可重配置光伏模塊的制作方法
本發明涉及光伏能源收集領域。更具體地，本發明涉及光伏模塊、光伏系統以及用于操作這種光伏模塊的方法。
背景技術：
光伏面板可被有利地用于現場的、清潔能源生產。本領域中已知的是將模塊串聯連接以形成模塊級串，模塊級串進而被并聯連接以形成光伏(PV)陣列，例如諸如用于商業光伏設施。光伏系統因此使用許多個相互連接的太陽能電池來將太陽光轉換成電能。光伏系統可包含其他組件，諸如機械和/或電氣連接器和配件、電壓調節器、用于修改或調制電氣輸出的其他裝置、以及用于調整相對于太陽的朝向的跟蹤裝置。該陣列可以被例如連接到例如配備了最大功率點跟蹤器(MPPT)的逆變器以最大化發電功率。盡管這樣的光伏系統可能例如最優地在均勻光照條件下操作，但是實踐中遇到的各種條件和/或變化的條件可能會導致PV陣列中的不利的失配效應。
由于靜物(諸如例如樹木或煙囪)或者由于動態遮蔽情形(例如由于云或面板表面的污物)，可能產生對光伏系統的部分遮蔽。此外，不可預知的事件(諸如移動的車輛或物體，例如鳥類或樹葉，以及云層)可能導致偶發的陰影。這樣的陰影的方向、形狀和密度簡檔是不可預測的，即使可能存在時間和空間上的部分相關。本領域中已知的是不可預知的陰影事件可能會臨時地導致電池之間的強烈差異。
當PV系統被以不均勻方式照射時，可觀察到明顯的功率損耗。這一功率損耗不一定是與所投射的陰影(例如陰影面積和/或陰影密度)線性相關的。例如，未被遮蔽的電池(例如被完全照射的電池)的操作可能也受到陰影影響，例如由于與至少被部分遮蔽的另一電池串聯所導致。此外，局部熱點可能威脅系統的正確操作，甚至可能造成永久性的損害。
本領域中已知有幾種解決隨機遮蔽的辦法：(i)旁路、(ii)全局MPPT、(iii)分散MPPT、(iv)并聯解決方案、以及(v)互連拓撲優化。需要注意，在理想的情況下，在比較這些技術的優勢時，除了電力生成以外的其它因素也應被考慮，諸如安裝成本和復雜性。
在旁路辦法中，二極管被放置在各組電池上以隔離被嚴重遮蔽的電池，使得電流完全繞過它們，例如旁路二極管可被放在各組電池上以傳遞過量的電流以防止損壞。雖然這種辦法有其缺點，但是卻以一種簡單和優雅、但是不幸的是非最佳的方式來處理由于隨機效應導致的失配。在非均勻的操作條件下，旁路二極管的存在因為創造了局部極大值而影響了陣列的IV輸出的曲線。取決于以往的工作點(例如對于工作電壓的選擇)，簡單的MPPT算法可能無法有效檢測GMPP。
全局MPPT(GMPPT)指的是一類旨在在例如集中轉換器設置下在多個局部極大值中找出陣列的P-V曲線中的全局最大值的技術。即使GMPPT可以勝過傳統的MPPT技術，但是它仍然不能收獲所有可用的功率，因為有些電池被旁路和/或較低的電流被施加在陣列的其余部分。這些損耗可以被證明在典型的動態遮蔽條件下是不可忽略的。
以上提到的第三類技術是分散MPPT。在這類分散MPPT中，系統的每一部分可以在其局部MPP下工作。不同層級的控制分布是本領域已知的，如在陣列、串、模塊、被旁路的部分或電池等層級的MPPT。一般來說，粒度較為精細的MPPT可能對于功率采集是有利的。
上文稱為并聯解決方案的第四類解決方案提供了一種用于通過存儲能量并隨后將能量分發給被遮蔽的電池來恢復被遮蔽面板的對稱性的方法。通過使用電池組型解決方案導致的功率輸出增加可能是明顯的，但是所需的控制方案是復雜的，所需的額外的硬件組件意味著附加成本，并且這種類型的辦法不提供容易的重配置。
本領域中已知的第五類辦法通過在模塊內的電池級或者在面板之間的PV陣列級將更精細粒度的MPPT與改進的互連拓撲結構相結合來處理隨機遮蔽。在這種辦法中，電池或面板被基于相似的特性組合在一起并且用專用的MPPT來控制。
在PV陣列級，本領域中已知的是動態電氣陣列重配置(EAR)策略，該策略基于面向工廠的配置來作用于連接到電網的PV系統的光伏發電機，以提高在太陽能面板的工作條件不同時的能量生成。在PV發電機和中央逆變器之間的可控開關矩陣允許可用PV模塊的電氣重連。此外，已知的是在被遮蔽的PV場內的各模塊之間的互連的變化可能影響其MPP。基于遮蔽模式，幾種互連方案受到青睞。
在部分遮蔽可在PV陣列級被處理的情況下(如以上提到的諸多現有技術辦法)，電池互連的逐面板重配置可能會提供更精細粒度的控制，并且可能更能保證從被遮蔽的電池中提取更高的能量，例如接近于最大的可能能量。
US 2008/0135084中介紹了每一個模塊上具有多個轉換器的概念，每個轉換器連接到一組類似的太陽能電池。這一布置允許高效的MPP跟蹤和最大的能量收獲。然而，除了這串聯和并聯方案都可被需要以獲得最佳結果，沒有公開實現電池互連的細節。
在WO2008/076301中，公開了一種用于配置電池互連的架構。在該架構中，在面板的各電池之間布置了一種完全規則且均勻的精細粒度的網格狀的互連網絡，從而允許以任何順序和任何配置(例如串聯或并聯)來將電池互連。這種網絡配置可以在制造時執行，或者在現場操作時執行，如果提供了開關和控制器的話。
然而，以上引用的該專利文獻所公開的配置可能因為均勻且高度精細粒度的應用而導致高的實現成本。
EP 2771753公開了一種具有可重配置的光伏電池布置的模塊，其中光伏電池被可連接到至少一個DC-DC轉換器。各電池被不可分地以至少兩個電池的子串形式串聯在一起。該布置具有初始拓撲結構和運行時拓撲結構，這兩者都是不均勻的。該布置還包括用于通過形成并聯和/或串聯和/或混合連接的子串來在運行時重配置該布置的裝置，其中并非所有的并聯或串聯連接都可通過可重配置布置達成。可重置布置是對因子串的不均勻的重新布置而導致的不均勻的光子刺激的響應。電池串可包括成列或成行的模塊，從而在一個方向上提供模塊的響應適應性。此外，在對應于子串的朝向的方向上的垂直拆分可被應用以允許在兩個方向上的重配置的一定的靈活性。
然而，這種雙向的重配置可能具有與其相關聯的不利成本。例如，垂直劃分可能需要在模塊內的開關，這可能明顯增加成本。
技術實現要素：
本發明的實施例的一個目標是提供光伏電池和模塊的良好且高效的配置。
本發明的實施例的一個優點是使用智能的光伏模塊技術來高效地獲得非均勻遮蔽和/或光照條件下的良好的能量產出。
本發明的實施例的一個優點是為光伏電池布置提供了高度非均勻的技術，同時維持了動態的模塊內電池編組的許多益處。
本發明的實施例的一個優點是可提供可配置的模塊，例如具有可控的模塊內開關，從而允許模塊內部的分布式控制。
本發明的實施例的一個優點是可提供可配置模塊以用于提供模塊內部以及PV模塊上下文中以及在PV模板和/或系統中的各模塊之間的分布式控制。
本發明的實施例的一個優點是以有利的低組件成本開銷來提供良好的最大功率收獲能力。
上述目標通過根據本發明的方法和設備來實現。
本發明涉及一種光伏模塊，其包括被布置成具有邏輯行和列的網格的多個光伏電池；電互連所述多個光伏電池的子集以形成多個電池串的多個非可重配置互連；以及多個可重配置互連；
其中每個電池串包括從第一電池電串聯連接到最后一個電池的至少四個光伏電池，所述第一電池和所述最后一個電池位于所述網格的同一條邊上，其中所述最后一個電池與相鄰電池串的第一電池相鄰和/或所述第一電池與相鄰電池串的最后一個電池相鄰，
其中所述多個可重配置互連被適配用于將所述多個電池串電互連，使得能夠可控地建立由連接所述多個電池串的電串聯組成的全局光伏串，
其中所述多個可重配置互連被進一步適配用于可控地連接電并聯的相鄰電池串，從而建立具有由至少兩個相鄰的電池串形成的并聯電路分支的至少一個并聯電路，
其中所述光伏模塊被進一步適配用于將所述多個電池串連接到至少一個DC-DC轉換器，所述至少一個DC-DC轉換器用于通過輸出線提供輸出電功率，以及
