CN109885123A - 用于光伏组件的最大功率点追踪系统及追踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及到用于光伏组件的最大功率点追踪系统及追踪方法。采用的D触发器的D端口接收来自第一比较器的比较结果和CP端口接收时钟信号，第一比较器用于比较出光伏组件的输出功率的变化量比上该光伏组件的输出电压的变化量的正负号，正号和负号分别输出逻辑态不同的第一和第二比较结果。迟滞比较器的输出端耦合到第一与门的输入端之一，D触发器的Q非端耦合到第一与门的另一个输入端，第一与门输出的信号用于驱动降压式变换电路。在第一和第二逻辑状态之间跳变的第一信号驱动电压转换器将对应的光伏组件的输出电压和输出电流设置在最大功率点处。

Description

用于光伏组件的最大功率点追踪系统及追踪方法

技术领域

本发明主要涉及到光伏发电领域，更确切的说，是涉及到在含有光伏电池的光伏发电系统中提出了一种对直流电源也即光伏电池执行效率优化的机制，保障光伏电池在可靠运行的前提下实现输出功率最大程度的优化。

背景技术

太阳能发电系统的低效率很大程度上是由于光伏组件的不匹配具有隐蔽性，业主或用户可能会忽略或毫不知情光伏组件的不匹配问题，导致投资回报和利润降低，并造成部分程度上的能源浪费。不匹配的机理是多方面的，主要因素是电池电压和电池电流的组合不匹配造成的，诱因有污染物遮蔽和飘过的云朵、建筑物的遮挡、表面污染、不同的安装倾角和阳光安装朝向、老化程度和环境温度等诸多因素。光伏组件的不匹配直接导致光伏组件产生不平衡的电量损失，整个发电系统无法运作在最佳的输出功率点。

在统计光伏发电系统的整体效能时，通常是先假设使用的光伏组件都具有相同的光照辐射度、温度和性能参数。然而在实际情况下，部分遮蔽效应、温度不平衡和安装倾角等外部因素的不同，都可能造成组件的电流和电压不匹配及效率低下。阴影遮挡造成的功率损失有很多形式，可能是年度当中的季节性的或是每日当中的若干小时的阴影，这种差异短期不容易被觉察到但会造成长期的功率损失。预先将功率优化方案融入到光伏发电系统的设计中，可以改善光伏电站的发电效率，延长电池使用寿命和提高投资回报率。

光伏电池输出的最大功率取决于最佳的工作电流乘以最佳的工作电压：每块电池组件都存在着唯一的最大的功率点，它与光伏组件的最大功率输出量相对应，最大功率点近似是关于电压和电流的指数关系的函数。关于最大功率追踪的现有技术方案，譬如可以参考中国专利申请201110097292.1披露的功率优化装置，该装置被用来监控和优化每块光伏电池板的电能，即使阵列中任意一块电池板出现失配问题，其他的电池仍然能输出最大功率因而补偿因失配问题而产生的发电量损失。本申请旨在提供将执行功率优化的最大功率点追踪系统集成到独立的半导体晶片上的单芯片解决方案。

发明内容

在一个非限制性的可选实施例中，本申请所披露的用于光伏组件的最大功率点追踪系统主要是包括：

D触发器，其D输入端接收来自第一比较器的比较结果和其CP输入端接收具有预定频率的时钟信号；

第一比较器，用于比较出光伏组件的输出功率的变化量比上该光伏组件的输出电压的变化量的正负号，根据正号和负号分别输出逻辑态不同的第一和第二比较结果；

迟滞比较器，预先设置迟滞比较器的上门限电压和下门限电压，迟滞比较器的输出端耦合到第一与门的输入端之一；

D触发器的Q非端耦合到第一与门的另一个输入端，第一与门输出的第一信号用于驱动一个电压转换器带有的降压式变换电路；

电压转换器的输出电压的采样值低于下门限电压时该迟滞比较器的输出端逻辑态使得第一与门的第一信号取决于D触发器的Q非端信号；

第一比较器的第一比较结果将第一信号切换成第二逻辑状态并且第一比较器的第二比较结果将第一信号切换成第一逻辑状态；

在第一和第二逻辑状态之间跳变的第一信号驱动电压转换器将对应的光伏组件的输出电压和输出电流设置在最大功率点处。

上述的用于光伏组件的最大功率点追踪系统，其中：

迟滞比较器的输出端通过反相器耦合到第二与门的输入端之一，D触发器的Q非端耦合到第二与门的另一个输入端；

第二与门输出的第二信号用于驱动电压转换器带有的升压式变换电路，电压转换器的输出电压的采样值高于上门限电压时该迟滞比较器的输出端逻辑态使得第二与门的第二信号取决于D触发器的Q非端信号；

