JP5590475B2

JP5590475B2 - 逆電流センサ

Info

Publication number: JP5590475B2
Application number: JP2012523282A
Authority: JP
Inventors: ハッケンベルク，ゲルト
Original assignee: エスエムエーソーラーテクノロジーアーゲー
Priority date: 2009-08-06
Filing date: 2010-07-26
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2030-07-26
Also published as: WO2011015476A3; US20120139347A1; WO2011015476A2; ES2384426T3; CA2770056A1; EP2284973B1; JP2013501495A; CN102484368A; US8749934B2; ATE555531T1; EP2284973A1; CN102484368B

Description

本発明は、独立請求項１の前文の特徴を備えている光起電システムに、同じく、それぞれが独立請求項２の前文の特徴を備えている、電力グリッドに直列に接続される複数の光起電モジュールを備える複数のストリングから電気エネルギーを供給するための器具に、関する。この器具は、ストリングおよびそれらのケーブルに加えて、ストリングから電力グリッドに電気エネルギーを供給するために必要とされるユニットを提供する。この種の器具はしばしば、ストリングおよびそれらのケーブルとは別の専門会社によって供給される。

専門用語ストリングは、通常複数の光起電モジュールが１個の光起電モジュールの基本的電圧に関して光起電発生器の出力電圧を増大するために直列に接続されるという事実に基づく。本明細書では、用語ストリングが実際に主に光起電モジュールの純粋な直列接続に対して用いられる。しかしながら、これが明示的に除外されない限り、ストリングはまた、たとえこれが本発明の文脈において好まれないとしても、光起電モジュールの並列接続を備えることもできる。

通常、光起電システムがそれに供給するか、または電力が本発明に従う器具によってそれに供給される、電力グリッドは、単相または三相交流グリッドである。それは、公共交流グリッドであることができる。

通常の光起電システムでは、複数のストリングの光起電モジュールが限定された電圧で所望の電力を達成するために並列に接続される。個々のストリングは逆電流の、すなわちそれぞれのストリングの光起電モジュールの正しい動作で生成される電流と比較して、逆流した流れの向きを有する電流の、発生に対向して保護されなければならない。原則として、開端子電圧または開回路電圧が並列に接続されるストリングの間で異なる場合にだけ、逆電流が生じる可能性がある。通常、これは同等の長さのストリングによって、すなわち同じ数のソーラーモジュールから構築されるストリングによって回避され、それは通常の場合である。個々のストリングのソーラーモジュールのシェーディングによってさえ、シェーディングが言及されるべき価値がある端子電圧上に何の影響も有さないので、言及されるべき価値がある何の逆電流もこのストリングを通して生じない。その代わりに、逆電流の発生は、例えば、ストリングの開端子電圧がそれに並列に接続されるストリングの開端子電圧より明らかに下に落ちるように、ストリングの１個以上のソーラーモジュールが短絡されることに起因する故障の存在を必要とする。ソーラーモジュールの内部ダイオード構造に起因して、逆電流がその時―電流の強さに従い―ストリングのソーラーモジュールの破壊に至るまでの温度の強い上昇に結びつく可能性がある不良のストリングを通して流れるかもしれない。光起電モジュールの短絡は、光起電モジュール内の１個以上のセルの短絡によってまたは光起電モジュールの、もしくは、そのケーブルの二重地絡によって引き起こされるかもしれない。たとえ、これらの故障が非常にありそうもない、すなわち実際には非常にまれに生じるとしても、影響を受けるストリングの全ての光起電モジュールが損傷されるかもしれず、および、二次損傷がまた、ローカル加熱のために生じるかもしれないので、これらの故障が高い損傷および危険潜在性を保持するので、準備がなされなければならない。したがって、光起電システムの中で並列に接続される個々のストリングを通しての逆電流の発生を回避する要求がある。

