CN107924209A - 用于从功率逆变器的输入电容器快速耗散所存储的能量的系统和方法 - Google Patents

用于从功率逆变器的输入电容器快速耗散所存储的能量的系统和方法 Download PDF

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Abstract

提出了用于连接光伏模块和具有输入电容器的逆变器的方法和系统。光伏系统包括被耦接在逆变器和光伏模块之间的最大功率点跟踪(MPPT)控制器。MPPT控制器包括直流(DC)转换器，其被配置为在正向降压模式下降低光伏模块的电压，以将功率从光伏模块供应到逆变器的输入电容器。光伏系统还包括微控制器单元(MCU)，其被配置为控制DC转换器以允许光伏模块在最大功率点处操作，并且在反向升压模式下增加逆变器的输入电容器的电压，以耗散来自光伏模块中的输入电容器的功率，并且MPPT控制器被配置为基于一个或多个触发。

Description

用于从功率逆变器的输入电容器快速耗散所存储的能量的系 统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年5月19日提交的美国专利申请序列号15/159,699和于2015年5月22日提交的临时美国专利申请序列号62/165,672的提交日期的权益，其内容通过引用整体并入本文。
本申请涉及于2014年4月23日提交的并且题为“System and Method for Low-Cost,High-Efficiency Solar Panel Power Feed”的美国专利公开号2014/0327313，其要求于2013年5月1日提交并且题为“System and Method for Low-Cost,High-EfficiencySolar Panel Power Feed”的临时美国专利申请序列号61/818,036的提交日期的权益，其申请的公开通过引用并入本文。本申请还涉及2012年1月9日提交的并且题为“Systems andMethods to Reduce the Number and Cost of Management Units of DistributedPower Generators”的美国专利申请公开号2013/0026840，以及于2012年11月20日被授权的并且题为“System and Method for Local String Management Unit”的美国专利号8,314,375，其申请或专利的内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开一般涉及光伏系统，并且更具体地涉及用于对光伏系统中的电容器进行快速放电的安全性增强模块。
背景技术
光伏系统越来越普遍用于发电。光伏系统是安全的、清洁的电源，其一旦被安装就会可靠运行并持续多年。这些系统的用途仅仅被期望随着这些系统的成本持续下降而在未来增长，并且替代能源在能源经济中被实施。
在发生火灾或其他紧急情况的情况下，当任何发电或配电系统必须被快速关闭时，存在与发电和配电系统相关联的已知电气危险。因此，安全系统构成了发电和配电系统的重要部分以解决这个问题，并且存在用于在紧急情况期间使传统电力系统断电的已知方法和系统。然而，光伏系统存在一些独特的难题，这些困难并没有得到传统安全系统的充分解决。
发明内容
本公开的一个实施例涉及一种被连接到具有输入电容器的逆变器的光伏系统。光伏系统包括至少一个光伏模块和被耦接在逆变器的输入电容器和至少一个光伏模块之间的最大功率点跟踪(MPPT)控制器。MPPT控制器包括直流(DC)转换器，该DC转换器被配置为在正向降压模式下降低至少一个光伏模块的电压，以将功率从至少一个光伏模块供应到逆变器的输入电容器。
光伏系统还包括被配置为控制DC转换器以允许至少一个光伏模块在最大功率点处进行操作的微控制器单元(MCU)。DC转换器能软件配置为在反向升压模式下增加逆变器的输入电容器的电压，以耗散来自所述至少一个光伏模块中的输入电容器的功率，并且MPPT控制器被配置为基于一个或多个触发自动地将DC转换器从正向降压模式改变到反向升压模式，以耗散被存储在逆变器的输入电容器中的能量。
本公开的一个实施例涉及一种将至少一个光伏模块连接到具有输入电容器的逆变器的系统。该系统包括被耦接在逆变器的输入电容器和至少一个光伏模块之间的最大功率点跟踪(MPPT)控制器。MPPT控制器包括直流(DC)转换器，该DC转换器被配置为在正向降压模式下降低至少一个光伏模块的电压，以从所述至少一个光伏模块向逆变器的输入电容器供应功率。
该系统还包括被配置为控制DC转换器以允许至少一个光伏模块在最大功率点处进行操作的微控制器单元(MCU)。DC转换器能软件配置为在反向升压模式下增加逆变器的输入电容器的电压，以耗散来自所述至少一个光伏模块中的输入电容器的功率，并且MPPT控制器被配置为基于一个或多个触发自动地将DC转换器从正向降压模式改变为反向升压模式，以耗散被存储在输入电容器中的多余能量。
本发明的一个实施例涉及一种用于在至少一个光伏模块和具有输入电容器的逆变器之间传递能量的方法。该方法包括在逆变器的输入电容器与至少一个光伏模块之间耦接最大功率点跟踪(MPPT)控制器。MPPT控制器包括：直流(DC)转换器，该DC转换器被配置为在正向降压模式下降低至少一个光伏模块的电压，以将功率从至少一个光伏模块供应到逆变器的输入电容器；以及微控制器单元(MCU)，该MCU被配置为控制所述DC转换器以允许所述至少一个光伏模块在最大功率点处进行操作。DC转换器能软件配置为在反向升压模式下增加逆变器的输入电容器的电压，以耗散来自所述至少一个光伏模块中的输入电容器的功率。
