CN215498883U - 一种带区域功率优化装置的光伏组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种带区域功率优化装置的光伏组件，涉及光伏发电系统技术领域，其通过依次连接的至少两个的电池模块、降压斩波模块和控制模块，在各降压斩波模块相互串联后，共同接入一个LC滤波模块，各降压斩波模块运行与独立的占空比控制下。本实用新型可解决光伏组件在电池片串级别的功率优化和优化后的电流纹波的高效滤除，实现减少电感器和电容器的设置，并通过增加感值和容值，提高LC滤波模块处理电流纹波的能力，同时独立的占空比，使得电感器两端在极高、极低电压值的占用的时间缩短，使同等感量的电感器能够处更大的电流纹波，并可借助组件的边框等方式散热，综合地实现低成本、高可靠性、高效率的获取光伏组件的电力。

Description

一种带区域功率优化装置的光伏组件

技术领域

本实用新型涉及光伏发电系统技术领域，特别是涉及一种带区域功率优化装置的光伏组件。

背景技术

光伏组件，也称之为太阳能电池组件，或称为光伏板。光伏组件是由一定数量单片太阳能电池片排布成阵列结构，并采用串、并联的方式密封而成，以提升输出电压，避免电极和导线腐蚀，并实现可靠性和耐用性。而为进一步利用光伏组件所产生的电力，目前，光伏并发发电系统中，其结构主要是由诸多光伏组件连接成组串，组串在并接成组件阵列，并经由光伏逆变器变换为交流电实施用电或并网供电。

传统的光伏组件带有盒体，盒体内部器件只有旁路二极管，用于电池片串被遮挡时旁路串电流。根据光伏特性曲线，串联组件具有木桶效应，其输出功率受配置的电压影响。目前，采用分布式最大功率跟踪技术(MPPT)，通过在盒体配置光伏功率优化器，可在光伏组件的电池片串级别上，将其输出电压设置在最大功率点电压，实现光伏组件输出功率的优化，解决光伏组件遮挡、积灰、积雪、双面组件背面辐照不均匀等带来的功率失配问题。以Buck型功率优化器为例，其需要配置PCB电路板、辅助电源、控制芯片、开关器件、输入电容、输出电容、输出滤波电感等。其中，开关器件、电容和电感设置为Buck型拓扑结构，开关器件快速开与关以斩波的方式进行DC-DC降压变换，控制芯片要驱使开关器件的降压变换动作，电容和电感对降压变换的电力进行滤波。在子电池串级的Buck型功率优化器中，一光伏组件内常常需要配备2至3个DC-DC降压变换变化结构，因而其内部构成更为复杂，电感、输出电容等的设计尺寸较大。开关器件损耗、输出滤波电感的损耗、输出滤波电容的损耗。

子电池串级的功率优化器主要损耗包括开关器件损耗、输出滤波电感的损耗、输出滤波电容的损耗，并且以上所有损耗值与滤波电感的电流脉动的纹波电流正相关。要降低损耗需要增加滤波电感器，需要增大滤波电感器电感值，但电感值增加将使电感器尺寸增大，并受限于于功率优化器的尺寸。特别是，双面光伏组件应用中，较大的优化器尺寸会对双面光伏组件背面形成较大的遮挡，影响双面光伏组件的背面发电增益，而降低了光伏功率优化器的发电增益价值。

实用新型内容

为解决现有技术存在的缺陷，本实用新型的主要目的在于提供一种带区域功率优化装置的光伏组件，可解决光伏组件在电池片串级别的功率优化和优化后的电流纹波的高效滤除，综合地实现低成本、高可靠性、高效率的获取光伏组件的电力。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下的技术方案。

本实用新型所述的一种带区域功率优化装置的光伏组件，包括组件本体，所述组件本体包括n个电池模块、n个降压斩波模块、n个控制模块以及一个LC滤波模块，所述的n个代表大于等于2的正整数；其中，

所述电池模块由组件本体按区域n等分的诸多电池片串相互连接构成；

n个所述降压斩波模块的输入端分别对应地连接于n个电池模块的输出端，以用于形成降压变换的输出；

n个所述降压斩波模块的输出端相互串联；

n个所述控制模块一一对应地连接于n个降压斩波模块，并以脉冲调制信号控制其对应降压斩波模块进行斩波降压，各所述控制模块根据其对应降压斩波模块的电参量变化独立设置脉冲调制开关信号的占空比；

所述LC滤波模块用于滤除n个降压斩波模块串联后输出电流的纹波，并作为组件本体的输出端。

上述光伏组件，可选的，所述降压斩波模块包括降压线路和主控开关管，所述主控开关管串联设置于降压线路，以控制降压线路的输入端和输出端的导通和截止；所述主控开关管的控制端连接于降压斩波模块所对应设置控制模块，所述控制模块以脉冲调制信号控制主控开关管；所述降压线路的输入端连接于降压斩波模块所对应设置的电池模块的输出端，n个所述降压线路的输出端相互串联，其串联的输出端连接于LC滤波模块。

上述光伏组件，可选的，所述降压斩波模块还包括同步整流开关管，所述同步整流开关管并联设置于降压线路的输出端，以控制降压线路输出端旁路的导通和截止；所述同步整流开关管的连接于降压斩波模块所对应设置控制模块；所述控制模块以反相于控制主控开关管的脉冲调制信号控制同步整流开关管。

上述光伏组件，可选的，所述控制模块包括判断模块，所述控制模块包括判断模块，所述判断模块根据获取的输出电流参量与预设电流参量比较，当输出电流参低于预设电流参量，则以控制其所对应设置的同步整流开关管保持截止；所述同步整流开关管并联设置有旁路二极管。

