本发明涉及一种电源系统(SYS)和一种对应的光伏装置(PVE)，所述对应的光伏装置(PVE)包括多个电压产生光伏模块(PVM)，所述光伏模块(PVM)并联且/或串联互连以产生超过所述光伏模块(PVM)的耐压性(Umodmax)且适于传输高压DC的DC电压(Udc*)。所述电源系统(SYS)具有变流器站(UFS)，所述变流器站(UFS)可连接到用于消费者的电源网络(SVN)，并包括高压DC传输路径(HGUE)，以将由所述光伏装置(PVE)产生的所述DC电压(Udc*)传输到所述变流器站(UFS)。
1.一种具有光伏装置(PVE)的电源系统(SYS)，所述光伏装置(PVE)包括多个DC电压产生光伏模块(PVM)，所述电源系统(SYS)的特征在于，所述光伏模块(PVM)彼此并联且/或串联连接，且因此产生超过所述光伏模块(PVM)的耐压(Umodmax)且适于高压DC传输的DC电压(Udc*)，且所述电源系统(SYS)包括至少一个变流器分站(UFS)，所述变流器分站(UFS)可连接到为消费者安装的电源网络(SVN)并包含高压DC传输电力线(HGUE)，所述高压DC传输电力线(HGUE)在高压范围内将由所述光伏装置(PVE)产生的所述DC电压(Udc*)传输到所述变流器分站(UFS)。
2.根据权利要求1所述的电源系统(SYS)，其特征在于，在每种情况下，第一数目(N)的光伏模块(PVM)连接到模块块(PVB)，所述模块块(PVB)通过绝缘元件(IS)而对地电位(EP)绝缘，且在每种情况下，第二数目(M)的所述模块块(PVB)形成模块串(PVS)，所述模块串(PVS)传递所述所产生的DC电压(Udc*)的至少部分电压(Udc′)。
3.根据权利要求2所述的电源系统(SYS)，其特征在于，在每种情况下，所述模块串(PVS)中的至少两者串联连接，且多个所述串联连接的模块串(PVS)并联连接，以便产生适于所述高压DC传输的所述DC电压(Udc*)。
4.根据权利要求3所述的电源系统(SYS)，其特征在于，所述模块串(PVS)的所述连接包括第一汇流条(S+)和第二汇流条(S-)，以使得适于所述高压DC传输的所述DC电压(Udc*)可经由所述汇流条(S+、S-)而分接。
5.根据权利要求4所述的电源系统(SYS)，其特征在于，所述光伏装置(PVE)包括用于使所述汇流条(S+、S-)短路的一个或一个以上短路开关(KS)。
6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的电源系统(SYS)，其特征在于，所述光伏装置(PVE)或所述电源系统(SYS)包括用于使所述高压DC传输电力线(HGUE)隔离的一个或一个以上DC断路器(GSLS)。
7.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的电源系统(SYS)，其特征在于，所述所产生的DC电压(Udc*)超过所述光伏模块(PVM)的所述耐压(Umodmax)多倍。
8.根据权利要求7所述的电源系统(SYS)，其特征在于，所述所产生的DC电压(Udc*)处于从1kV到2MV的高压范围内。
9.根据权利要求2-5中任一权利要求所述的电源系统(SYS)，其特征在于，在每种情况下连接到模块块(PVB)的所述光伏模块(PVM)安装于受支撑的框架构造(RK)中。
10.根据权利要求9所述的电源系统(SYS)，其特征在于，所述框架构造(RK)经由电位联结(MP)而连接到所述模块块(PVB)的最低、中等或最高电位电平，使得个别模块与所述框架构造(RK)之间的电位差(Umod)对于模块块(PV)上的所述光伏模块(PVM)中的任一者来说均不超过其耐压(Umodmax)。
11.根据权利要求9所述的电源系统(SYS)，其特征在于，所述框架构造形成为二维结构，且明确地说形成为导电栅格。
