CN101290527B - 用于从电能的光伏源中提取功率的系统、方法和设备 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于从电能的光伏源中提取功率的系统、方法和设备。光伏源具有由一族电压-电流曲线(20，22，24，26和28)定义的发电特性，该族电压-电流曲线在用于光伏源的下述中至少一个的各自范围内包括最大电功率点：不同照明强度和不同的温度。该设备由耦合到光伏源的开关转换器(12)构成。该转换器具有在输入电压和输入电流之间具有预定函数关系的输入电压-电流曲线。转换器的输入电压-电流曲线的预定函数关系构造成，在转换器的工作期间相对于光伏源最大电功率点中至少一些的近似(例如，32，34)，而不必进行与来自光伏源的最大功率相对应的电流和电压计算。

Description

用于从电能的光伏源中提取功率的系统、方法和设备
技术领域
本发明概括地涉及一种从电能源中获取功率，更特别地，涉及一种用于在各种操作和/或环境条件下从电能源例如光伏(photovoltaic，PV)电源、燃料电池(cell)或电池组(battery)中提取最大或者接近最大电功率的系统和方法。
背景技术
对于给定程度的日射(照明强度)，光伏(PV)电源的特性在于电流对电压的曲线图，通常称为电流-电压(I-V)曲线。已知当PV源受到均匀照射时，这种PV源典型地在对于给定照明强度和/或温度来说能够提取最大电功率处具有一个唯一的电流和电压值。
为了提取最大电功率，必须将与PV源连接的电负载调整成在最大功率点上负载的I-V曲线与PV源的I-V曲线相交。这通常是通过将有源负载(例如开关功率转换器)耦合到PV源而实现的，通过调整作为检测到的PV源特性的函数的相应I-V特性来控制有源负载从而动态寻找PV源的最大功率点。
开关功率转换器，也称作PV负载转换器，可以构造成输出可用电功率，该可用电功率可以通过其他转换器进行处理或者直接供给工作负载。PV源的功率可以通过合适的功率监控装置监控，然后在合适的处理器中处理最大功率点跟踪算法以确定如何动态调整开关转换器操作以使其输出I-V曲线在最大功率点处与PV源的I-V曲线相交。将该算法处理产生的控制信号供给转换器，以使其可以以这种方式进行调整。在该调整中通常假定工作负载基本上使用PV源的所有可用功率。
配备有最大功率点跟踪的PV系统在理论上应当能够动态地跟踪因为PV源的环境改变和/或因为PV源的老化而引起的变化，并且应当在PV系统的工作期间提取最大功率。然而在实践中，伴随着最大功率跟踪技术存在着一些问题。第一，处理器中跟踪算法的实现需要增大用于为这种处理器供电的电功率消耗，因此降低了PV系统的获取效率。第二，最大功率跟踪通常比仅仅将开关转换器调整为参考值更复杂，并且转换器的开关操作能够对正确地确定最大功率点造成干扰，并且在某种情况下当寻找解决最大功率点算法时，转换器的开关操作有运算不稳定性的趋势。第三，功率跟踪算法通常需要检测PV源的电流和电压。该电流检测通常导致额外的损失，因此进一步降低了PV系统的整体效率。
因此，希望提供一种不存在上述问题的光伏系统。还希望使用任何相对低成本并且可靠的PV负载转换器拓扑，并且该PV负载转换器拓扑具有适于多个PV源组合一体化(例如，功率叠加)的I-V曲线特性，由此导致规模效益，例如是导电(conductive)的，从而构造具有所需数量的基本光伏模块的大PV阵列。
发明内容
概括地，本发明通过下述实现上述需要：在其一方面提供一种包括电能的光伏源的光伏系统。该光伏源具有由一族电压-电流曲线定义的发电特性，该电压-电流曲线包括对于光伏源的下述中至少一个的各自范围内的最大电功率点：不同(distinct)照明强度和不同温度。开关转换器耦合到光伏源，其中转换器包括在输入电压和输入电流之间具有预定函数关系的输入电压-电流曲线。转换器的输入电压-电流曲线的预定函数关系构造成，在转换器的工作期间提供相对于光伏源最大电功率点中至少一些的近似，而不必进行与来自光伏源的最大功率相对应的电流和电压计算。