该方法还包括：由MCU控制的在正向降压模式下将所述至少一个光伏模块的电压经由DC转换器降压到所述逆变器，以向所述逆变器的输入电容器供应功率；由MCU监视一个或多个触发以用于紧急关闭状况；以及由MCU控制在由MCU从监视确定出已经满足紧急关闭状况时，将所述DC转换器从所述正向降压模式改变到所述反向升压模式。
附图说明
当结合以下详细描述考虑时，通过参考附图将更容易地获取对所公开的实施例的更全面的了解以及其许多附带的优点。
图1是示出根据本公开的一些实施例的光伏模块中的光伏电池的示意结构图。
图2是示出根据本公开的一些实施例的光伏阵列中的光伏模块串的示意结构图。
图3A-3C是示出根据本公开的一些非限制性实施例的光伏阵列中的不同逆变器位置的示意结构图。
图4A和4B是示出根据本公开的一些实施例的包括最大功率点跟踪(MPPT)控制器的功率转换系统的示意结构图。
图5是示出根据本公开的一些实施例的包括MPPT控制器的光伏系统的示意结构图。
图6是示出根据本公开的一些实施例的包括MPPT控制器的光伏系统的示意结构图。
图7是示出根据本公开的一些实施例的包括MPPT控制器的光伏系统的示意结构图。
图8是示出根据本公开的一些实施例的在至少一个光伏模块和具有输入电容器的逆变器之间传送能量的过程的示意流程图。
具体实施方式
以下描述意在通过给出具体示例和实施例来进一步阐明本公开。这些实施例意在是说明的而不是详尽的。本公开的全部范围不限于本说明书中公开的任何特定实施例，而是由从属权利要求限定。
鉴于上述，在紧急关闭的情况下，需要以下一种系统和方法，其不仅关闭面板而且还提供了被存储在逆变器的输入电容器上的能量的安全和快速耗散。这使得人们意外地触摸太阳能电池接线是安全的，而没有任何身体伤害。
图1是示出根据本公开的一些实施例的光伏模块中的光伏电池的示意结构图。
典型的光伏(PV)系统包括光伏电池100或太阳能电池，其吸收光并经由光伏效应将光的能量转换成电力。PV电池100在PV模块102或太阳能电池模块中串联和/或并联被连接，以便产生所需的电压和电流。然后太阳能电池模块102还可以根据PV系统的期望输出特性使用输出端子101a和101b被串联和并联连接。例如，被关联到电网的PV系统通常会具有与用于对电池进行充电的独立PV系统的不同输出要求。
图2是示出根据本公开的一些实施例的光伏阵列中的光伏模块串的示意结构图。
太阳能电池模块102al至102mn通常被安装在面板上，每个面板可以保持一个或多个太阳能电池模块。被连接在一起的太阳能电池模块102al至102an的集合也被称为太阳能电池模块串。太阳能电池模块串通常经由“串”或功率总线106a被串联接线以产生所需的输出电压。太小的串将牺牲效率；太大的串可能会损坏PV系统中的其他设备(诸如逆变器)、使得设备保修无效或违反当地电气规程。PV阵列或太阳能电池阵列可以包含太阳能电池模块102al至102mn的多个串106a至106m。
太阳能电池模块102al至102mn可以分别经由本地管理单元(LMU)104a至104mn而被连接到串116a至116m。LMU也可以被称为太阳能电池模块控制器、太阳能电池模块转换器或链路模块单元。LMU可以被用于周期性地接通和切断太阳能电池模块102al至102mn，以改进光伏阵列的能量产生性能。LMU可以包括太阳能电池模块控制器，其用于控制太阳能电池模块的操作以监视太阳能电池模块的状态以及将太阳能电池模块链接到用于能量递送的串行功率总线。LMU还可以执行由其相应的太阳能电池模块输出至串的功率的滤波和DC转换，例如将模块输出电压降压或升压到期望的串电压。
在一些实施例中，LMU 104al至104mn可以使用功率总线来发送数据和通信。在一些实施例中，LMU可以经由线路或无线地被连接到单独的通信网络。在一些实施例中，LMU可以使用功率总线和一个或多个有线或无线网络来发送数据和通信。在一些实施例中，LMU可被配置为操作多于一个太阳能电池模块。例如，LMU可以被配置为以太阳能电池阵列来操作每个太阳能电池板，其中每个太阳能电池板包括两个或更多个太阳能电池模块。
LMU 104al至104mn可以在一侧上被并联连接到太阳能电池模块102al至102mn，并且在另一侧上被串联连接到串116a至116m。LMU可以接收不同类型的输入通信，例如所请求的占空比，其可以被表示为太阳能电池模块要被连接到串联功率总线的时间百分比(例如，从0％到100％)、相位偏移的角度(例如，从0度到180度)以及定时或同步脉冲。这些输入可以例如被供应作为离散信号，或者可以被供应作为网络上的数据，或者通过功率线116a至116m或无线地发送的复合信号，并且在其它情况下，作为任何Rof这些输入类型的组合。
在一些实施例中，LMU 104al至104mn还可以监视太阳能电池模块102al至102mn的状态，例如通过监视给出模块的操作参数(诸如电压、电流、和温度等)的传感器。在一些实施例中，LMU 104al至104mn也可以监视本地气象条件，例如太阳辐照度和空气温度等。LMU可以被配置为使用由监视确定出的太阳能电池模块的状态来优化其对应的太阳能电池模块的操作。
在一些实施例中，LMU可以基于由监视例如过电压或高温等确定出的一个或多个触发或基于从控制器114接收到的紧急关闭信号来关闭太阳能电池模块。在一些实施例中，控制器可以输出系统OK信号，并且如果系统OK信号在预定时间段(例如10秒)内未被接收到，则LMU关闭它们对应的太阳能电池模块。
