CN104639028A - 光伏***和用于使光伏***运行的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光伏***(100)，具有至少一个光伏模块(502)、至少一个电池模块(504)和逆变器模块(512)。光伏模块(502)通过光伏总线(508)与逆变器模块(512)连接。电池模块(504)通过电池总线(510)与逆变器模块(512)连接。光伏模块(502)被构成用于在光伏总线(508)上提供可调光伏总线电压。电池模块(504)被构成用于接受或提供光伏总线510上的可调电池总线电压。逆变器模块(506)被构成用于分别彼此转换光伏总线电压、电池总线电压和中间电路(106)的中间电路电压，以便在总线(508、510)与中间电路(106)之间转移能量。

Description

光伏***和用于使光伏***运行的方法
技术领域
这里所提出的方案涉及光伏模块、电池模块、逆变器模块、光伏***以及用于使光伏***运行的方法。
背景技术
通过太阳能电池的电串联，在逆变器处可达的电压改变。为低损耗地运转，使总***的部件相互协调。
DE 10 2010 000 350 A1描述了具有再生电源的能量供应***和用于使能量供应***运行的方法。
发明内容
对于这里所提出的方案提出按照独立权利要求所述的光伏模块、电池模块、逆变器模块、模块式光伏***以及用于使模块式光伏***运行的方法。有利的构型由相应的从属权利要求和后面的说明来得出。
通过将多个太阳能电池模块电并联到第一总线线路上，可以简单地在大小上改变在相同逆变器情况下的不同太阳能设备，其中在该第一总线线路上为太阳能设备的逆变器施加所定义的和稳定的电压。同样可以将多个存储器模块并联到第二总线线路上，其中，在第二总线线路上再次施加所定义的电压。由此可以适配太阳能设备的存储容量或可以利用同类件制造具有不同存储容量的不同太阳能设备。在两条总线线路上，施加的电压可以分别符合需求地被调整。
提出具有以下特征的光伏模块：
用于将辐射能量转换成电能的太阳能发电机，其中，太阳能发电机被构成用于由功能决定地根据辐射能量作为可变电压和/或可变电流提供电能；以及
光伏调节器，其与太阳能发电机连接和被构成用于功率优化地从太阳能发电机取用电压和电流以及在光伏总线接口处提供具有可调光伏总线电压的电能。
此外提出一种具有以下特征的电池模块：
用于将电能转换成化学能和/或进行存储的储能器，其中，储能器被构成用于由功能决定地根据储能器的存储状态作为可变电压和/或可变电流接收和/或输出电能；以及
电池充电调节器，其与储能器连接，其中，电池充电调节器被构成用于为了对储能器充电在电池总线接口处在使用可调电池总线电压的情况下根据存储状态提供可变电压和可变电流并被构成用于为了对储能器放电在电池总线接口处在使用可变电压和可变电流的情况下提供可调电池总线电压。
此外提出一种具有以下特征的逆变器模块：
光伏总线接口、电池总线接口和网络接口；
电压调整器，其与光伏总线接口、电池总线接口和中间电路连接，其中，电压调整器被构成用于将施加在光伏总线接口上的可调光伏总线电压转换成中间电路的可选择的中间电路电压和/或将中间电路电压转换成施加在电池总线接口上的可调电池总线电压和/或将电池总线电压转换成中间电路电压；以及
逆变器，其与中间电路和网络接口连接，其中，逆变器被构成用于将中间电路电压转换成在网络接口处预先给定的网络交流电压和/或将网络交流电压转换成中间电路电压。
此外提出一种具有以下特征的模块式光伏***：
至少一个按这里所提出方案的实施方式所述的光伏模块；
至少一个按这里所提出方案的实施方式所述的电池模块；和/或
至少一个按这里所提出方案的实施方式所述的逆变器模块，其中，电压调整器通过光伏总线接口和光伏总线与至少一个光伏模块连接以及电压调整器通过电池总线接口和电池总线与至少一个电池模块连接。
