专利名称：先进的可再生能量收获的制作方法
技术领域：
本发明一般而言涉及可再生能量电力管理领域。更为特别的是，本发明涉及DC能 源系统的电力产生、电力转换和电力管理。
背景技术：
在广泛使用的所有燃料中，燃煤能量基本产生最高的温室气体排放量。美国当前 使用燃煤燃料来提供大约一半的国家电力。当前，美国正在不断寻求发现廉价有效的方式， 以便产生自己的清洁能源，从而改善环境以及实现能源独立。向更多节能政策的转移也可以创建新的工作职位。例如，由于采取节能政策，在 1977年到2007年间在加利福尼亚创建了接近一百五十万个工作职位。该州的政策将雇员 酬偿提高了 446亿美元。太阳能是最为清洁的可用能源之一。以电磁辐射的形式从太阳那里获取阳光，并 通过使用光伏(PV)电池将其生成为直流电(DC)。PV电池由诸如硅之类的半导体制成，并 且采用半导体阵列、薄膜、墨水或其他材料的形式制造。单个PV电池可以被汇聚，互连在一 起，然后被封装到具有一定大小和尺寸的太阳能电池板中，该电池板处于坚固且环境密封 的外壳内部，所述外壳适于物理装配和/或安装在住宅、商业场所、车辆、屋顶以及其他场 所。DC具有电流⑴和电压(V)。由太阳能电池板或串联电池板群组产生的电流与输 出电压之间的关系可以作为一组IV曲线而被绘制或图示在XY轴上。太阳能电池板的输出 电流I呈现出与光谱功率密度或在指定时间照射该电池板的日光等级(光谱辐照度)的直 接关系，并且有可能相对于很小的辐射度改变而发生急剧变化。在串联连接一定数量的此 类太阳能电池板的典型情形中，电流等级最低的太阳能电池板将会规定或设置流经该串联 电路的电流。由于受限于性能最差的电池板，串联电池板有可能损失高达60%的能量。图1示出的是一种与受限于电流等级最低的太阳能电池板的串联太阳能电池板 相关的问题。在晴天，所有电池板可以接收到相同等级的日光。然而，如果天空中有云100， 那么这些云有可能将电池板110局部变暗。由此，即使某些电池板可以接收到几乎所有日 光120，但由于该系统是串联连接的130，因此，电流将会受限于性能最差的电池板110。通过引入最大功率点追踪(MPPT)算法，用来优化可供收获的总电力，以将电力输 出保持在指定系统或串电流可能实现的最大等级，由此获得太阳能电池板阵列的最佳电 力。通常，实施这种MPPT功能所需要的电子设备和任何软件都被引入到了网联式PV系统的系统DC-AC转换功能(DC-AC转换器)的实施方式中，或者充当用于离网型太阳能应用的 蓄电池充电和控制系统中的组件。全局的MPPT算法只提供了整个串的平均工作点，而不是 最大值。而经过优化的系统则为每个电池板提供MPPT功能，从而顾及单个电池板的最优工 作点以及电池板工作特性的变化性。串转换器必须能够适应具有不同数量的互连电池板以及多种电池板类型的串。由 于这些变化性，串联系统中使用的传统DC-AC转换器遭遇到了很高的应力和热量等级，由 此导致在前六个月内出现了百分之一的故障率。目前业已实施了各种方法来将能量输出最大化。例如，在美国专利7，158，395中， 开发了一种外部电压反馈回路来追踪上升电源的趋势，并且相应地调整MPPT算法。由于电 池板的串联连接，这种方法会受到在任何时间点可以收获的总的或最大系统电力方面的限 制，而且该方法还会遭遇到流经这种串联电路的电流不能大于由电池板以最小输出电流产 生的电流的要求。美国公开号2008/0097655论述了为每一个太阳能电池板计算单独的MPPT以优化 功率产生。W026]这些面板单独为总线供电。W026]在该总线上将有关于每一个电池板 的信息传送至管理单元，所述管理单元则使用TCP/IP协议来与网络相连。
40021] 该管理单元为系统部件提供监视和控制。
设计串联电池板系统是非常耗时的。所有电池板必须来自同一制造商并具有相同 的模型或功率额定值，多个串联的电池板串必须具有相同长度或包含相同数量的电池板， 与太阳的方位不同的电池板必须作为单独的子系统来处理，并且现有设备的添加件作为添 加了完全独立的子系统来处理。串联电池板系统的维护同样也很耗时。当系统串联连接时，电池板之一中的缺陷 将会导致整个系统发生故障。该缺陷类似于一串圣诞灯中的某一盏灯坏掉时出现的缺陷。 为了定位损坏的电池板，技术人员必须分别测试各电池板。结果，雇用技术人员访问该地点 以及定位损坏电池板的成本将会很高。
发明内容
