電壓補償的製作方法
2024-02-09 22:31:15
專利名稱：電壓補償的製作方法
技術領域：
本發明涉及電壓補償。實施例涉及在為普通直流逆變器供電的元件陣列內提供電壓補償。本發明可以與光伏發電機系統一起使用，但不限於與光伏發電機系統一起使用。
背景技術：
在當前提供「綠色」能量的推動下，光伏(PV)面板的使用變得普遍。然而，這些面板的使用仍然處於研發中。因此，面板的單位成本是比較高的。當結合驅動以高效地提供能量時，很明顯，理想的是將PV面板設置成儘可能有效率地工作。PV面板通常以串聯串組的方式連接，並產生合適的直流電壓，該合適的直流電壓通常適於在相關聯的電力處理系統中運行的附隨逆變器或其它電變換器中轉換成交流電壓。對於給定的日照水平(暴露於陽光)和溫度，每個PV面板都具有最佳直流工作電壓，通常使用在相關聯的功率處理系統中運行的自動最大功率點(MPP)跟蹤算法來尋找和跟隨該最佳直流工作電壓。MPP算法搜尋在PV面板的I-V輸出曲線中的這樣的點在該點處當汲取增加的電流時，輸出功率開始下降。在功率處理系統的相關聯控制設備中的功率損耗是PV面板的成本有效運轉中的一大因素。這樣的系統的具體難點在於由於日照的自然變化，由陣列產生的平均功率遠小於陣列的最大額定功率。在相關聯的功率處理系統中作為最大額定功率的函數的固定功率損耗因此相對較高，並且對能量轉換的總效率具有不成比例的影響。在大PV面板陣列的情況下，通常以並聯布置的方式連接面板的多個串聯串組。通常，這些串聯串組的兩端跨接有大的公共逆變器。可以使用如下多個功率設備(半導體) 來成本有效地設計該大的公共逆變器所述多個功率設備(半導體)可以被控制成使得只有滿足當前發電等級所需的功率的設備被激活。單個設備的損耗尤其是固定損耗因而要適合於發電的等級。這種布置的缺點在於逆變器中MPP跟蹤算法只能夠共同地調節跨越在所有串聯串組上的電壓。不能照顧到陣列中每一個PV串組所產生的電壓差異，例如由每個面板的不同的溫度、太陽角度、遮影以及不均勻的老化過程引起的差異。替代地，PV面板的每一個串聯串組都可以與本身的較小逆變器相連接。採用與每個串聯串組相關聯的逆變器的優點在於每一個串聯串組都可以設置有獨立的MPP跟蹤算法和控制系統。這些單個逆變器的成本較高。因為這種逆變器不能夠成本有效地適於功率需求，所以這種布置在除了最大額定功率下之外的情況下呈現出降低的效率。每個逆變器的固定損耗消耗了每個串組所產生的功率的很大部分。因此，需要以高效和成本有效的方式來提高元件的電壓生成陣列的適應性。對此問題，傳統方法在串組和公共逆變器的輸入之間使用一些形式的直流/直流變換器。這具有以下缺點逆變器的全部功率吞吐量將會通過該功率轉換的額外階段，從而引起與該功率吞吐量成比例的額外損耗。
發明內容
本發明在權利要求中進行了闡明。可選特徵在從屬權利要求中進行了限定。根據第一方面，提供了一種如所附權利要求中的權利要求1所限定的方法。因而提供了一種根據權利要求1的設備，該設備用於產生補償電壓輸出，所述設備包括至少一個光伏模塊以及與該至少一個光伏模塊串聯連接的偏置裝置，該偏置裝置能夠操作以產生可控偏置電壓，所述可控偏置電壓用於調製該至少一個光伏模塊的輸出電壓以產生所述補償電壓輸出。本發明的實施例因此使得每個串組的輸出能夠通過施加與所述輸出的串聯的偏置電壓而被單獨地補償。每個串組的輸出根據陣列的總輸出通過施加偏置電壓來優化。可選地，偏置裝置被設置成使得該偏置裝置的功率吞吐量與生成的偏置電壓成比例並因此小於所述至少一個光伏模塊的總功率吞吐量。可選地，所述設備包括串聯耦接在一起的多個光伏模塊，並且其中偏置裝置與所述光伏模塊串聯耦接，以形成具有電壓輸出端的串聯串組。可選地，所述設備還包括多個串聯串組，至少兩個串聯串組並聯地耦接，以使得該串聯串組的輸出端提供公共的光伏模塊陣列輸出。可選地，偏置裝置包括直流到直流變換器。可選地，偏置裝置還包括控制設備以及串聯串組電壓和/或串聯串組電流測量裝置，所述控制設備和所述測量裝置被設置成使得該控制設備可以根據串聯串組電壓和/或串聯串組電流測量值來控制施加到該串聯串組的電壓輸出上的偏置電壓。