提供局部转换器以在能量产生系统中提供最大功率点追踪的方法与系统的制作方法

专利名称：提供局部转换器以在能量产生系统中提供最大功率点追踪的方法与系统的制作方法
技术领域：
本案大致是关于能量产生系统。更明确地说，本案是关于在能量产生系统中，提供 局部转换器以提供最大功率点追踪的方法与系统。
背景技术：
与传统非可延长、有污染性能量，例如煤或石油相比，太阳能与风能提供可延长、 无污染的能源。因此，当能源可以被转换为电力时，太阳能与风能变得愈来愈重要。对于太 阳能，安排呈数组的光伏打面板典型提供一手段，以将太阳能转换为电能。类似数组可以实 施为收集来自风或其它自然能源的能量。在操作光伏打数组时，最大功率点追踪(MPPT)大致被用以自动决定一电压或电 流，在该点数组可以操作以在特定温度下产生最大功率输出及阳光照射。虽然当该数组是 操作于理想状态(即在该数组中的各个面板的相同照射、温度及电特性)及当有失配或部 份遮盖状态时的整个数组的MPPT相当容易地执行，但该数组的整体的MPPT更复杂。在此 状况下，由于失配数组的多峰值功率至电压特征的相对最佳，MPPT技术可能不会提供准确 结果。结果，在数组中只有少数几个面板可以被理想地操作。这在功率产生中造成一剧烈 下降，对于包含面板串流的数组，在串流中的至少有效面板决定整个串流的该电流与效率。


为了对本案与其特性的更完整了解，配合以附图来进行以下说明。图1为依据本案实施例的能中央控制的能量产生系统；图2为依据本案实施例的图1的局部转换器；图3为依据本案实施例的图2的局部转换器的细节；图4为在依据本案实施例的图2的局部转换器中实施最大功率点追踪(MPPT)的 方法；图5为包含依据本案实施例的能在能量产生系统的集中式与分布式MPPT间作选 择的中央数组控制器的能量产生系统；图6为依据本案实施例的部份被遮光状态下的图5的数组；图7A-C为对应于图6的三个光伏打面板的电压至功率特征；图8为依据本案实施例的图5的能量产生系统的集中式与分布式MPPT间作选择 的方法；图9为依据本案实施例的能量产生系统中的局部转换器的局部控制器的动作与 停止的系统；图10为依据本案实施例的图9的系统的装置电压变化随着时间的装置电压变化 例；图11为依据本案实施例的图9的启动器；及
图12为依据本案实施例的图9的局部转换器的动作与停止的方法。
具体实施例方式以下 所讨论的图1至12与用以描述本发明原理的各种实施例是作为例示用途，并 非用以限制本发明的范围。本领域的技术人员可以了解，本发明的原理可以以适当配置的 装置或系统加以实施。图1为能依据本案实施例中央控制的能量产生系统100。能量产生系统100包含 多数能量产生装置(E⑶)102，各个耦接至对应局部转换器104，以一起形成能量产生数组 106。如同于本案中的一特定实施例中，能量产生系统100可以包含光伏打系统及能量产生 装置102可以包含光伏打面板。然而，可以了解的是，能量产生系统100可以包含其它任意 适当类型的能量产生系统，例如风涡轮系统、燃料电池系统等等。对于这些实施例，能量产 生装置102可以包含风涡轮、燃料电池等等。所示光伏打系统100包含一中央数组控制器110并也可以包含直流-交流转换器 112，或其它适当负载，用以在系统100操作为在线(on-grid)系统。然而，也可以了解，系统 100也可以借由将数组106耦接至电池充电器或其它适当能量系统装置，而不是直流_交流 充电器而操作为离线系统。在数组106中的PV面板102是被配置成串流114。对于所示实施例，数组106包 含两串流114，各个串流包含三面板102。然而，可以了解的是，数组106可以包含任意数量 的串流114，及各个串流114可以包含任意适当数量的面板102。至于所示实施例，在各个 串流114中的面板102是被以串联连接方式加以实施。结果，各个局部转换器104的输出 电压可以接近其输入电压，同时，供给高压至直流-交流转换器112的输入埠，这在部份实 施例中，可以以于150伏至500伏间的输入电压操作。因此，不需要如并联架构串流所用的 变压器为主的转换器，因而，造成实施高效及低成本局部转换器104。各个PV面板102能将太阳能转换为电能。各个局部转换器104是耦接至其对应 面板102并能重整为面板102所提供的输入的电压至电流关系，使得为面板102所产生的 电能可以为一负载(未示于图1)所用于数组106。直流-交流转换器112是耦接至数组 106并能转换为局部转换器104所产生的直流(DC)为用于负载的交流(AC)，负载可以耦接 至该直流-交流转换器112。最大功率点追踪(MPPT)自动决定面板102在特定温度及太阳能照射下，应操作以 产生最大功率输出的电压或电流。当数组106操作于理想状况(即，在数组106中的各个 面板102的相同辐射、温度及电特性时)整个数组106的MPPT相当容易执行。然而，当有 失配或当部份被遮光状况时，例如，用于数组106的MPPT整体而言是更复杂。在此状况下， MPPT技术可能由于失配数组106的多峰功率至电压特性的相对最佳而不会提供准确结果。 结果，在数组106中只有少数面板102可以被理想操作，造成在功率产生上的剧烈下降。因 此，为了解决此问题，各个局部转换器104能提供局部MPPT给其对应面板102。以此方式， 各个面板102可以在理想及失配或被遮光状态下，操作于其最大功率点(MPP)。对于能量产 生装置102包含风涡轮机的实施例，MPPT可以用以调整该风涡轮机的叶片的间距。可以了 解的是，MPPT也可以用以最佳化系统100，其包含其它类型的能量产生装置102。