專(zhuān)利名稱：借助分布式最大功率點(diǎn)跟蹤對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)總體涉及電功率系統(tǒng)，更具體地說(shuō)，涉及用于太陽(yáng)能電池(solar-cell)功率系統(tǒng)中過(guò)電壓保護(hù)的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
光伏(PV)板(在此也稱為“太陽(yáng)能板”)使用來(lái)自太陽(yáng)的輻射光產(chǎn)生電能。太陽(yáng)能板包括多個(gè)PV電池，從而將日光轉(zhuǎn)化為電能。多數(shù)太陽(yáng)能板使用基于晶圓的晶體硅電池或基于碲化鎘或硅的薄膜電池。以晶圓形式常用于PV電池中的晶體硅是由硅(一種常用半導(dǎo)體)得到的。PV電池是將光直接轉(zhuǎn)化為能量的半導(dǎo)體器件。當(dāng)光照在PV電池上時(shí)，在電池兩端產(chǎn)生電壓，并且當(dāng)電池連接至負(fù)載時(shí)，電流流過(guò)電池。電壓和電流隨著若干因素而變化，包括電池的物理尺寸、照在電池上光量、電池的溫度和外部因素。太陽(yáng)能板(也稱為“PV模塊”)由串聯(lián)和并聯(lián)布置的PV電池構(gòu)成。例如，PV電池首先在組中串聯(lián)耦合。然后，多個(gè)組并聯(lián)耦合到一起。同樣地，PV陣列(也稱為“太陽(yáng)能陣列”)由串聯(lián)和并聯(lián)布置的太陽(yáng)能板構(gòu)成。每個(gè)太陽(yáng)能板產(chǎn)生的電功率由太陽(yáng)能板的電壓和電流決定。在太陽(yáng)能陣列中，以串聯(lián)方式進(jìn)行連接以實(shí)現(xiàn)期望的輸出串電壓(output string voltage)和/或以并聯(lián)方式進(jìn)行連接以提供期望量的串電流源能力(string current source capability)。在一些例子中，借助DC-DC轉(zhuǎn)換器升高或降低每個(gè)板電壓。太陽(yáng)能陣列連接到電氣負(fù)載、電網(wǎng)或電功率存儲(chǔ)裝置，例如(但不限于)蓄電池組電池。太陽(yáng)能板輸送直流(DC)電功率。當(dāng)電氣負(fù)載、電網(wǎng)或電功率存儲(chǔ)裝置使用交流電 (AC)(例如，每秒60周期或60Hz)工作時(shí)，太陽(yáng)能陣列通過(guò)DC-AC逆變器(inverter)連接到電氣負(fù)載、電網(wǎng)或電功率存儲(chǔ)裝置。太陽(yáng)能板表現(xiàn)出由I-V曲線來(lái)描述的電壓和電流特性，圖1中示出了一個(gè)示例。當(dāng)太陽(yáng)能電池沒(méi)有連接到負(fù)載時(shí)，其端子間的電壓是其開(kāi)路電壓vre。當(dāng)端子連接到一起從而形成短路電路時(shí)，產(chǎn)生短路電路電流Ise。在兩種情況下，由于功率是由電流乘以電壓給出的，因此沒(méi)有功率產(chǎn)生。最大功率點(diǎn)(MPP)定義為太陽(yáng)能板正工作在最大功率下的點(diǎn)。通常，太陽(yáng)能板有大和快的功率瞬變的能力。在這些瞬變期間，由太陽(yáng)能板產(chǎn)生的功率和由逆變器置于電網(wǎng)上的功率(例如，在太陽(yáng)能陣列連接到電網(wǎng)的情況下)之間的差通過(guò)電能存儲(chǔ)裝置(例如，逆變器輸入電容器)存儲(chǔ)和釋放。在稱為串過(guò)電壓的某些情況下，功率差會(huì)導(dǎo)致逆變器輸入電壓超過(guò)逆變器的最大額定值，導(dǎo)致逆變器嚴(yán)重且永久損傷。

發(fā)明內(nèi)容
本公開(kāi)提供了一種借助分布式最大功率點(diǎn)跟蹤對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)的系統(tǒng)和方法。提供了一種用于太陽(yáng)能電池功率系統(tǒng)中的太陽(yáng)能板陣列。太陽(yáng)能板陣列包括太陽(yáng)能板串和多個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器。每個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器耦合到太陽(yáng)能板串中對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能板。此外， 太陽(yáng)能板陣列包括多個(gè)最大點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制器。每個(gè)MPPT控制器耦合到太陽(yáng)能板串中對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能板。每個(gè)MPPT控制器被配置為感測(cè)對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能板和逆變器之間的瞬時(shí)功率不平衡。也提供了一種用在太陽(yáng)能電池功率系統(tǒng)中的裝置。該裝置包括適于耦合到太陽(yáng)能板串中太陽(yáng)能板的電壓轉(zhuǎn)換器。該裝置還包括MPPT控制器。MPPT控制器耦合到電壓轉(zhuǎn)換器。此外，MPPT控制器被配置為感測(cè)太陽(yáng)能板和逆變器之間的瞬時(shí)功率不平衡。還提供了一種用于光伏陣列中過(guò)電壓避免的方法。該方法包括感測(cè)多個(gè)功率變量中的至少一個(gè)。該方法進(jìn)一步包括檢測(cè)太陽(yáng)能板串中的太陽(yáng)能板和耦合到太陽(yáng)能板陣列的逆變器之間的功率不平衡。該方法還包括調(diào)整電壓轉(zhuǎn)換器的輸出。在說(shuō)明以下具體實(shí)施方式
