Система преобразования энергии
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для производства энергии с помощью солнечных панелей. Техническим результатом является повышение эффективности преобразования и обеспечение большей гибкости. Система (10) преобразования энергии содержит множество модулей (14), каждый из которых содержит вход (16) и выход (17) и включен последовательно. Каждый модуль (14) соединен с по меньшей мере одним источником (12) постоянного тока, который подает энергию к модулю (14). В каждом из модулей (14) предусмотрена цепь регулирования напряжения для изменения напряжения между входом (16) и выходом (17) от максимального напряжения модуля до минимального напряжения модуля. Блок (29) управления, соединенный с цепью регулирования напряжения каждого из модулей (14), изменяет напряжение между входом (16) и выходом (17) каждого из модулей (14) таким образом, что полное напряжение на последовательно соединенных модулях (14) представляет собой сигнал переменного тока или сигнал выпрямленного переменного тока. 2 н. и 38 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе и способу преобразования энергии источников постоянного тока в энергию переменного тока.
Уровень техники
Существует множество областей, в которых требуется преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока.
Одним из примеров является солнечная энергетика. Производство энергии с помощью солнечных панелей в настоящее время включает в себя соединение проводниками нескольких солнечных панелей для подачи энергии постоянного тока к преобразователю. Солнечные панели, как правило, соединены последовательно таким образом, что генерируемое напряжение постоянного тока выше, чем требуемое напряжение переменного тока, и преобразователь преобразует напряжение постоянного тока в энергию переменного тока с требуемым сетевым напряжением. Подобные устройства могут использоваться для преобразования энергии батарей в энергию переменного тока.
Настоящее изобретение относится к системе преобразования энергии, получаемой от множества источников энергии постоянного тока, в энергию переменного тока. Система направлена на получение ряда преимуществ, включая обеспечение большей эффективности и гибкости.
Раскрытие изобретения
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предлагается система преобразования энергии, содержащая:
множество модулей, каждый из которых имеет вход и выход, соединенных последовательно таким образом, что выход любого модуля соединен с входом последующего модуля, причем каждый модуль соединен с, по меньшей мере, одним источником энергии постоянного тока, который снабжает модуль энергией;
цепь регулирования напряжения, предусмотренную в каждом из модулей для изменения напряжения между входом и выходом от максимального напряжения модуля до минимального напряжения модуля;
блок управления, соединенный с цепью регулирования напряжения каждого из модулей;
при этом блок управления изменяет напряжение между входом и выходом каждого из модулей таким образом, что полное напряжение на последовательно соединенных модулях представляет собой сигнал переменного тока или сигнал выпрямленного переменного тока.
Предпочтительно блок управления связан с сетью электропитания для получения информации о фазе сетевого сигнала и управляет модулями таким образом, что сигнал переменного тока или сигнал выпрямленного переменного тока совпадает по фазе с сетевым сигналом.
Предпочтительно каждый из модулей содержит одно или несколько накопительных устройств, соединенных с источником энергии таким образом, что этот источник энергии заряжает накопительное устройство, когда модуль не подает энергию в систему.
В одном варианте осуществления минимальное напряжение модуля равно максимальному напряжению модуля обратной полярности и блок управления изменяет напряжение, обеспечиваемое модулями, для формирования сигнала переменного тока. Предпочтительно цепь регулирования напряжения содержит коммутационные устройства, соединенные таким образом, что они обеспечивают включение накопительных устройств между входом и выходом в первом направлении, чтобы обеспечить максимальное напряжение модуля, и во втором, противоположном, направлении, чтобы обеспечить минимальное напряжение модуля, и выполнены с возможностью обхода накопительных устройств.
В другом варианте осуществления минимальное напряжение модуля является напряжением модуля, когда накопительные устройства обходятся (отключены), и блок управления изменяет напряжения, выдаваемые модулями, для формирования сигнала выпрямленного переменного тока. Предпочтительно цепь регулирования напряжения содержит коммутационные устройства, соединенные таким образом, что они обеспечивают включение накопительных устройств между входом и выходом в первом направлении, чтобы обеспечить максимальное напряжение модуля, и обеспечивают обход накопительных устройств, чтобы обеспечить нулевое напряжение между входом и выходом. Блок управления предпочтительно содержит цепь для изменения полярности напряжения последовательно соединенных модулей в каждом полупериоде таким образом, что результирующее напряжение представляет собой сигнал переменного тока.
В предпочтительном варианте осуществления в одном или нескольких модулях, соединенных с накопительным устройством, предусмотрен импульсный регулятор для регулирования напряжения, создаваемого накопительным устройством между входом и выходом таким образом, что напряжение плавно растет или снижается для более точной аппроксимации сетевого сигнала.
Импульсный регулятор предпочтительно содержит коммутационные устройства, предусмотренные для создания сигнала с широтно-импульсной модуляцией, подаваемого на фильтр, из напряжения накопительного устройства, при этом коэффициент заполнения увеличивается для плавного роста выходного сигнала или уменьшается для плавного снижения выходного сигнала.
Предпочтительно импульсный регулятор шунтируется, когда напряжение между входом и выходом близко к максимальному напряжению модуля.
Предпочтительно, импульсный регулятор шунтируется, когда напряжение между входом и выходом близко к нулю.
Один или несколько модулей могут содержать первое и второе накопительные устройства, соединенные последовательно, при этом источник энергии включается поочередно между первым и вторым накопительными устройствами таким образом, что модуль обеспечивает функцию удвоения напряжения.
Для обеспечения функции сглаживания напряжения может быть предусмотрен один или несколько дополнительных модулей, имеющих накопительные устройства, заряжаемые до напряжений ниже напряжения источника энергии. Предпочтительно накопительное устройство каждого дополнительного модуля заряжается до меньшего уровня, чем накопительное устройство предыдущего модуля.
