单极开关单元、光伏模块布置以及光伏模块的制作方法

单极开关单元、光伏模块布置以及光伏模块的制作方法
【专利摘要】在各个实施例中，提供单极开关单元、光伏模块布置以及光伏模块。单极开关单元用于通过呈现在至少一条DC线路上的脉冲控制信号限制具有光伏模块的串联电路中的能量流。开关单元可包括：开关元件，其被设计为减小光伏模块的至少一条DC线路中的电流；传递元件，其被设计为耦合出呈现在DC线路上的电控制信号并且仅利用耦合出的控制信号的能量控制开关元件；以及耦合元件，其与开关元件并联布置，并且其当开关元件不导通时将控制信号传导通过开关单元。
【专利说明】单极开关单元、光伏模块布置以及光伏模块
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2012年5月22日提交的序列号为10 2012 104 384.1的德国专利申请的优先权，并且通过全文引用将其合并于此。
【技术领域】
[0003]各个实施例涉及用于限制具有光伏模块的串联电路中的能量流的单极开关单元、光伏模块布置(arrangement)、以及光伏模块。
【背景技术】
[0004]如果在光伏系统中发生故障的情况下或在光伏系统的维护期间，则不可能中断暴露于光中的光伏系统以使得各个光伏模块串现在仅产生低于所谓的保护电压的电压。断开从电网的馈电导致光伏模块串转变至空载运行，并且因此可建立高达IOOOVdc的系统电压。
[0005]为了抵消这种情况，提出了多种建议:
[0006]DElO 2005 018 173B4公开了限制完整的发电机磁场(generator field)在进入建筑物的入口点的能量输出。这意味着不能避免建筑外的危险电压。
[0007]此外，DE20 2006 007 613U1描述了将热熔断器并入到光伏模块之间的连接线路中。然而，这并不具有任何对于整个发电机磁场的必要且同时的效果。
[0008]另外，DElO 2006 060 815A1描述了将开关元件集成在光伏模块的所谓的接线盒中，如果发生火灾，则其限制所有光伏模块同时的能量输出，并且因而避免危险电压。
[0009]另外，根据DElO 2008 003 272A1，信号传递(transmission)可利用DC连接线路上或单独信号线路上的调制、或者通过无线电传输而发生。
[0010]另外，从W02004/107543 A2可知，为了安装和维护的目的，利用控制信号手动断开光伏模块。
[0011]最后，DElO 2010 017 746A1描述了划分串联电路来降低到保护电压60V之下。这导致串联电路和并联电路的组合，用于甚至在隔离的光伏模块串的情况下也传送信号。然而，这里，一个问题在于利用所连接的系统的不同阻抗对建议的技术的使用。另外，监控单元的运行成本降低了这样的系统的效益(yield)。

【发明内容】

[0012]在各个实施例中，提供了单极开关单元，其用于通过至少一条DC线路上呈现的脉冲(pulsating)控制信号来限制具有光伏模块的串联电路中能量流。开关单元可包括:开关元件，其被设计为减少光伏模块的该至少一条DC线路上的电流；传递元件，其被设计为耦合出(couple out)DC线路上呈现的电控制信号，并且仅利用耦合出的控制信号的能量来控制开关元件；以及耦合元件，其与开关元件并联布置，并且当开关元件不导通时将控制信号传导(conduct)通过开关单元。【专利附图】

【附图说明】
[0013]在附图中，相同的附图标记一般指代所有不同视图中的相同的部分。附图没必要成比例，而是一般把重点放在阐述发明的原理上面。在下面的描述中，参考下列附图描述本发明的各个实施例，其中:
[0014]图1示出依据各个实施例的光伏模块布置；
[0015]图2示出依据各个实施例的开关单元；
[0016]图3示出依据各个实施例的在开关单元的电路方面的可能的实施方式；
[0017]图4示出依据各个实施例的光伏模块布置的部分；
[0018]图5示出依据各个实施例的光伏模块布置的部分；
[0019]图6示出依据各个实施例的光伏模块布置的部分；以及
[0020]图7示出依据各个实施例的光伏模块布置的部分。
【具体实施方式】
[0021]下述详细描述涉及附图，所述附图通过图示示出可实践本发明的具体细节和实施例。
[0022]词“示例性的”这里用于表示“用作例子，实例，或者图示”。这里描述为“示例性的”的任何实施例或设计不一定被解释为优选的或优于其它实施例或设计。
[0023]关于形成“在”侧面或表面“上方”的沉积材料而使用的词“在......上方”这里
可用来表示沉积材料可“直接在”隐含的侧面或表面“上”形成，例如，与隐含的侧面或表面
直接接触。关于形成“在”侧面或表面“上方”的沉积材料而使用的词“在......上方”这
里可用来表示沉积材料可“间接在”隐含的侧面或表面“上”形成，且一个或多个附加层布置在隐含的侧面或表面和沉积材料之间。
[0024]各个实施例实现了串联电路中的多个或全部光伏模块的直流电流的中断或者减小、以及对光伏模块的DC线路上的控制信号的导引(guiding)。
[0025]在下文详细描述中，参考附图，其形成此说明书的部分，并且其中为了说明的目的示出可实施本发明的具体实施例。在这点上，参考所述附图中的方向而使用诸如“顶(top) ”，“底(bottom) ”，“前”，“后”等的方向术语。由于实施例的组件可定位于多个不同的方向上，所以方向术语用于说明的目的并且决不是限制。不言而喻，可使用其它实施例并且可进行结构或者逻辑的改变，而不偏离本申请的保护范围。不言而喻，这里所描述的各个实施例的特征在未另外具体提及的情况下可彼此组合。因而不应在限制的意义上解释下文的详细描述，并且本发明的保护范围由所附权利要要求书限定。
[0026]在此说明书的范围内，术语“连接”和“耦合”用于描述直接连接和间接连接、以及直接或间接耦合。在附图中已经对相同或类似的元件提供相同的附图标记，到目前为止，这是方便的。
[0027]图1示出依据各个实施例的光伏模块布置100。
