反向電流傳感器的製作方法

2023-07-10 15:21:16 8

專利名稱：反向電流傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種包括獨立權利要求1的前序部分的特徵的光伏系統以及一種包括獨立權利要求2的前序部分的特徵的用於從多個串(string)向電網饋送電能的設備，所述多個串中的每一個包括多個串聯的光伏模塊。所述設備提供了從所述串向電網饋送電能所需的除了所述串及其電纜連線之外的單元。這樣的設備往往是由所述串及其電纜連線以外的其它專業公司提供的。技術術語「串，，基於這樣一種事實通常將多個光伏模塊串聯起來，從而相對於一個光伏模塊的基本電壓提高光伏發電機的輸出電壓。在本說明書中，術語串實際上主要用於光伏模塊的純串聯連接。然而，只要沒有明確地排除，那麼串也可以包括光伏模塊的並聯連接，儘管在本發明的背景下，這種並聯連接並不是優選情況。通常，光伏系統所饋入的或者通過根據本發明的設備向其饋送能量的電網是單相或三相AC電網。其可以是公用AC電網。
背景技術：
在通常的光伏系統中，將多個光伏模塊的串並聯連接，從而在有限的電壓上得到預期的電功率。必須保護各個串，避免產生反向電流，即，與相應串的光伏模塊的正常運行生成的電流相比具有相反的流向的電流。原則上，只有當開放端電壓或開路電壓在並聯連接的串之間存在差異時，才可能產生反向電流。往往採用等長的串，即，通常情況下由相同數量的太陽能模塊構成的串避免其產生。即使在個別串的太陽能模塊受到遮蔽的情況下， 也不會通過這一串產生值得提及的反向電流，因為這一遮蔽對端電壓並無值得提及的影響。相反，反向電流的產生要求存在故障，例如，由於串的一個或多個太陽能模塊短路，從而使該串的開放端電壓明顯降到與之並聯連接的串的開放端電壓以下。由於太陽能模塊的內部二極體結構的原因，反向電流於是可能流過存在故障的串，根據電流強度，這可能導致很強的溫度升高，直至破壞這些串的太陽能模塊。光伏模塊的短路可能是由於光伏模塊中的一個或多個電池的短路引起的，也可能是由光伏模塊或其電纜連線的雙接地故障引起的。 儘管這些故障都是不太可能發生的，即，在實踐中非常罕見，但還是必須採取措施，因為這些故障具有很高的潛在危害和風險，因為受影響的串的所有光伏模塊都可能受到損壞，而且還可能由於局部升溫而產生二次損害。因而，需要避免產生流經在光伏系統中並聯連接的各個串的反向電流。在產品 Sunny String Monitor (http //download, sma. de/smaprosa/ dateien/7356/SSM-UDE091221. pdf，產品目錄Sunny Family 2009/2010，82 頁)中已知， 通過將故障串與其它並聯連接的串斷開的串熔斷器確保串並聯連接內的各個串的安全，由此避免反向電流。在由於相應的串內的故障而導致一個串熔斷器跳閘時，發出標識故障串的警告。由於各個串的輸出電壓傾向於不斷提高，當前它們已經達到了 1000V以上，因而這樣的串熔斷器很複雜，相應地價格也很昂貴。此外，通常的熔化型熔斷器的使用都涉及永久性功率損失。如果不採用熔斷器，而是為各個串提供二極體來阻斷反向電流，也會產生這樣的功率損失。為了連續監測各個串的指向緩慢發展或者逐漸接近破壞性故障的較小故障或功率損失，產品Surmy String Monitor使每個串都包含一個電流傳感器。這一電流傳感器確定相應的串生成的電流的強度。為了對並聯連接的串進行故障監測，對從運行的所有串流出的電流進行總體評估，即，相對於從各個串流出的電流的相對值而言。產品Surmy String Monitor被設置為與用於從串向AC電網饋送電能的逆變器一起使用。在所述逆變器中，控制器通過某種方式對逆變器電橋進行操縱，從而相對於串的最大電功率調整並聯連接著所述串的總線之間呈現的系統電壓。