根據第二方面，提供了一種補償電壓輸出的方法，該方法包括以下步驟將至少一個光伏模塊暴露在光下，以使得該光伏模塊產生直流輸出電壓；以及利用偏置裝置產生的偏置電壓來調製該輸出電壓，使得該電壓輸出被補償。可選地，該方法還包括以下步驟測量串聯串組電壓和串聯串組電流；將測量值提供給偏置裝置的控制設備的最大功率點算法；從控制設備提供控制輸出以控制由偏置裝置施加的偏置電壓，使得根據串聯串組電壓和串聯串組電流測量值使用偏置電壓來調製所述輸出電壓。根據所有方面，可選特徵在從屬權利要求中限定。
現在將參照附圖並僅通過示例來描述實施例，在附圖中圖IA系統地示出用於與一個或更多個光伏電池一起使用的現有技術的變換器布置；圖IB系統地示出根據文中所述的實施例的變換器布置；圖IC示出光伏面板的電壓補償系統；圖2A示出具有升壓模式變換器、反激式布置的實施例；圖2B示出具有升壓模式變換器、正激式布置的實施例；圖2C示出具有升壓模式變換器、反激式布置的另一個實施例；圖2D示出具有升壓模式變換器、正激式布置的另一個實施例；
圖3A示出具有降壓模式變換器、反激式布置的實施例；圖;3B示出具有降壓模式變換器、正激式布置的實施例；圖3C示出具有降壓模式變換器、反激式布置的另一個實施例；圖3D示出具有降壓模式變換器、正激式布置的另一個實施例；圖4A示出具有雙極變換器的實施例，該雙極變換器具有有源整流器；圖4B示出具有雙極變換器的另一個實施例，該雙極變換器具有有源整流器；圖5A示出具有丘克變換器、升壓布置的實施例；圖5B示出具有丘克變換器、降壓布置的實施例；圖5C示出具有丘克變換器、升壓布置的另一個實施例；圖5D示出具有丘克變換器、降壓布置的另一個實施例；以及圖6示出了如圖2A所示的實施例，但具有最大功率點跟蹤控制器和相關聯的支撐元件；在圖中，相似的元件由相似的附圖標記表示。概述通過概述，在電壓補償系統中，每個PV模塊的串聯串組或串聯串組的並聯串組都設置有與串聯串組串聯耦接的相關聯的直流到直流變換器。當PV模塊暴露在日光下並因而產生直流電壓時，變換器在串聯串組的直流電壓上施加偏置電壓。這產生了串聯串組上的、不單獨取決於在給定的日光等級下PV模塊的串聯串組工作電壓的串聯串組電壓。MPP跟蹤算法控制直流到直流變換器，使得可以保持每個串組的最大功率輸出點 (或儘可能地接近)。如果不能保持在最大功率輸出點，則可以使用平均值或其它近似值。當多個串聯串組並聯連接以使得它們提供公共陣列輸出時，公共逆變器可以耦接到該陣列。逆變器被控制以確定直流電壓，並因此確定整個PV陣列的電壓。這又影響了 PV 串聯串組工作的電壓。
具體實施例方式參考圖1A，可以了解與一個或更多個光伏(PV)電池一起使用的傳統直流/直流變換器布置的工作。如圖中所示，來自光伏電池或這些光伏電池的串組2的輸出進入直流 /直流變換器4，而該直流/直流變換器4的輸出6形成電路的輸出。因此，來自所述電池或串組2的所有電力通過變換器4。這樣設置的目的是為了藉助電池或串組2所關聯的一個或更多個變換器4來使電池或串組2實現電壓或電流匹配，以使得多個電池或串組2可以並聯連接或串聯連接且同時仍然工作在其各自的最佳功率點。雖然這對電池或串組2的效率有利，但是流過電池或串組2的所有功率也要流過關聯的直流/直流變換器4的事實表現為明顯的缺點，這是因為變換器4的額定功率必須與電池或串組2的額定功率相同。通過示例，圖1中的設置可以根據如下直流/直流變換器技術來工作該技術具有 2%的固定損耗以及在滿負載下的4%的可變損耗。如果串組2被額定為具有IkW功率峰值，則圖IA中傳統布置的變換器4必須被額定成IkW吞吐量。因此，將具有20W的固定損耗，並且具有從無負載下的零到滿負載下的40W範圍的可變損耗。最佳可能轉換效率可以為 94%。通過對比，圖IB系統地示出根據下文更詳細描述的實施例的變換器布置。