其中所述多個可重配置互連被適配用于接收來自至少一個控制器的至少一個控制信號，所述至少一個控制器用于在工作時形成所述多個電池串的并聯、串聯和/或混合連接以響應于非均勻光子刺激來群集匹配的光伏電池。
光伏模塊可包括經由所述多個可重配置互連電連接到所述多個電池串的所述至少一個DC-DC轉換器。
所述至少一個DC-DC轉換器可包括多個DC-DC轉換器，并且所述多個可重配置互連可包括位于所述DC-DC轉換器之間的用于在工作中動態地選擇要被活動地使用的DC-DC轉換器的數量的至少一個開關。
所述多個DC-DC轉換器可包括以電壓增量配置互連的至少兩個DC-DC轉換器和/或以電流累積配置互連的至少兩個DC-DC轉換器。
所述多個DC-DC轉換器可包括以并聯配置互連的至少兩個DC-DC轉換器。
光伏模塊可包括進一步的DC-DC轉換器，其中所述至少兩個DC-DC轉換器的聯合輸出被連接作為所述進一步的DC-DC轉換器的輸入。
光伏模塊可包括所述至少一個控制器，所述至少一個控制器用于控制多個可重配置互連，以便在工作中形成所述多個電池串的并聯、串聯和/或混合連接，以通過優化所述至少一個DC/DC轉換器通過所述輸出線提供的電流、電壓、頻率或功率中的至少一者來響應于非均勻光子刺激來群集匹配的光伏電池。
對于所述多個電池串中互連光伏電池的第一子集的一些或所有電池串，在所述多個電池串中可能存在對應的鏡像電池串，該鏡像電池串互連光伏電池的第二子集，其中所述第二子集是通過將所述第一子集相關于所述網格的幾何中心的點鏡像投影來獲得的。
多個電池串可包括U型電池串。
每一個U型電池串可對應于一對相鄰的邏輯列和半數的邏輯行，使得所述U型電池串所互連的任何光伏電池具有對應于所述一對相鄰邏輯列中的任意一列的列索引和對應于所述一半中的行的行索引。
多個電池串可形成多個光伏電池的一部分，并且多個電池串可由所述U型電池串組成。
多個電池串可形成對多個光伏電池的劃分，并且多個電池串可由所述U型電池串和至少一個線性邊電池串組成，所述線性邊電池串僅互連位于網格的第一列或最后一列中的光伏電池。
多個電池串可由第一多個U型電池串、第二多個U型電池串、第一線性邊電池串以及第二線性邊電池串組成，其中第一多個U型電池串中的每一個U型電池串僅互連位于網格的各行中的第一半中的電池，其中第二多個U型電池串中的每一個U型電池串僅互連位于網格的各行中的第二半行中的電池，其中第一線性邊電池串僅互連位于網格的第一列中的光伏電池，并且其中第二線性邊電池串僅互連位于網格的最后一列中的光伏電池。
所述多個可重配置互連可包括具有電連接到對應電池串的最后一個電池的第一端和電連接到另一電池串的第一電池的第二端的至少一個開關(Ai)，所述另一電池串的所述第一電池與所述對應電池串的所述最后一個電池相鄰。
所述多個可重配置互連可包括具有電連接到對應電池串的最后一個電池的第一端和電連接到另一電池串的最后一個電池的第二端的至少一個開關(Bi)，其中所述另一電池串的第一電池與所述對應電池串的最后一個電池相鄰。
所述多個可重配置互連可包括具有電連接到對應電池串的第一端和用于在工作中電連接到所述至少一個DC-DC轉換器的第二端的至少一個開關。
本發明進一步涉及一種包括多個根據前述權利要求中的任意一項所述的光伏模塊以及所述用于控制所述多個光伏模塊的至少一個控制器的光伏系統。
本發明還涉及一種用于操作光伏模塊的方法，所述方法包括
獲得光伏模塊，所述光伏模塊包括被布置成具有邏輯行和列的網格的多個光伏電池，以及電互連所述多個光伏電池的子集以形成多個電池串的多個非可重配置互連，其中每個電池串包括從第一電池電串聯連接到最后一個電池的至少四個光伏電池，所述第一電池和所述最后一個電池位于所述網格的同一條邊上，并且其中所述最后一個電池與相鄰電池串的第一電池相鄰和/或所述第一電池與相鄰電池串的最后一個電池相鄰；
確定所述光伏模塊是否受到非均勻光子刺激，
控制所述光伏模塊的多個可重配置互連以電互連所述多個電池串，使得當所述光伏模塊被確定受到基本均勻的光子刺激時，由連接所述多個電池串的電串聯組成的全局光伏串被建立并連接到DC-DC轉換器；以及
控制所述多個可重配置互連，以建立具有由至少兩個相鄰電池串形成的并聯電路分支的至少一個并聯電路，以便在所述光伏模塊被確定受到基本非均勻的光子刺激時群集匹配的光伏電池串，
其中所述控制多個可重配置互連的步驟包括從至少一個控制器發送至少一個控制信號到所述多個可重配置互連。
本方法可包括確定要并聯連接到所述多個電池串的活動DC-DC轉換器的數量，所述數量通過將所確定的非均勻光子刺激納入考慮來確定，并且該方法可包括控制所述多個可重配置互連以建立多個并聯電路，并建立所述多個并聯電路中的每一個并聯電路到對應的活動DC-DC轉換器的電連接，每個并聯電路具有由至少兩個相鄰電池串形成的并聯電路分支。
本發明的具體和優選方面在所附獨立權利要求和從屬權利要求中闡述。來自從屬權利要求的特征可適當地與獨立權利要求的特征以及與其他從屬權利要求的特征組合，并且不只是如在權利要求中明確闡述的。
本發明的這些以及其他方面將根據下文中所描述的實施例是顯而易見的并且參考其闡明。
附圖說明
圖1示出根據本發明的實施例的光伏模塊的第一示例性模板架構。
圖2示出根據本發明的實施例的光伏模塊的第二示例性模板架構。
圖3示出根據本發明的實施例的光伏模塊。
圖4示出根據本發明的實施例的光伏模塊的所述第一示例性模板架構中的電池串的枚舉。
圖5示出根據本發明的實施例的光伏模塊的所述第二示例性模板架構中的電池串的枚舉。
圖6示出根據本發明的實施例的光伏模塊中的兩種電池串的詳細視圖。
圖7示出根據本發明的實施例的串聯連接以形成電壓增量配置的DC-DC轉換器。
圖8示出根據本發明的實施例的用于允許動態數量的串聯連接的轉換器在運行時活動的開關網絡配置。
圖9示出根據本發明的實施例的具有并聯連接的輸出以形成電流累積配置的DC-DC轉換器。
圖10示出根據本發明的實施例的用于允許動態數量的并聯連接轉換器在運行時活動的開關網絡配置。
圖11示出根據本發明的實施例的級聯連接以形成電流累積配置的DC-DC轉換器。
圖12示出根據本發明的實施例的用于允許動態數量的級聯轉換器在運行時活動的開關網絡配置。
圖13示出如現有技術中已知的被部分遮蔽的工業模塊。
圖14示出圖13中所示的現有技術模塊的針對不同照射密度的示例性I-V曲線。
圖15示出圖13中所示的現有技術模塊的針對不同照射密度的示例性P-V曲線。
附圖只是示意性的并且是非限制性的。在附圖中，一些元件的尺寸可放大并且出于解說性的目的不按比例繪制。
權利要求中的任何附圖標記不應被解釋為限制范圍。
在不同的附圖中，相同的附圖標記指相同或相似的元件。
具體實施方式
本發明將針對具體實施例且參考一些附圖進行描述，但是本發明不限于此，而是只通過權利要求限定。所描述的附圖只是示意性的并且是非限制性的。在附圖中，一些元件的尺寸可放大并且出于解說性的目的不按比例繪制。尺寸和相對尺寸不一定對應于本發明實踐的實際縮減。
此外，在說明書中且在權利要求中的術語“第一”、“第二”等等用于在類似的元件之間進行區分，并且不一定用于臨時地、空間地、以排序或以任何其他方式描述順序。應當理解，如此使用的術語在適當的環境下是可互換的，并且本文中所描述的本發明的實施例能夠以不同于本文中所描述或所解釋的順序操作。
此外，在說明書中且在權利要求中的術語“頂部”、“底部”等等用于描述性的目的并且不一定用于描述相對位置。應當理解，如此使用的術語在適當的環境下是可互換的，并且本文中所描述的本發明的實施例能夠以不同于本文中所描述或所解釋的取向操作。
