CN102667659B - 用于获取使能电源特性的确定的信息的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于获取使能电源的例如最大功率点的特性的信息的器件，该器件包括至少电感器以及电容器，使能电源特性的确定的信息通过监测电容器的电压充电来获取，其特性为，用于获取使能电源特性的确定的信息的器件包含用于在监测电容器的充电之前通过电感器放电电容器的部件。

Description

用于获取使能电源特性的确定的信息的方法

本发明通常涉及用于获取使能例如光伏电池或电池阵列或者燃料电池等电源的例如最大功率点等特性的确定的信息的器件和方法。

光伏电池将太阳能能量直接转换为电能。光伏电池所产生的电能能够随时间来提取并且以电力的形式来使用。将光伏电池所提供的直流电力提供给例如DC-DC升压/降压转换器电路和/或DC/AC逆变器电路等转换装置。

但是，光伏电池的电流-电压下垂特性引起输出功率随着从光伏电池所吸取的电流而非线性地改变。功率-电压曲线根据例如光辐射水平和操作温度等气候变化而改变。

操作光伏电池或电池阵列的近最佳点在其中功率为最大的电流-电压曲线的区域处或其附近。此点称作最大功率点（Maximum Power Point，MPP）。

重要的是在MPP附近操作光伏电池，以优化其电力产生效率。

随着功率-电压曲线根据气候变化而改变，MPP也根据气候变化而改变。

于是，需要能够在任何时间识别MPP。

本发明旨在提供一种器件，该器件使能获取表示例如光伏电池阵列等的电源的输出电流和电压变化的信息以确定其最大功率点。

为此目的，本发明涉及一种用于获取使能电源的例如最大功率点等特性的确定的信息的器件，该器件包括至少电感器以及电容器，使能电源特性的确定的信息通过监测电容器的电压充电（voltage charge）而获取，其特性为，用于获取使能电源特性的确定的信息的器件包括在监测电容器充电之前用于通过电感器放电电容器的部件。

本发明还涉及一种用于获取使能连接到直流转换器的电源的例如最大功率点等特性的确定的信息的方法，该直流转换器包括至少电感器和电容器，其特性为，该方法包括以下步骤：

-通过电感器放电电容器，

-监测电容器的电压充电以获取使能电源特性的确定的信息。

因此，有可能获取表示电源的输出电流和电压变化的信息，例如以确定MPP或者确定电源的故障或者确定电源的填充因数。

此外，在大多数DC/DC和/或DC/AC转换器中，电容器和电感器已经可用于转换目的。电容器和电感器还能够用于监测至少一个特定时间段期间的电压和电流变化。所监测电压和电流变化使能在任何时间获取例如电源的所希望的电压-电流/电压-功率下垂特性等信息。本发明避免对系统添加任何其它额外的电感器。

根据特定的特征，该器件包括用于在电容器放电期间监测流经电感器的电流的部件并且只要流经电感器的电流到达第一预定电流值或者只要电容器没有放电，则在电感器中放电电容器。

因此，有可能限制电感器和电容器两者上的电流电平，避免因电感器与电容器之间的谐振的大电流峰值，其可以引起电感器磁芯的饱和并且也可以降低电容器的寿命。

根据特定的特征，该器件包括用于当流经电感器的电流值到达第一预定值或者当电容器放电时，将电感器放电到至少另一装置的部件。

根据特定的特征，另一个装置是能量存储装置或负载。

因此，存储于电感器中的能量没有在任何电阻的组件内耗散而是与其他例如电容器等的存储装置交换或甚至是直接供应到负载，导致非耗散过程。由于在电感器放电期间电源持续将电力存储到输入电容器，所以从电源侧没有电力中断。

