CN105006833A - 用于从光伏系统的光伏模块馈送能量的方法和被设计成用于执行该方法的逆变器 - Google Patents

用于从光伏系统的光伏模块馈送能量的方法和被设计成用于执行该方法的逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于将能量从光伏系统(1)的光伏模块(2)馈送到供电电网(5)或负载的方法，其中由所述光伏模块(2)产生的DC电压(UDC)在具有带有电容器(CZW)的中间电路(7)和DC/AC转换器(8)的逆变器(3)中转换成AC电压(UAC)，并且在馈电操作模式中，所述逆变器(3)经由切换装置(4)连接至所述供电电网(5)或所述负载，本发明还涉及一种用于执行所述方法的逆变器(3)。为了保护所述切换装置(4)，进行如下规定：在测试过程中确定所述光伏模块(2)的所述输入功率(Pe)，并且如果所确定的所述光伏模块(2)的所述输入功率(Pe)大于或等于规定的最小输入功率(Pe,min)，则启动所述逆变器(3)的所述切换装置(4)。

Description

用于从光伏系统的光伏模块馈送能量的方法和被设计成用于执行该方法的逆变器
技术领域
本发明涉及一种用于将能量从光伏系统的光伏模块馈送到供电电网或负载的方法，其中由所述光伏模块产生的DC电压在具有带有电容器的中间电路和DC/AC转换器的逆变器中转换成AC电压，并且在馈电操作模式中，所述逆变器经由切换装置连接至所述供电电网或所述负载。
此外，本发明还涉及一种用于将由光伏模块产生的DC电压转换成用于馈送到供电电网或负载的AC电压的逆变器，该逆变器具有控制装置、带有电容器的中间电路、DC/AC转换器以及用于在馈电操作模式中将输出连接至所述供电电网或所述负载的切换装置，所述控制装置被设计成用于执行上述方法。
本发明既涉及电网连接的光伏系统，其中由所述光伏模块产生的电能被馈送到供电网络中，本发明又涉及所谓的独立逆变器，其中从所述光伏模块输出的能量用于负载或用于对电池进行充电。
背景技术
例如，根据DE 10 2010 060 633 B3或者EP 2 242 160 B1，用于将光伏系统与供电电网或负载连接的方法和装置已经变成已知技术。在这些技术中，在启动逆变器的切换装置之前，确定所述逆变器的输入电压。如果该输入电压达到限定的阈值，则逆变器开始开启过程，在该开启过程期间，所述逆变器通过切换装置的启动而与供电电网或负载连接。然后，在操作点处，开始馈电操作模式或供电操作模式，在该操作点处，实现最大功率(MPP：最大功率点)。然而，如果光伏系统不能输出该输入功率，则逆变器不能维持该馈电操作模式或供电操作模式，并且其将切换装置停用，使得逆变器再次从供电电网或负载断开。该过程反复进行，直到可以进行馈电操作模式，其中以相对较短的间隔进行该重复，从而在达到条件之后能够尽可能快地执行馈电操作模式。这里的不利之处是，结果产生大量的切换循环，其结果是切换装置的使用寿命相应地降低。
发明内容
因此，本发明的目的在于产生上述的方法和装置，通过该方法和装置能够消除或至少减少以上缺点，并且由于仅启动切换装置一次而能够实现馈电操作模式。
本发明的目的通过上述的方法实现，其中在将所述逆变器连接至所述供电电网或所述负载之前，在测试过程中确定所述光伏模块的所述输入功率，并且如果所确定的所述光伏模块的所述输入功率大于或等于规定的最小输入功率，则启动所述逆变器的所述切换装置。因此，根据本发明，在将所述逆变器连接至所述供电电网或所述负载之前，在进行所述切换装置的启动和开始所述馈电操作模式之前针对所述光伏模块是否能够输出必要的最小输入功率进行检查。通过该措施，能够使得所述逆变器的所述切换装置的切换循环的数量最小，因此能够延长所述切换装置的使用寿命，并因此延长所述逆变器的使用寿命。由于所述切换装置的切换循环的数量较低，因此也降低了对所述切换装置的要求，从而能够更节约成本地利用所述切换装置。类似地，由于逆变器的切换装置的启动被最小化，减少了逆变器的操作小时，结果能够将逆变器本身的功耗保持最小。不需要任何附加硬件来执行本发明的方法，相反，理想的是，所述方法可以通过对所述光伏系统的逆变器的控制装置进行适当编程而快速简单地实现。在独立操作的情况下，本发明的方法同样是有利的，因为在启动所述切换装置之后能够可靠地操作所连接的负载。
