专利名称：含pv模块和分离功率变换器的耐气候单元的太阳能发电的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及电能变换，更具体来说涉及光伏模块到电力网或负载的连接。
背景技术：
随着常规能源的持续上升成本和稀缺以及对于环境的关注，在例如太阳能和风力 的备选能源中存在大量关注。太阳能发电使用光伏(PV)模块以从太阳发电。在此类系统 中，将多个PV电池彼此电连接。当连接多个此类PV电池时，使用大量接线或电缆敷设。当使用直流到直流(DC到 DC)变换器以及直流到交流(DC到AC)变换器将生成的电从PV模块传送到负载或电力网 时，要求附加的电缆敷设和连接。使用接地连接以确保暴露的传导表面与地球表面处于相 同的电势，以便在人触摸到其中已发生绝缘故障的装置的情况下避免电击的风险。当PV模 块安装在场地中的托架系统或屋顶上以用于太阳能电场应用(solar farm application) 时，大多数客户认为PV模块的接线是不美观的。具有将解决前面问题的方法和系统将是合 乎需要的。
发明内容
根据本发明的一个示范实施例，提供一种发电系统。该系统包括多个分离的功率 变换器，其各自具有主级、副级以及提供主级与副级之间的电非接触连接的变压器。然后 在该系统中提供多个第一耐气候单元(weatherable unit)，其各自具有耦合到多个分离的 功率变换器的相应一个的主级的光伏模块和变压器的主侧。该系统还包括多个第二单元， 其各自具有耦合到多个分离的功率变换器的相应一个的副级的变压器的第二侧(second side)。该系统还包括直流(DC)到交流(AC)逆变器和用于将分离的功率变换器的副级与 DC到AC逆变器耦合的连接单元。DC到AC逆变器配置成将来自光伏模块的功率传输到电 力网。根据本发明的另一个示范实施例，提供一种具有多个光伏模块的发电系统。该系 统还包括分离的功率变换器，该功率变换器具有主级、副级以及提供主级与副级之间的电 非接触连接的变压器。该系统还包括用于将多个光伏模块的输出和分离的功率变换器耦合 的连接单元，以及配置成将来自光伏模块的功率传输到电力网的DC到AC逆变器。根据本发明的又一个示范实施例，提供一种发电系统。该系统包括多个部分串联 的谐振变换器，其各自具有主级、副级以及提供主级与副级之间的电非接触连接的变压器。 然后在该系统中提供多个第一耐气候单元，其各自具有耦合到多个部分串联的谐振变换器 的相应一个的主级的光伏模块和变压器的主侧。该系统还包括多个第二单元，其各自具有 耦合到多个部分串联的谐振变换器的相应一个的副级的变压器的第二侧。该系统还包括直 流(DC)到交流(AC)逆变器和用于将部分串联的谐振变换器的副级和DC到AC逆变器耦合 的连接单元。DC到AC逆变器配置成将来自光伏模块的功率传输到电力网。
当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得 更好理解，附图中相似的符号表示遍布这些图的相似的部件，其中图1是常规太阳能发电系统的示意图表示；图2是光伏模块的示意图表示；图3是根据本发明的一实施例的太阳能发电系统的示意图表示；图4是图3的实施例的单独第一和第二耐气候单元的示意图表示；图5是根据本发明一实施例的第一和第二单元之间的磁耦合的详细视图的示意 图表示。图6是根据本发明一实施例的使用脉冲总线(pulsing bus)的太阳能发电系统的 示意图表示；图7是根据本发明一实施例的太阳能发电系统的另一个示例的示意图表示；以及图8是根据本发明一实施例的屋顶系统的示意图表示。
