CN104823344A - 光伏***和用于运行光伏***的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光伏***，具有：能量存储器装置，其用于在能量存储器装置的输出接线端处产生供给电压，所述能量存储器装置具有至少一个并联的能量供给分支，所述能量供给分支分别带有一个或多个在该能量供给分支中串联的能量存储器模块，所述能量存储器模块分别包括具有至少一个能量存储器电池的能量存储器电池模块和具有多个耦合元件的耦合装置，所述耦合装置被设计为选择性地将能量存储器电池模块连接到相应的能量供给分支中或者在相应的能量供给分支中绕过该能量存储器电池模块；具有一个或多个光伏电池的光伏模块，所述光伏模块直接与能量存储器装置的输出接线端耦合；以及控制装置，其与能量存储器装置耦合并且被设计为根据一个或多个光伏电池中的通过电流来操控能量存储器模块的耦合装置以用于调整到能量存储器装置的输出接线端处的供给电压。

Description

光伏***和用于运行光伏***的方法

技术领域

本发明涉及尤其是在具有能量中间存储器的网络缓冲***和岛电流***的情况下的一种光伏***和一种用于运行光伏***的方法。

背景技术

显示出，在未来在诸如风力发电设备或者太阳能设备的静态应用中以及在诸如混合动力车辆或者电动车辆的车辆中越来越多地使用将新的能量存储器技术与电驱动技术相组合的电子***。

具有缓冲网络支持或者岛电流光伏***的光伏***通常具有电能量存储器，其充当用于由光伏电池供应的电流的中间存储器。该能量存储器常规地通过直流电流调节器与光伏模块连接。

印刷文件DE 10 2010 027 857 A1和DE 10 2010 027 861 A1公开了在能量存储器装置中模块化接线的电池组电池，这些电池组电池可以通过适当地操控耦合单元被选择性地耦合到由串行接线的电池组电池构成的支路中或者从中脱偶。这种***以名称Battery Direct Converter（电池组直接转换器，BDC）已知。这样的***包括能量存储器模块支路中的直流电流源，所述直流电流源可通过脉冲逆变器连接到直流电压中间电路处以用于电机或者电网的电能供给。

因此存在对成本低的、高效的并且要以技术上少的实现耗费来制造的、提供具有岛电流供给和/或网络缓冲的光伏***的可能性的需求，其中可以舍弃电能量存储器与光伏模块之间的直流电流调节器。

发明内容

本发明根据一个方面提供一种光伏***，具有：能量存储器装置，其用于在能量存储器装置的输出接线端处产生供给电压，所述能量存储器装置具有至少一个并联的能量供给分支，所述能量供给分支分别带有一个或多个在该能量供给分支中串联的能量存储器模块，所述能量存储器模块分别包括具有至少一个能量存储器电池的能量存储器电池模块和具有多个耦合元件的耦合装置，所述耦合装置被设计为选择性地将能量存储器电池模块连接到相应的能量供给分支中或者在相应的能量供给分支中绕过该能量存储器电池模块；具有一个或多个光伏电池的光伏模块，所述光伏模块直接与能量存储器装置的输出接线端耦合；以及控制装置，其与能量存储器装置耦合并且被设计为根据一个或多个光伏电池中的通过电流来操控能量存储器模块的耦合装置以用于调整到能量存储器装置的输出接线端处的供给电压。

根据另一方面，本发明提供一种用于运行根据本发明的光伏***的方法，具有步骤：确定一个或多个光伏电池中的当前通过电流；操控能量存储器装置的第一数量的能量存储器模块的耦合装置以将相应的能量存储器电池模块连接到能量供给分支中；操控能量存储器装置的第二数量的能量存储器模块的耦合装置以绕过能量供给分支中的相应的能量存储器电池模块；以及根据一个或多个光伏电池中的所确定的当前通过电流来确定能量存储器装置的第一和第二数量的能量存储器模块。

本发明的优点

本发明的构思是，将具有一个或多个模块化构造的能量供给分支（其由能量存储器模块的串联电路构成）的能量存储器装置直接耦合到光伏模块处，并且通过按照模块方式操控能量存储器模块来将能量存储器装置的输出电压与光伏模块的要求相匹配。在此通过相应地调整能量存储器装置的输出电压来适宜地进行按照最大功率的调节（“maximum power point tracking（最大功率点跟踪）”，MPPT），使得光伏模块总是在最优的功率范围中工作。为此可以根据光伏模块的光伏电池中的当前通过电流来操控能量存储器装置。

