專利名稱：Distributed power harvesting systems using DC power sources的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域通常與分布式直流電源發(fā)電有關(guān)，更為特別的是與串聯(lián)安裝的分布 式直流電源的管理有關(guān)。
背景技術(shù)：
近來，人們對可再生能源的興趣日益增加導(dǎo)致了分布式能源生成系統(tǒng)的研究也增 多，比如光電池(PV)、燃料電池、化學(xué)電池(例如，用于混合動力汽車的電池)等等?，F(xiàn)已提 出各種拓?fù)鋵W(xué)理論將這些電源連接到負(fù)載上，并考慮各種參數(shù)，比如電壓/電流條件、操作 條件、可靠性、安全性、成本等等。例如，大多數(shù)這種電源輸出的電壓較低(一般一塊電池只 有幾伏或串聯(lián)的電池只有幾十伏)，如此許多這樣的電池需要串聯(lián)以實現(xiàn)所需要的操作電 壓。而反之，串聯(lián)不能提供所要求的電流，所以幾組串聯(lián)的電池需要并聯(lián)提供所需的電流。另外，眾所周知的是靠這些電源發(fā)電取決于生產(chǎn)、操作和環(huán)境等方面的條件。例 如，在生產(chǎn)過程中的各種沖突可能導(dǎo)致兩個相同的電源具有不同的電能輸出特點(diǎn)。類似地， 兩個相同的電源可能對操作和/環(huán)境條件產(chǎn)生不同的反應(yīng)，比如負(fù)載、溫度等。實際裝配 中，不同電源也可能遇到不同的環(huán)境條件，比如太陽能裝置的一些帆板可能暴露于整個陽 光之中，而其他可能被遮擋，因此輸出的電量不同。多電池裝置中，其中的一些電池可能不 同程度老化，因此也會導(dǎo)致輸出的電量不同。當(dāng)這些問題和本發(fā)明所提供的解決方案適用 于分布式電源系統(tǒng)時，以下討論則轉(zhuǎn)向太陽能，以便通過具體例子更好地被理解。傳統(tǒng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)10的裝置如圖1中所示。由于每個太陽能帆板101提供的 電壓較低，幾塊帆板串聯(lián)形成一串帆板103。對于大型裝置，要求更高電流時，幾串103可以 并聯(lián)組成一個完整的系統(tǒng)10。太陽能帆板安裝在戶外，它們導(dǎo)線連接成一個最大功率點(diǎn)跟 蹤(MPPT)模塊107和一個逆變器104。MPPT107 一般作為逆變器104的組成部分。從直流 電源收集的電能輸送到逆變器104，由其將波動的直流(DC)電轉(zhuǎn)換成一定電壓和頻率的交
6流(AC)電，通常是IlOV或220V，60Hz或220V，50Hz (有趣的是，在美國許多逆變器首先產(chǎn) 生220V電壓，然后在配電箱中再分成兩個IlOV輸出端口)。逆變器104輸出的交流電然后 可能用于使電器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)或輸入供電網(wǎng)絡(luò)。此外，該裝置還可以不與電網(wǎng)連接，從逆變器輸 出的電能可以直接輸入到轉(zhuǎn)換和充電/放電電路，以儲存過剩電能，如給電池充電。若與電 池相連，逆變階段可以忽略，MPPT階段107輸出的直流電可以直接供給充電/放電電路。如上所述，每個太陽能帆板101提供的電壓和電流都非常低。擺在太陽能電池設(shè) 計人員面前的問題是如何將這些低電壓的太陽能聯(lián)合產(chǎn)生120V或220V平方根(RMS)條 件下的標(biāo)準(zhǔn)交流電。要實現(xiàn)低電壓電源提供高功率則要求非常大的電流，而按電流的平方 (I2)計算功率則會有很大的傳導(dǎo)損失。而且，電源逆變器，比如用來將直流電轉(zhuǎn)換成交流電 的逆變器104，在輸入電壓稍高于其輸出RMS電壓乘以其平方根的值時，效率的是最高的。 因此，許多實際應(yīng)用中，比如太陽能帆板101這樣的電源，通常連在一起以便實現(xiàn)正確的電 壓或電流。最常用的方法是將這些電源串聯(lián)，以便實現(xiàn)所需的電壓，然后并聯(lián)以便實現(xiàn)所需 的電流，具體如圖1所示。大量太陽能帆板101連在一起構(gòu)成串聯(lián)帆板103，然后這些串聯(lián) 的103在與功率逆變器104并聯(lián)。太陽能帆板101串聯(lián)以便實現(xiàn)逆變器所需的最低電壓。 多串103再并聯(lián)提供更大的電流，這樣就有更高的輸出功率。然而就成本和結(jié)構(gòu)簡單這兩方面而言，這種配置是具有優(yōu)勢的，但對此結(jié)構(gòu)有文 獻(xiàn)報道存在一些缺陷。其中一種已知的缺陷是從各太陽能帆板中獲取的非優(yōu)化電能可能導(dǎo) 致后面所說的低效率。如前所述，直流電源輸出受許多條件影響。因此，為了最大化各電源 的輸出功率，需要一種裝置同時考慮電壓和電流，能在目前普遍存在的條件下輸出的功率 最大。由于條件發(fā)生變化，電壓和電流輸出也應(yīng)需要同時變化。圖2顯示了一串聯(lián)的直流電源，例如太陽能帆板201a-201d，它們連接到MPPT電 路207和逆變器204。繪制的電流對電壓(IV)特征圖(201a-210d)位于各直流電源201左 邊。各直流電源201，電流隨輸出電壓增加而降低。有些電壓值條件下，電流變成零。有些 應(yīng)用中可能假設(shè)其為負(fù)值，意思是電源這時變成了一受電器。旁路二極管用來阻止電源變 成一受電器。旁路二極管用來防止電源變成受電器。各電源201輸出功率等于電流與電壓 的乘積(P = I*V)，隨從電源獲取的電壓變化而變化。在一定電流和電壓條件下，電流值接 近零點(diǎn)，則輸出的功率最大。理想的情況是發(fā)電電池在其最大功率下工作。MPPT的用途就 是找到最大功率點(diǎn)，然后使系統(tǒng)在該點(diǎn)條件下工作使從電源獲取的功率最大。傳統(tǒng)典型的太陽能電池陣列中，不同的運(yùn)算方法和技術(shù)用來優(yōu)化采用MPPT模塊 107系統(tǒng)10的集成功率輸出。MPPT模塊107接收各個太陽能電池帆板中的電流，匯集在一 起并跟蹤此電流條件下的最大功率點(diǎn)，以提供最大平均功率。這樣如果獲得更多電流，則從 這些帆板獲得的平均電壓開始下降，因此減少了收集的電能。MPPT模塊107用來維持整個 系統(tǒng)10輸出最大平均功率的電流。最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)由T. Esram與P. L. Chapman在IEEE能量轉(zhuǎn)換匯刊上發(fā)表的 《幾種光電陣列最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)的比較》(接受待發(fā)行公布，2006年P(guān)P卷99期，第1-1 頁數(shù)碼標(biāo)識10. 1109/TEC. 2006. 874230) 一文中探討過，其整個內(nèi)容通過參考納入本申請 之中。但是，由于電源201a-201d是串聯(lián)到單個MPPT207，MPPT必須選擇單個點(diǎn)，這個點(diǎn) 可能會是串聯(lián)電源的MPP平均值。實際上，非常有可能的是MPPT在I-V點(diǎn)的工作狀態(tài)只在少數(shù)幾個電源或一個也沒有的情況下是最佳的。圖2所示的例子中，所選點(diǎn)是電源201b的 最大功率點(diǎn)，但它偏離了電源201a、201c和201d的最大功率點(diǎn)。結(jié)果，這種布局不能在可 實現(xiàn)的最大效率下工作?；氐綀D1所示太陽能系統(tǒng)10的例子中，保持串聯(lián)帆板103預(yù)先確定的恒定輸出電 壓會導(dǎo)致太陽能的輸出功率比其他可能的情況都低。而且，每排串聯(lián)帆板所帶的電流將沿 著該串帆板經(jīng)過所有的太陽能帆板。若太陽能帆板因為制造差異、老化而錯配或者若它們 功能失常或放置在不同遮蔽條件下，則各個帆板輸出的電流、電壓和功率將會不同。由于使 單一電流經(jīng)過所有串接的帆板會導(dǎo)致各帆板在非最佳功率點(diǎn)下運(yùn)行，并且也會可導(dǎo)致錯配 帆板因強(qiáng)電流流經(jīng)而產(chǎn)生“熱點(diǎn)”。由于傳統(tǒng)收集方法存在這樣和那樣的缺陷，太陽能帆板 因此需要正確匹配。有些情況，設(shè)置外部二極管來旁通嚴(yán)重錯配的太陽能帆板。傳統(tǒng)多串 聯(lián)配置中，所有串接的帆板組必須由絕對相同數(shù)量的帆板構(gòu)成，而且帆板要選擇同一型號， 必須按照在同一空間方向，使其總是暴露于相同的日照條件下。這種做法很難實現(xiàn)而且成 本較大。曾有人提出各種不同拓?fù)鋵W(xué)方法來克服上述串聯(lián)太陽能裝置的不足。例如，有些 人提出將逆變器偶聯(lián)到各個直流電源上，然后將這些逆變器并聯(lián)。其他一些人則提出將DC/ DC變換器連接到直流電源上，然后將所有的變換器串聯(lián)或并聯(lián)到中央逆變器上。提出與直 流電源連用的這些DC/DC變換器有升壓變換器、降壓變換器、升降壓變換器或Cuk變換器。 也有人提出將MPPT集成到各個直流電源上，例如，集成到各個太陽能帆板并與帆板串聯(lián)。為了進(jìn)一步討論上述與分布式電源和太陽能帆板相關(guān)的問題，強(qiáng)烈鼓勵讀者查看 以下文獻(xiàn)，它們可能抑或可能不是優(yōu)選工藝。-光電模塊的級聯(lián)DC-DC變換器變換器連接，G.R. Walker和P. C. Sernia,電力電 子專家大會，2002 (PESC02)，IEEE第1卷，澳大利亞凱恩斯，第24-29頁。-采用低壓AC-總線分散太陽能逆變器的拓?fù)鋵W(xué)方法，BjornLindgren。-集成光電最大功率點(diǎn)跟蹤變換器，JohanH. R. Enslin等，IEEE工業(yè)電子匯刊，第 44卷第6期，1997年12月。-一種新的光電帆板分布式變換器界面，R. Alonso等，第20屆歐洲光電太陽能大 會，2005年6月6-10日，西班牙巴塞羅納。-用于電網(wǎng)連接光電系統(tǒng)的智能光電模塊，EduardoRoman等，IEEE工業(yè)電子匯 刊，第53卷第4期，2006年8月。同時在西班牙專利申請ES2249147中。-模塊燃料電池——高性能和可靠性增強(qiáng)的模塊DC-DC變換器概念，L.Palma 和P. Enjeti，電力電子專家大會，2007，PESC2007, IEEE卷、期刊、17-21 2007年6月刊第 2633-2638 頁。數(shù)字標(biāo)識 10. 1109/PESC. 2007. 4342432。-電網(wǎng)連接光電系統(tǒng)智能光電模塊的實驗結(jié)果，R.Alonso等，21屆歐洲光電太陽 能大會，德國德累斯頓舉辦的國際大會紀(jì)錄，2006年9月4-8日。-光電模塊級聯(lián)DC-DC變換器連接，G.R. Walker和P. C. Sernia, IEEE電力電子匯 刊，第19卷第4期2004年7月。-遮蔽耐受光電系統(tǒng)的成本效率，Quaschning,V. ；Piske, R. ；Hanitsch, R.， Euronsun96, Friburg,1996 年 9 月 16-19 日。-新的分布式MPPT變換器的評價測試結(jié)果，R.Orduz和M. A. Egido, 22屆歐洲光電