根据所述方法的第一变型，这样确定所述光伏模块的所述输入功率，即测量所述光伏模块的开路电压，并且根据该值，计算具有测试电压和测试电流的测试操作点，并且通过该测试过程，针对所述测试电流控制所述逆变器的DC/DC转换器，并且测量所述光伏模块的DC电压，如果所述光伏模块的所述DC电压大于或等于所述测试电压，则启动所述逆变器的所述切换装置，其中在所述测试过程期间，在所述中间电路的电容器中存储来自所述光伏模块的能量。因此，在该解决方案中，通过所测量的所述光伏模块的开路电压来确定名义测试操作点，并且通过所述DC/DC转换器的控制，针对是否能够实现该名义操作点进行检查，如果所述光伏模块的输入功率足够，则就是这种情况(即能够实现所述名义操作点)。
根据本发明的方法的特征，通过所述规定的最小输入功率除以所述开路电压再除以系数来确定所述测试操作点的所述测试电流。根据经验，所述光伏模块的最大功率正好位于所述开路电压之下。
对于现有技术的大多数光伏模块来说，光伏模块的电流-电压曲线图上的、能够提取最大功率的点位于所谓的MPP(最大功率点)，该最大功率点位于所述开路电压的70％到90％，优选为80％的电压，其与在70％和90％之间，优选为80％的系数同义。
根据本发明方法的第二变型，这样确定所述光伏模块的所述输入功率，即：在所述测试过程期间，利用来自所述光伏模块的能量对所述逆变器的中间电路的电容器进行充电，并且测量实现所述光伏模块的开路电压的规定部分所需的时间，如果所述测试时间小于或等于规定的临界时间，则启动所述逆变器的切换装置。
为了确保在执行所述测试过程之前所述逆变器的中间电路的电容器被完全放电，在所述测试过程之前，将所述逆变器的所述中间电路的电容器放电。
通过所述逆变器的所述DC/AC转换器、通过放电电阻或通过所述逆变器的所述中间电路的所述电容器的自我放电对所述逆变器的所述中间电路的电容器进行放电。
优选的是，在限定的时间段上优选循环地执行所述测试过程，直到启动所述逆变器的所述切换装置和执行所述馈电操作模式为止。所述循环时间例如可以为30秒。
本发明目的还通过上述的逆变器实现，该逆变器的所述控制装置被设计成用于执行上述方法。
附图说明
基于附图更详细地描述本发明。这里：
图1示出了具有与电网连接的逆变器的光伏系统的示意性框图；
图2示出了流程图，用于图示本发明的方法的第一变型；
图3和图4示出了电流/电压图，以图示本发明的第一方法；以及
图5和图6示出了电压/时间图，以图示本发明的第二方法。
具体实施方式
图1示出了光伏系统1的示意性框图，该光伏系统1包括作为DC电压源的至少一个光伏模块2，该光伏模块输出DC电压UDC。光伏系统1进一步包括逆变器3和切换装置4，由逆变器3产生的AC电压UAC能够经由该切换装置4连接至供电电网5或负载(没有示出)。逆变器3可以具有DC/DC转换器6、中间电路7和DC/AC转换器8、以及控制装置9，该控制装置9还能够启动和停用切换装置4。
根据本发明，只有光伏模块2的输入功率Pe达到规定的最小输入功率Pe,min，切换装置4才被启动。在切换装置4被启动的情况下，在该馈电操作模式中，由光伏模块2输出的能量被馈送到供电电网5中或用于对负载进行供电。对于馈电操作模式来说，应该相应地可以从光伏模块2输出足够的能量，使得切换装置理想地仅仅需要启动一次。如果逆变器3能够在馈电操作点(所谓的MPP(最大功率点))处操作，则可获得足够的输入功率Pe，并且逆变器3的内部损失被光伏模块2的输入功率Pe覆盖。通常发现逆变器的内部损失在两位数的瓦数范围内。为了在切换装置4具有优选单一切换循环的情况下确保可靠的馈电操作模式，在切换装置4停用的情况下在光伏模块2上进行测试过程，通过该测试过程，确定光伏模块2的输入功率Pe。该方法既适合于具有变压器的逆变器3，又适合于不具有变压器的逆变器3。