具体实施例方式图1示出常规太阳能发电系统10。该发电系统包括PV阵列12，PV阵列12包括 多个连接的PV模块或PV组列(PV string)(未示出)。PV阵列通过DC/DC变换器16、DC 链路18和电网侧三相DC/AC变换器20连接到电力网14。DC/DC变换器16保持DC链路 18处的恒定DC电压，并因此管理从PV模块12到电力网14的能量流。DC/DC变换器16由 DC/DC控制器22来控制，而电网侧变换器20由电网侧控制器24来控制。系统控制器26为 DC/DC变换器22和电网侧变换器20生成参考DC电压命令、参考输出电压幅度命令以及参 考频率命令。在其他系统中，可以采用多个单相变换器来替换电网侧三相变换器和/或对 于图1中所示的多个控制功能可以使用单个控制器。图2示出图1的PV阵列12内通常使用的类型的PV模块40。PV模块40包括多 个PV电池42，这些PV电池42并联接线以提供较高的电流以及串联接线以在输出端子44 和46提供较高的电压。PV模块12在前表面48上以钢化玻璃或某种其他透明材料来封装， 并在后表面(未示出)上以保护性防水材料来封装。将边缘密封以用于防风雨，并且常常 存在铝框架50，将所有组件一起固定在可安装单元中。使用接线盒或引线(未示出)来提 供电连接。图3示出根据本发明一实施例的太阳能发电系统70，其中该系统包括太阳能电池 阵列或PV组列72、连接单元或电缆盒74、升压变换器76和单相逆变器78。如果需要的话， 可以使用三相逆变器。太阳能电池阵列72包括多个第一耐气候单元80，单元80各自包括 光伏(PV)模块82、分离的功率变换器84(示出为DC到DC变换器)的主级83和变压器87 的主侧。太阳能电池阵列72还包括多个第二单元81，单元81各自包括分离的功率变换器 84的副级85和变压器87的副侧(secondary side)。通过变压器87在物理上分隔分离的 功率变换器84的主级83和副级85。因此，分离的功率变换器84确保相应的PV模块或PV 组列82不直接连接到负载或电力网。利用电缆盒连接单元74将这些单元的输出串联连接 以生成较高的电压或并联连接以生成较高电流或组合串联和并联连接以平衡电压和电流 要求。
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使用升压电路76以及最大功率点跟踪(MPPT)控制器(未示出)来确定对于阵列 的电压-电流(V-I)特性的最大功率点，并操作该阵列总是靠近该点。升压变换器76将 PV阵列72的电压提升，然后在DC链路86提供受控升压的电压以从PV阵列、PV组列和电 池获取最大功率。示例技术包括扰动观察法和增量传导法。在其中变压器87是升压变压 器的一个实施例中，可以消除升压变换器76，因为可以使用升压变压器来提升PV阵列的电 压。在另一个实施例中，升压变换器和MPPT控制器位于靠近逆变器78。在图3的实施例中，逆变器78将来自升压变换器76的DC电压变换成单相AC电压 并将功率提供到负载。在另一个实施例中，可以将单相逆变器78替代为三相逆变器以将功 率供应到电力网。逆变器78和升压变换器76采用可以高开关频率来开关的开关装置88、 90、92、94、96。在一个实施例中，开关装置包括绝缘栅极双极晶体管(IGBT)或功率金属氧 化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或任何其他技术现状的开关装置。这些开关装置通常 由栅极驱动电路来接通和断开，并且在一个实施例中，其包括碳化硅装置。图4示出根据图3的实施例的一个示例的单独第一和第二单元80、81的示意图 120，其包括PV模块和分离的功率变换器。在图4的实施例中，分离的功率变换器84包括 部分串联的谐振变换器，其包括主级83和副级85。在另一个实施例中，分离的功率变换器 可包括逆向变换器或正向变换器或能满足这些技术要求的任何其他谐振变换器(例如并 联谐振变换器)。两个级83和85通过高频变压器87分隔，高频变压器87包括主绕组128、 副绕组130和磁芯132。在一个实施例中，磁芯包括铁氧体材料。在另一个实施例中，高频 变压器可具有从2kHz到几百kHz的频率范围中的额定频率。