CN106887861B - 使用dc电源的分布式功率收集系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用DC电源的分布式功率收集系统，公开了一种用于维持分布式电力系统的可靠性的方法，分布式电力系统包括具有输入端子和输出端子的功率变换器。输入功率在输入端子处被接收。输入功率变换为在输出端子处的输出功率。温度在功率变换器中或在功率变换器的环境中被测量。温度信号是响应于温度的输入。通过基于温度信号调节输入功率来控制功率变换。输入功率到输出功率的功率变换可被控制以根据预定标准通过在输入端子处设置输入电压或输入电流来最大化输入功率。预定标准之一被配置成基于响应于温度的温度信号来减小输入功率。输入功率的调节减小输入电压和/或输入电流，从而降低功率变换器的温度。

Description

使用DC电源的分布式功率收集系统

本申请是申请日为2012年07月20日，申请号为201210253614.1，发明名称为“使用DC电源的分布式功率收集系统”的申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请是由相同的发明人于2007年12月4日提交的未决的美国申请11/950,271的部分继续申请。

背景

1.发明领域

本发明的领域通常涉及来自分布式直流(DC)电源的电力生产，且更具体地涉及以串联安装的分布式DC电源的管理。

2.相关技术

对再生能源的最近增加的兴趣导致对用于能量的分布式生成的系统，例如光伏电池(PV)、燃料电池、电池组(例如，用于混合汽车)等，的增加的研究。考虑到各种参数，例如电压/电流要求、操作条件、可靠性、安全、成本等，提出了用于将这些电源连接到负载的各种拓扑。例如，这些源中的大多数可提供低电压输出(对于一个电池通常是几伏，或对于串联连接的电池是几十伏)，所以它们中的很多需要被串联连接以实现所需的操作电压。相反，串联连接可能未能提供所需的电流，所以串联连接的几个串需要被并联连接以提供所需的电流。

也是已知的是，来自这些源中的每一个的电力生成可取决于制造、操作和环境条件。例如，在制造中的各种不一致性可能使两个相同的源提供不同的输出特性。类似地，两个相同的源可能对操作和/或环境条件例如负载、温度等不同地起反应。在实际设备中，不同的源也可能经受不同的环境条件，例如在太阳能设备中，一些电池板可暴露于充足的阳光，而其它电池板可被遮蔽，从而提供不同的功率输出。在多电池设备中，一些电池可不同地老化，从而提供不同的功率输出。虽然这些问题和本发明的方面所提供的解决方案可适用于任何分布式电力系统，但是下面的讨论致力于太阳能，以便通过具体的例子提供更好的理解。

鉴于上述内容，用于将多个DC电源连接到负载的新近提出的拓扑也有助于在安装期间和安装之后容易地测试和操作验证。

简要概述

根据本发明的方面，提供了包括输入端子和输出端子的功率变换器。功率变换器可操作以将输入端子处的输入功率变换成输出端子处的输出功率。控制器可适合于控制功率变换器的功率变换。温度传感器可适合于测量功率变换器的环境中的温度。温度传感器连接到控制器的输入。控制器可配置成输入来自温度传感器的温度信号，并基于温度信号来调节输入功率。输入端子可适合于连接到光伏电池板。功率变换器可操作以将在输入端子处从光伏电池板接收的输入功率变换成在输出端子处的输出功率。在功率变换器的操作期间，控制回路可根据预定标准设置输入端子处的输入电压和/或输入电流，预定标准包括基于作为来自温度传感器的输入的温度信号的温度标准。预定标准可规定基于作为来自温度传感器的输入的温度信号来最大化输入功率，而不需要完全关闭功率变换器和完全停止输入功率到输出功率的变换。

根据本发明的另外的方面，提供了包括功率变换器的分布式电力系统。功率变换器可操作以将输入端子处的输入功率变换成输出端子处的输出功率。控制器可适合于控制功率变换器的功率变换。温度传感器可适合于测量功率变换器中的或在功率变换器的环境中的温度。温度传感器连接到控制器的输入。控制器可配置成输入来自温度传感器的温度信号，并基于温度信号来调节输入功率。输入端子可适合于连接到光伏电池板。功率变换器可操作以将在输入端子处从光伏电池板接收的输入功率变换成在输出端子处的输出功率。分布式电力系统可包括负载，负载包括负载输入端子和负载输出端子。负载输入端子可配置成接收来自功率变换器的功率。负载可以是逆变器或直流(DC)到DC功率变换器。

根据另外的方面，可提供用于维持分布式电力系统的可靠性的方法，分布式电力系统包括具有输入端子和输出端子的功率变换器。输入功率可在输入端子处被接收。输入功率可以变换为在输出端子处的输出功率。温度可以在功率变换器中或在功率变换器的环境中被测量。温度信号可以是响应于温度的输入。可通过基于温度信号调节输入功率来控制功率变换。输入端子可适合于连接到光伏电池板并接收来自光伏电池板的功率。输入功率到输出功率的功率变换可被控制，以便根据预定标准通过设置输入端子处的输入电压或输入电流来最大化输入功率。预定标准之一可配置成基于响应于温度的温度信号来减小输入功率。输入功率的调节减小输入电压和/或输入电流，从而降低功率变换器的温度。该调节不包括功率变换器的完全关闭和完全停止输入功率到输出功率的变换。

本发明还涉及以下项目：

(1)一种装置，包括：

输入端子；

输出端子；

功率变换器，其中所述功率变换器能操作以将在所述输入端子处的输入功率变换成在所述输出端子处的输出功率；以及

控制器，其适合于控制所述功率变换器的功率变换，并且配置成接收来自温度传感器的温度信号，并基于所述温度信号来调节所述输入端子处的所述输入功率。

(2)如项目(1)所述的装置，其中所述输入端子适合于连接到光伏电池板，且其中所述功率变换器能操作以将在所述输入端子处从所述光伏电池板接收的所述输入功率变换成在所述输出端子处的所述输出功率。

(3)如项目(2)所述的装置，

其中所述控制器配置成根据一个或多个预定标准使用控制回路设置在所述输入端子处的输入电压和输入电流中的至少一个。

(4)如项目(3)所述的装置，其中所述一个或多个预定标准包括基于作为来自所述温度传感器的输入的所述温度信号的至少一个温度标准。

(5)如项目(3)所述的装置，其中所述输入端子适合于从光伏电池板接收所述输入功率，其中所述功率变换器能操作以将在所述输入端子处从所述光伏电池板接收的所述输入功率变换成在所述输出端子处的所述输出功率，且其中所述一个或多个预定标准规定基于作为来自所述温度传感器的输入的所述温度信号来最大化所述输入功率。

(6)如项目(1)所述的装置，还包括：

负载，其包括负载输入端子和负载输出端子，所述负载输入端子配置成从所述功率变换器接收所述输出功率。

(7)如项目(6)所述的装置，其中所述负载是逆变器或直流(DC)到DC功率变换器。

(8)一种方法，包括：

接收在功率变换器的输入端子处的输入功率；

将所述输入端子处的所述输入功率变换成所述功率变换器的输出端子处的输出功率；

接收对所述功率变换器中的温度的测量结果或对所述功率变换器的环境中的温度的测量结果；以及

基于所述温度的测量结果调节所述输入端子处的所述输入功率。

(9)如项目(8)所述的方法，还包括在所述输入端子处从光伏电池板接收所述输入功率。

(10)如项目(8)所述的方法，还包括：

其中，所述调节包括根据一个或多个预定标准设置在所述输入端子处的输入电压和输入电流中的至少一个。

(11)如项目(8)所述的方法，其中所述一个或多个预定标准中的至少一个被配置成基于所述温度的测量结果来减小所述输入功率。

(12)如项目(8)所述的方法，其中所述调节包括减小所述输入端子处的输入电压或输入电流，从而降低所述温度。

(13)如项目(8)所述的方法，其中所述调节不包括完全停止所述输入功率到所述输出功率的所述变换。

(14)如项目(1)所述的功率变换器，还包括温度传感器，所述温度传感器适合于测量所述功率变换器的环境中的温度。

(15)如项目(1)所述的功率变换器，其中所述温度信号指示被配置成向所述输入端子提供所述输入功率的太阳能电池板的温度。

(16)一种装置，包括：

微控制器；以及

存储软件的存储器，当所述软件由所述微控制器执行时将所述装置配置成：

控制功率变换器以将在所述功率变换器的输入端子处的输入功率变换成在所述功率变换器的输出端子处的输出功率；

接收来自温度传感器的对温度的测量结果；以及

基于所述温度的测量结果来调节所述输入功率。

(17)如项目(16)所述的装置，其中所述温度的测量结果包括被配置成在所述输入端子处提供所述输入功率的太阳能电池板的温度；以及其中，所述调节包括对所述太阳能电池板的最大功率点跟踪。