В одном варианте осуществления один из модулей содержит:
первую линию и вторую линию, подключенные параллельно между входом и выходом; первое и второе коммутационные устройства в первой линии, третье и четвертое коммутационные устройства во второй линии; источник энергии и накопительное устройство, подключенные к первой и второй линиям между первым и вторым коммутационными устройствами и третьим и четвертым коммутационными устройствами;
причем включение первого и четвертого коммутационных устройств и выключение второго и третьего коммутационных устройств приводит к включению накопительного устройства между входом и выходом в первой полярности, выключение первого и четвертого коммутационных устройств и включение второго и третьего коммутационных устройств приводит к включению накопительного устройства между входом и выходом во второй, противоположной, полярности, а включение первого и второго коммутационных устройств и выключение третьего и четвертого коммутационных устройств приводит к прямому соединению входа с выходом.
Каждое из коммутационных устройств может содержать полевые МОП-транзисторы.
В одном варианте осуществления предусмотрено регулирующее устройство между одним или несколькими источниками энергии и связанными с ними накопительными устройствами таким образом, что каждое регулирующее устройство обеспечивает соответствие напряжения источника энергии напряжению накопительных устройств.
В одном варианте осуществления источники энергии содержат устройства, в которых может запасаться энергия, и система сконфигурирована так, чтобы определять уровень заряда в источниках энергии и перераспределять заряд для выравнивания уровня заряда источников энергии. Предпочтительно уровень заряда выравнивается путем включения модулей с избыточным зарядом в прямом направлении и включения модулей с недостаточным уровнем заряда в противоположном направлении.
В одном варианте осуществления система снабжена экранирующей оболочкой для уменьшения электромагнитных помех, а на выходных клеммах оболочки предусмотрена обычная фильтрация.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предусмотрен способ преобразования энергии, включающий в себя:
обеспечение множества модулей, каждый из которых имеет вход и выход, последовательно соединенных таким образом, что выход любого модуля соединен с входом последующего модуля, при этом каждый модуль соединен с, по меньшей мере, одним источником энергии, обеспечивающим модуль энергией; и
регулирование напряжения между входом и выходом каждого из модулей посредством центрального блока управления таким образом, что указанное напряжение изменяется от максимального напряжения модуля до минимального напряжения модуля;
при этом напряжение между входом и выходом каждого из модулей регулируется таким образом, что полное напряжение на последовательно соединенных модулях представляет собой сигнал переменного тока или сигнал выпрямленного переменного тока.
Предпочтительно блок управления связан с сетью электропитания для получения информации о фазе сетевого сигнала и управляет модулями таким образом, что сигнал переменного тока или сигнал выпрямленного переменного тока совпадает по фазе с сетевым сигналом.
Предпочтительно каждый источник энергии соединен с, по меньшей мере, одним накопительным устройством в модуле и источник энергии заряжает накопительные устройства, когда модуль не подает энергию в систему.
В одном варианте осуществления минимальное напряжение модуля равно максимальному напряжению модуля обратной полярности и блок управления изменяет напряжение, обеспечиваемое модулями, для формирования сигнала переменного тока. Предпочтительно цепь регулирования напряжения содержит коммутационные устройства, а блок управления приводит в действие коммутационные устройства для включения накопительных устройств между входом и выходом в первом направлении, чтобы обеспечить максимальное напряжение модуля, во втором, противоположном, направлении, чтобы обеспечить минимальное напряжение модуля, и для обхода накопительных устройств, чтобы обеспечить нулевое напряжение между входом и выходом.
В другом варианте осуществления минимальное напряжение модуля является напряжением на модуле, когда накопительные устройства обходятся (отключены), и блок управления изменяет напряжение, обеспечиваемое модулями, для формирования сигнала выпрямленного переменного тока. Предпочтительно цепь регулирования напряжения содержит коммутационные устройства, а блок управления приводит в действие коммутационные устройства для подключения накопительных устройств между входом и выходом в первом направлении, чтобы обеспечить максимальное напряжение модуля, и для обхода накопительных устройств, чтобы обеспечить нулевое напряжение между входом и выходом. Предпочтительно блок управления изменяет полярность напряжения последовательно соединенных модулей в каждом полупериоде таким образом, что результирующее напряжение представляет собой сигнал переменного тока.
В предпочтительном варианте осуществления в каждом модуле, соединенном с накопительным устройством, предусмотрен импульсный регулятор, регулирующий напряжение, обеспечиваемое накопительным устройством между входом и выходом модуля, таким образом, что прилагаемое напряжение плавно растет или снижается для более точной аппроксимации сетевого сигнала.
Импульсный регулятор предпочтительно формирует сигнал с широтно-импульсной модуляцией, подаваемый на фильтр, из напряжения накопительного устройства и увеличивает коэффициент заполнения для плавного роста выходного сигнала или уменьшает коэффициент заполнения для плавного снижения выходного сигнала.
Предпочтительно импульсный регулятор шунтируется, когда напряжение между входом и выходом близко к максимальному напряжению модуля. Предпочтительно импульсный регулятор шунтируется, когда напряжение между входом и выходом близко к нулю.
В одном варианте осуществления один или несколько модулей могут содержать первое и второе накопительные устройства, соединенные последовательно, а источник энергии подключается поочередно к первому и второму накопительным устройствам таким образом, что модуль обеспечивает функцию удвоения напряжения.
Может быть предусмотрен один или несколько дополнительных модулей, имеющих накопительные устройства, и блок управления приводит в действие дополнительные модули, чтобы заряжать накопительные устройства до напряжения, которое ниже напряжения источника энергии для обеспечения функции сглаживания напряжения. Предпочтительно блок управления заряжает накопительное устройство каждого дополнительного модуля до меньшего уровня, чем накопительное устройство предшествующего дополнительного модуля.
В одном варианте осуществления регулирующее устройство, предусмотренное между одним или несколькими источниками энергии и соответствующими накопительными устройствами, обеспечивает соответствие напряжения источника энергии напряжению накопительных устройств.
В одном варианте осуществления источники энергии содержат устройства, в которых может запасаться энергия, и система определяет уровень заряда в источниках энергии и перераспределяет заряд для выравнивания уровня заряда источников энергии. Предпочтительно уровни заряда выравниваются путем включения модулей с избыточным зарядом в прямом направлении и включения модулей с недостаточным уровнем заряда в противоположном направлении.
