發電系統和用於將電力饋送到三相電網的逆變器的製作方法

2023-09-17 08:37:50

專利名稱：發電系統和用於將電力饋送到三相電網的逆變器的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有繼電器裝置的發電系統，該繼電器裝置用於將發電系統從三相電 網斷開。本發明還涉及用於為三相電網提供電力的逆變器以及相應的繼電器裝置。
背景技術：
發電系統用來為電網提供電力。發電系統的重要性日益增加，其中用於運行大型 電廠的自然資源是有限的並且變得越來越昂貴。這種系統的一個示例是逆變器，其可以用 來將直流電轉換成交流電，並且通常包括用作為DC-AC (直流-交流)轉換器的半導體橋接 電路。
直流可以來自任何DC電源，諸如像電池。DC電源也可以是用於將能量饋送入電網 的光電發生器。要安裝在相對小的表面上的光伏逆變器應當儘可能緊湊、易於操作並且輕便，從 而使安裝期間對工具的需要最小。這樣的逆變器應當具有這樣的重量和尺寸，即其允許一 到兩個人在很大程度上無需幫助地運輸和安裝它們。在外殼內包含必需的電子元件、半導體、濾波扼流圈、電容器和類似的組件。設備 的容許的輸出功率的增加可能會導致各個元件尺寸的增加。因此，設備或其外殼如果要緊 湊的話就必須儘可能緊密地裝配。為了獲得對於電網並行饋送的許可，適用的標準和規則(例如DIN V VDE V 0 1 2 6-1-1)要求發電系統要經由自動開關電路連接到電網。該設備的主要目的在於防止對子電 網或獨立電網無意的饋電，通常稱為反孤島效應檢測(anti-islanding)，並且由此起到保 護功能的作用。為了消除對於附加的外殼或附加的安裝輔助的需要，開關電路可以被集成到現有 的逆變器外殼中。然而，這增加了外殼的尺寸。上述標準還要求該開關電路能夠通過兩個串聯連接且獨立啟動的開關為每個帶 電線(active conductor)中斷運行中的饋電。要確定斷開連接以便即使在發生單個錯誤 的情況下也確保安全功能。滿足這種規範的常用實踐是使用對於直至高達IOkW或更高的中功率範圍具有足 夠開關能力的單極繼電器。該繼電器通常包括獨立的控制器和相應的監控設備。 三極繼電器或接觸器僅可用於更高功率範圍，並且明顯需要比PCB繼電器更多的 安裝空間。而且，它們的組裝是勞力密集的、易於出錯的並且不適於大批量生產。因此，符 合標準的解決方案會要求使用六個單極繼電器，這不但成本高而且還佔據安裝空間。

發明內容
本發明公開了一種發電系統，用於經由三個AC端子把電力從發電單元饋送到三相電網。該系統包括繼電器裝置，用於將逆變器從電網斷開，其中繼電器裝置至少包括三 個繼電器，這三個繼電器中的每一個都配備有控制線圈以及由控制線圈操作的兩個開關觸 點。該系統的每個AC端子都經由第一開關觸點和第二開關觸點連接到電網，第一開關觸點 和第二開關觸點被分配到這些繼電器中不同的繼電器。該系統可以是逆變器，諸如光伏逆變器，尤其是無變壓器的光伏逆變器。繼電器裝 置可以被集成到系統外殼中，並且可以被布置在系統的電路板上，從而得到緊密的系統設計。在本發明的另一方面，公開了一種逆變器，用於將DC功率轉換成經由三個AC端子 提供到三相電網的AC功率。逆變器包括繼電器裝置，用於將繼電器從電網斷開，繼電器裝 置至少包括三個繼電器。這三個繼電器中每一個都包括控制線圈以及由相應控制線圈操作 的兩個開關觸點。每個AC端子都經由第一開關觸點和第二開關觸點連接到電網，第一開關 觸點和第二開關觸點被分配到這些繼電器中不同的繼電器。在又一方面，公開了 一種繼電器裝置，用於將逆變器從具有三個帶電線的三相電 網斷開。繼電器裝置至少包括三個繼電器，這三個繼電器中的每一個都包括控制線圈以及 由相應控制線圈操作的兩個開關觸點。每個開關觸點連接到被分配到這些繼電器中另一繼 電器的另一開關觸點。