根据特定的特征，该器件包括用于在监测电容器的充电期间获取由电源输出的电流的部件。

因此，有可能获取电源的从零电压值直到开路电压值的整体电压-电流/电压-功率下垂特性。

根据特定的特征，由电源输出的电流从电流传感器获取或从在监测电容器的充电期间所获取的电压值导出。

因此，如果电流传感器为不可用，则可以不增加实现成本。最后，完全不需要附加的组件以实现本技术。

根据特定的特征，只要电容器的电压到达第二预定值，就反复执行通过电感器的电容器的放电以及电感器的放电。

因此，可以以非耗散方式发生电容器放电，意味着存储于电容器中的能量完全给予到负载，减小了在此小的时间段（例如当此能量耗散在电阻器中时）停止电源供应的缺点。

本发明还涉及直流转换器，其特性为，它包括用于获取使能电源的最大功率点的确定的信息的器件。

因此，有可能获取表示电源（例如，光伏电池阵列）的输出电流和电压变化的信息以确定MPP。

此外，在大多数DC/DC和/或DC/AC转换器中，电容器和电感器已经可用于转换目的。电容器和电感器还能够用于在至少一个特定时间段期间监测电压和电流变化。所监测的电压和电流变化使能在任何时间获取例如电源的所希望的电压-电流/电压-功率下垂特性等信息。本发明避免对系统添加任何其它额外的电感器。

通过阅读例子实施例的以下描述，本发明的特性将更清楚地显现，所述描述参照附图提出，在附图中：

图1是可实现本发明的能量转换系统的例子；

图2是表示根据电源的输出电压的电源的输出电流变化的曲线的例子；

图3表示包含根据本发明的能量转换装置的装置的例子；

图4是根据本发明的包括电感器和电容器以获取使能电源的最大功率点的确定的信息的能量转换装置的例子；

图5是公开根据本发明的电路的开关的特定的实现模式的例子；

图6是根据本发明的用于确定电源的最大功率点的算法的例子；

图7a是根据本发明的所获取的电源电压变化的例子；

图7b是根据本发明的所获取的电源电流变化的例子；

图7c是根据本发明的能量转换装置的输出电压变化的例子；

图8a是根据本发明的在包括数个部分充电和放电的交织的子阶段的电容器放电阶段期间流经电感器的电流的变化的例子；

图8b是根据本发明的在包括数个部分充电和放电的交织的子阶段的电容器放电阶段期间流经电容器的电流的变化的例子；

图9是根据本发明的实现模式的用于确定电源的输出电流和输出电压对以使能电源的最大功率点的确定的算法的例子。

图1是可实现本发明的能量转换系统的例子。

能量转换系统包含连接到例如DC-DC降压/升压转换器的能量转换装置Conv的例如光伏电池或电池阵列或者燃料电池等的电源PV和/或又称作逆变器的DC/AC转换器，其输出向负载Lo提供电能。

电源PV提供送往负载Lo的电流。电流在由负载Lo使用之前由转换装置Conv转换。

图2是表示根据电源的输出电压的电源的输出电流变化的曲线的例子。

在图2的水平轴上示出电压值。电压值包含在零值与开路电压V_OC之间。

在图2的垂直轴上示出电流值。电流值包含在零值与短路电流I_SC之间。

在任何给定光等级（light level）和光伏阵列温度，存在光伏阵列能够以其进行操作的无限数量的电流-电压对或者操作点。但是，对于给定光等级和光伏阵列温度，存在单个MPP。

图3表示包含根据本发明的能量转换装置的装置的例子。

例如，能量转换装置Conv具有基于由总线301连接在一起的组件以及由与如图6和图9所公开的算法相关的程序所控制的处理器300的架构。

在这里必须注意，在一种变体中，处理器300以执行与以下所公开的处理器300所执行的操作相同的操作的一个或数个专用集成电路的形式来实现。

总线301将处理器300链接到只读存储器ROM 302、随机存取存储器RAM 303、模数转换器ADC 306和根据本发明的电路305。

只读存储器ROM 302包含与图6和图9中公开的算法相关的程序的指令，其在能量转换装置Conv加电时传递给随机存取存储器RAM 303。

RAM存储器303包含寄存器，寄存器预计接收变量以及与图6和图9中公开的算法相关的程序的指令。

模数转换器306连接到形成功率级305的根据本发明的电路，并且在需要时将电压和电流转换为二进制信息。

图4是根据本发明的包括电感器和电容器以获取使能电源的最大功率点的确定的信息的电路的例子。

该电路是合并降压/升压转换器（buck/boost converter），其根据开关的状态能够操作在降压模式（buck mode，step-down mode）或者操作在升压模式（boost mode，step-up mode），而无需如采用传统降压-升压转换器所进行的那样将输出电压极性反转。

