CN117730478A - 具有多级结构的电力转换设备 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的实施方式的电力转换设备包括：多个转换器，其分别连接至多个电池串；以及一个控制单元，其用于向多个级转换器中的每个转换器施加控制信号，其中多个转换器构成多级。

Description

具有多级结构的电力转换设备
技术领域
本发明涉及电力转换设备，更具体地，涉及使用具有多级结构的多个转换器的电力转换设备和太阳能模块。
背景技术
太阳能发电是一种环境友好的能源发电方式，其用于替代现有化学发电或核能发电并且分布广泛。太阳能发电具有其中电池连接至转换器的独立型以及与电力系统连接的链路型，并且通常，独立发电包括太阳能电池、蓄电池、电力转换设备等，并且与电网连接的系统被配置成通过连接至商业电源与负载电网线路相互作用和供电。
太阳能电池模块根据日照量、温度等具有不同的最大功率点。为使太阳能电池在最大功率点运行，可以使用基于模块进行最大功率点跟踪(MPPT)控制的模块级电力电子设备(MLPE)。然而，当模块内的每个电池的日照量和温度不同时，具有单个转换器的MLPE很难遵循经优化的最大功率点。
如图1所示，在具有单个转换器的方法中，所有电池串联连接并且输入至MLPE，MLPE对整个太阳能电池模块执行最大功率点跟踪控制。在这种情况下，当由于电池串中的日照量的差异而导致每个电池串的最大功率点不同时，存在无法对单个电池串进行最大功率点跟踪控制的问题。
此外，如图2所示，在具有单个转换器的MLPE方法中，太阳能电池模块、DC/DC转换器和控制器被设计成具有相同的参考电位(电位)。因此，当控制器检测太阳能电池模块电压和DC/DC转换器输出电压时，可以仅使用电阻器分配电路来实现电压检测电路。然而，在多级结构的MLPE中，不能直接应用上述方法。
此外，具有单个转换器的MLPE应用方法对太阳能电池模块、DC/DC转换器、控制器和辅助电源使用相同的接地。因此，如图3和图4所示，可以配置辅助电源电路，用于从太阳能电池模块接收电力并向转换器、控制器等提供辅助电力。然而，在多级结构的MLPE中，不能直接应用上述方法。
发明内容
[技术主题]
用于解决技术问题的本发明旨在提供一种使用具有多级结构的多个转换器的电力转换设备和太阳能模块。
[技术解决方案]
为了解决上述技术问题，根据本发明的实施方式的电力转换设备包括：多个转换器，多个转换器中的每一个转换器连接至多个电池串；以及控制单元，其用于向多个转换器中的每一个转换器施加控制信号，其中多个转换器构成多级。
此外，多个转换器可以接收控制信号并执行最大功率点跟踪控制。
此外，多个转换器可以级联(cascode)连接。
此外，控制单元可以对多个转换器的输入信号、输出信号和在每个转换器当中包括的电感器中流动的电流中的至少一个进行监测。
此外，控制单元可以通过电力线通信(PLC)将监测到的信息发送至外部。
此外，控制单元可以包括：第一控制单元，其用于施加控制信号使得多个转换器执行最大功率点跟踪控制；以及第二控制单元，其用于对以下中的至少一个进行监测并且将监测到的信息发送至外部：多个转换器的输入信号；多个转换器的输出信号；以及在每个转换器中包括的电感器中流动的电流。
此外，控制单元可以根据多个电池串中的每一个电池串的输出信号，针对多个转换器中的与每个电池串相对应的每个转换器单独地生成控制信号。
此外，可以同步地施加多个转换器的控制信号。
此外，可以以预定的相位差施加多个转换器的控制信号。
此外，相位差可以根据构成多级的转换器的数量而变化。
此外，控制信号可以是用于包括在转换器中的切换设备的PWM信号。
此外，多个电池串中的每个电池串可以包括至少一个或更多个电池。
为了解决上述技术问题，根据本发明的实施方式的太阳能模块包括：多个电池串，每个电池串包括一个或更多个太阳能电池；多个转换器，其分别连接至电池串中的每个电池串；以及控制单元，其用于对多个转换器中的每个转换器的信息进行监测，并根据监测到的信息将控制信号施加到多个转换器中的每一个，其中多个转换器构成多级。
此外，多个转换器可以级联连接。
此外，控制单元可以是集成IC：用于施加控制信号以使多个转换器执行最大功率点跟踪控制；并且对多个转换器的输入信号和输出信号和在每个转换器当中包括的电感器中的电流流动中的至少一个进行监测，并将监测到的信息发送至外部。
[有益效果]
