CN106537096B - 功率转换的方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种用于转换功率的系统，包括具有存储装置的多个模块，所述模块串联连接并且每个模块均具有至少一个直流电源。在每个模块中的电压控制电路与一个在最大和最小模块电压之间的存储装置相连接，以逐步逼近主电源信号。补偿器单元与所述模块串联，该模块包括由电源充电的存储装置。控制单元用于按照所需的交流信号加强或减弱补偿器单元的输入和输出之间的压差。当控制单元操作一个模块，使提供的电压从零到最大值或最小值改变时，控制单元通过所述补偿器电压控制电路对补偿器单元的电压做出相应的但是相反的改变，反之亦然。

Description

功率转换的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种系统和方法，用于直流功率和交流功率之间的功率转换。

背景技术

目前有许多申请是关于直流功率和交流功率之间的转换。早期的国际专利申请，申请号为WO2012 / 016285和WO2013 / 023248，公开了有促进这种转换的方法的系统。

所述系统用于产生适用于电力供给或自直流电源注入主电源的交流信号，所述直流电源包括一组串联模块，每个模块都连接有一个直流电源。模块切换退出串联，以形成一个交流信号的逐步逼近，同时进一步的斜坡变化使得信号更接近于一个平稳的交流信号。

WO2012 / 016285和WO2013 / 023248描述的系统在每个模块中使用了开关式稳压器。使用脉冲宽度调制信号，所述开关式稳压器调节电压上升或从最大电压下降，使得输出信号更接近于所需的交流信号，并且这些系统描述了旁路机制，以减少未进行稳压调节转换时的能量损耗。

这种系统的一个问题是开关装置较为复杂、可靠性较低并且每个模块中的开关式稳压器或电压校正器成本较高。

基于这一方面，本发明提供的系统所具有的结构能够减少这种复杂性，提高可靠性并降低成本。

这一系统的另一个问题涉及作为动力源的系统的电磁兼容性（EMC），例如电池板切换。通过减少每个模块中开关式稳压器的使用，降低EMC是有可能的。通过使用较长串联的可切换电池板导入普通电压校正器，较低的EMC会引发问题。

这一系统的另一个潜在的问题是处理来自电源的电压尖峰或浪涌。一般情况下，最大电压可超出平常电压的20％，240V交流的浪涌可能达到290Vac。有理由认为这种类型的系统中的存储装置为了应付产生的可能激增至290Vac的电压波形，很容易吸收开关故障引起的超过这一电压的电流。然而，由于电源的低阻抗和串联的开关存储装置的极低阻抗，较高的电压浪涌可以产生破坏性的强电流进入存储装置。

因此，迫切需要一种低成本高效益并且高效率的系统，能够处理外部电源短路所导致的保险丝熔断和随后的高电压电流尖峰而避免损坏。

此外，在这种系统中，直流功率电源会经常在不同模块的特性间改变。例如，在太阳能电池板形成所述直流功率电源的情况下，输出可由阴影、面板类型、方向、使用年限和其他因素影响。这些模块通过串联连接进行传输，所以每个模块的输出电流必须相等，但其各自的电压可以相差较大。

本发明涉及一种改进的系统和方法用于直流电源转换为交流电源旨在解决，至少部分解决上述的问题。

发明内容

本发明提供了一种系统，用于转换功率，包括：

多个模块，每个模块具有一个输入和一个输出，串联连接，使得任何模块的输出与后续模块的输入连接，所述模块中的至少一个被连接到至少一个直流电源以便为模块供电；

一个或多个存储装置，与直流电源相连接，所述电源用于向所述存储装置充电；

在每个模块中设置有对存储装置的输入和输出进行切换操控的电压控制电路，所述电压控制电路提供最大模块电压和最小模块电压；

一个补偿器单元，具有一个输入和一个输出，与各模块串联连接，所述补偿器单元包括一个由系统的串联电流充电的存储装置和用于改变补偿器输入和输出供电电压的补偿器电压控制电路；

一个控制单元，所述控制单元与每个模块的电压控制电路和补偿器单元相连接，用于控制所述电压控制电路和补偿器单元输入和输出之间的电压；

当所述控制单元操控模块中所述电压控制电路改变模块的供给电压时，所述控制单元通过所述补偿器电压控制电路对补偿器单元的电压做出相应的且相反的改变，在这些变化中控制单元斜坡上升或降低补偿器单元输入与输出间的电压，以输出所需的信号。

优选的是，控制单元控制每个模块的电压控制电路，使系统的串联电流保持对补偿器存储装置充电。

优选的是，电压控制电路包括开关装置，所述开关装置可以与电源电压连接，通过开关切换提供第一电极的输出和输入间的电压，或提供第二电极的输入和输出间的电压或形成旁路绕过。

优选的是，控制单元接收每个模块的信息，以决定对每个存储装置充电，使可用的最大和最小电压通过切换每个模块的开或关传输至系统。

在一个优选的实施方案中，控制单元监测和存储模块的存储装置的电容和充电频率的相关信息，以便于控制单元随着时间的推移根据任一时段的串联电流中所连接模块的相关信息确定向每个模块中存储能量。

