專利名稱：用于獲取使能電源特性的確定的信息的方法
用于獲取使能電源特性的確定的信息的方法本發(fā)明通常涉及用于獲取使能例如光伏電池或電池陣列或者燃料電池等電源的例如最大功率點等特性的確定的信息的器件。光伏電池將太陽能能量直接轉換為電能。光伏電池所產生的電能能夠隨時間來提取并且以電力的形式來使用。將光伏電池所提供的直流電力提供給例如DC-DC升壓/降壓轉換器電路和/或DC/AC逆變器電路等轉換裝置。但是，光伏電池的電流-電壓下垂特性引起輸出功率隨著從光伏電池所吸取的電流而非線性地改變。功率-電壓曲線根據(jù)例如光輻射水平和操作溫度等氣候變化而改變。操作光伏電池或電池陣列的近最佳點在其中功率為最大的電流-電壓曲線的區(qū)域處或其附近。此點稱作最大功率點(Maximum Power Point, MPP)。
重要的是在MPP附近操作光伏電池，以優(yōu)化其電力產生效率。隨著功率-電壓曲線根據(jù)氣候變化而改變,MPP也根據(jù)氣候變化而改變。于是，需要能夠在任何時間識別MPP。本發(fā)明旨在提供一種器件，該器件使能獲取表示例如光伏電池陣列等的電源的輸出電流和電壓變化的信息以確定MPP。為此目的，本發(fā)明涉及一種用于獲取使能電源的例如最大功率點等特性的確定的信息的器件，其特性為，用于獲取使能電源特性的確定的信息的器件包括用于監(jiān)測鏈接到電源的電感器上的電壓以獲取使能電源特性的確定的信息的部件。本發(fā)明還涉及一種用于獲取使能可連接到直流轉換器的電源的例如最大功率點等特性的確定的信息的方法，其特性為，該方法包括監(jiān)測鏈接到電源的電感器上的電壓以獲取使能電源特性的確定的信息的步驟。因此，有可能獲取表示電源的輸出電流和電壓變化的信息，例如以確定MPP或者確定電源的故障或者確定電源的填充因數(shù)。根據(jù)特定的特征，電感器包含在直流轉換器中。在大多數(shù)DC/DC和/或一些DC/AC轉換器中，電感器已經可用于轉換目的。電感器還能夠用于監(jiān)測至少一個特定時間段期間的電壓和電流變化。所監(jiān)測電壓和電流變化使能在任何時間獲取例如電源的所希望的電壓-電流/電壓-功率下垂特性等信息。本發(fā)明避免對基于所述電感器的轉換器添加任何其它額外的電感器。根據(jù)特定的特征，該器件包括用于在監(jiān)測電感器上的電壓期間獲取經過電感器的電流的部件。因此，有可能獲取電源的電壓-電流/電壓-功率下垂特性，因為其輸出電流和電壓同樣地流經并且施加到電感器。根據(jù)特定的特征，經過電感器的電流從電流傳感器獲取或者從監(jiān)測電感器上的電壓期間所獲取的電壓值導出。因此，即使在沒有添加任何額外電流傳感器的情況下也有可能監(jiān)測電流，從而降低器件的成本。此外，由于如果沒有電流傳感器可用則通過電感器的電流由其電壓積分來獲取，所以噪聲變化將不會干擾電流估算的精度，與其中必須應用復雜算法來解決噪聲問題、對電容器的電流計算所發(fā)生的導數(shù)計算相反，從而帶來最大功率點的更好估算。根據(jù)特定的特征，該器件包括用于在監(jiān)測電感器上的電壓之前放電電感器中存儲的能量的部件。因此，有可能保證電源特性的最適合初始條件電源上的零電流和開路電壓。根據(jù)特定的特征，在第一階段中，電流通過電感器提供給負載，電感器中存儲的能量的放電在第二階段中執(zhí)行，并且電感器的電壓的監(jiān)測在第三階段中執(zhí)行，其中電源的第一端子鏈接到電感器的第一端子，以及其中電感器的第二端子鏈接到電源的第二端子。因此，電感器與電源并聯(lián)連接，并且有可能將電感器從零電流充電到電源短路電流，意味著從開路電壓充電到零電壓。獲取電源的整體電壓-電流/電壓-功率下垂特性。根據(jù)特定的特征，電感器的第二端子連接到負載，并且在負載中放電監(jiān)測電感器 的電壓之前在電感器中存儲的能量。因此，有可能通過在將要執(zhí)行特性化時將負載與電感器并聯(lián)連接，來獲取通過電感器的零電流的初始條件。此外，在負載中放電監(jiān)測電感器的電壓之前在電感器中存儲的能量，而不是通過電阻器使其耗散，從而導致非消耗過程。根據(jù)特定的特征，該器件還包括電容器和至少兩個開關，電源的第二端子連接到第一開關的第一端子，第一開關的第二端子連接到電容器的第一端子，電容器的第二端子連接到電源的第一端子，電源的第一端子通過第二開關鏈接到電感器的第一端子，以及第二開關在第二階段期間斷開。因此，即使在與電源并聯(lián)連接的電容器存在的情況下，也有可能在需要進行特性化時僅將電感器與電源并聯(lián)連接。根據(jù)特定的特征，第一開關在第一階段期間閉合而在第三階段期間斷開。因此，在轉換器正常操作期間，電容器作為輸入濾波器進行工作，但是在使用電感器的特性化的第三階段期間，電容器不連接，并且在此時間段沒有任何作用。根據(jù)特定的特征，該器件還包括第三開關，第三開關將電感器的第二端子鏈接到電源的第二端子，并且第三開關在第三階段期間閉合。因此，當將要進行特性化時，電感器能夠僅在第三階段期間與電源并聯(lián)放置。根據(jù)特定的特征，電容器連接到電源的端子上，并且該器件包括用于在監(jiān)測電感器上的電壓期間獲取經過電容器的電流的部件。因此，即使在與電源始終并聯(lián)連接的電容器存在的情況下，也有可能獲取電源輸出電流，因為它產生于通過電容器的電流加上流經電感器的電流。