专利名称：采用智能虚拟低电压光伏模块的可靠光伏电力系统的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及一种光伏(PV)电力系统，更明确地说，涉及一种采用智能虚拟低电压光伏模块的可靠光伏电力系统。
背景技术：
近年来，光伏工业一直在成长以满足日益增加的对电的需要。光伏工业中的持续挑战在于开发并制造在将太阳能转换为电能方面具有高效率的光伏电力系统。光伏系统在执行此转换时越高效，针对给定投资可产生的电量就越多。另外，利用具有低输出电压的光伏模块的光伏电力系统较受欢迎，因为此类低电压PV模块可提供包括较低接线成本和较容易串设计在内的许多优点。然而，常规的薄膜非晶硅PV模块往往具有高输出电压(高于20V)且因此无法满足对低制造成本和较容易设计的要求。另外，由于PV电力系统通常安装在室外，所以其需要具有高环境阻力可靠性。然而，可获得的常规PV系统由于常规模块因各种不确定性所造成的操作故障而具有不良的
可靠性。
发明内容
鉴于以上内容，提供一种利用智能虚拟低电压光伏模块的可靠PV电力系统，其可由于采用智能虚拟低电压光伏模块而提供例如降低的接线成本和较容易设计等优点。另外，所述可靠PV电力系统可避免失配问题且可因此具有高转换效率。另外，所述可靠PV 电力系统可提供改进的可靠性，且因此可抵抗由各种不确定性所造成的组件故障情形来操作。根据实施例，一种可靠光伏(PV)电力系统包含多个智能虚拟低电压PV模块，所述 PV模块布置成多个列和多个行，其中同一列上的智能虚拟低电压PV模块串联连接，且同一行上的智能虚拟低电压PV模块并联连接。另外，所述智能虚拟低电压PV模块中的每一者包含一个或一个以上光伏电池，其经配置以将太阳能转换为DC功率以及DC/DC转换单元，其耦合到所述PV模块且经配置以与控制中心通信以从所述控制中心获取所确定电平值，进而将从所述PV模块接收的DC功率转换为具有所述所确定电平值的所需输出电压。下文在标题为“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，在附图中图1为说明根据本发明实施例的光伏(PV)电力系统的架构的示意图；图2为说明根据本发明实施例的用以针对图1的PV电力系统中的正常操作的智能虚拟低电压PV模块确定相应所需输出电压的电平值的程序的流程图；图3为说明根据本发明实施例的具有改进的可靠性的可靠光伏(PV)电力系统的架构的示意图；图4为说明根据本发明实施例的用以针对图3的正常操作的智能虚拟低电压PV 模块确定相应所需输出电压的电平值的程序的流程图；以及图5为说明根据本发明实施例的适用于图1或图3的PV电力系统的智能虚拟低电压PV模块的架构的示意图。
具体实施例方式图1为说明根据实施例的光伏(PV)电力系统100的架构的示意图。如图所示，PV 电力系统100包含多个智能虚拟低电压PV模块110(1)到lio(n)(其中η为大于1的整数)， 其串联连接为串。另外，智能虚拟低电压PV模块110(1)到llO(n)中的每一者可以有线方式或以无线方式耦合到控制中心130。智能虚拟低电压PV模块110(i)(其中1彡i彡η)经配置以与控制中心130通信且进而将太阳能转换为所需输出电压VOD (i)，输出电压VOD (i) 具有由控制中心130确定的电平值。参考结合图5中所说明的实施例所作的描述来描述智能虚拟低电压PV模块110(1)到llO(n)中的每一者的详细架构和操作。另外，PV电力系统100可包含多个旁路二极管112(1)到112 (η)，其各自与智能虚拟低电压PV模块110(1)到lio(n)中的对应一者并联连接。通过并联连接，旁路二极管 112(i)可在对应PV模块110 (i)未能正常操作的情况下向所述对应PV模块110(i)提供旁路路径。另外，PV电力系统100可进一步包括逆变器120，其耦合在智能虚拟低电压PV模块110(1)到lio(n)的串与例如电力网(未图示)等负载之间。逆变器120经配置以将智能虚拟低电压PV模块110(1)到llO(n)的串所提供的系统输出电压Vs转换为AC(交流) 电压VAC以供输出到负载。另外，PV电力系统100可包括控制中心130或可在外部耦合到控制中心130，所述控制中心130可与智能虚拟低电压PV模块110(1)到llO(n)中的每一者通信且进而控制其每一者。