用于來自可再生能源的功率的轉(zhuǎn)換和優(yōu)化消耗管理的裝置的制造方法
【專利說明】用于來自可再生能源的功率的轉(zhuǎn)換和優(yōu)化消耗管理的裝置發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及用于功率轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，特別是但不排他地，本發(fā)明涉及用于轉(zhuǎn)換由光伏電池板系統(tǒng)產(chǎn)生的功率并適合于直接連接到電網(wǎng)的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在功率轉(zhuǎn)換的技術(shù)領(lǐng)域中且特別是在適合于直接連接電網(wǎng)的用于轉(zhuǎn)換由光伏電池板和風(fēng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的功率的系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域中，不僅在家庭環(huán)境中且在有來自可再生能源的發(fā)電的情況下管理功率消耗越來越重要。
[0003]這種類型的系統(tǒng)包括與逆變器裝置相關(guān)的、來自替代能源(例如光伏電池板)的功率的發(fā)電機(jī)，逆變器裝置又連接到交流電壓電網(wǎng)和可能連接到適合于也在有所述電網(wǎng)AC電壓的情況下操作的一組蓄電池以優(yōu)化來往電網(wǎng)的功率的傳輸。
[0004]例如包括由第一DC-DC轉(zhuǎn)換器和第二 DC-AC轉(zhuǎn)換器組成的雙轉(zhuǎn)換級(jí)的所述逆變器裝置適合于將來自替代能源(光伏電池板、風(fēng)力渦輪機(jī)等)的功率轉(zhuǎn)換成交流功率用于供應(yīng)到主電網(wǎng)(例如eNEL電網(wǎng))。
[0005]在特別是包括光伏發(fā)電機(jī)的可再生能源的情況下，所述類型的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必須管理光伏發(fā)電機(jī)的功率產(chǎn)生和所述功率到主電網(wǎng)的供應(yīng)。
[0006]除此以外，這種類型的系統(tǒng)還必須管理配電供應(yīng)商通常強(qiáng)加于在電網(wǎng)中本地產(chǎn)生的功率的供應(yīng)上的規(guī)則一一變得對(duì)用戶越來越嚴(yán)格和難以負(fù)擔(dān)的規(guī)則。這些規(guī)則確保家庭安裝的理想情況是所述家庭安裝在以下兩方面都盡可能獨(dú)立于電網(wǎng):能量的使用方面一一自產(chǎn)能量比從電網(wǎng)得到能量明顯更方便，和自產(chǎn)功率到電網(wǎng)的供應(yīng)方面，其受到越來越嚴(yán)格的約束且當(dāng)不是已經(jīng)難以負(fù)擔(dān)時(shí)對(duì)個(gè)人用戶越來越不方便。
[0007]因此，本發(fā)明的目的是提供不僅用于轉(zhuǎn)換和優(yōu)化管理從可再生能源且特別是從太陽能源產(chǎn)生的功率用于家庭使用并適合于控制功率的使用以便最大化管理成本效益同時(shí)確保MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤)、即最大化通過光伏發(fā)電機(jī)的能量功率收集的裝置。
[0008]本發(fā)明的另一目的是提供用于產(chǎn)生功率的光伏系統(tǒng)，其包括不僅用于在家庭環(huán)境中的功率的轉(zhuǎn)換和使用的優(yōu)化管理并適合于控制所產(chǎn)生的功率的使用以便最大化管理成本效益的裝置。
[0009]從作為非限制性例子給出并在附圖中示出的下面的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的另外的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更明顯，其中:
[0010]圖1根據(jù)本發(fā)明示出用于轉(zhuǎn)換并管理從可再生能源產(chǎn)生的功率并適合于直接連接到電網(wǎng)的裝置的優(yōu)選實(shí)施方式的示意性方框圖；
[0011]圖2不出在一天期間光伏發(fā)電機(jī)的典型功率產(chǎn)量的圖；
[0012]圖3示出與一些電網(wǎng)供應(yīng)商強(qiáng)加于可被供應(yīng)到電網(wǎng)的自產(chǎn)功率的數(shù)量上的限制有關(guān)的、在一天期間光伏發(fā)電機(jī)的典型功率產(chǎn)量的圖；
