太阳能模块和功率转换器的中压布置 |
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| 申请号 | CN202280062831.4 | 申请日 | 2022-07-18 | 公开(公告)号 | CN117999719A | 公开(公告)日 | 2024-05-07 |
| 申请人 | 茵梦达有限公司; | 发明人 | 埃尔温·斯帕希克; 伦纳特·巴鲁施卡; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种 太阳能 组单元(10)具有至少两个太阳能单元(1)；在每个太阳能单元(1)中设置有承载单元(3)和多个太阳能模 块 (2)；其中，连接点(45)设置于在所述 串联 电路 (4)中设置的两个所述太阳能模块(2)之间的电连接部处；其中，承载单元(3)设计为至少部分地导电并且与连接点(45)电连接；其中，为了传输产生的电 力 太阳能单元(1)设计为电串联。为了优化太阳能组建议将各个太阳能模块(2)的承载单元(3)通过绝缘体(5)彼此电绝缘地设置。本发明还涉及一种具有太阳能单元(10)的太阳能发电单元(100)和太阳能发电系统(200)，以及用于馈送 电能 的方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种具有至少两个太阳能单元(1)的太阳能组单元(10)，所述太阳能单元各自具有第一接头(41)和第二接头(42)，其中，所述太阳能单元(1)各自具有： |
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| 说明书全文 | 太阳能模块和功率转换器的中压布置技术领域[0001] 本发明涉及具有承载单元和多个太阳能模块的太阳能单元，其中，就太阳能模块的绝缘强度而言，太阳能模块具有绝缘直流电压，特别是高达1.5kV DC的绝缘直流电压。本发明还涉及一种太阳能组单元，其中，该太阳能组单元具有至少两个这样的太阳能单元，其中，太阳能单元相对于它们的第一接头和第二接头电串联设置。本发明还涉及一种太阳能发电单元，其具有功率转换器和至少一个这样的太阳能单元和/或至少一个这样的太阳能组单元。本发明对此还涉及一种太阳能发电系统，包括至少一个这样的太阳能发电单元，用于将太阳能发电单元连接至能源供应网络的电网连接点以及变压器。本发明进一步地还涉及一种通过这样的太阳能单元、这样的太阳能组单元、这样的太阳能发电单元或这样的太阳能发电系统将电能馈送至能源供应网络中的方法。 背景技术[0002] 太阳能模块，也称为光伏(PV)模块或光伏面板，将从太阳光中产生电能以串联连通，从而使模块的电压相加。几个串联的太阳能模块形成一个光伏串。如今，光伏串的电压在几百伏直流电的范围内。光伏面板的壳体或支架/底座接地。 [0003] 将一个或多个光伏串连接到一个或多个功率转换器，功率转换器在其各自的输出端由太阳能模块的直流电压产生交流低压，然后将其提供给电网接头(通常为0.4‑0.69kV)。实现电网连接的点也称为电网连接点。 [0004] 太阳能模块具有绝缘强度。这是太阳能模块的电接头之间的电绝缘能力借助此可利用由太阳光产生的电能，并且将太阳能模块的壳体或承载单元，特别是太阳能模块的壳体，设置在太阳能模块上或设置在太阳能模块以上。绝缘强度由电压标定，该电压能够存在于太阳能模块的电接头与壳体之间或太阳能模块的电接头与承载单元之间，而没有电流或没有值得注意的电流，或者对模块损坏出现。