高效交错式太阳能供电系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明关注提供太阳能的领域，包括但不限于家用和商用电力系统及阵列。具体 地，本发明涉及可以按照更加有效的方式提供这样的电力的过程、设备和电路。本发明还也 可以应用于在具有拥有相同效果的太阳能电源的某些更基本的属性的一般电力系统。
【背景技术】
[0002] 太阳能对社会的价值已经了解很多年了。太阳能提供清洁的能量，但需要处理该 能量并将其输送到电网或其它负载。发电的效率是尤其受到关注。已经证明极具挑战性的 一方面是在期望的整个功率谱有效地获取能量。因为太阳能的汇集可以改变并且因为光伏 效应本身可以改变，所以依然存在保持某一程度的电气挑战。除了技术问题，诸如满意的安 全性等的管理限制也可能带来挑战。另外，将光伏源结合到诸如太阳能板串等中，使得能量 的有效获取成为问题。作为一个示例，一个在目前的技术情况下频繁发生的有趣的事实，最 有效的发电（可能在转换后的最高电压处）是其中几乎没有电力被输送的情况。这看上去 的悖论仍然是在对于该领域的人们具有挑战性的问题。同样，对于诸如通过更大规模的太 阳能板的串发越来越多的电的期望已由于管理限制等而成为一个问题。
[0003] 本发明提供了电路和方法，通过这些电路和方法，许多这些挑战可以被减少或甚 至消除。提供了具有不同寻常的发电效率的设计，并对于渴望有效地利用太阳能或其它能 源提供了相当大的价值。
【发明内容】
[0004] 因此，本发明包括各种实施方式中的各种不同的方面、电路和方法，它们可以以不 同的组合被选择，以满足不同的需要以及实现各种不同的目标。其公开了装置和方法以通 过对各种不同的负载更有利的方式实现非常高的效率的太阳能以及其它电力输送。实施方 式提出了一些初步的方式以实现高效率的电力输送或发电并显示可调整和改变以达到以 下目标和其它目标的一般理解。当然，进一步的发展和改进在保持在本发明的教导的范围 内是可能的。
[0005] 如上所述，本发明的实施方式的基本目标之一是提供一种高效率的太阳能和其它 发电。它可以提供高效的电力转换器和可以以多种方式实现这一目标的其它电路。
[0006] 本发明的实施方式的另一个目标是能够提供增强的电源串，诸如可以在电源阵列 或其它太阳能装置等中找到的。
[0007] 本发明的实施方式的另一个目标是在所有的发电体系中提供更好的操作效率。按 照这一目标，另一方面在于提供在所有发电情况下可以接近但不超过管理限制或其它限制 的更高操作电压。
[0008] 本发明的实施方式的还一个目标是既在输入也在输出级别提供低电感、低电容、 以及低能量存储。类似的目标是为以太阳能和其它能源操作的电子电路的输出中提供较小 的波纹。
[0009] 自然，本发明的其他目标都贯穿在整个说明书和权利要求书中。
【附图说明】
[0010] 图1是针对本发明的相控交错实施方式所配置的电路的示意图。
[0011] 图2a和图2b是用根据本发明的各种实施方式实现控制的时序图。
[0012] 图3是将本发明的几个操作模式与一些传统系统从概念上进行比较的效率相关 的类型的值图。
[0013] 图4是针对用于本发明的相控交错设计的抽头耦合电感实施方式所配置的电路 的示意图。
[0014] 图5是针对本发明的附加串电压实施方式的一部分所配置的抽头耦合电感电路 的示意图。
[0015] 图6是针对本发明的一个中间板结构实施方式所配置的电路的示意图。
[0016] 图7是针对本发明的另一个相控串（phased string)实施方式所配置的电路的示 意图。
[0017] 图8是本发明的边界控制模式的概念图。
【具体实施方式】
