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CN103782471B - 用于太阳能光伏能量收集和转换的系统及方法 - Google Patents

用于太阳能光伏能量收集和转换的系统及方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种能量收集系统的电路，其包括被配置为与电力负荷耦接的一个或多个组串。所述一个或多个组串中的每一个包括彼此以串联方式耦接的一个或多个串部件。所述一个或多个串部件中的每一个包括：（i）连接件，其从能量输出装置接收输出；以及（ii）逆变器，其被配置为将所述能量输出装置的输出转换为交流（AC）能量。所述电路包括控制器，其通过控制单独的串部件来控制由所述一个或多个组串提供的输出。

Description

用于太阳能光伏能量收集和转换的系统及方法
相关申请的交叉引用
本申请根据《美国法典》第35卷第119（e）节要求于2011年7月11日提交的标题为“SYSTEM AND METHODS FOR SOLAR PHOTOVOLTAIC ENERGY COLLECTION AND CONVERSION”的临时申请第61/506,544号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
背景技术
目前，可看到能量发电系统增加了使用诸如太阳能之类的可再生能源。例如，太阳能收集可通过利用光伏效应而发生。为了在成本方面实现太阳能光伏（PV）系统的市电同价，美国能源部（DOE）例如已经预估出诸如PV逆变器之类的将直流电（DC）能量转换为电网兼容的交流电（AC）能量的电力转换设备花费应当不超过$0.10/瓦特。逆变器的$0.10/瓦特的预算是把硬件成本、安装以及整个使用期的运行&维护（O&M）成本都包括在内的。对目前实际使用的现有的PV逆变器拓扑结构和那些未来计划开发的PV逆变器拓扑结构的评估表明在目前及计划的成本与DOE的市电同价的目标成本之间存在显著差异。在世界各地，PV逆变器的平均销售价格（所有市场和kW规模的平均值）在2010年是$0.29/瓦特，这不包括安装和O&M成本。
微型逆变器或微型转换器的花费比在单点聚集DC-AC转换功能的集中式逆变器（典型地为100kW及以上规模）的花费多约2至3倍。然而，传统的集中式逆变器无法捕获由于电池板到电池板的变化引起的损失能量。研究表明未捕获的能量不仅仅是收益损失，而且还可能是PV电池板随着时间劣化的速度加快的原因，这是由于较高的电池工作温度引起的。尽管微型逆变器和微型转换器的花费远超于集中式逆变器的花费，但是它们具有通过显著改善最大功率点追踪功能的粒度以提升系统性能的潜能，这是因为它们一般被设计为仅与一个单独的PV电池板连接。尽管它们具有被感知了的性能增强能力，但是现有的微型逆变器或微型转换器解决方案的价格远远超出了DOE的市电同价目标。
因此，尽管随着过多的新拓扑结构和架构被提出，PV逆变器技术领域中的活动近期复苏了，但是，仍然存在对能够在保持微型逆变或微型转换的被感知了的利益的同时实现显著的成本降低的解决方案的需求。进一步存在对不影响电力转换效率的节能太阳能收集的需求。本文公开的系统和方法满足这些需求，并且能够从提出的架构（其累计地使得整体解决方案的额外系统成本降低）获得进一步的利益。
附图说明
各附图通过示例的方式而非通过限制的方式示出了本文的公开内容，以及附图中相同的参考数字表示相似的元件，附图中：
图1示出了根据一个实施例的示例能量收集和转换系统；
图2A至图2D描绘了根据本文描述的实施例的逆变器、微型逆变器或H桥；
图3A至图3B示出了根据不同的实施例的包括负荷中心或终端盒的能量收集和转换系统的示例；
图4示出了根据一个实施例的在三相配置中具有单相组串的示例系统；
图5示出了根据一个实施例的显示了串部件细节的示例能量收集和转换系统；
图6示出了根据一个实施例的如图5描绘的串部件的详细功率电路图；
图7示出了根据一个实施例的用于收集和转换能量的示例方法；
图8示出了在一个或多个实施例中可包括在能量收集和转换系统中的同步电网跟踪器的示例；
图9A至图9B示出了根据一个实施例的能量收集和转换系统的功率流（powerflow）表示；
图10示出了根据一个实施例的功率控制器；
图11示出了根据一个实施例的能量收集和转换系统的简化示例；
图12示出了根据一个实施例的表明了组串电压与电网电压关系的相量图；
图13示出了根据一个实施例的用在能量收集和转换系统中的多频能量耦合器电路的示例；
图14示出了根据一个实施例的平衡的DC和AC功率操作；以及
图15示出了根据一个实施例的功率平衡配置。
具体实施方式
本文描述的实施例针对高效地转换能量和最大化功率输出的能量收集和转换系统而提供。如本文所述，所述能量收集和转换系统可通过减少发生在该系统内的转换次数而高效地将直流电（DC）能量转换为交流电（AC）能量。此外，尽管本文描述的实施例将PV电池板称作能源输入端，但是该概念可以被本领域的普通技术人员扩展至其它类型的能量收集/产生或能量储存系统。
在一些实施例中，所述系统可实现半导体元件到相同的硅芯片的低电压集成，以显著降低成本，同时保留集中式逆变器和微型逆变器两者的优点（即，集中式逆变器的低成本和高效率以及微型逆变器的高灵活性和电池板级优化）。特别是，提供的所述系统可降低成本、最大化性能、并且增大从可再生能源收集和转换能量的可靠性。
发明人认识到，尽管微型逆变器能够解决集中式和组串式逆变器的很多缺点，但是典型的微型逆变或微型转换可导致在如下方面付出代价：（a）较低的功率转换效率；（b）每瓦特成本增加；以及（c）较低的可靠性。例如，关于（a）较低的功率转换效率,一些制造商声称他们能够通过利用集中式逆变器或者甚至是组串式逆变器提升对由于缺少电池板级优化器而导致的未捕获的kWhrs或能量的全面收集来补偿损失的瓦特。微型逆变器制造商的该声称在很多操作环境下难以证实并且在一些情形下很容易驳倒，特别是在电池板供应商给出较严格的制造公差的情形下。可以表明的是，对于诸如薄膜电池板级优化之类的低填充因子PV技术而言，其独自在额外能量的收集方面具有非常小的帮助，并且如果源自一个或类似的收集器的阵列构成电池板，其帮助甚至更小。
此外，很多工业设备也获益于通常没有阻挡或遮蔽的更好的场地位置。对于很多大型工业设备而言，由于电池板变动不充分或因为阵列内的电池板归属同一收集器，微型逆变器可能不能比集中式或组串式逆变器采集实质上更多的能量，甚至对于诸如多晶硅之类的某些更高填充因子的电池板而言，同样如此。然而，纯粹因电池板级优化产生的额外的能量收集对于诸如单晶硅（SUNPOWER）或基于多结电池的聚光型PV或CPV电池板之类的更高填充因子的电池板而言是可行的。尽管多结电池是最高效的PV电池，但是CPV电池板更多地受到电池板不匹配问题的影响，这是因为，由于在制造过程中光学以及机械公差叠加，所以更难以保持关键性的电池板加工一致性。
发明人进一步认识到，关于（b）成本增加（$/W），规模经济对集中式逆变器产品的益处比批量价格优势提供给微型逆变器或微型转换器的益处更多。尽管它们的成本较高，但是，在很多情况下，微型逆变器能够省去与安装集中式逆变器相关的额外成本。例如，取决于制造商、可用性、以及安装属性、电线/组串/家庭-运行（home-run）落地能力及市电并联连锁机制的容易程度，在大于200kW的功率范围内，集中式逆变器的报价范围从$0.17/W至$0.25/W（不包括O&M成本）。这些逆变器受益于将功率操作和转换电路系统合并到栅绝缘双极型晶体管（IGBT）的单个-区块/桥/相位-臂（single-blocks/bridge/phase-arms）、高电流操作电感器、变压器、或其它的磁性和各种滤波器元件中，并且之后能够通过规模经济获得较低的制造成本。不幸地是，电路系统和诸如大电感器、变压器、以及滤波器之类的无源元件的合并也致使这些逆变器非常庞大、难以运输并且安装它们的费用昂贵，即使它们有较低的资金/初始成本。
目前，微型逆变器/微型转换器还仍未从它们的元件的提升的批量采购影响中获益。因而，它们的一般报价处在$0.55/W至$0.85/W范围的高端。诸如住宅或光工业设备之类的较小设备可以吸收额外的首次或硬件成本，以规避诸如因邻近建筑或树木产生的对PV电池板的遮蔽或阻挡、缺少放置长组串的充足的屋顶区域之类的场地相关的缺点，同时受益于不必把任何表面区域（土地或墙壁）专用于组串或集中式逆变器所占用的面积而相对容易地连接至电网。然而，对于较大设备而言，相对于集中式逆变器而言的显著成本差异很难调整。因此，基于当前价格体系的微型逆变器可能仅被限制于较小规模的住宅或光工业设备。元件（有源半导体）集成的巨大壁垒是对电路中高电压的要求。要求高电压升压是为了实现与输电网络中的电压相兼容的电压。
