CN102273039A - 具有控制变流器输出端dc电位的补偿电压源的光伏发电站 - Google Patents

具有控制变流器输出端dc电位的补偿电压源的光伏发电站 Download PDF

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Abstract

大型PV发电站中，各个PV模块的接地可能引发问题。本发明克服了这样的问题。PV发电站(34)包括补偿电压源(14)，其控制AC输出端(19)处的DC电位。由此，DC输入端(18)处的DC电位将得以间接控制，并且因此可以确保PV模块(5)的端子处相对于地(15)的电位都是非负的，或者都是非正的，而无需将PV模块接地。接地回路可以避免，而且无需采用基于变压器的变流器(4)。

Description

具有控制变流器输出端DC电位的补偿电压源的光伏发电站
技术领域
本发明涉及一种光伏(PV)发电站。
背景技术
在具有DC/AC换流器(变流器)的较大型的PV发电站中，发电站一般经由专用的绝缘变压器连接至电网，所述变压器将较低电压的PV发电机系统连接至中等电压的电网。这样做的原因之一是，将太阳能转换为电能的PV模块一般相对于地必须具有确定的电位。这一般是通过将全部或某些PV模块接地来实现的。
通常完成接地是为了遵守当地规定，以便检测PV模块的绝缘缺陷，和/或避免PV模块的腐蚀和/或产率降低。
在较大的系统中，检测绝缘缺陷可能有困难，因为各PV模块的漏电流相当大，尤其是在潮湿情况之下。通过将系统接地，可以对漏电流进行监测。
一些类型的PV模块，特别是含有TCO(透明导电氧化物)层的薄膜模块，由于玻璃钠(glass-sodium)与水气的反应，容易出现不可修复的损坏，以及随之而来的显著功率损失。为了避免这种PV模块的加速劣化，通常需要将各PV串列的负端子接地，亦即，避免PV模块的任一有源部分相对于地电位具有负电位。PV模块的劣化取决于模块的有源部分与地之间的电位差。根据模块结构，接地部分可能位于非常接近有源部分之处——加速劣化。
对于一些其它类型PV模块，特别是那些端子都位于模块一侧的模块——所谓‘后接触式模块’——的情况下，已经在工作期间观察到模块效率的降低。这看来是由于电池(cell)表面上的静电积累而造成的，并可以通过将电池保持在地电位以下来予以抵消。因而，一些后接触式PV模块要求正极端子接地，以避免出产率损失，亦即，其端子必须具有非正电位。
在包括若干串列的PV模块和若干变流器的较大型PV系统之中，多于一个PV模块的接地可导致电流流经地线(接地回路)。接地回路可能在控制发电站方面造成问题，增大风险和/或腐蚀速度，还可能增加有关电磁干扰(EMI)的问题。为了避免接地回路，可以采用以变压器为基础的变流器，使得变流器的DC和AC两侧是电流分隔的。然而，这种变流器重量较大且较昂贵，并且对PV发电站的一项要求是它可以利用无变压器的变流器并在PV模块处依然确保相对于地的确定电位。然而，在大型PV发电站中采用无变压器的变流器确实要求：如果要求避免接地回路，则PV发电机系统构造成接地系统中变流器的AC侧完全不连接至地的网络。这被称作‘IT’接地系统，在例如IEC(国际电气技术委员会)国际标准60364-1-建筑电气工程--之中对其进行了说明。实践中，这意味着系统的AC侧必须相对于地漂浮，因此不能接地。
图1示出现有技术中典型的发电站22，其包括单个PV发电机23，发电机23包括PV串列3和无变压器的(非电流绝缘式的(non galvanicallyisolated))变流器24。变流器24具有DC输入端18和三相AC输出端19。PV串列3包括配置成将被暴露于阳光的、串联的三个PV模块5。每一PV模块5包括若干PV电池(未示出)，这些PV电池如本技术领域中已知的那样连接起来，使得它们在PV模块5的端子6处产生单一的DC功率输出。PV串列3经由正极连接7和负极连接8电气连接至变流器4的DC输入端18。AC输出端19电气并联于具有三根电力线和一根中性线的电网。中性线经由地线连接15连接至地。