製品ＳｕｎｎｙＳｔｒｉｎｇＭｏｎｉｔｏｒ（非特許文献１）において、不良のストリングを並列に接続される残りのストリングから切断するストリングフューズによって、それらの並列接続内の個々のストリングを安全にするために逆電流を回避することが、公知である。それぞれのストリング内の故障に起因する１個のストリングフューズのトリップの際に、不良のストリングを識別する警告が、出される。現在、それらが１０００Ｖを超えるまで、増大する傾向がある個々のストリングの出力電圧によって、この種のストリングフューズは複雑でかつ対応して高価である。更に、通常の溶融フューズの使用は電力の永続的な損失を伴う。フューズの代わりに、逆電流を遮るダイオードが個々のストリングに対して設けられるならば、電力のこの損失がまた生じる。潜行性のまたは切迫する故障を指す、より小さい故障または電力損失に対して個々のストリングを連続的に監視するために、製品ＳｕｎｎｙＳｔｒｉｎｇＭｏｎｉｔｏｒはストリングにつき１個の電流センサを備える。この電流センサは、それぞれのストリングによって生成される電流の強さを測定する。並列に接続されるストリングの不良監視のために、動作中の全てのストリングから流れる電流が集合的に、すなわち個々のストリングから流れる電流の相対値に関して、評価される。

製品ＳｕｎｎｙＳｔｒｉｎｇＭｏｎｉｔｏｒは、ストリングから交流グリッドに電気エネルギーを供給するためのインバータと共に使用するために提供される。インバータにおいて、コントローラは、ストリングが並列に接続されるバスラインの間に存在するシステム電圧がストリングの最大電力に関して調整されるというような方法でインバータブリッジを動作させる。この手順はＭＰＰ（最大電力ポイント）トラッキングとして公知であり、ストリングの最大電力が通常一般に可能なシステム電圧の範囲内で、すなわちいわゆるＭＰＰウィンドウ内で調整される。

独立請求項１の前文の特徴を備えている光起電システムおよび独立請求項２の前文の特徴を備えたそれを構築するために使用可能な器具が、（特許文献１）から公知である。ここで、機械的スイッチが追加として各ストリングの１本の接続ライン内に設けられ、それがバスラインからの逆電流の発生の場合にはそれぞれのストリングを切断するために開けられる。この機械的スイッチをその接点間に形成するスパークギャップに起因する損傷から保護するために、半導体スイッチが、スイッチを開ける際に、更に最終的には閉じる際に一時的にそれらを短絡させるためにバスラインの間に設けられる。

国際出願公報第２００７／０４８４２１号Ａ２

ｈｔｔｐ：／／ｄｏｗｎｌｏａｄ．ｓｍａ．ｄｅ／ｓｍａｐｒｏｓａ／ｄａｔｅｉｅｎ／７３５６／ＳＳＭ−ＵＤＥ０９１２２１．ｐｄｆ，製品カタログ：ＳｕｎｎｙＦａｍｉｌｙ２００９／２０１０８２頁

独立請求項１の前文の特徴を備えている光起電システム、および個々のストリングを通しての逆電流の発生に起因する危険性を―最小限の構造上の努力で―制御することが可能である光起電システムを構築するために使用可能な、独立請求項２の前文の特徴を備えている器具、を提供することが本発明の課題である。

本発明の課題は、独立請求項１の特徴を備えている光起電システムによって、および独立請求項２の特徴を備えている、複数のストリングから電力グリッドに電気エネルギーを供給するための器具によって解決される。新規な光起電システムのおよび新規な器具の好ましい実施態様が、従属請求項内に規定される。

本発明によれば、逆電流がストリングへと流れるかどうかを少なくとも判定し、かつ逆電流をコントローラに報告する１個の電流センサが各ストリングに対して設けられる。ここで、用語逆電流は正しい動作でそれぞれのストリングの光起電モジュールによって生成される電流と比較して、逆流した流れの向きを備える、かつそれぞれのストリングの故障に起因する、より有意な電流を指す。逆電流の報告に対する反応として、コントローラは逆電流を止めるためにバスラインの間に存在するシステム電圧を低下させる。バスラインの間に存在するシステム電圧は、逆電流を引き起こすその電圧である。それが低下されるならば、不良のストリングさえ端子電圧として備えるかまたは、不良のストリングさえ遮るかもしれない、電圧が到達されるかまたは切り下げさえされるかもしれない。したがって、逆電流の継続的な流れは、フューズまたはその他のスイッチング素子を、影響を受けるストリングに設ける必要性なしで止められる。バスラインの間の電圧の低下の後、残りのストリングは更に、バスラインの間で低下した電圧が電力グリッドに電気エネルギーを供給するのに充分な限り、インバータによって電力グリッドに供給される電気エネルギーを供給する。特にその時、コントローラが、逆電流を止めるために、存在するＭＰＰより下にバスライン間のシステム電圧をわずかに低下させる必要があるだけの時、電力グリッドにもはや供給されない電気エネルギーの損失が、スイッチング素子によってストリングのスイッチを切る場合には供給されることもできない不良のストリングの寄与に実質的に限定され、それは本発明に対する一変形例である。それに加えて、システム電圧のミスフィット（ＭＰＰの放棄）に起因する少しの損失がある。

