CN111373653A - 具有通信接口的光伏系统和逆变器 - Google Patents

具有通信接口的光伏系统和逆变器 Download PDF

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J·弗里贝
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T·瑟德贝里
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Abstract

描述了一种光伏系统(10、100)，该光伏系统具有光伏发电机(11)、逆变器(12)和被设置用于连接外部电气单元(22)的通信接口(21)。该通信接口(21)被设置用于与外部电气单元(22)进行双向功率交换。该逆变器(12)可以包括通信接口(21)。此外，还描述了用于操作这种光伏系统(10、100)的方法。

Description

具有通信接口的光伏系统和逆变器
发明的技术领域
本发明涉及光伏系统，该光伏系统包括光伏发电机、逆变器和用于连接外部电气单元的通信接口，该外部电气单元特别是能量储存器。此外，本发明还涉及光伏系统的逆变器以及用于操作光伏系统的方法。
现有技术
光伏系统可以产生电功率，并且将电功率馈入到交流电压电网中。为此，传统的光伏系统包括逆变器，该逆变器被设置用于将直流电流转换成交流电流。在此，直流电流可以由直流发电机产生，特别是由光伏发电机产生，该光伏发电机在直流电流侧连接到逆变器。交流电压电网可以被设计为公共电源电网、公司或家庭的本地电网或不连接到公共电源电网的孤岛电网(Inselnetz)，并且在交流电流侧连接到逆变器。
光伏系统的传统逆变器不具有自己的电源，而是从所连接的光伏发电机和/或从所连接的交流电压电网获取对于其运行所需的工作功率。为此，这些逆变器通常包括电源部分(Netzteil)、整流器和/或直流电压转换器，以便将施加在直流电压侧或交流电压侧的直流电压或交流电压转换成适用于操作逆变器的电气构件和电子构件的电功率。
从DE202006020751U1中已知一种逆变器，该逆变器包括通信接口，外部电气单元可以连接到该通信接口，其中外部电气单元可以包括数据存储器和电气储存器，特别是蓄电池。在连接外部电气单元时，逆变器可以经由通信接口由电气储存器供应电功率，使得逆变器即使在没有另外的直流电压侧或交流电压侧的供电的情况下也可以至少在一定程度上运行成使得可以将数据从数据存储器传输到逆变器中。特别地，这种数据传输可以用于在逆变器中执行软件更新。
技术人员已知包括根据所谓的USB标准(USB＝通用串行总线，Universal SerialBus)的端口的通信接口。这种类型的通信接口被设置用于既在经由USB线缆连接的设备之间交换数据，也经由USB线缆将电功率从一个设备传输到另一个设备。
发明目的
本发明基于如下任务，即提供一种光伏系统，该光伏系统在没有从在直流电压侧或交流电压侧连接到光伏系统的逆变器的源供应电功率的情况下，可以至少被运行成使得能够实现与光伏系统的部件通信，特别是与该光伏系统的逆变器通信。
解决方案
该任务通过具有权利要求1的特征的光伏系统、具有权利要求7的特征的逆变器以及具有权利要求10的特征的方法得以解决。在相应的从属权利要求中限定优选的实施方式。
发明描述
光伏系统包括光伏发电机、逆变器和被设置用于连接外部电气单元的通信接口。根据本发明的光伏系统的特征在于，设置通信接口，以用于与外部电气单元进行双向功率交换。由此，光伏系统经由通信接口既可以与外部电气单元通信，也可以将能量馈入到外部电气单元中以及从外部电气单元获取能量。因此，可以省去用于获取电能或用于缓冲储存电能的单独的接口。
特别地，通信接口可以包括USB端口。通用串行总线，简称USB，是一种标准化技术，在世界各地已使用数百万次，其中许多设备都具有USB端口，经由这些USB端口就已经基本上可以传输电功率。如果这种具有USB端口的设备可以接收并发送电功率，那么这些设备特别适合作为根据本发明的光伏系统的外部电气单元。