之前，陳述在整個(gè)該專(zhuān)利文件中使用的某些單詞和短語(yǔ)的定義是有利的。術(shù)語(yǔ)“耦合”及其衍生詞指代兩個(gè)或更多個(gè)元件之間的任何直接或間接通信，不論這些元件是否物理上彼此接觸。術(shù)語(yǔ)“發(fā)送”、“接收”和“傳送”及其衍生詞包括直接和間接通信。術(shù)語(yǔ)“包括”和“包含”及其衍生詞表示包括但無(wú)限制。術(shù)語(yǔ)“或”是包括性的，表示和/或。短語(yǔ)“與...關(guān)聯(lián)”和“與其關(guān)聯(lián)”及其衍生詞可以表示包括、被包括在其中、相互連接、包含、被包含在其中、連接到或與之連接、能與之通信、與之協(xié)作、交錯(cuò)、并列、 相鄰至、束縛至或束縛于、具有、具有...屬性等。術(shù)語(yǔ)“控制器”表示任何裝置、系統(tǒng)或其控制至少一種操作的一部分?？刂破骺梢砸杂布?、固件、軟件或它們中至少兩個(gè)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。與任何特定控制器關(guān)聯(lián)的功能可以是集中式的或分布式的，不論是本地還是遠(yuǎn)程。


為了更完整地理解本公開(kāi)及其優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)結(jié)合附圖參考以下說(shuō)明，在附圖中類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示類(lèi)似的元件圖1示出了光伏(PV)板的示例I-V曲線；圖2示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的示例PV陣列系統(tǒng)；圖3示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的示例太陽(yáng)能板；圖4示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的示例AC斷開(kāi)事件；圖5示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的PV陣列中示例過(guò)電壓保護(hù)方法；以及圖6示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的PV陣列中當(dāng)未檢測(cè)到AC斷開(kāi)事件時(shí)的示例過(guò)電壓保護(hù)方法。
具體實(shí)施例方式后面所討論的圖1至圖6以及本專(zhuān)利文件中用于描述本公開(kāi)的原理的各個(gè)實(shí)施例僅為了說(shuō)明，且不應(yīng)以任何方式視為限制本公開(kāi)的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本公開(kāi)的原理可以實(shí)現(xiàn)在任何適當(dāng)布置的光伏陣列系統(tǒng)中。
圖2示出根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的示例光伏(PV)陣列系統(tǒng)200。圖2示出的PV陣列系統(tǒng)200的實(shí)施例僅為了說(shuō)明。可以使用PV陣列系統(tǒng)200的其它實(shí)施例，而不偏離本公開(kāi)的范圍。PV陣列系統(tǒng)200包括多個(gè)太陽(yáng)能板20fe_205d (共同稱為太陽(yáng)能板205)。太陽(yáng)能板205以串聯(lián)方式、并聯(lián)方式或兩者布置。例如，太陽(yáng)能板20 可以與太陽(yáng)能板20 串聯(lián)耦合，而太陽(yáng)能板205c與太陽(yáng)能板205d串聯(lián)耦合。此外，太陽(yáng)能板20 和20 與太陽(yáng)能板205c和205d并聯(lián)耦合。串聯(lián)耦合的太陽(yáng)能板205(例如，太陽(yáng)能板205a ^P 205b)稱為串(string)。因此，如圖2所示，電陽(yáng)能板20 和20 形成第一串210，且太陽(yáng)能板205c 和205d形成第二串215。此外，串210或215兩端的電壓稱為串電壓，且經(jīng)過(guò)串210或215 的電流稱為串電流。PV陣列系統(tǒng)200包括DC-AC逆變器235。PV陣列系統(tǒng)200 (例如，太陽(yáng)能陣列)耦合到DC-AC逆變器235。太陽(yáng)能板205可以與一個(gè)或多個(gè)額外的太陽(yáng)能板205串聯(lián)耦合到 DC-AC逆變器235。另外地和替換地，太陽(yáng)能板205可以與一個(gè)或多個(gè)額外的太陽(yáng)能板205 并聯(lián)耦合到DC-AC逆變器235。DC-AC逆變器235從PV陣列系統(tǒng)200提取功率并且將提取的功率從DC轉(zhuǎn)換為AC，以便與配電網(wǎng)(“電網(wǎng)”)240互連。PV陣列系統(tǒng)200的每個(gè)串210，215是根據(jù)為了與DC-AC逆變器235 —起操作而規(guī)定的尺寸來(lái)設(shè)計(jì)大小的。規(guī)定尺寸被確定為使得在串210，215中的所有太陽(yáng)能板205的開(kāi)路電壓總和不會(huì)超過(guò)DC-AC逆變器235對(duì)應(yīng)于PV陣列應(yīng)用規(guī)定的溫度條件的最大輸入電