下面的附圖提供了對本發明的更具體的描述，並且意在闡明特定實施例。這些附 圖並非意在限制本發明的保護範圍。圖1是發電系統的示意圖。圖2示出了具有用於將逆變器從電網斷開的繼電器裝置的逆變器。圖3示出了用於三相電網繼電器裝置的安全概念。
具體實施例方式圖1示意性地示出了發電系統。發電系統包括發電單元10，其生成電能，並且將能 量提供到轉換單元11。發電單元10可以是光電發生器、燃料電池、風力發電機或者本領域 已知的其他任何發電系統。轉換單元11從發電單元10接收能量，並且把能量轉換成可饋 送到電網14中的形式。如果電網14是如圖所示的三相AC電網，則轉換單元包括三個AC 端子12a、12b、12c。由於適用於發電系統的一些標準要求在電網或系統發生故障的情況下 (例如在發生孤島效應的情況下)系統自動從電網斷開，所以使用繼電器裝置13把AC端子 12a、12b、12c連接到電網14。針對可以構成轉換單元11的逆變器在圖2和3中示出了繼 電器裝置的更多細節。繼電器裝置13在自動連接和斷開方面提供上述功能，以滿足將電力 饋送到公共電網的標準。在下文中，經由繼電器裝置連接到電網的逆變器被用作發電系統 的元件的一個示例。然而，以下給出的細節也可以相應地用於通常的發電系統中。圖2示出了逆變器1，其可以構成發電系統的部件，其具有轉換電路用於將提供在 發電機端子PV+、PV-之間的DC電壓(例如由光電發生器提供的DC電壓)轉換成具有電 網頻率的三相AC電壓。逆變器1可以包括全橋電路2，全橋電路2具有六個半導體開關和並聯的續流二極體(free-wheeling diode)，共同形成DC/AC轉換器。在發電機端子PV+、 PV-與全橋電路2之間示出了緩衝電容器Cl以及包括扼流圈LH、開關TH和二極體DH的可 選的升壓逆變器3。在此情況下，兩個DC鏈電容器(DC link capacitor) C2、C3串聯布置在 升壓逆變器3與全橋電路2之間。電容器C2和C3可以具有相同的電容。電容器C2和C3 的連接點構成用於電壓VR1、VR2、VR3的電壓抽頭，對這些電壓進行測量以便監測布置在全 橋電路2與由帶電線Li、L2、L3表示的電網NE之間的繼電器裝置4的功能。在此情況下， 使用該連接點來定義基準電壓點。在繼電器裝置4與全橋電路2之間可以存在包括三個濾 波扼流圈LN的濾波器。繼電器裝置4用來在預定條件下將光伏逆變器1從電網NE的帶電 線L1、L2、L3斷開。電網NE配備有中性線N，其中相對於中性線N測量帶電線L1、L2、L3的 線電壓VL1、VL2、VL3，作為繼電器裝置4的附加功能監測方式。如從圖2可以看出的那樣，每個帶電線L1、L2、L3經由一對開關觸點路由(route) 到 AC端子之一(例如，Ll路由通過Kla和K3b)，並且每一對中的觸點被分配到兩個不同的 繼電器R1、R2、R3。圖3示出了具有帶電線Ll、L2、L3的替代路由方案的特定繼電器裝置。該實施例 中的繼電器裝置4包括三個雙極繼電器R1、R2、R3。每個繼電器R1、R2、R3具有相應的控制 線圈Spl、Sp2、Sp3，並且兩個開關觸點Kla、Klb ；K2a、K2b ；K3a、K3b被分別分配給每個控制 線圈Spl、Sp2、Sp3以及繼電器R1、R2、R3。繼電器Rl、R2、R3優選包括常開NO開關觸點。繼電器Rl、R2、R3可以被集成到逆變器的外殼(未示出)中。在此情況下，繼電 器可以布置在逆變器的電路板上，例如PCB繼電器，從而提供廉價、輕便和緊湊的逆變器設 計，並且例如與使用六個單極繼電器的情況相比允許了空間節省。繼電器甚至可以在對逆 變器的尺寸改變最小或甚至不改變的情況下被集成到外殼中。尤其在(但不限於)無變壓 器的逆變器的情況下，可以實現逆變器外殼的特別緊湊的尺寸，這進而允許靈活地將逆變 器集成到建築結構中。相應繼電器的一個繼電器觸點串聯連接到另兩個繼電器中之一的繼電器觸點。