CN102884698A

CN102884698A - 有可再生电源的能量供应系统和操作能量供应系统的方法

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Publication number: CN102884698A
Application number: CN2011800091433A
Authority: CN
Inventors: S·利默; M·格茨; T·菲舍
Original assignee: FutureE Fuel Cell Solutions GmbH
Current assignee: FutureE Fuel Cell Solutions GmbH
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2031-02-09
Also published as: CN102884698B; WO2011098471A3; DE102010000350B4; DE102010000350A1; WO2011098471A2

Abstract

本发明涉及能量供应系统。该能量供应系统是包括不同类型的能源的多组件系统，其中多种能源包括电力能源。电力能源在他们的类型中互不相同。能量供应系统是基于多个组件的，其中至少一个能源被提供用作系统中的一级电力能源。

Description

有可再生电源的能量供应系统和操作能量供应系统的方法

技术领域

本发明涉及能量供应系统，该系统包括至少一个向直流电压总线提供直流电压的能源，其中的工作点被指定为能量供应系统的功率点，其会根据外部参数的变化而变化。本发明还涉及操作具有直流电压总线的能量供应系统的方法，其中至少一个能源具有尤其会根据外部参数的变化而变化的最大功率点。

背景技术

根据电力工程师的传统划分，能源类型可分为一级能源和二级能源，本发明中所提及的一级能源是指能将源于能量载体如水力、风力或者太阳辐射等的能量转换成电能的能源。二级能源之所以从一种方式上称之为二级能源，是因为其可以将初始呈现为电能的能量（可选地以储存的氢的形式在中间储存）再供给到直流电压总线。因此一级能源是指能源供应系统中电能的首要来源。二级能源用于对一级能源的电能进行补充。类似于二级能源，一级能源的部分电能可以提供给另外的能量载体或者提供给能量组合系统，如能源供应网络。由此一级能源的电能供给到负载中也可以供给到用户网络中。二级能源对一级能源的部分电能进行补充（直接或者间接），且又以持续的方式或者通过指定能量分数（fraction）影响直流电压总线上的电能。

基于可再生能源的一级能源尤其有优势。可再生能源是指在所有可能的情况中在短期内（例如几年甚至几十年内）不会被消耗掉的能源。选为可再生能源时的特别好用的一级能源是光伏模块（PV模块），以及基于氢元素的燃料电池或者燃料电池模块，或者基于液体形态或气体形态的能量载体（例如甲醇、乙醇、沼气）的燃料电池模块，风力发电机和水力涡轮机或水力发动机。一级能源就是能将第一能量载体如阳光转化成电压或者电流的设备。一级能源因此将一种能源转换成能量，其被认为是支撑的，因而被称之为可再生能源。该能源在至少几十年内不会被完全消耗掉，因此在评估时限内该能源是可再生的。一级能源又可称之为可再生一级能源。

一级电力能源是其中最大程度地优化整个能量供应系统的能源。被称之为一级电力能源的能源组成能源的中心来源，因此应该实施功率的最优化。二级能源相反地即为辅助能源。

直流电压总线上存在有一级能源，该直流电压总线包括至少两条导线，因此有两个电势，由此在导线之间才有可能形成电压。由一级能源转换的电能供给到直流电压总线上。但是一级能源的电压水平能够不同于平常所用的持续电压的电压水平。因此，一般来说连接电压转换元件（例如直流电压-交流电压转换器，通常又被称为DC/AC逆变器）至一级能源。

现有技术文献

在专利文献DE202006001063U1（申请人：Institute for Solar EnergySupply Technology/太阳能技术研究所；申请日：2006.01.23）中，其举例提出使用可在大约200W时提供800V的输出电压能的光伏模块。对于所连接的其他设备和模块来说此电压过高，因此应降压转换器连接在下级，其想要提供中间电路。对于逆变器来说该中间电路用作能源。逆变器中三个相位的电压反馈给能量供应系统。一般来说可以注意到，经由降压转换器、升压转换器或者其他的电压转换部件将电压调整到与下级的电压水平相适应的电压。类似地，专利文献DE19919766A1（申请人：SMA Regelsysteme GmbH/艾思玛控制系统有限公司；申请日：1999.04.29）提出了通过并联的各组串布线来提高光伏模块的功率。组串被理解为多个光伏模块的串联电路。该文献提出了通过使用标准化逆变器排列在整个系统中并入多个逆变器来避免各个光伏模块之间复杂的直流配电。从该文献中从而可以推出两种控制PV模块的方法。一种方法以在PV模块后面切换有效的直流电流配电元件为主要部分。可替换地，可以使用多个逆变器。

由于每个光伏模块具有其自身的功率性能，因此逆变器是必要的。每个PV模块应该最大程度地接近其最大功率点被操作，由此能够尽可能多地输出能量。每个光伏元件的最大功率点在专业术语中叫做MPP（MPP为英文“Maximum Power Point（最大功率点）”的缩写）。由于最大功率点受多种外部参数影响，因此不能预先确认准确的最大功率点，要想尽可能准确地确定最大功率点需要巨大的投入。所谓的MPP跟踪方法也被称为MPPT方法，该方法会引导一级能源的工作点处于最大功率点的附近区域。通常来说不可能长期完全达到并一直保持绝对的功率最大值。虽然MPPT方法主要是用来发现和坚持或保持最大功率点的方法，但一般来说将一级能源的功率点大部分时间维持在低于最大功率点5%左右的范围内。因此只可能最大程度地接近最大功率点。

