CN104137268B - 光伏发电机的光伏模块的对地过电压保护 - Google Patents

光伏发电机的光伏模块的对地过电压保护 Download PDF

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Abstract

为了在出现接地故障时保护至少一个光伏发电机(1)不受引起的、超过绝缘测定电压的对地过电压的损害，所述光伏发电机具有大于所述光伏发电机的光伏模块的绝缘测定电压的空载电压并且所述光伏发电机通过逆变器(3)与交流电网(6)连接，在所述接地故障的出现或所引起的过电压的出现方面监视所述光伏发电机(1)，并且在出现所述接地故障或所引起的过电压时，首先将所述光伏发电机(1)与所述逆变器(3)的输入侧的中间回路电容(4)分离，然后使所述逆变器(3)的输入侧的中间回路电容(4)通过电阻(R1)放电，然后永久闭合所述逆变器(3)的逆变器桥(5)的半导体开关(V1至V6)并且使所述光电发电机(1)再次与所述逆变器(3)的输入侧的中间回路电容(4)连接，以便使所述光伏发电机(1)短路。

Description

光伏发电机的光伏模块的对地过电压保护
技术领域
本发明涉及一种用于在出现接地故障时保护光伏发电机不受所引起的、超过绝缘测定电压的对地过电压损害的方法，所述光伏发电机具有大于其光伏模块的绝缘测定电压的空载电压并且所述光伏发电机通过逆变器与交流电网连接，其中所述方法具有独立权利要求1的前序部分的特征。
背景技术
光伏发电机通常具有至少一个、通常多个并联的链(String)，所述链通常由串联的光伏模块组成。
如果在没有接地参考的情况下运行对地绝缘的光伏发电机，则***电压——即在光伏发电机到逆变器的连接端之间施加的电压对地对称地分配。在光伏发电机的光伏模块上出现的最大对地电压则是***电压的一半。
根据逆变器的结构(例如在逆变器的范围内的电流分离时或者在使用电流分离的变压器时)能够实现使光伏发电机的一个点直接接地或者借助适合的装置间接地预给定所述点的对地电压——即其电势。因此例如可以将光伏发电机的中点接地，以便对地对称地分配***电压。或者，使光伏发电机到逆变器的正连接端或负连接端接地，以便使其所有光伏模块保持在负电势或者正电势上，这对于确定的光伏模块的使用寿命是有利的，或者，非对称地预给定中点或正连接端或负连接端的对地电势，参见DE202006008936U1。然而在光伏发电机或其到逆变器的连接端的范围内的接地故障时，应立即消除所述接地参考以避免大的接地电流。
当在对地绝缘地运行的或由于接地故障有针对性地与地分离的光伏发电机处出现接地故障时，存在以下危险：光伏发电机的部件对地增大到完全***电压。当***电压超过光伏发电机的光伏模块的绝缘测定电压时，这是紧急的。绝缘测定电压是光伏发电机的光伏模块和地之间允许最大施加的电压的量值，因为光伏模块对于超出的电压不具有足够的绝缘保护和/或因为根据需遵守的安全规定通常不允许超过光伏发电机上的绝缘测定电压。
因为在运行光伏发电机时***电压不超过其空载电压，所以仅仅当光伏发电机具有比其光伏模块的绝缘测定电压更大的空载电压时，才存在超过其光伏模块的绝缘测定电压的过电压的危险。但事实上相反，在每一个光伏发电机中存在其空载电压超过其光伏模块的绝缘测定电压的危险，因为在出现接地故障时光伏发电机可能在空载中。
在电能由光伏发电机馈入交流电网中时，逆变器的直流电压侧上的相对较高的***电压是有利的，以便限制确定的电功率由光伏发电机传输到逆变器必然流动的电流并且因此限制引导所述电流所需的导线横截面。
在具有独立权利要求1的前序部分的特征的已知方法中，在出现接地故障时使光伏发电机在其到逆变器的连接端之间通过接触器短路。由WO2011/135239A1已知适合于所述方法的安全装置。在此，尤其当光伏发电机具有大量由串联的光伏模块组成的并联的链时，所述接触器必须是大尺寸的。在所述情形中，可以使光伏发电机的比额定电流大得多的短路电流消失。因此，用于使光伏发电机短路的接触器非常昂贵。
