专利名称：发电机模块的连接控制的制作方法
发电机模块的连接控制相关申请本申请涉及并要求于2011年5月31日提交的在先美国临时专利申请系列号为61/491，359、名称为“Photovoltaic Module Latch”的专利申请的权益，其全部教导在此被引入作为参考。本申请还涉及并要求于2011年12月22日提交的在先美国专利申请系列号为61/579，437、名称为 “Photovoltaic Module Level Disconnect” 的专利申请的权益，其全部教导在此被引入作为参考。
背景技术：
传统的光伏(PV)电力系统产生用于多种类型应用的电力。例如，在一种传统应用中，由太阳能阵列产生的电力可用于对在无光照时产生可用电力的蓄电池充电。图I是描述了驱动反相器或充电器负载110的典型PV阵列105 (例如串联连接的多个PV器件135)的图。每个光伏模块135在50伏DC电压下能够产生高达10安的电流。如图所示，PV模块135可串联连接以提高所生成的DC电压。在某些情形下，如果PV模块串包括足够数量的串联连接的模块，那么PV模块串产生的电压可为大于IOOOVdc的数量级。并联的PV模块串可将总DC电流增大至大于200安。这样，为了能够手动或自动关闭典型地更靠近负载的系统，远程切断和再连接由光伏电力系统产生的电力就需要作为安全特征。在某些情形下，串故障会引起来自其他串的过量反向电流。因而每个串可能需要它们自己的保险丝或断电器。注意图I还包括电容器114，表示典型地设于负载110(如反相器或充电器)中的输入电容。在PV模块阵列105的负端子㈠和接地端116之间的保险丝115 (或断电器)有助于消除所述PV阵列105和接地端116之间的电流。通过向接地端116分流多余的电压，避雷针器件118有助于保护所述PV阵列105免受雷击。电力系统可包括DC开关120，以使得能够从所述PV阵列105断开所述负载(如反相器/充电器110)。然而，断开和再连接负载110附近的光伏电力不能保证所述PV模块系统和所述DC开关120之间的电流和电压电平这两者是安全的，从而对应急人员(如消防员)和PV系统维护人员构成潜在的危险。
发明内容
与传统应用相反，本发明的实施方式使得用户能够单独控制电力系统内的连接。例如，在串联连接的多个发电机模块的相应串中的每个发电机模块(例如电源，光伏发电资源，等)均包括对应的控制电路。所述控制电路可包括驱动发电机模块中的开关的控制器。所述对应的发电机模块包括输出端子，当发电机模块中的发电资源(例如，如多个PV电池的电源)暴露于太阳光时跨其产生电压。所述发电机模块可在串联连接中被选择性地激活从而产生用于向外部负载(如反相器、优化器、充电器等)提供电力的电压。根据进一步的实施例，可配置远程资源以控制所述发电机模块连接成串。例如，对应的发电机模块可包括用于监视存在来自控制信号发生器的通信信号的电流传感电路。更具体地，对应的PV模块能够监视电力线上传输的远程生成维活(ke印-alive)(即激活信号)信号的存在，对应的发电机模块利用电力线向外部负载传送电力。如果在所述电力线上存在所述维活信号，如由所述远程资源产生的，那么对应的发电机模块中的所述控制电路就将开关激活为ON状态(或继续激活所述对应的PV模块)从而使得对应的已激活的发电机模块与另一个或多个已激活的发电机模块串联连接以形成串联串。在一个实施例中，如果在超时期间没有探测到维活信号，那么对应的发电机模块将去激活对应的发电机模块。串中的每个发电机模块可包括基本上跨其输出端子设置的旁路电容器。控制串中的一个或多个发电机模块的控制信号可以是在电力线上传输至每个发电机模块以将串中的每个发电机模块开启为ON状态的AC类型信号(例如，正弦波、准正弦波、锯齿脉冲、矩形 脉冲等)。所述发电机模块中的旁路电容器提供低阻抗路径从而使得通信信号能够传送到串联连接下游的其他发电机模块，这是因为所述电容器通过AC控制信号但阻挡DC信号。这样，对应的串中的多个发电机模块中的每个都能够接收通信信号。本文的实施方式进一步包括跨所述发电机模块端子设置的二极管(又名循环二极管、续流二极管、模块级旁路二极管)，从而实现设置于每个发电机模块中的串联控制开关的继电器(如低成本开关)或较低电压FET(场效应晶体管)的应用。在一个实例中，场效应晶体管中的内在二极管还可用作旁路二极管，当所述串联开关断开时传导串电流，从而实现跨所述发电机模块端子的较低电压二极管的应用。此处所执行的过温和/或欠压保护还可以减小由较高FET开启电阻或继电接触电阻导致的额外功耗。例如，在一个实施例中，对应的发电机模块中的欠电压保护提供了额外的系统效益，即当存在瞬态条件(如电弧故障或接地故障)，使得阵列或串电力线一起短路时，欠电压保护使得所述串的每个发电机模块中的每个对应的开关转为0FF，从而降低了馈送瞬态条件的可用电力。根据进一步实施例，结合消除电力线信号，可降低或消除由外部负载(如功率整流器、充电器等)产生的开关噪声，因为所述噪声会不慎被视作简单连续的“维活”信号。此处所讨论的简单连续“维活”信号发生器使得不需要解调或解码所述信号的每个发电机模块的较低成本控制电路变得更加容易。在进一步的实施例中，模块级控制设备提供了从所述串或发电机模块切断每个对应的电源的装置，其是通过响应于应急人员或维护人员手动或自动激活远程切断开关或者响应于由电弧故障或接地故障探测器或者通过结合负载(如反相器、优化器、充电器)控制产生的自动激活而关闭电力线信号发生器来实现。另外，当维活信号发生器功率损耗、PV电力线连接断开、和/或电力线之间短路时，可终止维活控制信号。下面更详细地描述这些以及其他实施例变体。如上所述，注意此处的实施例可包括配置一个或多个计算化器件、硬件处理器器件、汇编器等以执行和/或支持此处所描述的任何或全部方法操作。换句话说，一个或多个计算化器件、处理器、数字信号处理器、汇编器等，可被编程和/或配置以执行此处所描述的方法。
