CN105378577B - 电力转换装置、电力管理方法以及电力转换*** - Google Patents

电力转换装置、电力管理方法以及电力转换*** Download PDF

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Abstract

本发明可以高精度地估计发电装置的备用发电量。电力转换装置(1)包括：多个输入接口(11)，输入从相同类型的多个发电装置(10)中的每一个生成的电力；以及控制器(14)，基于多个输入接口中的至少一个输入接口优先进行MPPT控制，并通过使用与输入接口(11)连接的发电装置(10)生成的电流进行计算以获得与其它输入接口(11)连接的发电装置(10)的备用发电量。

Description

电力转换装置、电力管理方法以及电力转换***
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年7月26日申请的第2013-155931号日本专利申请的优先权和利益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及转换由多个发电装置生成的电力的电力转换装置、电力管理方法以及电力转换***。
背景技术
近年来，已知使用为每个消费者提供的电力管理装置(例如，HEMS：Home EnergyManagement System，家庭能源管理***)对为消费者提供的负载或为消费者提供的分布式电源等进行控制的技术(参照JP2003-309928(专利文献1))。
另外，作为分布式电源，考虑将使用例如太阳能发电装置等利用自然能源进行发电的发电装置。通过自然能源发电的发电量根据各种原因可能变动，但是为了控制电力管理装置的各设备，需要预测发电量。因此，提出了通过基于以往的太阳照射强度和天气信息等预测太阳照射强度，并将预测的太阳照射强度换算成通过太阳能发电的发电量(参照JP2005-086953(专利文献2))，从而计算发电量的预测值。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开公报“特开2003-309928”
专利文献2：日本专利公开公报“特开2005-086953”
发明内容
发明要解决的问题
然而，专利文献2中记载的电力控制方法的前提是根据MPPT(Maximum PowerPoint Tracking，最大电力点跟踪)控制等进行最大输出，而且，发电量仅仅是预测值。因此，即使发电量有助于预测当前的备用发电量，但期望更精确的信息。
鉴于相关问题，本发明的目的在于提供一种可以高精度地估计发电装置的备用发电量的电力转换装置、电力管理方法以及电力转换***。
解决问题所需手段
为了解决上述问题，根据本发明的电力转换装置包括：多个输入接口，被配置为输入从相同类型的多个发电装置中的每一个生成的电力；以及控制器，被配置为基于所述多个输入接口中的至少一个输入接口优先进行MPPT控制，并通过使用与所述至少一个输入接口连接的发电装置生成的电流进行计算以获得与另一个输入接口连接的发电装置的备用发电量。
在根据本发明的电力转换装置中，在所述多个输入接口中，所述控制器可以基于与最大发电量最小的发电装置连接的输入接口优先进行MPPT控制。
在根据本发明的电力转换装置中，所述控制器可以使用与受到MPPT控制的输入接口连接的发电装置产生的电流计算与其它输入接口连接的发电装置的最大发电量，并可以将该最大发电量和实际发电量的差作为备用发电量。
在根据本发明的电力转换装置中，所述控制器可以在从电网断开的独立运行期间估计备用发电量。
在根据本发明的电力转换装置中，所述多个输入接口可以是每个均被配置为对从所述多个发电装置输入的DC电力的电压进行转换的多个DC/DC转换器。
根据本发明的电力转换装置还具有换流器，所述换流器被配置为共同地接收由所述多个DC/DC转换器输出的电压的输入。
在根据本发明的电力转换装置中，所述多个发电装置中的每一个均可以是串联有多个太阳能电池模块的太阳能电池串。
