CN115473211A - 直流发电机、直流混合式开关机构及应用和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有用于接通和关断至少一个串的开关机构的直流发电机、一种电子控制的直流混合式开关机构、一种开关机构用于接通和关断直流发电机的至少一部分的应用以及一种用于由用户控制地关断和再接通直流发电机的各个串的方法。所述光伏设备包括：至少一个串，其中，其通过模块形成，所述模块借助于串线路相互串联连接且因此产生串电压；开关机构，所述开关机构串联安装到所述串线路中，以便利用所述开关机构接通和关断所述至少一个串；其中，所述开关机构包括混合式开关，其包括继电器和与所述继电器并联连接的半导体开关机构，所述半导体开关机构带有至少一个半导体开关和电流传感器，所述电流传感器设计为用于测量负的电流流动。

Description

直流发电机、直流混合式开关机构及应用和方法
本申请是基于申请号为201780055784.X(国际申请号为PCT/EP2017/072568)，申请日为2017年09月08日，发明名称为“光伏设备、直流混合式开关机构、用于接通和关断光伏串的应用和方法”的中国专利申请提出的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种直流发电机、一种直流混合式开关机构、一种开关机构用于接通和关断直流发电机的至少一部分的应用以及一种用于由用户控制地关断和再接通特别是根据上述权利要求之一所述的直流发电机的各个串的方法。
背景技术
光伏设备典型地包括多个光伏模块，其串联连接为串，有时也称为“String”，以便实现现今典型的直至1000伏特或甚至1500伏特的标称光伏发电机直流电压。此外，根据共同连接的光伏模块的数量及其单个电压必要时又将多个所述光伏串并联连接，其中每个光伏串例如可以产生10A的标称电流。如果多个串并联连接，那么这也称为多串或多string连接。
基于在光伏设备的直流电压部分中的高电压和高电流，在维护或在故障情况下、例如在火灾时存在如下危险，即人员可能经受危及生命的电压。
因此研发如下光伏模块保护电路，利用该光伏模块保护电路可以单个地关断光伏模块(参见本申请人的文献WO2013/026539 A1以及产品SCK-RSD-100)。此外还研发一种启动盒，利用所述启动盒又可以激活这样的“智能”光伏模块(参见本申请人的文献WO2014/122325 A1以及产品SCK-RSD-400和SCK-RSD-600)。
在文献DE 10 2016 117 049(未预公开)中还描述一种回流保护电路，借助于该回流保护电路可能的是，将串与中央收集点分离，以便阻止横向电流。文献DE 10 2016 117049的目标在于，借助于回流保护电路自动地阻止来自其他光伏串的相反于在相应的串中光伏产生的电流的流动方向的电流流动(横向电流或回流)。
在本申请人的在与本申请同日提交的德国专利申请中描述一种串关断装置，其用于在多串光伏设备中的单个串关断。
本发明基于上述内容，因此文献DE 10 2016 117 049以及在与本申请同日提交的专利申请(代理人文件号16PH 0346DEP)的公开内容由此通过参考而合并。
为了例如将在多串光伏设备中将并联连接的多个串的组合中的一个光伏串电气分离，需要适合的直流分离器。
虽然光伏设备典型地在所谓的发电机连接盒中具有直流主分离开关，不过由此例如在由于火灾、水、冰雹等损坏时在太阳电池板或在连接线路上无法隔离在发电机连接盒之前的区域。此外，在发电机连接盒中典型地手动操作这样的直流主分离开关，从而上级的远程控制典型地是不可能的。此外，这样手动操作的直流主分离开关从结构体积方面来看是巨大且成本密集。电机驱动的紧急开关也是已知的，不过该紧急开关同样是空间和成本密集的。各个光伏串的选择性的隔离除此之外完全不可能。
即便如此，在光伏发电机内开关过程中典型地应开关由高直流串电压和高直流串电流的组合。在开关高直流电压和高直流电流时，不同于在具有交流电压的应用中由于缺少的交零而可能产生未熄灭的电弧。在常见的交流电压频率下，电弧典型地最晚在10ms之后又自己消除。
由文献WO 2016/091281 A1已知一种装置，其包括用于开关交流电压或交流电流的开关机构，所述开关机构具有桥接机构，用于在一个运行阶段中桥接开关机构。不过该装置描述为仅仅用于交流电压或交流电流。
发明内容
此外，本发明基于如下认识，即利用在此公开的开关机构可以在直流部分(DC部分)中部分或完全、安全且低功率损耗地接通和关断或者说电气分离和又连接直流发电机。
本发明提出如下任务，即提供一种直流发电机，其包括至少一个串和开关机构，其中，所述开关机构在直流发电机中典型的直流串电压和直流串电流的情况下是成本有利的、可靠的且耐用的，以及具有小的功率损耗且能够安置在小的结构空间中。
本发明的任务的另一方面在于，提供一种带有开关机构的直流发电机，所述开关机构用于接通和关断至少一个串，该直流发电机满足高的安全要求，是维护和维修友好的且对于用户能够舒适地操作。
本发明的任务的另一方面在于，提供一种用于接通和关断直流发电机的至少一个串的方法，所述方法例如在维护时提供高度安全性和灵活性且对于用户能够舒适地操作。
本发明的任务的另一方面在于，提供一种电子控制的直流混合式开关机构，该直流混合式开关机构在直流发电机中典型的串电压和串电流的情况下是成本有利的、可靠的和耐用的，以及同时具有小的功率损耗且可安置在小的结构空间中，并且利用该直流混合式开关机构必要时可以改装存在的直流发电机。
本发明的任务通过独立权利要求的技术方案解决。本发明的有利的进一步扩展方案在从属权利要求中定义。
本发明涉及一种直流发电机，所述直流发电机包括：至少一个串，所述至少一个串通过多个模块形成，所述模块借助于串线路相互串联连接，以便产生期望的串电压且将光伏产生的具有期望的串电压和期望的串电流的电功率提供给集电器、例如逆变器(有时也称为太阳能逆变器)。直流发电机或光伏设备但是也可以在没有逆变器的情况下例如连接到作为集电器的充电单元。现在，按照保护等级II直至1000VDC的串电压是可能的。在此努力致力于进一步提高到直至1500V DC，即根据VDE0100的低压定义的边界值。在本发明的范围内于是应连接DC串电压，该DC串电压为单个光伏模块的电压的多倍。
直流发电机包括如下开关机构，所述开关机构串联安装到串线路中，以便利用开关机构来接通和关断至少一个串，亦即将所述至少一个串与集电器例如中央收集点或逆变器电气分离。
所述开关机构包括混合式开关，所述混合式开关包括特别是机电式继电器和并联于该继电器连接的半导体开关机构，所述半导体开关机构具有至少一个、优选两个半导体开关或晶体管和电流传感器，所述电流传感器设计为用于测量负的电流流动。由此开关过程——其中必须开关串电压——可以由所述半导体开关机构实现，并且如果继电器在持续运行中闭合，那么继电器使半导体开关机构减轻串电流的负担。换言之，一方面利用继电器在接通和关断时仅仅开关在半导体开关机构上残留的剩余电压，而另一方面继电器基于其小的导通电阻几乎完全导通(kommutieren)由至少一个串产生的串电流。
在接通串时，因此特别是半导体开关机构首先单独接通串本身，其中继电器是打开的且暂时也还保持打开。在一定的时间延迟之后，于是在半导体开关机构之前已经闭合的情况下首先闭合继电器，从而半导体开关机构通过并联连接的随后闭合的继电器减轻电流流动的负担。由此继电器需要仅仅开关小的电压，而半导体开关机构最多需要短时且不持久地承载串电流。由此可以应用适宜的标准半导体开关和标准继电器，并且在持续运行中的功率损耗即便如此也可以保持很小。关断以相反的顺序实现；首先在半导体开关机构还闭合的情况下打开继电器，并且在一定的时间延迟之后在继电器提前已经打开的情况下打开半导体开关机构。换言之，在继电器打开之后通过附加地打开半导体开关机构来关断至少一个串。
