用于使用直流电源的分布式电力获取系统的监测系统 【相关申请的交叉引用】
本申请要求以下美国临时专利申请的优先权，申请号60/868,851，提交日2006年12月6日，题目为“分布式太阳能电池阵的监测、管理和维持”，申请号60/868,893，提交日2006年12月6日，题目为“用于分布式电源的分布式电力获取系统”，申请号60/868,962，提交日2006年12月7日，题目为“用于化学独立电池的系统、方法和装置”，申请号60/908,095，提交日2007年3月26日，题目为“由分布式电源中获取电力的系统和方法”和申请号60/916,815，提交日2007年5月9日，题目为“由直流电源中获取电力”，上述申请的所有内容在此引入作为参考。另外，本申请涉及下述正常的美国专利申请，即申请号11/950,224，提交日2007年12月4日，题目为“用于使用直流电源的分布式电力获取系统的电流支路”，专利申请号11/950,271，提交日2007年12月4日，题目为“使用直流电源的分布式电力获取系统”，专利申请号11/950,307，提交日2007年12月4日，题目为“使用直流电源用于分布式电力获取的方法”，并在此将这些申请的所有内容引入作为参考。
【技术领域】
本发明总体上涉及分布式直流电源的管理，更具体地，涉及分布式直流电源的监测，如太阳能电池阵，燃料电池，电池和类似应用。
背景技术
近期在可再生能源上逐渐增加的兴趣导致了用于能源的分布式产生系统的逐渐增多的研究，该能源如光电池(PV)，燃料电池，电池(如，用于混合动力汽车)，等。已经提出了各种布局用于将这些电源与载荷(load)连接起来，考虑到各种参数，如需要的电压/电流，运转条件，稳定性，安全性，成本，等。例如，这些电源的大部分都提供低电压输出(正常地低于3V)，从而需要将许多这些电源串联地连接起来从而提供所需的运转电压。然而，串联连接可能会导致不能提供所需的电流，从而可能需要将多个串联连接并联起来提供所需电流。
现有技术中还公知的是，从这些电源中的每个进行的发电基于制造，运转，和环境条件。例如，在制造过程中的各种不相容性可能引起两种相同的电源提供不同输出特性。类似地，两种相同的能源可能对运转和/或环境条件，如载荷，温度等具有不同的反应。在实际设备中，不同电源也可能经历不同的环境条件，例如，在太阳能电源设备中，一些电池板可能完全朝向阳光，而其余一些可能具有阴影，因此输送了不同的电力输出。当这些由本发明提供的问题和解决方案应用到任何分布式电力系统时，下述讨论涉及太阳能从而通过具体的实施例提供更好的理解。
太阳能电力系统10的传统设备如图1中所示。由于通过每个单独太阳能电池板101提供的电压太低，多个电池板串联起来而形成一连串电池板(sting of panel)103。对于更大的设备，当需要更高的电流时，多个一连串电池板103可以并行连接而形成整个系统10。该太阳能电池板在户外安装，同时其被连接到最大电力点跟踪(MPPT)模块107，然后连接到反相器箱(inverter box)104。该MPPT107典型的作为反相器104的部件的补充。
从直流电源上获取的电力被输送至反相器104，该反相器转换波动直流电(DC)至具有所需电压和频率的交流电(AC)，该电压和频率对于民用，通常为在60Hz的110V或220V或在50Hz的220V。从反相器104得到的该交流电可以然后用于运转电器或者供应给电网。可替换地，如果该设备并没有与电网相连，由反相器释放的电力可以被输送到变频和充/放电电路中来存储剩余的电力，即该剩余电力被充到电池中。在电池连接应用的情况下，该转换步骤可以全部省略，从而MPPT步骤107的直流电输出可以被供应到充/放电电路中。
图2表示了串联的直流电源如太阳能电池板201a-201d，与MPPT电路207和反相器204相连。该电流对电压(IV)特征在每个直流电源201的左边被画出(201a-201d)。对于每个直流电源201，该电流随着输出电压的增加而降低。在一些电压值时，电流变为零，在一些应用中还可能被假定为负值，也就意味着该电源变成了接收器(sink)。使用旁路二极管(bypassdiode)来避免电源成为接收器。每个电源201的电力输出值，基于从电源输出的电压变换，该电力等于电流和电压的乘积(P＝I*V)。在一个特定的电流和电压，电力达到了其最大值。期望在该最大电力点运转发电电池。MPPT的目的就是发现该点并在该点运转系统从而从电源中得到最大电力。
不同地环境和运转条件影响了直流电源的电力输出。例如，该太阳能涉及的不同电池板，周围温度和其他因素影响每个电池板释放的电力。基于使用的电池板的数量和类型，释放的电力可以在电压和电流上广泛的变化。由附近物体如树木或者由远处物体如云引起的在温度，太阳照射和阴影的改变可以引起电力损失。所有者和甚至专业建造者都发现很难验证该系统的正确运转。随着时间，许多更多的因素，如老化，灰尘和灰土积聚以及模块降解都影响太阳能电池阵的性能。
在反相器104上收集的数据并不足以提供该系统运转的合适监测。此外，当该系统经历电力损失时，需要确定其是否由于环境条件或者由于故障和/或由于太阳能电池阵组件的维护不良引起的。另外，还希望能简单地定位该特殊的引起了电力损失的太阳能电池板。然而，为了从每个电池板收集信息需要与中央数据收集系统的连接通道。该数据收集系统需要能够控制数据发送，防止发送冲突，并确定数据的每个发送器。所述需求可以非常简单的通过使用双向发送方法完成。然而，双向发送方法需要附加的发送线路并复杂了该系统。另一方面，单向发送倾向于冲突并难以区分出从不同信号源发送的数据。
因此，在太阳能电池阵监测领域中的传统方法主要集中在全部太阳能电池阵的输出参数的收集上。由于所述系统电力输出的宽的可变性，和影响电力输出的环境条件的宽范围，全部系统的该输出参数并不足以检验该太阳能电池阵是否在产生峰值电力上运转。局部的干扰，如安装故障，不良维护，可靠性问题和障碍物可能引起局部电力损失，其很难从全部监测参数中检测出来。
为了进一步探讨上述涉及分布式电源和太阳能电池板的问题，强烈建议读者复习以下文献，其可能是也可能不是现有技术。
-光电模块的串联DC-DC转换器(converter)连接，G.R.Walker和P.C.Sernia，电力电子技术专家会议，2002.(PESC02)，IEEE第1卷，澳大利亚凯恩斯，第24-29页。
