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光伏发电站

阅读：314发布：2020-05-13

IPRDB可以提供光伏发电站专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种光伏发电站，其包括：用于产生电流的光伏模块（1），这些光伏模块联接组成多个分路（2）；第一中央变换器（5），该第一中央变换器用于将由光伏模块（1）所产生的电能转换为带有这样一种电压的电能，该电压具有与供电网络中电压的电压波形相符的电压波形；和用于将经转换的电流馈给到供电网络中的输出端，其特征在于：所述第一中央变换器（5）具有至少一个电动机（51）和一个同步发电机（52），它们的轴相互耦联。，下面是光伏发电站专利的具体信息内容。

权利要求

1.光伏发电站，其包括：

-用于产生电流的光伏模块（1），这些光伏模块联接组成多个分路（2），-第一中央变换器（5），该第一中央变换器用于将由光伏模块所产生的电能转换为带有这样一种电压的电能，该电压具有与供电网络中电压的电压波形相符的电压波形，和-用于将经转换的电流馈给到供电网络中的输出端，其特征在于：

-所述第一中央变换器（5）具有至少一个电动机（51）和一个同步发电机（52），它们的轴相互耦联。

2.如权利要求1所述的光伏发电站，其特征在于：所述轴中的至少一根与一回转质量相连接，或者一回转质量能够由其中一根轴进行驱动。

3.如权利要求2所述的光伏发电站，其特征在于：所述回转质量能够通过离合器与其中一根轴相连接，并且根据该离合器的状态能够将能量从轴传递到回转质量上或者将能量从回转质量传递到轴上。

4.如权利要求1至3之任一项所述的光伏发电站，其特征在于：-该光伏发电站除了所述第一中央变换器（5）之外还具有第二中央变换器，即中央逆变器，用于将能由光伏模块（1）产生的直流电流转换为交流电流，以及-第一中央变换器（5）的电动机（51）为异步电动机。

5.如权利要求1至3之任一项所述的光伏发电站，其特征在于：-该光伏发电站除了所述第一中央变换器（5）之外还具有非中央的变换器（3），特别是支路逆变器，这些支路逆变器中的每一个各接到一个分路中，以便将能由一个分路（2）的光伏模块（1）产生的直流电流转换为交流电流，以及-第一中央变换器（5）的至少一个电动机（51）为异步电动机。

6.如权利要求5所述的光伏发电站，其特征在于：所述第一中央变换器（5）具有多个异步电动机（51），这些异步电动机的轴相互连接。

7.如权利要求6所述的光伏发电站，其特征在于：为每个异步电动机（51）配置该光伏发电站的一个或者多个分路（2）并且所述异步电动机（51）能够通过这些分路（2）被供给电能。

8.如权利要求4或5所述的光伏发电站，其特征在于：所述异步电动机（51）为多相异步电动机，特别是三相异步电动机。

9.如权利要求8所述的光伏发电站，其特征在于：相数与该光伏发电站的分路（2）的数量相应。

10.如权利要求4至7之任一项所述的光伏发电站，其特征在于：异步电动机（51）的定子具有多于一个的极对。

11.如权利要求10所述的光伏发电站，其特征在于：极对数与该光伏发电站的分路（2）的数量相应。

12.如权利要求1至3之任一项所述的光伏发电站，其特征在于：第一中央变换器（5）的电动机（51）为直流电动机。

13.如权利要求1至10之任一项所述的光伏发电站，其特征在于：在所述第一中央变换器（5）与该光伏发电站的输出端之间接有变压器（6），用以将能由第一中央变换器（5）提供的电压提升到供电网络中的电压。

14.如权利要求1至13之任一项所述的光伏发电站，其特征在于：各分路（2）按地理分布设置。

15.如权利要求1至14之任一项所述的光伏发电站，其特征在于：该光伏发电站具有大于100kW的功率。

说明书全文

光伏发电站

技术领域

[0001] 本发明涉及一种光伏发电站，其包括：

[0002] -用于产生电流的光伏模块，这些光伏模块联接组成多个分路，其中，各分路是并联连接的，

[0003] -第一中央变换器，该第一中央变换器用于将由光伏模块所产生的电能转换为带有这样一种电压的电能，该电压具有与供电网络中电压的电压波形相符的电压波形，和[0004] -用于将经转换的电流馈给到供电网络中的输出端。

