用于互聯(lián)的直流電源的電路的制作方法
【專利摘要】公開了控制用于直流(DC)電源的功率轉換器電路。功率轉換器可操作的以將從DC電源接收的輸入功率轉換為輸出功率并執(zhí)行電源的最大功率點跟蹤。功率轉換器適于向負載提供輸出功率，該負載也執(zhí)行最大功率點跟蹤。
【專利說明】用于互聯(lián)的直流電源的電路
[0001]背景
[0002]在本申請中描述的實施方案通常涉及對來自分布式的電流源(如直流(DC)電源)的功率生產的控制。
[0003]最近對可再生能源的興趣已引起在用于分布式能源產生的系統(tǒng)方面研究的增加，分布式能源如光伏電池(PV)、燃料電池和蓄電池。制造中的各種矛盾可導致兩個其它相同的源提供不同的輸出特性。同樣地，兩個這樣的源可對操作條件，例如負載和/或環(huán)境條件(例如溫度)，有不同的反應。在裝置中，不同的源也可能會經歷不同的環(huán)境條件，例如，在太陽能發(fā)電裝置中的一些電池板可能會暴露到充足的陽光，而其它的電池板可能會被遮蔽，從而提供不同的功率輸出。在多個蓄電池裝置中，一些蓄電池可能使用壽命不同，從而提供不同的功率輸出。
[0004]概述
[0005]各種實施方案涉及在分布式能源系統(tǒng)中的功率轉換，該系統(tǒng)可具有上述的一些特性。雖然各種實施方案可適用于任何分布式電源系統(tǒng)，以下討論轉向太陽能，以便以舉例的方式提供更好地理解，而不限制其它應用。
[0006]描述了分布式電源系統(tǒng)，包括用于直流(DC)電源的功率轉換器電路，所述DC電源諸如一個或多個光伏電池板、光伏子鏈或光伏電池。例如并網逆變器的負載，可由DC電源線進行連接以從一個或多個功率轉換器電路接收采集的功率。根據一個方面，功率轉換器電路可包括直流到直流(DC/DC)功率轉換器，其被配置為將在DC/DC功率轉換器輸入端上的從光伏電池板接收的DC功率轉換成DC/DC功率轉換器的輸出。電路可包括控制電路，其被配置為感測輸入電壓和/或輸入電流，并確定在DC/DC功率轉換器輸入端上接收的輸入功率(來自光伏電池板的輸出功率)?？刂齐娐房杀慌渲脼橥ㄟ^操作電源(例如，光伏電池板)達被跟蹤以最大化電源的功率產量的電流和電壓或其最大功率點來最大化輸入功率。由于最大功率點跟蹤是在功率轉換器的輸入端處進行的，故功率轉換器的輸出電壓或電流是不完全受約束的。而來自DC/DC轉換器的功率輸出大約等于來自光伏電源的輸入功率乘以轉換效率，在DC/DC功率轉換器的輸出端處的電壓和電流可通過負載或者通過在負載的輸入端處的控制電路來設置、確定和/或控制。負載可以是適于將DC功率轉換為電網的頻率的交流電流(AC)的逆變器。根據一個方面，逆變器不使用最大功率點跟蹤(MPPT)模塊，因為對于每個電池板已經通過控制電路單獨跟蹤來自每個DC電源的最大功率。逆變器在其輸入端可具有控制塊，其將輸入電壓設置為一個方便的值，可選地為預定值和/或可選地為恒定值，例如400伏，例如以最大化負載(例如逆變器)的效率,或最小化DC線路中的功率損耗。
[0007]然而，許多可商購的逆變器模塊已經包括集成的MPPT跟蹤電路，其被設計用于與常規(guī)的光伏分布式電源系統(tǒng)一起使用，該電源系統(tǒng)如上述那樣不包括對于每個電源的單獨的MPPT跟蹤。理想的是，具有集成的MPPT模塊的標準的可商購逆變器與帶控制電路的DC/DC功率轉換器電路兼容，其單獨地最大化來自DC電源(例如光伏電池板)的功率。然而，由于控制電路保持光伏電池板在其最大功率點，故DC/DC轉換器的功率輸出可能不會給逆變器的輸入端呈現(xiàn)一個功率峰值，該峰值可由逆變器的集成的MPPT根據在DC/DC轉換器的輸出端處的電流或電壓的變化進行跟蹤。其結果是，如果在逆變器輸入端處存在MPPT模塊，則MPPT模塊可能不能夠穩(wěn)定且鎖定最大化到逆變器的輸入端的功率的任意特定電壓。其結果是，如果在系統(tǒng)中使用逆變器的MPPT模塊，根據這些方面，可迫使到逆變器的輸入為一個極限電壓(或電流)，和/或變得不穩(wěn)定且可能會損耗相當大的功率。
[0008]因此，存在如下的功率轉換器電路是必要的且將是有利的，該功率轉換器電路普遍與所有或大多數類型的逆變器一起運行，而不管該逆變器是否配備有MPPT模塊，并且需要用于配備有控制塊的負載，如上所述該控制塊將到負載的輸入電壓設置為方便可選的恒定值。本文公開了各種方法、系統(tǒng)和/或設備，其提供功率轉換器電路，包括可連接到直流(DC)電源的功率轉換器,諸如光伏電池板。直流(DC)電源可包括一個或多個光伏太陽能電池或串聯(lián)和/或并聯(lián)互連的太陽能電池板。功率轉換器包括適于連接到直流(DC)電源的輸入端子和輸出端子。功率轉換器可操作以將在功率轉換器的輸入端子處的從DC電源接收的輸入功率轉換為在功率轉換器的輸出端子處的輸出功率。功率轉換器可具有連接在功率轉換器的輸入端子處的控制電路，使得在功率轉換器的運行期間，控制電路設置在功率轉換器的輸入端子處的輸入電壓或輸入電流，以最大化輸入功率，例如，執(zhí)行最大功率點跟蹤(MPPT)。最大功率點跟蹤電路還可連接到功率轉換器輸出端子。功率轉換器可包括多個類似的、在其輸出端子處串聯(lián)連接為串聯(lián)串的功率轉換器電路。串聯(lián)串可以是并聯(lián)連接的，且經由最大功率點跟蹤電路輸入到負載。具有的負載輸入端子和負載輸出端子可配置為從功率轉換器接收功率，例如經由連接到功率轉換器的輸出端子的最大功率點跟蹤電路。負載可以是逆變器或DC/DC功率轉換器。
[0009]根據不同的特點:
[0010]A、可感測功率轉換器的輸出電壓?？膳渲每刂齐娐芬员銓⒃诠β兽D換器的輸入端子處接收的輸入功率設置為僅在預定的輸出電壓點或輸出電壓范圍處或在預定的輸出電流點或輸出電流范圍處的最大功率。遠離預定的輸出電壓或預定輸出電流，控制電路可被配置為將在輸入端子處接收的輸入功率設置為小于最大可用功率。以這種方式，操作地連接到功率轉換器的輸出端子的最大功率點跟蹤電路，可穩(wěn)定地跟蹤預定的電壓和/或電流的點或范圍。
[0011]B、可配置控制電路以將到功率轉換器的輸入端子處接收到的輸入功率設置為最大功率。功率衰減器可連接到功率轉換器的輸出端子?？膳渲霉β仕p器以衰減在輸出電壓處的預定輸出電壓范圍(或預定輸出電流范圍)以外的功率輸出，且不衰減在預定的輸出電壓或電流的點或范圍處的輸出功率?？蓪⒆畲蠊β庶c跟蹤電路連接到經衰減的功率輸出端?？膳渲米畲蠊β庶c跟蹤電路以鎖定在預定輸出電壓范圍或在預定輸出電流范圍處的最大功率點。通常負載可被配置用于經由功率衰減器并經由連接到經衰減的功率輸出端的最大功率點跟蹤電路來從功率轉換器接收功率。
[0012]C、可配置控制電路以將在功率轉換器的輸入端子處接收到的輸入功率設置為電源的最大功率點。配置連接到輸入端子的控制電路以改變被定義為功率轉換器的輸入電壓和輸出電壓之比的電壓轉換率。電壓轉換率可進行變化或擾動，以慢慢地接近輸出端子上的最大功率。如本文所用的術語“慢慢地”是相對于與負載(例如，在功率轉換器的輸出端處)相關聯(lián)的MPPT電路的響應時間?？蛇x擇轉換率以達到最大功率。由于來自功率轉換器的輸出功率慢慢接近最大功率，故與負載關聯(lián)的MPPT電路據此響應并鎖定到最大輸出功率處的預定的輸出電壓。
[0013]D、與負載相關聯(lián)的最大功率點跟蹤電路在其運行的過程期間可擾亂其電壓或電流輸入(到功率轉換器的輸出)。功率轉換器可包括將在功率轉換器的輸入端子處接收的輸入功率設置為最大功率點的控制電路，以及配置為感測輸出電壓的控制電路。功率轉換的轉換率通過控制電路慢慢改變，以慢慢接近所選的轉換率和在最大功率點處的預定輸出電壓。
[0014]E、段落C和D的特點是互不排斥的，且可組合使用。如果在功率轉換器的輸出端處感測到輸出電壓的變化，則功率轉換的轉換率通過控制電路慢慢改變，以慢慢接近所選的轉換率和預定的輸出電壓。否則，如果沒有感測到輸出電壓的顯著變化，配置控制電路以改變輸出電壓，從而慢慢接近所希望的轉換率，同時MPPT電路接近最大功率點。
[0015]附圖簡要說明
[0016]本公開通過示例的方式示出，且不以附圖進行限制，其中相似的附圖標記標示相似的元件，其中:
[0017]圖1示出了使用DC電源的常規(guī)的集中式功率采集系統(tǒng)；
[0018]圖2示出了關于DC電源的一個串聯(lián)串的電流相對于電壓的特性曲線；
[0019]圖3根據實施方案示出了使用DC電源的分布式功率采集系統(tǒng)；
[0020]圖4A和4B根據實施方案示出了圖3的系統(tǒng)在不同的條件下的運行；
