專利名稱：光伏設(shè)備的單個光伏模塊的控制方法和控制設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種方法，根據(jù)該方法可以借助控制單元的對應的控制設(shè)備將處于危險狀態(tài)或者工作狀態(tài)的PV-設(shè)備的光伏模塊(PV模塊)調(diào)到安全狀態(tài)，而不對PV模塊或者整流器造成損壞。當所有PV模塊都配備有這樣的控制單元，那么在危險狀態(tài)下的PV發(fā)電機(PV設(shè)備)在每一點都可以調(diào)為對人體安全的狀態(tài)。控制設(shè)備使用PV設(shè)備中已有的電纜，因此在PV模塊裝配過程中就不需要額外的付出。
背景技術(shù)：
由現(xiàn)有技術(shù)已知一種設(shè)備，借助該設(shè)備PV設(shè)備可以自動地調(diào)到對人體安全的狀態(tài)。由DE102005017835B3已知一種具有溫控開關(guān)的光伏發(fā)電機，其對溫度升高做出反應并且使PV模塊短路。該光伏發(fā)電機具有這樣的缺點，溫控開關(guān)(其不必一直出現(xiàn)在火災中)只有在其周圍的溫度升高時才被觸發(fā)，而一旦溫度降低(例如有消防用水時)溫控開關(guān)就再次斷開。從外部既不能看出模塊是否斷電，也不能手動地使設(shè)備斷電。在DE102008052037B3中描述了一種太陽能模塊，該模塊中借助外設(shè)的壓力-控制線路和機械壓力-激發(fā)器將多個太陽能電池低電阻橋接。外設(shè)的壓力-控制線路和機械壓力-促動器由于其移動的部分是相對脆弱的。對于太陽能模塊PV模塊是靜態(tài)短路連接的，這樣單個PV模塊和整流器就可能受到破壞。此外還不利的是，除了太陽能設(shè)備的電纜還需要額外的控制線路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種方法，根據(jù)該方法可以將處于危險狀態(tài)(例如火災)或者工作狀態(tài)的PV-設(shè)備的光伏模塊調(diào)到安全狀態(tài)，而不對PV模塊或者整流器造成損壞?？刂圃O(shè)備應該只通過PV設(shè)備中已有的電纜連接。本發(fā)明的目的通過權(quán)利要求1和7的特征實現(xiàn)。本發(fā)明的其它有利的設(shè)計和應用形式由權(quán)利要求2至6和8至11給出。根據(jù)本發(fā)明的啟示，為了控制PV設(shè)備的至少一個串列，優(yōu)選每一串列(由多個這種PV模塊構(gòu)成)中的單個PV模塊，在每一個(待控制的)PV模塊上都安裝一個單獨的控制單元。這些控制單元監(jiān)測其對應的PV模塊的電壓曲線和/或電流。如果對電壓曲線進行監(jiān)測，而且發(fā)現(xiàn)PV模塊的電壓從驅(qū)動電壓升高到了空載電壓(或者電壓從空載電壓降低到驅(qū)動電壓)，那么將激活相關(guān)的PV模塊的控制單元(即控制單元采取各個措施，如下所述)。其中短時的、安全的電壓峰值(或者電壓低谷)不會導致控制單元的激活，只有在PV模塊的電壓升高或者降低超過一個預先設(shè)定的邊界值超過一段時間后，控制單元才激活。如果控制單元監(jiān)測的是流過PV模塊的電流，那么一旦電流下降到參考值(例如IOOmA)以下，控制單元激活。在第一種變體中，當控制單元激活后，PV模塊至少在其一個接入端與所屬的串列斷開。由此生成的至少一個斷開點與一個電容并聯(lián)，即，PV模塊在斷開之后還通過電容彼此相連。通過整個串列的直流電流被阻斷，交流電流(和脈沖形式的直流信號)還繼續(xù)流通。在第二種變體中，PV模塊與低阻抗負載脈沖地并聯(lián)接通，即，低阻抗電阻交替地以一定時間與PV模塊并聯(lián)然后再斷開。通過脈沖的并聯(lián)接通，PV模塊的有效電壓(時域上的平均值)降低。為了避免，PV設(shè)備的整流器或者至少一個PV模塊受到電流峰值的破壞，在低阻抗負載的接通期間這樣變化脈沖周期，即，負載與PV模塊并聯(lián)接通的時間平均值始終呈上升趨勢并且最終達到一個恒定值。在低阻抗負載斷開時，相應的平均值始終下降并且最終達到零。在第二變體的一個有利實施例中這樣選擇脈沖周期，控制單元含有的微控制器的最小可靠運行電壓正好由PV模塊的有效電壓(剩余電壓)提供。