CN102918746A - 用于对光生伏打设备中的子模块的电流产生进行控制的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对具有至少一个接入到光生伏打设备的子模块的光生伏打设备中的电流产生进行控制的方法。该方法的特征在于，在接通开关状态和旁路开关状态之间以转换时间时钟进行交替地切换子模块，其中子模块在接通开关状态情况下被接线到光生伏打设备并且在旁路开关状态下被跨接。在旁路开关状态期间测量光生伏打设备的总电流强度并且中间存储由此确定的额定值。在接通开关状态期间测量子模块电流强度并且与额定值进行比较，其中在子模块电流强度下降到额定值之下时，实施子模块到旁路开关状态的与转换时间时钟无关地进行的复位。

Description

用于对光生伏打设备中的子模块的电流产生进行控制的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于根据权利要求1的前序部分所述的用于对光生伏打设备（Photovoltaikanlage）中的子模块的电流产生进行控制的方法以及根据权利要求6的这种设备。

背景技术

从现有技术中已知的太阳能模块由大量单个太阳能电池组成，其又被概括成一系列子模块。这些子模块多次地也称为子串。它们在功能上是太阳能模块的产生能量的最小单元。为了对子串接线，通常动用接线盒。该部件建立在子串内所连接的太阳能电池相互间以及到其他模块和/或到逆变器的连接。接线盒通常包含由所谓的旁路二极管组成的插入在子串的机械连接器之间的电路。这些旁路二极管当在整个太阳能模块中产生的太阳能电流高于在相应的子串中产生的太阳能电流的情况下跨接子串。每当子串被遮阴时，如这例如由于所沉积的脏物、飘来的叶子或者相邻的对象、尤其是烟囱的与白天时间有关的暗影而情况如此，通常出现该情况。在接线情况下，分配给相应的子串的旁路二极管变得能导通，由此子串被跨接，从而不再贡献于电流产生。由此预防通过被遮阴的电池引起的电流限制，但是在子串中最小地产生的太阳能通过以下方式保持不被使用，即太阳能模块由此总地不产生原本可以被产生的功率。

发明内容

根据本发明，设置用于在具有至少一个接入到光生伏打设备中的子模块的光生伏打设备中对电流产生进行控制的方法和设备。

本发明方法的特征在于以下步骤：

实施子模块在接通开关状态和旁路开关状态之间以转换时间时钟进行的交替的切换。在此，子模块在接通开关状态中被接入到光生伏打设备中并且贡献于太阳能电流产生，而所述子模块在旁路开关状态中被跨接。

在旁路开关状态期间光生伏打设备的总电流强度被测量并且作为额定值被中间存储。在接通开关状态期间测量子模块电流强度并且与额定值进行比较。在子模块电流强度下降到额定值之下时，实施子模块到旁路开关状态的与转换时间时钟无关地进行的复位。

该方法流程的特征然后在于两个转换过程。在利用首先固定的转换时间时钟实施的第一转换过程期间，子模块以时间上首先固定的间隔交替地被置于第一开关状态，其中所述子模块被接入到光生伏打设备中。在以固定的转换时间时钟进行的第二开关状态中，子模块被跨接并且由此从光生伏打设备的结合体（Verband）中在电路技术上分开。在跨接时间间隔期间，测量在总系统中对于未遮阴的太阳能模块可能的电流强度。该电流强度用作额定值，其被中间存储。在转换到接通开关状态之后，然后作为子模块电流强度测量通过子模块提供的电流强度并且与先前确定的额定值进行比较。

该第一转换过程从而生成询问和比较进程，其中一方面总地测量总系统的电流强度并且另一方面测量子模块的电流强度并且将两个值持续地交替地相互比较。清楚的是，用于旁路开关状态的时间间隔相比于子模块处于接通开关状态的时间间隔可能小。

此外，除了第一转换过程还成立第二转换过程。该第二转换过程称为子模块的复位。在该第二转换过程时，每当子模块的强度下降到额定值的值之下时，子模块被置于旁路开关状态。由此，将暂时以功率减小的方式工作的子模块在电路技术上从光生伏打设备的结合体中松开。但是在实施第二转换过程期间，第一转换过程继续运行。这意味着，一方面持续地确定新的额定值并且另一方面最迟在第一转换过程的过程中子模块再次被置于接通开关状态时，第二转换过程再次被取消。