8太陽能大會，2007年9月3-7日，意大利米蘭。-光電應(yīng)用的能源集成管理系統(tǒng)，S.Uriarte等，20屆歐洲光電太陽能大會，2005 年6月6-10日，西班牙巴塞羅那。-美國公開專利2006/0185727。如上所述的一些工藝，將逆變器集成到各個電池單元上存在許多缺點(diǎn)，包括成本 高、安全性(特別是太陽能裝置)和可靠性低等。因此，還是優(yōu)先考慮串聯(lián)，特別是對于太 陽能帆板裝置。將DC-DC變換器和MPPT含在單個電池單元中，然后串聯(lián)輸出到逆變器的提 議是非常具有吸引力的。但是，將MPPT集成到各帆板中在串聯(lián)應(yīng)用中還存在問題，因為每 個MPPT都試圖在不同電流下啟動其電源，同時串聯(lián)中同一電流必須流經(jīng)所有的帆板。而 且，尚不清楚那種類型的DC-DC變換器能提供最佳的結(jié)果及如何將MPPT納入到這種布置之 中。因此，還需要有效的拓?fù)鋵W(xué)方案將多個直流電源連接到負(fù)載上，例如，電網(wǎng)、蓄電池等。如前面已經(jīng)提到的，各種環(huán)境和操作條件會影響直流電源的輸出功率。諸如太陽 能帆板、太陽能輻射、周圍溫度和來自鄰近物體如樹木或遠(yuǎn)處物體如云等的遮蔽，都會影響 各太陽能帆板的電量輸出。輸出的電量取決于所使用的帆板數(shù)量和類型，各個太陽能帆板 的電量輸出可能在電壓和電流方面有較大的差異。業(yè)主、甚至專業(yè)的安裝人員都很難確證 太陽能系統(tǒng)的正確運(yùn)轉(zhuǎn)。許多其他因素，比如老化、灰塵和污垢沉積及模塊功能退化等等都 會隨時間影響太陽能帆板的性能。光電帆板對外界條件的靈敏度是相當(dāng)出色的，特別是在使用集中光電系統(tǒng)(CPV) 時。使用這類裝置時，太陽輻射通過棱鏡或反光鏡集中到小的電池單元。這些電池單元比 一般的光電電池單元要有效的多，它們采用一種成為雙聯(lián)或三聯(lián)的技術(shù)，其中大量p-n連 接在彼此頂端構(gòu)成，連接點(diǎn)將一定波長的光線轉(zhuǎn)化成電能，其他波長的光線允許通過到下 一個連接點(diǎn)被轉(zhuǎn)化。因此，這些電池單元顯得更為有效(最高效率達(dá)40%)。由于這些電 池單元比較昂貴，它們通常是用于需要更小電池單元的CPV應(yīng)用中。盡管如此，但CPV裝置 的輸出功率現(xiàn)在取決于幾方面的因素太陽光不同波段光線強(qiáng)度的波動(不僅僅是總的強(qiáng) 度)、所使用的棱鏡或反光鏡出現(xiàn)缺損或變形等情況。因此，多塊帆板設(shè)置的單個MPPT會導(dǎo) 致電力大量損耗，而采用如本發(fā)明中所述帆板(或電池)水平上的MPPT則會具有很大的優(yōu) 勢。傳統(tǒng)光電裝置面臨問題更多的另一領(lǐng)域是開發(fā)建筑一體化光電系統(tǒng)(BIPV)市 場。BIPV裝置中，帆板在建筑物施工過程中安裝在內(nèi)——或作為屋頂帆板或作為墻壁和窗 戶等結(jié)構(gòu)性或附加性組成部分。因此，BIPV裝置會因為帆板附近其他結(jié)構(gòu)元件的存在，很 大程度上局部會被部分遮蔽。而且，帆板自然是固定在建筑物的不同面，因此每塊帆板得到 的光照條件會有很大不同。由于傳統(tǒng)解決方案是將帆板串接在一起，然后連到節(jié)點(diǎn)MPPT，這 樣會造成許多電量損失?？梢允占嚯娏康姆桨革@然是在這類裝置方面要有很大改善。然而，傳統(tǒng)裝置還有另外一個問題是日照光線不足時能量利用率很低。大多數(shù)逆 變器要求某個最低電壓(一般在150V到350V)以便啟動運(yùn)轉(zhuǎn)。若光線不足，帆板形成的累 積電壓不能達(dá)到最小值，電量因此就損耗了。能在光線不足時提升電壓的解決方案因此就 能使產(chǎn)生的能量得到收集。按照傳統(tǒng)配置10安裝太陽能帆板的過程中，安裝人員能通過測試設(shè)備檢測每塊 帆板、每排帆板和整個帆板陣列的電流電壓來確定安裝的正確性和太陽能帆板陣列的性能。但實際上，個別帆板和串接成排的帆板一般根本無法測試或只能在連接前進(jìn)行測試。這 是因為目前的測量方法要么是通過串聯(lián)到太陽能帆板陣列上測試要么是通過陣列上的電 阻器來測試，但這顯然是不方便的。相反，僅對高一級的整個裝置進(jìn)行了合格/失敗測試。裝置初次測試后，太陽能帆板陣列連接到逆變器104上，可選擇包含一監(jiān)測模塊 用來監(jiān)測整個帆板陣列的性能。從逆變器104監(jiān)測中收集的性能信息包含陣列總的輸出功 率和發(fā)電效率，但該信息缺少有關(guān)單個太陽能帆板運(yùn)行的細(xì)節(jié)信息。因此，逆變器104監(jiān)測 功能所提供的性能信息通常對了解電能損耗是因為環(huán)境條件、太陽能陣列功能失?；蜉^差 的安裝或維護(hù)等方面是不夠的。而且，綜合信息不能指出太陽能帆板101中的那塊是所檢 測電能損失的原因。鑒于以上所述，將多個直流電源連接到負(fù)載上的一種新提議拓?fù)鋵W(xué)方案應(yīng)能讓其 自身在安裝期間和安裝后容易進(jìn)行測試和運(yùn)行狀況驗證。

發(fā)明內(nèi)容
以下是本發(fā)明的概述，為了讓大家對本發(fā)明的一些方面和特點(diǎn)有一個基本的認(rèn) 識。該概述并非本發(fā)明的總攬，同樣它也不是想要特殊指明本發(fā)明重要或關(guān)鍵性組成，或描 述本發(fā)明的范圍。它唯一的目的是將本發(fā)明的一些概念以簡單明了的方式向大家講述，以 此作為后面更詳細(xì)描述的前奏。本發(fā)明的內(nèi)容提供了一種將分布式直流電源串聯(lián)到中央供電裝置的拓?fù)浞椒?，?央供電裝置比如有單個逆變器或單個變換器。本發(fā)明的內(nèi)容講述了一種系統(tǒng)和方法，能監(jiān) 測分布式電量收集裝置中單個直流電源并且調(diào)整各直流電源的電流和電壓使得各直流電 源的輸電功率最大。依照本發(fā)明的各項內(nèi)容，分布式電量收集系統(tǒng)由如下部分組成數(shù)個直流電源； 數(shù)個變換器，每個變換器又由幾部分組成連接到各個直流電源的輸入端、串聯(lián)連接到變換 器的輸出端，從而形成一排串聯(lián)；按照預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)在變換器輸入端設(shè)置電壓和電流的電路； 以及將輸入端接收的電量轉(zhuǎn)換輸出端輸出電量的電量轉(zhuǎn)換部分；偶聯(lián)到成排串聯(lián)帆板的供 電裝置，供電裝置由維持向其輸入預(yù)定值電量的控制部件組成?？刂撇考梢跃S持輸?shù)焦?電裝置的預(yù)定值電壓?？刂撇考梢跃S持輸?shù)焦╇娧b置的預(yù)定值電流。供電裝置由直流電 /交流電(DC/AC)逆變器組成。供電裝置可包含一電池充電器。電路可包含在逆變器輸入 端設(shè)定電壓和電流的MPPT部件，以便使各個直流電源的功率達(dá)到最大。電能轉(zhuǎn)換部分包 括降壓變換器、升壓變換器、根據(jù)MPPT部件和輸出端電壓和電流有選擇性地激活降壓變 換器或升壓變換器的控制器。降壓變換器和升壓變換器可共享一個感應(yīng)器，控制器包含一 脈寬調(diào)節(jié)部分。控制部分可包含與供電裝置并聯(lián)的旁路調(diào)節(jié)器，用來調(diào)節(jié)輸入電壓使預(yù)先 確定的輸入電壓保持不變。該系統(tǒng)還可進(jìn)一步包含一個或多個其他偶聯(lián)道供電裝置上的帆 板串。該系統(tǒng)還可以包括數(shù)個電流傳感器、數(shù)個電壓傳感器；其中各電流傳感器和各電壓 傳感器在各自變換器和直流電源之間進(jìn)行偶聯(lián)，將電流信息和電壓信息輸入到MPPT部件。 數(shù)個直流電源中的每個都可以包含一太陽能帆板或一建筑一體化太陽能帆板。至少這些直 流電源中一個可以含有一燃料電池。至少這些直流電源中的一個可以含有一電池。每個變 換器都還可以含有一安全模塊，用來限制輸出電量在預(yù)先設(shè)定的安全值，直到預(yù)先確定的 事件發(fā)生改變?yōu)橹?。預(yù)先確定的事件可包含一個超過預(yù)定限的負(fù)載，可用來檢測變換器狀態(tài)或放電信號。每個變換器還可包含數(shù)個開關(guān)裝置，各開關(guān)裝置構(gòu)成至少一個直流電源的 電流旁路。太陽能帆板可以包含數(shù)個電池單元串，每個電池串包含串聯(lián)的太陽能電池和偶 聯(lián)到串聯(lián)太陽能電池旁路的開關(guān)裝置。這些開關(guān)裝置可包含一晶體管。每個變換器還可包 含一監(jiān)測模塊，用來監(jiān)測和傳輸狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)，狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)至少包括以下一項信息輸入 變換器的電流、輸入變換器的電壓、電源的溫度、輸入變換器的電量和現(xiàn)有的照明度。根據(jù)本發(fā)明的各項內(nèi)容，提供一種方法用來從含有數(shù)個直流電源和數(shù)個直流電變 換器的分布式電力系統(tǒng)收集電能的方法，該方法由如下幾方面構(gòu)成將各電源偶聯(lián)到各自 的直流電變換器上；將電源變換器串聯(lián)，最少1個串聯(lián)組；將串聯(lián)組偶聯(lián)到輸電裝置上；將 輸入輸電裝置的電流和電壓設(shè)定在預(yù)先確定的值，從而使流經(jīng)串聯(lián)組的電流隨電源的功率 變化而變化；分別控制各電源的輸出電量，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)分別改變輸入到各自變 換器的電壓和電流。