根据本发明的实施方式，通过使用集成控制单元控制多个转换器可以减少控制单元的数量。此外，每个转换器之间可以进行联动控制，并且除了最大功率点跟踪控制之外，使用集成控制单元还可以容易地实现诸如监测和通信的附加功能。此外，在检测多级结构MLPE中具有不同参考电位的电压时，可以以与传统方法相同的方式仅用电阻器分配电路来检测电压，而不需要额外的装置。此外，在使用具有多级结构的MLPE时，通过实现辅助电源电路，可以平滑地向每个DC/DC转换器、控制电路、PLC电路等提供辅助电力。这里，可以通过将单个隔离转换器应用于辅助电源电路来生成多个辅助电源，这有利于降低材料成本。此外，在使用具有多级结构的MLPE时，通过让每个DC/DC转换器具有单独的辅助电源电路，可以获得更稳定的辅助电源，并且当将单独的辅助电源电路设计为降压-升压型时，与非反相降压-升压转换器相比，可以通过将降压稳压器与升压稳压器进行级联来降低材料成本。
附图说明
图1至图4是根据本发明的比较实施方式的太阳能模块的框图。
图5是用于说明最大功率点跟踪控制的图。
图6是根据本发明的第一实施方式的电力转换设备的框图。
图7是根据本发明的第一实施方式的太阳能模块的框图。
图8至图10是用于说明本发明的第一实施方式的视图。
图11是根据本发明的第二实施方式的电力转换设备的框图。
图12是根据本发明的第二实施方式的太阳能模块的框图。
图13和图14是用于说明本发明的第二实施方式的图。
图15示出了根据本发明的第二实施方式的电力转换器的另一实施方式。
图16是根据本发明的第三实施方式的电力转换设备的框图。
图17是根据本发明的第三实施方式的太阳能模块的框图。
图18和图19示出了根据本发明的第三实施方式的电力转换设备的各种实施方式。
图20至图24示出了根据本发明的第四实施方式的电力转换设备的各种实施方式。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本发明的优选实施方式。
然而，本发明的技术构思不限于要描述的一些实施方式，而是可以以各种形式实现，并且在本发明的技术构思的范围内，构成元件中的一个或更多个可以在实施方式之间选择性地组合或替换。
另外，除非明确地限定和描述，否则本发明的实施方式中使用的术语(包括技术术语和科学术语)可以解释为可以由本领域技术人员通常理解的含义，并且通常使用的术语(例如在字典中定义的术语)，可以考虑它们在相关领域中的上下文含义来解释。
另外，本说明书中使用的术语用于描述实施方式而不旨在限制本发明。在本说明书中，除非在短语中具体说明，否则单数形式可以包括复数形式，并且当被描述为“A和B和C中的至少之一(或多于一个)”时，其可以包括可以与A、B和C组合的所有组合中的一个或更多个组合。
另外，在描述本发明的实施方式的部件时，可以使用诸如第一、第二、A、B、(a)和(b)的术语。这些术语仅旨在将部件与其他部件区分开，并且这些术语不限制部件的性质、顺序或次序。
此外，当部件被描述为“连接”、“耦接”或“互连”至另一部件时，该部件不仅直接连接、耦接或互连至其他部件，而且还可以包括该部件由于其他部件之间的另一部件进行“连接”、“耦接”或“互连”的情况。
此外，当描述为形成或布置在每个部件的“上(上方)”或“下(下方)”时，“上(上方)”或“下(下方)”意指不仅包括两个部件直接接触的情况，而且还包括一个或更多个其他部件形成或布置在这两个部件之间的情况。此外，当表述为“上(上方)”或“下(下方)”时，可以包括基于一个部件的不仅向上方向而且向下方向的含义。
根据本实施方式的经修改的实施方式可以包括每个实施方式的一些组件连同其他实施方式的一些组件。也就是说，经修改的实施方式可以包括各种实施方式中的一个实施方式，但是可以省略一些组件，并且可以包括其他相应的实施方式的一些组件。或者，也可以反过来。实施方式中描述的特征、结构、效果等被包括在至少一个实施方式中，并且不一定仅限于一个实施方式。此外，每个实施方式中示出的特征、结构和效果可以由各实施方式所属领域中的技术人员相对于其他实施方式进行组合或修改。因此，与这些组合和修改相关的内容应当被解释为包括在实施方式的范围内。
图6是根据本发明的第一实施方式的电力转换设备的框图；图7是根据本发明的第一实施方式的太阳能模块的框图；图8至图10是用于说明本发明的第一实施方式的图。
根据本发明的第一实施方式的电力转换器100包括多个电池串131至133、多个转换器111至113和控制单元120。
转换器111至113分别连接至多个电池串131至133。
