用於太陽能光伏能量收集和轉換的系統及方法

2024-02-11 12:44:15

用於太陽能光伏能量收集和轉換的系統及方法
【專利摘要】提供了一種能量收集系統的電路，其包括被配置為與電力負荷耦接的一個或多個組串。所述一個或多個組串中的每一個包括彼此以串聯方式耦接的一個或多個串部件。所述一個或多個串部件中的每一個包括：（i）連接件，其從能量輸出裝置接收輸出；以及（ii）逆變器，其被配置為將所述能量輸出裝置的輸出轉換為交流（AC）能量。所述電路包括控制器，其通過控制單獨的串部件來控制由所述一個或多個組串提供的輸出。
【專利說明】用於太陽能光伏能量收集和轉換的系統及方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請根據《美國法典》第35卷第119(e)節要求於2011年7月11日提交的標題為「SYSTEM AND METHODS FOR SOLAR PHOTOVOLTAIC ENERGY COLLECTION AND CONVERSION」的臨時申請第61/506，544號的優先權，其全部內容通過引用合併於此。
【背景技術】
[0003]目前，可看到能量發電系統增加了使用諸如太陽能之類的可再生能源。例如，太陽能收集可通過利用光伏效應而發生。為了在成本方面實現太陽能光伏(PV)系統的市電同價，美國能源部(DOE)例如已經預估出諸如PV逆變器之類的將直流電(DC)能量轉換為電網兼容的交流電(AC)能量的電力轉換設備花費應當不超過$0.10/瓦特。逆變器的$0.10/瓦特的預算是把硬體成本、安裝以及整個使用期的運行&維護(0&M)成本都包括在內的。對目前實際使用的現有的PV逆變器拓撲結構和那些未來計劃開發的PV逆變器拓撲結構的評估表明在目前及計劃的成本與DOE的市電同價的目標成本之間存在顯著差異。在世界各地，PV逆變器的平均銷售價格(所有市場和kW規模的平均值)在2010年是$0.29/瓦特，這不包括安裝和0&M成本。
[0004]微型逆變器或微型轉換器的花費比在單點聚集DC-AC轉換功能的集中式逆變器(典型地為IOOkW及以上規模)的花費多約2至3倍。然而，傳統的集中式逆變器無法捕獲由於電池板到電池板的變化引起的損失能量。研究表明未捕獲的能量不僅僅是收益損失，而且還可能是PV電池板隨著時間劣化的速度加快的原因，這是由於較高的電池工作溫度引起的。儘管微型逆變器和微型轉換器的花費遠超於集中式逆變器的花費，但是它們具有通過顯著改善最大功率點追蹤功能的粒度以提升系統性能的潛能，這是因為它們一般被設計為僅與一個單獨的PV電池板連接。儘管它們具有被感知了的性能增強能力，但是現有的微型逆變器或微型轉換器解決方案的價格遠遠超出了 DOE的市電同價目標。
[0005]因此，儘管隨著過多的新拓撲結構和架構被提出，PV逆變器【技術領域】中的活動近期復甦了，但是，仍然存在對能夠在保持微型逆變或微型轉換的被感知了的利益的同時實現顯著的成本降低的解決方案的需求。進一步存在對不影響電力轉換效率的節能太陽能收集的需求。本文公開的系統和方法滿足這些需求，並且能夠從提出的架構(其累計地使得整體解決方案的額外系統成本降低)獲得進一步的利益。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]各附圖通過示例的方式而非通過限制的方式示出了本文的公開內容，以及附圖中相同的參考數字表示相似的元件，附圖中:
[0007]圖1示出了根據一個實施例的示例能量收集和轉換系統；
[0008]圖2A至圖2D描繪了根據本文描述的實施例的逆變器、微型逆變器或H橋；
[0009]圖3A至圖3B示出了根據不同的實施例的包括負荷中心或終端盒的能量收集和轉換系統的示例；[0010]圖4示出了根據一個實施例的在三相配置中具有單相組串的示例系統；
[0011]圖5示出了根據一個實施例的顯示了串部件細節的示例能量收集和轉換系統；
[0012]圖6示出了根據一個實施例的如圖5描繪的串部件的詳細功率電路圖；
[0013]圖7示出了根據一個實施例的用於收集和轉換能量的示例方法；
[0014]圖8示出了在一個或多個實施例中可包括在能量收集和轉換系統中的同步電網跟蹤器的示例；
[0015]圖9A至圖9B示出了根據一個實施例的能量收集和轉換系統的功率流(powerflow)表不；
[0016]圖10示出了根據一個實施例的功率控制器；
[0017]圖11示出了根據一個實施例的能量收集和轉換系統的簡化示例；
[0018]圖12示出了根據一個實施例的表明了組串電壓與電網電壓關係的相量圖；
[0019]圖13示出了根據一個實施例的用在能量收集和轉換系統中的多頻能量耦合器電路的示例；
[0020]圖14示出了根據一個實施例的平衡的DC和AC功率操作；以及
[0021]圖15示出了根據一個實施例的功率平衡配置。
【具體實施方式】
[0022]本文描述的實施例針對高效地轉換能量和最大化功率輸出的能量收集和轉換系統而提供。如本文所述，所述能量收集和轉換系統可通過減少發生在該系統內的轉換次數而高效地將直流電(DC)能量轉換為交流電(AC)能量。此外，儘管本文描述的實施例將PV電池板稱作能源輸入端，但是該概念可以被本領域的普通技術人員擴展至其它類型的能量收集/產生或能量儲存系統。
[0023]在一些實施例中，所述系統可實現半導體元件到相同的矽晶片的低電壓集成，以顯著降低成本，同時保留集中式逆變器和微型逆變器兩者的優點(即，集中式逆變器的低成本和高效率以及微型逆變器的高靈活性和電池板級優化)。特別是，提供的所述系統可降低成本、最大化性能、並且增大從可再生能源收集和轉換能量的可靠性。
[0024]發明人認識到，儘管微型逆變器能夠解決集中式和組串式逆變器的很多缺點，但是典型的微型逆變或微型轉換可導致在如下方面付出代價:Ca)較低的功率轉換效率；(b)每瓦特成本增加；以及(C)較低的可靠性。例如，關於(a)較低的功率轉換效率，一些製造商聲稱他們能夠通過利用集中式逆變器或者甚至是組串式逆變器提升對由於缺少電池板級優化器而導致的未捕獲的kWhrs或能量的全面收集來補償損失的瓦特。微型逆變器製造商的該聲稱在很多操作環境下難以證實並且在一些情形下很容易駁倒，特別是在電池板供應商給出較嚴格的製造公差的情形下。可以表明的是，對於諸如薄膜電池板級優化之類的低填充因子PV技術而言，其獨自在額外能量的收集方面具有非常小的幫助，並且如果源自一個或類似的收集器的陣列構成電池板，其幫助甚至更小。
[0025]此外，很多工業設備也獲益於通常沒有阻擋或遮蔽的更好的場地位置。對於很多大型工業設備而言，由於電池板變動不充分或因為陣列內的電池板歸屬同一收集器，微型逆變器可能不能比集中式或組串式逆變器採集實質上更多的能量，甚至對於諸如多晶矽之類的某些更高填充因子的電池板而言，同樣如此。然而，純粹因電池板級優化產生的額外的能量收集對於諸如單晶矽(SUNPOWER)或基於多結電池的聚光型PV或CPV電池板之類的更高填充因子的電池板而言是可行的。儘管多結電池是最高效的PV電池，但是CPV電池板更多地受到電池板不匹配問題的影響，這是因為，由於在製造過程中光學以及機械公差疊加，所以更難以保持關鍵性的電池板加工一致性。