上述光伏组件，可选的，所述控制模块包括参量采集电路、微控制电路、驱动电路和辅助电源，所述参量采集电路用于获取其所对应的降压斩波模块的输入输出电流参量和输入输出电压参量，所述微控制电路用于根据输入输出电流参量和输入输出电压参量跟踪其所对应的降压斩波模块的最大功率点，所述驱动电路用于根据最大功率点将其所对应的降压斩波模块的设置相应占空比的控制信号，所述辅助电源用于自降压斩波模块输入一侧获取供控制模块运行的电力。

上述光伏组件，可选的，所述LC滤波模块包括滤波线路、电感器和输出滤波电容，所述滤波线路的输入端连接于n个所述降压线路的输出端相互串联后的输出端，所述滤波线路的输出端作为组件本体的输出端，所述电感器串联设置于滤波线路，所述输出滤波电容并联设置于滤波线路。

上述光伏组件，可选的，n个所述降压斩波模块、n个所述控制模块和一个所述LC滤波模块设置于同一电路板上，上述电路板装入盒体；所述盒体替代传统光伏接线盒地安装于组件本体的背板上，或者所述盒体外挂安装于组件本体的边框或支架处；各个所述降压斩波模块一一对应电性连接于各个电池模块。

上述光伏组件，可选的，n个所述降压斩波模块及控制模块分别一一对应地设置于n个分壳体，各分壳体之间借助导线使各个降压斩波模块相互串联；LC滤波模块设置于其中一含有降压斩波模块的分壳体，或者LC滤波模块设置于另一独立的分壳体；串联的各个降压斩波模块的输出端连接于LC滤波模块；各所述分壳体装设在组件本体同一侧的边框处。

上述光伏组件，可选的，所述电池片串由诸多太阳能电池片沿矩形阵列的短边延伸方向串联连接而成，各所述电池片串沿矩形阵列的长边延伸方向排布。

上述光伏组件，可选的，所述的n个代表2个，按区域二等分的多个所述电池片串经二等分并联后再串联连接构成二个电池模块；或者，所述的n个代表3个，按区域三等分的多个所述电池片串经二等分并联后再串联连接构成三个电池模块。

与现有技术相比，本实用新型有益效果如下：

(1)相比于现有技术，本实用新型中的光伏组件内至少两个降压斩波模块能够共用一套滤波电感、电容，可以降低总体的成本，减少的设计空间可以用于提升LC滤波模块的占用空间和感值；并且本实用新型的降压斩波模块是Buck降压转换电路结构，但不包括输出滤波电感、输出滤波电容，其体积相较原有功率优化器尺寸大为减小，对双面光伏组件背面遮挡率大为降低；

(2)本实用新型的降压斩波模块可运行在独立的占空比调节下，在开关周期内，各降压斩波模块之间因占空比差异和周期相位差异，使占空比较低的其中一降压斩波模块能够在另一降压斩波模块的串联中获得补充电流，继而使电流的变化减弱，使得电感器两端的在极高、极低电压值的占用的时间缩短，使同等感量的电感器能够处更大的电流纹波。此外，多个降压斩波模块的输出电流因独立占空比的设置，实现其串联的输出电流一致地匹配。多个降压斩波模块可独立跟踪其对应的电池模块的最大功率点。各电池模块的可辐照变化一致性地设置，使各种遮挡因素能限制在一电池片串内或一电池模块内，而经由MPPT匹配而发挥最大的发电效力。

(3)由于外置LC滤波模块可以采取紧贴光伏组件边框方式安装，可以把组件的金属边框作为大面积的散热体，散热条件很好，能够较大幅度降低滤波电感与滤波电容的工作温度，同时主要损耗器件滤波电感与滤波电容外置后，降压斩波模块内部产生热能也将大幅降低，并能够同时降低LC滤波模块与降压斩波模块的工作温度，延长其内部器件的使用寿命与可靠性。

(4)电感器的电流处理能力与其体积成正比，在电感器外置后，其体积不再受制于原有功率优化器盒体尺寸；可以适当增加电感器的体积，对电流变化的处理能力，比如适当降低Buck电路PWM驱动频率，减少开关管的开关损耗，而由上可知外置滤波模块的散热条件远远要好于安装在组件背板上的优化器的散热条件，这样亦可以延长系统整体寿命与可靠性。

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明实施例的光伏组件整体结构示意图；

图2为本发明实施例的光伏组件具体电路结构示意图；

图3为本发明实施例的控制单元的结构示意图；

图4为本发明实施例的控制单元的具体硬件结构示意图；

图5为本发明实施例的光伏组件应用在光伏发电系统的结构示意图；

图6为本发明实施例的光伏组件第一导通状态示意图；

图7为本发明实施例的光伏组件第二导通状态示意图；

图8为本发明实施例的光伏组件第三导通状态示意图；

图9为本发明实施例的光伏组件第四导通状态示意图；

图10为本发明实施例的占空比平衡状态电流变化折线图；

图11为本发明实施例的占空比较低状态电流变化折线图；

图12为本发明实施例的占空比较高状态电流变化折线图；

图13为本发明实施例的光伏组件第一示例外部结构示意图；

图14为本发明实施例的光伏组件第二示例外部结构示意图；

图15为本发明另一实施例的光伏组件整体结构示意图。

具体实施方式

为更好的说明本实用新型的目的、技术方案和优点，下面结合附图和实施例对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不作为限制本实用新型的范围。

