CN102315798A - 太阳能发电系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种发电系统(110)包括集成式光伏(PV)面板(112，114，116，118)。每个集成式PV面板(112，114，116，118)包括：光伏电池(42)，用于将光伏电池(42)串联、并联或串并联耦合的结点耦合器(44)，输出端子(45，47)，以及耦合在结点耦合器(44)与输出端子(45，47)之间的DC-AC转换器(46)。DC-AC转换器(46)包括切换装置，并且集成式PV面板在相应输出端子(45，47)处串联耦合。控制器(113，115，117，119)设置在发电系统中，用于为集成式PV面板的切换装置生成切换命令信号以合成发电系统的输出电压。

Description

太阳能发电系统和方法
技术领域
一般来说，本发明涉及电能转换，更具体来说，涉及光伏模块到电网或负载的连接。 
背景技术
随着常规能源的成本上升和匮乏以及对于环境的关注，人们对诸如太阳能和风能的替代能源有了相当大的兴趣。太阳能发电利用光伏(PV)模块来从太阳生成电。在这些系统中，多个PV电池彼此电连接。 
在连接多个这样的PV电池时，使用相当多的布线和电缆敷设(wiring and cabling)。当使用直流-直流(DC-DC)转换器以及直流-交流(DC-AC)转换器来将从PV模块生成的电传送到负载或电网时，需要额外的电缆敷设和连接。另外，在包括多个DC-DC转换器的实施例中，由于DC-DC转换器的电压输出信号具有高次谐波分量，所以功率损耗会增加，并要使用较大的滤波器。 
因此，需要改进的太阳能传输系统以解决一个或多个上述问题。 
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供一种包括集成式光伏(PV)面板的发电系统。每个PV面板包括：光伏电池，用于将光伏电池串联、并联或串并联耦合的结点耦合器(junction coupler)，输出端子，以及耦合在结点耦合器与输出端子之间的DC-AC转换器。DC-AC转换器包括切换装置，并且集成式PV面板在相应输出端子处串联耦合。该发电系统还包括控制器，该控制器用于为集成式PV面板的切换装置生成切换命令信号以合成发电系统的输出电压。 
根据本发明的另一个实施例，提供一种PV能量功率系统安装方法。该方法包括：连接集成式PV面板；以及将连接的集成式PV面板耦合到电网或负载。每个集成式PV面板包括：光伏电池，用于将光伏电池串联、并联或串并联耦合的结点耦合器，输出端子，以及耦合在结点耦合器与输出端子之间的包括切换装置的DC-AC转换器。 
附图说明
在参考附图阅读以下详细描述时，将能更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，所有附图中，类似的字符表示类似的部分，并且其中： 
图1是常规太阳能发电系统的示意图示； 
图2是根据本发明一个实施例的集成式光伏面板的图形表示； 
图3是在本发明的一个实施例中使用的集成式光伏面板的图形表示以及它的输出波形； 
图4是根据本发明一个实施例的发电系统的单相结构的图形表示以及它的输出电压波形； 
图5是根据本发明的实施例的集成式PV面板的三相结构的图形表示； 
图6是在本发明的一个实施例中使用的另一种集成式PV面板的图形表示以及它的输出电压波形；以及 
图7是根据本发明一个实施例的另一种发电系统的单相结构的图形表示。 
具体实施方式
图1示出常规太阳能发电系统10。该发电系统包括具有多个相连PV模块(未示出)的PV阵列12。PV阵列通过DC/DC转换器16、DC链路18和电网侧三相DC/AC转换器20连接到电网14。在其它系统中，电网侧三相转换器可由多个单相转换器替代。DC/DC转换器 16维持DC链路18处的恒定DC电压，并且因而管理从PV模块12到电网14的能量流。DC/DC转换器16由DC/DC控制器22控制，并且电网侧转换器20由电网侧控制器24控制。系统控制器26分别对DC/DC转换器22和电网侧转换器20生成参考DC电压命令、参考输出电压幅度命令和参考频率命令。在其它系统中，对于如图1所示的多个控制功能，可使用单个控制器。在系统中使用滤波器28以从系统输出功率中去除谐波，并使用变压器30以使电网侧转换器输出电压与电网电压匹配。电网14可包括公用电网或连接发电系统和负载的任何其它系统。 
