用于太阳能领域的DC功率转换和传输的系统和方法技术方案

系统和方法集成先进的太阳能跟踪器、电池、逆变器和软件技术，以改善性能、工厂输出和成本。系统可以结合先进的钒流电池(VFB)，该VFB通过DC电压(DV)耦合到光伏(PV)阵列，以实现高的往返效率。系统结合DC体系结构，该DC体系结构优化了商业、工业、农业和公用事业应用的性能。一种分布式直流(DC)电力系统包括集中式单级逆变器；PV阵列；耦合在PV阵列和集中式单级逆变器之间的最大功率点跟踪(MPPT)转换器；电池；以及耦合到电池的DC‑DC电池转换器(DCBC)。MPPT转换器最大化PV阵列的太阳能发电并且最小化PV阵列之间的错配。DCBC管理电池的充电和放电，使得PV阵列和电池能够互连，并且向中央逆变器供应恒定的中等电压。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于太阳能领域的DC功率转换和传输的系统和方法
本公开总体上涉及太阳能发电系统。更具体地，本公开涉及利用分布式DC-DC电池转换器、DC功率传输和集中式功率逆变的太阳能系统和方法。
技术介绍
太阳能和风能对于全世界的消费者和企业来说是日益重要的可再生的、无污染的能源。对于太阳能，布置为阵列或串的光伏(PV)板通常提供将太阳能转换为电能的装置。在操作光伏(PV)阵列时，最大功率点跟踪(MPPT)通常用于自动确定PV阵列应该操作的电压或电流，以对于特定温度和太阳辐照度生成最大功率输出。虽然MPPT允许生成最大输出功率，但是由PV阵列生成的功率的传输和存储可能是低效和昂贵的。
技术实现思路
在一个方面，本公开的特征在于一种分布式直流(DC)电力系统。所述分布式直流(DC)电力系统包括，集中式逆变器，所述集中式逆变器将DC逆变为交流(AC)；光伏(PV)串；最大功率点跟踪(MPPT)转换器，所述MPPT转换器分别耦合在所述光伏PV串和所述集中式逆变器之间；电池；以及DC-DC电池转换器(DCBC)，所述DCBC耦合到所述电池。所述MPPT转换器最大化所述PV串的太阳能发电并且最小化所述PV串之间的错配。所述DCBC管理所述电池的充电和放电，并且使得所述PV串和所述电池能够互连。在各方面，所述分布式DC电力系统还包括电池管理控制器，所述电池管理控制器分别耦合在所述电池和所述DCBC之间。所述电池管理控制器被配置为启动所述DCBC。在各方面，所述电池是流电池堆，并且所述分布式DC电力系统还包括电池管理控制器，所述电池管理控制器耦合在所述流电池堆中的至少一个流电池堆和所述DCBC中的一个DCBC之间。在各方面，所述电池是钒流电池。在各方面，所述分布式DC电力系统还包括PV组合器，所述PV组合器耦合到所述PV串，并且包括隔离开关和电弧故障检测器，所述电弧故障检测器耦合到所述隔离开关的输出。在各方面，所述分布式DC电力系统还包括保险丝，所述保险丝分别耦合在所述PV串和所述隔离开关之间。在各方面，所述分布式DC电力系统还包括，隔离开关，所述隔离开关分别耦合到所述PV串的输出，以及电弧故障检测器，所述电弧故障检测器分别耦合到所述隔离开关的输出。所述MPPT转换器分别耦合到所述电弧故障检测器的输出。在各方面，所述分布式DC电力系统还包括网络控制单元，所述网络控制单元与所述MPPT转换器中的每个MPPT转换器以及所述DCBC中的每个DCBC进行有线或无线通信。所述网络控制单元管理所述MPPT转换器和所述DCBC的操作。在各方面，所述集中式逆变器包括碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在各方面，所述集中式逆变器是单级逆变器。在另一方面，本公开的特征在于一种控制分布式直流(DC)电力系统的方法。所述方法包括，在集中式逆变器的输入处维持恒定的预定中等电压；以恒定电压模式操作分别耦合到电池的DC-DC电池转换器(DCBC)；响应于所述电池的启动，以恒定功率模式操作所述DC-DC电池转换器(DCBC)；以及响应于充电或放电电流的减小，以所述恒定电压模式操作所述DC-DC电池转换器(DCBC)。在各方面，所述方法还包括，由最大功率点跟踪(MPPT)转换器将功率输出到DC配电母线。在各方面，所述恒定的预定中等电压在1200V和1600V之间。附图说明下面参考附图描述本公开的各个方面，这些附图被结合到本说明书中并且构成本说明书的一部分，其中：图1是根据本公开的实施例的中央逆变器和分布式DC电池管理系统的示意图；图2和3是根据本公开的实施例的DC-DC电池转换器的示意图；图4是根据本公开的实施例的电力系统启动序列的流程图；图5是根据本公开的实施例的示出单个堆的电池电压和电流操作曲线的图；图6和7是根据本公开的实施例的控制系统的示意图；图8A和8B是示出DC功率传输的益处的图；以及图9是根据本公开的另一实施例的控制系统的示意图。具体实施方式本公开的太阳能系统包括集中式AC逆变、分布式DC太阳能和存储功率管理。分布式DC电力系统包括以下组件：1.集中式或中央逆变器102，用于从DC到AC的功率逆变；2.分布式MPPT转换器112a-112h，以最大化太阳能发电并且最小化DC太阳能串之间的错配；以及3.分布式DC-DC电池转换器(DCBC)，管理电池充电和放电以及使DC耦合的PV串和电池能够互连。