CN109787270B - 用于功率优化的电压转换器及其模式切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于功率优化的电压转换器及其模式切换方法。电压转换器从相应的光伏组件吸取电能，电压转换器串联且它们的输出电压叠加获得直流母线电压。电压转换器输出的期望电压等于与之对应的光伏组件提供的对外功率比上总功率计算出的比值再乘以直流母线电压的设定值。电压转换器的期望电压和与之对应的光伏组件的最大功率点电压之比不超过第一增益时其进入降压的第一模式，当电压转换器输出的期望电压和与之对应的光伏组件的最大功率点电压之比不低于第二增益时其进入升压的第二模式，当电压转换器输出的期望电压和与之对应的光伏组件的最大功率点电压之比介于第一增益和第二增益之间时其进入输出电压等于输入电压的第三模式。

Description

用于功率优化的电压转换器及其模式切换方法

技术领域

本发明主要涉及到太阳能的发电领域，更确切的说，是涉及到在含有光伏组件的发电***中提出了对直流电源适应性地采用升压或降压的切换方案，保障直流母线电压的平缓改变而避免过激的振荡及其尽量降低电压转换器的功率损耗。

背景技术

在大规模的集中式和电池组串式的集总优化的方案中，目标是完成组件串联构成的电池组串级别的最大功率点跟踪，弊端是如果电池组串中的某些电池老化、损坏或处于被阴影遮挡的状态时，将严重影响一个电池组串的整体发电效率。业界的应对措施，主要的解决手段是单独地为每一块组件都配备一个独立功率优化器而实施最大功率追踪，以期待颠覆传统的集总优化的方案，有益的效果是：因为设计的发电***中每一个组件都是在本地优化后输送最大的功率给到逆变器，藉此在同一个电池组串中不同的组件通过优化器自行平衡输入参数和输出参数。关于电池的特性，光伏电池不是按照设想的那样能够作为完美的直流电源，光伏电池无论是输出电流还是输出电压以及输出的对外功率，都是随着周边环境温度和光辐照强度等一些外部因素的变化而变化，导致了通常的光伏组件在能量的优化方面无法达到最优的吸收。光伏组件是逐步老化的，电池性能和品质在几十年的寿命时段内是不断地衰退，同一批次的不同电池之间的工作曲线也并非完全一致，数量众多电池板更导致了电池之间的老化程度不一致和电池特性不一致。现有技术针对效率优化器并没有提供较为完善的升压或降压切换方案来避免功率的损耗。

功率优化器在本地自我平衡输出参数和输出参数，而不必再要求逆变器以整体性的形式来集总优化，关于平衡输入和输出：功率优化器主要是寻找光伏组件的输出电压和输出电流计算得到的最大功率点，而且功率优化器同时还将自身的输出电压和输出电流设置成与光伏组件的输出电压和输出电流没有直接的关系。考虑到光伏电站的以上弊端尤其是光伏组件的不匹配问题，不匹配主要是电池电压和电流的组合造成的，电池被建筑物遮挡或电池表面吸附灰尘、云层遮挡、程度不同的老化和温度及辐射强度的急剧变化等，都是不匹配的诱引，不匹配问题直接导致光伏组件产生不平衡的功率损失。光伏电池输出的最大功率点取决于优选的输出电流乘以优选的输出电压，在任何环境条件的状态下，每块光伏电池都存在着某个最大的功率点，关于最大功率点的追踪方案，业界在很多现有技术已经进行了充分的讨论：如中国专利申请201110097292.1披露的光伏功率优化器包含多路串联并行的电池组件，每一个组件连接一个带优化功能的效率优化器，且每个电池组件模块的输出在功率优化器模块的输入点接入，主要目的在于利用效率优化器优化每块光伏电池板的效能，即便是电池组串中的任意某几块电池板出现失配问题时，余下的电池仍然能够输出最大功率，以追求能够补偿因失配问题而产生的发电量损失的效果。

发明内容

在可选的实施例中，本申请披露了一种用于功率优化的电压转换器，包括：

多个电压转换器并且每一个电压转换器从相应的一个光伏组件吸取电能；

多个电压转换器相互串联且它们各自的输出电压叠加获得直流母线电压；

多个电压转换器对应的多个光伏组件各自输出的对外功率相加为总功率；

任意一个电压转换器输出的期望电压等于与之对应的光伏组件的对外功率比上总功率计算出的比值再乘以直流母线电压的设定值；

任意一个电压转换器在第一至三模式之间切换：

当其输出的期望电压和与之对应的光伏组件的最大功率点电压之比不超过第一增益时电压转换器进入降压的第一模式；

当其输出的期望电压和与之对应的光伏组件的最大功率点电压之比不低于第二增益时电压转换器进入升压的第二模式；

当其输出的期望电压和与之对应的光伏组件的最大功率点电压之比介于第一增益和第二增益之间时电压转换器进入输出电压等于输入电压的第三模式。

上述的用于功率优化的电压转换器，其中：

第一增益G1满足0.9≤G1＜1，第一增益G1等效于是电压转换器在第一模式下的最大占空比。

第二增益G2满足1＜G2≤1.1，第二增益G2计算的式子（1-1/G2）是电压转换器在第二模式下的最小占空比。

上述的用于功率优化的电压转换器，其中：

设置每一个电压转换器具有耦合到相应的光伏组件正极的第一输入端和具有耦合到相应的光伏组件负极的第二输入端、具有提供输出电压的第一和第二输出端；

第三模式下的电压转换器的第一输入端直接短路到第一输出端以及第二输入端直接短路到第二输出端。

上述的用于功率优化的电压转换器，其中：

任意一个光伏组件从未被遮挡逐步转向发生被遮挡时；

被遮挡的光伏组件输出的对外功率占总功率的份额逐步降低，促使其所对应的电压转换器从光伏组件未被遮挡时的第二模式经由第三模式过渡到被遮挡时的第一模式。

上述的用于功率优化的电压转换器，其中：

任意一个光伏组件从被遮挡逐步转向解除被遮挡时；

被遮挡的光伏组件输出的对外功率占总功率的份额逐步升高，促使其所对应的电压转换器从光伏组件被遮挡时的第一模式经由第三模式过渡到未被遮挡时的第二模式。

上述的用于功率优化的电压转换器，其中：

电压转换器在从第二模式到第三模式的切换阶段，电压转换器输出侧的输出电容上的电荷倒灌到电压转换器输入侧的输入电容，迫使电压转换器输出侧的输出电压的变化趋势与电压转换器从第二模式到第一模式的切换所要求的输出电压的变化趋势趋同。