如1图所示，是N代表2的一种带区域功率优化装置的光伏组件，包括组件本体10，其特征在于，组件本体10包括2个电池模块20、2个降压斩波模块30、2个控制模块40以及1个LC滤波模块50。其中，组件本体10是由太阳能电池片以矩形阵列结构排列并封装所形成。太阳能电池片会沿矩形阵列的长边串联连接成电池片串11，而诸多电池片串11沿矩形阵列的短边排布，并封装为光伏组件；或者太阳能电池片会沿矩形阵列的短边串联连接成电池片串11，而诸多电池片串11沿矩形阵列的长边排布，并封装为光伏组件。2个电池模块20是由所有的电池片串11按照上下两个区域两等分所分别形成，称之为区域上电池模块21和区域下电池模块22。2个降压斩波模块30分别是第一降压斩波模块31和第二降压斩波模块32，2个控制模块40分别是第一控制模块41和第二控制模块42。区域上电池模块21的输出端连接于第一降压斩波模块31的输入端，并借助第一降压斩波模块31对电力的导通和截止进行斩波降压。区域下电池模块22的输出端连接于第二降压斩波模块32的输入端，并借助第二降压斩波模块32对电力的导通和截止进行斩波降压。第一降压斩波模块31和第二降压斩波模块32的输出端相互串联，且串联的输出端连接于LC滤波模块50的输入端，借助LC滤波模块50的电感器L抵抗串联的降压斩波模块30所形成的电流变化，以滤除电流纹波。LC滤波模块50的输出端作为组件本体10的输出端。

其中，第一控制模块41连接于第一降压斩波模块31的控制端，并独立以D1控制第一降压斩波模块31的占空比。第一控制模块41可获取第一降压斩波模块31的第一输入电流、第一输入电压、第一输出电流和第一输出电压，并进行最大功率点跟踪，使区域上电池模块21的工作电压设置在最大功率点电压，并使其输出端的电流和与之相串联的第二降压开关管相一致；其中，第二控制模块42连接于第二降压斩波模块32的控制端，并独立以D2控制第二降压斩波模块32的占空比。第二控制模块42可获取第二降压斩波模块32的第二输入电流、第二输入电压、第二输出电流和第二输出电压，并进行最大功率点跟踪，使区域下电池模块22的工作电压设置在最大功率点电压，并使其输出端的电流和与之相串联的第一降压开关管相一致。

本实施例具体有，参考图2，组件本体10包括12串沿矩形阵列短边串联的电池片串11，各个电池片串11沿长边方向排布，并设置在封装结构63之内。区域上电池模块21是上侧区域相毗邻6串电池片串11经过并串联所形成，区域下电池模块22是下侧区域相毗邻的6串电池片串11经过并串联所形成。

其中，区域上电池模块21连接于第一降压斩波模块31。第一降压斩波模块31包括：第一降压线路、第一输入滤波电容C11、第一一开关管M11、第一二开关管M12。第一降压线路包括第一正输入端in1+、第一负输入端in1-、第一正输出端out1+和第一负输出端out1-。第一正输入端in1+连接于区域上电池模块21的区域上正输出端pv1+，第一负输入端in1-连接于区域上电池模块21区域上负输出端pv2-。第一输入滤波电容C11并联于第一正输入端in1+和第一负输入端in1-之间，以起到输入侧的第一降压斩波模块31滤波和续流作用。第一一开关管M11为N通道MOSFET功率场效应管，其漏极端与第一正输入端in1+相连接，其源极端与第一正输出端out1+相连接，其栅极与第一控制模块41相连接。第一二开关管M12为N通道MOSFET功率场效应管，其漏极端并接在第一正输出端out1+，其源极端并接在第一负输出端out1-，其栅极与第一控制模块41相连接。第一一开关管M11作为第一降压斩波模块31的主控开关管，第一控制模块41以PWM脉冲调制信号驱使第一一开关管M11的快速开和关，实现斩波降压，即第一正输出端out1+的电势低于区域上正输出端pv1+电势，通过调整PWM脉冲调制信号的占空比D1，则可调整直流电压的降压变换比例。第一二开关管M12作为第一降压斩波模块31的同步整流开关管，第一控制模块41以反相于控制第一一开关管M11的PWM脉冲调制信号驱使第一二开关管M12的快速开和关。在第一一开关管M11导通时，第一二开关管M12截止而第一降压斩波模块31的电力输出；在第一一开关管M11截止时，第一二开关管M12导通而将第二降压斩波模块32导通至LC滤波模块50。

其中，区域下电池模块22连接于第二降压斩波模块32。第二降压斩波模块32包括：第二降压线路、第二输入滤波电容C21、第二一开关管M21、第二二开关管M22。第二降压线路包括第二正输入端in2+、第二负输入端in2-、第二正输出端out2+和第二负输出端out2-。第二正输入端in2+连接于区域下电池模块22的区域下正输出端pv2+，第二负输入端in2-连接于区域下电池模块22区域下负输出端pv2-。第二输入滤波电容C21并联于第二正输入端in2+和第二负输入端in2-之间，以起到输入侧的第二降压斩波模块32滤波和续流作用。第二一开关管M21为N通道MOSFET功率场效应管，其漏极端与第二正输入端in2+相连接，其源极端与第二正输出端out2+相连接，其栅极与第二控制模块42相连接。第二二开关管M22为N通道MOSFET功率场效应管，其漏极端并接在第二正输出端out2+，其源极端并接在第二负输出端out2-，其栅极与第二控制模块42相连接。第二一开关管M21作为第二降压斩波模块32的主控开关管，第二控制模块42以PWM脉冲调制信号驱使第二一开关管M21的快速开和关，实现斩波降压，即第二正输出端out2+的电势低于区域下正输出端pv2+的电势，通过调整PWM脉冲调制信号的占空比D1，则可调整直流电压的降压变换比例。第二二开关管M22作为第二降压斩波模块32的同步整流开关管，第二控制模块42以反相于控制第二一开关管M21的PWM脉冲调制信号驱使第二二开关管M22的快速开和关。在第二一开关管M21导通时，第二二开关管M22截止而第二降压斩波模块32的电力输出；在第二一开关管M21截止时，第二二开关管M22导通而将第一降压斩波模块31导通至LC滤波模块50。