为了将光伏电压限制到对于所连接的用电器而言允许的值上，由DE3041078A1已知，借助开关使提供光伏电压的光伏发电机的一部分(即其光伏模块的一部分)周期地暂时地短路。在此，没有由开关跨接的光伏电压总是小于或等于所连接的设备的最大允许的电压或者额定电压。用于使光伏发电机的一部分短路的开关设置在光伏发电机处。当光伏发电机具有由光伏模块组成的多个并联的链时，对于这些链中的每一个设有一个用于暂时短路的开关。
作为DE3041078A1的教导的延伸，由DE102010009120B4已知通过以下方式保护光伏大型设备在交流电流馈入缺失时不受过电压的损害：仅仅对于其并联的链中的一些设有短路开关，借助所述短路开关使相应的链的光伏模块的一部分短路。由此，也应使没有短路开关的链的电势降到更低的电势上并且因此降到不危险的值上。在此，在逆变器之外设置虽然更少但仍总设置一些开关，通过所述逆变器馈入交流电网中。此外，当没有借助附加的、进一步增加所述解决方案的设备开销的措施来防止这一情况时，使光伏发电机的几个链的仅仅一部分短路几乎不够，因为否则存在以下危险：由此没有降低***电压，而由部分短路的链引起反向电流。
发明内容
本发明所基于的任务是，阐明具有独立权利要求1的前序部分的特征的用于在出现接地故障时保护光伏发电机的光伏模块不受对地过电压损害的方法，所述方法可以在没有大的设备开销和用于将电能由光伏发电机馈入交流电网的逆变器中的昂贵部件的情况下实现。
根据本发明，通过具有权利要求1的特征的方法来解决所述任务。在从属权利要求中限定所述新方法的优选实施方式。
根据本发明的方法具有以下步骤：
-在出现接地故障或由接地故障引起的、超过绝缘测定电压的对地过电压方面监视光伏发电机；
-在出现接地故障或所引起的过电压时，
-首先将光伏发电机与逆变器的输入侧的中间回路电容分离并且将逆变器与交流电网分离；
-然后使逆变器的输入侧的中间回路电容器通过电阻放电；
-然后永久闭合逆变器的逆变器桥的半导体开关并且使光伏发电机与逆变器的输入侧的中间回路电容再次连接，以便使光伏发电机短路。
由EP2284973A1基本上已知的是，在逆变器的输入侧的中间回路电容先前已经通过电阻放电之后，可以通过逆变器的逆变器桥的半导体开关使光伏发电机短路，用于将电能馈入交流电网中的光伏发电机与所述逆变器连接。在此，进行光伏发电机的短路，以便消除反向电流的主要原因，所述反向电流已经在光伏发电机的并联的链之一中记录。通过电流传感器进行所述记录，所述电流传感器在此分配给每一个单个的链并且所述电流传感器的信号从外部输送给逆变器。在此不在接地故障方面监视光伏发电机。也不间接以反向电流的形式记录这种接地故障，因为至少简单的接地故障不引起这种反向电流。此外，EP2284973A1也不涉及保持光伏发电机的光伏模块的绝缘测定电压。
为了实施根据本发明的方法，由电阻和开关组成的串联电路与逆变器的输入侧的中间回路电容并联以便通过闭合所述开关使中间回路电容通过电阻放电是足够的，只要不是无论如何都设置所述可接通的放电电阻。通常无论如何都存在用于使光伏发电机与输入侧的中间回路电容分离并且使逆变器与交流电网分离的接触器。
与电阻串联地与逆变器的输入侧的中间回路电容并联的开关不必满足特别的要求，因为电阻即使在中间回路电容最大充电时也将流经开关的电流限制到容易控制的程度上。因此，所述开关可以是半导体开关。但所述开关也可以构造为继电器或接触器。
通过在使光伏发电机短路时通过先前放电的中间回路电容保护逆变器的逆变器桥的半导体开关不受大的短路电流损害，其能够引起光伏发电机的为了降低***电压所期望的短路，即承受在此流动的短路电流。为了接通光伏发电机的空载电压，其无论如何必须具有足够的耐压强度。
在根据本发明的方法中容忍，在使光伏发电机与逆变器的输入侧的中间回路电容分离直至使光伏发电机与逆变器再次连接之间的时间段内不仅不降低光伏发电机上的最大对地电压而且甚至可以使其增大到其空载电压上。但是，具有约一秒或数秒的持续时间的如此短时的过电压对于光伏发电机的光伏模块的完好性而言不是紧要的。在此要考虑的是，由于接地故障在根据本发明的方法中将对地过电压基本上限制到绝缘测定电压的约50％上。当过电压例如保持1分钟时，这种受限制的过电压也不是紧要的。
优选地，为了使光伏发电机短路，永久地闭合逆变器的逆变器桥的不仅一些、而是所有的半导体开关，以便使所引起的电流分配到并联的半桥及其开关上。