根据本发明的电路包括输入滤波电容器C_UI，其正极端子连接到电源PV的正极端子。电容器C_UI的负极端子连接到电源PV的负极端子。电压测量意味着当电感器L1与电源并联时，测量电容器C_UI和电感器L1上的电压V1。

电容器C_UI的正极端子连接到开关S_W14的第一端子。

开关S_W14的第二端子连接到开关S_W12的第一端子以及电感器L1的第一端子。

开关S_W12的第二端子连接到电源PV的负极端子。

电感器L1的第二端子连接到电流测量部件的第一端子。

电流测量部件A的第二端子连接到二极管D_O的阳极以及开关S_W13的第一端子。开关S_W13的第二端子连接到电源PV的负极端子。

二极管D_O的阴极连接到电容器C_O的正极端子并且电容器C_O的负极端子连接到电源PV的负极端子。

当合并降压/升压转换器操作于降压模式时，开关S_W13始终处于OFF状态并且二极管D_O始终处于导通状态。

根据为了得到期望的输出电压V_DC而调整的占空比的周期样式，使开关S_W14处于导通状态。开关S_W14为高的时间段称作D。开关S_W14的命令信号为低的时间段称作（1-D）。

在D期间开关S_W12处于非导通状态，并且在（1-D）期间开关S_W12处于导通状态。

当合并降压/升压转换器操作于升压模式时，开关S_W14始终处于导通状态并且开关S_W12从不处于导通状态。

在D期间开关S_W13处于导通状态，并且在（1-D）期间开关S_W13处于非导通状态。

图5是公开根据本发明的电路的开关的特定的实现模式的例子。

例如，图5的开关S_W14是IGBT晶体管IG1。开关S_W14的第一端子是IGBT晶体管IG1的集电极。

IGBT晶体管IG1的发射极是开关S_W14的第二端子。

图5的开关S_W12是二极管D5。开关S_W12的第一端子是二极管D5的阴极并且开关S_W12的第二端子是二极管D5的阳极。

图5中的开关S_W13是NMOSFET M3。开关S_W13的第一端子是NMOSFET M3的漏极。开关S_W13的第二端子是NMOSFET M3的源极。

图6是根据本发明的用于确定电源的最大功率点的算法的例子。

更准确地，本算法由处理器300执行。

用于获取使能电源的最大功率点的确定的信息的算法在监测电容器C_UI的电压充电以得到使能电源的最大功率点的确定的信息之前，电容器C_UI通过部分充电和放电的交织的子阶段（interleaved sub-phase）而在电感器L1中放电。

在步骤S600，阶段PH1开始。阶段PH1在图7a到图7c中示出。

图7a是根据本发明的所获取的电源电压变化的例子。

时间表示在图7a的水平轴上并且电压表示在图7a的垂直轴上。

图7b是根据本发明的所获取的电源电流变化的例子。

时间表示在图7b的水平轴上并且电流表示在图7b的垂直轴上。

图7c是根据本发明的能量转换装置的输出电压变化的例子。

时间表示在图7c的水平轴上并且电压表示在图7c的垂直轴上。

在阶段PH1期间，能量转换装置Conv作为升压转换器起作用。根据为了得到期望的输出电压而调整的占空比的周期样式，使NMOSFET M3和二极管D_O处于导通状态和非导通状态。NMOSFET M3的命令信号为高的时间段称作D。NMOSFET M3的命令信号为高的时间段称作（1-D）。

