CN104038151A

CN104038151A - 用于操作光伏系统的方法和布置以及光伏系统

Info

Publication number: CN104038151A
Application number: CN201410080589.0A
Authority: CN
Inventors: 约纳斯·普科; 拉里·诺西艾宁
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB Oy; ABB AB
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2014-09-10
Also published as: EP2775531A1; US20140252860A1

Abstract

本发明涉及一种用于操作光伏系统的方法和布置以及光伏系统，所述光伏系统包括：具有可控占空比的升压转换器（10A、10B）；对所述升压转换器（10A、10B）的输入进行供电的光伏板的至少两个串（20），其中所述串彼此并联连接；检测装置（30、31），所述检测装置（30、31）配置为检测所述串（20）的任意串中的反向电流；以及控制装置（40），所述控制装置（40）配置为响应于所述检测装置检测到所述串（20）的至少一个串中的反向电流来增大所述升压转换器（10A、10B）的所述占空比，至少以致所述反向电流停止。

Description

用于操作光伏系统的方法和布置以及光伏系统

技术领域

本发明涉及一种用于操作光伏系统的方法、一种用于控制光伏系统的布置以及一种光伏系统。

背景技术

光伏发电器可以包括例如对公共电力转换器供电的并联连接的两串或更多串的光伏（photovoltaic,PV）板（包括一个或更多个光伏模块）。如果这样的并联连接串中的一个串变成无源，即，其开路电压由于例如PV板严重遮挡或故障而降低，则该串可以通过在相对于正常操作的方向的相反方向上流过所考虑的串的电流来开始吸收并耗散由并联连接至相同的电力转换器的其它串所生成的电力。因此，在相对于正常操作的方向的相反方向上流动的这样的电流称为反向电流。

尤其在存在并联连接的许多串时，反向电流会达到较高值。PV板不能承受这种电流，并且在不存在保护装置的情况下PV板会在非常短的时间内出现故障。该反向电流甚至还会造成火灾的风险。从而，该反向电流是非常不期望的现象。

一种避免反向电流的可能保护方法是使用与各个串进行串联连接的所谓的反向截止二极管来防止对应串中的任何反向电流。与反向截止二极管的使用相关的缺点是，二极管总是串联连接至对应串，从而串电流总是流过该二极管并且可能由于二极管结上的压降的影响而导致较高连续电力损耗。二极管的使用还造成额外的成本。

另一种避免反向电流的可能保护方法是使用与各个串进行串联连接的熔断器。熔断器能够使对应串中的反向电流限于容许最大值。这种熔断器的损耗通常显著低于反向截止二极管的损耗。然而，熔断器的使用不能完全防止反向电流在串中循环。熔断器的使用还造成额外的成本。

又一种避免反向电流的可能保护方法是使用与各个串进行串联连接的小型自动电路断路器。与电路断路器的使用相关的缺点是，电路断路器造成比二极管或熔断器的成本更高的额外的成本。

US2012/0139347公开了一种保护对逆变器进行馈给的光伏模块的串避免发生反向电流的解决方案。所建议的解决方案包括控制逆变器来降低总线之间的在逆变器的输入处的系统电压。此外，使用另外的放电电阻器来使逆变器的缓冲电容放电。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种方法以及一种用于实现所述方法的设备，使得解决或至少减轻以上问题或者至少提供可替代的解决方案。利用特征在于独立权利要求所陈述的内容的方法、计算机程序产品、布置以及系统来实现本发明的目的。在从属权利要求中描述本发明的优选实施方式。

本发明是基于以下构思，响应于在包括对升压转换器的输入供电的至少两串光伏板的光伏系统的一个或更多个串中检测到反向电流来增大升压转换器的占空比，至少以致反向电流停止。