[0026]發明人進一步認識到，關於(b)成本增加($/W)，規模經濟對集中式逆變器產品的益處比批量價格優勢提供給微型逆變器或微型轉換器的益處更多。儘管它們的成本較高，但是，在很多情況下，微型逆變器能夠省去與安裝集中式逆變器相關的額外成本。例如，取決於製造商、可用性、以及安裝屬性、電線/組串/家庭-運行(home-run)落地能力及市電並聯連鎖機制的容易程度，在大於200kW的功率範圍內，集中式逆變器的報價範圍從$0.17/W至$0.25/W (不包括0&M成本)。這些逆變器受益於將功率操作和轉換電路系統合併到柵絕緣雙極型電晶體(IGBT)的單個-區塊/橋/相位-臂(single-blocks/bridge/phase-arms)、高電流操作電感器、變壓器、或其它的磁性和各種濾波器元件中，並且之後能夠通過規模經濟獲得較低的製造成本。不幸地是，電路系統和諸如大電感器、變壓器、以及濾波器之類的無源元件的合併也致使這些逆變器非常龐大、難以運輸並且安裝它們的費用昂貴，即使它們有較低的資金/初始成本。
[0027]目前，微型逆變器/微型轉換器還仍未從它們的元件的提升的批量採購影響中獲益。因而，它們的一般報價處在$0.55/W至$0.85/W範圍的高端。諸如住宅或光工業設備之類的較小設備可以吸收額外的首次或硬體成本，以規避諸如因鄰近建築或樹木產生的對PV電池板的遮蔽或阻擋、缺少放置長組串的充足的屋頂區域之類的場地相關的缺點，同時受益於不必把任何表面區域(土地或牆壁)專用於組串或集中式逆變器所佔用的面積而相對容易地連接至電網。然而，對於較大設備而言，相對於集中式逆變器而言的顯著成本差異很難調整。因此，基於當前價格體系的微型逆變器可能僅被限制於較小規模的住宅或光工業設備。元件(有源半導體)集成的巨大壁壘是對電路中高電壓的要求。要求高電壓升壓是為了實現與輸電網絡中的電壓相兼容的電壓。
[0028]發明人還認識到，關於(C)較低可靠性的缺點可歸因於許多因素。這些因素包括:
(I)拓撲結構中的大量元件；(2)相關焊錫接點；(3)電容器(例如，電解式、揮髮式)的低壽命；以及(4)由於熱膨脹和熱收縮在板(PCB)上產生彎曲應力。目前，製造商在他們的設計中採用薄膜電容器(替代電解式電容器)。然而，為了能夠提高可靠性，分立元件數仍然居高不下。主轉換電路系統中的高電壓負面地影響可靠性。首先，很難集成高電壓半導體矽元件；其次，其導致半導體開關的高開關壓力。半導體元件集成，特別是，使用已完善建立的、低成本且高可靠性的矽製程的半導體元件集成可以增加系統可靠性，但是用於高電壓電路的元件集成通常仍成本過高。
[0029]根據一個或多個實施例，所述系統可在從DC至AC轉換能量的過程中使用少次數的轉換(例如，一次，兩次，三次，五次或更少次等)。通過使用少次數轉換(例如，一次轉換)和/或通過消除對電壓升壓操作的需要，所述系統可具有最大可能的效率，或具有提升的效率。所述系統可合併可得到的或通常可得到的商品半導體開關以降低成本。例如，額定擊穿電壓為50V-100V的金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)可被用於PV轉換並改善採購影響以及減少基於矽半導體的功率開關中的轉換損耗，基於矽半導體的功率開關中的轉換損耗歸因於它們極低的通態壓降(可被稱為歐姆損耗分量RDS(m))以及比較低的開關損耗(歸因於這些開關的改進的品質因數(FOM))。通過使用高效率、低電壓的M0SFET，所述系統相比於目前發展水平而言可提升開關頻率一個或多個數量級以實質上提升功率密度，從而，隨之降低了成本。所述MOSFET還能夠省去或顯著減少散熱成本，和/或能夠減小磁性元件的尺寸、減輕其重量、減小其體積，以降低成本。
[0030]更進一步，在一些實施例中，所述系統還可以通過降低揮髮式電容器儲存要求來提升可靠性。此外，集成大部分或全部半導體元件(包括高壓側驅動器)也可以提升所述系統的可靠性。此外，高轉換效率可引起總體損耗的降低和/或潛在地提升可靠性。
[0031 ] 所述系統還可保持微型逆變器的電池板級優化能力的益處。為了改善和增強所述系統的性能，這些特徵可能是有利的。例如，電路系統中的不同配置能夠不同地處理較高性能電池板和較低性能電池板。在其它實施例中，所述系統能夠保持甚至提升家庭運行(例如，住宅設施)的功率負荷能力以及傳統或最新技術水平的系統的設施簡化。所述系統在每個等同的家庭運行的電力系統上能夠操作至少相同數量的電池板。
[0032]更進一步，根據一些實施例，用於能量收集和轉換的系統和方法可針對市電並聯性能集成儘可能多的元件。這可使得元件合併並且降低成本。例如，這可包括合併開關裝置和聯鎖元件。所述系統和方法可被提供為在安裝中不比微型逆變器的安裝具有更多的附件。例如，可允許如同將傳統集中式逆變器系統中的DC匯流箱和微型逆變器系統中的負荷中心集成的點。
[0033]根據實施例，所述能量收集和轉換系統包括連接至電力負荷的一個或多個組串。每個組串包括彼此以串聯方式耦接的多個串部件。所述串部件被配置為從/向諸如PV電池板或蓄電池之類的電壓源吸收/產生DC能量，並將DC能量轉換為AC能量。
[0034]在一些實施例中，每個串部件包括電壓源和被配置為將DC能量轉換為AC能量的逆變器(或微型逆變器)。串部件的AC輸出能夠被匯集以向電力負荷提供匯集的AC能量。所述電力負荷可包括接口以耦接至輸電網絡、可以是輸電網絡的一部分、或者可以被配置為AC發電系統的一部分(例如,獨立電力系統、AC電動機、AC電阻負載)。例如，匯集的輸出可被耦合至負荷中心或終端盒，負荷中心或終端盒可被耦接至輸電網絡。
[0035]在一個實施例中，微型逆變器可支持單個太陽能光伏(PV)電池板，或者可支持多個PV電池板(例如，被連接至單個逆變器的大量PV電池板)。在一些實施例中，對任意一個太陽能電池板的遮蔽、或電池板故障通常會成比例地減少整個太陽能電池板陣列的輸出。每個微型逆變器能夠用作其連接的電池板的最大功率點追蹤器。
[0036]根據一個或多個實施例，匯集的串部件的AC輸出可通過控制器控制。在一個實施方式中，該控制器可以是與電力負荷一起提供的或作為電力負荷一部分的主控制器並且能夠向每個串部件傳達控制信號以控制系統的AC輸出。每個串部件可包括能夠從所述主控制器接收控制信號的控制電路。
[0037]在其它實施例中，每個單獨的串部件可包括被配置為產生DC電壓的至少一個PV電池板以及DC-AC逆變器。例如，所提供的系統可合併為住宅或工業設施的一部分，從而多個PV電池板可被配置為接收陽光並產生DC能量。在單級轉換中，該系統能夠在電池板級將DC能量轉換為AC能量，並連續累積每個單獨的串部件的AC電壓，以耦合至輸電網絡。在將電壓提供到組串之前，通過在電池板級將能量從DC轉換至AC，不再需要單獨的集中式AC轉換元件。[0038]根據實施例，每個單獨的串部件的DC-AC逆變器可被配置為:將DC電壓轉換為具有取決於光伏電池板電壓的電壓幅度輸出的AC電壓；將DC電壓轉換為具有取決於由控制器關於輸電網絡或AC發電系統的相位量確定的相位基準的相位輸出的AC電壓；和/或將DC電壓轉換為具有取決於由控制器關於輸電網絡或AC發電系統的頻率量確定的頻率基準的頻率輸出的AC電壓。串部件還可包括額外的電壓幅度和/或相位調整機制，例如控制器的升壓或降壓電路關於組串上的其它串部件有區別地管理每個串部件的電壓。
[0039]在一些實施例中，可以沒有任何電壓升壓操作或要求而在電池板級實現從DC能量至AC能量的轉換(例如，通過每個串部件)。因此，施加在組串上的電流可與每個串部件(例如，AC電源)的輸出端處的電流一致。這些AC電源的電壓也可以被改變以應對它們各自的發電能力並且也可以被累加以與電網電壓足夠並充分地兼容。此外，在其它實施例中，這些AC電源的電壓可以克服電線、電路系統和/或其它的市電並聯元件中的對應於組串電流的固有電壓降。