上述的用于功率优化的电压转换器，其中：

电压转换器在从第一模式到第三模式的切换阶段，电压转换器输入侧的输入电容上的电荷流向电压转换器输出侧的输出电容上，迫使电压转换器输出侧的输出电压的变化趋势与电压转换器从第一模式到第二模式的切换所要求的输出电压的变化趋势趋同。

上述的用于功率优化的电压转换器，其中：

多个光伏组件在第二环境条件下的总功率比第一环境条件下的总功率大；以及

直流母线电压在第二环境条件下的设定值高于第一环境条件下的设定值；并且

第一和第二环境条件均包括光伏组件所处环境的光照强度因素和环境温度因素。

上述的用于功率优化的电压转换器，其中：

电压转换器为正极性的Buck-Boost电路，用于将与之对应的一个光伏组件的输出电压和输出电流设置在最大功率点处。

在另一个可选的实施例中，本申请还披露了一种用于功率优化的电压转换器的模式切换方法，其特征在于其中：

将多个电压转换器予以串联连接并通过叠加它们各自的输出电压获得直流母线电压；

利用每一个电压转换器从相应的一个光伏组件吸取电能；

设定多个电压转换器对应的多个光伏组件各自输出的对外功率相加得到总功率；

任意一个电压转换器输出的期望电压等于与之对应的光伏组件提供的对外功率比上总功率计算出的比值再乘以直流母线电压的设定值；

所述的方法包括：

当电压转换器输出的期望电压和与之对应的光伏组件的最大功率点电压之比不超过第一增益时电压转换器切换进入降压的第一模式；

当电压转换器输出的期望电压和与之对应的光伏组件的最大功率点电压之比不低于第二增益时电压转换器切换进入升压的第二模式；

当电压转换器输出的期望电压和与之对应的光伏组件的最大功率点电压之比介于第一增益和第二增益之间时电压转换器切换进入输出电压等于输入电压的第三模式。

上述的方法，其中：

第一增益G1满足0.9≤G1＜1；第二增益G2满足1＜G2≤1.1。

上述的方法，其中：

设置每一个电压转换器具有耦合到相应的光伏组件正极的第一输入端和具有耦合到相应的光伏组件负极的第二输入端、具有提供输出电压的第一和第二输出端；

在电压转换器切换进入第三模式时：

如果第一输入端和第一输出端之间设有开关，则电压转换器配置的处理器还执行驱动它们之间的开关接通的步骤，如果它们之间直接短接在一起则跳过处理器的驱动步骤；

如果第二输入端到第二输出端之间设有开关，则电压转换器配置的处理器还执行驱动它们之间的开关接通的步骤，如果它们之间直接短接在一起则跳过处理器的驱动步骤。

上述的方法，其中：

任意一个光伏组件从未被遮挡逐步转向发生被遮挡时；

被遮挡的光伏组件输出的对外功率占总功率的份额逐步降低，促使其所对应的电压转换器从光伏组件未被遮挡时的第二模式经由第三模式过渡到被遮挡时的第一模式。

上述的方法，其中：

任意一个光伏组件从被遮挡逐步转向解除被遮挡时；

被遮挡的光伏组件输出的对外功率占总功率的份额逐步升高，促使其所对应的电压转换器从光伏组件被遮挡时的第一模式经由第三模式过渡到未被遮挡时的第二模式。

上述的方法，其中：

电压转换器在从第二模式到第三模式的切换阶段，电压转换器输出侧的输出电容上的电荷倒灌到电压转换器输入侧的输入电容，迫使电压转换器输出侧的输出电压的变化趋势与电压转换器从第二模式到第一模式的切换所要求的输出电压的变化趋势趋同。

上述的方法，其中：

电压转换器在从第一模式到第三模式的切换阶段，电压转换器输入侧的输入电容上的电荷流向电压转换器输出侧的输出电容上，迫使电压转换器输出侧的输出电压的变化趋势与电压转换器从第一模式到第二模式的切换所要求的输出电压的变化趋势趋同。

上述的方法，其中：

第一增益G1等效于电压转换器在第一模式下的最大占空比；

第二增益G2计算的式子1-1/G2是电压转换器在第二模式下的最小占空比。

本申请主要涉及到光伏组件的功率或效率优化，电压转换器采用可升压或降压的电路拓扑结构，考虑到升压和降压的切换会引起输出电压甚至母线电压的振荡，因此在含有光伏组件的发电***中提出了对电池适应性地采用三种模式切换的方案，保障直流母线电压的平缓过渡而避免过激的波动及其尽量降低电压转换器损耗组件的电能。

附图说明

为使上述目的和特征及优点能够更加明显易懂，下面结合附图对具体实施方式做详细的阐释，阅读以下详细说明并参照以下附图之后，本申请的特征和优势将显而易见。

图1是众多的光伏组件先串联连接后再将总功率提供给逆变器的示意图。

图2是光伏组件配置的功率优化器采用的正极性升降压型拓扑的示意图。

图3是作为功率优化器的升降压型电压转换器在不同模式间切换的范例。

图4是不同模式下升降压型电压转换器调制光伏组件的输出特性的范例。

图5是电压转换器在升压模式和降压模式间迅速切换引起的电压的波动。

图6是电压转换器在三种不同模式之间切换能够平缓母线的电压的波动。

具体实施方式

下面将结合各实施例，对本发明的技术方案进行清楚完整的阐述，但所描述的实施例仅是本发明用作叙述说明所用的实施例而非全部的实施例，基于该等实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的方案都属于本发明的保护范围。

