可重配置光伏模块的制作方法
本发明涉及光伏能源收集领域。更具体地，本发明涉及光伏模块、光伏系统以及用于操作这种光伏模块的方法。
背景技术：
光伏面板可被有利地用于现场的、清洁能源生产。本领域中已知的是将模块串联连接以形成模块级串，模块级串进而被并联连接以形成光伏(PV)阵列，例如诸如用于商业光伏设施。光伏系统因此使用许多个相互连接的太阳能电池来将太阳光转换成电能。光伏系统可包含其他组件，诸如机械和/或电气连接器和配件、电压调节器、用于修改或调制电气输出的其他装置、以及用于调整相对于太阳的朝向的跟踪装置。该阵列可以被例如连接到例如配备了最大功率点跟踪器(MPPT)的逆变器以最大化发电功率。尽管这样的光伏系统可能例如最优地在均匀光照条件下操作，但是实践中遇到的各种条件和/或变化的条件可能会导致PV阵列中的不利的失配效应。
由于静物(诸如例如树木或烟囱)或者由于动态遮蔽情形(例如由于云或面板表面的污物)，可能产生对光伏系统的部分遮蔽。此外，不可预知的事件(诸如移动的车辆或物体，例如鸟类或树叶，以及云层)可能导致偶发的阴影。这样的阴影的方向、形状和密度简档是不可预测的，即使可能存在时间和空间上的部分相关。本领域中已知的是不可预知的阴影事件可能会临时地导致电池之间的强烈差异。
当PV系统被以不均匀方式照射时，可观察到明显的功率损耗。这一功率损耗不一定是与所投射的阴影(例如阴影面积和/或阴影密度)线性相关的。例如，未被遮蔽的电池(例如被完全照射的电池)的操作可能也受到阴影影响，例如由于与至少被部分遮蔽的另一电池串联所导致。此外，局部热点可能威胁系统的正确操作，甚至可能造成永久性的损害。
本领域中已知有几种解决随机遮蔽的办法：(i)旁路、(ii)全局MPPT、(iii)分散MPPT、(iv)并联解决方案、以及(v)互连拓扑优化。需要注意，在理想的情况下，在比较这些技术的优势时，除了电力生成以外的其它因素也应被考虑，诸如安装成本和复杂性。
在旁路办法中，二极管被放置在各组电池上以隔离被严重遮蔽的电池，使得电流完全绕过它们，例如旁路二极管可被放在各组电池上以传递过量的电流以防止损坏。虽然这种办法有其缺点，但是却以一种简单和优雅、但是不幸的是非最佳的方式来处理由于随机效应导致的失配。在非均匀的操作条件下，旁路二极管的存在因为创造了局部极大值而影响了阵列的IV输出的曲线。取决于以往的工作点(例如对于工作电压的选择)，简单的MPPT算法可能无法有效检测GMPP。
全局MPPT(GMPPT)指的是一类旨在在例如集中转换器设置下在多个局部极大值中找出阵列的P-V曲线中的全局最大值的技术。即使GMPPT可以胜过传统的MPPT技术，但是它仍然不能收获所有可用的功率，因为有些电池被旁路和/或较低的电流被施加在阵列的其余部分。这些损耗可以被证明在典型的动态遮蔽条件下是不可忽略的。
以上提到的第三类技术是分散MPPT。在这类分散MPPT中，系统的每一部分可以在其局部MPP下工作。不同层级的控制分布是本领域已知的，如在阵列、串、模块、被旁路的部分或电池等层级的MPPT。一般来说，粒度较为精细的MPPT可能对于功率采集是有利的。
上文称为并联解决方案的第四类解决方案提供了一种用于通过存储能量并随后将能量分发给被遮蔽的电池来恢复被遮蔽面板的对称性的方法。通过使用电池组型解决方案导致的功率输出增加可能是明显的，但是所需的控制方案是复杂的，所需的额外的硬件组件意味着附加成本，并且这种类型的办法不提供容易的重配置。
本领域中已知的第五类办法通过在模块内的电池级或者在面板之间的PV阵列级将更精细粒度的MPPT与改进的互连拓扑结构相结合来处理随机遮蔽。在这种办法中，电池或面板被基于相似的特性组合在一起并且用专用的MPPT来控制。
在PV阵列级，本领域中已知的是动态电气阵列重配置(EAR)策略，该策略基于面向工厂的配置来作用于连接到电网的PV系统的光伏发电机，以提高在太阳能面板的工作条件不同时的能量生成。在PV发电机和中央逆变器之间的可控开关矩阵允许可用PV模块的电气重连。此外，已知的是在被遮蔽的PV场内的各模块之间的互连的变化可能影响其MPP。基于遮蔽模式，几种互连方案受到青睐。
在部分遮蔽可在PV阵列级被处理的情况下(如以上提到的诸多现有技术办法)，电池互连的逐面板重配置可能会提供更精细粒度的控制，并且可能更能保证从被遮蔽的电池中提取更高的能量，例如接近于最大的可能能量。
US 2008/0135084中介绍了每一个模块上具有多个转换器的概念，每个转换器连接到一组类似的太阳能电池。这一布置允许高效的MPP跟踪和最大的能量收获。然而，除了这串联和并联方案都可被需要以获得最佳结果，没有公开实现电池互连的细节。
在WO2008/076301中，公开了一种用于配置电池互连的架构。在该架构中，在面板的各电池之间布置了一种完全规则且均匀的精细粒度的网格状的互连网络，从而允许以任何顺序和任何配置(例如串联或并联)来将电池互连。这种网络配置可以在制造时执行，或者在现场操作时执行，如果提供了开关和控制器的话。
然而，以上引用的该专利文献所公开的配置可能因为均匀且高度精细粒度的应用而导致高的实现成本。
EP 2771753公开了一种具有可重配置的光伏电池布置的模块，其中光伏电池被可连接到至少一个DC-DC转换器。各电池被不可分地以至少两个电池的子串形式串联在一起。该布置具有初始拓扑结构和运行时拓扑结构，这两者都是不均匀的。该布置还包括用于通过形成并联和/或串联和/或混合连接的子串来在运行时重配置该布置的装置，其中并非所有的并联或串联连接都可通过可重配置布置达成。可重置布置是对因子串的不均匀的重新布置而导致的不均匀的光子刺激的响应。电池串可包括成列或成行的模块，从而在一个方向上提供模块的响应适应性。此外，在对应于子串的朝向的方向上的垂直拆分可被应用以允许在两个方向上的重配置的一定的灵活性。
然而，这种双向的重配置可能具有与其相关联的不利成本。例如，垂直划分可能需要在模块内的开关，这可能明显增加成本。
技术实现要素：
本发明的实施例的一个目标是提供光伏电池和模块的良好且高效的配置。
本发明的实施例的一个优点是使用智能的光伏模块技术来高效地获得非均匀遮蔽和/或光照条件下的良好的能量产出。
本发明的实施例的一个优点是为光伏电池布置提供了高度非均匀的技术，同时维持了动态的模块内电池编组的许多益处。
本发明的实施例的一个优点是可提供可配置的模块，例如具有可控的模块内开关，从而允许模块内部的分布式控制。
本发明的实施例的一个优点是可提供可配置模块以用于提供模块内部以及PV模块上下文中以及在PV模板和/或系统中的各模块之间的分布式控制。
本发明的实施例的一个优点是以有利的低组件成本开销来提供良好的最大功率收获能力。
上述目标通过根据本发明的方法和设备来实现。
本发明涉及一种光伏模块，其包括被布置成具有逻辑行和列的网格的多个光伏电池；电互连所述多个光伏电池的子集以形成多个电池串的多个非可重配置互连；以及多个可重配置互连；
其中每个电池串包括从第一电池电串联连接到最后一个电池的至少四个光伏电池，所述第一电池和所述最后一个电池位于所述网格的同一条边上，其中所述最后一个电池与相邻电池串的第一电池相邻和/或所述第一电池与相邻电池串的最后一个电池相邻，
其中所述多个可重配置互连被适配用于将所述多个电池串电互连，使得能够可控地建立由连接所述多个电池串的电串联组成的全局光伏串，
其中所述多个可重配置互连被进一步适配用于可控地连接电并联的相邻电池串，从而建立具有由至少两个相邻的电池串形成的并联电路分支的至少一个并联电路，
其中所述光伏模块被进一步适配用于将所述多个电池串连接到至少一个DC-DC转换器，所述至少一个DC-DC转换器用于通过输出线提供输出电功率，以及