在一些实施例中，LMU 104al至104mn可以将太阳能电池模块102al至102mn的状态和本地气象条件传送到控制器114。然后，控制器114可以至少部分地基于太阳能电池模块的状态和气象条件来确定并生成用于驱动LMU的输入通信(例如，占空比、相移或者定时或同步脉冲)以优化太阳能电池阵列的性能。
在一些实施例中，控制器114可以基于由监视例如过电压或高温等确定出的一个或多个触发或基于由控制器114生成并从控制器114发送的紧急关闭信号来致使LMU 104al至104mn关闭其相应的太阳能电池模块。控制器114可以基于组合器或逆变器中的过电压、连接器112a和112b处的状况来生成紧急关闭信号并将其发送到例如主电力网或本地系统，或发送到外部因素，诸如火灾报警器、或地震报警器等。在一些实施例中，控制器可以生成并输出系统OK信号，并且如果系统OK信号在预定时间段(例如10秒)内未被接收到，则LMU自动关闭其对应的太阳能电池模块。
串116a至116m被收集在组合器108中。组合器108从串116a至116m收集DC功率，并向中央逆变器110供应DC功率。逆变器110可以在输入侧具有滤波器和电容器。中央逆变器110的电容根据应用而变化；然而，一般来说，太阳能电池应用中逆变器的输入侧存在非常大的电容。即使在系统被关闭的情况下，例如当太阳能电池阵列正将能量供应到的电网被关闭时，仍然存在以下问题：中央逆变器输入侧的电容器可能仍然持有危险的电荷量。
控制器114可以包括例如微控制器或小型单片微控制器(SCMC)，或者可以使用专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑而被实施。控制器114甚至可以在离散的、功能上等效的电路中，或者在其他情况下SCMC和离散电路的组合中被实施。
控制器114可以是独立单元，或者可以与组合器108、与逆变器110、或者与组合器和逆变器集成为单个单元。在一些实施例中，控制器114与逆变器100集成、监视逆变器的性能、确定和跟踪最大功率点、并且至少部分地基于最大功率点来控制LMU 104al至104mn。此外，尽管为了本公开的目的而描绘为逻辑单元，但是控制器114可以是分布式装置。
例如，控制器114可以包括与逆变器110集成的最大功率点跟踪(MPPT)电路、与LMU104al至104mn或者与个体太阳能电池模块102al至102mn集成的本地控制电路、以及独立的微控制器单元(MCU)，其与MPPT和本地电路元件通信并控制MPPT和本地电路元件。由MCU进行的MPPT计算可以例如使用一个或多个已知的MPPT算法(诸如扰动观察、增量电导、电流扫描或恒定电压)而被执行。MPPT算法找到允许来自逆变器的最大功率输出的操作电压。控制器114还可以包括多个控制器，例如，每个控制器负责一个串，或者负责太阳能电池板上的一个或多个太阳能电池模块。
图2的实施例是光伏太阳能电池阵列系统的常见布置，其中太阳能电池模块102al至102mn向串116a至116m供应DC功率。功率由组合器108收集，然后被供应给逆变器110。虽然这是可以用其来实践本公开的教导的一种布置，但其并不是唯一的这样的布置。
图3A-3C是示出根据本公开的一些非限制性实施例的光伏阵列中的不同逆变器位置的示意结构图。图3A是类似于图2的布置的示意结构图，其中DC转换器106将太阳能电池模块输出电压转换成期望的串电压。DC功率由串运载到组合器108，并且存在将AC功率输出到终端112的太阳能电池阵列的单个中央逆变器110。虽然使用如图3的中央逆变器的实施方式是简单且可靠的，但由于其将整个太阳能电池阵列作为单个元件的有效对象可能无法允许由MPPT最佳地优化太阳能电池阵列的输出功率。
图3B是其中DC转换器106也将太阳能电池模块输出电压转换为期望的串电压的布置的示意结构图，但是在每个串上存在串式逆变器110。然后串式逆变器110的输出被添加到组合器108中，组合器108从太阳能电池阵列输出AC功率。串式逆变器表示单个中央逆变器的简单性和通过由MPPT单独控制串来更好地优化太阳能电池阵列的输出功率的能力之间的中间位置。
图3C是其中DC转换器106将太阳能电池模块输出电压转换为期望电压的布置的示意结构图。存在被连接在每个DC转换器106输出与其相应的串之间的微型逆变器110。然后将串的AC功率添加到组合器108中，组合器108从太阳能电池阵列输出AC功率。微型逆变器允许最大的灵活性来优化输出功率，但也需要最多的设备。
下面所公开的系统和方法可以以图2、3A至3C的任何配置被实践。
图4A是示出根据本公开的一些实施例的功率转换系统的示意结构图。功率转换系统200包括最大功率点跟踪(MPPT)控制器202，其被电耦接在至少一个太阳能电池模块和太阳能电池阵列的逆变器的输入侧之间。图4的实施例及下文所描述的光伏系统的其他实施例可以被应用于图2、3A至3C的任何太阳能电池阵列配置或任何其它太阳能电池阵列配置，只要光伏系统可被耦接在太阳能电池模块和具有电容元件的逆变器的输入侧之间即可。
MPPT控制器202包括微控制器单元(MCU)204和DC转换电路206。MCU 204可以监视逆变器性能、执行MPPT计算、控制DC转换电路206，并且可以被编程以执行本公开所述的计算、控制功能和动作的一些或全部。MCU 204可以在图2所示的LMUU中或者在图3A-3C所示的DC转换器106中被实施以经由例如串或无线通信从控制器14发送和接收信号，其中信号可以包括诸如太阳能电池模块的紧急关闭信号的控制信号。在图4A中的单元所示的功率转换系统200中，DC转换电路206电力地位于至少一个太阳能电池模块和相应的逆变器之间，而MCU 204可以使用来自太阳能电池板的功率来控制转换电路的操作，并执行通信和/或计算。在一些实施例中，MPPT控制器的一个或多个组件可以被分布在整个太阳能电池阵列上，其中DC转换电路电力地位于至少一个太阳能电池模块和逆变器之间。
