电源转换器及其控制方法与流程

1.本发明涉及一种太阳能电池板的电源转换器及其控制方法。本发明尤其涉及一种性价比高的太阳能跟踪器的中压电源转换器及其用于控制所述电源转换器以确保其适当运行的方法。


背景技术：

2.太阳能电池板用于各种应用中，无需连接到公用电网即可为负载供电。在太阳能跟踪器情境下，特别是在自供电太阳能跟踪器情境中，太阳能组件用于为太阳能跟踪器的控制系统和电机提供电力，驱动太阳能电池板旋转，使太阳能电池板跟随太阳的移动而移动，确保太阳能电池板位于可以最大限度地产生电能的位置。单个相对较小的面板通常足以为太阳能跟踪器供电，太阳能跟踪器每天可能需要约15瓦的电量(一般每天约10瓦至25瓦之间)。
3.在某些情况下，由于受到环境条件限制或太阳所处角度不是太阳能电池接收太阳能的最佳角度，太阳能组件可能无法实现其最大潜力发电。电池可用于存储太阳能组件产生的电力，但由于电池可能未充满电或电池可能因各种原因发生失效，导致其可能无法为太阳能跟踪器提供足够的电力。为太阳能跟踪器系统供电的太阳能组件也可能会增加太阳能跟踪器系统的复杂性及尺寸。


技术实现要素：

4.本发明涉及一种电源转换器系统，所述系统将太阳能电池板产生的部分功率转换为太阳能跟踪器的适当功率信号，从而无需单独的太阳能模块。
5.总体而言，本发明主要涉及一种中压电源转换器。所述中压电源转换器包括具有至少两个支路的分压器。所述中压电源转换器还包括第一电路子组件。所述第一电路子组件包括串联连接在一起的第一半导体开关和第一半导体器件。所述第一电路子组件与所述至少两个支路中的第一个支路并联连接在一起。所述中压电源转换器还包括第二电路子组件。所述第二电路子组件包括串联连接在一起的第二半导体开关和第二半导体器件。所述第二电路子组件与所述至少两个支路中的第二个支路并联连接在一起。中压电源转换器还包括具有第一端和第二端的第一电感器。所述第一端耦接于所述第一半导体开关与所述第一半导体器件之间。所述第二端耦接至第一输出端。所述中压电源转换器还包括具有第一端和第二端的第二电感器。所述第一端耦接于所述第二半导体开关与所述第二半导体器件之间。所述第二电感器的第二端耦接于第二输出端。
6.实施方案可以包括以下一个或多个特征。所述分压器的至少两个支路均可以包括并联连接在一起的电阻器和电容器。中压电源转换器可以包括控制器，所述控制器被配置为产生用于控制所述第一半导体开关的第一脉冲信号和用于控制所述第二半导体开关的第二脉冲信号。所述第一脉冲信号可与第二脉冲信号异相。所述第一导体器件和第二半导体器件可为二极管或半导体开关。所述第一脉冲信号可与第二脉冲信号异相180度。所述中
压电源转换器可以包括第三电路子组件。所述第三电路子组件包括串联连接在一起的第三半导体开关和第三半导体器件。所述第三电路子组件和至少两个支路中的第三支路可并联连接在一起。所述第三半导体器件可以是二极管或半导体开关。所述第一、第二和第三半导体开关可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)或绝缘栅双极晶体管(igbt)。
7.总体而言，本发明主要涉及一种操作中压电源转换器的方法。操作所述中压电源转换器的方法，包括将施加到与分压器的各个支路并联连接的各半导体开关的各驱动信号的相位保持同步。操作所述中压电源转换器的方法还包括，测量太阳能电池板电压和测量中压电源转换器的输出电压。操作所述中压电源转换器的方法还包括，确定太阳能电池板电压是否大于输出电压的两倍。操作所述中压电源转换器的方法还包括，为了确定太阳能电池板电压大于输出电压的两倍，偏移至少一个驱动信号的相位，使驱动信号与输出电压彼此异相。从其他方面，还包括记录在一个或多个计算机存储设备上的相应计算机系统、装置和/或计算机程序，均配置用于执行所述方法的相关步骤。
8.实施方案可以包括以下一个或多个特征。移动至少一个驱动信号的相位可以包括移动至少一个驱动信号的相位，使驱动信号彼此形成180度异相。驱动信号可以是脉宽调制(pwm)驱动信号。
