用于智能型轉換器數組的系統及方法

專利名稱：用于智能型轉換器數組的系統及方法
技術領域：
本發明大致上關于電力系統，更特別關于用于從太陽能電池功率數組轉換能量的 系統及方法。
背景技術：
光電伏打(PV)面板(此處也稱為「太陽能面板」)使用來自太陽的輻射光以產生 電能。太陽能面板包含眾多PV電池以將陽光轉換成電能。大部份的太陽能面板使用晶圓 為基礎的結晶硅或以締化鎘為基礎的薄膜電池。通常用于PV電池中的晶圓形式結晶硅系 從硅衍生的，通常作為半導體。PV電池是半導體裝置，將光直接轉換成能量。當光照射于 PV電池上時，于電池上產生跨壓，以及，當連接至導線時，電流流經電池。電壓及電流隨著數 種因素變化，包含電池的實體尺寸、照射于電池上的光量、電池的溫度、及外部因素。太陽能面板(也稱為PV模塊)由串聯及并聯的PV電池制成。舉例而言，PV電池 首先在一組內串聯耦接。然后，眾多組并聯耦接。類似地，PV數組(也稱為「太陽能數組」) 是由串聯及并聯配置的太陽能面板制成。實體上彼此相當接近地設置之二或更多PV數組 稱為PV數組場。由每一太陽能面板產生的電力由太陽能面板的電壓及電流決定。在太陽能數組電 連接制成串聯以取得所需的輸出串電壓及/或制成并聯以提供所需數量的串電流源能力。 在某些情形中，每一面板電壓由DC-DC轉換器升壓或突然升高。太陽能數組連接至電負載、電柵或電力儲存裝置，例如但不限于蓄電池。太陽能面 板配送直流(DC)電力。當電負載、電柵或電力儲存裝置使用交流(AC)電(舉例而言，每秒 60周或60赫茲(Hz)操作時)，太陽能數組經由DC-AC轉換器而連接至電負載、電柵、或電 力儲存裝置。太陽能面板呈現它們的I-V曲線所述電壓及電流特征。當太陽能電池未連接至負 載時，它們的端點跨壓高于它們的開路電壓V。。。當端點連接在一起以形成短路時，產生短 路電流Is。。在此二情形中，由于功率系由電壓乘以電流而產生的，所以，不會產生功率。最 大功率點(MPP)界定太陽能面板以最大功率操作的點。在傳統的太陽能數組中，太陽能數組中所有各別的太陽能面板必須接收用于數組 完整的陽光以適當地工作。假使數組的一部份被遮蔽時，或者受損時，則整體功率輸出會降 低，即使從那些仍然受陽光曝照的區域輸出的功率也會降低。無可避免地，在很多太陽能數 組中也存在有面板之間效率降低差異。因此，當這些差異未被偵測到及未被校正時，會留下 未實現顯著數量的能量。以往嘗試產生「微轉換器」，將單一太陽能面板產生的DC功率轉換成AC功率。每 一面板(也稱為每一模塊)反向造成的重要優點包含局部化最大功率點追蹤(MPPT)及隨 著時間以新太陽能面板更換過時的太陽能面板能力。不需要符合太陽能數組中大部份可能 是過時的現有太陽能面板的電壓及電流特征，即可執行過時的太陽能面板更換。但是，在此傳統系統中，現存的太陽能面板以從AC電力網看到的峰值電壓(例如，
4對于單相120V為約200V，對于三相208V為約300V)之下的電壓操作。因此，此傳統的系統 必須包含升壓級。升壓級需要更復雜的電路，包含昂貴的變壓器及不可靠的組件。傳統的反相器設計中存在有代價交換。轉換器設計的代價交換關于脈沖波調變 (PWM)切換頻率。較高的頻率增加柵追蹤的準確度，因而降低諧波失真。但是，較高的頻率 等于更多的切換。增加的切換會因切換損耗而降低效率。此外，在電感器設計上，有與板上電感及實體尺寸相關的代價交換。大的、高電感 電感器提供最小的諧波失真。但是，大的、高電感電感器以金錢成本及物理空間而言是昂貴 的。

發明內容
提供用于太陽能電池電力系統的太陽能面板數組。太陽能面板數組包含眾多太陽 能面板。太陽能面板數組也包含眾多并聯地耦合至太陽能面板的轉換器。至少一組控制器 配置成協調眾多轉換器的操作以執行交錯切換。提供用于太陽能電池電力系統的轉換器。轉換器包含用以耦合至多個太陽能面板 的正極端第一輸入端。轉換器也包含第一高側開關，耦合至第一輸入端；第二高側開關，耦 合至第一輸入端；第一電感器，耦合于第一高側開關與第一輸出端之間；第二電感器，耦合 于第二高側開關與第二輸出端之間；第一下拉開關，耦合至第一輸出；第二下拉開關，耦合 至第二輸出；及控制器。控制器配置成改變第一及第二高側開關及第一和第二下拉開關的 操作。提供用于光電伏打數組電流轉換的方法。所述方法包含由多個轉換器從多個太陽 能面板接收電能。協調轉換器的切換以由多個轉換器執行直流能量轉換成交流能量交替轉 換。在了解下述實施方式之前，揭示本專利所使用某些字及詞的定義是有益的。「封 包」意指任何帶有信息的通訊訊號，但不管其用于特定通訊訊號的格式。「應用」、「程序」、 及「例程」意指一或更多計算機程序、指令集、程序、函數、對象、等級、實例、或用于以適當的 計算機語言實施相關數據。「耦合」一詞及其衍生詞意指二或更多組件之間任何直接或間 接的通訊，不論這些組件是否彼此實體接觸。「傳送」、「接收」及「通訊」等詞與其衍生詞包 含直接及間接通訊。「包含」及「包括」等詞及其衍生詞意指包含但非限定。「或」一詞是包 含的，意指及/或。「相關連」及「與其相關的」等詞與其衍生詞意包含、包含于…之內、互 連、含有、含于…之內、連接至或與…相連接、耦合至或與…耦合、可相通訊、互相協力、介于 其間、并列、近似、受限于、具有、具有…的特性、等等。「控制器」一詞意指任何控制至少一操 作的裝置、系統、或其部份。控制器可以由硬件、韌體、軟件、或它們之中至少二者的結合來 實施。與任何特定控制器相關連的功能可以本地或遠方地集中或分散。


