CN109565259A - 用于光伏串的隔离装置 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种用于将光伏串(11)的第一部分与第二部分电隔离的装置(1)，所述第一部分和第二部分能够连接在所述装置(1)的第一连接端(15)上和第二连接端(16)上，其特征在于，所述装置(1)具有开关(12，21，22)和操控装置(14)，所述操控装置设置用于当施加在所述连接端(15，16)中的至少一个上的电压相对于施加在参考连接端(17)上的电位处于预给定的值范围以外时，将所述开关(12，21，22)断开。所述装置(1)也可以是光伏能量产生设备的一部分。

Description

用于光伏串的隔离装置
技术领域
本发明涉及一种用于光伏串的隔离装置以及一种具有这种隔离装置的能量产生设备。
背景技术
为了成本有利地构型光伏能量产生设备，期望将所使用的太阳能模块连接成尽可能长的串联电路(所谓的串)，以便实现尽可能高的串电压。然而，高的串电压同时带来如下危险：在能量产生设备内发生绝缘故障时，会产生可能损坏设备部件的高故障电流。此外，绝缘故障可能导致能量产生设备的一部分具有超出安全标准的对地电位。因此，需要确保光伏能量产生设备免受绝缘故障的影响。
由文献US 2009 0032082 A1已知，在串的中间给串配备受远程控制的开关，该开关在故障情况下将串分离成两个部分。远程控制装置布置在逆变器中或逆变器上，并且当串不提供功率时，该远程控制装置将开关断开，以防止串内的电压相对于地电位违反最大值。由于能量产生设备内的附加电缆连接，串中间的开关的远程控制需要额外开销。
在文献EP 2 296 244 A1中公开一种光伏设备，在该光伏设备中，如果流向地的电流超过极限值，则将两个部分串之间的连接点上的地连同部分串的连接一起断开。如果未达到极限值，则将串在该连接点处有效接地。
发明内容
因此，本发明的任务是在光伏能量产生设备的串的内部提供开关，该开关在发生绝缘故障时将串自动地分离成部分串，而不需要外部操控并且不需要预给定串的低阻抗接地。
该任务通过根据独立权利要求1所述的隔离装置以及根据并列权利要求10所述的能量产生设备解决。在从属权利要求中描述优选的实施方式。
根据本发明的用于将光伏串的第一部分与第二部分电隔离的装置具有开关和设置用于该开关的操控装置，所述第一部分和第二部分能够连接在该装置的第一连接端上和第二连接端上。该操控装置设置用于当施加在连接端中的至少一个上的电压相对于施加在参考连接端上的电位处于预给定的值范围以外时，将开关断开。优选地，参考连接端在此与地电位连接，尤其当施加在连接端中的至少一个上的电压与地电位偏差预给定的量值时，将开关断开。
在此，隔离装置不应对施加在连接端上的电压产生影响或者应该产生至少尽可能小的影响。为了确保这一点，第一连接端或第二连接端与参考连接端之间的测量阻抗应尽可能高，尤其高于10千欧姆，优选高于100千欧姆。
在一种优选实施方式中，由两个半导体开关的串联电路构成开关。特别优选地，所述开关实施成常闭开关，使得在省去通过操控装置对开关的主动操控的情况下，第一连接端与第二连接端之间的电连接闭合。开关的这种配置使在黎明时的启动更容易，因为当通过太阳能模块开始产生功率时，串已经连接。
一种有利的构型设置：第一开关和第二开关是FET(场效应晶体管)。在此，JFET(结型FET)是特别合适的，其中，第一开关是n沟道JFET并且第二开关是p沟道JFET。在这种配置中，通过由无源构件(例如电阻式分压器)构成的适当尺寸的网络，可以容易地在第一连接端、第二连接端与作为操控装置的参考连接端之间产生用于第一开关和第二开关的操控电压。替代地，也可以使用其他开关(尤其其他的半导体开关)，并且也可以将两个相同沟道类型的开关(n沟道或P沟道开关)进行组合，并且可选地同样可以通过无源的构件的匹配的网络进行操控。
该装置可以设置用于在开关断开时产生故障信号。可以将该故障信号无线地或有线地传输给上级运行单元，该上级运行单元对故障信号适当地做出反应。
反之，操控装置还可以设置用于在接收到相应的用于断开开关的信号时，将开关断开。也可以无线地或有线地接收相应的信号。
在一种实施方案中，操控装置还设置用于当满足以下标准中的至少一个时，在将开关断开之后重新将其闭合：
