專利名稱：使用頻率選擇性接地的光伏雙極到單極源電路轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電功率轉(zhuǎn)換器，且更具體地涉及結(jié)合其它設(shè)備來向AC負(fù)載供電而使用的光伏雙極到單極源轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
在美國(guó)，國(guó)家電氣法規(guī)(NEC)第690節(jié)允許接地和未接地的兩種太陽能光伏(PV)陣列配置。由于PV模塊絕緣限制，PV陣列的最大電壓目前在接地系統(tǒng)中被限制到相對(duì)于大地600Vdc，而在未接地系統(tǒng)中被限制到600Vdc。NEC還要求安裝在住宅上的PV系統(tǒng)具有探測(cè)并中斷從PV陣列到大地接地的故障電流的設(shè)備。這些故障通常由進(jìn)入接線盒中的浸水、陣列布線絕緣的惡化或太陽能模塊絕緣材料中的故障引起。這樣的故障可引起低能量泄漏路徑或破壞性的直流電弧。關(guān)于接地故障的代碼的意圖是防火，而不是人身保護(hù)。概述一個(gè)實(shí)施方式提供用于選擇性地將至少兩個(gè)單極DC源耦合到大地接地以及單極負(fù)載的正端子和負(fù)端子和將所述至少兩個(gè)單極DC源從大地接地以及單極負(fù)載的正端子和負(fù)端子去耦的裝置。雙極DC源包括至少兩個(gè)單極DC源，所述至少兩個(gè)單極DC源借助到大地接地的公共連接點(diǎn)、到正單極負(fù)載端子的正連接和到負(fù)單極負(fù)載端子的負(fù)連接可控制地串聯(lián)耦合，規(guī)定的極性以所述大地接地為基準(zhǔn)。頻率選擇性網(wǎng)絡(luò)連接在所述公共連接點(diǎn)和所述大地接地之間，所述網(wǎng)絡(luò)的DC阻抗低于所述網(wǎng)絡(luò)在預(yù)先選擇的頻率處的AC阻抗，所述預(yù)先選擇的頻率例如電網(wǎng)線頻率的整數(shù)倍。在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，頻率選擇性網(wǎng)絡(luò)的DC阻抗足夠低以將公共接地連接處保持在如國(guó)家電氣法規(guī)所需的實(shí)質(zhì)上接地電位處，以及AC阻抗足夠低以防止雙極陣列的共模電位在雷電瞬時(shí)頻率處升高到大地接地之上。DC到AC轉(zhuǎn)換器可耦合到雙極DC源以將該源的DC輸出轉(zhuǎn)換成AC輸出，且所述頻率選擇性網(wǎng)絡(luò)是并聯(lián)RLC電路，所述并聯(lián)RLC電路具有大約三倍于所述AC輸出的頻率的諧振頻率。具體地，所述頻率選擇性網(wǎng)絡(luò)是并聯(lián)RLC電路，其中R、L和C值提供低DC阻抗、最大AC阻抗在大約三倍于所述AC輸出的頻率的諧振頻率處、以及AC阻抗在高于所述諧振頻率的頻率處較低。頻率選擇性網(wǎng)絡(luò)優(yōu)選地允許所述公共連接點(diǎn)以相對(duì)于大地接地的外施共模AC電壓、小于在所述公共連接點(diǎn)到大地接地的直接連接時(shí)的AC電流的AC接地電流來操作。一個(gè)實(shí)施方式包括接地故障探測(cè)器和控制器，所述接地故障探測(cè)器耦合到所述單極DC源中的每個(gè)以當(dāng)接地故障出現(xiàn)時(shí)產(chǎn)生接地故障信號(hào)，所述控制器響應(yīng)于所述接地故障信號(hào)來使出故障的單極DC源與所述公共連接點(diǎn)去耦。當(dāng)出故障的單極DC源與所述公共連接點(diǎn)去耦時(shí)，任何無故障的單極DC源優(yōu)選以在任何無故障的單極DC源的電極處的最高電壓浮動(dòng)，所述最高電壓等于所述無故障的單極DC源的相對(duì)于大地接地的開路電壓的±V2。從附圖和從下面緊接著的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的實(shí)施方式的其它特征和優(yōu)點(diǎn)是明顯的。
附圖的簡(jiǎn)要說明從參考附圖的優(yōu)選實(shí)施方式的下列描述中將更好地理解本發(fā)明，其中

