CN104170202B - 具有简化连接的可再生能源单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子设备(10)，其包括连接到逆变器系统(100)的能量模块(19)，所述能量模块包括串联连接的用于从可再生能源发电的多个装置(18)，用于从可再生能源发电的所述装置(18)被组合成组(22)，所述电子设备的特征在于逆变器系统包括多个控制电路(40)，每个控制电路连接到用于从可再生能源发电的一组装置(18)，使得用于从可再生能源发电的装置的每组(22)能够被单独地控制。

Description

具有简化连接的可再生能源单元

技术领域

本发明涉及一种电子设备，其包括连接到转换器系统的电源模块，其中所述电源模块包括串联连接的用于从可再生能源发电的多个元件，并且用于从可再生能源发电的所述元件被组装成组。

背景技术

安装到民居或公共和商业建筑中的太阳能系统是已知的。这些太阳能系统一般由图1中所示的多个太阳能单元1组成，其中每个单元包括连接到转换器系统11的太阳能面板2。所有转换器系统连接到分配器系统，分配器系统负责将所产生的电输送到公共电网或民居或公共或商业建筑的电网。该分配器允许由太阳能面板产生的电被销售或被用于减少对公共电网的依赖。

每个太阳能面板包括多个光伏电池3，每个光伏电池包括正端子和负端子。这些光伏电池串联连接，因此每个太阳能面板包括第一个电池和最后一个电池。这些光伏电池以相同数量的光伏电池的组4的形式组装。例如，包括十二个光伏电池的太阳能面板包括三组的四个光伏电池。一般来说，光伏电池以行和列排列，并且每行光伏电池形成一组。

每个太阳能面板还包括串联连接的多个保护二极管5，其中每个保护二极管并联连接到组4中的一个。因此可以理解，该组的第一个光伏电池的负端子连接到二极管的阳极，并且该组的最后一个光伏电池的正端子连接到二极管的阴极。该布置允许通过防止一组光伏电池的电流传递到另一组光伏电池来保护光伏电池。

第一个光伏电池的正端子和最后一个光伏电池的负端子连接到转换器系统11。转换器系统11包括调节器单元6，调节器单元6包括多个调节器电路7，并联布置并调制控制该多个调节器电路7使得单个调节器电路7在给定时刻激活。将由调节器电路提供的信号发送到DC/AC转换器8，DC/AC转换器8负责在输出Sout处将直流电压转换成交流电流。

该系统的缺点来自于保护二极管(也称为旁路二极管)的使用。事实上，这些二极管是消耗功率的部件并导致太阳能系统效率的降低。如果期望该能量源应当最终能够代替当前的化石燃料，则效率是当前非常重要的特征。

这些二极管还具有需要注意的易碎和昂贵的缺点。因此，可以理解这些二极管必须由手工焊接，因为自动化过程的使用将会遭受重大破损的风险并因此导致同等重大的代价。

发明内容

本发明的目的是通过提供一种具有电源模块的电子设备来取消这些缺点，所述电子设备更易于配置、成本更低并且其与改进的效率相结合保证电源模块的保护。

为此，本发明涉及一种电子设备，其包括连接到转换器系统的电源模块，其中所述电源模块包括串联连接的用于从可再生能源发电的多个元件，并且用于从可再生能源发电的所述元件被组装成组，所述电子设备的特征在于转换器系统包括多个调节器电路，其中每个调节器电路连接到用于从可再生能源发电的一组元件使得用于从可再生能源发电的每组元件能够被单独地控制。

在第一有利实施例中，转换器系统额外包括用于通过脉冲宽度调制控制调节器电路的微控制器。

在第二有利实施例中，调节器电路实现用于从可再生能源发电的元件的最大功率点的跟踪。

在第三有利实施例中，每组包括用于从可再生能源发电的相同数量的元件。

在另一有利实施例中，用于从可再生能源发电的元件是光伏电池。

在另一有利实施例中，用于从可再生能源发电的元件是风力涡轮机。

在另一有利实施例中，用于从可再生能源发电的元件是水力发电涡轮机。

该设备的优点在于每组光伏电池被独立地控制。因此，这允许每组被单独地调节。

此外，该配置允许简化太阳能面板的连接，因为这些太阳能面板不再包括集成二极管。事实上，因为每个调节器电路直接连接到一组光伏电池的端子，所以电流不能从一组传递到另一组。因此，不需要阻挡电流并防止其从一组传递到另一组的保护二极管。因此，生产成本被降低并且生产过程被简化，因为太阳能面板不再包括除了太阳能电池之外的任何部件。