不再需要與電容器串聯(lián)的附加開關，并且器件的成本沒有增加。根據(jù)特定的特征，經過電感器的電流從監(jiān)測電感器上的電壓期間所獲取的電壓值來獲取。因此，如果電流傳感器不可用于與電感器串聯(lián)例如為了降低成本的目的，則有可能通過積分所測量的電感器電壓并且其除以電感值，來獲取這個電流。根據(jù)特定的特征，在第一階段中，電流通過電感器提供給負載，在第二階段中，將電容器充電到電源的開路電壓，并且電感器的電壓的監(jiān)測在第三階段中執(zhí)行，其中電源的第一端子鏈接到電感器的第一端子，以及其中電感器的第二端子鏈接到電源的第二端子。在第三階段中，電容器電壓從開路電壓轉到零值，而電源的輸出電流從零值轉到短路電流，并且電感器電流沿正弦軌跡從零電流轉到最大電流峰值，其中此最大電流值大于產生于電容器與電感器兩者之間的諧振的電源短路電流。通過被監(jiān)測電壓，有可能通過電壓微分來獲取電容器電流并且還通過電壓積分來獲取電感器電流，其中也需要電容和電感值。電源輸出電流變化通過對兩個組件的每個上的電流的了解與電壓變化一起來獲取。本發(fā)明還涉及直流轉換器，其特性為，它包括用于獲取使能電源的最大功率點的確定的信息的器件。因此，有可能獲取表示電源的輸出電流和電壓變化的信息，例如以確定MPP。
此外，在大多數(shù)DC/DC和/或一些DC/AC轉換器中，電感器已經可用于轉換目的。電感器還能夠用于在至少一個特定時間段期間監(jiān)測電壓和電流變化。所監(jiān)測的電壓和電流變化使能在任何時間獲取例如電源的所希望的電壓-電流/電壓-功率下垂特性等信息。本發(fā)明避免對基于所述電感器的轉換器添加任何其它額外的電感器。通過閱讀例子實施例的以下描述，本發(fā)明的特性將會更清楚地顯現(xiàn)，所述描述參照附圖提出，在附圖中
圖I是可實現(xiàn)本發(fā)明的能量轉換系統(tǒng)的例子；
圖2是表示根據(jù)電源的輸出電壓的電源的輸出電流變化的曲線的例子；
圖3表示根據(jù)本發(fā)明的能量轉換裝置的例子；
圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一實現(xiàn)模式的為了獲取使能電源的最大功率點的確定的信息的包括電感器的電路的例子；
圖5是根據(jù)本發(fā)明的第二實現(xiàn)模式的為了獲取使能電源的最大功率點的確定的信息的包括電感器的電路的例子；
圖6是公開根據(jù)本發(fā)明的第二實現(xiàn)模式的電路的開關的特定實現(xiàn)模式的例子；
圖7a和圖7b是根據(jù)本發(fā)明的第二實現(xiàn)模式的用于確定電源的最大功率點的算法的例
子;
圖8a是根據(jù)本發(fā)明的第二實現(xiàn)模式的所獲取的電源電壓變化的例子；
圖8b是根據(jù)本發(fā)明的第二實現(xiàn)模式的所獲取的電源電流變化的例子；
圖8c是根據(jù)本發(fā)明的第二實現(xiàn)模式的能量轉換裝置的輸出電壓變化的例子；
圖8d是根據(jù)本發(fā)明的第二實現(xiàn)模式的電感器中的電流變化的例子；
圖9是根據(jù)本發(fā)明的第三實現(xiàn)模式的為了獲取使能電源的最大功率點的確定的信息的包括電感器的電路的例子；


圖10是根據(jù)本發(fā)明的第三實現(xiàn)模式的用于確定電源的最大功率點的算法的例子；
圖Ila是根據(jù)本發(fā)明的第三實現(xiàn)模式的所獲取的電源電壓變化的例子；
圖Ilb是根據(jù)本發(fā)明的第三實現(xiàn)模式的所獲取的電源電流變化的例子；
圖Ilc是根據(jù)本發(fā)明的第三實現(xiàn)模式的能量轉換裝置的輸出電壓變化的例子；
圖12是根據(jù)本發(fā)明的第三實現(xiàn)模式的用于確定電源的輸出電流和輸出電壓以使能電源的最大功率點的確定的算法的例子；
圖13a是根據(jù)本發(fā)明的第一實現(xiàn)模式的所獲取的電源電壓變化的例子；圖13b是根據(jù)本發(fā)明的第一實現(xiàn)模式的所獲取的電源電流變化的例子；
圖13c是根據(jù)本發(fā)明的第一實現(xiàn)模式的電感器上的電壓變化的例子。圖I是可實現(xiàn)本發(fā)明的能量轉換系統(tǒng)的例子。能量轉換系統(tǒng)包含連接到例如DC-DC降壓/升壓轉換器的能量轉換裝置Conv的例如光伏電池或電池陣列或者燃料電池等的電源PV和/或又稱作逆變器的DC/AC轉換器，其輸出向負載Lo提供電能。電源PV提供送往負載Lo的電流。電流在由負載Lo使用之前由轉換裝置Conv轉換。圖2是表示根據(jù)電源的輸出電壓的電源的輸出電流變化的曲線的例子。在圖2的水平軸上示出電壓值。電壓值包含在零值與開路電壓Vre之間。 在圖2的垂直軸上示出電流值。電流值包含在零值與短路電流Isc之間。在任何給定光等級(light level)和光伏陣列溫度，存在光伏陣列能夠以其進行操作的無限數(shù)量的電流-電壓對或者操作點。但是，對于給定光等級和光伏陣列溫度，存在單個MPP。圖3表示根據(jù)本發(fā)明的能量轉換裝置的例子。例如，能量轉換裝置Conv具有基于由總線301連接在一起的組件以及由與如圖7或圖10和12所公開的算法相關的程序所控制的處理器300的架構。