专利名称：Distributed power harvesting systems using DC power sources的制作方法
技术领域：
本发明的领域通常与分布式直流电源发电有关，更为特别的是与串联安装的分布 式直流电源的管理有关。
背景技术：
近来，人们对可再生能源的兴趣日益增加导致了分布式能源生成系统的研究也增 多，比如光电池(PV)、燃料电池、化学电池(例如，用于混合动力汽车的电池)等等。现已提 出各种拓扑学理论将这些电源连接到负载上，并考虑各种参数，比如电压/电流条件、操作 条件、可靠性、安全性、成本等等。例如，大多数这种电源输出的电压较低(一般一块电池只 有几伏或串联的电池只有几十伏)，如此许多这样的电池需要串联以实现所需要的操作电 压。而反之，串联不能提供所要求的电流，所以几组串联的电池需要并联提供所需的电流。另外，众所周知的是靠这些电源发电取决于生产、操作和环境等方面的条件。例 如，在生产过程中的各种冲突可能导致两个相同的电源具有不同的电能输出特点。类似地， 两个相同的电源可能对操作和/环境条件产生不同的反应，比如负载、温度等。实际装配 中，不同电源也可能遇到不同的环境条件，比如太阳能装置的一些帆板可能暴露于整个阳 光之中，而其他可能被遮挡，因此输出的电量不同。多电池装置中，其中的一些电池可能不 同程度老化，因此也会导致输出的电量不同。当这些问题和本发明所提供的解决方案适用 于分布式电源系统时，以下讨论则转向太阳能，以便通过具体例子更好地被理解。传统太阳能发电系统10的装置如图1中所示。由于每个太阳能帆板101提供的 电压较低，几块帆板串联形成一串帆板103。对于大型装置，要求更高电流时，几串103可以 并联组成一个完整的系统10。太阳能帆板安装在户外，它们导线连接成一个最大功率点跟 踪(MPPT)模块107和一个逆变器104。MPPT107 一般作为逆变器104的组成部分。从直流 电源收集的电能输送到逆变器104，由其将波动的直流(DC)电转换成一定电压和频率的交
6流(AC)电，通常是IlOV或220V，60Hz或220V，50Hz (有趣的是，在美国许多逆变器首先产 生220V电压，然后在配电箱中再分成两个IlOV输出端口)。逆变器104输出的交流电然后 可能用于使电器设备运转或输入供电网络。此外，该装置还可以不与电网连接，从逆变器输 出的电能可以直接输入到转换和充电/放电电路，以储存过剩电能，如给电池充电。若与电 池相连，逆变阶段可以忽略，MPPT阶段107输出的直流电可以直接供给充电/放电电路。如上所述，每个太阳能帆板101提供的电压和电流都非常低。摆在太阳能电池设 计人员面前的问题是如何将这些低电压的太阳能联合产生120V或220V平方根(RMS)条 件下的标准交流电。要实现低电压电源提供高功率则要求非常大的电流，而按电流的平方 (I2)计算功率则会有很大的传导损失。而且，电源逆变器，比如用来将直流电转换成交流电 的逆变器104，在输入电压稍高于其输出RMS电压乘以其平方根的值时，效率的是最高的。 因此，许多实际应用中，比如太阳能帆板101这样的电源，通常连在一起以便实现正确的电 压或电流。最常用的方法是将这些电源串联，以便实现所需的电压，然后并联以便实现所需 的电流，具体如图1所示。大量太阳能帆板101连在一起构成串联帆板103，然后这些串联 的103在与功率逆变器104并联。太阳能帆板101串联以便实现逆变器所需的最低电压。 多串103再并联提供更大的电流，这样就有更高的输出功率。然而就成本和结构简单这两方面而言，这种配置是具有优势的，但对此结构有文 献报道存在一些缺陷。其中一种已知的缺陷是从各太阳能帆板中获取的非优化电能可能导 致后面所说的低效率。如前所述，直流电源输出受许多条件影响。因此，为了最大化各电源 的输出功率，需要一种装置同时考虑电压和电流，能在目前普遍存在的条件下输出的功率 最大。由于条件发生变化，电压和电流输出也应需要同时变化。图2显示了一串联的直流电源，例如太阳能帆板201a-201d，它们连接到MPPT电 路207和逆变器204。绘制的电流对电压(IV)特征图(201a-210d)位于各直流电源201左 边。各直流电源201，电流随输出电压增加而降低。有些电压值条件下，电流变成零。有些 应用中可能假设其为负值，意思是电源这时变成了一受电器。旁路二极管用来阻止电源变 成一受电器。旁路二极管用来防止电源变成受电器。各电源201输出功率等于电流与电压 的乘积(P = I*V)，随从电源获取的电压变化而变化。在一定电流和电压条件下，电流值接 近零点，则输出的功率最大。理想的情况是发电电池在其最大功率下工作。MPPT的用途就 是找到最大功率点，然后使系统在该点条件下工作使从电源获取的功率最大。传统典型的太阳能电池阵列中，不同的运算方法和技术用来优化采用MPPT模块 107系统10的集成功率输出。MPPT模块107接收各个太阳能电池帆板中的电流，汇集在一 起并跟踪此电流条件下的最大功率点，以提供最大平均功率。这样如果获得更多电流，则从 这些帆板获得的平均电压开始下降，因此减少了收集的电能。MPPT模块107用来维持整个 系统10输出最大平均功率的电流。最大功率点跟踪技术由T. Esram与P. L. Chapman在IEEE能量转换汇刊上发表的 《几种光电阵列最大功率点跟踪技术的比较》(接受待发行公布，2006年PP卷99期，第1-1 页数码标识10. 1109/TEC. 2006. 874230) 一文中探讨过，其整个内容通过参考纳入本申请 之中。但是，由于电源201a-201d是串联到单个MPPT207，MPPT必须选择单个点，这个点 可能会是串联电源的MPP平均值。实际上，非常有可能的是MPPT在I-V点的工作状态只在少数几个电源或一个也没有的情况下是最佳的。图2所示的例子中，所选点是电源201b的 最大功率点，但它偏离了电源201a、201c和201d的最大功率点。结果，这种布局不能在可 实现的最大效率下工作。回到图1所示太阳能系统10的例子中，保持串联帆板103预先确定的恒定输出电 压会导致太阳能的输出功率比其他可能的情况都低。而且，每排串联帆板所带的电流将沿 着该串帆板经过所有的太阳能帆板。若太阳能帆板因为制造差异、老化而错配或者若它们 功能失常或放置在不同遮蔽条件下，则各个帆板输出的电流、电压和功率将会不同。由于使 单一电流经过所有串接的帆板会导致各帆板在非最佳功率点下运行，并且也会可导致错配 帆板因强电流流经而产生“热点”。由于传统收集方法存在这样和那样的缺陷，太阳能帆板 因此需要正确匹配。有些情况，设置外部二极管来旁通严重错配的太阳能帆板。传统多串 联配置中，所有串接的帆板组必须由绝对相同数量的帆板构成，而且帆板要选择同一型号， 必须按照在同一空间方向，使其总是暴露于相同的日照条件下。这种做法很难实现而且成 本较大。曾有人提出各种不同拓扑学方法来克服上述串联太阳能装置的不足。例如，有些 人提出将逆变器偶联到各个直流电源上，然后将这些逆变器并联。其他一些人则提出将DC/ DC变换器连接到直流电源上，然后将所有的变换器串联或并联到中央逆变器上。提出与直 流电源连用的这些DC/DC变换器有升压变换器、降压变换器、升降压变换器或Cuk变换器。 也有人提出将MPPT集成到各个直流电源上，例如，集成到各个太阳能帆板并与帆板串联。为了进一步讨论上述与分布式电源和太阳能帆板相关的问题，强烈鼓励读者查看 以下文献，它们可能抑或可能不是优选工艺。-光电模块的级联DC-DC变换器变换器连接，G.R. Walker和P. C. Sernia,电力电 子专家大会，2002 (PESC02)，IEEE第1卷，澳大利亚凯恩斯，第24-29页。-采用低压AC-总线分散太阳能逆变器的拓扑学方法，BjornLindgren。-集成光电最大功率点跟踪变换器，JohanH. R. Enslin等，IEEE工业电子汇刊，第 44卷第6期，1997年12月。-一种新的光电帆板分布式变换器界面，R. Alonso等，第20届欧洲光电太阳能大 会，2005年6月6-10日，西班牙巴塞罗纳。