背景技术

[0005] 光伏发电站当今在世界的广大区域内已是司空见惯。除了通常只有较小的功率的孤岛运行模式的光伏发电站之外，联网（并网）运行的光伏发电站具备大得多的重要意义。与孤岛运行模式的光伏发电站不同，联网的系统通常并不是将所获得的电能储存起来，而是将这些电能馈给到供电网络中。对于接受馈给的网络，可以是低压电网、中压电网或者高压电网，在德国，这种馈给目前通常是在低等或者中等电网平面（Netzebene）内、也就是说在低压电网或者中压电网内实现。

[0006] 在全球大部分工业国家中，主要的供电单位是蒸汽发电站和水力发电站。蒸汽发电站将煤炭、燃气或者油中的化学能或者将核能转换为电能。水力发电站从水的动能中产生电能。同步发电机通常由蒸汽或者水进行驱动，这些同步发电机在发电站的输出端提供正弦形电压并且使这种电压施加于供电网络。由同步发电机所产生的电压几乎没有谐波和分谐波。

[0007] 这在光伏发电站中若不投入特别的费用是无法实现的，因为光伏发电站的光伏模块首先是提供直流电压，该直流电压通过逆变器，可能是支路逆变器或是中央逆变器，被转换为交流电压。该转换通过功率电子部件予以实现，这些功率电子部件当今可以大量地和以可接受的价格提供使用。然而由逆变器提供的电压原则上不会没有谐波或分谐波。所以，当今要花费巨资用来在所产生的电能馈给到供电网络中之前将谐波和分谐波滤除。正是对于大型的光伏发电站来说，花费是非常可观的。

[0008] 在一座光伏发电站允许被接至供电网络之前，必须向供电网络运营者证明：该供电网络运营者对电能馈给的要求已经得到满足。其中适用的原则是：发电站的功率越大，用于检定证明的花费就越大。

发明内容

[0009] 本发明的目标是降低这种花费。

[0010] 本发明的目的在于，如此地继续发展一种光伏发电站，使得由光伏发电站所产生的电能的馈给能够尽可能地没有谐波和分谐波。

[0011] 根据本发明，该目的通过以下方式得以实现：光伏发电站的第一中央变换器具有至少一个电动机和一个同步发电机，它们的轴相互耦联。

[0012] 光伏发电站的历史发展起源于太阳能光伏的先驱们，他们在上个世纪八十年代和九十年代中就已将功率较小的第一批小型光伏发电站接至供电网络，以便将能量馈给到电网中。部分由这些太阳能光伏的先驱们亲自构建的光伏发电站具备逆变器，这些逆变器以其原型形式当今仍然还在使用。所使用的功率半导体器件和由此构造的逆变器从这个时代起连续不断地在技术上得到改进。模块和逆变器的功率得到了提高。两者促使越来越大的光伏发电站成为可能，因此当今光伏发电站的功率已经可以达数兆瓦。

[0013] 从根本上讲，过去在光伏发电站的拓扑结构方面少有变化。在馈给供应之前曾经是以及始终是通过带有功率半导体的逆变器将直流电流转换为交流电流。并未得知后续还有其他的发展。

[0014] 在此，按照本发明借助电动机和同步发电机将直流电流转换为交流电流（这样的转换长期以来是已知的）提供了一系列的优点。

[0015] 首先是该光伏发电站可以连接到供电网络，而不存在谐波或者分谐波从光伏发电站传播到供电网络内的危险。

[0016] 另外，与供电网络协调符合地转换电能和准备电压提供了其他的优点：

[0017] 不管是电动机还是同步发电机由于转子之故而具有旋转的质量。这个旋转的质量储存有动能，该动能可以通过下述方式来缓和基于日射率的短时间内的变化、例如由于云雾导致的光伏模块的功率波动，即，在功率突然下降的情况下使转子和轴的动能转换为电能。

