CN101785174B - 用于薄膜太阳能面板的无变压器的逆变器单元 - Google Patents

Abstract

一种电装置(4)，包括具有正输入端子(5)和负输入端子(6)的输入端、升压变换器(8)以及具有正输入端(25)和负输入端(26)逆变器(12)，其中在运行时，在所述逆变器(12)的正输入端(25)处构造有相对于地电势为正的电压，并且在逆变器(12)的负输入端(26)处构造有相对于地电势为负的电压，并且其中正输入端子(5)与在逆变器(12)的正输入端(25)之间存在基本上没有电压损失的连接(7)，并且其中在负输入端子(6)与逆变器(12)的负输入端(26)之间布置有升压变换器(8)之一。目的在于，在太阳能电池端子(22，23)处提供不具有负电势的无变压器的换流器，从而所述换流器可以与薄膜面板、尤其是具有覆板配置的薄膜面板一起使用，而不会造成增加的或者加强的腐蚀损害。

Description

用于薄膜太阳能面板的无变压器的逆变器单元

技术领域

本发明涉及一种用于太阳能电池的逆变器单元。

背景技术

在常规太阳能电池设备的情况下，从太阳能电池输出的直流电流必须转换成具有与待馈送的供电网相对应的电压和频率的交流电流。这通常发生在也被称为换流器(Invertern)的电子逆变器单元中。这样的光伏设备可以包括多个太阳能电池和/或多个换流器。单个的太阳能电池通常串联成所谓的串，以便提高换流器处的输入电压，这有助于避免换流器电路中的电损耗。串的输出电压可以根据设备类型为直至1000V之上。但是同时还必须保证人员或者设备部件不会由于高电压而遭遇危险。所以，光伏设备通常必须满足官方标准，该官方标准首先规定单个的设备部件处的电势差相对于地电势的上限。这对于人员可以直接或间接接近的部件尤其是这样，例如在通过污染或者潮湿形成导电连接时。因此，具有对地的高电势差的设备部件、例如太阳能电池通过被一起装配到太阳能面板和装入在壳体内而通常与周围环境电隔离，其中所述壳体是电绝缘的并且对潮湿密封。另外公知将太阳能电池串的正极或负极与地相连，因此电势差不会例如由于电容效应而继续升高。然而，这一般只有在换流器输入端没有电势时才是必需的，例如在构造有电分离的变压器的换流器的情况下通常是这种情况。根据换流器类型的构造和到供电网的连接，许多其它的换流器类型在其输入端具有预先给定的电势或者电势限制。

现在已经示出，在某种太阳能电池面板上、尤其是在薄膜面板并且尤其是在所谓覆板配置(Superstrate-Konfiguration)的薄膜面板上可能形成腐蚀损害。在该配置的情况下，玻璃板同时形成面板的正面和用于光伏电池的半导体结构的承载体。原因可能在于玻璃中的离子或电子迁移，但是形成腐蚀损害的确切背景仍然未知。然而，已经表明，当太阳能电池相对于地或相对于壳体的金属部分具有负电势时，损害形成得更快和/或程度强。所以，这种面板的制造商建议使用具有电分离变压器的换流器以及同时将太阳能电池串的负极接地。然而，这种换流器通常比无变压器的换流器更难制造并且更大，由此一方面制造和安装成本提高，而另一方面换流器所需的空间变大。此外，这种换流器在构造上更复杂并且不太有效。

发明内容

本发明的任务是，提供一种无变压器的换流器，该换流器可以与薄膜面板、尤其是与覆板配置的薄膜面板一起使用，而不会造成增加的或者加强的腐蚀损害。借助于无变压器的逆变器单元，所述逆变器单元具有一侧的升压变换器和逆变器，其中所述逆变器的输入端在运行时承载电压，所述电压关于地电势大致对称，该任务通过如下方式实现：正太阳能电池端子直接与逆变器的正输入端相连，并且升压变换器连接在负太阳能电池端子与逆变器的负输入端之间。因此，因为正太阳能电池端子具有与地电势相比为正的电势，那么在低太阳能电池电压的情况下，负太阳能电池端子具有只稍微为负或者甚至为正的电势。因为太阳能电池的输出电压在大多数时间是相对低的，并且逆变器单元必须在太阳能电池最大程度上(maximal)出现输出电压之后同时配置该太阳能电池，所以太阳能电池具有负电势的时间段明显减小。由此，即使当太阳能面板被设计为薄膜面板或者覆板薄膜面板时，也可以减小在所连接的太阳能面板上增加或加速形成腐蚀损害。