发明人还认识到，关于（c）较低可靠性的缺点可归因于许多因素。这些因素包括：（1）拓扑结构中的大量元件；（2）相关焊锡接点；（3）电容器（例如，电解式、挥发式）的低寿命；以及（4）由于热膨胀和热收缩在板（PCB）上产生弯曲应力。目前，制造商在他们的设计中采用薄膜电容器（替代电解式电容器）。然而，为了能够提高可靠性，分立元件数仍然居高不下。主转换电路系统中的高电压负面地影响可靠性。首先，很难集成高电压半导体硅元件；其次，其导致半导体开关的高开关压力。半导体元件集成，特别是，使用已完善建立的、低成本且高可靠性的硅制程的半导体元件集成可以增加系统可靠性，但是用于高电压电路的元件集成通常仍成本过高。
根据一个或多个实施例，所述系统可在从DC至AC转换能量的过程中使用少次数的转换（例如，一次，两次，三次，五次或更少次等）。通过使用少次数转换（例如，一次转换）和/或通过消除对电压升压操作的需要，所述系统可具有最大可能的效率，或具有提升的效率。所述系统可合并可得到的或通常可得到的商品半导体开关以降低成本。例如，额定击穿电压为50V-100V的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）可被用于PV转换并改善采购影响以及减少基于硅半导体的功率开关中的转换损耗，基于硅半导体的功率开关中的转换损耗归因于它们极低的通态压降（可被称为欧姆损耗分量RDS(on)）以及比较低的开关损耗（归因于这些开关的改进的品质因数（FOM））。通过使用高效率、低电压的MOSFET，所述系统相比于目前发展水平而言可提升开关频率一个或多个数量级以实质上提升功率密度，从而，随之降低了成本。所述MOSFET还能够省去或显著减少散热成本，和/或能够减小磁性元件的尺寸、减轻其重量、减小其体积，以降低成本。
更进一步，在一些实施例中，所述系统还可以通过降低挥发式电容器储存要求来提升可靠性。此外，集成大部分或全部半导体元件（包括高压侧驱动器）也可以提升所述系统的可靠性。此外，高转换效率可引起总体损耗的降低和/或潜在地提升可靠性。
所述系统还可保持微型逆变器的电池板级优化能力的益处。为了改善和增强所述系统的性能，这些特征可能是有利的。例如，电路系统中的不同配置能够不同地处理较高性能电池板和较低性能电池板。在其它实施例中，所述系统能够保持甚至提升家庭运行（例如，住宅设施）的功率负荷能力以及传统或最新技术水平的系统的设施简化。所述系统在每个等同的家庭运行的电力系统上能够操作至少相同数量的电池板。
更进一步，根据一些实施例，用于能量收集和转换的系统和方法可针对市电并联性能集成尽可能多的元件。这可使得元件合并并且降低成本。例如，这可包括合并开关装置和联锁元件。所述系统和方法可被提供为在安装中不比微型逆变器的安装具有更多的附件。例如，可允许如同将传统集中式逆变器系统中的DC汇流箱和微型逆变器系统中的负荷中心集成的点。
根据实施例，所述能量收集和转换系统包括连接至电力负荷的一个或多个组串。每个组串包括彼此以串联方式耦接的多个串部件。所述串部件被配置为从/向诸如PV电池板或蓄电池之类的电压源吸收/产生DC能量，并将DC能量转换为AC能量。
在一些实施例中，每个串部件包括电压源和被配置为将DC能量转换为AC能量的逆变器（或微型逆变器）。串部件的AC输出能够被汇集以向电力负荷提供汇集的AC能量。所述电力负荷可包括接口以耦接至输电网络、可以是输电网络的一部分、或者可以被配置为AC发电系统的一部分（例如，独立电力系统、AC电动机、AC电阻负载）。例如，汇集的输出可被耦合至负荷中心或终端盒，负荷中心或终端盒可被耦接至输电网络。
在一个实施例中，微型逆变器可支持单个太阳能光伏（PV）电池板，或者可支持多个PV电池板（例如，被连接至单个逆变器的大量PV电池板）。在一些实施例中，对任意一个太阳能电池板的遮蔽、或电池板故障通常会成比例地减少整个太阳能电池板阵列的输出。每个微型逆变器能够用作其连接的电池板的最大功率点追踪器。
根据一个或多个实施例，汇集的串部件的AC输出可通过控制器控制。在一个实施方式中，该控制器可以是与电力负荷一起提供的或作为电力负荷一部分的主控制器并且能够向每个串部件传达控制信号以控制系统的AC输出。每个串部件可包括能够从所述主控制器接收控制信号的控制电路。
在其它实施例中，每个单独的串部件可包括被配置为产生DC电压的至少一个PV电池板以及DC-AC逆变器。例如，所提供的系统可合并为住宅或工业设施的一部分，从而多个PV电池板可被配置为接收阳光并产生DC能量。在单级转换中，该系统能够在电池板级将DC能量转换为AC能量，并连续累积每个单独的串部件的AC电压，以耦合至输电网络。在将电压提供到组串之前，通过在电池板级将能量从DC转换至AC，不再需要单独的集中式AC转换元件。
根据实施例，每个单独的串部件的DC-AC逆变器可被配置为：将DC电压转换为具有取决于光伏电池板电压的电压幅度输出的AC电压；将DC电压转换为具有取决于由控制器关于输电网络或AC发电系统的相位量确定的相位基准的相位输出的AC电压；和/或将DC电压转换为具有取决于由控制器关于输电网络或AC发电系统的频率量确定的频率基准的频率输出的AC电压。串部件还可包括额外的电压幅度和/或相位调整机制，例如控制器的升压或降压电路关于组串上的其它串部件有区别地管理每个串部件的电压。
在一些实施例中，可以没有任何电压升压操作或要求而在电池板级实现从DC能量至AC能量的转换（例如，通过每个串部件）。因此，施加在组串上的电流可与每个串部件（例如，AC电源）的输出端处的电流一致。这些AC电源的电压也可以被改变以应对它们各自的发电能力并且也可以被累加以与电网电压足够并充分地兼容。此外，在其它实施例中，这些AC电源的电压可以克服电线、电路系统和/或其它的市电并联元件中的对应于组串电流的固有电压降。
在很多电网交互应用中，根据它们的法规要求（UL1741、IEEE1547），即使在低或高的电网条件下，例如低于或高于标称值10%，也可要求这类PV系统支持电网或者要求其保持与电网的连接。甚至当PV电压比标称值低得多时，假如电网条件碰巧与峰值阳光照射时间一致，当环境温度高并且PV电池板的标称电池温度也被推高时，可能也必须满足该严格的电网条件或要求。由于PV电压遵循电压的负温度系数（针对晶体硅为-0.35%/℃），因此PV电压输出随着PV电池操作温度的升高而减小。在这种条件下，例如，可以想象，根据PV电池板电压规格，可能需要大约30个AC电源每个平均贡献大约17.6Vrms，而在标称条件下大约仅16Vrms。这些分布式的AC电源内部的元件的电压可能显著低于传统逆变器配置的电压。在一些情况下，这些低电压的示例可包括电压值为：10Vrms或以下、11Vrms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。在一些实施例中，通过在电池板级启动DC-AC转换并之后累积电网兼容的AC电压，不存在对升压的需要。这连同由于低操作电压而能够使用低RDS(on)以及高FOM MOSFET的额外益处，可帮助减少典型地与微型逆变器相关的转换损耗。
在下面的描述中，诸如具体元件、电路以及处理过程的示例之类的大量具体细节将被阐述，以提供对本公开的完整理解。另外，在下列的描述中，出于说明的目的，具体的术语被阐述以提供对示出的实施例的完整理解。尽管如此，对于本领域的普通技术人员而言显然的是，可以不需要这些具体的细节来实施示出的实施例。在其它情况下，公知的电路和装置以框图形式示出以避免使本公开模糊。本文中使用的术语“耦接”意思是直接连接至或者通过一个或多个中间元件或电路连接。本文描述的在不同总线上提供的任意信号可以与其它信号时分复用并在一个或多个通用总线上提供。此外，电路元件或软件模块之间的互连可被示出为总线或单信号线。每个总线可替换地为单信号线，而每个单信号线可替换地为总线，并且单线或总线可表示元件之间用于通信的任何一个或多个各种各样的物理或逻辑机制。示出的实施例不应当被理解为受限于本文描述的特定示例，相反，其范围内包括由所附权利要求限定的所有实施例。
当结合下列描述和附图考虑时，所述系统的其它目标和优点将进一步被认识和理解。尽管下列描述可包括描述所述系统的特定实施例的具体细节，但是这不应当被理解为限制本发明的范围，相反，应当理解为优选实施例的举例。很多变化是可能的，特别是，通过应用如本文建议的本领域普通技术人员公知的电气工程的对偶原理。可以在不脱离本发明的精神的情况下在本发明的范围内进行各种改变和修改。
系统描述
图1示出了根据一个实施例的示例能量收集和转换系统。诸如描述的系统可以在不同的环境中实施。实施例提供了可最大化光伏电池板功率输出的能量收集和转换系统。实施例进一步提供了针对输电网络兼容的输出的DC至AC转换。
在一个实施例中，系统100包括一个或多个组串110和中央负荷中心130。负荷中心130可包括接口以与现有输电网络170耦接，或者可包括接口以与独立电力系统、AC电动机、和/或其它AC电阻负载耦接。出于简化的目的，在图1中仅示出了一个组串110。但是，根据不同的实施方式，多个组串110可以耦接至负荷中心130。每个组串110包括能够以串联方式彼此连接的多个串部件（SM）112（例如，N个串部件，其中N等于或大于1）。在其它实施例中，可提供SM112的不同配置，例如两个或两个以上的SM112以并联方式彼此连接和/或两个或两个以上的SM112以串联和并联两种方式彼此连接。每个SM112包括串部件元件115以及电压源120。
