CN102640404B - 将pv阵列的电能馈送至电网的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

用于将PV阵列（2）经由逆变器（3）连接至AC电网（4），首先从AC电网（4）对位于逆变器（3）的输入侧的DC链路（7）预充电。采用连接至AC电网（4）的逆变器（3）将DC链路（7）的链路电压调整至预设值，该预设值低于PV阵列（2）的开路电压，并且随后，在将链路电压持续调整至预设值的同时，将PV阵列（2）在其开路电压下直接连接至DC链路（7）。

Description

将PV阵列的电能馈送至电网的装置及方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年11月24日提交的名称为“Zuschalten einesPhotovoltaikfeldes mi thoher Leerlaufspannung”的共同待审的欧洲专利申请No.EP09176900.0的优先权。
技术领域
本发明总体上涉及经由逆变器将光伏(PV)阵列连接至AC电网的方法。更具体地，本发明涉及经由包括在其输入侧的DC链路的逆变器将PV阵列连接至AC电网的方法，其中从AC电网对逆变器的输入DC链路预充电。
并且，本发明总体上还涉及用于将来自PV阵列的电能馈送至AC电网的装置，并且更具体地，涉及用于将来自PV阵列的电能馈送至AC电网的装置，其中该装置包括：逆变器；位于逆变器输入侧的DC链路；用于DC链路的链路电压的电压控制单元；至少一个用于将PV阵列连接至DC链路的开关；以及至少一个用于将逆变器连接至AC电网的电源开关。
背景技术
在经由逆变器将光伏阵列连接至AC电网时，要求注意避免发生通过所使用的电路组件的过电流，以及避免在所使用的电路组件上发生过电压。原理上，可以通过较高电压等级或较高电流等级的组件来消除对于这些组件过负荷的危害。然而，该方法通常导致成本的急剧增加，以及由于较高电压等级组件的较低效率而造成的功率损耗。因此，优选的方法和装置应避免在光伏阵列连接至AC电网时电路组件上的高负荷。
这尤其适用于朝着光伏阵列的更高输出电压以便能够传输更高电功率而不需要增大电缆截面的发展。正常操作中光伏阵列这样的更高输出电压伴随着光伏阵列的甚至更高的开路电压。这些开路电压会容易地超过跨相应逆变器的逆变桥的允许电压。
根据DE202006001063U1，已知有DC/DC转换器，类似例如在逆变器的逆变桥之前的降压转换器(buck converter)，该DC/DC转换器在光伏阵列和逆变器之间提供电压适配。然而，降压转换器增加了装置的复杂性。其还造成了额外的功率损耗。DE202006001063U1并未涉及在高开路电压下将光伏阵列连接至逆变器。可以通过在逆变器之前的降压转换器的专用操作，来避免对逆变桥加载光伏阵列的全开路电压；然而，正常操作期间由降压转换器所造成的额外功率损耗仍将保持，除非当开路电压已减少至发生在光伏阵列正常操作期间的输出电压时，在电流路径中由另外的装置进行桥接。
根据JP11312022A，已知通过由设置在连接线之一的电阻器和与逆变桥并联连接的电阻器实现的分压器，来保护逆变器的逆变桥免受所连接的光伏阵列的高开电路电压。通过将连接线中的电阻器短路并且断开与逆变桥并联连接的电阻器，该分压器在正常操作中失能，由此避免了由于电阻器造成的持续损耗。分压器包含了额外的工作，尤其是在正常操作中将其断开。
用于馈送来自光伏阵列的电能的逆变器通常具有用于DC链路的电压控制单元，以便允许执行所谓的最大功率点(MPP)-跟踪。在MPP-跟踪中，经由DC链路的电压，将光伏阵列的输出电压调整至实际操作条件下光伏阵列产生最大电功率的值。
US2009/0167097A1公开了光伏阵列和逆变器之间的光伏逆变器接口。在启动过程期间，使用软启动开关装置或光伏阵列，将逆变器的DC链路预充电至逆变器的操作电压。随后，在光伏阵列的连接线之一中的接触器开关仍然处于断开的同时，导通逆变器。在通过闭合接触器开关将光伏阵列连接至逆变器的DC链路之前，通过并联开关(shuntswitch)故意地短路，从而将输出电压从开路电压减少至正常操作条件下的输出电压。