在阶段PH1期间，IGBT晶体管IG1始终处于导通状态，在D期间NMOSFET M3处于导通状态，并且在（1-D）期间二极管D_O处于导通状态。

在阶段PH1期间，二极管D5从不处于导通状态，在（1-D）期间NMOSFET M3不处于导通状态，并且在D期间二极管D_O不处于导通状态。

图7a所示的电源PV所提供的电压对应于与由本算法以前确定的MPP对应的电压。

图7b所示的电源PV所提供的电流是与由本算法以前确定的MPP对应的电流。

图7c所示的输出处的电压V_DC是从电源PV输出电压和占空比获取的电压。

在阶段PH1期间，将电流提供到负载。

在下一步骤S601，处理器300决定中断升压转换模式以确定另一MPP并且转到阶段PH2。

如图7a所示，在阶段PH2中，通过部分充电和放电的交织子阶段，电容器C_UI通过电感器L1放电。

为了避免高电流流经L1和/或C_UI，将阶段PH2分为两个子阶段PH2a和PH2b并且最大电流在子阶段PH2a中设置。

子阶段PH2a表示电容器C_UI通过电感器L1部分地或完全地放电的时间段。

子阶段PH2b表示电感器L1在存储装置或负载上部分地或完全地放电的时间段和电容器C_UI由电源部分地充电的时间段。

在下一步骤S602，处理器300开始阶段PH2a。

在子阶段PH2a中，IGBT晶体管IG1和NMOSFET M3设置为导通状态并且二极管D5和D_O处于非导通状态。

如图8a和图8b所示，在子阶段PH2a期间，电容器C_UI以谐振的方式将其能量传递到电感器L1。

图8a是根据本发明的在包括数个部分充电和放电的交织的子阶段的电容器放电阶段期间流经电感器的电流的变化的例子。

时间表示在图8a的水平轴上并且电流表示在图8a的垂直轴上。

图8b是根据本发明的在包括数个部分充电和放电的交织的子阶段的电容器放电阶段期间流经电容器的电流的变化的例子。

时间表示在图8b的水平轴上并且电流表示在图8b的垂直轴上。

在下一步骤S603，处理器300检查流经电感器L1的电流I_L1是否大于第一预定值Thres1（其例如等于二十安培的最大电流），或电容器C_UI是否放电。

当电压V1等于第二预定值Thres2（其例如等于零值）时，认为电容器C_UI放电。

如果流经电感器L1的电流I_L1低于或等于第一预定值Thres1或如果电容器C_UI没有放电，则处理器300返回步骤S603。否则，处理器300转到步骤S604。

如图8a中可以看到的，直到时间T1，经过电感器L1的电流I_L1数次到达20安培的最大电流。

在T2，电容器C_UI放电。

在步骤S604，处理器300开始子阶段PH2b。

在子阶段PH2b中，IGBT晶体管IG1和NMOSFET M3设置为非导通状态并且二极管D5和D_O处于导通状态。

如图8a所示，电感器L1将其能量放电到电容器C_O中并且也根据特定的特征放电到负载中。

如图8b所示，同时电容器C_UI由电源PV充电。

此处必须注意电容器C_O的电容值大于电容器C_UI的电容值，即电感器L1放电比电感器L1充电进行得快很多，这意味着电容器C_UI的充电总是比其放电（即电感器L1充电）慢很多。

在下一步骤S605，处理器300检查经过电感器L1的电流I_L1是否小于第三预定值Thres3（其例如等于零值）。

如果经过电感器L1的电流I_L1大于第三预定值Thres3，则处理器300返回步骤S605。否则，处理器300转到步骤S606。

在下一步骤S606，处理器300检查电压V1是否大于第二预定值Thres2（其例如等于零值）。

如果电压V1大于第二预定值Thres2，则处理器300返回步骤S603并且只要电压V1不小于或等于预定值Thres2（例如零值），处理器300就连续地执行子阶段PH2a和PH2b。