此外提出一种用于使光伏***运行的方法。该方法具有以下步骤：
如果比可馈入到网络中的更少的光伏能量可供使用，则在使用可调光伏总线电压的情况下在光伏总线上提供光伏能量和/或在使用可调电池总线电压的情况下在电池总线上提供来自电池模块的能量；
如果比可馈入到网络中的更少的光伏能量可供使用，则将光伏总线电压转换成中间电路的可选择的中间电路电压和/或将电池总线电压转换成中间电路电压，和/或如果比可馈入到网络中的更多的光伏能量可供使用，则将中间电路电压转换成电池总线的电池总线电压和/或将中间电路电压转换成网络的预先给定的网络交流电压；
在使用网络交流电压的情况下将光伏能量馈入到网络中；和/或
如果比可馈入到网络中的更多的光伏能量可供使用，则将能量存储在至少一个连接到电池总线上的电池模块中。
太阳能发电机可以被理解为组合在一个框架内的一组太阳能电池。光伏调节器可以是具有可调输出端的最大功率点(Maximum-Power-Point)调节器。光伏总线电压可以是直流电压。储能器可以是蓄电池。电压调整器可以被构成用于将第一直流电压转换成第二直流电压。电池总线电压可以是直流电压。中间电路电压可以是直流电压。
该方法可以具有转换的步骤，其中如果比用于对电池充电所需要的更少的光伏能量可供使用，则将网络交流电压转换成中间电路电压。因此可以供应能量储备。
光伏***可以具有控制设备，其与光伏总线和/或电池总线连接，其中，控制设备被构成用于通过通信协议与光伏模块和/或电池模块和/或逆变器模块通信，以便适配光伏总线电压和/或电池总线电压和/或中间电路电压。
控制设备当前可以被理解为电设备，其处理传感器信号并据此输出控制信号和/或数据信号。控制设备可以具有可以按硬件和/或软件构成的接口。在按硬件构成时，接口例如可以是包含控制设备的不同功能的所谓***ASIC的部分。但是也可能的是，接口是自身的集成电路或至少部分地由分立器件组成。在按软件构成时，接口可以是例如在微控制器上除了其他软件模块之外存在的软件模块。
具有程序代码的计算机程序产品也是有利的，其可以存储在机器可读载体上，诸如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器，并当在计算机或装置上执行程序产品时，被用于实施前述实施方式之一所述的方法。
附图说明
下面借助附图示例性地对这里所提出的方案更详细地进行阐述。其中：
图1示出用于光伏的直流存储***的框图；
图2示出用于光伏的经加装的直流存储***的框图；
图3示出在充电时用于光伏的交流存储***的框图；
图4示出在放电时用于光伏的交流存储***的框图；
图5示出根据本发明实施例的光伏***的框图；以及
图6示出根据本发明实施例的用于使光伏***运行的方法的流程图。
在本发明有益实施例的后面说明中，对于在不同图中所示的和类似地起作用的元件使用相同的或类似的附图符号，其中，放弃对这些元件的重复说明。
具体实施方式
图1示出用于光伏的直流存储***100的框图。直流存储***100与至少一个太阳能发电机102连接。直流存储***100具有光伏调节器104、中间电路106、电池充电调节器108、至少一个电池110和逆变器112。直流存储***100连接在家庭网络114上。在家庭网络(Hausnetz)114上连接有作为耗电器的家用件(Haushalt)116。家庭网络114与上级电网118连接。太阳能发电机102可以称为PV(光伏(PhotoVoltaik))模块102。光伏调节器104可以称为MPP(最大功率点(Maximum Power Point))追踪器104。太阳能发电机102与光伏调节器104连接。太阳能发电机102根据入射的辐射强度提供电流和电压形式的电能。在此方面，根据各自的辐射强度得出以下电压值，在该电压值处由太阳能发电机102提供的电功率最大。光伏调节器104调节电压，在该电压情况下功率一般而言被降低到具有当前最大功率的电压值上。