TW201216604A - Inverter with an AC interface for the connection of AC modules - Google Patents

Description

201216604 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於具有申請專利範圍第！項之特徵的一種 變流器。 【先前技術】 諸如中央或串式變流器或具有多個並聯串的變流器， 習用的光伏（PV)變流器除了將PV發電器所產生的直流轉換 為網柵相容（grid-compatible)交流的其主要任務之外，還實 行若干個附加的功能性。尤其，此等附加的功能性可為： •經由人機介面（HMI)或經由其他通訊通道來與使用者 的通訊 •網柵監視.功能 •網栅支援功能 •安全功能 •甚者，PV 持在最大功率點 發電器是藉由最大功率點（MPP)追蹤所保 一同時’ PV發電器的大小是通常由變流器的標稱功率所 決定，因而限制整體光伏系統的可擴縮性。 …由於在-串中的電^由其最弱的Pv模組的特性所決 疋，僅有同樣技術所作成的相同模 模組可被使用在該串I 為類似的 若在PV發電器上的入射韓射為不均句，例如因為部八 遮=’無法從PV發電器取得最大可能功率，因為 八有不同的最佳操作點(MPP)’其無法在串聯或並聯電路中 201216604 經個別設定。 如同例如受限的可擴縮性、當不同型式的模組為一起 使用時的限制及對於不均句的入射韓射的高靈敏度，習用 支流㈣缺點在當使用其被稱為接近於模組、模组導向 或模組整合的變流器(即具有對於各個模組(下文稱為交流 =的入交流輸出與其本身MPP追蹤的一種專屬變流器)而 :全避免 '然而，若意圖將開頭部分所述的附加功能 :父流模組中，特定價格(關於功率的成本)顯著為高於 者。再者，在原則上，該種交流模組的 效^法_習用PV㈣器的效率。迄今’此已經導致不 可能將交流模組成功引入市面上。 結合二種技術彼此的優點之一種系統將因此為合音。 本發明的-個觀點因此為經整合在變流器中的一種交产介 Γ經由該交流介面經連接到其的分散交流模組的功轉 Α太：t巾冑如此類的一種變流器是在下文中亦被稱為 ，=流器。此造成僅為很少附加成本，而分散交流模組 、可大為降低，由於其功能性可經縮減為諸如倒轉與 追紙的基本功此，上述的附加功能是由同樣針對交流 模.、且所產生功率部分的基本變流器所提供。 此允許幾乎所有建築物位置為較佳用於PV安裝。尤 此類卜種系統代表比接近模组的dc/dc控制器 明率最佳化器）為成本相當有效的變化者。 【發明内容】 本發明之目的是提出一種用於光伏系統的變流器，其 201216604 部分或完全滿足以下需求且提供以下功能性·· •在光伏系統中的PV發電器所提供的直流之轉換為網 柵相容的交流 •逐個模組最佳化的MPP追縱 •高能量效率 •低特定價格 •系統與使用者經由標準HMI的通訊 •網柵監視功能 •網柵支援功能 •可調整的無功功率（供應、參考、補償） •安全功能 • PV發電器之簡單且彈性的可擴縮性 •在一個光伏系統中的不同PV發電器型式與技術（例 如：薄膜電池與單晶電池）之使用 •非均勻受照（遮蔽、不同模組對準、等等）的PV發電 器之能量最佳化使用 •使用具有或沒有電流隔離的PV變流器之能力，其中 二種型式均可同樣被使用在相同的光伏系統内。 根據申請專利範圍第1項的獨立項，此目的是由一種 變流器所達成，該種變流器包含：變流器橋接器（bddge)， 其用於將直流電壓轉換為第一交流電壓；及，在變流器橋 接器與網柵之間的網柵介面，其用於將第一交流電壓轉換 為網柵相容的交流電壓以供饋入網柵。交流介面被配置在 變流器橋接器與網柵介面之間，供饋入網栅的一或多個交 6 201216604 流模組可經由該交流介面所連接。 已經得知的是，幾伞立加< t 成乎母個仅施均具有一部分的發電器 區域在整年度的多半時間為無拘束地均句受照而未由投射 陰影的障礙物所阻礙。對於鄉村的設施而言，此部分通常 弋表整個區域此部分隨著受到遮蔽障礙物所影響的區域 增大而減小。