部分串联的谐振变换器的主级 83在一个实施例中包括DC链路电容器134、开关装置136和138、谐振电容器140和142、 箝位二极管144和146以及谐振电感器148。在一个实施例中，谐振电感器148可以由变压 器的内置漏电感来形成。部分串联的谐振变换器的副级85包括二极管桥网，其包括二极管 150、152、154、156和输出电容器158。在另一个实施例中，二极管桥网可以由同步整流器来 替代。箝位二极管144和146对电压V1进行箝位以将峰值电容器装置电压限制于Vin。在一个实施例中，部分串联的谐振变换器可以在零电流开关(ZCS)的操作模式中 操作。当开关装置的开关频率4低于谐振频率f；时，得到变换器的ZCS操作。谐振频率f； 由以下等式给出 其中，k是谐振电感器148以及C1和C2是图4的谐振电容器140和142。在一个 实施例中，部分串联的谐振变换器还可以在零电压开关(ZVS)的操作模式中操作。当开关 装置的开关频率fs高于谐振频率f；时，得到变换器的ZVS操作。在ZCS操作中，首先接通装置136，这导致谐振电流i,流经DC链路电容器134、 装置136、谐振电感器148、变压器87和谐振电容器142。谐振电流的一部分还流经电容器 140，因为谐振位于电感器148与电容器140和142之间。谐振电流导致电容器142充电到 电压Vin。如果谐振电流尝试将电容器充电到高于Vin的电压，则箝位二极管144开始传导。 因此，二极管144将电容器电压V1箝位于Vin，并且随着谐振电流随后流经电感器148、装置 136、二极管144和变压器87，谐振电流k线性地变成零。一旦电容器电压V1被箝位于Vin，并且谐振电流i,变成零，则没有电流在该电路的任何部分中流动，并且装置136能在任何级被断开。因此，实现了装置136的ZCS断开。如 果装置138随后被接通，则电容器电压V1 = Vin将跨变压器87和谐振电感器148而出现。 在电容器140、142与电感器148之间将再次存在谐振，谐振电流将开始流经电容器142、电 感器148和变压器87，以及谐振电流的一部分还将流经电容器140。谐振电流导致电容器 142放电。一旦电容器142完全放电且电压V1变成零，则二极管146开始传导，并且谐振电 流流经变压器87、电感器148、二极管146和装置138。因此，现在将电容器140的电压箝位 于Vin且谐振电流线性地变成零。然后在谐振电流变成零之后断开装置138以实现ZCS操 作。图5示出根据本发明一实施例的第一和第二单元之间的磁耦合的详细示意图 160。图5的实施例包括第一耐气候单元161和第二单元162，第二单元162根据其位置是否 将暴露于自然环境而可能需要或可能不需要是耐气候的。第一单元161包括PV模块163、 分离的变换器的主级164、高频变压器的主绕组165和分开的磁芯166的第一半。第二单元 162包括分开的磁芯167的第二半、高频变压器的副绕组168和变换器169的副级。将主 绕组缠绕在分开的磁芯的第一半上，而类似地将副绕组缠绕在分开的磁芯的第二半上。磁 通量170链接变压器的主和副绕组，并因此经由磁耦合将能量从主绕组164传输到副绕组 167。第一和第二单元的外壳可以由例如塑料的任何材料来制成。在一个实施例中，第一和 第二单元之间的间隙保持非常低，例如几个毫米或几个厘米。在另一个实施例中，当第一和 第二单元的外壳是塑料时，可以将这两个单元彼此附连而在其之间无任何间隙。在又一个 实施例中，可以将第一和第二单元附连在托架组装件或屋顶瓦片的相对侧上。图6示出根据本发明一实施例的、包括脉冲总线的太阳能发电系统180。系统180 包括由非零均值电压定义的脉动总线182，所述非零均值电压与整流的公用电网AC供应成 比例。经由连接到主公用电网的PV逆变器184对主公用电网供应电压的整流来得到脉动 总线182。在图6的一个实施例中，可以对变换器84的主侧83执行MPPT功能。