在一个实施例中，本发明为每个能量收集源都提供了单独的DC DC升压转换器以 及最大功率点追踪(MPPT)部件。在一个实施例中，能量收集源是太阳能电池板。MPPT部件 将电池板的输出阻抗与升压转换器的输入阻抗相匹配，以便最大化每一个电池板的功率。 单个转换器部件将电池板的输出电压提升至一个足以在将DC有效地逆变成AC电压的同时 最小化传输线损耗的电压。通过使用将具有恒定电压输出的多个太阳能电池板与DC母线 互连的并联方法，可以消除与使用串联连接的太阳能电池板串相关的问题。该系统允许将 来自每一个单独优化的电池板的电流加在一起，以产生与任何一个电池板的效率或太阳能 转换能力相独立的电流。结果，由于该系统即使具有损坏的电池板仍可继续运作，因此该系 统克服了圣诞灯问题。这样做提供了使用具有不同IV特性的不同太阳能电池板、利用不同的PV技术构 造的电池板、以及以相对于太阳的不同方位安装的电池板的自由度。在一个实施例中，可在 任何时间额外安装附加的电池板。在另一个实施例中，诸如燃料电池、电池、风轮机等其他电力源与单个转换器部件相耦合，并且附着于DC母线，以便进行使用或者进行DC-AC转换 以供使用或者回售给公用事业公司。在另一个实施例中，通信部件与每个电池板耦合，以便进行监视。该监视系统提供 如下信息，例如电池板ID、温度、电压、电流、功率、效率、诊断信息等。该监视系统针对的是 单个用户或是收获能量的公司。该信息有助于技术人员迅速确定发生故障的电池板，并且 最大化每一个电池板的效率。此外，该监视系统还提供了关于整个系统的输出和效率的信 息，并且向生产者警告表现欠佳或是存在问题的电力生产。
图1是示出了现有技术中的串联太阳能电池板系统的框图；图2A是依照本发明一个实施例的太阳能电池板系统的例图；图2B是依照本发明一个实施例的并联太阳能电池板系统的例图；图3是根据本发明一个实施例并且包含了电池板模块、逆变器以及监视系统的太 阳能电池板系统的例图；图4是根据本发明一个实施例的太阳能电池板系统的更详细例图；以及图5是根据本发明一个实施例的作为时间函数的从太阳能电池板获取的电力的 示例。
具体实施例方式本发明是一种用于从太阳能电池板收获电能以及将其转换成能量的系统和方法。 每一个太阳能电池板都与转换器部件相耦合，该转换器部件并联连接到DC电力母线。该转 换器部件包括用于提升电池板的输出电压、以便在功率母线上执行DC传输的DC DC升压转 换器，用于将电池板与传输母线之间传送的能量最大化的MPPT部件，以及用于接收有关于 电池板的信息并将该信息发送至管理电池板的用户和公司的通信部件。电力母线与逆变器 相连，以便将电力从直流电(DC)变为交流电(AC)，并且产生与电网同相的AC。在图2A中示出了用于每一个太阳能电池板的系统的一个实施例。在一个实施例 中，电力是从太阳能电池板200获取的。在另一个实施例中，电力是从其他能源获取的，例 如风、水电、燃料电池、电池等等或是这些来源的组合。本领域普通技术人员将会理解，虽然 本系统是参考太阳能电池板论述的，但是该系统架构很容易应用于其他能源。每一个太阳能电池板200都与单独的转换器部件205相耦合。该转换器部件205 接收太阳能电池板200输出的电力。转换器部件205包括DC DC升压转换器210、MPPT部 件215以及通信部件220。MPPT部件215使用MPPT算法来确定最大功率点。升压转换器 210将所述电力输出转换成较高电压和较低电流，以便经由DC电力母线225传送至逆变器 230。通信部件220收集有关于太阳能电池板200的信息，例如电池板标识、电压、电流、功 率、温度、诊断信息等等。逆变器230将电力从DC转换成AC，以便将其传送至电网235或传送至电池235以 供存储。由通信部件220收集的有关于太阳能电池板200和转换器模块205的信息，例如 电池板ID、温度、电压、电流、功率、效率、诊断信息等，被传送至构成逆变器230 —部分的相 应通信部件240。在下文中将会更详细地论述这些部件。
图2B示出本发明的一个实施例，其中所有电池板并联连接。这些电池板可以由不 同制造商生产以及使用不同技术(例如晶体硅、薄膜、非晶硅等等)和规范构造。并联连接 的电池板以相互独立的方式工作。结果，以收获能量的最佳位置和最佳角度来安装这些电 池板。太阳能电池板200与单个转换器部件205耦合。能量经由DC电力母线225而被传 送至逆变器230。图3是包含了将通信部件220获取的数据从逆变器230经由因特网300送至用户 的传输操作的系统的例图。该监视数据被发送至安装者、生产者、消费者、公用事业公司等 等。所述数据可以从任何位置查阅，例如在台式计算机305、膝上型计算机310乃至手持设 备315上。图3还示出了不同电池板会产生不同的电量。例如，某些电池板产生167瓦特，某 些电池板则产生188瓦特等等。此外，这些电池板并不全是同一阵列的一部分。