由此，实现由额定值设置、额定实际比较和在通过子模块实现的功率与在整个光生伏打设备中生产的功率之间的比较和从而在光生伏打设备的部分与子模块之间的功率匹配组成的方法技术单元。

在一种适宜的实施方式中，在切换时刻实施复位，所述切换时刻与在额定值和子模块电流强度之间的偏差的大小有关。通过该扩展方案考虑，在子模块的电流的实际值和额定值之间的小偏差经常仅是短时地和暂时地出现，使得不强制地需要子模块到旁路开关状态的复位。如果偏差已经在开关时刻之前再次消失，则不发生复位。

在一种适宜的实施方式中，复位的切换时刻由接通到子模块的电容器的放电特性影响。较小的偏差导致电容器的缓慢的放电，较大的偏差导致电容器的较快的放电和与此相应地导致较晚的或较早的切换时刻。

在另一实施方式中，转换时间时钟本身可变地被实施。尤其是，该转换时间时钟具有与子模块电流强度有关的值。在此，转换时间时钟或切换频率或同义的从而每时间单位转换脉冲的数量随着子模块电流强度减小而增长。

该实施方式一方面考虑提供恒定地高子模块电流强度的子模块不必比在其中子模块电流强度比较低或变换的子模块更频繁地被设置到旁路开关状态中的情景。在第一情况下，开关状态的变化有倾向地是不利的，因为恒定地工作的子模块必须被分开，在第二情况下这是有利的，因为子模块相对快地再次在跨接之后被接通到光生伏打设备的电路结合体中。

当然，转换时间时钟可以在外部通过接口任意地可调整地来设计。这尤其是涉及为了维护和修理目的或者在危险或火灾情况下强制地将子模块设置成旁路开关状态。

为此，用于强制控制的接口可以与通信单元连接，所述通信单元在危险情况和/或维护情况下将至少一个子模块置于旁路开关状态。

此外，作为另一扩展方法可以规定，为了传输，可将至少一个子模块经由用于强制控制的接口置于旁路开关状态。通过该传输保险能够将子模块在定义的状态下无危险地安装在安装地点并且投入运行。

根据本发明，为了对具有至少一个接入到光生伏打设备的子模块的光生伏打设备中的能量产生进行控制，设置控制电路，其具有用于测量由子模块产生的电流强度的第一电流测量装置、用于测量在光生伏打设备中产生的电流强度的第二电流测量装置、用于设置子模块为接通开关状态或旁路开关状态的转换器和调节转换器的定时器单元或者另外的主导参量。

符合目的地，子模块具有并联的电容器。在一种实施方式中，定时器单元或影响复位脉冲的其他主导参量此外具有由子模块和/或光生伏打设备馈电的计时器电容器。由此，定时器单元的时间时钟可以直接从子模块和/或光生伏打设备的运行状态导出和通过其确定。

在一种实施方式中，作为电流测量装置设置布置在测量分路器中的开关晶体管的装置或者可以使用晶体管本身的体电阻作为分路器。符合目的地，控制电路具有用于实施子模块到接通开关状态或旁路开关状态的强制转换的接口。

附图说明

控制设备和本发明方法下面应该根据实施例更详细地被阐述。应该注意的是，附图仅具有描述特性并且不被认为以任何形式限制本发明。其中：

图1示出具有子模块和所分配的控制电路的光生伏打设备的示例性示图，

图2以第一示例性实施例示出具有控制电路的子模块，

图3以另一示例性实施例示出具有控制电路的子模块，

图4示出用于在子模块中实施对太阳能电流产生的控制的示例性流程图，

图5以时间图示出在控制太阳能电流产生期间示例性切换过程的示图，

图6示出与遮蔽程度有关的示例性切换行为的示图。

具体实施方式

图1示出示例性光生伏打设备1。该光生伏打设备由一系列相互接线的子模块2组成，所述子模块分别由单个太阳能电池2a构建。在每个单个太阳能电池中以光生伏打方式产生的电压通过接线相加。结果从而每个单个子模块2在该子模块上产生电压并且最后贡献于在整个光生伏打设备上的总电压。

