利用在直流電源的分布式電能收集系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】利用在直流電源的分布式電能收集系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請對照索引
[0002]本申請權(quán)項對以下美國臨時申請專利具有優(yōu)先權(quán):題為《分布式太陽能電池帆板的監(jiān)測、管理與維護》(序列號60/868，851，2006年12月6日提交)、題為《分布式電源分布式電能收集系統(tǒng)》(序號60/868，893，2006年12月6日提交)、題為《化學(xué)獨立電池控制的系統(tǒng)、方法與裝置》(序號60/868，962，2006年12月7日)、題為《分布式電源電能收集系統(tǒng)和方法》(序號60/908,095，2007年3月26日)、題為《自直流電源收集電能》(序號60/916，815，2007年5月9日提交)。上述專利的整個內(nèi)容通過參考納入本專利申請中。而且，本專利申請與普通美國專利申請序號為11/950，224，2007年12月4日提交的題為《采用直流電源分布式電能收集系統(tǒng)的電流旁路》、專利申請序號為11/950，271、2007年12月4日提交的題為《采用直流電分布式電能收集系統(tǒng)》、專利申請序號為11/950，307，2007年12月4日提交的題為《利用直流電分布式電能收集系統(tǒng)的方法》，這些專利申請的整個內(nèi)容也通過參考納入本申請之中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明的領(lǐng)域通常與分布式直流電源發(fā)電有關(guān)，更為特別的是與串聯(lián)安裝的分布式直流電源的管理有關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0004]近來，人們對可再生能源的興趣日益增加導(dǎo)致了分布式能源生成系統(tǒng)的研究也增多，比如光電池(PV)、燃料電池、化學(xué)電池(例如，用于混合動力汽車的電池)等等?，F(xiàn)已提出各種拓撲學(xué)理論將這些電源連接到負載上，并考慮各種參數(shù)，比如電壓/電流條件、操作條件、可靠性、安全性、成本等等。例如，大多數(shù)這種電源輸出的電壓較低(一般一塊電池只有幾伏或串聯(lián)的電池只有幾十伏)，如此許多這樣的電池需要串聯(lián)以實現(xiàn)所需要的操作電壓。而反之，串聯(lián)不能提供所要求的電流，所以幾組串聯(lián)的電池需要并聯(lián)提供所需的電流。
[0005]另外，眾所周知的是靠這些電源發(fā)電取決于生產(chǎn)、操作和環(huán)境等方面的條件。例如，在生產(chǎn)過程中的各種沖突可能導(dǎo)致兩個相同的電源具有不同的電能輸出特點。類似地，兩個相同的電源可能對操作和/環(huán)境條件產(chǎn)生不同的反應(yīng)，比如負載、溫度等。實際裝配中，不同電源也可能遇到不同的環(huán)境條件，比如太陽能裝置的一些帆板可能暴露于整個陽光之中，而其他可能被遮擋，因此輸出的電量不同。多電池裝置中，其中的一些電池可能不同程度老化，因此也會導(dǎo)致輸出的電量不同。當(dāng)這些問題和本發(fā)明所提供的解決方案適用于分布式電源系統(tǒng)時，以下討論則轉(zhuǎn)向太陽能，以便通過具體例子更好地被理解。
[0006]傳統(tǒng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)10的裝置如圖1中所示。由于每個太陽能帆板101提供的電壓較低，幾塊帆板串聯(lián)形成一串帆板103。對于大型裝置，要求更高電流時，幾串103可以并聯(lián)組成一個完整的系統(tǒng)10。太陽能帆板安裝在戶外，它們導(dǎo)線連接成一個最大功率點跟蹤(MPPT)模塊107和一個逆變器104。MPPT107 一般作為逆變器104的組成部分。從直流電源收集的電能輸送到逆變器104，由其將波動的直流(DC)電轉(zhuǎn)換成一定電壓和頻率的交流(AC)電，通常是IlOV或220V，60Hz或220V，50Hz (有趣的是，在美國許多逆變器首先產(chǎn)生220V電壓，然后在配電箱中再分成兩個IlOV輸出端口 )。逆變器104輸出的交流電然后可能用于使電器設(shè)備運轉(zhuǎn)或輸入供電網(wǎng)絡(luò)。此外，該裝置還可以不與電網(wǎng)連接，從逆變器輸出的電能可以直接輸入到轉(zhuǎn)換和充電/放電電路，以儲存過剩電能，如給電池充電。若與電池相連，逆變階段可以忽略，MPPT階段107輸出的直流電可以直接供給充電/放電電路。