DC转换电路206包括具有同步或动态整流的高效切换模式功率转换器。动态整流可以使用晶体管(例如，MOSFET)有效地被完成，并且DC转换电路206中的同步切换被MCU204控制。如图4B所示，在同步模式下执行动态整流的DC转换电路可以在一种正向模式下将功率从太阳能电池板传递到逆变器，并在反向模式下从逆变器传递到太阳能电池板。
在图4A中，在转换电路206的操作期间，被连接到至少一个太阳能电池模块的“到太阳能电池板”端子处的电压(Vrev_boost)大于被连接到所述串/逆变器的“到逆变器”端子处的电压(Vinverter)。因此，DC转换电路206将从至少一个太阳能电池模块侧的电压(Vrev_boost)降低或“降压”到逆变器侧处的电压(Vinverter)。从不同的角度来看，转换电路206将逆变器侧处的电压(Vinverter)增加或“升压”到电压(Vrev_boost)，以平衡来自太阳能电池板的电压(Vpanel)。当电压(Vrev_boost)小于电压(Vpanel)时，功率在正向模式下从太阳能电池板流向逆变器；并且当电压(Vrev_boost)大于电压(Vpanel)时，功率在反向模式下从逆变器流向太阳能电池板。
通常，DC转换电路206可以包括例如降压转换器、升压转换器或转换器。DC转换电路206可以以“到逆变器”端子处的电压(Vinverter)可能会也可能不会小于“到太阳能电池板”端子处的电压(Vrev_boost)的方式而进行操作。对于逆变器侧的给定电压(Vinverter)，转换电路206可以由MCU控制以比来自太阳能电池板的电压(Vpanel)大的电压(Vrev_boost)并且因此在反向模式下进行操作，或以小于来自太阳能电池板的电压(Vpanel)的电压(Vrev_boost)并因此在正向模式下而进行操作。可以通过改变电压转换比率(例如通过调整由MCU使用的控制参数(例如，占空比))来实现调整以用于控制转换电路。
例如，当转换电路是用同步整流器(例如，如图7所示)实现的降压转换器时，MCU204可以控制DC转换电路206中的同步切换操作的占空比和频率以改变电压转换比率，并因此控制功率流过DC转换电路206的方向。MCU 204可以控制DC转换电路206，使得在MPPT控制器的正向模式下，太阳能电池板上的电压大于来自DC转换电路206的反向升压电压。在正向模式下，功率从太阳能电池板流向逆变器。MCU 204还可以控制DC转换电路206，使得在MPPT控制器的反向模式下，太阳能电池板上的电压小于来自DC转换电路206的反向升压电压。在反向模式下，功率从逆变器流向太阳能电池板，并且在至少一个太阳能电池模块的光电二极管中被耗散。DC转换电路206能软件配置为经由MCU 204调整DC转换电路206的占空比和/或切换频率来在正向和反向模式之间转变。
本文公开的用于同步整流的系统和方法可以针对分布式算法被设计，并且因此需要以反映给逆变器的电流的正确方向的方式来表现，并且因此使功率移动。该行为通过具有低输出阻抗而被实现。这意味着当逆变器侧处的电压被迫超过阈值电压、例如所谓的“智能”电压Vsmart的阈值(Vsmart通常被设定为比最大功率点电压Vmp大6％)时，MPPT控制器被用于将能量传递到PV面板中。最大功率点电压Vmp由MCU使用MPPT算法确定。
在其他情况下，当逆变器将串和/或阵列电压降低(对应于图3A至3C的不同配置)或检测到过电压情况时，光伏系统将该功率传递到正确的PV面板的MPPT控制器，以通过在正向模式下将元件作为二极管运行来耗散。
为了实现所有连接的MPPT控制器的同步操作，使用了具有正向和反向的每个脉冲电流限制的MPPT控制器拓扑。此外，在快速关闭期间，当逆变器电容器必须被放电时，可以使用与上述相同的机制。在这个阶段处，通过MCU将MPPT控制器更换为升压转换器都会增加任何超过断开电压的输入。通常，这种现象发生在低功率处，因此它不能证明另一个专用的基于硬件的电路。
可选地，被连接到逆变器的功率转换系统200具有作为从光伏面板向逆变器提供电流的串的一部分的MPPT功能。此外，该MPPT控制器可以包含降压或任何其他合适的拓扑，其在同步模式下被操作时可以将能量从输入传递到输出或从输出传递到输入。DC转换电路通常用于降低面板的电压，但是本公开不仅限于这种情况。光伏系统还具有用于通信和执行控制了降压转换器的控制程序的MCU，以使串能够在MPPT点处操作，如由串式逆变器的MPPT算法确定的。降压转换器可经由MCU进行软件配置，以作为反向升压转换器而进行操作，使系统能够从串和被附接的逆变器中抽取能量，并耗散PV面板的光电二极管中的能量。
在一些实施例中，控制器204可以基于某些触发对转换电路操作而自动地从正向降压模式改变到反向升压模式，以耗散PV板的光电二极管中的多余能量。这些某些触发可能是过电压状况(即相对于Vsmart的过电压)、紧急关闭信号、或不存在系统OK信号。此外，反向升压和正向降压模式之间的转变可以使用软启动方法而发生，避免了浪涌电流，或者所述转变可以基于逐个脉冲而发生。
