CN108306333A - 用于互联的直流电源的电路 - Google Patents

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CN108306333A
CN108306333A CN201810149042.XA CN201810149042A CN108306333A CN 108306333 A CN108306333 A CN 108306333A CN 201810149042 A CN201810149042 A CN 201810149042A CN 108306333 A CN108306333 A CN 108306333A
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伊兰·约瑟考维奇
Y·戈林
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太阳能安吉科技有限公司
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Abstract

本申请涉及一种用于互联的直流电源的电路。公开了控制用于直流(DC)电源的功率转换器电路。功率转换器可操作的以将从DC电源接收的输入功率转换为输出功率并执行电源的最大功率点跟踪。功率转换器适于向负载提供输出功率,该负载也执行最大功率点跟踪。

Description

用于互联的直流电源的电路

[0001] 本申请是申请日为2013年5月23日,申请号为201380039237.4,发明名称为“用于 互联的直流电源的电路”的申请的分案申请。

技术领域

[0002] 在本申请中描述的实施方案通常涉及对来自分布式的电流源(如直流(DC)电源) 的功率生产的控制。

背景技术

[0003] 最近对可再生能源的兴趣已引起在用于分布式能源产生的系统方面研究的增加, 分布式能源如光伏电池(PV)、燃料电池和蓄电池。制造中的各种矛盾可导致两个其它相同 的源提供不同的输出特性。同样地,两个这样的源可对操作条件,例如负载和/或环境条件 (例如温度),有不同的反应。在装置中,不同的源也可能会经历不同的环境条件,例如,在太 阳能发电装置中的一些电池板可能会暴露到充足的阳光,而其它的电池板可能会被遮蔽, 从而提供不同的功率输出。在多个蓄电池装置中,一些蓄电池可能使用寿命不同,从而提供 不同的功率输出。

发明内容

[0004]各种实施方案涉及在分布式能源系统中的功率转换,该系统可具有上述的一些特 性。虽然各种实施方案可适用于任何分布式电源系统,以下讨论转向太阳能,以便以举例的 方式提供更好地理解,而不限制其它应用。

[0005]根据本发明的一方面,提供了一种装置,其可包括:

[0006]功率转换器,所述功率转换器可具有输入端子和输出端子,且可操作以将在所述 输入端子处从直流电源接收的输入功率转换为在所述输出端子处的输出功率;

[0007]输入传感器,所述输入传感器可耦合到所述输入端子且可配置为感测可包括输入 电流、输入电压或所述输入功率的输入参数;以及

[0008]控制电路,所述控制电路可耦合到所述输入端子,且可配置为基于所述输入参数, 最大化所述输入功率为在所述输入端子处的大约最大功率点,其中,对于至少一段时间间 隔,所述控制电路可被配置为将输入功率或输出功率设置为可测量地小于所述最大功率 点,且在所述时间间隔之后,所述控制电路可被配置为将输入功率或输出功率设置为约等 于所述最大功率点,以使外部最大功率点跟踪电路能够跟踪所述输出功率。

[0009]在一些实施方式中,所述控制电路的控制频率可小于所述外部最大功率点跟踪电 路的控制频率。

[0010]在一些实施方式中,所述控制电路可操作以改变在所述输入端子和所述输出端子 之间的转换率,以将所述输出功率设置为可测量地小于所述最大功率点。

[0011] &在一些实施方式中,所述装置还可包括输出传感器,所述输出传感器可耦合到所 述输出端子,所述输出传感器可被配置为感测可包括输出电流、输出电压或所述输出功率 的%出多数,且基于感测的所述输入功率或输出功率的变化,所述控制电路可被配置为改 变所述转换率,使得所述输入功率接近所述最大功率点。

[0012]在一些实施方式中,所述控制电路可被配置为跟踪所述输出功率。

[0013]在一些实施方式中,所述装置还可包括:

[0014]〇多个附加功率转换器,所述附加功率转换器可具有各自的输入端子和输出端子, 且可操作以转换从各自的多个附加直流电源接收的输入功率,其中所述功率转换器和附加 功率转换器的输出端子可以在它们各自的输出端子处进行串联连接以提供串联串,以及 [0015]所述外部最大功率点跟踪电路,其可操作地连接到所述串联串,其中所述外部 MPPT电路可被配置为跟踪所述串联串的组合的输出功率的变化。

[0016]在一些实施方式中,所述装置还可包括可包含负载输入端子和负载输出端子的负 载,所述负载输入端子可被配置为经由所述最大功率点跟踪电路接收所述组合的输出功 率。

[0017]在一些实施方式中,所述负载可包括逆变器或DC至DC功率转换器。

[0018]在一些实施方式中,所述直流电源可包括至少一个光伏太阳能电池板。

[0019]根据本发明的另一方面,提供了一种方法,其可包括:

[0020]将在输入端子处从DC电源接收的输入功率转换为输出端子处的输出功率;

[0021 ]感测可包括输入电流、输入电压或输入功率的输入参数;

[0022]基于所感测到的输入参数,最大化所述输入功率为在所述输入端子处的大约最大 功率点;以及

[0023]对于一段时间间隔,将输入功率或输出功率设定为可测量地小于所述最大功率 点,且在所述时间间隔之后,将所述输入功率或所述输出功率设置为大约等于所述最大功 率点,以使外部最大功率点跟踪电路MPPT能够跟踪所述输出功率。

[0024]根据本发明的另一方面,提供了一种装置,其可包括:

[0025]功率转换器,所述功率转换器可具有输入端子和输出端子,所述功率转换器可操 作以将在所述输入端子处从直流电源接收的输入功率转换为在所述输出端子处的输出功 率,所述功率转换器可包括:

[0026]输入传感器,所述输入传感器可耦合在所述输入端子;

[0027]控制电路,所述控制电路可连接到所述输入传感器,且可具有可被配置为最大化 所述输入功率的输入控制回路;以及

[0028] 功率衰减器,所述功率衰减器可親合到所述输出端子,且可具有经衰减的功率输 出端子,所述功率衰减器可被配置为将所述输出功率衰减为小于在所述经衰减的功率输出 端子上的输出电压范围或输出电流范围之外的最大功率。

[0029] 在一些实施方式中,所述装置还可包括最大功率点跟踪电路,所述最大功率点跟 踪电路可操作地连接到所述经衰减的功率输出端子,且可配置为锁定到在所述输出电压范 围或在所述输出电流范围处的所述最大功率上。

[0030] 在一些实施方式中,所述装置还可包括负载,所述负载可被配置为经由所述功率 衰减器和经由所述最大功率点跟踪电路接收来自所述功率转换器的功率。

[0031] 在一些实施方式中,所述负载可以是逆变器或直流DC至DC功率转换器。

[0032] 根据本发明的另一方面,提供了一种方法,其可包括:

[0033] 控制功率转换器电路以将从DC电源接收的输入功率转换为输出功率;

[0034] 改变在所述功率转换器电路的输入电压和输出电压之间的电压转换率;

[0035]在所述改变期间,测量所述输入功率或所述输出功率,以提供多个功率测量值;

[0036]基于所述功率测量值,确定最大功率点;以及

[0037]基于所述功率测量值,设置所述电压转换率以产生所述输出功率的最大值。

[0038]在一些实施方式中,所述方法还可包括在执行所述改变之前,应用时间延迟。

[0039]根据本发明的另一方面,提供了一种装置,其可包括:

[0040] 功率转换器电路,所述功率转换器电路可包括输入端子和输出端子,且可操作以 将在所述输入端子处从DC电源接收的输入功率转换为在所述输出端子处的输出功率;以及 [0041]控制电路,所述控制电路可被配置为改变在所述功率转换器电路的所述输入端子 处的输入电压和所述输出端子处的输出电压之间的电压转换率,测量输入功率或输出功率 以提供多个功率测量值,从而基于所述功率测量值确定最大功率点,且基于所述功率测量 值设置所述电压转换率以在所述输出端子处产生大约最大功率。

[0042]根据本发明的又一方面,提供了一种装置,其可包括:

[0043] 控制电路,所述控制电路可被配置为:

[0044]接收由直流DC至DC功率转换器的转换器输出端子上的负载控制的电流或电压的 测量值,其中所述DC至DC功率转换器可操作以将在转换器输入端子上从电源接收的输入功 率转换为从所述转换器输出端子向所述负载提供的输出功率,

[0045]确定在所述电流的测量值和预定电流之间的差值或在所述电压的测量值和预定 电压之间的差值,及

[0046]响应于所述差值的下降,朝向最大功率点增加所述输出功率;及 [0047]响应于所述差值的增加,远离所述最大功率点减小所述输出功率。

[0048]在一些实施方式中,所述控制电路可被配置为,通过控制耦合在所述转换器输出 端子和所述负载之间的功率衰减器,增加和减小所述DC至DC功率转换器的所述输出功率。 [0049]在一些实施方式中,所述控制电路可被配置为,通过分别朝向和远离所述最大功 率点调整所述输入功率来增加和减少所述输出功率。

