包括发电装置的集群的电站的构造的制作方法

包括发电装置的集群的电站的构造的制作方法
【专利摘要】本发明涉及包括发电装置的集群的电站的构造。具有充胀的反射器的形式的太阳能会聚器将光会聚到光电接收器上。多个会聚器被分组为共享控制电路以及支持结构的串联集群。各个会聚器通过对该串联连接被分路的电流进行控制的平衡控制器而保持在它们的最大功率点。来自集群的DC电流被传递适中的距离到达中央逆变器。使用空气间隔的双绞线对来使得传输线的电感最大化，从而增强升压型三相逆变器的性能。集群的输出保持与协同定位在中央位置的大规模交错阵列中的各个逆变器分离。升压变压器将逆变器电压转换为电网电压，并且小的变压器在接收器与接收器不平衡电流方面提供了隔离和升压，该接收器与接收器不平衡电流通常小于总电流的20％。
【专利说明】包括发电装置的集群的电站的构造
[0001] 本申请是申请日为2010年5月19日、申请号为201080032669.9、发明名称为“包括发电装置的集群的电站的构造”的中国专利申请的分案申请。
_2] 相关申请的交叉引用
[0003]本申请要求享有2009年5月19日递交的美国临时申请N0.61/179，606的优先权并通过引用将其全部结合在这里。本申请也涉及以下申请，其中每一者都通过引用结合在这里:2007年8月24日递交的美国专利申请N0.11/844, 888 ;2007年8月22日递交的美国专利申请N0.11/843，531 ;2007年8月24日递交的美国专利申请N0.11/844,877 ；2007年8月22日递交的美国专利申请N0.11/843,549 ;2010年I月28日递交的美国专利申请N0.61/299，124 ;以及2010年3月3日递交的美国专利申请N0.61/310，228。

【背景技术】
[0004]太阳能是丰富并且是可持续的。然而，使用太阳能给电网供电可能存在某些挑战。
[0005]例如，光电池通常在由电池的特性和照明量决定的具体电压和电流下产生最大功率。离开该最大功率点，电池的转换效率下降。
[0006]公用工程规模电站可以包括展开数个平方公里的、数以千计的这种电池。采用这种大尺寸构造，可能难以使得整个电站在峰值效率下工作。
[0007]此外，来自光电池的输出通常被处理以产生交流电流，以输出到电力网。这可能难以管理这种大量的离散的PV电池。
[0008]最后，太阳能电站必须在不理想条件的范围下工作。非理想条件的示例包括缺乏充足的阳光，并且可能在电力网上产生储运消耗。
[0009]因此，本发明的实施例涉及用于能够在最大生产率或接近最大生产率下工作的光电电站的成本优化的构造。本发明的实施例可以在不利条件(诸如电网储运消耗或缺乏充足阳光)下继续发挥功能。


【发明内容】

[0010]一种电站系统构造，采用的技术减小了由其元件可能是非传统的功率系统所施加的平准化能量成本。在一个实施例中，具有充胀式的反射器形式的太阳能会聚器将光会聚到高集成度光电接收器上。多个这些会聚器被分组为共享控制电路以及支持结构的串联集群。各个会聚器通过对该串联连接被分路的电流进行控制的平衡控制器而保持在它们的最大功率点。来自集群的DC电流被传递适中的距离(例如，300-1000m)到达中央逆变器。使用空气间隔的双绞线对来使得传输线的电感最大化，从而增强升压型三相逆变器的性能。集群的输出保持与协同定位在中央位置的大规模交错阵列中的各个逆变器分立。升压变压器将逆变器电压转换为电网电压，并且小的变压器在接收器与接收器不平衡电流(通常小于总电流的20%)方面提供了隔离和升压。为了方便部署，这些大规模逆变器阵列可以在标准装运容器中预组装并且在机架安装件中测试。
[0011]参照以下的文字和附图更加详细地描述本发明的这些和其他实施例，以及其他特征和一些潜在优点。

【专利附图】

【附图说明】
[0012]图1A示出了根据本发明的实施例的平衡电路的布置，其支持N个接收器的集群。
[0013]图1B示出了串联接收器的传统集群。
[0014]图1C示出了在接收器的集群中处理功率不平衡的传统方法。
[0015]图1D示出了其中最大功率点跟踪切换器被串联连接的传统集群。
[0016]图1E示出了可以在各个接收器之间、在不需要彼此的直接连接或与功率总线的连接的情况下、双向通过电流的平衡器电路的可选布置。
[0017]图2A示出了其中用于各个接收器的平衡器电路分立的平衡器电路布置。
[0018]图2AA示出了用于双向功率流的双向隔离逆程转换器的简化示意图。
[0019]图2AB示出了用于双向功率流的半桥双向转换器的简化示意图。
[0020]图2AC示出了用于双向功率流的双向Cuk转换器的简化示意图。
[0021]图2B示出了其中采用了单个多支线(tap)变压器的可选布置或平衡器电路。
[0022]图2C示出了采用主动整流桥的平衡器电路。
[0023]图2D示出了采用具有隔离连接绕组的变压器的平衡器电路。
[0024]图2EA示出了单向隔离的逆程转换器的简化示意图。
[0025]图2EB示出了单向双切换器正向隔离转换器的简化示意图。
[0026]图2EC示出了双向隔离Cuk转换器电路的简化示意图。
[0027]图3示出了根据本发明的电站布局的实施例的图。
[0028]图3A示出了根据本发明的实施例的电站的简化图。
[0029]图3AA-图3AE示出了根据本发明的实施例的集群电压的布置。
[0030]图4A示出了一对DC传输线的图。
[0031]图4B示出了由聚合物网保持的绝缘双绞线对的间隔的截面图。
[0032]图4C示出了使得聚合物的使用最小化的绝缘双绞线对的可选截面的截面图。
[0033]图5A示出了各个接收器衬底上的管芯的物理布局的实施例。
[0034]图5B示出了接收器中的电路的示意图，其示出了为了改善非设计工况(off-design)的设计元素的分类。
[0035]图6示出了集电器的这种集群。
[0036]图7示出了平衡器的主/从布置的实施例的示意框图。
[0037]图8示出了根据本发明的从平衡器的实施例的示意图。
[0038]图9A示出了根据本发明的实施例的交错逆变器系统的示意图。
[0039]图9B示出了经由电路提供的切换器同步链环的逆变器系统的实施例。
[0040]图1OA示出了根据本发明的实施例的从逆变器的实施例的示意图。
[0041]图1OB示出了从逆变器的实施例的图，其使用握手信号的链环以执行软切换、减压切换、低噪音切换或其他切换增强。
[0042]图1lA示出了与根据本发明的实施例的逆变器有关的UPS。
[0043]图1lB示出了用于减小来自故障切换器的次级损伤的点连接布置。
[0044]图1lC示出了用于减小由于将负的公共电压基本增加到三相工厂电压以上而导致的刺激损伤的可选电路。
[0045]图12A示出了包括低侧驱动器模块和切换模块的低侧切换模块的示意电路图。
[0046]图12B不出了闻侧切换|旲块的实施例的不意电路图。
[0047]图13A示出了切换模块的实施例。
[0048]图13B示出了在盖被移除的状态下如图13A所示的切换模块。
[0049]图13C示出了切换模块盖的基部侧的图。
[0050]图14A示出了可以被布置在从逆变器壳体内的切换模块、低侧模块和高侧驱动器模块的组件的简化机械图。
[0051]图14B示出了根据实施例的插入到从逆变器壳体内的低侧和高侧驱动器模块和切换模块的布置。
[0052]图14C示出了从逆变器的实施例的简化内部组装。
[0053]图15A示出了根据本发明的实施例的从逆变器的俯视图。
[0054]图15B示出了根据本发明的实施例的从逆变器的后侧视图。
[0055]图16A和图16B分别示出了与其主动冷却模块接合的从逆变器的实施例的等尺寸iu视图和后视图。
[0056]图17A-图17D示出了冷却模块的实施例的组件。
[0057]图17E示出了与冷却模块和被冷却元件匹配的可选接口。
[0058]图17F是图17F中示出的冷却板和被冷却板接口布置的放大图。
[0059]图17G示出了在冷却板与被冷却元件之间的可选互锁接口。
[0060]图18A和图18B示出了分隔板的冷却侧。
[0061]图18C和图18D示出了在分隔板的热侧上的相同图案。
[0062]图18E示出了被冷却的组件是如何相对于分割板中的喷嘴的图案实体地布置的。
[0063]图19示出了组装到逆变器热交换器中的冷却模块的十乘十阵列。
[0064]图20A-图20D示出了安装到一起的从逆变器、冷却系统、母板和背板的组装的实施例。
[0065]图21示出了容纳图20A-图20D中示出的组件的、根据本发明的实施例的壳体结构的机械图。
[0066]图22示出了布置在壳体中而没有安装前面板的、在图20A-图20D中示出的组件。
[0067]图23A-图23E分别示出了在安装前面板的状态下逆变器组件2300的前俯视立体图、如视图、后立体图、后视图和侧视图。
[0068]图24示出了容纳机动平移件以可编程地操作机械切换器的阵列的交错逆变器的实施例。
[0069]图25示出了根据本发明的实施例的通信和控制网络的示意图。

【具体实施方式】
[0070]如这里使用的，“微处理器”指的是可以执行被编程功能的数字系统，例如，标准微控制器、FPGA、CPLD、微处理器、计算机、ACIS、片上系统、或者可以执行功能的部件的复合组件。如这里使用的，切换器指的是其电导率可以改变的那些装置，例如，MOSFET、IGBT、FET、双极晶体管、SCR、机械切换器、机械和固态中继器、接触器、与续流二极管(诸如快速恢复二极管)并联结合的IGBT、MOSFET和朝向与MOSFET体二极管相反的阻挡二极管的串联结合、以及被连接为使得其体二极管相反朝向的MOSFET的串联结合等。
[0071]本发明的实施例涉及用于公用工程规模发电的基于集中光电的电站。电站的构造至少有两点考虑来推动。第一，电站要被设计为容易改变规模，以产生与整体能量消耗相关的功率水平。
[0072]第二，电站被设计为实现尽可能低水平的能量消耗。这种最低的消耗包括产生功率的各个方面，包括但不局限于初始资本费用、安装成本、维护成本和消费成本。
[0073]根据本发明的实施例，电站被设计为使得能够通过升级固件和软件来例行升级，并且可以管理快速升级的组件的报废。某些成本节约是基于尽可能多地使用经济客观性的现象和材料，例如，使用空气和土壤作为基础元素。其他成本节约可以通过在气压下形成刚性凹面反射镜形状的薄膜来实现。功率分配系统的构造可以采用类似的成本节约原理。
[0074]本发明的具体实施例采用了膨胀的反射膜，或者“气球”，来将光会聚到光电接收器上。可以在美国专利申请N0.11/843，531中找到关于适合于根据本发明使用的可充胀太阳能会聚气球方法和设备的各种实施例的具体描述，并且通过引用将该文献结合在这里，该文献也公开为美国专利公开N0.2008/0047546和美国临时专利申请N0.61/299124。可以在美国专利申请N0.11/844，888中找到关于适合于根据本发明使用的接收器结构的各种实施例的具体描述，并且通过引用将该文献结合在这里，该文献也公开为美国专利公开N0.2008/0135095。
[0075]每个反射镜可以将来自直径约2.25-3m的面积中的光反射到直径大致为200mm的次级光学器件中。该次级光学器件将光进一步会聚约2-3个数量级并分配到光电管芯的密集阵列上，同时提供对于指向角误差的主动光学补偿。可以在美国专利申请N0.12/720, 429中找到关于次级光学结构和管芯的互连的各种实施例的具体描述，并且通过引用将该文献结合在这里。
[0076]根据特定实施例，管芯可以被串联在子链中。这些子链可以按照串联和/或并联组合来连接到一起，以提供对于指向角误差的被动电学补偿。
[0077]图5A示出了在接收器衬底(504)上的管芯(例如502)的物理布局的实施例(500)。相邻管芯的一些序列可以被串联在串(例如506)中。
[0078]在一些实施例中，串可以彼此并联，以在指向不理想时提供基本相同的总功率输出。例如，串506可以与串508、510或512并联。
[0079]在一些实施例中，管芯514的区域可以基本串联。在一些实施例中，可以在中央附近例如通过将串516与518、520或522并联来提供补偿。
[0080]图5B示出了接收器中的电路的示意图530，其示出了为了改善非设计工况(例如，错误指向)、接收器性能的设计元素的分类。太阳能电池管芯(例如，532)被串联链(chain，例如，534)连接接成为串(string) 536。
[0081]元件538可以是二极管，通常是肖特基二极管(因为其低的正向电压降)，当串电流大于由管芯产生的光电流所支持的电流时，元件538提供可选择的电流传递路径。当串中的一个或多个管芯没有被照射时可能产生这种情况。
[0082]由肖特基二极管绕过的管芯的数目可以被审慎地选择，并且该数目可以在一个串(例如，536)与另一个串(例如，540)之间不同。关于这种选择的考虑可以包括但不局限于包括太阳能电池的反向击穿电压、照射过程中接收器位置特定变化以及其他因素。
[0083]在一些实施方式中，多个串(例如，542和544)可以是并联的，并且其组合可以由跨接在串548的端子之间的二极管546保护。在特定实施例中，单独的管芯或管芯的子链可以经由插入连接在串552的端子之间的(一个或多个)旁路二极管和连接部550并联。在一些实施例中，如果多个二极管被加正向偏压的话，旁路二极管(例如554)可以被布置为减小多个旁路二极管的累积电压降。接收器端子556与558之间的电压是接收器输出电压。
[0084]可以期望在实体地接近接收器的位置处将电容跨接于连接部。在集中光电接收器中，该连接部可以在离开接收器以及离开热量和高照射水平的安全距离处实现。
[0085]可以根据一个或多个考虑来审慎地选择电容的大小。更小的电容通常比更大的电容更便宜，但是更弱地将接收器与由于切换电路而产生的纹波电流隔离开。这种纹波电流可以通过使得接收器周期性地离开其最大功率产生区域而减小效率。
[0086]过大的电容可以在切换电路中引起大的突入电流的问题，这种电流比接收器能够承受的电流大得多。这可能由此增加潜在的电流压力，并且可能需要额外的保护电路和替换件。根据本发明的特定实施例的一种要素是使用足够小的电容，以避免或减轻源侧过流保护。
[0087]次级光学元件/接收器设计的目的是对于最大可能的指向错误提供峰功率输出。在一些情况下，可能对于接收器产生一个以上的电压或电流输出是合适的。这种构造通过并联至全部的子串都能支持的公共电压，避免了将接收器过度地电压划分。
[0088]根据特定实施例，用于每个接收器的目标功率为0(600_1000W)并具有电压O(10V)。使用硅太阳能电池，假定一些串并联，这对应于几乎200-400个独立管芯。在本说明书中，一些值使用“O”表示，其表示“数量级为”，例如，O (600-1000W)表示数量级为600到 100ff0
[0089]在根据本发明的实施例的某些电站设计中，会聚器被分组为集群，例如，8个气球共享公共的支撑件、跟踪结构和膨胀控制器。可以在美国专利申请N0.11/844,877中找到气球支撑件和/或跟踪结构的各种实施例的具体描述，并且通过引用将该文献结合在这里，该文献也公开为美国专利公开N0.2008/0168981和美国临时专利申请N0.61/310, 228。
[0090]图6示出了集电器的这种集群600。元件602是会聚器，元件604是支撑会聚器的结构。元件606是转换入射到602的反射镜上的光的接收器。
[0091]在一些实施例中，每个集群产生约6_8kW之间。各个会聚器的输出被串联连接。然而，预料到每个会聚器的最大功率在其反射器的寿命期间显著地改变(例如，高达30% )。这种改变可以取决于诸如反射器的型号以及接收器的变化的因素。
[0092]为了使得由集群产生的总功率最小，每个会聚器可以在其最大功率点附近工作，这需要通过平衡电路将过度或不足的电流各个地吸取或提供给每个会聚器。当串被串联连接时，该平衡电路仅需要提供或吸取不平衡的电流(例如，小于总负荷的30% )，由此提供了需要更低额定的电路以及显著地减小了整体效率对于平衡电路效率的依赖性的双重优点。