根据实施例，SM112的电压源120可以是接收阳光并产生DC电压的光伏（PV）电池板。在其它实施例中，电压源120可以是能量储存系统，例如电池、飞轮、燃料电池或能够直接或间接产生DC电压（如果产生AC，则采用AC-DC接口电路装置）作为输出的其它能源。例如，系统100可包括作为组串110一部分的以串联方式连接的10个SM112（即，N=10），每个电压源120是从阳光产生能量的PV电池板。在单级转换中，系统100可被使用来在PV电池板级（例如，在每个SM112处）将DC能量转换为AC能量，并且累积从组串110上的每个SM112输出的电压以便耦合至输电网络170。
在一些实施例中，每个串部件元件115包括逆变器或微型逆变器，其被配置为接收由各个电压源120产生的DC电压并将DC电压转换为AC电压。AC电压（及其相位）可通过每个串部件元件115输出，从而使得多个输出可以被合并为相应的组串110的单个汇集的AC输出。汇集的输出可被提供至负荷中心130。每个串部件元件115包括其它元件，其将在之后的图中进行描述。
系统100还包括可合并为负荷中心130的一部分的一个或多个控制器140、一个或多个电网连接滤波器150、以及一个或多个电网断开/保护160。在其它实施例中，可以把控制器140、电网连接滤波器150、和/或电网断开/保护160与负荷中心130分开提供。控制器140可以与各串部件元件115通信，以便基于每个SM112的性能或操作协调每个SM112的输出以实现期望的功率和整体能量。例如，控制器140可提供单独的控制信号给每个单独的串部件元件115，从而动态地控制在每个SM112处的转换。在一个实施例中，每个串部件元件115可包括用于从控制器140接收控制信号的控制和通信模块。
在一些实施例中，可以提供单独的组串控制器（例如，多路控制器140，其位于组串的内部或外部，从而每个组串110具有相应的控制器140）。单独的组串控制器可以彼此以并联和/或串联方式连接。在其它实施例中，基于可用于计算和通信的控制器140的带宽，可将控制器140提供用于多个组串110。在采用多个组串控制器的实施方式中，每个组串控制器可以或不可以彼此直接通信。在这类情况下，多个组串控制器还可以与主控制器140通信。
基于由控制器140提供的控制信号，可以使一个或多个组串110中的每一个向负荷中心130输出具有一定相位的一定的AC电压。源自组串110的输出（例如，源自各SM112的汇集输出）可被提供给相应的电网连接滤波器150，其随后与相应的电网断开/保护160连接。在一些实施例中，多个组串110可被耦接至单个电网连接滤波器150和/或单个电网断开/保护160。电网连接滤波器150可被耦接至组串110以提供接口，该接口用于将源自组串110的输出（例如，电压和/或电流总量）提供给现有输电网络170（例如，从各SM112输出的电流的总量可流过电网连接滤波器150）。在一些实施例中，负荷中心130可提供接口，该接口用于将源自组串110的输出提供给独立电力系统、AC电动机、和/或AC电阻负荷之一（例如，而不是将组串110耦接至电网170）。
在一些实施例中，电网连接滤波器150被耦接至电网断开/保护160。在电网故障和/或低或高PV状态的情况期间，电网断开/保护160可提供对系统100的保护。在这些故障状态下，控制器140可经由电网断开/保护160在电路中产生中断，以保护系统100。或者，电网断开/保护控制机制可以独立于组串控制器140并且可以位于电网断开/保护块160的内部。例如，负荷中心130可以是居民或工业建筑的终端盒或断路器的至少一部分。电网断开/保护160可包括一个或多个电网断开开关（以及一个或多个电感器），其在电网故障和/或低或高PV状态期间可由控制器140或者由其在160内部自有的断开/保护控制器控制。
根据一个或多个实施例，系统100可以是太阳能光伏能量收集和转换系统。例如，组串110可包括多个SM，其中每个电压源120可以是PV电池板。在该实施例中，源自PV电池板的能量可以被最大化并且负荷中心130可提供电网170接口和同步能力（例如，称之为分布式AC耦接功率最大化器或简称为AC-叠加）。对诸如需要多种能量或电源优化的基于电池单元或超级电容器的能量储存系统之类的其它电网交互或负荷应用而言，在满足所需的功率需求的同时，相似的架构可解决和优化各电池单元或超级电容的充电和放电性能。此外，该系统或方法可满足燃料电池发电组的需求，即，可在满足负载功率需求的同时区别地对待不同的燃料电池的变化。
通过控制组串110中的各SM112的输出，系统100可针对各种不同使用，改善和增强收集和转换能量的性能。
图2A至图2D示出了根据一个实施例的逆变器或微型逆变器。图2A中的逆变器210可包括在一个或多个串部件中，以将DC能量转换为AC能量。例如，逆变器210的DC端可与PV电池板连接，以接收源自PV电池板的输出。图2B中的逆变器220和图2C中的逆变器230也示出了可包括在多个串部件中的逆变器。在一些实施例中，逆变器220和230可包括其它元件和/或电路（为了简化起见未示出）。
图2D示出了可包括在一个或多个串部件中的另一个逆变器240。其它元件可包括在逆变器240中。例如，逆变器或微型逆变器240可表示包括在（图1中的）串部件（SM）112中的逆变器，或者可表示还与电压升压或降压电路（即，执行电压升压或降压操作的电路）耦接的逆变器/微型逆变器。在一个实施例中，电压升压或降压电路可从控制器140接收控制信号，以便基于各PV电池板的性能，将源自各PV电池板的功率分别路由到，例如，电网。此外，逆变器210、220、230、240中的每一个还可针对单相电力系统（1-ph）、三相电力系统（3-ph）或其它多相电力系统配置。
图3A至图3B示出了根据不同的实施例的包括负荷中心或终端盒的能量收集和转换系统的示例。诸如通过图3A至图3B的实施例描述的系统可通过使用，例如，与图1和图2的实施例一起描述的元件，来实施。图3A示出了包括与负荷中心或终端盒320耦接的组串310的系统300。额外的组串310可与负荷中心320耦接，但是为了简化起见未在图3A中示出（例如，负荷中心320可与一个、两个、三个、四个、二十个、三十个、五十个或更多的组串310耦接）。组串310可与负荷中心320以并联方式、串联方式、或其任意组合的方式耦接。
每个组串310包括以串联方式彼此耦接的一个或多个串部件（SM）312。尽管如此，在不同的实施方式中，SM312能以并联方式、串联方式、或以其任意组合的方式彼此耦接。在一个实施例中，每个SM312可包括DC-AC逆变器或微型逆变器314，其与电压源316（例如，PV电池板）耦接。电压源316可将DC输出提供至微型逆变器314，从而使得每个SM312可向组串310输出AC电压。每个SM312可输出低电压，其可包括本申请中描述的任意电压值。
在图3A和图3B中示出的串部件元件314，例如，可以配置用于单相电力系统或诸如三相电力系统之类的多相电力系统。为实施三相组串部件元件314的实施例，组串310和SM312的配置可需要更多的元件，例如更多的开关和/或磁性元件，并且可需要特殊的走线布置。为了简化起见，本申请中讨论单相实施方式。
在一些实施例中，每个太阳能PV能量收集和转换系统300可提供单个负荷中心320。或者，可提供多个负荷中心320。在这种实施方式中，多个负荷中心320可以以并联方式、串联方式、或其组合的方式彼此连接。负荷中心320可包括一个或多个断路器322、一个或多个电网断开开关324、以及一个或多个磁性元件326（例如，一个或多个电感器）。在一些情况下，负荷中心320可包括开关装置或为开关装置的一部分，并且可以将沿着开关装置的一个、两个、或更多个电感器用作无源元件。负荷中心320还可包括控制器（或者，多个控制器，例如每个组串310一个控制器），其提供控制组串310的汇集的AC输出和/或单独的SM312的单独的AC输出的命令。此外，所述控制器可提供，例如，控制信号328，其控制系统300的功率因数（PF）和/或控制系统300的最大功率点追踪（MPPT）。在电网故障和/或低或高PV状态的情况期间，所述控制器通过控制一个或多个电网断开开关324可在电路中产生中断。
负荷中心320还可将系统300与现有输电网络330接合。在不同的实施例中，输电网络330可配置用于单相电力系统或三相电力系统。通过控制组串310和各SM312，负荷中心320可使得系统300具有电网兼容性和连接性。
图3B示出了包括与中央负荷中心或终端盒320耦接的三个或更多的组串310的系统350。在该实施例中，负荷中心320包括电网接口，其用于将系统350与现有的480V、三相输电网络（未在图3B中示出）接合。取决于不同的实施方式，基于可用于计算和通信的控制器带宽，负荷中心320可包括针对三个组串310中的每一个的单独的组串控制器和/或包括针对多个组串的统一的组串控制器。为了简化起见，所示三个组串310表示构成三相电力系统的三个单相组串，但在现实中，所示三个组串310可以为额外的组串和/或配置来实施三相系统350。在其它实施例中，系统350可包括多个负荷中心320。在这些实施例中，多个负荷中心320可以以并联方式、串联方式、或其组合的方式彼此连接。
