CN106104956B - 用于从光伏模块取出电能的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及能量领域，更具体地涉及光伏直流电的生成，随后将其转变为交流(AC)或者直流(DC)电。本发明适用于光伏发电站和装置，所述光伏发电站和装置连接至本地AC配电系统或者储能系统，所述本地AC配电系统或者储能系统应用根据现有技术已知的装置。根据所要求保护的方法，通过所述光伏模块(1)将太阳辐射能转换为电信号，从所述光伏模块选择电力，通过使用不小于0.15法拉的电容器(2)来预存并且积聚能量电信号，将所述电容器充电至由电流电压特性决定的光伏模块的最大功率电压，通过使用DC/DC转换器来使电压电信号标准化。同时，通过所述DC/AC逆变器(3)将所选择的能量转换为交流电并且连续地将其输送到AC本地电网(6)，同时给安装的DC/DC转换器和(或)DC/AC逆变器供电至三个级中的至少一个，该级不小于具有最少日晒量、最大日晒量、和至少一个中间日晒量的所述光伏模块的功率。

Description

用于从光伏模块取出电能的方法和设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年1月24日提交到乌克兰工业产权协会的第a201400678号乌克兰专利申请的优先权，其公开内容以引用的方式并入本文。
发明背景
1.发明领域
本发明涉及能量领域，更具体地涉及光伏直流电的生成，随后将其转变为交流(AC)或者直流(DC)电。本发明适用于光伏发电站和装置，该光伏发电站和装置连接至本地AC配电系统或者储能系统，该本地AC配电系统或者储能系统应用根据现有技术已知的装置。
2.相关领域的描述
由任何光伏电池的性质导致的缺点是将太阳辐射直接转换为电能的发电站的广泛发展的限制因素。这些缺点的出现，是因为光伏电池仅与直接连接的p-n结或者异质结一起存在，因此：
光伏电池仅生成DC；
所生成的功率与光伏电池表面的照度级(日晒量)成正比。
由于光电转换器(以及光电模块)仅可以生成直流电(DC)，而本地工业配电系统(LIEDS)却主要是AC，所以迄今为止已经研发了并且从现有技术中已知用于将DC逆变为AC的大量技术。然而，所有这些技术均是基于如下原理：快速反复地接通和关断流过负载的直流电。设计用于将DC逆变为AC的装置被称作DC/AC逆变器。在光电转换器的情况下，外部负载与p-n结并联连接(在直接方向上)。当外部负载被关断时，该p-n结吸收光电转换器的能量，这是DC/AC逆变中损失的最重要原因之一。
所生成的电流对基于陆地的光电转换器的日晒量的正比依赖性是PV模块的起始功率连续变化的原因。这是由于如下两者：在一天中太阳辐射在太阳能电池表面上的入射角减小(可预测的变化)，以及大气透明度的变化(多云——微弱地可预测的变化)。在太阳能电池的情况下来自负载功率的供应功率的任何偏差均会导致瞬时且不可逆转的能量损失。
为了防止这些损失，迄今为止已经研发并且描述了25种不同的方法，这些方法在DC/AC逆变器中用于追踪光伏面板的最大功率点(最大功率点追踪-MPPT)。这些MPPT方法的共同点在于：
在准确时间测量PV模块的实际参数；
系统地执行PV模块功率的计算周期；
系统地调节DC/AC逆变器功率。
PV模块所生成能量的主要损失在于：
为了系统地测量PV模块的真实参数而需要的负载断开连接期间的损失；
由于在两次连续校正之间的时间期间出现的PV模块功率与DC/AC逆变器功率之间的不平衡而导致的损失；
当装置部分地关断时，在每个周期的较短部分中在DC/AC逆变器中的切换损失。
存在多个技术方案来克服这些损失。示例如下：
美国专利7709727[1]中描述了一种用于控制/调控光伏系统的电路布置，该电路布置包括串联地和/或并联连接的多个太阳能发电机，在该电路布置中，光伏系统的每个太阳能发电机均与可变能量旁路连接，该可变能量旁路按照如下方式被控制/调控：使每个太阳能发电机在其相应特定电流MPP下连续地操作，以便克服与单独PV模块的参数浮动以及在大面积中日晒量的差异相关联的损失。
美国专利7456523[2]描述了一种发电系统，该发电系统包括：并联连接的多组PV模块和功率转换器，该功率转换器连接至逆变器以便向商用电网供应交流电功率。该系统允许克服与单独PV模块的参数浮动相关联的损失，这是因为每个功率转换器控制PV模块的输出电流和电压(最大功率点追踪，MPPT)、执行DC/DC转换以便使PV模块电压与本地工业电网的电压相等、以及执行DC/AC逆变、使每个功率转换器与电网同步。所描述的方案提供了5-15％的能量增益，并且该发电系统在任何PV模块发生故障或者能量损失的情况下继续运行。所描述的管理系统的劣势与如下情况相关联：缺乏对MPPT控制所导致的损失能量的补偿、由于必须使多个独立的电源同步而造成的系统的高度复杂性，以及使用了在通断模式中工作的DC/DC转换器。