图5是示出根据本公开的一些实施例的用于连接到逆变器的光伏系统300的示意结构图。光伏系统300包括具有一个或多个太阳能电池模块的太阳能电池板310和MPPT控制器302。MPPT控制器302被配置为执行所有功能，并且基本上类似于上文所述的MPPT控制器202。MPPT控制器302包括MCU 304、DC转换电路306、断开器308和滤波元件312。MCU 304和DC转换电路306执行相同的功能，并且基本上类似于上文所述的MCU 204和DC转换电路206。
滤波元件312被设置在DC转换电路306和逆变器之间，或者在DC转换电路306和针对逆变器的串之间。滤波元件312被配置为平滑和稳定输出电压。滤波元件312可以包括例如串联和并联的电容器、电阻器及二极管等的各种组合。
断开器308被配置为将太阳能电池板与DC转换电路306断开，并因此最终从逆变器断开。断开器308可以包括例如晶体管开关，并且可以经由MCU 304而被控制。
MPPT控制器304可以基于某些触发自动地从正向降压模式改变到反向升压模式，以耗散PV板的光电二极管中的多余能量。这些某些触发可能是过电压状况(即相对于Vsmart的过电压)、紧急关闭信号，或不存在系统OK信号。为了在正向和反向模式之间变化，MCU 304例如通过改变占空比和/或切换频率来控制晶体管的切换。
MCU 304执行可以实行反向升压模式的操作的计算，例如改变DC转换电路中的晶体管(开关/整流器对)的占空比以增加转换比率。转换比率是输入和输出电压之间的比率。可以从已知的太阳能电池板电压和电流逆变器侧电压计算出使转换比使得反向升压电压高于面板电压的所需占空比(其使DC转换电路306和MPPT控制器304转变为反向模式)。MCU304不断增加转换比率(因为逆变器电压将保持下降)，直到逆变器侧没有足够的功率来维持反向模式，即直到已经耗散来自输入电容器的功率为止。在从逆变器侧耗尽能量之后，MCU 304可以经由断开器308断开太阳能电池板310以完成关闭。
此外，反向升压和正向降压模式之间的转变可以使用软启动方法而发生，避免了浪涌电流，或者所述转变可以基于逐个脉冲而发生。MPPT控制器304也可以例如在紧急关闭或不存在系统OK信号的情况下，在输入电容器中的能量已经在太阳能电池板310的光电二极管中耗散之后经由断开器308断开太阳能电池板310。
图6是示出根据本公开的一些实施例的用于连接到逆变器的光伏系统400的示意结构图。光伏系统400是分布式系统。
光伏系统400包括MPPT控制器402、MCU 404、转换电路406和具有一个或多个太阳能电池模块的太阳能电池板410，其执行相同的功能并且基本上类似于上文所述的MPPT控制器302、MCU304、转换电路306和太阳能电池板310。光伏系统400还包括断开器408和滤波元件412，其执行相同的功能并且基本上类似于上文所述的断开器308和滤波元件312。
辅助预加载单元416被配置为在串被废弃的情况下创建功率供应。它也可以从太阳能电池板410创建功率。在一些实施例中，可以从滤波元件412供给功率。
驱动器418为断开器408和DC转换电路406中的开关提供功率和电平转换。驱动器418由MCU 404经由离散逻辑控制电路414控制，离散逻辑控制电路414执行微调、逻辑还有MPPT控制器402的同步控制以及其他通信。由MCU 404生成触发信号以用于紧急关闭或在正向降压模式和反向升压模式之间改变。这些信号经由离散逻辑控制电路414被发送到驱动器418，以经由断开器408和由离散逻辑控制电路414驱动的DC转换电路406中的开关元件来实施动作。
图7是示出根据本公开的一些实施例的用于连接到逆变器的光伏系统500的示意结构图。
光伏系统500包括MPPT控制器502、MCU 504和具有一个或多个太阳能电池模块的太阳能电池板510，其执行相同的功能并且与上文所述的MPPT控制器402、MCU 404和太阳能电池板410基本上类似。光伏系统500还包括辅助预加载单元516、驱动器518和离散逻辑控制电路514，其执行相同的功能并且与上文所述的辅助预加载单元416、驱动器418和离散逻辑控制电路414基本上类似。
在光伏系统500中，代替使用一个开关和一个整流器的经典降压转换器，两个晶体管520和522被用于实现同步整流。晶体管520是对电感器524充电的开关。在晶体管520释放时，晶体管522捕获524的回归并将电流通过滤波元件512推送到逆变器。
在紧急关闭之后，MOSFET晶体管532和534被用于断开太阳能电池板510。多个MOSFET晶体管可以并联被用作断开器，使得通过任何一个MOSFET的功率受到限制。此外，光伏系统500可以包括反向电流二极管536以及太阳能电池板510内部的组件(未示出)，其本质上是每个组件的在正向方向上的二极管。在紧急关闭期间，晶体管520和522可以被用作升压转换器，通过滤波元件512接收在反相器侧处进入的串电压，并将该电压升压到太阳能电池板510中，使得太阳能电池板510的光电二极管可以被用于耗散该能量。这样的过程通常不会显著或过度地加热面板，这是因为正常使用中的面板效率为约15％，并且面板通常吸收大量的能量，因此短时间的能量提升没有效果，并且通常不会损坏二极管。
通常，从逆变器的电容器吸收能量的过程将仅持续很短的时间，通常只有几秒钟就能使电压足够升高以在电压足够时将电容器清空。典型的面板的输出电压约为40伏，其相当于约72个太阳能电池。作为二极管而操作，它们具有大约0.5至0.7伏的电压降落，因此在大约40至50伏的电压下具有标称40伏输出的面板将消耗电容器的全部功率。由于晶体管520和522作为升压转换器而被操作，晶体管520用作开关并且晶体管522用作整流器，所以随着电压的升压，电流减小。太阳能电池模块可以所有一起或一次一个被放电。当太阳能电池模块达到0伏时，在其输出端处的开关保持输出为0伏，因此相应地降低了整个串的整体电压。这种方法使得系统能够在大多数太阳能电池板上分配电容器的能量，因此非常快地对电容器进行放电。