有利地，能量供给分支的模块化构造使得能量存储器装置的总输出电压的细致分级成为可能，这例如通过移相地操控用于各个能量存储器电池模块的相应耦合单元或者脉宽调制地操控各个能量存储器模块来进行。由此可以非常精确地调整用于MPPT的电压。

能量供给分支的能量存储器模块还可以周期性地在接通运行中被更换，以便可以有利地实现能量存储器电池的均匀的负荷。此外可以在故障情况下选择性地从模块转动中移除单个能量存储器模块，而不会妨害整个***的原理性的功能效用。

通过采用模块化构造的能量存储器装置可以简化电池组管理***，因为仅仅需要按照模块方式的操控。此外可以通过简单方式对能量存储器装置进行缩放，其方式是修改能量供给分支的数量或每能量供给分支的所构建的能量存储器模块的数量而没有另外的匹配问题。由此可以低成本地支持光伏模块的不同变型。尤其是可以将能量存储器模块的数量匹配为，使得在能量存储器电池模块的能量存储器电池被完全放电的情况下也可以通过添加全部能量存储器模块来调整用于光伏模块的最大可能电压。

根据本发明光伏***的一个实施方式，能量存储器装置还可以具有至少一个存储器电感，所述至少一个存储器电感耦合到能量存储器装置的输出接线端之一和能量供给分支之一之间。

根据本发明光伏***的另一实施方式，能量存储器装置还可以具有直流电压中间电路，其与能量存储器装置的输出接线端耦合并且与能量供给分支并联。由此可以减少电压波动。

根据本发明光伏***的另一实施方式，所述光伏***还可以具有逆变器，其与能量存储器装置的输出接线端和光伏模块耦合。

根据本发明光伏***的另一实施方式，所述逆变器被设计为由能量存储器装置和/或光伏模块馈送直流电压并且将该直流电压变换成一相或多相交流电压。这使得能够以有利方式将电流从光伏电池和/或能量存储器装置馈入到供给网络中。

根据本发明光伏***的另一实施方式，所述控制装置还被设计为确定逆变器的当前功率需求并且根据所确定的功率需求操控能量存储器模块的耦合装置来匹配能量存储器装置的输出电压。这尤其是在运行阶段中是有利的，在所述运行阶段中不从或不能从光伏电池中获取能量，例如在黑暗的情况下。

根据本发明光伏***的另一实施方式，能量存储器模块的耦合装置可以包括半桥电路或者由多个耦合元件构成的全桥电路。

根据本发明光伏***的另一实施方式，所述光伏***还可以具有二极管，其耦合到能量存储器装置的输出接线端之一和光伏模块之间以阻止电流反向流入到光伏电池中。

本发明实施方式的另外的特征和优点参照附图从下面的描述中得出。

附图说明

图1根据本发明一个实施方式示出能量存储器装置的示意性图示；

图2根据本发明另一个实施方式示出能量存储器装置的能量存储器模块的一个实施例的示意性图示；

图3根据本发明另一个实施方式示出能量存储器装置的能量存储器模块的另一个实施例的示意性图示；

图4根据本发明另一个实施方式示出具有光伏模块和能量存储器装置的光伏***的示意性图示；

图5根据本发明另一个实施方式示出光伏模块的电流-电压特征线以及功率特征线的示意性图示；和

图6根据本发明另一个实施方式示出用于运行光伏***的方法的示意性图示。

具体实施方式

图1示出能量存储器装置10，其通过能量存储器装置10的两个输出接线端4a、4b之间的可并联的能量供给分支10a、10b来提供供给电压。能量供给分支10a、10b分别具有分支接线端1a和1b。能量存储器装置10具有至少两个并联的能量供给分支10a、10b。能量供给分支10a、10b的数量在图1中示例性地为两个，但是其中每种其它更大数量的能量供给分支10a、10b同样是可能的。在此，同样也可能的是，在分支接线端1a和1b之间仅连接一个能量供给分支10a，所述分支接线端1a和1b在该情况下形成能量存储器装置10的输出接线端。

因为能量供给分支10a、10b可以通过能量供给分支10a、10b的分支接线端1a、1b并联，因此能量供给分支10a、10b起到可变输出电流的电流源的作用。能量供给分支10a、10b的输出电流在此在能量存储器装置10的输出接线端4a处加和成总输出电流。