[0050]在一些实施方式中,所述控制电路可被配置为,通过改变所述此至沉功率转换器 的转换率来调节转换效率,以增加和减少所述输出功率。

[0051]在一些实施方式中,所述控制电路可操作以在调整所述转换率的同时,执行对所 述输入端子处的所述输入功率的最大功率点跟踪。

[0052]在一些实施方式中,所述装置还可包括所述DC至DC功率转换器。

[0053]描述了分布式电源系统,包括用于直流(DC)电源的功率转换器电路,所述Dc电源 诸如一个或多个光伏电池板、光伏子链或光伏电池。例如并网逆变器的负载,可由DC电源线 进行连接以从一个或多个功率转换器电路接收采集的功率。根据一个方面,功率转换^电 路可包括直流到直流(DC/DC)功率转换器,其被配置为将在DC/DC功率转换器输入端上的从 光伏电池板接收的DC功率转换成DC/DC功率转换器的输出^电路可包括控制电路,其被配置 为感测输入电压和/或输入电流,并确定在DC/DC功率转换器输入端上接收的输^功率(来 自光伏电池板的输出功率)。控制电路可被配置为通过操作电源(例如,光伏电池板)达被跟 踪以最大化电源的功率产量的电流和电压或其最大功率点来最大化输入功率。由于最大功 率点跟踪是在功率转换器的输入端处进行的,故功率转换器的输出电压或电流是不完全受 约束的。而来自DC/DC转换器的功率输出大约等于来自光伏电源的输入功率乘以转换效率, 在DC/DC功率转换器的输出端处的电压和电流可通过负载或者通过在负载的输入端处的控 制电路来设置、确定和/或控制。负载可以是适于将DC功率转换为电网的频率的交流电流 (AC)的逆变器。根据一个方面,逆变器不使用最大功率点跟踪(MPPT)模块,因为对于每个电 池板已经通过控制电路单独跟踪来自每个DC电源的最大功率。逆变器在其输入端可具有控 制块,其将输入电压设置为一个方便的值,可选地为预定值和/或可选地为恒定值,例如4〇〇 伏,例如以最大化负载(例如逆变器)的效率,或最小化DC线路中的功率损耗。

[OOM]然而,许多可商购的逆变器模块已经包括集成的MPPT跟踪电路,其被设计用于与 常规的光伏分布式电源系统一起使用,该电源系统如上述那样不包括对于每个电源的单独 的MPPT跟踪。理想的是,具有集成的MPPT模块的标准的可商购逆变器与带控制电路的DC/DC 功率转换器电路兼容,其单独地最大化来自DC电源(例如光伏电池板)的功率。然而,由于控 制电路保持光伏电池板在其最大功率点,故DC/DC转换器的功率输出可能不会给逆变器的 输入端呈现一个功率峰值,该峰值可由逆变器的集成的册^根据在加/加转换器的输出端 处的电流或电压的变化进行跟踪。其结果是,如果在逆变器输入端处存在MPPT模块,则MPPT 模块可能不能够稳定且锁定最大化到逆变器的输入端的功率的任意特定电压。其结果是, 如果在系统中使用逆变器的MPPT模块,根据这些方面,可迫使到逆变器的输入为一个极限 电压(或电流),和/或变得不稳定且可能会损耗相当大的功率。

[0055]因此,存在如下的功率转换器电路是必要的且将是有利的,该功率转换器电路普 遍与所有或大多数类型的逆变器一起运行,而不管该逆变器是否配备有MPPT模块,并且需 要用于配备有控制块的负载,如上所述该控制块将到负载的输入电压设置为方便可选的恒 定值。本文公开了各种方法、系统和/或设备,其提供功率转换器电路,包括可连接到直流 (DC)电源的功率转换器,诸如光伏电池板。直流(DC)电源可包括一个或多个光伏太阳能电 池或串联和/或并联互连的太阳能电池板。功率转换器包括适于连接到直流(DC)电源的输 入端子和输出端子。功率转换器可操作以将在功率转换器的输入端子处的从DC电源接收的 输入功率转换为在功率转换器的输出端子处的输出功率。功率转换器可具有连接在功率转 换器的输入端子处的控制电路,使得在功率转换器的运行期间,控制电路设置在功率转换 器的输入端子处的输入电压或输入电流,以最大化输入功率,例如,执行最大功率点跟踪 (MPPT)。最大功率点跟踪电路还可连接到功率转换器输出端子。功率转换器可包括多个类 似的、在其输出端子处串联连接为串联串的功率转换器电路。串联串可以是并联连接的,且 经由最大功率点跟踪电路输入到负载。具有的负载输入端子和负载输出端子可配置为从功 率转换器接收功率,例如经由连接到功率转换器的输出端子的最大功率点跟踪电路。负载 可以是逆变器或DC/DC功率转换器。

[0056]根据不同的特点:

[0057] A、可感测功率转换器的输出电压。可配置控制电路以便将在功率转换器的输入端 子处接收的输入功率设置为仅在预定的输出电压点或输出电压范围处或在预定的输出电 流点或输出电流范围处的最大功率。远离预定的输出电压或预定输出电流,控制电路可被 配置为将在输入端子处接收的输入功率设置为小于最大可用功率。以这种方式,操作地连 接到功率转换器的输出端子的最大功率点跟踪电路,可稳定地跟踪预定的电压和/或电流 的点或范围。

[0058] B、可配置控制电路以将到功率转换器的输入端子处接收到的输入功率设置为最 大功率。功率衰减器可连接到功率转换器的输出端子。可配置功率衰减器以衰减在输出电 压处的预定输出电压范围(或预定输出电流范围)以外的功率输出,且不衰减在预定的输出 电压或电流的点或范围处的输出功率。可将最大功率点跟踪电路连接到经衰减的功率输出 端。可配置最大功率点跟踪电路以锁定在预定输出电压范围或在预定输出电流范围处的最 大功率点。通常负载可被配置用于经由功率衰减器并经由连接到经衰减的功率输出端的最 大功率点跟踪电路来从功率转换器接收功率。

[0059] C、可配置控制电路以将在功率转换器的输入端子处接收到的输入功率设置为电 源的最大功率点。配置连接到输入端子的控制电路以改变被定义为功率转换器的输入电压 和输出电压之比的电压转换率。电压转换率可进行变化或扰动,以慢慢地接近输出端子上 的最大功率。如本文所用的术语“慢慢地”是相对于与负载(例如,在功率转换器的输出端 处)相关联的MPPT电路的响应时间。可选择转换率以达到最大功率。由于来自功率转换器的 输出功率慢慢接近最大功率,故与负载关联的MPPT电路据此响应并锁定到最大输出功率处 的预定的输出电压。

[0060] D、与负载相关联的最大功率点跟踪电路在其运行的过程期间可扰乱其电压或电 流输入(到功率转换器的输出)。功率转换器可包括将在功率转换器的输入端子处接收的输 入功率设置为最大功率点的控制电路,以及配置为感测输出电压的控制电路。功率转换的 转换率通过控制电路慢慢改变,以慢慢接近所选的转换率和在最大功率点处的预定输出电 压。

[0061] E、段落C和D的特点是互不排斥的,且可组合使用。如果在功率转换器的输出端处 感测到输出电压的变化,则功率转换的转换率通过控制电路慢慢改变,以慢慢接近所选的 转换率和预定的输出电压。否则,如果没有感测到输出电压的显著变化,配置控制电路以改 变输出电压,从而慢慢接近所希望的转换率,同时MPPT电路接近最大功率点。

附图说明

[0062]本公开通过示例的方式示出,且不以附图进行限制,其中相似的附图标记标示相 似的元件,其中:

[0063]图1示出了在常规技术中使用DC电源的常规的集中式功率采集系统;

[0064]图2示出了在常规技术中关于DC电源的一个串联串的电流相对于电压的特性曲 线;

[0065]图3根据实施方案示出了使用DC电源的分布式功率采集系统;

[0066]图4A和4B根据实施方案示出了图3的系统在不同的条件下的运行;

[0067]图4C根据实施方案示出了分布式功率采集系统,其中逆变器控制输入电流;

[0068]图5根据其它实施方案示出了分布式功率采集系统,其中在逆变器的输入端处的 电压被控制;

[0069]图6根据实施方案示出了示例性的DC至DC转换器;

[0070]图7根据各种实施方案示出了包括控制功能的功率转换器;

[0071]图8A通过图形示出了在常规系统中作为输出电流的函数的来自太阳能电池板的 功率输出的行为;

[0072]图8B根据实施方案通过图形示出了一个光伏模块、或串联/并联连接的光伏模块 和/或串的系统的功率输入或输出相对于输出电流;

[0073]图8C根据各种实施方案示出了包括负载控制电路的分布式功率采集系统的简化 框图;

[0074]图8D根据各种实施方案通过图形示出了作为被更改的电流的函数的功率输出;

[0075] 图8E根据各种实施方案示出了用于更改输出功率的电路;

[0076] 图8F根据各种实施方案示出了功率转换和跟踪最大功率的过程

[0077] 图8G根据各种实施方案示出了用于运行配备有MPPT模块的逆变器的过程;

[0078] 图9根据各种实施方案示出了分布式功率采集系统的简化框图;

[0079] 图9A和图9B根据各种实施方案示出了分别在电源和在最大功率点跟踪电路中并 行执行的过程;

[0080] 图9C根据各种实施方案通过图形示出了作为时间的函数的、来自一个或多个光伏 模块的功率输出的变化;

