CN102362359A - 用于可重新配置地连接光伏阵列中的光伏面板的方法 - Google Patents

用于可重新配置地连接光伏阵列中的光伏面板的方法 Download PDF

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竹原亨
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Abstract

一种用于控制来自光伏阵列的输出的方法包括响应于与选定电力传送目的相关的参数变化，改变阵列中光伏面板之间的电连接。电力传送目的的示例包括使阵列阻抗与电负载阻抗的变化相匹配，在最大功率点值输出功率，以及在温度、光照或影响光伏面板输出的其它参数变化期间将阵列输出电压维持在逆变器的输入电压范围内。适于与其它光伏面板可重新配置地电连接的光伏面板称为智能节点，这些智能节点以根据与选定电力传送目的相关的参数的测量值和计算值所选择的串联和并联电路的组合根据所揭示方法来电互连。根据所揭示方法操作的光伏阵列可快速地重新配置以适应测量参数的变化或从一个电力传送目的向另一电力传送目的的转变。

Description

用于可重新配置地连接光伏阵列中的光伏面板的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年1月30日提交的美国临时申请No.61/148,878的权益。
发明领域
本发明一般涉及用于重新配置光伏阵列中的光伏面板之间的电连接的方法，尤其涉及用于以根据电力传送目的选择的串联和并联电路的组合可重新配置地连接光伏阵列中的光伏面板的方法。
背景
对于在特定入射光照和温度条件下工作的光伏(PV)电池，存在PV电池输出电压和输出电流的特定的值组合，此时PV电池所产生电功率的量达最大值。从PV电池输出的最大功率，称为最大功率点(MPP)或PMAX，响应于入射光照的变化、PV电池工作温度的变化、以及从PV电池接收电力的电负载的阻抗的变化而改变。MPP的值可针对包括一个或多个PV模块的PV面板确定，其中每个PV模块包括连接成一电路的许多PV电池。MPP的值也可针对由许多PV面板制成的PV阵列、包括一个或多个PV阵列的PV区域、以及包括一个或多个PV区域的PV发电系统找出。
在当前使用的许多PV阵列中，PV阵列中的PV面板被机械和电学地排列，以使当PV阵列在负载阻抗、温度和光照的预定基准条件下工作时该阵列输出MPP的功率。例如，来自用于将阳光转换成电的太阳能PV阵列的输出电压和输出电流可被选择成递送与针对一年内的所选时间和一天内的所选时间的无遮挡日照的MPP相对应的电功率。然而，因为入射光照由于太阳相关于PV阵列的位置的季节和日常变化而变化，所以PV阵列的电流输出也变化，MPP的相关值也一样变化。PV阵列中的PV面板所接收的光照还受阳光通过地球大气层的透射的变化影响，例如受减少入射到PV阵列上的阳光的量的天气变化的影响。诸如环境温度变化的温度变化以及PV阵列组件在一天中或在季节变换时的直接太阳能加热的变化，也会导致从PV阵列输出的功率偏离MPP。由于光照、温度或负载阻抗条件与配置阵列的基准条件不同，因此本领域中公知的PV阵列通常将输出小于MPP的功率量。不在MPP工作的PV阵列会浪费电功率，或者会有损坏阵列中电组件或光伏组件的风险。
用于供应交流电(AC)功率的太阳能PV发电系统包括例如DC-AC逆变器的功率转换装置，用于将来自PV面板的直流(DC)功率转换成要供应给电负载的AC输出功率。尺寸对应于大电负载的逆变器一般具有相对较窄的DC输入电压范围，且具有显著高于单个PV面板的输出电压的最小DC输入电压。因此，选定数目的PV面板被串联电连接以形成在逆变器DC输入范围内的组合PV阵列输出电压。在PV阵列中选定数目串的串联连接的PV面板被进一步并联连接，来提供输出电流的目标值。对于本领域中公知的PV阵列，每串串联连接的PV面板中面板的数目和并联连接的PV面板的串数是固定的，即在正常操作期间PV面板之间的电缆不断开并重新连接成新的电路配置。改变本领域中公知的PV阵列中PV面板之间的串联和并联电连接的配置一般需要断开和重新连接许多电缆，是劳动力和时间密集的过程。作为对诸如电负载的短期变化、短时段的高环境温度、多云天气等的瞬变现象作出响应的手段，改变本领域公知的PV阵列的配置一般是不可行的。此外，当来自本领域公知的PV阵列的输出电压小于逆变器的最小输入电压规格时，来自该阵列的输出功率不再适合输入到逆变器，且不用于向电负载供电。
一些PV阵列具有针对与入射光照、温度和负载阻抗的选定基准条件相关的目标MPP值选择的输出电压和输出电流。其它PV阵列包括用于调节输出电压或输出电流以使从PV阵列输出的功率在MPP响应于操作条件的改变而改变时保持接近MPP的装置。因为PV阵列输出电压优选保持在逆变器的相对窄的DC输入范围内，所以装备成调节其输出以跟踪MPP的变化值的PV阵列一般通过调节阵列输出电流来这样做。最大功率点跟踪器(MPPT)是用于响应于MPP的改变值调节PV阵列输出电流的电气装置的一个示例。MPPT调节连接至PV阵列的电负载的阻抗，从而将PV阵列输出电流设置成与新MPP值相关的值。
配置PV阵列、MPPT和逆变器的组合以供在负载阻抗的恒定值的情况下操作是普遍的。然而，在实践中负载阻抗一般不是恒定的。此外，MPPT的成本和复杂性高，尤其是对由设计成暴露于来自大PV阵列的输出中所存在的高电压和大电流的半导体器件制成的MPPT而言。MPPT的成本和复杂性随PV阵列尺寸的增大快速提高，因此将MPPT或类似调整装置缩放成例如公用事业规模PV阵列的极大PV阵列并非易事。此外，已知使用在高电压和高电流下操作的半导体的复杂电子器件会降低器件在其中运行的系统的总体可靠性。遭受电故障的MPPT会使来自整个PV阵列的输出中断。
