專利名稱：用于監測光伏設備的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種用于監測光伏設備的裝置和方法。
背景技術：
光伏設備借助光生伏打提供電能。在光伏設備的運行中可產生高的電流，該電流可能與故障和/或損壞的光伏設備元件共同作用而導致巨大的功率損耗。這尤其是涉及模塊連接位置的觸點相互間的接觸電阻以及電氣線路端頭。為了確保常規運行，需要監測光伏設備，以識別妨礙設備常規運行的事件出現。 這類事件例如可以是一光伏設備一個或多個元件被盜取；一光伏設備一個或多個元件損壞；一光伏設備一個或多個電連接的電導率變化(例如觸點老化和/或接觸故障);--個或多個光伏模塊的效率下降(退化)；一安裝錯誤，例如在安裝光伏設備時一個或多個元件配線錯誤；和/或一遮擋，例如光伏設備一個或多個光伏模塊被遮擋。上述對可妨礙光伏設備常規運行的事件的列舉并不全面，相反，其是對可妨礙光伏設備常規運行的事件的示例性選擇。
發明內容
本發明的任務在于改善包括兩個或更多光伏模塊的光伏設備常規運行的監測。本發明借助根據權利要求1的裝置和根據權利要求12的方法解決了上述任務。提供一種用于監測光伏設備以識別妨礙光伏設備常規運行的事件出現的裝置。該裝置包括光伏發電機，其包括第一光伏模塊組和不同于第一組的第二光伏模塊組。此外，該裝置還包括第一和第二耦合器件對，兩個耦合器件對包括用于將測試信號耦入光伏發電機的信號耦入器件和用于耦出響應信號的信號耦出器件，其中，這樣設置第一耦合器件對，使得該耦合器件對能夠可選擇地識別在第一光伏模塊組中事件的出現，并且這樣設置第二耦合器件對，使得該耦合器件對能夠可選擇地識別在第二光伏模塊組中事件的出現。每個耦合器件對用于耦入測試信號并且耦出相應的響應信號，由該響應信號可確定妨礙常規運行的事件。通過將光伏發電機分為至少兩個組并且通過至少兩個耦合器件對分別監測這兩個組，一方面可定位該妨礙事件，另一方面在設備規模不斷擴大時提供更好的可擴展性。通過將光伏設備分為相應數量的組，該用于監測的設備在使用相同元件(例如信號耦入器件、信號耦出器件)的情況下可匹配任何規模的光伏設備。另一優點涉及測量技術方面。通過分組使響應信號中待分配給妨礙事件的比例的相對大小增加。同時分組不僅有效降低了干擾信號而且也有效降低了噪聲分量。因而可更加可靠地檢測事件。在該裝置的一種有利的方案中，第一耦合器件對的信號耦入器件與第二耦合器件對的信號耦入器件相同。在另一種有利的方案中，第一耦合器件對的信號耦出器件與第二耦合器件對的信號耦出器件相同。通過這種方式可在保持上述優點、尤其是可定位性和擴展性的同時以減少的材料使用來實現該裝置。此外，提出一種用于監測包括至少兩個或更多個光伏模塊的光伏設備以識別妨礙光伏設備常規運行的事件出現的方法，其中，借助至少一個電測試信號激勵光伏設備，借助至少一個耦入器件將該測試信號耦入光伏設備中一步驟100 ;借助至少一個耦出器件將光伏設備對于激勵的至少一個響應信號耦出光伏設備一步驟200 ;檢測光伏設備對于激勵的響應信號并且分析該響應信號以識別至少一個妨礙光伏設備常規運行的事件出現一步驟300。該方法的特征在于，所述至少兩個或更多個光伏模塊被分為至少兩個或更多組，監測每個組是否出現妨礙光伏設備常規運行的事件。本發明以下述方式優化了對包括兩個或更多光伏模塊的光伏設備的監測本發明能夠定位識別相應于開頭所列舉的一個或多個妨礙光伏設備常規運行的事件。可比未分組監測整個設備時更加精確地定位這類事件或故障。因此可有利地廣泛監測光伏設備。由此明顯更簡單地確保這種設備常規運行和隨之而來的可靠供電。有利的是，為每個組單獨執行步驟100和200之一或兩個。當為每個組單獨執行兩個步驟100時，監測尤為精確。與此相對，兩個替換方案減少了配線技術方面的費用。各從屬權利要求給出所述裝置和方法的其它有利方案。