此处系统构造成接地系统中变流器的AC侧连接于地的网络，并且该网络还包括地线连接。这被称作‘TN’接地系统，并在例如IEC60364-1之中有说明。
工作时，出现在变流器24的正极输入端7和负极输入端8处的电压在图2之中示出。图中轴线25表示相对于地的电压，并且可以看到，正极输入端7处的电压(由线27表示)高于地电位，而负极输入端8处的电压(由线28表示)则低于地电位。这些电压，以及它们之间的电势---跨越PV串列3的电压(由区间26表示)---是由变流器24特性、PV串列3的光照、用于每一PV模块5之中的太阳能电池类型以及其它因素予以控制的。由于变流器DC输入端18任一侧的接地在发电站的此种设计中都是不可能的，所以这样的发电站22将效率减低，并且PV串列3将因上述问题而易于损坏。
图3示出现有技术中的另一发电站29。这里与图1所示发电站22的不同之处是，PV发电机31包括以变压器为基础的(电流绝缘式的(galvanicallyisolated))变流器30，就是说，在变流器30的DC输入端18与AC输出端19之间存在电流绝缘。这就允许利用地线连接32实现变流器30的负极输入端8的接地。图4以类似于图2的方式示出出现在变流器30的DC输入端18处的电压。可以看出，整个PV串列3相对于地保持在正电位。这样的构造适于避免上述薄膜模块的问题。或者，如果变流器30的正极输入端7替代负极输入端8接地，则可以实现适于后接触式模块的构造。
在这种类型的发电站中，虽然有可能控制出现在输入端18处的电压，并因此将由于上述讨论的问题所导致的效率降低和损坏减至最小，但该优点只有以采用基于变压器的变流器(30)为代价才能获得。这样一种变流器设计的生产成本更高、重量更大且工作时效率低，因而采用这样一种变流器显然是不利的。这种类型发电站的另一不利之处是要求地线连接32需要物理连接至变流器30的正极输入端7或负极输入端8。这就要求额外的装接劳力和硬件。此外，日后改变PV模块类型时可能涉及地线连接32的物理断开和/或重新连接，这是耗费劳力的过程，因而是一不利之处。
图5图示现有技术中的又一发电站33。这里与图1所示发电站22的不同之处是，AC输出端19经由三相AC连接17和三相绝缘变压器10电气并联于电网9，变压器10具有初级侧11、次级侧12和初级侧上的中性端子13。这样的变压器往往用在大容量发电站之中，其中多个变流器并行联接，以下将更为详细地说明这种变压器。这样的构造允许变流器输入端18的电位独立于网络9的电位而无须采用昂贵的以变压器为基础的变流器31。变流器24负极输入端8的接地可以利用地线连接32予以完成。图4以类似于图2的方式示出出现在变流器24的DC输入端18处的电压。可以看出，整个PV串列3相对于地保持在正电位。这样的构造适于避免以上讨论的薄膜模块的问题。或者，如果变流器24的正极输入端7替代负极输入端8接地，则可以实现适于后接触式模块的构造。
这种类型的发电站的不利之处是要求地线连接32需要物理连接至变流器24正极输入端7或负极输入端8。这就要求额外的装接劳力和硬件。此外，日后改变PV模块类型时可能涉及地线连接32的物理断开和/或重新连接，这是耗费劳力的过程，因而是一不利之处。此外，如果如图6所示两个或更多PV发电机23并联，并且每一变流器23的一个输入端如上所述地接地，则如果每一PV串列3的特性或光照不是相同的，就会发生问题。这样可能导致不希望的电压和随之而来的接地回路电流。
在以上说明的所有现有技术发电站中，可以看出，虽然一个或多个PV串列相对于地的电位是以高效方式运行发电站的一项重要参数，并且不会导致对PV串列的损坏，但这往往只能通过采用昂贵的硬件或额外硬件的费力装配才能实现。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种PV发电站，其包括PV串列，其中各PV串列的接地方式阻止效率损失和劣化。
