CN102257450A - 光伏电池的电子控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电发生器的电子控制系统，其具有多个静止式微转换器(14)，每个微转换器(14)电连接至至少一个光伏电池(12)。所述系统还具有至少一个重新配置组件(22)，其适于向负载(100)传输至少一个微转换器(14)的能量流。中央电子处理单元(20)适于控制由所述至少一个重新配置组件(22)传输的能量流的变化。本发明的系统可使发生器的发电最佳化，根据负载的需要和/或不同的光伏电池的工况，调节所提供的功率。

Description

光伏电池的电子控制系统

本发明涉及光电发生器领域，更准确地说，涉及纳入电子技术的光电组件领域；这种组件具有光电发生器和光伏电池电子控制系统。

公知地，光电发生器具有一个或多个串联和/或并联的光伏电池。如果是无机材料，光伏电池基本上由半导电材料的一个二极管(pn结或pin结)构成。这种材料具有光能吸收特性，其中大部分光能可输送到载流子(电子和空穴)。一个二极管(pn结或pin结)通过N型和P型两个区掺杂的结构——可选地，与非掺杂区(称为“本征”区，在pin结中标以i)分开——可分开载流子，以便以后通过光伏电池的电极进行收集。光伏电池可提供的电位差(开路电压V_oc)和最大电流(短路电流I_sc)，同时随整个光伏电池的结构材料和该光伏电池周围的情况(通过光谱强度的光照、温度等)而变化。如果是有机材料，那么，模型基本上不同——进一步参照称为激子的电子空穴对在其中形成的施主材料和受主材料的概念。最后结果相同：分开载流子，以便收集和产生电流。

图1示出光电发生器的一实施例。大部分光电发生器由至少一个串联和/或并联的光伏电池板构成。可串联多组光伏电池，以增大光伏电池组的总电压；也可并联多组光伏电池，以增大发生器的总电流强度。同样，可串联和/或并联多个板，以增大发生器的电压和/或电流强度，视应用情况而定。

图1示出光电发生器，其包括两个平行的分部，每个分部包括三组光伏电池2。为了确保光电发生器的电安全，提倡使用单向二极管3和旁路二极管4。单向二极管3串联在发生器的每个平行的分路上，以避免应用中或发生器其它分部的负电流在光伏电池中流通。旁路二极管4反平行地连接在光伏电池组2上。旁路二极管4可使具有故障或遮挡问题的光伏电池组2短路，并解决过热点问题。

发生器的最大电压相当于其光伏电池的最大电压之和，发生器输送的最大电流相当于光伏电池的最大电流之和。对于真空光伏电池，即对于零输出电流(开路)，光伏电池达到最大电压V_oc，当其接线端子短路时，即对于光伏电池接线端子的零电压，光伏电池达到最大电流I_cc。最大值V_oc和I_cc取决于制造光伏电池所采用的工艺和材料。此外，电流最大值Icc大大取决于光伏电池的阳光照射充足度。因此，光伏电池具有非线性电流/电压特性，其功率特性具有最大功率点，相当于最佳电压值V_opt和最佳电流值I_opt。图2示出具有最大功率点MPP的光伏电池的电流-电压特性I_PV和功率特性P_PV。同样，光电发生器具有非线性电流/电压特性，其功率特性具有最大功率点。如果光伏电池的一部分被遮挡，或者如果一组的一个或多个光伏电池失效，那么，该组的最大功率点MPP移动。

公知地，使用最大功率点跟踪器MPPT，使光电发生器工作最佳化。这种最大功率点跟踪器MPPT可连接至静止式转换器CS，根据应用情况，所述静止式转换器CS可为直流-交流转换器，或为直流-直流转换器。因此，图1示出了静止式DC/AC直流/交流转换器8，其连接至发生器的输出端，获得发生器的全部光伏电池所产生的电能，使之输送到负载。根据负载的需要，转换器可增大或降低输出电压和/或使输出电压波动。图1还示出与转换器8连接的最大功率点跟踪器(MPPT)6。

最大功率点跟踪器(MPPT)6用于控制转换器8，以获得相应于最佳电压值V_opt、即相应于功率特性最大点的输入电压。最大功率点取决于多个随时变化的参数，尤其是存在的阳光照射充足度、光伏电池的温度或处于工作状态的光伏电池数量。