允许存在于太阳能模块的电接头与壳体之间或太阳能模块的电接头与承载单元之间的最大直流电压称为直流绝缘电压。如今太阳能模块的典型直流绝缘电压高达1.5kV DC。 发明内容[0005] 本发明的目的是改进能源供应网络中对于太阳能的馈送的设置，特别是对于高功率而言。 [0006] 该目的由太阳能组单元解决，其中，太阳能组单元具有至少两个太阳能单元，太阳能单元各自具有第一接头和第二接头；其中，太阳能单元各具有承载单元和多个太阳能模块；其中，就太阳能模块的绝缘强度而言，太阳能模块具有直流绝缘电压，特别是具有高达1.5kV DC的直流绝缘电压；其中，太阳能模块设置在串联电路中的第一接头和第二接头之间，所述连接点设置在串联电路中的两个太阳能模块之间的电连接上；其中，连接点这样设置为在串联电路中设置的两个太阳能模块之间的电连接部处，使得设置在第一接头和连接点之间设置的太阳能模块产生的第一电压的值，以及由设置在第二接头和连接点之间设置的太阳能模块产生的第二电压的值，分别小于绝缘直流电压；其中，太阳能模块设置在承载单元内或在承载单元上；其中，承载单元设置为至少部分地导电并且与连接点导电连接；其中，太阳能单元相对于其第一接头和第二接头电串联地设置；其中，各个太阳能模块的承载单元通过绝缘体彼此电绝缘地设置。该任务还由具有功率转换器和至少一个上述的太阳能组单元的太阳能发电单元解决；其中，功率转换器设计为中压功率转换器，并且具有直流电压侧和交流电压侧；其中，太阳能单元和/或所述太阳能组单元与所述转换器的直流电压侧电连接。该问题进一步地由太阳能发电系统来解决，该系统具有至少一个上述的太阳能发电单元，用于将太阳能发电单元连接至能源供应网络的电网连接点和变压器；其中，变压器连接到功率转换器的交流电压侧并连接到电网连接点。另外，该任务通过由上述的太阳能组单元、上述的太阳能发电单元或上述的太阳能发电系统用于馈送电能的方法来解决；其中由太阳能模块产生的电能通过在中压范围内的交流电压馈送至能源供应网络。 [0008] 除其他外，本发明基于以下理解能够改进太阳能模块的设置，从而产生利用这些太阳能模块产生能量的分布式设置。通过不接地太阳能模块和/或其承载单元，特别是对于光伏园区，即基于以功率超过100MW的光伏模块的能源生产设置来说有优势。 [0009] 太阳能单元具有在第一接头和第二接头之间太阳能模块的串联。因此，太阳能模块在其太阳能模块接头上设置为串联电路，在该接头处由太阳光产生的电功率是可用的。 [0010] 因此，由太阳光产生的电能通过中压转换器提供给例如能源供应网络、电力消费者或能量存储系统。此外，中压转换器将太阳能模块的电压转换为交流电压。换言之，太阳能模块产生的电能由中压转换器通过交流电压传输的方式处理。该交流电压的有效值或幅度大于1000V。通过在幅度和相位上电压的变化，中压变流器能够独立地控制或调节有功功率和无功功率的传输。此外，太阳能模块被设置在承载单元之上或承载单元之中。承载单元分别形成电势。例如，通过承载单元上的绝缘体将该电势与地电势绝缘，该绝缘体被称为载波绝缘体，以区别于下文中的其他绝缘体。利用太阳能模块的串联电路中的连接点，确定承载单元的电势。换言之，各个承载单元的电势与连接点电连接。由于每个承载单元的电势因此不同，每个承载单元彼此绝缘地设置。例如，这能够通过绝缘体来实现，其中，绝缘体具有的绝缘电压，大于或等于太阳能模块的两倍直流绝缘电压。再者，该绝缘体设置于两个承载单元之间。例如，如果太阳能模块的绝缘电压达1.5kV DC，则设置在两个承载单元之间的绝缘体至少具有3kV的绝缘电压。 [0011] 通过承载单元之间的绝缘体能够确保通过绝缘体连接的两个承载单元不超过彼此之间的预设电压。