其中所述多个可重配置互连被适配用于接收来自至少一个控制器的至少一个控制信号，所述至少一个控制器用于在工作时形成所述多个电池串的并联、串联和/或混合连接以响应于非均匀光子刺激来群集匹配的光伏电池。
光伏模块可包括经由所述多个可重配置互连电连接到所述多个电池串的所述至少一个DC-DC转换器。
所述至少一个DC-DC转换器可包括多个DC-DC转换器，并且所述多个可重配置互连可包括位于所述DC-DC转换器之间的用于在工作中动态地选择要被活动地使用的DC-DC转换器的数量的至少一个开关。
所述多个DC-DC转换器可包括以电压增量配置互连的至少两个DC-DC转换器和/或以电流累积配置互连的至少两个DC-DC转换器。
所述多个DC-DC转换器可包括以并联配置互连的至少两个DC-DC转换器。
光伏模块可包括进一步的DC-DC转换器，其中所述至少两个DC-DC转换器的联合输出被连接作为所述进一步的DC-DC转换器的输入。
光伏模块可包括所述至少一个控制器，所述至少一个控制器用于控制多个可重配置互连，以便在工作中形成所述多个电池串的并联、串联和/或混合连接，以通过优化所述至少一个DC/DC转换器通过所述输出线提供的电流、电压、频率或功率中的至少一者来响应于非均匀光子刺激来群集匹配的光伏电池。
对于所述多个电池串中互连光伏电池的第一子集的一些或所有电池串，在所述多个电池串中可能存在对应的镜像电池串，该镜像电池串互连光伏电池的第二子集，其中所述第二子集是通过将所述第一子集相关于所述网格的几何中心的点镜像投影来获得的。
多个电池串可包括U型电池串。
每一个U型电池串可对应于一对相邻的逻辑列和半数的逻辑行，使得所述U型电池串所互连的任何光伏电池具有对应于所述一对相邻逻辑列中的任意一列的列索引和对应于所述一半中的行的行索引。
多个电池串可形成多个光伏电池的一部分，并且多个电池串可由所述U型电池串组成。
多个电池串可形成对多个光伏电池的划分，并且多个电池串可由所述U型电池串和至少一个线性边电池串组成，所述线性边电池串仅互连位于网格的第一列或最后一列中的光伏电池。
多个电池串可由第一多个U型电池串、第二多个U型电池串、第一线性边电池串以及第二线性边电池串组成，其中第一多个U型电池串中的每一个U型电池串仅互连位于网格的各行中的第一半中的电池，其中第二多个U型电池串中的每一个U型电池串仅互连位于网格的各行中的第二半行中的电池，其中第一线性边电池串仅互连位于网格的第一列中的光伏电池，并且其中第二线性边电池串仅互连位于网格的最后一列中的光伏电池。
所述多个可重配置互连可包括具有电连接到对应电池串的最后一个电池的第一端和电连接到另一电池串的第一电池的第二端的至少一个开关(Ai)，所述另一电池串的所述第一电池与所述对应电池串的所述最后一个电池相邻。
所述多个可重配置互连可包括具有电连接到对应电池串的最后一个电池的第一端和电连接到另一电池串的最后一个电池的第二端的至少一个开关(Bi)，其中所述另一电池串的第一电池与所述对应电池串的最后一个电池相邻。
所述多个可重配置互连可包括具有电连接到对应电池串的第一端和用于在工作中电连接到所述至少一个DC-DC转换器的第二端的至少一个开关。
本发明进一步涉及一种包括多个根据前述权利要求中的任意一项所述的光伏模块以及所述用于控制所述多个光伏模块的至少一个控制器的光伏系统。
本发明还涉及一种用于操作光伏模块的方法，所述方法包括
获得光伏模块，所述光伏模块包括被布置成具有逻辑行和列的网格的多个光伏电池，以及电互连所述多个光伏电池的子集以形成多个电池串的多个非可重配置互连，其中每个电池串包括从第一电池电串联连接到最后一个电池的至少四个光伏电池，所述第一电池和所述最后一个电池位于所述网格的同一条边上，并且其中所述最后一个电池与相邻电池串的第一电池相邻和/或所述第一电池与相邻电池串的最后一个电池相邻；
确定所述光伏模块是否受到非均匀光子刺激，
控制所述光伏模块的多个可重配置互连以电互连所述多个电池串，使得当所述光伏模块被确定受到基本均匀的光子刺激时，由连接所述多个电池串的电串联组成的全局光伏串被建立并连接到DC-DC转换器；以及
控制所述多个可重配置互连，以建立具有由至少两个相邻电池串形成的并联电路分支的至少一个并联电路，以便在所述光伏模块被确定受到基本非均匀的光子刺激时群集匹配的光伏电池串，
其中所述控制多个可重配置互连的步骤包括从至少一个控制器发送至少一个控制信号到所述多个可重配置互连。
本方法可包括确定要并联连接到所述多个电池串的活动DC-DC转换器的数量，所述数量通过将所确定的非均匀光子刺激纳入考虑来确定，并且该方法可包括控制所述多个可重配置互连以建立多个并联电路，并建立所述多个并联电路中的每一个并联电路到对应的活动DC-DC转换器的电连接，每个并联电路具有由至少两个相邻电池串形成的并联电路分支。
本发明的具体和优选方面在所附独立权利要求和从属权利要求中阐述。来自从属权利要求的特征可适当地与独立权利要求的特征以及与其他从属权利要求的特征组合，并且不只是如在权利要求中明确阐述的。
本发明的这些以及其他方面将根据下文中所描述的实施例是显而易见的并且参考其阐明。
附图说明
图1示出根据本发明的实施例的光伏模块的第一示例性模板架构。
图2示出根据本发明的实施例的光伏模块的第二示例性模板架构。
图3示出根据本发明的实施例的光伏模块。
图4示出根据本发明的实施例的光伏模块的所述第一示例性模板架构中的电池串的枚举。
图5示出根据本发明的实施例的光伏模块的所述第二示例性模板架构中的电池串的枚举。
图6示出根据本发明的实施例的光伏模块中的两种电池串的详细视图。
图7示出根据本发明的实施例的串联连接以形成电压增量配置的DC-DC转换器。
图8示出根据本发明的实施例的用于允许动态数量的串联连接的转换器在运行时活动的开关网络配置。
图9示出根据本发明的实施例的具有并联连接的输出以形成电流累积配置的DC-DC转换器。
图10示出根据本发明的实施例的用于允许动态数量的并联连接转换器在运行时活动的开关网络配置。
图11示出根据本发明的实施例的级联连接以形成电流累积配置的DC-DC转换器。
图12示出根据本发明的实施例的用于允许动态数量的级联转换器在运行时活动的开关网络配置。
图13示出如现有技术中已知的被部分遮蔽的工业模块。
图14示出图13中所示的现有技术模块的针对不同照射密度的示例性I-V曲线。
图15示出图13中所示的现有技术模块的针对不同照射密度的示例性P-V曲线。
附图只是示意性的并且是非限制性的。在附图中，一些元件的尺寸可放大并且出于解说性的目的不按比例绘制。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
在不同的附图中，相同的附图标记指相同或相似的元件。
具体实施方式
本发明将针对具体实施例且参考一些附图进行描述，但是本发明不限于此，而是只通过权利要求限定。所描述的附图只是示意性的并且是非限制性的。在附图中，一些元件的尺寸可放大并且出于解说性的目的不按比例绘制。尺寸和相对尺寸不一定对应于本发明实践的实际缩减。
此外，在说明书中且在权利要求中的术语“第一”、“第二”等等用于在类似的元件之间进行区分，并且不一定用于临时地、空间地、以排序或以任何其他方式描述顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的环境下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能够以不同于本文中所描述或所解释的顺序操作。
此外，在说明书中且在权利要求中的术语“顶部”、“底部”等等用于描述性的目的并且不一定用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的环境下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能够以不同于本文中所描述或所解释的取向操作。