a)地电位与第一连接端和第二连接端(15，16)上的电压平均值之间的差的量值低于预给定的阈值。例如当光伏串在夜间不再被照射时就是这种情况。
b)自断开起，经过了预给定的持续时间。在此并不排除如下情况：在将开关闭合之后不久，重新确定存在用于断开开关的条件，从而立即重新将开关断开。能够设想，仅设置有限数量的重新闭合开关的尝试，并且在相应数量的尝试失败之后，仅根据其他提到的标准来实现重新闭合。
c)接收到用于闭合的外部信号。例如可以由上级运行单元无线地或有线地发送这种信号。
通过设置用于重新闭合开关的标准，光伏串由于开关断开而不提供功率的时间段被保持得小，因为在消除断开开关的必要性之后，可以立即重新将该开关闭合。
在另一实施方式中，为了进行供电，操控装置可以与能量存储器(例如电池或电容器)连接。在此，能量存储器的充电可以由在开关上下降的电压进行设置。如果在闭合状态中，在开关上下降的电压不足以给能量存储器充电，则也可以设想短时地将开关中的至少一个断开或者将其置于部分导通的运行中，以便将在开关上下降的电压提高到足以用于充电的电压值。
本发明的另一方面涉及一种光伏能量产生设备，该光伏能量产生设备具有在输入侧(即在直流侧)串联连接的第一逆变器和第二逆变器。所述逆变器的串联电路的中点与绝缘监测装置连接、并且由此与参考电位(尤其地电位)以能够切换的方式连接。替代地，根据本发明的光伏能量产生设备也可以具有单个的逆变器，该单个的逆变器在输入侧具有分离的中间回路，其中，所述分离的中间回路的中点通过绝缘监测装置与地电位连接。
在直流侧，逆变器与具有根据本发明的装置的至少一个光伏串连接。如果光伏能量产生设备具有多个并联连接的光伏串，则这些串中的每个有利地分别配备有根据本发明的装置。优选地，根据本发明的装置分别布置在光伏串的中间，由此，串的连接在该装置上的第一部分和第二部分具有相同数量的太阳能模块或相同的标称串电压，并且所述第一部分和第二部分通过参考连接端与地电位连接。
特别优选地，该串具有大于1500V的最大开路电压。在串电压很高的情况下，通过使用隔离装置也可以确保：即使在出现接地故障时，也可以继续遵循串相对于地电位的最大电压值，所述接地故障导致绝缘监测装置的触发并且因此导致串的或光伏能量产生设备的接地连接隔断。接地连接的隔断导致串相对于地的电位发生偏移，从而这种电位的足够大的偏移导致所涉及的串中的根据本发明的隔离装置断开。
附图说明
以下借助附图描述本发明，其中：
图1示出隔离装置的根据本发明的第一实施方案；
图2a示出具有两个半导体开关的隔离装置的根据本发明的第二实施方案；
图2b以无源的结构方式示出隔离装置的根据本发明的第三实施方案；
图3示出根据本发明的一种方法的流程图；
图4示出具有根据本发明的隔离装置的第一能量产生设备；
图5示出具有根据本发明的隔离装置的第二能量产生设备。
具体实施方式
图1示出具有太阳能模块10的串联电路的光伏串11。串11的第一部分串连接在连接端15上，并且串11的第二部分串连接在隔离装置1的连接端16上，从而如下负载路径延伸通过隔离装置1：该负载路径引导在串中产生的功率。在隔离装置1内，开关12在引导负载的连接端15、16之间如此布置，使得该开关可以受控地断开负载路径。为此，开关12与操控装置14连接。操控装置14与至少一个电压测量装置13连接，该电压测量装置确定连接端15、16中的一个与另一连接端17(该连接端可以与地电位连接)之间的电压。优选地，设置两个电压测量装置13，并且所述测量装置与操控装置14连接，所述两个测量装置分别与连接端15、16中的一个连接。
操控装置14如此设置，使得该操控装置根据所连接的电压测量装置13的一个或多个电压测量值来控制开关12。只要所测量的电压量值不超过预给定的第一极限值，则操控装置14使开关12保持在闭合状态中，否则操控装置13将开关12断开并且将串11的负载路径隔断。
优选地，隔离装置1处于串11的中间，也就是说，在两个连接端15、16上连接有相同长度的部分串。如果串11的两个端部具有相对于地电位对称的电压分布，则当两个部分串被相等地照射时，在闭合的开关12上得到等于或接近地电位的电位。在部分串被不相等地照射时或者在部分串中的一个中存在绝缘故障时，得出开关电位的偏移，该偏移由电压测量装置13所求取，并且该偏移在(由第一极限值所决定的)足够的大情况下导致串11的功率路径断开。为此，不需要外部信号，隔离装置1自主地监测串11。