[0021]圖4C根據實施方案示出了分布式功率采集系統(tǒng)，其中逆變器控制輸入電流；
[0022]圖5根據其它實施方案示出了分布式功率采集系統(tǒng)，其中在逆變器的輸入端處的電壓被控制；
[0023]圖6根據實施方案示出了示例性的DC至DC轉換器；
[0024]圖7根據各種實施方案示出了包括控制功能的功率轉換器；
[0025]圖8根據各種實施方案示出了包括負載控制電路的分布式功率采集系統(tǒng)的簡化框圖；
[0026]圖8A通過圖形示出了在常規(guī)系統(tǒng)中作為輸出電流的函數的來自太陽能電池板的功率輸出的行為；
[0027]圖SB根據實施方案通過圖形示出了一個光伏模塊、或串聯(lián)/并聯(lián)連接的光伏模塊和/或串的系統(tǒng)的功率輸入或輸出相對于輸出電流；
[0028]圖8D根據各種實施方案通過圖形示出了作為被更改的電流的函數的功率輸出；
[0029]圖8E根據各種實施方案示出了用于更改輸出功率的電路；
[0030]圖8F根據各種實施方案示出了功率轉換和跟蹤最大功率的過程
[0031]圖SG根據各種實施方案示出了用于運行配備有MPPT模塊的逆變器的過程；
[0032]圖9根據各種實施方案示出了分布式功率采集系統(tǒng)的簡化框圖；
[0033]圖9A和圖9B根據各種實施方案示出了分別在電源和在最大功率點跟蹤電路中并行執(zhí)行的過程；
[0034]圖9C根據各種實施方案通過圖形示出了作為時間的函數的、來自一個或多個光伏模塊的功率輸出的變化；
[0035]圖1OA和圖1OB根據各種實施方案示出了，分別在光伏模塊和最大功率點跟蹤電路中并行執(zhí)行的過程。
[0036]當結合附圖考慮時，根據下面的詳細描述，前述和/或其它方面將變得明顯。
[0037]詳細說明
[0038]現(xiàn)在將詳細參考實施方案，其的實例在附圖中示出，其中自始至終類似的附圖標記指代類似的元件。以下通過參考附圖描述實施方案以解釋各實例。
[0039]在圖1中示出太陽能發(fā)電系統(tǒng)10的常規(guī)安裝。由于每個單獨的太陽能電池板101提供的電壓可能較低，故可串聯(lián)連接多個電池板以形成電池板的串103。對于大的安裝，當可利用更高的電流時，幾個串103可并聯(lián)連接以形成整個系統(tǒng)10。太陽能電池板101可安裝于室外，且它們的引線可連接到最大功率點跟蹤(MPPT)模塊107，且然后可連接到逆變器104?？蓪PPT 107實現(xiàn)為逆變器104的一部分。
[0040]從DC電源采集的功率可傳遞到逆變器104，其將波動的直流電流(DC)轉換成具有在逆變器輸出端的所期望的電壓和頻率的交流電流(AC)，其可以是，例如在60Hz為IlOV或220V，或在50Hz為220V。在一些實例中，產生220V的逆變器可接著在電箱中被分成兩個IlOV的饋電。來自逆變器104的AC電流然后可用于操作家用電器或饋送到電網?？商鎿Q地，如果裝置不綁定到電網，則從逆變器104提取的功率可被引導到轉換和充電/放電電路以將產生的多余的功率存儲為蓄電池中的電荷。在綁定電池的應用的情況下，逆轉階段可能會完全跳過，并且MPPT階段107的DC輸出可饋送到充電/放電電路中。
[0041]如上所述，每個太陽能電池板101提供相對非常低的電壓和電流。太陽能陣列設計者面對的挑戰(zhàn)可能是由太陽能電池板的低電壓的組合產生達120V或220V均方根(RMS)的標準AC電流。來自低電壓的高功率的傳遞可利用非常高的電流，這可能會導致近似電流的二次方(Γ2)的巨大的傳導損耗。此外，功率逆變器，諸如逆變器104，其可用于將DC電流轉換為AC電流，當其輸入電壓可比其輸出RMS電壓乘以2的平方根略高時，可能是最有效的。因此，在許多應用中，電源，諸如太陽能電池板101，可被組合以便達到正確的電壓或電流。一種常見的方法可以是串聯(lián)連接電源以便達到所希望的電壓，以及并聯(lián)連接電源以便達到所希望的電流，如圖1中所示。大量的電池板101可被連接成串103，且串103可并聯(lián)連接到電源逆變器104。電池板101可串聯(lián)連接以便達到用于逆變器的最小電壓。多個串103可并聯(lián)連接為陣列以提供更高的電流，以便實現(xiàn)更高的功率輸出。
[0042]盡管此配置在成本和結構簡單方面可能是有利的，對于這樣的結構已確定若干缺點。一個缺點可能是，如下面所解釋的，由來自每個單獨電池板的非最佳功率汲取引起的低效率。DC電源的輸出可受許多條件的影響。因此，為了最大化來自每個源的功率汲取，人們可能需要汲取電壓和電流的組合，其提供電源當前流行條件的峰值功率。隨著條件的變化，電壓和電流汲取的組合也可能需要改變。
[0043]圖2示出了 DC電源的一個串聯(lián)串的實例，例如太陽能電池板1la-1Old,以及與逆變器104集成的MPPT電路107。電流相對于電壓(IV)的特性被繪圖(210a_210d)在每個DC電源101的左側。對于每個DC電源101，電流隨著輸出電壓升高而下降。在一些電壓值下，電流變?yōu)榱?，且在一些應用中可假定為負值，這意味著源變成了換能器。旁路二極管可用于防止源變成換能器。每個源101的功率輸出，其可等于電流和電壓的乘積(P = I*V)，根據源兩端的電壓而變化。在某一電流和電壓下，接近電流的衰落點(falling off point),功率達到其最大值。在該最大功率點下運行發(fā)電電源(例如，光伏電池板、電池等)可以是可取的。MPPT的目的可以是找到該點，且在這一點上運行該系統(tǒng)，以從源汲取最大功率。
[0044]典型地，常規(guī)的太陽能電池板陣列、不同的算法和技術可用于使用MPPT模塊107優(yōu)化系統(tǒng)10的集成的功率輸出。MPPT模塊107可接收從所有的太陽能電池板一起提取的電流，且可跟蹤該電流的最大功率點以提供最大平均功率，使得如果更多的電流被提取，則來自電池板的平均電壓開始下降，因此降低了采集的功率。MPPT模塊107保持產生自整個系統(tǒng)10的最大平均功率的電流。然而，由于源1la-1Old可串聯(lián)連接到單一的MPPT 107，MPPT可選擇單個功率點，其將是每個連續(xù)連接的源的最大功率點(MPP)的平均值的一部分。在實踐中，非常可能的是，MPPT將在1-V點運行，該點可能對于只有幾個源或沒有源是最佳的。在圖2的實例中，由于源串聯(lián)連接，每個源以相同的電流運行，但對于每個源的最大功率點(由曲線210a-210d上的點標示)可以是以不同的電流。因此，通過MPPT 107的選擇的電流運行點可以是源1lb的最大功率點，但也可偏離源1laUOlc和1ld的最大功率點。因此，該裝置可不以最佳實現(xiàn)效率運行。
[0045]再回到圖1的系統(tǒng)10的實例，固定來自串103的預定恒定輸出電壓可能會造成太陽能電池板101提供低于其它可能的輸出功率。此外，每個串103承載沿串103穿過所有太陽能電池板101的單一電流。如果由于制造差異、老化，太陽能電池板101不匹配，或者如果它們在不同的遮蔽條件下發(fā)生故障或進行放置，那么每個電池板的電流、電壓和功率輸出可以是不同的。迫使單一的電流通過所有串103的電池板101可導致單個電池板101在非最佳功率點工作，且由于高電流通過電池板101，其可能是高度不匹配，也可引起它們產生“熱點”。由于MPPT的常規(guī)的集中方法的這些和其它缺點，電池板101可能被不正確地匹配。在某些情況下，外部二極管可用來繞過高度不匹配的電池板101。在常規(guī)的多串配置中，所有串103可由完全相同數量的太陽能電池板組成，且電池板101可選擇相同模式并可安裝在完全相同的方向，在任何時候都暴露于相同的陽光條件下。根據這些約束的安裝可能是非常昂貴的。在根據常規(guī)的配置10的太陽能陣列的安裝過程中，安裝者可通過使用測試設備來檢查每個電池板、每個串和整個陣列的電流-電壓特性，以驗證太陽能陣列的安裝的正確性和性能。然而，在實踐中，單個電池板和串可能完全不進行測試或只在連接之前進行測試?？赏ㄟ^串聯(lián)連接到太陽能陣列(諸如用陣列中的串聯(lián)電阻器)執(zhí)行電流測量，其通常是不方便的。相反，通常只執(zhí)行整個安裝的高級別合格/不合格測試。
[0046]在安裝的初始測試之后，太陽能陣列可連接到逆變器104，其可包括監(jiān)測整個陣列性能的監(jiān)測模塊。由逆變器104內監(jiān)測所收集的性能信息可包括集成的陣列功率輸出和功率生產速率，但信息缺乏關于單個太陽能電池板101活動的任何精確細節(jié)。因此，在逆變器104通過監(jiān)測提供的性能信息可能不足以理解功率損耗是否可能是由于環(huán)境條件、來自故障或來自太陽能陣列的不良安裝或維護。此外，集成的信息不可能詳細查明哪一個太陽能電池板101負責被檢測的功率損耗。