应当注意，权利要求中所使用的术语“包括”不应被解释为限于此后列出的手段；它不排除其他元件或步骤。它由此应当被解释为指定存在所声明的特征、整数、如所称谓的步骤或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤或部件、或者它们的组。因此，措词“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当被限定于仅由组件A和B构成的设备。这意味着该设备的唯一与本发明有关的组件是A和B。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合实施例所描述的具体特征、结构、或者特性被包括在本发明的至少一个实施例中。由此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在贯穿本说明书的各个地方的出现不一定都引用相同的实施例，但是可以如此。此外，在一个或多个实施例中，具体特征、结构、或者特性可以任何合适的方式组合，如根据本公开对本领域中的普通技术人员将是显而易见的。
类似地，应当理解在本发明的示例性实施例的描述中，出于流线型化本公开和辅助对各个发明性方面中的一个或多个方面的理解的目的，本发明的各种特征有时被一起归组在单一实施例、附图、或者其描述中。然而，公开的该方法不被解释为反映要求保护的本发明需要多于在每一项权利要求中明确叙述的特征的意图。相反，如所附权利要求反映的，发明性方面在于少于单一在前公开的实施例的所有特征。因此，详细描述之后的权利要求由此被明确地结合到该详细描述中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。
此外，尽管此处描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但没有其他实施例中包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合意图落在本发明的范围内，并且形成如本领域技术人员所理解的不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均可以任何组合来使用。
在本文中所提供的描述中，阐述大量具体细节。然而，应当理解可在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他实例中，为了不混淆对本说明书的理解，未详细地示出公知方法、结构、以及技术。
在第一方面，本发明涉及一种光伏模块，例如可配置光伏模块。该光伏模块包括被布置成具有逻辑行和列的网格的多个光伏电池。该模块还包括电互连多个光伏电池的子集以形成多个电池串的多个非可重配置互连，以及多个可重配置互连。非可重配置互连可指的是静态电互连，例如不对控制信号作出响应的互连，例如无源电互连，诸如布线或无源导体。具体地，非可重配置互连可在模块的工作期间不可重配置。
该多个可重配置互连被适配用于将所述多个电池串电互连，使得能够可控地建立由所述多个电池串的电串联连接组成的全局光伏串。该多个可重配置互连被进一步适配用于可控地连接电并联的相邻电池串，从而建立具有由至少两个相邻电池串形成的并联电路分支的至少一个并联电路。
光伏模块被进一步适配用于将多个电池串连接到至少一个DC-DC转换器。例如，光伏模块可包括例如经由可重配置互连电连接到多个电池串的至少一个DC-DC转换器。
该多个可重配置互连被适配用于接收来自至少一个控制器的至少一个控制信号，所述至少一个控制器用于在工作时形成所述多个电池串的并联、串联和/或混合连接以便响应于非均匀光子刺激来群集匹配的光伏电池。
该模块可例如包括至少一个控制器，该控制器用于控制多个可重配置互连，以在工作中形成所述多个电池串的并联、串联和/或混合连接，以响应于非均匀光子刺激群集匹配的光伏电池。
此外，多个电池串中的每一个电池串包括从第一电池电串联连接到最后一个电池的至少四个光伏电池，其中第一电池和最后一个电池位于网格的同一条边上。此外，最后一个电池与多个电池串中的相邻电池串的第一电池相邻和/或第一电池与多个电池串中的相邻电池串的最后一个电池相邻。
本发明的各实施例的一个优点是提供了光伏组装件中的可配置拓扑结构，该拓扑结构可例如在严重阴影下明显地胜过包括10乘6个电池的传统网格阵列模块。
图1示出根据本发明的实施例的示例性光伏模块1。根据本发明的实施例的模块的架构模板可被适配用于允许对单个或数个模块中的光伏电池互连的动态重配置。例如，光伏系统可包括串联、并联、混合、自适应或级联方式互连的多个模块1。光伏模块1可以是例如一个大面积的模块，例如机械柔性的大面积模块，或者机械刚性的大面积模块。
光伏模块1包括布置成具有逻辑行3和列4的网格中的多个光伏电池2，例如M*N个电池可以均匀分布在M行和N列上。因此，电池2可以被布置成物理上相邻的电池的阵列中，其中的邻接关系可以由网格内部的每一个电池的局部邻居来确定，邻居包括来自上一行的电池、来自下一行的电池、来自前一列的电池以及来自下一列的电池。逻辑行和逻辑列仅仅是指这样的网格的组织的两个互补的主轴，且不暗示将行与列区分开来的物理定向和/或其他特征。
在光伏系统的发电量和架构复杂度之间可能存在折中。当额外元件所导致的额外的功耗被忽略时，精细粒度的、电池级的、可完全配置的架构对于发电而言将是最优的。然而，这可能需要由线和开关组成的复杂支持网络。另一方面，如本领域中已知的仅具有永久性的串联有线光伏电池的传统模块可能具有低制造成本，但可能在部分遮蔽情况下表现不佳。为了在非均匀辐照条件下比这类传统设置再生更多功率，以下公开了一种具体的电池串级架构，其有利地平衡了成本开销和灵活性。
在图1和图2中示出了电池串形式的模块的示例性拓扑结构划分。根据各实施例的模块可被划分成串联连接的光伏电池的电池串以降低组件成本的开销，以及减少布线、转换器和开关损耗。通过本发明的实施例，可以实现对模块中的这类电池串的帕累托最优电池串大小和排列。本发明的实施例的一个优点是可以在架构的复杂性和运行时灵活性之间获得良好的折中。
光伏模块1包括多个非可重配置互连，例如电线、布线或其他无源导电连接器，这些非可重配置互连将多个光伏电池的子集互连以形成多个电池串5。电池串可以例如对应于处于正常工作中的不可分割的发电元件(例如在工作期间不可配置的发电电路)，电池串由预定的多个永久性连接的串联的光伏电池组成。
因此，光伏电池可以被不可分割地串联连接，从而形成至少四个电池的电池串。每一个互连的子集可形成对应的电池串。在根据本发明的实施例中，串联连接的形成电池串的光伏电池的数量可以对于每一个电池串是相同的。
每个电池串5包括至少四个光伏电池，它们从第一个电池的“输入”电串联连接到最后一个电池的“输出”。第一电池可对应于电池串的低电压端子，而最后一个电池可对应于该电池串的高电压端子。此外，第一电池和最后一个电池位于网格的同一条边上，例如圆周边缘的同一线段上。例如，一条边可以指的是具有逻辑行和列的网格的第一逻辑行、最后一个逻辑行、第一个逻辑列以及最后一个逻辑列中的任意一个。此外，第一电池与该多个电池串的相邻电池串的最后一个电池相邻。
多个电池串中的一些或所有电池串可具有相应的镜像电池串，例如将该组光伏电池互连的电池串，该组是通过由前一电池串互连的电池组相对于网格的几何中心进行点镜像投射而获得的。此外，这一点镜像投影可以保留对串中的第一个(抑或是最后一个)电池的指定。图1和图2中所示的示例性架构模板解说了由光伏电池形成的网格被这样点对称划分成电池串的示例。在这些模板中，使用的是U形电池串。例如，这类U形电池串可通过将成列(或行)的电池分为两半、并且分别将两个一半的两个连续行(或列)串联连接来配置。这被示出在图1和图2中。