能量供给分支10a、10b在此可以分别通过存储器电感2a、2b与能量存储器装置1的输出接线端4a耦合。存储器电感2a、2b可以例如是集中的或者分布式的器件。可替换地也可以将能量供给分支10a、10b的寄生电感作为存储器电感2a、2b来采用。通过相应地操控能量供给分支10a、10b可以控制到直流电压中间电路9中的通过电流。如果存储器电感2a、2b之前的平均电压高于瞬时的中间电路电压，则通过电流到直流电压中间电路9中，而如果存储器电感2a、2b之前的平均电压低于瞬时的中间电路电压，则通过电流到能量供给分支10a或10b中。在此，最大电流受到存储器电感2a、2b与直流电压中间电路9的共同作用的限制。

通过这种方式，每个能量供给分支10a或10b通过存储器电感2a、2b起到可变电流源的作用，所述可变电流源既适用于并联电路也适用于电流中间电路的实现。在一个单个的能量供给分支10a的情况下也可以舍弃存储器电感2a，从而能量供给分支10a直接耦合到能量存储器装置1的输出接线端4a、4b之间。

能量供给分支10a、10b中的每一个具有至少两个串联的能量存储器模块3。每能量供给分支的能量存储器模块3的数量在图1中示例性地为两个，但是其中每种其它数量的能量存储器模块3同样是可能的。在此优选地，能量供给分支10a、10b中的每一个包括相同数量的能量存储器模块3，但是其中还可能的是，对于每个能量供给分支10a、10b设置不同数量的能量存储器模块3。能量存储器模块3分别具有两个输出接线端3a和3b，通过这些输出接线端可以提供能量存储器模块3的输出电压。

能量存储器模块3的示例性构造方式在图2和3中更详细地示出。能量存储器模块3分别包括具有多个耦合元件7a和7c以及必要时7b和7d的耦合装置7。能量存储器模块3此外分别包括具有一个或多个串联的能量存储器电池5a、5k的能量存储器电池模块5。

能量存储器电池模块5在此可以例如具有串联的电池组5a至5k，例如锂离子电池组或者蓄电池。可替换地或者附加地也可以采用超级电容器或者双层电容器来作为能量存储器电池5a至5k。在此，能量存储器电池5a至5k的数量在图2中示出的能量存储器模块3中示例性地为两个，但是其中每种其它数量的能量存储器电池5a至5k同样是可能的。

耦合装置7在图2中示例性地构造为全桥电路，其各具有两个耦合元件7a、7c和两个耦合元件7b、7d。耦合元件7a、7b、7c、7d在此可以分别具有活跃的开关元件、例如半导体开关和与此并联的空转二极管。半导体开关例如可以具有场效应晶体管（FET）。在该情况下，空转二极管也可以分别集成到半导体开关中。

图2中的耦合元件7a、7b、7c、7d可以例如借助于图1中的控制装置8***控为，使得能量存储器电池模块5被选择性地连接到输出接线端3a和3b之间或者使得能量存储器电池模块5被跨接或绕过。通过适当地操控耦合装置7因此可以将能量存储器模块3中的单个能量存储器模块有针对性地集成到能量供给分支10a、10b的串联电路中。

参照图2，能量存储器电池模块5可以例如连接到输出接线端3a和3b之间的前向方向上，其方式是耦合元件7d的活跃开关元件和耦合开关7a的活跃开关元件被置于闭合状态，而耦合元件7b和7c的两个其余的活跃开关元件被置于断开状态。在该情况下，在耦合装置7的输出端子3a和3b之间存在模块电压。跨接或绕过状态可以例如通过如下方式来调整，即耦合元件7a和7b的两个活跃开关元件被置于闭合状态，而耦合元件7c和7d的两个活跃开关元件被保持在断开状态。第二种跨接或绕过状态可以例如通过如下方式来调整，即耦合元件7c和7d的两个活跃开关元件被置于闭合状态，而耦合元件7a和7b的活跃开关元件被保持在断开状态。在两种跨接或绕过状态中，在耦合装置7的两个输出端子3a和3b之间存在0电压。同样可以将能量存储器电池模块5在反向方向上连接到耦合装置7的输出接线端3a和3b之间，其方式是耦合元件7b和7c的活跃开关元件被置于闭合状态，而耦合元件7a和7d的活跃开关元件被置于断开状态。在该情况下，在耦合装置7的两个输出端子3a和3b之间存在负的模块电压。

