含有二次优化的功率优化系统及其优化方法与流程

本发明主要涉及到光伏发电领域，更确切的说，是涉及到在含有光伏电池或含有其他类型电池的发电系统中提出了一种对直流电源执行二次功率优化的机制，保障直流电源在可靠运行的前提下实现输出功率最大程度的优化。

背景技术：

光伏发电系统的安装需要付出前期投资，由于光伏组件不匹配具有隐蔽性，许多太阳能发电系统的业主可能忽略或毫不知情光伏组件的不匹配问题，导致投资的回收和利润大幅降低，并造成能源浪费。不匹配的原因是多方面的，主要机理是电压和电流的组合不匹配造成的，局部异物遮蔽和飘动的云朵、附近物体的遮挡、表面污染、不同的安装倾角和安装朝向、老化和温度变化及其他诸多因素，光伏组件的不匹配直接诱发光伏组件产生不平衡的电量损失。结果就是整个发电系统无法运作在最大的输出功率点。

在估算太阳能发电系统的整体效能时，通常是假设使用的光伏组件都具有相同的光照辐射度、温度和性能参数。然而在许多情况下，部分遮蔽效应、温度不平衡和安装倾角等因素的不同，都可能造成组件的电流和电压不匹配及系统的效能低下。阴影遮挡造成的功率损失有很多形式，可能是每年中的季节性的或是每天中的几个小时的阴影，不容易被觉察到的功率波动很难被精确预测。预先将功率优化融入到光伏发电系统的设计中，不仅可以改善光伏电站的整体发电效率，延长电站使用寿命和提高投资回报率，还可以提供光伏电站中光伏组件的布局灵活度，最大限度的利用有限的空间。

光伏组件输出的最大功率取决于最佳的工作电流乘以最佳的工作电压，在任何既定的工作条件下，存在一个规律：每块光伏组件都存在一个最大的功率点，它对应于光伏组件的最大功率输出量。最大功率点近似是关于电压和电流的指数关系的函数。最大功率追踪的技术方案，譬如中国专利申请201110097292.1披露的功率优化装置被用来监控和优化每块光伏电池板的电能，即使阵列中任意一块电池板出现失配问题，其他的电池仍然能输出最大功率，因而补偿因失配问题而产生的发电量损失。

技术实现要素：

在可选的实施例中，本申请披露了一种含有二次优化的功率优化系统，包括：串联的多级电压转换器；每一级电压转换器均将从与之对应的一个直流电源撷取的电能转换成输出功率；多级电压转换器各自的输出电压予以叠加藉此作为直流母线电压；每一级电压转换器均用于将与之对应的一个直流电源的输出电流和输出电压设置在最大功率点；接收多级电压转换器提供的输出功率的能源收集装置，能源收集装置配置的二次优化功能用于将直流母线电压和直流母线电流设置在最大功率点。

上述的含有二次优化的功率优化系统，其中：所述能源收集装置至少包括逆变器或为蓄电池充电的充电器。

上述的含有二次优化的功率优化系统，其中：所述能源收集装置包括逆变器：在关闭逆变器的二次优化功能时将其视为无最大功率追踪的纯逆变设备；或者在启用逆变器的二次优化功能时将其视为配备有二级最大功率追踪的逆变设备。

上述的含有二次优化的功率优化系统，其中：在关闭逆变器的二次优化功能时，多级电压转换器中的每一个都将与之对应的一个直流电源的输出电流和输出电压设置在最大功率点。

上述的含有二次优化的功率优化系统，其中：在多级电压转换器中定义第一类电压转换器和第二类电压转换器，它们均包括撷取直流电源提供的电能的第一、第二输入端和提供自身输出功率的第一、第二输出端；在启用逆变器的二次优化功能时，满足：第一类电压转换器将其耦合到与之对应的一个直流电源正极的第一输入端直接短接和直通到第一输出端；以及第一类电压转换器将其耦合到与之对应的一个直流电源负极的第二输入端直接短接和直通到第二输出端。

上述的含有二次优化的功率优化系统，其中：在启用逆变器的二次优化功能时，同时还满足：第二类电压转换器均用于将与之对应的一个直流电源的输出电流和输出电压设置在最大功率点。

上述的含有二次优化的功率优化系统，其中：在启用逆变器的二次优化功能时，同时还满足：藉由各个第一类电压转换器对应的直流电源的动态变化电压从而实现以电压浮动的形式调制直流母线电压。

上述的含有二次优化的功率优化系统，其中：直流电源的类型至少包括燃料电池或光伏组件等。

上述的含有二次优化的功率优化系统，其中：由耦合到直流母线上的一个电压调节器控制动态变化的直流母线电压不超出预定的上限值和下限值范围；电压调节器被单独的设置到直流母线上或者集成在所述能源收集装置中。

上述的含有二次优化的功率优化系统，其中：在一个或多个第一类电压转换器对应的直流电源发生功率降低事件并引起一个或多个第二类电压转换器的输出电压被强迫抬升至趋于超出规定范围时，第二类电压转换器受其配置的处理器的控制而将输出电压限定在规定范围内的一个预期电压值。

上述的含有二次优化的功率优化系统，其中：在一个或多个第一类电压转换器对应的直流电源发生功率降低事件时，一个或多个第二类电压转换器对应的直流电源维持工作在最大功率点状态。

上述的含有二次优化的功率优化系统，其中：在一个或多个第一类电压转换器对应的直流电源发生功率降低事件时，一个或多个第二类电压转换器对应的直流电源从最大功率点状态切换到非最大功率点状态；使得进入非最大功率点状态的直流电源输出的对外功率在多级电压转换器对应的一系列直流电源提供的总功率之和中所占的份额降低。