[0018] 如前所述，本发明包括可以以不同方式结合的各种方面。提供以下描述以列出元 素并描述本发明的一些实施方式。利用初始实施方式列出了这些元素，然而应当理解的是， 它们可以以任何方式进行组组合且可以以任何数量创建另外的变型。所描述的各种示例和 优选实施方式不应被理解为将本发明限制为仅是明确描述的系统、技术和应用。此外，本说 明书应被理解为支持并包含全部的具有本申请或者任何后续的申请中的任何数量所公开 的元素、具有单独各个元素以及具有全部元素的任何及全部各种排列和组合的各种实施方 式、系统、技术、方法、设备和应用。
[0019] 如图1中所示，太阳能发电可涉及接收诸如可由一个或更多个单独的光伏源（2) 产生的一个以上的电源（1)。众所周知，光伏源可以是太阳能板（19)(如图6中所示）或者 甚至是单独的太阳能电池（20)(也如图6中所示）。在图1中，源（2)可被聚合以创造一个 概念上的光伏电源（1)。来自光伏源（2)中的一个的单独输出（3)可以是DC(直流）电源 输出。该DC电源输出（3)可被转换为DC电源的修改版本。这可以（但不必）发生在模块 级别，诸如通过模块或者未示出但可能（但不必）存在于每个板（19)或者每个光伏源（2) 的其它类型的转换器。如已知的，这样的转换器可被配置为利用单独的板或模块或者在单 独的板或模块上进行操作，并且可以控制能量获取以实现单独的最大能量点操作。
[0020] 如前所述，在诸如图1中所示的本发明的实施方式中，一组太阳能板或更多普通 源（2)的输出可被聚合以创造一个概念上的光伏电源（1)。该（或许被聚合的）电源（也 是DC电源输出，此处称为第一光伏电源（5))可通过DC-DC光伏转换器（或许此处示出为 基础相位DC-DC光伏转换器（6))被进一步处理或转换以提供基础相位转换输出（71)。
[0021] 同样，另一个聚合的电源（此处称为第二光伏电源（7))也可通过DC-DC光伏转换 器（此处示出为改变相位DC-DC光伏转换器（8))被转换以提供改变相位转换输出（72)。 基础相位DC-DC光伏转换器（6)和改变相位DC-DC光伏转换器（8)二者可通过组合器电路 (9)将它们的输出组合，以提供转换组合的光伏DC输出（10)。另外，基础相位DC-DC光伏 转换器（6)和改变相位DC-DC光伏转换器（8)二者可被同样地控制，诸如通过同步操作两 个转换器中的开关等以使得它们的操作彼此同步地切换定时响应的同步相位控制（11)，无 论操作是相反或其它形式。基础相位DC-DC光伏转换器（6)和改变相位DC-DC光伏转换器 (8)二者可被组合地考虑为公共形成低光伏能量存储DC-DC光伏转换器（15)，其可以起到 两个源或者电源（1)的作用，并且可以提供低光伏能量存储DC输出（65)。这些输出可被组 合以提供阵列或其它增强的低光伏能量存储DC输出（66)。
[0022] 在典型的应用中，作为一种可能性，转换组合光伏DC输出（10)被提供作为对负载 (被示出为光伏DC-AC逆变器（12))的输入是常见的。光伏DC-AC逆变器（12)可提供光伏 AC(交流）电源输出（13)。其可被连接到电网或类似物。还如所示，这样的电源串可被并 联连接（14)以向光伏DC-AC逆变器（12)提供更大的电量。还可能提供诸如通过将低光伏 能量存储DC-DC光伏转换器（15)和光伏DC-AC逆变器（12)二者集成的一体化系统，以提 供组合的高效DC-DC-AC光伏转换器（16)。
[0023] 在操作中，系统可以从第一光伏电源（5)接收第一电力，通过基础相位DC-DC光伏 转换器（6)实现基础相位DC-DC转换以产生基础相位DC电力输送。同样，从诸如第二光伏 电源（7)的第二电源接收到的电力可通过改变相位DC-DC光伏转换过程被转换以提供并产 生改变相位DC电力输送。基础相位DC-DC光伏转换器（6)和改变相位DC-DC光伏转换器 (8)二者都可具有开关以实现它们的操作。这些开关可被某种类型的控制器（或许是同步 相位控制器（11))控制。改变相位DC电力输送和基础相位DC电力输送的输出可被组合， 以实现上述转换组合光伏DC输出（10)。