—個典型的實例是具有屋頂窗的屋頂區域， 屋頂窗是在白天當中的某些時間將陰影投射在安裝於鄰近 處的PV發電器j*。缺二 _丄 ；，'' ’僅有在罕見的情形中，超過50% 的發電器區域為受影響。因此值得將其為均勾且無均束地 受照的發電器區域結合以形成一個單元，且允許功率將在 個I机态經集中轉換。此就能量與投資成本來說為最佳 的解決方式。 儘可接近於模組的分散功率調節是對於在某些時間 為非均勻文照的部分而言為能量最佳的解決方式。尤皇， 交流模組可針對此目的來使用，由於其可彼此獨立實施 MPP相。為了允許其經料為儘可能成本有效且能量有 效f ’將此等裝置設計縮減為必要基本功能是合意的。此 :二：存屋頂區域的顯著較佳利用，由於當使用先前系統 ”日’的運用為不經濟的區域部分是以此方式成為經濟。 根據本發明’變流器經延伸，俾使一或多個交流模組 口猎由乂机介面被連接到其。此允許交流模組的基本 =減’俾使納入在光伏整體系統為可能，即使用於將功 率饋入功率_的交流模組之直接連接不會被允許。 顯然的是，藉由變流器之直流電壓成為第一交流電麼 201216604 的轉換以及第-交流電壓成為網柵相容交流電 伴隨有直流電流成為第一交流電流且進一步成為網= 交流電流的轉換。申請專利範圍中的術語“電壓” 各 並未如此受限制。 土 之使用 在該種變流器的-個實施例中，網拇介面具有 關（swltch dlsc〇nnector)，其用於將變流器從_ ] 用於將變流器連接到網栅。尤其較佳的是，隔離開關^ 決於網柵的狀態而操作。進而較佳的{，網柵的狀能：： 於網柵内的電壓及/或電流頻率及/或孤立〇31咖=關 隔離開關是用於控制功率為以網栅相容方式來饋罔的 機構。 w的 在該種變流器的再—個音T+·» .. J丹個貫施例中，網柵介面具有渡 裝置。處波裝置是用以形成類似正弦波的交流電壓以供將 L率饋人網柵1波器是進-步的機構以確保功率為以網 柵相容方式來饋入網柵。 I在該種變流器的再一個實施例中，網柵介面具有安全 扁置：在該種變流器的又一個實施例巾，變流器具有測量 點’經由變流器橋接器的電流值與經由交流介面的電流值 可經由測量點作記錄。安全裝置以及測量點允許控制功率 為以網柵相容方式來饋入網柵。 元2 4種變流器的再一個實施例中’變流器具有通訊單 於’、連接到父流介面的交流模組交換資料。尤其 Γ佳的X，通訊單元是設計為經由交流介面的線路以交換 ;斗或針對貝料的無線交換所設計。進而較佳的是，通訊 201216604 單元（26)是針對下列目的中之一者所設計以交換資料： -經連接的交流模組之遙控或遠程診斷； _經連接的。交流模組之測量值、故障或失效的儲存或 傳輸； -經連接的交流模組之控制訊號的傳輸；及 -經連接的交流模組在變流器之顯示單元上的資料顯 示。 3亥通汛單元允許光伏系統的所有模組（即：經由交流介 面被連接到變流器的交流模組）之整體控制及監視。 本發明的更多實施例是在申請專利範圍附屬項所述。 【實施方式】 圖1顯示具有習用變流器19的光伏系統1〇〇。變流器 19具有變流器橋接器21，來自經連接的pv發電器1〇的直 流可藉由變流器橋接器21巾轉換為交流。變流器橋接器 被連接到網柵40則共饋送功率，其為φ pv發冑器所產生 且為實際功率Pinv與無功功_ I的形心饋送可藉由測 量點24而經由中央處㈣（咖）22來監視、同步化及控 制’測量點24為設計來測量電流及/或電壓值。在此例中， PV發電器10包含若干個串聯連接的pv模組，其形成一 串。經常’若干串被並聯連接，且被連㈣變流器。 習用變流1 19的更多選用元件是在圖2的光伏系統 〜 此變流器19還具有麵23,藉助該馳23則 :二19的操作值可經顯示且系统1〇〇的操作可受到影 I’例如藉由預設對於系統所提供的實際㈣^及 9 201216604 丰稱值28。此等標稱值28還可替代為經由通 讯早兀26所傳送，例如為由網 變流…具有網栅介面30,經由：=所預_。 主由。亥網柵介面30則上述 或二t性可由變流器所提供。網柵介面3〇較佳含有機電 離 離開關32,為了能夠將基本變流器從網柵40隔 Γ安全功能是由安全裝置31所實行，諸如：電壓、頻率 故障的侦測以及不合意孤立的侦測或故障電流監 ”對於所有型式的電流為靈敏。