上述的含有二次优化的功率优化系统，其中：限定直流母线电压在预定的上限值和下限值范围内浮动，在一个或多个第一类电压转换器对应的直流电源发生功率降低事件导致直流母线电压跌落至趋于接近下限值时；使得一个或多个第二类电压转换器对应的直流电源从最大功率点状态切换到非最大功率点状态，迫使此时多级电压转换器对应的一系列直流电源提供的总功率除以直流母线电压计算出的母线电流下降。

上述的含有二次优化的功率优化系统，其中：所述电压转换器包括：串联在接收直流电源提供的电压源的第一和第二输入端之间的第一和第二开关；串联在提供输出电压的第一和第二输出端之间的第三和第四开关；在第一和第二开关间的互连节点与第三和第四开关间的互连节点之间设有电感元件以及第二输入端耦合到第二输出端。

在可选的实施例中，本申请披露了一种功率优化方法，其中包括：将多级电压转换器予以串联连接；利用每一级电压转换器撷取与之对应的一个光伏组件的电能并转换成输出功率；叠加多级电压转换器各自的输出电压形成总的串级电压并作为直流母线电压；藉由每一级电压转换器将与之对应的一个光伏组件设定在最大功率点处；通过配置有二次优化功能的能源收集装置收集多级电压转换器提供的输出功率，并且能源收集装置通过选择是否启用二次优化功能而选择是否将直流母线电压和直流母线电流设置在最大功率点处。

上述的方法，其中：所述能源收集装置至少包括逆变器或为蓄电池充电的充电器。

上述的方法，其中：所述能源收集装置包括逆变器，所述的方法还包括：关闭逆变器的二次优化功能，将其设置成无最大功率追踪的纯逆变设备；或者启用逆变器的二次优化功能，将其设置成配备有二级最大功率追踪的逆变设备。

上述的方法，其中：关闭逆变器的二次优化功能，从而，多级电压转换器中的每一个都通过其带有的最大功率跟踪功能而将与之对应的一个光伏组件的输出电流和输出电压设置在最大功率点。

上述的方法，其中：在多级电压转换器中定义第一类电压转换器和第二类电压转换器，它们均包括撷取光伏组件提供的电能的第一、第二输入端和提供自身输出功率的第一、第二输出端；启用逆变器的二次优化功能，所述的方法还包括：第一类电压转换器由其配置的处理器的控制，而将其耦合到与之对应的一个光伏组件正极的第一输入端直接短接和直通到第一输出端；以及第一类电压转换器由其配置的处理器的控制，而将其耦合到与之对应的一个光伏组件负极的第二输入端直接短接和直通到第二输出端。

上述的方法，其中：启用逆变器的二次优化功能，所述的方法还包括：第二类电压转换器都通过其带有的最大功率跟踪功能而将与之对应的一个光伏组件的输出电流和输出电压设置在最大功率点。

上述的方法，其中：启用逆变器的二次优化功能，所述的方法还包括：藉由各个第一类电压转换器对应的光伏组件输出的动态变化电压从而实现以电压浮动的形式调制直流母线电压。

上述的方法，其中：在直流母线上设置一个电压调节器，用于控制动态变化的直流母线电压不超出预定的上限值和下限值范围；将电压调节器单独设置到直流母线上或将其直接集成在逆变器中。

上述的方法，其中：在一个或多个第一类电压转换器对应的光伏组件发生功率降低事件并引起一个或多个第二类电压转换器的输出电压被强迫升至趋于超出规定范围时；触发第二类电压转换器配置的处理器控制将第二类电压转换器的输出电压限定在规定范围内的一个预期电压值。

上述的方法，其中：在一个或多个第一类电压转换器对应的光伏组件发生功率降低事件时，一个或多个第二类电压转换器配置的处理器控制一个或多个第二类电压转换器将对应的光伏组件维持工作在最大功率点状态。

上述的方法，其中：在一个或多个第一类电压转换器对应的光伏组件发生功率降低事件时，触发一个或多个第二类电压转换器配置的处理器控制一个或多个第二类电压转换器将对应的光伏组件从最大功率点状态切换到非最大功率点状态；使得进入非最大功率点状态的光伏组件输出的对外功率在多级电压转换器对应的一系列光伏组件提供的总功率之和中所占的份额降低。

上述的方法，其中：限定直流母线电压在预定的上限值和下限值范围内浮动，在一个或多个第一类电压转换器对应的直流电源发生功率降低事件导致直流母线电压跌落至趋于接近下限值时；从而，触发一个或多个第二类电压转换器配置的处理器控制一个或多个第二类电压转换器将对应的直流电源从最大功率点状态切换到非最大功率点状态，迫使此时多级电压转换器对应的一系列光伏组件提供的总功率除以直流母线电压计算出的母线电流下降。注意本申请中记载的电压转换器还可以用术语功率优化器替代。

附图说明

为使上述目的和特征及优点能够更加明显易懂，下面结合附图对具体实施方式做详细的阐释，阅读以下详细说明并参照以下附图之后，本申请的特征和优势将显而易见。

图1是光伏组件先串联后再并联而向逆变器供电的示意图。

图2是串联的多级光伏组件中的每一个组件都配置有一个优化器的示意图。

图3是光伏组件在不同光照强度下的功率曲线示意图。

图4是在可选的实施例中利用电压调节器控制母线电压的范例。

图5是带有追踪最大功率点算法模块的处理器控制功率优化器的范例。

图6是部分功率优化器处于在直通模式而另一部功率优化器处于功率优化模式。

图7是控制功率优化器的功率开关的关断或接通使其进入直通模式的第一个范例。

图8是控制功率优化器的功率开关的关断或接通使其进入直通模式的第二个范例。

具体实施方式

下面将结合各实施例，对本发明的技术方案进行清楚完整的阐述，但所描述的实施例仅是本发明用作叙述说明所用的实施例而非全部的实施例，基于该等实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的方案都属于本发明的保护范围。