[0040]在很多電網交互應用中，根據它們的法規要求(UL1741、IEEE1547)，即使在低或高的電網條件下，例如低於或高於標稱值10%，也可要求這類PV系統支持電網或者要求其保持與電網的連接。甚至當PV電壓比標稱值低得多時，假如電網條件碰巧與峰值陽光照射時間一致，當環境溫度高並且PV電池板的標稱電池溫度也被推高時，可能也必須滿足該嚴格的電網條件或要求。由於PV電壓遵循電壓的負溫度係數(針對晶體矽為-0.35%/°C)，因此PV電壓輸出隨著PV電池操作溫度的升高而減小。在這種條件下，例如，可以想像，根據PV電池板電壓規格,可能需要大約30個AC電源每個平均貢獻大約17.6Vrms，而在標稱條件下大約僅16Vrms。這些分布式的AC電源內部的兀件的電壓可能顯著低於傳統逆變器配置的電壓。在一些情況下，這些低電壓的示例可包括電壓值為:10Vrms或以下、IlVrms或以下、12Vrms或以下、13Vrms或以下、14Vrms或以下、15Vrms或以下、16Vrms或以下、17Vrms或以下、18Vrms或以下、19Vrms或以下、20Vrms或以下、25Vrms或以下、30Vrms或以下、35Vrms或以下、或者50Vrms或以下。在一些實施例中，通過在電池板級啟動DC-AC轉換並之後累積電網兼容的AC電壓，不存在對升壓的需要。這連同由於低操作電壓而能夠使用低RDS(m)以及高FOM MOSFET的額外益處，可幫助減少典型地與微型逆變器相關的轉換損耗。
[0041]在下面的描述中，諸如具體元件、電路以及處理過程的示例之類的大量具體細節將被闡述，以提供對本公開的完整理解。另外，在下列的描述中，出於說明的目的，具體的術語被闡述以提供對示出的實施例的完整理解。儘管如此，對於本領域的普通技術人員而言顯然的是，可以不需要這些具體的細節來實施示出的實施例。在其它情況下，公知的電路和裝置以框圖形式示出以避免使本公開模糊。本文中使用的術語「耦接」意思是直接連接至或者通過一個或多個中間元件或電路連接。本文描述的在不同總線上提供的任意信號可以與其它信號時分復用並在一個或多個通用總線上提供。此外，電路元件或軟體模塊之間的互連可被示出為總線或單信號線。每個總線可替換地為單信號線，而每個單信號線可替換地為總線，並且單線或總線可表示元件之間用於通信的任何一個或多個各種各樣的物理或邏輯機制。示出的實施例不應當被理解為受限於本文描述的特定示例，相反，其範圍內包括由所附權利要求限定的所有實施例。
[0042]當結合下列描述和附圖考慮時，所述系統的其它目標和優點將進一步被認識和理解。儘管下列描述可包括描述所述系統的特定實施例的具體細節，但是這不應當被理解為限制本發明的範圍，相反，應當理解為優選實施例的舉例。很多變化是可能的，特別是，通過應用如本文建議的本領域普通技術人員公知的電氣工程的對偶原理。可以在不脫離本發明的精神的情況下在本發明的範圍內進行各種改變和修改。
[0043]系統描述
[0044]圖1示出了根據一個實施例的示例能量收集和轉換系統。諸如描述的系統可以在不同的環境中實施。實施例提供了可最大化光伏電池板功率輸出的能量收集和轉換系統。實施例進一步提供了針對輸電網絡兼容的輸出的DC至AC轉換。
[0045]在一個實施例中，系統100包括一個或多個組串110和中央負荷中心130。負荷中心130可包括接口以與現有輸電網絡170耦接，或者可包括接口以與獨立電力系統、AC電動機、和/或其它AC電阻負載耦接。出於簡化的目的，在圖1中僅示出了一個組串110。但是，根據不同的實施方式，多個組串110可以耦接至負荷中心130。每個組串110包括能夠以串聯方式彼此連接的多個串部件(SM) 112 (例如，N個串部件，其中N等於或大於I)。在其它實施例中，可提供SM112的不同配置，例如兩個或兩個以上的SM112以並聯方式彼此連接和/或兩個或兩個以上的SM112以串聯和並聯兩種方式彼此連接。每個SM112包括串部件元件115以及電壓源120。
[0046]根據實施例，SM112的電壓源120可以是接收陽光並產生DC電壓的光伏(PV)電池板。在其它實施例中，電壓源120可以是能量儲存系統，例如電池、飛輪、燃料電池或能夠直接或間接產生DC電壓(如果產生AC，則採用AC-DC接口電路裝置)作為輸出的其它能源。例如，系統100可包括作為組串110—部分的以串聯方式連接的10個SM112(即，N=10)，每個電壓源120是從陽光產生能量的PV電池板。在單級轉換中，系統100可被使用來在PV電池板級(例如，在每個SM112處)將DC能量轉換為AC能量，並且累積從組串110上的每個SM112輸出的電壓以便耦合至輸電網絡170。
[0047]在一些實施例中，每個串部件元件115包括逆變器或微型逆變器，其被配置為接收由各個電壓源120產生的DC電壓並將DC電壓轉換為AC電壓。AC電壓(及其相位)可通過每個串部件元件115輸出，從而使得多個輸出可以被合併為相應的組串110的單個匯集的AC輸出。匯集的輸出可被提供至負荷中心130。每個串部件元件115包括其它元件，其將在之後的圖中進行描述。
[0048]系統100還包括可合併為負荷中心130的一部分的一個或多個控制器140、一個或多個電網連接濾波器150、以及一個或多個電網斷開/保護160。在其它實施例中，可以把控制器140、電網連接濾波器150、和/或電網斷開/保護160與負荷中心130分開提供。控制器140可以與各串部件元件115通信，以便基於每個SM112的性能或操作協調每個SM112的輸出以實現期望的功率和整體能量。例如，控制器140可提供單獨的控制信號給每個單獨的串部件元件115，從而動態地控制在每個SMl 12處的轉換。在一個實施例中，每個串部件元件115可包括用於從控制器140接收控制信號的控制和通信模塊。
[0049]在一些實施例中，可以提供單獨的組串控制器(例如，多路控制器140，其位於組串的內部或外部，從而每個組串Iio具有相應的控制器140)。單獨的組串控制器可以彼此以並聯和/或串聯方式連接。在其它實施例中，基於可用於計算和通信的控制器140的帶寬，可將控制器140提供用於多個組串110。在採用多個組串控制器的實施方式中，每個組串控制器可以或不可以彼此直接通信。在這類情況下，多個組串控制器還可以與主控制器140通信。
[0050]基於由控制器140提供的控制信號，可以使一個或多個組串110中的每一個向負荷中心130輸出具有一定相位的一定的AC電壓。源自組串110的輸出(例如，源自各SMll2的匯集輸出)可被提供給相應的電網連接濾波器150，其隨後與相應的電網斷開/保護160連接。在一些實施例中，多個組串110可被耦接至單個電網連接濾波器150和/或單個電網斷開/保護160。電網連接濾波器150可被耦接至組串110以提供接口，該接口用於將源自組串110的輸出(例如，電壓和/或電流總量)提供給現有輸電網絡170 (例如，從各SM112輸出的電流的總量可流過電網連接濾波器150)。在一些實施例中，負荷中心130可提供接口，該接口用於將源自組串110的輸出提供給獨立電力系統、AC電動機、和/或AC電阻負荷之一(例如，而不是將組串110耦接至電網170)。
[0051]在一些實施例中，電網連接濾波器150被耦接至電網斷開/保護160。在電網故障和/或低或高PV狀態的情況期間，電網斷開/保護160可提供對系統100的保護。在這些故障狀態下，控制器140可經由電網斷開/保護160在電路中產生中斷，以保護系統100。或者，電網斷開/保護控制機制可以獨立於組串控制器140並且可以位於電網斷開/保護塊160的內部。例如，負荷中心130可以是居民或工業建築的終端盒或斷路器的至少一部分。電網斷開/保護160可包括一個或多個電網斷開開關(以及一個或多個電感器)，其在電網故障和/或低或高PV狀態期間可由控制器140或者由其在160內部自有的斷開/保護控制器控制。