可替换地或附加地，电压转换元件可以特别进行调整。专利文献DE102005046379B4（专利持有人：Siemens AG Austria/奥地利西门子有限公司；申请日：2005.09.28）提及一款特别设计的降压转换器，可将两个光伏模块连接到该降压转换器上。特别合适的降压转换器或者特别合适的电压转换元件通常有一个问题，即仅适用于非常特定的电路配置，在其描述的状况下，只能相互连接两个光伏模块（PV模块）。

如在DE10136147A1专利文件（申请人：Kolm/科尔姆；申请日：2001.07.25）中所描述的，在不同情况下将单独的光伏模块的下级跟直流电压-直流电压转换器串联，每个PV光伏模块才能运转。在不同情况下，单独的光伏模块和直流电压总线之间自带设备被安装作为直流电压变换器。在直流电压总线的末端随后仅连接直流电压转换器-交流电压转换器。可以从具有对其他MPPT方法进一步参考的数字的专利文献DE3212022A1（申请人：SiemensAG/西门子有限公司；申请日：1982.03.31）和专利文献EP1750193A1（申请人：SMA Technologie AG/艾思玛技术有限公司；申请日：2005.07.15）推导出MPPT方法如何实现。出于使本说明书清楚的原因，在次公开的MPPT方法在这里不再就各个方面进行一一详述，而是在此将把引用文件和引用文件中提及的参考文件里的关于MPPT方法的公开范围全面的并入本说明书的公开范围内。

可以从专利文献DE102004059100A1（申请人：Kolm/科尔姆；申请日：2004.12.08）中推导出设计逆变器的另一个有吸引力的方面，即阐明在非中心能量供应系统中应该并入另一个监控方法。直流电压-交流电压转换器因此包含该监控方法，该方法能够检查到能量生产设备是否以主电压呈现。此外，整个能量供应系统应在适当的点具有MPPT方法，由此，才能增大电流或者提高能量产生量。

DE4128962A1（申请人：Kuffer/库夫；申请日：1991.08.28）示出了电力能源（包括风力发电机或者太阳能板等）如何能够通过电力辅助电路结合。能够以非常摇摆不定的方式提供能量的不同能源的能量产量效率上的增加应该通过额外地将与能源相连接的二极管电路安装低电量保护。同步发电机的工作点可以通过励磁电流的设置而进行选择。

US2009/076661A1（发明人：Pearson et.al./皮尔森等；优先权日：2007.07.25）描述了包含多种能源的能量供应系统即混杂型电力能量供应系统。能量供应系统的装置中有多个模块，包括用于电力能源的优先级模块。其中不使用燃料转换能量转换方法的能源应具有优先的优先级。

US2006/192435A1（发明人：Parmley/帕莫里；优先权日：2005.02.26）中描述了带有多个电压控制输入端和输出端的设备中的中央直流电压总线，诸如电解池或者光伏阵列的设备与这些电压控制输入端和输出端相连接。利用中间直流电压总线的辅助可以从多种来源中获取能量并稳定地将其供给负载。

不同于太过复杂的控制电路（包括多个组件或电力组件和电子元件），US4341607A（专利持有人：E-F Technology Inc./E-F技术股份责任公司；申请日：1980.12.08）中提出，在光伏陈列、电解池、燃料电池和直流电压-交流电压转换器之间的连接线中的选定位置安装二极管以便确定电流。根据US4341607A的光伏阵列在最大功率5.5%至99.5%之间的范围内运行。因此很难探讨光伏阵列效率提高的问题。

发明内容

不同于能够从专利文献中可以看出的使可再生能源（如光伏模块）的能量供应系统越来越复杂的趋势，因此希望能设计出尽可能简单的能量供应系统，该系统可靠地确保一级能源的尽可能高的产量。如果部件和组件的数量能够被减少，则其是有利的。

由根据权利要求1的能量供应系统解决了本发明的目的。合适的操作方法可以从权利要求16推出。从各自的从属权利要求中能够推出更进一步的有利发展。

以下将谈及作为设计的结果的一种能源，该能量至少会暂存在设备或者组件中。因此可充电电池还被称之为能量来源，虽然需要重复充电。以恰恰同样的方式，燃料电池系统也可以称之为能量来源，虽然需要电解池对燃料电池系统进行辅助，电能是以氢的形式中间存储。不同于其他的组件，对于交流电压-直流电压转换器（AC-DC转换器）的情况来说，供应网络是主侧，而对于其他部件的情况来说，直流电压总线被认为是主侧。

以与本发明划分能源相同的方式，还可以对负载进行划分。一级电力负载由一个或者多个消耗体组成，此时能量供应系统确定为其供应系统。除一级电力负载之外还有二级电力负载，其消耗能量供应系统中的过剩电能或者能够将其缓存。