コントローラが、存在するＭＰＰウィンドウ内でＭＰＰより下にバスラインの間に存在するシステム電圧を更に低下させなければならないならば、逆電流がさもなければ止められることができないので、電力グリッドに供給される電力は、なお機能しているストリングによって潜在的に供給されることができる最大電力より下に明らかに低下される。関連する電力損失は、しかしながらほとんどの場合少しだけである。特に、個々のストリングに対する任意のフューズおよび任意のスイッチング素子が回避されることができるので、かつ電流センサが―フューズ、その他のスイッチング素子または逆電流ブロッキングダイオードとは対照的に―より有意な永続的な電力損失を伴わないので、それらは実際には逆電流の発生がまれなことから、および新規な光起電システムまたは新規な器具を実現するための小さい労力からみて重要でない。

逆電流を止めるために電力グリッドに供給するための、切り下げられないかもしれない値より下に、コントローラがバスラインの間に存在するシステム電圧を低下させなければならない時、システム電圧はゼロまで低下し、および、何の更なるエネルギーもグリッドに供給されない。このために、コントローラがバスラインの間に存在するシステム電圧を短絡させることができる。交流電力グリッドに供給するためのコンバータがパルス駆動スイッチを備えるインバータブリッジを備えた通常のインバータであるならば、これは、インバータが、最初は、光起電システムを交流グリッドに接続するために役に立つコンタクタを開けることによって交流グリッドから分離され、および、インバータの入力側で緩衝キャパシタンスが、放電抵抗器経由で短絡させることによって放電されることで、および、次いで、バスラインがインバータブリッジのスイッチを閉じることによって互いに直接接続されることで実現されることができる。バスラインのこの種の短絡は、光起電システムからどんな電気エネルギーも電力グリッドに供給されない結果を有する。しかしながら、これに関連する損失さえ、それらの発生のまれなこと、および、新規な光起電システムまたは新規な器具を提供することにおける構造上の少なからぬ節減および通常動作でのそれらの高効率を考慮すると、少しだけである。

好ましくは、電流センサがローカル配置のために接続ユニット内に設けられ、それによって、これらの接続ラインがコンバータを含むかつバスラインへのローカル接続ユニットのための端子が設けられる中央ユニットへ導かれる前に、数ストリングが現地で一対の接続ラインに接続される。

電流センサが接続ユニット内に設けられるのに対してコンバータのコントローラが中央ユニット内に位置するので、通信リンクが接続ユニットと中央ユニットとの間に設けられなければならない。これらは、通信回線または無線通信または追加的な通信回線の布設が省かれる他の無線信号送信リンクであることができる。接続ユニット内の電流センサが無線で逆電流を中央ユニット内のコンバータのコントローラに報告するならば、本発明という意味において既存の光起電システムを改造することもまた、より容易である。

それらが所定の閾値を上回る逆電流の発生を報告するためにだけ設けられるならば、本発明に従って使用される電流センサは、非常に簡単な構成であることができる。この場合には、最小限の場合に、逆電流センサの信号は逆電流の存在を含むだけであり、および、コンバータのコントローラは、この付加情報が原因となる故障を除去するために有用であるとはいえ、どのストリングで逆電流が生じるか認識する必要はない。特定の閾値を超える逆電流の存在を認識する必要があるだけであるこの種の電流センサは非常に簡単な方法で、例えば逆電流によって引き起こされる磁界に起因して閉じられる接点を用いて、実現されることができる。一般に、本発明に従って使用される電流センサは、それが光起電システムの効率を低下させるストリングの通常動作における電力損失を引き起こさない利点を有する。したがって、それは個々のストリングに対するフューズまたはダイオードと本質的に異なる。

