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CN107209526A - 控制结构 - Google Patents

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CN107209526A CN201580062738.3A CN201580062738A CN107209526A CN 107209526 A CN107209526 A CN 107209526A CN 201580062738 A CN201580062738 A CN 201580062738A CN 107209526 A CN107209526 A CN 107209526A
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Abstract

一种用于在控制从包括内部电容(16)的电源单元到输出端(30)的电力供应中使用的控制结构，该控制结构包括彼此串联布置的磁连接的第一和第二电感元件(24、26)并在两者间限定连通两者的连结(40)，每一个都被连接到第一和第二电感元件之间的连结(40)的磁连接的第三和第四电感元件(34、36)，提供第三和第四电感元件(34、36)和地之间的开关连接的开关装置(52)以及可操作用于控制开关装置(52)的操作以使得开关装置(52)的开关的闭合引起LCR电路的形成的控制器，内部电容(16)形成LCR电路的电容并且第三或第四电感元件(34、36)形成LCR电路的电感，第三和第四电感元件(34、36)之间的磁连接允许从第三和第四电感元件中的另一者中产生输出。

Description

控制结构
技术领域
本发明涉及一种控制结构，尤其涉及一种用于从包括内部电容的源获取电力的控制结构。可以使用本发明的一个应用是结合光伏或太阳能电池板。不过，存在许多可以使用本发明的其他应用。
背景技术
太阳能电池板被越来越广泛地使用在发电方面。其输出可以直接用于驱动其他设备，或者可以用于对蓄电装置充电或者用于向主电网供电。由于太阳能电池板的输出非线性地变化，这取决于，例如，太阳能电池板上的入射光的强度、工作温度和其他因素，从太阳能电池板到负载的直接的不受控制的输出供应通常与光强度的变化不相称，导致最大输出所需的工作电流和电压变化。为了确保太阳能电池板和相关联的电路在最大功率点附近工作，使用了最大功率点跟踪算法。最大功率点跟踪算法的输出用于改变由太阳能电池板供应的负载，例如接入或者断开其电阻，以试图将太阳能电池板的操作维持在其最佳点附近。
在一些较旧的系统中，算法运行以确保电路工作在开路电压的70％。这是通过反复地快速连接断开负载的供应(即太阳能电池板的输出)来实现。例如，可以在每秒1000到3000次的范围内连接和断开供应。通过这种方式以一时间比例断开输出，占空比减小，例如，占空比减小到如上所述的大约70％。
虽然这种系统在某些情况下可以令人满意地运行，但是当供应断开时，没有从电池板到负载的输出，因此即使电池板可以操作在最大功率点，当太阳能电池板断开时潜在的功率丢失。因此，这种结构的效率低于可能的效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制方法和结构，借以增强并优选地优化太阳能电池板或其他设备的有用输出。
根据本发明，提供了一种用于在控制从包括内部电容的电源单元到输出的电力供应中使用的控制结构，该控制结构包括彼此串联布置的磁连接的第一和第二电感元件并在两者间限定连通两者的连结，每个都被连接到第一和第二电感元件之间的连结的磁连接的第三和第四电感元件，提供第三和第四电感元件和地之间的开关连接的开关装置以及可操作用于控制开关装置的操作以使得开关装置的开关的闭合引起LCR电路的形成的控制器，内部电容形成LCR电路的电容并且第三或第四电感元件形成LCR电路的电感，第三和第四电感元件之间的磁连接允许从第三和第四电感元件中的另一个电感元件产生输出。该结构可以用于控制从例如太阳能电池板等到电力供应或分配网络或电网(grid)的供应，在这种情况下，LCR电路的电阻可以包括由网络或电网形成的负载。