根据光伏组件的输出特性，由于光伏组件的输出电压和输出电流与日照辐射强度和工作温度等环境因素有着密切相关的联系，最大的输出功率和最大功率点的对应电压跟随着环境因素的变化而变化，环境变化潜在的导致光伏组件无法工作在最大功率点状态。

参见图1，光伏组件阵列是光伏发电系统从光能到电能转换的基础，光伏组件阵列中安装有多个电池组串，电池组串由多个串联连接的光伏组件pv1至pvn串接构成。每块光伏组件或称光伏电池均配置有执行最大功率追踪演算mppt的功率优化器。在某个电池组串中譬如第一级光伏组件pv1产生的电能由第一级功率优化器ch1进行功率转换以执行功率优化，第二级光伏组件pv2产生的电能由第二级功率优化器ch2进行功率转换以执行功率优化，依此类推，直至第n级的光伏组件pvn所产生的电能由第n级功率优化器chn进行功率转换以执行功率优化，n为不低于1的自然数。功率优化器又称最大功率点跟踪器通常使用特定类型的拓扑电路来搜索最大功率点并从而允许功率优化器从光伏组件中提取可能的最大功率。第一级功率优化器ch1输出电压vo1，第二级功率优化器ch2输出电压vo2，…依此类推，第n级功率优化器chn输出电压von。以至于任意一串光伏电池组串上总的串级电压通过计算大约为vo1+vo2+…von=vbus。不同的多组电池组串并联连接在母线la和lb之间：如果定义多级功率优化器ch1-chn构成某个链路则不同的多个链路并联连接在母线la和lb之间。光伏组件阵列提供的总的电能由直流母线输送给能源/能量收集装置，能源收集装置至少包括图1中可将直流电逆变成交流电的逆变器invt或包括为蓄电池充电的充电器等。实质上图1中的光伏组件仅仅是作为直流电源也即被优化对象的特定范例，功率优化器不但兼容晶硅电池板，还可以匹配到部分薄膜电池中，光伏组件也可以被替换成化学电池或电瓶或蓄电池等，功率优化器更广泛的意义是对各种不同类型的直流电源实施功率优化，甚至风能和燃料电池等。现有技术中针对直流电源的最大功率追踪的任何方案同样适用于本申请的功率优化器，最常见的最大功率追踪法有恒定电压法、电导增量法、扰动观察法等。

参见图1，功率优化器归属于电力电子设备，主要目的是实现个体光伏组件的最大功率点跟踪的功能。降压buck电路、升压boost电路、升降压buck-boost电路和另外丘克变换器cuk电路等，是适用于光伏功率优化器的主电路拓扑。其实能够发现该等主电路拓扑本质上还是属于开关电源系统的范畴，开关电源系统通常是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。开关电源实现的功率变换是其核心部分，为了满足高功率密度要求，变换器需要工作在高频状态并且开关晶体管要采用开关速度高、导通和关断时间短的功率开关，功率晶闸管、功率场效应晶体管和绝缘型双极型晶体管等。变换器的主要控制方式分为脉冲宽度调制、脉冲频率调制等多种，常用脉宽调制方案。功率优化器所体现的是一个直流电到直流电的降压或升压的电压变换器，功率优化器对单组件进行最大功率优化后，能量被传输给逆变器进行直流到交流电的处理后，供给本地使用或发电上网。逆变器invt通常可以是无最大功率追踪的纯逆变设备或配有二级最大功率追踪的逆变设备。

参见图2，基于叙述的方便，以数量为十个的光伏组件pv1-pv10和相应的十个功率优化器ch1-ch10以及配套的逆变器invt作为范例来阐释整个光伏发电系统。功率优化器有耦合到光伏组件的输入端和提供输出功率的输出端。第一级功率优化器ch1输入侧的第一输入端in1耦合到第一级光伏组件pv1的正极，第一级功率优化器ch1输入侧的第二输入端in2耦合到第一级光伏组件pv1的负极，输入侧接收到的电能被转换成在第一级功率优化器ch1输出侧的第一输出端no1和第二输出端no2的输出功率。其他光伏组件pv2-pv10和功率优化器ch2-ch10的对应关系已经展示在图中。多级的功率优化器ch1-ch10按照如下规律串联连接：任意前一级功率优化器的第二输出端通过电力线耦合到相邻后一级功率优化器的第一输出端。以实际的连接关系为例：第一级功率优化器ch1的第二输出端no2连到第二级功率优化器ch2的第一输出端no1，第二级功率优化器ch2的第二输出端no2连到第三级功率优化器ch3的第一输出端no1，依此类推至第九级功率优化器ch9的第二输出端no2连到第十级功率优化器ch10的第一输出端no1。可以认为：串联的多级功率优化器ch1-ch10提供的串级电压等于它们各自的输出电压的叠加值，第一级功率优化器ch1的耦合到母线la的第一输出端no1和末尾的最后的第十级的功率优化器ch10的耦合到母线lb的第二输出端no2之间可以提供整个串联的多个功率优化器的总的串级电压vbus=vo1+vo2+…vo10。还在任意一个功率优化器的第一输入端in1和第二输入端in2之间连接输入电容ci，和在任意一个功率优化器的第一输出端no1和第二输出端no2之间连接输出电容co。

