CN101849293A - 平衡多板系统中太阳能板的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及平衡多个串联连接的光伏单元中电流的系统和方法。在一方面，一个管理单元连接于一个光伏能量产生单元和一组串能量产生单元之间。所述管理单元具有一个连接于所述光伏能量产生单元的能量存储单元(例如一个电容)。所述管理单元进一步包括一个开关来选择性地连接至所述能量存储单元，和将所述光伏能量产生单元连接至所述组串。所述管理单元允许所述组串的电流大于所述光伏能量产生单元的电流。

Description

平衡多板系统中太阳能板的系统和方法
【相关申请】
本发明主张申请于2009年3月25日，申请号为12/411,317号，名称为“平衡多板系统中太阳能板的系统和方法”的美国专利申请、申请于2008年12月2号，申请号为61/200,601，名称为“平衡多板系统中太阳能板的强化系统和方法”的美国临时专利申请以及申请于2008年11月26号，申请号为61/200,279号，名称为“平衡多板系统中太阳能板的强化系统和方法”的美国临时专利申请的权利，这些申请所披露的内容作为本发明的参考。
【技术领域】
本发明的至少一些实施例是关于光伏发电系统，特别是关于(但不限于)光伏发电系统的能量产生性能的改进。
【背景技术】
太阳能系统的安装通常会采取巨大的防护频带(或安全系数)来确保系统产生的电压不会超过美国规定的600伏和欧盟规定的1000伏的电压限制。该限制禁止串联安装更多的太阳能板模组，通常称之为“模组”或“面板”，来减少和路箱或串式逆变器的成本。当太阳能模组串联或网状配置时，可能会是一个问题，即弱的模组不仅产生较少的能量，也影响了其他模组在同一串或同一线路部分内传送能量的能力。
【发明内容】
此处描述的是平衡串联连接的多个光伏单元之间电流的系统和方法。本节将概述本发明的一些实施例。
根据本发明的一方面，一种设备，其包括：产生电能的光伏能量产生单元；连接于所述光伏能量产生单元和能量产生单元的一系列连接件之间的管理单元。所述管理单元包括至少一个第一开关，所述光伏能量产生单元产生第一电流来经所述第一开关给所述能量产生单元的一系列连接件提供电能。所述管理单元设置为允许一个比前述第一电流大的第二电流流经前述能量产生单元的一系列连接件。
在一个实施例中，所述能量产生单元是一个太阳能板中的至少一个太阳能电池；所述管理单元不包括电感并且是集成于太阳能板上的。例如，所述能量产生单元可以是一个太阳能板上的一组串光伏电池的一个子集，或者是一个太阳能板的整套光伏电池。
在一个实施例中，所述管理单元进一步包括一个连接于前述光伏能量产生单元的能量存储单元。当所述第一开关打开时，所述能量产生单元向能量产生单元的一系列连接件提供前述第一电流，所述能量存储单元提供一个第三电流，前述连接件内的第二电流大于或等于前述第一电流和第三电流之和。当所述第一开关关断时，所述能量产生单元和能量存储单元自前述能量产生单元的连接件电性断开，所述管理单元为所述能量产生单元的连接件提供至少一条通路。
在一个实施例中，所述能量存储单元包括一个与所述能量产生单元并联连接的电容。当所述第一开关打开时，所述本地管理单元的输出电压实质上等于所述能量产生单元的输出电压。
在一个实施例中，前述至少一条通路包括一个二极管、一个当第一开关打开时关闭的第二开关以及一个同步整流器中的至少一个。
在一个实施例中，所述管理单元进一步包括一个控制前述第一开关的控制器，所述控制器根据占空比和/或相位移动以及同步脉冲这些参数中的一个来控制前述第一开关。所述控制器可被设置为根据下列因素之一来控制所述第一开关：与所述能量产生单元关联的至少一个运行参数(例如电流、电压以及温度)，一个单独能量产生单元的至少一个运行参数(例如电流、电压以及温度)以及从远程单元接收到的控制信号(例如占空比、相位、电压、功率)。
在一个实施例中，所述占空比取决于所述能量产生单元的最大功率点，取决于所述能量产生单元的最大电流，取决于所述组串中最强单元的电压比，取决于所述组串中最强单元的功率比，和/或取决于所述组串中最强单元的最大功率点功率比。
在一个实施例中，前述管理单元为一个第一管理单元，前述光伏能量产生单元为一个第一光伏能量产生单元，前述设备进一步包括：一个第二管理单元以及一个第二光伏能量产生单元。所述第二管理单元与前述第一管理单元串联。所述第二管理单元包括至少一个第二开关。所述第二光伏能量产生单元通过第二管理单元的第二开关提供电能给所述能量产生单元的一系列连接件。所述第二管理单元允许比第二光伏能量产生单元的电流大的所述第二电流流经所述能量产生单元的系列连接件。
根据本发明的另一方面，一种方法，其包括：提供一个具有第一开关的管理单元，来将一个太阳能能量产生单元连接至一系列能量产生单元的连接件；并决定至少一种参数来控制所述第一开关。所述管理单元具有连接于所述太阳能能量产生单元的能量存储单元。当所述第一开关打开时，所述太阳能能量产生单元向所述能量产生单元的系列连接件提供一个第一电流，所述能量存储单元提供一个第二电流，所述能量产生单元的系列连接件内的第三电流等于或大于前述第一电流和第二电流之和。当所述第一开关关断时，所述太阳能能量产生单元和能量存储单元自所述能量产生单元的系列连接件断开，所述管理单元为所述能量产生单元的系列连接件提供至少一条通路。