需要的是一种用于快速调节PV阵列中PV面板之间的串联和并联电连接的配置以根据一个或多个电力传送目的向电负载供应电力的方法，电力传送目的例如是跟踪MPP变化的目的或使PV阵列阻抗与负载阻抗相匹配的目的。进一步需要的是一种经济地缩放至例如公用事业规模PV阵列的极大PV阵列的方法。还需要的是一种用于调节PV阵列的输出、减少单点装置故障将中断来自PV阵列的电力输出的可能性的方法。
发明内容
提供一种用于根据对从PV阵列输出至电负载的电功率的选定电力传送目的来选择PV面板之间的串联和并联电连接的组合的方法。适于与所揭示方法一起使用的PV面板在本文中称为智能节点。两个或多个电连接的智能节点在本文中称为可配置PV阵列。在该方法的一些示例中，智能节点之间的串联和并联连接的组合根据与均衡电负载和可配置PV阵列的阻抗相关的电力传送目的来选择。在该方法的其它示例中，智能节点之间的串联和并联连接的组合根据与可配置PV阵列在最大功率点的功率输出相关的电力传送目的来选择。在另外的示例中，可配置PV阵列中的串联和并联连接的组合根据其它电力传送目的来确定。
根据所揭示的方法，可配置PV阵列中智能节点之间的串联和并联连接的组合可响应于与电力传送目的相关的一个或多个参数值的改变更改成串联和并联连接的不同组合。从一种PV阵列配置到另一种PV阵列配置的更改通过设置每个智能节点中所包括的电控开关的开关状态来完成。从一种PV阵列配置到另一种PV阵列配置的更改可由中央监视和控制计算机系统控制，或者可另选地由为此目的指定的智能节点控制。命令可经由一个或多个通信接口依次或同时地发送给智能节点。
本节归纳了本发明的一些特征。参考以下描述和所附附图，本发明的这些和其它特征、方面和优点将得到更佳的理解。
附图简述
图1是示出根据本发明的一方法示例中的步骤的框图。
图2是本文中称为智能节点的光伏面板的示例的示意图。图2的智能节点示例适于可选择地与其它智能节点串联或并联电连接，包括旁路电路，并且进一步适于与其它智能节点以及中央控制和监视计算机系统交换数据和命令。
图3是在串联电路中与电缆组件互连的整数数目“n”个图2的智能节点的简化示意图。
图4是在并联电路中与电缆组件互连的整数数目“n”个图2的智能节点的简化示意图。
图5是具有用串联和并联电连接互连的3个图2的智能节点的简单PV阵列示例的简化示意图。
图6是在具有逆变器和电负载的电路中具有12个图2的智能节点的PV阵列示例的示意图。图6示例中的电负载代表其阻抗ZLOAD在PV阵列操作期间改变的电负载。图6的PV阵列示例可如图7-12的示例的任一个中根据为串联-并联选择器X1-X12选择的设置来选择性地配置。
图7是图6的PV阵列示例的许多可能可选择电配置之一的示例的示意图。在图7的示例中，PV阵列中的所有智能节点并联电连接。
图8是示出配置为串联电连接的两组智能节点的图6的PV阵列示例的示意图，其中在每一组中6个智能节点并联电连接。
图9是示出配置为串联电连接的三组智能节点的图6的PV阵列示例的示意图，其中在每一组中4个智能节点并联电连接。
图10是示出配置为串联电连接的四组智能节点的图6的PV阵列示例的示意图，其中在每一组中3个智能节点并联电连接。
图11是示出配置为串联电连接的六组智能节点的图6的PV阵列示例的示意图，其中在每一组中2个智能节点并联电连接。
图12是示出其中所有智能节点串联电连接的图6的PV阵列示例的示意图。
图13是图1方法的一变体示例。在图13的示例中，示出为维持直流至交流逆变器的DC电压输入范围内的可配置PV阵列输出电压的电力传送目的进行的步骤。
图14是图1方法的另一变体示例。在图14的示例中，示出为均衡可配置PV阵列的阻抗和电负载的阻抗的电力传送目的进行的步骤。
图15是图1方法的又一变体示例的第一部分。在图15的示例中，示出为在最大功率点(MPP)操作可配置PV阵列的电力传送目的进行的步骤。
图16是图15示例的继续。
具体描述
提供了一种通过用串联和并联电路的可选择组合配置PV阵列中PV面板之间的连接来将电力从光伏(PV)阵列有效传送到连接至PV阵列的电负载的方法。在所揭示方法的相关变体中，电力是根据选定电力传送目的来传送的。电力传送目的是用于确定PV阵列的优选电配置的目标、准则或原则。在一些情形中，通过PV阵列参数的最优选择，电力传送目的不能全部实现但可逼近。例如，在一变体中，电力传送目的是将来自可配置PV阵列的输出电压的值维持在直流至交流逆变器的直流输入范围规范的限值内。在另一变体中，电力传送目的是在最大功率点(MPP)将电力从PV阵列传送至电负载。在又一变体中，电力传送目的是使PV阵列的阻抗与电负载的阻抗之差小于指定最大误差量。在再一变体中，电力传送目的是使PV阵列快速适应入射光照、温度或其它指定参数的变化。该方法的其它变体基于电力参数目的的组合寻求最优化。
适于与本文中揭示的示例一起使用的PV面板的示例称为智能节点。智能节点的示例在2008年10月1日提交的题为“Network Topology for Monitoringand Controlling a Solar Panel Array”(用于监视和控制太阳能面板阵列的网络拓扑)的美国专利申请S/N.12/243,890、以及2009年1月12日提交的题为“Systemfor Controlling Power From A Photovoltaic Array By Selectively ConfiguringConnections Between Photovoltaic Panels”(用于通过选择性地配置光伏面板之间的连接控制来自光伏阵列的电力的系统)的美国专利申请S/N.12/352,510中描述，这些专利申请通过引用结合于此。