如果电压V1小于或等于第二预定值Thres2，则处理器300转到步骤S607。

在步骤S607，处理器300开始阶段PH3。

在阶段PH3中，IGBT晶体管IG1和NMOSFET M3设置为非导通状态并且二极管D5和D_O处于非导通状态。

如图7a所示，电容器C_UI从零电压充电到开路电压V_OC，并且如图7b所示，电流从短路电流转到零值。

在下一步骤S608，处理器300在抽样周期Tsamp命令对于与电容器C_UI上的电压或电源PV的电压对应的电压V1的抽样。

在步骤S609，处理器300得到以前步骤确定的所有样本并且根据参照图9将公开的算法进行处理，并且形成如图2所示的曲线。

在同一步骤，由于从图9的算法获取的电压和电流值，处理器300通过选择从电压和电流值获取的最大功率来确定MPP。

在步骤S610，阶段PH4开始。阶段PH4如图7a到图7c所示。

此处必须注意阶段PH3在预定的持续时间后或当电压导数dV1/dt等于零时结束，这意味着到达开路电压V_OC。

在阶段PH4期间，能量转换装置作为升压转换器起作用。考虑到新确定的MPP，根据为了得到期望的输出电压而调整的占空比的周期样式，使NMOSFET M3和二极管D_O处于导通状态以及非导通状态。在阶段PH4期间，IGBT晶体管IG1处于导通状态，在D期间NMOSFET M3处于导通状态，并且在（1-D）期间二极管D_O处于导通状态。

在阶段PH4期间，二极管D5不处于导通状态，在（1-D）期间NMOSFET M3不处于导通状态并且在D期间二极管D_O处于导通状态。

图9是根据本发明的的实现模式的用于确定电源的电流和输出电压对以使能电源的最大功率点的确定的算法的例子。

更准确地，本算法由处理器300执行。

根据本发明的特定的实现模式，用于获取使能电源的最大功率点的确定的信息的算法使用电压V1以确定在阶段PH3期间经过电容器C_UI的电流。

从一般的观点看来，用本算法，用于给定样本的电流由电容器C_UI的电容值乘以给定样本的电压导数而确定，该电压导数通过拟合数学函数（例如具有实系数的多项式函数）获取以滤波抽样的电压。

拟合数学函数由在连续时间样本x_i以及数学函数f（x_i）处最小化测量电压y_i（其中i=1到N）之间的差的平方之和来获取，以获取给定时间样本的已处理的电压。其如下所述地完成。

给定N个样本（x₁,y₁）、（x₂,y₂）…（x_N,y_N），所要求的拟合数学函数例如能够写作如下形式：

f(x)=C₁·f₁(x)+C₂·f₂(x)+...+C_K·f_K(x)

其中f_j（x）（j=1,2…K）是x的数学函数，并且C_j（j=1,2…K）是最初未知的常数。

f（x）与y的实际值之间的差的平方之和给出为

通过相对于常数C_j（j=1,2,…K）的每个取E的一阶偏导数，并且将结果置为0，来使此误差项最小化。因此，获取K线性方程的对称系统，并且对C₁、C₂、…、C_K来求解。此过程又称作最小均方（LMS）算法。

使能最大功率点的确定的信息是从电流-电压下垂特性直接获取的电源PV的功率-电压下垂特性。

通过V1的电压样本，在将对于每个样本移动的预定义窗口中基于适当数学函数（例如具有实系数的多项式函数）的拟合来获取曲线。因此，对电压滤波，并且能够对窗口中的每一个中心点以非常简单并且直接的方式同时计算其导数，从而产生电流的确定而无需任何附加电流传感器。

在下一步骤S900，处理器300得到在阶段PH3期间获取的样本。每个样本是二维向量，其系数是电压值以及测量电压的时间。

在下一步骤S901，处理器300确定移动窗口的尺寸。移动窗口的尺寸指示将要用于基于合适的数学函数（例如具有实系数的多项式函数）的拟合确定曲线的样本的数量Npt。移动窗口的尺寸是奇数。例如，移动窗口的尺寸等于71。

