CN103299522A - 用于将光伏装置连接到电力网的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种将光伏装置连接到电力网(8)的方法，光伏装置包括光伏发电机(1)、具有至少一个电容器(3)的直流电压中间电路和逆变器(5)。该方法包括以下步骤，但不限于以下顺序：直流电压中间电路连接到光伏发电机(1)，电容器(3)预充电到第一电压(U1)。然后直流电压中间电路从光伏发电机(1)分离，电容器(3)放电到或低于与逆变器(5)的最大工作电压相对应的第二电压(U2)。逆变器(5)被连接到电力网(8)，启动逆变器(5)，以及直流电压中间电路连接到光伏发电机(1)。

Description

用于将光伏装置连接到电力网的方法
技术领域
本申请涉及一种将光伏装置连接到电力网的方法，该光伏装置包括光伏发电机，具有至少一个电容的直流电压中间电路，以及逆变器。本申请还涉及实施上述方法的光伏装置。
背景技术
逆变器用于将由光伏发电机产生的直流电流逆变成交流电流，以单相或多相电流的方式馈入公用或私用的电力网。光伏发电机，下文称为PV发电机，在本申请的记载中可理解成光伏模块(PV模块)的任意结构，特别是将多个PV模块串联成所谓的串列的结构。在光伏装置(PV装置)中，这种连接方式对于减少位于光伏发电机和逆变器之间的直流线路的电阻损耗变得重要。
逆变器具有(缓冲)电容，位于其直流输入电路或直流电压中间电路内用来平滑直流电压，即使在变换成交流的过程中有脉动的电力损耗，并增加可在脉冲中抽取的最大峰值电流。然而，在一些情况下过大的充电电流会由电力网流入电容，因此将光伏装置连接到电力网时电容会带来问题。
为防止PV装置连接到电力网时的高充电电流，在PV装置连接到电力网前电容被预充电至合适的偏压。例如从专利文献DE 19735867A1可知，可提供分离的预充电设备解决上述问题，例如将其实现为可连接的预充电变压器。然而，这带来附加的结构复杂性。
已知通过PV发电机对电容预充电。PV发电机通常在追踪系统协助下被逆变器操作来工作在输出最大电功率的工作点上，该追踪系统即所谓的MPP(maximum power point，最大功率点)追踪器。位于该工作点的工作电压比PV发电机的开路电压小得多。出于成本原因，逆变器中半导体元件，尤其在逆变器的逆变器桥内的功率半导体的电强度，通常并不设计为在开路电压下频繁或永久性操作。因此将逆变器内的电容规则性地预充电到PV发电机的开路电压会对逆变器中的半导体的使用寿命产生负面影响。
由文献JP 11312022A可知，在电容预充电时在直流输入电路中的电阻分压器保护逆变器的逆变器桥承免受PV发电机的高开路电压。在操作中，由相应的开关元件将电阻分压器从PV发电机和逆变器之间的连接中移除。然而，电阻分压器及其桥接装置都代表了更大的结构复杂性。
因此，需要提供一种将具有逆变器的PV装置连接到电力网的方法。该方法允许以较少的附加结构复杂性来连接PV装置，并且不会使逆变器承受过高的电压或电流。
发明内容
具有独立权利要求的特征限定的方法和光伏装置达到了该目标。从属权利要求中的主题是更多的实施例和更多的开发。
根据本发明的一个方面，该目标通过将光伏装置连接到电力网的方法达到。光伏装置包括光伏发电机、具有至少一个电容器的直流电压中间电路和逆变器。直流电压中间电路先连接到光伏发电机，该至少一个电容器预充电到第一电压。接着直流电压中间电路与光伏发电机分离。该至少一个电容器然后放电到或低于对应于逆变器的最大工作电压的第二电压。然后逆变器被连接到电力网，逆变器的逆变器桥被以时钟同步(be clocked)，直流电压中间电路被连接到光伏发电机。
通过这种方式，直流电压中间电路中的该至少一个电容器先通过光伏发电机预充电，逆变器不必承受光伏发电机的高电压，例如其开路电压。通过电容器放电到或低于第二电压，电压达到不会损坏逆变器的程度时，将逆变器连接到电力网，并且逆变器的逆变器桥开始以时钟同步。在预充电过程中，逆变器上不会发生损害所述逆变器的无法承受的高电压或无法承受的大电流。
根据另一个方面，该目标由一种可选的方法达到，方法包括基本相同的步骤，区别在于将逆变器连接到电力网的步骤早于将直流电压中间电路从光伏发电机分离的步骤。该方法具有与第一个方面相同的优点。
