CN102741771A

CN102741771A - 能量收集系统和方法

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Publication number: CN102741771A
Application number: CN2010800497090A
Authority: CN
Inventors: 诺莫·克比尔特·诺伊
Original assignee: Watts and More Ltd
Current assignee: Watts and More Ltd
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: US20120228947A1; WO2011051943A2; AU2016202771A1; AU2010310944A1; WO2011051943A3; JP2013509635A; CN102741771B; RU2012121259A; EP2494421A2

Abstract

本发明提供了一种用于优化从多个能量发生器进行能量收集的系统和方法，所述多个能量发生器具有不同的IV特性且由此定义了高性能和低性能能量发生器。能量收集的优化是通过提供被电连接到多个电连接的能量发生器的功率再分配单元来实现的。功率再分配单元包括总线连接器和至少两个可电连接到总线连接器的电耦合组件。每个电耦合组件与一个或多个能量发生器相关联，并且被配置为可控地操作用于根据预定的时间模式提供总线连接器与所述至少两个能量发生器之间的选择性电耦合，以使得在系统工作期间始终有至少一个耦合组件与相应的一个或多个能量发生器保持电连接，从而实现所述至少两个能量发生器之间的功率再分配并优化能量收集。

Description

能量收集系统和方法

技术领域

本发明涉及从具有不同功率输出量的功率发生器的阵列进行能量收集。具体而言，本发明非常适合用于光伏系统或电池组来优化收集多个光伏单元或电池单元所生成的功率的方式。

背景技术

很多电能产生技术(能量生成/转换技术)利用包括以串联或并联连接的方式彼此相互连接的多个电能产生单元的能量生成模块。一般而言，单元的操作依据该单元的电流-电压曲线(即I-V曲线)特征。I-V曲线表征针对给定单元(例如，如果是光伏单元，由单元的尺寸和材料来限定，所述材料例如单晶/多晶硅，无定形硅，CDTE和其他材料)以及该单元的特定操作条件的能量产生单元的操作，所述操作条件例如是由光伏单元的操作温度(可能会影响该光伏单元的效率)和要由该光伏单元转换成电能的输入能量的量来决定的。

彼此串联的多个能量产生单元(通常被称为单元串(cell string)或串)提供具有特定电流的电输出，该单元串的所有单元内的电流都等于所述特定电流。这样的单元串的输出电压是每个单元根据其相应的I-V曲线和流经单元串的单元的所述特定电流所生成的电压的总和。换言之，每个单元被限定为工作在其I-V曲线上根据所述特定电流的值所确定的特定固定点上。所述特定电流又取决于整个单元串上的电负载。

典型的能量发生模块包括彼此以并联连接方式布置的多个单元串的排列，以使得来自彼此连接的单元串的输出电流被累加。

图1示意性地图示了公知的太阳能系统(模块)100的“集中式逆变器”(central inverter)配置。系统100包括分别包括多个彼此串联电连接的光伏单元的两个单元串107a和107b，所述光伏单元在文中也被称为太阳能面板101。每个单元串(107a，107b)中的单元101的数目被设计以使得从每个单元串(107a，107b)提供足够高的输出电压。这是因为从单元(101)所产生的DC电力到典型的标准网络AC电压(例如大约100V，120V，240V或480V AC)的高效转换需要相对高的输入DC电压(大约几百伏的DC电压应当被提供作为逆变器的输入)。典型的单元串包括多个太阳能板，并且太阳能板的数量和类型被选择以从单元串提供高DC输出电压(大约400或600伏)。单元串107a和107b以并联的方式被电连接，形成具有作为单元串的总电流的输出电流的并联排列107。该排列中的单元串的数目由所需要的太阳能系统100的电流输出来决定。

这样的能量生成模块100具有与模块中的所有单元串的I-V曲线相关联的相应的I-V曲线，而单元串的I-V曲线与各个单元的I-V曲线以及单元串的单元之间的电连接特性相关联。在这样的模块中，由于单元串之间的并联连接，单元串被迫工作在相似的输出电压下。理想情况下，当所有单元都工作在其最大功率点时从多个单元收集到最大功率(能量)。根据“集中式逆变器”体系结构，单元串的排列107通过最大功率点跟踪器(MPPT)单元105被连接到DC到AC逆变器103。MPPT单元105的目的在于最大化模块的总输出功率。通常，单个MPPT单元被用于通过控制模块在其I-V曲线上的工作点(操作点)来最大化整个模块的能量输出量，所述工作点是通过控制单元串上的负载(电阻)并从而控制它们的共同输出电压和流经的总输出电流来控制的。

每个单元串的输出电压是单元串中单元的输出电压的总和。单元串中的每个单元与旁路二极管109相关联，旁路二极管109使得单元串上的电流绕过与该旁路二极管109相关联的单元。这使得单元串即使在其中至少一个单元出现故障(例如，具有高电阻的单元或者工作在背光条件下从而不能够提供所需电流的单元)的情况下也能够工作。旁路二极管实际上是操作用于完全中立故障或“薄弱”单元(不能够产生单元串上所流经的电流值的单元)。为了避免当并联连接的单元串产生不同的电压时出现反向电流，每个单元串在每个串联单元串末端与阻流二极管106相关联。MPPT 105操作用于选择产生最大DC功率的并联排列107的I/V工作点。

MPPT单元可以与个体单元和/或个体单元串相关联(而不是将单个MPPT用于如上所述的所有单元串)。例如，美国专利公布2008/0143188公开了一种用于利用分别与DC功率源相关联的MPPT单元来合并来自DC功率源的功率的系统和方法。在该系统中，每个功率源被耦接到转换器。每个转换器通过监视并保持输入功率在最大功率点来将输入功率转换为输出功率。基本上所有输入功率都被转换为输出功率，并且其控制是通过允许转换器的输出电压变化来实现的。转换器被串联耦接。逆变器与串联连接的转换器并联连接，并将到达转换器的DC输入反变换为AC输出。逆变器通过改变从转换器流下的电流量来将逆变器输入处的电压保持为所需要的电压。转换器的电流和输出功率决定每个转换器的输出电压。

发明内容

在本领域中需要从具有不同功率输出量(具有不同I-V曲线)的多个功率发生器进行有效的能量收集。本发明通过提供一种新的能量收集系统和一种用于由多个功率发生器所构成的能量发生系统的方法来解决上述需求，所述多个功率发生器不可避免地具有“不相同”的I-V曲线。具体而言，本发明可以用于光伏系统或电池组来优化从系统中读取(收集)多个光伏单元或多个单元电池组所生成的功率的方式，并且因此在下文中参考该特定应用来进行描述。然而，应当理解本发明并不仅限于该应用，并且任何其它适合的功率发生器(例如电池)都可以被考虑。

从多个光伏单元进行能量收集的现有方法所存在的问题与以下几个方面相关联：如上所述，功率发生器(单元)通常是彼此电连接，形成一个或多个多单元串。人们公知可利用MPPT单元以可控的方式来最大化来自多单元或多单元串功率发生系统的输出功率。然而，这种方法需要控制功率优化的过程，并且还受到以下缺点的困扰。

利用单个MPPT(见图1)来优化多单元模块的操作和功率输出量通常与某些未被提取的未获取能量相关联。这主要是因为每个单元串通常与不同于其它单元串的I-V曲线的I-V曲线相关联，并且因而与不同的具有最佳电压输出值的最大功率点相关联。因为单元串彼此并联连接，它们被限制为工作在同一输出电压上，该输出电压不一定等于各个单元串的最佳电压(在最佳电压处可从单元串获取最大功率)。

利用单元串专用MPPT模块使得每个单元串能够工作在与该单元串的特定I-V曲线相关联的其自己的最大功率点上。然而，也是在这种配置下，仍然存在大量未获取或丢失的能量。这主要是因为单元串中的每个单元通常具有不同的I-V曲线。因此，利用单元串专用MPPT仍然不能使得每个单元工作在(它们各自I-V曲线的)MPP处，因为这些单元被限制为工作在统一流经相应的单元串的相等电流上。

至于使用单元专用MPPT(即，包括配置诸如太阳能板或电池组之类的每个单元组(阵列)的专用MPPT)，这需要使用专用电压转换器。然而，专用电压转换器会受到效率低的困扰，尤其是当处理低电压时。

因而，现有的用于从多个能量发生器(单元)进行能量收集的方法受到以下事实的困扰，即多个能量产生单元的排列(电互连)限制单元工作在共同的输出电压或共同的输出电流上。因此，大部分单元没有工作在它们的MP点上并且整个多单元功率系统的效率很低。

本发明基于以下理解：多单元光伏面板(构成电能发生器阵列)的全部潜在性能实际上并没有被实现，因为以串联和并联配置的组合形式连接单元的常见方法导致具有最差性能的单元拉低了“更好的”单元的性能。当将这些多单元面板连接起来时会出现同样的情况。

现有光伏系统难以对光伏单元以及多单元面板的差异进行补偿。如果所有单元不能朝向与入射光相同的方向，那么会对这些系统造成额外的复杂度和费用。又例如，当物体的阴影跨过单元或单元的一部分或几个单元(面板)时，发生在单元中的功率降级不仅降低了因为遮挡效应的单元的性能，而且被遮挡的单元(面板)还消耗来自其它未被遮挡的单元(面板)的功率或者阻碍功率从其它未被遮挡的单元(面板)被传送给系统。

在现有的光伏系统中，MPPT单元通常被连接到并影响整个多单元结构，而不是单独的各个单元/面板。来自结构中被连接的单元的整个排列的总和的最大功率小于单独产生的每个单元的最大功率加上系统中的其它单元的最大功率的总和。这种总功率的差异源自以下事实：在实践中很难找到在任一系统中的所有单元具有完全相同的特性(I-V曲线)，结果当所有单元被耦接在一起时，低性能的单元就会拉低正常工作的单元的性能。光伏多单元面板的制造公差通常为百分之五到十。

因而，在现有的光伏系统中，需要将单元的性能彼此匹配以实现系统的最优性能。匹配光伏面板的性能使得以后很难往系统中添加单元或者替换损坏的单元/面板。假设光伏系统中的一个单元被损坏了且需要被替换，并且例如这种单元在市场上已经不存在了，在这种情况下就要使用具有不同特性(例如I-V曲线)的不同单元。这种对个体单元的匹配是很难进行设计的。本发明允许具有不同特性(例如不同I-V曲线)的单元一起工作并达到整个系统的高效率功率点。

致力于解决现有系统的以上问题的已知技术利用每个面板上的MPPT单元和DC到DC转换器的组合再结合中央控制单元(例如参见美国专利公开2008/0143188)。在这种系统中，太阳能面板所产生的所有能量以如下方式被转换为不同电压上的DC电流，该方式即所有输出在串联连接的情况下将提供相同电流或者在并联连接的情况下提供相同电压。然而，利用这种配置，系统的效率仍然受到限制，主要原因是DC到DC转换实际上不是100％有效的。因此，对单元所产生的所有功率进行转换将导致很大的功率损失。此外，在功率通路上安装附加的有源设备(例如MPPT或DC到DC转换器)增加了系统故障(由于特定设备故障)的机率，因而整个系统的故障之间的平均间隔时间被减少了。此外，用于这种高能量系统的MPPT和DC到DC转换器是成本很高的设备，增加了整个太阳能系统的安装复杂度和成本。