-用于电网连接光电系统的智能光电模块，EduardoRoman等，IEEE工业电子汇 刊，第53卷第4期，2006年8月。同时在西班牙专利申请ES2249147中。-模块燃料电池——高性能和可靠性增强的模块DC-DC变换器概念，L.Palma 和P. Enjeti，电力电子专家大会，2007，PESC2007, IEEE卷、期刊、17-21 2007年6月刊第 2633-2638 页。数字标识 10. 1109/PESC. 2007. 4342432。-电网连接光电系统智能光电模块的实验结果，R.Alonso等，21届欧洲光电太阳 能大会，德国德累斯顿举办的国际大会纪录，2006年9月4-8日。-光电模块级联DC-DC变换器连接，G.R. Walker和P. C. Sernia, IEEE电力电子汇 刊，第19卷第4期2004年7月。-遮蔽耐受光电系统的成本效率，Quaschning,V. ；Piske, R. ；Hanitsch, R.， Euronsun96, Friburg,1996 年 9 月 16-19 日。-新的分布式MPPT变换器的评价测试结果，R.Orduz和M. A. Egido, 22届欧洲光电
8太阳能大会，2007年9月3-7日，意大利米兰。-光电应用的能源集成管理系统，S.Uriarte等，20届欧洲光电太阳能大会，2005 年6月6-10日，西班牙巴塞罗那。-美国公开专利2006/0185727。如上所述的一些工艺，将逆变器集成到各个电池单元上存在许多缺点，包括成本 高、安全性(特别是太阳能装置)和可靠性低等。因此，还是优先考虑串联，特别是对于太 阳能帆板装置。将DC-DC变换器和MPPT含在单个电池单元中，然后串联输出到逆变器的提 议是非常具有吸引力的。但是，将MPPT集成到各帆板中在串联应用中还存在问题，因为每 个MPPT都试图在不同电流下启动其电源，同时串联中同一电流必须流经所有的帆板。而 且，尚不清楚那种类型的DC-DC变换器能提供最佳的结果及如何将MPPT纳入到这种布置之 中。因此，还需要有效的拓扑学方案将多个直流电源连接到负载上，例如，电网、蓄电池等。如前面已经提到的，各种环境和操作条件会影响直流电源的输出功率。诸如太阳 能帆板、太阳能辐射、周围温度和来自邻近物体如树木或远处物体如云等的遮蔽，都会影响 各太阳能帆板的电量输出。输出的电量取决于所使用的帆板数量和类型，各个太阳能帆板 的电量输出可能在电压和电流方面有较大的差异。业主、甚至专业的安装人员都很难确证 太阳能系统的正确运转。许多其他因素，比如老化、灰尘和污垢沉积及模块功能退化等等都 会随时间影响太阳能帆板的性能。光电帆板对外界条件的灵敏度是相当出色的，特别是在使用集中光电系统(CPV) 时。使用这类装置时，太阳辐射通过棱镜或反光镜集中到小的电池单元。这些电池单元比 一般的光电电池单元要有效的多，它们采用一种成为双联或三联的技术，其中大量p-n连 接在彼此顶端构成，连接点将一定波长的光线转化成电能，其他波长的光线允许通过到下 一个连接点被转化。因此，这些电池单元显得更为有效(最高效率达40%)。由于这些电 池单元比较昂贵，它们通常是用于需要更小电池单元的CPV应用中。尽管如此，但CPV装置 的输出功率现在取决于几方面的因素太阳光不同波段光线强度的波动(不仅仅是总的强 度)、所使用的棱镜或反光镜出现缺损或变形等情况。因此，多块帆板设置的单个MPPT会导 致电力大量损耗，而采用如本发明中所述帆板(或电池)水平上的MPPT则会具有很大的优 势。传统光电装置面临问题更多的另一领域是开发建筑一体化光电系统(BIPV)市 场。BIPV装置中，帆板在建筑物施工过程中安装在内——或作为屋顶帆板或作为墙壁和窗 户等结构性或附加性组成部分。因此，BIPV装置会因为帆板附近其他结构元件的存在，很 大程度上局部会被部分遮蔽。而且，帆板自然是固定在建筑物的不同面，因此每块帆板得到 的光照条件会有很大不同。由于传统解决方案是将帆板串接在一起，然后连到节点MPPT，这 样会造成许多电量损失。可以收集更多电量的方案显然是在这类装置方面要有很大改善。然而，传统装置还有另外一个问题是日照光线不足时能量利用率很低。大多数逆 变器要求某个最低电压(一般在150V到350V)以便启动运转。若光线不足，帆板形成的累 积电压不能达到最小值，电量因此就损耗了。能在光线不足时提升电压的解决方案因此就 能使产生的能量得到收集。按照传统配置10安装太阳能帆板的过程中，安装人员能通过测试设备检测每块 帆板、每排帆板和整个帆板阵列的电流电压来确定安装的正确性和太阳能帆板阵列的性能。但实际上，个别帆板和串接成排的帆板一般根本无法测试或只能在连接前进行测试。这 是因为目前的测量方法要么是通过串联到太阳能帆板阵列上测试要么是通过阵列上的电 阻器来测试，但这显然是不方便的。相反，仅对高一级的整个装置进行了合格/失败测试。装置初次测试后，太阳能帆板阵列连接到逆变器104上，可选择包含一监测模块 用来监测整个帆板阵列的性能。从逆变器104监测中收集的性能信息包含阵列总的输出功 率和发电效率，但该信息缺少有关单个太阳能帆板运行的细节信息。因此，逆变器104监测 功能所提供的性能信息通常对了解电能损耗是因为环境条件、太阳能阵列功能失常或较差 的安装或维护等方面是不够的。而且，综合信息不能指出太阳能帆板101中的那块是所检 测电能损失的原因。鉴于以上所述，将多个直流电源连接到负载上的一种新提议拓扑学方案应能让其 自身在安装期间和安装后容易进行测试和运行状况验证。
发明内容
以下是本发明的概述，为了让大家对本发明的一些方面和特点有一个基本的认 识。该概述并非本发明的总揽，同样它也不是想要特殊指明本发明重要或关键性组成，或描 述本发明的范围。它唯一的目的是将本发明的一些概念以简单明了的方式向大家讲述，以 此作为后面更详细描述的前奏。本发明的内容提供了一种将分布式直流电源串联到中央供电装置的拓扑方法，中 央供电装置比如有单个逆变器或单个变换器。本发明的内容讲述了一种系统和方法，能监 测分布式电量收集装置中单个直流电源并且调整各直流电源的电流和电压使得各直流电 源的输电功率最大。依照本发明的各项内容，分布式电量收集系统由如下部分组成数个直流电源； 数个变换器，每个变换器又由几部分组成连接到各个直流电源的输入端、串联连接到变换 器的输出端，从而形成一排串联；按照预定标准在变换器输入端设置电压和电流的电路； 以及将输入端接收的电量转换输出端输出电量的电量转换部分；偶联到成排串联帆板的供 电装置，供电装置由维持向其输入预定值电量的控制部件组成。控制部件可以维持输到供 电装置的预定值电压。控制部件可以维持输到供电装置的预定值电流。供电装置由直流电 /交流电(DC/AC)逆变器组成。供电装置可包含一电池充电器。电路可包含在逆变器输入 端设定电压和电流的MPPT部件，以便使各个直流电源的功率达到最大。电能转换部分包 括降压变换器、升压变换器、根据MPPT部件和输出端电压和电流有选择性地激活降压变 换器或升压变换器的控制器。降压变换器和升压变换器可共享一个感应器，控制器包含一 脉宽调节部分。控制部分可包含与供电装置并联的旁路调节器，用来调节输入电压使预先 确定的输入电压保持不变。该系统还可进一步包含一个或多个其他偶联道供电装置上的帆 板串。该系统还可以包括数个电流传感器、数个电压传感器；其中各电流传感器和各电压 传感器在各自变换器和直流电源之间进行偶联，将电流信息和电压信息输入到MPPT部件。 数个直流电源中的每个都可以包含一太阳能帆板或一建筑一体化太阳能帆板。至少这些直 流电源中一个可以含有一燃料电池。至少这些直流电源中的一个可以含有一电池。每个变 换器都还可以含有一安全模块，用来限制输出电量在预先设定的安全值，直到预先确定的 事件发生改变为止。预先确定的事件可包含一个超过预定限的负载，可用来检测变换器状态或放电信号。每个变换器还可包含数个开关装置，各开关装置构成至少一个直流电源的 电流旁路。