В одном варианте осуществления способ включает в себя этапы экранирования системы оболочкой для уменьшения электромагнитных помех и обеспечения обычной фильтрации на выходных клеммах оболочки.
Краткое описание чертежей
Изобретение проиллюстрировано примером со ссылкой на следующие чертежи.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема системы преобразования энергии в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 2 представлен график, изображающий ступенчатый выходной сигнал системы по фиг. 1.
На фиг. 3 представлена принципиальная схема альтернативного варианта схемотехнической реализации модуля.
На фиг. 4 представлена принципиальная схема другого альтернативного варианта осуществления модуля.
Осуществление изобретения
На фиг. 1-2 изображен первый вариант осуществления системы 10 преобразования энергии в соответствии с настоящим изобретением. Система 10 преобразования энергии предназначена для преобразования энергии постоянного тока от множества источников 12 энергии в энергию переменного тока такого вида, который подходит для подачи в сеть электропитания.
Система 10 преобразования энергии содержит множество модулей 14, каждый из которых связан с, по меньшей мере, одним из источников энергии. Источники 12 энергии могут быть, например, солнечными панелями или батареями. Каждый из модулей 14 имеет вход 16 и выход 17. Напряжение постоянного тока, генерируемое источниками 12 энергии, должно обеспечиваться между входом 16 и выходом 17, и модули 14 должны быть соединены последовательно таким образом, что выход 17 каждого модуля 14 соединен с входом 16 последующего модуля 14. Таким образом, система 10 преобразования энергии содержит вход системы и выход системы, обеспечивающие суммарное напряжение от каждого из модулей 14, то есть сумму напряжений между входами 16 и выходами 17 всех модулей 14.
Каждый из модулей 14 снабжен цепью регулирования напряжения для изменения напряжения между входом 16 и выходом 17 модуля 14. Напряжение модуля между входом и выходом может изменяться от максимального напряжения модуля до минимального напряжения модуля с помощью цепи регулирования напряжения. В представленном варианте осуществления цепь регулирования напряжения содержит множество коммутационных устройств. В представленном варианте осуществления каждое из коммутационных устройств содержит полевой МОП-транзистор. Коммутационные устройства, соединенные таким образом с источником 12 энергии, могут переключаться, чтобы создавать напряжение с первой полярностью между входом и выходом, создавать напряжение со второй полярностью между входом и выходом, либо обеспечивать обход. Поэтому в данном варианте осуществления максимальным напряжением модуля является напряжение источника энергии, а минимальным напряжением модуля является напряжение источника энергии обратной полярности.
Каждый из модулей 14 также снабжен накопительным устройством 18, соединенным с клеммами источника 12 энергии. Накопительные устройства 18, представленные в данном варианте осуществления, содержат электролитические конденсаторы, однако могут использоваться и другие устройства, например, полимерные конденсаторы или аккумуляторные батареи. Накопительные устройства 18 запасают заряд от источника 12 энергии таким образом, что когда модуль 14 зашунтирован, энергия, генерируемая источником 12 энергии, продолжает запасаться в накопительном устройстве 18 для использования. Накопительные устройства 18 могут располагаться удаленно от источника 12 энергии или быть его частью.
Модули 14 могут иметь различную конфигурацию. Первый модуль 20 выполнен так, что первый модуль 20 подает питание от подключенного источника 12 энергии и накопительного устройства 18 с первой или второй полярностью между входом 16 и выходом и 17 или обходит источник 12 энергии и накопительное устройство 18 таким образом, что вход 16 подключается непосредственно к выходу 17. Максимальное напряжение модуля в данном случае близко к напряжению источника энергии, а минимальное напряжение модуля близко к напряжению источника энергии обратной полярности.
Первый модуль 20 содержит первую линию 22 и вторую линию 26, подключенные параллельно, между входом 16 и выходом 17. Первая линия 22 снабжена первым и вторым коммутационными устройствами 24 и 25, а вторая линия 26 снабжена третьим и четвертым коммутационными устройствами 27 и 28. Источник 12 энергии и накопительное устройство 18 подключены к первой и второй линиям 22 и 26 между первым и вторым коммутационными устройствами 24 и 25 и третьим и четвертым коммутационными устройствами 27 и 28.
Система 10 преобразования энергии снабжена блоком управления (не показан на фиг. 1) для управления работой коммутационных устройств. Блок управления соединен с линией 30 управления, которая передает информацию каждому из модулей 14, соединенных последовательно, и вызывает индивидуальное включение или выключение коммутационных устройств. Каждый из модулей снабжен локальным контроллером 31, который принимает данные от блока управления. Локальные контроллеры по настоящему варианту осуществления обеспечивают функции мониторинга, локальное управление коммутационными устройствами и передачу информации о состоянии модуля 14 центральному блоку управления. Хотя в представленном варианте осуществления для передачи управляющей информации между блоком управления и каждым из модулей 14 используется кабельное соединение, могут использоваться и другие способы. Например, для передачи информации к блоку управления и/или от него могут использоваться способы беспроводной связи.
В первом модуле 20 показано, что путем включения первого и четвертого коммутационных устройств 24 и 28 и выключения второго и третьего коммутационных устройств 25 и 27 накопительное устройство 18 включается между входом 16 и выходом 17 в первой полярности. Путем выключения первого и четвертого коммутационных устройств 24 и 28 и включения второго и третьего коммутационных устройств 25 и 27 накопительное устройство 18 включается между входом 16 и выходом 17 во второй, противоположной, полярности. Путем выключения первого и второго коммутационных устройств 24 и 25 и включения третьего и четвертого коммутационных устройств 27 и 28 выполняется прямое соединение между входом 16 и выходом 17, а накопительное устройство 18 и источник 12 энергии обходятся (отключены). В таком состоянии энергия, генерируемая источником 12 энергии, запасается в накопительном устройстве 18.
Центральный блок управления включает каждый из модулей 14 таким образом, что результирующее выходное напряжение системы 10, являющееся суммой напряжений на модулях 14, представляет собой сигнал переменного тока. Блок управления связан с сетью электропитания для получения информации о фазе, напряжении и токе сетевого сигнала и управляет модулями так, что сформированное напряжение сигнала переменного тока совпадает по фазе с сетевым сигналом, а ток контролируется, чтобы быть подходящим для подачи в сеть электропитания.