第一比较器的第一比较结果将第二信号切换成第二逻辑状态并且第一比较器的第二比较结果将第二信号切换成第一逻辑状态；

在第一和第二逻辑状态之间跳变的第二信号驱动电压转换器将对应的光伏组件的输出电压和输出电流设置在最大功率点处。

上述的用于光伏组件的最大功率点追踪系统，其中：

通过模拟乘法器计算光伏组件被采样的输出电压和输出电流相乘的输出功率；

通过两个微分器分别计算光伏组件的输出功率和输出电压的变化量即微分值；

通过模拟除法器计算光伏组件的输出功率的变化量和输出电压的变化量的比值；

比值为正号时第一比较结果为高电平以及比值为负号时第二比较结果为低电平。

上述的用于光伏组件的最大功率点追踪系统，其中：

电压转换器包括耦合到一个光伏组件正负极的第一、第二输入端和包括提供输出电压的第一、第二输出端；以及

降压开关和第一续流单元串联在第一和第二输入端之间；

升压开关和第二续流单元串联在第一和第二输出端之间；

降压开关和第一续流单元两者相连的第一互连节点与升压开关和第二续流单元两者相连的第二互连节点之间设置有电感元件。

上述的用于光伏组件的最大功率点追踪系统，其中：

第一续流单元和第二续流单元是续流二极管；或者

第一续流单元和第二续流单元是用于续流的同步开关。

上述的用于光伏组件的最大功率点追踪系统，其中：

电压转换器的输出电压的采样值低于下门限电压时该迟滞比较器的输出端逻辑态还使得第二与门的第二信号被钳制到低电平而持续断开升压开关。

上述的用于光伏组件的最大功率点追踪系统，其中：

第二与门的第二信号还耦合到一个单稳态触发器的输入端，单稳态触发器的输出端耦合到RS触发器的置位端，迟滞比较器的输出端耦合到RS触发器的复位端；

在第二信号的上升沿触发单稳态触发器产生一个暂态触发信号，用于触发RS触发器的输出信号跳变到第一逻辑态足以驱动降压开关持续接通；

当电压转换器的输出电压的采样值低于下门限电压时该迟滞比较器的输出端逻辑态还使得RS触发器的输出信号被复位翻转到第二逻辑态。

上述的用于光伏组件的最大功率点追踪系统，其中：

第一与门的第一信号和RS触发器的输出信号均输入到一个或门，由或门的输出信号来控制降压开关的导通与否。

在一个非限制性的可选实施例中，本申请所披露的用于光伏组件的最大功率点追踪系统主要是包括：

D触发器，其D输入端接收来自第一比较器的比较结果和其CP输入端接收具有预定频率的时钟信号；

第一比较器，用于比较出光伏组件的输出功率的变化量比上该光伏组件的输出电压的变化量的正负号，根据正号和负号分别输出逻辑态不同的第一和第二比较结果；

迟滞比较器，预先设置迟滞比较器的上门限电压和下门限电压，迟滞比较器的输出端通过反相器耦合到第二与门的输入端之一，D触发器的Q非端耦合到第二与门的另一个输入端；

第二与门输出的第二信号用于驱动电压转换器带有的升压式变换电路，电压转换器的输出电压的采样值高于上门限电压时该迟滞比较器的输出端逻辑态使得第二与门的第二信号取决于D触发器的Q非端信号；

第一比较器的第一比较结果将第二信号切换成第二逻辑状态并且第一比较器的第二比较结果将第二信号切换成第一逻辑状态；

在第一和第二逻辑状态之间跳变的第二信号驱动电压转换器将对应的光伏组件的输出电压和输出电流设置在最大功率点处。

在一个非限制性的可选实施例中，本申请披露的一种最大功率点的追踪方法包括：

通过将一个D触发器的Q非端耦合到第一与门的一个输入端，从而利用第一与门输出的第一信号驱动一个电压转换器带有的降压式变换电路，还带有上门限电压和下门限电压的迟滞比较器的输出端耦合到第一与门的另一个输入端；

设置D触发器的D输入端接收来自第一比较器的比较结果和CP输入端接收具有预定频率的时钟信号；

利用一个第一比较器来比较出光伏组件的输出功率的变化量比上该光伏组件的输出电压的变化量的正负号，根据正号和负号分别输出逻辑态不同的第一和第二比较结果；

当电压转换器的输出电压的采样值低于下门限电压时该迟滞比较器的输出端逻辑态使得第一与门的第一信号取决于D触发器的Q非端信号；

第一比较器的第一比较结果将第一信号切换成第二逻辑状态并且第一比较器的第二比较结果将第一信号切换成第一逻辑状态；

通过在第一和第二逻辑状态之间跳变的第一信号，驱动电压转换器将光伏组件的输出电压和输出电流调制在最大功率点处。

上述的方法，其中：

迟滞比较器的输出端通过反相器耦合到第二与门的输入端之一，D触发器的Q非端耦合到第二与门的另一个输入端；

第二与门输出的第二信号用于驱动电压转换器带有的升压式变换电路，电压转换器的输出电压的采样值高于上门限电压时该迟滞比较器的输出端逻辑态使得第二与门的第二信号取决于D触发器的Q非端信号；

第一比较器的第一比较结果将第二信号切换成第二逻辑状态并且第一比较器的第二比较结果将第二信号切换成第一逻辑状态；

在第一和第二逻辑状态之间跳变的第二信号驱动电压转换器将对应的光伏组件的输出电压和输出电流设置在最大功率点处。

上述的方法，其中：

通过模拟乘法器计算光伏组件被采样的输出电压和输出电流相乘的输出功率；

通过两个微分器分别计算光伏组件的输出功率和输出电压的变化量即微分值；

通过模拟除法器计算光伏组件的输出功率的变化量和输出电压的变化量的比值；

比值为正号时第一比较结果为高电平以及比值为负号时第二比较结果为低电平。

上述的方法，其中：

电压转换器包括耦合到一个光伏组件正负极的第一、第二输入端和包括提供输出电压的第一、第二输出端；以及

降压开关和第一续流单元串联在第一和第二输入端之间；

升压开关和第二续流单元串联在第一和第二输出端之间；

降压开关和第一续流单元两者相连的第一互连节点与升压开关和第二续流单元两者相连的第二互连节点之间设置有电感元件。

上述的方法，其中：

第一续流单元和第二续流单元是续流二极管；或者

第一续流单元和第二续流单元是用于续流的同步开关。

上述的方法，其中：

电压转换器的输出电压的采样值低于下门限电压时该迟滞比较器的输出端逻辑态还使得第二与门的第二信号被钳制到低电平而持续断开升压开关。

上述的方法，其中：

第二与门的第二信号还耦合到一个单稳态触发器的输入端，单稳态触发器的输出端耦合到RS触发器的置位端，迟滞比较器的输出端耦合到RS触发器的复位端；

在第二信号的上升沿触发单稳态触发器产生一个暂态触发信号，用于触发RS触发器的输出信号跳变到第一逻辑态足以驱动降压开关持续接通；

当电压转换器的输出电压的采样值低于下门限电压时该迟滞比较器的输出端逻辑态还使得RS触发器的输出信号被复位翻转到第二逻辑态。

上述的方法，其中：

第一与门的第一信号和RS触发器的输出信号均输入到一个或门，由或门的输出信号来控制降压开关的导通与否。

附图说明

为使上述目的和特征及优点能够更加明显易懂，下面结合附图对具体实施方式做详细的阐释，阅读以下详细说明并参照以下附图之后，本申请的特征和优势将显而易见。

图1是最大功率点追踪系统集成在一个单芯片上控制升降压电路的范例。

图2是多级升降压电路用作功率优化器而相互间串联连接的范例示意图。

图3是光伏组件的输出功率和输出电压之间位于坐标系上的曲线示意图。

图4是利用比较器输出的比较结果产生用于驱动升降压电路的驱动信号。

图5是升降压电路中将续流二极管替换成同步开关实现相同功能的范例。

具体实施方式

下面将结合各实施例，对本发明的方案进行清楚完整的阐述，所描述的实施例仅是本发明用作叙述说明所用的实施例而非全部的实施例，基于该等实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的方案都属于本发明的保护范围。