美国专利8400134[3]描述了用于追踪太阳能电池板的最大功率点(MPPT)的设备和方法，根据该设备和方法，由太阳能电池板生成的电压和电流被监测并且用于生成脉冲信号以便给电容器充电，这使得与通断模式操作相关联的损失减少，这对于DC/DC和DC/AC转换器均是典型的。当电容器电压超过预定水平时，部分能量就跳过开关，从而在电源与地面之间导致短路。该方案的明显缺点和限制性在于：i)从光伏模块取出电能是在脉冲模式下实现的，这与将PV模块直接连接至DC/DC和DC/AC转换器的情况相似；ii)部分能量跳过电源与地面之间的短路，这是又一个能量损失源；iii)该设备在800mA的电流下操作，这对于电解质电容器而言是通常的极限。
在美国专利7808213和欧洲专利2075895[4,5]中描述的设备和方法使用总能量为35J至112J的柔性织物电容器。该电容器并联连接至PV模块输出；并且当将所述电容器充电至预定充电水平时，其向移动电子设备(例如，手机)的电源供应器的充电部排放电流。因此，所描述的电源供应器在与DC/DC转换器相同的模式下操作。在低日晒水平(≤25％)下，与将PV模块直接连接至电源供应器的充电部相比，该系统允许将效率提高3至7倍。在日晒水平为约80％时，所获得的能量增益为3-6％。本节所描述的方案具有的应用范围相当狭窄，限制于低功率电子设备并且没有提供开发性以便将能量转变至商用电网。
乌克兰专利UA 51651和俄罗斯专利RU 2195754[6,7]中描述了与本发明要求保护的方案最接近的方案，该方案建议取出能量以便应用电容器，该电容器被充电至与PV模块的MPP电压相等的水平。该设备包括：一个PV模块、一个电容器、被调节在上限阈值与下限阈值处的两个阈值电压控制器、具有脉宽调制(PWM)的DC/DC转换器、以及电压的反馈构件。其中，用于触发传感器的上限阈值电压被设定为等于在最大日晒水平(100％)时PV模块的MPP电压；并且下限阈值电压被设定为比上限阈值电压少3-5％。选择的电容在0.02F至100F的范围内。电容器的内电阻被选择为比在最大日晒条件下PV模块的内电阻低一级。尽管PV模块的功率在任何特定时间发生变化，但DC/DC转换器的功率是不变的。使用所描述的设备来取出电能的方法实现了：将电容器充电至电压UB；使用之前积聚在电容器中的能量和不断地从PV模块供应的能量来形成能量脉冲，该能量脉冲具有由DC/DC转换器标准化的功率和电压。所接收的能量脉冲用于给可充电电池(RB)充电。
根据该发明，由于所使用的电容器的电容量和低内电阻，所以该方法和设备提供了：在DC/DC转换器的任何操作模式下连续地从处于其最大功率点处的PV模块取出能量；在大范围的PV模块功率中提取流动的电能；不管PV模块的瞬时功率如何都使能量脉冲在功率和电压上标准化；更加有效地使用PV模块——电容器的能量；针对PV模块的长期(每天)暴露使能量损失减少25-52％；简化执行和操作。
3.发明内容
本发明的主要目的是：通过提高系统PV模块—装置在广泛的日晒量中的效率从而使在从PV模块取出电能以及其转变期间的电能损失最小化，随后将所接收的能量转变为能够被传递至AC配电系统(本地电网)或者可以用于供应储能系统的能量，该储能系统应用多种已知的储能方法中的一种。
按照如下方式来解决该任务：在用于从光伏模块取出电能的方法中，所述光伏模块并联连接至DC/DC转换器的输入或者DC/AC逆变器的输入，利用并联连接至它们的电容器和用于电压测量的构件，并且该构件连接至控制该逆变器的模块，测量如下参数：i)在最大日晒水平下在PV模块的最大功率点处的电压UB，ii)最小电压U0，该最小电压U0在DC/DC转换器的情况下不小于PV模块的开路电压的5％或者在DC/AC逆变器的情况下不小于该开路电压的25％，iii)在最大值与最小值之间的至少一个中间日晒水平下，在PV模块的最大功率点处的电压U1。
然后，根据如下规则将DC/DC转换器或者DC/AC逆变器调节为其中一个功率级(Px)，该功率级不小于在最小日晒量(P0)、或者最大日晒量(PB)、或者在该最小日晒量与该最大日晒量之间的至少一个中间日晒量(P1)下PV模块的最大功率。