當一個串列中的所有控制單元都激活時(在第一變體中通過相應PV模塊從該串列的斷開，在第二變體通過低阻抗負載的脈沖形式的并聯(lián)接通)，至少一個串列的總電壓降低到對人體安全的安全值。為了再次將PV設(shè)備激活運行(通過將所有激活的控制單元復位)，一旦控制單元被激活馬上將負載脈沖地并聯(lián)接通到PV模塊上，并且在對應于至少一個PV模塊的微控制器的脈沖并聯(lián)接通過程中向該微控制器提供至少其最小運行電壓，該控制器至少使一個串列短路約2秒鐘。微控制器的運行電壓斷開約2秒后微控制器將重置(重新啟動)。作為替代，可以將負載與至少一個PV模塊脈沖地并聯(lián)接通并且向?qū)谠撝辽僖粋€PV模塊的微控制器提供其最小驅(qū)動電壓或者PV模塊在至少一側(cè)從串列中斷開(第一或第二種變體)，而將至少一個串列的所有已經(jīng)激活的控制單元復位，將一個電脈沖或者一個電脈沖序列輸送到至少一個串列的管線中。這樣對控制單元中的微控制器進行編程，其能夠識別電脈沖或者電脈沖序列并且將已經(jīng)激活的控制單元復位。根據(jù)本發(fā)明的控制設(shè)備包含若干個控制單元，這些控制單元與各自的PV模塊相連。優(yōu)選地，PV設(shè)備的每個PV模塊設(shè)有一個控制單元。若干個控制單元分別含有至少一個用于采集PV模塊的電壓曲線(或者流過PV模塊的電流)的測量設(shè)備、一個用于監(jiān)測PV模塊的電壓曲線(或者流過PV模塊的電流)的微控制器以及或者至少一個用于將對應于控制單元的PV模塊的至少一側(cè)從串列斷開的模塊斷開開關(guān)，或者一個用于將低阻抗負載脈沖地并聯(lián)接通到所屬的PV模塊上的線路。用于采集流過PV模塊的電流的測量設(shè)備包含例如一個低阻抗分流電阻(其串聯(lián)在具有微控制器的PV模塊和同一串列的相鄰PV模塊之間)；一個運算放大器(通過其對分流電阻兩端的電壓進行檢測、放大并且將該電壓值與電壓參考值進行比較)；和一個溫度補償線路(其為運算放大器提供取決于溫度的電壓參考值)?？刂茊卧?其在激活狀態(tài)脈沖地將低阻抗負載與對應的PV模塊并聯(lián)接通)具有一個開關(guān)(電氣的、機械的或者兩種方式組合的)和一個電阻(低阻抗負載)用于限流，其中開關(guān)和電阻串聯(lián)接通。電阻和開關(guān)的串聯(lián)電路與所述的PV模塊并聯(lián)接通?？刂茊卧ǔ＜稍赑V模塊的連接箱中，并且裝配在連接箱上或者直接位于連接箱附近。為了可以快速判斷哪一串列處于安全的運行狀態(tài)中(總電壓對人安全)，設(shè)置控制單元具有LEDs，其在控制單元激活的情況下閃爍?？刂茊卧軌蛄畠r地制造，因為其能夠以標準的電子部件實現(xiàn)并且除了在太陽能設(shè)備中已經(jīng)存在的線纜不需要額外的控制線路。特別有利的是，控制單元可以與PV設(shè)備的監(jiān)測設(shè)備連接地運行；該監(jiān)測設(shè)備具有供電設(shè)備、電流傳感器(其采集通過至少一個串列的電流)、含有電容-電壓轉(zhuǎn)換器的發(fā)電機(其用于盜竊檢測)、微控制器(其用于確定電流傳感器傳遞的電流值和電容-電壓轉(zhuǎn)換器傳遞的電壓值)、去耦元件(其用于將至少一串列至少與整流器的電容分離)、控制設(shè)備的控制單元的復位設(shè)備、警報-重置設(shè)備和具有電流阻斷的交接點(其用于將警報轉(zhuǎn)達到外部警報中心)。


下面借助兩個實施例詳細地闡明本發(fā)明，框圖中示出圖1 :含有控制設(shè)備和監(jiān)測設(shè)備的光伏設(shè)備，圖2 :監(jiān)測設(shè)備，圖3 :三個控制單元的串聯(lián)電路，這三個控制單元在激活狀態(tài)下脈沖地連接PV模塊，圖4 :三個控制單元的串聯(lián)電路，這三個控制單元在激活狀態(tài)下將PV模塊從串列斷開。附圖標記說明I PV 模塊1.1接線柱1. 2接線柱2 串列3 控制單元4 整流器5 監(jiān)測設(shè)備6 去耦元件7 供電部件8 微控制器(監(jiān)測設(shè)備)9 含有電容-電壓轉(zhuǎn)換器的發(fā)電機10 電流傳感器11 具有電流阻斷的警報信號-交接點12 警報中心13 發(fā)光二極管14 微控制器(控制單元)15 變壓器16 開關(guān)