[0052]根據一個或多個實施例，系統100可以是太陽能光伏能量收集和轉換系統。例如，組串110可包括多個SM，其中每個電壓源120可以是PV電池板。在該實施例中，源自PV電池板的能量可以被最大化並且負荷中心130可提供電網170接口和同步能力(例如，稱之為分布式AC耦接功率最大化器或簡稱為AC-疊加)。對諸如需要多種能量或電源優化的基於電池單元或超級電容器的能量儲存系統之類的其它電網交互或負荷應用而言，在滿足所需的功率需求的同時，相似的架構可解決和優化各電池單元或超級電容的充電和放電性能。此外，該系統或方法可滿足燃料電池發電組的需求，即，可在滿足負載功率需求的同時區別地對待不同的燃料電池的變化。
[0053]通過控制組串110中的各SM112的輸出，系統100可針對各種不同使用，改善和增強收集和轉換能量的性能。
[0054]圖2A至圖2D示出了根據一個實施例的逆變器或微型逆變器。圖2A中的逆變器210可包括在一個或多個串部件中，以將DC能量轉換為AC能量。例如，逆變器210的DC端可與PV電池板連接，以接收源自PV電池板的輸出。圖2B中的逆變器220和圖2C中的逆變器230也示出了可包括在多個串部件中的逆變器。在一些實施例中，逆變器220和230可包括其它元件和/或電路(為了簡化起見未示出)。
[0055]圖2D示出了可包括在一個或多個串部件中的另一個逆變器240。其它元件可包括在逆變器240中。例如，逆變器或微型逆變器240可表示包括在(圖1中的)串部件(SM)112中的逆變器，或者可表示還與電壓升壓或降壓電路(B卩，執行電壓升壓或降壓操作的電路)耦接的逆變器/微型逆變器。在一個實施例中，電壓升壓或降壓電路可從控制器140接收控制信號，以便基於各PV電池板的性能，將源自各PV電池板的功率分別路由到，例如，電網。此外，逆變器210、220、230、240中的每一個還可針對單相電力系統(l_ph)、三相電力系統(3-ph)或其它多相電力系統配置。
[0056]圖3A至圖3B示出了根據不同的實施例的包括負荷中心或終端盒的能量收集和轉換系統的示例。諸如通過圖3A至圖3B的實施例描述的系統可通過使用，例如，與圖1和圖2的實施例一起描述的元件,來實施。圖3A示出了包括與負荷中心或終端盒320稱接的組串310的系統300。額外的組串310可與負荷中心320耦接，但是為了簡化起見未在圖3A中示出(例如，負荷中心320可與一個、兩個、三個、四個、二十個、三十個、五十個或更多的組串310耦接)。組串310可與負荷中心320以並聯方式、串聯方式、或其任意組合的方式率禹接。
[0057]每個組串310包括以串聯方式彼此耦接的一個或多個串部件(SM)312。儘管如此，在不同的實施方式中，SM312能以並聯方式、串聯方式、或以其任意組合的方式彼此耦接。在一個實施例中，每個SM312可包括DC-AC逆變器或微型逆變器314，其與電壓源316 (例如，PV電池板)耦接。電壓源316可將DC輸出提供至微型逆變器314，從而使得每個SM312可向組串310輸出AC電壓。每個SM312可輸出低電壓，其可包括本申請中描述的任意電壓值。
[0058]在圖3A和圖3B中示出的串部件元件314，例如，可以配置用於單相電力系統或諸如三相電力系統之類的多相電力系統。為實施三相組串部件元件314的實施例，組串310和SM312的配置可需要更多的元件，例如更多的開關和/或磁性元件，並且可需要特殊的走線布置。為了簡化起見，本申請中討論單相實施方式。
[0059]在一些實施例中，每個太陽能PV能量收集和轉換系統300可提供單個負荷中心320。或者，可提供多個負荷中心320。在這種實施方式中，多個負荷中心320可以以並聯方式、串聯方式、或其組合的方式彼此連接。負荷中心320可包括一個或多個斷路器322、一個或多個電網斷開開關324、以及一個或多個磁性元件326 (例如，一個或多個電感器)。在一些情況下，負荷中心320可包括開關裝置或為開關裝置的一部分，並且可以將沿著開關裝置的一個、兩個、或更多個電感器用作無源元件。負荷中心320還可包括控制器(或者，多個控制器，例如每個組串310 —個控制器)，其提供控制組串310的匯集的AC輸出和/或單獨的SM312的單獨的AC輸出的命令。此外，所述控制器可提供，例如，控制信號328，其控制系統300的功率因數(PF)和/或控制系統300的最大功率點追蹤(MPPT)。在電網故障和/或低或高PV狀態的情況期間，所述控制器通過控制一個或多個電網斷開開關324可在電路中產生中斷。
[0060]負荷中心320還可將系統300與現有輸電網絡330接合。在不同的實施例中，輸電網絡330可配置用於單相電力系統或三相電力系統。通過控制組串310和各SM312，負荷中心320可使得系統300具有電網兼容性和連接性。
[0061]圖3B示出了包括與中央負荷中心或終端盒320耦接的三個或更多的組串310的系統350。在該實施例中，負荷中心320包括電網接口，其用於將系統350與現有的480V、三相輸電網絡(未在圖3B中示出)接合。取決於不同的實施方式，基於可用於計算和通信的控制器帶寬，負荷中心320可包括針對三個組串310中的每一個的單獨的組串控制器和/或包括針對多個組串的統一的組串控制器。為了簡化起見，所示三個組串310表示構成三相電力系統的三個單相組串，但在現實中，所示三個組串310可以為額外的組串和/或配置來實施三相系統350。在其它實施例中，系統350可包括多個負荷中心320。在這些實施例中，多個負荷中心320可以以並聯方式、串聯方式、或其組合的方式彼此連接。[0062]圖4示出了根據一個實施例的在三相配置中具有單相組串的示例系統。諸如由圖4的實施例描述的系統可使用，例如，與圖1至圖3B的實施例一起描述的元件，來實現。在一個實施例中，每個組串(例如，組串1、組串2、組串3)包括一個或多個串部件410，其以串聯方式彼此耦接。取決於實施方式，組串可以不同配置彼此連接。
[0063]例如，可使組串在Y-連接的系統中接地，或者使其在Λ連接的系統中不接地並且線-線連接。在一些實施例中，圖4示出的組串可被布置為具有:線-線三相排列的480V、共中線三相連接的277V、低電力單相系統的120V、或者典型住宅單相系統的240V。組串1、組串2、組串3還可被布置為與負荷中心(未在圖4中示出)耦接。
[0064]負荷中心中可安放AC斷線、斷路器、組串控制器和/或主控制器、和/或用於控制各SM410的輸出以及每個組串(例如，組串1、組串2、組串3)的輸出的其它元件。在一些實施例中，負荷中心不需要額外的有源元件，但是可包括與開關裝置一起的電感器(例如，一個或兩個電感器)(例如，與開關裝置一起的電感器可被用作無源元件)。在其它實施例中，電網斷開功能可與其它無源元件一起構成有源開關元件。
[0065]此外，圖4所示的系統(以及圖3Α-圖3Β中的系統300、350)可包括提升的電池板堆積因子，即，在相同的家庭運行裝置上的電池板數量。針對能量收集和轉換系統提供的組串布置可包括圖3Α至圖4中提供的配置，並且可配置用於線-線操作。組串還可處理480Vac(或其它的AC電壓)的——對應的電壓。
[0066]由於三相版本系統的複雜的電路實現方式，下文中僅討論單相實施方式。雖然如此，本文的單相實施方式的任何說明同樣可以應用至三相實施方式、或任意N相實施方式中，其中N為正整數或整數。
