专利名称：电压补偿的制作方法
技术领域：
本发明涉及电压补偿。实施例涉及在为普通直流逆变器供电的元件阵列内提供电压补偿。本发明可以与光伏发电机系统一起使用，但不限于与光伏发电机系统一起使用。
背景技术：
在当前提供“绿色”能量的推动下，光伏(PV)面板的使用变得普遍。然而，这些面板的使用仍然处于研发中。因此，面板的单位成本是比较高的。当结合驱动以高效地提供能量时，很明显，理想的是将PV面板设置成尽可能有效率地工作。PV面板通常以串联串组的方式连接，并产生合适的直流电压，该合适的直流电压通常适于在相关联的电力处理系统中运行的附随逆变器或其它电变换器中转换成交流电压。对于给定的日照水平(暴露于阳光)和温度，每个PV面板都具有最佳直流工作电压，通常使用在相关联的功率处理系统中运行的自动最大功率点(MPP)跟踪算法来寻找和跟随该最佳直流工作电压。MPP算法搜寻在PV面板的I-V输出曲线中的这样的点在该点处当汲取增加的电流时，输出功率开始下降。在功率处理系统的相关联控制设备中的功率损耗是PV面板的成本有效运转中的一大因素。这样的系统的具体难点在于由于日照的自然变化，由阵列产生的平均功率远小于阵列的最大额定功率。在相关联的功率处理系统中作为最大额定功率的函数的固定功率损耗因此相对较高，并且对能量转换的总效率具有不成比例的影响。在大PV面板阵列的情况下，通常以并联布置的方式连接面板的多个串联串组。通常，这些串联串组的两端跨接有大的公共逆变器。可以使用如下多个功率设备(半导体) 来成本有效地设计该大的公共逆变器所述多个功率设备(半导体)可以被控制成使得只有满足当前发电等级所需的功率的设备被激活。单个设备的损耗尤其是固定损耗因而要适合于发电的等级。这种布置的缺点在于逆变器中MPP跟踪算法只能够共同地调节跨越在所有串联串组上的电压。不能照顾到阵列中每一个PV串组所产生的电压差异，例如由每个面板的不同的温度、太阳角度、遮影以及不均勻的老化过程引起的差异。替代地，PV面板的每一个串联串组都可以与本身的较小逆变器相连接。采用与每个串联串组相关联的逆变器的优点在于每一个串联串组都可以设置有独立的MPP跟踪算法和控制系统。这些单个逆变器的成本较高。因为这种逆变器不能够成本有效地适于功率需求，所以这种布置在除了最大额定功率下之外的情况下呈现出降低的效率。每个逆变器的固定损耗消耗了每个串组所产生的功率的很大部分。因此，需要以高效和成本有效的方式来提高元件的电压生成阵列的适应性。对此问题，传统方法在串组和公共逆变器的输入之间使用一些形式的直流/直流变换器。这具有以下缺点逆变器的全部功率吞吐量将会通过该功率转换的额外阶段，从而引起与该功率吞吐量成比例的额外损耗。
发明内容
本发明在权利要求中进行了阐明。可选特征在从属权利要求中进行了限定。根据第一方面，提供了一种如所附权利要求中的权利要求1所限定的方法。因而提供了一种根据权利要求1的设备，该设备用于产生补偿电压输出，所述设备包括至少一个光伏模块以及与该至少一个光伏模块串联连接的偏置装置，该偏置装置能够操作以产生可控偏置电压，所述可控偏置电压用于调制该至少一个光伏模块的输出电压以产生所述补偿电压输出。本发明的实施例因此使得每个串组的输出能够通过施加与所述输出的串联的偏置电压而被单独地补偿。每个串组的输出根据阵列的总输出通过施加偏置电压来优化。可选地，偏置装置被设置成使得该偏置装置的功率吞吐量与生成的偏置电压成比例并因此小于所述至少一个光伏模块的总功率吞吐量。可选地，所述设备包括串联耦接在一起的多个光伏模块，并且其中偏置装置与所述光伏模块串联耦接，以形成具有电压输出端的串联串组。可选地，所述设备还包括多个串联串组，至少两个串联串组并联地耦接，以使得该串联串组的输出端提供公共的光伏模块阵列输出。可选地，偏置装置包括直流到直流变换器。可选地，偏置装置还包括控制设备以及串联串组电压和/或串联串组电流测量装置，所述控制设备和所述测量装置被设置成使得该控制设备可以根据串联串组电压和/或串联串组电流测量值来控制施加到该串联串组的电压输出上的偏置电压。根据第二方面，提供了一种补偿电压输出的方法，该方法包括以下步骤将至少一个光伏模块暴露在光下，以使得该光伏模块产生直流输出电压；以及利用偏置装置产生的偏置电压来调制该输出电压，使得该电压输出被补偿。可选地，该方法还包括以下步骤测量串联串组电压和串联串组电流；将测量值提供给偏置装置的控制设备的最大功率点算法；从控制设备提供控制输出以控制由偏置装置施加的偏置电压，使得根据串联串组电压和串联串组电流测量值使用偏置电压来调制所述输出电压。根据所有方面，可选特征在从属权利要求中限定。
