CN102075104A - 具有多个输入端子和两个输出端子的转换装置和使用其的光伏系统 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种具有多个输入端子和两个输出端子的转换装置，其用于将来自电源的直流(DC)电力转换为交流(AC)电力。所述转换装置包含：N对输入电极(N为整数且N≥2)，其经配置以接收来自所述电源的所述DC电力；N个最大功率点跟踪器，其各自耦合到所述N对输入电极中的一对，其经配置以跟踪从所述N对输入电极中的所述一对接收的所述DC电力的最大功率操作点；两个DC/DC转换器，其各自耦合到所述N个最大功率点跟踪器中的一者，其经配置以转换从所述N个最大功率点跟踪器中的所述一者接收的DC电压；DC/AC换流器，其耦合到所述N个DC/DC转换器，其经配置以将由所述N个DC/DC转换器提供的N个DC电压转换为AC输出信号；以及控制器，其耦合到所述N个DC/DC转换器和所述DC/AC换流器，其经配置以控制所述N个DC/DC转换器的DC/DC转换操作和所述DC/AC换流器的DC/AC转换操作。

Description

具有多个输入端子和两个输出端子的转换装置和使用其的光伏系统 
技术领域
本发明大体上涉及转换装置和光伏系统，且更特定来说，涉及可将DC电力从三端子、四端子或多端子光伏模块转换到AC电力的具有多个输入端子和两个输出端子的转换装置以及使用其的光伏系统。 
背景技术
环境问题和对相对于矿物燃料能源的替代能源的探寻已驱动对光伏系统的需要，光伏系统可将日光处理为电力以用于为家庭或小的商业场所供电。 
常规的光伏电力系统通常包含常常称为阵列的多个互连的光伏模块，以及一个或一个以上换流器，其耦合到所述光伏模块以将来自光伏模块的DC电力转换为AC电力。随着太阳能的产生在成本和效率方面变得有竞争性，有可能将更广泛地使用太阳能。因此，已投入较大的努力来改善总体功效并减少光伏电力系统的成本。 
改善光伏模块的功效的一种方式是堆叠具有不同吸收能量边缘的两个光伏装置，即形成所谓的多结(MJ)PV光伏装置。然而，此方法不仅导致复杂的制造和因此较高的成本，而且造成难以在针对二端子MJ光伏模块的所有操作条件下均必须匹配两个光伏装置所产生的电流。 
随后提出另一方法(例如参见第2005/0,150,542A1号美国公开案)，其提供摆脱第一方法提出的MJ光伏模块中的电流匹配约束的三端子或四端子光伏模块。所述三端子或四端子光伏模块是通过以一者在另一者顶部上的方式机械地集成两个光伏装置而形成，其中每一光伏装置具有可在外部连接的两个个别输出电极。也就是说，整个光伏模块具有来自每一组成的光伏装置的两对输出电极。然而，为了利用三端子或四端子光伏模块所提供的DC电力，由一对输出电极提供的DC电力和由另一对输出电极提供的DC电力在提供到负载(例如，电网)之前必须经组合。因此，光伏系统复杂性和制造成本两者由于用于所述一个或两个外部端子的额外布线而增加。 
发明内容
鉴于上述内容，提供一种具有多个输入端子和两个输出端子的转换装置，其可耦合 到三端子、四端子或多端子光伏模块以获得由光伏模块带来的较高功效，同时具有降低的复杂性以及布线和制造成本。另外，还提供采用此转换器的光伏系统。 
在一个方面中，提供一种具有多个输入端子和两个输出端子的转换装置，其用于将来自电源的直流(DC)电力转换为交流(AC)电力。所述转换装置包含：N对输入电极(N为整数且N≥2)，其经配置以接收来自所述电源的所述DC电力；N个最大功率点跟踪器，其各自耦合到所述N对输入电极中的一对，其经配置以跟踪从所述N对输入电极中的所述一对接收的DC电力的最大功率操作点；N个DC/DC转换器，其各自耦合到所述N个最大功率点跟踪器中的一者，其经配置以转换从所述N个最大功率点跟踪器中的所述一者接收的DC电压；DC/AC换流器，其耦合到所述N个DC/DC转换器，其经配置以将由所述N个DC/DC转换器提供的N个DC电压转换为AC输出信号；以及控制器，其耦合到所述N个DC/DC转换器和所述DC/AC换流器，其经配置以控制所述N个DC/DC转换器的DC/DC转换操作和所述DC/AC换流器的DC/AC转换操作。 
