用于多模块太阳能串列发电系统的匹配器及其方法与流程

本发明涉及太阳能发电系统。更具体地，本发明涉及一种用于使从多模块太阳能串列发电系统产生的功率最大化的方法和装置。

背景技术：

迄今为止，光伏太阳能发电系统即太阳能发电场通常由包括光伏“电池”的太阳能面板组成。光伏电池是将光转换成能量的半导体器件。当光照在面板上时，电压跨面板发生，并且当被连接到负载时，电流流动。电压和电流因若干因素而变化，这些因素包括面板的物理尺寸、面板效率、照在面板上的光量、面板的温度和其他因素。

通常，许多太阳能面板串联连接，被称为“串列”，以创建增加的输出电压。一般地，电压越高—能量损失越少，因此系统的效率越高。因此，期望在串列中串联连接尽可能多的面板。然而，由于非常高的电压的危险性质，单个串列的允许最大输出电压通常受到标准和国家规则限制。因此，为了以最小损失生成巨大功率，光伏发电系统通常包括并联连接的许多“高电压”串列。这些并联连接的串列被称为“阵列”。

由于太阳能电池生成dc电力，然而电网通常是ac电力，所以必须连接“逆变器”。逆变器可以被连接到许多并联连接的串列的阵列，以便将其dc电力转换为ac电力，以用于为电网或当地消费者馈电。

许多太阳能逆变器包含用于使来自串列的功率最大化的最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking，mppt)电路。这些本领域已知的mppt电路调整阵列操作的电压(和电流)，测量其输出功率，并且寻找使功率输出最大化的那些电压和电流值。因此，阵列的mppt通常由逆变器完成。

当包括阵列的所有串列在相同的最大功率点处操作时，阵列生成其最大功率。然而，老化或其他缺陷可以使串列中的一些电池发生故障。由于受损面板可以对整个阵列的效率具有严峻的影响，所以需要更换受损面板。然而，找到具有受损面板的相同初始性能的太阳能面板是困难的并且有时是不可能的，这是尤其由于较新面板更高效的事实而导致的。近年来，太阳能面板的效率每年平均提高了3％。

当串联串列中的面板的一小部分被更换时，较新面板通常生成比其他较旧面板更多的功率。然而，每个串列的电流由串列中的最弱面板决定，并且因此新面板的强健电压可能干扰串列中的其他面板的平衡。此外，来自较新面板的溢出功率可以引起面板的其余部分的加热，这可以反映在发电量的下降中并且还可以加速这些太阳能面板的劣化。在这种情形下，阵列的性能以三种方式损失，第一方式简单地是不利用来自新面板的过量功率，第二方式是过量功率通常被转变成可能随时间推移而破坏附接面板的热量，而第三方式是过量功率可以干扰阵列的平衡。

因此期望引入成本效益的手段以通过确保过量功率被绕过较弱面板并且直接馈送到逆变器中来利用来自阵列的较新面板的全发电。

用于解决此问题的一种方法是为串列中的每个面板配备按需调节面板电压的优化器。此方法是昂贵的，因为阵列中的每个面板需要优化器。

us7,605,498公开了一种从高电压高度变化的光伏电源实现太阳能电力转换的高效率光伏dc-dc转换器。描述了电压转换电路，该电压转换电路具有光伏电力中断开关元件对和光伏电力分路开关元件对以首先提高电压然后降低电压作为所期望的光伏dc-dc电力转换的一部分。因此，光伏dc-dc转换器能够通过基本上功率同构的光伏dc-dc电力转换能力来实现与传统比较高的转换效率。然而，此方法具有缺点，因为它对于每个面板需要一个实现方式。

因此将期望提出一种没有这些缺陷的系统。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于使来自包括具有不同发电量的面板的多模块太阳能串列发电系统的功率最大化的方法。

本发明的另一目的是提供一种装置，该装置用于利用来自连接在具有较旧面板的串列中的较新太阳能面板的过量电压和电流，同时使来自整个串列的功率最大化，而不减少较弱面板的发电量并且而不减少其使用寿命。

本发明的又一目的是提供一种用于使来自包括具有不同产能量的太阳能面板的串列的功率最大化、同时适应诸如下列的不灵活逆变器的方法：中央逆变器、单个mppt逆变器或多串列多mppt逆变器。

