CN103081334A

CN103081334A - 具有用于ac模块连接的ac接口的逆变器

Info

Publication number: CN103081334A
Application number: CN2011800402682A
Authority: CN
Inventors: G·贝藤沃特; J·拉申斯基
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2011-08-29
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2031-08-29
Also published as: EP2612433B1; WO2012028589A3; EP2612433A2; US20130147275A1; TW201216604A; DE102011053094A1; US9401662B2; JP5928736B2; JP2013537025A; WO2012028589A2; CN103081334B

Abstract

描述了一种用于将电网兼容的AC电压馈送至电网（40）的逆变器（20），其中，所述逆变器包括：逆变桥（21），所述逆变桥（21）用于将DC电压转换成第一AC电压；以及，电网接口（30），所述电网接口（30）位于所述逆变桥（21）和所述电网（40）之间用于将所述第一AC电压转换成电网兼容的AC电压，以馈送至所述电网（40）。在所述逆变桥（21）和所述电网接口（30）之间布置AC接口（60），经由所述AC接口（60）连接有用于向所述电网（40）馈送的AC模块（50）。

Description

具有用于AC模块连接的AC接口的逆变器

技术领域

本发明涉及具有权利要求1的特征的逆变器。

背景技术

传统的光伏（PV）逆变器，诸如中央或串式逆变器或者具有多个平行串的逆变器，除了将PV发电装置产生的直流转换成电网兼容的交流这一主要任务以外，还执行很多其它功能。其中，这些其它功能可以是：

·经由HMI（人机接口）或者经由其它通信信道与用户通信

·电网监视功能

·电网支持功能

·安全功能

·此外，通过最大功率点跟踪（MPP跟踪）使PV发电装置保持在最大功率点处。

同时，PV发电装置的大小通常由逆变器的标称功率来控制，由此限制整体光伏系统的可扩缩性。

由于串中的电流是由其最弱的PV模块的特性来控制的，因此在该串中应该使用相同技术的相同模块或者尽可能相似的模块。

如果（由于部分遮蔽）PV发电装置上的入射辐射不是均匀的，那么就不能从PV发电装置提取最大可能功率，因为PV模块具有不同的最优操作点（MPP），在串联或并联电路中无法单独地设定这些操作点。

传统的PV逆变器存在许多缺点，例如，受限制的可扩缩性、当不同类型的模块被一起使用时出现的各种限制、以及对不均匀的入射辐射的高度敏感性，然而当使用被认为非常接近模块、面向模块或模块集成的逆变器（也就是说，具有AC输出及其自己的用于每个模块的MPP跟踪的专用逆变器，这在下文中也被称为AC模块）时，几乎可以完全避免这些缺点。但是，如果试图将开始时提到的其它功能都集成到AC模块中，那么具体价格（与功率相关的成本）显著地高于传统的PV逆变器的价格。此外，AC模块的功效大体上不能达到传统的PV逆变器的功效。至今为止，这导致无法成功地将AC模块引入市场。

发明内容

因此，希望提供一种系统，该系统组合了这两种技术的优点。由此，本发明的一个方面涉及集成在逆变器中的AC接口，经由该AC接口来自与其连接的分散式AC模块的功率被馈送至电网。在下文中，这种逆变器也被称为基础逆变器。这仅仅导致较小的额外成本，同时可以显著地降低分散式AC模块的成本，因为这些AC模块的功能可以简化至诸如逆变和MPP跟踪之类的基本功能，而上面提到的其它功能由基础逆变器针对AC模块产生的功率比例来提供。

这使得对于PV安装可以更好地使用几乎所有的建筑物位置。具体地，诸如此类的系统代表接近模块的比DC/DC控制器明显划算的变体，所谓的功率优化器。

本发明的目的是提供一种用于光伏系统的逆变器，该逆变器部分地或者完全地满足以下要求并提供以下功能：

·将光伏系统中PV发电装置产生的直流转换成电网兼容的交流

·逐模块优化的MPP跟踪

·高能量效率

·低具体价格

·系统与用户之间的经由标准HMI的通信

·电网监视功能

·电网支持功能

·可调整的无功功率（供给、基准、补偿）

·安全功能

·PV发电装置的简单灵活的可扩缩性

·在一个光伏系统中使用不同的PV发电装置类型和技术（例如，薄膜电池和单晶硅电池）

·受到不均匀照射（由于遮蔽、不同的模块对准、等等）的PV发电装置的能量优化使用

·能够使用具有电隔离或不具有电隔离的PV逆变器，在这种情况下，这两种类型可以在相同的光伏系统中使用

根据第一独立权利要求，这一目的是通过逆变器来实现的，其中，所述逆变器包括：逆变桥，所述逆变桥用于将DC电压转换成第一AC电压；以及，电网接口，所述电网接口位于所述逆变桥和电网之间用于将所述第一AC电压转换成电网兼容的AC电压，以馈送至所述电网。在所述逆变桥和所述电网接口之间布置AC接口，经由所述AC接口连接有用于向所述电网馈送的一个或多个AC模块。

