太阳能转换器和控制太阳能转换器的方法
【专利摘要】一种控制器（306）执行控制太阳能转换器（20，300）的方法（400），该太阳转换器经连接以从太阳能源（10）接收输出功率。该方法包含：测量（430）太阳能源的断路电压（VOC）；确定太阳能源所输出的短路电流（ISC）；利用（440）所测量的断路电压（VOC）和所测量的短路电流（ISC）来确定太阳能源的电压最大功率点（VMPP）的估计，该电压最大功率点对应于用于将输出功率从太阳能源传送至负载的最大功率点（MPP）；从所估计的VMPP开始执行（450）扰动观察算法（500），以确定用于将输出功率从太阳能源传送至负载的实际VMPP；以及在实际VMPP处或近似于实际VMPP处操作（470）太阳能转换器。
【专利说明】太阳能转换器和控制太阳能转换器的方法
【技术领域】
[0001]本发明一般地涉及太阳能转换器和控制太阳能转换器的方法。更特别地，本文公开的多种创造性方法和装置涉及用于从太阳能产生设备最大化功率转换的装置和方法。
【背景技术】
[0002]太阳能源被用于多种应用。随着传统化石燃料能源的成本的增加并且由于环境影响而使这些能源受到更少的关注，太阳能源的使用持续扩展。
[0003]采用太阳能面板、能量传送设备、能量存储设备的太阳能系统变得广泛用于地面能量系统中，包括并网和离网的太阳能系统。在太阳能产生系统中，太阳能面板被用来通过光伏效应产生电。太阳能辐射是太阳能系统的输入，并且能量存储设备(诸如一个或多个电池)是太阳能系统的输出。太阳能系统的一个优点在于，其独立于任何电力分布网络并且可用于固定器件和移动器件二者中。
[0004]通常，来自太阳能源的输出功率具有特性曲线，其中输出功率在本文限定为电压最大功率点(VMPP)的特定输出电压处达到最大功率，该最大功率在本文限定为最大功率点(MPP)。在MPP以外的任何其他点处从太阳能源传送功率将比在MPP处操作时效率更低。
[0005]然而通常，太阳能源的MPP将从一个太阳能源到另一个太阳能源变化。此外，给定太阳能源的MPP将随时间变化，特别地由于改变环境条件，并且特别地由于太阳能源所接收的太阳能的量因为所接收的阳光量的改变而改变。
[0006]因此，可能期望的是提供一种方法和装置，其可从具有可变输出功率的能源(诸如太阳能源)提供最大功率传送。进一步可能有利的是提供这样的方法和装置，其可相对快速且准确地收敛于(converge on)最大功率点而无需采用复杂算法。
【发明内容】
[0007]本公开涉及用于太阳能转换器的创造性方法和装置，以及操作太阳能转换器的方法。例如，在某些实施例中，太阳能转换器采用最大功率点追踪算法，该算法采用从太阳能源的断路电压和短路电流来对最大功率点进行初始估计。
[0008]—般而言,在一个方面，提供一种用于控制太阳能转换器的方法，该太阳能转换器经连接以从太阳能源接收输出功率。该方法包括:测量太阳能源的断路电压(V0C);跨太阳能源的输出应用短路；在跨太阳能源的输出应用短路的同时，确定太阳能源所输出的短路电流(ISC);从跨太阳能源的输出移除短路；利用所测量的断路电压(VOC)和所测量的短路电流(ISC)来确定太阳能源的电压最大功率点(VMPP)的初始估计，该电压最大功率点对应于用于将输出功率从太阳能源传送至负载的最大功率点(MPP);从所估计的VMPP开始执行扰动观察算法，以确定用于将输出功率从太阳能源传送至负载的实际VMPP ;以及在该实际VMPP处或近似于该实际VMPP处操作太阳能转换器。
[0009]在一个或多个实施例中，该方法进一步包括重复该测量、应用、确定、移除、利用和执行步骤，以随环境条件的改变来更新实际VMPP，从而导致实际VMPP的改变。[0010]在一个或多个实施例中，该方法进一步包括周期性地重复该测量、应用、确定、移除、利用和执行步骤，以周期性地更新实际VMPP。
[0011]在一个或多个实施例中，利用所测量的VOC和所测量的ISC来确定所估计的VMPP包括求解参数方程，该参数方程将太阳能源的输出电流与太阳能源的输出电压关联起来，并且将太阳能源的输出电压与太阳能源的输出功率关联起来。