优选的是，所述控制单元定期接收各模块有关存储电荷的信息，用以校正计算一段时间中存储电荷所产生的误差。

在一个优选的实施方案中，补偿器单元使用脉冲宽度调制使供给电压斜坡上升或降低。

在一个实施例中，控制单元连接到控制线，所述控制线与每一模块进行通讯连接，用于开关装置的控制操作。

在进一步的实施方案中，无线通信用于来自和/或传送至控制单元的信息传递。

优选的是，压摆率控制电路中提供一个或多个模块，所述压摆率控制电路用于供给电压在最大值和最小值之间变化时对模块的输出进行转换。

优选的是，压摆率控制电路用于控制串联模块中存储装置以一定频率进行开关切换所导致的电压改变，优化快速开关切换中的电磁兼容性（EMC）以及慢速切换引起的能量损失。

在一个优选的实施方案中，压摆率控制电路引起模块提供的电压在10μs和100ns之内在最大值和最小值之间变化。

在一个优选的实施方案中，压摆率控制电路引起模块提供的电压在大约1μs的时间内在最大值和最小值之间变化。

在一个优选的实施方案中，每个模块包括串联电感器和并联电阻器，降低模块切换过程中产生的信号振铃。

进一步优选的是，在串联连接模块的每一端均设置有串联电感器和并联电阻器，以进一步减少与电磁兼容性（EMC）有关的问题。

优选的是，在串联连接模块各端设置的串联电感器和并联电阻器的电感和/或电阻值是模块内设置的电感器和电阻器的电感和/或电阻值的至少三倍。

本发明的第二个方面，提供了一种用于转换功率的系统，包括：

多个模块，每个模块具有一个输入和一个输出，并串联连接，使得任何模块的输出与后续模块的输入连接，所述模块中的至少一个被连接到至少一个直流电源，以便为模块供电；

一个或多个存储装置，与每个模块的电源相连接，所述电源用于向所述存储装置充电；

在每个模块中设置有对存储装置的输入和输出进行切换操控的电压控制电路，所述电压控制电路提供最大模块电压和最小模块电压；

一个控制单元，所述控制单元与每个模块的电压控制电路相连接，用于控制所述电压控制电路输入和输出之间的电压；

一个或多个耗散电路，包括一个耗散装置，所述耗散装置与一个电子开关并联；

一个或多个传感器，用于检测过载电流或过载电压；

其中，在耗散电路中的电子开关在传感器检测过载电流或过载电压时处于打开状态，在耗散设备中耗散能量。

在一个实施例中，耗散装置包括一个金属氧化物变阻器，电子开关包括一个或多个场效应晶体管（FET）。

优选的是，金属氧化物变阻器的选用使得整个金属氧化物变阻器的电压降小于场效应晶体管（FET）的最大额定电压。

在一个实施例中，每个模块设置有耗散电路和传感器。

优选的是，传感器进行多等级的检测并根据检测等级立即或延迟激活耗散电路，设置于每个模块的传感器用于第一级检测和第二级检测，在所述第一级检测后耗散电路在预定的延迟时间激活，在第二级检测过载电流比第一级更强时，耗散电路没有推迟，立即激活。

本发明的另一方面，还提供了一种转换功率的方法，包括：

控制多个串联连接模块的操作，至少在一些所述模块中，包括一个直流电源和由所述电源充电的存储装置，使得该模块的存储装置被切换到串联电路中，以提供一个最大的模块电压和一个最小模块电压；

向串联于所述模块补偿器单元中的存储装置进行充电；

当控制单元操控模块中的电压控制电路改变模块供给的电压时，经由补偿器单元对电压做出相应但是相反的改变；并且

在这样的改变之间，斜坡上升或下降补偿器单元输入和输出之间的电压，以输出所需的信号。

优选的是，控制单元控制每个模块的电压控制电路，使系统的串联电流持续向补偿器的存储装置充电。

优选的是，在模块中的电源通过开关切换提供第一电极的输入和输出间的电压或者提供第二电极的输入和输出间电压，或者形成旁路绕过。

优选的是，控制单元接收每个模块中每个存储装置的充电信息，以此确定通过切换每个模块的开或关将可用于传输至系统的最大和最小电压。

在一个优选的实施方案中，控制单元监测并存储关于模块中存储装置的电容和充电频率的信息，使控制单元可以根据串联连接中的模块在任一时间的串联电流确定每个模块在一段时间中的能量存储。

优选的是，所述控制单元接收各模块关于一定时间间隔内电荷存储的信息，用于校正计算一段时间的电荷存储所产生的误差。

优选的是，补偿器单元所提供的电压的斜坡上升或下降是通过脉冲宽度调节的。

在一个实施例中，控制单元通过控制线与每个模块传输信息，以控制开关装置的操作。

再进一步的实施例中，无线连接用于接收来自控制单元的信息和/或向控制单元发出信息。

在一个优选的实施方案中，在供给电压的最大值和最小值间变化中，一个或多个模块转换模块的输出。

优选的是，存储装置切入或切出串联连接导致的电压改变以一定频率转换，以优化快速切换中的电磁兼容性（EMC）和慢速切换引起的能量损失。

优选的是，模块供给的电压在大约在10μs和100ns之内在最大值和最小值之间变化。

优选的是，模块提供的电压在大约1μs之内在最大值和最小值之间变化。

附图说明

本发明现在将通过举例的方式进行描述，参考以下附图，其中：

图1是根据本发明提供的一种功率转换系统的一部分的结构示意图；

图2是示出了补偿器单元和本发明的模块进行切换的示意图；

图3是根据本发明的一个实施例中补偿器单元的电路图；

图4a是示出了电路的功能方面的压摆率电路的示意图；

图4b用于本发明系统的模块中压摆率电路的一个实施例的示意图；

图5是本发明一个保护电路的实施例的示意图

图6是根据本发明的补偿器单元电路的第二实施例的示意图；

图7是根据本发明的补偿器单元电路的第三实施例的示意图；

图8a是根据本发明的补偿器单元电路的第四实施例的示意图；

图8b是根据本发明的补偿器单元电路的第五实施例的示意图。

优选实施方案的详细描述

功率转换系统10从总体上说是本申请人在较早的国际专利申请WO2012 / 016285和WO2013 / 023248中描述的类型。图1所示体现了系统10的整体元件。