在采用光伏组件的太阳能发电领域，阴影遮挡会造成光伏组件之间的失配，光伏组件的电池输出特性体现在输出电压和输出电流与光照强度和环境温度等外部因素存在着密切的关联，外部环境因素的不确定性，导致最大输出功率和最大功率点的对应电压跟随着外部因素的变化而变化，实现组件的最大功率点追踪是本申请的目的。

参见图1，光伏组件阵列是光伏发电***从光能到电能转换的基础，光伏组件阵列中安装有多个电池组串，电池组串由多个串联连接的光伏组件PV1至PVN串接构成。每块光伏组件或称电池均配有执行最大功率追踪演算的电压转换器或功率优化器。在某个电池组串中譬如第一级光伏组件PV1产生的电能由第一级电压转换器CH1进行功率转换以执行功率优化，以及第二级光伏组件PV2产生的电能由第二级电压转换器CH2进行功率转换以执行功率优化，依此类推，直至第N级的光伏组件PVN所产生的电能由第N级的电压转换器CHN进行功率转换以执行功率优化，N为不低于1的自然数。电压转换器或功率优化器又称最大功率点***，通常使用特定类型的拓扑来搜索最大功率点，并允许电压转换器从光伏组件中提取尽可能大的最大功率。

参见图1，设定第一级电压转换器CH1输出电压V_O1，第二级电压转换器CH2输出电压V_O2，…依此类推，直至第N级的电压转换器CHN输出电压V_ON。任意一串光伏电池组串上总的串级电压通过计算大约为V_O1+V_O2+…V_ON=V_BUS。不同的多组电池组串并联连接在母线LN1和LN2之间：如果定义多级电压转换器CH1-CHN构成某个链路则不同的多个链路并联连接在母线LN1和LN2之间。光伏组件阵列提供的总的电能由直流母线输送给能源/能量收集装置，能源收集装置的类型有多种选择，至少包括图1中可将直流电逆变成交流电的逆变器INVT或包括为蓄电池充电的充电器等。实质上图1中的光伏组件仅仅是作为直流电源也即被优化对象的特定范例，电压转换器不但兼容晶硅电池还可以匹配到部分薄膜电池中，光伏组件也可以被替换成化学电池或电瓶或蓄电池等，电压转换器更广泛的意义是对不同类型的直流电源实施功率优化，如风能和燃料电池等。现有技术中针对直流电源的最大功率追踪的任何方案同样适用于本申请的电压转换器，常见的最大功率追踪法有恒定电压法、电导增量法、扰动观察法等MPPT算法，譬如使用的开路电压法和短路电流法等属于相对较为简单的方案，但追踪精度相对较低。

参见图1，电压转换器归属于电力电子设备，主要目的是实现个体光伏组件的最大功率点跟踪的功能。降压Buck电路、升压Boost电路、升降压Buck-Boost电路和另外库克变换器CUK电路等，是适用于光伏电压转换器的主电路拓扑。该等主电路本质上还是属于开关电源SMPS***的范畴，只不过经过功能改造而兼有功率优化的效能，开关电源***通常是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。开关电源实现的功率变换是其核心部分，为了满足高功率密度要求而要求转换器工作在高频状态并且开关晶体管须采用开关速度高、导通和关断时间短的功率开关，譬如功率晶闸管、功率场效应晶体管和绝缘型双极型晶体管等。开关变换器的主要控制方式分为脉冲宽度调制、脉冲频率调制等多种，常用脉宽调制方案。本申请的开关电源转换器所体现出的是一个直流电到直流电的降压或升压的电压变换器，电压转换器对单组件进行最大功率优化后，能量被传输给逆变器进行直流到交流电的处理后，供本地使用或并网。以上是功率优化器或电压转换器的背景知识。逆变器INVT通常可以是无最大功率追踪的纯逆变设备或配有二级最大功率追踪的逆变设备。

参见图1，以数量为N的多个光伏组件PV1-PVN和相应的数量为N的串联的电压转换器CH1-CHN以及配套的逆变器INVT作为范例来阐释整个发电***。电压转换器有耦合到光伏组件的输入端和提供输出功率的输出端。譬如第一级电压转换器CH1输入侧的第一输入端耦合到第一级光伏组件PV1的正极，第一级电压转换器CH1输入侧的第二输入端耦合到第一级光伏组件PV1的负极，输入侧接收到的电能被转换成在第一级电压转换器CH1输出侧的第一输出端和第二输出端处的输出功率。光伏组件PV2-PVN和电压转换器CH2-CHN的对应关系已经展示在图中。要求电压转换器CH1-CHN按照如下规律串联连接：串联的多级电压转换器CH1-CHN提供的总的串级电压等于它们各自的输出电压的叠加值。从而：在第一级电压转换器CH1耦合到的母线LN1和在第N级的电压转换器CHN耦合的母线LN2之间能提供总的串级电压V_BUS=V_O1+V_O2+…V_ON。功率优化器的最主要的核心意义在于：某个电压转换器需要将与之配对某个直流电源的输出电流和输出电压设置成该直流电源的最大功率点，换言之，电压转换器需要将自身的输出电流设置成与其配对的直流电源的输出电流无直接关联性，电压转换器需要将自身的输出电压设置成与其配对的直流电源的输出电压无直接关联性。

参见图1，传统串联型的功率优化器采用的是固定电压的设计理念。逆变器根据交流端电压确认一个稳定的直流母线的电压，汇总串联的功率优化器收集的最大功率，进而计算出母线电流并通过无线或电力载波信号传输给功率优化器。功率优化器输出端的电压等于收集的组件最大功率的功率除以母线电流。如多级电压转换器CH1-CHN收集的最大功率被输送给逆变器INVT，光伏组件PV1-PVN提供的总功率除逆变器INVT的直流母线的固定电压就能计算出母线电流。组件出现被遮挡的情况后，被遮挡的电池所对应的功率优化器根据伏安曲线重新确定最大输出功率值，通过通信手段传输给逆变器。在维持直流母线电压不变的前提下，重新计算母线电流如变小并反馈给各电压转换器。此时被遮挡的光伏组件的功率降低，它对应的电压转换器也会降压来确认输出电流达标。其他未被遮挡的光伏组件的电压转换器则会升压来达标输出电流，这个动态的调节程序其实是电压补足的过程，从而提供给逆变器的直流端母线电压被稳定。