现在将参照附图并仅通过示例来描述实施例，在附图中图IA系统地示出用于与一个或更多个光伏电池一起使用的现有技术的变换器布置；图IB系统地示出根据文中所述的实施例的变换器布置；图IC示出光伏面板的电压补偿系统；图2A示出具有升压模式变换器、反激式布置的实施例；图2B示出具有升压模式变换器、正激式布置的实施例；图2C示出具有升压模式变换器、反激式布置的另一个实施例；图2D示出具有升压模式变换器、正激式布置的另一个实施例；
图3A示出具有降压模式变换器、反激式布置的实施例；图;3B示出具有降压模式变换器、正激式布置的实施例；图3C示出具有降压模式变换器、反激式布置的另一个实施例；图3D示出具有降压模式变换器、正激式布置的另一个实施例；图4A示出具有双极变换器的实施例，该双极变换器具有有源整流器；图4B示出具有双极变换器的另一个实施例，该双极变换器具有有源整流器；图5A示出具有丘克变换器、升压布置的实施例；图5B示出具有丘克变换器、降压布置的实施例；图5C示出具有丘克变换器、升压布置的另一个实施例；图5D示出具有丘克变换器、降压布置的另一个实施例；以及图6示出了如图2A所示的实施例，但具有最大功率点跟踪控制器和相关联的支撑元件；在图中，相似的元件由相似的附图标记表示。概述通过概述，在电压补偿系统中，每个PV模块的串联串组或串联串组的并联串组都设置有与串联串组串联耦接的相关联的直流到直流变换器。当PV模块暴露在日光下并因而产生直流电压时，变换器在串联串组的直流电压上施加偏置电压。这产生了串联串组上的、不单独取决于在给定的日光等级下PV模块的串联串组工作电压的串联串组电压。MPP跟踪算法控制直流到直流变换器，使得可以保持每个串组的最大功率输出点 (或尽可能地接近)。如果不能保持在最大功率输出点，则可以使用平均值或其它近似值。当多个串联串组并联连接以使得它们提供公共阵列输出时，公共逆变器可以耦接到该阵列。逆变器被控制以确定直流电压，并因此确定整个PV阵列的电压。这又影响了 PV 串联串组工作的电压。
具体实施例方式参考图1A，可以了解与一个或更多个光伏(PV)电池一起使用的传统直流/直流变换器布置的工作。如图中所示，来自光伏电池或这些光伏电池的串组2的输出进入直流 /直流变换器4，而该直流/直流变换器4的输出6形成电路的输出。因此，来自所述电池或串组2的所有电力通过变换器4。这样设置的目的是为了借助电池或串组2所关联的一个或更多个变换器4来使电池或串组2实现电压或电流匹配，以使得多个电池或串组2可以并联连接或串联连接且同时仍然工作在其各自的最佳功率点。虽然这对电池或串组2的效率有利，但是流过电池或串组2的所有功率也要流过关联的直流/直流变换器4的事实表现为明显的缺点，这是因为变换器4的额定功率必须与电池或串组2的额定功率相同。通过示例，图1中的设置可以根据如下直流/直流变换器技术来工作该技术具有 2%的固定损耗以及在满负载下的4%的可变损耗。如果串组2被额定为具有IkW功率峰值，则图IA中传统布置的变换器4必须被额定成IkW吞吐量。因此，将具有20W的固定损耗，并且具有从无负载下的零到满负载下的40W范围的可变损耗。最佳可能转换效率可以为 94%。通过对比，图IB系统地示出根据下文更详细描述的实施例的变换器布置。如图所见，PV电池或串组2被设置成与直流/直流变换器4串组合起来，以使得电路的输出8来自电池或串组2和直流/直流变换器4的串组合，而不是只来自变换器4。