[0081] 图10A和图10B根据各种实施方案示出了,分别在光伏模块和最大功率点跟踪电路 中并行执行的过程。

[0082]当结合附图考虑时,根据下面的详细描述,前述和/或其它方面将变得明显。

具体实施方式

[0083] 现在将详细参考实施方案,其的实例在附图中示出,其中自始至终类似的附图标 记指代类似的元件。以下通过参考附图描述实施方案以解释各实例。

[0084]在图1中示出太阳能发电系统10的常规安装。由于每个单独的太阳能电池板101提 供的电压可能较低,故可串联连接多个电池板以形成电池板的串103。对于大的安装,当可 利用更高的电流时,几个串103可并联连接以形成整个系统10。太阳能电池板101可安装于 室外,且它们的引线可连接到最大功率点跟踪(MPPT)模块107,且然后可连接到逆变器104。 可将MPPT 107实现为逆变器104的一部分。

[0085]从DC电源采集的功率可传递到逆变器104,其将波动的直流电流(DC)转换成具有 在逆变器输出端的所期望的电压和频率的交流电流(AC),其可以是,例如在60Hz为110V或 220V,或在50Hz为22〇V。在一些实例中,产生220V的逆变器可接着在电箱中被分成两个110V 的馈电。来自逆变器104的AC电流然后可用于操作家用电器或馈送到电网。可替换地,如果 装置不绑定到电网,则从逆变器104提取的功率可被引导到转换和充电/放电电路以将产生 的多余的功率存储为蓄电池中的电荷。在绑定电池的应用的情况下,逆转阶段可能会完全 跳过,并且MPPT阶段107的DC输出可馈送到充电/放电电路中。

[0086] 如上所述,每个太阳能电池板101提供相对非常低的电压和电流。太阳能阵列设计 者面对的挑战可能是由太阳能电池板的低电压的组合产生达120V或220V均方根(RMS)的标 准AC电流。来自低电压的高功率的传递可利用非常高的电流,这可能会导致近似电流的二 次方(1~2)的巨大的传导损耗。此外,功率逆变器,诸如逆变器104,其可用于将DC电流转换 为AC电流,当其输入电压可比其输出RMS电压乘以2的平方根略高时,可能是最有效的。因 此,在许多应用中,电源,诸如太阳能电池板101,可被组合以便达到正确的电压或电流。一 种常见的方法可以是串,连接电源以便达到所希望的电压,以及并联连接电源以便达到所 希望的电流,如图1中所示。大量的电池板101可被连接成串103,且串103可并联连接到电源 逆变器104。电池板101可串联连接以便达到用于逆变器的最小电压。多个串1〇3可并联连接 为阵列以提供更高的电流,以便实现更高的功率输出。

[0087]尽管此配置在成本和结构简单方面可能是有利的,对于这样的结构己确定若干缺 点。一个缺点可能是,如下面所解释的,由来自每个单独电池板的非最佳功率汲取引起的低 效率。DC电源的输出可受许多条件的影响。因此,为了最大化来自每个源的功率汲取,人们 可能需要汲取电压和电流的组合,其提供电源当前流行条件的峰值功率。随着条件的变化, 电压和电流汲取的组合也可能需要改变。

[0088]图2示出了DC电源的一个串联串的实例,例如太阳能电池板101a-101d,以及与逆 变器104集成的MPPT电路107。电流相对于电压(IV)的特性被绘图(21〇a-210d)在每个DC电 源101的左侧。对于每个DC电源101,电流随着输出电压升高而下降。在一些电压值下,电流 变为零,且在一些应用中可假定为负值,这意味着源变成了换能器。旁路二极管可用于防止 源变成换能器。每个源101的功率输出,其可等于电流和电压的乘积(P = I*V),根据源两端 的电压而变化。在某一电流和电压下,接近电流的哀落点(falling off point),功率达到 其最大值。在该最大功率点下运行发电电源(例如,光伏电池板、电池等)可以是可取的。 MPPT的目的可以是找到该点,且在这一点上运行该系统,以从源汲取最大功率。

[0089]典型地,常规的太阳能电池板阵列、不同的算法和技术可用于使用MppT模块丨07优 化系统10的集成的功率输出。MPPT模块107可接收从所有的太阳能电池板一起提取的电流, 且可跟踪该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被提取,则来自 电池板的平均电压开始下降,因此降低了采集的功率。MPPT模块107保持产生自整个系统10 的最大平均功率的电流。然而,由于源10 la-101 d可串联连接到单一的MPPT 107,MPPT可选 择单个功率点,其将是每个连续连接的源的最大功率点(MPP)的平均值的一部分。在实践 中,非常可能的是,MPPT将在I-V点运行,该点可能对于只有几个源或没有源是最佳的。在图 2的实例中,由于源串联连接,每个源以相同的电流运行,但对于每个源的最大功率点(由曲 线210a-210d上的点标示)可以是以不同的电流。因此,通过MPPT 107的选择的电流运行点 可以是源l〇lb的最大功率点,但也可偏离源l〇la、101c和101d的最大功率点。因此,该装置 可不以最佳实现效率运行。

[0090]再回到图1的系统10的实例,固定来自串103的预定恒定输出电压可能会造成太阳 能电池板101提供低于其它可能的输出功率。此外,每个串103承载沿串103穿过所有太阳能 电池板101的单一电流。如果由于制造差异、老化,太阳能电池板101不匹配,或者如果它们 在不同的遮蔽条件下发生故障或进行放置,那么每个电池板的电流、电压和功率输出可以 是不同的。迫使单一的电流通过所有串103的电池板101可导致单个电池板1〇1在非最佳功 率点工作,且由于高电流通过电池板101,其可能是高度不匹配,也可引起它们产生“热点”。 由于MPPT的常规的集中方法的这些和其它缺点,电池板101可能被不正确地匹配。在某些情 况下,外部二极管可用来绕过高度不匹配的电池板101。在常规的多串配置中,所有串103可 由完全相同数量的太阳能电池板组成,且电池板101可选择相同模式并可安装在完全相同 的方向,在任何时候都暴露于相同的阳光条件下。根据这些约束的安装可能是非常昂贵的。 在根据常规的配置10的太阳能阵列的安装过程中,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,以验证太阳能阵列的安装的正确性和性能。 然而,在实践中,单个电池板和串可能完全不进行测试或只在连接之前进行测试。可通过串 联连接到太阳能阵列(诸如用阵列中的串联电阻器)执行电流测量,其通常是不方便的。相 反,通常只执行整个安装的高级别合格/不合格测试。

[0091] 在安装的初始测试之后,太阳能阵列可连接到逆变器104,其可包括监测整个阵列 性能的监测模块。由逆变器104内监测所收集的性能信息可包括集成的阵列功率输出和功 率生产速率,但信息缺乏关于单个太阳能电池板101活动的任何精确细节。因此,在逆变器 104通过监测提供的性能信息可能不足以理解功率损耗是否可能是由于环境条件、来自故 障或来自太阳能阵列的不良安装或维护。此外,集成的信息不可能详细查明哪一个太阳能 电池板101负责被检测的功率损耗。

[0092]图3根据实施方案示出了分布式功率采集配置30。配置30使多个电源的连接形成 单一电源成为可能,多个电源例如,太阳能电池板101a-101d。一个方面,所有的太阳能电池 板的串联串可耦合到逆变器304。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可被其它元件(诸如,例如,用于对电池组充电的充电调节器)来代 替。

[0093]在配置3〇中,每个太阳能电池板l〇la-l〇ld可连接到单独的功率转换器电路305a-3〇5d。一个太阳能电池板1〇1与其连接的功率转换器电路一起形成模块,例如,光伏模块302 (只有其中一个被标记)。每个转换器305a-3〇5d最佳适应于连接的太阳能电池板l〇la-l〇ld 的功率特性,且将来自转换器输入端的功率有效传送到转换器输出端。转换器3〇5a_3〇5d可 以是降压转换器、升压转换器、降压/升压转换器、反激或正激转换器等。转换器3〇5a_305d 也可包含多个组分转换器,例如降压和升压转换器的串联连接。

[0094] 每个转换器3〇5a_3〇5d可包括控制电路311,其接收反馈信号,该反馈信号不是来 自转换器的输出电流或电压,而是来自太阳能电池板1 〇 1的转换器的输入端。输入传感器测 量输入参数、输入功率、输入电流和/或输入电压,且设定输入功率。这样的控制电路的实例 可以是最大功率点跟踪(MPPT)电路。转换器的MPPT电路将来自每个太阳能电池板l〇la-l〇ld的输入电压和电流锁定到其最佳功率点。在转换器305a-305d中,根据各方面,转换器 3〇5内的控制器监测在转换器输入纟而子处的电压和电流,并以这样的方式确定转换器的脉 宽调制(PWM),其中该方式使可从附接的电池板l〇la-l〇ld提取最大功率。转换器305的控制 器动态地跟踪在转换器输入端处的最大功率点。在各方面中,控制电路3丨丨的输入功率的反 馈回路可以是封闭的,以便跟踪最大输入功率,而不是如通过常规的沉到沉电压转换器(例 如,MPPT107)所执行的封闭输出电压的反馈回路。由于在每个转换器3〇5a-305d中存在单独 的控制电路311,且因此对于每个太阳能电池板l〇la-l〇ld,系统30中的每个串303可具有不 同数量或不同品牌的串联连接的电池板1 〇 1 a-1 〇 1 d。图3中的控制电路311连续地最大化每 个太阳能电池板101a-101d的输入端上功率以应对温度、太阳照射、遮蔽或其它影响该特定 的太阳能电池板101a-101d的性能因素的变化。因此,在转换器305a-305d内的控制电路311 从每个电池板l〇la-101d采集最大可能的功率,且传送这个功率作为输入功率而不管影响 其它太阳能电池板的参数。