在本发明的另一个方面，还通过下述实现上述需要：提供一种用于从光伏系统中获取功率的方法。该方法通过包括对于光伏源的下述中至少一个的各自范围内最大功率点的电压-电流曲线族来定义电能光伏源的发电特性：不同照明强度和不同的温度。该方法可以将开关转换器耦合到光伏源，其中该转换器包括在输入电压和输入电流之间具有预定函数关系的输入电压-电流曲线。根据转换器中输入电压-电流的预定函数关系的构造，该转换器工作以接近至少一些光伏源最大电功率点，而不必进行与来自光伏源的最大功率相对应的电流和电压计算。
在本发明的另一个方面，还通过下述实现上述需要：提供一种从电能的光伏源中获取电能的设备。该光伏源具有由一族电压-电流曲线定义的发电特性，该电压-电流曲线族包括对于光伏源的下述中至少一个的各自范围内最大功率点：不同照明强度和不同的温度。该设备包括耦合到光伏源的开关转换器，其中转换器包括在输入电压和输入电流之间具有预定函数关系的输入电压-电流曲线。该转换器的输入电压-电路曲线的预定函数关系构造成在该转换器工作期间提供相对于光伏源最大电功率点中至少一些的近似，而不必进行与来自光伏源的最大功率相对应的电流和电压计算。
附图说明
当结合附图阅读本发明时，本发明的特征和优点将从下面本发明的详细描述中变得显而易见，附图中：
图1是本发明的光伏系统的示例性实施例的代表方框图。
图2示出在不同照明程度下PV源的I-V曲线实施例。图2还示出与不各I-V曲线相交的PV源最大发电曲线的实施例的曲线图。而且图2示出对于利用本发明的功率转换器的输入I-V曲线的两个示例性实施例；
图3是构造成提供具有线性拟合近似并且具有电压偏移的输入I-V曲线的转换器的示例性实施例的代表性方框图；
图4是具有转换器的PV系统的示例性实施例的代表性方框图，其中转换器构造成提供具有三次拟合近似的I-V曲线；以及
图5是利用本发明的PV系统的示例性实施例的代表性方框图，其中转换器的输入I-V曲线可以作为PV源温度的函数进行调整。
图6是由利用本发明的PV模块阵列构成的PV系统的示例性实施例的代表性方框图，其中每个模块转换器可以与其他这样的转换器连接提供所需功率规模能力(scalability)。
具体实施方式
本发明的发明者们提出一种创新型光伏(PV)系统和/或方法论，其可以有利地用于在各种操作和/或环境的条件下从电能源中(例如光伏(PV)电源))提取最大或者接近最大电功率，电能源由单个光伏电池构成或者电池组(battery of cells)情况下由光伏模块构成。本发明有利的方面排除了必须利用最大功率追踪电路并对这种电路进行控制这样的需求，从而避免了与最大功率追踪电路或控制相关的问题。例如，本发明的各方面避免了必须利用处理装置来执行最大功率追踪算法并且导致电功率节省的增加，因为人们不必向这种处理装置供电。而且，本发明的各方面导致PV系统中成本的降低增加，因为排除了否则将需要提供这种处理装置的成本。
如图1中所示，利用本发明各个方面的光伏系统可以包括开关转换器12，例如DC-DC转换器，开关转换器12可以电耦合在PV源14和电负载16之间，其中开关转换器的输入I-V曲线构造成在各种工作和/或环境条件下，从PV源中提取最大或者接近最大功率，而不必进行最大功率点跟踪。在一个示例性实施例中，转换器可以包括在输入电压和输入电流之间具有预定函数关系的输入电压-电流曲线。输入电压和输入电流之间的这种预定函数关系的例子可以是线性关系或者三次(cubic)关系，正如下面更加详细描述的那样。
转换器的输入电压-电流曲线的预定函数关系可以构建成在该转换器工作期间提供相对于光伏源最大电功率点中至少一些的近似(approximation)，而不必进行与来自光伏源的最大功率相对应的电流和电压计算。本领域技术人员应当理解相对于光伏源最大电功率点中至少一些的近似可以通过各种方法论获得，例如在给定功率范围内的最小二乘拟合(least square fit)，或者可以选择转换器的输入电压-电流曲线以使低功率点和高功率点相交，同时可以对低功率点和高功率点之间的任何中间功率点进行最小二乘拟合。应当理解最小二乘拟合技术的使用仅仅是用于确定(例如量化)由转换器的输入电压-电流曲线的预定函数关系提供的相对于(with respect to)光伏源最大电功率点中至少一些的近似的技术的一个例子，并且不是部分转换器控制算法。在已经累积的数据多到足以统计地确定PV源工作的可能的平均功率点情况下，可以实施可行的近似策略的另一个例子。在这种情况下转换器的输入电压-电路曲线可以构建成接近这种可能的工作平均功率点。应当理解这种平均值可以作为因素例如季节(例如时节)、地理位置、温度等的函数而变化。