中央数组控制器110被耦接至数组106并能透过有线链接(例如串联或并联总线)或无线链接与数组106相通讯。中央数组控制器110也可以包含诊断模块120及/或 控制模块125。诊断模块120能监视光伏打系统100，而控制模块125能控制光伏打系统 100。诊断 模块120能自在数组106中的各个局部转换器104接收用于局部转换器104 的转换器数据及用于局部转换器104对应面板102的装置数据。如于此所用，“装置数据” 表示用于面板102的输出电压、输出电流、温度、辐射、输出功率及/或等等。同样地，“局部 转换器数据”表示局部转换器输出电压、局部转换输出电流、局部转换器输出功率及/或等寸。诊断模块120也可以产生系统100的报告并提供报告给操作者。例如，诊断模块 120可以显示部份或全部的装置数据及局部转换器数据给操作者。另外，诊断模块120可以 提供部份或所有装置数据及局部转换器数据给控制模块125。诊断模块120也可以以任意 适当方式分析资料并提供分析结果给操作者及/或控制模块125。例如，诊断模块120可以 根据任意适当时框，例如每小时、每日、每周、及每月，来决定各个面板102的统计。诊断模块120可以提供故障监视给数组106。根据自局部转换器104接收的数据， 诊断模块120可以指明一或更多缺陷面板102，例如已故障、已误动作、被遮光、污损及/或 等等面板102。当缺陷面板102需要替换、修理或清洗时，诊断模块120可以通知操作者。控制模块125可以借由送出控制信号至一或更多局部转换器104而实际控制数组 106。例如，控制模块125可以送出一避开控制信号给具有故障对应面板的特定局部转换器 104。避开控制信号提示局部转换器104，以避开其面板102，有效地将该面板102自数组 106移除，以不影响在相同串流114中的其它面板102的操作为避开面板102。另外，控制模块125也可以送出控制信号给一或更多局部转换器104，其将局部转 换器104指引，以调整其输出电压或电流。为了部份实施例，局部转换器104的MPPT功能 可以被移至中央数组控制器110。为了这些实施例，控制模块125也能校正各个面板102的 MPP并根据该校正送出转换比命令给各个局部转换器104，以使得各个面板102操作于其本 身MPP，如于控制模块125所决定。控制模块125也可以接收及动作来自操作者的指令。例如，操作者可以指引控制 模块125，该系统100进行在线或离线，及控制模块125可以借由使系统100为在线或取系 统100为离线加以作出反应。因此，借由实施中央数组控制器110，光伏打系统100以每面板为基础提供更佳的 利用。同时，此系统100借由使不同来源可能混合，而增加弹性。中央数组控制器110同时 也对整个系统100提供较佳保护及数据收集。图2显示依据本案实施例的局部转换器204。局部转换器204可以表示图1的局 部转换器104之一；然而，可以了解的是，局部转换器204可以以任意适当配置的能量产生 统加以实施，而不会脱离本案的范围。另外，虽然所示连接至能量产生装置202被称为PV 面板，但可以了解的是局部转换器204也可以耦接至PV面板的单一格或在光伏打数组中的 一次组面板，或至另一能量产生装置202，例如风涡轮机、燃料电池等等。局部转换器204包含一功率级206及一局部控制器208，其可以更包含一 MPPT模 块210及一选用通讯接口 212。功率级206可以包含能接收来自PV面板202的面板电压及 电流作为输入，并再整形输入的电压至电流关系，以产生输出电压与电流。
局部控制器208的通讯接口 212能在局部转换器204与中央数组控制器，例如图1 的中央数组控制器Iio间提供通讯信道。然而，对于局部转换器204并未与中央数组控制 器通讯的实施例，通讯接口 212可以被省略。MPPT模块210能接收来自能量产生装置202的面板电压与电流作为输入，如果为 实施算法所需，则由功率级206输出电压与电流。根据这些输出，MPPT模块210能提供信 号以控制功率级206。以此方式，局部控制器208的MPPT模块210能提供MPPT给PV面板 202。借由提供MPPT，MPPT模块210保持对应面板202动作于基本上固定操作点(即， 固定电压Vpan及电流Ipan对应于面板202的最大功率点)。因此，对于一给定固定太阳能照 射，在稳态中，局部转换器204的输入功率为固定(即Ppan = Vpan · Ipan)，因为它对应于在面 板202的相对或绝对最大功率点。另外，局部转换器204具有相对高效率；因此，输出功率 大约等于输入功率(即P。ut - PpJ。图3显示依据本案实施例的局部转换器204的细节。于此实施例中，功率级206 是被实施为单一电感器、四开关同步降压_升压切换调整器、及MPPT模块210包含功率级 调整器302、MPPT控制区块304、及两模拟至数字转换器(ADC) 306及308。306能缩放及量化模拟面板电压Vpan及模拟面板电流Ipan，以分别产生数字面板电 压与数字面板电流。虽然所示及描述的面板电压及面板电流，但可以了解的是，Vpan可以称 为任意适当能量产生装置202的输出装置电压及Ipan可以称为能量产生装置202的输出装 置电流，该能量产生装置202如风涡轮机、燃料电池等等。被耦接至MPPT控制区块304与 通讯接口 212的ADC306也能提供数字面板电压及电流信号给MPPT控制区块304与通讯接 口 212。同样地，ADC308也可能缩放及量化模拟输出电压及模拟输出电流，以分别产生数字 输出电压及数字输出电流。