用于减少光伏模块中电位诱发的劣化的电路布置

摘要

本发明涉及用于减少光伏发电机的光伏模块中电位诱发的劣化的电路布置，所述电路布置包括用于光伏发电机的时间上连续绝缘监测的绝缘监测设备。此外，本发明涉及包括用于减少光伏模块中电位诱发的劣化的电路布置的光伏系统，所述光伏系统包括光伏发电机和用于光伏发电机的时间上连续绝缘监测的绝缘监测设备。提出了不同的解决方案，这些解决方案使得能够减少电位诱发的劣化，同时连续地监测绝缘。根据本发明的电路布置依赖于与用于影响光伏模块中的电位的基于测量的电路技术交互的绝缘监测设备。

说明书

技术领域

本发明涉及用于减少光伏发电机的光伏模块中电位诱发的劣化的电路布置，包括用于光伏发电机的时间上连续绝缘监测的绝缘监测设备。

此外，本发明涉及包括用于减少光伏模块中电位诱发的劣化的电路布置的光伏系统，包括光伏发电机并且包括用于光伏发电机的时间上连续绝缘监测的绝缘监测设备。

背景技术

为了在光伏系统中实现足够的逆变器效率，需要足够高的逆变器直流电压。因此，光伏发电机的多个光伏模块串联地连接成串，其中通常产生范围从400V到1500V的系统电压(光伏发电机的各个太阳能电池到地的电位)。取决于逆变器的类型，这些电位自由地调节自身，使得可以在光伏发电机的太阳能电池和对称绝缘电阻比的接地模块化框架之间假定包括系统电压的一半的最大电位。电位的差异可以导致太阳能电池和模块化框架之间的杂散电流，所述杂散电流能够导致薄膜模块中不可逆的损坏以及导致基于晶体硅的电池类型中部分可逆的电池劣化。

被称为电位诱发的劣化(PID)的太阳能电池的这种损坏导致光伏发电机的性能大幅降低。

专家认为，原因是由于生产过程而导致的在电池的外层中存在的电荷载体的迁移，所述电荷载体在外部电场的影响下由抗反射涂层驱动(假定带正电荷的钠离子对着接地电池的负电位)，并且导致在电池表面处的局部短路或进入导电TCO(透明导电氧化物)涂层以及导致其中的电化学腐蚀。

根据当前的科学研究，通常可以通过将光伏发电机的负极接地从而避免发生负电场来阻止由PID造成的性能降低。这可以通过使用包括电绝缘的逆变器来实现，例如，通过理想地将逆变器本身中的光伏发电机的负极接地。通过光伏发电机的负连接的功能接地，产生电场，其中带正电荷的电荷载体被拉向负极并且因此远离TCO涂层。

但是，在实用新型DE 20 2006 008 936 U1中发现，根据现有技术的光伏发电机的负连接的功能接地不能长期阻止对模块的损坏。因此，本文档提出了一种电路，通过该电路，光伏发电机的负连接增加到对地的正电位。

专利EP 2 086 020 B1中公开了增加电位的另一种可能性，结合针对雷击增加的防护措施。在本文档中，描述了具有电位增加的光伏系统，所述光伏系统包括其负极放置在地电位上并且其正极连接到光伏发电机的正极的电压源。

但是，从现有技术中已知的这些措施包括安全性方面的显著缺点。因此，经由熔丝的光伏发电机的负连接的功能接地防止使用绝缘监测设备(IMD)时间上连续监测绝缘电阻水平。尤其当发生对称绝缘故障时，不能确保针对火灾的保护。

取决于所选择的方法，通过电压源增加光伏发电机的电位经由电压源的通常低阻抗的内部电阻将光伏发电机的负连接或正连接连接到地。这里，使用绝缘监测设备还防止了对绝缘电阻水平的连续监测。取决于维护概念，发生的对称故障被识别得太晚或者根本没有被识别。在这种情况下，火灾的风险也会增加。

