用于将光伏器件连接到交流电网的方法和设备

摘要

用于将光伏器件(2)连接到交流电网，其中测量所述光伏器件(2)产生的直流电压，其中在所述直流电压达到最低连接尝试电压时，激活将所述直流电压转换成交流输出电压的逆变器(4)，其中所述交流输出电压与所述交流电网(3)的交流电网电压同步，在已经实现所述同步并且所述直流电压仍超过小于或高达所述最低连接尝试电压的最低连接持续电压时，将所述逆变器(4)连接到所述交流电网(3)。在光伏器件(2)产生的直流电压减小时，首先去激活逆变器(4)，仅在所述逆变器(4)去激活时的直流电压降到高于或至少高达交流电网电压峰值并且小于或至少高达最低连接持续电压的最大关闭电压以下时，才再次从交流电网(3)断开去激活的所述逆变器(4)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括独立方法权利要求前序特征，用于将光伏器件连 接到交流电网的方法，以及一种包括独立设备权利要求前序的特征，用于 执行这种方法的设备。

背景技术

通常，光伏器件可以持久地，即从其工作开始直到结束保持连接到交 流电网，光伏器件产生的电能馈送到交流电网中。不过，这意味着在隔离 减轻的情况下光伏器件不再产生充分的反电压，电流可能从交流电网流入 光伏器件中。结果，例如在夜间光伏器件也会存在电压。为了避免夜间从 交流电网吸收电能以及光伏器件那里出现电压，惯例是夜间从交流电网断 开光伏器件，在早晨再次重新连接它们。

一方面，应当尽早在早晨将光伏器件连接到交流电网，以便能够尽快 向交流电网中馈送电能，从而尽可能多地向交流电网中馈送电能。类似地， 由于同样的原因，在晚上从交流电网断开连接应当尽可能晚地发生。另一 方面，因为光伏器件尚不能提供所需电力以向电网中馈送电能而必须中止 的连接尝试应当尽可能少。将光伏器件连接到交流电网的每次中止的尝试 都意味着将光伏器件连接到交流电网所经的电源开关的额外切换循环，电 源开关通常是气隙开关。这样迫使要使用高质量的气隙开关并将它们与线 路安全开关串联，如果应当提供线路安全开关作为光伏器件和交流电网之 间的安全措施的话，这是一种规则。线路安全开关对大量切换循环比气隙 开关具有低得多的耐受度。

在根据独立权利要求前序用于将光伏器件连接到交流电网的已知方法 和设备中，在与交流电网连接之后光伏器件产生的直流电流不再超过最低 连接持续电压的情况下，中止连接尝试，并再次打开进行电网连接所经的 电源开关。在这里，常常选择最低连接持续电压，使其是从光伏器件向交 流电网中馈送电能的最低极限。

DE-T5-11 2007000197公开了一种根据独立权利要求前序所述用于将光 伏器件连接到交流电网的光伏逆变器，其中存储了包括最低连接尝试电压 的季节性数值的表格。在光伏器件产生的直流电压达到最低连接尝试电压 的当前季节值时，应当可能经由光伏逆变器将光伏器件成功连接到交流电 网。通过这种方式，可以考虑到季节对光伏器件直流电压的影响，用作进 行连接尝试时光伏器件充分性能的标准。具体而言，在进行连接尝试时， 这些季节影响源于早晨的气温。

US-B2-7 269036公开了一种根据独立权利要求前序用于将光伏器件连 接到交流电网的方法和设备，其中调节早晨将光伏器件连接到交流电网的 时间，即，如果基于最低连接尝试电压早先值的早先连接尝试失败了，则 提高最低连接尝试电压。

在上述两个流程中，未克服从光伏器件向交流电网中馈送尽可能大量 电能以及做出尽可能少次数中止连接尝试两方面之间的基本冲突。将把尝 试第一次连接时光伏器件产生的直流电压设置得较低以从光伏器件向交流 电网馈送尽可能多的电能，或者将其设置地较高，以将最终中止的连接尝 试次数保持较小。调节或调整最低连接尝试电压的每种形式充其量有助于 更好地定位考虑到上述两种标准时必须要将特定最低连接尝试电压设置在 什么范围。