[0047]圖3根據實施方案示出了分布式功率采集配置30。配置30使多個電源的連接形成單一電源成為可能，多個電源例如，太陽能電池板1la-1OlcL —個方面，所有的太陽能電池板的串聯(lián)串可耦合到逆變器304。另一方面，太陽能電池板的幾個串聯(lián)連接的串可連接到單個逆變器304。逆變器304可被其它元件(諸如，例如，用于對電池組充電的充電調節(jié)器)來代替。
[0048]在配置30中，每個太陽能電池板1la-1Old可連接到單獨的功率轉換器電路305a-305d。一個太陽能電池板101與其連接的功率轉換器電路一起形成模塊，例如，光伏模塊302 (只有其中一個被標記)。每個轉換器305a-305d最佳適應于連接的太陽能電池板1la-1Old的功率特性，且將來自轉換器輸入端的功率有效傳送到轉換器輸出端。轉換器305a-305d可以是降壓轉換器、升壓轉換器、降壓/升壓轉換器、反激或正激轉換器等。轉換器305a-305d也可包含多個組分轉換器，例如降壓和升壓轉換器的串聯(lián)連接。
[0049]每個轉換器305a_305d可包括控制電路311，其接收反饋信號，該反饋信號不是來自轉換器的輸出電流或電壓，而是來自太陽能電池板101的轉換器的輸入端。輸入傳感器測量輸入參數、輸入功率、輸入電流和/或輸入電壓，且設定輸入功率。這樣的控制電路的實例可以是最大功率點跟蹤(MPPT)電路。轉換器的MPPT電路將來自每個太陽能電池板1la-1Old的輸入電壓和電流鎖定到其最佳功率點。在轉換器305a-305d中，根據各方面，轉換器305內的控制器監(jiān)測在轉換器輸入端子處的電壓和電流，并以這樣的方式確定轉換器的脈寬調制(PWM)，其中該方式使可從附接的電池板1la-1Old提取最大功率。轉換器305的控制器動態(tài)地跟蹤在轉換器輸入端處的最大功率點。在各方面中，控制電路311的輸入功率的反饋回路可以是封閉的，以便跟蹤最大輸入功率，而不是如通過常規(guī)的DC到DC電壓轉換器(例如，MPPT107)所執(zhí)行的封閉輸出電壓的反饋回路。由于在每個轉換器305a-305d中存在單獨的控制電路311，且因此對于每個太陽能電池板101a_101d，系統(tǒng)30中的每個串303可具有不同數量或不同品牌的串聯(lián)連接的電池板101a-101d。圖3中的控制電路311連續(xù)地最大化每個太陽能電池板1la-1Old的輸入端上功率以應對溫度、太陽照射、遮蔽或其它影響該特定的太陽能電池板1la-1Old的性能因素的變化。因此，在轉換器305a-305d內的控制電路311從每個電池板1la-1Old采集最大可能的功率，且傳送這個功率作為輸入功率而不管影響其它太陽能電池板的參數。
[0050]同樣地，在圖3中所示的實施方案連續(xù)地跟蹤并保持到每個轉換器305的輸入電流和輸入電壓在連接的DC電源的最大功率點?？奢斎氲睫D換器305的DC電源的最大功率也可以是來自轉換器305的輸出。轉換器輸出功率可以是達不同于轉換器的輸入電流和電壓的電流和電壓。當給定由于功率轉換效率低的少量功率損耗保持總功率時，來自轉換器305的輸出電流和輸出電壓可響應于電路的串聯(lián)連接部分的要求。
[0051]在一個實施方案中，轉換器305a_305d的輸出可串聯(lián)連接成單一的DC輸出，其形成到負載(在本實例中為逆變器304)的輸入。逆變器304將轉換器的串聯(lián)連接的DC輸出轉換為AC電源。在這種情況下為逆變器304的負載，可使用控制電路320調節(jié)在負載輸入端的電壓。在這個實例中，這可能是獨立的控制回路320，其可將輸入電壓保持在預定的設定值，例如400伏。因此，逆變器304的輸入電流可由可用功率來決定，且這可以是流經所有串聯(lián)連接的DC電源的電流。當由逆變器304的輸入端處的電流和/或電壓調節(jié)來約束DC-DC轉換器305的輸出時，輸入到功率轉換器電路305的電流和電壓可使用控制電路311獨立控制。各方面提供了用于將來自多個DC電源101的電源組合成分布式電源的系統(tǒng)和方法。根據這些方面，每個DC電源101 (例如光伏電池板101)可與DC-DC功率轉換器305相關聯(lián)。通過耦合DC電源101到其相關聯(lián)的轉換器305形成的模塊，可串聯(lián)耦合以提供模塊的串。然后，模塊的串可耦合到具有其固定的輸入電壓的逆變器304。在每個轉換器305中的最大功率點控制電路311從每個DC電源101采集最大功率且傳送這個功率作為來自功率轉換器305的輸出。對于每個轉換器305，輸入功率可轉換成輸出功率，使得轉換效率可為95%或在某些情況下高于95%。
[0052]此外，控制可通過將轉換器的輸入電流或輸入電壓固定到最大功率點并允許轉換器的輸出電壓改變來執(zhí)行。對每個電源101, —個或多個傳感器可監(jiān)測到相關聯(lián)的轉換器305的輸入功率電平。在一些實施方案中，微控制器可執(zhí)行最大功率點跟蹤，且在每個轉換器305中通過使用脈寬調制控制，以調整用于將功率從輸入端傳送到輸出端的占空比。一方面可通過監(jiān)測、記錄和/或交換每個太陽能電池板的性能，提供更大程度的容錯、維護和可用性。在各種實施方案中，可用于最大功率點跟蹤的微控制器也可用于執(zhí)行監(jiān)測、記錄和交換功能。這些功能允許快速和容易地在安裝過程中檢修故障，從而顯著減少安裝時間。這些功能也可有利于在維護工作中問題的快速檢測。各方面允許容易地定位、維修或更換失效的太陽能電池板。當維修或更換可能不是可行的時，旁路特點提供增強的可靠性。在一個方面，提供了太陽能電池的陣列，其中可結合來自電池的功率。每個轉換器305可附接到單個太陽能電池，或多個串聯(lián)、并聯(lián)或兩者共同(例如串聯(lián)連接的電池的串的并聯(lián)連接)連接的電池。
[0053]在一個實施方案中，每個轉換器305可附接到光伏串的一個或多個電池板。然而，當適用于太陽能發(fā)電技術的背景時，各方面可用在任何使用DC電源的分布式電源網絡中。例如，它們可用在帶多個電池的蓄電池或帶多個燃料電池在其上的混合動力交通工具中。DC電源可以是太陽能電池、太陽能電池板、電燃料電池、電蓄電池等等。此外，盡管下面的討論涉及將來自DC電源陣列的功率結合為AC電壓源，但各方面也可適用于將來自DC電源的功率結合成另一 DC電壓。
[0054]在這些DC至DC電壓轉換器中，在轉換器內的控制器可監(jiān)測在輸入端處的電流或電壓，和輸出的電壓。如果輸出電壓下降，控制器還可通過增加占空比來確定適當的脈寬調制(PWM)占空比以將輸出電壓固定在預定值。因此，常規(guī)的轉換器可包括反饋回路，其在輸出電壓上閉合，且使用輸出電壓以進一步調整和微調來自轉換器的輸出電壓。作為改變輸出電壓的結果，從輸入中提取的電流也可被改變。
[0055]圖4A和4B根據實施方案示出了圖3的系統(tǒng)在不同條件下的運行。示例性配置40可類似于圖3的配置30。在示出的實例中，10個DC電源101/1至101/10可分別連接到10個功率轉換器305/1至305/10。由DC電源101和其連接的轉換器305形成的各模塊可串聯(lián)耦合在一起以形成串303。在一個實施方案中，串聯(lián)連接的轉換器305可耦合到DC至AC逆變器404。
[0056]DC電源可以是太陽能電池板101，且可針對太陽能電池板討論該實例作為一個說明性的案例。由于制造公差、遮蔽或其它因素，每個太陽能電池板101可具有不同的功率輸出。對于本實例的目的，理想的案例可在圖4A中被示出，其中DC至DC轉換的效率可假定為100%且電池板101可被假定是相同的。在一些方面中，轉換器的效率可能會相當高，且范圍在約95%-99%。所以，對于說明的目的，效率100%的假設可能不是不合理的。此夕卜，根據實施方案，每個DC-DC轉換器305可構造為功率轉換器，即，其給其輸出端傳送在其輸入端以非常低的損失接收的總功率。每個太陽能電池板101的功率輸出可通過相應的功率轉換器305內的控制回路311來保持在電池板的最大功率點。在圖4A中所示的實例，所有的電池板101可暴露于充足的陽光照射，且每個太陽能電池板101提供200W的功率。因此，MPPT回路可汲取電流和電壓電平，其將傳送來自電池板的全部200W至其相關聯(lián)的轉換器305。即，由MPPT決定的電流和電壓形成到轉換器的輸入電流I輸入和輸入電壓V輸入。輸出電壓可由設定在逆變器404處的恒定電壓來決定，如將在下面解釋的。然后，輸出電流I輸出將為總功率(即200W)除以輸出電壓V輸出。