图4示出了根据一个实施例的在三相配置中具有单相组串的示例系统。诸如由图4的实施例描述的系统可使用，例如，与图1至图3B的实施例一起描述的元件，来实现。在一个实施例中，每个组串（例如，组串1、组串2、组串3）包括一个或多个串部件410，其以串联方式彼此耦接。取决于实施方式，组串可以不同配置彼此连接。
例如，可使组串在Y-连接的系统中接地，或者使其在Δ连接的系统中不接地并且线-线连接。在一些实施例中，图4示出的组串可被布置为具有：线-线三相排列的480V、共中线三相连接的277V、低电力单相系统的120V、或者典型住宅单相系统的240V。组串1、组串2、组串3还可被布置为与负荷中心（未在图4中示出）耦接。
负荷中心中可安放AC断线、断路器、组串控制器和/或主控制器、和/或用于控制各SM410的输出以及每个组串（例如，组串1、组串2、组串3）的输出的其它元件。在一些实施例中，负荷中心不需要额外的有源元件，但是可包括与开关装置一起的电感器（例如，一个或两个电感器）（例如，与开关装置一起的电感器可被用作无源元件）。在其它实施例中，电网断开功能可与其它无源元件一起构成有源开关元件。
此外，图4所示的系统（以及图3A-图3B中的系统300、350）可包括提升的电池板堆积因子，即，在相同的家庭运行装置上的电池板数量。针对能量收集和转换系统提供的组串布置可包括图3A至图4中提供的配置，并且可配置用于线-线操作。组串还可处理480VAC（或其它的AC电压）的一一对应的电压。
由于三相版本系统的复杂的电路实现方式，下文中仅讨论单相实施方式。虽然如此，本文的单相实施方式的任何说明同样可以应用至三相实施方式、或任意N相实施方式中，其中N为正整数或整数。
图5示出了根据一个实施例的显示了串部件细节的示例能量收集和转换系统。在一些实施例中，可以在串部件内提供主模块。在其它实施例中，主模块可以分布在多个串部件和/或其它元件中。还可以向图5中示出的主模块提供额外的模块。此外，尽管实施例描述了SM510与同一组串的其它SM510具有一样的元件，但是为SM510提供的其它实施例包括不同的元件。图5中的元件或模块可使得系统500高效地转换能量并最大化功率输出。
如讨论的，所述能量收集和转换系统的一些目标（例如，当在单相组串配置中配置时）包括：（1）使用最少量的转换级（例如，理想的是一个转换级）；（2）使用小型无源元件以降低成本、减轻重量、减小体积以增加功率密度；（3）共享/均衡在同一组串上从串部件到其它串部件的电流；（4）在串部件之间同步电流产生以便将电流与现有输电网络同步；（5）应对功率平衡要求（例如，针对串部件的单相连接的额外要求是需要处理电网电流要求的120Hz或两倍的电网基本频率的功率，同时保持电池板级的DC操作并针对电网上的60Hz电压产生60Hz电流）；以及（6）在每个串部件的最大功率点（PMP）调整其功率输出，不考虑其它串部件的功率操作点。在一个实施例中，如图5中所示的太阳能PV能量收集和转换系统可使用各种不同的元件解决一个或多个目标。在接合至50Hz输电网络的实施例中，可要求功率平衡电路来处理100Hz功率。
在系统500中，组串包括以串联方式彼此耦接的多个串部件（SM）510。组串与电网连接滤波器（GCF）530耦接，GCF530随后与电网断开和保护（GDP）540连接。在一些实施例中，GCF530和GDP540可被包括在负荷中心或终端盒（未在图5中示出）中。GCF530和GDP540可被配置为提供接口给组串，以将汇集的AC输出提供给现有的输电网络550。尽管系统500可包括与负荷中心耦接（或与GCF530和/或GDP540耦接）的多个组串，但为了简化起见，仅一个组串被示出。
GCF530可提供接口，其用于将源自组串的输出（例如，累积的电压和/或电流）提供给输电网络550。在一个可选的实施例中，负荷中心可提供接口，其用于将源自组串的输出提供给独立电力系统、AC电动机、和/或AC电阻负荷之一（例如，而不是将组串耦接至电网550）。GDP540在电网故障和/或低或高PV状态的情况期间，可提供针对系统500的保护。
根据一个或多个实施例，单独的串部件510可包括DC-AC逆变器512、控制模块514、低通滤波器（LPF）516、组串均流器（SCE）518以及多频能量耦合器（MFEC）522。在每个SM510中，电压源520还可与DC-AC逆变器512耦接。在一些实施例中，这些列举的SM511的元件可以在，例如，串部件元件115，中提供，如关于图1的描述。在其它实施例中，多个PV电池板520可与逆变器512和/或单个SM510耦接。DC-AC逆变器512还可包括升压/降压电路和/或DC-AC H桥逆变器（未在图5中示出）。
系统500还可以是包括多个PV电池板的太阳能PV能量收集和转换系统。每个SM510的电压源520，例如，可以是PV电池板。作为阳光照射的结果，例如，PV电池板520可将DC输出提供至每个SM510的逆变器512。
在一个实施例中，DC-AC逆变器512可与控制/通信模块514通信。一个或多个电信号可在DC-AC逆变器512和控制/通信模块514之间传递。电信号可包括能被交换的用于控制DC-AC逆变器512（以及转而，控制单独的SM510）的命令信息。例如，所述命令可控制将DC电压转换为AC电压相关的一个或多个参数。这些参数可包括DC-AC逆变器512可在其上操作的电压、和/或DC-AC逆变器512可在其上操作的电流量。在一些实施例中，监控信息可从DC-AC逆变器512传递至控制/通信模块514。该监控信息可提供反馈至控制/通信模块514，以便更好的保持或改变提供至DC-AC逆变器512的命令。因此，在每个SM510中，取决于不同的实施方式，可提供从控制/通信模块514到DC-AC逆变器512的单向通信；可提供从DC-AC逆变器512到控制/通信模块514的单向通信；或者可提供控制/通信模块514和DC-AC逆变器512之间的双向通信。
控制/通信模块514还可与其它SM510的其它控制模块514通信。根据实施例，控制/通信模块514可从总控制器接收指令，和/或控制/通信模块514可允许SM510之间的同步电流产生。在一些实施例中，总控制器可以是组串控制器，其可以与或可以不与系统级的主控制器通信，或者可以是系统500的主控制器。在其它实施例中，SM510之一的控制/通信模块514可以被动态地授权作为主控制/通信模块514，而组串内的其它SM510的其它控制/通信模块514被配置为从控制/通信模块515。每个控制/通信模块514还能够在其最大功率点或改善的功率点上调整其各SM510的功率输出。
DC-AC逆变器512还可与多频能量耦合器（MFEC）522通信。当PV电池板520仅产生DC功率时，为了满足电网上二倍频率（120Hz）功率的要求，例如，能量存储可提供DC输入（源自PV电池板520）和AC输出（由SM510输出）之间的必要的功率平衡。此外，因为所述系统可以基于低电压电路和元件，如果能量存储发生于低电压总线上，则所需的具有高电容的电容器可以非常昂贵。因为储存在电容器中的能量与电容器电压的平方成正比，所以有益的是，通过增加能量存储的电压来大量减少用于能量存储的无源元件，即，系统中的电容器。为了减少所需的电容，可以创建更高电压的总线，其中能量可以储存在较低电容的电容器中。MFEC522可允许将低成本装置用于DC需要的能量存储来使频率功率平衡加倍。
在一个实施例中，能量存储可发生于串部件级上（例如，在每个SM510处）。在一些情况下，电网需求可以低于由PV电池板520输送的能量。在该情况下，能量可以通过MFEC522储存。或者，在电网需求高于由PV电池板520输送的能量的情况下，可以使用存储了的能量。MFEC522能够处理和/或调节由电压源520提供的DC能量和输送至电网550的AC能量。因为MFEC522可允许电压增加，其可导致电容减小，所以可将高可靠性电容器用于能量存储。这可以提供优于电解式能量存储配置的优势。在可选的实施例中，也可以使用电解式能量存储（或者使用电解式能量存储来替换高可靠性电容器）。MFEC522，如果同时配合额外电容，则还可提供提升的电网稳定性功能，例如，无功功率补偿、功率因数校正、电压骤降（voltage sag ride through）和/或逐步被公共设备托管的其它类似的电网扰动预防。
在一些实施例中，命令/通信信号还可以在MFEC522和DC-AC逆变器512之间交换。这些通信可以是双向通信，或者可以是从DC-AC逆变器至MFEC522的单向通信/命令，或者反之。在其它实施例中，MFEC522可直接从控制/通信模块514接收控制信号。使用这些命令信号，MFEC522可被配置为处理电网电流要求的120Hz功率，同时保持PV电池板520的DC功率输送操作并产生针对电网550上的60Hz电压的60Hz电流。在一个实施例中，MFEC522能够处理电网电流要求的任意数量频率的功率，同时针对电网550上的电压产生另一个频率或同一频率的电流。在一些情况下，输出至电网550的频率功率可以相同于、两倍于、三倍于、或任意倍数于电网550上的电压的频率电流。MFEC522还可在其最大功率点或在有助于调整的改善功率点上，调整SM510的功率输出。