Иными словами, в целом, когда напряжение сетевого сигнала увеличивается в положительной части его периода, блок управления последовательно переключает модули 14 из состояния шунтирования в состояние, при котором накопительное устройство 18 подключено в первой (положительной) полярности, для увеличения выходного напряжения системы, чтобы соответствовать сетевому сигналу. Когда сетевое напряжение уменьшается в положительной части периода, блок управления начинает переключение модулей 14 в состояние шунтирования, чтобы снизить полное напряжение и соответствовать сетевому сигналу. То же происходит в течение отрицательной части периода сети, когда модули 14 переключаются таким образом, что напряжение подается во второй (отрицательной) полярности, чтобы соответствовать сетевому сигналу. Как представлено на фиг. 2, формируемый результирующий сигнал переменного тока представляет собой ступенчатую аппроксимацию синусоидального сигнала.
Модули 14 могут подключаться так, чтобы обеспечивать уровни напряжения, добавляемые к выходному сигналу системы 10, которая либо умножает, либо делит напряжение, формируемое источником 12 энергии, чтобы обеспечить лучшее приближение к сетевому сигналу. В представленном варианте осуществления предусмотрены второй и третий модули 32 и 33, которые реализуют функцию удвоения напряжения. Подключение коммутационных устройств во втором и третьем модулях 32 и 33 аналогично их подключению в первом модуле 20. При этом второй и третий модули 32 и 33 снабжены первым и вторым накопительными устройствами 18а и 18b, подключенными последовательно к первой и второй линиям 22 и 26. Кроме того, предусмотрены первое, второе, третье и четвертое вспомогательные коммутационные устройства 34, 35, 36 и 37.
Первое вспомогательное коммутационное устройство 34 включено между первой клеммой источника 12 энергии и первой стороной первого накопительного устройства 18а. Второе вспомогательное коммутационное устройство 35 включено между первой клеммой источника 12 энергии и второй стороной первого накопительного устройства 18а (являющейся первой стороной второго накопительного устройства 18b). Третье вспомогательное коммутационное устройство 36 включено между второй клеммой источника 12 энергии и второй стороной первого накопительного устройства 18а. Четвертое вспомогательное коммутационное устройство 37 включено между второй клеммой источника 12 энергии и второй стороной второго накопительного устройства 18b.
Путем включения первого и третьего вспомогательных коммутационных устройств 34 и 36 и выключения второго и четвертого вспомогательных коммутационных устройств 35 и 37 источник 12 энергии может подключаться к первому накопителю 18а. Путем выключения первого и третьего вспомогательных коммутационных устройств 34 и 36 и включения второго и четвертого вспомогательных коммутационных устройств 35 и 37 источник 12 энергии может подключаться ко второму накопителю 18b. Благодаря попеременной зарядке первого и второго накопительных устройств 18а и 18b, полное напряжение на накопительного устройствах 18а и 18b может быть увеличено приблизительно вдвое относительно напряжения источника 12 энергии. Таким образом, второй и третий модули 32 и 33 могут включаться, когда требуются более высокие «ступени» полного напряжения для приближения к синусоидальному сетевому напряжению. Как вариант, если требуется меньшая ступень, первый модуль 20 может быть включен в противоположенной полярности в то время, когда в цепь включен удваивающий напряжение модуль 32 или 33. Когда модули включены в противоположной полярности, накопительное устройство 18 модуля панели, включенного в обратной полярности, заряжается. Поэтому второй и третий модули 32 и 33 действуют как удвоители напряжения, обладающие дополнительным преимуществом уменьшения количества требуемых источников энергии.
Система 10 преобразования энергии, кроме того, снабжена дополнительными модулями для переключения напряжения, чтобы более точно аппроксимировать синусоидальный сигнал. Поскольку желательно уменьшать электромагнитные помехи, избегая слишком частого включения и выключения источников энергии, переключение с повышенной частотой выполняется этими дополнительными модулями изолированно от источников энергии. Желательно избегать проникновения высоких частот в сеть, и этот процесс гарантирует, что наличие емкости между источником энергии и заземленной металлической кровлей не приводит к проникновению этих нежелательных сигналов в линии электросети.
В представленном варианте осуществления имеется четыре таких дополнительных модуля 40. Каждый из дополнительных модулей 40 имеет конфигурацию, аналогичную первому модулю 20 в том, что он содержит первое, второе, третье и четвертое коммутационные устройства и накопительное устройство 19, подключенные таким же образом. Центральный блок управления регулирует состояние заряда и, следовательно, напряжение накопительных устройств 19 дополнительных модулей 40 путем выбора полярности, в которой они включаются в цепь. Они разряжаются при включении в цепь аналогично модулям и заряжаются при включении в обратной полярности. В каждом дополнительном модуле 40 они заряжаются до разного напряжения. В представленном варианте осуществления первый дополнительный модуль 42 сконфигурирован таким образом, что накопительное устройство 19 создает напряжение, приблизительно соответствующее напряжению источника 12 энергии. Таким образом, первый дополнительный модуль 42 может подключаться в противоположной полярности ко второму или третьему модулю 32 или 33, если необходим только один уровень увеличенного напряжения. Таким образом, первый дополнительный модуль 42 действует как корректирующее устройство для модулей 32 и 33 удвоения напряжения, и это приводит к зарядке накопительного устройства 19 первого дополнительного модуля 42. Если заряд в накопительном устройстве 19 первого дополнительного модуля 42 достаточно высок, первый дополнительный модуль 42 может просто включаться для обеспечения одного уровня увеличения напряжения.
Второй, третий и четвертый дополнительные модули 43, 44 и 45 имеют одинаковую конфигурацию, а накопительные устройства 19 заряжаются до меньшего уровня напряжения по описанному выше процессу. В представленном варианте осуществления накопительное устройство 19 второго дополнительного модуля 43 заряжается приблизительно до половины напряжения источника энергии. Накопительное устройство 19 третьего дополнительного модуля 44 заряжается до напряжения, равного приблизительно половине напряжения второго дополнительного модуля 43, а накопительное устройство 19 четвертого дополнительного модуля 45 заряжается до напряжения, равного приблизительно половине напряжения третьего дополнительного модуля 44. Поэтому второй, третий и четвертый дополнительные модули 43, 44 и 45 могут подключаться для обеспечения меньших ступеней в напряжении и обеспечивать сглаживание напряжения.
