CN114402526A - 一种通过使用分线将光伏列阵串并联混接以获取充电电流最大化的设备、方法与装置 - Google Patents

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Abstract

在MPPT太阳能充电控制系统中，将太阳能光伏板列阵重新排列，使大多数的光伏板并接，同时保留一部分MPPT太阳能充电控制系统中串接的光伏板。所有并接的光伏板和串接的光伏板中具有相同电压的“分线”可与“大电流充电控制器”连接而直接对直流系统供电并对具有相同公称电压的储能电池充电。无论光照条件与太阳能逆变器输出功率如何变化，“大电流充电控制器”都可与MPPT太阳能充电控制器同时工作以使太阳能光伏板阵列系统的输出功率最大化。

Description

一种通过使用分线将光伏列阵串并联混接以获取充电电流最 大化的设备、方法与装置
此专利的领域
本发明涉及一种具有可充电太阳能光伏储能电池的太阳能光伏供电系统。储能电池可以带电池管理系统(BMS),或不带BMS系统。本发明用于离网逆变器的离网太阳能光伏供电系统或带有自动转换开关的离网太阳能光伏供电系统。通过使用分线(PVs)，将太阳能光伏阵列的容量和效率最大化，并可使太阳能光伏列阵在对太阳能光伏储能电池充电的同时，也对直流负载直接供电。本发明还可用于并网系统，甚至较大容量的太阳能光伏发电厂。
背景知识
传统的最大功率点跟踪(MPPT)太阳能光伏充电控制器虽然比(PWM)太阳能光伏充电控制器更高效，但它们的容量都相当有限。在负载能力方面，一般的MPPT和PWM充电控制器都不允许直接接大容量的直流负载，最大直流负载不会超过5安培或10安培或20安培。每个MPPT系统允许接的光伏列阵的容量也十分有限。多余的光伏列阵容量也会由于MPPT等的容量限制而浪费。而一般离网太阳能光伏逆变器的电流容量可以是100安培，200安培，甚至400安培。
MPPT和PWM太阳能光伏充电控制器的容量都被限制在最大100安培左右的充电电流。较高的充电电流会导致MOSFET或JFET,CMOS或其他晶体管过热。大多数太阳能光伏充电控制器必须运行内部冷却风扇来降低组件的温度以防止其组件在充电电流达到20安培及以上时过热，即便控制器内有大块的铝散热器也是如此。冷却过程的结果是大量能源浪费，并产生大量风扇噪音。有些太阳能光伏充电控制器不得不在1安培的充电电流时启动冷却风扇以延长充电控制器的使用寿命。致使光伏列阵产生的能量不能被充分利用。
在多个MPPT充电控制器系统中，总充电电流可能会增加。然而，几乎不可能所有的MPPT控制器都工作在最大功率点上。同时，当其中一个MPPT控制器扫描不同的操作点以找到晴天时最大的太阳辐射条件时的最大功率点时，其它的MPPT控制器就失去对最佳太阳光照条件的跟踪。
此外，MPPT充电控制器在阴天时工作得更好。在较小，柔和，均匀的在太阳辐射条件下，可以轻松地跟踪到最大功率点。它确实能接受较高的输入电压，也能节省太阳能光伏电池阵列的布线成本。但是在太阳光照较好，以及太阳辐射量不断大量变化的条件下，MPPT充电控制器无法实时保持最佳的工作点。特别是多个MPPT充电控制器系统中，更不可能保证每个MPPT充电控制器都工作在最佳工作点上。
近年来已经开发了大量太阳能光伏阵列系统，太阳能光伏通过并网逆变器直接输送到电网上，也可能含有许多微型逆变器。此类系统还可能包括一个大容量锂离子太阳能光伏储能电池或电池组储存能量以便在电网断电时应急使用。它也可能包括用于远程控制的复杂的、基于网络的电源管理系统。一个这样的典型系统是TESLA POWERWALL系统，配备13.5KWH锂离子电池和集成并网逆变器。但当电网停电超过几天后，系统就无法工作，因为这种类型的电池不是设计成由太阳能光伏板直接充电的的系统。
事实上，向当地电力公司申请具有所谓“净用量电表”的并网系统并非易事。涉及的利益相关者也很多，如能源零售商、消费者、发电方、分销商、服务承包商、安装承包商、检查员、当地电力公司、当地政府等……法律法规也在不断变化。对于普通家庭或小企业主来说，申请过程是一项艰巨的任务。对于加拿大10KW以下的微型发电设施，并网逆变器还必须遵循“不超过0.5％的直流注入电网”的规则，而且“谐波同步水平必须满足相关的标准”。在并网系统中还有很多规则需要遵循。尽管太阳能光伏板价格多年来大幅下降，但这种规模的微型FIT并网系统通常是不可行的。