根据各实施例的模块的这些示例性架构模板有利地允许两个方向上的电气网络配置的灵活性，例如在大面积的网格上的列方向(在该方向上，多个电池串彼此相邻排列)以及行方向(在该方向上，彼此相邻地提供两个可分开控制的电池串)上。该配置允许垂直可重配置拆分(例如在细长方向上，在这些示例中在该方向上布置了U形电池串)，例如在列方向上而无需模块内的开关。布置在网格中或内部的这类开关将潜在地明显增加模块的成本。
例如，如图1所示，在根据本发明的实施例中，多个电池串可形成多个光伏电池的划分，并且多个电池串可专由U形电池串组成，其中每个U形电池串具有在网格的同一条边上(例如，在网格的第一行或最后一行上，或者同等地在网格的第一列或最后一列上)的彼此相邻的第一个电池的“输入”和最后一个电池的“输出”。
此外，多个电池串可排他地包括：第一多个U形电池串，其中每个U形电池串具有在网格的第一行上彼此相邻的第一电池“输入”和最后一个电池“输出”，以及第二多个U型电池串，其中每个U形电池串具有在网格的最后一行上彼此相邻的第一电池“输入”和最后一个电池“输出”。此外，第一多个U形电池串中的每一个U形电池串可仅包括位于网格的前一半的行中的电池，而第二多个U形电池串中的每一个U形电池串可仅包括位于网格的后一半的行中的电池。
作为另一示例，如图2中所示，在根据本发明的实施例中，多个电池串可形成多个光伏电池的划分，并且多个电池串可排他地包括U形电池串和至少一个线性边电池串。每一个U形电池串具有在网格的第一行或最后一行上的彼此相邻的第一电池“输入”和最后一个电池“输出”。每一个线性边电池串具有在网格的同一条边(既可以是第一列也可以是最后一列)上的第一电池“输入”和最后一个电池“输出”，并且可排他地包括位于网格的第一列或者位于最后一列的电池。
此外，多个电池串可排他地包括：(a)第一多个U形电池串，其中每个U形电池串具有在网格的第一行上彼此相邻的第一电池“输入”和最后一个电池“输出”，(b)第二多个U型电池串，其中每个U形电池串具有在网格的最后一行上彼此相邻的第一电池“输入”和最后一个电池“输出”，(c)由网格的第一列的光伏电池组成的第一线性边电池串，以及(d)由网格的最后一列的光伏电池组成的第二线性边电池串。此外，第一多个U形电池串中的每一个U形电池串可仅包括位于网格的前一半的行中的电池，而第二多个U形电池串中的每一个可仅包括位于网格的后一半的行中的电池。
图3示出根据本发明的实施例的例如对应于图2中所示的架构模板的示例性模块。此外，图6示出这一示例性模块中的两个电池串以及与其相关联的连接结构的详细视图。图3中所示的模块对应于具有大小为6乘10个电池的网格。电池串的朝向通过“输入”和“输出”标注来阐明。然而，这仅仅是示例性的，并且本发明的实施例可涉及M乘N矩形阵列的电池，其中M和N可以是各自等于或大于4的任意正整数。
根据各实施例的光伏模块还包括用于将多个电池串5电互连的多个可重配置互连6，使得能够可控地建立由所述多个电池串5的电串联连接组成的全局光伏串。
例如，多个可重配置互连6可包括开关网络，以实现电池串的不同配置，例如配置成串联、并联和/或混合的电网络配置。
用于互连电池串的模块的线和开关的网络(例如包括可重配置互连6以及非可重配置互连)可能取决于至少一个DC-DC转换器的配置。
多个可重配置互连可被适配用于在操作中将电流从多个PV电池引导到至少一个DC-DC转换器。
然而，可重配置互连6可被适配用于将所有电池串连接成单个电串联，例如用于均匀照照条件下的操作，以及连接成其他配置，例如用于非均匀照射条件。
多个可重配置互连6可以例如包括多个开关，如图6所示，其中每个开关Ai都具有电连接到对应的电池串CSi的最后一个电池Ci,out的第一端以及电连接到另一电池串CSi+1的第一电池Ci+1,in的第二端，其中这一第一电池Ci+1,in与该最后一个电池Ci,out相邻。
例如，两个电池串的串连互连在一个电池串的“输出”引脚和另一电池串的“输入”引脚之间可仅需要一个开关。因此，电流可有利地保持低，并且因此电阻性损耗也可保持低。
各实施例的一个优点是初始制造成本可以是相对较低的。例如，其他办法可能需要位于模块的非外围部分(例如，在或接近模块的中间)的额外开关，这可能对于制造而言是昂贵的。有利的是，根据本发明的实施例的可重配置互连可被布置在模块的边缘之上、之处和/或附近。
动态PV配置可通过将模块或全局PV串划分成较小的永久串联(例如通过在操作过程中由非可重配置互连形成的持久连接来连接)的电池来实现，这些非可重配置互连可在操作过程中以若干种互连选项来动态地组合。
用于电互连多个电池串5使得由多个电池串5的电串联组成的全局光伏串可被可控地建立的多个可重配置互连6可被布置使得该全局光伏串(例如模块级全局光伏串)电串联地连接多个电池串5的相邻电池串。
用于电串联地连接相邻电池串的可重配置互连以及与之相关联的布线和/或导电路径可以提供均匀照射条件下的良好性能的可配置模块，例如其中全局光伏串配置可能是优选的。例如，根据本发明的实施例，图2中所示的模板以及图3中所示的可能的对应模块可允许对全局串联串中的光伏电池的有利配置而无需很长的布线，例如通过采用具有有利的低长度的总互连导电路径。因此，这一模板和模块可在非均匀条件下提供模块的良好的灵活性，例如用于以下的灵活性：产生相对于非动态和/或非可重配置模块的能量产量增益，同时相对于非动态和/或非可重配置模块，在均匀辐照条件下仅付出了可配置模块的少量的性能损失。图1所示的模板配置可能与图2中所示的配置相比需要较长的导电路径，例如用于在均匀照射配置(例如全局电池串)下将上电池串连接到下电池串的布线。因此，在这一配置中可能存在更高的电阻性损耗，因为全局电池串的电串联中的相邻电池串的输入和输出并不总是相邻的。然而，当遮蔽图案沿列方向(例如南北方向)移动，对应于图1所示的模板的模块可以提供比图3的模块更好的灵活性。
对于如图1所示的架构模版，该架构模版包括第一多个U型电池串(其中每一个U型电池串具有在网格的第一行上的彼此相邻的第一电池“输入”和最后一个电池“输出”)以及第二多个U型电池串(其中每一个U型电池串具有在网格的最后一行上的彼此相邻的第一电池“输入”和最后一个电池“输出”)，并且该架构模板被配置成在操作中使用可重配置互连6来形成全局光伏串，第二多个U型电池串i＝1,i＝2,..,i＝K/2可被连接到电串联的前一半，而第一多个U型电池串i＝K/2+1,i＝K/2+2,…,i＝K可被连接到电串联的后一半。图4中示出这一第一示例性架构中的电池串的序列的示例。同样，图5中示出图2中所示的第二示例性架构中的电池串的序列的示例。
全串联连接是本领域中已知的在均匀工作条件下的最优配置，因为它允许限制电流，并因此降低重要的电阻性损耗。假设所有的电池在均匀照射下在运行时具有类似的电响应，当可重配置互连被配置成提供全局光伏串串联配置时，根据本发明的实施例的模块可有利地稍稍背离传统的非可重配置解决方案。
此外，多个可重配置互连被适配用于可控地建立具有由至少两个相邻的电池串5形成的并联电路分支的至少一个并联电路。对于其中呈现的是大部分均匀的照射条件的场景，可重配置互连可被控制以形成电池串之间的串联连接。对于非均匀照射情况，可重配置互连可被控制以形成并联连接。
例如，如之前已提到的，多个可重配置互连6可包括用于实现串联连接以形成全局(例如模块级)串的多个开关Ai，每个开关都具有电连接到对应的电池串的最后一个电池“输出”的第一端以及电连接到另一电池串的第一电池“输入”的第二端，其中这一第一电池“输入”与该最后一个电池“输出”相邻。然而，该多个可重配置互连也可包括用于实现具有由至少两个相邻的电池串形成的并联电路分支的至少一个并联电路的进一步的多个开关Bi。例如，该进一步的多个开关中的开关Bi可具有电连接到对应的电池串CSi的最后一个电池Ci,out的第一端以及电连接到另一电池串CSi+1的最后一个电池Ci+1,out的第二端，其中该另一电池串的第一电池Ci+1,in与该最后一个电池Ci,out相邻。
