完全冗余光伏阵列的制作方法
【专利说明】完全冗余光伏阵列
[0001 ] 领域
[0002]本文所述的示例性实施方案涉及完全冗余光伏(PV)阵列或系统。
[0003]背景
[0004]除非本文中另外指示，本文所述的材料并不是本申请中的权利要求书的现有技术，并且并不承认因为包括在这个部分中而成为现有技术。
[0005]在一些光伏PV太阳能阵列中，连续互连的太阳能模块被均流连接在一起以增加模块与模块间的电压，通常在北美限于600伏特直流电(VDC)而在欧洲限于1000VDC(480VDC和800VDC与所需安全边际)。此类太阳能阵列被描述为具有均流电路拓扑(stringtopology)。大量的这些模块均流电路常常并联连接至大型中心逆变器。触发了旁路二极管的单个电池或面板中的不平衡引起每一均流电路的峰值功率点的较大改变，从而要求对工厂中严格电池匹配的需要并要求在部署时非常均匀的照射、温度和其他条件。
[0006]已引入了称为“微型逆变器”的比例缩小的逆变器，其中逆变器被直接附接至每一模块并且AC输出端被并联有线连接，从而提供容忍模块与模块间的变动的能力。也已引入了 DC优化器以用于附接在模块处，以便允许面板之间的均流电路平衡的改善，从而减少面板之间固有失配损耗。
[0007]存在许多的问题，这些问题在此类交流电拓扑(例如，使用微型逆变器和/或DC优化器的拓扑)中以及利用上文所述均流电路拓扑的情况下出现。所述问题至少包括此类拓扑的单点故障(single-point-of-failure)性质。例如，在均流电路拓扑中，均流电路中任何部件的故障造成立即故障并且需要现场服务来维修并重新启动损耗的PV太阳能阵列部分或在很多情况下整个PV太阳能阵列，所述部件包括PV电池和PV电池照射装置、PV电池连接器、PV模块布线、汇流箱、逆变器等。在包括微型逆变器和/或DC优化器的拓扑中，微型逆变器和/或DC优化器帮助将均流电路部件的独立性降到最低，但常常限于所述微型逆变器和/或DC优化器的操作范围中并引入大量另外电气部件，所述另外电气部件具有它们自身的单点故障依赖性和现场服务要求。
[0008]本文中要求保护的主题不限于解决了任何缺点或仅在如上文所述的那些环境的环境中操作的实施方案。相反，这个背景仅被提供来说明一个示例性技术领域，在所述技术领域中可实践本文所述的一些实施方案。
[0009]概述
[0010]本概述被提供来以简化形式介绍一系列概念，所述概念在下文详细描述中进一步加以描述。本概述不意图认定要求保护主题的关键特征或基本特性，也不意图用作决定要求保护主题的范围的辅助。
[0011]本文所述的一些示例性实施方案总体上涉及完全冗余PV阵列或系统。一些实施方案可不在整个PV系统内包括单点故障依赖性。替代地或另外，本文所述的PV系统内的部件的故障可得以容忍而没有显著的性能降级，并且对故障部件的现场维修可按延长和规划的维护计划来管理。
[0012]在示例性实施方案中，PV系统包括DC总线、多个PV模块和多个逆变器单元。PV模块被并联电耦接至DC总线。PV模块中的每一个包括一个或多个DC到DC功率转换电路。PV模块中的每一个被配置来响应于对应PV模块检测到DC总线上的DC总线电压的值处于第一阈值与大于所述第一阈值的第二阈值之间而独立地控制对应一个或多个DC到DC功率转换电路的复合电阻抗以在最大峰值功率下操作。PV模块中的每一个也被配置来响应于对应PV模块检测到DC总线电压的值大于第二阈值而独立地从在最大峰值功率下的操作转变到恒定电压模式。逆变器单元具有并联电耦接至DC总线的DC输入端，并且具有电耦接至交流电(AC)网的AC输出端。逆变器单元中的每一个具有DC电压设定点，所述DC电压设定点具有与其他逆变器单元中的至少一些的DC电压设定点不同的值。逆变器单元中的每一个被配置来响应于对应逆变器单元检测到DC总线电压的值大于或等于对应逆变器单元的对应DC电压设定点而开始将DC总线上的DC功率独立地转换成输出至AC网的AC功率。
[0013]在另一示例性实施方案中，PV系统包括DC总线、多个PV模块和多个逆变器单元。PV模块被并联电耦接至DC总线。逆变器单元具有并联电耦接至DC总线的DC输入端，并且具有电耦接至AC网的AC输出端。