Подключение модулей 14 обеспечивает высокое разрешение ступенчатого сигнала переменного тока, подобного тому, что представлен на фиг. 2. Система 10 может быть снабжена главными силовыми катушками индуктивности 48, соединенными последовательно с модулями 14, для сглаживания переключений напряжения.
Дополнительного сглаживания в катушках индуктивности можно достичь путем включения дополнительных модулей для формирования ШИМ-сигнала. Для подачи энергии от системы 10 к сетевой линии предусмотрено главное реле 50.
В линиях управления последовательно включены высоковольтные конденсаторы для обеспечения безопасности и прекращения коррозии на этих линиях из-за анодной или катодной проводимости. Информация, передаваемая по линиям 30 управления, может задерживаться, поскольку она передается через каждый модуль 14, но в этом случае задержка будет известна или может быть определена таким образом, что для каждого модуля известно, в какой момент должно происходить переключение. Это важно в ситуациях, когда, например, один источник энергии должен включаться, а другой - выключаться. Поскольку задержка известна, оба переключаются синхронно, таким образом уменьшая пульсации и импульсные электромагнитные помехи системы.
Информация может передаваться в обоих направлениях, к блоку управления и от него, и включает в себя информацию управления, например, когда и каким образом должны переключаться модули. Ступенчатое напряжение можно измерять на клеммах, помеченных на чертежах символами А и В. Связь на короткое время задерживается в момент переключения и, таким образом, надежная связь продолжается после переключения.
Данная система работает при более низких напряжениях, чем традиционные преобразователи. Как правило, такие преобразователи работают при последовательном включении напряжения всех источников энергии. В настоящей системе полевые МОП-транзисторы работают при напряжении приблизительно 50 вольт и поэтому могут обладать существенно меньшим сопротивлением в открытом состоянии, чем высоковольтные МОП-транзисторы, и свободны от потерь мощности биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT, insulated gate bipolar transistor). Это позволяет повысить общую эффективность данной системы по сравнению с известными системами. Кроме того, пониженное напряжение способствует повышению надежности. Когда реле 50 выключено и каждый модуль получил команду на шунтирование, система электрически выключена и безопасна для выполнения работ по обслуживанию.
Главные катушки индуктивности 48 сглаживают результирующее ступенчатое или ШИМ-напряжение (приблизительно 1/8 напряжения источника энергии), что обеспечивает в системе низкие потери за период. Низкая ступень напряжения позволяет сделать катушку индуктивности намного меньше, чем в традиционных преобразователях.
В другом варианте осуществления каждый из модулей 14 снабжен импульсным регулятором 60. Импульсный регулятор 60 подключен к накопительному устройству 18. Импульсный регулятор 60 управляет напряжением, обеспечиваемым накопительным устройством 18 между входом 16 и выходом 17. В частности, коммутационное устройство управляет скоростью изменения напряжения между входом 16 и выходом 17. Импульсный регулятор 60 обеспечивает плавный рост или снижение напряжения, обеспечиваемого накопительным устройством 18, для более точной аппроксимации синусоидальных сетевых сигналов вместо ступенчатой аппроксимации в варианте осуществления, представленном на фиг. 1. Импульсный регулятор 60 управляется блоком управления, который воспринимает сигнал сетевого напряжения, что позволяет соответствующим образом регулировать напряжение, обеспечиваемое накопительным устройством 18, устраняя необходимость в дополнительных модулях 42-45.
Когда требуемое выходное напряжение модуля близко к максимальному или минимальному уровню, импульсный регулятор может шунтироваться. Такое шунтирование импульсного регулятора 60 исключает потери внутри импульсного регулятора в тот период, когда он не используется.
На фиг. 3 представлена принципиальная схема модуля 14 такого вида. Для ясности источники 12 энергии и накопительные устройства 18 на этой схеме не показаны. Напряжение от накопительных устройств 18 подается в цепь V+от накопительных устройств 18, как ранее представлено на фиг. 1.
Функция импульсного регулятора 60 обеспечивается первой парой коммутационных устройств Q7 и Q12 регулятора и второй парой коммутационных устройств Q6 и Q10 регулятора. Первое, второе, третье и четвертое коммутационные устройства Q8, Q5, Q13 и Q9 регулятора используются для управления напряжением между входом и выходом аналогично первому варианту осуществления. Всеми коммутационными устройствами управляет блок 29 управления.
Когда необходимо плавно увеличить напряжение во время положительной части периода переменного тока, Q7 включается первым на период, требуемый для зарядки катушки L1 индуктивности, чтобы обеспечить ток, равный протекающему от клеммы I/O1 к клемме I/O2, затем Q13 выключается. Затем первая пара коммутационных устройств Q7 и Q12 регулятора используется для формирования сигнала с широтно-импульсной модуляцией, подводимого к фильтру, содержащему катушку L3 индуктивности и конденсатор С3. Устройства Q7 и Q12 включаются поочередно и процентное отношение времени включения Q7 относительно времени включения Q12 увеличивается. Напряжение Vpwm на стороне выхода 17 увеличивается плавно и пропорционально ШИМ благодаря катушке L3 индуктивности и конденсатору С3. Скорость нарастания выходного напряжения предпочтительно может регулироваться в соответствии с измеренным током через модуль или в соответствии с командами скорости нарастания выходного напряжения, принимаемыми от центрального блока управления. В течение этого времени коммутационные устройства Q9 и Q10 включены для шунтирования стороны входа цепи. После достижения полного напряжения включается коммутационное устройство Q8 для обеспечения полного напряжения между входом 16 и выходом 17.