-带有低压AC-Bus的分散太阳能源反相器的布局，Bjorn Lindgren。
-集成光电最大电力点跟踪转换器，Johan H.R.Enslin等人，IEEE工业电子学会报，第卷44，第6期，1997年12月。
-用于PV电池板的新型分布式转换器界面，R.Alonso等人，第二十届欧洲光电子太阳能会议，2005年6月6-10日，西班牙巴塞罗那。
-用于电网连接的PV系统的智能PV模块，Eduardo Roman，等人，IEEE工业电子学会报，第53卷，第4期，2006年8月。也在西班牙专利号ES2249147中。
-模块电池，模块DC-DC转换器概念用于高性能和增强可靠性，L.Palma和P.Enjeti，电力电子技术专家会议，2007，PESC 2007，IEEE卷，期刊，2007年6月17-21日第2633-2638页。数字对象标识10.1109/PESC.2007.4342432。
-用于电网连接的PV系统的智能PV模块的试验结果，R.Alonso等人，第二十一届欧洲光电子太阳能会议，在德国德累斯顿举行的国际会议公报，2006年9月4-8日。
-光电模块的串联DC-DC转换器连接，G.R.Walker和P.C.Sernia，IEEE工业电子学会报，第19卷，第4期，2004年7月。
-耐阴影光电系统的成本有效性，Quaschning，V.；Piske，R.；Hanitsch，R.，Euronsun 96，Freiburg，1996年9月16-19日。
-新型分布式MPPT转换器的评价试验结果，R.Orduz和M.A.Egido，第二十二届欧洲光电子太阳能会议，2007年9月3-7日，意大利米兰。
-用于PV应用的能源集成管理系统，S.Uriarte等人，第二十届欧洲光电子太阳能会议，2005年6月6-10日，西班牙巴塞罗那。
-美国公开专利申请2006/0185727
【发明内容】
提供下文中本发明的概述目的是提供对本发明各个方面和特征的基本理解。本发明概述并不是对本发明全部范围的总结，其并不用来特别的确定本发明的关键的或决定性的元素，或者描述本发明的范围。其仅有的目的为以简化的形式提供本发明的一些概念，并作为下文给出的更详细说明的前序。
根据本发明的某些方面，提供了一种采用单向发送的监测系统。通过新型的发送同步电路(transmission timing scheme)避免或者最小化了冲突。该新型的发送方法还取消了同步数据发送的必要性。根据本发明的某些方面，每个发送均携带了数据源的唯一的ID。该数据被收集和存储在中央分析系统中，在该数据上进行各种分析来确定每个发送源和整个系统的运转参数。根据本发明的另外方面，提供了一种用于发送中断信息的机构。当在任何一个电源中检测到故障时，中断信息可以优选于所有其余信息被发送，从而故障可以被立即检测到。根据本发明的某些方面，所有数据发送通过使用电力线连接(PLC)完成。可替换地，可以使用其它类型的发送，如无线或者专用发送线路，如以太网(Ethernet)，RS232，RE485，等等。
根据本发明的某些方面，提供一种用于分布式DC电力设备的监测系统，该监测系统包括：多个电源；多个监测模块，每个监测模块都与一个电源相关联并收集相关联电源的性能数据；多个发射机(transmitter)，每个发射机与一个监测模块相关联并发送性能数据；多个控制器，每个控制器均与一个发射机相关联并根据从计时器开始的消逝时间控制发送事件。每个电源都与电力线相连，其中每个发射机通过电力线发送性能数据。每个监测模块包括：用于收集电流数据的电流测量模块；用于收集电压数据的电压测量模块。每个监测模块可以进一步包括用于传感电源处温度数据的温度传感模块。每个监测模块可以进一步包括用于检测在电源处电弧的电弧检测模块。每个监测模块可以进一步包括计时器，其中只要相关联的电源开始产生电力，每个控制器就启动该计时器。每个监测模块可以进一步包括用于改变时间增量来控制发送事件的随机数发生器(randomizer)。该监测模块可以进一步包括存储器，该存储器用于存储从计时器开始积累的性能数据。该监测系统可以进一步包括：中央分析站；和，信息转发器(communication translator)，该信息转发器用于从监测模块接收性能数据并发送该性能数据至中央分析站。该中央分析站可以分析故障检测。该中央分析站可以对比测量的电力与期望的电力，该期望的电力基于外部数据确定。每个电源可以包括太阳能电池板。每个电源可以包括一连串串联连接的太阳能电池板。每个监测模块可以包括用于收集电流数据的电流测量模块。该监测系统可以进一步包括：用于并联所有的一连串串联连接的太阳能电池板的连接箱；和，测量并联电压的电压测量模块。该监测系统可以进一步包括：用于并联所有的一连串串联连接的太阳能电池板的连接箱；和，测量并联总电流的总电流测量模块。该监测系统可以通过对比总电流测量模块的输出值与每个监测模块的电流测量模块的总合来检测电流泄露。
根据本发明的某些方面，提供了一种用于监测分布式电力获取系统的方法，该系统包括直流电源，该方法包括：在每个直流电源上单独监测发电，当在一个直流电源上的发电超过临界值时，进行如下步骤：启动电源用计时器；收集电源的性能数据；检测计时器的时间周期推移和；当时间周期到达准备时间时，发射收集到的性能数据至中央分析站。收集性能数据可以进一步包括在存储器中存储性能数据，同时其中发送收集到的性能数据包括发送收集到的从计时器开始积累的性能数据。收集性能数据可以包括测量至少一个输出电压和输出电流。该方法可以进一步包括将至少一个直流电源的性能数据与不同时间的该相同直流电源的性能数据进行对比。该方法可以进一步包括将至少一个直流电源的性能数据与相邻的直流电源的性能数据进行对比。该方法可以进一步包括将至少一个直流电源的性能数据与期望的性能数据进行对比，该期望的性能数据基于外部参数。监测时间周期的推移可以进一步包括引入随机性至准备时间中。该方法可以进一步包括串联的连接多个太阳能电池板从而形成每个直流电源。发送该收集到的性能数据可以包括通过电力线发送收集到的性能数据。