[0018] 同步发电机数十年以来常常用于产生符合电网的（netzkonform）电能。电网运营者熟知这项技术以及同步发电机可能对供电网络产生的影响。因此，许可本发明光伏发电站的并网连接几乎不会遇到供电网络运营者的顾虑。预计供电网络运营者甚至优选将光伏发电站接至网络，因为在网络方面没有必要对故障干扰进行平衡而相反可使用的电力的质量却得到改善。

[0019] 与传统的逆变器不同，在同步发电机中可以通过调节励磁来储存或者控制无功功率。

[0020] 与带有功率半导体器件的逆变器相比，同步发电机本来就是对短路和过压坚稳的（robust，具备稳健性）。

[0021] 大型光伏发电站的迄今为止的设计者和开发者并未认识到这些重大的优点。眼光在过去以及在当今都是狭窄地束缚于通过带有功率半导体器件的逆变器将光伏发电站接入。

[0022] 在本发明的光伏发电站中，轴中的至少一根可以与一回转质量相连接，或者一回转质量可以由其中一根轴进行驱动。该回转质量可以进一步储存动能，这样使得光伏发电站受日射率的短时间内的波动的影响更小。

[0023] 在本发明的一种特别的实施方式中，回转质量可以通过离合器与其中一根轴相连接。根据离合器的状态，可以将能量从轴传递到回转质量上或者将能量从回转质量传递到轴上，或者该能量仍保持储存在回转质量中。如果离合器进入接合的话，便传递能量。如果离合器脱开接合的话，便不进行能量传送。通过这种方式，动能可以根据需要被储存或者转换为电能。

[0024] 本发明的光伏发电站除了第一中央变换器之外还可以具有第二中央变换器，即中央逆变器，用于将可由光伏模块产生的直流电流转换为交流电流。该交流电流可能会含有谐波和分谐波。于是第一中央变换器的电动机有益地为异步电动机，该异步电动机由中央逆变器供给电能。中央逆变器提供了一种在本发明中并不一定满足网络运营者馈给要求的电流供使用。但是由于在中央逆变器与供电网络之间不存在电气耦联，这是无害的。异步电动机被如此地设计，即，它可以不受中央逆变器的输出端上的谐波和分谐波损害地运行。为此在中央逆变器的输出端上并不需要特别的过滤器。

[0025] 本发明的光伏发电站除了第一中央变换器之外还可以具有非中央的变换器，特别是支路逆变器，这些支路逆变器中的每一个各接到一个分路中，以便将可由一个分路的光伏模块产生的直流电流转换为交流电流。在这样的光伏发电站中，第一中央变换器的所述至少一台电动机也可以是异步电动机。支路逆变器也提供了一种在本发明中不必满足网络运营者馈给要求的电流供使用。因此，在光伏发电站的输出端上并不需要特别的过滤器来达到符合电网的电压之目的。

[0026] 甚至有可能的是：第一中央变换器具有多个异步电动机，它们的轴相互连接。为每个异步电动机配置光伏发电站的一个或者多个分路并且这些异步电动机能够通过这些分路被供给电能。各异步电动机的轴可以相互刚性连接。还可能的是：各轴通过离合器和/或传动装置、还有变速器相互连接。

[0027] 所使用的这个或这些异步电动机可以是多相异步电动机，特别是三相异步电动机。相数可以与光伏发电站的分路的数量相应或者是分路数量的一个整数因子。

[0028] 异步电动机的一个定子或者同步电动机的各定子可以具有多于一个的极对。极对数可以与光伏发电站的分路数量相应或者与分路数量的一个整数因子相应。

[0029] 同样可能的是：第一中央变换器的电动机是直流电动机。这样就可以不必对由光伏模块所产生的电流进行逆变（Wechselrichtung）。

[0030] 为了将可由第一中央变换器提供的电压提升到供电网络中的电压，在第一中央变换器与发电站的输出端之间可以接一个变压器。对电压波形不产生重要影响的这样的变压器例如由蒸汽发电站或核电站为人所知。