Когда необходимо плавно снизить напряжение, устройство Q8 выключается в контролируемом режиме для обеспечения возможности протекания тока через катушку L3 индуктивности, чтобы снова обеспечить соответствие току, протекающему от клеммы I/O1 к клемме I/O2, а затем происходит обратный процесс плавного изменения. Таким образом, время включения устройства Q7 относительно времени включения устройства Q12 уменьшается до нуля для плавного снижения напряжения. Затем включается коммутационное устройство Q13 для шунтирования стороны выхода цепи.
В течение отрицательной части периода выполняется процесс, аналогичный описанному выше, но со второй парой коммутационных устройств Q6 и Q10 регулятора, переключаемых для управления напряжением Vpwm, создаваемым на стороне входа 16, когда коммутационное устройство Q9 выключено.
Два или большее количество модулей может обеспечивать плавное изменение с использованием ШИМ, а блок управления использует перекрытие ШИМ для обеспечения гладкого перехода такого плавного изменения от одного модуля к другому. В этом случае система может работать с первым, вторым, третьим и четвертым коммутационными устройствами Q8, Q5, Q13 и Q9.
На фиг. 4 представлен еще один альтернативный вариант схемы модуля 14 панели. Схема на фиг. 4 аналогична схеме на фиг. 3, однако содержит только одну сторону, предназначенную для создания только однополярной полуволны. Поэтому последовательно соединенные модули формируют сигнал выпрямленного переменного тока. Коммутационные устройства Q100, Q101, Q102 и Q103 в блоке управления обеспечивают преобразование в полную форму волны путем включения Q100 и Q103 на время одного полупериода и включения Q101 и Q102 на время другого полупериода.
Блок управления может конфигурироваться с помощью устройства, имеющего интерфейс пользователя. Блок управления может конфигурироваться таким образом, что система обеспечивает выходной сигнал с заданным уровнем напряжения и частотой. Затем система обеспечивает эти уровень напряжения и частоту до тех пор, пока количества модулей достаточно для надежной работы и пока обнаруженный сетевой сигнал находится в допустимых пределах заданных напряжения и частоты. Как вариант, если система не подключена к сети и используется для автономной подачи энергии, она просто обеспечивает заданные напряжение и частоту. Поэтому блок управления может быть сконфигурирован посредством пользовательского интерфейса для подачи энергии в различных системах, например, в сетях с напряжением 110 В, 240 В и 415 В.
Кроме того, один или несколько модулей могут работать только с одной полярностью. В таком случае средство управления либо управляет параллельно включенными модулями для обеспечения необходимой обратной полярности, либо содержит коммутационные средства, которые преобразуют напряжение одной полярности, полученное от модулей, в сигнал переменного тока для подачи на сетевые клеммы.
Кроме того, средство управления может содержать импульсный регулятор вместо некоторых или всех модулей сглаживания, при этом импульсный регулятор используется для компенсации ступенчатого напряжения, полученного от модулей, и сглаживается с помощью обычного конденсатора фильтра, подключенного к сетевым клеммам. Такой импульсный регулятор может содержаться в одном из модулей, получающих энергию от своего накопительного конденсатора.
Кроме того, может быть предусмотрено регулирующее устройство (не показано) между источниками 12 энергии и соответствующими накопительными устройствами 18. Регулирующие устройства могут быть импульсными регуляторами, предназначенными для обеспечения соответствия напряжения источников энергии напряжению накопительных устройств.
В случае, когда энергия может запасаться в источнике энергии, например, в батарее, предпочтительно, чтобы система конфигурировалась для определения уровня заряда в источниках энергии и для перераспределения заряда для выравнивания уровня заряда источников энергии. Центральный блок управления может выравнивать эти уровни путем включения модулей с избыточным зарядом в цепь в прямом направлении, а модулей с недостаточным уровнем заряда - в обратном направлении, с тем чтобы ток, протекающий в системе, перераспределял заряд для выравнивания уровней заряда.
Может быть желательным экранировать систему управления энергией, чтобы избежать появления неприемлемых электромагнитных помех (EMI, electro-magnetic interference). Такое экранирование может быть применено в системах с батареями, поскольку источники энергии могут иметь высокие частоты переключения и значительные токи вне модуля, например, при использовании обычного конденсатора фильтра.
Для применения в качестве бесперебойного источника питания (UPS, uninterruptable power supply) предпочтительным может оказаться получение основной коммутируемой энергии непосредственно от батарейных источников энергии с низким сопротивлением. Источник 12 энергии дублируется, поскольку имеется накопительное устройство 18 с обновлением заряда, который происходит, когда модуль не подает энергию в систему. Для предотвращения нежелательных электромагнитных помех и нежелательных токов коммутации в источниках энергии в линиях 22 и 26 может использоваться конденсатор. В случае использования накопительного устройства между источником 12 энергии и модулем 14 с той же целью может устанавливаться катушка индуктивности.
Система преобразования энергии может содержать управляющую программу, которая выполняет функцию регулирования мощности для улучшения формы волны переменного тока. Предпочтительно управляющая программа учитывает мгновенные токи и/или токи гармонических составляющих и/или напряжения гармонических составляющих и изменяет выходной сигнал системы так, что результирующая форма волны на выходе системы или в удаленном от выхода месте, к которому подается сигнал, больше напоминает синусоидальную волну.
В случае применения на транспорте энергия может обеспечиваться при конфигурировании системы в двух линиях (конфигурация треугольник) или трех линиях (конфигурация звезда) для подачи трехфазной энергии к тяговому двигателю. Выходное напряжение и частота системы могут быть контролируемыми. Катушки индуктивности могут быть установлены между источниками энергии и накопительными устройствами, а модули могут переключаться последовательно, чтобы катушки индуктивности сглаживали ток через батареи. В такой замкнутой системе не требуются выходные сглаживающие конденсаторы, однако конденсаторы все же могут использоваться для уменьшения электромагнитных помех.
Специалистам должно быть понятно, что в дополнение к описанным вариантам возможно выполнить различные модификации и улучшения без отклонения от сущности изобретения.