這一過程被稱為MPP(最大功率點)跟蹤，其中，通常在基本可能的系統電壓的範圍內，即所謂的MPP窗口內調整串的最大電功率。從WO 2007/048421 A2獲知一種包括獨立權利要求1的前序部分的特徵的光伏系統和一種包括獨立權利要求2的前序部分的特徵的可用於構建所述系統的設備。這裡，在每個串的一條連接線內額外提供了機械開關，在產生反向電流的情況下，斷開所述開關使得相應的串與總線斷開連接。為了保護這一機械開關使之不受由形成於其接觸之間的火花隙造成的損害，在總線之間提供了半導體開關，從而在斷開所述開關以及最終閉合所述開關時使所述總線暫時短路。

發明內容
本發明的技術問題本發明的技術問題在於提供一種包括獨立權利要求1的前序部分的特徵的光伏系統以及一種可用於構建所述光伏系統的包括獨立權利要求2的前序部分的特徵的設備， 所述系統和所述設備能夠以最低的構造方面的努力控制由於通過各個串產生反向電流帶來的風險。技術方案本發明的技術問題是通過包括獨立權利要求1的特徵的光伏系統以及包括獨立權利要求2的特徵的用於從多個串向電網饋送電能的設備解決的。在從屬權利要求中界定了所述新光伏系統和所述新設備的優選實施例。發明描述根據本發明，為每個串提供了一個電流傳感器，其至少判斷是否有反向電流流向該串，並將該反向電流報告給控制器。在這裡，術語反向電流是指與正常運行的相應串的光伏模塊生成的電流相比具有相反流向的，由相應串的故障引起的顯著電流。作為對反向電流的報告的反應，控制器降低存在於總線之間的系統電壓，以停止該反向電流。存在於總線之間的系統電壓就是引起反向電流的電壓。如果使其降低，則可以達到某一電壓，乃至使該電壓下切，所述電壓正是故障串所包含的作為端電壓的電壓，或者正是故障串可以阻斷的電壓。因而，停止了反向電流的持續流動，而不必為受到影響的串提供熔斷器或任何其它開關元件。在降低總線之間的電壓之後，只要總線之間下降後的電壓足以向電網饋送電能，那麼其它串還將提供通過逆變器向電網饋送的電能。那麼具體而言，當控制器只需使總線之間的系統電壓稍微降低至當前的MPP以下以停止反向電流時，不再被饋送到電網的電能的損失實際上僅限於故障串的影響，在可以是本發明的替代方案的通過開關元件切斷所述串的情況下，所述電能也是無法饋入的。除此之外，還存在由於系統電壓的不吻合(MPP的放棄)引起的小的損耗。如果控制器還必須使存在於總線之間的系統電壓在當前的MPP窗口內進一步降低至MPP以下時(因為若非如此將無法停止反向電流)，那麼饋送到電網的電功率將明顯降至仍然工作的串有可能饋送的最大功率以下。然而，在大多數情況下相關的功率損失只是很小的損失。具體而言，考慮到在實踐當中反向電流的產生的稀有性，所述方案不會造成負擔，而且只需花費較少的力氣就可以實現所述新光伏系統或所述新設備，因為可以避免對各個串使用任何熔斷器或任何開關元件，而且與熔斷器、任何其它開關元件或者反向電流阻斷二極體相比，電流傳感器不會涉及顯著的永久性功率損失。在控制器為了停止反向電流必須要將存在於總線之間的系統電壓降到某一值以下，而該值則是一個要想饋送到電網已經無法下切(undercut)的一個值時，系統電壓將降為零，不再有能量饋入電網。出於這一目的，控制器可以使存在於總線之間的系統電壓短路。如果用於實現向AC電網饋送的變換器是具有包括脈衝開關的逆變器電橋的常規逆變器，那麼可以通過這樣一種方式實現這一目的，即，首先，通過斷開起著連接光伏系統和AC 電網的作用的接觸器將逆變器與AC電網隔開，並通過短路使逆變器的輸入側的緩衝電容通過放電電阻器放電，之後通過閉合逆變器電橋的開關使總線直接相互連接。這樣使總線短路的後果是不再有電能從光伏系統饋入到電網。然而，考慮到其發生的稀有性以及在提供所述新光伏系統或所述新設備時顯著的構造上的節約及其在正常運行時的高效率，與此相關的損失只是很低的。優選地，在用於本地布置的連接單元內提供電流傳感器，在將本地位置上的一對連接線引向中央單元之前，通過所述連接單元將幾個串連接至所述一對連接線，所述中央單元包括變換器，在所述中央單元處提供了本地連接單元到總線的端子。