[0093]可以在美国专利申请N0.11/843, 549中找到关于用于太阳能模块和从属设备的互连系统的各种实施例的具体描述，并且通过引用将该文献结合在这里，该文献也公开为美国专利公开N0.2008/0057776。来自每个集群的DC电压可以在具有优化的截面面积的铝线的高导电率双绞线对上传输。因为太阳能资源的相对分散，在电站中的这些各个线的长度可以在约300-1000m之间。通过0.5cm的大绕距螺旋，在该距离的传输线上可以实际获得数百微亨利的电感，这减小了对于适当选择的逆变器结构的输入滤波器电感的需要(并且在一些布置中避免了它们)。
[0094]来自每个集群(或者在一些情况下是集群的小组)的DC功率到达大型交错的各个三相逆变器电路。来自集群的DC功率可以不被结合，以减小电线导体数。一般来说，保持线分离的少量额外绝缘材料的成本大于消除交错的逆变器之间的功率共享装置的偏移量。
[0095]IMW电站可以包括约200个集群，因此0(200)个交错的逆变器被结合以利用最小的滤波来制造精确的正弦输出。逆变器可以被协同定位，从而简化维护并进行高频协调交错。这些逆变器优选地布置在标准装运容器中的工厂预组装和测试机架系统中。
[0096]根据特定实施例，这些逆变器的主要功率路径是完全无变压器的。这是因为变压器在预先资本成本上很昂贵、产生明显的寄生电力损失并且需要持续维护。
[0097]电气系统隔离的功能可以由主电站在与电网的电互连点处设置变压器来提供。在具体实施例中，该主电站变压器可以包括四个单相变压器，其中三个通常工作并且第四个作为备用设备。该变压器也与逆变器协同定位(在约30m内)。
[0098]以上描述特指具体实施例。然而，这里描述的电力提取、以及接收器、集群和中央逆变器的层次可以广泛地应用到高性能、成本效率集中并且一个太阳的光电能转换(one-sun photovoltaic energy convers1n)。
[0099]对于根据本发明的实施例的电站的设计可以由以下原理中的一个或多个来引导。
[0100]仅在成本合理时追求效率。这是由于增加每瓦特DC功率生产的增加技术成本的边际成本例如小于约$0.50-5.00/W。
[0101]可以使用最少的资源实现最大的结果。例如，可以尽可能多地使用软切换，而不增加成本和复杂度。作为另一个示例，可以使用精细的定时技术和交错来实现硬件的最佳性倉泛。
[0102]相比于硬件的复杂性更喜欢软件的复杂性。然而，很重要的是确保系统能容忍微控制器管理任务，并且通过明智地使用模拟电路来减少风险(例如，可管理的单周期控制)。
[0103]在可能的情况下，仅关于不平衡电流或错配电压来执行切换。主动操作仅为保留余地。
[0104]长线流动应当是在最高的可实现电压下的DC，并具有可管理的电磁干扰(EMI)/射频干扰(RFI)以及电感。例如，使用具有受控间隔的双绞线对和/或扁平的双绞线对。如果成本合理的话，隔离物应当关于材料进行设计，以在具有低损耗的状态下增大电感。避免靠近铁磁金属放置，除非对于低涡流/磁滞损耗进行了具体设计，使得互连电感更加接近理相
[0105]AC流动应当经过尽可能短的路径到达升压变压器(例如，小于1m)。
[0106]大的升压/降压操作可以仅执行一次，并且仅在由于其他原因(例如为了隔离)而需要变压器的位置而执行。隔离变压器上的匝数比可以被用来优化效率。
[0107]断路器/切换器电路构造可以被用来受益于互连电线的电感。其例子为互连电线的电感代替或与离散的电感串联。
[0108]在可实现的情况下，来自各个源的DC电流不被结合。相反，DC电流与分立的切换电路并行流动，来避免功率平衡的问题。
[0109]分立的切换电路可以被大型交错。这种交错被精细地确定时间以减小切换压力。
[0110]分立的切换电路可以被分组到一个位置，并且在一些情况下被分组到一个外壳中。这种分组可以使得组件副本最少、有助于交错和高频通信及协调、使外壳成本最小、使维护成本最小以及使外壳和互连成本最小等。
[0111]水冷切换器、电容和/或电感可以被用来节省散热器并且延长组件寿命，减小尺寸、消除风扇以及向环境开放的开口。
[0112]易于发生故障的元件可以被分组为最小的单元，例如，单个IGBT或MOSFET+驱动器，并且这些分组可以被容易并安全地现场替换。它们是耗材的部分，并且应当与替换它们的成本一起最小化。系统也可以被设计为消除将良好的部分与坏的部分由于共同封装(例如，具有IGBT “六个封装”的情况)一同丢掉。
[0113]元件被非常好地封装，以防止错误时的二次损伤或污染。其示例是进行封装以包含电解液爆出或者烧毁的IGBT。
[0114]模拟和数字控制的混合可以被用于最佳的动态响应以及伪静态优化。这被称为可管理的单周控制(mOCC)。
[0115]系统可以被设计为能够对抗非理想电网波形(例如违背正弦的波形)以及控制无功功率(imaginary power)的产生。可能需要根据微控制器的子周期或周期之间来注意并干涉这种对抗。该行为可能对于使得太阳能电站变为主要的电力制造者有效。
[0116]在可能的情况下，系统被设计为在微控制器故障事件时绝对安全。理想地，系统应当积蓄在减小的性能水平下工作。
[0117]大型的交错对于大的被动组件是优选地以产生高质量的输出。
[0118]交错的逆变器可以被设计为当逆变器故障或集群离线时适度地退化。
[0119]可以使用有线连接来执行关键的通信，优选地使用RS485物理层或类似的成熟并可靠的连接。无线连接可以被用于不关键的控制或监视，或者用于稀疏的辅助设备，诸如气象站和视频监督/监视/事件检修。除非有新的发展，光学链路应当尽在必要的时候使用，因为其成本问题。
[0120]微控制器固件应当从中央位置例如经由位于工厂的RS485/以太网网络更新。
[0121]可以在位于工厂的网络(例如，工厂网络可以包括RS485/以太网)上并且优选地经由非局域网(诸如互联网)进行遥控调试和控制。
[0122]功率系统的全部元件都可以被设计为能够经由避雷针、接地以及在屏蔽壳体的进入和离开点处适当的瞬间抑制而幸免于对于工厂的雷击而不受到损伤。
[0123]接收器设计
[0124]接收器可以包括200-mm直径、一层、高导热率、的印刷电路板，其承载经由共熔焊料和铝线或带连接物而安装到印刷电迹的矩形硅太阳能电池管芯的径向阵列。各个管芯可以串联到多个串中。板经由在印刷电路板背侧上的冷却水的大量沉浸喷嘴的冲击而保持冷却，该背侧与前电路通过薄的绝缘导电陶瓷电解质电绝缘。
[0125]经由多重导体将来自串的功率从主印刷电路板承载到附近的传统印刷电路板，来结合并联和串联布置，以减小会聚器在功率输出上的错配效果。其示例在图5A和图5B中示出。如果实现足够的被动电对准误差是不现实的，那么最终接收器可以通过分立的输出提供一个以上的电压/电流。该副电路板也可以包括滤波电容器、旁路二极管、主动切换电路和传感电路。如果需要的话，水冷却也对于该可用。
[0126]该板可能在使得维修困难的高度位置定位在会聚器的内部。因此，这可能对于需要周期维护的组件(诸如，电解质)不具有理想定位。
[0127]在一个实施例中，用于接收器的目标电压为0(在8A下的100V)。该电压可以由在数百个太阳光会聚点处照明的约200到400个硅太阳能电池管芯的串并联的来产生。对于最小的支撑结构硬度要求、接收器的重量应该被保持为可实现的小值。
[0128]下文总结了接收器的具体实施例的一个或多个特性。
[0129]——接收器产生0(在8A处的100V)。
[0130]——物理接收器包括约200mm直径的一层管芯安装板，其具有用于串组合和/或有源功率电路和/或传感电路的传统副PCB。
[0131 ] ——接收器采用与被动光学补偿相耦合的被动电补偿。
[0132]—接收器提供子串的不平衡电流/电压的主动补偿，以使得在不均一地照明的接收器上使得MPPT接近。
[0133]—优选地在传统的副印刷电路板上，接收器包括高频滤波电容器。
[0134]—接收器的重量应当根据实际情况较低。
[0135]—在接收器上安装低频滤波器电容可能不是优选的，因为热应力、额外重量以及替换的困难性。
[0136]—水冷却对于接收器处的电子器件可用。
[0137]集群设计
[0138]集群包括接近的多个会聚器，例如图6所示。在特定实施例中，集群包括0(8)个会聚器。会聚器的集群分析支撑结构、一同跟踪并且在容易维护的壳体中共享控制电路，通常在最远接收器的线距离的约8-10米之内。
[0139]为了将串联管芯的数目减小到对于成本和可靠性考虑的最小值，在特定实施例中，接收器可以仅提供O(100V)。这些模块可以被串联连接，以对于有效工厂规模(例如，300-1000m)的输送我们的逆变器电路的DC输送，在约8A下获得电压0(600_1000V)
[0140]在特定实施例中，需要来将去往每个接收器和/或来自每个接收器的电流分路的电路，以确保每个接收器被独立地功率增益优化。该电路被称作为“平衡电路”。
[0141]模拟方法可以应用到并联接收器，其中电源/吸能器提供升电压或者从每个接收器提取电压，使得每个接收器在公共输出电压下在其最大功率下工作。这种布置可能对于更容易接近高压的串联的高压太阳能电池(诸如三接头(junct1n)电池)特别有利。
[0142]图1A示出了根据本发明的实施例的平衡器电路的布置100，其支持N个接收器102的集群。接收器经由导体104串联连接，公共电流iQ流动通过该导体。
[0143]“平衡器”的阵列106通过分路路径或者单向地汲取电流108、单向地供应电流110，或者双向地通过电流112。这允许每个接收器供应与Ici不同的总电流，使得每个接收器独立地在最大功率点工作。
[0144]相对于电流回流116的输出电压114是接收器电压的总和。输出电流是公共电流1和个体平衡器电流ijb的总和，取决于平衡器的设计，平衡器电流ijb可以是正的或负的。
[0145]图1中示出的具体平衡布置仅表示一个实施例，并且替换方式也是可能的。例如，其他实施例可以采用并联输入连接和不平衡电压平衡，将功率供应给分离的DC或AC线等或从其汲取功率。
[0146]平衡器布置的增益的大部分在操作中仅用于校正或调整不平衡，而不是调整全部接收器功率。相对于上述一些替换方式，图1A的实施例的具体布置可以将使得不平衡功率经由规定路线发送通过工厂的成本最小化。
[0147]根据图1A中示出的本发明的实施例的平衡器系统可以与传统构造形成对比。例如，图1B示出了串联134的接收器132的传统集群130。在该方法中，全部的接收器必须通过相同的电流，从而仅在接收器和对它们的照射适当匹配时才产生最大可能的功率。
[0148]图1C示出了在接收器152的集群中处理功率不平衡的传统方法150。分立的切换电路154进行工作以从每个接收器汲取最大功率156，向并联输出158和160产生公共输出电压Vt5b。
[0149]或者，图1D示出了其中最大功率点跟踪切换器172被串联连接以产生公共输出电流的传统集群170。这些切换器可以是产生DC输出的转换器或者产生AC输出的一个或多个相的逆变器。
[0150]在图1C或图1D中示出的传统方法的任何一种情况中，切换电路在接收器的100%输出功率下工作，从而需要相应地昂贵的组件，并且如果预期的不平衡电流较小，必须非常具有效率以使其合理。因此，由图1C和图1D中的电路收获的额外功率至多相对于图1B中的互连方法是边际成本合理的。相反，图1A中的平衡器方法克服了这些成本问题而不牺牲输出功率。
[0151]图1E中的设计180示出了可以在每个接收器双向通过电流182的平衡器电路的可选布置，而不需要彼此的直接连接或与功率总线的连接。相反，平衡器电流经由与平衡器186的输出感应地耦合的至少一个变压器184而经过。
[0152]根据本发明的实施例，平衡器可以被设计为支持最大的电流不平衡，其比最大预期串联电流1小得多。在一般操作期间，接收器不太可能相对于彼此表现超出输出功率的特定变化，例如，约5-20%。平衡器可以被设计为用于一般范围内的最佳效率和/或直到最大功率等级的减小的效率。这种平衡器电路的降级可以相当地减小成本。
[0153]此外，平衡器电路的所需效率比其在接收器的全功率输出下工作的情况要低得多。例如，如果平衡器具有80%的效率而接收器电流的平衡为20%，那么总功率效率为可观的96% (假设没有串联连接损耗)。减小的效率需求转换为进一步的成本节约。
[0154]如果保持最大功率点需要超出平衡器的最大功率限度，集群中最差性能的有源接收器可以被关闭。在108中汲取过度接收器电流的平衡器必须被协调(例如，经由通信或握手)，因为在与顶级性能接收器相关的平衡器处的最大功率条件可以促进最差性能接收器的关闭。在一些情况下，特别对于更大的N，可以通过与平衡电路中的低效率有关的输出的净减少来促进关闭差性能接收器。
[0155]在关闭的事件中，平衡器可以(I)主动短路与其相关的接收器(以使用机械继电器或固态切换器的同步整流器切换的方式)，(2)通过二极管被动地绕过相关的接收器，或者(3)如果相关的接收器具有可以接受的旁路元件则不执行操作。如果接收器使用同步整流，其可以不与被动旁路电路并联，使得平衡器可以周期地使旁路切换器失效，来检查接收器性能是否已经改变。有益的是选择采用能够在将接收器保持打开的同时将其短路的切换器的平衡电路构造。
[0156]由平衡器使用的功率可以整体或部分地由来自其相关接收器的电压Vj或者由来自集群或来自可选功率源的电压Σ'供应。用于平衡器电路(诸如微控制器)的电源必须被深思熟虑地设计和管理，以确保不论来自与其相关的接收器以及(在更次要的程度来说)其集群的能量产生如何，装置都不会“电力不足(brown out)”或进入不确定的状态，并且确保系统保持为按照需要被控制和进行响应。
[0157]接收器可以例行地例如在会聚器维护期间或等待维护期间成为不工作的状态。错误指向的集群将会损耗局部产生的功率。有必要至少对于平衡电路的关键元件仔细考虑电源。有利的是，可以经由分立的非易失性电源对该关键电路供电，或者经由低功率集中电源对于集群电压保持在允许进行关键操作的最小水平。
[0158]供应给模块或从模块收获的功率至少基本由太阳能电池局部供应。从接收器收获的过量的功率可以被注入到阵列的600-800V输出。对于8接收器阵列，其涉及从接收器电压约8倍的升压。可以通过在隔离变压器中采用合适的匝数比来使得这种升压生效，其中需要该隔离变压器以允许平衡器电路相对于集群输出浮动。这种大的电压调整通常仅在否则需要变压器的情况下进行，并且匝数比被深思熟虑地采用以保持效率。
[0159]升压和降压或者升压/降压电路可以被用在这种平衡器电路中。相同的电压比考虑适用于从该集群输出和双向分流功率的电路借用功率的电路。采用局部产生功率的理论优点是减小互连损耗和成本。
[0160]图1A中示出的平衡器具有隔离的输入和输出。因为串联连接了多达N个接收器的原因，假定一些接收器可以被绕过，在输出处的电压为在输入处的电压的约N倍。平衡器电路可以因此使用隔离升压变压器，其具有合适的匝数比以确保有效的切换行为。
[0161]平衡器能够检测接收器的最大功率点。这通常需要平衡器具有关于接收器输出电压和总接收器输出电流两者的信息。根据图1A中的布置，平衡器可以容易测量电流ija和电压Vj,但是不能容易测量公共电流L。测量L可以通过使得“主”控制器传感公共电流并且将其报告给每个平衡电路中的从控制器来实现。
[0162]因为数据对于全部控制器公用，所以可以将其同时作为广播传递给全部的从控制器。通过抖动或一些其他这种扰动，每个平衡控制器可以建立其接收器的最大功率点或者朝向最大功率点的路径。
[0163]因为这里使用的“数字通信”可以包括基于导线的信号发送，诸如差分电压信号发送(例如，RS485或以太网等)、单端电压信号发送(例如，RS232)、电力环路信号发送(包括电压或电流等)、复用在导体(例如，同轴线缆、双绞线或功率线)上的RF信号发送、传感耦合信号发送、电容耦合信号发送、自由空间RF信号发送(例如，WiF1、蓝牙等)、微波链路、光学信号发送(例如，经由自由空间、光管、光耦合或LED或激光的光纤传输和接收)。光学信号发送可以涉及环境光的调制反射或散射，例如使用由眼睛、摄像机或其他传感器远程辨别的可视图案。