在這里必須注意，在一種變體中，處理器300以執(zhí)行與以下所公開的處理器300所執(zhí)行的操作相同的操作的一個或數(shù)個專用集成電路的形式來實現(xiàn)?？偩€301將處理器300鏈接到只讀存儲器ROM 302、隨機存取存儲器RAM 303、模數(shù)轉換器ADC 306和根據(jù)本發(fā)明的電路。只讀存儲器ROM 302包含與圖7或圖10和圖12中公開的算法相關的程序的指令，其在能量轉換裝置Conv加電時傳遞給隨機存取存儲器RAM 303。RAM存儲器303包含寄存器，寄存器預計接收變量以及與圖7或圖10和圖12中公開的算法相關的程序的指令。模數(shù)轉換器306連接到形成電源級305的根據(jù)本發(fā)明的電路，并且在需要時將電壓和電流轉換為二進制信息。圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一實現(xiàn)模式的為了獲取使能電源的最大功率點的確定的信息的包括電感器的電路的例子。電路可部分或完全包含在轉換裝置Conv中，或者可添加到轉換裝置Conv。電源PV的正極端子連接到開關Swi的第一端子以及開關Sw3的第一端子。例如，開關Swi和Sw3是NM0SFET。開關Swi和Sw3的第一端子是相應NM0SFET的漏極。開關Swi的第二端子連接到電感器LUl的第一端子以及電阻器Rdis的第一端子。開關Swi的第二端子是NM0SFET的源極。電阻器Rdis的第二端子連接到開關Sw2的
第一端子。例如，開關Sw2是二極管。開關Sw2的第一端子是二極管的陰極，并且開關Sw2的第二端子是二極管的陽極。電感器LUl的第二端子和開關Sw2的第二端子連接到電源PV的負極端子。
監(jiān)測電源的端子之間的電壓VI。電壓Vl例如使用模數(shù)轉換器來測量。負載連接在開關Sw3的第二端子與電源PV的負極端子之間。開關Sw3的第二端子是NM0SFET的源極。負載可以是直流轉換器。電路可按如下所述進行操作。在圖13所示的第一階段PHl ”，開關Swi和Sw2處于非導通狀態(tài)(0FF)，而開關Sw3始終處于導通狀態(tài)(0N)。圖13a是根據(jù)本發(fā)明的第一實現(xiàn)模式的所獲取的電源電壓變化的例子。時間在圖13a的水平軸上表示，而電壓在圖13a的垂直軸上表示。圖13b是根據(jù)本發(fā)明的第一實現(xiàn)模式的所獲取的電源電流變化的例子。時間在圖13b的水平軸上表示，而電流在圖13b的垂直軸上表示。圖13c是根據(jù)本發(fā)明的第一實現(xiàn)模式的電感器上的電壓變化的例子。時間在圖13c的水平軸上表示，而電壓在圖13c的垂直軸上表示。在階段PH1”中，電源向負載供應電力，負載可以是電阻性負載或直流轉換器，如圖13a、圖13b和圖13c所示。在要進行電源特性化時，第二階段PH2”開始。在階段PH2”，開關Sw3和Sw2處于非導通狀態(tài)，而開關Swi處于導通狀態(tài)。在那種配置中，電流經過電感器LU1，意味著電源的輸出電流如圖13b所示從零增加到短路電流，而電源的輸出電壓如圖13a和圖13c所示從開路電壓值轉到直到零值。在第三階段PH3”期間，開關Swi處于非導通狀態(tài)，而Sw2處于導通狀態(tài)。因為電感器LUl通過電阻器Rdis放電，所以電感器電流跟隨如圖13c所示的也轉到零值的其電壓值而轉到零值，并且此時預備另一特性化。在第四階段PH4”期間，Sff3能夠再次轉成導通狀態(tài)，并且電源PV能夠向負載供應 電力，而電感器LUl保持通過Rdis放電。第四階段PH4”還能夠在電感器LUl放電時開始，意味著兩個動作同步發(fā)生電感器通過電阻器放電，而電源已經向負載供應電力。在第二階段PH2”期間，對電壓Vl進行抽樣和積分以獲取通過電感器LUl的電流，假定電感值為已知。這樣，獲取電源的整體電壓-電流/電壓-功率下垂特性。第一實現(xiàn)模式具有花費極少時間的優(yōu)點，特別是當?shù)谒碾A段PH4”與電感器LUl的放電同時開始時。此外，光伏電池陣列通常具有比電流范圍寬的電壓范圍，意味著如果兩個組件值處于相同范圍之內，則變量(電感器的電流或者電容器的電壓)斜率對于電感器比對于電容器以快許多的方式發(fā)生。圖5是根據(jù)本發(fā)明的第二實現(xiàn)模式的為了獲取使能電源的最大功率點的確定的信息的包括電感器的電路的例子。該電路是合并降壓/升壓轉換器(buck/boost converter),其根據(jù)開關的狀態(tài)能夠操作在降壓模式(buck mode, step-down mode)或者操作在升壓模式(boost mode,step-up mode),而無需如采用傳統(tǒng)降壓-升壓轉換器所進行的那樣將輸出電壓極性反轉。根據(jù)本發(fā)明的第二實現(xiàn)模式的電路包括輸入濾波電容器Cui,其正極端子連接到電源PV的正極端子。電容器Cui的負極端子連接到開關Switl的第一端子，該開關的第二端子連接到電源PV的負極端子。電壓測量部件測量電源PV的端子之間的電壓VI。電容器Cui的正極端子連接到開關S14的第一端子。開關Swi4的第二端子連接到開關Swi2的第一端子以及電感器LI的第一端子。開關Swi2的第二端子連接到電源PV的負極端子。電感器LI的第二端子連接到電流測量部件的第一端子。電流測量部件A的第二端子連接到二極管％的陽極以及開關S13的第一端子。開關Swi3的第二端子連接到電源PV的負極端子。