[0031] 本发明的光伏发电站的一个特别的优点在于：该光伏发电站的各分路可以按地理分布设置。属于各分路的光伏模块可以彼此相距数公里安装布置，并且由模块所产生的电流可以通过导线、必要时在中间接有逆变器的情况下被传导到第一中央变换器，以便转换成符合电网的电流。各模块按地理分布的方式具有如下优点：光伏发电站更少地受局地条件、特别是在一个位置处的天气条件的作用。通过这种方式，该光伏发电站的功率要比遭受仅仅一个位置的条件影响的光伏发电站更均匀。剧烈的功率变化可得以避免，这样对于供电网络运营者来说将光伏发电站接入到供电网络就变得容易了。

[0032] 有益的是，本发明的光伏发电站具有大于100kW、特别是大于1MW的功率。于是可以特别良好地充分发挥本发明光伏发电站的优点。

附图说明

[0033] 参照附图进一步详述本发明的光伏发电站的一个实施例。附图中：

[0034] 图1为光伏发电站的示意性线路图。

具体实施方式

[0035] 本发明的光伏发电站具有大量的光伏模块1，它们在多个分路2中被串联连接。各分路2与支路逆变器3相接。在支路逆变器3的输出端提供10kV的电压供使用。各支路逆变器3的输出端通过一个中压导线4与光伏发电站的第一中央变换器5相接。中压导线4可以包括多个外导体。

[0036] 第一中央变换器5具有一个非同步电机51，该非同步电机可以是一种带有多个极对的多相异步电动机。在此情况下，相数优选与中压导线4的外导体的数量相应。另外，非同步电机的极对数乘上相数可以与光伏发电站的分路2的数量相应。

[0037] 异步电动机51的轴与同步发电机52的轴固定连接。同步发电机52同样是第一中央变换器5的组成部分。异步电动机51因此驱动同步发电机52并产生电流。

[0038] 在同步发电机52下游接有一个变压器6，该变压器将同步发电机52的输出端上存在的电压升高变换到供电网络的电压，在本例中为传输网络。该传输网络中的电压例如为110kV。变压器6的这个次级侧通过高压线7以110kV电压与传输网络8的相连。高压线
7的端部标示为光伏发电站的输出端。

[0039] 该光伏发电站具有控制系统或者控制台10，逆变器3、异步电动机51和同步发电机52可以由该控制台进行控制。控制台10与传输网络8的运营者的控制台9相连。控制台10向传输网络运营者的控制台9报告光伏发电站的状态和可用性，就是说也包括功率储备。反过来，传输网络运营者的控制台9告知发电站运营者的控制台10需准备的无功功率Q和需调准的有效功率因数

[0040] 根据传输网络运营者的事先规定，发电站运营者由控制台10控制和调节光伏发电站。特别是对异步电动机的转差率和转子角（Polradwinkel）δ以及励磁电流IE进行控制或调节。逆变器3的功率也可以通过控制台进行调整。

[0041] 光伏发电站内部的网络与传输网络8在电流方面和电磁方面是完全脱离开的。两个网络之间唯一的连接就是非同步电机51与同步发电机52的相互机械式耦联的轴。通过这种电磁方面的脱离，从根本上排除了在光伏发电站的网络内部出现的或者可能出现的故障干扰对传输网络8的影响。在光伏发电站的网络内出现的谐波和分谐波并不经过旋转的变换器5传播。再者，发电站由于该变换器5还具有如下优点：光伏发电站的功率波动通过变换器5的旋转部分的回转质量和惯性而只是削弱地对传输网络8产生影响。此外，由于光伏发电站的不同分路2的按地理分布的可能性，可以使光伏发电站的功率进一步均匀化，因为一个分路2的光伏模块1的局地蒙荫遮蔽仅仅部分地降低光伏发电站的功率，而在其他已知的光伏发电站中，某一局地的蒙荫遮蔽便可能导致整个发电站的骤然功率变化。

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