这里，多个电池串131至133中的每一个可以包括至少一个电池，并且当包括多个电池时，多个电池可以串联连接。电池串131至133可以是包括太阳能电池的太阳能电池串。太阳能电池串可以形成太阳能板。太阳能电池执行使用光电效应进行发电的太阳能发电(PV、光伏)。光电效应是指当特定频率或更高频率的光照射到特定金属材料时电子的发射。使用p型半导体和n型半导体来形成PN结，并且通过使用由光电效应生成的电子来生成电流从而生成电力。太阳能电池是使用硅等形成的，并且可以以晶片形式形成。太阳能电池位于可以很好地接收阳光的场地、建筑物外墙或屋顶，并使用阳光进行发电。此时，太阳能电池可以由与建筑物一体形成的建筑物一体化太阳能发电(BIPV)形成。
由于通过一个太阳能电池生成的电力大小不足以在负载或电力系统中使用，因此可以通过将多个太阳能电池串联连接以形成太阳能电池串(而不是一个太阳能电池)来生成适合使用的电力大小。太阳能电池串可以是用于生成电力的基本单元。太阳能发电板可以通过将作为基本单元的多个电池串形成板来形成。
如图5所示，太阳能电池根据日照量、温度等具有不同的电压-电流特性，并且最大功率点(MPP)也会变化。(发电功率＝电压×电流)。电力转换设备控制太阳能电池在最大功率点(MPP)处工作，最大功率点是太阳能电池在各种条件下具有最大功率的工作点。这被称为最大功率点跟踪(MPPT)，通过使用最大功率点跟踪可以提高太阳能发电的效率。在太阳能发电中，根据电流与电压之间关系的特性以及电压与功率之间关系的特性，最大功率可以是在最大电压的大约80％处，而不是最大电压。由于这样的最大功率点根据太阳能板所生成的电压和电流的大小而不断变化，所以需要不断地找到能够生成最大功率点的点。也就是说，为了跟随最大功率而不是最大电压，可以改变电压和电流的大小以达到最大功率。也就是说，朝着增大功率的方向，电压可以减小而电流可以增大，或者电压可以增大而电流减小。
转换器包括与多个电池串111至113的数量相对应的多个转换器111至113。转换器111至113中的每一个连接至相应的电池串131至133，以接收从电池串131至133生成的电力，转换电压，并输出转换后的电压。如图1所示，当所有电池串串联连接并且使用一个转换器执行最大功率点跟踪控制时，当电池串之间的日照量存在差异时，难以遵循最佳最大功率点。为了实现有效的最大功率点跟踪控制，需要包括分别连接至多个电池串的多个转换器，以便以电池串为单位执行最大功率点跟踪。
转换器111至113是DC-DC转换器，并且可以将具有第一电压的信号转换成具有第二电压的信号并输出转换后的信号。或者，可以将具有第一电流的信号转换成具有第二电流的信号，然后输出。此时，多个转换器111至113构成多级。多个转换器111至113可以级联连接以形成多级。这里，级联是指输出端子以多级的形式连接，并且转换器的输出端子根据级联连接而堆积以形成多级的形式。多级是指将每个转换器的输出信号进行组合并输出为一个信号的结构。此时，如图6所示，上一级转换器111的输出端子的(-)端子顺序地连接至相邻的低级转换器112的输出端子(+)端子，使得从最高级转换器111至最低级转换器113的输出被组合并输出为一个信号。
控制单元120将控制信号施加到多个转换器111至113中的每一个。一个控制单元120生成用于控制多个转换器111至113中的每一个的控制信号。多个转换器111至113接收控制信号并执行最大功率点跟踪控制。
多个转换器111至113中的每一个从控制单元120接收控制信号，并且执行最大功率点跟踪，使得彼此连接的电池串131至133的功率变成最大功率。当在特定区域上形成由多个电池串形成的太阳能模块时，由于当电池串之间的日照量不同时，电池串之间最大功率点也变得不同，所以多个转换器中的每一个转换器对每个电池串执行最大功率点跟踪控制，使得在每个电池串中生成最大功率。通过这样，可以进行针对每个电池串优化的最大功率点跟踪控制。
除了生成用于最大功率点跟踪控制的控制信号并将控制信号施加到多个转换器111至113的功能外，控制单元120还可以执行其他功能。控制单元120可以对多个转换器111至113的输入信号和输出信号和每个转换器当中包括的电感器中流动的电流中的至少一个进行监测。在生成用于最大功率点跟踪控制的控制信号时，由于应使用与从电池串131至133输出的电池串电压相对应的转换器的输入信号和从转换器输出的输出信号，所以控制单元120监测转换器的输入信号和输出信号。此时，可以监测输入信号的电压和电流以及输出信号的电压和电流。此外，可以监测在构成转换器111至113的电感器中流动的电流以监测是否有过电流流动，并且可以用于过电流保护。此外，控制单元120可以监测电力转换所需的各种信息。
控制单元120可以将监测到的信息发送至上层控制器或外部。此时，控制单元120可以通过电力线通信(PLC)发送监测到的信息。电力线通信是使用电力线的通信，并且可以在没有单独的通信线的情况下使用电力线来执行通信。此外，自然可以使用诸如有线或无线类型的各种类型的通信。