[0012]在一个或多个实施例中，利用所测量的VOC和所测量的ISC来确定所估计的VMPP包括将所测量的VOC和所测量的ISC拟合到预定曲线，该预定曲线将太阳能源的输出电流与太阳能源的输出电压关联起来，并且将太阳能源的输出电压与太阳能源的输出功率关联起来。
[0013]在一个或多个实施例中，从所估计的VMPP开始执行扰动观察算法以确定用于将输出功率从太阳能源传送至负载的实际VMPP包括控制升降压转换器，以将太阳能源的输出电压转换成被提供至负载的太阳能转换器的输出电压。
[0014]根据这些实施例的一个可选特征，控制升降压转换器包括调整该升降压转换器中的开关设备的占空因数和开关频率中的至少一个，以在执行扰动观察算法时在实际MPP处或近似于实际MPP处将输出功率从太阳能源传送至负载。
[0015]根据这些实施例的另一可选特征，执行扰动观察算法包括在将输出功率从太阳能源传送至负载的同时，重复地测量太阳能源的输出电压和太阳能源的输出电流。
[0016]一般而言，在另一方面，一种装置包括:输入端口，其被配置成接收太阳能源的输出电压；输出端口，其被配置成连接至负载；短路，其被配置成跨输入端口可选择地连接和断开连接；电流测量设备；电压测量设备；传送设备，其被配置成将太阳能源的输出电压转换成负载处的负载电压；以及控制器，其被配置成控制该装置。该控制器被配置成使该装置执行算法，该算法包含:利用电压测量设备测量太阳能源的断路输出电压(VOC);跨输入端口连接短路；在跨输入端口连接短路的同时，确定太阳能源所输出的短路电流(ISC);从跨输入端口移除短路；利用所测量的断路电压(VOC)和所测量的短路电流(ISC)来确定太阳能源的电压最大功率点(VMPP)的初始估计，该电压最大功率点对应于用于将功率从太阳能源传送至负载的最大功率点(MPP);从所估计的VMPP开始执行扰动观察算法，以确定用于将功率从太阳能源传送至负载的实际VMPP ；以及在实际VMPP处或近似于实际VMPP处操作传送设备。
[0017]在一个或多个实施例中，控制器被进一步配置成使该装置重复该测量、应用、确定、移除、利用和执行步骤，以随环境条件的改变来更新实际VMPP，从而导致实际VMPP的改变。
[0018]在一个或多个实施例中，控制器被进一步配置成使该装置周期性地重复该测量、应用、确定、移除、利用和执行步骤以周期性地更新实际VMPP。
[0019]在一个或多个实施例中，控制器利用所测量的VOC和所测量的ISC以通过求解参数方程来确定所估计的VMPP，该参数方程将太阳能源的输出电流与太阳能源的输出电压关联起来，并且将太阳能源的输出电压与太阳能源的输出功率关联起来。
[0020]在一个或多个实施例中，控制器利用所测量的VOC和所测量的ISC以通过将所测量的VOC和所测量的ISC拟合到预定曲线来确定所估计的VMPP，该预定曲线将太阳能源的输出电流与太阳能源的输出电压关联起来，并且将太阳能源的输出电压与太阳能源的输出功率关联起来。
[0021 ] 在一个或多个实施例中，传送设备包括升降压转换器。
[0022]根据这些实施例的一个可选特征，升降压转换器包括至少一个开关设备，其中控制器被配置成调整升降压转换器中的开关设备的占空因数和开关频率中的至少一个，以使传送设备在执行扰动观察算法时在实际MPP处或近似于实际MPP处将功率从太阳能源传送至负载。
[0023]根据这些实施例的另一可选特征，升降压转换器被配置成在输入端口处所接收的太阳能源的输出电压小于负载电压时操作于升压转换模式中，并且在输入端口处所接收的太阳能源的输出电压大于负载电压时操作于降压转换模式中。
[0024]在一个或多个实施例中，该装置包括太阳能源。根据这些实施例的一个可选特征，该装置进一步包括负载，其中该负载包括电池和光源中的至少一个。
[0025]在一个或多个实施例中，执行扰动观察算法包括在该装置将功率从太阳能源传送至负载的同时，利用电压测量设备重复地测量太阳能源的输出电压并利用电流测量设备重复地测量太阳能源的输出电流。
