DC至DC功率转换器和控制该功率转换器的方法技术

本发明专利技术名称为“DC至DC功率转换器和控制该功率转换器的方法”。描述一种配置成向DC链路(84)提供直流(DC)功率的发电系统(10)。该系统包括配置成输出DC功率的第一发电单元(22)。该系统还包括第一DC至DC转换器(70)，第一DC至DC转换器包括输入段(90)和输出段(92)。第一DC至DC转换器的输出段与第一发电单元串联耦合。第一DC至DC转换器配置成处理第一发电单元的DC功率输出的第一部分并将第一发电单元的DC功率输出的未处理的第二部分提供到输出段。

【技术实现步骤摘要】
DC至DC功率转换器和控制该功率转换器的方法有关美国联邦资助的研究和开发的声明本专利技术是利用美国政府支持依据能源部(DOE)资助的合同GE-EE0000572完成的。美国政府在本专利技术中拥有某些权利。
本文描述的本专利技术实施例一般涉及光伏(PV)发电系统，并且更确切地说，涉及用于从光伏收集系统提取功率的方法和系统。
技术介绍
太阳能日趋成为具有吸引力的能量源，并且已被视为清洁可再生替代形式的能量。光伏(PV)电池生成直流(DC)功率，其DC电流电平取决于太阳辐射，而其DC电压电平取决于温度。当需要交流(AC)功率时，使用逆变器将DC功率转换成AC功率。通常，PV逆变器采用两级来实现功率处理，其中第一级配置成用于提供恒定的DC电压以及第二级配置成用于将恒定的DC电压转换成AC电流和与电网兼容的电压。通常，PV逆变器使用DC链路作为中间储能步骤，这意味着PV逆变器包括将不稳定的PV阵列电压转换成稳定的DC电压的DC至DC转换器和随后将稳定的DC电压转换成可以注入到电网上的AC电流的DC至AC逆变器。两级式逆变器的效率是影响PV系统的性能的重要参数，并且是个体级效率的倍数。为了获取更高电流和电压，将PC电池电连接以形成PV模块。除了多个PV电池外，PV模块还可以包括传感器，例如辐照度传感器、温度传感器和/或功率表。还可以将PV模块连接以形成一个串，并且可以将多个串连接以形成PV阵列。通常，将PV阵列输出的DC电压提供到电网逆变器，例如DC至AC电压逆变器。DC至AC电压逆变器将DC电压转换成单相或三相交流(AC)电压和电流。可以将三相AC输出提供到中压功率变压器，该中压功率变压器提升电压以产生注入到配电网中的三相中压AC。大多数PV发电系统使用中央DC至DC转换器来转换PV阵列的整体功率输出，这导致较高成本和较大重量的解决方案。再有，中央DC至DC转换器通常使用最大功率点跟踪器(MPPT)，其包括用于测量阵列电压和电流以在计算阵列功率中使用的传感器。对于操作DC至DC转换器所需的传感器，此类传感器是附加的。而且，包括全功率转换DC至DC转换器的PV发电系统的缺点称为效率复合(efficiencycompounding)效应。PV发电系统的效率可能不比中央DC至DC转换器的效率高。DC至AC转换的总效率因DC至DC转换器效率与DC至AC逆变器效率的复合而降低1％至2％。再者，全额定功率的中央DC至DC转换器中的故障可能导致整个PV阵列的失效。为了防止此类PV阵列失效，通常使用附加的阵列串联二极管和保险丝来隔离DC至DC转换器失效。
技术实现思路
在一个方面中，提供一种配置成向DC链路提供直流(DC)功率的发电系统。该系统包括配置成输出DC功率的第一发电单元。该系统还包括第一DC至DC转换器，第一DC至DC转换器包括输入段和输出段。第一DC至DC转换器的输出段与第一发电单元串联耦合。第一DC至DC转换器配置成处理第一发电单元的DC功率输出的第一部分，并将所述第一发电单元的DC功率输出的未处理的第二部分提供到所述输出段。在另一个方面中，提供一种DC至DC部分功率转换器。该DC-DC部分功率转换器包括输入段，该输入段配置成接收发电单元的DC功率输出的第一部分。DC至DC部分功率转换器还包括输出段，该输出段配置成输出包含发电单元的DC功率输出的第一处理的部分和第二未处理的部分的DC功率，以应用于DC链路。在又一个方面中，提供一种用于控制发电系统的操作的方法。该发电系统包括至少一个发电单元和至少一个部分功率转换器，其中该至少一个部分功率转换器包括控制器，该控制器配置成控制至少一个半导体开关的操作。该方法包括配置部分功率转换器以确定流经至少一个半导体开关的电流的电平，以及配置部分功率转换器以最大化流经至少一个半导体开关的电流的电平，从而最大化至少一个发电单元的功率输出。附图说明图1是示范光伏(PV)发电系统的框图。图2是图1所示的PV发电系统中可包括的示范DC至DC转换器的电路图。图3是图2所示的DC至DC转换器执行的功率转换的总效率的曲线图，该总效率是DC至DC转换器的增益的函数。图4是图2所示的直流(DC)至DC转换器输送的分数功率的曲线图，该分数功率是DC至DC转换器的增益的函数。图5是图2所示的DC至DC转换器的总效率的曲线图，该总效率是DC至DC转换器转换的功率的百分比的函数。图6图示图1所示的PV发电系统的示范电流电压(IV)特征。图7是图1所示的PV发电系统内可包括的DC至DC转换器的第一备选实施例的电路图。图8是图1所示的PV发电系统内可包括的DC至DC转换器的第二备选实施例的电路图。图9是图1所示的PV发电系统内可包括的DC至DC转换器的第三备选实施例的电路图。图10是图1所示的PV发电系统内可包括的DC至DC转换器的第四备选实施例的电路图。图11是图1所示的PV发电系统内可包括的DC至DC转换器的第五备选实施例的电路图。图12是用于操作图1所示的PV发电系统的示范方法的流程图。具体实施方式本文描述的方法、系统和设备有助于控制PV发电系统内包括的至少一个光伏(PV)模块的功率输出，并将该至少一个PV模块的功率输出从直流(DC)功率转换成交流(AC)功率以便应用于电力网。控制DC至DC转换器以从馈给功率的至少一个PV模块提取最大功率。由DC至DC转换器处理PV模块输出的总功率的百分比。转换器损耗被减到最小，因为PV模块输出的总功率的仅某个分数由DC至DC转换器处理。虽然本文是相对PV发电系统来描述的，但是本文描述的方法、系统和设备可以通用地应用于任何发电应用。本文描述的方法、系统和设备包括DC至DC功率转换器，DC至DC功率转换器被控制为仅处理PV模块、串或阵列输送的总功率的某个分数，并且通过如此做，DC至DC功率转换器控制输送到高功率电网连接的DC至AC转换器的总功率。因为输送到DC至AC逆变器的总功率的仅某个分数被处理，所以将损耗减到最小，导致了PV发电系统的提升的效率。提升转换效率提高了整体能量产量。而且，因为DC至AC逆变器调整主系统DC链路电压，所以能够使用简单的算法以便通过简单最大化输送到DC链路的电流，最大化个体PV模块、PV串和/或PV阵列输出的功率。至少部分地因为高度分布式的系统所需的小DC至DC功率转换器的数量较高，所以这种简化允许PV发电系统提高可靠性和降低成本。通过将DC至DC功率转换器遍布在PV发电系统，在即使存在模块不匹配、阴影或如脏染和/或诸如浮云通过(passingcloud)的瞬间事件的其他失衡影响的情况下，仍最大化来自整个PV阵列的功率。通过适当地控制DC至DC转换器，能够安全地限制最大阵列电压，并且能够实现串联二极管隔离和故障容忍。而且，该配置允许对PV模块进行电弧故障检测。因为这些功率转换器额定为比系统输送的总功率显著地小的功率，所以减小了该DC至DC转换器的成本、尺寸和重量。本文描述的方法、系统和设备的技术效果包括如下的至少其中之一：(a)配置部分功率转换器以确定流经部分功率转换器内包括的至少一个半导体开关的电流的电平；以及(b)配置该部分功率转换器以最大化流经该至少一个半导体开关的电流的电平，从而最大化该至少一个发电单元的功率输出。图1是发电系统10的示范实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种配置成向DC链路(84)提供直流(DC)功率的发电系统(10)，所述系统包括：第一发电单元(22)，其配置成输出DC功率；以及第一DC至DC转换器(70)，其包括输入段(90)和输出段(92)，其中所述第一DC至DC转换器的所述输出段与所述第一发电单元串联耦合，所述第一DC至DC转换器配置成处理所述第一发电单元的所述DC功率输出的第一部分并将所述第一发电单元的所述DC功率输出的未处理的第二部分提供到所述输出段。