另外，尽管此处的不同特征、技术、配置等中的每个可能在本文的不同部分讨论，但是期望每个概念可彼此独立地执行或彼此相结合地执行。相应地，此处描述的一个或多个本发明、实施例等可以多种方式实施及理解。而且，注意，此处实施例的这个初步讨论不特定于本公开或请求保护的发明的每个实施例和/或新增加的方面。相反，这个简要描述仅存在于通常实施例以及相对于传统技术的相应新颖点。对于本发明的附加详情和/或可能观点(变化)，读者可由本发明下述进一步讨论的具体实施方式
和附图得知。
图I是根据传统技术的PV阵列示例图。 图2是根据本发明实施例的示例图，描述了包括多个串联发电机模块的电力系统。图3是根据本发明实施例的示例图，描述了发电机模块。图4-6是根据本发明实施例的示例图，描述了可经历瞬态值的电力系统所处的位置。图7是根据本发明实施例的示例图，描述了维活电路。图8是根据本发明实施例的示例图，描述了发电机模块。图9是根据本发明实旋例的示例图，描述了串联开关和控制电路的附加细节。图10是根据本发明实施例的示例图，描述了多级均匀辐照的发电机模块电流与发电机模块电压关系的示例。图11-14是根据本发明实施例的示例图，描述了闩锁类型的发电机模块。通过本发明下面的优选实施例的更详细描述，本发明前述的以及其他的目的、特征、以及优点会显而易见，附图中示出的相同标记在不同附图中始终表示相同的部分。所述图不必按比例绘制，相反重点将放置在示出实施例、原则、概念等。
具体实施例方式如上所述，本发明的实施例偏离传统发电系统。更具体地，图2是根据本发明实施例的示例图，描述了选择性池激活发电机模块的串联连接的控制。如图所示，电力系统100包括至少一串发电机模块220(如发电机模块220-1、发电机模块220-2........发电机模块220-N)、控制信号发生器240、以及负载230。注意，电力系统100可包含并联的任何合适数量的发电机模块220串，以产生电压260。如其名字所示，控制信号发生器240生成一个或多个控制信号240-S以控制发电机模块220。更具体地，在一个实施例中，控制信号发生器240产生控制信号240-S以控制与发电机模块220相关联的功能。例如，控制信号发生器240通过电力线250传送控制信号240-S至发电机模块220。串中的每个发电机模块220接收控制信号240-S。发电机模块220接收控制信号240-S并根据所接收的控制信号240-S执行对应的功能。
在一个实施例中，控制信号发生器240生成一个或多个控制信号240-S以激活串中的每个发电机模块220。在一个实施例中，串联连接的已激活的发电机模块220产生用于向负载230提供电力的电压260。如示出的，串中的每个发电机模块220包括在电力线250中串联连接的正极(+)和负极(_)。当被激活时，每个发电机模块220生成跨对应的正极端子(+)和负极端子(_)的对应的电压。由于被激活时，发电机模块220串以所示出的串联方式连接，假定无故障且每个发电机模块都生成电压，由发电机模块220串产生的输出电压260是每个发电机模块生成的各个输出电压之和。发电机模块串在输出电压260处生成串电流。这样，根据控制信号发生器240，发电机模块220串可被控制地串联连接，以通过发电机模块在对应的电力线250上向负载230传送所产生的电力220-P。注意控制信号发生器240可非连续地产生控制信号240-S (其可包括一个或多个控制信号)或向发电机模块220发送去激活它们的通信。在这种情况下，发电机模块220关闭且不再产生用于驱动负载230的电压260。 根据非限制实例，由激活的发电机模块220串产生的电压260基本上可为DC电压。控制信号240-S可以是任意合适类型的信号。例如，在一个实例中，控制信号240-S可以是叠加于电压260上的AC信号。在这种情况中，发电机模块220利用AC信号(例如，控制信号240-S)作为基础来判断是否应该激活对应的发电机模块以产生跨其端子的输出电压。在这个实施例中，负载230可以是任意合适类型的将发电机模块220产生的电力220-p转换、调整等为输出电力280的资源(如反相器、充电器等)。输出电力280可用于为负载提供电力，反过来，负载消耗输出电力280从而执行所期望的功能。负载230可配置为将电压260转变为120伏AC信号。图3是根据本发明实施例的示例图，描述了更具体的与一个或多个发电机模块相关联的功能。注意每个发电机模块220可以与下面讨论的类似方式运转。如此处所讨论的，激活开关350至ON态意味着采用适当的信号驱动开关350从而在对应的电源340和对应的负极电力端子360-2之间产生低阻抗路径。在此情形，开关350是闭合的。去激活开关350至OFF态意味着采用适当的信号驱动开关350从而在电源340和负极电力端子360-2之间产生高阻抗路径。在此情形，开关350是开启的。如图所示，发电机模块220-2包括控制器320、传感器元件330、电源340、开关350、电容器371、旁路二极管372、以及泄流电阻器373。电源340可以是任意合适类型的资源诸如包括在对应的DC电压下共同产生输出电流的多个太阳能电池的PV面板。PV面板可配置成将由接收自太阳的太阳能(如光能)转变成电能。在一个实施例中，发电机模块220是所谓的将太阳能转换为电能的光伏(PV)类型模块。设置于每个发电机模块220中的开关350可以是任意适当类型的资源如场效应晶体管、机电继电器等。 在一个实施例中，控制器320监控在电力线250上接收的由远程布置的控制信号发生器240生成的控制信号240-S的存在。