专利名称：智能虚拟低电压光伏模块和使用其的光伏电力系统的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及光伏(PV)模块，更特定来说，涉及具有低输出电压的智能虚拟 低电压光伏模块和使用其的光伏系统。
背景技术：
最近，环境问题的意识遍布全世界。由于处置太阳能电力的较高安全性和简易性， 光伏产业已以逐渐增加的速度增长以帮助满足我们的世界的电力需要。光伏电力系统中利用的光伏模块具有各种形式，典型的是例如晶体硅PV模块、多 晶硅PV模块、非晶硅PV模块、铜铟二硒化物PV模块、碲化镉PV模块、砷化镓PV模块和化 合物半导体(例如，GalnP/GaAs/Ge) PV模块。在这些PV模块中，通过在导电衬底上沉积硅 且在上面形成透明导电层而产生的薄膜非晶硅PV模块被认为在未来较有前途，因为其重 量轻且还高度耐冲击且是柔性的。具有低输出电压的光伏模块由于例如较低的布线成本和较容易的串设计等许多 优点而更有利。然而，典型的薄膜非晶硅光伏模块常常具有高输出电压，例如高于50伏。已 提出用以降低PV模块的输出电压的PV模块中的并联(而不是串联)连接的PV单元以避 免此问题。然而，并联连接产生额外的死区且因此降低效率。
发明内容
鉴于上文，提供一种具有低输出电压的智能虚拟低电压光伏模块，其可提供例如 减少的导线成本和较容易的串设计等优点。另外，还提供使用所述智能虚拟低电压光伏模 块的光伏电力系统，其可解决PV模块之间的失配问题且还可具有高转换效率。在一个方面中，提供一种智能虚拟低电压光伏模块，所述模块包括PV模块，其具 有一个或一个以上光伏单元，所述PV模块经配置以将太阳能转换为DC电力；以及DC/DC转 换单元，其耦合在所述PV模块与控制中心之间，所述DC/DC转换单元经配置以从所述控制 中心获取由所述控制中心确定的电平值，以便将从所述PV模块接收的所述DC电力转换为 具有所述电平值的所需输出电压。在另一方面中，提供使用所述智能虚拟低电压PV模块的PV电力系统，其包括控 制中心，其经配置以确定一个或一个以上所需输出电压的相应电平值；一个或一个以上智 能虚拟低电压PV模块，其耦合到所述控制中心，所述一个或一个以上智能虚拟低电压PV模 块各自如上所描述进行配置；以及换流器，其耦合到所述一个或一个以上智能虚拟低电压 PV模块，所述换流器经配置以将从所述一个或一个以上智能虚拟低电压PV模块接收的系 统输出电压转换为AC电压。在又一方面中，提供一种电力转换方法，其包括将太阳能转换为一个或一个以上 DC输入信号；从所述一个或一个以上DC输入信号中的每一者分别产生瞬时最大功率信息； 基于所述瞬时最大功率信息而确定一个或一个以上所需输出电压的相应电平值；以及将所 述一个或一个以上DC输入信号分别转换为所述一个或一个以上所需输出电压的所述所确
4定的电平值。下文在题为“具体实施方式
”的部分中描述这些和其它特征、方面和实施例。
结合附图描述特征、方面和实施例，其中图1是说明根据一实施例的智能虚拟低电压PV模块的架构的示意图；图2是说明根据一实施例的PV电力系统的架构的示意图；以及图3是说明根据一实施例的确定所需输出电压的电平值的流程图。
具体实施例方式图1是说明根据一实施例的智能虚拟低电压光伏(PV)模块100的架构的示意图， 其中智能虚拟低电压PV模块100能够提供所需输出电压V0D，其具有由控制中心110确定 的电平值，控制中心110有线地或无线地耦合到智能虚拟低电压PV模块100。如图示，智能 虚拟低电压PV 100包括PV模块120和DC/DC转换单元130。PV模块120经配置以将太阳能转换为DC电力以输出到DC/DC转换单元130。为 实现此，PV模块120可具有一个或一个以上光伏单元(也称为太阳能单元)，其串联连接、 并联连接或其组合。另外，PV模块120可为任何类型的PV模块，例如晶体硅PV模块、多晶 硅PV模块、非晶硅PV模块、铜铟二硒化物PV模块、碲化镉PV模块、砷化镓PV模块、化合物 半导体(例如，GaInP/GaAS/Ge)PV模块和所属领域的技术人员已知的或市售的其它PV模 块。