9.另一方面看，本发明主要涉及一种操作中压电源转换器的方法。操作所述中压电源转换器的方法包括，测量提供给与分压器的第一支路并联连接的第一半导体开关的第一电压。操作所述中压电源转换器的方法还包括，测量提供给与分压器的第二支路并联连接的第二半导体开关的第二电压；并比较所述第一电压和所述第二电压；并且，如果所述第一电压大于所述第二电压，则在减小在下一周期施加到所述第二半导体开关的驱动信号占空比。操作所述中压电源转换器的方法还包括，如果所述第二电压大于所述第一电压，则减小在下一周期施加到所述第一半导体开关的驱动信号占空比。从其他方面，还包括记录在一个或多个计算机存储设备上的相应计算机系统、装置和/或计算机程序，均配置用于执行所述方法的相关步骤。
10.实施方案可以包括以下一个或多个特征。比较所述第一电压与所述第二电压包括，确定所述第一电压是否大于所述第二电压加预定电压以及确定所述第二电压是否大于第一电压加所述预定电压。减小驱动信号的占空比可以包括，在下一周期将驱动信号占空比降低至零。操作所述中压电源转换器的方法可以包括，产生施加到所述第一半导体开关的驱动信号及施加到所述第二半导体开关的驱动信号，使驱动信号彼此异相。驱动信号可以彼此异相180度。驱动信号可以是脉宽调制(pwm)驱动信号。驱动信号的占空比可以减小预定量，从而使所述第一电压与所述第二电压彼此更接近。
11.从另一整体方面看，本发明主要涉及一种中压电源转换器。所述中压电源转换器包括具有至少两个支路的分压器。所述中压电源转换器还包括第一电路子组件。所述第一电路子组件包括串联连接在一起的第一半导体开关和第一半导体器件。所述第一电路子组件与所述至少两个支路中的第一个支路并联连接在一起。所述中压电源转换器还包括第二电路子组件。所述第二电路子组件包括串联连接在一起的第二半导体开关和第二半导体器件。所述第二电路子组件与所述至少两个支路中的第二个支路并联连接在一起。所述中压电源转换器还包括一个连接至所述第一和第二电路子组件的变压器、连接在所述第一电路子组件和变压器一次侧之间的电感器，以及一个连接在所述第二电路子组件和变压器一次
侧之间的电容器。
12.实施方案可以包括以下一个或多个特征。所述中压电源转换器可以包括连接到变压器的第一次级侧的第一半导体器件和连接到变压器的第二次级侧侧的第二半导体器件。中压电源转换器可以包括控制器，所述控制器用于产生用于控制所述第一半导体开关的第一脉冲信号和用于控制所述第二半导体开关的第二脉冲信号。所述第一脉冲信号可与第二脉冲信号异相。
附图说明
13.下文参考附图说明了本发明的各方面，构成了本说明书的一部分，其中：
14.图1所示为本发明的太阳能跟踪器系统；
15.图2所示为本发明经由电源转换器连接至pv组列的太阳能跟踪器系统示意图；
16.图3a所示为根据本发明的一方面的单向电源转换器拓扑电路图；
17.图3b所示为根据本发明的另一方面，在第一方向操作的双向电源转换器拓扑电路图；
18.图3c所示为根据本发明的另一方面，在第二方向上操作图3b的双向电源转换器拓扑的电路图；
19.图3d所示为根据本发明的各方面电源转换器拓扑附加部分的电路图；
20.图4和图5为用于切换本发明电源转换器半导体开关的驱动或开关信号波形图。
21.图6所示为根据本发明的一个方面，用于驱动电源转换器半导体开关的控制系统逻辑框图；
22.图7所示为根据本发明的一个方面，用于驱动电源转换器半导体开关的控制算法流程图；
23.图8所示为根据本发明的一个方面，用于调节施加到电源转换器相应半导体开关驱动信号的示例方法波形图；
24.图9所示为根据本发明的各方面，操作中压电源转换器的方法流程图，所述方法可由微控制器单元(mcu)或与电源转换器相关联的其他类型的控制器执行；且
25.图10所示为根据本发明的另一方面，单向电源转换器拓扑的电路图。
具体实施方式
26.本发明涉及用于太阳能跟踪器控制的系统及方法。尽管如本技术在太阳能跟踪设备内容中的一般描述，所述设备利用光伏(太阳能)面板和电池来提供电能进而驱动使跟踪器组件旋转的电机，但本技术中所述的系统、示意图及算法适用于任何将太阳能转换为电能的情况。例如，本发明的系统和算法在太阳能跟踪器表面区域的一部分被遮蔽的的情况下非常有用。本发明的下文内容涉及连接至大型电网且可与大型电池组相关联的太阳能发电场的领域中，当太阳能电池板无法满足需求时，所述大电池组可用于向电网提供电力。太阳能发电场可以包括能量储存容器平台及用于将能量储存容器平台连接至能源网的控制器和系统，所述能量储存容器平台可以包括电池和光伏系统。