仍然存在对于将光伏阵列经由逆变器连接至AC电网的方法以及将来自光伏阵列的电能馈送至AC电网的装置的需求，该方法和逆变器能够解决光伏阵列的高开路电压问题，同时保持低技术复杂性。
发明内容
一方面，本发明涉及一种将PV阵列经由逆变器连接至AC电网的方法，所述逆变器包括位于其输入侧的DC链路。该方法包括：预充电步骤，从所述AC电网对所述逆变器的所述DC链路预充电；调整步骤，通过连接至所述AC电网的所述逆变器，将所述DC链路的链路电压调整至预设值，所述预设值低于所述PV阵列的开路电压；以及连接步骤，在持续执行所述调整步骤的同时，将所述PV阵列连接至所述DC链路上。在所述连接步骤中，将PV阵列在其开路电压下直接连接到所述DC链路上。
另一方面，本发明涉及一种用于将来自PV阵列的电能馈送至AC电网的装置。该装置包括：逆变器；位于所述逆变器的输入侧的DC链路；用于调整所述DC链路的链路电压的电压控制单元；用于将所述PV阵列连接至所述DC链路的至少一个开关；用于将所述逆变器连接至所述AC电网的至少一个电源开关；以及用于将所述PV阵列经由所述逆变器连接至所述AC电网的连接控制器。所述连接控制器首先闭合所述电源开关，随后激活用于调整所述链路电压的所述电压控制单元，以将所述链路电压调整至低于所述PV阵列的开路电压的预设值，并且之后闭合用于连接所述PV阵列的开关，以使得在所述电压控制单元将所述链路电压持续调整至所述预设值的同时，将所述PV阵列在其开路电压下直接连接到所述DC链路上。
对于本领域技术人员，根据对以下附图和详细描述的研究，本发明的其它特征和优点将变得明显。在此旨在将所有这样的附加特征和优点均包含在本发明的如由权利要求所限定的范围内。
附图说明
参照以下附图，可以更好地理解本发明。附图中的组件并非按比例绘出，重点在于清楚说明本发明的原理。在附图中，同样的附图标记在整个视图中表示对应的部件。
图1是根据本发明的装置的单线图；
图2是根据本发明的方法的实施例的方框图；以及
图3示出根据图1的装置的逆变器的实施例。
具体实施方式
在经由根据本发明的逆变器将光伏阵列连接至AC电网的方法中，从AC电网对逆变器输入侧的DC链路预充电。通过连接至AC电网的逆变器，至少到预充电步骤的结束一直将DC链路的链路电压调整至预设值。随后，将PV阵列连接至DC链路，DC链路的链路电压仍被持续地调整至预设值。完成该连接而不需在先适配或同时将PV阵列的开路电压适配于链路电压。以硬方式桥接现有的电压差。然而，因为从PV阵列中流出的所产生电荷受到限制，并且因为一方面由DC链路的缓冲电容吸收了所产生电荷而另一方面由已经使用并将电流馈送至AC电网的逆变器吸收了它们，因此，这不会带来负面影响。现有的并且市售的逆变器的链路电压的电压控制单元已证实具有足够快的速度，用以将功率流动的方向从预充电的方向改变为在已连接PV阵列之后的馈送方向，这一方式防止了链路电压在达到临界电平之前的增加。此外，在实施新方法时，DC链路的现有电容是足够的，并且无需增加以避免在连接PV阵列时电压的临界上升。
即使链路电压根据本发明而调整至的值被设定为远低于PV阵列的开路电压，即，即使在正常操作期间，采用明显高于PV阵列的输出电压的PV阵列的开路电压，并且采用调整至该较低输出电压值的链路电压的情况下，这也是适用的。即使将PV阵列的最大开路电压直接施加到具有调整至预设值的链路电压的DC链路，即在PV阵列和DC链路之间没有任何在先的电压适配，该新方法也不会导致链路电压的临界增加。因此，用于PV阵列和DC链路之间的电压适配的DC/DC转换器并非是必需的。
如已经提出的，在本发明的方法中，在连接到PV阵列之前链路电压所调整至的值与PV阵列正常操作中该PV阵列的正常输出电压相对应，并且由此有规律地高于AC电网的峰值电压。令人惊讶地，例如用于现有的并且市售的逆变器中的MPP-跟踪的电压控制单元能够通过从AC电网中获取电能，将链路电压调整至甚至高于AC电网的峰值电压的值。为此，由例如升压转换器中的电压控制单元使用通常设置在逆变器的逆变桥和AC电网之间的电感器。通过将链路电压调整至高于AC电网的峰值电压的值，对于链路电压的控制单元具有稳定的操作点，其中在连接PV阵列之后，能够立即将电能馈送至AC电网，并且由此对DC链路放电。
