CN208015589U - 电力能源利用系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及到电力能源利用系统。包括至少一个供电支路且任意一个供电支路中具有串联连接的多级电压转换器。每一级电压转换器均用于从与之对应的直流电源处撷取电能并将撷取到的电能执行功率转换而提供输出功率。任意一个供电支路中的级联的多级电压转换器各自的输出电压被予以叠加，得到串级电压并向直流母线提供叠加后的电压。还包括布置在供电支路中的与其多级电压转换器串联的一个或多个二极管，并且还要求二极管的连接方式设置成：只允许电流从供电支路流向一组直流母线中电势高的一者而从一组直流母线中电势低的一者流回供电支路。

Description

电力能源利用系统

技术领域

本发明主要涉及到发电领域，更确切的说，是涉及到在含有光伏电池等发电应用场合中采用电力能源利用系统，基于可实现降压及升压或升降压型的电压转换器，能够根据实际情况决定对与电压转换器配对的光伏组件实施功率优化而使得能源供给的效率最高。

背景技术

光伏发电领域除了逆变器之外最重要的环节就是电压转换，主要目的是将电池的电压从容易波动的原始值转换成稳定的电压值，电压转换器就是起到直流电到直流电的电压转换的核心电路之一。涉及到将电池的电压进行升压或降压等，根据实际的需求来抬升或削减电池的原始的光转换电压，然后再将得到的直流期望电压进行逆变并网。在光伏发电系统中为了使发电系统安全可靠的运行，需要及时发现各种潜在的威胁：譬如阴影遮挡造成的热斑效应就是一种负面的威胁，它可能会让某些电池从电源转换成负载而引起电池板发热至起火烧毁，实时精确监控光伏电池的电压、电流、功率及温度和发电量等工作参数是光伏发电系统中很重要的环节。发电系统最主要的任务是使得发电效率最高，尽可能多的产生并网或供给本地使用的电能，逆变器带有的最大功率追踪是方案之一。

光伏电站的电力环节主要是由光伏组件、接线盒、汇流箱、直流汇流柜、逆变器等功能模块组成，光伏电站的投资中光伏组件数量最大，占据总投资成本的一半以上。光伏电站的可靠运行和发电效率主要决定于光伏组件的输出效率，当前技术水准条件下的光电转换效率在20％左右，实验室最高效率可达35％。传统的太阳能电池组件通常是由若干个电池片通过串并联方式排列。由于单片太阳能电池板的电流和电压都很小，所以将它们先串联获得高电压，再并联获得高电流后输出给逆变器部分。电池组件为了防止发生所谓的热斑效应而在接线盒内安装起到旁路作用的旁路二极管，二极管的作用是当电池被阴影遮挡时可以启动二极管，将该阴影遮挡的电池从整个系统中隔离，起到保护作用。如果没有安装该二极管，则受遮挡的电池板会快速发热，进而烧坏电池板的主要部件而最终造成整块电池板的不可逆转的损坏。目前光伏电站中绝大多数的电池组件都采用了这种旁路隔离的保护技术，这种电池板旁路保护技术的优点是原理简单、制造方便和成本低，但是缺点是如果个别的电池发生热斑效应而被二极管旁路隔离保护，那么被旁路掉的组件是不再向系统供电而造成较大的功率损失，这与本申请的目的背道而驰。

发明内容

在一个可选的非限制性的实施例中，本申请公开了一种电力能源利用系统，其特征主要是在于包括以下部分：至少一个供电支路且任意一个供电支路中具有串联的多级电压转换器或者称作具有串联的多级功率优化电路/功率优化器；每一级电压转换器均将从与之对应的一个直流电源撷取的电能转换成输出功率；任意一个供电支路中的多级电压转换器各自的输出电压予以叠加藉此向直流母线提供叠加后的电压；布置在供电支路中的与其多级电压转换器串联的一个或多个二极管，要求二极管的连接方式设置成只允许电流从供电支路流向一组直流母线中电势高的一者而从一组直流母线中电势低的一者流回供电支路。也即相当于二极管正负极的连接方式为：只允许从供电支路流向直流母线的流出电流单向通过或从直流母线流回供电支路的流入电流单向通过。

上述的电力能源利用系统，其中：包括并联连接在一组直流母线之间的多个供电支路。

上述的电力能源利用系统，其中：在供电支路中，将二极管的位置布局在多级电压转换器中任意相邻的两个电压转换器之间。

上述的电力能源利用系统，其中：在供电支路中，将二极管的位置布局在一组直流母线中的一者和多级电压转换器之间，或将二极管的位置布局在一组直流母线中的另一者和多级电压转换器之间。即将二极管的位置布局在两个直流母线当中之一和视为一个整体的多级电压转换器之间或布局在两个直流母线当中另一个和视为一个整体的多级电压转换器之间：如果多级电压转换器被按照从首个依序排序到末尾的最后一个，则认为该二极管连接在首个电压转换器和两个直流母线当中之一譬如正极母线之间，或者认为该二极管被连接在末尾的电压转换器和两个直流母线当中的另一个譬如负极母线之间。

上述的电力能源利用系统，其中：还包括耦合到直流母线上的能源收集装置，能源收集装置至少包括逆变器或者为蓄电池充电的充电器。

上述的电力能源利用系统，其中：在供电支路中，每一个电压转换器均用于将与之对应的一个直流电源的输出电流和输出电压设置在最大功率点处。由于电压转换器对与之相应的光伏组件实施了最大功率点追踪，所以电压转换器将撷取到的电能执行功率转换而提供的输出功率也是对应的光伏组件的最大功率。