也耦接至MPPT控制区块304及通讯接口 212的ADC308也能提 供数字输出电压及电流信号至MPPT控制区块304与通讯接口 212。通讯接口 212能提供为 ADC306所产生的数字面板电压及电流信号及为ADC308所产生的数字输出电压与电流信号 至中央数组控制器。被耦接至功率级调整器302的MPPT控制区块304能自ADC306接收数字面板电压 与电流，及自ADC308来的数字输出电压与电流。根据至少部份的这些数字信号，MPPT控制 区块304能产生用于功率级调整器302的转换比命令。转换比命令包含用于功率级调整器 302的转换比，以用于操作该功率级206。对于能根据数字面板电压与电流，而不是根据数 字输出电压与电流产生转换比命令的MPPT控制区块304的实施例，ADC308可以只提供数 字输出电压与电流至通讯接口 212，而不是MPPT控制区块304。 对于一些实施例，功率级调整器302包含一降压_升压模式控制逻辑及数字脉冲 宽度调变器。此功率级调整器302能根据为MPPT控制区块304所提供的转换比，借由产生 脉宽调变(PWM)信号，而以不同模式操作功率级206，MPPT控制区块304可以校正用于功率 级206的PWM信号的转换比。功率级调整器302被耦接至功率级206并能根据来自MPPT控制区块304的转换 比，来操作功率级206，及借由使用根据该转换比所决定的工作周期与模式而操作功率级 206。对于功率级206被实施为降压-升压转换器的例示实施例中，功率级206的可能模式 可以包含降压模式、升压模、降压_升压模式、旁路模式及关闭模式。
对于此实施例，当转换比CR在降压-升压范围内，则功率级调整器302能操作功 率级206于降压-升压模式；当CR低于降压-升压范围时，则功率级206操作于降压模式； 及当CR大于降压-升压范围，则功率级206操作于升压模式。降压_升压范围包含实质 等于1的值。例如，对于一特定实施例，降压-升压范围可以包含0.95至1.05。当功率级 206于降压模式时，如果CR低于最大降压转换比CRbuek,_，则功率级调整器302能整个操作 功率级206呈降压架构。同样地，当功率级206于升压模式，如果CR大于最小升压转换比 CRb。。st,min，则功率级调整器302能整个操作功率级206呈升压架构。最后，当转换比大于CRbuek,_小于CRb。。st,min时，功率级调整器302能交替地操作功 率级206于降压架构与升压架构中。在此时，功率级调整器302可以执行分时多任务，以交 替于降压架构与升压架构之间。因此，当转换比接近CRbudt,_时，功率级调整器302可以较 常操作功率级206呈降压架构，而较不常操作于升压架构。同样地，当转换比更接近CRb。。st, min时，功率级调整器302可以较常操作功率级206呈升压架构，而较不常操作于降压架构。 当转换比接近于CRbuek,max与CRb。。st,min的中点时，功率级调整器302可以操作功率级206于 降压架构，也可操作于升压架构。例如，当功率级206于降压-升压模式时，功率级调整器 302可以均勻地交替操作功率级206于降压架构或升压架构中。 对于所示实施例，功率级206包含四开关310a_d，及电感L与电容C。对于一些实 施例，开关310可以包含N-通道功率M0SFET。对于特定实施例，这些晶体管可以包含锗氮 化物在硅上装置。然而，可以了解的是，开关310也可以适当地被实施，而不脱离本案的范 围。另外，功率级206可以包含用以驱动开关310(例如晶体管的闸极)之一或更多驱动器 (未示于图3)。例如，为一特定实施例，第一驱动器可以耦接于功率级调整器302与晶体管 310a及310b之间，以驱动晶体管310a及310b的闸极，同时，第二驱动器可以耦接于功率级 调整器302与晶体管310c及310d之间，以驱动晶体管310c及310d的闸极。为此实施例， 为功率级调整器302所产生的PWM信号被提供根据这些PWM信号给驱动个别晶体管310的 闸极的驱动器。对于所示实施例，在操作功率级206中，功率级调整器302能产生数字脉冲，以控 制功率级206的开关310。对于以下所述的实施例，开关310包含晶体管。对于降压架构， 功率级调整器302关断晶体管310c并导通310d。脉冲然后交替地导通及关断晶体管310a 及晶体管310b，使得功率级206操作为降压调整器。对于此实施例，晶体管310a的工作周 期等于包含于为MPPT控制区块304所产生的转换比命令中的工作周期D。对于升压模式， 功率级调整器302导通晶体管310a及关断晶体管310b。脉冲然后交替地导通及关断晶体 管310c及晶体管310d，使得功率级206操作为升压调整器。此实施例中的晶体管310c的 工作周期等于1-D。对于降压-升压模式，功率级调整器302如上所述执行于降压与升压架构间的分 时多任务。功率级调整器302产生用于该降压开关对的晶体管310a及310b与升压开关对 晶体管310c及310d的控制信号。用于晶体管310a的工作周期是固定于对应于CRbuek,max的 工作周期，及晶体管310c的工作周期是固定于对应于CRb。。st,min的工作周期。于一特定时间 段中的降压_架构与升压_架构操作间的比率是线性比例于D。当输出电压接近面板电压，功率级206系操作于降压_升压模式。在此情况下，对 于所示实施例，电感电流涟波及由于电压开关的应力是远低于SEPIC及传统降压-升压转换器者。同时，所示功率级206完成远较传统降压-升压转换器为高的效率。