27.图1所示为通常部署为大阵列一部分的太阳能跟踪器系统10。每个太阳能跟踪器系统10包括多个光伏(pv)太阳能电池板12。电机14驱动轴15，而太阳能电池板12固定在轴
15上。通过驱动轴15，太阳能电池板12与太阳保持适当的角度，以确保最大发电量。轴15悬挂在电机14与摆动支架之间，或者，悬挂在电机14和旋转支架16之间。电机14和旋转支架16均支撑在支柱18上。
28.所述太阳能跟踪器系统位于电机14附近并由轴15支撑。一个箱体(未示出)悬挂在轴15的下侧或安装在支柱18上。例如，所述箱体22内包含电池24和控制器26。控制器26向电机14提供关于是否驱动轴15以及驱动轴15的距离的输入，以使太阳能电池板12跟踪太阳的运动。
29.图2所示为本发明经由电源转换器50连接至pv组列20的太阳能跟踪器系统示意图。在较大的pv阵列中，图1所示的单个太阳能电池板12采用串联方式连接(例如，一个太阳能电池板的正极端子连接另一个太阳能电池板的负极端子)。所述太阳能电池板12的这种串联连接称为pv组列20。电力从每个pv组列20单独地传输至所述控制器26。因此，可以监测每个pv组列20中的每一个单独电流。例如，所述监测还可用于过电流保护、用于太阳能电池板维护、用于跟踪算法以增加pv电站发电量，和/或用于除了东西遮蔽之外的南北遮蔽的检测。随后，所述控制器26可将功率总和作为单对dc电缆输出给逆变器或下一级组合。
30.所述控制器26包括控制区域28，所述控制区域28可容纳通信模块30(例如，wi
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fi、等)、倾角计32和微控制器单元(mcu)34。所述mcu 34与一个电源或给所述制器26供电的电池充电器36以及控制电机14驱动的电机驱动控制器40通信连接。mcu 34包括至少一个处理器和至少一个存储器。所述电源转换器包括微控制器单元(mcu)51，mcu还包括至少一个处理器和至少一个存储器，所述存储器存储有用于驱动本发明所述电源转换器50的半导体开关或开关器件的控制算法方面的程序或指令。
31.如图2中所示，根据本发明中描述的实施方案，pv组列20经由所述电源转换器50向所述电源或电池充电器36提供电力。所述mcu 34将电流从pv组列20引至电池24进行充电，例如锂离子(li
‑
ion)电池，再进一步引至升压转换器38，升压转换器38为驱动电机14和/逆变器供电。所述mcu 34还可基于来自pv组列20的输入来确定所供应的电力是否不足以驱动电机14，并且可使电池24中存储的电能用于此目的。来自每个pv组列20的电能由电流感测电路44检测。所述电流感测电路44可测量每个pv组列20的单个电流。测量电流被馈入mcu 34，mcu 34可以运行跟踪器控制算法以优化太阳能跟踪器系统10产生的功率。
32.图3a
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3d描绘了根据本发明各方面要求的电源转换器拓扑电路图。如图3a所示，单向电源转换器子组件300a连接至太阳能电池板、光伏(pv)组列302或太阳能电池板阵列或组列(例如，如图1所示的太阳能电池板12的组列)的正极端子和负极端子。电源转换器拓扑包括采用级联配置的降压/升压转换器310、320，使降压/升压转换器310、320各自均可获得太阳能电池板或pv组列302提供的dc输入电压的一半。例如，如果pv组列302具有1600v最大开路电压，则级联降压/升压转换器310、320各自均可获得dc电压(例如，此时最大电压为800v)的一半，使得可以在降压/升压转换器310、320中使用更高效率和更商业化的1200v半导体器件。
33.在其他实施方案中，电源转换器的拓扑可将附加的降压/升压转换器与降压/升压转换器310、320串联布置，使得在级联降压/升压转换器中可使用电压极低的半导体(例如金属氧化物
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半导体场效应晶体管(mosfet)器件)。例如，与降压/升压转换器310、320相同或相似的三个、四个或更多降压/升压转换器可以通过串联布置连接在一起。
