用于光伏板的串的关断装置的制作方法

本发明涉及用于发电的光伏发电站的领域。更具体地，本发明涉及一种关断装置，用于控制彼此电气地串联连接的光伏板的串的关断操作。

背景技术：

如已知的，光伏发电站通常包括直流部分、逆变器部分和交流部分。

直流部分包括由电气地串联连接的多个光伏板形成的一个或多个光伏板的串，以及将这样的光伏板的串与逆变器部分的直流侧电气地并联连接的直流总线。

交流部分包括将逆变器部分的交流侧与交流电网(例如配电网)电气地连接的交流母线，以及用于管理由逆变器部分提供的交流电力的传输的其他设备。

逆变器部分包括主dc/ac开关变换器和用于管理由光伏板提供的直流电力的dc/ac变换的其他设备。

如已知的，在一些国家(例如在美国)，存在要求光伏发电站配备有保护布置(也称为关断装置)的技术法规，所述保护布置能够在需要时(例如当操作者人工介入时，或在交流电网故障的情况下)使光伏发电站的直流部分(特别是光伏板)断电。

为了实现光伏发电站的直流部分的关断，传统的关断装置通常在串级通过使光伏板的每个串的电源端子短路来进行干预。

这种技术方案的相关缺点在于，当光伏板的串的电源端子被短路时，会出现高涌入电流。这样的涌入电流是由于系统中存在的电容(即光伏板的寄生电容和与这样的光伏板的串电气地并联连接的逆变器的直流侧处的输入电容)的突然放电。特别地，逆变器的直流侧处的输入电容在生成所述涌入电流中起主要作用，因为输入电容可能具有高值，例如从数十μf到数千μf。

该技术方案的另一缺点在于尽管有关断装置的干预，但如果由于某些原因(例如，由于故障)存在光伏板之间的电气连接的中断，一些光伏板可能不会被断电。容易理解，这种情况可能会给在光伏发电站介入的操作者带来相关安全问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种允许克服上述缺点的、用于光伏板的串的关断装置。

在该目的内，本发明的另一个目标是提供一种允许限制在光伏板的串的断电期间涌入电流的存在的关断装置。

本发明的另一目标是提供一种关断装置，即使由于某些原因存在光伏板之间的电气连接的中断，所述关断装置也允许实现光伏板的串的完全断电。

本发明的另一目标是提供一种在工业级生产和现场安装中容易且廉价的关断装置。

根据本发明，根据以下权利要求1和相关从属权利要求，通过关断装置，实现了该目的和这些目标以及从随后的描述和从附图中更明显的其他目标。

在一般限定中，根据本发明，关断装置包括多个控制模块，多个控制模块包括操作上与相应光伏板相关联的初始控制模块、一个或多个中间控制模块和最终控制模块。每个控制模块适于响应于所接收的输入关断信号而导致相应光伏板的关断。所述控制模块适于在随后的关断时刻按顺序接收所述输入关断信号。每对随后的关断时刻都由相应时间延迟分开。

根据本发明的一个实施例，所述控制模块操作上根据菊花链(daisychain)配置彼此串联耦接。

根据本发明的这样的实施例，所述初始控制模块与控制布置通信以及与随后的控制模块通信，并且适于响应于从所述控制布置接收的输入关断信号导致相应光伏板的关断，并为所述随后的控制模块提供输出关断信号，所述输出关断信号相对于所接收的输入关断信号具有时间延迟。

根据本发明的这种实施例，每个中间控制模块与前面的控制模块和与随后的控制模块通信，并且适于响应于从所述前面的控制模块接收的输入关断信号导致相应光伏板的关断，并为所述随后的控制模块提供输出关断信号，所述输出关断信号相对于所接收的输入关断信号具有时间延迟。