二極管％的陰極連接到電容器Q的正極端子，以及電容器Q的負極端子連接到電源PV的負極端子。 當合并降壓/升壓轉換器操作在降壓模式時，開關S13始終處于OFF狀態(tài)，而二極管％始終處于導通狀態(tài)。開關Swi4根據(jù)其占空比(調整其以得到預期輸出電壓)的周期樣式處于導通狀態(tài)。當合并降壓/升壓轉換器操作在升壓模式時，開關Swi4始終處于導通狀態(tài)，而開關Sffl2從不處于導通狀態(tài)。開關Swi3根據(jù)其占空比(調整其以得到預期輸出電壓)的周期樣式處于導通狀態(tài)。圖6是公開根據(jù)本發(fā)明的第二實現(xiàn)模式的電路的開關的特定實現(xiàn)模式的例子。圖5的開關Switl包括兩個NMOSFET Ml和M2。開關Switl的第一端子是NMOSFET Ml的源極。開關Switl的第二端子是NMOSFET M2的源極。NMOSFET Ml和M2的漏極連接在一起。圖5的開關Swi4例如是IGBT晶體管IGl。開關Swi4的第一端子是IGBT晶體管IGl的集電極。IGBT晶體管IGl的發(fā)射極是開關Swi4的第二端子。圖5的開關Swi2是二極管D5。開關Swi2的第一端子是二極管D5的陰極，而開關Swi2的第二端子是二極管D5的陽極。圖5的開關Swi3是NMOSFET M3。開關Swi3的第一端子是NMOSFET M3的漏極。開關Swi3的第二端子是NMOSFET M3的源極。圖7a和圖7b是根據(jù)本發(fā)明的第二實現(xiàn)模式的用于確定電源的最大功率點的算法的例子。更準確來說，本算法由處理器300來執(zhí)行。用于獲取使能電源的最大功率點的確定的信息的算法至少在特定階段中監(jiān)測電感器LI上的電壓，以獲取使能電源的最大功率點的確定的信息。在步驟S700，階段PHl開始。階段PHl如圖8a到圖8d所示。圖8a是根據(jù)本發(fā)明的第二實現(xiàn)模式的所獲取的電源電壓變化的例子。時間在圖8a的水平軸上表示，而電壓在圖8a的垂直軸上表示。圖Sb是根據(jù)本發(fā)明的第二實現(xiàn)模式的所獲取的電源電流變化的例子。時間在圖Sb的水平軸上表示，而電流在圖Sb的垂直軸上表示。圖Sc是根據(jù)本發(fā)明的第二實現(xiàn)模式的能量轉換裝置的輸出電壓變化的例子。時間在圖8c的水平軸上表示，而電壓在圖8c的垂直軸上表示。圖8d是根據(jù)本發(fā)明的第二實現(xiàn)模式的電感器中的電流變化的例子。時間在圖8d的水平軸上表示，而電流在圖8d的垂直軸上表示。
在階段PHl期間，能量轉換裝置例如充當升壓轉換器。在這里必須注意，能量轉換裝置也可充當降壓轉換器。使NMOSFET M3和二極管Dq根據(jù)其占空比經過調整以得到預期輸出電壓的周期樣式而處于導通狀態(tài)和非導通狀態(tài)。其中NMOSFET M3的命令信號為高的時間段稱作D。其中NMOSFET M3的命令信號為低的時間段稱作(1_D)。在階段PHl期間，IGBT晶體管IGl始終處于導通狀態(tài)，NMOSFET M3在D期間處于導通狀態(tài)而在(1-D)期間處于非導通狀態(tài)，二極管％在D期間處于非導通狀態(tài)而在(1-D)期間處于導通狀態(tài)，以及NMOSFET Ml和M2始終處于導通狀態(tài)。因為轉換器操作在升壓模式，所以二極管D5從不處于導通狀態(tài)。由圖8a所示的電源PV在階段PHl期間所提供的電壓對應于與本算法以前確定的MPP對應的電壓。由圖Sb所示的電源PV在階段PHl期間所提供的電流對應于與本算法以前確定的 MPP對應的電流。階段PHl期間在圖Sc所示的輸出處的電壓Vdc是從電源PV輸出電壓和占空比所獲取的調節(jié)的電壓。電流在階段PHl期間提供給負載。在下一步驟S701，處理器300決定中斷升壓轉換模式，以再一次確定MPP，并且它轉到階段PH2。在階段PH2中，NMOSFET Ml和M2、二極管D5和Dq導通。IGBT晶體管IGl和NMOSFET M3設置為非導通狀態(tài)。將電感器LI中存儲的能量傳遞給負載以及電容器Q。經過電感器LI的電流如圖Sd所示下降到零值，并且輸出電壓Vdc在直到電感器電流達到零值的所述時刻之前首先增加并且然后降低，如圖8c所示，因為當電感器中存儲的所有能量已經給予電容器Ctj和負載時，電容器Qj開始在負載中放電。同時，電容器Cui由電源輕微地充電，如圖8a和圖8b所示。在下一步驟S702，處理器300在抽樣周期Tsamp命令對于在階段PH2對應于電感器LI上的電壓的輸出電壓Vdc抽樣。在下一步驟S703，處理器300將變量k設置為值一。變量k是用于樣本的索引。在下一步驟S704，處理器300檢查變量k是否等于一。 如果變量k等于一，則處理器300轉到步驟S705。否則，處理器300轉到步驟S707。在步驟S705，處理器300將變量Vu (I)設置在抽樣電壓值Vdc (I)0根據(jù)特定的實現(xiàn)模式，該電路沒有包括電流測量部件A。處理器300從以前已知的測量電壓值和電感器LI值來求出經過電感器LI的電流Iu。根據(jù)根據(jù)那種實現(xiàn)模式，處理器300將變量Iu (I)設置為值Imax，其等于對電感器LI確定大小的最大電流值。在下一步驟S706，處理器300將變量k遞增一并且返回步驟S704。