CN103081269A - 光伏设备的单个光伏模块的控制方法和控制设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种方法，根据该方法可以将处于危险状态的PV-设备的光伏模块（PV模块）调到安全状态。借助若干个分别对应于PV模块的控制单元（3）测量每个PV模块（1）的电压曲线和/或电流。一旦PV模块（1）的电压从驱动电压升高到了空载电压或者电压从空载电压降低到驱动电压，或串列（2）的电流降低到参考值之下，那么将激活相关的PV模块（1）的控制单元（3）。在控制单元（3）的激活状态下，或者是PV模块（1）的至少一个连接端（1.1、1.2）从串列（2）断开，这里存在的至少一个断开点通过并联的电容（22）保持接通，或者是将低阻抗负载（17）脉冲地并联接通到PV模块（1）上。
Description
技术领域
本发明涉及一种方法，根据该方法可以借助控制单元的对应的控制设备将处于危险状态或者工作状态的PV-设备的光伏模块（PV模块）调到安全状态，而不对PV模块或者整流器造成损坏。当所有PV模块都配备有这样的控制单元，那么在危险状态下的PV发电机（PV设备）在每一点都可以调为对人体安全的状态。控制设备使用PV设备中已有的电缆，因此在PV模块装配过程中就不需要额外的付出。
背景技术
由现有技术已知一种设备，借助该设备PV设备可以自动地调到对人体安全的状态。
由DE102005017835B3已知一种具有温控开关的光伏发电机，其对温度升高做出反应并且使PV模块短路。
该光伏发电机具有这样的缺点，温控开关（其不必一直出现在火灾中）只有在其周围的温度升高时才被触发，而一旦温度降低（例如有消防用水时）温控开关就再次断开。从外部既不能看出模块是否断电，也不能手动地使设备断电。
在DE102008052037B3中描述了一种太阳能模块，该模块中借助外设的压力-控制线路和机械压力-激发器将多个太阳能电池低电阻桥接。
外设的压力-控制线路和机械压力-促动器由于其移动的部分是相对脆弱的。对于太阳能模块PV模块是静态短路连接的，这样单个PV模块和整流器就可能受到破坏。此外还不利的是，除了太阳能设备的电缆还需要额外的控制线路。
发明内容
本发明的目的是，提供一种方法，根据该方法可以将处于危险状态（例如火灾）或者工作状态的PV-设备的光伏模块调到安全状态，而不对PV模块或者整流器造成损坏。控制设备应该只通过PV设备中已有的电缆连接。
本发明的目的通过权利要求1和7的特征实现。本发明的其它有利的设计和应用形式由权利要求2至6和8至11给出。
根据本发明的启示，为了控制PV设备的至少一个串列，优选每一串列（由多个这种PV模块构成）中的单个PV模块，在每一个（待控制的）PV模块上都安装一个单独的控制单元。这些控制单元监测其对应的PV模块的电压曲线和/或电流。
如果对电压曲线进行监测，而且发现PV模块的电压从驱动电压升高到了空载电压（或者电压从空载电压降低到驱动电压），那么将激活相关的PV模块的控制单元（即控制单元采取各个措施，如下所述）。其中短时的、安全的电压峰值（或者电压低谷）不会导致控制单元的激活，只有在PV模块的电压升高或者降低超过一个预先设定的边界值超过一段时间后，控制单元才激活。
如果控制单元监测的是流过PV模块的电流，那么一旦电流下降到参考值（例如100mA）以下，控制单元激活。
在第一种变体中，当控制单元激活后，PV模块至少在其一个接入端与所属的串列断开。由此生成的至少一个断开点与一个电容并联，即，PV模块在断开之后还通过电容彼此相连。通过整个串列的直流电流被阻断，交流电流（和脉冲形式的直流信号）还继续流通。
在第二种变体中，PV模块与低阻抗负载脉冲地并联接通，即，低阻抗电阻交替地以一定时间与PV模块并联然后再断开。通过脉冲的并联接通，PV模块的有效电压（时域上的平均值）降低。
为了避免，PV设备的整流器或者至少一个PV模块受到电流峰值的破坏，在低阻抗负载的接通期间这样变化脉冲周期，即，负载与PV模块并联接通的时间平均值始终呈上升趋势并且最终达到一个恒定值。在低阻抗负载断开时，相应的平均值始终下降并且最终达到零。