在特定实施例中，可实施薄膜非晶硅光伏模块。可耦合在PV模块120与控制中心110之间的DC/DC转换单元130经配置以获取 由控制中心确定的电平值，以便将来自PV模块120的DC电力输出转换为具有所述电平值 的所需输出电压V0D。在特定实施例中，在DC/DC转换单元130从PV模块120接收DC电力之后，其可将 所接收DC电力的瞬时最大功率信息报告给控制中心110，其中举例来说，瞬时最大功率信 息可包含所接收DC电力的最大功率值，或者对应于最大功率值的电压和电流值。DC/DC转 换单元130可随后从控制中心110获取由控制中心110确定的所需输出电压VOD的电平值， 以便将DC电力转换为具有所述电平值的所需输出电压。图1还说明DC/DC转换单元130的详细实施例。如图示，DC/DC转换单元130包 括最大功率点跟踪器(MPPT) 132、DC/DC步降转换器134和控制器136。可耦合在PV模块120与DC/DC步降转换器134之间的MPPT 132经配置以跟踪从 PV模块120产生的输入DC信号SID的最大功率操作点，以便在各种环境条件下最大化从 PV模块120传送到与智能虚拟低电压PV模块100(直接或间接)耦合的负载(未图示)的 DC电力。可耦合在MPPT 132与控制器136之间的DC/DC步降转换器134经配置以根据控 制器136的控制将从MPPT 132产生的DC输入电压VID转换为所需输出电压V0D。另外，所 需输出电压VOD的电平优选低于DC输入电压VID的电平。可耦合在DC/DC步降转换器1；34与控制中心110之间的控制器136经配置以管理 其间的通信，进而根据控制中心110的控制而确定DC/DC步降转换器134的电压转换比率。在一些实施例中，控制器136可与控制中心110无线地耦合。举例来说，控制器136可具有 无线通信接口 136a，无线通信接口 136a具有与控制中心110进行无线通信的能力。或者， 控制器136可与控制中心110有线地耦合。在以下描述中，参考DC/DC转换单元130的详细实施例阐释转换操作过程。DC/DC步降转换器134在从MPPT 132接收到关于最大功率操作点的信息(下文 称为“瞬时最大功率信息”)之后可接着将瞬时最大功率信息传输到控制器136，控制器136 可接着将瞬时最大功率信息转发到控制中心110。瞬时最大功率信息可包含从PV模块120 产生的输入DC信号SID的最大功率值，或者对应于最大功率值的最大功率电压和最大功率 电流值。可容易了解，在替代实施例中，可通过控制器136将瞬时最大功率信息从MPPT 132 直接传输到控制中心110。在接收到瞬时最大功率信息之后，控制中心110可接着基于所接收的瞬时最大功 率信息以及其它信息(例如，换流器的最佳输入电压)而确定所需输出信号VOD的电平值。 控制中心110接着将所需输出信号VOD的所确定电平值发送回到控制器136。控制器136在从控制中心110获取所需输出信号VOD的电平值之后可确定DC/DC 步降转换器134的电压转换比率。优选地，控制器136根据从PV模块120产生的输入信号 SID的电压值和由控制中心110提供的所需输出电压VOD的电平值来确定电压转换比率。 控制器136可接着产生指示电压转换比率的控制信号ktrl以用于控制DC/DC步降转换器 134。响应于控制信号ktrl，DC/DC步降转换器134可通过电压转换比率来转换DC电 压VID，且产生具有由控制中心110确定的电平值的所需输出电压V0D。实施例中的一个独特特征是实施DC/DC转换单元130，其将DC输入电压VID转换 为所需输出电压VOD，VOD的电平由控制中心110确定且低于由常规技术中的典型PV模块 提供的电平。受益于由控制中心110确定的较低输出电压电平，实施例中的智能虚拟低电 压PV模块可实现优于常规技术的许多优点。举例来说，与由常规技术中的典型PV模块的高输出电压电平引起的高导线成本 相比，实施例中的智能虚拟低电压PV模块的导线成本可大大降低。