[0028]光伏模块布置100可包括多个串联连接的光伏模块102、104、106。在各个实施例中，可提供任何期望数量的光伏模块102、104、106，例如，它们可串联连接并且形成所谓的光伏模块串。例如，光伏模块布置100可安装于建筑物的屋顶上、或者在另一个支撑元件上。
[0029]每个光伏模块102、104、106可包括大数串联接连和/或并联连接的光伏电池(例如太阳能电池)108。
[0030]在各个实施例中，太阳能电池被理解为表示通过所谓的光伏效应将光能(例如在大约300nm到大约1150nm的可见波长范围中的至少某些光，例如太阳光)直接转换为电能的装置。
[0031]即使可选实施例可包括作为太阳能电池衬底的其它半导体衬底(例如包括GaAs、GaN、InP等或者由GaAs、GaN、InP等组成的半导体衬底)，各个实施例也涉及作为太阳能电池衬底的晶体半导体衬底(例如由硅组成)。还可提供多晶半导体衬底作为太阳能电池衬底。相应太阳能电池所基于的技术类型原则上如在各个实施例的范围内所期望的。
[0032]第一光伏模块102通过至少一条DC线路112耦合至包括光伏模块102、104、106的串联电路的输入接线(connection) 110。所述至少一条DC线路112因此将光伏模块102、104、106彼此电连接，如图所示。在包括光伏模块102、104、106的串联电路的末端(end)，即在第三光伏模块106的输出接线，所述至少一条DC线路112再次耦合至第三光伏模块106的输入接线，并且，当连接其它光伏模块104、102时，所述至少一条DC线路112被安排路线(route)至包括光伏模块102、104、106的串联电路的输出接线114。
[0033]另外，光伏模块布置100包括至少一个开关单元116、118，其连接到至少一条DC线路112中，如下文中将更详细描述的。在各个实施例中，在每个情况中，一个开关单元116、118连接在彼此直接相邻的两个光伏模块102、104、106之间。因此，例如，第一开关单元116可连接到第一光伏模块102和第二光伏模块104之间的DC线路112中。第二开关单元118可连接到第二光伏模块104和第三光伏模块106之间的DC线路112中。然而，可选地，对于多个光伏模可提供为直接彼此连接，而在所述光伏模块之间不连接开关单元116、118。因此，例如，开关单元116、118可每两个或每三个或每四个或更多个光伏模块而连接到连接线路112中，其中开关单元116、118可在光伏模块之间以规则间隔或不规则间隔连接到连接线路112中。
[0034]另外，提供耦合至串联电路的输入接线110的控制装置120(例如通过电路实施(例如硬接线逻辑)、或者通过可编程处理器实施(例如可编程微处理器))。
[0035]控制装置120被设计为生成用于控制开关单元116、118的电控制信号、以及将这个控制信号(其例如为脉冲(pulsed)电控制信号)调制到至少一条DC线路112上。控制装置120导电地(electrically conductively)连接至串联电路的输入接线110以及串联电路的输出接线114两者。另外，控制装置120可导电地连接至逆变器122，所述逆变器122对于其部分可导电地连接至AC电压电网124，例如公共供电电网124。
[0036]在逆变器122的包括光伏模块102、104、106的该侧上呈现DC电压，例如具有12VDC的电压电平(level)或者具有不同期望的DC电压电平。在逆变器122的连接至AC电压电网124的另一侧上呈现AC电压，例如具有230VAC的电压电平或者另一传统的或者期望的AC电压电平(例如AC电网电压)。
[0037]另外，为了向控制装置120供电，AC电压电网124可导电地连接至控制装置120，例如通过其中可连接安全开关128的另一线路126。
[0038]图2示出依据各个实施例的开关单元116、118。[0039]开关单元116、118可被设计为单极开关单元，用于通过至少一条DC线路上呈现的脉冲控制信号限制包括光伏模块的串联电路中的能量流。开关单元116、118可包括开关元件202，其被设计为减少光伏模块102、104、106的至少一条DC线路112上的电流。另外，在开关单元116、118中提供传递元件204，所述传递元件被设计为耦合出DC线路上呈现的电控制信号并且仅利用耦合出的控制信号的能量来控制开关元件202。另外，开关单元116、118包括耦合元件206，其与开关元件202并联布置，并且其当开关元件202不导通时将控制信号传导通过开关单元116、118。
[0040]开关单元116、118的第一接线208耦合至第一参考电位，例如耦合至正电位接线，其耦合至串联电路的输入接线110。开关单元116、118的第二接线210耦合至第二参考电位，例如耦合至负电位接线，其耦合至串联电路的输出接线114。
[0041]例如以场效应晶体管开关FET(见图3)的形式实施的开关元件202导电地连接至第一接线208。因此，例如，场效应晶体管开关FET的漏极接线可导电地连接至第一接线208。在各个实施例中，所使用的开关元件202可以是MOSFET (金属氧化物场效应晶体管)或者IGBT (绝缘栅双极晶体管)。当为开关元件选择相应的组件时，应注意确保，第一，它应具有非常低的通态电阻以便在正常运行期间实现低功率损耗。第二，期望开关元件202的驱动功率尽可能低，因为驱动功率取自控制信号。
[0042]传递元件204可通过变压器Tr形成，如图3所示，其中变压器Tr的初级绕组304的第一接线302可导电地连接至开关元件202的第二接线，例如至场效应晶体管开关FET的源极接线，并且其中变压器Tr的初级绕组304的第二接线306可导电地连接至第二接线210。变压器Tr的次级绕组308可导电地连接至开关单元116、118的可选地提供的整流元件212。整流元件212可以任何期望的传统方式来实现，例如通过全桥电路(例如包括相互连接以形成全桥的四个二极管D1、D2、D3、D4，如图3所示)、或者通过半桥电路。如图所示，传递元件204 (也称为变压器元件204)具有将控制信号的脉冲与DC路径隔离(例如DC隔离)的物体(object)。为此目的，可使用带有或不带有铁氧体磁芯的变压器。位于DC路径中的导体环应具有非常低的电阻以便在正常运行期间实现低功率损耗。为此原因，所述导体环可被选择为非常短并且可具有几平方毫米的高横截面。变压器的相对侧可具有低导体横截面，但是具有非常多匝数(turn) (η > 10)，以便使控制信号的脉冲变换至可用电压电平。