这样，光电发生器的效率不会受到某些光伏电池的故障或遮挡的太大影响。发生器的电效率直接取决于每个光伏电池的工况。

例如，最大功率点跟踪器MPPT可采用与电压变化对发生器输送的功率的影响一致的算法，在视为增大功率方面产生电压偏差。因此，这种算法在于对第一电压测定发生器输送的功率，在一定时间之后，使第二电压大于第一电压，然后，测定或计算相应的功率。如果相应于第二电压的功率大于相应于第一电压的功率，那么，后续的算法步骤是使第三电压更大。在相反的情况下，施加的第三电压小于第一电压。这样，逐步地，系统可持续不停地调节光电发生器接线端子的电压，使之尽可能接近最大功率点。显然，最大功率点跟踪器MPPT可使用其它算法。

但是，需要使发生器的每组光伏电池产生的能量的控制最佳化，尤其是需要尽量将发生器的功率调节到负载的需要和/或有效地快速解决某些光伏电池的故障和/或阳光照射充足度的变化。

为此，本发明提出光电发生器的电子控制系统，其包括多个微转换器和至少一个重新配置组件，每个微转换器连接至一个或多个光伏电池，重新配置组件适于控制来自每个微转换器的能量流。因此，重新配置组件根据负载的需要和/或不同组光伏电池的工况，改变能量流的输送。能量流输送的重新配置由中央处理单元控制。因此，根据所要求的需要和/或不同光伏电池的工况调节提供的功率，可使发生器的发电最佳化。

更准确地说，本发明涉及光电发生器的电子控制系统，所述系统包括：

-多个静止式微转换器，每个微转换器与至少一个光伏电池进行电连接，

-至少一个重新配置组件，其适于向负载传输至少一个微转换器的能量流，

-中央电子处理单元，其适于控制由所述至少一个重新配置组件传输的能量流的变化。

根据一实施方式，每个微转换器连接至电子控制组件，所述电子控制组件适于与中央电子处理单元连通。电子控制组件可测定微转换器的输入和/或输出电数据。电子控制组件可包括最大功率点跟踪器MPPT。电子控制组件可包括时钟和/或温度传感器。

根据一实施方式，微转换器连接至多结光电装置的每个光伏电池。

根据这些实施方式，中央电子处理单元适于与负载和/或外部网络连通。

根据一实施方式，重新配置组件具有多个开关。根据这些实施方式，中央电子处理单元适于通过重新配置组件控制至少两个微转换器的串联或并联。中央电子处理单元还适于通过重新配置组件控制至少一个微转换器的短路或旁路。

本发明还涉及光电发生器，其包括至少一个光伏电池和一个本发明的控制系统。

下面，根据参照附图对作为例子给出的本发明的实施方式的说明，本发明的其它特征和优越性将得到更好的理解，附图如下：

图1(已经说明)是现有技术中光电发生器的示意图；

图2(已经说明)是光伏电池的电流-电压和功率的理论特性曲线图；

图3是本发明的电子控制系统的实施例的示意图；以及

图4是本发明的系统的重新配置组件的示意图。

本发明提出光电发生器的电子控制系统，其包括多个串联和/或并联的光伏电池。本发明的电子系统具有多个静止式微转换器。所谓“微转换器”，是指相对于与发生器的全部光伏电池连接的单个输出转换器，与光伏电池连接或与小组光伏电池连接的转换器。每个微转换器与至少一个光伏电池进行电连接，以获得由该光伏电池产生的能量，且使之传输到负载。所谓“负载”，是指使用光电发生器的电应用。

本发明的控制系统也包括中央电子处理单元，其控制至少一个重新配置组件。这种重新配置组件适于向负载传输多个微转换器的输出功率。中央电子处理单元控制每个重新配置组件，以便根据负载需要和/或发生器的光伏电池的工况，控制来自每个转换器的能量流的分布。因此，尽管光伏电池有故障和/或某些光伏电池过早老化和/或出现过热点，每个光伏电池产生的能量的控制都处于最佳状态。

图3示出本发明的光电发生器的电子控制系统的实施例。所述系统可使光伏电池发电最佳化。

本发明的控制系统包括多个静止式微转换器14(DC/DC直流/直流或DC/AC直流/交流)，每个都连接至至少一个光伏电池。在图3所示的实施例中，示出六个微转换器14，其连接至六组光伏电池12。这种示意性配置仅以说明的方式给出，显然，所述系统可控制数十个或数百个微转换器14，每个微转换器可连接至一百个或数百个光伏电池12。