本发明提供了一种用于解决诸如光伏系统之类的能量生成系统的上述问题的新颖的方法。本发明利用将多个能量生成器(例如太阳能单元、电池等)连接到彼此的功率分配单元。能量分配单元均等被串联连接的每个能量生成器上的电压，以使得高性能能量生成器(单元)上的电压被降低而低性能单元上的电压被升高。基本上，根据本发明，单元串中的所有单元的性能被均等为所谓的单元串的“虚拟平均单元”的性能。这是通过以下方式来实现的：将每个单元经由共用总线连接到单元阵列中的一组其它单元从而使得所有单元所产生的能量在所述单元之间进行同时的自行分配。单元之间的能量分配基于被连接的高电压和低电压节点之间的电势(电压)均等。这种电势均等自发进行并且不需要任何管理以及任何特定的控制单元。

因而根据本发明的一个广义方面，提供了一种用于从分别具有各自的电流-电压特性的多个被电连接的能量发生器进行能量收集的电子系统，所述电子系统包括被电连接到所述多个被电连接的能量发生器的功率再分配单元，该功率再分配单元包括总线连接器和可电连接到总线连接器的至少两个电耦合组件，每个电耦合组件与一个或多个能量发生器相关联并被配置为可控地操作用于提供总线连接器与所述至少两个能量发生器之间的选择性电耦合，从而实现在所述至少两个能量发生器之间的功率再分配并优化能量收集。

电耦合组件被优选地根据预定的时间模式进行配置和操作。

在一些实施例中，该时间模式被选择以使得在系统工作期间始终有至少一个耦合组件与相应的一个或多个能量发生器电连接。在一些实施例中，该时间模式可以使得在系统工作期间始终有至少一个耦合组件与总线电连接。

电耦合组件可以包括至少一个耦合器。耦合器包括被配置为与相应的能量生成器电连接的用于存储电能的能量存储单元以及开关组件。开关组件可相继地工作在第一和第二操纵模式。当在第一操作模式时，开关组件提供相应的一个存储单元与相应的能量发生器的电连接，当在第二操作模式时，开关组件提供存储单元与总线连接器之间的连接从而实现在所述至少一些能量发生器之间的功率再分配。

电功率再分配单元可被配置为经由总线连接器提供至少一些存储单元之间的并联连接。这实现了在被电连接到总线时存储单元之间的功率再分配。

在本发明的一些实施例中，存储单元包括至少一个电荷存储设备。

开关组件可被配置并可操作用于专门将相应的存储单元与相应的能量生成器或与总线连接器并联连接。

在本发明的一些实施例中，电耦合组件被配置以使得至少两个耦合器与共同的一个能量发生器相关联。在这种情况下，在系统工作期间，至少一个耦合器处于与开关组件的第一操作模式相对应的操作条件下，或者至少一个耦合器处于与开关组件的第二操作模式相对应的操作条件下。

系统可以与被配置并可操作用于实现开关组件在第一和第二模式下的相继操作的同步单元相关联(即可连接到该同步单元或者将该同步单元作为系统结构的一部分)。同步单元可包括多个同步器，每个同步器被连接到与相应的能量生成器相关联的一个或多个耦合器。

在本发明的一些实施例中，功率存储单元包括两个或更多个电荷存储设备，并且开关组件被配置为选择性地实现电荷存储设备之间的并联或串联连接。由此，功率存储单元上的电势可以被控制。

功率再分配单元可被配置并可操作用于确保(与相应的存储单元相关联的)每个能量生成器的电参数达到所有能量生成器的所述参数的平均值。所述电参数包括电功率、电流和电压中的至少一个。功率存储单元可以包括至少两个电容器并且选择性地在与电容器之间的不同电连接相对应的不同电条件之间变换，得到功率存储单元的不同的有效电容。因此，功率存储单元的输出电压的变动被实现，从而允许在能量发生器之间对电流进行再分配。功率存储单元可以包括附加的开关组件，该开关组件被配置并可操作用于实现功率存储单元在分别用不同电容表征的其不同电条件之间的选择性切换。例如，电耦合组件的每个耦合器可以与同步单元相关联，该同步单元被配置并可操作用于实现功率存储单元在其不同电条件之间的选择性切换与相应的开关组件在第一和第二操作模式之间的切换的同步。

根据本发明的另一广义方面，提供了一种能量生成系统，该系统包括：分别具有各自的电流-电压特性的被电连接的能量发生器的阵列；用于从所述被电连接的能量发生器的阵列收集能量的能量收集系统。能量收集系统包括：存储单元的阵列，用于相应地与能量发生器的阵列进行电连接以存储所述能量发生器所生成的电功率；可连接到功率存储单元的阵列的总线连接器；以及开关组件的阵列，每个开关组件可控地相继工作在第一操作模式和第二操作模式，以使得开关组件在第一操作模式时提供功率存储单元中的相应的一个存储单元与相应的能量发生器的电连接，并且在第二操作模式时提供电功率存储单元与总线连接器之间的连接从而实现在能量发生器之间的功率再分配。

根据本发明的另一广义方面，提供了一种用于从多个被电连接的能量发生器进行能量收集的电耦合组件，每个能量发生器具有各自的电流-电压特性，所述电耦合组件包括分别与多个能量发生器相关联的多个耦合器，每个耦合器包括：功率存储单元，用于与相应的能量发生器进行电连接并存储能量发生器所生成的电功率；以及可相继工作在第一和第二操作模式的开关组件，该开关组件在第一操作模式时提供功率存储单元中的相应的一个存储单元与相应的能量发生器的电连接，并且在第二操作模式时提供功率存储单元与外部的所有能量发生器所共用的总线连接器之间的连接，所述耦合器组件从而可实现在能量发生器之间的功率再分配。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于优化从被串联电连接的多个能量发生器的能量收集的方法，所述能量发生器具有定义高性能和低性能能量发生器的不同的IV特性，该方法包括根据预定的时间模式操纵所有所述能量发生器与共用总线连接器的并联电连接，从而通过在能量发生器之间均分能量而导致能量从高性能能量发生器到低性能能量发生器的传送来实现在所述能量发生器之间的能量再分配。

附图说明

为了理解本发明并了解在实际应用中如何使用本发明，下面将参考附图通过非限制性示例对实施例进行描述，在附图中：

图1是太阳能系统的传统集中式逆变器配置的示意性图示；

图2示意性地图示了本发明用于在低性能和高性能能量发生器之间进行功率再分配的原理；

图3通过框图图示了利用根据本发明的电系统来从多个能量发生器进行能量收集的电能产生系统的实施例；

图4A到4D图示了本发明的能量收集系统的示例性配置，其中图4A示出了能量生成系统的总图示，图4B示出了适用于图4A的系统的耦合组件的配置，图4C示出了用在耦合组件中的耦合器的示例，以及图4D示出了与耦合器相关联的本地控制器的操作；

图5A至5D示意性地图示了适用于耦合器的功率存储单元的配置的示例；

图6A图示了被配置用于利用至少两个功率再分配模块为单元串中的单元提供连续的功率优化的本发明的实施例；

图6B和6C图示了本发明的另一些实施例，其中单个功率再分配模块被配置用于为单元串中的单元提供连续的功率优化；

图7A至7C例示了本发明的另一实施例，其中功率再分配系统被设计为利用标准的100伏快速FET开关处理具有高端对端电压的长单元串；

图8A和8B图示了利用本发明的原理被设计用于在耦合组件中的耦合器的本地一侧与应当被优化的相应的太阳能单元输出之间产生电压差的能量生成系统；以及

图9A和9B例示了配置有多个单元串架构的本发明的能量发生系统。

具体实施方式

本发明的目的在于提高由一个或多个能量发生器的阵列/串形成的能量发生系统的性能。更具体而言，本发明被用于提高从光伏单元串/阵列进行能量收集的效率，因此下面将参考该特定但非限制性的应用进行描述。

图1示意性地示出了多单元/多面板太阳能系统的公知配置中的一种配置。该系统利用被布置在多个单元串中的单元/面板，其中单元串中的单元被串联连接。该系统还利用了所有单元串共用的MPPT单元。

参考图2，其示意性地图示了本发明的原理。这里，典型的串联单元串S被示出，其包括操作在不同条件下(例如暴露于不同的环境条件下)的具有相同类型和尺寸的四个太阳能单元C1-C4(构成电能发生器)。单元C1工作在就光照和工作温度而言的最优条件下。单元C2和C3由于工作在低光照的条件下(即背光条件和由于单元表面不干净而导致较差的光收集)，所以是低性能单元。单元C4暴露于充分光照的条件下，但是由于相对较高的工作温度所以也是低性能单元。

分别与四个太阳能单元C₁-C₄的操作相对应而得到的I-V曲线IV₁-IV₄被图示出。在与单元C₁-C₃相对应的I-V曲线IV₁-IV₃中，不同光照条件的主要效果体现在来自单元的最大可获得的输出电流，而来自单元的最大可获得的电流基本上是不变的。至于单元C4，其I-V曲线IV₄示出了在操作中单元C4的高温的效果主要表现为来自单元C4的最大可获得电压的降低，而最大可获得的电流仍近似等于从单元C1可获得的最大电流。

应当注意在功率单元是电池的情况下，不同的I-V曲线和不同的最大功率点例如可能源自单元的不同的化学降解和不同的工作温度。

如图中所示，I-V曲线IV₁-IV₄通过单元C₁-C₄的最大功率点MP₁-MP₄来表征。图中示出了当工作在各自的MP点时，不同光照条件对单元C₁-C₃的影响主要影响单元的输出电流，而在这些MP点处它们的输出电压是几乎近似的值V_M。

图3是图示了电能产生系统500的实施例的框图，该电能产生系统利用多个被电连接的能量发生器(在501处通常是指电流-电压特性不同的不同单元C₁-C₄)并且利用根据本发明的用于从能量发生器501进行能量收集的电子系统510。能量收集系统510操作为功率再分配器，被配置并可操作用于实现单元510所产生的功率/能量在至少一些单元之间的自行分配，从而优化源自能量发生器501中的至少一些(一般而言是至少两个)能量发生器的能量收集。

在该示例中，能量产生系统500是太阳能系统并且因此能量发生(产生)单元501是太阳能单元或光伏单元。然而应当理解本发明并不仅限于太阳能的生产，并且可以被用于高效地收集来自诸如电池、发电机等之类的可能用不同于典型太阳能单元的I-V曲线的I-V曲线来表征的各种DC电能源(DC功率源)的电能。

