用于在光伏阵列中进行电压限制的电路、光伏阵列和用于电压限制的方法与流程

本发明涉及一种用于对光伏串进行电压限制的电路、一种具有多个并联串的光伏阵列，这些并联串具有这种电路，本发明还涉及一种用于对光伏串进行电压限制的方法。

背景技术

为了能够经济地构型大型光伏发电设备，期望将尽可能多的太阳能模块串联连接，使得该串联电路——所谓的串——具有非常高的电压。为了不超过所连接的逆变器的允许输入电压范围或不超过相对于地电位的允许模块电压，必须限制这种串的长度，使得即使在极端条件下——尤其在低温和高辐射的情况下，该串的开路电压也不超过最大允许值。

替代地，由现有技术已知，设置如下电路：该电路在超过最大串电压时使模块的一部分断开或短路，以便实现电压下降。在串电压再次充分下降之后，可以再次取消短路或断开。在文献us2013/0049710a1中公开了这种电路的示例，在该电路中，当确认串处于开路状态中时，为了限制电压，借助继电器将串的两个或多个太阳能模块旁路。

此外，文献de102010009120a1例如公开一种并联串的光伏阵列，其中，这些并联串的一部分能够通过短路开关被共同短路，当串超过预给定的电压时，该短路开关被激活。因为串的一部分短路构成了能量产生设备的功率损耗，所以期望能够单个地缩短串，以便仅缩短在当前情况下所需数量的串。然而，在此必须确保：被缩短的串不会由于长的串而被置于反向电流情况中，在该反向电流情况中，在该短的串中，显著超过串额定电流的电流量值在反方向上流动并且可能损坏这些串。

技术实现要素：

因此，本发明的任务是提供用于对串进行电压限制的一种电路或一种方法，该电路或该方法能够分别在串电压超过阈值时将串缩短，其中，如此求取电路的阈值，使得避免破坏性的反向电流情况。此外，本发明的任务是阐明一种具有多个并联串的光伏阵列，该并联串分别具有这种电路，其中，各个串的电路彼此独立工作。

该任务通过独立权利要求1所述的电路或并列权利要求6所述的光伏阵列来解决。此外，该任务通过根据独立权利要求12所述的方法来解决。优选实施方式在从属权利要求中描述。

根据本发明的用于对光伏串进行电压限制的电路——该电路被划分成太阳能模块的串联电路的第一区段和第二区段——包括：第一连接端、第二连接端、第三连接端、旁路开关和断路开关，该第一连接端用于与第一区段的第一端部连接，该第二连接端用于与第二区段的第一端部连接，该第三连接端用于与第二区段的第二端部连接，该旁路开关以一个端部与第一连接端连接并且以另一端部与第三连接端连接，该断路开关以一个端部与第一连接端连接并且以另一端部与第二连接端连接。电路的控制装置用于操控旁路开关和断路开关，其中，该控制装置设置用于，根据在断开状态中在断路开关上下降的开关电压uoc并且在考虑第一区段中的和第二区段中的太阳能模块的数量的情况下，求取第一阈值uul和更小的第二阈值ull，并且将电路的第一连接端与电压输入端之间下降的模块电压us与阈值uul、ull进行比较，以便在模块电压us超过第一阈值uul的情况下将断路开关断开并且将旁路开关闭合，并且在电压us低于第二阈值ull的情况下将旁路开关断开并且将断路开关闭合。

通过根据本发明的电路，可以根据模块电压us将这些区段如此彼此电连接或断开，使得在模块电压足够低以及能够由该模块电压求取的串电压足够低的情况下，可以将第一区段与第二区段串联连接——以下称为长的串状态，而在模块电压如此高以至于区段的串联电路将会导致不期望的高串电压的情况下，第二区段被断开并且被旁路并且因此不对串电压作出贡献——以下称为短的串状态。以这种方式，该电路确保限制串电压，而无需降低能够通过串实现的最大功率。在此，该电路也可以被事后集成到存在的串中，因为在此仅须将该串划分成第一区段和第二区段，并且仅须将电路的连接端与串的相应连接点连接。