功率转换系统10包括多个模块14，每个模块14与至少一个电源相关联。电源可以是，例如，太阳能电池板或电池。

每个模块14还设置有一个存储装置18，并且连接到电源的端子。存储装置18可包括电解电容器或可有效并可靠地提供脉冲电流的这类电池。存储装置18由电源充电，使得当模块14被旁路绕过时，由电源产生的电力继续被存储在存储装置18备用。存储装置18可以独立于电源的或作为电源的一部分。

每个模块14具有一个输入和一个输出。直流电压可由存储装置18的输入和输出提供，并且模块14串联连接，每个模块14的输出与后续的模块14的输入相连接。因此，功率转换系统10包括一个输入系统和一个输出系统，提供每个模块14的串联电压。也就是说，所有模块14的输入和输出之间提供了电压的总和。

每个模块14中设置有电压控制电路，以改变模块14的输入和输出间所提供的电压。在输入和输出间提供的模块电压可由电压控制电路控制在最大模块电压和最小模块电压之间变化。电压控制电路可包括开关装置，所述开关装置为上述本申请人的较早的专利申请中所述的开关装置。所述开关装置的连接，使所述存储装置18可以切换为提供第一电极的输入和输出之间的电压，或者提供第二电极输入和输出之间的电压或旁路绕过。因此在这一实施例中，最大模块电压是存储装置电压，最小模块电压是相反电极存储设备电压。

总的来说，当电源电压在通路的正极增加时，模块14从旁路配置切换到存储装置18与所述第一电极（正极）相连的配置，以提高主电源信号后系统的输出电压。当电源电压在电路中的正极下降时，所述模块14被切换到旁路模式，以降低总的电压，并与电源电压匹配。同样，在主电路负极中模块14的配置切换，使得第二电极（负极）提供的电压与电源电压信号相匹配。如本申请人早先专利中所述，模块14可选择性的形成一个经整流的AC信号。

功率转换系统10设置有一个控制单元（未示出），以控制开关装置的操作。控制单元连接于控制线，与每个模块14进行信息交换，用于控制开关装置的操作。无线通信方法可被用于向控制单元传递信息和/或接收来自控制单元的信息。

控制单元与主电源信息通信，用于接收关于所述电源信号的相位电压和电流的信息，并进行模块控制，例如，产生的交流信号电压位于主电源信号的相位，并且所控制的电流适于提供给电源系统。

所述系统10还包括串联于模块14的补偿器单元20。补偿器单元20包括一个存储装置18和补偿器电压控制电路21。存储装置18由系统10的电源充电并且通过串联于模块14的补偿器电压控制电路21提供电压，补偿器电压控制电路21由控制单元控制。

控制单元与每个模块14和补偿器单元20进行信息交流。控制单元接收来自各模块14的信息，使得控制单元可以确定向每个存储装置18充电，因此，通过切入或切出模块14，可向系统10传递最大和最小电压。控制单元检测并存储模块14、20中存储装置电容和充电频率的相关信息。当控制单元接收到任意时间模块14被串联连接的相关信息，同时对串联电流进行监测时，控制单元可确定这一时间内每个模块的能量存储。进一步，控制单元接收每个模块14、20的关于特定间隔内电荷存储的信息用于校正计算一段时间的电荷存储所产生的误差。

控制单元操控每个模块14的电压控制电路在最大电压、最小电压和零之间进行模块切换，以形成一个逐步逼近的交流信号。更平稳的交流信号通过操控补偿器单元20产生。当每个模块14被供给最大、最小或零电压，所述补偿器电压控制电路21进行操作使补偿器单元20提供的电压斜坡上升或降低。变化的斜率依据于所需交流信号的变化率。可能是通过脉冲宽度调制（PWM）使得补偿器单元20提供的电压斜坡上升或降低，如本申请人较早的专利申请中所述。

在每个模块14被切换进或出串联电路时，控制单元控制补偿器单元20的操作。特别是，在每个模块14从零切换到最大或最小电压切换时，或相反的切换时，补偿器单元20的补偿器电压控制电路21对补偿器单元20提供的电压做出相应的但是相反的改变。例如，如果控制单元将模块14从零切换进入串联连接，使得模块14提供40V电压，然后补偿器单元20提供的电压发生变化抵消-40V，使得串联输出保持相对恒定。然后补偿器单元20逐步恢复到之前的水平。

图2示出的实施例中，两个模块14通过开关切换设置于串联连接中。最初，补偿器单元20向系统提供的电压“Vc”，Vc斜坡上升达到主电源信号的水平。在时间T1，第一模块14被切换进入模块的串联连接，模块向总电压提供了电压Vm1。同时，由补偿器提供的电压Vc降低，降低的数值与Vm1提供的电压值相同。然后，补偿器单元20提供的电压持续斜坡上升，重新恢复到电源信号相匹配的数值。在时间T2，第二模块14被切换进入串联连接，补偿器单元20再次使Vc提供的电压降低相应的数值。