在光伏发电领域，光伏组件或光伏电池是发电的核心部件，太阳能电池板在主流技术的方向分为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅太阳能电池等。大型的集中式光伏电站采用的电池组件的数量庞大，小型的分布式户用型小型电站采用的电池组件的数量相对较少。硅电池在该领域要求的使用年限高达二十多年的寿命，所以对电池的实时性和持久性监测是必不可少的。很多内部和外部因素都会导致光伏组件的发电效率低下，光伏组件自身之间的制造差异或安装差异或阴影遮挡或最大功率追踪适配度等因素都会引起转换效率降低。以常见的阴影遮挡为例，如果部分光伏组件被云朵或建筑物或树影或污染物等类似的遮挡情况后，这部分组件就会由电源变成负载而不再产生电能，光伏组件在发生热斑效应严重的位置局部温度可能较高，甚至超过150摄氏度，导致组件局部区域烧毁或形成暗斑、焊点融化、封装材料老化、玻璃炸裂、腐蚀等永久性破坏，给光伏组件的长期安全性和可靠性造成极大地的隐患，避免组件之间的不匹配显得尤为重要。功率优化器是直流电到直流电变换的电压变换器，也是单组件级别的电池最大功率跟踪设备。功率优化器对单组件进行最大功率优化后，汇集的总功率传输给逆变器进行直流电到交流电的转换之后，再供给本地使用或直接并网。逆变器通常可以是无最大功率追踪的纯逆变设备或配有二级最大功率追踪的逆变设备。主流的功率优化器主要分为串联型和并联型，拓扑也略有区别譬如常规的BUCK或BOOST或BUCK-BOOST或CUK电路架构。

串联型的功率优化器采用的是固定电压的设计理念。简单来说，逆变器控制板根据交流端电压决定一个稳定的直流母线的电压，汇总各串联的优化器收集的最大功率，进而可计算出母线电流，此时每个优化器输出端的电压等于它所收集的组件实际功率的功率除以母线的电流。当组件出现被遮挡的情况后，在维持直流母线电压不变的前提下，逆变器控制板重新计算母线电流(如变小)并反馈给各优化器。被遮挡的组件的功率降低，该些组件对应的功率优化器也会降压来确认输出电流达标。其他未被遮挡的组件的优化器则会适当升压来达标输出电流。如果组件被遮挡的过于严重，功率优化器就会旁路掉该遮挡严重的组件直到其恢复到可工作状态，这个调节其实是一个电压补足的过程，从而提供给逆变器的最稳定和最优化的直流端母线电压。

并联型的功率优化器同样采用的是固定电压模式。逆变器根据直流电和交流电的闭合环来确定母线电压，每个优化器把各自的输出端电压升压到指定的数值，此时输入逆变器的电流相当于每个优化器收集到的最大功率除以额定的电压后电流的总和。由于厚云层的遮挡对于组件的电压影响不大，主要影响输出的电流，并联式优化器大体不会出现频繁的电压错配调节，而且由于是并联关系，输出的电流又不会彼此影响，所以这的确可以视作并联式优化器相较于串联式的优势。同时如果个别的光伏组件被严重的遮挡而无法启动升压设备，优化器自动断开连接并发送报错信号，且重新启动直到遮挡问题移除。然而相比于串联拓扑，并联拓扑也同样存在着和微型逆变器一样的缺陷，升压跨度较大。现有技术针对光伏电池的最大功率追踪的方案有恒定电压法、电导增量法、扰动观察法等，本申请的目标则是直接将光伏组件的输出电压维持在最大功率点电压处。本申请的用于光伏组件的最大功率点追踪系统可以采用标准的CMOS工艺制造，集成在单晶片内。

参见图1，以单独的光伏组件PV结合视为功率优化器的电压转换器CH作为范例来阐释最大功率点追踪系统的架构。首先声明：电压转换器CH既可以独立的工作在降压转换模式又可以独立的工作在升压工作模式，还可以兼容的工作在升降压的工作模式。追踪系统采用的D触发器D-TG的D输入端接收来自第一比较器COM的比较结果，以及还设置所谓的D触发器D-TG的时钟脉冲端也即是CP输入端接收具有一个预定频率的时钟信号CLK，时钟产生模块CK可产生具有预定频率的时钟信号。光伏组件PV的输出功率在扰动的情况下会存在变化量，同理所谓光伏组件PV的输出电压和输出电流在扰动的情况下也会存在变化量。设某个时间片段T内光伏组件PV的输出功率是从前值P1变化到后值P2则光伏组件PV输出电压从前值V1变化到后值V2及输出电流从前值I1变化到后值I2，这种变化可能是靠近最大功率点也可能是远离最大功率点，则我们知道该光伏组件PV的输出功率的变化量等于P2减去P1，我们还知道该光伏组件PV的输出电压的变化量等于V2减去V1。第一比较器COM用于比较出光伏组件PV的输出功率的变化量比上该光伏组件PV的输出电压的变化量的正负号。如果光伏组件PV的输出功率的变化量比上该光伏组件PV的输出电压的变化量的比值被算出符号，就能判断光伏组件的实际功率相对于最大功率点在时间片段T内的走向。第一比较器COM将该比值和零电位比较并且根据比值为正号则输出第一比较结果如高电平，根据比值为负号则输出逻辑相反的第二比较结果如低电平。则第一比较器COM用于比较出光伏组件PV的输出功率P的变化量比上该光伏组件PV的输出电压V的变化量的正负号，第一比较器COM根据正号和负号分别输出逻辑态相反的第一比较结果和第二比较结果。