[0057]返回參照常規(guī)的系統(tǒng)10、圖1和2，到負載104的輸入電壓根據可用功率變化。例如，當大量的陽光可在太陽能裝置中是可用的時，到逆變器104的電壓輸入可變化，甚至高達1000伏。因此，當陽光照射變化時，電壓隨之變化，且在逆變器104(或其它功率供應器或負載)中的電子組件可暴露于變化的電壓。這傾向于降低組件的性能，且可最終導致它們失效。另一方面，通過將電壓或電流固定或限制在負載或功率供應器(例如，逆變器304)的輸入端，電子組件可總是暴露到相同的電壓或電流，且可能延長了使用壽命。例如，可選擇負載的組件(例如，電容器、開關和逆變器的線圈)，使得在固定的輸入電壓或電流下它們運行在，假設，其額定值的60%。這可提高可靠性且延長組件使用壽命，其對于避免應用中(諸如太陽能發(fā)電系統(tǒng))的供電損失可能是關鍵的。
[0058]如上所述，根據實施方案，可由逆變器404通過控制回路420 (類似于上面的逆變器304的控制回路320)控制到逆變器404的輸入電壓(在這個實例中，保持恒定)。對于這個實例的目的，假設輸入電壓可保持為400V (對于逆轉至220VAC的理想值)。因為假定可存在10個串聯(lián)連接的功率轉換器，每個提供200W，故到逆變器404的輸入電流是2000W/400V= 5A。因此，流過轉換器101/1-101/10中的每個的電流可以是5A。這意味著，在此理想的實例中，每個轉換器101提供200W/5A = 40V的輸出電壓?，F(xiàn)在，假設用于每個電池板101 (假設完美匹配的電池板)的MPPT規(guī)定了每個電池板的最大功率點電壓為Vmpp = 32V。這意味著，到逆變器404的輸入電壓將為32V，且輸入電流將為200W/32V = 6.25A。
[0059]我們現(xiàn)在轉向另一實例，其中系統(tǒng)40可仍然保持在理想模式(即，完美匹配DC電源且全部功率可傳送到逆變器404)，但對于不同的電池板環(huán)境條件可能有所不同。例如，一個DC電源可能過熱，可能出現(xiàn)故障，或如在圖4B的實例中，第九太陽能電池板101/9可能會被遮蔽，且從而產生僅40W的功率。由于保持了如在圖4A的實例中的所有的其它條件，故其它9個太陽能電池板101可以是未遮蔽的，且仍然產生200W功率。功率轉換器305/9包括MPPT以將太陽能電池板101/9保持運行在最大功率點，其現(xiàn)在由于遮蔽可能被降低。
[0060]來自串的可用的總功率現(xiàn)在可能是9X200W+40W = 1840W。由于到逆變器404的輸入仍可維持在400V，到逆變器404的輸入電流現(xiàn)在將是1840W/40V = 4.6A。這意味著串中的所有功率轉換器305/1-305/10的輸出可能是在4.6A。因此，對于9個未遮蔽的電池板，轉換器將輸出200W/4.6A = 43.5V。另一方面，附接到被遮蔽的電池板101/9的轉換器305/9將輸出40W/4.6A = 8.7V。檢查數學運算，到逆變器404的輸入可通過增加9個提供43.5V的轉換器和一個提供8.7V的轉換器獲得，即，(9X43.5V) +8.7V = 400V。
[0061]九個未遮蔽電池板的輸出將仍然由如圖4A中的MPPT控制，從而保持在32V和6.25A。另一方面，由于第九電池板101/9被遮蔽，假定其MPP電壓下降到28V。因此，第九電池板的輸出電流為40W/28V = 1.43A。如通過這個實例可看出，所有的電池板可在它們的最大功率點運行，而不管運行條件。如圖通過圖4B的實例所示，即使一個DC電源的輸出急劇下降，系統(tǒng)40仍通過將電壓輸入固定到逆變器并獨立控制到轉換器的輸入來保持相對高的功率輸出，以便在MPP從每個DC電源汲取功率。
[0062]如可理解的，在圖4A和4B中所示的拓撲的優(yōu)點可以是多方面的。例如，串聯(lián)連接的DC電源(諸如太陽能電池板)的輸出特性不需要匹配。因此，串聯(lián)串可利用來自不同的制造商的電池板或安裝在屋頂的不同部位(即，在不同的空間方向)上的電池板。此外，如果幾個串并聯(lián)連接，那么串匹配可不是必要的；而每個串可具有不同的電池板或不同數目的電池板。這種拓撲結構也可能通過減輕熱點問題來提高可靠性。如圖4B中所示的，被遮蔽的電池板101/9的輸出是1.43A，而在未遮蔽的電池板的輸出端處的電流是6.25A。當組件被串聯(lián)連接時，這種電流上的差異可引發(fā)大電流被迫通過被遮蔽的電池板，其可導致該組件過熱和故障。然而，鑒于所示的拓撲的示范性方面，輸入電壓可獨立地設置，且可根據電池板的MPP在每個時間點上獨立設置從每個電池板到其轉換器的功率汲取，在每個電池板的電流可獨立于來自串聯(lián)連接的轉換器的電流汲取。
[0063]可容易地意識到，由于對于每個電池板可獨立地優(yōu)化功率，電池板可安裝在光伏建筑一體化(BIPV)裝置中的不同的面和方向。因此，可解決在建筑一體化安裝中的低功率利用問題，且現(xiàn)在更多的裝置可以是有利可圖的。所描述的系統(tǒng)還可容易地解決在低光照條件下的能量采集問題。即使是少量的光可足以使轉換器305運行，且然后它們開始將功率傳送到逆變器。如果少量的功率可用，則可能存在低電流流動，但對于逆變器，電壓將高到足以運行，且可確實采集功率。根據實施方案，逆變器404可包括控制回路420，以保持在逆變器404的輸入端的最佳電壓。在圖4B的實例中，到逆變器404的輸入電壓可通過控制回路420保持在400V。轉換器305可從太陽能電池板傳送基本上所有(例如，>95% )的可用功率到逆變器404的輸入端。因此，到逆變器404的輸入電流可僅依賴于由太陽能電池板提供的功率，及逆變器輸入端的經調節(jié)的設定(即恒定的)電壓。
[0064]在圖1和圖2中所示的常規(guī)逆變器104可具有很寬的輸入電壓以適應變化的條件，例如，亮度、溫度和太陽能陣列老化的變化。這可與逆變器404形成對照，其可根據各方面進行設計。逆變器404不利用較寬的輸入電壓，且因此設計可更簡單且更可靠。除其它因素，由于在到逆變器的輸入端處可不存在電壓尖峰且因此逆變器的組件經歷更低的電應力且可能持續(xù)更長時間的事實，可實現(xiàn)這個更高的可靠性。當逆變器404可以是電路的一部分時，來自電池板的功率可被傳送到可連接到逆變器的負載。為了使逆變器404能工作在其最佳的輸入電壓下，可耗散由太陽能陣列產生的且不被負載使用的任何多余功率。可通過向公用事業(yè)公司出售多余的功率(如果這樣的選項是可用的)來處理多余的功率。對于離網的太陽能陣列，多余的功率可存儲在蓄電池中。然而另一選項可將多個相鄰的房屋連接在一起形成微網，并允許房屋之間的功率的負載平衡。如果來自太陽能陣列的多余的功率沒有被存儲或出售，則可提供另一種機制以耗散多余的功率。關于圖4A和4B解釋的特點和優(yōu)點，至少部分地來源于使逆變器404控制在其輸入端提供的電壓。相反地，可實現(xiàn)如下設計，其中，逆變器404控制在其輸入端的電流。這樣的布置可在圖4C中說明。圖4C示出了一個實施方案,其中逆變器控制輸入電流。每個太陽能電池板101的輸出功率可由相應的功率轉換器305內的控制回路保持在該電池板的最大功率點。在圖4C中所示的實例中，所有電池板可暴露于充足的陽光照射且每個太陽能電池板101提供200W的功率。
[0065]因此，MPPT回路將汲取電流和電壓電平，其將來自電池板的全部200W傳送至其相關聯(lián)的轉換器。即，由MPPT控制的電流和電壓形成到轉換器的輸入電流I輸入和輸入電壓V輸出。轉換器的輸出電壓可由在逆變器404處設定的恒定電流來確定，如將在下面說明的。然后，輸出電壓V輸出將是總功率(即200W)除以輸出電流I輸出。如上所述，根據實施方案，到逆變器404的輸入電流可由逆變器通過控制回路420的方式來控制。出于這個示例的目的，假設輸入電流保持為5A。由于假設可能存在10個串聯(lián)連接的功率轉換器，每個提供200W，故到逆變器404的輸入電壓為2000W/5A = 400V。因此，流過轉換器101/1-101/10中的每一個的電流可為5A。這意味著，在此理想化實例中，每個轉換器提供200W/5A = 40V的輸出電壓?，F(xiàn)在，假設每個電池板(假設完美匹配的電池板)的MPPT將電池板的MPP電壓控制為Vmpp = 32V。這意味著，到逆變器的輸入電壓將為32V，輸入電流將為200W/32V=6.25A。
