CN109565245A - 劣化光伏板的恢复 - Google Patents

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Abstract

一种用于光伏板（12）的逆变器***（14），其包括：逆变器（24），其被适配成将来自所述光伏板（12）的DC电压变换成要被提供给电网（16）的AC电压；DC链路（22），其与逆变器（24）互连并且提供可连接到光伏板（12）的正极（18a）的正DC链路输出端（20a）和可连接到光伏板（12）的负极（18b）的负DC链路输出端（20b）；开关（30），以用于将光伏板（12）的负极（18b）与DC链路（22）断开；以及控制器（28），以用于控制逆变器（24）和开关（30）；其中控制器（28）被适配成打开开关（30），使得光伏板（12）仅可由正DC链路输出端（20a）供电。

Description

劣化光伏板的恢复
技术领域
本发明涉及光伏板领域。特别地，本发明涉及逆变器***、光伏板***和用于操作光伏板***的方法。
背景技术
电势诱导劣化（PID）是一种引起光伏板的发电能力方面显著下降的现象。将光伏板暴露于高的负电势是PID的主要原因，其可能在几年的服务之后逐渐降低光伏板的额定输出功率。
在电流隔离的逆变器***的情况下，其被用于将来自光伏板的DC电压变换成要被提供给电网的AC电压，可以通过将光伏板的负极接地来容易地解决该PID问题。另一方面，通常向光伏板的负极施加负电势的典型的无变压器逆变器不允许将负极直接连接到地面，因为这将引起接地短路。
用于与无变压器逆变器互连的光伏板的一个类型的PID解决方案基于特殊拓扑结构，其使得能够将光伏板的负极直接连接到地。例如，US 2011 235 384 A1示出了具有逆变器的光伏板***，该逆变器允许将光伏板的负极连接到地。这样的解决方案的缺点可能是该特殊拓扑结构的性能就效率、成本和复杂性而言不是最佳的。
另外的解决方案利用的是，可以通过向光伏板施加正电势来校正PID。例如，在夜间向光伏板施加正电压的PID校正器可以连接到光伏板。当校正器正在操作时，仅在无变压器逆变器与电网断开时才可以使用这样的校正器。即，在校正器的操作期间，辅助服务可能是不可用的。
EP 2 773 036 A1涉及一种用于针对光伏板的DC-AC转换的方法，其中每个光伏板利用转换器与其输出端连接。转换器具有DC链路和用于将负输出端从DC链路断开的开关。
EP 2 234 264 A1和US 2014/0139031 A1示出了经由转换器与电网互连的光伏板。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种简单的PID恢复解决方案，而不需要限制逆变器***的特定拓扑结构。
通过独立权利要求的主题来实现所述目的。另外的示例性实施例根据从属权利要求和以下描述是明显的。
本发明的一个方面涉及用于光伏板的逆变器***。逆变器***被用于将由光伏板产生的电DC电压转换成要被提供给电网的AC电压。一般而言，逆变器***可以包括用以生成AC电压的具有由控制器控制的半导体开关的逆变器。
根据本发明的实施例，逆变器***包括：逆变器，其被适配成将来自光伏板的DC电压变换成要被提供给电网的AC电压；DC链路，其与逆变器互连并且提供可连接到光伏板的正极的正DC链路输出端和可连接到光伏板的负极的负DC链路输出端；开关，其可以被定位在负极与负DC链路输出端之间，以用于将光伏板的负极与DC链路断开；以及控制器，以用于控制逆变器和开关。控制器被适配成打开开关，使得光伏板由正DC链路输出端单独供电。
例如，可以被视为逆变器***的主逆变器的逆变器可以包括在AC侧处的三相或单相输入端，其可以与电网互连。在DC侧上，逆变器可以与DC链路互连，该DC链路可以包括电容器。对于提供正DC链路输出端和负DC链路输出端的该DC链路，可以连接光伏板。