能源的设计还允许储存在能源中的能量被使用。因此能量设备为能够将储存其中的能量在需要的时候以可变化的、特别是以电能的形式被释放的设备。

能量供应系统是一种多组件系统。能量供应系统有不同类型的能源。其中包括电力能源。电力能源根据其类型不同而有所区别。能量供应系统是基于多个组件的系统，其中至少一个能源作为系统的一级电力能源。在一级电力能源是其中应该产生电流的第一电力能源时存在对一级电力能源的讨论。一级电能是以电的形式的初始源。电力能源可以在不同的功率点上运行。一个可能的功率点是最大功率点。通常来说最大功率点不会一直完完全全地持续下去。工作点在最大功率点周围波动。最大功率点可以例如是局部的最大值也可以是绝对的最大值。能量供应系统工作，以便电压和电流能够在最大功率点周围的附近区域提供。该附近区域可延伸为特性曲线，其上纵坐标为功率，处于多达10%的范围内，理想状态仅达到最大值的5%的范围内。在能量供应系统中提供直流电压总线。电力能源连接到直流电压总线。直流电压总线具有至少两条有两个不同电势的导线。直流电压总线用于将多个能源相互连接，并且可用作连接总线。除了一级能源，提供连接到直流电压总线的至少一个另外的能源。该连接到直流电压总线的能源用作二级电力能源。特别地，以非限定性方式列举的以下能源中的一种或多种能够被选作能源：燃料电池系统、交流电压-直流电压转换器、风力发电机、带有未调节的或者弱调节的直流电压输出的风力发电机（即，具有相对较大的直流电压输出覆盖电压改变覆盖若干二位的电压范围）或者带有稳定直流电压输出的风力发电机。该其他能源在直流电压总线上产生直流电压。该电压直接确定了一级电能的功率工作点的电压值。通过二级电力能源的电压预定义一级能源的功率工作点和整个能量供应系统的功率工作点。仅通过少数部分，保障供应能量供应系统可以被设置有能被预定义的至少一个电压。通过从二级能源产生的电压来设置尽可能最佳的工作点，该最佳的工作点以较高的能量产量为特征。操作MPPT方法，以便通过在MPP周围的附近区域内工作的一级能源设置电压。

电力负载也属于能量供应系统的一部分。电力负载可以直接连接到直流电压总线。电力负载可以分为多种不同的类型。例如可以划分为一级电力负载和二级电力负载。在一个实施例中，将一级电力负载直接连接到直流电压总线。

以不完全的方式列举的，根据能量供应系统的实施例的电力一级能源的分组具体包括光伏模块、燃料电池或者风力发电机。根据能量供应系统的实施例的电力二级能源包括AC-DC转换器、供电网络连接、带有或者不带有电解池的燃料电池系统和可充电电池系统。燃料电池系统可以安装有或者不安装有氢储存系统，诸如储存气体的箱。

当能量供应系统包括是至少一个电力可再生模块（如电力光伏元件）的一级电力能源，这是有利的。能量供应系统特别是可再生能量模块的功率点，（即具有一级能源的最大可能功率的工作点），受外部工作参数的影响，但能量供应系统对这些参数不会产生直接的影响。依赖于外部参数，能量供应系统必须能够执行适应的工作点转移。连续地进行适应的的工作点转移。操作长期执行的MPPT方法。对能量产量和以及能源的功率工作点有可预见性的影响的外部工作参数为阳光辐射强度和工作温度。为了降低工作温度，可以在光伏元件上安装有效的、最好是后侧的制冷器（cooling）。光伏模块产生的电流同样确定了可能的电力功率。随着电流的增加，电压减小。不同来源的电流分流能够有利于总功率点的增加。在每种情况下，从不同的来源产生一部分总电流。通过该操作方式限制和控制电力模式中的发热现象。为了使MPPT方法可靠地运行，应当测量产生的功率。为了这个目的，在能量供应系统中需要功率测量设备。理想的状态是所有同类型的模块，例如所有光伏模块，可以通过一个功率测量设备组合。在该连接中，将直流电压总线划分成单独的部分。仅同类型的模块（例如燃料电池系统和燃料电池堆）被连接至直流电压总线的每个部分。在可替换的实施例中，功率测量设备连接至每个模块。在模块和直流电压总线之间提供功率测量设备。提供的功率测量设备越多，能量供应系统中的功率通量越能准确地再现。

中央控制器处理天气数据。这里的天气数据是再现实际天气或组成天气预报的数据。天气数据确定了光伏模块和风力发电机的预期能量产生量。天气数据与所期望量的能量有关。

在能量供应系统的进一步发展中，其特征还在于其具有至少有两个二级电力能源。二级电力能源根据其不同的优先级分别运行。意思是指一个能源具有的优先级比另一个电力能源的优先级高。同类型的能源例如二级嗲你能源根据其分配的优先级不同而有差异。依据能源供应系统的不同界线参数形成优先级。如果在太阳辐射之前预测到较强的太阳辐射，能量模块“可充电电池”将与比“燃料电池模块”的优先级高的优先级关联。由具有不同优先级的不同能源形成电流。电流用于供给电力负载。只要能够提供足够的能量，可再生能量模块有助于能量供应。一级电力能源不需要有效的电压转换直接连接到直流电压总线。每个单独的一级能源与直流电压总线之间直接连接。一级电力能源电压的下降独立于其他同类型能源不会发生。所有的能源直接相互保持在同样的电压下。没有组件会偏离出直流电压总线的电压范围（voltage band）或者电压水平。通过施加的电压能量供应系统稳定在工作点。

在能量供应系统中，至少一个一级电力能源被有利地连接，而无需电压转换元件。电压水平不被转换。一级电力能源的电压会直接切换到直流电压总线。能源和直流电压总线之间没有DC/DC转换器。没有能量用于电压水平调整。由此总效率得以提高。作为没有的结果，DC/DC转换器中没有任何损耗。