例 如，如圖3所示，繼電器Rl的開關觸點Kla連接到繼電器R2的開關觸點K2b，使得帶電線 Ll經由兩個單獨的繼電器Rl、R2的兩個開關觸點Kla和K2b連接到光伏逆變器1的端子 L1_WR。其他逆變器端子也路由通過不同繼電器的兩個開關觸點，從而得到操作相應兩個開 關觸點的繼電器的循環排列(cyclic permutation)，如圖所示。結果，對於每個帶電線Li、 L2和L3總是存在兩個獨立啟動的開關觸點。如果所有繼電器線圈SP1-SP3都啟動，並且例如第一繼電器Rl的第一觸點Kla被 焊接，仍然會出現電流隔離，因為觸點K2b由於串聯連接的原因引起隔離。即使觸點Kla由 於觸點Kla的焊接連接而沒有斷開，斷開的觸點K2b還是提供了必要的隔離。帶電線L1、L2、L3與光伏逆變器1的相應端子L1_WR、L2_WR、L3_WR的連接的其他 路由方式也是可能的。然而，路由通過同一繼電器的兩個開關觸點不是優選的，因為這樣的 布置可能不符合標準。因此，即使繼電器R1、R2、R3中任何一個繼電器發生故障，每個逆變 器端子也可能從相應的帶電線斷開。即使在繼電器R1、R2、R3中任意兩個繼電器發生故障 的罕見情況下，只有一個逆變器端子可能保持連接到相應的帶電線，而另外兩個端子被斷 開。如圖3所示，繼電器線圈Spl_Sp3經由繼電器驅動器RT連接到相應「與」門G1、G2、G3的輸出端。「與」門Gl、G2、G3的輸出端之一經由承載設置信號Si、S2、S3的纜線連 接到用於繼電器R1、R2、R3的控制單元BFS。通過來自看門狗(watchdog)配置W的安全信 號SB可以啟動「與」門Gl、G2、G3的另一輸出端。看門狗配置W經由纜線5連接到控制單 元BFS，纜線5可以在這兩個單元之間發送測試信號。繼電器驅動器還經由纜線6連接到控 制單元BFS，纜線6可以發送繼電器測試信號RTS。在繼電器驅動器RT處，用於控制線圈SP1、SP2、SP3的繼電器控制信號可以被RTS 測試信號僅僅暫時地中斷，以防止任何觸點分離(contact s印aration)。在此期間，控制單 元BFS評估控制線圈SP1、SP2、SP3對測試信號RTS的響應。這使得能夠檢查繼電器驅動器 RT以及控制線圈SP1、SP2、SP3，而無需將逆變器及其全橋電路2從電網NE斷開。使用對電壓VR1-VR3和VL1-VL3的測量，以額外地檢查繼電器裝置4的功能。用於繼電器裝置4的一種可能的監測方案可以包括以下測試如果控制單元BFS 發生故障，那麼看門狗配置W將抑制繼電器R1-R3的閉合。如果看門狗配置W發生故障，那 麼控制單元BFS將抑制繼電器R1-R3的閉合。如果「與」門G1、G2、G3中的一個發生故障， 那麼控制單元BFS經由繼電器R1、R2、R3的繼電器測試信號RTS檢測該故障。這同樣適用 於一個或多個繼電器驅動器RT發生故障的情況。由於選擇布線的原因，即使在單個錯誤的情況下，所有電網相也會被可靠地從逆 變器斷開。本發明並不限於這裡給出的示例。例如，可以使用半橋替代全橋，或者可以選擇不 同的電容器_濾波器布置C1-C3、LN。本發明也可以根本不包括升壓轉換器3。可替代地，繼電器裝置4可以被集成在單獨的外殼中，而不是被集成在逆變器外 殼中。也可以想到使用單個逆變器裝置用於將一組逆變器從公共電網斷開。在此情況下的 逆變器可以被包括在單個發電系統中，或者可以是多個發電系統的一部分。在此情況下，可 以藉助於聯合繼電器裝置(joint relay arrangement)為這組逆變器或發電系統提供防孤 島效應功能。這裡使用的術語「繼電器」指的是任何能響應於控制信號連接或斷開電連接的設 備，並非意味著被限制為如以上描述中使用的通過來自線圈的磁力而啟動的機械繼電器。根據本發明，提供了 一種逆變器電路，用於將DC電壓轉換成三相的電網頻率的AC 電壓，所述逆變器電路具有繼電器電路，所述繼電器電路位於DC/AC轉換器和供電網(NE) 之間並且被實現為用於帶電線(L1、L2、L3)的電連接斷開的切換點(4)。