所揭示方法的优点包括对从少于一百个PV面板的PV阵列到具有数十万个PV面板的公用事业规模的PV阵列的电力传送的经济和有效控制。另一优点是对串联和并联电连接的快速重新配置，以使PV阵列适应操作条件的变化。例如，在具有通过相对较慢的无线链路与中央监视和控制计算机通信的十万个智能节点的PV阵列中，阵列中每块面板的电连接能在5分钟内电切换至一新配置。在许多情形中，配置的改变将不需要每块面板连接的改变，因此甚至用PV阵列中PV面板的相对较慢的通信链接，配置改变一般也将快到足以跟踪PV阵列操作期间所遭遇的许多瞬变现象。因此，通过所揭示方法响应于移动的云朵阴影、随太阳在天空中改变位置而改变位置的结构阴影、电负载的改变、天气改变、PV面板故障、PV面板维护等来重新配置PV阵列是实用的。此外，在大PV阵列中，发送至各个PV面板的许多数据将经由相对高速度的数据通路行进，从而将重新配置阵列所需的时间从几分钟减少至几秒钟。
在该方法的一些变体中，PV阵列越大，可使来自PV阵列的输出越接近与选定电力传送目的相关的状况。例如，在该方法的一些变体中，PV阵列越大，可使PV阵列的阻抗越接近从阵列接收电力的电负载的阻抗。在其它变体中，PV阵列越大，可使PV阵列越接近与工作温度或入射光照中的变化相关的改变后的MPP值。其它优点包括形成PV阵列中PV面板之间的串联和并联电连接，而不将半导体组件暴露于高电压或高电流，并且去除有可能引起单点故障的某电气装置。另一优点是与本领域中公知的PV发电系统相比改进的系统可靠性。此外，所公开方法可在PV阵列正常工作期间进行，即该阵列能在不断开和重新连接电缆的情况下从串联和并联连接的一种组合重新配置成另一种组合。另一优点是改进从PV阵列向接收来自阵列的电力的电负载传递电力的效率。
图1示出根据本发明的一方法示例。图1中方法300的示例在步骤302开始。在步骤304，选择从可配置PV阵列向电负载输出电力的电力传送目的。本方法中的后续步骤取决于与选定电力传送目的相关的参数和条件。
图1的方法300的示例在步骤306继续，在步骤306中值被分配给与电力传送目的相关的参数。值可通过测量参数值来可任选地分配，参数值例如是但不限于可配置PV阵列输出电压、可配置PV阵列输出电流、PV阵列阻抗、电负载阻抗、入射到可配置PV阵列中智能节点上的光照的平均值或其它选定参数。可选地，参数值可作为使用与光照、温度、负载阻抗或与电力传送目的相关的其它选定参数的基准条件相关的目标值的计算的结果来分配。或者，一些参数可通过计算来分配值，而其它参数可通过测量来分配值。
接着，在步骤308，根据步骤304中选择的电力传送目的和步骤306中分配的参数值选择智能节点之间的串联和并联电连接的第一组合。串联和并联连接的第一组合在本文中称为可配置PV阵列的基线配置。与电力传送目的相关的参数值的变化可任选地导致PV阵列从基线配置变成新配置。在步骤308，在选择了智能节点之间的串联和并联连接的组合之后，智能节点根据选定组合电互连。
在步骤310，测量与电力传送目的相关的一个或多个参数的变化量。例如，在该方法的一些变体中，在不同时间测量负载阻抗并确定负载阻抗的变化量。然后，在步骤312，评估测得的变化量以确定是否应当改变PV阵列的配置。如果参数的变化量与新的PV阵列配置的关联比与当前PV阵列配置的关联更紧密，则在步骤314，根据来自步骤312的与变化参数值相关的新PV阵列配置来重新配置智能节点之间的连接。如果一个或多个参数的变化量不与新PV阵列配置关联，则方法返回至步骤310来测量一个或多个参数的新值。可以理解，尽管对于图1所示的方法300的示例而言没有明确的终止步骤，但是可任选地该方法可在任何选定步骤中断。
根据本发明的方法涉及包括两个或多个智能节点的可配置PV阵列。图2示出一智能节点示例的电路图，该电路图代表在专利申请S/N.12/352,510中揭示的智能节点以及针对专利申请S/N.12/243,890中的智能节点揭示的通信、监视和控制特征，其中该智能节点称为可配置PV面板。图2的智能节点100包括：用于从太阳能照射产生电力的PV模块108，用于监视和控制智能节点100的节点控制器114，以及用于从第一电力连接器P1 102上的电流和电压中选择性地排除来自PV模块108的电流和电压输出的电控旁路选择器120。图2的智能节点100进一步包括：第二电力连接器P2 156，以及电控串联-并联选择器Xn 138，用于用串联电连接、并联电连接、或串联和并联电连接的组合来选择性地连接至其它智能节点100。
图2的智能节点100包括适于与其它节点、网关或中央监视和控制计算机通信的节点控制器114。节点控制器可包括例如但不限于：包括多个分立电路组件的电路、可编程逻辑阵列、门阵列、专用集成电路、或具有关联支持电路的微处理器或微控制器。网关是可任选的网络通信设备，其在将数据转发给中央监视和控制计算机之前采集来自一组智能节点的数据。同样，从中央监视和控制计算机接收的命令可任选地通过网关分发给那组智能节点。
图2的节点控制器114通过若干冗余通信手段中的任一种来收发数据和命令。一种以上的通信手段可任选地用来与其它装备交换数据和命令。例如，智能节点可任选地装有通过多条电线164电连接至节点控制器114的控制和监视接口连接器P3 162，以供与其它装备进行有线通信。该智能节点可任选地包括电力线通信接口(PLC I/F)182，其电连接至节点控制器114的双向通信端口，并通过PLC接口182内所包括的电路系统电耦合至连接器P2 156。还可任选地提供无线收发机(XCVR)180，以供交换数据和命令。该无线XCVR 180电连接至节点控制器114上的双向通信端口，并与例如其它智能节点或网关中的无线收发机的其它无线收发机交换表示数据和命令的信号。在一些情况中，例如当网关不操作时，智能节点可任选地通过与中央监视和控制计算机的无线通信交换数据和命令。智能节点100中可包括适于短程通信的无线收发机180，例如蓝牙收发机。可选地，可包括用于长程通信的收发机，例如Wifi收发机或使用其它无线通信技术的收发机。