由于这种布置， 图IB中的变换器4可以进行工作，以向电池或串组2的电压提供偏置电压，从而使电路的总输出8与目标电压相匹配。取决于待满足的目标电压，可以将由电池或串组2提供的电压加上或减去该偏置电压。这通过图IB中的双向箭头来表示，该双向箭头表示适用于图中所示布置的可替换的“升压”和“降压”配置。因为图IB中的变换器4只提供使PV电池或串组2的电压或电流具有相对小的变化的偏置电压，所以在变换器4内的传递功率只是偏置量本身的函数，而不是变换器4和串组2的组合的整体输出8的函数。如本领域的技术人员会理解的，直流/直流变换器的损耗必然是在其工作期间其功率的函数。因此，在图IB中所示的布置中，直流/直流变换器4 的损耗只与其提供的偏置量成比例。变换器额定功率必然因此等于或超过最大偏置功率。 该变换器额定功率不需要等于电池或串组2的最大功率。返回关于图IA的上述数值示例，如果同一变换器技术与图IB中所述的布置一起使用，并且如果允许电池或串组2的最大输出的10%的最大变换器偏置，则变换器的固定损耗会是2W，可变损耗会是4W。等价转换效率会是99.4%。不考虑图IB中所示的布置的内部设计的特殊性，与现有技术的布置相比，归因于所使用的直流/直流变换器的工作的方法，该图IB中所示的布置提供了显著的效率提高。如本领域技术人员熟知的，在现有技术的布置中，通常与整个光伏(PV)电池阵列相结合来提供单个直流/直流变换器。这样的阵列可以包括串联连接和/或并联连接的多个PV电池串组。在这样的传统配置中，整个阵列的功率会输入到逆变器。该布置可以包括可以运行最大功率点(MPP)算法来寻找整个阵列的最佳电压的逆变器控制器。该电压会是整个阵列的总值，而不是每个单独串组的最佳电压。每个串组通常会产生几个安培，例如在 2A至5A的范围内。但是，典型阵列可以产生1000A范围内的电流。PV串组的典型工作电压可以在500V至900V的范围内，并且如公知的，会随着温度而变化。与此对比，根据图IB 示出的、下文所描述的实施例，直流到直流变换器可施加的偏置电压的典型值可以在串组电压的5%至10%的范围内。与使用传统布置相比，运行如图IB中所示的直流/直流变换器具有显著的优点。 可以对每个串组提供与其串联连接的单独的直流/直流变换器。利用与每个串联串组串联连接的相关联的变换器，可以不考虑任何逆变器参数变化而保持每个PV模块的最佳电压输出条件并从而保持作为一个整体的每个串组的最佳功率输出点。此外，由于各个变换器使得在其串组与阵列中的其它串组之间存在缓冲，因而每个串组都可以向阵列中的其它串组输出不同的最佳直流电压。参照图1C，可以见到更详细的示例。如其中所示，多个PV模块10 —起耦接成串联串组11或串联串组11的组。每一个串联串组11都有输出端12A、12B。串联串组11可以并联地与其它串联串组11耦接，以形成PV模块的并联阵列13。阵列13的并联布置使得PV 串联串组11能够被配置成使得阵列13具有公共的阵列输出端14A、14B。这些公共端14A、 14B可以连接到诸如功率处理系统的公共直流电路，例如逆变器16。此外，当工作条件需要时，可以将串联串组11以及子阵列(未示出)以其它串组合方式串组合到一起。
内嵌式直流到直流变换器15或其它电压调节器与每个串联串组11的PV模块串联耦接。变换器可以定位在串联串组中的任何点处。可以选择变换器的位置以适应物理约束、归因于具有不同接地需求的不同PV面板制造商而进行的的接地布置、或用于使得通过输出端12A、12B与其它串联串组11方便的公共连接的布置。如图6所示，每个变换器15 都具有相关联的偏置控制系统，该关联的偏置控制系统包括支撑元件和在控制器内的最大功率点(MPP)跟踪算法。如上文背景部分所讨论的，对于给定的日照和温度等级，每个PV电池或模块都具有最佳的直流工作电压。忽视任何其它的电路影响，每个串联串组11因此将向变换器15 提供根据条件可变的最佳直流串组电压。在工作中，当如图IC所示的串联串组11暴露在日光下时，MPP算法与控制系统一起调节变换器15，以提供合适的偏置电压，以与跨接PV模块的串联串组两端的电压相结合，从而提供跨接串组的输出端12A和12B的目标电压。