專利名稱：串聯連接的逆變器的制作方法
串聯連接的逆變器背景I.發明領域本發明的領域大體上涉及分布式電源系統，且更具體地涉及多個微型逆變器的使用。2.相關技術近來對可再生能量的增加的興趣導致分布式發電系統——包括光伏電池和燃料電池一的研究和發展。已經提出了用于將這些電源連接到負載的各種拓撲，考慮到各種參數，例如電壓/電流要求、操作條件、可靠性、安全性、成本。這些源提供低電壓直流輸出 (通常低于3伏特)，所以它們被串聯地連接以獲得所需的電壓。相反，串聯連接可能不能提供所需的電流，所以串聯連接的幾個串可以并聯地連接以提供所需的電流。來自這些源中的每一個的發電通常取決于電源例如光伏板的制造、操作和環境條件。例如，在制造中的各種不一致可能使兩個相同的源提供不同的輸出特性。類似地，兩個相同的源可能對諸如負載、溫度等操作和/或環境條件不同地起反應。在實際安裝中，不同的源也可能經歷不同的環境條件，例如在太陽能發電裝置中，一些板可以暴露于充足的陽光，而另一些被遮蔽，從而提供不同的功率輸出。在圖I中示出了太陽能發電系統10的傳統裝置。因為由每一單獨的光伏板100 提供的電壓較低，若干個板100串聯連接以形成板100的串102。對于大型裝置，為了獲得較高的電流，若干串102可以并聯地連接。光伏板100安裝在室外，且連接到最大功率點跟蹤(MPPT)模塊106和逆變器104。MPPT 106通常在與逆變器104相同的殼體中實現。從DC源收集的電力被傳送到逆變器104，逆變器104將浮動的直流(DC)轉換成具有期望電壓和頻率的交流(AC)，對于住宅應用，期望電壓通常在60Hz時是IlOV或220V 或者在50Hz時是220V。來自逆變器104的AC電流接著可以用于操作電器或饋送到電力網?？蛇x地，如果所述裝置沒有連接到電網，從逆變器104提取的電力可以被弓I導來將多余的電力儲存在電池中。圖2示出了根據傳統技術的DC源的一個串聯串，光伏板100連接到MPPT電路106 和逆變器104以形成連接到負載108的電力收集系統20。電流與電壓(IV)的關系曲線特性被繪制在每個光伏板100的左邊。對于每個光伏板100,電流隨著輸出電壓的升高而降低。在某一電壓值處，電流轉變到零，并且在一些應用中可以采用負值，意味著一些光伏板 100不是功率源，而是變成功率的接收器。并聯連接在每個光伏板100的輸出兩端的旁路二極管(未不出)被用于防止任一光伏板100變成功率的接收器。每個光伏板100的功率輸出等于電流和電壓的乘積(P = I*v)，并且根據從板100提取的電壓而變化。在某一電流和電壓處，功率達到其最大值(由每個圖的IV曲線上的點表示)。在該最大功率點(MPP)處操作板100是合乎需要的。最大功率點跟蹤(MPPT)模塊106的目的是找到對所有板100 合適的“平均”最大功率點(MPP)。由MPPT模塊106選擇的串的最大功率點使用帶有MPP 標記的虛線示出。板100的串的最大功率點通常不是所有板100的最大功率。指示單獨的板100的最大功率點的點沒有落在標有MPP的虛線上。
圖3不出了根據傳統技術的組合了多個光伏板100的功率的另一電力收集系統 30。每個光伏板100具有連接到逆變器104的輸入的直流(DC)輸出。為了安全要求(例如，IEC61730-2太陽能安全標準)，旁路二極管310并聯連接在直流(DC)輸出板100兩端。 逆變器104接收光伏板100的直流(DC)輸出，并轉換直流(DC)以在逆變器104的輸出處提供交流(AC)。最大功率點跟蹤(MPPT)模塊106通常被實現為逆變器104的一部分。多個逆變器104的輸出(輸入連接到多個光伏板100)并聯地連接以產生交流(AC)輸出304。 