CN102422506A - 光伏单元、操作光伏单元的方法及其控制器 - Google Patents

光伏单元、操作光伏单元的方法及其控制器 Download PDF

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CN102422506A CN2009801591152A CN200980159115A CN102422506A CN 102422506 A CN102422506 A CN 102422506A CN 2009801591152 A CN2009801591152 A CN 2009801591152A CN 200980159115 A CN200980159115 A CN 200980159115A CN 102422506 A CN102422506 A CN 102422506A
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亨德里克·约翰内斯·伯格维德
弗朗西斯科·朔夫斯
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Abstract

本发明涉及具有日照差异或者不匹配的太阳能电池或者模块的光伏***领域。通过排列大量串联的太阳能电池形成每一个太阳能模块。然后通过排列许多串联成串的太阳能模块形成所述光伏***，有时通过并联排列多个串联太阳能模块串形成所述光伏***，所述排列依赖于光伏***所需的输出电压和功率范围。在实际情况下，在不同模块的太阳能电池的输出功率之间存在差异，例如由于(部分)模块被暂时遮光、一个或者多个太阳能电池污染，或者甚至随着老化更严重的太阳能电池行为中差异。由于太阳能电池的电流源型行为及其串联，这些差异将导致来自光伏***的输出功率中的较大下降。本发明通过增加单个或者多个太阳能电池水平上的DC-DC变换器(803)，提供不同的源电流或者汇电流，从而增加了整个光伏***的输出功率，解决了这一问题。在实施例中，通过补偿由日照差异和不匹配导致的输出功率损失，提高了具有太阳能电池或者模块的光伏***的效率。

Description

光伏单元、操作光伏单元的方法及其控制器
技术领域
本发明涉及光伏单元。本发明还涉及操作光伏单元的方法以及配置用于操作这种方法的控制器。
背景技术
光电池(下文也称作太阳能电池)是一种把诸如阳光的光直接转换为电的器件。一种典型的这种器件是由半导体材料中的p-n结形成。操作中，所述器件的一个表面典型地通过防反射涂层和诸如玻璃的保护材料暴露于光中。与该表面的接触由典型地诸如铝的金属的导电指状图案形成。与p-n结其他面的电接触典型地由连续的金属层提供。
典型地由几百个太阳能电池形成的光伏(PV)***正被逐渐用于从落到太阳能模块上的太阳能中产生电能。通常，每一个太阳能模块由大量串联的太阳能电池排列而成。然后，PV***由许多串联的太阳能模块排列而成，以便形成一串，并且有时由多个串联太阳能模块组成的串并联排列而成，依赖于所述PV***所需的输出电压和功率范围。
在实际情况中，在不同模块中的单个太阳能电池的输出功率之间存在差异，例如由于(部分)模块被暂时遮光、一个或者多个太阳能电池上的污染或者甚至在太阳能电池行为的不同——例如由于制造误差或者老化期间电池性能下降速率的差异。由于太阳能电池的电流源型(current-source-type)行为及其串联连接，这些差异将导致来自PV***的输出功率中的相对较大的下降，将在下文中更详细地解释。
图1(a)示出了最常用于建模太阳能电池(所谓的单一二极管模型，single diode model)性能的等效电路100。与光生电流(在下文中也称作日照电流)Iins相对应的电流源101与二极管102以及106处的分流(即并联)电阻Rp并联。不流经所述二极管或者分流电阻的那部分Iins经由低阻值串联电阻Rs 103(典型地每个电池几mΩ)流至输出节点。经由高阻值分流电阻Rp(典型地在kΩ至MΩ的范围内)发生一些内部泄漏。
图1b示出了对于与无辐照相对应的光生电流Iins为0(曲线1)的情况以及与受辐照电池的非0(曲线2)相对应的情况下的I-V特征曲线。在无辐照的情况下，所述IV特征是具有分流和串联电阻的二极管的特征；由于诸如日光辐照引入向下转变了IV特征，将其转变至所述IV平面的IV(即第四)象限。通常，光伏最感兴趣的特征(IV象限)部分被反转地示出，如图1(c)中的2’所示，与对应的功率-电压(P-V)曲线3一起示出。
当所述电池被短路时，电池的输出电流I等于所述电流源的数值(在图1c的I-V特征中，Iins＝短路电流Isc)。当左边开路时，电流Iins将主要流入所述二极管，造成开路电压Voc，对于多晶硅电池所述电压可以典型地为大约0.6V，如图1c所示。基本上，对于光照条件超过100W/m2，该数值对于在户外使用期间的大多数情况下是典型的，所述输出电流与入射光的量成线性比例。
可以看出，在所述IV曲线上存在产生最大功率(在与P-V曲线的最大功率峰值Pm相对应的电压处)的单个点。在图中示出了短路电流Isc和开路电压Voc，以及在最大功率点(MPP)处的电流(Imp)和电压(Vmp)。因此，Pmax＝Imp×Vmp，并且与Isc、Voc以及占空因子FF的乘积有关，Pmax＝Isc×Voc×FF。
图1(d)示出了所述IV特征随不同的日照照度
Figure BDA0000105572020000021
的变化(在IV象限)。如和
Figure BDA0000105572020000023
所示，所述短路电流Isc随着照度
Figure BDA0000105572020000024
的增加而线性地增加。如
Figure BDA0000105572020000025
和所示，所述开路电压Voc随着日照照度
Figure BDA0000105572020000027
的增加而缓慢地增加。