附图说明

从根据本发明的电子设备的示例性实施例的如下详细描述中，本发明的目的、优点和特征将变得更清楚，其中该实施例与附图相结合仅出于非限制性、说明性目的给出，在附图中：

图1示出了根据现有技术的电源单元；

图2示出了根据本发明的电源单元；

图3示出了根据本发明的调节器电路；并且

图4到6是根据本发明的电源单元的每个调节器的电路图；

图7A、7B和7C示出了根据本发明的电源单元的不同工作阶段。

具体实施方式

图2示出了根据本发明的诸如电源单元10的电子设备。该电源单元10包括连接到转换器系统100的电源模块19。该电源模块19包括用于发电的多个元件18，诸如例如用于从可再生能源发电的元件。例如，电源模块19是太阳能模块20或太阳能面板。太阳能面板20包括多个光伏电池21。每个光伏电池21包括正端子和负端子。光伏电池21串联连接。应理解，电源单元10的太阳能模块20当然能够由包括风力涡轮机或串联连接的小型风力涡轮机的风力涡轮机模块或包括水力发电涡轮机或串联连接的小型水力发电涡轮机的水力发电涡轮机模块代替。此外，电源单元10的太阳能模块20能够由包括串联连接的电化学电池的电化学模块代替。

这些光伏电池21被组装成组22使得每组22由至少一个光伏电池21或优选地由多个相邻的光伏电池21形成。因此，光伏电池的每个组22包括正端子和负端子。应理解，该组的第一个光伏电池21的正端子是该组的正端子，并且该组的最后一个光伏电池21的负端子是该组的负端子。光伏电池的组22优选地能够包括相同或不同数量的光伏电池21。

转换器系统100包括并联连接的多个调节器电路40。图3中所示的每个调节器电路40包括与切换元件C1串联的变压器T1。每个调节器电路40额外地包括与切换元件C1串联布置的电流测量元件I1。变压器T1、切换元件C1和电流测量元件I1与光伏电池21并联布置。每个调节器电路40还包括整流器R1，整流器R1连接到变压器T1的输出以提供中间电压。因此，可以理解每个调节器电路40具有其自己的整流器R1。

每个调节器电路40优选为MPPT(最大功率点跟踪)调节器，即，允许非线性发电机的最大功率点的跟踪的调节器电路。事实上，光伏发生器为在其中基于电压的电流的特性是高度非线性的发生器。因此，对于相同照度，递送的功率将根据负载而不同。因此，MPPT发生器电路40使得连接负载(例如，电池)和光伏面板(即，太阳能模块20)的静态逆变器能够被控制以便持续地将最大功率提供给负载。

电源单元10额外地包括微控制器80，微控制器80借助于时移控制来控制调节器电路40。换言之，调节器电路40由脉冲宽度调制控制并在确定的时间窗口中被连续地切换。为了达到这个目的，微控制器80将信号发送到每个调节器电路40的切换元件C1。

有利的是，根据本发明，光伏电池21的每组22通过其正端子和负端子直接连接到调节器电路40，使得光伏电池21的组相互并联布置。该布置使得不同组22能够变得独立。此外，组22相互的这种独立允许每组22光伏电池21被保护。事实上，通过具有相互独立的光伏电池22的组，即，每组被连接到调节器电路，能够防止电流从一组传播到另一组。实际上，在光伏电池21上发生问题的情况下，电流异常出现并且调节器电路40将倾向于试图最小化该异常。之后，该异常将倾向于传播到其他电池21。相反，在光伏电池21的组22相互独立的情况下，电流异常将传播到光伏电池组的其他电池21，但不能进入光伏电池的其它组。

因此，光伏电池21的每组22被单独地控制并且同样单独地针对每组22实现最优化。事实上，因为每组22具有其自己的调节器电路40，所以每个调节器独立地动作。因此，如果一组的光伏电池21中的一个效率下降，则该组的调节器电路40将对其校正。

此外，光伏电池21的组22的这种单独控制意味着对于电源模块19的更少的影响。实际上，利用这种类型的安装，实施由调节器电路40的控制使得所有光伏电池21由相同电流提供。图7A示出了在包括多个光伏电池21的多个太阳能模块20上没有遮蔽的情况，显而易见的是每个模块20递送功率P。

因此，如果光伏电池21不在组中，则由于遮蔽导致的光伏电池21的电流的减小造成所有光伏电池21中的电流的减小，如在图7B中显而易见的。

利用本发明的配置，在所述配置中光伏电池21被组装成光伏电池的组22，每组由调节器控制，在光伏电池的组22的光伏电池21的级别上遮蔽的存在将仅影响所述组22而不影响其它组。因此，光伏电池的其它组22继续以其最大容量作用，如在图7C中显而易见的。