光伏调节器104连接在中间电路106上。中间电路以预先给定的中间电路电压被运行。光伏调节器104将由太阳能发电机提供的能量以中间电路电压馈入到中间电路106中。电池充电调节器108同样连接在中间电路106上。电池110与电池充电调节器108连接。逆变器112同样与中间电路106连接。逆变器112连接在家庭网络114上。家用件116消耗来自家庭网络114的能量。只要通过直流存储***100可以满足家用件116的能量需求，就不从电网118中获取能量。如果家用件116消耗更多的能量，那么从电网118中获取所缺的能量。如果家用件116消耗比直流存储***100当前提供的能量低的能量，那么剩余量被存储在电池110内或馈入电网118中。
在图1中示出DC(Direct Current；直流)***的运行。逆变器根据在家用件中存在的负载被调节并仅将实际消耗的那样多的功率馈送到网络中。
图2示出用于光伏的经加装的直流存储***100的框图。经加装的直流存储***100与图1中的直流存储***基本上相应。与此不同地，该直流存储***100具有功率调整器200，其代替逆变器112地与中间电路连接。因此功率调整器200连接在中间电路106与逆变器112之间。直流存储***100因此连接在太阳能发电机102与逆变器112之间。功率调整器200由控制设备202操控并作为虚拟太阳能发电机作用，以便为逆变器112提供符合需求的电压和符合需求的电流。为此在家庭网络114与电网118之间的接口204处测定家用件116的实际能量需求。
在图2中示出PV-DC***的示意图。该***安装在逆变器与PV设备之间。该***具有自身的MPP追踪器，以便调整太阳能发电机的最佳的工作点。电池充电调节器用于电池的充电和放电。虚拟的PV发电机产生UI(电压-电流)特性曲线，其相应于具有目标功率的PV发电机，使得最初的逆变器调节到目标功率上。
图3示出在充电时用于光伏的交流存储***300的框图。交流存储***300如在图1中的直流存储***那样与至少一个太阳能发电机连接。如图1中那样，交流存储***300具有光伏调节器104、电池充电调节器108和至少一个储能器110。此外，交流存储***300具有第一中间电路106和第二中间电路302以及第一逆变器112和第二逆变器304。两个逆变器112、304与家庭网络114连接。第一中间电路106连接在光伏调节器104与第一逆变器112之间。第二中间电路302连接在电池充电调节器108与第二逆变器304之间。因此交流存储***300具有两个空间上彼此分离、通过家庭网络114相互连接的分***。在这里所示的状态下，由太阳能发电机102通过光伏调节器104和第一逆变器112提供比家用件116当前需要的更多的功率。因此功率剩余量通过第二逆变器304和电池充电调节器108被加载到电池110中。
在图3中示出AC(Alternating Current；交流)***作为零馈电器的运行。固有消耗与在家用件中是否使用电流无关地通过电池的充电和放电进行。电池的放电在零馈电器情况下通过以下方式进行，即耗电器直接从存储***中被供应。同样可以作为全馈电器来设计。于是可以看到与DC***类似地运行。
图4示出在放电时用于光伏的交流存储***300的框图。交流存储***300与图3中的交流存储***相应。在这里恰好不由太阳能发电机102提供功率。因此由家用件116恰好需要的功率由电池110通过电池充电调节器108和第二逆变器304提供。并且通过家庭网络114流动到家用件116中的耗电器。
图5示出根据本发明实施例的光伏***500的框图。光伏***500在这里具有三个分别接线成逻辑单元的光伏模块502或MPP模块502，三个接线成逻辑单元的电池模块504和逆变器模块506或逆变器-电池-转换器模块(Inverter-Battery-Converter Module)。光伏模块502通过具有350 V至1000 V的光伏总线508或PV-DC总线与逆变器模块506连接。电池模块504通过具有350 V至1000 V的电池总线510或电池DC总线与逆变器模块506连接。