对于部份实 施例，如以下配合图4所详述，MPPT控制区块304能操作于以下四模 式的一种模式休眠、追踪、保持及旁路。当面板电压低于预定主临限电压时，MPPT控制区 块304可以操作于休眠模式。在休眠模式中，MPPT控制区块304使得晶体管开关310a_d关 断。例如，对于部份实施例，MPPT控制区块304可以产生转换比命令，其当MPPT控制区块 304于休眠模式时，提示功率级调整器302关断晶体管310a-d。因此，功率级206被置放于 关机模式及面板202被避开，有效地将面板202自其实施的光伏打系统移开。当面板电压上升超出主临限电压时，MPPT控制区块304可以操作于追踪模式。在 此模式中，MPPT控制区块304可以执行面板202的最大功率点追踪，以决定功率级调整器 302的最佳转换比。在此模式中，取决于现行产生的转换比命令，功率级调整器302放置功 率级206于降压模式、升压模式或降压_升压模式之一。另外，对于部份实施例，MPPT控制区块304也可以包含关闭缓存器，其可以为系统 的操作者或任意适当控制程序，例如实施于中央数组控制器中的控制程序所修改，以强迫 MPPT控制区块304保持功率级206于关闭模式。为此实施例，MPPT控制区块304并未开始 操作于追踪模式，直到⑴面板电压超出主临限电压，及(ii)关闭缓存器表示MPPT控制区 块304可以将功率级206移出关闭模式才开始操作于追踪模式。当MPPT控制区块304找出最佳转换比，MPPT控制区块304可以操作于保持模式 一预定时间段。在此模式中，MPPT控制区块304可以持续提供功率级调整器302以决定予 以在追踪模式中的最佳转换比的相同转换比。同时在此模式中，如同追踪模式般，取决于在 转换比命令中提供的最佳转换比，功率级206被置放于降压模式、升压模式或降压-升压模 式中的一种。在经过该预定时间段之后，MPPT控制区块304可以回复至追踪模式，以确保 最佳转换比未改变，或者，如果面板202的状态改变可找出一新的最佳转换比。如配合图5至8更详述如下，当各个在光伏打数组中的面板，例如面板202为均勻 照明及在面板202间没有失配，则一中央数组控制器可以将MPPT控制区块304及功率级 206置放于旁路模式。在旁路模式中，对于一些实施例，晶体管310a及310d被导通及晶体 管310b及310c被关断，使得面板电压等于输出电压。对于其它实施例，则一选用开关312 可以包含在功率级206中，其能将输入埠耦接至输出端口，以使得输出电压等于面板电压。 以此方式，当MPPT并未被局部需要时，则局部转换器204可以被基本上由系统移开，借以借 由降低有关于局部转换器204的损失而使其效率最高并增加其寿命。因此，如上所述，MPPT控制区块304能够操作于休眠模式并使功率级206置于关闭 模式，而使得面板202能被避开。MPPT控制区块304能操作于追踪模式或保持模式。在这 些任一模式中，MPPT控制区块304能使得功率级206置放于降压模式、升压模式与降压_升 压模式之一。最后，MPPT控制区块304可以操作于旁路模式并使得功率级206置放于旁路 模式，这使得局部转换器204被旁路同时允许面板202被直接耦接至数组的其它面板202。借由以此方式操作局部转换器204，包含面板202的面板串流的串流电流是与个 别面板电流无关。确实，串流电流系为串流电压与总串流功率所设定。另外，未遮光面板 202可以持续操作于峰功率点，而不管在该串流中的其它面板的遮光状态。对于替代实施例，当MPPT控制区块304已找出一最佳转换比时，当最佳转换比对 应于用于功率级206的降压-升压模式时，MPPT控制区块304可以操作于旁路模式，而不是保持模式。在降压-升压模式中，输出电压接近面板电压。因此，面板202可以借由旁路 局部转换器204而增加效率，来接近其最大功率点。如同于先前所述实施例，MPPT控制区 块304可以周期地由旁路模式回复至追踪模式，以验证最佳转换比仍保持在降压_升压模 式范围内。对于一些实施例 ，不同于正常步阶性变化，MPPT控制区块304也能逐渐地调整功 率级调整器302的转换比，以避免在功率级206的晶体管、电感及电容上的应力。对于一些 实施例，MPPT控制区块304能实施不同MPPT技术，以调整面板电压或电导，而不是转换比。 再者，MPPT控制区块304能调整参考电压，而不是动态输入电压调整的转换比。另外，MPPT控制区块304能完成相当快速及平顺的功率级206的关闭模式与其它 模式间的转换。MPPT控制区块304可以包含非挥发内存，其能储存先前最大功率点状态，例 如转换比或类似物。对于此实施例，当MPPT控制区块304被转换至休眠状态时，最大功率 点状态被储存于此非挥发内存。当MPPT控制区块304随后回到追踪模式时，所储存的最大 功率点状态被用作为启始最大功率点状态。以此方式，于功率级206的关闭与其它模式间 的转换时间可以显著降低。对于一些实施例中，MPPT控制区块304也能提供局部转换器204的过功率及/或 过电压保护。因为信号Vpan及Ipan系经由ADC306前馈至MPPT控制区块304，所以，MPPT控 制区块304试着抽取最大功率。如果在功率级206的输出有开路状态，则局部转换器204 的输出电压到达最大值。因此，对于过功率保护，局部转换器204的输出电流可以被使用作 为导通及关断MPPT控制区块304的信号。对此实施例中，如果输出电流下降变得太低，则 转换比可以为MPPT控制区块304所设定，使得面板电压大约等于输出电压。对于过电压保护，MPPT控制区块304可以具有对MPPT控制区块304不会超出的 转换比命令的最大转换比。