控制单元120可以包括：第一控制单元，其用于施加控制信号使得多个转换器111至113执行最大功率点跟踪控制；以及第二控制单元，其被配置成对多个转换器的输入信号和输出信号和在每个转换器当中包括的电感器中流动的电流中的至少一个进行监测，并且将监测到的信息发送至外部。控制单元120可以包括：第一控制单元，其用于针对每个功能执行最大功率点跟踪控制功能；以及第二控制单元，其用于执行监测和通信的功能。此时，第一控制单元和第二控制单元可以形成为一个模块或者形成为单独的模块。第一控制单元和第二控制单元可以针对每个功能块来形成，或者可以形成为一个集成电路。
图8示出了本发明的第一实施方式的实现示例，并且电力转换设备100可以是MLPE。通过使用一个控制单元对构成多级的多个转换器进行控制，可以针对每个电池串进行最大功率点跟踪控制。如图8所示，用于对最大功率点跟踪控制的信息进行监测并将监测到的信息发送至外部世界的MCU和执行最大功率点跟踪控制并将控制信号施加到每个转换器的控制器功能可以形成为一个控制单元。自然地，可以在一个控制单元上形成单独的功能块或模块。
图9是包括用于对构成多级的各转换器进行控制的多个控制器的实施方式。由于每个转换器都需要单独的控制器，因此控制器的数量增加，成本增加，并且制造可能变得困难。此时，还需要一个单独的MCU来进行监测或通信。与图9的实施方式相比，如在图8的实施方式中那样通过从一个控制单元120对转换器111至113中的每一个进行控制，高效控制变得可能。
控制单元120根据多个电池串中的每一个的输出信号，针对与每个电池串相对应的多个转换器中的每一个单独生成控制信号，从而实现每个电池串的最大功率点跟踪。
转换器111至113可以包括多个开关元件，并且此处，开关元件可以包括诸如MOSFET的半导体开关。控制信号可以是用于对转换器111至113中的半导体开关进行驱动的脉冲宽度调制(PWM)信号。PWM信号是其脉冲宽度在一个周期期间被调整的信号。脉冲宽度越大，开关元件保持接通的时间就越长。也就是说，占空比增加，从转换器111至113发送至输出的电力大小增加。相反地，当脉冲宽度减小时，占空比减小，并且因此从转换器111至113发送至输出的电力大小减小。通过对这些进行调整，可以控制电压和电流，并且通过这样，最大功率点跟踪控制变得可能。也就是说，控制单元120可以通过调整PWM信号的大小来执行最大功率点跟踪控制。
当控制单元120将控制信号施加到多个转换器111至113时，可以同步地或者以预定的相位差来将控制信号施加到多个转换器。由于一个控制单元120控制多个转换器111至113，因此各个转换器之间的联动控制变得可能。例如，每个转换器可以以如图10所示的同步方法或交错方法进行操作。如图10所示，同步方法是同时向每个转换器施加控制信号，而在交错方法中，向每个转换器以相位差施加控制信号。当应用交错方法时，作为控制单元的ADC或MCU的操作不是集中在一点处，而是分散的，使得可以应用性能较低的MCU。相位差可以根据构成多级的转换器的数量而变化。例如，当存在3个转换器时，可以以120度(360度除以3)的相位差来施加每个转换器的控制信号。
如图7所示，根据本发明的第一实施方式的太阳能模块包括多个电池串131至133、多个转换器111至113以及控制单元120。图7的太阳能模块的详细描述对应于根据第一实施方式的电力转换设备的详细描述，并且将省略重叠的描述。多个电池串131至133中的每一个包括一个或更多个太阳能电池，多个转换器111至113分别连接至电池串，并且控制单元120是用于对多个转换器111至113中的每一个的信息进行监测并根据所监测到的信息将控制信号施加到多个转换器111至113中的每一个的控制单元。多个转换器构成多级。
级联连接的多个转换器111至113和控制单元120可以是集成IC，其施加控制信号使得多个转换器111至113执行最大功率点跟踪控制，并且对多个转换器111至113的输入信号和输出信号和在每个转换器当中包括的电感器中流动的电流中的至少一个进行监测，并将监测到的信息发送至外部。
图11是根据本发明的第二实施方式的电力转换设备的框图；图12是根据本发明的第二实施方式的太阳能模块的框图。图13和图14是用于说明本发明的第二实施方式的图。
根据本发明的第二实施方式的电力转换器300由多个转换器110、电压检测单元140和控制单元120组成。在根据本发明的第二实施方式的电力转换设备的详细描述中，将省略与第一实施方式的详细描述相对应的描述。本发明的第二实施方式主要表述用于检测电池串输出电压和构成多级的转换器110中的转换器输出电压的配置，因此自然地，即使省略了一些配置的描述，也可以包括根据本发明的实施方式的配置。