在逆变器和光伏板的正常操作期间，当太阳照射在光伏板上时，光伏板的正极处于正电势上（诸如+VDC/2，其中VDC是DC链路电压），并且负极处于负电势上（诸如-VDC/2）。必须注意的是，本文中提到的全部电压都可以是从地确定的，即，地电势可以具有0 V电压。因此，在正常操作期间，PID可能发生。
对于光伏板的恢复操作，例如在夜间，逆变器***包括开关，该开关被定位在负输出端中和/或可以被控制器打开。例如，开关可以是机械继电器或半导体开关。当开关打开时，光伏板的负极与负DC链路输出端断开。光伏极的正极保持在正DC链路输出端的电势上。由于在夜间，当恢复操作可能发生时，光伏板在其正极与负极之间不生成电压或几乎不生成电压，负极也移位（或几乎移位）到正DC链路输出端的电势。因此，在恢复操作期间可以反转PID的效果。
不需要针对逆变器的特殊拓扑结构。逆变器可以保持与电网连接，和/或由DC链路供电的逆变器***的辅助电源可以保持运行。因此，逆变器的性能不受影响，而在恢复操作期间仍然允许逆变器与电网的连接，例如在夜间用于实行辅助服务。此外，该解决方案可以被实现和集成到逆变器中，而不需要复杂的附加***。
根据本发明的实施例，控制器被适配成确定何时由光伏板产生的电压下降到阈值电压以下，以及用于然后打开开关。控制器可以自动打开和关闭开关。无论是否可以恢复光伏板，即，不产生电压或几乎不产生电压，可以直接或间接地实行该确定。
例如，间接地，该确定可以基于控制器的时钟，即，可以假设在特定时间间隔（其可以被叫做夜晚）期间，太阳落山并且因此没有光落到光伏板上。例如，直接地，控制器接收来自逆变器***的测量值，根据该测量值可以确定光伏板的实际电压。
根据本发明的实施例，控制器被适配成在开关打开时维持DC链路电压。在恢复操作期间，逆变器可以向DC链路提供来自电网的电压，以维持在正DC链路输出端处的电压。
根据本发明的实施例，逆变器***进一步包括：附加电源，以用于生成附加DC电压；以及第二开关，其可以被互连在正极与正DC链路输出端之间，以用于将光伏板与附加电源互连，使得来自附加电源的附加DC电压被添加到正DC链路电压。例如，第二开关可以并联连接到附加电源，并且在恢复期间，控制器可以打开开关，使得附加电源与DC链路串联连接。可以为附加电源提供来自电网的电力。
由于日间通常比夜间更长，因此光伏板对来自负DC链路输出端的负电势的暴露时间可能比在PID恢复操作期间对来自正DC链路输出端的正电势的暴露时间更长。由附加电源产生的较高电压可以被用来在短时间期间从PID完全恢复。
替换地或附加地，可以通过对应地控制控制器来在恢复操作期间增加DC链路电压。
根据本发明的实施例，附加DC电压高于100 V，例如大于1.000 V。必须注意的是，为了从PID有效恢复，可能需要如由DC链路提供的更高电压。利用可能具有比主逆变器更小的功率的附加电源，可以达到这些高电压。
根据本发明的实施例，逆变器***进一步包括用于向控制器提供电力的辅助电源。通常，每个逆变器***具有辅助电源，该辅助电源被用于向***的电子组件提供电力和/或其产生相当低的电压（例如，低于20 V）。这样的辅助电源可以由逆变器的DC链路供电或直接由电网供电。
根据本发明的实施例，附加电源具有带有辅助电源的公共变压器。附加电源和辅助电源可以彼此集成。两者都可以是在共同核心上具有绕组的反激式转换器。
根据本发明的实施例，附加电源由辅助电源供电。另一方面，附加电源可以连接到辅助电源的输出端，并且可以将来自辅助电源的电压变换成更高的电压。
根据本发明的实施例，逆变器是无变压器逆变器，使得光伏板在逆变器***的正常操作期间与电网电流地连接。由于光伏板的负极在恢复操作期间与逆变器***电流地断开，因此不需要通常利用变压器完成的电流隔离的逆变器***。
本发明的另外的方面涉及一种光伏板***，其包括如上文中和下文中所描述的逆变器***和连接到转换器***的光伏板。
根据本发明的实施例，当负DC链路输出端中的开关打开时，光伏板的负极是浮动的。换言之，光伏板的负极可以与电势完全断开，和/或可以仅经由光伏板与正DC链路输出端连接。
本发明的另外的方面涉及一种用于恢复劣化光伏板的方法。例如，该方法可以由光伏板***的控制器实行。