(18)如项目(17)所述的装置，还包括所述太阳能电池板。

(19)如项目(18)所述的装置，其中所述温度的测量结果包括所述功率变换器的温度；并且其中，所述调节包括基于所述温度的测量结果来减小所述输入功率。

附图的简要说明

在本文中仅通过举例方式参考附图描述本发明，其中：

图1示出使用DC电源的常规集中式功率收集系统(常规技术)。

图2示出DC源的一个串联串的电流相对于电压的特征曲线(常规技术)。

图3示出根据本发明的方面的、使用DC电源的分布式功率收集系统。

图4A和4B示出根据本发明的方面的、在不同的条件下的图3的系统的操作。

图4C示出本发明的特征，其中变换器控制输入电流。

图5示出根据本发明的其它方面的、使用DC电源的分布式功率收集系统。

图6示出根据本发明的方面的示例性DC到DC变换器。

图7示出根据本发明的方面的、包括本发明的方面的控制特征的功率变换器。

图8示出根据本发明的特征的方法。

当结合附图考虑时，从下面的详细描述中，前述的和/或其它的方面将变得明显。

详细描述

现在将对本发明的特征详细地进行参考，本发明的例子在附图中示出，其中相似的参考数字始终指相似的元件。下面描述这些特征以通过参考附图来解释本发明。

图1示出了太阳能系统10的常规设备。因为由每个单独的太阳能电池板101提供的电压可能较低，所以几个电池板可串联连接以形成电池板103的串。对于大的设备而言，当可能需要较高的电流时，可将几串103并联连接以形成总系统10。太阳能电池板可安装在室外，且其导线可连接到最大功率点跟踪(MPPT)模块107并接着连接到逆变器104。MPPT 107一般可被实现为逆变器104的一部分。来自DC源的所收集的功率可以输送到逆变器104，其将波动的直流(DC)变换成具有期望的电压和频率的交流(AC)，期望的电压和频率通常可以是在60Hz时110V或220V，或在50Hz时220V(有趣地，可能注意到，即使在美国很多逆变器产生220V，其可接着在电箱中分成两个110V馈电)。来自逆变器104的AC电流可接着用于操作电器或馈送到电网。可选地，如果该设备没有连接到电网，则从逆变器提取的功率可被引导到变换电路和充电/放电电路，以将所产生的额外功率存储为电池中的电荷。在连接有电池的应用中，逆变级可被完全跳过，且MPPT级107的DC输出可被馈送到充电/放电电路中。

如上所述，每个太阳能电池板101供应相对很低的电压和电流。太阳能电池板阵列的设计者面临的挑战可能是从太阳能电池板的低电压的组合产生120V或220V均方根(RMS)电压的标准AC电流。从低电压侧输送高功率需要非常高的电流，这引起在电流的二次幂(I²)的数量级上的大传导损耗。此外，功率逆变器，例如可用于将DC电流变换成AC电流的逆变器104，当其输入电压稍微高于其输出RMS电压乘以2的平方根时可能是最有效的。因此，在很多应用中，电源例如太阳能电池板101可被组合，以便达到正确的电压或电流。最普遍的方法是串联连接电源以便达到期望电压，且并联连接电源以便达到期望电流，如图1所示。大量电池板101可连接成串103，且串103可并联连接到功率逆变器104。电池板101可串联连接，以便达到逆变器所需的最小电压。多串103可并联连接成阵列以供应较高的电流，以便实现较高的功率输出。

虽然这个配置在成本和结构简单性方面可能是有利的，但是在关于这种结构的文献中确认了几个缺点。一个缺点可能是由每个单独的电池板获取的非最佳功率所引起的低效率，如下所述。如上所述，DC电源的输出可被很多条件影响。因此，为了最大化来自每个源的功率抽取，可能需要抽取关于当前普遍存在的条件提供峰值功率的电压和电流的组合。当条件改变时，电压和电流抽取的组合可能也需要改变。

图2示出连接到MPPT电路207和逆变器204的DC源例如太阳能电池板201a-201d的一个串联串。电流相对于电压(IV)的特征曲线(210a-210d)在每个DC源201的左侧绘制出。对于每个DC源201，当输出电压增加时，电流下降。在某个电压值处，电流变到零，且在一些应用中可呈现负值，这意味着该源变成接收器。旁路二极管可用于防止源变成接收器。等于电流和电压的乘积(P＝I*V)的、每个源201的功率输出根据从源获取的电压而变化。在接近于电流的下降点的某个电流和电压处，功率达到其最大值。在这个最大功率点处操作发电单元可能是合乎需要的。MPPT的目的是找到这个点并在这个点处操作系统，以便从源获取最大功率。

在一般的常规太阳能电池板阵列中，不同的算法和技术可用于使用MPPT模块107来优化系统10的整体功率输出。MPPT模块107接收从所有太阳能电池板同时提取的电流，并跟踪这个电流的最大功率点以提供最大平均功率，使得如果更多的电流可被提取，则来自电池板的平均电压开始下降，因而降低所收集的功率。MPPT模块107维持了由总系统10产生最大平均功率的电流。

然而，因为源201a-201d可串联连接到单个MPPT 207，MPPT必须选择单个点，其大致是串联连接的源的最大功率点(MPP)的平均值。在实践中，MPPT在可能仅仅最适宜于几个源或不适宜任何一个源的I-V点处操作将是非常可能的。在图2的例子中，选定的点可以是源201b的最大功率点，但可以远离源201a、201c和201d的最大功率点。因此，装置可能不在可达到的最佳效率处操作。

回到图1的太阳能系统10的例子，固定来自串103的预定的恒定输出电压可能使太阳能电池板供应比在其它情况下可能的更低的输出功率。此外，每个串103承载可沿着串103穿过所有太阳能电池板101的单个电流。如果太阳能电池板101可能由于制造差异、老化而失配，或如果它们发生故障或处于不同的遮蔽条件下，则每个电池板的电流、电压和功率输出可以不同。强制单个电流穿过串的所有电池板可导致单独的电池板在非最佳功率点处工作，并且也可导致可能高度失配的电池板由于流经它们的高电流而产生“热点”。由于常规集中式方法的这些缺点和其它缺点，太阳能电池板可能必须被正确地匹配。在一些情况下，外部二极管可用于绕过可能高度失配的电池板。在常规的多串配置中，所有串必须由正好相同数量的太阳能电池板组成，且这些电池板可被选择为具有同一型号，且必须以正好相同的空间方向安装，总是暴露在相同的日光条件下。这可能难以实现，且可能非常昂贵。

提出了各种不同的拓扑，以便克服串联安装的上述缺点。例如，一些拓扑提议使逆变器耦合到每个DC源并且并联连接所有逆变器。其它拓扑提议使DC/DC变换器连接到每个DC源，并将所有变换器串联或并联连接到中央逆变器。在被提议用在DC源上的DC/DC变换器当中可以有升压变换器、降压变换器、降压-升压变换器或Cuk变换器。还提议将MPPT合并到每个DC电源中，例如合并到每个太阳能电池板中，并串联连接电池板。