与此同时，锂离子电池的价格也大幅下降。本发明恰逢其时，在独立住宅和小型建筑市场中有巨大的潜力。对于住宅或小型建筑服务的离网或混合太阳能光伏系统,可以将业主的水电费减少30％到100％。减少的程度取决于总用电量、白天用电量、电池组的总容量和安装的太阳能光伏板的数量。对离网逆变器也没有特别的要求，即使是非正弦波逆变器也可用于一般的非电感负载供电，例如用于烹饪的炉子。对于混合离网系统的情况，纯正弦波逆变器甚至可以用来为个人电脑供电。一个5.0KW的自动转换开关(ATS)可以在10到16毫秒内在公用电网和逆变器电源之间切换，而不会中断或重置未连接UPS不间断电源的个人计算机。本发明中的大电流太阳能光伏充电器可以以最小的额外成本将MPPT系统的100安培容量限制提高到最大300安培。具有300安培的24v标称电压的太阳能光伏大电流充电系统可支持高达7.2KW总容量的太阳能光伏板。
本发明概述
当前面临的技术问题：
一、
由于申请程序复杂且规则不断变化，在个人家庭屋顶或有限面积的小型建筑物上安装几千瓦至20千瓦容量的并网光伏系统通常是不可行的。尽管可以不用储能电池的并网光伏系统具有低成本的优势，但世界各地的“净电量电表”计划存在诸多障碍。并网逆变器和上网电表也有很多限制性的技术要求。一旦系统并网，家庭或企业主在严格意义上来说就成为发电着。对于普通家庭或小企业主来说，这是一项艰巨的任务，也有关于申请流程延迟的报告。一些房主已经花费了超过$60,000.00美元来安装太阳能光伏板，但只是闲着等待并网批准。有些系统虽然已经并网，但分销商可以在未来任何时候向法院上诉，要求降低从电表到电网输出电力的的价格。另一方面，电力供应商家也必须保证整个电网的纯正正弦波电源质量。电网中过多的小型太阳能光伏发电机肯定会导致供电质量问题或造成电网中存在更高的直流电含量，并进一步影响同一电网中的所有其他客户的供电质量。
二、
有一些具有太阳能光伏存储能力的并网系统。但在并网申请审批过程中，此类系统也不例外。另外，此类系统仍需要来自电网的交流电为电池充电。当电网断电时，电池中的能量耗尽后系统也会关闭。
三、
传统的开/关太阳能光伏电池充电方法已被PWM和MPPT太阳能光伏充电控制器所取代。MPPT太阳能光伏充电控制器确实具有更高、更灵活的太阳能光伏输入电压的优势。MPPT太阳能光伏充电控制器也可以在稳定的太阳辐射条件下正常工作。MPPT太阳能光伏充电控制器也能适应不同的电池电压。然而，MPPT太阳能光伏充电控制器主要被用于对GEL电池、密封和浸没式铅酸电池和AGM电池的充电和保护。来自离网或混合逆变器的高电流消耗通常会导致这些类充电控制器限制电流输出以“保护”电池，并最终浪费光伏阵列的可用光伏太阳能。
四、
在离网系统中，传统的铅酸、GEL、AGM太阳能光伏储能电池已逐渐被锂离子电池所取代，如磷酸铁锂离子(LiFePo4)电池。锂离子电池不需要与传统电池相同的保护。锂离子电池总是有自己的电池管理系统(BMS)，只要充电电流低于锂离子电池或电池组允许的最大充电电流就可以。一些MPPT太阳能光伏充电控制器允许用户将其设置为锂离子电池充电，但充电电流通常限制为最大100安培。一个100安培的MPPT太阳能光伏充电控制器实际上只能处理最大50安培的连续不间断的充电电流。MPPT太阳能光伏充电控制器中电气元件的过热可以通过增加大型散热器或在系统中集成冷却风扇来控制。但充电电流容量始终低于普通住宅离网太阳能光伏系统所需的最小值。此外，MPPT太阳能光伏充电控制器将不得不浪费大量能量来扫描一组不同的工作点的光伏板以找到最佳工作点。当太阳光照强烈且快速变化时，MPPT太阳能光伏充电控制器效率也受影响。高电流容量的MPPT太阳能光伏充电控制器也非常昂贵。
五、
通常来说，最好将所有光伏板串联起来，以便在MPPT太阳能光伏控制器系统中实现最大电压输入，以节省布线成本。但是，当串联的光伏板中的任何一块板受到阴影影响时，都会对总的输出功率产生重大影响。而且，位于一般市区的光伏板阵列中的太阳辐射条件受树木和建筑结构的阴影影响巨大。即使一只鸟飞过光伏板阵列的上空也会导致MPPT太阳能光伏充电控制器系统的能量输出急剧下降。
六、
相类似的情况也存在于没有任何电池存储能力的并网系统中。并网系统中的串式逆变器中的MPPT技术，可连接所有光伏板串联的情况下超过1000V甚至1500V的输入电压。这类型的逆变器通常不能有效地响应快速改变的太阳光照条件的变化，尤其是当部分云层覆盖一定数量的太阳能光伏板时。
七、
近年来，还出现用于大规模并网太阳能光伏发电系统中应用的微型逆变器或功率优化器系统。它们比串式逆变器系统更高效，但它们并不能很好地跟踪最大太阳光照条件。微型逆变器更有可能向电网注入更多的直流含量。最重要的是，每个光伏板上都有一个小型的敏感的电子设备，一直工作于没有任何气候控制的室外环境中，其维护成本高。最近有报道称这些类型的设备故障可造成屋顶着火。屋顶上有很多的高压的小型设备，也确实大大增加了系统的风险。
以上问题的解决方案