参见图2，多级电压转换器CH1-CHN均配有处理器PROC，除了MPPT是由处理器输出的脉冲宽度调制信号PWM实现的，处理器和它配置的外设硬件还可以采集直流电源或电压转换器的各类目标参数，相当于数据采集器，因为我们能够撷取这些目标参数数据是十分有意义的，如基于每个电池组串的总功率来计算母线电流和知晓每个电压转换器被分配输出的期望电压值。在可选的实施例中，外设硬件可以将光伏组件的电压和电流和功率以及温度和发电量等等一系列的相关指定目标参数信息进行采集，如电压参数由电压传感器111采集、电流参数由电流传感器112采集、温度参数由温度感应器等外设硬件采集、光照辐射强度有光照传感器采集。电压转换器的输出电压也可以通过电压传感器侦测。外设硬件的种类越多处理器能够得到的和光伏组件相关的参数种类也就越多。在更简单的实施例中，各类目标参数还可以包括通过环境监测仪来侦测到的光伏组件所处的周边环境因素数据：环境温度及湿度、风速、光照强度和气压等，环境监测仪是一种高集成度的数据采集器。在可选的实施例中，电压转换器彼此之间通过无线通信或载波通信可以互传数据或电压转换器和逆变器INVT之间通过无线通信或载波通信互传数据。

参见图1，太阳能这种能源被有效利用的实现方法，包括提供数量为N的电压转换器和数量为N的光伏组件，电压转换器CH1-CHN与光伏组件PV1-PVN以一对一的方式进行功率转换/优化，自然数N＞1。提供一个用于对电压转换器CH1-CHN的输出功率进行汇聚的逆变器INVT，其中为逆变器INVT供电的母线电压V_BUS等于多个电压转换器各自的输出电压V_O1+V_O2+…V_ON的叠加值，逆变器是直流电到交流电的转换设备。

参见图1，功率优化器也即电压转换器CH1-CHN的功能在于能够检测出光伏组件的最大功率点电压，功率优化器常用的MPPT方法的原理及特点：早期用于光伏组件的输出功率控制主要利用电压回授法Constant Voltage Tracking，这种跟踪方式忽略了温度对太阳电池的开路电压的影响，所以开路电压法和短路电流法被提出来了，它们的共性基本是非常近似的处理最大功率点。为了更精准的捕获最大功率点，扰动观察法和占空比扰动法甚至电导增量法等被提出来了。扰动观察法工作原理为测量当前阵列输出功率，然后在原输出电压上增加一个小电压分量扰动，其输出功率会发生改变，测量改变后的功率并比较改变前后功率的大小即可知道功率变化的方向，如果功率增大就继续使用原扰动而如果减小则改变原扰动方向。占空比扰动的工作原理为：光伏阵列和负载之间的接口通常采用脉冲宽度调制信号控制的电压变换器，通过调整脉冲宽度调制信号的占空比来调节变换器的输入与输出关系，从而实现阻抗匹配的功能，因此占空比的大小实质上已经决定了光伏电池的输出功率的大小。电导增量法与前述扰动观察法可说是殊途同归，最大的差别仅仅在于逻辑判断式与测量参数，虽然增量电导法仍然是以改变光伏电池输出电压来达到最大功率点，但是借着修改逻辑判断式来减少在最大功率点附近的振荡现象，使其更适应于日照强度和温度瞬息变化的气候条件。实际测量法、模糊逻辑法、功率数学模型法、间歇扫描跟踪法、最优梯度法、三点重心比较法等属于不太常用的最大功率点追踪方案，藉此我们可以获悉所谓的MPPT算法是多样性的，本申请不再赘述。

在光照强度不同的辐射等级下光伏组件的功率-电压曲线也不同，可归纳为：在光照强度不一致的情况下，光伏组件的功率-电压曲线表现的特性是辐射强度越大，光伏电池的输出功率越大，反之则输出功率越小。光照强度变化譬如阴影遮挡会导致光伏组件的最大功率点发生改变，电压转换器需要在功率-电压上去追踪最大功率点。光伏组件的特性还在于短路电流随着光照强度的变化而变化，光照越强则短路电流越大，开路电压略微增大但认为它几乎不发生较大幅度的变化。光伏电池的输出特性与温度也有关，表现为温度越高则短路电流略微变大，但开路电压降低和最大输出功率越小。在基本相同的外部环境条件下光伏组件有唯一的最大输出功率点，在最大功率点左侧，输出功率随光伏组件的输出电压上升而呈现线性上升趋势，到达最大功率点后，输出功率迅速下降，最大功率点右侧的功率下降的速度远大于它在最大功率点左侧的上升速度。

参见图2，前文已经介绍了功率优化器的主拓扑电路，光伏组件PVK利用图示的电压转换器CHK（自然数K是1至N中的某个数字）产生期望的输出电压同时执行最大功率点追踪。电压转换器CHK输入侧的第一输入端IN₁耦合到光伏组件PVK正极端处并且还有第二输入端IN₂耦合到光伏组件PVK的负极端处。相对应的电压转换器CHK在输出侧的第一输出端NO₁和第二输出端NO₂之间提供输出电压及转换功率，另外拓扑中还设有输入电容CI被连接在第一输入端IN₁和第二输入端IN₂之间以及输出电容CO被连接在第一输出端NO₁和第二输出端NO₂之间。电压转换电路或称为功率优化器将光伏组件提供的直流电执行DC/DC的电压转换并亦即同步执行最大功率追踪演算。在拓扑结构中电压转换器CHK中的降压转换电路模块的功率开关S1和功率开关S2两者串联连接在第一输入端IN₁和第二输入端IN₂之间，以及还有电压转换器CHK的升压转换电路的功率开关S3和功率开关S4串联连接在第一输出端NO₁和第二输出端NO₂之间。因此主拓扑电路采用了一个可升压和降压的开关电源，降压转换电路和升压转换电路两者共用相同的电感器件。在可选的实施例中，降压转换电路的功率开关S1和功率开关S2两者相连于第一互连节点NX1，以及升压转换电路模块中的功率开关S3和功率开关S4两者相连于第二互连节点NX2，升降压电路Buck-Boost拓扑中前侧的功率开关S1-S2两者相连的第一互连节点NX1与后侧功率开关S3-S4两者相连的第二互连节点NX2之间设置有主电感元件L，其中第二输出端NO₂和第二输入端IN₂可以直接耦合到一起或者设定它们的电位基本相同。功率优化器配置的处理器PROC带有的脉宽调制器发出的几路脉冲调制信号用于驱动功率开关S1-S4，可以借助驱动能力更强的驱动器来驱动。