Специалисту должно быть понятно, что может использоваться любое количество модулей, а не только три, как представлено на фиг. 1. Кроме того, обход источников энергии, как описано в отношении варианта осуществления на фиг. 3, не требуется для соответствующих операций. Например, все последовательно включенные модули могут обеспечивать синхронное плавное изменение за счет ШИМ, формируя синусоидальную волну переменного тока на клеммах 16 и 17 каждого модуля. Блок 29 управления может обеспечивать синхронизацию, информацию о напряжении и/или регулировании для модулей таким образом, что последовательно соединенные модули обеспечивают электроэнергию переменного тока, которая может подаваться в сеть электропитания.
1. Система преобразования энергии, содержащая:
множество модулей, каждый из которых имеет вход и выход, соединенных последовательно таким образом, что выход любого модуля соединен с входом последующего модуля и каждый модуль соединен с, по меньшей мере, одним источником энергии постоянного тока, подающим энергию к модулю;
цепь регулирования напряжения, предусмотренную в каждом из модулей для изменения напряжения между входом и выходом от максимального напряжения модуля до минимального напряжения модуля;
блок управления, соединенный с цепью регулирования напряжения каждого из модулей;
при этом блок управления выполнен с возможностью изменения напряжения между входом и выходом каждого из модулей таким образом, что полное напряжение на последовательно соединенных модулях представляет собой сигнал переменного тока или сигнал выпрямленного переменного тока.
2. Система преобразования энергии по п.1, в которой блок управления соединен с сетью электроснабжения для получения информации о фазе сетевого сигнала и выполнен с возможностью управления модулями таким образом, что сигнал переменного тока или сигнал выпрямленного переменного тока совпадает по фазе с сетевым сигналом.
3. Система преобразования энергии по п.1 или 2, в которой каждый из модулей содержит один или несколько накопительных устройств, соединенных с источником энергии таким образом, что источник энергии заряжает накопительные устройства, когда модуль не подает энергию в систему.
4. Система преобразования энергии по п.3, в которой минимальное напряжение модуля равно максимальному напряжению модуля обратной полярности и блок управления выполнен с возможностью изменения напряжения, вырабатываемого модулями, для формирования сигнала переменного тока.
5. Система преобразования энергии по п.4, в которой цепь регулирования напряжения содержит коммутационные устройства, соединенные таким образом, что они обеспечивают возможность включения накопительных устройств между входом и выходом в первом направлении для обеспечения максимального напряжения модуля, во втором, противоположном, направлении для обеспечения минимального напряжения модуля, и возможность обхода накопительных устройств.
6. Система преобразования энергии по п.3, в которой минимальное напряжение модуля равно напряжению на модуле при обходе накопительных устройствах, а блок управления выполнен с возможностью изменения напряжения, вырабатываемого модулями, для формирования сигнала выпрямленного переменного тока.
7. Система преобразования энергии по п.6, в которой цепь регулирования напряжения содержит коммутационные устройства, соединенные таким образом, что они обеспечивают возможность включения накопительных устройств между входом и выходом в первом направлении для обеспечения максимального напряжения модуля и возможность обхода накопительных устройств для обеспечения нулевого напряжения между входом и выходом.
8. Система преобразования энергии по п.6 или 7, в которой блок управления предпочтительно содержит цепь для изменения полярности напряжения последовательно соединенных модулей в каждом полупериоде таким образом, что результирующее напряжение представляет собой сигнал переменного тока.
9. Система преобразования энергии по любому из пп.1, 2, 4-7, в которой в одном или нескольких модулях, соединенных с накопительным устройством, предусмотрен импульсный регулятор для управления напряжением, обеспечиваемым накопительным устройством между входом и выходом, таким образом, что напряжение плавно растет или снижается для более точной аппроксимации сетевого сигнала.
10. Система преобразования энергии по п.9, в которой импульсный регулятор содержит коммутационные устройства, выполненные с возможностью формирования сигнала с широтно-импульсной модуляцией, подаваемого на фильтр, из напряжения накопительного устройства, при этом коэффициент заполнения увеличивается для плавного роста выходного сигнала и уменьшается для плавного снижения выходного сигнала.
11. Система преобразования энергии по п.9, в которой импульсный регулятор зашунтирован, когда напряжение между входом и выходом близко к максимальному напряжению модуля.
12. Система преобразования энергии по п.11, в которой импульсный регулятор зашунтирован, когда напряжение между входом и выходом близко к нулю.
13. Система преобразования энергии по любому из пп.4-7, 10-12, в которой один или несколько модулей могут содержать первое и второе накопительные устройства, соединенные последовательно, при этом источник энергии выполнен с возможностью поочередного подключения к первому и второму накопительным устройствам таким образом, что модуль обеспечивает функцию удвоения напряжения.
14. Система преобразования энергии по п.13, в которой предусмотрен один или несколько дополнительных модулей, содержащих накопительные устройства, заряжаемые до напряжений ниже напряжения источника энергии, для обеспечения функции сглаживания напряжения.
15. Система преобразования энергии по п.14, в которой накопительное устройство каждого дополнительного модуля заряжается до меньшего уровня, чем накопительное устройство предшествующего дополнительного модуля.
16. Система преобразования энергии по п.4 или 5, в которой один из модулей содержит:
первую линию и вторую линию, подключенные параллельно между входом и выходом, и
первое и второе коммутационные устройства в первой линии, и третье и четвертое коммутационные устройства во второй линии, при этом источник энергии и накопительное устройство подключены к первой и второй линиям между первым и вторым коммутационными устройствами и третьим и четвертым коммутационными устройствами; при этом включение первого и четвертого коммутационных устройств и выключение второго и третьего коммутационных устройств приводит к включению накопительного устройства между входом и выходом в первой полярности, выключение первого и четвертого коммутационных устройств и включение второго и третьего коммутационных устройств приводит к включению накопительного устройства между входом и выходом во второй, противоположной, полярности, а включение первого и второго коммутационных устройств и выключение третьего и четвертого коммутационных устройств приводит к прямому соединению входа с выходом.
17. Система преобразования энергии по любому из пп.5-7, 10-12, 14, 15, в которой каждое из коммутационных устройств может содержать полевые МОП-транзисторы.
18. Система преобразования энергии по любому из пп.4-7, 10-12, 14, 15, в которой между одним или несколькими источниками энергии и соответствующими накопительными устройствами предусмотрено регулирующее устройство, выполненное с возможностью обеспечения соответствия напряжения источника энергии напряжению накопительного устройства.