而且，本发明的电力转换装置的特征在于，所述多个太阳能电池模块可以都具有相同的特性。
另外，为了解决上述问题，根据本发明的电力转换***包括电力转换装置；以及与所述电力转换装置连接的相同类型的多个发电装置，以使得所述发电装置包括：多个输入接口，被配置为输入从所述多个发电装置中的每一个生成的电力；以及控制器，被配置为基于所述多个输入接口中的至少一个输入接口优先进行MPPT控制，并通过使用与所述至少一个输入接口连接的发电装置生成的电流计算来获得与另一个输入接口连接的发电装置的备用发电量。
另外，为了解决上述问题，根据本发明的电力管理方法使用将来自相同类型的多个发电装置的输入电力转换为预定输出的电力转换装置，所述方法包括以下步骤：将从所述多个发电装置中的每一个生成的电力输入至所述电力转换装置的多个输入接口中；基于所述多个输入接口中的至少一个输入接口优先进行MPPT控制；以及使用输入至受到MPPT控制的输入接口生成的电流计算来获得与另一个输入接口连接的发电装置的备用发电量。
发明效果
根据本发明，可以高精度推断发电装置的备用电力。
附图说明
图1是示出具有本发明一实施方式的电力转换装置的***的构成实施例的框图。
图2是示出本发明一实施方式的电力转换装置的其它构成实施例的框图。
图3是本发明一实施方式的电力转换装置中的DC/DC转换器的电路图。
图4是示出本发明一实施方式的电力转换装置中的控制器的功能的框图。
图5是示出本发明一实施方式的电力管理方法的流程图。
图6是示出本发明一实施方式的电力转换装置中的发电装置的电流/电压特性的图。
图7是示出本发明一实施方式的电力转换装置中的发电装置生成的电力的图。
图8是示出本发明一实施方式的电力转换装置中的发电装置的、太阳照射量不同的情况下的发电量的图。
具体实施方式
下面，参照附图，详细说明本发明的实施方式。
(第一实施方式)
图1是示出具有本发明一实施方式的电力转换装置的***的构成实施例的框图。如图1所示，电力转换装置(功率调节器)1包括多个DC/DC转换器(输入接口)11、中间连接电容器12、换流器13、控制器14以及通信接口15。电力转换***包括电力转换装置1和多个发电装置(直流输入电源)10形成。此外，虽然图1中的电力转换装置1的输出是单相二线式***，但是，输出形式不限于该***，也可以是例如三相式。
电力转换装置1对从连接的多个发电装置10输入的DC电力进行转换。电力转换装置1通常通过与电网互联来进行并网运行，并通过当电网中发生断电时与电网断开进行独立运行。因此电力转换装置1对消费者家中的负载提供电力。
发电装置10输出DC电力。多个发电装置10中的每一个都是分布式电源，诸如太阳能电池串，其中串联有将太阳能转换至DC电力的多个太阳能电池模块；风力发电机；燃料电池等。所多个太阳能电池模块的特性优选都相同，例如，输出特性等特性完全相同。
DC/DC转换器(输入接口)11对从相同种类的多个发电装置10输入的电压进行转换用于向恒定电压的校准。在本实施方式中，发电装置10和DC/DC转换器11都是3个，但是，只要发电装置10和DC/DC转换器11都在2个以上即可。
中间连接电容器12使由DC/DC转换器11升压的DC电压平滑，以使输入至换流器13中的输入电压稳定。此外，为了稳定输出电压，也可以在各DC/DC转换器11内设置用于平滑化的电容器。
换流器13共同接收由DC/DC转换器11输出的电压的输入，并将通过中间连接电容器12平滑化的直流电压转换成交流电压。换流器13通常与电网互联，但在停电等期间进行独立运行，从电网断开并向AC输入设备(负载设备)3供给交流电力。图1中示出了在独立运行时期间电力转换装置1和交流输入设备3之间的连接。
控制器14通过控制DC/DC转换器11和换流器13中的开关元件的占空比来控制DC/DC转换器11和换流器13的输出。另外，在从电网断开的独立运行期间，控制器14通过计算获得发电装置10的备用发电量。此时，控制器14对至少一个DC/DC转换器11优先进行MPPT控制，使用与该DC/DC转换器11连接的发电装置10生成的电流计算与其它DC/DC转换器11连接的发电装置10的备用发电量。
