用于太阳能串发电系统的扩展器和稳定器及其方法技术方案

本发明专利技术涉及一种设备和方法，用于扩展太阳能光伏系统的串大小并将其DC总线电压稳定在任何期望的恒定电平，直至当地电气规范(LEC)准许的最大电平，这将使多模块太阳能串发电系统的能量产生最大化，包括：连接到DC总线和太阳能面板的主要子串的注入电路(IC)，其中IC还连接到具有至少一个太阳能面板的扩展子串。IC在太阳能换流器的输入端处将连接的主要子串和扩展子串的电压提升并调节至期望的稳定恒定电平。IC包括：(i)第一MPPT机构，用于找到主要子串的MPP；(ii)第二MPPT机构，用于找到扩展子串的MPP；(iii)第一DC/DC转换器，用于转换来自扩展子串的一些功率，以用于提升和调节主要子串的电压电平；以及(iv)第二DC/DC转换器，用于提升和调节扩展子串的电压电平，以及用于通过DC总线将来自扩展子串的多余功率传导至太阳能换流器。阳能换流器。阳能换流器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于太阳能串发电系统的扩展器和稳定器及其方法


[0001]本专利技术涉及光伏太阳能发电系统。更具体地，本专利技术涉及用于使从多模块太阳能串(string)发电系统产生的功率最大化的方法和设备。

技术介绍

[0002]时至今日，光伏太阳能发电系统通常由包含光伏“单元”的太阳能面板组成。光伏单元是将光转化为能量的半导体器件。当光照射在面板上时，面板上会产生电压，当连接到负载时，电流就会流动。图1展示了太阳能面板的单元基于其电压和电流特性(I
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V曲线)的电功率产生性能。电压和电流随包括面板的物理尺寸、面板效率、照射在面板上的光量、面板的温度和其他因素在内的几个因素而变化。
[0003]通常，许多太阳能面板串联连接，称为“串”，以产生增加的输出电压。作为一般规则，电压越高——能量损失越少，因此系统效率越高。此外，具有更多面板的大型面板串需要更少的太阳能电缆、更少的汇流箱、更少的接线盒、更少的挖掘工作和更少的安装时间。这在通常具有高电流密度和用于承载产生的功率的较长电缆的大型系统中尤其重要。因此，希望将尽可能多的面板串联成串，以便以牺牲电流为代价来增加电压。
[0004]但是，由于高压的危险性质，单串的准许最大输出电压通常受到当地电气规范(LEC)和标准的限制。因此，为了在符合规定的同时以最小损耗产生大量功率，光伏发电系统通常由许多串组成，每个串包括准许串联连接的尽可能多的面板，其中串并联连接。这些并联连接的串被称为“阵列”。由于串并联连接，组成阵列的每个串中的太阳能面板的数量应该完全相同。
[0005]当太阳能面板未连接到负载时，其端子上产生的电压定义为其开路电压(Voc)，如图1所示。如本领域所知，通过将LEC或换流器输入电压限制允许的最大DC总线电压电平除以面板在其最低季节温度处在安装它们的特定地点处的Voc值，来计算串中串联连接的太阳能面板的最大数量。然而，串的Voc通常比为串在最佳工作条件下通常产生的电压的最大功率点电压(如图1所示的Vmpp)高24％。这意味着有相当大的浪费工作电压范围，这可以显著提高系统的效率，达到可以使用的程度。
[0006]由于太阳能单元产生直流电，而电网通常是交流电，因此必须连接“换流器”。换流器可以连接到许多并联连接的串的阵列，用于将它们的直流电转换为交流电，用于为电网或当地消费者供电。
[0007]大多数太阳能换流器都包含最大功率点跟踪(MPPT)电路系统，用于最大化来自串的功率。这些现有技术中已知的MPPT电路调整阵列操作的电压和电流，测量它们的输出功率，并寻找使功率输出最大化的那些电压和电流值。因此，阵列的MPPT通常由换流器来完成。
[0008]然而，由于太阳辐射、环境温度、云层、阴影、太阳光角度、天气条件变化等因素的变化，最大功率点在瞬间不断变化。MPPT机构的目的就是持续跟踪这些变化，并反复将其工作点调谐到阵列最大功率点电压以获得最大功率。然而，MPP电平的变化(总计可能达到数
百伏)对换流器的效率具有负面影响，因为对于典型换流器而言，最有效的电压入口变化相对较窄。此外，当阵列的电压下降时，系统的总效率也会下降，如上所述。
[0009]当组成阵列的所有单元、面板和串都在其最大功率点处操作时，阵列会产生其最大功率。然而，制造公差不匹配、单元老化、阴影、云层、灰尘、污垢、方位角和倾斜等各种条件以及各种缺陷可能会导致串中的一些面板产生较少的能量。弱串，因为它与阵列中的其他串并联连接，可能会对整个阵列的效率和整个换流器的效率产生严重影响。由于阵列的电压下降，MPPT发生变化，因此系统的总效率也会下降，并且可能会扰乱阵列的平衡。这对于具有通过长电缆连接的大型阵列的大型换流器尤其重要。
[0010]因此，希望引入具有成本效益的方法，以通过确保阵列中的每个单独的串在其最大功率点处操作、串之间没有相互干扰并且能量损耗传导是最小的(这意味着阵列是完美平衡的)，使太阳能系统能够尽可能利用全功率生产。
[0011]解决这些问题的一种方法是为串中的每个面板配备优化器，该优化器根据需要调节面板电压。这种方法很昂贵，因为阵列中的每个面板都需要优化器，而且由于它基于使用DC/DC技术的全能量转换，因此它意味着相对较高的转换损耗。
[0012]其他解决方案基于包括用于每个串的MPPT电路、称为“串优化器”的优化器。然而，这种架构基于使用DC/DC技术的全能量转换，这导致硬件相对昂贵，意味着高转换损耗，并且其串大小仍然受到Voc最大电平约束的限制。
[0013]其他解决方案具有换流器，该换流器包括单独的MPPT电路，用于连接到换流器的每个串或少量串，称为“串换流器”。然而，这种架构是昂贵的并且在大面积中具有数百甚至数千串的大规模安装中效率不高，因为它需要更多的直流电缆，从而导致显著的反复传导损耗。此外，由于MPPT电平的高变化，它也会遭受能量损失，并且其串大小受Voc最大电平约束的限制。
[0014]US7,605,498公开了一种高效率光伏DC
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DC转换器，它实现了从高电压、高度变化的光伏电源的太阳能功率转换。描述了电压转换电路，其具有成对的光伏功率中断开关元件和成对的光伏功率分流开关元件以首先增加电压然后降低电压作为期望的光伏DC
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DC功率转换的一部分。因此，光伏DC
‑
DC转换器可以通过基本上功率同构的光伏DC
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DC功率转换能力实现与传统相比高的转换效率。然而，这种方法有缺点，因为它需要对阵列中的每个面板进行实施，每个面板都转换面板产生的全部能量，这使得它变得昂贵且效率较低。
[0015]US20100126550公开了一种注入方案。所公开的注入电路调整串的操作点以在串中的一个或更多个面板受损时保持它以最大功率生产运行。如果串中一个或更多个面板的电压下降，电路会注入少量能量进行补偿，并使串能够继续以其最大功率点操作。注入电路的电源是串连接到的DC总线或外部电源。然而，该解决方案并没有解决由不稳定的MPPT电压引起的低效率，它的动态范围相对较小，因为它取决于换流器在给定时间处的MPP电压电平，它需要优化器之间的同步，这使得它在规模安装中复杂且相对昂贵，并且其串大小受Voc最大电平约束的限制。
[0016]因此期望提出一种没有这些缺陷的系统。

