用于智能型转换器数组的系统及方法

专利名称：用于智能型转换器数组的系统及方法
技术领域：
本发明大致上关于电力系统，更特别关于用于从太阳能电池功率数组转换能量的 系统及方法。
背景技术：
光电伏打(PV)面板(此处也称为「太阳能面板」)使用来自太阳的辐射光以产生 电能。太阳能面板包含众多PV电池以将阳光转换成电能。大部份的太阳能面板使用晶圆 为基础的结晶硅或以締化镉为基础的薄膜电池。通常用于PV电池中的晶圆形式结晶硅系 从硅衍生的，通常作为半导体。PV电池是半导体装置，将光直接转换成能量。当光照射于 PV电池上时，于电池上产生跨压，以及，当连接至导线时，电流流经电池。电压及电流随着数 种因素变化，包含电池的实体尺寸、照射于电池上的光量、电池的温度、及外部因素。太阳能面板(也称为PV模块)由串联及并联的PV电池制成。举例而言，PV电池 首先在一组内串联耦接。然后，众多组并联耦接。类似地，PV数组(也称为「太阳能数组」) 是由串联及并联配置的太阳能面板制成。实体上彼此相当接近地设置之二或更多PV数组 称为PV数组场。由每一太阳能面板产生的电力由太阳能面板的电压及电流决定。在太阳能数组电 连接制成串联以取得所需的输出串电压及/或制成并联以提供所需数量的串电流源能力。 在某些情形中，每一面板电压由DC-DC转换器升压或突然升高。太阳能数组连接至电负载、电栅或电力储存装置，例如但不限于蓄电池。太阳能面 板配送直流(DC)电力。当电负载、电栅或电力储存装置使用交流(AC)电(举例而言，每秒 60周或60赫兹(Hz)操作时)，太阳能数组经由DC-AC转换器而连接至电负载、电栅、或电 力储存装置。太阳能面板呈现它们的I-V曲线所述电压及电流特征。当太阳能电池未连接至负 载时，它们的端点跨压高于它们的开路电压V。。。当端点连接在一起以形成短路时，产生短 路电流Is。。在此二情形中，由于功率系由电压乘以电流而产生的，所以，不会产生功率。最 大功率点(MPP)界定太阳能面板以最大功率操作的点。在传统的太阳能数组中，太阳能数组中所有各别的太阳能面板必须接收用于数组 完整的阳光以适当地工作。假使数组的一部份被遮蔽时，或者受损时，则整体功率输出会降 低，即使从那些仍然受阳光曝照的区域输出的功率也会降低。无可避免地，在很多太阳能数 组中也存在有面板之间效率降低差异。因此，当这些差异未被侦测到及未被校正时，会留下 未实现显著数量的能量。以往尝试产生「微转换器」，将单一太阳能面板产生的DC功率转换成AC功率。每 一面板(也称为每一模块)反向造成的重要优点包含局部化最大功率点追踪(MPPT)及随 着时间以新太阳能面板更换过时的太阳能面板能力。不需要符合太阳能数组中大部份可能 是过时的现有太阳能面板的电压及电流特征，即可执行过时的太阳能面板更换。但是，在此传统系统中，现存的太阳能面板以从AC电力网看到的峰值电压(例如，
4对于单相120V为约200V，对于三相208V为约300V)之下的电压操作。因此，此传统的系统 必须包含升压级。升压级需要更复杂的电路，包含昂贵的变压器及不可靠的组件。传统的反相器设计中存在有代价交换。转换器设计的代价交换关于脉冲波调变 (PWM)切换频率。较高的频率增加栅追踪的准确度，因而降低谐波失真。但是，较高的频率 等于更多的切换。增加的切换会因切换损耗而降低效率。此外，在电感器设计上，有与板上电感及实体尺寸相关的代价交换。大的、高电感 电感器提供最小的谐波失真。但是，大的、高电感电感器以金钱成本及物理空间而言是昂贵 的。

发明内容
提供用于太阳能电池电力系统的太阳能面板数组。太阳能面板数组包含众多太阳 能面板。太阳能面板数组也包含众多并联地耦合至太阳能面板的转换器。至少一组控制器 配置成协调众多转换器的操作以执行交错切换。提供用于太阳能电池电力系统的转换器。转换器包含用以耦合至多个太阳能面板 的正极端第一输入端。转换器也包含第一高侧开关，耦合至第一输入端；第二高侧开关，耦 合至第一输入端；第一电感器，耦合于第一高侧开关与第一输出端之间；第二电感器，耦合 于第二高侧开关与第二输出端之间；第一下拉开关，耦合至第一输出；第二下拉开关，耦合 至第二输出；及控制器。控制器配置成改变第一及第二高侧开关及第一和第二下拉开关的 操作。提供用于光电伏打数组电流转换的方法。所述方法包含由多个转换器从多个太阳 能面板接收电能。协调转换器的切换以由多个转换器执行直流能量转换成交流能量交替转 换。在了解下述实施方式之前，揭示本专利所使用某些字及词的定义是有益的。「封 包」意指任何带有信息的通讯讯号，但不管其用于特定通讯讯号的格式。「应用」、「程序」、 及「例程」意指一或更多计算机程序、指令集、程序、函数、对象、等级、实例、或用于以适当的 计算机语言实施相关数据。「耦合」一词及其衍生词意指二或更多组件之间任何直接或间 接的通讯，不论这些组件是否彼此实体接触。「传送」、「接收」及「通讯」等词与其衍生词包 含直接及间接通讯。「包含」及「包括」等词及其衍生词意指包含但非限定。「或」一词是包 含的，意指及/或。「相关连」及「与其相关的」等词与其衍生词意包含、包含于…之内、互 连、含有、含于…之内、连接至或与…相连接、耦合至或与…耦合、可相通讯、互相协力、介于 其间、并列、近似、受限于、具有、具有…的特性、等等。「控制器」一词意指任何控制至少一操 作的装置、系统、或其部份。控制器可以由硬件、韧体、软件、或它们之中至少二者的结合来 实施。与任何特定控制器相关连的功能可以本地或远方地集中或分散。