所述开关机构安装在直流发电机中、在光伏发电机的直流部分中、优选安装在中央收集点之前并且在此接通和关断所述至少一个串。本发明然而不限于正好一个开关机构开关正好一个串。也在本发明范围内的是，多个并联连接的串共同由同一个开关机构来开关，并且直流发电机具有仅一个串。一般地，因此所述一个或多个共同的直流发电机的一部分由所述开关机构开关。然而特别是不涉及在小的模块电压时在模块层面上的连接，而是涉及多个在串中串联连接的模块的连接，这需要高开关电压。因此，开关机构设置在多个串联连接的模块与集电器、例如逆变器之间或者在多个串联连接的模块与发电机连接盒之间。开关机构是电子的且由此可由外部触发。因此，所述一个开关机构或在存在多个开关机构的情况下各开关机构可以由用户远程控制地触发，这相比于在发电机连接盒中手动操作的传统的直流分离器是有利的。
尽管存在直流发电机或光伏设备中典型的直流串电压和直流串电流，开关机构有利地还是成本有利的、可靠的且耐用的，并且具有小的功率损耗。开关机构特别是可以安装在小的结构空间中。
有利地，因此提供直流发电机，其能实现，由用户控制地并且必要时电子触发地接通和关断至少一个串，这是舒适的且确保高的安全标准以及是维护和维修友好的。
开关机构优选应用到串布线中。特别是开关机构由跨光伏模块的串盒、优选利用(塑料)壳体容纳，并且该串盒插入到光伏模块的串联电路与集电器之间的串布线中。串盒可以在输入端和/或输出端上具有插接连接器，所述插接连接器用于可拆卸地插入到串线路中以及用于加装。由此甚至存在的直流发电机或光伏设备的加装也是可能的。
开关机构可以集成到串盒中、例如按照文献WO2014/122325 A1的启动盒中，该串盒由此完全地通过参考而加入。
用户例如可以在外部开关上在跨光伏模块的串盒上关断所属的串，或者用户由多串光伏设备的中央控制器将关断触发信号选择性地发送给单个、多个或所有串盒，其中，响应于此一个或多个所属开关机构关断所述一个或多个所属串。
用户因此可以有利地局部地在所属串上和/或中央在设备侧上特别是跨光伏模块控制地、有针对性地关断一个或多个期望的光伏串或者将其与中央收集点或逆变器的引导电流的连接分离。
所述开关机构优选地开关正极导体或负极导体且由此分离所述至少一个串的电气回路。即便如此，有利的可以是，串盒插入到串线路的两个导体(正极与负极)之间、插入在最初的或最后的光伏模块之前和之后、插入到所述至少一个串中。
继电器和半导体开关机构相互并联连接，并且继电器和半导体开关机构的并联电路串联连接到串中。继电器和半导体开关机构因此分别串联地且相互并联连接到串中。
光伏设备包括光伏发电机，其带有一个或多个相互并联连接的光伏串。如果多个光伏串并联连接，那么可以利用开关机构选择性地接通和关断一个光伏串或者必要时多个或所有光伏串，根据光伏串提供何种额定电流以及开关机构设计用于何种电流。亦即在多个光伏串的情况下，所述开关机构可以设置在中央收集点的上游或下游。中央收集点形成多个光伏串的并联连接点。在存在多个并联的光伏串(多串光伏设备)的情况下，自然特别有利的是，将开关机构设置在中央收集点的上游。
这具有多个优点，一方面那么必须根据开关机构仅仅开关串的电流，而此外可以单个接通和关断每个光伏串。在多串光伏设备的情况下，因此两个或更多个光伏串并联连接，并且光伏串分别由串联连接的光伏模块形成。
换言之，在光伏设备的直流部分中，将所述至少一个光伏串与集电器例如逆变器分离，其方法是，打开混合式开关且由此中断从所述至少一个光伏串到集电器的电流流动，并且接通所述至少一个光伏串，其方法是闭合混合式开关且将所述至少一个光伏串与集电器连接，从而能实现从所述至少一个光伏串到集电器中的电流流动。
特别是，开关机构定义闭合和打开状态，并且在闭合状态下将光伏产生的电流从所述至少一个串输送到集电器，而在打开状态下中断光伏产生的电流从所述至少一个串的输送。优选地包括控制机构，所述控制机构构成为响应于用户输入由用户控制地打开和/或闭合开关机构或混合式开关。因此，用户例如可以在故障时或对于维护工作在任意时刻有针对性地接通和关断所述至少一个光伏串。
优选地，所述控制机构构成为接收外部的用户生成的串关断触发信号并且响应于串关断触发信号关断所述至少一个串，其方法是控制机构打开开关机构并且由此将所述至少一个串至少在单侧与集电器分离。开关机构因此特别是可主动开关和/或电子控制的开关机构。
在多束光伏设备中，所述并联的光伏串中至少之一、优选所述并联的光伏串中的所有光伏串在其相应所属的束线路中、特别是在该相应的光伏串的光伏模块与中央收集点之间具有按照本发明的开关机构，借助于该开关机构由用户控制地亦即根据用户的要求选择性地可分离在该所属的光伏束与中央收集点之间的引导电流的连接，以便将所述至少一个光伏束或任意期望的光伏束有针对性地且单独地与并联电路关断。换言之，按照本发明的开关机构也可以用于在多束光伏设备中的单个束关断。亦即可以有针对性地关断单个或多个光伏串，并且并联电路地其他光伏串还保持在运行中且此外还可以将光伏产生的电流经由中央收集点特别是馈送到逆变器中。在该情况下，用户因此可以例如出于维护目的、维修或在局部受限的功能故障时有针对性地单个关断一个或多个光伏串或者将一个或多个用户期望的光伏串与中央收集点的引导电流的连接分离，从而这些光伏串不再经由中央收集点馈送电流。因此可以关断全部光伏串(且不仅各个光伏模块)或将一个或多个全部光伏串与中央收集点的引导电流的连接分离。
所述至少一个半导体开关或晶体管特别是场效应晶体管、优选MOSFET。
证实为特别有利的是，所述开关机构或混合式开关构成为，在打开状态下不仅沿一个方向而且沿两个方向中断电流流动。由此可以实现不仅例如在干扰时或为了维护的安全关断，而且也实现中断由所属光伏串光伏产生的电流的流动。也可以中断沿相反方向的电流，亦即横向电流或回流，例如来自在所属光伏设备中其他并联连接的光伏串。这在多串光伏设备中是特别有利的，对于在此要求的本发明然而是可选择的。
这例如可以由此实现，即混合式开关包括由两个半导体开关或晶体管组成的背靠背电路，特别是由两个场效应晶体管优选由两个MOSFET组成的背靠背电路，或者半导体开关机构由这样的背靠背电路组成。换言之，混合式开关是由继电器和包括两个半导体开关的背靠背电路组成的并联电路，特别是由继电器和包括两个场效应晶体管、优选MOSFET的背靠背电路组成的并联电路。该并联电路在此串联连接到串线路中。
按照本发明的一个优选实施形式，所述开关机构附加地包括回流保护电路。开关机构可以包括与控制机构连接的传感器，以用于测量在所属光伏串上的电气特征参量，其中控制机构构成为，响应于利用传感器测量的电气特征参量自动中断所属光伏串与中央收集点也沿回流方向的连接。换言之，开关机构优选与按照文献DE 10 2016 117 049的回流保护功能组合。由此，按照在文献DE 10 2016 117 049中所述的发明的回流阻止装置和在光伏设备的直流部分中由用户控制的关断的优点可以组合，但是这是可选择的。
所述开关机构优选构成为，在接通所属串时或将其与集电器电气连接时首先闭合半导体开关机构、特别是所述一个或多个场效应晶体管，优选MOSFET，并且在此之后在时间延迟之后才闭合继电器。
所述开关机构优选还构成为，在关断所属串或将所属串与集电器分离时首先打开继电器且在此之后在时间延迟之后才打开半导体开关机构、特别是所述一个或多个场效应晶体管、优选MOSFET。
由此可以确保，继电器不必开关整个串电压，从而可以避免基于直流电压可能未熄灭的电弧。即便如此，继电器减轻半导体开关机构在持续运行中的负担，从而可以将持续功率损耗保持在对于特别的安装情况在光伏发电机中可接受的范围内。有利地不需要应用高电流继电器，而是可以应用简单的小的标准继电器。所述继电器受到保护，这对于开关机构的耐用性是有用的，并且由此可以以对于光伏设备需要的程度确保安全性、可靠性和耐用性。
