高压能源采集和转换可回收能源实用规模的电力系统及用于该系统的可视监控和控制系统

摘要

一种具有高压可回收能源采集网络的可回收能源实用规模的电力系统，所述可回收能源采集系统由直流链路连接至集中并网多相同步调节电流源逆变器系统。采集系统包括分布的可回收能源功率优化器和发射器，用于控制向并网多相同步调节电流源逆变器系统的发送可回收能源。可提供用于三维视觉导向的虚拟现实显示命令和控制环境的虚拟沉浸式监控和控制系统。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求申请号为61/389,816、申请日为2010年10月5日和申请号为 61/485,384、申请日为2011年5月12日的美国临时申请的优先权，每个都合 并引用在本申请中。

技术领域

本申请总体上涉及可回收能源实用规模的电力系统（renewable energy, utility size electric power systems），尤其是，高压能量采集和转换可回收能源 的采集和转换系统，以及用于所述系统的可视监控和控制系统。

背景技术

在此所用的术语“可回收能源电力系统”指的是使用大量互连的光伏模块 形成太阳能发电厂或发电站（solar farm or power plant）的实用规模的电力系 统，或者是使用大量互连的风力涡轮发电机形成的风力发电厂或发电站。

实用规模（从5到100兆瓦特（MW_e）输出量不等）的太阳能光伏电力系 统包括大量太阳能光伏电力收集器，例如太阳能光伏模块，其提供DC（直 流）电力来配置DC给AC逆变器，逆变器将DC电力转换成AC电力。

实用规模的风力系统包括大量电互连的风力涡轮发电机。风力涡轮机驱动 的发电机组件可以是其输出轴适当地耦合到发电机上的风力涡轮机。众所周知 的一种是行业指定的类型4风力涡轮发电机电力系统，其中发电机是具有可变 频率、可变电压输出的永磁同步发电机（synchronous permanent magnet  generator），所述可变频率、可变电压输出提供给整流器，整流器整流后的输 出DC链路（link）提供DC给AC逆变器。之后逆变器输出电流通过线路变压 器（line transformer）进行变换，将逆变器输出电压电平变换成栅级电压（gird  voltage）电平。

对于无论是太阳能或风力可回收能源的实用规模的电力系统，所述电力系 统组件明显比传统住宅（residential）或商业规模的发电站分散在更多的土地 上，从而使得电力系统的物理可视化和控制的挑战超过了用于传统规模的发电 站的类型1线路集中控制板（line centralized control boards）。

本发明的一个目的是提供用于高压可回收能源采集网络与集中并网多相同 步调节电流源逆变器系统（centralized grid synchronized multiphase regulated  current source inverter system）相结合的的监控和控制系统。其中可回收能源采 集是在采集网络中被分配地功率优化（power optimized）。

本发明的另一个目的是提供高压能源采集与集中并网多相同步调节电流源 逆变器系统的结合，以及用于实用规模的可回收能源系统的可视监控和控制系 统。

本发明的另一个目的是提供用于可回收能源实用规模的电力系统的能量 （power）收集、转换、监控和控制系统，其包括可被系统操作者用于电力系 统的集中输入输出控制和监控的三维视觉导向的虚拟现实显示环境（a three  dimensional,visually-oriented,virtual reality display environment）。

发明内容

本发明的一个方面是可回收能源实用规模的电力系统。该系统具有高压可 回收能源采集网络和集中并网多相同步调节电流源逆变器系统。高压可回收能 源采集网络具有多行（multiple strings）可回收能源收集器，每行有DC输出和 分布在采集网络上的多个可回收能源功率优化器（power optimizer）。每个可 回收能源功率优化器具有至少一个连接至多行可回收能源收集器的至少一个的 能源收集器行（string）的功率优化器输入。每个多个可回收能源功率优化器和 发射器（transmitter）具有连接至DC链路的高压DC输出。集中并网多相同步 调节电流源逆变器系统连接至DC链路，并具有多个可被连接至输电网络 （electrical grid）的并网逆变器封装模块（grid inverter package modules）。

