用于光伏装置的安全设备的制作方法

发明的技术领域

本发明涉及光伏装置和太阳能发电厂的技术领域，并且特别涉及适用于在紧急情况下安全地使太阳能电池板断电的安全设备的技术领域。

现有技术

光伏装置适于通过将太阳辐射直接转换成电而产生电能。典型的光伏装置包括多个太阳能模块，通过串联和/或并联连接组合多个太阳能模块，以形成太阳能电池板，该太阳能电池板适于提供所需量的电力、电压和电流。

太阳能电池板正被安装在私人住宅和公共建筑的屋顶上，在此太阳能电池板被阳光照射并为私人住宅和公共设施提供额外的能源。所述太阳能电池板通常被连接到适于将所述太阳能电池板的dc输出电力转换成与电网要求兼容的ac电力的电力逆变器，该ac电力用于向私人住宅、工厂、公共设施供电以及向公用事业公司发送多余的电力，从而在并网逆变器的情况下，将多余的能量存储在电网中。

为了优化包括太阳能电池板和相关电力逆变器的光伏发电机的运行并提高其整体效率，太阳能电池板的输出电压被选择为高：600vdc和1000vdc是目前大多数可用太阳能电池板的典型输出dc电压。

最近在太阳能模块生产中使用的新技术将很快允许达到更高的输出dc电压和更高的整体效率。

这样的高电压对于操作者来说可能是危险的，并因此他们与安全相关。

例如，在安装光伏发电机的场所发生火灾的情况下，消防部门必须确保光伏装置已经完全断电，以防止当部署灭火剂时由触电或电弧引起的伤害和事故，并保证控制火灾时所雇佣的操作者的安全。

在光伏装置发生自然灾害或需要维护的情况下也会发生相同的情况：在允许操作者在太阳能电池板或相关逆变器上工作以进行必要的维护操作之前，装置必须完全断电。

太阳能电池板不能轻易地与其所属的光伏装置断开连接，并因此由于其输出端的可能致命的高电压，太阳能电池板对操作者构成特定的危险。

由于上述原因，太阳能电池板通常设置有安全设备，安全设备适于通过将所述太阳能电池板从下游逆变器断开连接和/或将无负载的太阳能电池板的输出电压降低到安全电平来在短时间内有效地使光伏装置断电。

现有技术中的所述安全设备的典型实现包括多个机电设备(接触器或继电器)，并且适于通过断开串联连接来将太阳能电池板从逆变器断开连接。

此外，所述安全设备可以包括用于连接泄露电阻器的附加触点，泄露电阻器适于对逆变器输入电容进行放电，逆变器输入电容在使得安全设备接触器已经切换为打开且将太阳能电池板从逆变器断开连接之后仍可被充电。所述泄露电阻器通常选择为高欧姆值，并且仅在所述安全设备接触器已切换为打开之后才被连接在逆变器输入线路两端。

德国专利申请de102005018173a1公开了一种用于光伏装置的适于手动或自动操作的安全设备，该设备配备有旁路，以使光伏装置短路。高短路电流可以流过旁路，因此，安全设备必须被度量以能够承受这些电流。此外，专利申请de102005018173a1中公开的安全设备以大于10a的电流工作，并因此需要适当的散热装置，这使设备的结构更加复杂和昂贵。

德国实用新型de202006007613u1公开了一种用于光伏装置的防火设备，其适用于在紧急情况下中断到逆变器的每条供电线路。断开后，太阳能电池板端子之间可能仍然存在危险电压。

美国专利申请号us20100326809a1公开了一种用于太阳能装置的安全开关装置，其特征在于，位于太阳能电池板的两个连接件和馈送线的上游之间的旁路，并且该旁路具有至少一个切换机构以闭合接触点，从而在两个馈送线中的每一个中布置用于打开接触点的至少一个附加的切换机构。在us20100326809a1中描述的实施例中，逆变器的输入电容的放电电流可以减少切换机构的触点的寿命并损害开关机构的触点的操作。

为了克服现有技术的系统的缺点，本发明公开了一种用于光伏装置的改进的安全设备，其适于在预定时间内将太阳能电池板的dc导体两端之间的电压和所述dc导体与地之间的电压降到安全电平以下。

通过在dc导体两端之间的合适的负载阻抗的插入来实现根据本发明的太阳能电池板的dc导体两端之间的电压的降低。所述负载阻抗必须足够低以迫使电压在预定时间内降到安全电平以下，并且足够高以限制连接设备上的插入电流，从而防止对所述连接设备的电气损坏。