17負載18分壓器18.1電阻18.2電阻19重置-信號-警報20控制單元的復位設(shè)備21模塊斷開開關(guān)22電容器23固定載荷電阻24分流電阻25運算放大器26溫度傳感器/溫度補償電路
具體實施例方式圖1中示出了 PV設(shè)備，其中若干個PV模塊I串并聯(lián)成串列2，為了實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法，在每個PV模塊I處都并聯(lián)一個控制單元3。PV模塊產(chǎn)生的直流電壓通過PV設(shè)備的整流器4轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)電壓。整 流器和串列2之間接入監(jiān)測設(shè)備5，其對PV設(shè)備的盜竊和電弧形成現(xiàn)象(電壓監(jiān)測)進行監(jiān)測。若干個控制單元3共同形成根據(jù)本發(fā)明的控制設(shè)備。圖2中所示出的監(jiān)測設(shè)備5以交流電壓驅(qū)動，其中連接上的串列2的線纜通過去耦元件6 (其用于電容分離)連接到整流器4。交流電壓通過供電部件轉(zhuǎn)換成低電壓。該低電壓向微控制器8(監(jiān)測微控制器)、含有電容-電壓轉(zhuǎn)換器的發(fā)電機9、電流傳感器10以及發(fā)光二級管13供電。微控制器8米集含有電容-電壓轉(zhuǎn)換器的發(fā)電機9和電流傳感器10的輸出信號。在連接上的串列2中出現(xiàn)反向電流或者電弧時，電流傳感器10發(fā)出特異的電壓曲線，該電壓曲線是由微控制器8采集并且(作為故障信號)識別的。該電流傳感器接著打開去耦元件6和/或其向警報信號-交接點11發(fā)送一個信號；該警告信號繼續(xù)傳遞到警報中心12。此外故障通過監(jiān)測設(shè)備5上的發(fā)光二極管13顯示。當使用斷開開關(guān)作為去耦元件6時，在白天對由PV模塊制造的電壓的監(jiān)測作用為盜竊監(jiān)測；當電壓降到確定的太陽能最小電壓時，PV模塊I中比較可能發(fā)生盜竊事件。為了監(jiān)測夜間的PV模塊I的盜竊事件(或者在日間和夜間，當應用了串列二極管作為去耦元件的時候)含有電容-電壓轉(zhuǎn)換器的發(fā)電機9傳送一個方波脈沖(電壓脈沖)到串列2的線纜。由作為串列2對方波脈沖的電容反饋的電壓信號可以確定，在串列2中是否有一個或者若干個PV模塊I被斷開，或者是否在有意的盜竊事件發(fā)生前實施將PV模塊橋接的操作；去耦元件6作為電容分離器，因此整流器4中的電容器的電容量不能被測量。圖3中示出了三個PV模塊I的串聯(lián)電路，這三個PV模塊分別具有一個控制單元
3。這些控制單元3通過各個PV模塊I采集流過各個PV模塊的電流或者電壓。三個PV模塊I的第一個中，對應于第一個PV模塊I的控制單元3具有虛線(點劃線)的邊框。在控制單元3中安放有微控制器14 (控制單元微控制器)、變壓器15、開關(guān)16、負載17和分壓器18。微控制器14通過變壓器15 (其通過PV模塊I的接線柱1.1和1.2獲得其輸入電壓)供電。只要PV模塊I的電壓高于驅(qū)動微控制器14所需電壓，變壓器15就能提供微控制器14的供電電壓。微控制器通過分壓器18 (其由電阻18.1和18. 2的串聯(lián)線路構(gòu)成)采集PV模塊I的電壓。一旦微控制器14采集的電壓值高于某個電壓值，微控制器14就給開關(guān)16發(fā)送一個信號。開關(guān)16就將負載17脈沖地并聯(lián)接通到接線柱1.1和1.2上。因為負載17具有低阻抗電阻，流過電阻17的電流就會比較高，由此大幅降低接線柱1.1和1. 2之間的電壓。一旦負載17接通，微控制器14就能確定負載17的壓降。由負載17和分壓器18的壓降，微控制器14確定開關(guān)16接通的脈沖頻率，以該頻率變化能夠使接線柱1.1和1. 2之間的電壓不低于微控制器14的變壓器15的供電電壓的最小值(確定的調(diào)整電路)。該運行狀態(tài)一直保持，直到微控制器14復位且開關(guān)16不再受控制即斷開。電流測量設(shè)備由低阻抗分流電阻24 (其串聯(lián)在具有微控制器的PV模塊I和同一串列2的相鄰PV模塊I之間)；運算放大器25 (通過其對分流電阻24兩端的電壓進行檢測、放大并且將該電壓值與電壓參考值進行比較);和溫度補償電路26 (其為運算放大器25提供取決于溫度的電壓參考值)組成。