其中，LC滤波模块50包括滤波线路、电感器L和输出滤波电容C。滤波线路包括滤波正输入端in3+、滤波负输入端in3-、滤波正输出端out+和滤波负输出端out-。第二降压斩波模块32的第二正输出端out2+连接于第一降压斩波模块31的第一负输出端out1-，以形成第一降压斩波模块31和第二降压斩波模块32的串接。第一正输出端out1+和第二负输出端out2-作为串联后的降压斩波模块30的输出端。第一正输出端out1+连接于滤波正输入端in3+，第二负输出端out2-连接于滤波负输入端in3-。电感器L的一端与滤波正输入端in3+相连接，另一端与滤波正输出端out+相了连接。输出滤波电容C的一端与滤波正输出端out+相连接，另一端与滤波负输出端out-相连接。滤波正输出端out+和滤波负输出端out-作为组件本体10的输出端。

本实施例更具体地，第一一开关管M11为MOS场效应管，其内部设有第一一体二极管D11。第一一体二极管D11的阴极端与第一正输入端in1+相连接，第一一体二极管D11的阳极端与第一正输出端out1+相连接。当第一一开关管M11截止时，第一一体二极管D11截止电流自第一正输入端in1+向第一正输出端out1+流动。第一二开关管M12为MOS场效应管，其内部设有第一二体二极管D12，第一二体二极管D12的阴极端与第一正输出端out1+相连接，第一二体二极管D12的阳极端与第一负输出端out1-相连接。当第一二开关管M12截止时，第一二体二极管D12可在满足压降条件下导通第一负输出端out1-向第一正输出端out1+的流动。第一二二极管作为第一降压斩波模块3130中同步整流开关管并联设置的旁路二极管。同理，第二一开关管M21为MOS场效应管，其内部设有第二一体二极管D21。第二一体二极管D21的阴极端与第二正输入端in2+相连接，第二一体二极管D21的阳极端与第二正输出端out2+相连接。当第二一开关管M21截止时，第二一体二极管D21截止电流自第二正输入端in2+向第二正输出端out2+流动。第二二开关管M22为MOS场效应管，其内部设有第二二体二极管D22，第二二体二极管D22的阴极端与第二正输出端out2+相连接，第二二体二极管D22的阳极端与第二负输出端out2-相连接。当第二二开关管M22截止时，第二二体二极管D22可在满足压降条件下导通第二负输出端out2-向第二正输出端out2+的流动。第二二体二极管D22作为第二降压斩波模块3230中同步整流开关管并联设置的旁路二极管。

值得说明的是，第一降压斩波模块31和第二降压斩波模块32是不带电感器L和输出电容的Buck降压型DC-DC变换电路，其在输出端串联后接入到同一外置的LC滤波模块50。第一降压斩波模块31受控于第一控制模块41，受到区域上电池模块21的在各种遮挡因素下，利用占空比D1的扰动独立地跟踪并使区域上电池模块21的输出电压设置在最大功率点。同样的，第二降压斩波模块32受控于第二控制模块42，受到区域下电池模块22的在各种遮挡因素下，利用占空比D2的扰动独立地跟踪并使区域下电池模块22的输出电压设置在最大功率点。同时，第一降压斩波模块31运行在占空比D1下，而第二降压斩波模块32运行在占空比D2下，可使串联的降压斩波模块30输出电流相一致。

本实施例的第一控制模块41和第二控制模块42均包括参量采集电路43、微控制电路44、驱动电路45和辅助电源46。参考图3，以第一控制模块41为例，参量采集电路包括相应串接在第一降压斩波模块31的第一正输入端in1+的输入电流感应器，并接在第一正输入端in1+和第一负输入端in1-之间的输入电压感应器，串接在第一正输出端out1+的输出电流感应器，并接在第一正输出端out1+和第一负输出端out1-之间的输出电压感应器。微控制电路44根据获取的输入电流、输入电压、输出电流和输出电压参量而得出相应的控制变量。驱动电路45用于将控制变量以PWM脉冲调制信号驱使第一一开关管M11和第一二开关管M12运行，其中，驱使第一一开关管M11的PWM脉冲调制信号反相于控制第一二开关管M12的PWM脉冲调制信号，两者为互补的关系。辅助电源46的供电端并接在第一正输入端in1+和第一负输入端in1-之间，以从区域上电池模块21获取电力，经电力转换后驱使控制模块40的运行。第二控制模块42是设置于第二降压斩波模块32上，其与第一控制模块41具有相似的元器件和连接关系，在此不再赘述。

值得说明的是，第一控制模块41独立地获取第一降压斩波模块31输入端和输出端的电流电压参量，并以扰动的占空比使第一降压斩波模块31的输入端电压设置在区域上电池模块21的最大功率点。同时，第一控制模块41通过设置占空比D1，使第一降压斩波模块31的输出电流相一致于与其串联的第二降压斩波模块32的输出电流。同理，第二控制模块42也可独立地控制第二降压斩波模块32进行最大功率点跟踪，以及调节占空比D2使其输出电流一致。由此可见，当区域上电池模块21和区域下电池模块22的因为云彩、遮挡、老化等问题而具有不同的电力输出能力，第一控制模块41和第二控制模块42可相应的控制其运行在最大功率点，达到优化电力输出的目的。

值得说明的是，第一控制模块41是用于输出根据第一降压开关模块31的电参量而占空比可调的PWM信号的装置；同理，第二控制模块42是用于输出根据第二降压开关模块32的电参量而占空比可调的PWM信号的装置。

参考图4，是本实施例中第一控制模块41和第二控制模块42的具体实施例方式。第一控制模块41包括集成芯片IC1，集成芯片IC1中集成设置有微控制电路44、驱动电路45和和辅助电源46。集成芯片IC1中的PV+引脚连接于第一一开关管M11的源极端，集成芯片IC1中的PV-引脚连接于第一二开关管M12的漏极端，集成芯片IC1中的OUT引脚连接于第一正输出端，继而连接到LC滤波模块，以获取经过M11和M12降压及同步整流的电力，并在OUT引脚中输出到LC滤波模块进行纹波滤除。集成芯片IC1中的VCC引脚通过电容Cvcc1连接到第一降压开关模块31中的第一降压线路负极，以获取电力驱使设于IC1内部辅助电源运行。集成芯片IC1中的BST引脚通过电容Cbst1和第一正输出端out1+相连接，以使IC1内部辅助电源46获得供驱动电路45运行的电力。集成芯片IC1中的PWM11引脚连接于第一一开关管M11的控制端，并以PWM11信号控制M11运行。并且用反相于PWM11的信号PWM12而控制第一二开关管运行。在图4中，第二降压开关模块32串联地设置于第一降压开关模块31的下侧。第二降压开关模块32对应设置有第二控制模块42，第二控制模块42包括集成芯片IC2。与第一控制模块41相接近地，集成芯片IC2中集成设置有微控制电路44、驱动电路45和和辅助电源46，具体在此不再赘述。