有利地，该电路设置用于由模块电压us供给能量,并且因此不依赖于自身的能量源。为此，该电路从第一连接端与电压输入端之间施加的电压汲取用于运行所需的能量。必要时，设置能量存储器——例如电容器、超级电容器或可充电电池，以便即使在所施加的模块电压us不足的时候也给该电路供能。

优选地，断路开关和旁路开关设置成半导体开关——尤其场效应晶体管或双极晶体管、更具体地igbt或mosfet，并且可以是相同类型或不同类型的。可以给开关设置本征的或单独的反并联续流二极管。

基于电路连接端的所设置的连接，只要旁路开关闭合，在断开的断路开关上下降的电压就相应于第二区段的开路电压；或者基于配属于旁路开关的续流二极管，在旁路开关上没有明显的电压下降。因此，断开的断路开关上的电压降的测量能够实现确定太阳能模块或串的开路电压。由该认知可以直接推断出：当第二区段与第一区段断开时或被旁路时，串电压是否超过并且如果可能以何种程度超过第一区段的开路电压，以至于产生反向电流。相应地，可以如此选择第二阈值ull，使得反向电流被避免或者至少被限制在不危险的范围内。

在这一点上应指出，为了求取合适的阈值uul、ull，必须在控制装置中存储：关于第一区段中的太阳能模块的数量和第二区段中的太阳能模块的数量的知识、以及通过其确定模块电压us的太阳能模块的数量。这些值可以被存储为绝对值或相对值。在了解这些值的情况下，可以将模块电压us直接换算成在第一区段上下降的电压或者换算成串电压。

如果断路开关闭合并且第二区段的开路电压无法被确定成在断路开关上下降的电压，则有利的是，在控制装置中设置如下条件：连续或定期检查是否满足该条件。该条件描述了在如下方面检查第二区段的开路电压的必要性：该开路电压是否已经发生变化并且需要执行阈值uul、ull的更新。如果在断路开关闭合时满足该条件，则控制装置执行阈值uul、ull的更新，其方式是：短时地将断路开关断开并且确定在断开的断路开关上下降的开关电压uoc。由所确定的开关电压求取更新的阈值。该条件可以具有：自断路开关的最后闭合以来的预给定时间段的期满。替代地或附加地，该条件也可以具有：模块电压us在当前值与断路开关的最后闭合之后立即确定的值之间的差超过预给定的变化阈值。而且如下条件也是可设想的：该条件取决于自断路开关的最后闭合以来的太阳能模块的温度变化。

在另一方面，光伏阵列包括在第一直流母线与第二直流母线之间并联连接的多个串，这些串分别具有太阳能模块的串联电路的第一区段和第二区段。第一区段和第二区段通过上述根据本发明的电路彼此连接，其中，第一区段的一个端部与第一直流母线连接，并且第一区段的另一端部与该电路的第一连接端连接。同时，第二区段的一个端部与该电路的第二连接端连接，并且第二区段的另一端部与第二直流母线连接。该电路的第三连接端同样与第二区段的另一端部连接，而电压输入端与第一区段的太阳能模块的远离该电路的第一连接端的连接端连接，使得在电路的第一连接端与电压输入端之间下降的电压是第一区段的一部分的电压或整个第一区段的电压，并且该电压能够被确定成模块电压us。为了保持模块电压很低，电压输入端优选可以与第一区段的如下太阳能模块的连接端连接：该太阳能模块以另一连接端与电路的第一连接端直接连接。以这种方式，模块电压us相应于一个太阳能模块的电压。

为了使光伏阵列最佳地匹配于所连接的逆变器的输入电压范围，可以如此选择第一区段的太阳能模块的数量，使得在最低的特定环境温度和最高的特定辐射的情况下，该太阳能模块的开路电压仍保持低于预给定的最大值；并且可以如此选择第二区段的太阳能模块的数量，使得在相同的特定极限条件下，第一区段的串联电路的最大功率点(mpp)电压和第二区段的串联电路的最大功率点电压仍保持低于预给定的最大值。在这种情况下，该最大值相应于逆变器的最大输入电压或相应于光伏阵列的组件的特定最大电压——例如太阳能模块的最大绝缘电压。由此可以实现，即使在开路状态中的特定极端条件下，逆变器也可以与光伏阵列保持连接。优选地，该最大值大于1000伏特、尤其1500伏特并且相应于用于露天场地设备的商用逆变器的通用规格。