固定一項輸入電壓或輸入電流可包含設(shè)定至預(yù)先確定的恒定值。將串 聯(lián)組偶聯(lián)到輸電裝置上可以將串聯(lián)組連接到DC/AC逆變器上，固定輸入到逆變器的輸入電 壓。電量輸出監(jiān)測可包括跟蹤電源的最大功率值。分別改變輸入電壓和電流包括設(shè)定輸入 電壓和電流以便從各電源獲取最大的電量。該方法還可包含將各變換器的輸入電壓和電 流單獨(dú)轉(zhuǎn)換成以電流量和浮動電壓計的輸出電量，電流量可以通過流經(jīng)串聯(lián)組的電流來指 示。該方法還可包括分別監(jiān)測各變換器的載荷，限制各變換器的輸出電量使其保持在預(yù)先 設(shè)定的安全值，直到負(fù)載達(dá)到預(yù)先設(shè)定值為止。該方法還可包括監(jiān)測至少一個電源和直流 電變換器的輸出電量，并在輸出電量顯示預(yù)定特征時將電流切至旁路。該方法還可包括分 別操作各電源變換器以監(jiān)測和報告功率相關(guān)數(shù)據(jù)。功率相關(guān)數(shù)據(jù)至少包括一項以下信息 輸?shù)阶儞Q器的電流、輸?shù)阶儞Q器的電壓、電源溫度、輸?shù)阶儞Q器的電量和現(xiàn)有的照明度。按照本發(fā)明的各項內(nèi)容，描述了一種太陽能發(fā)電裝置，由如下部件構(gòu)成DC/AC逆 變器，含維持預(yù)定值的輸入電壓或電流裝置；數(shù)個串聯(lián)帆板組，它們與DC/AC逆變器并聯(lián)， 每個串聯(lián)組包含數(shù)個太陽能帆板、數(shù)個變換器。每個變換器包含偶聯(lián)到各自太陽能帆板 的輸入端、串聯(lián)連接到其他變換器的輸出端，從而構(gòu)成一串聯(lián)組；MPPT部件，用來按照各自 太陽能帆板的最大功率點(diǎn)設(shè)定變換器輸入端的電壓和電流；電量轉(zhuǎn)換部分，用來將輸入端 接收的電量轉(zhuǎn)換成輸出端的輸出電量。預(yù)定值可包括恒定值。電量轉(zhuǎn)化部分可將輸入端 的電量轉(zhuǎn)化成輸出電量，使電流相當(dāng)于數(shù)個串聯(lián)太陽能帆板提供的總電量，這些串聯(lián)的太 陽能帆板按逆變器輸入端預(yù)定電壓進(jìn)行分割。電量轉(zhuǎn)化部分可包含電量轉(zhuǎn)化控制器，用來 控制電量轉(zhuǎn)換部分的脈寬調(diào)節(jié)，以便使輸出電量的電流相當(dāng)于數(shù)個串聯(lián)太陽能帆板提供的 總電量，這些串聯(lián)的太陽能帆板按逆變器輸入端預(yù)定電壓進(jìn)行分割。每個電源轉(zhuǎn)換部分都 可包含降壓變換器、升壓變換器、脈寬調(diào)節(jié)裝置；以及數(shù)字控制器，用來控制脈寬調(diào)節(jié)器， 使其有選擇地啟動降壓變換器或升壓變換器。每個串聯(lián)組還可包括數(shù)個電流傳感器，用 來對單塊太陽能帆板每次輸出電流進(jìn)行測定，并將測得的電流信號發(fā)送給各自的數(shù)字控制 器；數(shù)個電壓傳感器，用來對單塊太陽能帆板每次輸出的電壓進(jìn)行測定，并將測得的電壓信 號發(fā)給給各自的數(shù)字控制器。這里每個數(shù)字控制都可以調(diào)節(jié)電壓和電流以便獲得最大的電 力供應(yīng)。太陽能發(fā)電裝置還可包括一安全模塊，用來使輸出電壓限定在預(yù)定安全值，使負(fù)載 不超過適用于變換器的預(yù)定限值。第30條權(quán)項權(quán)項的太陽能發(fā)電裝置，其中的太陽能帆板 包含數(shù)個電池單元組，每個電池單元組包含并聯(lián)的電池單元，開關(guān)裝置偶聯(lián)形成串聯(lián)太陽 能電池單元的旁路。開關(guān)裝置可包含晶體管。每個變換器還可包括一監(jiān)測模塊，用來監(jiān)測
11和傳輸電量相關(guān)數(shù)據(jù)。電量相關(guān)數(shù)據(jù)至少包括以下一項輸入到變換器的電流、輸入到變換 器的電壓、電源溫度、電源的空間定向、現(xiàn)有的照明度。依照本發(fā)明的各項內(nèi)容，提供了一種方法用來改善包含偶聯(lián)到一中央負(fù)載的數(shù)個 直流電源的分布式電能系統(tǒng)組件的可靠性，該方法內(nèi)容包括將直流電源偶聯(lián)到中央負(fù)載 上；將輸入到中央負(fù)載上的電壓維持在預(yù)定值，該預(yù)定電壓是組件負(fù)載時的安全操作電壓； 根據(jù)直流電源獲取的電量改變輸入到中央負(fù)載上的電流。中央負(fù)載可包括DC/AC逆變器及 維持輸入逆變器電壓的輸電維持一步。將直流電源偶聯(lián)可以包括將各太陽能帆板偶聯(lián)至各 自變換器，并將所有變換器偶聯(lián)到逆變器上。該方法還可包括操作各變換器只要各太陽能 帆板開始輸出電能就可升高從各太陽能帆板獲得的電壓。


本文附帶的圖紙作為本規(guī)定的組成部分，用來舉例說明本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)，結(jié)合 描述用來解釋和說明本發(fā)明的原理。這些圖紙的目的是以圖解方式說明示例細(xì)節(jié)的主要特 點(diǎn)。這些圖紙既不是為了描述實際細(xì)節(jié)問題的每個方面也不是為了描述所繪組件的相對尺 寸，因為它們并非按比例繪制。圖1描述了采用直流電源的傳統(tǒng)集中電能收集系統(tǒng)。圖2描述了單個串聯(lián)的直流電源組的電流對電壓特征曲線。圖3描述了按照本發(fā)明所述采用直流電源的一種分布式電能收集系統(tǒng)。圖4A和4B描述了圖3所示系統(tǒng)按照本發(fā)明所述各項內(nèi)容在不同條件下的運(yùn)行狀 況。圖4C描述了本發(fā)明的實體，其中逆變器控制輸出電流。圖5按照本發(fā)明所述其他項內(nèi)容舉例說明了采用直流電源的一種分布式電能收 集系統(tǒng)。圖6按照本發(fā)明所述各項內(nèi)容舉例說明了一種DC對DC的變換器。圖7按照本發(fā)明所述各項內(nèi)容，包括本發(fā)明的控制特點(diǎn)舉例說明一電能變換器。圖8按照以前的工藝舉例說明了太陽能帆板的布局。圖9按照本發(fā)明所述細(xì)節(jié)舉例說明了一種減少太陽能串聯(lián)帆板電能損失的布局。圖10按照本發(fā)明所述細(xì)節(jié)舉例說明了另一種減少太陽能串聯(lián)帆板電能損失的布局。圖11按照本發(fā)明所述細(xì)節(jié)舉例說明了一種設(shè)置太陽能串聯(lián)帆板旁路的布局。
具體實施例方式本發(fā)明提供的拓?fù)浣鉀Q了與現(xiàn)有拓?fù)湎嚓P(guān)的許多問題，并且與現(xiàn)有拓?fù)湎啾扔性S 多優(yōu)點(diǎn)。例如，發(fā)明的拓?fù)淇晒┐?lián)不匹配的電源，如不匹配的太陽能電池板、不同型號和 額定功率的電池板甚至不同制造商和半導(dǎo)體材料制成的電池板。此拓?fù)湓试S串聯(lián)在不同條 件下工作的電源，例如，不同光線或溫度條件下的太陽能電池板。此拓?fù)溥€可供在屋頂或建 筑的不同方向或不同部分上安裝串聯(lián)電池板。這一以及其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)顯而易見，由下列 詳細(xì)說明可以看出。本發(fā)明的態(tài)樣提供了用于將多種直流電源的功率組合為單一電源的系統(tǒng)和方法。
12在本發(fā)明的態(tài)樣中，各直流電源與DC-DC功率變換器相關(guān)。串聯(lián)藉由將直流電源接到相關(guān) 變換器而組成的模塊，可提供模塊串。然后將模塊串接到使輸入電壓固定不變的逆轉(zhuǎn)器。 各變換器中的最大功率點(diǎn)控制回路采集各直流電源的最大功率，并傳送此功率，作為功率 變換器的輸出。就各變換器而言，實質(zhì)上將所有輸入功率轉(zhuǎn)換為輸出功率，在有些情況下， 轉(zhuǎn)換效率可能為90%或更高。另外，藉由將變換器的輸入電流或輸入電壓固定為最大功率 點(diǎn)，并允許變換器輸出電壓變化，來進(jìn)行控制。對于每個電源，由一個或多個傳感器監(jiān)控相 關(guān)變換器的輸入功率級。在本發(fā)明的一些態(tài)樣中，微型控制器使用脈寬調(diào)制調(diào)節(jié)將功率從 輸入端傳送到輸出端所用工作循環(huán)，即可在各變換器中進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤和控制。本發(fā)明的一個態(tài)樣提供了更大程度的容錯、維護(hù)和耐用性，藉由監(jiān)控、記錄和/或 傳達(dá)各太陽能電池板的性能來實現(xiàn)。在本發(fā)明的一個態(tài)樣中，用于跟蹤最大功率點(diǎn)的微型 控制器也可用于執(zhí)行監(jiān)控、記錄和通信功能。這些功能可供在安裝過程中快速輕松排除故 障，因此大幅度縮短了安裝時間。在維護(hù)過程中，這些功能還有益于快速檢測問題。本發(fā)明 的態(tài)樣允許方便地定位、修理或更換有故障的太陽能電池板。當(dāng)修理或更換不可行時，本發(fā) 明的繞開功能增大了可靠性。在一個態(tài)樣中，本發(fā)明涉及組合電池功率的太陽能電池陣列。可以將各變換器附 裝到單個太陽能電池上或串聯(lián)、并聯(lián)或二者都有的多個電池上，例如，串聯(lián)電池串的并聯(lián)。 在一個實施例中，將各變換器附裝到一個光伏串電池板上。但是，本發(fā)明的態(tài)樣盡管在太陽 能發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域中適用，但也可用于使用直流電源的任何配電網(wǎng)。例如，這些態(tài)樣可用于具 有多個電池的電瓶或配有多個車載燃料電池的混合動力車。直流電源可以為太陽能電池、 太陽能電池板、燃料電池、電瓶等等。另外，盡管下述討論涉及將直流電源陣列的功率組合 為交流電壓源，本發(fā)明的態(tài)樣也可用于將直流電源的功率組合為另一個直流電壓。