根据本发明的实施例，该方法包括：在正常操作期间，利用逆变器将来自光伏板的DC电压转换成被提供给电网的AC电压，其中利用正极和负极将光伏板连接到逆变器的DC链路；以及在恢复操作期间，将光伏板的负极从逆变器的DC链路断开，并且为光伏板的正极提供来自DC链路的正电压。当恢复操作开始时，控制器可以简单地打开开关。
根据本发明的实施例，该方法进一步包括：闭合开关，以用于在正常操作期间将光伏板的负极与DC链路的负输出端相连接；打开开关，以用于在恢复操作期间将光伏板的负极从DC链路的负输出端断开。
根据本发明的实施例，该方法进一步包括：在恢复操作期间，维持DC链路中的DC链路电压。
根据本发明的实施例，该方法进一步包括：在光伏板的正极与DC链路的正输出端之间互连附加电源，以用于升高被提供给光伏板的正极的电压。这可以利用正DC链路输出端中的另一个、第二开关来完成，该第二开关由控制器控制。
根据本发明的实施例，该方法进一步包括：确定光伏板是否在其正极与负极之间产生（例如，高于阈值的）电压。如上文提到的，该确定可以直接实行，即，经由光伏板***中的测量，或利用时钟间接地实行。在后一种情况下，可以假设在夜间，该夜间可以被定义为控制器中的时间间隔，没有太阳照射并且光伏板在其正极与负极之间不产生电压。
当确定是夜间时，控制器可以切换到恢复操作。当确定是日间时（即，与夜晚相反），控制器可以切换到正常操作。
根据本发明的实施例，光伏板是否产生电压的确定是基于实际时间的，该实际时间可以由控制器的时钟提供。还有可能的是，光伏板是否产生电压的确定是基于电压测量的。
必须理解的是，如在上文中和在下文中所描述的方法的特征可以是如在上文中和在下文中所描述的逆变器***和/或光伏板***的特征，以及反之亦然。
本发明的这些和其他方面根据下文描述的实施例将是显而易见的，并且将参照下文描述的实施例进行阐述。
附图说明
将参考在附图中图示的示例性实施例来在下面的文本中更详细地解释本发明的主题。
图1示意性示出了根据本发明的实施例的光伏板***。
图2示意性示出了根据本发明的另外的实施例的光伏板***。
图3示意性示出了用于图2的光伏板***的附加电源的实施例。
图4示意性示出了用于图2的光伏板***的附加电源的另外的实施例。
图5示出了根据本发明的实施例的用于恢复光伏板的方法的流程图。
图6示出了具有利用图5的方法产生的在光伏板的负极处的电压的示图。
图7示出了具有利用图5的方法产生的在光伏板的负极处的电压的示图。
附图中使用的附图标记及其含义在附图标记的列表中以摘要形式列出。原则上，相同的部分在附图中被提供有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了包括光伏板12的光伏板***10，该光伏板12经由逆变器***14与电网16互连。
光伏板12具有正极18a和负极18b。当光（通常是太阳光）照射在光伏板12上时，由光电板12在正极18a与负极18b之间生成正电压VPV。当光伏板上没有或几乎没有光照射时，极18a、18b之间的电压VPV基本为零。
光伏板利用其正极18a与逆变器***14的正DC链路输出端20a连接，并且利用其负极18b与逆变器***14的负DC链路输出端20b连接。输出端20a、20b由DC链路22提供，该DC链路22与逆变器***的主逆变器24互连。逆变器24可以是电压源逆变器，例如，基于半桥的两级或更多级转换器。DC链路可以包括互连在输出端20a、20b之间的电容器。
在AC侧上，逆变器24可以经由滤波器26与电网16连接。电网16可以是三相或单相电网，和/或逆变器24可以是单相或三相逆变器24。有可能的是，继电器位于滤波器26与电网16之间，其可以被用于将逆变器***14从电网16断开。必须注意的是，逆变器***14可以是无变压器的，即，可以不包含将光伏板12从电网16电流地去耦的变压器。