如圖所見，PV電池或串組2被設置成與直流/直流變換器4串組合起來，以使得電路的輸出8來自電池或串組2和直流/直流變換器4的串組合，而不是只來自變換器4。由於這種布置， 圖IB中的變換器4可以進行工作，以向電池或串組2的電壓提供偏置電壓，從而使電路的總輸出8與目標電壓相匹配。取決於待滿足的目標電壓，可以將由電池或串組2提供的電壓加上或減去該偏置電壓。這通過圖IB中的雙向箭頭來表示，該雙向箭頭表示適用於圖中所示布置的可替換的「升壓」和「降壓」配置。因為圖IB中的變換器4隻提供使PV電池或串組2的電壓或電流具有相對小的變化的偏置電壓，所以在變換器4內的傳遞功率只是偏置量本身的函數，而不是變換器4和串組2的組合的整體輸出8的函數。如本領域的技術人員會理解的，直流/直流變換器的損耗必然是在其工作期間其功率的函數。因此，在圖IB中所示的布置中，直流/直流變換器4 的損耗只與其提供的偏置量成比例。變換器額定功率必然因此等於或超過最大偏置功率。 該變換器額定功率不需要等於電池或串組2的最大功率。返回關於圖IA的上述數值示例，如果同一變換器技術與圖IB中所述的布置一起使用，並且如果允許電池或串組2的最大輸出的10%的最大變換器偏置，則變換器的固定損耗會是2W，可變損耗會是4W。等價轉換效率會是99.4%。不考慮圖IB中所示的布置的內部設計的特殊性，與現有技術的布置相比，歸因於所使用的直流/直流變換器的工作的方法，該圖IB中所示的布置提供了顯著的效率提高。如本領域技術人員熟知的，在現有技術的布置中，通常與整個光伏(PV)電池陣列相結合來提供單個直流/直流變換器。這樣的陣列可以包括串聯連接和/或並聯連接的多個PV電池串組。在這樣的傳統配置中，整個陣列的功率會輸入到逆變器。該布置可以包括可以運行最大功率點(MPP)算法來尋找整個陣列的最佳電壓的逆變器控制器。該電壓會是整個陣列的總值，而不是每個單獨串組的最佳電壓。每個串組通常會產生幾個安培，例如在 2A至5A的範圍內。但是，典型陣列可以產生1000A範圍內的電流。PV串組的典型工作電壓可以在500V至900V的範圍內，並且如公知的，會隨著溫度而變化。與此對比，根據圖IB 示出的、下文所描述的實施例，直流到直流變換器可施加的偏置電壓的典型值可以在串組電壓的5%至10%的範圍內。與使用傳統布置相比，運行如圖IB中所示的直流/直流變換器具有顯著的優點。 可以對每個串組提供與其串聯連接的單獨的直流/直流變換器。利用與每個串聯串組串聯連接的相關聯的變換器，可以不考慮任何逆變器參數變化而保持每個PV模塊的最佳電壓輸出條件並從而保持作為一個整體的每個串組的最佳功率輸出點。此外，由於各個變換器使得在其串組與陣列中的其它串組之間存在緩衝，因而每個串組都可以向陣列中的其它串組輸出不同的最佳直流電壓。參照圖1C，可以見到更詳細的示例。如其中所示，多個PV模塊10 —起耦接成串聯串組11或串聯串組11的組。每一個串聯串組11都有輸出端12A、12B。串聯串組11可以並聯地與其它串聯串組11耦接，以形成PV模塊的並聯陣列13。陣列13的並聯布置使得PV 串聯串組11能夠被配置成使得陣列13具有公共的陣列輸出端14A、14B。這些公共端14A、 14B可以連接到諸如功率處理系統的公共直流電路，例如逆變器16。此外，當工作條件需要時，可以將串聯串組11以及子陣列(未示出)以其它串組合方式串組合到一起。
內嵌式直流到直流變換器15或其它電壓調節器與每個串聯串組11的PV模塊串聯耦接。變換器可以定位在串聯串組中的任何點處。可以選擇變換器的位置以適應物理約束、歸因於具有不同接地需求的不同PV面板製造商而進行的的接地布置、或用於使得通過輸出端12A、12B與其它串聯串組11方便的公共連接的布置。如圖6所示，每個變換器15 都具有相關聯的偏置控制系統，該關聯的偏置控制系統包括支撐元件和在控制器內的最大功率點(MPP)跟蹤算法。如上文背景部分所討論的，對於給定的日照和溫度等級，每個PV電池或模塊都具有最佳的直流工作電壓。