在一个实施例中，前述决定参数的步骤包括根据所述太阳能能量产生单元的至少一个运行参数计算占空比来控制所述第一开关。
在一个实施例中，前述至少一个运行参数包括所述太阳能能量产生单元的运行电压，所述方法进一步包括：接收通过多个管理单元分别串联连接的多个太阳能能量产生单元的运行电压，并在所述运行电压中明确一个第一电压，然后根据所述第一电压和所述太阳能能量产生单元运行电压的函数计算所述占空比。
在一个实施例中，所述太阳能能量产生单元为多个太阳能能量产生单元中的第一太阳能能量产生单元，当多个太阳能能量产生单元中的第二太阳能能量产生单元提供所有多个太阳能能量产生单元中的最高功率时，所述第一电压为所述第二太阳能能量产生单元的运行电压，所述占空比至少部分取决于所述第一和第二太阳能能量产生单元的运行电压之间的比例。
在一个实施例中，所述方法进一步包括：调整所述占空比直至侦测到第二太阳能能量产生单元的运行电压出现减小，然后取消引起该减小的对占空比的前述调整。
在另一个实施例中，所述方法进一步包括：调整所述占空比直至侦测到第二太阳能能量产生单元的运行电压出现减小，然后相应于该减小，减小连接至第二太阳能能量产生单元的本地管理单元的占空比来增加所述第二太阳能能量产生单元的运行电压。在一个实施例中，所述第二太阳能能量产生单元的占空比一直减小直到所述第二太阳能能量产生单元的运行电压最大化。
在一个实施例中，所述方法进一步包括：根据至少一个运行参数确定所述太阳能能量产生单元在最大功率点的一个电压，并调整所述占空比来朝着前述最大功率点的电压改变所述太阳能能量产生单元的运行电压。
在一个实施例中，所述太阳能能量产生单元为多个太阳能能量产生单元中的第一太阳能能量产生单元，所述方法进一步包括：接收串联连接的多个太阳能能量产生单元的运行参数；根据至少一个运行参数确定所述第一太阳能能量产生单元的一个第一最大功率点；确定所有多个太阳能能量产生单元中具有最高运行电压的一个第二太阳能能量产生单元，确定所述第二太阳能能量产生单元的一个第二最大功率点；根据所述第一最大功率点电压和第二最大功率点电压计算一个目标电压；调整所述占空比来驱动第一太阳能能量产生单元的运行电压至目标电压。
在一个实施例中，所述方法进一步包括调整所述占空比来增加第一电流。
在一个实施例中，所述方法进一步包括调整所述占空比来改变所述太阳能能量产生单元的运行电压，来增加太阳能能量产生单元的整个组串的输出功率。
本发明包括执行这些方法的方法和设备，包括执行这些方法的数据处理系统，包括包含指令的计算机可读媒体，当在数据处理系统上执行这些指令时可使该系统执行这些方法。
本发明的其他特征将在接下来的附图以及具体实施方式中清楚揭示。
【附图说明】
本发明的具体实施例将通过举例的方式显示，但并不局限于附图中所示的结构，其中附图中类似的标号表示相似的元件。
图1-3显示的是根据本发明一些实施例中的本地管理单元。
图4显示的是本发明一个实施例中的光伏系统。
图5显示的是本发明一个实施例中的太阳能板。
图6-8显示的是根据本发明的一些实施例，提高光伏系统性能的方法。
【具体实施方式】
接下来的描述和图示仅仅是作为说明，不能解释为对本发明的限制。为透彻理解本发明，本说明讲述了许多具体的细节。但是，在某些情况下，为避免使本说明不清楚，一些熟知或现有的细节没有描述。本说明书中提到的一个或一实施例并不一定指的是同一个实施例，其表示至少一个实施例。
当太阳能模组串联连接或者网状配置时，可能存在弱的模组不仅产生的能量较少，而且影响同一串或同一线路上的其他模组的问题。在大多数商业安装的模组组串中，通过测量，可以判断出一些模组比其他模组弱，这样，相对于每一模组单独运行的情况，将各模组串联连接的该组串产生的能量会比每一模组单独运行产生的能量总合少。
本发明的至少一个实施例提供一种开启和关断一组串中较弱模组的方法和系统，该组串总线上来自好模组的电流不会受弱模组的影响。
图1-3显示的是本发明一些实施例中的本地管理单元。在图1-3种，本地管理单元101用于周期性地开启和关断太阳能模组，来提高至少部分串联连接的光伏系统的能量产生性能。
在图1中，管理单元101对于太阳能模组102是本地管理单元，并能够通过开关Q1106周期性地将该太阳能模组102连接至串行电源总线103，来提高串联连接至串行电源总线103的一串太阳能模组的总电能输出。
所述本地管理单元101可以包括一个控制太阳能模组102运行的太阳能模组控制器，以及/或一个用于传递能量和/或数据通信，提供太阳能模组102与串行电源总线103的连通的连接模组单元。
在一个实施例中，控制开关Q1106的运行的命令通过光伏组串总线(电源线)传送至所述本地管理单元101。可选择地，可以使用单独的网络连接来传输数据和/或命令至/从所述本地管理单元101。
在图1和图2中，传输至本地管理单元101的输入104a、104b、104c是分别图示的。然而，所述输入104a、104b、104c不一定必须是通过单独的连接与本地管理单元通信。在一个实施例中，本地管理单元是通过所述串行电源总线103接收所述输入。
