CN102820770B - 太阳能模块和其运行方法 - Google Patents

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Abstract

太阳能模块和其运行方法，该太阳能模块带有产生直流电压的太阳能电池，和转化馈入其输入端的直流电压的变流器，其包含至少一个半导体开关和操控该半导体开关的开关输入端的控制装置，该控制装置如此构造，使得其在太阳能模块的过渡运行中改变地操控至少一个所述半导体开关，使得其表现出相对正常运行更缓慢的开关特性，以致在半导体开关上的动态过压减小，使得施加在半导体开关上的电压不超越半导体开关的截止电压。在该运行方法中，控制装置在太阳能模块的过渡运行中改变地操控半导体开关，使得其表现出相对正常运行更缓慢的开关特性，以致在半导体开关上的动态过压减小，使得施加在半导体开关上的电压不超越半导体开关的截止电压。

Description

太阳能模块和其运行方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能模块，该太阳能模块包括太阳能电池和变流器，本发明还涉及一种用于运行该太阳能模块的方法。
背景技术
使用太阳能电池来产生再生能量。为了调理由太阳能电池产生的例如用于供电网的直流电压，所述太阳能电池在太阳能模块中与变流器，通常与逆变器结合。变流器将由太阳能电池馈入变流器的直流电压转化成有待输送给供电网的交流电压。在此通常用单数形式提到的太阳能电池实际上通常由多个串联的单个太阳能电池组成。变流器在公知的简单的实施形式中具有至少两个晶体管半桥。然后，每个半桥在此包含至少两个带至少两个续流二极管的晶体管。其它半导体可以安放在太阳能电池和变流器之间。由太阳能电池产生的直流电压通常借助逆变器馈入交流电网。为此产生一种脉冲模式，逆变器的晶体管以该脉冲模式来开关。
没有受光照或受弱光照的太阳能电池不供应或供应太小的直流电压以致其不能由变流器进一步处理。变流器因此先停止运行。在太阳能电池的照射开始时，太阳能电池的空载电压迅速上升并且达到一个相比正常运行而言高的值。空载电压当没有或仅有很小的负载电流流过太阳能电池时出现。这个值相对于以负载电流加载太阳能电池时的输出电压而言很高，经常是两倍的那么高。其原因在于太阳能电池的内阻。
尤其在冷的环境温度下，也就是说在冬季以及在太阳升起时，太阳能电池具有最大的空载电压。因此，出现在逆变器上的呈该逆变器的中间电路电压形式的直流电压达到最大，这是因为逆变器还没有运行，并且因而没有值得注意的电流流过太阳能电池。逆变器运行时，也就是说当从太阳能电池抽取负载电流时，直流电压显著跌落，例如从900V的峰值电压下跌到500V的常规（运行）电压。而且，由太阳能电池给出的电压此外还依赖于太阳入射、温度和通过电池的电流。
因此可以一再考虑如下启动运行或过渡运行，其中太阳能电池的输出电压在变流器所允许的输入电压之上。
但是，公知的是，如下逆变器用于太阳能电池，该逆变器仅针对太阳能电池的运行电压，例如针对500V设计。但在上述启动情形下，逆变器的所允许的运行电压则明显被太阳能电池的900V的空载电压超越。因此，在此由于电压的超越而不允许直接启动。
公知的是，在太阳能电池的启动运行中，为逆变器的输入端配设用于暂时降低中间电路电压的装置（例如具有负载电阻的斩波器）。在接通逆变器之前，太阳能电池由斩波器加负载。负载电流在太阳能电池中流动。在此，由流过斩波器的电流给太阳能电池加负载，从而使其电压值、由此还有待输送给变流器的中间电路电压下降到如下值，该值位于逆变器的允许的电压范围内。输入电压，也就是说变流器的中间电路电压，因此减小到最大允许的中间电路电压。由此可以使用逆变器开始运行，斩波器变得不活跃，逆变器可以启动并且将功率馈送到网络中。因此，在太阳能电池的启动运行中，在这类配置中需要斩波器。
