专利名称：带有功率控制的能量转换系统的制作方法
带有功率控制的能量转换系统相关申请的相互参引本申请是于2008年12月20日提交的序列号为12/340,715的美国专利申请的部分继续，所述美国专利申请通过引用方式纳入本文。本申请要求于2009年2月2日提交的序列号为61/149，305的美国临时专利申请的优先权，所述美国临时专利申请通过引用方式纳入本文。
背景技术：
功率转换器用于将电功率从一种形式转换为另一种形式，例如将直流(DC)功率转换为交流(AC)功率。功率转换器的一种重要应用是将来自能量源(例如太阳能板、电池、 燃料电池等)的功率传递至配电系统(例如本地电网和区域电网)。大多数电网运行在50 或60周期每秒(赫兹或Hz)的线路(或干线)频率的AC电流上。AC电网中的功率以脉动方式(pulsating manner)流动，其中功率峰值出现的频率为线路频率的两倍，即IOOHz或 120Hz。相反，许多能量源以平稳的方式供应DC功率。因而，用于将功率从DC源传递至AC 电网的功率转换系统通常包括某种形式的能量存储，以使平稳的输入功率与脉动的输出功率相平衡。参考图1能够更好地理解上述内容，图1示出了 DC功率源与60HzAC负载之间的失配(mismatch)。从该DC源可得的功率的最大量被示为恒定值。相反，必须被传递至该 AC负载的功率的量每8. 33毫秒(ms)发生一次从零至最大值然后回落至最小值的波动。在时间Tl内，从该DC源可得的功率超过该AC负载要求的瞬时功率。然而，在时间T2内，从该DC源可得的最大功率小于该负载要求的瞬时功率。因而，为了有效地将功率从该DC源传递至该AC负载，该功率转换系统必须在时间Tl内存储来自该功率源的过剩能量(被示为阴影区域幻，并且在时间T2内将所存储的能量(被示为阴影区域D)释放至该负载。用于功率转换器的能量存储器件(energy storage device)往往昂贵、体积大、不可靠且低效。这些因素一直是大规模采用以DC功率形式发电的替代能源(例如太阳能电池和燃料电池)的障碍。它们也一直是为计算机、住宅、学校、企业等大规模采用备用功率系统的障碍。对于太阳能系统，这些成本和可靠性因素一直尤为关键。太阳能板制造商已经将其产品的可靠性提高到了普遍20年的保证期。然而，功率转换器制造商尚不能提供与太阳能板相媲美的保证期。
图1示出了功率转换器中的DC功率源与60Hz AC负载之间的失配。图2示出了用于将来自光伏(PV)板的DC功率转换为AC功率的一个传统系统。图3示出了 PV板中的功率损失与纹波电压的关系。图4示出了电容器的成本与电容的关系。图5示出了一个PV功率转换系统的工作。
图6示出了根据本发明的一些创新原理的具有恒定功率控制的一个功率转换系统的工作。图7示出了根据本发明的一些创新原理的具有恒定功率控制的功率转换系统的一个实施方案。图8示出了根据本发明的一些创新原理的功率转换系统的另一实施方案。图9示出了根据本发明的一些创新原理的具有恒定功率控制的功率转换系统的
另一实施方案。图10示出了根据本发明的一些创新原理的用于实现恒定功率控制的控制器的一个实施方案。图11示出了根据本发明的一些创新原理的功率转换器系统的一个实施方案。图12是根据本发明的一些创新原理的适于实现图11的逆变器系统的主功率路径 (main power path)的一个实施方案的示意图。图13至图16示出了根据本发明的一些创新原理的PV板的一些实施方案。图17示出了来自半桥型DC/AC逆变器的瞬时电压需求与从DC链路电容器可得的电压——其保持在固定电压——的比较。图18示出了来自半桥型DC/AC逆变器的瞬时电压需求与从DC链路电容器可得的电压——其因根据本发明的一些创新原理的恒定功率控制特征而具有大的AC电压摆动——的比较。图19示出了根据本发明的一些创新原理的具有谐波失真缓解(harmonic distortion mitigation)的功率转换系统的一个实施方案。图20示出了根据本发明的一些创新原理的失真缓解系统的一个实施方案。图21示出了根据本发明的一些创新原理的失真缓解系统的另一实施方案，其中示出了一些示例性实现细节。图22示出了根据本发明的一些创新原理的具有谐波失真缓解的控制器的另一实施方案。图23示出了根据本发明的一些创新原理的具有电网电流控制的一个实施方案。图M示出了根据本发明的一些创新原理的控制器的一个实施方案。图25示出了根据本发明的一些创新原理的具有预失真(predistortion)的控制器的一个实施方案。图沈至图四示出了根据本发明的一些创新原理的预失真元件的实施方案。图30示出了根据本发明的一些创新原理的阻抗变换(impedance transformation)的一个实施方案。图31示出了没有阻抗变换的功率转换系统的工作。