太阳能帆板可以包含数个电池单元串，每个电池串包含串联的太阳能电池和偶 联到串联太阳能电池旁路的开关装置。这些开关装置可包含一晶体管。每个变换器还可包 含一监测模块，用来监测和传输状态相关数据，状态相关数据至少包括以下一项信息输入 变换器的电流、输入变换器的电压、电源的温度、输入变换器的电量和现有的照明度。根据本发明的各项内容，提供一种方法用来从含有数个直流电源和数个直流电变 换器的分布式电力系统收集电能的方法，该方法由如下几方面构成将各电源偶联到各自 的直流电变换器上；将电源变换器串联，最少1个串联组；将串联组偶联到输电装置上；将 输入输电装置的电流和电压设定在预先确定的值，从而使流经串联组的电流随电源的功率 变化而变化；分别控制各电源的输出电量，并根据预先设定的标准分别改变输入到各自变 换器的电压和电流。固定一项输入电压或输入电流可包含设定至预先确定的恒定值。将串 联组偶联到输电装置上可以将串联组连接到DC/AC逆变器上，固定输入到逆变器的输入电 压。电量输出监测可包括跟踪电源的最大功率值。分别改变输入电压和电流包括设定输入 电压和电流以便从各电源获取最大的电量。该方法还可包含将各变换器的输入电压和电 流单独转换成以电流量和浮动电压计的输出电量，电流量可以通过流经串联组的电流来指 示。该方法还可包括分别监测各变换器的载荷，限制各变换器的输出电量使其保持在预先 设定的安全值，直到负载达到预先设定值为止。该方法还可包括监测至少一个电源和直流 电变换器的输出电量，并在输出电量显示预定特征时将电流切至旁路。该方法还可包括分 别操作各电源变换器以监测和报告功率相关数据。功率相关数据至少包括一项以下信息 输到变换器的电流、输到变换器的电压、电源温度、输到变换器的电量和现有的照明度。按照本发明的各项内容，描述了一种太阳能发电装置，由如下部件构成DC/AC逆 变器，含维持预定值的输入电压或电流装置；数个串联帆板组，它们与DC/AC逆变器并联， 每个串联组包含数个太阳能帆板、数个变换器。每个变换器包含偶联到各自太阳能帆板 的输入端、串联连接到其他变换器的输出端，从而构成一串联组；MPPT部件，用来按照各自 太阳能帆板的最大功率点设定变换器输入端的电压和电流；电量转换部分，用来将输入端 接收的电量转换成输出端的输出电量。预定值可包括恒定值。电量转化部分可将输入端 的电量转化成输出电量，使电流相当于数个串联太阳能帆板提供的总电量，这些串联的太 阳能帆板按逆变器输入端预定电压进行分割。电量转化部分可包含电量转化控制器，用来 控制电量转换部分的脉宽调节，以便使输出电量的电流相当于数个串联太阳能帆板提供的 总电量，这些串联的太阳能帆板按逆变器输入端预定电压进行分割。每个电源转换部分都 可包含降压变换器、升压变换器、脉宽调节装置；以及数字控制器，用来控制脉宽调节器， 使其有选择地启动降压变换器或升压变换器。每个串联组还可包括数个电流传感器，用 来对单块太阳能帆板每次输出电流进行测定，并将测得的电流信号发送给各自的数字控制 器；数个电压传感器，用来对单块太阳能帆板每次输出的电压进行测定，并将测得的电压信 号发给给各自的数字控制器。这里每个数字控制都可以调节电压和电流以便获得最大的电 力供应。太阳能发电装置还可包括一安全模块，用来使输出电压限定在预定安全值，使负载 不超过适用于变换器的预定限值。第30条权项权项的太阳能发电装置，其中的太阳能帆板 包含数个电池单元组，每个电池单元组包含并联的电池单元，开关装置偶联形成串联太阳 能电池单元的旁路。开关装置可包含晶体管。每个变换器还可包括一监测模块，用来监测
11和传输电量相关数据。电量相关数据至少包括以下一项输入到变换器的电流、输入到变换 器的电压、电源温度、电源的空间定向、现有的照明度。依照本发明的各项内容，提供了一种方法用来改善包含偶联到一中央负载的数个 直流电源的分布式电能系统组件的可靠性，该方法内容包括将直流电源偶联到中央负载 上；将输入到中央负载上的电压维持在预定值，该预定电压是组件负载时的安全操作电压； 根据直流电源获取的电量改变输入到中央负载上的电流。中央负载可包括DC/AC逆变器及 维持输入逆变器电压的输电维持一步。将直流电源偶联可以包括将各太阳能帆板偶联至各 自变换器，并将所有变换器偶联到逆变器上。该方法还可包括操作各变换器只要各太阳能 帆板开始输出电能就可升高从各太阳能帆板获得的电压。
本文附带的图纸作为本规定的组成部分，用来举例说明本发明的具体细节，结合 描述用来解释和说明本发明的原理。这些图纸的目的是以图解方式说明示例细节的主要特 点。这些图纸既不是为了描述实际细节问题的每个方面也不是为了描述所绘组件的相对尺 寸，因为它们并非按比例绘制。图1描述了采用直流电源的传统集中电能收集系统。图2描述了单个串联的直流电源组的电流对电压特征曲线。图3描述了按照本发明所述采用直流电源的一种分布式电能收集系统。图4A和4B描述了图3所示系统按照本发明所述各项内容在不同条件下的运行状 况。图4C描述了本发明的实体，其中逆变器控制输出电流。图5按照本发明所述其他项内容举例说明了采用直流电源的一种分布式电能收 集系统。图6按照本发明所述各项内容举例说明了一种DC对DC的变换器。图7按照本发明所述各项内容，包括本发明的控制特点举例说明一电能变换器。图8按照以前的工艺举例说明了太阳能帆板的布局。图9按照本发明所述细节举例说明了一种减少太阳能串联帆板电能损失的布局。图10按照本发明所述细节举例说明了另一种减少太阳能串联帆板电能损失的布局。图11按照本发明所述细节举例说明了一种设置太阳能串联帆板旁路的布局。
具体实施例方式本发明提供的拓扑解决了与现有拓扑相关的许多问题，并且与现有拓扑相比有许 多优点。例如，发明的拓扑可供串联不匹配的电源，如不匹配的太阳能电池板、不同型号和 额定功率的电池板甚至不同制造商和半导体材料制成的电池板。此拓扑允许串联在不同条 件下工作的电源，例如，不同光线或温度条件下的太阳能电池板。此拓扑还可供在屋顶或建 筑的不同方向或不同部分上安装串联电池板。这一以及其他特点和优点显而易见，由下列 详细说明可以看出。本发明的态样提供了用于将多种直流电源的功率组合为单一电源的系统和方法。
12在本发明的态样中，各直流电源与DC-DC功率变换器相关。串联藉由将直流电源接到相关 变换器而组成的模块，可提供模块串。然后将模块串接到使输入电压固定不变的逆转器。 各变换器中的最大功率点控制回路采集各直流电源的最大功率，并传送此功率，作为功率 变换器的输出。就各变换器而言，实质上将所有输入功率转换为输出功率，在有些情况下， 转换效率可能为90%或更高。另外，藉由将变换器的输入电流或输入电压固定为最大功率 点，并允许变换器输出电压变化，来进行控制。对于每个电源，由一个或多个传感器监控相 关变换器的输入功率级。在本发明的一些态样中，微型控制器使用脉宽调制调节将功率从 输入端传送到输出端所用工作循环，即可在各变换器中进行最大功率点跟踪和控制。本发明的一个态样提供了更大程度的容错、维护和耐用性，藉由监控、记录和/或 传达各太阳能电池板的性能来实现。在本发明的一个态样中，用于跟踪最大功率点的微型 控制器也可用于执行监控、记录和通信功能。这些功能可供在安装过程中快速轻松排除故 障，因此大幅度缩短了安装时间。在维护过程中，这些功能还有益于快速检测问题。本发明 的态样允许方便地定位、修理或更换有故障的太阳能电池板。当修理或更换不可行时，本发 明的绕开功能增大了可靠性。在一个态样中，本发明涉及组合电池功率的太阳能电池阵列。可以将各变换器附 装到单个太阳能电池上或串联、并联或二者都有的多个电池上，例如，串联电池串的并联。 在一个实施例中，将各变换器附装到一个光伏串电池板上。但是，本发明的态样尽管在太阳 能发电技术领域中适用，但也可用于使用直流电源的任何配电网。例如，这些态样可用于具 有多个电池的电瓶或配有多个车载燃料电池的混合动力车。直流电源可以为太阳能电池、 太阳能电池板、燃料电池、电瓶等等。另外，尽管下述讨论涉及将直流电源阵列的功率组合 为交流电压源，本发明的态样也可用于将直流电源的功率组合为另一个直流电压。