CN102655381A - 一种新型的光伏系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型的光伏系统，所述光伏系统包括复数个光伏模组串列、直流-交流交换器，所述光伏模组串列控制光伏模组操作于最大功率点，所述复数个光伏模组串列的输出并联，并且与所述直流-交流交换器的输入耦接。本发明使得光伏模组串列有一致的最大功率点，便于该光伏系统的最大功率追踪控制，且成本低，损耗小。

Description

一种新型的光伏系统
技术领域
本发明涉及一种分散式电源(distributed power source)的发电系统，尤其涉及一种具有集总补偿模组的光伏系统。
背景技术
近来可再生能源逐渐受到关注，使得分散式电源(例如光伏(PV)电池、燃料电池、车用电池等)的研究愈来愈多。在考虑许多因素(例如电压/电流需求、操作条件、可靠度、安全性、成本...等)之下，也有相当多的拓朴架构已经被提出用以将这些分散式电源连接至负载。这些分散式直流电源大多只能提供低电压输出。一般而言，一个单元(cell)仅能提供几伏特，而一个由多个单元串接而成的模组则可供几十伏特。因此，它们需要串接成一模组，以便达到所需的操作电压。然而，一个模组(即串接而成的一组单元，一般为60个单元)并无法提供所需的电流，故需要将多个模组加以并联，以便提供所需的电流。
再者，由于分散式电源的每一次的发电量会根据制程条件、操作条件与环境条件而有不同。举例而言，许多制造过程中的不一致将使得两个相同的电源具有不同的输出特性。同样地，两个相同的电源也会由于不同的操作条件与/或环境条件(例如负载、温度...)，而有不同的反应(影响)。在实际的设备中，不同的电源也可能会遭受不同的环境条件。举例而言，在光伏电源发电设备中，某些光伏面板会完全地暴露在太阳光之下，而另一部分则会被遮蔽，故会产生不同的输出功率。在一多电池设备中，某些电池会具有不同老化程度，故会产生不同的输出功率。
参见图1，其所示为光伏(photovoltaic；PV)电池的电压特性曲线与电流特性曲线。对每个光伏电池而言，输出电流会随着输出电压的增加而减少。光伏电池的输出功率等于输出电流与输出电压的乘积(即P＝I×V)，并且会随着光伏电池所获得的输出电压而变化。光伏电池在不同的日照条件(irradiatingcondition)下会具有不同的输出电流与输出电压。在某一特定输出电压时，其输出功率将可到达一最大功率点MPP(即功率-电压曲线的最大值)。光伏电池最好能操作在最大功率点MPP，并且所谓的最大功率点跟踪(maximum power pointtracking；MPPT)的目的是在于找出此点，并将系统操作于最大功率点MPP之上，以便从光伏电池中获得最大的输出功率。然而，在真实的情况下，将每个光伏电池都操作在其最大功率点上是十分困难的。
参见图2，其所示为光伏系统200的最大功率点跟踪原理的相关技术。如图所示，光伏面板(由多个光伏模组组成)210是藉由一正输出端211与一负输出端212连接至一直流-直流转换器220。直流-直流转换器220用以供应电力/能量(power)至一负载230。在光伏系统200中，正输出端211所耦接的电压传感器222用以采样直流-直流转换器220的输入电压(即光伏面板210的输出电压)，而负输出端212所耦接的电流传感器223则用以采样直流-直流转换器220的输入电流(即光伏面板210的输出电流)。乘法器224用以将电流传感器223所感测到的输入电流信号和电压传感器222所感测到的输入电压信号相乘，以便产生一功率信号。最大功率点跟踪控制器221则用以根据此功率信号，将光伏系统200操作在最大功率点之下。