另外，实施例中的具有较低输出电压电平的智能虚拟低电压PV模块在实施为串 配置时可实现系统电压的较高分辨率，使得较容易满足耦合到串的负载(例如换流器)的 操作范围的要求，因此实现较容易且较好的设计。另外，实施例中的智能虚拟低电压PV模块可归因于控制中心110的瞬时控制而提 供更多其它优点，例如高转换效率和对性能失配问题的回避，如将与图2的光伏电力系统 相关联的实施例详细阐释。图2是说明使用根据一实施例的图1的智能虚拟低电压PV模块100的光伏(PV) 电力系统200的架构的示意图。如图示，PV电力系统200包括多个智能虚拟低电压PV模 块210 (1) 210 (η)(其中η为正整数)、换流器220和有线地或无线地耦合到智能虚拟低 电压PV模块210(1) ~ 210 (η)的控制中心230。智能虚拟低电压PV模块210(1) 210 (η)中的每一者如智能虚拟低电压PV模块 100进行配置且由控制中心230控制，如结合图1所描述。在如图示的优选实施例中，智能虚拟低电压PV模块210(1) 210(η)可串联连接为串，以便共同地提供系统输出电压Vs和串电流Is以输入到换流器220。详细描述，换流 器220的一个输入节点充当到第一虚拟低电压PV模块210(1)的输入。另外，串联连接的 虚拟低电压PV模块210(1) 210 (η)中的每一者可提供相应的所需输出电压VOD (1) VOD(η) 0而且，虚拟低电压PV模块210(1) 210(η)中的每一者具有相同的输出电流，即 串电流Is。耦合在智能虚拟低电压PV模块210(1) 210 (η)的串与例如电力网(未图示) 等负载之间的换流器220经配置以将系统输出电压Vs转换为AC电压VAC以输出到负载。 系统输出电压Vs可固定于预定值，所述预定值在优选实施例中大体上等于PV电力系统200 中所使用的换流器220的最佳输入电压。如结合图1所描述，串中的智能虚拟低电压PV模块210 (i) (i为1到η之间的整 数)中的每一者可个别地将瞬时最大功率信息报告给控制中心230。智能虚拟低电压PV 模块210(1) 210 (η)的相应瞬时最大功率信息可包含最大功率值Pmp (1) Pmp (η)，或 者最大功率电压值Vmp(I) Vmp (η)和最大功率电流值Imp⑴ Imp (η)，其中Pmp (i)= Vmp ⑴ *Imp ⑴。控制中心230在从所有智能虚拟低电压PV模块210(1) 210 (η)获取瞬时最大 功率信息之后可基于从所有虚拟低电压PV模块210(1) 210 (η)搜集的瞬时最大功率信 息而确定相应所需输出电压VOD(I) VOD (η)的电平值。控制中心230随后将相应所需输 出电压VOD⑴ VOD (η)的电平值分别提供到虚拟低电压PV模块210(1) 210 (η)。根据系统功率产生的等式I3S = Vs^Is 和 Ps = P(I)+P(2)+. . . +P(n)= Is* (VOD (1) +VOD (2) +. . . +VOD (η))，其中P (i)=虚拟低电压PV模块210 (i)的功率值，系统 输出电压Vs相关于虚拟低电压PV模块210(1) 210 (η)的相应功率值P(I) P (η)，且还 相关于所需输出电压VOD⑴ VOD (η)。而且，每一虚拟低电压PV模块210 (i)内的相应PV模块(图2中未图示)的 功率产生可支配虚拟低电压PV模块210(i)的整个功率产生(表示为功率值P(i))。也 就是说，可在计算功率值P(i)的过程中省略由虚拟低电压PV模块210(i)中的相应DC/ DC转换单元(图2中未图示)贡献的电力消耗。根据以上等式PS = VS*IS和I^s = P (1) +P (2) +· · · +P (η)，系统输出电压Vs可因此近似与PV模块210 (1) 210 (η)内的总的 PV模块的总功率产生成比例，其中省略了 PV模块210(1) 210(η)内的DC/DC转换单元的 电力消耗。优选地，每一虚拟低电压PV模块210 (i)经设定以在相应最大功率操作点下操作， 即(P(l)+P(2)+…+P(n))MPmp⑴+Pmp(2)+...+Pmp(n))，以便最大化 PV 电力系统 2OO 的电力