图2中的节点控制器114监视与PV模块108和智能节点100的性能相关的参数，并设置旁路选择器120的开关状态和串联-并联选择器Xn 138的独立开关状态。由节点控制器监视的参数的示例包括但不限于：由电流测量电路174测量的PV模块108输出电流、由电压测量电路176测量的PV模块108输出电压、由一个或多个温度测量电路178测量的一个或多个PV模块温度、PV模块108的方位角和仰角、第二电力连接器P2 156上的电流和电压、以及第一电力连接器P1 102上的电流和电压。节点控制器114可任选地配置成检测PV模块108或智能节点100内的电故障状况、PV模块108的部分阴影、因PV模块108上的降水、尘埃或碎片造成的电力的减少、以及因空气中尘埃、降水或云朵遮掩造成的入射光照的减少。节点控制器114还可任选地监视其它传感器，诸如用于监视PV模块表面反射率、入射光强、PV模块方位角和仰角的传感器，并且可适于控制致动器，诸如用于跟踪太阳位置的方位角和仰角马达。
电控旁路选择器120和电控串联-并联选择器Xn 138的开关状态确定从PV模块108输出的电流和电压如何与流经第一和第二电力连接器P1 102和P2 156的电力组合。如图2所示，旁路选择器120和串联-并联选择器Xn 138优选是双刀双掷(DPDT)电机中继器。选择器(120、138)的任一个或两者可选择性地被固态中继器或由分立电子组件制成的固态开关器件所替换。任一个选择器(120、138)可任选地从单个DPDT电控开关器件变成共享电连接至节点控制器114的公用控制线的一对单刀单掷开关器件。
参照图2，来自可配置PV阵列中的其它智能节点的电力可任选地连接至包括第一端子158和第二端子160的第二电力连接器P2 156上的智能节点100。P2第一端子158和P2第二端子160上的电压和电流根据旁路选择器120和串联-并联选择器Xn 138的选定开关状态与从PV模块108输出的电压和电流选择性地组合，如以下将描述的。P2第一端子158电连接至串联-并联选择器Xn 138中第一S-P开关140的并联端子144。P2第一端子158进一步电连接至串联-并联选择器Xn 138中第二S-P开关148的串联端子154。P2第二端子160电连接至第二S-P开关148的并联端子152。
第一S-P开关140的串联端子146电连接至旁路选择器120中的第一旁路开关122的公用端子128。第一S-P开关140的公用端子142电连接至旁路选择器120中的第二旁路开关130的公用端子132。第一S-P开关140的公用端子142进一步电连接至连接器P1第一端子104。第二S-P开关148的公用端子150电连接至PV模块108上的负端子112、连接器P1第二端子106、以及旁路选择器120中的第一旁路开关122的旁路端子126。
继续图2，PV模块108的正端子110电连接至电流测量电路174的输入端。电流测量电路174的输出端电连接至旁路选择器120中的第二旁路开关130的正常端子134。旁路选择器控制线118将控制信号从节点控制器114运送至旁路选择器120的控制输入端。旁路选择器控制线118上的来自节点控制器114的第一控制信号将旁路选择器120设置成“旁路”开关状态，在该“旁路”开关状态中从第一电力连接器P1 102的端子上的电压和电流中排除来自PV模块108的输出。“旁路”开关状态在本文中也称为“B”开关状态。旁路选择器控制线118上的来自节点控制器114的第二控制信号将旁路选择器120设置成“正常”开关状态，在该“正常”开关状态中来自PV模块108的输出根据串联-并联选择器Xn 138的两种可选开关状态之一与连接器P1 102的端子上的电压和电流选择性地组合。“正常”开关状态在本文中也称为“N”开关状态。在图2的示例中，旁路选择器120中的第一旁路开关122和第二旁路开关130被示为处于“正常”开关状态。图2进一步将第一旁路开关122的正常端子124和第二旁路开关130的旁路端子136示为未端接。本领域技术人员可以理解，无源组件可任选地电连接至未端接的端子以减少耦合至电路的噪声的量。
串联-并联选择器控制线116将控制信号从节点控制器114运送至串联-并联选择器Xn 138的控制输入端。串联-并联选择器控制线116上的来自节点控制器114的第三控制信号将串联-并联选择器Xn 138设置成“串联”开关状态，该“串联”开关状态在本文中也称为“S”开关状态。串联-并联选择器控制线116上的来自节点控制器114的第四控制信号将串联-并联选择器Xn 138设置成“并联”开关状态，该“并联”开关状态在本文中也称为“P”开关状态。在图2的示例中，串联-并联选择器Xn 138中的第一S-P开关140和第二S-P开关148被示为处于“串联”开关状态。
图3示出具有通过电缆组件166串联电连接的整数数目“n”个智能节点100的可配置PV阵列的示例。如图3所示，串联-并联选择器(138X1、138X2、...138Xn)被示为处于“S”开关状态。在图3的示例中，“n”数目个面板中的所有旁路选择器120被设置成“N”开关状态。从PV阵列负输出端子170至PV阵列正输出端子168测量的来自PV阵列的输出电压Vout是“n”个智能节点的输出电压之和。在图3所示的配置中，可配置PV阵列的输出电压进一步对应于从智能节点“n”中的连接器P2端子1 158至智能节点“1”中的连接器P1端子1 104测量的PV阵列输出电压Vout。在串联-并联选择器设置为“S”状态而旁路选择器120设置为“B”状态的智能节点的情形中，通过智能节点中围绕PV模块的第一电力连接器P1和第二电力连接器P2之间的电路路径从输出电压Vout中排除来自智能节点的PV模块的输出电压。