光伏模块502具有各一个太阳能发电机102和光伏调节器104。太阳能发电机102与光伏调节器104连接。光伏调节器104与光伏总线508连接。太阳能发电机102被构成用于将辐射能量转换成电能。在此，太阳能发电机102被构成用于由功能决定地根据辐射能量作为可变电压和可变电流提供电能。光伏调节器104被构成用于功率优化地从太阳能发电机102取用电压和电流并在光伏总线508的光伏总线接口处提供具有可调光伏总线电压的电能。
电池模块504具有各一个储能器110和电池充电调节器108或电池转换器(Battery Converter)。储能器110与电池充电调节器108连接。电池充电调节器108与电池总线510连接。储能器110被构成用于作为化学能存储电能。在此，储能器110被构成用于由功能决定地根据储能器110的存储状态作为可变电压和可变电流接收和/或输出电能。电池充电调节器108被构成用于为了对储能器110充电在使用可调电池总线电压的情况下，根据存储状态在电池总线接口处提供可变电压和可变电流。电池充电调节器108同样被构成用于为了对储能器110放电，在使用可变电压和可变电流的情况下在电池总线接口处提供可调电池总线电压。
逆变器模块506具有光伏总线接口、电池总线接口和网络接口、电压调整器512、中间电路106和逆变器112。电压调整器512与光伏总线508、电池总线510和中间电路106连接。中间电路106与逆变器112连接。逆变器112具有网络接口。电压调整器512被构成用于将施加在光伏总线接口上的可调光伏总线电压转换成中间电路106的可选择的中间电路电压。电压调整器同样被构成用于将中间电路电压转换成施加在电池总线接口上的可调电池总线电压。电压调整器512同样被构成用于将电池总线电压转换成中间电路电压。
在一个实施例中，电压调整器被构成用于将光伏总线电压转换成电池总线电压。
逆变器112被构成用于将中间电路电压转换成在网络接口处预先给定的网络交流电压。
逆变器112同样被构成用于将网络交流电压转换成中间电路电压。
在一个实施例中，光伏***500具有控制设备202或EMS(元件管理***(Element Management System))，其与光伏总线508和/或电池总线510连接。控制设备202被构成用于通过通信协议与光伏模块502和/或电池模块504和/或逆变器模块506通信，以便适配光伏总线电压和/或电池总线电压和/或中间电路电压。
在一个实施例中，EMS 202控制和配置光伏***500的部件、显示光伏***500的状态并使光伏***500的运行模式与不同的应用情况适配。
在一个实施例中，图5示出模块式集成光伏(PV)存储器。
PV存储***可以作为DC耦合的存储***或作为AC耦合的存储***来实施。同样可以实施可替换的拓扑。
PV存储***将剩余的太阳能电流存储到电池中。电池在此在不同的情况下串联和/或并联。在DC耦合的存储***情况下，优选高的电池电压，由此存储块的所有模块串联，使得总电池电压尽可能接近DC中间电路电压。在AC***情况下，可以同样地进行，其中，在这里增加地使用由串联块组成的并联块的组合。
这里所提出的***可以简单地对于不同的应用情况被适配。对于电池来说，没有最小和最大的模块数量，因为电池总线电压与电池的电压范围无关。可以通过任意连接电池模块进行扩展。
此外，旧的电池模块可以通过新的模块替换，而不是最旧的电池模块占优势。因此通过新模块可以直接产生增值。
逆变器模块和光伏模块的MPP追踪器在其功率范围和电压范围方面是可变。
这里所提出的PV存储***可以可变地被设计。