交流(AC)輸出304為負載108供電。負載108通常是交流(AC)電力網、交流(AC)電動機或電池充電電路。孤島效應是發電系統從公用網切斷但在公用電源從公用網的一些部分斷開之后發電系統繼續向公用網的那些部分供電的條件。光伏系統必須具有反孤島效應檢測，以便遵守安全規則。否則，在電網從作為孤島下游產生電力的光伏裝置關閉之后，光伏裝置可能使維修人員觸電或遭到電擊。孤島條件也對設備造成危險。因此，檢測并消除孤島條件是重要的。將交流(AC)發電機或電源(例如交流發電機、逆變器)連接到其他的AC電源或電力網的過程稱作同步，并且對AC電力的產生是至關重要的。存在對同步過程滿足的五個條件。電源的線電壓、頻率、相序、相角和波形必須與電力網的線電壓、頻率、相序、相角和波形相等。通常借助于同步繼電器和微型電子系統來執行和控制同步。如在此所使用的術語“電網電壓”是通常在60Hz時為IIOV或220V或者在50Hz時為220V的電力網的電壓。發明概述根據本發明的一個方面，提供了具有輸入端子和輸出端子的微型逆變器。所述微型逆變器適于將在輸入端子接收的輸入DC功率轉換成在輸出端子的具有顯著小于電網電壓的電壓的輸出交流(AC)功率。在輸出端子之間的旁路電流路徑適于將外部產生的電流傳遞到微型逆變器。可選的同步模塊適于使輸出AC功率與電網電壓同步?？刂苹芈繁慌渲贸筛鶕郧按_定的標準設置在輸入端子接收的輸入DC功率。所述以前確定的標準通常設置最大輸入功率。根據本發明的一個方面，提供了一種光伏發電系統，該光伏發電系統具有多個光伏板，光伏板的直流(DC)輸出可連接到多個微型逆變器。每個微型逆變器具有可連接到DC 輸出的輸入端子和輸出端子。微型逆變器被配置成將在輸入端子接收的輸入DC功率轉換成在輸出端子的具有實質上小于電網電壓的輸出電壓的輸出交流(AC)。輸出端子可串聯地連接成串聯串，并且串聯串的輸出電壓實質上等于電網電壓。每個微型逆變器包括在輸出端子之間的用于在串聯串中傳遞外部產生的電流的旁路電流路徑。交流(AC)微型逆變器可具有控制回路，該控制回路被配置成根據以前確定的標準設置在輸入端子接收的輸入DC 功率?？蛇x的中央控制單元操作地連接到串聯串和電網電壓。中央控制單元適于當檢測到小于最小電網電壓時使系統與電網斷開。中央控制單元可選地監控串聯串的電壓與電網電壓的同步，當在電網電壓和串聯連接的微型逆變器的輸出電壓之間缺乏同步時，使串聯連接的微型逆變器與電網斷開或者使微型逆變器失效。根據本發明的一個方面，提供了一種用于在具有多個光伏板和多個微型逆變器的系統中進行光伏發電的方法，其中光伏板具有直流(DC)輸出，每個微型逆變器包括輸入端子和輸出端子。微型逆變器的輸入端子可連接到光伏板的相應DC輸出。輸出端子串聯地連接到串聯電壓輸出。在輸入端子接收的DC功率被轉換成在輸出端子的輸出交流(AC)功率，同時保持串聯電壓輸出實質上等于電網電壓。輸出端子優選地具有電流旁路，以在輸入端子接收的DC功率未能轉換成在輸出端子的輸出交流(AC)功率或者當在故障的情況下關閉微型逆變器時，將串聯電壓輸出保持在電網電壓水平。在連接輸入端子以及輸出端子后，在以前確定的時延之后允許輸入DC功率到輸出功率的轉換。串聯電壓輸出優選地與電網電壓同步。輸出端子優選地具有電流旁路，以在輸入端子接收的DC功率未能轉換成在輸出端子的輸出交流(AC)功率或者當在故障的情況下關閉微型逆變器時，將串聯電壓輸出保持在電網電壓水平。附圖