此外，多个可重配置互连6可包括又进一步的多个开关Di、Di+1，用于当在工作时建立至少一个并联电路时向至少两个相邻电池串CSi、CSi+1的第一电池Ci,in、Ci+1,in施加相同的电压电平。
例如，两个电池串的可配置并联连接可具有一个开关，该开关间接或直接地连接这两个电池串的“输入”引脚，同时间接或直接地连接相同的两个电池串的“输出”引脚。在这样的并联配置中，电流累积以及因此的后续布线的电阻性损耗可能增加。并联连接因此可导致潜在的大量损耗。根据各实施例的可重配置架构允许在其中存在性能优势的特定情形下(例如在严重遮蔽下)建立这类并联连接，同时不明显地降低典型的均匀光照条件下的性能。
有利的是，根据本发明的实施例的可重配置互连可被布置在模块的边之上、之处和/或附近。
有利的是，根据本发明的实施例的可重配置互连可被适配用于可控地仅直接连接相邻的电池串。相对于传统的非可重配置模块，这可将对于额外组件的要求保持为低。例如，在图3所示的示例配置中，可以通过允许所有相邻的电池串潜在地通过多个开关来连接来提供有效的串联连接。对于部分遮蔽下的电池串的并联连接，相邻的电池串也可被并联连接。几乎不需要额外的组件，因为只有相邻的电池串有可能被连接。对于潜在电池串连接的这种限制可确定可能被形成的组的类型。
因为只有相邻的电池串可被可配置地连接(例如潜在的串联或并联连接)，例如根据各实施例的诸如图4或图5种所示的枚举的相邻，连续的电池串的块可在工作中被配置以形成组。例如，每个组可使其电池串在工作中被配置成串联或并联配置。
此外，光伏模块1还被适配用于将多个电池串连接到至少一个DC-DC转换器7，例如连接到多个DC-DC转换器，例如连接到两个DC-DC转换器、或者连接到四个DC-DC转换器、或者连接到五个DC-DC转换器、或者甚至更多个DC-DC转换器。例如，可重配置互连6可被适配用于将多个电池串电连接到至少一个DC-DC转换器7，例如连接到多个DC-DC转换器，例如连接到两个DC-DC转换器、或者连接到四个DC-DC转换器、或者连接到五个DC-DC转换器、或者甚至更多个DC-DC转换器。该至少一个DC-DC转换器7被适配用于通过输出线提供输出电功率。
例如，光伏模块可包括例如经由可重配置互连电连接到多个电池串的至少一个DC-DC转换器7，例如多个DC-DC转换器，例如两个、三个、四个、五个或者甚至更多个DC-DC转换器。多个DC-DC转换器可提供能够在运行时动态地决定需要使用的转换器数目的优点，如果重配置互连6被合地适配于此的话。
每一个DC-DC转换器7可被适配用于处于活动或不活动状态下。例如，可重配置互连6可被适配用于响应于控制信号在来自多个光伏电池2和输出线之间的电路径中包括和排除每一个DC-DC转换器7。因此，可重配置互连6可包括至少一个开关以允许当至少一个DC-DC转换器被设置为非活动状态时旁路所述DC-DC转换器。图8描绘了用于允许动态数量的串联连接的转换器在运行时活动的开关网络配置。本领域技术人员应当清楚这一示例可被扩展到任何更大数量的局部DC-DC转换器。
运行时活动的转换器的数量可取决于模块中形成的组的数量。每一个组可被连接到单个转换器。电池串的照射水平以及可用的互连布线可以确定形成的组的数量。
每一个DC-DC转换器7可被配置用于跟踪经由可重配置互连6与其相连的相应的一组电池串的最大功率点。例如，每个DC-DC变换器可被配置用于接收来自控制器的控制信号，例如用于选择占空比的控制信号，诸如用于跟踪其对应的组在运行时的最大功率点。例如，电流和电压可对于这些组中的每一个而言是不同的。
每一个DC-DC转换器7可具有局部输出，并且多个DC-DC转换器可互连使得模块具有单个输出线。例如，多个DC-DC转换器7的局部输出可被互连以便有助于通过输出线的单一电输出功率。DC-DC转换器的占空比可形成合适的旋钮，以实现不同的输出连接。例如，至少一个控制器可被适配用于控制转换器的占空比，以便提供合适的模块输出电流和/或电压。
多个DC-DC转换器7可包括以电压增量配置互连的至少两个DC-DC转换器。当转换器串联连接，如图7所示，转换器的输出电压被累加。该配置的总电压基本等于转换器的各输出处的所有电压之和，同时基本相同的电流流过转换器的输出。由于在所有转换器的输出级的电流必须基本上是相等的，因此转换器的占空比可以被调节以确保这样。然而，转换器的转换范围可能会限制可被容许的各组电池串的最大照射差异。例如，如果电流差超过最大限度，则少于全部的可用功率可被再生。
该控制器可被适配用于以协调的方式控制每个转换器的占空比，例如，在每个配置中活动的转换器的占空比不被独立选择。
例如，如果转换器的数目等于电池串的数目，每个电池串将连接到一个单独的转换器。由于串联连接的转换器的电流应该是相等的，因此局部转换器应该能够既提高电压(例如减少电流)，又降低电压(例如提高电流)。假设针对转换器的降压模式和升压模式两者的转换系数k，可被处理的电池串的最大电流差是Imax/Imin＝k2。所累积的电流因此会具有与Imax/sqrt(Imax/Imin)相同的水平Imin*sqrt(Imax/Imin)。为每个转换器设置适当的占空比可能需要复杂的控制系统，但可能是可行的。
将转换器的数量从电池串的数量减少到X并且保持模块内的相同水平的灵活性可能需要布线和开关组成的更复杂的支持网络，如根据本发明的实施例的模块1所提供的。此处可能存在额外的硬件要求和减少的灵活性之间的折中。
多个DC-DC转换器7可包括以电流累积配置互连的至少两个DC-DC转换器。例如，DC-DC变换器可以并联配置互连，其中转换器的输出被并联电连接。在另一示例中，DC-DC变换器可以级联配置互连。
图9示出转换器的示例性并联连接。在这样的配置中，转换器的输出被并联连接，使得转换器的输出级处的电流被累加，而电压应该在所有转换器的输出处基本相等。在这样的配置中，所有转换器的占空比可以被调节，以确保在输出级的电压是相同的。如在以上描述的串联情况中，活动转换器的占空比可能以协调的方式选择，例如不相互独立地选择。因此，每个组优选达到模块的输出的共同电压。在这种情况下，转换器的转换范围可能会限制各组的最大电压差，使得太高的电压差可导致功率损耗。
如果所有的电池串具有相同数量的电池(例如在根据本发明的实施例的模块中)，则电池串之间的电压差可被限制。在均匀条件下，所有的电池串可被配置，诸如被串联连接，并且这一串联可被连接到单个转换器。在非均匀辐照条件下，所有可用的转换器可以是活动的。图10中示出了用于动态地改变活动的并联连接的转换器的数目的示例性开关网络(例如形成可重配置互连的一部分)。本领域技术人员应当清楚这一示例可被扩展到任何更大数量的局部DC-DC转换器。
在本发明的一个优选实施例中，多个DC-DC转换器7可被并联连接。每一个DC-DC转换器可由控制器控制以跟踪经由可重配置互连6在工作中与其相连的一组电池串的最大功率点。用于跟踪这一最大功率点的控制器可被集成在每一个对应的DC-DC转换器中。由于每一组的最大功率点可被独立跟踪，因此可通过使用至少部分分散控制来提供稳健的系统。当每一组电池串使其电池串以并联配置来配置时，所有的DC-DC转换器在并联DC-DC转换器配置中优选是活动的，以避免任何组中的电流太高。此外，根据各实施例的模块可包括进一步的DC-DC转换器(附连到并联连接的多个DC-DC转换器的输出)以将输出电压提高到预定水平，例如用于连接到模块形成其一部分的PV阵列的其余部分。图3中示出了这一优选实施例的另一示例性配置。
