专利名称：利用自适应阈值电子化管理光伏电池的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光伏(photovoltaic)发电机的领域，尤其涉及集成了电子系统的光伏模块；这种类型的模块包括光伏发电机和电子化管理光伏电池的系统。
背景技术：
在本身已知的方式中，光伏发电机(PVG)包括串联和/或并联的一个或多个光伏(PV)电池(cell)。在无机材料的情况下,光伏电池主要包含在半导体材料的基础上形成的(pn或pin结)二极管。这种材料具有吸收光能的性质，光能的很大一部分可以转移给载流子(电子和空穴)。通过掺杂分别N型和P型的两个区域一可能被非掺杂区(称为“本征”和在Pin结中用“i”表示)分开一构成(pn或pin结)二极管使载流子可以因它们而分开，然 后经由光伏电池包含的电极收集起来。光伏电池可以供应的最大电位差(开路电压W和最大电流(短路电流Irc)是构成整个电池的材料和这个电池周围的状况(包括通过光谱强度表示的照度、温度等)两者的函数。在有机材料的情况下，模型大为不同一进一步涉及产生称为激子(exciton)的电子-空穴对的施主和受主材料的概念。目的仍然相同将载流子分开以便加以收集并产生电流。图I示意性地示出了光伏发电机(按照现有技术)的例子。大多数光伏发电机包含至少一个面板，该面板本身包含串联和/或并联的光伏电池。可以将多组电池串联起来以提高面板的总电压；也可以将多组电池并联起来以提高系统输送的强度。同样，可以按照应用将多个面板串联和/或并联起来以增大发电机的电压和/或安培数。图I示出了包含两个并联分支的光伏发电机，每个分支包含三组电池2。为了保证光伏发电机的电安全，可以配备止回二极管3和旁路二极管4。止回二极管3与发电机的每个并联分支串联，以避免从负载或从发电机的其它分支到来的负电流流入电池中。旁路二极管4与电池组2反并联。旁路二极管4使存在缺陷或遮挡问题的电池组2能够被分开并解决热点的问题。发电机的最大电压对应于包含的电池的最大电压之和，发电机可以输送的最大电流对应于电池的最大电流之和。对于没有负载的电池，即，对于零输送电流(开路)，达到电池的最大电压而当其两端被短路时，S卩，对于电池两端上的零电压，达到电池的最大电流I。。。最大值Vtx;和I。。取决于用于实现光伏电池的技术和材料。电流的最大值I。。还十分依赖于电池的日照水平。因此，光伏电池存在非线性电流/电压特性(IPV，Vpv)和最大功率点(MPP)与最佳电压值Vtjpt和最佳电流值1_相对应的功率特性。图2示出了具有最大功率点(在图中用PPM标识)的光伏电池的电流/电压(IPV，VPV)和功率/电压(Ppv，Vpv)特性。类似地，光伏发电机存在非线性电流/电压特性和具有最大功率点的功率特性。如果电池的一部分被遮挡了，或如果电池组的一个或多个电池有缺陷，则这个电池组的最大功率点MPP将发生位移。已知的做法是通过使用称为最大功率跟踪(MPPT)的搜索最大功率的命令优化光伏发电机的运行。可以将这种类型的MPPT命令与一个或多个静态转换器(CS)相关联，按照应用，这种静态转换器(CS)可以是直流电/交流电(DC/AC)转换器或直流电/直流电(DC/DC)转换器。因此图I示出了与发电机的输出端连接和收集发电机的所有电池产生的电能以便将它输送给负载的DC/AD静态转换器8。按照负载的要求，可以使转换器增大或减小输出电压和/或使输出电压反向。因此图I示出了与转换器8相关联的MPPT命令6。MPPT命令6被设计成控制转换器8，以便获得与对应于功率特性的最大功率点的光伏发电机(PVG)的最佳电压值V_相对应的输入电压。最大功率点取决于随时间可变的多个参数，尤其，出现的日照、电池的温度或老化或处在工作状态下的电池的数量。这样，光伏发电机的输出受某些电池的故障或遮挡的不利影响不太大。发电机的电输出直接取决于每个光伏电池的状态。光伏发电机输送的功率将随日照而变。尤其，不是一个而是两个，三个或甚至更多个转换器可以随功率而变地使用。该方法在于使(电池或级)转换器的数量随PVG产生的功率的变化而变化。事实上，为了管理相当大的功率变化，使用单个转换器未必是有利的，转换输出受到不利影响。