图2a示出本发明的一种有利实施方案，在该有利实施方案中，隔离装置1的开关由第一半导体开关21与第二半导体开关22的串联电路构成。优选地，第一半导体开关21构造成p沟道场效应晶体管(p-FET)并且第二半导体开关22构造成n沟道场效应晶体管(n-FET)。特别优选地，两个半导体开关21、22设置成常闭(通常接通)的半导体开关。
两个部分串连接端15、16和另外的连接端17分别通过适当选择的第一电阻23、第二电阻24和第三电阻25与共同的连接点连接，使得所述电阻构造成分压器。通过相应的电压测量装置13检测在电阻23、24、25上下降的电压值。优选地，电压测量装置13将所测量的电压值与所存储的极限值进行比较，并且借助数字比较信号输出该比较的结果。将第一电阻23上的电压测量装置13的比较信号传输给第一门26的第一门输入端，将第二电阻24上的电压测量装置13的比较信号传输给第二门27的第一门输入端，并且将第三电阻25上的电压测量装置13的比较信号分别传输给第一门26的和第二门27的第二门输入端。第一门的门输出端操控第一半导体开关21，并且第二门的门输出端操控第二半导体开关22。
优选地，第一电阻23和第二电阻24被选择成具有相同的值，并且在分配给所述电阻的电压测量装置13中存储有相同的极限值。为了将对连接端15、16上的电压的影响保持地尽可能小，可以将电阻23、24、25的电阻值选择得尽可能大，电阻网络的总电阻尤其不应小于10千欧姆。
有利地，通过开关12上的或者一个或两个半导体开关21、22上的电压降来对操控装置14进行供电，从而省去附加的电流供给装置。因为对于供电来说，所述一个或多个开关的闭合状态中的电压降通常太小，所以可以设置：操控装置14短时地将所述一个或多个开关断开，以便当能量存储器的充电状态下降到低于预给定水平时，给操控装置14供电的能量存储器(例如电容器)再次充电。代替完全将所述一个或多个开关断开，也可以设置短时地置于部分导通的状态中，在该部分导通的状态中，实现了所述一个或多个开关上的足以用于再冲电的电压降。
在图2b中示出不需要这种能量供给装置的一种示例性实施方式。替代电压测量装置13和门26、27，在此仅存在图2a中已经示出的第一电阻23、第二电阻24和第三电阻25的电阻网络。通过这些电阻构成的分压器直接产生用于操控半导体开关21、22所需的控制电压，其方式是：半导体开关21、22的相应的栅极连接端连接在分压器的共同的连接点上。由此，省去了给操控电路供电的必要性，因为这种操控电路仅由无源构件构成。自然能够设想其他的无源构件——例如与电阻23、24、25并联布置的电容器。由此，尤其可以实现对半导体开关21、22的操控的时间延迟，以便使隔离装置1对于短时的电压波动不敏感。也能够设想连接端15、16和17之间的电阻式的或电容式分压器的其他布置，以便定义相应的极限值(在达到所述极限值时将会断开或闭合半导体开关21、22)，或者以便达到隔离装置1的期望触发强度。
在图3中作为流程图示出一种用于运行隔离装置1的示例性方法。从步骤31出发(其中，开关12或者两个半导体开关21、22是闭合的)，接下来在步骤32检查：连接端15、16中的一个上的电压U1与在连接端17上测量的地电位GND在量值上是否偏差超过第一极限值TH1。如果不是这种情况，则该方法分支回到步骤31。
如果偏差量值超过第一极限值TH1，则分支到步骤33，并且将开关12或开关21、22中的至少一个断开，由此将连接端15与16之间的负载路径隔断。由此，将流过隔离装置1的串电流中断，并且在所连接的太阳能模块10上产生开路电压。这导致连接端15与16之间的电压差为U1-U2。
为了重新撤销负载路径的隔断，接下来在步骤34中检查：连接端15和16上的电压平均值(U1+U2)/2(在不限制普遍性的情况下，接下来，连接端15上的电压U1和连接端16上的电压U2将会下降)与地电位GND在量值上偏差是否小于第二极限值TH2。如果所述偏差小于第二极限值TH2，则分支到步骤31并且将开关12或开关21和22闭合，由此重新建立连接端15与16之间的负载路径。否则，该方法返回到步骤33并且开关12或半导体开关21、22保持断开。