接下來參考附圖詳細說明本發明。在說明優選的實施例之前應指出，下面還將詳細說明幾個優選的方案，但本發明不限于這些方案，而是可在權利要求的范圍內任意改變地構造。特別是術語如“上”、“下”、“前”和“后”不應局限地理解，而是僅針對相應所示的布置。此外，當對各個構件進行說明時，如果沒有提及其它情況，則原則上也可想到多種方案。此外，所示布置、方法以及等效的方案在功能上的反轉也屬于本發明的保護范圍。附圖如下圖1為電路圖形式的待監測的光伏設備的示例性示意圖；圖2為簡化電路圖形式的本發明示例性的第一種實施方式；圖3為簡化電路圖形式的本發明示例性的第二種實施方式；圖4為簡化電路圖形式的本發明示例性的第三種實施方式；圖5為簡化電路圖形式的本發明示例性的第四種實施方式；圖6為簡化電路圖形式的本發明示例性的第五種實施方式；圖7為簡化電路圖形式的本發明示例性的第六種實施方式；圖8為簡化電路圖形式的本發明示例性的第七種實施方式；圖9為簡化電路圖形式的本發明示例性的第八種實施方式；圖10為簡化電路圖形式的本發明示例性的第九種實施方式；圖11為用于說明監測方法的流程圖；圖12為另一用于說明根據本發明的監測方法的流程圖。
具體實施例方式圖1示例性示出電路圖形式的光伏設備I。光伏設備I包括一個光伏發電機2，該光伏發電機2在其側具有多個光伏模塊2a至2f。在本申請的范疇中，光伏發電機2被稱為光伏設備I將輻射能轉換為電能的部分。光伏發電機2可僅具有一個唯一的光伏模塊直至數量很多的光伏模塊2a至2f。光伏模塊2a-2f可在光伏發電機2內以不同方式被配線和/或布置。例如在圖1的實施例中，每多個光伏模塊串聯成各一個所謂的串(String),為清楚起見,為每串僅示出兩個光伏模塊2a和2d、2b和2e或2c和2f。在此總共形成三個串，其并聯構成光伏發電機2。此外，光伏設備I包括至少一個逆變器3，該逆變器改變和/或預處理由光伏發電機2通過電導線提供的電功率，確切地說被改變和/或預處理的電功率可以被饋入未示出的電網、例如公共供電網絡。電容6表示用于高頻交流電壓的逆變器3的交流電特性。以附圖標記7表示的監測裝置(例如裝有所需器件的信號發生器和包括控制裝置的信號處理裝置)首先用于借助至少一個測試信號經由僅示意性以線表示的作為耦入通道8a、8b和耦出通道9a、9b的電連接(電流型或非電流型)激勵光伏設備I。此外，監測裝置7設計用于檢測光伏設備I對于利用至少一個測試信號進行激勵的至少一個響應信號。此外，監測裝置7也用于分析該響應信號。即該監測裝置可用于將該響應信號用于識別至少一個妨礙光伏設備I常規運行的事件出現(參見上文)，以便例如在運行受干擾時發出報警信號。可借助頻率可變的測試信號識別例如故障接觸，無需斷開光伏設備的電連接，所述測試信號被耦入到光伏設備的電器中并且以響應信號的形式再次被從中耦出。為此例如在一定的時間段上檢測光伏設備的性能并且存儲適合的代表無故障“正常運行”的參數。與測得參數的偏離表明可能的故障狀態。這類參數例如可以是設備的阻抗特性。如圖11簡化所示，借助至少一個電測試信號激勵光伏設備1，借助至少一個耦入器件11 (參見圖2、3、4、8、10);15、17 (參見圖5、6、7)和20 (參見圖9)將該測試信號耦入光伏設備I中一步驟100 ;借助至少一個耦出器件12 (參見圖4至7、9、10)和19 (參見圖8)將光伏設備I對于激勵的至少一個響應信號耦出光伏設備I 一步驟200 ;檢測光伏設備I對于激勵的響應信號并且分析該響應信號以識別至少一個妨礙光伏設備I常規運行的事件出現一步驟300。