[0013]圖4根據(jù)本發(fā)明示出功率轉(zhuǎn)換和管理裝置的優(yōu)選操作模式之一。
[0014]本發(fā)明的詳細(xì)描述
[0015]參考附圖1，根據(jù)本發(fā)明的裝置包括:
[0016]輸入端子20，其耦合到優(yōu)選地來自例如基于光伏或風(fēng)能源的可再生能源的發(fā)電機(jī)的DC電壓；
[0017]逆變器模塊10，其又包括:
[0018]第一DC-DC轉(zhuǎn)換級(jí)11，其在輸入端連接到所述輸入端子20，
[0019]第二DC-AC轉(zhuǎn)換級(jí)12，其具有耦合到所述第一 DC-DC轉(zhuǎn)換級(jí)11的輸出端的輸入端和連接到電網(wǎng)21的輸出端，
[0020]電池充電器模塊19，其在輸入端關(guān)聯(lián)到所述第一DC-DC轉(zhuǎn)換級(jí)11的輸出端和所述第二 DC-AC轉(zhuǎn)換級(jí)12的輸入端，
[0021 ]控制模塊17，其適合于調(diào)節(jié)所述逆變器模塊10的操作；
[0022]電池模塊13，其根據(jù)通常被稱為“DC鏈路系統(tǒng)”的配置通過所述電池充電器模塊19關(guān)聯(lián)到所述第一DC-DC轉(zhuǎn)換級(jí)11的輸出端和所述第二DC-AC轉(zhuǎn)換級(jí)12的輸入端，所述電池模塊13適合于在再充電期間存儲(chǔ)來自所述第一級(jí)11的功率并在放電期間將能量供應(yīng)到所述第二級(jí)12;
[0023]至少一個(gè)房屋負(fù)載14，其關(guān)聯(lián)到所述第二級(jí)12的輸出端和電網(wǎng)21;
[0024]功率計(jì)量設(shè)備，其適合于測(cè)量輸入到所述逆變器模塊10/從所述逆變器模塊10輸出的功率和由電網(wǎng)21吸收或供應(yīng)到電網(wǎng)21的功率；
[0025]切換模塊16，其適合于控制所述至少一個(gè)房屋負(fù)載14的接通或斷開。
[0026]所述控制模塊17還關(guān)聯(lián)到所述功率計(jì)量設(shè)備和所述切換模塊16并關(guān)聯(lián)到優(yōu)選地包括至少顯示器和鍵盤的用戶接口。
[0027]所述功率計(jì)量設(shè)備優(yōu)選地包括在所述至少一個(gè)房屋負(fù)載14的下游連接在所述第二級(jí)12的輸出端和電網(wǎng)21之間的A C功率消耗的雙向計(jì)量設(shè)備15。
[0028]更詳細(xì)地，所述第一DC-DC轉(zhuǎn)換級(jí)11適合于轉(zhuǎn)換來自可再生能源例如光伏發(fā)電機(jī)的在不同電平的直流電壓的輸入直流電壓并調(diào)節(jié)光伏發(fā)電機(jī)的負(fù)載以便例如在光伏能源的情況下通過應(yīng)用已知的MPPT (最大功率點(diǎn)跟蹤)技術(shù)來優(yōu)化其操作。
[0029]所述第二DC-AC轉(zhuǎn)換級(jí)12適合于將來自所述第一級(jí)11的輸出中的直流電壓轉(zhuǎn)換成適合于供應(yīng)到電網(wǎng)21并給電氣負(fù)載例如家用電器等供電的交流電壓。
[0030]所述控制模塊17特別是通過適當(dāng)?shù)嘏c所述功率計(jì)量設(shè)備和與所述切換模塊16交互而適合于管理從所述可再生能源產(chǎn)生的功率的使用，以便特別是通過最大化所謂的自消耗和最大化自足性來最大化管理成本效益，自消耗被定義為由用戶在他家里消耗的自產(chǎn)功率或電能的量與自產(chǎn)功率或電能的總量之比，自足性即在本地產(chǎn)生和使用的功率或電能的部分與由用戶在他家里消耗的功率或電能的總量之比。
[0031]更一般地，根據(jù)本發(fā)明的裝置的控制模塊17允許調(diào)節(jié)所述逆變器模塊10和所述切換模塊16的操作，使得到所述逆變器模塊1的輸入功率/來自所述逆變器模塊1的輸出功率的值與由電網(wǎng)21吸收或供應(yīng)到電網(wǎng)21的功率的值的組合大約等于所需的值。
[0032]以這種方式，通過作用于所涉及的各種功率一一每一個(gè)可選地由例如具有在O和I之間的值的適當(dāng)和預(yù)先定義的乘法系數(shù)加權(quán)一一的適當(dāng)組合，可能使根據(jù)本發(fā)明的裝置的操作適應(yīng)于所有各種條件，根據(jù)待實(shí)現(xiàn)的結(jié)果例如成本效益、自己的消耗、能量自足性等優(yōu)化其行為。
[0033]考慮例如包括光伏發(fā)電機(jī)的可再生能源，在附圖2中示出的曲線圖代表在典型的一天中所述光伏發(fā)電機(jī)的產(chǎn)量。垂直線大致指示能量產(chǎn)量峰值時(shí)間。