通常，电能产生系统500包括被排列在一个或多个单元串507(仅示出了一个这种单元串)中的多个单元501，这些单元串被彼此并联电连接以形成整个光伏设备。单元串507包括多个串联连接的能量产生单元(太阳能单元/面板)501。至于能量产生系统500的功率再分配器，其可以包括一个或多个功率再分配单元510，每个功率再分配单元与单元串中的至少一些单元相关联并且被配置为可操作用于通过优化各个单元所工作的功率点来提高来自单元串507(或者单元串的一部分)的能量产出。功率分配单元510的配置和操作将在下面进行描述。

通常在电功率生成系统500中还提供有DC至AC逆变器503，该逆变器503经由基于MPPT的控制器505被连接到单元507的阵列(单元串)并提供AC输出504。如上所述，MPPT单元被配置并可操作用于通过根据单元串的总I-V曲线得出最佳电压处的最佳电流来优化与其连接的单元串的操作条件。应当理解，本发明利用了MPPT的原理(将单元串引至共同的MPP，或最大功率点)并且提供了单元/面板之间的适当的能量再分配以将每个单元/面板引至其自己的MPP，同时将整个单元串保持在其MPP。逆变器503操作用于将单元串的DC电输出转换为具有所需要的电压和频率的AC电功率。应当理解将逆变器503用于功率转换是可选的，并且根据系统所需要的输出，所述逆变器503可以用诸如DC至DC转换器之类的其它电转换器来替换。

并且如上所述，单元501的数量和类型可以被选择以使得单元串507的标称输出电压较高，足以实现高效的DC至AC的转换，例如典型的DC电压可以在400到600伏的范围内。

可选地，在能量发生系统500中，单元串507与旁路二极管509相关联，旁路二极管509与相应的单元501并联电连接。这使得流过单元串507的电流能够绕过任一故障/缺陷太阳能单元，保证单元串507的鲁棒性并使该单元串即使在一个或多个单元不能正常工作的情况下也可以运转。在包括旁路二极管509的单元串中，流经单元串的电流被允许绕过任意故障或“较弱的”(低性能)单元。就此而言，单元串中的每个单元操作用于产生流经单元串507的同一电流并生成根据功率点在其I-V曲线上与所述电流相对应的电压。在单元发生故障或者明显比其它单元的性能差的情况下(例如，在其I-V曲线上与所述电流相对应的功率点处得到的电压为0)，所述单元变为无效单元，并且流经单元串的电流通过旁路二极管509绕过该单元。在没有旁路二极管509的情况下，这样的故障或性能较弱的单元会影响和阻止整个单元串507的能量产生。因此使用旁路二极管能够通过实现对明显较弱的单元的完全中立来改善多单元串的功率产生，所述较弱的单元工作时所得到功率低于这些较弱的单元被中立时所得到的功率并且通过单元串的电流增大。实际上，在低性能单元/面板501的两种操作状态(例如，工作或禁用)之间的选择通过旁路二极管509来实现，并且通过单元串的MPPT(如果有的话)或整个系统500的MPPT 505来控制。

本发明的功率再分配单元或模块510使得单元串507工作在较高的能量产生率(较高的功率点或PP)上。下面将进一步具体描述，这是通过将模块510配置和操作为与其相关联的所有单元501的能量(功率)交换器来实现的，自动提取来自高性能单元的多余功率来为低性能单元提供功率以补偿它们在功率产生上的不足。下面将进一步描述，功率再分配单元使得系统工作在两种顺序模式下。在其中一种操作模式期间，功率再分配单元执行从多个单元对所述多个单元所生成的能量的收集，并且在另一模式期间，功率再分配单元允许所收集到的能量在所述单元之间自行分配，从而将所述单元引至就功率生成而言的最佳状态。这两种操作模式以交替的方式被执行，同时允许同时收集来自单元的能量以供所需。

更具体而言，假设单元串507具有与以上参考图2所描述的单元串S类似的电属性，即包括具有类似的相应的I-V曲线的类似单元C1-C4。在不与功率再分配模块510相关联的单元串的传统操作中，流经单元串的电流I_E等于I_S(如图2中所示)，而单元C1、C3和C4操作在它们各自MP点以下。这些单元被限制为提供受单元串电流I_S限制的电流，虽然这些单元能够生成更大的输出电流。为此，功率再分配模块510操作为能量交换器，使得单元C1、C3和C4工作在更接近于它们的MP点(即单元的最佳工作状态)的功率点(PP)上，并且提供更高的输出电流。这使得单元C1、C3和C4能够产生比流经单元串的电流I_E更大的电流。这些单元所产生的多余电流被收集并通过模块510流出以补偿单元C2的电流不足。实际上，单元C2所提供的低电流被自动与从模块510提取的电流相叠加。这使得单元C2能够生成与单元串电流值I_S对应的电流/能量，从而提升单元串的总输出功率点。

现参考图4A到4D，其中更具体地示出了能量收集系统500的示例性配置，即本发明的功率再分配系统510的配置。为了便于理解，所有示例中的类似元件都用相同的标号来表示。

如图4A所示，功率再分配模块510包括总线连接器506和多个(一般至少两个)电耦合组件502。后者被配置并可同步操作(例如通过包括内部的同步器应用组件/模块的适当的管理器应用组件551)用于根据预定时间模式提供总线连接器506与单元串507的单元(一般是这些单元中的至少一些，例如至少两个)之间的选择性电耦合。在该非限制性示例中，总线连接器506用两个电导体来实现，耦合组件502通过所述电导体被彼此并联连接。应当理解，通常本发明中所使用的管理器应用组件可以预先编程以根据预定的时间模式控制与每个单元/面板相连接的开关的操作，并且还优选地在这些开关之间同步它们，如本实施例所示。此外，在该示例中，每个耦合组件502与单元501中相应的一个单元相关联(可连接到该单元)。然而，应当注意同一耦合组件可以与不止一个单元相关联，例如诸如单元的串联串之类的一组单元。多个耦合组件502被布置为经由总线连接器506彼此之间并联电连接。每个耦合组件502与相应的一个或多个能量产生单元501相关联(例如被并联电连接到所述能量产生单元)。在该示例中，耦合组件501专用于平衡与其相对应的单元501的操作。耦合组件502收集相应单元501所产生的功率并将该功率传送到总线连接器506，从而使得由多个耦合组件从多个单元收集的功率经由相应的耦合组件均等地自行分配回多个单元。

当单元501为高性能单元时(即能够产生多余功率，例如工作在与单元串507上的电流值所对应的功率点不同的功率点)，由于相应的耦合组件从单元中提取到多余能量，所以耦合组件502的操作使得该单元操作在更高的功率点上。单元501所产生的多余功率被耦合组件502提取和收集。或者，在单元501为低性能单元的情况下，与被中立(根据传统方法)不同，由于对高性能单元的所述多余能量的自行分配，相应的耦合组件502为低性能单元补充其所需要的功率，并允许低性能单元工作并产生其能够产生的能量。因此，仍然从低性能单元提取功率，否则这些低性能单元将被完全中立。

应当理解能量发生器(单元)501在其不能在系统500对其施加的电约束条件下产生功率时被认为是低性能的。例如，在串联单元串507的情况下，单元501在不能产生高于流经单元串507的电流值I_S的电流I_E时就是欠供电的。如果单元只能够产生低于流经单元串的电流的电流值，根据传统方法，该单元被完全中立，因为其不被允许产生任何功率(例如零电压)并且通过其相应的旁路二极管509被旁路。通常太阳能产生系统中的一些单元是低性能的，例如由于故障或缺少光照(阴影/污垢)和高温。相反，高性能单元501是能够产生多余功率的单元501，例如通过操作在不同于系统500所强加的功率点的功率点上。例如，在串联单元串507的情况下，单元501在能够产生高于流经单元串507的电流值I_S的输出电流I_E时为高性能单元。

因而应当理解术语高性能单元和过供电单元和相应的对立术语低性能单元和欠供电单元是指给定单元在给定条件下所能够产生的最大功率相对于相应单元串中的其它单元所能够达到的标称最大功率的关系。例如，如果某个单元能够产生比单元串中单元的最大功率(MP)的平均值更多的功率，则该单元为高性能的，并且如果某个单元不能产生单元串中单元的平均最大功率(MP)的话该单元为低性能的。

总线连接器506将耦合组件502彼此连接起来并实现它们之间的能量流动(例如均等)。这允许将过供电单元所产生的多余功率传送给欠供电单元，并由此补充欠供电单元的功率产生的不足。因为不用执行通过DC到DC转换器的电压转换，所以功率再分配模块510的效率比较高。例如，在这种多单元系统中，可以实现大约99.9％的能量收集效率，而大约总能量的4％被从高性能单元/面板提供给低性能单元/面板(例如那些在平均水平以下操作的)，即用97.5％的效率处理4％的能量得到0.1％的能量损失。实际上，通过相应的耦合组件从低性能单元提取的能量基本等于通过总线连接器传送并通过相应的耦合组件提供给低性能单元的能量。因此，再分配模块510的操作使得各个单元都工作在其最大或接近最大的功率点(PP)。

当系统500被实现为太阳能系统时(例如单元501为太阳能面板)，在耦合组件502的第一操作模式下，耦合组件502暂时存储来自相应的高性能太阳能单元501(例如正位于直射太阳光下方的太阳能单元)的额外功率。然后，在第二操作模式下，存储在耦合组件502中的功率经由连接耦合组件的总线连接器506被均分。在接下来的一轮中，在第一操作模式下，功率被从相应的耦合组件502传送给低性能太阳能单元501。

串联单元串507被并联连接到MPPT单元505，该MPPT单元操作用于选择从整个单元串507产生最大DC功率的最大I/V工作点。如上所述，在没有功率再分配模块510的情况下，单元串的最大工作点通常不同于所述单元串507中的全部各个单元501的最大功率点。这是因为串联连接架构迫使所有单元501产生流经单元串507的同一电流值，而各个单元501通常与不同的I-V曲线相关联。然而，利用本发明的功率再分配模块510，单元串中的每个单元可以工作在接近于单元最大功率点的功率点上，因而整个单元串507的总功率高于没有这种功率再分配的情况下的单元串的总功率。

考虑单元501和耦合组件502所形成的布置，该布置的MP点通常高于单元501自身(在标准单元串107A的布置中)的工作点。如上所述，这是因为当与耦合组件502相连接时，高性能单元501工作在相比低性能太阳能单元501更高的功率点上，以使得每个单元501工作接近其自己的最大功率点的相应工作点上。

与电压转换器(例如DC-AC逆变器和DC-DC转换器)不同，本发明的功率再分配模块510的效率E和相应的耦合组件502的效率相当高。这与以下事实有关：耦合组件不会抬高电压并且不使用(抬高)具有较低效率的DC到DC转换(例如，降压DC到DC转换器)。

图4B更详细地图示了根据本发明实施例的耦合组件502的配置。图4B中所示的耦合组件适合用于图4A中所示的功率再分配系统/模块510中。该耦合组件502被图示为功率再分配模块510的一部分(例如被连接到模块510的总线连接器506)并被连接到相应的能量产生单元501。