能量供应系统中的电压在单独的中心点被预定义。在单独的电压连接处，二级能源的电压施加在直流电压总线上。电压连接最好例如由两根铜轨线形成。二级能源为直流电压总线提供电压。各个MPPT模块之间的更复杂的链路被消除，因为只有一个MPPT模块。实际上，在中央控制器中发起的用于MPPT的快速、持续的迭代方法有利于简化。MPPT方法以不同的步长工作，步长在运行期间是不断变化的。能量供应系统因此在其最大功率点周围摆动。能源供应系统接近其最大功率点。在MPPT方法的辅助下，能量供应系统不会一直处于MPP，而是在其最大值附近波动。准确的工作模式详见MPPT方法最初的描述。

在有利的实施例中，能量供应系统使用至少一个二级电力能源作为中间存储设备。中间存储设备从直流电压总线中获取至少一部分电能。二级电力能源从直流电压总线中暂时获取部分能量，并暂时作为二级电力负载运转。在二级电力能源的辅助下，通过电压转换元件按需向将被连接的电力负载提供电能。过剩的电能将在二级电力负载中转换或者被储存起来。

当直流电压总线的电压水平与一个或者多个电力负载的电压范围相适应时，电力转换元件可以尽可能地被设计地简单些。例如在12V负载系统中，电压水平可在10V和15V之间。例如在24V负载系统中，电压水平可以在20V和30V之间。例如在48V电压下工作的电信网络中，在一个实施例中，可将电压范围设置在40V和60V之间的范围内。如果直流电压总线被配置以便电压转换元件在高压系统中是逆变器，那么电压范围可以处于230V到600V的范围内。通过是以氢与空气工作的聚合物电解质膜燃料电池堆覆盖各自的电压偏差。例如，风力发电机仅被微弱地调节，如果其能与该电压范围相符，那么燃料电池堆和风力发电机可以马上直接连接到相同的直流电压总线。燃料电池的数量与电压范围相匹配。光伏元件的数量与电压范围相匹配。正常的工作范围以及能够被提供的每个模块的电压从而在电压范围之内波动。

作为对能量供应系统中各种不同能源的并联连接的结果，所调整到的最大功率点为连接到直流电压总线的所有一级电力能源的总功率点。用于所有一级电力能源来说只有最终形成功率点被确定和形成。该功率点经常或者几乎总是偏离于每个一级电力能源各自的最大功率点。控制的简化和组件数量的减少是偏离每个模块的最大功率点的原因。

在有利的实施例中，能量供应系统包括至少一个光伏模块。一级电力能源中的至少一个是带有多个光电池的光伏模块为了较大的电流或者较大的电压，将光电池以并联或者串联的方式相互有线连接。二级电力能源之一是另外的电气设备，该设备能提供可再生电能。当考虑能量供应系统的功率点时，每个光电池的功率点或每个光伏模块的功率点不再被考虑。由此能够简化整个系统。

这里，所有的一级电力能源在将被连接的负载的额定电压附近的电压窗口中工作。电压与将被连接的电力负载相一致。电力能源和预测的负载的一致性也促进了整个系统的简化。

如果连接了风力发电机，那么可通过在风力发电机处调节的电压的输出电压的电压宽度来确定电压窗口。可以以弱调节的方式断开电压。在风力发电机的大旋转速度范围内，不需再准确调整来自能源的电压。利用简单的弱调节方式（如稳定的半波整流）保证有限的电压波动范围内的电压稳定性。

能量供应系统的二级电力能源是连接到电力供应网络中的交流电压-直流电压转换器。电力能量从而将额外地的从供电网络中获取。供应网络可用作中间存储设备，在放电状态下是能源，在相反地情况下成为电力负载。供应网络的功能就像一个无限大的蓄电池。在充电状态下该蓄电池被当做负载，在放电状态下该蓄电池可视为能源。

能量供应系统可以向二级电力负载提供能量。出于该目的，一级电力能源的过剩能量被转换或存储在作为能量供应系统的一部分的二级电力负载中。与电力能源的分等级的元件一致，电力负载可以根据优先级被布置。与他们的优先级一致，他们被连接和去连接。优选地，一级电力设备如一级电力能源或者一级电力负载以比下级电气设备高的优先级运行。下级电气设备包括二级或者三级电力能源。如果一级电力能源发出的电力不够，那么二级电力负载将与直流电压总线断开。电能集中于一级电力负载。

在又一实施例中，二级电力负载包括带有燃料电池系统中的电解池。由此电能可以以氢的方式中间存储。尤其是在能量岛的解决方案（energy islandsolution）中，由此配置的系统尤其好。在一个优选地实施例中，能量供应系统具有组件，该组件是二级电力电压源（如作为二级电力负载燃料电池系统和电解池）。二级电力负载和二级电力电压源被组合以形成作为子单元的氢能量系统，尤其是在其自己的壳体中。

由许多组件组成的能量供应系统可以按照以下方式运行。对于包括至少一个一级电力能源（如光伏元件）和包括至少一个具有直流电压输出端的二级电力能源的能量供应系统的操作，通过单独的MPPT方法为连接到公共直流电压总线的所有一级电力能源设定最大功率点。因此为连接到直流电压总线的所有一级电力能源设置最大功率点。每个设备并不是在自己的MPP处工作。最大功率点被获取为形成作为所有设备（其可以用作一级电力能源）的总的最大功率点。二级电力能源预定义功率点的电压。当存在一个或者多个二级电力能源，可以使用该方法。