为了即使采用DC链路中的小电容和对于链路电压的缓慢反应电压控制单元将链路电压的增加限制到非临界电平，可以将PV阵列划分为相继连接至DC链路的分段，同时将链路电压调整至预设值。以这一方式，进一步限定了在相应分段连接至DC链路时可以流入DC链路的电荷，并且由此进一步限定了可能的链路电压的增加。
新方法包括以下两个主要步骤：(i)将链路电压调整至预设值，以及(ii)在将链路电压调整至预设值时，将PV阵列连接至DC链路。第一步骤(i)优选细分为用于DC链路的第一被动预充电步骤，该步骤之后，立即将逆变器连接至AC电网；以及细分为随后的主动预充电步骤，其中以将链路电压升压至高于AC电网的峰值电压的方式，对逆变器的开关计时。在第一子步骤中，即被动预充电步骤，可以通过逆变器的逆变桥的续流二极管对从AC电网流入DC链路的充电电流进行整流，以便对DC链路初步预充电。在该被动预充电步骤期间，断开逆变桥的所有开关。在开始对链路预充电时流动的电流如果未通过诸如扼流器或电阻器系统地进行限制会变得太高。通常，逆变器的固有电阻器和电网扼流器和/或逆变器输出端的EMC-滤波器的阻抗均不足以满足要求。因此，优选将用于对DC链路初步预充电的充电电流引导通过与电源开关并联安装的并且设置有限流设备的旁路。可替换地或附加地，可以在旁路中设置向上转换AC电网的电压的变压器，以便将DC链路预充电至高于AC电网的峰值电压的链路电压。如果已完成该第一被动预充电步骤，则将逆变器经由共同的电源开关连接至电网，并且随后中断该旁路。在该时间点还激活用于将链路电压调整至预设值的电压控制单元。对于链路电压的电压控制单元优选包括在用于MPP-跟踪的已知且市售的逆变器中使用的相同设备和测量方法，其中唯一的例外在于：在新方法的第一步骤(i)的主动第二子步骤中以及在第二步骤(ii)期间，对于链路电压预设一固定值。
根据需要，可以将新方法的第二步骤(ii)细分为连接PV阵列各个分段的子步骤。一旦整个PV阵列被连接，对于链路电压的控制单元可以分配为将链路电压调整至由MPP-跟踪而不是由固定值确定的可变值。
当使用新方法时，在链路电压仍然增大到将危及逆变器完整性的不期望高值的情况下，可以根据临界电压来停止逆变器的操作，以避免损害。随后，立即将PV阵列与逆变器断开。在通过用于DC链路电容的普遍实施的放电设备将链路电压减少至非临界电平时，在将链路电压调整至预设值时，可以进行用于连接PV阵列的新尝试。
根据本发明的装置包括连接控制器，该连接控制器首先闭合用于将逆变器连接至AC电网的电源开关，随后激活用于链路电压的控制单元，以将链路电压调整至预设值，并且仅在此之后闭合用于连接PV阵列的开关。如上所述，电源开关可以包括若干用于提供并行电流路径的开关，例如，用于首先经由限流设备将逆变器连接至AC电网的第一开关，以及当不再需要消耗功率的限流设备时，之后直接将逆变器连接至AC电网的第二开关。此外，用于连接PV阵列的开关可以细分为多个局部开关，每个开关仅将PV阵列的一分段连接至逆变器。
在新装置中，逆变桥的开关可以具有低于PV阵列的开路电压的允许工作电压，并且因此，相比于具有较高允许工作电压的开关，逆变桥的开关不仅更加廉价而且消耗更少的功率。
逆变桥的上游，特别是在用于将PV阵列连接至逆变桥的开关之间，新装置的逆变器可以仅具有DC链路。这意味着既不需要在用于将PV阵列连接至逆变器的开关的上游，也不需要在用于将PV阵列连接至逆变器的开关的下游设置用于电压适配的DC/DC转换器。优选地，在新装置中可以完全省略这样的DC-DC转换器，以节省相关工作并避免相关的功率损耗。
在本文中，已经解释了新装置的进一步的优选细节以及根据本发明的方法。
现在，更加详细地参照附图，图1示出用于将PV阵列2经由逆变器3连接至AC电网4的装置1。将PV阵列2划分为单独的分段5，每一个分段5可以经由单独的开关6单独地连接至作为逆变器3的输入链路的DC链路7(在此未图示地区分)。在逆变器3的输出端，逆变器3可经由电源开关8连接至AC电网4。EMC滤波器9设置在电源开关8和逆变器3之间。辅助电源开关10与电源开关和EMC滤波器9并行设置。将阻抗远大于EMC滤波器9的阻抗的扼流器11与辅助电源开关10串联连接。本发明的基本问题在于：PV阵列2和其每个分段5的开路电压高于与逆变器3兼容的开路电压。然而，正常操作中的PV阵列2和其分段5的输出电压，即电流馈送到AC电网4时的输出电压，对于逆变器3是无害的。为了在这些条件下安全地将PV阵列2连接至逆变器3，采用如图2中所示的以下步骤。