因此，如果转换比持续较高通过最大转换比，则MPPT控制区块 304限制转换比至最大值。这确保输出电压将不会增加超出对应最大值。最大转换比的值 可以为固定式或适应性的。例如，适应性转换比限制可以借由感应面板电压并依据功率级 206的转换比，计算对应于该转换比的下一规划值的输出电压的评估值。另外，对于所示实施例，功率级206包含选用单向开口 314。当功率级206于关闭 模式时，此选用开关314可被包含以允许面板202被避开，借以将该面板202自数组移除， 同时，允许其它面板202持续操作。对于一特定实施例，单向开关314可以包含一二极管。 然而，可以了解的是，单向开关314也可以包含任意其它适当类型的单向开关，而不会脱离 本案的范围。图4显示依据本案实施例的局部转换器204中的实施MPPT的方法400。方法400 的实施例只作例示目的。方法400的其它实施例也可以在不脱离本案范围下加以实施。方法400开始于MPPT控制区块304操作于休眠模式(步骤401)。例如，MPPT控 制区块304可以产生一转换比命令，以提示功率级调整器302关断功率级206的晶体管 310a-d，藉以将功率级206置放于关闭模式及避开面板202。在休眠模式的同时，MPPT控制区块304监视面板电压Vpan，并比较该面板电压与主 临限电压Vth(步骤402)。例如，ADC306可以将面板电压由模拟信号转换为数字信号，并提 供该数字面板电压给MPPT控制区块304，其储存与数字面板电压比较用的主临限电压。只要面板电压低于主临限电压(步骤402)，则MPPT控制区块304持续操作于休眠模式。另外，如上所述，当关闭缓存器表示功率级206保持于关闭模式时，MPPT控制区块 304可以保持于休眠模式。然而，一旦面板电压超出主临限电压(步骤402)，则MPPT控制 区块304产生用以操作功率级206的转换比命令，其包含启始转换比(步骤403)。例如，对 于一实施例，MPPT控制区块304可以以转换比1开始。或者，MPPT控制区块304也能储存 在前一追踪模式中所决定的最佳转换比。对于此实施例，MPPT控制区块304也可以启始化 该转换比以与先前决定最佳转换比相同。同时，为MPPT控制区块304所产生的转换比命令 是被提供给功率级调整器302，其使用启始转换比操作该功率级206。
在此点，MPPT控制区块304监视面板电流Ipan及输出电流I。ut，并将面板电流及输 出电压与一临限电流Ith比较(步骤404)。例如，ADC306可以将来自模拟信号的面板电流 转换为数字信号并提供该数字面板电流至MPPT控制区块304，以及，ADC308可以将输出电 流由模拟信号转换为数字信号并提供数字输出电流至MPPT控制区块304，其储存用于与数 字面板电流与数字输出电流比较的临限电流。只要至少这些电流Ipan及I。ut保持低于临限 电流(步骤404)，则MPPT控制区块304持续监视电流位准。然而，一旦这些电流都超出临 限电流(步骤404)，则MPPT控制区块304开始操作于追踪模式，这包含启始地设定追踪变 量T为1并启始一计数(步骤406)。虽然图4的方法400中未示，但可以了解的是，MPPT控制区块304也可以在追踪模 式中仍持续监视面板电压，并比较面板电压与低于主临限电压的次临限电压。如果面板电 压下降低于此次临限电压，则MPPT控制区块304可以回复至休眠模式。借由使用低于主临 限电压的次临限电压，MPPT控制区块304被提供有噪声免疫力，以防止MPPT控制区块304 被经常切换于休眠与追踪模式之间。在设定追踪变量的值与启始计数后，MPPT控制区块304计算用于面板202启始 功率(步骤408)。例如，ADC306可以提供数字面板电流及面板电压信号(Ipan及Vpan)至 MPPT控制区块304，其然后将这些信号乘在一起，以决定该装置(或面板)功率的启始值
(Ipan Vpan) °在计算启始功率后，MPPT控制区块304于第一方向中修改转换比，并产生包含该 修改转换比的转换比命令(步骤410)。例如，对于一些实施例，MPPT控制区块304可以增 加转换比。对于其它实施例，MPPT控制区块304可以降低转换比。在给系统时间稳定后， MPPT控制区块304然后计算面板202的现行功率(步骤412)。例如，ADC306可以提供数 字面板电流与面板电压信号至MPPT控制区块304，其然后将这些信号相乘在一起，以决定 该面板功率的现行值。MPPT控制区块304然后比较现行计算功率与前一计算功率，该前一计算功率开始 时为启始功率(步骤414)。如果现行功率大于前一功率(步骤414)，则MPPT控制区块304 以相同于先前修正的方向修改转换比并产生更新的转换比命令(步骤416)。对于部份实施 例，转换比是被以相同大小的增量被修改成更高或更低。对于其它实施例，转换比可以以线 性或非线性增量被修改变高或变低，以最佳化系统反应。例如，如果转换比远离最佳值，则 对于部份系统，则想要于启始时使用较大增量，随后当接近最佳值时，则以较小增量。MPPT控制区块304也决定是否追踪变量T等于1，表示转换比以与先前计算相同 的方向加以修改，如同其在先前计算前的计算所修改(步骤418)。因此，当T等于1时，面 板功率以相同方向随着转换比的先修正而增加。在此时，在给定系统时间稳定后，MPPT控制区块304再次计算面板202的现行功率(步骤412)并将之与前一功率作比较(步骤414)。 