上述的电力能源利用系统，其中：电压转换器至少是包括了基于BUCK拓扑结构的降压电压转换器、基于BOOST拓扑结构的升压电压转换器、基于BUCK-BOOST拓扑结构的升降压电压转换器、基于CUK拓扑结构的电压转换器或基于SEPIC拓扑结构的电压转换器当中的某一个。

上述的电力能源利用系统，其中：直流电源的类型至少包括燃料电池或光伏组件或者是化学电池等。

上述的电力能源利用系统，其中：在并联的多个供电支路中，当任意两个供电支路各自所提供的电压之间存在电压差时，藉由它们配置的二极管来抑制在该任意两个供电支路之间形成闭合回路(即抑制在支路间形成容易产生反向电流的反向闭合回路)。

上述的电力能源利用系统，其中：在并联的多个供电支路中，当任意一个供电支路提供的电压低于直流母线的电压时，藉由其二极管来抑制直流母线和该任意一个供电支路间形成反向回路(即避免在母线和供电支路之间形成容易产生反向电流的反向回路)。

上述的电力能源利用系统，其中：额外布置在任意一个供电支路中的与其多级电压转换器串联连接的一个或多个二极管起到防反的作用，亦即可以防止产生反向电流。首先、针对并联连接在直流母线之间的多个并排的供电支路而言，它们当中任意两者彼此之间由于各自二极管的存在而不会在该任意两者的回路中再产生任何形式的反向电流，此为本申请的优势之一。其次、针对连接在直流母线之间的任意某个供电支路而言，它能够提供的串级电压或支路电压即使是低于直流母线的电压但是由于它当中二极管的存在而不会在该任意某个供电支路中再产生任何形式的反向电流，此为本申请的优势之二。

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，本发明的特征和优势将显而易见。

图1是光伏组件先串联成电池串然后由电池串并联给逆变器供电的示意图。

图2是在同一个电池串组中多个光伏组件相互串联连接起来的范例示意图。

图3是电压转换电路采用升降压电路对该光伏组件进行功率优化的示意图。

图4是电压转换电路采用降压型电路对该光伏组件进行功率优化的示意图。

图5是电压转换电路采用升压型电路对该光伏组件进行功率优化的示意图。

图6是电压转换电路的输入电压和供给母线的输出电压的极性相反的范例。

图7是电压转换电路采用库克型电路对该光伏组件进行功率优化的示意图。

图8是电压转换电路采用斩波型电路对该光伏组件进行功率优化的示意图。

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。

在开关电源系统中，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，控制开关元件的占空比来调整输出电压。开关电源主要由输入电路、变换电路以及输出电路和控制单元等组成。功率变换是其核心部分，主要由开关电路组成，某些场合还应用到了变压器。为了满足高功率密度要求，变换器需要工作在高频状态，开关晶体管要采用开关速度高、导通和关断时间短的晶体臂，典型的功率开关有功率晶闸管、功率场效应晶体管和绝缘型双极型晶体管等多种。控制方式分为脉冲宽度调制、脉宽调制和频率调制混合调制、脉冲频率调制等多种，常用脉宽调制方式。开关模式电源SMPS根据输入和输出电压形式的不同，分为交流到交流(AC/AC)变换器如变频器、变压器；还分为交流到直流(AC/DC)变换器如整流器；以及分为直流到交流(DC/AC)变换器例如逆变器等；和分为直流到直流(DC/DC)变换器如电压变换器、电流变换器。本申请中应用到的开关模式电源主要是直流电到直流电的电压转换器，因此本申请提及的电压转换器也可以称作功率优化电路或者功率优化器等。

功率优化器是一个直流到直流的降压升压型电压变换器，也是一个单组件级别的电池最大功率追踪电力设备。功率优化器对单组件进行最大功率优化后，传输给终端逆变器进行直流到交流电的处理后，供给本地使用或发电上网。终端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BUCK或BOOST或BUCK-BOOST电路。

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，进而计算出母线电流并通过无线或电力载波传输给优化器。此时每个优化器输出端的电压等于所收集的组件最大功率的功率除以母线电流。当组件出现被遮挡的情况后，该优化器会根据伏安曲线重新确定最大输出功率值，被通过无线或电力载波传输给逆变器控制板。在维持直流母线电压不变的前提下，控制板重新计算母线电流(变小)并反馈给各优化器。此时被遮挡的组件的功率降低，该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，并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。目前比较普及的组件开路电压约为38伏而工作电压约为30伏，串联拓扑在正常情况下升压降压范围都是控制在10％-30％间，在电压不足情况下变化范围提升至10％-90％之间。然而并联拓扑和微型逆变器都需要把组件输入电压升压到相当高的数值约400V左右，显而易见这相当于10倍以上的提升幅度，这对于没有使用变压器的场合是非常困难的。

功率优化器一个最大的拓扑特点就是把组件和逆变器功能性分开，这有别于传统的光伏系统。看似组件通过优化器接入逆变器，事实上组件只是用来启动优化器，而优化器收集组件的最大功率后相互协作给逆变器功能。因为固定电压的技术，不但解决了光伏发电系统的部分遮挡的问题，对于多组串的系统，各组串组件数量也不需要相等，甚至同一串组内的各组件朝向也不需要一样。对于串联型优化器，断路后的开路电压仅仅是1V这样的微小电压；对于并联型优化器，断路后的开路电压最多也就是组件的开路电压，所以对于发电系统的安全性能和可靠性也是一个跨越式的进步。