[0164]这里使用的数字通信可以是同步或非同步的。数字通信可以设计I线、2线、3线、4线或更多线的信号发送。这些信号可以采用应用特有的标准或者符合已建立的标准，诸如以太网、WiF1、USB、IEEE1394、modbus、CAN 总线、PROFI 总线、单线协议、SP1、I2C、HDMI 或者可选的电子信号发送标准。尽管电子、EF或光学干涉付出了少量代价，但是一些信号发送标准在必须的数据带宽下并且跨越必要的实体距离提供了可以接受的通信比特错误率。在层次中的最低水平处的数字信号发送可以是最成本敏感的。在工厂层次中的最高水平处的数字信号发送可以是最带宽敏感的。
[0165]图7示出了平衡器(700)的主/从布置的实施例的示意框图。元件702是与工厂的网络(例如，工厂层次中的集群宽度水平)经由信号704进行数字通信并且经由接口 708和710与从平衡器电路706进行数字通信的主控制器。
[0166]在图7中示出的具体实施例中，来自主平衡器的传输对于从平衡器是公共的(由总线供应的)，并且来自从平衡器的传输是分立的。可能的替换布置可以包括从从平衡器的总线传输或者从主平衡器的分立传输。
[0167]接口 708和710的具体布置反映了通信数据的对称性。例如，主均衡器可以被频繁地用于将公共串电流通信到均衡器，使得它们可以执行它们的功率点跟踪。主均衡器也可以频繁地请求全部装置的状态、电压或均衡器电流，以评估系统的状态。也可能需要对于各个装置的通信。
[0168]这些不同的要求可以通过使用具有独立和分组的寻址能力的协议来支持。在一些实施方式中，寻址可以与“命令”或“数据标识符”字节分离或融合。
[0169]主/从平衡器构造的一些实施例还可以包括阻挡反向集群电流的二极管712。然而，在其他实施例中，例如二极管可能是有利的，这是由于正向二级管电压降、大的必要反向击穿电压以及成本。
[0170]一些实施方式还可以包括切换器714，以提供集群输出与远程输送线缆之间的直接连接。在一些实施方式中，这种切换可以经由主平衡器702以电方式进行控制。包括714的实施例可以被用来消除元件712的正向二极管电压降或者可以被用来同步整流。
[0171]这里使用的“远程传输”描述了功率的工厂尺寸距离的传输。一些实施例可以不具有712和714，并且远程传导的主动集群输出716与局部主动集群电压718之间的连接可以简单地为导体。这种布置可以减少成本并且改善效率，以可能增加对进出集群的功率流进行控制的逆变器的需要来作为代价。
[0172]改变是可能的。一些实施例可以包括作为手动隔离切换器的切换器714以投入使用。一些实施例可以提供在接收器之外的旁路二极管720 (例如，如果集电器整体性能低下或者不工作的话，提供用于电流的路径)。
[0173]一些实施例含有切换器722以提供直接的传导路径来绕过集电器。这种切换器还可以用于使得接收器短路，以有助于维护，减小串电压等。
[0174]这种切换器可以是手动、机械致动的，或者是电致动的。机械致动的切换器可以包括诸如中继或闭锁中继的螺线管致动切换器。机械致动的切换器可以包括具有电机或液压致动器的切换器，这可以提供利用螺线管难以实现或者功率敏感的大的接触分离的潜在优点。
[0175]在一些实施例中切换器被协同定位，使得可以使用减少数目的致动器。例如，诸如无刷DC电机、步进电机或者有刷DC电机的电机可以被用来从组中选择切换器(例如724)，并且另一个电机用来对所选择的切换器进行致动。在一些实施方式中，第一电机选择切换器，螺线管或第二电机将所选择的切换器接合，并且第一电机使得切换器致动。
[0176]使用这种机动切换阵列的实施例可以提供一个或多个优点，包括但不局限于:
[0177]—致动器与被切换的电路的两侧之间的高隔离电压；
[0178]——对电流和电压进行双向切换；
[0179]—低的切换器传导损耗；
[0180]——用于高电压电路的切换的大的接触分离距离；
[0181]—自指示，例如，切换器的状态可以通过其位置辨别；
[0182]—手动致动成为一种选择，并且在一些情况下避免多余的切换器；和/或
[0183]—相比于分别致动的切换器，每个致动切换器具有更低的成本。该成本折衷随着这种组中的切换器的数目增加而改善。
[0184]连接部726表示跨越从接收器到接收器被实体地串联连接的点728的距离的导体。在一些实施例中，该距离可以是I到5m的数量级。
[0185]连接部730表示跨越串联连接点728与平衡器输入732之间的距离的导体。在一些实施例中，该距离可以具有I到30m的数量级。
[0186]电容734可以可选地定位或者在位置728和732处与第二电容并联。元件736是来自N个接收器(其在740处串联连接)的阵列738的接收器。
[0187]主平衡器可以例如通过使用低侧电流传感电阻742来测量串联集群电流。这种电阻可以包括大量的低值电阻技术，包括金属带、碳合成物、金属线以及特殊设计的印刷电路板电迹。
[0188]通过为主电路提供测量或推断电阻温度的能力，可选地补偿电阻随着温度的变化。这种测量可以通过热敏电阻、变阻器、热电偶、晶体管、二极管和/或集成电路通过电容耦合或直接耦合流动通过相同电迹或基本最接近的电迹的已知电流来实现。
[0189]该结构的可能优点是主平衡器经由在低侧上的传感电阻直接测量电流的能力。然而，在一些实施例中，主平衡器可以经由在高侧上的电阻或者通过非基于电阻的方式测量电流。
[0190]或者，可以使用霍尔效应和其他基于磁的测量方式测量电流。
[0191]在一些实施例中，主平衡器可以经由与逆变器协调来更新其电流校准。逆变器可以允许一定的精度或精确地知道的向集群流动的电流。该电流可以被数字地传达给平衡器，该平衡器可以修改其校准以匹配来自逆变器的电流。
[0192]在一些实施例中，该消息和重新校准将会被足够频繁地执行，以排除温度补偿。这种布置的优点是连接到集群的逆变器可以与能够时间共享共用的精确电流传感或基准能力的大量的其他逆变器集中布置，以将该能力的每集群成本最小化。
[0193]根据特定实施例，主平衡器可以例如经由电阻性电压分配器来测量集群电压。在一些实施例中，主平衡器可以使用电压分配器的链来测量每个接收器电压。在特定实施例中，主平衡器可以将该电压信息数字地传递给从平衡器。如果需要的话，主平衡器可以从其从平衡器数字地接收各个平衡器电压的报告。
[0194]图8示出了根据本发明的从平衡器800的实施例的示意图。在该实施例中，从平衡器电路参照来自接收器的负电压(802)。在可选实施例中，从电路可以参照来自接收器的正电压(804)、集群的正或负电压、来自另一个接收器的电压、大地电势或者其他电压。图8的布置可以提供这样的优点，其中在与主平衡器的数字通信中仅存在必要的电压隔离(806和808)，对此可以采用大量的有效并且廉价的隔离器技术(例如，光学耦合器、电感或电容耦合的隔离器)。
[0195]元件810基本是数字控制器，其可以包括ASIC、微控制器、微处理器、PLD、CPLD,FPGA等。该控制器可以例如经由电阻性电压分配器812提供接收器电压的模拟-数字转换，提供平衡器电流(例如经由电流传感电阻814)和/或提供其它参数，诸如温度、切换器温度、与最大功率相关的模拟信号等。此外，控制器810可以将一个或多个模拟输出(例如，816)提供给功率电子器件电路818。
[0196]一个或多个这些输出可以部分地由数字信号的脉冲宽度调制来产生。在一些实施例中，一个这种模拟信号可以包括通过接收器电压和串电流的乘积计算的功率。在一些实施例中，该信号可以包括通过接收器电压和传感到的电流的乘积计算。在一些实施例中，该信号可以包括这两者的组合。
[0197]在一些实施例中，这些组合功率的相对权重可以被调整，以考虑到电路损耗和传感器不精确性。在特定实施例中，模拟信号与接收器和串电流的加权总和成比例，其中，权重被类似地调整。
[0198]数字控制和标识信号可以在线817上在810与功率级818之间传递。这种功率电子器件级可以采用单周控制或用于执行灵活的最大功率点跟踪的模拟反馈控制的元件，为了这个目的，使用诸如串电流或串电压的信号的模拟版本。在一些实施例中，从810传递到818的串电压可以是来自电压分配器812的电压或者该电压的经处理的版本(例如，经滤波或经放大)。
[0199]根据本发明的一些实施例，接口可以操纵模拟信号，以调整功率级818的行为。这种操纵的示例是调整控制系统以实现更好的效率。在这种实施例中，功率级818可以提供对于瞬态现象更快的响应，但是具有更不利的功率点优化。控制器810可以使用模拟信号816或数字信号817的模拟信号发送或操作，以修整818的控制，来实现快速的响应和高精确度。
[0200]可以由图8的具体电路布置提供的一个优点是模拟传感电压(例如，由电路812和814产生的那些)可以参照由电路818和810共享的公共负电压或局部接地。
[0201 ] 在一些实施例中，主平衡器可以帮助从平衡器进行电流和电压校准。例如，主平衡器可以例如通过使得全部的平衡器失效并且接收从中央逆变器读取的精确电流来首先校准器自身的电流传感电阻。
[0202]之后，主平衡器可以使得从平衡器进行工作。主平衡器然后可以通过测量串电流以及从逆变器接收集群电流的报告来推断平衡器提供给集群的实际电流。
[0203]主平衡器可以接着将该信息发送到从平衡器，从平衡器可用其推断应用到其自身的接收器侧电流传感测量的调整校正因子。通过改变经由PWM或一些可选的数字-模拟转换产生的模拟信号的校准中使用的参数，这可以由经由PWM线调整模拟信号来完成。由此可以相对于集群侧功率性能来调整接收器侧参数，这无疑解决了平衡器电路的非理想性以及低效率性。
[0204]这种类型的校准方法的一个优点可以是其能够被设计为聚集到使得中央逆变器处的功率最大化的操作点上，而不需要每个平衡器测量是高度精确的。此外，相比于利用精确的仅基于接收器侧的电流测量，这种校准过程可以提供更佳的功率最大化。
[0205]类似的技术可以被用来校准电压。例如，主平衡器可以将接收器短路并且接收来自中央逆变器的精确电压报告，之后重新使得接收器能够运作，并且接收来自中央逆变器的第二精确电压报告。这些测量结果的差异可以通知从平衡器电压校准。
[0206]根据一些实施例，从平衡器可以在值的范围上扫描校准参数，直到所测量的集群功率最大化为止。这种过程可以由主平衡器请求，主平衡器将会关于扫描实验结果提供反馈。
[0207]在一些实施例中，在中央逆变器处测量扫描的效果。相比于局限在平衡器的情况来说，这可以潜在地提供更佳的整体系统功率优化指示。
[0208]在一些实施例中，以不同间隔进行两种优化的类型。例如，可以在一个间隔下使用中央逆变器使得主平衡器经受这种校准。在涉及中央逆变器或者不涉及中央逆变器的情况下，主平衡器之后可以在另一个间隔下执行其从平衡器的校准。不涉及中央逆变器的校准可以比涉及中央逆变器的校准更加频繁地进行，因为中央逆变器通常为大量的集群服务。
[0209]在一些实施例中，主平衡器不连接到协作逆变器。在这种情况下，主平衡器可以具有足够的电路以执行不具有精确量化的功率优化，因为其能够在不知道绝对功率的情况下执行功率最大化，或者例如，如果期望将平衡器用于功率量化，其可以具有用于绝对功率测量的充分电路。
[0210]DC-DC电源可以从接收器汲取功率以产生逻辑功率822和用于模拟电路和切换器栅极的功率824。在一些实施例中，这种提供不允许逻辑或栅极功率电压降落到特定水平以下，以避免平衡器的不适当的操作。
[0211]在一些实施例中，该功率可以从集群电压(其可以是“不间断的”)或一些其他电源提供。然而，当不能从接收器获得充足功率来使得从平衡器电路运行时，可能不需要操作平衡器。
[0212]本发明的特定实施例可以仔细地设计元件818、810和820，使得电路在接收器的功率输出中存在宽的摆动的状态下顺利地供电、工作以及断电。
[0213]根据其构造，从接收器收获的过多功率或者由平衡器提供给接收器的不足功率是来自于公共总线826。在一些实施例中，该总线是集群输出。
[0214]在特定实施例中，该总线与集群分离。在一些实施例中，总线被隔离，在其它实施例中，总线可以共享公共电压。
[0215]根据一些实施例，总线被串联到接收器串，例如，在串中的中间接收器之间，或者在末端接收器之前或之后。在一些实施例中，总线连接到由DC-DC变压器从集群电压得出的总线电压。在一些实施例中，该变压器是升压变压器、降压变压器或者升压-降压变压器。
[0216]在最佳公共串联电流下，使得平衡电路的操作的总数最小。例如，如果平衡电路通过从接收器汲取电流来进行工作，那么存在这样的最佳工作条件:其中至少一个最差性能的接收器在从其平衡电路汲取零电流的最大功率点处。相反，如果平衡电路供应电流，那么存在这样的最佳操作条件:其中至少一个最强性能的接收器处于从其平衡电路供应零电流的最大功率点处。
[0217]在任一情况下，通过监视由一个或多个平衡电路设置的、它们处于或超出零分路电流最大功率条件的响应或标识的存在，主平衡器可以将控制环路稳定在其最佳条件附近。如果主平衡器检测到至少一个零电流条件报告，其可以指示全部的平衡电路将在接下来的时间区间上的平均电流汲取/提供增加一增量，直到没有平衡控制器发送零电流条件信号为止。如果没有平衡电路报告零电流，那么主平衡器可以指示全部的从平衡器减小它们的平均电流汲取/供应。通过以此方式重复地操作，主平衡器可以确保该最佳操作被紧密地跟踪。
[0218]主控制器可以可选地通过有意地过低或过高报告公共电流，来强迫控制器来沿着具体方向调整平衡电路。当然，对于给定信号发送带宽，或者如果平衡电路是双向并且最佳操作点没有通过零电流条件来传感，则可以采取更复杂的控制方法来改善的最大功率点跟踪频率响应。其他考虑，例如最小或最大操作电压或电流可能需要集群在离开这些最大效率设置的状态下工作。
[0219]平衡器能够测量接收器电压和平衡器电流。可以通过将所测量的电压与总接收器电流相乘来计算总功率。
[0220]与平衡器相关的电路可以被用来对于工厂提供优点。这种使用的一个示例是主动递控制最大集群电压，以避免在集群负荷较低时的过电压。在一些实施例中，这种功能可以经由与平衡器相关的切换器来快速地执行。
[0221]根据特定实施例，该功能可以是由硬件支持的。例如，如果存在发生过电压的风险，那么可以将少量的集电器短路。该风险可以由快速比较器来检测，从而允许平衡器辅助保护集群的逆变器。
[0222]在一些实施例中，集群的输出可以由传统的过电压抑制器(诸如齐纳二极管)来钳制。在这种情况下，抑制器减小了对于响应速度的需求。当所需的响应速度足够低时，平衡器微控制器可以能够在任何装置损坏之前强迫一个或多个集电器中发生短路。
[0223]或者，集群的逆变器可以被设计为使得其可以忍受高性能集群的全开路电压。然而，逆变器切换器中的设计折衷可能导致减小的功率效率或者增加的成本。
[0224]在一些实施例中，逆变器被设计为应对全开路电压。利用平衡器的主动钳制方案可以供应额外的安全余量。
[0225]如果经由模拟控制系统完成最大功率点优化的话，平衡控制器可能需要例如经由脉冲宽度调制(PWM)或数字-模拟(D/A)外围设备将其接收到的以数字方式报告的公共电流读数转换为模拟信号。平衡控制器可以有意地使得该模拟信号扭曲，以强迫控制回路沿着期望的方向。
[0226]使用模拟控制系统的优点是其具有这样的能力:保持紧密并且精确的高性能控制回路，而不由于微控制器等待时间和多任务而产生扰动。由微控制器管理并调整的“单周期控制(OCC)技术”的混合提供了频率响应与精细控制力的良好平衡。这种方案被称作为可管理的 OCC(mOCC)。
[0227]如果要对例如来自风力载荷的动态波动进行补偿，该电路可能需要至少数个Hz到数十Hz的频率响应。简单的数字控制方案通常需要高度的过采样以良好地完成任务。对于经由隔离通信方案(例如，SP1、I2C或RS485)连接的大部分的微控制器可以实现高达1kHz的数字回路频率。模拟控制回路频率可以在mOCC布置中高得多。
[0228]图2A到图2D示出了根据本发明的实施例的多种简化平衡器方案图。图2A示出了其中对于每个接收器的平衡器电路分离的平衡器电路布置(200)。接收器电源等效电路(202)示出了在到达串联连接部206的路径中的互连电感以及可以可能增加的电感(204)。额外的互连电感以及可能增加的电感(208)在通往平衡器电路的路径中。