圖1是耦合到大地接地和經(jīng)由DC到AC轉(zhuǎn)換器耦合到公用輸電網(wǎng)的雙極DC電源的電氣示意圖。圖2是圖1的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方式的電氣示意圖，DC到AC轉(zhuǎn)換器被建模為可變負(fù)載。圖3是圖1的系統(tǒng)的另一實(shí)施方式的電氣示意圖，DC到AC轉(zhuǎn)換器被建模為可變負(fù)載。詳細(xì)描述雖然將結(jié)合某些優(yōu)選實(shí)施方式描述本發(fā)明，應(yīng)理解，本發(fā)明不限于那些特定的實(shí)施方式。相反，本發(fā)明旨在涵蓋可包括在如所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有可選形式、修改形式和等效布置。圖1示出配置有雙極DC源和三相DC到AC功率轉(zhuǎn)換器100的系統(tǒng)，雙極DC源包括兩個(gè)單極PV子陣列10和20 (例如，每個(gè)最大600伏)，而三相DC到AC功率轉(zhuǎn)換器100操作而深入到包括通過公共中性線304連接到大地接地70的三個(gè)相301-303的Y型接地的AC公用設(shè)施300 (例如，480/277伏，60Hz)中。DC到AC轉(zhuǎn)換器100可以是包括六個(gè)晶體管/ 二極管開關(guān)和連接到公用設(shè)施的三個(gè)相301-303的三個(gè)濾波電感器的常規(guī)6極橋。因?yàn)樵诠幂旊娋W(wǎng)300處的連接是四線Y型接地配置，且DC源也是以大地為基準(zhǔn)的，三個(gè)相中的每個(gè)獨(dú)立地操作。公用輸電網(wǎng)交互式逆變器的控制和調(diào)節(jié)方法是公知的。第一 PV子陣列10的正端子和第二 PV子陣列20的負(fù)端子連接到DC到AC轉(zhuǎn)換器100。子陣列10和20的另一端子通過頻率選擇性RLC網(wǎng)絡(luò)8連接到大地接地70，用于通過一網(wǎng)絡(luò)使光伏陣列接地，該網(wǎng)絡(luò)提供等效于硬接地系統(tǒng)的DC系統(tǒng)保護(hù)水平并且還允許PV陣列以共模AC電壓移動(dòng)。在例證性系統(tǒng)中，RLC網(wǎng)絡(luò)8由并聯(lián)連接的電感器8A、電阻器8B和電容器8C形成。并聯(lián)RLC網(wǎng)絡(luò)8在諧振頻率處具有最大的AC阻抗，并且AC阻抗在高于諧振頻率的頻率處降低。部件8A-8C的值優(yōu)選地被選擇為提供大約三倍于被提供到AC負(fù)載的AC功率的線頻率的諧振頻率(例如，對(duì)于60Hz線頻率，諧振頻率是180Hz)和低于網(wǎng)絡(luò)在其諧振頻率處的AC阻抗的DC阻抗。具體地，并聯(lián)RLC網(wǎng)絡(luò)8的DC阻抗優(yōu)選地足夠低以將端子9處的電位保持在雙極光伏陣列的國(guó)家電氣法規(guī)所需的實(shí)質(zhì)上接地電位處。諧振頻率處的AC阻抗優(yōu)選地足夠低以防止雙極陣列的共模電位在雷電瞬時(shí)頻率處上升到大地接地之上。在使用656毫亨的電感器8A、371歐姆的電阻器8B和1. 2微法拉的電容器8C的一個(gè)例子中，在當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器100將功率注入公用輸電網(wǎng)300中時(shí)的標(biāo)稱操作條件下，大地接地70和RLC網(wǎng)絡(luò)8之間的電壓在180Hz處大約是37Vac rms。部件對(duì)地的DC電壓為零。在中性導(dǎo)體304中流動(dòng)的電流在180赫茲的頻率處為大約200毫安。電阻器8B中的功率耗散為大約4瓦。對(duì)于圖1所示的例子，DC接地電阻實(shí)際上是電感器8A的DC電阻，其可以小于I歐姆。AC接地阻抗在180Hz處是186歐姆且在高于180Hz的頻率處要低得多，以提供具有實(shí)質(zhì)上高于180Hz的頻率的雷電引起的瞬變電流的低阻抗返回路徑。