于下，參考配合

，將可更完整地了解本發明及其優點，其中，類似代號代 表類似構件圖IA顯示根據本發明的實施例太陽能數組；圖IB顯示根據本發明的實施例太陽能面板；
圖IC顯示根據本發明的實施例經由網絡連接以傳送數據的溫度數據輸出線及天 空輻射計數據線實施例；圖2顯示根據本發明的實施例包含智能型轉換器的太陽能數組；圖3顯示根據本發明的實施例智能型轉換器切換操作；圖4顯示根據本發明的實施例用于以二輸入電壓操作的DC至AC轉換器的功率轉 換效率相對于百分比(％ )額定輸出功率曲線圖實施例；圖5顯示根據本發明的實施例適應性功率管理的曲線圖實施例；圖6顯示根據本發明的實施例包含功率轉換器組太陽能面板，功率轉換器組經由 響應中央控制器設備的單一 AC切換機構而耦合至電力網；圖7A顯示根據本發明的實施例而產生電流漣波的波形曲線圖實施例；圖7B顯示根據本發明的實施例提供電流給負載三個同步轉換器的電流漣波曲線 圖實施例；圖7C顯示根據本發明的實施例提供電流給負載三個協調的交替轉換器的電流曲 線圖實施例；圖8顯示根據本發明的實施例未經協調及經過協調的交替轉換器對輸出正弦波 的諧波失真效果的曲線圖實施例；圖9顯示根據本發明的實施例無變壓器、無升壓DC至AC功率轉換器；及圖10顯示根據本發明的實施例具有轉換器組的太陽能數組，轉換器組以三相三 角配置耦合，用于3相AC發電。
具體實施例方式于下說明圖IA至10、以及用以說明本發明的原理不同實施例僅為說明之用，且無 論如何不應被解釋為限定本發明的范圍。習于此技藝者將了解本發明的原理可以實施于任 何適當配置的光電伏打數組系統。本發明的范圍關于用以轉換DC能量至AC能量功率轉換器數組。將了解，雖然下 述中揭示的實施例說明耦合至例如太陽能數組中的一或更多太陽能面板等太陽能產生裝 置功率轉換器，但是，功率轉換器可以耦合至任何DC能量產生裝置、以及自其接收DC能量， 舉例而言但非限定，DC能量產生裝置為風力發電機或風力發電場、地熱能發電裝置、及水或 波動發電裝置、或類似的電源。圖IA顯示根據本發明的實施例太陽能數組。圖IA中所示的太陽能數組100的實 施例僅用于說明。在不悖離本發明的范圍之下，可以使用其它太陽能數組的實施例。太陽能面板105如何連接在一起以形成太陽能數組100非限定的實施例顯示于圖 IA中。太陽能數組100包含六個太陽能面板105。將了解所示的六個太陽能面板105僅為 舉例說明，太陽能數組可以包含任何數目的太陽能面板105。太陽能面板105在均具有二個 面板的三列中串聯，例如從頂部至底部配置。舉例而言，太陽能數組100可以由單一串聯串 形成。太陽能面板105耦合成第一太陽能面板10 的負極端耦合第二太陽能面板10 的 正極端、第二太陽能面板10 的負極端耦合第三太陽能面板105c的正極端、等等。此外，第 一太陽能面板10 的正極端耦合至太陽能數組100的正極輸出端110。在某些實施例中， 第一太陽能面板10 的正極端是太陽能數組100的正極輸出端110。此外，最后的太陽能
6面板105f的負極端耦合至太陽能數組100的負極輸出端115。在某些實施例中，最后的太 陽能面板105f的負極端是太陽能數組100的負極輸出端115。太陽能數組100包含天空輻射計120、或太陽能輻射傳感器。在某些實施例中，天 空輻射計獨立地安裝于接近太陽能數組100近處。在其它及替代實施例中，天空輻射計安 裝于太陽能數組100上。天空輻射計120是用以測量平坦表面上寬帶帶的太陽輻射測光 計。天空輻射計120是一種傳感器，配置成測量來自華氏180度(180下)的視場太陽輻射 通量密度(瓦特/米平方)。天空輻射計120耦合至數據線122，數據線122用于傳送對應 于在太陽能數組100測量的寬帶帶太陽能輻射的資料。天空輻射計120與照射于太陽能數 組100上的陽光量成正比。圖IB顯示根據本發明的實施例太陽能面板105。圖IB中所示的太陽能面板105 的實施例僅用于說明。在本悖離本發明的范圍之下，可以使用太陽能面板105的其它實施 例。在某些實施例中，在一或更多太陽能面板105之內的PV電池125的串并聯地耦 合。舉例而言，在太陽能面板105中，PV電池125的第一串130與PV電池125的第二串140 并聯地耦合、等等。將了解二串130、135說明僅為舉例說明，太陽能面板105可以包含任何 數目的串。每一串130、135包含眾多PV電池125，眾多PV電池125串聯成第一 PV電池125 的負極端耦合至第二 PV電池125的正極端、等等。此外，每一串130、135包含旁通二極管 140。在每一串130、135中，旁通二極管140耦合于第一 PV電池125的正極端與太陽能面 板105的正極端145之間。在每一串130、135中，太陽能面板105的負極端150耦合至最 后的PV電池125的負極端。