在日晒出现并且增加时，将来自PV模块的能量传递至电容器并且连续地收集在该电容器中；根据本发明，同时测量在该电容器上的电压(UC)，并且当UC达到值U0时，用于电压测量的构件(MVM)发送信号以便接通控制模块；当UC达到值U1时，该控制模块向DC/DC转换器或者DC/AC逆变器发送信号以便在功率级P1下运行；当UC达到值UB时，该控制模块向DC/DC转换器或者DC/AC逆变器发送信号以便在功率级PB下运行。
在日晒量减少时，DC/DC转换器或者DC/AC逆变器消耗由电容器收集的能量。当UC下降至值U1时，控制模块向DC/DC转换器或者DC/AC逆变器发送信号以便在功率级P1下操作；当UC下降至值U0时，用于电压测量的构件(MVM)向DC/DC转换器或者DC/AC逆变器发送信号以便在功率级P0下操作；当UC下降至比U0低的值时，用于电压测量的构件(MVM)发送信号以便关断DC/DC转换器或者DC/AC逆变器。
可以借助DC/AC逆变器将所提取的能量转变为交流电并且将其连续地传递至本地AC配电系统(本地电网)，否则，可以借助DC/DC转换器来转变所提取的能量并且将其供应至储能系统。在这两种情况下，将DC/AC逆变器或者DC/DC转换器的功率调节为三个等级中的至少一个，该三个级不小于在最小日晒量、或者最大日晒量、或者在该最小日晒量与该最大日晒量之间的至少一个中间日晒量下PV模块的功率。
本发明的其它任务是：1)设计一种用于从PV模块取出电能的设备，该设备实现了：通过提高装置在广泛的日晒水平范围内的效率从而使在从PV模块提取电能时的电能损失最小化，以及2)将由PV模块生成的电能转变为适合于传递至本地AC配电系统(本地电网)或者供应储能系统的能量。
按照如下方式来解决这些任务：在用于从PV模块提取电能的设备中，该设备包括：
1)DC/AC逆变器，该DC/AC逆变器的功率不小于PV模块标称功率，并且具有将其连接至本地AC配电系统(本地电网)的可能性；或者DC/DC转换器，该DC/DC转换器的功率不小于PV模块标称功率，并且具有连接至储能系统的输入的可能性；
2)电容器，该电容器并联连接至逆变器或者转换器的输入；
3)在电容器上的用于电压测量的构件(MVM)；
4)控制模块，该控制模块连接至DC/AC逆变器或者DC/DC转换器并且连接至在电容器上的用于电压测量的构件；
根据本发明：
1)DC/AC逆变器或者DC/DC转换器设计为至少能够在三个等级下改变其功率；
2)用于电压测量的构件设计为能够将与电容器电压的至少三个预定固定值有关的信息提供给控制模块；
4)控制模块(CM)设计为能够根据电容器电压来切换DC/AC逆变器或者DC/DC转换器的功率等级；
5)电容器的内电阻比PV模块在其MPP处的内电阻至少低两倍，而该电容器的容量被定义为如下：
C≥(k·Pв)/(Uв 2-U1 2)， (1)
其中，C是电容器的电容，以法拉计算(F)；PB是PV模块在其最大日晒量下的最大功率，以瓦特计算(W)；UB是PV模块在最大日晒量下在最大功率点(MPP)处的电压，以伏特计算(V)；U1是在小于最大日晒量的日晒量下在MPP处的最接近UB的中间固定电压，以伏特计算(V)；k是绝对值为0.3-0.5秒(sec)的系数。
在该实施例中，可以使用组合单元来作为DC/AC逆变器，该组合单元由在其输入处的一个或多个DC/DC转换器以及在其输出处的DC/AC逆变器组成。
在该实施例中，可以使用至少三个用于电压测量的构件(MVM)来作为用于电压测量的构件，每个用于电压测量的构件(MVM)生成指示电容器上的特定电压值的信号。
在该有利实施例中，控制模块是一个微处理器；否则，该控制模块可以主要由基本硬接线逻辑元件制成。
为了识别根据本发明的设备，提出使用其英语名字中的首字母缩略词：电能取出系统——EETOS。
附图说明
通过如下示例以及相关附图来图示说明所要求保护的发明，以便实现用于从PV模块取出电能的方法及实施该方法的设备，附图表示如下：
图1是在不同的日晒水平下PV模块的电流电压特性；
图2是根据本发明的用于在3个水平下从PV模块取出电能的设备的框图；
图3是根据本发明的在使用MVM的情况下用于在n个水平下从PV模块取出电能的设备的框图；
图4是根据本发明的用于从PV模块取出用于储能系统的电能的设备的框图；
图5是不同电压的选择以便确定逆变器功率(第一类PV模块——多晶硅)；
图6是不同电压的选择以便确定逆变器功率(第二类PV模块——单晶硅)；
图7是用于在n个控制点处运行的设备的算法的框图(n＝4)；