圖3所示為本發(fā)明的實施例中的配電采集配置30。配置30可供把多個電源(例 如太陽能電池板301a-301d)連接到單個電源上。在本發(fā)明的一個態(tài)樣中，可以將所有太陽 能電池板的串聯(lián)串連接到逆轉(zhuǎn)器304上。在本發(fā)明的另一個態(tài)樣中，可以將太陽能電池板 的幾個串聯(lián)串連接到單個逆轉(zhuǎn)器304上?？捎善渌?例如，用于給電瓶組充電的充電 調(diào)節(jié)器)替換逆轉(zhuǎn)器304。在配置30中，將各太陽能電池板301a-301d連接到單獨(dú)分開的功率變換器電路 305a-305d上。一個太陽能電池板及其相關(guān)功率變換器電路組成模塊，例如模塊320。各變 換器305a-305d以最佳方式適應(yīng)連接的太陽能電池板301a-301d的功率特性，并將功率高 效地從變換器輸入端傳送到變換器輸出端。變換器305a-305d可以為降壓變換器、升壓變 換器、降壓/升壓變換器、逆向變換器或正向變換器等等。變換器305a-305d還可包括許多 組成變換器，例如，降壓和升壓變換器的串聯(lián)。各變換器305a-305d包括控制回路，此控制回路不是從變換器輸出電流或電壓、 而是從來自太陽能電池板301的變換器的輸入接收反饋信號。此控制回路的示例為最大功 率點(diǎn)跟蹤(MPPT)回路。變換器中的MPPT回路將來自各太陽能電池板301a-301d的輸入電 壓和電流鎖定至最佳功率點(diǎn)。傳統(tǒng)的DC/DC變換器在輸入端有大輸入電壓范圍，并且有預(yù)定且固定不變的輸出 電壓。在傳統(tǒng)的DC/DC電壓變換器中，變換器內(nèi)的控制器監(jiān)控輸入端的電流或電壓以及輸 出端的電壓。控制器確定合適的脈寬調(diào)制(PWM)工作循環(huán)，如果輸出電壓下降就增加工作循環(huán)，藉此將輸出電壓固定到預(yù)定值。因而，傳統(tǒng)的變換器包括反饋回路，此反饋回路閉合 在輸出電壓上，并使用輸出電壓進(jìn)一步調(diào)節(jié)和微調(diào)變換器的輸出電壓。由于改變輸出電壓， 所以也改變從輸入端提取的電流。在變換器305a-305d中，在本發(fā)明的態(tài)樣中，變換器405內(nèi)的控制器監(jiān)控變換器輸 入端的電壓和電流，并確定PWM，使得從附裝的電池板301a-301d提取最大功率。變換器405 的控制器動態(tài)跟蹤變換器輸入端的最大功率點(diǎn)。在本發(fā)明的態(tài)樣中，將反饋回路閉合在輸 入功率上，以便跟蹤最大輸入功率，而不是如同傳統(tǒng)DC/DC電壓變換器那樣將反饋回路閉 合在輸出電壓上。因為各變換器305a-305d中有單獨(dú)分開的MPPT電路，因而對于各太陽能電池 板301a-301d，圖3所示實施例中的各串303可以串聯(lián)不同數(shù)量或不同品牌的電池板 301a-301d。圖3的電路對各太陽能電池板301a-301d的輸出連續(xù)進(jìn)行MPPT，以便對影響此 特定太陽能電池板301a-301d的溫度、太陽輻射、陰影或其他性能因素的變化做出反應(yīng)。因 此，變換器305a-305d內(nèi)的MPPT電路從各電池板301a-301d采集可能存在的最大功率并作 為輸出傳送此功率，與影響其他太陽能電池板的參數(shù)無關(guān)。這樣，圖3所示本發(fā)明的態(tài)樣按向變換器提供輸入電流和輸入電壓的直流電源的 最大功率點(diǎn)連續(xù)跟蹤和維持各變換器的輸入電流和輸入電壓。直流電源的最大功率是變換 器的輸入，也是變換器的輸出。變換器輸出功率可以為與變換器輸入電流和電壓不同的電 流和電壓。變換器的輸出電流和電壓響應(yīng)電路的串聯(lián)部分的要求。在本發(fā)明的一個態(tài)樣中，將變換器305a-305d的輸出串聯(lián)成單個直流輸出，此輸 出構(gòu)成負(fù)載或供電裝置(在本例中，為逆轉(zhuǎn)器304)的輸入。逆轉(zhuǎn)器304將變換器的串聯(lián)直 流輸出轉(zhuǎn)換為交流電源。負(fù)載(在本例中為逆轉(zhuǎn)器304)調(diào)節(jié)負(fù)載輸入端的電壓。即在本 例中，單獨(dú)的控制回路320將輸入電壓保持在設(shè)定值，即400伏。因而，逆轉(zhuǎn)器的輸入電流 由有效功率控制，這是流過所有串聯(lián)直流電源的電流。另一方面，盡管DC-DC變換器的輸出 必須為逆轉(zhuǎn)器的電流輸入，但使用MPPT單獨(dú)控制變換器的電流和電壓輸入。在現(xiàn)有技術(shù)中，允許負(fù)載輸入電壓隨有效功率變化。例如，當(dāng)太陽能設(shè)施中陽光充 足時，逆轉(zhuǎn)器的電壓輸入甚至可能變化達(dá)到1000伏。因而，隨著陽光照度變化，電壓隨之變 化，逆轉(zhuǎn)器(或其他供電裝置或負(fù)載)中的電氣元件承受變化的電壓。這往往會降低元件 的性能，并且最終造成元件故障。另一方面，藉由固定負(fù)載或供電裝置(此處為逆轉(zhuǎn)器)的 輸入電壓或電流，電氣元件始終承受相同的電壓或電流，因此延長了使用壽命。例如，可以 選擇負(fù)載元件(例如，電容器、開關(guān)和逆轉(zhuǎn)器的線圈)，使負(fù)載元件在固定輸入電壓或電流 下運(yùn)行，即額定值的60%。這會提高可靠性，并延長元件的使用壽命，這對避免太陽能發(fā)電 系統(tǒng)等應(yīng)用中的使用損失至關(guān)重要。圖4A和4B所示為本發(fā)明的樣態(tài)中圖3的系統(tǒng)在不同條件下的運(yùn)行情況。示范配 置40類似于圖3的配置30。在所示示例中，將401/1至401/10十個直流電源分別連接到 405/1至405/10十個功率變換器上。將由直流電源及其相應(yīng)變換器組成的模塊串聯(lián)在一 起，組成串403。在本發(fā)明的一個態(tài)樣中，將串聯(lián)變換器405連接到DC/AC變換器404上。直流電源可以為太陽能電池板，并且以太陽能電池板作為一個說明例子討論示 例。因制造公差、陰影或其他因素，各太陽能電池板401可能有不同的功率輸出。就本例而 言，圖4A所示為理想情況，在此將DC/DC變換效率假定為100%，并且假定電池板501相同。在本發(fā)明的一些樣態(tài)中，變換器的效率可能相當(dāng)高，范圍約在95% -99%。因此，為了說明 假定100%的效率合情合理。另外，在本發(fā)明的實施例中，將每個DC-DC變換器視為功率變 換器，即變換器將其在輸入端接收的全部功率傳送到輸出端，損失非常小。由相應(yīng)功率變換器405內(nèi)的控制回路將各太陽能電池板401的功率輸出保持在電 池板的最大功率點(diǎn)。在圖4A所示示例中，所有電池板受到充足的陽光照射，并且每個太陽 能電池板401提供200W的功率。因而，MPPT回路將汲取將全部200W從電池板傳送到其相 關(guān)變換器的電流和電壓等級。即，MPPT控制的電流和電壓構(gòu)成變換器的輸入電流Im和輸 入電壓Vm。由在逆轉(zhuǎn)器404設(shè)定的恒定電壓控制輸出電壓，如下所述。輸出電流Iout則為 總功率(即200W)除以輸出電壓Vout。如上所述，依據(jù)本發(fā)明的特點(diǎn)，由逆轉(zhuǎn)器(在本例中，保持恒定)經(jīng)由控制回路420 控制逆轉(zhuǎn)器404的輸入電壓。就本例而言，假定將輸入電壓保持為400V (用于轉(zhuǎn)換為220VAC 的理想值)。因為我們假定有十個串聯(lián)功率變換器，每個提供200W，所以我們可以看到逆轉(zhuǎn) 器404的輸入電流為2000W/400V = 5A。因而，流過各變換器401/1-401/10的電流必須為 5A。這意味著在此理想示例中，每個變換器提供200W/5A = 40V的輸出電壓?，F(xiàn)在，假定各 電池板的MPPT (假定完美匹配的電池板)控制Vmpp = 32V。這意味著逆轉(zhuǎn)器的輸入電壓為 32V，并且輸入電流為200W/32V = 6. 25A。我們現(xiàn)在轉(zhuǎn)到另一個示例，在此例中仍舊將系統(tǒng)保持在理想模式(即，完美匹配 的直流電源，并且將全部功率傳送到逆轉(zhuǎn)器)，但環(huán)境條件不理想。例如，一個直流電源過 熱、出現(xiàn)故障，或者如圖4B的示例所示，第九個太陽能電池板401/9被擋光，因而只產(chǎn)生40W 的功率。因為我們保持所有其他條件如同圖4A的示例中一樣，其他九個太陽能電池板401 未被擋光，仍舊產(chǎn)生200W的功率。功率變換器405/9包括MPPT，以便將太陽能電池板501/9 維持在最大功率點(diǎn)運(yùn)行，此功率點(diǎn)現(xiàn)在因擋光而下降。此串的總有效功率現(xiàn)在為9x200W+40W = 1840W。因為將逆轉(zhuǎn)器的輸入仍保持 在400V，逆轉(zhuǎn)器的輸入電流現(xiàn)在為1840W/40V = 4. 6A。這意味著此串中所有功率變換 器405/1-405/10的輸出必須為4.6A。因此，對于九個未被擋光的電池板，變換器將輸出 200W/4. 6A = 43. 5V。另一方面，附裝到被擋光的電池板401/9的變換器405/9將輸出 40W/4. 6A = 8. 7V。檢查計算，添加提供43. 5V的九個變換器和提供8. 7V的一個變換器，藉 此即可得到逆轉(zhuǎn)器的輸入，即(9x43. 5V)+8. 7V = 400V。如圖4A所示，仍由MPPT控制九個未被擋光的電池板的輸出，因此保持在32V和 6.25A。另一方面，因為第九個電池板401/9被擋光，假定其MPPT降到28V。因而，第九個電 池板的輸出電流為40W/28V= 1.43A。如本例所示，所有電池板以最大功率點(diǎn)運(yùn)行，與運(yùn)行 條件無關(guān)。如圖4B的示例所示，即使一個直流電源的輸出大幅度下降，系統(tǒng)固定逆轉(zhuǎn)器的 輸入電壓，并單獨(dú)控制變換器的輸入，以便以最大功率點(diǎn)從直流電源提取功率，藉此仍舊保 持較高的功率輸出。正如所料，圖4A和4B所示柘樸益處極大。例如，串聯(lián)直流電源(例如太陽能電池 板)的輸出特性不必相配。因而，串聯(lián)串可以使用不同制造商的電池板或安裝在屋頂不同 部分的電池板(即，在不同的空間方向上)。另外，如果并聯(lián)幾個串，各串不必匹配，相反各 串可以有不同的電池板或不同數(shù)量的電池板。此拓?fù)溥€減輕了過熱點(diǎn)問題，從而增大了可 靠性。