太阳能电池板的dc导体之间的所述阻抗的连接可以由一个或多个开关实现，该一个或多个开关各自具有被串联连接的不同阻抗，从而实现最小的功率损耗和开关尺寸的优化。此外，根据本发明的实施例，所述阻抗可以在预定时间间隔期间作为时间和/或温度的函数而改变。根据本发明的另一实施例，适于将阻抗连接到太阳能电池板的切换设备可以通过机电开关或固态开关实现。根据本发明的另一实施例，根据本发明的设备的内部电路的辅助电源被使得根据本发明的设备适于在紧急情况下降低到安全电平以下的dc电压所激励。

本发明的其他特征和优点将在以下参考附图中的图的非限制性实施例的描述中变得明显，附图是示意性的并且示出了适于根据在实践中的不同的电路解决方案的硬件结构来实现的功能块。详细地：

图1示出了本发明的第一优选实施例的第一原理图。

图2示出了本发明的第一优选实施例的第二原理图。

图3示出了本发明的第二优选实施例，其中开关模块包括一对开关。

图4示出了本发明的第三优选实施例的第一原理图。

图5示出了本发明的第三优选实施例的第二原理图。

图6示出了本发明的第四优选实施例，其中开关模块的其中一个包括一对开关。

发明的详细描述

根据本发明的设备适于通过在所述光伏装置的太阳能电池板的输出端子两端之间放置低阻抗旁路来安全地切断光伏装置。在一个实施例中，根据本发明的设备还适于将所述太阳能电池板的每个输出端子和地之间的电容放电。

参考附图1和图2，根据本发明的设备10适于连接在太阳能电池板20的输出端和下游逆变器30的输入端之间，所述太阳能电池板包括一个或多个太阳能模块20a-20n。

具体地，根据本发明的设备10在其最简单的实施例中包括：

第一端子11，其适于连接到太阳能电池板20的第一输出端子21；

第二端子12，其适于连接到所述太阳能电池板20的第二输出端子22；以及

第一开关模块15，其被连接在所述第一端子11和所述第二端子12之间，所述第一开关模块15包括串联连接的至少第一可控开关16和至少第一阻抗17；

控制模块29，其适于读取控制信号27并相应地驱动所述第一可控开关16的操作；

电源装置，其适于向所述控制模块29供电。

作为非限制性示例，所述可控开关可以是诸如继电器开关的机电开关或类似mosfet或igbt的半导体开关。

所述控制模块29适于接收至少控制信号27，并包括适合的装置以根据通过所述控制信号27接收到的命令来驱动所述可控开关16。在本发明的优选实施例中，所述控制模块29可以适当地与所述逆变器30的控制器相关联，并且逆变器30的控制器的设置可以在-由于紧急情况或在正常运行过程中-关闭逆变器之后例如根据本发明操作设备以使光伏装置对于检查和维护是安全的。

在其他实施例中，所述控制模块29可以直接通过逆变器30的用户界面来操作，并且通常可以适于从自动或用户操作的外部控制设备接收控制信号27和通过无线电通信或通过有线通信(例如，电力线通信)或两者的组合远程地接收控制信号27。

此外，可以提供适于在紧急情况下由用户手动操作的外部紧急停止按钮。作为示例，如果所述控制信号27是来自所述逆变器30的控制器的+24vdc线且当所述控制信号下降到0vdc时检测到紧急情况，则可以添加外部紧急停止按钮，该按钮适于在紧急情况下由用户手动操作以中断来自逆变器30的控制信号27线或者通过并联连接的方式使得所述控制信号27短路。

根据本发明的设备10的操作模式如下：当所述控制模块29通过感测所述控制信号27来检测紧急情况并因此光伏装置必须被完全断电时，所述控制模块29驱动所述第一开关模块15，以关闭所述第一开关16并使太阳能电池板20的输出端子短路。太阳能电池板20的输出端子之间的短路将被保持至紧急情况结束。

在优选实施例中，适于向根据本发明的安全设备的控制模块29提供电力的所述电源装置包括电源，其又适于直接从太阳能电池板输出电压本身获取其电源,该输出电压为根据本发明的设备适于在紧急情况下降低到低于安全电平的dc电压。

在该优选实施例中，根据本发明的设备10适于在太阳能电池板20的输出端子处周期性地释放短路。通过这样做，允许太阳能电池板20的输出端子处的电压再次上升，以便保持所述电源接通，并且因此使控制模块29保持工作。

为了实现上述特征，可以根据本领域熟知的技术设计所述控制模块29的所述电源，该电源具有输入电压滞后，选择大于关闭阈值的接通阈值，并选择两个阈值低于紧急情况下在太阳能电池板的输出端子处要保证的所需电压安全电平。

可选地，所述控制模块29的所述电源可以适于根据预定的时间间隔周期性地关闭和接通。

所述控制模块29可以在输入电压侧与控制信号27侧之间具有电流隔离，即在太阳能电池板侧与逆变器侧之间具有电流隔离，以便与逆变器的控制模块的连接兼容。在这种情况下，可以通过类似于直接从所述太阳能电池板输出电压获取所述控制模块29的太阳能电池板侧的电源的方式直接从所述控制信号27获取其电源来实现所述控制模块29的逆变器侧的自供电特征。所述控制模块29的逆变器侧的自供电特征将有利地具有输入电压滞后，以最小化接通和关闭之间的间断(hick-up)频率。