图3所示为本发明的实施例中的配电采集配置30。配置30可供把多个电源(例 如太阳能电池板301a-301d)连接到单个电源上。在本发明的一个态样中，可以将所有太阳 能电池板的串联串连接到逆转器304上。在本发明的另一个态样中，可以将太阳能电池板 的几个串联串连接到单个逆转器304上。可由其他元件(例如，用于给电瓶组充电的充电 调节器)替换逆转器304。在配置30中，将各太阳能电池板301a-301d连接到单独分开的功率变换器电路 305a-305d上。一个太阳能电池板及其相关功率变换器电路组成模块，例如模块320。各变 换器305a-305d以最佳方式适应连接的太阳能电池板301a-301d的功率特性，并将功率高 效地从变换器输入端传送到变换器输出端。变换器305a-305d可以为降压变换器、升压变 换器、降压/升压变换器、逆向变换器或正向变换器等等。变换器305a-305d还可包括许多 组成变换器，例如，降压和升压变换器的串联。各变换器305a-305d包括控制回路，此控制回路不是从变换器输出电流或电压、 而是从来自太阳能电池板301的变换器的输入接收反馈信号。此控制回路的示例为最大功 率点跟踪(MPPT)回路。变换器中的MPPT回路将来自各太阳能电池板301a-301d的输入电 压和电流锁定至最佳功率点。传统的DC/DC变换器在输入端有大输入电压范围，并且有预定且固定不变的输出 电压。在传统的DC/DC电压变换器中，变换器内的控制器监控输入端的电流或电压以及输 出端的电压。控制器确定合适的脉宽调制(PWM)工作循环，如果输出电压下降就增加工作循环，藉此将输出电压固定到预定值。因而，传统的变换器包括反馈回路，此反馈回路闭合 在输出电压上，并使用输出电压进一步调节和微调变换器的输出电压。由于改变输出电压， 所以也改变从输入端提取的电流。在变换器305a-305d中，在本发明的态样中，变换器405内的控制器监控变换器输 入端的电压和电流，并确定PWM，使得从附装的电池板301a-301d提取最大功率。变换器405 的控制器动态跟踪变换器输入端的最大功率点。在本发明的态样中，将反馈回路闭合在输 入功率上，以便跟踪最大输入功率，而不是如同传统DC/DC电压变换器那样将反馈回路闭 合在输出电压上。因为各变换器305a-305d中有单独分开的MPPT电路，因而对于各太阳能电池 板301a-301d，图3所示实施例中的各串303可以串联不同数量或不同品牌的电池板 301a-301d。图3的电路对各太阳能电池板301a-301d的输出连续进行MPPT，以便对影响此 特定太阳能电池板301a-301d的温度、太阳辐射、阴影或其他性能因素的变化做出反应。因 此，变换器305a-305d内的MPPT电路从各电池板301a-301d采集可能存在的最大功率并作 为输出传送此功率，与影响其他太阳能电池板的参数无关。这样，图3所示本发明的态样按向变换器提供输入电流和输入电压的直流电源的 最大功率点连续跟踪和维持各变换器的输入电流和输入电压。直流电源的最大功率是变换 器的输入，也是变换器的输出。变换器输出功率可以为与变换器输入电流和电压不同的电 流和电压。变换器的输出电流和电压响应电路的串联部分的要求。在本发明的一个态样中，将变换器305a-305d的输出串联成单个直流输出，此输 出构成负载或供电装置(在本例中，为逆转器304)的输入。逆转器304将变换器的串联直 流输出转换为交流电源。负载(在本例中为逆转器304)调节负载输入端的电压。即在本 例中，单独的控制回路320将输入电压保持在设定值，即400伏。因而，逆转器的输入电流 由有效功率控制，这是流过所有串联直流电源的电流。另一方面，尽管DC-DC变换器的输出 必须为逆转器的电流输入，但使用MPPT单独控制变换器的电流和电压输入。在现有技术中，允许负载输入电压随有效功率变化。例如，当太阳能设施中阳光充 足时，逆转器的电压输入甚至可能变化达到1000伏。因而，随着阳光照度变化，电压随之变 化，逆转器(或其他供电装置或负载)中的电气元件承受变化的电压。这往往会降低元件 的性能，并且最终造成元件故障。另一方面，藉由固定负载或供电装置(此处为逆转器)的 输入电压或电流，电气元件始终承受相同的电压或电流，因此延长了使用寿命。例如，可以 选择负载元件(例如，电容器、开关和逆转器的线圈)，使负载元件在固定输入电压或电流 下运行，即额定值的60%。这会提高可靠性，并延长元件的使用寿命，这对避免太阳能发电 系统等应用中的使用损失至关重要。图4A和4B所示为本发明的样态中图3的系统在不同条件下的运行情况。示范配 置40类似于图3的配置30。在所示示例中，将401/1至401/10十个直流电源分别连接到 405/1至405/10十个功率变换器上。将由直流电源及其相应变换器组成的模块串联在一 起，组成串403。在本发明的一个态样中，将串联变换器405连接到DC/AC变换器404上。直流电源可以为太阳能电池板，并且以太阳能电池板作为一个说明例子讨论示 例。因制造公差、阴影或其他因素，各太阳能电池板401可能有不同的功率输出。就本例而 言，图4A所示为理想情况，在此将DC/DC变换效率假定为100%，并且假定电池板501相同。在本发明的一些样态中，变换器的效率可能相当高，范围约在95% -99%。因此，为了说明 假定100%的效率合情合理。另外，在本发明的实施例中，将每个DC-DC变换器视为功率变 换器，即变换器将其在输入端接收的全部功率传送到输出端，损失非常小。由相应功率变换器405内的控制回路将各太阳能电池板401的功率输出保持在电 池板的最大功率点。在图4A所示示例中，所有电池板受到充足的阳光照射，并且每个太阳 能电池板401提供200W的功率。因而，MPPT回路将汲取将全部200W从电池板传送到其相 关变换器的电流和电压等级。即，MPPT控制的电流和电压构成变换器的输入电流Im和输 入电压Vm。由在逆转器404设定的恒定电压控制输出电压，如下所述。输出电流Iout则为 总功率(即200W)除以输出电压Vout。如上所述，依据本发明的特点，由逆转器(在本例中，保持恒定)经由控制回路420 控制逆转器404的输入电压。就本例而言，假定将输入电压保持为400V (用于转换为220VAC 的理想值)。因为我们假定有十个串联功率变换器，每个提供200W，所以我们可以看到逆转 器404的输入电流为2000W/400V = 5A。因而，流过各变换器401/1-401/10的电流必须为 5A。这意味着在此理想示例中，每个变换器提供200W/5A = 40V的输出电压。现在，假定各 电池板的MPPT (假定完美匹配的电池板)控制Vmpp = 32V。这意味着逆转器的输入电压为 32V，并且输入电流为200W/32V = 6. 25A。我们现在转到另一个示例，在此例中仍旧将系统保持在理想模式(即，完美匹配 的直流电源，并且将全部功率传送到逆转器)，但环境条件不理想。例如，一个直流电源过 热、出现故障，或者如图4B的示例所示，第九个太阳能电池板401/9被挡光，因而只产生40W 的功率。因为我们保持所有其他条件如同图4A的示例中一样，其他九个太阳能电池板401 未被挡光，仍旧产生200W的功率。功率变换器405/9包括MPPT，以便将太阳能电池板501/9 维持在最大功率点运行，此功率点现在因挡光而下降。此串的总有效功率现在为9x200W+40W = 1840W。因为将逆转器的输入仍保持 在400V，逆转器的输入电流现在为1840W/40V = 4. 6A。这意味着此串中所有功率变换 器405/1-405/10的输出必须为4.6A。因此，对于九个未被挡光的电池板，变换器将输出 200W/4. 6A = 43. 5V。另一方面，附装到被挡光的电池板401/9的变换器405/9将输出 40W/4. 6A = 8. 7V。检查计算，添加提供43. 5V的九个变换器和提供8. 7V的一个变换器，藉 此即可得到逆转器的输入，即(9x43. 5V)+8. 7V = 400V。