根据本发明的某些方面，提供了一种分布式直流电源获取系统，包括：多个太阳能电池板串联连接形成了连接至电力线的一连串电池板；至少一个监测模块与该一连串电池板相连并从至少一个太阳能电池板上收集性能数据，该监测模块包括：用于通过电力线发送性能数据的发射机；用于根据从计时器开始的运行时间控制发射机的发送事件的控制器；和，与电力线连接的接收站，该接收站接收从发射机发送的性能数据。该接收站可以进一步包括至少一个电压和电流传感器。该接收站可以进一步包括用于中继发射至少从电力线路中接收的性能数据的发射机。该发射机可以包括无线发射机。该监测模块可以包括至少一个：用于从至少一个太阳能电池板上收集电流数据的电流测量模块；用于从至少一个太阳能电池板上收集电压数据的电压测量模块。该监测模块可以进一步包括温度传感器。该监测模块可以进一步包括计时器，其中只要相关联的电池板开始产生电力，每个控制器就启动该计时器。该监测模块可以进一步包括用于改变时间增量来控制发送事件的随机数发生器。该系统可以进一步包括存储器，该存储器用于存储从计时器开始积累的数据。该系统可以进一步包括：一个或多个附加的连串电池板；用于并联连串电池板的连接箱和一个或多个附加的连串电池板；和，测量并联电压的电压测量模块。
【附图说明】
在此引入并作为说明书的一部分的附图，示例性的说明本发明的实施方式并且，与说明书一起，用于解释和说明本发明的原理。该附图用于以图表的形式举例说明示例性实施方式的主要特征。该附图并不打算用于描述实际实施例的每一个细节或者描述元件的相对尺寸，而且并非按比例制图。
图1表示了传统的太阳能发电系统；
图2表示了太阳能电池板的一连串串联直流电源和电流与电压特性曲线；
图3A表示了根据本发明某些方面的监测模块；
图4表示了与图3A的监测模块相关联的通信和分析系统，根据本发明的某些方面；
图5表示了分布式电力获取系统，包括监测模块，根据本发明的某些方面；
图6表示了根据本发明另一个实施方式的太阳能系统；
图7表示了电力转换器，根据本发明的某些方面；
图8表示了典型的集中式太阳能现场设备(field installation)；
图9表示了根据本发明实施方式实施了监测的太阳能现场设备；
图10表示了根据本发明另一个实施方式实施了监测的太阳能现场设备。
【具体实施方式】
本发明的某些方面提供了用于太阳能电池板系统的监测系统。该监测系统包括可以被附加到太阳能系统的每个太阳能电池板上的模块。该监测模块将监测不同的参数，该参数包括，例如，电池板电压，电池板电流，电池板温度，照射条件，空间定位(如倾斜)，和其他参数。由每个监测模块得到的信息可以与唯一的模块ID一起被发送到中央管理单元中。该发送可以通过电力线完成，以无线形式，或者采用专用布线-如以太网，RS-232，RE-485或其它。在本发明的一个方面中，发送以在单向实现的电力线通信中完成。通过使用唯一发送定时机构消除了或者最小化了冲突。
该中央管理单元可以分析从所有太阳能电池板得到的数据。该监测系统可以在串层次(string level)，在面层次(panel level)或者甚至在单元层次(cell level)完成。能够在面层次监测使用的原则可以用于串层次和单元层次。此外，该创新的监测系统可以在小型设备中使用，如居民用太阳能电池板装置，和在大型设备中使用，如大型太阳能电池板发电厂。
数据的分析可以启动通常大部分故障的监测和精确定位，该故障与太阳能电池阵电力损失相关。另外，电流和历史数据的智能分析还可以用于提出纠正措施，如清除或替换太阳能电池阵的特定的部分。该系统还可以检测正常的由环境引起的电力损失，并避免高成本地和困难的太阳能电池阵测试。另外，数据的分析可以给出环境的矫正动作的建议。例如，其可以建议改变特定电池板的倾斜或者位置，或者移除障碍物，该障碍物在设备安装的时候没有意识到在特定的情况下会阻碍阳光。
图3A表示了根据本发明某些方面的监测模块。根据本发明的一个方面，该示例性的监测模块300被用来从每个太阳能电池板收集和发送数据，如图1的太阳能电池板101。所有监测模块的数据被通过通信系统发送至中央分析站，该中央分析站分析数据并显示太阳能电池阵的情况。
该监测模块300包括数个子模块。在监测模块300内的该子模块包括电流测量模块301，微控制器302，通信模块303，电压测量模块304，随机存储器(RAM)模块，非易失性RAM或NVRAM模块306，温度传感器307和一个或多个外部传感器界面308。
该微控制器模块302被连接到其它的模块上并控制其它的模块。如图3A中所示的一个示例性的方面，电流测量模块301串联地位于监测模块300的输入和输入端口之间。该电流测量模块301的位置可以基于在该模块中使用的电流测量装置的类型变化。在所示的示例性方面上，电压测量模块304与监测模块300的输入端口交叉的并联放置。该电压测量装置通常与要测量电压的组件并联的放置。在所示的示例性方面上，所示的通信模块303与监测模块300的输出端口并联放置。对于该模块并不存在特别的位置要求，该所示的位置是任意地。该传感器模块当与微控制器模块302连接时，在图中并没有表示出其与监测模块300的输入或输出端口相连。这些传感器模块，然而，可以从与监测模块300相连的电池板中导出电力和，因此，可以位于沿着从监测模块300的输入至输出端口的电路通道上。电源部件可以用来供应监测模块300。该电力可以从多个电源中的一个导出，如电池或者其它地方传入的。在一个实施方式中，监测模块300可以由被监测的太阳能电池板中获取的电源供应。
在本发明的各种方面中，包含的一些模块，如温度传感器307，是任选的。
该监测模块300可以采用分立元件完成或可以被集成从而获得特定应用集成电路(ASIC)。
该测量模块301，304和传感器模块307，308可以具有与其相连的滤波电路和模数转换电路。图3A表示了每个均与相应的测量和传感模块相连的低通滤波器和模数转换电路311，314，317，318。
电流和电压测量模块301，304用来收集电流和电压数据。收集到的数据被转移到微控制器模块302。该微控制器模块302可以为数码设备。该微控制器将收集到的信息存储在其局部RAM305内。存储在NVRAM模块306中的预定义数据，可以用来控制微控制器302的活动。