根据单级(single phase)构成的功率转换器(或单个转换器)的输 出在PV功率供应最大时减小，而包括三个转换器的结构具有与输送的PV功率无关地保持几乎恒定输出的趋势。图3示出了这种类型的装置，其在PV电池的输出端上包括三个CS (在这种情况下，是升压(BOOST)转换器)。这些转换器与设备的峰功率(Ppeak)有关地随着发电机功率的变化被致动。在已知的方式中，当PVG输送的功率小于等于Ppeak的1/3时，使用一个CS ;当PVG输送的功率在Ppeak的1/3到2/3之间时，使用2个CS ;而当PVG输送的功率大于Ppeak的2/3时，使用3个CS。因此，需要增大PVG的转换输出。
发明内容
因此，本发明提供了电子化管理光伏发电机的系统，该系统包括-并联的多(η)个静态转换器(11，12，13)，每个转换器(11，12，13)与所述发电机的至少一个光伏电池(10)电连接，-连接的转换器的数量通过将产生的功率与阈值P1，P2，.. . ,Pn-I相比较来确定，这些阈值被定义成大致在数量增加转换器的效率曲线的交点上的功率值。按照一个实施例，η等于3。按照一个实施例，第一阈值小于1/3，优选的是在20%与33%之间，有利的是在23%与32%之间。按照一个实施例，第二阈值小于2/3，优选的是在35%与55%之间，有利的是在40%与50%之间。按照一个实施例，阈值取决于所述至少一个光伏电池的最佳电压值V_。按照一个实施例，阈值取决于转换器的输入电压，有利的是，该输入电压是所述至少一个光伏电池的最佳电压值Vtjpt。按照一个实施例，阈值取决于一年的时段(period)和/或取决于阳光。按照一个实施例，阈值取决于转换器的占空比。按照一个实施例，阈值取决于转换器的温度。
按照一个实施例，阈值取决于转换器的老化。按照一个实施例，确定阈值并将其存储在管理系统的存储器中，应用的阈值可随光伏发电机的参数的测量值而变地修改。按照一个实施例，该系统包含确定作为功率的函数的效率曲线的设备。按照系统中的CS旋转的一个实施例，依次连接转换器。按照CS旋转的这个实施例的一个可替代实施例，在应用的转换器的数量变化的情况下实现转换器的旋转。按照CS旋转的这个实施例的一个可替代实施例，转换器的旋转取决于转换器的部件的状态。 本发明的主题也是包括如下的光伏发电机-至少一个光伏电池；-按照本发明的管理系统。本发明的主题也是控制光伏发电机的方法，该光伏发电机包括-至少一个光伏电池；-并联的多(η)个静态转换器(11，12，13)，每个转换器(11，12，13)与至少一个光伏电池(10)电连接；所述方法包括如下步骤-确定所述至少一个光伏电池产生的功率并将其与峰功率相比较；-与阈值PI,Ρ2，…，Pn-I相比较；-这些阈值Pl，Ρ2，.. .，Pn-I被定义成大致在至少一个光伏电池的数量增加转换器的效率曲线的交点上的功率值；-当测量的功率值位于Pi-I与Pi之间时，连接i个转换器，或如果测量的功率值大于Pn-I，则连接所有转换器。按照CS旋转的一个实施例，在按照本发明的方法中-当所有转换器都未连接时，在连接其它转换器期间不再连接第i转换器。按照CS旋转的这个实施例的一个可替代实施例，该方法包括如下步骤-连接至少一个第一转换器；-连接更多数量转换器；-然后，在连接更少数量转换器的情况下，不连接所述第一转换器。按照CS旋转的这个实施例的一个可替代实施例，在该方法中，当测量的功率值在阈值Pi-I与Pi之间变化时，执行使转换器旋转的步骤。按照CS旋转的这个实施例的一个可替代实施例，该方法包括如下步骤-确定每个转换器的使用持续时间和/或使用次数；以及-连接转换器，以便在给定时段内所述转换器的使用持续时间和/或使用次数差不多相等。本发明的方法尤其适用于按照本发明的发电机。
在附图中
-图I(已经描述过)示出了现有技术的光伏发电机的图；-图2(已经描述过)示出了光伏电池的理论电流/电压和功率特性；-图3示出了包括多个转换器(这里，BOOST型的3个静态转换器CS)的PVG的图；-图4示出了3个CS的效率曲线；-图5示出了本发明的随一天的时间而变的CS数量；以及-图6示出了用在这些例子中的方案。