根据本发明，所述第一阻抗17的特征在于一个值，该值足够低使得太阳能电池板输出电压在预定时间内下降到预定电平以下，并且同时足够高以限制设备的开关16上的浪涌电流。限制所述浪涌电流防止对所述开关16的损坏，延长其使用寿命并允许使用具有较低额定电流的开关。

因此，所述第一阻抗17的主要设计约束是紧急情况下太阳能电池板的输出端处的安全电压、在紧急情况开始之后太阳能电池板的输出端处的电压达到安全值所需的时间以及在设备的开关16上可允许的最大浪涌电流。

作为非限制性示例，考虑到最大可允许太阳能电池板电压vlim和太阳能电池板的短路电流imax，则所述第一阻抗17应该小于或等于vlim/imax。另一方面，如果vmax是太阳能电池板的开路输出电压，isw_max是所述第一开关16的可允许的最大峰值电流，则所述第一阻抗17应当大于或等于vmax/isw_max。如果太阳能电池板的额定值为300v(标称输出电压)和10a(短路电流)，且其安全输出电压被要求为30v，而由特征在于峰值最大电流为200a的功率mosfet实现所述第一开关，那么所述第一阻抗应该小于或等于30v/10a＝3欧姆，并且大于或等于300v/200a＝1.5欧姆。

有利地，所述第一阻抗17可随时间和/或温度而变化，并且可以包括至少一个pct(正温度系数电阻器)和/或至少一个ntc(负温度系数电阻器)。

此外，所述第一阻抗17可以是电阻性的，或者可以包括无功分量，这取决于所述阻抗应该处理的电压和电流。

作为示例，当所述太阳能电池板20的输出电压低并且相关的输出电流高时，优选无功阻抗。当所述太阳能电池板20的输出电压高且相关的输出电流低时，优选电阻性阻抗。

在优选实施例中，所述第一阻抗17可以包括一个或多个级和适于插入所述级或使所述级短路的合适的旁路装置。可以有利地彼此独立地和/或依次插入所述级或使得所述级短路。这允许根据装置特性和需求来改变所述阻抗值。

附图3示出了本发明的优选实施例，其中所述第一开关模块15包括第一开关16和另外的开关23。第一开关16被串联连接到包括固定或可变电阻器24(例如，ptc或ntc)的第一阻抗17，第一阻抗17又被串联连接到电感器25。此外，缓冲二极管26优选地被并联连接到所述第一阻抗17，以便在关闭时限制在第一开关16两端之间的电压尖峰。

所述另外的开关23被连接在所述太阳能电池板20的所述第一输出端子21(或所述第二输出端子22)与所述可变电阻器24和所述电感器25之间的中点之间，并且所述另外的开关23适于当需要时绕过所述可变电阻器，以便最小化功率损耗和可能会损害设备的使用寿命的电路的过热。

图3所示的实施例的操作如下：所述第一开关16是首先接通，并且与电阻器24协作使得太阳能电池板20的输出电压降低到所要求的安全电平以下。然后，为了阻止电阻器24上的功率损耗，所述另外的开关23接通，以便绕过所述电阻器24。被串联连接到所述另外的开关23的电感器25适于限制开关23的浪涌开关电流。所述电感器25优选地具有低电阻的特征，以便将欧姆功率损耗保持在非常低的水平。

参考附图4、5和6，根据本发明的设备10的另一实施例还包括：

第三端子13，其适于连接到接地端子14；

第二开关模块18，其被连接在所述太阳能电池板20的第一输出端子21和地之间，所述第二开关模块18包括被串联连接的第二开关19和第二阻抗28。

所述第二开关模块18适于对在太阳能电池板20端子和接地之间的寄生电容进行放电，该寄生电容仍可在已使得太阳能电池板20端子短路之后充电。所述第二阻抗28的值优选地被选择为适于在比通常为10秒的最大可允许放电时间小得多的时间内使所述寄生电容放电。

根据本发明的设备可作为独立设备制造，或者可集成到太阳能电池板或逆变器中。

在独立设备的情况下，正确的安装位置在要被控制的危险电压附近。优选地不具有可能会导致寄生电感的长的连接电缆，寄生电感可能会损害设备本身的正确操作。

此外，为了能够改造现有的光伏装置，根据本发明的设备可以有利地设置有用于光伏应用的快插式标准连接器，并设置有适于将太阳能电池板上游连接到光伏逆变器下游的电连接。

根据本发明的设备的壳体可以设置有设备状态的外部启用/待机(enablingon/stand-by)开关和相关联的视觉指示器(例如，由至少简单的led制成)。