图8是用于在3点控制器处运行的设备的算法的框图。
图示了所要求保护的发明的附图、以及所示出的方法和用于实现该方法的设备的实施例的示例不以任何方式约束或者限制根据权利要求书的发明范围，而仅仅解释本发明的要点。
具体实施方式
执行模拟和实验测试来检查实现技术结果的可能性，这允许限定出电容器的最佳参数，尤其是其内电阻和电容值。模拟结果在表1至表4中呈现。如表1至表4示出的，得出的技术结果表明，当使用所要求的方法和设备时，系统的效率大幅增加；并且这要求电容器内电阻比PV模块的内电阻至少低两倍。
表1
在能量源的内电阻Rs和负载RL均相等的条件下，针对PV模块-装置的系统，效率与电容器内电阻Rsc的相关性
表2
在如下条件下，针对PV模块的系统—装置，效率对日晒水平的依赖性：能量源内电阻Rs＝RL，Rsc＝1Ohm
效率 Rpv 日晒水平 系统运行的集成标记
0,667 1 100,0％ 令人不满意
0,655 1,11 90,0％ 令人不满意
0,643 1,25 80,0％ 令人不满意
0,630 1,43 70,0％ 令人不满意
0,615 1,67 60,0％ 令人不满意
0,600 2,00 50,0％ 令人不满意
0,583 2,50 40,0％ 令人不满意
0,565 3,33 30,0％ 令人不满意
0,545 5,00 20,0％ 令人不满意
0,524 10,00 10,0％ 令人不满意
0,512 20,00 5,0％ 令人不满意
0,505 50,00 2,0％ 令人不满意
表3
在如下条件下，针对PV模块的系统—装置，效率对日晒水平的依赖性：能量源内电阻Rs＝RL，Rsc＝0.5Ohm
效率 Rpv 日晒水平 系统运行的集成标记
0,750 1 100,0％ 令人满意
0,744 1,11 90,0％ 令人满意
0,737 1,25 80,0％ 令人满意
0,730 1,43 70,0％ 令人满意
0,722 1,67 60,0％ 令人满意
0,714 2,00 50,0％ 令人满意
0,706 2,50 40,0％ 令人满意
0,697 3,33 30,0％ 令人满意
0,688 5,00 20,0％ 令人满意
0,677 10,00 10,0％ 令人不满意
0,672 20,00 5,0％ 令人不满意
0,669 50,00 2,0％ 令人不满意
表4
在如下条件下，针对PV模块的系统—装置，效率对日晒水平的依赖性：能量源内电阻Rs＝RL，Rsc＝0.33Ohm
为了确定电容器的最佳电容，已经模拟了设备操作的临界模式，即，在逆变器的最大功率(Pmax)和PV模块的最小功率(Plow)下的操作。
逆变器的最大功率(Pmax)以设备在PV模块的高日晒量下运行为特征。然而，切换在逆变器输入上的功率应在逆变器输出处提供令人满意的功率质量(PQ)。如遵循实践，在特定功率级下，使逆变器的操作受到干扰的时间取决于电网的类型和运行条件应为十分之几秒至几秒。为了提供该时间，电容器应能够积聚功率改变所必须的恰当能量储备，可以使用如下公式来估算该恰当能量储备：
Е＝Pmax·t (2)
其中，t是在改变功率时的过渡过程的时间。
在设备在最小功率(日晒量)条件下操作时，能够中断从PV模块向逆变器传递能量。在这种情况下，积聚在电容器中的能量必须在逆变器输入上提供桥接功率(BP)的条件。可以使用如下公式来估算所需要的能量：
Е＝Plow·t (3)
其中，t是在从PV模块获得能量时的中断时间。
针对标准PV模块，执行对所需要的能量的估算：PVM-1具有280W的额定功率，PVM2-具有180W的额定功率，以及PVM-3具有20W的额定功率(原型[3])。这些估算结果集中在表5中。
表5
电容器针对具有不同额定功率的PV模块和针对不同要求所储备的电能值
PV模块 模式 功率(P)，W 要求 P.t,J
PVМ1 Pmax 280 PQ 140
PVМ1 Pmid 140 PQ 70
PVМ1 Plow 56 BP 112
PVМ2 Pmax 180 PQ 90
PVМ2 Pmid 90 PQ 45
PVМ2 Plow 36 BP 72
PVМ3 Pmax 22 PQ 11
PVМ3 Pmid 11 PQ 6
PVМ3 Plow 4 BP 8
当从电容器取出特定量的能量时，其电压不应从PV模块的MPP处下降特定值以上。根据所执行的调查，这一下降的最佳范围为Δ＝3-5％。在这种情况下，电容器的能量改变的值为：
Esc＝((UB 2-U1 2)·C)/2 (4)
