具有壽命延長的直流鏈路電容器的逆變器的制造方法
【專利摘要】本公開描述了一種用于與DC電源一起使用的逆變器，該逆變器具有壽命延長的DC鏈路電容器。該逆變器使用多個(gè)可開關(guān)電容器以控制電容器上的電壓。電容器的預(yù)期壽命能夠通過將不必要的電容器從電壓上斷開來延長。電容器可以被周期性地連接到電壓上，以便維持電容器的氧化物電介質(zhì)層。
【專利說明】具有壽命延長的直流鏈路電容器的逆變器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]以下說明涉及用于與直流(DC)電源一起使用的逆變器(inverter)，尤其涉及具有壽命延長的DC鏈路電容器的逆變器。
【背景技術(shù)】
[0002]對通常稱為太陽能電池板的光電(PV)板的使用日益增長。PV板可以用在獨(dú)立配置中，或用在并網(wǎng)(grid-tied)或電網(wǎng)互動(dòng)(grid-1nteractive)配置中，在獨(dú)立配置中PV板向所連裝置供電，在并網(wǎng)或電網(wǎng)互動(dòng)配置中PV板向交流(AC)配電或輸電網(wǎng)(或者簡稱為‘電網(wǎng)(grid)’)供電。對電網(wǎng)的電能供應(yīng)通常用儀表計(jì)量，并且供應(yīng)商對供電量做出經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。結(jié)果是，鼓勵(lì)了在家中、建筑物中或其它場所安裝PV系統(tǒng)。為了使PV安裝在經(jīng)濟(jì)方面有吸引力，期望能降低PV系統(tǒng)的成本，包括所需要的裝置、以及延長PV系統(tǒng)的壽命和可靠性。
[0003]圖1在框圖中示出了現(xiàn)有技術(shù)的并網(wǎng)PV裝置。該安裝100包括被定位成接收陽光的多個(gè)PV板102a、102b、102η (統(tǒng)稱為PV板102)。在特定安裝中的PV板的數(shù)目可變化很大，從幾個(gè)板到上萬個(gè)板。PV安裝100包括一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)連接的支路106a、106η,該支路由串聯(lián)連接的PV板102形成，該支路繼而連接到中央逆變器110。在支路106a、106η中的PV板102的數(shù)目可以基于每個(gè)支路的最大電壓，該最大電壓可基于中央逆變器110的最大工作電壓確定。中央逆變器UO被示出為兩階段逆變器，但可以使用其他逆變器技術(shù)。中央逆變器110將PV板102生成的直流(DC)電能轉(zhuǎn)換成適于注入電網(wǎng)(在圖1中被示為240VAC電源104)中的AC電能。中央逆變器110包括DC/DC變流器(converter)112，用于將DC電壓升高或降低到適合隨后的DC/AC逆變器114的水平。DC/AC逆變器114將DC功率轉(zhuǎn)換成可以注入電網(wǎng)104的AC功率。
[0004]DC鏈路電容器116被用于在沒有電能傳遞給電網(wǎng)104時(shí)，或者在比PV板102正在提供的電能更少的電能被傳遞給電網(wǎng)104時(shí)，在AC信號周期中存儲(chǔ)來自PV板102的能量。在比從PV板102傳遞的電能多的電能被傳遞給電網(wǎng)104時(shí)，DC鏈路電容器116釋放存儲(chǔ)的能量。如將理解的，由于電網(wǎng)的交流電流的功率的正弦特性，DC鏈路電容器116重復(fù)地存儲(chǔ)和釋放能量。
[0005]當(dāng)如圖1中所示的那樣使用中央逆變器110時(shí)，僅需要單個(gè)中央逆變器，因此中央逆變器的單獨(dú)的部件的成本不會(huì)對PV安裝的總成本造成大的影響。同樣地，包括用于DC鏈路電容器116的昂貴電容器可能是成本有效(cost effective)的。例如,可使用陶瓷或薄膜電容器。這些電容器，盡管是昂貴的，但不會(huì)如其他類型的電容器，諸如電解電容器那樣快速地隨時(shí)間劣化。
[0006]存在用連接到安裝中的每個(gè)PV板102的單獨(dú)的逆變器替換中央逆變器110的需求。每個(gè)板有一個(gè)單獨(dú)的逆變器允許從每個(gè)單獨(dú)的PV板提取最大電能，而不論其他板的光照情況如何，該其他板可能被遮蔽或被弄臟。但對于中央逆變器并不是這樣；被遮蔽的板將降低其所處于的整個(gè)串聯(lián)支路的電流。進(jìn)一步地，對于中央逆變器110，沒有簡單的方式來切斷PV板提供的電能。例如在安裝PV板102時(shí)這可能會(huì)成問題，因?yàn)镻V板一暴露于光就會(huì)產(chǎn)生電能，而因?yàn)檫@樣，安裝者就可能暴露于通電的電力線。類似地，在諸如火災(zāi)的緊急情況中，如果將PV板連接到中央逆變器110的線路被切斷，則急救人員可能暴露于通電的電力線。此外，安裝PV板102的職業(yè)人員可能沒有安裝DC功率部件或確定PV板102的并聯(lián)和串聯(lián)配置的經(jīng)驗(yàn)，而被迫需要專業(yè)的職業(yè)人員由此增加了 PV安裝100的成本。通過在每個(gè)PV板102處包括逆變器，安裝僅需要處理所有電工都熟悉的AC功率部件，因此降低了安裝成本。
[0007]盡管可能期望在每個(gè)PV板102上放置逆變器，但使用不隨時(shí)間損耗或損耗地相對較慢的昂貴的電容器的成本變得令人望而卻步。不幸的是，成本有效的諸如鋁電解電容器(AEC)的濕電解電容器會(huì)隨時(shí)間損耗，增加了逆變器或整個(gè)PV板需要被更換的頻率，從而增加了 PV安裝的成本。
[0008]期望具有一種用于將DC電能轉(zhuǎn)換成AC電能的成本有效的逆變器，同時(shí)在不需要更換逆變器部件的情況下提供足夠長的壽命。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]依照本說明書，提供了用于耦合到直流(DC)電源并提供交流(AC)輸出的逆變器。該逆變器包括:DC/DC變流器，用于連接到DC電源和提供DC輸出；DC/AC逆變器，用于將DC輸出轉(zhuǎn)換成AC輸出；DC鏈路能量(DCLE)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，包括分別可耦合成跨接DC/AC逆變器的輸入端的多個(gè)電容器；和DCLE存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)控制器，用于選擇多個(gè)電容器中的一個(gè)或多個(gè)來耦合跨接DC/AC逆變器的輸入端。
[0010]根據(jù)本說明書，進(jìn)一步提供了用于延長在逆變器中使用的多個(gè)電容器的預(yù)期壽命的方法，該逆變器耦合到直流(DC)電源并提供AC功率輸出。該方法包括:確定逆變器的至少一個(gè)工作特性；基于確定的至少一個(gè)工作特性，確定多個(gè)電容器中的至少一個(gè)電容器來耦合跨接逆變器的DC/AC逆變器的輸入端；和將確定的至少一個(gè)電容器耦合以跨接DC/AC逆變器的輸入端。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]將參考附圖描述用于單獨(dú)的PV板的逆變器的不同實(shí)施例，其中:
[0012]圖1以框圖形式示出了現(xiàn)有技術(shù)的并網(wǎng)PV裝置；
[0013]圖2以框圖形式示出了具有板逆變器的并網(wǎng)PV裝置的示意性實(shí)施例；
[0014]圖3以框圖形式示出了圖2中的DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和控制器的實(shí)施例的具體視圖；
[0015]圖4以框圖形式示出了圖2中的DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和控制器的另一個(gè)實(shí)施例的具體視圖；
[0016]圖5以框圖形式示出了圖3或圖4的電容器控制功能的部件的說明性實(shí)施例；
[0017]圖6示出AC板逆變器的部件；
[0018]圖7示出了與圖6中的AC板逆變器相適應(yīng)的AC波形；
[0019]圖8示出了另一個(gè)AC板逆變器的部件；
[0020]圖9示出了與圖8中的AC板逆變器相適應(yīng)的AC波形；[0021]圖10示出了另一個(gè)AC板逆變器的部件；
[0022]圖11以流程圖形式示出了延長多個(gè)電容器的壽命的示意性方法；