旁通二極管140有助于太陽能面板105的短路保護。光電伏打電池125是特別構 成的P-N接面，且當在高電流下于熱天操作時會短路。在串130、135中的PV電池125短路 的事件中，具有短路的PV電池125串130、135的電壓將掉至其它串130、135的電壓之下。 舉例而言，假使第一串130中的PV電池125短路，則第一串130的電壓將比第二串135的 電壓之下的一二極管壓降下降更多。因此，旁通二極管140將被反向偏壓以及將停止導通， 以致于具有短路的PV電池125串135對于整個太陽能面板105不會變成短路。太陽能面板105包含溫度傳感器155。在某些實施例中，溫度傳感器155安裝于太 陽能面板105上。溫度傳感器155配置成監控太陽能面板105處或之上的溫度。溫度傳感 器155耦合至數據輸出線160。每一太陽能面板105包含對應的溫度數據輸出線160。舉 例而言，如圖IA所示，太陽能面板10 包含溫度數據輸出線160a ；太陽能面板10 包含 溫度數據輸出線160b ；太陽能面板105c包含溫度數據輸出線160c ；太陽能面板105d包含 溫度數據輸出線160d ；太陽能面板10 包含溫度數據輸出線160e ；以及，太陽能面板105f 包含溫度數據輸出線160f。圖IC顯示根據本發明的實施例經由網絡連接以傳送數據的溫度數據輸出線及天 空輻射計數據線實施例。圖IC中所示溫度傳感器及天空輻射計經由網絡連接以傳送數據 的實施例僅為說明之用。在不悖離本發明的范圍之下，可以使用其它實施例。例如溫度輸出數據線160a_160f等用于太陽能數組100的溫度數據輸出線160經 由網絡連接165而耦合至太陽能場管理器。此外，來自天空輻射計120數據線122也經由網絡連接165而耦合至場管理器。網絡連接可為局域網絡(LAN)連接、廣域網絡(WAN)連 接、有線連接、無線連接、或是這些的結合。圖2顯示根據本發明的實施例包含智能型轉換器的太陽能數組。圖2中顯示的太 陽能數組200的實施例僅用于說明。在不悖離本發明的范圍之下，可以使用其它實施例。太陽能場包含眾多太陽能面板205。太陽能面板205可以具有與上述的太陽能面 板105相同的結構及配置。太陽能面板205串聯耦合以致于第一太陽能面板20 的負極 端耦合至第二太陽能面板20 的正極端；第二太陽能面板20 的負極端耦合至第三太陽 能面板205c的正極端；以及，第三太陽能面板205c的負極端耦合至第四太陽能面板205d 的正極端。將了解，四個太陽能面板205的說明僅為舉例說明，太陽能數組200可以包含任 何數目的太陽能面板205。最后的太陽能面板205d的負極端耦合至負(_)DC電源線210。第一太陽能面板 205a的正極端耦合至正(+)DC電源線215。眾多功率轉換器220耦合至DC電源線210、215。舉例而言，每一功率轉換器220 于其負DC負電源輸入(_) 222上耦合至負DC電源線210及在其正DC電源輸入(+) 224上 耦合至正DC電源線215。每一各別的功率轉換器220包含多個對應于各別的AC正弦波輸出線A、B及C。 AC電力系統以三相正弦波操作。量測相對于接地正弦波電壓，如此，具有正峰值及負峰值。 三相分別以「A」、「B」及「C」表示。每一相位與下一相位相隔一百二十度(120° )。因此， 用于每一相位A、B、C的正及負峰值相對于其它相上的AC電壓具有不同的相。功率轉換器 220經由輸出線A、B、C而彼此相耦合，以致于每一相位集結至對應的相位(例如，具有相同 峰值電壓時序或相同相位)。舉例而言，第一轉換器220a的輸出線A耦合至第二和第三轉 換器220b和220c中的每一轉換器的輸出線A ；第一轉換器220a的輸出線B耦合至第二和 第三轉換器220b和220c中的每一轉換器的輸出線B ；以及，第一轉換器220a的輸出線C耦 合至第二和第三轉換器220b和220c中的每一轉換器的輸出線C。每一相同相位的轉換器 220輸出線耦合至眾多輸出線230、232、234之一。舉例而言，來自每一轉換器220的輸出線 A耦合至AC輸出線230 ；來自每一轉換器220的輸出線B耦合至AC輸出線232 ；以及，來自 每一轉換器220的輸出線C耦合至AC輸出線234。功率轉換器220包含內部AC切換裝置對0。切換裝置MO響應由轉換器220內 部產生的控制訊號。當太陽能數組200的輸出功率在某(例如指定的)臨界值之上且穩定 時，切換裝置240將各別的功率轉換器輸出A、B、C耦合至輸出線230、232、234。切換裝置 240配置成使轉換器220與輸出線230、232、234斷開(切斷耦合)，以回應斷接事故。斷接 事故包含但不限于轉換器220過熱、轉換器220故障、及經由網絡245而從群組控制器250 傳送至轉換器220的中斷命令。網絡245可為經由有線或無線通訊介質而建立的LAN連接 或WAN連接。每一轉換器220經由數據連接255而耦合至網絡M5。在某些實施例中，數據連接 255是多線數字數據線連接。功率轉換器220及群組控制器250中的網絡245與內部線驅 動器(未具體顯示)能夠執行使用此領域中熟知的通信協議的雙向(例如，雙路)數字數 據流動，舉例而言，通信協議可為RS-485。