通常，电耦合组件502包括与至少一个单元501相关联的至少一个耦合器511，即耦合器511被电耦合到单元501和总线连接器506。在该示例中，耦合器511包括功率存储单元521(在该非限制性示例中用电容器来实现)和在该示例中由开关526和527构成的开关组件。这也会在图4C中更具体地被示出。

应当注意本发明可以利用各种类型的电能存储元件来实现。这些元件的特定的非限制性示例包括电线圈、压电设备和电容器。为了清楚起见，在下面的描述中，电能存储被主要考虑为包括电容器。然而，本领域技术人员将可以理解任何其它合适的能量存储单元都可以被使用。

功率存储单元521通过开关组件526和527被并联连接到相应单元501和总线连接器506，并且操作用于收集、存储和分配相应单元所生成的电功率。开关组件(如本示例中所示通过与整个单元串相关联的中央控制系统或通过本地控制器512)被配置并可操作用于相继地工作在第一和第二操作模式下。在第一操作模式下，开关组件提供功率存储单元521与相应单元501之间的电连接，并且在第二操作模式下提供功率存储单元521与总线连接器506之间的连接。通过耦合组件502相继工作在这两种操作模式下，单元所生成的功率在所述单元之间被再分配。

更具体而言，功率存储单元521通过一对电子开关526(也被称为总线开关)被并联连接到总线连接器506。功率存储单元521也通过开关组件的另一对电子开关527(单元开关)被并联电连接到单元/面板501。

这里所描述的功率存储单元521可以采用被适配为存储电能的一个或多个电容器的排列的形式。下面将参考图5A-5D进一步描述，功率存储单元521可以具有固定的电容，其中耦合器511可以被称为等电压耦合器。或者，又如下所述，可以使用可变电容。这实现了对输出电压的某种控制，所述输出电压通过耦合器被施加给总线连接器506或与其相连的单元501。在使用可变电容的情况下，耦合器被称为电压倍乘耦合器。在图4A-4D的示例中，等电压耦合器511被认为具有某个固定的电容值C，然而应当注意一般来说在图4A-4C的系统配置中也可以使用电压倍乘耦合器。

一般来说，耦合器511操作用于将其相应的单元501的操作属性与系统500中的其它能量生成单元的操作分离开并且与单元串507对单元的操作所施加的限制分离。如上所示，这种分离是通过经由耦合器的开关组件的第一和第二操作模式来实现的耦合器511的两种操作模式来获得的。在第一模式下(所谓的本地存储(LTS)模式)，耦合器511仅被并联连接到其相应的单元(即，耦合器的开关组件被配置并可操作用于仅将相应的存储单元521与单元并联连接，而不与总线连接器相连接)。在这种模式下，存储单元521上的电压(在基于电容器的存储方式的示例中)被均等为单元501上的电压。在单元501为高性能的情况下，在仅被连接到单元之前，耦合器511上的电压低于单元501的电压。这使得单元/面板501所产生的多余能量流出并将该能量存储在能量/功率存储器(电容器)521中。在单元501是低性能的情况下，在仅被连接到单元之前，存储单元521上的电压高于单元的电压，并且耦合器511的操作将来自能量/功率存储器521的能量提供(载入)给单元以补充单元501的能量不足。

在第二操作模式(所谓的分布(D)模式)下，耦合器511仅被并联连接到总线连接器506。在该模式下，存储在功率存储单元521中的能量被再分配。实际上，如果所有耦合器511和存储单元521类似的话，能量在与总线连接器506相关联并通过该总线连接器相连接的操作在第二模式下的所有耦合器511的存储单元521之间被均等。

在该示例中，在耦合器511的第一操作模式期间，总线开关526被断开连接(打开或OFF状态)，而单元开关527被连接(闭合或ON状态)。因此，在该操作模式期间，功率存储单元521的电压与单元的输出电压保持平衡。当电压均等发生时，电容器521根据电容器521与单元501之间的电压差被充电或放电。在第二操作模式期间，总线开关526处于ON状态，并且单元开关527处于OFF状态。在该操作模式下，功率存储单元521通过总线连接器506被彼此电连接。耦合器511中所存储的能量在耦合器之间被再分配以平衡每个耦合器中的能量，得到单元串507的虚拟平均单元的性能。

通常，如图2中所示，被迫工作在固定输出电流值(I_S)的高性能单元C1输出比工作在相同输出电流值(I_S)的低性能单元C3更高的电压。因此，利用电容等式CV＝Q，其中C是电容器(构成功率存储单元521)的电容，V是电容器上的稳态电压，以及Q是电容器上累积的稳态电荷。在耦合器(开关组件)操作的第一模式期间，与高性能单元相关联的电容器521上的电荷和电压将比与低性能单元相关联的类似电容器521上的电荷和电压高。

在耦合器(开关组件)的第二操作模式期间，功率存储单元(电容器)被并联连接到总线连接器506，并且电压(以及在考虑相似电容的情况下的电荷)在被连接到总线连接器并操作在第二模式下的所有电容器521之间保持平衡(接近它们的稳态)。因此，与高性能单元相关联的不同耦合器的电容器的电压被降低，并且与低性能单元相关联的电容器的电压被提高。因而，当转回第一操作模式时，与高性能单元相关联的耦合器的电容器具有比它们相对应的单元低的电压，从而被再充电并从相应单元获得电流(功率)。相反，与低性能单元相关联的耦合器的电容器具有比它们相对应的单元高的电压，从而被放电给单元串并补充相应单元的电流不足。

在耦合器511(开关组件)的第一和第二操作模式期间，其功率存储单元521仅被连接到相应的单元501和总线连接器506中的一个上。在第一模式下，两个单元开关527都被闭合，而两个总线开关526都被打开，并且在第二模式下反之。在耦合器511在其第一和第二模式之间切换期间，两个单元开关527和两个总线开关526被切换到打开状态以防止总线连接器506短接单元串507。应当注意所有开关526和527可以用一个或多个双模式异或电子开关来实现。

在本发明的一些实施例中，功率耦合组件502包括耦合器的本地同步器512，操作用于同步用于对耦合器在其第一和第二操作模式期间进行切换的开关526和527。根据一些其它实施例，功率耦合组件502与外部同步器相关联。这种外部同步器可以与多个功率耦合组件的操作相关联。

耦合器本地同步器512与单元开关和总线开关(527，526)保持通信，例如通过有线或无线通信。单元开关和总线开关(527，526)的操作由两个输出信号控制：分别是本地到存储器(LTS)514和分配(D)513信号。这些输出信号操纵开关以使得耦合器在其第一(LTS)和第二(D)操作模式之间进行转换。在LTS信号514为ON且D信号513为OFF的时间段，耦合器511操作在其第一(LTS)模式，保持其电压与相应单元501的输出电压相等。在LTS信号514为OFF且D信号513为ON的时间段，耦合器511操作在其第二(D)模式，经由总线连接器506与其它功率耦合组件分配功率。当LTS和D信号514，513都为ON或者OFF时，耦合器511的电容521被完全断开连接。

参考图4D，该图以自解的方式图示了耦合器的本地同步器512。同步器512操作用于交替地将信号LTS和D设置为它们的ON和OFF状态。LTS和D信号的ON状态的时隙之间没有重合，以防止总线连接器短接单元串或单元串的一部分。在LTS时隙T_LTS期间，LTS信号为ON且D信号为OFF，并且耦合器511工作在其第一(LTS)模式。在分配时隙T_D期间，LTS信号为OFF且D信号为ON并且耦合器工作在其第二(D)模式。时隙T_LTS和T_D的持续时间不一定相等，并且可以在第一操作模式期间根据保持电容器与单元的基本电压平衡所需要的时间以及在第二操作模式期间根据在不同的耦合器之间实现基本的电荷分配所需要的时间来确定。这些时隙的持续时间又可能反过来依赖于功率存储单元521的电容、系统的电线的特性以及系统中的特征电压。

时隙T_LTS和T_D以保证它们之间尽可能短的过渡时间T_R的周期性方式交替。在时隙T_R(过渡时间)期间，LTS和D信号都为OFF。这可能是必需的，因为实践中开关526和527需要一段时间来在它们的ON和OFF状态之间进行切换。耦合器的本地同步器512的操作与同一功率分配模块的(即，与同一总线连接器506相连的)其它耦合组件502的其它的这种同步器进行同步。这种同步配置确保在耦合器的第二操作模式期间，功率通过与单元串上的所有其它单元相关联的所有其它耦合器被再分配。

同步器配置可以利用任何已知的合适的同步技术来实现。例如，同步器512可以通过有线或无线通信被连接到不同的耦合组件502。这种通信可以被用于同步地安排相应的耦合器(511)的第二操作模式(D模式)的时间段(起始和结束)。在这些时间段，存储在所有耦合器511中的功率被再分配(例如被均等)。

或者，在某些情况下，优选使用同步器512的非同步操作，其中耦合器的第一(LTS)模式和第二(D)模式之间的转变与其它耦合器的操作无关联。下面将参考图6B和6C进一步描述，在系统的某些配置中，耦合组件502包括多个耦合器(一般是至少两个)来连续地与其它耦合组件(502)再分配功率。在这样的配置中，不同耦合组件的耦合器的操作不需要彼此同步，因为在任意给定时刻，功率都是在所有单元之间被再分配的，因为所有耦合组件一直都在利用操作在其第二(D)模式的至少一个耦合器。

参考图5A到5D，其中示意性地图示了适合用于上述耦合器中的功率存储单元521的配置。

如上所示，能量/功率存储器可以被实施为利用一个或多个电容器来提供点A和B之间的特定有效电容的电荷存储单元。在这些示例中，能量/功率存储器521被实施为包括单个电容器(图5A)、一对串联连接的电容器(图5C)和一对彼此并联连接的电容器(图5B)的电荷储存器。这些针对能量/功率存储器521(在该示例中为电荷存储器)的配置提供了点A和B之间的某个固定电容，可用于如上所示的具有相同电压类型的耦合器中。

图5A图示了用具有特定电容C的单个电容器CP1实现的能量/功率存储器521。在特定电压V下存储在该电容器中的电能通过CV²/2得到。图5B图示了用具有相似电容C的该示例中的两个电容器CP2和CP3实现的能量/功率存储单元521的并联配置PC。在该配置中，电容器CP2和CP3被并联连接到彼此，因而它们的等效电容(即点A和B之间的电容)为2C。图5C图示了用两个串联连接的电容器CP2和CP3实现的能量功率存储单元521的串联配置SC。在该示例中，每个电容器具有电容C，并且(点A和B之间的)等效电容为C/2。应当理解包括多个串联和/或并联连接的多个电容器的很多其它配置也可以被用来以电荷存储的形式实现能量/功率存储单元521。

图5D图示了能够执行电压倍乘并且具有动态可变的有效电容，提供电压倍乘类型的电存储的能量/功率存储单元521的实现方式。在该示例中，存储单元521包括分别具有电容C的两个电容器CP2和CP3，并且电容器通过一组电开关S1、S2和S3被电互连。将开关S1、S2和S3设置为不同的ON和OFF状态可变换电容器之间的连接并且改变存储单元的输出点A和B之间的有效电容。