[0023]圖12以流程圖形式示出了可由圖5中的電容器選擇器實(shí)施的示意性方法；和
[0024]圖13以流程圖的形式示出了可由圖5中的電容器選擇器實(shí)施的另一個(gè)示意性方法。
【具體實(shí)施方式】
[0025]本文中描述的逆變器可延長逆變器的電容器的壽命。通過延長電容器的壽命，也延長了逆變器的壽命。此外，可以在逆變器中使用較不昂貴的電容器，同時(shí)仍能提供足夠長壽命的逆變器。AC逆變器可用于將DC電源轉(zhuǎn)換成AC電能。DC電源可包括燃料電池、風(fēng)力渦輪機(jī)，或諸如電池的不同能量存儲(chǔ)裝置。進(jìn)一步地，在本文中描述的逆變器是關(guān)于與PV板一起使用的逆變器，但該逆變器可以與其他DC源一起使用。
[0026]與圖1中的中央逆變器相比，放置在單獨(dú)的PV板上的逆變器應(yīng)該是便宜的。正因如此，可以期望使用可能情況下最便宜的部件，同時(shí)仍提供足夠好的性能。然而，更便宜的部件可能具有更短的預(yù)期工作壽命。例如，由于給定電容乘以電壓(CXV)額定值(rating)的成本，可期望使用電解電容器，諸如鋁電解電容器(AEC)，用于DC鏈路電容器。然而，電解電容器，尤其是AEC，隨時(shí)間損耗并最終失靈，由此迫使更換電容器、逆變器或PV板。而且，由于PV板開始結(jié)合到諸如立面材料或屋頂材料的建筑材料中，對逆變器部件的接近變得困難。正因如此，使用電解電容器作為DC鏈路電容器，盡管在成本方面是令人滿意的，但在逆變器的壽命方面具有嚴(yán)重缺陷。期望有一種用于PV板的包括DC鏈路電容器的逆變器能支撐25年以上，25年是PV板的普通壽命。如以下進(jìn)一步描述的，可提供多個(gè)電容器，并且它們的工作受到控制以便延長它們的壽命，因此允許使用低成本電容器，諸如電解電容器，或者可替換地，進(jìn)一步延長更昂貴的電容器的預(yù)期壽命。盡管由于電解電容器的令人滿意的成本而在本文中詳細(xì)地考慮了電解電容器，但可以預(yù)期所描述的用于延長電容器壽命的技術(shù)也可以應(yīng)用于其他類型電容器，這些其它類型的電容器展現(xiàn)的預(yù)期壽命取決于施加到其兩端的電壓。
[0027]在許多可能發(fā)生故障的區(qū)域，典型地提供在某部件發(fā)生故障時(shí)替換該部件的“故障轉(zhuǎn)移”或備份部件。然而，這樣的布置對于已經(jīng)損耗的電解電容器卻不可行。電解電容器使用電解質(zhì)作為電容器的其中一個(gè)板。當(dāng)將電壓施加到電容器上時(shí)，電解質(zhì)在充當(dāng)另一個(gè)板的金屬條上形成氧化層。該氧化層充當(dāng)電容器的電介質(zhì)。然而，如果電容器在很長一段時(shí)間都未使用，如對于備份或故障轉(zhuǎn)移的電容器就是這種情況，氧化層可能分解(dissolve)從而恢復(fù)成電解質(zhì)。當(dāng)電壓最終施加到電解電容器時(shí)，例如在另一個(gè)電容器發(fā)生故障并且需要備份電容器時(shí)，在氧化層已經(jīng)損壞的地方將發(fā)生短路，因此備份電容器也會(huì)發(fā)生故障。
[0028]圖2以框圖形式示出了具有板逆變器的并網(wǎng)PV裝置的示意性實(shí)施例。裝置200包括多個(gè)AC板204a、204b、204n (統(tǒng)稱為AC板204)。每個(gè)AC板204a、204b、204n包括各自的PV板202a、202b、202η (統(tǒng)稱為PV板202)和各自的板逆變器210a、210b、2IOn (統(tǒng)稱為板逆變器210)。AC板204將PV板202生成的電能提供給AC電網(wǎng)104。板逆變器210將PV板的DC電能轉(zhuǎn)換成適合注入AC電網(wǎng)104的AC電能。
[0029]板逆變器210中的每一個(gè)均被示出為兩階段逆變器，但可以使用其他技術(shù)。每一個(gè)板逆變器包括通過DC鏈路總線213耦合到DC/AC逆變器214的DC/DC變流器212。DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)216耦合跨接DC/AC逆變器214的輸入端。
[0030]DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)216包括布置成并聯(lián)的兩個(gè)或更多個(gè)電容器。每一個(gè)電容器選擇性地可耦合跨接DC/AC逆變器214的輸入端。DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)216代替之前的逆變器的DC鏈路電容器，并提供適當(dāng)?shù)碾娙?，同時(shí)是成本有效的且提供延長的預(yù)期壽命。
[0031]每一個(gè)板逆變器210包括控制器218，該控制器218可以是微控制器、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、專用集成電路(ASIC)或其他類似裝置?？刂破?18控制逆變器210的全部操作。如本文中進(jìn)一步描述的，控制器218控制DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)216，以便提供適當(dāng)?shù)碾娙?，從而有效地存?chǔ)和釋放能量。此外，控制器218可控制DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)216，以便延長電容器的有效壽命。
[0032]圖3以框圖形式示出了圖2中的DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和控制器的實(shí)施例的具體視圖。DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)216包括兩個(gè)可開關(guān)電容器302a、302b (統(tǒng)稱為可開關(guān)電容器302)，其可以在控制器218的控制下分別耦合跨接DC-AC逆變器的輸入端。每一個(gè)可開關(guān)電容器302可以包括與可控開關(guān)306a、306b串聯(lián)連接的電解電容器304a、304b。盡管描述為電解電容器，也可使用其他電容器類型?？砷_關(guān)電容器302受控制器218控制，使得，在正常狀態(tài)下，同時(shí)只有一個(gè)可開關(guān)電容器耦合跨接DC/AC逆變器的輸入端?？刂破鞯碾娙萜骺刂乒δ軌K310確定和控制在特定時(shí)間段連接哪一個(gè)可開關(guān)電容器302?？刂破?18的測量功能塊312測量在DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)216中的不同點(diǎn)處相對于信號地的電壓，這些不同點(diǎn)包括測量DC鏈路總線電壓的測量節(jié)點(diǎn)307，和測量可開關(guān)電容器302的各個(gè)開關(guān)306a、306b上的電壓的測量節(jié)點(diǎn)308a、308b。測量電壓可向控制器218提供信息。例如，如本文中進(jìn)一步描述的，在可開關(guān)電容器開關(guān)兩端測量的電壓可用于指示是否電容器在其壽命結(jié)尾處或附近。測量功能312還可測量不同位置處的電流和/或功率以及確定在不同位置處的功率，包括例如由DC/DC變流器212提供的功率，該功率與PV板202提供的實(shí)際功率成正比。
[0033]電容器304a、304b中的每一個(gè)是遭受損耗機(jī)制的電容器，導(dǎo)致電容器具有預(yù)期壽命。該電容器可以是濕電容器，其需要濕電解質(zhì)用于電容器的其中一個(gè)板，該電容器具有的預(yù)期壽命除取決于施加到電容器上的電壓，等等。此外，隨著電容器老化，所提供的電容可能會(huì)減小。例如，鋁電解電容器(AEC)具有液體電解質(zhì)，其充當(dāng)電容器的其中一個(gè)板。該電解質(zhì)逐漸從電容器中泄露或蒸發(fā)出，這樣一旦僅有一部分電解質(zhì)剩下，電容器的電容就會(huì)降低。進(jìn)一步地，如果電解質(zhì)最終從電容器中完全漏光或蒸發(fā)光，則電容器將徹底失效。附加類型的電容器可遭受類似的損耗機(jī)制并且可能用在DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中；然而，在此考慮該電容器為AEC類型的電容器，因?yàn)檫@類電容器相對低的成本和CXV特性。例如，盡管其他電容器可使用電解質(zhì)，諸如濕鈦電容器，或氣凝膠電容器(aerogel capacitor),但是在與AEC類型的電容器相比時(shí)，它們目前或者是更昂貴的并且/或者不能與預(yù)期電壓一起良好工作。