优选地将升压变换器控制为使得负太阳能电池端子处的电压与预先给定的电压相比为正。由此，在太阳能电池上最大程度出现的负电势被减小，并且腐蚀的增加或者加速相应地变得更小。

优选地将升压变换器控制为使得负太阳能电池端子处的电压与地电势相比不为负。由此进一步减小在太阳能电池上出现负电势的风险，并且还进一步减小腐蚀的增加和加速。

另外优选的是，逆变器单元配备有双极性中间电路。由此，在太阳能电池端子处出现的波纹电压被减小，因此在太阳能电池与地之间由于电容性耦合所引起的电流例如通过玻璃被减小。由此进一步减少腐蚀。

优选地，当负太阳能电池端子处的电势超过预先给定的电压时，逆变器单元使太阳能电池端子短路。由此，在太阳能电池上最大程度出现的负电势被减少，并且腐蚀的增加和加速相应地变得更少。

优选地，当逆变器单元为耗电器供电时，升压变换器被控制为使得：当耗电器要求来自逆变器单元的功率少时，从太阳能电池所获取的功率受到节制(gedrosselt)。由此避免：逆变器单元中的存储电容器在这种情况下被过度充电。

另外优选的是，当逆变器单元可以预料到，由于对从太阳能电池所获取的功率进行节制，负太阳能电池端子处的电压相对于地电势可为负时，逆变器单元使太阳能电池端子短路。由此进一步减小了在太阳能电池处出现负电势的风险，并且进一步降低腐蚀的增加和加速。

另外优选的是，只有当通过短路的电流被降低到使得可以排除在取消该短路时在太阳能电池处形成负电势这种情况的程度时，逆变器单元才取消太阳能电池端子之间的短路。由此进一步减小了在太阳能电池处出现负电势的风险，并且进一步降低腐蚀的增加和加速。

附图说明

下面借助于附图阐述本发明。在此：

图1示出按照本发明的第一实施方式的具有逆变器单元的太阳能电池设备的示意性图示，并且

图2示出升压变换器的示意性图示，该升压变换器是图1所示逆变器单元的一部分，并且

图3示出保护电路的示意性图示，该保护电路是图1所示逆变器单元的一部分。

具体实施方式

在图1中示意性示出的太阳能电池设备1包括太阳能面板2和三相逆变器单元4。太阳能面板2的正端子22与逆变器单元4的正输入端子5相连，太阳能面板2的负端子23与逆变器单元4的负输入端子6相连，并且电容器3与太阳能面板2并联地与该太阳能面板2的两个端子22，23相连。可以将电容器3布置在太阳能面板2的附近、逆变器单元4的附近或者作为逆变器单元4的集成的组成部分。逆变器单元4的四极输出端子24与三相交流电网13相连。该四极输出端子还可以与另一类型的耗电器、例如同步电机相连。逆变器单元4包括也被称为升压器(Booster)的升压变换器8、中间电路10、三相逆变器12以及控制单元18。在逆变器单元4内，正输入端子5经由正总线线路7与升压变换器8的正端子34和逆变器12的正直流端子25相连。可以沿正总线线路7设置抗干扰滤波器、电流测量电路等；然而重要的是，即使在强电流的情况下，从正输入端子5到逆变器12的正直流端子25的相连也基本上保持没有电压损失，因为否则的话会在相应部件中产生损失功率，而该损失功率可能消极地影响逆变器单元4的效率。对下面所述的其它总线线路9，28也是如此。负输入端子6与升压变换器8的负输入端30相连，并且升压变换器8的负输出端31经由负总线线路9与逆变器12的负直流端子26相连。升压变换器8的中性输出端33与地相连，并且经由中性总线线路28与逆变器12的中性直流端子27相连。在此，总线线路7，9，28构成中间电路10，该中间电路10由于其具有正总线线路7、负总线线路9以及中性总线线路28的构造而一般被称为是双极性的。中间电路的接地也可以经由输出端子24中的零线和外部地相连来进行。升压变换器8的控制输入端35经由控制线路19与控制单元18相连。逆变器12的控制输入端36经由控制线路32与控制单元18相连。控制单元18经由传感器线路20与正输入端子5(并且由此与正总线线路7)、与负输入端子6、与负总线线路9以及与地相连。控制单元18经由另外的传感器线路21与逆变器12的输出端子24相连。控制单元18通过传感器线路20，21测量与传感器线路20，21相连的线路上的实际电压。通过未示出的、与相同线路相连的相应电流测量电路，控制单元18测量通过这些线路的实际电流。控制单元18可以由中间电路10和/或从电网13通过相应的供电电路来供应。此外，逆变器单元4包括一系列电路，例如在输入和输出端处的抗干扰滤波器和过压保护电路、用于检测电流和电压的电路、安全开关以及操作员接口，然而这些电路都未示出。