每个SM510还可包括组串均流器（SCE）518。SCE518可配置为使同一组串上的SM518能够处理相同量的AC电流，以避免任何意外建压（例如，为了降低用于通信的带宽要求）。SCE518可防止过量的电流或电压提升，从而有助于同一组串上从一个SM510到下一个SM510的均衡。这可允许组串的不同SM510之间的电流共享和均衡。通过提供（和/或接收）命令至MFEC522，SCE518还可以与MFEC522通信。例如，SCE518可提供命令至MFEC522，这可引起或有助于其相应的SM510的电流共享/均衡。在一些情况下，可以在MFEC522和SCE518之间提供单向或双向通信。
根据一个或多个实施例，每个SM510可包括低通滤波器（LPF）516。LPF516在将频率高于截止频率的信号衰减的同时可传递低频信号。衰减量可取决于应用和/或特定的信号。LPF516还可以与DC-AC逆变器512、SCE518和/或组串上具有的其它SM510通信，并且可以被配置为与主控制器和/或组串内另一个SM510的另一个LPF516通信。在一些情况下，SM510的LPF516可被授权成为主LPF516（例如，动态地），而组串上其它SM510的其他LPF516被配置为从LPF516。在一个实施例中，LPF516可包括无源元件（例如，小型无源元件），其可以降低LPF516的成本，减轻其重量，减小其体积，和/或增大其功率密度。
在一些实施例中，LPF516可将输出的电流提供给组串具有的其它SM510并且可以提供其高频被衰减或移除的交流电（例如，LPF516可处理和/或修改从DC-AC逆变器512输出的电流）。组串具有的不同SM510可将由组串上的SM510提供的电流传送至负荷中心（例如，汇集由组串上的各SM510提供的电流以产生组串汇集电流）。在一些情况下，汇集的输出可流过GCF530和/或GDP540。源自每个单独的（或者一个或多个）SM510的电流在到达组串前可流过一个或多个LPF516和/或其它类型的滤波器。
图6示出了根据一个实施例的如图5中描述的串部件的细节图。例如，串部件600可表示如图1至图5中描述的串部件。在一个实施例中，串部件600可包括MFEC610、SCE620、LPF630、DC-AC逆变器640（例如，单级逆变器）、PV电池板（或其它电压源）650、以及高频开关纹波电容器660。DC-AC逆变器640在其它实施例中可以是多级逆变器。LPF630还可包括电流整形电感器（CSI）632和滤波电容器634。其它元件可与串部件600一起提供，但是为了简化起见未示出。
在一些实施例中，串部件600的一个或多个元件可包括如图6中所示的高压（HV）和低压（LV）元件两者。HV元件可包括金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和/或带反并联超快二极管的栅绝缘双极型晶体管（IGBT），而LV元件可包括MOSFET和/或肖特基二极管组合。取决于实施方式，采用MOSFET具有优势。例如，MOSFET可允许电流反向流动，可比IGBT更廉价，和/或可比IGBT允许更快的开关速度。在串部件600中使用的低电压可允许使用MOSFET。此外，为了进一步改善转换效率，可以将栅极驱动能量回收电路用于电源开关。该栅极能量在传统的基于IGBT的集中式逆变器和微型逆变器中一般被耗散，这是由于在较慢开关速度的半导体开关周围设计这类电路的困难（因为需要较大的无功元件）引起的。级DC-AC逆变器640的基于MOSFET的实施方式还可从使用两种不同类型的MOSFET中获益，这两种不同类型的MOSFET中，一种被优化用于更高的开关速度，另一种被优化用于低导通压降（low conduction drop）。例如，第一种类型可允许高开关频率脉宽调制的实施，而另一种类型可允许在低导通压降处针对电网AC电流方向的反向提供电网频率变换。
根据实施例，串部件600的MFEC610可包括高电压电源612。例如，在一些情况下，对于PV功率的每1W，MFEC610可储存大约2.65mJ（如果只需要MFEC610向电网提供120Hz分量的功率并且假设电路中无损耗）。因而，对于通常使用的产生240W功率的太阳能电池板，MFEC610可具有充足的储存能力，至少可储存0.636J。如果对MFEC610加入额外的要求，如前所述，则可相应地补充能量储存要求。
SCE620可与MFEC610耦接。在一些实施例中，如果只需要能量从AC端被提取至高电压存储612，则SCE620可用2-象限/单向变换器电路实现。在一些实施例中，SCE620可以是双向4-象限变换器电路。双向SCE620在保持跨越串部件600的输出端（例如，LPF630的AC电容）的60Hz电压波形方面很有用。如果穿过LPF630的电感器632的60Hz电流与组串的60Hz电流不匹配，则SCE620可针对低频（60Hz）电流提供低阻抗路径。然后，可获得不匹配电流的能量并将其储存在高电压电容存储612内，之后将其再利用至主功率流电路系统。此外，SCE620可被配置为处理对应于LPF电流整形电感器632中的零点几安培的非常低的能量。
串部件600的LPF630可以是2极滤波器。在其它实施例中，可以在串部件600中使用其它类型的滤波器。LPF630可包括一个或多个CSI632。在一些实施例中，两个或两个以上的CSI632可被包括在LPF630内。
根据实施例，在任意设施中（例如，任意住宅或工业设施），在组串操作过程期间，由于甚至在同一批的PV电池板中PV电池板性能的不同，单独的SM可在不同的改善/最大功率点（Pmp）处操作（例如，一个SM可以与同一组串的另一个SM操作在不同的Pmp）。因而，所述系统可以被配置为在其相应的Pmp处调整每个SM的功率输出。在一些实施例中，一些SM可以在较低的功率点操作，而其它的SM可以在较高的功率点操作。在一些情况下，在较低的功率点操作的SM可以被认为是“较弱（weaker）”SM，而在较高功率点操作的SM可以被认为是“较强”SM。在这类情形下，较弱SM可能需要如较强SM要求的能够处理较高的组串电流。这可允许较强SM在较高的功率点操作，同时较弱SM在其比较强SM的功率点低的功率点Pmp操作。
此外，对于PV电池板，最大功率点或Pmp可以由一定的Vmp和Imp定义，其中Vmp=最大功率处的电压，类似地，其中Imp等于最大功率处的电流。PV电池板可能需要被偏置，以使得其在Vmp电压处传送Imp电流。电压可被固定或针对特定的SM定义。利用DC-AC逆变器640的输入端处定义的Vmp，对于相同的功率输入Pmp，输出电流（AC）也固定。
因此，可以实施一种机制，以使得与Vmp相比，到DC-AC逆变器640的输入可以被改变（例如，被降低或降压），并且对于同一Pmp，在SM的输出端允许较高的电流（例如，AC）。优选地，该机制可以使输入电压被降压，或者，该机制可以使输入电压被升压，从而可以允许较低的电流速度。这可以通过如图6中示出的“降压型”转换器实现。另一方面，如果需要升压操作，则可以采用“升压型”转换器。例如，可以提供升压或降压电路以针对组串内的PV电池板性能变化进行调整，同时组串电流被保持在期望水平。
可以根据所述能量收集和转换系统的实施例提供部件功率不匹配解析器（MPMR）670，其可以是升压或降压电路。MPMR670可以被插入到图6的PV+点和DC+点之间。在一定条件下，并且基于较高或较低性能的电池板的能力，MPMR670有助于使组串控制器或主控制器有区别地将源自电池板的功率路由至电网。在其它实施例中，DC/AC H桥逆变器也可被包括在串部件600中。MPMR670是高效操作的同步降压电路。在可选实施例中，可使用其它升压或降压电路配置。也可在串部件600中使用能够改变（例如，减小或增大）输入的电路。
在一个实施例中，MPMR670可以被配置为仅当串部件600操作上弱于组串中其它SM时操作。此外，当升压或降压电路处于操作中时，因为DC-AC逆变器640被允许以接近1的调制指数操作，所以DC-AC逆变器640可最有效地操作。之后，可以通过升压或降压电路调制AC电压波形幅度。
方法
图7示出了根据一个实施例的用于收集和转换能量的示例方法。诸如图7的实施例描述的方法可以使用，例如，与图1至图6的实施例一起描述的元件，来实现。因此，对图1至图6的元件的参考是为了示出执行将要描述的步骤或子步骤的合适元素或元件。
根据实施例，所述系统包括一个或多个组串，每个组串具有以串联方式相互耦接的多个串部件。对于每个SM，DC能量被从SM的电压源提供至SM的串部件元件（步骤710）。在一些实施例中，电压源可以是PV电池板，其响应于电池板上接收的阳光产生DC电压。PV电池板可以与DC-AC逆变器（或微型逆变器）耦接，以使得DC电压可以被转换成AC电压。在其它实施例中，PV电池板可以首先与诸如升压或降压电路之类的DC-DC变换器耦接，以使得DC电压在被提供至DC-AC逆变器之前可以被升压或降压。