由於所述變換器的控制器位於中央單元內，而電流傳感器則提供於連接單元內， 因而必須在連接單元和中央單元之間提供通信鏈路。這些通信鏈路可以是通信線路、無線電傳輸或者其它可以免除額外通信線路敷設的無線信號傳輸鏈路。如果連接單元內的電流傳感器以無線的方式向中央單元中的變換器的控制器報告反向電流，那麼從本發明的意義上對現有的光伏系統進行改進翻新也更加容易。如果所提供的電流傳感器僅用於報告超過預定閾值的反向電流的產生，那麼根據本發明所採用的電流傳感器可以具有非常簡單的構造。在這種情況下，反向電流傳感器的信號在最起碼的情況下僅包括反向電流的存在指示，變換器的控制器不必識別哪一串出現了反向電流，儘管這一額外信息有助於消除根源故障。可以通過一種非常簡單的方式，例如，利用由於反向電流引起的磁場而閉合的接觸實現這樣的只需識別超出某一閾值的反向電流的存在的電流傳感器。一般而言，根據本發明採用的電流傳感器的優點在於，其不會在串的正常運行中引起降低光伏系統的效率的功率損失。因而，其本質上區別於用於各個串的熔斷器或二極體。在所述新光伏系統和新設備中，所述電流傳感器可以額外測量從所述串前向流出的電流的強度，並將其報告給所述串的檢查裝置。其可以對應於所謂的串故障監測。換言之，可以採用現有的對來自串的電流的值和方向進行測量並且將這些值報告給轉換器的控制器的現有串故障監測電流傳感器實現根據本發明的光伏系統或設備。通過輸入經修改的控制器軟體就足以對根據本發明的控制器進行修改。
正如已經指出的，在所述新光伏系統和新設備中，各個串的端子優選不包括二極體和/或過電流熔斷器，其中，所述串本身(每者僅包括串聯連接的光伏模塊)也不由這樣的二極體或過電流熔斷器提供保護反之，不管是就構造方面而言，還是就永久性功率損失方面而言，在本發明當中都有目的地免除了針對其耗費的力氣。因而，除了電流傳感器之夕卜，所述新光伏系統和新設備的連接單元實質上可以由也可以發揮連接單元的構造功能集電軌(rail)構成。可以由權利要求、說明書和附圖得到其它對本發明的有利擴展。在說明書的開始提及的特徵的優點以及多個特徵的組合只是起到例子的作用，其可以以擇一或累加的方式發揮作用，而無需使根據本發明的實施例都必須產生這些優點。可以從附圖，尤其是從所示出的幾何結構和多個部件的相對尺寸以及從它們的相對布置及其操作連接中得到額外的特徵。本發明的不同實施例的特徵或者不同權利要求的特徵的獨立於權利要求給出的選定參考的組合也是可能的，這裡以作啟發。其還涉及單獨的附圖中示出的特徵或者在描述附圖時提及的特徵。也可以將這些特徵與不同權利要求的特徵結合。此外，本發明的其它實施例也可能無需要權利要求中提及的特徵也可以。


在下文中將參考附圖通過實施例範例對本發明做進一步解釋和說明。圖1示意性地示出了新光伏系統的構造；以及圖2示出了根據圖1的光伏系統的中央變換器的構造。
具體實施例方式圖1示出了用於向電網2饋送電能的光伏系統1，這裡，電網2為AC電網3。電能由多個光伏模塊4生成，所述多個光伏模塊4串聯連接形成串5。在將串5相互並聯連接至中央單元7內的總線8和9之前，通過本地連接單元6使串5成組並聯連接。在連接單元6中，為每個串提供一個電流傳感器10，其至少向中央單元7內的控制器11報告是否出現了通過相應的串5的反向電流，S卩，所處方向與光伏模塊4通常生成的電流的流向相反的電流。為了從電流傳感器10向控制器11發送信號，在每個連接單元6內提供了與控制器 11無線通信的發射器22。發射器22不僅可以在出現反向電流的當時發送信號，還可以發送哪一串受此影響。此外，其還可以報告從所有串5流出的電流，從而通過對這些電流的集合的監測使得串故障監測成為可能。所出現的顯著的反向電流，即，超過閾值的反向電流指示相關串5發生了故障。