图2示出了由36个串联的太阳能电池组成的典型太阳能模块的I-V特征(a)和P-V特征(b)，所述特征是入射光和温度的函数。和随日照强度(从20mW/cm2经60mW/cm2至100mW/cm2)线性增加的短路电流一样，随着温度增加开路电压(IV和PV特征与所述电压轴相交的位置)和最大功率电压(表示为Vm)的下降是显著的。
由于电池的输出电流依赖于例如入射光(日照)量并且进一步电池行为也是温度依赖的，因此从电池获得的最大功率处的电流和电压值会随着环境条件而变化。因此，为了获得最大的输出，在任何实际的太阳能***中，优选地需要连续地更新该最大功率点，被称作最大功率点跟踪(MPPT)。在次优结构中，通常对所有太阳能电池同时执行这种动作。
如上所述，为了提供有用的功率，在多数应用中太阳能电池在模块或者子单元中是串联连接的。在图15中示意地示出了可能的结果IV特征。由于所述电池是串联连接的，流经每一个电池的电流必须是相同的。图15(a)示出了在相同的照明条件下每一个电池都具有相同特征的情况。然后，所述模块IV特征简单地是所述单个电池特征的加长版：如果每一个电池具有短路电流、开路电压、最大功率电压和最大功率分别为Isc1、Voc1、Vmp1和Pmax1，那么所述模块具有相应的短路电流、开路电压、最大功率电压和最大功率分别为Isc1、n×Voc1、n×Vmp1和n×Pmax1。
然而，如果其中一个电池具有较低的短路电流Isc2(和开路Voc2)，如图15(b)示意地并且稍微简化地所示，那么当其他电池产生电流Isc1时，该电池将被驱动为反向偏置直至它开始击穿(反向偏置电压为Vbd)。电流匹配限制导致具有另一个“拐点”的IV特征，所述拐点位于原始最大功率拐点的左侧，相差电压为Vdb。在这另一个拐点的左侧，所述特征倾斜向上至Isc1，斜率依赖于所述低电流电池的反向击穿；在该拐点与所述原始Vmp(即n×Vmp1)之间，所述电流为Isc2。所述模块开路电压为(n-1)×Voc1+Voc2，大约为n×Voc1，并且所述右边的最大功率点仍然大约在n×Vmp1处。
如图所示，所述低电流电池在足够低的Vbd下开始反向击穿，所述另一个“拐点”在所述轴的右侧。然而，当所述电池具有高Vbd时，所述拐点可以在所述轴的左侧。在图15(c)中，对于IV象限示意地示出了这一点。
实际上，为什么一个电池的输出电流不等于另一个的输出电流存在很多原因。例如遮光、模块上的局部污染(例如鸟屎、树叶等)以及电池之间的差异(因老化而加剧)。最显著的是(部分)遮光，当一个或者几个模块中的一个或者多个电池接收到比其他电池少的入射光，导致比其他电池低的Iins值。实际上，与其上没有阴影的电池相比，电池的遮光可以导致入射光下降40％-50％。在实际***中，部分遮光只在一天中的某一部分发生，而在一天中的大多数时间所有电池将处在明亮的日光中。在图5中示出了模块500的一些示例，所述模块被实际光伏***中的其他模块阴影501或者天线阴影502部分遮光。可以看出，所述模块中只有一小部分处在所述阴影中。如下所述，这将导致所讨论的PV***输出功率相对较大的下降。
图16(a)示出了相似模块(或者段)的IV特征，包括具有高反向击穿电压的低电流电池。当存在强制Isc1流经所述模块的外部限制(诸如串联模块)时，所述整个模块将被强制为反向偏置。在传统的模块中，这是通过包括与所述模块反平行的“旁路二极管”来防止的。如果将所述模块驱动为反向偏置，所述旁路二极管(随后变成正向偏压)接通并且分流多余的电流。所述模块上的反向偏压受限于所述二极管的正向偏压Vf，并且所述低电流电池不会达到Vbd。因此，当流经所述模块的串电流(string current)强制为在高电流Ist(如61所示)下工作，而非所述模块在低电流电池的反向击穿电压(即图中的B点)下工作时，它将在所述旁路二极管的正向电压(A点)下工作。
然而，代替产生可以从该模块中获得的所述最大可能功率(大约为[n×Vmp2]×Imp2，如图16(a)中的C点所示)，所述模块消耗大约Isc2×Vf的功率。对于光伏***整体而言，这与效率的显著下降相对应。因此所述旁路二极管保护低电流电池不受潜在破坏性的高反向偏压(所谓的“热点”现象)，并且同时限制但是不会消除***中的源自电流不匹配的功率损失。
模块级DC-DC或者DC/AC变换器(微逆变器)的增加将有助于减小输出电平的降低。它的一个示例是美国国家半导体公司(solar magic)提出的一个概念，其中全部功率通过DC-DC变换器供给，所述DC-DC变换器在串联串(series string)中将其输出功率加在一起。由于可以转换来自模块的全部功率并且在所述DC-DC变换器的输出处对来自每一个模块的功率求和，因此这种变换器可被称作“西格玛变换器”。由于它们不得不一直转换所有功率，因此它们相对比较大和昂贵，并且容易失效。
正在需要提供一种替代的结构，其中可以实现来自模块的大部分潜在可获得功率，所述模块具有带有不匹配电流的电池。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种不会受到相同程度的上述问题影响的光伏单元。
根据本发明的一个方面，提供了一种光伏单元，所述光伏单元包括第一子单元和与所述第一子单元串联连接的第二子单元，其中所述第一子单元和第二子单元每一个都包括单个太阳能电池或者多个串联连接的太阳能电池，并且其中所述第一子单元还包括与各个太阳能电池或者多个太阳能电池并联连接的辅助供电单元。因此可以保护所述子单元避免由于遮光或者较少日照造成的不必要的性能下降。光伏单元不限于一个或者多个面板或者面板的一部分，或者一个或者多个模块或者模块的一部分。类似地，子单元不限于一个面板或者面板的一部分，一个模块或者模块的一部分，串联连接电池的段或者甚至单个的电池。