[0095] 同样地,在图3中所示的实施方案连续地跟踪并保持到每个转换器305的输入电流 和输入电压在连接的DC电源的最大功率点。可输入到转换器305的DC电源的最大功率也可 以是来自转换器3〇5的输出。转换器输出功率可以是达不同于转换器的输入电流和电压的 电流和电压。当给定由于功率转换效率低的少量功率损耗保持总功率时,来自转换器305的 输出电流和输出电压可响应于电路的串联连接部分的要求。

[00%]在一个实施方案中,转换器305a-305d的输出可串联连接成单一的DC输出,其形成 到负载(在本实例中为逆变器304)的输入。逆变器304将转换器的串联连接的DC输出转换为 AC电源。在这种情况下为逆变器304的负载,可使用控制电路320调节在负载输入端的电压。 在这个实例中,这可能是独立的控制回路320,其可将输入电压保持在预定的设定值,例如 400伏。因此,逆变器3〇4的输入电流可由可用功率来决定,且这可以是流经所有串联连接的 DC电源的电流。当由逆变器304的输入端处的电流和/或电压调节来约束DC-DC转换器305的 输出时,输入到功率转换器电路305的电流和电压可使用控制电路311独立控制。各方面提 供了用于将来自多个DC电源101的电源组合成分布式电源的系统和方法。根据这些方面,每 个DC电源101 (例如光伏电池板101)可与DC-DC功率转换器305相关联。通过耦合DC电源101 到其相关联的转换器3〇5形成的模块,可串联耦合以提供模块的串。然后,模块的串可耦合 到具有其固定的输入电压的逆变器304。在每个转换器305中的最大功率点控制电路311从 每个DC电源101采集最大功率且传送这个功率作为来自功率转换器305的输出。对于每个转 换器305,输入功率可转换成输出功率,使得转换效率可为95%或在某些情况下高于95%。 [0097]此外,控制可通过将转换器的输入电流或输入电压固定到最大功率点并允许转换 器的输出电压改变来执行。对每个电源101,一个或多个传感器可监测到相关联的转换器 305的输入功率电平。在一些实施方案中,微控制器可执行最大功率点跟踪,且在每个转换 器305中通过使用脉宽调制控制,以调整用于将功率从输入端传送到输出端的占空比。一方 面可通过监测、记录和/或交换每个太阳能电池板的性能,提供更大程度的容错、维护和可 用性。在各种实施方案中,可用于最大功率点跟踪的微控制器也可用于执行监测、记录和交 换功能。这些功能允许快速和容易地在安装过程中检修故障,从而显著减少安装时间。这些 功能也可有利于在维护工作中问题的快速检测。各方面允许容易地定位、维修或更换失效 的太阳能电池板。当维修或更换可能不是可行的时,旁路特点提供增强的可靠性。在一个方 面,提供了太阳能电池的阵列,其中可结合来自电池的功率。每个转换器305可附接到单个 太阳能电池,或多个串联、并联或两者共同(例如串联连接的电池的串的并联连接)连接的 电池。

[0098]在一个实施方案中,每个转换器3〇5可附接到光伏串的一个或多个电池板。然而, 当适用于太阳能发电技术的背景时,各方面可用在任何使用DC电源的分布式电源网络中。 例如,它们可用在带多个电池的蓄电池或带多个燃料电池在其上的混合动力交通工具中。 DC电源可以是太阳能电池、太阳能电池板、电燃料电池、电蓄电池等等。此外,尽管下面的讨 论涉及将来自DC电源阵列的功率结合为AC电压源,但各方面也可适用于将来自DC电源的功 率结合成另一 DC电压。

[0099]在这些DCSDC电压转换器中,在转换器内的控制器可监测在输入端处的电流或电 压,和输出的电压。如果输出电压下降,控制器还可通过增加占空比来确定适当的脉宽调制 (PWM)占空比以将输出电压固定在预定值。因此,常规的转换器可包括反馈回路,其在输出 电压上闭合,且使用输出电压以进一步调整和微调来自转换器的输出电压。作为改变输出 电压的结果,从输入中提取的电流也可被改变。

[0100]图4A和4B根据实施方案示出了图3的系统在不同条件下的运行。示例性配置4呵 类似于图3的配置30。在示出的实例中,1〇个DC电源101/1至1〇1/1〇可分别连接到1〇个功率 转换器305/1至305/10。由DC电源101和其连接的转换器305形成的各模块可串联耦合在一 起以形成串303。在一个实施方案中,串联连接的转换器3〇5可耦合到〇(:至^:逆变器4〇4。 [0101] DC电源可以是太阳能电池板1〇1,且可针对太阳能电池板讨论该实例作为一个说 明性的案例。由于制造公差、遮蔽或其它因素,每个太阳能电池板i〇i可具有不同的功率输 出。对于本实例的目的,理想的案例可在图从中被示出,其中1)(:至1^转换的效率可假定为 100%且电池板101可被假定是相同的。在一些方面中,转换器的效率可能会相当高,且范围 在约95%-99%。所以,对于说明的目的,效率100%的假设可能不是不合理的。此外,根据实 施方案,每个DC-DC转换器305可构造为功率转换器,g卩,其给其输出端传送在其输入端以非 常低的损失接收的总功率。每个太阳能电池板101的功率输出可通过相应的功率转换器305 内的控制回路311来保持在电池板的最大功率点。在图4A中所示的实例,所有的电池板i 〇 1 可暴露于充足的阳光照射,且每个太阳能电池板1 〇 1提供2〇〇W的功率。因此,MPPT回路可汲 取电流和电压电平,其将传送来自电池板的全部200W至其相关联的转换器305。即,由MPPT 决定的电流和电压形成到转换器的输入电流I输入和输入电压V输入。输出电压可由设定在 逆变器404处的恒定电压来决定,如将在下面解释的。然后,输出电流〗输出将为总功率(gp 200W)除以输出电压V输出。

[0102]返回参照常规的系统10、图1和2,到负载104的输入电压根据可用功率变化。例如, 当大量的阳光可在太阳能装置中是可用的时,到逆变器104的电压输入可变化,甚至高达 1000伏。因此,当阳光照射变化时,电压随之变化,且在逆变器104(或其它功率供应器或负 载)中的电子组件可暴露于变化的电压。这倾向于降低组件的性能,且可最终导致它们失 效。另一方面,通过将电压或电流固定或限制在负载或功率供应器(例如,逆变器304)的输 入端,电子组件可总是暴露到相同的电压或电流,且可能延长了使用寿命。例如,可选择负 载的组件(例如,电容器、开关和逆变器的线圈),使得在固定的输入电压或电流下它们运行 在,假设,其额定值的60%。这可提高可靠性且延长组件使用寿命,其对于避免应用中(诸如 太阳能发电系统)的供电损失可能是关键的。

[0103] 如上所述,根据实施方案,可由逆变器404通过控制回路420 (类似于上面的逆变器 304的控制回路320)控制到逆变器404的输入电压(在这个实例中,保持恒定)。对于这个实 例的目的,假设输入电压可保持为400V (对于逆转至220VAC的理想值)。因为假定可存在1〇 个串联连接的功率转换器,每个提供200W,故到逆变器404的输入电流是2000W/400V = 5A。 因此,流过转换器101/1-101/10中的每个的电流可以是5A。这意味着,在此理想的实例中, 每个转换器101提供2〇〇W/5A=40V的输出电压。现在,假设用于每个电池板1〇1(假设完美匹 配的电池板)的MPPT规定了每个电池板的最大功率点电压为Vmpp = 32V。这意味着,到逆变 器404的输入电压将为32V,且输入电流将为200W/32V = 6.25A。

[0104]我们现在转向另一实例,其中系统40可仍然保持在理想模式(g卩,完美匹配DC电源 且全部功率可传送到逆变器404),但对于不同的电池板环境条件可能有所不同。例如,一个 DC电源可能过热,可能出现故障,或如在图4B的实例中,第九太阳能电池板101/9可能会被 遮蔽,且从而产生仅40W的功率。由于保持了如在图4A的实例中的所有的其它条件,故其它9 个太阳能电池板101可以是未遮蔽的,且仍然产生200W功率。功率转换器305/9包括MPPT以 将太阳能电池板101/9保持运行在最大功率点,其现在由于遮蔽可能被降低。

[0105] 来自串的可用的总功率现在可能是9 X 200W+40W= 1840W。由于到逆变器404的输 入仍可维持在400V,到逆变器404的输入电流现在将是1840W/40V = 4.6A。这意味着串中的 所有功率转换器3〇5/1-305/10的输出可能是在4.6A。因此,对于9个未遮蔽的电池板,转换 器将输出2〇〇W/4 • 6A=43 • 5V。另一方面,附接到被遮蔽的电池板101/9的转换器305/9将输 出40W/4 • 6A二8 • 7V。检查数学运算,到逆变器404的输入可通过增加9个提供43.5V的转换器 和一个提供8 • 7V的转换器获得,即,(9 X 43 • 5V) +8.7V = 400V。

