专利名称：反向电流传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括独立权利要求1的前序部分的特征的光伏系统以及一种包括独立权利要求2的前序部分的特征的用于从多个串(string)向电网馈送电能的设备，所述多个串中的每一个包括多个串联的光伏模块。所述设备提供了从所述串向电网馈送电能所需的除了所述串及其电缆连线之外的单元。这样的设备往往是由所述串及其电缆连线以外的其它专业公司提供的。技术术语“串，，基于这样一种事实通常将多个光伏模块串联起来，从而相对于一个光伏模块的基本电压提高光伏发电机的输出电压。在本说明书中，术语串实际上主要用于光伏模块的纯串联连接。然而，只要没有明确地排除，那么串也可以包括光伏模块的并联连接，尽管在本发明的背景下，这种并联连接并不是优选情况。通常，光伏系统所馈入的或者通过根据本发明的设备向其馈送能量的电网是单相或三相AC电网。其可以是公用AC电网。
背景技术：
在通常的光伏系统中，将多个光伏模块的串并联连接，从而在有限的电压上得到预期的电功率。必须保护各个串，避免产生反向电流，即，与相应串的光伏模块的正常运行生成的电流相比具有相反的流向的电流。原则上，只有当开放端电压或开路电压在并联连接的串之间存在差异时，才可能产生反向电流。往往采用等长的串，即，通常情况下由相同数量的太阳能模块构成的串避免其产生。即使在个别串的太阳能模块受到遮蔽的情况下， 也不会通过这一串产生值得提及的反向电流，因为这一遮蔽对端电压并无值得提及的影响。相反，反向电流的产生要求存在故障，例如，由于串的一个或多个太阳能模块短路，从而使该串的开放端电压明显降到与之并联连接的串的开放端电压以下。由于太阳能模块的内部二极管结构的原因，反向电流于是可能流过存在故障的串，根据电流强度，这可能导致很强的温度升高，直至破坏这些串的太阳能模块。光伏模块的短路可能是由于光伏模块中的一个或多个电池的短路引起的，也可能是由光伏模块或其电缆连线的双接地故障引起的。 尽管这些故障都是不太可能发生的，即，在实践中非常罕见，但还是必须采取措施，因为这些故障具有很高的潜在危害和风险，因为受影响的串的所有光伏模块都可能受到损坏，而且还可能由于局部升温而产生二次损害。因而，需要避免产生流经在光伏系统中并联连接的各个串的反向电流。在产品 Sunny String Monitor (http //download, sma. de/smaprosa/ dateien/7356/SSM-UDE091221. pdf，产品目录Sunny Family 2009/2010，82 页)中已知， 通过将故障串与其它并联连接的串断开的串熔断器确保串并联连接内的各个串的安全，由此避免反向电流。在由于相应的串内的故障而导致一个串熔断器跳闸时，发出标识故障串的警告。由于各个串的输出电压倾向于不断提高，当前它们已经达到了 1000V以上，因而这样的串熔断器很复杂，相应地价格也很昂贵。此外，通常的熔化型熔断器的使用都涉及永久性功率损失。如果不采用熔断器，而是为各个串提供二极管来阻断反向电流，也会产生这样的功率损失。为了连续监测各个串的指向缓慢发展或者逐渐接近破坏性故障的较小故障或功率损失，产品Surmy String Monitor使每个串都包含一个电流传感器。这一电流传感器确定相应的串生成的电流的强度。为了对并联连接的串进行故障监测，对从运行的所有串流出的电流进行总体评估，即，相对于从各个串流出的电流的相对值而言。产品Surmy String Monitor被设置为与用于从串向AC电网馈送电能的逆变器一起使用。在所述逆变器中，控制器通过某种方式对逆变器电桥进行操纵，从而相对于串的最大电功率调整并联连接着所述串的总线之间呈现的系统电压。这一过程被称为MPP(最大功率点)跟踪，其中，通常在基本可能的系统电压的范围内，即所谓的MPP窗口内调整串的最大电功率。从WO 2007/048421 A2获知一种包括独立权利要求1的前序部分的特征的光伏系统和一种包括独立权利要求2的前序部分的特征的可用于构建所述系统的设备。这里，在每个串的一条连接线内额外提供了机械开关，在产生反向电流的情况下，断开所述开关使得相应的串与总线断开连接。为了保护这一机械开关使之不受由形成于其接触之间的火花隙造成的损害，在总线之间提供了半导体开关，从而在断开所述开关以及最终闭合所述开关时使所述总线暂时短路。