优选地，控制中心130可基于每一正常操作的智能虚拟低电压PV模块以瞬时最大功率产生(即，在相应的瞬时最大功率点处)操作的条件来执行所述确定。更优选地，控制中心130可基于所述智能虚拟低电压PV模块110(1)到llO(n)中的正常操作的模块所提供的系统输出电压Vs等于预定电压(例如，逆变器120的最佳输入电压)的另一条件来执行所述确定。得益于可分别为对应智能虚拟低电压PV模块110(1)到llO(n)提供旁路路径的旁路二极管120(1)到120 (η)的实施，即使智能虚拟低电压PV模块110 (1)到110(η)中的任何一者或一者以上未能正常操作，也不会发生开路(或断路)而导致智能虚拟低电压PV 模块110(1)到llO(n)的串的完全操作故障。因此，不管是否所有智能虚拟低电压PV模块110(1)到llO(n)均在正常操作，控制中心130仍可与智能虚拟低电压PV模块110(1)到llO(n)当中的仍在正常操作的模块通信，且针对每一正常操作的智能虚拟低电压PV模块确定相应所需输出电压的电平值。因此，PV电力系统100可抵抗由各种不确定性造成的组件故障情形来操作。请注意，虽然在所述实施例中旁路二极管112(i)在外部连接到智能虚拟低电压 PV模块(i)，但其仅出于说明而非限制本发明的保护范围的目的。举例来说，在替代实施例中，旁路二极管112(i)可与智能虚拟低电压PV模块⑴集成。另外，应注意，虽然在图1的实施例中使用单个二极管来为智能虚拟低电压PV模块110(1)到lio(n)中的每一者提供旁路路径，但本发明不限于此。举例来说，在其它实施例中，还可利用能够提供旁路路径的任何电组件，例如多个二极管、一个或一个以上晶体管、一个或一个以上电阻器、任何其它类似于电阻器的组件或其组合。图2为说明根据实施例的由图1的控制中心130执行以针对图1的PV电力系统中的正常操作的智能虚拟低电压PV模块确定相应所需输出电压的电平值的方法200的流程图。不管是否所有智能虚拟低电压PV模块110(1)到llO(n)均在正常操作，均可执行所述方法200。在所述实施例中，控制中心130执行所述确定以使得每一正常操作的智能虚拟低电压PV模块均以瞬时最大功率产生来操作，且仍在正常操作的智能虚拟低电压PV模块可提供等于预定电压(例如，逆变器120的最佳输入电压)的系统输出电压Vs。如图2所示，方法200在步骤210处开始，在步骤210处控制中心130可从每一正常操作的智能虚拟低电压PV模块110(j)接收相应最大功率信息，其中j为表示每一正常操作的智能虚拟低电压PV模块的索引的整数。接下来，在步骤220中，控制中心130可通过对每一正常操作的智能虚拟低电压PV 模块110(j)的相应最大功率值“Pmp(j) ”求和来计算总最大功率值“1^”。举例来说，如果只有智能虚拟低电压PV模块110(1)和110(2)仍在正常操作，那么总最大功率值I^s等于 Pmp(I)+Pmp (2)。接下来，方法200进入步骤230，在步骤230处控制中心130可将串电流“IS”计算为^二！^/^，其中“为等于预定电压(例如，逆变器120的最佳输入电压)的系统输出电压，如上所述。接下来，在步骤MO中，控制中心130可针对每一正常操作的智能虚拟低电压PV 模块lio(j)将相应输出电压V0D(j)的电平值确定为V0D(j) =Pmp(j)/Is。因而，不管是否所有智能虚拟低电压PV模块110(1)到llO(n)均在正常操作，且不管智能虚拟低电压PV模块110(1)到lio(n)是否彼此匹配，不仅每一正常操作的智能虚拟低电压PV模块可在相应最大功率点处操作以提供最大功率产生，而且所有正常操作的智能虚拟低电压PV模块可共同地提供最佳供输入到逆变器120的系统输出电压Vs。换句话说，可靠的PV电力系统100可提供抵抗组件故障的可靠性，同时避免PV模块之间的失配问题且提供高转换效率。图3为说明根据本发明实施例的可靠光伏(PV)电力系统300的架构的示意图。与图1的PV电力系统100相比，PV电力系统300可具有改进的可靠性。