当主电源信号下降时，相反的过程发生。模块14被切换出串联连接，从而减少由模块14提供的总电压。补偿器单元20增加电压“Vc”电压，使得提供的总电压能够满足主电源信号的降低。

图3为根据本发明一种补偿器单元的电路的实施例。补偿器单元20由控制单元控制并获取阶跃或压摆的指令。控制单元可以是补偿器单元20的一部分。控制单元确定串联连接模块切换的方式和时间，并根据电源波形确定以逐步方式切换的方向。补偿器单元20获得指令，因此校正了电源信号和所述串联连接的模块14之间的电压差。也就是说，如果一个模块14在一个规定的时间切换至正向，然后补偿器会在同时被命令切换至相反的方向。如果电源电压预计斜坡上升则补偿器被命令斜坡上升。这样做是为了保持模块14的串联连接的电压加上补偿器单元20的电压与电源电压相同。

对于入网，电源电压直接通过串联连接的模块14与补偿器单元20串联连接。对于单机操作，需要电源电压正弦波交流电。补偿器单元20在串联连接的模块14开关切换所产生的阶梯信号与所需的正弦波形之间设置有一个电压差。

参见图3，电解电容器C1组成补偿器单元20的存储装置。开关装置Q1和Q2控制存储装置被切换到电路中的水平。开关装置Q7和Q8提供脉冲宽度调制（PWM）功能对系统10中模块14的开关切换所提供的电压执行斜坡上升或降低。开关装置Q3和Q4也提供脉冲宽度调制（PWM）用于控制在B点的电平，以通过该电压的步进控制数值，同时开关装置Q5和Q6提供步进函数来控制补偿器单元20中的步进上升或降压，以补偿模块14切换进或出串联连接时电压的变化。

参见图3，正步意味着在C点电压步进上升或在A点电压步进降低或同时进行这两项。对于负步，在C点的电压步进降低或在A点电压步进上升或两者同时。电压的测量与C1上的负极电压有关。

补偿器单元20由控制单元控制，提供多项功能。首先，补偿器单元20补偿阶跃电压随模块14的开关发生的变化。补偿器单元20满足电源电压的形状和串联连接的模块的波形形状之间的差异。补偿器单元20还在串联电流在对存储装置18充电或放电时以及电源对模块14中的存储装置18充电时，补偿来自存储装置18的串联连接电压的变化。补偿器单元20还立即纠正了阶跃和本地调整串联电压引起的电流改变，控制通过系统10的电流。

其中的一些功能是主动的，在这些功能中，控制单元确定模块14切换的时间点，随着时间的推移电容器的电压下降，同时在充电和电流通过系统10时，与模块14相关的斜坡变化改变了模块14中存储装置18的电荷存储。每时每刻，补偿电压被主动调整，按着与模块14的串联连接的总和改变的相反的方向。

遵循电源信号的斜坡变化功能为单机操作，或者在继电器关闭电源信号连接之前启动。

补偿器单元20最初为外部供电，但是一旦电流流入系统就会被切换入电路的正向或反向成为回路电源。在单机操作中，需要保持回路供电。足以对补偿器进行回路供电的电流由主电源的额定电容器C5和C6提供，C5和C6由跨越该串联连接提供。无负载条件下，控制单元对模块进行排列以向提供的相位电压外的补偿器供电，使补偿器由在额定电容器电源的无功电流充电。

其它功能是反应性的。补偿器单元20监测L1两端不断产生的电压，一旦发生开关切换并驱动C（通过调节Q7 / Q8的脉冲宽度调制（PWM））上的电压，便立即快速纠正开关切换引起的误差（例如，存在于开关切换的模块和电容器之间的时间和阶跃的大小的不同能够引发这些误差）。此外，补偿器单元20利用电阻或电磁电流传感器（未示出）监测通过系统的电流，以及C上电压的增加或减少（通过调节Q7 / Q8的脉冲宽度调制（PWM））以改变通过系统的电流。

补偿器单元20可提供的阶跃大小可以从零到两倍于C1上电压之间变化。它可以从几乎C1上的负电压到近C1上的正电压转变。在端点，压摆率由达到0或100％的脉冲宽度调制（PWM）限制。补偿器可以在接近+/- 200％脉冲宽度调制（PWM）范围完全转变。当A点电压处于高值（Q1打开），阶跃回退至0%使A点电压设置为低值（Q1关闭，Q2打开），进一步的斜坡上升至100%，此时，通过0到100％的斜坡变化，补偿器转换至200%。阶跃下降至0％的步骤必须先作好准备，然后执行阶跃下降完成。Q5、Q6结点上的电压是控制器。为了做好准备，当A位于高值并且在脉冲宽度调制（PWM）达到100％之前，阶跃电压B斜坡改变至Q5结点的电压，Q5和Q6打开使C4锁定至B。当脉冲宽度调制（PWM）达到100％时，脉冲宽度调制（PWM）阶跃为0％，C4左侧的电压通过关闭Q5打开Q6阶跃降低。回转下降至200％时，发生反转。

当所述补偿器单元20校正的阶跃改变时，补偿器单元20的电感器L1抗拒电流的改变。 R 1被选作相当于一个典型特性的串联连接系统的阻抗，以便它最佳地吸收电压瞬时变化所生成的能量。当电池板发生开关切换时，通过精确控制开关切换的时间，补偿器单元20主动阻止电流的改变。切换前后100ns，60V的阶跃和L1 =10uH引起大约+/-600毫安对电流瞬时变化的调整。