在本发明的太阳能光伏大电流充电器系统中，最佳电池充电工作点实际上是由与太阳能光伏板的标称电压相同的储能电池或电池组来维持的。并联的光伏板，和串联光伏板中的分线可用于为电池或电池组充电，并直接为直流负载(逆变器)供电。混合离网系统或混合并网逆变器中的自动转换开关可以设置在一个范围内，以使电池电压与光伏板列阵的分线电压的最佳工作电压相匹配。
在本发明的太阳能光伏大电流充电器系统中，MPPT太阳能光伏充电器仍然可以与在同一系统中的大电流充电器同时为同一电池或电池组充电。MPPT太阳能光伏充电控制器的优势并未受到影响，而太阳能光伏大电流充电器中的机械触点开关可以显著提高充电电流容量，而不会导致任何其他系统组件过热。分段式接触开关设计将确保“大电流充电器”在最大太阳辐射条件下获得更高的充电电流，而大电流充电器在最小太阳辐射条件下为电池充电时消耗的功率最小。
带有自动转换开关和离网逆变器的太阳能光伏大电流充电系统适用于安装在屋顶或土地面积有限的个人家庭和小型企业光伏系统。此类系统，无需向当地电力公司或能源公司提交系统并网申请。该系统只会产生足够的电能供业主自己使用，而不会影响电网中的任何其他客户。太阳能光伏大电流充电系统所有者可以通过增加电池存储容量来确保自给自足的电力供应，并在他们自己的设施中安装可能允许的最大数量的光伏板。在带有自动转换开关的混合系统中，即使在长时间没有太阳能光伏可用的情况下，也能确保家庭或设施内的电力供应。当整个地区的个人家庭和小型建筑物的电表后面存在许多小型太阳能光伏大电流充电系统时，对当地电网的最大需求将急剧下降。因此，同一个电网将支持更多客户，而无需升级现有的电网基础设施。最重要的是，混合离网系统不会影响电网的供电质量。太阳能光伏大电流充电器仍然可以在混合并网系统中工作，系统中的电池将用作缓冲储能电池。当设施内无法使用过多的能量时，可以通过混合并网逆变器向电网输送过多的电力来降低电池容量。然而，这种混合并网系统仍需要通过能源分销商或电力公司的并网批准。
太阳能光伏大电流充电系统对于白天电力消耗高的家庭、企业和建筑物特别有用。在这样的系统中，白天用电量越多，所需的电池或电池组容量就越小，并且可以显著降低对当地电网电力需求。太阳能光伏大电流充电系统可向特定负载供电。它还可以为某些特定的关键负载的专用电路提供服务。系统非常灵活，不需要整栋房子或整栋楼离网。最重要的是，当本发明将应用于电网中的大多数客户时，本发明可以显著降低本地电网的电力需求。而现有的电网基础设施可以支持更多的客户。城市无需对电网基础设施进行重大升级也可支持进一步扩展开发。
通过对比MPPT太阳能光伏充电控制器和太阳能光伏大电流充电器的数字测试结果证明，对于具有相同光伏板数量的系统，太阳能光伏大电流充电器都优于许多MPPT太阳能光伏充电控制器。经过对许多著名制造商的MPPT太阳能光伏充电控制器在各种光照条件下进行对比充电测试都得到同样的结果。令人惊讶的是，即使在月光和阴天条件下，太阳能光伏大电流充电器的性能也会优于许多MPPT充电控制器。以上测试是通过对相同的磷酸铁锂(LiFePo4)电池组充电来进行的。
本发明在大规模并网系统中潜在的应用机会也是巨大的，例如用于商业建筑上的太阳能光伏发电站和太阳能光伏发电厂。太阳能光伏大电流充电系统效率肯定会优于串式逆变器系统，因为它不太可能受到不断变化的太阳光照条件的影响。它还将解决近年来在微型逆变器和优化器系统中变得非常普遍的高昂的维护成本的问题。所有太阳能光伏大电流充电器系统组件，包括锂离子电池或电池组，都可以放置在室内环境中，以确保可靠性。
附图说明及实物描述
图1展示了典型的含有太阳能光伏大电流充电器(100)的光伏板列阵系统实际应用的实例。来自串联连接的光伏板(117)的高电压线(105)通过传统的MPPT太阳能光伏充电控制器(107)为电池或电池组(108)充电。这是共负极太阳能光伏大电流充电器(100)与共负极MPPT太阳能光伏充电控制器(107)一起工作，并对同一系统中的相同电池或电池组(108)充电，并可直接为离网逆变器(109)提供直流电源。离网逆变器(109)为自动转换开关提供交流电。该自动转换开关通过设置可在太阳能光伏离网逆变器(109)和另一个电源(例如电网电源或另一台发电机)之间切换供电电源。自动转换开关上的电压设置可以设置在太阳能光伏大电流充电器(100)为电池或电池组(108)充电的最佳范围内。与电池或电池组(108)具有相同标称电压的光伏板(102)并联连接。来自公共板(103)的分线(104)也具有与电池或电池组(108)相同的标称电压。分线(104)连接到并联连接的所有其他光伏板(102)的正极端子。分线(PVs)通过太阳能光伏大电流充电器(100)为电池或电池组(108)充电。大部分充电电流通过太阳能光伏大电流充电器(100)内的机械触点开关(或多个开关)传导，因此MPPT太阳能光伏控制器(107)不需要通过高的充电电流。MPPT太阳能光伏充电控制器中的组件过热被最小化。而整个光伏板阵列的太阳能光伏收集和利用得到最大化。光伏板以串联和并联组合方式连接的分线(104)和太阳能光伏大电流充电器(100)是本发明的实际应用的实例。