第二区段的另一端部可以与第二直流母线直接连接。然而，也可以在另一端部与直流母线之间布置太阳能模块的第三区段，使得能够旁路的第二区段布置在两个无法旁路的区段之间。在确定第一区段的太阳能模块的数量时一并考虑这种第三区段的太阳能模块，使得在下文中不再明确考虑第三区段中的太阳能模块的数量，因为这些太阳能模块被一并算在第一区段内。

在具有多个并联串——这些串受到根据本发明的电路的电压限制——的光伏阵列中，有利的是：确保这些串尽可能不同时地在长状态与短状态之间进行切换。这有助于光伏阵列的电压稳定的运行。这可以通过在并联串的电路中分别存储与其他串不同的偏移来实现，该偏移导致：电路的控制装置在所确定的开关电压uoc相同的情况下求取到不同的阈值uul、ull。因此，即使串之间的温度条件和辐射条件相同，通常也会在串的不同电路中求取到彼此不同的阈值。相应地，实现了串在长状态与短状态之间切换的不同时刻。

根据本发明的用于对光伏串进行电压限制的方法，该光伏串具有第一区段的太阳能模块和第二区段的太阳能模块，其中，旁路开关与第二区段并联布置，并且断路开关与第二区段的太阳能模块串联布置，该方法包括：在断路开关断开并且旁路电路闭合期间，重复确定第一区段内的模块电压us和在断路开关上下降的开关电压uoc。根据开关电压uoc并且在考虑第一区段中的太阳能模块的数量和第二区段中的太阳能模块数量的情况下，确定第一阈值uul和更小的第二阈值ull。为了建立短的串状态，在当前确定的模块电压us超过第一阈值uul时，将旁路开关闭合并且将断路开关断开。为了建立长的串状态，在当前确定的模块电压us低于第二阈值ull时，将旁路开关断开并且将断路开关闭合。以这种方式，该串可以及时地自主切换到短状态中以避免过高的串电压，并且该串可以在串电压充分下降时重新切换到长状态中。该方法尤其可以在不存在(例如与上级控制装置的)通信的情况下工作。

在此，阈值不是固定预给定的，而是灵活地匹配于存在的运行条件——例如存在的温度和辐射。在此，匹配甚至不需要相应的传感器，因为所确定的电压已经包含关于存在的条件的足够信息。然而，不应排除包含例如温度传感器或辐射传感器或用于确定串电流的电流传感器的其他传感器数据，因为这种包含可以进一步改善该方法。也不应该排除如下情况：在确定阈值时考虑在其他串上确定的电压值、尤其在并行实施根据本发明的方法时在那里获得的电压值，尽管由此限制了状态切换的自主性优点。

优选地，在从长状态切换到短状态中时，在将旁路开关闭合之前，首先将断路开关断开。类似地，在从短状态切换到长状态中时，首先将旁路开关断开，然后将断路开关闭合。此外，应该确保：在确定在断路开关上下降的电压之前，断路开关被断开足够的时间，以便使如此确定的电压也构成第二区段的开路电压。因此，在本发明的一种实施例中，在断路开关的切换和旁路开关的切换之间设置1μs的等待时间。在另一实施例中，在确定在断路开关上下降的电压之前，在将断路开关断开之后设置200μs至10ms之间的等待时间。

如果该串长时间地保持在长状态中，则可能有意义的是：执行阈值的重新校准，以便最佳地满足(treffen)切换到短状态的时刻。为此，在串处于长状态中期间，检查重新校准的条件。在满足该条件的情况下，将开关位置短时地切换到短状态中，以便确定在断路开关上下降的开关电压uoc并且由该开关电压求取更新的阈值uul、ull。优选地，同时求取更新的模块电压us并且将其与更新的阈值uul进行比较。如果更新的模块电压us低于更新的阈值uul，则将该串切换回长状态中，否则使该串保持在短状态中。