通信接口15从控制器14获得表示发电装置10的备用发电量的备用电力信息，并将该备用电力信息发送至电力管理装置2。
电力管理装置2是控制与电力转换装置1连接的负载设备的操作的装置，根据管理对象称为HEMS(Home Energy Management System，家庭能量管理***)、BEMS(BuildingEnergy Management System，建筑能量管理***)、FEMS(Factory Energy ManagementSystem，工厂能量管理***)、CEMS(Community Energy Management System，社区能量管理***)。电力管理装置2从通信接口15接收备用电力信息并且从AC输入设备3获得电力消耗信息。电力管理装置2基于这些信息控制交流输入设备3。
图2是电力转换装置1的其它构成实施例的框图。图1所示的电力转换装置1比较，图2示出的电力转换装置1在输出侧还包括DC/DC转换器16。DC/DC转换器16将通过中间连接电容器12平滑化的直流电压转换成预定的直流电压，并在独立运行期间向DC输入设备4提供直流电力。通过设置DC/DC转换器16，可以向DC输入设备4提供DC电力。
这样，电力转换装置1在输出侧包括电力转换器。如图1所示，电力转换器可以只是换流器13，或者如图2所示，也可以是并联的换流器13和DC/DC转换器16。另外，虽然未示出，但是电力转换器也可以只是DC/DC转换器16，或可以是分别并联任意个数的换流器13和DC/DC转换器16的设备。
图3是示出电力转换装置1中的DC/DC转换器11的电路图的实施例。图3也示出对DC/DC转换器11进行控制的控制器14。虽然图3示出了典型的非绝缘型升压转换器，但是，具体的电路结构不限本实施例。具有可以改变从输入电源观察的阻抗并可以将各输入电力独立地控制为期望值的功能的任何结构都可以适用。
控制器14监视通过输入电压传感器19(19-1、19-2、19-3)检测的各DC/DC转换器11的输入电压、通过输入电流传感器20(20-1、20-2、20-3)检测的各DC/DC转换器11的输入电流以及通过中间连接电压传感器21检测的换流器13的中间连接电压。基于这些值，控制器14为每个DC/DC转换器11的开关元件18(18-1，18-2，18-3)生成PWM信号。对于控制DC/DC转换器11的详情在下文叙述。
图4是示出电力转换装置1中的控制器14的功能的框图。参照图4说明控制器14的操作。
占空比控制器141-1控制用于生成对于DC/DC转换器11-1的PWM信号的占空比。同样地，占空比控制器141-2控制用于生成对于DC/DC转换器11-2的PWM信号的占空比，占空比控制器141-3控制用于生成对于DC/DC转换器11-3的PWM信号的占空比。占空比控制器141-2、141-3进行与占空比控制器141-1相同的控制。而且，由于占空比控制器141-2、141-3的内部结构也与占空比控制器141-1的内部结构相同，因此省略图示。
控制模式判断器142在并网运行期间确定控制模式为MPPT控制。在MPPT控制期间，从发电装置10获得的发电量被控制为最大。
另一方面，如果在独立运行期间对全部的DC/DC转换器11进行MPPT控制，则AC输入设备3的电力消耗和发电装置10的发电量之间失去平衡。另外，如果在独立运行期间对全部的DC/DC转换器11进行负载追随控制时，则发电装置10难以以最大电力发电。在负载追随控制期间，控制DC/DC转换器11的输出电压使负载的电力消耗和输入电源的发电电力相同。如果试图追随负载的电力消耗的发电装置10超过最大电力点，则该发电装置10的发电电力减少，这导致其它发电装置10连锁地超过最大电力点。最后，操作由于发电量不足可能中止。
因此，根据在独立运行期间通过中间连接电压传感器21检测的中间连接电压，控制模式判断器142将控制模式确定为MPPT控制或负载追随控制中的任一个。例如，如果每个发电装置10的最大发电电力是200W，并且AC输入设备3的电力消耗是500W，则对DC/DC转换器11-1和11-2进行MPPT控制，获得400W的电力，并对DC/DC转换器11-3进行负载追随控制获得剩余的100W的电力。这样，使发电装置10的整体发电量追随负载的电力消耗。