[0229]可以期望对切换电路的构造进行设计，以通过例如将切换电路布置为与滤波器电路210中的电感串联来利用该电感。元件212被画出为增强模式的N沟道M0SFET，但是其可以是任何电控的切换器。全桥(full bridge) 214驱动升压变压器216中的绕组。
[0230]元件218和219表示变压器泄漏电感和在一些情况下的增加电感。或者，如本领域中已知的，可以采用半桥(half-bridge)驱动器。
[0231]全桥220和滤波器222包括工作在集群电压(224到226)下的平衡器电路的一侧。通过对称设计，该平衡器电路可以是双向的。
[0232]图2AA到图2AC示出了根据本发明的实施例的用于双向功率流的可选电路的简化示意图。图2AA中的电路230示出了双向隔离逆程转换器。根据切换时机，电流可以流动到接收器端子231中以及离开集群232，或者离开接收器端子231并且进入集群232。必须仔细地设计逆程升压变压器233的基本泄漏电感。在本发明的一些实施例中，逆程变压器233可以包括额外的支线(tap)或绕组，以通过重新利用去磁能量来改善效率。
[0233]图2AB示出了根据本发明的实施例的半桥双向转换器235的简化示意图。该转换器在接收器侧和在集群侧上包括两个切换器以及包括离散的电感236。该额外的电路可以将转换效率改善为超出图2AA中电路的转换效率。
[0234]图2AC示出了双向Cuk转换器的简化示意图。该转换器具有比图2AB中的电路具有更少转换器的优点。然而，全转换功率必须通过在实际实施过程中并不是无损的多个电容器239和其他组件，这在一些情况下减小了转换效率。
[0235]在单向操作过程中，此桥作为同步整流器工作，其可以可选地由二极管桥代替。或者，桥214可以由二极管桥代替。然而，由于在变压器的这一侧上更低的电压，二极管的正向电压将会对于效率产生更大的影响。
[0236]作为二极管桥或切换器桥，元件214可以被用来绕过接收器。然而，滤波器210中的损耗以及可能在电感208中的损耗可能证明将主动或被动旁路布置为靠近接收器是有合理的。
[0237]每个平衡器可以是完整的模块化的，或者可以分享控制电路，以提供平衡器之间增强的协调以及减小组件成本。软切换的程度可以通过在接收器侧(204、208、210和218)审慎地使用电感和电容来实现，并且在一些情况下，可以通过协调在接收器侧上通过串联连接部206的平衡电路与在集群侧上的并联连接部228的平衡电路之间的切换来实现。可以例如通过增加一个或多个被动元件(例如，电感230)来增强集群侧上的连接。
[0238]图2B示出了其中采用了单个多支线(tap)变压器242的可选布置或平衡器电路240。分离的切换器电路244向变压器的隔离支线246进行馈送。
[0239]公共切换器电路248连接到集群电压。对于单向操作来说，该切换器电路可以由二极管桥替换。然而，与图2A不同，在电路244中需要至少一个主动切换器以控制使得电流流动平衡的相对量。
[0240]单个变压器的使用产生了平衡器电路244之间的强烈耦合，从而经由仔细的时间同步提供了软切换。单个变压器的使用可更加节省磁性。
[0241]变压器可以对于被处理的最大不平衡功率确定尺寸。该限制通常小于每个个体接收器的最大可允许功率不平衡的总和。
[0242]单个集群侧电路的使用表现出部件数和硬件复杂度的可观的减小。软切换的程序可以通过仔细地调整切换时机来实现。
[0243]图2C示出了采用主动整流桥262的平衡器电路260。
[0244]图2D示出了采用具有隔离连接绕组274的变压器272的平衡器电路270。代替使得功率流动进出集群输出，该电路按照需要汲取和供应电流，以在每个接收器的最大功率点附近对它们进行操作。
[0245]图2EA到图2EC示出了根据本发明的要素的、仅在接收器侧上具有切换电路的单向隔离转换器的可选实施例的简化示意图。在一些可选实施例中，这些转换器可以被反向，使得全部的切换电路位于集群侧。
[0246]图2EA示出了逆程转换器280。隔离和升压变压器282被设计为具有漏电感，以允许低组件数电路。在本发明的一些实施例中，变压器被设计为具有额外的绕组或者支线，其对在切换时恢复磁场能(否则其将会损失掉)的电路进行馈送。
[0247]图2EB示出了可以用在本发明的平衡器中的双切换器正向隔离转换器电路288的简化示意图。
[0248]图2EC示出了可以用在本发明的平衡器中的隔离Cuk转换器电路294的简化示意图。
[0249]图2中的电路实施例可以含有额外的辅助耦合电路，以提供从一个相到下一个相的软切换。在一些实施例中，该电路包括耦合电容。在一些实施例中，该电路包括在隔离变压器上的电感耦合的绕组。在一些实施例中，该电路被连接为从一个接收器到下一个接收器的链环。当具体平衡器没有进行切换时，其可以通过使用半导体或机械切换器(诸如集电器或连动的、机动致动的切换器)将其自身移除或者被从链环移除。
[0250]在一些实施例中，仔细地协调接收器之间的切换或者功率传递的时机。在一些实施例中，这种协调是通过一个或多个握手信号来执行的。在一些实施例中，主平衡器协调切换顺序时机。在一些实施例中，该时机部分地由从平衡器电路协调。在一些实施例中，一些时机握手或时钟被实施为总线。在一些实施例中，一些时机握手被实施为链环。在一些这种实施例中，时机握手信号可以由通过平衡器或主平衡器绕过。在一些情况下，这种绕过是通过使用半导体切换器或逻辑门来执行的。在一些其他实施例中，这种绕过通过使用机械切换器、集电器或者机动致动的切换器来执行。在一些这种实施例中，切换器可以包括多个行程(throw)，其包括进行软切换以将功率从一个从平衡器分配到另一个从平衡器所需的全部电路。
[0251]平衡电流的来源、目的和大小取决于切换器的时间定序。通过审慎的时间定序，可以减小切换压力和损耗。这些损耗可以进一步由使用被动软切换和主动软切换技术来减小，例如，准谐振和谐振切换器。
[0252]在特定实施例中，电路200、240、260和270位于实体紧凑的空间中，这可以用来实现以下结果:减小EMI/RFI ;促进仔细的时间定序；使得共孚组件的使用最大化(诸如精确时钟、电源、通信总线等)；和/或使得电感208最大化，该电感208对于210进行补充。
[0253]在一些实施例中，单个相对强大的处理器可以执行全部的切换时机计算和控制。在其它实施例中，数个略微不强大的处理器可以对于独立的接收器执行切换计算和控制、经由通信进行的协调以及握手。
[0254]特定实施例可以采用OCC或mOCC以执行切换控制。为了最大功率点、最佳效率以及最低噪声/波动而进行的将N各电路的双向切换优化为N-1个其他电路中的相应双向切换的整体复杂度偏爱使用相对精密的数字处理。
[0255]功率电路的设计中的一个目的是需要在相对低的电流下以合理的效率工作，同时保持相对高的电流容量。应当例如通过使用可变切换频率、脉冲忽略(skipping)、软切换和/或其他技术来将最大效率点偏向到允许的最大功率设置以下，并且将效率的滚降(rolloff)最优化。
[0256]这些切换电路应当被小心地交错，以减小切换损耗并且使得从每个接收器的最大功率点操作瞬时离开最小化。审慎的交错可以减小在低平衡电流下的效率滚降。
[0257]下文中总结了集群的具体实施例的一个或多个特征。
[0258]—集群在全部接收器的线的约8-lOm内包括0(8)个在壳体附近的接收器。
[0259]——接收器被串联电连接，以对于大量的管芯连接实现最大电压。
[0260]—隔离的切换电路(被称为“平衡电路”)理想地汲取不平衡电流、供应不平衡电流或者汲取和供应(双方向)不平衡电流。
[0261]—由平衡电路汲取和注入的功率被局部产生或消耗。即，功率平衡是自我牵制的，从而不需要高功率承载线缆向远程位置的额外的长距离传输，以支持功率最大化。
[0262]—平衡电路能够有效地绕过性能过度低下的接收器。这可以通过使用旁路二极管或者利用切换器来被动地实现，并且在一些情况下，如果电路的电阻足够低，可以利用在平衡电路的正常工作中已经使用的切换器来实现。
[0263]——在集群内，全部的平衡电路被容纳在为了方便维护而安装的一个壳体内。也对于快速通信和共享的元件(例如时钟)提供了协同安装。平衡电路的一些元件可以彼此电隔离。
[0264]—壳体也可以容纳膨胀和跟踪控制器，其对接收器上的功率分布进行优化。该控制器可以行使“主控制器”的角色。
[0265]—低频输入滤波器电容可以定位在这里，因为它们的寿命限制以及可能需要对其进行替换。这种构造提供更加容易的维护。因此，虽然由于中间电线的电感(约l-15yh)该实施例的构造可能不如将电容直接布置在接收器处那么理想，但是即使存在潜在的性能损失，维护的考虑使得该构造更加令人期望。
[0266]——水冷容易在该壳体中实现并且被大量地使用以延长设备的寿命、消除过多的散热器并且减小尺寸。
[0267]——易消耗的组件(例如电容、IGBT或MOSFET以及它们的驱动器)是容易并安全地现场替换的模块。耗材以及它们替换的成本被最小化。耗材被封闭以防止故障时的二次损坏。
[0268]中央逆变器设计
[0269]来自每个集群的(或者在一些情况下来自集群的小组的)中等长度的DC传输线将会分别会聚在容纳了大型交错的逆变器的中央工厂位置处。每个传输线对到达分离的交错逆变器。
[0270]这种配置相对于导线合并的布置理论上不增加导线成本；相反，其通过提供在工厂中每个点处使得总导体截面最优化的方便方式来减小了导线成本。然而，该布置增加了绝缘体成本。根据更不受到强迫的整体效率优化，这种成本可以通过使得相之间的功率平衡不重要并且允许不同的集群在不同的电压下工作而得到补偿。
[0271]在一些工厂规模下，为了将功率从集群有效地传递到远的逆变器的DC互连电线的成本可以证明增加更近的逆变器以及升压变压器的成本是合理的。这种大的工厂可以证明蜂窝结构是合理的。
[0272]通常在成本和效率上最有利的是在工厂和电网之间仅使用一级变压器。但是，在一些情况下，实用要求可能要求分离的隔离变压器。在这种情况下，假设增加了减小天气和云的因素对于总的发电的影响的幅度的附加值，可能最好考虑将工厂分为更小的单元并且将它们在地理上分布。
[0273]因此，DC互连电线变得惊人得昂贵的规模设置了对自然工厂尺寸的限制。该限制与DC电压的四次方相称，如果是这样的话，其仅成比例地增加了绝缘成本。因此在一些情况下，可以有利地推动更高的DC总线电压和双极操作，以使得工厂功率攀升。
[0274]在特定实施例中，高的DC电压可能需要增加高热通量水冷主热交换器中的电介质的厚度。这种增强的厚度转而增加了电介质中的温度降。然而，使用足够大的电解质厚度来在不具有过大的热阻的情况下承受许多千伏特是现实的。
[0275]第二电压限制器是平衡器的隔离变压器上的绝缘物。切换电路电容和切换器也设置了最高电压限制。
[0276]在这些物理限制之外，存在通常由机构设置的相对任意(并且更加严格)的限制来确保产品安全。这些机构限制可以显著地影响商业高压设备的成本和可用性。
[0277]图9A示出了根据本发明的实施例的交错逆变器系统900的示意图。该系统包括主逆变器902和多个从逆变器904。该系统还可以提供不间断电源系统(UPS)906。
[0278]主逆变器可以在工厂网络层级的更高水平下经由信号908进行数字通信。其转而可以与其从逆变器经由信号910数字通信。
[0279]在此具体实施例中，通信被示出为经过总线和基于差分信号的，例如RS485。然而，本发明的实施例不局限于这种形式的通信，并且可以是如在先所述的可选通信方案。
[0280]在图示实施例中，各块共享与大地接地914不同的公共“地线”电压912。绕着逆变器914的矩形表示操作员可能接触的机架、壳体和金属物体。其经由由电力工业建立的技术(例如通过被打入大地的导体)连接到大地接地。可以与大地接地的逆变器系统的其他特征包括冷却系统、冷却剂和其他元件。
[0281]在图示的具体实施例中，在UPS906处发生由电路参照的单独物理大地接地连接。该接大地的布置可以避免与大地接地电流有关的问题。
[0282]在一些实施例中，中央逆变器建立了集群总线电压基准。在图示实施例中，每个集群的负电压被约束(例如，918)到逆变器处的公共电压。该公共电压是“接地线的”，但是不一定是“大地接地的”。集群可以分别将他们的机架、支撑结构和冷却系统等接地线，但是可以否则将它们的集群中的电压约束到“大地接地”。
[0283]在本发明的一些实施例中，集群的正电压被连接到公共正电压中。在一些可选实施方式中，来自多个集群的一个电压被连接。在一些可选实施例中，来自多个集群的一个电压被连接并且来自不同的多个集群的其他电压被公共连接。
[0284]在本发明的一些实施例中，至少一个集群的电压不与任何其他集群连接，例如，全部的集群输出都保持独立。在一些这种实施例中，从逆变器共享基本与集群电压隔离的负的或正的公共电压。在一些实施例中，该公共电压被强迫落在相对于集群电压中的一者或两者的范围内，例如，来确保电路被适当地偏压。
[0285]将集群电压彼此隔离的一个原因是为了允许从逆变器使用相对于具有不同集群电压的大量集群具有一个公共电压的情况下所可能的轮廓更对称的高侧和低侧轮廓。例如，如果一个集群产生一个电压，另一个集群产生不同电压，集群的端子连接到一起并且电路切换到相同电压，那么两个集群的高侧和低侧上的切换时机可能不对称。这种对称性的缺乏可能相比于对称轮廓增加切换、传导和/或核心损耗。理论上来说，在隔离的集群电压下工作的从逆变器可以保持更对称的切换轮廓，并且可以实现更高的逆变效率。这种效率的可能增加可以以隔离切换器和额外的隔离电源为代价实现。在一些实施例中，这些隔离元件所需的额外的成本和功率由有效增益证明是合理的。在其他实施例中，例如在图示实施例中，不是这样的。在具有隔离的集群电压的实施例中，一些从逆变器电路可以共享公共电压，以提供例如通信线、时钟线、握手线等的更简单的接口。
[0286]对于实体地接近逆变器(或者在其之内)的每个集群建立公共电压基准的布置可以提供每个从逆变器可以相对于彼此以及相对于主逆变器共享接地线的优点。这种潜能避免了对于大量隔离电源、隔离通信等的需要。
[0287]这种接地方案的潜在成功可能依靠提供足够低的阻抗以及感应地线平面，使得接地跳动和由接地电流产生的电压偏移不会破换通信和其他电路功能。实体紧凑的逆变器、良好的电路布局以及厚的地线平面平面/电迹可以允许独立的逆变器电路在没有隔离的状态下工作。
[0288]也优选地在从逆变器与主逆变器之间经由可以摆动超过功率和接地轨道(rail)的差分信号来通信(例如，RS485)。在轨道公差以上的模拟电路可以是优选的。
[0289]根据具体实施例，主逆变器包括滤波电容920。本实施例中的从逆变器每一者都基本具有电流源的功能，并且因此可以共享公共电容。
[0290]独立的滤波电感被包含在从逆变器块904中。通过交错每个从逆变器的切换时亥IJ，可以将该滤波电容的必要尺寸减小大的因子。在一些实施例中，从逆变器可以基本具有电压源的功能，并且共享电感可以被类似地减小的串联滤波器电感。
[0291]为了减小成本并且提供紧密同步的操作，主逆变器可以将时钟信号922提供给从逆变器。在特定实施例中，该时钟信号可以来自微控制器。
[0292]改善的交错可以依靠精确地时间切换协调。因此，主逆变器可以产生、收听和/或有助于由从逆变器采用来部分用于建立切换时机和同步的数字正时信号的握手总线。
[0293]在图示的具体实施例中，逻辑电压926和栅极/模拟电压928可以由不间断电源906提供并且对于从逆变器共享。为了避免不期望的电源电感，这些电源在由UPS馈送的同时可以被防止为接近逆变器或在逆变器内。
[0294]在特定实施例中，UPS提供中间电压，并且每个从逆变器从这个电源独立地产生其操作电压。如果电源电感较大或者在逆变器相之间期望额外的电压隔离，那么这种布置可以是有利的。
[0295]根据一些实施例，每个从逆变器可以具有简单的缓冲器和电容，以消除电源电压漂移，而不依靠将电源分离的手段。每个逆变器相可以包括含有信号和连接的“测试端口”，该测试端口通常在操作期间打开，但是在逆变器经受故障时支持自动的测试和检修。