参见图2，功率优化的意义：某个功率优化器需要将与之配对某个直流电源的输出电流和输出电压设置成该直流电源的最大功率点，换言之，功率优化器需要将自身的输出电流设置成与其配对的直流电源的输出电流无直接关联性，功率优化器需要将自身的输出电压设置成与其配对的直流电源的输出电压无直接关联性。

参见图2，传统串联型的功率优化器采用的是固定电压的设计理念。逆变器根据交流端电压确认一个稳定的直流母线的电压，汇总各串联的功率优化器收集的最大功率，进而计算出母线电流并通过无线或电力载波信号传输给功率优化器。功率优化器输出端的电压等于所收集的组件最大功率的功率除以母线电流。如多级功率优化器ch1-ch10收集的最大功率被输送给逆变器invt，光伏组件pv1-pv10提供的总功率除逆变器invt的直流母线的固定电压就能计算出母线电流ibus。组件出现被遮挡的情况后，它对应的功率优化器根据伏安曲线重新确定最大输出功率值，通过无线或载波传输给逆变器。在维持直流母线电压不变的前提下，重新计算母线电流例如变小并反馈给各功率优化器。此时被遮挡的组件的功率降低，它对应的功率优化器也会降压来确认输出电流达标。其他未被遮挡的组件的功率优化器则会升压来达标输出电流，这个动态调节其实是电压补足的过程，从而提供给逆变器的直流端母线电压被稳定。可以假设光伏组件pv1-pv5被遮挡严重导致功率优化器ch1-ch5各自的输出电压下降，则未被遮挡的光伏组件pv6-pv10各自对应的功率优化器ch6-ch10必须升压来弥补功率优化器ch1-ch5的降压。疑虑是：固定电压的设计理念，极易导致未被遮挡的光伏组件对应的功率优化器的输出电压可能超过功率优化器自身的电压耐受范围，部分组件遮挡越严重时这一问题愈发突出。天空中飘过的云朵或建筑物或树阴等都是遮挡的诱发因素，无论是季节性的阴影或以若干小时计算的短暂阴影，功率波动引起的电压超出范围很难预测，这是母线电压固定的弊端。

参见图2，多级功率优化器ch1-ch10均配置有处理器，除了执行mppt是由处理器输出的脉冲宽度调制信号pwm实现的，处理器和它配置的外设硬件还可以采集直流电源或功率优化器的各类目标参数，相当于数据采集器，因为逆变器invt能撷取这些目标参数数据是十分有意义的，譬如基于每个电池组串的总功率来计算母线电流和调节母线电压以及将各类数据传送到云端服务器作为备份或供调用等。在可选的实施例中，外设硬件可以将光伏组件的电压和电流、功率以及温度和发电量等等一系列的相关指定目标参数信息进行采集，例如电压参数由电压传感器、电流参数由电流传感器、温度参数由温度感应器等外设硬件采集。外设硬件的种类越多处理器能够得到的和光伏组件相关的参数种类也就越多，但成本会增加，这需要折衷。目标参数还可以包括通过环境监测仪来侦测到的光伏组件所处的周边环境因素数据：环境温度及湿度、风速、光照强度和气压等，环境监测仪是数据采集器的一种。功率优化器彼此之间通过无线通信或载波通信可以互传数据或者功率优化器和逆变器invt之间通过无线通信或载波通信互传数据。

参见图3，光伏组件的功率电压pce-vpv曲线正如图中所示，光伏组件的输出特性是非线性的直流电源。在光照强度le1-le5几个辐射等级下光伏组件的功率-电压曲线也不相同，归纳为：在光照强度不一致的情况下，光伏组件的功率-电压曲线表现的特性是辐射强度越大，光伏电池的输出功率越大，反之，输出功率越小。光照强度le1-le5中每个辐射等级下对应的功率-电压曲线均包含一个最大功率点，不同功率-电压曲线的最大功率点连接起来构成了最大功率点组合曲线pmp，光照强度变化如遮挡会导致光伏组件的最大功率点发生改变，功率优化器需要在组合曲线pmp上去追踪最大功率点。光伏组件的特性还在于短路电流随着光照强度的变化而变化，光照越强短路电流越大，开路电压略微增大但我们可以认为几乎不发生较大的变化。光伏电池的输出特性与温度也有关，表现为温度越高，短路电流略微变大，但开路电压降低，最大输出功率越小。

参见图3，光伏组件发生功率降低事件的诱因之一除了包括阴影遮挡等，也还包括老化等情况，如果阴影遮挡不复存在，则功率降低事件自然被解除。如果老化的直流电源被新的没有缺陷的良品直流电源替换掉，功率降低事件也视为被解除。观察任意光伏组件的功率电压pce-vpv曲线，在基本相同的环境条件下，光伏组件具有唯一的最大输出功率点而且在最大功率点左侧，光伏组件的的输出功率随光伏组件的输出电压上升而呈现线性上升趋势，到达最大功率点后，光伏组件的输出功率迅速下降，并且最大功率点右侧的功率下降的速度远大于它在最大功率点左侧的上升速度。光伏组件的最大功率点对应的输出电压大约等于光伏组件的开路电压的78-80％左右。