應當注意，權利要求中所使用的術語“包括”不應被解釋為限于此后列出的手段；它不排除其他元件或步驟。它由此應當被解釋為指定存在所聲明的特征、整數、如所稱謂的步驟或部件，但是不排除存在或添加一個或多個其他特征、整數、步驟或部件、或者它們的組。因此，措詞“一種包括裝置A和B的設備”的范圍不應當被限定于僅由組件A和B構成的設備。這意味著該設備的唯一與本發明有關的組件是A和B。
貫穿本說明書對“一個實施例”或“實施例”的引用意味著結合實施例所描述的具體特征、結構、或者特性被包括在本發明的至少一個實施例中。由此，短語“在一個實施例中”或“在實施例中”在貫穿本說明書的各個地方的出現不一定都引用相同的實施例，但是可以如此。此外，在一個或多個實施例中，具體特征、結構、或者特性可以任何合適的方式組合，如根據本公開對本領域中的普通技術人員將是顯而易見的。
類似地，應當理解在本發明的示例性實施例的描述中，出于流線型化本公開和輔助對各個發明性方面中的一個或多個方面的理解的目的，本發明的各種特征有時被一起歸組在單一實施例、附圖、或者其描述中。然而，公開的該方法不被解釋為反映要求保護的本發明需要多于在每一項權利要求中明確敘述的特征的意圖。相反，如所附權利要求反映的，發明性方面在于少于單一在前公開的實施例的所有特征。因此，詳細描述之后的權利要求由此被明確地結合到該詳細描述中，其中每一項權利要求本身代表本發明的單獨實施例。
此外，盡管此處描述的一些實施例包括其他實施例中所包括的一些特征但沒有其他實施例中包括的其他特征，但是不同實施例的特征的組合意圖落在本發明的范圍內，并且形成如本領域技術人員所理解的不同實施例。例如，在所附的權利要求書中，所要求保護的實施例中的任何實施例均可以任何組合來使用。
在本文中所提供的描述中，闡述大量具體細節。然而，應當理解可在沒有這些具體細節的情況下實踐本發明的實施例。在其他實例中，為了不混淆對本說明書的理解，未詳細地示出公知方法、結構、以及技術。
在第一方面，本發明涉及一種光伏模塊，例如可配置光伏模塊。該光伏模塊包括被布置成具有邏輯行和列的網格的多個光伏電池。該模塊還包括電互連多個光伏電池的子集以形成多個電池串的多個非可重配置互連，以及多個可重配置互連。非可重配置互連可指的是靜態電互連，例如不對控制信號作出響應的互連，例如無源電互連，諸如布線或無源導體。具體地，非可重配置互連可在模塊的工作期間不可重配置。
該多個可重配置互連被適配用于將所述多個電池串電互連，使得能夠可控地建立由所述多個電池串的電串聯連接組成的全局光伏串。該多個可重配置互連被進一步適配用于可控地連接電并聯的相鄰電池串，從而建立具有由至少兩個相鄰電池串形成的并聯電路分支的至少一個并聯電路。
光伏模塊被進一步適配用于將多個電池串連接到至少一個DC-DC轉換器。例如，光伏模塊可包括例如經由可重配置互連電連接到多個電池串的至少一個DC-DC轉換器。
該多個可重配置互連被適配用于接收來自至少一個控制器的至少一個控制信號，所述至少一個控制器用于在工作時形成所述多個電池串的并聯、串聯和/或混合連接以便響應于非均勻光子刺激來群集匹配的光伏電池。
該模塊可例如包括至少一個控制器，該控制器用于控制多個可重配置互連，以在工作中形成所述多個電池串的并聯、串聯和/或混合連接，以響應于非均勻光子刺激群集匹配的光伏電池。
此外，多個電池串中的每一個電池串包括從第一電池電串聯連接到最后一個電池的至少四個光伏電池，其中第一電池和最后一個電池位于網格的同一條邊上。此外，最后一個電池與多個電池串中的相鄰電池串的第一電池相鄰和/或第一電池與多個電池串中的相鄰電池串的最后一個電池相鄰。
本發明的各實施例的一個優點是提供了光伏組裝件中的可配置拓撲結構，該拓撲結構可例如在嚴重陰影下明顯地勝過包括10乘6個電池的傳統網格陣列模塊。
圖1示出根據本發明的實施例的示例性光伏模塊1。根據本發明的實施例的模塊的架構模板可被適配用于允許對單個或數個模塊中的光伏電池互連的動態重配置。例如，光伏系統可包括串聯、并聯、混合、自適應或級聯方式互連的多個模塊1。光伏模塊1可以是例如一個大面積的模塊，例如機械柔性的大面積模塊，或者機械剛性的大面積模塊。
光伏模塊1包括布置成具有邏輯行3和列4的網格中的多個光伏電池2，例如M*N個電池可以均勻分布在M行和N列上。因此，電池2可以被布置成物理上相鄰的電池的陣列中，其中的鄰接關系可以由網格內部的每一個電池的局部鄰居來確定，鄰居包括來自上一行的電池、來自下一行的電池、來自前一列的電池以及來自下一列的電池。邏輯行和邏輯列僅僅是指這樣的網格的組織的兩個互補的主軸，且不暗示將行與列區分開來的物理定向和/或其他特征。
在光伏系統的發電量和架構復雜度之間可能存在折中。當額外元件所導致的額外的功耗被忽略時，精細粒度的、電池級的、可完全配置的架構對于發電而言將是最優的。然而，這可能需要由線和開關組成的復雜支持網絡。另一方面，如本領域中已知的僅具有永久性的串聯有線光伏電池的傳統模塊可能具有低制造成本，但可能在部分遮蔽情況下表現不佳。為了在非均勻輻照條件下比這類傳統設置再生更多功率，以下公開了一種具體的電池串級架構，其有利地平衡了成本開銷和靈活性。
在圖1和圖2中示出了電池串形式的模塊的示例性拓撲結構劃分。根據各實施例的模塊可被劃分成串聯連接的光伏電池的電池串以降低組件成本的開銷，以及減少布線、轉換器和開關損耗。通過本發明的實施例，可以實現對模塊中的這類電池串的帕累托最優電池串大小和排列。本發明的實施例的一個優點是可以在架構的復雜性和運行時靈活性之間獲得良好的折中。
光伏模塊1包括多個非可重配置互連，例如電線、布線或其他無源導電連接器，這些非可重配置互連將多個光伏電池的子集互連以形成多個電池串5。電池串可以例如對應于處于正常工作中的不可分割的發電元件(例如在工作期間不可配置的發電電路)，電池串由預定的多個永久性連接的串聯的光伏電池組成。
因此，光伏電池可以被不可分割地串聯連接，從而形成至少四個電池的電池串。每一個互連的子集可形成對應的電池串。在根據本發明的實施例中，串聯連接的形成電池串的光伏電池的數量可以對于每一個電池串是相同的。
每個電池串5包括至少四個光伏電池，它們從第一個電池的“輸入”電串聯連接到最后一個電池的“輸出”。第一電池可對應于電池串的低電壓端子，而最后一個電池可對應于該電池串的高電壓端子。此外，第一電池和最后一個電池位于網格的同一條邊上，例如圓周邊緣的同一線段上。例如，一條邊可以指的是具有邏輯行和列的網格的第一邏輯行、最后一個邏輯行、第一個邏輯列以及最后一個邏輯列中的任意一個。此外，第一電池與該多個電池串的相鄰電池串的最后一個電池相鄰。
多個電池串中的一些或所有電池串可具有相應的鏡像電池串，例如將該組光伏電池互連的電池串，該組是通過由前一電池串互連的電池組相對于網格的幾何中心進行點鏡像投射而獲得的。此外，這一點鏡像投影可以保留對串中的第一個(抑或是最后一個)電池的指定。圖1和圖2中所示的示例性架構模板解說了由光伏電池形成的網格被這樣點對稱劃分成電池串的示例。在這些模板中，使用的是U形電池串。例如，這類U形電池串可通過將成列(或行)的電池分為兩半、并且分別將兩個一半的兩個連續行(或列)串聯連接來配置。這被示出在圖1和圖2中。
根據各實施例的模塊的這些示例性架構模板有利地允許兩個方向上的電氣網絡配置的靈活性，例如在大面積的網格上的列方向(在該方向上，多個電池串彼此相鄰排列)以及行方向(在該方向上，彼此相鄰地提供兩個可分開控制的電池串)上。該配置允許垂直可重配置拆分(例如在細長方向上，在這些示例中在該方向上布置了U形電池串)，例如在列方向上而無需模塊內的開關。布置在網格中或內部的這類開關將潛在地明顯增加模塊的成本。