参见图1，光伏组件PV的输出功率P和该光伏组件PV的输出电压V需要通过撷取输出功率P和输出电压V的采样值才能被反馈出来。关于光伏组件的输出功率和输出电压的采集：电压传感器111可采集光伏组件PV的输出电压V和电流传感器112可采集光伏组件PV的输出电流I。使用的模拟乘法器MUL的作用就是撷取到光伏组件PV的输出电压V和光伏组件PV的输出电流I的信息，将电压和电流相乘得到光伏组件PV的输出功率值P信息。通过模拟乘法器MUL能计算出光伏组件PV被采样的输出电压V和输出电流I相乘得到的输出功率P。通过两个微分器DIF1和DIF2分别计算光伏组件的输出功率P和输出电压V的变化量，即分别进行微分处理，微分器DIF1收到光伏组件的输出功率值P并对其进行微分处理得到P的微分值DP，微分器DIF2收到光伏组件的输出电压值V并对其进行微分处理得到V的微分值DV。模拟除法器DIV分别收到光伏组件的输出功率和输出电压的微分值，通过模拟除法器DIV计算光伏组件的输出功率的变化量也即微分值DP和输出电压的变化量也即微分值DV的比值DP/DV，比值DP/DV如果为正号时则第一比较结果为高电平以及比值为负号时第二比较结果为低电平。

参见图1，预先设置迟滞比较器150的上门限电压和下门限电压，迟滞比较器150的输出端HYS耦合到第一与门AN1的输入端之一。迟滞比较器150的上门限电压和下门限电压是可以调节的，迟滞比较器150的上下门限电压和输入的参考电压REF以及和它的正电源电压水准及负电源电压水准相关。迟滞比较器150的参考电压REF还可以耦合取自于光伏组件PV的输出电压V的分压或者参考电压还可以是独立的带隙基准源提供的稳定电压，带隙基准是芯片的稳定电压源。D触发器D-TG的Q非端即QN耦合到前文提及的第一与门AN1的另一个输入端，注意第一与门AN1输出的第一信号主要用于驱动所述电压转换器CH带有的降压式变换电路Buck电路，观察到第一与门AN1输出的该第一信号先通过一个或门OR再作为驱动信号，而且为了增强第一信号的驱动能力还特意附加了额外的驱动模块DR1。电压转换器CH在一组输出端NO1-NO2处提供的输出电压的采样值SAM还被输送给迟滞比较器150，采样值SAM低于迟滞比较器150的下门限电压时则该迟滞比较器150的输出端逻辑态为高电平，直接使得第一与门AN1的所述第一信号取决于D触发器的Q非端即QN信号，这里的意思是指此时第一信号的高低逻辑电平和D触发器的Q非端的逻辑电平完全一致。在时域上第一比较器COM用于比较出光伏组件PV的输出功率P的变化量比上该光伏组件PV的输出电压V的变化量的正负号情况。如果DP/DV为正号则第一比较器COM的第一比较结果如高电平结果直接将该第一信号切换成第二逻辑状态如低电平，从而关断功率开关S1；如果DP/DV为负号则第一比较器COM的相对第二比较结果如低电平结果将第一信号切换成第一逻辑状态如高电平，从而导通功率开关S1。随着光伏组件的输出功率的波动，在第一和第二逻辑状态之间跳变的第一信号驱动电压转换器CH不停的调节光伏组件的输出电压，并最终将光伏组件PV的输出电压维系在最大功率点的电压处，从而通过这种方式将对应的光伏组件的输出电压V和输出电流I设在最大功率点处。电压转换器CH在自身输出端处提供的输出电压的采样值SAM可以通过电压传感器113采集。值得注意的是，电压转换器将图中的功率开关S3和二极管D4直接摒弃掉，也即意味着该二极管D4被短路而所谓的功率开关S3则被断路，电压转换器CH仅仅包含Buck电路也是可以正常运行的，仅仅依靠降压电路跟踪最大功率点，只不过缺乏升压机制。

参见图1，迟滞比较器150输出端HYS通过反相器IVE耦合到第二与门AN2的输入端之一，同时D触发器D-TG的Q非端即QN端耦合到第二与门AN2的另一个输入端从而满足第二与门AN2输出的第二信号可以被用于驱动电压转换器CH带有的升压式变换电路Boost电路。为了增强第一信号对降压电路的驱动能力前文特意附加了额外的驱动模块DR1，第一信号通过驱动模块DR1增强驱动能力后再去驱动功率开关S1。同理为了增强第二信号对升压电路的驱动能力特意附加了额外的驱动模块DR2，第二信号通过驱动模块DR2增强驱动能力后再去驱动功率开关S3。和前文相反电压转换器CH在它自身的一组输出端NO1-NO2处提供的输出电压的采样值SAM高于上门限电压时该迟滞比较器150的输出端逻辑态为低电平，迟滞比较器150的输出端HYS信号被反向为高电平后输送到第二与门AN2的一个输入端，使得第二与门AN2的第二信号取决于D触发器的Q非端信号，这里的意思是指此时第二信号的高低逻辑电平和D触发器的Q非端的逻辑电平完全一致。在时域上第一比较器COM用于比较出光伏组件PV的输出功率P的变化量比上该光伏组件PV的输出电压V的变化量的正负号情况。如果DP/DV为正号则第一比较器COM的第一比较结果如高电平结果直接将该第二信号切换成第二逻辑状态如低电平，关断功率开关S3；如果DP/DV为负号则第一比较器COM的相对第二比较结果如低电平结果将第二信号切换成第一逻辑状态如高电平，接通功率开关S3。随着光伏组件输出功率的波动，在第一和第二逻辑状态间跳变的第二信号驱动电压转换器CH不停的调节光伏组件的输出电压，并将光伏组件的输出电压维系在最大功率点的电压处，从而通过这种方式将对应的光伏组件的输出电压V和输出电流I设在最大功率点处。值得注意的是，电压转换器CH将功率开关S1和二极管D2直接摒弃掉也即二极管D2被断路而功率开关S1被短路，电压转换器CH仅仅包含Boost电路也是可以正常运行的，但只能依靠升压电路来跟踪最大功率点，只不过缺乏降压机制。