通过接收来自传感器元件330的输入，控制器320探测这种状况。基于来自传感器元件330的输入，控制器320接收来自控制信号发生器240的指明怎样控制发电机模块220-2的通信。因而，基于控制器320接收到的控制信号240-S，控制器320控制开关350的状态。例如，开关350选择性地激活串联连接的发电机模块220中的对应的发电机模块220-2。更具体地，在一个非限制性示例实施例中，如果传感器元件330接收指示激活对应的开关350的控制信号240-S，那么控制器320接收来自传感器元件330的输入且根据探测到的控制信号240-S产生将开关350转为ON状态的内部控制信号。在一实施例中，如果传感器元件330未探测到指示激活对应的开关350的控制信号240-S的存在，那么在自收到接收自控制信号发生器240的前期激活控制信号以后的超时期间后，控制器320开始去激活开关350至OFF状态。因而，根据一个示例实施例，控制信号240-S可以是维活信号。只要发电机模块220-2周期性或连续性地探测到由控制信号发生器240生成的维活信号，那么控制器320就 激活开关至ON状态。在没有探测到控制信号240-S存在后，控制器320去激活开关350至OFF状态。注意传感器元件330可以是任意合适类型的资源如低阻抗传感元件。例如，低阻抗元件可以串联布置在正极电力端子360-1和电源340之间延伸的路径上，使得电流沿着电力线的低阻抗路径传输，几乎不会影响到电源340产生的输出电压。传感器元件330可以是任意合适类型的资源如探测控制信号240-S存在的电流或电压传感器器件。在一个非限制性示例实施例中，传感器元件330是变压器器件，其中变压器的第一绕组串联连接在正极电力端子360-1和电源340之间。控制器320监控变压器的第二绕组。在此情形，变压器的第二绕组将控制信号发生器240产生的AC信号传送至控制器320。控制器320可处理信号从而判断接收到的信号是有效的维活信号还是噪声。电源340可产生DC电流或电压。通过变压器第一绕组的DC电流不会产生跨第二绕组的电压。因而，传感器元件330可以是AC感测元件，其容许DC元件的电力信号在电力线250上传至负载230。注意，作为串联布置在路径中的替代，传感器元件330可以是电容器。正极电力端子360-1可与电源340直接耦合。传感器元件330的一端可与正极电力端子节点360-1耦合，而电容器的另一端可与控制器320中的探测由控制信号发生器240产生的至少一个偶然AC信号存在(或不存在)的感测电路耦合。因而，传感器元件330可提供探测控制信号240-S存在的电压感测能力。每组串联或串中的每个发电机模块包括旁路电容器371，以确保串中的每个发电机模块会接收由控制信号发生器240生成的至少部分控制信号240-S。例如，串的每个发电机模块中的对应的电容器371细成多个发电机模块220串联连接的一部分。发电机模块中的电容器371起到分压器的作用(且允许通过串传输AC电流)，从而使得每个发电机模块220基本上同时接收控制信号240-S的至少一部分。因而，每个发电机模块220可包括跨对应的发电机模块220的输出端子(如端子360-1和360-2)设置的对应的电容器371，从而在电力线250上传输控制信号240-S。假定串中的发电机模块220最初全部停用或去激活，在电力线250上传送控制信号240-S使得每个控制器320基本上同时地开始激活(如开启对应的开关350)发电机模块220，从而产生输出电压260。换句话说，控制信号240，或缺少它的，同时提供对发电机模块220-2的控制，原因在于每个发电机模块基本上同时接受这种信号。因而，控制信号发生器240可配置成产生控制信号240-S。控制信号发生器240在电力线250上传送控制信号240-S，从而激活串联连接的多个发电机模块220中的每个。负载230在电力线250上接收来自被激活的串联连接的发电机模块220的电力。如所提及的，控制信号可以是AC信号。在电力线250上接收的电力基本上可以是由串联连接的多个被同时激活的发电机模块220产生的DC电压和/或DC电流。在一个实施例中，如提及的，为了去激活串联连接的多个发电机模块220中的每个对应的发电机模块，控制信号发生器240可进一步的配置为在电力线250上非连续地传送控制信号240-S。
如前面所讨论的，传感器元件320可配置为探测电流。控制信号发生器240生成作为脉冲电流的控制信号240-S。如前面所讨论的，每个对应的发电机模块220中的控制器320接收信号并相应地控制开关350。根据进一步的实施例，控制器320将来自传感器元件330的输入与一个或多个阈值(如第一阈值、第二阈值等)相比较。响应于探测到被传感器元件330感测到的电流大于第一阈值时，控制器320激活开关350至ON状态。响应于探测到被传感器元件330感测到的电流小于第二阈值时，控制器320去激活开关350至OFF状态。根据该实施例，第一阈值在幅度上大于第二阈值。作为替代，第一阈值和第二阈值基本上可以相等。电力线250易受噪声影响。例如，负载230可执行将电压260转换为输出电力280的转换功能。在这个实施例中，可控制控制信号发生器240和负载的运转和/或使它们同步，从而使得施加于电力线250上的噪声不会影响发电机模块220的控制。作为一个更特别的例子，如前所讨论的，控制信号发生器240 (如远程信号发生器)可配置成生成作为维活信号的控制信号240-S。控制信号发生器240还可以提供切断负载的信号且并因而切断与负载230相关联的开关噪声，该信号可被对应的发电机模块中的控制器320诠释为维活信号。如果对应的开关350未被激活，每个对应的发电机模块220中的二极管372使得对应的发电机模块以偏置模式运转。