已经发现，几乎每一个安装都具有在一年大部分时间内均自由地受到均匀照射的一部分发电装置区域，而不受投射阴影的障碍物的妨碍。对于乡村安装，这一部分通常代表整个区域。这一部分随着受遮蔽障碍物影响的区域的增大而减小。一个典型的示例是带有天窗的屋顶区域，该区域在一天的过程中在某些时间将阴影投射至安装在附近的PV发电装置上。然而，仅在极少的情况下，超过50％的发电装置区域受到影响。因此，值得将自由地受到均匀照射的发电装置的区域组合起来形成一个单元并且能够在一个逆变器中集中地转换功率。这就能量和投资成本来说是最佳解决方案。

尽可能地接近模块的分散式功率调节在与功率相关的方面（energetically）对于在某些时间没有被均匀地照射的部分是最佳解决方案。具体地，可以将AC模块用于此目的，因为AC模块可以彼此独立地执行MPP跟踪。为使AC模块被设计成尽可能地划算并且节约能源，希望将这些设备的设计简化成一些必要的基本功能。这使得可以明显更好地利用现有的屋顶区域，因为按照这种方式那些当使用先前的系统架构时没有被有效使用的区域部分变得实用。

根据本发明，逆变器被延伸使得一个或多个AC模块借助AC接口可以连接至该逆变器。这使得可以简化AC模块的基本功能，从而即使当不允许用于馈送功率至电力电网的AC模块的直接连接时也能够将AC模块包括在整体的光伏系统中。

显然，通过逆变桥的DC电压至第一AC电压的转换以及第一AC电压至电网兼容的AC电压的转换伴随着DC电流至第一AC电流的转换以及进一步地至电网兼容的AC电流的转换。从这个意义来讲，权利要求书中术语“电压”的使用并不是限制性的。

在逆变器的一个实施例中，电网接口具有用于使逆变器从电网断开和/或将逆变器连接至电网的负荷开关（switch disconnector）。尤其优选的是，取决于电网的状态来操作负荷开关。进一步优选的是，电网的状态涉及电网内的电流的频率和/或电压和/或孤岛条件（islanding condition）。负荷开关是用于控制以电网兼容的形式将功率馈送至电网的装置。

在逆变器的又一个实施例中，电网接口具有滤波器设备。该滤波器设备被用来形成类似正弦的AC电压，用于馈送功率至电网。该滤波器设备还是用于确保以电网兼容的形式将功率馈送至电网的装置。

在逆变器的又一个实施例中，电网接口具有安全设备。在逆变器的又一个实施例中，逆变器具有测量点，通过这些测量点可以记录经由逆变桥的电流值以及经由AC接口的电流值。安全设备以及测量点使得可以控制以电网兼容的方式将功率馈送至电网。

在逆变器的又一个实施例中，逆变器具有用于与连接至AC接口的AC模块交换数据的通信单元。尤其优选的是，该通信单元被设计成经由AC接口的线路来交换数据或者被设计成以无线的方式交换数据。进一步优选的是，该通信单元被设计为针对以下目的之一来交换数据：