新規な光起電システムおよび新規な器具では、電流センサは加えて、ストリングから順方向に流れる電流の強さを測定することができ、かつそれらをストリングに対する測量装置に報告することができる。これは、そのようなものとして公知のストリング故障監視に対応することができる。

換言すれば、値および方向によってストリングからの電流を測定してかつコンバータのコントローラにこれらの値を報告する既存のストリング故障監視の電流センサが本発明に従う光起電システムまたは器具を実現するために用いられることができる。それは、変更されたコントローラソフトウェアを入力することによって本発明に従うコントローラを変更することで十分であることができる。

すでに示されたように、新規な光起電システムおよび新規な器具では、個々のストリングに対する端子が、ダイオードおよび／または過電流フューズを備えず、ストリングそれ自身（各々が直列に接続される光起電モジュールだけを備える）もまた、この種のダイオードまたは過電流フューズによって保護されないことが好ましい。その代わりに、これに費やされる労力は、本発明では構成の態様に関して、同じく永続的な電力損失の態様に関して目的を持って取っておかれる。新規な光起電システムおよび新規な器具の接続ユニットは、したがって―電流センサの他に―また、本質的に接続ユニットの構造上の機能を上回ることができる電流収集レールでできていることができる。

本発明の有利な更なる展開が、請求項、説明および図面から生じる。記述の冒頭で言及された特徴のおよび複数の特徴の組合せの効果は、例として機能するだけであり、かつ本発明に従う実施態様のこれらの効果を生じなければならない必要性なしで代わりにまたは累積的に実施されることができる。更なる特徴は図面から、特に複数の構成要素の例示された幾何学形状および相対的寸法から、同じくそれらの相対的配置およびそれらの動作可能な接続から、とられることができる。本発明の異なる実施態様の特徴のまたは異なる請求項の特徴の組合せがまた、請求項の選ばれた参照から独立に可能であり、および、それがこれによって誘導される。これは、別々の図面内に例示されるか、またはそれらを記載する時に言及される特徴にも関する。これらの特徴は、また、異なる請求項の特徴と組み合わせられることもできる。さらに、本発明の更なる実施態様が請求項内に言及される特徴を必要としないかもしれない。

以下では、本発明が添付の図面を参照して実施態様例を用いて更に説明されて記載される。

新規な光起電システムの構成を図式的に示す。および図１に従う光起電システムの中央コンバータの構成を例示する。

図１は、ここで交流グリッド３である電力グリッド２に、電気エネルギーを供給するための光起電システム１を例示する。電気エネルギーは、ストリング５を形成するために直列に接続される、複数の光起電モジュール４によって生成される。ストリング５は、それらが中央ユニット７内のバスライン８および９に互いに並列に接続される前に、ローカル接続ユニット６を用いてグループで並列に接続される。接続ユニット６において、１個の電流センサ１０が各ストリングに対して設けられ、それが、それぞれのストリング５を通して逆電流、すなわち、光起電モジュール４によって生成される電流が通常流れる方向に対して反対方向の電流、が生じるかどうかを中央ユニット７内のコントローラ１１に、少なくとも報告する。電流センサ１０からコントローラ１１まで信号を伝送するために、コントローラ１１と無線で通信する、送信機２２が各接続ユニット６内に設けられる。送信機２２は逆電流が生じる時その時だけでなく、また、どのストリング５がそれによって影響を受けるかを連絡する信号を送ることができる。その上、これらの電流の集団を監視することによって、ストリング不良監視が可能であるように、それは全てのストリング５から流れる電流を報告することができる。有意な逆電流、すなわち閾値を上回る逆電流は、関連するストリング５の故障を示唆している。残りのストリングによって生成されるこの逆電流は電力グリッド２に供給されないので、それは電力損失を意味するだけではなく、しかし、主に特に影響を受けたストリング５に対する潜在的危険性である。したがって、中央ユニット７の中で、ストリング５からの電気エネルギーが電力グリッドに供給されるコンバータ１２の動作に、コントローラ１１が干渉する。コンバータ１２はここで三相のインバータ１３として示され、それはコンタクタ１４経由で電力グリッド２に接続される。その入力側で、接続ユニット６からの接続ライン１５が、光起電力的に生成された電流が全極切換電源スイッチ１６経由でインバータ１３へと流れるバスライン８および９に接続される。報告された逆電流は、最大電力がソーラーモジュールによって生成されるというような方法でバスライン８および９の間に存在するコンバータ１２の入力電圧を調整するために―逆電流の発生なしで―設計されているコントローラ１１の動作を変更する。生じている逆電流を止めるために、コントローラ１１は、個々のストリング５上でまた低下するバスライン８および９の間に存在するシステム電圧を低下させる。この低下は、逆電流に影響を受けるストリングの上に存在する電圧がもはや逆電流を引き起こすのに十分でないようになるまで進行する。個々の場合には、これはバスライン８および９間の電圧がゼロまで低下することを意味することができる。これがその場合でないかぎり、または、バスライン８および９の間に存在するシステム電圧が、コンバータ１２が電力グリッド２に電気エネルギーを供給することができるためになお充分である限り、更なる電気エネルギーが不良でないストリングから電力グリッド２に供給される。

