多相位電力系統中的功率因子調整的制作方法
【專利說明】多相位電力系統中的功率因子調整
[0001]在先申請的權益要求
[0002]本申請要求于2013年4月16日遞交的US臨時申請61/812，694的權益，通過參考將其引入本文。
【背景技術】
[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功率指的是電力產生系統所供應的總功率的虛分量，由于驅動無功負載使得電流和電壓彼此異相而導致的。驅動感性負載導致電流滯后于電壓，針對容性負載則導致電流超前于電壓。
[0004]因此可以根據需要通過添加電容/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。傳統意義上認為電容器產生無功功率，并且電感器消耗無功功率。如果并行設置電容器和電感器，則趨向于消除而不是添加流經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]在電網要求必需對任意電網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)的電力產生正成為總電力產生的較大部分的情況下，帶來新的電網要求。具體的，這些對于無功功率校正的VAR控制具有要求，否則向電網供應電力的不同源的會迫使電網在整個系統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月開始新產品將強制使用的VDE4105。因此非常需要對VAR做出反應和校正和/或主動抑制VAR的能力。
【發明內容】
[0006]前述權利要求旨在充當對本發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明性主題內容的介紹或綜述。以下詳細說明中所參照的附圖將對
【發明內容】
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
【發明內容】
、詳細說明和附圖的全面評述。
[0007]本發明的一些實施例提供了用于可再生能源的多相位電力產生系統，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，多相位電力系統的每個相位接收來自一組逆變器所產生的功率，并且每個相位具有一組開關無功元件，用于對屬于多相系統的所述特定相位的一組逆變器所產生的功率做出功率因子調整。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無功元件對組合功率輸出執行針對該特定相位的功率因子調整。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功率轉換為AC功率的微逆變器。
[0008]在一些實施例中，將該組開關電感器中的電感器的大小規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，一組開關電容器中的總電容足以提供系統的最大額定功率(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電容器和/或一組開關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，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，以確定哪個組合產生具有最小誤差的電容目標值。
[0011]在一些實施例中，系統控制器控制多相位電力供應系統。在一些實施例中，系統控制器是對于多相位電力產生系統的網關控制器，用戶可以通過系統控制器來監視并控制系統的操作。在一些實施例中，系統控制器還對多相位系統的不同相位之間的功率產生操作進行協調。在一些實施例中，系統控制器收集來自系統中的每個微逆變器的功率輸出讀數并執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]在所附權利要求中闡述了本發明的新穎特征。然而，為了解釋，在以下附圖中闡述本發明的若干實施例。
[0013]圖1示出了包括用于執行功率因子補償的電網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生系統。
[0015]圖3示出了通過三相電力產生系統的示例功率因子調整/VAR控制操作。
[0016]圖4a_b示出了不包括用于執行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行VAR操作的開關電容器的集合的微逆變器。
[0018]圖6示出了三相電力系統的組合器。
[0019]圖7示出了三相電力系統的VAR控制器。
[0020]圖8概念性地示出了執行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示出了示例開關電容器。
[0023]圖11示出了電感器組件。
[0024]圖12a_b示出了開關電感器。
[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整需要負電容值時的功率因子調整。
[0029]圖16示出了當所需功率因子調整需要正電容值時的功率因子調整。
[0030]圖17示出了其中系統控制器產生直接針對開關電容器和電感器的每一個的開關驅動的三相電力產生系統。
[0031]圖18示出了其中系統控制器向VAR控制模塊提供不同相位的電網電流和電壓測量的三相電力產生系統。
[0032]圖19示出了其中VAR控制模塊直接從電網傳感器獲得電流和電壓的電網測量的三相電力產生系統。
[0033]圖20概念性地示出了執行相位平衡和VAR控制二者的多相系統的過程。
[0034]圖21概念性地示出了用于實現本發明的一些實施例的計算系統的一個示例。
【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。然而本領域技術人員將認識到可以不用這些具體細節來實現本發明。在其他實例中，用框圖的形式示出了熟知的結構和設備，以免不必要的細節模糊本發明的描述。
[0036]本發明的一些實施例提供了用于可再生能源的多相位電力產生系統，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，多相位電力系統的每個相位接收來自一組逆變器所產生的功率，并且每個相位具有一組開關無功元件，用于對屬于多相系統的所述特定相位的一組逆變器所產生的功率做出功率因子調整。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無功元件對組合功率輸出執行針對該特定相位的功率因子調整。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功率轉換為AC功率的微逆變器。
[0037]在電力產生系統的一些實施例中，系統確定在任意一個時刻由屬于多相位系統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。系統中的控制器在向一組無功元件發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整或補償。
[0038]1.具有VAR控制的多相位電力系統
[0039]AC電力系統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。實際功率是在特定時間執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。在電網要求必需對任意電網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生系統，所述功率產生系統根據電網要求來執行用可切換無功元件的VAR控制，其中所述電網要求需要在功率產生系統的ac功率輸出的不同電平處的特定功率因子。
[0041]圖1示出了包括電網要求曲線100的示例功率因子圖，一些實施例基于其來執行VAR控制或功率因子補償。在豎直軸和水平軸上繪制電網要求曲線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。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。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(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，在VDE4105要求中必須基于全部負載系統功率的百分比來連續控制功率產生系統輸出高于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”電網要求曲線100并在較高功率電平處“高于”電網要求曲線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的要求，一些實施例將通過執行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，按照多相位電力產生系統的每個相位來執行參照圖1所描述的VAR控制。圖2示出了多相位電力產生系統200，其中電力產生系統的每個相位具有它自身的VAR控制電路，該VAR控制電路執行如針對該相位產生的功率的VAR控制。具體地，多相位電力產生系統200是產生來自三組逆變器的三相(相位A、B和C)AC功率的三相產生系統。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生的功率或電流組合在一起，