[0034]電容器的大小，即它的電容，是基于預(yù)期工作特性選擇的，該預(yù)期工作特性諸如是最大生成PV功率、由DC/DC變流器212提供的DC電壓、在DC鏈路總線上的最大期望電壓紋波和通過電容器的最大紋波電流。由DC/DC變流器提供的DC電壓可以在200-450V的范圍內(nèi)。盡管其他值也是可行的，但近似200-450V的范圍能按照典型電網(wǎng)電壓所需要的提供DC/DC變流器212和DC/AC逆變器214的有效操作。
[0035]由于每個(gè)板逆變器連接到PV板，由每個(gè)單獨(dú)的逆變器傳送給AC電網(wǎng)的功率小于由中央逆變器傳送的功率，因中央逆變器提供來自多個(gè)單獨(dú)的PV板的功率。這允許使用相對較小的電容器，這是十分有利的，因?yàn)橥N類型的電容器的價(jià)格典型地基于它們的大小、額定電壓和預(yù)期壽命。正因如此，可以針對與更大、質(zhì)量更低的電容器相同的成本使用質(zhì)量更高的小電容器。典型地，電容器的質(zhì)量越高，其壽命預(yù)期更長。
[0036]為了板逆變器210的功率效率，期望具有在接通狀態(tài)下其電阻小于電容器304a、304b的等效串聯(lián)電阻(ESR)的開關(guān)306a、306b。由于在每個(gè)PV板上使用板逆變器而導(dǎo)致可能使用的大小較小的電容器304a、304b，具有與中央逆變器中使用的大電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)相比相對大的ESR，正因如此對開關(guān)的選擇或設(shè)計(jì)提出的限制較少?？墒褂貌煌愋偷拈_關(guān)，其在接通狀態(tài)下提供比電容器304a、304b的ESR小的電阻。由于傳送給AC電網(wǎng)的AC功率的循環(huán)性，所用的開關(guān)必須還能夠在兩個(gè)方向上導(dǎo)通電流。開關(guān)306a、306b可以是，例如，金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET )。其他類型的開關(guān)也是可以的，例如機(jī)械開關(guān)，諸如通過在開關(guān)附近生成磁場來打開的Reed開關(guān)。
[0037]如上所述，可開關(guān)電容器302受控制器218控制，使得在正常狀態(tài)下，同時(shí)只有一個(gè)電容器稱合到DC/AC逆變器的輸入端。每個(gè)電容器的大小是基于PV板202的最大標(biāo)稱輸出功率和DC/DC變流器212的輸出電壓選擇的?？刂破?18的電容器控制功能塊310確定在當(dāng)前時(shí)間段中應(yīng)連接哪一個(gè)可開關(guān)電容器302。電容器控制功能塊310改變在不同時(shí)間段中被連接的可開關(guān)電容器302。在切換到另一個(gè)可開關(guān)電容器之前單個(gè)可開關(guān)電容器保持連接的時(shí)間段可以是，例如一天?？梢灶A(yù)計(jì)到，以使用其他時(shí)間段，諸如數(shù)個(gè)小時(shí)、數(shù)周或數(shù)個(gè)月用于切換哪些電容器被連接。然而，如果在DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中使用濕電解質(zhì)類型的電容器，時(shí)間段應(yīng)該足夠短以確保電容器的氧化層不會(huì)分解，這通過周期性地在電容器兩端施加電壓來實(shí)現(xiàn)。選擇長達(dá)一天的時(shí)間段，因?yàn)槿绫疚闹羞M(jìn)一步描述的，在PV板不產(chǎn)生能量的夜間，兩個(gè)可開關(guān)電容器均關(guān)閉，或從DC/AC逆變器214的輸入端斷開。正因如此，當(dāng)白天時(shí)間段到來時(shí)，將開啟或連接成跨接DC/AC逆變器214的輸入端的可開關(guān)電容器可在PV板產(chǎn)生任何能量之前接通。因此，在施加到電容器的電壓需要處理的同時(shí)不會(huì)因?yàn)殡娙萜鞯慕油ɑ蚯袛喽a(chǎn)生瞬變。盡管被描述為在沒有電壓施加到電容器上的時(shí)間中切換，但可以預(yù)計(jì)到可利用軟切換以便在電容器完全接通之前對電容器進(jìn)行預(yù)充電，從而允許在電壓施加到電容器的同時(shí)切換電容器而不會(huì)產(chǎn)生不可接受的瞬變。
[0038]通過斷連接各個(gè)電容器使得沒有電壓被施加，電容器304a、304b的壽命預(yù)期被延長。電容器的壽命除取決于其他因素外，還取決于施加到其上的電壓。例如，一個(gè)電容器制造商Cornell-Dubilier,提供的電容器壽命為:
[0039]L=Lb*Mv*2v2~(Tm_Tc)) /10 (I)
[0040]其中:
[0041]L=以小時(shí)為單位的預(yù)期壽命；
[0042]Lb=以小時(shí)為單位的基本壽命；
[0043]Tm=取大溫度；
[0044]Tc=工作溫度；和
[0045]Mv=電壓因數(shù)。[0046]電壓因數(shù)Mv由下式給出:
[0047]Mv=4.3-3.3*Va / Vr (2)
[0048]其中:
[0049]Va=施加電壓
[0050]Vr=額定電壓
[0051]從以上等式可以看出，當(dāng)施加電壓等于額定電壓并且工作溫度等于最大溫度時(shí)，預(yù)期壽命將是基本的或額定的壽命。然而，如果施加電壓為零，則預(yù)期壽命將是額定壽命的
4.3倍。預(yù)期壽命等式(I)僅僅是預(yù)期電容器壽命的一個(gè)模型。應(yīng)理解，存在可替換的電容器壽命模型，其根據(jù)施加電壓的減小預(yù)計(jì)壽命延長的變動(dòng)程度。正因如此，如果沒有電壓施加到電容器上，電容器的壽命可能延長。然而，如上所述，如果很長一段時(shí)間沒有電壓施加到電容器上，則氧化層可能劣化，這可能在電壓再次施加時(shí)導(dǎo)致電容器發(fā)生故障。為了維持電容器的氧化層，周期性地打開每個(gè)可開關(guān)電容器。
[0052]將理解，通過使用在此描述的控制技術(shù)，可使預(yù)期壽命取決于施加到其上的電壓的任何類型電容器的壽命延長。即，盡管濕電解電容器可具有與它們的使用相關(guān)聯(lián)的附加有利因素，諸如它們的低成本，但通過該電容器的工作壽命中降低施加電壓，其他類型電容器的壽命也可延長。
[0053]如上所述，通過周期性地將可開關(guān)電容器從施加電壓斷開，可延長該可開關(guān)電容器的壽命。電容器控制功能塊310可用于進(jìn)一步延長DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)216的壽命。由于PV板僅在光入射到其上時(shí)才產(chǎn)生電能，可開關(guān)電容器可在夜間斷開連接，該時(shí)間可基于控制器218的內(nèi)部時(shí)鐘來確定。可選地，可監(jiān)視入射到PV板上的光的量，并且如果沒有足夠的光來產(chǎn)生電能，可將可開關(guān)電容器斷開連接。仍是可選地，可監(jiān)視PV板產(chǎn)生的功率，并且如果該功率降到閾值以下，則可斷連可開關(guān)電容器。根據(jù)DC/AC逆變器的具體技術(shù)，電壓可供應(yīng)給DC鏈路總線，并因此供應(yīng)到可開關(guān)電容器上，即使在PV板沒有產(chǎn)生功率時(shí)也如此。因此，通過在不需要電容器將電能從PV板傳送到電網(wǎng)時(shí)斷連電容器，由于降低了施加到電容器上的電壓而可延長電容器的壽命。
[0054]盡管通過降低施加到電容器上的電壓或者減少電壓施加到電容器上的時(shí)間量而延長了電容器的壽命，電容器依然還要老化，降低了它們的有效電容。在之前的逆變器中，一旦電容器到達(dá)其使用期終止點(diǎn)(E0L)，則不得不更換電容器或逆變器，其中使用期終止點(diǎn)通常被認(rèn)為或者是電容器的電容降低到其原始電容的80%時(shí)或者是電容器的ESR升高到其原始值的200%時(shí)。然而，電容器控制功能310可將DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)216的壽命延長成超過單獨(dú)的可開關(guān)電容器304a、304b的E0L。一旦確定可開關(guān)電容器304a、304b處于它們的E0L，電容器控制功能塊308將連接兩個(gè)可開關(guān)電容器304a、304b，而不是單個(gè)電容器。結(jié)果是，并聯(lián)連接的兩個(gè)EOL電容器的有效電容可足以提供DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)216的足夠好的性能。