将逆变器结合到单独的电池中可能有很多缺点，其中包括高成本、低的安全性(特别是在太阳能设备中)和可靠性。因此，串联连接可能仍然是优选的，特别是用于太阳能电池板安装。将DC-DC变换器和MPPT包括在单独的源中并接着将其输出串联连接到逆变器的提议可能是有吸引力的。然而，将MPPT合并到每个电池板中在串联应用中可能仍然是成问题的，因为每个MPPT可能试图以不同的电流驱动其源，而在串联连接时，相同的电流必须流经所有电池板。而且，可能不清楚什么类型的DC-DC变换器将提供最佳结果和如何将MPPT合并到这样的装置中。因此，可能仍然需要对用于将多个DC电源连接到负载例如电网、功率存储体等的有效拓扑的解决方案。

如已经在上面提到的，各种环境和操作条件可影响DC电源的功率输出。在太阳能电池板的情况下，太阳辐射、周围环境温度和阴影(无论是来自附近的物体例如树，还是远处的物体例如云)，都可影响从每个太阳能电池板提取的功率。根据所使用的电池板的数量和类型，所提取的功率可在电压和电流上广泛地变化。所有者和甚至专业安装者可能发现检验太阳能系统的正确操作是很困难的。随着时间的流逝，很多其它的因素例如老化、灰尘和污垢聚集以及模块退化可影响太阳能电池板阵列的性能。

当聚光光伏器件(CPV)被使用时，光伏电池板对外部条件的敏感性可能甚至更深。在这样的设备中，可通过使用透镜或反射镜来将太阳辐射聚集到小电池上。这些电池可能比一般PV电池有效得多，并使用称为双结或三结的技术，其中多个p-n结可一个构造在另一个的顶部上——每个结转换来自光谱的某个部分的光并允许其余的光穿过以到达下一个结。因此，这些电池可能有效得多(峰值效率超过40％)。因为这些电池可能非常昂贵，它们可能通常用在要求较小的电池的CPV应用中。然而，CPV设备的功率输出可取决于太阳的光谱的不同部分的强度(且不仅是总强度)中的波动，以及在所使用的透镜或反射镜中的瑕疵或变形。因此，具有用于多个电池板的单个MPPT可能导致相当大的功率损耗，而通过使用电池板(或电池)级MPPT可实现极大的益处，如在本发明的方面中所描述的。

在其中传统光伏设备面临很多问题的另一领域，其可以是建筑物集成的光伏器件(BIPV)的发展中的市场。在BIPV设备中，电池板可在建造期间集成到建筑物中——作为屋顶电池板或作为在墙壁和窗户中的结构单元或额外元件。因此，BIPV设备可能由于在电池板附近的其它结构元件的存在而极大地受到局部部分遮蔽。而且，电池板可自然地位于建筑物的很多不同的面上，且因此每个电池板经历的照明条件可能极大地变化。因为在传统解决方案中，电池板可以一起串成联合的MPPT，很多功率可能失去。可收集更多功率的解决方案在这种类型的设备中明显是非常有益的。

传统设备的又一问题可能是在弱阳光情况下的差的能量利用。很多逆变器需要某个最低电压(一般在150V到350V之间)，以便开始运行。如果光较弱，来自电池板的总电压可能达不到这个最小值，且功率可能因此失去。因此，可升高因光较弱而受到不良影响的电池板的电压的解决方案，其将允许所产生的能量被收集。

在根据常规配置10安装太阳能电池板阵列期间，安装者可通过使用测试设备来检查每个电池板、每个串和整个阵列的电流-电压特性来检验安装的正确性和太阳能电池板阵列的性能。然而在实践中，单独的电池板和串通常可以根本不被测试或仅在连接之前被测试。这种情况的发生是因为电流测量可通过到太阳能电池板阵列的串联连接或阵列中的串联电阻器来完成，而这可能一般是不方便的。作为替代，可仅执行整体设备高级的通过/失败测试。

在设备的初始测试之后，太阳能电池板阵列可连接到逆变器104，其可包括监控整个阵列的性能的监控模块。通过逆变器104内的监控收集的性能信息可包括阵列的整体功率输出和功率产生速率，但该信息可能缺少关于单独的太阳能电池板的运行的任何精准的细节。因此，通过在逆变器104处的监控所提供的性能信息可能通常不足以理解功率损耗是由于环境条件，由于故障还是由于太阳能电池板阵列的差的安装或维护。此外，综合信息可能不能正确地指出太阳能电池板101中的哪一个为所探测到的功率损耗负责。

本发明的方面和实施例提供了用于将来自多个DC电源的功率组合成单个功率源的系统和方法。根据这些方面，每个DC电源可与DC-DC功率变换器相关。通过将DC电源耦合到其相关的变换器形成的模块可被串联耦合，以提供一串模块。这串模块可接着耦合到逆变器，逆变器使其输入电压固定。在每个变换器中的最大功率点控制回路从每个DC功率变换器收集最大功率，并传递该功率作为来自功率变换器的输出。对于每个变换器，实质上所有输入功率可变换成输出功率，使得变换效率可以是90％或在一些情况下更高。此外，可以通过将变换器的输入电流或输入电压固定到最大功率点并允许变换器的输出电压改变来实现控制。对于每个电源，一个或多个传感器执行到相关变换器的输入功率水平的监控。在一些方面，微控制器可通过使用脉冲宽度调制在每个变换器中执行最大功率点跟踪和控制，以便调节用于将功率从输入传递到输出的占空比。

一个方面可通过监控、记录和/或传递每个太阳能电池板的性能来提供较大程度的容错、维护和可服务性。在一个方面，可被用于最大功率点跟踪的微控制器也可用于执行监控、记录和通信功能。这些功能可允许在安装期间快速和容易地查找故障，从而明显减少安装时间。这些功能可能对于在维护工作期间问题的快速探测也是有益的。一些方面也可允许对出故障的太阳能电池板进行方便的定位、修理或更换。当修理或更换可能不可行时，旁路特征也可提供增加的可靠性。

在一个方面，本发明的特征涉及太阳能电池的阵列，在该阵列中来自电池的功率可以组合。每个变换器可连接到单个太阳能电池、或以串联、并联、或串联和并联连接到多个电池，例如被串联连接的电池的串的并联连接。在一个特征中，每个变换器可连接到光伏串的一个电池板。然而，虽然在太阳能技术的背景下是适用的，本发明的方面可用在使用DC电源的任何分布式电力网络中。例如，它们可用在具有很多电池的电池组中或具有多个车载燃料电池的混合交通工具中。DC电源可以是太阳能电池、太阳能电池板、电力燃料电池、电力电池组等。此外，虽然下面的讨论涉及将来自DC电源的阵列的功率组合成AC电压源，本发明的方面也可适用于将来自DC源的功率组合到另一DC电压中。

图3示出了根据本发明的特征的分布式功率收集配置30。配置30实现多个电源例如太阳能电池板301a-301d到单个功率源的连接。在一个方面，所有太阳能电池板的串联串可耦合到逆变器304。在另一方面，太阳能电池板的几个串联连接的串可连接到单个逆变器304。逆变器304可由其它元件例如用于给电池组充电的充电调节器来代替。

在配置30中，每个太阳能电池板301a-301d可连接到单独的功率变换器电路305a-305d。一个太阳能电池板和与其相关的功率变换器电路一起形成模块，例如模块320。每个变换器305a-305d可以最佳地适合于所连接的太阳能电池板301a-301d的功率特性，并可将功率从变换器输入有效地传递到变换器输出。变换器305a-305d可以是降压变换器、升压变换器、降压/升压变换器、反激或正激变换器等。变换器305a-305d也可以包含很多组成变换器(component converter)，例如升压变换器和降压变换器的串联连接。