可借助一個唯一的信號耦入器件和一個相應唯一的耦出器件和分析裝置來確定光伏設備的故障狀態。下面借助幾個示例性的實施例來說明該方法如何不僅可以一般地用于確定光伏發電機中的故障狀態而且可更進一步進行定位。在此光伏發電機2的光伏模塊2a至2f被分為至少兩組或更多組，并且多于一個、優選所有組被分開地監測是否出現妨礙光伏設備I常規運行的事件。在此清楚的是，這類事件在被監測的組之一中的出現可影響整個光伏設備I常規運行。本發明的第一優點在于實施本發明所需器件良好的可擴展性，也就是說，所述器件可適配任意規模的光伏發電機。本發明的另一優點在于，可定位光伏發電機內妨礙事件的出現。此外，基于一個組內(與總電流相比)較小的電流妨礙事件的影響比例更大。通過分組不僅使干擾信號而且使噪聲分量的相對比例減小。因此可更加可靠地檢測事件。通過根據本發明的方法同時可滿足對光伏裝置運行的影響盡可能小的要求。下面在對本發明的進一步說明中給出其它優點。圖2示例性示出本發明第一種實施方式的細節。再次不出一個光伏發電機2,如圖1的實施例一樣,每兩個所不的光伏模塊2a和2d,2b和2e以及2c和2f構成一個串。此外還示出逆變器3和其交流備用電容6。另外還示出另一電容10，在逆變器3停止運行(例如晚上)并且因而不以其交流備用電容6在交流電方面確保電路閉合的運行模式中，所述電容10被接入。為由光伏模塊2a和2d、2b和2e以及2c和2f構成的三個串的每個分別配置一個耦合器件對，借助其可分別識別每個串內妨礙常規運行的事件的出現。因此光伏發電機2被分為不同的組，可選擇性地在這些組中識別事件。按此意義在申請的范疇中，一組可理解為光伏模塊2a至2f的一個裝置，為該裝置配置一個耦合器件對以識別妨礙事件。一組光伏模塊相互間的配線在此是任意的并且不局限于圖2實施例中的串聯。耦合器件對包括耦入器件11、例如變壓器lla、llb、llc，用于將測試信號耦入相應的組、在此即相應的串中。優選耦入器件11具有不飽和構件，因此即使當光伏發電機2和逆變器3之間有高直流電流動時也可進行監測。一個耦入器件11或每個耦入器件11可具有一個信號發生器，該信號發生器具有可控源用于產生頻率可變的測試信號。此外，每個耦合器件對還包括用于檢測響應信號的信號耦出器件。一方面，作為信號耦出器件設置用于確定電流的變流器12、例如變流器12a、12b、12c，該電流為串對于用測試信號進行激勵的響應信號的一部分。優選用于檢測電流的變流器12具有不飽和構件，因此即使當光伏發電機2和逆變器3之間有高直流電流動時也可進行監測。另一方面，為每個串2a和2d、2b和2e以及2c和2f配置優選用于檢測電壓的電壓測量裝置13作為信號耦出器件的另一部分、例如電壓表13a、13b、13c，所述電壓為串對于用測試信號進行的激勵形成的響應信號的一部分。優選電壓表13a、13b、13c構造成高歐姆的，以便將對光伏設備I功能的影響或者對其它耦入或耦出裝置的影響降到最低。此外，所示電路布置確保串2a和2d、2b和2e以及2c和2f的在此示例性所示的三個測量回路盡可能小地相互影響。這通過使相應其他測量回路的電感用作阻塞電感來實現。例如耦入器件Ila和耦出器件12a的電感防止因通過耦入器件Ilb耦入的測試信號在串2a和2d上形成干擾電流。取而代之，這種交流電在電容10或6、串2b和2e以及耦合器件12b和Ilb上流動。借助在圖1中總體上以附圖標記7表示的監測裝置的控制裝置進行分析，該監測裝置與圖2的裝置11、12和13共同作用。所述布置的特殊優點在于，每個串(即每個組)本身可被分開地監測。因此可識別在多個串的哪一個中出現了妨礙光伏設備I常規運行的事件。通過定位該事件可省卻常常很費時的對所涉及串的尋找。如圖12所示，所述至少兩個或更多光伏模塊被分為至少兩個或更多組，監測每個組是否出現妨礙光伏設備I常規運行的事件。