作为备选公知的是，在太阳能模块中使用较少的太阳能电池，以便降低太阳能模块的最大电压，或根据太阳能电池的最大可用空载电压来确定变流器规模。变流器上的电压由彼此串联的太阳能电池的数量决定。在此追求尽量大的电压，这是因为因此能以逆变器传递大部分能量。那么，在启动运行或者说过渡运行中，最大空载电压（也就是说输送给变流器的最大电压）总是低于所允许的变流器电压或者说中间电路电压。因为过渡运行相比多个小时的正常运行持续只几秒，但在正常运行时，变流器现在明显在其规模极限之下工作。变流器中的半导体仅电压适合地满载几秒钟，在其余时间变流器都是规模过大的。一旦变流器联网工作，那么电压就如上所述明显下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，给出一种改善了的太阳能模块或一种改善了的用于运行该太阳能模块的方法。
就太阳能模块而言，该技术问题按权利要求1解决。该太阳能模块包含产生直流电压的太阳能电池。太阳能电池与变流器连接，或者说在变流器的输入端上将由太阳能电池产生的直流电压馈送给变流器。变流器将直流电压例如转换成供电网的网络交变电压。变流器包含至少一个半导体开关和操控该半导体开关的开关输入端的控制装置。按照本发明，该控制装置如下方式地构造：在太阳能模块的过渡运行中，半导体开关与正常运行相反地如下方式地改变地受操控，即，使得该半导体开关具有相对正常运行更慢的开关特性。开关特性如此地更慢，使得在半导体开关上的动态过压减小。过压如下方式地减小，即，使施加在半导体开关上的电压不超越半导体开关的截止电压。
本发明适用于带有所有类型的半导体开关（优选晶体管）的所有类型的单相的和多相的变流器。优选的变流器具有多个，例如四个半导体开关，这些半导体开关联接在H型桥式电路中。其它公知的拓扑结构为多电平变流器，例如三电平逆变器。
本发明基于下列认识或想法：
在带有半桥的逆变器中，电流从上晶体管（半桥的上半导体开关）换向到在那的半导体开关的各个下续流二极管，并且反过来或者说从半桥的下晶体管换向到上续流二极管。由于半桥的寄生的电感和/或到中间电路电容器的连接，在此，在所述半导体上形成了动态的过压，该动态的过压依赖于换向时的电流变化陡度。动态过压由寄生的电感产生。动态过压在电容上叠加基本上由太阳能电池预先给定的电压。因此在开关时，半导体电压是电容器电压和动态过压的总和。半导体上的该电压绝不允许超越其额定的电压，这是因为不然该半导体受到损坏或损毁。
在换向时的电流变化陡度由逆变器的结构和其部件，尤其由寄生的电感，特别是由中间电路的结构部件和连接部件以及由晶体管的开关性能决定。以晶体管的开关输入端的接线，也就是例如基极接线，可以改变晶体管的开关特性。开关输入端的操控为此通常通过如下电压源进行，该电压源经由电阻与控制输入端连接，也就是例如经由基极电阻或栅极电阻。可以通过电阻值的或者也通过电压源的电压值的变化来影响开关特性。放大的电阻或较小的控制电压在此减小了半导体开关换向时的电流变化陡度，并且因而在开关时在该半导体开关上产生较少动态过压。另一方面，在半导体开关内形成高的开关损耗，这首先在大的负载电流中是不利的。但在小的负载电流中这一点并不重要。
反之，变小的电阻和/或数值方面变大的控制电压提高了换向时的电流变化陡度，并且因而在半导体开关上产生了大的动态过压。但另一方面开关损耗于是很小。以负电压执行各半导体开关的关断。在此例如仅考察开通，而在关断时所述方法相似地作用。