即如圖4A所示，被擋光電池板401/9的輸出為1.43A，而未被擋光的電池板的輸出電流為6. 25A。當(dāng)元件串聯(lián)時，此電流差異會迫使大電流流過被擋光的電池板，可能造成此元 件過熱和故障。但是，在發(fā)明的拓?fù)渲?，單?dú)設(shè)定輸入電壓，并且依據(jù)各時刻電池板的最大 功率點(diǎn)單獨(dú)設(shè)定從各電池板提取到其變換器的功率，因此各電池板的電流與從串聯(lián)變換器 提取的電流無關(guān)。容易認(rèn)識到因為對每個電池板單獨(dú)優(yōu)化功率，所以在BIPV設(shè)施中，可以在不同 平面和方向上安裝電池板。因此，解決了在建筑集成設(shè)施中低功率應(yīng)用問題，并且更多的設(shè) 施現(xiàn)在有利可圖。所述系統(tǒng)還可輕松解決低光照條件下能量采集問題。甚至少量的光照就足以使變 換器405運(yùn)行，然后變換器開始將功率傳送到逆轉(zhuǎn)器。如果有少量功率，將會有低電流，但 是電壓高，足以使逆轉(zhuǎn)器運(yùn)行，并且的確采集到了功率。在本發(fā)明的態(tài)樣中，逆轉(zhuǎn)器404包括控制回路420，以便在逆轉(zhuǎn)器404的輸入端保 持最佳電壓。在圖4B的示例中，由控制回路420將逆轉(zhuǎn)器404的輸入電壓保持在400V。變 換器405實質(zhì)上正將所有有效功率從太陽能電池板傳送到逆轉(zhuǎn)器404的輸入端。因此，逆 轉(zhuǎn)器404的輸入電流只取決于太陽能電池板提供的功率以及調(diào)節(jié)的設(shè)置，即逆轉(zhuǎn)器輸入端 的恒定電壓。圖1和圖3A所示傳統(tǒng)逆轉(zhuǎn)器104需要有非常廣泛的輸入電壓以適應(yīng)變化的條件， 例如，太陽能陣列的照度、溫度和老化的變化。這與本發(fā)明的態(tài)樣中設(shè)計的逆轉(zhuǎn)器404相 反。逆轉(zhuǎn)器404不需要廣泛的輸入電壓，因此設(shè)計更簡單、更可靠。其中，有個事實是在逆 轉(zhuǎn)器輸入端沒有電壓尖脈沖，因而逆轉(zhuǎn)器的元件承受的電應(yīng)力更低，可以持續(xù)更長的時間， 藉此取得更高的可靠性。當(dāng)逆轉(zhuǎn)器404屬于電路的一部分時，將來自電池板的功率傳送到可能連接到逆轉(zhuǎn) 器上的負(fù)載。為了使逆轉(zhuǎn)器404在最佳輸入電壓下工作，由太陽能陣列產(chǎn)生但未被負(fù)載使 用的多余功率將被散去。將多余功率出售給公用事業(yè)公司(如果可以選擇此方案)，即可處 理多余的功率。對于網(wǎng)外太陽能陣列，可以將多余的功率存儲在電瓶中。另一個可選方案 是將許多鄰近房屋連接在一起組成微型網(wǎng)，并在房屋之間實現(xiàn)功率的負(fù)載平衡。如果未存 儲或出售太陽能陣列提供的多余功率，則可以提供其他機(jī)制散去多余的功率。就圖4A和4B說明的特點(diǎn)和益處至少部分源于使逆轉(zhuǎn)器控制輸入端提供的電壓。 相反，可以實現(xiàn)由逆轉(zhuǎn)器控制輸入端電流的設(shè)計。圖4C所示為此類配置。圖4C所示為本 發(fā)明的一個實施例，在此例中，由逆轉(zhuǎn)器控制輸入電流。由相應(yīng)功率變換器405內(nèi)的控制回 路將各太陽能電池板401的功率輸出保持在電池板的最大功率點(diǎn)。在圖4C所示示例中，所 有電池板受到充足的日光照射，并且每個太陽能電池板401提供200W的功率。因而，MPPT 回路將汲取將全部200W從電池板傳送到其相關(guān)變換器的電流和電壓等級。S卩，MPPT控制 的電流和電壓構(gòu)成變換器的輸入電流Im和輸入電壓Vm。由在逆轉(zhuǎn)器404設(shè)定的恒定電流 控制輸出電壓，如下所述。輸出電壓Vout則為總功率(即200W)除以輸出電流lout。如上所述，依據(jù)本發(fā)明的特點(diǎn)，由逆轉(zhuǎn)器經(jīng)由控制回路420控制逆轉(zhuǎn)器404的輸入 電流。就本例而言，假定將輸入電流保持為5A。因為我們假定有十個串聯(lián)功率變換器，每個 提供200W，所以我們可以看到逆轉(zhuǎn)器404的輸入電壓為2000W/5A = 400V。因而，流過各變 換器401/1-401/10的電流必須為5A。這意味著在此理想示例中，每個變換器提供200W/5A = 40V的輸出電壓?，F(xiàn)在，假定各電池板的MPPT (假定完美匹配的電池板)控制Vmpp =32V。這意味著逆轉(zhuǎn)器的輸入電壓為32V，并且輸入電流為200W/32V = 6. 25A。因而，使逆轉(zhuǎn)器控制電流而不控制電壓，即可得到類似優(yōu)點(diǎn)。但是，與現(xiàn)有技術(shù)不 同，電池板輸出變化不會造成流向逆轉(zhuǎn)器的電流的變化，這是因為由逆轉(zhuǎn)器本身控制此項。 因此，如果將逆轉(zhuǎn)器設(shè)計為保持電流或電壓恒定，則與電池板運(yùn)行無關(guān)，逆轉(zhuǎn)器的電流或電 壓將保持恒定。圖5所示為在本發(fā)明的其他態(tài)樣中使用直流電源的配電采集系統(tǒng)。圖5所示為并 聯(lián)在一起的多個串503。每個串為多個模塊的串聯(lián)，并且每個模塊包括連接到變換器505上 的直流電源501。直流電源可以為太陽能電池板。將串503的并聯(lián)輸出再次并聯(lián)連接到并 聯(lián)調(diào)節(jié)器506和負(fù)載控制器504。與圖4A和4B的實施例一樣，負(fù)載控制器504可以為逆轉(zhuǎn) 器。并聯(lián)調(diào)節(jié)器自動在端子間保持恒定電壓。并聯(lián)調(diào)節(jié)器506經(jīng)配置散去多余的功率，以 便將逆轉(zhuǎn)器504的輸入端的輸入電壓保持在調(diào)節(jié)水平，并防止逆轉(zhuǎn)器輸入電壓增大。流過 并聯(lián)調(diào)節(jié)器506的電流補(bǔ)充逆轉(zhuǎn)器504汲取的電流，以保證逆轉(zhuǎn)器的輸入電壓保持在恒定 水平，例如400V。藉由固定逆轉(zhuǎn)器輸入電壓，逆轉(zhuǎn)器的輸入電流隨提取的有效功率變化。此電池分 配在串聯(lián)變換器的串503之間。當(dāng)各變換器包括用于將變換器輸入電壓保持在相關(guān)直流電 源的最大功率點(diǎn)的控制回路時，確定變換器的輸出功率。變換器功率和變換器輸出電流一 起確定變換器輸出電壓。由變換器中的功率變換電路使用變換器輸出電壓逐步升高或降低 變換器輸入電壓，以便從MPPT確定的輸入電壓得到變換器輸出電壓。圖6所示為本發(fā)明的態(tài)樣中的示范DC/DC變換器605。DC/DC變換器通常用于將 變化或恒定的直流電壓輸入逐步降低或升高到更高或更低的恒定電壓輸出，這取決于電路 的要求。但是，在圖6的實施例中，DC-DC變換器用作功率變換器，即將輸入功率轉(zhuǎn)換為輸 出功率，輸入電壓隨MPPT變化，而輸出電流由逆轉(zhuǎn)器的恒定輸入電壓控制。S卩，輸入電壓和 電流可在任何時候變化，并且輸出電壓和電流也可在任何時候變化，這取決于直流電源的 運(yùn)行條件。將變換器605連接到相應(yīng)直流電源601上，連接在輸入端子614和616上。將直 流電源601的變換的功率通過輸出端子610、612輸出到電路。變換器電路的其余部分位于 輸入端子614、616與輸出端子610、612之間，包括輸入和輸出電容器620、640、回流預(yù)防二 極管622、642和功率變換電路(包括控制器606和電感器608)。輸入616和614由電容器620隔開，電容器620作為對直流電壓的開路端。輸出 610和612也由電容器640隔開，電容器640也作為直流輸出電壓的開路端。這些電容器為 隔直或交流耦合電容器，當(dāng)面臨選擇電容器所針對的頻率的交流電時，這些電容器將短路。 在輸出610、612之間耦合的電容器640也用作下述功率變換電路的一部分。二極管642耦合在輸出610和612之間，極性要使電流不能從輸出612的正引線 回流到變換器605。二極管622耦合在穿過對直流電短路的電感器608的正輸出引線612 和負(fù)輸入引線614之間，負(fù)輸入引線614的極性要防止電流從輸出612回流到太陽能電池 板 601。直流電源601可以為太陽能電池板。因電池板601的太陽能電池中產(chǎn)生的電子空 穴對，接線614和616之間存在電勢差。變換器605連續(xù)監(jiān)控電池板提供的電流和電壓并 使用最大功率點(diǎn)跟蹤算法，通過從太陽能電池板601提取電流，將最大功率輸出保持在最大功率點(diǎn)?？刂破?06包括用于跟蹤最大功率的MPPT電路或算法。最大功率跟蹤和脈寬 調(diào)制PWM—起進(jìn)行，以達(dá)到所需輸入電壓和電流。控制器606中的MPPT可以為傳統(tǒng)MPPT， 例如微擾觀察(P&0)、增量電導(dǎo)等等。但是，顯然直接在電池板上進(jìn)行MPPT，即在變換器的 輸入端，而不是變換器的輸出端上進(jìn)行。然后將生成的功率傳送到輸出端子610和612?？?以串聯(lián)多個變換器605的輸出，使一個變換器605的正引線612連接到下一個變換器605 的負(fù)引線610上。在圖6中，所示變換器605為降壓加升壓變換器。此處所用術(shù)語“降壓加升壓”為 直接后跟升壓變換器的降壓變換器，如圖6所示，在文獻(xiàn)中也可能稱為“級聯(lián)降壓_升壓變 換器”。如果要降低電壓，升壓部分實質(zhì)上短路。如果要升高電壓，降壓部分實質(zhì)上短路。術(shù) 語“降壓加升壓”與降壓/升壓拓?fù)洳煌送負(fù)錇橐呋蚪档碗妷簳r可以使用的經(jīng)典拓 撲?！敖祲?升壓”拓?fù)涞男侍焐陀诮祲夯蛏龎骸Ａ硗?，對于特定要求，降?升壓變換 器需要比降壓加升壓變換器更大的無源元件，才可運(yùn)行。因此，圖6的降壓加升壓拓?fù)涞男?率比降壓/升壓拓?fù)涓?。但是，圖6的電路不斷決定是降壓還是升壓。在有些情況下，當(dāng)所 需輸出電壓類似于輸入電壓時，降壓和升壓部分都可能運(yùn)行?？刂破?06可包括與降壓和升壓變換器電路一起使用的脈寬調(diào)制器PWM或數(shù)字脈 寬調(diào)制器DPWM?？刂破?06既控制降壓變換器，又控制升壓變換器，并決定是降壓還是升 壓。在有些情況下，降壓和升壓部分可能一起運(yùn)行。即如同就圖4A和4B的實施例所做的說 明，輸入電壓和電流的選擇與輸出電流和電壓的選擇無關(guān)。