12.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的电源系统(SYS)，其特征在于，所述高压DC传输电力线(HGUE)由至少一条架空线和/或至少一条电缆以至少单极方式而布线。
13.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的电源系统(SYS)，其特征在于，所述变流器分站(UFS)包括用于将所述所产生和传输的DC电压(Udc*)转换为AC电压(Uac)的电力逆变器(WR)。
14.根据权利要求13所述的电源系统(SYS)，其特征在于，所述变流器分站(UFS)或所述电力逆变器(WR)包括控制电路，所述控制电路根据由所述光伏装置(PVE)产生的不同电输出而将对所述电力逆变器(WR)的操作点的调节与最大电力提取相匹配。
15.一种包括多个DC电压产生光伏模块(PVM)的光伏装置(PVE)，所述光伏装置(PVE)的特征在于，所述光伏模块(PVM)彼此并联且/或串联连接，且因此产生超过所述光伏模块(PVM)的耐压(Umodmax)且适于高压DC传输的DC电压(Udc*)。
16.根据权利要求15所述的光伏装置(PVE)，其特征在于，在每种情况下，第一数目(N)的所述光伏模块(PVM)连接到模块块(PVB)，所述模块块(PVB)通过绝缘元件(IS)而对地电位(EP)绝缘，且在每种情况下，第二数目(M)的所述模块块(PVB)形成模块串(PVS)，所述模块串(PVS)传递所述所产生的DC电压(Udc*)的至少部分电压(Udc′)。
17.根据权利要求16所述的光伏装置(PVE)，其特征在于，在每种情况下，所述模块串(PVS)中的至少两者串联连接且多个所述串联连接的模块串(PVS)并联连接，以便产生适于所述高压DC传输的所述DC电压(Udc*)。
18.根据权利要求17所述的光伏装置(PVE)，其特征在于，所述模块串(PVS)的所述连接包括第一汇流条(S+)和第二汇流条(S-)，以使得适于所述高压DC传输的所述DC电压(Udc*)可经由所述汇流条(S+、S-)而分接。
19.根据权利要求18所述的光伏装置(PVE)，其特征在于，所述光伏装置(PVE)包括用于使所述汇流条(S+、S-)短路的一个或一个以上短路开关(KS)。
20.根据权利要求15到19中任一权利要求所述的光伏装置(PVE)，其特征在于，所述光伏装置(PVE)包括用于使所述高压DC传输电力线(HGUE)隔离的一个或一个以上DC断路器(GSLS)。
21.根据权利要求15-19中任一权利要求所述的光伏装置(PVE)，其特征在于，所述所产生的DC电压(Udc*)超过所述光伏模块(PVM)的所述耐压(Umodmax)多倍。
22.根据权利要求21所述的光伏装置(PVE)，其特征在于，所述所产生的DC电压(Udc*)处于从1kV到2MV的高压范围内。
23.根据权利要求16-19中任一权利要求所述的光伏装置(PVE)，其特征在于，在每种情况下连接到模块块(PVB)的所述光伏模块(PVM)安装于受支撑的框架构造(RK)中。
24.根据权利要求23所述的光伏装置(PVE)，其特征在于，所述框架构造(RK)通过电位联结(MP)而连接到所述模块块(PVB)的最低、中等或最高电位电平，使得个别模块与所述框架构造(RK)之间的电位差(Umod)对于模块块(PVB)上的所述光伏模块(PVM)中的任一者来说均不超过其耐压(Umodmax)。
25.根据权利要求23所述的光伏装置(PVE)，其特征在于，所述框架构造形成为二维结构，且明确地说形成为导电栅格。
包括直接由光伏发电设备供应的高压DC传输装置的电源
