太阳能模块、光伏设备和用于电压限界的方法与流程

本发明涉及一种太阳能模块、一种具有太阳能模块的串联电路的光伏设备(pv设备)以及一种用于在太阳能模块处进行电压限界的方法。

背景技术：

为了借助pv模块成本有利地产生电能，这些pv模块连接成越来越长的串。为了使由于增大的串长度而上升的串电压变得可控制，需要保护所连接的逆变器免遭过电压或不用将逆变器与串断开以进行保护免遭过电压的安全电路。

作为将串与逆变器断开的替代方案，在文献de102010009120a1中提出，如果串电压超过临界值，那么通过开关短接串的部分。由此，剩余的串可以与逆变器继续保持连接，并且光伏设备可以产生能量。然而，通过这种解决方案引起通过提供附加的短路路径并且操控所述短路路径而增加的开销。

但是根据文献wo2015/095414也可以将降低电压的短路器集成到pv模块中，由此避免附加的布线开销。短路器可以在过电压时短接各个部分模块并且因此将在太阳能模块的连接端子处的电压例如降低到全电压的75％。

值得期望的是，连续地设置太阳能模块的电压限界，从而在出现过电压时仅按所需的程度降低电压并且尽可能少地限制太阳能模块的能量产生。

技术实现要素：

因此，本发明的任务是提供用于串的太阳能模块，所述太阳能模块借助保护电路自主地确保在对于能量产生最小损失的情况下保持电压极限，而不需要串的附加的布线开销。

该任务通过独立权利要求1所述的太阳能模块或并列权利要求8所述的光伏设备以及独立权利要求10所述的方法实现。在从属权利要求中描述优选的实施方式。

一方面，本发明涉及一种太阳能模块，该太阳能模块包括太阳能电池的串联电路、开关和操控电路，该开关与串联电路的一个区段并联地布置，该操控电路用于操控开关。操控电路设置用于以占空率(tastgrad)节拍地(getaktet)操控开关，其中，根据在串联电路或串联电路的部分处下降的电压确定占空率。通过节拍地操控，在第一时间区段中降低太阳能模块的电压，并且在第二时间区段中太阳能模块提供不限界的电压。因此，占空率确定第一时间区段的长度和第二时间区段的长度之间的比并且由此确定由太阳能模块提供的电压在时间上的平均值。即使当太阳能模块的电压在两个值之间来回跳跃时，通过在串中使用多个同类的根据本发明的太阳能模块通过叠加电压跃变实现串电压在时间上仅微小地变化。为此优选地，异步地运行太阳能模块的操控电路，以便使开关的开关时刻尽可能均匀地在时间上分布。这例如可以通过如下方式实现：操控电路设置用于改变、尤其在统计学上改变节拍操控的频率。这可以通过用于在操控电路以内产生频率的随机发生器实现。

有利地，串联电路的区段是太阳能电池的整个串联电路，从而可以实现最大可能的电压限界。但是太阳能电池的串联电路的仅一个部分区域也可以形成(例如太阳能模块的三个部分模块中的一个或两个的)区段。

优选地，操控电路设置用于，在打开开关时确定在串联电路的部分上的电压。由此，所测量的电压不受通过闭合开关引起的电压下降的影响，并且测量结果与所使用的占空率无关。

在本发明的一种优选的实施方式中，太阳能模块包括隔离开关，该隔离开关在打开时将串联电路的区段与太阳能模块的连接端电隔离。优选地，该隔离开关布置在串联电路的通过开关跨接的区段的端部处。隔离开关的一个连接端尤其不仅与开关的连接端连接，而且与太阳能模块的连接端连接。隔离开关以另一端部与太阳能电池的串联电路连接。操控电路可以设置用于，与节拍地操控开关共同地节拍地打开隔离开关，其中，在闭合开关前打开隔离开关并且在打开开关后闭合隔离开关。由此，在闭合开关时避免与太阳能电池的串联电路相联的电容的放电。在高的开关频率的情况下，这种放电尤其导致开关的不期望的热负载。

优选地，开关和隔离开关设计为半导体开关(例如igbt或mosfet)并且可以具有固有的或分离的空载二极管。开关的空载二极管相对于太阳能模块的连接端与旁路二极管并联地设置，隔离开关的空载二极管相对于太阳能模块的连接端与旁路二极管反并联地设置。