发明内容
本发明的技术问题本发明的技术问题在于提供一种包括独立权利要求1的前序部分的特征的光伏系统以及一种可用于构建所述光伏系统的包括独立权利要求2的前序部分的特征的设备， 所述系统和所述设备能够以最低的构造方面的努力控制由于通过各个串产生反向电流带来的风险。技术方案本发明的技术问题是通过包括独立权利要求1的特征的光伏系统以及包括独立权利要求2的特征的用于从多个串向电网馈送电能的设备解决的。在从属权利要求中界定了所述新光伏系统和所述新设备的优选实施例。发明描述根据本发明，为每个串提供了一个电流传感器，其至少判断是否有反向电流流向该串，并将该反向电流报告给控制器。在这里，术语反向电流是指与正常运行的相应串的光伏模块生成的电流相比具有相反流向的，由相应串的故障引起的显著电流。作为对反向电流的报告的反应，控制器降低存在于总线之间的系统电压，以停止该反向电流。存在于总线之间的系统电压就是引起反向电流的电压。如果使其降低，则可以达到某一电压，乃至使该电压下切，所述电压正是故障串所包含的作为端电压的电压，或者正是故障串可以阻断的电压。因而，停止了反向电流的持续流动，而不必为受到影响的串提供熔断器或任何其它开关元件。在降低总线之间的电压之后，只要总线之间下降后的电压足以向电网馈送电能，那么其它串还将提供通过逆变器向电网馈送的电能。那么具体而言，当控制器只需使总线之间的系统电压稍微降低至当前的MPP以下以停止反向电流时，不再被馈送到电网的电能的损失实际上仅限于故障串的影响，在可以是本发明的替代方案的通过开关元件切断所述串的情况下，所述电能也是无法馈入的。除此之外，还存在由于系统电压的不吻合(MPP的放弃)引起的小的损耗。如果控制器还必须使存在于总线之间的系统电压在当前的MPP窗口内进一步降低至MPP以下时(因为若非如此将无法停止反向电流)，那么馈送到电网的电功率将明显降至仍然工作的串有可能馈送的最大功率以下。然而，在大多数情况下相关的功率损失只是很小的损失。具体而言，考虑到在实践当中反向电流的产生的稀有性，所述方案不会造成负担，而且只需花费较少的力气就可以实现所述新光伏系统或所述新设备，因为可以避免对各个串使用任何熔断器或任何开关元件，而且与熔断器、任何其它开关元件或者反向电流阻断二极管相比，电流传感器不会涉及显著的永久性功率损失。在控制器为了停止反向电流必须要将存在于总线之间的系统电压降到某一值以下，而该值则是一个要想馈送到电网已经无法下切(undercut)的一个值时，系统电压将降为零，不再有能量馈入电网。出于这一目的，控制器可以使存在于总线之间的系统电压短路。如果用于实现向AC电网馈送的变换器是具有包括脉冲开关的逆变器电桥的常规逆变器，那么可以通过这样一种方式实现这一目的，即，首先，通过断开起着连接光伏系统和AC 电网的作用的接触器将逆变器与AC电网隔开，并通过短路使逆变器的输入侧的缓冲电容通过放电电阻器放电，之后通过闭合逆变器电桥的开关使总线直接相互连接。这样使总线短路的后果是不再有电能从光伏系统馈入到电网。然而，考虑到其发生的稀有性以及在提供所述新光伏系统或所述新设备时显著的构造上的节约及其在正常运行时的高效率，与此相关的损失只是很低的。优选地，在用于本地布置的连接单元内提供电流传感器，在将本地位置上的一对连接线引向中央单元之前，通过所述连接单元将几个串连接至所述一对连接线，所述中央单元包括变换器，在所述中央单元处提供了本地连接单元到总线的端子。