图2示出了在各种照明程度下一族PV源的输入I-V曲线(例如I-V曲线20，22，24，26和28)。图2还示出了PV源的最大功率曲线的实施例曲线图(曲线30)，其与各个I-V曲线相交。而且，图2示出了对于功率开关转换器可行的输入I-V曲线的两个示例性实施方案。对于功率开关转换器的第一实例输入I-V曲线可以包括线性拟合近似32，近似32可以基于沿着电压轴具有电压偏移的电阻(resistive)函数，该电压偏移被选择来使该曲线接近最大功率点曲线30。对于功率开关转换器的第二实例输入I-V曲线可以包括三次拟合近似34。
正如本领于技术人员所理解的，有许多技术可以获得开关转换器中的合适I-V输入曲线。例如，可以使用检测(sense)和反馈控制技术使转换器显示出所需要的输入I-V曲线特性。根据本发明的各个方面，提出使用各种可从市场上得到的以最小限度或者没有额外控制来自然地显示出所需输入I-V曲线的转换器拓扑(topology)。一个简单的实施例是使用任何种类具有线性I-V曲线的开关转换器。例如，诸如包括高功率因数整流器这类线性电阻器仿真装置，可以产生线性I-V曲线，正如下面的关系式限定的：I＝K1*V，其中K1是可以根据给定应用的需求进行调整的常数。
在实际PV系统中的一个基本考虑就是PV源提供的电流和/或电压的量可能基本上因为在照明强度和/或温度中发生的大范围变化而变化。即，实际PV系统可以基本上取决于照明强度、环境温度、安装位置及前述的组合。已经观察到，对于须经宽范围的工作条件的情况，通过I-V平面的原点但不复杂而在许多应用中可以实现并且可用的线性拟合，可以不必为了从PV源中最大化地提取功率而提供最佳输入I-V曲线。这种情况下，当负载转换器输入I-V曲线在PV源的I-V曲线的最大功率点附近具有相对大的斜率(即，相对高的电导率)时，可以获得改进的性能。一种实现这个目的的实例方法就是使用其输入I-V曲线具有相对陡(sharp)斜率(例如，提供线性拟合近似)的转换器，而且该输入I-V曲线沿着电压轴适当地偏移以使线性拟合近似在最大功率点附近与PV源I-V曲线相交，如图2中所示(输入I-V曲线32)。另一种实现相同目的的示例性方法就是使用具有增大斜率的曲线(例如，三次拟合近似)的转换器，也在图2中示出(输入I-V曲线34)。下面的描述将提供可以用于实现功率开关转换器中的这种示例性输入I-V曲线的开关转换器拓扑的一些示例性实施方案。
图3是构造成提供具有线性拟合并且具有电压偏移的输入I-V曲线的转换器的示例性实施方案的方框图(例如图2中的输入I-V曲线32)。例如，比例积分微分(PID)控制器42可以构造成处理来自加法器41的组合了电压信号(Vin)和电流信号(Iin)的输出信号，(例如可以通过适当的比例因数(Req)度量(scale))，从而输出显示线性拟和的误差信号。例如参见插图45，加法器46将来自PID控制器42的输出信号和偏移电压组合产生显示出线性拟和加电压偏移的信号(可以用作用于转换器的脉宽调制(PWM)调整点)。例如参见插图48。通过实施例，可以使用标准现货供应的PWM调节器(例如调节器部分No.UC3854，可以从Texas Instruments商业得到)中可获得的功能块执行图3中说明的电路，该功能快可以在各种信号开关转换器拓扑中执行，例如降压(buck)/升压(boost)，降压(buck)或升压(boost)转换器。例如，通过调整作为检测到的表示PV源温度的参数的函数的偏移参考，可以可选择地执行温度补偿。