在另一方面中，提供一种光伏系统，其包括：一个或一个以上电源，其用于将太阳能转换为DC电力；以及一个或一个以上转换装置，其用于将从所述一个或一个以上电源输出的DC电力转换为用于从所述光伏系统输出的AC电力。所述转换装置中的每一者包括：N对输入电极，其经配置以接收来自所述一个或一个以上电源的所述DC电力；N个最大功率点跟踪器，其各自耦合到所述N对输入电极中的一对，其经配置以跟踪从所述N对输入电极中的所述一对接收的DC电力的最大功率操作点；N个DC/DC转换器，其各自耦合到所述两个最大功率点跟踪器中的一者，其经配置以转换从所述N个最大功率点跟踪器中的所述一者接收的DC电压；DC/AC换流器，其耦合到所述N个DC/DC转换器，其经配置以将由所述N个DC/DC转换器提供的N个DC电压转换为AC输出信号；以及控制器，其经配置以控制所述N个DC/DC转换器的DC/DC转换操作和所述DC/AC换流器的DC/AC转换操作。 
在又一方面中，提供一种用于将DC电力转换为交流(AC)电力的电力转换方法。所述方法包括：跟踪所述DC电力的N个最大功率操作点且提供N个第一DC电压；将所述N个第一DC电压分别转换为N个第二DC电压；以及将所述N个第二DC电压转换为AC输出信号。 
下文在标题为“具体实施方式”的部分中描述这些和其它特征、方面和实施例。 
附图说明
结合附图描述特征、方面和实施例，其中： 
图1是说明根据第一实施例的转换器的架构的示意图； 
图2是说明根据第二实施例的转换器的架构的示意图；以及 
图3是说明根据第三实施例的转换器的架构的示意图； 
具体实施方式
图1是说明根据第一实施例的转换器110的架构的示意图，所述转换器110可将来自电源(在示范性实施例中，四端子光伏模块(PV模块)120)的DC(直流)电力转换为可馈送到例如电网(未图示)等负载的AC(交流)电力。 
如图示，PV模块120具有四个输出端子，其经分组为两对输出电极121和122。对应地，转换器110包含四个输入端子，其经分组为两对输入电极111和112，其可分别耦合到所述对输出电极121和122。转换器110可分别在所述两对输入电极111和112处从PV模块120接收两个DC输入信号S_ID1和S_ID2，且随后将接收到的DC输入信号S_ID1和S_ID2转换为单个AC输出信号S_OA。 
另外，转换器110进一步包含控制器130、两个最大功率点跟踪器(MPPT)141和142、两个DC/DC转换器151和152，以及DC/AC换流器160。 
MPPT 141和142经配置以跟踪四端子PV模块120的DC输出功率的最大功率操作点，以便最大化从四端子PV模块120传送到负载的DC电力。具体来说，MPPT 141和142分别耦合到对应对的输入电极111和112，以便分别基于对应DC输入信号S_ID1和S_ID2的相应I-V曲线而提取最大功率操作点。由此，由四端子PV模块120产生的DC电力可在各种环境条件下有效地提供到负载。 
DC/DC转换器151和152经配置以根据控制器130的控制而将分别从MPPT 141和142接收的两个DC电压VDC41和VDC42转换为另两个DC电压VDC51和VDC52。优选地，由DC/DC转换器151和152产生的两个DC电压VDC51和VDC52的值均等于预定值。所述预定值是DC/AC换流器160的最佳输入操作电压值。 