所述开关机构可以构成为，在(再)接通所述至少一个光伏串之前实施检测例程，在所述检测例程中检测所属光伏串的至少一个电气特征参量，并且在遵循对于所述至少一个电气特征参量的预定义的阈值的情况下、如果存在用户释放，则接通所述至少一个光伏串。
所述开关机构也可以构成为，测量通过所属串线路的光伏产生的电流流动且在如下情况下时才闭合继电器，即如果流经串线路的光伏产生的电流I超过预定义的阈值I_min，或者在流经串线路的光伏产生的电流I已经超过预定的阈值I_min之后一时间延迟之后。
所述开关机构还可以包含控制机构和与控制机构连接的传感器机构，所述传感器机构用于测量在所属串上至少一个电气特征参量。所述控制机构可以构成为，如果存在用户释放，那么响应于利用传感器机构测量的至少一个电气特征参量将所属光伏串与集电器电气接通，其中，传感器机构特别是包括输入电压传感器，其测量在开关机构上串侧的输入电压U1和/或包括输出电压传感器，输出电压传感器测量在开关机构上收集点侧的输出电压U2。控制机构可以构成为，响应于测量的串侧的输入电压U1和/或测量的收集点侧的输出电压U2来控制继电器和/或半导体开关的开关过程。
有利地，可以在接通时首先通过半导体开关机构例如背靠背MOSFET电路实施多个开关过程，例如在闭合继电器之前直至达到确定的运行参数。换言之，在接通时，继电器保持如此打开，直至达到确定的运行参数，即使在该时间中利用半导体开关机构实施多个开关过程。如此可以将继电器的开关过程的数量保持低。在生产或持续运行中，特别是在达到期望的运行参数之后，继电器随后减轻半导体开关机构的负担。即便如此，在完全打开的混合式开关的情况下亦即如果打开不仅半导体开关而且继电器，那么可以实现电气连接的双向分离，亦即如果应用背靠背电路，那么中断沿两个方向的电流流动。
在接通和/或在关断时的时间延迟优选为小于或等于2000ms、优选小于或等于700ms、优选小于或等于300ms。至少半导体开关机构应不长于对于该最大延迟时间地闭合且在此无法通过继电器减轻负担，亦即如果完全的(额定)串电流或如果大于或等于5A、大于或等于8A、大于或等于10A或者12.5A+/-40％的串电流流经半导体开关机构，那么闭合半导体开关机构且打开继电器。亦即，最大延迟时间可以自从如下时刻计算，自从该时刻，如果照射足够大，那么至少理论上可以流经额定电流。换言之，如此控制混合式开关，使得如下状态不长于最大延迟时间地存在，在该状态下半导体开关机构闭合、继电器打开且同时可以流经额定电流，亦即额定电流可以流经未减轻负担的半导体电路。更优选地，至少当在所述串中可以流经或至少流经基本上相应于额定电流的串电流时，延迟时间为在50ms与2000ms之间、优选在100ms与1000ms之间、优选在150ms与500ms之间、优选在200ms与300ms之间。根据应用哪些构件，半导体开关机构可以至少对于相应短的延迟时间也在没有通过继电器减轻负担的情况下单独导通完全的串功率，即使半导体开关机构在没有特别冷却措施的情况下安装到串盒中。半导体开关机构的开关过程的时间延迟可以因此涉及继电器的之前的开关过程或者相反或者涉及达到对于电气特征参量、例如对于输入电压U1、对于输出电压U2和/或对于串电流I确定的阈值。
所述光伏发电机的由开关机构开关的部分、亦即特别是所属的光伏串优选具有大于或等于300V、优选大于或等于600V、优选大于或等于800V、优选1250V+/-30％的直流额定电压和/或大于或等于5A、优选大于或等于8A、优选大于或等10A、优选12.5A+/-40％的直流额定电流。
所述混合式开关作为整体因此设计为用于大于或等于300V、优选大于或等于600V、优选大于或等于800V、优选1250V+/-30％的直流开关电压和/或用于大于或等于5A、优选大于或等于8A、优选大于或等10A、优选12.5A+/-40％的直流导通电流。特别是，混合式开关作为整体设计为用于大于或等于300V、优选大于或等于600V、优选大于或等于800V、优选1250V+/-30％的直流开关电压。
特别是半导体开关机构或一个或多个场效应晶体管优选MOSFET优选构成为用于大于或等于300V、优选大于或等于600V、优选大于或等于800V、优选1250V+/-30％的漏极-源极电压(VDS)。
半导体开关机构或一个或多个场效应晶体管优选MOSFET优选设计为用于大于或等于5A、优选大于或等于8A、优选大于或等10A、优选12.5A+/-40％的漏极电流(ID)。
基于通过半导体开关机构的电流流动的短的持续时间，即便如此，在此在混合式开关上生成的功率损耗是合理的。因此不需要应用过度大和昂贵的半导体开关。
在此可以应用场效应晶体管、优选MOSFET，其具有大于或等于100mΩ、优选大于或等于300mΩ、优选大于或等于500mΩ、优选690mΩ+/-40％的接通电阻(漏极-源极导通电阻，简称RDS-on)。
这虽然产生必要时一瓦、几瓦或更大的相对大的功率损耗，但是这特别是通过由并联连接的继电器的减轻负担而是可接受的。这样的场效应晶体管特别是MOSFET适宜地是可获得的且具有小的结构大小。
如果所述一个或多个半导体开关、场效应晶体管或MOSFET闭合且继电器是打开的(中间的开关状态)，那么该一个或多个半导体开关、场效应晶体管或MOSFET可以涉及至少一个光伏串的8.5A或10A的额定电流甚至具有大于或等于2瓦、大于或等于5瓦、大于或等于10瓦、特别是大于或等于40瓦的计算的功率损耗。如果半导体开关机构和继电器闭合(持续运行状态)，那么在另一方面，混合式开关涉及至少一个光伏串的8.5A或10A的额定电流，即便如此也仅仅具有优选小于或等于10瓦、优选小于或等于5瓦、优选小于或等于2瓦、优选小于或等于1瓦的计算的功率损耗。特别是如果半导体开关机构和继电器闭合，那么混合式开关在生产运行中具有每个光伏串例如在1000伏特和10安培(典型地加上25％的储备)的情况下小于或等于1瓦的功率损耗。
继电器优选构成为用于大于或等于5A、优选大于或等于8A、优选大于或等10A、优选12.5A+/-40％的直流导通电流。另一方面优选地足够的是，对于继电器构成为用于小于或等于8A、特别是小于或等于6A、特别是小于或等4A、特别是2A+/-50％的直流开关电流。
此外优选地足够的是，继电器具有小于或等于800V、特别是小于或等于500V、特别是400V+/-50％的最大交流开关电压。
这将继电器的成本和结构大小特别是对于安装在串盒中同样保持在合理的范围内。
此外优选地，开关机构可以构成为，在(再)接通所属串之前在检测例程中检测所属串的电气特征参量且在遵循对于电气特征参量的预定阈值的情况下和根据用户释放闭合开关机构。亦即开关机构的闭合仅仅当如下两者存在时才实现，亦即当不仅满足对于电气特征参量的检测条件，而且存在用于(再)接通的用户释放。仅仅那时才又接通所属串。特别是，可以首先部分闭合半导体开关且在继电器还打开的情况下测量电气特征参量、如输入电压、输出电压和/或串电流。该过程也在闭合继电器之前可以再次重复，由此可以保护继电器。
特别是，所述开关机构因此包括电流传感器，电流传感器测量光伏产生的通过所属串线路的电流流动。开关机构优选仅仅当如下情况下时闭合继电器，即当流经串线路的光伏产生的电流超过预定的阈值时。由此可以确保，所属光伏串仅仅当完全准备运行时才进行持久生产运行。
优选地，至少部分特别是在光伏串的持久生产运行中光伏产生的电流在光伏串的如下部分中流动，在该部分中存在多个串联的光伏模块或整个光伏串的完全的标称电压，优选仅仅通过金属导体、例如金属电缆、金属插接连接器和继电器以及至少不持久地通过半导体元件。由此可以有利地将功率损耗保持较小，从而开关机构必要时可以安装在存在的壳体中，而该壳体不会过热。