本发明的另一个方面是可回收能源实用规模的电力系统。该系统具有高压 可回收能源采集网络；集中并网多相同步调节电流源逆变器系统；用于监控和 控制所述高压可回收能源采集网络和集中并网多相同步调节电流源逆变器系统 的虚拟沉浸式（virtual immersion）监控系统和中心控制系统。多个可回收能源 功率优化器和发射器的每一个具有至少一行功率优化器输入，所述功率优化器 输入连接至多行可回收能源收集器至少一行的DC输出。多个可回收能源功率 优化器和发射器的每一个具有连接至DC链路的高压DC输出。多相同步调节 电流源逆变器系统网络被连接至DC链路，并具有多个并网变换器封装模块。

本发明的另一方面是从实用规模的可回收能源系统中采集、转换、监控和 控制可回收能源的方法。所述可回收能源系统包括高压可回收能源采集网络， 所述采集网络包括多行可回收能源收集器，多行可回收能源收集器的每一个具 有DC输出。采集网络还包括多个可回收能源功率优化器和发射器。多个可回 收能源功率优化器和发射器的每一个具有至少一行功率优化器输入连接至多行 可回收能源收集器的至少一行的DC输出。多个可回收能源功率优化器和发射 器的每一个都具有连接至DC链路的高压DC输出。可回收能源系统还包括集 中并网多相同步调节电流源逆变器系统，其连接至DC链路并具有多个并网逆 变器封装模块。本发明中的高压可回收能源采集网络的虚拟沉浸式监控在三维 视觉导向的虚拟现实显示环境中执行。通过与三维视觉导向的虚拟现实显示环 境进行通信，高压可回收能源采集网络和集中并网多相同步调节电流源逆变器 系统被中心地控制。

上述发明的方面被进一步阐述在本发明书和权利要求书中。

附图说明

为了说明本发明的目的，下面显示在附图中的是目前优选的形式；它应被 理解为但并不限于所示的具体排列和方式。

图1是用于收集和转换太阳能的可回收能源实用规模的电力系统以及用于 电力系统的本发明的监控和控制系统的一个实施例的单行简化方框图。

图2是用于本发明某些实施例中的太阳能功率优化器和发射器的一个实施 例图解。

图3是可用于图2中所示的太阳能功率优化器和发射器的谐振DC-DC变 换器的一个实施例图解。

图4图解了当连接至DC-DC变换器输入的光伏行电压（photovoltaic string  voltage）为低电压时，图3中所示的谐振DC-DC变换器的变换器电流近共振 （near resonance）的波形。

图5图解了当连接至DC-DC变换器输入的光伏行电压（photovoltaic string  voltage）为高电压时，图3中所示的谐振DC-DC变换器的变换器电流非共振 （off resonance）的波形。

图6所示是太阳能发电厂的太阳能光伏模块与用于本发明的太阳能功率优 化器和发射器之间互连的一个实施例。

图7是本发明的三维视觉导向的虚拟现实显示环境的一个三维可视显示图 的简化的黑白演绎。

图8是用于收集和转换风能的可回收能源实用规模的电力系统以及用于电 力系统的本发明的监控和控制系统的一个实施例的单行简化方框图。

具体实施方式

图1是用于收集和转换太阳能的可回收能源实用规模的电力系统以及用于 电力系统的本发明的监控和控制系统的一个实施例的单行简化方框图。在本实 施例中，有高压太阳能光伏能源收集（也是指“采集”）网络12；集中并网多 相同步调节电流源逆变器系统14；以及可选的虚拟沉浸式监控和控制系统 16。升压变压器18（step-up transformer）将在并网逆变器封装模块（GrIP） 14a-14d中的变换器的输出从高压输电网络电隔离开。

可选的高压太阳能光伏能源采集网络和集中并网多相同步调节电流源逆变 器系统进一步在申请号为12/542,891（公开号为2009/0302686）美国专利申请 中有描述，所述申请的全文被合并引用在本说明书中。

虚拟沉浸式监控和控制系统包括虚拟沉浸式设备监督（VIEW,virtual  immersion equipment watchdog）模块16a和中心控制模块16b。