更具体而言，根据这些示例，在存储单元521的一种操作状态下，开关S1闭合，开关S2和S3打开。在该状态下，电容器CP2和CP3被串联连接(图5C中所示的配置SC)，具有等效电容C/2。在存储单元521的另一种操作状态下，开关S1打开，开关S2和S3闭合。在该状态下，电容器CP2和CP3被彼此并联连接(图5B中所示的配置PC)，并且单元521的等效电容为2C。

将电压倍乘类型的存储单元521在其不同配置(PC，SC)之间进行切换同时不改变其中所存储电能的量实质上改变了单元521(点A和B之间)的输出电压。实际上，将电压倍乘类型的存储单元521在如图5B和5C中所呈现的PC和SC配置之间进行切换分别提供了相对于每个电容器的输出电压、对存储单元521的输出电压的2或1/2倍的倍乘。在相应的PC和SC配置的输出电压之间得到了总的倍乘因子4。

应当理解以上电压倍乘类型存储单元的示例仅实现了对来自存储单元的输出电压的两种倍乘因子(2或1/2)。然而，利用两个以上的电容器和实现电容器之间的各种电互连的多个开关可以提供存储单元的多种不同的有效电容值以及相应地提供很多种电压倍乘因子。

根据以上描述，并且再返回到图4B，利用电压倍乘类型的存储单元521的耦合器511单元实际上提供了与一组离散倍乘值相关联的高效率的DC到DC电压转换，所述一组离散倍乘值与耦合器的端子522和525(例如总线和单元端口)处的电压相关联。使用倍乘耦合器能够在发生器一侧提供更高或更低的电压。

电压倍乘类型的存储单元的使用即使在高性能单元的输出电压低于低性能单元的输出电压时也能提供对功率/能量生成单元的高效率的功率优化。例如，可能有这样的情况：单元的I-V曲线非常不同以使得高性能单元的最大功率点MP具有比低性能单元的电压更低的电压(但是具有更高的电流)。在图4B中所例示的耦合器配置中(例如其中使用了相等电压类型的存储器521的配置)，相应单元和总线连接器之间的功率抽取方向取决于被同时连接到总线连接器的相应单元之间的电势差(以及电压降)。一个单元处的较高电势意味着功率从该单元处被耦合器提取，而另一单元处的较低电压使得功率电压被注入该单元。

在一些情况下，高性能能量产生单元可能在它们相应的MP处提供比与低性能能量产生单元相对应的MP处所提供的电压更低的电压。例如，单元串可能包括按照类似于图2中所示的单元C2和C4的IV₂和IV₄的I-V属性工作的单元。这些I-V属性分别与在背光和过高温度条件下的太阳能单元的操作相对应。在这种情况下，具有类似于IV₄的I-V属性曲线的单元为相对于与I-V属性IV₂相关联的单元而言的高性能单元，因为它们的最大功率点MP₄与比与具有类似于IV₂的I-V曲线的单元的MP₂相关联的输出功率更大的输出功率相关联。在这样的情况下，利用具有相等电压类型的耦合器的(例如图4A-4C所示的)本发明的功率优化系统不能将功率从高性能单元抽取到低性能单元。这是因为等电压耦合器实现的是从高电压源到低电压源的单方向的功率抽取。然而，在该示例中，当从高性能单元(与I-V曲线IV₄相关联)向低性能单元(I-V曲线IV₂)注入能量时，高性能单元的工作功率点被推向它们各自的MP₄，导致来自高性能单元的输出电压降到低性能单元的输出电压以下，因此功率不能从高性能单元被传送到低性能单元。

对包括工作于低输出电压的高性能能量产生单元和工作于较高输出电压的低性能单元的太阳能单元串的功率优化可以利用具有耦合器511的与图4A-4D中所示的系统类似的系统来实现，所述耦合器511利用与下面将参考图5D例示的单元类似的电压倍乘类型的存储单元。

再次参考图4B并考虑作为电压倍乘类型耦合器的耦合器511，为了达到单元的特定的最大功率点，需要在耦合器511的本地端子525(单元侧)和分配端子522(总线一侧)处有不同的电压。为了将功率下拉至工作在高电压的低性能单元，在耦合器操作的第一LTS模式期间，功率存储单元被设置为高电压输出，例如根据图5C的串联配置SC。因此，与低性能单元相连接的本地单元侧端子525处的输出电压为高(倍乘)电压。在耦合器511的第二(分配)模式下，存储单元521被设置为低电压配置，例如根据图5B的并联配置PC。在该示例中，总线连接器506的电压的提升由低性能单元执行以迫使功率被注入其中。

迫使功率从具有低输出电压的高性能单元流出利用相反的过程来实现。在耦合器操作的第一LTS模式下，其存储单元(电压倍乘类型存储单元)被设置为低电压输出，例如图5B的PC配置。与低性能单元相连接的本地端子525处的输出电压为低电压(例如低于总线连接器电压)。在耦合器511的第二(分配)模式下，存储单元521被设置为高电压配置，例如图5C的SC配置。

PC和SC配置仅例示了参考图5D中的存储单元521所图示的低电压和高电压状态。应当理解图5D中所示的相同原理可以利用多个电压状态(不仅仅是两种的高/低状态)来实现，并且存储单元可以利用任意个开关组和电容器来实现所需要的任意电压倍乘组合。作为选择或附加选项，DC到DC转换器或任何其它电压转换技术可以结合耦合器511(例如结合电功率存储器521)被使用来将不同的电压应用于总线连接器506和单元501。当使用包括与高电压倍乘因子相关联的多个电压状态的存储单元时，可优选使用级联的开关和电容组的组合，每个组合分别形成较低的电压倍乘因子从而得到指数电压倍乘值。

如上所述，耦合器511以周期性的方式排他地工作在其第一或第二模式中的任一模式下。然而，与相应耦合器511相关联的单元501的功率优化仅在该相应耦合器511的第一操作模式期间被执行。下述几个解决方案被提出来实现对单元501的连续功率优化。

再回到图4B，耦合组件502可选地包括被并联连接到相应单元501的本地功率存储单元(本地电容器)515。该本地电容器515将在第一操作模式期间执行的功率的供给/提取延展，以使得其在耦合器操作的第二模式期间也持续进行。

在耦合器511操作的第一模式期间，本地存储器515与耦合器511的功率存储单元521和相应单元501并联连接，均等相关联的电压。因此，在耦合器511操作的第一模式期间，本地存储器515上的电压接近与单元串507的虚拟平均单元的输出电压相关联的某个平均值。在耦合器操作的第二模式期间，本地电容器515上的电压等于单元501的输出电压。因此，在第二操作模式期间，本地存储器515通过向单元提取/供给能量来对单元的高/低性能进行补偿。在单元501为低性能(其输出电压可能低于所述平均值)的情况下，本地电容器515将功率下拉至单元串(例如，电流从本地电容器515流出以添加到与其相连接的单元501的输出电流上)。在单元501为高性能(其输出电压通常高于所述平均值)的情况下，本地电容器515从其相应单元501提取功率，例如单元501所产生的高于流经单元串的电流的多余电流对本地电容器515充电。在这种情况下，本地存储器515用于将耦合器511的第一操作模式延长到耦合器在其第二模式下的时间段上。在这些时间段中，本地电容器515从其功率点向其相应单元(太阳能面板)501的功率点漂移。在高性能单元501的情况下功率从单元501被上传至本地电容器515，或者在低性能单元的情况下功率从本地电容器515被下拉至单元501。

太阳能面板之间的功率产生不匹配通常很小，但是在背光条件下，这种不匹配可能增加到高性能和低性能太阳能面板之间存在50％以及甚至更大的差异。在这种情况下，总线连接器中的多余电流可能升至10安培或者更高。如上所述的用于提供连续功率收集优化的使用本地电容器的解决方案将大大提高(例如加倍)电流，因为其仅将一半时间用于耦合器的第二操作模式。但是当利用多个未同步耦合器时，平均而言，流经总线连接器的电流可以被均等。

在不存在本地电容器515的情况下，在耦合器511处于其第二操作模式期间，耦合器511相对于其被连接到的单元串507而言是无效的(即，此时耦合器511未被操作用于优化单元501的功率生成)。因而，为了实现针对单元串507的连续功率优化，至少两个耦合器511被优选使用以使得在任意给定时间都有至少一个耦合器511在其第一操作模式下。

参考图6A和6B，图示了被配置用于提供对单元串507的单元501的连续功率优化的本发明的两个实施例。图6A和6B的两个实施例的共同特征在于每个要被优化的功率生成单元501都与至少两个耦合器511相关联(即并联连接到至少两个耦合器511)。连续功率优化通过配置所述至少两个耦合器511以使得在任意给定时间都有至少一个耦合器511工作在其第一(LTS)操作模式下来实现的。

在图6A中，图示了电能产生系统550。系统550包括与参考图4A所描述的系统中的那些元件类似的元件。即，系统550包括单元串507和功率再分配模块510。在图6A的示例中，系统550包括一个附加的功率再分配模块510A和被配置用于同步模块510和510A的耦合组件502的操作的同步器模块551。

模块510和510A与同一单元串507相关联并且被配置为可操作用于通过以上述方式优化各个单元所工作的功率点来提高来自单元串507的能量产生。在该示例中，每个单元501与分别对应于不同的功率再分配模块510和510A的两个耦合组件502相关联。这两个耦合组件502通过同步器551被同步以使得它们的耦合器交替地工作于第一和第二模式，同时在任意给定时间它们的耦合器中的至少一个在其第一操作模式下。实际上，在该示例中，模块510和510A(通过同步器551)被同步以使得与同一模块(510或510A)相关联的所有耦合组件502的耦合器511同时工作在相同操作模式(例如在第一(LTS)或第二(D)模式)。因此，在以下对该实施例的描述中，功率再分配模块本身被称为具有相应的第一(LTS)和第二(D)操作模式。

两个功率再分配模块510和510A以互补的方式一起工作以连续优化单元串507的功率生成。这是通过配置模块操作的第一和第二模式的持续时间段T_LTS和T_D以及模式之间的切换(过渡)时间T_R以使得T_LTS≥T_D+2T_R来实现的。在该示例中，至少一个功率再分配模块工作在第一模式从而实现对单元串的连续功率优化就足够了。

应当注意为了清楚起见，在图6A中只呈现了单个单元串507和两个(类似的)相应模块510和510A。然而，一般而言，可以使用两个以上这种功率再分配模块510。这是为了实现对单元串507的连续功率优化。更具体而言，在当前配置中为了实现对单元串507的连续功率优化所需要的模块的最小数量被确定为[(T_D+2T_R)/T_LTS]的向上取整值，即根据相对所需要的第一和第二操作模式的持续时间以及模式之间的过渡时间。