[0106] 九个未遮蔽电池板的输出将仍然由如图4A中的MPPT控制,从而保持在32V和 6.25A。另一方面,由于第九电池板101/9被遮蔽,假定其MPP电压下降到28V。因此,第九电池 板的输出电流为40W/28V= 1 • 43A。如通过这个实例可看出,所有的电池板可在它们的最大 功率点运行,而不管运行条件。如图通过图4B的实例所示,即使一个DC电源的输出急剧下 降,系统40仍通过将电压输入固定到逆变器并独立控制到转换器的输入来保持相对高的功 率输出,以便在MPP从每个DC电源汲取功率。

[0107]如可理解的,在图4A和4B中所示的拓扑的优点可以是多方面的。例如,串联连接的 DC电源(诸如太阳能电池板)的输出特性不需要匹配。因此,串联串可利用来自不同的制造 商的电池板或安装在屋顶的不同部位(S卩,在不同的空间方向)上的电池板。此外,如果几个 串并联连接,那么串匹配可不是必要的;而每个串可具有不同的电池板或不同数目的电池 板。这种拓扑结构也可能通过减轻热点问题来提高可靠性。如图4B中所示的,被遮蔽的电池 板101/9的输出是1.43A,而在未遮蔽的电池板的输出端处的电流是6.25A。当组件被串联连 接时,这种电流上的差异可引发大电流被迫通过被遮蔽的电池板,其可导致该组件过热和 故障。然而,鉴于所示的拓扑的示范性方面,输入电压可独立地设置,且可根据电池板的MPP 在每个时间点上独立设置从每个电池板到其转换器的功率汲取,在每个电池板的电流可独 立于来自串联连接的转换器的电流汲取。

[0108]可容易地意识到,由于对于每个电池板可独立地优化功率,电池板可安装在光伏 建筑一体化(BIPV)装置中的不同的面和方向。因此,可解决在建筑一体化安装中的低功率 利用问题,且现在更多的装置可以是有利可图的。所描述的系统还可容易地解决在低光照 条件下的能量采集问题。即使是少量的光可足以使转换器305运行,且然后它们开始将功率 传送到逆变器。如果少量的功率可用,则可能存在低电流流动,但对于逆变器,电压将高到 足以运行,且可确实采集功率。根据实施方案,逆变器404可包括控制回路420,以保持在逆 变器404的输入端的最佳电压。在图4B的实例中,到逆变器404的输入电压可通过控制回路 42〇保持在400V。转换器305可从太阳能电池板传送基本上所有(例如,>95%)的可用功率到 逆变器404的输入端。因此,到逆变器404的输入电流可仅依赖于由太阳能电池板提供的功 率,及逆变器输入端的经调节的设定(即恒定的)电压。

[0109] 在图1和图2中所示的常规逆变器104可具有很宽的输入电压以适应变化的条件, 例如,亮度、温度和太阳能阵列老化的变化。这可与逆变器404形成对照,其可根据各方面进 行设计。逆变器404不利用较宽的输入电压,且因此设计可更简单且更可靠。除其它因素,由 于在到逆变器的输入端处可不存在电压尖峰且因此逆变器的组件经历更低的电应力且可 能持续更长时间的事实,可实现这个更高的可靠性。当逆变器404可以是电路的一部分时, 来自电池板的功率可被传送到可连接到逆变器的负载。为了使逆变器404能工作在其最佳 的输入电压下,可耗散由太阳能阵列产生的且不被负载使用的任何多余功率。可通过向公 用事业公司出售多余的功率(如果这样的选项是可用的)来处理多余的功率。对于离网的太 阳能阵列,多余的功率可存储在蓄电池中。然而另一选项可将多个相邻的房屋连接在一起 形成微网,并允许房屋之间的功率的负载平衡。如果来自太阳能阵列的多余的功率没有被 存储或出售,则可提供另一种机制以耗散多余的功率。关于图4A和4B解释的特点和优点,至 少部分地来源于使逆变器404控制在其输入端提供的电压。相反地,可实现如下设计,其中, 逆变器404控制在其输入端的电流。这样的布置可在图4C中说明。图4C示出了一个实施方 案,其中逆变器控制输入电流。每个太阳能电池板101的输出功率可由相应的功率转换器 305内的控制回路保持在该电池板的最大功率点。在图4C中所示的实例中,所有电池板可暴 露于充足的阳光照射且每个太阳能电池板101提供200W的功率。

[0110]因此,MPPT回路将汲取电流和电压电平,其将来自电池板的全部200W传送至其相 关联的转换器。即,由MPPT控制的电流和电压形成到转换器的输入电流I输入和输入电压V 输出。转换器的输出电压可由在逆变器404处设定的恒定电流来确定,如将在下面说明的。 然后,输出电压V输出将是总功率(g卩200W)除以输出电流I输出。如上所述,根据实施方案, 到逆变器404的输入电流可由逆变器通过控制回路420的方式来控制。出于这个示例的目 的,假设输入电流保持为5A。由于假设可能存在10个串联连接的功率转换器,每个提供 200W,故到逆变器404的输入电压为2000W/5A=400V。因此,流过转换器101/1-101/10中的 每一个的电流可为5A。这意味着,在此理想化实例中,每个转换器提供200W/5A=40V的输出 电压。现在,假设每个电池板(假设完美匹配的电池板)的MPPT将电池板的MPP电压控制为 Vm卯= ;32V。这意味着,5丨」逆变器的输入电压将为32V,输入电流将为200W/32V=6.25A。 因此,类似的优点已经通过使逆变器404控制电流而不是电压来实现。然而,与常 规的技术不同,电池板的输出中的变化可能不会引起流到逆变器的电流的变化,因为这可 由逆变器自身进行设置。因此,可设计逆变器404以保持电流或电压恒定,则不管电池板的 运行,到逆变器404的电流或电压将保持恒定。

[0112]图5根据其它实施方案示出了使用DC电源的分布式功率收集系统50。图5示出并联 耦合在一起的多个串3〇3。每个串3〇3可以是多个模块的串联连接,且每个模块包括可耦合 到转换器305的DC电源101 oDC电源可以是太阳能电池板。串303的并联连接的输出可再次被 并联连接到并联调压器506和负载504。负载504可以是逆变器,正如图4A和4B的实施方案。 并联调压器自动保持在其端子两端的恒定电压。并联调压器506可被配置为耗散多余的功 率,以将到逆变器504的输入端处的输入电压保持在稳定的电平上且防止逆变器输入电压 增大。流经并联调压器506的电流补充通过逆变器504汲取的电流,以便确保逆变器的输入 电压可保持在恒定的水平上,例如在400V。

[0113] 通过固定逆变器输入电压,逆变器的输入电流可根据可用的功率汲取来改变。此 电流可在串联连接的转换器的串3〇3之间被分开。当每个转换器3〇f5包括将转换器输入电压 保持在相关联的DC电源的最大功率点的控制回路311时,可确定转换器3〇5的输出功率。转 换器的功率和转换器的输出电流一起可确定转换器的输出电压。转换器中的功率转换电路 可使用转换器的输出电压,该电路用于加强或降低转换器输入电压以从由MPPT确定的输入 电压中获得转换器的输出电压。

[0114] 图6根据实施方案示出了DC至DC转换器305的说明性实例。DC至DC转换器可常规用 于下降或增加变化的或恒定的DC电压输入到更高或更低的恒定电压输出,其取决于电路的 要求。然而,在图6的实施方案中,DC-DC转换器可被用作功率转换器,即将输入功率变换为 输出功率,输入电压根据最大功率点变化,而输出电流由到逆变器304、404或504的恒定输 入电压决定。即,输入电压和电流可在任何时间发生变化,且输出电压和电流可在任何时间 变化,其取决于DC电源的运行条件。转换器305可以输入端子614和616连接到对应的DC电源 101 (或101) oDC电源101的经转换的功率可穿过输出端子610和612输出到电路。转换器电路 的其余部分可位于输入端子614和616以及输出端子610和612之间,其包括输入和输出电容 器620和640、防回流二极管622和642和包括控制器606和电感器608的功率转换电路。

[0115] 输入616和614可由电容器620分离,电容器620可充当DC电压的开路。输出610和 612也可由同样充当DC输出电压的开路的电容器640分离。这些电容器可为当面临交变的频 率电流时短路的隔DC或通AC的电容器,其可以是可选的。耦合在输出610和612之间的电容 器640也可作为下面所讨论的功率转换电路的一部分来运行。二极管642可耦合在输出610 和612之间,带有一个极性,其使得电流可不从输出612的正极引线回流到转换器305。二极 管622可耦合在正极输出引线612和负极输入引线614之间,其中正极输出引线612通过电感 器608,其作为DC电流的短路,且负极输入引线614带这样极性以防止电流从输出612回流到 太阳能电池板101。

[0116] DC电源101可以是太阳能电池板、太阳能电池、多个太阳能电池板的串或多个太阳 能电池的串。由于在电池板101的太阳能电池中所产生的电子-空穴对,电压差可存在于导 线614和616之间。转换器305可通过连续监测由电池板所提供的电流和电压从太阳能电池 板101提取在其峰值功率点的电流,并使用最大功率点跟踪算法来保持最大功率输出。控制 器606可包括MPPT电路或算法进行峰值功率跟踪。可一起执行峰值功率跟踪和脉宽调制 P丽,以获得所需的输入电压和电流。在控制器606中的MPPT可以是任何常规的MPPT,诸如, 例如,扰动和观察(P&0)、增量电导等。然而,值得注意的是,可直接在电池板上执行MPPT,即 在转换器的输入端,而不是在转换器的输出端处执行。然后,产生的功率可被传送到输出端 子610和ei2。多个转换器305的输出可被串联连接,使得一个转换器305的正极引线612可连 接到下一个转换器3〇5的负极引线610 (例如,如在图4a中所示的)。