图2是本发明实际应用的实例的共负极太阳能光伏大电流充电器(100)的配置图。负极端子(101)直接连接到电池或电池组负极端子。穿过太阳能光伏大电流充电器(100)的负极端子可以连接到分流器或霍尔效应电流传感器，用于对充电电流监测和显示。控制模块(110)上有用于分线电压信号连接的端子。控制模块(110)具有出厂预设的“启动”按钮和“停止”按钮，用于对磷酸铁锂离子电池充电设置。用户还能在现场更改“开始”和“停止”充电电压设置值。控制模块(110)可触发控制继电器(111)上触点闭合以进行直接充电。控制模块(110)还可以连接到电流或温度传感器上以激活第二级继电器，或者甚至第三级或第四级继电器阶段性地闭合开关以增加在最大太阳辐射条件下充电电流容量。第一级继电器可根据最小太阳光照条件确定容量，因此触发第一级开关所需的电流很小。当电池电压以及分线电压达到预设的停止充电值时，所有接触开关都应断开。控制模块(110)可连接至显示器(112)以显示电池电压、分线电压、充电电流、充电功率以及已充电的总能量以瓦特小时或千瓦小时为单位。控制开关(114)可开启或关闭太阳能光伏大电流充电器(100)。唤醒开关(113)可开启以唤醒因过流保护而关闭的锂离子电池或具有BMS的电池组。唤醒开关(113)还可用于在电池连接之前对逆变器进行预充电。LED指示灯可用于指示开关状态。该实际应用的实例展示出了常见的共负极太阳能光伏大电流充电器。光伏板列阵的正极线(105)没有连接到太阳能光伏大电流充电器(100)。该图显示光伏板列阵的正极线(105)绕过太阳能光伏大电流充电器(100)，而连接到共负极的MPPT太阳能光伏充电控制器。一个共正极太阳能光伏大电流充电器将具有非常相似的结构，但光伏板列阵的正极线将直接连接，而且光伏板阵列的分线(104)仍由继电器开关(111)通过控制模块(110)控制。在共正极的太阳能光伏大电流充电器中，负极电线必须绕过太阳能光伏大电流充电器，并连接到共正极MPPT太阳能光伏充电控制器上。
图3展示了如何扩展太阳能光伏大电流充电器系统的电流容量。在单个共负极MPPT太阳能光伏充电控制器(107)和共负极太阳能光伏充电器(100)系统中，可以将另一组串联和并联组合的光伏板列阵与原来的光伏板列阵整合，但它们的分线(104)的标称电压必须相同。具有相同标称电压的串联连接的光伏板(117)上的光伏板列阵的正极线(105)也可以连接到相同的共负极MPPT太阳能光伏充电控制器(107)上。这种配置实用于有不同屋顶方向和/或有些部分可能会被附近结构或树木遮挡而产生阴影的房屋屋顶。并联连接的任何一块光伏板(102)上的阴影(115)对系统中所有其它光伏板的能量输出并不产生影响。一个受到阴影影响的光伏板列阵上的串接电压(117)也不会对其它光伏板列阵上的能量输出产生影响。在这样的系统中也有公共板(103)，而且所有公共板(103)的分线(104)仍然可连接于太阳能光伏大电流充电器(100)上。来自所有公共板(103)上的太阳能光伏仍可通过串接的光伏板和光伏板列阵的正极端子(PV+)为MPPT太阳能光伏充电控制器(107)供电。
图4是本发明的另一种可能的系统布置实际应用实例。系统中可能有另一个或多个的共负极MPPT太阳能光伏充电控制器(107)以及共负极太阳能光伏大电流充电器(100)为同一电池或电池组充电。另一组光伏板列阵多了一块光伏板(120)。一组光伏板列阵的电压“PV2+”与另一组光伏板列阵中的“PV1+”不同。光伏板列阵中多了一块光伏板(120)的列阵电压“PV1+”对MPPT太阳能光伏充电控制器有更高的输入电压。这种配置可用于屋顶各部分朝向不同的房屋或小型建筑物。屋顶的一部分在早上可能会受到较少的太阳辐射，而屋顶的另一部分在下午可能会受到较少的太阳辐射。光伏板上的阴影(119)可能会降低“PV2+”上的太阳能光伏输出，但光伏板上的阴影(119)不会对“PV1+”那一组的光伏板列阵的输出产生影响。具有相同标称电压的分线(104)仍可连接到相同的单个太阳能光伏大电流充电器(100)上。如图5所示，太阳能光伏辐射条件的大小对并联连接的一组太阳能光伏板的最佳充电点影响非常小。此外，根据本发明，太阳能光伏大电流充电系统中的每个光伏板上都有一个单向二极管。