根据上述方面在方法的进一步实施例中，将直流电压中间电路从光伏发电机分离的步骤仅在第一电压高于电力网的整流电压时进行。因此这防止了逆变器连接到电力网时充电电流通过逆变器流入直流电压中间电路的电容器。在进一步的实施例中，将逆变器连接到电力网的步骤仅在第一电压基本上与光伏发电机的开路电压相同大小时进行。以这种方式，通过简单地提供将直流电压中间电路连接到光伏发电机的合适的时间，之前提到的第一电压应当比整流电压高的条件很容易满足。与光伏发电机的开路电压基本相同大小的电压例如为高于开路电压的大约90％的电压。
在方法的进一步实施例中，在直流电压中间电路连接到光伏发电机之前，直流电压中间电路的标称电压通过对逆变器以时钟同步设置。这样逆变器可以用来控制中间电路的电压到合适的水平，例如至接近于预期的工作电压的电压。
在方法的进一步实施例中，通过与该至少一个电容器并联的电阻器，该至少一个电容器被放电到第二电压或低于第二电压。这提供用于该至少一个电容器的简单的放电方法。
根据另一个方面，以上目标通过逆变器装置实现，逆变器具有光伏发电机，光伏发电机通过至少一个直流开关元件和直流电压中间电路与逆变器相连。这里的直流电压中间电路具有电容器。逆变器通过交流开关元件可以连接到电力网。光伏装置包括用于控制逆变器、直流开关元件和交流开关元件的控制设备，所述控制设备配置成执行以上描述的方法。同样地，以上内容具有相同的优点。
附图说明
参照实施例并结合三个附图，在下文中对本申请作进一步说明，其中：
图1是PV装置的原理示意图；
图2是采用将光伏装置连接到电力网的方法时电压曲线和工作状态的示意图；以及
图3是图2所示的方法的流程图。
具体实施方式
图1是PV装置的原理示意图。PV装置具有PV发电机1，PV发电机1在其输出端提供具有光伏输出电压Upv的直流形式的电力，之后称作PV电压Upv。
举例来说，图1的PV发电机1由用于单个光伏电池单元的电路标记表示。在所述PV装置的一个实施方式中，PV发电机1可以是单个PV模块，具有多个电池单元，或多个互连的PV模块，它们特别地串联连接形成串列，或者并联连接形成多个串列。
通过开关元件2借助直流线将PV发电机1连接到逆变器5。在图1的实施例中，开关元件2被示出为直流电压接触器。可替换地，开关元件2还可采用功率开关，负载隔离开关或者功率半导体开关。为便于说明并区别交流侧的开关元件，下文中例如将开关元件2称为DC接触器2，但这不暗含限制。
可以构想处一个PV装置具有多个PV发电机，这些多个PV发电机也被称为部分发电机或子发电机，并与逆变器相互作用。这种情况下，(部分)发电机中的每一个可带有其自身的DC接触器2。出于维护目的或者减少输出的目的，单个(部分)发电机可选择地与逆变器断开连接。由于电力网功率的临时过剩，这种输出的减少可以，例如，由PV装置馈入的电力网的操作员来请求。通过选择性地将(部分)发电机从逆变器断开实现的输出减少，有利地与通过偏移逆变器的工作点实现的输出减少相结合。这种偏移逆变器的工作点以减少输出(例如离开最佳工作点至具有更高电压的工作点)的方式可以连续发生，但是为了保护逆变器的功率半导体，仅偏移达低于逆变器的最大工作电压的电压。接连的(部分)发电机于是可以被断开连接以进一步减少输出。每次断开连接的时候，工作点会再次朝向最佳工作点移动，并且然后相应地再次朝向更高的电压偏移来进一步连续减少功率。两种减少输出的方法的结合于是允许所提供的电输出可以在几乎整个输出范围上被连续调整。
电容器3和电阻器4并联连接到逆变器5的输入。如连接到图中逆变器左侧的矩形虚线所示，电容器3和电阻器4可集成进逆变器5中。电阻器4可以是分离的元件和/或固有存在于逆变器5内的内部电阻。
如实施例所示，电容器3设置在逆变器5的直流输入电路中。在多级逆变器的情形中，除了逆变器桥还有直流电压变换器(DC/DC变换器)，可提供(缓冲)电容器作为DC/DC变换器输出处的替换物。无论哪种情况，本申请中设置了电容器3的电路被以概括方式称为中间电路，电容器3上的直流电压被称为中间电路电压Uzw。正如开始已经解释的，在由逆变器5在中间电路中产生脉动功率损耗的情况下，电容器3用于平滑中间电路电压Uzw。此外，仅通过示例的方式，在图1中示出了直流中间电路中的单个电容器3。中间电路也可包括两个或多个电容器，设置成并联和/或串联连接。
逆变器5通过交流输出和交流电流开关元件7连接到电力网8。电力网8可以是公用电力网或是私用电力网(孤岛工作)。交流开关元件7进而例如被设计为接触器，并且在下文例如被称为AC(交流)接触器7，但不具有限制含义。