多个转换器110分别连接至多个电池串130，并且级联连接以配置多级。从多个转换器110输出的从最高级到最低级的信号被组合并被输出为一个信号。
电压检测单元140检测多个转换器110中的每一个的输入电压和输出电压中的至少一个。电压检测单元140在多个转换器的每个输入端子和输出端子处形成，以检测每个位置处的电压。
电压检测单元140包括串联连接在每个转换器的输入端子或输出端子与地之间的两个电阻器，并且可以检测施加到两个电阻器之间的节点的电压。如图13所示，在需要测量电压的相应位置处，即每个转换器的输入端子或输出端子与地之间的电压，使用根据串联连接的两个电阻器的分压来检测。
控制单元120使用由电压检测单元140检测到的电压，针对多个转换器110中的每一个生成和施加控制信号。由于电压检测单元140通过相对于地的电压分布来进行检测，较高级处的电压(而不是以地作为参考电位的最低级处的电压)，难以进行准确的电压检测，这是由于参考电位不同。因此，控制单元120接收由每个电压检测单元140检测到的电压，并使用每各级处的关系来计算各级处的电压。
控制单元120将在最低级的转换器中测量的电压计算为最低级的转换器的电压。由于最低级的参考电位是与电压检测单元140的参考电位相同的地，所以可以按原值使用由最低级的转换器测量到的电压。在最高级的转换器的输出端子处测量到的电压可以被计算为总输出电压。由于最高级的转换器的输出端子与地之间的电压与总输出电压相同，因此可以按原值使用在最高级处测量到的电压而不用单独地检测总输出电压。
对于在除最低级之外的级处检测到的电压，相应级处的电压使用与在相邻的较低级处测量到的电压差来计算。
如图14所示，控制单元120可以计算每一级处的电压。如图13所示，按级顺序在输入端子处测量到的电池串电压是VF1、VF2和VF3，当在输出端子处测量到的输出电压是VB1、VB2和VB3时，电池串电压1可以被计算为VF1-VF2，电池串电压2可以被计算为VF2-VF3，而电池串电压3可以按原值被计算为VF3。此外，输出电压1可以被计算为VB1-VB2，输出电压2可以被计算为VB2-VB3，输出电压3可以按原值被计算为VB3，并且总输出电压可以被计算为与VB1相对应。
电压检测单元140还可以测量相邻的输入端子或输出端子之间的电压，而不是要测量电压的输入端子或输出端子与地之间的电压。此时，电压检测单元140可以包括参考电位转换单元，该参考电位转换单元将施加到串联连接在与每个转换器的输入端子或输出端子相邻的较低级转换器的输入端子之间的两个电阻器之间的节点的电压的参考电位转换成与控制单元的参考电位相同的参考电位。如图15所示，在测量电压时，可以使用相邻的较低级的参考电平而不是地电平来测量电压。
如图15所示，MLPE是构成级联的多级的电力转换设备，其在由电池串和与其相对应的转换器所组成的每一级中具有不同的参考电位。也就是说，最低级具有最低的参考电位，而较高级具有较高的参考电位。通常，最低级的参考电位可以是地。由于作为控制单元的控制器被设计成仅检测高于其自身参考电位的电位差，因此在该多级结构中，控制器的参考电位被布置成与最低级的参考电位相同。在这种多级结构和控制器布置中，控制器可以仅检测与其自身参考电位存在电位差的电压。因此，可以仅通过电阻器分配电路来检测具有相同参考电位的最低级的电池串电压和转换器输出电压。然而，由于其他上级具有不同的参考电位，因此需要参考电位转换单元(例如单独的电路)，将每个参考电位处的电阻分压转换成与控制器相同的参考电位。
此时，由于作为控制单元120的控制器中的参考电位与除最低级之外的其他级处的参考电位不同，因此控制器包括用于将其中的参考电位转换成相同参考电位的参考电位转换单元。参考电位转换单元可以相对于与地相邻的较低级的值，使参考电位等于控制单元120的参考电位。此外，可以使用各种元件或电路来调整由电压检测单元检测到的电压的参考电位以匹配控制单元120的参考电位。
控制单元120使用由电压检测单元140检测到的电压，针对多个转换器110中的每一个生成和施加控制信号。控制单元120可以根据多个电池串中的每一个的输出信号，针对与每个电池串相对应的多个转换器中的每一个单独地生成控制信号。多个转换器110可以接收控制信号并执行最大功率点跟踪控制。
用于多个转换器的控制信号可以同步地被施加或者以预定的相位差被施加。此时，控制信号可以是用于包括在转换器中的开关元件的PWM信号。