除了电路拓扑在结构上面的优势，功率优化器在最大功率点追踪算法上也有着先天的优势。传统的最大功率点的追踪算法基本都是基于两种：爬山法和逻辑测算法。先进点的追踪法这些还采用结合法：比如爬山法结合常数范围法，配合固定时间间隔的全扫描法来寻找最大功率点；也有结合斜率极性法和电导增量法，配合探测步伐控制法来寻找最大功率点。这些算法在理想测试条件下，准确率都可以达到99％以上，其实当前最大的挑战是多波峰和光照陡增情况。多波峰的意思是在一个阵列的功率-电流或功率-电压曲线图中出现了多个功率峰值。其形成的原因多种多样，其中之一是因为部分组件因为遮挡而正向偏转了旁路二极管，导致三分之一的电池被绕开而导致串组的工作电压降低，进而出现阵列的电压错配而出现多波峰情况。或者因为遮挡而旁路二极管依然处在反向偏转的未启动状态，而在同一组串中出现电流错配而导致的多波峰情况。多波峰和光照陡增对于许多最大功率点算法有着巨大的影响，由于其不可控和多变性，会混淆追踪器对于探测方向的判断以及对于哪个峰值是最大功率点的判断。其实这种问题的根本原因，就是接入的组件太多了。试想如果每个优化器就只接一个组件，每个组件只有两到三个旁路二极管，而组件间又互不影响，这对于最大功率点的分析和追踪难度有着极大的降低，同时对于控制器的逻辑编辑也是非常的简洁和准确。因为仅仅是一个38伏和8.9安的IV曲线图，优化器的最大功率点追踪并不需要用传统的算法来追踪最大功率点，当前通用的有两种，首先是切点追踪法，其次是配有二级追踪的电阻控制法和电压控制法相结合的方法。正是基于这种优势，才可以让优化器相较于传统的逆变器有着30％左右的产能提升。另外不同于微型逆变器的有限交流功率，功率优化器可以完全传输收集到的功率给逆变器。

功率优化器不但兼容所有的晶硅电池板，还可以匹配到部分薄膜电池系统中去，业界也正在努力让优化器拥有更广阔的兼容范围。然而大多数的微型逆变器无法兼容或自身功能性接地，导致其与目前市场上一部分主流的组件无法匹配。同时，功率优化器的输入电压范围大约在5伏至50伏之间，这样就确保了哪怕组件在严重遮盖的情况下，优化电路依然可以保持启动状态并继续工作。功率优化器可以和第三方逆变器匹配，通过额外的控制盒进行和第三方逆变器的沟通以及对系统的调控。功率优化器或电压转换电路本质上是直流到直流的转换器，如BUCK、BOOST和BUCK-BOOST电路。须强调的是，现有技术中针对光伏电池的最大功率追踪的任何方案同样适用于本申请的电压转换电路，常见的最大功率追踪法有恒定电压法、电导增量法、扰动观察法等，本申请不再对电压转换电路如何执行最大功率追踪MPPT的方案予以赘述。

在光伏发电领域，光伏组件或光伏电池PV是发电的核心部件之一，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。由于硅电池在本领域要求的使用年限一般高达二十多年的寿命，所以对电池板的长期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降低，如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等因素都会引起效率低下。以典型的阴影遮挡为例，如果部分光伏组件被云朵或建筑物或树影或污垢等类似情况遮挡后，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地方局部温度可能较高，有的甚至超过150℃，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。

参见图1，与传统的光伏组件直接串联的区别在于：首先是任何光伏组件都配置有功率优化器，功率优化器完成电池和逆变器之间的电压匹配及电气隔离、然后再由逆变器完成直流电到交流电的逆变转换并给终端负载供电。与常规的方案类似，光伏发电系统具有串联的多个光伏组件PV1、PV2……PVN，它们串接构成电池组串，电池串组由N级串联连接的光伏组件PV1至PVN串接构成。光伏组件或称光伏电池PV均配置有执行最大功率追踪MPPT的功率优化电路PO：例如电池串组中的第一个光伏组件PV1产生的光伏电压由第一个功率优化电路PO1进行直流到直流的电压转换以执行功率优化，第二个光伏组件PV2产生的光伏电压由第二个功率优化电路PO2进行电压转换，至第N级的光伏组件PVN产生的光伏电压由第N级的功率优化电路PON进行电压转换以执行功率优化功能。实质上与每块光伏电池PV对应的功率优化电路PO输出的电压才可以表征该光伏电池PV提供在光伏电池串组上的实际电压。如果设定任意一串的光伏电池串组中串接有第一级光伏组件PV1、第二级光伏组件PV2…至第N级的光伏组件PVN：第一级功率优化电路PO1将第一级光伏电池PV1的光伏电压源执行最大功率追踪而进行电压转换并输出V₁，第二级功率优化电路PO2输出V₂，第N级的功率优化电路PON将第N级的光伏电池PVN的电压执行最大功率追踪而进行直流电压转换并输出V_N。