根据本发明的这样的实施例，所述最终控制模块与前面的控制模块通信，并且适于响应于从所述前面的控制模块接收的输入关断信号，导致相应光伏板的关断。

根据本发明的替代实施例，所述控制模块操作上与外部控制布置并联耦接。

根据本发明的这样的实施例，所述初始控制模块与所述控制布置通信，并且适于响应于从所述控制布置接收的输入关断信号，导致相应光伏板的关断。

根据本发明的这样的实施例，所述一个或多个中间控制模块中的每一个与所述控制布置通信，并且适于响应于从所述控制布置接收的输入关断信号，导致相应光伏板的关断。

根据本发明的这样的实施例，所述最终控制模块与所述控制布置通信，并且适于响应于从所述控制布置接收的输入关断信号，导致相应光伏板的关断；

根据本发明的这样的实施例，所述控制模块适于在随后的由相应时间延迟分开的关断时刻从所述控制布置按顺序接收所述输入关断信号。

根据本发明的一个方面，每个控制模块包括控制器和开关电路，所述开关电路由所述控制器控制并且与相应光伏板的电源端子电气地并联耦接。所述开关电路适于响应于从所述控制器接收的跳闸信号，使所述相应光伏板的电源端子短路。

优选地，所述开关电路包括与所述开关电气地串联连接的开关和阻抗。方便地，所述开关电路与所述相应光伏板的电源端子电气地并联连接。所述控制器适于响应于所接收的输入关断信号提供所述跳闸信号。

根据进一步的方面，本发明涉及根据以下权利要求12所述的控制系统和根据以下权利要求13所述的光伏发电站。

附图说明

参考下文给出的仅出于解释和非限制的目的而提供的描述和附图，本发明的进一步的特征和优点将更加清楚，其中：

-图1示意性地说明了光伏发电站；

-图2、2a示意性地说明了根据本发明的关断装置的可替代实施例；

-图3-7示意性地说明了根据本发明的关断装置的进一步相关的方面。

具体实施方式

参考上述图，本发明涉及用于发电的低压光伏发电站500中的光伏板的串100的关断装置1。

为清楚起见，规定术语“低压”是指低于1kv交流和1.5kv直流的工作电压。

参考图1，光伏发电站500包括直流部分600，该直流部分600包括一个或多个光伏板的串100和与所述光伏板的串电气地连接的至少一个直流电总线601。

光伏发电站500还包括逆变器部分700，该逆变器部分700包括与直流电总线601电气地连接的dc/ac主开关变换器和用于管理由光伏板提供的直流电力的dc/ac变换的其他设备。

光伏发电站500另外包括交流部分800，该交流部分800包括与逆变器部分700电气地连接的交流电总线801和用于管理由逆变器部分700提供的交流电力的下游传输的其他设备(未示出)。

交流电总线801可与交流电网900(例如由光伏发电站500供给的配电网)电气地连接。

光伏发电站500的直流部分600、逆变器部分700和交流部分800的大部分组件可以是已知类型的，并且为了简洁起见，不会进一步描述其他细节。

参考图2、图2a，光伏板的串100包括通过电力总线sb彼此电气地串联连接的多个光伏电池板sl1、sl2、sln-1、sln。显然，电气地串联连接的光伏板的数量n基本上取决于光伏发电站500的安装要求。

光伏串100的大部分组件(例如电力总线sb和光伏板sli(i＝1,…,n))可以是已知类型的，并且为了简洁起见，不会进一步描述其他细节。

根据本发明，关断装置1包括多个控制模块mdi(i＝1,…,n)，更具体地，包括初始控制模块md1、一个或多个中间模块mdi(i＝2,…,n-1)和最终控制模块mdn。

每个控制模块mdi(i＝1,…,n)操作上与相应光伏板sli(i＝1,…,n)相关联。即，初始控制模块md1操作上与相应初始光伏板sl1相关联，每个中间控制模块mdi(i＝2,…,n-1)操作上与相应中间光伏板sli(i＝2,…,n-1)相关联，并且最终控制模块mdn操作上与相应最终光伏板sln相关联。