在步驟S707，處理器300將變量Vu (k)設置為抽樣的電壓值VD。(k)。如果電路沒有包括電流測量部件A，則處理器300根據(jù)下式來導出經過電感器LI的電流值Iu (k)Iu (k) = ((Tsamp/2) * (VDC (k) -Vdc (k-1))) /LI + Ili (k_l)。在下一步驟S708，處理器300檢查電流測量部件A所測量的或者在步驟S707所確定的電流值Iu (k)是否大于例如等于零值的預定值。在這里必須注意，如果電流測量部件A不可用，則在步驟S707，預定值設置為零值。如果電流值Iu (k)大于零值，則電感器LI沒有完全放電，處理器300轉到步驟S709。否則，處理器300轉到步驟S710。在步驟S709，處理器300將變量k遞增一并且返回步驟S704。在步驟S710，處理器300中斷階段PH2。此后，處理器300轉到圖7b的步驟S750。在步驟S750，處理器300轉到階段PH3以確定MPP。在階段PH3中，NMOSFET Ml、M2、二極管D5和Dtj處于非導通狀態(tài)。在階段PH3中，IGBT晶體管IGl和NMOSFET M3設置于導通狀態(tài)。在階段PH3中，電源PV與電感器LI并聯(lián)連接。在階段PH3，電容器Cui在以前確定的MPP附近保持充電，并且電源PV上的電壓改變成開路電壓\c,如圖8a所示。電感器LI從作為例如圖7a的步驟S708所指示的零值的預定值充電直到如圖8b所示到達短路電流Is。。
在下一步驟S751，處理器300在抽樣周期Tsamp命令對于在階段PH3對應于電感器LI上的電壓并且還對應于電源PV輸出電壓的圖6所示的電壓Vl抽樣。在下一步驟S752，處理器300將變量k設置為值一。變量k是用于樣本的索引。在下一步驟S753，處理器300檢查變量k是否等于一。如果變量k等于一，則處理器300轉到步驟S754。否則，處理器300轉到步驟S756。在步驟S754，處理器300將變量Vu (I)設置為抽樣的電壓值Vl (I)。根據(jù)特定的實現(xiàn)模式，該電路沒有包括電流測量部件A。處理器300從測量的電壓值和電感器LI值來導出經過電感器LI的電流Iu。根據(jù)那種實現(xiàn)模式，處理器300將變量Iu (I)設置為零值。在步驟S755，處理器300將變量k遞增一并且返回步驟S753。在步驟S756，處理器300將變量Vu (k)設置為抽樣的電壓值Vl (k)。如果電路沒有包括電流測量部件A，則處理器300根據(jù)下式來獲取經過電感器LI的電流值Iu (k)
Ili (k) = ((Tsamp/2) * (VI (k) -Vl (k-1))) /L1+Il1 (k-1)。在下一步驟S757，處理器300檢查電壓值Vu (k)是否等于例如等于零值的預定值。如果電壓值Vu (k)等于零值，則處理器300轉到步驟S759。否則，處理器300轉到步驟S758。在步驟S758，處理器300將變量k遞增一并且返回步驟S753。在步驟S759，處理器300中斷階段PH3。在步驟S760，處理器300得到在以前步驟確定的所有電壓和電流值，并且形成如圖2所示的一個的曲線。在同一步驟，由于在步驟S756所獲取的電壓和電流值，處理器300通過選擇從電壓和電流值所獲取的最大功率來確定MPP。在步驟S761，階段PH4開始。階段PH4如圖8a到8d所示。在階段PH4期間，能量轉換裝置充當升壓轉換器。使NMOSFET M3和二極管Dq根據(jù)其占空比經過調整以考慮新確定的MPP來得到預期輸出電壓的周期樣式而進入導通狀態(tài)和非導通狀態(tài)。在階段PH4期間，IGBT晶體管IGl始終處于導通狀態(tài)，NMOSFET M3在D期間處于導通狀態(tài)，二極管Dq在(1-D)期間處于導通狀態(tài)，以及NMOSFET Ml和M2始終處于導通狀態(tài)。在階段PH4期間，二極管D5從不處于導通狀態(tài)，NMOSFET M3在(I-D)期間不處于導通狀態(tài)，以及二極管％在D期間處于導通狀態(tài)。圖9是根據(jù)本發(fā)明的第三實現(xiàn)模式的為了獲取使能電源的最大功率點的確定的信息的包括電感器的電路的例子。 根據(jù)開關的狀態(tài)，該電路能夠操作于降壓模式(buck mode, step-down mode)或者升壓模式(boost mode, step-up mode)，而不像采用傳統(tǒng)降壓-升壓轉換器所做的那樣將輸出電壓極性反轉。除了沒有NMOSFET Ml和M2以外，圖9的電路與圖6所公開的電路相同。濾波電容器Cui連接到電源PV，并且電壓測量部件測量電容器Cui上的電壓。圖10是根據(jù)本發(fā)明的第三實現(xiàn)模式的用于確定電源的最大功率點的算法的例子。更準確來說，本算法由處理器300執(zhí)行。用于獲取使能電源的最大功率點的確定的信息的算法監(jiān)測電壓VI，以獲取使能電源的最大功率點的確定的信息。在步驟S1000，階段PH1’開始。階段PH1’如圖Ila到Ilc所示。圖I Ia是根據(jù)本發(fā)明的第三實現(xiàn)模式的所獲取的意味著電源電壓變化的輸入電容器Cui上的電壓變化的例子。時間在圖Ila的水平軸上表示，而電壓在圖Ila的垂直軸上表示。圖Ilb是根據(jù)本發(fā)明的第三實現(xiàn)模式的所獲取的電源電流變化的例子。時間在圖Ilb的水平軸上表示，而電流在圖Ilb的垂直軸上表示。