重新校准的条件可以包括等待时间的期满，在该等待时间内，串处于长状态中。在一种实施例中，使用100秒至30分钟之间的等待时间。应该如此择等待时间，使得存在的运行条件在该时间期间不发生显著变化。

在该方法的一种变型方案中，重新校准的条件包括：模块电压us在当前值与在最后切换到长状态中之后立即的值之间的差超过预给定的变化阈值。因此，通过超过变化阈值，可以探测到存在的运行条件的显著变化。当然也可设想的是：通过与用于重新校准的条件的逻辑关系来将多个部分条件——例如上述两个条件示例——联系起来。

在根据本发明的方法的一种实施方式中，首先求取第一阈值uul，其方式例如是：基于作为函数参数的模块电压us和/或在断路开关上下降的电压uoc与第一阈值之间的函数关系uul＝f(us,uoc)。同样可设想的是，借助值表——必要时借助值表的值之间的插值——来求取第一阈值uul。原则上，可以以类似的方式通过第二函数关系或第二值表来求取第二阈值。然而特别有利的是：仅由已经求取的第一阈值uul来确定第二阈值ull。这种求取还可以基于第三函数关系ull＝g(uul)或第三数值表。

为了避免不期望的大阈值或小阈值，可以分别预给定第一阈值uul和第二阈值ull的允许值范围，其中，在离开相应的允许值范围时，将阈值确定成值范围的相应极限值。

附图说明

以下借助附图示出本发明，其中，

图1示出根据本发明的用于对串进行电压限制的电路；

图2示出根据本发明的具有并联串的光伏阵列，这些并联串具有进行电压限制的电路；

图2a示出另一根据本发明的具有并联串的光伏阵列，这些并联串具有进行电压限制的电路；

图3示出根据本发明的方法的流程图，该方法用于对串进行电压限制；

图4示出根据本发明的光伏阵列的电流/电压特性曲线变化过程。

具体实施方式

图1示出用于与光伏串的区段连接的电路1的结构。电路1的第一连接端13通过断路开关11与电路1的第二连接端14连接，第一连接端上能够连接有光伏串的第一区段的端部，第二连接端上能够连接有串的第二区段的端部。以这种方式，可以通过断路开关11控制第一区段与第二区段之间的电连接。

同时，第一连接端13通过旁路开关12与电路1的第三连接端15连接，该第三连接端能够与串的第二区段的另一端部连接。以这种方式，可以通过旁路开关12将第二区段受控地旁路，使得流过第一区段的电流绕过第二区段传导。以这种方式可以实现，可以如此操控该串，使得该串在断路开关11和旁路开关12的一个开关位置中具有相应于第一区段长度的长度，并且该串在另一开关位置中具有相应于第一区段和第二区段的长度总和的长度。

为了改变串长度，控制装置10可以通过相应的控制线路接通或关断断路开关11和旁路开关12。为了产生接通信号或关断信号，控制装置10具有第一电压输入端17和第二电压输入端18，通过该第一电压输入端和第二电压输入端可以确定在断路开关11上下降的开关电压uoc。在所示的情况中，第一电压输入端17与第一连接端13连接，并且第二电压连接端18与第二连接端14连接。替代地可设想的是，第二电压输入端18也可以与第三连接端15连接，并且因此可以确定在断路开关11和旁路开关12上共同下降的电压。

当如上所述连接串区段时，如果断路开关11断开，则断路开关11上的电压降是第二区段的开路电压。此外，控制装置10与第三电压输入端16连接，该第三电压输入端与第一区段的太阳能模块之间的连接点连接，使得第三电压输入端16与第一电压输入端17之间的电压降是串的第一区段的模块电压us，并且该模块电压能够被确定。优选地，将第三电压输入端16与串的第一区段的与电路1直接连接的太阳能模块的远离第一连接端13的端部连接，使得模块电压us是该太阳能模块的当前电压。替代地，当然也可设想的是：将第三电压输入端16与第一区段21的太阳能模块的串联电路的另一位置连接，以便以这种方式确定多个太阳能模块上的电压或甚至整个第一区段21上的电压。