在这种结构中，不需要提供最大功率点跟踪算法等，并且优选地这样的算法等不存在。
pn结二极管本质上形成可变结电容。这种二极管通常存在于包括太阳能电池板的单元中。过去，当对太阳能电池板和相关控制电路的输出进行建模时，该结电容被忽略。在这种二极管与电压源(例如太阳能电池板)并联布置的情况下，部分供应最初用于对结电容充电。此外，在电压源采用太阳能电池板形式的情况下，源本身实际上将形成也将被充电的电容。由于太阳能电池板的电势差不是均匀的，而且随着例如入射光强度、温度以及其他因素而变化，因此电容上的电荷是不断变化的。与内部电容相关联的电容器电流可以是正或负，这取决于在任何给定的时间点电容是正在充电还是正在放电。在常规布置的太阳能电池板中，电流的方向取决于例如照明的强度是增加还是降低。然而，在上文所述的布置中，通过以受控的方式操作开关装置来实现内部电容能的提取，从而允许整个系统的操作具有提高的效率水平。
在本发明的结构中，当开关装置的两个开关都断开时，该单元的内部电容将充电。闭合其中一个开关将导致内部电容放电到第一电感元件中。通过对开关操作的适当控制，可以理解的是，可以提取来自电源单元的输出以使用，否则这些输出将用于对其内部电容的充电。当开关装置再次断开时，导致内部电容再充电，能够通过第二电感元件从第一电感元件提取能量，并且该能量用于满足与其连接的负载的需求。
当开关装置的开关中的一个或另一个开关闭合时，通过第三和第四电感元件中的相关联的电感元件的电流流动导致在第三和第四电感元件中的另一者中产生电流，该电流可以被提取和使用以满足负载。在该操作阶段，来自电源单元的输出电流流过第一电感元件，从而在其中存储能量，使得当开关重新断开时，向负载供电。只要来自电供应的输出电流连续地被供应到第一电感元件，并且当开关装置闭合时电感元件电流上升且在开关装置断开时电流减小，来自控制结构的输出电压将大于输入电压。
优选地，控制器使开关装置的开关以在150-700kHz范围内的频率在它们各自的断开和闭合位置之间移动，频率范围优选为600-700kHz，例如频率为650kHz。电感元件尺寸的变化改变应当操作开关的频率。
在电源单元包括逆变器(例如与太阳能电池板结合的串型逆变器或微逆变器)的情况下，控制结构可以并入逆变器中，或者可以包括适于与其连接的模块。
本发明还涉及一种使用上述形式的控制结构来控制单元的输出的方法，该方法包括以下步骤：
断开开关装置的开关，从而允许单元的内部电容变为被充电；
闭合开关装置的一开关，从而允许单元的内部电容放电，向第一电感元件提供增加的电流，并且该增加的电流通过第三和第四电感元件中的一者，在第三和第四电感元件中的另一者中产生电流以满足负载的电力需求；以及
重新断开开关装置的开关，从而允许单元的内部电容变为被再充电。优选地，在该操作阶段期间，来自电源的输出电流被阻塞。
附图说明
参考附图(图1)以示例的方式进一步描述本发明。图1是示出根据本发明实施例的控制结构的电路图。
具体实施方式
参考图1，示出了包括多个光伏电池12的光伏或太阳能电池板10，光伏电池12具有跨接其端子的pn结二极管14。二极管14具有内部电容。电池12还将具有与其相关联的内部扩散电容。在图1中，这些电容由可变内部电容16表示。电阻18、20反映存在于电池板10内的电阻。图1中显示的Vout表示电池板10的输出电压。Vout的值将根据例如入射到电池板10上的光强度、环境温度和其他因素变化。
来自电池板10的输出以能量提取电路的形式供应到控制结构22。控制结构22包括与第二电感元件26串联连接的第一电感元件24。第一和第二电感元件24、26采用在公共芯上的缠绕线圈的形式，因此第一和第二电感元件24、26是磁连接的。来自第二电感元件26的输出经由二极管28供应到连接有负载32的输出端30。在该布置被用于向电力供应或分配网络或电网网格提供电能的情况下，负载32可表示网络或电网。