这保证了承载绝缘体不过载，即不会被施加不允许的高电压。承载绝缘体表示太阳能模块与设施可触及的部分的电绝缘。因此，承载绝缘体的缺陷会导致人身危险的风险。通过承载单元之间存在的绝缘体，在发生故障时，由于与承载绝缘体相比更低的绝缘电压将首先失效。这种故障能够被可靠地检测出来。然后能够将太阳能模块转变为安全运行状态。对此，例如，降低电压的单个太阳能模块被关闭或桥接，或者太阳能组单元被关闭。 [0012] 在承载单元之间平行于绝缘体设置电压限制器，例如压敏电阻也被证明是有益的。然后能够将压敏电阻的触发阈值确定在绝缘体的绝缘电压之上，例如，确定在绝缘电压的1.1至1.3倍的范围内。当绝缘体发生故障时，则通过该绝缘体连接的两个承载单元彼此之间具有规定的电位。因此，太阳能模块的继续运行是可行的。 [0013] 如果在承载单元之间的绝缘体的工作电压是串联电路的接头之间的两倍，并且连接点位于串联电路的中心，则即使在绝缘体故障的情况下，太阳能模块单元也能够继续以全功率工作。同时，由于承载绝缘体不会过载，因此可靠地确保了接触保护。同时，能够将承载绝缘体升级到所需的绝缘强度。因为它们不仅必须具有绝缘强度，而且还必须满足静力学的机械要求，与承载单元之间的绝缘体相比，这些承载绝缘体相对昂贵。通过在承载单元之间同时使用绝缘体，在不影响太阳能发电系统或太阳能发电单元的接触安全性的情况下，对承载单元的绝缘强度的要求显著降低。 [0014] 在这种情况下，连接点以这样一种方式布置在各个太阳能单元的两个太阳能模块之间的串联电路中，即连接点与电接头之间，也就是连接点与各个太阳能单元的第一或第二接头之间能够存在的最大电压小于或等于太阳能模块的直流绝缘电压。因此，在太阳能组单元中产生太阳能模块的串联电路是能够实现的，其中，太阳能组单元的所有太阳能模块的串联电压超过绝缘直流电压的两倍，甚至是单个太阳能模块的绝缘直流电压的许多倍。因此，在每个太阳能模块之间或者在太阳能模块和承载单元的连接处存在的电压，小于或最大等于单个太阳能模块的绝缘直流电压。因此，太阳能单元不接地。承载单元的电势由太阳能单元的连接点决定。它通常偏离地电势。因此，承载单元的电势与地电势绝缘，特别是通过一个或多个承载绝缘体与地电势绝缘。 [0015] 与太阳能模块的支撑结构接地的设置相比，该建议的设置在时具有相同的太阳能模块绝缘直流电压时，使多个太阳能模块的串联电路能够实现。由于这些较高数量的太阳能模块使用中压转换器运行是可行的。中压转换器直流电压侧的电压可采用大于1.5kV的电压。由于中压转换器的电压高于目前使用的低压转换器，因此在传输的功率相同的情况下电流减小。换言之，在相同的电流下，能够通过中压转换器传输更高的功率。当采用较低的电流时，能源生产的损耗减少，并且这种太阳能发电装置和这种太阳能发电系统由于较低的电流和相应的较低的损耗而具有特别高的效率。 [0016] 因此，将建议的设置应用于100MW以上的大型光伏园区是特别有益的。那里使用低压转换器会产生非常高的电流。所建议的太阳能发电单元的较低电流还使得太阳能发电机组的组件能够设置到电网连接点的距离更远处。这样中压转换器的交流电压能够转变到能够忽略传输损耗的高度。因此，在中压转换器和电网连接点之间的传输距离超过1km，甚至超过10km毫无疑问是能够实现的。换言之，如果中压转换器与电网连接点之间的空间距离大于1km，特别是大于10km，则该设置是特别有利的。不需要额外的变压器来桥接这条线路。对于输入功率超过100MW的光伏园区产生的结果是节省了大量昂贵的变压器。 [0017] 同时，对单个太阳能模块的绝缘强度要求较低。