具有蓄能器的能量获取系统,用于运行能量获取系统的方法

摘要

一种具有蓄能器(4)的能量获取系统，一种用于运行能量获取系统的方法，其中太阳能电池、尤其是包括太阳能电池的模块(3)与逆变器(2)连接、尤其在其直流侧的端子上，其中，所述逆变器(2)在其交流电压侧的端子上与用电器(6)和/或交流电网(1)连接，其中，DC/DC-转换器(5)与太阳能电池、尤其是包括太阳能电池的模块(3)并联，尤其通过其直流侧的第一端子，其中，所述DC/DC-转换器(5)与蓄能器(4)连接，尤其它与DC/DC-转换器(5)的直流侧的第二端子连接。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有蓄能器的能量获取系统和一种用于运行能量获取 系统的方法。

背景技术

通常公知，被照射的太阳能电池产生直流电形式的电能，它能被输送 到逆变器的直流侧的端子上。

发明内容

因此本发明的目的是，扩展设计能量获取系统。

按照本发明，该目的在如权利要求1特征所述的、具有蓄能器的能量 获取系统和在如权利要求5或9的特征所述的方法中实现。

在具有蓄能器的能量获取系统中，本发明的重要特征是，太阳能发电 机、尤其是包括太阳能电池的模块与逆变器连接、尤其在其直流侧的端子 上，其中，所述逆变器在其交流电压侧的端子上与用电器和/或交流电网连 接，其中，一DC/DC转换器与太阳能发电机、尤其是包括太阳能电池的 模块并联，尤其通过其直流侧的第一端子，其中，所述DC/DC转换器与 蓄能器连接，尤其是蓄能器与DC/DC转换器的直流侧的第二端子连接。

替代DC/DC转换器也可以使用其它变换器。

在此有利的是，尽管有附加连接的蓄能器，逆变器、尤其是逆变器的 MPP追踪器也可以无干扰地继续工作。因为可以这样选择DC/DC-转换器 的工作特性曲线，使得进到蓄能器中的能量流或者从蓄能器出来的能量流 是可控的。但是尽管如此，以相同的方式能由MPP追踪器(也就是最大功 率点追踪器)寻找由太阳能发电机产生的电能的最大功率。

现有的太阳能设备具有太阳能发电机和用于将产生的电能馈入电网的 逆变器，因此可以通过DC/DC-转换器与太阳能发电机并联使现有的太阳 能设备配备蓄能器。因此，按照需求太阳能发电机的电能可以通过DC/DC- 转换器馈入到蓄能器中。相应地，如果存在相应的需求，例如在夜间或者 在太阳能发电机照射强度太低的时候，可以使能量从蓄能器输送到逆变器。

另一优点是，通过相应的光伏逆变器可以对现有的光伏设备翻新，无 需设备特有的知识，并且无需实现与现有设备的通讯或数据交换。

在有利的构造中，一薄膜电容器与太阳能发电机、尤其是包括太阳能 电池的模块并联。在此优点是，可以缓冲高频的电压波动。

在有利的构造中，所述蓄能器具有双层电容器和/或由多个相互连接的 双层电容器构成，和/或所述蓄能器具有蓄电池和/或充电电池。在此有利的 是，以成本有利的方式在蓄能器的质量较小时提供非常高的容量。

在有利的构造中，所述逆变器具有MPP追踪器。在此有利的是，所 述MPP追踪器控制太阳能发电机的最大功率工作点。因此，即便在波动 的运行条件下，例如温度变化和/或照射强度变化时也可以实现太阳能发电 机的最大功率输出。为此逆变器调节到属于这个工作点的电压，方式是逆 变器控制小的电压变化并且确定之后调整的功率。然后逐步地在功率增加 的方向上改变电压。

按照权利要求5的、用于运行能量获取系统的方法中的重要特征是， 太阳能发电机、尤其是包括一个或多个太阳能电池的模块与逆变器连接、 尤其在其直流侧的端子上，其中，所述逆变器在其交流电压侧的端子上与 用电器和/或交流电网连接，尤其其中，所述逆变器具有MPP追踪器，其 中，由蓄能器通过DC/DC-转换器将电能输送到逆变器，其中，检测在逆 变器直流侧上施加的电压并且按照特性曲线确定由DC/DC-转换器在逆变 器的直流侧的端子上要提供的理论功率。

在此有利的是，这样选择特性曲线，使得能够以不变的方式找到由太 阳能发电机产生的最大功率的工作点。

在一种有利的扩展设计中，确定由DC/DC-转换器在逆变器直流侧的 端子上提供的理论功率，尤其通过使在直流侧上施加的电压与由DC/DC- 转换器在逆变器上提供的电流相乘，并且由理论功率与实际功率之间的差 值确定由DC/DC-转换器在逆变器上要提供的电流，尤其考虑其它影响因 素，例如运行方式、逆变器的MPP追踪器的性能等。在此有利的是，通 过预先规定DC/DC-转换器的特性曲线可以控制从蓄能器输送到逆变器的 直流侧的端子上的电功率量或者从此处输出的电功率量。