系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种根据技术方案1的开头的电源系统，以及一种为所述电源系统提供的根据独立技术方案的开头的光伏装置。明确地说，本发明涉及一种电源系统，以及一种适于将电力供应给位于远离或者还有靠近光伏装置处的消费者的光伏装置。
背景技术
[0002] 光伏装置和设备日益用于所谓的光伏发电站中，光伏发电站主要安装在接收大量阳光的区域中，并希望在中心产生用于现有而且通常遥远的消费者侧电源网络的电力。优选在较大面积上构造此类光伏装置，并将其安装在(例如)荒芜的区域中，以便为从太阳能产生电力作出显著贡献。这些设备也被称为“极大规模光伏系统”，简称为VLS-PV系统，且在(例如)由鲁道夫·明德尔博士(Dr Rudolf Minder)在专题集“FVS-主题
2002(FVS-Themen 2002)”的第67到70页上的文章“极大规模PV系统(very large scale PV-systems)”(由德国柏林，太阳能能源研究协会(Forschungsverbund Sonnenenergie，Berlin，Germany)公布在因特网上在网站：www.fv-sonnenergie.de上)中提出。其中提出了多个PV模块的模块式构造，但并未进行更详细的描述。建议将例如高压直流(DC)输送(简称为HVDC)(或者来自德国术语“高压直流输电(Hochspannungs-Gleichstrom-Uebertragung)”的HGUE)等各种输送技术用于传输所获得的电。
[0003] 因此已知的是，在包含较大中央发电光伏发电站的电源系统中，借助于高压DC传输(HGUE)在较长的电力线上将所产生的电力有效地输送到遥远的消费者或者输送到消费者侧电力网络。为此，由PV模块在发电机侧上产生的DC电压首先由电力逆变器转换为AC电压，且随后由变压器变换为高AC电压(第一转换)。安装在发电机侧上的中央变流器分站将此高交流电压(AC高压)转换为DC高压(第二转换)，且随后将DC高压馈送到HGUE电力线或部分中。用于将DC高压转换为AC高压的另一中央变流器分站又位于HGUE电力线的邻近于消费者的端部处(第三转换)。此AC高压适于馈送到消费者侧电力网络中。因此，在发电机侧和消费者侧两者上的电能转换是必要的，即，需要进行三个步骤的转换。这又需要多个电力逆变器，且明确地说，安装在发电侧上的中央变流器分站，即，在电力被馈送到HGUE电力线中之前。高投资成本与此相关联。而且，电压的每次转换都伴有电能的损耗。
发明内容
[0004] 因此，本发明的目的是提供一种在介绍中所提及类型的电源系统，以及一种用于所述电源系统的光伏装置，其中有利地克服了在介绍中所提及的缺点。明确地说，所述光伏装置应经设计以使得可十分有效地且以尽可能少的技术工作在高压DC传输电力线上将由其产生的电能传输到消费者侧。
[0005] 由具有技术方案1的特征的电源系统以及由具有独立技术方案的特征的光伏装置实现前述目的。
[0006] 因此，建议用于产生超过光伏模块的耐压或介电强度且适于高压DC传输的DC电压的光伏模块彼此并联且/或串联连接，且电源系统包括变流器分站，所述变流器分站可连接到为消费者安装的电源网络，并包含高压DC传输电力线，以便在高压范围内将由光伏装置产生的DC电压传输到变流器分站。借助于特征的此结合，已在光伏装置的地点处的发电侧上产生了可直接馈送到高压DC传输电力线并传输到消费者侧的足够高的DC电压。在HGUE电力线的端部处，随后仅需要将所传输的DC电压转换为所要的AC电压。明确地说，省略了在常规系统中在发电侧上所需要的电力逆变器和HGUE整流器站。由光伏装置产生的DC电压可超过个别光伏模块的耐压(介电强度)许多倍，所述耐压当前至多约为1kV，且可(例如)处于从1kV到2MV的高压范围内。
