专利名称：分散型发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括多个分散型发电单元的分散型发电系统。本发明还同样涉及一种操作这种分散型发电系统的方法。
已知一种例如光电的(PV)发电厂形式的分散型发电系统。
光电功率是用于可更新能量的最有前途的能源之一。在PV发电厂中，PV电池产生直流，从而在每个电池中产生小于1V的低直流电压。因此，通常将多个PV电池组装在PV模块中。根据实施的方式，这种PV模块可具有几十伏的输出电压，并提供10W到150W的功率。
在一些应用中，例如，在用于将产生的电流馈送给到公用电源系统中的PV发电厂中，由PV模块提供的直流被逆变器进一步转换成交流，如
图1所示。
图1是常规PV发电厂的方框图。该发电厂包括几个PV模块11到12的第一串联连接和几个PV模块13到14的第二串联连接。一方面PV模块11到12的串联连接和另一方面PV模块13到14的串联连接彼此并联地设置在地和直流(DC)总线40之间。而且，逆变器20一方面连接到DC总线40上，另一方面连接到公用电源系统的线50上。
在这种系统中，必须考虑各种控制任务。
为了在最佳工作点操作PV模块11到14，有利地，采用所谓的MPP(最大功率点)跟踪。MPP跟踪选择逆变器20的输入电流，以便使PV电池具有它们的MPP。然而，这个MPP不是固定的而是变化的，例如，随着太阳辐射的强度、随着温度和随着PV电池的特性而变化。
而且，在由PV电池提供给逆变器20的电功率被馈送给该系统之前，它必须由逆变器20修改成适合于公用电源系统中的当前电压、公用电源系统中的当前频率以及公用电源系统中的当前相位。而且辅助电路要兼顾运行的安全性，并且例如如果公用电源系统的电压出现故障则防止逆变器20的运行继续进行，以便防止PV发电厂的隔离运行。
在常规PV发电厂中，采用单个装置来实现逆变器的输入点和逆变器电路本身的电压适配。
图2是使用中心逆变器单元60的常规PV发电厂的方框图。PV发电厂包括多个PV模块11、12、13。每个PV模块11、12、13例如经由DC总线40连接到中心逆变器单元60的输入上。代替多个单一PV模块11、12、13，也采用多个串联连接的PV模块，如图1所示。在中心逆变器单元60中，PV模块11、12、13经由DC/DC转换器30连接到实际逆变器20。逆变器20的输出对应中心逆变器单元60的输出，而中心逆变器单元60的输出连接到公用电源系统的线50上。
在这种中心逆变器单元60用在较大系统中的情况下，只能对于PV发电厂整体上实现MPP跟踪。因而，不可能灵活地对限制于单一或特定的PV模块11、12、13上的环境影响起作用，例如PV模块11、12、13的部分屏蔽。
中心逆变器单元60存在的另一个问题是由于必须从PV模块11、12、13向中心逆变器单元60馈送的高电压和高直流造成的。在超过40V的电压的情况下，超过几安培的电流就不再能用简单的保险丝来分开。这意味着在日照的情况下，PV发电厂不能在直流侧关断。此外，PV模块11、12、13总是提供电压，只要给它们照明，它们就总是提供。就是说，如果它们不连接到负载，则它们仍然提供无负载电压。在组装和维修PV发电厂期间必须考虑这一点，以便避免事故和损伤。
在公开的DE 199 19 766 A1中，已经有人提出对于PV模块的各串联连接，使用具有独立的DC/DC转换器的中心逆变器单元。这就允许对于每个串联连接可进行独立的电压适配和独立的MPP跟踪。然而，利用这个方案不能解决高直流和无负载电压的上述问题。
在另一种常规PV发电厂中，采用几个逆变器单元，每个逆变器单元包括DC/DC转换器和逆变器。于是，每个逆变器单元与另一PV模块相关或另一PV模块的装配件相关。逆变器单元通常靠近相关的PV模块或PV模块的装配件而安装，以便避免长的直流路径。实际上，特别提供了一种特别的PV发电厂，其中每个PV模块设有其自己的逆变器单元，形成所谓的模块-逆变器。这种PV发电厂例如在公开的DE4032 569A1中有介绍。