更具体来说，DC/DC转换器151和152连接到对应的MPPT 141和142以分别接收两个DC电压VDC41和VDC42。另外，DC/DC转换器151和152进一步用以分别从控制器130接收第一控制信号Sctrl_1和第二控制信号Sctrl_2。基于指示如VDC51/VDC41界定的第一电压转换比率的第一控制信号Sctrl_1，DC/DC转换器151可将DC电压VDC41转换为等于预定值的DC电压VDC51。类似地，基于指示如VDC52/VDC42界定的第二电压转换比率的第二控制信号Sctrl_2，DC/DC转换器152可将DC电压VDC42转换为等于预定值的DC电压VDC52。 
此外，两个DC/DC转换器151和152并联连接到DC/AC换流器160。DC/AC换流器160经配置以将由DC/DC转换器151和152提供的DC电压VDC51和VDC52转换为AC输出信号S_OA，AC输出信号S_OA可随后耦合到负载。另外，DC/AC换流器160根据控制器130的控制而执行DC到AC转换，以便维持与耦合到负载的外部AC线161上的AC线信号S_L的相位同步。换句话说，DC/AC换流器160由控制器130控制以确保AC输出信号S_OA同步地输出以匹配AC线信号S_L的相位。 
控制器130经配置以计算第一和第二电压转换比率，以便将控制信号传输到两个DC/DC转换器151和152。具体来说，根据优选实施例，控制器130接收两个DC输入信号S_ID1和S_ID2，且随后根据DC输入信号S_ID1电压值和预定值而计算第一电压转换比率，且根据DC输入信号S_ID2电压值和预定值而计算第二电压转换比率。由此，控制器130随后产生分别指示第一和第二电压转换比率的第一控制信号Sctrl_1和第二控制信号Sctrl_2，且随后将第一控制信号Sctrl_1和第二控制信号Sctrl_2分别传输到DC/DC转换器151和152。 
另外，控制器130还控制DC/AC换流器160，使得DC/AC换流器160可相位锁定到外部AC线161的相位，且可因此将来自四端子PV模块120的DC电力有效地提供到负载。根据优选实施例，控制器130接收来自外部AC线161的AC线信号S_L，且随后基于接收到的AC线信号S_L，其产生第三控制信号Sctrl_3以用于控制DC/AC换流器160，以使其AC输出信号S_OA与AC线信号S_L的相位匹配。 
应了解，虽然将电源实施为单个四端子光伏模块120，但在另一实例中，可将电源实施为多个四端子PV模块，其互连在一起以具有可如同单个4端子PV模块的端子那样提供DC电力的仅四个输出端子。 
另外，还应了解，虽然图1的上述实施例中的转换器110可与四端子PV模块耦合，但在另一实施例中，可采用转换器来转换三端子PV模块的输出DC电力。 
图2是说明根据另一实施例的此转换器210的架构的示意图，转换器210可将DC电力例如从三端子PV模块220转换到可馈送到负载的AC电力。转换器210与转换器110的不同之处主要在于其包含三个输入端子211、212和213而不是四个输入端子，三个输入端子211、212和213可分别耦合到三端子PV模块220的三个输出端子221、222和223。作为实例，可通过连接转换器110中的两对输入电极的相应共同端子来形成所述实施例中的转换器210的三个输入端子211到213。转换器210的详细描述类似于转换器110的描述，且因此在这里为了简洁起见而省略对转换器210的详细描述。 
也可实施光伏系统以用于通过采用图1的转换器110或图2的转换器210来提供 AC电力以供例如消费型电器使用。根据特定实施例的光伏系统包括用于将太阳能转换为DC电力的一个或一个以上电源(例如PV模块)，以及用于将从所述一个或一个以上电源输出的DC电力转换为用于从光伏系统输出的AC电力的一个或一个以上转换器。 