首先可以考虑的是，在如下输入电压时启动变流器，该输入电压超越变流器正常运行时所允许的持续输入电压或者说中间电路电压：在此，逆变器首先以非常小的输出电流运行，以便至少略微通过电流给太阳能电池加负载。太阳能电池的电压已经由此（从空载电压起）明显下降。通过在各提高了的负载电流中逐渐减小的中间电路电压，逆变器的输出电流可以提高至额定值。在这种过渡运行中随着提高的中间电路电压，动态的过压必须比在正常运行时更小，由此由中间电压形成的总电压（也就是太阳能电池的电压加上动态过压）总是小于半导体开关的截止电压。截止电压在此是功率开关的、也就是半导体开关的最大电压。
半导体开关上的电压U来自太阳能电池的电压，或相同值的中间电路电压，以及由动态效应产生的动态的过压。对动态过压而言重要的是，流过寄生的电感L的电流I，或电流的时间性的变化，其导致了感生的电压（动态的过压）。电压按U=L dI/dt得出，也就是与电流I的时间性变化成比例。通过控制装置的按本发明的运行，进行功率半导体的较慢的开关，由此还有较慢的电流变化。在变流器中的动态过压明显下降。虽然在这种过渡运行中变流器就其动态损耗而言不是最佳地工作。但这按照本发明，对于相较正常运行仅很短暂地进行的过渡运行而言有意地受到容忍。但变流器的规模极限于是可以与正常运行中的太阳能电压协调一致。所以，按照本发明，利用了由太阳能电池和变流器构成的组合的特性，这是因为在太阳能电池的即使只是很小的负载电流中，太阳能电池的极度提高了的空载电压也跌落，由此还有过渡运行仅持续特别短的时间。
半导体开关尤其关键性地对提高了的电压作出反应。一次性地超越截止电压已经可以损毁功率半导体。通过本发明避免了过压。反之，在此承受在过渡运行期间在变流器内的高的热损失。但热负载在时间平均的意义上在变流器内仅缓慢上升。因为通常过渡运行的持续时间比温度上升可能变得有害的持续时间更短，所以变流器的热学特性在此可以得到缓冲。所以过渡运行的、期间真正过高的损耗功率发生的持续时间通常不足以使过渡运行热过载。在正常运行时，也就是以常规的、针对热负载优化的开关特性，变流器内的瞬时热负载又下降到允许的水平。
寄生的电感一直存在并且总是导致动态的过压。在正常运行时，这种动态过压（基于变流器的开关特性的对低通过损耗的优化）具有一定的最大值，该最大值连同太阳能电压一起必须处在截止电压之下。为此设计变流器。按照本发明，过渡运行中的动态过压保持得要比正常运行时小得多，以便抵偿由太阳能电池供应的较高的电压。应用下列参数：UPV是太阳能电池的电压并且等于中间电路电压。是过渡运行中的动态过压。USp是半导体开关上的最大允许的截止电压。由此，本发明在过渡运行中表明：在这种情况下，动态过压比正常运行时小，并且在此必须满足下列条件：
换句话说，也就是在太阳能变流器或逆变器中，发生半导体开关的输入端接线（例如其基级接线）与太阳能电池的运行点的适配。在太阳入射很大时，产生较多的电能，并且负载电流上升，其中，太阳能电池电压同时基于内电阻而下降。半导体的开关损耗借助快速的开关特性而最小化，逆变器的效率上升。反之，为了启动太阳能电池，在变流器中的动态过压通过缓慢的开关特性而如下方式地大大下降，即，使得该动态的过压连同太阳能电池的提高了的初始电压一起仍处在变流器中允许的电压极限之下。开关特性的按本发明的匹配既可以仅用于半导体开关的开启也可以仅用于关闭，或用于半导体开关的开启和关闭。
在本发明的一种优选的实施形式中，变流器在其输入端上具有用于正常运行的最大允许的持续电压，该持续电压小于在过渡运行中最大地由太阳能电池产生的直流电压。换句话说，可以借助本发明仅将在正常运行时由太阳能电池产生的运行电压设计为变流器的最大允许的持续电压，并且容忍太阳能电池在过渡运行中的提高了的空载电压或者说启动电压。