通过DC-AC逆变器，DC能量被转换成AC能量（步骤720）。DC-AC逆变器可执行单级转换；然而，在其它实施例中，DC-AC逆变器可以是多级转换器。对于每个SM，DC能量可以基于由系统的一个或多个控制器监控的当前状态被转换（子步骤722）。该当前状态可包括特定SM的PV电池板、特定SM、其它SM的PV电池板、同一组串上的其它SM、整个组串、与组串耦接的负荷中心、其它组串、以及输电网络的状态。取决于这些条件，所述一个或多个控制器可提供控制信号（子步骤724）至每个SM的不同元件，以便控制特定组串上的各SM的输出。
汇集的输出之后被提供至负荷中心和/或电网接口（步骤730）。该输出可被负荷中心的元件（例如GCF和/或GDP）处理。因而，该方法使得PV电池板级的DC能量在单级转换中被转换为AC能量，并且使得源自每个SM的输出在组串上被汇集或合并，以便与输电网络耦合。
额外的系统特征
图8示出了在一个或多个实施例中可被包括在能量收集和转换系统中的同步电网跟踪器的示例。同步电网跟踪器（SGT）800可被包括在图1至图7的能量收集和转换系统的不同实施例中。SGT800还可采用与图1至图7的实施例一起描述的一个或多个元件实施。在一个实施例中，SGT800可被包括在太阳能PV能量收集和转换系统内。然而，在一些情况下，在系统中可能不需要SGT800（例如，假如在系统中实施了如下描述的集成的组串功率控制器（ISPC））。
根据实施例，同步电网跟踪器可以被配置为监控与能量收集系统接合的现有输电网络810的状态（例如，电压、电流、相位）。SGT800可使用组串、串部件、和/或负荷中心的现有元件，例如组串均流器（SCE）860（诸如图5和图6中描述的），以使得串部件能够与公用电网810同步。同步可通过下列广播信号实现，其包括实际量测的电网电压或特定组串上的电压。广播信号可以通过通信网关提供，通信网关一般是太阳能系统设施中的单点并且能够监控电网电压波形。基于不同的实施例，电网信号815可以是广播信号或可以从至少一部分广播信号导出（例如，在120Hz处被快速地平均）。
SCE860可监控低通滤波器（LPF）（诸如在图5和图6中描述的）的滤波电容器（CF）上的电压，并且相应地能够基于实际量测的电容器电压相对于广播信号的误差，向电容器注入能量或从电容器提取能量。在包含足够的关于公用电网电压状态的信息方面，600Hz的更新速率可能足够。在其它实施例中，SGT800可以使用具有任意数值的其它更新速率，包括但是不限于：2400Hz、2000Hz、1800Hz、1500Hz、1200Hz、900Hz、或300Hz。取决于电网状态，广播有效（rms）电压、频率（例如，每60Hz或120Hz被更新一次）、和/或零交叉（zero-cross）信息也可能足够。关于电网状态的必要和/或充分的信息可被提供给各串部件。在一些情况下，广播信号815可被SCE860、LPF、和/或控制/通信模块（参见图5和图6）接收。
在一些实施例中，跟踪电网810必须的基准波形的相位信息可以通过锁相环（PLL）820合成，锁相环820可以关于包含在广播监控信号815（例如，600Hz广播信号）中的电网频率/相位信息的变化，更新用于SGT800的基准波形。受锁信号（locked signal）825可以从PLL820提供至振幅缩放因子（A）830。根据实施例，振幅缩放因子可基于电网信号810并且以特定频率(例如，以60Hz或120Hz)被平均。该信号之后被提供至比例积分（PI）控制器850。或者，在其它实施例中，可以使用其它控制器（例如，比例积分微分（PID）控制器、PD控制器、P控制器、或I控制器）。电流855被提供至SCE860，其帮助串部件与电网810同步和/或实现电流均衡。该电流（iCF）之后可流至GCF（s）模块870，其是输出为电容器电压VCF的滤波电容器的传输函数。电压测量值VCF之后通过反馈回路反馈并被（经由加法操作840）相加。在一些实施例中，在VCF将匹配电网电压的情况下，反馈的信号可以被滤波和增益模块880（例如，经历滤波和/或增益）处理。
SCE860可被配置为至少执行两个单独的功能：（1）均衡组串电流；以及（2）同时跟踪电网电压。SCE860可以通过监控单个参数、或一个或者多个参数执行上述功能。在一些实施例中，所述参数可以是LPF电容器CF的电压VCF。该电压可以与电网电压同步地被人工维持，以建立观察每个串部件的小电网环境。在一个实施例中，SGT800显著地简化了平衡电流、电压以及最终功率的内部部件通信和组串控制机制。
图9A至图9B示出了根据实施例的能量收集和转换系统的功率流表示。该表示示出了在不同实施例中描述的能量收集系统的在不同频率上的功率流。
图9A示出了不同频率的功率流表示。提供的文字说明示出了功率流表示900的哪条线对应于：（1）60Hz电流路径；（2）开关频率和120Hz电流路径；以及（3）DC电流路径。在描述的实施例中，提供了多个SM，其中每个SM包括PV电池板、DC/DC变换器（升压或降压电路）、MFEC、逆变器、SCE、以及SGT。每个组串部件提供单个AC输出（例如，Vcg1，Vcg2）。串部件的汇集输出（即，组串的输出）可以被提供至GCF。
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环境的iLF（t）、iEC（t）是一致的，以及从SM到SM以及到电网，ig（t）保持不变。表示900还示出了均一功率因数91、以及针对60Hz电流的高阻抗路径920。
图9B示出了只有60Hz电流和电压的简化的功率流表示。和图9A一样，提供的文字说明示出了功率流表示950的哪条线对应于：（1）60Hz电流路径；（2）开关频率和120Hz电流路径；以及（3）DC电流路径。
图10示出了根据一个实施例的能量收集系统的功率控制器。为了描述本申请的一些部分，提供下列术语。仅通过示例方式而非限制方式提供这些术语。组串组成模块的术语可包括下列术语。
串部件、或部件、或SM：SM包括诸如PV电池板之类的电压源、以及诸如DC-AC逆变器、SCE、SGT、MFEC、MPMR模块之类的转换元件。
电流管理员（CA）：这是可基于串部件的强度规模（scale of strength,SOS）排名动态地分配给组串上的串部件的一个功能。SOS可以被按如下方法确定:相同电网电流的最低PV电压=最低的SOS排名；相同电网电流的最高PV电压=最高的SOS排名。在任意给定时间，最低排名的部件可以被确定为组串CA，直到其达到其最大功率点（MPP）为止，并将其管理功能传给下一个最低排名的部件。
电压补偿器（VC）：这同样是可以基于串部件的强度规模（SOS）排名动态地分配给组串上的串部件的一个功能。最高排名的SOS部件可以被分配实现与输电网络相关的组串电压间隙的任务。可以在将电网电压与如图9B中示出的部件输出AC电压Vcg的总和比较之后通过使用两个电网耦合器（后面定义）来确定该电压间隙。在不同的实施例中，CA功能和VC功能两者可以合并并由单个SM操作，或者可以由多个SM操作。
电网耦合器（GC）：每个组串可以有两个电网耦合器，其试图将组串的每侧与电网的每端结合（例如，经由负荷中心和/或电网接口）。耦合器可测量每个电网端相对于已知共基准点（例如接地）的共模电压。耦合器可以广播或可以不广播共模电压和/或将共模电压传递给其它元件。在一些实施例中，当组串是“空载”时，即，当组串连接至电网但是没有输出功率时，通过两个GC测量的电压差可以（以幅度和/或相位）表示电网电压波形。
继续参考图10，功率控制器1000可提供用于如图1至图9B的实施例中描述的能量收集和转换系统。功率控制器1000可以是集成的组串功率控制器（ISPC）。在系统包括ISPC功率控制器1000的一些实施例中，SCE和/或SGT可能不是必须的。或者，可在系统中与SCE和/或SGT一起提供ISPC。
在一个实施例中，功率控制器1000可包括电流管理员电压补偿器（CAVC）1010。CAVC1010可执行上述CA和VC的功能，并且在一些实施例中，可以由功率控制器代替单独的串部件而基于SOS排名执行上述CA和VC的功能。CAVC1010可以与一个或多个串部件（SM1、SM2、SM3、……SMN-1）通信并且可以接收每个串部件的电压和/或电流信息。在一些情况下，CAVC1010可发送一个或多个命令给每个串部件。例如，可以将输出电压控制提供至每个串部件。CAVC1010可被配置为输出电流控制1020至总组串电压（例如，VSTR）。
图11示出了根据一个实施例的能量收集和转换系统的简化示例。可以在图11提供的示例中看到能量收集和转换系统1100内的电流和电压的高等级描述。在一些实施例中，组串电压VSTR可被提供为从组串的每个串部件提供的各电压的总和。如所讨论的，每个串部件可以产生AC电压。电压可被提供至电网（其具有电压VGRID以及相应的电流IG）。PV电池板布局的杂散电感以及电网连接滤波器（GCF）（如同关于图5讨论的GCF）的电感的电压，其被表示为VLG，也可被提供在系统中。
图12示出了根据一个实施例的显示了组串电压与电网电压的关系的相量图。相量图1200示出了VSTR与电网电压以及由于用于均一功率因数操作（例如当电流和电压处于相位和频率同步状态时）的电网连接滤波器内的线路和电感器而产生的阻抗降的关系。如图12中所示，组串电压可以累积为电网、电阻电压降以及由于电路中的自感应引起的感应电压降需要的电压。概括地说，组串电压可以补偿电网电压以及电路中的任意的其它电阻和无功电压降。