在图1中，所述太阳能模组102与所述本地管理单元的电容C1105并联连接。本地管理单元101的二极管D1107在串行电源总线103内串联连接，所述串行电源总线103可以是或者也可以不是太阳能模组的总体网状结构的一部分。本地管理单元的开关Q1106可以选择性地通过二极管D1107将所述太阳能模组和电容C1从一个并联连接连接或断开，这样将所述太阳能模组从所述串行电源总线103连接或断开。
在图1中，所述本地管理单元101的一个控制器109根据这些参数控制所述开关106的运行，例如占空比104a，相位104b，以及同步脉冲104c。
在一个实施例中，控制器109通过串行电源总线103或单独的数据通信连接(例如单独的数据总线或无线连接)从远程管理单元接收所述参数104a、104b、104c。在一些实施例中，控制器109可以与连接至串行电源总线103上的其他本地管理单元通信来获取连接至串行电源总线103上的太阳能模组的运行参数并根据收到的运行参数计算前述参数(例如104a、104b)。在一些实施例中，控制器109可以根据所述太阳能模组102的运行参数和/或控制器获取的测量值来决定所述参数(例如104a、104b)，不需要与其他太阳能模组的其他本地管理单元或远程管理单元通信。
在图2中，一个系统100包括连接至所述太阳能模组102的本地管理单元101。所述本地管理单元101连接于太阳能模组102和组串总线103之间以提高串行电源总线上的整个组串的总的输出电压。传送至所述本地管理单元101的命令可以通过光伏组串总线(电源线)103传输。为使图示更加清楚，输入给本地管理单元101的控制器109的输入104a、104b、104c是分别单独画出的，其并不意味这些输入是分别通过不同的连接提供给所述本地管理单元101的以及/或来自于所述本地管理单元101外部的。例如，在有些实施例中，控制器109可以根据本地管理单元101获取的测量值计算所述参数104a、104b、104c，可以或不需要通过串行电源总线103通信(或通过单独的数据通信连接与其它管理单元通信)。
在图2中，本地管理单元101的一侧与太阳能模组102并联连接，另一侧与一串其他模组串联连接，所述其他模组可以是也可以不是整个网状结构的一部分。位于其他单元之中的本地管理单元101可以接收三个输入或多种输入数据，其包括：a)可以表示为太阳能模组102通过开关Q1106连接至串行电源总线103的时间的百分比(例如从0到100％)的要求的占空比104a，b)相位移动的度数(例如从0度到180度)，以及c)时间或者同步脉冲104c。这些输入(例如104a、104b、104c)可以是以不相关联的信号的形式提供，或者可以以网络数据提供，或者通过电源线或无线网络发送的混合信号，以及在其他实施例中以任何输入形式相结合的方式提供的输入。
在图2中，本地管理单元101周期性地连接太阳能模组102至组成串行电源总线103的组串，或者从组成串行电源总线103的组串断开所述太阳能模组102。可以用许多方法来计算开关Q1106的运行的占空比和相位，以提高系统的性能，后面将详细介绍。
在图2中，本地管理单元包括一个电容C1105和一个开关Q1106以及一个二极管D1107。在图2中，二极管D1107由一个附加的开关Q2108补充，其充当一个增加效率的同步整流器。在一个实施例中，当开关Q1106关闭(打开)时，该附加开关Q2108打开(关闭)以将太阳能模组102(和电容C1105)连接至串行电源总线103。
在一些实施例中，会使用一个包括一个串联线圈和一个并联电容的滤波器(未图示)。滤波器可以放置在本地管理单元或设置在保险丝盒或者逆变器前面，或者作为前述这些结构的任何一个的一部分。
在图2中，控制器109用于处理输入信号(例如104a，104b，104c)并驱动开关Q1106和开关Q2108。在一个实施例中，控制器109是一个小信号芯片微控制器(SCMC)。例如，控制器109可以使用特定程序集成电路(ASIC)或者现场可编程门阵列(FPGA)。控制器109甚至可以分立实施，也可以是功能相当的电路，或在其他实施例中，控制器可以是SCMC和分立电路的结合。
在一个实施例中，控制器109并联连接至太阳能模组102来获取运行所需的电能，并且控制器109连接至串行电源总线103来获取从连接至串行电源总线103的其他管理单元发送的信号。
通过周期性地将模组102(或成群的电池，或一个电池)连接至或断开自所述组串，本地管理单元101可以降低与组串总线103冲突的电压(例如贡献至组串总线103的较低的平均电压)以及可以使得与组串总线103冲突的电流升高，如果其不是弱的模组，可以使其更接近其本来应当达到的水平，产生更高的总电能输出。
在一个实施例中，较佳地，可以使用不同相位来运行同一串的不同本地管理单元内的开关，以最小化组串上的电压差异。
在图3中，本地管理单元101提供两个连接器112、114与其它本地管理单元串联连接以形成串行电源总线103。控制器109控制开关Q1和Q2的状态。
在图3中，当控制器109开启开关106时，面板电压和电容C1105并联连接至所述连接器112、114。连接器112、114之间的输出电压实质上与输出面板电压相同。
在图3中，在开关106关断(打开)阶段，控制器109打开(关断)开关108来在二极管D1107周围提供一条通路来提高效率。