当光伏电池是使用能够输送总是在幅度上大于峰值市电电网电压的PV电压的高 电压PV模块82来布置时，系统180尤其有利。每个PV模块82配置成与对应的分离的功 率变换器84 —起来操作，分离的功率变换器84将PV模块82电压变换成注入到脉动总线 182中的脉动电流。虽然与AC模块类似，但是PV模块82连同其对应的分离的功率变换器 84并不生成AC或DC，而是生成准AC,其遵守例如通常利用电子变换器来开关的正弦AC信 号的正半周期所形成的波形。根据本发明的一个方面，对于高电压模块82的情况不要求升压电路，因为当将光 伏电池布置在能够输送总是在幅度上大于峰值市电电网电压的PV电压的高电压PV模块中 时，工作最大功率电压将总是高于电网电压的峰值。预期图3的系统70和图6的系统180在安装期间产生附加的成本节省，因为由于 对于PV模块不要求接地连接而对于安装不再要求专业电工；并且也不再要求DC切断，因为 DC源包含在单元内而未在外部暴露。.图7示出根据本发明的一实施例的太阳能发电系统190的另一个示例。在系统190 中，首先执行多个PV模块192之间的串联和并联连接，然后将该组合磁耦合到逆变器。在 一个实施例中，磁耦合布置可以上文相对图3描述的方式包括分离的DC到DC变换器。因 此，在此实施例中，对于一个PV组列194仅需要较高额定值的一个分离的DC到DC变换器。上述的MPPT功能可以在系统层次、对系统内的各个PV模块或对系统内的各个PV组列来执行。图8示出根据本发明的一实施例的屋顶系统210。在系统210中，将PV模块、分 离的DC到DC变换器集成到两个封装模块或耐气候单元211、212中，从而减少PV模块与变 换器之间以及从变换器到电系统的其余部分的电缆敷设或接线。在一个实施例中，将一个 或多个封装模块211的插座槽(receptacle pod)或电缆盒214安装在封装模块下或安装 在与其的紧密邻近处。在一个实施例中，封装模块可以是工厂密封的并设计成如上所述地 输送AC、准AC(整流的AC或类似的)或DC电压。在另一个实施例中，还可以将插座槽214 集成到封装模块的耐气候单元或安装框架中。因此，进一步减少PV系统210的电缆敷设。 在一特定实施例中，能通过该结构的屋顶216来建立连接，从而消除对于屋顶上或建筑物 结构外部的任何接线的需要，并且还能消除对于PV模块的接地的需要。虽然本文仅示出并描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修 改和改变。因此，要理解所附权利要求旨在涵盖落在本发明真正精神内的所有此类修改和
改变。
要素列表
10常规太阳能发电系统
12PV阵列
14电力网
16DC/DC变换器
18DC链路
20电网侧变换器
22DC/DC控制器
24电网侧控制器
26系统控制器
40PV模块
42PV电池
44，46输出端子
48前表面
50铝框架
70太阳能发电系统
72PV组列
74电缆盒
76升压变换器
78单相变换器
80第一耐气候单元
81第二单元
82PV模块
83主级
84分离的功率变换器
85 副级86 DC 链路87 变压器88、90、92、94、96 开关装置120单独第一和第二单元的示意图128主绕组130副绕组132 磁芯134DC链路电容器136、138 开关装置140、142谐振电容器144、146 箝位二极管148谐振电感器150,152,154,156 二极管158输出电容器160第一和第二单元之间的磁耦合的详细示意图161第一耐气候单元162 第二单元163PV 模块164 主级165主绕组166分开的磁芯的第一半167分开的磁芯的第二半168副绕组169 副级170磁通量180包括脉冲总线的太阳能发电系统182脉冲总线184PV 逆变器190太阳能发电系统192PV 模块194PV 组列210屋顶系统211、212耐气候单元214插座槽216 屋顶
权利要求