图5说明了在标准测试条件(25℃)下，典型的60单元的光伏板在不同的太阳光照条件下的电压-电流曲线。该图证明了根据本发明的通过分线的直接机械开关触点的充电方法(开/关充电方法)在从最小到最大的所有太阳光照条件下都是合适的方法，但需满足所有的光伏板都有相同的标称电压值，并且温度范围接近或低于45℃的标准测试条件。此方法适用于为锂离子电池大电流充电而不会出现过流的问题。根据本发明，只要将“停止”充电电压值设置为低于电池制造商要求的浮动充电电压，它也适用于为其他类型的电池充电，例如GEL、AGM和铅酸电池。在光伏板安装于炎热气候地区情况下，72单元的光伏板的并联分线用于对24V标称电压系统充电是合适的。通过系统中一个自动转换开关的电压设置，电池电压可以始终保持在25.0v和28.0v之间(直接充电的最佳电压范围)。保持最佳充电点方法可以消除电流输出的波动。波动的电流输出在MPPT太阳能光伏充电控制器系统中通常会出现。同时，也不需要用昂贵的高电流MPPT太阳能光伏充电控制器。此外，还可以防止MPPT太阳能光伏充电控制器组件过热。在12V标称电压系统中，此处所示的光伏板单元数量和电压值应减少一半。在48V标称电压系统中，此图所示的光伏板单元数量和电压值应加倍。
图6说明了如何通过重新安排串联的MPPT太阳能光伏充电控制器系统中的一些光伏板列阵，并通过太阳能光伏大电流充电器系统中的分线对电池充电，从而获得最大的太阳能光伏输出。大电流充电器系统中可获得最大的太阳能光伏输出的原因列举如下：
1.与一个光伏板上的阴影会对所有其他串联的光伏板产生巨大影的MPPT太阳能光伏充电控制器系统相比，所有并联的大电流充电器系统中的光伏板都能保持在最佳工作点上。
2.与通常出现在MPPT太阳能光伏充电控制器系统中的充电电流波动相比，太阳能光伏大电流充电器在各种太阳辐射条件下的工作都是稳定的。
3.与MPPT太阳能光伏充电控制器系统中在最大太阳光照条件下可能产生的大量热量相比，通过机械接触开关(或多个开关)的电流在任何太阳光照条件下都产生最少的热量。
4.事实上，光伏板阵列的大部分能量是在最大太阳光照条件下收集的，而组件过热的MPPT太阳能光伏充电控制器在最大太阳光照条件下会浪费大量的能量。
图7说明了根据本发明的共正极太阳能光伏大电流充电器系统的实际应用实例。在共正极太阳能光伏大电流充电器系统中，MPPT太阳能光伏充电控制器(121)和太阳能光伏大电流充电器(100)都必须是共正极的。在共正极太阳能光伏大电流充电器系统中，光伏板列阵的正极线“PV+”(105)穿过太阳能光伏大电流充电器(100)直接接到电池的正极端子上，无需任何控制。如果光伏板列阵需要接地，太阳能光伏正极和电池正极端子就可以接地。在共正极系统中，光伏板负极是不接地的。光伏板列阵的分线“PVs”绝不可接地。在共正极系统中，也有并联的光伏板(102)和串联的光伏板(117)。系统中也有至少一块公共板(103)。在共正极太阳能光伏大电流充电器系统中，共正极MPPT太阳能光伏充电控制器(121)和共正极太阳能光伏大电流充电器(100)仍可为相同的电池或电池组(108)充电。电池或电池组电压仍由离网逆变器和自动转换开关(109)维持。在共正极系统中，MPPT太阳能光伏充电控制器的“PV+”端不一定要连接。
图8展示的是本发明的另一个实际应用实例图。两个或三个以上具有不同标称电压的太阳能光伏大电流充电器(100)可以集成到一个单独的单元中，称为集成太阳能光伏大电流充电器(MSCM)。与电池(BAT1、BAT2和BAT3)的标称电压相匹配的分线“PVs1”、“PVs2”和“PVs3”可以连接到集成太阳能光伏大电流充电器(MSCM)的相应端子上。在同一系统中可以有一个或多个MPPT太阳能光伏充电控制器(107)为相应的电池充电。具有不同标称电压的电池(108)不得连接到相同的MPPT太阳能光伏充电控制器上。不同的MPPT太阳能光伏充电控制器可以共用同一个光伏板列阵的正极端子“PV+”，但它们必须都是相同的共负极设计，或者相同的共正极设计。本图展示的是共负极的设计，所有的负极端可以接地。也可能是正极端子“PV+”接地，但是,集成太阳能光伏大电流充电器(MSCM)的正负极端子都必须是浮动的。
图9展示的是本发明的另一个实际应用实例图。在共负极的大电流充电器(100)和共负极的MPPT充电控制器(107)系统中，实际上可以连接另外一个共正极的MPPT充电控制器(121)，并由共负极光伏板列阵上的“PV+”端子(105)和共负极光伏板列阵上“PV-”端子(101)供电。但是，共正极的MPPT太阳能光伏充电控制器(121)只能用于对另外的单独的电池组(122)充电。单独的电池组(122)通常是指自带逆变器的便携式供电源。这种便携式供电源的电池端子不得连接到任何离网逆变器(109)和电池或电池组(108)的任何端子上。便携式供电源(122)的电池端子必须是浮动的。