在其他实施例中，第一控制模块41和第二控制模块42可设于同一的微控制电路44，但其可以获取第一降压斩波模块31的电参量和第二降压斩波模块32的电参量，并分别进行MPPT跟踪，同时具至少四路PWM信号输出，并经分别经相独立的两驱动电路45，分别驱动第一一开关管M11和第一二开关管M12，以及分别驱动第二一开关管M21和第二二开关管M22。

本实施例具体的，第一控制模块41和第二控制模块42均包括判断模块47。以第一控制模块41为例，判断模块47设置于微控制电路44，其可获取第一正输出端out1+的电流参量，并用于对out1+电流参量进行判断，当out1+电流参量低于预设参量(如流经out1+的电流参量低于0.5A)，则判断模块47截止第一二开关管M12，即不再以互补的PWM信号控制第一二开关管M12的运行。同理，第二控制模块42中的判断模块47获取并判断out2+的电流参量低于0.5A，将截止第二二开关管M22的运行。当作为同步整流开关管的第一二开关管M12或者第二二开关管M22因电流低于预设而截止，第一二体二极管D12将作为旁路二极管，并在电压满足开启条件时导通，进行第一负输出端out1-到第一正输出端out1+方向的续流；第二二体二极管D22将作为旁路二极管，并在电压满足开启条件时导通，进行第二负输出端out2-到第二正输出端out2+方向的续流。在此状态下，如低太阳辐照情况下，避免出现输出滤波电容C自放电的情况，同时，第一一开关管M11和第二一开关管M21可维持受控于PWM信号下，并继续完成功率优化的功能，提升了系统的总体效率。

参考图5，是应用有本实施例带区域功率优化装置的光伏组件的一种光伏发电系统。该光伏发电系统，包括光伏逆变器70和m个组件本体10。各个光伏组件均包括由封装结构63设为一体的区域上电池模块21及区域下电池模块22，连接于区域上电池模块21的第一降压斩波模块31，连接于第一降压斩波模块31控制端的第一控制模块41，连接于区域下电池模块22的第二降压斩波模块32，连接于第二降压斩波模块32控制端的第二控制模块42，连接于串联第一降压斩波模块31及第二降压斩波模块32串联输出端的LC滤波模块50。LC滤波模块50作为组件本体10的输出端，诸多光伏组件的输出端相互串联，串联的输出端经直流母线连接到光伏逆变器70。

值得说明的是，本实施例的光伏发电系统中。光伏组件的电池片串11是由矩形短边的太阳能电池片相串联形成，电池模块20是由沿矩形长边方向上下区域的电池片串11所构成的区域上电池模块21和区域下电池模块22。光伏组件采用矩形长边竖向于地面的方向安装于支架上，并横向诸多关键组件排列成一排，而纵向设置有两排以上。早晚前后排遮挡、局部电池片遮挡、局部电池片遮挡、横梁遮挡等问题，将仅出现在上方或下方的电池模块20内，或者某电池模块20一电池片串11内，并有降压斩波模块30和控制模块40协同运作，而将重新配置电参量。

参考图6-9，是图1中的第一一开关管M11、第一二开关管M12、第二一开关管M21和第二二开关管M22分别在不同导通截止状态下的线路连接关系结构。由于第一降压斩波模块31和第二降压斩波模块32串联后共同使用一LC滤波模块50，在与传统的优化器的同样的设计空间中，相当于可使用两倍于原电感尺寸的电感器L，或两倍电感量的电感器L。同时，串联的第一降压斩波模块31和第二降压斩波模块32，各自运行在D1和D2占空比的PWM信号时，可协同地驱使电感器L进行充电(储能)或放电(释能)。对于传统的Buck优化器中有，电感电感量L和电感两端电流变化△i之间的关系，相关于电感两端电压VL充电(储能)变化时的(Vin-Vout)，以及充电(储能)时间相关Ton。具体是，△i＝(Vin-Vout)/L*Ton。

具体如图6，第一控制模块41和第二控制模块42的控制信号均是导通，则第一一开关管M11为导通，第一二开关管M12互补地调整为截止；第二一开关管M21为导通，第二二开关管M22互补地调整为截止。在此状态下，电感器L两端的电压VL是区域上电池模块21输出电压Vpv1与区域下电池模块22输出电压Vpv2之和，减去功率优化器输出电压Vo。

具体如图7，第一控制模块41的控制信号是导通，第二控制模块42的信号是截止，则第一一开关管M11为导通，第一二开关管M12互补地调整为截止，第二一开关管M21为截止，第二二开关互补地调整为导通。在此状态下，电感器L两端的电压VL是区域上电池模块21输出电压Vpv1减去功率优化器输出电压Vo。

具体如图8，第一控制模块41的控制信号是截止，第二控制模块42的信号是导通，则第一一开关管M11为截止，第一二开关管M12互补地调整为导通，第二一开关管M21为导通，第二二开关管M22互补地调整为截止。在此状态下，电感器L两端的电压VL是区域下电池模块22输出电压Vpv2减去功率优化器输出电压Vo。

具体如图9，第一控制模块41和第二控制模块42的控制信号均是截止，则第一一开关管M11为截止，第一二开关管M12互补地调整为导通；第二一开关管M21为截止，第二二开关管M22互补地调整为导通。在此状态下，电感器L两端的电压VL是功率优化器输出电压Vo。