壓額定值。圖3示出根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的示例太陽(yáng)能板205。圖3示出的太陽(yáng)能板205的實(shí)施例僅為了說(shuō)明?？梢允褂锰?yáng)能板205的其它實(shí)施例，而不偏離本公開(kāi)的范圍。每個(gè)太陽(yáng)能板205包括多個(gè)以串聯(lián)方式、并聯(lián)方式或兩者布置的PV電池 305a-305i (共同稱為PV電池305)。例如，當(dāng)PV電池305a,305b和305c串聯(lián)耦合時(shí)形成第一串310PV電池。當(dāng)PV電池305d、3(^e和305f串聯(lián)耦合時(shí)形成第二串315PV電池。當(dāng) PV電池305g、3(^h和305i串聯(lián)耦合時(shí)形成第三串320PV電池。之后，第一串310、第二串 315和第三串320并聯(lián)耦合從而形成太陽(yáng)能板205。PV電池305是將光直接轉(zhuǎn)化為能量的半導(dǎo)體器件。當(dāng)光照在PV電池上時(shí)，電池兩端產(chǎn)生電壓，并且當(dāng)電池連接至負(fù)載時(shí)，電流流過(guò)電池。電壓和電流隨著若干因素而變化， 包括電池的物理尺寸、照在電池上光量、電池的溫度和外部因素。PV模塊耦合在一起，使得每個(gè)太陽(yáng)能板包括正電勢(shì)(例如電壓)?；氐綀D2，每個(gè)太陽(yáng)能板205在其輸出端子耦合到板專(zhuān)用轉(zhuǎn)換器(Panel Dedicated Converter) (PDC) 220。PDC 220 包括耦合到太陽(yáng)能板 205 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器 225。 因此，串聯(lián)耦合的DC-DC轉(zhuǎn)換器225兩端的電壓是串電壓，且經(jīng)過(guò)串聯(lián)耦合的DC-DC轉(zhuǎn)換器 225的電流是串電流。DC-DC轉(zhuǎn)換器225被配置為為太陽(yáng)能板205提供功率轉(zhuǎn)換(例如，降壓或升壓)。DC-DC轉(zhuǎn)換器225將功率轉(zhuǎn)換為更適合于系統(tǒng)被設(shè)計(jì)來(lái)驅(qū)動(dòng)的任何負(fù)載的電壓或電流水平。例如，DC-DC轉(zhuǎn)換器225對(duì)從太陽(yáng)能板205接收的電壓執(zhí)行二比一 O 1) 升壓。在這種示例中，太陽(yáng)能板205被配置為輸出范圍在三十伏(30V)到五十伏(50V)之間的電壓(例如，輸出電壓可能取決于太陽(yáng)能板205接收的日光量)。DC-DC轉(zhuǎn)換器225將電壓升高至六十伏(60V)到一百伏(100伏)的對(duì)應(yīng)范圍(例如，當(dāng)其為高壓轉(zhuǎn)換器時(shí))。在另一個(gè)示例中，太陽(yáng)能板被配置為輸出范圍在一伏(IV)到三十伏(30V)之間的電壓。DC-DC 轉(zhuǎn)換器225將電壓升高至二伏m至六十伏(60V)的對(duì)應(yīng)范圍(例如，當(dāng)其為低壓轉(zhuǎn)換器時(shí))。應(yīng)當(dāng)理解，雖然示例示出了升壓操作，但是DC-DC轉(zhuǎn)換器225也可以執(zhí)行降壓操作。PDC 200包括耦合到DC-DC控制器225的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制器230。MPPT 控制器230被配置為感測(cè)來(lái)自每個(gè)太陽(yáng)能板205的電流。MPPT控制器230包括中央處理器 (“CPU”)、存儲(chǔ)器單元、輸入/輸出(“I/O”)裝置、一個(gè)或多個(gè)被配置為耦合到DC-DC轉(zhuǎn)換器的接口以及一個(gè)或多個(gè)(傳感器)，所述傳感輸入端子被配置為測(cè)量在DC-DC轉(zhuǎn)換器 225的輸入處和輸出處的電流和電壓。CPU、存儲(chǔ)器單元、I/O裝置、接口和傳感器通過(guò)一個(gè)或多個(gè)通信鏈接(例如，總線)互連。應(yīng)當(dāng)理解，MPPT控制器230可以以不同方式配置，并且每個(gè)列舉的部件實(shí)際上可以代表若干不同的部件。例如，CPU實(shí)際上可以代表多處理器或分布式處理系統(tǒng)；存儲(chǔ)器單元可以包括不同層次的高速緩沖存儲(chǔ)器、主存儲(chǔ)器、硬盤(pán)及遠(yuǎn)程存儲(chǔ)位置；以及I/O裝置可以包括監(jiān)視器、鍵盤(pán)等。此外，存儲(chǔ)器單元存儲(chǔ)多條指令，所述指令被配置為使CPU執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)以下描述的MPPT控制器230功能。