在下一步骤S902，处理器300确定移动窗口的中心点Nc。

在下一步骤S903，处理器300将变量i设置为值Npt。

在下一步骤S904，处理器300将变量j设置为i-Nc+1。

在下一步骤S905，处理器300将变量k设置为一。

在下一步骤S906，处理器300将x（k）的值设置为样本j的时间系数。

在下一步骤S907，处理器300将y（k）的值设置为样本j的电压系数。

在下一步骤S908，处理器300将变量k递增一。

在下一步骤S909，处理器300将变量j递增一。

在下一步骤S910，处理器300检查变量j是否严格低于i和Nc之和减去一。

如果变量j严格低于i和Nc之和减去一，则处理器300返回步骤S906。否则，处理器300转到步骤S911。

在步骤S911，处理器300使用最小均方算法以及在步骤S906和S907抽样的所有x（k）和y（k）值来确定拟合数学函数，例如多项式函数y（x）=ax²+bx+c，直到到达S910上的条件。

处理器300然后获取二阶多项式函数的实系数a，b以及c（[a，b，c] ∈ ³）。

在下一步骤S912，处理器300根据以下公式求出已滤波的电压值和电流：

在下一步骤S913，处理器300将变量i递增一个单位。

在下一步骤S914，处理器300检查i是否严格低于N减去Nc，其中N是在步骤S901获取的电压样本的总数量。

如果i严格低于N减去Nc，则处理器300返回步骤S904。否则，处理器300中断本算法并且返回图6的算法的步骤S609。

通过转到步骤S904，处理器300将移动窗口位移一个样本。

当然可以对上述本发明的实施例做出多种修改而不背离本发明的范围。

Claims (9)

1.一种用于获取使能电源的最大功率点的特性的确定的信息的器件，所述器件包括至少电感器以及电容器，所述使能所述电源的所述最大功率点的特性的确定的信息通过监测所述电容器的电压充电来获取，其特性为，所述用于获取使能所述电源的所述最大功率点的特性的确定的信息的器件包括用于在监测所述电容器的充电之前通过所述电感器放电所述电容器的部件，以及

用于在所述电容器放电期间监测流经所述电感器的电流的部件，以及只要流经所述电感器的电流没有到达第一预定值或只要所述电容器没有放电，所述电容器就在所述电感器中放电。

2.根据权利要求1所述的器件，其特性为，所述器件包括当流经所述电感器的电流到达所述第一预定值或当所述电容器放电时，用于将所述电感器放电到至少另一装置中的部件。

3.根据权利要求2所述的器件，其特性为，所述另一装置是能量存储装置或负载。

4.根据权利要求1所述的器件，其特性为，所述器件包括用于在监测所述电容器的充电期间获取所述电源所输出的电流的部件。

5.根据权利要求4所述的器件，其特性为，所述电源所输出的电流由电流传感器获取或由在监测所述电容器的电压充电期间所获取的电压值导出。

6.一种直流转换器，其特性为，其包括根据权利要求1到5的任一项所述的器件。

7.一种用于获取使能连接到直流转换器的电源的最大功率点的特性的确定的信息的方法，所述直流转换器包括至少电感器以及电容器，其特性为，所述方法包括以下步骤：

-通过所述电感器放电所述电容器，

-监测所述电容器的电压充电以获取使能所述电源的所述最大功率点的特性的确定的信息，

所述方法还包括在所述电容器放电期间监测流经所述电感器的电流的步骤，以及只要流经所述电感器的电流没有到达第一预定值或只要所述电容器没有放电，所述电容器就在所述电感器中放电。

8.根据权利要求7所述的方法，其特性为，所述方法还包括当流经所述电感器的电流到达所述第一预定值或所述电容器放电时，将所述电感器放电到至少另一装置中的步骤。

9.根据权利要求8所述的方法，其特性为，只要所述电容器的电压到达第二预定值，则反复执行通过所述电感器放电所述电容器以及将所述电感器放电的步骤。