例如，如圖1所示，在根據本發明的實施例中，多個電池串可形成多個光伏電池的劃分，并且多個電池串可專由U形電池串組成，其中每個U形電池串具有在網格的同一條邊上(例如，在網格的第一行或最后一行上，或者同等地在網格的第一列或最后一列上)的彼此相鄰的第一個電池的“輸入”和最后一個電池的“輸出”。
此外，多個電池串可排他地包括：第一多個U形電池串，其中每個U形電池串具有在網格的第一行上彼此相鄰的第一電池“輸入”和最后一個電池“輸出”，以及第二多個U型電池串，其中每個U形電池串具有在網格的最后一行上彼此相鄰的第一電池“輸入”和最后一個電池“輸出”。此外，第一多個U形電池串中的每一個U形電池串可僅包括位于網格的前一半的行中的電池，而第二多個U形電池串中的每一個U形電池串可僅包括位于網格的后一半的行中的電池。
作為另一示例，如圖2中所示，在根據本發明的實施例中，多個電池串可形成多個光伏電池的劃分，并且多個電池串可排他地包括U形電池串和至少一個線性邊電池串。每一個U形電池串具有在網格的第一行或最后一行上的彼此相鄰的第一電池“輸入”和最后一個電池“輸出”。每一個線性邊電池串具有在網格的同一條邊(既可以是第一列也可以是最后一列)上的第一電池“輸入”和最后一個電池“輸出”，并且可排他地包括位于網格的第一列或者位于最后一列的電池。
此外，多個電池串可排他地包括：(a)第一多個U形電池串，其中每個U形電池串具有在網格的第一行上彼此相鄰的第一電池“輸入”和最后一個電池“輸出”，(b)第二多個U型電池串，其中每個U形電池串具有在網格的最后一行上彼此相鄰的第一電池“輸入”和最后一個電池“輸出”，(c)由網格的第一列的光伏電池組成的第一線性邊電池串，以及(d)由網格的最后一列的光伏電池組成的第二線性邊電池串。此外，第一多個U形電池串中的每一個U形電池串可僅包括位于網格的前一半的行中的電池，而第二多個U形電池串中的每一個可僅包括位于網格的后一半的行中的電池。
圖3示出根據本發明的實施例的例如對應于圖2中所示的架構模板的示例性模塊。此外，圖6示出這一示例性模塊中的兩個電池串以及與其相關聯的連接結構的詳細視圖。圖3中所示的模塊對應于具有大小為6乘10個電池的網格。電池串的朝向通過“輸入”和“輸出”標注來闡明。然而，這僅僅是示例性的，并且本發明的實施例可涉及M乘N矩形陣列的電池，其中M和N可以是各自等于或大于4的任意正整數。
根據各實施例的光伏模塊還包括用于將多個電池串5電互連的多個可重配置互連6，使得能夠可控地建立由所述多個電池串5的電串聯連接組成的全局光伏串。
例如，多個可重配置互連6可包括開關網絡，以實現電池串的不同配置，例如配置成串聯、并聯和/或混合的電網絡配置。
用于互連電池串的模塊的線和開關的網絡(例如包括可重配置互連6以及非可重配置互連)可能取決于至少一個DC-DC轉換器的配置。
多個可重配置互連可被適配用于在操作中將電流從多個PV電池引導到至少一個DC-DC轉換器。
然而，可重配置互連6可被適配用于將所有電池串連接成單個電串聯，例如用于均勻照照條件下的操作，以及連接成其他配置，例如用于非均勻照射條件。
多個可重配置互連6可以例如包括多個開關，如圖6所示，其中每個開關Ai都具有電連接到對應的電池串CSi的最后一個電池Ci,out的第一端以及電連接到另一電池串CSi+1的第一電池Ci+1,in的第二端，其中這一第一電池Ci+1,in與該最后一個電池Ci,out相鄰。
例如，兩個電池串的串連互連在一個電池串的“輸出”引腳和另一電池串的“輸入”引腳之間可僅需要一個開關。因此，電流可有利地保持低，并且因此電阻性損耗也可保持低。
各實施例的一個優點是初始制造成本可以是相對較低的。例如，其他辦法可能需要位于模塊的非外圍部分(例如，在或接近模塊的中間)的額外開關，這可能對于制造而言是昂貴的。有利的是，根據本發明的實施例的可重配置互連可被布置在模塊的邊緣之上、之處和/或附近。
動態PV配置可通過將模塊或全局PV串劃分成較小的永久串聯(例如通過在操作過程中由非可重配置互連形成的持久連接來連接)的電池來實現，這些非可重配置互連可在操作過程中以若干種互連選項來動態地組合。
用于電互連多個電池串5使得由多個電池串5的電串聯組成的全局光伏串可被可控地建立的多個可重配置互連6可被布置使得該全局光伏串(例如模塊級全局光伏串)電串聯地連接多個電池串5的相鄰電池串。
用于電串聯地連接相鄰電池串的可重配置互連以及與之相關聯的布線和/或導電路徑可以提供均勻照射條件下的良好性能的可配置模塊，例如其中全局光伏串配置可能是優選的。例如，根據本發明的實施例，圖2中所示的模板以及圖3中所示的可能的對應模塊可允許對全局串聯串中的光伏電池的有利配置而無需很長的布線，例如通過采用具有有利的低長度的總互連導電路徑。因此，這一模板和模塊可在非均勻條件下提供模塊的良好的靈活性，例如用于以下的靈活性：產生相對于非動態和/或非可重配置模塊的能量產量增益，同時相對于非動態和/或非可重配置模塊，在均勻輻照條件下僅付出了可配置模塊的少量的性能損失。圖1所示的模板配置可能與圖2中所示的配置相比需要較長的導電路徑，例如用于在均勻照射配置(例如全局電池串)下將上電池串連接到下電池串的布線。因此，在這一配置中可能存在更高的電阻性損耗，因為全局電池串的電串聯中的相鄰電池串的輸入和輸出并不總是相鄰的。然而，當遮蔽圖案沿列方向(例如南北方向)移動，對應于圖1所示的模板的模塊可以提供比圖3的模塊更好的靈活性。
對于如圖1所示的架構模版，該架構模版包括第一多個U型電池串(其中每一個U型電池串具有在網格的第一行上的彼此相鄰的第一電池“輸入”和最后一個電池“輸出”)以及第二多個U型電池串(其中每一個U型電池串具有在網格的最后一行上的彼此相鄰的第一電池“輸入”和最后一個電池“輸出”)，并且該架構模板被配置成在操作中使用可重配置互連6來形成全局光伏串，第二多個U型電池串i＝1,i＝2,..,i＝K/2可被連接到電串聯的前一半，而第一多個U型電池串i＝K/2+1,i＝K/2+2,…,i＝K可被連接到電串聯的后一半。圖4中示出這一第一示例性架構中的電池串的序列的示例。同樣，圖5中示出圖2中所示的第二示例性架構中的電池串的序列的示例。
全串聯連接是本領域中已知的在均勻工作條件下的最優配置，因為它允許限制電流，并因此降低重要的電阻性損耗。假設所有的電池在均勻照射下在運行時具有類似的電響應，當可重配置互連被配置成提供全局光伏串串聯配置時，根據本發明的實施例的模塊可有利地稍稍背離傳統的非可重配置解決方案。
此外，多個可重配置互連被適配用于可控地建立具有由至少兩個相鄰的電池串5形成的并聯電路分支的至少一個并聯電路。對于其中呈現的是大部分均勻的照射條件的場景，可重配置互連可被控制以形成電池串之間的串聯連接。對于非均勻照射情況，可重配置互連可被控制以形成并聯連接。
例如，如之前已提到的，多個可重配置互連6可包括用于實現串聯連接以形成全局(例如模塊級)串的多個開關Ai，每個開關都具有電連接到對應的電池串的最后一個電池“輸出”的第一端以及電連接到另一電池串的第一電池“輸入”的第二端，其中這一第一電池“輸入”與該最后一個電池“輸出”相鄰。然而，該多個可重配置互連也可包括用于實現具有由至少兩個相鄰的電池串形成的并聯電路分支的至少一個并聯電路的進一步的多個開關Bi。例如，該進一步的多個開關中的開關Bi可具有電連接到對應的電池串CSi的最后一個電池Ci,out的第一端以及電連接到另一電池串CSi+1的最后一個電池Ci+1,out的第二端，其中該另一電池串的第一電池Ci+1,in與該最后一個電池Ci,out相鄰。
此外，多個可重配置互連6可包括又進一步的多個開關Di、Di+1，用于當在工作時建立至少一個并聯電路時向至少兩個相鄰電池串CSi、CSi+1的第一電池Ci,in、Ci+1,in施加相同的電壓電平。