由电流和电压测量模块301，304收集到并转移到微控制器302内的数据，可以被然后发送到下述的中央分析站中，参考图4。该通信模块303用来发送数据至监测模块300的外部，该数据是从微控制器302或从RAM305中存储器中得到的。
该电流测量模块301可以通过不同的测量电流的技术实现。在本发明的一个方面中上，该电流测量模块301使用非常低值的电阻器实现。通过该电阻器的电压与流经该电阻器的电流成比例。在本发明的另一个方面上，电流测量模块301使用电流探针完成，该探针利用霍尔效应来测量通过导体的电流值而不需要添加串联电阻器。在转换该电流至电压后，该数据经过低通滤波器然后被数字化。与电流测量模块301相连的该低通滤波器和模数转换器在图3A中被作为模块311表示。在采用电压测量模块时，对于模数转换器必须要十分小心的选择正确的分辨率(resolution)和抽样率(sample rate)。如果电流传感技术不需要串联，那么监测模块300可以与电池板并联连接。对于并联连接，不需要在连接的过程中断开该电池板。
在本发明的一个方面中，为了测量太阳能电池板的电压输出值，电压测量模块304使用了简单的并联电压测量技术。该模拟电压经过低通滤波器为了最小化混淆现象(aliasing)。该数据然后采用模数转换器被数字化。与电压测量模块304相连的低通滤波器和模数转换器在图3A中被作为模块314表示。该模数转换器314具有足够的分辨率来正确地评价来自于太阳能电池板的电压。该低通滤波器使得对于低抽样率也能足够评价电池板的状态。
任选的温度测量模块307使得该系统在分析方法中能够使用温度数据。该温度可以指示多种类型的故障和问题。另外，该电池板温度在从电池板的电力输出和全部电力生产中都是重要指标。
该一种或多种外部传感器界面308使得不同的外部传感器与监测模块300连接。这些传感器是任选的并可以进行如下使用，即其能促使进行太阳能电池阵的状态的增强分析。可以在外部传感器界面308上使用的外部传感器的实施例包括：环境温度传感器，太阳辐射传感器，空间定向如倾斜传感器，相邻电池板的传感器等。当经常使用一种类型的传感器时，其可以结合到监测模块300内，而不再是一个外部组件。
该微控制器模块302管理着监测过程。由微控制器模块302执行的任务包括从电流和电压测量模块301，304收集信息，存储该信息到局部存储器305，306内然后发送该存储的信息至监测模块300外部。该微控制器模块302利用了存储在存储器的信息用于控制其运转。该运转信息可以存储在NVRAM模块306的非易失性存储器中，从而甚至在发生电力损失时保留该信息。在NVRAM模块306中的信息可以包括关于以下内容的信息，即关于微控制器模块302如在本发明的一个方面中(serial number)，使用的通信总线类型，情况更新速率和中央分析站的ID的信息，其中数据发送至中央分析站。在监测模块300向外发送前，该信息可以被添加至由测量模块301，304收集的参数中。
该监测模块300的安装过程包括将每个监测模块300与电池板连接起来，该电池板例如为图1所示的太阳能电池板101或图5所示的太阳能电池板505。该监测模块300的测量特征可以用来确保该电池板和监测模块进行了恰当地连接并用于记录监测模块300或者监测模块内微控制器的在本发明的一个方面中。该测量特征301，304，或者其它传感器，如GPS，倾斜等，还可以用于确定实际连接的位置和阵列连接布局。这些参数可以通过在中央分析站403内的分析软件使用来检测太阳能电池板和阵列中的问题。
该监测模块300可以在太阳能电池阵的安装过程中进行安装或者对现有设备进行改造。在两种情况下，监测模块可以与电池板接线箱连接或者与电池板之间的电缆连接。还可以提供给监测模块所需的连接器和电缆线路来获得简单的至电池板和电缆的安装和连接。
如图3A中所示的该监测模块300收集电流，电压和一些其它任选类型的数据，该数据来自于分布式直流电源获取系统中的每个电池板。来自于每个电池板的数据然后被发送用于分析。该通信模块303将微控制器302与通信总线相连，该通信总线参考图4将在下文中描述。来自每个监测模块300的通信采用传统的电力线通信技术(也公知为电力线载波)执行。此外，利用唯一的发送计时器来避免或最小化冲突。这项技术将会参考监测器的特定实施例进行说明，该监测器与太阳能电池板相连的。
当太阳能电池板“醒来时”，即，开始接收阳光和产生输出电力，该检测器初始化计时器至时间t0。该监测器可以在初始时间发送或不发送数据。然后该监测器持续的收集数据。但是仅在t0之后或者最后一次通信后经过给定的期间才发送收集到的数据。例如，该监测器可以每15分钟发送数据。由于该电池板空间上是分开的，因此其最有可能在不同的时间醒来，引入了随机性至发送时间，从而每个电池板将根据其自己的计时器发送数据。也就是说，每个监测器将发送数据在：
t0+xC，
其中x为整的自然数，同时C为稳定常量，假设15分钟。此外，对于每个电池板，tO在每个早晨可以为不同的时间。
根据上文可以理解的是，利用电池板的醒来时间来启动计时器引入了随机性措施，因此有利于避免冲突。根据本发明的另一个实施方式，另一种随机性措施在计数器中引入。例如，该发送时间可以采用tO+xC+ε计算，其中ε为随机数，由随机数发生器，等提供。可替换地，该发送时间可以采用tO+x(C+ε)计算。特别地，该随机数应该对每个模块单独地产生从而避免两个电池板在同一时间醒来和以相同的速率增加计数器的机会，因此避免了每个发送尝试上的冲突。该随机元素可以在每次数据发送后被再次引入。也可以使用其它的引入随机性的方法。
图3B为流程图，表示了通过图3A的监测器300用于数据发送的方法。在步骤340，检测了是否电池板已经醒来(即，接收阳光和产生预定水平的电力)。如果答案肯定，该方法进行到步骤342，其中计时器被启动并开始计数。数据，如电流，电压，温度，照明，电力输出，等开始被收集并存储在，例如，RAM305中，在步骤344，只要计时器不断计时和电池板还没有睡着(352)，该步骤持续进行。如上所述，任选地，引入另外的随机选择，其由步骤346表示。然后在步骤348，起决定的为是否已经达到了发送数据的时间，如果是，该数据在步骤350被发送。在该具体实施例中，被发送的数据为从计时器开始就积累的数据。此外，也可以实施其它的方法。例如，该数据可以为从上次发送积累的数据或者记录的电流数据。在步骤352，其检测了是否该电池板采取了睡眠模式，例如，照明或发电低于了临界值。如果是，该方法结束。否则，计数和继续发送数据。