然而，如果MPPT控制区块304决定T不等于1，则表示转换比以与先前计算相反方向修改 (步骤418)，该先前计算是修改以用于在先前计算前的计算，MPPT控制区块304设定T为1 及增量该计数(步骤420)。MPPT控制区块304然后决定是否该计数超出一计数临限C_th(步骤422)。如果计 数临限并未为计数的现行值所超过(步骤422)，则在给系统时间稳定后，MPPT控制区块304 再次计算用于 面板202的现行功率(步骤412)并将之与前一功率比较(步骤414)，以决定 该面板功率为正增加或正减少。如果MPPT控制区块304决定现行功率大于前一功率(步骤414)，则MPPT控制区 块304以与先前修改相反的方向修改该转换比，并产生更新的转换比命令(步骤424)。MPPT 控制区块304也决定是否追踪变量T等于2，表示转换比是被以与在先前计算前的计算所修 改的先前计算相反的方向加以修改(步骤426)。在此时，在给系统时间稳定后，MPPT控制 区块304再次计算面板202的现行功率(步骤412)并将之与前一功率比较(步骤414)。然而，如果MPPT控制区块304决定T不等于2，表示转换比以与先前计算前的计算 的修改的先前计算相同的方向修改(步骤426)，MPPT控制区块304设定T为2并增量该计 数(步骤428)。MPPT控制区块304然后如上所述决定是否该计数超出该计数临限Cth(步 骤 422)。如果计数并未超出计数临限(步骤422)，表示转换比已经交替地于第一方向或第 二方向中修改多于计数临限的次数，该MPPT控制区块304已找出最佳转换比，其对应于面 板202的最大功率点，及MPPT控制区块304开始操作于保持模式(步骤430)。当于保持模式中，MPPT控制区块304可以设定一定时器并重新启始该计数(步骤 432)。当定时器时间到(步骤434)，则MPPT控制区块304可以回复至追踪模式(步骤436) 并计算现行功率(步骤412)，以与MPPT控制区块304先前在追踪模式中计算得的最后功率 作比较(步骤414)。以此方式，MPPT控制区块304可以确保最佳转换比未改变或者如果面 板202的状态改变，则可以找出不同最佳转换比。虽然图4显示追踪能量转换装置202的最大功率点的方法400的例子，但仍可以 对此方法400进行各种变化。例如，虽然方法400参考光伏打面板加以描述，但方法400也 可以实施于其它能量产生装置202，例如风涡轮机、燃料电池等等。再者，虽然方法400是 参考图3的MPPT控制区块304加以描述，但可以了解的是，方法400可以以任何适配置的 MPPT控制区块加以实施，而不会脱离本案的范围。另外，对于一些实施例，如果MPPT控制区 块304决定最佳转换比对应于功率级206的降压-升压模式，则MPPT控制区块304可以操 作于休眠模式，而不是在步骤430中的保持模式。对于这些实施例，于休眠模式中，定时器 时间到后的时间量可以与保持模式中的定时器有关的时间量相同或不同。同时，虽然所示 为一连串的步骤，但方法400中的步骤可以重迭，以平行方式发生，发生多数次、或以不同 顺序发生。图5显示包含多数能量产生装置502及中央数组控制器510，其能依据本案实施例 于能量产生系统500的集中式及分布式MPPT间作选择。于所述实施例中，能量产生系统称 为光伏打系统500，其包含一数组的光伏打面板502，各个面板耦接至对应局部转换器504。各个局部转换器504包含功率级506及局部控制器508。另外，对于一些实施例，各个局部转换器504可以经由选用内部开关，例如开关312而加以旁路。当旁路时，局部转 换器504的输出电压基本上等于其输入电压。以此方式，有关于局部转换器504的操作损 失可以被最小化或甚至当局部转换器504不必要时被免除。除了中央数组控制器510外，系统500的例示实施例也可以包含一转换级512、栅 514及数据总线516。中央数组控制器510包含一诊断模块520、控制模块525及选用转换 级(CS)最佳化器530。另外，所示实施例在转换级512中设有总体控制器540。然而，将了 解的是，总体控制器540可以实施于中央数组控制器510中，而不是转换级5 12中。同时， CS最佳化器530也可以实施于转换级512中，而不是中央数组控制器510中。对于部份实施例，面板502及局部转换器504可以代表图1中的面板102及局部 转换器104与/或图2或3中的面板202与局部转换器204，中央数组控制器510可以代表 图1的中央数组控制器110，及/或转换级512可以代表图1的DC-AC转换器112。另外， 诊断模块520及控制模块525可以分别代表图1的诊断模块120及控制模块125。然而， 可以了解的系统500的组件可以以任意适当方式加以实施。转换级512可以包含DC-AC转 换器、电池充电器或其它能量储存装置，或任意其它适当组件。栅514可以包含任意适当负 载，其能根据为光伏打系统500所产生的能量加以操作。各个局部控制器508能透过数据总线516或者透过无线链接提供用于对应面板 502的装置数据及局部转换器数据给中央数组控制器510。根据此数据，诊断模块520能决 定是否面板502正操作于准理想状态，即面板502未失配并基本上与其它发出相同量的光。 在此情形下，诊断模块520能提示控制模块525以置放系统500于集中式MPPT (CMPPT)模 式中。为了完成如此，控制模块525能在数据总线516上送出一去能信号给各个局部控制 器508，以借由操作局部转换器504于旁路模式，而去能局部转换器504。控制模块525也 能送出致能信号给总体控制器540。 在旁路模式中，局部控制器508不再执行MPPT，及功率级506的输出基本上等于来 自面板502的面板电压。