图32示出了典型的PV板的电压-电流曲线和功率曲线。图33示出了具有多于一个的本地最大功率点的功率源的电压-电流曲线和功率曲线。图34示出了根据本发明的一些创新原理的具有恒定功率控制和输入扫描特征 (sweeping feature)的功率转换系统的一个实施方案。图35示出了图20的实施方案，其中根据本发明的一些创新原理，恒定功率控制被林田图36示出了图20和图21的实施方案在一些条件下可以如何工作。图37示出了根据本发明的一些创新原理的带有多个功率源的系统的一个实施方案。图38示出了根据本发明的一些创新原理的功率转换系统的一个实施方案，其中多个DC/DC转换器包括恒定功率控制功能性(functionality)。图39至图42示出了根据本发明的一些创新原理的功率转换系统的一些实施方案，该功率转换系统具有多个带有功率控制的转换器以及一个中枢逆变器(central inverter)0图43至图51示出了根据本发明的一些创新原理的具有失真缓解的一些实施方案。图52示出了根据本发明的创新原理的具有EMI缓解的功率转换系统的一个实施方案。图53示出了根据本发明的创新原理的功率转换系统的另一实施方案。
具体实施例方式图2示出了用于将来自光伏(PV)板的DC功率转换为AC功率的一个传统系统。PV 板10以约20伏的典型电压Vpv生成DC输出电流IPV，但是也可以使用具有其他输出电压的板。DC/DC转换器12将Vpv提升至几百伏的链路电压(link voltage) Vdco DC/AC逆变器14 将该DC链路电压转换为AC输出电压VeKID。在本实施例中，输出被假定为60Hz的120V AC 以便于连接至本地电网，但是也可以使用其他电压和频率。图2的系统还包括DC链路电容器Cdc和去耦电容器(decoupling capacitor) C10 这些电容器之一或两者可以执行能量存储功能，以使得来自该PV板的标称平稳功率流与该电网的波动功率需求相平衡。该系统内的功率脉冲源于DC/AC逆变器14，该逆变器必须以120Hz脉冲向该电网传递功率。在没有基本能量存储器件时，这些电流脉冲将被一路传递回该PV板，在此它们将显示为板电压Vpv和/或电流Ipv中的波动(fluctuations)(或 “纹波(ripple)”)。因而，DC链路电容器Cdc或(较不常见)去耦电容器C1被用于以逐周期(cycle-by-cycle)方式存储足够的能量，以将该PV板处的纹波减小至可接受的水平。然而，在传统系统中，由于以下原因，能量存储电容器(energy storage capacitor)往往是成问题的部件。首先，足够大以提供适当能量存储的电容器一定一般是电解质类型的，因为其他类型的大电容器通常过于昂贵。在用于将来自PV板的210瓦特的输入功率转换为60Hz的120V AC的示例性系统的说明中可以更好地理解该问题。以逐周期方式来平衡功率所要求的能量存储ΔΕ由下式给出ΔΕ=^- (等式 1)
2(0其中，P是功率，单位为瓦特(W) ； ω是AC正弦波的角频率，单位为秒―1 ；且能量存储ΔΕ的单位为焦耳(J)。在60Hz的情况下，ω = 120 π，从而
210ΔΕ=^Γα3> (等式力
7
存储在电容器中的能量的量由下式给出
权利要求
1.一种系统，包括转换器，其将来自功率源的功率传递至负载，所述转换器具有功率级和能量存储器件;以及控制器，其使得所述功率级控制去往或来自所述能量存储器件的功率。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述功率被控制为基本恒定值。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述功率被控制为波动值。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述功率源或所述负载具有基本恒定功率。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述功率源或所述负载具有波动功率。
6.一种系统，包括转换器，其在功率源和具有波动功率需求的负载之间传递功率；以及控制器，其提供功率控制；其中所述转换器包括推挽级以及跟随所述推挽级的能量存储器件。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述功率控制包括基本恒定功率控制或波动功率控制。
8.根据权利要求6所述的系统，其中所述控制器被布置，以控制所述能量存储器件的参数。
9.一种集成电路，包括功率控制电路系统，其向功率转换器提供功率控制；以及功率开关，其连接至所述功率控制电路系统，以操作所述功率转换器。
