用于電力裝置保護的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于電力裝置保護的系統(tǒng)和方法
[0001]本申請是申請日為2008年12月5日，申請?zhí)枮?00880132210.9，發(fā)明名稱為“用于電力裝置保護的系統(tǒng)和方法”的申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及在分布式電力系統(tǒng)中的反孤島效應(yīng)(ant1-1slanding)，以及，更特別地涉及在反孤島效應(yīng)期間光伏分布式電力設(shè)備和人員的保護的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0003]公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)提供電力系統(tǒng)到公用事業(yè)用戶。從公用事業(yè)公司到用戶的電力的分布利用以類似網(wǎng)格的方式連接的公用事業(yè)管線網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)被稱為電網(wǎng)格(electricalgrid) ο電網(wǎng)格可由除激勵電網(wǎng)的公用事業(yè)公司之外的許多激勵電網(wǎng)(grid)的獨立能源構(gòu)成，每個獨立能源被稱為分布式電力(DP)生成系統(tǒng)?，F(xiàn)代的公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)包括公用事業(yè)功率源、用戶負載，以及同樣供應(yīng)電力到網(wǎng)絡(luò)的分布式電力生成系統(tǒng)。分布式電力生成系統(tǒng)的數(shù)量和類型迅速增長并且能夠包括光伏、風(fēng)力、水力、燃料電池、例如電池的存儲系統(tǒng)、超導(dǎo)飛輪和電容器類型，以及機械設(shè)備包括傳統(tǒng)的和可變速的柴油發(fā)動機、斯特林發(fā)動機、燃氣渦輪，以及微型渦輪。這些分布式電力生成系統(tǒng)被連接到公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)以使他們與公用事業(yè)功率源同時操作。
[0004]現(xiàn)代的公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)所面臨的一個普遍問題是孤島效應(yīng)的出現(xiàn)。孤島效應(yīng)是分布式電力生成系統(tǒng)和公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)分離的狀態(tài)，但在公用電力供應(yīng)從網(wǎng)絡(luò)的某些部分斷開連接后，仍繼續(xù)供應(yīng)電力到公用網(wǎng)絡(luò)的那些部分。所有光伏系統(tǒng)必須具有反孤島效應(yīng)檢測以便遵守安全條例。否則在電網(wǎng)關(guān)閉后，由于光伏裝置生成作為孤島下游的電力，光伏裝置可能電擊修理工或使修理工觸電致死。孤島狀態(tài)使公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)的有秩序的重新連接變得復(fù)雜并且也對設(shè)備造成危害。因此，孤島狀態(tài)的檢測和消除是重要的。
[0005]已經(jīng)提出了幾種技術(shù)以防止孤島效應(yīng)。例如，一種方法涉及在主發(fā)電源和DP系統(tǒng)之間的公用事業(yè)系統(tǒng)的所有電路斷路器上監(jiān)控輔助觸點。輔助觸點被監(jiān)控用于代表在公用事業(yè)的源上的開放的電路斷路器的狀況的改變。公用事業(yè)電路斷路器通常通過外部的保護繼電器被監(jiān)控和切斷。當公用事件的損耗通過電路斷路器的輔助觸點的狀況的改變被檢測到時，使用傳遞切斷(transferred trip)方案以打開在公用事業(yè)和分布式電力系統(tǒng)之間的互連。傳遞切斷方案使用被監(jiān)控的公用事業(yè)的源的輔助觸點。輔助觸點與其它能夠觸發(fā)局部互連斷路器的切斷的設(shè)備并聯(lián)連接。當輔助觸點改變狀況時，在局部互連斷路器上引起切斷。這防止孤島狀態(tài)的發(fā)生。這個方法的缺點是通常公用事業(yè)絕緣的點(公用事業(yè)電路斷路器打開的點)具有距局部分布式電力系統(tǒng)的這樣的一距離以致運行觸點狀況信號回到局部分布式電力系統(tǒng)控制系統(tǒng)是不實際的。