忽視任何其它的電路影響，每個串聯串組11因此將向變換器15 提供根據條件可變的最佳直流串組電壓。在工作中，當如圖IC所示的串聯串組11暴露在日光下時，MPP算法與控制系統一起調節變換器15，以提供合適的偏置電壓，以與跨接PV模塊的串聯串組兩端的電壓相結合，從而提供跨接串組的輸出端12A和12B的目標電壓。因此，通過使用內嵌變換器15，可以獨立於在輸出端12A、12B處的直流電壓來調節跨接於PV模塊的串聯串組兩端的電壓。儘管輸出端12A、12B處的電壓會受到變換器15的行為的一定程度的影響，但在逆變器16或其它直流負載的控制下輸出端12A、12B處的電壓通常基本保持為相當恆定。由於變換器15的補償作用，作為整體的串組11可以根據串組條件而不考慮串聯串組11之外的電路條件工作在最佳直流電壓下。變換器15可以在任何給定時刻將偏置電壓施加於串聯串組的最佳直流電壓上。因此，跨接PV模塊串組的直流電壓可以隨時間而改變並且被控制，以使得可以實現串組中PV電池的最大效率或滿足一些其它目標，而不考慮在輸出端 12A、12B處的電壓。當陣列13中有多個串聯串組11時，結合由內嵌變換器15提供的偏置電壓調節， 每一個串聯串組都可以提供跨接於串聯串組的輸出端上的、基本與其它串聯串組提供的直流電壓相等的直流電壓。反過來，這些基本相等的串組輸出電壓呈現為跨接於陣列的公共輸出端14A、14B的公共直流電壓。跨接於陣列的輸出端14A、14B的輸出因此向公共逆變器 16或其它負載提供基本一致的直流電壓。因此，實際上，變換器15在跨接於串聯串組的PV模塊兩端的最佳電壓與跨接於作為整體的串聯串組的輸出端12A、12B的電壓輸出之間提供「緩衝」。變換器15還提供對外部電路對於串聯串組輸出端的影響的補償(如若不然，這些影響會影響到串聯串組11的PV 模塊的直流電壓，使其偏離最佳水平的輸出電壓)。在如圖IC所示的、PV陣列的每個串組中具有偏置設備的布置中，公共逆變器16 可以通過公共陣列輸出14A、14B耦接到PV陣列。逆變器16能夠因此將陣列的直流輸出 14A、14B轉換成適合於連接到本地配電網絡的交流輸出19。這可以用於將電力輸送回配電網絡。甚至當逆變器16連接到陣列的公共輸出端14A、14B時，通過在由串聯串組產生的直流電壓上施加偏置電壓，可以控制一個或更多個內嵌變換器15，以獨立於其它串聯串組並因此獨立於耦接到公共陣列輸出14A、14B的公共逆變器16的影響來調節每一個串聯串組11的局部工作狀態。可以在不影響每個單獨的串聯串組11的效率的情況下，根據總MPP 算法來調節公共逆變器16，或者可以根據例如公共逆變器6所耦接的任何功率分配的參數來優化公共逆變器16。由於在每一個串聯串組11的輸出端12A、12B處的任何電壓變化被內嵌變換器15補償，所以可能影響逆變器16的輸出特性的逆變器16的參數的任何變化都不會影響每個串聯串組11的最佳直流電壓輸出。因此，由變換器15在每一個串聯串組11 中實現的調節使得耦接在陣列13兩端的逆變器16適於實現基於每個串聯串組11的基本上穩定的輸出的最佳工作效率。可能的變換器技術存在許多用於調節直流電壓的電力電子開關模式技術。這些技術包括操作降壓變換器、升壓變換器以及逆變器或整流器中的任一個。然而這些技術中的功率損耗使得如果用在諸如圖IA所示的傳統布置中，效率的總效益會變小。這樣的技術的固定功率損耗是額定功率吞吐量的函數，並且難以實現小於額定功率的2%的損耗。此外，主功率半導體的額定值為可能的輸入電壓和電流的全範圍。因此， 使來自PV模塊的串組的所有功率通過降壓變換器、升壓變換器、逆變器或整流器將是非高效的或非成本有效的。通過對比，在圖IB至圖5D的實施例中，變換器15隻需要供給所需的直流偏置電壓，以使得每個串聯串組11在輸出端12A、12B上提供基本上相等的直流電壓。所以，變換器的功率吞吐量只是直流偏置電壓的函數，而不是全部串組直流輸出電壓的函數。因此，與整個陣列的額定值和全部串聯串組的額定功率相比，變換器15的額定功率小並且由最大所需直流偏置電壓來確定。