其中，C是电容器的电容，UB是在最大日晒量下在PMM处PV模块的电压，U1是接近电压UB的中间固定电压。
因此，电容器的电容可以通过如下公式来确定：
C≥(k·Pв)/(Uв 2-U1 2) (5)
其中，PB是与在最大日晒量下在其MPP处的与PV模块电压相对应的逆变器功率；k是具有时间单位维度的经验系数。
可以根据电容器参数来估算k的值：
k＝2·τ·(1-U1 2/UB 2) (6)
其中，τ是时间常量，其取决于特定类型的电容器的制造技术以及电容器的内电阻Rsc，上文示出了用于确定其值的算法。
为了确定系数k的最佳值，作者执行了大量计算，对设备进行进一步建模和实验评估长达1.45sec≤τ≤4.5sec。已经针对280W的PV模块(PVM-1)、180W的PV模块(PVM-2)、和20W的PV模块(PVM-3[3])执行了对k值的估算。这些模拟和实验的结果在表6中示出。我们发现，k值处于0.26至0.53的范围内，该k值提供稳定的技术效果并决定电容器的电容。
用于从光伏模块取出电能的装置(图2、图3)包括：PV模块(1)、电容器(2)、DC/AC逆变器(3)、在电容器上的用于电压测量的构件(4)、以及控制模块(5)。
表6
针对具有不同Uoc的PV模块的和针对不同电容器的系数k的值
k Rpv Rsc τ Uв ΔU Δ 系统运行的集成标记
0,141 1 1 1,45 22 1,1 5,0％ 令人不满意
0,283 1 0,5 1,45 22 1,1 5,0％ 令人满意
0,428 1 0,33 1,45 22 1,1 5,0％ 良好
0,707 1 0,2 1,45 22 1,1 5,0％ 良好
0,114 1 1 1,45 33 1,32 4,0％ 令人不满意
0,227 1 0,5 1,45 33 1,32 4,0％ 令人满意
0,344 1 0,33 1,45 33 1,32 4,0％ 良好
0,568 1 0,2 1,45 33 1,32 4,0％ 良好
0,086 1 1 1,45 53 1,59 3,0％ 令人不满意
0,171 1 0,5 1,45 53 1,59 3,0％ 令人满意
0,260 1 0,33 1,45 53 1,59 3,0％ 良好
0,428 1 0,2 1,45 53 1,59 3,0％ 良好
0,266 1 1 4,5 53 1,59 3,0％ 令人不满意
0,532 1 0,5 4,5 53 1,59 3,0％ 令人满意
0,806 1 0,33 4,5 53 1,59 3,0％ 良好
1,330 1 0,2 4,5 53 1,59 3,0％ 良好
可以使用组合单元来作为DC/AC逆变器(3)，该组合单元由在输入处的一个或多个DC/DC转换器和在输出处的DC/AC逆变器组成。
可以使用至少三个电压阈值传感器(TS)来作为用于电压测量的构件(4)，每个电压阈值传感器(TS)生成指示电容器上的特定电压值的信号(图3中示出了n个电压阈值传感器(TSn))。控制单元(5)可以被实施为微处理器或者可以由基本(标准)逻辑元件制成。
DC/AC逆变器(3)的最大功率不应小于PV模块(1)的标称功率。DC/AC逆变器(3)配置为使最大功率至少在三个级中朝着减小改变。输出DC/AC逆变器(3)连接至AC本地电网(6)(图2、图3)。电容器(2)并联连接至DC/AC逆变器(3)的输入。控制模块(5)连接至DC/AC逆变器(3)和用于测量电容器的电压的构件(4)。用于测量电压的构件(4)布置为向控制模块(5)供应与电容器(2)上的电压的至少三个固定预设值相关的信息。控制器(5)布置为取决于电容器(2)上的电压水平来切换DC/AC逆变器(3)的功率级。电容器(2)的内电阻比在最大日晒量下在其MPP处的PV模块(1)的内电阻至少低两倍。电容器(2)的电容被定义为：
C≥(k·PB)/(UB 2-U1 2) (7)
其中，C——以法拉计算的电容；PB——在最大日晒量下PV模块(1)的最大功率，W；UB——在最大日晒量下在MPP处PV模块(1)电压，V；U1——在小于最大日晒量下在MPP处的最接近电压UB，V的中间固定电压；k——绝对值为0.3至0.5秒的系数。
如下是使用上文描述的装置来从PV模块取出电能的方法。