[0026]如出于本公开的目的而在本文中使用的，术语“LED”应理解为包括任何电致发光二极管，或者能够响应于电信号而产生辐射的载流子注入/基于结的其他类型系统。因此，术语LED包括但不限于响应于电流而发光的多种基于半导体的结构、发光聚合物、有机发光二极管(0LED)、电致发光带等。特别地，术语LED指所有类型的发光二极管(包括半导体和有机发光二极管)，其可被配置成产生在红外光谱、紫外光谱、和可见光谱的各部分(通常包括从大概380纳米到大概780纳米的辐射波长)中的一个或多个中的辐射。LED的某些示例包括但不限于多种类型的红外LED、紫外LED、红色LED、蓝色LED、绿色LED、黄色LED、琥珀色LED、橙色LED、和白色LED (以下进一步讨论)。还应理解，LED可被配置和/或控制成产生具有给定光谱(例如，窄带宽、宽带宽)的各种带宽(例如，半高全宽，或FWHM)，和给定一般颜色分类中的多个主要波长的辐射。
[0027]例如，被配置成产生基本上白色光的LED (例如，白色LED)的一个实现可包括多个管芯，其分别发射不同的电致发光谱，这些电致发光谱通过组合而混合形成基本上白色光。在另一实现，白色光LED可与磷光体材料相关联,该磷光体材料将具有第一光谱的电致发光转换成不同的第二光谱。在该实现的一个示例中，具有相对短波长和窄带宽光谱的电致发光“泵浦”磷光体材料，该磷光体材料继而辐射具有略微更宽光谱、更长波长的辐射。还应理解，术语LED不限制LED的物理和/或电学封装类型。例如，如上所讨论的，LED可指具有多个管芯的单个发光设备，该多个管芯被配置成分别发射不同的辐射谱。
[0028]术语“光源”应理解为是指多种辐射源中的任何一个或多个，其包括但不限于基于LED的源(包括如上所限定的一个或多个LED)、白炽光源(例如，白炽灯、卤钨灯)、荧光源、磷光源、高强度放电源(例如，钠蒸汽灯、汞蒸汽灯、和金属卤化物灯)、激光、其他类型的电致发光源、焦致发光源(例如，火焰)、烛光源(例如，气灯罩、碳弧辐射源)、光致发光源(例如，气体放电源)、使用电子饱和的阴极发光源、流电发光源、结晶发光源、运动发光源、热发光源、摩擦发光源、声纳发光源、辐射发光源及发光聚合物。
[0029]术语“控制器”在本文中通常用来描述涉及功率转换器的操作的各种装置。控制器可以多种方式(例如，诸如使用专用硬件)实现以执行本文所讨论的各种功能。“处理器”为控制器的一个示例，其采用可使用软件(例如，微代码)编程的一个或多个微处理器来执行本文所讨论的各种功能。这样的微代码可存储在与处理器相关联的存储设备(例如，静态存储设备)中。可在采用或不采用处理器的情况下实现控制器，并且控制器也可实现为执行一些功能的专用硬件与执行其它功能的处理器的组合(例如，一个或多个编程的微处理器及相关电路)。可在本公开的多种实施例中采用的控制器组件的示例包括但不限于常规微处理器、专用集成电路(ASIC)、以及现场可编程门阵列(FPGA)。控制器还可包括一个或多个相关设备，诸如驱动器、模拟数字转换器(ADC)、比较器等。
[0030]应当理解，当元件被称为“连接”或“耦合”至另一元件时，其可直接连接或耦合至另一元件或者可能存在中间元件。相反地，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”至另一元件时，不存在中间元件。
[0031]如本文所使用的，词语“近似”应意指在±2%以内。如本文所使用的，当第一值被称为“大约为”第二值时，应意指第一值在第二值的土 10%以内。
[0032]应当了解，前述概念与下文更详细地讨论的附加概念的所有组合(假如这些概念并非相互不一致)被预期为本文所公开的创造性主题的一部分。特别地，出现在本公开结尾处的所要求保护的主题的所有组合被预期为本文所公开的创造性主题的一部分。还应了解，在本文中明确采用的并且也可出现在通过引用而并入的任何公开内容中的术语应被赋予与本文所公开的特定概念最一致的含义。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]在附图中，相同参考字符在不同视图中通常是指相同部分。另外，附图未必按比例绘制，替代地通常加有强调以图示本发明的原理。