由于所述变换器的控制器位于中央单元内，而电流传感器则提供于连接单元内， 因而必须在连接单元和中央单元之间提供通信链路。这些通信链路可以是通信线路、无线电传输或者其它可以免除额外通信线路敷设的无线信号传输链路。如果连接单元内的电流传感器以无线的方式向中央单元中的变换器的控制器报告反向电流，那么从本发明的意义上对现有的光伏系统进行改进翻新也更加容易。如果所提供的电流传感器仅用于报告超过预定阈值的反向电流的产生，那么根据本发明所采用的电流传感器可以具有非常简单的构造。在这种情况下，反向电流传感器的信号在最起码的情况下仅包括反向电流的存在指示，变换器的控制器不必识别哪一串出现了反向电流，尽管这一额外信息有助于消除根源故障。可以通过一种非常简单的方式，例如，利用由于反向电流引起的磁场而闭合的接触实现这样的只需识别超出某一阈值的反向电流的存在的电流传感器。一般而言，根据本发明采用的电流传感器的优点在于，其不会在串的正常运行中引起降低光伏系统的效率的功率损失。因而，其本质上区别于用于各个串的熔断器或二极管。在所述新光伏系统和新设备中，所述电流传感器可以额外测量从所述串前向流出的电流的强度，并将其报告给所述串的检查装置。其可以对应于所谓的串故障监测。换言之，可以采用现有的对来自串的电流的值和方向进行测量并且将这些值报告给转换器的控制器的现有串故障监测电流传感器实现根据本发明的光伏系统或设备。通过输入经修改的控制器软件就足以对根据本发明的控制器进行修改。
正如已经指出的，在所述新光伏系统和新设备中，各个串的端子优选不包括二极管和/或过电流熔断器，其中，所述串本身(每者仅包括串联连接的光伏模块)也不由这样的二极管或过电流熔断器提供保护反之，不管是就构造方面而言，还是就永久性功率损失方面而言，在本发明当中都有目的地免除了针对其耗费的力气。因而，除了电流传感器之夕卜，所述新光伏系统和新设备的连接单元实质上可以由也可以发挥连接单元的构造功能集电轨(rail)构成。可以由权利要求、说明书和附图得到其它对本发明的有利扩展。在说明书的开始提及的特征的优点以及多个特征的组合只是起到例子的作用，其可以以择一或累加的方式发挥作用，而无需使根据本发明的实施例都必须产生这些优点。可以从附图，尤其是从所示出的几何结构和多个部件的相对尺寸以及从它们的相对布置及其操作连接中得到额外的特征。本发明的不同实施例的特征或者不同权利要求的特征的独立于权利要求给出的选定参考的组合也是可能的，这里以作启发。其还涉及单独的附图中示出的特征或者在描述附图时提及的特征。也可以将这些特征与不同权利要求的特征结合。此外，本发明的其它实施例也可能无需要权利要求中提及的特征也可以。
在下文中将参考附图通过实施例范例对本发明做进一步解释和说明。图1示意性地示出了新光伏系统的构造；以及图2示出了根据图1的光伏系统的中央变换器的构造。
具体实施例方式图1示出了用于向电网2馈送电能的光伏系统1，这里，电网2为AC电网3。电能由多个光伏模块4生成，所述多个光伏模块4串联连接形成串5。在将串5相互并联连接至中央单元7内的总线8和9之前，通过本地连接单元6使串5成组并联连接。在连接单元6中，为每个串提供一个电流传感器10，其至少向中央单元7内的控制器11报告是否出现了通过相应的串5的反向电流，S卩，所处方向与光伏模块4通常生成的电流的流向相反的电流。为了从电流传感器10向控制器11发送信号，在每个连接单元6内提供了与控制器 11无线通信的发射器22。发射器22不仅可以在出现反向电流的当时发送信号，还可以发送哪一串受此影响。此外，其还可以报告从所有串5流出的电流，从而通过对这些电流的集合的监测使得串故障监测成为可能。所出现的显著的反向电流，即，超过阈值的反向电流指示相关串5发生了故障。其不仅意味着由于由其它串生成的这一反向电流未馈送到电网2 而产生了功率损失，更主要地是一种潜在的危险，尤其是对受影响的串5而言。