在有利的扩展设计中，所述特性曲线描述在功率与直流侧的电压之间 的这种关系，使得在增加太阳能发电机的相应的功率-电压特性曲线之后功 率最大值时的电压值保持基本不变。在此有利的是，所述MPP追踪器的 工作方式基本无干扰地运行，尽管附加地使DC/DC-转换器与太阳能发电 机并联。

在有利的扩展设计中，所述特性曲线这样微小地变化，使得在增加太 阳能发电机的相应的功率-电压特性曲线后功率最大值时的电压值基本上 保持不变，尤其由此调节MPP追踪器到如同不存在具有DC/DC-转换器的 蓄能器时一样的太阳能发电机的功率最大值。在此有利的是，MPP追踪器 的工作方式也基本不受干扰地运行，尽管附加地使DC/DC-转换器与太阳 能发电机并联。

在一种如权利要求9所述的、用于运行能量获取系统的方法中的重要 特征是，一逆变器通过MPP追踪器检测直流侧的输入电流并且调节其直 流侧的端子上的电压到功率最大值，其中，电能产生装置、尤其太阳能发 电机连接在其直流侧的端子上，其中，一装置连接在直流侧的端子上，该 装置由在直流侧上检测到的电压在考虑特性曲线的情况下确定理论功率， 并且检测由该装置在逆变器直流侧的端子上提供的实际电流，以及在逆变 器直流侧上施加的电压，并由此确定实际功率，通过该装置确定相应的理 论电流并调节到该理论电流，该装置将实际功率调节到理论功率，尤其其 中，所述特性曲线描述理论功率与在逆变器直流侧上施加的电压的关系， 尤其其中，所述特性曲线可以利用初级调整干预改变。

在此有利的是，所述DC/DC-转换器具有电流调节器，该电流调节器 层级低于功率调节器或者功率确定器件，其中，使用特性曲线，借助于特 性曲线可以执行蓄能器的功率管理。在此，可以与逆变器以及MPP追踪 器的工作方式无关地执行该功率管理。

在有利的扩展设计中，所述特性曲线相应地被影响参数改变，尤其是 伸展或压缩。在此有利的是，将纵坐标值与一个和影响参数有关的系数相 乘。因此通过简单的计算运算可以执行影响参数的匹配。

在有利的扩展设计中，所述特性曲线的符号取决于运行方式、尤其取 决于是从蓄能器提取电能还是输送电能到蓄能器中。在此有利的是，利用 符号可以控制提取或输入，即能流方向。

在有利的扩展设计中，所述特性曲线在一电压范围中具有基本恒定的 理论功率值，该电压范围包括对应于太阳能发电机的最大功率的那个电压 值、尤其是在太阳能发电机的所有照射强度时对应于太阳能发电机的最大 功率的那个电压值。在此有利的是，在这个电压范围内的扁平的特性曲线 使得MPP追踪器无干扰地工作。

在有利的扩展设计中，所述特性曲线在一个电压范围中具有与电压有 关的理论功率值的局部最小的变化，该电压范围包括对应于太阳能发电机 最大功率的那个电压值、尤其是在太阳能发电机的所有运行条件、例如允 许的温度和照射强度时对应于太阳能发电机最大功率的那个电压值。在此 有利的是，借助于局部最小值相应地与电压有关地匹配源自蓄能器的功率 流或馈入蓄能器的功率流。

其它优点由从属权利要求给出。本发明不局限于权利要求的特征组合。 对于专业人员可以由权利要求和/或各个权利要求特征和/或说明书和/或附 图的特征、尤其由任务的提出和/或通过与现有技术比较提出的任务得出其 它有意义的组合可能性。

附图说明

下面借助于附图详细说明本发明。

在图1中示出按照本发明的分布式的能量获取系统的示意结构，具有 蓄能器4；

在图2中示出对蓄能器4工作方式的上级影响参数的考虑，

在图3中示出系统工作特性曲线的产生，用于从蓄能器4输出电能的 状态、尤其在日光下，

在图4中示出系统工作特性曲线的产生，用于在蓄能器4中接收电能 的状态、尤其在日光下，

在图5中示出的系统工作特性曲线的产生，用于从蓄能器4输出电能 的状态、尤其在夜间，

在图6中示出特性曲线组的第一部分以及在图7中示出另一部分。

具体实施方式

如图1所示，所述系统具有太阳能发电机3，它在以光照射时提供电 能，尤其以单极电压、尤其是以直流电压的形式提供电能。太阳能发电机 3连接在逆变器2上，尤其是其单相或多相交流输出端与相应的电网1连 接。