[0066]因此，類似的優(yōu)點已經通過使逆變器404控制電流而不是電壓來實現(xiàn)。然而，與常規(guī)的技術不同，電池板的輸出中的變化可能不會引起流到逆變器的電流的變化，因為這可由逆變器自身進行設置。因此，可設計逆變器404以保持電流或電壓恒定，則不管電池板的運行，到逆變器404的電流或電壓將保持恒定。
[0067]圖5根據其它實施方案示出了使用DC電源的分布式功率收集系統(tǒng)50。圖5示出并聯(lián)耦合在一起的多個串303。每個串303可以是多個模塊的串聯(lián)連接，且每個模塊包括可耦合到轉換器305的DC電源101。DC電源可以是太陽能電池板。串303的并聯(lián)連接的輸出可再次被并聯(lián)連接到并聯(lián)調壓器506和負載504。負載504可以是逆變器，正如圖4A和4B的實施方案。并聯(lián)調壓器自動保持在其端子兩端的恒定電壓。并聯(lián)調壓器506可被配置為耗散多余的功率，以將到逆變器504的輸入端處的輸入電壓保持在穩(wěn)定的電平上且防止逆變器輸入電壓增大。流經并聯(lián)調壓器506的電流補充通過逆變器504汲取的電流，以便確保逆變器的輸入電壓可保持在恒定的水平上，例如在400V。
[0068]通過固定逆變器輸入電壓，逆變器的輸入電流可根據可用的功率汲取來改變。此電流可在串聯(lián)連接的轉換器的串303之間被分開。當每個轉換器305包括將轉換器輸入電壓保持在相關聯(lián)的DC電源的最大功率點的控制回路311時，可確定轉換器305的輸出功率。轉換器的功率和轉換器的輸出電流一起可確定轉換器的輸出電壓。轉換器中的功率轉換電路可使用轉換器的輸出電壓，該電路用于加強或降低轉換器輸入電壓以從由MPPT確定的輸入電壓中獲得轉換器的輸出電壓。
[0069]圖6根據實施方案示出了 DC至DC轉換器305的說明性實例。DC至DC轉換器可常規(guī)用于下降或增加變化的或恒定的DC電壓輸入到更高或更低的恒定電壓輸出，其取決于電路的要求。然而，在圖6的實施方案中，DC-DC轉換器可被用作功率轉換器，即將輸入功率變換為輸出功率，輸入電壓根據最大功率點變化，而輸出電流由到逆變器304、404或504的恒定輸入電壓決定。即，輸入電壓和電流可在任何時間發(fā)生變化，且輸出電壓和電流可在任何時間變化，其取決于DC電源的運行條件。轉換器305可以輸入端子614和616連接到對應的DC電源101 (或101)。DC電源101的經轉換的功率可穿過輸出端子610和612輸出到電路。轉換器電路的其余部分可位于輸入端子614和616以及輸出端子610和612之間，其包括輸入和輸出電容器620和640、防回流二極管622和642和包括控制器606和電感器608的功率轉換電路。
[0070]輸入616和614可由電容器620分離，電容器620可充當DC電壓的開路。輸出610和612也可由同樣充當DC輸出電壓的開路的電容器640分離。這些電容器可為當面臨交變的頻率電流時短路的隔DC或通AC的電容器，其可以是可選的。耦合在輸出610和612之間的電容器640也可作為下面所討論的功率轉換電路的一部分來運行。二極管642可耦合在輸出610和612之間，帶有一個極性，其使得電流可不從輸出612的正極引線回流到轉換器305。二極管622可耦合在正極輸出引線612和負極輸入引線614之間，其中正極輸出引線612通過電感器608，其作為DC電流的短路，且負極輸入引線614帶這樣極性以防止電流從輸出612回流到太陽能電池板101。
[0071]DC電源101可以是太陽能電池板、太陽能電池、串、或多個太陽能電池板或多個太陽能電池的串。由于在電池板101的太陽能電池中所產生的電子-空穴對，電壓差可存在于導線614和616之間。轉換器305可通過連續(xù)監(jiān)測由電池板所提供的電流和電壓從太陽能電池板101提取在其峰值功率點的電流，并使用最大功率點跟蹤算法來保持最大功率輸出?？刂破?06可包括MPPT電路或算法進行峰值功率跟蹤。可一起執(zhí)行峰值功率跟蹤和脈寬調制PWM，以獲得所需的輸入電壓和電流。在控制器606中的MPPT可以是任何常規(guī)的MPPT，諸如，例如，擾動和觀察(P&0)、增量電導等。然而，值得注意的是，可直接在電池板上執(zhí)行MPPT，即在轉換器的輸入端，而不是在轉換器的輸出端處執(zhí)行。然后，產生的功率可被傳送到輸出端子610和612。多個轉換器305的輸出可被串聯(lián)連接，使得一個轉換器305的正極引線612可連接到下一個轉換器305的負極引線610 (例如，如在圖4a中所示的)。
[0072]在圖6中，轉換器305可被示為降壓加升壓轉換器。如本文所用的術語“降壓加升壓”可以是如圖6中所示的直接在升壓轉換器之前的降壓轉換器，其也可出現(xiàn)在文獻中稱為“級聯(lián)的降壓-升壓轉換器”。如果將降低電壓，則升壓部分可被短路(例如，F(xiàn)ET開關650被靜態(tài)閉合)。如果將升高電壓，則降壓部分可被短路(即，F(xiàn)ET開關630被靜態(tài)閉合)。術語“降壓加升壓”不同于降壓/升壓拓撲結構，其可以是當電壓帶被升高或降低時可被使用的典型的拓撲結構?！敖祲?升壓”拓撲結構的效率可固有地低于降壓加升壓轉換器。此夕卜，對于給定的要求，降壓/升壓轉換器可能需要比降壓加升壓轉換器更大的無源組件。因此，圖6的降壓加升壓拓撲結構可具有比降壓/升壓拓撲結構更高的效率。然而，圖6的電路可能不得不持續(xù)決定其是否可降壓(運行降壓部分)或升壓(運行升壓部分)。在某些情況下，當所需的輸出電壓可類似于輸入電壓時，則降壓和升壓部分兩者都可運行。
[0073]控制器606可包括脈寬調制器(PWM)或數字脈寬調制器(DPWM)，以與降壓和升壓轉換器電路一起使用。控制器606同時控制降壓轉換器和升壓轉換器，且確定是否將執(zhí)行降壓或升壓操作。在某些情況下，降壓和升壓部分兩者可一起運行。即，如關于圖4A和4B的實施方案說明的，可獨立于輸出電流和輸出電壓的選擇來選擇輸入電壓和輸入電流。此夕卜，輸入值或輸出值的選擇可在依賴DC電源的運行的任意給定時刻改變。因此，在圖6的實施方案中，轉換器可被構造使得在任意給定時刻，輸入電壓和輸入電流的選定值可根據輸出要求進行向上轉換或向下轉換。在一個實施方式中，可使用集成電路(IC)604，其并入轉換器305的一些功能。IC 604可以是單個ASIC，其能夠承受存在于戶外的太陽能裝置中的嚴酷溫度極限。ASIC 604可設計為25年以上的高平均故障間隔時間(MTBF)。然而，用多個集成電路的離散的解決方案也可用類似的方式進行使用。在圖6中所示的示例性實施方案中，轉換器305的降壓加升壓部分可實現(xiàn)為IC 604。實際的考慮可導致系統(tǒng)的其它分害I]。例如，在一個實施方案中，IC 604可包括兩個1C，一個模擬1C，其處理系統(tǒng)中的高電流和電壓，及一個簡單的低電壓數字1C，其包括控制邏輯。模擬IC可使用功率FET來實現(xiàn)，F(xiàn)ET可在離散組件、FET驅動器、A/D等中可替換地實現(xiàn)。數字IC可形成控制器606。
[0074]在示出的示例性電路中，降壓轉換器包括輸入電容器620、晶體管628和630、定位在平行于晶體管628的二極管622和電感器608。晶體管628和630可每個分別具有寄生體二極管624和626。在示出的示例性電路中，升壓轉換器包括電感器608(其可與降壓轉換器共用)、晶體管648和650、定位在平行于晶體管650的二極管642、及輸出電容器640。晶體管648和650可每個分別具有寄生體二極管644和646。
[0075]圖7根據實施方案不出功率轉換器305的另一說明性實施方案。圖7根據實施方案尤其強調DC至DC轉換器305的監(jiān)測和控制功能。DC電壓源101也在圖中示出。顯示了用于轉換器305的簡化的降壓和升壓轉換器電路的部分。示出的部分包括開關晶體管728、730,748和750和共用電感器708。每個開關晶體管可由功率轉換控制器706進行控制。
[0076]功率轉換控制器706包括脈寬調制(PWM)電路733，和包括保護部分737的數字控制機743。功率轉換控制器706可耦合到微控制器790，其包括MPPT算法719，且還可包括通信模塊709、監(jiān)測和記錄模塊711以及保護模塊735。