参考图6A所描述的配置要求与同一单元501相关联的不同功率再分配模块的不同耦合组件之间的同步。因此，同步器551被用于同步耦合组件502，以及在优选配置中还用于同步不同功率再分配模块(510和510A)中的每个模块的耦合组件502的统一操作。而且，对多个模块的使用与对应于多个模块的多个总线连接器506相关联。

图6B示意性地图示了适合用于本发明的电能收集系统的耦合组件502的另一可能配置。该图中所示的耦合组件502是功率再分配模块510的一部分(类似于图4A中的功率再分配模块，在图6B中未全部显示)，并且被连接到所述模块的总线连接器506，附加的(优选为类似的)耦合组件被连接到所述模块。参考此图所描述的耦合组件502的配置被设计为提供对与其相关联的单元501的连续功率优化(100％的时间)。并且，该配置免去了以上两个要求，即针对利用多个功率再分配模块(多个总线连接器)和在不同模块的耦合组件之间进行同步的要求。

根据本实施例，耦合组件502包括至少两个耦合器511和本地同步器512A。实际上，同步器512A用于根据特定的预定同步方案/时间模式同步被连接到同步器512A的相应耦合组件502的每个耦合器511的操作模式。

在该示例中，耦合组件502包括由同步器512A控制的三个类似的耦合器511(1)、511(2)和511(3)。虽然同步器512A的功能可以用各种方式来实现，但是为了清楚描述其功能操作，其被描述为利用同步器512B和类似于已参考图4B描述了的同步器512的几个耦合器同步器(总体用512(i)表示)来实现。在该示例中，同步器512A包括分别与三个耦合器511(1)到511(3)相关联并被适配用于同步它们的操作模式的三个耦合器同步器512(1)到512(3)。类似于图4B的同步器512，也是在该示例中，每个耦合器同步器512(i)利用信号D(i)和LTS(i)来控制其相应的耦合器511(i)的操作模式。信号LTS(i)为ON并且信号D(i)为OFF对应于511(i)的第一LTS模式，信号LTS(i)为OFF并且信号D(i)为ON对应于511(i)的第二(分配)模式。同步器512B与耦合器同步器512(1)到512(3)保持通信以同步它们的操作。优选地，同步器512(1)到512(3)的操作被同步以使得在任意给定时间都有耦合器511(i)中的至少一个处于其第一(LTS)模式。

图6C以图解方式例示了通过图6B的示例中的同步器512B实现的对耦合器511(1)到511(3)的操作的同步。在时间段T_LTS(i)中，相应耦合器511(i)的操作模式对应于LTS(第一)模式，其中耦合器511(i)与单元501均衡其功率存储。因此，在这些时间段中，相应的信号LTS(i)为ON并且信号D(i)为OFF。在时间段D(i)中，相应耦合器511(i)的操作模式为分配(第二)模式，其中所述相应耦合器511(i)经由总线连接器506与其它耦合组件502均等其功率。如上所示，在同一耦合器511(i)的信号LTS(i)和D(i)都为ON或都为OFF的情况下，相应耦合器511(i)被完全断开连接。同步器512B操作用于同步同一耦合组件的耦合器511(1)到511(3)的操作。通常，如图6C中所示，耦合器511(1)到511(3)的操作通过以就不同耦合器511(i)的操作而言连续的周期性方式安排LTS时间段T_LTS(i)(i为1、2和3)来被同步，在所述LTS时间段中相应的耦合器511(i)的信号LTS(i)和D(i)分别为ON和OFF。所述安排被执行以使得在任意操作时间都有至少一个耦合器处于其LTS模式。通常，在耦合器的第一操作模式之间有重合，即一个耦合器进入LTS操作模式并且就在此时另一耦合器退出其LTS操作模式。这样安排以使得有至少一个与连续地处于LTS模式的单元501相关联的耦合器。

应当注意在每个耦合器能够有一半以上的时间处于其第一(LTS)操作模式的情况下，在耦合组件502中利用两个耦合器512(1)-512(2)就足以为单元501连续地提供工作在其LTS模式下的耦合器。然而，考虑到耦合器的第一和第二操作模式之间的切换时间大于零，要求每个耦合组件502有至少三个耦合器511来提供在LTS模式下的连续工作。从而在任意时刻，与至少一个耦合器相关联的每个耦合组件502被连接到总线连接器(第二操作模式)并且至少一个耦合器被连接到单元501(第一操作模式)。因而，对(被连接到总线连接器506的)功率分配模块510的所有耦合组件执行图6C所示的定时序列(同步或不同步)确保在任意时间每个耦合组件都有至少一个耦合器511(i)被连接到总线连接器506(即工作在其第二模式)，从而确保在功率分配模块510的耦合组件之间恒定的功率交换。在同一耦合组件502的两个相邻耦合器(例如511(1)和511(2))同时工作在第二模式的重合时间段中，功率也在相邻的耦合组件之间被传送(例如，电压均等)。

如上所示，能量/功率再分配发生在处于它们的第二操作模式下(即被连接到总线连接器)的所有耦合器之间。不同耦合器之间的大部分能量功率传送已经完成的稳定状态(例如，在该状态下只有可忽略的功率仍然未在不同耦合器之间被再分配)通常在特定的稳态持续时间T_S之后到达。稳态持续时间T_S通常与功率再分配模块的某些特性相关联，例如总线连接器506的电阻、所使用的耦合器的电容以及所涉及的电压差。并且优选地，在耦合器操作的每个周期，第二模式(分配)的持续时间T_D与稳态持续时间T_S是一个量级的，以实现第二模式期间的高效功率再分配。

在本系统的一些实施例中，类似的耦合器被使用，例如具有相同的电特性(例如相同的电容)，相应地在稳定状态下获得了耦合器之间的功率和电压均等。因此，在每个操作周期，在耦合器的第二操作模式期间，耦合器将电压均等为总线连接器506的共用电压。因而，利用三个耦合器511(1)到511(3)，单元501上的电压在LTS信号的每个周期内有三次均等为总线连接器506的共用电压。

例如图1所示的典型的功率生成系统(例如太阳能系统)包括可能包括大量能量生成单元的高电压单元串。典型的单元串产生端到端的高DC电压，例如400或600或者甚至1000伏的DC电压。当将本发明的功率再分配模块(图4中所示的510)用于这种高电压单元串时，在耦合组件的工作周期中，所述高电压被全部设置到一个或多个耦合组件的两个开关上(例如图4A-4B中的两个开关526和/或527)，即仅用一个或多个耦合组件的两个被串联连接的开关就阻止了单元串507的短接(每次开关的数目和特性取决于耦合组件的相应操作模式)。这种防止短接的电路通过两个分别在沿总线连接器的不同耦合组件中的串联开关被保持打开状态。可承载这种电压的开关相对比较慢且大。

现在参考示出了本发明的另一实施例的图7A到7C，其中功率再分配模块/系统被设计为利用标准的100伏快速FET开关处理具有高端对端电压的长单元串。如图7A中所示，功率再分配模块510包括具有多个分离的连接器的总线连接器506，每个连接器与多单元串507的一组单元(优选为连续的被串联连接的单元)相关联。此外，模块510包括两种类型(502A和502B)的耦合组件，其中类型502A的耦合组件被配置为类似于上述耦合组件502，即每个组件与单个总线连接器元件相关联，而类型502B的耦合组件与一个以上的总线连接器元件相关联。每个总线连接器元件506用两个电导体来实现，相应的耦合组件(502A和/或502B)被并联连接到所述两个电导体。应当注意采用这种配置可以免去对类型502A的耦合组件的使用，并且功率再分配模块中的所有耦合组件都可以是类型502B的耦合组件。

图7B更具体地示出了类型502B的耦合组件的配置和操作。耦合组件502B被装配有本地同步器512和四个耦合器511。这四个耦合器511(i)与总线连接器506的两个总线连接器元件506L和506R相关联以使得耦合器511(1)和511(2)与总线连接器元件506L相关联，并且耦合器511(3)和511(4)与总线连接器元件506R相关联。同步器512可以发出两个输出信号组LTS(i)和D(i)。在LTS(i)信号为ON且D(i)为OFF的时间段T_LTS(i)中，相应的耦合器511(i)与太阳能单元501均分其功率存储。在LTS(i)信号为OFF且D(i)为ON的时间段T_D(i)中，耦合器511与跟相应的总线连接器元件相关联的其它耦合组件均分其功率。当LTS(i)和D(i)信号都为ON或都为OFF时，相应的耦合器被完全断开连接。同步器512以周期性的方式将信号D(1)，D(2)的ON时间段和信号LTS(1)，LTS(2)的OFF时间段安排在一行里，且具有最小的转变时间并且在它们之间没有重合的时间段，以使得它们相互的ON时间是最大的并且超过整个时间的50％；并且类似地安排D(3)，D(4)的ON时间段和信号LTS(3)，LTS(4)的OFF时间段。类似的时间序列被应用于功率再分配模块的所有耦合组件502B。这种安排实现了无论何时耦合器511被连接到任一总线连接器组件，该功率再分配模块都将有另一耦合器在至少部分时间被连接到相同总线连接器元件的另一端，因此所述耦合器将均等它们的电压。这种定时序列确保了以下事实：单元501在任意时间都被连接到至少一个耦合器以在高性能太阳能单元的情况下实现连续的多余电流流出或者在低性能太阳能单元的情况下实现缺失电流的供给；在重合时间段中，同一耦合组件的相邻耦合器将在它们之间均等电压；在耦合组件中的所有耦合器之间的电压均等将在与同一耦合组件502B相关联的总线连接器元件之间均等电压；因此所有总线连接器506上的电压将等于共同电压；并且单元501上的电压将在LTS(i)信号的每个周期内有四次与总线连接器506的共同电压进行均等。这种架构将耦合器与任何其它与同一总线连接器元件不相关联的耦合器断开连接，因此耦合组件所处理的最大电压被限制为与相同总线连接器元件相关联的单元的总输出电压。这种技术使得长单元串能够与标准FET开关一起工作，虽然单元串所产生的电压可能高于开关的最大负荷。

在诸如图1所示的典型的太阳能系统中，大多数太阳能面板/单元具有非常相似的电特性。单元之间的环境条件可能不同(例如单元的不同温度或光照)并且影响太阳能单元的电压。本发明使得不管其它单元的电流如何每个太阳能单元都能够工作在其最佳电流上，但是同时均等与功率再分配相关联的所有太阳能单元上的电压。

参考图8A，其中图示了利用本发明的原理并被设计用于控制耦合器的能量生成器一侧与实际的生成器连接之间的电压差的能量生成系统570(未被完整示出)。更具体而言，在该系统中，在耦合器组件502中的耦合器511的本地一侧与应当被优化为其特定MPP电压的相应的太阳能单元输出之间产生了电压差。

在该示例中，类似于上述示例，耦合器组件502与一端的总线连接器506相关联，并且经由本地端子525被连接到电压控制模块1000。电压控制模块1000在其另一端口处被连接到功率要被优化的单元/面板501。电压控制模块1000被配置并可操作用于修改要被施加给单元501的耦合器组件502的输出电压。因此，电压控制模块1000被装配有适当的电压步进器1001，该电压步进器被电互连在单元501和耦合组件502的本地端子525之间。电压步进器1001例如可以被实现为双向buck DC到DC转换器或者具有电容器和两个开关的占空比设备。