图2中示意性示出的升压变换器8包括：连接在正端子34与中性输出端33之间的第一存储电容器11、连接在负端子31与中性输出端33之间的第二存储电容器37、连接在负输入端30与节点29之间的电子线圈14、其阳极与负输出端31相连并且其阴极与节点29相连的第一二极管15、其集电极与正端子34相连且其发射极与节点29相连并且其基极与控制输入端35相连的晶体管16、以及其阳极与负输出端31相连并且其阴极与负输入端30相连的第二二极管17。可以有利地使用MOS-FET或者IGBT(绝缘栅双极晶体管)作为晶体管16，因为可以由此减少由于开关所引起的损失。可以使用常见的二极管或者碳化硅二极管(SiC)作为二极管15，17。

以已经公知的方式来构造逆变器12并且该逆变器12配备有二极管，可以从电网13通过该二极管将升压变换器8的存储电容器11，37充电，因此中间电路在正常运行时承载大致对应于电网13的峰值电压的电压。如果电网13中的有效电压例如为240V，则正总线线路7承载大约为+400V的直流电压(正中间电路电压)并且负总线线路9承载大约为-400V的直流电压(负中间电路电压)。中间电路电压上叠加有波纹电压(Rippelspannung)，该波纹电压的电压和频率明显取决于中间电路10的结构和尺寸，但部分也取决于通过逆变器12所施加的负荷。在单极性中间电路10的情况下、也就是说在没有中性总线线路28的中间电路10的情况下，波纹电压的基频等于电网13的基频，并且波纹电压的幅值大致为电网13中的峰值电压的一半。如果替换地使用双极性中间电路10，则波纹电压的基频加倍，并且幅值显著减小、例如减小到20％或者更小。在三相逆变器12的情况下，波纹电压的幅值此外比在单相逆变器12的情况下进一步减小，并且波纹电压的基频增至三倍。如果例如在电网13处以240V的有效电压和50Hz的基频来驱动图1所示的具有双极性中间电路10和三相逆变器12的逆变器单元4，则波纹电压的基频为150Hz并且幅值大约为20V或者更少。