图3是使用模块-逆变器的常规PV发电厂的方框图。所述的PV发电厂包括第一模块-逆变器61，其中第一PV模决11经由第一DC/DC转换器31连接到第一逆变器21。逆变器21的输出进一步连接到公用电源系统的线50上。此外，该PV发电厂还包括多个另外的模块-逆变器62、62，它们利用与第一模块逆变器61相同的方式进行构成和设置，因此它们包括各自的PV模块12、13、各自的DC/DC转换器32、33和各自的逆变器22、23。
这种PV发电厂的缺点是每个逆变器21、22、23必须独立地考虑将电流馈送到公用电源系统的需求。在有些情况下，甚至在每个模块-逆变器61、62、63中单独地实现网络故障和安全电路的监督。而且，如果必须从中心部位观察和/或控制分配的逆变器21、22、23的话，那么它们必须连接到独立的通信结构上。此外，当逆变器21、22、23中的控制算法引起彼此振荡时，它们可能变得不稳定。
图3所示的PV发电厂的另一缺点是由于安装在屋顶上时由于环境应变导致逆变器21、22、23的可靠性不够。逆变器21、22、23需要存储高于公用电源系统上的电压的50Hz周期的能量的电解质电容器，这种电解质电容器对于温度变化是特别敏感的。
必须注意的是，类似的问题也可能发生在其它类型的分散型发电系统中，其采用不同于PV模块或PV模块的装配件的其它分散型发电单元。此外，如果由分散型发电单元(如PV模块)产生的能量不能用于馈送到公用电源系统中，而是用于其它目的，则也可能发生类似的问题。
本发明的目的是改进一种分散型发电系统。特别是，本发明的目的是能够对发电单元实现最佳控制，实现还能实现系统的高度安全性。
另一方面，提出了一种分散型发电系统，包括多个分散型发电单元。所提出的系统还包括多个DC/DC转换器，每个DC/DC转换器连接到另一个发电单元上，用于转换由发电单元提供的电流。该提出的系统还包括DC总线，每个DC/DC转换器耦合到该DC总线上，用于将各自转换的电流馈送给DC总线。该提出的系统最后包括连接到DC总线的至少一个功率接收部件，用于从DC总线获得电流，该功率接收部件与DC/DC转换器在物理上相互分开。
另一方面，提出一种操作分散型发电系统的方法，用于包括多个分散型发电单元、多个DC/DC转换器、DC总线和至少一个功率接收部件的系统，所述功率接收部件与DC/DC转换器在物理上分开。该提出的方法包括以下步骤通过多个发电单元产生电流；通过各自的DC/DC转换器转换由每个发电单元提供的电流；和将来自DC总线的电流提供给至少一个功率接收部件。
本发明出自于以下思想多个DC/DC转换器彼此之间的功能和功率接收部件的功能可以分配给几个物理上相互分开的单元。与已知方案相反，本发明由此提出使分开的DC/DC转换器与多个发电单元的每个相关，并经由DC总线将由DC/DC转换器输出的转换电流提供给至少一个物理上分开的功率接收部件。
本发明由此结合了已知系统的优点，同时避免了它们的缺点。
与文献DE 199 19 766 A1的系统相比，本发明的优点在于由发电单元提供的高直流为了到达中心功率接收单元不必经过长路径地传输，因为可以立即通过与各个发电单元相关的DC/DC转换器转换高直流。此外，本发明实现了系统的特别简单的模块和可扩展的安装。
与文献DE 40 32 569A1的系统相比，本发明的优点是经受不利环境条件的系统(例如屋顶上的系统)的那些部件可以不用电解质电容器并因此利用保证长寿命和高可靠性的方式构成。就是说，DC/DC转换器可以设置成靠近发电单元，这就可以经受不利环境条件，同时还可以在遮挡部位设置更灵敏的功率接收部件。可以避免DC/DC转换器中的昂贵部件。