本发明的又一目的是提供一种用于在相同串列中一起使用利用诸如下列的不同技术的不同太阳能面板的方法：能量高效且成本效益合算的单膜、多膜或薄膜。

随着描述继续进行，本发明的其他目的和优点将变得显而易见。

本发明涉及一种用于使多模块太阳能串列发电系统的功率最大化的装置，包括：(a)太阳能面板的至少一个串列，其中，串列的至少一个太阳能面板与串列中的其他面板分离；(b)dc总线，dc总线被连接到串列；(c)太阳能逆变器，太阳能逆变器在其输入处被连接到dc总线，以用于将来自至少一个串列的太阳能dc电力转换为ac电力；以及(d)注入电路(ic)，ic被连接到dc总线并且连接到串列，其中，ic还被连接到至少一个分离的太阳能面板，并且其中，ic调节连接的串列的发电量并且使用dc总线来将来自至少一个分离的面板的过量功率利用到太阳能逆变器，包括：(i)第一mppt机制，用于找到串列的至少一部分的mpp；(ii)第二mppt机制，用于找到连接到ic的至少一个分离的面板的mpp；(iii)第一dc/dc转换器，用于通过转换来自至少一个分离的面板的功率中的一些来调节连接的串列的功率，以调节连接的串列的功率；以及(iv)第二dc/dc转换器，用于转换来自至少一个分离的面板的过量功率并且使用dc总线来将过量功率利用到太阳能逆变器。

在一个实施例中，串列包括具有不同功率能力的面板，其中，面板的一部分与串列的其他面板比具有更高的功率能力。

优选地，ic包括第三mppt机制，用于找到串列的更高功率面板的mpp。

优选地，ic包括第三dc/dc转换器，用于将来自具有更高功率能力的面板的过量功率利用到dc总线。

本发明还涉及一种用于使多模块太阳能串列发电系统的功率最大化的方法，包括：(a)提供太阳能面板的至少一个串列；(b)使串列的至少一个太阳能面板与串列中的其他面板分离；(c)提供dc总线，dc总线被连接到串列；(d)提供太阳能逆变器，太阳能逆变器在其输入处被连接到dc总线，以用于将来自至少一个串列的太阳能dc电力转换为ac电力；以及(e)提供ic，ic被连接到dc总线并且连接到串列，其中，ic还被连接到至少一个分离的太阳能面板；(f)通过转换来自至少一个分离的面板的功率中的一些来调节串列的功率；以及(g)使用dc总线来将来自至少一个分离的面板的过量功率利用到太阳能逆变器。

附图说明

附图以及对其细节的具体引用仅作为示例在本文中用于说明性地描述本发明的实施例中的一些。

在附图中：

-图1是根据实施例的基于太阳能面板串列的i-v曲线显示出其电气发电量性能的曲线图的图。

-图2是描绘根据示例的具有注入电路(ic)的按阵列连接的太阳能面板的串列的示意图。

-图3是描绘根据实施例的ic的内部零件中的一些的示意图。

-图4是描绘根据示例的具有注入电路的按阵列连接的太阳能面板的串列的示意图。

-图5是根据实施例的例示ic的内部零件中的一些的示意图。

-图6是描绘根据另一实施例的ic的内部零件中的一些的示意图。

-图7是根据实施例的例示ic的内部零件中的一些的示意图。

-图8是根据又一实施例的例示ic的内部零件中的一些的示意图。

-图9是描绘根据又一实施例的ic的内部零件中的一些的示意图。

-图10是根据实施例的另一例示ic的内部零件中的一些的示意图。

具体实施方式

当包括阵列的所有串列在相同的最大功率点(mpp)处操作时，光伏太阳能发电系统生成其最大功率。然而，当串列中的面板的一小部分用较新面板更换时，与其他较旧面板比，较新面板通常生成更多的功率，即更多的电压和电流。然而，每个串列的电流由串列中的最弱面板决定，并且因此较新面板的强健功率可能未被最大利用并且损失。此外，来自较新面板的过量功率的溢出可能干扰阵列中的其他串列的功率平衡，更不用说来自过量功率的热量，这将降低其发电量并且可以加速已连接的面板的劣化。术语“多模块太阳能串列”意在在下文中包括具有不同发电量的面板的太阳能面板的任何串列，诸如：具有较新和较旧面板的串列或具有可能被随机地或规则地遮蔽的面板的串列等。

图1是根据实施例的基于太阳能面板的i-v曲线即电流和电压特性的显示出其电气发电量性能的4个曲线图的图。当许多太阳能面板被串联连接，即为串列时，其组合能量输出通常作为曲线图10中的曲线30。当在电压模式电路中工作时，来自串列的消耗电流在消耗电压升高时相当稳定直到某个点为止，在该某个点之后，电流在电压升高时迅速地下降，如曲线30所示。由于串列的功率等于电流乘电压(p＝i*v)，所以在曲线30上串列的最大功率点(mpp)位于mpp20处。如曲线图10所示，由曲线30限制的矩形的最大区域由点20(x,y)网格定义。当串列中的一些面板需要用较新面板更换时，较新面板的电流和电压特性可能与较旧面板不同。例如，象征由意图更换的较旧面板生成的功率的区域用灰色画出并且由s(k)象征。象征由不意图更换的较旧面板生成的功率的区域由s(n-k)象征。

