[发明专利]用于太阳能光伏能量收集和转换的系统及方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请根据《美国法典》第35卷第119（e）节要求于2011年7月11日提交的标题为“SYSTEM AND METHODS FOR SOLAR PHOTOVOLTAIC ENERGY COLLECTION AND CONVERSION”的临时申请第61/506,544号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

背景技术

目前，可看到能量发电系统增加了使用诸如太阳能之类的可再生能源。例如，太阳能收集可通过利用光伏效应而发生。为了在成本方面实现太阳能光伏（PV）系统的市电同价，美国能源部（DOE）例如已经预估出诸如PV逆变器之类的将直流电（DC）能量转换为电网兼容的交流电（AC）能量的电力转换设备花费应当不超过$0.10/瓦特。逆变器的$0.10/瓦特的预算是把硬件成本、安装以及整个使用期的运行&维护（O&M）成本都包括在内的。对目前实际使用的现有的PV逆变器拓扑结构和那些未来计划开发的PV逆变器拓扑结构的评估表明在目前及计划的成本与DOE的市电同价的目标成本之间存在显著差异。在世界各地，PV逆变器的平均销售价格（所有市场和kW规模的平均值）在2010年是$0.29/瓦特，这不包括安装和O&M成本。

微型逆变器或微型转换器的花费比在单点聚集DC-AC转换功能的集中式逆变器（典型地为100kW及以上规模）的花费多约2至3倍。然而，传统的集中式逆变器无法捕获由于电池板到电池板的变化引起的损失能量。研究表明未捕获的能量不仅仅是收益损失，而且还可能是PV电池板随着时间劣化的速度加快的原因，这是由于较高的电池工作温度引起的。尽管微型逆变器和微型转换器的花费远超于集中式逆变器的花费，但是它们具有通过显著改善最大功率点追踪功能的粒度以提升系统性能的潜能，这是因为它们一般被设计为仅与一个单独的PV电池板连接。尽管它们具有被感知了的性能增强能力，但是现有的微型逆变器或微型转换器解决方案的价格远远超出了DOE的市电同价目标。

因此，尽管随着过多的新拓扑结构和架构被提出，PV逆变器技术领域中的活动近期复苏了，但是，仍然存在对能够在保持微型逆变或微型转换的被感知了的利益的同时实现显著的成本降低的解决方案的需求。进一步存在对不影响电力转换效率的节能太阳能收集的需求。本文公开的系统和方法满足这些需求，并且能够从提出的架构（其累计地使得整体解决方案的额外系统成本降低）获得进一步的利益。

附图说明

各附图通过示例的方式而非通过限制的方式示出了本文的公开内容，以及附图中相同的参考数字表示相似的元件，附图中：

图1示出了根据一个实施例的示例能量收集和转换系统；

图2A至图2D描绘了根据本文描述的实施例的逆变器、微型逆变器或H桥；

图3A至图3B示出了根据不同的实施例的包括负荷中心或终端盒的能量收集和转换系统的示例；

图4示出了根据一个实施例的在三相配置中具有单相组串的示例系统；

图5示出了根据一个实施例的显示了串部件细节的示例能量收集和转换系统；

图6示出了根据一个实施例的如图5描绘的串部件的详细功率电路图；

图7示出了根据一个实施例的用于收集和转换能量的示例方法；

图8示出了在一个或多个实施例中可包括在能量收集和转换系统中的同步电网跟踪器的示例；

图9A至图9B示出了根据一个实施例的能量收集和转换系统的功率流（power flow）表示；

图10示出了根据一个实施例的功率控制器；

图11示出了根据一个实施例的能量收集和转换系统的简化示例；

图12示出了根据一个实施例的表明了组串电压与电网电压关系的相量图；

图13示出了根据一个实施例的用在能量收集和转换系统中的多频能量耦合器电路的示例；

图14示出了根据一个实施例的平衡的DC和AC功率操作；以及

图15示出了根据一个实施例的功率平衡配置。

具体实施方式

本文描述的实施例针对高效地转换能量和最大化功率输出的能量收集和转换系统而提供。如本文所述，所述能量收集和转换系统可通过减少发生在该系统内的转换次数而高效地将直流电（DC）能量转换为交流电（AC）能量。此外，尽管本文描述的实施例将PV电池板称作能源输入端，但是该概念可以被本领域的普通技术人员扩展至其它类型的能量收集/产生或能量储存系统。