[0014]本发明的另外特征和优点将在随后的描述中阐述，并且将部分地根据所述描述而明显，或可通过本发明的实践得以领会。本发明的特征和优点可借助于尤其在所附权利要求书中指出的器械和组合而实现并获得。本发明的这些和其他特征将根据下文描述和所附权利要求书变得更全面而明显，或可通过如下文所阐述对本发明的实践而得以领会。
[0015]附图简述
[0016]为进一步阐明本发明的上述和其他优点和特征，本发明的更特定描述将参考本发明的特定实施方案来给出，所述特定实施方案被例示在附图中。应了解，这些图仅描绘本发明的典型实施方案并且因此不视为对本发明的范围的限制。本发明将通过使用附图利用另外的具体内容和细节来加以描述并解释，在附图中:
[0017]图1A-1C例示各种示例性PV系统；
[0018]图2是图1A-1C的PV系统的实例的透视图；
[0019]图3概念性地例示图1A-2的PV系统的DC总线上的DC总线电压电平和所得的PV系统响应；
[0020]图4A和4B例示曲线，所述曲线表示出在不同条件下DC总线电压随图1B或IC的PV系统的可利用功率电平的变化；
[0021 ]图5是图1A-2的逆变器单元的实施方案的方框图；
[0022]图6A-6C例示示例性共同外壳单元的各种视图，所述外壳单元内可以定位有多个逆变器单元；
[0023]图7A和7B包括图1A-2的PV模块的各种视图；图8是图1A-1C的转换器的实施方案的示意图；
[0024]图9是图1A-1C的伸长支撑件和逆变器单元的透视图；
[0025]图1OA和1B包括图9的伸长支撑件的各种视图；并且
[0026]图11是图2的PV系统的一部分的透视图。
[0027]一些示例性实施方案的详细描述
[0028]本文所述的实施方案包括PV系统，所述PV系统具有DC总线、多个PV模块和多个逆变器单元。PV模块被并联电耦接至DC总线。逆变器单元具有并联电耦接至DC总线的DC输入端，并且具有电耦接至AC网的AC输出端。
[0029 ]每一 PV模块包括电耦接成网状拓扑的多个PV电池，所述网状拓扑包括PV电池之间的串联电连接和并联电连接两者，如下文更详细地描述。连续区域导电背板提供用于由PV电池产生的电流的电流返回路径，所述连续区域背板被电耦接在第一排PV电池与最后一排PV电池之间，其中PV模块中的全部其他排的PV电池仅通过包括第一排PV电池或最后一排PV电池的连接而电耦接至背板。每一 PV模块包括功率转换装置，所述功率转换装置具有被电耦接在最后一排PV电池与背板之间的DC到DC功率转换电路。DC到DC功率转换电路具有被电耦接至共同内部DC总线的输出端，所述内部DC总线被电耦接至PV模块的两个总线连接器。PV模块的电拓扑允许由任何PV电池产生电流以流动至任何DC到DC功率转换电路，以使得任何特定PV电池、DC到DC功率转换电路或互连的故障将不会显著地减少PV模块的输出。另外，PV电池之间的照射可能有所变化，但不会产生如在PV模块的串联均流电路中的电池对电池约束(或瓶颈)。在单个PV模块或PV系统中的任何地方都不需要旁路二极管，并且在一些实施方式中，从单个PV模块和/或总体上从PV系统完全省略旁路二极管。
[0030]每一PV模块的总线连接器被连接至外部DC总线(在下文为“DC总线”)，所述外部DC总线为PV系统中的所有PV模块共用，或为PV系统中的至少两个或更多个PV模块共用。PV模块可被并联电连接至DC总线。PV模块中将PV模块电连接至DC总线的总线连接器可为实用级互连，并且DC总线可为连续的并且从一个PV模块到下一个PV模块不会中断，以便消除任何一个连接对另一连接的任何依赖性。因此，一个PV模块与DC总线的连接的故障将不会影响任何其他PV模块与DC总线的连接。
[0031]PV系统另外包括多个逆变器单元，所述逆变器单元具有并联电耦接至DC总线的DC输入端和电耦接至AC网的AC输出端。逆变器单元可包括单相逆变器、多相逆变器或单相逆变器和多相逆变器两者的组合。