[0077]電流傳感器703可耦合在DC電源101和轉換器305之間，且電流傳感器703的輸出可通過相關聯(lián)的模數轉換器723提供給數字控制機743。電壓傳感器704可耦合在DC電源101和轉換器305之間，且電壓傳感器704的輸出可通過相關聯(lián)的模數轉換器724提供給數字控制機743。電流傳感器703和電壓傳感器704可被用來監(jiān)測來自DC電源(例如，太陽能電池板101)的電流和電壓輸出。測得的電流和電壓可被提供給數字控制機743，且可用來保持轉換器的輸入功率在最大功率點。
[0078]PWM電路733控制轉換器電路的降壓和升壓部分的開關晶體管。PWM電路可以是數字脈寬調制(DPWM)電路。轉換器305的在電感器708和開關晶體管750獲得的輸出可通過模數轉換器741、742提供給數字控制機743，以便控制該PWM電路733。
[0079]隨機存取存儲器(RAM)模塊715和非易失性隨機存取存儲器(NVRAM)模塊713可位于微控制器790外部,但稱合到微控制器790。溫度傳感器779和一個或多個外部傳感器接口 707可耦合到微控制器790。溫度傳感器779可用于測量DC電源101的溫度。物理接口 717可耦合到微控制器790，且用于將來自微控制器的數據轉換成標準的通信協(xié)議和物理層。內部電源單元739可包括在轉換器305中。
[0080]在各種實施方案中，電流傳感器703可通過用于測量電流的各種技術來實現(xiàn)。在一個實施方案中，電流測量模塊703可用非常低的值的電阻器來實現(xiàn)。電阻器兩端的電壓將正比于流過電阻器的電流。在另一個實施方案中，電流測量模塊703可使用電流探頭實現(xiàn)，其使用霍爾效應測量通過導體的電流而不添加串聯(lián)電阻器。轉換電流測量值為電壓信號之后，該數據可通過低通濾波器被傳遞，且然后數字化。在圖7中，與電流傳感器703相關聯(lián)的模數轉換器可被示為A/D轉換器723。通過選擇用于模數轉換器的適當的分辨率和采樣率可避免在所得數字數據中的混疊效應。如果當前的感測技術沒有利用串聯(lián)連接，則電流傳感器703可并聯(lián)連接到DC電源101。
[0081]在一個實施方案中，電壓傳感器704采用簡單的并行電壓測量技術，以便測量太陽能電池板的電壓輸出。模擬電壓可通過低通濾波器，以便最小化混疊。然后，數據可使用模數轉換器進行數字化。在圖7中，電壓傳感器704相關聯(lián)的模數轉換器可被示為A/D轉換器724。A/D轉換器724具有足夠的分辨率以由在DC電源101 (其可以是太陽能電池板)測量的模擬電壓來產生充分采樣的數字信號。
[0082]收集的用于跟蹤在轉換器輸入端的最大功率點的電流和電壓數據也可用于監(jiān)測目的。具有足夠分辨率的模數轉換器可正確評價電池板的電壓和電流。然而，為評估電池板的狀態(tài)，即使低的采樣率也可以是足夠的。低通濾波器使得低采樣率足夠用于評估電池板的狀態(tài)成為可能。電流和電壓數據可被提供給監(jiān)測和記錄模塊711以用于分析。
[0083]溫度傳感器779使系統(tǒng)能夠在分析過程中使用溫度數據。溫度可能是一些類型的故障和問題的指示。此外，在電源可以是太陽能電池板的情況下，電池板溫度可以是功率輸出生產中的因素。
[0084]一個或多個可選的外部傳感器接口 707使連接各個外部傳感器到轉換器305成為可能。外部傳感器707可被用于加強太陽能電池板101或由連接太陽能電池板101形成的串或陣列的狀態(tài)分析。外部傳感器707的實例包括環(huán)境溫度傳感器、太陽輻射傳感器和來自相鄰電池板的傳感器。外部傳感器可集成到轉換器305內，而不是外部附接的。在一個實施方案中，從電流和電壓傳感器703、704和可選的溫度和外部傳感器707獲得的信息可被發(fā)送到中央分析站，以用于使用通信接口 709進行監(jiān)測、控制和分析。中央分析站未在圖中示出。
[0085]通信接口 709將微控制器790連接到通信總線。通信總線可用幾種方式來實現(xiàn)。在一個實施方案中，通信總線可使用現(xiàn)成的通信總線(諸如以太網或RS422)來實現(xiàn)。其它方法也可使用，諸如無線通信或電源線通信，其可能是在連接電池板的電源線上實現(xiàn)的。如果使用雙向通信，則中央分析站可請求由微控制器790收集的數據?？商娲鼗虼送?，從傳感器703、704、707獲得的信息可使用監(jiān)測和記錄模塊711本地記錄在本地存儲器(諸如RAM 715 或 NVRAM 713)中。
[0086]來自傳感器703、704、707的信息分析使與在太陽能陣列中的功率損耗相關聯(lián)的多種類型故障的檢測和定位成為可能。智能分析也可用來提出糾正措施，諸如清潔或更換太陽能陣列的特定部分。傳感器信息分析也可檢測環(huán)境條件或安裝錯誤引起的功率損耗，且防止昂貴和困難的太陽能陣列測試。
[0087]因此，在一個實施方案中，基于MPPT模塊719中的MPPT算法，微控制器790同時保持從附接的DC電源或太陽能電池板101到轉換器305的輸入功率的最大功率點，且管理收集來自傳感器703、704、707的信息的過程。收集的信息可存儲在本地存儲器713、715，且傳送到外部中央分析站。在一個實施方案中，微控制器790可用存儲在NVRAM 713中的先前定義的參數來運行轉換器305。存儲在NVRAM 713中的信息可包括關于轉換器305的信息，諸如序列號、使用的通信總線的類型、狀態(tài)更新速率和中央分析站的ID。此信息可在傳輸之前添加到由傳感器收集的參數。
[0088]在太陽能陣列的安裝過程中，轉換器305可被安裝或改裝為現(xiàn)有的安裝。在這兩種情況下，轉換器305可連接到電池板接線連接盒或連接到連接電池板101的電纜上。每個轉換器305可設置有連接器和布線，以便能夠方便安裝和連接到太陽能電池板101和電池板電纜。
[0089]在一個實施方案中，物理接口 717可被用于轉換到標準通信協(xié)議和物理層，使得在安裝和維修過程中，轉換器305可連接到各個數據端子中的一個，諸如計算機或PDA。然后，分析可用軟件執(zhí)行，其將在標準的計算機、嵌入式平臺或專用設備上運行。
[0090]轉換器305的安裝過程可包括將每個轉換器305連接到太陽能電池板101。一個或多個傳感器703、704、707可用于確保太陽能電池板101和轉換器305可適當地耦合在一起。在安裝期間，參數諸如序列號、物理位置和陣列連接拓撲結構，可存儲在NVRAM 713中。這些參數可被分析軟件使用以檢測在太陽能電池板101和陣列中的未來問題。
[0091]當DC電源101為太陽能電池板時，光伏太陽能電池板陣列的安裝者所面臨的問題之一可能是安全。在可能有陽光的白天，太陽能電池板101可串聯(lián)連接。因此，在安裝的最后階段，當多個太陽能電池板101可串聯(lián)連接時，電池板的串兩端的電壓可達到危險水平。在室內安裝中，高達600V的電壓可能是常見的。由此，安裝者面臨觸電的危險?？蛇B接到電池板101的轉換器305可使用內置的功能以防止此類危險。例如，該轉換器305可包括將輸出電壓限制到安全水平直到可檢測到預定的最小負載的軟件安全模塊的電路或硬件。僅在檢測該預定負載之后，微控制器790加大來自轉換器305的輸出電壓。提供安全機制的另一種方法可以是使用在轉換器305和用于串或電池板陣列的相關聯(lián)的逆變器之間的通信。這種通信，其可以是例如電源線通信，在任何顯著或潛在的危險的功率電平可被提供之前，可提供信號交換。因此，在傳送功率到逆變器之前，轉換器305將等待來自相關陣列中的逆變器的模擬或數字釋放信號。用于DC電源101的監(jiān)測、控制和分析的上述方法可在太陽能電池板、或太陽能電池板的串或陣列、或其它電源(諸如蓄電池和燃料電池)上實施。
[0092]現(xiàn)在參考圖8A，其通過圖形示出圖2中來自太陽能電池板101的、作為常規(guī)系統(tǒng)10中的電流函數的功率輸出(且其是到逆變器模塊104的輸入)的行為。功率近似線性地增加，直到可發(fā)現(xiàn)最大功率點MPP的電流之處為止，其可以是所有連接的太陽能電池板101的MPP點的一些平均值。常規(guī)MPPT模塊107鎖定(例如，收斂)到最大功率點上。
[0093]現(xiàn)在還參考圖SB，其通過圖形示出功率輸入或功率輸出相對于來自串聯(lián)/并聯(lián)連接的模塊302或串303的輸出電流(圖3)?？扇菀椎乜闯觯稍谀K3302中控制電路311的優(yōu)點，作為電流輸出的函數的功率可以是近似恒定的。同樣地，作為電壓輸出的函數的功率可以是大致恒定的。理想的和有利的是具有系統(tǒng)，其中圖3的模塊302和/或串303與常規(guī)的配備有圖2的MPPT模塊107的逆變器104 —起運行。然而，如圖8B所示，MPPT107不具有鎖定在其上的最大功率峰值(相對于電流或電壓)，且MPPT電路107可變得不穩(wěn)定，在逆變器模塊104的輸入端帶有變化或振蕩的電流/電壓。為了避免這個潛在的不穩(wěn)定性，根據特點，在至少一個時間段內，輸出電壓或電流的最大功率可根據各種方面輸出或呈現(xiàn)給配備MPPT模塊107的常規(guī)逆變器模塊104。