如相量图1200中所示，合成的VSTR可平衡电压波形的有功和无功分量。取决于组串至输电网络的连接（例如，经由很多不同的装置机电继电器、电控接触器、或其它类似装置中的一个），每个部件的逻辑电压命令如下:
公式（1）
其中是除了“管理员”或CAVC部件之外的（N-1）个部件中每一个的输出电压基准/命令。基于其PV电池板的输出能力，CAVC可基于给定的电网电流预估其能够合成和补偿的AC侧电压量。作为开始点，有效（rms）电流量可能只有零点几安培。然而，CAVC可以选择支持和补偿组串电压VSTR至几安培。这样做时，CAVC的输出电压可反映电网电压的相同部分以及与电网连接性相关的阻抗损耗。数学上，这可以以相量量表示为，
公式（2）
在现实中，由于本发明使得具有高开关频率，因此所需的RG以及XLG可以非常小。高开关频率的示例可包括200kHz以上或任意其它数值，例如100kHz、300kHz、500kHz、700kHz、或1MHz。然而，该额外的有功和无功电压分量仍必须由CAVC补偿。
这里还应当注意到，只是基于CAVC的电池板质量计算的预估值。在现实中，CAVC可以以电流控制模式操作，在一个实施例中，而其它部件以电压控制模式操作。CAVC可被配置为管理穿过组串的期望电流，只要它可以满足上述公式（2）即可，如同其它部件能够贡献它们的用于维持给定电网电流的组串电压VSTR必需的电压共享一样。
在一些实施例中，也可通过能量收集和转换系统执行无功功率共享。由CAVC产生的有功功率可从其输入的DC量（即，电压VDC以及电流IDC）预估。对于无损耗部件元件，
公式（3）
其中是电网电压正弦波形的峰值，类似地，是电网电流正弦波形的峰值。由CAVC处理的表观功率SCAVC可以通过测量有效（rms）电压以及电流计算，例如
公式（4）
换句话说，电压波形的无功分量可基于测量的数值计算。此外，市电并联元件的损耗部分RG可以被预估或者通过代入测量的VDC、IDC、以及和命令从公式（3）中计算。
一旦RG和XLG被算出，到其它串部件（SM）的电压命令可被更新为如下：
公式（5）
其中是基准电网电流。公式（5）证明输出电压基准可以被准确地从测量数值计算，如由CAVC测量而无需大量的通信。
在一个实施例中，也可提供功率平衡机制。功率平衡机制可对单独的串部件执行、和/或对整个组串执行、和/或对整个系统执行。为了理解组串的每个串部件和CAVC之间关于DC和AC功率平衡的互动机制，提供了多频能量耦合(MFEC)模块的操作的描述。图13示出了用在根据实施例的能量收集和转换系统中的多频能量耦合器电路的示例。MFEC可以被用于执行系统的功率平衡操作。
在一些实施例中，图13中示出的MFEC1300可对应于关于图5至图6讨论的MFEC。图13中所示的量可以是平稳状态操作下的有效（rms）量或DC量。为了清楚以及演示60Hz和120Hz的功率操作，可进一步讨论流过MFEC电感器/变压器的瞬时电流量iMEFC（t）以及iDC（t）（流入DC/AC模块的电流）。
图14示出了根据一个实施例的平衡的DC和AC功率操作。图1400示出了与时间相关的电流、电压、以及功率。通过参考图13和图14，以及根据与图14一起提供的公式，
PG(t)=VDCIDC[1+cos2wt]=VDC[IDC+IDC cos2wt] 公式（6）
IDC由PV模组经由MPMR提供，IDCcos2wt是由MFEC电路系统提供或提取。从而，可以无需任何低电压电容储存要求而在一个部件内保持DC/60Hz AC/120Hz的AC功率和场量平衡。MFEC1300的益处可包括由于能量储存的较高电压水平而允许将非常小的电容器用作储存元件，和/或消除对较低可靠性的电解电容器的需求。MFEC的另一个益处是从PV电池板获得的大量能量不需要通常的损耗电压升压操作。传送至电网的电源或PV能量的一部分可以不需要任何升压操作：
公式（7）
在一些实施例中，这是超过传统微型逆变器拓扑结构（即，100%的电源或PV能量需要在转换至电网兼容电压之前被升压）的显著优势。该特征允许温和的散热设计，允许成本降低的同时保持较高的功率转换效率。
图15示出了根据一个实施例的功率平衡配置。可关于参照图1至图14描述的能量收集系统使用功率平衡配置1500。在一些情况下，在组串需求和各串部件输出之间具有功率平衡是有益的。在一个实施例中，提升/增大组串功率输出的需求可一直由CAVC发起或控制。或者，该需求在一定时间可由CAVC发起，并且在其他时间不由CAVC发起。在内部，串部件可调整它们各自的MFEC调整器以设置期望的VDC，该VDC允许所需的功率经由MPMR从PV电池板流入低电压DC总线。
在现实中，瞬时DC功率可通过HV DC储存电压水平的变化测量，并且MFEC开关的占空比可以被调整以保持，从而使得命令的AC功率需求可以由DC量满足。在一些实施例中，在输入PV/DC功率突降的情况下，功率变化可以经由HVDC储存电压变化被检测并且可以依据输出电压的降低传递给CAVC，以便保持相同的组串电流。CAVC之后可将需要的分配给可有能力处理额外的输出电压支持的其它部件。如果没有胜任的部件可用于处理额外的输出电压需求的增加，则CAVC可减少电网电流命令以将组串调整至新的降低的功率水平。
当MFEC决定将减小为低于PV电池板的提升的或最大的功率点处的电压VMP时，MPMR调整器以降压（电压降低模式）操作，由此VPV可保持在VMP以确保PV电池板的最大功率点偏置，同时满足对电源的AC功率传送能力的需求。
从而，关于图1至图15而提供了能量收集系统的不同实施例。在一些实施例中，可以基于每个部件的期望性能或操作属性来协调每个串部件，以使每个串部件贡献瞬时功率和全部能量，可以协调每个串部件，以使得每个串部件产生期望的电压或电流或者产生有功功率或无功功率，和/或汇集的组串输出可以由内置于一个或多个部件的或在组串外部放置的组串控制器控制。在另一个实施例中，组串可以被配置为即使组串的一个或多个部件的操作的部分或全部停止也产生输出，并且允许通过电路旁路机制完全绕开一个或多个故障或部分故障的部件，以使得组串的剩余部件的操作不受妨碍，或者，不允许通过电路旁路机制绕开一个或多个故障或部分故障的部件，由此整个组串的操作需要停止。
在一个实施例中，组串控制器通过聚集组串各部件的输出端电压来合成组串输出电压，或者，组串控制器通过协调组串中每个部件的输出电压和/或电流和/或功率来合成组串输出电压。在另一个替换方式中，组串控制器通过协调组串中每个部件的输出电压和/或电流和/或功率来合成组串输出电流，或者组串控制器通过协调组串中每个部件的输出电压和/或电流和/或功率来合成组串输出功率（有源或无源）。
在另一个实施例中，并联的一个或多个组串可以电气排布在一起以形成单相（1-相）电压输出并且可以直接连接至单相AC电网或负荷系统，其中针对传统的3-相电力系统的要求，电气地聚合三（3）个单相组串或三（3）组多个电气并联的单相组串。为了连接至AC输电网络，可以或可以不在配电板中合并多个3-相聚合。在其它实施例中，可以针对多相电力系统的要求，电气地聚合多个单相组串或多组多个电气并联的单相组串。为了连接至AC输电网络，可以或可以不在配电板中合并多个多相聚合。每个组串的端口可以直接或通过过流保护装置连接至AC电网或负荷系统。
组串操作可包括通过电流管理员执行的操作。在一个实施例中，不超过一个部件可以是电流管理员，其被允许调整组串电流，以便通过组串达到最大或最优的电力产生或储存。所有其他部件可以基于它们处理组串电流的独立能力，由电流管理员协调或单独地调整它们各自的输出电压。部件电压的聚集可产生其整个组串的电压，并且通过总的可用的组串功率来确定组串电流。
或者，组串操作可包括所有组串部件被主电流管理员命令来产生一定的电流。所有部件可以装备有双向能量平衡电路系统，其能够管理电流并能够注入和/或提取能量以便减少组串部件之间的电流不匹配。可以从能量储存电容器提取由于部件输出电流不匹配引起的能量不平衡或将由于部件输出电流不匹配引起的能量不平衡注入到能量储存电容器中。部件电压的聚集可产生其整个组串的电压，并且通过总的可用的组串功率来确定组串电流。
所述系统还可以使部件协调，以便：传送或储存由组串控制器确定的实际或有功功率和/或能量的最优量；传送或储存由组串控制器确定的虚拟或无功功率和/或能量的最优量；和/或传送或储存由组串控制器确定的有功和无功功率和/或能量的期望组合。
所述部件可进一步包括电压幅度和/或相位调整器，其包括用于组串控制器的升压级或降压级，以关于组串的一个或多个其它串部件中的一个或多个该类元件，分别管理串部件的能量产生或储存元件。在另一个实施例中，所述部件可进一步包括功率均衡电路或转换器，其使得输出到AC电网或负荷中的瞬时AC功率需求与源自DC能量收集系统的DC功率平衡。所述部件还可包括电容器或连接在DC发电系统两端的电容器组，其实现功率均衡并使得输出到AC电网或负荷中的瞬时AC功率需求与源自DC能量收集系统的DC功率平衡。