JP 08126207A公开了一种将光伏器件连接到交流电网的方法，其中测 量光伏器件产生的直流电流，其中在直流电压达到连接电压时，激活将直 流电压转换成输出交流电压的逆变器并将其连接到交流电网，其中在直流 电压下降到电网交流电压峰值以上的关闭电压以下时，再次从交流电网断 开逆变器并使其去激活。

本发明要解决的问题

本发明的问题是提供一种包括独立方法权利要求前序特征将光伏器件 连接到交流电网的方法，以及一种包括独立设备权利要求前序特征用于执 行这样的方法的设备，其中大大减少了用于将光伏器件连接到交流电网的 电源开关发生切换循环的次数。

解决方案

本发明的问题是通过包括独立方法权利要求特征的方法和包括辅助设 备权利要求特征的设备解决的。在从属权利要求中定义了新方法和新设备 的优选实施例。

发明内容

在将光伏器件连接到交流电网的新方法中，在光伏器件产生的直流电 压下降到最大关闭电压之前不再次从交流电网断开逆变器，其中这个最大 关闭电压不小于交流电网电压的峰值且不高于最低连接持续电压。由于最 大关闭电压不低于交流电网电压的峰值，所以避免了电流从交流电网经逆 变器流入光伏器件。最大关闭电压优选等于交流电网电压的峰值加上小的 增加的安全裕度，例如1％到10％，特别是3％到7％，即约5％。不过，在新方 法中，最大关闭电压不取决于任何季节、温度或早先的连接尝试。由于无 论如何交流电网电压都是定期测量的，所以可以基于这一测量的结果不断 将最大关闭电压调节到最佳值。恰恰因为最大关闭电压在交流电网电压峰 值以上这一小的增加的安全裕度，所以最大关闭电压比光伏器件提供的直 流电压低得多，根据现有技术，在已经将光伏器件连接到交流电网之后， 通过再次打开电源开关来中止连接尝试。于是，在新方法中在晚上通往交 流电网的开关仅非常稀少地发生再次打开，理想地一天仅一次。考虑到尽 可能早地向交流电网中馈送电能，如果最低连接尝试电压较低，即，不比 最大关闭电压高很多，这也尤其适用。

代替再次打开通往交流电网的电源开关，在由于其性能仍然太小，光 伏器件产生的直流电压降低的情况下，该新方法一开始通过去激活连接到 交流电网的逆变器来做出响应。

可以在光伏器件产生的直流电压下降到最低馈电直流电压以下时执行 这种去激活，最低馈电直流电压优选低于最大关闭电压且理想地通过如下 方式选择，使其即使在连接到交流电网的逆变器被激活时也避免从交流电 网向光伏器件传输电力。

在光伏器件产生的直流电压降到最低馈电直流电压以下时，去激活连 接到交流电网的逆变器。如果对逆变器供应的电力进行连续测量，也可以 将从光伏器件到交流电网的期望电力流动方向是否反转的信息直接用作去 激活连接到电网的逆变器的标准，而不是通过选择最低馈电直流电压以防 止电能从交流电网流出，进入逆变器中。新方法的这一实施例是优选的。

通过去激活逆变器，光伏器件不再有从其汲取电能的负担。于是，光 伏器件处于无负载工作中，其中，如果它之前已曾达到最低连接尝试电压， 它通常设法至少保持最大关闭电压。仅在光伏器件连这种条件都无法到达 时，才将从交流电网断开已经去激活的逆变器，即使在新方法中也是如此。

在新方法中，已经接受的是，在仅仅去激活逆变器时，通常连接在逆 变器下游的正弦波滤波器保持连接到交流电网，且无功功率在正弦波滤波 器和交流电网之间振荡。通过这种方式，保持经由电源开关完成的连接， 为了开始重新向交流电网中馈送电力，仅仅需要激活逆变器。

在开始连接尝试时，将再次去激活尚未连接到交流电网的逆变器，如 果在输出交流电压与交流电网电压同步时，直流电压下降到连接尝试持续 电压以下。在这种情况下，光伏器件的功率甚至不足以负担逆变器交流输 出电压与交流电网电压同步所需的很小负载。这样早期中止的连接尝试尚 不会给通往交流电网的电源开关带来压力。