由此可见，第一一开关管M11而第二一开关管M21均导通时，LC滤波模块50的输出电压是(Vpv1+Vpv2)-Vout；第一一开关管M11导通而第二一开关管M21截止时，LC滤波模块50的输出电压是Vpv1-Vout；第一一开关管M11截止而第二一开关管M21导通时，LC滤波模块50的输出电压是Vpv2-Vout，第一一开关管M11而第二一开关管M21均截止时，LC滤波模块50的输出电压是电感器L的电压-Vout。而开关管的启闭所形成的电压变化将驱使电感器L进行充电(储能)或放电(释能)。

参考图10至12，是本实施例的第一降压斩波模块31在第一控制模块41控制下运行，以及第二降压斩波模块32在第二控制模块42控制下运行的流经电感器L的电流IL的波形。在第一降压斩波模块31和第二降压斩波模块32工作在连续电流的模式(CCM模式)下，电感器L的两端电压可以突变，但是电流不会突变。传统的功率优化器中电感，在串联开关管导通且并联开关管截止时，电感将进行充电(储能)，其两端电压VL＝Vin1-Vout1，充电(储能)的时间是Ton；在串联开关管截止且并联开关管导通时，电感将进行放电(释能)，其两端电压为VL＝-Vout1，放电(释能)的时间是Toff。占空比D1是Ton/(Ton+Toff)。然而，当光伏组件的上下两个区域的电池片串11的优化器采用同一LC装置进行滤波时，电感器L是进行充电(储能)还是进行放电(释能)不再是由单一的压开关模块的开关管的导通或截止所确定的，而是由第一降压斩波模块31和第二降压斩波模块32的开关管所共同作用的结果，比于传统的LC滤波独立的功率优化器，其充电(储能)与放电(释能)的控制方法更为复杂。如经LC滤波模块50滤波后的输出端电压，为光伏组件经功率优化后的输出电压，其收到光伏逆变器70的运行而设定。同时也是两个降压斩波模块30串联升压获得，即Vout＝Vout1+Vout2。根据降压变换特征，Vout＝Vpv1*D1+Vpv2*D2。

在早晚阶段光伏组件将发生前后排遮挡，竖排的区域上电池模块21和区域下电池模块22的发电效率将有所差异。根据光伏特性，当区域上电池模块21和区域下电池模块22均运行在最大功率点，其输出电压差异不大，但输出电流将具有较大的差异。以为第一降压斩波模块31和第二降压斩波模块32的输出端串联，因此需要平衡串联的输出电流，而避免大电流从电池模块20流过，因此需要调整占空比使，D1＝Iout1/Ipv1，而D2＝Iout2/Ipv2。例如，区域下电池模块22被遮挡而功率下降，可以在LC滤波模块50输出电压Vout不变的情况下，使D2降低，Vout2降低，Iout2升高，并使D1升高，Vout1将降低。

参考图10，是第一一开关管M11和第二一开关管M21运行在占空比平衡状态下，Uout＝(Vpv1+Vpv2)/2，同时D1+D2＝1。图中D1和D2相同，但运行在不同的相位。由左往由的开关过程当中，第一一开关管M11导通，第二一开关管M21因相位差而截止，此时VL＝Vpv1-Vout，且VL等于零，而不进行充放电；继而，第一一开关管M11导通，而第二一开关也导通，此时VL＝Vpv1+Vpv2-Vout，电感器L进行充电(储能)，且输出滤波电容C也在充电(储能)；当第一一开关管M11截止，而第二一开关管M21因相位差而继续维持导通，此时VL＝Vpv2-Vout，且VL等于零，而不进行充放电；当第一一开关管M11和第二一开关管M21均调整为截止，VL＝Vout，而电感器L进行放电(释能)。由此可见，在占空比平衡状态下，占空比的相位的差异，将使得开关周期内，两个开关管同时导通和同时截止的时间缩短，使得电感电流的充放电时间缩短，而且电流变化纹波减少，较之传统单个优化器的更为优异。

参考下表格，当区域下电池模块22因遮挡而功率下降，需调整D2降低到0.3，使其电流升高，相应地调整D1升高到0.7，使电流下降，实现串联的降压斩波模块30输出电流平衡。此时，对应于区域下电池模块22的，传统的功率优化器运行在0.3的占空比，将使电感器L的放电(释能)时间延长，电流变化较大。而本申请的光伏组件，在部分第二降压斩波模块32截止的时间内，占空比较高的第一降压斩波模块31将导通，使电感器L的放电(释能)时间缩短，电流的纹波降低。

参考图11，是第一一开关管M11和第二一开关管M21运行在低占空比下，Uout＝(Vpv1+Vpv2)/2，同时D1+D2＜1。在第一一开关管M11和第二一开关管M21同时导通时，电感器L进行充电(储能)，此时滤波电容亦在充电(储能)。在其他周期阶段下，譬如M11导通而M21截止，或M11截止而M21导通，或M11和M21同时截止，电感器L进行放电，此时滤波电容亦在放电。具体参数如下表：

由此可见，本实施例的光伏组件可实现在低占空比状态下的运行，实现在平衡状态下光伏组件输出电压Vout的进一步下调，使用早晚低电流场景下，可通过降压升流而提前开机。并且对应于区域下电池模块22的，传统的功率优化器运行在0.3的占空比，将使电感器L的放电(释能)时间延长，电流变化较大。而本申请的光伏组件，在部分第二降压斩波模块32截止的时间内，占空比运行在0.6的第一降压斩波模块31将导通，使电感器L的放电(释能)时间缩短，电流的纹波降低。同时，电感器L的电感量相比于传统单个优化器时更高，对电压变化的处理能力更强。