上述图表最小化或避免了冲突。然而，如果确实发生了冲突，由于该发送是单向的，中央系统将不能得到该数据而且将不知道什么数据丢失了，同时发送监测器也没有办法知道该数据从未到达中央系统。结果，当中央系统分析了该数据并对来自于一个电池板和另一个的数据进行对比，如果由于冲突导致了一些数据发送丢失了，将会引入错误。例如，如果中央单元在1pm至2pm之间试图去对比由一些电池板产生的电力，这时如果从两个或更多电池板得到的数据在1:30pm冲突了并在运算中丢失了，该对比将是不准确的。
为了防止该问题，采用了一种方案，其中该数据在每个监测器中积累。然后，在每个发送中，数据的积累总值被发送了。例如，在时间t15，从醒来至醒来后15分钟产生的电力被发送了。在时间t30，从醒来至醒来后30分钟产生的电力被发送了，依此类推。采用这种方法，甚至在一个或多个发送没有被中央单元接收到，该中央单元可以通过，例如由接收到的所有发送得到的数据归纳(extrapolation)出该数据而重新构造该丢失的数据。为了在统一的时间坐标上在电池板之间对比数据，该数据在不同时间来自于不同电池板，还可以进行类似的归纳。例如，用于每个电池板，基于得到的数据点归纳各个监测器的电力生产曲线，然后对比这些曲线为了检测电力反常或者其他问题和现象。
根据本发明的另一方面，可以发送中断信息，该中断信息否决所有其它的信息。例如，只要可能需要快速的校正动作，可以通过任何的监测模块300发送中断信号。这可能发生在当电力忽然下降时，可能由于故障，由冰雹或其它原因引起的电池板破裂，等。该中断信号可以在任何时候发出，不管计数器的状态。针对中断信号，根据本发明的一个方面，可以在模块300中实现一种宽波段噪声检测器。当宽波段噪声检测器检测到噪声高于特定的临界值时，其就会发出中断信号。特别地，该特征应用于识别电弧，该电弧可能是由于系统中的开放式连接而引起的。也就是，由于系统电压相对较高，例如，400-600V，如果连接被分开了，从而电压可能击穿空气发生电弧。所述电弧可以作为宽波段噪声被检测到。该宽波段检测器可以作为控制器102的部件应用，如图3A中所示，或者作为单独部件。
另外，为了协助定位故障和有害情况，每个监测器都具有唯一的ID，其与数据一起发送。采用这种方法，中央单元可以简单的单独监测每个电池板，同时可以简单的确定对应于每个数据流的电池板的实际位置。因而，例如，如果每天2pm在一个或多个电池板上存在电力下降，可以通过使用与数据一起发送的唯一ID，简单地确定它们的实际位置。然后可以评价电池板的状态来观察是否在2pm存在屏蔽太阳的障碍物。此外，如果一个地理信息传感器(如GPS)连接到监测模块上，可以直接发送其位置从而可以发现并移除该障碍物。
中央分析单元还可以使用该ID信息来进行数据分析，该数据分析是通过将来自于具体电池板的数据与由外电源获得的期望数据进行对比得到的。即，如果该中央分析系统知道具有特殊ID电池板的位置，温度，倾斜，等，在电流有效条件(current prevailing condition)下，其就可以由该电池板计算期望的电力。如果从电池板接收到的数据基本上背离了预期的电力输出，可以确定该电池板出现了故障或某些因素导致了其损失电力。在此处所述实施方式的布局中，这特别地是一种有益的特征，由于最大电力点跟踪在单独电池板的基础上进行，从而获得的电力与预期的电力应该是可以同单位度量的。即，由于在几个电池板的平均值上跟踪最大电力点，所以不会引入错误。
根据本发明的某些方面，图4表示了与图3A监测模块相关的信息和分析系统。图4表示了用于从分布式电力系统中的每个电池板上收集数据的系统和随后对收集到的数据的分析。图4的系统包括多个发电的电池板401。每个电池板包括监测模块，如监测模块300。通过监测模块在电池板402上收集到的数据通过模块通信总线404与信息转发器401相互通信。该信息转发器401通过通信线路403发送数据至中央分析站403。该中央分析站403接收通过通信总线404发送的数据，并且分析该数据并对应于收集数据的时间显示电池板的状态。
在图4中，表示了用于从监测模块300发送数据的模块通信总线404，该监测模块300来自于多个电池板402。该数据可以以上述方式在单一总线上被发送，从而消除或最小化冲突。然而，也可以采用其它的发送方法。例如，来自于多个电池板的数据可以在相同的模块通信总线上被多路发送。可替换地，每个监测模块300包括单独的模块通信总线404。来自于不同监测模块的模块通信总线404传送来自于每个监测模块300的数据至信息转发器401。
该模块通信总线404可以以不同的方式实现。在本发明的一个方面中，使用了一种非定制(off-the-shelf)的通信总线如以太网，RS232或RS485。使用非定制的通信总线简化了监测模块300的通信模块303的设计，但是需要单独的电缆。也可以使用其它的方法，如无线通信或者电力线通信。当在监测模块300和信息转发器401之间使用无线通信时，信息转发器401可以位于紧密接近于电池板的位置从而减少了一个或多个模块通信总线404的长度。当在监测模块300和信息转发器401之间使用无线通信时，信息转发器401并不需要位于紧密接近电池板的位置。
使用信息转发器401来转换一个或多个模块通信总线404至标准通信协议和物理层。这就使得在不同的数据终端如电脑或PDA，接收来自于监测模块300的数据。该中央分析站403可以然后作为软件执行，该软件在标准PC，嵌入式平台或专利设备(proprietary device)上运行。
在本发明的一个方面中，在从监测模块300至中央分析站403上使用了不定向电力线通信。带有不定向通信，可以提供一种用于避免监测模块300之间串扰(cross-talk)的机构。参考图3B，所述机构可以以在预定次数从每个监测模块300发送数据的形式完成。在本发明的一个方面中，可以使用冲突检测运算系统来确定在中央分析站403接收到的数据不带有冲突。
在本发明的一个方面中，在中央分析站403和监测模块300之间使用双向通信。带有双向通信，该中央分析站403可以主动(proactively)要求由一个或多个监测模块300收集数据。