[0296]图9B示出了经由电路952提供的切换器同步链环的逆变器系统950的实施例。交错在分离的从逆变器之间的软切换以及高精确度的切换器都可以采用高精确度的链环握手。
[0297]例如，在开始切换序列之前，从逆变器(例如，954)可以等待来自一根握手线958上的正时链中在线的另一个从逆变器(例如956)的信号。在切换序列中的一些点处,可以在握手线960上将信号送给链中的下一个从逆变器，使得下一个逆变器的切换实现软切换的、低压力或低噪音条件。
[0298]当各个从逆变器或其相关的集群可能不能操作时，保持完整的链环可能是困难的。因为软切换可能是期望的，但是对于操作不是必要的，所以从逆变器可以被编码和设计为如果链环断裂的话执行硬切换或者具有减小的交错性能。
[0299]特定实施例(例如，图9B中示出的实施例)可以通过使用切换器962来绕过链环中的一个或多个从逆变器正时信号。这种切换可以是电子的、机械的等。
[0300]如果发信号电子器件是低电压的并且共享接地基准，可以优选地经由逻辑装置或模拟切换器来执行该切换。这种切换器的潜在期望特性包括低成本、低功率需求以及低的传输时间延迟。当从逆变器被从服务移除时，这种切换器可以被机械或编程地启动。
[0301]移除从逆变器可以涉及机械地移除装置。因此，这种功能可以由主逆变器操作，或者在当从逆变器被移除时保持服务的主板上进行。
[0302]图1OA示出了根据本发明从逆变器(1000)的实施例的示意图。该从逆变器包括可以执行一个或多个以下功能的控制器1002:与主逆变器经由1004数字地通信；经由握手信号1006协调切换时间；从1008得到处理器时钟；和/或从主板获得逻辑功率1010和栅极驱动/模拟功率1012以及公共电压基准1014(地线)。控制器可以控制一个、两个或三个以上相的逆变器中的切换。
[0303]图示的具体实施例包括三相降压逆变器1016的简化示意图。或者，从逆变器可以包括升压逆变器。
[0304]图示的具体实施例包括升压DC-DC转换器。这些转换器采用了高侧切换模块1020和低侧切换模块1022。升压逆变器采用串联电感1024，它们在单元外的从逆变器之间共享公共滤波电容。或者，升压逆变器可以包括各自的分流滤波电容以及共享的串联电感。
[0305]图1OA中示出的升压电路1018可以被操作以提供电路的扩展的操作范围。如果在最大功率点处的集群电压降落到执行向期望电压的你变所需的阈值，那么逆变器可以:
[0306](I)减小其功率汲取，直到集群电压足够高来进行逆变；
[0307](2)要求系统中连接到更佳性能(更高电压)集群的从逆变器通过在性能低下的逆变器不能够提供的电压下产生不相称地多的功率，来进行补偿；
[0308](3)关闭。
[0309]一种设计方法确保了集群总线电压通常超出降压逆变所需的电压。该方法可以采用超出标准的切换器电压。该方法可以影响平均效率，因为降压逆变器可能利用基本下降的电压更低效率地工作。
[0310]增加升压级1018可以对于逆变器提供将其电压升压到逆变所需的最小值的能力，从而允许使用产生更低峰值的集群电压。升压相可以使用额外的切换器1026、二极管或同步整流器1028以及电感1030(与互连电感串联)。
[0311]当不需要升压时，电感电阻和二极管正向电压降以及电阻可以减小逆变器效率。在这种情况下，可能期望关闭旁路切换器1032。
[0312]该旁路切换器可以经由1034电控制。该旁路切换器可以使机械切换器、继电器、自锁继电器等。
[0313]使用电机(上文中在平衡器电路的上下文中讨论的)来对切换器进行机械切换的潜在优点可以可能更加优选地应用到这种切换器。例如，该升压/旁路模式切换器将不一定需要在一天内被激活多次以上。如果一天内被激活10小时并且在1A下节省了 I伏特的损耗，那么这种切换器将会在100天内以$0.1OkW每小时的价格节省$1的电力。因为由电机(例如，简单的x-y平移机器人)激活的足够便宜的机械切换器可以每个节省约$1，从而在每个切换器的投资上提供了约三个月的边际回归。
[0314]通过对比，可选的切换器(诸如固态继电器)通常花费20到50倍。并且虽然这种可选的切换器可以提供增加切换速度的优点，但是这可能对于不频繁激活模式的切换器不是那么重要的考虑。
[0315]在一些情况下(例如，在夜间)，集群接收少量的常规(houseke印ing)功率。在一些实施例中，该常规功率可以由逆变器在集群电压线上提供。
[0316]当电网被连接时，如果二极管1028被例如经由切换器1032分流的话，该整理功率可以被通过切换器1020提供。然而，如果当集群不产生电力时存在电网断电的话，可能在集群出存在功率断供的可能性。如果集群因为其在白天的错误指向而不产生电力从而导致冷却系统和跟踪系统不工作的话，这可能是有问题的。
[0317]因此，为了在全部情况下提供可靠的、不间断的整理功率的供应，诸如906的UPS可以被用来经由二极管1038提供功率1036。该电路设置最小集群总线差分电压。或者，这种供应可以经由切换器来施加。
[0318]可能期望无论从逆变器是否工作都维持这种供应可用。在一些实施例中，二极管1038位于在对从逆变器提供服务时不被移除的电路上(例如，在从逆变器插到其上的主板上)。
[0319]切换器1040可以用以向UPS提供功率的阵列。该功率可以由其他集群使用，和/或可以被用来给电池充电。如果存在的话，这种切换器可以被如前所述地手动或电机致动。
[0320]如果不间断功率与二极管1038连接，那么二极管1038位于电感1030的集群侧上，或者二极管1038将会在升压切换器1026被激活时被正向偏压。因为与1030串联的遥控传导线电感可以是相当大的，所以不间断电压相比于普通操作总线电压足够低，使得二极管在普通操作期间不变为被正向偏压。或者，当升压电路工作时二极管可以被切换。
[0321]集群和控制器1014的公共地线电压的潜在优点是电流传感1042、总线传感1044和脉冲电压传感1046可以被精确和廉价地执行。应当继续良好地注意模拟接地1048。
[0322]测试连接器1050可以有助于自动测试和故障检测。
[0323]逆变器可以通过使得输出功率中的信号或所计算的值不变来精确地跟踪最大功率点。不过，可能期望逆变器能够精确地报告其产生功率。
[0324]在这种情况下，逆变器的电流和电压传感可能需要校准。在一些优选实施例中，从逆变器将其测量值与从其主逆变器报告的精确测量值相比较，以更新其校准。之后，从逆变器可以对于从逆变器的集群上的平衡器电路提供类似的校准服务。
[0325]根据某些实施例，使用单周控制、模拟反馈来设置切换时机。在一些实施例中，使用单周控制、模拟反馈来执行最大功率跟踪。
[0326]在一些实施例中，单周期控制的执行可以由微控制器调整和优化。在一些实施例中，可以使用一个或多个数字信号处理器或合适的快速数码控制器来计算切换时机。
[0327]图1OB示出了从逆变器1080的实施例的图，其使用握手信号1082和1084的链环以执行软切换、减压切换、低噪音切换或其他切换增强。这可以经由切换正时电路来完成，并且在一些实施例中可以由附属切换电路1086来完成。
[0328]图1lA示出了与根据本发明的实施例的逆变器有关的UPS1100。UPS控制器1102经由连接部1104与工厂数字地通信。
[0329]在该具体实施例中，由从逆变器共享通信。在一些实施例中，UPS可以在电站网络层级的不同水平下通信。
[0330]该控制器执行来自电网1106进行功率管理。在一些实施例中，控制器执行来自发电机1108(诸如石油发电机)的功率管理。
[0331]在该实施例中，控制器将电池1110保持在良好的充电状态，并且提供在电池电压下的不间断总线电压。该实施例采用了电池以相对于大地接地1112提供低阻抗电压基准。
[0332]在该实施例中，在升压三相变压器的低电压侧上存在参照大地接地的位置。根据在公共集群电压中需要多少负电压偏移，来在电池堆栈(例如，1114、1116或1118)中的一些位置处建立大地接地与工厂中公共最负电压基准之间的连接。
[0333]改变是可能的。类似的方案可以被用来建立固定的正基准。主动切换方案可以被用来在大地接地与集群电压之间建立任意静态或动态的关系。集群公共电压可以被直接约束到大地接地。
[0334]在电网断供期间，控制器可以打开发电机1108以防止电池1110耗尽它们的充电。电池1110的尺寸可以足够小，以提供短暂的时间段来打开发电机或者有助于有秩序地安全关闭工厂。
[0335]在一些实施例中，UPS控制器也产生逻辑1120和/或栅极/模拟1122电压。UPS系统可以被实体地分离。例如，发电机1108可能需要被安装在外部。
[0336]电池1110可以被容纳在腐蚀和爆炸性气体不会引起问题的位置。对于1120和1122的供应可以接近从逆变器以使得电压供应的感应峰值最小化。
[0337]图1lB示出了将工厂电压1154变压为电网电压1156的升压变压器1152的电路1150的示意图。在该实施例中，变压器1152将“Wye”连接到“Wye”。在如图1lB中示出的“Wye”构造中可以期望连接到升压变压器的工厂侧，以限制可能由电源切换器的故障引起的二次损伤。例如，电路内部1158绘出了在降压逆变器相的低侧上的故障的、具有保险丝(1160)的电源切换器1162。一些切换器故障导致切换器具有低电阻、表现短路的状态。在该实施例中，通过将电流1168引导通过工厂电池1110，可以防止所产生的流动通过故障电路的大故障电流1164基本影响公共负电压(1166)。
[0338]在没有能够应对该大电流的电压箝位电路1150的情况下，故障的切换器可以使得电压1166在另一相的电压上摆动，从而在主体或其他低侧切换器的续流二极管引起高的热量，并且可能在保险丝1160烧断之前减小可能产生的额外损失。
[0339]图1lC示出了通过使用二极管1186来确保负公共电压1182基本决不升高到三相工厂电压1184以上的可选电路1180。这些二极管必须能够承受非常大的浪涌电流。因为在全部从逆变器中1182和1184是公共的，所以例如在UPS模块或主逆变器中，该保护电路可以在逆变器中出现一次，而不是对于每个从逆变器分别出现。
[0340]在一些实施例中，例如电路可以在没有电池或者与电池独立的状态下建立公共负电压。
[0341]或者，如果全部从逆变器的正电压是公共的，那么在二极管方向被颠倒的状态下，可以通过诸如1180的电路的每个逆变器系统的单个副本来防止该正电压基本摆动到其他相以下。
[0342]在一些实施例中，这种电路可以在没有电池或者与电池独立的状态下建立公共正电压。
[0343]每个从逆变器的诸如1180的保护电路可以被分别地应用到非指令的集群电压，即如果负集群电压是被指令的，则被应用到正集群电压，反之亦然。由于保护二极管使其承受大的故障电流的需要，这种二极管可能相对昂贵。在一些实施例中，这种分别的保护可能是成本合理的，并且设计者可以进行选择以允许两个或三个相同侧的切换器先后故障，而不是付出分别保护二极管的代价。
[0344]根据本发明的特定实施例，图1OA和图1OB中示出的切换器模块可以被设计以容易被替换并且将由切换器故障引起的二次损伤最小化。图12A示出了包括低侧驱动器模块1202和切换模块1204的这种低侧切换模块1200的示意图。
[0345]切换模块描绘了 IGBT和续流二极管，但是这对于本发明是不需要的。在其他实施例中，切换模块可以包括其他元件，诸如功率M0SFET、固态继电器和/或其他切换器。
[0346]功率切换器故障可能在栅极导致短路。这种短路可以将驱动器暴露到过大电压和电流下，并且导致驱动器电路1208的破坏。
[0347]切换模块的实施例可以通过使用过压抑制器1210来防止或减小这种损失。这种抑制器可以包括齐纳二极管和栅极电阻1212并且在一些实施例中包括保险丝1214。
[0348]根据本发明的一些实施例，栅极电阻可以被确定尺寸以在过电流状态下烧毁并且提供保险丝功能。这种电阻也可以优选地用来在一些IGBT中避免闭锁。电路保护元件1210可以被确定尺寸以在不损坏的状态下存活足够长的时间，因为栅极保险丝或电阻打开其电路或者到达足够高的阻抗使得保护元件可以承受栅极电流。
[0349]尽管进行了保护，但是栅极驱动器模块1202可能仍然容易损坏并且可以因此被封装为容易替换、成本最优化的耗材。
[0350]在一些切换器故障中，被切换的端子1216和1218变短路。这种故障可能一般导致与过电流相关的二次故障，并且可能由于过度的功率消耗而导致明显的额外伤害。
[0351]由于这个原因，功率模块被增加保险丝。在一些实施例中，保险丝在切换器与端子1218之间。该保险丝可以包括传统的保险丝、在PCB电迹上的断裂或变得高阻抗的特征、薄的或厚的膜装置、电线或已知的其他形式的保险丝。
[0352]图12B示出了高侧切换模块1250的实施例的示意电路图。模块与图12A中示出的类似，但是包括经由元件1254和高侧切换器模块1252提供自举(boot-trapping)能力的高侧切换器模块1252。在其中自举不是选项(例如，静态、高侧切换器)的一些实施例中，高侧驱动器模块可以可选地含有隔离栅极驱动电源。
[0353]对于低侧驱动器模块，高侧驱动器模块和切换器模块可以被设计为使得切换器的故障不能正常地产生驱动器故障，但是驱动器模块是成本优化的、容易替换的耗材。
[0354]在一些实施例中，切换模块可以被封装为成本优化并容易替换的耗材或者可修理的模块，其仍然具有例外地优良的热传递特性。图13A示出了切换模块1300的实施例。
[0355]元件1302是高热传导性基板。在一些实施例中，该板由铝或铜构造。在其他实施例中，该板可以是另一种金属或者陶瓷材料。
[0356]在一些实施例中，在安装有热传递油脂或者高热传递适应性复合材料(诸如“硅垫(sil pad)”)以减小板与外部热收集器之间的接触阻抗时，该板被覆盖。根据本发明的特定实施例，该元件1302从切换器电绝缘。
[0357]元件1304是模块盖。在一些实施例中，该模块盖被由高温度耐力的材料成形或铸造，例如诸如环氧树脂或酚醛塑料的热塑性树脂，或者诸如聚酯或聚酰胺的合适的高温热塑性塑料，它们具有或不具有纤维或微粒填充物。对于这些材料的期望特性包括热温度稳定性、耐火性、耐冲击性、强度和绝缘性。
[0358]可以依赖于该模块盖来抵抗由于容纳在其中的切换器和保险丝的灾难性故障而产生的力，这可以通过过压力和热金属的喷溅以及瞬间电弧来实现。该盖抑制这种故障的物理效果，从而避免对于盖的外部的设备的损伤。元件1306、1308和1310是切换器的端口(例如，分别是栅极、集电极和发射极)。
[0359]图13B示出了切换模块1300的内部1320。在该实施例中，热传递办1302通过薄的绝缘材料与散热器1322电绝缘。该材料可以是任何适当的、高热的、高热传导性的电绝缘体，诸如云母、合成云母板、氧化铝陶瓷、聚酯、聚酰胺或聚酰亚胺薄膜。
[0360]为了减小电绝缘体与热传递板之间的热接触阻抗，可以例如经由螺钉1326而采用机械预载荷。可选的或此外，热接触阻抗可以通过使用热传递油脂、粘合剂或其他已知技术来减小。
[0361]散热器1322可以由高热传递性材料(例如铝或铜或者可选的其他材料或合金)构造。这种元件可以被设计为将需要穿过电绝缘体的热通量减小2到10个数量级，以减小电绝缘体的有效热阻抗。
[0362]这种减小可以通过使得散热器更厚来实现。例如，散热器可以接近管芯的尺寸或更厚并且在基部处具有相应的宽度，使得从管芯的边缘到散热器的基部的角落最小约45度，如图所示。
[0363]在特定实施例中，散热器的侧壁可能不被显示为这种锥形。基部尺寸可能具有类似的截面面积和如图所示的与管芯的相对关系。
[0364]在该实施例中，元件1328是快速恢复肖特基“续流”二极管管芯。在该实施例中，元件1330是并联IGBT管芯。使用本领域中已知的技术和结合材料(例如焊料、填充了银的环氧树脂等)经由导体将这些管芯安装散热器。
[0365]元件1332是焊线。焊线材料的示例包括但不局限于铝和铜。其他的线材料可以包括金。
[0366]这些线将管芯连接到电路板1334上的焊盘。在该实施例中，元件1336是设计为在故障时开路或者在保持高电流脉冲期间作为高电阻的栅极电阻(诸如薄膜0805、0604、0402或其他电阻)。在可选实施例中，该店足可以是厚的膜、印刷的电阻或者可选电阻。如果电阻不具有足够的熔断特性，其可以与保险丝串联。