图2示出具有多个并联连接的串20的光伏阵列2，这些串分别具有根据本发明的电路1。串20的太阳能模块的串联电路的第一区段21以一个端部连接到电路1的第一连接端13上并且以另一端部连接到正直流母线dc+上。电路1的第三电压输入端16连接到太阳能模块24的远离第一连接端13的端部上，以便电路1可以确定太阳能模块24上的模块电压。在电路1的第二连接端14上连接有串20的太阳能模块的串联电路的第二区段22的一个端部，而该第二区段的另一端部与负直流母线dc-连接。电路1的第三连接端15也与负直流母线dc-连接。

图2a中的光伏阵列2与图2中的光伏阵列的不同之处在于：设置太阳能模块的未被旁路的第三区段23，该第三区段布置在第二区段22与负直流母线dc-之间。在这种布置中，电路1也可用于限制电压。

在图3中示出根据本发明的方法的流程图，该方法用于降低光伏串的电压。在该方法开始时，根据步骤30，串处于长状态中，也就是说，第一区段与第二区段彼此串联连接。如果需要，通过断开旁路开关12和闭合断路开关11来将串置于长状态中。在该状态中，在步骤31中检查是否满足重新校准阈值的条件。在说明书的后续段落中还会再次提及这些条件和在满足这些条件时所采取的步骤。接下来在步骤32中确定模块电压us，其中，必要时通过对多个测量求平均值或通过低通滤波来将高频分量从测量结果中去除。即使如果仅在第一区段的一部分上确定模块电压us，或者甚至仅在第一区段的单个太阳能模块上确定模块电压us，在下文中为了简化表示也可以认为，模块电压us涉及第一区段的总电压。必要时，确定的值设有合适的比例因子，该比例因子考虑第一区段中的和第二区段中的太阳能模块的数量。在步骤33中，将模块电压us的确定值与当前的第一阈值uul进行比较。如果模块电压us小于第一阈值uul，则返回步骤31。

然而，如果模块电压us超过第一阈值uul，则在步骤34中建立短的串状态，其方式是：将旁路开关闭合并且将断路开关断开。接下来，在步骤35中确定在断路开关上下降的开关电压uoc，该开关电压是太阳能模块的开路电压的量度并且基本上与第二区段的开路电压一致。在步骤36中，由如此确定的开关电压uoc求取当前的第一阈值uul和更小的第二阈值ull。在这种求取时，一并考虑第一区段的太阳能模块的数量和第二区段的太阳能模块数量。

在一种实施方式中，为了求取阈值使用以下公式：

在此，n是第一区段中的太阳能模块的数量，并且m是第二区段中的太阳能模块的数量。可以通过查找表来定义函数f1和f2例如。然而，也可设想的是：将一个或两个函数f1、f2设置成开路电压uoc的线性函数。旨在与此独立地如此设计函数f1，使得阈值uul尽可能高但仍然如此低，从而串的第一区段在转换到短状态中时，不会由于所施加的电压而经受有害的大反向电流。有利地，如此选择阈值uul，使得不产生反向电流或者确保：反向电流小于太阳能模块的额定电流。此外，建议给阈值uul、ull设置上限值和/或下限值，这些极限值定义了阈值不应离开的值范围。

如果期望即使在相同的温度条件和辐射条件下，也不在相同时刻在串之间切换并联串中的电压限制电路，则有利的是设置如下偏移值：该偏移值在并联串之间被选择成不同的，该偏移值例如被确定成随机数。该偏移值可以被加到根据上述公式确定的阈值上。

返回到根据本发明的方法的进一步描述，在步骤37中，在求取到更新的阈值uul、ull之后，再次确定模块电压us，其中，所确定的模块电压从现在起仅涉及串的第一区段的电压。将如此确定的模块电压us与第二阈值ull进行比较。如果模块电压us超过第二阈值ull，则返回到步骤35中，并且将串保持在短状态中。否则，分支到步骤30并且重新将串置于长状态中。