在中央分析站403分析该收集到的数据。通过分析从每个监测模块中得到的信息，可以检测出许多引起电力损失的原因。例如，当从电池板的发电在一天的某些小时是低的，同时相邻的电池板却在整天都保持相同的电力，该低性能电池板有可能在低发电量小时期间被遮挡。与其相邻的电池板对比仅产生少量电力的电池板可能持续被遮挡，污染或被不当安装。每个电池板的电力输出与相应的一年前的电力输出的对比可以显示出由于电池板上聚集的灰尘或灰土，电力输出已经逐渐减少。为了监测和评价该电池阵的发电，可以从外部电源收集附加数据。例如，来自卫星的辐射数据，来自地面电台、RADAR系统或卫星的天气数据，或基于历史数据或计算模型的天气和辐射预报，等等。更多的启发(heuristic)和运算方法可以用来检测问题并帮助系统的所有者在电池阵中精确定点问题。在发送数据中具有唯一ID帮助识别电池板及其实际位置。
根据本发明的某些方面，图5表示了分布式电力获取系统，包括监测模块。配置50实现了多个电源的连接，例如太阳能电池板501至单一电源。所有太阳能电池板的串联被连接至反相器504。图示的中央分析站500与监测模块300通信，该监测模块300与每个太阳能电池板501相连。中央分析站500可以结合到反相器504中或者为独立单元。
在配置50中，每个太阳能电池板501与单独的电力转换器电路505相连。电力转换器电路505优选地适合相连的太阳能电池板501的电力特性并从输入至输出有效地转换电力。电力转换器505可以为减压转换器，增压转换器，减/增压转换器，逆向转换器或正向转换器。该转换器505还可以包括许多组件转换器，例如串联的减压和增压转换器。
每个转换器505包括接收反馈信号的控制回路，该反馈信号不是从输出电流或电压中获得，而是从来自于太阳能电池板501的输入中获得。所述控制回路的一个实施例为在太阳能电池阵应用中的最大电力点跟踪(MPPT)回路。在转换器中的MPPT回路锁定来自每个太阳能电池板501的输入电压和电流至其最优电力点。转换器505的MPPT回路运行来实现最大电力点跟踪并转换该输入电力至其输出而不会强加受控的输出电压或输出电流。
根据本发明的某些方面，每个转换器505可以包括监测模块。例如，每个转换器505可以包括图3A的监测模块300。在监测模块300和中央分析站500之间的通信线路可以为无线的或有线的。如果有线，该连接可以单独的对每个单元505进行或者中心通过反相器504。注意到，当将其与MPPT跟踪电力转换器505连接时，在监测电池板输出中存在额外的值，由于这样保证了监测到的电力为最大电力点，因此得到低电力意味着存在问题同时其并不仅仅是从中央反相器得到由电力降低引起的故障警报，其对于每个电池板也不是最优的。转换器505可以串联或者并联连接而形成串列或阵列。
传统的DC至DC转换器在太阳能电池板端具有宽的输入电压范围和输出电压，该输出电压预定和固定在设备上。在这些传统的DC至DC电压转换器中，控制器在输入端监测电流或电压，在输出端监测电压。该控制器确定了合适的脉冲宽度调制(PWM)负载循环(dutycycle)来固定输入电压至预定的值，当改变从输入释放的电流时如果输入电压下降了，降低负载循环。在转换器505中，根据本发明的实施方式，控制器在其输入端监测电压和电流，并以下述方式确定PWM，即提取最大电力，动态地跟踪最大点。在本发明的实施例中，为了跟踪最大电力，在输入电力上关闭了反馈回路，而不是像传统的DC至DC电压转换器中执行的那样，在输出电压上关闭反馈回路。
转换器505的输出与变相器504内的单一DC输出串联，该变相器504将串联的DC输出转变至交变的电力供应。如果输出并不要求为交流电，变相器可以被省略，或者可以替换性的采用其他载荷，如中央DC/DC转换器或蓄电池充电器。
图5的电路在连续运行期间从每个太阳能电池板501提供了有效的最大电力，以上是通过在每个太阳能电池板输出上连续的执行MPPT来起作用从而改变每个单独太阳能电池板501的温度，太阳辐射，阴影或其他性能退化因素得到的。如图1中所示，传统的结合电力的方案，在串联电池板103或太阳能电池板101的阵列上执行MPPT。由于在每个转换器505中具有单独的MPPT电路，对于每个太阳能电池板501，在本发明的某些实施方式中，图5中所示的实施例中每个串503可以具有不同数量的串联的电池板501。另外，电池板501可以以不同方向安装，这是因为太阳能电池板501并不必须匹配同时部分遮挡仅降低遮挡的电池板的性能。根据本发明的某些实施例，在转换器505内的MPPT电路从电池板501获取了最大的可能电力并作为输出传输该电力，与其它的太阳能电池板501的参数无关。
图6表示了根据本发明另外实施方式的太阳能系统。图6的实施方式类似于图5，其中电池板601串联连接从而形成串联电池板603。该串联电池板603然后与变相器604并联连接。该变相器604包括中央分析站600，该中央分析站从在转换器605内的报告模块接收数据。中央分析站600还从报告模块606接收数据，该报告模块提供涉及来自所有电池板传递的整个电力的数据。
根据本发明的某些方面，图7表示了电力转换器。根据本发明的实施例，图7突出表示了其中的DC至DC转换器705的监测和控制功能。图中还示出了DC电压电源701。对于转换器705，还部分地示出了简化的降压和增压转换器电路。示出的部分包括开关晶体管728，730，748和750和共用感应线圈708。每个开关晶体管均由电力转换控制器706控制。
该电力转换控制器706包括脉冲宽度调制(PWM)电路733，和数字控制器730，其中该数字控制器包括防护部件737。该电力转换控制器706与微控制器790连接，该微控制器包括MPPT模块719，并且还任选地包括通信模块709，监测和记录模块711，和防护模块735。
电流传感器703可以在DC电源701和转换器705之间连接，同时电流传感器703的输出可以通过相关的模数转换器723提供至数字控制器730。电压传感器704可以在DC电源701和转换器705之间连接，同时电压传感器704的输出可以通过相关的模数转换器724提供至数字控制器730。该电流传感器703和电压传感器704被用来监测来自于DC电源，如太阳能电池板701的电流和电压的输出。测量到的电流和电压提供至数字控制器730然后用来保持转换器输入电力在最大的电力点上。
