方法72还包括确定82功率变换器16的AC功率输出。例如，***控制器18可确定82功率变换器16的AC功率输出。方法72还包括在AC功率输出小于预定义的功率级别（例如存储在存储器装置23中的预定义的功率级别）时，停止84功率变换器16的操作，同时将接触器24保持在闭合位置。例如，停止84功率变换器16的操作可包括在确定功率变换器16的AC功率输出以预定义的时间长度（即，睡眠定时器）保持低于预定义的功率级别后断开功率变换器16。预先定义的时间段也可以存储在存储器装置23中。
方法72还包括监测86接触器24闭合的时间长度，在本文中也称作接触器断开延时。接触器24将不会在接触器断开延时到期之前断开。如果PV阵列电压已经下降到低于预定义的电压电平，并且以超过唤醒定时器的时间长度保持低于预定义的电压电平，则接触器24保持闭合，直到接触器断开延时到期为止。方法72还包括在接触器断开延时已到期时断开88接触器24，这从电网22电气地断开功率变换器16。
此外，一个或多个具有计算机可执行组件的计算机可读介质可以配置成控制功率变换***14的操作。计算机可执行组件可以包括：接口组件，其在由至少一个处理器执行时使该至少一个处理器接收电压测量信号、电流测量信号和功率测量信号中的至少一个；存储器组件，其在由至少一个处理器执行时使该至少一个处理器存储用于确定何时提供功率到电网的至少一个算法；以及分析组件，其在由至少一个处理器执行时使该至少一个处理器产生控制功率变换***的操作的操作信号。
本文所描述的实施例包括一个或多个计算机可读介质，其中，每个介质可以被配置成包括或在其上包括数据或用于操作数据的计算机可执行指令。计算机可执行指令包括数据结构、对象、程序、例程或可以由处理***访问的其它程序模块，该处理***诸如与能够执行各种不同的功能的通用计算机关联的处理***，或与能够执行有限数量的功能的专用计算机关联的处理***。在配置成执行本文描述的指令时，本公开的方面将通用计算机变换成专用计算设备。计算机可执行指令使处理***执行特定的功能或功能组，并且是用于实现用于本文公开的方法的步骤的程序代码单元的例子。此外，可执行指令的特定序列提供了可用于实现这样的步骤的对应动作的例子。计算机可读介质的例子包括随机存取存储器（“RAM”）、只读存储器（“ROM”）、可编程只读存储器（“PROM”）、可擦除可编程只读存储器（“EPROM”）、电可擦除可编程只读存储器（“EEPROM”）、压缩盘只读存储器（“CD-ROM”）或能够提供可以由处理***访问的数据或可执行指令的任何其他装置或组件。
本文描述的是用于操作功率变换***的示例性的方法和***。本文描述的方法和***通过显著地降低操作数量提高了AC接触器的可靠性。在唤醒和睡眠周期内，在太阳在早晨升起和在晚上下落时，AC接触器以比正常的唤醒/睡眠定时器（例如，五分钟）更长的时间（例如，三十分钟）保持为“ON”（即闭合）。在这种操作模式下，DC-AC逆变器***作为选择性地向电网提供功率，而不是循环AC接触器来选择性地向电网提供功率。
本文描述的方法和***便于功率变换***的有效的和经济的操作。在本文中详细地描述和/或示出了方法和***的示例性实施例。方法和***并不限定于本文所述的特定实施例，而是，每一***的组件以及每一方法的步骤都可以与本文所描述的其它组件和步骤独立地和分开地利用。每一个组件和每一个方法步骤也能够与其它组件和/或方法步骤结合使用。
当介绍本文描述和/或示出的方法和装置的元件/组件等时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意指存在一个或多个元件/组件等。术语“包括”、“包含”以及“具有”旨在是包括性的，意味着除了列出的（一个或多个）元件/组件等外，可以有附加的（一个或多个）元件/组件等。
本书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或***以及执行任何并入的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求书限定，并可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有与权利要求书的字面语言并无不同的结构性元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的结构元件，则这样的其它示例意于在权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种用于为电网(22)提供功率的功率变换***(14)，其包括：
功率变换器(16)，其耦合到直流(DC)功率源(12)并且配置成接收由直流(DC)功率源(12)产生的功率；
接触器(24)，其耦合到所述功率变换器和所述电网，并配置成选择性地将所述功率变换器电耦合到所述电网；以及
***控制器(18)，其通信地耦合到所述功率变换器和所述接触器，并配置成：
在提供给所述功率变换器的DC电压以预定义的时间长度保持高于预定义的电压电平时，闭合所述接触器以将所述功率变换器电耦合到所述电网并激活所述功率变换器；
在所述功率变换器的交流(AC)功率输出以预定义的时间长度保持低于预定义的功率级别时，使所述功率变换器去激活，将所述接触器保持在闭合位置；
所述***控制器(18)配置成监测所述接触器(24)被闭合的时间长度；
其中，所述***控制器(18)进一步配置成在提供给所述功率变换器(16)的DC电压以预定义的时间长度保持低于所预定义的电压电平以及所述接触器已经闭合的时间长度超过所述接触器断开延时值时，断开所述接触器(24)。
2.根据权利要求1所述的***(14)，其中，所述DC功率源(12)包括光生伏打(PV)阵列。
3.根据权利要求1所述的***(14)，其中，所述***控制器(18)进一步配置成确定提供给所述功率变换器(16)的DC电压是否大于所述预定义的电压电平。
4.根据权利要求1所述的***(14)，其中，所述***控制器(18)进一步配置成确定所述功率变换器(16)的AC功率输出。
5.根据权利要求1所述的***(14)，其中，所述功率变换器(16)包括一个两级的功率变换器。
6.根据权利要求1所述的***(14)，其中，所述***控制器(18)包括配置成存储至少一个预定义的时间长度、预定义的电压电平、预定义的功率级别和接触器断开延时值的存储器装置(23)。
7.一种***控制器(18)，其耦合到功率变换***(14)并配置成控制功率变换***(14)的操作，所述功率变换***(14)包括耦合到光生伏打(PV)阵列(12)的功率变换器(16)和配置成选择性地将所述功率变换器电耦合到电网(22)的接触器(24)，所述***控制器配置成：
确定所述功率变换器的AC输出功率；以及
在所述AC输出功率以预定义的时间长度保持低于预定义的功率级别时，停止所述功率变换器的操作，同时将所述接触器保持在闭合的位置；
监测所述接触器(24)被闭合的时间长度；以及
在提供给所述功率变换器(16)的DC电压以所预定义的时间长度保持低于所预定义的电压电平以及所述接触器已闭合的所述时间长度超过接触器断开延时的时候，断开所述接触器(24)。
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