此外，逆变器***14包括被适配成控制逆变器24的控制器28。在***10的正常操作期间，光伏板产生电压VPV，该电压VPV被提供给DC链路，该DC链路然后具有相等的电压VDC。正极18a处的正电压VPV+等于正DC链路电压VDC+，其相对于地具有+VDC/2的值。负极18b处的负电压VPV-等于负DC链路电压VDC-，其相对于地具有-VDC/2的值。逆变器24在控制器28的控制下将DC链路电压VDC转换成被提供给电网16的单相或三相电压Vg。
由于负电压VPV-相对于地是负的，因此在正常操作期间发生电势诱导劣化（PID）。
为了减轻或抵消该PID，逆变器***14包括：在负DC链路输出端20b中的开关30，其被适配成将光伏板12的负极18b从负DC链路20b断开。开关30可以由控制器28打开和关闭。
当开关30打开时，光伏板12的负极18b从由DC链路22的负输出端20b提供的电势断开，并且因此当这是负极18b与***10的仅有连接点时，其可以是自由浮动的。因此，负极18b处的电压是正极18a的电压，其在图1中是正DC链路输出端20a的电势（即，+VDC/2）减去由光伏板12生成的电压VPV。在夜间，电压VPV基本上为零，并且负极18b被设定成大约是由DC链路22的正输出端20a提供的电压。
因此，当以恢复操作模式在夜间打开开关30时，可以反转光伏板30的PID。
恢复的效果取决于被施加到光伏板12的正电压的高度。例如，可以通过以对应的方式操作逆变器24来升高DC链路在正输出端20a处的电压。
如图2中示出的，替换于此（或除此之外）的是附加电源32，其提供了电压Vaux，其被添加到由正输出端20a提供的电压。例如，附加电源32可以连接在正极18a与DC链路22的正输出端20a之间。可以打开与附加电源32并联连接的另外的开关34，以将附加电源32连接到正极18a，并且可以将其闭合以断开它。而且，该另外的开关34可以由控制器28控制。
在正常的日间操作期间，两个开关30、34都是闭合的。在夜间，为了恢复操作，可以打开两个开关，并且在光伏板12与DC链路22之间施加附加电压Vaux。在这种情况下，光伏板12的负极18b的电势可以达到VDC/2与Vaux之和，即，电势增加了Vaux，这使PID恢复加速。
图3示出了附加电源32的实施例，其被集成到逆变器***14的辅助电源36中。辅助电源36通常被用来为电子器件、栅极驱动器、逆变器24内部的风扇以及特别是控制器28馈送电力，其可以由DC链路22供电和/或可以是如图3中示出的反激式转换器。
辅助电源36和附加电源32共享具有初级绕组的变压器38。变压器38的第一次级绕组（其是第一反激转换器的部分）可以生成辅助电源电压V0。变压器38的第二次级绕组（其是附加电源32的第二反激转换器的部分）生成附加电压Vaux。
利用开关40，附加电源32可以从负极18a和负输出端20（参见图2）断开。在控制器28的控制下，该开关40可以在恢复操作期间闭合并且在正常操作期间打开。因此，可以通过延伸辅助电源36的变压器38的次级绕组来生成Vaux。
图4示出了附加电源32的替换的实施例，其可以包括由辅助电源36供电的单独的转换器。辅助电源36可以像图3中那样设计。
在图4中，附加电源32连接到辅助电源36的输出端。在这种情况下，不需要修改现有的辅助电源36，并且附加电源可能仅需要小隔离。由于附加电源32在不馈送电力的情况下仅需要维持特定电压Vaux，因此非常低功率和/或低成本的实现方式可以是可行的。
图5图示了用于恢复劣化光伏板12的方法，其可以由***10在控制器28的控制下来实行。
在步骤S10中，***10处于正常操作42中（参见图6和图7）。在正常操作42期间，***10利用逆变器24将来自光伏板12的DC电压VPV转换成AC电压Vg，该AC电压Vg被提供给电网16。
正常操作42通常在日间实行，在日间由光伏板12产生的电压VPC大幅度地不同于0。
在步骤S12中，***10处于恢复操作44中。在恢复操作44期间，光伏板12的负极18b与逆变器***14的负DC链路输出端20b断开。仅从逆变器***10向光伏板12的正极18a提供正电压。可能的是，通过对应地切换逆变器24，在恢复操作44期间维持DC链路22中的DC链路电压VDC。用于维持DC链路电压VDC的电力可以由电网16提供。