能量供给分支10a、10b的总输出电压在此可以分别分级调整，其中所述级的数量随着能量存储器模块3的数量来缩放。在数量为n的第一和第二能量存储器模块3的情况下，能量供给分支10a、10b的总输出电压可以在能量供给分支10a、10b的负总电压和正总电压之间分2n+1级来调整。在此分别对能量供给分支10a、10b的总输出电压做出贡献的各个能量存储器模块3可以周期性地或者以其它可调整的方式被更换（durchtauschen），以便在运行过程中尽可能均匀地保持各个能量存储器电池模块5上的负荷。

图3示出能量存储器模块3的另一示例性的实施方式。在图3中所示的能量存储器模块3与图2中所示的能量存储器模块3的不同之处仅在于，耦合装置7具有两个、而不是四个耦合元件，这两个耦合元件以半桥电路、而不是以全桥电路接线。

在所示的实施变型中，耦合装置7的活跃开关元件可以实施为例如IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管）、JFET（Junction Field-Effect Transistor，结型场效应晶体管）形式的功率半导体开关或者实施为MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管）。

为了获得在两个通过对能量存储器电池模块5分级而预先给定的电压级之间的平均电压值，可以以时钟脉冲方式、例如以脉宽调制（PWM）方式操控能量存储器模块3的耦合元件7a、7c和必要时7b、7d，使得有关能量存储器模块3以时间上平均的方式提供模块电压，该模块电压可以具有在0和通过能量存储器电池5a至5k确定的、最大可能的模块电压之间的值。耦合元件7a、7b、7c、7d的操控在此例如可以由控制装置、如图1中的控制装置8来进行，其被设计为例如执行具有底层电压控制的电流调节，从而可以进行各个能量存储器模块3的分级的接通或关断。

能量存储器装置10还可以具有直流电压中间电路9，其与能量存储器装置10的输出接线端4a和4b耦合并且与能量供给分支10a、10b并联。通过存储器电感2a、2b和直流电压中间电路9的共同作用，能量存储器装置10的输出电压和输出电流可以在很大程度上被保持没有波动，也就是说被保持没有电流或电压纹波。

图4示出示例性的光伏***100的示意性图示。光伏***100包括具有一个或多个光伏电池12的光伏模块11，这些光伏电池12例如可以在由光伏电池12构成的阵列中接线。光伏电池12的数量在图4中示例性地以四个示出，但是其中每种其它的数量同样是可能的。

光伏模块11在输出端11a或11b处根据如示例性地在图5中示出的电流-电压特征线IK提供电能。在具有电压UM和所属电流强度IM的点处，光伏模块11提供最大功率PM，如在功率特征线PK处示例性示出那样。

光伏***100包括能量存储器装置10，其输出接线端4a或4b直接与光伏模块11的输出端11a和11b在节点13a或13b处耦合。尤其是在此可以舍弃中间连接的直流电流调节器。光伏***100可以此外包括逆变器14，其将由能量存储器装置10和/或光伏模块11接收的直流电压变换成用于电机或者能量供给网络15的一相或多相交流电压。

光伏***100此外可以包括控制装置8，其与能量存储器装置10连接并且借助于其可以控制能量存储器装置10，以便将能量存储器装置10的期望的总输出电压提供给相应的输出接线端4a和4b。

能量存储器装置1的总输出电压优选在如下电压范围上是可变的，即可以对于光伏模块11的每个运行电压来调整匹配的输出电压。这可以通过相应地选择能量供给分支10a和10b的数量或每能量供给分支10a或10b的能量存储器模块3的数量来进行，使得在能量存储器模块3的能量存储器电池5a至5的所设置的最低充电状态的情况下也可以提供相应的、与最大可在光伏模块11中达到的电压相对应的输出电压。

控制装置8例如可以针对能量存储装置1的输出电压存储参数范围的预定特征曲线族并且用于根据在驱动***100的运行期间确定的运行参数来操控能量存储器模块3的耦合装置7，所述运行参数如能量存储器电池5a至5k的充电状态、光伏模块11的运行电压、直流电压中间电路9的充电状态、逆变器14的所要求的功率或者其它参数。特征曲线族例如可以对应于图5中所示的特征曲线族。控制装置8于是可以通过相应地操控一个或多个能量存储器模块3将能量存储器装置1调整到期望的输出电压上。在此，控制装置8可以尤其实现到光伏模块11的最大功率（MPPT）上的调节。