优选地，操控电路、开关和隔离开关可以安装在太阳能模块的连接盒中。优选地，由太阳能电池的串联电路或该串联电路的部分实现操控电路的能量供给。

在本发明的另一方面，光伏设备具有多个串联连接和/或并联连接的太阳能模块，所述太阳能模块中的至少一部分是根据本发明的太阳能模块。也可以设想仅具有根据本发明的太阳能模块的光伏设备的结构。如果太阳能模块的仅一部分是根据本发明的太阳能模块并且光伏设备具有并联的串，那么将会相等地选择串中的根据本发明的太阳能模块的份额(anteil)，以便避免由于不相等的电压下降而引起的各个串中的反向电流。

此外，根据本发明的光伏设备可以具有逆变器，该逆变器设置用于探测根据本发明的太阳能模块的开关的节拍操控作为在用于多个太阳能模块的连接线路上的频率信号。这种频率信号是关于在光伏设备的部分区域中确定的过电压的指示。逆变器尤其可以设置用于对探测到频率信号作出反应地使多个太阳能模块的工作点移位——例如移位至在连接线路上具有更高的电流或更低的电压的工作点——以便与由太阳能模块确定的过电压起反作用。尤其可以逐步地或连续地降低工作点的电压，直至频率信号消失。

本发明的一个附加的方面涉及一种用于在太阳能模块处进行电压限界的方法，所述太阳能模块具有太阳能电池的串联电路，其中，开关与串联电路的一个区段并联地布置。该方法包括确定在串联电路的部分上的电压并且根据该电压确定占空率，以及以确定的占空率节拍地操控开关。优选地，确定在串联电路的整个区段上的电压，开关与该区段并联连接。为了避免闭合开关对电压确定的影响，在开关打开时确定电压。

有利的是，进一步设置有如此布置的隔离开关：隔离开关在打开时将串联电路的区段与太阳能模块的连接端中的一个电隔离，其中，与节拍地操控开关共同地节拍地打开隔离开关，并且在闭合开关前打开隔离开关并且在打开开关后闭合隔离开关。如已经描述的那样，由此可以通过对串联电路区段的电容的重复放电避免开关的负载。

在一种有利的实施方式中，在所确定的电压低于预给定的电压极限值的情况下，所确定的占空率为零，从而不节拍地运行开关。在电压极限值以上，占空率具有至少5％、优选至少10％的最小值。然后占空率可以随着电压上升进一步提高直至最大值，该最大值可以处于100％，但也可以选择得更低，例如95％。但是在选择100％作为最大值的情况下应该确保并且一同包括以下情况：至少为了确定在串联电路的区段上的电压反复地短时间地打开开关。

为了在光伏设备以内实现小的电压纹波，高的节拍频率是有利的。已经证明，例如2khz的节拍频率已经足够用于在逆变器内通常使用的中间回路电容的情况下实现逆变器的输入电压的低剩余波动。另一方面，尽可能低的节拍频率导致低开关损耗，因为在闭合太阳能模块中的开关时，串的其他太阳能模块的工作点相应于太阳能模块中的电压下降地变化。其他太阳能模块的工作点的变化导致与这些太阳能模块的太阳能电池相关联的发电机电容的循环充电(umladen)并且因此导致额外的功率损耗。通常在200hz至2khz之间的节拍频率的范围内实现这些损耗与剩余的电压纹波之间的折衷。

为了使开关与其他的根据本发明的太阳能模块中的其他开关的开关过程的同时性最小化并且替代地实现开关时刻的尽可能均匀的分布，可以改变、尤其在统计学上改变节拍操控的频率。通过作为操控电路的部分的随机发生器可以实现在统计学上改变频率。