[0006]目前所使用或提出的反孤島效應(yīng)方案包括被動的方案和主動的方案。被動的方案基于電網(wǎng)信號的局部監(jiān)控，例如，如欠電壓或過電壓、低頻率或高頻率、頻率的變化率、相位躍變，或系統(tǒng)諧波。主動的方案基于監(jiān)控作為結(jié)果的電網(wǎng)信號的主動信號注入，例如，如阻抗測量，或帶有主動控制的主動信號注入，例如，如主動頻率偏移或主動電壓偏移。使用主動的方案，可能在輸出電流波形中會發(fā)生一些失真，從而引起在孤島效應(yīng)檢測時間和波形失真之間的折中，較快的檢測通常引起較高的總諧波失真。
[0007]太陽能分布式電力系統(tǒng)10的傳統(tǒng)裝置，其包括多個太陽能板101，在圖1中示出。由于由每個單獨的太陽能板101提供的電壓是低的，所以幾個板101被串聯(lián)連接以形成一串103板101。對于大的裝置，當需要較高的電流時，幾串103可被并聯(lián)連接以形成整個系統(tǒng)10?；ミB的太陽能板101被安裝在室外，并被連接到最大功率點跟蹤(MPPT)模塊107且然后到逆變器104。MPPT 107 一般作為逆變器104的部分來實現(xiàn)，如在圖1中所示的。從DC源101獲得的功率被遞送到逆變器104，該逆變器將直流(DC)轉(zhuǎn)換成具有所期望的電壓和頻率的交流(AC)，其通常為在60Hz處IlOV或220V，或在50Hz處220V。來自逆變器104的AC電流然后可以被用于操作電器用品或被饋送到電力網(wǎng)。
[0008]如以上所表明的，每個太陽能板101供應(yīng)相對非常低的電壓和電流。太陽能陣列設(shè)計者面臨的問題是要從太陽能板的低電壓的組合產(chǎn)生在120V或220V的均方根(RMS)處的標準AC電流。來自低電壓的高功率的遞送需要非常高的電流，其造成相當于電流的平方i2的大的傳導(dǎo)損耗。此外，被用于將DC電流轉(zhuǎn)換成AC電流的功率逆變器，諸如逆變器104，當其輸入電壓稍微高于乘以2的平方根的其輸出RMS電壓時，是最有效的。因此，在許多應(yīng)用中，功率源，諸如太陽能板101，被組合以便達到正確的電壓或電流。大量的板101被連接成串103且串103被并聯(lián)連接到功率逆變器104。板101被串聯(lián)連接以便達到逆變器104所需的最小電壓。多個串103被并聯(lián)連接到陣列中以供應(yīng)較高的電流，以便實現(xiàn)較高的功率輸出。
[0009]圖1B示出連接到MPPT電路107和逆變器104的DC源，例如，太陽能板101a_101d，的一個串聯(lián)的串103。電流相對電壓(IV)的特征被圖示(IlOa-1lOd)在每個DC源101的左側(cè)。對于每個DC源101，電流隨著輸出電壓的增加而減小。在某個電壓值，電流歸于零，并且在一些應(yīng)用中電壓值可采用負值，意為源成為匯(sink)。旁路二極管(未示出)被用于防止源成為匯。等于電流和電壓的乘積的每個源101的功率輸出(P = i*V)依賴于從源中汲取的電壓而變化。在某一電流和電壓處，接近于電流的衰落點，功率達到其最大值。期望的是，在該最大功率點(MPP)處操作電力生成單元。MPPT的目的在于找到該點并在該點處操作系統(tǒng)，以便從源汲取最大功率。
[0010]在典型的、傳統(tǒng)的太陽能板陣列中，不同的算法和技術(shù)被用于優(yōu)化使用MPPT模塊107的系統(tǒng)10的集成功率輸出。MPPT模塊107接收從所有的太陽能板101中一起提取的電流并跟蹤對于該電流的最大功率點以提供最大平均功率，以使如果更多電流被提取，來自板的平均電壓將開始下降，從而降低獲得的功率。MPPT模塊107保持從系統(tǒng)10產(chǎn)生最大平均功率的電流。