圖Ilc是根據(jù)本發(fā)明的第三實現(xiàn)模式的能量轉換裝置的輸出電壓變化的例子。時間在圖Ilc的水平軸上表示，而電壓在圖Ilc的垂直軸上表示。在階段PH1’期間，能量轉換裝置充當升壓轉換器。使NMOSFET M3和二極管Dq根據(jù)其占空比經過調整以得到預期輸出電壓的周期樣式而進入導通和非導通狀態(tài)。其中NMOSFET M3的命令信號為高的時間段稱作D。其中NMOSFET M3的命令信號為低的時間段稱作(I-D)。在階段PH1’期間，IGBT晶體管IGl始終處于導通狀態(tài)，NMOSFET M3在D期間處于導通狀態(tài)，以及二極管％在(1-D)期間處于導通狀態(tài)。在階段PH1’期間，二極管D5從不處于導通狀態(tài)，NMOSFET M3在(1_D)期間沒有處于導通狀態(tài)，以及二極管％在D期間沒有處于導通狀態(tài)。圖Ila所示的電容器Cui上的電壓是對應于本算法以前確定的MPP的電壓。由圖Ilb所示的電源PV所提供的電流是對應于本算法以前確定的MPP的電流。
在圖I Ic所示的輸出處的電壓Vdc是從電源PV輸出電壓和所施加的占空比所獲取的調節(jié)的電壓。在下一步驟S1001，處理器300決定中斷升壓轉換模式，以再次確定MPP并且轉到階段PH2’。在階段PH2’，二極管D5和Dq處于導通狀態(tài)，以及IGBT晶體管IGl和NMOSFET M3設置為非導通狀態(tài)。階段PH2’的目的是將電容器Cui充電到電源PV的開路電壓Noc以及將電感器LI完全放電。在階段PH2’中，將電感器LI中存儲的能量傳遞給負載和電容器Q。一旦LI所輸出的電流變?yōu)榱悖娙萜鱍j向負載供應能量并且VD。降低，如圖Ilc所示。將電容器Cui充電到電源PV的開路電壓Vre，如圖Ila所示。 由電源PV所提供的電流在階段PH2’結束時達到零值。在下一步驟S1002，處理器300轉到階段PH3’。在階段PH3’中，IGBT晶體管IGl和NMOSFET M3設置為導通狀態(tài)，以及二極管Dq和D5沒有處于導通狀態(tài)。在階段PH3’中，電源PV和電容器Cui兩者均與電感器LI并聯(lián)連接。將電容器Cui放電直到零電壓，并且其所有能量存儲在電感器LI中，從而將電感器LI電流值增加到IlllX :〖+ -Isv.對電感器LI上的電壓Vl抽樣并存儲，以能夠計算由電源所提供的電流 Ipv=Iu + IallO在這里必須注意，用于存儲數(shù)據(jù)的緩沖器的大小例如考慮PH3’的持續(xù)時間等于 =a來確定。在這里必須注意，在本發(fā)明的特定的實現(xiàn)模式中，在階段
PH3’期間求出電容器值Cui，因為持續(xù)時間tPH3,能夠如它將在圖10中的步驟S1012和S1013所公開那樣來求出。在下一步驟S1003，處理器300在抽樣周期Tsamp命令對于在階段PH3’中也對應于電感器LI上的電壓的圖9所示的電壓Vl抽樣。在下一步驟S1004，處理器300將變量k設置為值一。變量k是用于樣本的索引。在下一步驟S1005，處理器300檢查變量k是否等于一。如果變量k等于一，則處理器300轉到步驟S1006。否則，處理器300轉到步驟S1008。在步驟S1006，處理器300將變量Vu (I)設置為抽樣的電壓值Vl (I)。根據(jù)特定的實現(xiàn)模式，該電路沒有包括電流測量部件A。處理器300從測量的電壓值和LI電感值來導出流經電感器LI的電流Iu。根據(jù)那種實現(xiàn)模式，處理器300將變量Iu (I)設置為零值。在下一步驟S1007，處理器300將變量k遞增一并且返回步驟S1005。在步驟S1008，處理器300將變量Vu (k)設置為抽樣的電壓值Vl (k)，并且更新時間 fmHk) i=t|>[|i,(k-1) .. I Samp0如果電路沒有包括電流測量部件A，則處理器300根據(jù)下式來獲取經過電感器LI的電流值Iu (k)
Ili (k) = ((Tsamp/2) * (VI (k) -Vl (k-1))) /L1+Il1 (k-1)。在下一步驟S1010，處理器300檢查電壓值Vu (k)是否等于例如等于零值的預定值。如果電壓值Vu (k)等于零值，則處 理器300轉到步驟S1012。否則，處理器300轉到步驟SlOlI。在步驟SlOlI，處理器300將變量k遞增一并且返回步驟S1005。在步驟1012，處理器300確定電容器Cui放電的持續(xù)時間Tdiseh=tPH3, (k)。在下一步驟S1013，處理器300根據(jù)本發(fā)明的特定的實現(xiàn)模式來確定電容器值