群組控制器250包含一或更多處理器及內存裝置，內存裝置配置成接收及儲存來自每一轉換器220的輸出電壓數據及電流數據。群組控制器250藉由網絡M5以接收及輸 出來自轉換器組中的轉換器220的輸出電壓數據及電流數據。群組控制器250使用收到的 輸出電壓數據及電流數據，以將轉換器組中的轉換器220的輸出功率維持在輸出功率最佳 功率帶或最少的轉換損耗范圍之內。包含于每一太陽能面板205中的一或更多溫度及/或電壓傳感器270以及一或更 多輻射計(例如未特別顯示的天空輻射計)經由網絡245而傳送數據給群組控制器250。 群組控制器250經由網絡M5，將命令傳送給功率轉換器220以改變輸出電流，以便將太陽 能至電力的轉換維持在MPP。增加地及替代地，使用無線數據傳送器/接收器260和天線 沈5，群組控制器250可以將從太陽能面板205及功率轉換器220收集到數據經由無線數據 網絡傳送給中央共享設備(未顯示)。在某些實施例中，使用例如但非限定通訊端口或調制解調器等有線接口(未顯 示)，群組控制器250經由無線數據網絡而將數據傳送給中央共享設備。群組控制器250響 應經由天線265及傳送器/接收器260而自中央共享設備收到的命令。命令接收包含但不 限于轉換器組關機命令，轉換器組關機命令是檢測及維修太陽能數組200中的一或更多組 件時所需的。圖3顯示根據本發明的實施例智能型轉換器切換操作。圖3中所示的操作300的 實施例僅用于說明。在不悖離本發明的范圍之下，可以使用其它實施例。在步驟305中使一或更多轉換器賦能。因此，被賦能的轉換器將功率輸出至例如 但非限定配電柵等AC電負載。在步驟310中，相對于轉換器的最佳功率帶的功率上限，測量轉換器的輸出功率。 由轉換器各別地、由群組控制器使用自轉換器收到的數據來測量功率、或是由此二者測量 功率。假使輸出功率未超過轉換器的最佳功率帶的上限，則處理重復步驟310，其中，連續地 或以指定間隔，測量輸出功率。在操作轉換器的輸出功率超過一個轉換器的最佳功率帶的功率上限情形中，則在 步驟315中將該組中的第二(例如另一)轉換器賦能。使增加的轉換器(例如，假使一個 轉換器先前被賦能則為第二轉換器，假使二個轉換器先前被賦能則為第三轉換器)賦能， 以致于總輸出功率由多個轉換器分擔。舉例而言，假使使第二轉換器賦能時，則二操作轉換 器將接著均分先前為一個轉換器的最佳功率帶的上限的總輸出功率的50%。因此，二操作 轉換器在最佳功率帶之內操作，但是，接近最佳功率帶的功率下限。在增加的實施例中，假使在步驟310中群組中的二個轉換器之前被賦能且二個操 作轉換器的輸出功率超過二個轉換器的最佳功率帶的功率上限時，則該組中的第三個轉換 器則賦能，以致于三個操作轉換器接著將平分(例如33. 3% ) 二轉換器的最佳功率帶的功 率上限功率。如此，三個操作轉換器在最佳功率帶之內操作。在一個以上的功率轉換器被賦能時，則在步驟320中，群組控制器測量轉換器的 輸出功率以及將測量值與最佳功率帶的功率下限相比較。由各別轉換器個別地測量功率， 由群組控制器使用自轉換器收到的數據來測量功率、或是由此二者測量功率。假使輸出功 率超過最佳功率帶的下限，則處理返回至步驟310，其中，連續地或以指定間隔，測量輸出功率。在群組的輸出功率進入最佳功率帶的功率下限之下時，在步驟325中使轉換器之
9一失能，以便將維持操作每一轉換器的輸出功率帶回至最佳功率帶之內。之后，處理返回至 步驟310，其中，連續地或以指定間隔，測量輸出功率。圖4顯示根據本發明的實施例用于以二輸入電壓操作的DC至AC轉換器的功率轉 換效率相對于百分比(％ )額定輸出功率曲線圖實施例。圖4中所示的曲線圖400的實施 例僅為說明之用。在不悖離本發明的范圍之下，可以使用其它實施例。具有350伏特DC及597伏特DC輸入用于圖3中所示的轉換器最佳功率帶的實施 例顯示于圖4中。無論輸入電壓為何，峰值功率轉換效率為額定的最大輸出功率的55%。 因此，僅由轉換器額定值及真實的輸出功率，可以決定額定的最大輸出功率50%至85%的 最佳功率帶。圖5顯示根據本發明的實施例適應性功率管理的曲線圖實施例。圖5中所示的曲 線圖500的實施例僅用于說明。在不悖離本發明的范圍之下，可以使用其它實施例。曲線圖500顯示圖2的實施例表示，其中，一個MOO瓦特(W)額定值的轉換器與三 個1000瓦特(W)額定值的轉換器相比較。隨著對二種轉換器配置功率輸出增加至MOOW，單 一一個轉換器在1000W進入其最佳功率帶以及在1800W移出其最佳功率帶。在三個1000W 轉換器的情形中，隨著愈多換器被賦能，第一轉換器在500W進入其最佳的功率帶以及維持 在其最佳功率帶之內。增加的轉換器將額外的功率加至輸出，同時，所有轉換器輸出維持在 最佳功率帶之內。圖6顯示根據本發明的實施例包含功率轉換器組太陽能面板，功率轉換器組經由 響應中央控制器設備的單一 AC切換機構而耦合至電力網。圖6中所示的太陽能數組600 的實施例僅為說明之用。在不悖離本發明的范圍之下，可以使用其它實施例。