补偿器单元20相应以三种方式校正了电流变化引起的阶跃电压。首先，在开关切换并且启动C快速校正产生的切换误差之前或者之后，补偿器单元20监测的电压C和D。重要的是，对开关切换误差的校正包括需要主动地瞬时地驱动进一步的电压来消除电压C和D之间的电压差。瞬间地驱动进一步电压协助开关切换误差带来的效果的纠正。其次，补偿器单元20监测电流的变化，并通过调整C的电压以抵消电流变化，从而迅速响应不能预测的电流变化。第三，补偿器单元20记录之前发生的电流变化并且调整后续的开关切换时间（相对于切换器），使电流导致的阶跃变化最小化。

电容器C5抵抗瞬时电压变化并在误差产生效果之前使补偿器单元20能够校正开关切换的误差，通过共模扼流圈T1连通到主电源。共模扼流圈T1设置于电路中，用于防止进入主电源时不可接受的共模切换阶跃脉冲。共模扼流圈T1和电容器C5和C6的协助防止进入电源不可接受的差分电压。

当控制B的电压以设置阶跃电压时，需要考虑很多因素。通过禁用闲时Q3和Q4的低场效应晶体管（FET），提高效率。此外，通过移除不必要的脉冲宽度调制（PWM)循环，使最初和最后的电压脉冲效率提高。

此外，斜坡必须在特定时段相对快速的建立，例如在高电源压摆率，阶跃电压必须快速准备好用于后续的步骤。快速转换实现了通过从一个电压移动到接下来一个满足升余弦曲线（升余弦由FFT窗口获知）的电压从而避免振荡。一个升余弦的优选方案是，最初通过引入电压脉冲到电感器启动电流，脉冲期的总时间通常超过脉冲宽度调制（PWM）期的时间。脉冲期的计算是从使用电压和C2、C3和L2的值所需的压摆率来计算的。初始脉冲后，脉冲宽度调制（PWM）的斜坡几乎呈线性，以和压摆率及最终相反的脉冲相匹阻止电流。相反脉冲在此之前略微失效，以确保在最短的时间内转换停止，且不会逆转。控制单元在转换完成后读取电压，并且可以进行后续的较小的阶跃使B上的电压更准确或更适于接下来的步骤。此外，Q5打开，B的转换涉及的电压作用于C上的电压。补偿器通过较低的压摆率和/或通过Q7和Q8上脉冲宽度调制（PWM）的校正减少这一作用。

当补偿器单元20经过开关切换正向切入串联（带有电流）时，补偿器的存储装置C1进行放电；当补偿器单元20反向切入串联（逆电流）时，进行充电。

控制单元控制每个模块14的电压控制电路，得该系统的串联电流维持补偿器单元20的存储装置18中的电荷。控制单元通常使补偿器单元20反向切换入串联，并较长的保持在串联中以增加其电荷，反之亦然，以减少其电荷的水平。控制单元操控跟随主电源信号引起模块开关切换的交流目标电压，增加补偿器反向切换的平均时间，控制单元增加所述交流目标电压。

控制单元控制所述系统使得补偿器单元20的存储装置18保持净空水平。净空水平包括在最大电压之上的电压水平，在最大电压之上的电压水平时模块14可以切换到系统中。设置净空水平用于允许主电源的尖峰或浪涌，使得这些增长可以由补偿器单元20补偿。当补偿器消耗完余量时，控制单元可以选择交换到一个更高的电压模块，而不是增加一个模块。要交换面板，补偿器首先配置一个小的阶跃（阶跃的大小是两个电池板之间的电压差），然后两个模块作为补偿器同时交换完成这个小的阶跃。

补偿器单元20实现了Q7和Q8关闭时脉冲宽度调制（PWM）穿过其在0%到100%的中点的完全转换，其中在0%时Q2开，在100%时Q1开，利用了Q5到Q6同时发生的全正向阶跃。为了实现100％的完全转换，阶跃的大小必须设定为100％。当阶跃大小小于100％，例如，当补偿器单元20补偿一个模块14的开关切换时，则控制单元确定的补偿器单元20的阶跃不能落在其中点或其中电周围。这是必需的原因在于，从需要阶跃电压到模块进行切换至100%，重新配置阶跃电压的时间有限，反之亦然。

图6示出一个替代实施例，补偿器单元20克服了中点切换的限制。在本实施例中，不存在左侧的开关切换，取而代之的是使用更高的总电压，并且A点常用点C1a、C1b。排列中含有增加到Q5和Q6的转换控制。为了提高本实施例中的EMC，Q5、Q6的转换斜坡的产生与模块14的斜坡大致相等且相反。一个单独的开关稳压器（未示出）可以用来移动C1a和C1 b间的电荷。在本实施例中，C1a和C1b间电荷的移动是通过重新使用开关稳压器Q3、Q4、L2的开关切换完成的。开关稳压器与A连接的重新启用是通过Q9a、Q9b的开关切换完成的。当阶跃电压B不再用于阶跃，B上的电压设定为与A上的电压相匹配。然后Q9a和Q9b切换至开，使电流通过，电荷在C1a和C1b间移动。当C与A的电压不同时，控制器使电路中的补偿器单元20切换至获取电能的状态，C1a和C1b的总电荷增加。控制单元通过将补偿器单元20保持在带有平均电压偏移的电路中使其充电，同时通过所述激活Q9a、Q9b的过程移动C1a和C1b间的电荷。