例如，兩個電池串的可配置并聯連接可具有一個開關，該開關間接或直接地連接這兩個電池串的“輸入”引腳，同時間接或直接地連接相同的兩個電池串的“輸出”引腳。在這樣的并聯配置中，電流累積以及因此的后續布線的電阻性損耗可能增加。并聯連接因此可導致潛在的大量損耗。根據各實施例的可重配置架構允許在其中存在性能優勢的特定情形下(例如在嚴重遮蔽下)建立這類并聯連接，同時不明顯地降低典型的均勻光照條件下的性能。
有利的是，根據本發明的實施例的可重配置互連可被布置在模塊的邊之上、之處和/或附近。
有利的是，根據本發明的實施例的可重配置互連可被適配用于可控地僅直接連接相鄰的電池串。相對于傳統的非可重配置模塊，這可將對于額外組件的要求保持為低。例如，在圖3所示的示例配置中，可以通過允許所有相鄰的電池串潛在地通過多個開關來連接來提供有效的串聯連接。對于部分遮蔽下的電池串的并聯連接，相鄰的電池串也可被并聯連接。幾乎不需要額外的組件，因為只有相鄰的電池串有可能被連接。對于潛在電池串連接的這種限制可確定可能被形成的組的類型。
因為只有相鄰的電池串可被可配置地連接(例如潛在的串聯或并聯連接)，例如根據各實施例的諸如圖4或圖5種所示的枚舉的相鄰，連續的電池串的塊可在工作中被配置以形成組。例如，每個組可使其電池串在工作中被配置成串聯或并聯配置。
此外，光伏模塊1還被適配用于將多個電池串連接到至少一個DC-DC轉換器7，例如連接到多個DC-DC轉換器，例如連接到兩個DC-DC轉換器、或者連接到四個DC-DC轉換器、或者連接到五個DC-DC轉換器、或者甚至更多個DC-DC轉換器。例如，可重配置互連6可被適配用于將多個電池串電連接到至少一個DC-DC轉換器7，例如連接到多個DC-DC轉換器，例如連接到兩個DC-DC轉換器、或者連接到四個DC-DC轉換器、或者連接到五個DC-DC轉換器、或者甚至更多個DC-DC轉換器。該至少一個DC-DC轉換器7被適配用于通過輸出線提供輸出電功率。
例如，光伏模塊可包括例如經由可重配置互連電連接到多個電池串的至少一個DC-DC轉換器7，例如多個DC-DC轉換器，例如兩個、三個、四個、五個或者甚至更多個DC-DC轉換器。多個DC-DC轉換器可提供能夠在運行時動態地決定需要使用的轉換器數目的優點，如果重配置互連6被合地適配于此的話。
每一個DC-DC轉換器7可被適配用于處于活動或不活動狀態下。例如，可重配置互連6可被適配用于響應于控制信號在來自多個光伏電池2和輸出線之間的電路徑中包括和排除每一個DC-DC轉換器7。因此，可重配置互連6可包括至少一個開關以允許當至少一個DC-DC轉換器被設置為非活動狀態時旁路所述DC-DC轉換器。圖8描繪了用于允許動態數量的串聯連接的轉換器在運行時活動的開關網絡配置。本領域技術人員應當清楚這一示例可被擴展到任何更大數量的局部DC-DC轉換器。
運行時活動的轉換器的數量可取決于模塊中形成的組的數量。每一個組可被連接到單個轉換器。電池串的照射水平以及可用的互連布線可以確定形成的組的數量。
每一個DC-DC轉換器7可被配置用于跟蹤經由可重配置互連6與其相連的相應的一組電池串的最大功率點。例如，每個DC-DC變換器可被配置用于接收來自控制器的控制信號，例如用于選擇占空比的控制信號，諸如用于跟蹤其對應的組在運行時的最大功率點。例如，電流和電壓可對于這些組中的每一個而言是不同的。
每一個DC-DC轉換器7可具有局部輸出，并且多個DC-DC轉換器可互連使得模塊具有單個輸出線。例如，多個DC-DC轉換器7的局部輸出可被互連以便有助于通過輸出線的單一電輸出功率。DC-DC轉換器的占空比可形成合適的旋鈕，以實現不同的輸出連接。例如，至少一個控制器可被適配用于控制轉換器的占空比，以便提供合適的模塊輸出電流和/或電壓。
多個DC-DC轉換器7可包括以電壓增量配置互連的至少兩個DC-DC轉換器。當轉換器串聯連接，如圖7所示，轉換器的輸出電壓被累加。該配置的總電壓基本等于轉換器的各輸出處的所有電壓之和，同時基本相同的電流流過轉換器的輸出。由于在所有轉換器的輸出級的電流必須基本上是相等的，因此轉換器的占空比可以被調節以確保這樣。然而，轉換器的轉換范圍可能會限制可被容許的各組電池串的最大照射差異。例如，如果電流差超過最大限度，則少于全部的可用功率可被再生。
該控制器可被適配用于以協調的方式控制每個轉換器的占空比，例如，在每個配置中活動的轉換器的占空比不被獨立選擇。
例如，如果轉換器的數目等于電池串的數目，每個電池串將連接到一個單獨的轉換器。由于串聯連接的轉換器的電流應該是相等的，因此局部轉換器應該能夠既提高電壓(例如減少電流)，又降低電壓(例如提高電流)。假設針對轉換器的降壓模式和升壓模式兩者的轉換系數k，可被處理的電池串的最大電流差是Imax/Imin＝k2。所累積的電流因此會具有與Imax/sqrt(Imax/Imin)相同的水平Imin*sqrt(Imax/Imin)。為每個轉換器設置適當的占空比可能需要復雜的控制系統，但可能是可行的。
將轉換器的數量從電池串的數量減少到X并且保持模塊內的相同水平的靈活性可能需要布線和開關組成的更復雜的支持網絡，如根據本發明的實施例的模塊1所提供的。此處可能存在額外的硬件要求和減少的靈活性之間的折中。
多個DC-DC轉換器7可包括以電流累積配置互連的至少兩個DC-DC轉換器。例如，DC-DC變換器可以并聯配置互連，其中轉換器的輸出被并聯電連接。在另一示例中，DC-DC變換器可以級聯配置互連。
圖9示出轉換器的示例性并聯連接。在這樣的配置中，轉換器的輸出被并聯連接，使得轉換器的輸出級處的電流被累加，而電壓應該在所有轉換器的輸出處基本相等。在這樣的配置中，所有轉換器的占空比可以被調節，以確保在輸出級的電壓是相同的。如在以上描述的串聯情況中，活動轉換器的占空比可能以協調的方式選擇，例如不相互獨立地選擇。因此，每個組優選達到模塊的輸出的共同電壓。在這種情況下，轉換器的轉換范圍可能會限制各組的最大電壓差，使得太高的電壓差可導致功率損耗。
如果所有的電池串具有相同數量的電池(例如在根據本發明的實施例的模塊中)，則電池串之間的電壓差可被限制。在均勻條件下，所有的電池串可被配置，諸如被串聯連接，并且這一串聯可被連接到單個轉換器。在非均勻輻照條件下，所有可用的轉換器可以是活動的。圖10中示出了用于動態地改變活動的并聯連接的轉換器的數目的示例性開關網絡(例如形成可重配置互連的一部分)。本領域技術人員應當清楚這一示例可被擴展到任何更大數量的局部DC-DC轉換器。
在本發明的一個優選實施例中，多個DC-DC轉換器7可被并聯連接。每一個DC-DC轉換器可由控制器控制以跟蹤經由可重配置互連6在工作中與其相連的一組電池串的最大功率點。用于跟蹤這一最大功率點的控制器可被集成在每一個對應的DC-DC轉換器中。由于每一組的最大功率點可被獨立跟蹤，因此可通過使用至少部分分散控制來提供穩健的系統。當每一組電池串使其電池串以并聯配置來配置時，所有的DC-DC轉換器在并聯DC-DC轉換器配置中優選是活動的，以避免任何組中的電流太高。此外，根據各實施例的模塊可包括進一步的DC-DC轉換器(附連到并聯連接的多個DC-DC轉換器的輸出)以將輸出電壓提高到預定水平，例如用于連接到模塊形成其一部分的PV陣列的其余部分。圖3中示出了這一優選實施例的另一示例性配置。
這樣的并聯配置的一個優點是當轉換器和電池串的串聯連接可能需要復雜的控制方案的情況下，根據本發明的實施例的并聯轉換器網絡的控制可能相對簡單，例如特別是在其中電池串還被作為一個組連接到并聯配置的每一個電池串的運行時配置中。然而，有利的是，在另一個運行時配置中，根據這一實施例的可重配置互連網絡還可以實現例如所有電池串串聯配置并且連接到單個轉換器。例如，對于存在大部分均勻的照射條件的情況，例如電池串之間的串聯連接以及單個活動轉換器可以例如由控制器配置，而對于大部分不均勻的情況，例如電池串的并聯連接以及轉換器的并聯連接可以被選擇。