(( / 二 ITj；》丄I。在下一步驟S1014，處理器300根據(jù)將參照圖12所公開的算法來確定每對電源電流Ipv和電源電壓Vpv。在下一步驟S1015，處理器300得到在以前的步驟所確定的所有電壓和電流值，并且形成如圖2所示的曲線。在同一步驟，由于在步驟S1215所獲取的電壓和電流值，處理器300通過選擇從電壓和電流對的值所獲取的最大功率來確定MPP。在下一步驟S1016，處理器300轉到階段PH4’。在階段PH4’中，IGBT晶體管IGl保持在導通狀態(tài)，以及二極管Dq和D5自然處于導通狀態(tài)。在階段PH4’中，NMOSFET M3設置為非導通狀態(tài)。在階段PH4’中，因為IGBT晶體管IGl和D5兩者均處于導通狀態(tài)，所以電容器Cm維持為未充電。將電感器LI放電到電容器Ctj以及負載。輸出電壓VD。在階段PH4’期間增力口。階段PH4’持續(xù)直到其中通過電感器的電流變?yōu)榈扔诙搪冯娏鱅sc并且電容器Cui將開始充電。在下一步驟S1017，處理器300轉到階段PH5’。在階段PH5’期間，能量轉換裝置充當升壓轉換器。使NMOSFET M3和二極管Dq根據(jù)其占空比經過調整以得到預期輸出電壓的周期樣式而進入導通狀態(tài)和非導通狀態(tài)。在階段PH5’期間，IGBT晶體管IGl處于導通狀態(tài)，NMOSFET M3在D期間處于導通狀態(tài)，以及二極管％在(1-D)期間導通。在階段PH5’期間，二極管D5沒有處于導通狀態(tài)，NMOSFET M3在(1_D)期間沒有處于導通狀態(tài)，以及二極管％在D期間沒有處于導通狀態(tài)。圖Ila所示的電容器Cui上的電壓是與向著本算法在步驟1015所確定的MPP增加的電源電壓對應的電壓。由圖Ilb所示的電源PV所提供的電流是從短路值向著與本算法在步驟S1015所確定的MPP值對應的電流值降低的電流。圖Ilc所示的輸出電壓對應于從階段PH4’的電容器Q電壓轉到根據(jù)由本算法在步驟S1015所確定的MPP并且根據(jù)新占空比所確定的新輸出電壓。但是，由于C。需要保持向負載供應電力，所以將因電源在PH5’的開始期間所提供的較小電力而存在輸出電壓的初始降低，意味著直到其中轉換器操作在MPP的時刻、即在階段PH6’。在下一步驟S1018，處理器300轉到階段PH6’。在階段PH6’期間，能量轉換裝置如以前的階段PH5’中那樣充當升壓轉換器，其中差別在于電源此時供應可用的最大功率(操作在MPP)。圖12是根據(jù)本發(fā)明的第三實現(xiàn)模式的用于確定電源的輸出電流和輸出電壓對以使能電源的最大功率點的確定的算法的例子。更準確來說，本算法由處理器300執(zhí)行。根據(jù)本發(fā)明的特定的實現(xiàn)模式，用于獲取使能電源的最大功率點的確定的信息的算法還使用電壓Vl以確定經過電容器Cui的電流，并且因此確定電源PV的輸出電流，因為電感器電流已經為已知。從一般觀點來看，通過本算法，通過將電容器Cui的電容值與給定樣本的電壓導數(shù)相乘來確定對于給定樣本的電容器電流，電壓導數(shù)通過擬合數(shù)學函數(shù)(如具有實系數(shù)的多項式函數(shù))來獲取。
通過最小化在連續(xù)時間樣本Xi的所測量電壓yi (i=l到N)與數(shù)學函數(shù)f (Xi)之間的差的平方之和來獲取擬合數(shù)學函數(shù)，以獲取給定時間樣本的所處理電壓。按如下所述進行。給定N個樣本(X1, yj、(x2, y2)…(xN, yN),所要求的擬合數(shù)學函數(shù)例如能夠寫作如下形式
f (X) =C1 fj (X) +C2 f2 (X) +. +Ck fK (X)
其中fj (x) (j=l，2…K)是x的數(shù)學函數(shù)，并且Cj (j=l，2…K)是最初未知的常數(shù)。f (X)與y的實際值之間的差的平方之和給出為
f = I[, .U > Frj
.I.:
通過相對于常數(shù)Cj (j=l, 2，…K)的每個取E的一階偏導數(shù)，并且將結果置為0，來使此誤差項最小化。因此，獲取K線性方程的對稱系統(tǒng)，并且對C1X2'…、Ck來求解。此過程又稱作最小均方(LMS)算法。使能最大功率點的確定的信息是從電流-電壓下垂特性直接獲取的電源PV的功率-電壓下垂特性。通過Vl的電壓樣本，在將對于每個樣本移動的預定義窗口中基于適當數(shù)學函數(shù)(例如具有實系數(shù)的多項式函數(shù))的擬合來獲取曲線。因此，對電壓濾波，并且能夠對窗口中的每一個中心點以非常簡單并且直接的方式同時計算其導數(shù)，從而產生電流的確定而無需任何附加電流傳感器。在下一步驟S1200，處理器300得到樣本Vu (k)和tPH3, (k)，其中k=l到k在步驟SlOll所取的最大值，它們在時間段PH3期間在步驟S1008獲取。每個樣本是二維向量，其系數(shù)是電壓值以及測量電壓的時間。在下一步驟S1201，處理器300確定移動窗口的尺寸。移動窗口的尺寸指示將要用于基于適當數(shù)學函數(shù)(如具有實系數(shù)的多項式函數(shù))的擬合來確定曲線的樣本的數(shù)量Npt。移動窗口的尺寸為奇數(shù)。例如，移動窗口的尺寸等于71。在下一步驟S1202，處理器300確定移動窗口的中心點Ne。在下一步驟S1203，處理器300將變量i設置為值Npt。在下一步驟S1204，處理器300將變量j設置為i_Nc+l。在下一步驟S1205，處理器300將變量k設置為一。
在下一步驟S1206，處理器300將x (k)的值設置為樣本j的時間系數(shù)。在下一步驟S1207，處理器300將y (k)的值設置為樣本j的電壓系數(shù)。在下一步驟S1208，處理器300將變量k遞增I。在下一步驟S1210，處理器300將變量j遞增I。在下一步驟S1210，處理器300檢查變量j是否嚴格低于i和Ne之和減I。如果變量j嚴格低于i和Ne之和減1，則處理器300返回步驟S1206。否則，處理器300轉到步驟S1211。