在实施例中，所述辅助供电单元包括DC-DC变换器的至少一部分。所述DC-DC变换器的另一部分可以包括另一个子单元的一部分，或者中央控制***或者逆变器的一部分。优选地，所述DC-DC变换器配置为与所述第一子单元的各个太阳能电池或者多个太阳能电池并联的源电流(source current)和汇电流(sink current)中的至少一个。DC-DC变换器可以用作有效的供电单元，并且典型地可以配置成源(即提供正电流)、或者可以设置成汇(即提供负电流)或者两者皆可。由于所述变换器只对所述子单元的电流之间的差值进行转换，因此它可以方便地被称作德尔塔变换器，并且对于与现有技术的西格玛变换器相比而言较低的功率可以定制尺寸。
在实施例中，所述第一子单元是一个包括4至72个太阳能电池的模块，并且在优选实施例中，所述第一子单元是包括18至24个太阳能电池的段，每个模块有3或4个这种段，并且然后所述模块可以是所述光伏单元。也可以称作面板的这种模块典型地用作光伏***的“基本组成部件”(building block)。在许多传统的光伏***中，旁路二极管与这种模块或者段并联连接，而本发明的实施例有利地使得旁路二极管成为不必要的。
在实施例中，所述第二子单元还包括第二辅助电源单元。因此可以保护所述第二子单元避免由于遮光或者较少日照造成的不必要的性能下降。
在实施例中，所述第二辅助电源单元包括第二DC-DC变换器的至少一部分。优选地，所述第二DC-DC变换器配置为辅助源电流和辅助汇电流中的至少一个。
在实施例中，所述DC-DC变换器是开关模式变换器。所述DC-DC变换器可以是回扫变换器。然而，由于它的输出二极管，回扫变换器是单向变换器；优选地所述DC-DC变换器是双向变换器。相同的DC-DC变换器随后可以用于源电流或者汇电流。当需要单向变换器时，可能需要互补DC-DC变换器来使能源电流和汇电流两者。
优选地，所述双向变换器是半桥变换器。这种类型变换器的控制是特别方便的。
根据本发明的另一个方面，提供了一种包括多个上述光伏单元的光伏阵列。
根据本发明的另一个方面，提供了一种操作光伏单元的方法，所述光伏单元包括具有至少一个太阳能电池的第一子单元、与第一子单元串联连接并且具有至少一个太阳能电池的第二子单元以及与所述第一子单元的至少一个太阳能电池并联连接的辅助供电单元，所述方法包括：确定由所述第一子单元产生的光生电流与由所述第二子单元产生的光生电流之间的差值，并且控制所述辅助电源单元根据由所述第一子单元产生的光生电流与由所述第二子单元产生的光生电流之间的差值来提供电流。
在实施例中，当由所述第一子单元产生的光生电流小于由所述第二子单元产生的光生电流时控制所述辅助电源单元为源电流，而当由所述第一子单元产生的光生电流大于由所述第二子单元产生的光生电流时控制所述辅助电源单元为汇电流。因此，所述辅助电源单元用作所述第一子单元的电流补偿器，使得流经至少一个(第一)太阳能电池的光生电流与由所述辅助供电单元提供的所述补偿源电流(或者汇电流)的总和接近或者近似等于流经所述第二子单元的电流。
在实施例中，所述方法还包括：确定当所述辅助供电单元不提供电流时所述第一子单元的最大功率工作点；确定当所述辅助供电单元不提供电流时所述第二子单元的最大功率工作点；以及控制所述辅助电源单元为源电流或者汇电流，使得所述第一和第二子单元中的至少一个工作在与当所述辅助电源装置不提供电流时的情况相比更接近其各自的最大功率工作点。通过操作所述子单元更接近其最大功率工作点，由该子单元产生的较少功率被作为热能浪费掉。
在实施例中，控制辅助供电单元为源电流或者汇电流使得所述第一和第二子单元中的至少一个工作在与当所述辅助电源装置不提供电流时的情况相比更接近其各自的最大功率工作点的步骤包括：控制所述辅助供电单元为源电流或者汇电流使得所述第一和第二子单元的每一个都实质上工作在其各自的最大功率工作点。所述方法从而减少或者几乎消除了由于工作点之间的不匹配造成的每一个子单元中的损失。
在其中所述光伏单元包括具有至少一个太阳能电池的另一个子单元以及与所述至少一个太阳能电池并联连接的另一个辅助供电单元的实施例中，所述另一个子单元与所述第一和第二子单元串联连接，所述方法还可以包括控制另一个辅助供电单元根据所述另一个子单元的光生电流来提供电流。
在其中所述光伏单元包括多个子单元的实施例中，其中每一个子单元包括至少一个太阳能电池和与所述至少一个太阳能电池并联连接的辅助供电单元，所述方法还可以包括控制每一个辅助供电单元使得至少一个太阳能电池的每一个都实质上工作在其最大功率工作点。因而可以减少甚至消除来自被部分遮光或者产生较低光生电流的多个子单元的损耗。
在实施例中，控制每一个辅助供电单元，使得来自所述子单元的光生电流与各个辅助供电单元所提供的电流的总和实质上等于当没有辅助供电单元提供电流时所述子单元的光生电流的平均值。
此外在实施例中，由所述辅助供电单元提供的总功率实质上为0。因而功率在所述子单元之间重新分配。在这种情况下，所述辅助供电装置需要额定为足以只转换子单元与整个总单元(或者串)的平均值之间的最大可预见的电流差值。因此可以使用较低(功率)额定部件，导致了潜在地可观的成本节约。
根据本发明的另一个方面，提供了一种控制器，配置用于操作上述方法。可以是中央控制器的控制器可以用于优化输出，例如考虑到有源模块的数量实际上是提供电源。当所述***工作时(即在任何时间点上)，这种控制器可以计算，既考虑到有源电流补偿器的数量又考虑到电流补偿器的数量，活动电流补偿器的优化组合来输送电流和去除电流。这样，可以提供包括一个或者多个模块的***的最大输出。
可以使用监测设备来监测电池、段、模块等的单独性能。这样可以用于提供输入来优化所述模块的性能。
将参考下文所述的实施例阐述本发明的这些和其他方面，并且本发明的这些和其他方面在下文所述的实施例中是显而易见的。
附图说明
将参考附图仅以示例的形式描述本发明的实施例，其中：
图1示出了太阳能电池的等效电路模型图(a)，太阳能电池在日照下和黑暗中的I-V特征(b)，更详细的第四象限IV特征(c)，以及改变日照
Figure BDA0000105572020000081
的效果(d)；
图2示出了含有36个串联太阳能电池的典型太阳能模块的作为入射光和温度函数的I-V特征(a)和P-V特征(b)；