MPPT控制器143监视通过输入电压传感器19检测的输入电压和通过输入电流传感器20检测的输入电流。另外，当由控制模式判断器142确定控制模式是MPPT控制时，MPPT控制器143确定操作电压，该操作电压将向电力转换装置1的输入电力最大化。此外，虽然图4示出的实施例中基于输入电压进行追随，但是，MPPT控制的具体形式不限本实施例。
当控制模式判断器142被确定为负载追随控制时，负载追随控制器144确定操作电压，该操作电压导致通过中间连接电压传感器21检测的中间连接电压成为目标电压。
输入电压控制器145比较通过输入电压传感器19检测的输入电压和通过MPPT控制器143或负载追随控制器144确定的操作电压指令值，并进行反馈控制以改变真空比从而使得上述差异等于0。在图4示出的实施例中，虽然进行控制使得输入电源的操作电压是指令值，但是，只要控制控制器14基于中间连接电压切换MPPT控制和负载追随控制即可。因此，也可以基于输入电源的操作电流进行控制(基于输入电流的反馈控制)。
PWM单元147通过比较标准波形和由输入电压控制器145生成的占空比来生成PWM信号，该标准波形与由时钟发生器146生成的时钟同步。之后，PWM单元147将PWM信号输出至每个DC/DC转换器11。
在从电网断开的独立运行期间，备用发电量计算器148使用与受到MPPT控制的DC/DC转换器11连接的发电装置10生成的电流，计算与其它DC/DC转换器11连接的发电装置10的备用发电量，将表示备用发电量的备用电力信息输出至通信接口15。下文将说明具体的计算方法。
图5是示出使用电力转换装置1的电力管理方法的流程图。当没有发生停电时(步骤S101中“否”的情况)，控制器14进行并网运行，对全部的DC/DC转换器11进行MPPT控制(步骤S102)。
当发生停电时(步骤S101中“是”的情况)，控制器14从电网断开以进行独立运行，并对至少一个DC/DC转换器11优先进行MPPT控制(步骤S103)。参照图6、7说明此理由。
图6示出当发电装置10是太阳能电池串时的电流/电压特性。横轴表示输出电压，纵轴表示输出电流。太阳能电池串的输出电压由太阳能电池模块的数量和温度确定，基本不变化。另一方面，太阳能电池串的输出电流根据太阳照射量变化较大，当太阳照射量变少时，输出电流降低。换言之，当太阳照射量变化时，最大发电量依赖于生成的电流。
图7示意性地示出3个发电装置10-1、10-2、10-3发电的电压和电流。在本实施方式中，按照发电装置10-1、发电装置10-2、发电装置10-3的顺序，最大发电电力依次变大。虚线包围的部分的面积表示在并网运行期间(即，在MPPT控制期间)的最大发电电力，画斜线的部分的面积表示在独立运行期间的发电量。
在MPPT控制期间每个发电装置10生成的电压V1M、V2M和V3M根据每个发电装置10中的太阳能电池模块的数量具有不同的值。另一方面，在MPPT控制期间各发电装置10生成的电流I1M、I2M、I3M根据太阳照射量变化。但是，若假设在发电装置10之间太阳照射量相同，则视为I1M＝I2M＝I3M。由此，通过在独立运行期间对至少一个DC/DC转换器11优先进行MPPT控制(步骤S103)，控制器14可以得知对其它DC/DC转换器11进行MPPT控制时生成的电流。
在独立运行期间，即使在AC输入设备3的电力消耗低时，也认为电力消耗将超过发电装置10-1的最大发电量。因此，在独立运行期间，控制器14优选对与最大发电电力最小的发电装置10-1连接的DC/DC转换器11-1优先进行MPPT控制。由此，可以在初期阶段获得最大的生成电流的值。在下面的说明中，假设对DC/DC转换器11-1优先进行MPPT控制。