脱离阵列 的电池板306采用了与其他电池板200相同的方式来与电力母线225相连。电路框图在图4中示出了根据本发明一个实施例的系统电路框图。DC DC升压转换器210 包括输入滤波器400、辅助电源405、回扫切换网络410、输出滤波器和共模扼流圈415、或运 算二极管420、以及使能/禁用工作传感器435。转换器部件205接收可变的DC输入电压 和电流，并且按照逆变器230所设置的，将其转换成在由DC母线225所确定的电压电平处 的输出功率。输入滤波器400执行从回扫切换网络41返回到电池板200的电磁干扰滤波。 辅助电源405为转换器部件205内的各个电路提供内部电力。输出滤波器和共模扼流圈部件415提供输出到DC母线225的电磁干扰滤除，并且 阻止滤波器部件吸收通信信号。然后，该输出经由或运算二极管420连接到DC母线，其中 所述二极管防止电力从DC母线225反馈至转换器部件205。MPPT部件215包括MPPT控制器425和脉冲宽度调制器(PWM)430。MPPT控制器 425确定电池板200的输出阻抗，并且经由PWM 430来匹配回扫切换网络410的输入阻抗， 以实现最大电力传输。MPPT控制器425包括自变换量程特征，该特征允许在同一母线225 上使用具有不同输出电压和电流的电池板。电池板200的输出被感测，并且选择恰当的工 作范围。在一个实施例中，回扫切换网络410提升输入电压，直至电力开始流到DC母线225 上为止。通过使用这种拓扑，可以实现大于95%的输出功率-输入功率效率。使能/禁用工作传感器部件435执行电路功能测试，例如测试温度、电压和电流， 以便确保转换器部件205内的工作的安全操作规范。加电顺序包括在启用PWM 430和回 扫切换网络410之前，检查来自逆变器230且经由DC母线225和通信部件220的使能信 号。当禁用时，转换器部件205处于断路状态，并且具有零输出电压和电流。使能/禁用部 件435还在内部限制了输出电压，以便防止该电路失控和毁坏。在一个实施例中，电压限度 被设置在375V。如果来自逆变器230的使能信号丢失，则立即禁用PWM 430和回扫切换网 络410，并且采用一种受控方式来排放过量的电压和电流。在一个实施例中，通信部件220即物理层经由用于与逆变器230进行电力线通信 的射频(RF)载波，被电容耦合440至DC母线225。其他物理层实施例包括电感耦合至DC 母线212，以及转换器部件205与逆变器230之间的无线通信。在一个实施例中，该通信协 议是使用控制器区域网(CAN)总线实现的。本领域普通技术人员应认识到适合每一个系统架构的是哪一个实施例。在本实施例中，无论输入电压和电流怎样，输出始终是相同的，由此，多个转换器 部件205可以并联连接，以便获得每个电池板的功率总和。电力控制回路是未经调整的，由 此，DC母线225确定转换器部件205的输出电压。通过这种方式，所有并联的转换器部件 205都会调节至母线电压，这是由逆变器230根据其工作要求设置的。通过并联连接电池板200以及执行每个电池板的最大功率点操作，每个电池板都 是作为独立于系统内的其他电池板的电力发生器工作的。通过这样的方式，由于温度影响、 阴影、电池板故障或断连所导致的电力损耗将会仅限于受影响的电池板，并且电力损耗将 会最小化。相反，在传统的串拓扑结构中，电池板连接在串联的串中，并且系统性能由性能最 差的电池板确定。在传统的拓扑结构中，单个电池板故障或是断连将会拖累整个串。图5是作为时间函数的电压的图表。DC电压500和AC电压510是按照24小时周 期绘制的。AC曲线下方的区域代表总功率520。该图表证明，由于电池板是并联连接而不 是采用传统的串联串拓扑结构，因此，通过MPPT控制器425，可以在初始启动阶段和电池板 遭遇到阴影的时候恢复能量。与逐电池板的电压升压相关联的优点有很多。首先，由于现在通过转换器部件205 将每个电池板的输出标准化，因此，可以将具有任何大小和工作特性的电池板并入到单个 系统中。其次，基本可以在任何位置或以任何配置来设置电池板，这显著减少了系统设计和 安装时间及成本。最后，可以在现有技术中添加附加电池板，而不需要重新设计和重新安装 整个系统。在一个实施例中，太阳能电池板与诸如燃料电池、风轮机、电池等其他电力源整 合到单个DC母线225上。每个电力源都具有自己的转换器部件205，这将会为并网或离网 应用产生最大的系统整合度。DC AC逆变器系统逆变器215将电DC(即从例如太阳能电池板、燃料电池、电池或风轮机等DC能源 输出的电压和电流)转换成AC (即电压和电流输出)，并且将AC传送到公共电网235或电 池235。