在图3中，当开关106关断(打开)时，面板电压给电容C1105充电，这样当开关106打开时，太阳能板和电容105共同提供流经连接器112、114的电流，允许比太阳能板的电流更高的电流在组串(串行电源总线103)内流动。当开关106关断(打开)时，即使开关106是由于某些原因关断的，二极管D1107也在连接器112和114之间提供一条通路来维持组串内的电流。
在一个实施例中，控制器109连接至面板电压(图3中未示出)以获取控制开关Q1106和Q2108所需的电能。在一个实施例中，控制器109进一步连接至前述至少一个连接器来从该组串发射和/或接收信息。在一个实施例中，控制器109包括测量太阳能板的运行参数的传感器(图3中未示出)，测量例如面板电压、面板电流、温度以及光线强度等。
图4显示根据本发明一实施例的光伏系统200。在图4中，光伏系统200由一些组件组成，包括光伏模组201a、201b......201n，本地管理单元202a、202b......202n，逆变器203以及一个系统管理单元204。
在一个实施例中，系统管理单元204是逆变器203、和路箱206、本地管理单元或一个独立单元的一部分。太阳能模组201a、201b......201n分别并行连接至本地管理单元202a、202b......202n，其串联连接形成一个组串总线205，其最终连接至一个逆变器203和管理单元204。
在图4中，组串总线205可以直接连接至逆变器203、网状网络的一部分、路箱或者保险丝箱(未图示)。可以使用一个单独的本地管理单元作为和路箱206，以在连接至逆变器203之前来调整所有电压；或者可以使用一个或多串逆变器。为限制总线电压的变化，管理单元204可以为每一本地管理单元202a、202b......202n安排不同的相位。在一个实施例中，在任何特定时间，最多可以是预先设定的数量的太阳能模组自总线断开(例如预先设定的是最大可以有一个太阳能模组自总线断开)。
在一个实施例中，不止模组连接，本地管理单元也可具有信号输入，包括但不限于占空比104a、相位104b以及同步脉冲104c(例如用于保持本地管理单元同步)。在一个实施例中，相位104b和同步脉冲104c用于进一步提高性能，但本地管理单元101不需要他们也能工作。
在一个实施例中，本地管理单元可以提供输出信号。例如，本地管理单元101可以测量模组侧的电流和电压并随意测量组串侧的电流和电压。本地管理单元101也可以提供其他适合的信号，包括但不限于光线、温度(包括环境温度和模组温度)等的测量值。
在一个实施例中，本地管理单元101的输出信号通过电源线传输(例如通过电源线通信(PLC))或者通过无线传输。
在一个实施例中，系统管理单元204接收光线传感器、温度传感器的传感输入信号来控制光伏系统200，其中传感器可以是一个或多个，一个用于感测环境参数，一个用于感测太阳能模组参数，或者同时测量两者的参数。在一个实施例中，所述信号也可以包括同步信号。例如，管理单元可以周期性地发送同步信号来设定时间值等。
使用所述的方法，本地管理单元可以是很便宜并很可靠的装置，其能很轻易地将光伏太阳能系统的生产能力提高一定的百分比(例如一位数或小两位数的百分比)。这些变化的控制也允许安装者使用这种系统，例如通过切断一些或所有模组，来控制开路电路电压(VOC)。例如，通过使用所述系统的本地管理单元，如果一个组串将达到规定的电压限制时，可以从该组串中断开一些模组，这样可以在一个组串中安装更多的模组。
在一些实施例中，本地管理单元也可用于太阳能板内，用于控制太阳能板内太阳能电池与太阳能电池组串的连接。
图5显示本发明一个实施例的一个太阳能板。在一个实施例中，所述太阳能板300包括几串太阳能电池(例如每一模组三个太阳能电池串)。在图5中，本地管理单元101可以用于一个单独的太阳能板300的一个组串内的多组电池301，或者在某些实施例中，用于一个太阳能板中的每一电池301。
在图5中，一组连接至一个本地管理单元101的太阳能电池301可能互相串联、或并联或者网状连接。一定数量的本地管理单元101连接一个组串中的多组太阳能电池301来提供所述太阳能板300的输出。
本发明的一些实施例包括决定连接至一个组串或者网状太阳能模组的本地管理单元的占空比和/或相位的方法。
在一些实施例中，一个组串或者网状物中的所有本地管理单元的占空比是可以改变的，来增加或者减小该组串的电压。可以通过调整占空比来避免超过允许的最大电压。例如最大允许电压可能受限于和路箱206、逆变器203或任何其他连接至组串总线205的负载，或者受限于适用于本系统的任何规则。在一些实施例中，通过调整占空比来排列多个组串的电压。
在一些实施例中，可以改变一个组串中的本地管理单元101的占空比来提高本地管理单元101中的电流以及获取更高的总体电能。
在一个实施例中，通过相应的本地管理单元101计算连接至一个组串的太阳能板的占空比。所述占空比可以通过测量的太阳能模组的电流和电压和/或温度来计算。
当最初的一组占空比应用于所述太阳能模组之后，所述占空比可以被进一步优化调整和/或重调整而改变，例如一次一步地移除遮蔽物等，来提高电源性能(例如，增加电源输出，增加电压，增加电流等)。在一个实施例中，计算所述太阳能模组的目标电压，通过调整占空比来驱动模组电压至目标电压。