在与根据优先级列表给出的一级、二级和三级电力负载的特性相一致的情况下，该方法会连接和去连接负载。中央控制器遵循至少两个独立的优先级列表，其中一个用于能源，一个用于负载。

在优选的实施例中，该方法处理与未来事件相关的信息。天气预报可以被当做未来事件。可以在同一时间或另外地收集当前天气数据。来自可再生能源的预期功率，尤其是光伏模块的预期功率被包括在优先级考虑中。为与所测量功率（整体功率或者部分功率）相一致，必须遵循优先级列表，而电力负载将被添加或去连接。与能量测量相一致的情况下，电力负载会切换到直流电压总线。与数据尤其是天气预报数据相一致的情况下，电力负载切换到直流电压总线。与能量测量和预报数据相一致的情况下，电力负载将切换到直流电压总线或从直流电压总线切换。

本系统和本方法其特征还在于，其已经被标识，各个设备和模块仅能够关于其最大功率点不成比例的开销被最优化。要想更简单化但保持同样效率的方法就是将设备直接连接到直流电压总线。将被预定义的电压来自根据最大功率点的标准确定的来源。通过直流电压总线上电压的预定义，在各个设备和元件中直接建立那些工作点，以便总体获得最大功率点。根据所选定的标准，该最大功率点可以是局部的或者绝对的最大值。

在直流电压总线的周围，在能量供应系统中在中心安装中央控制器。所有组件直接位于直流电压总线上。所有模块可以与直流电压总线连接或者去连接。在能量供应系统中安装单独的功率测量设备。控制器依照优先级表工作。控制器通过计算能量供应系统中的瞬间能量分配以及甚至未来（预期）能量分配进行工作。直流电压总线上的能量可以中间存储在存储设备中。在可替换的实施例中，可充电电池、带有电解池和氢存储设备的燃料供应系统以及全球化供应网络用作存储设备。如果可用于供应足够的能量，光伏模块为能量的主要来源。当功率低于预期值时，能量可以从直流电压总线中获取，且可以再次连接。

附图说明

为便于更清晰的了解本发明，在此将参照附图进行描述，其中：

图1示出了光伏模块的随辐射强度变化的典型电流-电压特性曲线和功率特性曲线；横坐标为电压；纵坐标对于电流-电压特性曲线来说是电流，对功率特性曲线来说是功率。

图2示出了光伏模块的随PV模块的温度变化的典型功率特性曲线；横坐标为电压；纵坐标为功率。

图3示出了根据本发明的带有一个一级能源的能量供应系统的第一实施例的等效电路图；

图4示出了根据本发明的带有两个一级能源的能量供应系统的第二实施例的等效电路图；

图5示出了根据本发明的带有两个一级能源以及其他二级能源的能量供应系统的第三实施例的等效电路图；

具体实施方式

图1显示了不同的PV特性曲线2的比较，或者传统PV模块典型的电流-电压特性曲线3和功率特性曲线5的比较。电流-电压特性曲线3或者功率特性曲线5的不同的走势作为提供到PV模块上的辐射强度的结果被获得，其中辐射强度在不同的情况下变化。根据辐射强度的不同，电流增大或者减小。辐射强度低时电流减小。辐射强度高时电流增大。在1000W/m²到400W/m²之间，根据电流输出情况有四种不同的辐射强度。从能够在外部被施加至PV模块的各自的电流和电压获取的功率特性曲线受太阳辐射的辐射强度的影响具有可变化的最大功率点MPP。电压范围覆盖了直流电压总线8（例如参见图3）所调整的电压值。PV模块工作的电压范围从一个较低的MPP达到较高的MPP。在一个实施例中，电压范围与燃料电池堆的燃料电池数量和将被施加的消耗体（一级/二级/三级负载）的数量相协调。燃料电池堆的工作电压范围与PV模块的电压范围相一致。

图1中示出了横坐标中单位为伏特的PV模块的电压。对于1000W/m²PV特性曲线，电压范围覆盖了PV模块的最大工作范围。对于较小的辐射强度，如400W/m²，电压的工作范围就会减小。对于电流-电压特性曲线3，纵坐标为电流I，对于功率特性曲线纵坐标为功率P。对1000W/m²电流-电压特性曲线，电流范围覆盖了最大电流范围。对于较小的辐射强度，如400W/m²，电流的工作范围相对的就会减小。对于1000W/m²功率特性曲线，功率范围覆盖了最大功率范围。对于较小的辐射强度，如400W/m²，功率的工作范围相对的就会减小。图1中给出了环境温度为25摄氏度的情况下受电压影响的电流和功率走势3和5。

图2示出了根据电压U标绘的功率特性曲线6，其中。PV模块的功率特性曲线不仅取决于入射光（参见图1）的辐射强度，还取决于PV模块的温度。PV模块的温度越低，越能产生较高的功率。在图2的图中，功率特性曲线6根据不同温度标绘。最高的功率产量能够在低温，例如263K（即大约零下10摄氏度）时出现。PV模块的温度必须尽可能的低。因此在一个实施例中，PV模块必须有效降温。最低功率产量能够在高温，例如333K（即零上60摄氏度）时获得。最低功率产量还能够在373K（即零上100摄氏度的高温）时获得。