[0043]耦合元件206可例如通过电容器C2来实施。在各个实施例中，电容器C2可具有在大约IOnF至大约10 μ F范围中的电容。
[0044]另外，可以可选地在开关单元116、118中提供保护元件214，所述保护元件可与开关元件202和耦合元件206并联连接。如图3所示，可选保护元件214可通过反向偏置二极管来实现，例如反向偏置齐纳二极管Ζ2。另外，保护元件214还可包括并联连接的欧姆电阻器R3。在各个实施例中，欧姆电阻器R3可具有在从大约500千欧至大约10兆欧的范围中的值。
[0045]另外，可以可选地在开关单元116、118中提供平滑电路312，所述平滑电路可连接在整流元件212和开关元件202的控制输入(例如场效应晶体管FET的栅极接线)之间。另一欧姆电阻器Rl可被连接到平滑电路312和开关元件202的控制输入之间的连接线路中。另外，可提供包括另一电容器Cl、附加的欧姆电阻器R2和另一二极管Zl (例如另一齐纳二极管Zl)的并联电路，作为开关元件202的控制输入和变压器Tr的初级绕组304的第一接线302之间的平滑电路312的部分。在各个实施例中，欧姆电阻器Rl可具有在从大约50欧姆至大约I千欧的范围中的值。另外，另一电容器Cl可具有在从大约500pF至大约50nF的范围中的电容。如图所示，整流元件212将控制信号的脉冲转换为DC电压。为此目的，本身为传统的整流电路(单向、双向或者桥接电路)可用作整流元件212。用于平滑经整流的脉冲的本身为传统的RC电路(图中的平滑电路312)布置在整流元件212的下游，如将在下文中进一步描述的。平滑电容器Cl两端的电压切换开关元件。在各个实施例中，欧姆电阻器R2与平滑电容器Cl并联布置，当控制信号不存在以便关断开关元件202时，所述欧姆电阻器使平滑电容器Cl在预定的短时间段内放电。为了保护开关元件202，限压二极管Zl等可附加地与平滑电容器Cl并联布置。
[0046]如图所示，当开关元件202闭合时(S卩，例如，当场效应晶体管FET导通时)，已通过控制装置120调制到连接线路112上的电控制信号因而被提供作为变压器元件204(例如变压器Tr)的初级绕组中的电流。初级绕组中的电流感生变压器元件204(例如变压器Tr)的次级绕组中的电流。感生电流(其被从连接线路112上的电流DC解耦)通过整流元件212被整流、可能被平滑、以及然后被提供给开关元件202的控制输入，从而开关元件202仍然保持闭合。
[0047]然而，如果相应的电控制信号不再通过控制装置120被调制到连接线路112上，则不再通过变压器元件204在其次级侧感生电流作为交流信号，从而具有足够幅度的电信号不再呈现在变压器元件204的次级侧，并因此不再呈现在相应的开关元件202的控制接线(即，场效应晶体管FET的栅极接线)，例如，由此，开关元件202断开(例如，场效应晶体管FET切换为不导电)。因此，在各个实施例中，所谓的激活信令(active signaling)被控制装置120用于激励(actuate)开关元件202。
[0048]如果现在不存在控制信号的脉冲，则不再整流脉冲，并且，由于所述平滑电容器通过并联连接的欧姆电阻器R2放电，所以平滑电容器Cl两端的电压减小。因此，所有开关元件202彼此独立地、但实质上同时地断开，并且DC路径112中的电流被中断、或者减小到(对人)不危险的值。如果控制信号的脉冲稍后再次呈现，则所述脉冲将仍然不被整流，因为开关元件202仍然断开。
[0049]为此原因，传导控制信号的脉冲经由断开的开关元件202的耦合元件206与开关元件202并联布置。在各个实施例中，为此目的，使用电容器C2 (在下文中也称为耦合电容器C2)。耦合电容器C2应该被设定尺寸(dimension)以使得它传递足够的能量，以便可使平滑电容器Cl被充电以及开关元件202被激励。例如，欧姆电阻器R3与耦合电容器C2并联布置，当开关元件202断开时，所述欧姆电阻器确保存在均匀的电压分布。另外，限压二极管Z2可与耦合电容器C2和开关元件202并联布置，所述限压二极管具有保护开关元件202以防峰值电压的功能，峰值电压由在DC路径中更早断开的开关元件202引起。
[0050]取决于开关单元116、118中的组件的容限，光伏模块串中的开关单元116、118将首先断开。在此开关单元116、118中，总的串电压以及仍流动的串电流在短时间段内施加至开关元件202。根据公式P = U*I，几千瓦的功率损耗可因而在非常短的时间段内出现。
[0051]由于开关单元116、118执行安全功能，所以在可靠性方面的增加的需求应用于开关单元116、118。因此，强大的抑制二极管Z2与相应的开关元件202并联布置，所述抑制二极管的热敏性比开关元件202低得多。
[0052]此外，凭借对很少的分立组件的限制以及通过免除集成电路，实现了增加的可靠性。
[0053]耦合元件206使得能够以与开关元件202并联的(经调制的)AC电压信号的形式传递控制信号，开关元件202被设计为传递DC电压信号。
[0054]保护元件214用于保护开关元件202和/或耦合元件206以防过高的电压。
[0055]单极开关装置因此使得可以实现通过AC电压信号提供相应的光伏模块102、104、106与连接线路112的可选的电隔离的开关，所述AC电压信号已被调制到DC电压信号上，以便将呈现在连接线路112上的电流减小至对人无害的值(例如减小至在从大约2mA到大约IOmA的范围中的值)，并且将呈现在连接线路112上的电压减小至对人无害的值(例如减小至在大约60V至大约120V的范围中的值)。
[0056]电路的特征在于其简单和紧凑，并且因此增加了在发生故障的情况下或在维护期间光伏模块布置的保护机制的可靠性。
[0057]在各个实施例中，可以提供用于利用控制信号中断光伏模块的串联电路中的直流电流的开关单元，所述开关单元包括变压器元件和整流元件以及开关元件。激活的(active)控制信号可具有脉冲序列，并且当控制信号是激活的时，开关单元不能中断直流电流，并且，无效的(inactive)控制信号不可能具有脉冲序列，并且因此当控制信号是无效的时，开关单元能够中断直流电流。