图2示出根据本发明一个实施例的集成式PV面板40。集成式PV面板40包括集成到一个封装单元中的多个PV电池42和接线盒49。接线盒49包括结点耦合器44和DC-AC转换器46。PV电池布线或电缆敷设43提供到结点耦合器44，结点耦合器44用于并联连接PV电池42以提供较高电流，并串联连接PV电池42以提供较高电压。DC-AC转换器46将由多个PV电池42提供的DC功率转换为输出端子45和47处的AC功率，AC功率将进一步提供到电网(未示出)。集成式PV面板40可以在正面用钢化玻璃或某种其它透明材料48包封，并在背面(未示出)用保护性防水材料包封。将边缘密封以便防风雨，并且可使用铝框50将所有东西一起放在可安装的单元中。 
图3示出在本发明的一个实施例中使用的集成式光伏(PV)面板70及其输出波形90。集成式PV面板70包括PV模块72、DC链路74和H-桥DC-AC转换器76。PV模块72包括通过结点耦合器44(图2)串联、或并联、或串并联连接的多个PV电池。如之前所描述，结点耦合器44、DC链路74和H-桥DC-AC转换器都是接线盒(图2中作为元件49示出)的部分。来自PV电池的DC能量用于对DC链路74充电，然后通过H-桥DC-AC转换器76将它传送到负载或电网(未示出)。H-桥DC-AC转换器76包括两个相腿78、80，并且每个相腿包括串联连接的两个切换装置。例如，腿78的切换装置82和84串 联连接，类似地，腿80的切换装置86和88也串联连接。在相腿切换装置的串联连接的中点87和89处测量H-桥DC-AC转换器76的输出电压Vo。切换装置82和84的切换脉冲彼此互补，以使得当切换装置82导通时，切换装置84不导通，并且反之亦然。类似地，切换装置86和88也是互补的。应注意，本文描述的切换装置可包括诸如下列的装置：绝缘栅双极晶体管(IGBT)、绝缘栅换流晶闸管(IGCT，Insulated Gate-Commutated Thyristor)、金属氧化物半导体控制的晶闸管(MCT)、金属氧化物半导体可关断晶闸管(MTO)以及金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。这些装置可由任何合适的半导体材料制成，硅和碳化硅是两个非限制性实例。因此，在一个实施例中，切换装置可包括碳化硅装置。碳化硅装置的优点是，这些装置可在高温、大功率和高辐射状况下运行。 
在操作中，H-桥DC-AC转换器76具有三个切换级。在第一个切换级，切换装置84和86打开，并且切换装置82和88关闭。假设DC链路电压等于Vdc，那么输出电压Vo变成Vdc。在第二切换级，切换装置82和86打开，而切换装置84和88关闭。在这一级中，Vo等于0。在一个实施例中，第二切换级是通过打开切换装置84、88并关闭切换装置82、86来实现的。在第三切换级，切换装置82和88打开，而切换装置84和86关闭。这导致Vo变成-Vdc，如输出波形90所示。因此，可见，相电压Vo具有三个电压电平Vdc、-Vdc和0。 
图4示出利用关于图3描述的类型的多个集成式PV面板的发电系统110的单相结构及输出电压波形130。发电系统110向电网111供电，并且对于较高电压包括一串串联连接的多个集成式PV面板112、114、116和118。在一个实施例中，对于较高电流，并联连接多串串联连接的集成式PV面板。如同图3中一样，每个集成式PV面板包括集成式封装，其中PV模块120通过DC链路124耦合到H-桥DC-AC转换器122。每个H-桥转换器的AC输出串联连接，以使得合成的输出电压波形130是H-桥转换器输出之和。输出电压中的电 平数m由m＝2s+1给定，其中s是系统110中所用的集成式PV面板的数量。例如，在所示的图中，有4个集成式PV面板；因此，输出电压130共有9个电平。 