[0032]DC总线上的电压(所述电压称为DC总线电压)可由逆变器单元和PV模块控制，而所述逆变器单元与所述PV模块之间没有任何通信(例如，另一潜在的故障点)。在这些和其他实施方式中，每一逆变器单元被设定来维持DC总线上的固定电压值，而不是设法在每一逆变器单元中实现最大功率点跟踪(MPPT)。固定电压值称为逆变器单元的DC电压设定点。如果DC总线电压处于或高于逆变器单元的DC电压设定点的值，那么逆变器单元从DC总线汲取能量并将所述能量输送至AC网。在单个逆变器单元达到其最大AC功率输出之后(假定存在充分的照射)，DC总线电压将升高并且具有高值DC电压设定点的另一逆变器单元将开始操作。在这些和其他实施方式中，每一逆变器单元的DC电压设定点的值可不同于至少一些其他逆变器单元的DC电压设定点的值。因而，每一逆变器单元可仅在需要时操作。在一些实施方式中，逆变器单元的DC电压设定点的值可例如每天针对跨逆变器单元的耗损均衡(wear-leveling)而改变。替代地或另外，DC电压设定点的值可分布在电压梯中，不同值之间和相邻值之间的差异或步长大小等于约0.2伏特或一些其他适合的步长大小。在一些实施方式中，并且如下文更详细地描述，每一逆变器单元可在其输入端处包括多个DC到DC转换器电路，每一DC到DC转换器电路具有不同的DC到DC电压设定点，以使得可通过随机选择所有可利用的DC到DC电压设定点而实现另外的颗粒度。
[0033]如果逆变器单元故障，那么其他逆变器单元可持续正常地操作，而唯一的影响是来自故障逆变器单元的所损耗的递增逆变容量。所有PV模块可仍通过非故障逆变器单元将能量输送至AC网。如果超过了非故障逆变器单元的累积逆变容量，那么DC总线电压就升高并且PV模块的一些部分将转变到恒定电压模式，以便自限制DC总线电压并且维持在逆变器单元的峰值输出的总和下的恒定功率操作。
[0034]PV模块可监测PV系统的操作。如果所述PV模块检测到他们并未通过逆变器单元连接至带电电路，那么PV模块可输出零电压和电流。替代地或另外，PV模块可通过前侧发光二极管(LED)和/或通过电力线载波(PLC)通信以数字方式传达其操作和生产状态。
[0035]如蓄电池的能量存储装置可被包括在PV系统的一些实施方式中。能量存储装置可被直接电耦接至DC总线，因为PV模块可将DC总线电压限制至不会破坏能量存储装置的相对低的电压。逆变器单元可使用预先制定的电压梯、外部命令、两者的组合或其他适合的方法来控制PV系统，所述外部命令定义了在任何时间点允许多少能量流出PV系统。DC总线上没有通过逆变器单元流到AC网的任何能量可被存储在能量存储装置中，从而可致使能量存储装置的电压升高。当能量存储装置的电压和因此DC总线的电压到达阈值时，如由PV模块中的一个或多个所检测的，PV模块可停止对DC总线输出能量，例如无需分散控制器。
[0036]现在将对图式做参考来描述本发明的示例性实施方案的各种方面。应理解，图式是此类示例性实施方案的图解和示意表示，并且不是本发明的限制，图式也不必按比例绘制。
[0037]1.PV系统
[0038]图1A例示根据本文所述的至少一些实施方案布置的示例性PV系统100AWV系统10A包括DC总线102 (也称为模块到模块总线)、多个PV模块或面板(在下文“模块” )104和多个逆变器单元106。任选地，PV系统100A另外包括一个或多个能量存储装置108。
[0039]虽然在图1A中例示了三个PV模块104，但是更一般来说，PV系统100A可包括两个或更多个PV模块104，如由省略号104A所表示。类似地，虽然图1A中例示了四个逆变器单元106，但是更一般来说，PV系统100A可包括两个或更多个逆变器单元106，如由省略号106A所表不。
[0040]现在将描述PV模块104中的每一个的示例性配置。尽管本文所述的示例性配置的特定方面和特征仅在图1A的PV模块104中的一个中标出，但是应理解，PV模块104中的每一个可被类似地配置。