图4示出电连接以形成图2示例中的可配置PV阵列的“n”个智能节点的许多可选电配置之一。在图4中，整数数目“n”个智能节点100按并联电配置通过电缆组件166电互连，其中串联-并联选择器(138X1、138X2、...138Xn)处于“P”开关状态。旁路选择器120被示为处于“N”开关状态。从PV阵列负输出端子170至PV阵列正输出端子168测量的来自可配置PV阵列的输出电压Vout等于来自智能节点100的任一个的输出电压，所有智能节点100出于本示例目的具有相等的输出电压。在具有不同输出电压的智能节点的情形下，可通过用于分析并联电路的常规方法来计算PV阵列输出电压。来自图4的可配置PV阵列示例的输出电流等于从“n”个智能节点的每一个输出的电流、智能节点100“1”上的连接器P1的可任选电流输入、以及智能节点100“n”上的连接器P2的可任选电流输入的算术和。PV阵列负输出端子170可选地电连接至智能节点100“n”上的连接器P2端子2 160或智能节点100“1”上的连接器P1端子2 106，如图4中的虚线连接线所示。PV阵列正输出端子168可选地电连接至智能节点100“1”上的连接器P1端子1 104或智能节点100“n”上的连接器P2端子1 158，如图4中的虚线连接线所示。
图5示出包括按串联和并联电连接的组合连接的3个智能节点的可配置PV阵列的示例。在图5的示例中，智能节点100 1具有设置成“P”开关状态的串联-并联选择器138 X1。智能节点100 2中的串联-并联选择器138X2处于“S”开关状态，而智能节点100 3具有设置成“S”开关状态的串联-并联选择器138 X3。在图5中PV阵列正输出端子168与PV阵列负输出端子170之间测量的PV阵列输出电压Vout大致是如图4示例中所示并联连接的智能节点的PV阵列输出电压的两倍。如图5所配置的PV阵列因此将在比图4的PV阵列示例低的光照水平下产生大于或等于逆变器最低输入电压的输出电压。如在图5的示例中，在智能节点之间具有可选串联和并联连接的可配置PV阵列捕捉电功率，以供在仅并联互连的智能节点在对于连接至逆变器输入而言过低的电压下输出功率的条件下输出至电网。
图6的示例可用来示出串联和并联电连接的组合的示例以及由具有12个智能节点的可配置PV阵列所生成的相应可配置PV阵列输出电压。图6进一步示出连接至可配置PV阵列的一电负载示例，其中该电负载具有可随时间变化的阻抗，以及适于接收与负载阻抗相关的信号的监视和控制计算机系统。该监视和控制计算机系统可任选地使用负载阻抗的值来选择可配置PV阵列中的串联和并联连接的组合，或者可由指定用于此目的的智能节点来选择该组合。
可配置PV阵列的任何两种配置之间的输出电压之差对应于PV阵列阻抗之差，如前所述。来自可配置PV阵列的输出电压Vout是在PV阵列正输出端子168和PV阵列负输出端子170的两端测量的。智能节点100 1上的连接器P1端子1 104电连接至PV阵列正输出端子168，该PV阵列正输出端子168进一步电连接至逆变器172上的第一直流输入端。智能节点100 12上的连接器P2端子1 158电连接至PV阵列负输出端子170，该PV阵列负输出端子170进一步电连接至逆变器172上的第二直流输入端。图6中以简单形式表示的智能节点100各自包括PV模块108和串联-并联选择器(X1，X2，X3，...，X12)。
在图7的简化等效电路中示出的第一可选配置中，图6示例中的12个智能节点(在图7中由PV模块108表示)连接成并联电路。在正端子110和负端子112两端测量的来自PV模块108的输出电压由电压“E”表示。对于图7的并联电配置，与为所有12个串联-并联选择器(X1-X12)选择的“P”开关状态相对应地，在第一和第二输出端子(168，170)两端测量的可配置PV阵列的输出电压Vout等于“E”。
表1归纳了图6-12中的12个串联-并联选择器的开关状态。
表1.对应于PV阵列输出电压Vout的“S”和“P”开关状态
  图   X1   X2   X3   X4   X5   X6   X7   X8   X9   X10   X11   X12   Vout
  6   P   P   P   P   P   P   P   P   P   P   P   P   E
  7   P   P   P   P   P   S   P   P   P   P   P   S   2E
  8   P   P   P   S   P   P   P   S   P   P   P   S   3E
  9   P   P   S   P   P   S   P   P   S   P   P   S   4E
  10   P   S   P   S   P   S   P   S   P   S   P   S   6E
  11   S   S   S   S   S   S   S   S   S   S   S   S   12E
图8-12示出用于图6示例的更多可选电配置。图8示出两个串联组的等效电路图，其中每一组中并联连接有6个智能节点。图8的PV阵列配置的跨第一和第二PV阵列输出端子(168，170)两端的输出电压为2x E，其中E相关于图7定义。PV阵列中的12个串联-并联选择器的开关状态如表1所示。
图9示出三个串联组的等效电路图，其中每一组中并联连接有4个智能节点，并且PV阵列输出电压Vout等于3x E。图10示出四个串联组，其中每一组中并联连接有3个智能节点，并且PV阵列输出电压为4x E。图11所示的配置实现等于6x E的PV阵列输出电压Vout，图11所示的配置示出6个串联组，每一组具有并联连接的2个智能节点。最后，图12示出具有最大值的PV阵列输出电压的配置。在图12中，所有的12个智能节点串联连接。
图6-12的示例可被扩展至具有数百个、甚至数千个智能节点的极大可配置PV阵列。在一些极大可配置PV阵列中，优选具有大的最低直流输入电压值的逆变器。例如，在本领域中公知的连接至电网的逆变器的一个示例中，最低直流输入电压大致是从单个智能节点输出的电压的15倍。即，至少15个智能节点被串联电连接以生成大到足以输入至逆变器的输出电压。在这种情形中，可配置PV阵列具有许多串联连接的智能节点串，这些智能节点串进一步彼此并联并连接至逆变器的输入端。
本发明的各个实施例适用于极大PV阵列，这些极大PV阵列包括处于并联电路的多个串联连接的可配置PV面板串。通过用串联连接的可配置PV面板串替代单个面板，大阵列中一实施例的操作可与本文中先前所述的示例中的操作相当。例如，图6-12示例中的在图中由PV模块108表示的每个智能节点能可任选地被串联连接的智能节点串替代，以建模向具有高最低输入电压的逆变器供电的PV阵列中极大数目智能节点的行为。