通过控制装置8此外可以检测光伏***100在逆变器14的输出端处的当前功率需求，使得能量存储器装置10尤其是在光伏模块11的在其中光伏电池12不提供或不能提供功率的运行阶段中充当用于逆变器14的网络缓冲器。

图6示出用于运行光伏***、尤其是具有如结合图1至5阐述的能量存储器装置10和光伏模块11的光伏***100的示例性方法20的示意性图示。

在第一步骤21中，确定一个或多个光伏电池12中的当前通过电流IK。在步骤22和23中，操控能量存储器装置10的第一数量的能量存储器模块3的耦合装置7来将相应的能量存储器电池模块5连接到能量供给分支10a或10b中以及操控能量存储器装置10的第二数量的能量存储器模块3的耦合装置7来绕过能量供给分支10a或10b中的相应的能量存储器单池模块5。

然后在步骤24中可以根据一个或多个光伏电池12中所确定的当前通过电流IK来确定能量存储器装置10的能量存储器模块3的第一和第二数量。

Claims (9)

1.光伏***（100），具有：

能量存储器装置（10），其用于在能量存储器装置（10）的输出接线端（4a，4b）处产生供给电压，所述能量存储器装置（10）具有至少一个并联的能量供给分支（10a；10b），所述能量供给分支分别带有一个或多个在该能量供给分支（10a；10b）中串联的能量存储器模块（3），所述能量存储器模块分别包括具有至少一个能量存储器电池（5a、5k）的能量存储器电池模块（5）和具有多个耦合元件（7a、7b、7c、7d）的耦合装置（7），所述耦合装置被设计为选择性地将能量存储器电池模块（5）连接到相应的能量供给分支（10a；10b）中或者在相应的能量供给分支（10a；10b）中绕过该能量存储器电池模块（5）；

具有一个或多个光伏电池（12）的光伏模块（11），所述光伏模块直接与能量存储器装置的输出接线端（4a、4b）耦合；以及

控制装置（8），其与能量存储器装置（10）耦合并且被设计为根据一个或多个光伏电池（12）中的通过电流（IK）来操控能量存储器模块（3）的耦合装置（7）以用于调整到能量存储器装置（10）的输出接线端（4a、4b）处的供给电压。

2.根据权利要求1所述的光伏***（100），还具有：

至少一个存储器电感（2a；2b），其耦合到能量存储器装置（10）的输出接线端（4a、4b）之一和能量供给分支（10、10b）之一之间。

3.根据权利要求1和2之一所述的光伏***（100），还具有：

直流电压中间电路（9），其与能量存储器装置（10）的输出接线端（4a、4b）耦合并且与能量供给分支（10a、10b）并联。

4.根据权利要求1至3之一所述的光伏***（100），还具有：

逆变器（14），其与能量存储器装置（10）的输出接线端（4a、4b）和光伏模块（11）耦合。

5.根据权利要求4所述的光伏***（100），其中所述逆变器（14）被设计为由能量存储器装置（10）和/或光伏模块（11）馈送直流电压并且将该直流电压变换成一相或多相交流电压。

6.根据权利要求4至5之一所述的光伏***（100），其中所述控制装置（8）还被设计为确定逆变器（14）的当前功率需求并且根据所确定的功率需求操控能量存储器模块（3）的耦合装置（7）来匹配能量存储器装置（10）的输出电压。

7.根据权利要求1至6之一所述的光伏***（100），其中能量存储器模块（3）的耦合装置（7）包括半桥电路或者由多个耦合元件（7a、7b、7c、7d）构成的全桥电路。

8.根据权利要求1至7之一所述的光伏***（100），还具有：

二极管，其耦合到能量存储器装置（10）的输出接线端（4a、4b）之一和光伏模块（11）之间以阻止电流反向流入到光伏电池（12）中。

9.用于运行根据权利要求1至8之一所述的光伏***（100）的方法，具有步骤：

确定（21）一个或多个光伏电池（12）中的当前通过电流（IK）；

操控（22）能量存储器装置（10）的第一数量的能量存储器模块（3）的耦合装置（7）以将相应的能量存储器电池模块（5）连接到能量供给分支（10a；10b）中；

操控（23）能量存储器装置（10）的第二数量的能量存储器模块（3）的耦合装置（7）以绕过能量供给分支（10a；10b）中的相应的能量存储器电池模块（5）；以及

根据一个或多个光伏电池（12）中的所确定的当前通过电流（IK）来确定（24）能量存储器装置（10）的能量存储器模块（3）的第一和第二数量。