PV电力系统300与图1的PV电力系统100的不同之处主要在于PV电力系统100 中的多个智能虚拟低电压PV模块110(1)到110 (η)和旁路二极管112(1)到112 (η)被多个智能虚拟低电压PV模块310(1，1)到310(m，η)替换，其中m和η均为整数，且m在所述实施例中出于说明而非限制本发明的保护范围的目的而取为2。如图所示，智能虚拟低电压PV模块310(1，1)到310(m，η)可布置成多个列C(I) 到C(m)和多个行R(I)到R(n)。同一列C(i)(其中1彡i彡m)上的智能虚拟低电压PV模块310 (i，1)到310 (i,n)串联连接为串。另外，同一行R(i)(其中1彡j彡η)上的智能虚拟低电压PV模块310(1，j)到310(m，j)并联连接。类似于图1中的PV模块，智能虚拟低电压PV模块310(i，j)(其中1彡i彡m且 1 ^ j ^ η)中的每一者以有线方式或以无线方式耦合到控制中心330。智能虚拟低电压PV 模块310(i，j)可与控制中心330通信，且进而将太阳能转换为所需输出电压V0D(i，j)(未图示)，所述所需输出电压VOD (i，j)具有由控制中心330所确定的电平值。因为同一行R(j)上的智能虚拟低电压PV模块310(1，j)到310(m，j)并联连接，所以所输出的所需输出电压V0D(1，j)到V0D(m，j)可等于相同电平(下文中指示为 "VODR(J) ”)。也就是说，VODR(j) = VOD(Lj) = VOD (2, j) = · · · = VOD (m，j)。参考结合图5所说明的实施例所作的描述来描述智能虚拟低电压PV模块310(1，1)到310(m，η)中的每一者的详细架构和操作。通过此连接配置，同一行R(j)上的智能虚拟低电压PV模块310(1，j)到310(m， j)可在其任何一者或一者以上未能正常操作的情况下相互向彼此提供旁路路径。这意味着所述行R(j)上的智能虚拟低电压PV模块310(l，j)到310(m，j)中的每一者可具有由同一行上的其它智能虚拟低电压PV模块所提供的(m-1)个旁路路径。因此，PV电力系统300可抵抗由各种不确定性造成的组件故障情形来操作。仅当同一行R(j)上的所有P(l，j)到P(m，j)均未能正常操作时，才将在行R(j)中发生开路(或断路)而导致智能虚拟低电压PV模块310(1，1)到310(m，η)的完全操作故障。随着列的总数目“m”增加，系统可靠性也可增加。因此，与图1的PV电力系统100(其中每一智能虚拟低电压PV模块具有充当旁路路径的对应旁路二极管)相比，图3的PV电力系统300可具有较高可靠性。另外，通过排除往往需要高制造成本的图1的旁路二极管112(1)到112(n)，PV电力系统300可具有较低制造成本。另外，PV电力系统300可进一步包括逆变器320，其耦合在智能虚拟低电压PV模块310(1，1)到310(m，n)与例如电力网(未图示)等负载之间。逆变器320经配置以将智能虚拟低电压PV模块310(1，1)到310(m，n)所提供的系统输出电压Vs转换为AC电压VAC 以供输出到负载。另外，PV电力系统300可包括控制中心330或可在外部耦合到控制中心330，所述控制中心330可与智能虚拟低电压PV模块310(1，1)到310(m，η)中的每一者通信且进而
控制其每一者。优选地，控制中心330可基于每一正常操作的智能虚拟低电压PV模块以瞬时最大功率产生(即，在相应的最大功率点处)操作的条件来执行所述确定。更优选地，控制中心 330可基于所述智能虚拟低电压PV模块310(1，1)到310(m，η)所提供的系统输出电压Vs 等于预定电压(例如，逆变器320的最佳输入电压)的另一条件来执行所述确定。类似地，不管是否所有智能虚拟低电压PV模块310(1，1)到310(m，n)均在正常操作，控制中心330仍可与智能虚拟低电压PV模块310(1，1)到310(m，n)当中的仍在正常操作的模块通信，且针对每一正常操作的智能虚拟低电压PV模块确定相应所需输出电压的电平值。图4为说明根据本发明实施例的由图3的控制中心330执行以针对正常操作的智能虚拟低电压PV模块确定相应所需输出电压的电平值的方法400的流程图。不管是否所有智能虚拟低电压PV模块310(1，1)到310(m，n)均在正常操作，均可执行所述方法400。