图6中带有C20的Q20到Q23示出了可逆的阶梯信号发生器，可以在补偿器单元20的任何实施例的串联中使用，以减少所需转化并将开关切换的电压减半。可逆阶梯信号发生器由Q21、Q23打开而被旁路绕过。在使用时，可逆的阶梯信号发生器使补偿器单元20生成的阶跃加倍，但是通过减少补偿器单元20的工作电压，使效率显著提高了一半多一些。控制单元控制C20的电压。通过反向切入电路使电压增加，通过切入至其他方式使电压下降。控制单元为C20充电使其电压达到模块14最大阶跃电压的约25％。为了在补偿一个高压模块开关切换时执行一个大的阶跃，控制单元引起C20极化，C20通过在补偿器单元20交换Q5、Q6产生阶跃的同时，交换周围的Q20-Q23使C20被交换。为了准备下一个较大的阶跃，补偿器单元20斜坡变化并且产生一个阶跃，阶跃的大小与可逆的阶梯信号发生器反转其最后一个阶跃时，阶梯信号发生器在斜坡相反的方向的阶跃相同。然后补偿器单元20继续斜坡变化。

图7示出了补偿器单元20另一可选排列，提供了两种方法用于克服图3的中点压摆限制。第一种可选排列添加了Q10a、Q10b，以提供用于控制单元的替代阶跃选项。为了避免阶跃至0％（或100％）的脉冲宽度调制（PWM），控制单元使补偿器单元20通过切换到C1a、C1b的中点产生部分阶跃，当设定一个随后的阶跃时，进一步转换，然后阶跃其余部分，通常是在相同的方向。用于改进EMC的中间阶跃越小，补偿器单元的电压模块14匹配的越准确。Q9作为替代或除了使用Q10a、Q10b之外添加的一个组成。补偿器单元20调节B点上的电压，以优化在将B与Q9、Q6结点电压匹配的第一斜坡改变后所需的阶跃，使得Q5a和Q5b打开将C4连接到B。当到达产生阶跃的时间，控制单元通过打开Q9选择正向步进，或通过Q6选择负向步进。通过这种排列，补偿器单元20通过选择随后的100％阶跃能够立即执行正或负方向斜坡的中点阶跃。100％阶跃是通过Q9和Q6之间步进完成的，同时Q1和Q2在同一时间进行交换。

图8a示出了一个补偿器单元由一个可调电压可逆阶梯信号发生器形成。 Q34、Q35与L30和C30形成一个开关稳压器。开关稳压器控制Q30和Q32的漏电压并且可以从0％斜坡变化到100％，或反之亦然。阶跃和电荷控制操作类似于图6的可逆阶梯信号发生器。所述补偿器单元的排列具有相同的变换和步进的功能，但很容易以较低的成本制造，并且比图3至图7的补偿器单元更高效。

通过举例的方式对操作进行说明。最初考虑以Q31、Q32打开及开关稳压器Q34、Q35设定为P％为开始。 C上的电压比A上C31xP％/ 100的电压高。如果有必要在相反的方向变换将p％通过0％下降到q％，则涉及到Q34、Q35斜坡下降到0％，交换Q31、Q32到Q30、Q33，然后再次斜坡回升到q％。当达到q%，Q30、Q33被交换回Q31、Q32，阶跃产生。当阶跃产生后，一个完整的周期已经完成。在操作中，控制单元选择q%，因此A2上的电压是一个将被切换且斜率与波形相匹配的模块电压的一半。

在本实施例中，电流在从A到C流过系统，也流过电感器L30，并且当Q30、Q33被交换到Q31、Q32时反流。电流的逆转可以造成不可接受的电压脉冲到C30和电压A2的振荡。图8b示出了克服这种问题的排列。

图8b示出一个可调电压可逆阶梯信号发生器形成的一个补偿器单元20。Q34至Q39作为双极开关并且控制单元在Q30交换至Q33的同时交换电感器电极。这防止了C30上的电压脉冲和与其有关的振荡。图8b的电路由外部电源供电，当使用一个补偿器单元20时，其对称开关的特性阻止其成为环路电压。

图8b所示类型为两个串联连接的补偿器单元20，适合于1000Vac太阳能电池串的高dV / dt。由于具有两个单元，当交流电压变换通过0V时，高dV / dt由两个补偿器单元同时分担压摆。在操作中二者彼此紧密联系并各控制一半的太阳能电池串。在高压摆率过程中，每个补偿器单元与其控制模块的太阳能电池串相配合创建各自部分的电源AC波形。这两个补偿器单元通力合作形成小的阶跃，用以纠正双电池板的交换，其中一个斜坡上升而另一个斜坡下降以便准备形成小的阶跃。两个补偿器单元通过在串联中充电和放电的交换轮流调整功率水平。补偿器单元20共同工作调整其功率水平。当dV / dt朝向波形的顶部和底部降低时，两个补偿器单元对其功率水平进行控制。

所述系统相比于使用中的每个模块14的开关式稳压器而言复杂度降低。然而，由于模块14的阶跃切换，可能使EMC降低。

为了防止开关切换引起的EMC降低，每个模块14设置有一个压摆率控制电路。当模块14的输出在最大和最小供给电压之间变化时，压摆率控制电路用于变换模块14的输出。

当存储装置18切换进入或切换出模块14的串联连接导致电压的增加和减少时，压摆率控制电路用于提供转换。较差的EMC与较快的开关切换相关，能量的损失与较慢的开关切换相关，压摆率在二者之间优化选择。压摆率控制电路使由模块14提供的电压在100ns到10μs的时间内在最大值和最小值之间变化。优选为约1μs。

