可重新配置的电力系统和变换器

摘要

本发明公开了可重新配置的电力系统和变换器及其操作方法。可重新配置的电力系统可包括直流电源、电能存储装置、交流电网连接、以及功率变换器，所述功率变换器被配置成选择地耦合直流电源、电能存储装置、和交流电网连接中两个或多个。

说明书

技术领域

本公开涉及功率变换器和系统，更具体地，涉及可重新配置的 功率变换器和系统。

背景技术

太阳能和电功率变换器系统的示例是在美国专利No. 7,072,194、6,914,418和6,590,793中以及在美国专利申请公布号No. 2010/0008119中公开的。使用太阳能或光伏板和最大功率点跟踪 (MPPT)的电池充电的示例是在美国专利No.7,834,580、6,914,418 和6,057,665中公开的。这里参考的这些和所有的其它出版物的公开 内容被出于一切目的整体地通过引用结合到本文中。

发明内容

在一些示例中，可重新配置的电力系统可包括直流电源、电能 存储装置、交流电网连接、和被配置成选择地耦合直流电源、电能存 储装置和交流电网连接的功率变换器中的两个或多个。

在一些示例中，可重新配置的功率变换器可包括被配置成与直 流电源耦合的电源连接、被配置成与电能存储装置耦合的存储装置连 接、被配置成与交流电网耦合的电网连接、和功率变换器。功率变换 器可被配置成选择地耦合电源连接、存储装置连接和电网连接中的两 个或多个。功率变换器当将电源连接耦合到存储装置连接时可被选择 地配置成DC-DC变换器；当将电源连接与存储装置连接的至少一个 连接耦合到电网连接时可被选择地配置成DC-AC逆变器；和当将电 网连接耦合到存储装置连接时可被选择地配置成AC-DC变换器。

在一些示例中，操作可被配置成选择地耦合直流电源、电能存 储装置和交流电网连接中的两个或多个的可重新配置的功率变换器 的方法可包括：将功率变换器配置成DC-DC变换器和将直流电源耦 合到电能存储装置；将功率变换器配置成DC-AC逆变器和将直流电 源与电能存储装置耦合到交流电网连接；以及将功率变换器配置成 DC-AC逆变器和将电能存储装置耦合到交流电网连接。

附图说明

图1是可重新配置的电力系统的非排他说明性示例的框图。

图2是可重新配置的功率变换器的非排他说明性示例的框图。

图3是三相非对称可重新配置的电力系统的非排他说明性示例 的示意图。

图4是三相对称可重新配置的电力系统的非排他说明性示例的 示意图。

图5是单相非对称可重新配置的电力系统的非排他说明性示例 的示意图。

图6是单相对称可重新配置的电力系统的非排他说明性示例的 示意图。

图7是三相非对称可重新配置的电力系统的另一个非排他说明 性示例的示意图，图上显示连接光伏直流电源到电能存储装置的功率 变换器。

图8是图7的可重新配置的电力系统的示意图，图上显示连接 光伏直流电源到交流电网和电能存储装置的功率变换器。

图9是图7的可重新配置的电力系统的示意图，图上显示连接 光伏直流电源到交流电网的功率变换器。

图10是图7的可重新配置的电力系统的示意图，图上显示连接 光伏直流电源与电能存储装置到交流电网的功率变换器。

图11是图7的可重新配置的电力系统的示意图，图上显示连接 电能存储装置到交流电网的功率变换器。

图12是图7的可重新配置的电力系统的示意图，图上显示连接 交流电网到电能存储装置的功率变换器。

图13是显示可以适用于本文公开的可重新配置的电力系统和/ 或变换器之一的非排他说明性实现方式示例的日常时间表。

图14是三相对称可重新配置的电力系统的另一个非排他说明 性示例的示意图。

具体实施方式

可重新配置的电力系统的非排他说明性示例在图1上总的以20 示出。除非另外规定，可重新配置的电力系统20可以，但不一定必 须，包含这里描述、显示和/或引用的结构、部件、功能和/或变形的 至少一项。在说明的示例中，电力系统20包括直流电源22、电能存 储装置24、与交流电网的连接或交流电网连接26和功率变换器28。