各个子模块在该结构情况下用作最小功能单元并且由控制电路3操控。控制电路监控由每个单个太阳能模块产生的电太阳能电流的电流强度。一旦在一个或多个太阳能模块中太阳能电流的电流强度尤其是由于遮蔽下降到确定的值之下，相应的子模块就通过控制电路被跨接，使得其内阻不消极地作用于整个光生伏打设备。

下面，根据由子模块和用于该子模块的控制电路组成的装置来阐述控制电路的作用方式。在由多个子模块构建的光生伏打设备情况下，或者给每个单个子模块分配自己的控制电路，或者按目的也可以使多个子模块与一个控制电路逻辑连接。

图2以第一示例性实施例示出具有控制电路3的子模块2的切换图的示例性示图。这里所示的子模块由由多个单个太阳能电池2a组成的装置组成。控制电路包含具有电流测量器4a和4b的电流测量装置4、转换器5以及定时器单元7，其中所述转换器5被施加转换脉冲6。

转换器5用于输入耦合和输出耦合子模块。该转换器可以或者采用接通（on）开关状态或旁路开关状态。在接通开关状态情况下，子模块被接入到光生伏打设备的总系统中。在光生伏打装置内的系统电流流动在此经过子模块的太阳能电池2a，所述太阳能电池贡献其太阳能电流的部分。在旁路开关状态情况下，子模块被跨接并且从而从光生伏打设备的接线中被输出耦合。总电流流动在这种情况下经由跨接子模块的电流路径5a引导。

通过该装置产生的或者流经该装置的太阳能电流由电流测量装置4检测。在此，第一电流测量器4a在接通电路状态期间测量通过子模块实现的电流强度I1并且第二电流测量器4b在旁路电路状态期间测量在整个光生伏打设备内实现的电流强度I2。在这里未示出的采样保持电路中对两个值进行相互比较。

定时器单元7给转换器5施加转换脉冲6。在这样的情况下，转换器5的开关状态从接通开关状态变换成旁路开关状态或者从旁路开关状态变换回接通开关状态。子模块由此或者被跨接并且从光生伏打设备的总系统中脱离或者被集成到光生伏打设备的电路中。

该切换过程由电容器8影响。该电容器与子模块2并联并且在子模块运行期间充电。在遮蔽子模块情况下，电容器8发生放电。在电流测量器4a处所记录的电流强度I1由此以通过电容器的放电电流决定的时间常数下降，使得电流强度I1在一定的延迟之后下降到预先给定的阈值之下。电容器8从而引起转换器5从接通开关状态到旁路开关状态的延迟转换。

在此情况下重要的是，该转换过程的延迟取决于电容器的充电状态和子模块2的功率。在仅短时地或弱地遮蔽子模块2的情况下，电容器8以相对大的时间常数发出放电电流，使得电流强度I1在比较长的持续时间之后才下降到给定的阈值之下。在这样的情况下，到旁路开关状态的转换以大的延迟开始或者也可以不发生。由此仅弱地被遮蔽的子模块不从总电路被输出耦合，其中电容器用作暂时的能量存储器。

在强烈遮蔽、尤其是完全遮暗子模块的情况下，以相对小的时间常数发生电容器的放电。电容器快速放电，电流强度I1从而相应地快速地下降到预先给定的阈值之下并且从而在比较短的时间间隔之后进行到旁路开关状态的转换。由此，完全遮暗的和对于能量产生现在无用的子模块快速地被跨接。

切换回接通开关状态通过定时器单元的重新的转换脉冲实现。

为此，定时器单元具有时间时钟，其在转换到旁路开关状态之后引起转换器到接通开关状态的周期性转换。在图2中所示的实施例中，为此设置计时器电容器9。该计时器电容器通过其放电触发重新的转换脉冲的释放并且从而触发转换器5在接通开关状态和旁路开关状态之间的交替变换。