控制单元120对多个转换器的输入信号和输出信号和在每个转换器当中包括的电感器中流动的电流中的至少一个进行监测，并且可以通过电力线通信(PLC)将监测到的信息发送至外部。
如图12所示，根据本发明的第二实施方式的太阳能模块包括多个电池串130、多个转换器110、电压检测单元140和控制单元120。图12的太阳能模块的详细描述对应于根据第二实施方式的电力转换设备的详细描述，因此将省略重叠的描述。
多个电池串130中的每一个包括一个或更多个太阳能电池，并且多个转换器110连接至每一个电池串以形成多级结构。电压检测单元140检测多个转换器中的每一个的输入电压和输出电压中的至少一个，并且控制器120使用由电压检测单元140检测到的电压，针对多个转换器中的每一个生成和施加控制信号。
电压检测单元140包括串联连接在每个转换器的输入端子或输出端子与地之间的两个电阻器，并且检测施加到两个电阻器之间的节点的电压，其中控制单元120可以通过使用与在相邻的较低级转换器中检测到的电压的电压差来计算在每个转换器中测量到的电压。
或者，电压检测单元140可以包括参考电位转换单元，参考电位转换单元将施加到串联连接在与每个转换器的输入端子或输出端子相邻的较低级转换器的输入端子之间的两个电阻器之间的节点的电压的参考电位转换成与控制单元的参考电位相同的参考电位。
图16是根据本发明的第三实施方式的电力转换设备的框图；图17是根据本发明的第三实施方式的太阳能模块的框图。图18和图19示出了根据本发明的第三实施方式的电力转换设备的各种实施方式。
根据本发明的第三实施方式的电力转换设备500包括多个转换器110和辅助电源单元150，并且还可以包括控制单元或电压检测单元。在根据本发明的第三实施方式的电力转换设备的详细描述中，将省略与第一和/或第二实施方式的详细描述相对应的描述。本发明的第三实施方式集中描述了生成辅助电力以驱动转换器的辅助电源单元的配置等，因此即使省略了对一些配置的描述，自然也可以包括根据本发明的实施方式的配置。
多个转换器110分别连接至多个电池串130，并且级联连接以配置多级。从多个转换器110输出的从最高级到最低级的信号被组合并输出为一个信号。
辅助电源单元150向多个转换器中的每一个提供驱动电力。与图3和图4不同，在图3和图4中电池串、转换器、控制器和辅助电源使用相同的接地，而在多级配置中，辅助电源单元150必须为每一级提供适合的辅助电力。
为此，根据第三实施方式的电力转换设备的辅助电源单元150包括隔离转换器。隔离转换器的初级电路接收多个电池串的输出端子中的至少一个输出端子的电压，隔离转换器根据初级电路的电压向次级电路输出电压，并且多个次级侧电路使用从隔离转换器输出的电压向多个转换器中的每一个提供驱动电力。
多个电池串的输出端子中的至少一个输出端子的电压被施加到初级侧电路，并且此时，在初级侧电路中，多个电池串的输出端子中的每一个可以通过开关元件并联连接。这里，开关元件可以是如图18所示的二极管。多个电池串的所有输出端子通过二极管连接，从而可以选择性地施加电池串电压中的最高电压。也就是说，即使一些电池串缺乏日照，也可以通过使用充分地生成电力的其他电池串的电压来提供用于所有转换器的驱动电力。通过这种方式，还可以确保冗余。或者，自然可以在没有二极管的情况下接收并使用特定电池串的电压来提供辅助电力。
隔离转换器可以包括反激式转换器、正激转换器和LLC转换器中的至少一个。隔离转换器可以执行初级侧调节(PSR)。PSR可以参考与初级电路单元具有相同的参考电位的次级电路单元的输出电压来执行。次级电路单元的输出可以通过参考通过变压器被反射至初级侧的电压来控制。隔离转换器可以使用第三绕组来控制次级电路单元的输出。可以通过仅参考有关与初级电路单元相同的电位的次级电路单元的输出电压来控制隔离转换器。例如，当初级电路单元基于地时，可以参考基于地的次级电路单元的输出电压来执行控制。
辅助电力可以通过将单独的转换器和将次级电路的输出作为输入的线性稳压器进行组合来生成。
如图19所示，次级侧电路可以包括：第一次级电路，其用于向包括在每个转换器中的上开关提供辅助电力；以及第二次级电路，其用于向包括在每个转换器中的下开关提供辅助电力。转换器可以包括高侧FET和低侧FET，并且可以向高侧FET和低侧FET中的每一个提供辅助电力。
它包括控制单元，该控制单元用于对多个转换器的输入信号和输出信号和在每个转换器当中包括的电感器中流动的电流中的至少一个进行监测，并通过电力线通信(PLC)将监测到的信息发送至外部，并且针对多个转换器中的每一个生成和施加控制信号，其中次级侧电路可以包括向控制单元提供驱动电力的第三次级侧电路。除了与每个转换器相对应的次级电路单元之外，次级电路单元还可以附加地使用二级电路单元用于单独的目的。此外，可以向需要电力(例如驱动电力)的各种模块提供辅助电力。