[0367]元件1338是设计为在遇到过大的发射器电流时熔断的电路电迹。该电迹被设计为在正常工作期间不产生过大的电阻性损失，但是当切换器在其额定电流之上工作时，迅速地故障，表示错误。
[0368]元件1340是用于印刷电路板的机械支撑件。在一些实施例中，这些支撑件是被按入散热器1322中的铆钉，其将来自管芯的背侧金属的电流传导通过散热器到达印刷电路板，并且之后经由连接器(例如，1308)离开模块。
[0369]图13C示出了切换模块盖1304的基部(1350)侧的图，其示出了被设计为当发生故障事件时减轻外部损害的盖的特征。特别地，在故障期间，热金属、颗粒和电弧可以喷射到模块盖内部。它们可能导致危险的过压。
[0370]为了警告过压力并且控制从模块释放过大压力的位置和速度，而不将有害的颗粒释放到敏感的电路区域，可以使用发泄口和/或过滤器。
[0371]在图13C中，元件1352是铸造或成型到盖基部1350中的凹槽，其作为发泄孔。在故障期间，颗粒和气体快速地进入该通道。一些颗粒不能够在转角处转向通道1356中，并且被困在储藏器1354中。其余的颗粒和气体穿过1356。
[0372]已经由急转弯从气体惯性分离的一些颗粒被困在第二存储器1358中。最终，一些颗粒被困在第三储藏器1362中。
[0373]现在由通道冷却并且被剥离掉大部分颗粒和全部液体金属颗粒的气体通过外部排泄口 1364离开。相同的排泄口 1366可以用于减小反向压力。
[0374]排泄口的必要面积和个数由在故障期间释放的能量的预期量以及困在盖内的空气体积决定。对于端子1368的端口可以被设计为抵抗进行排泄，因为在一些实施例中，通过这些端口排泄可能在敏感的区域中放置颗粒。
[0375]变化是可能的。在一些实施例中，排泄和过滤可以采用机械过滤器，而不是气旋或惯性过滤器。在一些实施例中，盖可以被设计为具有多个壁，以容纳颗粒或者具有可压缩元件以容纳膨胀的气体而不会使其泄露。
[0376]图14A示出了可以被布置在从逆变器壳体1401内的切换模块1402、低侧模块1404和高侧驱动器模块1406的组件1400的简化机械图在所示的具体实施例中，低侧和高侧驱动器模块含有表示插入方向和有助于模块移除的特征1408。1401的表面中的凹陷1410和1412确定了模块插入方向。
[0377]在一些实施例中，模块的实体设计使其不能够沿着错误的方向插入或者槽插入，例如，模块1404和1406的形状被设计为使其不能配合到彼此的槽中。切换模块1402可以类似地锁定，以避免不正确的方向以及避免将不正确的模块(例如，错误的额定电压或电流、切换类型等)插入到模块凹陷(例如，1414)中。
[0378]在该具体实施例中，横档1416按压模块盖。这提供了与热传递板1302和电端子(例如1308)垂直的机械退耦力。这种压力也可以提供防止颗粒进入从逆变器的加强密封，因为气体和颗粒从板1302与盖基部1350之间排泄。
[0379]图14B示出了根据本发明的实施例的插入到从逆变器壳体1401内的低侧1404和高侧1406驱动器模块和切换模块1402的布置1400。
[0380]图14C示出了从逆变器的实施例的简化内部组装1460。该附图示出了根据一个实施例的，模块1402、1404和1406相对于印刷电路板1462的朝向的一种方式。
[0381]元件1464、1466和1468是指示器，诸如发光二极管(LED)。在一些实施例中，这些指示器提供了关于逆变器的状态的简单反馈。例如，这些指示器可以表示:
[0382]—全部指示器关闭=没有功率(从逆变器)；
[0383]—指示器1464发光或者闪烁红色=故障，需要维修；
[0384]—指示器1466闪烁绿色或者黄色=升压电路被激活，表明关闭升压电路旁路切换器(例如1472)是不安全的；
[0385]—指示器1468闪烁绿色=工作中或者通过自检。或者，指示器可以是多个彩色LED。
[0386]根据本发明的实施例的一种可能是允许方便的维护。因此，简化的人机接口可能是重要的。
[0387]例如，可能不期望使用红色LED来表示除了故障之外的任何事。另一方面，使用闪烁LED来表明故障，使得色盲的操作员不会处于劣势可能是很重要的。在一些实施例中，闪烁并红色光被用作故障指示，并且稳定并绿色的光被用于正常工作表示。
[0388]元件1470、1472和1474是可以被用来优化逆变器效率的切换器，诸如在不需要的时候绕过升压电路。在一些实施例中，根据进行多少优化以及有多少工作模式，可能不存在切换器、存在一个切换器、两个切换器、三个以上切换器。这些切换器可以被手动地或者经由机器人平移来致动，并且可以提供切换器状态的清楚的视觉指示。
[0389]元件1476和1478是功率指示器。例如，元件1476可以使用于升压电路的指示器并且1478可以使在降压逆变器相中的指示器。这些指示器可以产生明显的热并且被安装为与从逆变器壳体1401的顶部具有良好的热交换，在该顶部处可以施加主动冷却。
[0390]图15A示出了根据本发明的实施例的从逆变器1500的俯视图，并且图15B示出了从逆变器1500的后侧视图。元件1502是滑动机架，其可以被用来在机架中将逆变器滑动到位，并且将热传递元件上的压缩预载荷传递给逆变器结构。
[0391]元件1504是逆变器壳体的升起部分。元件1504可以提供与主动冷却板地良好的热接触，以传递来自功率电感的热量。
[0392]元件1506是与主板进行早期接触的逆变器的元件。元件1508是高电压功率连接器。元件1510可以可选地是提供机械优点的另一种实体机构，诸如具有与1510不同的特征或朝向的一个或多个杆、一个或多个螺钉或者与元件1510实现基本相同功能的不同机构的组合。
[0393]根据特定实施例，逆变连接器和电子器件可以被设计，使得在一些实施例中逆变器可以通过一个或多个以下操作被“热插拔”。
[0394](I)将逆变器相插入到机架，使得逆变器壳体被大地接地并且将静电电荷安全地排出到大地。
[0395](2)利用在上位置中的杆1510将逆变器滑动到其行程的末端，停止除了大地接地之外不具有任何电连接的从逆变器。
[0396](3)将杆1510降低到下位置可以允许将从逆变器进一步推动，这允许逻辑电路与主板接合，但是防止与高电压功率连接部接触。
[0397](4)电路接触的顺序可以是:从逆变器接地(1014)、之后是逻辑功率(1012)，之后是栅极功率(1010),之后是处理器时钟(1008),之后是通/[目和握手电路。在一些实施例中，可以在栅极功率电路之前施加时钟信号。
[0398](5)在该杆位置中，单元经受引导自检以及与主逆变器的通信。如果单元合格，其打开绿灯，诸如绿色、缓慢闪烁的灯，以指示操作者已经准备好与高电压功率接合。如果不是，单元打开快速闪烁的红灯，以指示逆变器没有准备好接合。
[0399](6)如果单元指示错误，单元被移除并且被送到测试夹具来进行自动诊断和故障检测。在需要单元时，夹具可以设置表明健康的清楚状态的标识。一般来说，夹具可以设置可能周期地届满的使用计时器，以促进逆变器返回到测试夹具来进行预防性维护、诊断和校准。
[0400](7)如果单元没有表示故障，用户之后通过拉起杆来接合高电压功率电子器件。该杆包括利用机械的有利条件强迫逆变器向后的凸轮。
[0401](8)单元检测功率的状态并且开始从事于切换器同步和功率逆变。
[0402]为了移除单元，可以采用以下步骤:
[0403](I)可以选择通过经由软件界面来警告本发明的主控制器来进行“安全关机”。这可以转而警告集群进入非功率产生模块，告诉逆变器停止切换等。
[0404](2)用户抬起接合杆1510，移除高电压功率连接器。
[0405](3)用户之后将单元拉出其槽来进行维护，或者将单元拉出得足够远，以使得逻辑功率脱离，升高杆1510并且将从逆变器向回滑动，来停留在完全脱离位置。
[0406]在本发明的一些实施例中，逆变器将会容纳有多余耗材的供应、测试夹具和/或大量的可工作的多余从逆变器，使得用于逆变器相的下降时间被限制在交换从逆变器所需的时间。维护工人可以替换耗材并且使用测试夹具来重新命令逆变器相离线。
[0407]图16A和图16B分别示出了与其主动冷却模块1602接合的从逆变器的实施例的等尺寸前视图和后视图1600。逆变器壳体顶表面具有楔形角1601，使得随着其朝向其行程的后方滑动，其与底部表面或冷却单元1602的冷却板1603接合。
[0408]元件1604是冷却剂入口，并且元件1606是冷却剂出口。元件1605和1607是冷却机旁路端口，其允许这些冷却头成为平行阵列。
[0409]元件1608是在元件1504和1402与冷却模块底表面或冷却板1603之间保持大的机械预载荷的加强机架轨道(在图中未示出加强件)。为了清楚，冷却模块与机架之间的其他加强件(相对于彼此不移动)也未示出。
[0410]升起杆1510使得凸轮对机架安装销1610施加压力，利用了机械便利，将从逆变器朝向后方滑动。以此方式加工逆变器顶部的楔形角产生了明显的机械预载荷，来减小对于冷却模块的热接触阻抗。
[0411]图17A-图17D示出了冷却模块1700的实施例的组件。在图17A中，元件1702是冷却模块壳体，其提供了冷却流体管道的加强的后墙，并且通过设计的、防泄漏的连接器提供了流体入口和出口，该连接器在公连接器1704采用了多余的O形环密封件，其与另一个冷却模块1700的经设计的母连接器1706配合。
[0412]弹簧夹1708固定地保持配合的连接器。冷却剂模块壳体经由O形环密封到冷却板，该O形环通过接近连续的弹簧夹保持在压缩状态下。
[0413]图17B示出了在模块壳体被移除的状态下的冷却剂模块，以显示流体分隔板1710。流体分隔板包括通过分隔板将来自冷却侧(示出)的冷却剂引导向热侧(被遮挡)的喷嘴喷口的阵列。通过将将冷的冷却剂惯性地传输到冷却剂板，这些喷射流在具有低的流体压力降的状态下有效地冷却高热通量。
[0414]该分隔板包括经由冷却剂模块壳体和其他特征1716来产生从分隔板的一侧到另一侧的基本没有泄漏的密封的特征(诸如1712和1714)。这经由冷却板产生了从分隔板的一侧到另一侧的基本没有泄漏的密封。从分隔板的一侧到另一侧的密封不导致外部冷却剂泄漏。
[0415]图17C示出了具有壳体的冷却模块1700，其中分隔板或O形环被移除并且保留冷却板1603和末端夹1720。冷却板包括夹持特征1722，以通过内部压力保持壳体。末端夹在冷却板不具有该特征的区域上提供这种保持特征(1724)。
[0416]图17D示出了相对于冷却板示出了具有被冷却的组件1300、1478、1476等的位置的完整冷却模块1700。来自切换器的热量从管芯1330流动通过散热器1322、电绝缘体1324、板1302、冷却板1603并且进入冷却剂。
[0417]图17E示出了冷却板1782与被冷却的组件(例如，具有被冷却板1784的切换器模块)之间的接口 1780的可选实施例。将特征1785和1786嵌套并且在一些实施例中将它们相互插入并结合，通过将表面之间的总机械预载荷力增加与元件1788之间施加的给定法向力，减小了接触阻抗。这种减小的力可以对于给定热阻抗减小了由框架所需的机械加强以及通过冷却系统板传递到冷却系统壳体的载荷。例如由前面板杆施加的倾斜的力1789可以进一步减小操作员的机械努力，以获得高热传导性的热界面。
[0418]图17F示出了冷却板1782与被冷却板1784的界面的放大侧视图1790。因为楔形几何形状，法相预载荷力1791例如在1793处产生了更大的相反预载荷力1792，其极大地由板内部的应力承受。该技术是机械地有效率的，因为其使用内应力局部产生并分解了大的力，而不需要物理地大并且远离的结构元件来承受高负荷。这种布置还可以使得机械预载荷1793上的有害热膨胀效应最小化。在一些实施例中，该接口被设计为在相对高的被冷却板温度的条件下增加机械预载荷，使得热膨胀提供了有益效果。
[0419]图17G示出了冷却板设计1765的可选实施例，其可以进一步减小负载以及对于冷却系统与支撑机架之间以及从逆变器壳体与支撑机架之间的兼容性的敏感度。在该实施例中，一个或多个特征，例如，1796可以与被冷却板上的配合特征进行机械互锁，使得互锁特征承受被冷却的板与冷却板之间的法线力的大部分。这些特征可以被设计为允许多个被冷却板通过如1797所示使得在连续的图案之间高度交错来互锁。
[0420]图18A示出了分隔板1710的冷却侧。图18B示出了图18A中示出的分隔板1710的冷却侧的放大图。在分隔板中，存在设计为有效地冷却切换器模块的特征1802的布置和有效地冷却电感的特征1804。主动分割元件包括喷嘴(例如，1806)和支撑柱(例如，1808)。支撑柱传递预载荷力，以保持低的热接触阻抗。
[0421]图18C示出了在分隔板的热侧上的相同图案1802和1804。图18D示出了在图18C中示出的分隔板的热侧上的放大图。示出了喷嘴(例如，1810)和隔离件(例如，1812)的后表面。隔离件比喷嘴进一步突出，并且建立了用于最大喷射冷却效率的喷嘴退避距离。
[0422]在本发明的一些可选实施例中，在冷却板上的脊和谷或其他特征可以可选地设置喷嘴退避距离。在一些实施例中，喷嘴壁的结构可以承载在冷却板上的特征上，执行在表面上建立喷嘴和喷嘴间隔的功能。在一些实施例中，喷嘴将喷射流喷射到冷却板中的包括直线凹陷的一个或多个通道中。在一些实施例中，该凹陷可以由挤出成型、冲压或成型(例如滚轧成形)来制造。在一些实施例中，冷却板与喷射流相对的表面包括与被冷却物体的表面上的特征(诸如1302)啮合和结合的特征。在一些实施例中，喷嘴被设计为将冷却剂朝向冷却板和被冷却物体之间的结合力或法向力较高的区域。
[0423]图18E是示出了被冷却的组件是如何相对于分割板中的喷嘴的图案实体地布置的图。
[0424]图19示出了组装到逆变器热交换器1900中的冷却模块1700的十乘十阵列。冷却模块的行在右侧后方于冷的冷却剂歧管1902处终止，冷的冷却剂通过该冷的冷却剂歧管在端口 1904处进入。歧管1902可以位于阵列的底部以促进气泡的清洗以及建立穿过阵列的均匀液流。
[0425]冷却剂模块的行在左侧前方于热的冷却剂歧管1906处终止，该热的冷却剂歧管具有出口 1908并且可以位于阵列的顶部，以促进气泡的清洗。入口和出口的相对布置通过在流体路径中产生基本类似的压力降帮助建立穿过阵列的基本均匀的液流。
[0426]尺寸被确定为使得喷嘴产生最大压力降的喷嘴喷孔和管道的使用可以进一步帮助保持冷却效率。交换器的冷却能力基本不能够由多少液体被容纳在冷却剂模块中影响，而是由通过喷孔的冷却剂流量影响。
[0427]在冷却泵故障的情况下，交换器中的冷却剂的体积可以限定操作员需要多长时间来修理泵或者关闭逆变器。这是因为交换器可以被切换为沸腾模式。
[0428]为了保持基本恒定的冷却剂压力，可以期望使得歧管1908或1902或者这两者保持最小的长度并且在自由表面储液器中终止管道。这种布置可以被流体静力学地加压并且对于沸腾、泵故障等时的大过压力具有耐久性。
[0429]模块的未使用的旁路端口可以在插头中终止。这是由前右侧上的附图标记1910示出，而在左后侧上的相应插头在当前附图中被遮挡。
[0430]图20A-图20D示出了安装到一起的从逆变器1500、冷却系统1900、母板2002和背板2004的组装的实施例。图20A、图20B、图20C和图20D分别是组件2000的前立体图、左视图、右视图和俯视图。
[0431]元件2006是用于与各个集群连接的连接点。元件2008是三相AC连接部，以到达升压变压器。元件2010是与不间断电源输出的连接点。
[0432]图21示出了容纳组件2000的、根据本发明的实施例的壳体结构2100的机械图。该结构包括金属板机架壳体2102，其具有基本位于结构的基部的通风口 2104以及支架或腿2106，该支架或腿2106与通风口一致地工作以提供相对不受阻碍的气流2108，以辅助没有被主动冷却的逆变器的冷却元件。