變換器15的固定及可變損耗基本低於用於全部串組電壓的變換器所具有的固定及可變損耗。從而這還可以使形成變換器的元件的成本降低。轉到圖2A至圖4B，將描述包括變換器15的不同布置的多個實施例。變換器可以向由PV模塊產生的最佳直流串聯串組電壓提供正電勢(升壓模式)、負電勢(降壓模式) 或可調電勢(雙極)。偏置電壓的保持需要變換器中的功率淨輸出，當然，該功率淨輸出與變換器中的電流和偏置電壓成比例。在所有示出的實施例中，只示出了功率半導體元件。還可以有本領域的技術人員會理解的附加元件，諸如緩衝器、續流二極體和去磁二極體(de-magnetising diode)。圖2A至圖2D示出了升壓模式變換器，其中電流從串聯串組流到輸出端12A、12B。 具體地，圖2A和圖2C示出反激式布置，圖2B和圖2D示出正激式布置。在以下情況下將會採用升壓模式變換器最小優化串聯串組電壓是對逆變器16輸入參數的約束。在圖2A和圖2B的實施例中，變換器輸入在M處耦接到串組輸出。變換器的輸出與串組輸出串聯耦接，以便於增加跨接於輸出端12A和12B的輸出電壓。根據圖2A的實施例，當暴露在日光下時，PV模塊10產生直流電壓。藉助於在變壓器20的繞串組中感應出的電流，當電晶體22接通時，能量存儲在變壓器磁化電感中；當電晶體關斷時，能量輸送到變壓器次級電路20A。在另一個實施例中，變換器輸入可以從變換器輸出取得，如圖2C的點觀所示。根據圖2B的實施例，是如本領域普通技術人員所知的，當電晶體22接通時，功率被輸送到輸出12A。藉助於在電感27中感應出的電流，當電晶體22接通時，能量存儲在電感27中；當電晶體22導通或關斷時，能量連續地輸送到輸出電路12A。在另一個實施例中，變換器輸入可以從跨接於輸出端12A、12B的輸出取得，如圖 2D的點29所示。PV面板的一些設計需要阻流二極體或「抗反饋器件」，例如在晚上，當串組沒有受到任何日照時，或者是在陣列中存在有損壞的串組的情況，或者在存在有處於陰影中的特定串組的情況。通過合適地選擇元件額定電壓，圖2A、圖2B、圖2C和圖2D的升壓模式實施例可以提供這種功能。圖3A至圖3D示出了降壓模式變換器，其中偏置電流從輸出端12A、12B流到串聯串組11。具體地，圖3A和圖3C示出了反激式布置，圖;3B和圖3D示出正激式布置。在以下情況下將會採用降壓模式變換器最大串組電壓是對逆變器16輸入參數的約束。根據圖3A的實施例，變換器的輸入在點30處與串組串聯耦接。這減小了輸送到輸出端12A、12B的直流輸出的電壓。變換器的輸出在點32處與串組並聯連接，增加了來自串組的可用電流。在另一個實施例中，變換器輸出可以耦接到輸出端12A、12B，而不是串組輸出(如圖3C的點34所示)。這可以產生更有效的轉換。根據圖;3B的實施例，變換器的輸入在點30處與串組串聯耦接。這減小了輸送到輸出端12A、12B的直流輸出電壓。變換器的輸出與串組並聯連接，增加了來自串組的可用電流。在另一個實施例中，變換器輸出可以耦接到輸出端12A、12B，而不是串組(如圖3D 的點34所示)。這可以產生更有效的轉換。轉到圖4A，示出了具有有源整流器的雙極模式推挽式變換器。在以下情況下將會採用雙極模式變換器串聯串組電壓接近逆變器16的輸入所需要的平均電壓，並因此需要相對小的偏置電壓的施加，所述相對小的偏置電壓的施加相對於所需要的最佳串組電壓輸出可以為正的也可以為負的。這種布置因此提供了變換器中最低的轉換損耗。通過調節在變壓器10的任一側的電晶體22的控制信號的相對相位，完全受控的推挽式變換器能夠在條件範圍內工作，並且功率可以朝任一方向流動。變壓器20的左側與串組串聯耦接40，而右側並聯耦接42。功率可以被串聯地減去和並聯地添加，以提供端 12AU2B的直流電壓輸出的電壓減少；或者並聯的減去和串聯地添加，以提供端12A、12B的直流電壓輸出的增加。在另一個實施例中，並聯分支(變壓器20的右手側)可以耦接到端12A、12B的輸出，而不是串組，如圖4B中的點44所示。