其不僅意味著由於由其它串生成的這一反向電流未饋送到電網2 而產生了功率損失，更主要地是一種潛在的危險，尤其是對受影響的串5而言。因而，在中央單元7中，控制器11幹預通過其從串5向電網饋送電能的變換器12的運行。這裡，將變換器12指定為三相逆變器13，其通過接觸器14連接至電網2。在其輸入側，將來自連接單元6的連接線15連接至總線8和9，以光伏的方式生成的電流通過所述總線8和9經由全極切換電源開關16流向逆變器13。所報告的反向電流修改控制器11的運行，在未出現反向電流的情況下，所述控制器11的運行被設計為通過使太陽能模塊生成最大電功率的方式調整變換器12的存在於總線8和9之間的輸入電壓。為了停止發生的反向電流，控制器 11降低存在於總線8和9之間的系統電壓，該電壓在各個串5之上也降低。這一降低所要達到的程度是使受到反向電流影響的串上呈現的電壓不再足以引起反向電流。在個別的情況下，這意味著使總線8和9之間的電壓降為零。只要不是這種情況，或者只要總線8和9 之間存在的系統電壓仍然足以使變換器12能夠向電網2饋送電能，就會從未發生故障的串向電網2進一步饋送電能。圖2示出了逆變器13的構造和處於其輸出側的接觸器14。逆變器13包括具有六個開關18的逆變器電橋17，所述開關受到根據圖1的控制器11的脈衝控制，從而在正常運行的情況下向所連接的電網饋送三相AC電流。在逆變器13的輸入側，在總線8和9之間提供緩衝電容19。除此之外，逆變器13還可以包括這裡未示出的中間環節。如果必須將存在於總線8和9之間的系統電壓降為零，以停止通過根據圖1的串5中的一個的回流，那麼根據圖1的控制器通過斷開接觸器14將光伏系統與電網斷開。之後，通過閉合開關20使緩衝電容19經由放電電阻器21放電。然後，閉合所有的開關18，以使總線8和9短路。通常存在於逆變器13內的開關18適於這樣的短路，而不需要額外的措施，因為無論如何它們都是針對連接至總線8和9的串的開路電壓以及所流經的最大電流設計的。附圖標記列表1 光伏系統2 電網3 AC 電網4 太陽能模塊5 串6 連接單元7 中央單元8 總線9 總線10 電流傳感器11 控制器12 變換器13 逆變器14 接觸器15 連接線16 電源開關17 逆變器電橋18 開關19 緩衝電容20 開關21 放電電阻器22 發射器
權利要求
1.一種光伏系統(1)，其包括多個串(5)，所述多個串(5)中的每個串包括多個全部串聯連接的光伏模塊G)，所述系統還包括總線(8，9)，所述串( 並聯連接到所述總線，其中，為每個串(5)提供電流傳感器(10)，所述電流傳感器(10)至少判斷是否有流向所述串 (5)的反向電流，所述系統還包括用於將電能從所述總線(8，9)饋送到電網(2)的變換器 (12)，其中，能夠利用所述變換器(12)的控制器(11)來調整落在所述總線(8，9)之間的系統電壓，所述光伏系統的特徵在於，每個電流傳感器(10)向所述變換器(1 的所述控制器 (11)報告是否有反向電流流向所述串(5)，並且其特徵還在於，所述變換器(12)的所述控制器(11)降低存在於所述總線(8，9)之間的所述系統電壓，以停止所述反向電流，其中，在降低所述總線(8，9)之間的所述系統電壓之後，只要所述總線(8，9)之間的降低後的系統電壓足以向所述電網( 饋送電能，那麼其它串( 將進一步供應由所述變換器(1 饋入所述電網(2)的電能。
2.一種用於從多個串(5)向電網(2)饋送電能的設備，所述多個串(5)中的每個串包括多個串聯連接的光伏模塊G)，所述設備包括使所述串( 相互並聯連接至總線(8，9)的端子，其中，為每個串(5)提供電流傳感器(10)，所述電流傳感器(10)至少判斷是否有流向所述串(5)的反向電流，所述設備還包括從所述總線(8，9)向所述電網(2)饋送電能的變換器(12)，其中，能夠利用所述變換器(1 的控制器(11)來調整落在所述總線(8，9)之間的系統電壓，所述設備的特徵在於，每個電流傳感器(10)向所述變換器(1 的所述控制器 (11)報告是否有反向電流流向所連接的串(5)，並且其特徵還在於，所述變換器(12)的所述控制器(11)降低存在於所述總線(8，9)之間的系統電壓，以停止所述反向電流，其中，在降低所述總線(8，9)之間的所述系統電壓之後，只要所述總線(8，9)之間的降低後的系統電壓足以向所述電網( 饋送電能，那麼其它串( 將進一步提供由所述變換器(1 饋入所述電網(2)的電能。