在本发明的一个实施例中，每个DC/DC转换器适于自主地工作，对它们仅有的外部要求是保证DC总线上有预定的电压。在这种情况下，不需要在中心控制单元和DC/DC转换器之间通信，甚至可以采用来自不同制造商的、不同类型的和不同代的DC/DC转换器和发电单元。
每个发电单元可包括多个供电模块，例如，彼此串联连接的多个PV模块。然而，如果几个模块在发电单元中以串联连接组合，则它们应该是相同结构的和相同年限的，在PV模块的情况下，可以在相同照明条件下安装，以便避免降低它们的效率。因此，在本发明的另一实施例中，每个发电单元只包括单一供电模块，例如，单一PV模块，可以通过相关的DC/DC转换器来单独地控制它。
每个DC/DC转换器还可以机械地耦合到相关的发电单元上。如果DC/DC转换器机械地耦合到发电单元，例如，通过设置在具有供电单元的单一结构单元中，那么可以在DC总线和供电单元之间实现简单的潜在的分离。在大规模系统的情况下，由此避免了容性电流到地的问题。否则，这种电流可能导致不希望的激活故障电流电路的断路器。而且，照这样，通常将不需要在功率接收部件中进行可能的分离。
在本发明的另一实施例中，至少一个功率接收部件适于检查DC总线上的电压，并在检测到DC总线上的电压减小时，降低从DC总线获得的功率。这种方案允许在给定发电单元的电流容量的情况下自动调整从DC总线获得的功率量。不需要(例如经由中心控制单元)在功率接收部件和发电单元之间通信。
在本发明的又一实施例中，分散型发电系统另外包括至少一个控制线，该控制线将每个DC/DC转换器连接到至少一个功率接收部件。至少一个控制线设置成用于例如分别通过提供和中断给DC/DC转换器的电源而导通和关断DC/DC转换器。
在包括这种控制线的本发明的再一实施例中，分散型发电系统还包括至少一个插头连接，用于一方面将DC/DC转换器电连接到DC总线，另一方面经由控制线将其连接到至少一个功率接收部件。这种设置保证了在发电单元连接到DC线时，只有控制线可以变成有效的。因此这种插头连接保证了在安装和服务期间的接触安全，提供保护以防止电弧，并在不需要附加部件的情况下实现自动关断。
有利地，这种插头连接被实现成使得当闭合该连接时，发电单元首先连接到DC总线，仅仅在之后连接到功率接收部件上，并且当释放该连接时，首先断开发电单元与功率接收部件之间的连接，仅在其后再断开与DC总线之间的连接。这种设置保证了在发电单元安全地连接到DC总线时，只有DC/DC转换器导通。如果插头连接被实现成使得其包括锁定机构(该锁定机构保证在锁定机构另外被锁定时，控制线仅仅随闭合的插头连接而被激活)，那么安全性就进一步提高了。
本发明可以用在使用多个发电单元的任何分散型能量产生系统中。发电单元可包括PV模块或任何其它发电模块。特别是，如果DC总线具有由发电单元观察到的预定工作电压范围，则不同的发电单元甚至可包括不同类型的发电模块。
而且，由多个DC/DC转换器馈送给DC总线的电流可以提供给任何所希望的功率接收部件。例如可以将它提供给一用于根据特定需求将提供的直流转换成交流的逆变器。然后，该交流可以例如馈送给公用电源系统或用做隔离电源系统中的电源。在要将交流馈送给公用电源系统的情况下，在中心逆变器中仅仅需要考虑不同国家将电能供应到公用电源系统的规则。
或者，DC总线上的电流还可以例如通过用于蓄能器的充电控制器来获得。在设有蓄能器的系统中，DC总线可用于提供充电电流，但是同样可用在放电周期中。即，由发电单元经由DC总线提供的能量可以供应给一些负载并且经由充电控制器并行地给一个或多个蓄能器充电。在DC总线上的电压减小的情况下，则储存在蓄能器中的能量可以反馈给DC总线，以便使负载能够连续地从DC总线获得能量。