优选地，通信接口可以被布置在逆变器中或者被布置在光伏系统的电网连接单元中。这些部件通常已经包含电气构件和电子构件，并且位于电功率的功率路径中，电功率由光伏发电机产生并且从逆变器(必要时经由电网连接单元)被馈入到交流电压电网中，其中光伏系统的逆变器特别地可以对沿着该功率路径的功率流产生影响。此外，数据处理和通信装置(例如，用于控制逆变器运行的处理器)特别地被布置在逆变器中，从而整体上控制光伏系统的性能。
在一个实施方式中，通信接口被设置用于从所连接的外部电气单元获取电功率，以为光伏系统的部件供应该电功率。因此，逆变器可以直接从连接到其上的外部电气单元被供应对于操作逆变器所需的电功率。可替代地或附加地，光伏系统的多个逆变器(这些逆变器经由共用的电网连接单元与交流电压电网连接)可以从连接到电网连接单元的外部电气单元被集中地供应用于操作这些逆变器的电功率。在这种情况下，足以为相应的逆变器提供能够实现与逆变器通信的这么多的电功率。当逆变器的直流电压侧或交流电压侧的端口处没有电功率可供使用时，例如在夜间，在直流电压侧连接在逆变器上的光伏发电机不提供任何功率时，或者当在交流电压侧连接到逆变器的交流电压电网发生故障或与光伏系统断开时，或者当光伏系统在发生故障之后被切断时，这是特别有利的。
优选地，外部电气单元可以包括能量储存器，特别是可再充电的电池，其中通信接口被设置用于将电功率馈入到能量储存器中。由此，可以确保能量储存器包含电荷，该电荷可以经由通信接口产生并且得以维持。
在一个实施方式中，经由通信接口进行的双向功率交换可以通过包括双向电压转换器的通信接口来产生。在此，双向电压转换器可以优选地包括二象限调节器，特别是升降压调节器(Hochtiefsetzsteller)，或者四象限调节器，特别是双向逆变器。因此，可以在通信接口处提供电压，该电压根据所期望的功率流方向设置成使得电功率经由通信接口从逆变器或电网连接单元被馈入到外部电气单元中，或者被逆变器或电网连接单元从外部电气单元获取。
根据本发明的用于光伏系统的逆变器包括被设置用于连接外部电气单元的通信接口，并且该逆变器的特征在于，该通信接口被设置用于与外部电气单元进行双向功率交换。在此，通信接口优选地可以包括USB端口，外部电气单元可以连接到该USB端口。
在根据本发明的逆变器的一个实施方式中，通信接口被设置用于从所连接的外部电气单元获得电功率，以为逆变器供应该电功率，并被设置用于将电功率馈入到所连接的外部电气单元，其中该外部电气单元特别地包括能量储存器，例如可再充电的电池。为此，通信接口可以包括双向电压转换器，其中该双向电压转换器优选地包括二象限调节器，该二象限调节器特别地可以被实施为升降压调节器。因此，逆变器可以经由通信接口一方面将电功率馈入到能量储存器中，而另一方面可以从能量储存器中获得电功率，特别是以便在没有其他供电的情况下投入运行。
根据本发明的用于操作光伏系统的方法，该光伏系统具有光伏发电机、逆变器和被设置用于连接外部电气单元的通信接口，该方法的特征在于，将能量储存器连接到通信接口，并且经由通信接口与能量储存器双向交换电功率。特别地，在根据本发明的方法的范围内，光伏系统的部件可以用经由通信接口从能量储存器获取的电功率来操作，特别是在没有连接光伏发电机或者没有提供足以操作部件的电功率时进行。此外，电功率可以被馈入到能量储存器中，特别是当能量储存器具有低于其最大能含量的能含量并且光伏发电机提供超过用于操作光伏系统的部件所需的电功率的电功率时进行。因此，可以在任何时刻至少在一定程度上确保光伏系统的运行，使得向光伏系统的部件，特别是逆变器以及必要时其他电气设备或电子设备(例如，传感器或开关元件)供应电功率，以便可以与这些部件或设备通信，例如出于参数化、投入使用或软件更新的目的。
附图简述
下面基于附图中所示的实施例进一步阐述并描述本发明。
图1示出了根据本发明的光伏系统的第一实施方式，以及
图2示出了根据本发明的光伏系统的第二实施方式。
附图描述
图1示出了光伏系统10，该光伏系统连接到交流电压电网20。光伏系统10包括光伏发电机11，该光伏发电机11可以由一个PV模块组成或者可以包括多个并联和/或串联连接的PV模块，并且该光伏发电机11连接到逆变器12。逆变器12将由光伏发电机11产生的直流电流转换成交流电流，并且将产生的交流电流馈入到交流电压电网20中。负载30可以连接到交流电压电网20，该负载例如包括一个或更多个用电器，其中负载30特别是可以与逆变器12并联地连接到交流电压电网20，使得负载30可以部分地或完全地从交流电压电网20供电或由逆变器12供应电功率。