参见图3，其所示为具有最大功率点跟踪控制的集中式光伏系统(centralized solar system)的相关技术。如图所示，由于每个光伏模组310所提供的电压很低，所以需要将多个光伏模组310串接成一个模组串列320。对一个大型设备而言，当需要较大电流时，则会将多个模组串列320加以并联地连接，以便形成整个光伏系统300的前级350(即电源级或光伏面板)。这些光伏模组310可设置于户外，并连接至最大功率跟踪(MPPT)模组330，随后再连接至直流-交流转换器340。一般而言，最大功率跟踪模组330可整合成直流-交流转换器340的一部分。直流-交流转换器340用以接收由光伏模组310所获得的能量，并将这个不稳定的(fluctuating)直流电压转换成具有所需电压与所需频率的交流电压。举例而言，此交流电压可为110V或220V且60Hz的交流电压、或220V且50Hz的交流电压。需注意的是，即使在美国仍有多种转换器会产生220V的交流电压，但随后分成两个110V供入电箱中。由直流-交流转换器340所产生的交流电流可用以操作电器产品或供入电源网络中。若光伏系统300并未连接至电源网络，由直流-交流转换器340所产生的能量也可以传送至一转换和充/放电电路(conversion and charge/discharge circuit)，用以将多出来的电力/能量充至电池中。在电池式的应用中，直流-交流转换器340也可以被省略，而将最大功率跟踪模组330的直流输出直接供入充/放电电路。
如上所述，每个光伏模组310仅能提供相当小的电压与电流，故光伏电池阵列(或光伏面板)的设计者所要面临的问题在于如何由光伏模组310所提供的小电压与电流组合成具有110V或220V均方根值的标准交流输出。一般而言，直流-交流转换器(例如直流-交流转换器340)的输入电压稍微高于其所输出的均方根电压的
Figure BDA0000048402390000031
倍时，将会使转换器具有最高的效率。因此，为了达到所需的电压或电流，在许多的应用中都会将多个直流电源(例如光伏模组310)组合起来。最常见的方式就是将多个直流电源先串联地连接用以得到所需的电压，或是将多个直流电源并联地连接用以得到所需的电流。如图所示，多个光伏模组310串接成一个模组串列320，而多个模组串列320则皆与直流-交流转换器340并联地连接。多个光伏模组310是串联地连接用以得到直流-交流转换器340所需的最小电压，而多个模组串列320是并联地连接用以供应较大的电流，以便提供较高的输出功率。同样地，每个光伏模组310中也可附加一具有旁路二极管的连接器加以保护，但在图3并未绘示出此连接器。
此架构的好处在于成本低与架构简单，但仍是具有许多的缺点。其缺点之一在于无法让每个光伏模组310都操作在最佳功率，故导致此架构的效率并不理想。如前所述，光伏模组310的输出会受到多种因素的影响，故为了由每个光伏模组中获得最大的功率，所取得的电压与电流的组合也需随情况加以改变。
发明内容
本发明针对现有光伏系统中部分光伏模组被遮荫时无法让每个光伏模组都操作在最佳功率，导致此架构的效率并不理想的问题，而提供一种新型的光伏系统，该系统能够实现所有的光伏模组运行于最佳工作点。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种新型的光伏系统，所述光伏系统包括一个光伏模组串列、直流-交流交换器，所述光伏模组串列包含复数个光伏模组，所述光伏模组的输出串联，所述光伏模组串列与所述直流-交流交换器的输入耦接，所述光伏系统包含一集总补偿模组。
在本发明一优选实例中，所述集总补偿模组用来使得所述光伏模组串列中复数个光伏模组运行在最佳效率点。
进一步的，所述集总补偿模组与所述复数个光伏模组耦接，对所述光伏模组进行补偿，使其操作于最大功率点。
再进一步的，所述集总补偿模组的两个输入端耦接于所述光伏模组串列的两个输出端以接受能量来进行补偿。
再进一步的，所述集总补偿模组的两个输入端耦接于外部能量源。
在本发明另一优选实例中，所述光伏系统还包括一第二光伏模组串列，且两个光伏模组串列输出并联。
进一步的，所述光伏系统中还设有第二集总补偿模组，所述第二集总补偿模组与所述第二光伏模组串列中复数个光伏模组耦接，对所述光伏模组进行补偿，使其操作于最大功率点。