[0433]这种实施例中的自然对流可以通过使用具有足够高度的顶部安装通风管2110增大，以经由烟筒效果产生上升气流。这种管道可以具有将排气的电子器件或故障模块的气味(可能是有毒的)排出到第二逆变器壳体的外部的额外优点。在一些实施例中，可以通过使用排气扇来增加自然对流。
[0434]图22示出了布置在壳体2100中而不安装前面板的组件2000。右侧上的大的开放空间可以被用来容纳控制计算机、UPS的电池、UPS控制电路、冷却机泵或其他元件。在一些实施例中，为了安全、腐蚀、泄露的安全考虑，这些元件中的一个或多个可以被设计为位于分离的容器中。图22示出了壳体2100在横向方向上比组件200更大的实施例。其他实施例可以包括在竖直方向上比组件更大的壳体2100或者与组件尺寸基本相同的壳体。如果壳体和组件尺寸基本相同，那么诸如控制计算机、用于UPS的电池、UPS控制电路和冷却机泵的元件可以布置在壳体2100的外部。
[0435]图23A-图23E分别示出了在安装前面板的状态下逆变器组件2300的前俯视立体图、前视图、后立体图、后视图和侧视图。管道将会引向液体空气热交换器，优选地是至少具有用于强制对流的选项的散热器。
[0436]或者，散热器可以位于烟罩的基部并且通过烟囱效果得到其部分或全部冷却。冷却剂管道可以升高到某一高度并且在自由表面的储液器中终止以在沸腾的情况下保持有限的压力差(pressure head)。管道2304是冷的冷却剂回流管。元件2306是数字通信连接器，例如，以太网连接器。
[0437]图24示出了容纳机动平移件以可编程地操作机械切换器的阵列的交错逆变器的实施例。在一些实施例中，平移件也可以使得杆1501致动，以使得逆变器脱离。在图示实施例中，平移件可以越过(2402)逆变器前控制面板或者上下(2404)移动。元件2406是平移台，其可以包括一个或多个特征以允许其对切换器和直线杆进行致动。在一些实施例中，可以能够对切换器或螺钉进行旋转致动。在一些实施例中，平移件可以能够沿着与前面板垂直的方向移动。在一些实施例中，机器人的可选机械布置可以被采用，例如枢接的臂等。
[0438]在一些实施例中，逆变器替换可以整体地由相对不复杂的机器人执行。在这种实施例中，人类操作者可以离开高电压安全危险。在一些实施例中，逆变器耗材替换和修理可以被机械人化地执行。
[0439]根据本发明的某些实施例，从逆变器自身可以诊断故障。在一些实施例中，通过没有实现期望的电压或电流，或者通过一些参数(诸如工作温度)到达期望范围之外，从逆变器仅能够粗略地识别已经发生故障。
[0440]在一些实施例中，执行彻底自动的故障排除的能力可以被转移给测试设备。该测试设备可以插入到普通逆变器连接器中并且在一些情况下被插入到特别的测试连接器中，其提供了可以对于帮助诊断的额外信号和控制的存取。
[0441]根据本发明的逆变器的一些实施例可以包括烟雾、热量或火焰检测器。一些实施例可以包括热抑制设备，诸如CO2、化学干粉、碳卤化合物(halon)、泡沫或本领域中知道的其他热抑制方法。
[0442]在一些实施例中，这些火焰抑制器实在手工控制之下。在一些实施例中，这些火焰抑制器是在程序控制下。在一些实施例中，这些火焰抑制器由烟雾、热量或火焰探测器控制。
[0443]本发明的一些实施例包括泄露和水探测器。
[0444]本发明的一些实施例可以包括特定的元件，诸如，在防爆容器中的功率过滤电容。在一些实施例中，电容可以是液冷的。
[0445]在一些实施例中,冷却剂包括电解质油。在一些这种实施例中，逆变器相可以被浸入循环冷却剂中，而不是与冷却剂隔离。根据特定实施例，从逆变器组件被竖直地布置，使得控制器和指示器基本面向上翻并且其他的逆变器被浸入循环冷却剂中。在一些实施例中，使用被构造在1710中的分隔板喷射器来使得冷却剂循环。
[0446]在本发明的一些实施例中，指示器经由与冷却板接触的包围水槽来冷却。在其他实施例中，经由直接冲击或者浸没在传统的保形绝缘表面上来冷却电感。在一些实施例中，电感经由绝缘冷却剂的直接浸没或冲击来冷却。
[0447]在特定实施例中，支撑结构、冷却结构和逆变器壳体以及切换器模块可以包括弹簧，诸如波状垫圈等。这些弹簧具有保持预载荷的功能，而不论热膨胀、蠕变等。
[0448]工厂布局
[0449]图3示出了根据本发明的电站布局(300)的实施例的图。集群(302)被布置为行和列。虽然工厂的特殊地形可能要求离开标准化工厂平面(诸如均匀的阵列)，但是标准化是有利的，因为其允许最大量的预制件的互连。
[0450]阵列的行和列不需要是正交的。然而,较大地偏离正交将会略微地延长互连长度。各个线(304，306)将DC功率传递到大型的交错中心逆变器(308)，该逆变器可以位于阵列的中心附近以减小互连损耗或损失。
[0451]潜在有利的互连几何形状涉及使得线缆沿着行或列朝向中心点延伸，并且之后沿着朝向阵列中心的其他方向延伸。该布置导致互连长度相比于更加直线的连接略微地更长，但是却容易预制并且加快安装，同时通过互连系统减轻集群的潜在阴影(shading)。
[0452]为了减小电感和电阻损失，将三相逆变器输出升压到电网(312)电压的变压器(310)可以位于逆变器的30m甚至1m内。
[0453]交错的优点是众人皆知的，并且包括更低的被动组件过滤要求、高效率切换频率、在组件故障时适当的性能力恶化等。此外，切换的时机可以被协调以减小切换压力，提供改善的切换寿命和功率效率。
[0454]在其他优点中，将全部的逆变器协同定位减小了维护成本，提供了更少的壳体和环境密封件，并且容易进行水冷。此外，逆变器的实体接近有助于逆变器之间的不昂贵的、高速的正时协调(例如，经由时钟和握手线、高速同步和异步通信)。
[0455]装运容器中的逆变器系统的安装可以提供可观的成本优点。这种优点的示例包括容易分布以及使用商用和耐用的、防火并且防止环境危害的容器的优点。
[0456]在电站已经需要水冷的情况下，与功率密度、减小噪声的风扇以及消除进出口点(其允许昆虫、环境湿度和有害物进入)的优点相比，我们的逆变器的水冷边际成本较小。水冷导体、切换器和电容可以改善寿命和性能发展。
[0457]对于各个逆变器的构造的示例是升压式三相逆变器等，其在Y.Chen、K.Smedley 和 J.Brouwer (2006) “A Cost-effective Three-phase Grid-connectedInverter with Maximum Power Point Tracking，，IEEE 1-4244-0365-0/06 以及 Y.Chen 和 K.Smedley (2006) ^ Three-Phase Boost-Type Grid ConnectedInverters”IEEE0-7803-9547-6/06中概述，通过引用将其全部结合在这里。根据我们的逆变器受益于DC互连的电感的要求，该逆变器具有串联输入电感的特征。该电感引起相对低的波动电流，减小了在集群处(和/或在接收器处)需要的输出电容的大小。电路采用了六个切换器来产生升压的三相输出。通过对切换器进行仔细的时间排序，功率切换器的三分之二可以是软切换的并且硬切换被均匀地分布到切换器上。预料到该性能可以进一步由许多逆变器的审慎的交错来改善。使用OCC电路来成功地操作该逆变器。也发展了简单的最大功率点跟踪方案。该自动模拟控制器包括钩(hook)，以允许来自相对现代的微控制器的精确的数字微调以及优化。
[0458]虽然降压逆变器在实践中实现了更高的效率，降压逆变器的使用要求最小的工作电压。在该操作电压略微地高于逆变的波形中的最大电压微分时，获得有效的逆变。
[0459]然而，根据在任何时刻可能存在其中一个或多个会聚器退役等待维修的大量的逆变器的特定实施例，可能需要在相应更高的集群电压下工作或者提供升压级，这两者都减小了整体系统的效率。
[0460]相比于降压逆变器，升压逆变器性能随着电压的损耗而适度地劣化。其合适的功能要求最大功率不超出给定光电源，这可以通过设计来实现。
[0461]根据本发明的实施例的逆变器系统可以具有直接控制工厂的功率因子的能力，以帮助将电站的生产值最大化。这可能是被需要的，以便于:(I)符合由局部电气设施指定的电网互连要求，(2)保持一致和稳定的逆变器操作，(3)(通过一般在接近单位功率因子附近进行生产)将功率生产收入最大化，以及(4)在工厂级别提供参与由公司或独立系统操作者能够提供的任何可用辅助服务市场。
[0462]功率因子控制可以优选地由mOCC技术在逆变器处实现，作为逆变器控制器的一部分。本发明的实施例也可以表现对于输出电流进行周期或周期间调整的能力，以减轻由瞬间负载和功率浪涌所产生的电网异常。
[0463]图3A示出了根据本发明的实施例的电站的简化图。如图3A所示，根据本发明的实施例的电站(350)可以包括含有多个接收器(354)的集群的阵列(352)。
[0464]通过仅在串联接收器从最大功率点的背离上执行功率转换，可以通过对于每个集群使用分离的平衡器电路(356)来使得来自工作的每个接收器的功率最大化。每个集群的基本的D.C.输出沿着导体(358)的分离的双绞线对传导到交错的中央逆变器(364)。
[0465]在一些实施例中，双绞线对的电感可以通过将导体分离开而有意地增强。在特定实施例中，连接的电感可以被有意地减小，例如，通过将导体打碎为多个更小的、更紧密地耦合的导体。在具体实施例中，导体可以被同轴地布置。
[0466]如图3A所示，在一些实施例中，线缆对(358)被与沿着集群的列的对延伸的其他线缆(360)分组。这种描绘可以表示将线缆对布置为实体地接近，但是不需要互连。
[0467]避免将来自大量集群的功率结合可以提供特定的潜在优点。一个这种优点可以是对于每个集群有效地执行最大功率点跟踪。可能的优点可以是减小集群-集群耦合，使得影响一个集群的问题可以对于其他集群的性能和健康具有更少的冲击。另一个潜在的优点可以是每个交错逆变器上的功率和电流可以被严格地限制，减小了对于与过度的D.C.侧功率和电流相关的保护电路的需要。另一个可能的优点是可以获得使用交错的益处，而不过度地担心交错电路的“负载平衡”。
[0468]在一些实施例中，根据线缆延伸的长度来独立地选择互连电线的直径。例如，直径可以被选择以在每个线缆延伸中获得基本相同的电阻，以在或接近最小所需传导成本处获得目标D.C.传输效率。
[0469]根据特定实施例，平衡器电路发挥作用以建立集群电压，来允许来自多个集群的线缆互连，而在集群功率点最大化中不具有大的损耗。在一些实施例中，多个集群导体可以被互连。来自集群的线缆可以变为线缆的束，因为它们以线缆的直径随着电流承载需求而增加的方式结合到这种汇流的连接。在特定实施例中，以不同的方式执行互连导体群的优化。
[0470]在一些实施例中，来自集群的单个行的线缆(而不是一对集群的线缆)被分组。在一些实施例中，这些从行分组的线缆被进一步与从其他行分组的线缆(362)分组，以聚集到中央逆变器(364)上。在一些实施例中，该中央逆变器可以是大型交错逆变器，每个交错逆变器电路由集群线缆中的一个或子集馈送。
[0471]中央逆变器可以采用隔离变压器。电网隔离可以通过经由升压变压器(368)来对逆变器的三相AC输出(366)升压到线(370)上的分配电压或传输电压来提供。
[0472]在具体实施例中，阵列可以被布置在集群轴之间具有九十度角的矩形电网中。或者，阵列可以被布置在集群行和列之间具有九十度之外的角度的平行四边形电网中。
[0473]根据本发明的特定实施例，该阵列角度被选择为减小自我阴影对于工厂功率输出的影响。最佳角度的计算可以考虑一个或多个因素，包括但不局限于本地维度、大地的布置、集群设计的细节、本地天气模式、效用功率价格方案、每英亩的土地成本、地块边界等。
[0474]根据包括与最佳阵列角度的计算基本相同的参数的优化计算，集群的东西间隔
(372)可以与集群的南北间隔(374)不同。在一些优选的实施例中，该间隔比率约为2:1。在其他优选实施例中，该间隔比率可以从约1.3:1改变到3.5:1。
[0475]在本发明的一些实施例中，包括行和列间隔以及阵列角度的参数可以横跨整个工厂来改变，以适应不均匀的底面或植物区系。根据特定实施例，集群的位置可以被有意地交错开，以实现特别的外观，包括期望的美学外观、包括集群来作为像素的疯癫的图像、几何图案、随机或者类随机的图案等。
[0476]在将电站排成阵列的无论哪一种形式中，可以有利地根据阵列索引(例如，{m，η})来清点阵列。如这里所使用的，术语“行”被限定为具有给定索引m的阵列组，S卩，第m行，并且术语“列”被限定为具有给定索引η的阵列组，即，第η列。
[0477]在本发明的一些实施例中，“中央逆变器”可以定位在阵列的中心附近。如果工厂较大(使得在工厂的外围与中心的集群之间的互连损耗或损失较高)，那么工厂可以被划分为多个子阵列，每个子阵列具有基本中心定位在子阵列中的逆变器。这里，术语“阵列”可以指的是子阵列。
[0478]在一些实施例中，来自集群的功率可以被传导到基本平衡的导体对上。在一些实施例中，这些导体可以被彼此螺旋地布置，以减小辐射。在一些实施例中，来自集群的功率可以被传导到不平衡的、同轴线上。在一些实施例中，导体被隔开，以增加互连部的电感。在一些实施例中，导体仅由最少的绝缘体隔开，以减小电感。在一些实施例中，通过将线缆划分为多个平行线并且散布线缆来进一步减小电感。
[0479]图3ΑΑ-图3AD示出了根据本发明的实施例的集群电压的布置。在图3ΑΑ中的布置380中，来自集群的正电压VC+ (382)可以根据集群的功率输出来改变，同时来自集群的负电压VC-(384)基本保持在零伏特基准(例如，大地接地)。根据特定实施例，该恒定的值被在中央逆变器处建立。在一些实施例中，该恒定值被在集群处建立。
[0480]图3AB中的布置与布置390相同，除了 VC-(392)被允许改变而VC+(394)基本保持在零伏特基准。
[0481]一些实施例包括根据布置380和390的集群线缆的组合。
[0482]图3AC中的布置396与380类似，但是VC-(398)被保持在相比于接地397基本负的值。这种类型的布置可以有益于允许在电站内进行安全和廉价的高的集群电压差异((vc+)-(vc-))。
[0483]图3AD中的布置399类似于396，但是具有相反的机型。
[0484]图3AE中的布置386保持关于基准电压389 (例如，OV或大地接地)基本对称的电压387和388。在一些实施例中，该基本对称的变化通过逆变器电路中的控制回路保持。在其他实施例中，该对称被在集群处保持。根据特定实施例，该布置可以通过在接近集群的大地接地的正侧和负侧将基本相等数目的接收器串联来保持。
[0485]根据集群的健康状态，差异((VC+)-(VC_))的绝对大小可以被广泛地改变。例如，该绝对大小可以根据接收器是否是不工作的或者不佳地工作的、接收器上的照明的量以及其他因素来改变。
[0486]集群应当能忍受集群电压的变化。例如，从集群电压偏离的任何的内部电源应当能够承受足够宽的变化。
[0487]为了成本有效性和效率，可以经由从集群总线直接切换电压波形来给集群内的一些功率敏感装置(例如电机和泵)供电。这些装置应当能够在最小的集群电压下执行一些操作。
[0488]本发明的具体实施例可以从包括集中的光电接收器的集群有效地提取功率。在一些实施例中，会聚器受到例行维修和替换。
[0489]因此，在特定实施例中，可以期望能忍受不工作的接收器的个数来维持维修的速率。可以期望从工作的接收器提取功率，而不管集群内的一个或多个不工作的接收器。
[0490]在一些实施例中，提取功率的效率可以随着工作的接收器的数目而降低，以改善全部或者除一个之外的接收器工作效率。例如，当一个接收器以上的一个或多个接收器不工作时，该效率折衷可以有利地使用逆变器中的升压级。
[0491]更大数目的不工作的接收器可能需要更高水平的升压，由此减小效率。一些实施例可以产生中等的升压，即1.5:1。其他实施例可以产生较大的升压，例如高达3:1。其他实施例允许更高的(在一些实施例中任意的)升压，并且仅在明智的时候被切换掉。例如，特定实施例可以在净提取功率等于零时被切换掉。在一些实施例中，当集群完全或接近完全工作时，升压级可以被切换出去或者不工作，从而提供较高的逆变器效率。