每个微转换器14可连接至控制与微转换器14连接的光伏电池12的能量的电子控制组件16。这种电子组件16尤其可包括相连的光伏电池12的最大功率点跟踪器MPPT。最大功率点跟踪器MPPT适于采用跟踪光伏电池12的最大功率点的跟踪算法，例如前述算法。电子控制组件16可包括电压传感器、电流传感器和温度传感器。因此，其可测定与之连接的微转换器14的输入和/或输出电数据(电流和/或电压)。其也可测定板的温度。电子控制组件16与中央电子处理单元20连通，适于控制与之连接的微转换器14的工作变化。电子控制组件16可直接输送其测量结果至中央处理单元20，或直接进行处理，以便仅向中央处理单元发出故障情况信号。为此，电子控制组件16可包括微控制器或集成逻辑电路FPGA，其纳入实时计算算法。如果电子控制组件16装有最大功率点跟踪器，那么，其包括这种实时计算器，可适于使用本发明。

如图3所示，多个微转换器14也连接至发生器的静止式输出转换器18，以便与负载100匹配。图3示出了单个输出转换器18，但显然，可根据光电发生器的尺寸大小和构造，串联、并联或级联多个转换器18。在图3所示的实施例上，输出转换器18是DC/AC直流/交流转换器，但可以是DC/DC直流/直流转换器；根据考虑的应用情况，转换器18可以是升压转换器或降压转换器。例如，转换器18可布置在系统的与可在电网中使用的线路载波电流信号结合或不结合的电功率输出端。

通过构成功率转换单元的重新配置组件22，使每个微转换器14连接至输出转换器18。如图3所示，重新配置组件22连接至三个微转换器14，但是，该实施例完全是说明性的和非限制性的。

重新配置组件22可控制来自每个微转换器14的能量流向输出转换器18的传输，且可根据某些组光伏电池12可能存在的故障和/或根据负载100的特殊电能需要，重新配置能量流。重新配置组件由中央电子处理单元20控制。

中央处理单元20例如可以是微控制器。中央处理单元20从每个电子控制组件16接收信息，且可控制每个重新配置组件22以及每个电子控制组件16。中央处理单元20也可从负载100接收信息——例如特殊电能需要，也可将信息传输至负载100——例如指示紧急断路。中央处理单元20也可与外部网络连通——例如电气操作人员，以指示故障或检修的必要性。

中央处理单元20和上述其它构件之间的传输可通过任何适当的方法确保，例如电网电缆、线路载波电流、无线通信协议等。中央处理单元20和电子控制组件16之间的传输是双向的，如同中央处理单元20和负载100与中央处理单元20和外部网络之间的传输。相反，中央处理单元20和重新配置组件22之间的传输是单向的，组件22接收中央处理单元20的指令，无需进行信息本身的传输。这些传输可各使用不同的技术和协议。

中央处理单元20可从每个电子控制组件16和/或负载100接收的信息，控制每个重新配置组件22，以便根据需要和/或全部光伏电池以及发生器的微转换器的工况，改变每个微转换器14传输的能量流。中央处理单元20也可控制每个电子组件16，以便最佳地调节对每个微转换器14的控制。尤其是，如果某些组光伏电池功能不良或出现故障，那么，中央处理单元20由与这些组中每个光伏电池连接的电子控制组件16获得信息，且可控制由其它各组光伏电池提供的能量流的重新配置。

图4示意地示出重新配置组件22的细部。如图4所示，重新配置组件22连接至三个微转换器14，但显然，这不是限制性的。重新配置组件22具有2n个功率输入端——n等于与组件连接的微转换器14的数量，以及2个功率输出端。因此，重新配置组件22在输入端接收每个微转换器14提供的电功率，在输出端提供倍增的功率。重新配置组件22包括多个开关26，其由中央电子处理单元20控制。开关26可以是任何适当类型的，视组件22中使用的电子组件和中央处理单元20选用的通信协议的情况而定；例如，可使用晶体管或可编程的逻辑电路。

根据负载的需要，重新配置组件22可提供高电压，与微转换器14串联，或提供大电流，与微转换器14并联。组件的串联或并联由中央电子处理单元20控制，其控制适当的开关26的接通和断开。负载100的需要或者通过负载直接发送的请求，或者通过来自网络的指令，从中央电子处理单元20得知。