每个控制模块mdi(i＝1,…,n)都适于响应于所接收的输入关断信号ci(i＝1,…,n)，导致其相应光伏板sli(i＝1,…,n)的关断。

根据本发明，控制模块md1、…、mdn在随后的关断时刻按顺序接收输入关断信号c1、…、cn，每对随后的关断时刻由相应时间延迟td分开。

通常，每个控制模块mdi(i＝1,…,n)都被提供有通信能力，例如用于与其他控制模块和/或其他电子设备通信。

控制模块之间的通信和/或与其他电子设备的通信可以通过已知类型的有线或无线通信手段方便地实现。

方便地，关断装置1包括控制布置200，或操作上与控制布置200相关联，该控制布置200适于出于任何原因(例如，由于操作员的人工介入或由于故障)命令关断光伏板的串100。

优选地，控制布置200是包括在光伏发电站的逆变器部分700(如图2中示出的)或直流部分600中的控制器。通过操作者的人工介入，或在接收到由其他控制单元(例如ac/dc主开关逆变器的控制单元)提供的适当控制信号时，这样的控制器可以被方便地激活。

作为替代，控制布置200可以是dc/ac主开关变换器本身的控制单元，是或者相对于光伏发电站远程定位的任何其他控制单元。

作为进一步的替代，控制布置200可以是包括在关断装置1中的专用控制单元。

根据本发明的实施例(图2)，控制模块mdi(i＝1,…,n)操作上串联连接以形成具有菊花链配置的控制模块的链。

根据本发明的该实施例，初始控制模块md1与控制布置200和随后的控制模块md2通信，每个中间控制模块mdi(i＝2,…,n-1)与前面的控制模块mdi-1(i＝2,…,n-1)和随后的控制模块mdi+1(i＝2，…,n-1)通信，并且最终控制模块mdn与前面的控制模块mdn-1通信。

初始控制模块md1适于响应于从控制布置200接收的输入关断信号c1，导致相应光伏板sl1的关断。

初始控制模块md1适于响应于所接收的输入关断信号c1，为随后的控制模块md2提供输出关断信号c2。该输出关断信号c2由初始控制模块md1提供，相对于所接收的输入关断信号c1具有相应时间延迟td。

每个中间控制模块mdi(i＝2,…,n-1)适于响应于从前面的控制模块mdi-1(i＝2,…,n-1)接收的输入关断信号ci(i＝2,…,n-1)，导致相应光伏板sli(i＝2,…,n-1)的关断。

每个中间控制模块mdi适于响应于输入关断信号ci，为随后的控制模块mdi+1(i＝2,…,n-1)提供输出关断信号ci+1(i＝2,…,n-1)。该输出关断信号ci+1由每个中间控制模块mdi提供，相对于所接收的输入关断信号ci具有相应时间延迟td。

最终控制模块mdn适于响应于从前面的控制模块mdn-1接收的输入关断信号cn，导致相应光伏板sln的关断。

根据本发明的另一实施例(图2a)，控制模块mdi(i＝1,…,n)被布置为并行配置，并且能够与控制布置200并联通信。

初始控制模块md1适于响应于从控制布置200接收的输入关断信号c1，导致相应光伏板sl1的关断。

每个中间控制模块mdi(i＝2,…,n-1)适于响应于从控制布置200接收的输入关断信号ci(i＝2,…,n-1)，导致相应光伏板sli(i＝2,…,n-1)的关断。

最终控制模块mdn适于响应于从控制布置200接收的输入关断信号cn，导致相应光伏板sln的关断。

控制模块mdi(i＝1,…,n)适于在由相应时间延迟td分开的随后的关断时刻从控制布置200按顺序接收输入关断信号ci(i＝1,…,n)。

注意到的是，根据本发明的该实施例，控制模块mdi(i＝1,…,n)不一定需要如图2所示的前面的实施例那样彼此通信。

根据本发明的一个方面(图2、图2a)，最终控制模块mdn适于响应于所接收的输入关断信号cn提供输出控制信号cn+1，所述输入关断信号cn根据图2的实施例由前面的控制模块mdn-1提供，或者根据图2a的实施例由控制布置200提供。