本发明的另一个目的是提供一种PV发电站，其易于适应不同类型的PV串列。
本发明的又一个目的是提供一种PV发电站，其中各PV串列的接地方式是可编程的，且因而是可不断改变的。本发明的目标是克服已知的PV发电站的上述以及其它缺点。
第一方案中本发明的基础是一种包括PV发电机的PV发电站，所述PV发电机包括PV串列和具有DC输入端与AC输出端的变流器。PV串列包括至少一个PV模块，并且电气连接至变流器的DC输入端。本发明的新颖特征在于，PV发电站还包括补偿电压源，其控制AC输出端处的DC电位。由此，DC输入端处的DC电位将间接地予以控制，并因而可以确保在PV模块端子处相对于地的电位都是非负的或都是非正的，而无需将PV模块接地。因而，可以避免接地回路，并且也不需要采用以变压器为基础的变流器。此外，发电站之中的绝缘缺陷可以通过监测从补偿电压源流出的电流来进行检测。
优选，变流器包括用于根据AC输出端处的DC电位控制DC输入端处的DC电位的装置。这种装置可以专用于该功能，或者该功能可以是变流器内另一功能的副产物。
PV发电站还可以优选地包括一个或多个附加的PV发电机，其中这些PV发电机的所有变流器的AC输出端并联。
优选，补偿电压源的输出电压取决于PV模块上的太阳光照和/或PV模块的环境温度。这允许控制PV模块的端子处的电位，使得其总是尽可能地接近地电位。
附加地或者作为替代，补偿电压源的输出电压可以取决于外部参考电压。这允许根据任一预设的电压，或者远程及/或动态地设定的电位，来控制PV模块的端子处的电位，以便弥补不可立即为PV发电站或其部件所接近的一些因素。
附加地或者作为替代，补偿电压源的输出电压可以取决于通往一个或多个变流器的一个或多个输入端的测得电压。这允许根据由光照产生的跨越PV模块的端子的电位，或者，附加地或者作为替代，根据将一或多个变流器保持在一定限度之内(例如保持在相对于地的一定电位之内)的要求，来控制PV模块的端子处的电位。
附加地或者作为替代，补偿电压源的输出电压可以是时间相关的。这允许例如根据一天的时间来控制PV模块的端子处的电位。这是一项优点，例如，如果在夜晚需要相反电位以修复在白天对“后接触式模块”的损坏，或者为了遵循预期光照模式而全天改变PV串列的电位。附加地或者作为替代，根据与环境温度或电力用途相关联的预设模式，时间相关性或可遵循一年或一周的周期。
在本发明的一实施例中，补偿电压源可以优选地包括至少一个补偿PV模块。PV模块构成非常可靠的电压源，易于结合到PV发电站中，并可免去装设任何附加的发电机。
补偿PV模块可以优选地配置成使得它们受到与PV模块同样的太阳光照和/或同样的环境温度。这是实现PV模块端子处的电位总是可以尽可能地接近地电位的一种非常简单的方式。
优选，补偿电压源的输出电压可以近似等于PV串列输出电压的一半，而变流器可以包括均衡电路，使得在其DC输入端处的DC电位围绕其AC输出端处的平均DC电位是对称的。这就建立了对PV模块的更为简单的控制。
发电站可以优选地进一步包括绝缘变压器，所述绝缘变压器具有连接至AC输出端的初级侧、次级侧和位于初级侧上的中性端子，而补偿电压源可以连接在地与中性端子之间。这是一种非常简单的控制变流器AC输出端处DC电位的方式。
变流器的AC输出端和绝缘变压器可以优选地包括三个相。这样，可以获得非常稳定的中性端子。
附加地或者作为替代，补偿电压源可以形成为一个变流器的一部分。这将允许得到一种紧凑、高效的系统。这可以优选地通过成为“控制式”变流器的一个变流器来实现，所述“控制式”变流器向绝缘变压器的被绝缘的AC侧上的所有变流器提供DC补偿。
附加地或者作为替代，补偿电压源可以是可编程的。这指得是补偿电压源可以借助于内置的计算机代码或其它手段被编程，从而以简单或复杂方式响应诸如温度、电压测量值、时间、用电需求或其它参数的输入。