在一些实施例中，PV模块可为三端子或四端子PV模块。PV模块例如可包含集成在一起的两个光伏装置，其各自具有相应一对输出端子。用于形成三端子或四端子PV模块的一种示范性技术可参见第2005/0150542号美国公开案，其提供摆脱电流匹配约束且因此更有效且稳定的三端子和四端子PV模块。 
根据特定实施例，转换器中的每一者可单独地将从PV模块中的对应一者输出的相应DC电力转换为AC电力。相反，根据另一特定实施例，一个转换器可转换从互连在一起以具有用于提供DC电力的三个或四个输出端子的多个PV模块输出的DC电力。 
所述实施例中的每一者中的转换器采用两个DC/DC转换器，其可首先通过将两个DC输入信号转换为相同的预定值来“组合”所述两个DC输入信号，所述预定值因此可应用于单个DC/AC换流器以用于DC/AC转换。由此，所述实施例中的转换器可在不具有用于PV模块的额外一个或两个端子的额外布线的情况下转换三端子或四端子PV模块的DC电力。因此，所述实施例中的每一者中的转换器与三端子或四端子PV模块之间的布线可如同常规微换流器与二端子PV模块之间的布线一样简单。换句话说，所述实施例中的转换器使三端子或四端子PV模块布线为“虚拟二端子PV模块”。因此，与利用三端子或四端子PV模块的常规技术相比，以上实施例可有利地具有较低的系统复杂性和制造成本。 
以上实施例中的每一者中的转换器包含仅两对输入电极。然而，可了解，在其它实施例中，可将转换器一般化为包含两对以上输入电极。 
图3是说明根据另一实施例的此转换器310的架构的示意图，其中转换器310可转换来自具有多个端子的电源(未图示)的DC电力。 
转换器310与转换器110和210的不同之处主要在于其包含N对(即，2N个)输入电极31_1到31_N而不是4个输入电极。换句话说，转换器110和210是其中N＝2的特定情况。 
类似于经分组为4个输入端子以耦合到转换器110中的电源的2对输入电极，转换器310中的N对输入电极可分组为2N个输入端子以接收来自电源的2N个输入信号SID_1到SID_N，如图3中所示。然而在替代实施例中，类似于经分组为3个输入端子以耦合到转换器210中的电源的2对输入电极，N对输入电极可作为2N-1而不是2N个输入端子而连接以耦合到电源。 
电源例如可包含单个2N端子PV模块(N是整数，且N≥2)以用于提供2N个输入信号SID_1到SID_N。或者，电源可包含一个或一个以上2N端子PV模块或者一个或一个以上(2N-1)端子PV模块或其组合，以用于共同提供2N个输入信号SID_1到SID_N。 
如图3所示，转换器310可包含N个最大功率点跟踪器41_1到41_N。最大功率点跟踪器41_i(i为整数且i＝1～N)可耦合到所述对输入电极31_i，其经配置以跟踪从所述对输入电极31_i接收的DC电力的最大功率操作点。 
另外，转换器310可包含N对DC/DC转换器51_1到51_N。DC/DC转换器51_i可耦合到最大功率点跟踪器41_i，其经配置以转换从最大功率点跟踪器41_i接收的DC电压。 
另外，转换器310可包含DC/AC换流器360，DC/AC换流器360耦合到N个DC/DC转换器51_1到51_N。即，N个DC/DC转换器51_1到51_N并联连接到DC/AC换流器360。因此，DC/AC换流器360经配置以将由N个DC/DC转换器51_1到51_N提供的N个DC电压转换为AC输出信号S_OA。 