优选地，暂时断开逆变器的逆变器桥的所有的半导体，更确切地说一旦逆变器与交流电网分离或在逆变器与交流电网分离之前，直至其在逆变器的输入侧的中间回路电容放电之后永久闭合。但是，基本上可以如此长的时钟控制逆变器的逆变器桥的半导体开关，直至其持久闭合。
优选地，与使逆变器与交流电网分离同时地，在根据本发明的方法中使光伏发电机与逆变器的输入侧的中间回路电容分离。但是，基本上也可以在其之前进行分离。例如可设想的是，使光伏发电机立即与逆变器分离，而在其输入侧的中间回路电容上的中间回路电压仍能够实现电能馈入交流电网中的情况下逆变器一直与交流电网保持连接并且其逆变器桥的半导体开关一直继续被时钟控制。
此外，在光伏发电机再次与逆变器的输入侧的中间回路电容连接之前，当逆变器的逆变器桥的半导体开关永久闭合时，在根据本发明的方法中从时序出发是优选的。在此，通过中间回路电容的缓冲效果也能够实现同时性或者快速的反向的顺序。
虽然，由于短路电流在逆变器的逆变器桥的闭合的开关中产生的损耗热量保持得较小。然而有利的是，当不保证通过交流电网的能量供给时也确保其冷却。为此，可以将特定的能量存储器分配给逆变器。此外，在逆变器桥的半导体开关通常不闭合时，对于交流电网的失效也保证：可以将半导体开关永久地控制到其闭合状态中，以便使光伏发电机持久短路以避免过电压。
在根据本发明的方法中，在出现接地故障或所引起的过电压的情形中切断在逆变器上潜在存在的、对逆变器的输入端处的光伏发电机的连接端中的一个的电势的偏置控制，只要所述偏置控制没有通过根据本发明的方法范畴内改变的逆变器控制终止。
在出现以下接地故障时不必使光伏发电机短路：所述接地故障不引起超过绝缘测定电压的过电压。替代地，可以将光伏发电机的电能继续借助逆变器馈入交流电网中。用于根据本发明的方法使光伏发电机短路的硬标准首先是超过绝缘测定电压的过电压的出现，所述过电压在预给定的最大时间内没有自身降低。
可以参考用于使光伏发电机短路的所有措施在逆变器内或至少在逆变器处实施根据本发明的方法。同样适于在接地故障的出现方面或尤其在所引起的超过绝缘测定电压的过电压的出现方面监视光伏发电机。具体地，可以通过测量其在逆变器上的连接端的对地电压来监视光伏发电机。
由权利要求书、说明书和附图得到本发明的有利扩展方案。在说明书引言中提及的特征优点和多个特征组合的优点仅仅是示例性的并且能够替代地或累计地起作用，而不必强制由根据本发明的实施方式必须实现所述优点。在不由此改变所附权利要求的主题的情况下，在原始申请文件及专利的公开内容方面适用如下：从附图——尤其所示出的多个部件相互的几何形状和相对尺寸中以及从其相对布置与有效连接中获得其他特征。本发明的不同实施方式的特征的组合或者不同权利要求的特征的组合同样能够不同于权利要求的所选择的引用并且以此激励。这也涉及那些在分开的附图中示出的或在其说明书中提及的特征。这些特征也能够与不同的权利要求的特征进行组合。同样，能够取消权利要求中所提及的用于本发明的其他实施方式的特征。可以通过其他的特征来补充在权利要求中提及的特征或者限定唯一的步骤，由所述步骤组成所述方法。
附图说明
下面参考附图进一步说明本发明。
图1示出通过逆变器与交流电网连接的正常运行中的光伏发电机；
图2示出根据本发明的方法的步骤的时间顺序和所引起的根据图1的逆变器上的对地电压。
具体实施方式
根据图1，光伏发电机1通过第一接触器S1与逆变器3的输入侧的中间回路2连接，所述光伏发电机通常不仅具有各个光伏模块成所谓的链的串联电路而且具有光伏模块的这种链的并联电路。中间回路2具有中间回路电容4。逆变器3的逆变器桥5从由光伏发电机1充电的中间回路2将电能馈入交流电网6中。在此，逆变器3通过接触器S2和电流隔离的变压器7与交流电网6连接。在此，为了将三相交流电流馈入交流电网6中，逆变器桥5具有三个半桥8，在所述三个半桥中分别串联两个半导体开关V1和V2、V3和V4或者V5和V6。在接触器S1和逆变器桥5之间，由电阻R1和开关S3组成的串联电路与中间回路电容4并联，以便能够使中间回路电容4通过开关S3的闭合通过电阻R1快速放电，尤其比通过为了安全性永久与中间回路电容4并联的、高欧姆的放电电阻R2更快。具体地，电阻R1的大小如此确定，使得中间回路电容4上的最初的中间回路电压UZWK在时间t内衰减到阈值电压Umax上，所述中间回路电压具有光伏发电机的空载电压U0的大小，其中有：