圖4中同樣示出了具有三個PV模塊I的串聯(lián)電路(對應于第一個PV模塊I的控制單元3以虛線標出)，其中在故障情況下的串列2的總電壓不再像前面的實施例中通過低阻抗負載17的脈沖并聯(lián)接通，而是通過單個PV模塊I從串列2的電氣斷開而降低到安全值(例如低于一個預先給定的值)。PV模塊I彼此間的斷開通過設(shè)計為半導體開關(guān)或者繼電器的模塊斷開開關(guān)21實現(xiàn)。固定載荷電阻23對于驅(qū)動半導體開關(guān)是必須的。為了能夠?qū)崿F(xiàn)控制單元3的簡單的復位，將電容22并聯(lián)接通到模塊斷開開關(guān)21上(在模塊斷開開關(guān)21打開時，單個PV模塊還分別通過電容22彼此相連)，由此為了將控制單元3復位，可以通過PV設(shè)備中現(xiàn)有的電纜將交流電信號或者脈沖序列發(fā)送到控制單元3。
權(quán)利要求
1.一種控制PV設(shè)備的單個PV模塊(1)，優(yōu)選控制所述PV設(shè)備的至少一個串列(2)中的每個單個PV模塊(I)的方法，其中所述每個PV模塊(I)都對應于一個控制單元(3)，借助所述控制單元(3)測量每個PV模塊(I)的電壓曲線和/或電流，一旦所述PV模塊(I)的電壓從驅(qū)動電壓升高到了空載電壓或者電壓從空載電壓降低到驅(qū)動電壓，或者所述串列(2)的電流降低到參考值之下，那么將激活對應于PV模塊(I)的控制單元(3)，其中在所述控制單元(3)的激活狀態(tài)下，或者是所述PV模塊(I)的至少一個連接端(1.1、1.2)從串列(2)斷開，這里存在的至少一個斷開點通過并聯(lián)的電容(22)保持接通，或者是將低阻抗負載(17)脈沖地并聯(lián)接通到所述PV模塊(I)上，以此在控制單元的激活狀態(tài)下，使得所述至少一個串列(2)的總電壓降到對人體安全的值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在將所述負載(17)并聯(lián)接通到所述至少一個PV模塊(I)時，這樣變化脈沖周期，即，所述負載(17)與PV模塊(I)接通的時間平均值持續(xù)上升并且最終達到一個恒定值，在所述負載(17)斷開時，所述平均值持續(xù)下降并且最終達到零，由此避免了整流器(4)或者所述至少一個PV模塊(I)受到電流峰值的沖擊破壞。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2的任意一項所述的方法，其特征在于，在將所述負載(17)并聯(lián)接通到所述至少一個PV模塊(I)時，這樣變化脈沖周期，即，包含有對應于所述至少一個PV模塊(I)的控制單元(3)的微控制器(14)以至少與所述微控制器(14)相符的最小驅(qū)動電壓供電。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3的任意一項所述的方法，其特征在于，一旦激活了所述控制單元(3)，所述負載(17)就并聯(lián)接通到所述PV模塊(I )，并且對應于所述至少一個PV模塊(I)的微控制器(14)至少以其最小驅(qū)動電壓供電，為了將所述至少一個串列(2)的所有已經(jīng)激活的控制單元(3)都復位，使所述至少一個串列(2)短路約2秒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3的任意一項所述的方法，其特征在于，當或者是將負載(17)脈沖地并聯(lián)接通到所述PV模塊(I)上并且向?qū)谒鲋辽僖粋€PV模塊(I)的微控制器(14)以其最小驅(qū)動電壓供電，或者是所述PV模塊(I)的至少一個連接端(1.1、1.2)從串列(2)斷開時，為了將所述至少一個串列(2)的所有已經(jīng)激活的控制單元(3)都復位，通過至少一個串列(2)的線纜發(fā)送一個電脈沖信號或者電脈沖序列，其中對應于所述至少一個PV模塊(I)的控制單元(3)的微控制器(14)識別出電脈沖信號或者電脈沖序列并且將控制單元(3)重置。