這樣的并聯配置的另一個優點是，當轉換器和電池串的串聯連接可能需要昂貴的降壓-升壓轉換器時，根據本發明的實施例的并聯轉換器的網絡可能是相對簡單和便宜的。
用于在轉換器級上的得到電流累積的另一種方法是以級聯方式連接局部轉換器。圖11中示出的兩組電池串的級聯連接。在轉換器的級聯連接中，鏈中的上一個轉換器的輸出電壓被連接到鏈中的下一個轉換器的輸入，并且與對應于后一個轉換器的組并聯。當一個轉換器的輸出被并聯連接到下一個轉換器的輸入時，電流被累積。采用轉換器之間的這種類型的連接，每一級的功率可能被降低，例如取決于轉換器的效率。每一個轉換器的輸出可以被設置(例如通過配置轉換器的占空比)在下一組電池的最大功率點的電壓。唯一的“自由轉換器”(例如，從占空比的值的自由程度方面來看)可因此是鏈中的最后一個。可以累加所有電池所產生的電流，而在轉換步驟之后，獲得的電壓可以等于最后一組電池的電壓。然而，除了最后一組，每一組的電壓必須能夠在應用了轉換器的轉換因子之后達到下一組的最大功率點的電壓。因此，其中電壓差大于轉換因子的組不能被高效連接。在最后一個轉換器的占空比方面提供了有利的靈活性，但轉換器的級聯連接的缺點可能在于由于多級轉換導致的連續功率損耗以及轉換效率。圖12中示出用于動態控制活動的級聯轉換器的數量的示例性開關網絡。
雖然現有技術中已知的傳統模塊中，旁路二極管被用來保護電池不被熱點加熱并允許部分遮蔽情況下串聯連接的電池的高電流工作，但是根據本發明的實施例的可重配置拓撲結構通過將具有在運行時類似電氣行為的電池分組來允許再生由于這樣的旁路或電流減少而損失的功率。這種現場電池分組可以經由重配置互連(例如通過布線和開關的網絡)以及通過多個DC-DC轉換器來實現。例如，具有在工作期間由控制器分配給其的一組電池串的每一個電池組可被連接到對應的局部DC-DC轉換器。在這一DC-DC轉換器處，占空比以及因此的電壓可被控制以例如設置為針對特定組的最優值。這一占空比可由控制器控制，例如使用簡單的MPPT算法來控制。
多個可重配置互連6被適配用于接收來自至少一個控制器(例如來自一個控制器)的用于控制多個可重配置的互連的控制信號。至少一個控制器被適配用于在工作中形成所述多個電池串的并聯、串聯和/或混合連接，以響應于非均勻光子刺激群集匹配的光伏電池。至少一個控制器可被適配用于(例如被配置或被編程用于)實現最大功率點跟蹤算法。
該至少一個控制器還可被適配用于控制該至少一個DC-DC轉換器(例如多個DC-DC轉換器)的占空比。
模塊1可包括至少一個控制器。然而，該至少一個控制器也可以是一個外部組件，例如工廠控制計算機，該外部組件被適配用于相對于彼此獨立地或者以協調方式同時控制多個模塊1。因此，用于控制模塊1的控制器可以是用于在經協調的系統中控制多個模塊1的全局控制器。
多個可重配置互連6可被適配用于接收來自一個控制器(例如外部控制器或包含在模塊中的控制器)的用于提供全局模塊級控制的控制信號。因此，控制器和少量的DC-DC轉換器(如有限的一組DC-DC微轉換器)能夠高效地編組具有本領域中類似特性的電池，甚至在存在未知和高度可變的遮蔽的情況下。
該至少一個控制器可被適配用于配置變量(例如旋鈕)，諸如所述多個可重配置互連和DC-DC轉換器占空比中的開關，以優化非均勻條件下的電能產量。本發明的實施例的一個優點是提供了這種適應性(例如靈活性)同時維持用于均勻輻照條件下的高效串聯連接。
例如，當根據本發明的實施例的模塊包括串聯連接的多個DC-DC轉換器時，電流可由控制器控制為對每一個DC-DC轉換器相等，例如通過適當地調節轉換器的占空比。例如，模塊可以由電流源供電，并且每個轉換器的占空比可由控制器調整，諸如用以從各個對應組中提取最大功率，同時維護它們的輸出處施加的電流。
在另一個示例中，當根據本發明的實施例的模塊包括并聯(例如轉換器共享相同的輸出)或級聯(例如轉換器與下一組的輸入共享他們的輸出)的多個DC-DC轉換器時，穩定的電壓可被施加在模塊的單個輸入和輸出引腳之間。在這種情況下，每個局部轉換器可配備一個簡單的MPPT。例如，至少一個控制器可包括多個控制器，每個控制器與對應的DC-DC轉換器集成或位于其中。
在并聯的情況下，每個轉換器可以被獨立控制，例如以獨立工作并跟蹤其組最大功率點。
在級聯的情況下，級聯中的最后一組的最大功率點可能影響上一個轉換器的占空比，并且因此后一個轉換器可被控制，諸如用以將其納入考慮。
至少一個控制器可被適配用于控制可重配置互連和DC-DC轉換器的占空比。幾種連接可能性可能出現，這取決于電池串的配置和DC-DC轉換器的配置。
例如，每一組電池串都可具有連接到單個轉換器的對應的輸入和輸出。因此，組和轉換器互連的連接方案的每一種組合可能會導致不同的支持網絡。可以區分以下示例性場景：串聯-串聯、并聯-并聯、串聯-并聯以及并聯-串聯。
在串聯-串聯配置中，串聯連接的一組電池串具有連接到同一轉換器的組的輸入和輸出。該組的輸入和輸出引腳屬于不同的電池串。組的輸入可以通過非活動的轉換器來旁路，但是如果前一個轉換器是活動的，它可直接連接到對應的轉換器。每個電池串的輸入和輸出兩者都具有與多個轉換器的潛在連接。為了防止每個轉換器級中的功率損失，所有的組優選地達到相同的電流輸出。每一組串聯連接的電池串的總電流可等于該組中最糟糕的電池所產生的電流。這主要取決于照射水平，因為電流與入射照射成正比。模塊內的照射差可以超過轉換器的轉換因子。然而，可選擇一個中間的輸出電流值，該值可能導致允許電流的增高和降低兩者的昂貴的轉換器架構。
在并聯-并聯配置中，并聯連接的一組電池串具有等于組中的電池串的數量的多個輸入引腳和輸出引腳。所有的電池串的輸入是相同的，并且可通過轉換器互連共享。如果每個電池串的輸出連接到單個轉換器，每個組可能仍然有到多個轉換器的潛在連接，因為組中有多個輸出實例。在任何情況下，輸出引腳與轉換器的連接的數量可以是有限的，且沒有明顯的靈活性損失。轉換器的無損并聯連接可能需要相同的電壓輸出。因此，所有的組可優選地能夠達到某一電壓值。組的電壓不隨工作條件顯著改變。這可允許通過與串聯-串聯連接相比簡單的轉換器技術來將所有組連接到降低的電壓值。
在串聯-并聯配置中，當串聯連接各組電池串并且并聯連接轉換器時，在轉換器的輸出上可能存在失配的危險。組中電池串的數量影響輸出電壓。當選擇這一配置時，模塊中的組的劃分可以被仔細地選擇，使得電壓差被給定轉換范圍所覆蓋。
在并聯-串聯配置中，電池串的并聯連接增加了電流。照射差異與電池串的并聯連接的組合可能會增加組的潛在的電流差異，以及因此增加損失。
本發明的各實施例的一個優點是可提供一種可配置拓撲結構，其中開關和布線中的串聯電阻可針對用于在均勻照射條件下使用的串聯配置以及用于在特定的非均勻照射條件下使用的并聯或混合配置或存根兩者都被明顯優化(例如通過對開關的大小和I-V尺寸的選擇和布線寬度的選擇)。
本發明的實施例的優點還在于可在增加的組件成本方面提供具有成本效益的設備和系統，例如不遠高于標準的靜態串聯連接模塊的成本，同時還實現了許多遮蔽條件下的接近最優的能量產出增強。例如，可以實現相對于完全定制的電池連接解決方案的理論最優方案的良好的能量產出增強，該最優方案要制造將很昂貴并且對于變化的遮蔽不太靈活。
在另一方面，本發明還涉及將根據本發明的第一方面的模塊用于被適配用于非均勻、非理想照射條件下的建筑集成的光伏系統(BIPV)和/或屋頂面板。根據各實施例的這類使用的優點在于可實現對于陰影、污物、雪、云和/或非均勻溫度/風效果所導致的影響的良好適應性。