旁路模式(如在开关350去激活期间)使得对应的发电机模块220能够传输电流和/或电压信号，即使发电机模块处于OFF状态。例如，假定由于一些原因，发电机模块220-2中的控制器320没有响应于接收控制信号240-S使开关350转为0N，但是串联中的其他上游和下游的发电机模块基于接收控制信号240-S被激活。在此情形，由于发电机模块220-2中的开关350去激活(OFF)，发电机模块220-2对形成输出电压260没有贡献。然而，由于串联连接，其他被激活的发电机模块中的每个对生成输出电压260有贡献。输出电压260的幅度低于如果发电机模块220-2被激活时的幅度。就是说，根据非限制性示例，如果每个有效的发电机模块贡献X伏电压，且串中仅可能(N-I)个发电机模块被激活，那么输出电压260或串电压基本上是(N-l)X。如果所有的发电机模块，包括发电机模块220-2,都是有效的,那么输出电压260的幅度基本上是(N)X0在一个实施例中，当控制信号发生器240非连续性地生成控制信号240-S时，控制器320可设置对应的开关350至OFF状态，从而使得对应的发电机模块220-2以旁路模式运转。换句话说，在未探测到控制信号240-S存在时，对应的发电机模块可以以旁路模式运转。还根据进一步实施例，注意到跨对应的发电机模块220-2的输出端子360-1和360-2设置的二极管372保护开关免受过电压状况的损害，从而限制旁路二极管在开关350中的功率消耗。相应地，开关350较不易受到损害。另外，跨发电机模块220的端子设置的二极管372实现对应的开关350如设置在每个发电机模块中的串联控制开关(如低成本开关)的继电器或低压FET(场效应晶体管)的应用。当开关350是场效应晶体管时，场效应晶体管中的内在二极管也可以作为旁路二极管。就是说，当串联开关断开时，开关350中的内在二极管可传导串电流，因而便于二极 管372的过压保护。如下进一步所述，过温和欠压保护(例如，控制器320可监控由电源340产生的调整电压且如果生成的电压对于向控制电路或相关电路供给电力太低的话，关断开关350)还会减少由较高的FET导通电阻或继电器接触电阻产生的过多功率消耗。这种欠压保护提供额外的系统益处，即当出现将阵列或串电力线一起短路的瞬态(如电弧故障或接地故障)时，欠压保护会打开并联串的每个发电机模块中的每个对应的开关350，因而减小了馈给电弧故障或接地故障的可用电力。因而，此处进一步实施例包括设置于多个发电机模块串联连接中的发电机模块。串联连接的发电机模块中的每个对应的发电机模块可包括正极电力端子360-1 ;负极电力端子360-2 ;以及二极管372 (如二极管器件)。二极管372的正极(+)端通过低阻抗电气路径与对应的发电机模块的负极电力端子360-2 f禹合。如所提及的，开关350与生成对应的电力的电源340串联设置。开关350控制由跨对应的发电机模块220-2的正极电力端子360-1和负极电力端子360-2的电源340产生的电力应用。开关350可以是具有内在二极管的场效应晶体管；内在二极管的正偏压维持从正极电力端子360-1通过电源340而流向负极电力端子360-2的电流。如图所示，开关350与电源340的串联结合基本上可与二极管372进行并联设置。每个发电机模块中的传感器元件330监控在电力线250上接收的通信信号的存在，正极电力端子360-1和负极电力端子360-2与传感器元件330形成串联连接形式。如前所述，控制器320 (即控制电路)根据控制信号(即通信信号)控制开关350的状态。注意，如通过控制信号发生器240生成的控制信号240-S不必是维活类型信号。相反，由控制信号发生器240生成的控制信号可被编码，从而使得接收控制信号的发电机模块执行对应的功能。例如，一种类型的控制信号(如第一编码通信)可传输至发电机模块，从而激活对应的开关350。另一类型的控制信号(如第二编码通信)可被传输从而去激活开关350。然而进一步实施例可包括将命令瞄准不同发电机模块。例如，每个命令可通过指明命令是否直接指向发电机模块串或串中特定的发电机模块的目标地址值而进行编程。控制器320可包括适当的发电能力从而解码所收到的信号以判断其是否寻址到接收发电机模块。如果确实如此，控制器320可解码接收自控制信号发生器240的通信意味的命令，以确定执行什么样的功能。相应地，可通过产生不同类型的命令来控制发电机模块220。由控制信号发生器240生成的命令可具体地瞄准不同的发电机模块。反过来，此处进一步实施例可包括跨电力线250从对应的发电机模块220向控制信号发生器(或其他适当的消息处理资源)进行通信。每个发电机模块220可被分配唯一地址。发电机模块在消息中可包括发电机模块的地址，从而使得接收消息的控制信号发生器能够识别生成消息的那个发电机模块220。来自发电机模块的消息可包括状态信息，例如电源340的正常运转和其发电能力、发电机模块中的电源产生的电压等。发电机模块220可向控制信号发生器传输AC类型信号的消息。控制信号发生器240可包括适当电路以监控在电力线上是否存在从发电机模块接收到的信号。