首先，基于PV模块(1)的电流电压特性来测量如下参数：i)在最大日晒水平下在PV模块的MPP处的电压UB，ii)电压U0，该电压U0在DC/AC逆变器(3)的情况下不小于PV模块(1)的开路电压的25％,在DC/DC转换器的情况下不小于PV模块的开路电压的15％，iii)在最大值与最小值之间的至少一个中间日晒水平下，在PV模块(1)的MPP处的电压U1。然后，将DC/AC逆变器(3)调节为其中一个功率级(Px)，该功率级不小于在最小日晒量(P0)、或者最大日晒量(PB)、或者在该最小日晒量与该最大日晒量之间的至少一个中间日晒量(P1)下PV模块(1)的最大功率。该设备根据如下方案操作。在日晒出现并且增加时，将来自PV模块(1)的能量传递至电容器(2)并且连续地收集在该电容器中；并且同时测量电容器(2)上的电压(UC)。当UC达到值U0时，用于电压测量的构件(4)发送信号以便接通控制模块(5)；当UC达到值U1时，该控制模块(5)向DC/AC逆变器(3)发送信号以便在功率级P1下操作；当UC达到值UB时，该控制模块(5)向DC/AC逆变器(3)发送信号以便在功率级PB下操作。与电压U0、U1…UB相对应的信号线在图2中位置7处示出。反之亦然，在日晒量减少时，DC/AC逆变器(3)消耗由电容器(2)收集的能量，并且当UC下降至值U1时，控制模块(5)向DC/AC逆变器(3)发送信号以便在功率级P1下操作；当UC下降至值U0时，用于电压测量的构件(4)向DC/AC逆变器(3)发送信号以便在功率级P0下操作；当UC下降至比U0低的值时，用于电压测量的构件(4)发送信号以便关断DC/AC逆变器(3)。
为了实现该方法，可以使用至少三个电压阈值传感器(TS)(4)来作为用于电压测量的构件，每个电压阈值传感器(TS)形成有关电容器(2)的特定电压的存在的信号并且将其发送至控制模块(5)。(图3)图示了特殊装置的示例以及使用这种带有DC/AC逆变器(3)来实现使用该装置的方法的示例。另一个示例图示了方法的实现和特殊装置，该示例提供DC/DC转换器(3)的使用(图4)以便供应脉冲功率负载(6)或者储能器(8)。
验证本发明的可能性的信息
为了验证用于取出电能的方法的可能性，使用了如下元件：
·双站，该双站允许通过两个独立的信道来登记接收到的能量的量；
·双标准PV模块SPV-190M-24(Sinski PV有限公司)，该双标准PV模块具有190W的额定功率和UOC＝43.4V的开路电压，该双标准PV模块并排地固定安装在同一平面上；
·超级电容器(下文称作SC)，该超级电容器具有5.2F的电容量和42V的操作电压；
·电子电路，该电子电路在恒定负载模式下执行能量提取。
示例1：在不同日晒水平下执行实验验证，以验证登记能量量的两个信道的身份。针对在PV模块的额定功率下曝光指定时间，通过使通过信道1获得的平均功率标准化，来评估平均日晒水平。暴露时间是任意地选择的，但不小于60秒。本说明书的表7中给出了测试结果。为了检查所提出的用于取出电能的方法，在信道2中包含EETOS设备并且进行类似于信道1的测试。表7中给出了该测试的结果。包含有EETOS设备的信道2(这是本发明的主题)在所有日晒水平下均显示出更好的性能。如果日晒水平为91.2％至3309％且如果日晒水平是PV模块的额定功率的0.1％，则当日晒水平从103.2％开始下降时，EETOS设备的效用随着日晒水平的下降而增加。
表7
在应用EETOS系统的条件下，从额定功率为190W的PV模块接收到的平均功率(对比表)
*-没有执行测量
示例2：通过在日照时间监测两个信道的工作情况来执行实验验证，以验证所提出的用于取出电能的方法的效用。通过使来自信道1的能量的量标准化为信道1中的在整个观察期间每个日照小时接收到的能量最大量，来执行整个日照时间期间的平均日晒量的估算。信道2在包含EETOS设备(09/24和09/25)或者没有EETOS设备的条件下操作。表8中给出了测试结果。在平均日晒量为80.1％和88.5％时，所提出的方法允许每个日照小时接收到的能量的量分别增加27.8％和22.9％。
表8
在应用EETOS系统的条件下，从标称功率为190W的PV模块接收到的总能量(对比表)
示例3：基于单晶硅电池制成的PV模块用于实验验证所提出的设备的可行性。根据规格，PV模块具有如下参数：额定功率——190W，开路电压UOC＝43.4V，短路电流——6.5A，内电阻——6.3Ohm，计算出的MPP电压Umpp＝0.8·UOC＝34.7V。对于基于单晶硅电池的PV模块，MPP对日晒水平的依赖性是典型的并且接近类型2(图6)。在这种情况下，用于取出电能的方法是通过如下方式来实现的：通过使用三个电压阈值传感器(4)和具有三个功率级的逆变器(3)来将系统调节至三个电压水平。电容器(2)由基于完美结构的碳形式和含水电解质的7个模块BSC 6-30组成。根据BSC 6-30规格，其具有：电容量——30F，内电阻——小于0.15Ohm，以及最佳电流——10A。在该示例中，电容器(2)的电容量在42V的操作电压下为4.5F。电容器(2)的内电阻为1.05Ohm，这比PV模块(1)在MPP处的内电阻低6倍。