存儲(chǔ)器單元也能夠存儲(chǔ)經(jīng)由傳感器和/或接口接收的一個(gè)或多個(gè)感測(cè)值。此外，存儲(chǔ)器單元能夠存儲(chǔ)閾值。PV電池具有單個(gè)工作點(diǎn)(稱為最大功率點(diǎn)105)，在該點(diǎn)處，電池的電流(I)和電壓(V)的值得到最大功率輸出。PV電池(和對(duì)應(yīng)PV模塊305)在電流和電壓間具有指數(shù)關(guān)系，并且最大功率點(diǎn)(MPP) 105出現(xiàn)在曲線的拐點(diǎn)處，在該拐點(diǎn)處，電阻等于負(fù)的微分電阻(V/I = - Δν/ΔΙ)。MPPT控制器230搜尋最大功率點(diǎn)105。然后，MPTT控制器230改變 DC-DC控制器225的占空比。因此，MPPT控制器230使DC-DC控制器225能夠提取從PV模塊305給出的最大功率。因此，PDC 220是高效的DC至DC轉(zhuǎn)換器，其作為太陽(yáng)能板205(或當(dāng)耦合到整個(gè)陣列時(shí)的PV陣列系統(tǒng)200)的最佳電氣負(fù)載運(yùn)行，并且將功率轉(zhuǎn)換為更適合于系統(tǒng)被設(shè)計(jì)來(lái)驅(qū)動(dòng)任何負(fù)載的電壓或電流水平。PDC 200能夠執(zhí)行每個(gè)板最大功率點(diǎn)跟蹤。工作在MPP的太陽(yáng)能板205在穩(wěn)態(tài)下可以建模為使用發(fā)電機(jī)約定由公式1所述的理想功率源Vpan(t)*Ipan(t) = Pmpp.[公式 1]公式1中，Vpan⑴是太陽(yáng)能板205的電壓，Ipan⑴是太陽(yáng)能板205的電流，且Pmpp 是太陽(yáng)能板205在MPP處產(chǎn)生的功率。連到電網(wǎng)(grid-tied)的DC-AC逆變器235在穩(wěn)態(tài)下可以建模為使用負(fù)載約定如公式2所述的理想功率耗散器(power sink)Vstring (t)*I
string
(t)=
1 string[公式2]公式2中，Vstring (t)是DC-AC逆變器235的輸入電壓，Istring (t)是DC-AC逆變器 235輸入電流，且Psteing是總輸入功率。由PV陣列系統(tǒng)200產(chǎn)生的總功率是DC-AC逆變器235的輸入功率。在穩(wěn)態(tài)下，由 PV陣列系統(tǒng)200產(chǎn)生的輸入功率等于通過(guò)DC-AC逆變器置于235的配電網(wǎng)240中的功率。 穩(wěn)態(tài)凈功率平衡(neat power balance)由集成在DC-AC逆變器235的有源控制器(未示出)實(shí)現(xiàn)。為了幫助在瞬變期間實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)功率平衡，DC-AC逆變器235還包括能量存儲(chǔ)部件(未示出)。能量存儲(chǔ)部件可以是但不限于，連接在DC-AC逆變器輸入端子處的電容器。
PV陣列系統(tǒng)200有大和快的功率瞬變的能力。在這些瞬變期間，PV陣列系統(tǒng)200產(chǎn)生的功率和通過(guò)DC-AC逆變器235輸出到電網(wǎng)240的功率之間的差被存儲(chǔ)通過(guò)逆變器電容器存儲(chǔ)和釋放。當(dāng)功率差導(dǎo)致DC-AC逆變器235的輸入電壓超過(guò)DC-AC逆變器235的最大額定值時(shí)，會(huì)發(fā)生串過(guò)電壓。此外，當(dāng)工作在MPPT時(shí)，如果DC-AC逆變器235處突然AC 側(cè)斷開(kāi)，則會(huì)發(fā)生串過(guò)電壓。在這種情況下，由于PDC220執(zhí)行其連接到的太陽(yáng)能板205的實(shí)時(shí)MPPT，因此由PV陣列系統(tǒng)200產(chǎn)生的功率可以視為恒定的，而由DC-AC逆變器輸出至電網(wǎng)240上的功率突然降至零。因此，來(lái)自PV陣列系統(tǒng)200的全部功率轉(zhuǎn)移到逆變器輸入電容器，如公式3和4定義的。Vstring (t) *Istring (t) = Parray[公式 3]Istnng(t)=C dYst"ng(t)[公式 4] 公式3和4中，C是逆變器輸入電容器的電容，且Pamy是由PV陣列系統(tǒng)200產(chǎn)生的總功率。公式3和4可以改寫(xiě)成如公式5 Vstring(I)= ^^ [公式幻公式5示出了串電壓將無(wú)限增長(zhǎng)。為了避免串過(guò)電壓，MPPT控制器230感測(cè)PV陣列系統(tǒng)200和DC-AC逆變器235之間的瞬時(shí)功率不平衡。MPPT控制器230感測(cè)多個(gè)功率變量。功率變量包括但不限于，輸入電壓、輸入電流、輸出電壓和輸出電流。MPPT控制器230 可以感測(cè)輸入電流和輸入電壓(即，DC-DC轉(zhuǎn)換器225的輸入端子處的電流和電壓)以及輸出電流和輸出電壓(即，DC-DC轉(zhuǎn)換器225的輸出端子處的電流和電壓)。在一些實(shí)施例中，MPPT控制器230基于感測(cè)的變量估算一個(gè)或多個(gè)變量。例如，MPPT控制器230可以基于輸入電壓、輸入電流的感測(cè)值和DC-DC轉(zhuǎn)換器225的對(duì)應(yīng)占空比來(lái)估算輸出電流和輸出電壓。此外，MPPT控制器230測(cè)量所感測(cè)和估算的變量的斜率。作為示例，如果在時(shí)間t = 0處發(fā)生AC斷開(kāi)事件，假設(shè)Vstring(O) = Vsteadrstate,且 Istring(O)由公式6定義Istring(O)" 町町~ "Istready-state [公式 6]