控制装置22还包括第三和第四电感34、36，第三和第四电感34、36具有在公共芯38上缠绕线圈的形式，使得第三和第四电感元件34、36彼此磁连接。第三和第四电感元件34、36均电连接至点40，第一和第二电感元件24、26在点40彼此电连接。第三和第四电感元件34、36的远离点40的末端经由相应的二极管42、44与输出端30和负载32连接。
第三和第四电感元件34、36中的每一个电感的远离点40的末端通过包括开关46、48的开关装置52提供接地的开关连接，开关46、48的操作由控制器50控制。
在使用中，从控制器50控制开关装置52的位置开始，使得开关46闭合并且开关48断开，可以理解的是，内部电容16能够通过第一电感元件24放电，在第一和第二电感元件24、26的芯中建立磁场，并通过第三电感元件34接地。磁连接的第三和第四电感元件34、36以类似于变压器的方式起作用，通过第三电感元件34到地的电流在第四电感器36中感应出电流，该感应出的电流通过二极管44供应到端30和负载32。
在断开开关46时，通过二极管44的输出停止，并且第一和第二电感元件24、26的磁连接迫使通过电感元件24、26和二极管28供应到端30和负载32的电流大大减少，这种阻塞作用迫使电池板10进入低电流状态，增加内部电容中的电能存储，因为开关46、48都断开时，内部电容进行再充电。
随后，开关48闭合，而开关46保持断开。因而，内部电容16这次经由第四电感元件36再次放电，导致在第三电感元件34中产生通过二极管42供应到端30和负载32的输出。在内部电容16以这种方式放电后，开关48被重新断开，如前所述，结果是第一和第二电感元件24、26用于阻塞电池板10。
作为示例，当开关46闭合时，如果电流ia在第三电感元件34中流动，如果电感元件是完全相同的，则将在第四电感元件36中感应出相等的电流。因此，通过第一电感元件24的电流必须为2ia，并且其存储的能量将为2La1ia 2，其中La1是第一电感元件24的电感。当开关46断开时，由第一和第二电感元件24、26形成的组合电感La允许电流ic流动。根据能量守恒：
该公式可写成：
优选地，第二电感元件26的电感大于第一电感元件24的电感，结果是La显著大于La1。因此，ic将显著低于ia。作为示例，第二电感元件26的电感可以是第一电感元件24的电感的几倍，例如是第一电感元件24的电感的2至4倍，但是，优选地，在某些实施方式中可能比2至4倍大，例如，可以是第一电感元件24的电感的10至20倍。因此，与当开关46、48中的一个闭合时的电流相比，当开关装置52断开时流动的电流被阻塞到低水平。
显然，不管开关46、48中的哪一个闭合，一旦内部电容16已经放电或部分放电，至端30和负载32的输出将下降。因此，为了将输出保持在期望的水平或期望的范围内，控制器50优选地控制开关46、48的操作以使得每个开关仅在非常短的时间段内闭合。作为示例，开关46、48的开关频率优选地在150至700kHz的范围内，优选地，在600-700kHz的范围内。作为示例，开关频率可以在650kHz的范围内。然而，可以理解的是，考虑到内部电容将根据例如电池板10所暴露的光强度、环境温度和许多其他因素而变化，开关频率可以取决于内部电容16的大小。
可以设想，各种电感元件可以相当小，每个电感元件都采用例如在相关联的芯上缠绕少数绕组的形式。由于电感元件可能相当小且形式简单，因此可以理解的是，与控制结构相关联的部件的成本可以保持在非常低的水平。
在图1中，提供二极管54和电容器56以防止对电池板10和控制结构22的反电动势损坏。然而，实际上，反电动势水平非常低，因此这种损坏的风险是最低的。因此，可以设想，省略这些组成部分的布置是可能的。