为了避免损坏系统的任何部分，在某些情况下通常会严格监视反向操作，也允许逆变器输入电压不会降落太快，因此逆变器可以执行柔性的电网断开。此外，所谓的软启动被采用(意味着通过轻轻地限流变化来避免浪涌或侵入电流)。此外，在某些情况下，监视使得系统能够在逐个脉冲的基础上在反向升压和正向降压模式之间进行改变，以支持串内或串之间的平衡。此外，在其他情况下，每个面板可能存在预设的功率耗散限制，其可以包括附加信息，包括但不限于面板和环境温度、太阳辐射等。
在一些情况下，被连接到逆变器的光伏系统具有作为从光伏面板向逆变器供应电流的串的一部分的MPPT控制器。此外，该MPPT控制器包含用于降低面板电压的降压转换器。它还具有MCU，用于传送和执行控制程序并控制降压转换器以使得串能够在MPPT点处进行操作。降压转换器能软件配置为作为反向升压转换器而操作，使得系统能够从串和被附接的逆变器中抽取能量，并耗散PV面板的二极管中的能量。在这样的情况下，控制器可以基于某些触发自动地从正向降压模式改变为反向升压模式以耗散多余能量。这些某些触发可以是过电压状况、紧急关闭信号、或不存在系统OK信号。此外，反向升压和正向降压模式之间的变化可以使用软启动方法而发生，避免了浪涌电流，或者可以以逐个脉冲为基础而发生。
图8是示出根据本公开的一些实施例的在至少一个光伏模块和具有输入电容器的逆变器之间传递能量的过程的示意流程图。图8的方法可以使用如图4A和图4B所讨论的功率流控制技术针对诸如图2和图3A-3C所示的那些以各种配置连接的逆变器而在图5、图6或图7的系统中被实施。
最大功率点跟踪(MPPT)控制器耦接6000在逆变器的输入电容器与至少一个光伏模块之间。
MPPT控制器包括直流(DC)转换器，其被配置为在正向降压模式下降低至少一个光伏模块的电压，以将功率从至少一个光伏模块供应到逆变器的输入电容器。DC转换器能软件配置为在反向升压模式下增加逆变器的输入电容器的电压，以便耗散来自所述至少一个光伏模块中的输入电容器的功率。
MPPT控制器还包括被配置为控制DC转换器以允许至少一个光伏模块在最大功率点处进行操作的微控制单元(MCU)。可以根据上述公开的任何实施例来配置MMPT控制器。
MCU在正向模式下驱动DC转换器，使得至少一个光伏模块的电压经由DC转换器在正向降压模式下降压602，以向逆变器的输入电容器供应功率。
当光伏系统正在操作时，MCU监视604针对紧急关闭状况的一个或多个触发。一个或多个触发可以包括例如过电压状况、紧急关闭信号和不存在系统OK信号中的至少一个。
作为监视的结果，MCU确定606是否已经满足紧急关闭状况的触发。如果MCU确定已经满足紧急关闭触发，则MCU继续改变转换器的操作608。如果MCU确定还没有满足紧急关闭触发，则MCU返回到监视604触发。
在由MCU从监视604确定了606已经满足紧急关闭状况时，MCU重新配置DC转换器以将从正向降压模式改变608为反向升压模式。
MCU在反向降压模式下操作DC转换器，直到逆变器的输入电容器已经被放电610为止。然后MCU断开610太阳能电池模块。
本公开的各种实施例可以在计算机硬件、固件、软件和/或其组合中被实施。本公开的方法可以经由供处理器执行的被存储在一个或多个非暂时计算机可读存储装置上的计算机程序指令而被实施。同样，本公开的各种过程(或其部分)可以由执行计算机程序指令的处理器执行。本公开的实施例可以经由可在计算机系统上执行的一个或多个计算机程序而被实施，所述计算机系统包括被耦接的至少一个处理器以从数据存储系统接收数据和指令以及向数据存储系统发送数据和指令、至少一个输入装置和至少一个输出装置。每个计算机程序可以以任何合适的方式被实施，包括经由高级程序化或面向对象的编程语言和/或经由组装或机器语言。本公开的系统可以包括例如通用和专用微处理器，其可以向各种类型的易失性和/或非易失性存储器以及从其获取指令和数据。与本公开的实施例结合进行操作的计算机系统可以包括用于存储数据文件的一个或多个大容量存储装置，其可以包括：诸如内部硬盘和可移动盘的磁盘、磁光盘、和光盘。适合于有形地实施计算机程序指令和数据的存储装置(也被称为“非暂时计算机可读存储介质”)包括所有形式的非易失性存储器，其包括例如半导体存储装置，诸如EPROM、EEPROM、和闪存装置；磁盘，诸如内部硬盘和可移动盘；磁光盘；以及CD-ROM盘。任何上述内容可以由ASIC(专用集成电路)和其他形式的硬件来补充或被并入在其中。
当太阳能电池模块被串联或网状配置连接时，可能存在以下问题，其中较弱的模块不仅产生较少的能量而且影响相同串或接线部分中的其它模块。通过测量，一个人可以确定在大多数商业上被安装的串中几个模块比其他模块弱。因此，如果模块被单独地操作，则该串生成的功率少于每个模块处可用的总和。
本公开的至少一个实施例提供了以串总线上的来自良好模块的电流不会受弱模块影响的方式来接通和切断串中的弱模块的方法和系统。
本发明允许将数据从太阳能电池模块发送到能量产生或光伏系统中的中央(或系统控制器管理)单元和其他本地管理单元，而不添加显著的成本。本发明的一个实施例涉及使用在将本地管理单元(有时被称为“控制器”或“转换器”)操作为要传递的数据的载体系统时所产生的典型不期望的电噪声。由于存在大量太阳能电池模块，因此每个太阳能电池模块可以以稍微不同的频率而被运行。这样的方法允许能量产生或光伏系统中的接收器来单独地识别每个本地管理单元的载波信号。这种方法具有减少整体系统噪声的附加益处，这是因为每个本地管理单元在频谱的不同部分中发送“噪声能量”，因此有助于避免峰值。