下面将参照附图通过举例方式更详细地介绍本发明的实施例，其中图1是表示常规PV发电厂中的PV模决的串联-并联连接的方框图；图2是使用集中式逆变器的常规PV发电厂的方框图；图3是使用模块-逆变器的常规PV发电厂的方框图；图4是根据本发明的PV发电厂的第一实施例的方框图；图5是表示图4的发电厂中的DC/DC转换器的操作的流程图；图6是表示图4的发电厂中的逆变器的操作的流程图；图7是根据本发明的PV发电厂的第二实施例的细节方框图；图8是根据本发明的PV发电厂的第三实施例的细节方框图；和图9是可以在根据本发明第三实施例中使用的连接器的方框图。
图4是构成根据本发明的分散型电源系统的实施例的PV发电厂的方框图。
PV发电厂包括PV模块11、12的第一串联连接。这个第一串联连接的两端连接到第一DC/DC转换器31的输入。PV发电厂还包括PV模块13、14的第二串联连接。这个第二串联连接的两端连接到第二DC/DC转换器32的输入。DC/DC转换器31、32的各个输出连接到公共DC总线40的线上。另外，PV模块用同样的方式经由独立的DC/DC转换器连接到DC总线40上。PV发电厂最后包括逆变器20。逆变器20的输入同样地连接到DC总线40的线上，而逆变器40的输出连接到公用电源系统的线50上。
现在参照图5和6介绍PV发电厂的操作。图5是表示DC/DC转换器31、32中的操作的流程图，图6是表示逆变器20中的操作的流程图。
PV模块11-14产生依赖于各自照明强度的电流。
DC/DC转换器31、32(从各自连接的PV模块11-14接收它们的电源电压)测量由PV模块11-14提供的电压。一旦由特定串联连接的PV模块11-14提供的电压达到或超过了预定阈值，相关的DC/DC转换器31、32就进行电压转换。使用常规MPP跟踪来把输入到这个DC/DC转换器31、32的电流设置成使得连接的PV模块11-14工作在特性曲线弯曲部(即在MPP中)。因此，对于每个串联连接的PV模块11-14，分开进行MPP跟踪。
DC/DC转换器31、32的输出功率提供给DC总线40。两个要求确定允许每个DC/DC转换器31、32提供给DC总线40的功率量。作为第一要求，DC/DC转换器31、32的输出电压设置为预定电压，其与用于整个PV发电厂的每个DC/DC转换器31、32的相同。作为第二要求，不允许由DC/DC转换器31、32提供的电流超过预定最大值。这个最大值对于每个DC/DC转换器31、32来说可以是不同的，并且应该根据各自连接的PV模块11-14的最大功率进行选择。因此，只有在DC/DC转换器31、32的输出电流低于这个DC/DC转换器31、32的预定阈值和能量的提供不增加DC总线40上的电压时，DC/DC转换器31、32才将供电给DC总线40。
如果预定电压可用在DC总线40上，则连接到DC总线40的逆变器20认识到至少一个DC/DC转换器31、32正在工作。如果预定电压可用在DC总线40上并且如果对公用电源系统的线50上的电压的监督当时允许这种提供的话，逆变器20可以将从DC总线40获得的电流转换成具有所需频率和所需代码相位的交流，并将这个交流馈送给公用电源系统的线50。
由逆变器20馈送给公用电源系统的能量越多，在DC总线40上的电流升得越高，因为DC/DC转换器31、32可提供更多能量而不升高DC总线40上的电压。只有在所有DC/DC转换器31、32都达到它们的最大负载时，DC总线40上的电压开始下降。这是给逆变器20用以降低提供给公用电源系统的能量的信号。因此，逆变器20直接经由DC总线40上的电压获悉提供给公用电源系统的能量与PV模块11-14中产生的能量相比太高了，并且必须减少这种提供。当在DC总线40上的电压下降之前逆变器20达到其最大供给功率时，不会发生问题，因为不允许使DC/DC转换器31、32增加DC总线40上的电压。
因此，利用所述的控制机构，就可以彼此独立地控制DC/DC转换器31、32。
而且，在有故障的情况下，保证了PV发电厂的非常简单的关断。如果关断逆变器20，则在不使DC总线40上的电压超过预定电压的情况下，DC/DC转换器31、32不能将其能量提供给DC总线40。因而，DC/DC转换器31、32也切断了它们的能量传输。