优选地，输出控制信号cn+1由最终控制模块mdn提供，相对于所接收的输入关断信号cn有相应时间延迟td。

优选地，最终控制模块mdn与信令模块sm通信，并且适于提供输出控制信号cn+1以适当地驱动所述信令模块。

优选地，信令模块sm适于响应于所接收的控制信号cn，提供指示光伏板的串100的工作状态的用户界面信号(例如视觉信号)。

信令模块sm(可能是已知类型的)可以包括在关断装置1中，或者也可以是关断装置1外部的设备(例如，包括在逆变器部分700中)，或者甚至包括在控制布置200中。

优选地，如图3中示出的，在图2和图2a的两个实施例中，关断信号ci(i＝1,…,n)和输出控制信号cn+1是改变其逻辑状态以提供关断命令或控制命令的逻辑信号。

在图4中示出通用控制模块mdi(i＝1,…,n)。

在图2和图2a的实施例中，控制模块mdi优选地包括控制器u(例如微控制器)和由所述控制器控制的开关电路sc。

控制模块mdi的控制器u适于控制相应开关电路sc的操作。

优选地，开关电路sc和操作上与控制模块mdi相关联的光伏板sli的电源端子t1、t2电气地并联耦接。

优选地，开关电路sc被配置为响应于从控制器u接收的跳闸信号cs，使光伏板sli的电源端子t1、t2短路。

优选地，开关电路sc包括开关sw，例如mosfet、晶闸管、igbt或类似开关设备。

开关sw与光伏板sli的电源端子t1、t2电气地(并联)连接。

当处于阻断(关断)状态时，开关sw阻止任何电流流过开关电路sc。因此，任何电流都被强制通过光伏板sli。

当处于导通(接通)状态时，开关sw使光伏板sli的电源端子t1、t2短路。因此，任何电流都被强制通过开关电路sc。

优选地，开关电路sc还包括与光伏板sli的电源端子t1、t2之间的开关sw电气地串联连接的阻抗z(例如电阻)。

当开关sw使光伏板sli的电源端子t1、t2短路时，阻抗z适于限制通过开关sw的电流。

优选地，控制器u适于响应所接收的输入关断信号ci(i＝1,…,n)，为开关电路sc提供跳闸信号cs。

更具体地，当接收到输入关断信号ci(i＝1,…,n)时，控制器u提供跳闸信号cs以命令开关sw切换到导通状态，从而使光伏板sli的电源端子t1、t2短路，并导致光伏板sli的关断(断电)。

在图2的实施例中，当控制模块mdi与初始控制模块md1或中间控制模块mdi(i＝2,…,n-1)一致时，控制器u适于响应于所接收的输入关断信号ci(i＝1,…,n-1)提供输出关断信号ci+1(i＝1,…,n-1)。

在图2a的实施例中，当控制模块mdi与初始控制模块md1或中间控制模块mdi(i＝2,…,n-1)一致时，控制器u可以不响应于所接收的输入关断信号ci(i＝1,…,n-1)提供输出信号。

在图2和图2a的两个实施例中，当控制模块mdi与最终控制模块mdn一致时，控制器u适于响应于所接收的输入关断信号cn提供输出控制信号cn+1。

在图2的实施例中，控制模块mdi包括操作上与控制器u耦接的输入端口p1和输出端口p2。

优选地，当控制模块mdi与初始控制模块md1一致时，输入端口p1适于接收由控制布置200提供的输入关断信号c1，并将输入关断信号c1传输到控制器u。

优选地，当控制模块mdi(i＝2,…,n-1)与中间控制模块或最终控制模块mdn一致时，输入端口p1适于接收由前面的控制模块mdi-1(i＝2,…,n-1)提供的输入关断信号ci(i＝2,…,n)，并将所述输入关断信号传输到控制器u。