参见图1，可以计算出，任意一串光伏电池串组上总的串级电压粗略等于：第一级功率优化电路PO1输出的电压V₁加上第二级功率优化电路PO2输出的电压V₂再加第三级功率优化电路PO3输出的电压V₃……直至累加到第N级的功率优化电路PON所输出的直流电压V_N，串级电压的运算结果就等于V₁+V₂+……V_N。功率优化电路/优化器或电压转换电路PO在上下文中指代的拓扑，本质上是直流到直流的DC/DC变换器，典型的降压变换器BUCK，升压变换器BOOST、升降压变换器BUCK-BOOST等都适用于功率优化电路。必须强调的是，现有技术披露的针对光伏电池的最大功率追踪的任何方案同样也适用于本申请的电压变换电路，常见的最大功率追踪法有恒定电压法、电导增量法、扰动观察法等，本申请不再单独对电压转换电路执行最大功率追踪的方案予以赘述。前文解释与每块光伏电池对应的功率优化电路输出的电压才表征该光伏电池提供在光伏电池串组上的实际电压：第一级功率优化电路PO1、第二级功率优化电路PO2至第N级的功率优化电路PON等均通过串接传输线LAN串联，该N为自然数，传输线上由优化器叠加的串级电压再由直流母线输送给汇流箱/逆变器等电力设备INVT进行汇流/逆变。作为直流母线的传输线LAN的正负极之间还串联有稳压的母线电容CD。

参见图1，在可选的实施例中，图1中展示了第一个带有多级电压转换器也即多级功率优化电路PO1-PON的供电支路STR1，还展示了第二个带有多级电压转换器也即多级功率优化电路PO1-PON的供电支路STR2，当然还可以具有更多的供电支路或者仅仅是采用单一的供电支路。连接在一组直流母线LAN之间的多个供电支路譬如STR1-STR2等毫无疑虑是设置成并联连接。在可选的实施例中以供电支路STR1为例：它的每一级电压转换器譬如PON将从与之对应的一个直流电源譬如PVN撷取到的电能予以转换成输出功率。在某实施例中，供电支路STR1提供的串级电压VS1和供电支路STR2提供的串级电压VS2之间并不是完全的相同，那么它们之间就因为电压存在差异而形成某种形式的闭合回路LOP，因为串级电压VS2高于串级电压VS1，此时会产生不同供电支路之间的反向电流。在可选的实施例中，两个直流母线LAN之间的电压也可能会比该串级电压VS2以及VS1等要高得多，所以直流母线LAN的母线电压可能会倒灌到供电支路譬如STR1-STR2从而损坏元器件，会产生母线和供电支路之间的反向电流。

参见图2，为了避免这些负面的影响，布置在供电支路譬如STR1中的与其多级电压转换器也即功率优化电路PO1-PON串联的一个或多个二极管D，二极管D的连接方式设置成只允许电流从供电支路STR1流向一组直流母线中电势高的一者而从一组直流母线中电势低的一者流回供电支路STR1。在可选的实施例中：第一级功率优化电路PO1第一输入端连到配对的光伏电池PV1正极和第一级功率优化电路PO1第二输入端连到光伏电池PV1负电极处，该功率优化电路PO1在自身的第一输出端/第一节点与第二输出端/第二节点之间输出稳定电压，第一级功率优化电路PO1在第一输入端和第二输入端之间撷取光伏电池PV1通过光伏效应产生的电压源并进行功率优化。

参见图2，在实际应用中，很多数量的光伏电池或光伏组件串联连接来构成了预期的电池组串，假定总共N级的光伏电池PV1、PV2……PVN串联，该N通常取大于1的自然数，电池组串的串级电压粗略等于：第一级光伏电池PV1输出的电压V₁加上第二级光伏电池PV2输出的电压V₂再加上第三级光伏电池PV3输出的电压…直至累加到第N级的光伏电池PVN输出的电压V_N，等于V₁+V₂+……V_N。电池组串的串级电压输送到汇流箱或者逆变器等电力电子设备。总共N级的光伏电池PV1、PV2……PVN串联，其中某些光伏组件无故发电量变少，或电压变低或组件自身温度突然上升过高等等，都属于发电异常事件，尤其是阴影遮挡造成的电池热斑效应就是一种负面的威胁，它可能会让某些电池从电源转换成负载而引起电池板发热至起火烧毁。

参见图2，每块光伏组件或称光伏电池各自均配置有执行升压或降压或升降压的电压转换电路：譬如一个电池串组中的第一个光伏组件PV1产生的光伏电压由第一个功率优化电路PO1进行DC/DC电压转换以执行电压升降，第二个光伏组件PV2产生的光伏电压由第二个功率优化电路PO2进行电压转换，……直至第N级的光伏组件PON产生的光伏电压由第N级功率优化电路PON进行电压转换以执行电压升降功能。其实与每块光伏电池PV对应的功率优化电路PO输出的电压才可以表征该光伏电池PV提供在光伏电池串组上的实际电压。功率优化电路PO或称电压变换器本质上是直流到直流的电压转换器拓扑。本申请提及的处理器除了采集光伏组件的数据，还输出开关控制信号用于驱动电压转换器：电压转换器中功率开关的接通或关断状态实质上由微处理器输出的开关控制信号或调制信号来控制，例如逻辑器件、复数的处理器、控制装置、状态机或控制器或芯片以及软件驱动控制、门阵列和/或其他的等同控制器，其中以脉宽调制信号作为开关控制信号尤为典型。前文记载的第一级功率优化电路PO1、第二级功率优化电路PO2直至所谓的第N级的功率优化电路PON等均通过串接线LN串联连接，传输串接线上由电压转换电路也即功率优化电路PO1-PON各自输出的电压所叠加得到的串级电压被输送给类似于汇流箱或者逆变器等电力电子设备进行汇流再逆变等。