图3示出了各种PV***：独立使用(a)、住宅应用(b)、商业应用(c)和太阳能电厂(d)；
图4是60个电池的太阳能模块的示意图，具有3个段，并且包括3个放置在附着到所述太阳能模块背面的接线盒中的旁路二极管；
图5示出了在实际PV***中的部分遮光；
图6示出了20个电池的段或者子单元的示意图，其中一个被遮光，具有横跨它们的旁路二极管；
图7是与一串DC-DC变换器结构相连的模块的公知结构图；
图8是根据本发明实施例所述的两个串联的太阳能电池的示意图，每个太阳能电池都具有并联连接的辅助供电单元；
图9是源电流或者汇电流去除太阳能电池子单元的输出电流之间差异的可能方案的图示；
图10是根据本发明实施例所述的串联连接段的结构示意图，每个段都具有并联连接的辅助供电单元；
图11是成串模块的输出功率的柱状图，示出了由模块传输的功率，所述模块包括与由每一个模块的德尔塔变换器转换的功率有关的串；
图12是具有德尔塔变换器的PV***的示意图，所述德尔塔变换器由中间的DC-DC变换器供电；
图13示意地示出了用于PV***的控制***的实施例，所述PV***具有与通信总线相连的德尔塔变换器；
图14是双向DC-DC变换器的简化电路图，所述变换器带有隔离的输入端和输出端；
图15(a)、(b)和(c)形象地示出了源自n个太阳能电池串联连接的可能结果IV特征；
图16(a)示出了太阳能电池段的IV特征，其中一个电池具有与其他电池相比较低的光生电流，带有或者不带有旁路二极管；以及
图16(b)形象地示出了与辅助供电单元协同工作的模块的IV特征。
应该指出的是，这些图是示意的，并非按比例绘制。为了清晰和方便，这些图中部件的相对尺寸和比例被夸张地或者减小尺寸地示出。相同的参考符号通常用于指代在修改的和不同的实施例中对应的或者类似的功能。
具体实施方式
在图4中示出了PV***的传统结构。太阳能模块400可能由54-72个电池100串联形成，典型地排成具有9-12个电池的宽度402的曲折形，并且每18-24个电池的段具有一个旁路二极管401。每个旁路二极管的电池数量典型地与所用太阳能电池的击穿电压有关。还示出了包括一串太阳能电池和旁路二极管401的段403。图4中的3个二极管典型地被放置在具有热沉的接线盒404中，所述所述热沉放置在每一个模块的背面。
由于一个或者多个PV太阳能电池体现的次优性能，例如由于遮光、破损、电气断开等，传统模块表现出输出功率的显著下降。为了理解为什么遮光一个或者几个电池会导致PV***输出功率相对较大的下降，考虑如图6所示的模块的一个片段(fragment)，本文中也称作段或者子单元。设置一个旁路二极管401横跨在20个电池100上。假定日照水平是1000W/m2。忽略分流和串联电阻，用与二极管102并联的电流源101对每一个电池建模。每一个电池具有假定的Iins值为8A(604所示)，并且Vmp为0.5V。然而，已经假定一个电池例如由于遮光完全故障，涉及存在零(没有)光生电流的极端情况(605所示)。实际上，当一个电池被例如鸟屎或者树叶完全覆盖时，这种情况将会发生。假设该电池的反向击穿电压足够高，以便经受其余电池的单独开路电压603的总和，(有效地)将没有电流流经串联连接的电池。然而，在典型的模块中，存在由其他段中的电池产生的串电流Istring。结果，所述电流Istring 601将全部流经所述旁路二极管。因此横跨这组20个电池的所述电压606不是在MPP处可能的最大值20×0.5V＝10V，而是只有-0.6V(606)，是旁路二极管401上的正向电压。因此，浪费了功率而不是产生了功率。注意，Istring由中央逆变器中的中央MPPT控制器确定，所述控制器试图同时找到所有模块的最佳点。
因此，在这种情况下，尽管只有一个单独的电池不能并且没有传输功率，但是20个电池的功率都被浪费了(作为热量，因为每一个电池的所有光生电流都通过电池的二极管分流)。注意，在图6中，诸如被遮光电池的次优功能电池上的反向电压602变成19×Vcell+Vbypass＝20×0.6V＝12V，0.6V是指带有完全流经二极管102的8A(604)Iins电流的未遮光电池上的开路电压603。
在更极端的情况下，例如在60个电池的模块中的情况下，整个模块上只有一些电池被遮光，但是在例如带有并联旁路二极管(401)的20个电池的每一个段(403)中至少有一个电池被遮光，当所述串中的其他模块没有被遮光并且表示MPP电流在高于被遮光电池的输出电流水平时，整个模块将被有效地旁路。因此，在所述串中得到的模块电压将是-1.8V(3个导电旁路二极管串联)而不是+30V！在图5中，对于右手边所述PV***中的被遮光模块这种情况实际发生。这里，天线阴影502落在所述模块上，其中各行被设置成使得所述天线阴影覆盖所述模块中每一个段(403)中的一些电池。因此，全部模块在串中被旁路。
在带有并联模块串的PV***中，所述效果可能更糟。在一个串中的某些电池被遮光的情况下，整个串可能不能传输输出功率。在这种情况下，其原因是完全在阳光下的所述串将支配部分遮光串上的电压。假定来自未遮光串的电流由于串二极管防止电流流入所述串而不流过被遮光串，所述被遮光串上的电压将不够高，使得不能够通过所述串二极管传输电流至所述***。在所有情况下，所述MPP居中安装的事实保证了在所述找到的最佳点，全部模块将不参与产生功率，即使一些太阳能电池被覆盖/遮光。