[0067]圖5示出了根據一個實施例的顯示了串部件細節的示例能量收集和轉換系統。在一些實施例中，可以在串部件內提供主模塊。在其它實施例中，主模塊可以分布在多個串部件和/或其它元件中。還可以向圖5中示出的主模塊提供額外的模塊。此外，儘管實施例描述了 SM510與同一組串的其它SM510具有一樣的元件，但是為SM510提供的其它實施例包括不同的元件。圖5中的元件或模塊可使得系統500高效地轉換能量並最大化功率輸出。
[0068]如討論的，所述能量收集和轉換系統的一些目標(例如，當在單相組串配置中配置時)包括:(I)使用最少量的轉換級(例如，理想的是一個轉換級);(2)使用小型無源元件以降低成本、減輕重量、減小體積以增加功率密度；(3)共享/均衡在同一組串上從串部件到其它串部件的電流；(4)在串部件之間同步電流產生以便將電流與現有輸電網絡同步；(5)應對功率平衡要求(例如，針對串部件的單相連接的額外要求是需要處理電網電流要求的120Hz或兩倍的電網基本頻率的功率，同時保持電池板級的DC操作並針對電網上的60Hz電壓產生60Hz電流)；以及(6)在每個串部件的最大功率點(Pmp)調整其功率輸出，不考慮其它串部件的功率操作點。在一個實施例中，如圖5中所示的太陽能PV能量收集和轉換系統可使用各種不同的元件解決一個或多個目標。在接合至50Hz輸電網絡的實施例中，可要求功率平衡電路來處理IOOHz功率。
[0069]在系統500中，組串包括以串聯方式彼此耦接的多個串部件(SM) 510。組串與電網連接濾波器(GCF) 530耦接，GCF530隨後與電網斷開和保護(⑶P) 540連接。在一些實施例中，GCF530和⑶P540可被包括在負荷中心或終端盒(未在圖5中示出)中。GCF530和⑶P540可被配置為提供接口給組串，以將匯集的AC輸出提供給現有的輸電網絡550。儘管系統500可包括與負荷中心耦接(或與GCF530和/或⑶P540耦接)的多個組串，但為了簡化起見，僅一個組串被示出。
[0070]GCF530可提供接口，其用於將源自組串的輸出(例如，累積的電壓和/或電流)提供給輸電網絡550。在一個可選的實施例中，負荷中心可提供接口，其用於將源自組串的輸出提供給獨立電力系統、AC電動機、和/或AC電阻負荷之一(例如，而不是將組串耦接至電網550)。⑶P540在電網故障和/或低或高PV狀態的情況期間，可提供針對系統500的保護。
[0071]根據一個或多個實施例，單獨的串部件510可包括DC-AC逆變器512、控制模塊514、低通濾波器(LPF)516、組串均流器(SCE)518以及多頻能量耦合器(MFEC)522。在每個SM510中，電壓源520還可與DC-AC逆變器512耦接。在一些實施例中，這些列舉的SM511的元件可以在，例如，串部件元件115，中提供，如關於圖1的描述。在其它實施例中，多個PV電池板520可與逆變器512和/或單個SM510耦接。DC-AC逆變器512還可包括升壓/降壓電路和/或DC-AC H橋逆變器(未在圖5中示出)。
[0072]系統500還可以是包括多個PV電池板的太陽能PV能量收集和轉換系統。每個SM510的電壓源520，例如，可以是PV電池板。作為陽光照射的結果，例如，PV電池板520可將DC輸出提供至每個SM510的逆變器512。
[0073]在一個實施例中，DC-AC逆變器512可與控制/通信模塊514通信。一個或多個電信號可在DC-AC逆變器512和控制/通信模塊514之間傳遞。電信號可包括能被交換的用於控制DC-AC逆變器512 (以及轉而，控制單獨的SM510)的命令信息。例如，所述命令可控制將DC電壓轉換為AC電壓相關的一個或多個參數。這些參數可包括DC-AC逆變器512可在其上操作的電壓、和/或DC-AC逆變器512可在其上操作的電流量。在一些實施例中，監控信息可從DC-AC逆變器512傳遞至控制/通信模塊514。該監控信息可提供反饋至控制/通信模塊514，以便更好的保持或改變提供至DC-AC逆變器512的命令。因此，在每個SM510中，取決於不同的實施方式，可提供從控制/通信模塊514到DC-AC逆變器512的單向通信；可提供從DC-AC逆變器512到控制/通信模塊514的單向通信；或者可提供控制/通信模塊514和DC-AC逆變器512之間的雙向通信。
[0074]控制/通信模塊514還可與其它SM510的其它控制模塊514通信。根據實施例，控制/通信模塊514可從總控制器接收指令，和/或控制/通信模塊514可允許SM510之間的同步電流產生。在一些實施例中，總控制器可以是組串控制器，其可以與或可以不與系統級的主控制器通信，或者可以是系統500的主控制器。在其它實施例中，SM510之一的控制/通信模塊514可以被動態地授權作為主控制/通信模塊514，而組串內的其它SM510的其它控制/通信模塊514被配置為從控制/通信模塊515。每個控制/通信模塊514還能夠在其最大功率點或改善的功率點上調整其各SM510的功率輸出。
[0075]DC-AC逆變器512還可與多頻能量耦合器(MFEC)522通信。當PV電池板520僅產生DC功率時，為了滿足電網上二倍頻率(120Hz)功率的要求，例如，能量存儲可提供DC輸入(源自PV電池板520)和AC輸出(由SM510輸出)之間的必要的功率平衡。此外，因為所述系統可以基於低電壓電路和元件，如果能量存儲發生於低電壓總線上，則所需的具有高電容的電容器可以非常昂貴。因為儲存在電容器中的能量與電容器電壓的平方成正比，所以有益的是，通過增加能量存儲的電壓來大量減少用於能量存儲的無源元件，即，系統中的電容器。為了減少所需的電容，可以創建更高電壓的總線，其中能量可以儲存在較低電容的電容器中。MFEC522可允許將低成本裝置用於DC需要的能量存儲來使頻率功率平衡加倍。
[0076]在一個實施例中，能量存儲可發生於串部件級上(例如，在每個SM510處)。在一些情況下，電網需求可以低於由PV電池板520輸送的能量。在該情況下，能量可以通過MFEC522儲存。或者，在電網需求高於由PV電池板520輸送的能量的情況下，可以使用存儲了的能量。MFEC522能夠處理和/或調節由電壓源520提供的DC能量和輸送至電網550的AC能量。因為MFEC522可允許電壓增加，其可導致電容減小，所以可將高可靠性電容器用於能量存儲。這可以提供優於電解式能量存儲配置的優勢。在可選的實施例中，也可以使用電解式能量存儲(或者使用電解式能量存儲來替換高可靠性電容器)。MFEC522，如果同時配合額外電容，則還可提供提升的電網穩定性功能，例如，無功功率補償、功率因數校正、電壓驟降(voltage sag ride through)和/或逐步被公共設備託管的其它類似的電網擾動預防。
[0077]在一些實施例中，命令/通信信號還可以在MFEC522和DC-AC逆變器512之間交換。這些通信可以是雙向通信，或者可以是從DC-AC逆變器至MFEC522的單向通信/命令，或者反之。在其它實施例中，MFEC522可直接從控制/通信模塊514接收控制信號。使用這些命令信號，MFEC522可被配置為處理電網電流要求的120Hz功率，同時保持PV電池板520的DC功率輸送操作並產生針對電網550上的60Hz電壓的60Hz電流。在一個實施例中，MFEC522能夠處理電網電流要求的任意數量頻率的功率，同時針對電網550上的電壓產生另一個頻率或同一頻率的電流。在一些情況下，輸出至電網550的頻率功率可以相同於、兩倍於、三倍於、或任意倍數於電網550上的電壓的頻率電流。MFEC522還可在其最大功率點或在有助於調整的改善功率點上，調整SM510的功率輸出。