参见图3，先以任选的两个光伏组件PV_M和PV_N为例来阐释实现最大功率点追踪演算的基本原理：相邻或不相邻的光伏组件PV_M和光伏组件PV_N分别向电压转换电路/电压转换器或称之为功率优化电路PO_M和PO_N提供电源，功率优化电路用于对该光伏电池执行最大功率追踪，M和N是自然数。光伏组件受两方面的影响：第一是光伏电池的内部电池特性；第二是电池的周边使用环境如阳光辐照强度、负载状况和温度条件等。在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点上，应当寻求任何光照条件下光伏电池的实时最优工作状态以最大限度地将光能转化为电能。光伏组件仅仅是直流电源的类型之一，直流电源的替代方案至少包括燃料电池或化学电池。

参见图3，光伏组件PV_M利用功率优化电路PO_M产生期望的输出电压同时执行最大功率点追踪。功率优化电路PO_M的第一输入端NI1连到光伏组件PV_M的正极及功率优化电路PO_M的第二输入端NI2连接到光伏组件PV_M的负极。注意到功率优化电路PO_M的第一输出端NO1耦合到功率优化电路PO_M唯一的第一节点ND1，功率优化电路PO_M的第二输出端NO2连到功率优化电路PO_M的第二节点ND2，另外还有输出电容CO被连接在第一节点ND1和第二节点ND2之间。电压转换电路将光伏组件提供的电压执行DC/DC的电压转换并亦即同步执行最大功率追踪演算，从而最终功率优化电路PO_M所输出的直流输出电压产生在功率优化电路PO_M的第一输出端和第二输出端之间，输出电压加载第一节点ND1和第二节点ND2间的输出电容CO的上。亦即相当于输出电容连接在图2的电压转换电路自身的第一节点N1和第二节点N2之间。功率优化电路PO_M中的降压转换电路BUCK的功率开关S1和功率开关S2串联在第一输入端NI1和第二输入端NI2之间，功率优化电路PO_M中的升压转换电路BOOST的功率开关S3和功率开关S4串联在第一输出端NO1和第二输出端NO2之间。降压转换电路中的功率开关S1和功率开关S2两者相连于第一互连节点NX1，以及升压转换电路中的功率开关S3和功率开关S4两者相连于第二互连节点NX2，则Buck-Boost电路拓扑中前侧功率开关S1-S2两者相连的第一互连节点NX1与后侧功率开关S3-S4两者相连的第二互连节点NX2之间设置有主电感元件L，第二输出端NO2和第二输入端NI2可以直接耦合到一起并设定它们的电位为一个参考电位REF1。与第一输出端和第二输出端之间设置的输出电容CO所对应的是，转换器的第一输入端NI1和第二输入端NI2之间设置的输入电容CIN。功率优化电路PO_M配置的微处理器的直接驱动能力较弱，无法直接驱动功率半导体器件MOSFET或IGBT等开关，可利用驱动能力更强的驱动器/缓冲器来增强开关控制信号的强度再来驱动功率开关S1-S4。

参见图3，光伏组件PV_N利用功率优化电路PO_N产生期望的输出电压同时执行最大功率点追踪，功率优化电路PO_N的第一输入端NI1连到光伏组件PV_N的正极及功率优化电路PO_N的第二输入端NI2连接到光伏组件PV_N的负极。注意所述的功率优化电路PO_N的第一输出端NO1连接到功率优化电路PO_N自身唯一对应的一个第一节点ND1，以及功率优化电路PO_N的第二输出端NO2连到功率优化电路PO_N自身唯一对应的一个第二节点ND2，另外还有一个输出电容CO被连接在第一节点ND1和第二节点ND2之间。功率优化电路PO_N将光伏组件PV_N的电压执行DC/DC的电压转换并亦即同步执行最大功率追踪演算，从而最终功率优化电路PO_N所输出的直流输出电压产生在功率优化电路PO_N的第一输出端NO1和第二输出端NO2之间，也即输出电压施加在功率优化电路PO_N的输出电容CO上。相当于输出电容CO连在图2中的功率优化电路自身的第一节点N1和第二节点N2之间。功率优化电路PO_N中的降压转换电路BUCK的功率开关S1和功率开关S2串联在第一输入端NI1和第二输入端NI2两者之间，功率优化电路PO_N中的升压电路BOOST的功率开关S3和功率开关S4串联在第一输出端NO1和第二输出端NO2之间。Buck的功率开关S1和功率开关S2两者相连于第一互连节点NX1，Boost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，Buck-Boost电路中前侧功率开关S1-S2两者相连的第一互连节点NX1与后侧功率开关S3-S4两者相连的第二互连节点NX2之间设置有主电感元件L，并且功率优化电路PO_N中的第二输出端NO2和第二输入端NI2可以直接耦合到一起并设定它们的电位为一个参考电位REF2。同样在功率优化电路PO_N中通常与第一输出端NO1和第二输出端NO2之间设置的输出电容CO所对应的是，另外设置于功率优化电路PO_N中的第一输入端NI1和第二输入端NI2之间的输入电容CIN。