[0034]參考所描述的逆變器模塊10，在可選擇的操作模式之一中，我們認(rèn)為在有最大功率產(chǎn)量時(shí)的時(shí)間之前，完全利用包含在所述電池組13中的功率以滿足所述至少一個(gè)房屋負(fù)載14的需求是優(yōu)選的。事實(shí)上，在接下來的時(shí)間中，由所述光伏發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的相當(dāng)大數(shù)量的功率仍然可用于對(duì)電池完全充電，以便滿足所述至少一個(gè)房屋負(fù)載14的夜晚消耗峰值。
[0035]在附圖3中所示的曲線圖仍然代表在典型的一天中所述光伏發(fā)電機(jī)的產(chǎn)量，其與常常由電網(wǎng)21供應(yīng)商強(qiáng)加于可被自由供應(yīng)到電網(wǎng)或至少不引起獎(jiǎng)勵(lì)比率的減少或甚至處罰的自產(chǎn)功率的量的限制有關(guān)，該限制由水平線表示。
[0036]最左邊的垂直線指示上述限制被超過時(shí)的時(shí)間。
[0037]因此在達(dá)到上述限制的時(shí)間之前，完全使用包含在所述電池組13中的能量以滿足所述至少一個(gè)房屋負(fù)載14的需求是優(yōu)選的。因此目的是達(dá)到當(dāng)產(chǎn)量限制被超過時(shí)，該電池組13包含最小可能數(shù)量的功率，以便能夠通過給所述電池組13再充電來吸收過量的自產(chǎn)功率。
[0038]在后一情況下，所述電池組13因此用作功率緩沖器，該功率緩沖器能夠針對(duì)待供應(yīng)到的負(fù)載和針對(duì)控制并限制自產(chǎn)功率到電網(wǎng)的供應(yīng)的供應(yīng)商的要求來優(yōu)化自產(chǎn)功率管理。
[0039]為了進(jìn)一步優(yōu)化自產(chǎn)功率的管理，所述切換模塊16連接或斷開所述第二級(jí)12的輸出端與所述至少一個(gè)房屋負(fù)載14，以便特別是通過最大化所謂的自消耗和最大化自足性來最大化管理成本效益，自消耗被定義為由用戶在他家里消耗的自產(chǎn)功率的量與自產(chǎn)功率的總量之比，自足性即在本地產(chǎn)生和使用的功率的部分與由用戶在他家里消耗的功率的總量之比。
[0040]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述切換模塊16包括適合于停止或啟動(dòng)向所述至少一個(gè)房屋負(fù)載14供應(yīng)功率的至少一個(gè)受控開關(guān)18。
[0041]在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方式中，可通過能夠驅(qū)動(dòng)對(duì)設(shè)置有適當(dāng)?shù)耐ㄐ沤涌诘姆课葚?fù)載(所謂的智能家電)的接通或斷開的任何通信線一一有線或無線一一來實(shí)現(xiàn)所述切換模塊16。
[0042]參考附圖1，我們可看到由光伏發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的功率P1、來自所述第二級(jí)12的輸出中的功率P2、給所述至少一個(gè)房屋負(fù)載14供電的功率P3、從所述雙向計(jì)量設(shè)備15流出(在這種情況下被指示為P4-)和流到所述雙向計(jì)量設(shè)備15(在這種情況下被指示為P4+)的雙向功率P4以及分別在放電期間從所述電池組13流出(在這種情況下被指示為P5+)和在再充電步驟期間流到所述電池組13(在這種情況下被指示為P5-)的同樣雙向的功率P5。
[0043]由逆變器模塊10產(chǎn)生的功率P2是可用可再生功率Pl(例如通過由所述控制模塊17實(shí)現(xiàn)的MPPT算法被最大化)和可由電池供應(yīng)或吸收的功率P5的函數(shù)。
[0044]事實(shí)上，所述控制模塊17讀取雙向計(jì)量設(shè)備15并接收關(guān)于與電網(wǎng)交換的功率P4的量的信息。此時(shí)，所述控制模塊17調(diào)節(jié)所述逆變器模塊10的操作以便通過改變與所述電池組13交換的功率P5的份額而將與電網(wǎng)交換的功率P4保持在由用戶設(shè)置的閾值處。
[0045]此外，所述控制模塊17控制所述切換模塊16以便接通或斷開房屋負(fù)載(鍋爐、加熱器等)?？刂颇K17因此起作用以便也根據(jù)需要基于用戶的設(shè)置并基于所測(cè)量的瞬時(shí)功率Pl、P2、P5和P4的值來改變家庭消耗P3。
[0046]例如，所述控制模塊17可操作以便例如通過使用適當(dāng)?shù)腗PPT算法來最大化如上面定義的自消耗以及可用可再生功率P1。由用戶在他家里消耗的自產(chǎn)電力的量因此等于自產(chǎn)