例如，当发电装置10-1的最大发电量为100W、发电装置10-2的最大发电量为200W、发电装置10-3的最大发电量为300W，且AC输入设备3的消費电力为200W时，控制器14对DC/DC转换器11-1进行MPPT控制，并从发电装置10-1获得100W。对于剩余的100W，控制器14可以对DC/DC转换器11-2和11-3进行负载追随控制，使得从发电装置10-2和发电装置10-3获得的电力合计为100W，控制器14也可以对DC/DC转换器11-2、11-3中的一个进行负载追随控制，使得仅从发电装置10-2、10-3中的一个获得100W。
然后，备用发电量计算器148从输入电流传感器20-1获得发电装置10-1生成的电流I1M的值(步骤S104)。另外，备用发电量计算器148使用发电装置10-1生成的电流I1M，通过最大发电量和当前发电量的差计算剩余的发电装置10-2、10-3的备用发电量(步骤S105)。
备用发电量计算器148存储并网运行期间(即，在MPPT控制期间)的发电装置10-2、10-3生成的电压V2M、V3M的值，通过I1M×V2M计算发电装置10-2的最大发电量P2M，通过I1M×V3M计算发电装置10-3的最大发电量P3M。例如，如图6所示，当对DC/DC转换器11-2进行负载追随控制时，备用发电量计算器148通过P2M-(I2L×V2L)计算发电装置10-2的备用发电量。备用发电量计算器148从输入电流传感器20-2获得电流值I2L，从输入电压传感器19-2获得电压值V2L。这样，备用发电量计算器148使用发电装置10-1生成的电流I1M计算其它发电装置10-2、10-3的备用发电量。
这样，在本发明中，控制器14基于多个DC/DC转换器(输入接口)11中的至少一个输入接口优先进行MPPT控制，并使用与该输入接口连接的发电装置的发电电流，通过计算获得与其它DC/DC转换器11连接的发电装置的备用发电量。因此，可以高精度且实时估计发电装置10的备用发电量。
(第二实施方式)
下面，对本发明的第二实施方式进行说明。在第一实施方式中，对将发电装置10之间的太阳照射量视为相等的情况进行了说明。但是，在安装各发电装置10面对四坡型屋顶上的各方位等的情况下，发电装置10之间的太阳照射量可以不同。因此，在第二实施方式中，对发电装置10之间的太阳照射量不同的情况进行说明。第二实施方式的电力转换装置1的结构与第一实施方式相同，因此省略说明。
图8示出当发电装置10之间的太阳照射量不同时的发电量。当将发电装置10-1设置在屋顶西侧，将发电装置10-2设置在屋顶东侧，将发电装置10-3设置在屋顶南侧时，在并网运行期间分别生成的电流I1M、I2M、I3M的值不同。另外，生成的电流I1M、I2M、I3M的值根据太阳照射量变动，图8(a)示出上午10点的太阳照射量大时的最大发电量，图8(b)示出上午10点的太阳照射量小时的最大发电量。
因为由太阳的方位确定太阳照射量的差异，所以，备用发电量计算器148存储并网运行期间的各发电装置10的最大发电量或生成的电流之比和时间信息。
与第一实施方式相同，控制器14在并网运行期间对全部DC/DC转换器11进行MPPT控制，在独立运行期间对与在并网运行时最大发电量最小的发电装置10-1连接的DC/DC转换器11-1进行MPPT控制。
在并网运行期间(即，在MPPT控制期间)，备用发电量计算器148存储各发电装置10的最大发电量P1M、P2M、P3M的比或发电装置10的最大生成电流I1M、I2M、I3M的比。而且，在独立运行期间，基于存储的最大发电量比例或最大生成电流比例计算备用发电量。
基于最大发电量比例计算备用发电量时，备用发电量计算器148当根据从输入电流传感器20-1获得的发电装置10-1生成的电流I1M的值和从输入电压传感器19-1获得的生成的电压V1M的值，通过I1M×V1M计算最大发电量P1M，并通过最大发电量比例计算最大发电量P2M、P3M。
另外，当基于最大发电电流比例计算备用发电量时，备用发电量计算器148从输入电流传感器20-1获得发电装置10-1生成的电流I1M的值，通过最大生成电流比例计算最大的生成电流I2M、I3M，通过I2M×V2M计算最大发电量P2M，通过I3M×V3M计算最大发电量P3M。只要求出最大发电量，就可以将与实际的发电电力的差作为备用发电量计算。