[0055]以上描述了如果兩個(gè)可開關(guān)電容器304a、304b均處于其EOL則打開這兩個(gè)可開關(guān)電容器?？蛇x地，如果兩個(gè)可開關(guān)電容器中僅一個(gè)到達(dá)其E0L，則電容器控制器310可更支持(favor)非EOL可開關(guān)電容器并且在多數(shù)時(shí)間內(nèi)單獨(dú)連接該非EOL可開關(guān)電容器。在這樣的情況下，電容器控制器310應(yīng)確保EOL可開關(guān)電容器周期性地連接到電壓，與非EOL電容器并聯(lián)，以便向DC鏈路能量(DCLE)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)提供足夠的電容，從而維持EOL電容器的氧化物電介質(zhì)。一旦兩個(gè)可開關(guān)電容器均處于其EOL，電容器控制器310可總是打開兩個(gè)EOL電容器，以便為DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)提供足夠的電容。額外地或可選地，如果所需要的電容能夠由單個(gè)EOL電容器提供，例如由于PV板輸出的功率減小，則可打開其中一個(gè)EOL電容器。
[0056]如上所述，電容器控制器310可以基于可開關(guān)電容器304a、304b的狀態(tài),例如它們是否處于其E0L，來控制可開關(guān)電容器304a、304b，以在DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)216中提供足夠大的電容。電容器控制器310可進(jìn)一步基于逆變器的工作狀態(tài)來控制可開關(guān)電容器，以便在DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中提供足夠大的電容。例如，電解電容器的電容是溫度的函數(shù)，溫度越低電容越小。因此，如果逆變器的工作溫度低于閾值，電容器控制器208可連接兩個(gè)可開關(guān)電容器，以便即使在冷的工作環(huán)境中也能在DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)216中提供足夠大的電容。
[0057]圖3描述了使用兩個(gè)等大小的可開關(guān)電容器302的DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。電容器304a、304b的大小是基于PV板的標(biāo)稱功率輸出和DC/DC變流器212的輸出電壓選擇的。盡管被描述為僅具有兩個(gè)可開關(guān)電容器302，但也可以使用附加的可開關(guān)電容器302。
[0058]圖4以框圖形式示出了圖2中的DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和控制器的另一個(gè)實(shí)施例的具體視圖。圖4中的DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)216類似于以上參考圖3描述的DC鏈路存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)；然而，使用了三個(gè)可開關(guān)電容器402a、402b、402c。
[0059]如以上參考圖3描述的，電容器304a、304b的大小是基于PV板的標(biāo)稱輸出選擇的。然而，PV板的實(shí)際輸出可僅在一部分工作時(shí)間中提供標(biāo)稱輸出。正因如此，電容器304a,304b的大小可大于當(dāng)PV板輸出小于標(biāo)稱輸出時(shí)的一部分工作時(shí)間所需要的大小。
[0060]圖4中的DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)216使用三個(gè)可開關(guān)電容器402a、402b、402c (統(tǒng)稱為可開關(guān)電容器402),這些電容器的大小是基于標(biāo)稱輸出的一小部分,例如1/2或3/4。電容器控制功能塊410可確定由PV板提供的當(dāng)前功率輸出，并選擇適當(dāng)?shù)目砷_關(guān)電容器402來連接。例如，假定電容器的大小選擇成用于標(biāo)稱輸出的50%，如果PV板當(dāng)前輸出其標(biāo)稱功率的100%，則將連接兩個(gè)可開關(guān)電容器402。然而，如果PV板的輸出小于其標(biāo)稱輸出的50%，則僅連接單個(gè)可開關(guān)電容器402。
[0061]電容器控制功能塊410，類似于電容器控制功能塊310，交替改變所連接的可開關(guān)電容器402，以便減小電壓施加到電容器404a、404b、404c的時(shí)間，因此延長了它們的壽命?？刂破?18可包括測量功能塊312，其測量在DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)216的不同點(diǎn)處的電流和電壓。測量功能塊312可基于所測得的電流和電壓確定不同位置處的功率，或者可測量不同位置處的功率。測量功能塊312可測量在測量節(jié)點(diǎn)407以及測量節(jié)點(diǎn)408a、408b、408c處相對于地信號基準(zhǔn)點(diǎn)的電壓，其中測量節(jié)點(diǎn)407提供DC鏈路總線213的電壓，測量節(jié)點(diǎn)408a、408b、408c提供開關(guān)電容器402的各個(gè)開關(guān)上的電壓。電容器控制功能塊410還基于工作條件，例如溫度或者是否電容器404a、404b、404c中的任何電容器處于其E0L，來確定要連接的可開關(guān)電容器402的適當(dāng)數(shù)目。
[0062]可使用可開關(guān)電容器的開關(guān)上的電壓確定是否可開關(guān)電容器中的相關(guān)電容器已經(jīng)到達(dá)其E0L。當(dāng)電解電容器到達(dá)其EOL時(shí)，ESR將增大。ESR的增大將導(dǎo)致開關(guān)兩端的測量電壓降低，因?yàn)殚_關(guān)的電阻和電容器的ESR實(shí)際上提供了分壓器。正因如此，可相對于閾值檢測開關(guān)兩端的測量電壓，以確定是否相關(guān)電容器已經(jīng)到達(dá)其E0L。[0063]如上所述，電容器的預(yù)期壽命受施加到其上的電壓影響。電容器的預(yù)期壽命也可能受通過它的紋波電流影響。紋波電流的幅度越大，壽命預(yù)期減少的越大。紋波電流的大小由電容的有效大小決定。電容越大，紋波電流越小。因此，通過并聯(lián)連接更多的可開關(guān)電容器402，有效電容增大并且紋波電流減小，由此潛在地延長了電容器的壽命。
[0064]圖4的以上描述已經(jīng)描述了具有三個(gè)可開關(guān)電容器402的DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)216。預(yù)計(jì)可使用更多個(gè)可開關(guān)電容器。對在DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)216中使用的電容器的數(shù)目的限制可基于添加更多個(gè)電容器和開關(guān)的成本、附加大小和其他考慮因素來確定。此夕卜，可開關(guān)電容器已經(jīng)被描述為全部具有相同電容；可預(yù)計(jì)到，可使用不同大小的可開關(guān)電容器以便基于PV板提供的實(shí)際功率調(diào)整由DC鏈路能量網(wǎng)絡(luò)提供的電容。例如，替代具有基于1/2的標(biāo)稱輸出調(diào)整大小的三個(gè)電容器，可提供基于例如1/4、1/2和3/4的標(biāo)稱輸出的三個(gè)不同大小。