[0058]控制信号可通过变压器元件与DC路径(例如连接线路112) (DC-)隔离，并且可通过整流元件转换为DC电压。
[0059]另外，控制信号可经由DC路径被导引至中断，并且可通过耦合元件绕开(bypass)开关元件。
[0060]作为保护元件的部分的放电元件可与耦合元件并联布置。另外，作为保护元件的部分的限压元件可与耦合元件并联布置。
[0061]当控制信号为激活的时，开关单元可具有几毫欧(<20毫欧)的通态电阻。当控制信号为无效的时，开关单元可具有少于I微安的电流。
[0062]此外，开关单元可被集成在光伏模块的接线盒中(例如在相应的光伏模块的后侧)，或者可形成独立的组件部分，其可被插入到两个光伏模块之间的DC线路中(甚至追溯)。
[0063]如上所述，在各个实施例中，当控制信号不存在(故障安全(failsafe))时，开关单元可中断直流电流。
[0064]另外，当控制信号为激活的时，开关单元可具有非常低的通态电阻，以使得开关单元中的功率损耗低(这可导致低的结构复杂度和高可靠性)。当控制信号为激活的时，开关单元可具有非常低的通态电阻，以使得直流电流被阻碍至低水平(这可导致在效益上的稍微减小)。当控制信号是无效的时，开关单元可具有非常高的通态电阻，以使得剩余电流保持在对人无害的范围中。
[0065]各个实施例的优点可被认为在于开关单元仅包括几个组件(这意味着低生产成本、小空间需求以及高可靠性)。
[0066]在各个实施例中，开关单元还可用于利用循环控制信号熄灭可能呈现在DC路径中的电弧。
[0067]在各个实施例中，提供开关单元用于中断或者减小包括多个光伏模块的串联电路中的所有光伏模块的直流电流，以及用于经由光伏模块的DC线路导引控制信号。
[0068]图4示出依据各个实施例的光伏模块布置100的部分。这部分可与图2和图3所示的实施例独立地或者一起提供。
[0069]如图4所示，在各个配置中，光伏模块布置可包括开关402、404。第一开关402串联连接到第一线路406中，第一线路406对于其部分通过第一接线在第一端导电地连接至包括光伏模块102、104、106的串联电路的输入接线110。第二开关404串联连接到第二线路408中，第二线路408对于其部分通过第二接线在所述第一端导电地连接至包括光伏模块102、104、106的串联电路的输出接线114。在线路406、408的与所述第一端相对的第二端，所述线路导电地连接至逆变器。
[0070]控制器120连接至开关402、404的控制接线，从而控制器120可通过一个或多个开关控制信号断开或者闭合开关402、404，从而，例如，逆变器122可与包括光伏模块102、104,106的串联电路电隔离(当开关402、404断开时)、或者可导电地连接至串联电路(当开关402、404闭合时)。例如，开关402、404可实现为继电器402、404。此外，开关402、404可以实现线路406、408在所有极(pole)的隔离的这样的方式来实现。因此，如图所示，控制单元120调整两条线路406、408在光伏布置100的DC侧的隔离。例如，隔离在此情况下通过继电器402、404而发生。在此情况下，接线的开端(opening)可耦合至所有开关单元116,118的开端。
[0071]图5示出依据各个实施例的光伏模块布置100的部分。这部分可与图2和图3所示的实施例独立地或者一起提供。
[0072]如图5所示，在各个实施例中，控制器120具有控制电路502。控制电路502可以任何期望的逻辑实施方式的形式(换句话说，以任何期望的逻辑电路的形式)实现。因此，例如，控制电路502可以实施为硬接线逻辑，可选地为FPGA (现场可编程门阵列)、或者为专用集成电路(ASIC)、或者为具有任何期望实现的处理器(例如可编程处理器，诸如可编程微处理器)。
[0073]另外，可提供电源504(例如，一个或多个电池、或者使用从AC电压电网124和/或从光伏模块102、104、106提供的能量中的至少一些的电源)，所述电源可导电地连接至控制电路502，以使得例如通过一条或多条供电线路506向所述控制电路供电。在各个实施例中，控制电路502被设计为生成脉冲控制信号(在下文中也称为使能信号)用于控制至少一个开关单元116、118，用来限制包括光伏模块102、104、106的串联电路中的能量流动。控制电路502可例如通过一条或多条连接线路510连接至同样地提供的控制信号传递元件508。因此，脉冲控制信号可被设计为禁用(断开)或激活(闭合)至少一个开关单兀116、118。控制信号传递兀件508可包括第一部分512和与第一部分DC隔离的第二部分514。在各个实施例中，控制信号传递元件508可实现为一个光耦合器、多个光耦合器或者一个或多个变压器(带有或者不带有铁芯)。第一部分512导电地连接至控制电路502。另外，第二部分514导电地连接至用于将控制器连接到至少一条DC电压线路的接线，其中包括光伏模块的串联电路可连接至DC电压线路112。
[0074]在各个实施例中，控制电路502可被设计为通过控制信号传递元件508将使能信号调制到DC电压线路112上。
[0075]另外，控制器120可具有开关单元模拟(simulation)电路516，其在电路方面具有与至少一个开关单元116、118相同的设计。在下文中将更详细描述开关单元模拟电路516和开关单元116、118在电路方面的设计。开关单元模拟电路516例如通过线路518导电地连接至控制信号传递元件508的第二部分514。如图所示，该线路将控制信号传递元件508的第二部分514连接至开关单元模拟电路516的输入。通过输入接收使能信号，并且以与通过相应的开关单元116、118导引使能信号的相同方式，通过开关单元模拟电路516导引使能信号。开关单元模拟电路516的输出被设计为提供输出信号，响应于脉冲控制信号的接收而提供所述输出信号。开关单元模拟电路516的输出还导电地连接至测量装置520，其例如具有电流测量电路或者电压测量电路。测量装置520被设计为测量输出信号，并且，如图所示，因此测量通过例如单极开关单元模拟电路516导引的使能信号。如图所示，这意味着现在可以通过测量装置520确定使能信号的耦合入(coupling-1n)的质量(即，例如衰减或畸变)。因此，如图所示，实现对使能信号(一般对调制到DC线路112上的任何期望的控制信号)的控制器内部耦合入模拟。