的簡要說明在此僅作為例子、參考附圖來描述本發明，其中圖I示出了根據傳統技術的太陽能發電系統的傳統裝置。圖2示出了根據傳統技術的DC源的一個串聯串。圖3示出了根據傳統技術的電力收集系統。圖4a示出了根據本發明的實施方式的電力收集系統。圖4b示出了根據本發明的另一實施方式的電力收集系統。圖4c示出了根據本發明的實施方式的旁路的另外的細節。圖5a示出了根據本發明的實施方式的電力收集系統的操作的方法。圖5b示出了根據本發明的實施方式的電力收集系統的連接和喚醒的另外的細節。圖5c示出了根據本發明的實施方式的操作的另外的細節。當結合附圖考慮時，根據以下的詳細描述，前述的和/或其他的方面將變得明顯。詳細描述現在將詳細地參考本發明的實施方式，其實例在附圖中示出，其中相似的參考數字自始自終指相似的元件。下面通過參考附圖描述實施方式來解釋本發明。在詳細地解釋本發明的實施方式之前，應該理解，本發明在其應用中不限于在以下的描述中闡述的或在附圖中示出的設計的細節和組件的布置。本發明能夠有其他實施方式或能夠用各種方式實現或實施。此外，應該理解，在此所使用的措辭和術語是為了描述目的，而不應該被視為限制性的。作為介紹，本發明的實施方式目的在于在電網連接的光伏系統中的串聯連接的逆變器。在具有串聯連接的逆變器的系統中，與示出了并聯連接的逆變器的傳統的系統 30相反，每個逆變器需要輸出低電壓，例如對于十個串聯連接的逆變器為24伏特AC均方根(RMS)。微型逆變器的低輸出電壓適合于高效且低成本的微型逆變器拓撲。在題目為“A Single-Stage Grid Connected Inverter Topology for Solar PV Systems With Maximum Power Point Tracking (IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 22, No. 5，September 2007) ”中討論了這樣的拓撲，該論文提出了用于電網連接的PV系統的高性能單級逆變器拓撲。如在此使用的術語“旁路”是指圍繞或穿過電路、設備或系統組件的替代性的低阻抗電流路徑。當被繞過的電路不起作用或不可用時，旁路用于繼續操作。
如在此使用的術語“喚醒”和“關閉”分別是指光伏系統被啟動或停用的過程?！皢拘选?即光伏板的啟動)的標準例如是光伏板例如在黎明暴露于充足的光。“關閉”(即光伏板的停用)的標準是光伏板沒有暴露于充足的光，例如在黃昏。現在參考圖4a，其示出了根據本發明的實施方式的電力收集系統41。光伏逆變模塊410每一個都具有板100、旁路二極管310、控制回路404和微型逆變器402。微型逆變器402每一個都具有可選的同步單元408和電流旁路路徑422。光伏板100具有分別連接到逆變器402的輸入的直流(DC)輸出。為了安全要求(例如，IEC61730-2太陽能安全標準)，旁路二極管310并聯連接在每個板100的直流(DC)輸出兩端。根據預定的標準，控制回路404通常被配置成在微型逆變器402的輸入(即從光伏板100的直流(DC)輸出)保持最大功率。旁路路徑422可選地為常閉繼電器，其在運行期間打開，并且分別連接到光伏逆變模塊410的輸出。光伏逆變模塊410具有交流(AC)輸出，其具有來自模塊410a的電壓Va和電流Ia ;來自模塊410b的電壓Vb和電流Ib ;來自模塊410η的電壓Vn和電流Ιη。模塊410的輸出串聯地連接以通過開關414提供施加到負載406的電壓輸出開關414 優選地由控制單元418控制。負載406通常是交流(AC)電力網、交流(AC)電動機或電池充電電路?？刂茊卧?18通常為同步單元408提供控制信號以便實現與負載或電網406的同步。同步單元408或控制單元418為電力收集系統41提供反孤島效應功能。