参见图1，用于光伏组件的最大功率点追踪系统和降压电路配套使用可以单独进行最大功率点跟踪，用于光伏组件的最大功率点追踪系统和升压电路配套使用也可以单独进行最大功率点跟踪。在更佳的可选实施例中，用于光伏组件的最大功率点追踪系统直接和升降压转换器一并同时使用，既满足降压功能又满足升压功能。

参见图1，电压转换器CH包括耦合到光伏组件PV正极和负极的第一输入端IN1和第二输入端IN2，和包括提供输出电压/功率的第一输出端NO1和第二输出端NO2。电压转换器CH的降压电路中的降压开关也即功率开关S1和第一续流单元即二极管D2串联连接在第一输入端IN1和第二输入端IN2之间。电压转换器CH的升压电路中的升压开关也即功率开关S3和第二续流单元也即二极管D4串联连接在第一输出端NO1和第二输出端NO2之间。因此电压转换器CH具备升压和降压的功能。注意降压电路当中的功率开关S1和二极管D2两者相连于第一互连节点NX1，升压电路中的功率开关S3和续流二极管D4两者相连于第二互连节点NX2，第一互连节点NX1和第二互连节点NX2之间设置有电感元件L。电压转换器中在两个输入端IN1-IN2之间连接有输入电容CIN以及电压转换器中在两个输出端NO1-NO2之间连接有输出电容CO。

参见图1，去掉电压转换器CH的升压电路而保留的Buck电路很容易和最大功率点追踪系统配套使用，因为无须控制Boost电路。去掉电压转换器CH的降压电路而保留的升压电路很容易和最大功率点追踪系统配套使用，因为无须控制Buck电路。同时保留降压电路和升压电路的电压转换器CH和最大功率点追踪系统配套使用则造成了较大的困惑因为降压电路和升压电路在部分时候是不允许相互干扰的，必须同步控制降压电路和升压电路保证电压转换器CH按照预期那样工作。采样值SAM低于迟滞比较器150的下门限电压则该迟滞比较器150的输出端逻辑态为高电平，迟滞比较器150的输出端的高电平信号被反相器IVE反向成低电平后输入至第二与门AN2，以至于第二与门AN2所输出的第二信号在降压电路工作时被钳制到低电平而关断功率开关S3，所以降压电路能够正常的工作而升压电路仅仅提供二极管D4的导通通路。也即电压转换器CH的输出电压的采样值低于下门限电压时该迟滞比较器150的输出端逻辑态还使得第二与门AN2的第二信号被钳制到低电平而持续断开升压开关。

参见图1，采样值SAM高于上门限电压时该迟滞比较器150的输出端HYS逻辑态为低电平，由于迟滞比较器150的输出端HYS低电平直接输送到第一与门AN1，以至于该第一与门AN1输出的第一信号在升压电路工作时被钳制到低电平而直接的主动去关断功率开关S1，会造成升压电路和光伏组件失去连接关系，这显然和调制光伏组件到最大功率点的初衷相悖。解决方案是：第二与门AN2输出的第二信号还耦合到一个单稳态触发器OS的输入端，单稳态触发器OS的输出端则耦合到RS触发器的置位端S，迟滞比较器150的输出端HYS耦合到RS触发器的复位端R。在第二信号的上升边沿会触发单稳态触发器OS产生一个暂态触发信号，单稳态触发器OS的输出信号的初始稳定状态例如低电平翻转到一个暂稳态例如高电平，该暂态略微维持一段时间又回到原来的稳态例如低电平。单稳态触发器OS用于触发RS触发器RS-TG的输出信号跳变到第一逻辑态如高电平，单稳态触发器OS的暂态触发信号将RS触发器RS-TG置位则RS触发器在它自身的Q端产生高电平输出，这个高电平输出用以驱动降压电路的功率开关S1在升压电路的工作阶段持续接通。譬如：RS触发器RS-TG的Q端信号和第一与门AN1输出的该第一信号同时先输入到或门OR然后再将或门OR的输出作为驱动信号，而且为了增强驱动能力还特意附加了额外的驱动模块DR1，或门OR的输出输给驱动模块DR1，驱动模块再将驱动能力更强的输出信号直接去驱动半导体功率开关管。注意到升压或降压两个工作模式几乎是随机性的，所以升压电路切换到降压电路必须再释放对功率开关S1的持续接通的控制动作，以备最大功率点追踪系统随时驱动功率开关S1高频切换。方案是当电压转换器CH的输出电压的采样值低于下门限电压时，该迟滞比较器150的输出端逻辑态如高电平还使得RS触发器的Q端输出信号被复位翻转到第二逻辑态如低电平。此时考虑到第一与门AN1输出的第一信号和RS触发器RS-TG的Q输出端产生的输出信号均同时输入至或门OR，由或门OR的输出信号来控制降压开关S1的导通与否，实质上降压电路启用的阶段或门OR输出的逻辑状态和第一信号相同。

参见图2，光伏组件是光伏发电系统从光能到电能转换的基础，光伏组件阵列中安装有多个电池组串，电池组串由多个串联连接的光伏组件PV1至PVN串接构成。每块光伏组件或称电池均配有执行最大功率追踪演算的电压转换器或功率优化器。在某个电池组串中譬如第一级光伏组件PV1产生的电能由第一级电压转换器CH1进行功率转换以执行功率优化，以及第二级光伏组件PV2产生的电能由第二级电压转换器CH2进行功率转换以执行功率优化，依此类推，直至第N级的光伏组件PVN所产生的电能由第N级的所谓电压转换器CHN进行功率转换以执行功率优化，N是不低于1的自然数。电压转换器或功率优化器在业界又被称作最大功率点跟踪器，通常使用特定类型的拓扑电路来搜索组件的最大功率点，允许电压转换器从光伏组件中提取尽可能大的功率。