為此根據圖2，借助至少一個電測試信號單獨激勵每個組，借助至少一個耦入器件11將該測試信號耦入光伏設備I中一步驟100 ;此外，借助至少一個耦出器件12、13單獨為每個組將光伏設備I對于激勵的至少一個響應信號耦出光伏設備一步驟200 ;檢測光伏設備I對于激勵的相應的響應信號并且分析該響應信號以識別至少一個妨礙光伏設備I常規運行的事件的出現一步驟300。根據圖2，為每個組單獨執行兩個步驟100和200。分析可通過跨接的控制裝置在僅一個步驟300或在多個步驟300中進行。在下文中清楚的是，除該實施方式外在本發明的范疇中還存在替換方案并且將對其中幾個進行詳細說明，但下面的實施例列舉并不全面。尤其是可不為每個組、而是為整個光伏設備I僅執行一次步驟100 (耦入測試信號)或步驟200 (耦出測試信號)并且僅為每個組執行相應另一步驟100或200。圖3示出相應于圖2的布置，其與圖2的區別在于，在此為例如三個串2a和2d、2b和2e以及2c和2f (即三個組)設置一個變壓器11作為共同的耦入器件。該耦入器件因此對于所有耦合器件對是相同的，相反，為三個組分別構造變流器12a、12b、12c和電壓表13a、13b、13c作為耦出器件。因此為整個設備僅執行一次步驟100 (參見圖11和12)。與圖2的實施方式相比，硬件費用降低，但仍可定位事件。在圖4所示的實施例中，光伏發電機2被分為兩組。第一組由包括光伏模塊2a、2d和2b、2e的兩個并聯的串構成。另一包括光伏模塊2c、2f的串構成第二組。為第一組配置一個變壓器Ila作為耦入器件和一個變流器12a及一個電壓表13a作為耦出器件。為第二組配置另一變壓器lib、另一變流器12b和另一電壓表13b作為耦入器件或耦出器件。換句話說，在此光伏發電機2被這樣劃分，使得一組具有多個并聯的串2a、2d/2b、2e0在該變體中，硬件費用有利減少。在此這樣構造耦入器件11、例如變壓器11a，使得其能夠為相應組傳遞所需的耦入功率。圖5示出光伏設備的另一種方案，其中，光伏發電機2被分為三組，在此如圖2那樣由三個串構成。與圖2的區別在于測試信號的耦入不借助變壓器進行，而是借助電容耦合裝置通過耦合電容17、例如通過耦入器件15a、15b和15c進行。為了使各個測量回路的相互影響降到最低，設置阻塞電感16a、16b和16c。所述阻塞電感的任務是在交流電方面分開各個測量回路，并且阻塞電感分別與變流器12a、12b、12c串聯。至今所需的交流備用電容(參見圖2至4，附圖標記10)可被省略，因為交流電回路通過耦合電容17的耦入器件15a、15b和15c閉合。圖6示出一種布置，其在很大程度上與圖5所示布置相同。但與圖5的區別在于，測試信號的耦入共同通過一個電容耦入裝置、即通過一個共同的具有耦入器件15的耦合電容17進行。為了已經說明過的測量回路所需的隔離，使用一個阻塞電感18。該阻塞電感18接入逆變器3和通入各測量回路的一個分叉之間的連接導線中，其中用于耦入的耦合電容17連接在阻塞電感18和通入各測量回路的分叉之間。圖7示出一種布置，其也在很大程度上與圖5所示布置相同。但與圖5的區別在于，多個串(在此為串2a、2d和2b、2e)組成一個組。在此清楚的是，變流器12a作為耦出器件、阻塞電感16a以及耦入器件15a或者說耦合電容17在其參數或設計方面應適配相應要求。圖8示出一種方案，其基本上與圖2所示布置相同。與圖2所示布置的區別在于，在圖8中用于檢測電流的耦出器件(參見圖2、12、12a、12b、12c)組成一個跨接的唯一的耦出器件19。