太陽能數組600包含三個功率轉換器組602、604、606。這三組602、604、606是并 聯地耦合。因此，來自每一組602、604、606的輸出功率會總合在一起以及經由AC功率需量 計610而傳送給電力網(或其它AC電負載)。每一組602、604、606包含三個功率轉換器。功率轉換器可以與上述參考圖2所述 的功率轉換器220具有相同的結構及配置。將了解三組均包含三個功率轉換器的功率轉換 器組僅為舉例說明，在不悖離本發明的范圍之下，可以使用具有不同數目的組及每組具有 不同數目的轉換器實施例。第一功率轉換器組602包含功率轉換器611、612、613及群組控制器622。第二功 率轉換器組604包含功率轉換器614、615、616及群組控制器624。第三功率轉換器組606 包含功率轉換器617、618、619及群組控制器626。此外，每一群組控制器622、6對、6沈均包 含數據收發器(舉例而言，在某些實施例中也為傳送器及接收器)。舉例而言，群組控制器 622包含耦合至天線630數據收發器628 ；群組控制器6M包含耦合至天線634數據收發器 632 ；群組控制器6 包含耦合至天線638數據收發器636。轉換器組602、604、606依相位耦合至三相開關640。轉換器組602、604、606將來 自轉換器611-619中的每一轉換器的輸出A、B、及C耦合至三相開關640之內的對應切換 組件。舉例而言，來自轉換器611-619的第一輸出經由第一輸入線642耦合至三相開關640 中的第一切換組件；來自轉換器611-619的第二輸出經由第二輸入線644耦合至三相開關 640中的第二切換組件；以及，來自轉換器611-619的第三輸出經由第三輸入線646耦合至 三相開關640中的第三切換組件。在某些實施例中，三相開關640是三相操作開關，其中，每一分別的開關耦合至來自每一組602、604、606對應的相位A、B、C。三相開關包含耦合至 天線650收發器648。三相開關640可以操作以將輸入線642、644、646耦合(例如連接及 斷接)至AC功率需量計610的各別相位輸入652、654、656。舉例而言，三相開關640配置 成將第一輸入線642耦合至相位輸入652 ；將第二輸入線644耦合至相位輸入654 ；將第三 輸入線644耦合至相位輸入654。AC功率需量計610包含耦合至電負載輸出導線，電負載為例如但不限于電力配電 網。AC功率需量計610測量橫跨輸出導線線對線電壓，其為電力網的AC電壓。在增加的及 替代的實施例中，AC功率需量計610測量輸出導線的線對地電壓。AC功率需量計610測量 正經由AC功率需量計610的相位輸入652、6M、656傳送AC電流三轉換器組602、604、606 所產生的總線電流。在某些實施例中，AC功率需量計610經由收發器658及天線660傳送 測量的電壓及輸出AC線電流給無線數據網絡670。無線數據網絡670包含耦合至無線路由器674天線672。無線數據網絡670與遠 程控制器676相通訊。在某些實施例中，遠程控制器676經由經過因特網無線路由器674 或其它有線通訊678而耦合至無線數據網絡670。在某些實施例中，無線路由器674或天線 672、或二者包含于遠程控制器676之內。遠程控制器676經由收發器674及天線672接收數據。從群組控制器622、624、 626接收數據。舉例而言，群組控制器622經由收發器6 及天線630傳送數據至經由天線 672及收發器674接收數據的遠程控制器676。遠程控制器676也經由無線路由器674及天線672傳送命令。命令由群組控制器 622,624,626接收。舉例而言，遠程控制器676經由收發器674及天線672傳送數據給經 由天線630及收發器6 接收數據群組控制器622。此外，遠程控制器可以傳送命令給三 相開關640。舉例而言，三相開關640可以經由天線650及收發器648而從遠程控制器676 接收命令。在某些實施例中，遠程控制器676可以傳送命令給AC功率需量計610，AC功率 需量計610經由天線660及收發器658接收命令。圖7A顯示根據本發明的實施例而產生電流漣波的波形曲線圖實施例。圖7A中所 示的曲線圖的實施例僅用于說明。在不悖離本發明的范圍之下，可以使用其它實施例。在所有群組控制器622、624、6沈及遠程控制器676之間的無線網絡可以增進太陽 能數組600中每一功率轉換器611-619的開啟次數的協調。當功率轉換器611-619中的功 率開關開啟時，輸出電流開始以線性斜率增加。當功率轉換器611-619中的功率開關關閉 時，輸出電流開始以線性斜率下降。此切換對AC正弦波產生鋸齒波成份705。鋸齒波705 具有等于轉換器功率切換頻率的基本頻率以及基本頻率的很多諧波頻率。當基本頻率及諧 波頻率增加至AC正弦波時，在AC輸出中產生諧波失真。當三個功率轉換器并聯及它們的功 率開關開啟次數及關閉次數同步時，鋸齒波成份會變為三倍且諧波失真會變成三倍惡化。圖7B顯示根據本發明的實施例提供電流給負載三個同步轉換器的電流漣波曲線 圖實施例。圖7B中所示的曲線圖實施例僅作為說明。在不悖離本發明的范圍之下，可以使 用其它實施例。