图2示出了纵坐标以瓦特为单位的PV模块功率P和横坐标上为1000W/m²辐射强度时的电压U。在263K（即零下10摄氏度）时，PV模块的功率范围和电压范围（即电压工作范围）达到最大。在333K（即零上60摄氏度）时，以及图2中标绘的最高温度时，功率范围和电压范围达到最小。

本领域技术人员能够理解，很多外部参数会导致MPP的改变，例如随辐射强度（图1）改变，以及例如随PV模块的温度（图2）改变。为避免在能量供应系统中分配极大量的不同传感器，因此需通过MPPT方法完成最大功率点的搜索。根据本发明的一个方面，由于大小容易变化，因此在这里可利用电压。通过直流电压总线，在单个或者多个PV模块上产生电压。出于这个目的，将执行确定最大功率点（MPP）的方法。

图3示出了根据本发明的能量供应系统1的第一实施例。在第一实施例中，能量供应系统1包含能源4，该能源呈现为一级电力能源4。这里的电力能源4是光伏模块60，简称PV模块。光伏模块60包括多个光电池64，为了更大的电流或者更大的电压，这些光电池相互连接。在第一实施例中，为了更大的电压，光电池64串联连接。为了更大的电流，他们还可以并联连接。为了更大的电压和更大的电流产量，串联和并联的组合也是可行的和可能的。

能源4在其最大功率点MPP周围的附近区域提供电压U_p和电流I_p。

一级能源4、60、64连接到直流电压总线8上。作为能量供应系统1的独立的系统组件的直流电压总线8在图3中通过分割线9（总线分割线）与能量供应系统1的其余的组件划定界限而示出。能源4、60、64直接跟直流电压总线8连接。直流电压总线8包括两根导线12和16。直流电压总线8用作多个能源的连接。在第一实施例中，另外三个能源20、24、28也连接到直流电压总线8。一个或多个能阱（即一个或多个能量消耗体）还可以连接至直流电压总线8。例如电磁能量转换器的电气设备还可以连接至直流电压总线8，其中设备能改变它的工作状态，以便其一方面能够用作能源，而另一方面能够用作能阱。

能源20是一个二级电力能源。此处的能源20是直流电压发电机，该发电机安装有电解池72并在燃料电池堆56的基础上实现。直流电压发电机20提供直流电压U₌，其波动可忽略不计。能源24是二级电力能源，且更具体地是燃料电池系统24。燃料电池系统24作为二级电力能源包括电解器72。能源28同样也是二级电力能源，且更具体地是以交流电压-直流电压转换器28的形式的电压转换元件48。

其他能源20、24、28中的每种能源，如果连接到直流电压总线8，都能对直流电压总线8叠加直流电压U₌。在所示的能量供应系统1的工作状态下，直流电压发电机20在直流电压总线8的导线12和16上叠加直流电压U₌。除了直流电压发电机，依赖于优先级设定，交流电压-直流电压转换器28的整流器也可以叠加电压。

直流电压U₌直接预定义一级电力能源4的功率工作点POP的电压，即POP=U₌*I_p。由于所有的一级和二级能源4、60、20、24、28直接连接到直流电压总线8，因此认为直流电压的电压值U₌与PV模块的电压值U_p是一致的。

交流电压-直流电压转换器28用于将能量供应系统1连接至电能网络。电能网络与电力供应网络76连接。在第一实施例的电能网络中，单相交流电压为工作电压。

设计用于三相交流电压的电能网络配置或者不配置中性线是可行的和可能的。在这种情况下，必须提供相应地随相移工作的至少三个交流电压-直流电压转换器28，其中的每个能够从能量网络或者供应网络76中产生相电压。

电能网络通过交流电压-直流电压转换器28将来自供应网络76的电能供给至能量供应系统1，该电能网络在图3中象征性地与能量供应系统1划定界限而示出。

一级电力能源4是以光伏模块60的形式的电力可再生能量模块32。光伏可再生能量模块32包括至少有一个电力光伏元件36。电力可再生能量模块32具有可调整的最大功率点MMP，该功率点MMP受外部工作参数的影响，在第一实施例中，这些参数主要是阳光辐射强度和工作温度。

在第一实施例中，提供了三个二级电力能源20、24、28。二级电力能源20、24和28使用不同的优先级有助于电力负载80的供给，该优先级由不同的界线（boundary）参数确定。电力负载80可以是一级电力负载。

一级电力能源4无需经过电压转换直接连接到直流电压总线8。

在所述的工作状态中，二级能源20的单独的电压连接52，也就是直流电压发电机20的电压连接，在直流电压总线8上叠加电压U₌。

二级电力能源20，以燃料电池系统24的形式存在，会从直流电压总线8中获取至少一部分电能供给给电解池72。燃料电池系统24根据所连接的电力负载80的需求供给电能。

一级电力能源4在所连接电力负载80的额定电压U_N周围的电压窗口（voltage windows）里工作。

第一实施例中的能量供应系统1由中央控制器40控制。控制器40通过控制总线41来控制能量供应系统1。控制总线41可以是控制网络。控制网络可以是无线电网络。控制器40可以并入上级能量控制系统或调整系统。特别是在对安全性要求提高的情况下，控制总线41优选为用于控制器40的控制信号的传输的的有线传输设备。控制器40控制一级和二级能源4、20、24、28。控制器40间接控制一级能源4。控制器40直接控制二级能源。控制器40通过直接控制二级能源来间接控制一级能源。在未示出的可替换的变型中，控制器40同样可以直接控制一级能源。控制器40可以通过控制总线41的控制信号选择性地将一级和二级能源连接至直流电压总线8，或者将一级和二级能源与直流电压总线8分开。一级和二级能源的控制包括天气数据10，尤其是用于天气预报的数据，例如空气温度、云密度和辐射强度等。周围环境数据（如空气污染信息等）也可以包括在一级和二级能源的控制中。数据（如原材料价格或者用于如购买的电能的资源的价格或者价格预测等）也可以包括在一级和二级能源的控制中。