在操作中，每个集成式PV面板在定义的持续时间生成正、负和0电压电平。但是，每个转换器分量的每个电压电平的持续时间在一段时间内会改变，以确保利用所有集成式PV面板并将输出电压130中的总的谐波失真减至最小。在一个实施例中，对于每个集成式PV面板使用脉宽调制(PWM)技术以进一步减小总的谐波失真。这导致如输出电压波形130所示的近似正弦波的波形。此外，由于输出电压具有减少的谐波，所以降低了滤波器要求，从而可以使用较小滤波器(图4中未示出)。 
在一个实施例中，利用各个最大功率点跟踪(MPPT)控制器113、115、117和119来确定集成式PV面板112、114、116、118的电压-电流(V-I)特性的最大功率点并在所有时间接近于最大功率点操作集成式PV面板112、114、116、118。应注意，电网电压Vac会影响每个集成式PV面板的DC链路电压Vdc。因此，每个MPPT控制器113、115、117和119为相应的H-桥DC-AC转换器提供参考电流命令，以便从集成式PV面板获取最大功率。本领域技术人员将明白，MPPT控制器可包括扰动观察算法或增量传导(incremental conduction)算法。如之前所描述，集成式PV面板112、114、116和118以及相关联的MPPT和任何其它控制器可集成到单个封装单元中。 
图5示出根据本发明的实施例的集成式PV面板的三相结构132、142。三相结构132包括按照星形布置连接的三对或三串集成式PV面板133、134和135。串内的每对集成式PV面板串联连接并具有两个输出端子，分别是对133的136-137、对134的138-139以及对135的140-141。输出端子137、139和141在中性点N处彼此连接。三对的剩余输出端子、即136、138和140是三相输出，它们分别标记为L1、L2和L3。 
三相结构142包括按照三角形布置连接的三对集成式PV面板143、144和145。每对集成式PV面板如同132的布置一样串联连接，并且在作为每对的输出端子之一的三相端子L1D、L2D和L3D处取结构142的三相输出。每对的剩余输出端子146、147、148连接到下一对的三相输出端子。例如，对于对143，第二输出端子146连接到对144的三相输出端子L2D。 
图5的实施例的一个优点是，取决于是否可在没有变压器的情况下控制输出电压以与电网电压充分匹配，可利用或不利用如图4所示的类型的变压器来将结构132和142的集成式PV面板连接到电网111。 
图6示出在本发明的一个实施例中使用的另一种集成式PV面板160及其输出电压波形180。集成式PV面板160包括PV模块162、分离式DC链路164和半桥式DC-AC转换器166。半桥式DC-AC转换器166包括串联连接的两个切换装置168、170。分别在切换装置的串联连接和分离式DC链路的中点172和174处测量半桥式DC-AC转换器166的输出电压Vo。如之前所述，切换装置168、170可包括诸如IGBT、IGCT、MCT、MTO和MOSFET的装置，并且可包括例如硅或碳化硅。 
在操作中，半桥式DC-AC转换器166具有两个切换级。在第一个切换级，切换装置168打开，而切换装置170关闭。假设为稳定操作，那么V1＝V2＝Vdc/2，并且Vo变成Vdc/2。在第二个切换级，切换装置170打开，而切换装置168关闭。在这一级中，Vo等于-Vdc/2，如输出电压波形180所示。两个切换装置168和170不会同时打开，因为同时打开的状态会导致分离式DC链路164短路。因此，可见，相电压Vo具有两个电压电平Vdc/2和-Vdc/2。 
图7示出根据本发明的一个实施例利用关于图6描述的类型的集成式PV面板的发电系统190的单相结构。发电系统190包括一串串联连接的多个集成式PV面板192、194、196和198。在另一个实施例中，如上文关于图5所论述，对于较高电流，多个这样的串可并联连接。在图7的实施例中，每个集成式PV面板包括通过DC链路204耦合到半桥式DC-AC转换器202的PV模块200。每个半桥式转换器的AC输出串联连接，以使得合成的输出电压是半桥式转换器输出之和。在一个实施例中，利用各个最大功率点跟踪(MPPT)控制器(未示出)来确定半桥式DC-AC转换器的参考电流命令，以便从PV电池获取最大功率。 