参见图2，第一级电压转换器CH1输出电压V_O1，以及第二级电压转换器CH2输出预期电压V_O2，…依此类推，直至第N级的电压转换器CHN输出电压V_ON。任意一串光伏电池组串上总的串级电压通过计算大约为V_O1+V_O2+…V_ON＝V_BUS。不同的多组电池组串并联连接在母线LN1和LN2之间：如果定义多级电压转换器CH1-CHN构成某个支路则不同的多个支路并联连接在母线LN1和LN2之间。光伏组件阵列提供的总的电能由直流母线输送给能源/能量收集装置，能源收集装置的类型有多种选择，至少包括可将直流电逆变成交流电的逆变器INVT或包括为蓄电池充电的充电器等。实质上所谓的光伏组件仅仅是作为直流电源也即被优化对象的特定范例，电压转换器不但兼容晶硅电池还可以匹配到部分薄膜电池中，光伏组件也可以被替换成化学电池或电瓶或蓄电池等，电压转换器更广泛的意义是对不同类型的直流电源实施功率优化，如风能和燃料电池等。

参见图2，电压转换器归属于电力电子设备，主要目的是实现个体光伏组件的最大功率点跟踪的功能。降压Buck电路、升压Boost电路、升降压Buck-Boost电路和另外库克变换器CUK电路等，是适用于光伏电压转换器的主电路拓扑。电压转换器采用的主电路拓扑本质上还是属于开关电源SMPS系统的范畴，只不过经过功能改造而兼有功率优化的效能，开关电源通常是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关而控制开关元件的占空比来调整输出电压。开关电源实现的功率变换是核心，为了满足高功率密度要求而要求转换器工作在高频状态并且开关晶体管须采用开关速度高、导通和关断时间短的功率开关，譬如功率晶闸管、功率场效应晶体管和绝缘型双极型晶体管。电压转换器的主要控制方式分为脉冲宽度调制、脉冲频率调制等，常用脉宽调制。本申请的电压转换器体现出来的也是一个执行从直流电到直流电转换的降压或升压的开关电源，电压转换器对组件进行最大功率优化后，能量被传输给逆变器进行直流电到交流电的处理，供本地使用或并网。以上是功率优化器或电压转换器的背景知识。逆变器INVT通常可以是无最大功率追踪的纯逆变设备或配有二级最大功率追踪的逆变设备。

参见图2，以数量为N的多级光伏组件PV1-PVN和数量为N的串联连接的多级电压转换器CH1-CHN以及配套的逆变器INVT作为范例来阐释整个发电系统。电压转换器有耦合到光伏组件的输入端和提供输出功率的输出端。譬如第一级电压转换器CH1输入侧的第一输入端耦合到第一级光伏组件PV1的正极，第一级电压转换器CH1输入侧的第二输入端耦合到第一级光伏组件PV1的负极，输入侧接收到的电能被转换成在第一级电压转换器CH1输出侧的第一输出端和第二输出端处的输出功率。根据第一级电压转换器和第一级电压转换器的布置方式，光伏组件PV2-PVN和电压转换器CH2-CHN的对应关系已经展示在图中。要求电压转换器CH1-CHN按照如下规律串联连接：任意前一级的电压转换器的第二输出端连接到相邻后一级的电压转换器的第一输出端，从而串联的多级电压转换器提供的总的串级电压等于它们各自的输出电压的叠加值。以及在首个的第一级电压转换器CH1耦合到直流母线LN1的第一输出端和在第N级的电压转换器CHN耦合到直流母线LN2的第二输出端之间提供总的串级电压V_BUS＝V_O1+V_O2+…V_ON。功率优化器即用作效率优化的电压转换器的核心意义：电压转换器需要将与之配对某个直流电源的输出电流和输出电压设置成该直流电源的最大功率点，或者说，电压转换器需要将自身的输出电流设置成与其配对的直流电源的输出电流无直接关联性，电压转换器需要将自身的输出电压设置成与其配对的直流电源的输出电压无直接关联性。

参见图3，光伏组件的功率电压P-V_PV曲线中，在相同的环境条件下，光伏组件具有唯一的最大输出功率点P_MX。在最大功率点P_MX左侧，光伏组件的以曲线200A表示的输出功率随光伏组件的输出电压上升而呈现线性上升趋势，到达最大功率点P_MX后光伏组件的以曲线200B表示的输出功率迅速下降，下降速度远大于上升速度。我们需要将光伏组件的输出电压稳定在最大功率点P_MX对应的输出电压V_MP附近。

参见图4，D触发器D-TG的D输入端接收来自第一比较器COM的比较结果，以及还设置D触发器D-TG的CP输入端接收时钟信号CLK。在可选的实施例中我们先假设所谓的第一比较器COM在时段TIM1比较出的第一比较结果是高电平，第一比较结果会将第一信号切换成第二逻辑状态如低电平，关断功率开关S1；但是在时段TIM2所谓的第一比较器COM的第二比较结果是低电平，第二比较结果会将第一信号切换成第一逻辑状态如高电平，导通功率开关S1。这是以Buck为例，发现随着光伏组件的输出功率的波动而引起光伏组件的输出电压小于或大于V_MP的情形，在第一和第二逻辑状态之间跳变的第一信号则驱动电压转换器将对应的光伏组件的输出电压稳定在输出电压V_MP附近以满足组件的输出电压和输出电流被设置在最大功率点处。Boost亦如此，第一比较器的第一比较结果将第二信号切换成第二逻辑状态并且第一比较器的第二比较结果将第二信号切换成第一逻辑状态，在第一和第二逻辑状态之间跳变的第二信号驱动电压转换器将对应的光伏组件的输出电压稳定在输出电压V_MP附近。