－远程控制或远程诊断连接的AC模块；

－存储或发送连接的AC模块的测量值、崩溃或故障；

－发送控制信号至连接的AC模块；

－在逆变器的显示单元上显示连接的AC模块的数据。

通信单元允许对光伏系统的所有模块（即，经由AC接口连接至逆变器的AC模块）进行整体的控制和监视。

在从属权利要求中描述了本发明的其它实施例。

附图说明

在下文中，将使用示例性实施例并且参照附图来描述本发明。所图解的附图应该被理解为是示例性的而非限制性的，并且旨在使得本发明更容易理解。在这种情况下：

图1示出了传统逆变器的示意性图示；

图2示出了具有电网接口的传统逆变器的示意性图示；

图3示出了根据本发明的逆变器的第一实施例；

图4示出了根据本发明的逆变器的第二实施例；

图5至图7示出了根据本发明的逆变器的其它实施例，其中，在逆变器内部布置了各种测量点；以及

图8和图9示出了根据本发明的逆变器的更多的实施例。

附图说明

图1示出了具有传统逆变器19的光伏系统100。逆变器19具有逆变桥21，借助该逆变桥21可以将来自连接的PV发电装置10的直流转换成交流。逆变桥21连接至电网40，用于以有效功率P_inv和无功功率Q_inv的形式馈送PV发电装置产生的功率。可以借助测量点24经由中央处理器（CPU）22监视、同步和控制该馈送，其中，这些测量点24被设计成测量电流和/或电压值。在这种情况下，PV发电装置10包括多个串联的PV模块，这些多个串联的PV模块形成串。经常，多个串并联，并且连接至逆变器。

传统逆变器19的更多可选元件在图2的光伏系统100中示出。这个逆变器19也具有HMI23，借助于该HMI23可以显示逆变器19的操作值，并且，可以例如通过针对将由系统提供的有效功率P_ref和/或无功功率Q_ref预置标称值28来影响系统100的操作。作为选择，也可以经由通信单元26将这些标称值28例如作为由电网40的操作人员预置的值来传输。逆变器19还具有电网接口30，上述提到的附加功能可以由逆变器经由该电网接口30来提供。电网接口30优选地包含机电或电子负荷开关32，以便能够使基础逆变器从电网40断开。安全设备30执行安全功能，例如，电压、频率和隔离故障的检测以及（对各种类型的电流敏感的）故障电流监视或不希望的孤岛效应。在这种情况下，电网接口30的各个单个部件可以集中地连接至CPU22，并且由CPU22控制，或者彼此之间直接连接。

图3示出了根据本发明的基础逆变器20的一个实施例。基础逆变器20由AC接口60经由连接区域65连接至AC模块50，该AC接口被集成在基础逆变器20中并且被布置在逆变桥21和电网接口30之间。所示出的基础逆变器20还具有测量点61，该测量点61被用来选择性地确定AC模块50馈送的电流。由此，可以实现适合于上面提到的要求的PV系统配置。连接区域65可以具有用于AC模块50的一个或多个连接，在这种情况下，一个或多个AC模块50可以连接至每一个连接。按照这种方式，类似地，连接的AC模块50可以由电网接口30保护，而不用亲自执行电网接口30提供的保护功能。电网接口30中的负荷开关32是针对系统100的总功率设计的，因此，AC模块50不需要其自己的电网接口或其自己的负荷开关。基础逆变器20可以被设计成不具有变压器的逆变器、具有高频变压器的逆变器、或者具有电网变压器的逆变器。

图4中的基础逆变器20具有被设计用于无线通信（例如，无线电发射）的通信单元26。在这种情况下，通信单元26可以以简单的方式经由AC模块50的通信单元51与AC模块50通信，以便单向或双向地传输数据，或者以便控制或监视AC模块50。作为选择，当然，该通信也可以经由专用信号线或通过至AC线路上的调制来提供。HMI23可以经由基础逆变器的控制和显示元件来为AC模块50执行控制和显示功能。可以经由基础逆变器20的通信单元26为AC模块50提供远程评估、远程诊断和/或远程控制。类似地，可以存储或传输AC模块50的测量值或事件记录（例如，崩溃或故障）。还可行的是，对连接的AC模块50传输控制信号。

为了使得可以单独地确定逆变桥21的馈送参数和连接的AC模块50的馈送参数，与图1和图2中的传统逆变器19相比，提供了更多的测量点。在图3和图5中，在AC接口60和电网接口30之间提供了另一个测量点61，以便额外地使得可以记录逆变桥21和AC接口60的和电流。因此，可以容易地通过减法确定AC接口60的电流分数。

作为选择，图6示出了AC接口60的电流路径中的用于确定不同的电流分数的额外的测量点62。测量点的另一个的替代的布置（未示出）可以被用来测量连接的AC模块50的总电流和整体系统100的和电流，并且被用来根据该测量结果确定逆变桥21的电流分数。

如图7中所示，连接点65的每一个连接也可以配备有测量点63，以便对来自连接至AC接口60的AC模块50的电流分数进行选择性记录，并且例如将该选择性记录用于安装监视。

此外，图5示出了具有滤波器设备33的电网接口30。滤波器设备33被用来从将要馈送至电网40的AC电压中去除或充分地抑制不在电网频率处的AC电压分量。例如，滤波器设备33可以是LC带通滤波器的形式，并且可以被设计成使得其能够为逆变桥21和连接的AC模块50提供这种功能。作为选择，如图7中所示，还可以在连接区域65和AC接口60之间布置另一个滤波器设备34，选择性地为连接的AC模块50提供滤波器功能。