于下，参考配合

，将可更完整地了解本发明及其优点，其中，类似代号代 表类似构件图IA显示根据本发明的实施例太阳能数组；图IB显示根据本发明的实施例太阳能面板；
图IC显示根据本发明的实施例经由网络连接以传送数据的温度数据输出线及天 空辐射计数据线实施例；图2显示根据本发明的实施例包含智能型转换器的太阳能数组；图3显示根据本发明的实施例智能型转换器切换操作；图4显示根据本发明的实施例用于以二输入电压操作的DC至AC转换器的功率转 换效率相对于百分比(％ )额定输出功率曲线图实施例；图5显示根据本发明的实施例适应性功率管理的曲线图实施例；图6显示根据本发明的实施例包含功率转换器组太阳能面板，功率转换器组经由 响应中央控制器设备的单一 AC切换机构而耦合至电力网；图7A显示根据本发明的实施例而产生电流涟波的波形曲线图实施例；图7B显示根据本发明的实施例提供电流给负载三个同步转换器的电流涟波曲线 图实施例；图7C显示根据本发明的实施例提供电流给负载三个协调的交替转换器的电流曲 线图实施例；图8显示根据本发明的实施例未经协调及经过协调的交替转换器对输出正弦波 的谐波失真效果的曲线图实施例；图9显示根据本发明的实施例无变压器、无升压DC至AC功率转换器；及图10显示根据本发明的实施例具有转换器组的太阳能数组，转换器组以三相三 角配置耦合，用于3相AC发电。
具体实施例方式于下说明图IA至10、以及用以说明本发明的原理不同实施例仅为说明之用，且无 论如何不应被解释为限定本发明的范围。习于此技艺者将了解本发明的原理可以实施于任 何适当配置的光电伏打数组系统。本发明的范围关于用以转换DC能量至AC能量功率转换器数组。将了解，虽然下 述中揭示的实施例说明耦合至例如太阳能数组中的一或更多太阳能面板等太阳能产生装 置功率转换器，但是，功率转换器可以耦合至任何DC能量产生装置、以及自其接收DC能量， 举例而言但非限定，DC能量产生装置为风力发电机或风力发电场、地热能发电装置、及水或 波动发电装置、或类似的电源。图IA显示根据本发明的实施例太阳能数组。图IA中所示的太阳能数组100的实 施例仅用于说明。在不悖离本发明的范围之下，可以使用其它太阳能数组的实施例。太阳能面板105如何连接在一起以形成太阳能数组100非限定的实施例显示于图 IA中。太阳能数组100包含六个太阳能面板105。将了解所示的六个太阳能面板105仅为 举例说明，太阳能数组可以包含任何数目的太阳能面板105。太阳能面板105在均具有二个 面板的三列中串联，例如从顶部至底部配置。举例而言，太阳能数组100可以由单一串联串 形成。太阳能面板105耦合成第一太阳能面板10 的负极端耦合第二太阳能面板10 的 正极端、第二太阳能面板10 的负极端耦合第三太阳能面板105c的正极端、等等。此外，第 一太阳能面板10 的正极端耦合至太阳能数组100的正极输出端110。在某些实施例中， 第一太阳能面板10 的正极端是太阳能数组100的正极输出端110。此外，最后的太阳能
6面板105f的负极端耦合至太阳能数组100的负极输出端115。在某些实施例中，最后的太 阳能面板105f的负极端是太阳能数组100的负极输出端115。太阳能数组100包含天空辐射计120、或太阳能辐射传感器。在某些实施例中，天 空辐射计独立地安装于接近太阳能数组100近处。在其它及替代实施例中，天空辐射计安 装于太阳能数组100上。天空辐射计120是用以测量平坦表面上宽带带的太阳辐射测光 计。天空辐射计120是一种传感器，配置成测量来自华氏180度(180下)的视场太阳辐射 通量密度(瓦特/米平方)。天空辐射计120耦合至数据线122，数据线122用于传送对应 于在太阳能数组100测量的宽带带太阳能辐射的资料。天空辐射计120与照射于太阳能数 组100上的阳光量成正比。图IB显示根据本发明的实施例太阳能面板105。图IB中所示的太阳能面板105 的实施例仅用于说明。在本悖离本发明的范围之下，可以使用太阳能面板105的其它实施 例。在某些实施例中，在一或更多太阳能面板105之内的PV电池125的串并联地耦 合。举例而言，在太阳能面板105中，PV电池125的第一串130与PV电池125的第二串140 并联地耦合、等等。将了解二串130、135说明仅为举例说明，太阳能面板105可以包含任何 数目的串。每一串130、135包含众多PV电池125，众多PV电池125串联成第一 PV电池125 的负极端耦合至第二 PV电池125的正极端、等等。此外，每一串130、135包含旁通二极管 140。在每一串130、135中，旁通二极管140耦合于第一 PV电池125的正极端与太阳能面 板105的正极端145之间。