另外，輸入或輸出值的選擇可能 在任何給定時刻變化，這取決于直流電源的運(yùn)行。因此，在圖6的實施例中，在構(gòu)造變換器 時，要使得可以在任何給定時間依據(jù)輸出要求向上或向下變換輸入電壓和電流的選定值。在一個實施例中，可以使用組合了變換器605的一些功能的集成電路(IC)604?？?選裝IC 604，單個ASIC能夠承受戶外太陽能設(shè)施中存在的極端苛刻的溫度?？梢葬槍Τ?過25年的長平均故障間隔時間(MTBF)設(shè)計ASIC 604。但是，也可按類似方式使用采用多 個集成電路的離散解決方案。在圖6所示示范實施例中，將變換器605的降壓加升壓部分 實現(xiàn)為IC604。實際考慮時，可以以其他方式劃分系統(tǒng)。例如，在本發(fā)明的一個態(tài)樣中，IC 604可包括兩個集成電路處理系統(tǒng)中高電流和電壓的一個模擬集成電路以及包括控制邏 輯的一個簡單低電壓數(shù)字集成電路?？梢允褂霉β蕡鲂?yīng)晶體管實現(xiàn)模擬集成電路，另外 可采用離散元件、FET驅(qū)動器、A/D等等實現(xiàn)功率場效應(yīng)晶體管。數(shù)字集成電路可以組成控 制器606。在所示示范電路中，降壓變換器包括輸入電容器620、晶體管628和630、與晶體 管628并聯(lián)的二極管622以及電感器608。晶體管628、630分別有寄生體二極管624、626。 在所示示范電路中，升壓變換器包括與降壓變換器共用的電感器608、晶體管648和650、與 晶體管650并聯(lián)的二極管642以及輸出電容器640。晶體管648、650分別有寄生體二極管 644、646。如圖1所示，在串聯(lián)配置中添加電子元件可能降低系統(tǒng)的可靠性，這是因為如果 一個電氣元件損壞，則可能影響整個系統(tǒng)。具體而言，如果串聯(lián)元件之一出現(xiàn)故障在出現(xiàn)故 障的元件中造成開路，則電流停止流過整個串，因而造成整個系統(tǒng)停止運(yùn)行。本發(fā)明的態(tài)樣 提供了變換器電路，在此電路中，電路的電氣元件有一個或多個與之相關(guān)的旁路，如果電氣 元件出現(xiàn)故障，旁路可以承載電流。例如，變換器的降壓或升壓部分的每個開關(guān)晶體管有自
18己的旁路。在開關(guān)晶體管出現(xiàn)故障時，繞開電路的此元件。同樣，電感器出現(xiàn)故障時，電流 通過升壓變換器中所用晶體管的寄生二極管繞開有故障的電感器。圖7所示為本發(fā)明的態(tài)樣中的功率變換器。其中，圖7強(qiáng)調(diào)本發(fā)明的實施例中的 DC/DC變換器705的監(jiān)控功能。圖中還表示出直流電壓源701。表示出變換器705的簡化 降壓和升壓變換器電路部分。所示部分包括開關(guān)晶體管728、730、748和750以及普通電感 器708。每個開關(guān)晶體管由功率變換控制器706控制。功率變換控制器706包括脈寬調(diào)制(PWM)電路733和數(shù)字控制機(jī)730 (包括保護(hù) 部分737)。功率變換控制器706連接到微型控制器790 (包括MPPT模塊719)上，并且還可 選裝包括通信模塊709、監(jiān)控和記錄模塊711以及保護(hù)模塊735。電流傳感器703可耦合在直流電源701和變換器705之間，并且可以將電流傳感 器703的輸出經(jīng)相關(guān)模數(shù)變換器723提供給數(shù)字控制機(jī)730。電壓傳感器704可耦合在直 流電源701和變換器705之間，并且可以將電壓傳感器704的輸出經(jīng)相關(guān)模數(shù)變換器723 提供給數(shù)字控制機(jī)730。電流傳感器703和電壓傳感器704用于監(jiān)控直流電源(例如，太陽 能電池板701)輸出的電流和電壓。測到的電流和電壓被提供給數(shù)字控制機(jī)730，并用于將 變換器輸入功率保持在最大功率點(diǎn)。PWM電路733控制變換器電路的降壓和升壓部分的開關(guān)晶體管。PWM電路可為數(shù) 字脈寬調(diào)制(DPWM)電路。將取自電感器708和開關(guān)晶體管750的變換器705的輸出經(jīng)模 數(shù)變換器741、742提供給數(shù)字控制機(jī)730，以便控制PWM電路733。隨機(jī)存儲存儲器(RAM)模塊715和非易失性隨機(jī)存取存儲器(NVRAM)模塊713可 位于微型控制器790之外，但連接到微型控制器790上?？梢詫囟葌鞲衅?79和一個或 多個外部傳感器接口 707連接到微型控制器790上。溫度傳感器779可用于測量直流電源 701的溫度。物理接口 717可連接到微型控制器790上，并用于將來自微型控制器的數(shù)據(jù)變 換為標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議和物理層。在變換器705中可以包括內(nèi)部供電裝置739。在本發(fā)明的各種態(tài)樣中，可以采用用于測量電流的各種技術(shù)實現(xiàn)電流傳感器703。 在本發(fā)明的一個態(tài)樣中，使用極低值電阻器實現(xiàn)電流測量模塊703。電阻器兩端的電壓與流 過電阻器的電流成正比。在本發(fā)明的另一個態(tài)樣中，使用電流探針實現(xiàn)電流測量模塊703， 電流探針利用霍爾效應(yīng)測量流過導(dǎo)體的電流，而不必添加串聯(lián)電阻器。將電流轉(zhuǎn)換為電壓 后，數(shù)據(jù)可通過低通濾波器，然后數(shù)字化。圖7中表示出與電流傳感器703相關(guān)的模數(shù)變換 器，作為A/D變換器723。為模數(shù)變換器選擇合適的分辨率和采樣速度，即可避免生成的數(shù) 字?jǐn)?shù)據(jù)中的混疊效應(yīng)。如果電流傳感技術(shù)不需要串聯(lián)，則可以將電流傳感器703并聯(lián)連接 到直流電源701上。在發(fā)明的一個方面中，電壓傳感器704采用了簡單的并聯(lián)電壓測量技術(shù)，以便測 量太陽能電池板的電壓輸出。模擬電壓通過一個低通濾波器，以降低失真。然后，用模數(shù)變 換器，對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理。與電壓傳感器704有關(guān)的模數(shù)變換器，在圖7中表示為A/D 變換器724。A/D變換器724有足夠高的分辨率，可以從一個模擬電壓中生成一個正確采樣 的數(shù)字信號，模擬電壓是在DC電源701上測量到的，這可能就是一塊太陽能電池板。為跟蹤變換器輸入信號上的最大功率點(diǎn)而采集的電流和電壓數(shù)據(jù)，也可用于監(jiān)測 的目的。分辨率足夠高的模數(shù)變換器可以正確地估算電池板的電壓和電流值。但是，要估 算電池板的狀態(tài)，更低的采樣率也足以應(yīng)付。低通濾波器使得較低的采樣率足以應(yīng)付電池
19板狀態(tài)的估算。電流和電壓數(shù)據(jù)可以提供給監(jiān)測和記錄模塊711，以便進(jìn)行分析。溫度傳感器779使得系統(tǒng)在分析過程中可以利用溫度數(shù)據(jù)。溫度是某類故障和問 題的指示。而且，在電源是一塊太陽能電池板的情況下，電池板的溫度是功率輸出生產(chǎn)中的
一個因素。一個或更多的可選擇外部傳感器接口 707可以將不同的外部傳感器與變換器705 連接?？蛇x用外部傳感器，以加強(qiáng)太陽能電池板701、或由太陽能電池板連接而形成的電池 板串或矩陣的狀態(tài)的分析。外部傳感器的例子有環(huán)境溫度傳感器、太陽輻射傳感器和臨近 電池板的傳感器。外部傳感器集成到了變換器705中，而不是在外部安裝。在發(fā)明的一個方面中，從電流和電壓傳感器703、704以及可選溫度和外部傳感器 705,707中獲得的信息，可以傳送到中央分析站，以便用通信接口 709進(jìn)行監(jiān)測、控制和分 析。中央分析站在圖中沒有顯示。通信接口 709將一個微控制器790接到了通信總線上。 通信接口可以幾種方式實現(xiàn)。在發(fā)明的一個方面中，通信接口利用現(xiàn)成的通信總線實現(xiàn)，比 如以太網(wǎng)或RS422。也可以采用像無線通信、或在連接電池板的電源線上實現(xiàn)的電源線通信 這樣的其它方法。如果采用了雙向通信，則中央分析站可以申請微控制器790采集的數(shù)據(jù)。 作為選擇方案或附加方案，從傳感器703、704、705、707中獲得的信息利用本機(jī)存儲器中的 監(jiān)測和記錄模塊711在本機(jī)進(jìn)行記錄，比如RAM 715或NVRAM 713。通過對傳感器703、704、705、707中獲得的信息的分析，可以檢測和確定多種與太 陽能矩陣中功率損耗有關(guān)的故障的位置。也可使用智能分析，提出諸如清潔或更換太陽能 矩陣特定部分的改正建議。通過對傳感器信息的分析，也可檢測由環(huán)境條件或安裝錯誤引 起的功率損耗，避免耗資費(fèi)力的太陽能矩陣測試工作。因此，在發(fā)明的一個方面中，微控制器790可根據(jù)MPPT模塊719中的MPPT算法， 同時保持附加DC電源或太陽能電池板701中輸送到變換器705的輸入功率的最大功率點(diǎn) 和管理從傳感器703、704、705、707中收集信息的過程。收集到的信息可以儲存在本機(jī)存儲 器713、715中，并可傳送到一個外部中央分析站中。在發(fā)明的一個方面中，微控制器790采 用了存儲在NVRAM 713中的事先定義參數(shù)，以便于操作。儲存在NVRAM 713中的信息可能 包括變換器705的信息，比如序列號、使用的通信總線的類型、中央分析站的狀態(tài)更新速率 和ID。在發(fā)送以前，這一消息可以添加到傳感器采集的參數(shù)中。在安裝太陽能矩陣或改造現(xiàn)有裝置期間，可以安裝變換器705。在兩種情況中，變 換器705可以接到一個電池板接線盒或連接電池板701的電纜上。每個變換器705都提供 了連接器和電纜線路，以使與太陽能電池板701和電池板電纜的安裝和連接變得方便。在發(fā)明的一個方面中，使用了物理接口 717，以轉(zhuǎn)換成一個標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議和物理 層；這樣，在安裝和維護(hù)期間，變換器705就可以連接到不同數(shù)據(jù)終端中的一個終端上了， 比如一臺計算機(jī)或PDA。此時，就可以作為軟件實現(xiàn)分析了，軟件可在一臺標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)、嵌入 式平臺或?qū)Ｓ性O(shè)備上運(yùn)行。變換器705的安裝過程包括將每個變換器705接到太陽能電池板701上?？墒褂?一個以上的傳感器703、704、705、707，以確保太陽能電池板701和變換器705正確地耦合到 一起。在安裝期間，像序列號、物理位置和矩陣連接布局這樣的參數(shù)可以儲存在NVRAM 713 中。這些參數(shù)可由分析軟件使用，以檢測太陽能電池板701和矩陣中未來發(fā)生的問題。當(dāng)DC電源701為太陽能電池板時，光電太陽能電池板矩陣安裝者面臨的其中一個