首先，将辅助电源开关10闭合，以将逆变器3连接至AC电网4。这将使得来自AC电网的AC电流流入逆变器3。根据示出逆变器3的内部配置的图3，可以清楚看出，通过逆变器3的逆变桥14的续流二极管13，将流经输出线12的该AC电流整流为流经输入线18的直流，每一个续流二极管13以反并联方式与逆变桥14的开关之一连接。该直流对逆变器3的DC链路7的电容16充电直到AC电网的峰值电压。由图1中的扼流器11限制以该方式流动的充电电流。在直到AC电网的峰值的整个预充电过程期间，该限制并非必需的。反而，在该预充电步骤期间，可以闭合电源开关8，并且断开辅助电源开关10。在对DC链路7的被动预充电的步骤之后，激活逆变器3，即控制器(在此未图示)对逆变器的开关15计时，但仅在已经由被动预充电的步骤减少了AC电网峰值电压和链路电压之间的电压差之后。对开关15计时，以便将跨越电容16的链路电压调整至高于AC电网4的峰值电压的预设值。在该主动预充电的步骤中，逆变器3的开关15与EMC滤波器的电感率结合用作升压转换器。仅在调整链路电压的预设值时，依次闭合根据图1中的开关6，以将PV阵列2连接至逆变器3，该链路电压的预设值处于用于将来自PV阵列2的电能馈送至AC电网4的典型操作电压的量级。完成该连接步骤，而不管PV阵列2的各自分段5的开路电压与持续调整至预设值的链路电压之间的任何电压差。然而，以硬方式连接PV阵列2的该过程证实并非是关键的，因为从各自分段5流入链路7的电荷受到限制，并且由于电容16的大小，仅导致了链路电压相对缓慢的增长。该增长至少足够缓慢，以使得逆变器3的电压控制单元能够对于链路电压即将发生的增长做出足够快的反应，并且通过对开关15的合适计时，即通过将电流馈送到AC电网来补偿它。因此，尽管以硬方式在远大于链路电压的预设值的开路电压下连接PV阵列，在逆变器3两端不会出现过大的电压。如果在链路电压仍达到了临界值的例外情况下，可以通过断开开关15来阻断逆变器3，并且再一次断开图1中的开关6。随后，通过在图3中作为放电电阻器示出的放电设备17减小电容16两端的链路电压。在此之后，可以进行用于连接的新尝试。在这里作为三相逆变器示出的逆变器3也可以是单相逆变器。一旦整个PV阵列被连接，用于链路电压的控制单元可以分配为将链路电压调整至由MPP-跟踪而不是由固定值确定的可变值。
在基本不脱离本发明的精神和原理的情况下，可以对本发明的优选实施例进行多种变形和修改。在此所有的这种变形和修改均旨在包含在本发明的如由权利要求所限定的范围内。

Claims (18)

1.一种将PV阵列(2)经由逆变器(3)连接至AC电网(4)的方法，所述逆变器(3)包括位于其输入侧的DC链路(7)，所述方法包括：
-预充电步骤，从所述AC电网(4)对所述逆变器(3)的所述DC链路(7)预充电；
-调整步骤，通过连接至所述AC电网(4)的所述逆变器(3)，将所述DC链路(7)的链路电压调整至预设值，所述预设值低于所述PV阵列(2)的开路电压；以及
-连接步骤，在持续执行所述调整步骤的同时，将所述PV阵列(2)连接至所述DC链路(7)；
其中，在所述连接步骤中，将所述PV阵列(2)在其开路电压下直接连接至所述DC链路(7)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述调整步骤中，所述链路电压被调整至的所述预设值高于所述AC电网(4)的峰值电压。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述PV阵列(2)划分为多段(5)，并且其中，在所述连接步骤中，将所述多段(5)相继连接至所述DC链路(7)。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述预充电步骤中，通过所述逆变器(3)的逆变桥(14)的续流二极管(13)，对从所述AC电网(4)流入所述DC链路(7)的充电电流进行整流。