在多串光伏设备中，优选地每个并联的光伏串在中央收集点之前具有这样的开关机构。开关机构专用于光伏模块跨，亦即分别专用于带有多个串联连接的光伏模块的整个光伏串。
开关机构在输入侧(亦即光伏串或光伏模块侧)具有正极输入端和负极输入端用于连接串线路的正极或负极以及在输出侧(亦即收集点侧)具有正极输出端和负极输出端用于连接串线路的延续部的正极或负极直至光伏串的中央收集点或直至逆变器的整流输入端。因此特别是在开关机构上存在总串电压，和/或总串电流流经开关机构。
如上所述，本发明结合按照文献DE 10 2016 117 049的回流保护展现特别的优点。如果开关机构也用作在多串光伏设备中的回流保护装置，那么这附加地阻止：横向电流变得如此大，使得在所属光伏串中通过电流的方向相反，亦即负电流反向流到所属光伏串中。这可以特别是利用由两个半导体开关组成的背靠背电路、特别是由两个场效应晶体管例如MOSFET组成的背靠背电路实现。有利地，那么可以阻止不期望的回流，否则如果所属光伏串应比在中央收集点下游的逆变器或相应集电器更低阻抗，那么可能生成该不期望的回流。这可以积极地影响所属光伏模块的寿命。根据光伏设备的安全装备，回流保护功能也可以提高设备安全性，特别是在例如基于不再足够的照射关断各个光伏串或光伏设备时、维护工作时或在危险关断时，特别是其中回流保护功能阻止：基于回流阻止所属光伏串的关断。
优选地，开关机构安装到电气绝缘的壳体中，该壳体在串侧的输入端上具有用于串线路的正极的正极连接端和用于所属光伏串的串线路的负极的负极连接端。此外优选地，开关机构在收集点侧的输出端上具有用于正极的正极连接端和用于串线路的延长部的负极的负极连接端，该延长部通到中央收集点。在壳体上的连接端优选构成为例如按照申请人/拥有者的
Figure BDA0003897507770000131
-系统的光伏插接连接器。带有开关机构的壳体——该壳体利用插接连接器可以插入所属光伏模块的串线路的两个线路中——可以因此形成以串盒形式的单独可插入的单元，串盒也还可以作为加装解决方案插入在分别一个光伏串的光伏模块与中央收集点或共同的逆变器之间存在的串线路中，以便加装存在的多串光伏设备。
优选地，开关机构包含于控制机构连接的传感器用于测量在所属串上的电气特征参量。响应于利用传感器测量的电气特征参量，控制机构可以对开关机构进行开关，必要时仅仅当也存在用户释放时。特别是控制机构响应于利用传感器测量的电气特征参量阻止开关机构和/或至少继电器的闭合，例如如果测量的电气特征参量位于在用于第一电气特征参量的对于又接通决定性的安全条件之外。
传感器优选是电流传感器或电压传感器，其测量以下电气特征参量中的至少之一：
·在开关机构的串侧输入端上的输入电压；
·在开关机构的收集点侧或逆变器侧的输出端上的输出电压；
·所属光伏串或通过开关机构或串盒的串电流；
·负的电流流动。
负的电流流动表示，在光伏串中的电流相反于在运行中光伏产生的电流的流动方向流经开关机构。亦即，电流传感器特别是构成为，也可以测量负的电流流动。
混合式开关可以响应于一个或多个这些利用一个或多个传感器测量的电气特征参量打开且中断所属光伏串与集电器的连接。开关机构那么优选地包含电流传感器——其必要时也可以测量负的电流——和/或输入电压传感器和/或输出电压传感器。
可选择的附加的回流阻止装置的另外的细节在下文中描述。
按照本发明的一个优选实施例，所述传感器是电流传感器，其也可以测量通过开关机构的负的电流流动。开关机构可以中断所属串与中央收集点、亦即与带有其他光伏串的并联连接和与逆变器的直流输入端的连接，至少当电流在所属光伏串中是负的和/或超过用于负电流的数值地预定的阈值。负电流自然不是用于分离的必要先决条件。根据预定哪些运行和安全参数开关机构也可以已经在如下情况时实施中断，即当电流虽然还还是正的、但是位于在预定的安全阈值之下时。这例如可以在如下情况时发生，即如果所属光伏串的光伏模块相比于其他光伏串的光伏模块更强地遮暗。在该情况下，横向电流可能还不用于在所属光伏串中负的总通过电流，但是必要时已经如此程度减小由所属光伏串光伏产生的电流，使得该所属光伏串的生产运行在经济上不再有意义，从而更好的是，中断该所属光伏串与带有其他光伏串的并联电路和与共同的逆变器的连接。这可以特别是在如下情况下是有意义的，即如果开关机构测量的电流虽然还是正的，但是极大地位于在光伏串的最大电流之下，例如小于光伏串的最大电流的10％。换言之，控制机构优选构成为，如果出现如下条件，即串电流I小于预定的阈值I0，那么自动开关所述开关机构或者中断所属光伏串与并联电路和与逆变器的连接。预定的阈值I0可以在正值与极小于所属光伏串地最大电流与用于通过电流的负的安全值之间选择。通过数学表达，开关条件可以限定为I＜I0，其中I0选自区间[I1,I2]，其中I1是负的安全值，在该安全值下可能损坏所属光伏串，并且I2是正值，在该值之下经济的运行显得不再有意义。
特别是，如果运行和安全参数允许且用户释放例如以触发信号的形式、例如通过闭合的开关存在，那么开关机构也又电气接通所属光伏串与带有其他光伏串的并联电路和与共同的逆变器。为此，控制机构与用于测量至少一个电气特征参量的传感器机构连接。
按照一个优选实施形式，如果存在用户释放，开关机构响应于测量的串侧的输入电压和/或测量的收集点侧或逆变器侧的输出电压将如下所属串——其与中央收集点的连接是中断的——再电气接通到带有其他并联的光伏串的中央收集点并由此接通到逆变器的直流输入端。
按照本发明的另一优选实施形式，将输入电压与输出电压比较，并且控制机构响应于测量的串侧的输入电压与测量的集电器侧的输出电压的比较特别是如下控制开关机构，使得如果存在用户释放，所属光伏串——其与集电器的连接是中断的——再接通到集电器上。通过电压比较可以确保：在所属光伏串又电气接通之后满足期望的运行和安全参数，例如没有负电流回流到所属光伏串中或者正的生产电流超过最小值，其方法是所属光伏串仅仅在如下情况下时才又电气接通，即如果输出电压U2减去输入电压U1的差小于预定的阈值U0。如果适用U0＝0，这表示，输出电压U2小于输入电压U1。在此可以存在一定的公差，特别是可以充分利用如下效应，即所属光伏串——其与中央收集点的连接是中断的——的输入电压是空载电压，相比之下输出电压——其是由其他并联的光伏模块产生的电压——已经是负载电压，负载电压典型地比空载电压低大约20％，因为逆变器已经运行。因此，如果存在用户释放，控制机构可以响应于所属光伏串的空载电压与其他光伏串的负载电压的比较将如下所属光伏串——其与中央收集点的连接是中断的——又接通到带有其他并联的光伏串的中央收集点并由此接通到逆变器的直流输入端。除了电压比较之外还可以检测：是否所属光伏串的电压超过预定阈值U_min，例如以便确保：所属光伏串可以在该时刻产生足够功率。
开关机构在闭合状态下电气连接所属光伏串与集电器，并且在打开状态下双向中断所属光伏串与在串线路内的集电器的引导电流的连接。
优选地，应用的半导体开关和/或继电器构成为闭合器(常闭或常开，NO)。这虽然第一眼看来是不利的，因为对于保持On状态需要电功率。但是要考虑的是，实现与此有关的安全性，亦即在开关机构的正常状态下，所属光伏串与带有其他光伏串的并联电路和与逆变器的直流输入端的连接是中断的。