在每一串130、135中，太阳能面板105的负极端150耦合至最 后的PV电池125的负极端。旁通二极管140有助于太阳能面板105的短路保护。光电伏打电池125是特别构 成的P-N接面，且当在高电流下于热天操作时会短路。在串130、135中的PV电池125短路 的事件中，具有短路的PV电池125串130、135的电压将掉至其它串130、135的电压之下。 举例而言，假使第一串130中的PV电池125短路，则第一串130的电压将比第二串135的 电压之下的一二极管压降下降更多。因此，旁通二极管140将被反向偏压以及将停止导通， 以致于具有短路的PV电池125串135对于整个太阳能面板105不会变成短路。太阳能面板105包含温度传感器155。在某些实施例中，温度传感器155安装于太 阳能面板105上。温度传感器155配置成监控太阳能面板105处或之上的温度。温度传感 器155耦合至数据输出线160。每一太阳能面板105包含对应的温度数据输出线160。举 例而言，如图IA所示，太阳能面板10 包含温度数据输出线160a ；太阳能面板10 包含 温度数据输出线160b ；太阳能面板105c包含温度数据输出线160c ；太阳能面板105d包含 温度数据输出线160d ；太阳能面板10 包含温度数据输出线160e ；以及，太阳能面板105f 包含温度数据输出线160f。图IC显示根据本发明的实施例经由网络连接以传送数据的温度数据输出线及天 空辐射计数据线实施例。图IC中所示温度传感器及天空辐射计经由网络连接以传送数据 的实施例仅为说明之用。在不悖离本发明的范围之下，可以使用其它实施例。例如温度输出数据线160a_160f等用于太阳能数组100的温度数据输出线160经 由网络连接165而耦合至太阳能场管理器。此外，来自天空辐射计120数据线122也经由网络连接165而耦合至场管理器。网络连接可为局域网络(LAN)连接、广域网络(WAN)连 接、有线连接、无线连接、或是这些的结合。图2显示根据本发明的实施例包含智能型转换器的太阳能数组。图2中显示的太 阳能数组200的实施例仅用于说明。在不悖离本发明的范围之下，可以使用其它实施例。太阳能场包含众多太阳能面板205。太阳能面板205可以具有与上述的太阳能面 板105相同的结构及配置。太阳能面板205串联耦合以致于第一太阳能面板20 的负极 端耦合至第二太阳能面板20 的正极端；第二太阳能面板20 的负极端耦合至第三太阳 能面板205c的正极端；以及，第三太阳能面板205c的负极端耦合至第四太阳能面板205d 的正极端。将了解，四个太阳能面板205的说明仅为举例说明，太阳能数组200可以包含任 何数目的太阳能面板205。最后的太阳能面板205d的负极端耦合至负(_)DC电源线210。第一太阳能面板 205a的正极端耦合至正(+)DC电源线215。众多功率转换器220耦合至DC电源线210、215。举例而言，每一功率转换器220 于其负DC负电源输入(_) 222上耦合至负DC电源线210及在其正DC电源输入(+) 224上 耦合至正DC电源线215。每一各别的功率转换器220包含多个对应于各别的AC正弦波输出线A、B及C。 AC电力系统以三相正弦波操作。量测相对于接地正弦波电压，如此，具有正峰值及负峰值。 三相分别以「A」、「B」及「C」表示。每一相位与下一相位相隔一百二十度(120° )。因此， 用于每一相位A、B、C的正及负峰值相对于其它相上的AC电压具有不同的相。功率转换器 220经由输出线A、B、C而彼此相耦合，以致于每一相位集结至对应的相位(例如，具有相同 峰值电压时序或相同相位)。举例而言，第一转换器220a的输出线A耦合至第二和第三转 换器220b和220c中的每一转换器的输出线A ；第一转换器220a的输出线B耦合至第二和 第三转换器220b和220c中的每一转换器的输出线B ；以及，第一转换器220a的输出线C耦 合至第二和第三转换器220b和220c中的每一转换器的输出线C。每一相同相位的转换器 220输出线耦合至众多输出线230、232、234之一。举例而言，来自每一转换器220的输出线 A耦合至AC输出线230 ；来自每一转换器220的输出线B耦合至AC输出线232 ；以及，来自 每一转换器220的输出线C耦合至AC输出线234。功率转换器220包含内部AC切换装置对0。切换装置MO响应由转换器220内 部产生的控制讯号。当太阳能数组200的输出功率在某(例如指定的)临界值之上且稳定 时，切换装置240将各别的功率转换器输出A、B、C耦合至输出线230、232、234。切换装置 240配置成使转换器220与输出线230、232、234断开(切断耦合)，以回应断接事故。断接 事故包含但不限于转换器220过热、转换器220故障、及经由网络245而从群组控制器250 传送至转换器220的中断命令。网络245可为经由有线或无线通讯介质而建立的LAN连接 或WAN连接。每一转换器220经由数据连接255而耦合至网络M5。在某些实施例中，数据连接 255是多线数字数据线连接。