如图所示，方法400在步骤410(其类似于图2的步骤210)处开始，在步骤410处控制中心330可从每一正常操作的智能虚拟低电压PV模块310 (i,j)接收相应最大功率信息，其中i和j均为表示每一正常操作的智能虚拟低电压PV模块的整数。接下来，在步骤420(其类似于图2的步骤220)中，控制中心330可通过对每一正常操作的智能虚拟低电压PV模块310(i，j)的相应最大功率值“Pmp(j)”求和来计算总最大功率值“&”。作为实例，在只有智能虚拟低电压PV模块310(1，1)和310(2，2)仍在正常操作的情况下，总最大功率值I3S等于Pmp (1，1) +Pmp (2,2).接下来，方法400进入步骤430(其类似于图2的步骤230)，在步骤430处控制中心330将串电流“Is”计算为Is = Ps/Vs,其中如上所述Vs为系统输出电压。接下来，在步骤440中，控制中心330可针对每一行R(j)将相应输出电压VODR(j) 的电平值确定为VODR(j) = PRmp (j)/Is，其中PRmp (j)指示同一行R(j)上的正常操作的智能虚拟低电压PV模块的最大功率值的总和。举例来说，在只有智能虚拟低电压PV模块 310(1，1)和 310 (2，2)仍在正常操作的情况下，PRmp (1) = Pmp(Ll)且 PRmp O) =Pmp (2， 2)。因此，行R(j)上的每一正常操作的智能虚拟低电压PV模块的相应所需输出电压的电平值可经确定为等于VODR(j)的所确定电平值，如结合图3所描述。步骤430与步骤230 的不同之处仅在于可确定同一行R(j)上的所有正常操作的智能虚拟低电压PV模块的电平值。因而，不管是否所有智能虚拟低电压PV模块310(1，1)到310(m，η)均在正常操作，且不管智能虚拟低电压PV模块310(1，1)到310(m，η)是否彼此匹配，不仅每一正常操作的智能虚拟低电压PV模块可在相应最大功率点处操作，而且所有正常操作的智能虚拟低电压PV模块可共同地提供最佳供输入到逆变器320的系统输出电压Vs。换句话说，可靠的PV电力系统300可提供抵抗组件故障的可靠性，同时避免PV模块之间的失配问题且因此提供高转换效率。图5为说明根据实施例的智能虚拟低电压PV模块500的架构的示意图。智能虚拟低电压PV模块500可适用于图1的PV电力系统100或图3的可靠PV电力系统300以充当智能虚拟低电压PV模块110(1) IlJ 110 (η)和310(1)到310(m，n)中的每一者。如图所示，智能虚拟低电压PV模块500可包含PV模块520和DC/DC转换单元530。 PV模块520经配置以将太阳能转换为DC功率以供输出到DC/DC转换单元530。DC/DC转换单元530耦合到PV模块520且经配置以与控制中心540通信以获取由控制中心540确定的电平值，进而将从PV模块520输出的DC功率转换为具有所述电平值的所需输出电压 VOD。图5还说明DC/DC转换单元530的详细实施例。如图所示，DC/DC转换单元530可包括最大功率点跟踪器(MPPT) 532、DC/DC步降转换器534和控制器536。MPPT 532耦合到PV模块520且经配置以跟踪由PV模块520输出的DC功率的最大功率操作点，进而使从PV模块520传送的DC功率最大化。DC/DC步降转换器534耦合在MPPT 532与控制器536之间且经配置以根据控制器536的控制将从MPPT 532产生的DC 输入电压VID转换为所需输出电压V0D。控制器536耦合在DC/DC步降转换器534与控制中心540之间且经配置以根据控制中心540的控制确定DC/DC步降转换器534的电压转换比。控制器536可优选地具有无线通信接口 536a，其具有与控制中心540进行无线通信的能力。通过此配置，DC/DC转换单元530可将DC输入电压VID转换为具有由控制中心MO 确定的电平值的所需输出电压V0D。因为智能虚拟低电压PV模块500中的所需输出电压VOD的电平可低于采用典型 PV模块来将输出电压不经任何转换直接输出到逆变器的常规技术中的电平，所以采用此类智能虚拟低电压PV模块的PV电力系统100和300可具有降低的接线成本且已实现较容易设计。适用于图1或图3的PV电力系统的智能虚拟低电压PV模块的架构和操作的更多细节描述于由相同申请人申请且以引用方式并入本文中的第61/264，010号美国专利申请案中。尽管上文已描述了特定实施例，但将理解所描述的实施例仅是举例说明。因此，本文中所描述的装置和方法不应限于所描述的实施例。而是，本文中所描述的装置和方法应仅在结合以上描述和附图阅读时按照所附权利要求书来限制。