如图3所示，可串联多个重新配置组件22，以便在高电压范围配置光电发生器。同样，可并联多个重新配置组件22，以便在大电流范围配置光电发生器。

因此，本发明的电子控制系统可控制光电发生器与之连接的负载的不同需求，即使这些需求在一定时间发生变化，也是如此。此外，本发明的电子控制系统也可控制发生器构件的暂时的或最终的故障情况。

在一组光伏电池12和/或微转换器14发生故障的情况下，重新配置组件22可短路，或使有关的功率输入端暂时或最终旁路。微转换器14的短路或旁路由中央电子处理单元20控制，其控制适当的开关26的接通和断开。

一组光伏电池12的故障原因可能是多方面的，尤其包括光伏电池12的老化、阳光照射不足或最终的故障。故障原因的多重性需要检测易于实施的光伏电池组12的工况。例如，当微转换器14输入端的电流电压特性变化时，可检测光伏电池组12的故障。电子控制组件16测定微转换器14输入端的这些电数据。测定可连续进行或按一定的时间间隔进行。

当微转换器14的电流电压特性变化时，可检测微转换器14的故障。电子控制组件16测定微转换器14输出端的这些电数据。测定可连续进行或按一定的时间间隔进行。

本发明的控制系统可处理这些故障情况。如上所述，电子控制组件16测定微转换器14的输入端和输出端的电流和电压。

如果I_pc·V_pv的乘积即微转换器14输入端的功率为零，这意味着相连的光伏电池12被遮挡或失效。为了在暂时的遮挡、持续的遮挡和最终的故障之间进行鉴别，电子控制组件16可包括时钟。如果在时间小于第一阈值时，I_pv·V_pv的乘积仍为零，那么，电子控制组件16确定为简单的暂时遮挡，可直接控制这种状态，使其微转换器14暂时短路。如果在时间大于该第一阈值但小于第二阈值时，I_pv·V_pv的乘积仍为零，那么，电子控制组件16确定为持续的遮挡，向中央处理单元发出预警。如果在时间大于第二阈值时，I_pv.V_pv的乘积仍为零，那么，电子控制组件16确定为光伏电池组的最终故障，向中央处理单元发出预警。显然，暂时的阈值取决于应用情况。也可选择以一个单独的暂时阈值或无任何阈值进行工作。

在遮挡的情况下，中央处理单元20可使组件22控制遮挡的光伏电池组的短路能量流的重新配置，且重新布置无遮挡的光伏电池组12的微转换器14提供的通量。例如，中央处理单元20可向某些电子控制组件16发出指令，改变与无遮挡光伏电池连接的微转换器14的工作。电子控制组件16甚至可按中央处理单元20的指令，强制微转换器14处于能量衰变方式。实际上，每个微转换器可使与之连接的光伏电池提供的电压升降(在最大电压V_oc的限度)。

在一组光伏电池12发生最终故障的情况下，电子控制组件16指示中央处理单元20，可控制微转换器14处于旁路模式。实际上，每个微转换器14可取代旁路二极管和单向二极管。显然，微转换器14不排除普通保护二极管的存在，如图2所示。中央处理单元20可向操作人员指示这种最终故障。

如果I_S.V_S的乘积即微转换器14输出端的功率为零或无穷大，这意味着微转换器14有故障。电子控制组件16向控制重新配置组件22短路的中央处理单元20指示有故障的微转换器的相应的输入功率。中央处理单元20也可控制无故障的其它微转换器提供的能量流的重新布置。中央处理单元20也可向操作人员指示这种故障。

本发明的电子控制系统也可包括安全功能。例如，中央处理单元20可控制全部微转换器14和转换器18的断路。中央处理单元20可按照负载100或外部网络的指令或从电子控制组件16接收的信息，例如多组光伏电池12的过高温度，控制这种紧急断路。尤其在一组光伏电池12过热的情况下，每个电子控制组件16也可包括局部安全功能；因此，可使其微转换器14短路，并指示中央处理单元20。

本发明的电子控制系统也可包括防盗功能。例如，中央处理单元20如果被指示发生器例如由机械开关改变位置，则可控制重新配置组件22的全部开关26断开。因此，操作人员的代码或指令可能是恢复重新配置组件22的开关26所需要的，且可重新从光伏电池向负载100进行能量传输。

控制系统的中央处理单元20还可向电网中心站传输光伏电池组12和/或每个板24的微转换器14的工况的有关信息。这样便于板24的检修。特别是，负责检修的操作人员因而更快地了解某些组光伏电池12或某些微转换器14的故障，可采取相应的措施。