参见图5，电压转换器CH包括耦合到光伏组件PV正极和负极的第一输入端IN1和第二输入端IN2，和包括提供输出电压/功率的第一输出端NO1和第二输出端NO2。电压转换器CH的降压电路中的降压开关即功率开关S1和第一续流单元即功率开关S2串联连接在第一输入端IN1和第二输入端IN2之间。电压转换器CH的升压电路中的升压开关也即功率开关S3和第二续流单元即功率开关S4串联连接在第一输出端NO1和第二输出端NO2之间。因此电压转换器CH具备升压和降压的功能。注意降压电路当中的功率开关S1和功率开关S2两者相连于第一互连节点NX1，升压电路中的功率开关S3和功率开关S4两者相连于第二互连节点NX2，第一互连节点NX1和第二互连节点NX2之间设置有电感元件L。电压转换器中在两个输入端IN1-IN2之间连接有输入电容CIN以及电压转换器中在两个输出端NO1-NO2之间连接有输出电容CO。图5和图1比主要是利用作为功率开关S1的同步开关的功率开关S2取代二极管D2，利用作为功率开关S3的同步开关的功率开关S4取代二极管D4，意思是功率开关S1和S2不允许同时接通而且最好在它们的接通时段内插入死区时间，同样的功率开关S3和S4不允许同时接通而且最好在它们的接通时段内插入死区时间。如果利用驱动模块DR1输出的驱动信号去控制功率开关S1的导通或关断，则驱动模块DR1输出的驱动信号的反向信号可以被用于去控制功率开关S2的导通或关断，这是控制Buck电路。如果利用驱动模块DR2输出的驱动信号去控制功率开关S3的导通或关断，则驱动模块DR2输出的驱动信号的反向信号可以被用于去控制功率开关S4的导通或关断，这是控制Boost电路。

参见图5，再结合图1所示，电压转换器CH包括耦合到光伏组件正负极的第一和第二输入端IN1-IN2和包括提供输出电压的第一和第二输出端NO1-NO2。电压转换器包括降压电路模块和升压电路模块，降压电路模块中降压开关也即功率开关S1和第一续流单元串联连接在第一和第二输入端IN1-IN2之间。作为对比，升压电路模块中升压开关即功率开关S3和第二续流单元串联在第一和第二输出端NO1-NO2之间，第二输入端和第二输出端可以直接耦合在一起。降压开关即功率开关S1和第一续流单元两者相连的第一互连节点NX1与升压开关即功率开关S3和第二续流单元两者相连的第二互连节点NX2之间设置有电感元件L。参见图1，第一续流单元是续流二极管D2和第二续流单元是续流二极管D4，降压电路采用的续流二极管D2的阴极连到第一互连节点NX1而它的阳极则连到第一输入端IN1，升压电路的续流二极管D4的阳极连到第二互连节点NX2而它的阴极则连接到第一输出端NO1。参见图5，第一续流单元是用于续流的同步开关也即所谓的功率开关S2和第二续流单元是用于续流的同步开关也即功率开关S4。

以上通过说明和附图的内容，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，上述发明提出了现有的较佳实施例，但这些内容并不作为局限。对于本领域的技术人员而言在阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (17)

1.一种用于光伏组件的最大功率点追踪系统，其特征在于，包括：

D触发器，其D输入端接收来自第一比较器的比较结果和其CP输入端接收具有预定频率的时钟信号；

第一比较器，用于比较出光伏组件的输出功率的变化量比上该光伏组件的输出电压的变化量的正负号，根据正号和负号分别输出逻辑态不同的第一和第二比较结果；

迟滞比较器，预先设置迟滞比较器的上门限电压和下门限电压，迟滞比较器的输出端耦合到第一与门的输入端之一；

D触发器的Q非端耦合到第一与门的另一个输入端，第一与门输出的第一信号用于驱动一个电压转换器带有的降压式变换电路；

电压转换器的输出电压的采样值低于下门限电压时该迟滞比较器的输出端逻辑态使得第一与门的第一信号取决于D触发器的Q非端信号；

第一比较器的第一比较结果将第一信号切换成第二逻辑状态并且第一比较器的第二比较结果将第一信号切换成第一逻辑状态；

在第一和第二逻辑状态之间跳变的第一信号驱动电压转换器将对应的光伏组件的输出电压和输出电流设置在最大功率点处。

2.根据权利要求1所述的用于光伏组件的最大功率点追踪系统，其特征在于：

迟滞比较器的输出端通过反相器耦合到第二与门的输入端之一，D触发器的Q非端耦合到第二与门的另一个输入端；

第二与门输出的第二信号用于驱动电压转换器带有的升压式变换电路，电压转换器的输出电压的采样值高于上门限电压时该迟滞比较器的输出端逻辑态使得第二与门的第二信号取决于D触发器的Q非端信号；