计算太阳能模组占空比的方法也可用于计算太阳能模组内的多组太阳能电池的占空比。
图6-8显示根据本发明的一些实施例提高光伏系统性能的方法。
在图6中，步骤401：接收一个太阳能能量产生单元的至少一个运行参数，所述太阳能能量产生单元是通过一个管理单元连接至一个组串。步骤403：确认所述管理单元的占空比来连接所述太阳能能量产生单元至组串。所述太阳能能量产生单元可以是一个太阳能模组、一个太阳能模组内的一组太阳能电池或一个太阳能模组内的一个组串中的一个太阳能电池。步骤405：通过调整占空比来优化太阳能能量产生单元和/或该串的性能。
例如，通过调整占空比来增加该组串和/或所述太阳能能量产生单元的电流，来增加该组串和/或所述太阳能能量产生单元的输出功率，来增加太阳能能量产生单元的电压等。
在图7中，步骤421，接收串联连接的多个太阳能板的运行电压。步骤423：确定整个组串中具有最高运行电压(最高输出功率)的第二太阳能板。
在图7中，步骤425：根据所述第一太阳能板和所述第二太阳能板的运行电压的比例来计算所述第一太阳能板的占空比。可选择地，可以根据第一太阳能板和第二太阳能板的输出功率的比例来计算所述占空比。可选择地，可以根据第一太阳能板和第二太阳能板估计或计算的最大功率点电压的比例来计算所述占空比。可选择地，可以根据第一太阳能板和第二太阳能板估计或计算的最大功率点功率的比例来计算所述占空比。
步骤427：调整所述第一太阳能板的占空比来提高所述第一太阳能能量产生单元或者该组串的性能，直到侦测到所述第二太阳能板的运行电压出现减小。例如，可以调整第一太阳能板的占空比来增加整个组串的输出功率，来增加整个组串的电流，来增加所述第一太阳能板的电流，来驱动所述第一太阳能板的电压至目标电压，例如根据其电流运行参数估算其最大功率点电压，例如使用估算的最大功率点电压计算的电压或温度。
在图7中，步骤429，相应于侦测到具有最高运行电压的第二太阳能板的运行电压出现减小，取消或保留引起前述减小的对所述第一太阳能板占空比进行的调整。
在图7中，选择性地减小第二太阳能板的占空比来增加第二太阳能板的运行电压。在某些实施例中，可以预先设置，最强太阳能板(或符合最强太阳能板的门限以内的较强的太阳能板)永不会掉线(例如具有预定的100％的占空比)。
在一个实施例中，第二太阳能板的占空比重复减小直到判断出继续减小第二太阳能板的占空比不能增加第二太阳能板的电压为止(步骤431)。
在图8中，步骤441：接收多个串联连接的太阳能板的运行参数。步骤443：确定一个第一太阳能板的一个第一最大功率点电压。步骤445：确定整个组串中具有最大运行电压(或输出功率)的一个第二太阳能板。步骤447：根据接收到的运行参数确定所述第二太阳能板的一个第二最大功率点电压，用于计算所述第一太阳能产生单元的目标电压(步骤449)。在一个实施例中，所述目标电压是第一和第二最大功率点电压以及该组串中所述第二太阳能板的最高运行电压的函数。调整所述第一太阳能能量产生单元的占空比来驱动第一太阳能板的运行电压至目标电压。
可选择地，所述目标电压可以是设定的所述第一太阳能板的第一最大功率点电压。
在一个实施例中，同一因素应用于整个组串的所有模组来调整电压。例如在一个实施例中，第一模组A1只运行80％，整个组串的电压需要下调5％，则模组A1的占空比为80％乘以整个组串的占空比(例如为Y)，则模组A1的占空比为Y×0.8。
在一些实施例中，系统管理单元204和/或本地管理单元(例如：202a、202b......202c)可以是单独使用或结合使用，来决定这些参数，以控制所述开关的运行。
例如，在一个实施例中，系统管理单元204是系统的“大脑”，其决定所述占空比和相位参数。
例如，在另一个实施例中，每一本地管理单元向同一串的其他本地管理单元广播信息来允许各自的本地管理单元决定他们自己的占空比和相位参数。
在一些实施例中，一个本地管理单元可以指示一个或多个其他本地管理单元来调整空比和相位参数。例如，在组串总线205上的所述本地管理单元可以选择一个本地管理单元来计算整串上的其它本地管理单元的占空比和相位参数。
例如，在一些实施例中，系统管理单元204可以决定一个或多个整体参数(例如整体占空比，整串的最大功率，整串的最大电压等)，各个本地管理单元基于这些参数调整自己的占空比。
在一些实施例中，本地管理单元可以决定其自己的占空比而不需要与其他管理单元相互交流。例如，本地管理单元可以调整其占空比，以将其太阳能模组连接至所述组串，以在最大功率点运行该太阳能模组。
在一个实施例中，所述模组电压是由同一组串的本地管理单元在实质/大约同一时间测量，并被用于确定所述最强太阳能模组。一个最强太阳能模组提供整个组串的最强功率。由于所述模组为串联连接，在一个组串中具有最高模组电压的太阳能模组可以被认为是前述最强太阳能模组。在一些实施例中，测量太阳能能模组的运行电压和电流来决定太阳能模组的功率。
在一个实施例中，确认所述组串中的最高模组电压Vm之后，可以通过模组电压V和最高模组电压Vm的比例的函数来计算每一模组的占空比。例如，一个模组的占空比可以通过公式1-((Vm-V)/Vm)＝V/Vm计算。