到目前为止，这些问题可以通过在开始逆变器的操作之前在单独的测量中每天一次地确定光伏发电机的绝缘电阻水平来规避。为此，包括接地的光伏发电机的所有低阻抗连接，诸如熔丝或电压源，都被断开，并且绝缘监测设备被激活。

该过程的缺点是光伏发电机在时间上非常有限的范围内被监测。发生的操作状态不是以时间上连续的方式或具有足够宽的覆盖范围进行监测。例如，如果在日出时始终进行间隙测量，以便在一天中维持最高可能的电产量，那么既不预期包括最大发电机电压的操作模式也不预期包括最大发电机性能的操作模式也不预期包括最大操作温度的操作模式。也没有监测凝结的不同状态。仅在某些操作状态下发生的故障即使监测也没有被提前发现；而是，当例如光伏发电机的电绝缘中的损坏如此之大以致已经导致故障或在最坏的情况下(火灾)时，它们才被发现。

发明内容

因此，本发明的目的是抵消光伏发电机的光伏模块中电位诱发的劣化，并且同时使得能够对光伏发电机进行时间上连续的绝缘监测。

该目的通过用于减少光伏发电机的光伏模块中电位诱发的劣化的电路布置的第一解决方案获得，包括用于光伏发电机的时间上连续绝缘监测的绝缘监测设备：通过将绝缘监测设备对称地连接在光伏发电机的正极和地之间以及光伏发电机的负极和地之间，并通过使得电路布置包括脉冲耦合电路，该脉冲耦合电路对称地连接在光伏发电机的正极和地之间以及光伏发电机的负极和地之间，用于耦合正电压脉冲。

基于发现通过增加到地的负电压振幅加速了电位诱发的劣化的效果，假定增加包括相反极性的电压振幅以放大的方式减弱PID效果。因此，根据本发明的该第一解决方案的基本概念依赖于将包括到接地的高振幅(大于50V)的短电压脉冲应用到光伏发电机，以便终止或甚至反转电荷载体在光伏模块的电池中的移动。脉冲占空因子和电压振幅要特别针对光伏模块进行调整，以便尽可能有效地防止在使用中对电池类型的劣化的效果。研究表明，电压振幅和阻止PID之间存在非线性联系。为了实现防止PID的最大可能效果，选择最大可能的脉冲电压，上阈值经由光伏模块的介电强度来提供。几秒钟的单位作为脉冲持续时间看起来是可行的。

绝缘监测设备和脉冲耦合电路各自对称地连接到地，即，连接到光伏发电机的正极以及负极。

有利地，脉冲耦合电路被实现为电容耦合电路。

电压脉冲的电容耦合使得能够进行时间上连续的绝缘监测，因为欧姆电阻不会负面地影响绝缘电阻的测量。

在另一个有利的实施例中，脉冲耦合电路被集成到绝缘监测设备中。

在扩展的绝缘监测设备中合并绝缘监测和脉冲耦合的功能导致基于电路技术的简化以及测试措施和监测措施的有效执行。

本发明的目的通过用于减少光伏发电机的光伏模块中电位诱发的劣化的电路布置的第二解决方案来获得，包括用于光伏发电机的时间上连续绝缘监测的绝缘监测设备：通过将绝缘监测设备非对称地连接到光伏发电机的正极或者负极并且接地，以及通过将低阻抗电压源串联地连接到绝缘监测设备的耦合并且串联地连接到光伏发电机的光伏模块。

在该解决方案中，绝缘监测设备非对称地连接，即连接到光伏发电机的或者正导体或者负导体。用于增加电压的低阻抗电压源与光伏发电机的光伏模块成一行连接到导体，绝缘监测设备连接到所述导体。