作为附加元件，图6还示出了用于连接区域65的每一个连接的断开设备67。这可以由基础转换器20来控制，使得连接至相应的连接的逆变器通过开关选择性地从AC接口60断开。在操作变体中，按照这种方式能够记录馈送参数或者针对连接至各种连接的相应的模块组或AC模块50单独地执行对连接的AC模块50的诊断，使得由另一个测量点61和62确定的测量值可以与AC模块50或AC模块组关联。作为选择，也可以提供一个单个的断开设备67，以便断开所有的连接的AC模块50。该断开设备可以被集成到根据本发明的逆变器的所有示出的实施例中。

连接区域65的一个连接可以被用作基准输入，并且可以单独地记录其电流或馈送功率。然后，值得的是，在PV安装中的永远不会被障碍物遮蔽的点处安装连接至AC模块50的PV模块，并且还值得的是，将对应的AC模块连接至基准输入。由此，可以评估基准模块的具体功率和剩余安装（或者剩余安装的一部分）的具体功率之间的差异。

根据本发明的基础逆变器20的用途的又一个选择是针对负荷的功率因数校正。出于此目的，除了（可选的）AC模块50以外，还有至少一个负荷被连接至AC接口60。基础逆变器20可以经由输入处以及电网连接处的测量点产生负荷自身需求的无功功率，使得整体的光伏系统100在电网上以中性的形式运转。

可以经由基础逆变器20的通信单元26接收针对有效功率P_ref和针对无功功率Q_ref的标称值28，并且将标称值28转入CPU22，以便能够按照需要调节系统100的输出有效功率和无功功率。这使得可以实现电网服务，尽管AC模块50自身不必一定具有提供无功功率的能力。将基础逆变器20设计成能够提供无功功率的馈送单元是足够的。

类似地，上述陈述类似地应用于三相系统；根据本发明的具有AC接口的基础逆变器按照这种方式可以用于单相或多相电网。在多相电网的情况下，经由连接的单相AC模块50通过经由AC接口30在各种相位之间分摊（split）AC模块50来执行电力分配。可以针对连接的电网40由基础逆变器20根据需要来控制这种电力分配。具体地，考虑按照三相电网的要求将AC模块至相位（AC模块馈送至这些相位）的分配配置成是可变的，例如，以便对抗电网不平衡。

举例来讲，图8示出了AC接口60的布置，其中，连接至连接区域65的三个连接的单相AC模块中的每一个馈送到基础逆变器20的三个相位中的一个中。在这种情况下，所有AC模块都连接至基础逆变器20的中性导体66。在每个情况下，还为每个馈送点设置另一个测量点62。作为选择，图9示出了如下布置，在该布置中一个三相AC模块在每个情况下都可以连接至连接区域65的三个连接中的每一个。替代所示出的中性导体和选择的相位之间的各个AC模块的连接布置（星形布置），同样可行的是，在两个选择的相位之间连接AC模块（三角形布置（delta arrangement））。

借助测量点24，61，62和63以及在CPU22中实现的算法，监视外部AC模块50的操作，这意味着：在本发明的一个操作变体中，无需AC模块50和基础逆变器20之间的通信。由此，可以非常划算地设计AC模块50，因为可以将它们的功能简化至逆变和MPP跟踪。尽管AC模块进行未调节的馈送，也可以确保对与整体系统100的预定馈送参数（例如，无功功率和有效功率的标称值）的兼容性的监视，因为基础逆变器20可以控制从逆变桥21的馈送使得整体上从逆变桥21和AC模块50的馈送对应于标称值。这导致划算的且有效率的整体光伏系统。类似地，可以使用基础逆变器20监视AC模块50的馈送操作，并且可以在出现能得出AC模块50发生故障的推断的差异时产生合适的警告，借助通信单元26或HMI23发送或指示该警告。无需出于此目的的与AC模块的通信；可以基于连接至AC接口60的AC模块的馈送参数检测这些差异，如上所述，可以经由另一个测量点61，62和63选择性地记录馈送参数，即使在某些情况下无法清楚地识别出连接的AC模块中的哪一个发生故障。

基础逆变器20可以配备有对所有类型的电流都敏感的剩余电流断路器。这使得能够将AC模块50配置成无变压器逆变器，并且不需要自己的对所有类型的电流都敏感的安全部件，同时仍然遵守现有的安全规章。

