专利名称：用于向电网供应来自多个光伏模块串列的电能的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于向电网供应来自于由光伏模块构成的多个串列的电能的设备。连接到该设备的各个串列可以不仅仅包括光伏模块的串联连接或“串列”，而且还可以具有在现场(即在光伏模块的现场或现场附近)组合为并联连接的多个子串列。本发明所涉及的设备的所有部分是本地集中的，即与在相当大的区域上分布的各个串列和子串列(由于它们的作用面的延伸)相比是集中的。该设备的所有部分可以都被包含在一个中央外壳中。但是不必一定是这样的情况。作为一种替代，该设备可以由多个单个模块构成，并且为单个模块提供单个外壳。这些单个外壳也被设置在设备的一个中央位置处，并且这些单个外壳不是供光伏模块的现场组装而使用的。本发明所涉及的设备通常被设计为向AC电网供应电能并且由此该设备包含逆变器。该逆变器可以与升压变换器、降压变换器(DC/DC和/或AC/AC变换器)和变压器以几乎任何方式进行组合，以确保它的输出电压匹配AC电网的电网电压。本发明致力于满足以下需求，即在该串列及其到该设备的供电线的区域中保护各个串列和电能供应设备免于发生故障，尤其是绝缘故障。
背景技术：
关于受让人的被设计为向电网供应来自于由光伏模块构成的多个串列的电能的当前产品，包括温度保险丝，以供多个可连接的串列中的每一个使用，从而防止过流状况。 还包括用于从所有串列流出的电流的中央DC负载断开开关。通过安装在现场的本地监测设备来监测各个子串列的击穿。必须在这些本地设备和中央设备之间提供信号传输通道， 通常称为信号传输线路。在用于记录各个串列的绝缘状态的中央机构检测到绝缘故障的情况下，仅仅可以打开整个设备和/或中央DC负载断开开关。如果不正确极性的串列被连接到已知的设备，则对应的温度保险丝将烧断，这是因为它无法在标准电路布局(circuit layout)中对在它两端下降的双开路电压进行切换。用于向电网供应来自于由光伏模块构成的多个串列的电能的另一设备被称为由 Brigitte Schulz :"PV_Erdung,Technische Beschreibung，，，Siemens-Document SINVERT_ pv field grounding_technical_2009_02-09. doc部分地描述的西门子产品。更特别地，该产品是500kW的逆变器，四个125kW的串列经由分离的负载断开开关和DC接触器连接到该逆变器，使得能够选择性地接通和切断该逆变器。将GFDI提供为用于记录绝缘状态的中央机构。当例如在光伏模块附近某处发生接地故障时，该断路器跳闸。作为响应，该已知的设备将切换到绝缘运行模式以防止大接地电流。在接下来的夜晚，在光伏模块所在的位置执行自动绝缘测量。在故障被识别并且被归因于特定的串列之后，该设备将在接下来的白天返回到接地运行模式，并且用于被该接地故障影响的串列的DC接触器将保持打开。专利申请公开文本US2007/0107767A1公开了一种DC发电机系统以及随之的总体控制装置。DC发电阵列系统由被布置为每个串列具有M个电池(cell)的N个串列的发电电池阵列构成。该系统包含具有N个串列单元以及单个处理单元的总体控制装置。每个串列单元与多个串列中的一个串列相耦合，并且每个串列单元由监测模块和切换模块构成， 该监测模块用于测量通过该串列的串列电流，并且切换模块用于将该串列切换到阵列之中和将该串列切换出阵列之外。处理单元由处理器和数据I/O模块构成，该处理器用于评估串列电流，该数据I/O模块提供对系统的远程监测和控制。该系统还具有提供对系统的本地监测和控制的接口单元。在自动的、远程和/或本地的控制下，该处理器使切换模块将串列耦合到阵列或者将串列与阵列去耦合。每个切换模块被配置为将关联的串列电切换到阵列之中和电切换出阵列之外，并且每个切换模块包括能够将串列与阵列耦合和去耦合 (艮P，实现串列与汇流母线(summing bus)的连接和断开)的开关。