在第一实施例中，仅一级电力能源4无需电压转化元件48连接到能量供应系统1。能源4可以无需电压转换元件48，也就是说直接连接到直流电压总线8。

在第一实施例的能量供应系统1中存在功率测量设备7。功率测量设备7车辆一级能源4提供的功率。为确定一级能源4的功率，功率测量设备7主要记录光伏模块60的电压U_p和电流I_p。控制器40能够通过控制总线41读取来自功率测量设备7的测量的功率。控制器40执行MPPT方法，借此一级能源4保持处于其最大功率点MPP周围的附近区域内。通过功率测量，控制器4识别直流电压总线8上主要的电压U₌。如果通过功率测量确定的实际电压与期望电压之间的偏差太大，比如10%或者5%等，那么控制器40通过控制总线41引起二级能源20或28的端电压的相应的变化，换句话说，通过在直流电压总线8上叠加能够由二级能源20和28提供的期望电压，控制器40引起电压水平的增加或者降低。通过这种方式，一级能源4能够保持在其最大功率点MPP附近。

图4示出了根据本发明的能量供应系统1的第二实施例，其中包含两个一级能源4。上述第一实施例中类似的说明同样适用于第二实施例。两个一级能源4为同类型的PV模块60，换句话说，PV特性曲线尤其是两个光伏模块60的功率特性曲线尽可能的相一致。第二实施例中的两个一级能源4中的每个都分别独立于另一个一级能源4通过开关42与直流电压总线8连接。在所阐述的工作状态下，两个开关42是闭合的，也就是说两个一级能源4连接到直流电压总线8。两个开关42可以相互独立被打开或闭合。开关42的打开和闭合可以通过控制器40自动进行。

根据第二实施例的能量供应系统1的经调节的最大功率点是连接到直流电压总线8的所有一级电力能源4的总功率点gMPP，其中尤其每个一级电力能源4各自的单独的最大功率点MPP与总功率点不同。

在第二实施例中，所有同类型的光伏模块60可以通过功率测量设备7组合。在可替换的实施例中，每个光伏模块60可以连接有专用功率测量设备7。功率测量设备7的提供的越多，能量供应系统1中的功率通量能够越精确地在中央控制器40中再现。

根据第二实施例的能量供应系统1作为能量供应系统1为二级电力负载44提供能量。当供给到一级电力负载80的能量过剩时，才使得该提供的能量可用而供给至二级电力负载44。

图5示出了根据本发明的能量供应系统1的第三实施例，其中包含两个一级能源4和73以及三个二级能源20、24和68。第一和第二实施例中类似的描述同样适用于第一一级能源4和两个二级能源20和24，尽管第三实施例中的直流电压发电机20没有电池组68。第二二级能源73为风力发电机。风力发电机73通过电压转化元件48（DC-DC转换器）与直流电压总线8相连接。第三二级能源68是独立的可充电电池系统68。第三二级能源因此是提供可再生电能的另外一种电气设备68。可充电电池系统68同样通过电压转换元件48（DC-DC转换器）连接至直流电压总线8。

电压窗口由风力发电机73处的经调整的电压的输出电压的电压宽度（voltage width）所确定，其中一级电力能源4在将被连接的电力负载44的额定电压U_N的电压窗口中工作。

一级电力负载80和二级电力负载44可以连接到直流电压总线8上。

所有三个实施例中的能量供应系统1由根据本发明的方法来操作，在二级电力能源20的直流电压输出端84处出现至少一个二级电力能源20的电压U₌。

通过单个MPPT方法针对所有连接到公共直流电压总线8的一级电力能源4设置最大功率点MPP，由此针对所有连接到直流电压总线8的一级电力能源4设置公共最大功率点gMPP。

能源4、20、24、28、32、36、56、60、68和76的连接和断开根据优先级列表被实现以与他们作为一级、二级和三级能源的特性一致。三级电力负载88仅在图5中的第三实施例中出现。