[0117]在图6中,转换器305可被示为降压加升压转换器。如本文所用的术语“降压加升 压”可以是如图6中所示的直接在升压转换器之前的降压转换器,其也可出现在文献中称为 “级联的降压-升压转换器”。如果将降低电压,则升压部分可被短路(例如,FET开关650被静 态闭合)。如果将升高电压,则降压部分可被短路(S卩,FET开关630被静态闭合)。术语“降压 加升压”不同于降压/升压拓扑结构,其可以是当电压带被升高或降低时可被使用的典型的 拓扑结构。“降压/升压”拓扑结构的效率可固有地低于降压加升压转换器。此外,对于给定 的要求,降压/升压转换器可能需要比降压加升压转换器更大的无源组件。因此,图6的降压 加升压拓扑结构可具有比降压/升压拓扑结构更高的效率。然而,图6的电路可能不得不持 续决定其是否可降压(运行降压部分)或升压(运行升压部分)。在某些情况下,当所需的输 出电压可类似于输入电压时,则降压和升压部分两者都可运行。

[0118]控制器6〇6可包括脉宽调制器(PWM)或数字脉宽调制器(DPWM),以与降压和升压转 换器电路一起使用。控制器606同时控制降压转换器和升压转换器,且确定是否将执行降压 或升压操作。在某些情况下,降压和升压部分两者可一起运行。即,如关于图4A和4B的实施 方案说明的,可独立于输出电流和输出电压的选择来选择输入电压和输入电流。此外,输入 值或输出值的选择可在依赖DC电源的运行的任意给定时刻改变。因此,在图6的实施方案 中,转换器可被构造使得在任意给定时刻,输入电压和输入电流的选定值可根据输出要求 进行向上转换或向下转换。在一个实施方式中,可使用集成电路(1C) 604,其并入转换器305 的一些功能。1C 604可以是单个ASIC,其能够承受存在于户外的太阳能装置中的严酷温度 极限。ASIC 604可设计为25年以上的高平均故障间隔时间(MTBF)。然而,用多个集成电路的 离散的解决方案也可用类似的方式进行使用。在图6中所示的示例性实施方案中,转换器 305的降压加升压部分可实现为1C 6〇4。实际的考虑可导致系统的其它分割。例如,在一个 实施方案中,1C 604可包括两个1C,一个模拟1C,其处理系统中的高电流和电压,及一个简 单的低电压数字1C,其包括控制逻辑。模拟1C可使用功率FET来实现,FET可在离散组件、FET 驱动器、A/D等中可替换地实现。数字1C可形成控制器606。

[0119]在示出的示例性电路中,降压转换器包括输入电容器620、晶体管628和630、定位 在平行于晶体管628的二极管622和电感器㈤8。晶体管628和63〇可每个分别具有寄生体二 极管624和626。在示出的示例性电路中,升压转换器包括电感器60S (其可与降压转换器共 用)、晶体管648和650、定位在平行于晶体管65〇的二极管642、及输出电容器640。晶体管648 和650可每个分别具有寄生体二极管644和646。

[0120]图7根据实施方案示出功率转换器3〇5的另一说明性实施方案。图7根据实施方案 尤其强调DC至DC转换器305的监测和控制功能。DC电压源101也在图中示出。显示了用于转 换器305的简化的降压和升压转换器电路的部分。示出的部分包括开关晶体管728、730、748 和750和共用电感器708。每个开关晶体管可由功率转换控制器706进行控制。

[0121] 功率转换控制器706包括脉宽调制(PWM)电路733,和包括保护部分737的数字控制 机743。功率转换控制器706可耦合到微控制器了90,其包括MPPT算法719,且还可包括通信模 块709、监测和记录模块711以及保护模块735。

[0122]电流传感器703可耦合在DC电源101和转换器3〇5之间,且电流传感器703的输出可 通过相关联的模数转换器723提供给数字控制机743。电压传感器704可耦合在DC电源101和 转换器3〇5之间,且电压传感器704的输出可通过相关联的模数转换器724提供给数字控制 机743。电流传感器703和电压传感器704可被用来监测来自DC电源(例如,太阳能电池板 101)的电流和电压输出。测得的电流和电压可被提供给数字控制机743,且可用来保持转换 器的输入功率在最大功率点。

[0123] Pmi电路733控制转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 字脉宽调制(DPWM)电路。转换器3〇5的在电感器708和开关晶体管750获得的输出可通过模 数转换器741、742提供给数字控制机743,以便控制该PWM电路733。

[0124]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 7〇7可耦合到微控制器790。温度传感器779可用于测量DC电源101的温度。物理接口 717可耦 合到微控制器790,且用于将来自微控制器的数据转换成标准的通信协议和物理层。内部电 源单元739可包括在转换器305中。

[0125]在各种实施方案中,电流传感器703可通过用于测量电流的各种技术来实现。在一 个实施方案中,电流测量模块703可用非常低的值的电阻器来实现。电阻器两端的电压将正 比于流过电阻器的电流。在另一个实施方案中,电流测量模块703可使用电流探头实现,其 使用霍尔效应测量通过导体的电流而不添加串联电阻器。转换电流测量值为电压信号之 后,该数据可通过低通滤波器被传递,且然后数字化。在图7中,与电流传感器703相关联的 模数转换器可被示为A/D转换器723。通过选择用于模数转换器的适当的分辨率和采样率可 避免在所得数字数据中的混叠效应。如果当前的感测技术没有利用串联连接,则电流传感 器703可并联连接到DC电源101。

[0126] 在一个实施方案中,电压传感器704采用简单的并行电压测量技术,以便测量太阳 能电池板的电压输出。模拟电压可通过低通滤波器,以便最小化混叠。然后,数据可使用模 数转换器进行数字化。在图7中,电压传感器704相关联的模数转换器可被示为A/D转换器 724M/D转换器724具有足够的分辨率以由在DC电源101 (其可以是太阳能电池板)测量的模 拟电压来产生充分采样的数字信号。

[0127] 收集的用于跟踪在转换器输入端的最大功率点的电流和电压数据也可用于监测 目的。具有足够分辨率的模数转换器可正确评价电池板的电压和电流。然而,为评估电池板 的状态,即使低的采样率也可以是足够的。低通滤波器使得低采样率足够用于评估电池板 的状态成为可能。电流和电压数据可被提供给监测和记录模块711以用于分析。

[0128] 温度传感器779使系统能够在分析过程中使用温度数据。温度可能是一些类型的 故障和问题的指示。此外,在电源可以是太阳能电池板的情况下,电池板温度可以是功率输 出生产中的因素。

[0129] 一个或多个可选的外部传感器接口 707使连接各个外部传感器到转换器305成为 可能。外部传感器707可被用于加强太阳能电池板101或由连接太阳能电池板101形成的串 或阵列的状态分析。外部传感器707的实例包括环境温度传感器、太阳辐射传感器和来自相 邻电池板的传感器。外部传感器可集成到转换器305内,而不是外部附接的。在一个实施方 案中,从电流和电压传感器703、704和可选的温度和外部传感器707获得的信息可被发送到 中央分析站,以用于使用通信接口709进行监测、控制和分析。中央分析站未在图中示出。

[0130] 通信接口 709将微控制器790连接到通信总线。通信总线可用几种方式来实现。在 一个实施方案中,通信总线可使用现成的通信总线(诸如以太网或RS422)来实现。其它方法 也可使用,诸如无线通信或电源线通信,其可能是在连接电池板的电源线上实现的。如果使 用双向通信,则中央分析站可请求由微控制器790收集的数据。可替代地或此外,从传感器 703、704、707获得的信息可使用监测和记录模块711本地记录在本地存储器(诸如RAM 715 或 NVRAM 713)中。

[0131] 来自传感器703、704、707的信息分析使与在太阳能阵列中的功率损耗相关联的多 种类型故障的检测和定位成为可能。智能分析也可用来提出纠正措施,诸如清洁或更换太 阳能阵列的特定部分。传感器信息分析也可检测环境条件或安装错误引起的功率损耗,且 防止昂贵和困难的太阳能阵列测试。

[0132] 因此,在一个实施方案中,基于MPPT模块719中的MPPT算法,微控制器790同时保持 从附接的DC电源或太阳能电池板101到转换器305的输入功率的最大功率点,且管理收集来 自传感器703、704、707的信息的过程。收集的信息可存储在本地存储器713、715,且传送到 外部中央分析站。在一个实施方案中,微控制器790可用存储在NVRAM 713中的先前定义的 参数来运行转换器305。存储在NVRAM 713中的信息可包括关于转换器305的信息,诸如序列 号、使用的通信总线的类型、状态更新速率和中央分析站的ID。此信息可在传输之前添加到 由传感器收集的参数。