每个变换器305a-305d可包括控制回路，该控制回路不从变换器的输出电流或电压接收反馈信号而是从来自太阳能电池板301的变换器的输入接收反馈信号。这样的控制回路的例子可以是最大功率点跟踪(MPPT)回路。变换器中的MPPT回路将来自每个太阳能电池板301a-301d的输入电压和电流锁定到其最佳功率点。

常规DC到DC变换器可具有在其输入和输出电压处的、可以被预先确定和固定的宽输入电压范围。在这些常规DC到DC电压变换器中，变换器内的控制器监控在输入处的电流或电压以及在输出处的电压。控制器确定适当的脉冲宽度调制(PWM)占空比，以便如果输出电压下降的话通过增加占空比将输出电压固定到预定值。因此，常规变换器可包括反馈回路，该反馈回路在输出电压上闭合并使用输出电压来进一步调节和微调来自变换器的输出电压。作为改变输出电压的结果，从输入提取的电流也可改变。

在根据本发明的方面的变换器305a-305b中，变换器405内的控制器监控在变换器输入处的电压和电流并确定PWM，使得最大功率可从所连接的电池板301a-301d提取。变换器405的控制器动态地跟踪在变换器输入处的最大功率点。在本发明的方面中，反馈回路可在输入功率上闭合，以便跟踪最大输入功率，而不是如常规DC到DC电压变换器所执行的在输出电压上闭合反馈回路。

作为在每个变换器305a-305d中有单独的MPPT电路的结果，且因此对于每个太阳能电池板301a-301d，在图3所示的特征中的每串303可具有串联连接的不同数量或不同品牌的电池板301a-301d。图3的电路对每个太阳能电池板301a-301d的输出连续执行MPPT，以对温度、太阳辐射、阴影或可能影响特定的太阳能电池板301a-301d的其它性能因素的变化作出反应。作为结果，在变换器305a-305d内的MPPT电路可从每个电池板301a-301d收集最大可能的功率，并作为输出传递该功率，而不考虑影响其它太阳能电池板的参数。

因此，图3所示的本发明的方面可连续跟踪并维持在DC电源的最大功率点上的每个变换器的输入电流和输入电压，所述DC电源向变换器提供输入电流和输入电压。可被输入到变换器的DC电源的最大功率也可从变换器输出。变换器输出功率可以在与变换器输入电流和电压不同的电流和电压上。来自变换器的输出电流和电压可以响应于电路的串联连接部分的需要。

在一个方面，变换器305a-305d的输出可串联连接到单个DC输出，该DC输出形成到负载或供电器(在本例中是逆变器304)的输入。逆变器304将变换器的串联连接的DC输出变换成AC功率供给。负载(在这种情况下是逆变器304)调节在负载输入处的电压。这在本例中可以是将输入电压保持在设定的值比如400伏上的独立控制回路320。因此，逆变器的输入电流可由可用功率决定，且这可以是流经所有串联连接的DC源的电流。另一方面，虽然DC-DC变换器的输出必须在变换器的电流输入处，到变换器的电流和电压输入可使用MPPT来独立地控制。

在常规技术中，可允许到负载的输入电压根据可用功率来变化。例如，当太阳能设备中可能有大量阳光可用时，到逆变器的电压输入可甚至改变到高达1000伏。因此，当阳光照明改变时，电压随着其改变，且逆变器(或其它供电器或负载)中的电气部件可暴露于变化的电压。这趋向于降低部件的性能，且最终可使它们出故障。另一方面，通过将到负载或供电器(在这里是逆变器)的输入的电压或电流固定，电气部件可能总是暴露于相同的电压或电流，并因此将具有延长的使用寿命。

例如，负载的部件(例如，电容器、开关和逆变器的线圈)可被选择成使得在固定的输入电压或电流上，它们以比如其额定值的60％操作。这将提高可靠性，并延长部件的使用寿命，这对于避免在诸如太阳能系统的应用中的服务的损失可能是关键的。

图4A和4B根据本发明的方面示出在不同的条件下图3的系统的操作。示例性配置40可类似于图3的配置30。在所示例子中，十个DC电源401/1到401/10可分别连接到十个功率变换器405/1到405/10。由DC电源及其相应的变换器形成的模块可串联耦合在一起，以便形成串403。在本发明的一个方面中，串联连接的变换器405可耦合到DC到AC逆变器404。

DC电源可以是太阳能电池板，且本例可以关于太阳能电池板来讨论，作为一个例证性的情况。每个太阳能电池板401可由于制造容差、遮蔽或其它因素而具有不同的功率输出。为了本实例的目的，理想情况可以在图4A中示出，其中可假定DC到DC变换的效率为100％，且可假定电池板501是相同的。在一些方面中，变换器的效率可能相当高，且范围在大约95％-99％。所以就说明目的而言，100％效率的假设可能不是不合理的。而且，根据本发明的特征，每个DC-DC变换器可被制造为功率变换器，也就是说以非常低的损耗将该DC-DC变换器在其输入接收的整个功率传递到其输出。

每个太阳能电池板401的功率输出可以通过在相应的功率变换器405内的控制回路来维持在电池板的最大功率点上。在图4A所示的例子中，所有电池板可暴露于充分的阳光照明中，且每个太阳能电池板401提供200W的功率。因此，MPPT回路可获取可将全部200W从电池板传递到其相关的变换器的电流和电压水平。这可以是，由MPPT决定的电流和电压形成到变换器的输入电流I_in和输入电压V_in。输出电压可以由在逆变器404上设定的恒定电压决定，如下面将解释的。因此，输出电流I_out将是总功率(即200W)除以输出电压V_out。

如上所述，根据本发明的特征，逆变器404的输入电压可经由控制回路420由逆变器控制(在本例中，保持不变)。为了本例的目的，假定输入电压可以保持为400V(用于转换到220VAC的理想值)。因为假定可能有十个串联连接的功率变换器，每个变换器提供200W，所以可看到逆变器404的输入电流是2000W/400V＝5A。因此，流经每个逆变器401/1至401/10的电流必须是5A。这意味着在这个理想化的例子中，每个逆变器提供200W/5A＝40V的输出电压。现在，假定每个电池板(假定完美匹配的电池板)的MPPT决定了V_MPP＝32V。这意味着到逆变器的输入电压将是32V，且输入电流将是200W/32V＝6.25A。

现在转到另一例子，其中系统仍然可以被维持在理想模式(即，优选地匹配DC源，且整个功率可以传递到逆变器)中，但环境条件可能不是理想的。例如，一个DC源可能是过热的，可能出故障，或如在图4B的例子中，第九个太阳能电池板401/9可能被遮蔽，且因此只产生40W的功率。如在图4A的例子中的，因为保持所有其它条件，其它九个太阳能电池板401可以是未遮蔽的，并仍然产生200W的功率。功率变换器405/9包括MPPT以维持太阳能电池板501/9在最大功率点上工作，其现在可能由于遮蔽而降低。

可从串得到的总功率现在可以是9×200W+40W＝1840W。因为到逆变器的输入可仍然维持在400V，到逆变器的输入电流现在将是1840W/40V＝4.6A。这意味着串中的所有功率变换器405/1至405/10的输出必须在4.6A。因此，对于九个未被遮蔽的电池板，变换器将输出200W/4.6A＝43.5V。另一方面，连接到被遮蔽的电池板401/9的变换器405/9将输出40W/4.6A＝8.7V。检查这个数学式，到逆变器的输入可以通过添加九个提供43.5V的变换器和一个提供8.7V的变压器来获得，即，(9×43.5V)+8.7V＝400V。