[0007] 所述光伏装置优选经设计以使得在每种情况下，第一数目的光伏模块连接到模块块，所述模块块通过例如陶瓷或塑料绝缘体等绝缘元件而对地电位绝缘，且在每种情况下，第二数目的模块块形成模块串，所述模块串传递所产生的DC电压的至少一部分电压。以此方式，实现了以逐块(block-wise)方式布置的PV模块的电绝缘受支撑布置，以使得所有PV模块、支撑布置的若干部分及其直接周围事物可上升和/或充电到任意电位。而且，仅通过PV模块的对应的串联连接和并联连接产生HGUE传输所必需的高压。
[0008] 还有利的是，如果在每种情况下连接到模块块的光伏模块安装在经支撑框架构造中，那么在所述情况下可布置成框架构造通过电位联结而连接到模块块的最低、中等或最高电位电平。如果在块上布置了所述多个串联连接的PV模块，那么去往PV块的最低或最高电位的电位联结便为恰当的，以使得在PV块上，总电压Upvb保持低于个别PV模块的介电强度。此处术语耐压(介电强度)指示在内单元串与模块框架或所述模块的直接周围事物之间允许发生的最大电压。根据所使用的PV模块的类型，可通过电位联结的性质来调节模块的内单元串与模块框架或框架构造之间的正电位差或负电位差。为了尽可能避免模块的降级效应，或者为了遵守由制造商设置的对应的建议或限制，这种做法可能是必要的。如果至少将PV模块到PV块的串联连接维持到总电压Upvb(其可高于个别PV模块的介电强度(例如，为1KV))出现在个别PV块上为止，那么到PV块的中等电位的电位联结便尤其恰当。以此方式，确保了在个别PV模块与经支撑布置之间仅可发生至多对应于由相应的PV块产生的电压的一半的电位差。以此方式，在PV块上可产生个别模块的最大允许电压的两倍。
[0009] 如果框架构造经形成为二维结构(例如，通过导电栅格)也可能是有利的。以此方式，相对于模块的地电位被屏蔽，且所述模块仅经受框架构造上的电位差。
[0010] 优选的是，在每种情况下，所述模块串中的至少两者串联连接，且多个串联连接的模块串并联连接，以便产生将在高压范围内传输的DC电压。在此情况下，如果所述模块串的连接包括第一汇流条和第二汇流条便是有利的，以使得所产生的DC电压可经由这些汇流条而分接。
[0011] 如果处于DC电压传输电力线的端部处的变流器分站具有用于将所传输的DC电压转换为AC电压的电力逆变器，则也是有利的，所述变流器分站还具备用于所谓的“MPP跟踪”(MPP：最大电力点)的控制电路。以此方式，调节了电力逆变器的操作点，以便可从PV装置取得最大可能输出，且可对所述最大可能输出进行变换以供馈送到消费者侧网络中。
[0012] 所述系统和HGUE电力线自身也可经设计为单极系统，以便仅安装一条汇流条以及一条线(架空线或电缆)。所述HGUE电力线可经设计以用于较大距离(优选使用架空线)以及较短距离(优选使用电缆)。
附图说明
[0013] 下文借助于示范性实施例并参考附图较详细描述了本发明及其所产生的优点，其中：
[0014] 图1示意性地展示根据本发明的电源系统的结构；以及
[0015] 图2展示根据本发明的光伏装置的示意性构造。
具体实施方式
[0016] 图1示意性地展示根据本发明的电源系统SYS的构造。系统SYS主要包括光伏装置PVE，所述光伏装置PVE竖立在发电机侧上的中心点处(优选处于向阳区域中)，并提供能量以供馈送到高压DC传输电力线HGUE中。光伏装置PVE依靠其特殊设计而产生DC电压Udc，所述DC电压Udc可在几百kV的高压范围中，且可直接馈送到高压DC传输电力线HGUE中。传输电力线HGUE可有数百乃至数千千米长，且在中央变流器分站UFS处的消费者侧上终止。然而，传输电力线也可布设在较短的距离上，在这种情况下HGUE电力线优选用电缆布线。变流器分站UFS包括电力逆变器WR，且基本上将所传输的DC电压Udc转换为所要的AC电压Uac，以便随后将此馈送到(例如)本地电源网络SVN中。