该体系结构专用于PV、电池和电网连接的电力电子设备组件，允许基于特定PV与存储尺寸比的元件选择的灵活性。尺寸独立于电网互连容量要求和/或约束。图1描绘了本公开的示例电力系统。电力系统包括中央逆变器102和分布式DC电池管理组件。中央逆变器102可以是包括三对晶体管(例如，并联电连接的碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))的单级逆变器。因为SiCMOSFET的成本已经降低，所以中央逆变器102可以是成本有效的、高电压和低电流设备。中央逆变器102还可以包括连接到晶体管的输出的滤波器(例如，RL滤波器)。中央逆变器102可以连接到控制器(未示出)，该控制器可以使用脉宽调制(PWM)技术(例如，正弦波(PWM))来控制SiCMOSFET。中央逆变器102经由AC电力线146和变压器148电连接到电网150(例如，公用电网)。图1的电力系统还包括网络控制单元(NCU)104。NCU104被设计为与客户进行通信并且经由无线通信设备106或有线通信设备(例如，以太网通信接口108)提供现场级能量管理命令。NCU104还经由相应的无线通信设备121a-121n,131a-131n与DC-DC电池转换器(DCBC)122a-122n,132a-132n进行通信，并且与每个PV最大功率点跟踪(MPPT)转换器单元112a,112b,...,112h进行通信。NCU104还与中央逆变器102进行协调，用于整个系统启动和关闭。中央逆变器102可以包括以太网通信接口105,NCU可以通过该以太网通信接口105与中央逆变器102进行通信。系统可以包括分布式跟踪器级功率优化器(TPO)转换器(例如，TPO系统900)，以最大化太阳能发电并且最小化PV串或阵列110a-110h之间的错配。图2和3描绘了两个不同的DC-DC电池转换器(DCBC)222,322。DCBC322被配置用于多个流电池堆320a,320b，并且因此具有比DCBC222更高的额定功率。在实施例中，DCBC222是7.3kW的技术方案，并且DCBC322是13.6kW的技术方案。用于DC-DC电池转换器222,322的示例规范在下表1中示出：表1.示例DCBC规范如图2和3中示出的，响应于外部命令，DC-DC电池转换器(DCBC)222,322对流电池堆220,320a,320b(例如，钒流电池(VFB)堆)进行充电和放电。例如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分布式直流(DC)电力系统，其特征在于，包括：/n中央逆变器，所述中央逆变器将DC逆变为交流(AC)；/n多个光伏(PV)串；/n多个最大功率点跟踪(MPPT)转换器，所述多个MPPT转换器分别耦合在所述多个光伏(PV)串和所述中央逆变器之间，所述多个MPPT转换器被配置为最大化所述多个PV串的太阳能发电并且最小化所述多个PV串之间的错配；/n多个电池；以及/n多个DC-DC电池转换器(DCBC)，所述多个DCBC耦合到所述多个电池并且被配置为管理所述多个电池的充电和放电，使得所述多个PV串和所述多个电池能够互连，并且向所述中央逆变器提供恒定的中等DC电压。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180504 US 62/667,129;20180507 US 62/667,9601.一种分布式直流(DC)电力系统，其特征在于，包括：
中央逆变器，所述中央逆变器将DC逆变为交流(AC)；
多个光伏(PV)串；
多个最大功率点跟踪(MPPT)转换器，所述多个MPPT转换器分别耦合在所述多个光伏(PV)串和所述中央逆变器之间，所述多个MPPT转换器被配置为最大化所述多个PV串的太阳能发电并且最小化所述多个PV串之间的错配；
多个电池；以及
多个DC-DC电池转换器(DCBC)，所述多个DCBC耦合到所述多个电池并且被配置为管理所述多个电池的充电和放电，使得所述多个PV串和所述多个电池能够互连，并且向所述中央逆变器提供恒定的中等DC电压。


2.根据权利要求1所述的分布式DC电力系统，其特征在于，进一步包括多个电池管理控制器，所述多个电池管理控制器分别耦合在所述多个电池和所述多个DCBC之间，所述多个电池管理控制器被配置为启动所述多个DCBC。


3.根据权利要求1所述的分布式DC电力系统，其特征在于，所述多个电池是多个流电池堆，
进一步包括电池管理控制器，所述电池管理控制器耦合在所述多个流电池堆中的至少一个流电池堆和所述多个DCBC中的一个DCBC之间。


4.根据权利要求1所述的分布式DC电力系统，其特征在于，所述多个电池是钒流电池。


5.根据权利要求1所述的分布式DC电力系统，其特征在于，进一步包括PV组合器，所述PV组合器耦合到所述多个PV串，并且包括多个隔离开关和电弧故障检测器，所述电弧故障检测器耦合到所述多个隔离开关的输出。


6.根据权利要求5所述的分布式DC电力系统，其特征在于，进一步包括多...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚历山大·W·奥，刘洋，
申请(专利权)人：奈克斯跟踪器有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US