[0041 ] 如图1A所例示，PV模块104中的每一个定义第一末端110和第二末端112 WV模块104中的每一个包括多个PV电池114(为简单起见仅标记了其中的一些)，所述PV电池被一起电耦接成网状拓扑，以使得由每一PV电池114产生的能量(例如，PV电流)具有穿过PV电池114朝向第二末端112的多个路径。在一些实施方案中，PV电池114的网状拓扑通过将PV电池114成排布置来实现，其中各排被串联电耦接并且每一排中的PV电池114被并联电耦接。
[0042]在一些PV模块中，PV电池被串联电耦接以使得受照射PV电池或性能表现不佳的PV电池或以其他方式“受阻挡”的PV电池限制整个串联线路。然而，在本文所述的实施方案中，因为每一 PV电池114具有去往第二末端112的多个路径，所以所述路径中的一个中的PV电池114被阻挡时，由受阻挡PV电池114的上游(例如，最靠近第一末端110)的PV电池114产生的能量可绕过受阻挡PV电池114流过其他可利用路径中的一个。
[0043]PV模块104中的每一个进一步包括图1A中由虚线示意例示的连续区域导电背板
115。背板115提供从第二末端112处的最后一排PV电池114到第一末端110处的第一排PV电池114的电流返回路径。中间排的PV电池114，例如第一排与最后一排之间的成排的PV电池114可仅通过单独地包括第一排或最后一排的连接而电连接至背板115，如图1A所例示。
[0044]PV模块104中的每一个另外包括一个或多个DC到DC功率转换电路(在下文为“转换器”)116，所述DC到DC功率转换电路在第二末端112处被电耦接至PV电池114，以使得由每一PV电池114产生的能量在任何转换器116处都是可接收的。因而，如果转换器116中的一个转换器发生故障，那么先前流动至那个转换器116的能量可流动至转换器116中不同的转换器。一般来说，转换器116被配置来将由PV电池114共同产生的相对高电流、低电压的能量转换成低电流和高电压。因此，转换器116中的每一个可包括例如升压转换器、降压升压转换器、SEPIC转换器、Cuk转换器等等或其任何组合。
[0045]PV模块104被并联电耦接至DC总线102。类似地，逆变器单元106具有并联电耦接至DC总线102的DC输入端。因而，由每一 PV模块104产生的能量在任何逆变器单元106处都是可接收的，而独立于任何其他的PV模块104或逆变器单元106。
[0046]DC总线102收集PV模块104的DC输出。在所示的实施方案中，DC总线102包括正引线102A和负引线102B。正引线102A和负引线102B中的每一个可包括连续和不中断的伸长电导体，PV模块104中的每一个被电耦接至所述电导体。在一些实施方式中，正引线102A和负引线102B中的每一个包括#2AWG铝导线或其他连续导体，所述连续导体具有至少33平方毫米(_2)的横截面面积(例如，垂直于导体的长度)。
[0047]因为DC总线102的引线102A、102B包括连续导体，并且PV模块104被并联连接至DC总线102，所以PV模块104中任何一个的故障将不会影响任何其他PV模块104将能量输出到DC总线102上并输出到逆变器单元106和/或能量存储装置108的能力。因此，PV系统100A可甚至在PV模块104中的一些故障的情况下继续产生能量，以使得不需要对故障PV模块104的立即维护，以便保持PV系统10A运转，如同利用PV模块或面板被串联连接的一些PV系统的情况。
[0048]逆变器单元106被电耦接至DC总线102，以使得由PV模块104中的每一个产生的能量在任何逆变器单元106处都是可接收的。逆变器单元106各自具有DC侧，逆变器单元106的DC侧被并联电耦接至DC总线102。一般来说，逆变器单元106被配置来将DC总线102上的DC功率转换成交流电(AC)功率，所述交流电(AC)功率被输出至与逆变器单元106的AC侧耦接的AC网118。
[0049]AC网118可包括多相AC功率网，如三相AC网。逆变器单元106可被电耦接至功率网118的任何或所有相位。在所示的实施方案中，逆变器单元106中的每一个是单相逆变器单元，并且通过例如Wye或Δ连接(Delta connect1n)电親接至功率网118的三个相位中不同的相位。逆变器单元106中的每一个可被任选地电耦接至AC网118的共同