因此，通过使用内嵌变换器15，可以独立于在输出端12A、12B处的直流电压来调节跨接于PV模块的串联串组两端的电压。尽管输出端12A、12B处的电压会受到变换器15的行为的一定程度的影响，但在逆变器16或其它直流负载的控制下输出端12A、12B处的电压通常基本保持为相当恒定。由于变换器15的补偿作用，作为整体的串组11可以根据串组条件而不考虑串联串组11之外的电路条件工作在最佳直流电压下。变换器15可以在任何给定时刻将偏置电压施加于串联串组的最佳直流电压上。因此，跨接PV模块串组的直流电压可以随时间而改变并且被控制，以使得可以实现串组中PV电池的最大效率或满足一些其它目标，而不考虑在输出端 12A、12B处的电压。当阵列13中有多个串联串组11时，结合由内嵌变换器15提供的偏置电压调节， 每一个串联串组都可以提供跨接于串联串组的输出端上的、基本与其它串联串组提供的直流电压相等的直流电压。反过来，这些基本相等的串组输出电压呈现为跨接于阵列的公共输出端14A、14B的公共直流电压。跨接于阵列的输出端14A、14B的输出因此向公共逆变器 16或其它负载提供基本一致的直流电压。因此，实际上，变换器15在跨接于串联串组的PV模块两端的最佳电压与跨接于作为整体的串联串组的输出端12A、12B的电压输出之间提供“缓冲”。变换器15还提供对外部电路对于串联串组输出端的影响的补偿(如若不然，这些影响会影响到串联串组11的PV 模块的直流电压，使其偏离最佳水平的输出电压)。在如图IC所示的、PV阵列的每个串组中具有偏置设备的布置中，公共逆变器16 可以通过公共阵列输出14A、14B耦接到PV阵列。逆变器16能够因此将阵列的直流输出 14A、14B转换成适合于连接到本地配电网络的交流输出19。这可以用于将电力输送回配电网络。甚至当逆变器16连接到阵列的公共输出端14A、14B时，通过在由串联串组产生的直流电压上施加偏置电压，可以控制一个或更多个内嵌变换器15，以独立于其它串联串组并因此独立于耦接到公共阵列输出14A、14B的公共逆变器16的影响来调节每一个串联串组11的局部工作状态。可以在不影响每个单独的串联串组11的效率的情况下，根据总MPP 算法来调节公共逆变器16，或者可以根据例如公共逆变器6所耦接的任何功率分配的参数来优化公共逆变器16。由于在每一个串联串组11的输出端12A、12B处的任何电压变化被内嵌变换器15补偿，所以可能影响逆变器16的输出特性的逆变器16的参数的任何变化都不会影响每个串联串组11的最佳直流电压输出。因此，由变换器15在每一个串联串组11 中实现的调节使得耦接在阵列13两端的逆变器16适于实现基于每个串联串组11的基本上稳定的输出的最佳工作效率。可能的变换器技术存在许多用于调节直流电压的电力电子开关模式技术。这些技术包括操作降压变换器、升压变换器以及逆变器或整流器中的任一个。然而这些技术中的功率损耗使得如果用在诸如图IA所示的传统布置中，效率的总效益会变小。这样的技术的固定功率损耗是额定功率吞吐量的函数，并且难以实现小于额定功率的2%的损耗。此外，主功率半导体的额定值为可能的输入电压和电流的全范围。因此， 使来自PV模块的串组的所有功率通过降压变换器、升压变换器、逆变器或整流器将是非高效的或非成本有效的。通过对比，在图IB至图5D的实施例中，变换器15只需要供给所需的直流偏置电压，以使得每个串联串组11在输出端12A、12B上提供基本上相等的直流电压。所以，变换器的功率吞吐量只是直流偏置电压的函数，而不是全部串组直流输出电压的函数。因此，与整个阵列的额定值和全部串联串组的额定功率相比，变换器15的额定功率小并且由最大所需直流偏置电压来确定。变换器15的固定及可变损耗基本低于用于全部串组电压的变换器所具有的固定及可变损耗。从而这还可以使形成变换器的元件的成本降低。转到图2A至图4B，将描述包括变换器15的不同布置的多个实施例。