多相位電力系統(tǒng)中的功率因子調(diào)整的制作方法
【專利說明】多相位電力系統(tǒng)中的功率因子調(diào)整
[0001]在先申請的權(quán)益要求
[0002]本申請要求于2013年4月16日遞交的US臨時申請61/812，694的權(quán)益，通過參考將其引入本文。
【背景技術(shù)】
[0003]在電力傳輸和配送中，無功伏安(VAR)是用于測量AC電力系統(tǒng)中的無功功率的單位。當電流和電壓不同時改變時，AC電路中存在無功功率。VAR功率指的是電力產(chǎn)生系統(tǒng)所供應(yīng)的總功率的虛分量，由于驅(qū)動無功負載使得電流和電壓彼此異相而導(dǎo)致的。驅(qū)動感性負載導(dǎo)致電流滯后于電壓，針對容性負載則導(dǎo)致電流超前于電壓。
[0004]因此可以根據(jù)需要通過添加電容/電感來補償功率的無功分量。由位移功率因子Cos(?)來指示無功功率的程度，其中Φ是電流和電壓之間的相位角。傳統(tǒng)意義上認為電容器產(chǎn)生無功功率，并且電感器消耗無功功率。如果并行設(shè)置電容器和電感器，則趨向于消除而不是添加流經(jīng)電感器和電容器的電流。這是用于控制電力傳輸中的功率因子(VAR控制)的基本機制；在電路中插入電容器(或電感器)以部分地消除負載“消耗的”無功功率。
[0005]在電網(wǎng)要求必需對任意電網(wǎng)連接的電源輸出進行超前或滯后控制的情況下，需要VAR控制。在來自可再生源(具體地太陽能)的電力產(chǎn)生正成為總電力產(chǎn)生的較大部分的情況下，帶來新的電網(wǎng)要求。具體的，這些對于無功功率校正的VAR控制具有要求，否則向電網(wǎng)供應(yīng)電力的不同源的會迫使電網(wǎng)在整個系統(tǒng)的峰值和谷值周期期間進入欠激勵或過激勵模式。因此，例如在德國，新標準要求吸收或輸出VLR的能力，具體的從2012年1月開始新產(chǎn)品將強制使用的VDE4105。因此非常需要對VAR做出反應(yīng)和校正和/或主動抑制VAR的能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]前述權(quán)利要求旨在充當對本發(fā)明的一些實施例的簡介。它不旨在作為本文檔中所公開的所有發(fā)明性主題內(nèi)容的介紹或綜述。以下詳細說明中所參照的附圖將對
【發(fā)明內(nèi)容】
所描述的實施例以及其他實施例進行進一步描述。因此為了理解本文檔所描述的所有實施例，需要對
【發(fā)明內(nèi)容】
、詳細說明和附圖的全面評述。
[0007]本發(fā)明的一些實施例提供了用于可再生能源的多相位電力產(chǎn)生系統(tǒng)，其中可以選擇性地切入和切出無功元件(即電容器和/或電感器)，以滿足特定功率因子要求。在一些實施例中，多相位電力系統(tǒng)的每個相位接收來自一組逆變器所產(chǎn)生的功率，并且每個相位具有一組開關(guān)無功元件，用于對屬于多相系統(tǒng)的所述特定相位的一組逆變器所產(chǎn)生的功率做出功率因子調(diào)整。在一些實施例中，將屬于特定相位的該組逆變器的功率輸出組合到一個組合AC功率輸出中，并且通過該特定相位的一組開關(guān)無功元件對組合功率輸出執(zhí)行針對該特定相位的功率因子調(diào)整。在一些實施例中，至少一些逆變器是將來自一個或兩個太陽能面板的DC功率轉(zhuǎn)換為AC功率的微逆變器。
[0008]在一些實施例中，將該組開關(guān)電感器中的電感器的大小規(guī)定為它們提供可能所需的最大感性功率因子校正。在一些實施例中，一組開關(guān)電容器中的總電容足以提供系統(tǒng)的最大額定功率(例如12kW)上的最大所需功率因子校正(例如90% )。