具体实施例方式本发明提供了电子化管理包含多个(电池或级)转换器的光伏发电机的系统，该转换器可以是与光伏电池连接的通常三个DC/AC或DC/DC转换器。该转换器与至少一个光伏电池电连接，以便收集这个电池产生的能量并将其传送给负载。术语“负载”指的是旨在使用光伏发电机产生的能量的电应用。如下的描述针对3个转换器给出，但应该明白，本发明可同样应用于更多数量。CS是下面用于指示(在这种情况下，静态)转换器的缩写。在传统方式中，这些转换器通过称为MPPT的命令控制。例如，这个最大功率点跟踪命令MPPT可以实现识别电压变化对发电机输送的功率的影响以及使电压沿着识别为功率增大的方向漂移的算法。因此，这种类型算法在于针对第一电压测量发电机输送的功率，以及在某个时间之后，施加高于第一电压的第二电压，然后测量或估计相应功率。在与第二电压相对应的功率高于与第一电压相对应的功率的情况下，该算法的下一个步骤是施加甚至更高的第三电压。在相反情况下，应用的第三电压低于第一电压。因此，逐渐地，该系统可以不断适应光伏发电机端子上的电压，以便尽可能接近地近似在最大功率点上。应该明白，对于MPPT命令，也可以实现其它算法。图3示出了这种类型的系统，该PVG包括与CS 11，12，13(B00ST 1，2和3)和MPPT命令单元14连接的光伏单元10，CS的输出端与蓄电池15连接。转换器的控制结合转换器的效率曲线。在图4中给出了这样的曲线。这个图中表示的是一级，二级和三级的效率。举例来说，Ppeak出现在85W上。应该注意到，对于一级，效率增大到大约l/3Ppeak的点。对于二级,效率增大到功率值位于大约35W到40W之间的点。对于三级，效率从这个点向前更大。现有技术的应用对应于转换器数量变化的两个预定阈值。作为MPPT管理系统测量的功率，即，小于l/3Ppeak，在1/3与2/3Ppeak之间，和大于2/3 Ppeak的函数，该管理系统然后应用一个，两个或三个转换器。本发明顾及作为转换器数量的函数的效率的真实曲线。然后试图优化作为转换器数量的函数的效率，并作为它们数量的函数地确定转换器的功率曲线的交点。因此，在图4中，一个转换器和两个转换器的效率曲线之间的第一交点给出第一阈值P1，然后将该阈值存储在管理系统的存储器中。当电池PV输送的功率低于这个阈值时，应用一个CS，而当功率高于这个阈值Pl时，则应用2个CS。图4还示出了 2个CS的曲线与3个CS的曲线之间的交点。应该注意到，前面效率较高的阈值相对于2/3上的点偏移很大。这个第二点是阈值P2，作为电池PV输送的功率的函数以及通过它们与Ppeak的比较，低于阈值P2应用2个CS，高于阈值P2应用3个CS。现有技术基于从转换器的数量最佳则效率最佳的假定出发，在三个转换器的情况下一分为三。对于三个转换器，最佳数量是1，2或3，跨度被划分成3段。本发明通过采用转换功率尽可能接近真实的阈值，摆脱了这种假设。在图4中可以观察到，利用本发明的效
率最大。在所表示的情况下，Pl和P2的值分别是28%和45%。一般情况下，阈值Pl低于1/3，通常在20%与30%之间，有利的是在23%与32%之间。一般说来，阈值P2低于2/3，通常在35%与55%之间，有利的是40%与50%之间。当然，可以随使用的设备而变地确定其它值。因此，随一天的时间而变地使用适当数量的CS。图5代表随一天的时间而变的CS数量。3个CS的实施例是一天当中最突出的那个，而按照现有技术只代表三分之一。相同的原理可应用于任何数量的转换器，无论是2个，3个，4个还是更多个，连接的转换器的数量(总共η个转换器当中)通过将产生的功率与阈值Pl，P2，. . . ,Pn-I相比较来确定，这些阈值被定义成数量增加转换器的效率曲线的交点上的功率值，阈值Pl是I个和2个转换器的效率曲线之间的交点，阈值Pn-I是η-I个和η个转换器的效率曲线之间的交点。阈值Pl和Ρ2随用于制造GPV的装置而变。可以作为级数的函数地测量CS的效率曲线，即，画出图4的曲线并将这些值存储在管理系统的存储器中。然后系统可以不修改地使用这些值。也可以顾及影响效率曲线的因素。尤其，可以顾及一年的季节和/或电子设备本身的特性。一年的季节是可能顾及的因素，因为面板PV的温度随季节而变。面板的特性也随季节而变，尤其，随一年的时段而变的最佳电压值。举例来说，可以让最佳电压值v_按如下变化(当面板温度升高时，降低最佳电压值):