转换效率。给定以上内容，在控制中心230对所需输出电压VOD(I) VOD (η)的适当确定下， 不仅PV模块210(1) 210(η)可共同向换流器220提供等于换流器22的最佳输入电压的 系统输出电压Vs，而且虚拟低电压PV模块210(1) 210 (η)可各自在相应的最大功率操作 点下操作以具有最大电力转换效率。图3是说明根据一实施例的图2的控制中心230的对所需输出电压VOD(I) VOD(η)的电平值的确定过程的流程图。在理想情况下展示实施例，其中忽略了每一智能虚 拟低电压PV模块中的DC/DC转换单元的转换功率损失。
如图示，在步骤310中，因为忽略了每一智能虚拟低电压PV模块中的DC/DC转换 单元的电力消耗，所以控制中心230可通过对分别从智能虚拟低电压PV模块210(1) 210 (η)搜集的所有最大功率值Pmp(I) Pmp (η)求和来计算智能虚拟低电压PV模块 210(1) 210 (η)的总的最大功率值I^s。接着，在步骤320中，控制中心230基于系统输出电压Vs (等于预定值)和总的最 大功率值I3S来计算串电流Is :1s = Ps/Vs0接着，在步骤330中，因为在串配置中，每一智能虚拟低电压PV模块210(i)的输 出电流是相同的(即，Is)，所以控制中心230可计算每一智能虚拟低电压PV模块210(i) 的所需输出电压VOD(i)的相应电平值V0D⑴=Pmp(i)/Is。因此，PV电力系统200可满足系统输出电压Vs的恒定预定值的要求，同时串中的 每一智能虚拟低电压PV模块210 (i)也可在相应最大功率点下操作。图3的实施例中所说明的确定忽略了每一智能虚拟低电压PV模块内的DC/DC转 换单元的电力消耗。然而可了解，在其它实施例中，在确定程序中可通过包含额外的校正步 骤来包括DC/DC转换单元的电力消耗，进而获得所需输出电压VOD(I) VOD (η)的较准确 电平值。返回参看图2，PV电力系统200可实现如下文详述的优于常规技术的许多优点。首先，与使用输出电压在无电平转换的情况下直接提供到换流器的典型高电压PV 模块(例如，非晶硅单片薄膜PV模块)的常规技术相比，利用电压转换单元的智能虚拟低 电压PV模块210(1) 210(η)的输出电平可较低。因此，PV电力系统200中的导线成本 可大大降低。其次，因为智能虚拟低电压PV模块210(1) 210(η)的瞬时最大功率信息即时地 报告给所需输出电压VOD⑴ VOD(n)，所以智能虚拟低电压PV模块210(1) 210(n)可 总是在相应最大功率点下操作，因此在例如不同温度和阳光照射等各种条件下维持高转换 效率。第三，因为智能虚拟低电压PV模块210(1) 210 (η)的所需输出电压VOD⑴ VOD (η)的电平值是个别确定的，所以所有智能虚拟低电压PV模块210(1) 210(η)可在相 应最大功率点下操作。因此，PV电力系统200可避免常规技术的失配问题，即PV模块由于 阴暗、降级和制造的变化而无法全部在最大功率点下操作。第四，PV电力系统200可在PV模块210(1) 210(η)与负载之间仅有一个换流器 220的情况下操作，因此节省了常规技术中所需的用于连接到负载的复杂电路，例如孤岛检 测和保护电路，以及具有用于并网应用的所需AC电力质量的同步正弦波形产生电路。虽然在实施例中仅安置一个控制中心230以用于控制所有智能虚拟低电压PV模 块210(1) 210(η)，但可容易了解，在其它实施例中，可实施一个以上控制中心，其各自控 制一个对应的智能虚拟低电压PV模块。另外，虽然在实施例中仅安置一个换流器220以用于转换智能虚拟低电压PV模块 210(1) 210(η)的串的系统输出电压Vs，但可容易了解，在其它实施例中，可实施一个以 上换流器，其各自转换对应的智能虚拟低电压PV模块的输出电压。另外，虽然在实施例中仅展示智能虚拟低电压PV模块210(1) 210(n)的一个串 以用于转换输出电压(即，系统电压Vs)，但可容易了解，在其它实施例中，可实施一个以上串，其各自与一个或一个以上控制中心相关联。 虽然上文已描述某些实施例，但将了解，所描述实施例仅借助于实例。因此，本文 描述的装置和方法不应限于所描述的实施例。而是，本文描述的装置和方法应在结合上文 描述和附图考虑时仅受到所附权利要求书的限制。