steady-state則單個(gè)太陽(yáng)能板的DC-DC轉(zhuǎn)換器225在時(shí)間t = 0處的輸出電壓的斜率由公式7 定義I t=0 =4Ve [公式 7] at在公式7中，N是串210中太陽(yáng)能板205的數(shù)目，且V。ut是單個(gè)PDC 220的輸出電壓。圖4示出根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的示例AC斷開(kāi)事件。圖4中示出的AC斷開(kāi)事件的實(shí)施例僅為了說(shuō)明。可以使用AC斷開(kāi)事件的其它實(shí)施例，而不偏離本公開(kāi)的范圍。圖4示出了 PDC 220的輸出電壓升高至顯著高于太陽(yáng)能板205的開(kāi)路電壓(在該例子中為65伏40 ，達(dá)到85伏410的電壓。這會(huì)容易導(dǎo)致串電壓超過(guò)逆變器235的最大輸入電壓。
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因此，對(duì)于串中太陽(yáng)能板205的給定數(shù)目和C的給定值，只要電流Isteady_state足夠高，MPPT控制器230就可以通過(guò)測(cè)量輸出電壓415的斜率來(lái)檢測(cè)AC斷開(kāi)事件。MPPT控制器 230將輸出電壓415的斜率與根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)選擇的不影響正常工作的預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較。 另外地和替換地，MPPT控制器230可以通過(guò)測(cè)量某個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)占空比遞升(up-steps)的數(shù)目來(lái)檢測(cè)AC斷開(kāi)事件。一旦MPPT控制器230檢測(cè)到AC斷開(kāi)事件，MPPT控制器230就通過(guò)減少DC-DC轉(zhuǎn)換器225的占空比來(lái)減小或避免串過(guò)電壓。通過(guò)這樣做，MPPT控制器230將PDC 220的工作點(diǎn)從最大功率點(diǎn)105移開(kāi)并且使板的輸出功率減小，最終降至“0”。MPPT控制器230可以通過(guò)以下方法來(lái)改變DC-DC轉(zhuǎn)換器225的轉(zhuǎn)換比強(qiáng)制占空比為特定值、限制DC-DC轉(zhuǎn)換器225的占空比、將DC-DC轉(zhuǎn)換器225的占空比改變一個(gè)與輸出電壓或輸出電壓轉(zhuǎn)換速率成比例的量、設(shè)置DC-DC轉(zhuǎn)換器225的輸出為最大輸出電壓，或以上的任意組合。作為示例，MPPT控制器230可以設(shè)定DC-DC轉(zhuǎn)換器225的轉(zhuǎn)換比為特定值，例如但不限于，1(例如，1 1)。因此，MPPT控制器230強(qiáng)制DC-DC轉(zhuǎn)換器225不升高來(lái)自太陽(yáng)能板205的電壓。在該條件下，當(dāng)太陽(yáng)能板205被配置為輸出范圍在30V-50V的電壓時(shí)， DC-DC轉(zhuǎn)換器225輸出范圍在30V-50V的對(duì)應(yīng)電壓。此外，當(dāng)太陽(yáng)能板205被配置為輸出范圍在1V-30V的電壓，DC-DC轉(zhuǎn)換器225輸出范圍在1V-30V的對(duì)應(yīng)電壓。另外地和替換地，MPPT控制器230可以將DC-DC轉(zhuǎn)換器225的占空比改變一個(gè)與輸出電壓或輸出電壓轉(zhuǎn)換速率成比例的量。給定某個(gè)電壓轉(zhuǎn)換速率閾值，MPPT控制器230 調(diào)整DC-DC轉(zhuǎn)換器225的占空比，使系統(tǒng)工作在與低于電壓轉(zhuǎn)換速率閾值的初始輸出電壓轉(zhuǎn)換速率相對(duì)應(yīng)的電流。此外，為了避免在這種條件下工作的風(fēng)險(xiǎn)，MPPT控制器230使用最小功率電流Isteingjlin來(lái)檢測(cè)AC斷開(kāi)事件。使用公式7確定Isteing min，這里電流為PDC 220 的輸出電流，其對(duì)于串210中每個(gè)PDC 220都是相同的。此外，為了避免當(dāng)PDC 220的輸出電流低于Isteingjlin時(shí)而導(dǎo)致的不能檢測(cè)到的AC斷開(kāi)事件，MPPT控制器230限制DC-DC轉(zhuǎn)換器225的轉(zhuǎn)換比。當(dāng)PDC 220的輸出電流低于Istring min時(shí)，MPPT控制器230限制轉(zhuǎn)換比為 1(例如，1 1)。因此，如果不能被檢測(cè)到的AC斷開(kāi)事件發(fā)生，MPPT控制器230使最大串電壓不超過(guò)串210中太陽(yáng)能板205的開(kāi)路電壓總和，并且因此不超過(guò)DC-AC逆變器235的最大輸入電壓。