变换器可以向由PV模块产生的最佳直流串联串组电压提供正电势(升压模式)、负电势(降压模式) 或可调电势(双极)。偏置电压的保持需要变换器中的功率净输出，当然，该功率净输出与变换器中的电流和偏置电压成比例。在所有示出的实施例中，只示出了功率半导体元件。还可以有本领域的技术人员会理解的附加元件，诸如缓冲器、续流二极管和去磁二极管(de-magnetising diode)。图2A至图2D示出了升压模式变换器，其中电流从串联串组流到输出端12A、12B。 具体地，图2A和图2C示出反激式布置，图2B和图2D示出正激式布置。在以下情况下将会采用升压模式变换器最小优化串联串组电压是对逆变器16输入参数的约束。在图2A和图2B的实施例中，变换器输入在M处耦接到串组输出。变换器的输出与串组输出串联耦接，以便于增加跨接于输出端12A和12B的输出电压。根据图2A的实施例，当暴露在日光下时，PV模块10产生直流电压。借助于在变压器20的绕串组中感应出的电流，当晶体管22接通时，能量存储在变压器磁化电感中；当晶体管关断时，能量输送到变压器次级电路20A。在另一个实施例中，变换器输入可以从变换器输出取得，如图2C的点观所示。根据图2B的实施例，是如本领域普通技术人员所知的，当晶体管22接通时，功率被输送到输出12A。借助于在电感27中感应出的电流，当晶体管22接通时，能量存储在电感27中；当晶体管22导通或关断时，能量连续地输送到输出电路12A。在另一个实施例中，变换器输入可以从跨接于输出端12A、12B的输出取得，如图 2D的点29所示。PV面板的一些设计需要阻流二极管或“抗反馈器件”，例如在晚上，当串组没有受到任何日照时，或者是在阵列中存在有损坏的串组的情况，或者在存在有处于阴影中的特定串组的情况。通过合适地选择元件额定电压，图2A、图2B、图2C和图2D的升压模式实施例可以提供这种功能。图3A至图3D示出了降压模式变换器，其中偏置电流从输出端12A、12B流到串联串组11。具体地，图3A和图3C示出了反激式布置，图;3B和图3D示出正激式布置。在以下情况下将会采用降压模式变换器最大串组电压是对逆变器16输入参数的约束。根据图3A的实施例，变换器的输入在点30处与串组串联耦接。这减小了输送到输出端12A、12B的直流输出的电压。变换器的输出在点32处与串组并联连接，增加了来自串组的可用电流。在另一个实施例中，变换器输出可以耦接到输出端12A、12B，而不是串组输出(如图3C的点34所示)。这可以产生更有效的转换。根据图;3B的实施例，变换器的输入在点30处与串组串联耦接。这减小了输送到输出端12A、12B的直流输出电压。变换器的输出与串组并联连接，增加了来自串组的可用电流。在另一个实施例中，变换器输出可以耦接到输出端12A、12B，而不是串组(如图3D 的点34所示)。这可以产生更有效的转换。转到图4A，示出了具有有源整流器的双极模式推挽式变换器。在以下情况下将会采用双极模式变换器串联串组电压接近逆变器16的输入所需要的平均电压，并因此需要相对小的偏置电压的施加，所述相对小的偏置电压的施加相对于所需要的最佳串组电压输出可以为正的也可以为负的。这种布置因此提供了变换器中最低的转换损耗。通过调节在变压器10的任一侧的晶体管22的控制信号的相对相位，完全受控的推挽式变换器能够在条件范围内工作，并且功率可以朝任一方向流动。变压器20的左侧与串组串联耦接40，而右侧并联耦接42。功率可以被串联地减去和并联地添加，以提供端 12AU2B的直流电压输出的电压减少；或者并联的减去和串联地添加，以提供端12A、12B的直流电压输出的增加。在另一个实施例中，并联分支(变压器20的右手侧)可以耦接到端12A、12B的输出，而不是串组，如图4B中的点44所示。当提供降压转换时，这个实施例可以更有效。在另一个实施例中，通过用二极管来替换图4A和图4B中所示的晶体管22中的两个，能够实现单极模式，这对本领域普通技术人员来说是显然的。变压器具有二极管的一侧可以是变换器的输出。