权利要求
1.一种可靠光伏(PV)电力系统，其包含多个智能虚拟低电压PV模块，其布置成多个列和多个行，其中同一列上的所述智能虚拟低电压PV模块串联连接，同一行上的所述智能虚拟低电压PV模块并联连接，且所述智能虚拟低电压PV模块中的每一者包含一个或一个以上光伏电池，其经配置以将太阳能转换为DC功率；以及DC/DC转换单元，其耦合到所述PV模块且经配置以与控制中心通信以从所述控制中心获取确定好的电平值，进而将从所述PV模块接收的所述DC功率转换为具有所述确定好的电平值的所需输出电压。
2.根据权利要求1所述的可靠PV电力系统，其进一步包含耦合到所述智能虚拟低电压PV模块的逆变器，所述逆变器经配置以将从所述智能虚拟低电压PV模块接收的系统输出电压转换为AC电压。
3.根据权利要求1所述的可靠PV电力系统，其中所述智能虚拟低电压PV模块中的每一者经配置以向所述控制中心提供其自身的瞬时最大功率信息。
4.根据权利要求1所述的可靠PV电力系统，其中不管是否所有所述智能虚拟低电压 PV模块均在正常操作，所述控制中心均针对在正常操作的所述智能虚拟低电压PV模块中的每一者确定相应所需输出电压的电平值。
5.根据权利要求4所述的可靠PV电力系统，其中所述控制中心基于每一正常操作的智能虚拟低电压PV模块以瞬时最大功率产生来操作的条件而执行所述确定。
6.根据权利要求4所述的可靠PV电力系统，其中所述控制中心基于由所述智能虚拟低电压PV模块所提供的系统输出电压等于逆变器的最佳输入电压的条件而执行所述确定。
7.根据权利要求4所述的可靠PV电力系统，其中所述控制中心通过执行以下步骤来执行所述确定(i)基于在正常操作的所述智能虚拟低电压PV模块的相应最大功率值而计算所述智能虚拟低电压PV模块的总最大功率值；(ii)基于系统输出电压和所计算的所述总最大功率值而计算所述智能虚拟低电压PV 模块的串电流；以及(iii)基于所计算的所述串电流和在正常操作的所述智能虚拟低电压PV模块的所述相应最大功率值而针对每一行上的所述智能虚拟低电压PV模块中的每一者计算所述所需输出电压的所述电平值。
8.根据权利要求7所述的可靠PV电力系统，其中所述控制中心执行步骤(iii)的所述计算包含基于所计算的所述串电流和同一行上的所述正常操作的智能虚拟低电压PV模块的所述最大功率值的总和而针对所述同一行上的所述智能虚拟低电压PV模块中的每一者计算所述所需输出电压的所述电平值。
9.根据权利要求1所述的可靠PV电力系统，其中所述智能虚拟低电压PV模块中的每一者中的所述相应DC/DC转换单元包含最大功率点跟踪器，其经配置以针对从所述PV模块接收的所述DC功率跟踪最大功率操作点；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；以及耦合在所述DC/DC步降转换器与所述控制中心之间的控制器，其经配置以与所述控制中心通信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。
全文摘要
本发明提供一种可靠光伏(PV)电力系统，其包括多个智能虚拟低电压PV模块，所述PV模块布置成多个列和多个行。同一列上的所述智能虚拟低电压PV模块串联连接。同一行上的所述智能虚拟低电压PV模块并联连接。所述智能虚拟低电压PV模块中的每一者包含一个或一个以上光伏电池，其经配置以将太阳能转换为DC功率。所述系统进一步包括DC/DC转换单元，其耦合到所述PV模块且经配置以与控制中心通信以从所述控制中心获取所确定电平值，进而将从所述PV模块接收的所述DC功率转换为具有所述所确定电平值的所需输出电压。
文档编号H02N6/00GK102185524SQ20101062244
公开日2011年9月14日 申请日期2010年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者江获先, 王秋富 申请人:杜邦太阳能有限公司