在實施例中，三個功率轉換器并聯以及它們的功率開關開啟次數在一周期時間內 或在轉換器切換頻率一周期內均等地間隔。然后，在任何給定時間，有二個正在累積或降低 輸出電流的轉換器，而第三個轉換器正對輸出電流作相反的操作。這意指，在任何時間，輸出電流中的漣波對于一轉換器以相同速率上升或下降，但是，以對于單一轉換器所作的時 間的三分之一上升或下降。結果，鋸齒波710由轉換器切換頻率的三倍但為單一轉換器的 鏈波電流705的振幅的三分之一漣波電流所形成。鏈波電流的基本頻率的諧波的振幅也是 它們用于單一轉換器的三分之一。圖7C顯示根據本發明的實施例提供電流給負載三個協調的交替轉換器的電流曲 線圖實施例。圖7C中所示的曲線圖實施例僅為說明。在不悖離本發明的范圍之下，可以使 用其它實施例。在某些實施例中，這些轉換器每一相位交替。在這些實施例中，一個轉換器在第二 轉換器之前開啟。此外，第三轉換器在第二轉換器之后的時間開啟。每一轉換器開啟之間的 間隔可以以正開啟及關閉轉換器的數目為基礎。舉例而言，間隔可以為負二十度(-20° ) 至正二十度(+20° )之間的相位移。協調交替會配合最大功率點計算同步操作，以降低傳 送給AC電力網的AC輸出中的漣波。協調交替對來自每一轉換器的頻率提供破壞性干涉， 而非圖7B中的鋸齒波710所示的建設性干涉。因此，由交替轉換器所產生的鋸齒波715形 式顯著地小于圖7B中所示的同步轉換器的鋸齒波形式，在某些實施例中，小于圖7A中所示 的單一轉換器的鋸齒鏈波電流705。圖8顯示根據本發明的實施例未經協調及經過協調的交替轉換器對輸出正弦波 的諧波失真效果的曲線圖實施例。圖8中所示的曲線圖的實施例僅用于說明。在不悖離本 發明的范圍之下，可以使用其它實施例。圖8中所示的圖形表示比較未經協調的轉換器與經過協調的交替轉換器對于AC 正弦波的諧波內容的效果。上方的圖形顯示用于二及三個并聯耦合的未經協調的轉換器輸 出電流的半正弦波。上方圖形顯示添加至正弦波的鋸齒波電流漣波的振幅當從一轉換器進 入二并聯的轉換器再至三并聯的轉換器時，振幅逐漸變大。底部圖形顯示用于二及三個并聯耦合的、經過協調的交替轉換器輸出電流的半正 弦波。將了解只有二及三個并聯耦合的、經過協調的交替轉換器的說明系僅為舉例說明，在 不悖離本發明的范圍之下，可以使用多于三個的轉換器。在經過協調的交替轉換器情形中， 從一轉換器至二并聯的轉換器再至三并聯的轉換器，添加至正弦波的鋸齒電流鏈波的頻率 逐漸變大，振幅逐漸變小。協調的交替可以延伸至四或更多并聯的轉換器。對于經過協調的交替，在任何時 刻，在N個并聯的轉換器之一中僅有一轉換器功率開關從關閉狀態轉換至開啟狀態，或者， 從開啟狀態轉換至關閉狀態。連續的功率開關致動(開啟)而從關閉狀態至開啟狀態的轉 換是轉換器切換頻率的周期除以N。圖9顯示根據本發明的實施例無變壓器、無升壓DC至AC功率轉換器。圖9中所 示的轉換器的實施例僅用于說明。在不悖離本發明的范圍之下，可以使用其它實施例。在某些實施例中，沒有DC電壓升壓，轉換器900仍然能夠從DC輸入產生AC輸出。 因此，由于轉換器900僅包含切換轉換級，所以，轉換器900的效率優于傳統的DC至AC功
率轉換器。在某些此類實施例中，功率開關及限流電感器在轉換器220的內部連接在一起。 太陽能數組包含多個太陽能面板905。太陽能面板905可以具有與上述參考圖1所述的太 陽能面板105相同的結構及配置。
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轉換器900包含正(+)DC功率輸入線910及負(_)DC功率輸入線912。輸入電流 感測電阻器914耦合于負DC功率輸入線912及接地916之間。噪聲過濾電容器918耦合 于正DC輸入功率線910與負DC功率輸入線912之間。正DC輸入功率線910又耦合至高 側功率開關920及高側功率開關922的汲極節點，以致于電容器918的正極接腳也耦合至 高側功率開關920、922的汲極節點。功率開關920的源極耦合至第一飛輪二極管924的陰 極及第一限流電感器926的第一接腳。第一飛輪二極管924的陽極耦合至接地916。第一 限流電感器926的第二接腳耦合至第一下拉開關928的汲極、輸出噪聲過濾電容器930的 第一接腳、及AC輸出「L」線932。功率開關922的源極耦合至第二飛輪二極管934的陰極 及第二限流電感器936的第一接腳。第二飛輪二極管934的陽極耦合至接地916。第二限 流電感器936的第二接腳耦合至第二下拉開關938的汲極、輸出噪聲過濾電容器930的第 二接腳、及AC輸出「N」線940。下拉開關928、938的源極節點彼此耦合以及經由輸出電流 感測電阻器942而耦合至隔離的電力接地。轉換器900包含轉換器控制器944，轉換器控 制器944傳送第一控制訊號給控制線945和946上的開關920、傳送第二控制訊號給控制 線948和950上的開關928、傳送第三控制訊號給控制線952和卯4上的開關938、及傳送 第四控制訊號給控制線956和958上的開關922。