在此公开的本发明特别有利地可用于如下光伏设备中，其中串联连接的光伏模块在光伏串中的至少一个中优选在所有光伏串中分别具有保护电路，借助于保护电路可以将光伏模块单个地与所属光伏串关断，并且其中各个光伏模块的保护电路在用于串线路的连接点短路相应光伏模块的输出端，以便产生对于相应光伏模块的低阻旁路。光伏模块的这样的保护电路在文献WO2013/026539 A1中更详细地描述，对此参照该文献且该文献对此由此通过参考而合并。此外在此公开的本发明特别有利地可用于如下光伏设备中，其中所属光伏串具有启动电路，启动电路构成为，又激活所属光伏串的各个光伏模块的这样的或其他保护电路。光伏串的这样的启动电路在文献WO2014/122325 A1中更详细地描述，对此参照该文献且该文献对此由此通过参考而合并。
优选地，这样的用于启动所属光伏串的启动电路和用于所属光伏串的开关机构可以安置在共同壳体中，从而生成带有用于所属光伏串的组合的接通和关断功能的串盒。串盒以在串盒的输入端上的正极和负极连接端和在输出端上的正极和负极连接端在由所属光伏串的光伏模块组成的串列与带有其他光伏串的中央收集点之间在所属光伏串中开关。由此可以节省多余的构件，特别是插接连接件，这可以有利地影响光伏设备的成本、寿命和功率损耗。开关机构的功率损耗在生产运行中在闭合的继电器的情况下如此低，使得热负载是可接受的。
优选地，每个光伏串配备有所述跨光伏模块的开关结构或串盒。
本发明还涉及一种电子控制的直流混合式开关机构，其用于直流发电机，所述开关机构用于将直流发电机的至少一个串与集电器、例如逆变器切断，其中直流混合式开关机构包括混合式开关，混合式开关由特别是机电式继电器和与该继电器并联连接的半导体开关机构组成和电流传感器，所述电流传感器设计为用于测量负的电流流动。
本发明还涉及这样的开关机构用于接通和关断直流发电机的至少一部分的应用，所述开关机构包括混合式开关，所述混合式开关由继电器和与所述继电器并联连接的半导体开关机构组成，其中，在直流发电器的至少一个串中测量负的电流流动。
本发明还涉及一种用于由用户控制地关断和再接通直流发电机的各个光伏串的方法，其中，这些串中的至少一个串具有包括控制机构和与所述控制机构连接的电流传感器的开关机构，所述电流传感器设计为用于测量负的电流流动，所述方法包括如下步骤：
通过电气或电子触发信号由用户控制地触发所属的开关机构，以便将该串单独地与集电器切断；
通过电气或电子触发信号由用户控制地触发所属串的开关机构，以便将该串单独地再接通到集电器，必要时响应于满足另外的检测条件。
对于本领域内技术人员清楚的是，本发明虽然可特别有利地用于光伏设备，然而原则上也可用于其他直流发电机。这些直流发电机不应排除在外。
附图说明
在下文中，根据实施例且参照附图进一步阐明本发明，其中相同或相似元素部分设有相同附图标记，并且不同实施例的特征可以相互组合。附图示出：
图1示出带有并联的光伏串的光伏设备的方框图；
图2示出用于光伏模块的保护电路的方框图；
图3示出带有开关机构的串盒的方框图；
图4示出操控由继电器和MOSFET背靠背电路组成的混合电路的电路图；
图5示出用于操控MOSFET背靠背电路的开关电源的电路图；以及
图6示出用于启动、检测和关断所属光伏串的流程图。
具体实施方式
参照图1，多串光伏设备1包括多个并联连接的光伏串，其中出于简单性仅仅示出两个光伏串10、10’。
每个光伏串包括多个光伏模块或光伏板12、12’，其分别配备一个保护电路14、14’，例如如其在文献WO 2013/026539 A1中所述。保护电路14、14’分别配置给一个光伏模块12、12’，并且相应的串线路16、16’在两极地引导穿过属于光伏串10、10’的保护电路14、14’。
参照图2，每个保护电路14、14’包含一个用于在串侧短路所属光伏模块12、12’的短路开关S3以及一个串联的分离开关S4，利用分离开关可以将所属光伏模块12、12’与光伏串10、10’分离。在光伏模块12、12’被遮暗或失灵时，短路开关S3闭合且串联的分离开关S4打开，从而相应的光伏模块12、12’与光伏串分离、空载并且光伏串10、10’即便如此保持闭合，从而此外该光伏串10、10’的其余光伏模块的光伏产生的电流可以流经也在该保护状态下闭合的串线路16、16’。对于本发明可选择的保护电路14、14’的另外的细节参见文献WO2013/026539，该文献对此由此通过参考成为本公开的内容。
再参照图1，在每个光伏串10、10’中插入串盒20、20’，所述串盒可以构成为按照文献WO 2014/122325 A1的启动盒，并且两个串线路16、16’穿过该启动盒。在串盒20、20’的逆变器侧上，串线路16、16’的延续部17、17’在中央收集点22a、22b或者说其正极和负极上并联连接在一起，以便将在该示例中多个光伏串10、10’等的光伏产生的功率并联连接地馈送到共同的逆变器26的直流输入端24a、24b中。在逆变器26的交流输出端28上提供用于馈送到供电电网中的交流电。
串盒20、20’在该示例中由外部24伏特电源32(图2)供电，以便执行期望的开关过程。供电自然也可以通过启动光伏模块实现，其不具有保护电路14、14’且由此在光入射的情况下自动给相应的光伏串10、10’并且由此也给所属串盒20、20’供以电功率。对于对此进一步的细节参照文献WO 2014/122325 A1，该文献对此由此通过参考成为本公开的内容。
参照图3更详细示出所述光伏串10之一的串盒20。所有其余并联连接的光伏串10、10’等——只要存在——优选相同地构成。本发明然而也可以用于单串光伏设备1中，亦即随一个由仅仅一个光伏串10组成的直流发电机2使用。
光伏模块12连同连接的保护电路14——其在图3中出于简化内容而没有单独示出——在串联电路中形成所述光伏串10。串线路16的正极16a和负极16b连接到串盒20的正极输入端34a或负极输入端34b，以便馈送到串盒20中。在正极输出端36a或负极输出端36b上，串线路16的相应的延续部17连接到逆变器26的直流输入端24的正极24a或负极24b上，逆变器26在该示例中形成对于光伏产生的电流的集电器。由光伏串10的光伏模块12光伏产生的电流因此在生产运行中流经串盒20。在输入端和输出端34a,34b；36a,36b上优选利用插接连接器(未示出)来连接串线路的模块侧和收集点侧的部分16、17。另外的可选择的并联光伏串10’通过虚线表示，所述光伏串通至中央收集点22a、22b的两极。
串盒20包含开关机构38，其集成到串盒20的优选水密封的塑料壳体21中。开关机构38包括混合式开关S1，其串联连接到光伏串10中，在该示例中连接到串线路的枝干中(在该示例中是正极)。利用串联的混合式开关S1可以由用户控制地中断所属光伏串10与逆变器26的引导电流的连接且由此关断所属光伏串10。微控制器形式的控制机构42控制串联的混合式开关S1——其也可以称为混合式分离开关——并且监控电流传感器44、输入电压传感器46和输出电压传感器48，以便获得所属光伏串10的电气特征参量。
输入电压传感器46与串盒20的输入连接端34a、34b并联连接，以便测量输入电压U1，所述输入电压是所属光伏串10的串电压。输出电压传感器48与串盒20的输出连接端36a、36b并联连接，以便测量输出电压U2，所述输出电压是在逆变器26上存在的电压。在多串光伏设备的情况下，输出电压U2是由所有其他光伏串的并联电路施加给逆变器26的电压。电流传感器44在生产运行中测量串电流，其在光伏串10产生电流时沿正常方向——其在此称为正的——穿过串线路16、串盒20和串线路的延续部17流入到逆变器26中，以便馈送到逆变器26中。电流传感器44可选择地也设计为，测量沿相反方向的电流流动，亦即关于光伏串10的产生的正常流动方向的负电流(亦即相对于逆变器的直流输入端24a、24b反极性)。但是备选地也可以设有两个分离的电流传感器，一个用于正的电流流动，而一个用于负的电流流动(未示出)。开关机构38因此——假如期望——构成为测量正和/或负的电流流动。