図２は、インバータ１３およびコンタクタ１４の構成をその出力側で例示する。インバータ１３は、通常動作の場合には接続された電力グリッドに三相交流電流を供給するために図１に従うコントローラ１１によってパルス制御される６個のスイッチ１８を備えたインバータブリッジ１７を備える。インバータ１３の入力側で、緩衝キャパシタンス１９がバスライン８および９の間に設けられる。それに加えて、インバータ１３はここで表されない中間リンクを備えることができる。バスライン８および９の間に存在するシステム電圧が、図１のストリング５のうちの１本を通しての逆流を止めるためにゼロまで低下されなければならないならば、図１のコントローラ１１が、コンタクタ１４を開けることによって電力グリッドから光起電システムを切断する。次いで、緩衝キャパシタンス１９が放電抵抗器２１経由でスイッチ２０を閉じることによって放電される。その後、全てのスイッチ１８がバスライン８および９を短絡させるために閉じられる。それらがいずれにしろバスライン８および９に接続されるストリングの開回路の電圧に対して、かつ流れる最大電流に対して設計されていなければならないので、インバータ１３内に通常存在するスイッチ１８は更なる方策なしでこの種の短絡に適している。

１光起電システム
２電力グリッド
３交流電力グリッド
４ソーラーモジュール
５ストリング
６接続ユニット
７中央ユニット
８バスライン
９バスライン
１０電流センサ
１１コントローラ
１２コンバータ
１３インバータ
１４コンタクタ
１５接続ライン
１６電源スイッチ
１７インバータブリッジ
１８スイッチ
１９緩衝キャパシタンス
２０スイッチ
２１放電抵抗器
２２送信機