[0024] 为了更多地发电，有可能的是，组合不同电力输送的过程可能涉及串联组合电力 输送的过程。组合器电路（9)可被配置作为串联电源配置电路，使得两个发电机的电压等 相加。如后面参照附图4、图6和图7所讨论的，可以理解的是，组合器电路（9)可能涉及电 感和/或电容二者或其中之一中的一个或更多个情况。这些元件可被配置为对光伏系统具 有通常低的能量存储需求，并因此，如后面所讨论的，本发明可实现通常低的输入和输出转 换器能量存储。在这样的配置中，电路可被视为包含低光伏能量存储电感器（17)和/或低 光伏存储电容器（18)，它们组成了低光伏能量存储DC-DC转换器（59)。当被配置为串联电 源组合电路时，组合器电路（9)可提供相加电压电路，该电路将诸如基础相位切换输出的 一个电源的输出电压与诸如改变相位切换输出的另一个电源的输出电压相加。如前所述， 将电压相加的步骤允许更大的发电或输送效率，同时不超过规定限制。这也可通过本发明 的教导由电压的低电感相加来实现。
[0025] 如前所述，转换器可基于操作的切换模式类型。这样的转换器可具有多个不同的 开关，通过这些开关，操作可实现想要达到的目标。在本发明的不同的实施方式中示出了各 种不同类型的转换器。如图4、图5、图6和图7中所示，转换器可具有可被控制以实现想要 达到的目标的开关（例如，21-46)。该控制可仅限于本发明的实施方式，并可以是实现想要 达到的目标的一个重要的方面，以及是相对于以前类似的电路的操作的一个重要的区别。 此外，诸如那些标注的开关（44和45等）的一些开关可以是有源开关、二极管或者甚至是 具有有源开关的二极管的组合。这些开关的主动控制（affirmative control)可通过上述 的同步相位控制器（11)来进行。如图1中所示，一种字面或概念上的同步控制可激活多个 转换器，使得它们的开关同步操作。当然，可使用具有公共定时的两个或更多个单独控制， 只要它们的时钟周期是公共的，以使得两个转换器在同一定时模式下进行操作。
[0026] 可由控制转换器中的开关的占空比来进行控制。如图所示，占空比控制器（51) - 般可被提供用于两个转换器，并且同样地，其可被认为是公共占空比控制器，以实现公共占 空比控制的步骤，以使得两个转换器中的开关可根据所期望的时间表同步操作。通过提供 公共控制器或者至少同步地控制转换器，本发明的实施方式可被视作提供用于开关操作的 公共定时信号。该公共定时信号可尤其引发根据本发明的操作模式。例如，图2a和图2b 示出了用于如图4中所示的本发明的抽头磁耦合电感实施方式的公共定时信号的一些示 例。在这些图中，概念性地呈现了大约为25% (图2b)和12%% (图2a)的占空比操作， 其示出如所指示的开关（21-28)的操作。当然，尽管未示出，从0%到100%的操作是可能 的。如在比较开关（21和24)、开关（26和27)、开关（22和23)和开关（25和28)的操作 的上下文中可理解的，可以看到同步以及反相位模式的控制。这些开关可被顺序操作，以使 得各个转换器的输出彼此相反并且在不同的时间被切换。如从图2b中可意识到的，这可提 供如下优点，即，相反位模式的操作可补偿和抵消组合器电路（9)中彼此的影响，并因此允 许更低的能量存储和更有效的操作。通过提供反相位控制器（52)，本发明的实施方式可被 配置以使得当一个转换器关闭等时，另一个转换器打开，发电、激活等，反之亦然。通过开关 的这样的主动控制，转换电力的步骤的反相位控制可实现降低能量存储和减小的波纹以及 其它优点。如图所示，该反相位控制器（52)可以诸如通过提供180°的光伏转换器开关控 制器和控制DC输出或转换器的180°光伏转换器开关而是完全反相的。这样，转换器组件 可根据交错的时间表或过程来传送电力或者，以实现上述优点。