34.降压/升压转换器310、320包括与相应二极管组件314、324串联连接的相应半导体开关器件312、322，所述二极管组件包括二极管器件。降压/升压转换器310、320还包括各自的电感器316、326，每个电感器具有连接在各自半导体开关器件312、322和各自二极管组件314、324之间的第一端。降压/升压转换器310、320与相应的分压器支路311、321并联连接，所述分压器支路311、321经由电源总线轨304、306串联连接在总线电容器305上。所述电感器316、326的第二端连接至输出电容器330的不同端。
35.在操作过程中，当第一降压/升压转换器310通过接通所述第一半导体开关器件312和关闭所述第二半导体开关器件322而接通或导通时，电流315(如带箭头的虚线指示)从第一电源总线轨304流出，经过所述第一半导体开关器件312、所述第一电感器316、所述输出电容器330、所述第二电感器326、所述第二二极管组件324，最终到达所述分压器支路311、321之间的连接处。当第二降压/升压转换器320通过关闭第一半导体开关器件312和打开第二半导体开关器件322而接通时，电流325(如带箭头的实线所示)从所述分压器支路311、321之间的连接处流出，经过所述第一二极管组件314、所述第一电感器316、所述输出电容器330、所述第二电感器326、所述第二半导体开关器件322，最终到达所述第二电源总线轨306。
36.在图3b和3c所示的替代方面，所述二极管组件314、324可由与半导体开关器件312、322相同或相似的半导体开关器件代替，以形成双向电源转换器。所述双向电源转换器子组件300b的第一端301可以连接至pv组列，例如，3a中所示的pv组列302，及公用电网。在此配置中，所述双向电源转换器子组件300b可以在第一方向上操作，将pv组列产生的功率转换成图2所示控制器26可使用的形式。所述双向电源转换器子组件300b也可以在第二方向上操作，将从能量存储装置(例如，图2中所示的电池24)供应的功率转换成公用电网可使用的形式。
37.图3b所示为所述双向电源转换器的第一操作方向，其类似于以上关于图3a所述的操作方向，在所述操作方向，图3b的所述半导体开关器件313、323被关闭且所述半导体开关器件313、323的二极管以与图3a的所述二极管组件314、324相同或相似的方式操作。
38.图3c所示为所述双向电源转换器的第二操作方向。当第一降压/升压转换器310通过导通半导体开关器件313而接通时，电流317(如带箭头的实线指示)从第二电源总线导轨306流出经由所述第二半导体开关器件322的二极管(可能已断开)、所述第二电感器326、所述输出电容器330、所述第一电感器316、所述半导体开关器件313，最终到达所述分压器支路311、321之间的连接处。当第二降压/升压转换器320导通或接通时，电流325(如带箭头的虚线指示示)从所述分压器支路311、321之间的连接处流出，经过所述第一二极管组件314、所述第一电感器316、所述输出电容器330、所述第二电感器326、所述第二半导体开关器件322，最终到达所述第二电源总线轨306。
39.图3d所示为电源转换器子组件300c，所述组件可以在点a和b处连接图3a所示的单向电源转换器子组件300a或图3b和3c所示的双向电源转换器子组件300b。所述电源转换器子组件300c包括通过点a 和b串联连接在一起的晶体管341、342。所述晶体管341、342可以是mosfet。所述电源转换器子组件300c还包括一双功能电压变压器345，所述电压变压器的一次绕组和双二次绕组串联连接在一起，形成中心抽头位于双二次绕组之间的中心抽头变压器。所述一次绕组的第一端通过电感器343连接于所述晶体管341、342之间，所述一次绕
组的第二端通过电容器344连接到b点。
40.电源转换器子组件300c还包括二极管组件351、352，其连接至所述双电压互感器345的串联连接二次绕组的不同端。所述二极管组件351、352与相应的电容器353、354串联连接，所述电容器相互连接并连接所述双电压互感器345的中心抽头。所述双电压互感器345用于将从所述单向电源转换器子组件300a或所述双向电源转换器子组件300b输出的电压降至所述太阳能跟踪器系统10可用的水平，例如48v，并将跟踪器系统的电子器件与太阳能电池板或光伏组列电隔离。