当变换器的输出在变压器20的左手侧时，工作会处于升压模式；当变换器输出在变压器20的右手侧时，工作会处于降压模式。在另一个实施例中，如图5A至图5D所示，可以使用丘克((^uk)变换器。根据图5A的丘克变换器升压模式实施例，PV模块10产生直流电压。当晶体管22 接通时，能量存储在电感51中。当晶体管22关断时，能量通过耦接的电容器52输送到变压器初级电路20，并因此输送到次级整流器电路。变换器输入在M处耦接到串组输出。变换器的输出与串组输出串联耦接，以便于增加输出端12A和12B的输出电压。根据图5B的丘克变换器降压模式实施例，变换器的输入在点30处与串组串联耦接。这减小了输送到输出端12A、12B的直流输出。变换器的输出连接到输出端，以增加至来自串组的可用电流。
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在另一个丘克变换器升压模式的实施例中，变换器输入可以耦接到输出端12A、 12B，而不是串组输出，如图5C中点34所示。这产生更有效的转换。在另一个丘克变换器降压模式的实施例中，变换器输出可以耦接到串组输出，而不是输出端12A、12B，如图5D中的点30所示。这产生更有效的转换。在所有的实施例中，所述一个或更多个双极晶体管可以例如为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或其任意串组合。上述实施例中的很多都可以被设置成功率半导体中的任何失效会产生“后退状态 (fall-back state)”。例如，在图2A中的电路中，如果晶体管22由于故障不能传导，则通过二极管和变压器20次级绕串组固有地保持串组和输出之间的连续性。如果晶体管12短路，则保护设备例如熔断器断开，而连续性再次被保持。由于变换器的低功率吞吐量，预期短路电流与保护设备的协调被简化了。通常，在升压/降压功能丢失但串组仍然连接到输出端12A、12B的情况下，失效模式产生。在这种情况下，利用可用的“后退状态”，串组能够在次佳的MPP水平上继续输送电力。这与功率半导体的失效会导致总体上的串组输出损耗的传统全变换器形成对比。逆变器控制在图6中，示出了实施例，该实施例示出作为偏置电压控制系统的部分来布置的、 如图2A中所示的反激式升压变换器布置。控制器60与每个变换器15相关联，并包含MPP跟踪算法。算法可以借助于下载到诸如但不限于微控制器的可编程的控制器设备60的软件来提供，或通过其它装置诸如特定用途集成电路(ASIC)固化到控制器60中。如所见到的，可以为支撑元件(其可以是低成本的阻抗元件)提供串联串组的测量点，并使得能够向控制器60提供信息，基于该信息来应用所包含的MPP算法。控制器60接收串联串组输入的串组电流62和串组电压61，还可以接收变换器电流63和调节后的串组输出电压64。如前所述，变换器15是自足的，不需要外部耦接到任何其它串联串组。控制器60能够接通和关断晶体管22以向变换器15中的电流流动提供脉宽调制。这个动作将相应的正偏置电压施加在PV模块的串联串组的最佳直流电压输出上， 以产生输出端12A、12B的独立可控的直流串组输出电压。如上文已经解释的，可以调节施加在串联串组电压上的偏置电压，以使得在与阵列13中的其它串联串组11相连的串联串组输出端12A、12B处保持电压输出。变换器15通常是独立的和自足的。但是，控制器60可以设置有数据通信能力。可以通过外部系统使用控制器60的独立控制输入65将控制信号发送到控制器60。这可以例如调节变换器15的动作，从而使施加在串联串组11上的偏置电压能够由于变换器15之外的原因而被调节，而不是保持串联串组的电压基本上恒定。因此，如果需要，独立的控制输入65能够忽略由输入61到64提供的本地测量值。附加地或可替换地，控制器60可以设置有状态监测功能，以将诸如串联串组工作参数的监测数据传输到远程监测设备。图6所示的实施例包括用于每个串组中的各变换器的控制器60。然而，单独的控制器可以被设置成监测和控制他们各自的串组中的两个或更多个变换器。这需要具有足够处理速度和功率的控制器以使得能够多路复用而不影响控制器性能。故障检测