在第二变体的一个有利实施例中这样选择脉冲周期，控制单元含有的微控制器的最小可靠运行电压正好由PV模块的有效电压（剩余电压）提供。
当一个串列中的所有控制单元都激活时（在第一变体中通过相应PV模块从该串列的断开，在第二变体通过低阻抗负载的脉冲形式的并联接通），至少一个串列的总电压降低到对人体安全的安全值。
为了再次将PV设备激活运行（通过将所有激活的控制单元复位），一旦控制单元被激活马上将负载脉冲地并联接通到PV模块上，并且在对应于至少一个PV模块的微控制器的脉冲并联接通过程中向该微控制器提供至少其最小运行电压，该控制器至少使一个串列短路约2秒钟。微控制器的运行电压断开约2秒后微控制器将重置（重新启动）。
作为替代，可以将负载与至少一个PV模块脉冲地并联接通并且向对应于该至少一个PV模块的微控制器提供其最小驱动电压或者PV模块在至少一侧从串列中断开（第一或第二种变体），而将至少一个串列的所有已经激活的控制单元复位，将一个电脉冲或者一个电脉冲序列输送到至少一个串列的管线中。这样对控制单元中的微控制器进行编程，其能够识别电脉冲或者电脉冲序列并且将已经激活的控制单元复位。
根据本发明的控制设备包含若干个控制单元，这些控制单元与各自的PV模块相连。优选地，PV设备的每个PV模块设有一个控制单元。
若干个控制单元分别含有至少一个用于采集PV模块的电压曲线（或者流过PV模块的电流）的测量设备、一个用于监测PV模块的电压曲线（或者流过PV模块的电流）的微控制器以及或者至少一个用于将对应于控制单元的PV模块的至少一侧从串列断开的模块断开开关，或者一个用于将低阻抗负载脉冲地并联接通到所属的PV模块上的线路。
用于采集流过PV模块的电流的测量设备包含例如一个低阻抗分流电阻（其串联在具有微控制器的PV模块和同一串列的相邻PV模块之间）；一个运算放大器（通过其对分流电阻两端的电压进行检测、放大并且将该电压值与电压参考值进行比较）；和一个温度补偿线路（其为运算放大器提供取决于温度的电压参考值）。
控制单元（其在激活状态脉冲地将低阻抗负载与对应的PV模块并联接通）具有一个开关（电气的、机械的或者两种方式组合的）和一个电阻（低阻抗负载）用于限流，其中开关和电阻串联接通。电阻和开关的串联电路与所述的PV模块并联接通。
控制单元通常集成在PV模块的连接箱中，并且装配在连接箱上或者直接位于连接箱附近。
为了可以快速判断哪一串列处于安全的运行状态中（总电压对人安全），设置控制单元具有LEDs，其在控制单元激活的情况下闪烁。
控制单元能够廉价地制造，因为其能够以标准的电子部件实现并且除了在太阳能设备中已经存在的线缆不需要额外的控制线路。
特别有利的是，控制单元可以与PV设备的监测设备连接地运行；该监测设备具有供电设备、电流传感器（其采集通过至少一个串列的电流）、含有电容-电压转换器的发电机（其用于盗窃检测）、微控制器（其用于确定电流传感器传递的电流值和电容-电压转换器传递的电压值）、去耦元件（其用于将至少一串列至少与整流器的电容分离）、控制设备的控制单元的复位设备、警报-重置设备和具有电流阻断的交接点（其用于将警报转达到外部警报中心）。
附图说明
下面借助两个实施例详细地阐明本发明，框图中示出：
图1：含有控制设备和监测设备的光伏设备，
图2：监测设备，
图3：三个控制单元的串联电路，这三个控制单元在激活状态下脉冲地连接PV模块，
图4：三个控制单元的串联电路，这三个控制单元在激活状态下将PV模块从串列断开。
附图标记说明
1 PV模块
1.1 接线柱
1.2 接线柱
2 串列
3 控制单元
4 整流器
5 监测设备
6 去耦元件
7 供电部件
8 微控制器（监测设备）
9 含有电容-电压转换器的发电机
10 电流传感器
11 具有电流阻断的警报信号-交接点
12 警报中心
13 发光二极管
14 微控制器（控制单元）
15 变压器
16 开关
17 负载
18 分压器
18.1 电阻
18.2 电阻
19 重置-信号-警报
20 控制单元的复位设备
21 模块断开开关
22 电容器
23 固定载荷电阻