[0007]如上所述，每個太陽能帆板101提供的電壓和電流都非常低。擺在太陽能電池設(shè)計人員面前的問題是如何將這些低電壓的太陽能聯(lián)合產(chǎn)生120V或220V平方根(RMS)條件下的標(biāo)準(zhǔn)交流電。要實現(xiàn)低電壓電源提供高功率則要求非常大的電流，而按電流的平方(I2)計算功率則會有很大的傳導(dǎo)損失。而且，電源逆變器，比如用來將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的逆變器104，在輸入電壓稍高于其輸出RMS電壓乘以其平方根的值時，效率的是最高的。因此，許多實際應(yīng)用中，比如太陽能帆板101這樣的電源，通常連在一起以便實現(xiàn)正確的電壓或電流。最常用的方法是將這些電源串聯(lián)，以便實現(xiàn)所需的電壓，然后并聯(lián)以便實現(xiàn)所需的電流，具體如圖1所示。大量太陽能帆板101連在一起構(gòu)成串聯(lián)帆板103，然后這些串聯(lián)的103在與功率逆變器104并聯(lián)。太陽能帆板101串聯(lián)以便實現(xiàn)逆變器所需的最低電壓。多串103再并聯(lián)提供更大的電流，這樣就有更高的輸出功率。
[0008]然而就成本和結(jié)構(gòu)簡單這兩方面而言，這種配置是具有優(yōu)勢的，但對此結(jié)構(gòu)有文獻報道存在一些缺陷。其中一種已知的缺陷是從各太陽能帆板中獲取的非優(yōu)化電能可能導(dǎo)致后面所說的低效率。如前所述，直流電源輸出受許多條件影響。因此，為了最大化各電源的輸出功率，需要一種裝置同時考慮電壓和電流，能在目前普遍存在的條件下輸出的功率最大。由于條件發(fā)生變化，電壓和電流輸出也應(yīng)需要同時變化。
[0009]圖2顯示了一串聯(lián)的直流電源，例如:太陽能帆板201a_201d，它們連接到MPPT電路207和逆變器204。繪制的電流對電壓(IV)特征圖(201a-210d)位于各直流電源201左邊。各直流電源201，電流隨輸出電壓增加而降低。有些電壓值條件下，電流變成零。有些應(yīng)用中可能假設(shè)其為負值，意思是電源這時變成了一受電器。旁路二極管用來阻止電源變成一受電器。旁路二極管用來防止電源變成受電器。各電源201輸出功率等于電流與電壓的乘積(P = I*V)，隨從電源獲取的電壓變化而變化。在一定電流和電壓條件下，電流值接近零點，則輸出的功率最大。理想的情況是發(fā)電電池在其最大功率下工作。MPPT的用途就是找到最大功率點，然后使系統(tǒng)在該點條件下工作使從電源獲取的功率最大。
[0010]傳統(tǒng)典型的太陽能電池陣列中，不同的運算方法和技術(shù)用來優(yōu)化采用MPPT模塊107系統(tǒng)10的集成功率輸出。MPPT模塊107接收各個太陽能電池帆板中的電流，匯集在一起并跟蹤此電流條件下的最大功率點，以提供最大平均功率。這樣如果獲得更多電流，則從這些帆板獲得的平均電壓開始下降，因此減少了收集的電能。MPPT模塊107用來維持整個系統(tǒng)10輸出最大平均功率的電流。
[0011]最大功率點跟蹤技術(shù)由T.Esram與P.L.Chapman在IEEE能量轉(zhuǎn)換匯刊上發(fā)表的《幾種光電陣列最大功率點跟蹤技術(shù)的比較》(接受待發(fā)行公布，2006年P(guān)P卷99期，第1-1頁數(shù)碼標(biāo)識10.1109/TEC.2006.874230) 一文中探討過，其整個內(nèi)容通過參考納入本申請之中。