根据进一步实施例，发电机模块可配置成基于在消息中包含的目标地址(如通信所直接达到的发电机模块的地址)以及源地址(如传送通信的发电机模块的地址)而彼此通信。根据此处进一步实施例，图7示出了每个皆具有开关和控制电路的PV模块并联串。更具体地，包括对应的开关的PV模块的多个串可并联连接以生成电压260。在一个具体实施例中，“维活”信号发生器740通过电流变压器755与电力线750耦合，并具有可选电弧故障探测器741 (AFD)及到负载230(例如反相器、优化器、充电器等)的 I/O。注意到，通过合适技术，包括分流器、霍尔效应传感器、磁通门传感器等，可感测叠加在电力线750上的电流和/或电压。“维活”信号发生器740可以是常规的处于单频的窄带、单向电力线通信发生器，典型地是在9kHZ和148kHZ之间，或其他符合国际标准的。为了更好地消除噪声，发生器740产生的这个信号可以被调幅、调频或调相、编码等。然而，由于所期望的解调或解码功能，模块-电平-切断(MLD)电路也将会更复杂且更昂贵。图7还示出了作为PV模块-电平-切断(MLD)控制方法的来自负载230的输入760。还可以提供输出761以关闭或降低来自负载230的开关噪声。当期望如前所讨论的去激活发电机模块时，开关噪声会另外地产生错误的“维活”信号。这样，从负载230到控制器740的输出信号可用于终止“维活”信号。虽然这个图示出了靠近负载230布置的AFD741，但是AFD741可在串级靠近汇流盒布置或布置在汇流盒中。而且，用于信号注入的电流变压器755还可以用于AFD741电弧信号探测。注意到，虽然示出的电流变压器755与电力线750的正极端串联，但是变压器755还可以与电力线750的负极端串联连接或可电容耦合在正极和负极电力线750之间。在后一种情形，电感线圈可用于正极和/或负极电力线以减小至负载230的输入电容短路效应。如果AFD741探测到图4、5和6中描述的串联或并联瞬态，那么AFD能够通过切断维活信号发生器740来远程断开每个模块。AFD741还能够向负载230传送输出以在其输入处切断开关，因而消除了潜在的错误维活信号源。通过断开串或阵列连接，能够断开发电机模块的串联连接，串或阵列中的保险丝或断电器断开，且电力线之间短路。
图8示出了根据此处实施例的连接到每个对应的PV模块的串联开关和控制电路。在这个示例实施例中，串联开关350-1和电源340形成跨端子360_1和360_2的输出，以提供输出电流“Ιο”和输出电压“Vo”。控制电路320-1包括来自监控“激活”信号存在的电流感测元件330-1的输入。过压箝位器件810防止对控制电路320-1的损害并且负载电阻器812将来自电流传感元件330-1的初级绕圈电流转换为第二电压。如前面提及的，场效应晶体管(FET) 350-1可被任意合适的资源替代，例如具有代替FET栅极的继电线圈以及代替FET源极和漏极的继电器触点的机电继电器。使用物理继电器会存在几个公知的问题。由开关引起的触点腐蚀会限制触点寿命，特别是在较高电压和电流的情形下。如果污染增加了触点电阻，那么由触点导致的功率消耗会随着时间流逝而增加。如果触点之间出现绝缘颗粒或膜，那么触点遭受无法闭合的故障，且如果触点熔接在一起，那么触点遭受无法断开的故障。当被激 励时线圈消耗功率且当触点闭合时线圈基本上可以是功率消耗的一部分，因而增加了设备温度且降低了 PV系统的能效。另外，这些继电器的尺寸和成本会超出固态继电器且其电子寿命和机械寿命也远低于固态开关。正如图10所示，为了通过PV串传导维活信号，其他模块可包括旁路电容器371，对应的发电机模块的绝对阻抗或分流阻抗会衰减信号，且处于断开状态的FET 350-1也会衰减信号。过压保护(OVP) 二极管372使得能够应用较低压FET350-1。泄流电阻器373释放遗留于电容器371上的电力线电压。OVP 二极管372与PV模块协同工作，从而限制跨FET 350-1的最大电压，且FET350-1衬底二极管(如，内在二极管)与PV模块协同工作，从而限制跨OVP 二极管372的反向电压。在这种方式中，模块-电平-切断(MLD)FET350-1以及OVP 二极管372仅需承受与每个电源340 (极PV模块)相关联的连续电压，不需要承受会增加FET 350-1和OVP二极管372成本的更高的串和阵列电压(如输出电压260)。OVP 二极管372还可以是“有源”二极管，其具有较低的电压降且因此当正向偏置时可具有较低的功率消耗。有源二极管可以是较之正向偏置FET衬底二极管(如FET350-1的内在二极管)具有更低电压降的FET基器件。图8还示出了 PV电力模块(如电源340)以及多个旁路二极管865。旁路二极管865起到允许部分(如多个PV太阳能电池)电源340被旁路的功能，前提是源自辐照的该部分的电流比串中的其他模块下降得足够低。随着更多的这些旁路二极管865被正向偏置，PV模块汇流盒820中的功率消耗会增加。当汇流盒或内部部件的温度变得太高时，串联FET 350-1会配置为关闭，导致对应的电源340来自串联连接的发电机模块的一部分。换句话说，如果汇流盒820或其任意部分的温度被探测到高于阈值，那么控制电路320-1可配置为将开关350-1关闭。这样，控制电路320-1可忽略来自控制信号发生器240的命令，而将开关350-1去激活为OFF状态。如上提及的，即使单个发电机模块220以旁路模式运转，也能够激活串联的其他发电机模块，从而生成对应的输出电压260,尽管是较低的电压。关闭发电机模块中的对应的开关350-1，会降低其功率消耗且有助于防止过热引起的损伤。图9示出了与每个PV模块附接的串联开关和控制电路。控制电路320-1包括来自电流传感器元件330-1的输入。控制电路320-1可包括任意一个或多个部件，如带通滤波器、放大器、峰值探测器、比较器、电压调节器等。在一个实施例中，控制电路320-1具有相关联的带通滤波器和时间常数(如介于I毫秒到100毫秒之间)用于控制开关350-1在开启和闭合状态间改变，来降低由于噪声引起的错误开启的敏感性。如图所示，对应的发电机模块可包括电压调节器816。电压调节器816能够接收来自电源340的电力。电压调节器816的输出为控制电路320-1及发电机模块中的其他相关电路提供电力。