在最简单的形式中，该开关可以是仅用于使串列与阵列连接和断开的简单的单极单掷开关或者继电器。专利申请公开文本US2006/0237058A1公开了一种具有功率监测、接地故障检测和通信接口的直流汇流箱。该汇流箱被用于采集来自太阳能电池板或其它能源的直流。该汇流箱整合了对于接地故障检测、电流监测、电压监测和功率监测来说所必需的所有装置。 这些装置包括用于每个太阳能电池板的独立的保险丝、DC电流传感器和受控单掷开关。仍然需要一种用于向电网供应来自于由光伏模块构成的多个串列的电能的设备，当使用该设备时，该设备允许对馈入到电网中的电能进行良率最优化(yield optimization)，同时确保光伏系统总体组装的高运行可靠性和低成本。
发明内容
在一方面中，本发明提供一种用于向电网供应来自于由光伏模块构成的多个串列的电能的设备，该设备包括用于该多个串列中的每一个串列的连接端子以及中央绝缘监测单元，每个连接端子包括过流保护装置，该过流保护装置包括用于将相应的串列进行选择性地断开的电源开关，该中央绝缘监测单元提供全部该多个串列的绝缘状态。这里，每个过流保护装置的电源开关是全极断开电源开关，可以由控制器响应于中央绝缘监测单元提供的绝缘状态经由电机打开和闭合该全极断开电源开关，以便选择具有绝缘故障的串列并且选择性地将具有绝缘故障的串列断开，并且进一步供应来自多个串列中的不具有绝缘故障的其余串列的电能。在其它方面中，本发明提供了根据本发明的设备的使用，其中，与串列一起使用的连接端子的数量至少为30，每个串列具有至少20个子串列。在研究了下面的附图和具体实施方式
之后，本发明的其它特征和优点对于本领域技术人员来说将变得显而易见。如权利要求所限定的那样，这里旨在将所有这样的附加的特征和优点包括在本发明的范围内。
参考下列附图将更好地理解本发明。附图中的部件不是必然按照比例绘制的，相反重点在于清楚地示出本发明的原理。在附图中，类似的附图标记指示在所有多幅图中的相应部分。图1是用于向电网供应来自于由光伏模块构成的多个串列的电能的设备的示意性单线图；以及图2更详细地说明了用于图1的设备的一个串列的一个连接端子。
具体实施例方式在新设备中，在用于每个串列的每个连接端子中提供的过流保护装置包括可以由电机打开和闭合的电源开关。该电源开关保护其各自的串列，并且该电源开关可以被选择性地连接，并且如果在其子串列中的一个的区域内或其到设备的供电线中的一个的区域内存在故障的迹象，则该电源开关可以被选择性地断开。这些故障可以是由用于记录各个串列的绝缘状态的中央机构所指示的故障，或者这些故障可以包含以一些其它方式所检测的故障。优选地，该形式的故障检测将仅仅发生在该新设备自身内。这意味着不是在现场对故障进行检测并且然后将故障传送到设备，而是相反在设备中对故障进行检测以使它们不必被传送到设备。过流保护装置基本上由低成本的电源开关构成，该低成本的电源开关具有有限的承载电流能力，该过流保护装置使得对电流进行分流变得必要，并且由此使电力分布在相当大数量的串列上变得必要，从而每个串列仅供应这些电源开关中的一个电源开关实际上能够承载的电流。这还意味着基于串列数量的来自系统现场的供电线的数量是相当大的。然而，该新设备提供的优点远远胜过这些缺点。如果在串列的区域中发生故障， 则借助其电源开关来断开该串列对于光伏系统的总体性能来说将具有小的影响，这是由于串列的较大数量。因为它们仅旨在承载相对小的电流，所以从单个串列到新设备的供电线并不要求大的横截面，并且由此设计起来便宜且容易安装。此外，当使用该新设备的时候， 通常与承载电流的连接线路平行呈现的通信线路将不再是必需的。更特别地，该新设备的控制器依据中央绝缘监测单元提供的全部多个串列的绝缘状态，经由电机来对各个串列的连接端子中的电源开关进行操作。在该新设备中，当电源开关打开时，每个电源开关将其对应的串列在所有极处断开(即对它们进行完全隔离)。