因此，RLC網(wǎng)絡(luò)8提供頻率選擇性網(wǎng)絡(luò)，其在正常操作期間提供與硬接地雙極PV陣列的系統(tǒng)保護(hù)水平相當(dāng)?shù)南到y(tǒng)保護(hù)水平。圖2是圖1的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)現(xiàn)的更詳細(xì)的示意圖，但常規(guī)DC到AC轉(zhuǎn)換器被建模為可變負(fù)載90和并聯(lián)電容器80。在正常操作中，單極PV陣列10和20通過一對(duì)指示熔斷器6A和7A以及頻率選擇性RLC網(wǎng)絡(luò)8連接到大地接地50。在端子12處的子陣列10的負(fù)極和端子21處的子陣列20的正極以這種方式以接地為基準(zhǔn)。在正常操作期間穿過熔斷器6A和7A的電流實(shí)際上為零。當(dāng)接地故障出現(xiàn)在PV陣列10或20中并產(chǎn)生大到足以清除(clear)熔斷器6A、7A中的任一個(gè)的DC故障電流時(shí)，熔斷器的清除中斷接地故障電流。同時(shí)，熔斷的熔斷器指示器信號(hào)通過與清除的熔斷器相關(guān)的開關(guān)6B或7B的閉合發(fā)送到控制器1，即，指示熔斷器用作接地故障探測(cè)器，在接地故障出現(xiàn)時(shí)其除了中斷接地故障電流以外還產(chǎn)生接地故障信號(hào)。熔斷的熔斷器指示器信號(hào)促使控制器I使接觸器線圈2A去激勵(lì)以斷開接觸件2B，所以出故障的PV子陣列然后只通過接地故障阻抗和由相應(yīng)的電阻器對(duì)16、17和26、27所形成的等值電阻器網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)連接到大地接地。在這個(gè)故障操作模式期間，任何無故障的子陣列將以等于相對(duì)于大地接地70的子陣列開路電壓的±V2的在子陣列電極處的最高電壓“浮動(dòng)”。電阻器網(wǎng)絡(luò)16、17和26、27提供最低耗散的共模電壓基準(zhǔn)并用于排出子陣列靜電荷。從成本觀點(diǎn)看，恰好在對(duì)給定類別的設(shè)備允許的最大電壓之下使用PV模塊、布線和熔斷器是合乎需要的。因此對(duì)于最佳雙極陣列，相對(duì)于端子11和22處的接地的最高DC電壓在所有條件下是額定DC設(shè)備電壓。使用軟接地或電阻性接地的雙極PV陣列，端子11處的硬(低阻抗)DC接地故障的出現(xiàn)例如將在該端子處的相對(duì)于接地的電壓減小到零，這意味著在端子22處的相對(duì)于接地的電壓是可允許的設(shè)備電壓的兩倍，因?yàn)楣收系淖杩箍梢员入娮栊越拥氐淖杩沟偷枚?。為了減輕這個(gè)問題，例證性系統(tǒng)使用跨接在相應(yīng)的電阻器16、17和26,27兩端的電壓傳感器18、19和28,29監(jiān)測(cè)在所有PV子陣列端子11、12和21,22上的相對(duì)于接地的電壓?？刂破鱅從電壓傳感器18、19和28、29讀取成比例的電壓信號(hào)，并比較這些值與預(yù)先編程的過電壓限制。如果在任何端子上超過該限制，PV子陣列10和20被禁用并“浮動(dòng)”。禁用序列如下工作1.在端子11、12和21、22中的至少一個(gè)上的相對(duì)于接地的電壓超過對(duì)該端子的預(yù)先編程的限制。2.控制器I經(jīng)由隔離串行鏈路101命令負(fù)載100 (例如，DC到AC轉(zhuǎn)換器)關(guān)閉，從而有效地將負(fù)載100的電阻部分設(shè)置到開路。3.與負(fù)載斷路同時(shí)地，接觸器線圈3A被去激勵(lì)以斷開接觸件3B和3C。4.在延遲以確保接觸件完全斷開之后，一對(duì)電流傳感器4和5被讀取以證實(shí)負(fù)載電流換向完成。如果由電流傳感器9讀取的接地電流超過預(yù)編程的限制，則PV子陣列10和20也被禁用。在任一情況下，禁用序列的步驟2到4被執(zhí)行。圖3是圖1的系統(tǒng)的另一實(shí)現(xiàn)的示意圖，再次，常規(guī)DC到AC轉(zhuǎn)換器被建模為可變負(fù)載。