在另一种优选的实施形式中，选择太阳能电池的启动运行作为用于确定规模的过渡运行。在不利的情况下，在这种启动运行中，输出电压相对正常运行明显提高。则太阳能模块也可以最佳地设计用于太阳能电池的不利的、在其空载电压相对于正常电压的提高方面的运行条件。
在本发明的一种优选的实施形式中，控制装置包含操控半导体开关的电压源。于是按照本发明，可以改变由电压源输送给开关输入端的电压的值。换句话说，半导体开关的输入电压或控制电压（也就是例如晶体管的基极电压）与电容器的电压或太阳能电池的输出电压匹配，更确切地说是如下方式地匹配，即，使得在较大的电容电压时控制电压小，并且在电容电压下降时控制电压变大。电压的适配可以例如通过电压源的有效内阻的改变达到。为此，要么与电压源串联地产生电压降，例如用另外的晶体管，要么以根据PWM电路类型的脉冲运行方式运行电压源，以便改变有效的、施加在开关输入端上的、在半导体开关上作用的电压。也可以简单地使电压源的电压本身下降。
在另一种实施形式中，太阳能模块或者说通常是控制装置具有引向半导体开关的开关输入端的电阻。半导体开关的操控也经由该电阻进行。该电阻的电阻值然后可以改变，以便达到上述的开关特性。
在变流器的过渡运行中，电阻的电阻值能相对其在变流器的正常运行中的电阻值扩大。换句话说，在过渡运行中，电阻的电阻值相对其正常运行时的电阻值扩大或提高。
半导体开关通常是双极型晶体管或IGBT（绝缘栅极双极型晶体管），其开关输入端于是具有基极或栅极。电阻则是基极电阻或栅极电阻。电阻例如是单独的构件或集成在控制装置（通常也就是驱动装置）中。但电阻也可以作为半导体开关的串联电阻连同该半导体开关一起集成在半导体模块中。
在变流器中的功率半导体的开关特性也由其串联电阻确定，其控制输入端（例如IGBT的栅极）经由该串联电阻与控制装置（例如驱动装置）连接。串联电阻（则通常为栅极电阻）在此将逆变器的损耗优化为最小，但这也导致在逆变器中功率半导体上有高的动态过压。该过压在逆变器的最大允许电压，也就是额定中间电路电压时，不会带来危险。但因为逆变器应当以所述形式和方式在提高了的电压下启动，所以存在着半导体由于超越截止电压而损毁的风险。本发明如上所述阻止了这一点。
电压源的和电阻的改变的实施形式可以分别单独或组合使用。
在另一种优选的实施形式中，电阻是可在至少两个电阻值之间切换的电阻。使用仅两个不同的电阻值足够用于太阳能模块中本发明的思想的实施。这种可切换的电阻可以尤其简单地实现。于是，在正常运行中，电阻具有第一值，在过渡运行中具有较大的第二值。
在一种特别简单的实施形式中，电阻在其两个接头之间具有至少两个可以选择性地在所述接头之间接入的分电阻。在此，例如可以考虑在第一和第二电阻之间的实际二择一切换的解决方案。但也可以考虑在正常运行期间为使电阻值下降将第一分电阻与在切换运行中惟一使用的第二分电阻并联地接通；作为备选也有，具有用于分电阻中的一个分电阻的旁通功能的、相应的串联电路。
在另一种优选的实施形式中，太阳能模块具有监视模块，该监视模块如下方式地构造，即，使其监视变流器的过热。因为在过渡运行中要接受变流器的过度热负载的危险，倘若过渡运行持续得比预计的更长的话，在这个部位上太阳能模块的热监视尤其重要，以便在此例如达到紧急关断，也就是说变流器的电压切断，以便有机会冷却该变流器。
在另一种优选的实施形式中，太阳能模块保有监视模块，该监视模块如下方式地构造，即，使其监视过渡运行的运行持续时间。这也如上所述用于防范变流器在过渡运行中的热过载，但在此不是通过温度监视，而是通过对过渡运行的持续时间的时间监视，由此还有在此在变流器中形成的热负载的评估。在此也可以通过监视模块进行紧急关断。