24 分流电阻
25 运算放大器
26 温度传感器/温度补偿电路
具体实施方式
图1中示出了PV设备，其中若干个PV模块1串并联成串列2，为了实现根据本发明的方法，在每个PV模块1处都并联一个控制单元3。PV模块产生的直流电压通过PV设备的整流器4转换成网络电压。整流器和串列2之间接入监测设备5，其对PV设备的盗窃和电弧形成现象（电压监测）进行监测。若干个控制单元3共同形成根据本发明的控制设备。
图2中所示出的监测设备5以交流电压驱动，其中连接上的串列2的线缆通过去耦元件6（其用于电容分离）连接到整流器4。交流电压通过供电部件转换成低电压。该低电压向微控制器8（监测微控制器）、含有电容-电压转换器的发电机9、电流传感器10以及发光二级管13供电。微控制器8采集含有电容-电压转换器的发电机9和电流传感器10的输出信号。在连接上的串列2中出现反向电流或者电弧时，电流传感器10发出特异的电压曲线，该电压曲线是由微控制器8采集并且（作为故障信号）识别的。该电流传感器接着打开去耦元件6和/或其向警报信号-交接点11发送一个信号；该警告信号继续传递到警报中心12。此外故障通过监测设备5上的发光二极管13显示。
当使用断开开关作为去耦元件6时，在白天对由PV模块制造的电压的监测作用为盗窃监测；当电压降到确定的太阳能最小电压时，PV模块1中比较可能发生盗窃事件。为了监测夜间的PV模块1的盗窃事件（或者在日间和夜间，当应用了串列二极管作为去耦元件的时候）含有电容-电压转换器的发电机9传送一个方波脉冲（电压脉冲）到串列2的线缆。由作为串列2对方波脉冲的电容反馈的电压信号可以确定，在串列2中是否有一个或者若干个PV模块1被断开，或者是否在有意的盗窃事件发生前实施将PV模块桥接的操作；去耦元件6作为电容分离器，因此整流器4中的电容器的电容量不能被测量。
图3中示出了三个PV模块1的串联电路，这三个PV模块分别具有一个控制单元3。这些控制单元3通过各个PV模块1采集流过各个PV模块的电流或者电压。三个PV模块1的第一个中，对应于第一个PV模块1的控制单元3具有虚线（点划线）的边框。
在控制单元3中安放有微控制器14（控制单元微控制器）、变压器15、开关16、负载17和分压器18。微控制器14通过变压器15（其通过PV模块1的接线柱1.1和1.2获得其输入电压）供电。只要PV模块1的电压高于驱动微控制器14所需电压，变压器15就能提供微控制器14的供电电压。微控制器通过分压器18（其由电阻18.1和18.2的串联线路构成）采集PV模块1的电压。一旦微控制器14采集的电压值高于某个电压值，微控制器14就给开关16发送一个信号。开关16就将负载17脉冲地并联接通到接线柱1.1和1.2上。因为负载17具有低阻抗电阻，流过电阻17的电流就会比较高，由此大幅降低接线柱1.1和1.2之间的电压。
一旦负载17接通，微控制器14就能确定负载17的压降。由负载17和分压器18的压降，微控制器14确定开关16接通的脉冲频率，以该频率变化能够使接线柱1.1和1.2之间的电压不低于微控制器14的变压器15的供电电压的最小值（确定的调整电路）。该运行状态一直保持，直到微控制器14复位且开关16不再受控制即断开。
电流测量设备由低阻抗分流电阻24（其串联在具有微控制器的PV模块1和同一串列2的相邻PV模块1之间）；运算放大器25（通过其对分流电阻24两端的电压进行检测、放大并且将该电压值与电压参考值进行比较）；和温度补偿电路26（其为运算放大器25提供取决于温度的电压参考值）组成。