在串盒20或开关机构38的基本位置中，串联的混合式开关S1是打开的且位于在其正常状态(常开)。串联的混合式开关S1的主要功能是中断所属光伏串10与逆变器26的引导电流的连接。短路开关S2用于触发在所属光伏串10中串侧的短路，并且通过特征性的启动电流激活所属光伏串10。在发送启动脉冲之后，测量和比较串电压U1和逆变器电压U2，以便响应于电压比较将所属光伏串10电气接通到逆变器26，必要时当存在相应的用户释放时。
串联的混合式开关S1在该示例中响应于串电压U1与逆变器电压U2的比较而闭合，亦即串联的混合式开关S1的接通过程的开关条件在该示例中与串电压U1和逆变器电压U2的比较有关。串联的混合式开关S1特别是仅仅在如下情况下闭合，即如果所属光伏串10的串电压U1要么大于逆变器电压U2要么比逆变器电压U2仅仅小预定的阈值U0(微小的)。换言之，对于串联的混合式开关S1用于将光伏串10电气接通到并联电路和逆变器26的开关条件是：U1>＝U2-U0，其中，U0是对于将所属光伏串10安全接通到逆变器的最大允许的电压差的预定值。预定的和在微控制器中保存的开关值U0因此(显著)小于所属光伏串10的最大可能电压。仅仅当满足这样的开关条件时，该开关条件与所属光伏串10以及必要时其他光伏串的电气特征参量有关，控制机构42如此控制串联的混合式开关S1，使得闭合混合式开关S1且由此将所属光伏串10接通到逆变器26。因此，在该特殊的实施例中，所属光伏串10的系统启动甚至在不出现不期望的回流危险的情况下是可能的。
为了检测在生产运行中由在该示例中存在的其他光伏串到所属光伏串10中不期望的回流，在该生产运行中串联的混合式开关S1闭合，在生产运行期间监控电流流动连同电流流动方向。为此持续地利用电流传感器44实施电流测量。借助于电流传感器44因此实施串电流的持续监控连同串电流的符号，亦即串电流是否变负。假如串电流应变负或达到接近变负的状态，那么微控制器42如下控制串联的混合式开关S1，使得该混合式开关打开且中断光伏串10与中央收集点22a、22b和与逆变器的引导电流的连接。
为了所有串盒20将分别所属光伏串10干净地与逆变器26分离——如果整个光伏设备1关机——(优选地且只要存在)，一旦逆变器电压U2位于在预定义的最小电压U_min之下，同样打开所有光伏串的所有开关机构38的串联的混合式开关S1，其中U_min例如可以位于在大约30伏特的范围内。
参照图3和4，混合式开关S1包括两个半导体开关在该示例中两个场效应晶体管更准确地说两个MOSFET 52的背对背电路50和机电式继电器54的并联电路。混合式开关S1作为整体设计为用于所属光伏串10整个标称串电压和整个标称串电流，它们典型地为直至1000伏特或甚至1500伏特以及例如10A。不过，MOSFET 52具有典型的接通电阻，所谓的漏极-源极导通电阻或简称RDS-on，在该示例中为690mΩ。由此可以在典型的光伏串10的情况下在MOSFET 52上生成在几个瓦特范围内的功率损耗。例如在690mΩ的RDS-on和Inom＝10A的标称串电流的情况下生成计算的损耗功率PVL＝RDS-on*Inom 2，亦即在该示例中因此PVL＝69瓦特。因为这样的功率损耗特别是对于安装到存在的(塑料)壳体中是不期望的，所以继电器54在持续运行中减轻由两个MOSFET 52组成的背对背电路50的负担。亦即，接通过程首先通过由两个MOSFET 52组成的背对背电路执行，并且如果所属光伏串10对于一定的最小时间处于生产运行中，则闭合并联的继电器54，以便减轻MOSFET 52的负担。由此，一方面避免在MOSFET 52上持续产生高损耗功率，而另一方面可以应用继电器54，该继电器单独地不适用于在1000V或甚至1500V的标称直流串电压下实施开关过程，而基于直流电压生成未熄灭的电弧的危险不会提高。
尽管对标称串电压、标称串电流和直流应用的要求高，混合式开关S1还是可以利用商业上常见的、相对小型且成本有利的构件构成。
例如TE Connectivity Ltd.(参见www.te.com)的型号RT.3T和RTS3L的具有如下特征的继电器已经证实为适合的：
1 Pol 16A，
1 Form A(NO)触点(AgSnO2或W预制触点+AgSnO2)
单稳态或双稳态线圈
5kV/10毫米线圈触点
增强的绝缘性
WG版本：按照IEC60335-1的产品
RTS3T:电子镇流器UL508/NEMA 410评估
RTS3T:165/20ms接通峰值电流
Figure BDA0003897507770000231
对于背对背电路50，例如ST(vgl.www.st.com)的型号STH12N120K5-2、STP12N120K5、STW12N120K5或STWA12N120K5的具有如下特征的MOSFET证实为适合的：
V<sub>DS</sub>: 1200V
最大RDS-on 690mΩ
I<sub>D</sub> 12A
P<sub>TOT</sub> 250W
Figure BDA0003897507770000232
Figure BDA0003897507770000241
利用这样的混合式开关S1——其由继电器54和MOSFET背靠背电路50以及所属操控电子装置组成——可以安全且长期地接通和关断光伏串。
因此借助于混合式开关S1在该示例中甚至双向分离在所属光伏串10或直流发电机2的由此连接的部分与中央收集点22a、22b或逆变器26之间的引导电流的连接，亦即在该示例中沿两个方向中断可能的电流流动。
如果用户开始用于关断的触发信号，这在此以检测条件“U外部启动＝Off”表示，控制机构42自动打开混合式开关S1。
在光伏串10关断时，首先打开继电器54且在此之后带有时间延迟地才打开背对背电路50，以便分离所属光伏串10与中央收集点22a、22b。在接通和/或关断时的时间延迟在该实施例中为大约300ms至300ms，这足以在没有特别冷却的情况下不过载于MOSFET背对背电路50/52。
图4示出带有用于操控继电器54的操控电路60的混合式开关S1以及MOSFET背对背电路50/52的更精确的视图。
在“继电器”控制输入端62上，操控电路60获得标准信号(0/1)作为控制机构42的触发信号。双极型晶体管64相对于接地66“GND”连接。并联于继电器54，为了火花中断而连接空载结构元件，在该示例中是空载二极管68。半导体开关机构50或FET背对背电路的栅极电压相对于源极是无电位的。
图5示出用于操控MOSFET背对背电路50/52的开关电源70。经由漏极72流至10A。时钟发生器74发出带有大约200kHz的50/50时钟到开关二极管76上。操控器的产生用于MOSFET背对背电路50/52的操控信号的部分与MOSFET背对背电路50/52电流分离。所述电流分离借助于电路板变压器78形成。
二极管V17、C35、C36用于19.4V的斩波电压的整流和平滑化。
此外，用于MOSFET背对背电路50/52的操控器包括光电耦合器82，其引起与控制机构42的电流分离。通过控制输出端84提供操控信号，并且电源电压通过光电耦合器82接通到MOSFET背对背电路50/52。
栅极86和源极88的连接端是与MOSFET背对背电路50/52连接的功效端(Leistung)。
参照图6，开关机构38的启动和关断序列例如如下运行。
在102中系统开始，在步骤104中打开混合式开关S1(打开半导体开关机构50和继电器54)。在步骤106中的查问中检测：输入电压U1是否低于最小电压U_min1。假如满足条件U1<U_min1，其中在本示例中U_min1＝30V，并且存在用于启动的用户释放(U外部启动＝on)，那么在步骤108中以短路开关S2触发启动脉冲，以便启动所属光伏串10。串联的混合式开关S1此外保持打开且循环返回步骤104。