现在借助于图2至图4描述所述方法的第一变型。图2示出了流程图，以图示所述方法的该变型。根据方框101，建立光伏模块2的特定最小输入功率Pe,min，并且测量光伏模块2的开路电压ULL。根据询问102，确定开路电压UL是否达到限定的阈值。如果开路电压UL位于该阈值之下，则向回返回到方框101。如果该开路电压UL达到所述阈值，则该方法继续到方框103，在该方框103中，利用测试电压Up和测试电流IP建立名义测试操作点AP。例如，根据UP＝k.UL，测试电压UP被定义为开路电压UL的一部分，其中系数k优选位于70％和90％之间，特别为80％。MPP经常位于开路电压UL的80％处，不过这取决于光伏模块2的类型。测试电流IP通过最小输入功率Pe,min除以测试电压UP来确定。这样，计算在测试操作点AP处测试电压UP和测试电流IP的值。根据方框104，针对所确定的该测试电流IP，控制逆变器3的DC/DC转换器6，并且测量光伏模块2的输入电压。根据询问105，现在针对是否能够达到测试操作点AP，即针对光伏模块2的输入功率Pe是否足够，进行检查，以便能够在操作点AP输出测试电压UP和测试电流IP。在肯定的情况下，根据方框106启动切换装置4，并且将发现逆变器3处于馈电操作模式中。如果光伏模块2的输入电压在针对测试电流IP对DC/DC转换器6进行控制的测试期间中断，也就是说，如果不能实现测试操作点AP，则向回返回到方法的方框101。
图3和图4示出了电流/电压图，以图示出图2中的方法。在根据图3的第一种情况下，能够实现测试操作点AP，也就是说，光伏模块2的输入功率Pe足以覆盖逆变器3的损失，从而能够进行切换装置4的启动。在图4中，不能实现操作点AP，也就是说，光伏模块2的输入功率Pe不足以覆盖逆变器3的损失，因此没有进行切换装置4的任何启动，因而没有切换到馈电操作模式。
因此，在测试过程期间，逆变器3的DC/DC转换器6用作光伏模块2的负载。为此，DC/DC转换器6的切换元件由逆变器3的控制装置9适当地控制。能量被存储在逆变器3的中间电路7中。因此，DC/DC转换器6针对为测试操作点AP确定的电流IP控制电流，并且测量光伏模块2的电压UDC和电流。在电流控制期间，所测量的电压不应该下降到低于测试电压UP，该检查通过所测量的电压UDC与测试电压UP的比较来进行。如果所测量的电压没有下降到低于测试电压UP，则对光伏模块2的输入功率Pe的检查是成功的，从而能够启动切换装置4，并且可以开始馈电操作模式(图3)。这里，在IP和UDC的相交点处的测量电压UDC大于测试电压UP。因而，所实现的操作点能够输出比测试操作点AP高的功率。如果所测量的电压下降到低于测试电压UP，即如果没有操作点能够利用电流IP来设置，则不启动切换装置4，如从图4中看到，不启动任何馈电操作模式。在限定的时间之后重复测试过程。
用于测试过程的持续时间通常在几秒的范围内，并且实质上还与中间电路7的容量匹配，中间电路7在该测试过程期间存储能量。
在具有DC/DC转换器6的逆变器3的情况下可以有利地采取根据图2至图4的方法第一变型。
借助于图5和图6，现在描述用于从光伏模块2向供电电网5或负载馈送能量的另一个方法。这里，这样确定光伏模块2的输入功率Pe，即：在测试过程期间，逆变器3的中间电路7的电容CZW利用来自光伏模块2的能量进行充电，并且在测试过程的情况下，测量达到光伏模块2的开路电压UL的规定部分UP(例如，80％)所需的时间tL。如果测试时间tL少于或等于规定的临界时间tP，则启动逆变器3的切换装置4，并且开始馈电操作模式。如果测试时间tL大于规定的临界时间tP，则不启动逆变器3的切换装置4，并且不开始馈电操作模式。
在所述方法的该变型中，中间电路7首先被放电。这可以通过DC/AC转换器8或通过放电电阻(没有示出)进行。中间电路7的电容器CZW然后通过来自光伏模块2的能量来充电，并且将电压UDC记录为时间t的函数。如果已经达到光伏模块2的开路电压UL，则对中间电路7的电容器CZW进行充电。为了切换装置4的启动，只要在测试时间tL内实现例如为开路电压UL的80％的测试电压UP就足够了，该测试时间tL位于规定的临界时间tP之下。
根据图5，在位于规定的临界时间tP之下的时间tL内实现测试电压UP，由此光伏模块2输出足够的输入功率Pe，并且可以启动切换装置4，并且可以开始馈电操作模式。
根据图6，在位于规定的临界时间tP之上的时间tL内实现测试电压UP，由此，光伏模块2没有输出足够的输入功率Pe，因此不启动切换装置4，并且不能采取馈电操作模式。
在该方法的该第二变型中，测试过程再次由逆变器3的控制装置9执行，因此不必对硬件进行改动。