参见图4，我们假设多级功率优化器ch1-ch10当中某个功率优化器ch1对应的光伏组件pv1被遮挡、功率优化器ch10对应的光伏组件pv10未被遮挡，这期间整个多级光伏组件pv1-pv10当中余下的其他的光伏组件可以是处于遮挡状态或是处于未被遮挡状态，这里仅仅以光伏组件pv1和pv10作为范例进行阐释，而且作为引起直流电源功率降低的诱因虽然是以遮挡为例，但实际上直流电源的制造差异甚至衰减老化等问题同样也会引起类似的后果。观察图4中光伏组件pv1的功率急剧降低导致与它配对的功率优化器ch1的输出电压vo1降压，同时光伏组件pv10配套的功率优化器ch10则抬升输出电压vo10，不同功率优化器的输出电压的升压或降压表现出来的动态调节过程是为了满足母线电压被固定的需求。功率优化器ch1或ch10采用了上文提及的适用于光伏功率优化器的主电路拓扑，因此输出电压vo1或vo10都必须符合规定范围也即在可工作的电压范围内，以定义的低预定值vl和高预定值vh之间的电压区间来表征功率优化器输出电压的规定范围。然而未被遮挡的光伏组件pv10配套的功率优化器ch10实际的输出电压vo10可能因为光伏组件pv1被遮挡而使得输出电压vo10发生一次或多次被迫超过高预定值vh的异常，光伏组件pv1的对外功率越低则输出电压vo10的增幅越大。

参见图4，避免功率优化器的输出电压超出规定范围的异常，本申请的基本思路是母线上的串级电压vbus不再固定不变，而是浮动式的动态调节。利用类似于逆变器之类的能源收集装置接收多级电压转换器提供的输出功率，能源收集装置配置的二次优化功能用于将直流母线电压和直流母线电流设置在最大功率点，如果功率优化器在光伏组件首次执行功率优化，则能源收集装置配置的优化相对于首次优化就定义为二次优化。结合本申请前文在图1中介绍的方案，含有二次优化的功率优化系统主要包括：串联的多级功率优化器ch1-chn，每一级功率优化器均将从与之对应的一个直流电源撷取的电能转换成输出功率，譬如第n级功率优化器chn将从与它对应的直流电源即光伏组件pvn撷取的电能转换成输出功率。在功率优化系统中多级功率优化器ch1-chn各自的输出电压予以叠加藉此作为直流母线的电压vbus，在多级功率优化器ch1-chn中，每一级功率优化器均用于将与之对应的一个直流电源的输出电流和输出电压设置在最大功率点并属于首次优化，如第n级功率优化器chn用于将与它对应的直流电源即光伏组件pvn的输出电流和输出电压设置在最大功率点。另外接收多级功率优化器ch1-chn各自提供的输出功率的能源收集装置例如逆变器inv配置有二次优化功能，如果激活二次优化功能则可以用于将直流母线电压和直流母线电流设置在最大功率点。

参见图5，当光伏组件pvk（自然数k是1至n中的某个数字）的输出电压不等于最大功率点对应的电压时，需要控制其输出电压向着最大功率点的电压靠近。如图所示光伏组件pvk配置的处理器300通过电压传感器111采样光伏组件pvk的输出电压和通过电流传感器112采样光伏组件pvk的输出电流，图中略去了各类传感器采集到目标参数的模拟量被转换成数字量的过程。以扰动观察法为例，处理器300通过基于光伏组件的输出电压及电流相乘计算出实际功率是落在最大功率点左侧还是右侧，并通过最大功率点追踪算法判断出光伏组件的最大功率点对应的电压。除了扰动观察法之外最常见的最大功率追踪算法还有恒定电压法、电导增量法等。最大功率点追踪演算模块301在判断出最大功率点对应的电压后，处理器300根据判断的结果确定光伏组件pvk需要工作在最大功率点所对应的电压，具体是由处理器300通过输出的脉冲调制信号pwm来驱动功率优化器chk将光伏组件pvk的输出电压稳定在光伏组件pvk的最大功率点处对应的电压值处，处理器300带有脉宽调制器或数字脉宽调制器302，它用来产生脉冲调制信号并进一步驱动或控制功率优化器chk的运行。

参见图5，处理器300通过电压传感器113感测功率优化器chk的输出电压和通过电流传感器114感测功率优化器chk的输出电流。结合图4和图5的实施例，光伏组件的功率降低事件例如发生在某时刻，光伏组件pv1被遮挡但光伏组件pvk未被遮挡而导致功率优化器chk的输出电压vok趋于超过高预定值vh，功率优化器chk通过配置的电压传感器113侦测输出电压vok，输出电压vok趋于超过vh则处理器300通过脉冲信号和根据计算的最大功率点电压，直接驱动功率优化器chk的输出电压vok落在规定范围的高低预定值vh-vl内。譬如在光伏组件pv1发生了功率降低事件的时间阶段控制功率优化器chk输出高预定值vh，此种情况下原本趋于高出vh的输出电压vok被钳制在不高于vh而导致母线的电压vbus下降，这是在串联的多级功率优化器中选取一个或者多个优化器来调节直流母线的电压vbus。由于母线电压的下降，功率优化器chk的输出电压vok的原本被强迫增加的电压幅度值被减小甚至不用增加，也意味着即使面临光伏组件pv1的功率降低事件但功率优化器chk的输出电压可落在规定范围内。