可预期的是，本文描述的实施例延续至本文描述的各元件和构思，独立于其它构思、概念或系统，并且认为实施例包括本申请中任何地方叙述的元件的组合。尽管通过参考附图对实施例进行了详细的描述，但是应当了解到，本发明不限于这些特定实施例。同样地，很多修改和变化对本领域的从业者而言是显而易见的。因而，本发明的范围由所附权利要求及其等价描述限定。此外，可预期的是，无论是单独描述的或作为实施例的部分描述的特定特征均可以与其它单独描述的特征、或者其它实施例的部分结合，即使其它特征和实施例未提及该特定特征。因此，不存在的描述的组合不应当妨碍发明人要求该组合的权利。

Claims (25)

1.一种能量收集系统的电路，其包括：
组串，其与电力负荷耦接，其中所述组串包括：
以串联方式彼此耦接的多个串部件，
其中所述组串的每一个串部件包括：(i)连接件，其从能量输出装置接收输出；(ii)逆变器，其被配置为将所述能量输出装置的输出转换为单独的交流(AC)能量输出；(iii)控制电路，其被配置为控制相应串部件的一个或多个操作；以及(iv)电压补偿器；
其中，一个串部件是电流管理员电压补偿器(CAVC)；
其中，所述CAVC控制组串电流，并且所述组串的其它部件中的每一个向所述组串贡献各自的输出电压；
其中，所述CAVC以电流控制模式操作，以管理穿过所述组串的期望电流并且生成补偿输出电压，该补偿输出电压能够反映电网电压的作为倍电网电压的相同部分以及与电网连接性相关的阻抗损耗，其中N为包括所述CAVC在内的串部件的数量；
其中，除了所述CAVC以外的串部件贡献它们的用于维持给定电网电流的组串电压必需的电压共享；
其中，所述组串产生累积AC能量输出，该累积AC能量输出被提供至所述电力负荷。
2.根据权利要求1所述的电路，其中除了所述CAVC以外的每一个串部件在电压控制模式下操作。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述电力负荷进一步包括电网接口，用以将所述能量收集系统耦接至输电网络。
4.根据权利要求3所述的电路，其中通信网关耦接至所述组串和所述输电网络，所述通信网关被配置为将同步信号广播至所述多个串部件中的每一个串部件。
5.根据权利要求3所述的电路，还包括：
控制器，其耦接至一个或多个电网断开开关，其中所述控制器控制所述一个或多个电网断开开关，并且其中所述控制器被配置为在故障状态期间使得所述一个或多个电网断开开关改变状态。
6.根据权利要求3所述的电路，其中通过所述多个串部件中的每一个的逆变器转换的单独的AC能量输出具有下列特性中的至少一个：(i)AC电压输出，其幅度基于相应串部件的输入能量源或储存的电压或电流幅度或功率或能量提供和吸收能力中的至少其一；(ii)相位输出，其基于所述输电网络的相位；或(iii)频率输出，其基于所述输电网络的频率。
7.根据权利要求3所述的电路，其中所述多个串部件中的每一个进一步包括功率平衡电路，其被配置为使得由能量输出装置提供的所述输出与将被传送至所述输电网络的单独的AC能量输出平衡。
8.一种能量收集系统的电路，其包括：
组串，其与电力负荷耦接，其中所述组串包括：
以串联方式彼此耦接的多个串部件，其中所述组串的每一个串部件包括：(i)连接件，其从能量输出装置接收输出；(ii)逆变器，其被配置为将所述能量输出装置的输出转换为单独的交流(AC)能量输出；(iii)控制电路，其被配置为控制相应串部件的一个或多个操作；以及(iv)电流管理员(CA)；
其中一个串部件是电流管理员电压补偿器(CAVC)；
其中每一个所述串部件包括组串均流器，所述组串均流器配置为使同一组串上的串部件能够处理相同量的AC电流，
其中串部件电压的聚集能够产生其整个组串的电压，并且通过总的可用的组串功率来确定组串电流。
9.根据权利要求8所述的电路，其中所述电力负荷进一步包括电网接口，用以将所述能量收集系统耦接至输电网络。
10.根据权利要求9所述的电路，其中通信网关耦接至所述组串和所述输电网络，所述通信网关被配置为将同步信号广播至所述多个串部件中的每一个串部件。
11.根据权利要求9所述的电路，还包括：
控制器，其耦接至一个或多个电网断开开关，其中所述控制器控制所述一个或多个电网断开开关，并且其中所述控制器被配置为在故障状态期间使得所述一个或多个电网断开开关改变状态。
12.根据权利要求9所述的电路，其中通过所述多个串部件中的每一个的逆变器转换的单独的AC能量输出具有下列特性中的至少一个：(i)AC电压输出，其幅度基于相应串部件的输入能量源或储存的电压或电流幅度或功率或能量提供和吸收能力中的至少一个；(ii)相位输出，其基于所述输电网络的相位；或(iii)频率输出，其基于所述输电网络的频率。
13.根据权利要求9所述的电路，其中所述多个串部件中的每一个进一步包括功率平衡电路，其被配置为使得由能量输出装置提供的所述输出与将被传送至所述输电网络的单独的AC能量输出平衡。
14.一种能量收集系统的电路，其包括：
组串，其与电力负荷耦接，其中所述组串包括：
以串联方式彼此耦接的多个串部件，其中所述组串的每一个串部件包括：(i)连接件，其从能量输出装置接收输出；(ii)逆变器，其被配置为将所述能量输出装置的输出转换为单独的交流(AC)能量输出；(iii)控制电路，其被配置为控制相应串部件的一个或多个操作；以及(iv)电压补偿器，其以电压控制模式操作；
控制器，其耦接至所述组串，
其中所述控制器包括电压补偿电路，该电压补偿电路被配置为控制所述多个串部件中的每一个将输出的电压的量，
其中AC电源的电压被改变以应对它们各自的发电能力并且也被累加以使其与电网电压足够并充分地兼容，以及
其中所述控制器与各串部件元件通信，以便基于每个串部件的性能或操作协调每个串部件的输出以实现期望的功率和整体能量。
15.根据权利要求14所述的电路，其中所述电力负荷进一步包括电网接口，用以将所述能量收集系统耦接至输电网络。
16.根据权利要求15所述的电路，其中通信网关耦接至所述组串和所述输电网络，所述通信网关被配置为将同步信号广播至所述多个串部件中的每一个串部件。
17.根据权利要求15所述的电路，还包括：
控制器，其耦接至一个或多个电网断开开关，其中所述控制器控制所述一个或多个电网断开开关，并且其中所述控制器被配置为在故障状态期间使得所述一个或多个电网断开开关改变状态。
18.根据权利要求15所述的电路，其中通过所述多个串部件中的每一个的逆变器转换的单独的AC能量输出具有下列特性中的至少一个：(i)AC电压输出，其幅度基于相应串部件的输入能量源或储存的电压或电流幅度或功率或能量提供和吸收能力中的至少一个；(ii)相位输出，其基于所述输电网络的相位；或(iii)频率输出，其基于所述输电网络的频率。
19.根据权利要求15所述的电路，其中所述多个串部件中的每一个进一步包括功率平衡电路，其被配置为使得由能量输出装置提供的所述输出与将被传送至所述输电网络的单独的AC能量输出平衡。
20.一种能量收集系统的电路，其包括：
组串，其与电力负荷耦接，其中所述组串包括：
以串联方式彼此耦接的多个串部件，其中所述组串的每一个串部件包括：(i)连接件，其从能量输出装置接收输出；(ii)逆变器，其被配置为将所述能量输出装置的输出转换为单独的交流(AC)能量输出；(iii)控制电路，其被配置为控制相应串部件的一个或多个操作；
控制器，其耦接至所述组串，
其中所述多个串部件包括电压补偿器(VC)和电流管理员电压补偿器(CAVC)，
其中所述控制器包括电压补偿电路，该电压补偿电路被配置为控制所述多个串部件中的每一个将输出的电压的量，
其中所述控制器还包括均流电路，该均流电路被配置为控制所述多个串部件中的每一个将要输出的电流量，
其中AC电源的电压被改变以应对它们各自的发电能力并且也被累加以使其与电网电压足够并充分地兼容，
其中多频能量耦合器在其最大功率点上调整串部件的功率输出，以及
其中所述控制器与各串部件元件通信，以便基于每个串部件的性能或操作协调每个串部件的输出以实现期望的功率和整体能量。
21.根据权利要求20所述的电路，其中所述电力负荷进一步包括电网接口，用以将所述能量收集系统耦接至输电网络。
22.根据权利要求21所述的电路，其中通信网关耦接至所述组串和所述输电网络，所述通信网关被配置为将同步信号广播至所述多个串部件中的每一个串部件。
23.根据权利要求21所述的电路，还包括：
控制器，其耦接至一个或多个电网断开开关，其中所述控制器控制所述一个或多个电网断开开关，并且其中所述控制器被配置为在故障状态期间使得所述一个或多个电网断开开关改变状态。
24.根据权利要求21所述的电路，其中通过所述多个串部件中的每一个的逆变器转换的单独的AC能量输出具有下列特性中的至少一个：(i)AC电压输出，其幅度基于相应串部件的输入能量源或储存的电压或电流幅度或功率或能量提供和吸收能力中的至少一个；(ii)相位输出，其基于所述输电网络的相位；或(iii)频率输出，其基于所述输电网络的频率。
25.根据权利要求21所述的电路，其中所述多个串部件中的每一个进一步包括功率平衡电路，其被配置为使得由能量输出装置提供的所述输出与将被传送至所述输电网络的单独的AC能量输出平衡。
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