直流电源22可包括任何直流源，诸如间歇性的或非基本负载 源。例如，直流电源可包括至少一个太阳能或光伏(PV)电池。在一 些示例中，至少一部分直流源可包括其它间歇性电源，诸如风力或潮 汐能发电，虽然诸如风力或潮汐能发电那样的某些可能的间歇性电源 必须在结合可重新配置的电力系统20使用之前被变换成直流。

电能存储装置24可包括能够存储电能的设备或结构的任何适 当的组合。这样的设备的非排他说明性示例包括，但不限于，电化学 电池或电池、电容器、超级电容器、飞轮等等。

功率变换器28可包括至少一个开关单元或器件。开关单元或器 件可包括至少一个半导体开关器件，诸如功率晶体管、功率MOSFET、 绝缘栅双极性晶体管(IGBT)、栅极接通-关断闸流管(GTO)等等。 通过改变开关单元或器件的接通-关断工作比和频率，功率变换器28 可以控制它的输出电压和频率。

功率变换器28可被配置成选择地耦合直流电源22、电能存储 装置24和交流电网连接26中的两个或多个。

功率变换器28可被配置成以至少三个模式的选择的一个模式 运行。例如，功率变换器28可被配置成选择地运行或起到DC-AC逆 变器、DC-DC转换器或AC-DC转换器的作用。例如，功率变换器28 可被配置成当将直流电源22和/或电能存储装置24耦合到交流电网连 接26，诸如将来自直流电源、电能存储装置或二者的功率传递到交流 电网时，起到DC-AC逆变器的作用。功率变换器28可被配置成当将 直流电源22耦合到电能存储装置24，诸如给电能存储装置充电时， 起到DC-DC变换器的作用。功率变换器28可被配置成当将交流电网 连接26耦合到电能存储装置24，诸如从交流电网为电能存储装置充 电时，起到AC-DC变换器的作用。

可重新配置的功率变换器的非排他说明性示例在图2上总的以 30示出。除非另外规定，可重新配置的功率变换器30可以，但不一 定必须，包含这里描述、显示和/或引用的结构、部件、功能和/或变 形的至少一项。在说明的示例中，可重新配置的功率变换器30包括 电源连接32、存储装置连接34、电网连接36和功率变换器38。电源 连接32可被配置成与直流电源22耦合，存储装置连接34可被配置 成与电能存储装置24耦合，以及电网连接36可被配置成与交流电网 40耦合。

包括至少一个半导体开关器件的功率变换器38可被配置成选 择地耦合电源连接32、存储装置连接34和电网连接36中的两个或多 个。功率变换器可被选择地配置成例如DC-DC变换器、DC-AC逆变 器或AC-DC变换器。例如，当将电源连接32耦合到存储装置连接 34时，功率变换器38可被配置为DC-DC变换器。当将电网连接36 耦合到电源连接32和存储装置连接34的至少一个时，功率变换器38 可被配置为DC-AC逆变器。当将电网连接36耦合到存储装置连接 34时，功率变换器38可被配置为AC-DC变换器。

在一些示例中，可重新配置的功率变换器30可包括电流限制结 构或器件42，诸如电阻器。电流限制结构或器件42可被配置成选择 地限制流到与存储装置连接34相耦合的电能存储装置24的浪涌电 流。

图3-6显示可重新配置的电力系统的另外的非排他说明性示例。 三相非对称可重新配置的电力系统52被显示于图3，三相对称可重新 配置的电力系统54被显示于图4，单相非对称可重新配置的电力系统 56被显示于图5，以及单相对称可重新配置的电力系统58被显示于 图6。除非另外规定，可重新配置的电力系统52，54，56，58可以，但不 一定必须，包含这里描述、显示和/或引用的结构、部件、功能和/或 变形的至少一项。在说明的示例中，每个可重新配置的电力系统52， 54，56，58包括直流电源22、电能存储装置24、交流电网连接26 和具有多个变换器电路70的功率变换器28。

如图3-6所示，可重新配置的电力系统52的功率变换器28可 包括多个开关62，64，66，68。在一些示例中，功率变换器28可任 选地包括在电路路径上的至少一个电感器72，以用来从直流电源22 为电能存储装置24充电，正如下面将阐述的。