網栅介面的個別構 牛可在此例中為集中連㈣CPU22，且可由W所控 制，或可經直接連接到彼此。 圆3說明根據本發明的基本變流器2〇的一個實施例。 土變流器20是藉由交流介面6〇經由連接區域μ被連接 到交流模組50,交流介面6〇被整合在基本變流器Μ中且 經配置在變流器橋接器21與網柵介面3〇之間。圖示的基 本變流器20更具有測量點61，其可用以選擇性測定由交流 50所饋入的電流。一種pv系統的組態可因此被實施， 其適用於上述的需求。連接區域65可具有對於交流模㈣ 的或多個連接，其中，—或多個交流模組50可經連接到 各個連接。經連接的父流模組5()同樣以此方式由網拇介面 '所保護而無須其本身來實施由網柵介面3〇所提供的保護 功能。在網柵介面30中的隔離開關32是針對系统1〇〇的 〜力率而經设计，由於此舉，交流模組5()不需要其本身的 網拇介面或其本身的隔離開關。基本變流器20可經設計為 不具有變壓器的變流器、或為具有高頻變壓器的變流器、 10 201216604 或為具有網栅變壓器的變流器。 在圖4中的基本變流器2〇具有通訊單元26，其為針對 無線通訊（例如：無線電傳輸）所設計。在此例中，通訊單元 26可與交流模組50經由其通訊單元5丨以簡單方式通訊， 為了朝-或二個方向傳送資料，或是為了控制或監視交流 模組50。替代而言，誠然，通訊亦可經由專屬訊號線路或 藉由調變所提供到交流線路上。HMI 23亦可經由對於基本 變流器的控制及顯示元件來實行對於交流模組5g的控制及 顯示功能性。對於交流模組5〇的遠程評估、遠程診斷及/ 或遙控可經由基本變流器2〇的通訊單元26來提供。交流 模組50的測量值或事件（諸如：故障或失效）記錄可同樣經 儲存或傳送。傳送對於經連接交流模組5G的控制訊號 可行。 為了允許變流器橋接器21以及經連接交流模組5〇的 饋送參數將彼此分開測定’更多個測量點是相較於在圖i 與2中的習用變流器19而經提供。在圖3與5中，再一個 ’貝J里點6 1被提供在交流介面6〇與網柵介面3 〇之間，為了 2外允許記錄變流器橋接器21與交流介面6〇的總計電 流。^流介面60的電流部分可因此易於由減法所測定。 潫代而5 ，圖6顯示在交流介面6〇的電流路徑中的另 個測罝點62,其用於測定不同電流部分。測量點的更多 替代配置（未顯示）可用以測量經連接交流模組5 體糸、·先100的總計電流，且由此來測定變流器 21的電流部分。 益 11 201216604 士在圖7所不，連接區域65的各個連接亦可備有一個 測里點63，為了允許從連接到交流介面6〇的交流模組a 之電刀的選擇性記錄，且例如使用此來供安裝監視。 再者，圖5顯示具有濾波裝置33的網柵介面3〇。濾波 裝置33疋被用以移除或足夠地降低來自將要饋入網栅40 的父机電壓之非為網栅頻率的交流電壓分量。渡波裝置Μ 例如可為以LC帶通遽波器的形式且可經設計使得其可對於 變流器橋接器21且對於經連接交流模組5〇來提供此功 能。替代而言，如在圖7所示，再一個爐波裝置34亦可配

置在連接區域65與交流介面6G之間，對於經連接的交流 模組50來選擇性提供濾波功能。 L 作為附加的元件’圖6還顯示用於連接區域65的各個 連接之隔離裝置67。此可由基本變流器2〇所控制，俾使經 ^接到個別連接的變流器可藉由_從交流介面60選擇性 二:在：個操作變化中，可能以此方式來記錄饋送參數 或貫仃經連接交流模組5Q的診斷，此分別針對個 模組Μ或是經連接到種種連接的模組群，俾使更多測= 61 62所測定的測量值可與交流模組w或 關聯。替代而言，亦可提供單一個隔離裝置67來隔= 的經連接交流模組5〇β隔離裝置 變流器的所有圖示實施例中。 結據本發明的 連接區域65的一個連接可被使用為-個參考輸入曰 被連接到Γ 錄。於是值得安模組（其 被連接到父流模組5〇)到絕不會被阻礙所遮蔽之PV安裝中、 12 201216604 的一點，且將 與其餘安裝、 此經評估。 對應的交流模組連接到參考點。在參考模組 或部分其餘安裝的特定功率之間的差異可= 用於根據本發明的基本變流器2〇的再—個選項是 負載的功率因數修正。