【技术特征摘要】
2011.06.29 US 13/1716831.一种发电系统(10)，所述系统包括：多个发电单元，每个配置成输出DC功率，其中所述发电单元包括光伏单元；多个DC至DC部分功率转换器，每个都耦合到相应的发电单元并且每个都包括输入段和输出段，其中所述输出段与相应发电单元串联耦合，其中每个DC至DC部分功率转换器配置成处理相应发电单元的所述DC功率输出的第一部分并将相应发电单元的所述DC功率输出的第二未处理的部分提供到所述输出段，至少一个组合器，用于组合来自所述DC至DC部分功率转换器的所述输出段的所述DC功率输出并将所组合的DC功率提供到主系统DC链路；以及至少一个DC至AC逆变器，其耦合到所述主系统DC链路并且配置成控制在所述主系统DC链路上的、来自所述DC至DC部分功率转换器的所述功率输出的电压水平。2.如权利要求1所述的系统(10)，其中，对于所述DC至DC部分功率转换器的每一个，所述输入段和所述输出段直接耦合。3.如权利要求1所述的系统(10)，其中，所述DC至DC部分功率转换器的每一个都包括至少一个变压器，其中所述输入段包括所述至少一个变压器的初级绕组，以及所述输出段...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·L·施泰格瓦尔德，A·埃拉泽，J·A·萨巴特，M·H·托多罗维奇，M·阿加米，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：