[0065]圖5以框圖形式示出了圖3或圖4的電容器控制功能塊的部件的說明性實(shí)施例。電容器控制功能塊500包括監(jiān)視PV板的功率輸出的PV功率監(jiān)視器502。電容器控制功能塊進(jìn)一步包括確定要連接單個(gè)可開關(guān)電容器或多個(gè)可開關(guān)電容器的電容器選擇器504。可周期性地，例如一小時(shí)一次、每3小時(shí)一次、每天一次、每3天一次、每周一次或每個(gè)月一次，來確定應(yīng)連接哪一個(gè)電容器或哪些電容器。電容器選擇器504可基于當(dāng)前PV板特性，諸如PV功率監(jiān)視器502監(jiān)視的由PV板提供的當(dāng)前功率，來確定要連接哪些可開關(guān)電容器。確定哪個(gè)(些)可開關(guān)電容器要連接可以是基于工作環(huán)境的測量溫度的。此外，確定要連接哪個(gè)(些)可開關(guān)電容器也可以基于電容器信息506，該信息例如指示不同可開關(guān)電容器的電容、哪些可開關(guān)電容器處于其EOL或者哪些電容器不再起作用因此不應(yīng)被連接。確定要連接哪個(gè)(些)可開關(guān)電容器也可以基于自從電容器上一次被連接之后的時(shí)間長度或者哪些電容器最近被連接或斷開，以確保氧化層保持完整。
[0066]電容器信息506被圖示為存儲(chǔ)在‘文件’中。該‘文件’可以是諸如隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)或非易失性(NV)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器中的特定位置。然而，預(yù)計(jì)到電容器信息可以被確定并且按照需要直接提供給電容器選擇器504。電容器監(jiān)視器508將電容器信息506或者直接提供給電容器選擇器504，或者提供來用于存儲(chǔ)在可以是RAM或NV存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器中。
[0067]電容器監(jiān)視器508確定每個(gè)可開關(guān)電容器的電容器信息。該信息可通過測量各個(gè)電容器的特性來確定。如上所述，如果電容器的ESR已經(jīng)升高到閾值以上則可確定電容器已經(jīng)達(dá)到其E0L。可以通過測量可開關(guān)電容器的開關(guān)在處于接通狀態(tài)時(shí)的電壓來監(jiān)視ESR的升高。當(dāng)電容器的ESR升高時(shí)，相關(guān)開關(guān)上的電壓將降低。進(jìn)一步地，如果在可開關(guān)電容器被連接時(shí)紋波電流在閾值以上，則可以確定電容器已經(jīng)達(dá)到其E0L。仍是可選地，可確定和比較電容，以了解其是否在閾值(例如，電容的原始電容的80%)以下。
[0068]電容器控制500也被圖示為具有開關(guān)控制510。如果在電壓施加到可開關(guān)電容器的同時(shí)電容器控制連接或斷連可開關(guān)電容器，則可利用開關(guān)控制510來將瞬變減小到可接受水平。開關(guān)控制510可通過在完全連接或斷連可開關(guān)電容器之前對可開關(guān)電容器進(jìn)行預(yù)先充電或放電、通過調(diào)整開關(guān)電阻或通過用短脈沖序列進(jìn)行切換，來提供對可開關(guān)電容器的‘軟切換’。
[0069]以上描述的AC板逆變器可延長逆變器的電容器的壽命，因此潛在地降低了在逆變器整個(gè)壽命上平均后的逆變器成本。如上所述，延長逆變器的壽命的一個(gè)方法是通過將電容器從跨接DC/AC逆變器的輸入端上斷連來降低施加到電容器上的電壓。電容器可具有取決于施加到其上的電壓的壽命，因此降低施加到其上的電壓可以延長電容器的壽命。如以下進(jìn)一步描述的，DC/AC逆變器可被控制成調(diào)節(jié)DCLE網(wǎng)絡(luò)上的電壓，以便控制提供給電網(wǎng)或其它負(fù)載的功率。
[0070]圖6示出AC板逆變器的部件。逆變器600類似于以上描述的逆變器，并可連接到PV板202。逆變器600包括DC/DC變流器602、DCLE存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)604和控制器606，以及DC/AC逆變器608。
[0071]DC/DC變流器602可包括最大功率點(diǎn)跟蹤器(MPPT) 610。如將體會(huì)到的，由PV板生成的潛在功率將根據(jù)包括入射到板上的光的量的不同因素而變化。為了最大化PV板生成的功率，MPPT可控制PV板的電壓或由DC/DC變流器從板汲取的電流。MPPT可以不同方式執(zhí)行，包括例如攝動(dòng)(perturb)和觀測(observer)方法、增量電導(dǎo)(incrementalconductance)方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、模糊邏輯方法等。無論采用何種MPPT技術(shù)，MPPT610會(huì)最大化PV板提供的功率。盡管沒有包括在以上逆變器的描述中，可預(yù)計(jì)到之前描述的板逆變器可利用MPPT算法來提高PV板的效率。
[0072]令人期望的是使提供給電網(wǎng)或其它負(fù)載的平均功率匹配由PV板生成的功率。SP，提供給電網(wǎng)的功率，在AC信號的一個(gè)或多個(gè)周期中進(jìn)行平均后，應(yīng)等于板生成的功率或DC/DC變流器的多個(gè)特定輸出?？煽刂艱C/AC逆變器以便將DC/AC逆變器608的輸入端上的平均電壓維持成盡可能接近基準(zhǔn)電壓。DC/AC逆變器可包括控制器612，其提供控制信號622 (可以是例如基準(zhǔn)電流)，用于控制DC/AC逆變器的工作。如圖6中所示的，控制信號622可以控制DC/AC逆變器的工作，使得輸入端上的平均電壓被維持在特定基準(zhǔn)電壓?？刂破?12可包括求和功能塊616，其確定DCLE網(wǎng)絡(luò)電壓與基準(zhǔn)電壓618之間的差異。如將理解的，由于逆變器輸出的AC性質(zhì)，DCLE網(wǎng)絡(luò)上的電壓將隨時(shí)間而變。正因如此，控制器可進(jìn)一步包括低通濾波器620，其在AC信號的兩個(gè)或更多個(gè)周期上通過求和功能塊來平均電壓信號輸出，以生成平均差異信號。通過乘法器626將該平均差異乘以時(shí)變正弦波624。產(chǎn)生的控制信號622可被DC/AC逆變器用作電流基準(zhǔn)，用于確定DCLE存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的平均需要電壓?？烧{(diào)節(jié)DC/AC逆變器608，以將平均DC鏈路維持成盡可能接近基準(zhǔn)電壓618?；鶞?zhǔn)電壓618設(shè)置成使得DC鏈路電壓總是高到足以使得DC/AC逆變器能夠產(chǎn)生所施加的均方根(RMS)電網(wǎng)電壓水平的所需輸出電流。
[0073]圖7示出與圖6中的DC/AC逆變器608相適應(yīng)的電壓信號。在圖7中顯而易見的是，每個(gè)電壓信號702、704、706是施加到DC電平上的正弦波。該正弦波的幅度隨PV板功率水平而變。如所示出的，不同的電壓信號702、704、706具有相同的平均電壓，該平均電壓等于VMf618，而不論P(yáng)V板功率水平如何。在圖7中，假定100瓦特是最大功率輸出。由于較小的功率由板產(chǎn)生，又被提供給電網(wǎng)，電壓信號的幅度發(fā)生改變，然而，電壓信號的平均值被維持成盡可能接近V&618。
[0074]盡管以上描述的控制器612能夠控制逆變器以向AC電網(wǎng)提供最大的功率量，其通過維持DC/AC逆變器輸入端上的平均電壓并因此維持DCLE存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上的電壓而不論由板產(chǎn)生的和電網(wǎng)汲取的功率數(shù)量如何來實(shí)現(xiàn)。通過基準(zhǔn)電壓的值確定平均電壓值，該基準(zhǔn)電壓是基于PV板的最大可能輸出功率來選擇的。然而，PV板不會(huì)總是生成最大可能功率，正因如此，在PV板不生成最大功率時(shí)基準(zhǔn)電壓可能比必需的電壓高。因此，控制器612可以在DCLE存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上施加比必需的電壓更高的電壓，由此縮短了 DCLE存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)期壽命。令人期望的是，僅提供針對板功率水平必需的最小DC鏈路電壓，以進(jìn)一步將電容器的壽命延長到盡可能或可實(shí)現(xiàn)的程度。