而且，提供控制设备6用于控制逆变器5，DC接触器2和AC接触器7。如逆变器5向下延伸的虚线部分所示，控制设备6也可集成进逆变器5内。
图1仅示出了PV装置中在本申请的范围内基本的元件。逆变器5的交流侧，未示出可以进一步提供的例如开关元件(例如断路器)、滤波器(例如正弦滤波器)、电力网监测设备和/或变压器。逆变器5的设计也可以不是所示出的三相，例如可以是单相的。类似地，在直流侧的没有示出的更多的元件，例如安全元件、正弦滤波器或者变压器，可以设置在PV发电机1和逆变器5之间的连接中。
参照图2和图3下面说明将PV装置连接到电力网的方法，其例如由图1所示的PV装置实施。以下采用的参考标记通过举例的方式与图1所示的PV装置的示例性实施例相关。
图2的上部分示意性地示出了在实施该方法期间，中间电路电压Uzw作为时间t的函数的电压波形。图3示出了该方法的流程。
图2的下部分示出了DC接触器2(上)，AC接触器7(中)和逆变器5(下)的工作状态。与应用于示出中间电路电压Uzw那样同样的时间标度应用于三种工作状态。工作状态的每一个在方法实施过程中在值0到1之间变化，其中，针对DC接触器2和AC接触器7，0表示打开接触器而1表示闭合接触器。针对逆变器5，0表示逆变器5的逆变器桥没有以时钟同步，1表示逆变器5处于被以时钟同步的工作状态中，即，逆变器5主动地将直流电流转换成交流电流，或者相反地将交流电流转换成直流电流。
该方法的启动点是PV装置的其中DC接触器2和AC接触器7被开路而逆变器5没有被以时钟同步的工作状态。
该方法(图3)的第一步S1中，DC接触器2在处于时间t1(参见图2)的第一点处闭合。假设太阳辐射照射在PV发电机1，由PV发电机1提供的电力向中间电路中的电容器3充电，结果中间电路电压Uzw升高。中间电路电压Uzw达到限值电压U1，该电压基本上与PV发电机1的开路电压对应，假设电阻器4并没有如此低的电阻使得它代表施加到PV装置上的大负荷。
在第一步S1的最后，尽管在逆变器5的逆变器桥的功率半导体上存在一个与工作电压相比相对高的电压U1，但是由于逆变器没有被以时钟同步，该电压并没有加载这些半导体，并且没有影响它们的寿命。因此，高电压不需要被切换，并且被分裂到没有以时钟同步的串联的两个半导体上。
该方法的第二步S2中，DC接触器2在第二时间t2处打开。因此，依据由电阻器4的阻值和电容器3的电容的乘积产生的时间常数，中间电路电压Uzw降低。
该方法的第三步S3中，AC接触器7于是在第三时间t3处闭合。步骤S3优选地仅在中间电路电压Uzw已降低到预定的第二电压U2以下时被启动。该第二电压U2基本上对应于逆变器5的最大工作电压，因此下文也称作最大电压U2。
由于续流二极管通常与逆变器桥的功率半导体开关为非并联方式设置，逆变器5中的逆变器桥充当中间电路方向中的交流电压的全波整流器。仅当中间电路电压Uzw小于由逆变器整流的电压(下文称作整流电压U3)时，电流从交流侧流向中间电路。
整流电压U3基本上与电力网8的交流电压的等效直流电压对应。交流电压的等效直流电压(也称为有效电压)的高度是交流电压的高度的
Figure BPA00001748143100061
倍。
假设第二电压U2高于或等于整流电压U3，没有充电电流从交流电压侧流到电容器3中。中间电路电压Uzw再次在时间t3的点之后降低，并渐近地接近整流电压U3。
在第四步S4中，逆变器5在第四时间t4处被激活，使得其逆变器桥被以时钟同步。在晚于时间t3的每个时间t4，中间电路电压Uzw低于电压U2，即逆变器5的最大工作电压。因此第四步因此可以紧接第三步S3之后执行。然而，第三步S3和第四步S4之间的更长的等待时间并非有害，因为由于闭合的AC接触器7，中间电路电压Uzw并没有降低到低于整流电压U3。从而逆变器5可以在时间t3之后的任意时间通过以时钟同步其逆变器桥来操作，而不相对于其电强度对其功率半导体施压。
中间电路电压Uzw现在被逆变器5主动控制。在这种工作状态中，逆变器5可以不仅将DC功率转换成AC功率，而是还可以在作为升压变换器工作时抬高中间电路电压Uzw。中间电路电压Uzw因此可以被调整至标称电压U4，标称电压U4高于整流电压U3但低于最大电压U2。标称电压U4的值在此被选择成使得它基本上响应于PV发电机1的(预期)工作点。