41.图4所示为用于切换图3a
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3c所示半导体开关器件312、322以及图3b和3c所示半导体开关器件313、323的驱动或开关信号401、402。开关信号401、402彼此同相，能使半导体开关或开关器件312、322或半导体开关或开关器件313、323同时导通和断开。根据所述开关算法，电感器316、326处的有效频率为半导体开关器件312、322或半导体开关器件313、323的最高开关频率。开关信号401、402可以是脉宽调制(pwm)信号。
42.图5所示为用于切换图3a
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3c所示半导体开关器件312、322以及图3b和3c所示半导体开关器件313、323的驱动或开关信号501、502。开关信号501、502彼此异相180度。由于存在交替开关信号501、502，所述电感器316、326处的有效频率为半导体开关器件312、313、322、323的最高开关频率的两倍。这样可以降低电感器316、326的尺寸和成本。
43.在其他实施方案中，开关信号501、520可以交替出现，但不能彼此相差180度。在采用级联配置的两个以上降压/升压转换器实施方案中，半导体开关器件的开关信号可以交替存在。例如，对于采用级联配置的三个降压/升压转换器的电源转换器拓扑，开关信号可能彼此异相120度。
44.图6所示为根据本发明的一个方面，用于驱动电源转换器半导体开关的控制系统600逻辑框图；所述控制系统600包括电源转换器602，所述电源转换器包括用于感测电源转换器602的输出电压以及顶部和底部总线轨之间电压差的电压传感器(未示出)。减法器612从平衡参考电压(例如0v)中减去顶部和底部总线轨的电压差，减法器612的输出提供给pid控制器614。减法器622从参考输出电压中减去感测到的输出电压，减法器622的输出提供给pid控制器624。
45.通过乘法器630，用pid控制器624的输出，即一般pwm信号的占空比，乘以范围在
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1和1之间的pid控制器614输出。乘法器630的输出和pid控制器624的输出提供给加法块631和减法块632。所述加法块631、减法块632的输出分别为所述电源转换器602顶部和底部半导体开关的栅极驱动信号。在操作过程中，所述控制系统600基于顶部和底部总线轨的电压差单独改变顶部和底部栅极驱动信号的占空比，从而平衡顶部和底部总线轨的电压。
46.逻辑块640确定所述电源转换器602所连接的光伏组列的电压是否大于所述电源转换器602输出电压的两倍。如果所述电源转换器602所连接的光伏组列的电压大于所述电源转换器602输出电压的两倍，则栅极驱动信号的相位相隔180度；否则，栅极驱动信号的相位被同步。然后，使用从所述逻辑块640输出的栅极驱动信号来驱动所述电源转换器602内的相应半导体开关。
47.图7所示为根据本发明的一个方面，用于驱动电源转换器半导体开关的控制算法700流程图；在块702处，将施加给与分压器各支路并联连接的相应半导体开关的驱动信号相位同步。在块704处，测量太阳能电池板或光伏组列的电压；并且在块706处，测量电源转
换器的输出电压，例如图3a所示输出电容器330处的电压。在块708处，通过控制器确定太阳能电池板电压是否大于输出电压的两倍。如果测得的太阳能电池板电压大于输出电压的两倍，则在块710处，移动至少一个驱动信号的相位，以使驱动信号彼此异相。在一些实施方案中，移动两个驱动信号的相位，以使信号异相180度。在一些实施方案中，至少一个驱动信号的相位被移位，使驱动信号之间的相位差为180度之外的度数，例如60度或120度，但是驱动信号的“开”部分交错或不重叠。
48.在移动至少一个驱动信号的相位后，过程返回块708。如果确定测得的太阳能电池板电压不大于块708处输出电压的两倍，则控制算法700返回块702处，在所述块702处，驱动信号的相位同步。