在图1中，曲线图11在视觉上描绘一旦一些较旧面板已用较新面板更换的串列的发电量。例如，象征由较新面板生成的功率的区域用灰色画出并且由s(k’)象征，然而象征已由较旧面板生成的功率的区域用斜线标记并且由s(k)象征。如曲线图11所示，较新面板的电压和电流都比较旧面板的电压和电流高。如果不管，则逆变器的最大功率点跟踪(mppt)将尝试提高串列的电压，以便如由曲线图12中的曲线32所示的那样使来自串列的功率最大化。然而，如果逆变器被连接到许多串列，则电压改变可以改变其他串列的功率电平，这最终将逆变器的mppt拖至串列之间的某种平均电压点，其不是串列中的任一个的最大功率点，从而有效地使整个阵列的发电量不平衡并且浪费功率。

在一个实施例中，提出了利用来自较新面板的过量电压和电流并且将它们馈送到逆变器的解决方案。此外，此解决方案维持串列的初始mppt点，并且维持阵列的平衡的平均mppt。例如，象征由较新面板产生的过量功率的区域在曲线图13中用灰色画出。一旦较新面板的过量电压和电流被从串列外部适当地利用并且馈送到逆变器，则如曲线图13所描绘的，串列的mpp23可以等于通常对应于其他串列的mpp的期望初始平衡的mpp20。

图2是描绘根据示例的用于使具有注入电路的多模块太阳能串列的功率最大化的匹配器的示意图。为了简洁起见，尚未在图2中示出逆变器，然而，所提出的系统还包括太阳能逆变器，该太阳能逆变器在其输入处连接到dc总线500-501，以用于将来自串列的太阳能dc电力转换为ac电力。注入电路(ic)的目的是为了调节其连接的串列的发电量，并且将来自较新面板的过量功率利用到逆变器，而不破坏串列的初始平衡的mpp。在此示例中，阵列可以具有许多串列，诸如作为在总线线路500-501之间串联连接的较旧太阳能面板的典型串列的串列200。在此示例中，子串列400是旧串列的一部分，其中子串列400包括工作次序中的许多较旧面板。过去经常串联连接到子串列400的较旧面板中的一些已用诸如较新面板401或较新面板405的较新面板更换。为了简洁起见，较新面板已在附图中用黑色三角形标记。在此示例中，2个子串列300和400以及较新面板405一起形成多模块太阳能串列210。首先，可以根据以下等式来划分较新面板：

其中：

vmp_new(k′)是较新面板的总电压

vmp_old(k)是已更换的面板的总电压

vmp_new是单个较新面板的电压

是最高限度，即大于等式中的和的最小自然数。

因此，b表示与串列中的较新面板的其余部分分离的较新面板的数目。在此示例中，在图2中，b等于1，因此，仅1个面板即面板405与串列中的较新面板的其余部分分离。因此，在此阶段，在分离之后，从未分离的较新面板产生的电压小于由已被更换的较旧面板产生的初始电压。在一个实施例中，这些未分离的面板即子串列300的面板可以与ic100一起串联连接到子串列400的较旧面板，如图2所描绘的。在此示例中，两个子串列300和400在其mppt处一起产生小于阵列中的其他串列，诸如串列200在其初始mpp处的电压。在此阶段，ic100可以将从已分离的面板405取得的电压加到串列，以便使整个串列210的电压与其他串列在其mpp处的电压例如串列200的电压匹配，以便使阵列平衡。

返回到图1，来自未分离的面板的功率在曲线图12中由s(k’-b)标记，然而来自已分离的面板的功率由s(b)标记。如曲线图12所示，两个串列即旧面板串列和未分离的较新串列的mpp即s(n-k)+s(k’-b)处于在电压方面比初始点20稍低的点22。在此示例中，与其他串列的功率匹配需求的所需功率用灰色标记。在此阶段，ic可以将功率加到串列以实现所需mpp23，如曲线图13所描绘的，并且其对应于曲线图10的所需平衡的mpp20。在一个实施例中，ic可以添加由等于子串列400的电流的电流和等于达到期望mpp23需求的电压的电压组成的功率，因此ic能够调节所述连接的串列210的发电量以与阵列中的其他串列的功率匹配。