使用由Power-One公司制造的微型逆变器MICRO-0.25-I-OUTD-208/240(AuroraMicro)作为DC/AC逆变器(3)，其设计为与单独PV模块一起操作。根据Aurora Micro规格，其具有：在输入处的额定功率——高达265W，操作电压——12V至60V，最大电流——12.5A。Aurora Micro具有针对在25V至50V的范围中的输入电压的MPPT功能，这允许在0.2W至250W中平稳地改变其功率。允许DC/AC转换的最小操作电压为12V，这是PV模块开路电压UOC＝43.4V的27.6％，或者是其规格所允许的最大开路电压的20％。在输出处，Aurora Micro在230V和50Hz下提供的AC具有250W的额定功率。对输入电压和输出电压、频率、电流、功率和能量输出的测量由普通构件Aurora Micro执行并且经由单元将其可视化以便收集数据(Aurora CDD)。
将具有220V和50Hz的AC线用作本地电网(6)。
为了实施控制模块，基于由MOS科技公司生产的低功率双极型晶体管KT 315和逻辑微电路K364系列来制造三个电压传感器(TS)(4)。根据具有三个管理水平的操作算法，将TSB、TS1和TS0配置在如下电压上：UB＝34.7V，U1＝32.0V，U0＝29.5V。当达到阈值电压时，对应的TSn改变输出信号，例如，从“1”变为“0”，或者反之亦然，从“0”变为“1”。
当达到阈值电压时，对应的TSn改变输出信号，例如，从“1”变为“0”，或者反之亦然，从“0”变为“1”。
已经基于场效应晶体管MOSFET(IRF3710PBF、STW12NK80Z)制造了控制模块(5)，其特征在于打开模式下的低电压降。控制模块(5)从TSn接收呈标准数字形式的信号，并且生成同样呈数字信号形式的对应控制信号以便管理MOSFET(5V)。根据控制模块(5)的命令，将DC/AC逆变器(3)切换至恰当的功率级，即，P0＝50W，PB＝200W，P1＝100W。
在这些实验中，我们发现，如果PV模块的开路电压减小至其额定值的25％以下，则DC/AC逆变器的工作情况变得不稳定，因此不能建立可靠的技术结果。相应地，当PV模块的开路电压减小至其额定值的15％以下时，使用DC/DC转换器来实施的方法和设备，也不能建立可靠的技术结果。
示例4：描述了实验验证结果，与具有MRRT功能的系统的效率相比，具有EETOS设备的系统在广泛的日晒水平下在从PV模块取出能量的效率更高。
为了该实验，使用了在前面的示例1至示例3中描述的额定功率为190W的PV面板和由Power-One公司生产的微型逆变器MICRO-0.30-I-OUTD-208/240(Aurora Micro)。为了测试所提出的方法的效率，将EETOS设备包含在信道1中并且将具有MRRT功能的Aurora Micro包含在信道2中。针对信道1和信道2均已经应用相同的日晒量和相似的测试步骤。表9中示出了测试结果。这些结果表明，针对所有日晒水平，在具有EETOS设备的信道1中观察到更高的效率，这是本发明的主题。在这种情况下，从PV模块接收到的能量的增益为21.1％，这表明在从PV模块取出电功率期间的能量损失减少，即，由于利用了根据本发明的方法和设备而实现了技术效果。
表9
在应用EETOS系统(信道1)和MPPT(信道2)的条件下，从额定功率为190W的PV模块接收到的总能量(对比表)
模拟和调查还显示，EETOS设备的效用取决于逆变器功率级的数量，并且被恰当地限定以便测量在中间日晒水平下的PV模块电压。调控点的数量的增加使得设定在逆变器或者转换器中的功率级之间的差减小；并且相应地对提高整个系统的效率具有积极影响，但对其成本有不利影响。
对高达190瓦特且开路电压为40伏特的PV模块进行的实验显示，在至少三个功率级的存在下，且在相邻调控点之间的电压差为1伏特至2.5伏特时，已经显现出技术结果。使电压差减小至小于1伏特的值会导致电容器的容量增加并且总体上使装置更为复杂并且因此变得不经济。在相邻电压调控点之间的电压差的最佳值应设定为在PV模块开路电压的3％与5％的范围内。

Claims (6)