該系統(tǒng)與圖2所示的系統(tǒng)相同，除了 DC接觸器2具有分別與兩個(gè)熔斷器6A和7A并聯(lián)連接的兩個(gè)接觸件2A和2B以外。如在圖2的系統(tǒng)中的，當(dāng)接地故障出現(xiàn)在PV陣列10或20中并產(chǎn)生大到足以清除熔斷器6A、7A中的任一個(gè)的故障電流時(shí)，熔斷器的清除中斷接地故障電流。同時(shí)，熔斷的熔斷器指示器信號(hào)通過與清除的熔斷器相關(guān)的開關(guān)6B或7B的閉合發(fā)送到控制器I。這使控制器I使接觸器線圈2A去激勵(lì)以斷開接觸件2B和2C，所以出故障的PV子陣列然后只通過接地故障阻抗和由相應(yīng)的電阻器對(duì)16、17和26、27所形成的等值電阻器網(wǎng)絡(luò)之一連接到大地接地。在這個(gè)故障操作模式期間，任何無故障的子陣列將以等于相對(duì)于大地接地70的子陣列開路電壓的±V2的子陣列電極處的最高電壓“浮動(dòng)”。電阻器網(wǎng)絡(luò)16、17和26、27通過排出子陣列靜電荷來提供最低耗散的共模電壓基準(zhǔn)。在圖3的系統(tǒng)中的雙接觸件2A和2B的使用改變了每個(gè)接觸件的額定要求，其可減小接觸器的成本。雖然示出和描述了本發(fā)明的特定實(shí)施方式和應(yīng)用，應(yīng)理解，本發(fā)明不限于本文公開的確切結(jié)構(gòu)和構(gòu)成，以及各種修改、改變和變形從前述描述中可以是明顯的，而不偏離如在所附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于選擇性地將至少兩個(gè)單極DC源耦合到大地接地以及單極負(fù)載的正端子和負(fù)端子和將所述至少兩個(gè)單極DC源從大地接地以及所述單極負(fù)載的正端子和負(fù)端子去耦的裝置，包括雙極DC源，其包括所述至少兩個(gè)單極DC源，所述至少兩個(gè)單極DC源借助于到大地接地的公共連接點(diǎn)、到正單極負(fù)載端子的正連接和到負(fù)單極負(fù)載端子的負(fù)連接而可控制地串聯(lián)耦合，規(guī)定的極性以所述大地接地為基準(zhǔn)，以及頻率選擇性網(wǎng)絡(luò)，其連接在所述公共連接點(diǎn)和所述大地接地之間，所述網(wǎng)絡(luò)的DC阻抗低于所述網(wǎng)絡(luò)在預(yù)先選擇的頻率處的AC阻抗。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述DC阻抗足夠低以在DC接地故障期間將所述公共接地連接保持在實(shí)質(zhì)上接地電位處。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述AC阻抗足夠低以防止所述雙極陣列的共模電位在雷電瞬時(shí)頻率處升高到大地接地之上。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其包括耦合到所述雙極DC源以將所述源的DC輸出轉(zhuǎn)換成AC輸出的DC到AC轉(zhuǎn)換器，且其中所述頻率選擇性網(wǎng)絡(luò)是并聯(lián)RLC電路，所述并聯(lián)RLC 電路具有大約三倍于所述AC輸出的頻率的諧振頻率。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述頻率選擇性網(wǎng)絡(luò)是并聯(lián)RLC電路，其中R、L和C 值提供低DC阻抗、在大約三倍于所述AC輸出的頻率的諧振頻率處提供最大AC阻抗、以及在高于所述諧振頻率的頻率處提供較低AC阻抗。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其包括接地故障探測(cè)器和控制器，所述接地故障探測(cè)器耦合到所述單極DC源中的每個(gè)以當(dāng)接地故障出現(xiàn)時(shí)產(chǎn)生接地故障信號(hào)，所述控制器響應(yīng)于所述接地故障信號(hào)用于使出故障的單極DC源與所述公共連接點(diǎn)去耦。