参见图2，电压转换器CHK包括直流到直流的升降压型电压转换器，在其被确定的输出电压V_OK高于与之对应的光伏组件PVK的最大功率点对应的电压V_MP时，则该电压转换器CHK由脉冲宽度调制信号PWM控制工作于升压模式，期间升压转换电路模块来抬升电压而降压转换电路模块的功率开关S1持续接通和功率开关S2持续关断，升压转换电路中的功率开关S3-S4两者则高频交替接通。在一个可选实施例中，如果认为电压转换器输出的期望电压和与之对应的光伏组件的最大功率点电压之比不低于第二增益时电压转换器进入升压的第二模式。光伏组件PV1-PVN分别提供对外功率P1-PN而且光伏组件PV1-PVN输出的对外功率P1-PN相加计算出总功率PT=P1+P2…+PN，通常认为电压转换器CHK输出的期望电压V_OK应该符合一定的条件，假设光伏组件PVK提供的对外功率为PK，则电压转换器CHK输出的期望电压V_OK=(PK/PT)×V_BUS，直流母线电压的设定值VREF最终在稳态时要求VREF=V_BUS。当输出的期望电压V_OK和与之对应的光伏组件PVK的最大功率点电压之比不低于第二增益G2时则控制电压转换器进入升压的第二模式MOD2，参见图3所示的BOOST模式。

参见图2，电压转换器CHK包括直流到直流的升降压型电压转换器，在其被确定的输出电压V_OK低于与之对应的光伏组件PVK的最大功率点对应的电压V_MP时，则该电压转换器CHK由脉冲宽度调制信号PWM控制工作于降压模式，期间降压转换电路模块来拉低电压而升压转换电路模块的功率开关S4持续接通和功率开关S3持续关断，降压转换电路中的功率开关S1-S2两者则高频交替接通。在一个可选实施例中，如果认为电压转换器输出的期望电压和与之对应的光伏组件的最大功率点电压之比不超过第一增益时电压转换器进入降压的第一模式。光伏组件PV1-PVN分别提供对外功率P1-PN而且光伏组件PV1-PVN输出的对外功率P1-PN相加计算出总功率PT=P1+P2…+PN，通常认为电压转换器CHK输出的期望电压V_OK应该符合一定的条件，假设光伏组件PVK提供的对外功率为PK，则电压转换器CHK输出的期望电压V_OK=(PK/PT)×V_BUS，直流母线电压的设定值VREF最终在稳态时要求VREF=V_BUS。当其输出的期望电压V_OK和与之对应的光伏组件PVK的最大功率点电压之比不超过第一增益G1时则控制电压转换器进入降压的第一模式MOD1，参见图3所示的BUCK模式。

参见图2，电压转换器CHK包括直流到直流的升降压型电压转换器，在其被确定的输出电压V_OK接近光伏组件PVK的最大功率点对应的电压V_MP时，也即两者的电压近乎相等时，按照常规设计，功率优化器由脉冲宽度调制信号控制工作于含升压模式和降压模式的混合模式Mixed-mode，关于Buck-Boost电路工作于含升压模式和降压模式属于已知的技术，例如开关S1/S3接通而S2/S4关断后再切换到S2/S4接通而开关S1/S3同时关断并以此模式循环等。作为可选的实施例，输出电压V_OK近乎等于电压V_MP时还可以将用作高频开关电源SMPS模式的功率优化器CHK控制工作于直通模式：耦合到光伏组件正极的第一输入端IN₁直接被短接到提供输出电压的第一输出端NO₁譬如该两个端子间的功率开关S1/S4接通，而同时值得注意的是，第一输入端IN₁/第一输出端NO₁短接的两者与第二输入端IN₂/第二输出端NO₂短接的两者之间的开关S2/S3须关断；耦合到光伏组件负极的第二输入端IN₂直接短接到提供输出电压的第二输出端NO₂，如果第二输入端IN₂和第二输出端NO₂之间耦合有任何开关则必须此开关必须接通。功率优化器的升压或降压功能保障了其输出电压的高低可调节性。参见图3，当电压转换器输出的期望电压V_OK和光伏组件PVK的最大功率点电压之比介于第一增益G1和第二增益G2之间时电压转换器进入输出电压等于输入电压的第三模式MOD3。在电压转换器切换进入第三模式时：如果第一输入端IN₁和第一输出端NO₁之间设有开关S1/S4，则电压转换器配置的处理器PROC还执行驱动它们之间的开关S1/S4接通的步骤，如果它们之间直接短接在一起则跳过处理器的驱动步骤；如果第二输入端IN₂到第二输出端NO₂之间设有任何开关，则处理器PROC还执行驱动它们之间的开关接通的步骤，如果它们之间直接短接在一起则跳过处理器PROC的驱动步骤。以图2的实施方式作为示范，毫无疑虑四开关管的拓扑中在第一输入端IN₁和第一输出端NO₁之间设有开关，那么第三模式要求处理器驱动这些开关接通；第二输入端IN₂到第二输出端NO₂之间没有任何开关则处理器无须再去接通这些不存在的开关，相反如果第二输入端IN₂到第二输出端NO₂之间设有开关则第三模式要求处理器必须接通这些开关。