在通过接收辅助电力而被驱动之后，多个转换器110可以从控制单元接收控制信号以执行最大功率点跟踪控制。
如图17所示，根据本发明的第三实施方式的太阳能模块包括多个电池串130、多个转换器110和辅助电源单元150。图17的太阳能模块的详细描述对应于根据第三实施方式的电力转换设备的详细描述，因此将省略重叠的描述。
多个电池串130中的每一个包括一个或更多个太阳能电池，并且多个转换器110连接至每一个电池串以形成多级结构。辅助电源单元150向多个转换器110中的每一个提供驱动电力，其中辅助电源单元150包括：初级侧电路，其用于接收多个电池串的输出端子中的至少一个输出端子的电压；隔离转换器，其用于根据电路的电压向次级电路输出电压；以及多个次级电路，其用于使用从隔离转换器输出的电压向多个转换器中的每一个提供驱动电力。
在初级侧电路中，多个电池串的输出端子可以通过二极管并联连接。次级电路包括第一次级电路，其用于向包括在每个转换器中的上开关提供辅助电力，以及第二次级电路，其用于向包括在每个转换器中的下开关提供辅助电力。
它可以包括控制单元，其用于对输入信号、输出信号和在每个转换器当中包括的电感器中流动的电流中的至少一个进行监测，并通过电力线通信(PLC)将监测到的信息发送至外部，或者针对多个转换器中的每一个生成和施加控制信号，其中次级侧电路可以包括向控制单元提供驱动电力的第三次级侧电路。
根据本发明的第四实施方式的电力转换设备包括多个转换器110和辅助电源单元150，并且还可以包括电压检测单元或控制单元。在根据本发明的第四实施方式的电力转换设备的详细描述中，将省略与第一至第三实施方式的详细描述相对应的描述。本发明的第四实施方式集中描述了生成辅助电力以驱动转换器的辅助电源单元的配置等，因此即使省略了对一些配置的描述，根据本发明的实施方式的配置也可以自然地被包括。
根据本发明的第四实施方式的电力转换设备包括：多个转换器110，其中每个转换器连接至多个电池串以配置多级；以及多个辅助电源单元150，其用于使用从每个电池串输出的电压向多个转换器中的每一个提供驱动电力。
按照根据第三实施方式的电力转换设备的辅助电力单元的配置，可以利用单个隔离转换器来生成多个辅助电源，这在降低材料成本方面是有利的，但是难以控制单个次级电路单元的输出电压，并且由于存在因为辅助电源电路的一部分的故障而导致整个辅助电源电路可能发生故障的可能，因此根据第四实施方式的电力转换设备单独地生成并提供被提供至每个转换器的辅助电力。
为了单独地生成和提供辅助电力，辅助电源单元150可以包括单个稳压器和级联连接的两个或更多个稳压器中的至少一个。
用于向每个转换器提供辅助电力的每个辅助电源单元150可以包括单个稳压器。单个稳压器可以包括线性稳压器、电荷泵、升压/降压转换器和升压转换器中的至少一个。单个稳压器可以选择性地使用线性稳压器、电荷泵、升压/降压(增压-减压)转换器和升压(增压)转换器。如果如图20所示辅助电力单元被实现为单个稳压器，则存在电路配置简单的优点。
由于电池串电压根据太阳能电池的条件频繁地变化，因此必须根据串电压的变化范围与辅助电源的目标电压VAUX之间的关系来适当地施加电池串电压。如图21所示，当辅助电力的目标电压VAUX低于最低电池串电压时，需要降压，因此在这种情况下，可以使用线性稳压器或降压转换器。当辅助电力的目标电压VAUX高于最大电池串电压时，需要升压，因此在这种情况下，可以使用电荷泵或升压转换器。当仅需要升压/降压或升压时，电路配置相对简单，并且可以以低材料成本来实现。
然而，当辅助电力的目标电压VAUX低于最高电池串电压并且高于最低电池串电压时，需要升压和降压，并且在这种情况下，必须使用其输出电压不反相为负电压的非反相降压-升压转换器。非反相降压-升压转换器需要四个半导体开关，这使得电路相对复杂，并且材料成本变高。
辅助电源单元150可以是多输出隔离转换器，并且此时，多输出隔离转换器可以包括：第一输出，其用于向包括在每个转换器中的上开关提供辅助电力，以及第二输出，其用于向包括在每个转换器中的下开关提供辅助电力。如图22所示，作为单个稳压器，可以应用能够进行多输出的隔离转换器。通过使用能够多输出的隔离转换器，可以将FET驱动电力分别提供至转换器中包括的作为下开关的低侧FET和作为上开关的高侧FET。在向转换器提供单一辅助电力的情况下，高侧FET驱动电力必须通过自举电路来提供。由于自举电路需要通过间歇地导通低侧FET来对电容器充电以保持输出电压，因此高侧FET不能连续导通。通常，在MLPE操作期间频繁地发生连续导通高侧FET以便将电池串电压旁路到输出电压的操作。当使用隔离转换器分别向低侧FET和高侧FET提供驱动电力时，可以在没有自举电路的情况下操作高侧FET。通过这样，可以克服自举电路的缺点，并且可以连续导通高侧FET。