如先前示例中所述的适于连接至其它智能节点的智能节点之间的连接可根据不同的电力传送目的来选择性地配置。图1方法的变体示例在图13-16中示出。图13示出其中电力传送目的是将可配置PV阵列输出电压的值维持在直流至交流逆变器的直流电压输入范围内的变体。图14示出其中电力传送目的是均衡源阻抗和负载阻抗的变体，其中源阻抗对应于PV阵列阻抗。图15-16示出其中电力传送目的是在MPP操作可配置PV阵列的一方法变体的步骤。
图13示出图1方法的一变体示例，其中选定电力传送目的是所生成的PV阵列输出电压的幅值大于或等于直流至电流逆变器的最低直流输入电压、且小于或等于该逆变器的最高直流输入电压。分派给图13中步骤的数字标记指示图1中所示的相应步骤。图13的示例在步骤302开始，并继续至步骤304，在步骤304中选择电力传送方法。这种选择可通过例如在作为中央监视和控制计算机系统的一部分的显示设备上向负责管理光伏发电系统的人呈现电力传送目的的不同选项来实现。
在图13的示例中，来自图1的步骤306被示为包括步骤306-1至306-4。在步骤306-1，计算PV阵列输出电压值的表格。该表格中的每个条目与来自可配置PV阵列中的智能节点之间的串联和并联电连接的选定组合的输出电压相关。在步骤306-2，获得针对直流至交流逆变器输入电压的最小值和最大值的值。该最小和最大输入电压值一起限定逆变器的直流输入电压范围。
本领域技术人员可以理解，当输入至逆变器的电功率的电压值在逆变器的指定直流输入电压范围内时，逆变器输出指定电压范围内的交流电压。如果输入电压在指定输入范围之外，则将接收电力的电负载与逆变器输出端断开可能是必要的。例如，当入射到PV阵列上的光照的量因太阳的日间移动而减少时，来自PV阵列的输出电压最终将降至低于逆变器的最低输入电压。从阵列输出的后续电力被浪费，直至光照能级增大到足以产生具有足够的电压幅值的功率，以向逆变器供电。可配置PV阵列因此可通过重新配置智能节点之间的串联和并联电连接以增大来自阵列的输出电压的幅值，来捕捉否则将被本领域已知的PV阵列浪费掉的电力。
继续图13，在步骤306-3，为可配置PV阵列选择基线配置。图13示例中的基线配置对应于具有在步骤306-1中确定的、且在逆变器的直流输入电压范围内的输出电压的配置。在步骤306-4，步骤306-1中所计算的值的表格被可任选地标准化为来自基线配置的输出的值。标准化对于快速选择与PV阵列输出电压的变化量相关的新PV阵列配置是有用的。本文中所述的方法变体中的标准化和其它计算可选地由中央监视和控制计算机系统、或指定用于该目的的智能节点执行。
在步骤308，智能节点阵列被切换成串联和并联连接的选定组合。在步骤310，再次测量可配置PV阵列的输出电压，并计算与先前测量值的改变量。在步骤312，输出电压的改变量与逆变器输入范围的最小和最大值作比较。如果输出电压的新值在逆变器输入范围之外，则选择新的PV阵列配置以将输出电压恢复至逆变器输入范围内的值。在步骤314，可配置PV阵列中的智能节点被切换成新的选定配置。如果相反步骤310的电压仍然在逆变器输入范围内，则步骤312返回至步骤310，而不改变PV阵列配置。图13所示的方法是有效的，直至可配置PV阵列中的所有智能节点被串联连接。
在图14中，电力传送目的的另一示例是均衡源(即可配置PV阵列)阻抗和电负载阻抗。图14所示的方法变体中的电力传送目的与以下工程设计原则相关：当电负载的阻抗和电源的阻抗相等时，最大量的电功率可从例如光伏阵列的电源传送至例如AC负载和向AC负载供电的直流至交流逆变器的组合的电负载。
一般而言，阻抗Z与电阻R和频率口的关系符合方程(1)中的公知关系：
Z＝R+i□    (1)
对于智能节点中的光伏电池，方程(1)中的实项(R)占主导，而虚项(i□)可忽略。智能节点中的PV模块的阻抗Z因此可由智能节点中的PV电池的组合电阻近似，该组合电阻可使用欧姆定律和从智能节点输出的直流功率的电流输出和电压输出的测量值确定。具有许多互连智能节点的PV阵列的阻抗Z可类似地通过欧姆定律、使用来自阵列的输出电压E和来自阵列的输出电流I的值如方程(2)那样地得出：
Z≈R＝E/I    (2)
对于选定值的电流I，使得PV阵列阻抗与负载阻抗相匹配的PV阵列的阻抗的变化与PV阵列的输出电压E的变化相关。作为示例，图7-12各自标示出针对所示的每个串联-并联配置，相关于图7中PV阵列(并联连接的12个PV面板)的阻抗，按方程2确定的阻抗值“Zr”。Zr之值的范围为从图7的Zr＝1到图12中的Zr＝12。因此，用于调节PV阵列阻抗的方法基于选择PV阵列中智能节点之间的串联和并联连接的组合，该组合导致PV阵列输出电压的离散变化幅度在从PV阵列接收电力的电负载的阻抗的变化幅度的可预测最大误差范围内。
图14示出图1所示方法的一变体。分派给图14中步骤的数字标记指示图1中所示的相应步骤。在图14中，根据本发明的方法示例在步骤302开始。接着，在步骤304，选择电力传送目的。图13示例中所示的电力传送目的是均衡源阻抗(即PV阵列阻抗)与负载阻抗。
接着，在步骤306-1至306-4，与电力传送目的相关的参数被赋值。在步骤306-1，计算输出电压中离散变化值的表格。输出电压的离散变化对应于可为可配置PV阵列选择的PV阵列阻抗的离散变化。
表2列示PV阵列阻抗的一些离散阶段，其与如前所述的PV阵列输出电压中的一些离散阶段相关，其可由具有96个智能节点的可配置PV阵列示例生成。表2示出可由安排成“J”组智能节点的96个智能节点构成的串联-并联电路的排列，其中每一组具有“K”个并联的智能节点，并且“J”个组串联电连接。表2中的量V指来自一个智能节点的输出电压。出于本示例的目的，对于可配置PV阵列的所有智能节点而言V都相同。