图10展示的是按照“权利要求1”而扩展的，在大型发电站或太阳能光伏发电厂的实际应用实例图。每个太阳能光伏大电流充电器系统(SCMS)可以具有大约300安培或400安培的容量。每套系统都有各自的电池或电池组以及各自的三相并网逆变器。总容量可以是无限的。多个太阳能光伏大电流充电系统(SCMS)(123)可以安装于大型建筑物的电气室中，或地下的电工房内。图中展示的是共负极系统，但也可以是共正极系统，而且所有太阳能光伏大电流充电器的标称电压和MPPT太阳能光伏充电控制器的标称电压是一致的。连接MPPT太阳能光伏充电控制器的“PV+”的每根太阳能光伏正极线可能不同，例如“PV1+”、“PV2+”、“PV3+”...等，但电池或电池组应与所有并联光伏板的标称电压相同。标称电压可以是12V、24V、36V、48V或60V，只要电池或电池组、逆变器、太阳能光伏电池板并联的标称电压都相同即可。每个太阳能光伏大电流充电器系统都由锂离子电池维持的最佳电压范围(24V标称电压系统为25.0和28.0)，以最大限度地收集光伏太阳能。三相逆变器均可设置为在24v系统电压达到28.0V时向电网供电，在电压低于25.0V(24.0v系统)时退出电网。这种系统中的逆变器可以具有最佳容量范围，并能保证逆变器的产品质量。也能最大限度地减少直流含量注入到电网中，并减少相位偏移。在24v系统中，当电池电压低于25.0(48v系统中为50.0V)时，逆变器不需要运行。这种系统中的逆变器可具有最大的效率，并延长使用寿命，因为它不需要在待机模式下运行。所有其他组件(锂离子电池、太阳能光伏大电流充电器、MPPT太阳能光伏充电控制器等)的使用寿命也将延长，因为所有组件都将位于电气室或室内电工房中，有适当的温度和通风控制。与所有光伏板都串联的光伏电站的MPPT逆变器的高直流电压(1500V或1000v)相比，太阳能光伏大电流充电器系统在大型商业和工业建筑的其他微电网系统应用中具有许多优势。本系统与1500V组串式逆变器系统相比，在一块光伏板上方出现快速移动的乌云对电源输出产生的影响比较小。

Claims (36)

1.太阳能光伏板阵列可以配置为让一些太阳能光伏板并联连接，同时让其他一些太阳能光伏板串联连接。在一个共负极的MPPT太阳能充电控制器(“PV-”和BAT-“终端在MPPT太阳能充电控制器内部连接)对储能电池充电的系统中，并联的太阳能光伏板的正极线可以与串接的太阳能光伏板中具有相同标称电压的分线相连。并联的太阳能光伏板的正极线与串接的太阳能光伏板中具有相同标称电压的分线可以同时连接到太阳能大电流充电器上，由太阳能大电流充电器控制，直接为直流负载供电，以及为储能电池或电池组充电。储能电池或电池组的电压保持在最佳充电电压范围内以使整个光伏板列阵系统在不断变化的光照条件下都能等到充电电流的最大化。
2.在共负极的光伏太阳能系统的“权利要求一”中，串接的太阳能光伏板中具有与并联的太阳能光伏板相同标称电压的线称为分线。分线可通过共负极的大电流充电器(SCM)控制直接对直流负载供电和对电池或电池组充电。
3.在光伏列阵系统的“权利要求一”中，包括
*与共负极大电流充电器(SCM)相对应的共负极的MPPT太阳能充电控制器，而且共负极大电流充电器(SCM)的充电开关工作状态并不影响共负极的MPPT太阳能充电控制器对相同标称电压的直流负载供电和对相同标称电压的电池充电，或者，
*与共正极大电流充电器(SCM)相对应的共正极的MPPT太阳能充电控制器，而且共正极大电流充电器(SCM)的充电开关工作状态并不影响共正极的MPPT太阳能充电控制器对相同标称电压的直流负载供电和对相同标称电压的电池充电。
4.在“权利要求一”中，光伏列阵中并接的光伏板数量不必与光伏列阵中串接的光伏板数量相同，光伏列阵中并接的光伏板数量可以远远多于光伏列阵中串接的光伏板的数量，以减少光伏板上的阴影和持续不断变化的光照条件对系统输出功率的影响。
5.在“权利要求一”中的共负极光伏系统中，只要MPPT太阳能充电控制器是共负极的设计，而且该控制器与共负极的大电流充电器(SCM)同时对相同的太阳能储能电池充电，且连接电池负极的导线粗细与其传导的电流流量相对应，那么共负极的太阳能光伏系统的MPPT太阳能充电控制器的"PV-"就可以不用连接。
6.在“权利要求一”中的光伏系统中，包括
*接地的光伏板铝框或其它金属框，和、或者，
*按当地的电器标准也接地的其它的电器元件，如逆变器、自动转换开关(ATS)、MPPT太阳能充电控制器等。
7.在“权利要求一”中的共负极光伏系统中，光伏板(PV-)端或者(PV+)端可以接地，但两者不可同时接地。