绝缘监测设备的不对称连接使得绝缘监测设备的内部电阻与成一行连接的电压源相结合导致光伏模块到地的电位的增加。在没有任何限制的情况下连续地监测绝缘是可能的。

该解决方案的特别优点是，即使在晚上当光伏模块本身大多没有电压的情况下，PID抑制效果也能起作用–只要成一行连接的电压源和绝缘监测设备是有效的。

第三解决方案是用于减少光伏发电机的光伏模块中电位诱发的劣化的电路布置，包括用于光伏发电机的时间上连续绝缘监测的绝缘监测设备，其中绝缘监测设备不对称地连接在光伏发电机的正极或者负极与地之间，并且低阻抗电压源成一行连接到接地的绝缘监测设备。

在该解决方案中，绝缘监测设备也不对称地连接，即连接到光伏发电机的或者正导体或者负导体。

当通过绝缘监测设备测量光伏发电机的绝缘电阻时，产生PID抑制效果，所述绝缘电阻超过绝缘监测设备的内部电阻值。在这种情况下，在没有任何限制的情况下连续绝缘监测也是可能的。

在另一个实施例中，低阻抗电压源被集成到绝缘监测设备中，作为用于测量绝缘监测设备的电压的偏移电压源。

作为单独模块的电压源的实施例的替代，成一行连接的电压源也可以集成到绝缘监测设备中，作为用于测量电压的电压偏移的类型。

第四解决方案是用于减少光伏发电机的光伏模块中的电位诱发的劣化的电路布置，包括用于光伏发电机的时间上连续绝缘监测的绝缘监测设备，其中绝缘监测设备对称地连接在光伏发电机的正极和地之间以及光伏发电机的负极和地之间，并且其中电路布置包括具有测试电流源的绝缘故障定位设备和控制设备，所述绝缘故障定位设备对称地连接在光伏发电机的正极和地之间以及光伏发电机的负极和地之间，并且所述控制设备控制绝缘监测设备和绝缘故障定位设备的操作模式，使得执行时间上连续的或几乎时间上连续的绝缘监测并且通过控制测试电流源的测试电流来降低电位诱发的劣化。

在该解决方案中，绝缘监测设备以及绝缘故障定位设备对称地连接到地，即连接到光伏发电机的正极以及负极。

第四解决方案依赖于由被使用和控制的绝缘监测设备的测试电流源生成的测试电流，使得一方面产生PID抑制的光伏模块到地的电位的增加。

另一方面，绝缘监测和绝缘故障定位功能的相互作用受到控制，使得实现了时间上连续或几乎时间上连续的绝缘监测以及PID抑制效果。

在几乎时间上连续的绝缘监测的情况下，测试电流供应和绝缘监测的操作模式以以下方式被调控，即，使得这两个功能(绝缘监测或绝缘故障定位)的一个在相应的另一个功能有效时变得非有效。但是，有效绝缘监测必须足够长并且足够频繁地发生，以便在实践中确保对绝缘电阻的可靠监测。绝缘监测的测量持续时间取决于系统泄漏电容的大小和系统中存在的其它干扰部件，等等。例如，具有每小时5分钟的值的绝缘监测活动可以是实用的。

此外，绝缘故障定位设备的测试电流源以高阻抗执行，使得测试电流源的测试电流用作用于绝缘监测的测量电流。在该实施例中，测试电流源可以被认为是理想的电流源，并且时间上连续的绝缘监测是可能的，即，在不间断的情况下进行绝缘监测，所述测试电流除了履行增加电位的任务之外还执行用于绝缘监测的测量电流的功能。

优选地，绝缘监测设备、绝缘故障定位设备和控制设备被布置成集成在组合设备中。

这使得能够高效地实现基于电路技术的所需功能。

第五实施例是光伏系统，包括用于减少光伏模块中电位诱发的劣化的电路布置，包括光伏发电机并且包括用于光伏发电机的时间上连续绝缘监测的绝缘监测设备，其中绝缘监测设备对称地连接在光伏发电机的正极和地之间以及在光伏发电机的负极和地之间，并且其中光伏发电机包括通过高阻抗电压源放置在正电位上的屏蔽。