优选地，当与初始控制模块md1或中间控制模块mdi(i＝2,…,n-1)一致时，输出端口p2适于将由控制器u提供的输出关断信号ci+1(i＝1,…,n-1)传输到随后的控制模块。

优选地，当与最终控制模块mdn一致时，输出端口p2适于向外部传输由控制器u提供的输出控制信号cn+1。

在图2a的实施例中，每个控制模块mdi(i＝1,…,n)的控制器u适于从控制布置接收输入关断信号ci(i＝1,…,n)。

在这种情况下，控制模块mdi至少包括输入端口p1，该输入端口p1适于接收由控制布置200提供的输入关断信号ci(i＝1,…,n)并将所述输入关断信号传输到控制器u。

在图2a的实施例中，当与初始控制模块md1或中间控制模块mdi(i＝2,…,n-1)一致时，控制模块mdi可以不包括输出端口。

然而，当与最终控制模块mdn一致时，控制模块mdi包括操作上与控制器u耦接的输出端口p2，并且适于向外部传输由控制器u提供的输出控制信号cn+1。

在图2和图2a的两个实施例中，控制模块mdi优选包括电压传感器vs，该电压传感器vs被配置为提供指示相应光伏板sli的电源端子t1、t2之间的电压vsli的检测信号d。方便地，检测信号d由控制器u接收和处理，例如用于计算上述时间延迟td或用于将指示电压vsli的检测数据传输到控制布置200。

参考图3，示意性地示出了关断装置1的通常操作(参考图2和图2a的实施例二者)。

在初始控制模块md1之后，每一个进一步的控制模块mdi(i＝2,…,n)由相应输入关断信号ci(i＝2,…,n)激活以关断相应光伏板sli(i＝2,…,n)，相对于前面的控制模块具有时间延迟td。

因此，光伏板sli(i＝1,…,n)的串100在由相应时间延迟分开的不同的随后关断时刻被断电(优选地通过使其短路)，并且串100的电源端子s1、s2之间的串电压vst在断电阶段期间随着随后的小的电压阶跃(例如30v)逐渐降低。

本技术方案允许显著降低光伏板的串100的断电期间的可能的涌入电流循环，因为这种涌入电流是通过尚未由相应控制模块短路的光伏板逐步循环的。

直流部分600的输入电容事实上在由关断装置100执行的每个断电步骤中都会被逐渐放电，该输入电容通常比光伏板的寄生电容高很多。

当初始光伏板sl1由初始控制模块md1关断时，以上输入电容通过放电电路进行放电，所述放电电路与所述输入电容电气地并联连接，并且包括初始控制模块md1的内阻抗z和彼此电气地串联连接的剩余光伏板sli(i＝2,…,n)的等效电阻。据证明，上述放电电路的总阻抗相对较高，因为所述放电电路包括n-1个仍活动的光伏板的n-1个等效电阻。

当中间光伏板sli(i＝2,…,n-1)由相应中间控制模块mdi(i＝2,…,n-1)关断时，以上输入电容通过放电电路进行放电，所述放电电路包括激活的控制模块mdr(r＝1,2,…,i)的内阻抗和彼此电气地串联连接的剩余活动光伏板slr(r＝i+1,…,n)的等效电阻。上述放电电路的总阻抗现在被降低，因为所述放电电路仅包括n-i个仍活动的光伏板的n-i个等效电阻。

当最终光伏板sln由相应中间控制模块mdn关断时，以上输入电容通过放电电路进行放电，所述放电电路仅包括激活的控制模块mdi(i＝1,2,…,n)的内阻抗。上述放电电路的总阻抗现在为最小值，但适合对上述输入电容进行放电，因为上述输入电容已经消耗了大部分存储的电能。