在一个实施例中，ic可以具有第一mppt机制，以用于找到子串列400的mpp，如关于图2所描述的。ic然后能够改变其内部电压以用于找到添加所需要的正确电压，以便调节所述连接的串列400的发电量以使串列200的电压最大化并且与之匹配。例如，由于dc总线线路500-501之间的电压被认为是稳定的，所以ic100能够提升其内部电压并且查看子串列400的功率升高还是下降，或者ic100能够降低其内部电压并且测量子串列400的功率。因此，ic100能够微调其内部电压以使来自子串列400的功率最大化。

图3是描绘根据实施例的ic的内部零件中的一些的示意图。在此实施例中，ic100可以被连接到dc总线500-501并且连接到串列210，其包括子串列300和400以及面板405。ic100还可以在其输入处连接到已分离的面板405，或者连接到多于一个分离的面板，如以上关于图2所描述的。dc/dc101可以包括第一mppt机制，以用于找到子串列400的mpp。dc/dc102还可以包括第二mppt机制，以用于找到已分离的面板405的mpp及其优化的电流和电压。在一些情况下，dc/dc103还可以包括第三mppt机制，以用于找到子串列300的mpp。如以上所提及的，整个串列210的电流通常由串列400即其最弱链路确定。为了调节串列210的电压，在更换面板之前，需要ic100供应作为子串列300、400的组合电压与串列的初始电压之间的差的电压量。因此，当被调节时，串列210的电压应该对应于阵列中其他对应的串列的mpp电压。ic100还可以具有第一dc/dc转换器101，以用于将来自面板405的功率的一部分转换为串列210的所需电压和电流。

在一个实施例中，图3的ic100能够提高/降低其输出电压，同时测量来自子串列400的功率直到子串列400达到其mppt点为止。因此，第一dc/dc转换器101可以被用于通过将来自已分离的面板405的功率中的一些转换成用于串列210的电流和电压来调节已连接的串列210的功率。ic100还可以具有第二dc/dc转换器102，其在其输入处连接到诸如面板405的已分离的面板，并且在其输出处通过dc/dc103连接到总线500-501。dc/dc转换器102可以被用于转换来自已分离的面板405的过量功率，即未由转换器101用于调节串列210的功率的功率，并且将该过量功率利用到已连接的dc总线500-501。因此，ic100能够调节已连接的串列210的发电量并且使用dc总线500-501来将来自已分离的面板405的过量功率利用到太阳能逆变器(未示出)。

在一个实施例中，ic100可以具有第三dc/dc转换器103，其在其输入处被连接到子串列300并且在其输出处被连接到总线500-501。如上所述，串列300的功率的一部分流过串列210，主要是与串列400的电流相对应的电流和对应的电压，然而，来自子串列300的过量功率可以由第三dc/dc转换器103耗尽并且使用dc总线500-501利用到太阳能逆变器(未示出)。因此，dc/dc转换器103可以被用于转换来自子串列300的功率的一部分以及来自dc/dc102的子串列405的过量功率，并且将此过量功率利用到总线500-501，这导致过量功率到太阳能逆变器(未示出)。

图4是描绘根据示例的具有注入电路的按阵列连接的太阳能面板的串列的示意图。在此示例中，诸如ic100、130的ic可以串联连接到面板，或者ic可以以诸如所描绘的级联方式连接。换句话说，由ic利用的过量功率可以直接连接到总线线路500-501或者可以在连接到总线线路500-501之前以级联方式彼此连接。可以在多于一个步骤中完成级联，其中多于2个ic一个接一个地级联。在一个实施例中，ic可以被连接在较旧串列与较新串列之间，诸如针对ic140所描绘的。在其他实施例中，ic可以被串联连接到较旧串列和较新串列并且连接到正总线线路500，诸如针对ic130所描绘的。

其他实施例也是可能的。在一个实施例中，已分离的面板被直接连接到ic，其中ic使用来自已分离的面板的功率中的一些来调节串列的功率。在一些情况下，此系统可以被用于应付面板中的一些遮蔽面板。

图5是根据实施例的描述图3的可能解决方案的例示ic100的内部零件中的一些的示意图。如本领域已知的，对ic100可以存在许多电气实现方式，然而，为了使能起见，例如使用升压和降压模块的ic被描绘为ic100的实施例。