在一个实施例中，当接收自控制信号发生器240的维活信号降至低于阈值时，控制电路320-1控制串联的FET 350-1至OFF状态从而从串中切断电源340 (如PV模块)。如前所述，即使发电机模块接收到将开关350-1开启的命令，对应的发电机模块 中的另一个控制电路模块也能够被配置为将电源340从串中切断，前提是汇流盒820监控部分(如旁路二极管、控制电路320-1等)的温度超过安全工作温度阈值Tth且PV模块电压降至低于阈值电压Vth，使得调整后的电压无法提供用于控制电路320-1运转以及用于将FET 350-1转为具有低开关电阻的开启状态的足够电压。例如，如果开关350-1不能利用足够高的栅电压开启，那么控制电路320-1可配置为将开关350-1转为OFF状态。如果栅电压太低，开关350-1的开启电阻会高，那么在开关350-1中的过多热损耗会造成损坏。当由控制电路320-1控制的FET开关350-1转为OFF状态时，端子电流Io流过OVP 二极管372。每个对应的发电机模块可包括温度传感电路。响应于探测到的与对应的发电机模块相关联的温度高于阈值时，控制电路320-1会忽略激活开关350-1的命令(即控制电路320-1关闭开关350-1)。当温度降至低于预定阈值或模块电压时，控制电路320-1将电源340再串联连接在串中(通过再次激活开关350-1)，Vpv，(如由对应的电源340激励的输出电压)再次升至高于预定阈值。串联中的对应的发电机模块的再连接或再激活可进一步地由延时和一些标称阈值滞后控制，从而防止快速FET开关350-1或继电器开关震荡。这样，响应于探测到的由电压调节器电路产生的为对应的发电机模块供应电力的电压低于欠电压阈值时，每个对应的发电机模块可包括电压电平传感器电路，从而控制开关350-1至OFF状态。考虑此处所讨论的实施例，响应于任意一个或多个下述条件，通过对应的发电机模块串的电流幅度会减少短路串输出电压260 ;终止控制信号240-S的产生；响应于错误状况而禁用远程信号发生器(如控制信号发生器240);断开开关350;从串中物理切断发电机模块；以及断开设置于发电机模块和负载230之间的保险丝器件或电路断电器。如果由各个反相器、优化器、或充电器隔离每个串，那么各个信号发生器可与每串附接，从而切断各个串。而且，众所周知的，场效应晶体管(FET)(如N型场效应晶体管)或图8和9中的开关350-1可由其他类型的晶体管取代，如双极型晶体管(BJT)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，以及可为增强模式或耗尽模式中的任一个。另外，图7、8和9描述的任意设备或方法还可以与其他功能如调整DC至DC转换的优化器相结合，从而使得每串在其最大功率点工作，或与调整DC至AC转换的微反相器相结合，从而使得每个模块在其最大功率点工作。所述设备还可与附接至每个光伏模块的电弧故障探测器相结合。而且与远程电力线切断或短路开关相结合的远程电弧故障或接地故障探测器可用于此处所描述的设备或方法。另外，当优选简易模拟电路硬件时，其他硬件如微控制器或ASIC(专用集成电路)可用于代替执行此处所描述的被更复杂的信号处理强化的基础控制。图10示出了 PV模块电流相比于模块电压的三级均匀辐射关系示例图1000。绝对模块阻抗|z|作为工作点的函数变动，此处z是工作点处的增加电阻。可诜闩锁类型实施例根据进一步可能实施例，提供与每个光伏发电机模块附接的控制设备，包括与对应的模块串联连接的开关和具有与电力模块串及这些串阵列互联的输出端子的控制电路。外部负载(如反相器或充电器)与所述串或阵列的输出连接。通过短路所述串或阵列的输出来切断每个模块，以及通过外部提高所述输出的DC电压而进行的再连接，都可以通过所述串联开关和控制电路来实现。这个实施例定义了一种利用输出端子电压在期望状态下闩锁所述串联开关和内部负载电阻的方法。 在本发明的其他方面中，提供与每个光伏发电机模块附接的设备，包括串联开关和控制电路以及输出端子，其与电力模块串和这些串的阵列互连。外部负载(如反相器或充电器)连接到所述串或阵列的输出。通过开启所述串或阵列的输出来切断每个模块，以及通过外部限高所述输出的DC电压进行的再连接，都可以通过所述串联开关和控制电路来实现。这个实施例定义了一种利用输出端子电流和电压在期望状态下闩锁所述串联开关和内部负载电阻的方法。如下所讨论，闩锁型PV模块可利用电流脉冲调制从而将对应的PV模块闩锁至ON状态。下面所讨论的PV模块可用于替代前面讨论的发电机模块。下面讨论的PV模块是一种具体类型的发电机模块，其基于接收到来自远程设备(如控制信号发生器240)的电流脉冲信号而变成闩锁状态。现在，更特别地，图11为根据此处实施例的示例图，其描述了与FET开关和控制电路相结合的PV模块，其电连接至输出端子。控制电路1100灵活地预定端子电压阈值从而闭合和断开开关1150。控制电路1100闩锁FET开关1150为闭合及断开状态。如果输出端子1170与外部电源或负载电分离，那么FET开关1150的状态不会改变。例如，如果FET开关1150闭合，那么如果输出端子1170与外部电源电分离的话，对应的PV模块电压就会保持FET开关1150闭合(即0N)，以及如果FET开关1150断开(即0FF)，那么如果输出端1170与外部负载电分离的话，预定内部负载就会保持跨过输出端子的低电压且因而断开FET开关1150，例如，如果短路开关断开(即OFF)或如果在所述短路开关和输出端子之间的电力线中存在切断。提供更详细描述，电容器C4有助于保护FET开关1150和控制电路1100免受ESD(静电放电)的影响且有助于过滤正极和负极输出端子1170之间的高频噪声。