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述接地故障探測(cè)器是指示熔斷器。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述頻率選擇性網(wǎng)絡(luò)允許所述公共連接點(diǎn)以相對(duì)于大地接地的外施共模AC電壓、小于在所述公共連接點(diǎn)到大地接地的直接連接時(shí)的AC電流的AC接地電流來操作。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中當(dāng)出故障的單極DC源與所述公共連接點(diǎn)去耦時(shí)，任何無故障的單極DC源以在任何無故障的單極DC源的電極處的最高電壓浮動(dòng)，所述最高電壓等于所述無故障的單極DC源的相對(duì)于大地接地的開路電壓的土1/；。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述單極DC源是光伏陣列。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述預(yù)先選擇的頻率是電網(wǎng)線頻率的整數(shù)倍。
12.一種用于選擇性地將至少兩個(gè)單極DC源耦合到大地接地以及單極負(fù)載的正端子和負(fù)端子和將所述至少兩個(gè)單極DC源從大地接地以及所述單極負(fù)載的正端子和負(fù)端子去耦的方法，所述方法包括借助于到大地接地的公共連接點(diǎn)、到正單極負(fù)載端子的正連接和到負(fù)單極負(fù)載端子的負(fù)連接，可控制地串聯(lián)耦合至少兩個(gè)單極DC源，規(guī)定的極性以所述大地接地為基準(zhǔn)，以及通過頻率選擇性網(wǎng)絡(luò)將所述公共連接點(diǎn)耦合到所述大地接地，所述頻率選擇性網(wǎng)絡(luò)的 DC阻抗低于所述網(wǎng)絡(luò)在預(yù)先選擇的頻率處的AC阻抗。
13.一種提供用于功率系統(tǒng)的地面基準(zhǔn)的方法，在所述功率系統(tǒng)中，至少源或負(fù)載是 DC和AC電路，且其中低阻抗DC硬接地基準(zhǔn)是期望的，且功能性的AC軟接地或較高的阻抗AC接地是期望的，所述方法包括通過頻率選擇性網(wǎng)絡(luò)將所述DC和AC電路接地到接地點(diǎn)或地面基準(zhǔn)點(diǎn)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述頻率選擇性網(wǎng)絡(luò)的DC阻抗低于所述網(wǎng)絡(luò)在預(yù)先選擇的頻率處的AC阻抗。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其包括防止所述系統(tǒng)隨相對(duì)于系統(tǒng)接地點(diǎn)的DC共模電壓移動(dòng)，同時(shí)允許所述系統(tǒng)以與具有AC和DC硬接地的系統(tǒng)相比較而言減小的AC接地電流隨相對(duì)于所述系統(tǒng)接地點(diǎn)的AC共模電壓移動(dòng)。
全文摘要
公開了用于轉(zhuǎn)換來自雙極DC源的功率以提供AC負(fù)載的電功率轉(zhuǎn)換器。對(duì)于一個(gè)這樣的實(shí)施方式，雙極DC源是光伏陣列，且AC功率被注入到電力輸電網(wǎng)中。雙極光伏陣列具有相對(duì)于大地接地的正的和負(fù)的電壓電位。轉(zhuǎn)換器是不需要在電力輸電網(wǎng)接口處的隔離變壓器的公用交互式逆變器。本發(fā)明的實(shí)施方式包括探測(cè)和中斷光伏陣列中的DC接地故障的方法。
文檔編號(hào)H02H3/16GK103026571SQ201180035842
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2011年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月23日
發(fā)明者理查德·T·韋斯特 申請(qǐng)人:贊特雷克斯科技公司