[0017] 为了直接产生(例如)500kV的高DC电压Udc，光伏装置PVE包括串联且/或并联连接的多个光伏串PVS，所述多个光伏串PVS在每种情况下又包括多个PV模块。
[0018] 借助于图2更详细地说明了光伏串PVS的构造。如可见，为每一串PVS建议呈模块块PVB形式的多个PV模块PVM的根据本发明的布置，所述模块块在每种情况下安装于对地面绝缘的受支撑的框架构造RK上。由于绝缘的缘故，PV模块PVM可上升到非常高的电位。将(例如)陶瓷或塑料绝缘体IS用于此绝缘。
[0019] 通过在每种情况下每块PVB有N个模块PVM的并联和串联连接以及M个块优选串联的连接来产生总数为NxM个模块的串PVS。
[0020] 如图1所示，在装备或装置PVE中，光伏串PVS随后又串联和并联连接。在此连接中，举例来说，在每种情况下，两个串PVS串联连接，且由功率二极管D以及隔离开关TS连接到上汇流条(bus bar)S+以及下汇流条S-。多个这些串联连接的线PVS并联连接并接*合到汇流条S+和S-，以便最终在输出侧上传递处于所要高电压范围内的DC电压Udc。举例来说，对于600MW布置，约需要Y＝68个模块串。因此，在装置PVE中，总数为YxNxM个模块PCM彼此连接。除了隔离开关TS之外，还提供了用于使汇流条S+、S-短路的短路开关KS，以及用于使高压DC传输电力线(HGUE)隔离和切断的DC断路器GSLS。
[0021] 每一模块串PVS可产生＝500KV的最大输出电压U′dc，且可传递多达25A的最大电流。在系统特性具有为ca.70％的空间系数的情况下，这对应于8.8MW的最大个别输出。因此在上汇流条S+上存在相对于地电位EP的+500KV的最大电位。又，在下汇流条S-上存在相对于地电位EP的-500KV的最大负电位(“最大”指电压的贡献)。所有的线可一起*
将最大约850A的电流传递到HGUE电力线。由光伏装置PVE产生的DC电压Udc(在这种情况下其约为1000KV)由对应的开关TS和KS进行分接，并直接连接到高电压DC传输电力线HGUE。借助于此布置，已在发电机侧上并在电力被馈送到传输线HGUE之前在系统技术方面实现了大量节约。明确地说，不再需要常规系统中所需的变流器和变压器以及HGUE电力线的输出处的发电机侧变压器分站。另外，还减少了模块场中的电缆敷设成本，因为几乎可使用专门的小导体互功率线(cross-power line)。另一优点在于，提高了系统的总体效率，因为避免了所有的发电机侧转换和变换损耗。
[0022] 中央变流器分站UFS位于HGUE传输电力线端部处的消费者侧上，其主要包括将所*传输的DC电压Udc 转换为所要AC电压Uac的DC/AC电力逆变器。另外，变流器分站UFS还包含控制和监视装置，其经设计以根据操作点最大输出(所谓的MPP跟踪)来控制模块场。以此方式，根据实际上由光伏装置PVE产生的不同的电能，可使对电力逆变器WR的操作点的调节与最大功率分接相匹配。
[0023] 为了在所说明的系统SYS中的发电机侧上实现高DC电压Udc的直接馈送，除了对串PVS进行互连之外，构造每一个别的串PVS也是尤其必要的。如借助于图2所示，每一串PVS包括多个(例如)模块块PVB，模块块PVB又包含多个模块PVM，每一块PVB坐落在框架构造RK上，并借助于绝缘体IS而对地电位绝缘。由于所述互连和经支撑的布置的缘故，在每种情况下坐落在框架RK上的模块PVM以及其直接周围事物可充电到任何任意电位。此处每一模块块PVB上的电压降是(例如)2KV。模块块的电位由于串联连接的缘故而增加。举例来说，在当前情况下，各自处于2KV的250个块互连以给出500KV的总电压(也参看图