逆变器12包括通信接口21。外部电气单元22可以连接到通信接口21。逆变器12可以经由通信接口21与外部电气单元22双向交换数据和电功率。
通常，逆变器12包括发电机侧的直流电压部分和电网侧的交流电压部分，这些部分至少在空间上彼此分离并且必要时还彼此电分离。逆变器12可以被实施成使得用于操作逆变器12所需的电工作功率仅从直流电压部分获得，其中直流电压部分又仅由所连接的光伏发电机11供应电功率。在这种情况下，仅在光伏发电机11产生足够的电PV功率且可供逆变器12的直流电压部分使用时，逆变器12才处于运行状态。
根据本发明的光伏系统10的逆变器12可以经由通信接口21从外部电气单元22被供应用于操作逆变器12所需的电工作功率。为此，外部电气单元22可以包括由交流电压电网20馈电的电源部分。优选地，外部电气单元22包括能量储存器，逆变器12的工作功率可以从该能量储存器获得。特别优选地，外部电气单元22的能量储存器可以经由通信接口由逆变器进行充电，特别是当可供使用的PV功率(显著地)超过逆变器12的工作功率时进行充电。
逆变器12在正常运行中从光伏发电机11获取该逆变器的工作功率，并且将超过该工作功率的PV功率减去可能的开关损耗和滤波损耗后馈入到交流电压电网20中。PV功率的一部分可以用于对外部电气单元22中的能量储存器充电或维持该能量储存器的电荷。为此，通信接口21可以包括双向电压转换器(例如，升降压调节器或二象限调节器)，该双向电压转换器控制逆变器12与外部电气单元22之间的功率流，特别是通过适当地调整其相对的输入电压和输出电压来进行控制。
如果PV功率不足以操作逆变器12，例如在夜间或者在光伏发电机11或其各个部件有缺陷的情况下或者在由故障而引起的切断逆变器12之后，则逆变器12可以通过经由通信接口21从外部电气单元22获得逆变器12的工作功率来投入运行。由此能够实现，逆变器12在没有PV功率或者PV功率过低的情况下也能投入运行。这对于能够实现与逆变器12的通信，(例如，对于从逆变器12读取数据或将这些数据录入逆变器12中)是特别有意义的。
通信接口21可以被布置在逆变器12的直流电压部分上，附加地或可替代地被布置在逆变器12的交流电压部分上；在逆变器12的交流电压部分上的布置在图1中以虚线示出。通信接口21布置在逆变器12的直流电压部分上能够实现，如果逆变器12从所连接的光伏发电机11获取该逆变器的工作功率，则在没有PV功率或者PV功率过低的情况下使逆变器12运行。通信接口21布置在逆变器12的交流电压部分上能够实现，如果逆变器12从交流电压电网20获取该逆变器的工作功率，则在与交流电压电网20的连接中断或交流电压电网20中存在其他故障的情况下使逆变器12运行。
图2示出了根据本发明的光伏系统100的另一实施方式，其中多个光伏发电机11分别单独连接到多个逆变器12。而光伏发电机11又可以由一个PV模块组成或者可以包括多个并联和/或串联连接的PV模块。逆变器12将由相应连接的光伏发电机11产生的直流电流转换成交流电流，并将产生的交流电流馈入到交流电压电网20中。在此，这些逆变器12均连接到电网连接单元13，其中特别地，该电网连接单元13可以被设计用于执行各种监控和保护功能，例如电网监控、过载或过电压防护和/或电势偏移。此外，电网连接单元13还可以被设置用于与逆变器12通信并控制这些逆变器，使得例如逆变器在无功功率、额定功率和/或其他电气参数方面的电气性能可以经由电网连接单元13来进行控制。为此，附加地或可替代地，电网连接单元13可以特别地被设置用于与外部的通信方通信，例如与测量点、家庭自动化系统或电网控制室通信。各种已知的方法适用于电网连接单元13与逆变器12之间的通信，例如经由逆变器12与电网连接单元13之间的交流电压线路(所谓的电气线通信)或者经由单独的通信线路或通过无线电来实现。