[0034]图1图示了太阳能系统的示例性布置。
[0035]图2图示了太阳能源的示例性性能曲线。
[0036]图3为太阳能转换器的示例性实施例的功能框图。
[0037]图4为图示操作太阳能转换器的方法的示例性实施例的流程图。
[0038]图5为图示可在图4所示方法中采用的扰动观察算法的示例性实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0039]如上所讨论的，通常来自太阳能源的输出功率具有特性曲线，其中输出功率在本文限定为电压最大功率点(VMPP)的特定输出电压处达到最大功率，该最大功率在本文限定为最大功率点(MPP)。在MPP以外的任何其他点处从太阳能源传送功率将比在MPP处操作时效率更低。
[0040]因此，本发明人已经认识并理解到可能有利的是提供一种方法和装置，其能够在最大功率点处或近似于最大功率点处将功率从太阳能源传送至负载。进一步可能有利的是提供这样的方法和装置，其可相对快速且准确地收敛于最大功率点而无需采用复杂算法。
[0041]鉴于以上所述，本发明的多种实施例和实现涉及用于在太阳能源的最大功率点处或其附近将功率从太阳能源传送至负载的方法和装置。
[0042]图1图示了太阳能系统100的示例性布置。太阳能系统100包括太阳能源10、太阳能转换器20、和负载30。太阳能源10从光源(通常为太阳)接收太阳能，并且响应于此而产生输出电压和输出电流，该输出电压和输出电流一起限定输出功率。在某些实施例中，太阳能源10包括一个或多个太阳能电池，包括例如一个太阳能电池或太阳能电池阵列，诸如一个或多个太阳能面板。太阳能电池(常常称为光伏电池或光电池)通常为固态电气设备，其通过光伏效应将光能直接转换成电。
[0043]太阳能转换器20控制输出功率从太阳能源10至负载30的传送。太阳能转换器20的示例性实施例将在下文更详细地描述，特别地结合图3-5描述。
[0044]在某些实施例中，负载30包括电池系统,其包括一个或多个电池，该电池可通过经由太阳能转换器20而从太阳能源10提供的功率来充电。在某些实施例中，替代于或附加于电池系统，负载30可附加地或替代性地包括一个或多个光源。这些光源可包含一个或多个固态光源，诸如基于发光二极管(LED)的光源。
[0045]如上所述，通常来自太阳能源10的输出功率具有特性曲线，其中输出功率在本文限定为电压最大功率点(VMPP)的特定输出电压处达到最大功率，该最大功率在本文限定为最大功率点(MPP)。
[0046]图2图示了太阳能源(诸如太阳能系统100中的太阳能源10)的示例性性能曲线200。特别地，图2图示了曲线210，其绘出太阳能源10的输出电流(I)作为输出电压(V)的函数(即，I对V的关系)，并且图示了曲线220，其绘出太阳能源10的输出功率(P)作为输出电压(V)的函数(即，P对V的关系)。此处输出功率P理解为输出电压V和输出电流I的乘积:P=V*I。如图2所示，当输出电压为零时所发生的短路电流标为ISC，并且当输出电流为零时所发生的断路电压标为V0C。
[0047]如图2所示，曲线220在点222处呈现最大值，其在本文称为最大功率点(MPP)。该点为太阳能源10输出最大输出功率(本文称为功率最大功率点(PMPP))的操作点，并且因此所有其他等价替代表示太阳能系统100的最有效操作点。图2还示出了电压最大功率点(VMPP)，其为对应于最大功率点的输出电压V的值。图2还示出了在短路电流点ISC(V=O)和断路电压点VOC (I=O)两处的输出功率为零。
[0048]如图2还图示的，曲线210具有其中输出电压V等于VMPP的点212，在该点处输出电流I等于电流最大功率点(頂PP)，其为对应于最大功率点的输出电流I的值。即:PMPP=VMPP*IMPPO