如图4到6所示的脉冲宽度调制控制用于这些调节器电路40的控制。该控制包括作用于每个调节器电路40MPPT1、MPPT2和MPPT3的切换元件C1，使得这些调节器电路40更具传导性或不具传导性。该控制被发送到调节器电路40，使得单个调节器电路40在给定时刻具有传导性。

为此，可以想到，调节器电路40的控制是相移的。事实上，通过相移调节器电路40的控制信号，能够基于来自电源单元10的所需功率输出调整电源单元10的工作。因此，在低功率的情况下，配置信号移位控制使得在每个时间周期中激活调节器电路。这意味着每个调节器电路40每三个周期被激活一次，如从图4中显而易见的。

对于更高的所需功率比，能够提供的是，调节器电路40在相同周期中被激活但不相移，如在图5和6中显而易见的。该配置允许调节器电路40被切换从而允许通过更多电流并因此更高功率。因此，这意味着在每个周期中激活所有调节器电路，使得在给定时刻激活单个调节器电路40，如在图5中显而易见的。

在图2中所示的具有3组具有所需高功率的光伏电池的情况中，移位是三分之一周期(即，T/3)使得在时刻t＝0第一调节器电路40MPPT1以从0到T/3的范围的脉冲宽度激活。在t＝T/3第二调节器电路40MPPT2以从T/3到4T/3的范围的脉冲宽度激活。在t＝2T/3第三调节器电路40MPPT3以从2T/3到5T/3的范围的脉冲宽度激活，如在图6中显而易见的。各激活重叠。

控制调节器电路40MPPT1、MPPT2和MPPT3的这种方式使得工作频率实际上增大。事实上，代替每个周期调节器电路40MPPT1、MPPT2和MPPT3的一次激活，每个周期有三次激活，如在图5中显而易见的。更具体地，诸如旁路电容器的部件见证调节器电路40的激活频率的增大。

电容器具有取决于频率的阻抗。因此，如果频率增大，能够在保持相同阻抗的同时减小电容器的值。此外，因为电容器的尺寸和成本与其法拉值有关联，其法拉值的减小导致在没有减小其效率的情况下旁路电容器的尺寸和价格的减小。

由调节器电路提供的信号被发送到DC/AC转换器级50，即，将由调节器电路40MPPT提供的直流电压转换成与网络兼容的交流电流的级。在该DC/AC转换器级50的输出Sout处提供的电压例如是110到230VAC的交流电压和50到60Hz的频率。

应理解，对本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的框架的情况下，各种修改和/或改进和/或组合能够被应用到以上概述的本发明的不同实施例。

Claims (8)

1.电子设备(10)，包括连接到转换器系统(100)的电源模块(19)，其中所述电源模块包括串联连接的用于从可再生能源发电的多个元件(18)，并且用于从可再生能源发电的所述元件(18)被组装成组(22)，所述电子设备的特征在于转换器系统包括多个调节器电路(40)，每个调节器电路连接到用于从可再生能源发电的一组元件(18)，使得用于从可再生能源发电的元件的每组(22)能够被单独地控制，其中所述调节器电路(40)包括与切换元件(C1)串联的变压器(T1)，并且变压器(T1)和切换元件(C1)与一组元件(18)并联；

其中，所述调节器电路(40)还包括整流器(R1)，整流器(R1)连接到变压器(T1)的输出以提供中间电压；

其中，在每个周期中激活所述多个调节器电路(40)，并且使得在给定时刻激活单个调节器电路(40)，以允许通过更多电流。

2.根据权利要求1所述的电子设备，其特征在于转换器系统(100)额外包括用于通过脉冲宽度调制控制调节器电路(40)的微控制器(80)。

3.根据权利要求1所述的电子设备，其特征在于调节器电路(40)实现用于从可再生能源发电的元件(18)的最大功率点的跟踪。

4.根据权利要求2所述的电子设备，其特征在于调节器电路(40)实现用于从可再生能源发电的元件(18)的最大功率点的跟踪。

5.根据权利要求1所述的电子设备，其特征在于每组(22)包括用于从可再生能源发电的相同数量的元件(18)。

6.根据权利要求1所述的电子设备，其特征在于用于从可再生能源发电的元件(18)是光伏电池(21)。

7.根据权利要求1所述的电子设备，其特征在于用于从可再生能源发电的元件(18)是风力涡轮机。

8.根据权利要求1所述的电子设备，其特征在于用于从可再生能源发电的元件(18)是水力发电涡轮机。