轉換器900在控制器944輸出的AC正弦波的正半周期期間操作，首先在線952上 施加相對于線卯4正電壓以開啟開關938 ；然后，在線945上，相對于線946，施加在零伏特 與正電壓之間變化的脈沖寬度調變方波，而以固定地變化的開啟時間及固定變化的關閉時 間，交替地開啟及關閉功率開關920。功率開關920的固定地改變的開啟時間及關閉時間使電感器926、936中的輸出電 流在功率開關920的一開啟一關閉周期以變化量累積或衰減，以致于平均輸出電流隨著時 間跟隨正半正弦波的形狀。下拉開關938在整個正的半正弦波的時間保持開啟以及與下拉 開關9 的開啟同時地關閉。以與正的半正弦波正好相同的方式，產生負的半AC正弦波，但 是，開關928由相對于線950施加至線948的正電壓開啟整個負半正弦波的時間除外。然 后，功率開關922接著由控制線958和956上的脈沖寬度調變方波電壓交替地開啟及關閉， 以使輸出電流跟隨負的半正弦波的形狀(輸出電流方向相反)。第一箝位二極管960的陽極耦合至開關928的汲極。第一箝位二極管960的陰極 耦合至正的DC功率輸入線910。第二箝位二極管962的陽極耦合至開關938的汲極，以及， 第二箝位二極管962的陰極耦合至正DC功率輸入線910。橫跨輸入感測電阻器914的電壓代表輸入電流及藉由線964而耦合控制器944。 輸出感測電阻器942的跨壓代表輸出電流及藉由線966而耦合至控制器944。圖10顯示根據本發明的實施例具有轉換器組的太陽能數組，轉換器組以三相三 角配置耦合，用于3相AC發電。圖10中所示的太陽能數組的實施例僅用于說明。在不悖 離本發明的范圍之下，可以使用其它實施例。在某些實施例中，當轉換器組1002、1004、1006以三相三角配置耦合時，由無線數 據網絡執行增加的協調處理。包含遠程控制器(已于上述中參考圖6詳細說明)群組控制 器1022、1024、10 無線數據網絡執行適應性功率因素及相位平衡。適應性功率因素及相位平衡如下述般操作。在用于整體安裝(例如太陽能場) AC輸出計1010偵測相對于其它相位的正弦波之一相位的過量電壓正弦波時序偏移、或偵測一相位上的電壓與電流之間的過量的正弦波時序偏移情形中，AC輸出計1010經由無線 收發器1032及天線1034而于無線網絡上傳送關于此問題的信息給所有群組控制器1022、 1024U026o群組控制器包含用于接收及傳送信息收發器及天線。舉例而言，群組控制器 1022包含收發器及天線1023 ；群組控制器IOM包含收發器及天線1025 ；及群組控制器 1027。群組控制器1022、1024、10 接著分別經由LAN連接1040、1042及1044發訊給它們 各別的轉換器1011-1019，以將所有相位的正弦波時間帶回至正常的三相時序。最后，轉換器組1002、1004、1006的LAN連接1040、1042及1044、無線數據網絡 及具有因特網(或其它數據接線)連接的無線路由器，使太陽能面板傳感器、功率轉換器 1011-1019及AC計1010所收集的數據能夠傳送給遠程的控制器，用于分析太陽能數組安裝 的功能及用于警告系統操作者安裝時有關的問題及故障。假使轉換器組1002、1004、1006 中的任何轉換器1011-1019故障時，分組控制器1022、1024、10 將該轉換器關機，而不影 響其它轉換器。之后，其余的轉換器接管負載。群組控制器1022、1024、10 接著經由無線 數據網絡、無線路由器及因特網而傳送警告給遠程控制器以將故障通知系統操作者。增加地及替代地，在轉換器組1002、1004、1006中的任何轉換器1011-1019具有在 臨界值之上的內部溫度情形中，該轉換器進入輸出功率限制模式，而組中的其它轉換器產 生更多的功率以補償任何損失的功率。基于此條件，群組控制器1022、1024、10 也將警告 傳送給遠程控制器。在增加的及替代的實施例中，DC至AC轉換器包含控制器，配置成執行稱為轉換器 功率開關的可變頻率切換之內部效率最佳化方法。不依賴其它先前所述的在轉換器之間 需要數據鏈結以協調轉換器操作最佳化方法，控制器仍然能夠執行可變頻率切換。也稱為 切換頻率轉換器功率切換頻率典型上設定為約20kHz。假使切換頻率高于20kHz，由于在每 一 PWM循環中轉移的功率較少，所以，可以使用較小的組件。較小的組件造成較低的產品成 本。但是，隨著切換頻率上升，切換損耗也增加，且功率轉換效率下降。或者，隨著切換頻率 下降，切換損耗下降且功率轉換效率上升。在任何又增加的及替代的實施例中，轉換器配置成維持連續導通模式(CCM)操 作。轉換器以二操作模式操作CCM及不連續導通模式(DCM)。在CCM中，電感器電流絕不 會達到0。在DCM中，電感器電流達到0。為了有效率的操作，轉換器配置成僅以CCM模式 操作。降低正弦波峰值輸出功率間隔期間的切換損耗并維持CCM模式的操作轉換器中的主 控制是切換頻率的調整以響應變化的電壓及電流。如此，隨著輸出電壓及功率接近正弦訊 號中的最大值，切換頻率向下調整以使最大功率轉移期間的切換損耗最小。然后，隨著正弦 輸出接近低輸出電壓及功率，切換頻率可以增加至更高的頻率，以致于流經電感器的電流 不會降低至零。雖然已參考舉例說明的實施例來說明本發明，但是，習于此技藝者可以建議不同 的改變及修改。本發明涵蓋落在后附的申請專利范圍之內的這些改變及修改。