图2显示了图1中在高压太阳能光伏能源收集系统12的多个实施例中采用 的太阳能功率优化器和发射器（SPOT）的一个实施例。图2中的SPOT20包 括多个DC-DC变换器20a（本实施例中为四个）、处理器20b（本实施例中实 例为微处理器μP）、以及收发器（transceiver）20c（在本实施例中为具有发射 和接收天线20c’的射频RF收发器）。

图2中的四个DC-DC变换器将可变光伏“行”（string）电压和电流变换 为平行固定高电压（例如1250伏特DC）。在本实施例中如图2中所示，两个 变换器的正（+）输出并联在一起，另外两个变换器的负（-）输出并联在一 起，形成通用（中性）电路（common（neutral）circuit）。四个变换器的剩余 四个输出被如图2所示共同连接在一起。变换器的平行正负输出被并联连接 （被夹紧）至高DC电压上的DC链路（图1和2中显示为DC链路总线（DC  link bus）22），所述高DC电压是每个DC-DC变换器的输出电压的两倍（例 如1.25kV DC）。参见图1的单行框图，其中多个太阳能功率优化器和发射器 （如图2所示）可被连接至多个太阳能光伏模块30。

图3是可用于图2中的太阳能优化器和发射器20的DC-DC变换器的一个 图解实施例。每个DC-DC变换器包括两部分：并联谐振全桥逆变器20a’（a series resonant full bridge inverter）和滤波器和整流器的组合输出20a’’（a combination output filter and rectifier section20a’’）。这两部分通过高频（范围 在10kHz-20kHz）变压器T_X与彼此隔离。在随着逆变器工作频率变化的端子1 和2处，电源（power）从输入光伏行源（input photovoltaic string source）获 取。输入电流（Idc）和电压（E）由图2中的处理器20b测量，处理器调整逆 变器的工作频率，从而DC-DC变换器在最大功率点值（maximum power point  value）处运行。变换器的输入逆变器的工作频率在近共振变化，其被图3中的 电感器Ltank和电容器Ctank的值限定，形成串联谐振环路。随着频率接近谐 振点，逆变器从输出光伏行处获得更多电流，引起光伏行电压降低。如下面进 一步描述的，处理器20b的功能之一是将光伏行电压和电流的数学上的结果维 持在最大功率点值。图4图示了当输出光伏行电压为低电压时的近谐振逆变器 输出电流。图5示出了当输出光伏行电压为高电压时的非谐振逆变器输出电 流。

处理器20b可以是微处理器，所述微处理器与I/O设备通信，I/O设备为每 个DC-DC变换器20a在输入处获取行电压和电流。处理器在每个变换器的输 入处监控行电压和电流，每个变换器的控制操作通过执行用于最大功率点跟踪 （MPPT）算法（maximum power point tracking algorithm）的计算机代码，来从 每个太阳能光伏模块采集最大功率。例如，算法可包括“干扰观测法（disturb  and observe）”子程序，通过该子程序DC-DC变换器的工作频率有少量变化， 且MPPT算法决定是否随着频率扰动增加或减少采集的功率。

若在本发明具体实施例中采用收发器20c，该收发器20c发送电力系统 （power system）数据给虚拟沉浸式监控和控制系统。该电力系统数据可以包 括：行电压量、行电流量、行功率量、SPOT输出电流量、SPOT工作温度以及 SPOT运行状态数据，所述SPOT运行状态数据例如否SPOT在来自所有输入 光伏行的完全最大输出功率（full maximum input power）下工作，还是在来自 输出光伏行的至少一部分的有限的最大输出功率（limited maximum input  power）下工作。收发器20c接收包括电力系统数据：电力系统限制命令数据 （power system limit command data）和电力系统的开关机或控制。电力系统开 关机状态可被例如测知是否特定DC-DC变换器是在可选的震荡状态（在此状 态电力系统开机）而被确定。远程电力系统开关机命令（来自中心控制模块） 可被用于促进SPOR的维护。一种收发器20c进行发射和接收的方法是通过网 格无线电系统（mesh radio system）。

图2中所示的本发明的一个实施例采用了太阳能功率优化器和发射器，每 个光伏行31可包括20～25之间的光伏模块。取决于太阳能能源系统参数，如 太阳辐照量、阴影、环境恶化（environmental deterioration）等，每行的输出通 常在1到10安培DC（在400到1000伏特DC）。一组四个太阳能光伏模块行 可连接至图2中所示的行SPOT，对于最大值为25000瓦特的每个具有四行输 入的SPOT，以生成大约200到6250“瓦特/输入行”。