本发明的解决方案的优点是，能够有效保护光伏系统避免反向电流，并且可以在无任何另外装置的情况下实现本发明的解决方案。

附图说明

下面，将结合优选实施方式并参照附图来更详细地描述本发明，其中：

图1示出了根据实施方式的光伏系统的示例；

图2示出了根据实施方式的升压转换器的示例；以及

图3示出了根据实施方式的电流、电压以及占空比。

具体实施方式

本发明的应用不限于任何特定系统，而能够结合各种电气系统来使用。此外，本发明的使用不限于利用任何特定基频或任何特定电压电平的系统。

图1示出了光伏系统的示例。该图仅示出了理解本发明所必需的部件。图1的示例性系统包括两个光伏发电器200A、200B，这两个光伏发电器200A、200B每个均包括光伏板21的多个串20，其中光伏发电器200A、200B内的串20彼此并联连接。串20包括彼此串联连接的多个光伏板21。光伏板21中的每个光伏板可以包括一个或更多个光伏模块。图1的示例性系统还包括两个升压转换器（增压转换器）10。本文中的术语“升压转换器”通常指提供输出电压大于其输入电压且从而输出电流小于其输入电流的转换器装置。光伏发电器200A、200B中的每个光伏发电器对相应的升压转换器10A、10B的输入进行供电。升压转换器10A、10B的目的是升高由光伏发电器200A、200B供应的电压并降低由光伏发电器200A、200B供应的电流，或者换言之，将由光伏发电器200A、200B产生的电力变换为比光伏发电器的操作电压更高的电压电平。升压转换器10A、10B又可以对逆变器50进行供电，该逆变器50能够用来将由升压转换器10A、10B供应的直流（DC）电力转换成交流（AC）电力，该AC电力然后能够进一步地供应至例如三相AC电力网60。应当注意，各种系统部件和元件的数目可以变化并且可以与图1的示例中所示出的不同。例如，光伏系统能够包括仅仅一个光伏发电器和仅仅一个相应的升压转换器。可替代地，光伏系统可以包括多于两个的光伏发电器和多于两个的相应的升压转换器。

图2示出了升压转换器10A、10B的可能的主要电路的示例。应当注意，升压转换器的主要电路可以与图2中所示出的主要电路不同。其它类型的可能的升压转换器包括例如3级升压转换器和交叉式升压转换器。升压转换器的主要电路可以包括至少电感器L、二极管D和可控开关S。可控开关S可以是可控半导体开关。升压转换器的主要电路还可以包括输入电容器C_in和/或输出电容器C_out。通过开关S的适当控制，可以将供应至升压转换器的输入的DC电力变换成在升压转换器的输出上的比升压转换器输入DC电压更高的DC电压电平。利用与切换周期T_s对应使得f_s=1/T_s的切换频率f_s来周期性地触发开关S。所使用的切换频率f_s依赖于例如升压转换器的设计并且可以变化。可以通过改变升压转换器的占空比来控制升压转换器。升压转换器的占空比d可以定义为开关S在切换周期T_s内的接通时间t_on（开关导通）与切换周期T_s的比率即d=t_on/T_s，并且该比率可以从0至1（0至100%）进行变化。

根据实施方式，首先在串的至少一个串中检测反向电流。为此，光伏系统可以包括配置为检测在串20的任意串中的反向电流的适当的检测装置。在图1的示例中，这样的装置包括与串20的每个串连接的电流传感器31和处理来自电流传感器31的信号的保护逻辑单元30（RCP，反向电流保护）。电流传感器31优选至少能够检测到什么时候反向电流在与电流传感器31连接的相应串20中流动并将其报告至保护逻辑单元30。代替具有与串20的每个串连接的电流传感器31，可以替代地具有以连接在串20之间的方式连接的电流传感器（未示出）。这样的电流传感器然后能够监测串20之间的电流并将其报告至保护逻辑单元30。保护逻辑单元30然后能够根据所接收到的电流信息来推断反向电流是否在串20的一个串或更多个串中流动。

根据实施方式，响应于在串的至少一个串中检测到反向电流来增大升压转换器的占空比，至少以致反向电流停止。为此，光伏系统还可以包括合适的控制装置，该合适的控制装置配置为响应于检测装置在串20的至少一个串中检测到反向电流来增大升压转换器的占空比，至少以致反向电流停止。在图1的示例中，这样的装置包括控制系统单元40。在串20的一个串或更多个串中检测到反向电流时，保护逻辑单元30优选向控制系统单元40通知检测到反向电流。在图1的示例中，当在第一光伏发电器200A的串的一个串或更多个串中检测到反向电流时，保护逻辑单元30将信号u_A发送至控制系统单元40，并且当在第二光伏发电器200B的串的一个串或更多个串中检测到反向电流时，保护逻辑单元30将信号u_B发送至控制系统单元40。控制系统单元40响应于接收到的信号u_A通过将控制信号d_A发送至第一升压转换器10A来增大第一升压转换器10A的占空比。按照类似的方式，控制系统单元40响应于接收到的信号u_B通过将控制信号d_B发送至第二升压转换器10B来增大第二升压转换器10B的占空比。优选增大升压转换器的占空比，至少以致反向电流停止。在图1的示例中，控制系统单元40从而增大所考虑的升压转换器10A、10B的占空比直到保护逻辑单元30不再报告相应的光伏发电器200A、200B的串20的任何串中的反向电流为止。作为升压转换器10A、10B的占空比的充分增大的结果，能够消除反向电流的出现。如果受反向电流影响的光伏发电器的升压转换器的占空比在所述占空比增大至所述反向电流停止的点之后仍低于100%，则可以在需要时继续从受影响的光伏发电器供应电力。