本发明的实施例的优点之一是，无需DC-DC转换器，并且在一些实施例中，无需变压器。并且，由于输出电压为近似正弦波，所以降低了滤波器要求。因此，该系统具有更低的成本和更高的效率。本发明的各种实施例的其它优点是，这一连串转换器桥允许模块化布局和封装，并且可利用输出电压中的冗余电压电平，以使得即使在丢失其中一个转换器的情况下，该系统仍可操作。 
尽管本文只示出和描述了本发明的某些特征，但本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，将了解，随附权利要求要涵盖落在本发明的真实精神内的所有这些修改和改变。 
元件列表 
10常规太阳能发电系统 
12PV阵列 
14电网 
16DC/DC转换器 
18DC链路 
20电网侧转换器 
22DC/DC控制器 
24电网侧控制器 
26系统控制器 
28滤波器 
30变压器 
40集成式PV面板 
42PV电池 
43PV电池电缆敷设 
44结点耦合器 
45、47输出端子 
46DC-AC转换器 
48钢化玻璃 
49接线盒 
50铝框 
70集成式PV模块 
72PV模块 
74DC链路 
76DC-AC转换器 
78、80相腿 
82、84、86、88切换装置 
87、89中点 
90输出波形 
110发电系统的单相结构 
111电网 
112、114、116、118集成式PV面板 
113、115、117、119最大功率点跟踪控制器 
120PV模块 
122H-桥DC-AC转换器 
124DC链路 
130输出波形 
132、142集成式PV面板的三相结构 
133、134、135三串集成式PV面板 
136-141三串的输出端子 
143、144、145三对集成式PV面板 
146、147、148三对的第二输出端子 
160集成式PV面板 
162PV模块 
164分离式DC链路 
166半桥式DC-AC转换器 
168、170切换装置 
172、174中点 
180输出电压波形 
190发电系统 
192、194、196、198集成式PV面板 
200PV模块 
202半桥式DC-AC转换器 
204DC链路。 

Claims (10)

1.一种发电系统(110)，包括：
集成式光伏(PV)面板(112，114，116，118)，每个集成式PV面板包括：光伏电池(42)，用于将所述光伏电池(44)串联、并联或串并联耦合的结点耦合器(44)，输出端子(45，47)，以及耦合在所述结点耦合器(44)与所述输出端子(45，47)之间的包括切换装置的DC-AC转换器(46)，
其中集成式PV面板(112，114，116，118)在相应的输出端子处串联耦合；以及
控制器(113，115，117，119)，用于为所述集成式PV面板的所述切换装置生成切换命令信号以合成所述发电系统的输出电压。
2.如权利要求1所述的发电系统，其中多串串联耦合的集成式PV面板并联连接。
3.如权利要求1所述的发电系统，其中所述DC-AC转换器包括H-桥DC-AC转换器(70)或半桥式DC-AC转换器(160)。
4.如权利要求3所述的发电系统，其中所述H-桥DC-AC转换器的输出电压包括正、负和零电压电平。
5.如权利要求4所述的发电系统，其中每个所述H-桥DC-AC转换器的每个所述电压电平的持续时间在一段时间内改变。
6.如权利要求3所述的发电系统，其中所述发电系统的输出电压由m＝2s+1给定，其中m是所述H-桥DC-AC转换器的输出电压的电平数，而s是所述发电系统中的集成式PV面板的数量。
7.如权利要求1所述的发电系统，其中所述发电系统包括三相发电系统。
8.如权利要求7所述的发电系统，其中所述发电系统包括三串串联连接的集成式PV面板。
9.如权利要求1所述的发电系统，包括到电网的无变压器式连接。
10.一种光伏(PV)能量功率系统安装方法，包括：
串联连接集成式PV面板(112，114，116，118)，每个集成式PV面板包括：光伏电池(42)，用于将所述光伏电池(42)串联、并联或串并联耦合的结点耦合器(44)，输出端子(45，47)，以及耦合在所述结点耦合器(44)与所述输出端子(45，47)之间的包括切换装置的DC-AC转换器(46)；以及
将连接的集成式PV面板(112，114，116，118)耦合到电网或负载。
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