MPP追踪器的电流特性、电压特性、功率特性可以直接根据所分配的太阳能发电机来设计。逆变器的电流特性、电压特性、功率特性以及馈电相的数量可与使用目的相适配。电池充电调节器的电流特性、电压特性、功率特性可以直接根据所分配的储能器来设计。电池的电流特性、电压特性、功率特性以及电池的充电容量可以根据所分配的电池充电调节器来设计。
可以针对每种应用进行***的适配，因为该***是模块式***。这种***适配可以简单地被标定(skalieren)并由每个使用者实施。
该***同样可以被限定于一个确定的功率簇(Leistungsbündel)或多个产品组上。
这里所提出的***是加装的和模块式的。
这里所提出的概念允许与不同的应用领域简单地适配。可维护性也得到提高，因为各个组件可以容易地被替换。通过可标定性可以实现相应的成本优势，因为可以利用同类件工作。
该***利用通过DC/DC调整器与逆变器的中间电路连接的两条DC总线工作。第一DC总线连接MPP追踪器。在这里，可以将不同数量的MPP追踪器布置到该总线上。因此该***是可适配的。
在第二DC总线上连接有具有各一个集成DC/DC调整器的不同电池模块。在这两条总线上连接一个或多个逆变器-电池-转换器(Inverter-Battery-Converter)模块。在这里可以放弃这两个实体的模块性，因为可以使电池充电功率或放电功率与逆变器的供电功率相平衡。
上级EMS调节总***的配置并作为控制器用于相应的运行管理。
该***在其功能上类似于例如在图1中所示的DC耦合的PV存储***工作，也就是说，它在固有消耗模式中根据在房屋中所需的负载调节逆变器的馈电。
在一个实施例中，逆变器双向地取向。由此该***可以将网络电流存放到电池内。例如在电流中断后可以补足备用电源储备。同样可以使用网络支持的方法。该***可以参与能源或功率市场。此外可以利用有益的电费。
在一个实施例中，在模块上构建功率电子装置。
这里所提出的方案可以被转用到其他存储项目上。特别是该方案可以转用到电动机械化()领域的应用上。
图6示出根据本发明实施例的用于使光伏***运行的方法的流程图。该方法600具有提供的步骤602、转换的步骤604、馈入的步骤606和存储的步骤608。该方法600可以在如图5中的***上实施。在提供的步骤602中，光伏能量在光伏总线上在使用可调光伏总线电压情况下被提供。可替换地或补充地，在提供的步骤602中，如果比可馈入到网络中的更少的光伏能量可供使用，则在使用可调电池总线电压的情况下通过电池总线从电池模块中提供能量。在转换的步骤604中，将光伏总线电压转换成中间电路的可选择的中间电路电压。可替换地或补充地，将中间电路电压转换成网络的预先给定的网络交流电压。可替换地或补充地，如果比可馈入到网络中的更多的光伏能量可供使用，则将中间电路电压转换成电池总线的电池总线电压。可替换地或补充地，如果比可馈入到网络中的更少的光伏能量可供使用，则将电池总线电压转换成中间电路电压。在馈入的步骤606中，在使用网络交流电压的情况下将光伏能量馈入到网络中。在存储的步骤608中，如果比可馈入到网络中的更多的光伏能量可供使用，则将能量存储在至少一个连接在电池总线上的电池模块中。
在一个实施例中，如果比用于对电池充电所需要的光伏能量少的光伏能量可供使用，则在转换的步骤604中将网络交流电压转换成中间电路电压。
所描述的和在图中所示的实施例仅示例性地被选择。不同的实施例可以完全或与关于各个特征地相互组合。一个实施例也可以通过另一实施例的特征补充。
此外，这里所提出的方法步骤可以重复以及以不同于所描述的顺序实施。
如果实施例包括第一特征与第二特征之间“和/或”联系，那么这可以这样解读，即该实施例根据一种实施方式既具有第一特征，也具有第二特征，而根据另一种实施方式，要么仅具有第一特征，要么仅具有第二特征。

Claims (7)

1.光伏模块(502)具有以下特征：