在所描述的方法的变型方案中，替代步骤34，在预给定的时间延迟之后，短时地闭合开关12或者两个半导体开关21、22并且分支到步骤32，在该步骤中判定：开关是否可以保持闭合(分支到步骤31)，还是必须重新断开(分支到步骤33)。替代地，可以通过接收外部信号来实现开关12或者两个半导体开关21、22的闭合。
图4示出根据本发明的能量产生设备2，在该能量产生设备中集成有上述的隔离装置1。具有太阳能模块10的多个串11在该设备中并联连接并且在串11的中间分别具有一个隔离装置1。串11的连接线路分别与在直流侧串联连接的两个逆变器40中的一个连接。两个逆变器40之间的连接线路通过绝缘监测装置42与地电位连接。在交流电压侧，两个逆变器40连接到共同的变压器41的单独的初级绕组上。变压器41的次级绕组与能量供给网络连接。优选地，逆变器是三相逆变器。有利地，能量供给网络是中压电网。
在运行情况下，通过绝缘监测装置42确保逆变器之间的电位与地电位一致。由此，在两个逆变器40的输入直流电压相等的前提条件下，得到串端部相对于地电位的对称的电压分布，这在正常的运行中又导致串中间的电位与地电位一致。其结果是，在正常的运行中，隔离装置1中的开关(并且因此串的负载路径)闭合，并且串电流可以不受阻碍地流动。
在发生绝缘故障时，绝缘监测装置42确定存在流至地电位的直流电流。如果该直流电流的量值超过预给定的最大值，则在运行方法的一种示例中，绝缘监测装置将与地电位的连接隔断，由此，逆变器之间的电位不再保持在地电位上。在这种情况下，绝缘故障(尤其绝缘故障的位置)决定了在串中间形成的电位。通常，该电位与地电位如此偏差，使得超过第一极限值TH1并且打开隔离装置1。这在能量产生设备2的所有隔离装置中彼此独立地并且以类似的方式发生。即使绝缘故障定位在具有隔离装置1的串11中的一个中，通过打开这种隔离装置也无法消除绝缘故障。在这一点上应强调，在发生绝缘故障时，断开的隔离装置1的连接端15和16上的电压U1、U2相对于地电位不对称地分布——即电压U1和U2的平均值与地电位偏差超过第二极限值TH2。因此，只要绝缘故障存在，则上述运行方法的步骤34的结果就阻止开关12或半导体开关21、22的重新闭合。
当借助不同的光强度照射串11的两个部分串时，尤其当一个部分串相对于另一部分串被遮蔽(verschattet)时，存在类似的情况。在这种情况下，在串11的隔离装置1的连接端15上同样得到偏离于地电位的电压U1，并且隔离装置将负载路径隔断。由此两个部分串都进入到开路状态中，只要维持部分串的不同照射状态，则由此，在所述部分串上下降不同的开路电压。因为串端部还具有相对于地电位对称的电压分布，所以即使在此，断开的隔离装置1的连接端15和16上的电压U1和U2的平均值也偏离于地电位。如果在稍后的时刻重新均匀地照射这两个部分串，并且就满足步骤34的条件而言，所述部分串的开路电压一致，则满足以上描述的运行方法的步骤34的条件，并且隔离装置1自主地将负载路径闭合，从而串11重新产生功率。
通过部分串的太阳能模块10的布置，可以使部分串11被不相等地照射(这导致负载路径断开)的概率最小化，在该布置中，将一个部分串的太阳能模块10尽可能靠近另一部分串的太阳能模块10放置。这两个部分串例如可以直接彼此平行地延伸并且在此能够相对于彼此多次换侧，从而产生彼此交织的走向。由此，遮蔽对象或遮蔽事件会以类似的方式影响两个部分串的太阳能模块10。
在根据图5的光伏能量产生设备2的实施方案中，仅使用一个单个的逆变器40。在此，绝缘监测装置42与输入侧的中间回路43的中点连接。在这种布置中，必须在将整个串电压作为允许的输入电压方面设计逆变器40。在其他方面，这种设备的运行相应于结合图4的能量产生设备2的所述内容。
附图标记列表
1 隔离装置
2 能量产生设备
10 太阳能模块
11 串
12 隔离开关
13 电压测量装置
14 操控装置
15、16 连接端
17 参考连接端
21、22 半导体开关
23、24、25 电阻
26、27 门
28 连接点
31-34 步骤
40 逆变器
41 变压器
42 绝缘监测装置
43 中间回路

Claims (16)