这样的并联配置的一个优点是当转换器和电池串的串联连接可能需要复杂的控制方案的情况下，根据本发明的实施例的并联转换器网络的控制可能相对简单，例如特别是在其中电池串还被作为一个组连接到并联配置的每一个电池串的运行时配置中。然而，有利的是，在另一个运行时配置中，根据这一实施例的可重配置互连网络还可以实现例如所有电池串串联配置并且连接到单个转换器。例如，对于存在大部分均匀的照射条件的情况，例如电池串之间的串联连接以及单个活动转换器可以例如由控制器配置，而对于大部分不均匀的情况，例如电池串的并联连接以及转换器的并联连接可以被选择。
这样的并联配置的另一个优点是，当转换器和电池串的串联连接可能需要昂贵的降压-升压转换器时，根据本发明的实施例的并联转换器的网络可能是相对简单和便宜的。
用于在转换器级上的得到电流累积的另一种方法是以级联方式连接局部转换器。图11中示出的两组电池串的级联连接。在转换器的级联连接中，链中的上一个转换器的输出电压被连接到链中的下一个转换器的输入，并且与对应于后一个转换器的组并联。当一个转换器的输出被并联连接到下一个转换器的输入时，电流被累积。采用转换器之间的这种类型的连接，每一级的功率可能被降低，例如取决于转换器的效率。每一个转换器的输出可以被设置(例如通过配置转换器的占空比)在下一组电池的最大功率点的电压。唯一的“自由转换器”(例如，从占空比的值的自由程度方面来看)可因此是链中的最后一个。可以累加所有电池所产生的电流，而在转换步骤之后，获得的电压可以等于最后一组电池的电压。然而，除了最后一组，每一组的电压必须能够在应用了转换器的转换因子之后达到下一组的最大功率点的电压。因此，其中电压差大于转换因子的组不能被高效连接。在最后一个转换器的占空比方面提供了有利的灵活性，但转换器的级联连接的缺点可能在于由于多级转换导致的连续功率损耗以及转换效率。图12中示出用于动态控制活动的级联转换器的数量的示例性开关网络。
虽然现有技术中已知的传统模块中，旁路二极管被用来保护电池不被热点加热并允许部分遮蔽情况下串联连接的电池的高电流工作，但是根据本发明的实施例的可重配置拓扑结构通过将具有在运行时类似电气行为的电池分组来允许再生由于这样的旁路或电流减少而损失的功率。这种现场电池分组可以经由重配置互连(例如通过布线和开关的网络)以及通过多个DC-DC转换器来实现。例如，具有在工作期间由控制器分配给其的一组电池串的每一个电池组可被连接到对应的局部DC-DC转换器。在这一DC-DC转换器处，占空比以及因此的电压可被控制以例如设置为针对特定组的最优值。这一占空比可由控制器控制，例如使用简单的MPPT算法来控制。
多个可重配置互连6被适配用于接收来自至少一个控制器(例如来自一个控制器)的用于控制多个可重配置的互连的控制信号。至少一个控制器被适配用于在工作中形成所述多个电池串的并联、串联和/或混合连接，以响应于非均匀光子刺激群集匹配的光伏电池。至少一个控制器可被适配用于(例如被配置或被编程用于)实现最大功率点跟踪算法。
该至少一个控制器还可被适配用于控制该至少一个DC-DC转换器(例如多个DC-DC转换器)的占空比。
模块1可包括至少一个控制器。然而，该至少一个控制器也可以是一个外部组件，例如工厂控制计算机，该外部组件被适配用于相对于彼此独立地或者以协调方式同时控制多个模块1。因此，用于控制模块1的控制器可以是用于在经协调的系统中控制多个模块1的全局控制器。
多个可重配置互连6可被适配用于接收来自一个控制器(例如外部控制器或包含在模块中的控制器)的用于提供全局模块级控制的控制信号。因此，控制器和少量的DC-DC转换器(如有限的一组DC-DC微转换器)能够高效地编组具有本领域中类似特性的电池，甚至在存在未知和高度可变的遮蔽的情况下。
该至少一个控制器可被适配用于配置变量(例如旋钮)，诸如所述多个可重配置互连和DC-DC转换器占空比中的开关，以优化非均匀条件下的电能产量。本发明的实施例的一个优点是提供了这种适应性(例如灵活性)同时维持用于均匀辐照条件下的高效串联连接。
例如，当根据本发明的实施例的模块包括串联连接的多个DC-DC转换器时，电流可由控制器控制为对每一个DC-DC转换器相等，例如通过适当地调节转换器的占空比。例如，模块可以由电流源供电，并且每个转换器的占空比可由控制器调整，诸如用以从各个对应组中提取最大功率，同时维护它们的输出处施加的电流。
在另一个示例中，当根据本发明的实施例的模块包括并联(例如转换器共享相同的输出)或级联(例如转换器与下一组的输入共享他们的输出)的多个DC-DC转换器时，稳定的电压可被施加在模块的单个输入和输出引脚之间。在这种情况下，每个局部转换器可配备一个简单的MPPT。例如，至少一个控制器可包括多个控制器，每个控制器与对应的DC-DC转换器集成或位于其中。
在并联的情况下，每个转换器可以被独立控制，例如以独立工作并跟踪其组最大功率点。
在级联的情况下，级联中的最后一组的最大功率点可能影响上一个转换器的占空比，并且因此后一个转换器可被控制，诸如用以将其纳入考虑。
至少一个控制器可被适配用于控制可重配置互连和DC-DC转换器的占空比。几种连接可能性可能出现，这取决于电池串的配置和DC-DC转换器的配置。
例如，每一组电池串都可具有连接到单个转换器的对应的输入和输出。因此，组和转换器互连的连接方案的每一种组合可能会导致不同的支持网络。可以区分以下示例性场景：串联-串联、并联-并联、串联-并联以及并联-串联。
在串联-串联配置中，串联连接的一组电池串具有连接到同一转换器的组的输入和输出。该组的输入和输出引脚属于不同的电池串。组的输入可以通过非活动的转换器来旁路，但是如果前一个转换器是活动的，它可直接连接到对应的转换器。每个电池串的输入和输出两者都具有与多个转换器的潜在连接。为了防止每个转换器级中的功率损失，所有的组优选地达到相同的电流输出。每一组串联连接的电池串的总电流可等于该组中最糟糕的电池所产生的电流。这主要取决于照射水平，因为电流与入射照射成正比。模块内的照射差可以超过转换器的转换因子。然而，可选择一个中间的输出电流值，该值可能导致允许电流的增高和降低两者的昂贵的转换器架构。
在并联-并联配置中，并联连接的一组电池串具有等于组中的电池串的数量的多个输入引脚和输出引脚。所有的电池串的输入是相同的，并且可通过转换器互连共享。如果每个电池串的输出连接到单个转换器，每个组可能仍然有到多个转换器的潜在连接，因为组中有多个输出实例。在任何情况下，输出引脚与转换器的连接的数量可以是有限的，且没有明显的灵活性损失。转换器的无损并联连接可能需要相同的电压输出。因此，所有的组可优选地能够达到某一电压值。组的电压不随工作条件显著改变。这可允许通过与串联-串联连接相比简单的转换器技术来将所有组连接到降低的电压值。
在串联-并联配置中，当串联连接各组电池串并且并联连接转换器时，在转换器的输出上可能存在失配的危险。组中电池串的数量影响输出电压。当选择这一配置时，模块中的组的划分可以被仔细地选择，使得电压差被给定转换范围所覆盖。
在并联-串联配置中，电池串的并联连接增加了电流。照射差异与电池串的并联连接的组合可能会增加组的潜在的电流差异，以及因此增加损失。
本发明的各实施例的一个优点是可提供一种可配置拓扑结构，其中开关和布线中的串联电阻可针对用于在均匀照射条件下使用的串联配置以及用于在特定的非均匀照射条件下使用的并联或混合配置或存根两者都被明显优化(例如通过对开关的大小和I-V尺寸的选择和布线宽度的选择)。
本发明的实施例的优点还在于可在增加的组件成本方面提供具有成本效益的设备和系统，例如不远高于标准的静态串联连接模块的成本，同时还实现了许多遮蔽条件下的接近最优的能量产出增强。例如，可以实现相对于完全定制的电池连接解决方案的理论最优方案的良好的能量产出增强，该最优方案要制造将很昂贵并且对于变化的遮蔽不太灵活。