再进一步的，所述第二集总补偿模组的两个输入端耦接于所述第二光伏模组串列的两个输出端以接受能量来进行补偿。
再进一步的，所述第二集总补偿模组的两个输入端耦接于外部能量源。
在本发明又一优选实例中，所述光伏系统还包括一个最大功率追踪直流-直流转换模组，所述最大功率追踪直流-直流转换模组的输入与所述光伏模组串列的输出耦接，所述最大功率追踪直流-直流转换模组的输出与所述直流-交流交换器的输入耦接。
根据上述方案形成的本发明提供一集总补偿模组，用来对光伏模组串列中被遮荫的光伏模组来进行电流补偿，使得该光伏模组串列有一致的最大功率点，便于该光伏系统的最大功率追踪控制，且成本低，损耗小。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为光伏电池的电压特性曲线与电流特性曲线。
图2为现有光伏系统的最大功率点跟踪原理图。
图3为现有具有最大功率点跟踪控制的集中式光伏系统的系统框图。
图4为分散式最大功率追踪的光伏系统架构图。
图5A为本发明具有集总补偿模组的光伏系统的一实施例的系统框图。
图5B为本发明具有集总补偿模组的光伏系统的另一实施例的系统框图。
图6A为本发明具有集总补偿模组的光伏系统的另一实施例的系统框图。
图6B为本发明具有集总补偿模组的光伏系统的另一实施例的系统框图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
本发明提供的光伏系统包括一个光伏模组串列、直流-交流交换器，其中光伏模组串列能够控制光伏模组操作于最大功率点，并且光伏模组串列的输出与直流-交流交换器的输入耦接。光伏模组串列也可以有复数个，且复数个光伏模组串列的输出并联。
基于上述原理，本发明的具体实施如下：
实施例1
一般而言，较佳的方式还是将直流电源(特别是光伏模组的设备)加以串联连接。参见图4，该实施例提供的光伏系统400中光伏模组串列440由复数个光伏模组410和复数个具有最大功率跟踪控制机制的直流-直流转换器420组成。
每个光伏模组410是经由具有旁路二极管的连接器(该图中未显示)耦接至具有最大功率跟踪控制机制的直流-直流转换器420，并且这些直流-直流转换器420的输出是串联地连接，形成光伏模组串列的输出，并连接到直流-交流变换器430。
直流-直流转换器420是感测光伏模组410的输出电压与输出电流(即直流-直流转换器420的输入电压与输入电流)，用以将光伏模组410操作在最大功率点。
在每个光伏模组410后面耦接具有最大功率跟踪控制机制的直流-直流转换器420，直流-直流转换器420感测光伏模组410的输出电压与输出电流，并使得该输出电压与输出电流相乘得到功率来进行最大功率跟踪控制。这样，可以使得光伏系统400中的所有的光伏模组运行于其最佳工作点，不管所有光伏模组是否接受相同强度的太阳光。然而，在该光伏系统400所有最大功率跟踪控制机制的一直流-直流转换器420始终有一定的损耗，使得该系统400的效率降低。因此，仍需要一种有效的架构能解决该缺陷。
实施例2
该实施例针对实施例1所提供的光伏系统存在的问题，而提供一种具有集总补偿模组的光伏系统。
参见如图5A，该实施例提供的光伏系统500包含光伏模组串列510，520，该两个串列分别由数个光伏模组5101，5102...510N；5201，5202...520N和集总补偿模组540、5402组成。
其中数个光伏模组5101，5102...510N；5201，5202...520N输出串联。该两个串列的输出并联，并且与直流-交流变换器530的输入耦接，该直流-交流变换器530具有最大功率追踪功能。
对于光伏模组串列510，有一个集总补偿模组540与之对应，该集总补偿模组540与光伏模组串列510中所有的光伏模组5101，5102，...510N耦接，使得当光伏模组串列510中的某个光伏模组例如5102被遮荫时，该集总补偿模组540对该被遮荫的光伏模组进行补偿，例如补偿电流，使得该被遮荫的光伏模组继续操作于与其他未被遮荫的光伏模组基本相同的最大功率点。