在一个实施例中，所述系统管理单元204可以从来自于本地管理单元202a、202b......202n的多个模组电压中确认所述最高模组电压，并计算相应的本地管理单元202a、202b......202n的占空比。
在一个实施例中，本地管理单元202a、202b......202n可以在所述组串总线205上报告其模组电压，来允许各个本地管理单元202a、202b......202n来确认所述最高模组电压并计算占空比，而不需要回应所述系统管理单元。
在一个实施例中，其中一个本地管理单元202a、202b......202n就可以识别最高模组电压和/或为其他本地管理单元202a、202b......202n计算占空比。
在一个实施例中，周期性地决定和/或调整所述占空比。
在一个实施例中，在所述组串上的太阳能模组的占空比在基于所述组串的模组电压与最高模组电压的比例设定之后，可以对所述占空比进行优化来提高功率性能。所述占空比可以一次一步的优化，直到侦测到具有最高功率的模组的电压出现减小。相应于该减小，可以保留(取消)引起所述减小的最后改变。所述对占空比的优化调整可用于达到峰值性能点(例如，追踪最大功率点)。
在一个实施例中，确定最强模组之后，调整所述组串上的太阳能模组的占空比，直到具有所述组串中最强功率的所述太阳能模组的电压出现减小。与通过调整组串中其他太阳能模组的占空比能够减小其电压相对应的，通过减小一个太阳能模组的占空比会减小其连接至所述组串的时间段，而可以增加其电压，所以可以通过减小所述组串中具有最强功率的模组的占空比来增加其电压。例如，可以减小具有整串中最强电能的模组的占空比直到其电压达到最大值。
在一个实施例中，本地管理单元为有些方法测量模组和周围温度来决定所述占空比。例如在本地管理单元(例如202a、202b......202n)测量的运行参数，例如模组温度，可以被用于计算太阳能模组在最大功率点的估算电压。例如，由Nalin K.Gautam和N.D.Kaushika在2002年4月第4期第27卷《能量》杂志第347-261页“模拟太阳能光伏矩阵的有效法则”中介绍的公式可以用于计算太阳能模组在最大功率点的电压Vmp。也可以使用其它公式。一旦太阳能模组的最大功率点电压Vmp计算或估算出来之后，由于减少太阳能模组的占空比能够增加其电压，就可以调整太阳能模组的占空比来驱动模组电压至计算/估算的最大功率点电压Vmp。
在一个实施例中，一个本地管理单元可以调整连接至所述本地管理单元的所述太阳能模组的占空比来改变所述模组电压至计算/估算的最大功率点电压Vmp，而不必与其他管理单元通信。
在一个实施例中，一个本地管理单元(或一个系统管理单元)可以调整连接至所述本地管理单元的太阳能模组的占空比来执行最大功率点追踪。
在一个实施例中，确定最强模组和计算/估算最强模组的最大功率点电压Vmpm之后，可以通过所述模组的最大功率点电压Vmp和所述最强模组的最大功率点电压Vmpm之间的比例的函数来计算一个组串中的每一模组的占空比。例如，一个模组的占空比可以计算为1-((Vmpm-Vmp)/Vmpm)＝Vmp/Vmpm。可以基于测量的当前运行参数，周期性地更新所述占空比，和/或优化调整所述占空比直到侦测到所述最强模组的电压出现减小。
可选择地，可以通过模组的最大功率点电压Vmp与最强模组的最大功率点电压Vmpm的比例的函数，来计算该组串中的每一模组的目标电压。例如，一个模组的目标电压可以计算为Vm×Vmp/Vmpm，其中Vm是所述最强模组的测量电压。可以改变所述模组的占空比来驱动所述模组电压至目标电压。
在一个实施例中，确认最强模组和计算/估算最强模组的最大功率点功率Pmpm之后，可以通过所述模组的最大功率点功率Pmp和所述最强模组的最大功率点功率Pmpm之间的比例的函数，来计算所述组串中的每一模组的占空比。例如，一个模组的占空比可以计算为1-((Pmpm-Pmp)/Pmpm)＝Pmp/Pmpm。由于减小占空比通常能够增加模组电压，可以基于测量的当前运行参数周期性地更新所述占空比，和/或优化调整所述占空比，直到侦测到最强模组的电压出现减小。
在一个实施例中，可以通过模组的最大功率点功率Pmp和最强模组的最大功率点功率Pmpm的比例的函数，来计算所述组串中的每一模组的目标电压。例如，一个模组的目标电压可以计算为Vm×Vmp/Vmpm，其中Vm是最强模组的测量电压。由于减小占空比通常增加模组电压，可以改变所述模组的所述占空比来驱动所述模组电压至所述目标电压。
在一个实施例中，改变每一本地管理单元的占空比来增加连接至该本地管理单元的太阳能模组的电流(例如基于太阳能模组的电压和电流的测量值)，直到达到最大电流。通过驱动每一本地管理单元至最大电流，该方法可以一定精度地预测出所述组串的最大功率。在一个实施例中，通过测量太阳能模组的电压和电流来调整所述占空比，来追踪所述组串的最大功率点。对所述太阳能模组的电压和电流的测量，也使得本地管理单元可以用作一个模组水平监视系统。
所述占空比可以由所述系统管理单元(例如204)根据所述本地管理单元(例如202a、202b......202n)报告的测量值来调整，或者直接由本地管理单元(例如202a、202b......202n)来调整。