因而，在中央单元7中，控制器11干预通过其从串5向电网馈送电能的变换器12的运行。这里，将变换器12指定为三相逆变器13，其通过接触器14连接至电网2。在其输入侧，将来自连接单元6的连接线15连接至总线8和9，以光伏的方式生成的电流通过所述总线8和9经由全极切换电源开关16流向逆变器13。所报告的反向电流修改控制器11的运行，在未出现反向电流的情况下，所述控制器11的运行被设计为通过使太阳能模块生成最大电功率的方式调整变换器12的存在于总线8和9之间的输入电压。为了停止发生的反向电流，控制器 11降低存在于总线8和9之间的系统电压，该电压在各个串5之上也降低。这一降低所要达到的程度是使受到反向电流影响的串上呈现的电压不再足以引起反向电流。在个别的情况下，这意味着使总线8和9之间的电压降为零。只要不是这种情况，或者只要总线8和9 之间存在的系统电压仍然足以使变换器12能够向电网2馈送电能，就会从未发生故障的串向电网2进一步馈送电能。图2示出了逆变器13的构造和处于其输出侧的接触器14。逆变器13包括具有六个开关18的逆变器电桥17，所述开关受到根据图1的控制器11的脉冲控制，从而在正常运行的情况下向所连接的电网馈送三相AC电流。在逆变器13的输入侧，在总线8和9之间提供缓冲电容19。除此之外，逆变器13还可以包括这里未示出的中间环节。如果必须将存在于总线8和9之间的系统电压降为零，以停止通过根据图1的串5中的一个的回流，那么根据图1的控制器通过断开接触器14将光伏系统与电网断开。之后，通过闭合开关20使缓冲电容19经由放电电阻器21放电。然后，闭合所有的开关18，以使总线8和9短路。通常存在于逆变器13内的开关18适于这样的短路，而不需要额外的措施，因为无论如何它们都是针对连接至总线8和9的串的开路电压以及所流经的最大电流设计的。附图标记列表1 光伏系统2 电网3 AC 电网4 太阳能模块5 串6 连接单元7 中央单元8 总线9 总线10 电流传感器11 控制器12 变换器13 逆变器14 接触器15 连接线16 电源开关17 逆变器电桥18 开关19 缓冲电容20 开关21 放电电阻器22 发射器
权利要求
1.一种光伏系统(1)，其包括多个串(5)，所述多个串(5)中的每个串包括多个全部串联连接的光伏模块G)，所述系统还包括总线(8，9)，所述串( 并联连接到所述总线，其中，为每个串(5)提供电流传感器(10)，所述电流传感器(10)至少判断是否有流向所述串 (5)的反向电流，所述系统还包括用于将电能从所述总线(8，9)馈送到电网(2)的变换器 (12)，其中，能够利用所述变换器(12)的控制器(11)来调整落在所述总线(8，9)之间的系统电压，所述光伏系统的特征在于，每个电流传感器(10)向所述变换器(1 的所述控制器 (11)报告是否有反向电流流向所述串(5)，并且其特征还在于，所述变换器(12)的所述控制器(11)降低存在于所述总线(8，9)之间的所述系统电压，以停止所述反向电流，其中，在降低所述总线(8，9)之间的所述系统电压之后，只要所述总线(8，9)之间的降低后的系统电压足以向所述电网( 馈送电能，那么其它串( 将进一步供应由所述变换器(1 馈入所述电网(2)的电能。
2.一种用于从多个串(5)向电网(2)馈送电能的设备，所述多个串(5)中的每个串包括多个串联连接的光伏模块G)，所述设备包括使所述串( 相互并联连接至总线(8，9)的端子，其中，为每个串(5)提供电流传感器(10)，所述电流传感器(10)至少判断是否有流向所述串(5)的反向电流，所述设备还包括从所述总线(8，9)向所述电网(2)馈送电能的变换器(12)，其中，能够利用所述变换器(1 的控制器(11)来调整落在所述总线(8，9)之间的系统电压，所述设备的特征在于，每个电流传感器(10)向所述变换器(1 的所述控制器 (11)报告是否有反向电流流向所连接的串(5)，并且其特征还在于，所述变换器(12)的所述控制器(11)降低存在于所述总线(8，9)之间的系统电压，以停止所述反向电流，其中，在降低所述总线(8，9)之间的所述系统电压之后，只要所述总线(8，9)之间的降低后的系统电压足以向所述电网( 馈送电能，那么其它串( 将进一步提供由所述变换器(1 馈入所述电网(2)的电能。