6.實施根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法的控制設(shè)備，其特征在于，所述控制設(shè)備包含若干個控制單元(3)，若干個控制單元分別與各個PV模塊(I)相連，優(yōu)選與PV設(shè)備的至少一個串列(2)的每個單獨的PV模塊(I)相連，其中控制單元(3)含有至少一個用于采集PV模塊(I)的電壓曲線和/或流過PV模塊的電流的測量設(shè)備、一個用于監(jiān)測PV模塊(I)的電壓曲線或流過PV模塊的電流的微控制器(14)以及或者至少一個用于將對應于控制單元(3)的PV模塊(I)的至少一側(cè)(1.1、1.2)從所述的串列斷開的模塊斷開開關(guān)(21)，或者一個用于將低阻抗負載(17)脈沖地并聯(lián)接通到所述對應于控制單元(3)的PV模塊上(I)的線路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制設(shè)備，其特征在于，所述若干個控制單元(3)分別含有一個用于采集流過PV模塊的電流的測量設(shè)備，所述測量設(shè)備包含一個串聯(lián)在具有微控制器(14 )的PV模塊(I)和同一串列(2 )的相鄰PV模塊(I)之間的低阻抗分流電阻(24 ); —個運算放大器(25)，通過其對分流電阻(24)兩端的電壓進行檢測、放大并且將該電壓值與電壓參考值進行比較；和一個溫度補償電路(26)，其為運算放大器(25)提供取決于溫度的電壓參考值。
8.根據(jù)權(quán)利要求6和7的任意一項所述的控制設(shè)備，其特征在于，所述若干個控制單元分別包含一個用于限流的、由開關(guān)(16)和電阻(17)組成的串聯(lián)電路，其中所述電阻和開關(guān)(16)組成的串聯(lián)電路并聯(lián)接通在對應于控制單元(3)的PV模塊(I)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8的任意一項所述的控制設(shè)備，其特征在于，所述若干個控制單元(3)集成在PV模塊(I)的連接箱中，并且裝配在連接箱上或者直接位于連接箱附近。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9的任意一項所述的控制設(shè)備，其特征在于，所述若干個控制單元(3)具有LEDs (13),所述LEDs示出各個控制單元(3)是否激活。
11.所述控制單元聯(lián)合PV設(shè)備的監(jiān)測設(shè)備(5)的用途；所述監(jiān)測設(shè)備具有供電部件(7)、采集通過至少一個串列(2)的 電流的電流傳感器(10)、用于盜竊檢測的含有電容-電壓轉(zhuǎn)換器的發(fā)電機(9)、用于確定電流傳感器(10)傳遞的電流值和電容-電壓轉(zhuǎn)換器(9)傳遞的電壓值的微控制器(8)、用于將至少一個串列(2)至少與整流器(4)的電容分離的去耦元件(6)、控制設(shè)備的控制單元(3)的復位設(shè)備(20)、警報-重置設(shè)備(19)和具有電流阻斷的交接點(11)，其用于將警報轉(zhuǎn)達到外部警報中心(12)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種方法，根據(jù)該方法可以將處于危險狀態(tài)的PV-設(shè)備的光伏模塊(PV模塊)調(diào)到安全狀態(tài)。借助若干個分別對應于PV模塊的控制單元(3)測量每個PV模塊(1)的電壓曲線和/或電流。一旦PV模塊(1)的電壓從驅(qū)動電壓升高到了空載電壓或者電壓從空載電壓降低到驅(qū)動電壓，或串列(2)的電流降低到參考值之下，那么將激活相關(guān)的PV模塊(1)的控制單元(3)。在控制單元(3)的激活狀態(tài)下，或者是PV模塊(1)的至少一個連接端(1.1、1.2)從串列(2)斷開，這里存在的至少一個斷開點通過并聯(lián)的電容(22)保持接通，或者是將低阻抗負載(17)脈沖地并聯(lián)接通到PV模塊(1)上。
文檔編號G01R31/00GK103081269SQ201180038262
公開日2013年5月1日 申請日期2011年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月3日
發(fā)明者貝恩德·維勒 申請人:紐圖斯股份公司