此外，在第一实施方式中，使用发电装置10-1生成的电流I1M计算发电装置10-2、10-3的最大发电量，但是，与第二实施方式相同，也可以通过在并网运行期间各发电装置10的最大发电量比例计算发电装置10-2、10-3的最大发电量。
这样，在第二实施方式中，控制器14给予多个DC/DC转换器(输入接口)11中的至少一个输入接口优先进行MPPT控制，并基于在并网运行期间的各发电装置10的最大发电量比例或最大生成电流比例计算备用发电量。因此，即使在发电装置10之间的太阳照射量不同的情况下，也可以高精度且实时估计发电装置10的备用发电量。
虽然作为代表性示例对上述实施方式进行了说明，但是，对本领域技术人员而言，显然在本发明的精神和范围内可以进行各种变化和取代。因此，本发明不应被理解成受限于上述实施方式，而是在不脱离权利要求的范围内可以进行各种变形和变化。例如，即使当使用多个风力发电机作为发电装置时，同样可以使至少一个风力发电机通过MPPT控制进行操作，从而计算其它风力发电机的备用发电量。
符号说明
1 电力转换装置
2 电力管理装置
3 AC输入设备
10 发电装置
11 DC/DC转换器
12 中间连接电容器
13 换流器
14 控制器
15 通信接口
16 DC/DC转换器
18 开关元件
19 输入电压传感器
20 输入电流传感器
21 中间连接电压传感器
141 占空比控制器
142 控制模式判断器
143 MPPT控制器
144 负载追随控制器
145 输入电压控制器
146 时钟发生器
147 PWM单元
148 备用发电量计算器

Claims (8)

1.一种电力转换装置，包括：
多个输入接口，被配置为输入从相同类型的多个发电装置中的每一个生成的电力；以及
控制器，被配置为基于所述多个输入接口中的至少一个输入接口优先进行MPPT控制，并通过使用与所述至少一个输入接口连接的发电装置生成的电流进行计算以获得与另一个输入接口连接的发电装置的备用发电量，
其中，所述控制器使用与受到MPPT控制的输入接口连接的发电装置产生的电流计算与其它输入接口连接的发电装置的最大发电量，并将所述最大发电量和实际发电量的差作为所述备用发电量，以及
其中，所述控制器在从电网断开的独立运行期间获得所述备用发电量。
2.如权利要求1所述的电力转换装置，其中在所述多个输入接口中，所述控制器基于与最大发电量最小的发电装置连接的输入接口优先进行MPPT控制。
3.如权利要求1所述的电力转换装置，其中所述多个输入接口是每个均被配置为对从所述多个发电装置输入的DC电力的电压进行转换的多个DC/DC转换器。
4.如权利要求3所述的电力转换装置，其中还包括换流器，所述换流器被配置为共同地接收由所述多个DC/DC转换器输出的电压的输入。
5.如权利要求1所述的电力转换装置，其中所述多个发电装置中的每一个均是串联有多个太阳能电池模块的太阳能电池串。
6.如权利要求5所述的电力转换装置，其中所述多个太阳能电池模块都具有相同的特性。
7.一种电力转换***，包括：
电力转换装置；以及
相同类型的多个发电装置，与所述电力转换装置连接，其中，
所述发电装置包括：
多个输入接口，被配置为输入从所述多个发电装置中的每一个生成的电力；以及
控制器，被配置为基于所述多个输入接口中的至少一个输入接口优先进行MPPT控制，并通过使用与所述至少一个输入接口连接的发电装置生成的电流计算来获得与另一个输入接口连接的发电装置的备用发电量。
8.一种电力管理方法，使用将来自相同类型的多个发电装置的输入电力转换为预定输出的电力转换装置，所述方法包括以下步骤：
将从所述多个发电装置中的每一个生成的电力输入至所述电力转换装置的多个输入接口中；
基于所述多个输入接口中的至少一个输入接口优先进行MPPT控制；以及
通过使用输入至受到MPPT控制的输入接口生成的电流进行计算以获得与另一个输入接口连接的发电装置的备用发电量。
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