关于图3-6的可重新配置的电力系统52，54，56，58的对称和非对 称配置，非对称配置可以允许减小功率变换器的制造成本和/或物理尺 寸。例如，布线可以简化，仅仅需要开关64是单个开关，并且仅仅 需要单个电感器72。然而，对称配置可以允许更有效地利用功率变换 器内的变换器电路70和/或当使用直流电源来给电池充电时诸如通过 均衡功率变换器中的半导体开关上的损耗而均衡在所有的变换器电 路70上的损耗，正如下面将阐述的。

可重新配置的电力系统的另一个非排他说明性示例在图7-12上 总的以76示出。除非另外规定，可重新配置的电力系统76可以，但 不一定必须，包含这里描述、显示和/或引用的结构、部件、功能和/ 或变形的至少一项。正如所显示的，可重新配置的电力系统76包括 直流电源22、电能存储装置24、交流电网连接26和功率变换器28。 如图7-12所示，可重新配置的电力系统76的直流电源22包括多个 光伏电池78，并且电能存储装置24包括电池。

可重新配置的电力系统和/或功率变换器的各种运行模式或配 置可以参照如图7-12所示的可重新配置的电力系统76和功率变换器 28更全面地说明。

在图7上显示的模式中，开关64，68是闭合的，而开关62， 66是打开的，这样，可重新配置的电力系统76的功率变换器28将直 流电源22的多个光伏电池78耦合到电能存储装置24，其功率流如总 的由箭头82指示的。在这个模式中，功率变换器28被配置成起到 DC-DC变换器的作用，这样，光伏电池78将对电能存储装置24进 行充电。

在其中可重新配置的电力系统76在图7所示的模式下运行的一 些示例中，功率变换器28可以通过光伏电池78执行最大功率点跟踪 (MPPT)。在最大功率点跟踪下，功率变换器28试图对于光伏电池 起到基本上最佳电负荷的作用，以便从光伏电池提取相对较高的功率 水平。在一些示例中，在最大功率点跟踪期间从光伏电池提取的功率 水平可以接近于或甚至等于光伏电池可提供的最大功率。

在图8上显示的模式中，开关62，66，68是闭合的，而开关 64是打开的，这样，可重新配置的电力系统76的功率变换器28将多 个光伏电池78耦合到电能存储装置24和交流电网连接26。在这个模 式中，功率变换器28被配置成起到DC-AC逆变器的作用，这样，光 伏电池78将功率传递到交流电网，并对电能存储装置24进行充电， 其功率流如总的由箭头84指示的。

在图9上显示的模式中，开关66，68是闭合的，而开关62， 64是打开的，这样，可重新配置的电力系统76的功率变换器28将多 个光伏电池78耦合到交流电网连接26。在这个模式中，功率变换器 28被配置成起到DC-AC逆变器的作用，这样，光伏电池78将功率 传递到交流电网，其功率流如总的由箭头86指示的。在其中可重新 配置的电力系统76在图9所示的模式下运行的一些示例中，功率变 换器28可以通过光伏电池78执行最大功率点跟踪。

在图10上显示的模式中，开关62，66，68是闭合的，而开关 64是打开的，这样，可重新配置的电力系统76的功率变换器28将多 个光伏电池78和电能存储装置24耦合到交流电网连接26。在这个模 式中，功率变换器28被配置成起到DC-AC逆变器的作用，这样，光 伏电池78和电能存储装置24将功率传递到交流电网，其功率流如总 的由箭头88指示的。

在图11上显示的模式中，开关62，66是闭合的，而开关64， 68是打开的，这样，可重新配置的电力系统76的功率变换器28将电 能存储装置24耦合到交流电网连接26。在这个模式中，功率变换器 28被配置成起到DC-AC逆变器的作用，这样，电能存储装置24将 功率传递到交流电网，其功率流如总的由箭头90指示的。

在图12上显示的模式中，开关62，66是闭合的，而开关64， 68是打开的，这样，可重新配置的电力系统76的功率变换器28将电 能存储装置24耦合到交流电网连接26。在这个模式中，功率变换器 28被配置成起到AC-DC变换器的作用，这样，电能存储装置24将 从交流电网被充电，其功率流如总的由箭头92指示的。