参见图5，前文已经介绍了功率优化器的主拓扑电路，光伏组件pvk利用图示的功率优化器chk产生期望的输出电压同时执行最大功率点追踪。功率优化器chk输入侧的第一输入端in1耦合到光伏组件pvk正极及第二输入端in2耦合到光伏组件pvk的负极端处。功率优化器chk输出侧的第一输出端no1和第二输出端no2之间提供输出电压及转换功率，另外还有输入电容ci被连接在第一输入端in1和第二输入端in2之间以及输出电容co被连接在第一输出端no1和第二输出端no2之间。电压转换电路或称为功率优化器将光伏组件提供的直流电执行dc/dc的电压转换并亦即同步执行最大功率追踪演算。功率优化器chk中的降压转换电路模块的功率开关s1和功率开关s2串联在第一输入端in1和第二输入端in2之间，以及还有功率优化器chk的升压转换电路的功率开关s3和功率开关s4串联在第一输出端no1和第二输出端no2之间。其中降压转换电路模块中的功率开关s1和功率开关s2两者相连于第一互连节点nx1，以及升压转换电路模块中的功率开关s3和功率开关s4两者相连于第二互连节点nx2，升降压电路模块buck-boost电路拓扑中前侧功率开关s1-s2两者相连的第一互连节点nx1与后侧功率开关s3-s4两者相连的第二互连节点nx2之间设置有主电感元件l，其中的第二输出端no2和第二输入端in2可以直接耦合到一起或者设定它们的电位基本相同。功率优化器配置的处理器300带有的脉宽调制器302发出的几路脉冲调制信号pwm可以用于驱动功率开关s1-s4，可以利用驱动器400加强调制信号的驱动能力，驱动器400输出的几路驱动信号d1-d4分别耦合到开关s1-s4的栅极控制端。

参见图5，功率优化器chk包括直流到直流的升降压型电压转换器，在其被确定的输出电压vok高于与之对应的光伏组件pvk的最大功率点对应的电压时，则确定该功率优化器chk由脉冲宽度调制信号pwm控制工作于升压模式，升压转换电路模块来抬升电压而降压转换电路模块的功率开关s1持续接通和功率开关s2持续关断。在功率优化器被确定的输出电压vok低于光伏组件pvk的最大功率点对应的电压时，则确定该功率优化器chk由脉冲宽度调制信号pwm控制工作于降压模式，降压转换电路模块来降低电压而升压转换电路模块的功率开关s4持续接通和功率开关s3持续关断。在功率优化器被确定的输出电压vok接近光伏组件pvk的最大功率点对应的电压时，也即两者的电压近乎相等时，则功率优化器chk由脉冲宽度调制信号控制工作于含升压模式和降压模式的混合模式mixed-mode，关于buck-boost电路工作于含升压模式和降压模式属于已知的技术，例如开关s1-s3接通后再切换到s2-s4接通并以此循环等。另外作为可选的实施例在输出电压vok近乎等于最大功率点对应的电压时，还可以主张将用作高频开关电源模式smps的功率优化器chk控制工作于直通模式，也即：其耦合到光伏组件正极的第一输入端in1直接被连接到提供输出电压的第一输出端no1譬如开关s1-s4接通而开关s2-s3关断；另外耦合到光伏组件负极的第二输入端in2直接被连接到提供输出电压的第二输出端no2（如果第二输入端in2和第二输出端no2之间耦合有任何开关则必须此开关必须接通）。升压或降压等调压功能保障了输出电压的高低可调节性。

参见图5，由于处理器300通过电压传感器111采样光伏组件pvk的输出电压和通过电流传感器112采样光伏组件pvk的输出电流，从而能够计算出光伏组件pvk提供的对外功率。光伏组件是否发生功率降低事件或是否解除了功率降低事件，需要监测它的对外输出功率，如果光伏组件因为被遮挡等则它的输出功率低于功率阈值就表征发生了功率降低事件，反之如果它的输出功率不低于功率阈值表征解除了功率降低事件。功率优化器配置的处理器通过采集的光伏组件的输出电压和输出电流计算得到的对外输出功率作为判断功率降低事件发生或解除的依据。

参见图6，接收多级功率优化器ch1-ch10提供的输出功率的能源收集装置是如图所示的逆变器invt，逆变器invt配置的二次优化功能用于将直流母线电压vbus和流经直流母线的母线电流ibus设置在最大功率点，即二级mppt功能。逆变器invt还可以被带有二次优化或不带二次优化功能的充电器替代。在关闭逆变器invt的二次优化功能时将其视为无最大功率追踪的纯逆变设备，或者在启用逆变器invt的二次优化功能时将其视为配备有二级最大功率追踪的逆变设备。在可选的实施例中关闭逆变器invt的二次优化功能时，多级功率优化器ch1-ch10中的每一个都将与之对应的一个直流电源的输出电流和输出电压设置在最大功率点:第一级功率优化器ch1将光伏组件pv1控制运行在最大功率点处，类推至第十级功率优化器ch10将光伏组件pv10控制运行在最大功率点处，由于功率优化器的前级mppt功能开启，各级直流电源能够达到最佳的优化效果则无需启用逆变器的后级mppt功能，同时防止前后级优化冲突。

参见图6，将多级功率优化器ch1-ch10予以划分分类：在多级功率优化器中定义第一类功率优化器和第二类功率优化器，例如假设第一类功率优化器至少包含如图所示的功率优化器ch1-ch2等，和假设第二类功率优化器至少功率优化器ch10等。我们限定第一类功率优化器工作在直通模式dic-mod，与此同时，还限定第二类功率优化器工作在优化模式mpp-mod。无论是第一类功率优化器还是第二类功率优化器，它们均包括撷取光伏组件提供的电能的第一及第二输入端，和包括提供自身输出功率的第一及第二输出端。在启用逆变器invt的二次优化功能时，使得：第一类功率优化器将其耦合到与之对应的一个光伏组件正极的第一输入端直接短接和直通到第一输出端；与此同时，第一类功率优化器将其耦合到与之对应的一个光伏组件负极的第二输入端直接短接和直通到第二输出端。如：功率优化器ch1耦合到光伏组件pv1正极的第一输入端in1直接短接并直通到功率优化器ch1的第一输出端no1，功率优化器ch1耦合到光伏组件pv1负极的第二输入端in2直接短接并直通到功率优化器ch1的第一输出端no2，这也即限定功率优化器ch1工作在直通模式dic-mod的范例。在启用逆变器invt的二次优化功能时还可以控制功率优化器ch10将对应的光伏组件pv10的输出电流和输出电压设置在最大功率点处，这也即限定功率优化器ch10工作在优化模式mpp-mod的范例。第一类功率优化器工作在直通模式dic-mod可以给逆变器的二次mppt预留可实现最大功率追踪的功率裕度，如果二次mppt缺乏多级功率优化器ch1-ch10预留的功率裕度则逆变器的二次mppt很难将直流母线的电压和电流定位在最大功率点而失效。在可选的实施例中，第一类功率优化器更合适与经常发生较大功率波动的光伏组件配对，而第二类功率优化器则更合适与功率较为稳定的光伏组件配对。以依附在分布式住宅建筑上的光伏组件为例，经常发生较大功率波动的光伏组件通常是容易被树木或周边其他建筑物遮挡的那些组件，住宅上功率相对稳定的光伏组件往往是屋顶的那些不易遮挡的组件。