當提供降壓轉換時，這個實施例可以更有效。在另一個實施例中，通過用二極體來替換圖4A和圖4B中所示的電晶體22中的兩個，能夠實現單極模式，這對本領域普通技術人員來說是顯然的。變壓器具有二極體的一側可以是變換器的輸出。當變換器的輸出在變壓器20的左手側時，工作會處於升壓模式；當變換器輸出在變壓器20的右手側時，工作會處於降壓模式。在另一個實施例中，如圖5A至圖5D所示，可以使用丘克((^uk)變換器。根據圖5A的丘克變換器升壓模式實施例，PV模塊10產生直流電壓。當電晶體22 接通時，能量存儲在電感51中。當電晶體22關斷時，能量通過耦接的電容器52輸送到變壓器初級電路20，並因此輸送到次級整流器電路。變換器輸入在M處耦接到串組輸出。變換器的輸出與串組輸出串聯耦接，以便於增加輸出端12A和12B的輸出電壓。根據圖5B的丘克變換器降壓模式實施例，變換器的輸入在點30處與串組串聯耦接。這減小了輸送到輸出端12A、12B的直流輸出。變換器的輸出連接到輸出端，以增加至來自串組的可用電流。
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在另一個丘克變換器升壓模式的實施例中，變換器輸入可以耦接到輸出端12A、 12B，而不是串組輸出，如圖5C中點34所示。這產生更有效的轉換。在另一個丘克變換器降壓模式的實施例中，變換器輸出可以耦接到串組輸出，而不是輸出端12A、12B，如圖5D中的點30所示。這產生更有效的轉換。在所有的實施例中，所述一個或更多個雙極電晶體可以例如為金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)或絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)或其任意串組合。上述實施例中的很多都可以被設置成功率半導體中的任何失效會產生「後退狀態 (fall-back state)」。例如，在圖2A中的電路中，如果電晶體22由於故障不能傳導，則通過二極體和變壓器20次級繞串組固有地保持串組和輸出之間的連續性。如果電晶體12短路，則保護設備例如熔斷器斷開，而連續性再次被保持。由於變換器的低功率吞吐量，預期短路電流與保護設備的協調被簡化了。通常，在升壓/降壓功能丟失但串組仍然連接到輸出端12A、12B的情況下，失效模式產生。在這種情況下，利用可用的「後退狀態」，串組能夠在次佳的MPP水平上繼續輸送電力。這與功率半導體的失效會導致總體上的串組輸出損耗的傳統全變換器形成對比。逆變器控制在圖6中，示出了實施例，該實施例示出作為偏置電壓控制系統的部分來布置的、 如圖2A中所示的反激式升壓變換器布置。控制器60與每個變換器15相關聯，並包含MPP跟蹤算法。算法可以藉助於下載到諸如但不限於微控制器的可編程的控制器設備60的軟體來提供，或通過其它裝置諸如特定用途集成電路(ASIC)固化到控制器60中。如所見到的，可以為支撐元件(其可以是低成本的阻抗元件)提供串聯串組的測量點，並使得能夠向控制器60提供信息，基於該信息來應用所包含的MPP算法。控制器60接收串聯串組輸入的串組電流62和串組電壓61，還可以接收變換器電流63和調節後的串組輸出電壓64。如前所述，變換器15是自足的，不需要外部耦接到任何其它串聯串組。控制器60能夠接通和關斷電晶體22以向變換器15中的電流流動提供脈寬調製。這個動作將相應的正偏置電壓施加在PV模塊的串聯串組的最佳直流電壓輸出上， 以產生輸出端12A、12B的獨立可控的直流串組輸出電壓。如上文已經解釋的，可以調節施加在串聯串組電壓上的偏置電壓，以使得在與陣列13中的其它串聯串組11相連的串聯串組輸出端12A、12B處保持電壓輸出。變換器15通常是獨立的和自足的。但是，控制器60可以設置有數據通信能力。可以通過外部系統使用控制器60的獨立控制輸入65將控制信號發送到控制器60。這可以例如調節變換器15的動作，從而使施加在串聯串組11上的偏置電壓能夠由於變換器15之外的原因而被調節，而不是保持串聯串組的電壓基本上恆定。因此，如果需要，獨立的控制輸入65能夠忽略由輸入61到64提供的本地測量值。附加地或可替換地，控制器60可以設置有狀態監測功能，以將諸如串聯串組工作參數的監測數據傳輸到遠程監測設備。圖6所示的實施例包括用於每個串組中的各變換器的控制器60。然而，單獨的控制器可以被設置成監測和控制他們各自的串組中的兩個或更多個變換器。這需要具有足夠處理速度和功率的控制器以使得能夠多路復用而不影響控制器性能。故障檢測