10.根据权利要求9所述的集成电路，进一步包括第二功率开关，其连接至所述功率控制电路系统，以操作所述功率转换器。
11.根据权利要求10所述的集成电路，其中所述第一功率开关和所述第二功率开关被配置，以操作所述功率转换器中的推挽级。
12.根据权利要求9所述的集成电路，进一步包括失真缓解电路系统。
13.根据权利要求9所述的集成电路，进一步包括控制所述功率转换器中的能量存储器件的参数的电路系统。
14.根据权利要求9所述的集成电路，进一步包括扫描所述功率转换器的输入处的工作点的电路系统。
15.根据权利要求9所述的集成电路，进一步包括EMI缓解电路系统。
16.一种系统，包括两个或更多个功率转换器，其将来自两个或更多个源的功率转换至具有波动功率需求的一个或多个负载；其中所述两个或更多个功率转换器具有功率控制。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述两个或更多个功率转换器的输出以串联、 并联、串联-并联或者并联-串联方式连接。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述两个或更多个功率转换器的输出被组合以向同一负载提供功率。
19.根据权利要求18所述的系统，进一步包括能量存储器件，其连接至所述第一转换器和所述第二转换器的组合输出。
20.根据权利要求18所述的系统，其中来自每一转换器的输出被允许浮动。
21.—种系统，包括转换器，其在功率源和具有波动功率需求的负载之间传递功率； 控制器，其提供功率控制；以及失真缓解电路。
22.根据权利要求21所述的系统，其中 所述转换器包括能量存储器件；且所述失真缓解电路控制所述能量存储器件的参数。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述失真缓解电路可以使所述参数的DC部分滑动，以防止所述参数的AC部分的极值造成不可接受的失真。
24.根据权利要求21所述的系统，其中所述失真缓解电路包括正弦发生器。
25.根据权利要求21所述的系统，其中所述失真缓解电路包括预失真电路。
26.根据权利要求21所述的系统，其中所述控制器包括电网电流控制。
27.—种系统，包括转换器，其在功率源和具有波动功率需求的负载之间传递功率；以及控制器，其提供功率控制； 其中所述控制器可以选择性地禁用所述功率控制。
28.根据权利要求27所述的系统，其中所述功率控制防止功率波动到达所述功率源；且禁用所述功率控制使得功率波动能够到达所述功率源。
29.根据权利要求27所述的系统，进一步包括跟踪电路，以监测所述功率源。
30.根据权利要求四所述的系统，其中所述跟踪电路确定所述功率控制被禁用时的工作点。
31.根据权利要求30所述的系统，其中所述工作点包括最大功率点。
32.根据权利要求四所述的系统，其中所述功率控制被周期性地禁用，或者当所述转换器的工作参数偏离预期值时被禁用。
33.根据权利要求32所述的系统，其中当所述转换器的工作参数超过限度时，所述控制器可以重新启用所述功率控制。
34.一种系统，包括功率路径，其具有第一功率级，所述第一功率级连接至所述功率路径的输入；以及控制器，其生成驱动信号，以根据来自所述功率路径的感测信号来提供功率控制； 其中所述感测信号取自除了所述功率路径的输入以外的位置，或者所述驱动信号在除了所述第一功率级以外的位置被施加至所述功率路径。
35.根据权利要求34所述的系统，其中所述感测信号取自所述功率路径的输出。
36.根据权利要求34所述的系统，其中通过将所述功率路径的参数控制为恒定值来控制功率。
37.根据权利要求34所述的系统，其中通过将所述功率路径的参数控制为波动值来控制功率。
38.根据权利要求34所述的系统，其中所述功率路径包括能量存储器件，其跟随所述第一功率级；以及第二功率级，其有输入连接至所述能量存储器件。
39.根据权利要求38所述的系统，其中所述驱动信号被施加至所述第二功率级。
全文摘要
在一个实施方案中，功率转换系统可以包括控制器，以使得功率级控制去往或来自能量存储器件的功率。在另一实施方案中，功率转换系统可以包括推挽级以及跟随所述推挽级的能量存储器件。在另一实施方案中，集成电路可以包括功率控制电路系统，其向功率转换器提供功率控制；以及，功率开关，其连接至所述功率控制电路系统，以操作所述功率转换器。在另一实施方案中，功率转换系统可以包括具有功率控制的两个或更多个功率转换器。
文档编号H02M7/48GK102301578SQ200980155811
公开日2011年12月28日 申请日期2009年12月18日 优先权日2008年12月20日
发明者R·D·巴滕, R·奈克纳威尔, T·S·菲泽, T·T·利, V·迪汤姆马索 申请人:阿祖雷科技有限公司