参见图4，在某些实施例中当面临功率降低事件时：多级功率优化器中的一个或多个在它们自己的输出电压的规定范围vl-vh内选取某个预期电压值如vh，这个选取的预期电压值比因为功率降低事件导致的功率优化器的输出电压的预估电压值要略低，从而降低母线上的串级电压。譬如某个功率优化器因为功率降低事件被迫将其输出电压大约维持在大于高预定值的预估电压，但实际却受到控制而输出某个较低的预期电压值。前文提及多级功率优化器ch1-ch10和逆变器invt等可以通过载波或无线方式的通信，多级功率优化器ch1-ch10将各自的输出功率和输出电压等数据发送给逆变器invt，而作为可选实施例，逆变器invt可以根据这些输出电压值和光伏组件pv1-pvn的输出功率来配置母线电流。可选的，设置到直流母线上的电压调节器（voltageregulator）250可以单独耦合在母线上作为独立的设备或是被集成在逆变器invt中作为逆变器的组成部分。虽然允许直流母线的电压vbus上升或下降的浮动，但是作为可选项，最好利用电压调节器限制直流母线的电压在预定的上限值和下限值vup-vdw范围之内浮动。

参见图6，在含有二次优化的功率优化系统中，在启用二次优化功能时藉由各个第一类功率优化器例如功率优化器ch1-ch2对应的光伏组件pv1-pv2的动态变化电压从而实现以电压浮动的形式调制直流母线电压。光伏组件pv1-pv2的动态变化电压的产生机制可能是多方面的，光照辐射的高低变化或被遮挡、温度变化都可能引起光伏组件的输出电压和输出电流有较为明显的波动。第一类功率优化器工作在直通模式dic-mod所以导致第一类功率优化器对应的光伏组件所输出的动态变化电压直接反馈到母线上。

参见图7，第一类功率优化器工作在直通模式dic-mod：如功率优化器chk被归类于第一类功率优化器，功率优化器chk受到其配置的处理器300的控制或驱动而工作于直通模式时，功率优化器chk耦合到光伏组件pvk正极的第一输入端in1直接被连接到提供输出电压的第一输出端no1譬如开关s1和s4接通而开关s2和s3关断，使得作为高频开关电源的电压转换器也即功率优化器chk的输入电压等于输出电压。耦合到光伏组件pvk负极的第二输入端in2直接连到提供输出电压的第二输出端no2。

参见图8，功率优化器chk不再采用升降压电路，而是降压电路拓扑。具体体现在降压电路输入侧的第一输入端in1耦合到光伏组件pvk正极及第二输入端in2耦合到光伏组件pvk的负极端处。降压电路输出侧的第一输出端no1和第二输出端no2之间提供输出电压及转换功率。功率开关sw和电感l1串联在降压电路的第二输入端in2和第二输出端no2之间，第一输入端in1直接耦合到第一输出端no1。功率开关sw的一端和第二输入端in2相连但功率开关sw的相对另一端和降压电路的第一输入端in1之间连接有二极管di，二极管di的阳极连到功率开关sw和电感l1之间互连的节点，并且还设置该二极管di的阴极连到第一输入端in1。功率优化器配置的处理器300带有的脉宽调制器302发出的脉冲调制信号pwm可以用于驱动功率开关sw的关断/接通，还可以利用图中的驱动器400加强调制信号的驱动能力，驱动器400输出的驱动信号d5施加到功率开关sw的栅极控制端。仍然以第一类功率优化器工作在直通模式dic-mod为例来阐释说明：功率优化器chk被归类于第一类功率优化器，功率优化器chk受到其配置的处理器300的控制或驱动而工作于直通模式时，使得第二输入端in2直接连接到第二输出端no2譬如我们控制功率开关sw被接通，此时作为高频开关电源的电压转换器也即功率优化器chk的输入电压等于输出电压。

参见图6，在一个或多个第一类功率优化器例如功率优化器ch1-ch2对应的光伏组件例如光伏组件pv1-pv2发生功率降低事件，并引起一个或多个第二类功率优化器例如功率优化器ch10的输出电压vo10被强迫抬升至趋于超出规定范围vl-vh时，第二类功率优化器例如功率优化器ch10受其配置的处理器300的控制而将输出电压vo10限定在规定范围内的一个预期电压值。如果任由功率优化器ch10的输出电压vo10不受控的随机波动，光伏组件pv1-pv2发生功率降低事件可能导致输出电压vo10被迫上升到大于高预定值vh的某个预估电压，主动对输出电压vo10加以控制，钳制输出电压vo10实际等于某个较低的预期电压值，而且符合规定范围vl-vh。