在第五步S5中，DC接触器2在时刻t5闭合，从而PV发电机1连接到中间电路。由于其没有接负载，PV发电机1在DC接触器2被闭合之前提供开路电压。在DC接触器2已闭合后，这个较高的开路电压首先造成中间电路电压Uzw的过冲(overshoot)，在后者由逆变器5的控制属性重置到标称电压U4的理想工作点之前。控制动态特性在此被设置为使得即使在过冲发生时最大电压U2也不会被超越。
中间电路电压Uzw于是可由变换器5调整到最优的工作点，作为追踪过程(MPP追踪)的一部分。
如果在PV装置中有多个PV发电机，其可分别通过可切换的开关元件2(DC接触器2)连接到逆变器5，在第五步S5中它们可以同时闭合或者顺序闭合以限制中间电路中的电流。
在图2和图3所示的过程的一个可选方案中，第二步S2可以在中间电路电压Uzw已达到第一步S1中开路电压的限值并且同时它仍处于上升之前发生。然而，中间电路电压Uzw应当已经到达或已经超越整流电压U3。
在图2和图3所示的过程的另一个可选方案中，第三步S3也可在第二步S2之前发生，并且AC接触器7于是可以在DC接触器2已经打开之前闭合。即使在这种情况下，第四步S4应当仅在中间电路电压Uzw已经降至低于最大值U2时执行。
附图标记列表

Claims (9)

1.一种将光伏装置连接到电力网(8)的方法，所述光伏装置包括光伏发电机(1)、具有至少一个电容器(3)的直流电压中间电路和逆变器(5)，该方法包括以下步骤：
将直流电压中间电路连接到所述光伏发电机(1)，所述至少一个电容器(3)被预充电到第一电压(U1)；
将所述直流电压中间电路与所述光伏发电机(1)分离；
将所述至少一个电容器(3)放电到对应所述逆变器(5)的最大工作电压的第二电压(U2)或低于所述第二电压(U2)；
将所述逆变器(5)连接到所述电力网(8)；
将所述逆变器(5)的逆变器桥以时钟同步；以及
将所述直流电压中间电路连接到所述光伏发电机(1)。
2.一种将光伏装置连接到电力网(8)的方法，所述光伏装置包括光伏发电机(1)、具有至少一个电容器(3)的直流电压中间电路和逆变器(5)，该方法包括以下步骤：
将所述直流电压中间电路连接到光伏发电机(1)，将所述至少一个电容器(3)预充电到第一电压(U1)；
将所述逆变器(5)连接到所述电力网(8)；
将所述直流电压中间电路与所述光伏发电机(1)分离；
将所述至少一个电容器(3)放电到对应所述逆变器(5)的最大工作电压的第二电压(U2)或低于所述第二电压(U2)；
将所述逆变器(5)的逆变器桥以时钟同步；以及
将所述直流电压中间电路连接到所述光伏发电机(1)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中将所述直流电压中间电路与所述光伏发电机(1)分离的步骤仅当所述第一电压(U1)高于所述电力网(8)的整流电压(U3)时进行。
4.根据权利要求3所述的方法，其中将所述逆变器(5)连接到所述电力网(8)的步骤当所述第一电压(U1)与所述光伏发电机(1)的开路电压基本上相同大小时进行。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中在将所述直流电压中间电路连接到所述光伏发电机(1)之前所述直流电压中间电路的标称电压(U4)通过对逆变器桥以时钟同步来设置。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中所述至少一个电容器(3)通过与所述至少一个电容器(3)并联的电阻器(4)放电到所述第二电压(U2)或低于所述第二电压(U2)。
7.一种光伏装置，其具有光伏发电机(1)，所述光伏发电机(1)通过至少一个直流开关元件(2)和直流电压中间电路与逆变器(5)相连，其中所述直流电压中间电路具有至少一个电容器(3)，并且所述逆变器(5)通过交流开关元件(7)可连接到电力网(8)，其特征在于：
提供控制设备(6)用于控制所述逆变器(5)、所述直流开关元件(2)和所述交流开关元件(7)，所述控制设备被配置成执行根据权利要求1至6中的任一项所述的方法。
8.根据权利要求7的光伏装置，其中所述直流电压中间电路被集成进所述逆变器(5)中。
9.根据权利要求7的光伏装置，其中所述控制设备(6)被集成进所述逆变器(5)中。
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