对称地连接到地，即，连接到光伏发电机的正极以及负极的绝缘监测设备监测绝缘电阻。

根据关于防电击保护的要求，由导电屏蔽箔组成的屏蔽是相对于光伏模块和相对于接地的模块化框架双重绝缘的。由于抑制电池劣化是基于对地的静电场的设计，因此不需要经由低阻抗电压源将屏蔽箔放置在对地的高和正电位上。替代地，电压源经由安全限制电流的高阻抗保护阻抗电连接到屏蔽。此外，该措施使得能够进行附加的防电击保护。

在这种情况下，在没有限制的情况下连续的绝缘监测是可能的，因为光伏发电机没有电连接到绝缘屏蔽箔。

附图说明

从以下描述和附图中可以获得进一步的有利实施例，这些实施例通过示例的方式描述了本发明的优选实施例。在这些图中：

图1示出了包括根据本发明和根据第一解决方案的电路布置的光伏系统；

图2示出了包括根据本发明和根据第二解决方案的电路布置的光伏系统；

图3示出了包括根据本发明和根据第三解决方案的电路布置的光伏系统；

图4示出了包括根据本发明和根据第四解决方案的电路布置的光伏系统；

图5示出了根据本发明的、包括根据第五解决方案的电路布置和光伏发电机的光伏系统。

具体实施方式

图1示出了包括根据本发明和根据第一解决方案的电路布置4的光伏系统2。光伏系统2包括由光伏模块8制成的光伏发电机6、逆变器10和用于减少光伏模块8中的电位诱发的劣化的电路布置4。

电路布置4由绝缘监测设备(IMD)12和脉冲耦合电路14组成。绝缘监测设备12的接地连接和脉冲耦合电路14的接地连接被放置在地电位上，并且绝缘监测设备12和脉冲耦合电路14的对应系统连接对称地连接到光伏发电机6的正极L+和负极L-。

在图2中，示出了包括根据本发明和根据第二解决方案的电路布置24的光伏系统22。

电路布置24由绝缘监测设备26和低阻抗电压源28组成。绝缘监测设备26不对称地连接到光伏发电机6，即，仅与光伏发电机6的负极L-连接，并且电压源28串联地连接到负极L-的导体。

图3示出了包括根据本发明和根据第三解决方案的电路布置34的光伏系统32。

电路布置34由绝缘监测设备36和串联地连接到绝缘监测设备36的低阻抗电压源38组成。电路布置34不对称地连接到光伏发电机6的负极L-。

图4示出了包括根据本发明和根据第四解决方案的电路布置44的光伏系统42。

电路布置44由绝缘监测设备46、具有测试电流源的绝缘故障定位设备48和控制设备45组成，这些功能被集成在组合设备中。绝缘监测设备46和绝缘故障定位设备48各自对称地连接到光伏发电机6，即，连接到光伏发电机6的正导体L+以及连接到光伏发电机6的负导体L-。

控制设备45以以下方式控制绝缘故障定位设备48的测试电流源，即，使得PID抑制效果经由光伏模块到地的电位的增加而产生。在示出用于绝缘监测的测量电流与测试电流的分离的示例中，控制设备45通过交替地激活绝缘监测设备46和绝缘故障定位设备48来控制操作模式，使得发生几乎时间上连续的绝缘监测和电位诱发的劣化的减少。

图5示出了根据本发明的、包括根据第五解决方案的电路布置54和光伏发电机55的光伏系统52。

光伏发电机55具有被实现为导电屏蔽箔并且抑制电荷载体在光伏模块57和接地模块框架59之间移动的屏蔽53。

电路布置54包括对称地连接到光伏发电机55的正极L+和负极L-的绝缘监测设备56和将光伏发电机55的屏蔽53放置在对地的高正电位上的高阻抗电压源58。