[0049]如上所述，通常太阳能源10的MPP将从一个设备到另一个设备变化。此外，给定太阳能源10的MPP将随时间变化，特别地由于改变环境条件，并且特别地由于太阳能源所接收的太阳能的量因为所接收的阳光量的变化而变化。
[0050]因此，期望的是太阳能转换器20定位并追踪太阳能转换器10的MPP，并且控制输出功率从太阳能转换器20至负载30的传送以在MPP处操作。这在本文中被称为最大功率点追踪(MPPT)。
[0051]多种不同方案已被考虑用于控制太阳能转换器。这些方案有:(I)恒压控制技术(CVT);(2)扰动观察(P&0)技术；以及(3)电导增量技术(IncCond)。这些技术的多种组合也已被考虑。这些技术中的每一个呈现特定的优点和缺点，如下文表I所示。
[0052]表I
【权利要求】
1.一种控制太阳能转换器(20，300)的方法(400)，所述太阳能转换器经连接以从太阳能源(10)接收输出功率，所述方法包括: 测量(430)所述太阳能源(10)的断路电压(VOC)； 跨所述太阳能源的输出应用(430)短路； 在跨所述太阳能源的输出应用短路的同时，确定(430)所述太阳能源(10)输出的短路电流(ISC)； 从跨所述太阳能源的输出移除(430)短路； 利用(440)所测量的断路电压(VOC)和所测量的短路电流(ISC)来确定所述太阳能源的电压最大功率点(VMPP)的估计，所述电压最大功率点对应于用于将输出功率从所述太阳能源传送至负载(30)的最大功率点(MPP)； 从所估计的VMPP开始执行(450)扰动观察算法(500)，以确定(460)用于将输出功率从所述太阳能源传送至所述负载的实际VMPP ;以及 在实际VMPP处或近似于实际VMPP处操作(470)所述太阳能转换器。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括重复所述测量、应用、确定、移除、利用和执行步骤，以随环境条件的变化来更新实际VMPP，从而导致实际VMPP的变化。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括周期性地重复所述测量、应用、确定、移除、利用和执行步骤，以周期性地更新实际VMPP。
4.根据权利要求1所述的方法，其中利用所测量的VOC和所测量的ISC来确定所估计的VMPP包括求解参数方程，所述参数方程将所述太阳能源的输出电流与所述太阳能源的输出电压(301)关联起来，并且将所述太阳能源的输出电压与所述太阳能源的输出功率关联起来。
5.根据权利要求1所述的方法，其中利用所测量的VOC和所测量的ISC来确定所估计的VMPP包括将所测量的VOC和所测量的ISC拟合到预定曲线(210，220)，所述预定曲线将所述太阳能源的输出电流与所述太阳能源的输出电压(301)关联起来，并且将所述太阳能源的输出电压与所述太阳能源的输出功率关联起来。
6.根据权利要求1所述的方法，其中从所估计的VMPP开始执行扰动观察算法以确定用于将输出功率从所述太阳能源传送至所述负载的实际VMPP包括控制升降压转换器(304)，以将所述太阳能源的输出电压(301)转换成被提供至所述负载的所述太阳能转换器的输出电压(308)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中控制所述升降压转换器包括调整所述升降压转换器中的开关设备的占空因数和开关频率中的至少一个，以在执行扰动观察算法时在实际MPP处或近似于实际MPP处将输出功率从所述太阳能源传送至所述负载。
8.根据权利要求6所述的方法，其中执行扰动观察算法包括在将输出功率从所述太阳能源传送至所述负载的同时，重复地测量所述太阳能源的输出电压和所述太阳能源的输出电流。