参考图12，是第一一开关管M11和第二一开关管M21运行在高占空比下，Uout＝(Vpv1+Vpv2)/2，同时D1+D2＞1，且D1和D2取值差异，而相位差异。在第一一开关管M11和第二一开关管M21同时保持导通，并且充电(储能)周期阶段延续时间较长，此时电感器L进行充电(储能)，并且输出滤波电容C也进行充电(储能)。在其他周期阶段下，譬如M11导通而M21截止，或M11截止而M21导通，或M11和M21同时截止，电感器L进行放电，此时滤波电容亦在放电。具体参数如下表：

由此可见，本实施例的光伏组件可实现在高占空比状态下运行，实现在平衡状态下光伏组件输出电压Vout的进一步上调，使中午前后高电流场景下，可通过升压降流而使电流稳定在安全范围内，并运行光伏发电系统中的组串数量进一步提升。相比于传统功率优化器，当传统电池模块20运行在较高的占空比时，电感器L两端具有较长的高压承压时间，而本申请的光伏组件，在其中一电池模块20导通过程中，另一电池模块20将截止，使电感器L高压承压时间下降，继而电感器L的使用效率和寿命将提高。

综上，本实施例的光伏组件相比于传统光伏组件，具有优点如下：(1)可减少一套滤波电感和电容的使用，节省设计相应部件的空间；(2)可提高多电池模块20共用滤波电感的感知和滤波电容的容值，使各降压斩波模块30可运行在较宽的可调的占空比范围；(3)通过设置占空比的取值和相位的区别，使电感器L两端电压在极高压和极低压阶段的维持时间缩短，并使电感器L两端具有一个中间电压的充放电阶段，使电感器L处理电能难度降低，而使电流纹波减少。(4)多个电池模块20之间可运行在整体的低占空比、平衡占空比和高占空比阶段，同一阶段多个降压斩波模块30可设置相区别的占空比，但占空比之和可调节，并可适配于光伏逆变器70的设置，使光伏发电系统可适配于不同的发电场景。

参考图13，是本实施例的光伏组件硬件结构。该光伏组件包括设置在封装结构63内的太阳能电池片阵列，电池片阵列沿矩阵短边方向串联连接成电池片串11，电池片串11沿矩形长边方向设置有12串。区域上电池模块21为上方区域的6串电池片串11，其中上侧3串电池片串11极性朝右设置，并在右侧相连接后引出作为区域上电池模块21正输出端，下侧3串电池片串11极性朝左设置，并在右侧相连接后引出作为区域上电池模块21负输出端，左侧的6串电池片串11均电性相互连接。区域下电池模块22具有相同该结构，在此不再赘述。

本实施例更具体的，该光伏组件中的太阳能电池片为双面发电的太阳能电池片，封装结构63的右侧设置有3个分壳体61，上方的分壳体61-1设置有第一降压斩波模块31，且第一降压斩波模块31就近地电连接于区域上电池模块21；下方的分壳体61-2设置有第二降压斩波模块32，且第二降压斩波模块32就近地电连接于区域下电池模块22。中间的分壳体61-3设置有LC滤波模块50，LC滤波模块50的输出端作为组件本体10的输出端。各分壳体62通过导线64相互连接。

关于分体盒61之间的连接具体有，第一降压斩波模块31的第一负输出端out1-借助导线64连接到中间的分壳体61，第二降压斩波模块32的第二正输出端out2+借助导线64连接到中间的分壳体61，两导线64电性连接使各降压斩波模块30相串联。第一降压斩波模块31的第一正输出端out1+借助导线64连接到LC滤波模块50的滤波正输入端in3+，第一降压斩波模块31的第二负输出端out2-借助导线64连接到LC滤波模块50的滤波负输入端in3-。各个分壳体外挂地设置于封装结构63的边框上LC滤波模块50中的电感器L与封装结构63的边框贴合地设置，并借助边框进行散热。

可以理解的是，组件本体包括n代表2的电池模块，而分壳体61设置有两个，第一降压斩波模块31和第一控制模块借助于一电路板设置于一分壳体61-1；第二降压模块32和第二控制模块借助于另一电路板设置于另一分壳体61-2，LC滤波模块同设于分体可61-2。此方案图中未示出，仍属于本申请要求的权利范围。

由此可见，各分壳体61布置在组件本体10的同一侧边框处，其设计的空间可接近于边框的宽度，使光伏组件的获取辐照的有效面积增加，特别是对于双面光伏组件，可更为有效的增加辐照空间。同时，LC滤波模块50的电感器L可借助边框进行散热，提高电感器L的使用寿命。

参考图14，是本实施例的光伏组件另一种硬件结构。该光伏组件具有和图13相同的电池模块20结构，第一降压斩波模块31、第一控制模块41、第二降压斩波模块32、第二控制模块42和LC滤波模块50设置在同一电路板。在图中具体有，该电路板安装在同一盒体62当中，盒体62外挂固定在封装结构63的边框上。各电池模块20的正负输出端通过导线64连接到盒体62，并相应地和降压斩波模块30连接，LC滤波模块50的输出端作为组件本体10的输出端。

可以理解的是，在附图未示出其他实施例中，第一降压斩波模块31、第一控制模块41、第二降压斩波模块32、第二控制模块42和LC滤波模块50设置在同一电路板，该电路板装入盒体，并替代传统光伏接线盒地安装于组件本体10的背板上。

参考图15，是本实用新型中N代表3的带区域功率优化装置的光伏组件的另一实施例，包括组件本体10，其中，组件本体10包括3个电池模块20、3个降压斩波模块30、3个控制模块40以及1个LC滤波模块50。3个电池模块20分别由按照上、中和下三个区域中的4串电池片串11相连接构成。各个电池模块20输出端相对应连接于各降压斩波模块30的输入端。各降压斩波模块30的输出端相互串联，且串联的输出端连接到LC滤波模块50。LC滤波模块50的输出端作为组件本体10的输出端，各控制模块40分别对应连接于降压斩波模块30的控制端，并以独立的占空比驱使其运行。可以理解的是，该实施例与上述实施例具有相似的效果，不同的电池模块20可经过DC-DC降压变换，并由同一电感器L和输出滤波电容C进行电流纹波的滤除。同时，不同的电池模块20各自独立地进行MPPT跟踪，而电池模块20本身的布置可使辐照的差异被划分到同一电池模块20中，并在电池模块20中被优化，避免了不同电池片串11的辐照差异所导致的电参量失配的问题。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