图6图示了本发明的一个采用太阳能功率优化器和发射器的互连可回收能 源实用规模的电力系统的实施例。最大数量的太阳能功率优化器和发射器，例 如20个，可共享每个SPOT“水平的”总线21a、21b、21c……21x，见图6中 所示。例如SPOT水平总线21a具有20个连接至总线的太阳能功率优化器和发 射器21a₁....21a₂₀。这些互连的20个太阳能功率优化器和发射器以及连接至这 些20个太阳能功率优化器和发射器的光伏模块，包括光伏能源采集阵列21， 所述光伏能源采集阵列21表征在图1中图示出的高压光伏能源采集网络12的 一部分，并能从太阳能辐射产生500kW的最大值。光伏能源采集阵列21可包 括4（光伏）行光伏模块，该4（光伏）行光伏模块连接至在阵列21中的每一 个20个太阳能功率优化器和发射器，其中每个光伏行由大约20到25个串联的 光伏模块组成。光伏模块的四个光伏行的组合可被看做由大约80到100个模块 组成的光伏“组（cluster）”，由此阵列21内具有20个太阳能功率优化器和 发射器，总共有1600到2000个光伏模块被连接至SPOT水平总线21a。其它 每个包括SPOT水平总线21b……21x（其中“x”是一个变量，代表最后一个 包括光伏采集网络23的总线和阵列）的光伏能源采集阵列，其也可从太阳能 辐射产生500kw的最大值；图6中没有示出这些阵列中的光伏行连接至太阳能 功率优化器和发射器。每个SPOT水平总线各自连接至SPOT“垂直”总线 （图6中的26a、26b、26c……26x），以连接至在集中并网多相同步调节电流 源逆变器系统14中的并网逆变器封装模块（14a、14b、14c和14d）。根据连 接至每个太阳能功率优化器和发射器的光伏模块阵列提供最大10安培DC，这 种实际的排列会将形成每根SPOT垂直总线的导体的尺寸限制在200安培DC 的最大电流容量。

图1中的中心控制模块16b包括用于在多个太阳能优化器和发射器之间进 行通信的电路，在集中并网多相同步调节电流源逆变器系统内的逆变器模块， 以及用于发送和接收电力系统数据，例如：收集从每个SPOT发送的数据；优 选地通过例如安全以太网（secure Ethernet）的安全数据链路17（图1中虚线所 示）与并网逆变器封装模块14a-14d进行通信；如果在本发明具体实施例中使 用三维视觉导向的虚拟现实显示环境的话，通过例如VIEW计算机系统与三维 视觉导向的虚拟现实显示环境进行通信；监控被集中逆变器系统（centralized  inverter system）注入（injected）网络（gird）中的高压（HV）输电网络电压； 监控采集12和变换14系统之间的DC链路上的电压；控制发送至每个并网逆 变器封装模块的设置DC（set DC）输入电流量,其中设置DC输入电流量是设 定以匹配采集12系统产生的电流供应与变换14系统的需求；以及控制相对于 AC栅极电压（gird voltage）相位注入（injected into）到网络中的AC电流相 位。

本发明的一个实施例，能源变换系统14包括多个逆变器封装模块。图1和 6的系统实施例中图示了四个并网逆变器封装模块14a-14d，通常本发明其它实 施例的并网逆变器封装模块的总数在3到40的范围内。并网逆变器封装模块包 括电路，用于：将并网逆变器封装额定功率（图1实施例中为2500kV）从DC 变换成AC；将并网逆变器封装操作参数发送（报告）给中心控制模块和三维 视觉导向的虚拟现实显示环境（例如VIEW计算机）；从中心控制模块接收操 作参数，例如上述的设置DC输入电流量设定值（set point）和并网逆变器封装 的输出相位角。发送的操作参数可包括：送至并网逆变器封装模块的DC输入 电流；来自并网逆变器封装模块的AC输出相位电流；来自并网逆变器封装模 块的AC输出相位电压；来自并网逆变器封装模块的AC输出功率；来自并网 逆变器封装模块的输出频率；在并网封装模块冷却子系统中的冷却剂（如果使 用的话）的温度；以及所选择的并网逆变器封装电路元件的温度。