8.在“权利要求一”中的光伏系统中，
*无论是共负极或共正极的设计，分线总是由大电流充电器(SCM)的控制对直流系统供电，和、或对电池或电池组充电；
*分线绝不可接地。
9.在“权利要求一”中的大电流充电器(SCM)中，包括
*一个机械继电器触点开关，或
*多个分阶段闭合的机械继电器触点开关，以便使大电流通过。这样即使没有大的散热器或冷却风扇也不会造成大电流充电器的元件过热。
10.在“权利要求一”中的大电流充电器(SCM)系统中，含有一个或多个热感应开关或元件，或直流电流感应元件，用以分阶段激活大电流充电器内的一个或多个机械继电器。在光照条件弱的时候，小电流就可只激活小继电器。另外，内置的另一个热感应元件在太阳能大电流充电器内部温度达到不可接受的水平(如65℃时)，可断开所有的继电器以防过热。
11.在“权利要求一”中的太阳能光伏系统中，可包括
一个或多个串并联混接的光伏列阵对同一直流负载供电，和、或对同一储能电池或电池组充电，但是大电流充电器(SCM)和MPPT太阳能充电控制器必须具有相同的共正极设计，或相同的共正极设计。
12.在“权利要求一”中的大电流充电器(SCM)中，含有开关，可用于手动或自动对带有电源管理系统(BMS)的磷酸铁锂太阳能储能电池由于过流或短路保护而断开的唤醒。
13.在“权利要求十二”中的开关，也可用于对太阳能离网逆变器的预充电，以防止储能电池的瞬间过流保护。
14.在“权利要求一”中的大电流充电器(SCM)中，可包括
*电池电压，充电电流，充电功率，和总充电能量的显示屏显示，和
*唤醒状态和工作状态的LED指示，和
*基于网路和云端技术的电脑和手机控制的远程控制。
15.在“权利要求一”中的太阳能光伏系统中，可包括一个或多个具有相同共负极或共正极设计的大电流充电器(SCM)，对相同的电池或电池组充电，和对相同的直流负载供电，以增加容量。但是所有大电流充电器(SCM)都必须具有相同的共负极设计，或相同的共正极设计。
16.在“权利要求一”中的大电流充电器(SCM)中，可包括可对磷酸铁锂太阳能储能电电池充电控制用的，在安装工地可调节“起始”和“终止”充电电压设置的模块，该模块可控制分线与电池正极的通断(在共正极系统中，控制分线与电池负极的通断)。
17.在“权利要求一”中的太阳能光伏系统中，太阳能储能电池通常指具有电源管理系统的磷酸铁锂太阳能储能电池(LiFePo4)。也可能是其他类型的深度循环的没有BMS的太阳能储能电池，如GEL、密封或浸没式铅酸、AGM等，但须将太阳能大电流充电器的“停止”充电电压的值设置低于此类电池或电池的浮动充电电压值。
18.在“权利要求三”中的MPPT太阳能充电控制器中，可包括控制系统对电池或电池组进行大电流快速充电，慢充电和浮动充电。
19.在“权利要求三”中的MPPT太阳能充电控制器中，可包括一个或多个MPPT太阳能充电控制器连接具有相同公称电压的一个或多个的光伏板列阵。
20.在“权利要求十九”中的MPPT太阳能充电控制器中，MPPT太阳能充电控制器可以有不同的工作电压(PV+)，如PV1+、PV2+、、、等，对同一电池充电，和对同一直流负载供电，但它们必须连接于各自不同电压的光伏列阵上。
21.在“权利要求一”中的太阳能储能电池或电池组，其允许的最大充电电流必须大于太阳能光伏列阵在最大光照条件下的电流容量，减去白天最小直流负载的用电电流流量。(一个100AH锂离子电池或电池组可能有0.5C或0.2C或其它的充电电流容量。0.2C充电容量的100AH的电池允许最大20安培的充电电流)。
22.在“权利要求一”中的第二个太阳能光伏列阵的每一块光伏板中，可包括
*一个或多个封闭的单向二极管，或
*为每块板在工地安装适当的单向二极管。
23.在“权利要求一”中的太阳能光伏系统中，可包括
*接线盒，通断开关，熔断器等按照所在地电工施工规范要求的组件，和
*不接地的浮动光伏列阵，或
*接地的光伏板列阵。
太阳能光伏板列阵可以是浮动阵列，也可以是接地阵列。在一个共负极的系统中，太阳能光伏板列阵的正极(PV+)或负极(PV-)可能接地。在共正极系统中，太阳能正极(PV+)可能接地。系统设计者可以根据当地规定的电气标准、规范确定哪条线应按规定接地。但分线在任何情况都不能接地。
24.在“权利要求一”中的太阳能光伏系统中，可包括
*与共负极太阳能大电流充电器相对应的共负极MPPT太阳能充电控制器，其所有的负极端子都与光伏板列阵的负极端子相连，或
*与共正极太阳能大电流充电器相对应的共正极MPPT太阳能充电控制器，其所有的正极端子都与光伏板列阵的正极端子相连。
无论是共正极或共负极的系统，分线仍然总是与大电流充电器相连。