19. Система преобразования энергии по любому из пп.1, 2, 4-7, 10-12, 14, 15, в которой источники энергии содержат устройства, в которых может запасаться энергия, и система выполнена с возможностью определения уровня заряда в источниках энергии и перераспределения заряда для выравнивания уровня заряда источников энергии.
20. Система преобразования энергии по п.19, в которой выравнивание уровней заряда обеспечено путем включения модулей с избыточным зарядом в прямом направлении и включения модулей с недостаточным уровнем заряда в противоположном направлении.
21. Система преобразования энергии по любому из пп.1, 2, 4-7, 10-12, 14, 15, 20, в которой система снабжена экранированной оболочкой для уменьшения электромагнитных помех, при этом на выходных клеммах оболочки предусмотрена обычная фильтрация.
22. Способ преобразования энергии, включающий в себя следующие действия:
обеспечивают множество модулей, каждый из которых имеет вход и выход, соединенных последовательно таким образом, что выход любого модуля соединен с входом последующего модуля и каждый модуль соединен с, по меньшей мере, одним источником энергии, подающим энергию к модулю, и
регулируют напряжение между входом и выходом каждого из модулей посредством центрального блока управления таким образом, что указанное напряжение изменяется от максимального напряжения модуля до минимального напряжения модуля;
при этом напряжение между входом и выходом каждого из модулей регулируют таким образом, что полное напряжение на последовательно соединенных модулях представляет собой сигнал переменного тока или сигнал выпрямленного переменного тока.
23. Способ по п.22, в котором посредством блока управления, соединенного с сетью электропитания для получения информации о фазе сетевого сигнала, управляют модулями таким образом, что сигнал переменного тока или сигнал выпрямленного переменного тока совпадает по фазе с сетевым сигналом.
24. Способ по п.22 или 23, в котором посредством каждого источника энергии, соединенного с, по меньшей мере, одним накопительным устройством в модуле, заряжают накопительные устройства, когда модуль не подает энергию.
25. Способ по п.24, в котором посредством блока управления изменяют напряжение модулей для формирования сигнала переменного тока, при этом минимальное напряжение модуля равно максимальному напряжению модуля обратной полярности.
26. Способ по п.25, в котором посредством блока управления приводят в действие коммутационные устройства, содержащиеся в цепи регулирования напряжения, для подключения накопительных устройств между входом и выходом в первом направлении для обеспечения максимального напряжения модуля, во втором, противоположном, направлении для обеспечения минимального напряжения модуля, и для обхода накопительных устройств для обеспечения нулевого напряжения между входом и выходом.
27. Способ по п.24, в котором посредством блока управления изменяют напряжение модулей для формирования выпрямленного сигнала переменного тока, при этом минимальное напряжение модуля равно напряжению модуля при обходе накопительных устройств.
28. Способ по п.27, в котором посредством блока управления приводят в действие коммутационные устройства, содержащиеся в цепи регулирования напряжения, для подключения накопительных устройств между входом и выходом в первом направлении для обеспечения максимального напряжения модуля, и для обхода накопительных устройств для обеспечения нулевого напряжения между входом и выходом.
29. Способ по п.27 или 28, в котором посредством блока управления изменяют полярность напряжения последовательно соединенных модулей в каждом полупериоде таким образом, что результирующее напряжение представляет собой сигнал переменного тока.
30. Способ по любому из пп.22, 23, 25-28, в котором в одном или нескольких модулях, соединенных с накопительным устройством, предусмотрен импульсный регулятор, посредством которого регулируют напряжение, создаваемое накопительным устройством между входом и выходом модуля таким образом, что приложенное напряжение плавно растет или снижается для более точной аппроксимации сетевого сигнала.
31. Способ по п.30, в котором посредством импульсного регулятора предпочтительно формируют сигнал с широтно-импульсной модуляцией, подаваемый на фильтр, из напряжения накопительного устройства и увеличивают коэффициент заполнения для плавного роста выходного сигнала, или уменьшают коэффициент заполнения для плавного снижения выходного сигнала.
32. Способ по п.31, в котором шунтируют импульсный регулятор, когда напряжение между входом и выходом близко к максимальному напряжению модуля.
33. Способ по п.32, в котором шунтируют импульсный регулятор, когда напряжение между входом и выходом близко к нулю.
34. Способ по любому из пп.22, 23, 25-28, 31-33, в котором один или несколько модулей содержат первое и второе накопительные устройства, соединенные последовательно, а источник энергии подключают поочередно к первому и второму накопительным устройствам таким образом, что модуль обеспечивает функцию удвоения напряжения.
35. Способ по п.34, в котором может быть обеспечен один или несколько дополнительных модулей, содержащих накопительные устройства, и посредством блока управления приводят в действие дополнительные модули, чтобы заряжать накопительные устройства до напряжений ниже напряжения источника энергии для обеспечения функции сглаживания напряжения.
36. Способ по п.35, в котором посредством блока управления заряжают накопительное устройство в каждом дополнительном модуле до меньшего уровня, чем в предшествующем дополнительном модуле.
37. Способ по любому из пп.25-28, 31-33, 35, 36, в котором между одним или несколькими источниками энергии и соответствующими накопительными устройствами обеспечено регулирующее устройство, посредством которого обеспечивают соответствие напряжения источника энергии напряжению накопительных устройств.
38. Способ по любому из пп.22, 23, 25-28, 31-33, 35, 36, в котором источники энергии содержат устройства, в которых может запасаться энергия, и включающий в себя определение уровня заряда в источниках энергии и перераспределение заряда для выравнивания уровня заряда источников энергии.
39. Способ по п.38, в котором уровни заряда выравнивают путем включения модулей с избыточным зарядом в прямом направлении и включения модулей с недостаточным уровнем заряда в противоположном направлении.
40. Способ по любому из пп.22, 23, 25-28, 31-33, 35, 36, 39, включающий в себя экранирование оболочкой для уменьшения электромагнитных помех и обеспечивающий обычную фильтрацию на выходных клеммах оболочки.