如图4A所示，仍由MPPT控制九个未被挡光的电池板的输出，因此保持在32V和 6.25A。另一方面，因为第九个电池板401/9被挡光，假定其MPPT降到28V。因而，第九个电 池板的输出电流为40W/28V= 1.43A。如本例所示，所有电池板以最大功率点运行，与运行 条件无关。如图4B的示例所示，即使一个直流电源的输出大幅度下降，系统固定逆转器的 输入电压，并单独控制变换器的输入，以便以最大功率点从直流电源提取功率，藉此仍旧保 持较高的功率输出。正如所料，图4A和4B所示柘朴益处极大。例如，串联直流电源(例如太阳能电池 板)的输出特性不必相配。因而，串联串可以使用不同制造商的电池板或安装在屋顶不同 部分的电池板(即，在不同的空间方向上)。另外，如果并联几个串，各串不必匹配，相反各 串可以有不同的电池板或不同数量的电池板。此拓扑还减轻了过热点问题，从而增大了可 靠性。即如图4A所示，被挡光电池板401/9的输出为1.43A，而未被挡光的电池板的输出电流为6. 25A。当元件串联时，此电流差异会迫使大电流流过被挡光的电池板，可能造成此元 件过热和故障。但是，在发明的拓扑中，单独设定输入电压，并且依据各时刻电池板的最大 功率点单独设定从各电池板提取到其变换器的功率，因此各电池板的电流与从串联变换器 提取的电流无关。容易认识到因为对每个电池板单独优化功率，所以在BIPV设施中，可以在不同 平面和方向上安装电池板。因此，解决了在建筑集成设施中低功率应用问题，并且更多的设 施现在有利可图。所述系统还可轻松解决低光照条件下能量采集问题。甚至少量的光照就足以使变 换器405运行，然后变换器开始将功率传送到逆转器。如果有少量功率，将会有低电流，但 是电压高，足以使逆转器运行，并且的确采集到了功率。在本发明的态样中，逆转器404包括控制回路420，以便在逆转器404的输入端保 持最佳电压。在图4B的示例中，由控制回路420将逆转器404的输入电压保持在400V。变 换器405实质上正将所有有效功率从太阳能电池板传送到逆转器404的输入端。因此，逆 转器404的输入电流只取决于太阳能电池板提供的功率以及调节的设置，即逆转器输入端 的恒定电压。图1和图3A所示传统逆转器104需要有非常广泛的输入电压以适应变化的条件， 例如，太阳能阵列的照度、温度和老化的变化。这与本发明的态样中设计的逆转器404相 反。逆转器404不需要广泛的输入电压，因此设计更简单、更可靠。其中，有个事实是在逆 转器输入端没有电压尖脉冲，因而逆转器的元件承受的电应力更低，可以持续更长的时间， 藉此取得更高的可靠性。当逆转器404属于电路的一部分时，将来自电池板的功率传送到可能连接到逆转 器上的负载。为了使逆转器404在最佳输入电压下工作，由太阳能阵列产生但未被负载使 用的多余功率将被散去。将多余功率出售给公用事业公司(如果可以选择此方案)，即可处 理多余的功率。对于网外太阳能阵列，可以将多余的功率存储在电瓶中。另一个可选方案 是将许多邻近房屋连接在一起组成微型网，并在房屋之间实现功率的负载平衡。如果未存 储或出售太阳能阵列提供的多余功率，则可以提供其他机制散去多余的功率。就图4A和4B说明的特点和益处至少部分源于使逆转器控制输入端提供的电压。 相反，可以实现由逆转器控制输入端电流的设计。图4C所示为此类配置。图4C所示为本 发明的一个实施例，在此例中，由逆转器控制输入电流。由相应功率变换器405内的控制回 路将各太阳能电池板401的功率输出保持在电池板的最大功率点。在图4C所示示例中，所 有电池板受到充足的日光照射，并且每个太阳能电池板401提供200W的功率。因而，MPPT 回路将汲取将全部200W从电池板传送到其相关变换器的电流和电压等级。S卩，MPPT控制 的电流和电压构成变换器的输入电流Im和输入电压Vm。由在逆转器404设定的恒定电流 控制输出电压，如下所述。输出电压Vout则为总功率(即200W)除以输出电流lout。如上所述，依据本发明的特点，由逆转器经由控制回路420控制逆转器404的输入 电流。就本例而言，假定将输入电流保持为5A。因为我们假定有十个串联功率变换器，每个 提供200W，所以我们可以看到逆转器404的输入电压为2000W/5A = 400V。因而，流过各变 换器401/1-401/10的电流必须为5A。这意味着在此理想示例中，每个变换器提供200W/5A = 40V的输出电压。现在，假定各电池板的MPPT (假定完美匹配的电池板)控制Vmpp =32V。这意味着逆转器的输入电压为32V，并且输入电流为200W/32V = 6. 25A。因而，使逆转器控制电流而不控制电压，即可得到类似优点。但是，与现有技术不 同，电池板输出变化不会造成流向逆转器的电流的变化，这是因为由逆转器本身控制此项。 因此，如果将逆转器设计为保持电流或电压恒定，则与电池板运行无关，逆转器的电流或电 压将保持恒定。图5所示为在本发明的其他态样中使用直流电源的配电采集系统。图5所示为并 联在一起的多个串503。每个串为多个模块的串联，并且每个模块包括连接到变换器505上 的直流电源501。直流电源可以为太阳能电池板。将串503的并联输出再次并联连接到并 联调节器506和负载控制器504。与图4A和4B的实施例一样，负载控制器504可以为逆转 器。并联调节器自动在端子间保持恒定电压。并联调节器506经配置散去多余的功率，以 便将逆转器504的输入端的输入电压保持在调节水平，并防止逆转器输入电压增大。流过 并联调节器506的电流补充逆转器504汲取的电流，以保证逆转器的输入电压保持在恒定 水平，例如400V。藉由固定逆转器输入电压，逆转器的输入电流随提取的有效功率变化。此电池分 配在串联变换器的串503之间。当各变换器包括用于将变换器输入电压保持在相关直流电 源的最大功率点的控制回路时，确定变换器的输出功率。变换器功率和变换器输出电流一 起确定变换器输出电压。由变换器中的功率变换电路使用变换器输出电压逐步升高或降低 变换器输入电压，以便从MPPT确定的输入电压得到变换器输出电压。图6所示为本发明的态样中的示范DC/DC变换器605。DC/DC变换器通常用于将 变化或恒定的直流电压输入逐步降低或升高到更高或更低的恒定电压输出，这取决于电路 的要求。但是，在图6的实施例中，DC-DC变换器用作功率变换器，即将输入功率转换为输 出功率，输入电压随MPPT变化，而输出电流由逆转器的恒定输入电压控制。S卩，输入电压和 电流可在任何时候变化，并且输出电压和电流也可在任何时候变化，这取决于直流电源的 运行条件。将变换器605连接到相应直流电源601上，连接在输入端子614和616上。将直 流电源601的变换的功率通过输出端子610、612输出到电路。变换器电路的其余部分位于 输入端子614、616与输出端子610、612之间，包括输入和输出电容器620、640、回流预防二 极管622、642和功率变换电路(包括控制器606和电感器608)。输入616和614由电容器620隔开，电容器620作为对直流电压的开路端。输出 610和612也由电容器640隔开，电容器640也作为直流输出电压的开路端。这些电容器为 隔直或交流耦合电容器，当面临选择电容器所针对的频率的交流电时，这些电容器将短路。 在输出610、612之间耦合的电容器640也用作下述功率变换电路的一部分。二极管642耦合在输出610和612之间，极性要使电流不能从输出612的正引线 回流到变换器605。二极管622耦合在穿过对直流电短路的电感器608的正输出引线612 和负输入引线614之间，负输入引线614的极性要防止电流从输出612回流到太阳能电池 板 601。直流电源601可以为太阳能电池板。因电池板601的太阳能电池中产生的电子空 穴对，接线614和616之间存在电势差。变换器605连续监控电池板提供的电流和电压并 使用最大功率点跟踪算法，通过从太阳能电池板601提取电流，将最大功率输出保持在最大功率点。控制器606包括用于跟踪最大功率的MPPT电路或算法。