附加地或者作为替代，补偿电压源可以是能够被关断的。这指得是补偿电压源能够从电路中被除去。这具有独特的优点，即在不需要补偿电压源时(例如在不产出任何电力的夜间)，它所使用的电力可以节省下来而致使PV发电站更加高效。
第二方案中本发明的基础是通过一种控制PV发电站的方法来实现的，所述PV发电站包括至少一个变流器，所述变流器具有电气连接至PV串列的DC输入端；AC输出端；和用于根据AC输出端处的DC电位来控制DC输入端处的DC电位的装置，所述方法包括利用补偿电压源来控制AC输出端处的DC电位。
本发明的这一方案可以通过调节电压源的电压以相对于地将DC输入端的电压保持在一电压补偿值处的步骤来有利地实现。
所述方法的一实施例中，DC输入端可以是正极连接。所述方法的另一实施例中，DC输入端可以是负极连接。
附加地或者作为替代，本发明的这一方案可以通过使电压补偿值大致为零来有利地实现。
附加地或者作为替代，本发明的这一方案可以通过关断补偿电压源的另一步骤来有利地实现。由于前述各种原因，这是有利的。
附图说明
在阅读以下对本发明各可能的实施例的说明之后，本发明及其优点将变得显见，这些实施例将参照附图予以说明，其中：
图1是一种现有技术的PV发电站的示意图；
图2是图表，示出图1所示现有技术PV发电站中所获得的电压；
图3是另一种现有技术的PV发电站的示意图；
图4是图表，示出图3和图5所示现有技术PV发电站中所获得的电压；
图5是又一种现有技术的PV发电站的示意图；
图6是图5所示的现有技术PV发电站的一种变型形式的示意图；
图7示出根据本发明的PV发电站的第一实施例；
图8是图表，示出图7所示PV发电站中所获得的电压；
图9示出根据本发明的PV发电站的第二实施例；
图10示出根据本发明的PV发电站的第三实施例；
图11是图5、图7、图9和图10中所示绝缘变压器的示意图。
具体实施方式
图7的PV发电站34包括PV发电机2，PV发电机2包括PV串列3和变流器4。变流器4具有DC输入端18和三相AC输出端19。变流器4包括均衡电路，使得变流器4的DC输入端18处的DC电位围绕其AC输出端19处的平均DC电位是对称的。在其最简单形式下，均衡电路可以包括基于电阻器、电感器和/或电容器的分压器。PV串列3包括三个PV模块5，三个PV模块5串联，并且配置成使得它们将暴露于阳光之下。每一PV模块5包括若干PV电池(未示出)，这些PV电池如本技术领域中已知的那样连接起来，以便它们在PV模块5的端子6处产生单一的DC功率输出。PV串列3经由正极连接7和负极连接8被电气连接至变流器4的DC输入端18。AC输出端19经由三相AC连接17和三相绝缘变压器10电气并联至电网9，所述变压器10具有初级侧11、次级侧12和初级侧上的中性端子13。补偿电压源14电气连接在地15与中性端子13之间。
PV发电站34发挥如下作用。PV模块5将从太阳接收的辐射能量转变为电能并由此在其端子6上产生DC电压。由于PV模块5的串联，一PV串列DC电压出现在正极连接7与负极连接8之间。在典型的PV发电站中，PV串列DC电压可以高达1000V以上。变流器4可将其DC输入端18处的PV串列DC电压转变为其AC输出端19处的三相AC电压，变流器4由AC输出端19经由AC连接17和绝缘变压器10通往电网9。变流器4由控制系统(未示出)控制以确保没有电功率从AC输出端19流向DC输入端18。这样，发电站34将太阳能转变为电能并送至电网9。如本技术领域中已知的那样，PV串列DC电压随光照和环境温度而变，并且由此发电站34的输出电压随光照和环境温度而变。
补偿电压施加于绝缘变压器10的中性端子13，从而导致其初级侧11处的平均DC电位由地电位偏移所述补偿电压。因而，变流器4的AC输出端19处相对于地15的平均DC电位也等于补偿电压。由于变流器4中的均衡电路的缘故，正极连接7和负极连接8处相对于地15的电位将围绕补偿电压而呈对称，亦即，在连接7、8中的一者处近似为零，而在连接7、8中的另一者处近似为补偿电压的两倍。这样，通过为补偿电压源14选定适当的电极性，可以确保所有PV模块5相对于地的电位都是，例如，要么非负，要么非正，且几乎总是非常接近地电位。