[0094]現(xiàn)在參考圖8C，其示出包括分別連接到功率轉換器電路305a_305d的光伏電池板1la-1Old的光伏分布式功率采集系統(tǒng)80的簡化框圖。太陽能電池板101與其相關聯(lián)的功率轉換器電路305 —起形成光伏模塊302。每個轉換器305a-305d適應所連接的太陽能電池板1la-1Old的功率特性，且有效將來自轉換器輸入端的功率傳送到轉換器的輸出端。每個轉換器305a-305d包括控制電路311，其接收來自太陽能電池板101的輸入的反饋信號?？刂齐娐?11可以是最大功率點跟蹤(MPPT)控制回路。在轉換器305中的MPPT回路將來自每個太陽能電池板1la-1Old的輸入電壓和電流鎖定到其最佳功率點(即，收斂在最大功率點上)。
[0095]系統(tǒng)80包括串303的輸出和帶集成的MPPT模塊107的常規(guī)逆變器104的輸入之間的串聯(lián)和/或并聯(lián)連接。帶集成MPPT模塊107的逆變器104被設計成直接連接到如圖1的常規(guī)系統(tǒng)10中的常規(guī)太陽能電池板101的串聯(lián)/并聯(lián)連接的輸出。
[0096]返回參照圖7，在轉換器305中的微控制器790的MPPT算法719可在各種實施方案中將達預定的輸出電壓或電流或轉換率的少量最大輸入功率提供到MPPT 107。到MPPT107中的輸入功率可以輸出電壓或電流的預定值進行最大化。在一個實施方案中，如在圖8D中所示的，在預定的最大功率點處的最大值可以存在非常少量的總變化，其是在逆變器104的電流或電壓的整個輸入范圍上的僅百分之幾到百分之幾的總變化。在其它實施方案中，設置在電池板101或串303和逆變器104之間的電路81，可用于呈現(xiàn)到具鎖定(例如，收斂)到其上的最大功率點的MPPT模塊107。
[0097]現(xiàn)在參考圖8E，其示出根據實施方案用于在配置80(圖8)中的MPPT模塊107的輸入端產生最大功率點的電路81的實施方案。電路81可以是介入在并聯(lián)連接的串303和MPPT模塊107之間的功率衰減器。電路81可包括非線性電流換能器“f”，其配置為在特定的電壓或電壓范圍下從連接串303至MPPT模塊107的DC電源線汲取少量的電流。電流換能器“f”的輸出可饋送到運算放大器Al的正極輸入端。運算放大器Al的輸出饋送至晶體管Tl的基極，其發(fā)射極可被連接并反饋回到運算放大器Al的負極輸入端。晶體管Tl的集電極連接到正DC電源線。負DC電源線可經過分流電阻器Rs連接到晶體管Tl的發(fā)射極。
[0098]現(xiàn)在參考圖8F，其示出了用于操作模塊302和/或串303與配備有MPPT模塊107的逆變器104的簡化的方法。還再次參考圖6和圖7。在輸出端子610和612兩端感測(步驟801)功率轉換器305的輸出電壓。針對預定的輸出電壓點或電壓范圍或預定的輸出電流點或電流范圍，控制電路311可配置為將在輸入端子614/616接收輸入功率設置(步驟803)為最大功率。預定值可存儲在存儲器713和/或715中，或可通過通信接口 709進行接收。遠離預定輸出電壓或預定輸出電流，控制電路可配置為將在輸入端子接收的輸入功率設置(步驟803)為小于最大可用功率(即，響應于在輸出電流和預定電流增加之間的差值降低輸入功率，并響應于在輸出電流和預定電流減小之間的差值朝著最大可用功率增加輸入功率)。在某些變化中，可選擇預定輸出電流值，使得模塊302或串303的輸出功率如圖8D所示。相對于輸出功率的預定輸出電壓值可用類似的方式選擇。雖然圖8D示出了一種可能的實施方案，其它實施方案可呈現(xiàn)MPPT模塊107，其具有其它輸出功率相對于電流(或電壓)的曲線，該曲線具有MPPT107可跟蹤和鎖定(例如，收斂)的一個或多個局部最大值。以這種方式，最大功率點跟蹤電路107(如果存在)可穩(wěn)定地跟蹤(步驟805)電壓和/或電流點或范圍。當達到最大值(判定框807)，MPPT跟蹤電路107鎖定(步驟809)到功率點(例如，在圖8D中的“預定點”)。
[0099]現(xiàn)在參考圖9，其用簡化框圖示出光伏分布式功率采集系統(tǒng)90，該系統(tǒng)90包括分別連接到功率轉換器電路905a-905d的光伏電池板101a-101d。一個太陽能電池板101連同其相關聯(lián)的連接的功率轉換器電路905 —起形成光伏模塊902。每個轉換器905a-905d適應連接的太陽能電池板905a-905d的功率特性，并將功率從轉換器輸入端有效傳送到轉換器輸出端。每個轉換器905a-905d包括控制電路900，其從輸入傳感器904接收反饋信號。具體地，輸入電流傳感器和/或電壓傳感器904用于向控制電路900提供反饋?？刂齐娐?00還可接收來自輸出電流和/或輸出電壓傳感器906的信號。
[0100]帶集成MPPT模塊107的逆變器104被設計成直接連接到如圖1的常規(guī)系統(tǒng)10中的常規(guī)太陽能電池板101的串聯(lián)/并聯(lián)連接的輸出。
[0101]雖然光伏模塊902可設計成與逆變器304集成，但每個電池板模塊902也可與在轉換器905輸出端和模塊902(未示出)的串聯(lián)連接的輸出端之間的相應的常規(guī)逆變器(類似于轉換器104)集成，其可以是有利的。系統(tǒng)90包括輸入到具有集成的MPPT模塊107的常規(guī)的逆變器104的串903的輸出之間的串聯(lián)和/或并聯(lián)連接。
[0102]現(xiàn)在用于圖8G，其示出了另一種方法821，其用于操作模塊902和/或串903與配備有MPPT模塊107的逆變器104。在步驟823中，掃描是通過控制電路900實現(xiàn)的，該電路使在功率轉換器電路905的輸入電壓和輸出電壓(V輸出)之間的電壓轉換率發(fā)生變化。在變化過程中，針對變化過程中由控制電路900設定的不同的電壓轉換率，多個測量值可由轉換器905的輸入和/或輸出功率(例如，通過測量輸入和輸出電流和電壓)得到(步驟825)。然后，針對每個不同的電壓轉換率得到的功率測量值可用于確定(步驟827)連接的光伏源的最大功率點。根據所連接的光伏源的最大功率點的確定，最大點的電壓轉換率可用于設置(步驟829)轉換器905的持續(xù)運行的轉換率。在步驟823應用電壓轉換率的另一種變化之前，轉換器905的持續(xù)運行持續(xù)一段時間(步驟831)。
[0103]根據各個方面，現(xiàn)在參考圖9a和9b的流程圖。功率轉換器905可通過改變(步驟811)來自功率轉換器905的輸出電壓控制輸出電壓。到功率轉換器905的輸入電壓可被保持在最大功率點?？筛淖兓驍_動定義為輸入電壓與輸出電壓比率的轉換率，以慢慢地接近(步驟811)在輸出端子上的最大功率。如本文所用的術語“慢慢地”是相對于與負載104相關聯(lián)的MPPT電路107的響應時間。可選擇轉換率或輸出電壓。
[0104]通過調整功率轉換器的轉換率，可調整轉換器的效率，從而增加或減少所接收的輸入功率的輸出功率。因此，在一個實例中，當最大功率點保持在功率轉換器的輸入時，可調整輸出以增加輸出功率從而向MPTT 107提供最大功率點跟蹤(例如，圖8D中預定的點)。
[0105]由于來自功率轉換器905的輸出功率慢慢接近最大功率，MPPT電路107相應地響應達最大輸出功率的輸出電壓并鎖定到該輸出電壓?，F(xiàn)在參考圖9B，其間與負載104相關聯(lián)的MPPT電路107跟蹤來自光伏模塊902的輸出功率的緩慢變化。圖9c中，示出曲線圖，其表示來自光伏模塊902的輸出功率的緩慢變化，其通常在許多秒上變化(DT)。
[0106]根據各種實施方案，圖9a和9b的過程可結合其它先前描述的實施方案來執(zhí)行以移動呈現(xiàn)給MPPT電路107的輸入端的最大功率點。例如，在圖8D中示出的最大值點或(其它最大值點)可位移到不同的電流和/或電壓，使得在系統(tǒng)30/40/50/80/90的變化的功率生產和轉換條件下(例如光、溫度、故障等)維持最大功率。適應系統(tǒng)(例如，移動峰)的比率比MPPT107的跟蹤比率慢，使得MPPT保持將逆變器104的輸入端的電流/電壓/功率鎖定(例如，收斂)在其功率峰值(例如，圖8D中的“最大點”)內。