这对于安全消除在串列中的绝缘故障使得它不影响光伏系统的其余部分来说是必需的。根据本发明，对发生的任何绝缘故障即时(即，在光伏模块正在运行的同一天)响应，目的在于选择出引起绝缘故障的串列，并且然后通过经由电机打开其电源开关来断开该串列。为了上述的目的，当隔离故障发生时，控制器可以首先打开所有的电源开关，并且然后选择性地闭合它们以将绝缘故障(中央设备仅能够如此检测该绝缘故障)定位到各个串列中的一个。可以再次逐个地闭合电源开关，或者基于已知的快速选择方法以可变的分组来再次闭合电源开关。依据中央绝缘监测单元是如何被设计的(例如，被设计为GFDI、软接地设备或者用于通过测量绝缘电阻来监测接地故障的设备)，对于新设备的控制器来说，在对所有电源开关进行电机驱动闭合之前对该中央绝缘监测单元进行重置以使其准备检测新的绝缘故障是必需的。这同样适用于当绝缘故障已经被归因于一组串列时的中央绝缘监测单元，这是因为当相关的电源开关被闭合时绝缘故障已经再次发生并且需要对被该故障影响的实际串列进行进一步定位。尤其优选的是，除电源开关之外，用于每个串列的过流保护装置还包括电力传感器。这些电力传感器可以被用于通过监测从各个串列流入设备的电流(特别地考虑到这些电流的组合(grouping))来检测在多个串列中的一个串列的子串列中的电力故障，即使该串列具有相当大数量的并联子串列也是如此。该类型的监测可以例如基于来自个别串列的电流与来自其它串列的电流相比表现如何。在该新设备中，用于执行这样的流程的先决条件是极好的，这是因为大量的串列提供大量的参考值并且使统计学错误的消除非常有效。此外，如果该新设备中的每个电力传感器是对方向敏感的，则能够检测反向电流， 该反向电流反过来指示这里所连接的串列的区域中的故障或者指示该串列与该新设备的连接的相反极性。然而，相反极性故障可以迅速地引起非常大的电流使得电源开关由于其集成的保护功能而打开，电力传感器仅检测引起较小反向电流的其它故障。为了安全地适应相反极性故障，至少针对串列的双开路电压来设计该新设备中的电源开关。这是相当容易实施的，并且消除了与相反极性故障有关的任何烧毁危险。如之前所建议的，优选的是仅仅为新设备中的每个串列提供用于承载电流的连接电缆的连接器(即，没有附加的用于一些通信电缆的连接器)。也不存在与承载电流的连接电缆平行的无线信号传输。该新设备的连接端子的数量通常至少为5，优选地至少为10，更优选地至少为20， 并且最优选地至少为30。因此，新设备是针对与该设备连接的相互平行的数量比较大的单个串列所设计的。该新设备特别适合用于这样的串列，其中每个单个串列具有最少10个子串列，优选具有至少20个子串列，更优选地具有至少30个子串列并且最优选地具有至少50个子串列。如与其它设计相比，当考虑这些子串列在现场不是被逐个监测时，这些是大量的子串列。作为替代，在新设备的使用中，优选的是在现场将串列的所有子串列简单连接在一起。 然而，通常将由单个过流保护设备(即，过流保险丝)来保护每个子串列。现在更详细地参考附图，在附图中，示出了本发明的一个变型，图1说明了一种设备1，该设备1用于向电网4供应来自于由太阳能模块3构成的各个串列2的电能，电网4 在该情况下为AC电网。实际的设备1在图1中由虚线包围，并且实际的设备1可以被封闭在单个外壳中。在任何情况下，设备1的由虚线包围的部件被设置在中央位置，并且不是被本地分布在光伏模块3的现场。每个串列2不仅仅包括串联连接的光伏模块3，而且还包括在现场进行组合的多个子串列5 (各个子串列5由保险丝保护)，从而仅将每个串列2的承载电流的连接电缆6从系统现场路由到设备1。为每个串列2提供到设备1的连接端子 7，在来自所有串列2的电流在共享的母线电缆8合并之前仅将一个串列2连接到该连接端子7。在每个连接端子7中，提供可以经由电机10打开和闭合的电源开关9。电机10由设备1的控制器的分配给相关的连接端子7的模块11来激活。