所用太阳能模块的绝缘直流电压例如为1.5kV DC，因为它们已经在市场上大量供应，适用于所建议的设置，以实现太阳能模块在直流电压侧与中压转换器连接的串联电路，并在交流电压侧产生在中压范围内的电压。通过所建议的设置，太阳能模块放弃更高的绝缘强度是可行的，这使得所建议的解决方案不仅具有高效率，同时具有特别好的成本效益。此外，通过将太阳能模块的接头连接到串联电路，也能够使用电缆来形成串联电路。所用电缆必须仅用于低压范围内的直流电压，特别适用于高达1.5kV的直流电压。对于中压电缆，即绝缘强度大于1.5kV的电缆的昂贵投入被放弃。 [0018] 除其他外，本发明的基础是认识到，将太阳能模块的承载单元与地电势绝缘是有益的。换言之，太阳能模块是在绝缘模式下设置和运行的，绝缘模式也能够称为浮动模式。承载单元能够装配在其上并且将承载单元固定在其空间位置的支座，该支座至少部分地能够由中压绝缘体有利地实现。换言之，承载绝缘体由中压绝缘体形成。根据太阳能发电单元和/或太阳能发电系统的太阳能组单元的太阳能单元的被覆盖的功率范围，使用中压绝缘体证明是有益的，该绝缘体适用于1.5kV DC和50kV DC之间的绝缘。用于制造太阳能单元内的串联电路和用于连接不同太阳能单元的串联电路的电缆仅需要低压范围内的绝缘强度，例如1.5kV DC。 [0019] 对此有益地还能够将多个太阳能组单元设置在并联电路中，并且也并联电路恰好与中压转换器连接。太阳能模块在中压转换器的直流电压侧连接。由于电流强度和对绝缘的要求，特别是母线也称为汇流排，适于将太阳能组单元连接为并联电路，母线与地电势分开并且还设置在绝缘体上，并且也可选地固定在绝缘体上。为了区分这些另外的绝缘体，这种绝缘体被称为汇流排绝缘体。这样做的优点是直流电流不需要中压电缆，并且仍然能够实现特别简单和成本效益高的安装。然后，这些汇流排绝缘体优选地设计为中压绝缘体。它们的绝缘电压大于1.5kV DC。 [0020] 能够取消低电压到中电压高成本的转换，例如到电网连接点(特别是到距离超过1km的连接点)的低损耗传输，因为所建议的设置中太阳能单元与中亚转换器连接。因此，对于长度超过1km的连接，特别是长度超过10km的连接，到电网连接点的低损耗传输也能够特别经济。 [0021] 这样太阳能单元实现了，通过太阳能单元的串联电路的太阳能模块可产生最大3kV的电压，以便能够特别有益地使用相应的绝缘体。在不同的太阳能单元的承载单元之间，仅需要直流电压高达3kV的绝缘体。 [0022] 当太阳能发电系统的变压器将中压转换器的接头与电网连接点的接头相互电分离时，对于中压转换器的控制和/或调节已被证明是特别有益的。为此，变压器通过第一绕组连接到中压转换器，并通过第二绕组连接到电网连接点。由此实现了太阳能组单元和供能网络之间电分离。因此，在太阳能发电单元及其组件中没有或至少只有很小的电位突变。 [0023] 中压转换器的使用使所建议的设置相对于已知的用低压转换器的方法特别有效，因为中压转换器能够替代多个低压转换器。也不需要使用用于将低压转换器的输出电压提高到中压电平的变压器。同样，取消用于将低压转换器的输出电压提高到中压水平的变压器的使用。一般而言，通过中压转换器的应用和具有同功率的相关的高电压，电流更小，或者在相同的电流下这样的太阳能发电单元或这样的太阳能发电系统的性能提高。这降低了这类设施的运行成本。总体而言，这样的太阳能发电单元或这样的太阳能发电系统的组件明显少于已知的设施，特别是在功率超过100MW范围的设施。因此，所建议的太阳能发电单元和系统特别节省空间，维护费用低，并且由于组件数量较少而具有高可用性。