表2.来自具有96个智能节点的可配置PV阵列示例的输出电压的离散阶段
Figure BPA00001443867700161
表2中的第一数据行指并联连接的单个组的96个智能节点，第二数据行指两个串联连接组，其中每一个组中并联连接有48个智能节点，依此类推。表2中的最后一行指所有96个智能节点串联电连接。表2中的第三列，标示为“PV阵列的阻抗，Z”，指与由一个串联连接组构成的阵列的阻抗相关的阵列阻抗之值。表2的第三列中的数据是使用电压源的串联和并联组合的常规方法计算的，其中智能节点中的PV模块对应于电压源。第三列中两个值之间的差与相应PV阵列配置的阻抗之差相关。
表2不包括可在具有96个智能节点的可配置PV阵列中形成的串联和并联连接的所有组合。例如，可配置PV阵列中不同组的智能节点可任选地在每一组中具有不同数目的并联连接的智能节点，由此改变可串联连接的组的总数，并相应地改变可配置PV阵列输出电压之间的离散间隔。或者，可在一串联连接组中放置两个或更多个智能节点，并且串联连接组然后可并联地互连。通过针对串联和并联电路组合的常规计算方法，表2可容易地扩展成包括所有这种配置。表2还可针对具有不同数目智能节点的可配置PV阵列来容易地修改，包括具有数十万个智能节点的可配置PV阵列。一般而言，可配置PV阵列中的智能节点的数目越大，对输出电压或者PV阵列阻抗的增量调节的大小就越小，这可通过重新配置串联和并联连接来实现，并且在逼近电力控制目的时可实现的控制程度就越精细。输出电压中增量调节的幅度与实现电力传送目的时的最大误差量相关。
表2中的第四列示出针对每一组中并联有8个智能节点的12个串联组的配置标准化的PV阵列阻抗的值。第四列可任选地根据表2中的其它数据行的任一行来标准化。例如，在入射光照、温度和负载阻抗的基准条件下，当阵列被配置为每一组中并联有8个智能节点的12个串联组时可出现从可配置PV阵列至电负载的最大功率。随着负载阻抗增大，例如负载阻抗加倍，可配置PV阵列可被切换成其中阻抗为先前配置的两倍的配置，与表2中每一组中并联有4个智能节点的24个串联组相对应。
在计算与智能节点之间串联和并联连接的选定组合的阻抗变化相关的值的表格(图14中的步骤306-1)之后，在步骤306-2获取负载阻抗之值。许多发电系统，尤其是大发电系统，具有用于确定负载阻抗的装置，以及用于将负载阻抗的值传送至中央监视和控制计算机的装置。在步骤306-3选择PV阵列的基线配置，例如将阵列的阻抗值配置成与负载阻抗的当前值最接近。接着，在步骤306-4，与在步骤306-1计算的离散PV阵列阻抗变化相关的值的表格可任选地标准化成当前PV阵列配置，从而使响应于负载阻抗的增减相关于基线配置选择离散的阻抗增减量变得容易。
在步骤308，可配置PV阵列被切换成在步骤306-1至306-4中确定的智能节点之间的串联和并联连接的组合。接着，在步骤310，获取负载阻抗的新值，并计算负载阻抗的变化幅度。在步骤312，关于负载阻抗的变化幅度是将新负载阻抗设置为更接近当前PV阵列阻抗、还是更接近与另一阵列配置相对应的PV阵列阻抗作出判定。如果阻抗的变化幅度足够大，则在步骤314PV阵列配置变成新的配置，否则该PV阵列配置保持不变。即，关于变化幅度更紧密关联于先前的阵列配置、还是更紧密关联于新配置作出判定。在步骤310，另一个新的测量和比较循环开始。
一般而言，因可配置PV阵列中串联和并联连接的变化导致的离散阻抗变化量将不会正好与负载阻抗的变化量相等。图14示例中的可选步骤因此可选择输出电压的下一最高阶段或下一最低阶段，如具体类型的电负载或其它操作考虑因素所优选的。改变智能节点之间的连接的命令可选地从中央监视和控制计算机系统或指定的智能节点发出。切换命令能可任选地被同时发送至所有智能节点，或者对等地传播，即从一个智能节点到另一个智能节点。
图15和图16示出图1所示方法的另一变体。图16是图15示例的继续。图15-16的示例示出用于实现与在最大功率点(MPP)操作可配置PV阵列相关的电力传送目的的示例的步骤。这种电力传送目的对于例如向具有相对较大输入电压范围的电负载供电的可配置PV阵列有用。在图15-16的方法中，PV阵列的配置响应于入射光照的变化、温度的变化或其它变化而改变，这些条件的变化影响PV阵列的电流或电压输出，且因此引起MPP的变化。
在图15中，示例在步骤302开始。在步骤304，选择与调整PV阵列配置以跟踪MPP变化相关的电力传送目的。在步骤306-1，计算与选定PV阵列配置相对应的PV阵列输出电压值的表格。在步骤306-2，分配可配置PV阵列输出电流的目标值，例如与指定光照、温度和电负载阻抗条件下的阵列运算相关的目标值。在步骤306-3，确定输出电流目标值处的MPP值和与MPP相关的电压值。例如，MPP的值可通过使来自步骤306-2的PV阵列输出电流与从步骤306-1的表格获得的在光照和温度的基准条件下的PV阵列输出电压值的算术乘积最大化来可任选地确定。在步骤306-4，选择其输出电压给出与来自步骤306-3的MPP值最接近的计算输出功率值的串联和并联连接的组合。在步骤306-5，可任选地将在步骤306-1计算的PV阵列输出电压的表格标准化成在步骤306-4选择的阵列配置。
在步骤306-5之后，图15的示例在图16中的步骤308继续，在步骤308中可配置PV阵列被切换成在步骤306-4选择的串联和并联连接的组合。然后，在图16中的步骤310，测量PV阵列输出电流的值。在步骤312，计算与新电流值相关的新MPP值，并将其与先前确定的MPP值作比较。在步骤312，关于MPP阻抗的变化幅度将新的MPP值放置成更靠近当前PV阵列配置、还是更靠近针对另一PV阵列配置的输出电压计算的MPP作出判定。如果阻抗的变化幅度足够大，则在步骤314PV阵列配置变成新的配置，否则阵列配置保持不变。在步骤310开始新的另一个测量和比较循环。