该PWM电路733控制转换器电路的降压和增压部分的开关晶体管。该PWM电路可以为数字脉冲宽度调制(DPWM)电路。通过模数转换器741，742将在感应线圈708和开关晶体管750获取的转换器705的输出提供至数字控制器730，从而控制PWM电路733。
随机存储器(RAM)模块715和非易失性随机存储器(NVRAM)模块713可以位于微控制器706的外部但是与微控制器706相连。该唯一ID和其他相关的数据，如在本发明的一个方面中，制造商，制造日期，等可以存储在NVRAM中。温度传感器779和一个或更多外部传感器界面707可以与微控制器706相连。该温度传感器779可以用来测量DC电源701的温度。物理接口717可以与微控制器706相连并用来将来自于微控制器的数据转换为标准通信协议和物理层。在转换器705中还可以包括内部电源单元739。
在本发明的不同方面，用于测量电流的电流传感器703可以通过不同的技术实现。在本发明的一个方面中，电流测量模块703采用非常低值的电阻器实现。通过该电阻器的电压与流经电阻器的电流成比例。在本发明的另一个方面，电流测量模块703采用电流探针实现，该电流探针使用霍尔效应来测量经过导体的电流而不需要添加串联电阻器。在将电流转换成电压后，该数据可以通过低通滤波器然后被数字化。与电流传感器703相关联的模数转换器作为A/D转换器723在图7中表示。通过给模数转换器选择合适的分辨率和采样率可以避免在所得的数字数据中产生混淆效应。如果电流传感技术并不需要串联，那么电流传感器703可以与DC电源701并联连接。
在本发明的一个方面中，电压传感器704采用了简单的并联电压测量技术为了测量太阳能电池板的电压输出。该模拟电压通过低通滤波器从而最小化混淆现象。该数据然后采用模数转换器被数字化。与电压传感器704相关联的该模数转换器作为A/D转换器724在图7中表示。该A/D转换器724具有足够的分辨率根据模拟电压来产生足够简单的数字信号，该模拟电压在DC电源701中测量得到，该DC电源可能为太阳能电池板。
收集到的用于跟踪转换器输入中的最大电力点的电流和电压数据还可以用于监测目的。带有足够分辨率的模数转换器可以恰当地评价电池板电压和电流。然而，为了评价电池板的状态，甚至低的采样率也是足够的。低通滤波器使得对于低采样率也足够用于评价电池板的状态。该电流和电压数据可以提供给监测和记录模块711用于分析目的。
温度传感器779使得系统在分析过程中使用温度数据。该温度可以指示出某些类型的故障和问题。另外，在电源是太阳能电池板的情况下，该电池板温度是电力输出生产中的一个指标。
一个或多个任选外部传感器界面707使得将各种外部传感器连接至转换器705。外部传感器任选地用来增强对太阳能电池板701，或串或阵列的状态的分析，该串或阵列由电池板701连接形成。外部传感器的实施例包括环境温度传感器，太阳辐射传感器，和相邻电池板的传感器。外部传感器可以结合到转换器705内而不是被外部连接到一起。
在本发明的一个方面中，采用通信接口709，由电流和电压传感器703，704和任选的温度和外部传感器705，707获得的信息可以被发送到中央分析站用于监测，控制，和分析。该附图中未示出中央分析站。该通信接口709将微控制器706与通信总线连接到一起。该通信总线可以采用多种方式实现。在本发明的一个方面中，通信总线采用非定制通信总线实现，如以太网或RS422。也可以使用其它的方法如无线通信或电力通信。如果使用了双向通信，中央分析站可以请求由微控制706收集的数据。可替换地或附加地，从传感器703，704，705，707获得的信息局部地利用监测和记录模块711记录在局部存储器内，如RAM715或NVRAM713。
对来自于传感器703，704，705，707的信息进行分析使得能够检测和定位在太阳能电池阵中的多种类型的故障，该故障与电力损失相关联。也可以使用智能分析来提出改正措施，如除去或置换太阳能电池阵的特定部分。传感器信息的分析也可以检测由环境情况引起的电力损失，并避免高成本和难实施太阳能阵的测试。
随后，在本发明的一个方面，基于在MPPT模块719中的MPPT运算，微控制器706同时保持了至转换器705的输入电力的最大电力点，该输入电力来自于相连的DC电源或太阳能电池板701，该微控制器706同时管理着从传感器703，704，705，707中收集信息的进程。该收集到的信息可以被存储在局部存储器713，715中被发送至外部中央分析站。在本发明的一个方面，微处理器706使用了之前限定的参数来运行，该参数存储在NVRAM713中。存储在NVRAM713中的信息可以包括关于以下内容的信息，即关于传感器705如序列号，关于使用的通信总线的类型，关于状态升级速率和关于中央分析站的ID。在发送前，该信息可以被添加到由传感器收集到的参数中。
转换器705可以在太阳能电池阵的安装过程中被安装或者对现有设备进行改造。在两种情况下，转换器705可以与电池板连接箱或者电缆相连，该电缆与电池板701相连。可以给每个转换器705提供连接器和电缆线路，使得其能够简单地安装并与太阳能电池板701和电池板电缆连接。
在本发明的一个方面，物理接口717用于转换至标准通信息协议和物理层从而在安装和维护过程中，转换器705可以与各种数据终端相连，该数据终端如电脑或PDA。然后分析可以作为软件执行，该软件在标准计算机，嵌入式平台或专利设备上运行。
转换器705的安装过程包括将每个转换器705与太阳能电池板701连接。一个或多个传感器703，704，705，707可以用来确保该太阳能电池板701和传感器705恰当地连接到一起。在安装过程中，如序列号，实际位置和阵列连接布局等参数都被存储在NVRAM713中。这些参数可以通过分析软件用来检测将来在太阳能电池板701和电池阵中出现的问题。
当DC电源701为太阳能电池阵时，摆在光电太阳能电池阵建造者面前的问题之一就是安全性。该太阳能电池板701在白天当存在阳光的时候串联连接。因此，在安装的最后步骤，当一些太阳能电池板701串联连接时，通过一连串电池板的电压可能到达危险的程度。高达600V的电压在家用设备中是危险的。因而建造者面临着被电死的危险。与电池板701相连的转换器705可以采用内部操作来避免所述危险。例如，转换器705可以限制该输出电压至安全的水平直到检测到预定的最小负载。仅仅在检测到该预定负载后，该微控制器706才提升来自于转换器705的输出电压。