优选地，在新方法中，在逆变器连接到交流电网之前或之后去激活逆 变器时和/或在从电网断开逆变器时，触发定时元件，其中该定时元件在合 理的时间段内避免再次激活逆变器或再次将逆变器连接到电网。

在新方法中，最低连接尝试电压可以取决于季节和/或光伏器件的温 度，或者可以基于来自先前连接尝试的经验自适应地设置它。即使在新方 法中自适应地调节最低连接尝试电压仍然与有记录的现有技术不同，即调 节基于在进行逆变器输出电压与交流电网电压的上次同步时获得的经验， 从而仅基于光伏器件的低负载而不是基于实际闭合通往交流电网的电源开 关时获得的经验。

不过，最低连接尝试电压也可以是固定的，或者可以设置为交流电网 电压的固定函数。在这里，必须要认为，如果逆变器输出电压与交流电网 电压的同步还未成功，在新方法中连接尝试实际上未成功。之后，将闭合 通往交流电网的电源开关，由于同步的原因，这将在没有负载的情况下或 在实践中至少接近无负载的情况下发生。可能导致电压降的光伏器件后续 负载仅仅是因为从光伏器件向交流电网馈送电能造成的，可以通过去激活 逆变器来降低到零，无需重新打开通往交流电网的开关。

由于在根据本发明的方法中，将光伏器件连接到交流电网的电源开关 实际发生的切换循环次数较大程度地减少，可以在新方法中经由电动机驱 动的线路安全开关执行连接，与气隙开关相比，这种开关的可允许切换循 环次数低得多，即，切换循环中的寿命短得多。

根据本发明的设备包括控制器，根据交流电压测量装置测量的交流电 网电压的峰值，其不会比直流电压测量装置测量的直流电压降到由控制器 产生的最大关闭电压以下时更早地将逆变器从交流电网断开连接。

优选地，控制器从交流电网电压的峰值产生最大关闭电压以及向控制 器中编程其百分比的增加的安全裕度。

此外，在逆变器馈送到电网中的电力测量值变得小于零时，优选控制 器根据逆变器的功率测量装置去激活逆变器。

在新设备的商用特别感兴趣的实施例中，将逆变器连接到交流电网的 每个电源开关都是电动机驱动的线路安全开关。即使这样的线路安全开关 仅包括大约10000到20000次较低数量的可允许切换循环，通过这种方式 也实现了远远超过20年的新设备寿命，因为每天通常仅耗费一次切换循环。

对本发明的进一步优选发展来自于权利要求、说明书和附图。说明书 引言部分中提到的特征和若干特征组合的优点仅仅是示范性的，可以替代 地或累加地生效，不必一定由根据本发明的实施例实现特征。可以从附图， 尤其是图示的若干部分彼此间相对的几何结构和相对尺度，以及它们的相 对布置和工作连接得到更多特征。本发明不同实施例的特征以及不同专利 权利要求的特征组合也可能偏离权利要求的选定从属性，并与此一道受到 启发。这还涉及到在分立附图中绘示或在其描述中提到的这种特征。也可 以将这些特征与不同权利要求的特征组合。类似地，对于本发明的其他实 施例，也可以省略权利要求中提到的特征。