[0133]在太阳能阵列的安装过程中,转换器305可被安装或改装为现有的安装。在这两种 情况下,转换器305可连接到电池板接线连接盒或连接到连接电池板丨〇丨的电缆上。每个转 换器305可设置有连接器和布线,以便能够方便安装和连接到太阳能电池板101和电池板电 缆。

[0134]在一个实施方案中,物理接口717可被用于转换到标准通信协议和物理层,使得在 安装和维修过程中,转换器3〇5可连接到各个数据端子中的一个,诸如计算机或PDA。然后, 分析可用软件执行,其将在标准的计算机、嵌入式平台或专用设备上运行。

[0135]转换器305的安装过程可包括将每个转换器305连接到太阳能电池板101。一个或 多个传感器703、704、707可用于确保太阳能电池板1〇1和转换器305可适当地耦合在一起。 在安装期间,参数诸如序列号、物理位置和阵列连接拓扑结构,可存储在NVRAM 713中。这些 参数可被分析软件使用以检测在太阳能电池板101和阵列中的未来问题。

[0136]当DC电源101为太阳能电池板时,光伏太阳能电池板阵列的安装者所面临的问题 之一可能是安全。在可能有阳光的白天,太阳能电池板101可串联连接。因此,在安装的最后 阶段,当多个太阳能电池板101可串联连接时,电池板的串两端的电压可达到危险水平。在 室内安装中,高达6〇〇V的电压可能是常见的。由此,安装者面临触电的危险。可连接到电池 板101的转换器3〇5可使用内置的功能以防止此类危险。例如,该转换器305可包括将输出电 压限制到安全水平直到可检测到预定的最小负载的软件安全模块的电路或硬件。仅在检测 该预定负载之后,微控制器79〇加大来自转换器3〇5的输出电压。提供安全机制的另一种方 法可以是使用在转换器305和用于串或电池板阵列的相关联的逆变器之间的通信。这种通 信,其可以是例如电源线通信,在任何显著或潜在的危险的功率电平可被提供之前,可提供 信号交换。因此,在传送功率到逆变器之前,转换器305将等待来自相关阵列中的逆变器的 模拟或数字释放信号。用于DC电源101的监测、控制和分析的上述方法可在太阳能电池板、 或太阳能电池板的串或阵列、或其它电源(诸如蓄电池和燃料电池)上实施。

[0137]现在参考图8A,其通过图形示出图2中来自太阳能电池板101的、作为常规系统10 中的电流函数的功率输出(且其是到逆变器模块104的输入)的行为。功率近似线性地增加, 直到可发现最大功率点MPP的电流之处为止,其可以是所有连接的太阳能电池板101的MPP 点的一些平均值。常规MPPT模块107锁定(例如,收敛)到最大功率点上。

[0138]现在还参考图8B,其通过图形示出功率输入或功率输出相对于来自串联/并联连 接的模块3〇2或串303的输出电流(图3)。可容易地看出,由在模块33〇2中控制电路311的优 点,作为电流输出的函数的功率可以是近似恒定的。同样地,作为电压输出的函数的功率可 以是大致恒定的。理想的和有利的是具有系统,其中图3的模块302和/或串303与常规的配 备有图2的MPPT模块1〇7的逆变器104—起运行。然而,如图8B所示,MPPT107不具有锁定在其 上的最大功率峰值(相对于电流或电压),且MPPT电路107可变得不稳定,在逆变器模块104 的输入端带有变化或振荡的电流/电压。为了避免这个潜在的不稳定性,根据特点,在至少 一个时间段内,输出电压或电流的最大功率可根据各种方面输出或呈现给配备MPPT模块 10 7的常规逆变器模块104。

[0139]现在参考图8C,其示出包括分别连接到功率转换器电路3〇5a-305d的光伏电池板 lOla-lOld的光伏分布式功率采集系统80的简化框图。太阳能电池板101与其相关联的功率 转换器电路305—起形成光伏模块302。每个转换器305a-305d适应所连接的太阳能电池板 101a-101d的功率特性,且有效将来自转换器输入端的功率传送到转换器的输出端。每个转 换器305a-305d包括控制电路311,其接收来自太阳能电池板1〇1的输入的反馈信号。控制电 路311可以是最大功率点跟踪(MPPT)控制回路。在转换器305中的MPPT回路将来自每个太阳 能电池板101a-101d的输入电压和电流锁定到其最佳功率点(g卩,收敛在最大功率点上)。

[0140] 系统8〇包括串303的输出和带集成的MPPT模块107的常规逆变器104的输入之间的 串联和/或并联连接。带集成MPPT模块107的逆变器104被设计成直接连接到如图1的常规系 统10中的常规太阳能电池板101的串联/并联连接的输出。

[0141] 返回参照图7,在转换器305中的微控制器790的MPPT算法719可在各种实施方案中 将达预定的输出电压或电流或转换率的少量最大输入功率提供到MPPT 107。到MPPT 107中 的输入功率可以输出电压或电流的预定值进行最大化。在一个实施方案中,如在图8D中所 示的,在预定的最大功率点处的最大值可以存在非常少量的总变化,其是在逆变器丨〇4的电 流或电压的整个输入范围上的仅百分之几到百分之几的总变化。在其它实施方案中,设置 在电池板101或串303和逆变器104之间的电路81,可用于呈现到具锁定(例如,收敛)到其上 的最大功率点的MPPT模块107。

[0142]现在参考图池,其示出根据实施方案用于在配置80 (图8C)中的MPPT模块107的输 入端产生最大功率点的电路81的实施方案。电路81可以是介入在并联连接的串303和MPPT 模块107之间的功率衰减器。电路81可包括非线性电流换能器“f”,其配置为在特定的电压 或电压范围下从连接串303至MPPT模块107的DC电源线汲取少量的电流。电流换能器“f”的 输出可馈送到运算放大器A1的正极输入端。运算放大器A1的输出馈送至晶体管T1的基极, 其发射极可被连接并反馈回到运算放大器A1的负极输入端。晶体管T1的集电极连接到正DC 电源线。负DC电源线可经过分流电阻器RS连接到晶体管T1的发射极。

[0143]现在参考图8F,其示出了用于操作模块302和/或串303与配备有MPPT模块107的逆 变器104的简化的方法。还再次参考图6和图7。在输出端子610和612两端感测(步骤801)功 率转换器305的输出电压。针对预定的输出电压点或电压范围或预定的输出电流点或电流 范围,控制电路311可配置为将在输入端子614/616接收输入功率设置(步骤803)为最大功 率。预定值可存储在存储器713和/或715中,或可通过通信接口709进行接收。远离预定输出 电压或预定输出电流,控制电路可配置为将在输入端子接收的输入功率设置(步骤803)为 小于最大可用功率(即,响应于在输出电流和预定电流增加之间的差值降低输入功率,并响 应于在输出电流和预定电流减小之间的差值朝着最大可用功率增加输入功率)。在某些变 化中,可选择预定输出电流值,使得模块302或串303的输出功率如图8D所示。相对于输出功 率的预定输出电压值可用类似的方式选择。虽然图8D示出了一种可能的实施方案,其它实 施方案可呈现MPPT模块107,其具有其它输出功率相对于电流(或电压)的曲线,该曲线具有 MPPT107可跟踪和锁定(例如,收敛)的一个或多个局部最大值。以这种方式,最大功率点跟 踪电路1〇7 (如果存在)可稳定地跟踪(步骤805)电压和/或电流点或范围。当达到最大值(判 定框807),MPPT跟踪电路107锁定(步骤809)到功率点(例如,在图8D中的“预定点”)。

[0144] 现在参考图9,其用简化框图不出光伏分布式功率米集系统90,该系统90包括分别 连接到功率转换器电路905a-905d的光伏电池板101a-101d。一个太阳能电池板1〇1连同其 相关联的连接的功率转换器电路9〇5—起形成光伏模块9〇2。每个转换器905a-9〇5d适应连 接的太阳能电池板9〇5a_9〇5d的功率特性,并将功率从转换器输入端有效传送到转换器输 出端。每个转换器905a-9〇5d包括控制电路900,其从输入传感器904接收反馈信号。具体地, 输入电流传感器和/或电压传感器904用于向控制电路9〇〇提供反馈。控制电路900还可接收 来自输出电流和/或输出电压传感器906的信号。

[0145]带集成MPPT模块1〇7的逆变器1〇4被设计成直接连接到如图丨的常规系统1〇中的常 规太阳能电池板101的串联/并联连接的输出。

[0146]虽然光伏模块902可设计成与逆变器304集成,但每个电池板模块902也可与在转 换器905输出端和模块9〇2(未示出)的串联连接的输出端之间的相应的常规逆变器(类似于 转换器104)集成,其可以是有利的。系统90包括输入到具有集成的MPPT模块107的常规的逆 变器104的串9〇3的输出之间的串联和/或并联连接。

[0147]现在用于图8G,其示出了另一种方法821,其用于操作模块902和/或串903与配备 有MPPT模块1〇7的逆变器104。在步骤823中,扫描是通过控制电路900实现的,该电路使在功 率转换器电路9〇5的输入电压和输出电压(V输出)之间的电压转换率发生变化。在变化过程 中,针对变化过程中由控制电路900设定的不同的电压转换率,多个测量值可由转换器905 的输入和/或输出功率(例如,通过测量输入和输出电流和电压)得到(步骤825)。然后,针对 每个不同的电压转换率得到的功率测量值可用于确定(步骤827)连接的光伏源的最大功率 点。根据所连接的光伏源的最大功率点的确定,最大点的电压转换率可用于设置(步骤829) 转换器9〇5的持续运行的转换率。在步骤8¾应用电压转换率的另一种变化之前,转换器905 的持续运行持续一段时间(步骤831)。