在另一方面，本发明还涉及将根据本发明的第一方面的模块用于被适配用于非均匀、非理想照射条件下的建筑集成的光伏系统(BIPV)和/或屋顶面板。根据各实施例的这类使用的优点在于可实现对于阴影、污物、雪、云和/或非均匀温度/风效果所导致的影响的良好适应性。
本发明还涉及将根据本发明的第一方面的模块用于电动汽车(诸如汽车或公共交通工具)之中或之上。
在另一方面，本发明还涉及一种用于操作光伏模块(例如根据本发明的第一方面的实施例的光伏模块)的方法。该方法可以由至少一个控制器至少部分执行以发送至少一个控制信号给多个可重配置互连6，以在工作中形成所述多个电池串5的并联、串联和/或混合连接，以响应于非均匀光子刺激群集匹配的光伏电池。
根据本发明的实施例的方法包括获得包括多个光伏电池2的光伏模块1。这些光伏电池被布置成具有逻辑行3和列4的网格中。该模块1还包括电互连多个光伏电池的子集以形成多个电池串5的多个非可重配置互连。每个电池串5包括从第一电池电串联连接到最后一个电池的至少四个光伏电池，第一电池和最后一个电池位于网格的同一条边上，例如相同的第一行、最后一行、第一列或最后一列。此外，最后一个电池与相邻电池串的第一电池相邻。另外地或替代地，第一电池与相邻电池串的最后一个电池相邻。光伏模块1还可包括多个可重配置互连。
该方法进一步包括确定光伏模块1是否受非均匀的光子刺激，例如通过接收和分析以下的至少一个：光测量、电流测量、电压测量、电阻测量、温度测量、天气预报数据以及预记录的遮蔽模式。
该方法还包括控制光伏模块1的多个可重配置互连6以电互连多个电池串5，使得当光伏模块1被确定受基本均匀的光子刺激时，由串联电连接的多个电池串5组成的全局光伏串被建立并连接到DC-DC转换器7，例如串联连接到单个、活动的DC-DC转换器。
该方法还包括控制多个可重配置互连6，以当光伏模块1被确定受基本非均匀的光子刺激时建立具有由至少两个相邻的电池串5形成的并联电路分支的至少一个并联电路，以便群集匹配的光伏电池串。
该方法还可包括确定要并联连接到多个电池串5的活动DC-DC转换器的数量，这个数量通过将经确定的非均匀光子刺激纳入考虑来确定。
该方法可包括控制多个可重配置互连6以建立多个并联电路，每个并联电路具有由至少两个相邻的电池串5形成的并联电路分支，以及控制多个可重配置互连6以建立每个并联电路到对应的活动DC-DC转换器的电连接。
控制多个可重配置互连的步骤还包括从至少一个控制器发送至少一个控制信号到多个可重配置互连6。
该方法还可包括控制每个活动的DC-DC转换器的占空比，诸如以实现最大功率点跟踪算法。
以下示例解说了本发明的实施例的各方面。这些示例都无意以任何方式限制本发明，而只是为了帮助技术人员理解本发明的原理和各方面以及将本发明付诸实践。
在第一个示例中，示出了根据图3所示的示例性实施例的电池串的互连。
假设，在一个遮蔽模式中，电池串(k-1)分别具有最大功率点处的电流值和电压值Ik-1和Vk-1，同时电池串k具有值Ik和Vk，并且电池串(k+1)具有值Ik+1和Vk+1。首先，我们将考虑电池串的串联配置。
如果Ik-1明显不同于Ik，则电池串(k-1)和k优选地应当不属于同一串联的组，因为MPP处的它们的电流差会恶化两个电池串中的至少一个的性能。因此，电池串(k-1)应该属于组x，而电池串k属于组(x+1)。如果电池串(k+1)具有与电池串(k-1)类似的电流值，则两个电池串不能属于同一组，因为没有可用于它们的连接的布线，并且电池串(k+1)属于组(x+2)。采用组内的串联连接(在这个示例中为三个电池串)，三个组被形成并且可能需要三个转换器。
在同一示例中，电池串(k-1)和k的并联可不明显恶化任何电池串。例如，90％的极限照射差异可分别对应于MPP处的89.99％和2.25％的电流和电压差。因此，串联连接这两个电池串可导致79％的功率损耗，而并联连接它们可导致小于0.04％的功率损耗。这意味着在这种并联连接中，可形成一个组，并且可以只需要一个转换器。
为了降低成本，可只提供少量的局部转换器。例如，在运行时局部转换器的可用性可能是受限的，因为它们是昂贵的。因此，在非均匀照射条件下，组内的并联连接可能是有利的。由于在MPP处电压不会偏移多少，所有的电池串可都形成一组并连接到单个转换器。如果使用单个转换器，电流将达到M*Icell-string的水平，然而这将增加电阻性损耗。
因此，可在工作中形成多组并联的电池串，不基于辐照条件或者不仅仅基于辐照条件，而是为了降低电流。每个组可以连接到一个转换器，该转换器提高了电压并降低了电流。当X个转换器可用时，在局部转换器之前，每个组的最大电流将是(M/X)*Icell-string。采用3的转换因子，每一组的最小电流输出是[(M/X)*η*Ιcell-string]/3的数量级，其中η是该转换器的效率。
如果所有的电池串都有相同数量的串联电池，则具有并联连接的电池串的所有组也将具有相同数量的串联电池。因此，所有的组将具有类似的电压输出。相同的电压输出也适用于转换器的并联连接。所有的转换器可被连接到具有低电阻的累积汇流条。每个组都因而向汇流条贡献[(M/X)*η*Ιcell-string]/3的电流。只有在累积汇流条的末端，电流可得到[M*η*Ιcell-string]/3]的值。转换器的数量可以简单地限制每个组的电流输出以及汇流条处的每一级的相应电阻性损耗。独立于转换器的数量，在累积汇流条处的电流可以是[M*η*Icell-string]/3]，但更多的转换器可以降低汇流条的布置在链中较前处的部件中的总电流。
以下示例示出例如诸如可用于本发明的各实施例中的可重配置拓扑结构在非均匀工作条件下相比传统的串联连接的模块的一些好处。
图13中示出现有技术中已知的工业模块，该工业模块被阴影132部分遮蔽。这样的传统模块可例如由串联连接的60个电池131组成，其中旁路二极管133被放置在包括20个电池的各组上。针对不同照射密度的模块的示例性I-V和P-V曲线分别在图14和图15中示出。可以观察到，旁路二极管的布置和投射的阴影的形状在PV曲线上创造了两个局部极大值。对应于PV模块的工业模板的瞬时曲线可被划分在两个区域中，其中在每个区域中活动的电流路径不同。在对应于低电压的第一区域中，跨被遮蔽的电池的旁路二极管传导被完全照亮的电池的过量电流。在对应于高电压的第二区域中，总电流被限于由较糟糕的电池所产生的电流，并且没有二极管是活动的。根据投射阴影的密度，全局MPP的位置不同。GMPP可位于区域I和区域II。
由PV模块产生的理想功率是针对特定工作条件的定制设计的拓扑结构的输出。然而，这一功率不等于每个电池的单个MPP的总和。在上面描述的遮蔽场景中，被遮蔽和被完全照亮的电池将独立工作，并且分开的转换器将跟踪每个组的MPP。请注意，由模块产生的总功率将低于两组的功率的和，因为转换和电阻性损耗应当被纳入考虑。在以下的表1，示出了在以上描述的部分遮蔽场景下的理想功率和针对每个密度由工业模块获得的功率。
表1
星号标志指示其中最大功率点位于区域I的情形。提供相对于1000W/m2照射水平的阴影密度。
当常规模块的MPP位于区域I中时，可再生功率来自原先会被旁路的受遮蔽电池。在MPP在第二区域中的情况下，被完全照亮的电池不具有降低的电流并产生更大的功率量。
可重配置拓扑结构可针对不同工作条件下的各电池组的独立工作。可重配置拓扑结构的策略目标可以是为了在运行时实现一种模块配置，该模块配置尽可能接近针对特定工作条件的定制设计的拓扑结构。
为了评估模块拓扑结构，比较不同条件下的性能，以及在相同情形下由M乘N个模块产生的理想功率。累加所有电池的各个最大功率点是对理想功率的不实际的估计。内部连接和转换损耗必须被纳入考虑。出于上面解释的原因，理想功率是通过针对每一种遮蔽模式来设计定制拓扑结构来计算的。