如在图4A中的，九个未被遮蔽的电池板的输出仍将由MPPT控制，从而维持在32V和6.25A上不变。另一方面，因为第九个电池板401/9可被遮蔽，假设其MPPT下降到28V。因此，第九个电池板的输出是40W/28V＝1.43A。如可通过本例看到的，所有电池板可以在其最大功率点上工作，而不考虑操作条件。如图4B的例子所示的，即使一个DC源的输出急剧下降，系统也将通过固定到逆变器的电压输入并独立地控制到变换器的输入来维持相对高的功率输出，以便以MPP获取来自DC源的功率。

如可认识到的，图4A和4B中示出的拓扑的益处可能很多。例如，串联连接的DC源例如太阳能电池板的输出特性不需要匹配。因此，串联串可利用来自不同制造商的电池板或安装在屋顶的不同部分上(即，在不同的空间方位处)的电池板。而且，如果几个串并联连接，串匹配可能不是必需的；更确切地，每个串可以具有不同的电池板或不同数量的电池板。该拓扑也通过减轻热点问题来增强可靠性。这也可以是如图4A所示的，被遮蔽的电池板401/9的输出是1.43A，而在未被遮蔽的电池板401/9的输出处的电流是6.25A。电流的这个差异在部件串联连接时可能引起强制大的电流穿过被遮蔽的电池板，其可导致在这个部件上的过热和故障。然而，通过使用这个拓扑，其中输入电压可以被独立地设置，且从每个电池板流到其变换器的功率可以根据在每个时间点上的电池板MPP被独立地设置，在每个电池板上的电流可以独立于从串联连接的变换器获取的电流。

可容易认识到，因为可为每个电池板独立地优化功率，电池板可安装在BIPV设备中不同的面和方向上。因此，在建筑物集成的设备中的低功率利用问题可以被解决，且现在更多设备可能是有益的。

所述系统也可解决在弱光条件下的能量收集的问题。即使少量的光也可足以使变换器405可操作，且它们接着将功率传递到逆变器。如果有少量功率可用，则可能有弱电流——但电压可能高到足以使逆变器运行，且功率可以实际上被收集。

根据本发明的方面，逆变器404包括控制回路420以将最佳电压维持在逆变器404的输入处。在图4B的例子中，逆变器404的输入电压可由控制回路420维持在400V。变换器405实质上可将所有可用功率从太阳能电池板传递到逆变器404的输入。作为结果，到逆变器404的输入电流可只取决于由太阳能电池板提供的功率和在逆变器输入处受控制地设定(即恒定)的电压。

图1所示的常规逆变器104可能需要有非常宽的输入电压来适应变化的条件，例如太阳能电池板阵列的亮度、温度和老化的变化。这可以与可根据本发明的方面设计的逆变器404相反。逆变器404不需要宽的输入电压，并可因此更容易设计和更可靠。除了其它因素以外，这种较高的可靠性也可通过下列事实实现：在到逆变器的输入处可能没有电压尖峰，并因此逆变器的部件经历较低的电应力并可持续更长时间。

当逆变器404可以是电路的一部分时，来自电池板的功率可以传递到可连接到逆变器的负载。为了使逆变器404能够在其最佳输入电压上工作，由太阳能电池板阵列产生且不被负载使用的任何额外电力可能被消散。如果以下选择可行的话，可通过将额外的电力出售给公用事业公司来处理额外的电力。对于电网外太阳能电池板阵列，额外的功率可存储在电池中。又一选择可以是将很多相邻的房屋连接在一起以形成微型电网并允许房屋之间的电力的负载平衡。如果可从太阳能电池板阵列得到的额外电力不可被存储或出售，则可提供另一机制来消散额外的电力。

关于图4A和4B解释的特征和益处可至少部分地源自于使得逆变器决定在其输入处提供的电压。相反，可实现一种设计，在该设计中逆变器决定在其输入处的电流。这样的布置可在图4C中示出。图4C示出本发明的特征，其中逆变器控制输入电流。每个太阳能电池板401的功率输出可由相应的功率变换器405内的控制回路维持在电池板的最大功率点上。在图4C所示的例子中，所有电池板可暴露于充分的阳光照明下，且每个太阳能电池板401提供200W的功率。因此，MPPT回路可以获取可将整个200W功率从电池板传递到其相关的变换器的电流和电压水平。这可以是，由MPPT决定的电流和电压形成到变换器的输入电流I_in和输入电压V_in。输出电压可由在逆变器404处设置的恒定电流决定，如将在下面解释的。于是，输出电压V_out为总功率除以输出电流I_out，即，200W除以输出电流I_out。

如上所述，根据本发明的特征，逆变器404的输入电流可经由控制回路420由逆变器决定。为了本例的目的，假定输入电压可以保持为5A。因为假定可能有十个串联连接的功率变换器，每个变换器提供200W，所以可看到逆变器404的输入电压是2000W/5A＝400V。因此，流经每个逆变器401/1至401/10的电流必须是5A。这意味着在这个理想化的例子中，每个逆变器提供200W/5A＝40V的输出电压。现在，假定每个电池板(假定完美匹配的电池板)的MPPT决定了V_MPP＝32V。这意味着逆变器的输入电压将是32V，且输入电流将是200W/32V＝6.25A。

因此，通过使逆变器控制电流而不是电压实现了类似的优点。然而，与常规技术不同，电池板的输出的变化可以不引起流到逆变器的电流的变化，该电流可由逆变器本身决定。因此，如果逆变器可设计成保持电流或电压不变，则无论电池板的操作如何，逆变器的电流或电压都可保持不变。

图5示出根据本发明的其它方面的、使用DC电源的分布式功率收集系统。图5示出并联耦合在一起的多个串503。每个串可以是多个模块的串联连接，且每个模块包括可耦合到变换器505的DC电源501。DC电源可以是太阳能电池板。串503的并联连接的输出可以再次并联连接到分路调节器506和负载控制器504。负载控制器504可以是具有图4A和4B的特征的逆变器。分路调节器自动维持横跨其端子的恒定电压。分路调节器506可配置成消散额外的功率以将在逆变器504的输入处的输入电压维持在经调节的电平上，并防止逆变器输入电压增加。流经分路调节器506的电流补充由逆变器504获取的电流，以便确保逆变器的输入电压可以维持在恒定的水平例如400V上。

通过固定逆变器输入电压，逆变器输入电流可根据获取的可用功率来变化。该电流可以在串联连接的变换器的串503之间划分。当每个变换器包括将变换器输入电压维持在相关DC电源的最大功率点上的控制器回路时，变换器的输出功率可被确定。变换器功率和变换器输出电流一起确定变换器输出电压。变换器输出电压可由变换器中的功率变换电路使用来逐渐升高或逐渐降低变换器输入电压，以便从如MPPT所确定的输入电压获得变换器输出电压。

图6示出根据本发明的方面的示例性DC到DC变换器605。DC到DC变换器可按照惯例用于将变化的或不变的DC电压输入逐渐降低或逐渐升高到更高或更低的恒定电压输出，这取决于电路的要求。然而，在图6的特征中，DC-DC变换器可用作功率变换器，即，将输入功率传递到输出功率，输入电压根据MPPT而变化，而输出电流由到逆变器的恒定输入电压决定。这可以是，输入电压和电流可在任何时间变化，且输出电压和电流可在任何时间变化，这取决于DC电源的操作条件。

变换器605可在输入端子614和616处连接到相应DC电源601。DC电源601的经变换的功率可以通过输出端子610和612输出到电路。在输入端子614、616和输出端子610、612之间，可定位变换器电路的其余部分，其包括输入和输出电容器620、640、防止回流二极管622、642以及包括控制器606和电感器608的功率变换电路。

输入端616和614可由充当DC电压的开路的电容器620来分离。输出端610和612也可由也充当DC电压的开路的电容器640来分离。这些电容器可以是隔DC电容器和通AC电容器，这些电容器在面临一定频率的交流时发生短路，这些电容器可关于该频率进行选择。电容器640耦合在输出端610、612之间，并且还作为下面讨论的功率变换电路的一部分来操作。