参见图3，设功率优化电路PO_M和功率优化电路PO_N相邻且串联，在电压转换电路的串联关系中，例如：前一级功率优化电路PO_M的第二节点ND2连到后一级功率优化电路PO_N的第一节点ND1。多级功率优化电路PO1、PO2、…PON按这种规律串联连接，任意前一级功率优化电路PO_M的第二节点ND2通过传输线LN耦合到相邻后一级功率优化电路PO_N的第一节点ND1，或任意前一级功率优化电路PO_M的输出电容CO由传输线LN和相邻后一级功率优化电路PO_N的输出电容CO串联。依此类推最终在多级功率优化电路PO1…PON等串联连接时它们各自的输出电容C_O相互串联连接也即满足：功率优化电路PO1的输出电容CO和PO2的输出电容CO和PO3的输出电容CO…和PON的输出电容CO等通过传输线LN串联连接，则串联连接的一系列的功率优化电路PO1-PON等提供的总的串级电压等于功率优化电路PO1-PON它们各自的输出电容CO上的电压的叠加值。换而言之，首个第一级的电压转换电路的第一节点和末尾的最后的一级的电压转换电路的第二节点之间可以提供整个串联的多个转换器的总的串级电压。换句话说：连接线LN将功率优化电路PV1-PVN串联起来，连接线LN可以提供直流电压的叠加路径。参见图2和图3，布置在供电支路譬如STR1中的与其多级电压转换器也即功率优化电路PO1-PON串联的一个或多个二极管D，二极管D的连接方式设置成只允许电流从供电支路STR1流向一组直流母线中电势高的一者而从一组直流母线中电势低的一者流回供电支路STR1。譬如：首个第一级的电压转换电路也即功率优化电路PO1的第一节点连接一个二极管D的阳极，该二极管D的阴极则连接到两个直流母线LAN中电势高的一者也即母线正极；或者末尾的最后的一级的电压转换电路也即功率优化电路PON的第二节点连接一个二极管D的阴极，该二极管D的阳极则连接到两个直流母线LAN中电势低的另一者也即母线负极；因此与多级电压转换器也即功率优化电路PO1-PON串联有一个或多个二极管D，二极管D的连接方式设置成只允许电流从供电支路STR1流向直流母线中电势高的正极母线而电流从直流母线中电势低的负极母线流回到供电支路STR1。在供电支路中STR1将二极管的位置布局在多级电压转换器中任意相邻的两个电压转换器之间，譬如图3中设相邻或不相邻而被间隔开的且串联的功率优化电路PO_M和功率优化电路PO_N，在可选的实施例中，两个电压转换器之间可以设置前一级的功率优化电路PO_M的第二节点ND2直接地连接到后一级相邻的功率优化电路PO_N的第一节点ND1，可以在功率优化电路PO_M的第二节点ND2和后一级功率优化电路PO_N的第一节点ND1之间连接二极管D，二极管D的阴极连接到前级的功率优化电路PO_M的第二节点ND2，与此同时该二极管D的阳极连接到后一级功率优化电路PO_N的第一节点ND1，在可选的实施例中，此时实施例中二极管D的连接方式仍然设置成只允许电流从供电支路STR1流向直流母线中电势高的正极母线而电流从直流母线中电势低的负极母线流回到供电支路STR1。

参见图4，为了阐释本申请涉及的实现功率优化的方案的发明精神，以图示的实现功率变换的电压转换器为例，电压转换器如果是BUCK电路也即开关S1和开关S2构成降压单臂。在BUCK电路中，图示的开关S3-S4可以直接从电路拓扑中摒弃则BUCK电路的主电感元件L可以直接连接在互连节点NX1与第一输出端NO1之间。或者如果电压转换器工作在BUCK状态可以直接持续接通开关S4而持续关断开关S3，仅仅驱动前侧的功率开关S1和功率开关S2高频切换，功率转换BUCK电路可独立运作。

参见图5，为了阐释本申请涉及的实现电流检测的方案的发明精神，以图示的实现功率变换的电压转换器为例，电压转换器如果是BOOST电路即开关S3和开关S4构成升压单臂。在BOOST电路中，开关S1-S2可以直接从电路拓扑中摒弃则BOOST电路中的主电感元件L可以直接连在互连节点NX2与第一输入端NI1之间。或者如果电压转换器工作在BOOST状态可以直接持续接通开关S1而持续关断开关S2，仅仅驱动后侧的功率开关S3和功率开关S4高频切换，功率转换的BOOST电路可独立运作。

参见图3，实现功率变换的该可选的某个电压转换器为例：功率开关S1和S2串联在第一输入端NI1和第二输入端NI2之间，采用功率管的开关S3和开关S4串联在第一输出端NO1和第二输出端NO2之间，注意其中的功率开关S1和开关S2两者相连于互连节点NX1以及功率开关S3和开关S4两者相连于互连节点NX2，额外还在第一个互连节点NX1和第二个互连节点NX2之间连接主电感元件L。藉此作为前级的BUCK降压的单臂S1-S2和作为后级BOOST的升压单臂S3-S4组成BUCK-BOOST电路，同时具备了降压和升压的功率转换能力，该BUCK-BOOST电路是H桥式的。