[0075]圖8示出了另一個(gè)AC板逆變器的部件。AC板逆變器800類似于AC板逆變器600，正因如此，類似部件不再另外詳細(xì)地進(jìn)行描述。與調(diào)節(jié)DC/AC逆變器輸入端上的電壓以將平均電壓維持成接近基準(zhǔn)電壓的控制器612相對比，AC板逆變器800包括DC/AC逆變器控制器812，該DC/AC逆變器控制器812可基于將DC/AC逆變器輸入端上的電壓信號的最小電壓維持成盡可能接近基準(zhǔn)電壓，來對電壓進(jìn)行控制。對于小于全功率的功率水平，在DCLE上的DC電壓水平相對于參考圖6和圖7描述的情形有利地降低。正因如此，可進(jìn)一步延長電容器的壽命。
[0076]圖9是針對不同板功率水平在DC/AC逆變器輸入端上的電壓作為時(shí)間的函數(shù)的圖形。如所示的，針對不同板輸出功率的電壓信號902、904、906的正弦波的最小值維持為盡可能接近VMf816。這與參考圖7和圖8描述的控制不同，在參考圖7和圖8描述的控制中，受控制的是信號的平均值，而不是它們的最小值。如圖9中可以看出，通過基于電壓信號最小值控制DC/AC逆變器，由于PV板功率輸出減小，施加到DC/AC逆變器輸入端上的平均電壓減小，并因此施加到DCLE存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上的平均電壓減小。
[0077]控制器812可包括最小值檢測器814，其捕獲在AC周期中DC/AC逆變器輸入端上的電壓的最小值。此最小值與基準(zhǔn)電壓VMf816之間的差異通過求和功能塊818來計(jì)算。此差異被乘法器822乘以時(shí)變正弦波820。產(chǎn)生的控制信號824可被DC/AC逆變器用作電流基準(zhǔn)，用于確定DCLE存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上的最小需要電壓。最小值檢測器814俘獲在DC/AC逆變器輸入電壓紋波的每兩個(gè)或更多個(gè)周期中DC/AC逆變器輸入端上的電壓的最小值。進(jìn)一步地，求和功能塊818接收的最小值僅僅在DC/AC逆變器的輸出電流通過或接近其零點(diǎn)時(shí)才被更新，以便最小化輸出功率中的所有諧波失真。
[0078]圖10示出了另一個(gè)AC板逆變器的部件。AC板逆變器1000類似于以上描述的AC板逆變器600、800，正因如此，不再進(jìn)一步描述類似部件。以上描述的兩個(gè)AC板逆變器600、800基于基準(zhǔn)電壓VMf618、816控制在DC/AC逆變器輸入端上的電壓，但各自如何控制電壓的細(xì)節(jié)是不同的。DC/AC逆變器控制1012的具體控制邏輯1014可如以上參考圖6描述的那樣基于電壓的平均值來控制電壓，或者可如以上參考圖8描述的那樣基于檢測到的最小值來控制電壓。不論使用何種特定控制，基準(zhǔn)電壓1024必須設(shè)置成使得施加到DC/AC逆變器輸入端上的DC鏈路電壓將總是高到足以使得DC/AC逆變器1008能夠產(chǎn)生施加的RMS電網(wǎng)電壓水平的所需輸出電流。電網(wǎng)電壓1020將通常在指定限制內(nèi)波動(dòng)。例如，對于北美電網(wǎng)通常允許的電網(wǎng)電壓的標(biāo)準(zhǔn)波動(dòng)根據(jù)其標(biāo)稱RMS值被加上或減去15%。在以上參考圖6和圖8描述的控制中，基準(zhǔn)電壓，Vref，被設(shè)置成固定值，其考慮了 RMS電網(wǎng)電壓的最大允許正偏移(excursion)。盡管這確保了 DC鏈路電壓總是高到足以使得DC/AC逆變器能夠在所有情況下產(chǎn)生需要的輸出電流，但這意味著在一些情況下DC鏈路電壓比需要的情況高。這種不必要高的鏈路電壓不必要地減少了 DC鏈路電容器的壽命。
[0079]不是將Vref設(shè)置成固定值，而是如圖10中所示的根據(jù)電網(wǎng)電壓導(dǎo)出基準(zhǔn)電壓1024。電壓感測部件1022測量AC電網(wǎng)電壓并向Vref控制部件1024輸出RMS AC電網(wǎng)電壓。Vref控制部件1024設(shè)置基準(zhǔn)電壓值。如所示出的，可基于縮放因子K加上偏移值J來設(shè)置基準(zhǔn)電壓1024。可基于DC/AC逆變器1012的特征來選擇這些值，該特征包括DA/AC逆變器的效率、DA/AC逆變器的工作限制，以及所利用的電壓控制的類型。由于電網(wǎng)標(biāo)稱RMS值引起的電網(wǎng)電壓的改變導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓的相應(yīng)改變，這于是導(dǎo)致DC鏈路電壓的相應(yīng)改變，通過在AC電網(wǎng)電壓減小時(shí)降低電壓而有利地延長了 DC鏈路電容器的壽命。
[0080]圖11以流程圖形式示出了延長多個(gè)電容器的預(yù)期壽命的示意性方法。該電容器可用在耦合到諸如PV板的直流(DC)電源的逆變器中，但其他DC電源也是可以的。方法1100確定逆變器(1102)的至少一個(gè)工作特性。該工作特性可包括，例如，逆變器的溫度、DC電源輸出的功率、DC/DC變流器輸出的功率、多個(gè)電容器中的一個(gè)或多個(gè)的確定剩余壽命、多個(gè)電容器中的一個(gè)或多個(gè)的確定電容、多個(gè)電容器中的一個(gè)或多個(gè)的確定等效串聯(lián)電阻(ESR)、入射到PV板上的光的量、自從多個(gè)電容器中的一個(gè)或多個(gè)耦合跨接到DC/AC逆變器輸入端之后的時(shí)間量、多個(gè)電容器中哪些電容器最近耦合跨接到DC/AC逆變器的輸入端，以及一天中的時(shí)刻。一旦確定了工作特性，該方法基于確定出的至少一個(gè)工作特性來確定多個(gè)電容器中的要耦合跨接到逆變器的DC/AC逆變器的輸入端的至少一個(gè)電容器(1104)，并將確定的電容器耦合跨接到DC/AC逆變器的輸入端(1106)。
[0081]圖12以流程圖形式示出了可由圖5中的電容器選擇器實(shí)施的示意性方法。方法1200被示出為由電容器選擇器連續(xù)執(zhí)行的循環(huán)。方法1200從確定當(dāng)前時(shí)間段(1202)開始。該時(shí)間段可以是一天、一個(gè)小時(shí)、一個(gè)月或其它適當(dāng)?shù)臅r(shí)間段。一旦確定了時(shí)間段，則確定該時(shí)間段是否是夜晚(1204)，并且如果是(在1204處的判斷結(jié)果為是)，則產(chǎn)生適當(dāng)?shù)目刂菩盘栍糜陉P(guān)閉或斷連所有的可開關(guān)電容器(1206)。如果不是夜晚(在1204處的判斷結(jié)果為否)，那么產(chǎn)生適當(dāng)?shù)目刂菩盘栆员愦蜷_或連接與該時(shí)間段相關(guān)的可開關(guān)電容器(1208)。一旦在1206或在1208生成控制信號，則確定是否處于時(shí)間段結(jié)尾(1210)。如果不處于時(shí)間段結(jié)尾(在1210處的判斷結(jié)果為否)，則在再次檢查以了解是否處于時(shí)間段結(jié)尾(1210)之前執(zhí)行延遲(1212)。如果處于時(shí)間段結(jié)尾(在1210處的判斷結(jié)果為是)，那么方法返回到1202處確定當(dāng)前時(shí)間段。