1)。另外，框架构造RK经由电位联结MP而连接到模块块PVB的电位电平，以便将经支撑布置和框架构造的电位电平施加到每一块PVB的此电位电平。电位联结MP可连接到模块块的最低、中等或最高的电位电平。如果设置了串联连接到块的PV模块的数目以使得在PV块上总电压Upvb保持低于个别PV模块的耐压(介电强度)，那么去往PV块的最低或最高电位的电位联结便为恰当的。根据所使用的PV模块的类型，可通过电位联结的性质来调节模块的内单元串与模块框架和框架构造之间的正电位差或负电位差。为了(例如)避免模块的降级效应，或者为了遵守由制造商设置的对应的建议或限制，这样做可能是必要的。如果至少将PV模块到PV块的串联连接维持到总电压Upvb(其可高于个别PV模块的介电强度(例如，为1KV))存在于个别PV块上为止，那么到PV块的中等电位的电位联结便尤其恰当。
[0024] 此处Umodmax指示个别模块的耐压(介电强度)。这指定允许在内单元串且因此模块的电连接与模块框架及其直接周围事物之间存在的最大可允许电位差。
[0025] 此处Umod指示在内单元串且因此模块的电连接与模块框架及其直接周围事物之间实际上现有的电压或电位差。对于串联连接到PVB的每一模块来说Umod是不同的。条件Umod＜Umodmax必须一直适用。
[0026] 此处所使用的光伏模块PVM优选在结构上是相同的，且具有大致相同的介电强*度。如果使用了具有不同介电强度的模块，那么可能出现电压Udc 超过所有所使用的模块PVM的介电强度的情况。
[0027] 此处所描述的电源系统还可经设计以使得可在多个位置不同的点处将能量馈送到HGUE电力线或线中，并在多个位置不同的点(所谓的多点连接)对能量进行分接。
[0028] 也可实施同样在此处描述的多个模块场的并联连接的可能性，以使得在多个点处将电力馈送到同一HGUE线中。模块场的位置在此连接中可为彼此距数千米。同时，应确保各个场尽可能一致地对准，且还具有几乎相同的太阳暴露度。为此，并联连接的场彼此相距的最大可能距离远远少于500km。
[0029] 在若干个点处对来自HGUE电力线或线的能量进行分接的可能性于是要求在这些点中的每一者处有具有电力逆变器的变流器分站。如果在任何情况下要沿着更远的输送路径供应多个消费者中心，这样做可为完全恰当的。在此情况下，应确保所有的变流器分站以技术上受控制的方式耦合，以便在最大输出的点处操作模块场。优选的是，在此情况下，所述站中的一者充当“主”站，并承担MPP控制，并管理在操作点处恰当地彼此匹配的所有其它站，以便总体上实现PV发电站的最佳可能操作点。
[0030] 总体上，用根据本发明的布置实现了所产生的能量到高电压DC传输电力线的直接且尤其有成本效益的馈送。在消费者侧上，随后仅需要在中央变流器分站中将能量转换为本地所要电压。本发明尤其以在投资成本和运行成本两方面都有益的有成本效益的系统技术为特征。
[0031] 参考符号列表
[0032] SYS 电源系统
[0033] PVE 光伏装置
[0034] PVS 光伏串(模块串)
[0035] PVB 光伏块(模块块)
[0036] PVM 光伏模块
[0037] TS 隔离开关
[0038] KS 短路开关
[0039] GSLS DC断路器
[0040] D 二极管(二极管包)
[0041] EP 地电位
[0042] S+、S- 汇流条
[0043] HGUE 高压DC传输电力线
[0044] UFS 变流器分站
[0045] WR 电力逆变器(具有MPP控制)
[0046] SVN 电源网络(消费者侧)
[0047] Udc* 在高压范围内所产生和传输的DC电压
[0048] Udc′ 部分电压(发电机侧，每串PVS)
[0049] Umodmax 个别模块的耐压(介电强度)
[0050] Umod 实际现有的电压或电位差(Umod＜Umodmax)
[0051] Upvb 模块块的总电压
[0052] Uac AC电压(消费者侧)
[0053] RK 模块块的框架构造
[0054] IS 用于经支撑布置的绝缘体