權利要求
1.一種用于能量產生系統中的能量轉換數組，該數組包括多個轉換器，適以接收直流電能量及輸出交流電能量，其中，第一轉換器的輸出與第二 轉換器的輸出交錯。
2.如權利要求1所述的數組，其中，該多個轉換器適以耦合至太陽能產生系統、風能產 生系統、地熱能產生系統、及水為基礎的能量產生系統中的至少之一。
3.一種用于能量產生系統中的能量轉換數組，該數組包括多個智能型轉換器，適以接收直流電能量及輸出交流電能量，該多個轉換器配置成執 行功率帶最佳化。
4.如權利要求3所述的數組，又包括多個傳感器，配置成測量來自多個能量產生裝置 中的每一能量產生裝置的值，該值對應于溫度、輸出電流及輸出電壓中的至少之一。
5.如權利要求4所述的數組，又包括耦合至該多個轉換器一些的群組控制器，其中，該 群組控制器配置成使用自該多個傳感器接收到的值，以改變該多個轉換器中至少之一的操 作。
6.如權利要求5所述的數組，其中，該群組控制器配置成傳送數據至遠程控制器以及 響應自該遠程控制器接收到的命令。
7.如權利要求3所述的數組，又包括群組控制器，該群組控制器配置成 測量該多個轉換器的功率輸出；比較該測量的功率與最佳功率帶的上限及該最佳功率帶的下限中的至少之一； 使至少一額外的轉換器賦能以回應該測量的功率超過該上限判定；以及 使至少一轉換器禁能以回應該測量的功率低于該下限判定。
8.一種用于能量產生系統中的能量轉換數組，該數組包括 多個太陽能功率產生裝置；及多個轉換器，該多個轉換器中的每一轉換器適以接收來自該多個太陽能功率產生裝置 中之一的直流電能量及輸出交流電能量，其中，第一轉換器的輸出與第二轉換器的輸出交錯。
9.如權利要求8所述的數組，其中，該多個太陽能功率產生裝置中的每一太陽能功率 產生裝置包括太陽能面板、太陽能面板串、及多個并聯耦合的太陽能面板串中之一。
10.一種用于太陽能功率系統中的能量轉換數組，該數組包括 多個太陽能功率產生裝置；及多個轉換器，耦合至該多個功率產生裝置，該多個轉換器配置成接收未調節的直流電 能量及協調交流電能量的輸出。
11.如權利要求10所述的數組，又包括耦合至該多個轉換器多個控制器。
12.如權利要求11所述的數組，其中，該多個控制器配置成經由局域網絡連接而通訊。
13.如權利要求11所述的數組，其中，該多個控制器配置成傳送數據給遠程控制器。
14.如權利要求10所述的數組，其中，該多個控制器配置成 測量該多個轉換器的功率輸出；比較該測量的功率與最佳功率帶的上限及該最佳功率帶的下限中至少之一； 使至少一額外的轉換器賦能以回應該測量的功率超過該上限判定；以及 使至少一轉換器禁能以回應該測量的功率低于該下限判定。
15.如權利要求10所述的數組，其中，該多個轉換器配置成執行該交流電能量的功率最佳化。
16.如權利要求10所述的數組，其中，該多個轉換器配置成交錯該交流電能量的輸出。
17.如權利要求10所述的數組，其中，該太陽能功率產生裝置是太陽能面板、太陽能面 板串、及多個并聯耦合的太陽能面板串中之一。
18.—種功率數組電流轉換方法，該方法包括藉由多個轉換器，接收來自多個能量產生裝置的電能；協調該多個轉換器的切換以執行藉由該多個轉換器直流電能至交流電能的轉換。
19.如權利要求18所述的方法，測量對應于輸入電流、輸入電壓、輸出電流、輸出電壓、 太陽能面板溫度、及太陽能數組溫度中至少之一的值。
20.如權利要求19所述的方法，其中，協調又包括根據該測量值以改變該多個轉換器 的操作。
21.如權利要求18所述的方法，又包括從功率需量計及不同的多個轉換器的控制器中 至少之一接收數據，其中，該數據包含電壓、電流、及用于至少一太陽能面板的溫度中至少 之一的測量值。
22.如權利要求21所述的方法，其中，協調又包括根據該接收到的數據以改變該多個 轉換器的操作。
23.如權利要求18所述的方法，又包括傳送數據給遠程控制器及不同的多個轉換器的 第二控制器中至少之一，其中，該數據包含電壓、電流、及用于至少一太陽能面板的溫度中 至少之一的測量值。
24.如權利要求18所述的方法，其中，協調包括 測量該多個轉換器的功率輸出；比較該測量的功率與最佳功率帶的上限及該最佳功率帶的下限中至少之一； 使至少一額外的轉換器賦能以回應該測量的功率超過該上限判定；以及 使至少一轉換器禁能以回應該測量的功率低于該下限判定。
全文摘要
用于功率產生數組中的DC至AC轉換的系統及方法。系統及方法包含多個耦合至太陽能面板組的轉換器。群組控制器協調轉換器的操作以交錯切換轉換器。群組控制器經由局域網絡、無線網絡、或二者來通訊，以協調與增加的太陽能面板并聯耦合的增加的轉換器組之間的操作。
文檔編號H02N6/00GK102067429SQ200980123559
公開日2011年5月18日 申請日期2009年5月14日 優先權日2008年5月14日
發明者加里·哈森弗斯, 唐·梅德利, 安德魯·福斯, 米格爾·戈麥斯, 羅蘭·韓德爾, 道格·貝格 申請人:國家半導體公司