二极管642可耦合在输出端610和612之间，且其极性使得电流不可从输出端612的正导线回流到变换器605中。二极管622可耦合在穿过电感器608的正输出导线612和负输入导线614之间，所述电感器608充当对DC电流的短路，且该二极管622的极性防止来自输出端612的电流回流到太阳能电池板601中。

DC电源601可以是太阳能电池板。由于在电池板601的太阳能电池中产生的电子-空穴对，在电线614和616之间可存在电位差。变换器605通过连续监控由电池板提供的电流和电压并使用最大功率点跟踪算法来将通过从太阳能电池板601提取电流而输出的最大功率维持在其峰值功率点上。控制器606可包括用于执行峰值功率跟踪的MPPT电路或算法。峰值功率跟踪和脉冲宽度调制PWM可以一起被执行以便实现期望的输入电压和电流。在控制器606中的MPPT可以是任何常规的MPPT，例如扰动与观察法(P&O)、电导增量法等。然而，特别地，MPPT可以直接在电池板上执行，即在到变换器的输入处执行，而不是在变换器的输出处执行。所产生的功率可以接着传递到输出端子610和612。多个变换器605的输出端可串联连接，使得一个变换器605的正导线612可以连接到下一变换器605的负导线610。

在图6中，变换器605被示为降压加升压变换器。如本文使用的术语“降压加升压”可以是如图6所示的直接跟随有升压变换器的降压变换器，其在文献中也可作为“级联降压-升压变换器”出现。如果要将电压降低，则升压部分可以实质上被短路。如果要将电压升高，降压部分可实质上被短路。术语“降压加升压”不同于降压/升压拓扑，所述降压/升压拓扑为可以在电压可被升高或降低时使用的经典拓扑。“降压/升压”拓扑的效率可能天生低于降压或升压。此外，对于给定的要求，降压-升压变换器可能需要比降压加升压变换器大的无源部件，以便运行。因此，图6的降压加升压拓扑可具有比降压/升压拓扑高的效率。然而，图6的电路会连续判断其可能是降压还是升压。在一些情况下，当期望的输出电压可类似于输入电压时，则降压和升压部分可以都是可运行的。

控制器606可包括脉冲宽度调制器PWM或数字脉冲宽度调制器DPWM，以便与降压和升压变换器电路一起使用。控制器606可控制降压变换器和升压变换器这二者，并确定可能要被执行的降压或升压操作。在一些情况下，降压和升压部分可一起操作。这可以是，如关于图4A和4B的特征所解释的，可以独立于输出电流和电压的选择来选择输入电压和电流。而且，输入或输出值的选择可以在任何给定的时刻根据DC电源的操作来改变。因此，在图6的特征中，变换器可构造成使得在任何给定的时间，输入电压和电流的选定值可以根据输出要求来向上变换或向下变换。

在一个实现中，可以使用合并了变换器605的一些功能的集成电路(IC)604。IC604可以可选地是能够经受得住在室外太阳能设备中存在的苛刻温度极限值的单个ASIC。ASIC 604可设计成适用多于25年的高平均无故障时间(MTBF)。然而，使用多个集成电路的分立解决方案也可以用类似的方式来使用。在图6所示的示例性特征中，变换器605的降压加升压部分可被实现为IC 604。实际考虑可导致系统其它方式的分割。例如，在本发明的一个方面中，IC 604可包括两个IC，即处理系统中的高电流和电压的一个模拟IC和包括控制逻辑的一个简单低电压数字IC。模拟IC可以使用功率FET来实现，该功率FET可以可选地在分立部件、FET驱动器、A/D等中实现。数字IC可形成控制器606。

在所示的示例性电路中，降压变换器包括输入电容器620、晶体管628和630、与晶体管628并联地定位的二极管622、以及电感器608。晶体管628、630每个都具有寄生体二极管624、626。在所示示例性电路中，升压变换器包括：可以与降压变换器共享的电感器608、晶体管648和650、与晶体管650并联地定位的二极管642、以及输出电容器640。晶体管648、650每个都具有寄生体二极管644、646。

图7示出根据本发明的方面的功率变换器。除了别的以外，图7还突出根据本发明的特征的DC到DC变换器705的监控和控制功能。DC电压源701也可在附图中示出。可对变换器705示出被简化的降压和升压变换器电路的部分。所示部分包括开关晶体管728、730、748和750以及公共电感器708。每个开关晶体管可由功率变换控制器706控制。

功率变换控制器706包括脉冲宽度调制(PWM)电路733和包含保护部分737的数字控制机730。功率变换控制器706可耦合到微控制器790，其包括MPPT模块719，并且也可以可选地包括通信模块709、监控和记录模块711以及保护模块735。

电流传感器703可耦合在DC电源701和变换器705之间，并且电流传感器703的输出可通过相关的模数变换器723提供到数字控制机器730。电压传感器704可耦合在DC电源701和变换器705之间，且电压传感器704的输出可通过相关的模数变换器724提供到数字控制机730。电流传感器703和电压传感器704可用于监控从DC电源例如太阳能电池板701输出的电流和电压。所测量的电流和电压可被提供到数字控制机730，并可用于将变换器输入功率维持在最大功率点上。

PWM电路733控制变换器电路的降压和升压部分的开关晶体管。PWM电路可以是数字脉冲宽度调制(DPWM)电路。在电感器708处和在开关晶体管750处获取的变换器705的输出可以通过模数变换器741、742提供到数字控制机730，以便控制PWM电路733。

随机存取存储器(RAM)模块715和非易失性随机存取存储器(NVRAM)模块713可位于微控制器790外部，但耦合到微控制器790。温度传感器779和一个或多个外部传感器接口707可耦合到微控制器790。温度传感器779可用于测量DC电源701的温度。物理接口717可耦合到微控制器790，并用于将数据从微控制器变换到标准通信协议和物理层。内部电源单元739可包括在变换器705中。

在不同的方面中，电流传感器703可通过用于测量电流的各种技术实现。在本发明的一个方面中，电流测量模块703可使用非常低值的电阻器实现。该电阻器两端的电压与流经该电阻器的电流成比例。在本发明的另一方面中，电流测量模块703可使用电流探测器来实现，该电流探测器使用霍尔效应来测量穿过导体的电流，而不添加串联电阻器。在将电流转变为电压之后，该数据可穿过低通滤波器并接着被数字化。与电流传感器703相关的模数变换器可以在图7中被示为A/D变换器723。可通过为模数变换器选择适当的分辨率和采样率来避免在产生的数字数据中的混叠效应。如果电流传感技术不需要串联连接，则电流传感器703可并联连接到DC电源701。

在一个方面，电压传感器704使用简单的并联电压测量技术，以便测量太阳能电池板的电压输出。模拟电压可穿过低通滤波器，以便最小化混叠现象。数据可接着使用模数变换器被数字化。与电压传感器704相关的模数变换器可以在图7中被示为A/D变换器724。A/D变换器724具有足够的分辨率以便从在DC电源701处测量的模拟电压产生足够采样的数字信号，DC电源701可以是太阳能电池板。

为跟踪变换器输入处的最大功率点而收集的电流和电压数据也可用于监控目的。具有足够的分辨率的模数变换器可以正确地评估电池板电压和电流。然而，为了评估电池板的状态，即使低采样率也可能是足够的。低通滤波器使低采样率对评估电池板的状态是足够的变得可能。电流和电压数据可被提供到监控和记录模块711用于分析。

温度传感器779使系统能够在分析过程中使用温度数据。温度可以指示一些类型的故障和问题。此外，在电源可能是太阳能电池板的情况下，电池板温度可以是功率输出生产中的一个因素。

一个或多个可选的外部传感器接口707使各种外部传感器能够连接到变换器705。外部传感器可以可选地用于增强太阳能电池板701或通过连接太阳能电池板701形成的串或阵列的状态的分析。外部传感器的例子包括周围环境温度传感器、太阳辐射传感器、和来自相邻电池板的传感器。外部传感器可以集成到变换器705中，而不是在外部连接。