[0492]连接到汲取的逆变器可以类似地能承受高的电压摆动。由于这个原因，这些实施例可以采用升压逆变器。在特定实施例中，逆变器包括在降压逆变器之后的升压级。
[0493]根据一些实施例，逆变器包括在降压逆变器之后的仅在必要时工作的升压级。这些实施例可以在高亮度下具有高的效率以及具有在低于理想亮度下以略为减小的效率产生功率的能力。
[0494]当从集群产生不足以给其自身供电的功率时，逆变器可以通过保持微小的集群电压来将辅助功率提供个集群。
[0495]在一些实施例中，多个会聚器可以被用在集群组与中央逆变器之间。会聚器可以作用在集群之间的不平衡电压上，以允许在保持各个集群的最大功率点跟踪的同时通过并联将集群输出结合。会聚器可以作用在集群之间的不平衡电流上，从而允许通过串联连接将集群输出结合。
[0496]在一些实施例中，多个集群(例如，集群的行或集群的列)的输出可以独立地馈送到交错逆变器。来自逆变器的多个输出可以被集中地结合并且升压到电网电压或者独立地升压并且集中地结合。
[0497]在本发明的一些实施例中，中央逆变器单独建立用于工厂的电力系统的公共电势。这种公共电势通常被称作“接地”，但是不局限于“大地接地”电势，因为大地的局部电势可以在电站的范围内可观地改变。此外，由于电流回线中的欧姆损耗，在中央逆变器处建立的电势可以与在集群处的电势不同。
[0498]互连部
[0499]在设计收获客观量的太阳能的电站的过程中，相对长的传输线延伸(诸如O(Ikm))可能是不可避免的。因此，以下几点可能是很重要的:(I)控制互连线的成本，(2)将传导损耗最小化，⑶控制EMI/RFI和/或(4)控制电感。
[0500]材料选择可能是重要的。从成本观点来看，铝线是优选的，其花费比相同电阻的铜导体便宜好几倍。对于长的延伸，连接铝线的困难远超过成本节省。
[0501]为了从每个集群到逆变器基本一致的电阻，应当通过审慎地选择导体尺寸来使得材料成本最小化。在大部分情况下，再通过从有限数目的离散尺寸选择电线规格来在少量减小材料效率的情况下减小整体成本。
[0502]图4A示出了一对DC传输线(400)的图。线402承载一个符号的电流，线404承载返回电流。通过使得电线扭曲，如本领域中公知的，从电线发射的电磁场被显著地减小，从附近线缆获得的噪声同样减小了。
[0503]除了在具有节距(410)的状态下扭曲线缆，线缆还可以有利地具有其之间的空隙
(408)。假设螺旋角较小并且电线之间的间隔是数个线直径(406)，那么电线具有与空气间隔的平行边线回路相似的行为。通过适度的空气间隙(例如，3到50mm，特别是10mm)，这种空气间隔的电线对于典型的工厂规模延伸具有可观的电感，例如，0(100μΗ)。由于螺旋长度与间隔的低的比率，需要明显更多的导体来覆盖比未扭曲的电线对更大的直线距离，但是EMI/RFI屏蔽更好。优选的比率是在1:1与50:1之间，其中12:1是合理的折衷值。
[0504]假设这些线缆离开低阻抗铁磁金属数个节距(410)的距离以避免磁滞现象和涡流损耗，作为空气间隔的电感，电感损耗应当较低。这种串联电感可以被用来增强适当构造的逆变器(诸如上述的升压逆变器)的工作。在一些情况下，可以在这些逆变器中消除离散的功率电感。
[0505]在一些情况下，有利地将螺旋形状弄平。这种构造可以被用来允许线缆更容易沿着一个方向卷起或弯曲。
[0506]如在图4Β的实施例中所示，绝缘双绞线对(420)的间隔可以由具有类似于424的截面(其使得聚合物的使用最小化)的聚合物套筒(422)保持。该绝缘体可以由裸线或预绝缘的线挤出成型。足够便宜的超顺磁性、磁性或铁磁性粉末(诸如赤铁矿、F2O3、铁粉、铁硅粉等)可以与隔离件聚合物混合，使得个礼物和/或线绝缘体增强传输线的电感。这可以进一步减小和改善逆变器性能。
[0507]图4C的实施例示出了在电感调整填充物材料的使用是成本合理时可以采用的可选隔离件截面(444)。
[0508]下文中总结了逆变器的具体实施例的一个或多个特征:
[0509]——升压结构可以是优选的，使得能够忍受将要退役的集群中的一个或多个会聚器具有适量的效率损耗。此外，升压结构允许工厂在相对低的直接普通照射下工作。
[0510]—可以不受限制地使用水冷以增强组件寿命、减小尺寸和规模、消除昂贵的散热器等。
[0511]—用于逆变器的标准外壳可以是装运容器，其中在工厂中已经将逆变器机架安装到该容器中。
[0512]—来自各个集群或集群的小型组的功率可以在大规模交错阵列(例如，每兆瓦特O (200个逆变器))中被分别逆变。
[0513]—交错切换可以被协调以减小切换压力并且在减小RFI和线电压失真的同时改善效率。
[0514]—受到故障的组件(诸如切换器以及它们的驱动器、电容等)可以被独立地封装，以使得耗材元件的成本以及其替换的维护成本最小化。
[0515]—普通的故障应当适度地降低性能。
[0516]—如果实际的话，可以监视即将到来的故障以及累积的损坏，支持预防性维护。
[0517]——可以通过适当地设计(可能重新使用的)各个容器来防止来自普通故障的二次损伤。
[0518]—耗材组件容器也可以容纳用于机械锁止、建立电连接等的特征，以有助于简单的替换。一些这种连接可以被用来检测装置的缺失或替换。
[0519]—这些组件容器还可以具有适配器的作用，以允许我们来用随着组件进化而具有不同实体尺寸的新的组件替换故障的组件。
[0520]——维护应当不需要专业知识或技能。替换耗材应当是能够被安全地热执行，并且到最大的实践程度，使得逆变器返回工作应当几乎是自动的。
[0521]—可以使用我们标准的RS485/以太网网络来监视、控制和故障排除/调试全部电路的健康状态和性能。
[0522]—全部的固件可以使用我们标准的RS485/以太网网络来安全地远程升级。
[0523]通信和控制
[0524]图25示出了根据本发明的实施例的通信和控制网络2500的示意图。尽管可能存在强烈的电子噪音和/或基础水平的变化，大面积工厂的挑战是保持紧凑的控制来监测和应对故障和/或传感和优化性能。
[0525]在一些实施例中，可以部分地由“行桥(Row bridge) ” (2502)来应对通信，其作为更高水平的(在一些情况下)工厂广域通信网络(2504)(诸如以太网络、RS485网络或其他差分电压发信号网络)与为一个或两个行的集群服务的子网络之间的桥。
[0526]在一些实施例中，子网络通信采用一对双绞线缆2506和2508。在一些实施例中，这种线缆包括扭曲的带状线缆。在一些实施例中，这些线缆包括分离的绞合线，诸如CAT5或电话线中的那些。
[0527]在一些实施例中，至少线缆2508具有受控的阻抗。这种受控阻抗的示例包括在约30-300 Ω之间与在约80-120Ω之间。
[0528]在一些实施例中，行子网络采用了 RS485协议。在一些实施例中，行桥建立了例如在约5到24VDC之间的低压通信总线功率，其将功率提供给子网络与一个或多个集群网络之间的桥2510的子网络侧。该功率由子网络上的节点使用，以在双绞线2508上传递差分电压。功率也可以提供电压基准，以确保共模传递的电压在行桥(2502)接收器的范围内。
[0529]图25的具体实施例示出了作为双集群桥的一个或多个集群桥。一个或多个集群桥提供了子网络(2508)与集群网络(2516)之间的电压隔离。元件2512描绘了集群。
[0530]根据特定实施例，可以期望将主要功率从所连接的一个或多个集群(例如，经由2514)提供给桥，而不是从2506提供给桥。这是因为2506的延伸长度可能长得多，并且功率可以由多个集群桥共享。
[0531]如果桥为一个以上集群服务，可能需要将两个集群之间的通信线(2516)和(2518)隔离。这是因为在一些实施例中，集群可以具有相对于彼此改变超出由RS485或其他差分发信号规格所能承受以上的接地基准。这种接地基准变化可能由集群电压(2520和2522)之间的可能的差异所影响。
[0532]根据特定实施例，可能期望将通信线2508布置为在线与集群桥之间具有可忽略的距离2524的传输线。集群桥转而可以位于集群网络传输线的节点处。
[0533]通信传输线节点可以适当地在合适的阻抗中终止，以防止信号由于反射而劣化。即使对于具有Ikm以上的跨度的工厂，仍然可以在这种系统中实现可靠的通信率>1MBAUD。即使在亮度和收集效率快速改变(例如，由于阵风或振动)时，这种通信率仍然可以支持高级工厂功率优化。
[0534]工厂功率使用
[0535]由集群用于他们操作(例如，通信、冷却、指向、跟踪、聚焦等)的主要功率可以经由集群电压差((vc+)-(vc-))提供。在生产过程中，该电压差可以由接收器产生。在不进行生产的过程中，该电压差可以从通常从电网汲取该辅助功率的中央逆变器提供。
[0536]在特定实施例中，逆变器可以具有适当的电池，以在电网断电时即刻提供并降低总线功率。该电池可以由化石柴油发电机作为备份，以在不能够进行生产的长期断电期间提供工厂功率。
[0537]在于生产功率器件强制断开电网时，电池或其他负荷可能在工厂采取措施来减小功率输出的同时提供瞬间功率降。在一些实施例中，集群可以将一个或多个接收器短路，以防止总线电压的过渡升高。
[0538]总之，根据本发明的功率系统构造的实施例可以有一个或多个因素确定。一个因素是基础功率生产单元的种类。在特定实施例中，基础功率生产单元可以包括硅太阳能电池，其仅产生约0.6V并且具有由装置和照明的水平决定的具体的最大工作功率点。
[0539]另一个因素是功率资源的种类。在太阳能发电的实施例中，阳光是弱的功率资源，并且因此在太阳能电站中，需要在大面积上收集并在长距离上传输功率。
[0540]另一个因素是最大电压。为了维护人员的安全，在电站内具有电传输的最大电压。该最大电压可以由装置经济性来设置，并且在一些情况下由装置的物理特性来设置。
[0541]另一个因素包括实际的限制。例如，在基于光电接收器的系统中，在不激活电子干涉的状态下确保这些接收器共享公共的最大功率电流可能是昂贵并困难的。
[0542]以上考虑可以导致工厂构造的实施例表现一种或多种以下特性。首先，电池可以在相关串(例如，模块、密度阵列接收器或联动稀疏阵列)中串联连接，这被一般称作为接收器。
[0543]可能难以对于含有少于阈值数目的电池的传连串执行最大功率点跟踪。在该阈值水平之下，可能需要被动光学和电学技术来平衡电流。这些技术的示例包括但不局限于补偿子串的审慎的并联，以使得与最大功率点工作的分离低至可以接受。
[0544]在该阈值电池数以上，主动电路可以被经济地用来改善效率。然而，该电路可以仅在“不平衡”电流下工作。即，接收器可以是串联连接为“集群“，以升高电压。主动电路可以不仅向接收器提供不足的电流还可以从接收器汲取过剩电流，使得每个接收器在其最大功率点附近工作。
[0545]可以将接收器的这些集群分组为超集群并且在集群之间执行相同的平衡操作。然而，对层级增加层可能增加成本。
[0546]特定实施例可以对于我们的系统采用一个以上的平衡级。该平衡器的最后的级可以包括足够数目的串联电池连接部，以减小对于工厂内传输认为安全的最大总线电压。
[0547]在特定实施例中，功率可以被经由分离的、隔离的绞合线传递到单个点(其可以位于或者接近电站的中央)，该绞合线对于增加的电感和在最大电流下的目标阻抗损耗特殊地优化。根据工厂的功率登记，这些互连线的长度可以是0(100m到Ikm)。
[0548]分离的三相升压逆变器可以经由这些线分离地连接到各个集群。即，功率承载线可以不汇流到朝向逆变器的路径上。保持这些线分离有助于在结合点避免最大功率点错配的问题并且在分离点避免逆变器符合平衡的问题。
[0549]在特定实施例中，升压逆变器可以大规模地交错。这种构造可以为了多个目的，包括减小滤波要求以及减小EMI/EFI。
[0550]升压逆变器的大量交错可以允许峰值效率包络线的扩大。例如，这种构造可以允许可变频率的工作。在一些实施例中，逆变器的输出可以被直接连接，例如，而不具有隔离变压器。
[0551]根据特定实施例，逆变器交错可以被确定性地协调，从而允许诸如软切换的最优化。特别地，确定性的系统的滤波要求理想地决定为N—1，其中N是逆变器的个数。
[0552]在阈值数目(Nd)以上时，非理想地减小交错的效果并且滤波要求的进一步下降是不能忽略的。在另一个阈值(Nnd)以上时，将滤波要求减小了 N_1/2的非确定性交错是成本有效的，并且可靠地支持“单周控制”，一种廉价的、高性能的控制技术。
[0553]在特定实施例中，交错逆变器阵列的输出可以经由位于逆变器阵列约1m内的变压器直接升压到电网电压。一些实施例可以采用水冷，以增加冷却性能、减小成本并且减小寄生载荷。
[0554]虽然已经在上文中参照，本发明不局限于该方法。根据可选实施例，可以将类似的考虑应用到可选的能量装换装置的阵列，包括但不局限于化学电池、电池、热耦、燃料电池、风力涡轮和水力涡轮。
[0555]已经结合采用具有膨胀气球形式的能量转换装置来收集太阳能的电站的设计描述了本发明的示例性实施例，本领域技术人员应当注意本公开内仅为示例，并且可以在不超出本发明的范围的情况下进行各种其他替换、改变和修改。因此，本发明不局限于这里是处的具体实施例，而仅由权利要求限制。
【权利要求】
1.一种中央逆变器，包括: 多个单一逆变器，所述多个单一逆变器中的每个单一逆变器被连接到多个发电元件中的至少一个发电元件；和 中央逆变器输出端，所述中央逆变器输出端被连接到所述多个单一逆变器中的每个单一逆变器的输出端且被构造成组合所述多个单一逆变器中的每个单一逆变器的输出端。
2.根据权利要求1所述的中央逆变器，其中，所述多个单一逆变器中的每个单一逆变器的切换时机被构造成减小所述中央逆变器的输出纹波电流和输出滤波要求。
3.根据权利要求2所述的中央逆变器，其中，所述切换时机利用来自微控制器的时钟信号来确定。
4.根据权利要求2所述的中央逆变器，其中，所述切换时机利用握手总线来确定。
5.根据权利要求2所述的中央逆变器，其中，所述切换时机利用链环化的握手线来确定。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的中央逆变器，还包括用于所述多个单一逆变器中的一个或多个单一逆变器的热插拔逆变器。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的中央逆变器，还包括终端用户可替换的存储模块和终端用户可替换的切换模块中的至少一个。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的中央逆变器，还包括水冷设备，所述水冷设备被构造成:通过产生撞击在冷却板上的水的喷射流，来冷却所述多个单一逆变器中的一个或多个单一逆变器，所述冷却板与所述一个或多个单一逆变器热交换。
9.根据权利要求8所述的中央逆变器，其中，所述喷射流被流体静力学地加压。
10.根据权利要求8所述的中央逆变器，其中，所述冷却板被连接到与热发生器热交换的材料。
11.根据权利要求8所述的中央逆变器，还包括容纳散热器和风扇中的至少一个的外壳。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的中央逆变器，还包括容纳所述多个单一逆变器的外壳，所述外壳包括在所述外壳的第一侧处的多个通风口和从所述外壳的第二侧延伸的管道。
13.根据权利要求1至5中任一项所述的中央逆变器，其中，所述多个单一逆变器中的单一逆变器被构造成:向所述多个发电元件中的至少一个发电元件提供功率。
14.根据权利要求13所述的中央逆变器，其中，所述多个单一逆变器中的所述单一逆变器被连接到电池、发电机和电网中的至少一个。
15.根据权利要求1至5中任一项所述的中央逆变器，还包括机器人机构。
16.根据权利要求15所述的中央逆变器，其中，所述机器人机构被构造成执行下列功能中的至少一个功能:致动切换或者移动逆变器相。
【文档编号】H02S40/30GK104135219SQ201410334570
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2010年5月19日 优先权日:2009年5月19日
【发明者】艾瑞克·布莱恩特·库明斯 申请人:最大输出可再生能源公司