在一些示例中，在约4:00PM(16:00)与约8:00PM(20:00) 之间，通常可能发生每小时峰值电网负荷要求和/或峰值电力消耗。然 而，例如在约11:00AM(11:00)与约3:00PM(15:00)之间，通常 可能发生峰值光伏(PV)发电。因此，在一些示例中，每小时电网负 荷要求不能很好地匹配于纯光伏发电或不带有电能存储装置的光伏 发电。然而，如果光伏发电与电能存储装置组合，诸如在电力系统包 括光伏电池和电能存储装置的场合下，则可以实现与电网负荷要求的 良好的匹配。具体地，在峰值电网负荷要求的几小时之前生成的光伏 电能量可以被存储在适当的电能存储装置中，然后在峰值电网负荷要 求的几小时期间被使用。

以下的段落描述使用这里公开的概念和部件，操作可重新配置 的功率变换器的方法的非排他说明性示例。虽然所公开的方法的动作 可以以它们在下面给出的次序被执行，但在任何的其它动作之前和/ 或之后单独地或以各种组合方式执行这些动作也是属于本公开内容 的范围。

当被用作为电力系统的一部分时，可重新配置的功率变换器和 可重新配置的电力系统可以以适用于在一天的给定的时间内为负荷 要求供应电力的模式的任何组合方式被使用。例如，图7-12的可重 新配置的电力系统76可以在正常日的过程中以在图7-12的各个图上 显示的模式顺序地运行。

参照图13，操作可重新配置的功率变换器的方法的非排他说明 性示例可包括三个顺序的操作模式：MODE 1，MODE 2，和MODE 3。 在MODE 1中，功率变换器可被配置成DC-DC变换器，它将可包括 至少一个光伏电池或太阳能电池的直流电源耦合到电能存储装置，以 便对于可包括电池的电能存储装置进行充电。可重新配置的功率变换 器可以在可包括提供相对较高的和/或峰值光伏发电的一天的时间，但 在峰值电网负荷要求的几小时之前，例如约8:00AM(08:00)和约 3:00PM(15:00)之间在MODE 1下运行。在MODE 2中，功率变换 器可被配置成DC-AC逆变器，它将直流电源和电能存储装置耦合到 交流电网，以使得来自直流电源的功率或被存储在电能存储装置中的 能量被传递到交流电网。可重新配置的功率变换器可以在可包括其间 发生峰值电网负荷要求和其间光伏发电仍旧是可用的一天的时间的、 例如约3:00PM(15:00)和约6:00PM(18:00)之间在MODE 2下运 行。在MODE 3中，功率变换器可被配置成DC-AC逆变器，它将电 能存储装置耦合到交流电网，以便将存储的能量传递到电网。可重新 配置的功率变换器可以在可包括其间光伏发电是不可用的，但峰值电 网负荷要求仍旧是高的一天的时间的、例如在约6:00PM(18:00)和 约10:00PM(22:00)之间在MODE 3下运行，足以保证存储的能量 从电能存储装置传递到交流电网。

在一些示例中，当功率变换器被配置成将直流电源耦合到电能 存储装置的DC-DC变换器时，功率变换器可以对于至少一个太阳能 电池执行最大功率点跟踪。因此，在MODE 1中，功率变换器在从光 伏电池给电池充电的同时可以执行最大功率点跟踪。

在一些示例中，操作可重新配置的功率变换器的方法可包括将 功率变换器配置成DC-AC逆变器以及将直流电源，而不是电能存储 装置，耦合到交流电网。在这样的示例中，当功率变换器被配置成将 直流电源耦合到交流电网的DC-AC逆变器时，功率变换器可以对于 至少一个太阳能电池执行最大功率点跟踪。

在一些示例中，操作可重新配置的功率变换器的方法可包括将 功率变换器配置成AC-DC变换器以及将交流电网耦合到电能存储装 置。在这样的示例中，可以从交流电网抽取功率，以便给电能存储装 置充电，诸如在低电网负荷要求的几小时期间。

在一些示例中，电容器可以与电能存储装置并联连接。在这样 的示例中，操作可重新配置的功率变换器的方法，诸如当如以上讨论 的、从MODE 1转移到MODE 2时，可包括将直流电源与电能存储 装置解除耦合，均衡电能存储装置的电压与电容器的电压，然后，在 均衡电能存储装置的电压与电容器的电压后，将功率变换器配置成 DC-AC逆变器，并且将直流电源和电能存储装置耦合到交流电网。 均衡电能存储装置的电压与电容器的电压，可以减小或阻止潜在的大 的浪涌电流，它否则当直流电源被连接到电能存储装置时，诸如在从 MODE 1到MODE 2的转移或改变期间，会从电容器流到电能存储装 置。减小或阻止大的浪涌电流流入电能存储装置，可以减小或防止对 于电能存储装置的损坏和/或提高它的寿命。