参见图3，电压转换器的模式切换方法：将多个电压转换器CH1-CHN予以串联连接并通过叠加它们各自的输出电压获得直流母线电压V_BUS，利用每一个电压转换器从相应的一个光伏组件吸取电能，设定电压转换器CH1-CHN对应的光伏组件PV1-PVN各自输出的对外功率相加得到总功率PT，任意电压转换器CHK输出的期望电压V_OK等于与之对应的光伏组件PVK提供的对外功率PK比上总功率PT计算出的比值PK/PT再乘以直流母线电压的设定值。该方法包括：当电压转换器CHK输出的期望电压V_OK和与之对应的光伏组件PVK的最大功率点电压之比不超过第一增益G1时电压转换器CHK切换进入降压的第一模式MOD1；或者，当电压转换器CHK输出的期望电压V_OK和与之对应的光伏组件PVK的最大功率点电压之比不低于第二增益G2时电压转换器CHK切换进入升压的第二模式MOD2；或者，当电压转换器CHK输出的期望电压V_OK和与之对应的光伏组件的最大功率点电压之比介于第一增益G1和第二增益G2之间时电压转换器CHK切换进入输出电压V_OK等于输入电压V_IN的第三模式MOD3。在可选的实施例中，电压转换器被切换进入第一模式MOD1的条件是第一增益G1等效于是电压转换器在第一模式下的最大占空比D_BMAX，如果V_OK/V_MP不超过D_BMAX则电压转换器工作在第一模式。在其他的可选的实施例中，电压转换器被切换进入第二模式MOD2的条件是第二增益G2计算出的式子（1-1/G2）是电压转换器在第二模式MOD2下的最小占空比，如果V_OK/V_MP不低于最小占空比D_SMIN则电压转换器应该工作在第二模式。最大占空比D_BMAX主要指的是降压转换模块里面功率开关S1的占空比，而最小占空比D_SMIN则主要指的是升压转换模块里面功率开关S3的占空比，来适配性的适应遮挡情况，通常而言被遮挡的组件应该进入最大占空比控制模式，没有遮挡的那些组件应该进入最小占空比的控制模式。

参见图4，在光伏发电***中采纳图1的功率优化器/电压转换器之后，串联的电压转换器针对不同的阴影遮挡实况调整为不同工作模式，阴影遮挡使被遮挡的光伏组件的输入电流明显地降低，假设期间电压转换器的输入端是固定不变的，根据前文的内容电压转换器会自行调节电压增益，改变电压转换器的输出端电压和电流，使阴影遮挡光伏组件所对应的电压转换器的输出端电压降低，无阴影遮挡的光伏组件所对应的电压转换器的输出端电压则相对增大，即图4中的曲线106和108。曲线108为无阴影遮挡光伏组件的最大功率点追踪曲线，也即电压转换器进入第二模式MOD2；曲线106为阴影遮挡的光伏组件的最大功率点追踪曲线，也即电压转换器进入第一模式MOD1。阴影遮挡的光伏组件对应的电压转换器的输出端电压V_O降低和电流I_O升高，无阴影遮挡的光伏组件对应的电压转换器的输出端电压V_O升高和电流I_O降低。

参见图5，在一个实施例中，初始状态为电压转换器CHK的期望电压V_OK和与之对应的光伏组件PVK的最大功率点电压之比不低于第二增益G2，电压转换器CHK初始是工作在升压的第二模式MOD2。假设的光伏组件PVK是建筑物屋顶的某块电池，随着地平线上日起东方和日落西方，光伏组件PVK上午的光照辐射逐步变强和下午的光照逐步变弱甚至还会发生遮挡和解除遮挡的情况。也即光伏组件PVK可能会从第二模式转向切换到第一模式，这个切换的过程既可以是相对缓慢的例如随着日光的缓缓变化，又可能是非常急剧的变化例如飘过来的云朵的遮挡。图5中横坐标TIME表示时间而纵坐标表示电压转换器的输出电压，在某个时刻点T1电压转换器从第二模式转向切换到第一模式并导致电压转换器的输出电压V_O有一个不小的电压落差，单独的某个电压转换器的输出电压落差或许还能接受，如果某个电池组串中的被遮挡的组件数目较多，一种情况是，遮挡的组件对应的一系列电压转换器的输出电压在瞬态的落差值相加，或许足够引起直流母线电压的大幅度波动和超出逆变器输入电压的耐受范围。

参见图6，假设光伏组件PVK从未被遮挡逐步转向发生被遮挡时，毫无疑虑被遮挡的光伏组件PVK输出的对外功率占前文中总功率PT的份额逐步降低，为了避免电压转换器CHK的输出电压V_O甚至直流母线的大幅振荡，处理器控制光伏组件PVK对应的电压转换器CHK从光伏组件未被遮挡时的第二模式MOD2经由第三模式MOD3过渡到被遮挡时的第一模式MOD1。假设时刻点T2前光伏组件PVK未被遮挡，在时刻点T3之后光伏组件PVK被遮挡而且这种遮挡造成的功率损失不允许被忽略，则我们可以控制电压转换器CHK从光伏组件未被遮挡时的第二模式MOD2经由第三模式MOD3过渡到被遮挡时的第一模式MOD1，也即电压转换器不直接从第二模式跳变到第一模式，而是先在时刻点T2之后切换到第三模式再在时刻点T3之后切换到第一模式，实质上第三模式大约经历了T2-T3之间的时段，优势是电压转换器CHK的输出电压在模式切换过程当中没有大幅度的落差变动而是幅度很小电压跌落，因此解决了前文提及的电压振荡和母线电压的波动问题。在某些实施例中，考虑到电压转换器不是直接从第二模式跳变到第一模式而是先在时刻点T2开始切换到第三模式再在时刻点T3之后切换到第一模式。我们返回到参见图2所示，则电压转换器CHK在从第二模式MOD2到第三模式MOD3的切换阶段也即约在时刻点T2开始，电压转换器CHK输出侧的输出电容CO上的电荷倒灌到电压转换器CHK输入侧的输入电容CI上，电容的能量传递措施迫使电压转换器CHK输出侧的输出电压的变化趋势是下降的，再者电压转换器CHK从第二模式到第一模式的切换也即时刻点T2前到时刻点T3后的切换也是要求电压转换器CHK的输出电压的变化趋势呈现出下降的态势，因此电压转换器CHK在从第二模式到第三模式的切换阶段，通过迫使电压转换器CHK的输出电压的变化趋势与电压转换器CHK从第二模式到第一模式的切换所要求的输出电压的变化趋势趋同，可以快速的动态响应阴影遮挡事件。