20問題是安全。當(dāng)日間有陽光時，太陽能電池板701串聯(lián)連接。因此，在安裝的最后階段，當(dāng) 幾塊太陽能電池板701串聯(lián)時，電池板串兩端的電壓可能會達(dá)到危險的電平。在家庭安裝 的電池板中，電壓通常高達(dá)600V。所以，安裝者面臨著觸電的危險。與電池板701連接的 變換器705可利用內(nèi)置功能，防止此類危險。例如，變換器705可包括電路或軟件模塊的硬 件，可以將輸出電壓限制在一個安全電平上，直到檢測到了預(yù)定的最小負(fù)載為止。只有在檢 測到了此預(yù)定負(fù)載以后，微控制器790才會將變換器705的輸出電壓提升。另一種提供安全機(jī)制的方法是，利用變換器705和電池板串或矩陣相關(guān)逆變器之 間的通信。例如，此通信方式可能是電源線通信裝置，在提供高電平或潛在危險電平以前， 可以提供同步信息交換。因此，在向逆變器傳輸功率以前，變換器705會等待相關(guān)矩陣中的 逆變器模擬或數(shù)字釋放信號。以上DC電源701的監(jiān)測、控制和分析方法，可在太陽能電池板或太陽能電池板串 或矩陣上實現(xiàn)，或在像蓄電池和燃料電池這樣的其它電源上實現(xiàn)。圖8根據(jù)先有技術(shù)顯示了太陽能電池板的排列圖。在圖8中，太陽能電池板800 由太陽能電池805組成，電池被分成若干串聯(lián)電池串810。電池串810串聯(lián)連接到一起。對 每一個電池串810，提供了一個旁路二極管820，以便在一個電池串的功率輸出下降時，該 電池串可通過相應(yīng)的二極管820旁路，而不是讓電池進(jìn)入負(fù)壓區(qū)，這會導(dǎo)致電池兩端的功 率耗散，甚至?xí)鹑紵５?，?dāng)電流流過二極管時，它們會耗散能量。例如，如果一個5A 的電流流過一個導(dǎo)通電壓為0. 7伏的普通二極管，功率損耗為3. 5W。在實際中，這一損耗很 容易升高到10W。圖9根據(jù)降低太陽能電池串中功率損耗發(fā)明的具體設(shè)備，給出了一個排列圖。在 圖9中，太陽能電池板900由太陽能電池905組成，電池被分成若干串聯(lián)電池串910。電池 串910串聯(lián)連接到一起。對每一個電池串910，提供了一個旁路二極管920，以便在一個電 池串的功率輸出下降時，該電池串可通過相應(yīng)的二極管920旁路。此外，一個開關(guān)裝置925 接到了旁路電路中，以便旁路相應(yīng)的二極管，比如FET或IGBT(絕緣柵雙極晶體管)。一旦 感測到電流流過了一個二極管920(或一旦感測的電池串910兩端的電壓為負(fù)時)，其相應(yīng) 的開關(guān)裝置925就被觸發(fā)。這就可以將電流引導(dǎo)流過開關(guān)裝置，如此可以徹底降低能量損 耗。例如，感測可通過感測電池串兩端的電壓或二極管兩端的電流實現(xiàn)。圖10根據(jù)降低太陽能電池串中功率損耗發(fā)明的具體設(shè)備，給出了另一種排列圖。 在圖10中，太陽能電池板1000由太陽能電池1005組成，電池被分成若干串聯(lián)電池串1010。 電池串1010并聯(lián)連接到一起。對每一個電池串1010，提供了一個旁路開關(guān)裝置1025，以便 在一個電池串的功率輸出下降時，該電池串可通過相應(yīng)的開關(guān)裝置1025旁路，比如FET或 IGBT0 一旦感測到電池串1010進(jìn)入了反向偏置(不管是由于較差的光線，還是由于故障)， 相應(yīng)的開關(guān)裝置1025都會被接通，這樣，電流就可以流過各自的開關(guān)裝置1025。例如，感測 可通過感測電池串的電壓或電流實現(xiàn)。圖11根據(jù)旁路太陽能電池串發(fā)明的具體設(shè)備，給出了一個排列圖。亦即，圖11顯 示了變換器如何用于觸發(fā)太陽能電池串和/或太陽能電池串兩端耦合的二極管的旁路，比 如像圖6中的變換器。在圖11中，太陽能電池板1100由太陽能電池1105組成，電池被分 成若干串聯(lián)電池串1110。電池串1110并聯(lián)連接到一起。對每一個電池串1110，提供了一 個旁路二極管1120，以便在一個電池串的功率輸出下降時，該電池串可通過相應(yīng)的二極管1120旁路。但是，就像圖10所解釋的，二極管可以取消。此外，一個開關(guān)裝置1125接到了 旁路電路中，比如FET或IGBT，以便旁路相應(yīng)的電池串1110和/或二極管1120。一旦感測 到電池串1010進(jìn)入了反向偏置，則其相應(yīng)的開關(guān)裝置1125就會被控制器906觸發(fā)。這就 可以將電流引導(dǎo)流過開關(guān)裝置1125，以徹底降低能量損失。例如，感測可通過感測電池串兩 端的電壓或二極管兩端的電流實現(xiàn)，如圖7中對元件703和704的解釋。
當(dāng)前的發(fā)明相對于特定的范例進(jìn)行了描述，無論從哪一方面看，這些例子都只是 說明性的，而不是限制性的。那些熟悉這一技術(shù)的人會理解，多種不同硬件、軟件和固件的 組合，將適宜于實行當(dāng)前的發(fā)明。而且，其它的發(fā)明實現(xiàn)方法，顯然會使那些熟悉這一技術(shù) 的人考慮此處透露出的發(fā)明的規(guī)格和實踐方式。舉例的意圖是，這些規(guī)格和例子只能當(dāng)作 例子考慮，而發(fā)明的真正范圍和精髓由以下權(quán)利要求和其相當(dāng)?shù)膬?nèi)容表示。
2權(quán)利要求
一種分布式電源收獲系統(tǒng)包括眾多的DC電源；眾多的變換器，每個變換器包括與相應(yīng)DC電源連接的輸入終端；與其它變換器串聯(lián)連接的輸出終端，從而構(gòu)成了一個串聯(lián)串；根據(jù)預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)，在變換器的輸入終端上設(shè)置電壓和電流的電路回路；和用于將輸入終端接收到的電能轉(zhuǎn)換成輸出終端的輸出功率的功率轉(zhuǎn)換部分；和與串聯(lián)串串聯(lián)的能量供應(yīng)器，能量供應(yīng)器包括一個控制部分，負(fù)責(zé)將能量供應(yīng)器的輸入保持在預(yù)定值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式電源收獲系統(tǒng)，其中的控制部分負(fù)責(zé)將能量供應(yīng)器的 輸入電壓保持在預(yù)定值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式電源收獲系統(tǒng)，其中的控制部分負(fù)責(zé)將能量供應(yīng)器的 輸入電流保持在預(yù)定值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式電源收獲系統(tǒng)，其中的能量供應(yīng)器包括DC/AC逆變器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式電源收獲系統(tǒng)，其中的能量供應(yīng)器包括一個蓄電池充 電器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式電源收獲系統(tǒng)，其中的電路回路包括一個MPPT部分， 可以將變換器輸入終端的電壓和電流設(shè)置成相應(yīng)DC電源的最大功率點(diǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的分布式電源收獲系統(tǒng)，其中的能量轉(zhuǎn)換部分包括 一個補(bǔ)償變換器；一個升壓變換器；一個控制器，可以選擇觸發(fā)補(bǔ)償變換器或升壓變換器，以響應(yīng)MPPT部分和輸出終端的 電流或電壓變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的分布式電源收獲系統(tǒng)，其中的電感器由補(bǔ)償變換器和升壓變 換器共用，控制器包括脈寬調(diào)制部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式電源收獲系統(tǒng)，其中的控制部分包括一個與電力供應(yīng) 器并聯(lián)的并聯(lián)穩(wěn)壓器，負(fù)責(zé)將輸入電壓調(diào)節(jié)到預(yù)先選定的恒定輸入電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式電源收獲系統(tǒng)，更由與電力供應(yīng)器連接的一個以上 的附加串聯(lián)電池串組成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式電源收獲系統(tǒng)，更包括 復(fù)數(shù)電流傳感器；和復(fù)數(shù)電壓傳感器；其中的每個電流傳感器和每個電壓傳感器連接在相應(yīng)的變換器和DC電源之間，向 MPPT部分提供電流信息和電壓信息。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式電源收獲系統(tǒng)，其中的復(fù)數(shù)DC電源中的每一個電源 包括一個太陽能電池板或一個集成了太陽能電池板的建筑。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式電源收獲系統(tǒng)，其中的復(fù)數(shù)DC電源中的至少一個電 源包括一個燃料電池。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式電源收獲系統(tǒng)，其中的復(fù)數(shù)DC電源中的至少一個電源包括一個電池。