尽管使用了中压转换器，但通过所建议的设置能够使用大量的低压元件例如能够设计为低压组件的太阳能模块和电缆。 [0024] 在本发明有益的设计中，连接点相对于串联电路的太阳能模块居中设置。通过连接点的中心设置，能够在太阳能模块的第一接头和第二接头之间产生3kV的最大电压。因此，太阳能单元的太阳能模块能够被特别经济地利用。即使在较低的电压利用率时，例如由于串联电路中较少数量的太阳能模块，存在优点，即在第一接头之间或者在太阳能单元的第二接头和承载单元之间存在需要绝缘的是低电压。在其他情况下，以此延长了太阳能单元的使用寿命，并且不受污染的影响，污染能够降低绝缘体的绝缘强度。因此，由于有缺陷的绝缘而造成损害是基本上没有可能。这不仅涉及承载单元之间的绝缘体，还涉及在其上固定承载单元并与地电势绝缘的承载绝缘体。 [0025] 连接点的中心设置意味着在连接点和第一接头之间设置的太阳能模块数量与在连接点和第二接头之间布置的太阳能模块数量相同。对于串联电路的奇数个太阳能模块还给出了另外的中心设置，即为连接点和第一接头点之间的太阳能模块的数量与连接点和第二接头点之间的太阳能模块的数量相差一个太阳能模块。附图说明 [0026] 下面借助附图中体现的实施例更详细的描述和解释了本发明。附图示出： [0027] 图1示出了太阳能设施的元件， [0028] 图2示出了太阳能单元， [0029] 图3示出了太阳能组单元， [0030] 图4示出了太阳能发电单元， [0031] 图5示出了太阳能发电系统， [0032] 图6示出了太阳能单元的元件的固定，以及 [0033] 图7示出了汇流排的固定。 具体实施方式[0034] 图1示出了从太阳能模块2中产生电能的已知太阳能设施的基本结构。太阳能模块2设置在串联电路4中。串联电路4连接到功率转换器6的直流电压侧。在输出端由功率转换器6产生的交流电压能够经由例如低压电缆50传输到第一变压器91。这能够产生中等电压，然后所产生的能量与中等电压能够用中压电缆51在长距离上以低损耗进行传输。在电网连接点7处还存在第二变压器92，在该电网连接点处将电能馈送至能源供应网络8，并且第二变压器将中压转换为能源供应网络8的电压。在能源供应网络8中，能量传输通常经由高压线52实现。 [0035] 图2示出了太阳能单元1。太阳能单元1在太阳能单元1的第一接头41与第二接头42之间具有太阳能模块2的串联电路4。在此，太阳能模块2在太阳能模块的太阳能模块接头上以串联方式设置，在该太阳能模块接头上由太阳光产生的电输出是可用的。连接点45设置在串联电路4的两个太阳能模块2之间。太阳能模块2位于承载单元3内、承载单元处或承载单元上。承载单元3实施成至少部分地导电并且与连接点45电连接。在第一接头41与连接点45之间可产生第一电压U1，并且在第二接头42与连接点45之间可产生第二电压U2。 [0036] 在此，两个或多个太阳能单元1能够电串联地设置。这些串联设置的太阳能单元1成为太阳能组单元10。这样的太阳能组单元10如图3所示。为避免重复，请参阅图1和图2的说明以及其中引入的附图标记。单个太阳能单元1的承载单元3经由绝缘体5相互绝缘。此外，承载单元分别借助承载绝缘体61与地电势绝缘。 [0037] 在串联设置的太阳能单元1的接头上，该太阳能组单元10借助例如中压汇流排54连接到功率转换器6，其中，功率转换器6被实施为中压功率转换器。这种设置如图4所示。为避免重复，请参阅图1至图3的说明以及在那里引入的附图标记。在功率转换器6的直流电压侧，它与太阳能组单元10的太阳能模块2连接。在此，只有太阳能组单元10能够连接与功率转换器6连接。