参见图6，假设光伏组件PVK从被遮挡逐步转向解除被遮挡时，毫无疑虑被遮挡的光伏组件PVK输出的对外功率占前文中总功率PT的份额逐步升高，同样为了避免电压转换器CHK的输出电压V_O甚至直流母线的大幅振荡，处理器控制光伏组件PVK对应的电压转换器CHK从光伏组件被遮挡时的第一模式MOD1经由第三模式MOD3过渡到未被遮挡时的第二模式MOD2。假设时刻点T4前光伏组件PVK被遮挡，在时刻点T5之后光伏组件PVK被遮挡的情况消失并可以输出最大的功率，控制电压转换器CHK从光伏组件被遮挡时的第一模式MOD1经由中间区段的第三模式MOD3过渡到解除被遮挡时的第二模式MOD2，并不直接从第一模式跳变到第二模式，反而是先在时刻点T4之后切换到第三模式再在时刻点T5之后切换到第二模式，实质上第三模式大约经历了T4-T5之间的时段，优势是电压转换器CHK的输出电压在模式切换过程当中没有大幅度的阶跃变动而是幅度很小阶梯增长，因此解决了前文提及的电压振荡和母线电压的波动问题。在某些实施例中，电压转换器不是直接从第一模式跳变到第二模式而是先在时刻点T4开始切换到第三模式再在时刻点T5之后切换到第二模式。电压转换器CHK从第一模式MOD1到第三模式MOD3的切换阶段约在时刻点T4开始，返回图2，电压转换器CHK输入侧的输入电容CI上的电荷流向电压转换器CHK输出侧的输出电容上CO，电容的能量传递措施迫使电压转换器CHK输出侧的输出电压的变化趋势是上升的，再者会发现电压转换器从第一模式到第二模式的切换也即时刻点T4前到时刻点T5后的切换也是要求电压转换器的输出电压的变化趋势呈现出上升的态势，电压转换器CHK在从第一模式到第三模式的切换阶段，通过迫使电压转换器CHK的输出电压的变化趋势与电压转换器CHK从原先的第一模式到第二模式的切换所要求的输出电压的变化趋势趋同，藉此电压转换器可以快速的动态响应光伏组件的阴影遮挡被解除的情况。

参见图6，在一个可选的实施例中，电压转换器CHK在从第二模式到第三模式的切换阶段，例如时刻点T2到T3，电压转换器CHK输出侧的输出电容CO上的电荷倒灌到电压转换器CHK输入侧的输入电容CI。返回图2，此期间原本功率开关S1/S4是受控被接通的而功率开关S2/S3是受控被关断的，但是作为可选的方案，此期间第三模式下的电压转换器CHK还可以将功率开关S2/S3间歇性的接通一次或多次，尤其是输出电压和输入电压的差值超过输出电压的纹波阈值时应该执行此动作，避免电压转换器的输出电压被过度拉低造成较大的纹波。此时，第三模式下可以将功率开关S2/S3两者之一或将两者间歇性的接通一次或多次，但选择仅仅只将S3间歇性的接通一次或多次较佳。

参见图6，在一个可选的实施例中，电压转换器CHK在从第一模式到第三模式的切换阶段，例如时刻点T4到T5，电压转换器CHK输入侧的输入电容CI上的电荷流向电压转换器CHK输出侧的输出电容CO上。返回图2，此期间原本功率开关S1/S4是受控被接通的而功率开关S2/S3是受控被关断的，但是作为可选的方案，此期间第三模式下的电压转换器CHK还可以将功率开关S2/S3间歇性的接通一次或多次，尤其是输入电压和输出电压的差值超过输出电压的纹波阈值时应该执行此动作，避免电压转换器的输出电压被过度拉高造成较大的纹波。此时，第三模式下可以将功率开关S2/S3两者之一或将两者间歇性的接通一次或多次，但选择仅仅只将S2间歇性的接通一次或多次较佳。

参见图1，直流母线电压V_BUS在某些实施例中可以不必是持续固定的，而是可以根据组件的光照情况和温度情况来动态调节。逆变器INVT的母线电压调节功能通常是试图将直流母线电压V_BUS拉回到等于直流母线电压的设定值VREF，反言之，如果逆变器的直流母线电压的设定值VREF根据组件的环境变化而适应性的被调整，则可以带来诸多有益的效果。譬如进入第一模式MOD1的电压转换器所对应的光伏组件的特性是功率有较大程度的衰减，可能将进入第二模式MOD2的电压转换器的输出电压逼近乃至超过电压转换器的最大输出电压值，导致***的崩溃。假设多个光伏组件PV1-PVN在第二环境条件下的总功率PT2比第一环境条件下的总功率PT1大，第一和第二环境条件均包括光伏组件所处环境的光照强度因素和环境温度因素，也即第二环境条件下的光照强度因素和环境温度因素导致光伏组件PV1-PVN的总功率PT2相对较大，第一环境条件下的光照强度因素和环境温度因素导致光伏组件PV1-PVN的总功率PT1相对较小。在此种情况如果直流母线电压在第二环境条件下的设定值VREF2高于第一环境条件下直流母线电压的设定值VREF1，相当于逆变器INVT的直流母线电压的设定值VREF根据组件的环境变化而适应性的被调整，则作为目标的母线电压V_BUS也随着设定值VREF2的较高范围被调节到较低范围的设定值VREF1，原本进入第二模式MOD2的电压转换器的输出电压由于母线电压的降低而不再可能超过电压转换器的最大输出电压值，间接的保护了发电***采用的多级电压转换器，这种保护机制还可以和图6的实施方式结合使用。

以上通过说明和附图的内容，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，上述的发明披露了现有的较佳实施例，但这些内容并不作为局限。对于本领域的技术人员而言在阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (13)