也可以通過(guò)設(shè)定合適的PDC 220輸入電流的最小值并且實(shí)現(xiàn)類(lèi)似方法來(lái)實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)。例如，可以使用輸出電流或輸入電流。此外，MPPT控制器230可以將DC-DC轉(zhuǎn)換器225的輸出電壓限制到最大值。例如， 當(dāng)DC-DC轉(zhuǎn)換器225耦合到被配置為輸出范圍在30V-50V電壓的太陽(yáng)能板205時(shí)，可以將 DC-DC轉(zhuǎn)換器225的電壓限制到100V的最大值。另外地和替換地，當(dāng)DC-DC轉(zhuǎn)換器225耦合到被配置為輸出范圍在1V-30V電壓的太陽(yáng)能板205時(shí)，可以DC-DC轉(zhuǎn)換器225的電壓限制到50V的最大值。因此，由于MPPT控制器230耦合到作為PDC 220 一部分的各太陽(yáng)能板205，MPPT 230不感測(cè)串210的電壓。然而，MPPT控制器230能夠通過(guò)感測(cè)與太陽(yáng)能板205相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)變量來(lái)調(diào)整至DC-AC逆變器235的輸入電壓。圖5示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的PV陣列中示例過(guò)電壓保護(hù)方法。圖5示出的過(guò)電壓保護(hù)方法500的實(shí)施例僅為了說(shuō)明。可以使用過(guò)電壓保護(hù)方法500的其它實(shí)施例，而不偏離本公開(kāi)的范圍。
MPPT控制器在步驟505測(cè)量太陽(yáng)能板串中太陽(yáng)能板的一個(gè)或多個(gè)功率變量。功率變量包括DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入電流、輸入電壓、輸出電流和/或輸出電壓。在一些實(shí)施例中， MPPT控制器230將所測(cè)得的DC-DC轉(zhuǎn)換器225的功率變量和占空比存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中。在步驟510，AC斷開(kāi)事件發(fā)生。由于AC斷開(kāi)事件，逆變器235和太陽(yáng)能板205之間發(fā)生功率不平衡。由于AC斷開(kāi)事件，由PV陣列產(chǎn)生的功率基本上恒定，而由DC-AC逆變器235輸出到電網(wǎng)240上的功率突然降至零。在一些實(shí)施例中，雖然不發(fā)生AC斷開(kāi)事件， 但是逆變器和PV陣列之間出現(xiàn)功率差。MPPT控制器在步驟515感測(cè)至少一個(gè)功率變量。例如，使用感測(cè)到的功率變量和占空比，MPPT控制器在步驟515估算一個(gè)或多個(gè)其他功率變量。因此，MPPT控制器230在步驟520通過(guò)測(cè)量DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓斜率來(lái)檢測(cè)AC斷開(kāi)事件。MPPT控制器在步驟525調(diào)整DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。在一些實(shí)施例中，MPPT控制器230減少DC-DC轉(zhuǎn)換器225的占空比。例如，MPPT控制器230可以將轉(zhuǎn)換比設(shè)定為特定值。另外地和替換地，MPPT控制器230可以限制占空比或?qū)⒄伎毡雀淖円粋€(gè)與輸出電壓或輸出電壓轉(zhuǎn)換速率成比例的量。在一些實(shí)施例中，MPPT控制器230將DC-DC轉(zhuǎn)換器225 的輸出電壓設(shè)定到最大值。圖6示出根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的當(dāng)沒(méi)有檢測(cè)到AC斷開(kāi)事件時(shí)的PV陣列中示例過(guò)電壓保護(hù)方法600。圖6示出的過(guò)電壓保護(hù)方法600的實(shí)施例僅為了說(shuō)明?？梢允褂眠^(guò)電壓保護(hù)方法600的其它實(shí)施例，而不偏離本公開(kāi)的范圍。圖6中，過(guò)電壓保護(hù)方法600包括由于串電流不夠高而不能檢測(cè)到AC斷開(kāi)事件的情況。MPPT控制器在步驟605測(cè)量太陽(yáng)能板串中太陽(yáng)能板的一個(gè)或多個(gè)功率變量。功率變量包括DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入電流、輸入電壓、輸出電流和/或輸出電壓。在一些實(shí)施例中， MPPT控制器230將所測(cè)得的DC-DC轉(zhuǎn)換器225的功率變量以及占空比存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中。在一些實(shí)施例中，MPPT控制器在檢測(cè)AC斷開(kāi)事件的過(guò)程中使用最小輸出電流閾值。AC斷開(kāi)事件會(huì)由于串電壓不夠高而不能被檢測(cè)到。例如，在步驟615，使用最小功率電流閾值Isteingjlin來(lái)確定是否檢測(cè)到AC斷開(kāi)事件。如果輸出電流Isteing小于Isteing—min(Isteing < Isteingjlin)，則沒(méi)有檢測(cè)到AC斷開(kāi)事件。