這例如可通過一個變壓器來實現，該變壓器具有一個次級繞組19s和相應于測量回路數量的多個初級繞組19a、19b和19c。相反，為每個組單獨構造電壓表13a、13b、13c作為用于檢測電壓的耦出器件。圖9示出一種方案，其基本上與圖2所示布置相同。與圖2所示布置的區別在于，在圖8中耦入器件(參見圖2、11、I la、I Ib和11 c )組成一個耦入器件20。這例如通過一個變壓器來實現，該變壓器具有一個初級繞組20p和相應于測量回路數量的多個次級繞組20a、20b 和 20c。 最后，圖10示出一種方案，在其中所有光伏模塊2a至2f以串的形式串聯設置。在該實施例中，被單獨監測的組的劃分通過作為耦出器件的電壓測量裝置13的布置來實現。這樣連接該電壓測量裝置13，使得各一個電壓表13a、13b、13c被配置給一個由光伏模塊2a-2d、2b-2e和2c_2f構成的子串(Teilstring)并且檢測該子串相應的電壓。因此所述組在此由子串構成。作為另一共同的耦出器件設置一個變流器12。耦入器件也為所有組共同被構造為變壓器11。在此變壓器11和變流器12串聯在逆變器3和由光伏模塊2a至2f構成的串之間的連接導線中。此外，在所有所示實施例中可額外與測試信號的饋入無關地監測耦出器件是否存在高頻信號。例如在不充分的電接觸中出現的電弧基于其等離子體中產生的振動將高頻信號饋入電流路徑中。因此，不歸因于饋入測試信號而存在的高頻信號可被確定為一個組中出現的電弧。在此，一方面即使在饋入測試信號期間也可以檢測電弧，例如當檢測到強度超過基于被饋入的測試信號所預期的強度的高頻信號時。另一方面可想到在預定的時間段內、例如定期停止饋入測試信號并且在該時間段內通過耦出器件監測光伏設備中高頻信號的出現。本發明不局限于所描述的實施例，其可以各種方式變型。尤其是所述特征可在不同于所述組合的其它組合中被實施。因此本發明也可用于單個的光伏模塊，其中單個光伏模塊及多個光伏電池可被分組(電池組)。本發明也可用于所述組。附圖標記列表光伏設備I光伏發電機2光伏模塊2a至2f逆變器3交流備用電容6監測裝置7耦入通道8a、8b
耦出通道9a、9b電容10耦入器件11變壓器I la、I lb、I Ic耦出器件12、13變流器12、12a、12b、12c電壓測量裝置13電壓表13a、13b、13c耦入器件15、15a、15b、15c阻塞電感16a、16b、16c耦合電容17阻塞電感18稱出器件19初級繞組19a、19b 和 19c次級繞組19s耦入器件20次級繞組20a、20b 和 20c初級繞組20p步驟100、100a-c ;200，200a-c ;300
權利要求
1.用于監測光伏設備(I)以識別妨礙光伏設備(I)常規運行的事件出現的裝置，包括一光伏發電機(2),包括第一光伏模塊組(2a)和不同于第一光伏模塊組的第二光伏模塊組(2b-f);一第一耦合器件對和第二耦合器件對，所述兩個耦合器件對包括用于將測試信號耦入光伏發電機的信號耦入器件(lla_c、17)和用于耦出響應信號的信號耦出器件(12a_c、13a_c)，其中這樣設置第一耦合器件對，使得第一耦合器件對能夠選擇性地識別在第一光伏模塊組(2a)中事件的出現，并且這樣設置第二耦合器件對，使得第二耦合器件對能夠選擇性地識別在第二光伏模塊組(2b-f )中事件的出現。
2.根據權利要求1的裝置，其中，第一耦合器件對的信號耦入器件(11、17)與第二耦合器件對的信號耦入器件(11、17 )相同。
3.根據權利要求1的裝置，其中，第一耦合器件對的信號耦出器件與第二耦合器件對的信號耦出器件相同。
4.根據上述權利要求之一的裝置，其中，所述信號耦出器件包括變流器(12、12a-c)。