[0148]根据各个方面,现在参考图9a和%的流程图。功率转换器905可通过改变(步骤 811)来自功率转换器9〇5的输出电压控制输出电压。到功率转换器905的输入电压可被保持 在最大功率点。可改变或扰动定义为输入电压与输出电压比率的转换率,以慢慢地接近(步 骤811)在输出端子上的最大功率。如本文所用的术语“慢慢地,,是相对于与负载1〇4相关联 的MPPT电路107的响应时间。可选择转换率或输出电压。

[0149]通过调整功率转换器的转换率,可调整转换器的效率,从而增加或减少所接收的 输入功率的输出功率。因此,在一个实例中,当最大功率点保持在功率转换器的输入时,可 调整输出以增加输出功率从而向MPTT 1〇7提供最大功率点跟踪(例如,图8D中预定的点)。 [0150]由于来自功率转换器9〇5的输出功率慢慢接近最大功率,MPPT电路107相应地响应 达最大输出功率的输出电压并锁定到该输出电压。现在参考图9B,其间与负载104相关联的 MPPT电路1 〇7跟踪来自光伏模块9〇2的输出功率的缓慢变化。图9(3中,示出曲线图,其表示来 自光伏模块9〇2的输出功率的缓慢变化,其通常在许多秒上变化(DT)。

[0151]根据各种实施方案,图%和%的过程可结合其它先前描述的实施方案来执行以移 动呈现给MPPT电路107的输入端的最大功率点。例如,在图8D中示出的最大值点或(其它最 大值点)可位移到不同的电流和/或电压,使得在系统30/40/50/80/90的变化的功率生产和 转换条件下(例如光、温度、故障等)维持最大功率。适应系统(例如,移动峰)的比率比 MPPT 107的跟踪比率慢,使得MPPT保持将逆变器1 〇4的输入端的电流/电压/功率锁定(例如, 收敛)在其功率峰值(例如,图8D中的“最大点”)内。

[0152]现在参考图10A和10B,其共同示出了另一过程,该过程允许系统3〇/9〇与配备有 MPPT电路107的逆变器104集成。图10A中,MPPT电路107扰动(步骤191)串303两端的电压或 电流。控制电路900感测(步骤195) MPPT电路107的电压或电流扰动。经由传感器906在步骤 197,控制电路9〇〇慢慢地以转换器9〇5的特定电压转换率最大化输出功率。可最大化来自光 伏电池板101的输入功率。在判定框817中,达到了最大输出功率,且在步骤i93,MPPT 107锁 定到最大输出功率。

[0153]冠词“一个(a)”、“一个(an)”,如下文所用的旨在表示并等价于“一个或多个,,或 “至少一个”,例如,“一个直流(DC)电源”是指“一个或多个直流(DC)电源”。

[0154]本公开的各方面依照其的示意性实施方案进行了描述。当如本文描述的体现本公 开的各个方面的说明性的系统和方法被示出,本领域的技术人员应理解,本公开并不限于 这些实施方案。可由本领域的技术人员具体根据前述教导做出修改。例如,上述说明性实例 的每个特征,可单独的或以其它实例的元素组合或子组合方式进行使用。例如,任何以上描 述的系统和方法或其部件可与上文描述的其它方法和系统或其部件组合。例如,本领域的 技术人员应理解,在示例性附图中示出的步骤可用除了列举的顺序以外的顺序来执行,且 根据本公开的各方面,示出的一个或多个步骤可以是可选的。还将理解和明白的是,不脱离 本公开的真实精神和范围可进行修改。因此,本描述要视为对本公开是说明性的而不是限 制性的。

Claims (17)

1. 一种用于功率控制的装置,包括: 功率转换器,所述功率转换器具有输入端子和输出端子,且操作以将在所述输入端子 处从直流电源接收的输入功率转换为在所述输出端子处的输出功率;以及 控制电路,所述控制电路耦合到所述输出端子,且配置为基于输出功率相对于电流或 电压的曲线通过以下项来控制所述输出功率: 将所述输出功率设置为可测量地小于所述输出端子上的最大功率点;且 朝向所述最大功率点增加所述输出功率,以在外部最大功率点跟踪电路处提供最大功 率, 其中,所述输出功率相对于电流或电压的曲线包括相对于所述输出功率的预定输出电 流值或预定输出电压值并且包括局部最大值,以使所述外部最大功率点跟踪电路能够跟踪 所述输出功率。
2. 根据权利要求1所述的装置,其中所述控制电路的控制频率设置为小于通过所述外 部最大功率点跟踪电路跟踪所述输出功率的控制频率。
3. 根据权利要求1所述的装置,还包括输出传感器,所述输出传感器耦合到所述输出端 子,并且所述输出传感器配置为感测包括输出电流、输出电压或所述输出功率的输出参数。
4. 一种用于功率控制的装置,包括: 功率转换器,所述功率转换器具有输入端子和输出端子,且操作以将在所述输入端子 处从直流电源接收的输入功率转换为在所述输出端子处的输出功率; 输入传感器,所述输入传感器耦合到所述输入端子且配置为感测包括输入电流、输入 电压或所述输入功率的输入参数;以及 控制电路,所述控制电路耦合到所述输入端子,且配置为基于所述输入参数,最大化所 述输入功率为在所述输入端子处的大约最大功率点,其中,所述控制电路还被配置为通过 以下项来控制所述输出功率: 对于至少一段时间间隔,将所述输入功率设置为可测量地小于所述最大功率点;且 在所述时间间隔之后,朝向所述最大功率点增加所述输入功率,以在外部最大功率点 跟踪电路处提供最大功率, 其中,所述控制电路的控制频率设置为小于通过所述外部最大功率点跟踪电路跟踪所 述输出功率的控制频率,以使所述外部最大功率点跟踪电路能够跟踪所述输出功率并锁定 到在所述外部最大功率点跟踪电路处的所述最大功率上。
5. 根据权利要求4所述的装置,其中,所述输出端子耦合到串联串,并且 其中,所述串联串向所述外部最大功率点跟踪电路提供来自多个功率转换器的组合的 输出功率。
6. —种用于功率控制的方法,包括: 控制功率转换器电路,以将从直流电源接收的输入功率转换为输出功率; 改变所述功率转换器电路的输入电压和所述功率转换器的输出电压之间的电压转换 率; 在所述改变期间,测量所述输入功率或所述输出功率以提供一个或更多个功率测量 值; 基于所述一个或更多个功率测量值,确定最大功率点; 设置一段时间段期间的所述电压转换率以维持所述最大功率点;以及 在所述一段时间段后改变所述电压转换率。
7. 根据权利要求6所述的方法,其中,改变所述电压转换率是通过调整所述功率转换器 电路的效率来执行的。
8. 根据权利要求6所述的方法,还包括对于至少一段时间间隔,通过使用衰减器将所述 输出功率设置为可测量地小于所述最大功率点。
9. 根据权利要求6所述的方法,还包括在增加所述输出功率以接近所述最大功率点期 间锁定到输出电压。
10. —种用于功率控制的装置,包括: 正DC电源线和负DC电源线;以及 功率衰减器,所述功率衰减器连接到所述正DC电源线和所述负DC电源线,并配置为通 过以下方式生成最大功率点:在预定输出电压范围之外的输出电压处或在预定输出电流范 围之外的输出电流处,衰减从所述正DC电源线和所述负DC电源线输出的功率,而不衰减在 所述预定输出电压范围或所述预定输出电流范围内输出的功率。
11. 根据权利要求10所述的装置,还包括: 最大功率点跟踪电路,所述最大功率点跟踪电路操作地连接到所述功率衰减器的输出 电源线,且配置为锁定到所述最大功率点上。
12. 根据权利要求11所述的装置,还包括: 负载,所述负载被配置为接收来自所述最大功率点跟踪电路的功率。
13. —种用于功率控制的方法,包括: 将功率转换器的输入功率设置为所述功率转换器的输入端子处的最大功率; 由控制电路感测所述功率转换器的输出端子处的电压或电流扰动;以及 通过基于所感测的电压或电流扰动,将所述功率转换器的转换率朝向所选择的转换率 改变,来使所述功率转换器的输出功率朝向所述功率转换器的所述输出端子处的最大功率 增加。
14.根据权利要求13所述的方法,其中,所述功率转换器的所述转换率包括:所述功率 转换器的电压转换率或所述功率转换器的功率转换率中的一个或更多个。
15. 根据权利要求13所述的方法,其中,所选择的转换率为外部最大功率点跟踪电路提 供最大输出功率。
16. 根据权利要求15所述的方法,还包括: 通过所述外部最大功率点跟踪电路锁定到所述外部最大功率点跟踪电路的所述最大 输出功率处的预定输出电压;以及 将来自所述外部最大功率点跟踪电路的功率输出到负载。
17. 根据权利要求13所述的方法,还包括: 基于确定未感测到所述功率转换器的所述输出端子处的输出电压的实质改变,在最大 功率点跟踪电路接近最大功率点时,朝向期望的转换率改变所述功率转换器的所述转换 率。
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