所述PV发电厂还具有以下优点DC/DC转换器31、32基本上不需要缓冲能量。因此，在DC/DC转换器31、32中不需要降低器件的耐久性的电解质电容器。
必须注意的是，所述的控制机构还会支持与DC总线40并联连接的几个逆变器的应用。于是，每个逆变器都能够从DC总线40上的电压降低来识别出DC总线40上的超载。到此为止，每个逆变器都能够从DC总线40提取高达其所被允许的最大能量。
图4的PV发电厂的变体在图7的方框图中示出。图7的PV发电厂构成根据本发明的分散型电源系统的第二实施例，它避免了图4的PV发电厂中的缺点。由于图4的PV发电厂中的DC/DC转换器31、32由PV模决11-14供给能量，因此一旦对PV模块11-14的照明达到足够的强度，DC/DC转换器31、32就开始工作。这也是在安装PV发电厂期间DC总线40上作为结果的电压使安装人员处于危险境地的情况。
图7的PV发电厂的结构确切地对应图4的PV发电厂的结构，除了每个DC/DC转换器31经由附加控制线70连接到逆变器20以外。在图7中，只示出了PV发电厂的一个PV模块11、12的串联连接和一个DC/DC转换器31。在多个DC/DC转换器31、32的情况下，这些转换器31、32的每个可以连接到相同的控制线70上。控制线70包括一个或多个开关71。开关71用于使DC/DC转换器31导通和关断。如果DC/DC转换器接收电源，则DC/DC转换器只能工作。在本实施例中，特别地，可以不给DC/DC转换器31提供来自PV模块11、12的这个电源，而是经由控制线70给其提供电源。于是，控制线70中的开关71可用于中断提供给DC/DC转换器31的能量，以在任何需要时使其断开。
因此，图7所示的实施例允许在安装期间或在工作活动期间很容易地和可靠地除去PV发电厂中的电压。
利用如图8的方框图中所示的PV发电厂的结构可实现安全性的进一步改进。图8的PV发电厂构成根据本发明的分散型电源系统的第三实施例，图9表示这个PV发电厂的细节。
图8表示了PV发电厂的一部分，其包括与图7所示的PV发电厂相同的部件。然而，这里，另外设置插头80，用于将DC/DC转换器31一方面连接到DC总线40上，另一方面经由控制线70连接到逆变器20。插头80的一部分包括经由控制线70的一部分连接到DC/DC转换器31上的触点82和连接到DC/DC转换器31的输出上的两个触点84、86。插头80的另一部分相应地包括经由控制线70的另一部分连接到逆变器20的触点81以及连接到DC总线40的各个线上的两个触点83、85。对于PV发电厂中的每个DC/DC转换器31、32，可以提供独立的插头80。
插头80保证了在安装和工作期间只在DC总线40的线已经连接并且不再有接触的危险时，才使控制线70变为有效。没有连接到DC总线40上的PV发电厂的一部分自动地切断，并且在任何电流可以由各个DC/DC转换器31、32输出之前，连接电源线。
图9表示可有利地用在图8的PV发电厂中的插头80的实施例。
插头80包括彼此连接的两个部分。这两部分中的一个部分包括三个接触管脚81、83、85，这些接触管脚被插入用于连接到包括相应接收触点82、84、86(未示出)的插头80的另一部分中。接触管脚81的其中一个比另两个接触管脚83、85短。较长的接触管脚83、85连接到DC总线40的两条线上，而较短的接触管脚81经由控制线70连接到逆变器20上。当连接插头80的两部分时，在较短接触管脚81与相应接收触点82形成电接触之前，较长接触管脚83、85与相应的接收触点84、86形成电接触。
因此，当连接插头80时，首先连接用于能量传输的DC总线40的线，稍后连接控制线70。当断开插头80的连接时，断开连接的顺序反过来。这保证了DC/DC转换器31只在DC总线40安全地连接时和不在有任何接触危险时才导通。此外，当释放到DC总线40的电连接时，DC/DC转换器31就已经被关断。由于电流已经在减小中，因此就不产生电弧。