[0009]在一些實施例中，該組電容器中的最小電容器值提供在最低所需操作功率處功率因子改變中的足夠分辨率(例如最小所需全系統(tǒng)功率電平的5% )。在一些實施例中，改變最大電容器的電容，使得它們的電容是彼此功率因子的2次冪。在一些實施例中，對組中的至少一些電容器定值，使得小于給定電容器的所有電容器的和超過該給定電容器值。在一些實施例中，“大”電容器中最小的電容器小于所有“小”電容器值的和。
[0010]—些實施例提供了用于確定從一組開關(guān)電容器和/或一組開關(guān)電感器中切入或切出哪些電容器和/或電感器的算法。該算法首先用給定負載計算獲得目標功率因子值所需的電容。如果所需電容是負數(shù)，則算法確定將哪些電容器切入電路中，然后計算要切入電路中的電容的平衡。針對大電容器，如果它是小于所需電容的最大電容器，則一些實施例中的算法選擇用于切入的電容器。針對小電容器，一些實施例中的算法檢查電容器的每個組合，以確定哪個組合產(chǎn)生具有最小誤差的電容目標值。
[0011]在一些實施例中，系統(tǒng)控制器控制多相位電力供應(yīng)系統(tǒng)。在一些實施例中，系統(tǒng)控制器是對于多相位電力產(chǎn)生系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)控制器，用戶可以通過系統(tǒng)控制器來監(jiān)視并控制系統(tǒng)的操作。在一些實施例中，系統(tǒng)控制器還對多相位系統(tǒng)的不同相位之間的功率產(chǎn)生操作進行協(xié)調(diào)。在一些實施例中，系統(tǒng)控制器收集來自系統(tǒng)中的每個微逆變器的功率輸出讀數(shù)并執(zhí)行對不同相位之間的功率輸出電平的平衡。然后每個相位的VAR控制使用平衡后的功率輸出電平來校正該相位的功率因子。
【附圖說明】
[0012]在所附權(quán)利要求中闡述了本發(fā)明的新穎特征。然而，為了解釋，在以下附圖中闡述本發(fā)明的若干實施例。
[0013]圖1示出了包括用于執(zhí)行功率因子補償?shù)碾娋W(wǎng)要求曲線的示例功率因子圖。
[0014]圖2示出了具有針對每個相位的VAR控制電路的多相位電力產(chǎn)生系統(tǒng)。
[0015]圖3示出了通過三相電力產(chǎn)生系統(tǒng)的示例功率因子調(diào)整/VAR控制操作。
[0016]圖4a_b示出了不包括用于執(zhí)行VAR控制的可切換無功元件的微逆變器。
[0017]圖5示出了包括它自身用于執(zhí)行VAR操作的開關(guān)電容器的集合的微逆變器。
[0018]圖6示出了三相電力系統(tǒng)的組合器。
[0019]圖7示出了三相電力系統(tǒng)的VAR控制器。
[0020]圖8概念性地示出了執(zhí)行VAR控制的過程。
[0021]圖9示出了適用于通過VAR控制操作來切入的無功元件的集合。
[0022]圖10示出了示例開關(guān)電容器。
[0023]圖11示出了電感器組件。
[0024]圖12a_b示出了開關(guān)電感器。
[0025]圖13a示出了大電容器的使用。
[0026]圖13b示出了小電容器的使用。
[0027]圖14概念性地示出了為了執(zhí)行功率因子校正而選擇要切入或切出的無功元件的過程。
[0028]圖15示出了當所需功率因子調(diào)整需要負電容值時的功率因子調(diào)整。
[0029]圖16示出了當所需功率因子調(diào)整需要正電容值時的功率因子調(diào)整。