图6是描绘根据另一实施例的ic的内部零件中的一些的示意图。在此实施例中，ic100可以被连接到dc总线500-501并且连接到串列210，其包括子串列300和400以及面板405。ic100还可以在其输入处被连接到已分离的面板405，或者连接到多于一个分离的面板，如以上关于图3所描述的。ic100可以包括第一mppt机制，以用于找到子串列400的mpp。ic100还可以包括第二mppt机制，以用于找到已分离的面板405的mpp及其优化的电流和电压。在一些情况下，ic100还可以包括第三mppt机制，以用于找到子串列300的mpp。在此实施例中，图6的ic100能够通过将来自已分离的面板405的功率排出到电容器610来调整电容器610上的电压。ic100能够提高/降低电容器610上的电压，同时测量来自串列400的功率直到串列400达到其mppt点为止。因此，第一dc/dc转换器111可以被用于通过将来自已分离的面板405的功率中的一些转换成电容器610上的功率来调节已连接的串列210的功率。ic100还可以具有第二dc/dc转换器112，其在其输入处被连接到诸如面板405的已分离的面板，并且在其输出处被连接到总线500-501。dc/dc转换器112可以被用于转换来自已分离的面板405的过量功率，即在调节串列210的功率之后剩下的功率，并且将此过量功率利用到已连接的dc总线500-501。

在一个实施例中，图6的ic100可以具有第三dc/dc转换器113，其在其输入处被连接到子串列300并且在其输出处被连接到总线500-501。如上所述，串列300的功率的一部分流过串列210，主要是与串列400的电流相对应的电流和对应的电压，然而，来自子串列300的过量功率可以由第三dc/dc转换器113耗尽并且使用dc总线500-501利用到太阳能逆变器(未示出)。

图7是根据实施例的描述图6的可能解决方案的例示ic100的内部零件中的一些的示意图。如本领域已知的，对ic100可以存在许多电气实现方式，然而，为了使能起见，ic被描绘为ic100的实施例。

图8是根据实施例的描述图6的可能解决方案的例示ic100的内部零件中的一些的示意图。如本领域已知的，对ic100可以存在许多电气实现方式，然而，为了使能起见，ic被描绘为ic100的实施例。

图9是描绘根据又一实施例的ic的内部零件中的一些的示意图。在此实施例中，ic120类似于关于图6描述的ic100，然而，在此实施例中ic120可以具有另一dc/dc转换器114。由于dc/dc转换器112-113可能不得不应付其输入处的非常高的电压变型和其输出处的高电压变型，所以可以添加另一dc/dc转换器114。因此，dc/dc转换器112-113可以被设计成应付其输入处的高变型，然而，其输出可以被设计成为设定和已知的。dc/dc转换器112-113的设定和已知的输出电压也是逆变器114的输入电压。因此逆变器114仅需求应付其输入为设定和已知的输出变型。与ic100比较，此实施例可以简化设计的实现方式并且提高ic120的总效率。

图10是根据实施例的描述图9的可能解决方案的例示ic120的内部零件中的一些的示意图。如本领域已知的，对ic120可以存在许多电气实现方式，然而，为了使能起见，ic被描绘为ic120的实施例。

在一些情况下，所提出的ic可以被用于具有可以规则地遮蔽的面板的太阳能发电场。在一些情况下，例如，当将太阳能发电场安装在具有烟囱的屋顶上时，遮蔽可以是频繁且已知的。可以将可能被烟囱遮蔽的面板归类为“较旧”面板，然而可以将未被烟囱遮蔽的面板归类为“较新”面板。因此，根据以上所述，可以将ic连接到屋顶上的这些面板。在这种情况下，应该将至少一个ic连接到每个串列。当阴影命中面板时，ic能够利用来自未遮蔽面板的过量功率，从而提高太阳能发电场的总效率。在一些实施例中，如果存在其他阴影障碍物，则可以连接和级联许多ic。

在一些情况下，所提出的ic可以被用于具有可能被随机地遮蔽的面板的太阳能发电场。在一些情况下遮蔽可以是随机的，例如，在太阳能发电场上方飘过的云。ic可以被连接到太阳能发电场的串列，其中每个串列被连接到ic。如上所述，对于每个串列，至少一个面板分离并且其输出被连接到ic的输入，其中面板的其余部分可以被并联连接到ic，如关于图3所描述的。在这种情况下，ic可以被设计成频繁地将已分离的面板的功率中的一些利用到逆变器。因此，当阴影命中一面板或更多面板时，已连接的ic能够补偿来自遮蔽面板的串列的电压的损失，并且通过提高串列的电压而不是将过量功率利用到逆变器来补偿损失。

虽然以上描述公开了本发明的许多实施例和规范，但是这些作为图示被描述，而不应该被解释为对本发明的范围构成限制。可以用在所附权利要求的范围内的许多修改将所描述的发明付诸实践。