在步驟S1211，處理器300使用最小均方算法以及在步驟S1206和S1207所抽樣的所有X (k)和y (k)值來確定擬合數(shù)學函數(shù)如多項式函數(shù)y (x)=ax2+bx+c,直到達到S1210的條件。然后，處理器300獲取二次多項式函數(shù)的a、b和c實系數(shù)([a, b，c] G 3)。在下一步驟S1212，處理器300根據(jù)下式來求出經濾波的電壓值和所需電流
Vi.、, (iimeli])^-rr me[i]- 'i"h*lirnc[ i]^ cIn HlinicliJiia-tinic[ij f h)
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在下一步驟S1213，處理器300將變量i遞增一個單位。在下一步驟S1214，處理器300檢查i是否嚴格小于N減Ne，其中N是在步驟S701所獲取的電壓樣本的總數(shù)量。如果i嚴格小于N減Ne，則處理器300返回到步驟S1204。否則，處理器轉到步驟S1215，并且輸出本算法所確定的電壓和電流對。此后，處理器300中斷本算法，并且返回圖10的算法的步驟S1015。當然能夠對上述本發(fā)明的實施例進行許多修改而不背離本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種用于獲取使能電源的例如最大功率點的特性的確定的信息的器件，其特性為，所述用于獲取使能所述電源特性的確定的信息的器件包括用于監(jiān)測鏈接到所述電源的電感器上的電壓以獲取使能所述電源特性的確定的信息的部件，并且經過所述電感器的電流從電流傳感器獲取或者從監(jiān)測所述電感器上的電壓期間所獲取的電壓值導出。
2.根據(jù)權利要求I所述的器件，其特性為，所述電感器包含在直流轉換器中。
3.根據(jù)權利要求2所述的器件，其特性為，所述器件包括用于在監(jiān)測所述電感器上的電壓期間獲取經過所述電感器的電流的部件。
4.根據(jù)權利要求I到3中的任一項所述的器件，其特性為，所述器件包括用于在監(jiān)測所述電感器上的電壓之前放電所述電感器中存儲的能量的部件。
5.根據(jù)權利要求5所述的器件，其特性為，在第一階段中，電流通過所述電感器提供給負載，所述電感器中存儲的能量的放電在第二階段中執(zhí)行，并且所述電感器的電壓的監(jiān)測在第三階段中執(zhí)行，其中所述電源的第一端子鏈接到所述電感器的第一端子，以及其中所述電感器的第二端子鏈接到所述電源的第二端子。
6.根據(jù)權利要求5所述的器件，其特性為，所述電感器的第二端子連接到負載，并且在監(jiān)測所述電感器的電壓之前，在所述負載中放電存儲在所述電感器中的能量。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的器件，其特性為，所述器件還包括電容器和至少兩個開關，所述電源的第二端子連接到第一開關的第一端子，所述第一開關的第二端子連接到所述電容器的第一端子，所述電容器的第二端子連接到所述電源的第一端子，所述電源的第一端子通過第二開關鏈接到所述電感器的第一端子，以及所述第二開關在所述第二階段期間斷開。
8.根據(jù)權利要求7所述的器件，其特性為，所述第一開關在所述第一階段期間閉合而在所述第三階段期間斷開。
9.根據(jù)權利要求7或8所述的器件，其特性為，所述器件還包括第三開關，所述第三開關將所述電感器的第二端子鏈接到所述電源的第二端子，并且所述第三開關在所述第三階段期間閉合。
10.根據(jù)權利要求I到3中的任一項所述的器件，其特性為，電容器連接在所述電源的端子上，并且所述器件包括用于在監(jiān)測所述電感器上的電壓期間獲取經過所述電容器的電流的部件。
11.根據(jù)權利要求10所述的器件，其特性為，經過所述電感器的電流從監(jiān)測所述電感器上的電壓期間所獲取的電壓值來獲取。
12.根據(jù)權利要求10或11所述的器件，其特性為，在第一階段中電流通過所述電感器提供給負載，在第二階段中將所述電容器充電到所述電源的開路電壓，并且所述電感器電壓的監(jiān)測在第三階段中執(zhí)行，其中所述電源的第一端子鏈接到所述電感器的第一端子，以及所述電感器的第二端子鏈接到所述電源的第二端子。
13.一種直流轉換器，其特性為，包括根據(jù)權利要求I到12中的任一項所述的器件。
14.一種用于獲取使能能夠連接到直流轉換器的電源的例如最大功率點的特性的確定的信息的方法，其特性為，所述方法包括監(jiān)測鏈接到所述電源的電感器上的電壓以獲取使能所述電源特性的確定的信息的步驟，并且經過所述電感器的電流從電流傳感器獲取或者從監(jiān)測所述電感器上的電壓期間所獲取的電壓值導出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于獲取使能電源的例如最大功率點等特性的確定的信息的器件，其特性為，用于獲取使能電源特性的確定的信息的器件包括用于監(jiān)測鏈接到電源的電感器上的電壓以獲取使能電源特性的確定的信息的部件。
文檔編號G05F1/67GK102754043SQ201080056569
公開日2012年10月24日 申請日期2010年12月8日 優(yōu)先權日2009年12月14日
發(fā)明者G.比亞蒂 申請人:三菱電機株式會社, 三菱電機研發(fā)中心歐洲有限公司