根据实施方式，逐渐增大升压转换器10A、10B的占空比。升压转换器10A、10B的占空比的这样的逐渐增大使升压转换器的可能的输入电容Cin在不引起较高电流脉冲的情况下进行放电。因此，不需要另外的放电电路。可以通过例如以斜坡状方式增大升压转换器的占空比来执行升压转换器10A、10B的占空比的逐渐增大。

根据实施方式，响应于在串20的至少一个串中检测到反向电流来将升压转换器10A、10B的占空比增大至100%。当升压转换器的占空比是100%时，开关S总是接通，从而升压转换器10A、10B的输入的极基本上彼此短路。因此，与所考虑的升压转换器10A、10B连接的相应的光伏发电器200A、200B的所有串20通过升压转换器10A、10B基本上短路，借此不再有反向电流流过串中的任何串。在图1的示例性系统中，当两个光伏发电器200A、200B中的仅一个光伏发电器在其串的一个串或更多个串中具有反向电流情形并且相应的升压转换器具有100%的占空比时，其余的正常的光伏发电器仍可以继续向逆变器50供应电力。

根据实施方式，响应于在串的至少一个串中检测到反向电流，故障信号发送给光伏系统的操作者。可以通过例如保护逻辑单元30或控制系统单元40来发送这样的故障信号。例如，在图1的示例性系统中，可以为了此目的来使用信号u_A和u_B。可以将这样的故障信号用作另外的安全措施以便确保光伏系统的安全操作。

图3示出了与图1对应的系统的仿真结果，在第一光伏发电器200A具有光伏板21的三个串20，每个串具有16个板，并且这些串中的一个串出现反向电流情形。图3示出了三个串1、2和3的电流以及光伏发电器的总电流、光伏发电器的电压和相应的第一升压转换器10A的占空比。在时间t=0.04秒，串中的一个串（串3）受到6个PV板的短路影响，结果其余的两个串（1和2）开始对出现故障的串进行馈给。从而，PV串3的电流变成负的，即反向电流。保护在时间t=0.06秒时起作用（从正常操作向保护模式的转换），并且如图所示，第一升压转换器10A的占空比以斜坡状方式逐渐增大至100%。从仿真结果能够看出，所有三个串在短路（光伏发电器的电压变成零）情况下被驱动，从而这三个串的电流开始通过第一升压转换器10A的开关进行循环并且消除了反向电流情形。升压转换器的开关通常容易被设计为承受与其连接的光伏发电器的短路电流，从而通常没有理由使升压转换器超尺寸（oversize）以便使用上述实施方式中的任一实施方式。如从仿真结果所能够看出的，当逐渐增大占空比时，不会由于升压转换器的占空比的增大而产生电流脉冲。

根据以上实施方式中的任一个实施方式的控制升压转换器10A、10B的保护逻辑单元30和控制系统单元40或其它控制装置或者它们的组合可以实现为一个物理单元或实现为配置成实现各种实施方式的功能性的两个或更多个单独的物理单元。在本文中，术语“单元”通常指诸如物理装置或其一部分或者软件例程的物理的或逻辑的实体。可以至少部分地借助例如一个或更多个计算机或设置有适当软件的对应的数字信号处理（DSP）设备来实现根据实施方式中的任一实施方式的保护逻辑单元30和控制系统单元40。这样的计算机或数字信号处理设备优选包括至少提供用于算术操作的存储区的工作存储器（RAM）和诸如通用数字信号处理器的中央处理单元（CPU）。CPU可以包括一组寄存器、算术逻辑单元以及控制单元。通过从RAM传送至CPU的程序指令的序列来控制CPU控制单元。该CPU控制单元可以包含用于基本操作的许多微指令。微指令的实现可以根据CPU设计来变化。可以通过编程语言对程序指令进行编码，该编程语言可以是诸如C、Java等的高级编程语言或诸如机器语言或汇编语言的低级编程语言。计算机还可以具有能够将系统服务提供至写入有程序指令的计算机程序的操作系统。实现本发明的计算机或其它设备或它们的部件还可以包括用于接收例如测量和/或控制数据的适当的输入装置以及用于输出例如控制或其它数据的输出装置。也可以使用特定的集成电路或多个电路、或分立的电部件和装置用于实现根据本实施方式中的任一个实施方式的功能性。