[0076]测量装置520对于其部分导电地连接至控制信号传递元件508的第二部分(例如通过另一线路522)，并且被设计为例如以表示测量结果(例如已经通过测量装置520确定的测量值)的测量结果信号的形式编码测量结果，并且通过控制信号传递元件508将此测量结果传递至控制电路502。
[0077]控制电路502接收测量结果信号，评估所述信号、或者从所述信号确定脉冲控制信号在其信号特征方面(例如在其信号频率和/或信号幅度方面)将如何改变，以便改进脉冲控制信号到DC电压线路112上的耦合入。换句话说，控制电路502被设计为使得其取决于输出信号在脉冲控制信号的信号频率和/或信号幅度方面改变脉冲控制信号，从而将到至少一条DC电压线路112上的脉冲控制信号的耦合入被调整为预定参考变量。
[0078]因此，断开系统可被串联集成在光伏布置100中，并且因而可被调节为相应的光伏模块串长度和光伏模块参数。另外，在各个实施例中，提供用于现有的光伏布置(不带有依据各个实施例的控制器)的控制器的改进变型(retrofit variant)。
[0079]换句话说，利用DC隔离将由控制电路502生成的使能信号调制到光伏模块串上。开关单元116、118的电路模拟位于控制单元中，从而仍然可以在控制单元120内通过控制电路502 (更准确地，通过测量装置520)测量在此电路模拟的使能信号的耦合入。在此情况下，可以实现使能信号的尽可能最优的耦合入的这样的方式(如图所示因而形成控制环)，通过控制电路502在使能信号的频率和幅度方面改变使能信号。
[0080]这样，可实现控制信号(例如使能信号)与光伏模块阻抗的信号匹配。
[0081]图6示出依据各个实施例的光伏模块布置100的部分。这部分可与图2和图3所示的实施例独立地或者一起提供。
[0082]可与包括在图5所示的实施例中的组件结合地、或者独立于这些组件中的至少一些(例如独立于上述负载匹配)而提供包括在如图6所示的实施例中的组件。在下面的文本中，与图5中的实施例中的组件相同的那些组件已经被提供了相同的附图标记，并且将不再描述。
[0083]例如，控制器120可具有电压测量电路602，例如电压计602，其连接在两条线路406、408之间并且因而测量由光伏模块102、104、106提供的电位(换句话说，光伏模块串电压)。
[0084]可连续地、或者以预定时间间隔、或者以任何期望的规则或者不规则时间间隔，测量光伏模块串电压。电压测量电路602导电地连接至控制信号传递元件508的第二部分(例如通过线路604)，并且利用DC隔离通过所述控制信号传递元件将所测量的光伏模块串电压传递至控制电路502。控制电路502可被设计为使用接收到的光伏模块串电压值，确定开关单元116、118是应该保持闭合还是应该断开。
[0085]例如，电压测量电路602可被设计为使得通过与控制电路502DC隔离的电压测量电路602执行光伏模块串电压的高电阻测量，作为测量装置的实施方式。例如，光学地(例如通过光耦合器)、或者电感地(inductively)(例如通过变压器)将所测量的光伏模块串电压值(一般为所确定的表示所测量的光伏模块串电压值的测量信号的)传递至控制电路502。
[0086]因而，例如，光伏模块串电压的测量可在由光伏模块串电压充电的电容的放电时间发生。控制和测量值传递可经由光耦合器发生。
[0087]例如，如果控制电路502确定光伏模块串电压值在阈值之上(例如大于50V)，则控制电路502可生成控制信号，并且因此闭合隔离装置开关606以便将同样包含在控制器120中的隔离装置608连接至电源504并且因此激活所述隔离装置。隔离装置608可被设计为切换至少一个开关402、404，从而将至少一个光伏模块与DC电压线路112DC隔离。
[0088]作为可选或者除此之外，控制电路502可被设计为使用接收到的光伏模块串电压值，确定光伏模块是否在该时间产生任何能量。例如，如果光伏模块串电压值下降到预定阈值之下，则控制电路502可被设计为禁用控制器120的一个或多个组件(换句话说，对它们断电(deenergize))并且将它们切换至一个或多个休息状态或者节能状态(可能逐步地)，从而使得消耗较少的能量，在这样的情况下需要由电源504提供所述能量。应注意，例如，控制单元120确实需要电源504以便生成使能信号，并且将此使能信号调制或者施加到DC电压线路112上。
[0089]在高电阻中断的情况下，光伏模块串电压仍然呈现在逆变器122，从而电压测量可永久发生。如果达到定义的限制电压，则控制单元120将光伏模块串再次切换为激活的，如图所示。在各个实施例中，限制电压可在从大约IOV到大约300V的范围中，例如在从大约30V到大约200V的范围中，例如在从大约100V到大约150V的范围中。
[0090]在DC隔离的情况下，例如，在定义的时间之后可中断断开，并且，可对现在再次为激活的光伏模块串再次执行电压测量。
[0091]由于光伏模块串电压的测量，所用一般可以确定光伏布置100的运行状态,从而，例如，识别光伏布置100不产生任何电能的时间段(例如在夜间或者当被雪覆盖时)。在此情况下，例如，可以断开用于信号生成的组件和/或在所有极的隔离的激励器(actuator)。结果，控制器120的总能量消耗显著地减小。
[0092]如上所述，信号测量可同样地用于检测光伏布置100中的电弧。如果特征信号被识别，则控制器120断开例如使能信号的信号生成(在用于激活开关单元116、118的激活信号的情况下)，光伏模块串电压中止(break down)并且电弧被熄灭。
[0093]当重新连接光伏布置100时，可再次对电弧执行测试。如果合适，则控制器120可记录(log)和用信号通知(signal)电弧。对电弧的识别例如通过识别光伏布置100的DC路径(光伏模块串)中的高频组件的电路(例如通过电压测量电路602或者通过测量装置520)而发生。