本发明的一个实施例，虚拟沉浸式监控系统是包括VIEW计算机系统的三 维视觉导向的虚拟现实显示环境，其用于：收集采集系统的信息；用下面进一 步描述的三维虚拟现实来呈现收集的采集信息；基于对太阳能能源可回收电力 系统的有效行辐照（available string irradiation），预测注入电网的电功率输 出。

图7中所示的本发明的虚拟沉浸式监控系统的关键要素，是在VIEW计算 机虚拟单元上的高压太阳能光伏能量收集网络的部分显示出的三维图像的简化 黑白图示。在图示中，光伏模块30形成了光伏行，该光伏行相对于已安装的 动态外部环境是可视的，该动态外部环境包括例如组件的动态实时云阴影 （dynamic real time cloud shading of components）。图中所示SPOT20的相对位 置，与从连接至SPOT20的输入的光伏行的导体91以及连接SPOT20输出的 DC链路22连同在一起（along with）。每个SPOT可被封闭在大约12×12×6 英寸的外壳内，图7所示，该外壳顶部具有用于光伏行输入的四条连接 （connection），其中三条经过（除了在SPOT水平总线底部的SPOT）在 SPOT外壳的侧面或SPOT外壳的底部的输入和输出导体（图2中所示的正、 负和中性（普通）的）。每个光伏模块的光伏组可被安装在一个结构支撑架 （structural supporting rack）上，可充当与光伏组相关联的太阳能功率优化器和 发射器的固定结构（mounting structure）（在架的下面或侧面）。所有的颜色 解码元件、云可视化（cloud visualizations）、以及其他下述可视沉浸式监控系 统的显示元件都由VIEW计算机可视显示单元提供的电力系统的三维图像中完 成，该VIEW计算机可视显示单元是三维视觉导向的虚拟现实显示环境的一个 元件。

提供了本发明的虚拟沉浸式监控和控制系统的用于太阳能电力的两个典型 实施例。一个实施例采用了固定倾斜追踪光伏阵列（fixed-tilt tracking  photovoltaic arrays），另一个采用了双轴追踪光伏阵列（dual-axis tracking  photovoltaic arrays），图1的基座31所示。太阳能发电厂场所的精确三维描述 并入VIEW计算机显示模型中。操作者的对VIEW计算机显示模型的视图可被 提供在合适的计算机可视输出装置上，例如视频监控器，从无约束地穿过三维 空间的虚拟摄像头视图（virtual camera view）上看到。操作者可通过合适的计 算机输入装置控制摄像头穿过三维空间的运转，所述计算机输入装置例如手持 控制器（handheld controller）、操纵杆或追踪球（trackball）。所述运转可通过 光伏阵列，并可选地提供在预置的太阳能发电厂独立部件的三维空间轨道上运 行。

在太阳能发电厂的每个单独光伏行的功率输出可被显示在VIEW计算机可 视显示单元上。每个光伏行可被SPOT引用（referenced），用来控制具有相关 联行的SPOT通信性能参数的行与中心控制模块。太阳照射在太阳能发电厂的 从早到晚的光线转换可给光伏模块提供变化的日晒水平，并将影响双轴跟踪器 （如果用的话）所面对的方向，使其一直垂直于日射方向。本发明的虚拟沉浸 式监控系统的一个实施例，功率、电流和电压值的量通过合适的颜色强度 （color intensities）范围来表征，所述颜色强度是在VIEW计算机可视显示单 元上的电力系统元件图像的颜色强度，电力系统元件例如光伏模块、太阳能功 率优化器和发射器、互联的电导体、与并网逆变器封装模块相关联的开关元 件，颜色强度和与电力系统元件相关联的功率、电流和电压值有一定关系。