本领域技术人员将理解，图1的方法适用于许多不同的电力传送目的。例如，针对入射光照和负载阻抗的同时变化寻找智能节点之间串联和并联电连接的最佳配置的电力传送目的可通过寻找最接近地跟踪MPP新值、同时最小化源阻抗与负载阻抗之间的差的配置来实现。或者，不同的电力传送目的可在后来的测量和重新配置循环(对应于图1中的步骤310-314)中依次实现。例如，可配置PV阵列在重复循环中首先可配置成跟踪MPP，接着用于匹配源阻抗和负载阻抗。
除非在本文中明确表述，普通术语具有在其呈现的相应背景中的相应普通含义，并且本领域的普通术语具有其相应习惯含义。

Claims (20)

1.一种用于配置光伏阵列中的智能节点之间的电连接的方法，包括：
选择电力传送目的；
向与所述电力传送目的相关的一个或多个参数分配值；
按根据所述电力传送目的和所述参数值选择的串联和并联电路的第一组合连接所述智能节点；以及
测量与所述电力传送目的相关的一个或多个参数的变化量。
2.如权利要求1所述的用于配置光伏阵列中的智能节点之间的电连接的方法，其特征在于，进一步包括：
确定所测得的与所述电力传送目的相关的参数的变化量是否关联于光伏阵列配置的变化；以及
按根据所述电力传送目的和所测得的参数变化量选择的串联和并联电路的新组合来连接智能节点。
3.如权利要求2所述的用于配置光伏阵列中的智能节点之间的电连接的方法，其特征在于，选择电力传送目的的步骤进一步包括选择从所述光伏阵列输出在逆变器的输入电压范围内的电压的目的。
4.如权利要求3所述的用于配置光伏阵列中的智能节点之间的电连接的方法，其特征在于，向与所述电力传送目的相关的一个或多个参数分配值的步骤进一步包括计算与可配置光伏阵列中的智能节点之间的串联和并联连接的选定组合相关的光伏阵列输出电压值的表格的步骤。
5.如权利要求4所述的用于配置光伏阵列中的智能节点之间的电连接的方法，其特征在于，向与所述电力传送目的相关的一个或多个参数分配值的步骤进一步包括以下步骤：
获取逆变器的输入电压范围的值；以及
为与其输出电压在所述逆变器的输入电压范围内的串联和并联电路的组合相对应的光伏阵列选择基线配置。
6.如权利要求5所述的用于配置光伏阵列中的智能节点之间的电连接的方法，其特征在于，进一步包括将光伏阵列输出电压值的表格标准化成选定基线配置的输出电压值的步骤。
7.如权利要求2所述的用于配置光伏阵列中的智能节点之间的电连接的方法，其特征在于，选择电力传送目的的步骤进一步包括选择均衡光伏阵列阻抗和负载阻抗的目的。
8.如权利要求7所述的用于配置光伏阵列中的智能节点之间的电连接的方法，其特征在于，向与所述电力传送目的相关的一个或多个参数分配值的步骤进一步包括计算可配置光伏阵列中智能节点之间的串联和并联连接的选定组合的阻抗的值。
9.如权利要求8所述的用于配置光伏阵列中的智能节点之间的电连接的方法，其特征在于，向与所述电力传送目的相关的一个或多个参数分配值的步骤进一步包括以下步骤：
获取负载阻抗的值；以及
为与其所计算的阻抗值比为其它组合计算的阻抗值更接近负载阻抗值的串联和并联电路的组合相对应的光伏阵列选择基线配置。
10.如权利要求9所述的用于配置光伏阵列中的智能节点之间的电连接的方法，其特征在于，进一步包括将所计算的阻抗值标准化为选定基线配置的阻抗值的步骤。
11.如权利要求2所述的用于配置光伏阵列中的智能节点之间的电连接的方法，其特征在于，选择电力传送目的的步骤进一步包括选择在最大功率点从光伏阵列输出电力的目的。
12.如权利要求11所述的用于配置光伏阵列中的智能节点之间的电连接的方法，其特征在于，向与所述电力传送目的相关的一个或多个参数分配值的步骤进一步包括计算可配置光伏阵列中的智能节点之间的串联和并联电连接的选定组合的光伏阵列输出电压的值。
13.如权利要求12所述的用于配置光伏阵列中的智能节点之间的电连接的方法，其特征在于，向与所述电力传送目的相关的一个或多个参数分配值的步骤进一步包括分配光伏阵列输出电流的目标值的步骤。
14.如权利要求13所述的用于配置光伏阵列中的智能节点之间的电连接的方法，其特征在于，向与所述电力传送目的相关的一个或多个参数分配值的步骤进一步包括指定入射光照和温度的基准条件的步骤。
15.如权利要求14所述的用于配置光伏阵列中的智能节点之间的电连接的方法，其特征在于，光伏阵列输出电流的目标值与入射光照和温度的指定基准条件相关。
16.如权利要求15所述的用于配置光伏阵列中的智能节点之间的电连接的方法，其特征在于，向与所述电力传送目的相关的一个或多个参数分配值的步骤进一步包括以下步骤：
确定与光伏阵列输出电流的目标值相关的最大功率点的值；以及
确定最大功率点处光伏阵列输出电压的值。
17.如权利要求16所述的用于配置光伏阵列中的智能节点之间的电连接的方法，其特征在于，向与所述电力传送目的相关的一个或多个参数分配值的步骤进一步包括为与其光伏阵列输出电压的值比为其它组合计算的光伏阵列输出电压的值更接近最大功率点处的光伏阵列输出电压的串联和并联电路的组合相对应的光伏阵列选择基线配置的步骤。
18.如权利要求17所述的用于配置光伏阵列中的智能节点之间的电连接的方法，其特征在于，向与所述电力传送目的相关的一个或多个参数分配值的步骤进一步包括将所计算的光伏阵列输出电压的值标准化为选定基线配置的光伏阵列输出电压值的步骤。
19.如权利要求18所述的用于配置光伏阵列中的智能节点之间的电连接的方法，其特征在于，测量与所述电力传送目的相关的一个或多个参数的变化量的步骤包括以下步骤：
测量光伏阵列输出电流的新值；
确定与光伏阵列输出电流的新值相关的新最大功率点的值；以及
确定新最大功率点的值处的光伏阵列输出电压的新值。
20.如权利要求19所述的用于配置光伏阵列中的智能节点之间的电连接的方法，其特征在于，确定所测得的与所述电力传送目的相关的参数的变化量是否关联于光伏阵列配置的变化的步骤进一步包括以下步骤：
确定最大功率点的值的变化幅度；以及
确定最大功率点的值的变化幅度是否与另一光伏阵列配置相关联。
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