图4示出了一个电路的例子，其中一个模块14包括压摆率控制电路40。压摆率控制电路40通过向压摆率限制电容C1提供电流产生转换。电流是可控的，并被引导至电容器通过开关Q1充电或放电，通过电流镜Q2充电电流反射促使形成高通转换，压摆电流通过Q3缓冲快速启动场效应管Q4的高电容。在转换过程中足够长的时间使场效应晶体管（FET）Q4充分开启（或关闭）时，一个本地控制器在强电流下持续驱动电容器的转换。各场效应晶体管（FET）Q4完全接通（或关闭）后，本地控制器脉冲转换电路，以保持电容器C1充电或放电，但足够低的脉冲宽度调制（PWM）显著减少了加热，提高了效率。

参照图4a，高场效应晶体管（FET）的向下转换是通过保持一个正向的“Hi转换下降”以及随后的“Lo转换下降”的正向脉冲完成的。上升转换是相反的，并由保持一个正向“Lo转换上升”及其随后的“Hi转换上升”的正向脉冲完成的。

压摆电流被调节以改变压摆率，并且可以在转变期间调整，以通过迂回转换形成转换进一步改善EMC。压摆电流及压摆率在各阶梯之间抖动，因此高频EMC跨多个频率传播。另外，控制单元可避免模块在特定时期的开关切换，以改善低频的EMC。

为了进一步改善EMC，每个模块14包括一个串联电感器和并联电阻器以减少模块14切换期间可能产生的信号振铃。进一步的串联电感器和并联电阻器设置在串联连接模块一端或两端部，以进一步改善EMC。在串联连接模块14端部的串联电感器和并连电阻器具有的电感值和电阻值是模块内设置的电感器和电阻器的电感值和电阻值的至少三倍。

在一个实施例中，例如，每个模块14串联电感器和并联电阻器的值为470nH 和18Ω，在串联连接模块14端部的串联电感器和并联电阻器的值为10μΗ和100Ω，并且与补偿器结合为L1和R1以及在连接器的一端结合（未示出）。

本系统10进一步需要解决的问题涉及电源电压浪涌或尖峰，可以在系统内产生强电流。参照图5，系统10包括至少一个耗散电路30，可以在串联模块中操控电流流动。耗散电路30包括一个耗散设备，所述耗散设备与一个或多个电子开关并联。在示出的实施方案中，电子开关包括与通用电源背对背设置的场效应晶体管（FET）32，耗散装置包括一个金属氧化物变阻器（MOV）34。当系统10内的传感器检测到的过载电压或过载电流，耗散电路30抵制电压浪涌而起到保护作用。开关与主电源串联，并且通过将电压B设定为A至0V切换至关的状态，以保护系统免受损坏。

当系统检测到一个浪涌或尖峰，电子开关32被打开，使得电流流过金属氧化物变阻器（MOV）34。金属氧化物变阻器（MOV） 34被选择，使得整个金属氧化物变阻器（MOV） 34上全电流的电压降小于开关32额定的最大电压。开关32由此受到金属氧化物变阻器（MOV） 34的保护免受损坏，金属氧化物变阻器（MOV） 34在浪涌或尖峰期间消耗能量。

这种类型的耗散电路可以作为每个模块14中电路保护的一部分，其中所述保护电路还包括系统中的保护装置的其他方式。所述保护电路还包括用于激活压摆率控制电路40以关闭场效应管35的方法。场效应管35被迅速地关闭（在最大转换），从而使电源电涌或尖峰引起的串联电流由存储装置18吸收。本地控制器监测存储装置18上的电压，并防止模块免于过量电压的损伤，模块通过切换下部装置35至0V，在过电压损害发生之前激活旁路模式，旁路模式继续进行直到本地控制器能确定电流回落到不会引起损坏的水平或直到完成主电源循环。通过这种方式，较少的充电模块持续吸收能量，大体足够的模块保留在旁路模式外，以抵御浪涌电压。在补偿器的保护装置30和补偿器的电源轨之间加入二极管37以保护相关的开关电路。

模块14包括一个电流传感器用于保护电路的控制操作。传感器进行多个等级检测，同时根据检测到的等级决定即时或推迟激活保护电路。每个模块14的传感器检测第一级，在所述第一级保护电路在检测到第一级之后在预定延迟的时间激活。传感器也可用于检测第二级，第二级比第一级更强，在所述第二级保护电路无推迟地立即激活。

这种排列确保当一个模块上的保护电路被第一级过载电流激活但是时间允许时，确保其它每个模块14的过载电流传感器也检测到过载电流并激活其保护电路。然而，如果过载电流超过第二级过载电流水平，或接近损坏模块14部件的水平时，保护电路被立即激活。根据过载电流的水平对时间进行调整，既满足足够长的时间使所有模块检测过载电流，又确保时间足够短能够保护电路免受损坏。因此过载电流的能量可以被吸收和/或耗散均匀通过系统10。激活第二级过载电流感应产生的保护电路优选在硬件模块14内进行，而不是本地控制器或控制单元的控制之下。

对本领域技术人员对前面所述实施例进行各种修改和改进显而易见的，除了已经描述的实施例，不脱离本发明的其他实施例均属于基本发明的发明构思。

Claims (29)