电网连接单元13具有通信接口21，外部电气单元22可以连接到该通信接口21。电网连接单元13可以经由通信接口21与所连接的外部电气单元22双向交换数据和电功率。特别地，外部电气单元22可以包括电能储存器，该电能储存器可以经由通信接口2由电网连接单元13进行充电和放电。为此，电网连接单元13可以包括双向电压转换器，特别是四象限调节器，该四象限电压转换器控制电网连接单元13与外部电气单元22之间的功率流。为此，这种四象限调节器可以将在电网连接单元13中捕获的交流电压转换成直流电压，该直流电压可以用于对外部电气单元22中的能量储存器进行充电。反过来，四象限调节器可以将从外部电气单元22中的能量储存器捕获的直流电压转换成交流电压，该交流电压可以在电网连接单元21内施加到交流电压线路上，以在交流电压线路中产生交流电流。应当理解，电网连接单元12中的四象限调节器的这种逆变式操作包括的功率实质上比由逆变器12从光伏发电机11产生的光伏系统100的交流电流的最大功率更小，并且四象限调节器可以相应地被设计成实质上比逆变器12更小。
在交流电压电网20发生故障的情况下，可以自动切断逆变器12。特别地，例如出于维护原因或由于火警而有危险的情况下，光伏系统100与交流电压电网20的有意地分开会导致按照标准要求关断光伏系统100，其中整个光伏系统100应是无电压的。为此，可以操纵在交流电压电网20与逆变器12之间和/或逆变器12与相应的光伏发电机11之间的开关元件(在这里未示出)，使得逆变器12不能再在直流电压侧或交流电压侧获取其工作功率。结果是，没有电功率可供电网连接单元13使用。此外，在受电网操作的逆变器12的交流电压侧的端口处没有交流电压的情况下，取消用于馈电所需的电网操作信号。
在根据本发明的光伏系统100中，在所描述的情况下，电功率可以经由通信接口21从外部电气单元22获得，并且被用于借助于电压转换器，特别是借助于四象限调节器，向电网连接单元13与逆变器12之间的交流电流线路施加直流电压和/或交流电压。借助于相应的直流电压或交流电压，可用于操作逆变器12的电功率可以被传输到逆变器12。对于能够实现与逆变器12的通信，例如对于从逆变器12读取数据或将数据录入逆变器12中，并且特别是对于能够实现或开启光伏系统100的(重新)启动过程，这是特别有意义的。相应的交流电压可以用作受电网操作的逆变器12的电网操作信号，和/或，可以引起工作功率从外部电气单元21传输到逆变器12。
特别地，根据本发明的光伏系统10或100可以特别有利地用于以下情况。
外部电源部分可以连接到通信接口21，该外部电源部分为根据图1的逆变器12或根据图2的电网连接单元21提供电功率。该电功率可以用于将一个或更多个逆变器12置于运行状态，该运行状态能够实现至少与逆变器12中的控制单元通信。如果通信接口21包括USB端口，则在光伏系统10、100已经连接到交流电压电网20之前和/或在光伏发电机11已经与逆变器12中的一个逆变器连接之前，可以通过这种方式借助于市面上通用的充电设备、插入式电源部分或便携式计算机的USB输出端例如对新安装的光伏系统10、100进行编程、配置、初始化和/或投入运行。
可替代地或附加地，通信接口21可以用于输出电功率。在此，在根据图1的实施方式中的逆变器12或电网连接单元13中的双向电压转换器提供最大电功率，该最大电功率根据通信接口21的实施方案介于0.5瓦与100瓦之间。特别地，如果通信接口21包括根据USB-PD(USB功率传输，USB Power Delivery)规范实施的USB端口，则高达100瓦可以经由通信接口21被传输到外部电气单元22；这足以给外部小型设备供电，并足以为容量直至约1000瓦时的中小型能量储存器充电。当不在光伏系统10、100中使用时，这种能量储存器可以被取出并且另做他用，例如以经由便携式电话或类似设备的USB端口为该便携式电话或类似设备供应工作功率，并且必要时对包含在这些设备中的能量储存器进行充电。
如果具有能量储存器的外部电气单元22连接到通信接口21，则可以在没有外部干预的情况下在上述两种情况之间进行切换。在光伏系统10、100的正常运行期间，能量储存器被充电或其电荷得以保持。在夜间和/或在交流电压电网20发生故障的情况下，同一能量储存器可以经由通信接口21直接地或经由电网连接单元13间接地为逆变器12提供直流电流或交流电流形式的电气工作功率以及必要时提供交流电压形式的电网操作信号。