[0094]作为对此的可选，可提供电弧中断代替电弧识别，作为预防措施。为此目的，例如，在控制器120中循环地实现短断开脉冲。断开脉冲应该足够长以使现有的电弧熄灭并且在毫秒范围中。循环断开脉冲的重复率在秒的范围中。循环断开脉冲的短重复率缩短了电弧燃烧的持续时间，但是以光伏布置100的效益为代价。
[0095]图7示出依据各个实施例的光伏模块布置100的一部分。
[0096]在各个实施例中，如图7所示，图5和图6中的实施例的组件可彼此结合。
[0097]可选地，可提供至少一个用于与外部装置通信的外部通信接口 702。通信接口 702可导电地连接至控制器120。这样，控制器120可响应外部信号或者向外部发送信号。例如，外部信号可来自火警系统或者紧急停止开关或者另一外部装置。也可设想对应于电网的产能利用的远程关断。例如，向外部发送的信号可用信号通知光伏布置100的状态，从而可以使得断开清楚。
[0098]例如，通信接口 502可被设计为利用控制器外部装置接收或发送信号。
[0099]此外，可以实现利用控制器120进行防盗监控。如果光伏模块串被中断，则不可能将信号调制到DC线路112上。调制测量可建立此并且可触发警报。
[0100]在各个实施例中，可提供一个或多个下列理由作为断开理由，即用于禁用开关单元116、118或者用于在所有极隔离DC线路112:
[0101]-AC电网隔离:
[0102]如果控制器120没有电压，则不发生使能信号的信号生成，由此断开开关单元116,118的开关。
[0103]-夜晚时间断开:
[0104]如果光伏模块串电压低于限制电压，则不发生使能信号的信号生成，由此断开开关单元116、118的开关。
[0105]-外部手动切换:
[0106]不发生使能信号的信号生成，由此断开开关单元116、118的开关。
[0107]-外部信号(例如来自火警系统):
[0108]不发生使能信号的信号生成，由此断开开关单元116、118的开关。
[0109]-识别到电弧:
[0110]不发生使能信号的信号生成，由此断开开关单元116、118的开关。因此，电弧衰退(collapse)。在一定量的时间之后，提供重启，并且可以重新检查电弧。
[0111]在下文中，描述开关单元116、118的可能配置。然而，应注意，可容易地提供开关单元116、118的其它配置。
[0112]在各个实施例中，提供用于光伏模块布置的控制器。光伏模块布置可包括:控制电路，用于生成脉冲控制信号，其用于控制至少一个开关单元来限制包括光伏模块的串联电路中的能量流；控制信号传递元件，其包括彼此DC隔离的第一部分和第二部分，其中第一部分导电地连接(换句话说，电连接)至控制电路，并且其中第二部分导电地连接(换句话说，电连接)至用于将控制器连接到至少一条DC电压线路的接线，其中包括光伏模块的串联电路连接至DC电压线路；开关单元模拟电路，其导电地连接至控制信号传递元件的第二部分并且其在电路方面具有与至少一个开关单元相同的设计，其中开关单元模拟电路的输入被设计为接收脉冲控制信号，并且其中开关单元模拟电路的输出被设计为提供输出信号，响应于脉冲控制信号的接收来提供所述输出信号；测量装置，其被设计为测量输出信号；其中控制电路耦合至测量装置并且还被设计以使得依据输出信号以其信号频率和/或其信号幅值的形式改变脉冲控制信号，从而加载在至少一条DC电压线路的脉冲控制信号的内耦合被调节至预定的参考变量。
[0113]如图所示，在发生故障的情况下或者在维护期间，光伏系统可以以其运行在对人无害的范围内的这样的方式运行。因此，例如，至少一条DC线路中的电流的值可减小到大约OmA至大约30mA的范围。另外，例如，至少一条DC线路中的电压的值可减小到从大约OV至大约60V的范围。
[0114]因此，在各个配置中，控制单元可控制连接包括光伏模块(模块串)的串联电路或安排所述串联电路的路线的一个或多个开关单元，以使得由光伏模块产生的电压和/或电流在断开光伏系统的情况下在对人无害的范围内。例如，这可凭借光伏模块被一个或多个开关单元短路或者隔离来实现。
[0115]在隔离独立的光伏模块的情况下，例如，DC隔离可首先由开关单元产生。在另一实施例中，可由高电阻元件划分光伏模块串，以使得虽然总的光伏模块串电压仍然呈现在开关单元，但通过高电阻适配器插头将电流强度减小到不危急的范围，从而可执行维护、安装或者熄灭工作。
[0116]在此情况下，可通过生成被调制到DC电压线路上并且由开关单元识别的信号，发生控制。当呈现信号时，开关闭合并且使光伏系统运行。
[0117]在一个配置中，开关单元模拟电路可为单极开关单元模拟电路。
[0118]在另一配置中，控制器还可具有用于将控制器连接至逆变器的逆变器接线。
[0119]在另一配置中，脉冲控制信号可被设计为禁用或者激活至少一个开关单元。
[0120]在各个实施例中，至少一个开关单元被设计为中断光伏布置中的直流电流。可选地，至少一个开关单元可被设计为将光伏模块短路。
[0121]在另一配置中，控制器还可包括隔离装置，其被设计为切换至少一个开关，来将至少一个光伏模块与DC电压线路DC隔离；其中控制电路还被设计为生成附加的控制信号，来控制隔离装置。
[0122]在另一配置中，隔离装置可被设计为切换至少一个开关来将至少一个光伏模块在所有极与DC电压线路DC隔离。
[0123]在另一配置中，控制器还可包括电压测量装置，其被设计为测量呈现在至少一条DC电压线路上的电压。
[0124]在另一配置中，电压测量装置可被设计用于电压的自由电位(potential-free)测量。
[0125]在另一配置中，控制电路可从电压测量装置DC解耦并且还可被设计为接收表示所测量的电压的值，来使用该值确定光伏模块布置的运行状态，并且取决于所确定的光伏模块布置的运行状态来生成附加的控制信号。
[0126]在另一配置中，控制电路还可被设计为生成附加的控制信号，以使得隔离装置当所测量的电压低于预定阈值时，将至少一个光伏模块与DC电压线路隔离，并且当所测量的电电压高于预定阈值时，导电地将至少一个光伏模块连接至DC电压线路。