1.一种用于将光伏串(11)的第一部分与第二部分电隔离的装置(1)，所述第一部分以及所述第二部分能够连接在所述装置(1)的第一连接端(15)上以及第二连接端(16)上，其特征在于，所述装置(1)具有开关(12，21，22)和操控装置(14)，所述操控装置(14)设置用于当施加在所述连接端(15，16)中的至少一个上的电压相对于施加在参考连接端(17)上的电位处于预给定的值范围以外时，将所述开关(12，21，22)断开。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述开关是两个半导体开关(21，22)的串联电路。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，第一开关和第二开关(21，22)是常闭开关。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其中，所述第一开关和所述第二开关(21，22)是FET——尤其JFET。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一开关(21)是p-JFET，并且所述第二开关(22)是n-JFET。
6.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其中，所述连接端(15，16)中的一个与所述参考连接端(17)之间的测量阻抗是至少10千欧姆——优选至少100千欧姆。
7.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其中，所述操控装置(14)设置用于当一个或多个所述开关(12，21，22)断开时产生故障信号。
8.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其中，所述操控装置(14)还设置用于在接收到外部信号时将一个或多个所述开关(12，21，22)断开。
9.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其中，所述操控装置(14)还设置用于当满足以下标准中的至少一个时，在将一个或多个所述开关(12，21，22)断开之后重新将其闭合：
地电位与所述第一连接端和所述第二连接端(15，16)上的电压平均值之间的差的量值低于预给定的阈值；
自断开起，经过了预给定的持续时间；
接收到用于闭合的外部信号。
10.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其中，为了进行供电，所述操控装置(14)与能量存储器连接，所述能量存储器设置用于由一个或多个所述开关(12，21，22)上下降的电压进行充电。
11.一种光伏能量产生设备(2)，所述光伏能量产生设备包括第一逆变器和第二逆变器(40)以及至少一个光伏串(11)，所述第一逆变器与所述第二逆变器在输入侧串联连接，其中，所述逆变器(40)的串联电路的中点与绝缘监测装置(42)连接，所述至少一个光伏串与所述逆变器(40)的串联电路连接并且具有根据以上权利要求中任一项所述的装置(1)。
12.根据权利要求11所述的光伏能量产生设备，其中，所述串具有大于1500V的最大开路电压。
13.根据权利要求11或12所述的光伏能量产生设备，所述光伏能量产生设备具有多个并联连接的串，所述多个并联连接的串具有根据权利要求1至10中任一项所述的装置(1)。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的光伏能量产生设备，其中，所述参考连接端(17)与地电位连接。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的光伏能量产生设备，其中，所述装置(1)如此布置在所述串(11)中，使得在一个或多个所述开关(12，21，22)断开时，将所述串(11)分离成具有相同长度的两个部分。
16.一种光伏能量产生设备(2)，所述光伏能量产生设备包括逆变器(40)和至少一个光伏串(11)，其中，所述逆变器(40)的分离的输入端中间回路的中点与绝缘监测装置(42)连接，所述至少一个光伏串与所述逆变器(40)的串联电路连接并且具有根据权利要求1至10中任一项所述的装置(1)。
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