只要计时器电容器通过子模块或光生伏打设备馈电，则其触发功能直接与子模块或光生伏打设备的当前能量产生相耦合。从而可以在通过从光生伏打设备或子模块的太阳能电流中导出的时间之后将转换器转换到相应的其他位置。

图3以另一示例性实施例示出具有控制电路3的子模块。在这里存在的例子中，控制电路单片地和集成地被实施。控制电路为此具有集成定时器单元7。为了测量电流强度I1和I2，在这里存在的例子中设置两个开关晶体管。在每个开关晶体管情况下给出的在漏极和源极之间的导通电阻在此情况下用作用于开关逻辑的测量分路器11。测量分路器由两个分路器11a和11b组成。在分路器的欧姆电阻上分别下降的电压V1和V2在相应的接通或旁路开关状态下被询问并且被换算成电流强度值I1和I2。在此，定时器预先给定内部预先给定的转换时刻并且从而预先给定用于重新测量的时间时钟。即使在这里存在的例子情况下，子模块也通过电容器8缓冲，使得以所述的方式在由电容器的放电确定的被延迟的时刻进行子模块到被跨接的状态的过渡。

图4示出太阳能电流产生的控制的示例性流程图。该流程图包含两个相互衔接的环形实施的方法流程。

第一方法流程涉及光生伏打设备中的连续的额定值更新。该第一方法流程以复位步骤12开始，其中转换信号被输出给转换器。转换器然后在切换步骤13被切换到旁路开关状态。接着，在步骤14中测量系统电流I2的值并且在步骤15中存储在控制电路的采样保持（S/H）级中。采样保持级可以以内部存储器的形式或者例如作为集成电容上的模拟电压被构造。

第二方法流程通过连续地测量由子模块产生的电流强度I1和不断地将在此确定的值与系统电流I2的在采样保持级中所存储的值相比较构成。为此进行切换过程16，其中转换器被转换到接通开关状态。之后在测量步骤17中测量由子模块产生的电流强度I1。同时检验，电流强度I1是否下降到了通过值I2或相应地遵循其的阈值之下。

定时器单元在此以固定的转换时钟T产生在接通和旁路开关状态之间的交替切换，使得两个所述的方法流程交替地被实施。该交替地切换按目的地如此被设计，使得设置脉冲将转换器切换到旁路开关位置并且随后的复位脉冲将转换器又置于接通开关位置，使得在复位脉冲之后，转换器总是处于接通开关位置。

在此，接通开关状态在任何时候都可以被打破。一旦与测量步骤17逻辑连接的判决步骤18用信号通知：电流强度I1下降到通过值I2设置的或者遵循值I2的阈值之下，则情况如此。在此，转换器通过重新实施步骤13被切换到旁路开关状态并且子模块被从电路分开。子模块于是自给自足地工作并且电容器8通过在子模块中继续产生的太阳能再次充电。

最晚在定时器单元向转换器输出重新的转换脉冲时，该旁路开关状态再次被结束，使得复位步骤12和随后从而方法步骤16、17和18重新被执行。

图5示出在根据时间图控制太阳能电流产生期间示例性切换过程的示图。该图表一方面包含通过定时器单元7输出的转换脉冲T1，T2和T3的序列的表示。这些转换脉冲在转换时钟T内相继。其下示出电流强度I1的时间变化曲线。

在第一转换脉冲T1期间，电流I1相应于系统电流I2。在第二复位脉冲的时刻T2发生遮阴，其使子模块的电流减少到系统电流的例如70%。在此，电流I1在时刻t_I1<阈与这里所说明的阈值I_阈相差电流I2的例如80%。该差异释放转换脉冲U。从该时刻起，子模块被跨接。继续在子模块中运行的太阳能电流产生又沿着虚线I_L对电容器8充电。在第三复位脉冲T3的时刻，转换器又被置于接通开关状态并且电容器重新放电。因为在这里存在的情况下遮暗子模块仍又不是被克服的，所以重新的转换脉冲U被释放并且所述的过程重复。在此，在被跨接的子模块中，持续的电流被产生，被收集在电容器中并且在时刻T1和T2之后被发给系统。