本发明的一个实施例，光伏行模块额定输出的颜色编码由连续色谱（color  spectrum）de色度（shade）来完成，该色谱范围从在总功率（full power）下用 于行操作的亮蓝色色度到在小于总功率下的更暗蓝色色度，最终，因功能行生 成零功率而变成黑色。颜色转换与额定功率输出成线性关系。任何由于设备故 障而不产生功率的行被可视地显示为红色，以和产生零功率的普通行相区别。 电力系统电导体可由绿色显示，以表示通过其的电流大小，其中亮绿色代表更 高的电流水平，更暗的绿色代表更低的电流水平。导体出现失灵或故障时，显 示红色。每个SPOT的外壳可由黄色色度来表示，更高的电流水平用亮黄色表 示，更低的电流水平用更暗的黄色表示。出现失灵或故障的情况的SPOT的外 壳用红色显示。逆变器、变压器、网络开关设备（gird switchgear）和其他的元 件可由自然颜色（natural colors）来呈现。可在用于显示产生在适当单元中实 时总电功率的可视显示的合适位置放置有源电表图象图标（active meter graphic  icon），例如千瓦。操作者可控制的可视显示指示图标可被操作者用于可视地 在电表图象图标中显示功率输出的详细信息和具有唯一识别符的系统元件产生 的能量，该唯一识别符是例如元件的编号。

在虚拟沉浸式监控系统中，云图像（the image of cloud）可由光伏板表面 生成的阴影来重构。阴影通过从太阳能发电厂的部分采集的光伏电力的降低的 变量来检测。

系统可包括预测算法的执行，基于相对于站点的云移动参数（云方向和速 度），该预测算法可视地显示在接近未来时间（at near time in the future）的系 统的功率输出。

在本发明的一个实施例模型中，可视化可通过在VIEW计算机可视显示单 元上的专用可视层来完成，以使得通过接通或关闭所选择的显示层来激活设备 （例如，做成透明的光伏模块）和突出（highlight）电力系统的不同阶段。

图8是用于收集和转换风能的可回收能源实用规模的电力系统以及用于电 力系统的本发明的监控和控制系统的一个实施例的单行简化方框图。变频AC 电源由永磁同步发电机（SG）产生，被AC-DC变换器51整流，随后应用到风 力功率优化器和发射器（WPOT）40的输入。风力功率优化器和发射器将最佳 负载应用到同步发电机，用于在最大功率点值运行风力涡轮机。风力功率优化 器和发射器40与上述的太阳能功率优化器和发射器相似，除了其通常但不绝 对的，采用单个DC-DC变换器（如图3中所示）来替代图2中所示用于太阳 能功率优化器和发射器的四个DC-DC变换器。一个或更多个风力功率优化器 和发射器的输出通过高压DC链路42连接至集中并网多相同步调节电流源逆变 器系统14，其中系统采用3个或更多个并网逆变器封装模块，例如图8中所示 的模块14a-14d。

如果在本发明特定实施例中使用虚拟沉浸式监控系统。该虚拟沉浸式监控 系统与一个或更多的风力功率优化器和变压器、以及并网逆变器封装模块相通 信，以可视化地在VIEW计算机显示单元上描述风力发电厂的操作。三维视觉 导向的显示环境包括风力发电厂的三维地形层（terrain layer）。可使用通用型 的风力发电机。取决于涡轮机的数量，可选用适当数量的并网逆变器封装，其 中每个涡轮机具有大约1.5MW的输出，每个并网逆变器封装具有2.5兆瓦特 （MW）的额定功率。虚拟沉浸式监控系统的可视化是可以被校准的，以使得 并网逆变器封装可见（in the foreground），以及涡轮机和至逆变器系统的链接 都清晰可见。变压器可被放置在建筑物外面安装的逆变器的旁边。风力涡轮机 的输出的可视化可以是功率计图像图标（power meter graphic icon），该功率计 图像图标是具有至少实时功率输出和可选的历史数据的数值或图像形式，被层 放在三维视觉导向的显示环境上。

上述描述的用于太阳能能源系统的虚拟沉浸式系统元件也可以被应用于用 于风力能源系统的虚拟沉浸式系统，除非该元件特别强调该元件或功能唯一地 用于太阳能能源而不是风力能源。

本发明依据优选例子和实施例进行了描述。任何等价、替代的改进的方 案，除去特别强调的那些，都可在本发明的范围之内。