当FET (即开关1150)断开时，在外部电源(如其他PV串)增加了跨输出端子的电压时，FET衬底二极管(即FET中的内在二极管)以及PV模块就会限制跨旁路二极管Dl和控制电路的电压，以及在外部电源(如同一串中的其他PV模块)降低了跨输出端子的电压时，旁路二极管Dl和PV模块就会限制跨FET和控制电路的电压。电容C2、电阻R2、以及齐纳二极管Z2与FET开关的栅极附接，从而控制开关响应时间，在没有外部栅极驱动时关闭FET，以及保护栅极免受过压。通过由电容Cl、齐纳二极管ZI、二极管D2和电阻Rl组成的电压调节器由PV模块为控制电路提供电力；当输出端子全部短路且FEI开关闭合时，二极管D2防止Cl通过Rl放电。跨输出端子的电压由比较器CMP和部件R4、R3、C3以及R5、R6及R7进行探测，这些部件确定两个电压阈值，其确定比较器何时开关；C3在端子电压跨过这些阈值之一的时刻以及比较器输出开关时刻之间提供延时。二极管D4防止比较器的反相输入电压低于比比较器较低的电源轨更低的二极管压降。部件R8、T1、以及D3包括连接比较器输出和FET栅极的栅极驱动电路；T1将CMP输出电压转化为FET栅极驱动电流并在引至与PV模块正极连接的CMP电路和引至与PV模块负极连接的FET电路之间起到电平移位器的作用；当输出端子电压降至低于跨Cl的电压时，D3防止跨电压调节器电容Cl的电压通过Tl的基极-集电结以及齐纳二极管Z2而放电。部件Rll、T2、R9和RlO提供了在固态继电器中不存在的特定功能，即当跨所述端 子的电压低于第一预定阈值时跨输出端子应用内部负载，且当所述电压高于第二预定阈值时移除该负载。如果输出端子与外部负载电分离，通过保持输出端子电压低于第一预定阈值，这种功能使得FET保持为开启状态，以及如果输出端子电压高于第二预定阈值，这种功能通过去除内部负载而减少内部功率损耗。图12进一步描述了根据此处实施例的与FET开关以及控制电路相结合的并与输出端子电连接的PV模块。如此图所示，控制电路提供具有输出Q的S-R闩锁功能。当时间平均输出电压已经高于第一预定电压阈值时，如果输出电流Iout降至低于第一预定电流阈值(即，端子与外部负载电分离)，则控制电路1200就会闩锁FET开关1250为断开状态(即转为OFF)并再连接内部负载。当时间平均输出电流已经低于第二预定电流阈值时，如果输出电压Vout升至高于第二预定电压阈值(即由外部电源引起的)，控制电路1200就会闩锁FET开关为闭合状态(即转为0N)并切断内部负载。例如，当Iout低于预定阈值时，由于低Vout,或当高Iout时,在正常运转情形下当Vout高于预定阈值时，应用时间平均电流以及电压参数防止S-R闩锁由于错误因素被设置或复位。图13是根据此处实旋例的示例图，描述了与FET开关以及控制电路相结合的并与输出端子电连接的PV模块。如图所示，结合两种远程切断方法(远程短路开关或远程DC切断)，控制电路1300提供了具有输出Q的S-R闩锁功能。该图描述了控制电路1300中的控制逻辑。控制电路1300可包括Iout和电压Vout感测电路从而分别监控Iout和Vout。在这个实施例中，如果远程开关将电力线一起短路或中断电力线电流，那么控制逻辑从输出端子1370切断模块。在远程电源增加电力线电压之前，再连接可能被内部负载阻止。注意，控制逻辑参考Iout和Vout的时间平均值以及这些变量的瞬间值从而执行此处所描述的切断和再连接方法。注意，此处的实施例可进一步包括已知为优化器的电路，其调整DC至DC转换，从而使得每个模块其最大功率点工作，或DC至AC转换器，以及已知为微反相器的更特别电路，其调整DC至AC转换，从而使得每个模块在其最大功率点工作。
此处实施例还可以结合与每个光伏模块附接的瞬态型故障探测器。而且与远程切断或短路开关以及远程再连接电源相结合的远程电弧故障或接地故障探测器可用于此处描述的设备或方法。另外，当使用简易控制逻辑硬件时，也可使用其他硬件，如微控制器或ASIC(专用集成电路)来代替执行此处所述的被更复杂的信号处理强化的基础控制逻辑。图14是根据此处实施例的示例图，描述了与正常断开继电器开关1450以及控制电路1410相结合的并与输出端子电连接的PV模块。控制电路1410灵活地预定端子电压阈值以闭合和断开开关1450。控制电路1410闩锁继电器为闭合和断开状态。如果输出端子与外部电源或负载电分离，则由于其被锁定，开关1450的状态不会改变。例如，如图所示，描述了代替如前所讨论的FET的所述设备的具有正常断开继电器开关1450的机电继电器版本。晶体管T3驱动继电器线圈。二极管D6防止出现跨过T3 的过量电压，以及二极管D5与PV面板一起防止出现跨过正极和负极输出端子的过量电压。再次注意，本发明技术适用于任意类型的电力系统。然而，应该注意到本发明实施例不限制用于这些应用中并且本发明所讨论的技术还适用于其他应用。尽管本发明已参考其优选实施例被具体示出以及描述，但是本领域技术人员将明白在不脱离本申请的由所附权利要求所定义的精神和范围下，可获得在形式和细节上的各种变化。本申请的范围企图覆盖这些变化。同样地，本申请的前述实施例说明不作为限制。更确切地，对于本发明的任何限制出现在随后的权利要求中。
权利要求
1.一种电力系统，包括 发电机模块串，所述串中的所述发电机模块可控地串联连接，以在电力线上将由所述发电机模块产生的电力通过所述发电机模块传送到负载，每个对应的发电机模块包括 感测元件，用于监控由对应的发电机模块在电力线上接收的来自远程信号发生器的控制信号的存在； 开关，用于选择性地串联连接对应的发电机模块；以及 控制器，其基于在电力线上接收的所述控制信号控制所述开关的状态。