在配置辅助电源单元时，可以使用级联连接的两个或更多个稳压器。两级或更多级的稳压器可以包括线性稳压器、电荷泵、升压/降压转换器和升压转换器中的至少两个。稳压器的两级可以使用相同的类型或不同的类型。
在实现能够升压/降压的辅助电源电路时，升压稳压器和降压稳压器可以级联配置。此时，无论升压和降压稳压器的布置顺序如何，都可以实现电路。在两级稳压器配置中，升压和降压型意味着辅助电源电压VAUX与电池串电压相比能够升压和降压。
此时，如图23所示，两级或更多级的稳压器可以包括降压稳压器和升压稳压器。这里，降压稳压器可以包括线性稳压器和降压转换器中的至少一个，升压稳压器可以包括电荷泵和升压转换器中的至少一个。
作为两级稳压器，可以使用线性稳压器、电荷泵、升压转换器、升压/降压转换器和升压转换器的组合，并且在利用两级调节装置实现升压/降压功能时，可以将降压稳压器和升压稳压器进行组合。如图24所示，辅助电力单元可以由线性稳压器电荷泵组合、线性稳压器升压转换器组合、降压转换器电荷泵组合和降压转换器升压转换器组合来形成。与非反相降压-升压转换器相比，这些中的1到3的组合可以降低材料成本。
根据第四实施方式的电力转换设备可以包括控制单元，该控制单元用于对输入信号、输出信号和在每个转换器当中包括的电感器中流动的电流中的至少一个进行监测，并通过电力线通信(PLC)将监测到的信息发送至外部，或者针对多个转换器中的每一个生成和施加控制信号，其中多个转换器可以接收控制信号并执行最大功率点跟踪控制。
根据本发明的第四实施方式的太阳能模块由多个电池串130、多个转换器110和辅助电源单元150组成。根据本发明的第四实施方式的太阳能模块的详细描述对应于根据第四实施方式的电力转换设备的详细描述，因此将省略重叠的描述。
多个电池串130中的每一个包括一个或更多个太阳能电池，并且多个转换器110连接至每一个电池串以形成多级结构。辅助电源单元150向多个转换器110中的每一个提供驱动电力，并且使用从每个电池串输出的电压向多个转换器中的每一个提供驱动电力。辅助电力单元可以包括单个稳压器和级联连接的两个或更多个稳压器中的至少一个。
与本实施方式相关的本领域技术人员将能够理解的是，在不偏离以上描述的基本特征的范围内可以以修改的形式实现本实施方式。因此，所公开的方法应当从说明性而非限制性的意义来考虑。本发明的范围在权利要求书中而不是在前述描述中被示出，并且等效的范围内的所有差异将被解释为包括在本发明中。

Claims (10)

1.一种电力转换设备，包括：
多个转换器，所述多个转换器分别连接至多个电池串；以及
控制单元，所述控制单元被配置成针对所述多个转换器中的每一个施加控制信号，
其中，所述多个转换器构成多级。
2.根据权利要求1所述的电力转换设备，
其中，所述多个转换器接收所述控制信号并执行最大功率点跟踪控制。
3.根据权利要求1所述的电力转换设备，
其中所述多个转换器级联连接。
4.根据权利要求1所述的电力转换设备，
其中，所述控制单元对以下中的至少一个进行监测：所述多个转换器的输入信号；所述多个转换器的输出信号；以及在每个转换器中包括的电感器中流动的电流。
5.根据权利要求4所述的电力转换设备，
其中，所述控制单元通过电力线通信(PLC)将所监测到的信息发送至外部。
6.根据权利要求1所述的电力转换设备，
其中，所述控制单元包括：
第一控制单元，所述第一控制单元被配置成施加控制信号使得所述多个转换器执行最大功率点跟踪控制；以及
第二控制单元，其被配置成监测每个转换器中包括的电感器中流动的电流中的至少一个，并将所监测到的信息发送至外部。
7.根据权利要求1所述的电力转换设备，
其中，所述控制单元根据所述多个电池串中的每一个电池串的输出信号，针对所述多个转换器中的与每一个电池串相对应的每一个转换器单独地生成控制信号。
8.根据权利要求1所述的电力转换设备，
其中，同步地施加所述多个转换器的控制信号。
9.根据权利要求1所述的电力转换设备，
其中，以预定的相位差施加所述多个转换器的控制信号。
10.根据权利要求9所述的电力转换设备，
其中，所述相位差根据构成所述多级的转换器的数量而变化。
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