权利要求
1.一种智能虚拟低电压光伏PV模块，其耦合到控制中心，所述模块包括PV模块，其具有一个或一个以上光伏单元，所述PV模块经配置以将太阳能转换为DC电 力；以及DC/DC转换单元，其耦合在所述PV模块与所述控制中心之间，所述DC/DC转换单元经配 置以获取由所述控制中心确定的电平值，以便将从所述PV模块接收的所述DC电力转换为 具有所述电平值的所需输出电压。
2.根据权利要求1所述的智能虚拟低电压光伏PV模块，其中所述DC/DC转换单元包括最大功率点跟踪器，其经配置以跟踪从所述PV模块接收的所述DC电力的最大功率操 作点；DC/DC步降转换器，其经配置以将从所述最大功率点跟踪器产生的DC输入电压转换为 所述所需输出电压；以及控制器，其耦合在所述DC/DC步降转换器与所述控制中心之间，所述控制器经配置以 根据所述控制中心的控制而确定所述DC/DC步降转换器的电压转换比率。
3.根据权利要求2所述的智能虚拟低电压光伏PV模块，其中所述控制器向所述控制中 心提供从所述PV模块输出的所述DC电力的瞬时最大功率信息，且基于从所述控制中心接 收的所述所需输出电压的所述电平值而确定所述电压转换比率。
4.根据权利要求2所述的智能虚拟低电压光伏PV模块，其中所述控制器具有无线通信 接口，所述无线通信接口具有与所述控制中心进行无线通信的能力。
5.一种光伏PV电力系统，其包括控制中心，其经配置以确定一个或一个以上所需输出电压的相应电平值； 一个或一个以上智能虚拟低电压PV模块，其耦合到所述控制中心，所述一个或一个以 上智能虚拟低电压PV模块中的每一者为根据权利要求1到4中任一权利要求所述的智能 虚拟低电压光伏PV模块；以及换流器，其耦合到所述一个或一个以上智能虚拟低电压PV模块，所述换流器经配置以 将从所述一个或一个以上智能虚拟低电压PV模块接收的系统输出电压转换为AC电压。
6.根据权利要求5所述的PV电力系统，其中所述一个或一个以上智能虚拟低电压PV 模块连接为串。
7.一种电力转换方法，其包括以下步骤 将太阳能转换为一个或一个以上DC输入信号；从所述一个或一个以上DC输入信号中的每一者产生相应的瞬时最大功率信息； 基于所述瞬时最大功率信息而确定一个或一个以上所需输出电压的相应电平值； 将所述一个或一个以上DC输入信号分别转换为所述一个或一个以上所需输出电压的 所确定的电平值。
8.根据权利要求7所述的电力转换方法，其中所述确定一个或一个以上所需输出电压 的相应电平值的步骤包括基于所述一个或一个以上DC输入信号的所述瞬时最大功率信息而计算总的最大功率值；基于预定电压和所述总的最大功率值而计算串电流；以及基于对应的最大功率值和所述串电流而计算每一所需输出电压的所述相应电平值。
9.根据权利要求7所述的电力转换方法，其中所述确定一个或一个以上所需输出电压 的相应电平值是基于所述预定电压是换流器的最佳输入电压的条件。
10.根据权利要求7所述的电力转换方法，其中所述确定一个或一个以上所需输出电 压的相应电平值是基于所述一个或一个以上DC输入信号的一个或一个以上最大功率操作 点ο
全文摘要
本发明揭示一种智能虚拟低电压光伏(PV)模块，其包含PV模块，其具有一个或一个以上光伏单元，所述PV模块经配置以将太阳能转换为DC电力；以及DC/DC转换单元，其耦合在所述PV模块与耦合到所述智能虚拟低电压PV模块的控制中心之间，所述DC/DC转换单元经配置以从所述控制中心获取由所述控制中心确定的电平值，以便将从所述PV模块接收的所述DC电力转换为具有所述电平值的所需输出电压。
文档编号H02N6/00GK102111087SQ20101055997
公开日2011年6月29日 申请日期2010年11月24日 优先权日2009年11月24日
发明者江获先, 王秋富 申请人:杜邦太阳能有限公司