功率转换器220及群组控制器250中的网络245与内部线驱 动器(未具体显示)能够执行使用此领域中熟知的通信协议的双向(例如，双路)数字数 据流动，举例而言，通信协议可为RS-485。群组控制器250包含一或更多处理器及内存装置，内存装置配置成接收及储存来自每一转换器220的输出电压数据及电流数据。群组控制器250藉由网络M5以接收及输 出来自转换器组中的转换器220的输出电压数据及电流数据。群组控制器250使用收到的 输出电压数据及电流数据，以将转换器组中的转换器220的输出功率维持在输出功率最佳 功率带或最少的转换损耗范围之内。包含于每一太阳能面板205中的一或更多温度及/或电压传感器270以及一或更 多辐射计(例如未特别显示的天空辐射计)经由网络245而传送数据给群组控制器250。 群组控制器250经由网络M5，将命令传送给功率转换器220以改变输出电流，以便将太阳 能至电力的转换维持在MPP。增加地及替代地，使用无线数据传送器/接收器260和天线 沈5，群组控制器250可以将从太阳能面板205及功率转换器220收集到数据经由无线数据 网络传送给中央共享设备(未显示)。在某些实施例中，使用例如但非限定通讯端口或调制解调器等有线接口(未显 示)，群组控制器250经由无线数据网络而将数据传送给中央共享设备。群组控制器250响 应经由天线265及传送器/接收器260而自中央共享设备收到的命令。命令接收包含但不 限于转换器组关机命令，转换器组关机命令是检测及维修太阳能数组200中的一或更多组 件时所需的。图3显示根据本发明的实施例智能型转换器切换操作。图3中所示的操作300的 实施例仅用于说明。在不悖离本发明的范围之下，可以使用其它实施例。在步骤305中使一或更多转换器赋能。因此，被赋能的转换器将功率输出至例如 但非限定配电栅等AC电负载。在步骤310中，相对于转换器的最佳功率带的功率上限，测量转换器的输出功率。 由转换器各别地、由群组控制器使用自转换器收到的数据来测量功率、或是由此二者测量 功率。假使输出功率未超过转换器的最佳功率带的上限，则处理重复步骤310，其中，连续地 或以指定间隔，测量输出功率。在操作转换器的输出功率超过一个转换器的最佳功率带的功率上限情形中，则在 步骤315中将该组中的第二(例如另一)转换器赋能。使增加的转换器(例如，假使一个 转换器先前被赋能则为第二转换器，假使二个转换器先前被赋能则为第三转换器)赋能， 以致于总输出功率由多个转换器分担。举例而言，假使使第二转换器赋能时，则二操作转换 器将接着均分先前为一个转换器的最佳功率带的上限的总输出功率的50%。因此，二操作 转换器在最佳功率带之内操作，但是，接近最佳功率带的功率下限。在增加的实施例中，假使在步骤310中群组中的二个转换器之前被赋能且二个操 作转换器的输出功率超过二个转换器的最佳功率带的功率上限时，则该组中的第三个转换 器则赋能，以致于三个操作转换器接着将平分(例如33. 3% ) 二转换器的最佳功率带的功 率上限功率。如此，三个操作转换器在最佳功率带之内操作。在一个以上的功率转换器被赋能时，则在步骤320中，群组控制器测量转换器的 输出功率以及将测量值与最佳功率带的功率下限相比较。由各别转换器个别地测量功率， 由群组控制器使用自转换器收到的数据来测量功率、或是由此二者测量功率。假使输出功 率超过最佳功率带的下限，则处理返回至步骤310，其中，连续地或以指定间隔，测量输出功率。在群组的输出功率进入最佳功率带的功率下限之下时，在步骤325中使转换器之
9一失能，以便将维持操作每一转换器的输出功率带回至最佳功率带之内。之后，处理返回至 步骤310，其中，连续地或以指定间隔，测量输出功率。图4显示根据本发明的实施例用于以二输入电压操作的DC至AC转换器的功率转 换效率相对于百分比(％ )额定输出功率曲线图实施例。图4中所示的曲线图400的实施 例仅为说明之用。在不悖离本发明的范围之下，可以使用其它实施例。具有350伏特DC及597伏特DC输入用于图3中所示的转换器最佳功率带的实施 例显示于图4中。无论输入电压为何，峰值功率转换效率为额定的最大输出功率的55%。 因此，仅由转换器额定值及真实的输出功率，可以决定额定的最大输出功率50%至85%的 最佳功率带。图5显示根据本发明的实施例适应性功率管理的曲线图实施例。图5中所示的曲 线图500的实施例仅用于说明。在不悖离本发明的范围之下，可以使用其它实施例。曲线图500显示图2的实施例表示，其中，一个MOO瓦特(W)额定值的转换器与三 个1000瓦特(W)额定值的转换器相比较。随着对二种转换器配置功率输出增加至MOOW，单 一一个转换器在1000W进入其最佳功率带以及在1800W移出其最佳功率带。在三个1000W 转换器的情形中，随着愈多换器被赋能，第一转换器在500W进入其最佳的功率带以及维持 在其最佳功率带之内。增加的转换器将额外的功率加至输出，同时，所有转换器输出维持在 最佳功率带之内。图6显示根据本发明的实施例包含功率转换器组太阳能面板，功率转换器组经由 响应中央控制器设备的单一 AC切换机构而耦合至电力网。图6中所示的太阳能数组600 的实施例仅为说明之用。