在图7中示出了一种用于减轻这些问题的已知结构。所述解决方法用于诸如美国国家半导体公司的Solar MagicTM***中，并且基于模块级DC-DC变换器。基本思想是模块不再直接串联，而是如图7所示，每一个模块400与其自己的DC-DC变换器705串联连接，其输出703再设置为串联。每一个DC-DC变换器确保所连接的太阳能模块工作在其各自的MPP，因此所述DC-DC变换器的Iin设置成相关联模块的Imp 702，并且其Vin 701设置成相关联的Vmp。因此，即使一个模块被遮光了，由于模块电流已经与串电流分离，该模块能够在较低电流上工作，它仍然能够对所述串的输出功率做出贡献。当模块输出功率不同时，这对全部输出功率具有积极作用。在其输出处，简单地通过调整输出电压(703)适合在串联连接的DC-DC变换器的所述串(601)中流过的电流，所述DC-DC变换器将该功率与其他的功率加在一起。由于所有功率被加在一起，这些DC-DC变换器还可以被称作“西格玛”变换器。注意，在这种情况下，所述中央逆变器(DC/AC)保留在合适的位置。在部分遮光或者差异的其他来源，相对于不具有西格玛变换器的传统***，通过增加每个模块的DC-DC变换器，来自所述PV***并且通过所述逆变器提供的输出功率704增加了。
替代结构包括串级的DC-DC变换器或者模块级的DC-AC变换器(微逆变器)。
在图8中形象地阐释了本发明的实施例。图8示出了两个串联连接的电池100，每一个电池都具有辅助供电单元803。这两个太阳能电池具有不同的日照水平，具有相关联的不同光生电流Iins，1(示作801)和Iins，2(示作802)。
根据现有技术，作为串联连接的结果，这两个日照电流中较低的那个将确定所述输出电流，因此确定所述两个串联连接电池的输出功率。然而如图8所示，辅助供电单元(在这种情况下电流发生器或者电流补偿器803)与每一个电池并联连接。与具有较低光生电流电池并联的电流补偿器提供与该电池并联的附加电流。替代地或者此外，与具有较高光生电流电池并联的电流补偿器吸收(sink)与该电池并联的多余电流。
这样的效果是所述PV***的这部分将类似于其中所述太阳能电池的所有日照电流全都相同的***行为类似。因此，有效地补偿了电池之间日照差异的负面影响。可表示如下：
Iins，1+ΔI1＝Iins，2+ΔI2
同时示出了不同的补偿电流值ΔI1(804)和ΔI2(805)、太阳能电池(100)和由中央MPPT控制器强加的串电流(601)。
图8中所示的每个电池的电流源利用DC-DC变换器(803)实现。以其最通用的形式，所述电流源是双向的——因而也可以操作为电流汇，或者更为普遍地是辅助供电单元。利用单向源的其他实现方法也是可能的。
在可获得的电平下增加(提供)电流或者减少(吸收)电流所需的对应功率是从所述光伏***中减去或者传输给所述光伏***。由于所述DC-DC变换器补偿了电池之间的差异，这种变换器可以被称作delta变换器，与前述的在已知***中的西格玛变换器相反。
图9示出了对于Iins，1(801)＞Iins，2(802)的示例情况的可能方案。此外，示出了ΔI803和Iins 101的数值。在方案901中，只增加了与太阳能电池2并联的电流，因此ΔI1＝0(条件904)并且ΔI2＝Iins，1-Iins，2＞0(条件905)。然后所述模块的这个段提供较高的电流水平，并且由一个辅助供电单元消耗功率。在方案902中，只从太阳能电池1吸收电流，因此ΔI1＝Iins，2-Iins，1＜0(条件906)并且ΔI2＝0(条件907)。在该方案中，所述辅助供电单元产生功率。在方案903中，从太阳能电池1中减去电流并且把电流增加到太阳能电池2中，因此ΔI1＝(Iins，2-Iins，1)/2＜0(条件908)并且ΔI2＝(Iins，1-Iins，2)/2＞0(条件909)。在该情况下，一个辅助供电单元消耗功率，所述功率相当近似地匹配由另一个辅助供电单元产生的功率。不存在净功率增益或者损耗。
在所有情况下的最终结果是所述电池的“有效”电流都相等。所述净电流在方案901中等于Iins，1(801)，在方案902中为Iins，2(802)，在方案903中为(Iins，1+Iins，2)/2(910)。
图10示出了类似的结构。在这种情况下，尽管辅助供电单元1006或者电流补偿器没有像前述实施例一样与每一个电池100并联连接，但是它与包括几个串联电池的段400’并联连接。基本思路是一样的：DC-DC变换器将传输(提供)或者减去(吸收)流到或者来自相关联的段(即电池组)的电流差。所需功率从所述PV***中减去(在附加电流被传输至所述电池的情况下)或者传输至所述PV***(在从相关联的电池中减去所述电流的情况下)。
在图10所示的实施例中，所述辅助供电单元1006是DC-DC变换器。来自所述变换器的输出电流Iout是差电流1001；在1003、1004和1005处示出的所述变换器的输入电流源自(或者提供给)所述PV***。如果多于一个变换器在工作，所述净输入电流是1002，其源自(或者提供给)所述PV***。
在另一个实施例中，诸如DC-DC变换器的辅助供电单元可以实施为与整个模块并联。
然后示意性地，具有较低电流的子单元如图16(b)所示工作。由于辅助供电单元或者电流补偿器提供附加电流Icomp的事实，包括较低电流电池的所述模块使其能在其最大功率点C’下工作(其中在电压Vm下传输电流Im)，使得所述总电流等于所述串电流Istring。然后所述补偿器提供功率(在D点)Pcomp＝Icomp×Vm，而所述模块(即，在所述模块或者子单元中的电池)提供Pmod＝Vm×Im。
从图10中可以看出，所述模块(或者段)的串联连接适当地保留。因此，大多数输出功率由所述串直接传输而不是由所述德尔塔DC-DC变换器1006传输。与所有功率必须经过所述DC-DC变换器提供的现有技术***相比，这样导致了功率-效率优势。
在图11中进一步阐释了这一点。图11描述了在一个串(1102)中的几个模块(1、2...12)的输出功率，其中出现了差异，在近似的情况下每一个模块的电压都相同。在底部描述由所述串传输的功率1101(拆分为由每一个模块1、2...12供电)，而在顶部描述经过德尔塔变换器转换的功率(在所述情况下是双向的实施方法，单极实施方法当然也是可能的)。向下的箭头表示与所述模块相连的德尔塔变换器从所述模块中减去或者吸收电流，而向上的箭头表示与所述模块相连的德尔塔变换器向所述模块增加或者提供电流。最终结果是所有模块表现地如同它们全部工作在相同的光照水平下，产生所示的平均输出功率1103。由于实际中的差异将明显地低于100％，由所述串传输的大多数功率将明显地高于由所述德尔塔变换器转换的功率。如上所述，这对成本和效率具有积极作用。