替代可行的是，将两个或多个，即至少两个太阳能组单元10的并联电路与功率转换器6的直流电压侧连接。为了清晰起见，省略了在太阳能单元1之间的绝缘体5的表示，该绝缘体5也能够根据图3设置在本实施例中，并且将各个太阳能单元1的承载单元3彼此电绝缘。作为借助绝缘体分离的替代方案，如果这些承载单元彼此无接触地设置，绝缘体也能够通过承载单元3的足够大的间距来实现。 [0038] 图5示出了具有太阳能发电单元100的太阳能发电系统200、变压器9和作为对能源供应网络8的通道的电网连接点7。为避免重复，请参阅图1至图4的说明以及在那里引入的附图标记。从功率转换器6中产生的交流电压，因它是中压范围内的电压，能够以特别低的损耗，并且因此对于例如超过1公里，特别是超过10公里的远距离也能够被经济地输送到位于电网连接点7周围的变压器9。该变压器9使由中压功率转换器6产生的中压与能源供应网络8的电压水平相匹配。为此，变压器9利用第一绕组连接到功率转换器6，并利用第二绕组连接到电网连接点7。由此，实现了太阳能组单元100与能源供应网络8之间的电流分隔。利用这种设置，太阳能模块2中产生的电能能够借助建议结构使用中压转换器6特别经济地馈送至能源供应网络8。 [0039] 图6示出了太阳能单元1的组件太阳能模块2和承载单元3的机械结构。为避免重复，请参阅图1至图5的说明以及在那里引入的附图标记。承载单元3用于附接太阳能模块2的壳体。在此，例如借助承载绝缘体61，使承载单元3与地电势绝缘。因此，承载单元的电势能够与地电势无关。在此，绝缘体能够设置在无法被人接触的高度，以避免接触确保安全性。这种承载件的下部能够接地并满足接触安全性的要求。承载绝缘体61被设置在特定的高度，该高度还取决于运行期间承载单元3处存在的电压。该布置的与地电势分离部分的接触安全性根据该布置的足够的高度而受到保障，该布置还包括承载单元。 [0040] 以同样的方式，中压汇流排54的接触安全性也能够通过将其布置在承载件处的足够的高度上来实现。对此图7示出了实施例。为避免重复，请参阅图1至图6的说明以及在那里引入的附图标记。为了接触安全性，承载件的下部能够接地，并且仅在承载件的无法接触的部分上设置汇流排绝缘体62，该汇流排绝缘体将中压汇流排54与地电势分离。中压汇流排54与此处未示出的太阳能单元1的太阳能模块2或太阳能组单元10之间的电连接能够设计为低电压并且例如设计为低电压电缆50。 [0041] 总之，本发明涉及一种太阳能组单元10，该太阳能组单元具有至少两个太阳能单元1，太阳能单元分别具有第一接头41和第二接头42，其中，太阳能单元1分别具有承载单元3和多个太阳能模块2，其中，关于太阳能模块2的绝缘强度，太阳能模块具有绝缘直流电压，特别是具有高达1.5kV DC的绝缘直流电压，其中，太阳能模块2设置在串联电路4中的第一接头41与第二接头42之间，其中，连接点45设置于在串联电路4中设置的两个太阳能模块2之间的电连接部处，使得由设置在第一接头41与连接点45之间的太阳能模块2产生的第一电压U1的值以及由设置在第二接头42与连接点45之间的太阳能模块2产生的第二电压U2的值分别小于绝缘直流电压，其中，太阳能模块2设置在承载单元3中或承载单元上，其中，承载单元3设计为至少部分地导电并且承载单元与连接点45导电连接，其中，太阳能单元1相对于太阳能单元的第一接头41和第二接头42电串联地设置。为了优化太阳能组单元而建议，将相应的太阳能模块2的承载单元3借助绝缘体5彼此电绝缘地设置。 |
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