图4中同样示出了具有三个PV模块1的串联电路（对应于第一个PV模块1的控制单元3以虚线标出），其中在故障情况下的串列2的总电压不再像前面的实施例中通过低阻抗负载17的脉冲并联接通，而是通过单个PV模块1从串列2的电气断开而降低到安全值（例如低于一个预先给定的值）。PV模块1彼此间的断开通过设计为半导体开关或者继电器的模块断开开关21实现。固定载荷电阻23对于驱动半导体开关是必须的。为了能够实现控制单元3的简单的复位，将电容22并联接通到模块断开开关21上（在模块断开开关21打开时，单个PV模块还分别通过电容22彼此相连），由此为了将控制单元3复位，可以通过PV设备中现有的电缆将交流电信号或者脉冲序列发送到控制单元3。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种控制PV设备的单个PV模块（1），优选控制所述PV设备的至少一个串列（2）中的每个单个PV模块（1）的方法，其中所述每个PV模块（1）都对应于一个控制单元（3），借助所述控制单元（3）测量每个PV模块（1）的电压曲线和/或电流，一旦所述PV模块（1）的电压从驱动电压升高到了空载电压或者电压从空载电压降低到驱动电压，或者所述串列（2）的电流降低到参考值之下，那么将激活对应于PV模块（1）的控制单元（3），其中在所述控制单元（3）的激活状态下，或者是所述PV模块（1）的至少一个连接端（1.1、1.2）从串列（2）断开，这里存在的至少一个断开点通过并联的电容（22）保持接通，或者是将低阻抗负载（17）脉冲地并联接通到所述PV模块（1）上，以此在控制单元的激活状态下，使得所述至少一个串列（2）的总电压降到对人体安全的值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将所述负载（17）并联接通到所述至少一个PV模块（1）时，这样变化脉冲周期，即，所述负载（17）与PV模块（1）接通的时间平均值持续上升并且最终达到一个恒定值，在所述负载（17）断开时，所述平均值持续下降并且最终达到零，由此避免了整流器（4）或者所述至少一个PV模块（1）受到电流峰值的冲击破坏。
3.根据权利要求1和2的任意一项所述的方法，其特征在于，在将所述负载（17）并联接通到所述至少一个PV模块（1）时，这样变化脉冲周期，即，包含有对应于所述至少一个PV模块（1）的控制单元（3）的微控制器（14）以至少与所述微控制器（14）相符的最小驱动电压供电。
4.根据权利要求1至3的任意一项所述的方法，其特征在于，一旦激活了所述控制单元（3），所述负载（17）就并联接通到所述PV模块（1），并且对应于所述至少一个PV模块（1）的微控制器（14）至少以其最小驱动电压供电，为了将所述至少一个串列（2）的所有已经激活的控制单元（3）都复位，使所述至少一个串列（2）短路约2秒。
5.根据权利要求1至3的任意一项所述的方法，其特征在于，当或者是将负载（17）脉冲地并联接通到所述PV模块（1）上并且向对应于所述至少一个PV模块（1）的微控制器（14）以其最小驱动电压供电，或者是所述PV模块（1）的至少一个连接端（1.1、1.2）从串列（2）断开时，为了将所述至少一个串列（2）的所有已经激活的控制单元（3）都复位，通过至少一个串列（2）的线缆发送一个电脉冲信号或者电脉冲序列，其中对应于所述至少一个PV模块（1）的控制单元（3）的微控制器（14）识别出电脉冲信号或者电脉冲序列并且将控制单元（3）重置。
Claims (11)
1.一种控制PV设备的单个PV模块（1），优选控制所述PV设备的至少一个串列（2）中的每个单个PV模块（1）的方法，其中所述每个PV模块（1）都对应于一个控制单元（3），借助所述控制单元（3）测量每个PV模块（1）的电压曲线和/或电流，一旦所述PV模块（1）的电压从驱动电压升高到了空载电压或者电压从空载电压降低到驱动电压，或者所述串列（2）的电流降低到参考值之下，那么将激活对应于PV模块（1）的控制单元（3），其中在所述控制单元（3）的激活状态下，或者是所述PV模块（1）的至少一个连接端（1.1、1.2）从串列（2）断开，这里存在的至少一个断开点通过并联的电容（22）保持接通，或者是将低阻抗负载（17）脉冲地并联接通到所述PV模块（1）上，以此在控制单元的激活状态下，使得所述至少一个串列（2）的总电压降到对人体安全的值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将所述负载（17）并联接通到所述至少一个PV模块（1）时，这样变化脉冲周期，即，所述负载（17）与PV模块（1）接通的时间平均值持续上升并且最终达到一个恒定值，在所述负载（17）断开时，所述平均值持续下降并且最终达到零，由此避免了整流器（4）或者所述至少一个PV模块（1）受到电流峰值的冲击破坏。