各种替代实施例可以用于实现上述基本思想。首先，在图10所示的实施例中，所述德尔塔变换器的输入跨接在总串电压上。这要求每一个德尔塔变换器都需要在例如30V(典型地用于许多太阳能应用的60个电池的模块的情况下)的所述模块电平与例如300V的所述串电平(在10个模块串联成串的情况下)之间转换功率。一种替代的实施例可以是产生在所述***中居中的中间电压，所有德尔塔变换器都由该电压供电。所述目标是提供一种用于所述***中所有德尔塔变换器并且只具有一个中央高压DC-DC变换器的低电压解决方案。由于其增加的成本与大量低电压DC-DC德尔塔变换器增加的成本相比对总成本具有较小的影响，因此只有一个中央DC-DC变换器来将高的串电压转换为较低的中间电压的事实允许优化其效率。图12描述了这一点，图中只表示出了一个串。图12所述的实施例类似于图10所述的实施例，不同之处在于在这种情况下所述变换器的输入1003、1004、1005不由所述串电压供电，而是由中央高压(HV)DC-DC变换器1202供电，所述中央高压DC-DC变换器本身由与所述串电压704的连接1002供电。在多个并联串的情况下，存在一个中央高压DC-DC变换器1202，将所述串电压转换为用于所有模块德尔塔DC-DC变换器1201的合适的中间电压。所述中间电压可以例如是与所述低压DC-DC变换器的输出电压处于相同的电压范围，例如对于60个电池的模块为30V。替代地，可以基于低成本IC技术的电压击穿限制来选择所述中间电压，例如对于自动绝缘体上硅(SoI)技术为100V。
为了控制由所述德尔塔变换器传输或者消耗的电流，中央控制功能的使用是可能的。在图13中描述出了这一点。在此所有德尔塔变换器1006(为简单起见只示出了2个变换器，与模块和串的连接是否经由中间供电也为简单起见被忽略了)都经由通信总线1301彼此相连，所述通信总线还提供给中央控制功能1302。替代地，所述德尔塔变换器还可以单独地确定将被传输或者减去的电流。
为了确保所述德尔塔变换器起到积极作用，在中央MPPT算法中监测所述PV***的总输出功率。该算法也存在于所述中央逆变器中。该MPP的信息可以反馈给所述德尔塔变换器，可选地经由中央控制功能检查所述德尔塔变换器工作的某些形式来找到所述最佳工作点。所述控制器还可以假设有源补偿器的数量是最小的。为了提供最大输出，有源补偿器的数量优选地是最小的。利用例如合理的假设，可以通过确定有源补偿器的最小子集来提供优化的输出。
如上所述，用于本发明实施例的特别优选类型的辅助供电单元的是DC-DC变换器。正如本领域普通技术人员所公知的，可以使用传统的DC-DC变换器。所述变换器优选地是开关模式变换器，并且可以是诸如回扫变换器之类的单向变换器或者诸如半桥变换器的双向变换器。
在电子工程中，DC-DC变换器是电子电路，将直流(DC)源从一个电压电平转换为另一个电压电平。这是一类功率变换器。双向变换器提供第一电压至第二电压以及第二电压至第一电压之间的功率转换。所述变换器典型地利用诸如变压器和滤波电感的通用磁性元件以及跨晶体管的双功能内置二极管。这种变换器还典型地利用桥式变换器、推挽式变换器以及升压变换器。开关模式电源(也称作开关模式电源和SMPS)是一种结合了开关调节器的电子电源单元(PSU)。当线性调节器通过耗散传输功率晶体管(pass power transistor)中多余的功率来维持所需输出电压时，所述开关模式电源在饱和(全开)和切断(全关)之间具有可变占空比地切换功率晶体管，占空比的平均值与所需输出电压有关。它在远高于AC线(输电干线)的频率(几十至几百kHz)上切换，意味着干线所供电的变压器可以远小于与所述线/输电干线直接相连的变压器。切换形成了典型地定位于所述变压器初级的矩形波形；典型地几个次级整流器、串联电感器和滤波器电容提供各种具有低波纹的直流输出。
该方法的主要优势是更高的效率，因为与半导体状态(有源区)相比，所述开关晶体管在所述饱和状态和所述截止状态几乎不耗散功率。其他优势包括较小的尺寸和较轻的重量(因为消除了具有较大重量的低频变压器)以及由于较高效率造成的较低的热量产生。缺点包括更大的复杂性、低通滤波器必须阻止以避免电磁干扰(EMI)的高振幅、高频能量的产生，以及处于切换频率及其谐波频率下的波纹电压。
所述回扫变换器是一种输入与输出之间具有流电隔离的DC-DC变换器。更准确地，所述回扫变换器是一种具有分离的感应线圈以形成变压器的升降压变换器，使得所述电压比由于隔离的附加优势而倍增。当驱动例如等离子体灯或者电压倍增器时，所述升降压变换器的整流二极管被忽略并且所述器件被称作回扫变压器。它等效于具有独立感应线圈以形成变压器的升降压变换器。因此，两种变换器的工作原理非常接近：当所述开关接通时，所述变压器的初级与所述输入电压源直接相连。这导致变压器中磁通量的增加。跨在次级绕组上的电压是负的，因此所述二极管是被反向偏置的(即开路)。所述输出电容器向输出负载供电。当所述开关断开时，存储在变压器中的能量被传输至所述变换器的输出。
操作中的回扫变换器有两种结构：在接通状态，所述能量从输入电压源被传输至变压器(所述输出电容器向输出负载供电)。在关闭状态，所述能量从变压器被传输至输出负载(以及输出电容器)。所述回扫变换器可以形成隔离的功率变换器，在该情况下还需要所述控制电路的隔离。两种流行的控制方案是电压模式控制和电流模式控制。两种模式都需要与所述输出电压相关的信号。存在三种通用方式产生这种电压。第一种是使用次级电路上的光耦合器来向控制器传送信号。第二种是在线圈上缠绕独立的绕组并且依赖于所述设计的交叉调节。第三种是在扫描逆程期间(初级感应)在初级侧上使用反射的输出电压。