串组电压和电流以及输出电压数据能够用于检测串联串组、串组盒或串组盒互连中的可能的故障。串组盒是位于阵列的附近的单元，用来汇集向一批独立串组的连接，并提供用于与其它串组盒互连的各种设备、过流保护、用于维护目的隔离以及对状态和安全因素的监测。串组盒互连是串组盒间的连接，其聚集了来自各串组盒的、传递到阵列输出的输出。优点和变型因此，提供了一种系统，该系统使得能够对每一个串联串组11做出单独的调节， 以使得产生跨接于其输出端12A、12B的期望的串组输出电压，以缓冲PV面板的最佳输出电压以及补偿外部电路的影响。根据所有实施例，当每一个串联串组11独立地工作且通常在PV面板和地之间只有单极(正的或负的)电势时，变换器15和相关的元件都不需要提供电隔离。此外，在每一个串联串组和直流母线之间总是有一个公共耦合。这避免了与归因于变换器15或逆变器16的切换动作的共模电压相关联的问题。针对升压或降压功能选择合适的偏置电压范围使得能够优化系统成本和效率。所描述的实施例的元件成本和功率损耗近似地与由每个串组中的变换器提供的最大偏置电压成比例。在已知的系统中，可能没有充足的知识来做出系统在其工作期间所需要提供的偏置电压范围的完全知情的选择。本系统的一个益处是能够适应在面板的工作期间变化的 PV串组特性，特别是对特性的多样化的适应。这些特性能够随着例如以下情况变化面板的老化、面板的污染、用不同制造商的面板替代面板以及在长期使用之后将只会变得明显的其它未知的影响。此外，如果PV串组11显示这样的改变的特性，即其相关联的变换器15不能够实现MPP，则变换器15能够在控制器60的影响下工作在最有利的设置下。控制器60通过其前述数据通信能力可以指示该限制条件。然后可以添加额外的变换器以提供扩展的偏置电压范围，而无需保留对变换器进行替换这样的类型配置。不需要内嵌变换器15本身具有任何例如将偏置电压从5%改到10%的任何智能，这是因为可以提供单独的控制器来监测作为整体的串联串组和内嵌变换器的工作，并且如果需要的话可以简单容易地添加额外的或可替换的内嵌变换器。通过改进在现有PV模块的串联串组内的直流/直流变换器可以实现上述实施例。 这可以代替被布置成对阵列或串联串组的全部输出进行转换的现有变换器，因而产生巨大的能量节约。当逆变器被用作跨接在如图IC所示的PV阵列的公共输出上的负载时，这样的逆变器能够监测阵列的输出。该逆变器能够因此监测特定的直流/直流变换器是否能够在特定电压下优化相关联的串组的输出。逆变器还能够平衡优化每个串组或阵列的需求，增加其自身效率，该每个串组或阵列还是温度敏感的。为了与在输出处的任意适当的负载一起使用，文中所述的实施例和布置可以以不同的PV串组和阵列的排列来设置。此外，位于PV模块的串联串组中的变换器的前述布置同样地应用到任何系统，在该任何系统中，理想的是特定设备的最佳电压输出被保护或缓冲以避免受到外部电路影响。可以继续产生设备的最佳电压输出，并且电路的其它部分只受到在变换器施加其补偿偏置电压之后所产生的电压的影响。
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尽管已在文中示出和描述了特定的实施例和布置，但是可以在不偏离权利要求所述的本发明的范围的情况下进行其它布置。
权利要求
1.一种用于产生补偿电压输出的设备，包括至少一个光伏模块；以及与所述至少一个光伏模块串联连接的偏置装置，所述偏置装置能够操作以生成可控偏置电压，所述可控偏置电压用于调制所述至少一个光伏模块的输出电压，以产生所述补偿电压输出。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述偏置装置被设置成使得所述偏置装置的功率吞吐量与生成的所述偏置电压成比例。
3.根据权利要求1或2所述的设备，还包括串联耦接在一起的多个光伏模块，并且其中所述偏置装置与所述光伏模块串联耦接，以形成具有电压输出端的串联串组。