3.根據權利要求1所述的光伏系統(1)或根據權利要求2所述的設備，其特徵在於，所述控制器(11)將存在於所述總線(8，9)之間的系統電壓降低到當前MPP窗口內。
4.根據權利要求3所述的光伏系統(1)或設備，其特徵在於，如果到了通過其它手段無法停止所述反向電流的程度，那麼所述控制器(11)將存在於所述總線(8，9)之間的系統電壓降為零。
5.根據權利要求4所述的光伏系統(1)或設備，其特徵在於，如果到了通過其它手段無法停止所述反向電流的程度，那麼所述控制器(11)使存在於所述總線(8，9)之間的系統電壓短路。
6.根據權利要求5所述的光伏系統(1)或設備，其特徵在於，所述控制器(11)使所述變換器(12)與所述電網(2)斷開連接，使所述變換器(12)的輸入側的緩衝電容(19)放電， 並通過所述變換器(12)的逆變器電橋(17)的開關(18)使存在於所述總線(8，9)之間的系統電壓短路。
7.根據前述權利要求中的至少一項所述的光伏系統(1)或設備，其特徵在於，所述電流傳感器(10)被設置在將要在本地布置的多個連接單元(6)中。
8.根據權利要求7所述的光伏系統(1)或設備，其特徵在於，在包括所述變換器(12) 的中央單元(7)內，為來自將要本地布置的所述連接單元(6)的連接線(1 提供到所述總線(8，9)的連接端子。
9.根據前述權利要求中的至少一項所述的光伏系統(1)或設備，其特徵在於，所述電流傳感器(10)通過通信線路或者以無線的方式向所述控制器(11)報告所述反向電流。
10.根據前述權利要求中的至少一項所述的光伏系統(1)或設備，其特徵在於，如果所述反向電流超過預定閾值，則所述電流傳感器(10)報告所述反向電 流。
11.根據前述權利要求中的至少一項所述的光伏系統(1)或設備，其特徵在於，所述電流傳感器(10)測量從所述串( 流出的電流的強度，並將其報告給監測裝置。
12.根據前述權利要求中的至少一項所述的光伏系統(1)或設備，其特徵在於，所述電流傳感器(10)對從所述串( 流出的電流的值和方向進行測量。
13.根據前述權利要求中的至少一項所述的光伏系統(1)或設備，其特徵在於，不為各個串( 提供二極體。
14.根據權利要求13所述的光伏系統(1)或設備，其特徵在於，不為各個串( 提供過電流熔斷器。
15.根據前述權利要求中的至少一項所述的光伏系統(1)的使用，所述光伏系統(1)用於從多個串(5)向電網( 饋送電能，所述多個串( 中的每個串包括串聯連接的多個光伏模塊⑷。
全文摘要
一種光伏系統(1)包括多個串(5)，所述多個串的每個包括多個全部串聯連接的光伏模塊(4)，所述光伏系統還包括總線(8，9)，所述串並聯連接到所述總線上，所述光伏系統還包括變換器(12)，其用於將電能從總線(8，9)饋送到電網(2)，其中，可以利用變換器(12)的控制器(11)調整落在總線(8，9)之間的系統電壓，在所述光伏系統中，為每個串(5)提供了電流傳感器(10)，其至少判斷是否有反向電流流向所述串(5)，並向變換器(12)的控制器(11)報告是否有反向電流流向所述串(5)，變換器(12)的控制器(11)降低存在於總線(8，9)之間的系統電壓，以停止反向電流。
文檔編號H02J1/10GK102484368SQ201080034781
公開日2012年5月30日 申請日期2010年7月26日 優先權日2009年8月6日
發明者G·黑肯多夫 申請人:艾思瑪太陽能技術股份公司