25.在“权利要求二”中的共负极太阳能充电控制器系统中，可以有另外的共正极的MPPT太阳能充电控制器。这个共正极的MPPT太阳能充电控制器也可以与"PV+"和"PV-"端子相连，但它必须是对别的电池充电，如其它便携式充电包，而且所有的电池线都不能与原先由共负极太阳能充电控制器充电的电池相连。
26.在“权利要求一”中的接分线的公共板，以及并接板，包括
*在寒冷气候环境下，12伏电池系统中的30单元的光伏板，或
*在炎热气候环境下，12伏电池系统中的36单元的光伏板(越高的太阳能光伏板工作温度，需要越多的光伏板单元数)。
串联的光伏板不需要有相同光伏板单元数，只要他们有一致的电流额定值，而且在“PV+”和“PV-”之间的电压是在MPPT太阳能充电器允许的最高电压范围内。
27.在“权利要求一”中的接分线的公共板，以及并接板，包括
*在寒冷气候环境下，24伏电池系统中的60单元的光伏板，或
*在炎热气候环境下，24伏电池系统中的72单元的光伏板(越高的太阳能光伏板工作温度，需要越多的光伏板单元数)。
28.在“权利要求一”中的接分线的公共板，以及并接板，包括
*在寒冷气候环境下，48伏电池系统中的120单元的光伏板，或
*在炎热气候环境下，48伏电池系统中的144单元的光伏板(越高的太阳能光伏板工作温度，需要越多的光伏板单元数)。
29.在“权利要求一”中的太阳能光伏系统中，可包括一个或多个与电池或电池组或直流负载标称电压相同的大电流充电器。大电流充电器的标称电压可以不同，但它们必须与其所对应的储能电池或电池组的标称电压相对应。
30.在“权利要求一”中的太阳能光伏系统中，可包括含有不同分线电压的大电流充电器，称为主大电流充电器。其分线电压都与其所对应的电池或电池组相对应，也须为与之相对应的直流负载供电。
31.在“权利要求一”中的太阳能大电流充电器(SCM)，和、或在“权利要求三十”中的主大电流充电器(MSCM)，可包括
*内置接地端口以满足所在地的电力电器规范，和、或
*外置接地端口以满足所在地的电力电器规范。
以上端口不与太阳能大电流充电器(SCM)或主大电流充电器(MSCM)内的任何元件相连。
32.在“权利要求一”中的太阳能大电流充电器(SCM)，和、或在“权利要求三十”中的主大电流充电器(MSCM)，包括
*共负极或共正极的设计信息，和
*标签贴纸可以由安装人员记录光伏列阵信息，“浮动”或“接地”的列阵信息，安装日期，服务电话号码等信息以便将来的服务人员调阅。
33.在“权利要求一”中的太阳能大电流充电器(SCM)，和、或在“权利要求三十”中的主大电流充电器(MSCM)，应包括自动转换开关以保持混合(市电和离网混合)光伏系统最佳的电池充电电压范围。
34.在“权利要求一”中的太阳能大电流充电器(SCM)和电池或电池组，可用于有并网逆变器的并网系统中。太阳能储能电池的容量可确保太阳能列阵系统稳定的功率输出。也能节省安装大功率逆变器的费用，还能增加系统的总功率输出，系统中也能包含自动转换开关(ATS)以保持最佳的电池电压范围。
35.在“权利要求一”中的太阳能大电流充电器(SCM)和电池或电池组，也可用于大型建筑中的大规模兆瓦级的大型太阳能发电厂。每个太阳能大电流充电器系统的电流容量可能被限制为300安培或400安培水平，但整体系统容量可以不受限制。电池或电池组以及服务于每个系统的并网逆变器可以安装在靠近相应的太阳能大电流充电器和太阳能光伏阵列的地方。每个并网逆变器的容量范围约为10KW至20KW。这样的逆变器可以产生更高的三相电压并直接输入电网，以减少布线成本。具有这样容量的逆变器比许多小型微型逆变器的效率高得多。此容量范围内的逆变器可以确保更好的效率，和最小的直流含量，并对电网产生最小的负面影响。在24V标称电压系统中，逆变器可以设置为28.0V启动(48V系统为56V)，并且当电池电压低于25.0伏(在48V系统中翻倍)停止工作。在这样的系统中，电池或电池组仍将确保太阳能收集的最大化，以及设备运行成本的最小化，因为逆变器将消耗最小的待机时(电压低于25.0V(48V系统中为50.0V))的用电量。这种系统中的逆变器可以位于大型建筑物的电气室，或许多地方的电工房中。室内的温度和通风系统控制将确保太阳能储能电池的使用寿命(储能电池的使用寿命在温度达到45℃以上会缩短)。
36.在“权利要求三十五”中的太阳能大电流充电器(SCM)和电池或电池组，可包括智能并网的逆变器。通过增加储能电池的容量，某些逆变器可以通过基于网络或云端技术的远程控制以控制电力输出。该系统可在太阳光照充分时输出电力，也可在任何电网需求量最高时输出电力，以满足整个电网的智能供电需求。
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