第一比较器的第一比较结果将第二信号切换成第二逻辑状态并且第一比较器的第二比较结果将第二信号切换成第一逻辑状态；

在第一和第二逻辑状态之间跳变的第二信号驱动电压转换器将对应的光伏组件的输出电压和输出电流设置在最大功率点处。

3.根据权利要求1所述的用于光伏组件的最大功率点追踪系统，其特征在于：

通过模拟乘法器计算光伏组件被采样的输出电压和输出电流相乘的输出功率；

通过两个微分器分别计算光伏组件的输出功率和输出电压各自的微分值；

通过模拟除法器计算光伏组件的输出功率的微分值和输出电压的微分值的比值；

比值为正号时第一比较结果为高电平以及比值为负号时第二比较结果为低电平。

4.根据权利要求2所述的用于光伏组件的最大功率点追踪系统，其特征在于：

电压转换器包括耦合到一个光伏组件正负极的第一、第二输入端和包括提供输出电压的第一、第二输出端；以及

降压开关和第一续流单元串联在第一和第二输入端之间；

升压开关和第二续流单元串联在第一和第二输出端之间；

降压开关和第一续流单元两者相连的第一互连节点与升压开关和第二续流单元两者相连的第二互连节点之间设置有电感元件。

5.根据权利要求4所述的用于光伏组件的最大功率点追踪系统，其特征在于：

第一续流单元和第二续流单元是续流二极管；或者

第一续流单元和第二续流单元是用于续流的同步开关。

6.根据权利要求4所述的用于光伏组件的最大功率点追踪系统，其特征在于：

电压转换器的输出电压的采样值低于下门限电压时该迟滞比较器的输出端逻辑态还使得第二与门的第二信号被钳制到低电平而持续断开升压开关。

7.根据权利要求4所述的用于光伏组件的最大功率点追踪系统，其特征在于：

第二与门的第二信号还耦合到一个单稳态触发器的输入端，单稳态触发器的输出端耦合到RS触发器的置位端，迟滞比较器的输出端耦合到RS触发器的复位端；

在第二信号的上升沿触发单稳态触发器产生一个暂态触发信号，用于触发RS触发器的输出信号跳变到第一逻辑态用以驱动降压开关持续接通；

当电压转换器的输出电压的采样值低于下门限电压时该迟滞比较器的输出端逻辑态还使得RS触发器的输出信号被复位翻转到第二逻辑态。

8.根据权利要求7所述的用于光伏组件的最大功率点追踪系统，其特征在于：

第一与门的第一信号和RS触发器的输出信号均输入到一个或门，由或门的输出信号来控制降压开关的导通与否。

9.一种用于光伏组件的最大功率点追踪系统，其特征在于，包括：

D触发器，其D输入端接收来自第一比较器的比较结果和其CP输入端接收具有预定频率的时钟信号；

第一比较器，用于比较出光伏组件的输出功率的变化量比上该光伏组件的输出电压的变化量的正负号，根据正号和负号分别输出逻辑态不同的第一和第二比较结果；

迟滞比较器，预先设置迟滞比较器的上门限电压和下门限电压，迟滞比较器的输出端通过反相器耦合到第二与门的输入端之一，D触发器的Q非端耦合到第二与门的另一个输入端；

第二与门输出的第二信号用于驱动电压转换器带有的升压式变换电路，电压转换器的输出电压的采样值高于上门限电压时该迟滞比较器的输出端逻辑态使得第二与门的第二信号取决于D触发器的Q非端信号；

第一比较器的第一比较结果将第二信号切换成第二逻辑状态并且第一比较器的第二比较结果将第二信号切换成第一逻辑状态；

在第一和第二逻辑状态之间跳变的第二信号驱动电压转换器将对应的光伏组件的输出电压和输出电流设置在最大功率点处。

10.一种最大功率点的追踪方法，其特征在于，包括：

通过将一个D触发器的Q非端耦合到第一与门的一个输入端，从而利用第一与门输出的第一信号驱动一个电压转换器带有的降压式变换电路，还带有上门限电压和下门限电压的迟滞比较器的输出端耦合到第一与门的另一个输入端；

设置D触发器的D输入端接收来自第一比较器的比较结果和CP输入端接收具有预定频率的时钟信号；

利用一个第一比较器来比较出光伏组件的输出功率的变化量比上该光伏组件的输出电压的变化量的正负号，根据正号和负号分别输出逻辑态不同的第一和第二比较结果；

当电压转换器的输出电压的采样值低于下门限电压时该迟滞比较器的输出端逻辑态使得第一与门的第一信号取决于D触发器的Q非端信号；

第一比较器的第一比较结果将第一信号切换成第二逻辑状态并且第一比较器的第二比较结果将第一信号切换成第一逻辑状态；

通过在第一和第二逻辑状态之间跳变的第一信号，驱动电压转换器将光伏组件的输出电压和输出电流调制在最大功率点处。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：

迟滞比较器的输出端通过反相器耦合到第二与门的输入端之一，D触发器的Q非端耦合到第二与门的另一个输入端；

第二与门输出的第二信号用于驱动电压转换器带有的升压式变换电路，电压转换器的输出电压的采样值高于上门限电压时该迟滞比较器的输出端逻辑态使得第二与门的第二信号取决于D触发器的Q非端信号；

第一比较器的第一比较结果将第二信号切换成第二逻辑状态并且第一比较器的第二比较结果将第二信号切换成第一逻辑状态；

在第一和第二逻辑状态之间跳变的第二信号驱动电压转换器将对应的光伏组件的输出电压和输出电流设置在最大功率点处。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：

通过模拟乘法器计算光伏组件被采样的输出电压和输出电流相乘的输出功率；

通过两个微分器分别计算光伏组件的输出功率和输出电压各自的微分值；

通过模拟除法器计算光伏组件的输出功率的微分值和输出电压的微分值的比值；

比值为正号时第一比较结果为高电平以及比值为负号时第二比较结果为低电平。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：

电压转换器包括耦合到一个光伏组件正负极的第一、第二输入端和包括提供输出电压的第一、第二输出端；以及

降压开关和第一续流单元串联在第一和第二输入端之间；

升压开关和第二续流单元串联在第一和第二输出端之间；

降压开关和第一续流单元两者相连的第一互连节点与升压开关和第二续流单元两者相连的第二互连节点之间设置有电感元件。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：

第一续流单元和第二续流单元是续流二极管；或者

第一续流单元和第二续流单元是用于续流的同步开关。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：

电压转换器的输出电压的采样值低于下门限电压时该迟滞比较器的输出端逻辑态还使得第二与门的第二信号被钳制到低电平而持续断开升压开关。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：

第二与门的第二信号还耦合到一个单稳态触发器的输入端，单稳态触发器的输出端耦合到RS触发器的置位端，迟滞比较器的输出端耦合到RS触发器的复位端；

在第二信号的上升沿触发单稳态触发器产生一个暂态触发信号，用于触发RS触发器的输出信号跳变到第一逻辑态用以驱动降压开关持续接通；

当电压转换器的输出电压的采样值低于下门限电压时该迟滞比较器的输出端逻辑态还使得RS触发器的输出信号被复位翻转到第二逻辑态。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：

第一与门的第一信号和RS触发器的输出信号均输入到一个或门，由或门的输出信号来控制降压开关的导通与否。