虽然本文已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅作为示例被呈现，并不意图限制本公开的范围。实际上，使用本公开中的教导，本领域普通技术人员可以以各种方式来修改和适应本公开，以本文描述的实施例的形式进行省略、替换和改变，而不脱离本公开内容的精神。所附权利要求旨在涵盖落入本公开的范围和精神内的这样的形式或修改。

Claims (40)

1.一种用于连接到具有输入电容器的逆变器的光伏系统，所述光伏系统包括：
至少一个光伏模块；以及
被耦接在所述逆变器的输入电容器和所述至少一个光伏模块之间的控制器，其中所述控制器包括：
直流(DC)转换器，被配置为在正向降压模式下降低所述至少一个光伏模块的电压，以将功率从所述至少一个光伏模块供应到所述逆变器的输入电容器；以及
微控制器单元(MCU)，被配置为控制所述DC转换器以允许所述至少一个光伏模块在最大功率点处操作，
其中所述DC转换器能软件配置为在反向升压模式下增加所述逆变器的输入电容器的电压，以耗散来自所述至少一个光伏模块中的输入电容器的功率；并且
其中所述控制器被配置为基于一个或多个触发来将所述DC转换器自动地从所述正向降压模式改变为所述反向升压模式，以耗散被存储在所述输入电容器中的多余能量。
2.根据权利要求1所述的光伏系统，其中所述一个或多个触发中的触发是过电压状况。
3.根据权利要求1所述的光伏系统，其中所述一个或多个触发中的触发是紧急关闭信号。
4.根据权利要求1所述的光伏系统，其中所述一个或多个触发中的触发是不存在系统OK信号。
5.根据权利要求1所述的光伏系统，其中所述控制器还被配置为使用软启动方法将所述降压转换器从所述正向降压模式改变为所述反向升压模式以避免浪涌电流。
6.根据权利要求1所述的光伏系统，其中所述控制器还被配置为使得在所述反向升压模式和所述正向降压模式之间的改变以逐个脉冲为基础而发生。
7.根据权利要求1所述的光伏系统，
其中所述控制器设置有所述逆变器，并且
其中所述逆变器是包括一个或多个光伏模块串的光伏阵列中的中央逆变器、串式逆变器和微型逆变器中的一个。
8.根据权利要求1所述的光伏系统，还包括：
紧急关闭断开器，被配置为将所述至少一个光伏模块与所述光伏系统电断开，
其中所述紧急关闭断开器包括一个或多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
9.根据权利要求1所述的光伏系统，其中所述控制器还被配置有对于所述至少一个光伏模块的预设功率耗散极限。
10.根据权利要求9所述的光伏系统，其中所述预设功率耗散极限是基于光伏模块温度、环境温度和太阳辐照度中的至少一个的。
11.根据权利要求1所述的光伏系统，其中所述DC转换器包括降压转换器、降压-升压转换器和转换器中的至少一个。
12.一种用于将至少一个光伏模块连接到具有输入电容器的逆变器的光伏系统，所述光伏系统包括：
被耦接在所述逆变器的输入电容器和所述至少一个光伏模块之间的控制器，其中所述控制器包括：
直流(DC)转换器，被配置为在正向降压模式下降低所述至少一个光伏模块的电压，以将功率从所述至少一个光伏模块供应到所述逆变器的输入电容器；以及
微控制器单元(MCU)，被配置为控制所述DC转换器以允许所述至少一个光伏模块在最大功率点处操作，
其中所述DC转换器能软件配置为在反向升压模式下增加所述逆变器的输入电容器的电压，以耗散来自所述至少一个光伏模块中的输入电容器的功率；以及
其中所述控制器被配置为基于一个或多个触发将所述DC转换器自动地从所述正向降压模式改变为所述反向升压模式，以耗散被存储在所述输入电容器中的多余能量。
13.根据权利要求12所述的光伏系统，其中所述一个或多个触发中的触发是过电压状况。
14.根据权利要求12所述的光伏系统，其中所述一个或多个触发中的触发是紧急关闭信号。
15.根据权利要求12所述的光伏系统，其中所述一个或多个触发中的触发是不存在系统OK信号。
16.根据权利要求12所述的光伏系统，其中所述控制器还被配置为使用软启动方法将所述DC转换器从所述正向降压模式改变为所述反向升压模式以避免浪涌电流。
17.根据权利要求12所述的光伏系统，其中所述DC转换器包括降压转换器、降压-升压转换器和转换器中的至少一个。
18.根据权利要求12所述的光伏系统，
其中所述控制器设置有所述逆变器，并且
其中所述逆变器是包括一个或多个光伏模块串的光伏阵列中的中央逆变器、串式逆变器和微型逆变器中的一个。
19.一种用于在至少一个光伏模块和具有输入电容器的逆变器之间传递能量的方法，所述方法包括：
在所述逆变器的输入电容器与所述至少一个光伏模块之间耦接控制器，其中所述控制器包括：
直流(DC)转换器，被配置为在正向降压模式下降低所述至少一个光伏模块的电压，以将功率从所述至少一个光伏模块供应到所述逆变器的输入电容器；以及
微控制器单元(MCU)，被配置为控制所述DC转换器以允许所述至少一个光伏模块在最大功率点处进行操作，
其中所述DC转换器能软件配置为在反向升压模式下增加所述逆变器的输入电容器的电压，以耗散来自所述至少一个光伏模块中的输入电容器的功率；
正如MCU控制的，在正向降压模式下将所述至少一个光伏模块的电压经由DC转换器降压到所述逆变器，以向所述逆变器的输入电容器供应功率；
由MCU监视一个或多个触发以用于紧急关闭状况；以及