因此，有关于操作局部转换器504的损失被最小化及系统500的 效率被最大化。当局部转换器504被操作于旁路模式时，总体控制器540能对该数组的面 板502执行CMPPT。诊断模块520也能决定部份的502可以被遮光或失配(即，部份面板502相较于 数组的其它面板502具有不同特征)。在此情形下，诊断模块520能提示控制模块525置放 系统500于分布式MPPT (DMPPT)模式。为了完成如此，控制模块525能透过数据总线516 送出一致能信号至每一局部控制器508，以借由允许局部转换器504正常操作，而致能局部 转换器504。控制模块525也能送出去能信号给总体控制器540。当部份的面板502被遮光时，诊断模块520也能决定部份的面板502可以被部份 遮光。在此状态中，除了提示控制模块525以置放系统500于DMPPT模式外，诊断模块520 也能执行系统500的全诊断扫描，以确保用于部份遮光面板502的局部控制器508正寻找 其实际最大功率点而不是局部最大值。对于能量产生装置502包含风涡轮机的实施例，诊 断模块520可能决定部份的风涡轮机由于改变风态样、山丘或其它挡风结构、或其它挡风 状态，而被“遮光”。光伏打系统500的部份遮光状况系如图6及7A-C所例示。图6显示在部份遮光 状态下的光伏打数组600。图7A-C为图表700、705及710，显示对应于图6的三个光伏打面板的电压对功率特性。所示数组600包含三串流610的光伏打面板。在串流610c中的三个面板被标示 为面板A、面板B及面板C。可以了解的是，三个面板可以代表图5的面板502或在任意其 它适当配置光伏打系统中的面板。部份面板为遮蔽区620所完全或部份覆盖。在所示例子中，面板A为全照明，而面板B为部份遮光及面板C为遮蔽区620所全 遮光。在图7A中的图表700的电压至功率特征对应于面板A、在图7B中的图表705的电压 至功率特征对应于面板B、在图7C中的图表710的电压至功率特征对应于面板C。因此，如于图表705所示，部份遮光面板B具有与其实质最大功率点725不同的局 部最大值720。中央数组控制器510的诊断模块520能决定面板B为部份遮光并执行全诊 断扫描以确保面板B正为局部控制器508所操作于与局部最大值720相对的实际最大功率 点725。操作于局部最大功率点(例如点720)，而不是实际最大功率点(例如点725)的面 板502被称为“低效能”面板502。对于部份实施例，诊断模块520可以如下指明部份遮光的面板502。首先，诊断模 块520假设面板1、…、N为在具有相等特征的考虑数组中的次组面板502，并假设Ppana为 属于该组[1，…，N]的第i个面板502的输出功率。贝1J，P 彡 P .彡 P .，
1 pan, max 1 pan, ι 1 pan, mm'其中Ppan,max为最佳执行面板502的输出功率及Ppan,min为最差执行面板502的输出 功率。诊断模块520同时也借由以下公式界定变量钓
权利要求
1.一种使用耦接至能量产生装置的局部降压-升压转换器以提供该能量产生装置的 最大功率点追踪的方法，该方法包含操作于追踪模式，操作于该追踪模式包含根据前一最佳转换比，启始用于该降压-升压转换器的转换比； 计算相关联于该启始转换比的装置功率；重复修改该转换比并计算相关联于各个该修改转换比的装置功率；及 根据该计算装置功率，指明用于该降压-升压转换器的现行最佳转换比，该现行最佳 转换比对应于该降压-升压转换器的降压模式、升压模式及降压-升压模式之一。
2.如权利要求1所述的方法，更包含储存用于该降压-升压转换器的该现行最佳转换比。
3.如权利要求1所述的方法，更包含当装置电压低于主临限电压时，操作于休眠模式。
4.如权利要求3所述的方法，更包含当该装置电压超出该主临限电压时，由该休眠模 式切换至该追踪模式。
5.如权利要求4所述的方法，更包含当该装置电压下降低于次临限电压时，由该追踪 模式回复至该休眠模式，该次临限电压低于该主临限电压。
6.如权利要求1所述的方法，更包含当指明用于该降压-升压转换器的该现行最佳转 换比时由该追踪模式切换至保持模式，持续一指定时间段；及 在经过该指定时间段后，由该保持模式回复至该追踪模式。
7.如权利要求1所述的方法，更包含当指明用于该降压-升压转换器的该现行最佳转 换比时决定是否该现行最佳转换比对应于用于该降压-升压转换器的该降压-升压模式； 当该现行最佳转换比对应于该降压-升压模式时，由该追踪模式切换至旁路模式，持 续第一指定时间段并在经过该第一指定时间段后，由该旁路模式回复至该追踪模式；及当该现行最佳转换比并未对应于该降压-升压模式时，由该追踪模式切换至保持模式 持续第二指定时间段并在经过该第二指定时间段后，由该保持模式回复至该追踪模式。
8.如权利要求1所述的方法，该能量产生装置包含光伏打面板。
9.一种提供最大功率点追踪(MPPT)给在能量产生数组中的各个多数能量产生装置的 系统，包含以下用于各个能量产生装置能自该能量产生装置接收装置电压及装置电流并根据该装置电压与该装置电流产生 输出电压与输出电流的功率级；及耦接至该功率级的局部转换器，该局部转换器包含MPPT模块，能借由以下而操作于追踪模式(i)根据前一最佳转换比，启始用于该功率 级的转换比，(ii)计算相关联于该启始转换比的装置功率，(iii)重复地修改该转换比与 计算相关联于各个该等修改转换比的装置功率，及(iv)根据该等计算装置功率，指明用于 该功率级的现行最佳转换比，及通讯接口，耦接至该MPPT模块并能提供该装置电压、装置电流、输出电压与输出电流 给该数组的中央数组控制器。