DC/DC-转换器5与太阳能发电机3并联，由此使得电能可以从蓄能器 4输送到逆变器2。

在电网侧，还在逆变器2的交流电输出端设置有作为负载6的用电器。

如图2所示，由影响参数、如市场价格23、负荷预测24、蓄能器状态 25、可供使用的、在蓄能器4里面存储的电能、局部的消耗26、太阳能功 率27、电网运营者或者上级控制器的要求28和/或天气预测29确定理论电 流值P_Soll。

检测DC/DC-转换器5的输出端电流I_Ist和输出端的电压U_Ist并且 由此确定实际功率P_Ist。

由在追踪器20中确定的实际功率P_Ist与理论功率P_Soll之间的差值 确定一个值，该值与理论功率P_Soll一样被输送到确定模块，该确定模块 在考虑MPP追踪器性能21和运行方式22以及电压U_S的条件下确定电 流理论值I_Soll，由DC/DC-转换器5馈送到并联的逆变器2上的电流被调 节到这个电流理论值。

通过这种方式，如图3所示，能够使MPP追踪器不受附加地连接到 太阳能发电机3的DC/DC-转换器5干扰地找到最大功率点。在此，MPP 追踪器将分别施加在太阳能发电机3上的电压U_S改变一个小的数值并且 通过由此产生的检测到的电流确定瞬时功率。通过这种方式这样改变电压， 使工作点总是基本调整到对于太阳能发电机3的最大功率。

为此，在图3左面视图中示出太阳能发电机的功率作为施加在太阳能 发电机3上的电压U_S的函数。在改变运行条件、尤其更低的照射强度时， 代替连续的特性曲线适用于点线的特性曲线。在各种情况下，通过所述的 MPP追踪器查找方法找到最佳功率或者至少将运行点调节到这个最佳值 上。

如同图3中间视图中所示，按照特性曲线根据电压U_S确定由DC/DC- 转换器5提供的功率。在此，以附图标记30表示在这个特性曲线上的初级 调整干预。因为按照图2的方法步骤特性曲线被改变，尤其在纵坐标方向 上伸展。

在此，特性曲线基本类似，它们的电压U_S都从0开始上升，首先陡 斜地增加到几乎恒定的范围，从该范围开始它们从高电压U_S再次陡斜地 下降。在此，几乎恒定的范围具有局部最大值，它这样确定，使对应的电 压小于或等于所有可能的、太阳能发电机的MPP-电压。在此重要的是， 如果没有太阳能功率供使用的时候，在几乎恒定范围中的变化小于太阳能 电池的特性曲线在相同电压范围中的变化，但是足够大到由MPP追踪器 检测到。因此，在特性曲线相加时最大值基本保持在同一电压值上。

此外通过这种方法保证，在太阳能发电机的MPP-电压突然剧烈下降 的情况下，例如由于云遮挡，总是可靠地识别新的太阳能发电机的MPP。

也有利的是，在同时馈入时，即由太阳能发电机和蓄能器将功率输送 到逆变器时(如图3所示)，确保MPP追踪器在遮挡后又控制到实际的 太阳能电压以下的最大功率的工作点(MPP)上。

由此根据影响参数确定相应的特性曲线并且该特性曲线又用于确定瞬 时供使用的理论功率P。

如图3所示，由两个上述特性曲线的累加得到一特性曲线，其最大值 基本在相同的位置上。因此保持MPP追踪器的工作方式不受干扰。因为 追踪器还通过电压变化找到由太阳能发电机产生的更大功率的工作点。

在图4中示出在白天时、即在太阳能发电机3产生电功率时在蓄能器 4中接收电能的相应的特性曲线。在这里也保持MPP追踪器的工作方式不 受干扰。

在图5中示出太阳能发电机3不被照射时的状态，其中，它们然后不 产生电功率。相应规定的特性曲线具有最大值，MPP追踪器控制到最大值 并因此控制到为其规定的工作点上。最大值优选布置在DC/DC-转换器和/ 或整个系统的最佳工作点上。

在本发明中重要的是，通过由初级调整干预分别可激活的特性曲线组 中规定适合的特性曲线，与不存在具有DC/DC-转换器5的蓄能器4相比， 保持MPP追踪器的工作方式不受干扰。

因此也可以翻新没有蓄能器4和DC/DC-转换器5的现有系统，其中， 目前的系统不受干扰地继续工作。通过规定用于确定DC/DC-转换器的功 率的特性曲线(它定性地不改变太阳能发电机3的特性曲线)，MPP追踪 器还找到最佳工作点。