[0078]每個SM510還可包括組串均流器(SCE) 518。SCE518可配置為使同一組串上的SM518能夠處理相同量的AC電流，以避免任何意外建壓(例如，為了降低用於通信的帶寬要求)。SCE518可防止過量的電流或電壓提升，從而有助於同一組串上從一個SM510到下一個SM510的均衡。這可允許組串的不同SM510之間的電流共享和均衡。通過提供(和/或接收)命令至MFEC522，SCE518還可以與MFEC522通信。例如，SCE518可提供命令至MFEC522，這可引起或有助於其相應的SM510的電流共享/均衡。在一些情況下，可以在MFEC522和SCE518之間提供單向或雙向通信。
[0079]根據一個或多個實施例，每個SM510可包括低通濾波器(LPF)516。LPF516在將頻率高於截止頻率的信號衰減的同時可傳遞低頻信號。衰減量可取決於應用和/或特定的信號。LPF516還可以與DC-AC逆變器512、SCE518和/或組串上具有的其它SM510通信，並且可以被配置為與主控制器和/或組串內另一個SM510的另一個LPF516通信。在一些情況下，SM510的LPF516可被授權成為主LPF516 (例如，動態地)，而組串上其它SM510的其他LPF516被配置為從LPF516。在一個實施例中，LPF516可包括無源元件(例如，小型無源元件)，其可以降低LPF516的成本，減輕其重量，減小其體積，和/或增大其功率密度。
[0080]在一些實施例中，LPF516可將輸出的電流提供給組串具有的其它SM510並且可以提供其高頻被衰減或移除的交流電(例如，LPF516可處理和/或修改從DC-AC逆變器512輸出的電流)。組串具有的不同SM510可將由組串上的SM510提供的電流傳送至負荷中心(例如，匯集由組串上的各SM510提供的電流以產生組串匯集電流)。在一些情況下，匯集的輸出可流過GCF530和/或⑶P540。源自每個單獨的(或者一個或多個)SM510的電流在到達組串前可流過一個或多個LPF516和/或其它類型的濾波器。
[0081]圖6示出了根據一個實施例的如圖5中描述的串部件的細節圖。例如，串部件600可表示如圖1至圖5中描述的串部件。在一個實施例中，串部件600可包括MFEC610、SCE620、LPF630、DC-AC逆變器640 (例如，單級逆變器)、PV電池板(或其它電壓源)650、以及高頻開關紋波電容器660。DC-AC逆變器640在其它實施例中可以是多級逆變器。LPF630還可包括電流整形電感器(CSI) 632和濾波電容器634。其它元件可與串部件600 —起提供，但是為了簡化起見未示出。
[0082]在一些實施例中，串部件600的一個或多個元件可包括如圖6中所示的高壓(HV)和低壓(LV)元件兩者。HV元件可包括金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)和/或帶反並聯超快二極體的柵絕緣雙極型電晶體(IGBT)，而LV元件可包括MOSFET和/或肖特基二極體組合。取決於實施方式，採用MOSFET具有優勢。例如，MOSFET可允許電流反向流動，可比IGBT更廉價，和/或可比IGBT允許更快的開關速度。在串部件600中使用的低電壓可允許使用M0SFET。此外，為了進一步改善轉換效率，可以將柵極驅動能量回收電路用於電源開關。該柵極能量在傳統的基於IGBT的集中式逆變器和微型逆變器中一般被耗散，這是由於在較慢開關速度的半導體開關周圍設計這類電路的困難(因為需要較大的無功元件)引起的。級DC-AC逆變器640的基於MOSFET的實施方式還可從使用兩種不同類型的MOSFET中獲益，這兩種不同類型的MOSFET中，一種被優化用於更高的開關速度，另一種被優化用於低導通壓降(low conduction drop)。例如,第一種類型可允許高開關頻率脈寬調製的實施，而另一種類型可允許在低導通壓降處針對電網AC電流方向的反向提供電網頻率變換。
[0083]根據實施例，串部件600的MFEC610可包括高電壓電源612。例如，在一些情況下，對於PV功率的每1W，MFEC610可儲存大約2.65mJ (如果只需要MFEC610向電網提供120Hz分量的功率並且假設電路中無損耗)。因而，對於通常使用的產生240W功率的太陽能電池板，MFEC610可具有充足的儲存能力，至少可儲存0.636J。如果對MFEC610加入額外的要求，如前所述，則可相應地補充能量儲存要求。
[0084]SCE620可與MFEC610耦接。在一些實施例中，如果只需要能量從AC端被提取至高電壓存儲612，則SCE620可用2-象限/單向變換器電路實現。在一些實施例中，SCE620可以是雙向4-象限變換器電路。雙向SCE620在保持跨越串部件600的輸出端(例如，LPF630的AC電容)的60Hz電壓波形方面很有用。如果穿過LPF630的電感器632的60Hz電流與組串的60Hz電流不匹配，則SCE620可針對低頻(60Hz)電流提供低阻抗路徑。然後，可獲得不匹配電流的能量並將其儲存在高電壓電容存儲612內，之後將其再利用至主功率流電路系統。此外，SCE620可被配置為處理對應於LPF電流整形電感器632中的零點幾安培的非常低的能量。
[0085]串部件600的LPF630可以是2極濾波器。在其它實施例中，可以在串部件600中使用其它類型的濾波器。LPF630可包括一個或多個CSI632。在一些實施例中，兩個或兩個以上的CSI632可被包括在LPF630內。
[0086]根據實施例，在任意設施中(例如，任意住宅或工業設施)，在組串操作過程期間，由於甚至在同一批的PV電池板中PV電池板性能的不同，單獨的SM可在不同的改善/最大功率點(Pmp)處操作(例如，一個SM可以與同一組串的另一個SM操作在不同的Pmp)。因而，所述系統可以被配置為在其相應的Pmp處調整每個SM的功率輸出。在一些實施例中，一些SM可以在較低的功率點操作，而其它的SM可以在較高的功率點操作。在一些情況下，在較低的功率點操作的SM可以被認為是「較弱(weaker)」SM，而在較高功率點操作的SM可以被認為是「較強」 SM。在這類情形下，較弱SM可能需要如較強SM要求的能夠處理較高的組串電流。這可允許較強SM在較高的功率點操作，同時較弱SM在其比較強SM的功率點低的功率點Pmp操作。
[0087]此外，對於PV電池板，最大功率點或Pmp可以由一定的Vmp和Imp定義，其中Vmp=最大功率處的電壓，類似地，其中Imp等於最大功率處的電流。PV電池板可能需要被偏置，以使得其在Vmp電壓處傳送Imp電流。電壓可被固定或針對特定的SM定義。利用DC-AC逆變器640的輸入端處定義的Vmp,對於相同的功率輸入Pmp,輸出電流(AC)也固定。
[0088]因此，可以實施一種機制，以使得與Vmp相比，到DC-AC逆變器640的輸入可以被改變(例如，被降低或降壓)，並且對於同一 Pmp，在SM的輸出端允許較高的電流(例如，AC)。優選地，該機制可以使輸入電壓被降壓，或者，該機制可以使輸入電壓被升壓，從而可以允許較低的電流速度。這可以通過如圖6中示出的「降壓型」轉換器實現。另一方面，如果需要升壓操作，則可以採用「升壓型」轉換器。例如，可以提供升壓或降壓電路以針對組串內的PV電池板性能變化進行調整，同時組串電流被保持在期望水平。