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式電源收獲系統(tǒng)，其中的復(fù)數(shù)變換器中的每一個變換 器又包括一個安全模塊，可將輸出限制在預(yù)先設(shè)置的安全值，直到預(yù)定事件發(fā)生為止。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的分布式電源收獲系統(tǒng)，其中預(yù)定事件包括其中一個超過預(yù) 設(shè)臨界值的負(fù)載施加到了變換器上，或檢測到了釋放信號。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式電源收獲系統(tǒng)，其中的每個變換器又包括復(fù)數(shù)開關(guān) 裝置，每個開關(guān)裝置構(gòu)成了至少一個DC電源的一條旁路。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的分布式電源收獲系統(tǒng)，其中的太陽能電池板包括復(fù)數(shù)電池 串，每個電池串與太陽能電池和開關(guān)裝置串聯(lián)，以旁路串聯(lián)的太陽能電池。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的分布式電源收獲系統(tǒng)，其中的開關(guān)裝置包括一個晶體管。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式電源收獲系統(tǒng)，其中的每個變換器又包括一個監(jiān)視 和發(fā)送狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)視模塊，狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)至少包括變換器的輸入電流、變換器的輸 入電壓、電源的溫度、變換器的輸入功率和有效的照度。
21.從有復(fù)數(shù)DC電源和復(fù)數(shù)DC功率變換器的分布式電源收獲系統(tǒng)中獲取電源的方法， 方法包括將每個電源接到各自的DC功率變換器上；串聯(lián)連接功率變換器，從而形成至少一條串聯(lián)串；將串聯(lián)串接到功率輸出設(shè)備上；將功率輸出設(shè)備的一個輸入電壓或輸入電流固定在預(yù)定值，因此，強(qiáng)迫流過串聯(lián)串的 電流根據(jù)提供的電源的功率而變化。根據(jù)預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)，單獨(dú)控制各個電源的功率輸出，單獨(dú)改變每個相應(yīng)變換器的輸入電 壓和電流。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中固定一個輸入電壓或輸入電流的過程包括固定 到預(yù)定恒定值。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中連接串聯(lián)串到功率輸出裝置過程包括將串聯(lián)串 接到DC/AC逆變器和將輸入電壓穩(wěn)定在逆變器電壓上的過程。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中的監(jiān)視功率輸出包括跟蹤電源的最大功率點(diǎn)， 單獨(dú)改變輸入電壓和電流包括設(shè)置輸入電壓和電流，以便從每個電源中吸收最大的功率。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包括了單獨(dú)將每個變換器的輸入電壓和電流 轉(zhuǎn)換成流過串聯(lián)串和浮動電壓所指示的電流電平等級的輸出功率。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括了單獨(dú)將每個變換器的輸入電壓和電流 轉(zhuǎn)換成流過串聯(lián)串和浮動電壓所指示的電流電平等級的輸出功率。
27.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包括了單獨(dú)監(jiān)視每個變換器上的負(fù)載和將每 個變換器的輸出限制在預(yù)設(shè)的安全電平上，直到負(fù)載達(dá)到了預(yù)設(shè)值為止。
28.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包括了監(jiān)視至少一個電源和DC功率變換器的 功率輸出，以及在功率輸出顯示預(yù)定的特征時，引導(dǎo)電流到旁路回路。
29.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包括了單獨(dú)運(yùn)行每個功率變換器，以監(jiān)視和 上報功率相關(guān)數(shù)據(jù)；功率相關(guān)數(shù)據(jù)包括至少一個變換器的輸入電流、變換器的輸入電壓、 電源的溫度、變換器的輸入功率和有效的照度。
30.太陽能電源裝置包括DC/AC逆變器包括將逆變器輸入電壓或電流保持在預(yù)定值的裝置；與DC/AC逆變器并聯(lián)的復(fù)數(shù)串聯(lián)串，每個串聯(lián)串包括復(fù)數(shù)太陽能電池板；復(fù)數(shù)變換器，每個變換器包括與相應(yīng)太陽能電池板連接的輸入終端；與其它變換器串聯(lián)的輸出終端，從而構(gòu)成一個串聯(lián)串；MPPT部分根據(jù)相應(yīng)太陽能電池板的最大功率點(diǎn)設(shè)置變換器輸入終端的電壓和電流；和，用于將輸入終端接收到的電能轉(zhuǎn)換成輸出終端的輸出功率的功率轉(zhuǎn)換部分。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的太陽能電源裝置，其中預(yù)定值包括一個常數(shù)值。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的太陽能電源裝置，其中功率變換部分將輸入終端收到的功 率變換成輸出功率，輸出功率的電流實際等于串聯(lián)串中復(fù)數(shù)太陽能電池板提供的總功率， 除以逆變器輸入端上預(yù)定恒定電壓。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的太陽能電源裝置，其中功率變換部分包括一個功率變換控 制器，負(fù)責(zé)控制功率轉(zhuǎn)換部分的脈沖寬度調(diào)試，如此，輸出功率的電流實際等于串聯(lián)串中復(fù) 數(shù)太陽能電池板提供的總功率，除以逆變器輸入端上預(yù)定恒定電壓。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的太陽能電源裝置，其中每個功率變換部分包括 一個補(bǔ)償變換器；一個升壓變換器；一個數(shù)字控制器控制脈沖寬度調(diào)制器，選擇操作補(bǔ)償變換器或升壓變換器。
35.根據(jù)權(quán)利要求30所述的太陽能電源裝置，其中每個串聯(lián)串又包括復(fù)數(shù)電流傳感器，每個傳感器測量一個太陽能電池板的輸出電流，并將測量的電流信 號發(fā)送給相應(yīng)的數(shù)字控制器；和復(fù)數(shù)電壓傳感器，每個傳感器測量一個太陽能電池板的輸出電壓，并將測量的電壓信 號發(fā)送給相應(yīng)的數(shù)字控制器；其中每個數(shù)字控制器調(diào)節(jié)吸收的電流和電壓，以獲取最大可用功率。
36.根據(jù)權(quán)利要求30所述的太陽能電源裝置又包括一個安全模塊，只要沒有預(yù)設(shè)臨界 值以上的負(fù)載施加在變換器上，就將輸出電壓限制在預(yù)設(shè)安全值電平上。
37.根據(jù)權(quán)利要求30所述的太陽能電源裝置，其中每個太陽能電池板包括復(fù)數(shù)電池 串，每個電池串包括串聯(lián)連接的太陽能電池，連接的開關(guān)裝置可以旁路串聯(lián)連接的太陽能 電池。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的太陽能電源裝置，其中開關(guān)裝置包括一個晶體管。
39.根據(jù)權(quán)利要求30所述的太陽能電源裝置，其中每個變換器又包括一個監(jiān)視模塊， 以監(jiān)視和發(fā)送功率相關(guān)數(shù)據(jù)；功率相關(guān)數(shù)據(jù)包括至少一個變換器的輸入電流、變換器的 輸入電壓、電源的溫度、電源的空間方向和有效的照度。
40.在一個有復(fù)數(shù)與中央負(fù)載連接的DC電源分布式電源系統(tǒng)中(這是一種提高負(fù)載內(nèi) 部元件穩(wěn)定性的方法)，包括將DC電源與中央負(fù)載連接；使中央負(fù)載的輸入保持在固定的預(yù)定電壓上，此電壓值為負(fù)載內(nèi)部元件的安全工作電壓；根據(jù)從DC電源吸收的功率，改變中央負(fù)載的電流輸入值。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中的中央負(fù)載包括一個DC/AC逆變器，保證輸入的 步驟包括保證逆變器的輸入電壓。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其中的連接DC電源包括將每個復(fù)數(shù)太陽能電池板接 到復(fù)數(shù)變換器的相應(yīng)變換器上，并將所有變換器與逆變器連接。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，只要相應(yīng)的太陽能電池板開始輸出電能，又包括了 運(yùn)行每個變換器，以提升由相應(yīng)的太陽能電池板獲得的電壓。
全文摘要
文檔編號H02M3/156GK101953060SQ20078004535
公開日2011年1月19日 申請日期2007年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月6日
發(fā)明者Fishelov Amir, Sella Guy, Handelsman Lior, Adest Meir, Galin Yoav 申請人:Solaredge Technologies