5.根據上述權利要求之一的裝置，其中，所述信號耦入器件包括變壓器(11、Ila-c )。
6.根據權利要求4或5的裝置，其中，所述變流器(12、12a-c)和/或所述變壓器(11、1la-c)在光伏發電機(2)的電流路徑中具有不飽和電感。
7.根據上述權利要求之一的裝置，其中，所述信號耦出器件具有電壓測量裝置(13)。
8.根據權利要求7的裝置，其中，第一光伏模塊組和第二光伏模塊組(2a、2b-f)串聯并且電壓測量裝置(13)具有配置給不同的組的電壓表(13a-c)。
9.根據上述權利要求之一的裝置，其中，所述信號耦入器件具有電容耦合器(17、17a_c)。
10.根據上述權利要求之一的裝置，還包括與第一耦合器件對和第二耦合器件對連接的、用于生成測試信號和用于分析響應信號的監測裝置(7)，其中，分開地分析第一器件對和第二耦合器件對的信號。
11.根據權利要求10的裝置，其中，所述監測裝置(7)被構造用于在與相應的耦合器件對相配的光伏模塊組(2a-f)的特定于老化的屬性、尤其是電阻值超過一個預定的值時發出能夠與所述耦合器件對相配的報警信號。
12.用于監測包括至少兩個或更多個光伏模塊(2a-f)的光伏設備(I)以識別妨礙光伏設備常規運行的事件出現的方法，一其中借助至少一個電測試信號激勵光伏設備(I )，借助至少一個耦入器件將所述測試信號耦入光伏設備(I) 一步驟100 ；一借助至少一個耦出器件將光伏設備(I)對于激勵的至少一個響應信號從光伏設備(1)耦出一步驟200 ；一檢測光伏設備(I)對于激勵的響應信號并且分析所述響應信號以識別至少一個妨礙所述光伏設備(I)常規運行的事件出現一步驟300 ；一其中所述至少兩個或更多個光伏模塊(2a-f)被分為至少兩個或更多個組；一并且其中監測每個組是否出現妨礙光伏設備(I)常規運行的事件。
13.根據權利要求12的方法，其特征在于，為每個組單獨執行步驟100和步驟200中的一個或兩個。
14.根據權利要求12或13的方法，其特征在于，在將兩個或更多個光伏模塊(2a-f)分為至少兩個或更多個組的情況下，所述組中的至少一個或多個組具有兩個或更多個串聯的和/或并聯的光伏模塊。
15.根據權利要求12至14之一的方法，其特征在于，為所述組中的至少兩個組使用一個共同的耦入器件和/或一個共同的耦出器件。
16.根據權利要求12至15之一的方法，其特征在于，耦入測試信號和/或耦出響應信號電流分開地進行。
17.根據權利要求12至16之一的方法，其特征在于，所述方法用于識別在光伏設備(O內出現的電弧。
全文摘要
本發明涉及一種用于監測光伏設備(1)以識別妨礙光伏設備(1)常規運行的事件出現的裝置，包括一個光伏發電機(2)，其包括第一光伏模塊組(2a)和不同于第一組的第二光伏模塊組(2b-f)。此外該裝置還包括第一和第二耦合器件對，兩個耦合器件對包括用于將測試信號耦入光伏發電機中的信號耦入器件(11a-c、17)和用于耦出響應信號的信號耦出器件(12a-c、13a-c)，其中，這樣設置第一耦合器件對，使得該耦合器件對可選擇性地識別第一組光伏模塊(2a)中事件出現，并且這樣設置第二耦合器件對，使得該耦合器件對可選擇性地識別第二組光伏模塊(2b-f)中事件出現。此外，還公開了一種用于監測包括至少兩個或更多光伏模塊(2a-f)的光伏設備(1)的方法。
文檔編號H01L31/02GK103026248SQ201080067784
公開日2013年4月3日 申請日期2010年6月28日 優先權日2010年6月28日
發明者M·霍普夫, H·貝倫茨, G·貝藤沃特, S·比尼克, M·卡拉圖徹維利 申請人:Sma太陽能技術股份公司