附图说明

在下文中，将借助于附图中绘示的优选实施例范例更详细地解释和描 述本发明。

图1示出了第一实施例中用于将光伏器件连接到交流电网的新设备的 配置，交流电网为单相电网；

图2示出了交流电网为三相电网的情况下新设备的配置；以及

图3示出了根据图2的设备的逆变器基本配置。

具体实施方式

图1所示的设备1用于将光伏器件2连接到交流电网3。作为主要部件， 设备1包括逆变器4和电源开关5，电源开关5布置在连接在逆变器4下游 的正弦波滤波器6和变压器7之间，提供变压器7用于将电力耦合到交流 电网3中，同时提供电隔离。也可以省略变压器7。控制器8操作逆变器4 和电源开关5。作为输入值，控制器8使用由光伏器件2产生的直流电压(由 直流电压测量装置9测量)、正弦波滤波器6之后逆变器4的输出交流电压 (由交流电压测量装置10测量)、交流电网电压(由交流测量装置11测量) 以及流经逆变器4的电功率(由功率测量装置12测量)。交流电压测量装 置10和11不仅测量相应交流电压的绝对值，而且测量其相位。现在，将 解释设备1，特别是其控制器的功能，从夜间的状况开始，在夜间，光伏器 件2不产生直流电压，电源开关5开放，使得设备1实质上没有电压。直 到电压测量装置9测量的直流电压达到最低连接尝试电压之前，逆变器4 保持去激活状态，电源开关5保持打开。在达到所述最低连接尝试电压时， 控制器8激活逆变器4，最初电源开关5仍然是打开的。之后，控制器8借 助于对应地操作逆变器4将交流输出电压(由交流电压测量装置10测量绝 对值和相位)与交流电网电压(由交流电压测量装置11测量)同步。在此 期间，在从光伏器件2汲取小的电功率期间，监测光伏器件2产生的直流 电压，看其是否保持在最低连接持续电压以上。如果情况不是这样，则取 消连接尝试，并在预定时间段之后在同样条件下再次开始。如果光伏器件2 产生的直流电压未中止，控制器8闭合电源开关5，从而将逆变器5连接到 交流电网3。由于交流输出电压与交流电网电压同步，这至少接近无负载地 发生，即，其并非意味着光伏器件2的额外负载。仅在控制器8操作逆变 器4，使得从光伏器件2向交流电网3中馈送电力之后才发生这样的额外负 载。这种电功率是由功率测量装置12测量的。如果无论出于什么原因，光 伏器件2的性能降低到不再从光伏器件2经逆变器4向交流电网3中馈送 电力的程度，控制器8去激活逆变器4。不过，它使电源开关5保持闭合。 仅在交流电压测量装置11测量的交流电网电压的峰值与光伏器件2产生的 剩余直流电压相比非常高，存在电流经逆变器4流入光伏器件2中的风险 时，控制器8才打开电源开关5。通常，仅在晚上才是这种情况，此时，光 伏器件2的隔离降低到应当在夜间从交流电网3断开它的程度。在光伏器 件2产生的直流电压降到最大关闭电压以下时，打开电源开关5。典型地， 控制器8将最大关闭电压设置为交流电网电压的峰值加上例如5％的百分比 增加的安全裕度。正常情况下，每天仅这样打开和闭合电源开关5一次， 即，它仅受到单次切换循环的应力。由于这种具有切换循环的低负载，如 这里这样，可以将电源开关5设计为电动机驱动的线路安全开关13，从而 同时提供线路安全功能。

根据图2的设备1的实施例与根据图1的实施例不同之处仅在于，在 这里逆变器4从光伏器件2向三相交流电网3馈送电能，并且在电源开关5 和交流电网3之间不提供变压器。在这里，也可以提供三相变压器，优选 是中等电压变压器。仅仅出于清晰的原因省略了交流电压测量装置10和11， 在这里一般也提供。为了形成设备1，逆变器4，以及正弦波滤波器9和光 伏器件2，甚至交流电网3的细节都不是重要的。此外，可以在光伏器件2 和逆变器4和/或升压/降压转换器等之间提供额外的开关和保护元件，例 如开关、过压抑制器和保险丝。

图3示出了根据图2的逆变器4的可能基本配置。它包括三个半桥14， 通过其每个，将三相交流电网的一相交替接触到光伏器件2产生的直流电 压的两极。每个半桥14由两个脉冲开关15形成，每个脉冲开关都并联连 接了续流二极管16。经由这些续流二极管16，原则上，只要逆变器4连接 到交流电网，即使其未被激活，即，即使其开关15不是脉冲式的而是持续 打开的，电流就可以在反方向上从交流电网3流到光伏器件2中。在本发 明中避免了包括续流二极管的逆变器的这种潜在电流流动，因为在光伏器 件2产生的直流电压接近交流电网电压的峰值时，就再次从交流电网3断 开逆变器4。

附图标记列表

1     设备

2     光伏器件

3     交流电网

4     逆变器

5     电源开关

6     正弦波滤波器

7     变压器

8     控制器

9     直流电压测量装置

10    交流电压测量装置

11    交流电压测量装置

12    功率测量装置

13    线路安全开关

14    半桥

15    脉冲开关

16    续流二极管