当DC源被用于补充电网时，并网逆变器执行DC-AC转换以及针对公共电网的调整 同步。系统产生的剩余电力根据系统位置而被回售给公共事业公司。对于离网应用来说， 从太阳能电池板以及其他可再生能源收获的能量被用于提供电力并被保存在系统中，例如 在能源不可用时使用的电池。在一个实施例中，由于DC母线225的电压被转换器部件205升压至优化电平，并 且由此在逆变器的输出端不需要输入DC电压电平转换器或是电平转换变压器，因此，与传 统模型相比，逆变器230是复杂度更低并且更小型的逆变器。较小的逆变器成本较低，建立 起更可靠的系统，并且显著改善了电力收获。逆变器230包括优化调制器、功率因数校正、抗孤岛效应、以及电网同步电路。它 还包括在逆变器230与耦合至电池板200的转换器部件205之间提供数据传送的通信部件 240。逆变器230还可以包含辅助通信部件，用于将系统数据发送至基于web的服务，以便 分发给适当的利益相关者，例如系统所有者、安装者、金融家等等。通信层可以用于从系统收集操作数据，以及控制每一个转换器部件205的操作。 例如在一个实施例中，逆变器230向转换器模块205发送电力良好信号，以便确认该系统被正确连接并且是在正常参数以内工作。该电力良好信号通常是在系统通电之后不久发送 的。如果通信部件205没有接收到这个电力良好信号，则禁用升压转换器210，以防止损坏 各个部件，以及在系统必须关闭的维护或紧急情况下提供安全的环境。操作数据可以被格式化，以便符合用户或公共事业报告要求。此外还可以远程控 制该系统，以便在需要关闭并保证所有系统安全的紧急情况下禁用整个系统。因此，在一个 实施例中，通信部件240接收来自用户的输入。该通信部件240还可以用于监视和控制本 地电路网络内部的其他电器和系统。熟悉本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神或实质特征的情况下， 本发明可以采用其他的特定形式实施。同样，构件、特征、属性以及其他方面的特定命名和 划分并不是强制性或是重要的，实施本发明或是其特征的机制可以具有不同的名称、划分 和/或格式。因为，本发明的公开内容旨在解释说明而不是限制本发明的范围，本发明的范 围在所附权利要求中阐述。
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权利要求
一种用于从多个直流(DC)能源收获最大电力的系统，包括多个能量接收部件，用于接收来自至少一个能源的DC；与每一个所述能量接收部件相耦合的转换器部件，所述转换器部件包括升压转换器，用于将来自所述能量接收部件的所述DC上变换到DC母线电压；以及最大功率点追踪(MPPT)部件，用于实时确定所述能量接收部件的输出阻抗，所述MPPT部件改变所述升压转换器的工作点，以便匹配来自所述能量接收部件的所述DC的所述阻抗，从而最大化电力传送；用于将所述DC传送到逆变器的DC母线，其中所述多个能量接收部件以及相应的转换器与所述DC母线并联连接；用于将来自所述DC的所述电能逆变成交流电(AC)的所述逆变器；以及用于从所述逆变器接收所述AC的电力获取源。
2.根据权利要求1所述的系统，所述转换器部件还包括输入滤波器，用于对电磁干扰滤波，并且减小从所述DC反馈到所述能量接收部件的电 压和电流波纹；切换网络，用于将来自所述能量接收部件的所述DC电压上变换成DC母线电压； 输出滤波器，用于对电磁干扰滤波，并且减小对于所述DC母线的所述DC电压和电流波纹；或运算部件，用于防止来自所述DC母线的反馈进入所述转换器部件；以及 共模扼流圈，用于促成借助于叠加在所述DC母线上的射频(RF)信号的电力线通信。
3.根据权利要求1所述的系统，所述MPPT部件还包括 MPPT控制器，用于为所述DC产生最大功率点；以及脉冲宽度调制器，用于使所述转换器部件的输入阻抗匹配于所述能量接收源的输出阻抗。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括通信部件，用于收集有关于所述能量接收部件的信息，所述通信部件通过产生表示数 字信号的射频信号来经由电力线传送信号。
5.根据权利要求4所述的系统，其中由所述通信部件收集的所述信息包括下列各项中 的至少一项所述能量接收部件的温度、电压、功率、电流、效率以及诊断信息。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述通信部件接收来自用户的输入。