电压控制模块1000被适配用于控制相应的耦合器组件502施加给单元501的电压的值，并且允许控制单元501的电压不依赖于总线连接器506的电压。这使得能够对单元的操作功率点进行准确的调节(即，将每个单元推向其MPP)。

为此，电压控制模块1000包括一个或多个传感器、电压步进器1001以及被连接到电压步进器的电压步进器控制器1002。传感器被适配用于提供指示以下各项中的至少一项的数据：各个单元501的操作状态、单元串(507)的操作状态以及环境条件。电压步进器控制器1002被配置并可操作用于处理传感器输出数据以及确定和调节要被施加给单元501的电压。对施加给单元501的电压的调节利用与其相关联的电压步进器1001来实现。

电压步进器控制器1002可选地与参考数据库(这里未被示出)相关联。电流传感器1004被用于测量流经电压步进器1001的端子1012的电流。该电流是指通过相应的耦合器组件502“注入”单元501或从501“提取”的电流。另一电流传感器1005被用于测量单元串507上的电流。电压表1010被用于测量耦合器组件502的本地端子525处的电压，并且另一电压表1011被用于测量单元501的电压(即单元端子1012处的电压)。此外，诸如太阳光照强度和温度之类的环境数据利用相应的传感器(未被具体示出)来读取。电压步进器控制器1002利用环境数据1009和来自数据库的参考数据来计算单元上的预期电压(端子1012处的电压)。该预期电压被与电压表1011在端子1012处所测得的实际电压进行比较以确定单元是否工作在其预期的MPP处或者需要对其工作点进行校正。

如果单元需要校正，则电压步进器控制器1002基于对传感器1004和1005所测得的电流值和在耦合器组件502的端子1011处所测得的电压的测量计算用于电压步进器1001的新的操作参数。因此，当来自耦合器组件的输出电压(在本地端子525处的电压)不变时，单元501的电压(传感器1011所测得的电压)被设置为通过控制器1002计算的其所需要的值。

如果耦合器组件和耦合器是电压倍乘类型的(类似于参考图5D所描述的那些)，则耦合器组件502的本地端子525上的电压可以被上下(以倍乘的方式)调节。在这种情况下，电压步进器1001可以是电压降低设备，例如高效率双向buck可编程DC到DC转换器或简单的扼流器。

此外，应当理解在本发明的系统的不同实现方式中，电压步进器1001可以被电连接到在不同位置处的系统的相应组件。例如，电压步进器可被用于控制耦合器组件502的分配端子522处(总线一侧)和/或例如在本示例中的本地端子525处的电压。此外，电压步进器可以被集成在耦合器组件内，在这种情况下例如图5D中所示的电压耦合器也可以用作电压步进器。

图8B图示了能量生成系统570的配置(在图8A中被部分示出)。系统570被配置为类似于以上参考图4A描述的系统500。然而，除了系统500的元件以外，本示例的系统570被装配有例如图8A中所示的电压控制设备1000。电压控制设备1000的电压步进器1001被相应地与耦合器组件502和单元501并联地被电互连在每个单元/面板501和其相应的耦合器组件502之间，如图8A中所示。因此，系统570能够实现类似于系统500的效率的单元之间的高效功率再分配。并且，利用电压控制设备1000的功能，系统570能够将每个单元501保持在其自己的MPP处。

应当理解电压控制设备1000的很多元件可以与其它这样的电压控制设备共用或不共用。例如，每个电压控制设备1000可以被实现为包括其自己的传感器和数据库的独立单元。这样的单元可以被整体实现为集成结构，并且可以被设置于太阳能面板/单元或电池单元上。或者单个数据库可以被用于共用的环境传感器。此外，多个电压步进器控制器(未被具体示出)可以被实现为单个控制器模块(计算单元)或者用多个单独的模块来实现。

本发明还提供了针对与用于多单元功率生成系统的传统方法相关联的另一问题的解决方案。再回到图1，其中示出了“大型”能量生成系统100，即包括多个单元串架构的系统。当这样的具有多个单元串(107a和107b)的能量生成系统100被操作时，不同的单元串107a和107b通常具有不同的输出电压(例如由于不同的环境条件或不同的单元参数)。由于这些单元串被并联连接到MMPT 105和逆变器103，所以阻流二极管106被用于防止返回电流流经较低电压的单元串。

实际上，考虑单元串107a具有(相对)高输出电压且单元串107b具有低(较低)输出电压，在较高电压的单元串(107a)一端的阻流二极管106a上施加反向偏置电压，以使得来自单元串107a的输出电压被减小(降低)到单元串107b的较低电压。因此，阻流二极管106a消耗了单元串107a所产生的额外功率。二极管所消耗的额外功率(被浪费的功率)与电压降(即单元串的输出电压的差异)和单元串电流的乘积相关联。

图9A图示了被配置有多个单元串架构并且包括两个单元串507a和507b的能量/功率生成系统580。每个单元串分别与根据本发明的功率再分配模块510相关联。在该示例中，类似于图8A和8B的示例，功率再分配模块510包括与单元串的单元501相关联的电压控制设备1000。因此，单元串507a和507b以与图8A和8B的单元串类似的方式进行操作，以使得每个单元工作在其最大功率点附近。

在本示例中，单元串(507a和507b)中的每个单元串的功率再分配模块510a，510b被装配有相应的单元串端接设备(1210A，1210B)。每个单元串端接设备被配置为与其相应的单元串串联连接的电压源。在该示例中，单元串端接设备被并联连接到相应单元串的阻流二极管1304。然而，应当注意一般来说，当使用单元串端接设备时可以不再使用阻流二极管。

单元串端接设备1210A，1210B被配置用于通过用作可控电压源来补偿(提升)它们的相应单元串507a，507b的输出电压。实际上，单元串端接设备1210A将其相应单元串507a的电压提升至某个更高的电压。该更高的电压通常被确定为与所述单元串507A并联连接的其它单元串(该示例中的507b)所产生的最高输出电压；或者该更高的电压为所有的单元串要被调节到的预定的固定电压。

在操作期间，单元串端接设备(例如1210A)利用相应地与单元串507a相关联的功率再分配模块510a作为功率源。为此，单元串端接设备1210A被并联连接到功率再分配模块510a的这些连接器506a。为了调节其相应单元串的输出电压以匹配所述特定的所需要的高电压(所谓的“目标”电压)，单元串端接设备1210A利用来自总线连接器506a的功率。

目标电压与单元串(507A)的输出电压之间(即点P1和P2之间)的电压差通过单元串端接设备来补偿。在该连接中，单元串端接设备可以根据第一操作方案进行操作以确定电压差的大小(例如，在其补偿该电压差的操作之前)并且/或者根据第二操作方案进行操作，根据第二操作方案，在单元串端接设备的操作期间，电压差被去除而不需要单元串端接设备获取与该电压差的大小相关的任何先导信息。

根据第一操作方案，通过定义要被施加给MPPT 505(例如要在点P2与P4之间施加)的目标电压来确定电压差。然而，单元串507a的输出电压被确定(例如通过测量点P1与P2之间的电压)。然后作为这两个电压之间的差的电压差被单元串端接设备1210A补偿。

然而，该(第一)操作方案需要预先确定电压目标值以实现后续对要补偿(补足)的电压差的预先确定。目标电压可以是预期比任意单元串能够产生的任意合理电压更高的独立的固定电压值(即独立于单元串的实际电压值)。该固定电压值可以被“编码”或“硬编码”在单元串端接设备1210内或者它可以通过测量来获得。例如，高电压值(用作目标电压值)可以通过外部模块被保持在点P3与P4之间(例如MPPT上的电压)。然后，该电压可以通过每个相应的单元串端接设备被测量以确定它们的目标电压。

第二操作方案使得各个单元串端接设备能够在不需要获得目标电压值的情况下进行操作，从而不需要由各个单元串端接设备来确定指示MPPT处的电压或同批的其它单元串的电压的数据。这是基于以下理解：当单元串507a的输出电压V_s(P1与P2之间)高于来自其它单元串的所述特定输出电压V_mppt(P3与P4之间)时，单元串为高性能单元串并且将不得不将其多余的能量浪费在其相应的阻流二极管1304上。因此，阻流二极管V_d上的电压变为负值V_d＜0(即反向偏置电压)，使得V_s+V_d≌V_mppt。如果单元串的输出电压低于来自其它单元的输出电压V_mppt，则情况就不同了。在这种情况下，单元串为低性能单元串并且二极管上的反向偏置电压非常小(例如V_d≥0)。因此，通过测量其相应的单元串阻流二极管上的电压，单元串端接设备可以确定其相应的单元串相对于同批的其它单元串而言是低性能还是高性能的，并且相应地操作用于提升或降低该单元串的输出电压。因而，根据单元串端接设备的第二操作方案，单元串端接设备与用于测量其相应单元串的阻流二极管1304上的电压V_d的电压表传感器相关联或者被装配有所述电压表传感器。只要所测得的二极管上的电压V_d大于或等于0(或者当其在低于零的特定阈值以上—为了防止多单元串端接设备连续“无限制的”提升电压)，则单元串被认为是低性能的并且单元串端接设备增大对单元串的电压施加。当对单元串的电压施加被增大到超过电压V_mppt时，二极管上的电压就会降至零以下并且单元串变成高性能的。此时，单元串端接设备停止增大电压，并且来自单元串和其单元串端接设备的总电压输出被保持在所需要的值上。

被连接到相应的功率再分配模块510的总线连接器的单元串端接设备1210利用/提取来自高性能单元串的总线连接器506的功率来提高低性能单元串的输出电压。这使得低性能(较低电压)与高性能(较高电压)单元串之间的电压差达到最小值。这样，所有单元串的单元串末端(在单元串的并联连接点P3，P4处)的输出电压被均等为最高电压单元串的电压。因此，本发明的这一特征可被用于通过提供作为并联连接点P4上的电压的一个参考点来创建等电压单元串。该参考电压高于在一段并联连接的单元串中的任意其它单元串电压。通过均等单元串的电压，不同单元串的阻流二极管1304上的电压被最小化到二极管的饱和电压。因此，由于二极管所消耗的能量通常是二极管电压的线性函数，因此该能量也被最小化了。通常，只要参考点P4与单元串电压之间的电压差大于零，就没有电流流经二极管。

图9B更详细地例示了单元串端接设备1210的配置(类似于图9A的单元串端接设备1210A和1210B)。一般来说，单元串端接设备1210与其相应单元串507的功率再分配模块510相耦接。可具有如上所述(例如图4A-4D，6A，6B)的类似配置功率再分配模块510用作单元串端接设备1210的功率源并且使得单元串端接设备能够向其相应单元串507提供电压。