最大功率跟踪和脉宽 调制PWM—起进行，以达到所需输入电压和电流。控制器606中的MPPT可以为传统MPPT， 例如微扰观察(P&0)、增量电导等等。但是，显然直接在电池板上进行MPPT，即在变换器的 输入端，而不是变换器的输出端上进行。然后将生成的功率传送到输出端子610和612。可 以串联多个变换器605的输出，使一个变换器605的正引线612连接到下一个变换器605 的负引线610上。在图6中，所示变换器605为降压加升压变换器。此处所用术语“降压加升压”为 直接后跟升压变换器的降压变换器，如图6所示，在文献中也可能称为“级联降压_升压变 换器”。如果要降低电压，升压部分实质上短路。如果要升高电压，降压部分实质上短路。术 语“降压加升压”与降压/升压拓扑不同，此拓扑为要升高或降低电压时可以使用的经典拓 扑。“降压/升压”拓扑的效率天生低于降压或升压。另外，对于特定要求，降压-升压变换 器需要比降压加升压变换器更大的无源元件，才可运行。因此，图6的降压加升压拓扑的效 率比降压/升压拓扑高。但是，图6的电路不断决定是降压还是升压。在有些情况下，当所 需输出电压类似于输入电压时，降压和升压部分都可能运行。控制器606可包括与降压和升压变换器电路一起使用的脉宽调制器PWM或数字脉 宽调制器DPWM。控制器606既控制降压变换器，又控制升压变换器，并决定是降压还是升 压。在有些情况下，降压和升压部分可能一起运行。即如同就图4A和4B的实施例所做的说 明，输入电压和电流的选择与输出电流和电压的选择无关。另外，输入或输出值的选择可能 在任何给定时刻变化，这取决于直流电源的运行。因此，在图6的实施例中，在构造变换器 时，要使得可以在任何给定时间依据输出要求向上或向下变换输入电压和电流的选定值。在一个实施例中，可以使用组合了变换器605的一些功能的集成电路(IC)604。可 选装IC 604，单个ASIC能够承受户外太阳能设施中存在的极端苛刻的温度。可以针对超 过25年的长平均故障间隔时间(MTBF)设计ASIC 604。但是，也可按类似方式使用采用多 个集成电路的离散解决方案。在图6所示示范实施例中，将变换器605的降压加升压部分 实现为IC604。实际考虑时，可以以其他方式划分系统。例如，在本发明的一个态样中，IC 604可包括两个集成电路处理系统中高电流和电压的一个模拟集成电路以及包括控制逻 辑的一个简单低电压数字集成电路。可以使用功率场效应晶体管实现模拟集成电路，另外 可采用离散元件、FET驱动器、A/D等等实现功率场效应晶体管。数字集成电路可以组成控 制器606。在所示示范电路中，降压变换器包括输入电容器620、晶体管628和630、与晶体 管628并联的二极管622以及电感器608。晶体管628、630分别有寄生体二极管624、626。 在所示示范电路中，升压变换器包括与降压变换器共用的电感器608、晶体管648和650、与 晶体管650并联的二极管642以及输出电容器640。晶体管648、650分别有寄生体二极管 644、646。如图1所示，在串联配置中添加电子元件可能降低系统的可靠性，这是因为如果 一个电气元件损坏，则可能影响整个系统。具体而言，如果串联元件之一出现故障在出现故 障的元件中造成开路，则电流停止流过整个串，因而造成整个系统停止运行。本发明的态样 提供了变换器电路，在此电路中，电路的电气元件有一个或多个与之相关的旁路，如果电气 元件出现故障，旁路可以承载电流。例如，变换器的降压或升压部分的每个开关晶体管有自
18己的旁路。在开关晶体管出现故障时，绕开电路的此元件。同样，电感器出现故障时，电流 通过升压变换器中所用晶体管的寄生二极管绕开有故障的电感器。图7所示为本发明的态样中的功率变换器。其中，图7强调本发明的实施例中的 DC/DC变换器705的监控功能。图中还表示出直流电压源701。表示出变换器705的简化 降压和升压变换器电路部分。所示部分包括开关晶体管728、730、748和750以及普通电感 器708。每个开关晶体管由功率变换控制器706控制。功率变换控制器706包括脉宽调制(PWM)电路733和数字控制机730 (包括保护 部分737)。功率变换控制器706连接到微型控制器790 (包括MPPT模块719)上，并且还可 选装包括通信模块709、监控和记录模块711以及保护模块735。电流传感器703可耦合在直流电源701和变换器705之间，并且可以将电流传感 器703的输出经相关模数变换器723提供给数字控制机730。电压传感器704可耦合在直 流电源701和变换器705之间，并且可以将电压传感器704的输出经相关模数变换器723 提供给数字控制机730。电流传感器703和电压传感器704用于监控直流电源(例如，太阳 能电池板701)输出的电流和电压。测到的电流和电压被提供给数字控制机730，并用于将 变换器输入功率保持在最大功率点。PWM电路733控制变换器电路的降压和升压部分的开关晶体管。PWM电路可为数 字脉宽调制(DPWM)电路。将取自电感器708和开关晶体管750的变换器705的输出经模 数变换器741、742提供给数字控制机730，以便控制PWM电路733。随机存储存储器(RAM)模块715和非易失性随机存取存储器(NVRAM)模块713可 位于微型控制器790之外，但连接到微型控制器790上。可以将温度传感器779和一个或 多个外部传感器接口 707连接到微型控制器790上。温度传感器779可用于测量直流电源 701的温度。物理接口 717可连接到微型控制器790上，并用于将来自微型控制器的数据变 换为标准通信协议和物理层。在变换器705中可以包括内部供电装置739。在本发明的各种态样中，可以采用用于测量电流的各种技术实现电流传感器703。 在本发明的一个态样中，使用极低值电阻器实现电流测量模块703。电阻器两端的电压与流 过电阻器的电流成正比。在本发明的另一个态样中，使用电流探针实现电流测量模块703， 电流探针利用霍尔效应测量流过导体的电流，而不必添加串联电阻器。将电流转换为电压 后，数据可通过低通滤波器，然后数字化。图7中表示出与电流传感器703相关的模数变换 器，作为A/D变换器723。为模数变换器选择合适的分辨率和采样速度，即可避免生成的数 字数据中的混叠效应。如果电流传感技术不需要串联，则可以将电流传感器703并联连接 到直流电源701上。在发明的一个方面中，电压传感器704采用了简单的并联电压测量技术，以便测 量太阳能电池板的电压输出。模拟电压通过一个低通滤波器，以降低失真。然后，用模数变 换器，对数据进行数字化处理。与电压传感器704有关的模数变换器，在图7中表示为A/D 变换器724。A/D变换器724有足够高的分辨率，可以从一个模拟电压中生成一个正确采样 的数字信号，模拟电压是在DC电源701上测量到的，这可能就是一块太阳能电池板。为跟踪变换器输入信号上的最大功率点而采集的电流和电压数据，也可用于监测 的目的。分辨率足够高的模数变换器可以正确地估算电池板的电压和电流值。但是，要估 算电池板的状态，更低的采样率也足以应付。低通滤波器使得较低的采样率足以应付电池
19板状态的估算。电流和电压数据可以提供给监测和记录模块711，以便进行分析。温度传感器779使得系统在分析过程中可以利用温度数据。温度是某类故障和问 题的指示。而且，在电源是一块太阳能电池板的情况下，电池板的温度是功率输出生产中的