太阳能面板2中的太阳能电池的输出电压由于外部因素(例如太阳辐射的波动、面板遮蔽以及面板温度)而随时间变化。在单个串中的太阳能电池的数量进行分配，使得串或太阳能面板2在大多数时间输出低于中间电路电压的输出电压。升压变换器8的任务是，将太阳能面板2的变化的输出电压转换成中间电路10中的尽可能恒定的双极性中间电压。这在升压变换器8中通过以高的、例如在10kHz至70kHz之间的开关频率将晶体管16周期性地接通和关断来实现。当晶体管16接通时，电流从太阳能面板2的正端子22流过晶体管16并且继续流过线圈14回到太阳能面板2的负端子23。在此，第一二极管15负责存储电容器11，37不通过晶体管16被放电。可替换地，第一二极管15可以由键控(getaktet)晶体管代替，该键控晶体管在晶体管16关断时总是接通的。这种方法作为同步整流被公知。当晶体管16又被关断时，电流由于线圈14的电感而继续流动，其中电能被输出给存储电容器11，37和逆变器12。在此，与太阳能面板2并联连接的电容器3与线圈14一起充当滤波器，这样由于晶体管16的开关而产生的交流电压基本上远离太阳能面板2。如果不存在电容器3，则太阳能电池的取决于构造的容量可能足以执行同一功能。在太阳能面板2的输出电压超过中间电路电压的情况下、例如在非常低的面板温度时的最大太阳辐射的情况下或者在逆变器单元4的升压的情况下，第二二极管17卸载线圈14。升压变换器8的工作原理被普遍公知，因此在这里不再阐述。逆变器12以同样普遍公知的方式将总线线路7，9，28上的直流电压转换成馈入到电网13中的交流电压。在此，逆变器12到电网13的功率输出由控制单元18借助于当前测量的中间电路电压和电网电压经由控制线路32来控制。

此外，太阳能电池、太阳能面板或者整个太阳能电池串在变化的电流的情况下按照其输出电压的曲线来表征。这种所谓的U/I特征曲线随太阳辐射、面板遮蔽以及面板温度而变化，然而具有大致恒定的形状。当电池不输出电流时，输出电压等于空转电压。在电流增加的情况下，输出电压仅缓慢地下降，直到达到一定的电流阈值。在电流继续提高的情况下，输出压降得越来越快并且最后降为零，然后电池输出短路电流。由于特征曲线的这种形状，在特征曲线上出现一个点，在该点处从电池获得的功率最高。该点一般被公知为“Maximum Power Point(最大功率点)”或者MPP，该点处的电压被相应地称为MPP电压，而电流被称为MPP电流。空转电压以及短路电流没有比MPP电压和MPP电流大太多，通常只大10％至30％。

通过改变晶体管16的接通周期与关断周期之间的关系(脉宽控制)，控制单元18改变从太阳能面板2的耗用电流，并因此也控制太阳能面板2的输出电压。MPP和MPP电压随特征曲线的上述取决于环境的变量而变化。只要MPP电压不高于正的中间电路电压，则控制单元18将耗用电流调节为使得太阳能面板2以其MPP运行，由此光伏设备可以向电网13输出尽可能大的功率。控制单元18基于测量信号来执行该调节，所述测量信号提供有关从太阳能面板3所输出的电流和电压的情况信息。对此，本领域技术人员可以容易地找出大量公知方法。与此相反，如果MPP电压超过正的中间电路电压，则控制单元18提高耗用电流，直到太阳能面板2的输出电压等于正的中间电路电压。如果中间电路电压等于例如+400V或-400V，并且如果太阳能面板2具有例如600V的空转电压，则升压变换器8无论如何通过在使得输出电压为400V或者更小的程度上加载荷来降低太阳能面板2的输出电压。因为通过将中性总线线路28接地，在太阳能面板2的正端子22处的、以地为参考的电压总是相应于正的中间电路电压，因此保证了太阳能面板2处的负端子23处的电压相对于地电压不会为负。因此，即使将太阳能面板2作为薄膜面板或者覆板薄膜面板构造时，也避免了增加或者加速形成对所连接的太阳能面板2的腐蚀损害。

在光伏设备1中，必须将逆变器单元4设计为使得该逆变器单元4在没有损害的情况下承载太阳能面板2的最大可能的输出电压。然而，这在正常运行的情况下很少发生，例如只有在非常冷而同时具有充分的太阳辐射的情况下才会发生，使得实际输出电压达到最大值。大多数时间，太阳能面板2的输出电压小于最大值的2/3。因此，具有例如600V最大空转电压的太阳能面板2可以在逆变器单元4处按照本发明以±400V的中间电路电压来运行，而不会使面板电压自动减小到400V造成由设备1所输送的总能量有明显减少。