图14描述了一种双向DC-DC变换器(1006)的公知基本实施例，由于使用变压器/耦合线圈组获得的所述隔离，该变换器允许不同的输入1401和输出端1402电压电平。通过用二极管替代其中一个开关，可以从该图推导出单向版本。另外，更具体的实施例是可能的。例如，没有限制，单向变换器的具体示例是可以只向模块传输电流的回扫变换器。由于在大多数情况下被遮光模块的数量将低于阳光下模块的数量，增加了只有一些模块电流需要被传输的可能性，因此这是一种适用于许多应用的实施例。依赖于太阳能模块的结构，可以给所述回扫变换器多个输出，例如每个段一个输出，由旁路二极管正常桥接。这种多输出变换器或者每个旁路段的一个变换器可被方便地放置在接线盒中，既可以与已有的旁路二极管一起也可以取代它们。
本领域普通技术人员所熟知的以下补充信息将用于获得对本发明更好的理解：
太阳能电池的类型：目前市场上，可以分为两种不同类型的电池。首先，存在几种类型的单结和多结晶体硅基太阳能电池。其次，不同类型的薄膜太阳能电池正在推出。所述单结单晶或者多晶硅基太阳能电池主导目前市场(＞80％的市场份额)并且具有达到大约20％的功率转换效率，其理论最大值为27％。例如基于在不同光波长度上可调的III-V族半导体和多个堆叠PN结的多结电池可以实现40％甚至更高的效率，但是它们目前只用在瞄准机会的市场，诸如在太空中或者具有高浓度的阳光以及实验室中，还需要找到在可接收的成本水平大规模生产的方式。各种薄膜技术一起占据了20％的目前市场。薄膜技术的示例有CdTe(碲化镉)和CIGS(铜铟镓硒)。其效率通常低于10％，但是成本明显地低于晶体硅基电池的成本。薄膜技术在未来有望以晶体电池为代价占据越来越多的市场份额，但是两者有望在未来市场中共存。
光伏***的类型：图3阐释了PV***的各种类型。基本上可以分为四组应用：独立***、住宅***、商业***和太阳能电厂。
在独立的PV***中，没有与干线电网的连接。这种***主要应用于道路标牌或者没有基础设施的地方，诸如偏远地区或者发展中国家。功率范围典型地从100W至1kW。在大多数情况下，单个模块可以实现所需功能，例如铅酸电池白天充电，夜间连接直流负载或者使用逆变器将例如12V的直流提升至例如110Vrms的交流，以供给交流负载至几百W。
在住宅应用中，太阳能模块设置成适当的串联一并联方式以便在DC/AC逆变器的输入处实现所需的电平，所述DC/AC逆变器连接PV***与电网。实际的逆变器具有特定的直流输入电压范围，在该范围中所有模块可以同时执行最大功率点跟踪(MPPT)。可以选择所有实际条件(预期的光和温度的变化)下PV***的电压范围，使其总是落在逆变器所需的输入范围内。这确定了串联设置的模块数量。依赖于所需的输出功率，可以设置几串模块并联。住宅***的实际功率范围从1至10kW。从住宅***中获得的能量应用在屋顶上放置该***的房屋中。可选地，多余的功率可被传输回干线电网。在后一种情况下，需要双向电表来计算用电的净成本。用于住宅应用的典型模块包括串联的60个电池。在1000W/m2、MPP电流大约为7.5A(比8A的日照电流Iins低7％)，每个电池的MPP电压为0.5V的情况下，当工作在MPP时，输出功率为60×7.5A×0.5V＝225W。每个太阳能电池的典型表面积为15cm×15cm，该模块的尺寸大约为1.5m2，这是用于安装的实际情况。作为示例，5kW的住宅PV***需要包括大约22个模块，占据大约33m2的表面积。
商业PV***是住宅***按比例增大的版本，例如放置在大型建筑的屋顶并且用于商业开发。该建筑的所有者通常与公用事业公司签署有关在商定的时间跨度上传输电能数量的合同。可以做出与住宅***类似的关于模块串联和并联的评论。实际功率范围从10kW至1MW。
太阳能电厂典型地由公用事业公司经营，为大量房屋产生电能。太阳能电厂设置在大的场地和沙漠中，占地面积大。(部分)遮光目前是不太可能出现的，并且由于操作者将在使用中清洁模块，在与住宅和商业应用相比而言较短时间的跨度期间污染也较少发生。这是与不太可能出现维护的住宅和商业***的根本区别，其中很少进行维护。功率在至少1MW的数量级或者更大。再次，类似的评论适用于串联/并联设置的面板的数量。在任何情况下，大量串被设置成并联，因为中央逆变器的实际输入范围仍然是几百伏，意味着例如每个模块30V，20个模块串联具有例如每串4kW。
综上所述，读者将立刻明白本发明的实施例受益于一个或者多个下述相对于现有技术***的差异：
某些现有技术解决方案包括西格玛变换器。与之相反，本发明实施例涉及“德尔塔变换器”。这种德尔塔变换器增加或者减去(即提供或者吸收)电池或者电池基组上的附加电流，从而补偿了电池或者电池组之间的输出差异，因此被称作“德尔塔”变换器。德尔塔变换器要么典型地设置成低于西格玛变换器的功率水平，因为通常只需要转换功率的差异而非全功率。替代地，依赖于想要补偿的差异，德尔塔变换器可被设置用于全功率。然而在这种情况下，较低的效率对于总能量损失而言没有西格玛变换器的情况关键，因为这个较低的效率只用于有限数量的变换器。
由于德尔塔变换器只转换功率的差异，其效率对总功率损失具有较小的影响。结果，较大部分可获得的太阳能被有效地传输至所述中央逆变器的输入。因此，人们可以认识到具有较低效率的变换器仍然可以起到积极的作用。结果，当与具有西格玛变换器的解决方案相比，在遮光条件的情况下传输了更多的能量。
德尔塔变换器可以只在需要时接通，即只有当它们对总输出功率起到积极作用时。然而，所述西格玛变换器通常需要是激活的。
当向已有PV装置加装德尔塔变换器解决方案时，所有已有连接可被完整保留，而例如只有接线盒需要被含有德尔塔变换器的接线盒替代，并且可能需要增加接线来为这些变换器供电。
因此，由于减少了的要求，德尔塔变换器可以比西格玛变换器更便宜、更小；由于德尔塔变换器可接受的较低效率，与西格玛变换器相比其成本可以进一步降低；由于德尔塔变换器并不总是激活的事实，与西格玛变换器相比其寿命可以显著提高；以及由于包括一个或者多个变换器的总解决方案的较高效率，当用在遮光条件下时随着时间的推移将获得显著地更多的能量。对于已经安装的PV***，这增加了实施例的经济吸引力。