Claims (10)

1.一种用于将能量从光伏系统(1)的光伏模块(2)馈送到供电电网(5)或负载的方法，其中由所述光伏模块(2)产生的DC电压(UDC)在具有带有电容器(CZW)的中间电路(7)和DC/AC转换器(8)的逆变器(3)中转换成AC电压(UAC)，并且在馈电操作模式中，所述逆变器(3)经由切换装置(4)连接至所述供电电网(5)或所述负载，其特征在于，在将所述逆变器(3)连接至所述供电电网(5)或所述负载之前，在测试过程中确定所述光伏模块(2)的输入功率(Pe)，并且如果所确定的所述光伏模块(2)的所述输入功率(Pe)大于或等于规定的最小输入功率(Pe,min)，则启动所述逆变器(3)的所述切换装置(4)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，这样确定所述光伏模块(2)的所述输入功率(Pe)，即：测量所述光伏模块(2)的开路电压(UL)，并且根据该值，计算具有测试电压(UP)和测试电流(IP)的测试操作点(AP)，并且通过该测试过程，针对所述测试电流(IP)控制所述逆变器的DC/DC转换器(6)，并且测量所述光伏模块(2)的所述DC电压(UDC)，如果所述光伏模块(2)的所述DC电压(UDC)大于或等于所述测试电压(UP)，则启动所述逆变器的所述切换装置(4)，其中在所述测试过程期间，在所述中间电路(7)的所述电容器(CZW)中存储来自所述光伏模块(2)的能量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过所述规定的最小输入功率(Pe,min)除以所述开路电压(UL)再除以系数(K)来确定所述测试操作点(AP)的所述测试电流(IP)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述系数(K)在70％和90％之间，优选为80％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，这样确定所述光伏模块(2)的所述输入功率(Pe)，即：在所述测试过程期间，利用来自所述光伏模块(2)的能量对所述逆变器(3)的所述中间电路(7)的所述电容器(CZW)进行充电，并且测量实现所述光伏模块(2)的所述开路电压(UL)的规定部分所需的时间(tP)，如果所述测试时间(tL)小于或等于规定的临界时间(tP)，则启动所述逆变器(3)的所述切换装置(4)。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其特征在于，在所述测试过程之前，将所述逆变器(3)的所述中间电路(7)的所述电容器(CZW)放电。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过所述逆变器(3)的所述DC/AC转换器(8)对所述逆变器(3)的所述中间电路(7)的所述电容器(CZW)进行放电。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，通过放电电阻或通过所述逆变器(3)的所述中间电路(7)的所述电容器(CZW)的自我放电对所述逆变器(3)的中间电路(7)的所述电容器(CZW)进行放电。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，循环地执行所述测试过程，直到启动所述逆变器(3)的所述切换装置(4)和执行所述馈电操作模式为止。
10.一种用于将由光伏模块(2)产生的DC电压(UDC)转换成AC电压(UAC)以将该AC电压馈送到供电电网(5)或负载的逆变器(3)，该逆变器(3)具有控制装置(9)、带有电容器(CZW)的中间电路(7)、DC/AC转换器(8)以及用于在馈电操作模式中将输出连接至所述供电电网(5)或所述负载的切换装置(4)，其特征在于，所述控制装置(9)被设计成用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。
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