在不悖离本发明的范围之下，可以使用其它实施例。太阳能数组600包含三个功率转换器组602、604、606。这三组602、604、606是并 联地耦合。因此，来自每一组602、604、606的输出功率会总合在一起以及经由AC功率需量 计610而传送给电力网(或其它AC电负载)。每一组602、604、606包含三个功率转换器。功率转换器可以与上述参考图2所述 的功率转换器220具有相同的结构及配置。将了解三组均包含三个功率转换器的功率转换 器组仅为举例说明，在不悖离本发明的范围之下，可以使用具有不同数目的组及每组具有 不同数目的转换器实施例。第一功率转换器组602包含功率转换器611、612、613及群组控制器622。第二功 率转换器组604包含功率转换器614、615、616及群组控制器624。第三功率转换器组606 包含功率转换器617、618、619及群组控制器626。此外，每一群组控制器622、6对、6沈均包 含数据收发器(举例而言，在某些实施例中也为传送器及接收器)。举例而言，群组控制器 622包含耦合至天线630数据收发器628 ；群组控制器6M包含耦合至天线634数据收发器 632 ；群组控制器6 包含耦合至天线638数据收发器636。转换器组602、604、606依相位耦合至三相开关640。转换器组602、604、606将来 自转换器611-619中的每一转换器的输出A、B、及C耦合至三相开关640之内的对应切换 组件。举例而言，来自转换器611-619的第一输出经由第一输入线642耦合至三相开关640 中的第一切换组件；来自转换器611-619的第二输出经由第二输入线644耦合至三相开关 640中的第二切换组件；以及，来自转换器611-619的第三输出经由第三输入线646耦合至 三相开关640中的第三切换组件。在某些实施例中，三相开关640是三相操作开关，其中，每一分别的开关耦合至来自每一组602、604、606对应的相位A、B、C。三相开关包含耦合至 天线650收发器648。三相开关640可以操作以将输入线642、644、646耦合(例如连接及 断接)至AC功率需量计610的各别相位输入652、654、656。举例而言，三相开关640配置 成将第一输入线642耦合至相位输入652 ；将第二输入线644耦合至相位输入654 ；将第三 输入线644耦合至相位输入654。AC功率需量计610包含耦合至电负载输出导线，电负载为例如但不限于电力配电 网。AC功率需量计610测量横跨输出导线线对线电压，其为电力网的AC电压。在增加的及 替代的实施例中，AC功率需量计610测量输出导线的线对地电压。AC功率需量计610测量 正经由AC功率需量计610的相位输入652、6M、656传送AC电流三转换器组602、604、606 所产生的总线电流。在某些实施例中，AC功率需量计610经由收发器658及天线660传送 测量的电压及输出AC线电流给无线数据网络670。无线数据网络670包含耦合至无线路由器674天线672。无线数据网络670与远 程控制器676相通讯。在某些实施例中，远程控制器676经由经过因特网无线路由器674 或其它有线通讯678而耦合至无线数据网络670。在某些实施例中，无线路由器674或天线 672、或二者包含于远程控制器676之内。远程控制器676经由收发器674及天线672接收数据。从群组控制器622、624、 626接收数据。举例而言，群组控制器622经由收发器6 及天线630传送数据至经由天线 672及收发器674接收数据的远程控制器676。远程控制器676也经由无线路由器674及天线672传送命令。命令由群组控制器 622,624,626接收。举例而言，远程控制器676经由收发器674及天线672传送数据给经 由天线630及收发器6 接收数据群组控制器622。此外，远程控制器可以传送命令给三 相开关640。举例而言，三相开关640可以经由天线650及收发器648而从远程控制器676 接收命令。在某些实施例中，远程控制器676可以传送命令给AC功率需量计610，AC功率 需量计610经由天线660及收发器658接收命令。图7A显示根据本发明的实施例而产生电流涟波的波形曲线图实施例。图7A中所 示的曲线图的实施例仅用于说明。在不悖离本发明的范围之下，可以使用其它实施例。在所有群组控制器622、624、6沈及远程控制器676之间的无线网络可以增进太阳 能数组600中每一功率转换器611-619的开启次数的协调。当功率转换器611-619中的功 率开关开启时，输出电流开始以线性斜率增加。当功率转换器611-619中的功率开关关闭 时，输出电流开始以线性斜率下降。此切换对AC正弦波产生锯齿波成份705。锯齿波705 具有等于转换器功率切换频率的基本频率以及基本频率的很多谐波频率。当基本频率及谐 波频率增加至AC正弦波时，在AC输出中产生谐波失真。当三个功率转换器并联及它们的功 率开关开启次数及关闭次数同步时，锯齿波成份会变为三倍且谐波失真会变成三倍恶化。图7B显示根据本发明的实施例提供电流给负载三个同步转换器的电流涟波曲线 图实施例。