7.根据权利要求6所述的系统，所述通信部件包括用于向所述转换器部件传送指令的装置，以便响应于用户输入、来自所述逆变器的使 能信号的丢失、与所述DC母线的断连、以及所述逆变器与所述DC母线的断连中的任一种， 去激活所述转换器部件的输出。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述能量接收部件包括太阳能电池板。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述能量接收部件接收来自太阳能、风能、水电 能、燃料电池以及电池中的至少一种的能量。
10.根据权利要求1所述的系统，所述逆变器还包括使用无线传输来传送有关于所述系统的信息的通信部件。
11.一种用于从多个能源收获能量的方法，该方法包括下列步骤 使用多个能量接收部件来获取能量，所述能量包括直流电(DC)； 升压转换器上变换来自所述能量接收部件的所述DC ；最大功率点追踪(MPPT)部件通过改变所述升压转换器的工作点来匹配来自所述能量 接收部件的所述DC的所述阻抗，确定所述能量接收部件的输出阻抗；DC母线将所述DC传送到逆变器，其中所述多个能量接收部件与所述DC母线并联连接；所述逆变器将所述DC逆变成交流电(AC)；以及 所述逆变器将所述AC传送到电力获取源。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤使用输入滤波器对电磁干扰滤波，并且减小从所述DC反馈到所述能量接收部件的电 压和电流波纹；使用切换网络将来自所述能量接收部件的所述DC电压上变换到DC母线电压； 使用输出滤波器对电磁干扰滤波，并且减小对于所述DC母线的所述DC电压和电流波纹；使用或运算部件来防止来自所述DC母线的反馈进入所述转换器部件；以及 使用共模扼流圈来促成借助于叠加在所述DC母线上的射频(RF)信号的电力线通信。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤 使用MPPT控制器来为所述DC电压产生最大功率点；以及使用脉冲宽度调制器来使所述转换器部件的输入阻抗匹配于所述能量接收源的输出 阻抗。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤使用通信部件来收集有关于所述能量接收部件的信息，所述通信部件通过产生表示数 字信号的射频信号来经由电力线传送信号。
15.根据权利要求14所述的方法，其中由所述通信部件收集的所述信息包括所述能量 接收部件的温度、电压、功率、电流、效率以及诊断信息中的至少一种。
16.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤 所述通信部件接收来自用户的输入。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括以下步骤响应于用户输入、来自所述逆变器的使能信号的丢失、与所述DC母线的断连、以及所 述逆变器与所述DC母线的断连中的任一种，使用所述通信部件向所述转换器部件传送指 令，以去激活所述转换器部件的输出。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述能量接收部件包括太阳能电池板。
19.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤使用所述能量接收部件来从太阳能、风能、水电能、燃料电池以及电池中的至少一种接收能量。
20.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤使用所述通信部件并通过无线传 输来传送有关于所述系统的信息。
全文摘要
DC电源的电力被结合到DC母线上，使得每一个源独立于附着于母线上的任何其他源来工作。在一个实施例中，转换器模块附着于多个太阳能光伏电池板中的每一个，并且其输出以并联的方式附着到构成DC AC逆变器的输入端的公共母线。该转换器模块包括最大功率点追踪部件，该部件使电池板的输出阻抗匹配于转换器模块的输入阻抗。该转换器还包括向中央逆变器提供参数数据和标识的通信部件。由每一个转换器模块产生的数据都会经由电力线或是通过无线方式传送，并且会在逆变器处收集该数据，以及将其转发给数据收集和报告系统。
文档编号G05F1/00GK101981524SQ200880123996
公开日2011年2月23日 申请日期2008年12月19日 优先权日2007年12月21日
发明者尤金·奎齐温斯基, 特洛伊·斯皮尔斯, 詹姆斯·艾伦 申请人:西姆帕吉斯技术有限公司