[0012]但是，由于電源201a_201d是串聯(lián)到單個MPPT207，MPPT必須選擇單個點，這個點可能會是串聯(lián)電源的MPP平均值。實際上，非常有可能的是MPPT在1-V點的工作狀態(tài)只在少數(shù)幾個電源或一個也沒有的情況下是最佳的。圖2所示的例子中，所選點是電源201b的最大功率點，但它偏離了電源201a、201c和201d的最大功率點。結(jié)果，這種布局不能在可實現(xiàn)的最大效率下工作。
[0013]回到圖1所示太陽能系統(tǒng)10的例子中，保持串聯(lián)帆板103預(yù)先確定的恒定輸出電壓會導(dǎo)致太陽能的輸出功率比其他可能的情況都低。而且，每排串聯(lián)帆板所帶的電流將沿著該串帆板經(jīng)過所有的太陽能帆板。若太陽能帆板因為制造差異、老化而錯配或者若它們功能失?；蚍胖迷诓煌诒螚l件下，則各個帆板輸出的電流、電壓和功率將會不同。由于使單一電流經(jīng)過所有串接的帆板會導(dǎo)致各帆板在非最佳功率點下運行，并且也會可導(dǎo)致錯配帆板因強電流流經(jīng)而產(chǎn)生“熱點”。由于傳統(tǒng)收集方法存在這樣和那樣的缺陷，太陽能帆板因此需要正確匹配。有些情況，設(shè)置外部二極管來旁通嚴(yán)重錯配的太陽能帆板。傳統(tǒng)多串聯(lián)配置中，所有串接的帆板組必須由絕對相同數(shù)量的帆板構(gòu)成，而且帆板要選擇同一型號，必須按照在同一空間方向，使其總是暴露于相同的日照條件下。這種做法很難實現(xiàn)而且成本較大。
[0014]曾有人提出各種不同拓撲學(xué)方法來克服上述串聯(lián)太陽能裝置的不足。例如，有些人提出將逆變器偶聯(lián)到各個直流電源上，然后將這些逆變器并聯(lián)。其他一些人則提出將DC/DC變換器連接到直流電源上，然后將所有的變換器串聯(lián)或并聯(lián)到中央逆變器上。提出與直流電源連用的這些DC/DC變換器有升壓變換器、降壓變換器、升降壓變換器或Cuk變換器。也有人提出將MPPT集成到各個直流電源上，例如，集成到各個太陽能帆板并與帆板串聯(lián)。
[0015]為了進一步討論上述與分布式電源和太陽能帆板相關(guān)的問題，強烈鼓勵讀者查看以下文獻，它們可能抑或可能不是優(yōu)選工藝。
[0016]-光電模塊的級聯(lián)DC-DC變換器變換器連接，
子專家大會，2002 (PESC02)，IEEE第I卷，澳大利亞凱恩斯，第24-29頁。
[0017]-采用低壓AC-總線分散太陽能逆變器的拓撲學(xué)方法，BjornLindgren。
[0018]-集成光電最大功率點跟蹤變換器，JohanH.R.Enslin等，IEEE工業(yè)電子匯刊，第44卷第6期，1997年12月。
[0019]-一種新的光電帆板分布式變換器界面，R.Alonso等，第20屆歐洲光電太陽能大會，2005年6月6-10日，西班牙巴塞羅納。
[0020]-用于電網(wǎng)連接光電系統(tǒng)的智能光電模塊，EduardoRoman等，IEEE工業(yè)電子匯刊，第53卷第4期，2006年8月。同時在西班牙專利申請ES2249147中。
[0021 ]-模塊燃料電池——高性能和可靠性增強的模塊DC-DC變換器概念，L.Palma和P.Enjeti，電力電子專家大會，2007，PESC2007，IEEE卷、期刊、17-212007年6月刊第2633-2638 頁。數(shù)字標(biāo)識 10.1109/PESC.2007.4342432。
[0022]-電網(wǎng)連接光電系統(tǒng)智能光電模塊的實驗結(jié)果，R.Alonso等，21屆歐洲光電太陽能大會，德國德累斯頓舉辦的國際大會紀(jì)錄，2006年9月4-8日。
[0023]-光電模塊級聯(lián)DC-DC變換器連接，G.R.Walker和P.C.Sernia, IEEE電力電子匯刊，第19卷第4期2004年7月。
[0024]-遮蔽耐受光電系統(tǒng)的成本效率，Quaschning,V.;Piske，R.;Hanitsch，R.，Euronsun96, Friburg,1996 年 9 月 16-