通过阅读本说明书，本领域普通技术人员应当理解其他变化和修改。这种变化和修改可能涉及光伏现有技术已知的等效和其他特性，以及可以用于替代在此已经描述的或者除此之外的特性。
尽管所附权利要求针对特定的特性组合，但是应当理解本发明所公开的范围还包括任何创新特性或者任何在此明确地或者含蓄地公开的特性的创新组合或者任何归纳，无论它是否涉及与在任何权利要求中所要求的相同的发明并且无论它是否减轻了本发明所减轻的任何或者全部相同的技术问题。
在独立实施例的内容中描述的特性还可以在单个实施例中的组合中实现。相反，简单起见，在单个实施例的内容中描述的各种特性也可以独立地或者在任何合适的子组合中实现。
在本申请或者任何其继续申请的执行期间，申请者可以通知阐述这些特性和/或这些特性组合的新的权利要求。
完整起见，还声明术语“包括”不排除其他元件或者步骤，术语“一个”不排除多个，单个处理器或者其他装置可以实现权利要求中所述的几个装置的功能，并且权利要求中的参考符号不能解释为对权利要求范围的限制。

Claims (21)

1.一种光伏单元，包括第一子单元和与所述第一子单元串联连接的第二子单元，其中所述第一子单元和第二子单元每一个都包括单个太阳能电池或者串联连接的多个太阳能电池，并且其中所述第一子单元还包括与各个太阳能电池或者多个太阳能电池并联连接的辅助供电单元。
2.根据权利要求1所述的光伏单元，其中所述辅助供电单元包括DC-DC变换器的至少一部分。
3.根据权利要求2所述的光伏单元，其中所述DC-DC变换器配置为与所述第一子单元的各个太阳能电池或者多个太阳能电池并联的源电流和汇电流中的至少一个。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光伏单元，其中所述第一子单元是包括4至72个太阳能电池的模块。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的光伏单元，其中所述第一子单元包括18至24个太阳能电池。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光伏单元，其中所述第二子单元还包括第二辅助电源单元。
7.根据权利要求6所述的光伏单元，其中所述第二辅助电源单元包括第二DC-DC变换器的至少一部分。
8.根据权利要求7所述的光伏单元，其中所述第二DC-DC变换器配置成辅助源电流和辅助汇电流中的至少一个。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光伏单元，其中所述DC-DC变换器是开关模式变换器。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的光伏单元，其中所述DC-DC变换器是双向变换器。
11.根据权利要求10所述的光伏单元，其中所述双向变换器是半桥变换器。
12.一种光伏阵列，包括多个前述权利要求中任一项所述的光伏单元。
13.一种操作光伏单元的方法，所述光伏单元包括具有至少一个太阳能电池的第一子单元，与第一子单元串联连接并且具有至少一个太阳能电池的第二子单元以及与所述第一子单元的至少一个太阳能电池并联连接的辅助供电单元，
所述方法包括：
确定由所述第一子单元产生的光生电流与由所述第二子单元产生的光生电流之间的差值，以及
控制所述辅助供电单元根据由所述第一子单元产生的光生电流与由所述第二子单元产生的光生电流之间的差值来提供电流。
14.根据权利要求13所述的方法，其中当由所述第一子单元产生的光生电流小于由所述第二子单元产生的光生电流时控制所述辅助供电单元为源电流，而当由所述第一子单元产生的光生电流大于由所述第二子单元产生的光生电流时控制所述辅助供电单元为汇电流。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括：
确定当所述辅助供电单元不提供电流时所述第一子单元的最大功率工作点；
确定当所述辅助供电单元不提供电流时所述第二子单元的最大功率工作点；以及
控制所述辅助电源单元为源电流或者汇电流，使得所述第一和第二子单元中的至少一个工作在与当所述辅助电源单元不提供电流时的情况相比更接近其各自的最大功率工作点。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述控制辅助供电单元为源电流或者汇电流使得所述第一和第二子单元中的至少一个工作在与当所述辅助电源装置不提供电流时的情况相比更接近其各自的最大功率工作点的步骤包括：控制所述辅助供电单元为源电流或者汇电流，使得所述第一和第二子单元的每一个都实质上工作在其各自的最大功率工作点。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其中所述光伏单元包括具有至少一个太阳能电池的另一个子单元以及与所述至少一个太阳能电池并联连接的另一个辅助供电单元，所述另一个子单元与所述第一和第二子单元串联连接，所述方法还包括控制所述另一个辅助供电单元根据所述另一个子单元的光生电流来提供电流。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述光伏单元包括多个子单元，每一个子单元包括至少一个太阳能电池和与所述至少一个太阳能电池并联连接的辅助供电单元，其中控制每一个辅助供电单元使得至少一个太阳能电池的每一个都实质上工作在其最大功率工作点。
19.根据权利要求18所述的方法，其中控制每一个辅助供电单元，使得来自所述子单元的光生电流与各个辅助供电单元所提供的电流的总和实质上等于没有辅助供电单元提供电流时所述子单元的光生电流的平均值。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中由所述辅助供电单元提供的总功率实质上为0。
21.一种控制器(1302)，配置用于操作权利要求13至20中任一项所述的方法。
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