图1并未示出每个电源开关 9还具有集成机构，如果过流超过预先定义的阈值，则该机构自动打开该电源开关9。此外， 在每个连接端子7中提供对方向敏感的电力传感器14。如果该传感器指示了到相关串列2 的相反电流，则控制单元的对应模块11经由电机10打开电源开关9，即使电源开关9的内部过流保护设备还没有被激活也是如此。另外，电力传感器14被完全协调地用于针对在各个子串列5中的故障来监测串列2。为此，对从串列2流出的并且由电力传感器14测量的电流的集合(collective)进行观察和分析。这是在设备1中的控制器的中央模块12中进行的。设备1还具有中央绝缘监测单元15，该中央绝缘监测单元15用于记录在图1中示出的整个光伏系统16(包括串列2)的绝缘状态。该监测单元15可以例如是GFDI、“软接地”设备或者用于通过测量绝缘电阻来监测接地故障的设备。如果监测单元15指示了绝缘故障，则它将向设备1中的控制器的模块13发送通知。作为响应，该模块13可以停止在设备1中的中央逆变器17或者至少影响其操作，直到该绝缘故障被定位。如果绝缘故障发生在多个串列2中的一个串列的区域中，则可以通过首先使控制器11-13打开所有电源开关 9来检测该绝缘故障。这时，中央绝缘监测单元15 (其在为GFDI或软接地设备的情况下必须进行重置)应当不再显示绝缘故障。否则，该故障不在该串列2的区域中，而是在不同的位置。如果绝缘故障不再显示，那么可以通过逐个或成组地选择性地闭合电源开关9来将该故障最终归因于单个串列2。可以通过打开对应的电源开关9来将该串列2 “分出”或断开，并且其余的串列2可以在没有不利影响的情况下继续向电网4供应电能。当光伏系统 16正在运行时，即在来自串列2的电压被施加到设备1时，控制器11-13做出对被故障影响的串列2的选择。设备1可以由此在非常短的时间段内恢复正常运行并且向电网4供应电能。应当使串列2中的故障引起的损失保持较小，尤其是如果相当大数量的串列2每个都经由一个电源开关9并联到设备1。图2包含根据图1的设备1的连接端子7的布局(双线图)，该图清楚地示出电源开关9是如何在所有极处断开串列2 (注意，这里该串列仅以示意性的方式表示)。针对串列2的双开路电压来设计电源开关9，使得它能够在不正确极性的情况下断开与设备1连接的串列2，由此经由电源开关9的触点来施加双开路电压。在基本上不脱离本发明的精神和原理的情况下可以对本发明的优选实施例做出很多变型和改动。这里旨在将所有这样的改动和变型包括在本发明的范围之内，如权利要求所限定的那样。
权利要求
1.一种用于向电网⑷供应来自于由光伏模块⑶构成的多个串列⑵的电能的设备 (1)，所述设备包括-用于所述多个串列O)中的每一个串列O)的连接端子(7)，每个连接端子(7)包括过流保护装置，所述过流保护装置包括用于选择性地断开相应的串列(2)的电源开关(9)， 以及-中央绝缘监测单元(15)，所述中央绝缘监测单元(1 提供全部所述多个串列(2)的绝缘状态；其中，每个过流保护装置的所述电源开关(9)是全极断开电源开关(9)，所述全极断开电源开关(9)能够由控制器(11-13)响应于所述中央绝缘监测单元(15)提供的所述绝缘状态经由电机(10)来打开和闭合，以便选择具有绝缘故障的串列并且选择性地将具有绝缘故障的串列断开，并且进一步供应来自所述多个串列(2)中的不具有绝缘故障的其余串列(2)的电能。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，当所述多个串列⑵的所述光伏模块⑶正在运行时，所述控制器(11-1 选择具有绝缘故障的所述串列0)，并且经由所述电机(10) 将相关联的电源开关(9)打开。
3.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，如果所述绝缘监测单元(1 提供指示所述多个串列O)中的任何串列(2)的绝缘故障的绝缘状态，则所述控制器(11-13)首先打开所有所述过流保护装置的所述电源开关(9)，并且然后选择性地重新闭合所述电源开关 (9)，以便选择任何实际上具有绝缘故障的串列。