用于将辐射能量转换成电能的太阳能发电机(102)，其中，太阳能发电机(102)被构成用于由功能决定地根据辐射能量作为可变电压和/或可变电流提供电能；以及
光伏调节器(104)，其与太阳能发电机(102)连接和被构成用于功率优化地从太阳能发电机(102)取用电压和电流以及在光伏总线接口处提供具有可调光伏总线电压的电能。
2.电池模块(504)具有以下特征：
用于存储和/或将电能转换成化学能的储能器(110)，其中，储能器(110)被构成用于由功能决定地根据储能器(110)的存储状态作为可变电压和/或可变电流取用和/或输出电能；以及
电池充电调节器(108)，其与储能器(110)连接，其中，电池充电调节器(108)被构成用于为了对储能器(110)充电在电池总线接口处在使用可调电池总线电压的情况下根据存储状态提供可变电压和可变电流并被构成用于为了对储能器(110)放电在电池总线接口处在使用可变电压和可变电流的情况下提供可调电池总线电压。
3.逆变器模块(506)具有以下特征：
光伏总线接口、电池总线接口和网络接口；
电压调整器(512)，其与光伏总线接口、电池总线接口和中间电路(106)连接，其中，电压调整器(512)被构成用于将施加在光伏总线接口上的可调光伏总线电压转换成中间电路(106)的可选择的中间电路电压和/或将中间电路电压转换成施加在电池总线接口上的可调电池总线电压和/或将电池总线电压转换成中间电路电压；以及
逆变器(112)，其与中间电路(106)和网络接口连接，其中，逆变器(112)被构成用于将中间电路电压转换成在网络接口处预先给定的网络交流电压和/或将网络交流电压转换成中间电路电压。
4.光伏***(500)具有以下特征：
至少一个按权利要求1所述的光伏模块(502)；
至少一个按权利要求2所述的电池模块(504)；和/或
按权利要求3所述的逆变器模块(512)，其中，电压调整器(512)通过光伏总线接口和光伏总线(508)与至少一个光伏模块(502)连接以及电压调整器(512)通过电池总线接口和电池总线(510)与至少一个电池模块(504)连接。
5.按权利要求4所述的光伏***(500)，具有控制设备(202)，其与光伏总线(508)和/或电池总线(510)连接，其中，控制设备(202)被构成用于通过通信协议与光伏模块(502)和/或电池模块(504)和/或逆变器模块(506)通信，以便适配光伏总线电压和/或电池总线电压和/或中间电路电压。
6.用于使光伏***(500)运行的方法(600)，其中，该方法(600)具有以下步骤：
如果比可馈入到网络(114)中的更少的光伏能量可供使用，则在使用可调光伏总线电压的情况下在光伏总线(508)上提供(602)光伏能量和/或在使用可调电池总线电压的情况下在电池总线(510)上提供(602)来自电池模块(504)的能量；
如果比可馈入到网络(114)中的更少的光伏能量可供使用，则将光伏总线电压转换(604)成中间电路(106)的可选择的中间电路电压和/或将电池总线电压转换(604)成中间电路电压，和/或如果比可馈入到网络(114)中的更多的光伏能量可供使用，则将中间电路电压转换(604)成电池总线(510)的电池总线电压和/或将中间电路电压转换(604)成网络(114)的预先给定的网络交流电压；
在使用网络交流电压的情况下将光伏能量馈入(606)到网络(114)中；和/或
如果比可馈入到网络(114)中的更多的光伏能量可供使用，则将能量存储(608)在至少一个连接在电池总线(510)上的电池模块(504)中。
7.按前述权利要求之一所述的方法(600)，其中，在转换的步骤(604)中，如果比用于对电池(110)充电所需要的更少的光伏能量可供使用，则将网络交流电压转换成中间电路电压。
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