图7B中所示的曲线图实施例仅作为说明。在不悖离本发明的范围之下，可以使 用其它实施例。在实施例中，三个功率转换器并联以及它们的功率开关开启次数在一周期时间内 或在转换器切换频率一周期内均等地间隔。然后，在任何给定时间，有二个正在累积或降低 输出电流的转换器，而第三个转换器正对输出电流作相反的操作。这意指，在任何时间，输出电流中的涟波对于一转换器以相同速率上升或下降，但是，以对于单一转换器所作的时 间的三分之一上升或下降。结果，锯齿波710由转换器切换频率的三倍但为单一转换器的 链波电流705的振幅的三分之一涟波电流所形成。链波电流的基本频率的谐波的振幅也是 它们用于单一转换器的三分之一。图7C显示根据本发明的实施例提供电流给负载三个协调的交替转换器的电流曲 线图实施例。图7C中所示的曲线图实施例仅为说明。在不悖离本发明的范围之下，可以使 用其它实施例。在某些实施例中，这些转换器每一相位交替。在这些实施例中，一个转换器在第二 转换器之前开启。此外，第三转换器在第二转换器之后的时间开启。每一转换器开启之间的 间隔可以以正开启及关闭转换器的数目为基础。举例而言，间隔可以为负二十度(-20° ) 至正二十度(+20° )之间的相位移。协调交替会配合最大功率点计算同步操作，以降低传 送给AC电力网的AC输出中的涟波。协调交替对来自每一转换器的频率提供破坏性干涉， 而非图7B中的锯齿波710所示的建设性干涉。因此，由交替转换器所产生的锯齿波715形 式显著地小于图7B中所示的同步转换器的锯齿波形式，在某些实施例中，小于图7A中所示 的单一转换器的锯齿链波电流705。图8显示根据本发明的实施例未经协调及经过协调的交替转换器对输出正弦波 的谐波失真效果的曲线图实施例。图8中所示的曲线图的实施例仅用于说明。在不悖离本 发明的范围之下，可以使用其它实施例。图8中所示的图形表示比较未经协调的转换器与经过协调的交替转换器对于AC 正弦波的谐波内容的效果。上方的图形显示用于二及三个并联耦合的未经协调的转换器输 出电流的半正弦波。上方图形显示添加至正弦波的锯齿波电流涟波的振幅当从一转换器进 入二并联的转换器再至三并联的转换器时，振幅逐渐变大。底部图形显示用于二及三个并联耦合的、经过协调的交替转换器输出电流的半正 弦波。将了解只有二及三个并联耦合的、经过协调的交替转换器的说明系仅为举例说明，在 不悖离本发明的范围之下，可以使用多于三个的转换器。在经过协调的交替转换器情形中， 从一转换器至二并联的转换器再至三并联的转换器，添加至正弦波的锯齿电流链波的频率 逐渐变大，振幅逐渐变小。协调的交替可以延伸至四或更多并联的转换器。对于经过协调的交替，在任何时 刻，在N个并联的转换器之一中仅有一转换器功率开关从关闭状态转换至开启状态，或者， 从开启状态转换至关闭状态。连续的功率开关致动(开启)而从关闭状态至开启状态的转 换是转换器切换频率的周期除以N。图9显示根据本发明的实施例无变压器、无升压DC至AC功率转换器。图9中所 示的转换器的实施例仅用于说明。在不悖离本发明的范围之下，可以使用其它实施例。在某些实施例中，没有DC电压升压，转换器900仍然能够从DC输入产生AC输出。 因此，由于转换器900仅包含切换转换级，所以，转换器900的效率优于传统的DC至AC功
率转换器。在某些此类实施例中，功率开关及限流电感器在转换器220的内部连接在一起。 太阳能数组包含多个太阳能面板905。太阳能面板905可以具有与上述参考图1所述的太 阳能面板105相同的结构及配置。
12
转换器900包含正(+)DC功率输入线910及负(_)DC功率输入线912。输入电流 感测电阻器914耦合于负DC功率输入线912及接地916之间。噪声过滤电容器918耦合 于正DC输入功率线910与负DC功率输入线912之间。正DC输入功率线910又耦合至高 侧功率开关920及高侧功率开关922的汲极节点，以致于电容器918的正极接脚也耦合至 高侧功率开关920、922的汲极节点。功率开关920的源极耦合至第一飞轮二极管924的阴 极及第一限流电感器926的第一接脚。第一飞轮二极管924的阳极耦合至接地916。第一 限流电感器926的第二接脚耦合至第一下拉开关928的汲极、输出噪声过滤电容器930的 第一接脚、及AC输出「L」线932。功率开关922的源极耦合至第二飞轮二极管934的阴极 及第二限流电感器936的第一接脚。第二飞轮二极管934的阳极耦合至接地916。第二限 流电感器936的第二接脚耦合至第二下拉开关938的汲极、输出噪声过滤电容器930的第 二接脚、及AC输出「N」线940。下拉开关928、938的源极节点彼此耦合以及经由输出电流 感测电阻器942而耦合至隔离的电力接地。转换器900包含转换器控制器944，转换器控 制器944传送第一控制讯号给控制线945和946上的开关920、传送第二控制讯号给控制 线948和950上的开关928、传送第三控制讯号给控制线952和卯4上的开关938、及传送 第四控制讯号给控制线956和958上的开关922。