单元串端接设备1210被装配有单元串端接控制器1307和一个或多个电压补偿单元1310，通常使用一个或两个这样的电压补偿单元1310。

单元串端接控制器1307与一个或多个传感器(电压表)相关联，所述传感器被适配用于测量单元串的输出电压与参考电压(例如图9A的点P2，P4处)之间的电压差。然后，利用来自传感器的测量结果，单元串端接控制器1307确定单元串的输出电压的欠缺(即单元串电压为了补偿所述电压差而应当被提升的特定值)。

单元串端接控制器1307还与电压补偿单元1310通信(即被连接到电压补偿单元1310)。单元串端接单元被用于控制补偿单元1310提供给单元串的电压。每个电压补偿单元1310用作单元串中的电压源并与单元串串联电连接。此外，电压补偿单元1310与其相应单元串的功率再分配模块510的总线连接器506并联电连接。

电压补偿单元1310包括耦合组件502和电压递减步进器(VDS)1302。可类似于上述耦合组件的耦合组件502通过其分配端子522被电连接到总线连接器506。此外，耦合组件502也通过端子525被连接到电压递减步进器1302的输入端。电压递减步进器1302的构建和操作类似于上述电压控制器1000。

电压递减步进器1302又通过其输出端子被串联电连接到单元串507以使得来自电压递减步进器1302的任意输出电压被叠加到单元串507的输出电压上，从而提升单元串507的总电压。可选地，电压递减步进器1302又通过其输出端子与为安全起见所使用的旁路二极管1303并联连接。

根据上述耦合组件的操作，每个耦合组件502将其本地端子525上的电压与总线一侧端子522的电压进行均等或相乘。因此，在没有电压递减步进器1302的情况下，即在电压补偿单元被配置有(经由其本地端子525)直接被串联连接到单元串507的耦合组件502的情况下，单元串的输出电压将通过被连接到单元串的每个电压补偿单元被提升总线电压的值或者该电压的任意整数倍。然而，为了实现对单元串的电压被提升的电压的调节，电压步进器被用于电压操纵和单元串与耦合器组件之间的互连。

优选使用电压递减步进器，因为它们的能量效率通常很高。此外，在使用电压递减步进器时，单元串的电压可被提升的上限受到总线连接器的标称电压乘以单元串端接设备中所使用的电压补偿单元1310的数目再乘以耦合器502的倍乘因子的限制。如果在功率再分配模块510中使用相同的电压耦合器，总线连接器的标称电压通常大约为来自单元串的单元501的平均输出电压。因而，在单元串端接设备1210中包括了足够数量的电压补偿单元1310的情况下，电压递减步进器可以被使用以使得单元串之间的标准电压偏差可以在不需要向上递增电压的情况下被补偿。电压递减步进器1302可以用能够将电压从任意给定电压减小到任意其它所需要的较低电压的具有高能量效率的任何适当的公知设备来实现，例如高效率降压DC到DC转换器或扼流器。

因而，电压递减步进器1302根据从单元串端接控制器1307接收的命令/指令将总线连接器506上的电压作为输入进行接收并将该电压的一部分传送给单元串507。在电压递减步进器1302的输出电压变得高于旁路二极管1303的饱和电压的情况下(该饱和电压通常是-0.4到-0.7伏)，流经二极管1303的电流停止并且电压递减步进器1302承担负载。

因此，流经单元串端接设备1210的电流始终等于单元串的电流。所有的电压递减步进器1302提供在0与对应于总线连接器506的标称电压的特定最大电压之间的输出电压值。

如上所示，在一些情况下，每个单元串的电压要被提升到的目标/参考输出电压是根据单元串中的最高输出电压来确定的。单元串端接控制器1307被配置用于通过测量图9A中的点P2与P4之间的电压差来确定目标电压。然而，在一些情况下，目标/参考电压被设置为电压并联连接点(图9A的P3和P4)。在这些情况下，这些点之间的电压可以由中心逆变器来控制。

因此，本发明解决了利用多个能量发生器的能量产生系统中自然存在的问题。要解决的问题与发生器可能具有不同特性这一事实相关联。本领域的技术人员将很容易理解：在不脱离权利要求所定义的范围的情况下，各种修改和改变都可以被应用于这里之前所描述的本发明的实施例。

Claims

1.一种用于从分别具有各自的电流-电压特性的多个被电连接的能量发生器进行能量收集的电子系统，所述电子系统包括被电连接到所述多个被电连接的能量发生器的功率再分配单元，所述功率再分配单元包括总线连接器和至少两个可电连接到所述总线连接器的电耦合组件，所述电耦合组件中的每个电耦合组件与所述能量发生器中的一个或多个能量发生器相关联，并且被配置为可控地操作用于提供所述总线连接器与所述至少两个能量发生器之间的选择性电耦合，从而实现所述至少两个能量发生器之间的功率再分配并由此优化能量收集。

2.根据权利要求所述的系统，其中所述电耦合组件包括至少两个耦合器，所述耦合器包括：

存储电能的能量存储单元，所述能量存储单元被配置为与相应的能量发生器电连接；以及

可相继工作在第一和第二操作模式下的开关组件，所述开关组件在第一操作模式下提供相应的能量存储单元与所述相应的能量发生器之间的电连接，并且在第二操作模式下提供所述能量存储单元与所述总线连接器之间的电连接从而实现所述至少两个能量发生器之间的功率再分配。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述电功率再分配单元被配置为经由所述总线连接器提供所述存储单元中的至少一些存储单元之间的并联连接，从而实现在被电连接到总线的所述存储单元之间的功率再分配。

4.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的系统，其中所述电耦合组件可根据预定的时间模式进行操作。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述时间模式被选择以使得在所述系统操作期间始终有至少一个耦合组件与所述能量生成器中的相应的一个或多个能量生成器电连接。

6.根据权利要求4或5所述的系统，其中所述时间模式被选择以使得在所述系统操作期间始终有至少一个耦合组件与所述总线连接器电连接。

7.根据权利要求2到6中的任一权利要求所述的系统，其中所述存储单元包括至少一个电荷存储设备。

8.根据权利要求2到7中的任一权利要求所述的系统，其中所述开关组件被配置并且可根据所述预定的时间模式操作用于提供所述相应的存储单元与所述相应的能量发生器或与所述总线连接器之间的排他并联连接。

9.根据权利要求2到8中的任一权利要求所述的系统，其中所述电耦合组件被配置以使得所述耦合器中的至少两个耦合器与所述能量生成器中的共同的一个能量发生器相关联，以使得在所述系统操作期间，所述至少两个耦合器中的至少一个处在与所述开关组件的第一操作模式相对应的操作条件下。

10.根据权利要求2到8中的任一权利要求所述的系统，其中所述电耦合组件被配置以使得所述耦合器中的至少两个耦合器与所述能量生成器中的共同的一个能量发生器相关联，以使得在所述系统操作期间，所述至少两个耦合器中的至少一个处在与所述开关组件的第二操作模式相对应的操作条件下。

11.根据权利要求2到10中的任一权利要求所述的系统，包括管理器应用组件，该应用组件被预先编程了所述预定的时间模式并被配置为可操作用于同步所述开关组件在所述第一和第二模式下的相继操作。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述管理器应用组件包括多个同步器，每个同步器被连接到与所述相应的能量发生器相关联的耦合器中的一个或多个耦合器。

13.根据权利要求2到12中的任一权利要求所述的系统，其中所述功率存储单元包括至少两个电荷存储设备，并且所述开关组件被配置为选择性地实现所述至少两个电荷存储设备之间的并联或串联连接，从而实现对所述功率存储单元上的电势的控制。

14.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的系统，其中所述功率再分配单元被配置为可操作用于提供如下条件：每个能量发生器与其存储单元的预定电参数达到所有所述至少两个能量发生器的所述参数的平均值。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述电参数是电功率、电流和电压中的至少一个。

16.根据权利要求14所述的系统，其中所述电参数是电流。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述功率存储单元包括至少两个电容，并且可选择性地在与所述至少两个电容之间的不同电连接相对应的不同电条件之间切换，导致所述功率存储单元的不同有效电容，从而实现所述功率存储单元的输出电压的变化，并允许在所述能量发生器之间再分配电流。

18.根据权利要求17所述的系统，其中所述功率存储单元包括附加的开关组件，该附加的开关组件被配置为可操作用于实现所述功率存储单元在用不同电容分别表征的其不同的电条件之间的所述选择性切换。

19.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的系统，包括至少一个端接设备，该端接设备与被串联连接的能量发生器的相应阵列相关联，并被连接到所述功率再分配单元的所述总线连接器，所述端接设备被配置为可操作用于利用来自所述总线连接器的功率来可控地提升所述能量发生器的阵列的输出电压。

20.根据权利要求19所述的系统，包括相应地与所述至少一个端接设备相关联的至少一个端接控制器，所述端接控制器被配置为可操作用于确定所述能量发生器的阵列的输出电压要被提升到的目标电压。

21.根据权利要求19或20所述的系统，其中所述端接设备包括：被连接到所述总线连接器并且可操作用于从所述总线连接器获取功率的至少一个耦合组件，以及与所述耦合组件并联连接并且与所述能量发生器阵列串联连接的至少一个电压递减步进器。

22.一种能量发生系统，包括：

分别具有各自的电流-电压特性的被电连接的能量发生器的阵列；

用于从所述被电连接的能量发生器的阵列收集能量的能量收集系统，所述能量收集系统包括：

相应地与所述能量发生器的阵列电连接以用于存储所述能量发生器所生成的电功率的存储单元的阵列；

可连接到所述功率存储单元的阵列的总线连接器；以及

开关组件的阵列，每个开关组件可控地相继操作于第一操作模式和第二操作模式，以使得所述开关组件在所述第一操作模式时提供所述功率存储单元中的相应的一个功率存储单元与相应的能量发生器的电连接，并且在所述第二操作模式时提供所述电功率存储单元和所述总线连接器之间的连接，从而实现所述能量发生器之间的功率再分配。

23.一种电耦合组件，用于从多个被电连接的能量发生器进行能量收集，每个能量发生器具有各自的电流-电压特性，所述电耦合组件包括分别与所述多个能量发生器相关联的多个耦合器，每个耦合器包括：功率存储单元，用于与所述相应的能量发生器电连接并用来存储所述能量发生器所生成的电功率；以及可相继工作于第一和第二操作模式下的开关组件，所述开关组件在所述第一操作模式下提供所述功率存储单元中的相应的一个功率存储单元与对应的能量发生器的电连接，并且在所述第二操作模式下提供所述功率存储单元与外部的所有能量发生器共用的总线连接器之间的连接，所述耦合器组件因而实现在能量发生器之间的功率再分配。

24.一种用于优化从被串联电连接的多个能量发生器进行能量收集的方法，所述能量发生器具有定义了高性能和低性能能量发生器的不同的IV特性，所述方法包括根据预定的时间模式操纵所有所述能量发生器与共用总线连接器的并联电连接，从而通过在能量发生器之间均分能量而导致能量从高性能能量发生器到低性能能量发生器的传送来实现在所述能量发生器之间的能量再分配。