串組電壓和電流以及輸出電壓數據能夠用於檢測串聯串組、串組盒或串組盒互連中的可能的故障。串組盒是位於陣列的附近的單元，用來匯集向一批獨立串組的連接，並提供用於與其它串組盒互連的各種設備、過流保護、用於維護目的隔離以及對狀態和安全因素的監測。串組盒互連是串組盒間的連接，其聚集了來自各串組盒的、傳遞到陣列輸出的輸出。優點和變型因此，提供了一種系統，該系統使得能夠對每一個串聯串組11做出單獨的調節， 以使得產生跨接於其輸出端12A、12B的期望的串組輸出電壓，以緩衝PV面板的最佳輸出電壓以及補償外部電路的影響。根據所有實施例，當每一個串聯串組11獨立地工作且通常在PV面板和地之間只有單極(正的或負的)電勢時，變換器15和相關的元件都不需要提供電隔離。此外，在每一個串聯串組和直流母線之間總是有一個公共耦合。這避免了與歸因於變換器15或逆變器16的切換動作的共模電壓相關聯的問題。針對升壓或降壓功能選擇合適的偏置電壓範圍使得能夠優化系統成本和效率。所描述的實施例的元件成本和功率損耗近似地與由每個串組中的變換器提供的最大偏置電壓成比例。在已知的系統中，可能沒有充足的知識來做出系統在其工作期間所需要提供的偏置電壓範圍的完全知情的選擇。本系統的一個益處是能夠適應在面板的工作期間變化的 PV串組特性，特別是對特性的多樣化的適應。這些特性能夠隨著例如以下情況變化面板的老化、面板的汙染、用不同製造商的面板替代面板以及在長期使用之後將只會變得明顯的其它未知的影響。此外，如果PV串組11顯示這樣的改變的特性，即其相關聯的變換器15不能夠實現MPP，則變換器15能夠在控制器60的影響下工作在最有利的設置下。控制器60通過其前述數據通信能力可以指示該限制條件。然後可以添加額外的變換器以提供擴展的偏置電壓範圍，而無需保留對變換器進行替換這樣的類型配置。不需要內嵌變換器15本身具有任何例如將偏置電壓從5%改到10%的任何智能，這是因為可以提供單獨的控制器來監測作為整體的串聯串組和內嵌變換器的工作，並且如果需要的話可以簡單容易地添加額外的或可替換的內嵌變換器。通過改進在現有PV模塊的串聯串組內的直流/直流變換器可以實現上述實施例。 這可以代替被布置成對陣列或串聯串組的全部輸出進行轉換的現有變換器，因而產生巨大的能量節約。當逆變器被用作跨接在如圖IC所示的PV陣列的公共輸出上的負載時，這樣的逆變器能夠監測陣列的輸出。該逆變器能夠因此監測特定的直流/直流變換器是否能夠在特定電壓下優化相關聯的串組的輸出。逆變器還能夠平衡優化每個串組或陣列的需求，增加其自身效率，該每個串組或陣列還是溫度敏感的。為了與在輸出處的任意適當的負載一起使用，文中所述的實施例和布置可以以不同的PV串組和陣列的排列來設置。此外，位於PV模塊的串聯串組中的變換器的前述布置同樣地應用到任何系統，在該任何系統中，理想的是特定設備的最佳電壓輸出被保護或緩衝以避免受到外部電路影響。可以繼續產生設備的最佳電壓輸出，並且電路的其它部分只受到在變換器施加其補償偏置電壓之後所產生的電壓的影響。
12
儘管已在文中示出和描述了特定的實施例和布置，但是可以在不偏離權利要求所述的本發明的範圍的情況下進行其它布置。
權利要求
1.一種用於產生補償電壓輸出的設備，包括至少一個光伏模塊；以及與所述至少一個光伏模塊串聯連接的偏置裝置，所述偏置裝置能夠操作以生成可控偏置電壓，所述可控偏置電壓用於調製所述至少一個光伏模塊的輸出電壓，以產生所述補償電壓輸出。