以上实施例主要描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。

Claims (10)

1.一种带区域功率优化装置的光伏组件，包括组件本体(10)，其特征在于，所述组件本体(10)包括n个电池模块(20)、n个降压斩波模块(30)、n个控制模块(40)以及一个LC滤波模块(50)，所述的n个代表大于等于2的正整数；其中，

所述电池模块(20)由组件本体(10)按区域n等分的诸多电池片串(11)相互连接构成；

n个所述降压斩波模块(30)的输入端分别对应地连接于n个电池模块(20)的输出端，以用于形成降压变换的输出；

n个所述降压斩波模块(30)的输出端相互串联；

n个所述控制模块(40)一一对应地连接于n个降压斩波模块(30)，并以脉冲调制信号控制其对应降压斩波模块(30)进行斩波降压，各所述控制模块(40)根据其对应降压斩波模块(30)的电参量变化独立设置脉冲调制开关信号的占空比；

所述LC滤波模块(50)用于滤除n个降压斩波模块(30)串联后输出电流的纹波，并作为组件本体(10)的输出端。

2.根据权利要求1所述的带区域功率优化装置的光伏组件，其特征在于，所述降压斩波模块(30)包括降压线路和主控开关管(M11,M21)，所述主控开关管(M11,M21)串联设置于降压线路，以控制降压线路的输入端和输出端的导通和截止；所述主控开关管(M11,M21)的控制端连接于降压斩波模块(30)所对应设置控制模块(40)，所述控制模块(40)以脉冲调制信号控制主控开关管(M11,M21)；所述降压线路的输入端连接于降压斩波模块(30)所对应设置的电池模块(20)的输出端，n个所述降压线路的输出端相互串联，其串联的输出端连接于LC滤波模块(50)。

3.根据权利要求2所述的带区域功率优化装置的光伏组件，其特征在于，所述降压斩波模块(30)还包括同步整流开关管(M12,M22)，所述同步整流开关管(M12,M22)并联设置于降压线路的输出端，以控制降压线路输出端旁路的导通和截止；所述同步整流开关管(M12,M22)的连接于降压斩波模块(30)所对应设置控制模块(40)；所述控制模块(40)以反相于控制主控开关管(M11,M21)的脉冲调制信号控制同步整流开关管(M12,M22)。

4.根据权利要求3所述的带区域功率优化装置的光伏组件，其特征在于，所述控制模块(40)包括判断模块(47)，所述判断模块(47)根据获取的输出电流参量与预设电流参量比较，当输出电流参低于预设电流参量，则以控制其所对应设置的同步整流开关管(M12,M22)保持截止；所述同步整流开关管(M12,M22)并联设置有旁路二极管。

5.根据权利要求2所述的带区域功率优化装置的光伏组件，其特征在于，所述LC滤波模块(50)包括滤波线路、电感器(L)和输出滤波电容(C)，所述滤波线路的输入端连接于n个所述降压线路的输出端相互串联后的输出端，所述滤波线路的输出端作为组件本体(10)的输出端，所述电感器(L)串联设置于滤波线路，所述输出滤波电容(C)并联设置于滤波线路。

6.根据权利要求1所述的带区域功率优化装置的光伏组件，其特征在于，所述控制模块(40)包括参量采集电路(43)、微控制电路(44)、驱动电路(45)和辅助电源(46)，所述参量采集电路(43)用于获取其所对应的降压斩波模块(30)的输入输出电流参量和输入输出电压参量，所述微控制电路(44)用于根据输入输出电流参量和输入输出电压参量跟踪其所对应的降压斩波模块(30)的最大功率点，所述驱动电路(45)用于根据最大功率点将其所对应的降压斩波模块(30)的设置相应占空比的控制信号，所述辅助电源(46)用于自降压斩波模块(30)输入一侧获取供控制模块(40)运行的电力。

7.根据权利要求1所述的带区域功率优化装置的光伏组件，其特征在于，n个所述降压斩波模块(30)、n个所述控制模块(40)和一个所述LC滤波模块(50)设置于同一电路板上，上述电路板装入盒体；所述盒体替代传统光伏接线盒地安装于组件本体(10)的背板上，或者所述盒体外挂安装于组件本体(10)的边框或支架处；各个所述降压斩波模块(30)一一对应电性连接于各个电池模块(20)。

8.根据权利要求1所述的带区域功率优化装置的光伏组件，其特征在于，n个所述降压斩波模块(30)及控制模块(40)分别一一对应地设置于n个分壳体(61)，各分壳体(61)之间借助导线(64)使各个降压斩波模块(30)相互串联；LC滤波模块(50)设置于其中一含有降压斩波模块(30)的分壳体(61)，或者LC滤波模块(50)设置于另一独立的分壳体(61)；串联的各个降压斩波模块(30)的输出端连接于LC滤波模块(50)；各所述分壳体(61)装设在组件本体(10)同一侧的边框处。

9.根据权利要求1所述的带区域功率优化装置的光伏组件，其特征在于，所述电池片串(11)由诸多太阳能电池片沿矩形阵列的短边延伸方向串联连接而成，各所述电池片串(11)沿矩形阵列的长边延伸方向排布。

10.根据权利要求9所述的带区域功率优化装置的光伏组件，其特征在于，所述的n个代表2个，按区域二等分的多个所述电池片串(11)经二等分并联后再串联连接构成二个电池模块(20)；或者，

所述的n个代表3个，按区域三等分的多个所述电池片串(11)经二等分并联后再串联连接构成三个电池模块(20)。

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