3.根据权利要求1所述的光伏系统(1)或根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述控制器(11)将存在于所述总线(8，9)之间的系统电压降低到当前MPP窗口内。
4.根据权利要求3所述的光伏系统(1)或设备，其特征在于，如果到了通过其它手段无法停止所述反向电流的程度，那么所述控制器(11)将存在于所述总线(8，9)之间的系统电压降为零。
5.根据权利要求4所述的光伏系统(1)或设备，其特征在于，如果到了通过其它手段无法停止所述反向电流的程度，那么所述控制器(11)使存在于所述总线(8，9)之间的系统电压短路。
6.根据权利要求5所述的光伏系统(1)或设备，其特征在于，所述控制器(11)使所述变换器(12)与所述电网(2)断开连接，使所述变换器(12)的输入侧的缓冲电容(19)放电， 并通过所述变换器(12)的逆变器电桥(17)的开关(18)使存在于所述总线(8，9)之间的系统电压短路。
7.根据前述权利要求中的至少一项所述的光伏系统(1)或设备，其特征在于，所述电流传感器(10)被设置在将要在本地布置的多个连接单元(6)中。
8.根据权利要求7所述的光伏系统(1)或设备，其特征在于，在包括所述变换器(12) 的中央单元(7)内，为来自将要本地布置的所述连接单元(6)的连接线(1 提供到所述总线(8，9)的连接端子。
9.根据前述权利要求中的至少一项所述的光伏系统(1)或设备，其特征在于，所述电流传感器(10)通过通信线路或者以无线的方式向所述控制器(11)报告所述反向电流。
10.根据前述权利要求中的至少一项所述的光伏系统(1)或设备，其特征在于，如果所述反向电流超过预定阈值，则所述电流传感器(10)报告所述反向电 流。
11.根据前述权利要求中的至少一项所述的光伏系统(1)或设备，其特征在于，所述电流传感器(10)测量从所述串( 流出的电流的强度，并将其报告给监测装置。
12.根据前述权利要求中的至少一项所述的光伏系统(1)或设备，其特征在于，所述电流传感器(10)对从所述串( 流出的电流的值和方向进行测量。
13.根据前述权利要求中的至少一项所述的光伏系统(1)或设备，其特征在于，不为各个串( 提供二极管。
14.根据权利要求13所述的光伏系统(1)或设备，其特征在于，不为各个串( 提供过电流熔断器。
15.根据前述权利要求中的至少一项所述的光伏系统(1)的使用，所述光伏系统(1)用于从多个串(5)向电网( 馈送电能，所述多个串( 中的每个串包括串联连接的多个光伏模块⑷。
全文摘要
一种光伏系统(1)包括多个串(5)，所述多个串的每个包括多个全部串联连接的光伏模块(4)，所述光伏系统还包括总线(8，9)，所述串并联连接到所述总线上，所述光伏系统还包括变换器(12)，其用于将电能从总线(8，9)馈送到电网(2)，其中，可以利用变换器(12)的控制器(11)调整落在总线(8，9)之间的系统电压，在所述光伏系统中，为每个串(5)提供了电流传感器(10)，其至少判断是否有反向电流流向所述串(5)，并向变换器(12)的控制器(11)报告是否有反向电流流向所述串(5)，变换器(12)的控制器(11)降低存在于总线(8，9)之间的系统电压，以停止反向电流。
文档编号H02J1/10GK102484368SQ201080034781
公开日2012年5月30日 申请日期2010年7月26日 优先权日2009年8月6日
发明者G·黑肯多夫 申请人:艾思玛太阳能技术股份公司