在一个方面中，从电流传感器703和电压传感器704以及可选的温度传感器705和外部传感器707获取的信息可以被使用通信接口709传输到中央分析站，用于进行监控、控制和分析。在附图没有示出中央分析站。通信接口709将微控制器790连接到通信总线。通信总线可以按几种方式实现。在一个方面中，通信总线可以使用现成的通信总线例如以太网或RS422来实现。也可使用可以在连接电池板的电力线上实现的其它方法，例如无线通信或电力线通信。如果使用双向通信，则中央分析站可以请求由微控制器790收集的数据。可选地或此外，从传感器703、704、705、707获取的信息可在本地使用监控和记录模块711被记录在本地存储器例如RAM 715或NVRAM 713中。

对来自传感器703、704、705、707的信息的分析实现与太阳能电池板阵列中的功率损耗相关的很多类型的故障的探测和定位。智能分析也可用于建议纠正措施，例如清洁或更换太阳能电池板阵列的特定部分。传感器信息的分析也可探测由环境条件或安装错误引起的功率损耗，并防止昂贵和困难的太阳能电池板阵列测试。

因此，在一个方面中，微控制器790基于MPPT模块719中的MPPT算法维持从所连接的DC电源或太阳能电池板701到变换器705的输入功率的最大功率点，并同时管理收集来自传感器703、704、705、707的信息的过程。所收集的信息可存储在本地存储器713、715中，并传输到外部中央分析站。在另一方面中，微控制器790使用存储在NVRAM 713中的事先定义的参数，以便进行操作。存储在NVRAM 713中的信息可包括关于变换器705的信息，例如序列号、所使用的通信总线的类型、状态更新率和中央分析站的ID。该信息可在传输之前被添加到由传感器收集的参数。

变换器705可以在太阳能电池板阵列的安装期间被安装，或对现有的设备进行翻新改进。在这两种情况下，变换器705可连接到与电池板701连接的电池板结连接箱或电缆。每个变换器705可配有连接器并且铺设电缆以实现太阳能电池板701和电池板电缆的容易的安装和连接。

在一个方面中，物理接口717可用于变换到标准通信协议和物理层，使得在安装和维护期间，变换器705可连接到各种数据终端之一，例如计算机或PDA。分析可接着被实现为能在标准计算机、嵌入式平台或专用设备上运行的软件。

变换器705的安装过程包括将每个变换器705连接到太阳能电池板701。传感器703、704、705、707中的一个或多个可用于确保太阳能电池板701和变换器705可以正确地耦合在一起。在安装期间，参数(例如序号、物理位置和阵列连接拓扑)可存储在NVRAM 713中。这些参数可由分析软件使用来探测在太阳能电池板701和阵列中未来的问题。

当DC电源701可能是太阳能电池板时，光伏太阳能电池板阵列的安装者面临的问题之一可能是安全。太阳能电池板701可以在可能有阳光的白天期间串联连接。因此，在安装的最后阶段，当几个太阳能电池板701可能被串联连接时，电池板的串的两端的电压可能达到危险的水平。高达600V的电压可能在家庭安装中是普遍的。因此，安装者面临电击致死的危险。可连接到电池板701的变换器705可使用内置功能来防止这样的危险。例如，变换器705可包括软件安全模块的电路或硬件，该软件安全模块将输出电压限制到安全水平，直到预定的最小负载可被探测到为止。只有在探测到这个预定的负载之后，微控制器790才使来自变换器705的输出电压斜升。

提供安全机制的另一方法可以是对电池板的串或阵列使用在变换器705和相关逆变器之间的通信。可以例如是电力线通信的这种通信可在任何明显或潜在的危险功率水平出现之前提供握手信号(handshake)。因此，变换器705在将功率传递到逆变器之前将等待来自相关阵列中的逆变器的模拟或数字释放信号。

以上用于DC电源701的监控、控制和分析的方法可以在太阳能电池板上或在太阳能电池板的串或阵列上实现，或用于其它电源例如电池组和燃料电池。

现在参考图8，其示出了一种根据本发明的特征的方法。输入功率可被接收(步骤801)和变换(步骤805)，并作为输出功率被输出(步骤807)。控制回路一般使用关于被接收到的输入功率的已知最大功率点跟踪算法之一来最大化输入功率(步骤803)。同时，温度可以被测量(步骤809)，并且基于温度信号输入，控制算法调节输入功率(步骤811)，即，基于温度信号来减小输入功率。温度额定值的下降通过减小温度应力并增加功率变换器305、405的电子部件的预期寿命来实现提高的可靠性。

如在本文中使用的冠词“一(a)”、“一(an)”旨在意指和等效“一个或多个”或“至少一个”。例如，“一功率变换器”意指“一个或多个功率变换器”。

虽然示出和描述了本发明的选定特征，应理解，本发明不限于所述特征。相反，应认识到，可对这些特征进行改变而不偏离本发明的原理和精神，本发明的范围由权利要求及其等效形式限定。

Claims (36)

1.一种用于降低分布式电力系统的功率变换器的温度的装置，其中，所述分布式电力系统包括彼此串联耦合的多个功率变换器，并且每个功率变换器与相应的太阳能电池板相关联并且被配置为操作在相应的太阳能电池板的最大功率点以最大化所述分布式电力系统的功率输出，对于每个功率变换器，所述装置包括：

至少一个传感器接口，其被配置为接收指示所述功率变换器的所述温度和指示输入到所述功率变换器的电功率的至少一个传感器信号；以及

控制器电路，其被配置为在所述温度过高时，通过基于所述温度从所述最大功率点减小输入到所述功率变换器的电功率且同时使输入到所述功率变换器的电功率最大化，来调节输入到所述功率变换器的电功率。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器电路被配置为减小输入到所述功率变换器的电功率以便减小对所述功率变换器的温度应力。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器电路被配置为通过减小输入到所述功率变换器的电功率的电压和电流中的至少一个来减小输入到所述功率变换器的电功率。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器电路被配置为基于从一个或多个太阳能电池中生成的电功率来减小输入到所述功率变换器的电功率。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器电路被配置为：

使用最大功率点跟踪算法，确定与所述功率变换器相关联的相应太阳能电池板的最大功率点；并且

在所述温度过高时，通过基于所述温度减小与所述最大功率点对应的电功率且同时使输入到所述功率变换器的电功率最大化，来调节输入到所述功率变换器的电功率，

其中，所述减小不包括所述功率变换器的完全关闭。

6.如权利要求1所述的装置，还包括所述功率变换器，其中所述控制器电路还控制所述功率变换器的功率变换。

7.一种用于降低分布式电力系统的功率变换器的温度的方法，其中，所述分布式电力系统包括彼此串联耦合的多个功率变换器，并且每个功率变换器与相应的太阳能电池板相关联并且被配置为操作在相应的太阳能电池板的最大功率点以最大化所述分布式电力系统的功率输出，对于每个功率变换器，所述方法包括：

从至少一个传感器接收指示所述功率变换器的所述温度和指示输入到所述功率变换器的电功率的至少一个传感器信号；以及

在所述温度过高时，

基于所述温度从所述最大功率点减小输入到所述功率变换器的电功率且同时使输入到所述功率变换器的电功率最大化，以基于所述温度调节输入到所述功率变换器的电功率。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述减小输入到所述功率变换器的电功率减小对所述功率变换器的温度应力。