转换器900在控制器944输出的AC正弦波的正半周期期间操作，首先在线952上 施加相对于线卯4正电压以开启开关938 ；然后，在线945上，相对于线946，施加在零伏特 与正电压之间变化的脉冲宽度调变方波，而以固定地变化的开启时间及固定变化的关闭时 间，交替地开启及关闭功率开关920。功率开关920的固定地改变的开启时间及关闭时间使电感器926、936中的输出电 流在功率开关920的一开启一关闭周期以变化量累积或衰减，以致于平均输出电流随着时 间跟随正半正弦波的形状。下拉开关938在整个正的半正弦波的时间保持开启以及与下拉 开关9 的开启同时地关闭。以与正的半正弦波正好相同的方式，产生负的半AC正弦波，但 是，开关928由相对于线950施加至线948的正电压开启整个负半正弦波的时间除外。然 后，功率开关922接着由控制线958和956上的脉冲宽度调变方波电压交替地开启及关闭， 以使输出电流跟随负的半正弦波的形状(输出电流方向相反)。第一箝位二极管960的阳极耦合至开关928的汲极。第一箝位二极管960的阴极 耦合至正的DC功率输入线910。第二箝位二极管962的阳极耦合至开关938的汲极，以及， 第二箝位二极管962的阴极耦合至正DC功率输入线910。横跨输入感测电阻器914的电压代表输入电流及藉由线964而耦合控制器944。 输出感测电阻器942的跨压代表输出电流及藉由线966而耦合至控制器944。图10显示根据本发明的实施例具有转换器组的太阳能数组，转换器组以三相三 角配置耦合，用于3相AC发电。图10中所示的太阳能数组的实施例仅用于说明。在不悖 离本发明的范围之下，可以使用其它实施例。在某些实施例中，当转换器组1002、1004、1006以三相三角配置耦合时，由无线数 据网络执行增加的协调处理。包含远程控制器(已于上述中参考图6详细说明)群组控制 器1022、1024、10 无线数据网络执行适应性功率因素及相位平衡。适应性功率因素及相位平衡如下述般操作。在用于整体安装(例如太阳能场) AC输出计1010侦测相对于其它相位的正弦波之一相位的过量电压正弦波时序偏移、或侦测一相位上的电压与电流之间的过量的正弦波时序偏移情形中，AC输出计1010经由无线 收发器1032及天线1034而于无线网络上传送关于此问题的信息给所有群组控制器1022、 1024U026o群组控制器包含用于接收及传送信息收发器及天线。举例而言，群组控制器 1022包含收发器及天线1023 ；群组控制器IOM包含收发器及天线1025 ；及群组控制器 1027。群组控制器1022、1024、10 接着分别经由LAN连接1040、1042及1044发讯给它们 各别的转换器1011-1019，以将所有相位的正弦波时间带回至正常的三相时序。最后，转换器组1002、1004、1006的LAN连接1040、1042及1044、无线数据网络 及具有因特网(或其它数据接线)连接的无线路由器，使太阳能面板传感器、功率转换器 1011-1019及AC计1010所收集的数据能够传送给远程的控制器，用于分析太阳能数组安装 的功能及用于警告系统操作者安装时有关的问题及故障。假使转换器组1002、1004、1006 中的任何转换器1011-1019故障时，分组控制器1022、1024、10 将该转换器关机，而不影 响其它转换器。之后，其余的转换器接管负载。群组控制器1022、1024、10 接着经由无线 数据网络、无线路由器及因特网而传送警告给远程控制器以将故障通知系统操作者。增加地及替代地，在转换器组1002、1004、1006中的任何转换器1011-1019具有在 临界值之上的内部温度情形中，该转换器进入输出功率限制模式，而组中的其它转换器产 生更多的功率以补偿任何损失的功率。基于此条件，群组控制器1022、1024、10 也将警告 传送给远程控制器。在增加的及替代的实施例中，DC至AC转换器包含控制器，配置成执行称为转换器 功率开关的可变频率切换之内部效率最佳化方法。不依赖其它先前所述的在转换器之间 需要数据链结以协调转换器操作最佳化方法，控制器仍然能够执行可变频率切换。也称为 切换频率转换器功率切换频率典型上设定为约20kHz。假使切换频率高于20kHz，由于在每 一 PWM循环中转移的功率较少，所以，可以使用较小的组件。较小的组件造成较低的产品成 本。但是，随着切换频率上升，切换损耗也增加，且功率转换效率下降。或者，随着切换频率 下降，切换损耗下降且功率转换效率上升。在任何又增加的及替代的实施例中，转换器配置成维持连续导通模式(CCM)操 作。转换器以二操作模式操作CCM及不连续导通模式(DCM)。在CCM中，电感器电流绝不 会达到0。在DCM中，电感器电流达到0。为了有效率的操作，转换器配置成仅以CCM模式 操作。降低正弦波峰值输出功率间隔期间的切换损耗并维持CCM模式的操作转换器中的主 控制是切换频率的调整以响应变化的电压及电流。如此，随着输出电压及功率接近正弦讯 号中的最大值，切换频率向下调整以使最大功率转移期间的切换损耗最小。然后，随着正弦 输出接近低输出电压及功率，切换频率可以增加至更高的频率，以致于流经电感器的电流 不会降低至零。虽然已参考举例说明的实施例来说明本发明，但是，习于此技艺者可以建议不同 的改变及修改。本发明涵盖落在后附的申请专利范围之内的这些改变及修改。