為此目的， 、 々从 降Γ (璲用）交流模組50 之卜’至少-個負载被連接到交流介面6()。基 可經由在輸入以及在網柵連接處的測量點而產生由負载其 本身所要求的無功功率，俾使整體的光伏系統_是以/中 性形式在網柵上運作。 對於實際功率Pref以及對於無功功率〜的標稱值以 可、！由基本變流器20的通訊單元26所接收且轉移到cpu 22,為了允許系統1〇〇的輸出實際功率與無功功率如所需 要而經調整。此允許實施網柵服務，雖然交流模組5〇無須 其本身為能夠提供無功功率。經設計為能夠提供無功功率 的饋送單it是對於基本變流器2G而言為充分。 六冷以上的陳述類似適用於三相系統；根據本發明之具有 2 I面的基本變流器可以此方式用於單相或多相網拇。 就多相網栅的情形而論’功率分配可經由連接的單相交流 模組50所實施’ #由經由交流介自6〇將交流模组5〇均分 、同相此功率分配可根據需求由基本變流器對於 、的β栅40所控制。尤其’要考慮根據三相網柵的需求 將正在饋入的諸相來構成交流模板5〇的分派為可變，例 如.為了抵消網柵不平衡。 +例來°兒圖8顯示交流介面6 0的一種配置，其中經 13 201216604 連接到連接區域65的三個連接的單相交流模組 饋入基本變流器2。的三相中的-者。在此例中心：： 模組被連接到基本變流器的中性導線“。二 是在各個情形中對於各個饋送點所提供。替代而 顯示一種配置，其中一他1- + 、 個二相父流模組可在各個情 連接到連接區域65的=他]i t 中，及 的一個連接中的各者。除了在中性 與-個選擇相之間的個別交流模組的圖示連接 带 (圳配置），將交流模組連接在二個選擇相 ;; (delta)配置）同樣為可行。 角幵v 外。P交机模，组50的操作是藉助於測量點24、6 63以及在CPU 22 Φ路香# 斤貫施的演算法來監視，意指在 的一個操作變化中為不啻西+ > 个赞月 為不需要在乂流模組5〇與基本變流器2〇 之間的通訊。交流模組5 0可因此&為& + # ° 、 j U此極為成本有效率地設計， 因為其功此性可經縮減為倒轉與Mpp追縱。對於 100的預定饋送參數（諸如：益 糸、，光 …、刀功旱與貫際功率的標稱值

之一致的監視可經禮伴 廉 A 峰保儘官由父流模組的未調整饋送， 由於基本變流器20可控制來自變流器橋接器21的饋送， 俾使來自變流器橋接器21與交流模組5q的整體饋送對應 於標稱值。此造；^成、太女& . ( ^ 有效、有效率的整體光伏系統。同 樣可月匕使用基本變流器2〇來監視交流模組⑼的饋送操 作，如果其導致推論出交流模組％已經失效的差異發生時 而產生適當的警告’且藉由通訊單元26或麵23來將此 警告送出或指出。對此目的，不需要關於交流模組的通訊； 該等差異是基於連接到交流介面6G的交流模組的饋送參數 14 201216604 而偵測’其可經由更多個測量點6卜62、63來選擇性記錄， 如上所述’即使可能在一些情形中為無法明確識別經連接 的交流模組中的何者已經失效。 基本變流器2 0可配備有對於所有型式的電流為靈敏之 殘餘電流斷路器。此允許交流模組5〇將組態為無變壓器的 變流器，且在沒有對於所有型式的電流為靈敏之本身安全 構件的情況下，而仍然遵守現存的安全規定。 在一個有利的組態中，光伏系統1〇〇經設計，俾使在 任何時間未受遮蔽的發電器區域部分是經由變流器橋接器 21而饋入經連接的網栅40。至少在某些時間為受遮蔽的發 電器區域部分是藉由交流模組5〇且經由交流介面6〇被納 入系統1〇〇之中。概括而言，總是未受遮蔽的區域部分將 構成大部分的總發電器區域，俾使基本變流器汕是有利組 態使得將經由變流器橋接器21所饋送的最大功率為至少如 同將經由交流介面60所饋送的最大功率一樣地高。藉由所 返某些構件的聯合使用，此造成基本變流器20的構件為特 :有效率㈣’而同時降低對於整體光伏系統⑽的複雜 ] 明 說 單 簡 式 圖 η 今、放，％文便 ，…W國叭你上又指 所不的圖式應以說明性質 s ^ 而非限制方式來理解且意圖 更各易瞭解本發明。