可替代地或附加地，外部电气单元22可以包括数据存储器，该数据存储器的内容可以经由通信接口21至少部分地被传输到一个或更多个逆变器12。特别地，所传输的内容可以包括用于操作逆变器12的固件和/或其他参数，例如交流电压电网20的标称属性、电网电压和电网频率的极限值、将电功率馈入到交流电压电网20中的设定值、通信参数等。反过来，一个或更多个逆变器12的数据可以被存储在外部电气单元22的数据存储器中，例如光伏系统的功率和能量值、故障通报等。
参考标记列表
10、100 光伏系统
11 光伏发电机
12 逆变器
13 电网连接单元
20 交流电压电网
21 通信接口
22 外部电气单元
30 负载。

Claims (12)

1.一种光伏系统(10、100)，具有光伏发电机(11)、逆变器(12)和被设置用于连接外部电气单元(22)的通信接口(21)，
其特征在于，
所述通信接口(21)被设置用于与所述外部电气单元(22)进行双向功率交换。
2.根据权利要求1所述的光伏系统(10、100)，其特征在于，所述通信接口(21)包括USB端口。
3.根据权利要求1或2所述的光伏系统(10、100)，其特征在于，所述通信接口(21)被布置在所述光伏系统(10、100)的逆变器(12)或电网连接单元(13)中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光伏系统(10、100)，其特征在于，所述通信接口(21)被设置用于从连接的所述外部电气单元(22)获得电功率，以为所述光伏系统(10、100)的部件供应所述电功率。
5.根据权利要求4所述的光伏系统(10、100)，其特征在于，所述通信接口(21)被设置用于将电功率馈入到所述外部电气单元(22)中，其中所述外部电气单元(22)包括能量储存器，特别是可再充电的电池。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光伏系统(10、100)，其特征在于，所述通信接口(21)包括双向电压转换器，其中所述双向电压转换器优选地包括二象限调节器，特别是升降压调节器，或者四象限调节器，特别是双向逆变器。
7.一种用于光伏系统(10、100)的逆变器(12)，其中所述逆变器(12)包括被设置用于连接外部电气单元(22)的通信接口(21)，
其特征在于，
所述通信接口(21)被设置用于与所述外部电气单元(22)进行双向功率交换，其中所述通信接口(21)优选地包括USB端口。
8.根据权利要求7所述的逆变器(12)，其特征在于，所述通信接口(21)被设置用于从连接的所述外部电气单元(22)获得电功率以为所述逆变器(12)供应所述电功率，并被设置用于将电功率馈入到所述外部电气单元(22)中，其中所述外部电气单元(22)特别地包括能量储存器，特别是可再充电的电池。
9.根据权利要求8所述的逆变器(12)，其特征在于，所述通信接口(21)包括双向电压转换器，其中所述双向电压转换器优选地包括二象限调节器，所述二象限调节器特别地被实施为升降压调节器。
10.一种用于操作光伏系统(10、100)的方法，所述光伏系统具有光伏发电机(11)、逆变器(12)和被设置用于连接外部电气单元(22)的通信接口(21)，
其特征在于，
连接到所述通信接口(21)的所述外部电气单元(22)包括能量储存器，并且电功率经由所述通信接口(21)与所述能量储存器进行双向交换。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，用经由所述通信接口(21)从所述能量储存器获取的电功率来操作所述光伏系统(10、100)的部件，特别是在没有连接光伏发电机(11)或者所述光伏发电机(11)没有提供足以操作所述部件的电功率时进行。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，将电功率馈入到所述能量储存器中，特别是在所述能量储存器具有低于其最大能含量的能含量并且所述光伏发电机(11)提供超过用于操作所述光伏系统的部件所需的电功率的电功率时进行。
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