就方法而言，本发明的技术问题通过一种按权利要求10所述的、用于运行如上所述的太阳能模块的方法解决。如上所述，按照本发明，在变流器的过渡运行中通过控制装置引起半导体开关的较慢的开关特性。
该方法连同其优势和优选的实施形式一起已经在上文中结合按本发明的太阳能模块作了阐释。
附图说明
为了进一步说明本发明，参考附图的实施例。
分别以示意性原理图示出：
图1是按本发明的太阳能模块；
图2是一种备选的电阻。
具体实施方式
图1示出了太阳能模块2，该太阳能模块包括太阳能电池4和变流器6。太阳能电池4在运行时产生直流电压U，该太阳能电池将该直流电压馈入变流器6的输入端8。变流器6将直流电压U转化成未详细标明的电压，例如网络电压。
变流器6包含中间电路电容器10以及带有四个IGBT形式的半导体开关14的H桥12，各个二极管16与半导体开关反并联。每个半导体开关14具有开关输入端18，在此分别是IGBT的栅极G。变流器6在H桥12中具有到网络13的输出端。
变流器6还包含控制装置20，该控制装置操控半导体开关14的各个开关输入端18。每个开关输入端18经由电阻22与控制装置20连接。在控制装置中又存在与电阻连接的带有控制电压USt的电压源21。然后，在开关输入端18上出现输送给半导体开关14的开关电压UG。按照本发明，电阻22如此地实施，使得该电阻在正常运行时具有第一电阻值RN。但在变流器6的过渡运行中，电阻22具有电阻值该电阻值大于电阻值RN。变流器6在其输入端8上具有最大的为正常运行所允许的最高电压Umax。这是在太阳能电池的输出端上在持续运行中的（最大）电压。
变流器6的过渡运行总是在直流电压U大于最高电压Umax时进行。象征性地在太阳能模块2中表示出少数几个寄生的电感24。若在高于变流器6的最高电压Umax的直流电压U中以电阻值RN工作，那么在寄生的电感24上，通过在变流器6中（由半导体开关14的快速开关引起的）快速变化的电流I形成了在寄生的电感24上的动态电压，该动态电压造成了半导体开关14的损毁。
但是，因为按照本发明在该过渡运行中使用更高的电阻值所以半导体开关14表现出相对正常运行更慢的开关特性。变流器6中的电流I的时间性的变化很小，由此还有电感24上的感生的电压同样很小，从而并未超越在半导体开关14上的允许的最高电压。
在一种备选的实施形式中，对改变电阻22的电阻值来说备选地或额外地，输送给半导体开关14的开关电压UG在其值方面改变。为此改变控制电压USt，例如通过提高电压源21中的内阻。在过渡运行中，因此这两个电压的值相对于正常运行N中的那些值下降。
变流器6还包含一个监视模块26，该监视模块至少在过渡运行期间要么监视温度T要么监视作为过渡运行的持续的时间t，以便防止变流器6的或者说其半导体开关14的温度过载，并且紧急情况下关断变流器。
因此，在过渡运行中在半导体开关14中虽然形成了较高的开关损耗。这种开关损耗按照本发明由于过渡运行与正常运行N相比少的持续时间而被容忍。
图2示出了电阻22的一种实施形式，该电阻可以在两个电阻值RN与之间切换。电阻22包含两个分电阻28，其中一个具有电阻值RN并且另一个具有电阻值通过开关30，它们可以选择性地根据正常运行N或过渡运行在电阻22的两个接头32之间切换。
附图标记列表
2 太阳能模块
4 太阳能电池
6 变流器
8 输入端
10 中间电路电容器
12 H桥
13 网络
14 半导体开关
16 二极管
18 开关输入端
20 控制装置
21 电压源
22 电阻
24 寄生的电感
26 监视模块
28 分电阻
30 开关
32 接头
过渡运行