2.根據權利要求1所述的設備，其中，所述偏置裝置被設置成使得所述偏置裝置的功率吞吐量與生成的所述偏置電壓成比例。
3.根據權利要求1或2所述的設備，還包括串聯耦接在一起的多個光伏模塊，並且其中所述偏置裝置與所述光伏模塊串聯耦接，以形成具有電壓輸出端的串聯串組。
4.根據權利要求3所述的設備，包括多個所述串聯串組，至少兩個串聯串組並聯地耦接，以使得所述串聯串組的輸出端提供公共的光伏模塊陣列輸出。
5.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述偏置裝置包括直流到直流變換ο
6.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述偏置裝置包括升壓變換器。
7.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述偏置裝置包括降壓變換器。
8.根據權利要求6或7所述的設備，其中，所述變換器為反激式變換器。
9.根據權利要求6或7所述的設備，其中，所述變換器為正激式變換器。
10.根據權利要求5所述的設備，其中，所述變換器為雙極變換器。
11.根據權利要求10所述的設備，其中，所述變換器為推挽式變換器。
12.根據權利要求1至5中任一項所述的設備，其中，所述偏置裝置包括丘克變換器。
13.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述偏置裝置還包括控制設備；以及串聯串組電壓和串聯串組電流測量裝置；所述控制設備和所述串聯串組電壓和串聯串組電流測量裝置被設置成使得所述控制設備能夠根據所述串聯串組電壓和所述串聯串組電流的測量值執行操作以控制施加在所述串聯串組的電壓輸出上的所述偏置電壓。
14.根據權利要求12所述的設備，其中，所述控制設備被設置成控制在所述偏置裝置中流動的電流。
15.根據權利要求14所述的設備，其中，所述控制設備包括用於接收控制信號的輸入， 以使得所述偏置電壓能夠由接收的所述控制信號控制。
16.根據權利要求14或15所述的設備，其中，所述控制設備還包括數據傳輸裝置，所述數據傳輸裝置用於向監測設備提供串聯串組工作數據，以使得能夠遠程監測所述串聯串組的工作參數。
17.根據權利要求4所述的設備，其中，所述陣列耦接到公共逆變器。
18.一種用於補償電壓輸出的方法，包括以下步驟將至少一個光伏模塊暴露在光下，以使得所述光伏模塊產生直流輸出電壓；以及使用偏置裝置生成的偏置電壓來調製所述輸出電壓，以使得所述電壓輸出被補償。
19.根據權利要求18所述的方法，還包括以下步驟測量串聯串組電壓和串聯串組電流；將測量值提供給所述偏置裝置的控制設備的最大功率點算法； 從所述控制設備提供控制輸出以控制由所述偏置裝置施加的所述偏置電壓，以使得利用根據所述串聯串組電壓和所述串聯串組電流測量值的偏置電壓來調製所述輸出電壓。
20.根據權利要求18或19所述的方法，還包括以下步驟在所述控制設備處接收來自於所述串組外的外部設備的輸入信號，所述偏置裝置位於所述串組中；以及調節所述控制輸出以使得所述偏置電壓能夠由所述外部設備控制。
21.根據權利要求18至20中任一項所述的方法，還包括以下步驟向監測設備提供串聯串組工作數據，以使得能夠遠程監測所述串聯串組的工作參數。
22.—種在此參照附圖的任意組合描述並如所述附圖的任意組合所示的光伏模塊的陣
全文摘要
提供了一種用於產生補償電壓輸出的設備，其包括至少一個光伏模塊以及與該至少一個光伏模塊串聯連接的偏置裝置。偏置裝置可操作以生成可控偏置電壓，所述可控偏置電壓用於調製該至少一個光伏模塊的輸出電壓，以產生所述補償電壓輸出。
文檔編號H02M3/155GK102428422SQ201080020985
公開日2012年4月25日 申請日期2010年12月20日 優先權日2009年12月23日
發明者科林·哈吉斯 申請人:控制技術有限公司