参见图6，前文记载的多种功率优化电路所采用的电压转换器基本都是正极性的也即输入电压和输出电压的极性相同，实际上，每块光伏组件或称光伏电池各自均配置有执行升压或降压或升降压的电压转换电路还可以采用极性相反的转换器，隔离或者非隔离的电压转换器均可，丘克CUK电路是典型的反极性变换器。本实施例中以：譬如一个电池串组中的第一个光伏组件PV1产生的光伏电压由第一个功率优化电路PO1进行DC/DC反极性的电压转换以执行电压升降，第二个光伏组件PV2产生的光伏电压由第二个功率优化电路PO2进行反极性的电压转换，……类推直至第N级的光伏组件PON产生的光伏电压由第N级功率优化电路PON进行反极性电压转换以执行电压升降功能。其实与每块光伏电池PV对应的功率优化电路PO输出的电压才可以表征该光伏电池PV提供在光伏电池串组上的实际电压。第一级功率优化电路PO1、第二级功率优化电路PO2直至还有所谓的第N级的功率优化电路PON等均通过串接线LN串联连接，传输串接线上由电压转换电路也即功率优化电路PO1-PON各自输出的电压所叠加得到的串级电压被输送给类似于汇流箱或者逆变器等电力电子设备进行汇流再逆变等。

参见图6，是类似于丘克CUK电路等反极性的变换器串联的实施例。布置在供电支路譬如STR1中的与其多级电压转换器也即功率优化电路PO1-PON串联的一个或多个二极管D，二极管D的方式设置成只允许电流从供电支路STR1流向一组直流母线中电势高的一者而从一组直流母线中电势低的一者流回供电支路STR1。譬如首个第一级的电压转换电路也即功率优化电路PO1的第一节点连接一个二极管D的阴极而该二极管D的阳极则连接到两个直流母线LAN中电势低的一者也即母线负极；或者末尾的最后的一级的电压转换电路即功率优化电路PON的第二节点连接一个二极管D的阳极而该二极管D的阴极则连接到两个直流母线LAN中电势低的另一者即母线负极；因此与多级电压转换器也即功率优化电路PO1-PON串联有一个或多个二极管D，二极管D的连接方式设置成只允许电流从供电支路STR1流向直流母线中电势高的正极母线而电流从直流母线中电势低的负极母线流回到供电支路STR1。图6中两个直流母线当中位于上方的母线是负极母线而位于下方的母线是正极母线，但是图2中两个直流母线当中位于上方的母线是正极母线而位于下方的母线是负极母线，引起这种不同的正负极结果的原因是图2使用了同极性的电压转换器而图6使用了反极性的转换器。

参见图7，光伏组件PV_M利用功率优化电路PO_M产生期望的输出电压同时执行最大功率点追踪。功率优化电路PO_M的第一输入端NI1连到光伏组件PV_M的正极及功率优化电路PO_M的第二输入端NI2连接到光伏组件PV_M的负极。注意到功率优化电路PO_M的第一输出端NO1耦合到功率优化电路PO_M唯一的第一节点ND1和功率优化电路PO_M的第二输出端NO2连到功率优化电路PO_M的第二节点ND2，另外还有输出电容CO被连接在第一节点ND1和第二节点ND2之间。电压转换电路将光伏组件提供的电压执行丘克模式的DC/DC电压转换并同步执行最大功率追踪演算，从而最终功率优化电路PO_M所输出的直流输出电压产生在功率优化电路PO_M的第一输出端和第二输出端之间，输出电压加载第一节点ND1和第二节点ND2间的输出电容CO上。相当于输出电容连接在图6的电压转换电路自身的第一节点N1和第二节点N2之间。功率优化电路PO_M也即CUK电路的第一电感L1和第二电感L2以及中间电容CX串联在它自身的第一输入端NI1和第一输出端NO1间，第二输入端NI2和第二输出端NO2两者直接耦合在一起：第一电感L1连接在中间电容CX的第一端子和第一输入端NI1之间而第二电感L2则连接在中间电容CX的第二端子和第一输出端NO1之间。另外还有丘克电路使用的功率开关S5连接在中间电容CX的第一端子和第一输入端NI1之间，还有丘克电路使用的二极管DI连接在中间电容CX的第二端子和第二输出端NO2之间。丘克电路的工作机制不予赘述，但是第一输入端NI1是正极输入和第二输入端NI2是负极输入但是它的第二输出端NO2是正极输出和第一输出端NO1是负极输出。

参见图7，还应当结合图6的实施例，在供电支路中STR1将二极管的位置布局在多级电压转换器中任意相邻的两个电压转换器之间，譬如图7中设相邻或不相邻而间隔开的且串联的功率优化电路PO_M和功率优化电路PO_N，两个转换器之间可以设置前一级的功率优化电路PO_M的第二节点ND2连接到后一级功率优化电路PO_N自身的第一节点ND1，又还可以在功率优化电路PO_M的第二节点ND2和后一级相邻功率优化电路PO_N的第一节点ND1之间连接二极管D，二极管D的阳极连接到前级的功率优化电路PO_M的第二节点ND2，二极管D的阴极连到后级功率优化电路PO_N本身的第一节点ND1，在使用丘克电路的此时实施例中，二极管D的连接方式仍然设置成只允许电流从供电支路STR1流向直流母线中电势高的正极母线而电流从直流母线中电势低的负极母线流回到供电支路STR1。CUK电路当中使用的二极管DI阳极连接到中间电容CX的第二端子且二极管DI的阴极则连接到第二输出端NO2处。