[0107]現(xiàn)在參考圖1OA和10B，其共同示出了另一過程，該過程允許系統(tǒng)30/90與配備有MPPT電路107的逆變器104集成。圖1OA中，MPPT電路107擾動(步驟191)串303兩端的電壓或電流?？刂齐娐?00感測(步驟195)MPPT電路107的電壓或電流擾動。經由傳感器906在步驟197，控制電路900慢慢地以轉換器905的特定電壓轉換率最大化輸出功率。可最大化來自光伏電池板101的輸入功率。在判定框817中，達到了最大輸出功率，且在步驟193，MPPT 107鎖定到最大輸出功率。
[0108]冠詞“一個(a) ”、“一個(an) ”，如下文所用的旨在表示并等價于“一個或多個”或“至少一個”，例如，“一個直流(DC)電源”是指“一個或多個直流(DC)電源”。
[0109]本公開的各方面依照其的示意性實施方案進行了描述。當如本文描述的體現(xiàn)本公開的各個方面的說明性的系統(tǒng)和方法被示出，本領域的技術人員應理解，本公開并不限于這些實施方案?？捎杀绢I域的技術人員具體根據前述教導做出修改。例如，上述說明性實例的每個特征，可單獨的或以其它實例的元素組合或子組合方式進行使用。例如，任何以上描述的系統(tǒng)和方法或其部件可與上文描述的其它方法和系統(tǒng)或其部件組合。例如，本領域的技術人員應理解，在示例性附圖中示出的步驟可用除了列舉的順序以外的順序來執(zhí)行，且根據本公開的各方面，示出的一個或多個步驟可以是可選的。還將理解和明白的是，不脫離本公開的真實精神和范圍可進行修改。因此，本描述要視為對本公開是說明性的而不是限制性的。
【權利要求】
1.一種裝置，包括: 功率轉換器，所述功率轉換器具有輸入端子和輸出端子，且操作以將在所述輸入端子處從直流電源接收的輸入功率轉換為在所述輸出端子處的輸出功率； 輸入傳感器，所述輸入傳感器耦合到所述輸入端子且配置為感測包括輸入電流、輸入電壓或所述輸入功率的輸入參數；以及 控制電路，所述控制電路耦合到所述輸入端子，且配置為基于所述輸入參數，最大化所述輸入功率為在所述輸入端子處的大約最大功率點，其中，對于至少一段時間間隔，所述控制電路被配置為將輸入功率或輸出功率設置為可測量地小于所述最大功率點，且在所述時間間隔之后，所述控制電路被配置為將輸入功率或輸出功率設置為約等于所述最大功率點，以使外部最大功率點跟蹤電路能夠跟蹤所述輸出功率。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中所述控制電路的控制頻率小于所述外部最大功率點跟蹤電路的控制頻率。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中所述控制電路可操作以改變在所述輸入端子和所述輸出端子之間的轉換率，以將所述輸出功率設置為可測量地小于所述最大功率點。
4.根據權利要求3所述的裝置，還包括輸出傳感器，所述輸出傳感器耦合到所述輸出端子，所述輸出傳感器配置為感測包括輸出電流、輸出電壓或所述輸出功率的輸出參數，且基于感測的所述輸入功率或輸出功率的變化，所述控制電路被配置為改變所述轉換率，使得所述輸入功率接近所述最大功率點。
5.根據權利要求1所述的裝置，其中所述控制電路被配置為跟蹤所述輸出功率。
6.根據權利要求1所述的裝置，還包括: 多個附加功率轉換器，所述附加功率轉換器具有各自的輸入端子和輸出端子，且可操作以轉換從各自的多個附加直流電源接收的輸入功率，其中所述功率轉換器和附加功率轉換器的輸出端子在它們各自的輸出端子處進行串聯(lián)連接以提供串聯(lián)串，以及 所述外部最大功率點跟蹤電路，其可操作地連接到所述串聯(lián)串，其中所述外部MPPT電路被配置為跟蹤所述串聯(lián)串的組合的輸出功率的變化。
7.根據權利要求6所述的裝置，還包括包含負載輸入端子和負載輸出端子的負載，所述負載輸入端子被配置為經由所述最大功率點跟蹤電路接收所述組合的輸出功率。
8.根據權利要求7所述的裝置，其中所述負載包括逆變器或DC至DC功率轉換器。
9.根據權利要求1所述的裝置，其中所述直流電源包括至少一個光伏太陽能電池板。
10.一種方法，包括: 將在輸入端子處從DC電源接收的輸入功率轉換為輸出端子處的輸出功率； 感測包括輸入電流、輸入電壓或輸入功率的輸入參數； 基于所感測到的輸入參數，最大化所述輸入功率為在所述輸入端子處的大約最大功率點；以及 對于一段時間間隔，將輸入功率或輸出功率設定為可測量地小于所述最大功率點，且在所述時間間隔之后，將所述輸入功率或所述輸出功率設置為大約等于所述最大功率點，以使外部最大功率點跟蹤電路MPPT能夠跟蹤所述輸出功率。
11.一種裝置，包括: 功率轉換器，所述功率轉換器具有輸入端子和輸出端子，所述功率轉換器可操作以將在所述輸入端子處從直流電源接收的輸入功率轉換為在所述輸出端子處的輸出功率，所述功率轉換器包括: 輸入傳感器，所述輸入傳感器耦合在所述輸入端子； 控制電路，所述控制電路連接到所述輸入傳感器，且具有被配置為最大化所述輸入功率的輸入控制回路；以及 功率衰減器，所述功率衰減器耦合到所述輸出端子，且具有經衰減的功率輸出端子，所述功率衰減器被配置為將所述輸出功率衰減為小于在所述經衰減的功率輸出端子上的輸出電壓范圍或輸出電流范圍之外的最大功率。
12.根據權利要求11所述的裝置，還包括最大功率點跟蹤電路，所述最大功率點跟蹤電路操作地連接到所述經衰減的功率輸出端子，且配置為鎖定到在所述輸出電壓范圍或在所述輸出電流范圍處的所述最大功率上。
13.根據權利要求12所述的裝置，還包括負載，所述負載被配置為經由所述功率衰減器和經由所述最大功率點跟蹤電路接收來自所述功率轉換器的功率。
14.根據權利要求13所述的裝置，其中所述負載是逆變器或直流DC至DC功率轉換器。
15.—種方法,包括: 控制功率轉換器電路以將從DC電源接收的輸入功率轉換為輸出功率； 改變在所述功率轉換器電路的輸入電壓和輸出電壓之間的電壓轉換率； 在所述改變期間，測量所述輸入功率或所述輸出功率，以提供多個功率測量值； 基于所述功率測量值，確定最大功率點；以及 基于所述功率測量值，設置所述電壓轉換率以產生所述功率輸出的最大值。
16.根據權利要求15所述的方法，還包括在執(zhí)行所述改變之前，應用時間延遲。
17.一種裝置，包括: 功率轉換器電路，所述功率轉換器電路包括輸入端子和輸出端子，且操作以將在所述輸入端子處從DC電源接收的輸入功率轉換為在所述輸出端子處的輸出功率；以及 控制電路，所述控制電路被配置為改變在所述功率轉換器電路的所述輸入端子處的輸入電壓和所述輸出端子處的輸出電壓之間的電壓轉換率，測量輸入功率或輸出功率以提供多個功率測量值，從而基于所述功率測量值確定最大功率點，且基于所述功率測量值設置所述電壓轉換率以在所述輸出端子處產生大約最大功率。
18.一種裝置，包括: 控制電路，所述控制電路被配置為: 接收由直流DC至DC功率轉換器的轉換器輸出端子上的負載控制的電流或電壓的測量值，其中所述DC至DC功率轉換器可操作以將在轉換器輸入端子上從電源接收的輸入功率轉換為從所述轉換器輸出端子向所述負載提供的輸出功率， 確定在所述電流的測量值和預定電流之間的差值或在所述電壓的測量值和預定電壓之間的差值，及 響應于所述差值的下降，朝向最大功率點增加所述輸出功率 '及 響應于所述差值的增加，遠離所述最大功率點減小所述輸出功率。
19.根據權利要求18所述的裝置，其中所述控制電路被配置為，通過控制耦合在所述轉換器輸出端子和所述負載之間的功率衰減器，增加和減小所述DC至DC轉換器的所述輸出功率。
20.根據權利要求18所述的裝置，其中所述控制電路被配置為，通過分別朝向和遠離所述最大功率點調整所述輸入功率來增加和減少所述輸出功率。
21.根據權利要求18所述的裝置，其中所述控制電路被配置為，通過改變所述DC至DC轉換器的轉換率來調節(jié)轉換效率，以增加和減少所述輸出功率。
22.根據權利要求21所述的裝置，其中所述控制電路可操作以在調整所述轉換率的同時，執(zhí)行對所述輸入端子處的所述輸入功率的最大功率點跟蹤。
23.根據權利要求18所述的裝置，還包括所述DC至DC轉換器。
【文檔編號】H02M3/00GK104488159SQ201380039237
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2013年5月23日 優(yōu)先權日:2012年5月25日
【發(fā)明者】M·阿德斯特, 伊蘭·約瑟考維奇, Y·戈林, 埃拉德·思迪 申請人:太陽能安吉科技有限公司