49.许多市售电容器的电容容差为3％或以上。因此，图3a所示分压器的各支路311、321中的电容器几乎不可能相同。此外，与相应电容器并联的泄放电阻器不可能相同。因此，电容器不会平均分配输入电压。对电源总线导轨304、306上的dc电压不进行主动管理的情况下，电源总线导轨304的电压偏差会越来越大或电源总线导轨306的电压会偏差越来越低，直到电压超过或达到半导体开关器件312、313、322、323中任一器件的最大额定电压，这种情况可能导致半导体开关器件312、313、322、323中任一器件发生故障。
50.为了平衡电源总线导轨304、306上的直流电压，应监测电源总线导轨304、306在每个pwm周期内的电压，以确定是否需要基于电源总线导轨304、306上的电压调整施加到半导体开关器件312、313、322、323的驱动信号。因此，基于总线电压而非分压器支路311、321的无源电容或电阻来平衡能量。
51.图8为阐述基于电源总线导轨304、306上的电压调节施加到相应半导体开关器件312、322或各半导体开关或开关器件313、323的驱动信号801、802的示例方法波形图。如果在第一驱动信号801的脉冲803处或之后，第一电源总线导轨304上的电压大于第二电源总线导轨306上的电压(即，第二电源总线导轨306上电压的绝对值)，第二驱动信号802的下一脉冲804的占空比减小。例如，第二驱动信号802的下一脉冲804的占空比减小至零。类似地，如果在第二驱动信号802的脉冲806处或之后，第二电源总线导轨306上的电压(即，第二电源总线导轨306上电压的绝对值)大于第一电源总线导轨304上的电压，则第一驱动信号801的下一脉冲808的占空比减小。例如，第一驱动信号801的下一脉冲808的占空比可减小到至零。
52.图9为阐释操作中压电源转换器50的方法900的流程图，所述方法可由驻留在所述中压电源转换器50内的微控制器单元(mcu)51执行。在一些方面，mcu 51可全部或部分由通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列(fpga)或任何其他合适的处理器来实现。在块902处，测量提供给与分压器的第一支路并联连接的第一半导体开关的第一电压。在块904处，测量提供给与分压器的第二支路并联连接的第二半导体开关的第二电压。然后，在块906处，控制器确定第一电压是否大于第二电压。如果控制器确定第一电压大于第二电压，则在块910处，控制器在第二驱动信号的后续或下一周期中减小施加给第二半导体开关第二驱动信号的占空比，并且方法900返回块902。
53.如果在块906处，控制器确定第一电压不大于第二电压，则在块908处，控制器确定第二电压是否大于第一电压。如果控制器确定第二电压大于第一电压，则在块912处，控制器在第一驱动信号的后续或下一周期中减小施加给第一半导体开关第一驱动信号的占空
比，且方法900返回到块902。如果控制器确定在块908处第二电压不大于第一电压，则方法900返回到块902。
54.图10所示为根据本发明的另一方面，单向电源转换器拓扑1000的电路图。单向电源转换器拓扑结构1000包括，电源总线导轨304、306、总线电容器305、分压器支路311、321、降压/升压转换器310、320、电感器343、电容器344、变压器345、图3a和3d所示的单向电源转换器拓扑结构的二极管组件351、352和电容器353、354。然而，所示单向电源转换器拓扑1000不包括图3a所示的电感器316、326、输出电容器330和晶体管341、342。在一些方面，所述半导体开关器件312、322可以根据图4
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9所描述的方法中的一种或多种来操作。例如，异相切换模式或同步切换模式可基于如本技术所述的pv输入电压。
55.虽然在附图中已经示出了本发明的几个方面，但本发明并不限制于此，因为本发明的范围广泛度与本技术领域允许的范围及本说明书的阅读范围一致。上述几个方面的任一组合也是可预见的，并且在所附权利要求书的范围内。因此，以上说明不应解释为限制本发明的范围，而仅作为特定方面的示例。本领域技术人员将希望在所附权利要求书范围内做出其他修改。