图4是具有转换器62的PV系统60的一个实例实施方式的框图，该转换器构造成逆向转换器(flyback converter)以提供具有三次拟和近似的输入I-V曲线，(例如图2中的输入I-V曲线34)。转换器62包括脉宽调制(PWM)64，其产生预定频率的脉冲波形并且具有与增益放大器66提供的电压VD成正比的脉冲占空周期D。PWM64的输出耦合到半导体功率开关Q1(例如MOSFET开关)的门控(gating)端。图4还示出耦合到给定电负载67的滤波电容器Cout、二极管D1和一对耦合的电感器L1和L2。逆向转换器可以设计成在不连续导通的模式(DCM)下工作，并且这种工作对于本领域技术人员来说是已知的。可以看出DCM逆向转换器输入I-V曲线表示为I＝V*D2/K2，其中D是转换器占空周期，即，控制输入，K2是常数。因此，电流与输入电压V成正比，产生线性I-V曲线。如果使用例如电阻分压器网络(例如，电阻R1和R2)，从PV源68检测电压V而输出检测到的电压Vsense，并且将电压Vsense馈给增益放大器66，那么占空周期D变成与V成正比。也就是，D＝K3*V，其中K3是常数，因此电流I作为电压V的函数这一关系就变成I＝V3*K3 2/K2。也就是，正如所希望的，电流I与V3成正比。
为了进一步改善操作性能，本发明的各个方面试图可以将转换器的I-V曲线作为PV源温度的函数进行调整，使得输入I-V曲线作为PV源温度的函数，例如沿着电压轴移动。可以通过集成电路中的热敏电阻(thermistor)或者其他温度传感器完成表示PV源温度的参数的检测，例如可以是转换电路的一部分。由于在一些应用中，PV源和转换器电路可以集成并且在共同的封装中彼此热耦合，可以以多种方式容易地完成该温度检测。例如，在某些应用中，温度传感器可以是与PV源的其他电池一起安装的冗余的、可选择被遮蔽的PV电池。例如，部分光伏源可以被掩盖(mask)以避免因照明而响应，并且来自被掩盖的部分的电信号可以用于检测光伏源的温度。正如本领域技术人员所理解的，物理接近和导电通路特性的各种组合可以用于获得用于给定应用的所需热耦合。而且，热耦合可以构造成在一个示例性实施例中PV源和转换器电路可以是基本上温度相同或者可选择地相对于彼此有预定温度偏移(offset)。
本发明的各个方面实现了可以使用多种技术获得PV源70的温度表示，例如图5中所示。例如，温度传感器72可以是在转换电路74中相应集成电路的主要部分。例如，通过利用其中的热敏参考电压，例如半导体器件的参考带隙，温度传感器可以检测集成电路(由此与集成电路热耦合的PV源)的温度变化。
在另一个实施例中，温度传感器可以使用耦合的外部参考电压驱动集成电路中的热敏电气元件，例如电阻器、、二极管、电容器或晶体管。在又一个实施例中，温度传感器可以通过监控例如二极管电流泄漏来检测相应集成电路中的温度。也就是，作为集成电路部分的一些电路(典型地用于调整或处理来自PV源的信号)可以用于获得PV源的温度表示。而且温度传感器可以组装到构建在集成电路中的适当衬垫(pad)中，例如安装在二极管衬垫上的表面安装的小型热敏电阻。应当理解温度传感器不需要集成到相应的集成电路中，因为例如，温度传感器可以设置在集成电路的外部，例如安装在热耦合到集成电路的外部表面上。在一个实施例中，这种热敏电气元件(例如，用作温度传感器)可以直接安装到PV电池或者PV模块的后侧。例如，光伏源可以包括暴露于照明的第一表面和与第一表面相对的没有暴露于照明的第二表面。可以考虑在这个示例性实施方案中转换器可以在PV电池和PV模块的第二表面上与光伏源集成在一起。也就是，PV电池或PV模块的非照明表面。
在一些应用中，需要PV模块阵列，因为单个PV模块不能提供足够的功率，例如可以在预定功率应用中是需要的。在实际的PV阵列中获得功率规模存在一些困难。例如，在已知的PV阵列中，不可能不停地增加通过连接获得所需额定功率的PV模块的数量。这是因为会在要被连接的转换器的各输入和输出I-V特性之间产生不相容性。而且，在装配有最大功率点跟踪算法的PV系统中，这种算法不能确定多个PV模块的最大功率点，例如在PV模块阵列中的一子套(subset)独立的PV模块会被遮蔽。该部分遮蔽以下述方式更改了PV阵列的复合I-V曲线的形状：基本上增加了最大功率跟踪的复杂性，从而需要确定局部和全局(global)最大功率点跟踪算法。因此，已知的PV阵列会受限于可以彼此相互连接的PV模块的数量，因此缺乏提供所需功率规模的能力。