[0030]圖17示出了其中系統(tǒng)控制器產(chǎn)生直接針對開關(guān)電容器和電感器的每一個的開關(guān)驅(qū)動的三相電力產(chǎn)生系統(tǒng)。
[0031]圖18示出了其中系統(tǒng)控制器向VAR控制模塊提供不同相位的電網(wǎng)電流和電壓測量的三相電力產(chǎn)生系統(tǒng)。
[0032]圖19示出了其中VAR控制模塊直接從電網(wǎng)傳感器獲得電流和電壓的電網(wǎng)測量的三相電力產(chǎn)生系統(tǒng)。
[0033]圖20概念性地示出了執(zhí)行相位平衡和VAR控制二者的多相系統(tǒng)的過程。
[0034]圖21概念性地示出了用于實現(xiàn)本發(fā)明的一些實施例的計算系統(tǒng)的一個示例。
【具體實施方式】
[0035]在以下說明中，為了解釋的目的闡述各種細節(jié)。然而本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到可以不用這些具體細節(jié)來實現(xiàn)本發(fā)明。在其他實例中，用框圖的形式示出了熟知的結(jié)構(gòu)和設(shè)備，以免不必要的細節(jié)模糊本發(fā)明的描述。
[0036]本發(fā)明的一些實施例提供了用于可再生能源的多相位電力產(chǎn)生系統(tǒng)，其中可以選擇性地切入和切出無功元件(即電容器和/或電感器)，以滿足特定功率因子要求。在一些實施例中，多相位電力系統(tǒng)的每個相位接收來自一組逆變器所產(chǎn)生的功率，并且每個相位具有一組開關(guān)無功元件，用于對屬于多相系統(tǒng)的所述特定相位的一組逆變器所產(chǎn)生的功率做出功率因子調(diào)整。在一些實施例中，將屬于特定相位的該組逆變器的功率輸出組合到一個組合AC功率輸出中，并且通過該特定相位的一組開關(guān)無功元件對組合功率輸出執(zhí)行針對該特定相位的功率因子調(diào)整。在一些實施例中，至少一些逆變器是將來自一個或兩個太陽能面板的DC功率轉(zhuǎn)換為AC功率的微逆變器。
[0037]在電力產(chǎn)生系統(tǒng)的一些實施例中，系統(tǒng)確定在任意一個時刻由屬于多相位系統(tǒng)的特定相位的一組逆變器所提供的總的最大(額定)ac功率輸出的分數(shù)。系統(tǒng)中的控制器在向一組無功元件發(fā)送控制信號以在該相位的組合AC功率輸出兩端選擇性地切入或切出電容器和或電感器之前，使用該信息來確定要針對該特定相位的ac輸出的而切入的所需電抗。電容器/電感器的切入/切出可以采用開/關(guān)控制以將電容器/電感器切入或切出，或者可以采用相位控制來控制電容器切入的ac周期的比例，以提供可變程度的功率因子調(diào)整或補償。
[0038]1.具有VAR控制的多相位電力系統(tǒng)
[0039]AC電力系統(tǒng)的功率因子被定義為流向負載的實際功率與電路中的表觀功率的比值。它是-1與1之間的無量綱的數(shù)。實際功率是在特定時間執(zhí)行工作的電路的容量。表觀功率是電路的電流和電壓的乘積。由于負載中存儲的并返回源的能量，或者由于使從源汲取的電流的波形失真的非線性負載，表觀功率將大于實際功率。在僅具有一個頻率的正弦電流和電壓的線性電路中，僅由電流和電壓之間的相位差引起功率因子。這被稱為“位移功率因子”。