附图说明

以下借助附图阐述本发明，其中：

图1示出太阳能模块的根据本发明的实施；

图2示出太阳能模块的另一根据本发明的实施；

图3示出在根据本发明的太阳能模块中使用的开关的开关过程的时间变化过程；

图4示出用于说明根据电压确定占空率的图；

图5示出使用根据本发明的太阳能模块的光伏设备。

具体实施方式

图1示出一种根据本发明的太阳能模块1，该太阳能模块具有第一连接端15和第二连接端16。在连接端15、16之间布置有太阳能电池10的串联电路，与所述太阳能电池分别逐段地(abschnittsweise)并联连接有旁路二极管11。此外，与太阳能电池10的一个区段(例如构成太阳能模块1的三个部分模块中的一个)并联连接有开关12，当操控单元13闭合(即导电连接)开关12时，该开关跨接太阳能电池10的所述区段。操控电路13设置用于以占空率节拍地操控开关12，其中，根据施加在操控电路13的输入端17处的电压确定占空率。输入端17与太阳能电池10的串联电路如此连接，使得该输入端检测在太阳能电池10的部分上的电压。如在此示出的那样，该部分可以与太阳能电池10的所述区段相同，但是也可以检测太阳能电池10的串联电路的其他部分上的电压，或者甚至可以检测在整个串联电路上的电压。可以在时间上与开关12的节拍相协调地实现检测电压，尤其可以当打开开关12时再实现检测电压。

有利地，操控电路13同样通过输入端17(即由串联电路的以下部分：输入端17与该部分连接)获得运行所需的电能。由此，操控电路不需要其他的能量源。

在图2中所示的根据本发明的太阳能模块1的实施方式与图1中的太阳能模块1的区别首先在于，从现在起开关12与太阳能电池10的整个串联电路并联地布置并且因此跨接整个太阳能模块1。此外，已经通过隔离开关14补充太阳能电池10的串联电路，该隔离开关同样由操控电路13操控。隔离开关14在太阳能电池10的串联电路的由开关12跨接的区段中原则上布置在任意的位置处，在此该隔离开关与太阳能模块1的连接端16直接连接。

在一种优选的实施方式中，隔离开关14与开关12共同地由操控电路13节拍地运行，其中，在闭合开关12前打开隔离开关14并且在打开开关12后再次闭合该隔离开关。因此，隔离开关14在以下整个时间期间打开：在该时间内开关12跨接太阳能电池10的串联电路的区段。这种事实情况在图3中的开关变化过程中示出。上图示出隔离开关14的开关状态的时间变化过程，下图示出开关12的开关状态的时间变化过程。

在以下情况下使用隔离开关14是特别有利的：太阳能电池10的串联电路具有大电容，该电容在闭合开关12时通过该开关放电并且将会导致开关的显著的热负载，这可以通过打开隔离开关14避免。

在图4中示出操控电路13如何由图的横坐标上的在太阳能电池10的串联电路的部分(该部分与操控电路13的输入端17连接)处的电压来确定纵坐标上的要使用的占空率。在电压的第一阈值u1以下占空率是零，也就是说，开关12保持持久地打开并且隔离开关14(如果存在的话)闭合。在达到第一阈值u1时，开关12或隔离开关14以大于或等于最小占空率tgmin的占空率开始节拍地运行。在第一阈值u1以上，根据预给定的特征曲线30选择占空率并且可以上升直至最大占空率tgmax(例如95％)。在图4中示出线性特征曲线30，但是也可以使用其他的特征曲线、尤其单调上升的特征曲线。特征曲线30在第二阈值u2处达到最小占空率tgmin(例如5％)。第二阈值u2小于或等于第一阈值u1。如果在操控电路13的输入端17处的电压低于第二阈值u2，那么再次使用零的占空率，即开关12的节拍运行结束。也能够实现将最小占空率设置等于零或者相应于开关12的最小可能脉冲宽度地选择最小占空率。

图5示出根据本发明的太阳能模块作为光伏设备2的部分的应用。太阳能模块1串联连接为串41，其中，多个串41可以在连接线路之间彼此并联地连接到逆变器40。逆变器40将由串41产生的直流功率转换成用于供给到在电网连接点42处连接的电网中的交流功率。通过使用根据本发明的太阳能模块1由所述太阳能模块独立地限界最大串电压，其方式是：在电压高于第一阈值u1的情况下，根据本发明的太阳能模块1通过节拍地运行开关12或隔离开关14自动地降低其电压。由此能够实现如此延长一个或多个串41的长度，使得所述一个或多个串41的最大理论空载电压(即在没有开关的节拍运行的情况下的空载电压)超过逆变器40的最大输入电压。这是可能的，因为太阳能模块1通过使用本发明防止达到最大空载电压。通过提高串长度能够实现更成本有利的光伏设备2。

附图标记列表

1太阳能模块

2光伏设备

10太阳能电池

11旁路二极管

12开关

13操控电路

14开关

15、16连接端

17输入端

30特征曲线

40逆变器

41串

42电网连接点