参见图8，在该实施例中SEPIC电路和CUK电路通常相提并论，但是SEPIC电路是输入和输出为同相的而CUK电路是输入和输出为反相的，因此SEPIC电路作为功率优化电路应该采用图2的方式串联而不是图6的方式串联。图7中光伏组件PV_M利用功率优化电路PO_M产生期望的输出电压同时执行最大功率点追踪。基于SEPIC电路拓扑的功率优化电路PO_M的第一输入端NI1连到光伏组件PV_M的正极及SEPIC拓扑的功率优化电路PO_M的第二输入端NI2连接到光伏组件PV_M的负极。注意到功率优化电路PO_M的第一输出端NO1耦合到功率优化电路PO_M的第一节点ND1和功率优化电路PO_M的第二输出端NO2连到功率优化电路PO_M的第二节点ND2，另外还有输出电容CO被连接在第一节点ND1和第二节点ND2之间。电压转换电路将光伏组件提供的电压执行SEPIC模式的DC/DC电压转换并同步执行最大功率追踪演算，从而最终功率优化电路PO_M所输出的直流输出电压产生在功率优化电路PO_M的第一输出端和第二输出端之间，输出电压加载第一节点ND1和第二节点ND2间的输出电容上。相当于输出电容连接在图2的电压转换电路自身的第一节点N1和第二节点N2之间。功率优化的电路PO_M也即SEPIC电路的第一电感L1和二极管DI以及中间电容CX串联在它自身的第一输入端NI1和第一输出端NO1间，第二输入端NI2和第二输出端NO2两者直接耦合在一起：第一电感L1连接在中间电容CX的第一端子和第一输入端NI1之间而它的二极管DI则连接在中间电容CX的第二端子和第一输出端NO1之间。另外还有电路使用的功率开关S5连接在中间电容CX的第一端子和第一输入端NI1之间，还有电路使用的二极管DI连接在中间电容CX的第二端子和第二输出端NO2之间。SEPIC电路的工作机制不予赘述，但是第一输入端NI1是正极输入和第二输入端NI2是负极输入以及它的第二输出端NO2是负极输出和第一输出端NO1是正极输出。第二电感L2连接在该中间电容CX的第二端子和第二输出端NO2之间，二极管DI阳极连接到中间电容CX的第二端子以及二极管DI的阴极则连接到第一输出端NO1处。

参见图8，还应当结合图2的实施例，在供电支路中STR1将二极管的位置布局在多级电压转换器中任意相邻的两个电压转换器之间，譬如图7中设相邻或不相邻而间隔开的且串联的功率优化电路PO_M和功率优化电路PO_N，两个转换器之间可以设置前一级的功率优化电路PO_M的第二节点ND2连接到后一级功率优化电路PO_N自身的第一节点ND1，又还可以在功率优化电路PO_M的第二节点ND2和后一级相邻功率优化电路PO_N的第一节点ND1之间连接二极管D，二极管D的阴极连接到前级的功率优化电路PO_M的第二节点ND2，二极管D的阳极连到后级功率优化电路PO_N它本身的第一节点ND1，二极管D的仍然设置成只允许电流从供电支路STR1流向直流母线中电势高的正极母线而电流从直流母线中电势低的负极母线流回到供电支路。

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 (10)

1.一种电力能源利用系统，其特征在于，包括：

至少一个供电支路且任意一个供电支路中具有串联连接的多级电压转换器；

每一级电压转换器均用于从与之对应的直流电源处撷取电能，并将撷取到的电能执行功率转换而提供输出功率；

任意一个供电支路中的多级电压转换器各自的输出电压予以叠加藉此向直流母线提供叠加后的电压；

布置在供电支路中的与其多级电压转换器串联连接的一个或多个二极管，二极管的连接方式设置成只允许电流从供电支路流向一组直流母线中电势高的一者而从一组直流母线中电势低的一者流回供电支路。

2.根据权利要求1所述的电力能源利用系统，其特征在于：

还包括并联连接在一组直流母线之间的多个供电支路。

3.根据权利要求1或2所述的电力能源利用系统，其特征在于：

在供电支路中，将二极管的位置布局在多级电压转换器中任意相邻的两个电压转换器之间。

4.根据权利要求1或2所述的电力能源利用系统，其特征在于：

在供电支路中，将二极管的位置布局在一组直流母线中之一和多级电压转换器之间或布局在一组直流母线中的另一个和多级电压转换器之间。

5.根据权利要求1所述的电力能源利用系统，其特征在于：

还包括耦合到直流母线上的能源收集装置，能源收集装置至少包括逆变器或者为蓄电池充电的充电器。

6.根据权利要求1所述的电力能源利用系统，其特征在于：

在供电支路中，每一个电压转换器在执行功率转换时均用于将与之对应的一个直流电源的输出电流和输出电压设置在最大功率点处。

7.根据权利要求1所述的电力能源利用系统，其特征在于：

电压转换器至少包括基于BUCK拓扑结构的电压转换器、基于BOOST拓扑结构的电压转换器、基于BUCK-BOOST拓扑结构的电压转换器、基于CUK拓扑结构的电压转换器或基于SEPIC拓扑结构的电压转换器当中的一个。

8.根据权利要求1所述的电力能源利用系统，其特征在于：

直流电源的类型至少包括燃料电池或光伏组件。

9.根据权利要求2所述的电力能源利用系统，其特征在于：

在并联的多个供电支路中，当任意两个供电支路各自所提供的电压之间存在电压差时，藉由它们配置的二极管来抑制在该任意两个供电支路之间形成闭合回路。

10.根据权利要求2所述的电力能源利用系统，其特征在于：

在并联的多个供电支路中，当任意一个供电支路提供的电压低于直流母线的电压时，藉由其二极管来抑制直流母线和该任意一个供电支路间形成反向回路。