图6根据图表示出示例性的与遮蔽程度有关的切换行为的示图。如果通过子模块产生的太阳能明显地低于总系统的太阳能，这在强烈遮阴的情况下如此，则子模块电流I1非常快速地下降到通过系统电流I2定义的值I_阈之下，并且转换器已经在时刻t₁切换到旁路开关状态。而如果存在仅弱的遮阴，则电容器由于较高的终值而显著较慢地放电，使得开关明显较晚地在时刻t₂或t₃转换到旁路开关状态。子模块由此对总能量获得提供巨大的贡献。

但是，定时器单元的时间控制、也即时间时钟T也可以变化并且随着子模块的运行被反馈。在此，首先固定的时间时钟T被改变，使得复位脉冲更快地或更慢地相继。该时间控制有利地通过子模块本身预先给定并且如此被调整，使得该时间控制随着遮阴增加、也即根据电流I1的下降在较短时间推迟。

该扩展方案提供优点：具有分别所分配的开关设备的在总系统中串联的子模块在多于一个的开关周期上不相互影响。也就是说，两个或多个开关设备同时地过渡到旁路开关状态和从而在理路上在极端情况下所有子模块可以被跨接的概率是可忽略的。

另一优点在于，在较小的太阳辐照情况下，在子模块的固有电容器的意义上电池电容也变小并且从而在变短的太阳能电流的情况下电容器较快速地放电并且也能够再次被充电。

另一扩展方案在于使用太阳能电池2a的固有电容。Pn结的该也公知为二极管电容的电容与照明有关并且在240 cm²面积的大功率太阳能电池情况下，在无照明情况下可以达到直至10μF的值并且在全照明（1000W/m²）情况下达到1000μF。因为该电容分别与表示太阳能电池的电流源并联，所以可以近似地使用子串的相同数量级的总电容。因此可以在一种有利的实施方式中放弃如例如在图2中所示的分离的外部电容器。

为了优化效率，基本上适用的是，转换脉冲和从而相应地另外的比较电流的测量仅允许占用极短的时间。这是明显的，因为在无遮阴的子模块的情况下对于比较所需要的测量（和从而子模块的短路）减小了可实现的收益。但是如果从用于该转换的100μs测量时间（当在全照射情况下极高地使用的电容器大小为1000μF和R_DSon为100mOhm时）和在全照射的情况下1s保持时间（直至下一复位的时间）出发，则获得100ppm或0.01%的效率损失。但是为此必须额外计算在图3中所示的测量分路器上的损失。在额定电流为8A的情况下，从而在能量开关上下降800mW（在对于每个具有240W额定功率的模块装配3个能量开关的情况下从而得出通过复位脉冲引起的功率损失3×24 mW=72 mW和通过串联的功率晶体管引起的3×8 mW=2.4W）总地也即每太阳能模块大约3W。

在太阳辐照较小情况下，电池电容减少到原来的大约1/100,使得在156mm太阳能电池的情况下可以预期大约10μF的电池电容。从而测量时间减小到1μs。由于但是于是有意义地较短的复位间隔，效率损失同样推迟。有意义的假设这里可以处于1ms，使得在未遮阴的运行中总是还能够实现99.9%的效率，扣除通过功率晶体管引起的再次大约为1%的成比例地较小的损失。

近似地，通过使用这里所述的设备以及该方法的实施因此在未遮阴的状态下损失太阳能电流的大约1%。但是在遮阴情况下成比例的收益与此相对。为此所需要的电路技术耗费明显低于具有集成DC/DC转换器的已知基于模块的MPP跟踪器。

为了功率估计，例如可以采用功率晶体管（FET），其在最大导通电流为16A和最大开关电压为16A的情况下具有在漏极和源极R_DSon之间100mOhm的欧姆电阻。接通电阻例如到10mOhm上的优化将功率损失减小到例如不足0.32瓦特并且从而明显低于0.2%。换句话说：这里所示的方法与未遮阴的子模块的功率相比确保效率99.8%。但是在遮阴情况下子模块的有效功率收益与该小的效率丧失相对。