工作时，出现在变流器4的正极输入端7与负极输入端8处的电压表示在图8之中。在此图中，轴线25表示相对于地的电压，并且可以看到，正极输入端7处的电压(由线27表示)高于地电位，而负极输入端8处的电压(由线28表示)则低于地电位。这些电压，以及它们之间的电位——跨越PV串列3的电压(由区间26表示)——由变流器4的特性、PV串列3的光照、用于每一PV模块5之中的太阳能电池类型以及其它因素来控制。箭头35和36表明以下情况，即变流器4的正极输入端7和负极输入端8处的电位的变化可通过由补偿电压源14改变电压输出来实现。
图11中所示的绝缘变压器10包括初级侧11上三个星形联接的初级绕组20和次级侧12上三个星形联接的次级绕组21。各初级绕组20的中心连接点构成绝缘变压器10的中性端子13。
在PV模块5属于“薄膜”类型的情况下，补偿电压源可以被驱动以使得整个PV串列3相对于地被保持在正电位。这样的构造适于避免上述薄膜模块的问题。或者，如果补偿电压源14被驱动以使得变流器4的正极输入端7被保持在或接近于地电位，则实现了适于后接触式模块的构造。该实施例的优点是显见的：由于不需要变流器4是基于变压器的(电流绝缘的)类型，所以成本和重量可以降低而效率可以提高。
现在转向图9，我们看到根据本发明的PV发电站的第二实施例。该PV发电站37类似于以上第一实施例的PV发电站34，但添加了设计上类似于第一实施例的PV发电机2的两个或更多PV发电机39。再次地，每一PV发电机39包括PV串列3(未示出)和变流器38。每一变流器38具有DC输入端18和三相AC输出端19。AC输出端19经由三相AC连接17和三相绝缘变压器10电气并联至电网9。如前所述，补偿电压源14电气连接在地15与中性端子13之间。
图9还示出控制器40，控制器40经由控制线41控制补偿电压源14的电压和极性。控制线41上的信号是比较器42的输出的函数，比较器42将相对于地15的电压测量值45、46的输出与参考电压相比较。电压测量值可以是变流器4的正极输入端7或负极输入端6的电压。该电压的选择通过开关47来进行。开关47可以是物理开关(例如直接由工作人员控制)，或者是电子开关。
当然，可以将控制器40、比较器42和开关47的功能内置在变流器4中。这种情况下，变流器4成为“控制器”变流器，其将DC补偿提供给绝缘变压器10的绝缘的AC侧上的所有变流器。
该实施例的优点类似于上述第一实施例所带来的优点。此外，可以看到，不需要将每一变流器4、38的适当输入端分别接地，因为补偿电压源14将所有变流器4、38的绝缘的AC侧上相对于地的电压控制于一参考点。此参考点可以设定为PV串列的正极侧与负极侧之间的任意希望的电位，并因而弥补上述与不同PV电池相关联的不同问题。
参考点也可以形成为可编程的，即，可以根据所用PV串列的类型或者按照某种别的标准改变参考点。参考点还可以设定成时间的函数，从而可以在需要的情况下，在一天中改变补偿电压的设定。
由于补偿电压是在电路的单个点处产生的，并其同时地改变了所有PV模块5的对地电位，所以在各PV模块5之间没有电压差，并且在变流器4、38之间没有相关的接地回路。
由于流经电压源的电流很小，所以消耗的功率很小(往往在1瓦特的量级)。
图10示出本发明的第三实施例。它类似于图7中所示的实施例，但增添了第二PV发电机2，而且每一PV串列3包括串联的4个PV模块5。补偿电压源14包括串联的两个补偿PV模块16。补偿PV模块16在构造上类似于PV发电机2的PV模块5。
补偿PV模块16的数量等于PV串列3中PV模块5的数量的一半，因此补偿电压源14的输出电压——补偿电压——近似等于PV串列DC电压的一半。多数时间里，补偿电压源14比PV串列负荷较小，因此多数时间里，补偿电压将稍高于PV串列DC电压的一半。