权利要求
1.一种电子化管理光伏发电机的系统,该系统包括 -并联的多(η)个静态转换器(11，12，13)，每个转换器(11，12，13)与所述发电机的至少一个光伏电池(10)电连接， -连接的转换器的数量通过将产生的功率与阈值P1，P2，. . . ,Pn-I相比较来确定，这些阈值被定义成大致在数量增加转换器的效率曲线的交点上的功率值。
2.如权利要求I所述的系统，其中η等于3。
3.如权利要求2所述的系统，其中第一阈值小于1/3，优选的是在20%与33%之间，有利的是在23%与32%之间。
4.如权利要求2或3所述的系统，其中第二阈值小于2/3，优选的是在35%与55%之间，有利的是在40%与50%之间。
5.如权利要求I到4之一所述的系统，其中阈值取决于所述至少一个光伏电池的最佳电压值。
6.如权利要求I到5之一所述的系统，其中阈值取决于转换器的输入电压，有利的是，该输入电压是所述至少一个光伏电池的最佳电压值V_。
7.如权利要求5或6所述的系统,其中阈值取决于一年的时段和/或取决于阳光。
8.如权利要求I到7之一所述的系统，其中阈值取决于转换器的占空比。
9.如权利要求I到8之一所述的系统，其中阈值取决于转换器的温度。
10.如权利要求I到9之一所述的系统，其中阈值取决于转换器的老化。
11.如权利要求I到10之一所述的系统，其中确定阈值并将其存储在管理系统的存储器中，应用的阈值可随光伏发电机的参数的测量值而变地修改。
12.如权利要求I到11之一所述的系统，包含确定作为功率的函数的效率曲线的设备。
13.如权利要求I到12之一所述的系统，其中依次连接转换器。
14.如权利要求13所述的系统，其中在利用的转换器的数量变化的情况下实现转换器的旋转。
15.如权利要求13或14所述的系统，其中转换器的旋转取决于转换器的部件的状态。
16.—种光伏发电机,其包括 -至少一个光伏电池； -如权利要求I到15之一所述的管理系统。
17.—种控制光伏发电机的方法,该光伏发电机包括 -至少一个光伏电池； -并联的多(η)个静态转换器(11，12，13)，每个转换器(11，12，13)与至少一个光伏电池(10)电连接； 所述方法包括如下步骤 -确定所述至少一个光伏电池产生的功率并将其与峰功率相比较； -与阈值P1，P2，...，Pn-I相比较； -这些阈值Pl，Ρ2，. . .，Pn-I被定义成大致在至少一个光伏电池的数量增加转换器的效率曲线的交点上的功率值； -当测量的功率值位于Pi-I与Pi之间时，连接i个转换器，或如果测量的功率值大于Pn-I，则连接所有转换器。
18.如权利要求17所述的方法，其中 -当所有转换器都未连接时，在连接其它转换器期间不再连接第i转换器。
19.如权利要求18所述的方法，所述方法包括如下步骤 -连接至少一个第一转换器； -连接更多数量转换器； -然后，在连接更少数量转换器的情况下，不连接所述第一转换器。
20.如权利要求18和19之一所述的方法，其中当测量的功率值在阈值Pi-I与Pi之间变化时，执行使转换器旋转的步骤。
21.如权利要求18到20之一所述的方法，所述方法包括如下步骤 -确定每个转换器的使用持续时间和/或使用次数；以及 -连接转换器，以便在给定时段内所述转换器的使用持续时间和/或使用次数差不多相等。
22.如权利要求18到21之一所述的方法，用于控制如权利要求16所述的光伏发电机。
全文摘要
本发明涉及一种电子化管理光伏发电机的系统，所述系统包含并联的多(n)个静态转换器(11，12，13)，每个转换器(11，12，13)与所述发电机的至少一个光伏电池(10)电连接。连接的转换器的数量通过将产生的功率与阈值P1，P2，...，Pn-1相比较来确定，这些阈值被定义成大致在数量增加转换器的性能曲线的交点上的功率值。本发明还涉及包含所述系统的光伏发电机和相关控制方法。
文档编号G05F1/67GK102782602SQ201080063612
公开日2012年11月14日 申请日期2010年12月10日 优先权日2009年12月11日
发明者A.贝拉萨特吉, B.埃斯蒂巴尔斯, C.卡巴尔, C.阿隆索, M.弗米尔希, S.佩蒂邦 申请人:国家科学研究中心, 道达尔股份有限公司