[0089]可以根據所述能量收集和轉換系統的實施例提供部件功率不匹配解析器(MPMR)670，其可以是升壓或降壓電路。MPMR670可以被插入到圖6的PV+點和DC+點之間。在一定條件下，並且基於較高或較低性能的電池板的能力，MPMR670有助於使組串控制器或主控制器有區別地將源自電池板的功率路由至電網。在其它實施例中，DC/AC H橋逆變器也可被包括在串部件600中。MPMR670是高效操作的同步降壓電路。在可選實施例中，可使用其它升壓或降壓電路配置。也可在串部件600中使用能夠改變(例如，減小或增大)輸入的電路。
[0090]在一個實施例中，MPMR670可以被配置為僅當串部件600操作上弱於組串中其它SM時操作。此外，當升壓或降壓電路處於操作中時，因為DC-AC逆變器640被允許以接近I的調製指數操作，所以DC-AC逆變器640可最有效地操作。之後，可以通過升壓或降壓電路調製AC電壓波形幅度。
[0091]方法
[0092]圖7示出了根據一個實施例的用於收集和轉換能量的示例方法。諸如圖7的實施例描述的方法可以使用，例如，與圖1至圖6的實施例一起描述的元件，來實現。因此，對圖1至圖6的元件的參考是為了示出執行將要描述的步驟或子步驟的合適元素或元件。
[0093]根據實施例，所述系統包括一個或多個組串，每個組串具有以串聯方式相互耦接的多個串部件。對於每個SM，DC能量被從SM的電壓源提供至SM的串部件元件(步驟710)。在一些實施例中，電壓源可以是PV電池板，其響應於電池板上接收的陽光產生DC電壓。PV電池板可以與DC-AC逆變器(或微型逆變器)耦接，以使得DC電壓可以被轉換成AC電壓。在其它實施例中，PV電池板可以首先與諸如升壓或降壓電路之類的DC-DC變換器耦接，以使得DC電壓在被提供至DC-AC逆變器之前可以被升壓或降壓。
[0094]通過DC-AC逆變器，DC能量被轉換成AC能量(步驟720)。DC-AC逆變器可執行單級轉換；然而，在其它實施例中，DC-AC逆變器可以是多級轉換器。對於每個SM，DC能量可以基於由系統的一個或多個控制器監控的當前狀態被轉換(子步驟722)。該當前狀態可包括特定SM的PV電池板、特定SM、其它SM的PV電池板、同一組串上的其它SM、整個組串、與組串耦接的負荷中心、其它組串、以及輸電網絡的狀態。取決於這些條件，所述一個或多個控制器可提供控制信號(子步驟724)至每個SM的不同元件，以便控制特定組串上的各SM的輸出。
[0095]匯集的輸出之後被提供至負荷中心和/或電網接口(步驟730)。該輸出可被負荷中心的元件(例如GCF和/或⑶P)處理。因而，該方法使得PV電池板級的DC能量在單級轉換中被轉換為AC能量，並且使得源自每個SM的輸出在組串上被匯集或合併，以便與輸電網絡耦合。
[0096]額外的系統特徵
[0097]圖8示出了在一個或多個實施例中可被包括在能量收集和轉換系統中的同步電網跟蹤器的示例。同步電網跟蹤器(SGT) 800可被包括在圖1至圖7的能量收集和轉換系統的不同實施例中。SGT800還可採用與圖1至圖7的實施例一起描述的一個或多個元件實施。在一個實施例中，SGT800可被包括在太陽能PV能量收集和轉換系統內。然而，在一些情況下，在系統中可能不需要SGT800 (例如，假如在系統中實施了如下描述的集成的組串功率控制器(ISPC))。
[0098]根據實施例，同步電網跟蹤器可以被配置為監控與能量收集系統接合的現有輸電網絡810的狀態(例如，電壓、電流、相位)。SGT800可使用組串、串部件、和/或負荷中心的現有元件，例如組串均流器(SCE) 860 (諸如圖5和圖6中描述的)，以使得串部件能夠與公用電網810同步。同步可通過下列廣播信號實現，其包括實際量測的電網電壓或特定組串上的電壓。廣播信號可以通過通信網關提供，通信網關一般是太陽能系統設施中的單點並且能夠監控電網電壓波形。基於不同的實施例，電網信號815可以是廣播信號或可以從至少一部分廣播信號導出(例如，在120Hz處被快速地平均)。
[0099]SCE860可監控低通濾波器(LPF)(諸如在圖5和圖6中描述的)的濾波電容器(CF)上的電壓，並且相應地能夠基於實際量測的電容器電壓相對於廣播信號的誤差，向電容器注入能量或從電容器提取能量。在包含足夠的關於公用電網電壓狀態的信息方面，600Hz的更新速率可能足夠。在其它實施例中，SGT800可以使用具有任意數值的其它更新速率，包括但是不限於:2400Hz、2000Hz、1800Hz、1500Hz、1200Hz、900Hz、或 300Hz。取決於電網狀態，廣播有效(rms)電壓、頻率(例如，每60Hz或120Hz被更新一次)、和/或零交叉(zero-cross)信息也可能足夠。關於電網狀態的必要和/或充分的信息可被提供給各串部件。在一些情況下，廣播信號815可被SCE860、LPF、和/或控制/通信模塊(參見圖5和圖6)接收。
[0100]在一些實施例中，跟蹤電網810必須的基準波形的相位信息可以通過鎖相環(PLL) 820合成，鎖相環820可以關於包含在廣播監控信號815 (例如，600Hz廣播信號)中的電網頻率/相位信息的變化，更新用於SGT800的基準波形。受鎖信號(locked signal)825可以從PLL820提供至振幅縮放因子(A)830。根據實施例，振幅縮放因子可基於電網信號810並且以特定頻率(例如，以60Hz或120Hz)被平均。該信號之後被提供至比例積分(PI)控制器850。或者，在其它實施例中，可以使用其它控制器(例如，比例積分微分(PID)控制器、H)控制器、P控制器、或I控制器)。電流855被提供至SCE860，其幫助串部件與電網810同步和/或實現電流均衡。該電流(iCF)之後可流至Gcf (s)模塊870，其是輸出為電容器電壓Vcf的濾波電容器的傳輸函數。電壓測量值Vcf之後通過反饋迴路反饋並被(經由加法操作840)相加。在一些實施例中，在Vcf將匹配電網電壓的情況下，反饋的信號可以被濾波和增益模塊880 (例如，經歷濾波和/或增益)處理。
[0101]SCE860可被配置為至少執行兩個單獨的功能:(1)均衡組串電流；以及(2)同時跟蹤電網電壓。SCE860可以通過監控單個參數、或一個或者多個參數執行上述功能。在一些實施例中，所述參數可以是LPF電容器Cf的電壓Vcf。該電壓可以與電網電壓同步地被人工維持，以建立觀察每個串部件的小電網環境。在一個實施例中，SGT800顯著地簡化了平衡電流、電壓以及最終功率的內部部件通信和組串控制機制。
[0102]圖9A至圖9B示出了根據實施例的能量收集和轉換系統的功率流表示。該表示示出了在不同實施例中描述的能量收集系統的在不同頻率上的功率流。
[0103]圖9A示出了不同頻率的功率流表示。提供的文字說明示出了功率流表示900的哪條線對應於:(I) 60Hz電流路徑；(2)開關頻率和120Hz電流路徑；以及(3) DC電流路徑。在描述的實施例中，提供了多個SM，其中每個SM包括PV電池板、DC/DC變換器(升壓或降壓電路)、MFEC、逆變器、SCE、以及SGT。每個組串部件提供單個AC輸出(例如，Vcgl, Vcg2)0串部件的匯集輸出(即，組串的輸出)可以被提供至GCF。
[0104]表示900示出了各部件之中保持相同或基本相似的量。例如，60Hz環境的ijt)、iEC (t)是一致的，以及從SM到SM以及到電網，ig (t)保持不變。表示900還示出了均一功率因數91、以及針對60Hz電流的高阻抗路徑920。
[0105]圖9B示出了只有60Hz電流和電壓的簡化的功率流表示。和圖9A—樣，提供的文字說明示出了功率流表示950的哪條線對應於:(l)60Hz電流路徑；(2)開關頻率和120Hz電流路徑；以及(3) DC電流路徑。