9.一种装置(300)，包括: 输入端口(310)，其被配置成接收太阳能源(10)的输出电压(301)； 输出端口(320)，其被配置成连接至负载(30)； 短路(302 )，其被配置成跨所述输入端口可选择地连接和断开连接；电流测量设备(307)； 电压测量设备(307); 传送设备(304)，其被配置成将所述太阳能源的输出电压转换成所述负载处的负载电压(308);以及 控制器(306 )，其被配置成使所述装置执行算法，所述算法包括: 利用所述电压测量设备测量(430)所述太阳能源的断路输出电压(VOC); 跨所述输入端口连接(430)短路； 在跨所述输入端口连接短路的同时，确定(430)所述太阳能源输出的短路电流(ISC); 从跨所述输入端口移除(430)短路； 利用(440)所测量的断路电压(VOC)和所测量的短路电流(ISC)来确定所述太阳能源的电压最大功率点(VMPP)的初始估计，所述电压最大功率点对应于用于将功率从所述太阳能源传送至所述负载的最大功率点(MPP)； 从所估计的VMPP开始执行(450)扰动观察算法(500)，以确定(460)用于将功率从所述太阳能源传送至所述负载的实际VMPP ;以及 在实际VMPP处或近似于实际VMPP处操作(470)所述传送设备。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述控制器被进一步配置成使所述装置重复所述测量、应用、确定、移除、利用和执行步骤，以随环境条件的变化来更新实际VMPP，从而导致实际VMPP的变化。
11.根据权利要求9所述的装置，其中所述控制器被进一步配置成使所述装置周期性地重复所述测量、应用、确定、移除、利用和执行步骤，以周期性地更新实际VMPP。
12.根据权利要求9所述的装置，其中所述控制器利用所测量的VOC和所测量的ISC以通过求解参数方程来确定所估计的VMPP，所述参数方程将所述太阳能源的输出电流与所述太阳能源的输出电压关联起来，并且将所述太阳能源的输出电压与所述太阳能源的输出功率关联起来。
13.根据权利要求9所述的装置，其中所述控制器利用所测量的VOC和所测量的ISC以通过将所测量的VOC和所测量的ISC拟合到预定曲线来确定所估计的VMPP，所述预定曲线将所述太阳能源的输出电流与所述太阳能源的输出电压关联起来，并且将所述太阳能源的输出电压与所述太阳能源的输出功率关联起来。
14.根据权利要求9所述的装置，其中所述传送设备包括升降压转换器(304)。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述升降压转换器包含至少一个开关设备，并且其中所述控制器被配置成调整所述升降压转换器中的开关设备的占空因数和开关频率中的至少一个，以使所述传送设备在执行扰动观察算法时在实际MPP处或近似于实际MPP处将功率从所述太阳能源传送至所述负载。
16.根据权利要求14所述的装置，其中所述升降压转换器被配置成在所述输入端口处所接收的太阳能源的输出电压小于负载电压时操作于升压转换模式中，并且在所述输入端口处所接收的太阳能源的输出电压大于负载电压时操作于降压转换模式中。
17.根据权利要求9所述的装置，进一步包括所述太阳能源(10)。
18.根据权利要求17所述的装置，进一步包括所述负载(30)，其中所述负载包含电池和光 源中的至少一个。
19.根据权利要求9所述的装置，进一步包括所述负载，其中所述负载包含一个或多个电池。
20.根据权利要求9所述的装置，其中执行扰动观察算法包括在所述装置将功率从所述太阳能源传送至所述负载的同时，利用所述电压测量设备重复地测量所述太阳能源的输出电压并利用 所述电流测量设备重复地测量所述太阳能源的输出电流。
【文档编号】G05F1/67GK104040454SQ201380005285
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2013年1月4日 优先权日:2012年1月11日
【发明者】王洪波, 徐建林, 陈执权, Z.周 申请人:皇家飞利浦有限公司