Umax＝U0·e-t/R1·C
其中C是中间回路电容4的值。在例如30V的阈值电压(其中中间回路电压4可以视为放电)以及10至20毫法的典型的中间回路电容以及例如一秒的中间回路电容4的可容忍的最大放电时间的情况下，在U0例如为1500V时得到12.5至25欧姆的电阻R1。在电压为1500V时，所述电阻将起初的短路电流限制到60至120安培上，开关S3必须为此设计。能够借助廉价的半导体开关、继电器或接触器实现所述设计。
当在测量光伏发电机1到逆变器3的连接端9和10上的电压时确定对地存在超过光伏发电机1或者其光伏模块的绝缘测定电压的过电压时，才使用开关S3使中间回路电容4放电，其中所述测量可以例如借助电压表11和12实施。在光伏发电机1的正常运行中，所述光伏发电机的输出电压UPV对地对称地分配为逆变器3的***电压，从而两个电压表11和12测量分别为UPV的一半的、在量值方面相等的电压U1和U2。在此，中间回路电压UZWK等于UPV。然而，当发生接地故障时(其例如将连接端9与地连接)，由电压表11记录的对地电压骤降到零，而由电压表12记录的对地电压增大到UPV。当UPV在此超过绝缘测定电压时(这可能取决于当前的入射条件)，必须短时消除所述状态。为此，首先打开接触器S1和S2，以便使逆变器3不仅与光伏发电机1而且与交流电网6分离。然后，通过开关S3的闭合使中间回路电容4通过R1快速放电。在达到对于半导体开关V1至V6可接受的阈值电压时，使逆变器桥5的所有半导体开关V1至V6(其在断开接触器S1和S2时已暂时断开)永久闭合，并且然后通过接触器S1的重新闭合通过逆变器桥5使光伏发电机1短路。在此，可以使开关S3继续保持闭合。但是，所述开关S3单独不适合使光伏发电机1短路以限制在其上出现的对地电压，因为所述开关S3与电阻R1不是设计用于为此目的传导的电流的。但是，由逆变器桥5的半导体开关V1至V6没问题地传导所述电流，其中所述电流通过所述逆变器桥的三个半导体桥8分配。
图2示出信号和由所述信号引起的电压，借助所述信号由于过电压的记录来控制开关S1至S3和V1至V6，以便使光伏发电机1短路。首先对于直至t1的时间段示出正常运行。在所述时间段内，对半导体开关V1至V6进行时钟控制，这以控制信号1’来说明。接触器S1和S2闭合。相应的控制信号位于1上。开关S3断开。相应的控制信号位于0上。中间回路电压UZWK具有与光伏电压UPV相同的值。由两个电压表11和12测量的对地电压U1和U2的量值分别为UPV/2。在此，示出由电压表12测量的电压U2的量值的变化。在时刻t1发生接地故障，所述接地故障使连接端9与地硬连接。相应地，连接端10的电势(即U2)升高到UPV上，这在电压表12上记录。如果如同在附图中示出的示例中假设的那样电压UPV的量值超过光伏模块的允许的绝缘测定电压，则作为对此的反应在时刻t2断开接触器S1和S2和所有半导体开关V1至V6。随后，电压U2增大到光伏发电机的空载电压U0上。然后在时刻t3闭合开关S3，以便使中间回路电容4放电。相应地，中间回路电压UZWK指数地衰减。在时刻t4，中间回路电压衰减到阈值电压上，在所述阈值电压时可以无危险地永久闭合半导体开关V1至V6，这通过值2'的控制电压说明。当在随后的时刻t5再次闭合接触器S1并且使光伏发电机重新与逆变器连接时，通过逆变器桥5的闭合的半导体开关V1至V6使所述光伏发电机短路，从而使电压U2快速向零衰减。t1与U2衰减到开始值UPV/2以下并且因此衰减到光伏发电机的光伏模块的绝缘测定电压以下之间的时间段为几秒钟并且可以限制到三秒、二秒或甚至一秒上。在图2中示出的时刻t1至t5的间隔不一定是按照比例的，因此t4至t5的间隔例如可能明显短于所示出的间隔，此外不一定同时进行在一个时刻同时示出的所有开关事件。已指出开关事件的顺序方面的不同变型可能性。
参考标记列表
1光伏发电机
2中间回路
3逆变器
4中间回路电容
5逆变器桥
6交流电网
7变压器
8半桥
9连接端
10连接端
11电压表
12电压表
S1接触器
S2接触器
S3开关
V1半导体开关
V2半导体开关
V3半导体开关
V4半导体开关
V5半导体开关
V6半导体开关
R1电阻
R2放电电阻
UZWK中间回路电压