N 正常运行
U 直流电压
I 电流
G 栅极
电阻值
Umax 最大电压
T 温度
t 时间
USt 控制电压

Claims (15)

1.太阳能模块(2)，该太阳能模块带有产生直流电压(U)的太阳能电池(4)，并且带有转化馈入其输入端(8)的所述直流电压(U)的变流器(6)，所述变流器包含至少一个半导体开关(14)和操控所述半导体开关(14)的开关输入端(18)的控制装置(20)，在所述太阳能模块中所述控制装置(20)如下方式地构造，即，使该控制装置在所述太阳能模块(2)的过渡运行中如此地改变地操控至少一个所述半导体开关(14)，即，使所述半导体开关表现出相对于正常运行(N)更缓慢的开关特性，以致在所述半导体开关(14)上的动态过压这样减小，使得施加在所述半导体开关(14)上的电压不超越所述半导体开关(14)的截止电压。
2.按权利要求1所述的太阳能模块(2)，其中，所述变流器(6)具有在其输入端(8)上在正常运行(N)时允许的最大电压(Umax)，所述最大电压(Umax)比在过渡运行中最大地由所述太阳能电池(4)产生的直流电压(U)小得多。
3.按权利要求1或2所述的太阳能模块(2)，其中，所述控制装置(20)包含操控所述半导体开关(14)的电压源(21)，其中，输送给所述开关输入端(18)的开关电压(UG)的值能够改变。
4.按权利要求1或2所述的太阳能模块(2)，其中，所述控制装置(20)具有引向所述开关输入端(18)的电阻(22)，其中，所述电阻(22)的电阻值能够改变。
5.按权利要求4所述的太阳能模块(2)，其中，所述电阻(22)是能够在至少两个电阻值(RN、)之间切换的电阻。
6.按权利要求5所述的太阳能模块(2)，其中，所述电阻(22)在其两个接头(32)之间包含至少两个能够选择性地接入的分电阻(28)。
7.按权利要求1或2所述的太阳能模块(2)，所述太阳能模块带有监视所述变流器(6)过热的监视模块(26)。
8.按权利要求1或2所述的太阳能模块(2)，所述太阳能模块带有监视所述过渡运行的运行持续时间(t)的监视模块。
9.用于运行按权利要求1至8之一所述的太阳能模块(2)的方法，其中，所述控制装置(20)在所述太阳能模块(2)的过渡运行中如此地改变地操控所述半导体开关(14)，即，使所述半导体开关表现出相对于正常运行(N)更缓慢的开关特性，以致在所述半导体开关(14)上的动态过压这样减小，使得施加在所述半导体开关(14)上的电压不超越所述半导体开关(14)的截止电压。
10.按权利要求9所述的方法，其中，所述控制装置(20)包含操控所述半导体开关(14)的电压源(21)，改变所述输送给所述开关输入端(18)的开关电压(UG)的值
11.按权利要求9或10所述的方法，其中，所述控制装置(20)具有引向所述开关输入端(18)的电阻(22)，改变所述引向所述开关输入端(18)的电阻(22)的电阻值
12.按权利要求11所述的方法，其中，所述电阻(22)是能够在至少两个电阻值(RN、)之间切换的电阻，在所述电阻(22)的至少两个电阻值(RN、)之间切换。
13.按权利要求12所述的方法，其中，在所述电阻(22)的两个接头(32)之间选择性地接入至少两个分电阻(28)。
14.按权利要求9或10所述的方法，其中，所述太阳能模块带有如下的监视模块(26)，所述监视模块(26)监视所述变流器(6)的过热。
15.按权利要求9或10所述的方法，其中，所述太阳能模块带有如下的监视模块，所述监视模块(26)监视所述过渡运行的运行持续时间(t)。
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