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述预充电步骤中，将用于限制充电电流的扼流器(11)连接在所述AC电网(4)与所述逆变器(3)之间。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，仅在所述预充电步骤的第一部分期间，将所述扼流器(11)连接在所述AC电网(4)与所述逆变器(3)之间。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述预充电步骤中，将用于限制充电电流的电阻器连接在所述AC电网(4)与所述逆变器(3)之间。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，仅在所述预充电步骤的第一部分期间，将所述电阻器连接在所述AC电网(4)与所述逆变器(3)之间。
9.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述预充电步骤中，将用于在对充电电流进行整流之前对该充电电流进行变换的变压器连接在所述AC电网(4)与所述逆变器(3)之间。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，仅在所述预充电步骤的部分期间，将所述变压器连接在所述AC电网(4)与所述逆变器(3)之间。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在完成所述连接步骤之后，将所述DC链路(7)的所述链路电压调整至由MPP-跟踪确定的可变值。
12.一种用于将来自PV阵列(2)的电能馈送至AC电网(4)的装置(1)，所述装置包括：
-逆变器(3)；
-位于所述逆变器(3)的输入侧的DC链路(7)；
-用于调整所述DC链路(7)的链路电压的电压控制单元；
-至少一个开关(6)，用于将所述PV阵列(2)连接至所述DC链路(7)；
-至少一个电源开关(8，10)，用于将所述逆变器(3)连接至所述AC电网(4)；以及
-连接控制器，用于将所述PV阵列(2)经由所述逆变器(3)连接至所述AC电网(4)；
其中，所述连接控制器首先闭合所述电源开关(8，10)，随后激活用于调整所述链路电压的所述电压控制单元，以将所述链路电压调整至低于所述PV阵列(2)的开路电压的预设值，并且之后闭合用于连接所述PV阵列(2)的所述开关(6)，以使得在所述电压控制单元将所述链路电压持续调整至所述预设值的同时，将所述PV阵列(2)在其开路电压下直接连接至所述DC链路(7)。
13.根据权利要求12所述的装置(1)，其中，所述逆变器(3)的开关(15)的允许电压比所述PV阵列(2)的所述开路电压低。
14.根据权利要求12或13所述的装置(1)，其中，提供若干开关(6)和若干PV段输入端子，用以将所述PV阵列(2)逐段地连接至所述DC链路(7)。
15.根据权利要求12或13所述的装置(1)，其中，所述逆变器(3)包括具有续流二极管(13)的逆变桥(14)，所述续流二极管对从所述AC电网(4)至所述DC链路(7)的充电电流进行被动整流。
16.根据权利要求15所述的装置(1)，其中，提供用于限制充电电流的扼流器(11)，所述扼流器能够暂时结合在所述逆变器(3)与所述AC电网(4)之间的电流路径中。
17.根据权利要求15所述的装置(1)，其中，提供用于限制充电电流的电阻器，所述电阻器能够暂时结合在所述逆变器(3)与所述AC电网(4)之间的电流路径中。
18.根据权利要求15所述的装置(1)，其中，提供用于对充电电流进行变换的变压器，所述变压器能够暂时结合在所述逆变器(3)与所述AC电网(4)之间的电流路径中。
CN201080052979.7A 2009-11-24 2010-11-24 将pv阵列的电能馈送至电网的装置及方法 Active CN102640404B (zh)

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