本發明還涉及將根據本發明的第一方面的模塊用于電動汽車(諸如汽車或公共交通工具)之中或之上。
在另一方面，本發明還涉及一種用于操作光伏模塊(例如根據本發明的第一方面的實施例的光伏模塊)的方法。該方法可以由至少一個控制器至少部分執行以發送至少一個控制信號給多個可重配置互連6，以在工作中形成所述多個電池串5的并聯、串聯和/或混合連接，以響應于非均勻光子刺激群集匹配的光伏電池。
根據本發明的實施例的方法包括獲得包括多個光伏電池2的光伏模塊1。這些光伏電池被布置成具有邏輯行3和列4的網格中。該模塊1還包括電互連多個光伏電池的子集以形成多個電池串5的多個非可重配置互連。每個電池串5包括從第一電池電串聯連接到最后一個電池的至少四個光伏電池，第一電池和最后一個電池位于網格的同一條邊上，例如相同的第一行、最后一行、第一列或最后一列。此外，最后一個電池與相鄰電池串的第一電池相鄰。另外地或替代地，第一電池與相鄰電池串的最后一個電池相鄰。光伏模塊1還可包括多個可重配置互連。
該方法進一步包括確定光伏模塊1是否受非均勻的光子刺激，例如通過接收和分析以下的至少一個：光測量、電流測量、電壓測量、電阻測量、溫度測量、天氣預報數據以及預記錄的遮蔽模式。
該方法還包括控制光伏模塊1的多個可重配置互連6以電互連多個電池串5，使得當光伏模塊1被確定受基本均勻的光子刺激時，由串聯電連接的多個電池串5組成的全局光伏串被建立并連接到DC-DC轉換器7，例如串聯連接到單個、活動的DC-DC轉換器。
該方法還包括控制多個可重配置互連6，以當光伏模塊1被確定受基本非均勻的光子刺激時建立具有由至少兩個相鄰的電池串5形成的并聯電路分支的至少一個并聯電路，以便群集匹配的光伏電池串。
該方法還可包括確定要并聯連接到多個電池串5的活動DC-DC轉換器的數量，這個數量通過將經確定的非均勻光子刺激納入考慮來確定。
該方法可包括控制多個可重配置互連6以建立多個并聯電路，每個并聯電路具有由至少兩個相鄰的電池串5形成的并聯電路分支，以及控制多個可重配置互連6以建立每個并聯電路到對應的活動DC-DC轉換器的電連接。
控制多個可重配置互連的步驟還包括從至少一個控制器發送至少一個控制信號到多個可重配置互連6。
該方法還可包括控制每個活動的DC-DC轉換器的占空比，諸如以實現最大功率點跟蹤算法。
以下示例解說了本發明的實施例的各方面。這些示例都無意以任何方式限制本發明，而只是為了幫助技術人員理解本發明的原理和各方面以及將本發明付諸實踐。
在第一個示例中，示出了根據圖3所示的示例性實施例的電池串的互連。
假設，在一個遮蔽模式中，電池串(k-1)分別具有最大功率點處的電流值和電壓值Ik-1和Vk-1，同時電池串k具有值Ik和Vk，并且電池串(k+1)具有值Ik+1和Vk+1。首先，我們將考慮電池串的串聯配置。
如果Ik-1明顯不同于Ik，則電池串(k-1)和k優選地應當不屬于同一串聯的組，因為MPP處的它們的電流差會惡化兩個電池串中的至少一個的性能。因此，電池串(k-1)應該屬于組x，而電池串k屬于組(x+1)。如果電池串(k+1)具有與電池串(k-1)類似的電流值，則兩個電池串不能屬于同一組，因為沒有可用于它們的連接的布線，并且電池串(k+1)屬于組(x+2)。采用組內的串聯連接(在這個示例中為三個電池串)，三個組被形成并且可能需要三個轉換器。
在同一示例中，電池串(k-1)和k的并聯可不明顯惡化任何電池串。例如，90％的極限照射差異可分別對應于MPP處的89.99％和2.25％的電流和電壓差。因此，串聯連接這兩個電池串可導致79％的功率損耗，而并聯連接它們可導致小于0.04％的功率損耗。這意味著在這種并聯連接中，可形成一個組，并且可以只需要一個轉換器。
為了降低成本，可只提供少量的局部轉換器。例如，在運行時局部轉換器的可用性可能是受限的，因為它們是昂貴的。因此，在非均勻照射條件下，組內的并聯連接可能是有利的。由于在MPP處電壓不會偏移多少，所有的電池串可都形成一組并連接到單個轉換器。如果使用單個轉換器，電流將達到M*Icell-string的水平，然而這將增加電阻性損耗。
因此，可在工作中形成多組并聯的電池串，不基于輻照條件或者不僅僅基于輻照條件，而是為了降低電流。每個組可以連接到一個轉換器，該轉換器提高了電壓并降低了電流。當X個轉換器可用時，在局部轉換器之前，每個組的最大電流將是(M/X)*Icell-string。采用3的轉換因子，每一組的最小電流輸出是[(M/X)*η*Ιcell-string]/3的數量級，其中η是該轉換器的效率。
如果所有的電池串都有相同數量的串聯電池，則具有并聯連接的電池串的所有組也將具有相同數量的串聯電池。因此，所有的組將具有類似的電壓輸出。相同的電壓輸出也適用于轉換器的并聯連接。所有的轉換器可被連接到具有低電阻的累積匯流條。每個組都因而向匯流條貢獻[(M/X)*η*Ιcell-string]/3的電流。只有在累積匯流條的末端，電流可得到[M*η*Ιcell-string]/3]的值。轉換器的數量可以簡單地限制每個組的電流輸出以及匯流條處的每一級的相應電阻性損耗。獨立于轉換器的數量，在累積匯流條處的電流可以是[M*η*Icell-string]/3]，但更多的轉換器可以降低匯流條的布置在鏈中較前處的部件中的總電流。
以下示例示出例如諸如可用于本發明的各實施例中的可重配置拓撲結構在非均勻工作條件下相比傳統的串聯連接的模塊的一些好處。
圖13中示出現有技術中已知的工業模塊，該工業模塊被陰影132部分遮蔽。這樣的傳統模塊可例如由串聯連接的60個電池131組成，其中旁路二極管133被放置在包括20個電池的各組上。針對不同照射密度的模塊的示例性I-V和P-V曲線分別在圖14和圖15中示出。可以觀察到，旁路二極管的布置和投射的陰影的形狀在PV曲線上創造了兩個局部極大值。對應于PV模塊的工業模板的瞬時曲線可被劃分在兩個區域中，其中在每個區域中活動的電流路徑不同。在對應于低電壓的第一區域中，跨被遮蔽的電池的旁路二極管傳導被完全照亮的電池的過量電流。在對應于高電壓的第二區域中，總電流被限于由較糟糕的電池所產生的電流，并且沒有二極管是活動的。根據投射陰影的密度，全局MPP的位置不同。GMPP可位于區域I和區域II。
由PV模塊產生的理想功率是針對特定工作條件的定制設計的拓撲結構的輸出。然而，這一功率不等于每個電池的單個MPP的總和。在上面描述的遮蔽場景中，被遮蔽和被完全照亮的電池將獨立工作，并且分開的轉換器將跟蹤每個組的MPP。請注意，由模塊產生的總功率將低于兩組的功率的和，因為轉換和電阻性損耗應當被納入考慮。在以下的表1，示出了在以上描述的部分遮蔽場景下的理想功率和針對每個密度由工業模塊獲得的功率。
表1
星號標志指示其中最大功率點位于區域I的情形。提供相對于1000W/m2照射水平的陰影密度。
當常規模塊的MPP位于區域I中時，可再生功率來自原先會被旁路的受遮蔽電池。在MPP在第二區域中的情況下，被完全照亮的電池不具有降低的電流并產生更大的功率量。
可重配置拓撲結構可針對不同工作條件下的各電池組的獨立工作。可重配置拓撲結構的策略目標可以是為了在運行時實現一種模塊配置，該模塊配置盡可能接近針對特定工作條件的定制設計的拓撲結構。
為了評估模塊拓撲結構，比較不同條件下的性能，以及在相同情形下由M乘N個模塊產生的理想功率。累加所有電池的各個最大功率點是對理想功率的不實際的估計。內部連接和轉換損耗必須被納入考慮。出于上面解釋的原因，理想功率是通過針對每一種遮蔽模式來設計定制拓撲結構來計算的。