另外，倘若由微型逆變器模塊402產生了欠電壓，光伏逆變模塊410a_410n被旁路 422繞過(即模塊410a-410n的輸出被短路)，或者倘若由微型逆變器模塊402產生了過電壓或在反孤島效應的情況期間，旁路被斷開(即模塊410a-410n是開路)?，F在參考圖4c，其示出了根據本發明的實施方式的旁路422的另外的細節。旁路 422由控制邏輯模塊460例如控制微型逆變器402的微處理器460控制。微處理器460具有連接到微型逆變器402的輸出電壓(VtsaaJ的感測輸入?？刂七壿嬆K460具有在節點A和B處連接在旁路路徑兩端的其他輸入?？刂七壿嬆K460具有兩個輸出；一個輸出連接到金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)Q1的柵極，另一個輸出連接到MOSFETq2 的柵極。MOSFET Q1的漏極連接到節點A且MOSFET Q1的源極連接到MOSFET Q2的源極， MOSFET Q2的漏極連接到節點B。MOSFET Q1具有正極連接到漏極且負極連接到源極的二極管。MOSFET Q2具有正極連接到漏極且負極連接到源極的二極管。旁路電流(Ι#κ)路徑在節點A和B之間被確定。當微型逆變器402正在產生與電網電壓406同步的交流(AC)電壓時，在節點A和 B之間提供高阻抗路徑。當MOSFET Q1和Q2通過控制邏輯單元460關斷時，在節點A和B 之間提供高阻抗路徑。當在節點A和B之間提供高阻抗路徑時，根據基爾霍夫電流定律，電流Ib、Ix、I輸入、Ia、Iy和相等。當微型逆變器402沒有產生AC電壓而另一個串聯連接的微型逆變器402正產生AC電壓時，在節點A和B之間提供低阻抗路徑。通過可選地經由控制邏輯單元406交替地接通和關斷MOSFET Q1和Q2,在節點A和B之間提供低阻抗路徑。 當負載406是電網電壓時，根據電網電壓的頻率交替地接通和關斷Q1和Q2。當負載406是一負載時，根據同步逆變器402a-402n的頻率交替地接通和關斷Q1和Q2。在根據圖4a的實施方式中在節點A和B之間提供低阻抗路徑的情況下；通過在中央控制單元408和控制單元408a-408n之間的通信信號實現通過控制邏輯單元460接通和關斷MOSFET Q1和Q2。 在根據圖4b的實施方式中在節點A和B之間提供低阻抗路徑的情況下；通過在控制單元
7408a-408n之間的通信信號和經由傳感器416獲得的電網電壓406的信息來實現通過控制邏輯單元460交替地接通和關斷MOSFET Q1和Q2。在節點A和B之間提供的低阻抗路徑意味著根據基爾霍夫電流定律，電流Ib、I_和實質上相等。在節點A和B之間提供的低阻抗路徑意味著對于一個半周期電流I #@交替地從Q2的漏極流向Q2的源極以及Q1的二極管，并且對于另一半周期I #@交替地從Q1的漏極流過而到達Q1的源極以及Q2的二極管?，F在參考圖4b，其示出了根據本發明的另一實施方式的電力收集系統42。正如在電力收集系統41中的，光伏逆變模塊410a-410n每一個具有光伏板100、旁路二極管310、 控制回路404以及具有同步單元408和電流旁路422的逆變器402。模塊410a_410n具有串聯連接的輸出以提供施加到負載406的電壓輸出傳感器416可選地通過位于連接于負載406的電源線上的電磁拾取器或直接通過借助于旁路422有電網的可見性來優選地感測施加到負載406的正在使用著的電壓。傳感器單元412將負載電壓的細節(例如振幅、 相位和頻率)通過控制線420傳送給同步單元408a?？刂菩盘柨蛇x地通過電源線通信、無線電或通過單獨的接口發送。