[0106]圖10示出了根據一個實施例的能量收集系統的功率控制器。為了描述本申請的一些部分，提供下列術語。僅通過示例方式而非限制方式提供這些術語。組串組成模塊的術語可包括下列術語。
[0107]串部件、或部件、或SM:SM包括諸如PV電池板之類的電壓源、以及諸如DC-AC逆變器、SCE、SGT、MFEC, MPMR模塊之類的轉換元件。
[0108]電流管理員(CA):這是可基於串部件的強度規模(scale of strength，SOS)排名動態地分配給組串上的串部件的一個功能。SOS可以被按如下方法確定:相同電網電流的最低PV電壓=最低的SOS排名；相同電網電流的最高PV電壓=最高的SOS排名。在任意給定時間，最低排名的部件可以被確定為組串CA，直到其達到其最大功率點(MPP)為止，並將其管理功能傳給下一個最低排名的部件。
[0109]電壓補償器(VC):這同樣是可以基於串部件的強度規模(SOS)排名動態地分配給組串上的串部件的一個功能。最高排名的SOS部件可以被分配實現與輸電網絡相關的組串電壓間隙的任務。可以在將電網電壓與如圖9B中示出的部件輸出AC電壓Veg的總和比較之後通過使用兩個電網耦合器(後面定義)來確定該電壓間隙。在不同的實施例中，CA功能和VC功能兩者可以合併並由單個SM操作，或者可以由多個SM操作。
[0110]電網耦合器(GC):每個組串可以有兩個電網耦合器，其試圖將組串的每側與電網的每端結合(例如，經由負荷中心和/或電網接口)。耦合器可測量每個電網端相對於已知共基準點(例如接地)的共模電壓。耦合器可以廣播或可以不廣播共模電壓和/或將共模電壓傳遞給其它元件。在一些實施例中，當組串是「空載」時，即，當組串連接至電網但是沒有輸出功率時，通過兩個GC測量的電壓差可以(以幅度和/或相位)表示電網電壓波形。
[0111]繼續參考圖10，功率控制器1000可提供用於如圖1至圖9B的實施例中描述的能量收集和轉換系統。功率控制器1000可以是集成的組串功率控制器(ISPC)。在系統包括ISPC功率控制器1000的一些實施例中，SCE和/或SGT可能不是必須的。或者，可在系統中與SCE和/或SGT —起提供ISPC。
[0112]在一個實施例中，功率控制器1000可包括電流管理員電壓補償器(CAVC) 1010。CAVClO 10可執行上述CA和VC的功能，並且在一些實施例中，可以由功率控制器代替單獨的串部件而基於SOS排名執行上述CA和VC的功能。CAVC1010可以與一個或多個串部件
【權利要求】
1.一種能量收集系統的電路，其包括: 一個或多個組串，其與電力負荷耦接，所述一個或多個組串中的每一個包括以串聯方式彼此耦接的一個或多個串部件，其中所述一個或多個串部件中的每一個包括:(i)連接件，其從能量輸出裝置接收輸出；以及(ii)逆變器，其被配置為將所述能量輸出裝置的輸出轉換為交流電(AC)能量；以及 控制器，其通過控制所述一個或多個串部件，來控制由所述一個或多個組串提供的輸出。
2.根據權利要求1所述的電路，其中所述一個或多個串部件中的每一個進一步包括控制電路，用以從所述控制器接收一個或多個命令。
3.根據權利要求1所述的電路，其中所述控制器通過控制所述一個或多個串部件中的每一個的串部件輸出電壓、串部件輸出電流、或串部件輸出功率中的至少一個來控制所述輸出。
4.根據權利要求1所述的電路，其中所述電力負荷進一步包括電網接口，用以將所述能量收集系統耦接至輸電網絡。
5.根據權利要求4所述的電路，其中所述電力負荷進一步包括由所述控制器控制的一個或多個電網斷開開關， 並且其中所述控制器被配置為在故障狀態期間使得所述一個或多個電網斷開開關改變狀態。
6.根據權利要求4所述的電路，其中通過所述一個或多個串部件中的每一個的逆變器轉換的所述AC能量具有下列特性中的至少一個:(i) AC電壓輸出，其幅度基於相應串部件的輸入能量源或儲存的電壓或電流幅度或功率或能量提供和吸收能力中的至少其一；(ii)相位輸出，其基於所述輸電網絡的相位頻率輸出，其基於所述輸電網絡的頻率。
7.根據權利要求4所述的電路，其中所述一個或多個串部件中的每一個進一步包括功率平衡電路，其被配置為使得由能量輸出裝置提供的所述輸出與將被傳送至所述輸電網絡的所述AC能量平衡。
8.根據權利要求1所述的電路，其中所述一個或多個串部件中的每一個進一步包括均流電路，其被配置為控制各個串部件將要輸出的電流量。
9.根據權利要求1所述的電路，其中所述控制器包括以下電路中的至少一個:均流電路，其被配置為控制所述一個或多個串部件中的每一個將要輸出的電流量；或電壓補償電路，其被配置為控制所述一個或多個串部件中的每一個將要輸出的電壓量。
10.根據權利要求1所述的電路，其中所述能量輸出裝置包括光伏(PV)電池板、或其它能量收集或產生裝置。
11.一種能量收集系統，其包括: 電力負荷； 一個或多個組串，其與所述電力負荷連接，所述一個或多個組串中的每一個包括以串聯方式彼此耦接的一個或多個串部件，其中所述一個或多個串部件中的每一個包括:(i)連接件，其從能量輸出裝置接收輸出；以及(ii)逆變器，其被配置為將所述能量輸出裝置的輸出轉換為交流電(AC)能量；以及 控制器，其通過控制所述一個或多個串部件，來控制由所述一個或多個組串提供的輸出。
12.根據權利要求11所述的能量收集系統，其中所述一個或多個串部件中的每一個進一步包括控制電路，其被配置為從所述控制器接收一個或多個命令以控制相應的串部件。
13.根據權利要求11所述的能量收集系統，其中所述一個或多個串部件中的每一個進一步包括DC-DC變換器，其被配置為將由所述能量輸出裝置提供的DC能量升壓或降壓。
14.根據權利要求11所述的能量收集系統，其中所述電力負荷進一步包括電網接口，用以將所述能量收集系統耦接至輸電網絡。
15.根據權利要求14所述的能量收集系統，其中所述電力負荷進一步包括由所述控制器控制的一個或多個電網斷開開關，所述控制器在故障狀態期間使得所述一個或多個電網斷開開關改變狀態。
16.根據權利要求14所述的能量收集系統，其中通過所述一個或多個串部件中的每一個的逆變器轉換的所述AC能量具有下列特性中的至少一個:(i) AC電壓輸出，其幅度基於相應串部件的輸入能量源或儲存的電壓或電流幅度或功率或能量提供和吸收能力中的至少一個；(?)相位輸出，其基於所述輸電網絡的相位；或(:^:0頻率輸出，其基於所述輸電網絡的頻率。
17.根據權利要求14所述的能量收集系統，其中所述一個或多個串部件中的每一個進一步包括功率平衡電路，其被配置為使得由能量輸出裝置提供的所述輸出與將被傳送至所述輸電網絡的所述AC能量平衡。
18.根據權利要求11所述的能量收集系統，其中所述一個或多個串部件中的每一個進一步包括均流電路，其被配置為控制相應串部件將要輸出的電流量。
19.根據權利要求1`1所述的能量收集系統，其中所述控制器包括以下電路中的至少一個:均流電路，其被配置為控制所述一個或多個串部件中的每一個將要輸出的電流量；或電壓補償電路，其被配置為控制所述一個或多個串部件中的每一個將要輸出的電壓量。
20.根據權利要求11所述的能量收集系統，其中所述能量輸出裝置包括光伏(PV)電池板或其它能量收集和產生裝置。
【文檔編號】H02J3/36GK103782471SQ201280044009
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年7月11日 優先權日:2011年7月11日
【發明者】希貝希斯·博瓦米克 申請人:賽恩沃茨公司