针对特定工作条件的定制设计的拓扑结构根据电池的各自的电输出来将电池划分为各组。组内的电池可串联或并联连接。串联连接的电池的最大功率提取需要所有电池共享相同的Impp值(最大功率点处的电流)并且串联连接的电池的电压被累加。并联连接的电池的最大功率提取需要所有电池共享相同的Vmpp值(最大功率点处的电压)并且并联连接的电池的电流被累加。串联连接可能因两个原因而被优选：由于较低的电流值，布线的电阻性损耗可能较低，以及电压可能会逐渐增加，这对于电网连接或对于电池充电应用是有用的。
一般来说，定制拓扑结构提取模块的最大可用功率，包括电阻性损耗和转换损耗。定制拓扑结构不具有旁路元件或动态元件，诸如开关。给定N乘M布局的电池以及已知的工作场景，设计定制的拓扑结构来提取最大功率以及最小损耗。
在现实条件下，实现完全相同的电气特性看起来是难以置信的。每一组k可能包含其中MPP处的电流位于[Ik,min,Ik,max]的范围中的电池。该组的电流则可等于Ik,min。每一组的值的范围可被仔细选择，例如根据以下给出的一些规则。这个间隔的大小取决于创建更多的组的电阻性损耗以及在一组高性能电池中添加一个“较差”的电池的功率损耗。如果一个电池或一组电池具有与所有其他组的大的电流差，则它产生的功率可能不足以补偿对将其连接到其它电池的额外硬件(例如单个转换器)的使用。在这种情况下，电池或电池组被排除在定制拓扑结构之外。
每种遮蔽图案产生一种不同的定制拓扑结构。定制拓扑结构A可能完全不适合场景B的遮蔽模式。理论上来说，其中每个电池包括一个电池串的可配置的拓扑结构具有灵活性来实现与导致拓扑结构相同的电池配置。拥有多达N×M个电池串所需的额外的硬件成本(例如为了具有围绕每个电池的可配置开关和额外布线)可能反而在经济上不可行。此外，甚至可能不会导致在实践中的最大可实现能量产出，因为活动路径将包括在几倍于N乘M的数量级的开关和布线数量，这会明显增加电阻性损耗。
在根据本发明的实施例中，可以提供一种经优化的可重配置模块，该可重配置模块不允许“较差的”电池以明显的方式降低模块的性能。由于所有的电池可被组织成电池串以减少硬件开销，因此每个电池串可能受限于其“最糟糕的”电池所产生的电流。在均匀条件下，所有的电池串可被连接成全局的电池串串联，并且这一单个组可被连接到单个高性能转换器。在模块的部分遮蔽条件下，两种情况可以是可能的：
1.每个电池串的“最糟糕”的电池具有类似的Impp，这可被认为是相当于均匀工作场景，以及
2.一些电池串的Impp可能相差一个明显的值，例如超过10％，则模块的重配置可能是有利的。
在根据本发明的实施例中，每个组的电池串可被串联连接或可被并联连接。电池串的串联连接可通过一个电池串的“输出”引脚和另一电池串的“输入”引脚之间的一个开关来提供。电流保持为低，因此电阻性损耗也可保持为低。但这也会导致高的累积电压，使得大的和昂贵的开关可能是必需的。另一方面，电池串的并联连接可通过单个电池串配对的两个可开关连接来提供。一个开关可连接两个电池串的“输入”引脚，而另一开关可连接相同的两个电池串的“输出”引脚。电流累积，因此后续布线的电阻性损耗增加。然而，这种损耗可能是巨大的，所以并联连接可能不得不被谨慎考虑。
在以下的示例中，对应于图3中示出的示例性实施例的配置在模拟环境中进行了评估。这些模拟解说了在非均匀工作条件下根据本发明的实施例的可重配置拓扑结构的潜在好处。这样的模拟也可以允许本领域技术人员来评估对于何时(例如，在这种情况下)切换模块的不同运行时实例(例如，不同的配置)的控制决策。
太阳能电池是这类PV系统的基本结构。所用的电池模型是Catthoor等人在2014年第29届欧洲光伏太阳能大会和展览中“Presentation of a Verilog-AMS Model for Detailed Transient Electro-Thermal Simulations of PV Modules and Systems”(关于PV模块和系统的详细瞬态电-热模拟的Verilog-AMS模型的介绍)中公开的那种。这一模型包括温度依赖性。用于这个示例的仿真环境是Verilog和Spectre。
布线和开关通过电阻而被包括在模拟中。使用了转换器的表现模型，其中并联转换器的效率η是95％，而第二级转换器的效率是98％，这可被认为是处于可接受范围内。
如表2中所示，在均匀条件下，传统的模块表现得比根据各实施例的示例性可重配置模块稍好。实现电池串的串联连接的开关是可重配置拓扑结构相对于传统模块的附加组件。这些开关在活动电流路径中添加了一个电阻，随着电流增加这可导致一些功率损耗。然而，即使在高照射(其中电流是较高的)下，在这一模拟中，可重配置模块的功率损耗不超过1.5％。在以下的表2中详细示出两种拓扑结构的功率性能。
表2
当模块在部分遮蔽下执行时，可确定不均匀性是否证明切换到另一配置是合理的。可被操纵的最小电池组是电池串，在这个示例性实施例中，电池串由串联的六个电池组成。遮蔽可或者通过阴影密度的百分比来确定，或者通过电池之间的照射水平差来确定。首先，我们介绍单个电池串具有与模块的其余部分相差达50W/m2的不同的辐射水平的情况。在以下的表3中给出了三种不同的照射水平的结果。
从表3中所示的结果可以得出结论，在高照射水平下，非均匀水平可能不足以通过调整可重配置模块的所有串联连接来实现增益。尽管在低照射水平，即使只有一个电池串被遮蔽，仍然有可能保持小的增益。
表3
实验已经表明电池串之间大于10％的照射差可以证明切换到并联连接的电池串和转换器是合理的。然而，进一步的实验和/或模拟可由本领域技术人员执行以进一步详细确定何时切换是合适的。
表4
该模块的非均匀水平可或者通过阴影密度的增加或者通过被遮蔽电池的数量的增加来增加，见以上的表4。该表列出了被考虑的三种模块架构的作为对比的所生成功率，针对具有20％、50％以及80％的阴影密度的共享电池，以及针对1000W/m2和500W/m2的全局照射水平。星号指示符指的是那些其中重配置是有利的情形。
然而，增加被遮蔽电池的数量不太可能会大幅改变以上的示例性结果。例如，串联连接中的单个被遮蔽电池限制了所有连接的电池的输出电流。影响根据各实施例影响示例性配置的增益的一个重要参数是照射差的水平。替代拥有特定的照射差，阴影密度将被应用。为了清楚，10％的阴影密度意味着被遮蔽电池接收被完全照亮的电池的90％的照射。
如表4中所示，在根据本发明的实施例的可重配置模块在高照射水平下胜过传统模块，例如至少在所造成的阴影足够密时。在较低的照射水平下，即使有较低的差异，所建议的PV拓扑结构看上去是有利的。
总之，许多PV系统(特别是但不完全是那些安装在工业区中的)在非均匀工作条件下起作用。阵列的部分遮蔽可会导致现有技术中已知的PV模块中的失配效应，并可能导致原先潜在的可再生功率的损失。
由于遮蔽条件通常是随机的，根据本发明的实施例的电池互连拓扑结构可有利地在现场重新配置。因此，这样的模块可以在运行时针对实际的遮蔽条件调整，并且可再生模块的所有潜在的能量产出，或基本上所有的潜在的能量产出。例如，如果该模块被部分遮蔽，则类似遮蔽的电池可以被编组在一起，并且每个组可以独立地连接到一个局部转换器。这允许在活动电流路径中最少化活动元件。
上面呈现的模拟表明在严重遮蔽条件下并且在模块内的明显照射差异下，可以获得明显的增益。根据本发明的实施例的模块拓扑结构可被用于例如经常发生部分遮蔽的场所。此外，根据本发明的实施例，可重配置模块的全串联连接是可能的，这可确保在均匀辐照条件下发生最小的损耗，例如只有微不足道的损失。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！