針對特定工作條件的定制設計的拓撲結構根據電池的各自的電輸出來將電池劃分為各組。組內的電池可串聯或并聯連接。串聯連接的電池的最大功率提取需要所有電池共享相同的Impp值(最大功率點處的電流)并且串聯連接的電池的電壓被累加。并聯連接的電池的最大功率提取需要所有電池共享相同的Vmpp值(最大功率點處的電壓)并且并聯連接的電池的電流被累加。串聯連接可能因兩個原因而被優選：由于較低的電流值，布線的電阻性損耗可能較低，以及電壓可能會逐漸增加，這對于電網連接或對于電池充電應用是有用的。
一般來說，定制拓撲結構提取模塊的最大可用功率，包括電阻性損耗和轉換損耗。定制拓撲結構不具有旁路元件或動態元件，諸如開關。給定N乘M布局的電池以及已知的工作場景，設計定制的拓撲結構來提取最大功率以及最小損耗。
在現實條件下，實現完全相同的電氣特性看起來是難以置信的。每一組k可能包含其中MPP處的電流位于[Ik,min,Ik,max]的范圍中的電池。該組的電流則可等于Ik,min。每一組的值的范圍可被仔細選擇，例如根據以下給出的一些規則。這個間隔的大小取決于創建更多的組的電阻性損耗以及在一組高性能電池中添加一個“較差”的電池的功率損耗。如果一個電池或一組電池具有與所有其他組的大的電流差，則它產生的功率可能不足以補償對將其連接到其它電池的額外硬件(例如單個轉換器)的使用。在這種情況下，電池或電池組被排除在定制拓撲結構之外。
每種遮蔽圖案產生一種不同的定制拓撲結構。定制拓撲結構A可能完全不適合場景B的遮蔽模式。理論上來說，其中每個電池包括一個電池串的可配置的拓撲結構具有靈活性來實現與導致拓撲結構相同的電池配置。擁有多達N×M個電池串所需的額外的硬件成本(例如為了具有圍繞每個電池的可配置開關和額外布線)可能反而在經濟上不可行。此外，甚至可能不會導致在實踐中的最大可實現能量產出，因為活動路徑將包括在幾倍于N乘M的數量級的開關和布線數量，這會明顯增加電阻性損耗。
在根據本發明的實施例中，可以提供一種經優化的可重配置模塊，該可重配置模塊不允許“較差的”電池以明顯的方式降低模塊的性能。由于所有的電池可被組織成電池串以減少硬件開銷，因此每個電池串可能受限于其“最糟糕的”電池所產生的電流。在均勻條件下，所有的電池串可被連接成全局的電池串串聯，并且這一單個組可被連接到單個高性能轉換器。在模塊的部分遮蔽條件下，兩種情況可以是可能的：
1.每個電池串的“最糟糕”的電池具有類似的Impp，這可被認為是相當于均勻工作場景，以及
2.一些電池串的Impp可能相差一個明顯的值，例如超過10％，則模塊的重配置可能是有利的。
在根據本發明的實施例中，每個組的電池串可被串聯連接或可被并聯連接。電池串的串聯連接可通過一個電池串的“輸出”引腳和另一電池串的“輸入”引腳之間的一個開關來提供。電流保持為低，因此電阻性損耗也可保持為低。但這也會導致高的累積電壓，使得大的和昂貴的開關可能是必需的。另一方面，電池串的并聯連接可通過單個電池串配對的兩個可開關連接來提供。一個開關可連接兩個電池串的“輸入”引腳，而另一開關可連接相同的兩個電池串的“輸出”引腳。電流累積，因此后續布線的電阻性損耗增加。然而，這種損耗可能是巨大的，所以并聯連接可能不得不被謹慎考慮。
在以下的示例中，對應于圖3中示出的示例性實施例的配置在模擬環境中進行了評估。這些模擬解說了在非均勻工作條件下根據本發明的實施例的可重配置拓撲結構的潛在好處。這樣的模擬也可以允許本領域技術人員來評估對于何時(例如，在這種情況下)切換模塊的不同運行時實例(例如，不同的配置)的控制決策。
太陽能電池是這類PV系統的基本結構。所用的電池模型是Catthoor等人在2014年第29屆歐洲光伏太陽能大會和展覽中“Presentation of a Verilog-AMS Model for Detailed Transient Electro-Thermal Simulations of PV Modules and Systems”(關于PV模塊和系統的詳細瞬態電-熱模擬的Verilog-AMS模型的介紹)中公開的那種。這一模型包括溫度依賴性。用于這個示例的仿真環境是Verilog和Spectre。
布線和開關通過電阻而被包括在模擬中。使用了轉換器的表現模型，其中并聯轉換器的效率η是95％，而第二級轉換器的效率是98％，這可被認為是處于可接受范圍內。
如表2中所示，在均勻條件下，傳統的模塊表現得比根據各實施例的示例性可重配置模塊稍好。實現電池串的串聯連接的開關是可重配置拓撲結構相對于傳統模塊的附加組件。這些開關在活動電流路徑中添加了一個電阻，隨著電流增加這可導致一些功率損耗。然而，即使在高照射(其中電流是較高的)下，在這一模擬中，可重配置模塊的功率損耗不超過1.5％。在以下的表2中詳細示出兩種拓撲結構的功率性能。
表2
當模塊在部分遮蔽下執行時，可確定不均勻性是否證明切換到另一配置是合理的。可被操縱的最小電池組是電池串，在這個示例性實施例中，電池串由串聯的六個電池組成。遮蔽可或者通過陰影密度的百分比來確定，或者通過電池之間的照射水平差來確定。首先，我們介紹單個電池串具有與模塊的其余部分相差達50W/m2的不同的輻射水平的情況。在以下的表3中給出了三種不同的照射水平的結果。
從表3中所示的結果可以得出結論，在高照射水平下，非均勻水平可能不足以通過調整可重配置模塊的所有串聯連接來實現增益。盡管在低照射水平，即使只有一個電池串被遮蔽，仍然有可能保持小的增益。
表3
實驗已經表明電池串之間大于10％的照射差可以證明切換到并聯連接的電池串和轉換器是合理的。然而，進一步的實驗和/或模擬可由本領域技術人員執行以進一步詳細確定何時切換是合適的。
表4
該模塊的非均勻水平可或者通過陰影密度的增加或者通過被遮蔽電池的數量的增加來增加，見以上的表4。該表列出了被考慮的三種模塊架構的作為對比的所生成功率，針對具有20％、50％以及80％的陰影密度的共享電池，以及針對1000W/m2和500W/m2的全局照射水平。星號指示符指的是那些其中重配置是有利的情形。
然而，增加被遮蔽電池的數量不太可能會大幅改變以上的示例性結果。例如，串聯連接中的單個被遮蔽電池限制了所有連接的電池的輸出電流。影響根據各實施例影響示例性配置的增益的一個重要參數是照射差的水平。替代擁有特定的照射差，陰影密度將被應用。為了清楚，10％的陰影密度意味著被遮蔽電池接收被完全照亮的電池的90％的照射。
如表4中所示，在根據本發明的實施例的可重配置模塊在高照射水平下勝過傳統模塊，例如至少在所造成的陰影足夠密時。在較低的照射水平下，即使有較低的差異，所建議的PV拓撲結構看上去是有利的。
總之，許多PV系統(特別是但不完全是那些安裝在工業區中的)在非均勻工作條件下起作用。陣列的部分遮蔽可會導致現有技術中已知的PV模塊中的失配效應，并可能導致原先潛在的可再生功率的損失。
由于遮蔽條件通常是隨機的，根據本發明的實施例的電池互連拓撲結構可有利地在現場重新配置。因此，這樣的模塊可以在運行時針對實際的遮蔽條件調整，并且可再生模塊的所有潛在的能量產出，或基本上所有的潛在的能量產出。例如，如果該模塊被部分遮蔽，則類似遮蔽的電池可以被編組在一起，并且每個組可以獨立地連接到一個局部轉換器。這允許在活動電流路徑中最少化活動元件。
上面呈現的模擬表明在嚴重遮蔽條件下并且在模塊內的明顯照射差異下，可以獲得明顯的增益。根據本發明的實施例的模塊拓撲結構可被用于例如經常發生部分遮蔽的場所。此外，根據本發明的實施例，可重配置模塊的全串聯連接是可能的，這可確保在均勻輻照條件下發生最小的損耗，例如只有微不足道的損失。
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