权利要求
1.一种用于能量产生系统中的能量转换数组，该数组包括多个转换器，适以接收直流电能量及输出交流电能量，其中，第一转换器的输出与第二 转换器的输出交错。
2.如权利要求1所述的数组，其中，该多个转换器适以耦合至太阳能产生系统、风能产 生系统、地热能产生系统、及水为基础的能量产生系统中的至少之一。
3.一种用于能量产生系统中的能量转换数组，该数组包括多个智能型转换器，适以接收直流电能量及输出交流电能量，该多个转换器配置成执 行功率带最佳化。
4.如权利要求3所述的数组，又包括多个传感器，配置成测量来自多个能量产生装置 中的每一能量产生装置的值，该值对应于温度、输出电流及输出电压中的至少之一。
5.如权利要求4所述的数组，又包括耦合至该多个转换器一些的群组控制器，其中，该 群组控制器配置成使用自该多个传感器接收到的值，以改变该多个转换器中至少之一的操 作。
6.如权利要求5所述的数组，其中，该群组控制器配置成传送数据至远程控制器以及 响应自该远程控制器接收到的命令。
7.如权利要求3所述的数组，又包括群组控制器，该群组控制器配置成 测量该多个转换器的功率输出；比较该测量的功率与最佳功率带的上限及该最佳功率带的下限中的至少之一； 使至少一额外的转换器赋能以回应该测量的功率超过该上限判定；以及 使至少一转换器禁能以回应该测量的功率低于该下限判定。
8.一种用于能量产生系统中的能量转换数组，该数组包括 多个太阳能功率产生装置；及多个转换器，该多个转换器中的每一转换器适以接收来自该多个太阳能功率产生装置 中之一的直流电能量及输出交流电能量，其中，第一转换器的输出与第二转换器的输出交错。
9.如权利要求8所述的数组，其中，该多个太阳能功率产生装置中的每一太阳能功率 产生装置包括太阳能面板、太阳能面板串、及多个并联耦合的太阳能面板串中之一。
10.一种用于太阳能功率系统中的能量转换数组，该数组包括 多个太阳能功率产生装置；及多个转换器，耦合至该多个功率产生装置，该多个转换器配置成接收未调节的直流电 能量及协调交流电能量的输出。
11.如权利要求10所述的数组，又包括耦合至该多个转换器多个控制器。
12.如权利要求11所述的数组，其中，该多个控制器配置成经由局域网络连接而通讯。
13.如权利要求11所述的数组，其中，该多个控制器配置成传送数据给远程控制器。
14.如权利要求10所述的数组，其中，该多个控制器配置成 测量该多个转换器的功率输出；比较该测量的功率与最佳功率带的上限及该最佳功率带的下限中至少之一； 使至少一额外的转换器赋能以回应该测量的功率超过该上限判定；以及 使至少一转换器禁能以回应该测量的功率低于该下限判定。
15.如权利要求10所述的数组，其中，该多个转换器配置成执行该交流电能量的功率最佳化。
16.如权利要求10所述的数组，其中，该多个转换器配置成交错该交流电能量的输出。
17.如权利要求10所述的数组，其中，该太阳能功率产生装置是太阳能面板、太阳能面 板串、及多个并联耦合的太阳能面板串中之一。
18.—种功率数组电流转换方法，该方法包括藉由多个转换器，接收来自多个能量产生装置的电能；协调该多个转换器的切换以执行藉由该多个转换器直流电能至交流电能的转换。
19.如权利要求18所述的方法，测量对应于输入电流、输入电压、输出电流、输出电压、 太阳能面板温度、及太阳能数组温度中至少之一的值。
20.如权利要求19所述的方法，其中，协调又包括根据该测量值以改变该多个转换器 的操作。
21.如权利要求18所述的方法，又包括从功率需量计及不同的多个转换器的控制器中 至少之一接收数据，其中，该数据包含电压、电流、及用于至少一太阳能面板的温度中至少 之一的测量值。
22.如权利要求21所述的方法，其中，协调又包括根据该接收到的数据以改变该多个 转换器的操作。
23.如权利要求18所述的方法，又包括传送数据给远程控制器及不同的多个转换器的 第二控制器中至少之一，其中，该数据包含电压、电流、及用于至少一太阳能面板的温度中 至少之一的测量值。
24.如权利要求18所述的方法，其中，协调包括 测量该多个转换器的功率输出；比较该测量的功率与最佳功率带的上限及该最佳功率带的下限中至少之一； 使至少一额外的转换器赋能以回应该测量的功率超过该上限判定；以及 使至少一转换器禁能以回应该测量的功率低于该下限判定。
全文摘要
用于功率产生数组中的DC至AC转换的系统及方法。系统及方法包含多个耦合至太阳能面板组的转换器。群组控制器协调转换器的操作以交错切换转换器。群组控制器经由局域网络、无线网络、或二者来通讯，以协调与增加的太阳能面板并联耦合的增加的转换器组之间的操作。
文档编号H02N6/00GK102067429SQ200980123559
公开日2011年5月18日 申请日期2009年5月14日 优先权日2008年5月14日
发明者加里·哈森弗斯, 唐·梅德利, 安德鲁·福斯, 米格尔·戈麦斯, 罗兰·韩德尔, 道格·贝格 申请人:国家半导体公司