由于上述的直流部分600的输入电容的逐步放电机制，激活的控制模块mdi(i＝1,2,…,n)的内阻抗z可被设计为具有相对较低的值，在成本、尺寸和标称耗散功率方面具有相关优势。

参考图5，示意性地示出了通用控制模块mdi(i＝1,…,n)的操作(参考图2和图2a的两个实施例)。

通常，开关电路sc的开关sw处于阻断状态。

在关断时刻ti，响应于所接收的输入关断信号ci(i＝1,…,n)，控制器u立即为开关电路sc提供跳闸信号cs。

一旦接收跳闸信号cs，开关sw就切换到导通状态，从而使光伏板sli的电源端子t1、t2短路。

光伏板sli的电源端子t1、t2之间的电压vsli以时间常数τ≈rc逐渐减小到零(null)值，其中r、c是分别指示从光伏板sli的电源端子t1、t2看到的等效电阻和等效电容的电阻值和电容值。

每对关断时刻ti、ti+1由给定的时间延迟td分开，在所述关断时刻ti、ti+1处，输入关断信号ci、ci+1由随后的控制模块mdi、mdi+1接收。

方便地，以允许在命令随后的光伏板sli+1关断之前光伏板sli的电源端子t1、t2之间的电压vsli降低到接近零值的方式来选择时间延迟td的值。这样，当前面的光伏板已经被断电时，任何光伏板的串100被关断。

原则上，为每个控制模块mdi选择的时间延迟td从一个控制模块到另一个控制模块可以不同，或者可以对于所有控制模块都是恒定的。

根据本发明的一些实施例，时间延迟td的值是预先定义的，并且方便地存储在存储器位置。在这种情况下，时间延迟td可以根据图2的实施例由每个控制模块mdi存储，或可以根据图2a的实施例由控制布置200存储。

根据本发明的一些实施例，时间延迟td的值是根据光伏板sli的电源端子t1、t2之间的电压vsli的行为计算的运行时间。在这种情况下，可以由每个控制模块mdi(图2的实施例)或由控制布置200(图2a的实施例)计算该时间延迟td。

根据一种可能的计算方法(图6)，从关断时刻ti开始，将电压vsli与第一电压阈值vth1进行比较，在所述关断时刻ti输入关断信号ci(i＝1,…,n)被接收并且光伏板sli的电源端子t1、t2被短路。关断时刻ti之后的关断时刻ti+1被计算为电压vsli变得低于第一电压阈值vth1的时刻。

因此，时间延迟td与时间常数τ≈rc直接成比例，其中在所述电源端子t1、t2短路时，光伏板sli的电源端子t1、t2之间的电压vsli以时间常数τ降低。

根据替代的计算方法(图7)，时间延迟td根据以下关系来计算：td＝td1+td2，其中td1是通过将电压vsli与第二电压阈值vth2(类似于上文说明的计算方法)进行比较来计算的时间间隔，并且td2是存储在存储器位置中的预先定义的时间间隔。

关断时刻ti之后的关断时刻ti+1被计算为ti+1＝ti+1td1+td2。

根据本发明，关断装置允许实现预期目的和目标。

根据本发明，关断装置允许有效地限制光伏板的串的断电期间涌入电流的存在。

由于光伏板通过相应控制模块被逐个关断，因此根据本发明，即使出于某些原因存在光伏板之间的电气连接的中断，关断装置也允许获得光伏板的串的完全断电。

根据本发明，关断装置的特征在于低功耗水平。

在正常情况下，每个控制模块的开关电路sc断开，从而防止任何电流通过。

在相应光伏板关断期间，涌入电流可以通过每个光伏模块的开关电路。但是，由处于导通状态的开关和由所述开关电路的阻抗示出的等效电阻相对较低，这允许获得较低的电能消耗水平。

根据本发明，关断装置可以在工业级上容易地制造，并且相对于现有技术的上述传统技术方案，它可以很容易地以有竞争力的成本在现场安装。