本发明能够在现有升压转换器中实现。目前的升压转换器可以包括能够以根据上述各种实施方式的功能来使用的处理器和存储器。目前的光伏系统还可以容易地包括用于测量串电流的装置，从而使其能够在无需任何另外的测量设备的情况下检测在PV板的串中的反向电流。从而，用于实现现有升压转换器的实施方式所需要的所有修改和配置可以执行为软件例程，其可以实现为增加的或更新的软件例程。如果通过软件来实现本发明的功能性的至少一部分，则能够将这样的软件提供为包括计算机程序代码的计算机程序产品，该计算机程序代码在计算机上运行时使计算机或相应的布置能够执行如上所述的根据本发明的功能性。这样的计算机程序代码可以存储或一般地实施在诸如像闪存或光存储器的适当的存储器的计算机可读介质上，可从计算机可读介质将该程序代码加载至执行该程序代码的一个单元或多个单元。另外，实现本发明的这样的计算机程序代码可以通过例如适当的数据网络来加载至执行计算机程序代码的一个单元或多个单元，并且可以替换或更新可能的现有程序代码。

对于本领域技术人员明显的是，随着技术进步，能够以各种方式来实现本发明的基本构思。因此，本发明及其实施方式不限于以上示例，而能够在权利要求的范围内进行变化。

Claims

1.一种用于操作光伏系统的方法，所述光伏系统包括：

具有可控占空比的升压转换器（10A、10B）；以及

对所述升压转换器（10A、10B）的输入进行供给的光伏板的至少两个串（20），其中所述串彼此并联连接，所述方法包括：

检测所述串（20）的至少一个串中的反向电流，其特征在于，所述方法包括：

响应于在所述串（20）的至少一个串中检测到反向电流来增大所述升压转换器（10A、10B）的所述占空比，至少以致所述反向电流停止。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，逐渐增大所述升压转换器（10A、10B）的所述占空比。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，以斜坡状方式来增大所述升压转换器（10A、10B）的所述占空比。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，响应于在所述串（20）的至少一个串中检测到反向电流来将所述升压转换器（10A、10B）的所述占空比增大至100%。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述升压转换器（10A、10B）的所述占空比是100%时，所述升压转换器的输入的极彼此基本上短路。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述串（20）包括彼此串联连接的光伏板（21）。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括响应于在所述串（20）的至少一个串中检测到反向电流来将故障信号发送给所述光伏系统的操作者。

8.一种用于控制光伏系统的布置，所述光伏系统包括具有可控占空比的升压转换器（10A、10B）以及对所述升压转换器（10A、10B）的输入进行供给的光伏板的至少两个串（20），其中所述串彼此并联连接，所述布置包括：

检测装置（30、31），所述检测装置（30、31）配置为检测所述串（20）的任意串中的反向电流，其特征在于，所述布置包括：

控制装置（40），所述控制装置（40）配置为响应于所述检测装置在所述串（20）的至少一个串中检测到反向电流来增大所述升压转换器（10A、10B）的所述占空比，至少以致所述反向电流停止。

9.根据权利要求8所述的布置，其特征在于，所述控制装置（40）配置为逐渐增大所述升压转换器（10A、10B）的所述占空比。

10.根据权利要求9所述的布置，其特征在于，所述控制装置（40）配置为以斜坡状方式来增大所述升压转换器（10A、10B）的所述占空比。

11.根据权利要求8所述的布置，其特征在于，所述控制装置（40）配置为响应于所述检测装置在所述串（20）的至少一个串中检测到反向电流来将所述升压转换器（10A、10B）的所述占空比增大至100%。

12.根据权利要求11所述的布置，其特征在于，当所述升压转换器（10A、10B）的所述占空比是100%时，所述升压转换器的输入的极彼此基本上短路。

13.根据权利要求8所述的布置，其特征在于，所述串（20）包括彼此串联连接的光伏板（21）。

14.根据权利要求8所述的布置，其特征在于，所述系统包括发送装置，所述发送装置配置为响应于所述检测装置在所述串（20）的至少一个串中检测到反向电流来将故障信号发送给所述光伏系统的操作者。

15.一种光伏系统，包括：

具有可控占空比的升压转换器（10A、10B）；

对所述升压转换器（10A、10B）的输入进行供给的光伏板的至少两个串（20），其中所述串彼此并联连接；以及

根据权利要求8至14中任一项所述的布置。