[0027] 同样，通过交错设计，也可实现这些优点。这可参照具有表示占空比操作的百分比 的底部轴的图3从概念上进行理解。或许非量化地，图3可被理解为表示整个占空比范围内 的值的效率类型。还将一个传统的操作与一些改进模式的操作进行比较。在之前的系统中， 转换器可能已经呈现了 0%至100%占空比范围内的效率（或者更适合的是，低效率），如图 3中通过标注的曲线（53)所概念性地示出的。通过对一些值理解，并且在某些情况下，图3 概念图可被视为呈现低效率或者甚至沿纵轴的转换能量（conversion energy)，可以看出， 对于许多传统系统，在除〇%和100%之外的任何占空比区域存在显著的低效率。由此，可 概念性地理解的是，在许多传统操作模式（利用全占空比能量配置的设计）中，转换器常常 在操作的中点处效率最低，它们在操作的〇%占空比（未通电）还有操作模式的100%占空 比（无转换）处效率最高，但是这些从转换视角来看可能是不显著的。因此，如本领域技术 人员很好地理解的，在发电或至少传送的最显著的情况期间（诸如在操作的50%到100% 占空比范围内-通常最常见的位置），转换器处于平均效率而非高效。例如，对于最高60伏 特的板输出，更加传统的全周期波纹能量转换器可提供从〇到60伏特的输出范围。在0% 占空比（0伏特）处，没有电力传送，在50%占空比处，有电力但是效率最差，在100%处没 有转换被实现。本发明的实施方式示出了，该操作模式可被改进。如后面所说明的，整体效 率通过通过本发明现在可用的相控操作模式而得到提升。
[0028] 对于标注为（54)的曲线，可以理解为，该特定的模式示出了旨在实现半占空比能 量配置的实施方式的操作。如可从该图概念性地理解的，效率可通过本发明的实施方式有 所改善（低效率被减少）。同样在标注为（55)的曲线中，使用具有或者不具有相控操作模式 的半占空比能量配置的操作模式可以被理解。如图所示，甚至可以实现进一步的优点（这 可能不适用于本发明的某些实施方式）。针对本发明的实施方式，甚至改变了在所有操作机 制改变电压的方面。在用于本发明的该方式中输出电压不变，输出电压保持相对恒定，并因 此可实现较高的输送电压（本身更有效的方式输送电力）。
[0029] 图3可被视为指示波纹的量（诸如通过低光伏存储能量电感器（17)等）、波纹电 流存储能量、以及甚至各个占空比的最有效点（sweet spot)特征。在用于根据本发明的高 效转换操作（伴有大量的电力输送）的操作中可用的最有效点的数量得以改善。最有效点 (最高实际效率和/或相对几乎没有低效率）可被理解为存在于图上与底部轴相交的位置 处。对于一些传统电路，最有效点可能存在于操作的0%和100%处。很遗憾，这些往往是 最不感兴趣的位置，因为他们可能是不太常见的，或至少可能不会涉及大量的电力输送。在 本发明的实施方式中，最有效点可存在于50%和100%，或者甚至是25%和50 %处。通过 这样的设计和操作模式，实施方式可因此提供增强的最有效点光伏输出。现在这些增强的 最有效点甚至可存在于操作的大量电力转换位置，并且可以是由通过同步控制（11)控制 的新的反相位操作模式所导致的效果。如图3中所示，对于本发明的实施方式，最有效点现 在甚至可存在于明显发生电力转换的位置，而不只是如在许多传统设计中的操作模式的端 点处。因此，本发明可提供转换发电或输送最有效点光伏输出以及增强的有效点光伏输出。 众所周知，太阳能板可能会受温度影响；它们在不同的温度条件下不同地发电，并且由于这 一点（以及部分遮蔽等）在很大程度上可能导致占空比的变化。事实上，图3中的描绘可被 视为指示温度影响，其中高温发电条件更有可能在100%占空比处并且低温发电条件更有 可能在50%占空比处获取最大电力。对于许多传统的系统，在较低温度下的操作具有相对 较低的转换效率的模式。通过本发明的实施方式，较高效率可存在于这样的降低的温度的 发电条件下，并且本发明可因此呈现光伏降低温度条件的最有效点光伏输出。对于某些设 计，甚至可以呈现寒冷操作机制的最有效点光伏输出。如图3中所示，对于本发明的实施方 式，最有效点可存在于50%占空比范围而不是极差的电力输送效率水平，不只是如在一些 传统设计中的最高点，并因此本发明可提供一种寒冷操作机制的最有效点光伏电力输出。