一个因素。一个或更多的可选择外部传感器接口 707可以将不同的外部传感器与变换器705 连接。可选用外部传感器，以加强太阳能电池板701、或由太阳能电池板连接而形成的电池 板串或矩阵的状态的分析。外部传感器的例子有环境温度传感器、太阳辐射传感器和临近 电池板的传感器。外部传感器集成到了变换器705中，而不是在外部安装。在发明的一个方面中，从电流和电压传感器703、704以及可选温度和外部传感器 705,707中获得的信息，可以传送到中央分析站，以便用通信接口 709进行监测、控制和分 析。中央分析站在图中没有显示。通信接口 709将一个微控制器790接到了通信总线上。 通信接口可以几种方式实现。在发明的一个方面中，通信接口利用现成的通信总线实现，比 如以太网或RS422。也可以采用像无线通信、或在连接电池板的电源线上实现的电源线通信 这样的其它方法。如果采用了双向通信，则中央分析站可以申请微控制器790采集的数据。 作为选择方案或附加方案，从传感器703、704、705、707中获得的信息利用本机存储器中的 监测和记录模块711在本机进行记录，比如RAM 715或NVRAM 713。通过对传感器703、704、705、707中获得的信息的分析，可以检测和确定多种与太 阳能矩阵中功率损耗有关的故障的位置。也可使用智能分析，提出诸如清洁或更换太阳能 矩阵特定部分的改正建议。通过对传感器信息的分析，也可检测由环境条件或安装错误引 起的功率损耗，避免耗资费力的太阳能矩阵测试工作。因此，在发明的一个方面中，微控制器790可根据MPPT模块719中的MPPT算法， 同时保持附加DC电源或太阳能电池板701中输送到变换器705的输入功率的最大功率点 和管理从传感器703、704、705、707中收集信息的过程。收集到的信息可以储存在本机存储 器713、715中，并可传送到一个外部中央分析站中。在发明的一个方面中，微控制器790采 用了存储在NVRAM 713中的事先定义参数，以便于操作。储存在NVRAM 713中的信息可能 包括变换器705的信息，比如序列号、使用的通信总线的类型、中央分析站的状态更新速率 和ID。在发送以前，这一消息可以添加到传感器采集的参数中。在安装太阳能矩阵或改造现有装置期间，可以安装变换器705。在两种情况中，变 换器705可以接到一个电池板接线盒或连接电池板701的电缆上。每个变换器705都提供 了连接器和电缆线路，以使与太阳能电池板701和电池板电缆的安装和连接变得方便。在发明的一个方面中，使用了物理接口 717，以转换成一个标准的通信协议和物理 层；这样，在安装和维护期间，变换器705就可以连接到不同数据终端中的一个终端上了， 比如一台计算机或PDA。此时，就可以作为软件实现分析了，软件可在一台标准计算机、嵌入 式平台或专有设备上运行。变换器705的安装过程包括将每个变换器705接到太阳能电池板701上。可使用 一个以上的传感器703、704、705、707，以确保太阳能电池板701和变换器705正确地耦合到 一起。在安装期间，像序列号、物理位置和矩阵连接布局这样的参数可以储存在NVRAM 713 中。这些参数可由分析软件使用，以检测太阳能电池板701和矩阵中未来发生的问题。当DC电源701为太阳能电池板时，光电太阳能电池板矩阵安装者面临的其中一个
20问题是安全。当日间有阳光时，太阳能电池板701串联连接。因此，在安装的最后阶段，当 几块太阳能电池板701串联时，电池板串两端的电压可能会达到危险的电平。在家庭安装 的电池板中，电压通常高达600V。所以，安装者面临着触电的危险。与电池板701连接的 变换器705可利用内置功能，防止此类危险。例如，变换器705可包括电路或软件模块的硬 件，可以将输出电压限制在一个安全电平上，直到检测到了预定的最小负载为止。只有在检 测到了此预定负载以后，微控制器790才会将变换器705的输出电压提升。另一种提供安全机制的方法是，利用变换器705和电池板串或矩阵相关逆变器之 间的通信。例如，此通信方式可能是电源线通信装置，在提供高电平或潜在危险电平以前， 可以提供同步信息交换。因此，在向逆变器传输功率以前，变换器705会等待相关矩阵中的 逆变器模拟或数字释放信号。以上DC电源701的监测、控制和分析方法，可在太阳能电池板或太阳能电池板串 或矩阵上实现，或在像蓄电池和燃料电池这样的其它电源上实现。图8根据先有技术显示了太阳能电池板的排列图。在图8中，太阳能电池板800 由太阳能电池805组成，电池被分成若干串联电池串810。电池串810串联连接到一起。对 每一个电池串810，提供了一个旁路二极管820，以便在一个电池串的功率输出下降时，该 电池串可通过相应的二极管820旁路，而不是让电池进入负压区，这会导致电池两端的功 率耗散，甚至会引起燃烧。但是，当电流流过二极管时，它们会耗散能量。例如，如果一个5A 的电流流过一个导通电压为0. 7伏的普通二极管，功率损耗为3. 5W。在实际中，这一损耗很 容易升高到10W。图9根据降低太阳能电池串中功率损耗发明的具体设备，给出了一个排列图。在 图9中，太阳能电池板900由太阳能电池905组成，电池被分成若干串联电池串910。电池 串910串联连接到一起。对每一个电池串910，提供了一个旁路二极管920，以便在一个电 池串的功率输出下降时，该电池串可通过相应的二极管920旁路。此外，一个开关装置925 接到了旁路电路中，以便旁路相应的二极管，比如FET或IGBT(绝缘栅双极晶体管)。一旦 感测到电流流过了一个二极管920(或一旦感测的电池串910两端的电压为负时)，其相应 的开关装置925就被触发。这就可以将电流引导流过开关装置，如此可以彻底降低能量损 耗。例如，感测可通过感测电池串两端的电压或二极管两端的电流实现。图10根据降低太阳能电池串中功率损耗发明的具体设备，给出了另一种排列图。 在图10中，太阳能电池板1000由太阳能电池1005组成，电池被分成若干串联电池串1010。 电池串1010并联连接到一起。对每一个电池串1010，提供了一个旁路开关装置1025，以便 在一个电池串的功率输出下降时，该电池串可通过相应的开关装置1025旁路，比如FET或 IGBT0 一旦感测到电池串1010进入了反向偏置(不管是由于较差的光线，还是由于故障)， 相应的开关装置1025都会被接通，这样，电流就可以流过各自的开关装置1025。例如，感测 可通过感测电池串的电压或电流实现。图11根据旁路太阳能电池串发明的具体设备，给出了一个排列图。亦即，图11显 示了变换器如何用于触发太阳能电池串和/或太阳能电池串两端耦合的二极管的旁路，比 如像图6中的变换器。在图11中，太阳能电池板1100由太阳能电池1105组成，电池被分 成若干串联电池串1110。电池串1110并联连接到一起。对每一个电池串1110，提供了一 个旁路二极管1120，以便在一个电池串的功率输出下降时，该电池串可通过相应的二极管1120旁路。但是，就像图10所解释的，二极管可以取消。此外，一个开关装置1125接到了 旁路电路中，比如FET或IGBT，以便旁路相应的电池串1110和/或二极管1120。一旦感测 到电池串1010进入了反向偏置，则其相应的开关装置1125就会被控制器906触发。这就 可以将电流引导流过开关装置1125，以彻底降低能量损失。例如，感测可通过感测电池串两 端的电压或二极管两端的电流实现，如图7中对元件703和704的解释。
当前的发明相对于特定的范例进行了描述，无论从哪一方面看，这些例子都只是 说明性的，而不是限制性的。那些熟悉这一技术的人会理解，多种不同硬件、软件和固件的 组合，将适宜于实行当前的发明。而且，其它的发明实现方法，显然会使那些熟悉这一技术 的人考虑此处透露出的发明的规格和实践方式。举例的意图是，这些规格和例子只能当作 例子考虑，而发明的真正范围和精髓由以下权利要求和其相当的内容表示。
2权利要求
一种分布式电源收获系统包括众多的DC电源；众多的变换器，每个变换器包括与相应DC电源连接的输入终端；与其它变换器串联连接的输出终端，从而构成了一个串联串；根据预定标准，在变换器的输入终端上设置电压和电流的电路回路；和用于将输入终端接收到的电能转换成输出终端的输出功率的功率转换部分；和与串联串串联的能量供应器，能量供应器包括一个控制部分，负责将能量供应器的输入保持在预定值。
2.根据权利要求1所述的分布式电源收获系统，其中的控制部分负责将能量供应器的 输入电压保持在预定值。
3.根据权利要求1所述的分布式电源收获系统，其中的控制部分负责将能量供应器的 输入电流保持在预定值。
4.根据权利要求1所述的分布式电源收获系统，其中的能量供应器包括DC/AC逆变器。