替代采用均衡电路，变流器4的DC输入端18处的DC电位可以通过变流器控制电路有源地予以控制。例如，这在带有非对称增压电路的无变压器的变流器之中是可能的。
尽管已经说明和图示了本发明的各种实施例，但本发明并不限于此，而是还可以在所附各项权利要求确定的主题范围之内以其它方式来实施。

Claims (16)

1.光伏发电站(1，34，37)，包括光伏发电机(2)，所述光伏发电机包括光伏串列(3)和具有DC输入端(18)和AC输出端(19)的变流器(4)，所述光伏串列(3)包括至少一个光伏模块(5)并电气连接至所述DC输入端(18)，所述光伏发电站的特征在于，所述光伏发电站还包括控制所述AC输出端(19)处的DC电位的补偿电压源(14)。
2.根据权利要求1所述的光伏发电站，其中，所述变流器(4)包括用于根据所述AC输出端(19)处的DC电位来控制所述DC输入端(18)处的DC电位的装置。
3.根据前述权利要求中任何一项所述的光伏发电站，还包括一个或多个附加的光伏发电机(2，39)，其中变流器(4，38)的AC输出端(19)并联。
4.根据前述权利要求中任何一项所述的光伏发电站，其中，所述补偿电压源(14)的输出电压取决于以下的一项或多项：
光伏模块(5)的太阳光照，
光伏模块(5)的环境温度，
外部参考电压，以及
一个或多个输入端(18)的测得电位。
5.根据前述权利要求中任何一项所述的光伏发电站，其中，所述补偿电压源(14)的输出电压是时间相关的。
6.根据前述权利要求中任何一项所述的光伏发电站，其中，所述补偿电压源(14)包括至少一个补偿光伏模块(16)。
7.根据权利要求6所述的光伏发电站，其中，所述补偿光伏模块(16)配置成使得它们受到与所述光伏模块(5)同样的太阳光照和/或同样的环境温度。
8.根据前述权利要求中任何一项所述的光伏发电站，其中，所述补偿电压源(14)的输出电压近似等于光伏串列(3)输出电压的一半，而所述变流器(4，38)包括均衡电路，使得在其DC输入端(18)处的DC电位围绕在其AC输出端(19)处的平均DC电位是对称的。
9.根据前述权利要求中任何一项所述的光伏发电站，其中，所述发电站还包括绝缘变压器(10)，所述绝缘变压器(10)具有连接至所述AC输出端(19)的初级侧(11)、次级侧(12)和位于所述初级侧上的中性端子(13)，并且所述补偿电压源(14)连接在地(15)与中性端子(13)之间。
10.根据权利要求9所述的光伏发电站，其中，所述AC输出端(19)和绝缘变压器(10)包括一个或多个相。
11.根据前述权利要求中任何一项所述的光伏发电站，其中，所述补偿电压源(14)形成为一个变流器(4)的一部分。
12.根据前述权利要求中任何一项所述的光伏发电站，其中，所述补偿电压源(14)是可编程的并且/或者是能够被关断的。
13.控制光伏发电站(1，34，37)的方法，所述光伏发电站包括至少一个变流器(4，38)，所述变流器(4，38)具有电气连接至光伏串列(3)的DC输入端(18)；AC输出端(19)；和用于根据所述AC输出端(19)处的DC电位来控制所述DC输入端(18)处的DC电位，所述方法包括利用所述补偿电压源(14)来控制所述AC输出端(19)处的DC电位。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括调节所述电压源(14)的电压以相对于地(15)将所述DC输入端(18)之一的电压保持在一电压补偿值处的步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述电压补偿值大致为零。
16.根据权利要求13-15中任何一项所述的方法，还包括关断所述补偿电压源(14)的步骤。
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