本发明的控制系统可全部或部分地集成在光电发生器中。发生器可包括多个板24；每个板24可包括多组串联和/或并联的光伏电池。图3示出两个板24，每个板具有三组光伏电池12，但显然，数量上不是限制性的。

根据可行的实施方式，可使用多结光电器件。因此，必须控制不同结的电耦合问题。多结光电器件，例如串接结式光电器件，系指由多个单结构成的光电器件，所述多个单结叠置成扩大器件的太阳光谱吸收区域。串接结式光电器件可获得良好的电能转换效率。串接结式光电器件中电耦合的主要缺陷是，不管阳光照射的情况怎样，构成串置的光伏电池的性能必需一致。实际上，这种理想的情况不能达到，因为串接的每个光伏电池的电流的产生在其照射的光谱区是随处不同的，根据阳光照射情况而有所变化。因此，串接结光电器件由于其元件最薄弱而具有固有的局限性。这种电流的局限性大大降低串接结式光电器件的理论效率。一种解决方案在于使串接结式光电器件的结进行电解耦。串置的光伏电池始终进行光耦合，但进行电解耦。因此，每个结连接至两个电极；从而获得具有四电极的光电器件(在串接的情况下)。使微转换器14连接至串接的每个光伏电池，系统可获得一种多结光电器件，其以电解耦的光伏电池进行工作，每个光伏电池由重新配置组件22进行最佳控制。

本发明参照附图所示的实施例加以说明。但是，显然，这种说明不是限制性的。尤其是，光伏电池组12、微转换器14和重新配置组件22的数量和布置，取决于所考虑的应用情况和光电发生器的构造。可包括在电子控制组件16内的最大功率点跟踪器MPPT中使用的算法，可以是现有的任何算法，或者是以后研制的算法，每个电子组件16可不具有相同的应用算法。同样，中央处理单元20和系统的元件或外部网络之间使用的通信协议可根据所用的技术予以调整。

Claims (15)

1.光电发生器的电子控制系统，其特征在于，所述系统具有：

-多个静止式微转换器(14)，每个微转换器(14)电连接至一个或多个光伏电池(12)，所述一个或多个光伏电池组成发生器的全部光伏电池的一部分，

-至少一个重新配置组件(22)，其适于向负载(100)传输所述微转换器(14)的能量流，

-中央电子处理单元(20)，其适于控制由所述至少一个重新配置组件(22)传输的能量流的变化。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个微转换器(14)连接至电子控制组件(16)，所述电子控制组件(16)适于与中央电子处理单元(20)进行通信。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电子控制组件(16)测定所述微转换器(14)的输入端和/或输出端的电数据。

4.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述电子控制组件(16)具有最大功率点跟踪器(MPPT)。

5.根据权利要求2至4中之一所述的系统，其特征在于，所述电子控制组件(16)具有时钟。

6.根据权利要求2至5中之一所述的系统，其特征在于，所述电子控制组件(16)具有温度传感器。

7.根据前述权利要求中之一所述的系统，其特征在于，所述微转换器(14)连接至多结光电器件的每个光伏电池。

8.根据前述权利要求中之一所述的系统，其特征在于，所述中央电子处理单元(20)适于与负载(100)进行数据传输。

9.根据前述权利要求中之一所述的系统，其特征在于，所述中央电子处理单元(20)适于与外部网络进行数据传输。

10.根据权利要求1至9中之一所述的系统，其特征在于，所述中央电子处理单元(20)适于通过重新配置组件(22)，控制至少两个微转换器(14)的串联。

11.根据权利要求1至9中之一所述的系统，其特征在于，所述中央电子处理单元(20)适于通过重新配置组件(22)，控制至少两个微转换器(14)的并联。

12.根据权利要求1至9中之一所述的系统，其特征在于，所述中央电子处理单元(20)适于通过重新配置组件(22)，控制至少一个微转换器(14)的短路。

13.根据权利要求1至9中之一所述的系统，其特征在于，所述中央电子处理单元(20)适于通过重新配置组件(22)，控制至少一个微转换器(14)的旁路。

14.根据前述权利要求中之一所述的系统，其特征在于，所述重新配置组件(22)具有多个开关(26)。

15.光电发生器，其特征在于，其具有：

-至少一个光伏电池；

-根据权利要求1至14中之一所述的控制系统。

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