在一些示例中，均衡电能存储装置的电压与电容器的电压，可 以包括将电能存储装置通过诸如电阻器那样的限流装置连接到电容 器，这可以限制电流流入电能存储装置，直至电压电平达到均衡为止。 这样的示例可以通过参照在图14上总的被显示为96的可重新配置的 电力系统的非排他说明性示例而进一步说明。除非另外规定，可重新 配置的电力系统96可以，但不一定必须，包含这里描述、显示和/或 引用的结构、部件、功能和/或变形的至少一项。正如显示的，可重新 配置的电力系统96包括具有多个光伏电池78的直流电源22、包括电 池的电能存储装置24、交流电网连接26、功率变换器28、与电能存 储装置24和直流电源22并联连接的电容器98、电阻器100、和多个 开关62，64，66，68，102和104。

在MODE 1中，功率变换器28将类似于图7那样进行配置， 开关62，66被打开，开关64,68，102被闭合，以将直流电源22耦合 到电能存储装置24。在MODE 2中，功率变换器28将类似于图10 那样进行配置，开关64被打开，开关62，66，68，102被闭合，以将 直流电源22和电能存储装置24耦合到交流电网连接26。当可重新配 置的电力系统96从MODE 1转移到MODE 2时，开关102可被打开， 开关104然后可被闭合，以使得将电能存储装置24通过电阻器100 选择地串联耦合到电容器98，以便在打开开关104和闭合开关102 与66之前，均衡电能存储装置24的电压v_bat到电容器98的电压v_pv， 将直流电源22和电能存储装置24耦合到交流电网连接26，在将开关 66闭合之前打开开关64。

当可重新配置的电力系统96从MODE 1转移到以上讨论的 MODE 3时，只需要打开开关102。然而，功率变换器28和/或它的 变换器电路70的运行在打开开关102时可以中断，这可以阻止或减 小瞬态性能。

这里公开的方法可被体现为或可以取这里描述的方法以及其上 存储有多个机器或计算机可读的指令的瞬态的或非瞬态的计算机可 读介质的形式，该计算机可读指令当由处理器执行时执行所公开的方 法和系统的操作。计算机可读介质可以是可包含、存储、传送、传播、 或输送结合指令执行系统、设备、或装置使用的程序指令的任何介质， 并且作为示例，但不是限制，它可以是其上记录程序的电子、磁、光、 电磁、红外或半导体系统、设备、装置或传播介质或其它适当的介质。 这样的计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽的列表)可包括便携 式计算机软盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、 可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪速存储器)、光纤、便携式 紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储装置、诸如支持互联网或内 部网的那样的传输介质、或磁存储介质。用于执行所公开的方法和系 统的操作的计算机程序代码或指令可以以任何适当的编程语言被编 写，只要它允许达到先前描述的技术结果。指令可被配置成用于在具 有足够的处理功率和接入到任何需要的数据的任何系统、设备或装置 上执行。

据信这里阐述的公开内容包括具有独立的功用的多个不同的发 明。虽然每个这些发明以它的优选的形式被公开，但如这里公开和显 示的、它们的特定的实施例并不以限制的意义考虑，因为许多变形是 可能的。公开内容的主题包括这里公开的各种单元、特征、功能和/ 或特性的所有的新颖的和非明显的组合和子组合。同样地，在公开内 容和/或权利要求中“一个”或“第一”单元或它的等价物的阐述应当被 理解为包括一个或多个这样的单元的引用，既不需要也不排除两个或 多个这样的单元。

据信以下的权利要求具体地指出被引导到所公开的发明之一 的、新颖的和非显而易见的某些的组合和子组合。以特征、功能、单 元和/或特性的其它组合和子组合体现的发明可以在本申请或相关的 申请中通过修改本权利要求或呈现新的权利要求而得以主张。这样的 修改的或新的权利要求，不管它们被引导到不同的发明还是引导到相 同的发明，在范围上不管是否不同，还是宽于、窄于、或等于原先的 权利要求，也被看作为被包括在本公开内容的发明的主题内。