UPV光伏电压
U0空载电压
U2连接端10上的对地电压(由电压表12测量)

Claims (11)

1.一种用于在出现接地故障时保护光伏发电机(1)不受所引起的、超过绝缘测定电压的对地过电压损害的方法，所述光伏发电机具有大于所述光伏发电机的光伏模块的绝缘测定电压的空载电压并且所述光伏发电机通过逆变器(3)与交流电网(6)连接，其中，所述方法具有以下步骤：
在所述接地故障或所引起的过电压的出现方面监视所述光伏发电机(1)；
在出现所述接地故障或所引起的过电压时使所述光伏发电机(1)短路，
其特征在于，在出现所述接地故障或所引起的过电压时，
首先将所述光伏发电机(1)与所述逆变器(3)的输入侧的中间回路电容(4)分离并且将所述逆变器(3)与所述交流电网(6)分离；
然后使所述逆变器(3)的输入侧的中间回路电容(4)通过电阻(R1)放电；
然后使所述逆变器(3)的逆变器桥(5)的半导体开关(V1至V6)永久闭合并且使所述光伏发电机(1)再次与所述逆变器(3)的输入侧的中间回路电容(4)连接，以便使所述光伏发电机(1)短路。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过断开所有极分离的第一接触器(S1)使所述光伏发电机(1)与所述逆变器(3)的输入侧的中间回路电容(4)分离，通过断开所有极分离的第二接触器(S2)使所述逆变器(3)与所述交流电网(6)分离，并且通过闭合与所述电阻(R1)串联的开关(S3)使所述逆变器(3)的输入侧的中间回路电容(4)放电。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述开关(S3)是继电器、接触器或另一个半导体开关。
4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，永久闭合所述逆变器(3)的逆变器桥(5)的所有半导体开关(V1至V6)，以便使所述光伏发电机(1)短路。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在使所述逆变器(3)与所述交流电网(6)分离之前暂时断开所述逆变器(3)的逆变器桥(5)的所有半导体开关(V1至V6)，直至在使所述中间回路电容(4)放电之后永久闭合所述半导体开关。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，与使所述逆变器(3)与所述交流电网(6)分离同时地，使所述光伏发电机(1)与所述逆变器(3)的输入侧的中间回路电容(4)分离。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在使所述光伏发电机(1)再次与所述逆变器(3)的输入侧的中间回路电容(4)连接之前，永久闭合所述逆变器(3)的逆变器桥(5)的所有半导体开关(V1至V6)。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述交流电网(6)失效时在使用来自分配给所述逆变器(3)的能量存储器的电能的情况下继续控制和/或冷却所述逆变器(3)的逆变器桥(5)的永久闭合的半导体开关(V1至V6)。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在出现所述接地故障或所引起的过电压时切断对于所述光伏发电机(1)在所述逆变器(3)的输入端上的连接端(9，10)中的一个的电势的偏置控制。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在出现不引起超过所述绝缘测定电压的过电压的接地故障时，继续使电能由所述光伏发电机(1)借助所述逆变器(3)馈入所述交流电网(6)中。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，通过测量所述光伏发电机(1)在所述逆变器(3)上的连接端(9，10)的对地电压在所述接地故障的出现或所引起的过电压的出现方面监视所述光伏发电机(1)。
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