4.根据权利要求3所述的设备，包括多个所述串联串组，至少两个串联串组并联地耦接，以使得所述串联串组的输出端提供公共的光伏模块阵列输出。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述偏置装置包括直流到直流变换ο
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述偏置装置包括升压变换器。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述偏置装置包括降压变换器。
8.根据权利要求6或7所述的设备，其中，所述变换器为反激式变换器。
9.根据权利要求6或7所述的设备，其中，所述变换器为正激式变换器。
10.根据权利要求5所述的设备，其中，所述变换器为双极变换器。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述变换器为推挽式变换器。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中，所述偏置装置包括丘克变换器。
13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述偏置装置还包括控制设备；以及串联串组电压和串联串组电流测量装置；所述控制设备和所述串联串组电压和串联串组电流测量装置被设置成使得所述控制设备能够根据所述串联串组电压和所述串联串组电流的测量值执行操作以控制施加在所述串联串组的电压输出上的所述偏置电压。
14.根据权利要求12所述的设备，其中，所述控制设备被设置成控制在所述偏置装置中流动的电流。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述控制设备包括用于接收控制信号的输入， 以使得所述偏置电压能够由接收的所述控制信号控制。
16.根据权利要求14或15所述的设备，其中，所述控制设备还包括数据传输装置，所述数据传输装置用于向监测设备提供串联串组工作数据，以使得能够远程监测所述串联串组的工作参数。
17.根据权利要求4所述的设备，其中，所述阵列耦接到公共逆变器。
18.一种用于补偿电压输出的方法，包括以下步骤将至少一个光伏模块暴露在光下，以使得所述光伏模块产生直流输出电压；以及使用偏置装置生成的偏置电压来调制所述输出电压，以使得所述电压输出被补偿。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括以下步骤测量串联串组电压和串联串组电流；将测量值提供给所述偏置装置的控制设备的最大功率点算法； 从所述控制设备提供控制输出以控制由所述偏置装置施加的所述偏置电压，以使得利用根据所述串联串组电压和所述串联串组电流测量值的偏置电压来调制所述输出电压。
20.根据权利要求18或19所述的方法，还包括以下步骤在所述控制设备处接收来自于所述串组外的外部设备的输入信号，所述偏置装置位于所述串组中；以及调节所述控制输出以使得所述偏置电压能够由所述外部设备控制。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，还包括以下步骤向监测设备提供串联串组工作数据，以使得能够远程监测所述串联串组的工作参数。
22.—种在此参照附图的任意组合描述并如所述附图的任意组合所示的光伏模块的阵
全文摘要
提供了一种用于产生补偿电压输出的设备，其包括至少一个光伏模块以及与该至少一个光伏模块串联连接的偏置装置。偏置装置可操作以生成可控偏置电压，所述可控偏置电压用于调制该至少一个光伏模块的输出电压，以产生所述补偿电压输出。
文档编号H02M3/155GK102428422SQ201080020985
公开日2012年4月25日 申请日期2010年12月20日 优先权日2009年12月23日
发明者科林·哈吉斯 申请人:控制技术有限公司