Claims

光起電システム（１）であって、各々がもっぱら直列に接続される複数の光起電モジュール（４）を備える複数のストリング（５）と、逆電流が前記ストリング（５）へと流れるかどうかを少なくとも判定する電流センサ（１０）が各ストリング（５）に対して設けられる、前記ストリング（５）がそれに対して並列に接続されるバスライン（８、９）と、前記バスライン（８、９）の間で低下する前記システム電圧がコンバータ（１２）のコントローラ（１１）を用いて調整されることができる、前記バスライン（８、９）から電力グリッド（２）に電気エネルギーを供給するための前記コンバータ（１２）と、を備え、逆電流が前記ストリング（５）へと流れるかどうかを、各電流センサ（１０）が前記コンバータ（１２）の前記コントローラ（１１）に報告すること、および、前記コンバータ（１２）の前記コントローラ（１１）が前記逆電流を止めるために前記バスライン（８、９）の間に存在する前記システム電圧を低下させ、前記バスライン（８、９）間の前記システム電圧の低下の後、前記バスライン（８、９）間の前記低下したシステム電圧が前記電力グリッド（２）に電気エネルギーを供給するのに充分な限り、前記コンバータ（１２）が前記電力グリッド（２）に供給する電気エネルギーを、残りのストリング（５）が更に供給することを特徴とするシステム。
各々が直列に接続される複数の光起電モジュール（４）を備える、複数のストリング（５）から電力グリッド（２）に電気エネルギーを供給するための器具であって、
前記器具が、バスライン（８、９）に互いに並列に前記ストリング（５）を接続する端子であって、各ストリング（５）に対して、逆電流が前記ストリング（５）へと流れるかどうかを少なくとも判定する電流センサ（１０）が設けられる端子と、前記電力グリッド（２）に前記バスライン（８、９）から前記電気エネルギーを供給するコンバータ（１２）であって、前記バスライン（８、９）の間で低下する前記システム電圧が、前記コンバータ（１２）のコントローラ（１１）を用いて調整可能である、コンバータと、を備え、逆電流が前記接続されたストリング（５）へと流れるかどうかを、各電流センサ（１０）が前記コンバータ（１２）の前記コントローラ（１１）に報告すること、および、前記コンバータ（１２）の前記コントローラ（１１）が前記逆電流を止めるために前記バスライン（８、９）の間に存在する前記システム電圧を低下させ、前記バスライン（８、９）間の前記システム電圧の低下の後、前記バスライン（８、９）の間の前記低下したシステム電圧が前記電力グリッド（２）に電気エネルギーを供給するのに充分な限り、前記コンバータ（１２）が前記電力グリッド（２）に供給する電気エネルギーを残りのストリング（５）が更に供給することを特徴とする器具。
前記コントローラ（１１）が、存在するＭＰＰウィンドウ内で前記バスライン（８、９）の間に存在する前記システム電圧を低下させることを特徴とする請求項１に記載の光起電システム（１）または請求項２に記載の器具。
前記逆電流がさもなければ止められることができない限り、前記コントローラ（１１）が前記バスライン（８、９）の間に存在する前記システム電圧をゼロまで低下させることを特徴とする請求項３に記載の光起電システム（１）または器具。
前記逆電流がさもなければ止められることができない限り、前記コントローラ（１１）が前記バスライン（８、９）の間に存在する前記システム電圧を短絡させることを特徴とする請求項４に記載の光起電システム（１）または器具。
前記コントローラ（１１）が、前記電力グリッド（２）から前記コンバータ（１２）を切断し、前記コンバータ（１２）の入力側で緩衝器キャパシタンス（１９）を放電し、かつ、前記コンバータ（１２）のインバータブリッジ（１７）のスイッチ（１８）経由で前記バスライン（８、９）の間に存在する前記システム電圧を短絡させることを特徴とする請求項５に記載の光起電システム（１）または器具。
前記電流センサ（１０）が、ローカルに配置されるべき複数の接続ユニット（６）内に設けられることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の光起電システム（１）または器具。
前記コンバータ（１２）を含む中央ユニット（７）において、前記バスライン（８、９）に対する接続端子が、ローカルに配置されるべき前記接続ユニット（６）から来る接続ライン（１５）に対して設けられることを特徴とする請求項７に記載の光起電システム（１）または器具。
前記電流センサ（１０）が、前記逆電流を通信回線経由でまたは無線で前記コントローラ（１１）に報告することを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の光起電システム（１）または器具。
それが所定の閾値を上回るならば、前記電流センサ（１０）が前記逆電流を報告することを特徴とする請求項１〜９のうちいずれか一項に記載の光起電システム（１）または器具。
前記電流センサ（１０）が、前記ストリング（５）から流れる電流の強さを測定してかつそれを監視装置に報告することを特徴とする請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載の光起電システム（１）または器具。
前記電流センサ（１０）が、値および方向に関して前記ストリング（５）から流れる電流を測定することを特徴とする請求項１〜１１のうちいずれか一項に記載の光起電システム（１）または器具。
ダイオードが、前記個々のストリング（５）に対してまったく設けられないことを特徴とする請求項１〜１２のうちいずれか一項に記載の光起電システム（１）または器具。
過電流フューズが、前記個々のストリング（５）に対してまったく設けられないことを特徴とする請求項１３に記載の光起電システム（１）または器具。
各々が直列に接続される複数の光起電モジュール（４）を備える、複数のストリング（５）から電力グリッド（２）に電気エネルギーを供給するための、請求項２〜１４のうちいずれか一項に記載の光起電器具（１）の使用方法。