[发明专利]用于生成、存储和供应由模块化DC生成器产生的电能的系统以及用于管理所述系统的相关方法

说明书

技术领域

本发明涉及生成、管理和利用由模块化直流电能源产生的电能的系统，及用于管理所述系统的方法。

背景技术

大部分电能产生系统仍然包括大型电厂，这些电厂必须面对显著的能量运输与分配问题，就此而言，最小化沿线路的损耗非常重要，其中线路上跑着相当有规律的单向电流。能量沿大部分路径以高压运输。但是，在未来，电能中越来越显著的部分将是小量产生的，因此将有必要以中电压或低电压供应给网络；因而最小化所产生的能量所经受的变换和运输是非常重要的。在理想条件下，存在地域紧凑的“能量岛”，其中能量产生和使用大致匹配，而且其中岛之间，尤其是不相邻的岛之间，的能量交换被减少至最小。

由此，将有许多少量产生的能量贡献，这既是因为将有许多小的系统又是因为最大的电厂将被允许产生更少的能量。

以下将作为例子参考由光伏转换系统产生的电能。事实上，光伏能源以非常有效的方式例示出了随着可再生能量源（下文中也称为FER）和“岛”型网络基础设施变得普及而将不得不面临的问题。对于适于分布式扩散并且具有与光伏系统的工作特点相似的工作特点的其它能量源，诸如用于基于太阳能的光电化学转换从可再生源产生能量的系统，也会出现类似的问题。

或者，更一般地说，用于模块化的直流电能源，诸如像直流（DC）发电机微风发电厂，或者用于把机械能变换成直流电能的系统，等等。

因此，以下将得出的许多结论将也一般性地适用于涉及不可规划的能量源的不同类型的系统，而不限于由光伏系统产生的电能的情况，其中对于不可规划的能量源，不可能计划依赖于时间的产出剖面，包括功率以及电流-电压特性。

如已知的，太阳辐射覆盖整个地域，因此将所述辐射用于产生电能自然分布在整个地域上。此外，由于转换效率不是特别高，因此，为了产生显著数量的能量，通常需要相当大的面积。因此，可以预见在未来这种光伏系统将分布在大的地域之上，就像例如具备适于容纳这种系统的屋顶的建筑物。

即使天气预报会有进一步的改进，使得将更容易知道某一天日光是否充足，实际上也永远不可能预测光伏系统的瞬间产出剖面，当天空是多云的时候，例如当太阳被快速移动的云遮挡时，该系统表征出几秒钟之内的巨大变化（甚至从最大输出到低或者零输出）。而且，即使瞬间产出剖面是可能的，也肯定不可能获得能够跟随对光伏系统来说很典型的快速产出变化的消耗剖面。

因此，很清楚，随着由不可规划的源产生的能量的份额增长（诸如利用不能被计划或强迫的自发自然现象的那些源，像光伏系统），网络平衡问题将变得越来越重要。网络平衡概念是一个瞬间概念，即，网络必须一个瞬时一个瞬时地被平衡，而且任何相反符号的不平衡，即使是很快的演替，也将不会彼此补偿，但是关于对电力系统的完整性的不利的效果，它们被加到一起。

已知已经尝试了通过使用能量存储系统（下文中也称为SAE）来解决平衡问题。这种系统能在能量产生的时候吸收并存储能量，并且可以在需要的时候使其可用于负载。

目前，基于光伏能量的一种已知类型的可再生能量产生系统是由一定数量连接到逆变器系统的太阳能面板构成的，其中逆变器把由面板以直流电压的形式内在产生的能量转换成可以由本地用户装置使用的交流电压或者仍然以交流形式输出到公共能量分配网络。

因此，逆变器系统接收作为直流电压生成的能量并且，通过一个瞬时一个瞬时地让由源看到的负载适配就电流-电压对（I-V）而言由面板生成的功率，把它转化成交流电压。这一般是例如基于根据MPPT（最大功率点跟踪）算法执行的处理利用控制系统进行的。这种解决方案有一些缺陷：

直流-交流电压转换造成转换损耗；

对于电流和电压值的某些间隔，逆变器不能操作或者只能以低效率水平操作，使得FER生成的能量完全或部分地耗散；

在特定的条件或者在特定的时间，网络可能不能吸收系统所生成的能量，使得被迫停止其流动，从而导致损耗。

这最后一种情形一般在光照很差或者无论如何都是不充足（黎明、日落、雾、薄雾或多云的天空）的时候出现。

这种典型的配置，其中所有产生的能量都直接转换成交流电压，证明在负载必须使用直流电压的时候是低效的，因为为了再次获得直流电压需要双转换。

但是，这种效率的缺乏迄今为止被认为是不太重要的，因为典型的负载使用交流电压而且所产生的大部分能量都输出到网络了。这将在不仅的将来有所变化，因为，网络将不能够吸收以无计划的方式产生的越来越多数量的能量而不遭受不平衡问题。

因此，在生产系统的下游将有必要插入能量存储系统SAE，而在充电的时候，后者类似于DC负载。