因此，MPPT控制器在步驟635中限制DC-DC轉(zhuǎn)換器的占空比。因此，不允許轉(zhuǎn)換器225升高同樣多。MPPT控制器230使最大串電壓不超過(guò)在串中太陽(yáng)能板205的開(kāi)路電壓總和，并且因此不超過(guò)DC-AC逆變器235的最大輸入電壓。如果輸出電流Istring大于Istring—min(Istring > Istringjlin)，方法移至步驟615。在步驟 615，AC斷開(kāi)事件發(fā)生。由于AC斷開(kāi)事件，逆變器235和太陽(yáng)能板205之間出現(xiàn)功率不平衡。由于AC斷開(kāi)事件，由PV陣列產(chǎn)生的功率基本上恒定，而通過(guò)DC-AC逆變器235輸出到電網(wǎng)240上的功率突然降至零。MPPT控制器在步驟620感測(cè)至少一個(gè)功率變量。例如，使用所感測(cè)到的功率變量和占空比，MPPT控制器在步驟620可以估算一個(gè)或多個(gè)其他功率變量。MPPT控制器在步驟 625通過(guò)測(cè)量DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的斜率來(lái)檢測(cè)AC斷開(kāi)事件。MPPT控制器在步驟630調(diào)整DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。在一些實(shí)施例中，MPPT控制器230減小DC-DC轉(zhuǎn)換器225的占空比。例如，MPPT控制器230可以將轉(zhuǎn)換比設(shè)定為特定值。另外地和替換地，MPPT控制器230可以限制占空比或?qū)⒄伎毡雀淖円粋€(gè)與輸出電壓或輸出電壓轉(zhuǎn)換速率成比例的量。在一些實(shí)施例中，MPPT控制器230將DC-DC轉(zhuǎn)換器225 的輸出電壓設(shè)定到最大值。 雖然本公開(kāi)已經(jīng)說(shuō)明了多種示例實(shí)施例，但可以對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員建議各種改變和修改。這意味著本公開(kāi)包含落入隨附的權(quán)利要求范圍內(nèi)的這類(lèi)改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種用于太陽(yáng)能電池功率系統(tǒng)的太陽(yáng)能板陣列，所述太陽(yáng)能板陣列包括太陽(yáng)能板串；多個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器，每個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器耦合到所述太陽(yáng)能板串中對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能板；以及多個(gè)最大功率點(diǎn)跟蹤控制器，即MPPT控制器，每個(gè)MPPT控制器耦合到所述太陽(yáng)能板串中對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能板，每個(gè)MPPT控制器被配置為感測(cè)所述對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能板和逆變器之間的瞬時(shí)功率不平衡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能板陣列，其中所述MPPT控制器中的至少一個(gè)被配置為限制所述電壓轉(zhuǎn)換器中的至少一個(gè)的占空比。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽(yáng)能板陣列，其中所述MPPT控制器中的至少一個(gè)被配置為將所述電壓轉(zhuǎn)換器中的至少一個(gè)的轉(zhuǎn)換比限制到規(guī)定值。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽(yáng)能板陣列，其中所述MPPT控制器中的至少一個(gè)被配置為將所述占空比減小到固定量。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽(yáng)能板陣列，其中所述MPPT控制器中的至少一個(gè)被配置為將所述占空比減小一個(gè)與輸出值成比例的量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能板陣列，其中所述MPPT控制器中的至少一個(gè)被配置為如果所述電壓轉(zhuǎn)換器中的至少一個(gè)的輸出電流小于閾值電流，則調(diào)整該至少一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器的電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能板陣列，其中所述MPPT控制器中的至少一個(gè)被配置為基于感測(cè)值估算至少一個(gè)變量。