有可能出现如下状况：其中逆变器单元4的电网13不能或不允许接收功率或者只能或只允许接收少量功率，例如当电网13中的交流电压高于预先给定的最大电压时。在这种情况下，逆变器12不能或不允许从中间电路10获取功率或者只可以或只允许从中间电路10获取少量功率。对逆变器12的相应控制通过控制单元18来进行。在此，为了避免使存储电容器11，37被过度加载、并因此使中间电路电压升高过多，于是控制单元18通过对升压变换器8进行相应控制来减少从太阳能面板2的电流输出。但是，由此提高了太阳能面板2的输出电压。如果该输出电压被提高为使得在太阳能面板2的负端子23处的电压相对于地电压来说是负的，由此可能引起强腐蚀，则控制单元18经由传感器线路20获悉这种情况，并且持续地接通晶体管16。由此，太阳能面板2的输出电压趋向零降落，而电流升高直到相应的短路电流。然后，太阳能面板2的两个端子22，23相对于地电压来说都是正的。由于在晶体管16上的小的压降，所以在晶体管16中消耗的功率也相对地小，从而逆变器单元4在这种状况下可以保持没有损害。只要电网13又可以接收到足够的功率，或者通过晶体管16的电流例如因为云遮蔽太阳而下降，则控制单元18返回上述正常的调节方法。可替换地，可以将太阳能面板2的特征曲线存储在控制单元18中，从而在电网13中的功率消耗下降的情况下，控制单元18可以借助于太阳能面板2的当前输出电压和当前输出电流来预先计算：必须在什么时候通过晶体管16的持续接通来进行太阳能面板2的短路，以防止太阳能电池2处的负电势。因此，控制单元18不需要等待太阳能面板的负端子23处的电压相对于地电势变为负。控制单元18可以借助于当前的短路电流以相应方式计算：什么时候可以返回正常的调节方法。为了避免调节方法之间的频繁切换，控制单元18可以在判决中包含滞后(Hysteresen)。对升压变换器8的控制和对逆变器12的控制可以彼此独立地进行或者按照共同算法进行。

使用同样的机制以便避免太阳能面板2的输出电压升高到使得逆变器单元4中的开关元件、例如晶体管16或逆变器12中的晶体管可能受损。如果控制单元18经由传感器线路20获悉，太阳能面板2的输出电压接近预先给定的关断电压，则控制单元18持续接通晶体管16，由此太阳能面板2被短路，并且其输出电压趋向零降低。只有当通过晶体管16的电流降落到使得借助于特征曲线可以看出避开了过压的危险，控制单元才返回到正常调节方法。在这里也可以在判决中引入滞后。对太阳能面板2的特征曲线的存储例如可以是在安装太阳能电池设备1时的工作的一部分。为了保证即使在不工作的控制单元18的情况下也不会由于过压而产生损害，逆变器单元4附加地设置有保护电路38，该保护电路38在正输入端子5与负输入端子6之间的电压超过第一预先给定的阈值时接通晶体管16，并且只有当通过晶体管16的电流降落为低于第二预先给定的阈值时，该保护电路38才又将晶体管16关断。在图3中示意性示出保护电路38，该保护电路38包括第一比较器39，该第一比较器39的正输入端与1000∶1的分压器40相连，该分压器40对正输入端子5与负输入端子6之间的电压差进行分压。比较器39的负输入端与输出1V的电压的电压发生器41相连。因此，当太阳能面板2的输出电压超过1000V时，比较器39的输出端输出高信号(High-Signal)。由于二极管52、电容器53以及电阻54，高信号在输出电压又下降之后保持一段时间、例如5至10秒。该高信号在S-R触发器的SET输入端触发该S-R触发器44。然后，触发器44的输出端经由驱动器电路48、电阻49以及二极管50将晶体管16的基极(或者门极)拉高并且由此接通晶体管16。该晶体管16保持这种状态，直到触发器44又被复位，并且经由二极管51同样与晶体管16的基极相连的控制线路19不承载高信号。借助于线圈14上的压降来确定通过晶体管16的电流。为此设置第二比较器42，该第二比较器42的负输入端同晶体管16的发射极与线圈14之间的节点29相连，并且该第二比较器42的正输入端与输出0.3V电压的电压发生器43相连。比较器42的输出端经由电阻45与电容器46并与触发器44的RESET(复位)输入端相连。如果线圈14上的电压下降到小于0.3V，则电容器46缓慢充电，直到其达到触发器44的阈值电压为止，此后触发器被复位。在此，输出被拉到零并且晶体管16被关断，除非控制单元18经由控制线路19和二极管51保持晶体管16接通。二极管47负责：只要线圈14上的电压超过0.3V就为电容器46放电。由此保证了，只有在晶体管16接通之后过去了预先给定的最少时间(例如10至30秒)晶体管16才能关断，从而太阳能面板2和逆变器单元4的电路有足够的时间来对短路做出反应并且在电流测量起作用之前达到稳定状态。