[0082]圖13以流程圖的形式示出了可由圖5中的電容器選擇器實(shí)施的另一個(gè)示意性方法。該方法1300從確定是否處于夜晚開始(1302)，如果是(在1302處的判斷結(jié)果為是)，則產(chǎn)生適當(dāng)?shù)目刂菩盘栍糜陉P(guān)閉或斷連所有的可開關(guān)電容器(1304)。如果不是夜晚(在1302處的判斷結(jié)果為否)，那么確定工作溫度是否在閾值以下(1306)，并且如果是(在1306處的判斷結(jié)果為是)，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)目刂菩盘栍糜诖蜷_或連接所有的可開關(guān)電容器(1308)。盡管描述為打開所有的可開關(guān)電容器，但可預(yù)計(jì)到該方法可以確定要打開的可開關(guān)電容器的適當(dāng)數(shù)目以便提供恰當(dāng)?shù)碾娙?。如果溫度不處于閾值以?在1306處的判斷結(jié)果為否)，則該方法基于PV板生成的實(shí)際功率確定需要打開的電容器的數(shù)目(1310)。該方法然后打開適當(dāng)數(shù)目的可開關(guān)電容器(1312)?？苫谀男┛砷_關(guān)電容器已經(jīng)關(guān)閉了最長的時(shí)間來確定哪些可開關(guān)電容器要打開，這樣可確保電壓周期性地施加到每個(gè)可開關(guān)電容器上以便維持可開關(guān)電容器的氧化層。該方法然后確定是否被打開的可開關(guān)電容器超過了其E0L( 1314)。如果它們沒有(在1314處的判斷結(jié)果為否)，那么該方法在返回到確定是否為夜晚(1302)之前延遲一段時(shí)間(1316)。如果被打開的可開關(guān)電容器超過了其EOL(在1314處的判斷結(jié)果為是)，那么該方法打開一個(gè)或多個(gè)附加可開關(guān)電容器(1318)以便基于PV板生成的功率提供適當(dāng)?shù)碾娙?。盡管關(guān)于電容器是否超過EOL的確定被描述為在打開可開關(guān)電容器之后發(fā)生，但可預(yù)計(jì)到該確定可在打開可開關(guān)電容器之前做出。一旦打開了附加可開關(guān)電容器，該方法可在再次檢查是否處于夜晚(1302)之前進(jìn)行延遲(1316)。
[0083]盡管以上公開了示例性方法、除包括其它部件外還包括在硬件上執(zhí)行的軟件的設(shè)備，應(yīng)注意到這樣的方法和設(shè)備僅僅是示意性的，并且旨在提供對延長用于PV板的逆變器中的電容器的壽命的透徹理解。例如，可預(yù)計(jì)到這些硬件和軟件部件中的任意或全部可以排他性地以硬件實(shí)施、排他性地以軟件實(shí)施、排他性地以固件實(shí)施，或以硬件、軟件和/或固件的任意組合來實(shí)施。因此，盡管以下描述了示例性方法和設(shè)備，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員很容易理解所提供的示例并不是實(shí)施這樣的方法和設(shè)備的唯一方式。
[0084]在此描述的AC板逆變器利用低成本電解電容器，但該AC板逆變器可以延長具有的壽命取決于施加電壓的其他類型電容器的壽命。通過控制施加到電容器上的電壓，可以延長每個(gè)單獨(dú)的電容器的預(yù)期壽命。通過延長電容器的預(yù)期壽命，可以在更長的一段時(shí)間內(nèi)提供更可靠的性能。由于單獨(dú)的電容器的壽命延長，可以提供具有更大的容錯(cuò)性的逆變器，這是因?yàn)榭捎糜谔鎿Q故障電容器的附加電容器可以在更長的時(shí)間內(nèi)可用。例如，如果在工作了 11年之后，在具有兩個(gè)電容器的逆變器中，其中一個(gè)電容器發(fā)生故障，第二個(gè)剩余電容器的預(yù)期壽命可以足夠在逆變器的期望壽命(諸如用于25年的整個(gè)壽命的另外15年)中提供正常工作。
[0085]此外，以上已經(jīng)描述了一種DC鏈路能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，其可以通過周期性地連接電解電容器和將該電解電容器從DC鏈路總線上斷開以降低施加到該電容器上的電壓同時(shí)還能確保氧化層不劣化，來延長該電解電容器的預(yù)期壽命。如所描述的，通過周期性地將電壓施加到電解電容器上，電介質(zhì)氧化層被保持?？深A(yù)計(jì)到，不是周期性地打開和關(guān)閉電容器以延長其壽命同時(shí)維持氧化層，而是可開關(guān)電容器可保持關(guān)閉直至其例如由于其他可開關(guān)電容器到達(dá)EOL而被需要。為了確保可開關(guān)電容器不會(huì)在再次打開時(shí)由于氧化層的劣化而發(fā)生故障，可通過在長到足以重新形成氧化層的時(shí)間內(nèi)施加電壓來重新形成電介質(zhì)氧化層。
[0086]盡管以上已經(jīng)描述了用于與PV板一起使用的板逆變器，但可預(yù)計(jì)到該逆變器，或該逆變器的部件可以與其他DC電源一起使用。以上描述的逆變器能夠提供經(jīng)濟(jì)的逆變器，同時(shí)還通過延長電容器的壽命提供足夠長的預(yù)期壽命。
【權(quán)利要求】
1.一種逆變器，用于耦合到直流(DC)電源和提供交流(AC)輸出，該逆變器包括: DC/DC變流器，用于連接到DC電源和提供DC輸出； DC/AC逆變器，用于將所述DC輸出轉(zhuǎn)換成AC輸出； DC鏈路能量(DCLE)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，包括分別能夠耦合跨接所述DC/AC逆變器的輸入端的多個(gè)電容器；和 DCLE存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)控制器，用于選擇所述多個(gè)電容器中的一個(gè)或多個(gè)來耦合跨接所述DC/AC逆變器的輸入端。
2.如權(quán)利要求1所述的逆變器，其中所述DCLE存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)控制器包括: 電容器選擇器，用于基于至少一個(gè)監(jiān)視的特性選擇一個(gè)或多個(gè)電容器以耦合到DC/AC逆變器的輸入端。
3.如權(quán)利要求2所述的逆變器，其中所述至少一個(gè)監(jiān)視的特性包括以下中的一個(gè)或多個(gè): 溫度; 所述DC電源的功率輸出； 所述DC/DC變流器的功率輸出； 所述多個(gè)電容器中的一個(gè)或多個(gè)電容器的確定的剩余壽命；` 所述多個(gè)電容器中的一個(gè)或多個(gè)電容器的確定的電容； 所述多個(gè)電容器中的一個(gè)或多個(gè)電容器的確定的等效串聯(lián)電阻(ESR); 入射到所述PV板上的光的量； 自從所述多個(gè)電容器中的一個(gè)或多個(gè)電容器耦合跨接所述DC/AC逆變器的輸入端之后的時(shí)間量； 所述多個(gè)電容器中的哪些電容器最近耦合跨接所述DC/AC逆變器的輸入端；和 一天中的時(shí)刻。
4.如權(quán)利要求1或2所述的逆變器，其中所述至少一個(gè)監(jiān)視的特性包括對是否所述多個(gè)電容器中的一個(gè)或多個(gè)電容器已經(jīng)達(dá)到其壽命結(jié)尾(EOL)的指示，所述DCLE存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)控制器包括: 電容器監(jiān)視器，用于確定所述多個(gè)電容器中每一個(gè)電容器的電容器特性，所述電容器特性包括是否電容器已經(jīng)到達(dá)壽命結(jié)尾(E0L)。
5.如權(quán)利要求4所述的逆變器，其中所述電容器特性包括是否電容器已經(jīng)發(fā)生故障。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的逆變器，進(jìn)一步包括: 多個(gè)開關(guān)，分別與所述多個(gè)電容器中的相應(yīng)一個(gè)電容器相關(guān)聯(lián)，用于在所述DCLE存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)控制器的控制下選擇性地將相關(guān)聯(lián)的電容器耦合跨接所述DC/AC逆變器的輸入端。
7.如權(quán)利要求6所述的逆變器，其中所述多個(gè)開關(guān)中的每個(gè)開關(guān)是金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的逆變器，其中所述DCLE存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)控制器包括: 開關(guān)控制器，用于提供所述多個(gè)電容器中的每一個(gè)電容器的軟切換。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的逆變器，其中所述多個(gè)電容器中的一個(gè)或多個(gè)電容器是電解電容器。