另外，转换器310可包含控制器330，控制器330耦合到N个DC/DC转换器51_1到51_N和DC/AC换流器360，控制器330经配置以控制N个DC/DC转换器51_1到51_N的DC/DC转换操作以及DC/AC换流器360的DC/AC转换操作。 
此外，也可实施光伏系统以用于通过采用图3的转换器310来提供AC电力以供消费型电器使用。转换器310和采用其的光伏系统的详细描述与转换器110和210的描述类似，且因此在这里为了简洁起见而省略对转换器310和采用其的光伏系统的详细描述。 
虽然上文已描述某些实施例，但将了解，所描述的实施例仅借助于实例。因此，本文描述的装置和方法不应限于所描述的实施例。而是，在结合上文描述和附图考虑时，本文描述的装置和方法应仅受所附权利要求书限制。 

Claims (10)

1.一种具有多个输入端子和两个输出端子的转换装置，其用于将来自电源的直流(DC)电力转换为交流(AC)电力，所述转换装置包括：
N对输入电极，其经配置以接收来自所述电源的所述DC电力，其中N为整数且N≥2；
N个最大功率点跟踪器，其各自耦合到所述N对输入电极中的一对，其经配置以跟踪从所述N对输入电极中的所述一对接收的所述DC电力的最大功率操作点；
N对DC/DC转换器，其各自耦合到所述N个最大功率点跟踪器中的一者，其经配置以转换从所述N个最大功率点跟踪器中的所述一者接收的DC电压；
DC/AC换流器，其耦合到并联连接的所述N个DC/DC转换器，其经配置以将由所述N个DC/DC转换器提供的N个DC电压转换为AC输出信号；以及
控制器，其耦合到所述N个DC/DC转换器和所述DC/AC换流器，其经配置以控制所述N个DC/DC转换器的DC/DC转换操作和所述DC/AC换流器的DC/AC转换操作。
2.根据权利要求1所述的具有多个输入端子和两个输出端子的转换装置，其中所述N对输入电极经分组为2N个输入端子以耦合到所述电源。
3.根据权利要求1所述的具有多个输入端子和两个输出端子的转换装置，其中所述N对输入电极中的每两对经连接为三个输入端子以耦合到所述电源。
4.根据权利要求1所述的具有多个输入端子和两个输出端子的转换装置，其中所述控制器确定所述N个DC/DC转换器的相应电压转换比率。
5.根据权利要求1所述的具有多个输入端子和两个输出端子的转换装置，其中所述控制器接收耦合到负载的AC线信号，且基于所述所接收的AC线信号，所述控制器产生用于控制所述DC/AC换流器的控制信号以提供与所述AC线信号同步的所述AC输出信号。
6.一种光伏系统，其包括：
一个或一个以上电源，其用于将太阳能转换为DC电力，所述电源中的每一者具有多个端子；以及
一个或一个以上具有多个输入端子和两个输出端子的转换装置，其用于将从所述一个或一个以上电源输出的DC电力转换为用于从所述光伏系统输出的AC电力，
所述一个或一个以上转换装置中的每一者是根据权利要求1到5中任一权利要求所述的转换装置。
7.一种用于将直流(DC)电力转换为交流(AC)电力的电力转换方法，其包括：
跟踪所述DC电力的N个最大功率操作点且提供N个第一DC电压，其中N为整数且N≥2；
将所述N个第一DC电压分别转换为N个第二DC电压；以及
将所述N个第二DC电压转换为AC输出信号。
8.根据权利要求7所述的电力转换方法，其中由2N端子光伏模块提供所述DC电力。
9.根据权利要求7所述的电力转换方法，其进一步包括根据服务所述DC电力的输入信号和预定值来确定用于所述转换所述两个第一DC电压的步骤的电压转换比率。
10.根据权利要求7所述的电力转换方法，其进一步包括根据AC线信号产生控制信号，且根据所述控制信号实现所述两个第二DC电压的所述转换步骤以提供与所述AC线信号同步的所述AC输出信号。
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