1.一种用于基于电压电流特性从光伏模块(1)取出电能的方法，所述光伏模块(1)并联连接至DC/DC转换器或者DC/AC逆变器的输入端，所述DC/DC转换器或者DC/AC逆变器并联连接至超级电容器(2)，所述超级电容器(2)配置为使得来自所述光伏模块(1)的所有电能均被连续地传递至所述超级电容器(2)，并且所述超级电容器(2)并联连接至用于连续地测量所述超级电容器的电压Uc的构件(4)，所述构件(4)连接至所述DC/DC转换器或者所述DC/AC逆变器的控制模块(5)，其特征在于，所述控制模块(5)：
-获取所述构件(4)在最大日晒水平下在所述光伏模块(1)的最大功率点处测量的电压并且将其作为与其对应功率级PB一起的第一参考电压UB，
-获取所述构件(4)在中间日晒水平下在所述光伏模块(1)的最大功率点处测量的电压并且将其作为与其对应功率级P1一起的第二参考电压U1，
-储存作为连接电压并且将其作为与其对应任意功率级P0一起的第三参考电压U0，所述第三参考电压U0在所述DC/DC转换器的情况下不小于所述光伏模块(1)的开路电压的5％以及在所述DC/AC逆变器的情况下不小于25％，
-储存作为低于U0的断开电压的任意第四参考电压Uoff；
-将所述DC/DC转换器或者所述DC/AC逆变器的参考功率Px调节为上述值PB、P1或者P0中的一个使得：
-如果所述电容器电压UC升高并且达到等于U0或者更大的值，则接通所述DC/DC转换器或者DC/AC逆变器，将Px设定为P0；如果UC进一步升高并且达到在U1与UB之间的值，则，将Px设定为P1；并且如果UC达到等于UB的值，则将Px设定为PB；
-如果所述电容器电压UC减小至位于U1与U0之间的值，则将所述参考功率Px设定为P1；如果UC进一步减小至位于U0与Uoff之间的值时，则将Px设定为P0；并且如果UC减小至低于Uoff的值时，则关断所述DC/DC转换器或者所述DC/AC逆变器。
2.一种用于从光伏模块取出电能的设备，所述设备包括：DC/AC逆变器，所述DC/AC逆变器的功率不小于光伏模块标称功率，并且可将其输出连接至本地AC配电系统(6)，或者DC/DC转换器，所述DC/DC转换器的功率不小于光伏模块标称功率，并且可将其连接至储能系统的输入端；电容器，所述电容器并联连接至所述DC/AC逆变器或者所述DC/DC转换器的输入端；在电容器上的用于测量电压的构件(4)；控制模块(5)，所述控制模块(5)连接至所述DC/AC逆变器或者所述DC/DC转换器并且连接至在所述电容器上的用于电压测量的构件(4)；其特征在于：所述DC/AC逆变器或者所述DC/DC转换器设计为能够在至少三个级之间切换其功率；所述用于电压测量的构件(4)设计为能够将与所述电容器电压的至少三个预定固定值有关的数据供应至所述控制模块(5)，所述控制模块(5)设计为能够取决于所述电容器电压来切换所述DC/AC逆变器或者所述DC/DC转换器的功率级，其中，所述电容器(2)的内电阻比所述光伏模块(1)在其最大功率点(MPP)处的内电阻至少低两倍，而所述电容器(2)的容量被定义为如下：
C≥(k*Pв)/(Uв 2-U1 2)，
其中，C是所述电容器(2)的电容，以法拉(F)计算；PB是所述光伏模块在其最大日晒量下的最大功率，以瓦特(W)计算；UB是所述光伏模块在最大日晒量下在最大功率点处的电压，以伏特(V)计算；U1是在小于最大日晒量的日晒量下在所述最大功率点处的中间固定电压，U1最接近UB，以伏特(V)计算；k是绝对值为0.3-0.5秒(sec)的系数。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，使用组合单元来作为所述DC/AC逆变器，所述组合单元包括在其输入端的一个或多个DC/DC转换器以及在其输出端的DC/AC逆变器。
4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，使用至少三个阈值装置来作为所述用于电压测量的构件(4)，每个所述阈值装置生成指示所述电容器(2)上的特定电压值的信号。
5.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述控制模块(5)是微处理器。
6.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述控制模块(5)由硬接线逻辑元件制成。
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