1.一种用于功率优化的电压转换器，其特征在于，包括：

多个电压转换器并且每一个电压转换器从相应的一个光伏组件吸取电能；

多个电压转换器相互串联且它们各自的输出电压叠加获得直流母线电压；

多个电压转换器对应的多个光伏组件各自输出的对外功率相加为总功率；

任意一个电压转换器输出的期望电压等于与之对应的光伏组件的对外功率比上总功率计算出的比值再乘以直流母线电压的设定值；

任意一个电压转换器在第一至三模式之间切换：

当其输出的期望电压和与之对应的光伏组件的最大功率点电压之比不超过第一增益时电压转换器进入降压的第一模式；

当其输出的期望电压和与之对应的光伏组件的最大功率点电压之比不低于第二增益时电压转换器进入升压的第二模式；

当其输出的期望电压和与之对应的光伏组件的最大功率点电压之比介于第一增益和第二增益之间时电压转换器进入输出电压等于输入电压的第三模式，设置每一个电压转换器具有耦合到相应的光伏组件正极的第一输入端和具有耦合到相应的光伏组件负极的第二输入端、具有提供输出电压的第一和第二输出端，第三模式下的电压转换器的第一输入端直接短路到第一输出端以及第二输入端直接短路到第二输出端。

2.根据权利要求1所述的用于功率优化的电压转换器，其特征在于：

第一增益G1满足0.9≤G1＜1，第一增益G1等效于是电压转换器在第一模式下的最大占空比；

第二增益G2满足1＜G2≤1.1，第二增益G2计算的式子1-1/G2是电压转换器在第二模式下的最小占空比。

3.根据权利要求1所述的用于功率优化的电压转换器，其特征在于：

任意一个光伏组件从未被遮挡逐步转向发生被遮挡时；

被遮挡的光伏组件输出的对外功率占总功率的份额逐步降低，促使其所对应的电压转换器从光伏组件未被遮挡时的第二模式经由第三模式过渡到被遮挡时的第一模式。

4.根据权利要求1所述的用于功率优化的电压转换器，其特征在于：

任意一个光伏组件从被遮挡逐步转向解除被遮挡时；

被遮挡的光伏组件输出的对外功率占总功率的份额逐步升高，促使其所对应的电压转换器从光伏组件被遮挡时的第一模式经由第三模式过渡到未被遮挡时的第二模式。

5.根据权利要求3所述的用于功率优化的电压转换器，其特征在于：

电压转换器在从第二模式到第三模式的切换阶段，电压转换器输出侧的输出电容上的电荷倒灌到电压转换器输入侧的输入电容，迫使电压转换器输出侧的输出电压的变化趋势与电压转换器从第二模式到第一模式的切换所要求的输出电压的变化趋势趋同。

6.根据权利要求4所述的用于功率优化的电压转换器，其特征在于：

电压转换器在从第一模式到第三模式的切换阶段，电压转换器输入侧的输入电容上的电荷流向电压转换器输出侧的输出电容上，迫使电压转换器输出侧的输出电压的变化趋势与电压转换器从第一模式到第二模式的切换所要求的输出电压的变化趋势趋同。

7.根据权利要求1所述的用于功率优化的电压转换器，其特征在于：

多个光伏组件在第二环境条件下的总功率比第一环境条件下的总功率大；以及

直流母线电压在第二环境条件下的设定值高于第一环境条件下的设定值；并且

第一和第二环境条件均包括光伏组件所处环境的光照强度因素和环境温度因素。

8.根据权利要求1所述的用于功率优化的电压转换器，其特征在于：

电压转换器为正极性的Buck-Boost电路，用于将与之对应的一个光伏组件的输出电压和输出电流设置在最大功率点处。

9.一种用于功率优化的电压转换器的模式切换方法，其特征在于，其中：

将多个电压转换器予以串联连接并通过叠加它们各自的输出电压获得直流母线电压；

利用每一个电压转换器从相应的一个光伏组件吸取电能；

设定多个电压转换器对应的多个光伏组件各自输出的对外功率相加得到总功率；

任意一个电压转换器输出的期望电压等于与之对应的光伏组件提供的对外功率比上总功率计算出的比值再乘以直流母线电压的设定值；

所述的方法包括：

当电压转换器输出的期望电压和与之对应的光伏组件的最大功率点电压之比不超过第一增益时电压转换器切换进入降压的第一模式；

当电压转换器输出的期望电压和与之对应的光伏组件的最大功率点电压之比不低于第二增益时电压转换器切换进入升压的第二模式；

当电压转换器输出的期望电压和与之对应的光伏组件的最大功率点电压之比介于第一增益和第二增益之间时电压转换器切换进入输出电压等于输入电压的第三模式；

设置每一个电压转换器具有耦合到相应的光伏组件正极的第一输入端和具有耦合到相应的光伏组件负极的第二输入端、具有提供输出电压的第一和第二输出端；在电压转换器切换进入第三模式时：如果第一输入端和第一输出端之间设有开关，则电压转换器配置的处理器还执行驱动它们之间的开关接通的步骤，如果它们之间直接短接在一起则跳过处理器的驱动步骤；如果第二输入端到第二输出端之间设有开关，则电压转换器配置的处理器还执行驱动它们之间的开关接通的步骤，如果它们之间直接短接在一起则跳过处理器的驱动步骤。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：

任意一个光伏组件从未被遮挡逐步转向发生被遮挡时；

被遮挡的光伏组件输出的对外功率占总功率的份额逐步降低，促使其所对应的电压转换器从光伏组件未被遮挡时的第二模式经由第三模式过渡到被遮挡时的第一模式。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：

任意一个光伏组件从被遮挡逐步转向解除被遮挡时；

被遮挡的光伏组件输出的对外功率占总功率的份额逐步升高，促使其所对应的电压转换器从光伏组件被遮挡时的第一模式经由第三模式过渡到未被遮挡时的第二模式。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：

电压转换器在从第二模式到第三模式的切换阶段，电压转换器输出侧的输出电容上的电荷倒灌到电压转换器输入侧的输入电容，迫使电压转换器输出侧的输出电压的变化趋势与电压转换器从第二模式到第一模式的切换所要求的输出电压的变化趋势趋同。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：

电压转换器在从第一模式到第三模式的切换阶段，电压转换器输入侧的输入电容上的电荷流向电压转换器输出侧的输出电容上，迫使电压转换器输出侧的输出电压的变化趋势与电压转换器从第一模式到第二模式的切换所要求的输出电压的变化趋势趋同。

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