在一个实施例中，在设置和/或调整占空比期间，需要冻结(临时停止)由逆变器执行的最大功率点追踪的操作。此时，监视太阳能模组的光线强度变化，当太阳能模组的光线强度很稳定时，才测量所述太阳能模组的电压和电流来决定所述占空比。然后正常的运行再重新开始(例如解冻追踪最大功率点的操作)。
在一个实施例中，所述本地管理单元测量所述太阳能模组的电压和电流来决定所述太阳能模组的功率。确定所述组串中所述太阳能模组的最高功率Pm之后，所述组串的太阳能模组的占空比可以由最高功率Pm的功率比例来决定。例如，如果一个模组产生20％的低功率，其将被从该组串中断开20％的时间。例如，如果一个模组产生功率P，其占空比可以设置为1-((Pm-P)/Pm)＝P/Pm。
在一个实施例中，可以使用预设门限来选择弱的模组来实施占空比。例如，在一个实施例中，当模组产生的电能低于最大功率Pm的预设百分比时，计算所述太阳能模组的占空，比并对所述太阳能模组实施占空比。如果所述模组高于门限值，则所述模组不会被断开连接(这样就具有100％的占空比)。门限值可以基于所述功率设定，或者基于所述模组电压设定。
在一个实施例中，所述系统管理单元204找出所述本地管理单元202a、202b......202n的占空比，并通过有线或无线连接向所述本地管理单元202a、202b......202n发送数据和/或信号来显示所述占空比。可选择地，所述本地管理单元202a、202b......202n可以互相通信来获取所述参数来计算所述占空比。
在一个实施例中，所述系统管理单元204知道指示给所有本地管理单元202a、202b......202n的不同占空比。
在一个实施例中，在功率优化调整期间，所述系统管理单元204发送适当的数据/信号给适当的本地管理单元202a、202b......202n，然后所述系统管理单元计算所述组串的总功率和正确的占空比来产生最大功率。一旦获得最大功率后，所述本地管理单元的占空比可以储存于一个数据库中，并作为对应的本地管理单元在第二天同一时间的起始点。可选择地，所述本地管理单元可以将所述占空比储存于其记忆体中供第二天使用。
当一个模组上出现固定的阴影时，例如烟囱、树等在任何一天的同一时间具有相同的阴影时，就可以使用之前存储的占空比。可选择地，也可以不存储历史数据，而是例如每隔30分钟，在每次运行时抓取计算所述占空比。
在一个实施例中，对所述太阳能模组上的光线强度变化进行监视。如果照射在所述太阳能模组上的太阳光发生变化，系统在实施调整占空比之前将进行等待，直到环境稳定之后才开始实施。
在一个实施例中，所述系统管理单元204也可与所述逆变器通信。当环境不稳定时(例如太阳光照射正在变化时)，所述逆变器可以停止最大功率点追踪。在这样的情况下，所述逆变器是为其负载而设立，而不是用于追踪最大功率点。与利用逆变器来执行最大功率点追踪相反，所述系统管理单元204和所述本地管理单元202a、202b......202n是用于设定运行参数和平衡所述组串。
可选择地，当环境不稳定，但测量和计算比工作的MPPT进行得更快时，则可能不需要停止逆变器上的MPPT。可选择地，当环境不稳定时，对于同一光线可以测量几次，直到获取稳定的结果。
在不脱离本发明的精神下，本发明的系统和方法可以有各种变化。例如可以增加额外的组件，或者有些组件可以替换。例如，除了使用电容作为最初的能量存储外，也可以使用电感，或者同时使用电容和电感。同样，在不脱离本发明的精神下，所述微控制器或处理器的硬件和固件的平衡也是可以变化的。在一些实施例中，只有一些有问题的模组具有本地管理单元，例如被遮盖或者部分被遮盖或其他不同情况的模组。在其他实施例中，强的模组的本地管理单元实际上可以关闭。用于决定太阳能模组占空比的方法也可通过太阳能模组/太阳能板内的一个组串中的本地管理单元用于决定多组太阳能电池的占空比。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (20)

1.一种设备，其包括：
一个用于产生电能的光伏能量产生单元；以及
一个管理单元，其连接于所述光伏能量产生单元和光伏能量产生单元的一系列连接件之间，所述管理单元具有至少一个第一开关，所述光伏能量产生单元产生一个第一电流，通过所述管理单元的所述第一开关向所述能量产生单元的所述系列连接件提供电能，所述管理单元允许一个高于前述第一电流的第二电流流经所述能量产生单元的所述系列连接件。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述管理单元进一步包括一个连接至所述光伏能量产生单元的能量存储单元；
其中，当所述第一开关打开时，所述能量产生单元向所述能量产生单元的系列连接件提供所述第一电流，所述能量存储单元提供一个第三电流，前述第二电流等于或大于所述第一电流和第三电流之和。
其中，当第一开关关断时，所述能量产生单元和所述能量存储单元自所述能量产生单元的系列连接件电性断开，所述管理单元为所述能量产生单元的所述系列连接件提供至少一条通路。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述能量存储单元包括一个与所述能量产生单元并联连接的电容；当所述第一开关打开时，所述本地管理单元的输出电压实质上等于所述能量产生单元的输出电压。