盡管僅示出了一條控制線420，但可選地，多個或所有同步單元422從傳感器412 接收同步信號?，F在參考圖5a，其示出了根據本發明的實施方式的說明電力收集系統41和42的操作的方法50的流程圖。方法步驟包括安裝(步驟500)、喚醒(步驟501)、正常操作(步驟503)和關閉(步驟505)。500安裝和501喚醒在安裝期間(步驟500)，光伏模塊410優選地不產生電力以免給安裝人員造成完全隱患?？蛇x地，“保持有效(ke印-alive)”信號例如由控制單元418通過AC電源線發送。 當“保持有效”信號沒有被微型逆變器402接收時，禁用或不產生AC輸出功率?？蛇x地，如果電網對微型逆變器402是“可見的”，那么在缺少電網電壓的情況下，(例如，圖4a中的開關414是斷開的)微型逆變器402不產生AC功率?，F在參考圖5b，其示出了根據本發明的特征的安裝方法500。在步驟500a中，微型逆變器402的輸入端子連接到光伏板100的輸出。在步驟500b中，光伏板100的輸出端子串聯地連接以提供串聯電壓輸出。在可選的預定時延之后(步驟501a)，允許功率轉換(步驟501b)。當感測到電網電壓時可以通過同步模塊408來執行允許功率轉換，或者當開關414閉合時可以通過控制單元418來執行允許功率轉換(步驟501b)。503操作和505關閉現在再次參考圖5c，其示出了根據本發明的實施方式的用于操作串聯連接的微型逆變器模塊的方法503的流程圖。微型逆變器402將光伏板100的直流(DC)功率輸出轉換成在微型逆變器402的輸出處的交流(AC)功率(步驟503b)，同時保持輸出電壓等于電網電壓。保持在微型逆變器的電壓輸出402a-402n和電網電壓之間的同步(步驟503a)。控制單元418可選地監控在輸出電壓V·和負載406 (例如電網)之間的AC同步?？刂茊卧?418還可以為電力收集系統41提供反孤島效應功能。如果電力收集系統41的同步和/或電壓與電網不相容，控制單元418通過向開關414發信號將電力收集系統與電網斷開?？蛇x地，使用可借助于旁路路徑422感測電網的同步單元422來實現同步，包括電網電壓的維護(步驟503a)。當同步(步驟503a)或者通過串聯連接的微型逆變器模塊402中的任何一個轉換在電網電壓處的功率(步驟503b)失敗時，于是電流旁路出現(步驟503d)。電流旁路可選地為使用有源開關的有源電流旁路，如在圖4c中所示，或者優選地為無源電流旁路。當光水平太低而不能將電網電壓保持在任一當前水平時(例如在黃昏)，關閉出現(步驟505)。在關閉期間，使用在系統41或在系統42中的開關414可選地將光伏系統與電網斷開，每一個微型逆變器模塊402停止并向電網提供高阻抗。根據本發明的又一實施方式，直接通過電網406實現對光伏逆變模塊410a_410n 的輸出電壓的調節。該調節不需要如在圖4a中示出的控制單元418和開關414，且依賴于事實就潛在的電力供應而言，與由光伏逆變模塊410a-410n產生的AC功率相比，電網406 幾乎是無限大的。電網406的較大的功率迫使光伏逆變模塊410a-410n調整到電網電壓， 且因此，光伏逆變模塊410a-410n被優選地操作以在它們的輸出提供盡可能多的電壓。通常光伏逆變模塊410a-410n能夠感測電網電壓406以提供反孤島效應。在此使用的定冠詞“一(a) ”、“一 (an) ”，例如“一光伏板”，具有“一個或多個”的意思，即“一個或多個光伏板”。盡管已經示出和描述了本發明的所選擇的實施方式，但應該理解，本發明不限于所描述的實施方式。相反，應該認識到，可以對這些實施方式進行變化而不偏離本發明的原理和精神，本發明的范圍由權利要求書及其等效形式限定。