技术实现思路

[0017]本专利技术的目的是提供一种设备，该设备用于将在串阵列中包括太阳能面板的太阳
能发电系统的串中的面板数量扩展到当地电气规范或换流器限制所允许的量的两倍。
[0018]本专利技术的另一个目的是提供一种设备和方法，用于将光伏阵列的DC总线的操作电压提升和稳定直到换流器的最大输入电压(V
DC，最大
)可能的最大电平，以提高换流器效率和减少能量传导损耗。
[0019]本专利技术的又一目的是提供一种设备，用于扩大串的调节区域(V
DC总线
‑
Vmpp(
串
))，以便能够补偿由于面板的不同操作条本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于扩展串大小并使多模块太阳能串发电系统的功率最大化的设备，所述设备包括：至少一个串，所述至少一个串包括太阳能面板的主要子串和太阳能面板的扩展子串，所述扩展子串具有至少一个太阳能面板；连接到所述串的DC总线；太阳能换流器，所述太阳能换流器在所述太阳能换流器的输入端处连接到所述DC总线，以用于将来自所述至少一个串的太阳能直流电转换为交流电；以及注入电路(IC)，所述注入电路连接到所述主要子串和所述DC总线，其中，所述IC还连接到包括至少一个太阳能面板的所述扩展子串，并且其中，所述IC使所连接的主要子串的功率产生最大化，利用所述扩展子串产生的能量来提升和调节所述DC总线的电压电平，并将来自所述扩展子串的多余功率通过所述DC总线传导至所述太阳能换流器，其中，所述IC包括：第一MPPT机构，用于找到连接到所述IC的所述主要子串的MPP；第二MPPT机构，用于找到连接到所述IC的所述扩展子串的MPP；第一DC/DC转换器，用于通过对来自所述扩展子串的一些功率进行转换以将所述DC总线的电压提升到期望的电压电平，来对所连接的主要子串的功率进行转换和调节；以及第二DC/DC转换器，用于对来自所述扩展子串的功率进行转换和调节，并将来自所述扩展子串的多余功率转换和利用至所述DC总线。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述串是太阳能面板的串阵列的一部分，其中，所述串通过所述DC总线并联连接从而形成所述太阳能面板的串阵列。3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述阵列的每个所述串包括在技术和功率容量方面与所述阵列中的其他所述串不同的面板。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：什洛莫，
申请(专利权)人：索达索拉电子有限公司，
类型：发明
国别省市：