在一个有利的配置中，光伏系统100被设计成使得发电装置区域中的任何时候都不被遮蔽的部分经由逆变桥21馈送至连接的电网40中。借助AC模块50经由AC接口60将发电装置区域中的至少在某些时间被遮蔽的部分包括在系统100中。总体上，区域中总是不被遮蔽的部分将构成总的发电装置区域的绝大部分，使得有利地将基础逆变器20配置成要经由逆变桥21馈送的最大功率至少与要经由AC接口60馈送的最大功率一样高。这使得基础逆变器20的部件被相当有效地使用，同时利用某些部件的所描述的联合使用降低了整体光伏系统100的复杂性。

附图标记

10 PV发电装置

19 逆变器

20 基础逆变器

21 逆变桥

22 中央处理器（CPU）

23 人机接口（HMI）

24 测量点

26 通信单元

28 标称值

30 电网接口

31 安全设备

32 负荷开关

33 滤波器设备

34 滤波器设备

40 电网

50 AC模块

51 通信单元

60 AC接口

61 测量点

62 测量点

63 测量点

65 连接区域

66 中性导体

67 断开设备

100 光伏系统

Claims

1.一种用于将电网兼容的AC电压馈送至电网（40）的逆变器（20），包括：

－逆变桥（21），用于将DC电压转换成第一AC电压；以及

－电网接口（30），在所述逆变桥（21）和所述电网（40）之间用于将所述第一AC电压转换成馈送至所述电网（40）的电网兼容的AC电压，

其特征在于:

在所述逆变桥（21）和所述电网接口（30）之间布置AC接口（60），经由所述AC接口（60）可连接有用于向所述电网（40）馈送的AC模块（50）。

2.根据权利要求1的逆变器，其特征在于，所述电网接口（30）具有用于使所述逆变器（20）从所述电网（40）断开和/或将所述逆变器（20）连接至所述电网（40）的负荷开关（32）。

3.根据权利要求2的逆变器，其特征在于，取决于所述电网（40）的状态来操作所述负荷开关（32）。

4.根据权利要求3的逆变器，其特征在于，所述电网（40）的状态涉及所述电网（40）内的电流的频率和/或电压和/或孤岛条件。

5.根据权利要求1至4中任何一个的逆变器，其特征在于，所述电网接口（30）具有滤波器设备（33）。

6.根据权利要求1至5中任何一个的逆变器，其特征在于，所述电网接口（30）具有安全设备（31）。

7.根据权利要求1至6中任何一个的逆变器，其特征在于，断开设备（67）被布置在所述AC接口（60）和用于将所述AC模块（50）连接至所述逆变器（20）的连接区域（65）之间。

8.根据权利要求1至7中任何一个的逆变器，其特征在于，所述逆变器（20）具有测量点（24，61，62，63），经由所述测量点（24，61，62，63）可以记录经由所述逆变桥（21）的电流值和经由所述AC接口（60）的电流值。

9.根据权利要求1至8中任何一个的逆变器，其特征在于，经由所述AC接口（60）馈送的最大功率小于经由所述逆变桥（21）馈送的最大功率。

10.根据权利要求1至9中任何一个的逆变器，其特征在于，所述逆变桥（21）能够提供无功功率。

11.根据权利要求1至10中任何一个的逆变器，其特征在于，所述逆变桥（21）被设计为提供三相AC电压。

12.根据权利要求11的逆变器，其特征在于，所述AC接口（60）被设计为在AC电压的相位之间分配由所连接的AC模块（50）馈送的功率。

13.根据权利要求1至12中任何一个的逆变器，其特征在于，所述逆变器（20）具有用于与连接至所述AC接口（60）的AC模块（50）交换数据的通信单元（26）。

14.根据权利要求13的逆变器，其特征在于，所述通信单元（26）被设计为经由所述AC接口（60）的线路交换数据。

15.根据权利要求13的逆变器，其特征在于，所述通信单元（26）被设计为以无线的方式交换数据。

16.根据权利要求13至15中任何一个的逆变器，其特征在于，所述通信单元（26）被设计为针对以下目的之一来交换数据：

－远程控制或远程诊断所连接的AC模块（50）；

－存储或发送所连接的AC模块（50）的测量值、崩溃或故障；

－发送控制信号至所连接的AC模块（50）；

－在所述逆变器（20）的显示单元上显示所连接的AC模块（50）的数据。

17.一种光伏系统（100），具有根据权利要求1至16中任何一个的逆变器。