应当注意具有根据利用本发明各个方面的输入I-V曲线的转换器提供的另一个优点就是这种转换器的各个输出I-V曲线显示出当彼此连接在一起的时候适于共用电功率的特性，如图6中所示。这是导电地组合来自多个PV模块(例如分别包括PV源84和86的模块80和82)的功率输出。这个优点可以在PV负载转换器的输入I-V曲线不依赖于PV负载转换器的输出时获得，例如在与上述讨论的示例性输入I-V曲线连接的情况下。因此，每个PV负载转换器将起到电源的作用，提供有利的功率规模能力。假设工作负载基本上使用PV源传送的所有的功率，每个转换器成为功率源并且能够以任何需要的方式(例如在串联电路中、在并联电路中或者串联/并联电路组合)与可以是PV模块阵列的一部分的其他这种转换器连接。
虽然上面针对一些示例性输入I-V曲线特性已经描述了具体示例性实施方案，下面关于转换器的输入I-V曲线特性提供一些一般性帮助条件：
1、在PV源的I-V曲线和PV负载转换器的输入I-V曲线的相交处输入I-V曲线的斜率是正的。
2、在与PV源曲线相交的地方所画的PV负载转换器输入曲线的切线应当与Isc(短路电流)下面的电流轴或者Voc(开路电压)下面的电压轴相交。
3、在工作条件下，PV源的I-V曲线和PV负载转换器的输入I-V曲线的相交点应当在最大功率点处或其附近。在该组的所有工作条件下，对至少一个点而言，工作应当在理论最大值。
虽然这里已经示出和描述了本发明的优选实施方案，但是这种实施方案仅仅作为实施例提出。对于本领域技术人员来说可以进行数量改变、变化和替换而脱离此处本发明的范围。因此，本发明仅由附带的权利要求的精神和范围限定。
部件清单
12：转换器
14：光伏(PV)源
16：电负载
20，22，24，26和28：I-V曲线
30：最大功率曲线
32：线性拟和近似
34：三次拟和近似
40：转换器控制电路
42：比例积分微分(proportional integral derivative，PID)控制器
41：加法器(summer)
45：插图(inset)
46：加法器
48：用于显示线性拟和的插图
60：PV系统
62：转换器
64：脉宽调制器(PWM)
66：增益放大器
67：电负载
68：PV源
70：PV源
72：温度传感器
74：电路
80和82：PV模块
84和86：PV源
Q1：半导体功率开关
L1和L2：耦合的电感对
D1：二极管
Cout：滤波电容器
Vsense：检测到的电压
R1和R2：电阻器
K2：常数

Claims (5)

1.一种用于从电能的光伏源中获取电能的设备，该光伏源包括由源电压-电流曲线族定义的发电特性，该源电压-电流曲线族包括在该光伏源的下述中至少一个的各自范围内的最大电功率点：不同照明强度和不同温度，该设备包括：
电阻分压器网络，用于检测来自所述光伏源的电压；
增益放大器，用于接收来自所述电阻分压器网络的所检测的电压，以及放大来自所述电阻分压器网络的所检测的电压；
开关转换器，耦合到所述光伏源，并且包括在输入电压和输入电流之间具有预定函数关系的输入电压-电流曲线，所述预定函数关系构造成提供相对于所述光伏源最大电功率点中至少一些的三次拟合近似，
所述开关转换器还包括开关和脉宽调制器，所述脉宽调制器用于从所述增益放大器接收所放大的检测的电压以建立所述开关转换器的占空周期和来自所述光伏源的电压之间的正比关系，并且用于向所述开关供应门控信号以便在不连续导通的模式中操作所述开关转换器以在所述开关转换器的输入电流、所述开关转换器的输入电压以及所述开关转换器的占空周期的平方之间建立关系、即所述源电压-电流曲线上的最大电功率点中的至少一些的所述三次拟合近似，而不必进行与来自所述光伏源的最大功率相对应的电流和电压计算。
2.根据权利要求1的设备，其中所述开关转换器包括选自逆向和降压-升压型转换器所组成的组的转换器类型。
3.根据权利要求1的设备，包括多个开关转换器，其每个被耦合以从各自的如权利要求1所述的光伏源接收电功率，
其中每个转换器包括在输入电压和输入电流之间具有预定函数关系的输入电压-电流曲线，其构造成提供相对于各自光伏源最大电功率点中至少一些的三次拟合近似，并且进一步地，其中每个转换器输出彼此连接形成电路组合，从而达到输出功率的所需规模。
4.根据权利要求3的设备，其中所述电路组合选自串联电路、并联电路及上述电路的组合所组成的组。
5.根据权利要求3的设备，其中每个转换器包括DC-DC转换器。
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