在照射太阳能发电机3并且从蓄能器4输出电能时、即在第一运行方 式中，或者在不照射太阳能发电机3并且在蓄能器4中接收电能时、即在 第三运行方式中，或者在照射太阳能发电机3并且蓄能器4输出电能时、 即第二运行方式中分别使用不同的特性曲线。根据初级调整干预30在每个 运行方式中伸展或压缩相应的特性曲线。但是，在上述三个运行方式中使 用的特性曲线不通过伸展或压缩过渡到彼此。尤其第二运行方式的特性曲 线具有与第一运行方式特性曲线不同的符号。此外，第二运行方式的特性 曲线没有局部最大值，而是具有设计为稳定水平的最小值。在第三运行方 式中，特性曲线具有唯一突出的极值，由此MPP追踪器找到这个运行点。

逆变器也具有直流侧端子，太阳能发电机3和DC/DC-转换器5连接 在该直流侧的端子上。此外，它具有交流电端子，逆变器在该交流电端子 上与交流电源1和至少一个用电器连接。

逆变器优选在其交流电侧的端子上构成用于单相或三相电网。

按照图3的标准特性曲线(即蓄能器接收功率)在太阳能发电机的整 个工作范围上具有恒定的、尤其负的变化并且在工作范围的边缘上下降到 零。为确定P_Soll的前置控制器用于使蓄能器功率的理论值P_Soll总是位 于实际的太阳能功率以下。

按照图4的特性曲线(即在存在PV功率(白天)时蓄能器输出功率) 在太阳能发电机的整个工作范围上具有几乎恒定的变化并且在工作范围的 边缘上下降到零。在几乎恒定的范围里面存在最大值，它这样确定，即， 对应的电压小于或等于所有可能的太阳能发电机的MPP-电压。

按照图5的特性曲线(即在不存在PV功率(夜间)时蓄能器输出功 率)在电压U_S时具有突出的最大值，该电压按照整个系统最高效率的工 作点调整。

在考虑不随时间变化的系统参数的情况下确定特性曲线3,4和5的变 化，如同在图6和7中所示的那样:

-MPPT的电压步宽特性

-MPPT的功率测量的分辨率

-太阳能发电机的电压范围

-MPPT的电压范围

要么测量技术地通过蓄能器系统检测系统参数，和/或在投入运行时作 为参数规定。如图6和图7中所示的那样，根据运行方式选择相应的特性 曲线，所述运行方式由蓄能器功率的理论值和太阳能发电机的状态(例如 白天/夜间)给出。

通过借助于选择器件的、根据运行方式选择的特性曲线和施加的太阳 能电压获得标准的功率理论值P_norm，它与修正的功率理论值P_korr相 乘。就特性曲线而言，这意味着特性曲线的伸展，即初级调整干预。结果 P除以施加的太阳能电压U_S并接着被限制。结果I_soll被提供给DC/DC- 转换器作为电流理论值。

追踪器的任务是调节理论与实际的蓄能器功率之间可能的偏差。在此， 调整元件的时间常数必需在MPPT的时间常数的至少一个数量级以上，以 防止相互影响。

作为P_Soll与追踪器的输出信号P_nach的和也确定P_Korr。这个输 出信号P_nach作为调整元件、尤其PI调整元件的输出信号确定，在输入 侧将P_Soll与测得的实际功率P_Ist之间的差值输送到调整元件，实际功 率通过检测在DC/DC-转换器的输出端上流出的电流实际值I_Ist并与电压 U_S相乘确定。

P_korr作为P_norm的伸展系数使用。

通过P_norm和P_korr的乘积确定的值P除以U_S并接着限制除数 结果确定理论电流I_Soll，该理论电流被提供到DC/DC-转换器。

在按照本发明的另一实施例中，使用旋转式蓄能器作为蓄能器，其中 代替DC/DC-转换器使用DC/AC-转换器，其中，交流电端子AC与旋转式 蓄能器连接。因此，为简单起见在本申请中，变换器要么指的是用于蓄能 器的DC/DC-转换器、如电容器、蓄电池或充电电池，或者指的是用于旋 转式蓄能器的DC/AC-转换器。

附图标记清单

1  电网

2  具有MPP追踪器的逆变器

3  太阳能发电机，尤其是包括一个或多个太阳能电池的模块

4  蓄能器

5  DC/DC-转换器

6  负载，用电器

20 跟踪器

21 MPP追踪器的性能

22 运行方式

23 市场价格

24 负荷预测

25 蓄能器状态，可供使用的、在蓄能器4中存储的电能

26 局部的消耗

27 太阳能功率P_Soll

28 电网运营者或者上级控制器的要求

29 天气预测

30 初级调整干预

P_Soll 理论功率

P_Ist 实际功率

I_Soll 理论电流

I_Ist 实际电流

U_S 太阳能电压

P 蓄能器功率

P_S 太阳能功率

P_Ges 总功率