[0127]在另一配置中，控制电路还可被设计为使用所测量的信号来确定光伏模块布置中的电弧，以及当确定电弧时生成附加的控制信号，以使得隔离装置将至少一个光伏模块与DC电压线路隔离。
[0128]在另一配置中，控制器还可包括通信接口，其耦合至控制电路并且被设计为利用控制器外部装置接收或发送信号。
[0129]在另一配置中，控制电路的控制器还可被设计为当所测量的电压低于预定阈值时生成警报信号。
[0130]在另一配置中，控制电路的控制器还可被设计为生成控制信号，以使得当接收到外部信号时，隔离装置将至少一个光伏模块与DC电压线路隔离。例如，可通过已经检测到火的火警系统、或者通过例如建立电网过载以及断开光伏模块布置的电网运营商发送外部信号。在各个实施例中，提供光伏模块布置。光伏模块布置可包括多个光伏模块；至少一条DC电压线路，连接到多个光伏模块；以及控制器，其耦合至DC电压线路，如上所述并且将在下文中更详细描述。
[0131]在一个配置中，光伏模块布置还可包括逆变器，其导电地连接至DC电压线路。
[0132]在另一配置中，光伏模块布置还可包括至少一个开关，用于将至少一个光伏模块与DC电压线路隔离。
[0133]在另一配置中，开关可被设计为将至少一个光伏模块在所有极与DC电压线路隔离。
[0134]在各个实施例中，提供用于光伏模块布置的逆变器。逆变器可包括控制器，如上所述并且将在下文中更详细描述。
[0135]在各个实施例中，可提供用于控制中断元件(即，例如一个或多个开关单元)的控制单元，所述控制单元将模块串划分为子段(subsegment)，以使得由光伏系统产生直流电流在对人无害的范围内。
[0136]在各个实施例中，控制单元可具有一个或多个下列属性，换句话说，可在控制单元中实施一个或多个下列属性:
[0137]-在系统的所有极DC隔离的可能性；
[0138]-串电压的测量；
[0139]-夜间断开，用于减小运行成本；
[0140]-将断开系统与各个模块阻抗匹配；
[0141]-通过分析DC电压线路上的信号来识别电弧，并且通过DC电路的中断来中断电弧；
[0142]-防止电弧:通过DC电路的循环短期中断来中断电弧；和/或
[0143]-防盗；
[0144]-向外发送和从外接收以及评估信号；
[0145]-发电机磁场远程断开。
[0146]各个实施例使得能够改进控制信号的耦合入，以控制开关单元来限制包括光伏模块的串联电路中的能量流。[0147]各个实施例使能一个或多个下列功能:
[0148]-将发电机磁场在所有极与逆变器隔离；
[0149]-串电压的测量；
[0150]-电力线上的信号/与串阻抗匹配的信号的测量；
[0151]-检测电弧；和/或
[0152]-节能。
[0153]在各个实施例中，提供用于光伏模块布置的控制器，所述控制器包括:控制电路，用于生成控制信号，用以控制至少一个开关单元来限制包括光伏模块的串联电路中的电流，所述光伏模块连接至DC电压线路；模拟电路，其模拟至少一个开关单元；其中模拟电路接收控制信号并且响应于控制信号而提供输出信号；以及其中控制电路取决于输出信号，在控制信号的信号频率和/或信号幅度方面改变控制信号。
[0154]在一个配置中，控制器还可包括:变压器，其具有彼此DC隔离的第一部分和第二部分，其中第一部分电连接至控制电路，并且其中第二部分电连接至模拟电路。
[0155]在另一配置中，控制电路可被设计为生成脉冲控制信号。
[0156]在另一配置中，模拟电路可包括在电路方面与至少一个开关单元相同的设计。
[0157]在另一配置中，控制器还可包括:隔离装置，其被设计为切换至少一个开关，用于将至少一个光伏模块与DC电压线路DC隔离；其中控制电路还可被设计为控制隔离装置。
[0158]在另一配置中，隔离装置可被设计为将至少一个光伏模块在所有极与DC电压线路DC隔尚。
[0159]在另一配置中，控制器还可包括电压计，用于测量呈现在至少一条DC电压线路上的电压。
[0160]在另一配置中，电压计可执行对电压的自由电位测量。
[0161]在另一配置中，控制电路可从电压计DC解耦并且可使用所测量的电压确定光伏模块布置的运行状态。
[0162]在另一配置中，控制电路可在所测量的电压低于预定阈值时，将至少一个光伏模块与DC电压线路隔离，并且当所测量的电压高于预定阈值时，将至少一个光伏模块导电地连接至DC电压线路。
[0163]在另一配置中，控制电路可使用所测量的电压确定光伏模块布置中的电弧，并且当确定电弧时，将至少一个光伏模块与DC电压线路隔离。
[0164]在另一配置中，控制电路可循环地在段时间段内将至少一个光伏模块与DC电压线路隔离，从而中断电弧。
[0165]在另一配置中，控制器还可包括通信接口，其耦合至控制电路，用于与控制器外部装置通信。
[0166]在另一配置中，控制电路还可当所测量的电压低于预定阈值时生成警报信号。
[0167]在各个实施例中，提供光伏模块布置，所述光伏模块布置包括:多个光伏模块；至少一条DC电压线路，连接至多个光伏模块；以及控制器，耦合至DC电压线路，如上所述。
[0168]在一个配置中，光伏模块布置还可包括至少一个开关，用于将至少一个光伏模块与DC电压线路隔离。
[0169]在另一配置中，开关可被设计为将至少一个光伏模块在所有极与DC电压线路DC隔离。
[0170]在各个实施例中，提供用于光伏模块布置的逆变器，所述逆变器包括控制器，如上所述。
[0171 ] 在各个实施例中，提供单极开关单元，用于通过呈现在至少一条DC线路上的脉冲控制信号来限制包括光伏模块的串联电路中的能量流。开关单元可包括开关元件，其被设计为减小光伏模块的至少一条DC线路中的电流；传递元件，其被设计为耦合出呈现在DC线路上的电控制信号并且仅利用耦合出的控制信号的能量来控制开关元件；以及耦合元件，其与开关元件并联布置并且当开关元件不导通时将控制信号传导通过开关单元。
[0172]可见，在各个实施例中，DC路径在光伏模块串的每个光伏模块或其之间中断。因此，模块电压不能增加以给出可对人造成危险(例如，在发生火灾的情况下)的光伏模块串点。
[0173]因此，在各个实施例中，通过示例提供用于中断包括光伏模块的串联电路中的直流电流的开关单元，其中经由要中断的DC线路导引用于中断DC路径的控制信号。