[0040]可以將位移功率因子表達為Cos(?)，其中Φ是電流和電壓之間的相位角。在一些實施例中，位移功率因子用于指定無功或VAR功率。在電網(wǎng)要求必需對任意電網(wǎng)連接的電源輸出進行超前或滯后控制的情況下，需要功率因子/無功功率補償或VAR控制。一些實施例提供了一種功率產(chǎn)生系統(tǒng)，所述功率產(chǎn)生系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)要求來執(zhí)行用可切換無功元件的VAR控制，其中所述電網(wǎng)要求需要在功率產(chǎn)生系統(tǒng)的ac功率輸出的不同電平處的特定功率因子。
[0041]圖1示出了包括電網(wǎng)要求曲線100的示例功率因子圖，一些實施例基于其來執(zhí)行VAR控制或功率因子補償。在豎直軸和水平軸上繪制電網(wǎng)要求曲線100。標有“P/PE_”的水平軸指示電源的輸出功率電平⑵與電源的最大額定功率(PE_)的比值。標有Cos(?)的豎直軸指示特定功率電平比值處的功率因子，其中Φ是AC電流和AC電壓之間的相位差。豎直軸的中心位置與φ = 0或功率因子Cos(C>) = 1.0(單位功率因子)相對應(yīng)。這指示在ac電流的相位與AC電壓的相位之間存在零差異(即，Φ為正)。高于Cos(?)=1.0的功率因子與其中電流超前于電壓的過激勵負載相對應(yīng)。低于Cos(?) =1.0的功率因子與其中電流滯后于電壓的過激勵負載相對應(yīng)(即，Φ為負正)。
[0042]在一些實施例中，要求曲線100與VDE4105要求相對應(yīng)，在VDE4105要求中必須基于全部負載系統(tǒng)功率的百分比來連續(xù)控制功率產(chǎn)生系統(tǒng)輸出高于3.68kVA的功率的功率因子。對于高于13.8kVA的電源，當功率電平比值？/^_在0%和50%之間時，要求功率因子為1.0( S卩，Φ = 0)。曲線100在50%功率電平比值之后開始線性地朝向100%功率電平比值處的欠激勵(即電流滯后)的Cos(?) =0.9彎折。對于低于13.8kVA的電源，曲線100在50%功率電平比值之后開始線性地朝向100%功率電平比值處的欠激勵的Cos(?)=0.95彎折。
[0043]圖1還示出了無VAR控制的電源的示例功率因子曲線110。曲線110在P/PEniaJ9同一范圍上(0%-100%)繪示出了該特定電源的位移功率因子。如所示出的，示例功率因子曲線110在較低功率電平處“低于”電網(wǎng)要求曲線100并在較高功率電平處“高于”電網(wǎng)要求曲線100。例如，在50%功率電平比值處，位移功率因子110低于電網(wǎng)要求100。這指示電流的相位滯后于電壓的相位過多(或超前過少)。另一方面，在80%功率電平比值處，位移功率因子110高于電網(wǎng)要求曲線100。這指示電流的相位超前電壓的相位過多(或滯后過少)。為了使電源符合電網(wǎng)的要求，一些實施例將通過執(zhí)行VAR控制將位移功率因子曲線110 “移動”接近要求曲線100(8卩，使用要求曲線100作為“目標”功率因子曲線)。在這些實施例的一些中，VAR控制在功率因子低于要求曲線時使系統(tǒng)切入更多電容(或更少電感)，并在功率因子高于要求曲線時使系統(tǒng)切入更多電感(或更少電容)。
[0044]在一些實施例中，按照多相位電力產(chǎn)生系統(tǒng)的每個相位來執(zhí)行參照圖1所描述的VAR控制。圖2示出了多相位電力產(chǎn)生系統(tǒng)200，其中電力產(chǎn)生系統(tǒng)的每個相位具有它自身的VAR控制電路，該VAR控制電路執(zhí)行如針對該相位產(chǎn)生的功率的VAR控制。具體地，多相位電力產(chǎn)生系統(tǒng)200是產(chǎn)生來自三組逆變器的三相(相位A、B和C)AC功率的三相產(chǎn)生系統(tǒng)。每組逆變器接收來自一組DC電源的功率。通過組合器將由每個特定相位的逆變器產(chǎn)生的功率或電流組合在一起，