3.根据权利要求1和2的任意一项所述的方法，其特征在于，在将所述负载（17）并联接通到所述至少一个PV模块（1）时，这样变化脉冲周期，即，包含有对应于所述至少一个PV模块（1）的控制单元（3）的微控制器（14）以至少与所述微控制器（14）相符的最小驱动电压供电。
4.根据权利要求1至3的任意一项所述的方法，其特征在于，一旦激活了所述控制单元（3），所述负载（17）就并联接通到所述PV模块（1），并且对应于所述至少一个PV模块（1）的微控制器（14）至少以其最小驱动电压供电，为了将所述至少一个串列（2）的所有已经激活的控制单元（3）都复位，使所述至少一个串列（2）短路约2秒。
5.根据权利要求1至3的任意一项所述的方法，其特征在于，当或者是将负载（17）脉冲地并联接通到所述PV模块（1）上并且向对应于所述至少一个PV模块（1）的微控制器（14）以其最小驱动电压供电，或者是所述PV模块（1）的至少一个连接端（1.1、1.2）从串列（2）断开时，为了将所述至少一个串列（2）的所有已经激活的控制单元（3）都复位，通过至少一个串列（2）的线缆发送一个电脉冲信号或者电脉冲序列，其中对应于所述至少一个PV模块（1）的控制单元（3）的微控制器（14）识别出电脉冲信号或者电脉冲序列并且将控制单元（3）重置。
6.实施根据权利要求1所述的方法的控制设备，其特征在于，所述控制设备包含若干个控制单元（3），若干个控制单元分别与各个PV模块（1）相连，优选与PV设备的至少一个串列（2）的每个单独的PV模块（1）相连，其中控制单元（3）含有至少一个用于采集PV模块（1）的电压曲线和/或流过PV模块的电流的测量设备、一个用于监测PV模块（1）的电压曲线或流过PV模块的电流的微控制器（14）以及或者至少一个用于将对应于控制单元（3）的PV模块（1）的至少一侧（1.1、1.2）从所述的串列断开的模块断开开关（21），或者一个用于将低阻抗负载（17）脉冲地并联接通到所述对应于控制单元（3）的PV模块上（1）的线路。
7.根据权利要求6所述的控制设备，其特征在于，所述若干个控制单元（3）分别含有一个用于采集流过PV模块的电流的测量设备，所述测量设备包含一个串联在具有微控制器（14）的PV模块（1）和同一串列（2）的相邻PV模块（1）之间的低阻抗分流电阻（24）；一个运算放大器（25），通过其对分流电阻（24）两端的电压进行检测、放大并且将该电压值与电压参考值进行比较；和一个温度补偿电路（26），其为运算放大器（25）提供取决于温度的电压参考值。
8.根据权利要求6和7的任意一项所述的控制设备，其特征在于，所述若干个控制单元分别包含一个用于限流的、由开关（16）和电阻（17）组成的串联电路，其中所述电阻和开关（16）组成的串联电路并联接通在对应于控制单元（3）的PV模块（1）上。
9.根据权利要求6至8的任意一项所述的控制设备，其特征在于，所述若干个控制单元（3）集成在PV模块（1）的连接箱中，并且装配在连接箱上或者直接位于连接箱附近。
10.根据权利要求6至9的任意一项所述的控制设备，其特征在于，所述若干个控制单元（3）具有LEDs（13），所述LEDs示出各个控制单元（3）是否激活。
11.所述控制单元联合PV设备的监测设备（5）的用途；所述监测设备具有供电部件（7）、采集通过至少一个串列（2）的电流的电流传感器（10）、用于盗窃检测的含有电容-电压转换器的发电机（9）、用于确定电流传感器（10）传递的电流值和电容-电压转换器（9）传递的电压值的微控制器（8）、用于将至少一个串列（2）至少与整流器（4）的电容分离的去耦元件（6）、控制设备的控制单元（3）的复位设备（20）、警报-重置设备（19）和具有电流阻断的交接点（11），其用于将警报转达到外部警报中心（12）。
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