[0174]在一个配置中，开关元件被设计为将光伏模块的至少一条DC线路中的电流减小至对人无害的值。因而，例如，可以将至少一条DC线路中的电流的值减小到大约2mA至大约IOmA的范围。另外，例如，至少一条DC线路中的电压的值可减小到大约60V至大约120V的范围。
[0175]在另一配置中，开关元件可包括至少一个半导体开关元件，例如一个或多个晶体管，例如一个或多个场效应晶体管。
[0176]在另一配置中，开关单元还可包括整流元件，其连接在传递元件和开关元件的控制接线之间，并且被设计为整流控制信号并在开关元件的控制接线处提供经整流的信号。
[0177]在另一配置中，耦合元件可包括至少一个电容器。
[0178]在另一配置中，开关单元还可包括保护元件，其与开关元件并联布置并且被设计用于电保护开关元件。保护元件可包括一个保护二极管或者多个保护二极管。
[0179]在各个实施例中，提供光伏模块布置，所述光伏模块布置包括多个串联连接的光伏模块以及至少一条用于连接光伏模块的DC线路。另外，光伏模块布置可包括至少一个开关单元，其连接到DC线路中，如上所述并且将在下文中更详细描述。
[0180]在各个实施例中，提供光伏模块，所述光伏模块包括多个光伏电池；用于连接至少两条DC线路的接线盒；以及开关单元，如上所述并且将在下文中更详细描述。开关单元内置到接线盒中。
[0181]虽然已经特别展示并且参考特定实施例描述了本发明，但本领域技术人员应理解，可在其中做出形式和细节上的各种改变，而不背离所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。因此，由所附权利要求书指示本发明的范围，并且所有落入权利要求书的等同含义和范围的改变因而意图被涵盖。
【权利要求】
1.一种单极开关单元，用于通过至少一条DC线路上呈现的脉冲控制信号限制包括光伏模块的串联电路中的能量流，所述开关单元包括: 开关元件，其被设计为减小所述光伏模块的至少一条DC线路中的电流； 传递元件，其被设计为耦合出所述DC线路上呈现的电控制信号并且仅利用所耦合出的控制信号的能量来控制所述开关元件；以及 耦合元件，其与所述开关元件并联布置，并且其当所述开关元件不导通时将所述控制信号传导通过所述开关单元。
2.根据权利要求1所述的单极开关单元， 其中所述开关元件被设计为将所述光伏模块的至少一条DC线路中的电流减小至对人无害的值。
3.根据权利要求1所述的单极开关单元， 其中所述开关元件具有至少一个半导体开关元件。
4.根据权利要求1所述的单极开关单元，还包括: 整流元件，其连接在所述传递元件和所述开关元件的控制接线之间，并且被设计为整流所述控制信号并在所述开关元件 的控制接线处提供经整流的信号。
5.根据权利要求1所述的单极开关单元， 其中所述耦合元件包括至少一个电容器。
6.根据权利要求1所述的单极开关单元，还包括: 保护元件，其与所述开关元件并联连接，并且被设计用于电保护所述开关元件。
7.根据权利要求6所述的单极开关单元， 其中所述保护元件包括保护二极管。
8.一种光伏模块布置，包括: 多个串联连接的光伏模块； 至少一条DC线路，用于连接所述光伏模块； 至少一个开关单元，连接到所述DC线路中，所述至少一个开关单元包括: 开关元件，其被设计为减小所述光伏模块的至少一条DC线路中的电流； 传递元件，其被设计为耦合出呈现在所述DC线路上的电控制信号并且仅利用所耦合出的控制信号的能量控制所述开关元件；以及 耦合元件，其与所述开关元件并联布置，并且其当所述开关元件不导通时将所述控制信号传导通过所述开关单元。
9.根据权利要求8所述的光伏模块布置， 其中所述开关元件被设计为将所述光伏模块的至少一条DC线路中的电流减小至对人无害的值。
10.根据权利要求8所述的光伏模块布置， 其中所述开关元件具有至少一个半导体开关元件。
11.根据权利要求8所述的光伏模块布置，还包括: 整流元件，其连接在所述传递元件和所述开关元件的控制接线之间，并且被设计为整流所述控制信号并在所述开关元件的控制接线处提供经整流的信号。
12.根据权利要求8所述的光伏模块布置，其中所述耦合元件包括至少一个电容器。
13.根据权利要求8所述的光伏模块布置，还包括: 保护元件，其与所述开关元件并联连接，并且被设计用于电保护所述开关元件。
14.根据权利要求13所述的光伏模块布置， 其中所述保护元件包括保护二极管。
15.—种光伏模块,包括: 多个光伏电池； 接线盒，用于连接至少两条DC线路；以及 开关单元，被内置于所述接线盒中，所述开关单元包括: 多个串联连接的光伏模块； 至少一条DC线路，用于连接所述光伏模块； 至少一个开关单元，连接到所述DC线路中，所述至少一个开关单元包括: 开关元件，其被设计为减小所述光伏模块的至少一条DC线路中的电流； 传递元件，其被设计为耦合出呈现在所述DC线路上的电控制信号并且仅利用所耦合出的控制信号的能量控制所述开关元件；以及 耦合元件，其与所述开关元件并联布置，并且其当所述开关元件不导通时将所述控制信号传导通过所述开关单元。
16.根据权利要求15所述的光伏模块， 其中所述开关元件被设计为将所述光伏模块的至少一条DC线路中的电流减小至对人无害的值。
17.根据权利要求16所述的光伏模块， 其中所述开关元件具有至少一个半导体开关元件。
18.根据权利要求16所述的光伏模块，还包括: 整流元件，其连接在所述传递元件和所述开关元件的控制接线之间，并且被设计为整流所述控制信号并在所述开关元件的控制接线处提供经整流的信号。
19.根据权利要求16所述的光伏模块， 其中所述耦合元件包括至少一个电容器。
20.根据权利要求15所述的光伏模块，还包括: 保护元件，其与所述开关元件并联连接，并且被设计用于电保护所述开关元件。
【文档编号】H02J1/10GK103427406SQ201310296427
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年5月22日 优先权日:2012年5月22日
【发明者】O·斯托贝克, M·沃尔夫, M·乔治 申请人:太阳世界创新有限公司