1.一种用于功率转换的系统，包括：

多个模块，每个模块具有一个输入和一个输出，并串联连接，使得任何模块的输出与后续模块的输入连接，所述模块中的至少一个被连接到至少一个直流电源为模块供电；

一个或多个存储装置，与直流电源相连接，所述电源用于向所述存储装置充电；

在每个模块中设置有对存储装置的输入和输出进行切换操控的电压控制电路，所述电压控制电路提供最大模块电压和最小模块电压；

一个补偿器单元，具有一个输入和一个输出，与各模块串联连接，所述补偿器单元包括一个由系统的串联电流充电的存储装置和用于改变补偿器输入和输出供电电压的补偿器电压控制电路；

一个控制单元，所述控制单元与每个模块的电压控制电路和补偿器单元相连接，用于控制所述电压控制电路和补偿器单元输入和输出之间的电压；

其特征在于，当所述控制单元操控模块中所述电压控制电路改变模块的供给电压时，所述控制单元通过所述补偿器电压控制电路对补偿器单元的电压做出相应的且相反的改变，在这些变化中控制单元斜坡上升或降低补偿器单元输入与输出间的电压，输出所需的信号。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，控制单元控制每个模块的电压控制电路，使系统的串联电流保持对补偿器存储装置充电。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，

电压控制电路包括开关装置，所述开关装置可以与电源电压连接，通过开关切换提供第一电极的输出和输入间的电压，或提供第二电极的输入和输出间的电压或形成旁路绕过。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，控制单元接收每个模块的信息，以决定对每个存储装置充电，使可用的最大和最小电压通过切换每个模块的开或关传输至系统。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，控制单元监测和存储模块的存储装置的电容和充电频率的相关信息，以便于控制单元随着时间的推移根据任一时段的串联电流中所连接模块的相关信息确定向每个模块中存储能量。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制单元定期接收各模块有关存储电荷的信息，用以校正计算一段时间中存储电荷所产生的误差。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，补偿器单元使用脉冲宽度调制使供给电压斜坡上升或降低。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述控制单元连接到控制线，所述控制线与每一模块进行通讯连接，用于开关装置的控制操作。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，无线通信用于来自和/或传送至控制单元的信息传递。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，压摆率控制电路中设置有一个或多个模块，所述压摆率控制电路用于供给电压在最大值和最小值之间变化时对模块的输出进行转换。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，压摆率控制电路用于控制串联模块中存储装置以一定频率进行开关切换所导致的电压改变，优化快速开关切换中的电磁兼容性以及慢速切换引起的能量损失。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，压摆率控制电路引起模块提供的电压在10μs和100ns之内在最大值和最小值之间变化。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，压摆率控制电路引起模块提供的电压在大约1μs的时间内在最大值和最小值之间变化。

14.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每个模块包括串联电感器和并联电阻器，所述串联电感器和并联电阻器用于降低模块切换过程中产生的信号振铃。

15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，在串联连接模块的每一端均设置有串联电感器和并联电阻器，以进一步减少与电磁兼容性有关的问题。

16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，在串联连接模块各端设置的串联电感器和并联电阻器的电感和/或电阻值是模块内设置的电感器和电阻器的电感和/或电阻值的至少三倍。

17.一种转换功率的方法，包括：

控制多个串联连接模块的操作，至少在一些所述模块中，包括一个直流电源和由所述电源充电的存储装置，使得该模块的存储装置被切换到串联电路中，以提供一个最大的模块电压和一个最小模块电压；

向串联于所述模块补偿器单元中的存储装置进行充电；

当控制单元操控模块中的电压控制电路改变模块供给的电压时，经由补偿器单元对电压做出相应但是相反的改变；在这些改变之间，斜坡上升或下降补偿器单元输入和输出之间的电压，以输出所需的信号。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，控制单元控制每个模块的电压控制电路，使系统的串联电流持续向补偿器的存储装置充电。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，在模块中的电源通过开关切换提供第一电极的输入和输出间的电压或者提供第二电极的输入和输出间电压，或者形成旁路绕过。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，控制单元接收每个模块中每个存储装置的充电信息，以此确定通过切换每个模块的开或关将可用于传输至系统的最大和最小电压。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，控制单元监测并存储关于模块中存储装置的电容和充电频率的信息，使控制单元可以根据串联连接中的模块在任一时间的串联电流确定每个模块在一段时间中的能量存储。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述控制单元接收各模块关于一定时间间隔内电荷存储的信息，用于校正计算一段时间的电荷存储所产生的误差。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，补偿器单元所提供的电压的斜坡上升或下降是通过脉冲宽度调节的。

24.如权利要求17至23任一项所述的方法，其特征在于，控制单元通过控制线与每个模块传输信息，以控制开关装置的操作。

25.如权利要求17至23任一项所述的方法，其特征在于，无线连接用于接收来自控制单元的信息和/或向控制单元发出信息。

26.如权利要求17至23任一项所述的方法，其特征在于，在供给电压的最大值和最小值间变化中，一个或多个模块转换模块的输出。

27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，存储装置切入或切出串联连接导致的电压改变以一定的压摆率转换，以优化快速切换中的电磁兼容性和慢速切换引起的能量损失。

28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，模块供给的电压在大约在10μs和100ns之内在最大值和最小值之间变化。

29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，模块提供的电压在大约1μs之内在最大值和最小值之间变化。

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