正如MCU控制的，在由MCU从监视确定出已经满足紧急关闭状况时，将所述DC转换器从所述正向降压模式改变到所述反向升压模式。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述一个或多个触发包括过电压状况、紧急关闭信号和不存在系统OK信号中的至少一个。
21.一种用于连接到具有输入电容器的逆变器的光伏系统，所述光伏系统包括：
至少一个光伏组件；以及
被耦接在所述逆变器的输入电容器和所述至少一个光伏模块之间的控制器，其中所述控制器包括：
直流(DC)转换器，被配置为在正向降压模式下降低所述至少一个光伏模块的电压，以将功率从所述至少一个光伏模块供应到所述逆变器的输入电容器；以及
微控制器单元(MCU)，被配置为控制所述DC转换器以允许所述至少一个光伏模块在最大功率点处进行操作，
其中所述DC转换器能软件配置为在反向升压模式下增加所述逆变器的输入电容器的电压，以耗散来自所述至少一个光伏模块中的输入电容器的功率；并且
其中所述控制器被配置为基于一个或多个触发将所述DC转换器自动地从所述正向降压模式改变为所述反向升压模式，以耗散被存储在所述输入电容器中的多余能量。
22.根据权利要求21所述的光伏系统，其中所述一个或多个触发中的触发是过电压状况。
23.根据权利要求21所述的光伏系统，其中所述一个或多个触发中的触发是紧急关闭信号。
24.根据权利要求21所述的光伏系统，其中所述一个或多个触发中的触发是不存在系统OK信号。
25.根据权利要求21所述的光伏系统，其中所述控制器还被配置为使用软启动方法将所述降压转换器从所述正向降压模式改变为所述反向升压模式以避免浪涌电流。
26.根据权利要求21所述的光伏系统，其中所述控制器还被配置为使得在所述反向升压模式和所述正向降压模式之间的改变以逐个脉冲为基础而发生。
27.根据权利要求21所述的光伏系统，
其中所述控制器设置有所述逆变器，并且
其中所述逆变器是包括一个或多个光伏模块串的光伏阵列中的中央逆变器、串式逆变器和微型逆变器中的一个。
28.根据权利要求21所述的光伏系统，还包括：
紧急关闭断开器，被配置为将所述至少一个光伏模块与所述光伏系统电断开，
其中所述紧急关闭断开器包括一个或多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
29.根据权利要求21所述的光伏系统，其中所述控制器还被配置有对于所述至少一个光伏模块的预设功率耗散极限。
30.根据权利要求29所述的光伏系统，其中所述预设功率耗散极限是基于光伏模块温度、环境温度和太阳辐照度中的至少一个的。
31.根据权利要求21所述的光伏系统，其中所述DC转换器包括降压转换器、降压-升压转换器和转换器中的至少一个。
32.一种用于将至少一个光伏模块连接到具有输入电容器的逆变器的光伏系统，所述光伏系统包括：
被耦接在所述逆变器的输入电容器和所述至少一个光伏模块之间的控制器，其中所述控制器包括：
直流(DC)转换器，被配置为在正向降压模式下降低所述至少一个光伏模块的电压，以将功率从所述至少一个光伏模块供应到所述逆变器的输入电容器；以及
微控制器单元(MCU)，被配置为控制所述DC转换器以允许所述至少一个光伏模块在最大功率点处操作，
其中所述DC转换器能软件配置为在反向升压模式下增加所述逆变器的输入电容器的电压，以耗散来自所述至少一个光伏模块中的输入电容器的功率；并且
其中所述控制器被配置为基于一个或多个触发将所述DC转换器自动地从所述正向降压模式改变为所述反向升压模式，以耗散被存储在所述输入电容器中的多余能量。
33.根据权利要求32所述的光伏系统，其中所述一个或多个触发中的触发是过电压状况。
34.根据权利要求32所述的光伏系统，其中所述一个或多个触发中的触发是紧急关闭信号。
35.根据权利要求32所述的光伏系统，其中所述一个或多个触发中的触发是不存在系统OK信号。
36.根据权利要求32所述的光伏系统，其中所述控制器还被配置为使用软启动方法将所述DC转换器从所述正向降压模式改变为所述反向升压模式以避免浪涌电流。
37.根据权利要求32所述的光伏系统，其中所述DC转换器包括降压转换器、降压-升压转换器和转换器中的至少一个。
38.根据权利要求32所述的光伏系统，
其中所述控制器设置有所述逆变器，并且
其中所述逆变器是包括一个或多个光伏模块串的光伏阵列中的中央逆变器、串式逆变器和微型逆变器中的一个。
39.一种用于在至少一个光伏模块和具有输入电容器的逆变器之间传递能量的方法，所述方法包括：
在所述逆变器的输入电容器与所述至少一个光伏模块之间耦接控制器，其中所述控制器包括：
直流(DC)转换器，被配置为在正向降压模式下降低所述至少一个光伏模块的电压，以将功率从所述至少一个光伏模块供应到所述逆变器的输入电容器；以及
微控制器单元(MCU)，被配置为控制所述DC转换器以允许所述至少一个光伏模块在最大功率点处进行操作，
其中所述DC转换器能软件配置为在反向升压模式下增加所述逆变器的输入电容器的电压，以耗散来自所述至少一个光伏模块中的输入电容器的功率；
由MCU控制在正向降压模式下将所述至少一个光伏模块的电压经由DC转换器降压到所述逆变器，以向所述逆变器的输入电容器供应功率；
由MCU监视一个或多个触发以用于紧急关闭状况；以及
由MCU控制在由MCU从监视确定出已经满足紧急关闭状况时，将所述DC转换器从所述正向降压模式改变到所述反向升压模式。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述一个或多个触发包括过电压状况、紧急关闭信号和不存在系统OK信号中的至少一个。
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