2.如权利要求I中所述的电力系统，其中所述发电机模块是将太阳能转换为电能的光伏(PV)模块；以及 其中所述串中的每个发电机模块包括串联连接在所述电力线中的正极和负极。
3.如权利要求I中所述的电力系统，其中所述控制信号是由所述远程信号发生器生成的AC信号；以及 其中每个所述发电机模块包括跨对应的发电机模块的输出端子设置的电容器，以在电力线上传送所述控制信号。
4.如权利要求I中所述的电力系统，其中在未探测到所述控制信号存在的情况下，所述控制器将开关设置为OFF状态，以在旁路模式下运转对应的发电机模块。
5.如权利要求I中所述的电力系统，其中所述感测元件是探测所述控制信号的电流感测元件； 其中响应于探测到所述电流感测元件感测到的电流大于第一阈值，所述控制器激活开关至ON状态；以及 其中响应于探测到所述电流感测元件感测到的电流小于第二阈值时，所述控制器去激活开关至OFF状态。
6.如权利要求5中所述的电力系统，其中第一阈值和所述第二阈值基本上是相等的。
7.如权利要求I中所述的电力系统，进一步包括 二极管，跨对应的发电机模块的输出端子设置，以保护所述开关免受过压状况的损害。
8.如权利要求7中所述的电力系统，其中当所述开关设置为OFF状态时，所述二极管用作旁路二极管，在不切断串电流的情况下，实现过温和欠压控制，以限制在对应的发电机模块中的控制电路功率损耗。
9.如权利要求I中所述的电力系统，其中所述感测元件是变压器器件，其探测由所述远程信号发生器注入到所述电力线上的电流的存在。
10.如权利要求I中所述的电力系统，其中，响应于下述状况构成的组中的至少一个，通过所述串的电流减小 使所述串的输出电压短路； 使所述控制信号的生成终止； 响应于错误状况，禁用所述远程信号发生器； 断开所述电力线切断开关； 从所述串物理地切断发电机模块；以及 断开设置于所述发电机模块与所述负载之间的的保险丝器件或电路断电器。
11.如权利要求I中所述的电力系统，其中在对应的发电机模块中的所述控制器和相关控制电路经由在对应的发电机模块中的电源产生的电力供电。
12.如权利要求I中所述的电力系统，其中所述开关是晶体管。
13.如权利要求I中所述的电力系统，其中所述开关是机电继电器器件。
14.如权利要求2中所述的电力系统，其中对应的发电机模块包括温度传感器电路，响应于探测到的与对应的发电机模块相关联的温度高于阈值，所述控制器将开关转为OFF。
15.如权利要求2中所述的电力系统，其中对应的发电机模块包括电压电平传感器，用于响应于探测到的由对应的发电机模块产生的电压低于欠压阈值，控制所述开关至OFF状态。
16.如权利要求10中所述的电力系统，其中跨对应的发电机模块中阵列的并联电弧的出现减少了阵列电压，并且因而从输出阵列切断模块以及减少了可传送到故障的电力。
17.如权利要求I中所述的电力系统，其中所述远程信号发生器产生作为维活信号的控制信号。
18.一种方法，包括 产生控制信号； 在电力线上传输所述控制信号，以激活串联连接的多个发电机模块中的每个发电机模块；以及 在电力线上从被激活的串联连接的发电机模块接收电力。
19.如权利要求18中所述的方法，其中产生所述控制信号包括在所述电力线上生成作为AC信号的控制信号；以及 其中在电力线上接收所述电力包括接收由串联连接的被激活的发电机模块产生的基本上为DC电压，以供电负载。
20.如权利要求18中所述的方法，进一步包括 在电力线上非连续地传输所述控制信号，以去激活串联连接的多个发电机模块所述中的每个对应的发电机模块。
21.如权利要求18中所述的方法，其中在电力线上传输所述控制信号，导致基本上同时激活所述发电机模块以产生输出电压。
22.—种在串联连接的多个发电机模块中设置的发电机模块，串联连接的对应的发电机模块包括 正极电力端子； 负极电力端子； 二极管器件，所述二极管器件的正极经由电气路径与对应的发电机模块的所述负极电力端子耦合，所述二极管器件的负极经由电气路径与所述发电机模块的所述正极电力端子耦合。
23.如权利要求22中所述的发电机模块，进一步包括 开关，与在产生电力的对应的发电机模块中的电源串联地设置，所述开关控制由所述电源产生的电力的跨对应的发电机模块的所述正极电力端子和所述负极电力端子的应用。
24.如权利要求23中所述的发电机模块，其中所述开关是具有内在二极管的场效应晶体管，所述内在二极管的正向偏置维持通过所述电源从所述正极电力端子向负极电力端子的电流流动。
25.如权利要求24中所述的发电机模块，其中与所述电源串联地组合设置的所述开关基本上是与所述二极管器件并联地设置。
26.如权利要求23中所述发电机模块，进一步包括 传感器元件，用于监控在电力线上接收的通信信号，所述正极电力端子和所述负极电力端子连接到所述电力线；以及 控制电路，用于根据所述通信信号控制开关的状态。
全文摘要
远程资源可配置为控制串中的发电机模块的连接。例如，对应的发电机模块可包括监控通信信号的存在的电流传感电路。所述发电机模块可监控在由对应的发电机模块用来向外部负载传送电力的电力线上的远程产生的控制信号的存在。如果所述控制信号存在于电力线上，如由所述远程资源生成的，在对应的发电机模块中的所述控制电路激活所述开关至ON状态，从而使得对应的被激活的发电机模块与其他被激活的发电机模块串联连接。如果在超时期间未探测到维活控制信号，则所述控制器去激活对应的发电机模块。
文档编号H02J7/00GK102810893SQ20121024320
公开日2012年12月5日 申请日期2012年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者J·R·韦佐维兹, C·E·皮奈特, T·R·马赫, K·W·卡瓦特, M·B·罗斯 申请人:森萨塔科技麻省公司