5.根据权利要求1所述的分布式电源收获系统，其中的能量供应器包括一个蓄电池充 电器。
6.根据权利要求1所述的分布式电源收获系统，其中的电路回路包括一个MPPT部分， 可以将变换器输入终端的电压和电流设置成相应DC电源的最大功率点。
7.根据权利要求6所述的分布式电源收获系统，其中的能量转换部分包括 一个补偿变换器；一个升压变换器；一个控制器，可以选择触发补偿变换器或升压变换器，以响应MPPT部分和输出终端的 电流或电压变化。
8.根据权利要求7所述的分布式电源收获系统，其中的电感器由补偿变换器和升压变 换器共用，控制器包括脉宽调制部分。
9.根据权利要求1所述的分布式电源收获系统，其中的控制部分包括一个与电力供应 器并联的并联稳压器，负责将输入电压调节到预先选定的恒定输入电压。
10.根据权利要求1所述的分布式电源收获系统，更由与电力供应器连接的一个以上 的附加串联电池串组成。
11.根据权利要求1所述的分布式电源收获系统，更包括 复数电流传感器；和复数电压传感器；其中的每个电流传感器和每个电压传感器连接在相应的变换器和DC电源之间，向 MPPT部分提供电流信息和电压信息。
12.根据权利要求1所述的分布式电源收获系统，其中的复数DC电源中的每一个电源 包括一个太阳能电池板或一个集成了太阳能电池板的建筑。
13.根据权利要求1所述的分布式电源收获系统，其中的复数DC电源中的至少一个电 源包括一个燃料电池。
14.根据权利要求1所述的分布式电源收获系统，其中的复数DC电源中的至少一个电源包括一个电池。
15.根据权利要求1所述的分布式电源收获系统，其中的复数变换器中的每一个变换 器又包括一个安全模块，可将输出限制在预先设置的安全值，直到预定事件发生为止。
16.根据权利要求15所述的分布式电源收获系统，其中预定事件包括其中一个超过预 设临界值的负载施加到了变换器上，或检测到了释放信号。
17.根据权利要求1所述的分布式电源收获系统，其中的每个变换器又包括复数开关 装置，每个开关装置构成了至少一个DC电源的一条旁路。
18.根据权利要求12所述的分布式电源收获系统，其中的太阳能电池板包括复数电池 串，每个电池串与太阳能电池和开关装置串联，以旁路串联的太阳能电池。
19.根据权利要求18所述的分布式电源收获系统，其中的开关装置包括一个晶体管。
20.根据权利要求1所述的分布式电源收获系统，其中的每个变换器又包括一个监视 和发送状态相关数据的监视模块，状态相关数据至少包括变换器的输入电流、变换器的输 入电压、电源的温度、变换器的输入功率和有效的照度。
21.从有复数DC电源和复数DC功率变换器的分布式电源收获系统中获取电源的方法， 方法包括将每个电源接到各自的DC功率变换器上；串联连接功率变换器，从而形成至少一条串联串；将串联串接到功率输出设备上；将功率输出设备的一个输入电压或输入电流固定在预定值，因此，强迫流过串联串的 电流根据提供的电源的功率而变化。根据预定的标准，单独控制各个电源的功率输出，单独改变每个相应变换器的输入电 压和电流。
22.根据权利要求21所述的方法，其中固定一个输入电压或输入电流的过程包括固定 到预定恒定值。
23.根据权利要求21所述的方法，其中连接串联串到功率输出装置过程包括将串联串 接到DC/AC逆变器和将输入电压稳定在逆变器电压上的过程。
24.根据权利要求21所述的方法，其中的监视功率输出包括跟踪电源的最大功率点， 单独改变输入电压和电流包括设置输入电压和电流，以便从每个电源中吸收最大的功率。
25.根据权利要求21所述的方法，进一步包括了单独将每个变换器的输入电压和电流 转换成流过串联串和浮动电压所指示的电流电平等级的输出功率。
26.根据权利要求23所述的方法，进一步包括了单独将每个变换器的输入电压和电流 转换成流过串联串和浮动电压所指示的电流电平等级的输出功率。
27.根据权利要求21所述的方法，进一步包括了单独监视每个变换器上的负载和将每 个变换器的输出限制在预设的安全电平上，直到负载达到了预设值为止。
28.根据权利要求21所述的方法，进一步包括了监视至少一个电源和DC功率变换器的 功率输出，以及在功率输出显示预定的特征时，引导电流到旁路回路。
29.根据权利要求21所述的方法，进一步包括了单独运行每个功率变换器，以监视和 上报功率相关数据；功率相关数据包括至少一个变换器的输入电流、变换器的输入电压、 电源的温度、变换器的输入功率和有效的照度。
30.太阳能电源装置包括DC/AC逆变器包括将逆变器输入电压或电流保持在预定值的装置；与DC/AC逆变器并联的复数串联串，每个串联串包括复数太阳能电池板；复数变换器，每个变换器包括与相应太阳能电池板连接的输入终端；与其它变换器串联的输出终端，从而构成一个串联串；MPPT部分根据相应太阳能电池板的最大功率点设置变换器输入终端的电压和电流；和，用于将输入终端接收到的电能转换成输出终端的输出功率的功率转换部分。
31.根据权利要求30所述的太阳能电源装置，其中预定值包括一个常数值。
32.根据权利要求30所述的太阳能电源装置，其中功率变换部分将输入终端收到的功 率变换成输出功率，输出功率的电流实际等于串联串中复数太阳能电池板提供的总功率， 除以逆变器输入端上预定恒定电压。
33.根据权利要求32所述的太阳能电源装置，其中功率变换部分包括一个功率变换控 制器，负责控制功率转换部分的脉冲宽度调试，如此，输出功率的电流实际等于串联串中复 数太阳能电池板提供的总功率，除以逆变器输入端上预定恒定电压。
34.根据权利要求33所述的太阳能电源装置，其中每个功率变换部分包括 一个补偿变换器；一个升压变换器；一个数字控制器控制脉冲宽度调制器，选择操作补偿变换器或升压变换器。
35.根据权利要求30所述的太阳能电源装置，其中每个串联串又包括复数电流传感器，每个传感器测量一个太阳能电池板的输出电流，并将测量的电流信 号发送给相应的数字控制器；和复数电压传感器，每个传感器测量一个太阳能电池板的输出电压，并将测量的电压信 号发送给相应的数字控制器；其中每个数字控制器调节吸收的电流和电压，以获取最大可用功率。
36.根据权利要求30所述的太阳能电源装置又包括一个安全模块，只要没有预设临界 值以上的负载施加在变换器上，就将输出电压限制在预设安全值电平上。
37.根据权利要求30所述的太阳能电源装置，其中每个太阳能电池板包括复数电池 串，每个电池串包括串联连接的太阳能电池，连接的开关装置可以旁路串联连接的太阳能 电池。
38.根据权利要求37所述的太阳能电源装置，其中开关装置包括一个晶体管。
39.根据权利要求30所述的太阳能电源装置，其中每个变换器又包括一个监视模块， 以监视和发送功率相关数据；功率相关数据包括至少一个变换器的输入电流、变换器的 输入电压、电源的温度、电源的空间方向和有效的照度。
40.在一个有复数与中央负载连接的DC电源分布式电源系统中(这是一种提高负载内 部元件稳定性的方法)，包括将DC电源与中央负载连接；使中央负载的输入保持在固定的预定电压上，此电压值为负载内部元件的安全工作电压；根据从DC电源吸收的功率，改变中央负载的电流输入值。
41.根据权利要求40所述的方法，其中的中央负载包括一个DC/AC逆变器，保证输入的 步骤包括保证逆变器的输入电压。
42.根据权利要求41所述的方法，其中的连接DC电源包括将每个复数太阳能电池板接 到复数变换器的相应变换器上，并将所有变换器与逆变器连接。
43.根据权利要求42所述的方法，只要相应的太阳能电池板开始输出电能，又包括了 运行每个变换器，以提升由相应的太阳能电池板获得的电压。
全文摘要
文档编号H02M3/156GK101953060SQ20078004535
公开日2011年1月19日 申请日期2007年12月6日 优先权日2006年12月6日
发明者Fishelov Amir, Sella Guy, Handelsman Lior, Adest Meir, Galin Yoav 申请人:Solaredge Technologies