8.一種用于太陽(yáng)能電池功率系統(tǒng)中的裝置，所述裝置包括適于耦合到太陽(yáng)能板串中的太陽(yáng)能板的電壓轉(zhuǎn)換器；以及耦合到所述電壓轉(zhuǎn)換器的最大功率點(diǎn)跟蹤控制器，即MPPT控制器，所述MPPT控制器被配置為感測(cè)所述太陽(yáng)能板和逆變器之間的瞬時(shí)功率不平衡。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述MPPT控制器被配置為限制所述電壓轉(zhuǎn)換器的占空比。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述MPPT控制器被配置為將所述電壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換比限制到規(guī)定值。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述MPPT控制器被配置為將所述電壓轉(zhuǎn)換器的占空比減小到固定量。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述MPPT控制器被配置為將所述電壓轉(zhuǎn)換器的占空比減小一個(gè)與輸出值成比例的量。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述MPPT控制器被配置為如果所述電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流小于閾值電流，則調(diào)整所述電壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換比。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述MPPT控制器被配置為基于感測(cè)值估算至少一個(gè)變量。
15.一種用于光伏陣列中過(guò)電壓避免的方法，所述方法包括感測(cè)多個(gè)功率變量中的至少一個(gè)；檢測(cè)太陽(yáng)能板串中的太陽(yáng)能板和耦合到太陽(yáng)能板陣列的逆變器之間的功率不平衡；調(diào)整電壓轉(zhuǎn)換器的輸出。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述方法，其中調(diào)整所述電壓轉(zhuǎn)換器的輸出包括限制所述電壓轉(zhuǎn)換器的占空比。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述方法，其中限制所述電壓轉(zhuǎn)換器的占空比包括將所述電壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換比限制到規(guī)定值。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述方法，其中所述電壓轉(zhuǎn)換器的占空比包括以下中的至少一個(gè)將所述占空比減少到固定量；將所述占空比減小一個(gè)與輸出電壓成比例的量；以及將所述占空比減小一個(gè)與輸出電壓轉(zhuǎn)換速率成比例的量。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述方法，進(jìn)一步包括如果所述電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流小于閾值電流，則調(diào)整所述電壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換比。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述方法，進(jìn)一步包括 基于感測(cè)值估算至少一個(gè)功率變量。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于太陽(yáng)能電池功率系統(tǒng)的太陽(yáng)能板陣列。太陽(yáng)能板陣列包括太陽(yáng)能板串(205a-205d，205)和多個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器(225)。每個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器耦合到太陽(yáng)能板串中對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能板。太陽(yáng)能板陣列還包括多個(gè)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制器(230)。每個(gè)MPPT控制器耦合到太陽(yáng)能板串中對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能板。每個(gè)MPPT控制器被配置為感測(cè)對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能板和逆變器(235)之間的瞬時(shí)功率不平衡。
文檔編號(hào)H02H3/20GK102484364SQ201080027456
公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月17日
發(fā)明者A·R·開(kāi)米斯特瑞克, A·蒂扎巴瑞, G·里斯, J·索克, K·馬哈茂德, R·薩布瑞尼阿姆, 張劍輝 申請(qǐng)人:美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司