權利要求
1.一種微型逆變器，包括輸入端子和輸出端子；其中，所述微型逆變器適于將在所述輸入端子接收的輸入直流 (DC)功率轉換成在所述輸出端子的輸出交流(AC)功率，所述輸出交流功率具有顯著小于電網電壓的電壓；以及在所述輸出端子之間的旁路電流路徑，所述旁路電流路徑適于將外部產生的電流傳遞到所述微型逆變器。
2.根據權利要求I所述的微型逆變器，還包括同步模塊，其適于使所述輸出AC功率與所述電網電壓同步。
3.根據權利要求I所述的微型逆變器，一控制回路被配置成根據以前確定的標準設置在所述輸入端子接收的所述輸入DC功率。
4.根據權利要求I所述的微型逆變器，其中所述控制回路被配置成將在所述輸入端子接收的所述輸入DC功率設置在最大輸入功率處。
5.一種光伏發電系統，包括帶有直流(DC)輸出的多個光伏板；多個微型逆變器，每個微型逆變器包括可連接到所述DC輸出的輸入端子、和輸出端子，其中所述微型逆變器被配置成將在所述輸入端子接收的輸入DC功率轉換成在所述輸出端子的具有實質上小于電網電壓的輸出電壓的輸出交流(AC)，其中所述輸出端子能夠串聯地連接成串聯串，并且所述串聯串的輸出電壓實質上等于所述電網電壓，其中每個微型逆變器包括在所述輸出端子之間的適于在所述串聯串中傳遞外部產生的電流的旁路電流路徑。
6.根據權利要求5所述的光伏發電系統，其中所述交流(AC)微型逆變器具有控制回路，所述控制回路被配置成根據以前確定的標準設置在所述輸入端子接收的所述輸入DC功率。
7.根據權利要求5所述的光伏發電系統，還包括中央控制單元，其操作地連接到所述串聯串和所述電網電壓。
8.根據權利要求7所述的光伏發電系統，其中所述中央控制單元適于監控所述串聯串與所述電網電壓的同步。
9.根據權利要求8所述的光伏發電系統，其中所述中央控制單元適于當檢測到選自由以下條件組成的組的至少一個條件時使所述系統與電網斷開或者使所述微型逆變器失效 所述輸出電壓小于所述電網電壓，以及在所述輸出電壓和所述電網電壓之間缺乏所述同止 /J/ O
10.一種用于在包括多個光伏板和多個微型逆變器的系統中光伏發電的方法，所述光伏板具有直流(DC)輸出，每個微型逆變器包括輸入端子和輸出端子，所述方法包括將所述輸入端子分別連接到所述DC輸出；將所述輸出端子串聯地連接到串聯電壓輸出；將在所述輸入端子接收的輸入DC功率轉換成在所述輸出端子的輸出交流(AC)功率， 同時保持所述串聯電壓輸出實質上等于電網電壓；以及當所述轉換失敗時，則繞過所述輸出端子，從而保持所述串聯電壓輸出。
11.根據權利要求10所述的方法，還包括在連接所述輸入端子和連接所述輸出端子后，在以前確定的時延之后允許轉換輸入DC功率。
12.根據權利要求10所述的方法，還包括使所述串聯電壓輸出與所述電網電壓同步。
13.根據權利要求12所述的方法，還包括當所述同步失敗時，則繞過所述輸出端子，從而保持所述串聯電壓輸出。全文摘要
本發明涉及串聯連接的逆變器。一種具有輸入端子和輸出端子的微型逆變器。所述微型逆變器適于將在輸入端子接收的輸入DC功率轉換成在輸出端子的輸出交流(AC)功率，該輸出交流功率具有顯著小于電網電壓的電壓。在輸出端子之間的旁路電流路徑適于將外部產生的電流傳遞到微型逆變器。
文檔編號H02M7/44GK102594178SQ20121000749
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月11日 優先權日2011年1月12日
發明者M·蓋茲特, Y·戈林, 伊蘭·約瑟考維奇, 察希·格羅文斯基 申請人:太陽能安吉科技有限公司