4.根据权利要求3所述的设备(1)，其中，所述控制器(11-1 逐个地重新闭合所述电源开关(9)。
5.根据权利要求3所述的设备(1)，其中，所述控制器(11-1 成组地重新闭合所述电源开关(9)。
6.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，每个连接端子(7)的所述过流保护装置包括所述电源开关(9)和电力传感器(14)。
7.根据权利要求6所述的设备(1)，其中，监测设备对所述电力传感器(14)测量的电流进行监测，以指示对应串列O)的子串列(5)的击穿。
8.根据权利要求6所述的设备(1)，其中，所述电力传感器(14)是对方向敏感的。
9.根据权利要求8所述的设备(1)，其中，无论何时所述电力传感器(14)指示相反电流，所述控制器(11-13)都经由所述电机打开相关联的电源开关(9)。
10.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，针对所述串列(2)的开路电压的至少200% 来配置每个电源开关(9)。
11.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，每个连接端子(7)仅包括用于所关联的串列⑵的连接电缆(6)的连接器，所述连接电缆(6)承载所关联的串列(2)的电流。
12.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，所述连接端子(7)的数量至少为5。
13.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，所述连接端子(7)的数量至少为10。
14.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，所述连接端子(7)的数量至少为20。
15.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，所述连接端子(7)的数量至少为30。
16.根据权利要求1所述的设备(1)的使用，其中，每个串列(2)具有至少10个子串列
17.根据权利要求16所述的使用，其中，每个串列⑵具有至少20个子串列(5)。
18.根据权利要求16所述的使用，其中，每个串列⑵具有至少40个子串列(5)。
19.根据权利要求16所述的使用，其中，每个串列⑵具有至少50个子串列(5)。
20.根据权利要求16所述的使用，其中，串列(2)的所有子串列(5)在现场相互连接， 每个子串列(5)经由过流保险丝来保护。
全文摘要
在一种用于向电网(4)供应来自于由光伏模块(3)构成的多个串列(2)的电能的设备(1)中，该设备包括用于多个串列(2)中的每一个串列(2)的连接端子(7)，每个连接端子(7)包括过流保护装置，过流保护装置包括用于选择性地将相应的串列(2)断开的电源开关(9)；以及中央绝缘监测单元(15)，该中央绝缘监测单元(15)提供全部多个串列(2)的绝缘状态；每个过流保护装置的电源开关(9)是全极断开电源开关(9)，可以由控制器(11-13)响应于中央绝缘监测单元(15)提供的绝缘状态经由电机来打开和闭合该全极断开电源开关，以便选择具有绝缘故障的串列并且选择性地断开该具有绝缘故障的串列，并且进一步供应来自多个串列(2)中的没有绝缘故障的其余串列(2)的电能。
文档编号H02J1/10GK102474097SQ201080034251
公开日2012年5月23日 申请日期2010年8月3日 优先权日2009年8月6日
发明者A·法尔克, G·舒尔策, J·戈尔道, J·菲舍尔 申请人:艾思玛太阳能技术股份公司