恢复操作42通常在夜间实行，在夜晚由光伏板12产生的电压VPC基本上为0。
图6和7示出了具有光伏板12的负极18b的电压VPV-的示图。在正常操作42期间，电压VPV-等于负DC链路电压VDC-，因为负极18b经由开关30与负DC链路输出端20b连接。
当***10处于正常操作42中（以及还处于恢复操作中）时，控制器10例如连续地和/或重复地确定光伏板12是否在其正极18a与负极18b之间产生电压VPV。光伏板12是否产生电压的确定可以基于实际时间和/或电压测量。
例如，控制器28中的计时器可以确定在达到特定的日间时间时（即，夜间已经开始）应当开始恢复操作44。还可以有可能的是，控制器接收测量值（根据该测量值可以确定电压VPC）并且当电压VPC下降到阈值以下时，切换到恢复操作44。
为了开始恢复操作44，控制器28将光伏板12的负极18b从逆变器24的DC链路22断开，并且仅向光伏板12的正极18a提供至少来自DC链路22的正电压VDC+（即，VDC/2）。在恢复操作44期间，开关30维持打开。
对于来自图1的***10，在恢复操作44期间，电压VPV-可以等于正DC链路电压VDC+，如图6中示出的。
利用图2的***10，还可以有可能的是，控制器28在光伏板12的正极18a与DC链路22的正输出端20a之间互连附加电源32。这可以通过打开开关34并且闭合开关40来完成。在整个恢复操作44期间，两个开关都可以保持在该位置中。
因此，正极18a处的电压VPV+和（如图7中示出的）负极18b处的电压VPV-可以被升高到VDC++Vaux（即，VDC/2+Vaux），其是正DC链路电压VDC+与附加电压Vaux之和。一般而言，电压VPV-是VPV+减去VPC，然而，在夜间可以假设其为0。
在两种情况下（图6和图7），光伏板12的恢复在恢复操作44期间发生，这完全在正电势上。
当控制器28确定应该结束恢复操作和/或应该开始正常操作42时（这再次可以基于实际时间和/或测量），开关30闭合以用于将光伏板12的负极18b与DC链路22的负输出端20b连接。在正常操作期间，开关30保持关闭。附加地，对于图2的实施例，可以闭合开关34并且可以打开开关40。
虽然已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述要被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。根据对附图、公开内容和所附权利要求的研究，对所公开的实施例的其他变化可以被本领域中和实践所要求保护的发明的技术人员理解和实现。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或控制器或其他单元可以实现权利要求书中记载的若干个项目的功能。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施这一纯粹事实并不指示这些措施的组合不能被用来获利。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
附图标记列表
10 光伏板***
12 光伏板
14 逆变器***
16 电网
18a 正极
18b 负极
20a 正输出端
20b 负输出端
22 DC链路
24 逆变器
26 滤波器
28 控制器
30 开关
32 附加电源
34 开关
36 辅助电源
38 变压器
40 开关
42 正常操作
44 恢复操作

Claims (13)

1.一种用于光伏板（12）的逆变器***（14），所述逆变器***（14）包括：
逆变器（24），其被适配成将来自所述光伏板（12）的DC电压变换成要被提供给电网（16）的AC电压；
DC链路（22），其与所述逆变器（24）互连并且提供可连接到所述光伏板（12）的正极（18a）的正DC链路输出端（20a）和可连接到所述光伏板（12）的负极（18b）的负DC链路输出端（20b）；