还可以将保护电路38以功率转换器的其它形式来用于太阳能电池2。因此，例如有可能的是，电装置4将来自太阳能电池串2的直流电流转换成至少一个具有预先给定的电压和频率的电流，其特征在于，在电装置4的输入端5，6达到预先给定的电压时，所述输入端5，6被短路。该电装置4的进一步的特征在于，当通过输入端5，6的电流超过预先给定的阈值时，在必要时在预先给定的等待时间之后，该短路被取消。该电装置4还可以通过在本专利申请中所公开发明的特征的不同组合来进一步特征化，尤其是上述保护电路38的特征。

无变压器的逆变器单元4的使用具有另外的优点：在运行时在输出端子24的零线处所执行的漏电流监控可以给出对于在太阳能电池2处的可能故障、尤其是接地故障的指示。如果逆变器单元4未出于运行状态，则对太阳能电池端子5，6相互之间的以及相对于地的电感的测量可以发现相似的故障。

此外，本领域技术人员容易认识到，在此所述的本发明可以具有其它实施方式。因此，逆变器单元4可以具有用于太阳能电池串的多个输入端子5，6，所述多个输入端子5，6并联连接在中间电路10上。在此，可以使用多于一个升压变换器8或者多于一个逆变器12，并且升压变换器8可以是组合的升压和降压变换器。

Claims (8)

1.一种电装置(4)，包括至少一个具有正输入端子(5)和负输入端子(6)的输入端、至少一个升压变换器(8)以及至少一个逆变器(12)，所述逆变器(12)具有至少一个正输入端(25)和至少一个负输入端(26)，其中在运行时，在所述逆变器(12)的正输入端(25)上构建有相对于地电势为正的电压，并且在该逆变器(12)的负输入端(26)上构建有相对于地电势为负的电压，其特征在于，在正输入端子(5)与该逆变器(12)的正输入端(25)之间存在基本上没有电压损失的连接(7)，并且在负输入端子(6)与该逆变器(12)的负输入端(26)之间设置有所述升压变换器(8)之一。

2.根据权利要求1所述的电装置(4)，其特征在于，该升压变换器(8)通过向该电装置(4)的输入端(5，6)加负荷来调节在负输入端子(6)上的电压，使得该电压与预先给定的电压相比为正。

3.根据权利要求2所述的电装置(4)，其特征在于，所述电装置(4)通过对其输入端(5，6)加负荷来调节负输入端子(6)上的电压，使得该电压与地电势相比不为负。

4.根据前述权利要求之一所述的电装置(4)，其特征在于，所述电装置(4)包括双极性的中间电路(10)。

5.根据权利要求1-3之一所述的电装置(4)，其特征在于，当负输入端子(6)上的电压与预先给定的电压相比变为负时，所述电装置(4)使正输入端子(5)与该负输入端子(6)短路。

6.根据权利要求1-3之一所述的电装置(4)，其中该逆变器(12)的输出端与耗电器(13)相连，其特征在于，当该耗电器(13)要求来自逆变器(12)的较少输出功率时，所述电装置(4)节制从其输入端(5，6)所获取的功率。

7.根据权利要求6所述的电装置(4)，其特征在于，当预料到负输入端子(6)上的电压由于从该电装置(4)的输入端(5，6)所获取的功率的节制而相对于预先给定的电压变为负时，所述电装置(4)使正输入端子(5)与该负输入端子(6)短路。

8.根据权利要求5所述的电装置(4)，其特征在于，当电流由于该正输入端子(5)与负输入端子(6)之间的短路而低于预先给定的值时，所述电装置(4)才又取消该短路。

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