对于光伏模组串列520，可以有一个与之对应的另一集总补偿模组5402，也可以与光伏模组串列510共用集总补偿模组540。对于光伏模组串列520，也可以只有一个光伏模组串列510，一个集总补偿模组540。
实施例3
参见图5B，该实施例提供的光伏系统500与实施例2所提供的光伏系统相比多一个最大功率追踪直流-直流转换模组550，最大功率追踪直流-直流转换模组550的输入与并联的光伏模组串列510、520的输出耦接，同时其输出与直流-交流交换器530的输入耦接。最大功率追踪直流-直流转换模组550用来使得系统工作于最大功率状态，而其直流-交流变换器530不需最大功率追踪的功能。
实施例4
参见图6A，该实施例提供的光伏系统600与实施例2所提供的光伏系统的区别在于，其集总补偿模组640、6402两个输入端耦接于光伏模组串列610、620的两个输出端以接受能量来进行补偿，即DC BUS上的能量用来提供集总补偿模组640、6402的能量源。因为DC BUS上的高电压，使得该集总补偿模组640、6402运行于高压，损耗较小。相对于其他的分布式最大功率追踪光伏系统，该系统成本较低，只需一个总的最大功率追踪模组即可较好的实现最大功率追踪控制。
实施例5
参见图6B，该实施例提供的光伏系统600与实施例4的区别在于，其集总补偿模组640、6402两个输入端耦接于外部能量源例如电源模组650，其也可以是UPS。
综上所述，本发明提供一集总补偿模组，用来对光伏模组串列中被遮荫的光伏模组来进行电流补偿，使得该光伏模组串列有一致的最大功率点，便于该光伏系统的最大功率追踪控制，且成本低，损耗小。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种新型的光伏系统，所述光伏系统包括一个光伏模组串列、直流-交流交换器，所述光伏模组串列包含复数个光伏模组，所述光伏模组的输出串联，所述光伏模组串列与所述直流-交流交换器的输入耦接，其特征在于，所述光伏系统包含一集总补偿模组。
2.根据权利要求1所述的一种新型的光伏系统，其特征在于，所述集总补偿模组用来使得所述光伏模组串列中复数个光伏模组运行在最佳效率点。
3.根据权利要求2所述的一种新型的光伏系统，其特征在于，所述集总补偿模组与所述复数个光伏模组耦接，对所述光伏模组进行补偿，使其操作于最大功率点。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种新型的光伏系统，其特征在于，所述集总补偿模组的两个输入端耦接于所述光伏模组串列的两个输出端以接受能量来进行补偿。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的一种新型的光伏系统，其特征在于，所述集总补偿模组的两个输入端耦接于外部能量源。
6.根据权利要求1所述的一种新型的光伏系统，其特征在于，所述光伏系统还包括一第二光伏模组串列，且两个光伏模组串列输出并联。
7.根据权利要求6所述的一种新型的光伏系统，其特征在于，所述光伏系统中还设有第二集总补偿模组，所述第二集总补偿模组与所述第二光伏模组串列中复数个光伏模组耦接，对所述光伏模组进行补偿，使其操作于最大功率点。
8.根据权利要求7所述的一种新型的光伏系统，其特征在于，所述第二集总补偿模组的两个输入端耦接于所述第二光伏模组串列的两个输出端以接受能量来进行补偿。
9.根据权利要求7所述的一种新型的光伏系统，其特征在于，所述第二集总补偿模组的两个输入端耦接于外部能量源。
10.根据权利要求1或6所述的一种新型的光伏系统，其特征在于，所述光伏系统还包括一个最大功率追踪直流-直流转换模组，所述最大功率追踪直流-直流转换模组的输入与所述光伏模组串列的输出耦接，所述最大功率追踪直流-直流转换模组的输出与所述直流-交流交换器的输入耦接。
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