附图标记说明

1能量供应系统 2PV特性曲线 3电流-电压特性曲线

4一级（电力）能源 5功率特性曲线 6功率特性曲线

7功率测量设备 8直流电压总线 9总线分割线

10天气数据 12导线 16导线

17网络分割线 20二级（电力）能源 24燃料电池系统

28交流电压直流电压转换器 32可再生能量模块 36电力光伏元件

40中央控制器 41控制总线 42开关

44（二级）电力负载 48电压转换元件 52电压连接

56中间存储设备 60光伏模块 64光电池

68电气设备 72电解池 73风力发电机

76电力供应网络 80一级电力负载

84二级能源的直流电压输出端 88三级电力负载

缩写和大写标题

U_p一级能源的电压 I_p一级能源的电流 MPP最大功率点

U₌二级能源的直流电压 POP一级能源的功率工作点

U_N额定电压 gMPP总最大功率点 U电压 I电流 P功率

Claims

1.一种包括至少一个能源（4）的能量供应系统（1），

该能源（4）作为一级电力能源（4）存在；和

该能源（4）在该能源（4）的最大功率点（MPP）的附近区域中传递电压（U_p）和电流（I_p）；和

该能源（4）连接到直流电压总线（8），

该直流电压总线（8）包括至少两根导线（12、16）；和

该直流电压总线（8）被分派作为多个能源（20、24、28）的连接；其特征在于，

提供了至少一个另外的能源（20），该另外的能源（20）连接至所述直流电压总线（8），

该另外的能源（20）用作二级电力能源（20），该二级电力能源（20）例如是燃料电池系统（24）或者交流电压直流电压转换器（28）；以及

所述另外的能源（20）在所述直流电压总线（8）上产生直流电压（U=），

该直流电压（U=）直接预定义了所述一级电力能源（4）的功率工作点（POP）的电压值。

2.根据权利要求1所述的能量供应系统（1），其特征在于，

所述一级电力能源（4）包括至少一个电力可再生能量模块（32），该电力可再生能量模块（32）例如是电力光伏元件（36），

尤其受例如阳光辐射强度或者工作温度的外部工作参数影响的电力可再生能量模块（32）具有可调整的最大功率点（MPP）。

3.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的能量供应系统（1），其特征在于，

由中央控制器（40）通过参考天气数据、尤其是天气预报数据来控制所述能量供应系统（1）。

4.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的能量供应系统（1），其特征在于，

提供至少两个二级电力能源（20），所述至少两个二级电力能源（20）有助于不同优先级的电力负载（80）的供给，所述优先级由不同的界线参数确定，且所述一级电力能源（4）优选地无需主动的电压转换而切换至所述直流电压总线（8）。

5.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的能量供应系统（1），其特征在于，

在所述能源供应系统（1）中只有所述一级电力能源（4）无需电压转换元件（48）而连接。

6.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的能量供应系统（1），其特征在于，

二级能源（20）的单个电压连接（52）在所述直流电压总线（8）上提供叠加的电压（U₌）。

7.根据权利要求5或6中任一项权利要求所述的能量供应系统（1），其特征在于，

作为中间存储设备（56）的所述二级电力能源（20）从所述直流电压总线（8）中获取至少部分电能，以提供通过所述电压转换元件（48）连接的所述电力负载（80）所需的电能。

8.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的能量供应系统（1），其特征在于，

所调节的最大功率点是连接到所述直流电压总线（8）的所有的所述一级电力能源（4）的总功率点（gMPP），其中特别地所述一级电力能源（4）各自的单个最大功率点（MPP）与所述总功率点（gMPP）不同。

9.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的能量供应系统（1），其特征在于，

所述一级电力能源（4）中的至少一个一级电力能源（4）是具有多个光电池（64）的光伏模块（60），为了具有较大的电流或者较大的电压，所述多个光电池（64）相互有线连接，且所述二级电力能源（20）中的一个二级电力能源（20）优选为另一个传递可再生电能的电气设备（68）。

10.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的能量供应系统（1），其特征在于，

所有的所述一级电力能源（4）在将被连接的负载（80）的额定电压（U_N）周围的电压窗口内工作。

11.根据权利要求10所述的能量供应系统（1），其特征在于，

所述电压窗口由风力发电机（73）处的经调整的电压的输出电压的电压宽度所确定。

12.根据前述权利要求1-9中任一项权利要求所述的能量供应系统（1），其特征在于，

所述能量供应系统（1）的二级电力能源（20）为连接至所述电力供应网络（76）的交流电压直流电压转换器（28）。

13.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的能量供应系统（1），其特征在于，

所述能量供应系统（1）提供能量至二级电力负载（44），其中当供给到所述一级电力负载（44）的能量过剩时，才使得该提供的能量可用于所述二级电力负载（44）。

14.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的能量供应系统（1），其特征在于，

所述能量供应系统（1）包括诸如燃料电池系统（24）的所述二级电压源（20）和作为二级电力负载（44）的电解池（72），其中优选地将所述二级电力负载（44）和所述二级电压源（20）组合以形成氢能量系统。

15.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的能量供应系统（1），其特征在于，

所述至少一个一级电力负载（80）和所述至少一个二级电力负载（44）能够连接至所述直流电压总线（8）而无需被提供用来供给所述负载（44，80）的有效电压调整。

16.一种用于操作特别是根据前述权利要求中任一项权利要求所述的能量供应系统（1）的方法，

该能量供应系统（1）具有至少一个一级电力能源（4），该一级电力能源（4）诸如光伏元件（36）；和

该能量供应系统（1）具有至少一个具有直流电压输出端（84）的二级电力能源（20）；

其特征在于，

通过单个MPPT方法针对所有连接至公共直流电压总线（8）的一级电力能源（4）设置最大功率点MPP，由此针对所有连接至所述直流电压总线（8）的一级电力能源（4）设置公共最大功率点（gMPP）。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，

根据优先级列表，所述负载（44，80，88）被连接和被去连接，以与所述负载（44，80，88）作为一级、二级和三级电力负载（44，80，88）的特性一致。