参见图6，以光伏组件pv1-pv10和功率优化器ch1-ch10为例，一个或多个第一类功率优化器对应的光伏组件的功率波动引起直流母线的电压vbus浮动。在功率降低事件发生的某时刻，光伏组件pv1被遮挡住、光伏组件pv10未被遮挡，一个或多个第二类功率优化器如功率优化器ch10将对应的光伏组件例如光伏组件pv10维持工作在最大功率点状态。前级优化主要是功率优化器ch10等配置的处理器300的mppt功能将光伏组件pv10等的输出电压和电流设置在最大功率点，启用逆变器的二次优化功能主要是指将此时母线的电压和电流设置在最大功率点。可以让串联的光伏组件pv1-pv10产生尽可能多的输出功率，使输送给能量收集装置例如逆变器invt的功率最大化。

参见图6，在功率降低事件发生的某时刻，假设光伏组件pv1-pv2被遮挡住但是光伏组件pv3-pv10未被遮挡。未发生功率降低事件的余下其他光伏组件pv3-pv10当中的一个或多个由对应的功率优化器ch3-ch10控制从最大功率点状态切换到非最大功率点状态。假设选取的光伏组件pv8-pv9处于非最大功率点状态，即光伏组件的输出电压低于或高于最大功率点对应的电压，仍然是光伏组件pv1-pv10各自的对外功率相加计算得到总功率之和，光伏组件pv8-pv9切换到非最大功率点状态，则进入非最大功率点状态的光伏组件pv8-pv9输出的对外功率在一系列光伏组件pv1-pv10提供的总功率之和中所占的份额降低。在一个实施例中，在一个或多个第一类电压转换器对应的光伏组件如光伏组件pv1-pv2发生功率降低事件时，触发一个或多个第二类电压转换器配置的处理器控制一个或多个第二类电压转换器将对应的光伏组件如光伏组件pv8-pv9从最大功率点状态切换到非最大功率点状态。譬如，光伏组件pv1-pv2被遮挡住而功率降低可能引起功率优化器ch8-ch9的输出电压超过vh，此种情况下：进入非最大功率点状态的光伏组件pv8-pv9输出的对外功率在一系列光伏组件pv1-pv10提供的总功率之和中所占的份额降低，藉此可以降低进入非最大功率点状态的光伏组件pv8-pv9对应的功率优化器ch8-ch9自身的电压输出值v8或v9在串级电压v1+v2…v10中的比例、以保障相应的功率优化器ch8-ch9的输出电压也不会超出规范vl-vh。这是一种以主动损失部分发电量的方式来保全功率优化器安全等级的折中方案。功率优化器受到它配置的处理器的控制来确定光伏组件处于最大功率点还是非最大功率点，处理器启用最大功率点跟踪演算功能则可以控制功率优化器去执行最大功率追踪，处理器不启用最大功率点跟踪演算功能而仅仅使用普通的电压调制则可以控制功率优化器实施普通的功率转换。

参见图6，限制直流母线的电压vbus在预定的上限值vup和下限值vdw范围内动态浮动，在功率降低事件发生的某时刻，以光伏组件pv1被遮挡而光伏组件pv10未被遮挡为例。在直流母线电压vbus降到趋于接近等于下限值vdw时：未发生功率降低事件的余下其他光伏组件当中的一个或多个，由对应的功率优化器控制从最大功率点状态切换到非最大功率点状态。例如光伏组件pv10由功率优化器ch10控制从最大功率点状态切换到非最大功率点状态，其输出电压偏离最大功率点对应的电压，目的是迫使此时一系列光伏组件pv1-pv10提供的总功率除以直流母线电压此时的当前值而计算出来的母线电流下降。母线电流的下降是指的是：光伏组件pv10处于非最大功率点状态所计算出的母线电流比光伏组件pv10处于最大功率点状态计算出的母线电流要低，显而易见这是因为光伏组件pv10从最大功率点状态切换到非最大功率点状态，则光伏组件pv10的对外输出功率必然下降。在某些实施例中，在一个或多个第一类电压转换器对应的直流电源例如光伏组件pv1发生功率降低事件导致直流母线电压跌落至趋于接近下限值时，触发一个或多个第二类电压转换器配置的处理器控制一个或多个第二类电压转换器将对应的直流电源例如光伏组件pv10从最大功率点状态切换到非最大功率点状态。是考虑到：进入非最大功率点状态的光伏组件输出的对外功率降低，导致一系列光伏组件pv1-pv10提供的总功率之和降低，使得此阶段的总功率除以直流母线电压此时的实际电压值（非常接近乃至等于下限值）计算得到的母线电流下降，例如是因为降低了进入非最大功率点状态的光伏组件pv10等的功率。直流母线电压的实际电压值接近下限值则说明它已经没有再下降的弹性空间。而进入非最大功率点状态的光伏组件pv10所降低后得到的对外功率除以上述被减少后的母线电流，大约等于进入非最大功率点状态的光伏组件pv10所对应的功率优化器ch10的输出电压v10，此种情况下输出电压v10很容易实现可受控的被限定在规范范围vl-vh内。相反的是，如果该光伏组件pv10仍然保持在最大功率点状态，则功率优化器ch10的输出电压v10很可能会被迫的抬升到远远超出规定规范vl-vh，尤其是直流母线电压已经没有任何向下浮动的弹性空间时，光伏组件pv1等丧失的功率越多则输出电压v10越是要补偿更多的电压。同样虽然有功率损失，但是这也是一种以主动损失部分发电量的方式来保全功率优化器安全等级的折中方案。

以上通过说明和附图的内容，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，上述发明提出了现有的较佳实施例，但这些内容并不作为局限。对于本领域的技术人员而言在阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。