[0011]然而，因為功率源1la-1Old被串聯(lián)連接到單一的MPPT 107，MPPT 107選擇最大功率點，該功率點是單獨串聯(lián)連接的源101的最大功率點的近似平均。實際上，很有可能的是，MPPT 107將在最適于僅幾個源101或不適于源101中的任何一個的1-V點處操作。在圖1B的示例中，所選的點是源1lb的最大功率點，但偏離源1laUOlc和1ld的最大功率點。結(jié)果，裝置沒有被操作在最佳可達到的效率處。
[0012]本申請人已經(jīng)在題為“DistributedPower Harvesting Systems Using DC PowerSources”的第11/950271號共同待決的US申請中公開了耦合到每個功率源(例如，光伏板)的輸出的電功率轉(zhuǎn)換器(例如，DC到DC轉(zhuǎn)換器)的用途。電功率轉(zhuǎn)換器通過監(jiān)控并控制在最大功率水平處的輸入功率，將輸入功率轉(zhuǎn)換成輸出功率。該系統(tǒng)也可被用于處理反孤島效應(yīng)問題。
[0013]如在此所使用的術(shù)語“泄漏”指的是一般在低電平處和一般因為不足的絕緣被輻射或傳導(dǎo)到電信號管線中的電功率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的以下概要被包括以便提供對本發(fā)明的一些方面和特征的基本理解。該概要不是本發(fā)明的大范圍綜述并且因而不是用來具體地識別本發(fā)明的關(guān)鍵或重要的元件或不是用來描繪本發(fā)明的范圍。其唯一的目的是以簡化的形式呈現(xiàn)本發(fā)明的一些概念以作為以下呈現(xiàn)的更多細節(jié)描述的序幕。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，這里提供在分布式電力系統(tǒng)中的多個DC功率源和包括分別耦合到DC功率源的輸入的多個功率模塊。功率模塊每個包括輸出，其串聯(lián)耦合以形成串聯(lián)的串。逆變器被耦合到串聯(lián)的串。逆變器轉(zhuǎn)換從串輸入的功率并產(chǎn)生輸出功率。在功率模塊中的保護機構(gòu)關(guān)閉功率模塊并在逆變器停止產(chǎn)生輸出功率時中止輸入到逆變器的功率。一般地，逆變器被連接到電網(wǎng)。監(jiān)控機構(gòu)被附接到電網(wǎng)，該監(jiān)控機構(gòu)監(jiān)控電網(wǎng)的一個或多個電參數(shù)。關(guān)閉機構(gòu)被附接到監(jiān)控機構(gòu)，其在一個或多個電參數(shù)在預(yù)先確定的規(guī)格之外時，逆變器停止輸出功率的產(chǎn)生或從電網(wǎng)斷開連接。開關(guān)優(yōu)選地布置在串聯(lián)的串和逆變器之間。開關(guān)由關(guān)閉機構(gòu)來激活并且保護機構(gòu)感測在開關(guān)被激活時流經(jīng)串聯(lián)的串的電流的變化。當開關(guān)與串聯(lián)的串串聯(lián)連接時，保護機構(gòu)感測在串聯(lián)的串中的該電流小于先前指定的最小閾值電流；或當開關(guān)與串聯(lián)的串并聯(lián)連接時，保護機構(gòu)感測在串中的電流大于先前指定的最大閾值電流?？蛇x地，信號提供機構(gòu)被附接到逆變器，該信號提供機構(gòu)基于關(guān)閉機構(gòu)提供信號。多個接收器被分別附接到功率模塊。接收器接收信號，并且分別附接到接收器的多個使能機構(gòu)使各自的功率模塊能夠基于信號的存在或信號的不存在供應(yīng)輸入功率到逆變器。當信號為保持激活(keep-alive)信號時，基于保持激活信號的存在，使能機構(gòu)使各自的功率模塊能夠供應(yīng)輸入功率到逆變器。當信號為關(guān)閉信號時，基于關(guān)閉信號的存在，使能機構(gòu)禁止各自的功率模塊并停止輸入功率到逆變器的供應(yīng)。在串聯(lián)的串中的信號可選擇地來自電網(wǎng)并在電網(wǎng)的頻率處