控制线70的两个部分之间经由插头80的连接可以与插头锁(未示出)机械地组合，所述插头锁必须在插头80完全断开连接之前释放。由此，可以保证DC/DC转换器31具有足够的时间用于关断，以便以可靠方式避免产生击穿火花。
应该理解的是，所述本发明的实施例只表示大量本发明的可行实施例中的几个实施例。
权利要求
1.一种分散型发电系统，所述系统包括多个分散型发电单元；多个DC/DC转换器，每个DC/DC转换器连接到另一个所述发电单元上，用于转换由所述发电单元提供的电流；DC总线，每个所述DC/DC转换器都耦合到该DC总线，用于将各自转换的电流提供到所述DC总线；和连接到所述DC总线上的至少一个功率接收部件，用于从所述DC总线获得电流，该功率接收部件与所述DC/DC转换器在物理上相互分开。
2.根据权利要求1的分散型发电系统，其中每个所述DC/DC转换器都适于自主地运行和保证所述DC总线上有预定的电压。
3.根据权利要求1的分散型发电系统，其中每个所述分散型发电单元机械地耦合到各自的DC/DC转换器上。
4.根据权利要求1的分散型发电系统，其中所述功率接收部件适于检查所述DC总线上的电压，并在检测到所述DC总线上的电压减小时，降低从所述DC总线获得的功率。
5.根据权利要求1的分散型发电系统，还包括至少一个控制线，所述控制线将每个所述DC/DC转换器连接到所述至少一个功率接收部件上，至少一个控制线设置成用于使所述DC/DC转换器导通和关断。
6.根据权利要求5的分散型发电系统，还包括至少一个插头连接，用于将各DC/DC转换器共同地电连接到所述DC总线上并且经由所述控制线连接到所述至少一个功率接收部件上。
7.根据权利要求6的分散型发电系统，其中所述至少一个插头连接适于在经由所述控制线将所述DC/DC转换器连接到所述至少一个功率接收部件之前将各DC/DC转换器电连接到所述DC总线上，并在断开所述DC/DC转换器与所述DC总线之间的连接之前经由所述控制线中断所述DC/DC转换器与所述至少一个功率接收部件之间的连接。
8.根据权利要求1的分散型发电系统，其中所述功率接收部件是逆变器，所述逆变器设置成将从所述DC总线获得的直流转换成交流，并将所述交流馈送给交流电源系统。
9.根据权利要求1的分散型发电系统，其中每个所述发电单元包括至少一个光电模块。
10.一种操作分散型发电系统的方法，所述系统包括多个分散型发电单元、多个DC/DC转换器、DC总线和至少一个功率接收部件的系统，所述功率接收部件与所述DC/DC转换器在物理上相互分开，所述方法包括通过所述多个发电单元产生电流；通过各DC/DC转换器转换由每个所述发电单元提供的电流；将所述被转换的电流馈送给所述DC总线；和将电流从所述DC总线提供给所述至少一个功率接收部件。
全文摘要
本发明涉及一种分散型发电系统，包括多个分散型发电单元(11，12；13，14)。为了能够最佳地控制这些发电单元同时保证系统高度安全，提出了一种系统，该系统还包括多个DC/DC转换器(31、32)，每个DC/DC转换器连接到另一发电单元上，用于转换由该发电单元提供的电流。该提出的系统还包括DC总线(40)，DC/DC转换器将各转换的电流馈送给该DC总线。该提出的系统还包括从该DC总线获得电流的至少一个功率接收部件(20)，该功率接收部件与DC/DC转换器物理地分开。本发明还同样涉及相应的方法。
文档编号H01L31/042GK1902808SQ200480040071
公开日2007年1月24日 申请日期2004年12月21日 优先权日2004年1月9日
发明者M·温德特, P·吕尔肯斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司