10.如權(quán)利要求9所述的逆變器，其中所述DCLE存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)控制器在給定時(shí)間段內(nèi)將所述一個(gè)或多個(gè)電解電容器中的每一個(gè)耦合到所述DC/AC逆變器的輸入端至少一次。
11.如權(quán)利要求10所述的逆變器，其中所述給定時(shí)間段包括以下中的一個(gè): 一個(gè)小時(shí)； 多個(gè)小時(shí)； 一天; 多天； 一周； 多個(gè)周； 一個(gè)月；和 多個(gè)月。
12.如權(quán)利要求9至11中任一項(xiàng)所述的逆變器，其中所述DCLE存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)將所述多個(gè)電容器中的每一個(gè)電解電容器耦合到所述DC/AC逆變器的輸入端，這通過以下操作來實(shí)現(xiàn):如果所述電解電容器已經(jīng)在長于劣化閾值的一段時(shí)間內(nèi)沒有耦合到所述DC/AC逆變器的輸入端，則提高所述電解電容器上的電壓以重新形成所述電解電容器的氧化電介質(zhì)層。
13.如權(quán)利要求12所述的逆變器，其中所述劣化閾值是: 多個(gè)周； 一個(gè)月；和` 多個(gè)月。
14.如權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的逆變器，其中所述DCLE存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)電容器，這兩個(gè)電容器的大小是基于所述DC電源的預(yù)期功率輸出。
15.如權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的逆變器，其中所述DCLE存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)包括三個(gè)或更多個(gè)電容器，這些電容器的大小是基于所述DC電源的預(yù)期功率輸出的一小部分。
16.如權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的逆變器，其中所述多個(gè)電容器中的每一個(gè)是鋁電解電容器(AEC)。
17.如權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的逆變器，其中所述DC電源包括以下中的一個(gè): 光電(PV)板； 燃料電池； 風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)；和 電池。
18.如權(quán)利要求1至17中任一項(xiàng)所述的逆變器，進(jìn)一步包括: DC/AC逆變器控制器，用于控制所述DC/AC逆變器的輸入端上的電壓。
19.如權(quán)利要求18所述的逆變器，其中所述DC/AC逆變器控制器基于將所述DC/AC逆變器的輸入端上的電壓的平均值維持成盡可能接近基準(zhǔn)電壓，來控制所述DC/AC逆變器的輸入端上的電壓。
20.如權(quán)利要求18所述的逆變器，其中所述DC/AC逆變器控制器基于將所述DC/AC逆變器的輸入端上的電壓的最小值維持成盡可能接近基準(zhǔn)電壓來控制所述DC/AC逆變器的輸入端上的電壓。
21.如權(quán)利要求19或20所述的逆變器，其中所述AC輸出被提供給AC電能電網(wǎng)，并且其中所述基準(zhǔn)電壓取決于應(yīng)用的電網(wǎng)電壓。
22.一種用于延長在逆變器中使用的多個(gè)電容器的預(yù)期壽命的方法，該逆變器耦合到直流(DC)電源并提供AC功率輸出，該方法包括: 確定所述逆變器的至少一個(gè)工作特性； 基于確定的至少一個(gè)工作特性，確定所述多個(gè)電容器中的至少一個(gè)電容器以耦合跨接所述逆變器的DC/AC逆變器的輸入端；和 將確定的至少一個(gè)電容器耦合跨接所述DC/AC逆變器的輸入端。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述至少一個(gè)工作特性包括以下中的至少一個(gè): 溫度; 所述DC電源的功率輸出； 所述DC/DC變流器的功率輸出； 所述多個(gè)電容器中的一個(gè)或多個(gè)電容器的確定的剩余壽命； 所述多個(gè)電容器中的一個(gè)或多個(gè)電容器的確定的電容； 所述多個(gè)電容器中的一個(gè)或多個(gè)電容器的確定的等效串聯(lián)電阻(ESR)； 入射到所述PV板上的光的量； 自從所述多個(gè)電容器中的一個(gè)或多個(gè)電容器耦合跨接所述DC/AC逆變器的輸入端之后的時(shí)間量；` 所述多個(gè)電容器中的哪些電容器最近耦合跨接所述DC/AC逆變器的輸入端；和 一天中的時(shí)刻。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括: 檢測所述多個(gè)電容器中的一個(gè)已經(jīng)發(fā)生故障；和 將所述多個(gè)電容器中的沒有發(fā)生故障的至少一個(gè)電容器耦合跨接所述DC/AC逆變器的輸入端，以提供需要的電容。
25.如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括: 確定是否所述多個(gè)電容器中的一個(gè)或多個(gè)電容器已經(jīng)達(dá)到壽命結(jié)尾(EOL);和基于是否一個(gè)或多個(gè)電容器已經(jīng)達(dá)到其EOL來確定將要耦合跨接所述DC/AC逆變器的輸入端的至少一個(gè)電容器。
26.如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括: 當(dāng)將確定的至少一個(gè)電容器耦合到所述DC/AC逆變器的輸入端或從該輸入端去耦合時(shí)，提供所述確定的至少一個(gè)電容器的軟切換。
27.如權(quán)利要求22所述的方法，其中確定將耦合跨接所述DC/AC逆變器的輸入端的至少一個(gè)電容器包括:確定所述至少一個(gè)電容器以確保在時(shí)間段內(nèi)所述多個(gè)電容器中的每一個(gè)耦合跨接所述DC/AC逆變器的輸入端。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述給定時(shí)間段包括以下中的一個(gè): 一個(gè)小時(shí)； 多個(gè)小時(shí)； 一天; 多天； 一周； 多個(gè)周；一個(gè)月；和 多個(gè)月。
29.如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括: 在將多個(gè)電容器中的一個(gè)電容器耦合跨接所述DC/AC逆變器的輸入端之前，在沒有電壓施加到可能已經(jīng)劣化的該電容器上一段時(shí)間之后，重新形成該電容器的氧化物電介質(zhì)層。
30.如權(quán)利要求22至29中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括: 確定所述PV板的最大功率點(diǎn)；和 控制所述PV的工作電壓以優(yōu)化所述PV板的功率輸出。
31.如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括: 控制所述DC/AC逆變器的輸入端上的電壓。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其中控制所述DC/AC逆變器的輸入端上的電壓是基于將所述DC/AC逆變器的輸入端上的電壓的平均值維持成盡可能接近基準(zhǔn)電壓。
33.如權(quán)利要求31所述的方法，其中控制所述DC/AC逆變器的輸入端上的電壓是基于將所述DC/AC逆變器的輸入端上的電壓的最小值維持成盡可能接近基準(zhǔn)電壓。
34.如權(quán)利要求32或33所述的方法，其中所述AC輸出被提供給AC電網(wǎng)，該方法進(jìn)一步包括基于應(yīng)用的電網(wǎng)電壓設(shè)置`所述基準(zhǔn)電壓。
【文檔編號】H01G9/28GK103518318SQ201280022561
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年3月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月9日
【發(fā)明者】C.科喬卡魯, R.K.奧爾 申請人:索蘭特羅半導(dǎo)體公司