另外的提供了安全机构方法为，对于电池板串(string)或电池板阵列在转换器705和相关联的变相器之间使用通信装置。例如可以为电力通信的该通信，在任何显著地或潜在地危险点力水平发生之前可以提供同步信息交换。因而，转换器705将在传输电力至变相器之前等待在相关阵列中的来自变相器的模拟或数字信号。
上述用于DC电源701的监测、控制和分析的方法可以在太阳能电池板或太阳能电池板串或阵列上应用，或者用于其它的电源，如电池组和燃料电池。
目前为止，上述的创新性监测可以在任何太阳能电池板设备中实现，但是特别地有益于民用和相对小的设备。另一方面，对于大型设备，举例来说，例如025兆瓦特太阳能场或者更大的场，在每个电池板上实现监测可能为高额成本。由此，本文提供的检测方案可以被修改用于所述应用。
图8表示了典型的集中式太阳能现场设备。在图8中，大型的现场设备通过串联连接多个太阳能电池板805形成串810。正常的8-20电池板805串联连接形成串810。然后，多个串，例如，八个或十二个串并联连接形成组(cluster)815。多个组然后连接到一起在超级组连接箱820中连接到一起，从而形成超级组，该箱有时也称为组合箱(combined box)。该超级组可以与中央变相器或者其它超级组相连。根据现有技术，所述系统的监测通过测量在该超级组的输出的电流和电压完成。然而这种监测仅检测主要的故障而检测不到更小的问题，如果修正了，可以带来更高的效率。另一方面，已经公开了在每个电池板上提供一个监测器并利用主从配置(master-slave arrangement)从每个电池板来获得性能数据。然而，所述配置不论是在用于每个电池板的每个监测器的额外成本(在大型现场设备中，正常存在数百至数万个电池板)上还是在发送要求的复杂性上，都是昂贵的。关于更进一步的背景技术，读者可以参考美国专利公开文本：2006/0162772。
根据本发明的一个实施方式，图9表示了实施了监测的集中式太阳能现场设备。系统900中设置有串联连接成串910的电池板905，该串910并联连接形成组915，该组依次连接形成超级组连接箱920。在图9的实施方式中，对于每个由电池板905串联连接形成的串910安装一个监测器925。该监测器925可以为与图3A中相同的监测器300。另一方面，在一个实施方式中，监测器925包括仅一个探针和发送工具，其类似于监测器300。同时在图9中，所示的监测器925与第一电池板905相连，其可以与串910中的任何串联相连的电池板相连。另外，电压监测器930连接在超级组连接箱920上。可以使用电力装置给监测器925和930供电。该电力可以取自于许多电源中的一个，如，电池组或其它地方的供电。在一个实施方式中，监测器925和930可以采用通过其中的电缆中获取的电力供电-涉及到监测器925，太阳能电池板正在被监测，同时涉及到组合箱920，电流来自一个或更多全部组915。
采用图9的配置，由于每个串910与所有其它的串在超级组连接箱920上均并联连接，因此由电压监测器930测量到的电压代表了每个串910的电压。该电压测量值被从箱920发送，同时电流单独从每个串发送至中央监测系统(未示出)。可替换地，监测器925可以通过电力线通信或者其他方式发送其数据至监测器930，该监测器930然后集合这些数据并发送至中央监测系统。该监测器930可以通过其它的发送方法将其收集到的数据与其监测到自身的任何数据一起发送至中央监测站(未示出)，如以太网，通过单向或双向通信的无线通信(WiFi，ZigBee，等)，如箭头955所示。然后，该中央监测站可以计算出每个串产生的电力。所述监测对于在每个串上的电力下降和其它故障更加敏感。这就使得提高了对错误和故障电池板的识别，而省去了在每个电池板上安装监测器的费用。
另外，不利用复杂的主从配置，在本实施方式中监测器925利用电力线通信通过双向通信方法发送数据，该双向通信方法参考如上所述的图3A和3B。这样，不需要专用的总线并且通过使用上述的随机性机构避免了冲突。由于太阳能发电厂可能非常大而且包括数千个电池板或监测器，有利地是避免在该设备一部分中发送的数据干扰另外部分中发送的数据。在本发明的一个方面，所述干扰可以通过在每个超级组连接箱920的输出终端之间引入电容器960解决。该电容器920用于减弱在超级组中的PLC信号，并避免与其他超级组之间的干扰。
根据本发明的另一个实施方式，图10表示了实施了监测的集中式太阳能现场设备。图10的该实施方式类似于图9，除了添加了电流监测器1035来测量由每个组1010提供的总电流。该在电流监测器1035上测量到的电流应该为所有监测器1025的电流监测值之和。也就是电流监测器的读取值应该与所有监测器1025报告的读取值(少量的发送损失)之和是可以同单位度量的。如果检测到不正常的差异，也就意味着串1010中的至少一个具有电流传输问题。这可能是由于故障连接器，不良电缆隔离，或其它因素引起的。因而，检测到了该问题并可以简单地被定位和修复。
如上所述，本发明的实施方式通过监测，控制，记录和/或相互通信每个太阳能电池板501或太阳能电池板的串503的性能，提供了更高程度的容错率，维护和适合性。在转换器505的MPPT电路中使用的微控制器，可以包括图3A所示的监测模块300。然后，该微控制器还可以用于执行监测，记录和通信功能。这些功能允许在安装过程中快速和简单的寻找故障，因此显著了减少了安装时间。在维护运行期间，这些功能对于问题的快速检测也是有益的。另外，通过监测系统每个部分的运转，定期检修可以以适时的方式进行来防止系统的停工。
参考具体的实施例，已经描述了本发明，该实施例仅用来说明性的示例而非限定性的。本领域技术人员应该理解，相关硬件、软件和固件的各种不同组合将适合用于实施本发明。此外，根据本发明公开的发明内容和实施例，本发明的其它实施方式对于本领域技术人员应该是显而易见的。发明内容和实施例应该被认为仅作为示例用，本发明的真实保护范围和思想由下面的权利要求书和其等效内容表示。