如果现在通过启动脉冲启动所属光伏串10，其方法是所属保护电路14将所属光伏模块12电气接通到光伏串10，那么串电压U1应显著位于在预定义的最小值U_min1之上——只要不存在故障——且所属光伏串10不是完全遮暗的。因此当在步骤106中在正常照射并且没有故障的情况下不再满足条件U1<U_min1并且此外存在用于启动的用户释放(U外部启动＝on)之后，在步骤110中如下实现另一查问，即所属光伏串10的输入电压U1是否大于或等于所属光伏串10的输出电压U2减去预定义的阈值U0(U1>＝U2-U0)，其中，U0在该示例中为20V DC，但是也可以是零。该条件应优选对于预定义的最小时间t0满足，所述最小时间在该情况下为t0＝1s。此外再次检测：电压U1是否大于或等于最小值U_min2，以便确保：所属光伏串10还总是电气接通，其中在该情况下为U_min2＝150V DC。此外又检测，是否存在用户释放(U外部启动＝on)。如果在查问步骤110中这三个检测条件中至少之一不满足，那么循环返回步骤104和查问步骤106。
然而，如果在查问110中满足所有这三个检测条件，那么在步骤111中检测，串电流I是否大于预定义的阈值I_min，其中，I_min在该示例中为500毫安(沿正方向)。如果不满足这些检测条件，微控制器42在步骤112a中如此控制串联的混合式开关S1，使得至少仅仅闭合半导体开关机构50或背对背电路。如果满足该检测条件I＞I_min，那么微控制器42在步骤112b中如此控制串联的混合式开关S1，使得背对背电路50保持闭合并且现在继电器54也闭合。在两种情况112a、112b中，所属光伏串10接通到中央收集点22a、22b或逆变器26，并且所属光伏串10在此经由中央收集点22a、22b将电功率馈送到逆变器26中，其中，但是混合式开关S1在步骤112b中闭合继电器54之后、亦即在对于持续生产运行的状态中才特别低损耗地运行。通过半导体开关机构50或背对背电路单独已经提前在步骤112a中闭合，该例程在步骤112b中，在步骤112a中闭合半导体开关背对背电路50之后延迟之后才时间错开地闭合继电器54的。时间延迟在本示例中未大约200ms至300ms，这足以不使MOSFET背对背电路50过载，即使应流过满标称串电流。
继电器54在该示例中自从I>500毫安才承担电流流过且仅需要开关典型的1伏特的低电压，从而可以应用相对小的、成本有利的并且特别是非设计用于开关1000V DC的继电器，例如具有上述特征的继电器。
在生产运行期间随后在检测步骤114中持续或定期检测：a)负电流是否大于或等于预定义的最小值I_逆向，亦即在预定义的最小时间t1(t1＝1s)，或者b)输入电压U1是否低于预定义的最小值U_min3(在此U_min3＝150V)，或者c)是否不存在用户释放(U外部启动＝Off)。对于负电流的最小值I_逆向典型地位于在毫安范围内。在该示例中因此相应的检测条件是：是否存在至少20毫安的负电流(I_逆向<＝-20毫安)。只要所有三个检测结果a)、b)、c)是否定的，亦即逻辑a)或b)或c)＝NO，那么混合式开关S1保持闭合。
接着实施另一检测步骤116，其方法是在故障监控中查问：是否温度为<130℃，并且在U1与U2之间的电压差是否大于2V。假如该故障检测的结果也是否定的，那么循环结束回到检测步骤111。步骤111-116因此形成用于所属光伏串10的如下持续或连续监控回路，即在生产运行中也不出现监控的电气特征参量的不期望的值。
假如在步骤114中的查问产生：三个所提到的检测条件中之一是肯定的，亦即逻辑a)或b)或c)＝YES，例如如果存在不期望高的负的回流，因为例如所属光伏串10相比于其他光伏串更大程度地被遮暗，或者因为所属光伏串10如此失掉串电压，使得满足阈值条件U1<U_min3，或者因为在控制机构42上存在用户控制的关断要求(U外部启动＝Off)，循环返回到步骤104，亦即打开混合式开关S1，其中首先打开继电器54且在时间延迟之后才打开半导体开关机构50。优选地，混合式开关S1或不仅MOSFET 52而且继电器54构成为闭合器(常开)，从而如果MOSFET 52和继电器54都没有由控制机构42保持在闭合状态下(循环111-116)，混合式开关S1作为整体自动落入打开状态。而且在此假如需要确保时间延迟。循环111-116因此代表所属光伏串10的生产运行。
用户可以在步骤114中通过触发条件U外部启动＝Off根据期望干预到循环111-116中，以便由用户控制地将所属光伏串10与逆变器26的引导电流的连接分离或由用户控制地关断所属光伏串10。如果如此由用户控制地通过触发条件U外部启动＝Off将在步骤114中的请求设置为“是”，那么中断循环111-116，并且检测/控制例程的路径达到步骤104，其中混合式开关S1打开，即使所有电气特征参量满足预定义的检测条件。用户由此那么具有如下可能，即由用户控制地在自身判断之后触发所属光伏串10的关断。而且在此假如需要确保时间延迟。
如果在步骤116中故障监控产生肯定结果，亦即如果两个所述故障条件中之一正确，那么在步骤118中如在步骤114中那样打开混合式开关S1且附加地触发通知输出，该通知输出为用户发出故障信息。接着以步骤120结束该循环。这典型地信号表示故障。
利用本发明可能的是，由用户控制地受控地关断每个配备这样的开关机构38的启动地或位于在生产运行中的光伏串10，亦即与集电器26分离。这借助于混合式开关S1和例如按照图6的相应的控制实现，所述混合式开关由MOSFET背对背电路50和继电器54的并联电路组成。
在串盒20中安装的混合式开关S1能够分开光伏串10且禁止电流流动。这使得同样关断在本示例中安装在光伏模块12上的保护电路14(例如Phoenix Contact SCK-RSD-100)。换言之，因此在本示例中安装在光伏模块12上的保护电路14于是自动停用且关断各个光伏模块12，从而整个光伏串10不仅与中央收集点22a、22b电气分离，而且也不再引导接触危险的电压。
为了启动光伏串10，通过该串线路16将启动脉冲发送给所属光伏串10的光伏模块12的保护电路14(步骤108)，以便又激活未加载的光伏串10，但是尚未直接连接到中央收集点22a、22b。随后按照图6实施具有步骤110-116的检测例程。
本发明能实现通过(模块)上级控制单元接通和关断所述至少一个光伏串10且是为客户提供有利功能，以便不仅在紧急情况下而且也例如出于维护目的来关断光伏串或直流发电机2的全部区域。
总而言之，可以利用本开关机构38在小的结构空间上在功率损耗低的情况下开关大的功率。优选地，光伏串10的标称功率为至少10千瓦，其可以由混合式开关S1作为整体来开关。如果继电器54接通电流，那么混合式开关S1的功率损耗然而在标称1000V和10A下小于或等于10瓦、优选小于或等于5瓦、优选小于或等于2瓦、优选小于或等于1瓦。不同的开关方式(机电、半导体)的优点有意义地相互组合。在接通时，半导体开关机构50承担第一开关过程，以便在必要时小的负载范围(例如直至500毫安)中接通和又关断直至1000V。在此利用半导体开关机构50的关于直流应用重要的优点，以便可以在没有火花放电的情况下开关大的电压。在开关半导体开关机构50之后但是优先涉及：掌握流经的电流的功率损耗。而为此半导体的产品参数不是理想适合的，因为随着在UBS上的电压上升，内部导通电阻RDS-on也上升。为此利用继电器54形式的机电开关的优点。小的结构形式的继电器虽然不能够分离高直流电压，但是为此直至例如16安培的大的电流是没有问题的。