10.如权利要求9所述的系统，该MPPT模块更能储存用于该功率级的该现行最佳转换比。
11.如权利要求9所述的系统，该MPPT模块更能当该装置电压低于主临限电压时，操作 于休眠模式及当该装置电压超出该主临限电压时，由该休眠模式切换至该追踪模式。
12.如权利要求11所述的系统，该MPPT模式更能当该装置电压下降低于次临限电压 时，由该追踪模式回复至该休眠模式，该次临限电压低于该主临限电压。
13.如权利要求9所述的系统，当用于该功率级的该现行最佳转换比被指明时，该MPPT 模式更能由该追踪模式切换至保持模式，持续一指定时间段；及在经过该指定时间段后，由该保持模式回复至该追踪模式。
14.如权利要求9所述的系统，该现行最佳转换比对应于该功率级的降压模式、升压模 式及降压-升压模式之一，当用于该功率级的该现行最佳转换比被指明时，该MPPT模块更 能决定是否该现行最佳转换比对应于该功率级的该降压-升压模式；当该现行最佳转换比对应于该降压-升压模式时，由该追踪模式切换至旁路模式持续 一第一指定时间段并在经过该第一指定时间段后，由该旁路模式回复至该追踪模式；及当该现行最佳转换比并未对应于该降压-升压模式时，由该追踪模式切换至保持模式 持续一第二指定时间段并在经过该第二指定时间段后，由该保持模式回复至该追踪模式。
15.如权利要求9所述的系统，该能量产生装置包含光伏打面板。
16.一种提供最大功率点追踪(MPPT)给在能量产生数组中的各个多数能量产生装置 的系统，包含有以下用于各个能量产生装置单一电感、四开关同步降压-升压切换调整器，能自该能量产生装置接收装置电压与 装置电流并根据该装置电压及该装置电流产生输出电压与输出电流；及MPPT模块，耦接至该切换调整器并能接收该装置电压与该装置电流，该MPPT模块包含MPPT控制区块，能根据该装置电压与该装置电流产生一转换比，及功率级调整器，耦接至该MPPT控制区块并能根据该转换比，选择该切换调整器的一模 式并将该切换调整器操作于该所选择模式。
17.如权利要求16所述的系统，该功率级调整器包含降压-升压模式控制逻辑及数字 脉冲宽度调变器，及该MPPT模块更包含耦接至该MPPT控制区块的第一模拟至数字转换器 (ADC)并能将该装置电压由模拟装置电压转换为数字装置电压及将装置电流由模拟装置电 流转换为数字装置电流，其中该MPPT控制区块能根据该数字装置电压与该数字装置电流 产生该转换比，及其中该功率级调整器能借由根据该转换比，产生用于该切换调整器的脉 冲宽度调变信号，而将该切换调整器操作于该所选择模式。
18.如权利要求17所述的系统，其中该MPPT模块更包含第二ADC，能将该输出电压由 模拟输出电压转换为数字输出电压及将该输出电流由模拟输出电流转换为数字输出电流， 该系统更包含一通讯接口，耦接至该MPPT模块并能提供该数字装置电压、该数字装置电 流、该数字输出电压与该数字输出电流给用于该数组的中央数组控制器。
19.如权利要求16所述的系统，其中该切换调整器包含第一晶体管、第二晶体管、第 三晶体管、第四晶体管、电感及电容，该第一及第二晶体管串联耦接，该第三及第四晶体管 串联耦接，该电感耦接至该第一与第二晶体管间的第一节点及该第三与第四晶体管间的第二节点，及该电容并联耦接该第三与第四晶体管。
20.如权利要求19所述的系统，该功率级调整器能(i)借由根据该转换比，关断该第三 晶体管、导通该第四晶体管、及交替地导通该第一及第二晶体管，而操作该切换调整器于一 降压架构；(ii)借由根据该转换比，导通该第一晶体管、关断该第二晶体管、及交替地导通 该三及第四晶体管，而操作该切换调整器于一升压架构；及(iii)根据该转换比，借由在该 降压架构与该升压架构间执行一分时多任务，而交替地操作该切换调整器于该降压架构与 该升压架构。
21.如权利要求20所述的系统，该功率级调整器更能(i)借由关断该第一、第二、第三 及第四晶体管，而操作该切换调整器于关闭模式及(ii)借由导通该第一与第四晶体管与 关断该第二与第三晶体管，而操作该切换调整器于旁路模式。
22.如权利要求16所述的系统，该MPPT控制区块能借由操作于追踪模式而产生该转 换比，操作于该追踪模式包含(i)根据前一最佳转换比，启始用于该切换调整器的转换比， (ii)计算相关联于该启始转换比的装置功率，(iii)重复地修改该转换比与计算相关联于 各个该等修改转换比的装置功率，及(iv)根据该等计算装置功率，指明用于该切换调整器 的现行最佳转换比，该现行最佳转换比包含由该MPPT控制区块所产生的该转换比。
23.如权利要求16所述的系统，该能量产生装置包含光伏打面板。
全文摘要
本发明提供一种使用耦接至能量产生装置(202)的局部降压-升压转换器(206)，以提供该装置(202)的最大功率点追踪的方法。该方法包含在一追踪模式下操作，其包含根据前一最佳转换率为该降压-升压转换器(206)初始设定一个转换率。计算与初始转换率相关的装置功率。反复修正转换率并计算与各个修正后的转换率相关的装置功率。根据所计算的装置功率确定用于该降压-升压转换器(206)的现行最佳转换率。现行最佳转换率对应于用于该降压-升压转换器(206)的降压模式、升压模式和降压-升压模式中的一种模式。
文档编号H02M3/155GK102089961SQ200980123577
公开日2011年6月8日 申请日期2009年5月14日 优先权日2008年5月14日
发明者张建辉, 詹保罗·利西, 阿里·帝贾巴里 申请人:国家半导体公司