通过使用将转换器强制地转变成旁路开关状态的通信接口可以将子模块和随后整个光生伏打设备切换成无电流的并且甚至切换成模块的短路。这种开关位置下面称为“禁用的”。例如在变为必要的模块更换期间子模块在白天必须被拆开或者例如在火灾情况下设备必须被切换成无电流的、以便例如打开顶盖用于制止火灾时，这可能是有意义的。

通信的可能方案在此可以是单独的控制线路，其连接到所有子模块上。同样，可以使用电力线方案，其中信号经由太阳能电流线路被发送或者使用关于已知高频通信协议（Zigbee，W-LAN等）的无线方案。如果使用电力线方案，则例如“使能”信号的施加可能强制地对于模块的在图3中所示的正常运行方式是必要的。在此，需要未受损的太阳能电流线路用于传输该使能信号。如果在故障情况下产生电弧，则在此出现的干扰谱这样干扰该使能信号，使得通信组件不再识别该信号并且切换到“禁用”模式。因此电弧识别和自动消光也通过在电路中调低电压（通过“断开”子模块）直至消除电弧为止给出。

在技术人员的处理范围中得出这里仅仅示例性描述的方法和设备的其他扩展方案和实施方式。其他实施方式从从属权利要求得出。

Claims (14)

1. 用于对具有至少一个接入到光生伏打设备的子模块的光生伏打设备中的电流产生进行控制的方法，其特征在于，

在接通开关状态和旁路开关状态之间以转换时间时钟（T）进行交替地切换子模块，其中所述子模块在接通开关状态情况下被接线到光生伏打设备并且在旁路开关状态下被跨接，其中

-在旁路开关状态期间测量光生伏打设备的总电流强度（I2）并且中间存储由此确定的额定值（I_阈）并且在接通开关状态期间测量子模块电流强度（I1）并且与额定值进行比较，其中

-在子模块电流强度（I1）下降到该额定值之下时，实施子模块到旁路开关状态的与转换时间时钟（T）无关地进行的复位（Z）。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该复位（Z）在切换时刻（t1,t2,t3）处实施，所述切换时刻与在额定值（I2）和子模块电流强度（I1）之间的偏差（ΔI）的大小有关。

3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该复位（U）的切换时刻（t1,t2,t3）由接通子模块的电容器的放电特性影响。

4. 根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，该复位（U）的切换时刻（t1,t2,t3）由子模块的太阳能电池的至少一个固有的与照明有关的电容的放电特性影响。

5. 根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，该转换时间时钟（T）具有与子模块电流强度（I1）有关的值。

6. 根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，该转换时间时钟（T）在外部通过接口任意地可调整。

7. 用于对具有至少一个接入到光生伏打设备的子模块的光生伏打设备中的能量产生进行控制的设备，

包含具有用于测量由子模块（2）产生的电流强度的第一电流测量装置（4a）、用于测量在光生伏打设备中产生的电流强度的第二电流测量装置（4b）、用于设置子模块为接通开关状态或旁路开关状态的转换器（5）和调节转换器的定时器单元（7）的控制电路（3）。

8. 根据权利要求7所述的设备，其特征在于，该子模块（2）具有以并联电容器（8）为形式的能量存储器。

9. 根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于，该子模块具有以太阳能电池（2a）的固有二极管电容为形式的能量存储器。

10. 根据权利要求7至9之一所述的设备，其特征在于，定时器单元（7）具有由子模块和/或光生伏打设备馈电的计时器电容器（9）。

11. 根据权利要求7至10之一所述的设备，其特征在于，作为电流测量装置（4a，4b）设置布置在测量分路器（11）中的开关晶体管（11a，11b）的装置。

12. 根据权利要求7至11之一所述的设备，其特征在于，所述控制电路具有用于实施子模块到接通开关状态或旁路开关状态的强制转换的接口。

13. 根据权利要求7至11之一所述的设备，其特征在于，用于强制控制的接口与通信单元连接，所述通信单元在危险情况和/或维护情况下将至少一个子模块置于旁路开关状态。

14. 根据权利要求7至11之一所述的设备，其特征在于，为了传输，可将至少一个子模块经由用于强制控制的接口置于旁路开关状态。

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