[0030] 如上所述，转换器可被主动地切换以实现最佳操作模式。各种转换器拓补结构是 可能的并且在图中示出了几个。图5示出了作为被应用于具有抽头磁耦合电感器元件（56) 的单个板的特定类型的转换器。这是抽头磁耦合电感器装置的一个示例。如图所示，抽头 磁耦合电感器元件（56)具有电感器抽头（57)。如图5中所示，该实施方式通过用于各种转 换器的开关（31至42)主动地切换。这些开关通过占空比控制器（51)被激活，转换器切换 定时响应于占空比控制器（51)。如图所示，转换器可包括在中间点（58)连接的两对串联 开关（例如，31和33) (32和34)，在该中间点（58)处连接有抽头磁耦合电感器元件（56)。 各个低光伏能量存储DC-DC光伏转换器（59)可包括自身的低光伏能量存储电感器（60)和 低能量存储输出电容器（61)，以便提供低光伏电感DC输出（62)。图5示出了抽头磁耦合 电感器装置的多个应用，根据所述装置，每一个抽头磁耦合电感器转换自身的电力输出，或 许诸如从太阳能板（19)。这些转换的高效光伏输出（62)可如图所示被串联组合以呈现一 个输出串。只描绘出了典型串的一部分。通常许多板被组合在一起以接近最大允许操作 电压。然而，在此实施方式中，可配置过电压装置。如图所示，通过使用半占空比能量配置 以及单个电源转换，所述串可被配置为提供双倍最大电压装置（double maximum voltage arrangement)，以使得最大标准或其它允许的输出可以是理论上可用的板电压输出的二分 之一。为了保持在最大数量以下，输出可通过包括光伏边界输出控制器（63)来限定边界， 如图所示，该控制器（63)可以是各个单独的占空比控制器的一部分，或者其在概念上可以 是用于所述串中所有转换器的集总控制。如图所示，对于应用四分之二分之一占空比能量 配置的配置以及单个电源转换，所述串可甚至被配置为提供四倍最大电压装置，以使得最 大管理或其它允许的输出可以是理论上可用的板电压输出的四分之一。其它的占空比能量 选择（八分之一、十分之一等）当然也是可能的。此外，可包括光伏边界输出控制器（63)。 重要的是，尽管具有这样的边界限制，电力仍然会被有效地获取。相比于传统的设计，本发 明的实施方式可以是非常高效的。事实上，从其在空比范围的转换过程的角度来看（操作 范围的平均、基于发生的输送范围或者典型的预期操作范围），本发明可呈现至少为98%、 99%和99. 5%的效率。其甚至可接近只存在输送电力中的导线损耗。传统的设计很少能够 实现这一效率水平。
[0031] 对于利用相控操作模式的实施方式，可实现如图4中所示的互联和操作。在此实 施方式中，在中间点（58)相连接的两对串联开关（例如，21和23) (22和24)可诸如通过低 光伏能量存储电感器（17)将来自抽头磁親合电感器元件（56)的输出结合，以提供低光伏 电感DC输出（64)，并且还通过低能量存储输出电容器（18)以提供另一类型的低光伏能量 存储DC-DC光伏转换器（59)。以与图5的单个板转换设计相类似的方式，图4的装置也可 以具有过电压装置。这样的配置可以是半占空比配置，并因此半占空比控制器可与配置为 提供双倍最大电压装置的转换的串一起使用。此外，在该配置中，为了保持在最大量以下， 输出可通过包括光伏边界输出控制器(63)来限制边界。
[0032] 诸如