使用上文所述的控制结构是有利的，因为它允许增加太阳能电池板10的有用输出，同时避免使用复杂的最大功率点跟踪算法，并避免与之相关的低效率。由于控制结构允许增加电池板10的有用输出，因此可以允许将电池板10安装在通常认为输出不足以使电池板10可行的位置。控制结构优选地靠近电池板10放置，以最小化与连接的电缆相关联的电感的影响。例如，其可以并入到逆变器中，例如与电池板10相关联的串型逆变器或微逆变器，或者要连接到其中的模块。控制结构22内的发热非常低。因此，如果控制结构22附接到或靠近电池板10，控制结构22的热输出将不会显著影响电池板10的操作。
尽管在上文中描述了本发明的具体实施例，但是可以理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对该结构进行多种修改和改变。具体地说，尽管前面的描述主要涉及增加太阳能电池板的有用输出，但是本发明不限制在这方面，并且可以使用在源包括内部电容或具有与之相关联的电容的一些其他应用中。

Claims (14)

1.一种用于在控制从包括电容的电源单元到输出的电力供应中使用的控制结构，该控制结构包括：
磁连接的第一和第二电感元件，该第一和第二电感元件彼此串联布置，并在该第一和第二电感元件之间限定连通该第一和第二电感元件的连结；
磁连接的第三和第四电感元件，该第三和第四电感元件中的每一个电感元件都被连接到所述第一和第二电感元件之间的所述连结；
开关装置，提供所述第三和第四电感元件和地之间的开关连接；以及
控制器，可操作用于控制所述开关装置的操作以使得所述开关装置的开关的闭合引起LCR电路的形成，所述电源单元的所述电容形成所述LCR电路的电容并且第一电感元件结合所述第三或第四电感元件形成所述LCR电路的电感，所述第三和第四电感元件之间的磁连接允许从所述第三和第四电感元件中的另一者中产生输出。
2.根据权利要求1所述的控制结构，其中所述电容至少部分地由所述电源单元的内部电容形成。
3.根据权利要求1或2所述的控制结构，其中所述电源单元包括至少部分地形成所述电容的pn结二极管。
4.根据上述权利要求中任一项所述的控制结构，其中所述电源单元包括太阳能电池板。
5.根据上述权利要求中任一项所述的控制结构，其中所述开关装置包括两个开关，一个开关与所述第三电感元件相关联，并且一个开关与所述第四电感元件相关联。
6.根据权利要求5所述的控制结构，其中当所述开关装置的所述两个开关都断开时，所述单元的所述内部电容将充电。
7.根据上述权利要求中任一项所述的控制结构，其中所述控制器使得所述开关装置的所述开关以在150-700kHz范围内的频率在它们各自的断开和闭合位置之间移动。
8.根据权利要求7所述的控制结构，其中所述开关频率在600-700kHz范围内。
9.根据上述权利要求中任一项所述的控制结构，其中所述第三和第四电感元件基本相同。
10.根据上述权利要求中任一项所述的控制结构，其中所述第二电感元件具有比所述第一电感元件更大的电感。
11.根据权利要求10所述的控制结构，其中所述第二电感元件的电感为所述第一电感元件的电感的至少两倍。
12.根据上述权利要求中任一项所述的控制结构，其被布置成向形成所述LCR电路的电阻的电力供应或分配网络或电网提供电能。
13.一种用于使用根据上述权利要求中任一项所述的控制结构来控制单元的输出的控制方法，该方法包括以下步骤：
断开所述开关装置的开关，从而允许所述单元的所述内部电容变为被充电；
闭合所述开关装置的一开关，从而允许所述单元的所述内部电容放电，向所述第一电感元件提供增加的电流，并且该增加的电流通过所述第三和第四电感元件中的一者，在所述第三和第四电感元件中的另一者中产生电流以满足负载的电力需求；以及
重新断开所述开关装置的所述开关，从而允许所述单元的所述内部电容变为被再充电。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述开关装置的重新断开导致由所述电源单元供应的所述电流的阻塞。
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