4.如权利要求3所述的设备，其中前述至少一条通路包括下列至少一种：
一个二极管，
一个第二开关，其中，当前述第一开关打开时，前述管理单元关断前述第二开关；以及
一个同步整流器。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述管理单元进一步包括一个根据占空比来控制前述第一开关的控制器。
6.如权利要求5所述的设备，其中前述控制器根据相位切换和同步脉冲中的至少一个参数进一步控制前述第一开关。
7.如权利要求5所述的设备，其中前述控制器是根据下列的其中一种来控制前述第一开关：
与前述能量产生单元相关的至少一个运行参数；
一个单独能量产生单元的至少一个运行参数；以及
从远程单元接收的一个控制信号。
8.如权利要求5所述的设备，其中前述与所述能量产生单元关联的至少一个运行参数包括电流、电压和温度中的其中一个；所述占空比是基于所述能量产生单元的一个最大功率点。
9.如权利要求1所述的设备，其中前述管理单元为一个第一管理单元，前述光伏能量产生单元为一个第一光伏能量产生单元；前述设备进一步包括：
一个第二管理单元和一个第二光伏能量产生单元，所述第二管理单元串联连接至所述第一管理单元，所述第二管理单元具有至少一个第二开关，所述第二光伏能量产生单元通过所述第二管理单元的所述第二开关向所述能量产生单元的系列连接件提供电能，所述第二管理单元允许前述第二电流流经所述能量产生单元的系列连接件，其中所述第二电流大于来自所述第二光伏能量产生单元的一个电流。
10.如权利要求1所述的设备，其中所述能量产生单元为一个太阳能板的至少一个太阳能电池，所述管理单元不包括电感并且是集成于所述太阳能板上的。
11.一种方法，其包括：
提供一个管理单元，所述管理单元将一个太阳能能量产生单元连接至一个能量产生单元的一系列连接件，所述管理单元具有一个第一开关和一个连接至所述太阳能能量产生单元的能量存储单元；以及
决定至少一个参数来控制前述第一开关；
其中，当前述第一开关打开时，前述能量产生单元提供一个第一电流给前述能量产生单元的所述系列连接件，所述能量存储单元提供一个第二电流，所述能量产生单元的所述系列连接件的第三电流大于或等于前述第一电流和第二电流之和；以及
其中，当前述第一开关关断时，所述太阳能能量产生单元和所述能量存储单元自前述能量产生单元的系列连接件断开，所述管理单元为所述能量产生单元的系列连接件提供至少一条通路。
12.如权利要求11所述的方法，其中前述决定至少一个参数的步骤包括：基于所述太阳能能量产生单元的至少一个运行参数，计算一个占空比来控制前述第一开关。
13.如权利要求12所述的方法，其中前述至少一个运行参数包括所述太阳能能量产生单元的一个运行电压；所述方法进一步包括：
接收通过多个管理单元串联连接的多个太阳能能量产生单元的运行电压；以及在所述运行电压中明确一个第一电压；
其中所述占空比是根据所述第一电压和所述太阳能能量产生单元的运行电压的一个函数计算的。
14.如权利要求13所述的方法，其中前述太阳能能量产生单元为多个能量产生单元中的第一太阳能能量产生单元，其中，当所述多个太阳能能量产生单元的一个第二太阳能能量产生单元提供多个太阳能能量产生单元中的最高功率时，所述第一电压为所述第二太阳能能量产生单元的一个运行电压，所述占空比至少部分基于所述第一太阳能能量产生单元和第二太阳能能量产生单元的运行电压之间的比例。
15.如权利要求14所述的方法，其进一步包括：
调整所述占空比，直到侦测到所述第二太阳能能量产生单元的运行电压出现减小；以及
取消引起前述减小的对前述占空比的调整。
16.如权利要求14所述的方法，其进一步包括：
调整所述占空比，直到侦测到所述第二太阳能能量产生单元的运行电压出现减小；以及
相应于前述减小，减小连接于前述第二太阳能能量产生单元的一个本地管理单元的占空比来增加所述第二太阳能管理单元的运行电压。
17.如权利要求12所述的方法，其进一步包括：
基于前述至少一个运行参数，明确所述太阳能能量产生单元在最大功率点的电压；以及
调整所述占空比，朝前述最大功率点电压来改变所述太阳能能量产生单元的运行电压。
18.如权利要求12所述的方法，其中所述太阳能能量产生单元为多个太阳能能量产生单元中的一个第一太阳能能量产生单元；所述方法进一步包括：
接收串联连接的多个太阳能能量产生单元的运行参数；
根据所述至少一个运行参数，明确所述第一太阳能能量产生单元的一个第一最大功率点电压；
明确一个第二太阳能能量产生单元，其具有所述多个太阳能能量产生单元中的最大运行电压；
明确所述第二太阳能能量产生单元的一个第二最大功率点电压；
基于前述第一最大功率点电压和第二最大功率点电压计算一个目标电压；以及
调整所述占空比，来朝前述目标电压驱动所述第一太阳能能量产生单元的运行电压。
19.如权利要求12所述的方法，其进一步包括：
调整所述占空比来增加所述第一电流。
20.如权利要求12所述的方法，其进一步包括：
调整所述占空比来改变所述太阳能能量产生单元的运行电压，来增加一组串太阳能能量产生单元的输出电压，该组串包括前述太阳能能量产生单元。
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