开关（30），以用于将所述光伏板（12）的负极（18b）与所述DC链路（22）断开；
控制器（28），以用于控制所述逆变器（24）和所述开关（30）；
其中，所述控制器（28）被适配成打开所述开关（30），使得所述光伏板（12）可由所述正DC链路输出端（20a）单独供电；
其中，所述控制器（28）被适配成确定何时由所述光伏板（12）产生的电压下降到阈值电压以下，并且所述控制器（28）被适配成然后打开所述开关（30），使得向所述光伏板（12）的正极（18a）提供来自所述DC链路（22）的正电压。
2.根据权利要求1所述的逆变器***（14），
其中，所述控制器（28）被适配成在所述开关（30）打开时维持DC链路电压。
3.根据前述权利要求之一所述的逆变器***（14），进一步包括：
用于生成附加DC电压的附加电源（32）；
第二开关（34），以用于将所述光伏板（12）与所述附加电源（32）互连，使得来自所述附加电源（32）的附加DC电压被添加到正DC链路电压。
4.根据权利要求3所述的逆变器***（14），
其中附加DC电压高于100 V。
5.根据权利要求3或4所述的逆变器***（14），进一步包括：
辅助电源（36），以用于向所述控制器（28）提供电力；
其中，所述附加电源（32）具有带有所述辅助电源（36）的公共变压器（38）。
6.根据权利要求3或4所述的逆变器***（14），进一步包括：
辅助电源（36），以用于向所述控制器（28）提供电力；
其中，所述附加电源（32）由所述辅助电源（36）供电。
7.根据前述权利要求之一所述的逆变器***（14），
其中，所述逆变器（24）是无变压器逆变器，使得所述光伏板（12）在所述逆变器***（14）的操作期间与所述电网（16）电流地连接。
8.一种光伏板***（10），其包括：
根据前述权利要求之一所述的逆变器***（14）；以及
连接到所述转换器***的光伏板（12）；
其中，当所述负DC输入端（20b）中的开关（30）打开时，所述光伏板（12）的负极（18b）是浮动的。
9.一种用于恢复劣化光伏板（12）的方法，所述方法包括：
关闭开关（30），以用于在正常操作期间将所述光伏板（12）的负极（18b）与DC链路（22）的负输出端（20b）连接；
在正常操作期间，利用逆变器（24）将来自所述光伏板（12）的DC电压（VPV）转换成被提供给电网（16）的AC电压（Vg），其中所述光伏板（12）利用正极（18a）和所述负极（18b）连接到所述逆变器（24）的DC链路（22）；
确定何时由所述光伏板（12）产生的电压下降到阈值电压以下；
当所述电压下降到所述阈值电压以下时，打开所述开关（30），以用于将所述光伏板（12）的负极（18b）与所述DC链路（22）的负输出端（20b）断开；
在恢复操作期间，当所述光伏板（12）的负极（18b）与所述逆变器（24）的DC链路（22）断开时，为所述光伏板（12）的正极（18a）提供来自所述DC链路（22）的正电压（VDC+）。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
在恢复操作期间维持所述DC链路（22）中的DC链路电压（VDC）。
11.根据权利要求9或10所述的方法，进一步包括：
在所述光伏板（12）的正极（18a）与所述DC链路（22）的正输出端（20a）之间互连附加电源（32），以用于升高被提供给所述光伏板（12）的正极（18a）的电压。
12.根据权利要求9至11之一所述的方法，进一步包括：
确定所述光伏板（12）是否在其正极（18a）与负极（18b）之间产生电压（VPV）；
基于该确定切换到恢复操作和正常操作。
13.根据权利要求12所述的方法，
其中，所述光伏板（12）是否产生电压的确定是基于实际时间的；和/或
其中，所述光伏板（12）是否产生电压的确定是基于电压测量的。
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