在圖式中： 圖1顯示習用變流器的示意圖； 圖2顯示具有網柵介面的習用變流器的示意圖； 15 201216604 圖3顯示根據本發明的變流器的第一個實施例； 圖4顯示根據本發明的變流器的第二個實施例； 圖5至7顯示根據本發明的變流器的更多個實施例， 其具有在變流器内的測量點的種種配置；且 圖8與9顯示根據本發明的變流器的更多個實施例。 【主要元件符號說明】 10 PV發電器 19 變流器 20 基本變流器 21 變流器橋接器 22 中央處理器（CPU) 23 人機介面（HMI) 24 測量點 26 通訊單元 28 標稱值 3 0 網柵介面 31 安全裝置 32 隔離開關 33 ' 34 濾波裝置 40 網柵 50 交流模組 51 通訊單元 60 交流介面 6 1、6 2、6 3 測量點 16 201216604 65 66 67 100 連接區域 中性導線 隔離裝置 光伏系統 17

Claims (1)

1. 201216604 七、申請專利範圍： 1. 一種用於將網栅相容交流電壓饋入網柵（4〇)的變流 器（20)，其包含： 變流器橋接器（2 1 )，其用於將直流電壓轉換為第一交流 電壓；及 在該變流器橋接器（21)與該網栅（4〇)之間的網栅介面 (30)，其用於將第一交流電壓轉換為該網柵相容交流電壓以 供饋入該網柵（40); 其特徵在於交流介面（60)被配置在該變流器橋接器（2丄） 與該網柵介面（30)之間，用於饋入該網栅（4〇)的交流模組（5〇) 經由該交流介面（60)所連接。 2. 如申請專利範圍第丨項之變流器，其中該網柵介面（3〇) 具有隔離開關（32)，其用於將該變流器（2〇)從該網栅（4〇)隔 離且/或用於將該變流器（2〇)連接到該網柵（4〇)。 3·如申請專利範圍第2項之變流器，其中該等隔離開關 (32)是取決於該網栅（40)的狀態而操作。 4_如申請專利範圍第3項之變流器，其中該網柵（4〇)的 狀態是關於該網柵（40)内的電壓及/或電流頻率及/或孤立條 件。 5.如申請專利範圍第1至4項任—項之變流器，其中該 網柵介面（30)具有濾波裝置（33)。 6_如申請專利範圍第1、2、4項任一項之變流器，其中 該網柵介面（30)具有安全裝置（3 1)。 7.如申凊專利範圍第1、2、4項任一項之變流器，其中 18 201216604 隔離裝置（67)被配置在該交流介面（60)與該連接區域（65)之 間以供將該等交流模組（50)連接到該變流器（2〇)。 8 ·如申請專利範圍第1、2、4項任一項之變流器，其中 "亥變流盗（20)具有測量點（24、61、62、63)，經由該變流器 橋接器（2 1)的電流值與經由該交流介面（6〇)的電流值經由該 等測量點（24、61、62、63)被記錄。 9. 如申請專利範圍第1、2、4項任一項之變流器，其中 待經由该父流介面（6〇)所饋入的最大功率小於待經由該變 流器橋接器（2 1)所饋入的最大功率。 10. 如申請專利範圍第丨、2、4項任—項之變流器，其 中s亥變流器橋接器（2 1)能夠提供無功功率。 1 1 ·如申請專利範圍第1、2、4項任一項之變流器，其 中該變流器橋接器（2〖）經設計以提供三相交流電壓。 12·如申請專利範圍第u項之變流器，其中該交流介面 (60)經設計將由連接的交流模組⑼）所饋人的功率分配在該 交流電壓的諸相之間。 13·如申請專利範圍第1、2、4項任—項之變流器，其 中該變流H(2G)具有通訊單元（26)，其用於與被連接到該交 流介面（60)的交流模組（5〇)交換資料。 141申叫專利範圍第13項之變流器，其中該通訊單元 (26)經設計為經由該交流介面（6())的線路以交換資料。 15. 士巾。月專利範圍帛13項之變流器，其中該通訊單元 (26)是針對資料的無線交換所設計。 16. 士申叫專利範圍第13項之變流器，其中該通訊單元 201216604 (26=針對Μ目的中之-者所設計以交換資料： 、、·Γ連接的父流模組（5 〇)之遙控或遠程診斷； 或 經連接的交流模级⑽之測量值、故障或失效的儲存 經連接的交流模組（50)之控制訊號的傳輸；及 經連接的交流模組（50)在該變流器（2〇)之顯示單元上的 資料顯示。 1 7. —種光伏系統（100)，其具有如申請專利範圍第i至 16項任一項之變流器。 八、圖式： (如次頁） 20