一种发电系统(70)，包括多个分离的功率变换器(84)，各自包括主级(83)、副级(85)以及提供所述主级(83)与副级(85)之间的电非接触连接的变压器(87)；多个第一耐气候单元(80)，各自包括耦合到所述多个分离的功率变换器(84)的相应一个的主级(83)的光伏(PV)模块(82)和所述变压器(87)的主侧；多个第二单元(81)，各自包括耦合到所述多个分离的功率变换器(84)的相应一个的副级(85)的所述变压器(87)的第二侧；直流(DC)到交流(AC)逆变器(78)，配置成将功率从所述光伏模块(82)传输到电力网(14)；以及连接单元(74)，用于将所述分离的功率变换器(84)的副级(85)和所述DC到AC逆变器(78)耦合。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述分离的功率变换器包括谐振变换器。
3.如权利要求2所述的系统，其中在每个相应的分离的功率变换器中通过相应的变压 器的漏电感来形成谐振电感器。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述变压器包括高频变压器。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述变压器包括升压变压器。
6.如权利要求2所述的系统，其中所述谐振变换器配置成在零电流开关(ZCS)模式中 或在零电压开关(ZVS)模式中操作。
7.如权利要求1所述的系统，其中将升压变换器(76)连接在所述连接单元(74)与所 述DC到AC逆变器(78)之间。
8.如权利要求1所述的系统，其中将脉动总线(182)耦合在所述连接单元(74)与所述 DC到AC逆变器(78)之间。
9.一种发电系统(190)，包括 多个光伏模块(192)；分离的功率变换器(84)，包括主级(83)、副级(85)以及提供所述主级(83)与副级 (85)之间的磁耦合的变压器(87)；连接单元(74)，用于将所述多个光伏模块(192)的输出与所述分离的功率变换器(84) 耦合；以及直流(DC)到交流(AC)逆变器(78)，配置成将功率从所述光伏模块(192)传输到电力 网(14)。
10.一种发电系统(70)，包括多个部分串联的谐振变换器(84)，各自包括主级(83)、副级(85)以及提供所述主级 (83)与副级(85)之间的电非接触连接的变压器(87)；多个第一耐气候单元(80)，各自包括耦合到所述多个部分串联的谐振变换器(84)的 相应一个的主级(83)的光伏(PV)模块(82)和所述变压器(87)的主侧；多个第二单元(81)，各自包括耦合到所述多个部分串联的谐振变换器(84)的相应一 个的副级(85)的所述变压器(87)的第二侧；直流(DC)到交流(AC)逆变器(78)，配置成将功率从所述光伏模块(82)传输到电力网 (14)；以及连接单元(74)，用于将所述部分串联的谐振变换器(84)的副级(85)和所述DC到AC 逆变器(78)耦合。
全文摘要
本发明名称为“含PV模块和分离功率变换器的耐气候单元的太阳能发电”。提供一种包括多个分离的功率变换器和多个第一耐气候单元的发电系统。每个分离的功率变换器包括主级、副级以及提供主级与副级之间的电非接触连接的变压器。第一耐气候单元包括耦合到多个分离的功率变换器的相应一个的主级的光伏模块和变压器的主侧。该系统还包括多个第二单元，其各自具有耦合到多个分离的功率变换器的相应一个的副级的变压器的第二侧。该系统还包括直流(DC)到交流(AC)逆变器和用于将分离的功率变换器的副级与DC到AC逆变器耦合的连接单元。DC到AC逆变器配置成将来自光伏模块的功率传输到电力网。
文档编号H02N6/00GK101902050SQ20101019656
公开日2010年12月1日 申请日期2010年5月28日 优先权日2009年5月28日
发明者M·A·德鲁伊, O·迈尔, R·勒斯纳, Y·N·门德斯埃尔南德斯 申请人:通用电气公司