因为在长的串状态中无法将开路电压确定成断路开关上下降的开关电压uoc，所以在上述步骤31中检查：是否满足重新校准阈值的条件。该条件可以包括：自最后求取更新的阈值以来的定时器期满。然而，该条件也可以包括模块电压的变化标准。例如可以检查：与在最后切换到长状态中时确定的模块电压相比，当前的模块电压是否已经改变了预给定的百分比或预给定的绝对量值。显然，也能够想到多个条件的逻辑关系——尤其“或关系(oder-verknüpfung)”。

只要满足步骤31中的条件，则在步骤40中将串置于短状态中，从而在步骤41中确定在断路开关上下降的开关电压uoc，并且由此在步骤42中求取当前阈值uul、ull。此后，在步骤43中立即将串重新置于长状态中，并且该方法继续进行到步骤32。可以以类似于步骤34的方式实施步骤40，以类似于步骤35的方式实施步骤41，以类似于步骤36的方式实施步骤42并且以类似于步骤30的方式实施步骤43。

在图4中示出具有五个并联连接的串的光伏阵列的示例性特性曲线，这些串分别具有根据本发明的用于限制电压的电路，并且同时示出根据本发明的方法的工作方式。在横轴上示出并联连接的串的电压，在纵轴上示出串电流的总和。该特性曲线涉及第一区段中的32个太阳能模块的串配置以及第二区段中的4个太阳能模块的串配置，这些太阳能模块分别具有46.1v的开路电压和8.33a的短路电流。以1000w/m²的辐射和10℃的电池温度为基础。这导致在最大功率点电压是1296v时，串的最大功率点功率是9927w。

在低串电压作为输出电压时——在此小于1300v，光伏电场的所有串都处于长状态中。随着电压的增大，所示的特性曲线呈现出直至1430v的电压uul,1的上部变化过程45。在该电压情况下，第一串被转换到短状态中，由此产生负的电流梯度。在电压继续上升的情况下，每上升10v(参见电压值uul,2...5情况下的电流跳变)分别将另一串转换到短状态中，直到电压高于1470v时，所有串都处于短状态中。因此，确保光伏阵列即使在开路中也不会超过1475v的电压，使得即使在这种情况下，尽管第一区段和第二区段的所有太阳能模块的开路电压是1660v(＝36*46.1v)，具有1500v的最大允许输入电压的逆变器也可以与光伏阵列安全地保持连接，。

如果串电压从1475v的开路电压开始下降，则该特性曲线呈现出下部变化过程46，在该变化过程中，所有串直到1340v的电压ull,5都处于短状态中。在该电压情况下，在电压每10v地持续下降时(参见另外的电压跳变ull,1...4)，分别将串中的一个重新转换到长状态中，使得产生五个正电压梯度，直到特性曲线在电压1300v时重新到达上部变化过程45。

在此，电压梯度的位置无须被设计成等距的——甚至无须固定地预给定。在一种实施方式中，例如基于以上描述的方法，每个串在其用于电压限制的电路内部独立于其他串地求取自身的阈值。然而有利的是：电压范围48(在其中将串连续置于短状态中)与电压范围47(在其中将串连续重新置于长状态中)分开。此外有利的是：将所有第一阈值uul,1..5选择得小于所连接的转换器——尤其逆变器——的最大允许输入电压。同样有利的是：在给定条件下将所有第二阈值ull,1..5选择得大于最大功率点电压，从而确保：当光伏阵列处于mmp中时，所有的串都处于长状态中。由此，通过根据本发明的方法或根据本发明的用于限制电压的电路避免了功率损耗。

附图标记列表

1电路

2光伏阵列

10控制装置

11断路开关

12旁路开关

13连接端

14连接端

15连接端

16电压输入端

17电压输入端

18电压输入端

20串

21区段

22区段

23区段

24太阳能模块

30-43步骤

45变化过程

46变化过程

47、48电压范围