9.如权利要求7所述的方法，其中，所述减小输入到所述功率变换器的电功率包括减小输入到所述功率变换器的电功率的电压和电流中的至少一个。

10.如权利要求7所述的方法，其中，基于从一个或多个太阳能电池板中生成的电功率来减小输入到所述功率变换器的电功率。

11.如权利要求7所述的方法，其中，所述调节输入到所述功率变换器的电功率包括：

使用最大功率点跟踪算法，确定与所述功率变换器相关联的相应太阳能电池板的最大功率点；并且

在所述温度过高时，基于所述温度根据温度降额减小与所述最大功率点对应的电功率且同时使输入到所述功率变换器的电功率最大化，

其中，所述减小不包括所述功率变换器的完全关闭。

12.如权利要求7所述的方法，还包括控制所述功率变换器的功率变换。

13.如权利要求7所述的方法，其中所述调节输入到所述功率变换器的电功率增加了所述功率变换器的电子部件的预期寿命。

14.一种分布式电力系统的功率变换器，所述分布式电力系统包括彼此串联耦合的多个功率变换器，所述功率变换器包括：

控制器，其被配置为基于最大功率点跟踪算法确定在与所述功率变换器相关联的相应太阳能电池板的最大功率点上的对于所述功率变换器的输入功率，以确定所述分布式电力系统的最大化功率输出，并且被配置为在所述功率变换器的温度过高时，基于所述功率变换器的温度从所述最大功率点减小对于所述功率变换器的输入功率并且同时使输入到所述功率变换器的电功率最大化。

15.如权利要求14所述的功率变换器，还包括：

传感器接口，其被配置为从温度传感器接收所述功率变换器的所述温度，其中所述控制器还被配置为从所述温度传感器接收温度数据。

16.如权利要求14所述的功率变换器，还包括：

电压传感器，其被配置为确定从电源接收的电压并且将接收的电压数据提供给所述控制器。

17.如权利要求16所述的功率变换器，还包括：

电流传感器，其被配置为确定从所述电源接收的电流并且将接收的电流数据提供给所述控制器。

18.如权利要求17所述的功率变换器，其中所述控制器被配置为根据所述最大功率点和所述温度，并且基于所述电压数据、所述电流数据和所述温度，减小对于所述功率变换器的输入功率，以控制所述温度。

19.一种用于降低分布式电力系统的部件的温度的方法，其中，所述分布式电力系统包括彼此串联耦合的多个功率变换器，所述方法包括：

基于最大功率点跟踪算法，确定在与所述功率变换器相关联的相应太阳能电池板的最大功率点上的对于所述功率变换器的输入功率，以确定所述分布式电力系统的最大化功率输出；以及

在所述功率变换器的温度过高时，基于所述功率变换器的所述温度从所述最大功率点减小对于所述功率变换器的输入功率并且同时使输入到所述功率变换器的电功率最大化。

20.如权利要求19所述的方法，还包括：

通过所述功率变换器的控制器经由传感器接口从温度传感器接收指示所述功率变换器的所述温度的温度数据。

21.如权利要求20所述的方法，还包括：

使用所述功率变换器的电压传感器确定从电源接收的电压；以及

将接收的电压数据提供给所述控制器。

22.如权利要求21所述的方法，还包括：

使用所述功率变换器的电流传感器确定从所述电源接收的电流；以及

将接收的电流数据提供给所述控制器。

23.如权利要求22所述的方法，其中，从所述最大功率点减小对于所述功率变换器的输入功率并且同时使输入到所述功率变换器的电功率最大化包括：

根据所述最大功率点和温度，并且基于所述电压数据、所述电流数据和所述温度数据，来减小对于所述功率变换器的输入功率，以控制所述温度。

24.一种用于降低分布式电力系统的部件的温度的装置，包括：

变换器；

DC电源，其连接至所述变换器的输入端子；以及

温度传感器，其被配置为提供指示所述变换器的温度的温度信号，

其中所述变换器包括：

控制器，其被配置基于最大功率点跟踪算法确定在与所述变换器相关联的DC电源的最大功率点上的对于所述变换器的输入功率以确定所述分布式电力系统的最大化功率输出，并且在所述变换器的温度过高时，基于所述变换器的温度从所述最大功率点减小对于所述变换器的输入功率并且同时使输入到所述变换器的电功率最大化。

25.如权利要求24所述的装置，还包括：

电压传感器，其被配置为确定从所述DC电源接收的电压并且将接收的电压数据提供给所述控制器；以及

电流传感器，其被配置为确定从所述DC电源接收的电流并且将接收的电流数据提供给所述控制器，

其中所述控制器被配置为根据所述最大功率点和所述温度并且基于所述电压数据、所述电流数据和所述温度信号，减小所述输入功率。

26.如权利要求24所述的装置，其中所述DC电源包括太阳能电池板。

27.一种用于降低分布式电力系统的部件的温度的方法，包括：

通过控制器确定太阳能电池串的功率输出的最大功率点；以及

在从耦合至所述太阳能电池串的功率变换器中的温度传感器接收的温度信号指示温度过高时，基于所述温度信号，使所述功率变换器将所述太阳能电池串的所述功率输出减小到小于与所述最大功率点相关联的最大功率并且同时使所述太阳能电池串的所述功率输出最大化。

28.如权利要求27所述的方法，其中使所述功率变换器减小所述功率输出包括将所述功率输出固定到选定的电压或电流。

29.如权利要求28所述的方法，其中使所述功率变换器减小所述功率输出包括调节对于所述功率变换器的功率输入的占空比。

30.一种用于降低分布式电力系统的部件的温度的装置，包括：

太阳能电池串；

温度传感器；

功率变换器，其耦合至所述太阳能电池串；以及

控制器，其被配置为：

确定所述太阳能电池串的功率输出的最大功率点；以及

在从所述功率变换器中的所述温度传感器接收的温度信号指示温度过高时，使所述功率变换器基于所述温度信号来从与所述最大功率点相关联的最大功率减小所述太阳能电池串的所述功率输出并且同时使所述太阳能电池串的所述功率输出最大化。

31.如权利要求30所述的装置，还包括：

第二太阳能电池串；

第二功率变换器，其耦合至所述第二太阳能电池串；以及

第二控制器，其被配置为：

确定所述第二太阳能电池串的第二功率输出的第二最大功率点；以及

在所述温度信号指示温度过高时，使所述第二功率变换器基于所述温度信号将所述第二太阳能电池串的所述第二功率输出减小到小于与所述第二最大功率点相关联的第二最大功率并且同时使所述第二太阳能电池串的所述第二功率输出最大化。

32.如权利要求30所述的装置，其中所述温度传感器连接至所述控制器的输入端。

33.如权利要求30所述的装置，其中所述控制器被配置为使所述功率变换器通过将所述功率输出固定到选定的电压或电流来减小所述功率输出。

34.如权利要求30所述的装置，其中所述控制器被配置为使所述功率变换器通过调节对于所述功率变换器的功率输入的占空比来减小所述功率输出。

35.一种分布式功率收集系统，包括：

太阳能电池板，其包括第一太阳能电池串；

温度传感器；

第一功率变换器，其耦合至所述第一太阳能电池串；以及

第一控制器，其被配置为：

确定所述第一太阳能电池串的功率输出的最大功率点；以及

在从指示所述第一功率变换器的温度的所述温度传感器接收的温度信号指示所述第一功率变换器的温度过高时，使所述第一功率变换器基于所述温度信号将所述第一太阳能电池串的所述功率输出减小到小于与所述最大功率点相关联的最大功率并且同时使所述第一太阳能电池串的所述功率输出最大化。

36.如权利要求35所述的系统，其中所述太阳能电池板还包括第二太阳能电池串，所述系统还包括：

第二功率变换器，其耦合至所述第二太阳能电池串；以及

第二控制器，其被配置为：

确定所述第二太阳能电池串的第二功率输出的第二最大功率点；以及

在所述温度信号指示温度过高时，使所述第二功率变换器基于所述温度信号将所述第二太阳能电池串的所述第二功率输出减小到小于与所述第二最大功率点相关联的第二最大功率并且同时使所述第二太阳能电池串的所述第二功率输出最大化。

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