在接通时，首先接通半导体开关机构50，并且在此之后带有时间延迟地接通继电器54。在关断时这相应相反地实现，同样具有时间延迟。继电器54因此不仅在接通时而且在关断时仅仅还开关残留的剩余电压，但是通过半导体开关机构50或MOSFET 52由于小的导通电阻几乎导通完全的电流。因此开关机构38适合在小的功率损耗下开关1000V连同10A的直流电压/直流电流。由此通过本发明可以结构尺寸上优化且成本优化地、受控地接通和关断光伏串10或直流发电机2的一部分。
对于本领域内技术人员清楚的是，上述实施形式可理解为示例性的且本发明不限于此，而是可以多种形式地改变，而不脱离权利要求的保护范围。此外清楚的是，各特征不依赖于这些特征是否在说明书、权利要求、附图中或通过其他方式公开，也单个地限定本发明的主要组成部分，即使这些特征随其他特征被共同地描述。

Claims (15)

1.直流发电机(2)，包括：
至少一个串，所述至少一个串通过模块(12)形成，所述模块借助于串线路相互串联连接且因此产生串电压；
开关机构(38)，所述开关机构串联安装到所述串线路中，以便利用所述开关机构(38)接通和关断所述至少一个串；
其中，所述开关机构(38)包括混合式开关(S1)，所述混合式开关包括继电器(54)和与所述继电器(54)并联连接的半导体开关机构(50)，所述半导体开关机构带有至少一个半导体开关和电流传感器(44)，所述电流传感器(44)设计为用于测量负的电流流动。
2.根据权利要求1所述的直流发电机(2)，其中，所述混合式开关(S1)定义闭合状态和打开状态，并且在所述闭合状态下将光伏产生的电流从所述至少一个串输送给集电器，而在打开状态下中断光伏产生的电流从所述至少一个串输送；以及
其中，包括有控制机构(42)，所述控制机构构成为，响应于用户输入由用户控制地打开所述混合式开关(S1)。
3.根据权利要求1或2所述的直流发电机(2)，其中，所述半导体开关是场效应晶体管、优选MOSFET(52)。
4.根据上述权利要求之一所述的直流发电机(2)，其中，所述混合式开关(S1)构成为，在打开状态下中断沿两个方向的电流流动。
5.根据上述权利要求之一所述的直流发电机(2)，其中，所述混合式开关(S1)由所述继电器(54)和包括两个半导体开关的背靠背电路(50)的并联电路组成，特别是由所述继电器(54)和包括两个场效应晶体管、优选MOSFET(52)的背靠背电路(50)的并联电路组成。
6.根据上述权利要求之一所述的直流发电机(2)，其中，所述开关机构(38)构成为，
在接通所属串时首先闭合所述半导体开关机构(50)、特别是所述一个或多个场效应晶体管、优选MOSFET(52)并且在此之后在时间延迟之后才闭合所述继电器(54)；和/或
在关断所属串时首先打开所述继电器(54)并且在此之后在时间延迟之后才打开所述半导体开关机构(50)、特别是所述一个或多个场效应晶体管、优选MOSFET(52)。
7.根据权利要求6所述的直流发电机(2)，其中，至少当在所述串中流过基本上相应于额定电流的串电流时，在接通时和/或在关断时的时间延迟为小于或等于2000ms、优选小于或等于700ms、优选小于或等于300ms。
8.根据上述权利要求之一所述的直流发电机(2)，其中，所述开关机构(38)包含控制机构(42)和与所述控制机构(42)连接的传感器机构(46、48)，所述传感器机构用于测量在所述所属串上的至少一个电气特征参量，其中，所述控制机构(42)构成为，如果存在用户释放，那么响应于以所述传感器机构(46、48)测量的至少一个电气特征参量将所属串电气接通到集电器，其中，所述传感器机构特别是包括：
输入电压传感器(46)，所述输入电压传感器测量在所述开关机构(38)上串侧的输入电压(U1)；和/或
输出电压传感器(48)，所述输出电压传感器测量在所述开关机构(38)上集电器侧的输出电压(U2)；以及
其中，所述控制机构(42)构成为，如果存在用户释放，那么响应于测量的串侧的输入电压(U1)和/或测量的集电器侧的输出电压(U2)将所属串电气接通到中央收集点(22a、b)。
9.根据上述权利要求之一所述的直流发电机(2)，其中，所述开关机构(38)构成为用于大于或等于300V、优选大于或等于600V、优选大于或等于800V、优选1250V+/-30％的直流开关电压和/或用于大于或等于5A、优选大于或等于8A、优选大于或等于10A、优选12.5A+/-40％的直流导通电流；和/或
其中，如果所述半导体开关机构(50)和继电器(54)闭合，那么所述混合式开关(S1)产生关于所述至少一个串的额定电流所计算的小于或等于10瓦、优选小于或等于5瓦、优选小于或等于2瓦、优选小于或等于1瓦的功率损耗；和/或
其中，所述半导体开关机构(50)构成为用于大于或等于300V、优选大于或等于600V、优选大于或等于800V、优选1250V+/-30％的直流开关电压。
10.根据权利要求3-9之一所述的光直流发电机(2)，其中，所述一个或多个场效应晶体管、优选MOSFET(52)构成为用于大于或等于300V、优选大于或等于600V、优选大于或等于800V、优选1250V+/-30％的漏极-源极电压(VDS)；和/或
用于大于或等于5A、优选大于或等于8A、优选大于或等于10A、优选12.5A+/-40％的漏极电流(ID)。
11.根据权利要求3-10之一所述的直流发电机(2)，其中，所述一个或多个场效应晶体管、优选MOSFET(52)具有大于或等于100mΩ、优选大于或等于300mΩ、优选大于或等于500mΩ、优选690mΩ+/-40％的漏极-源极导通电阻；和/或
其中，如果所述一个或多个场效应晶体管、优选MOSFET(52)闭合且所述继电器(54)打开，那么所述一个或多个场效应晶体管、优选MOSFET(52)产生关于所述至少一个串的额定电流所计算的大于或等于2瓦、大于或等于5瓦、大于或等于10瓦、特别是大于或等于40瓦的功率损耗。
12.根据上述权利要求之一所述的直流发电机(2)，其中，
所述继电器(54)构成为用于大于或等于5A、优选大于或等于8A、优选大于或等于10A、优选12.5A+/-40％的直流导通电流，和/或用于小于或等于8A、优选小于或等于6A、特别是小于或等于4A、特别是2A+/-50％的直流开关电流；和/或
其中，所述继电器(54)具有小于或等于800V、特别是小于或等于500V、特别是400V+/-50％的最大交流开关电压。
13.电子控制的直流混合式开关机构，其构成为用于特别是根据上述权利要求之一所述的直流发电机(2)，所述开关机构用于将直流发电机(2)的至少一个串与集电器切断，其中，所述直流混合式开关机构包括混合式开关(S1)，所述混合式开关包括继电器(54)和与所述继电器(54)并联连接的半导体开关机构(50)和电流传感器(44)，所述电流传感器(44)设计为用于测量负的电流流动。
14.开关机构(38)用于接通和关断直流发电机(2)的至少一部分的应用，所述开关机构包括混合式开关(S1)，所述混合式开关由继电器(54)和与所述继电器(54)并联连接的特别是根据上述权利要求之一所述的半导体开关机构(50)组成，其中，在直流发电器(2)的至少一个串中测量负的电流流动。
15.用于由用户控制地关断和再接通特别是根据上述权利要求之一所述的直流发电机(2)的个别串的方法，其中，所述串中的至少一个串具有开关机构(38)，所述开关机构包括控制机构(42)和与所述控制机构(42)连接的电流传感器(44)，所述电流传感器(44)设计为用于测量负的电流流动，所述方法包括如下步骤：
通过触发信号由用户控制地触发(U外部启动＝Off)所属串的开关机构(38)，以便将该串个别地与所述集电器切断；
通过触发信号由用户控制地触发(U外部启动＝On)所属串的开关机构(38)，以便将该串个别地再接通到所述集电器，必要时响应于满足另外的检测条件。
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