其中所述繼電器 電路包括三個雙極繼電器(Rl、R2、R3)，其中每個繼電器(Rl、R2、R3)包括一個控制線圈 (SpU Sp2、Sp3)和與一個控制線圈(Spl、Sp2、Sp3)相關聯的兩個繼電器觸點(Kla、Klb ； K2a、K2b ；K3a、K3b)；在任何情況下，一個繼電器(Rl)的僅僅一個繼電器觸點(Kla)串聯連 接到另外兩個繼電器之一(R2)的一個繼電器觸點(K2b)；從而總是為每個帶電線(L1、L2、 L3)提供獨立啟動的兩個繼電器觸點(Kla、K2b)。所述繼電器電路可以被實現為自動切換點(4)，用於防止對局部網絡或單獨網絡 的無意饋電。所述繼電器電路可以被集成在逆變器外殼中。每個繼電器(R1、R2、R3)都可以被實現為電路板上的能轉換的繼電器。根據本發明的逆變器電路可以是無變壓器的實現方式。
每個逆變器線圈(Spl、Sp2、Sp3)都可以能夠由控制單元(BFS)通過啟動/控制電 路(RT)來單獨啟動。每個繼電器線圈(Spl、Sp2、Sp3)的啟動電路(RT)可以包括「與」門，其中一個門輸 入端連接到所述啟動電路(RT)，另一個門輸入端連接到看門狗模塊(W)，使得只有同時提 供控制單元(BFS)的設置信號(SET KUSET K2、SET K3)以及看門狗模塊的中斷信號(SAFE BREAK)時才啟動每個繼電器線圈(Spl、Sp2、Sp3)。所述控制單元(BFS)可以持續地受到看門狗模塊(W)的監控。每個啟動電路(RT)可以能通過控制單元(BFS)的測試信號(RTS)啟動。在啟動電路(RT)處提供的繼電器控制信號可以被測試信號(RTS)中斷這樣一個 短的時間，即使得不發生觸點分離；控制單元(BFS)可以分析控制線圈(Spl、Sp2、Sp3)處 對測試信號(RTS)的響應。根據本發明的逆變器電路是作為光伏逆變器(1)的實現方式。
權利要求
一種發電系統，用於經由三個AC端子將電力從發電單元饋送到三相電網，所述系統包括用於將所述系統從所述電網斷開的繼電器裝置，其中，所述繼電器裝置至少包括三個繼電器，所述三個繼電器中每一個都包括控制線圈以及由相應控制線圈操作的兩個開關觸點，並且每個AC端子都經由第一開關觸點和第二開關觸點連接到所述電網，所述第一開關觸點和所述第二開關觸點被分配給所述繼電器中不同的繼電器。
2.如權利要求1所述的系統，其中所述系統包括逆變器。
3.如權利要求1所述的系統，其中所述系統包括光伏逆變器。
4.如權利要求3所述的系統，其中所述發電單元包括光電發生器。
5.如權利要求1所述的系統，其中所述系統包括無變壓器的逆變器。
6.如權利要求1所述的系統，其中所述繼電器中每個繼電器都能夠由繼電器驅動器獨 立地操作。
7.如權利要求6所述的系統，其中每個繼電器驅動器被配置成只在出現控制單元的設 置信號和看門狗裝置的中斷信號時才操作相應的繼電器。
8.如權利要求7所述的系統，其中所述控制單元持續地受到看門狗裝置的監控。
9.如權利要求7所述的系統，其中每個繼電器驅動器被配置成由所述控制單元的測試 信號來監控。
10.如權利要求9所述的系統，其中在出現測試信號時中斷所述控制信號，其中中斷的 持續時間被選擇為足夠短以防止所述開關的斷開，其中所述控制單元評估所述控制線圈對 測試信號的響應。
11.如權利要求1所述的系統，其中所述繼電器裝置包括自啟動開關，用於防止所述系 統與所述電網的無意連接。
12.如權利要求1所述的系統，其中所述繼電器裝置被集成到所述系統的外殼中。
13.如權利要求1的系統，其中所述繼電器被布置在電路板上。
14.一種逆變器，用於將DC功率轉換成經由三個AC端子提供到三相電網的AC功率，所 述逆變器包括用於將所述繼電器從所述電網斷開的繼電器裝置，其中所述繼電器裝置至少包括三個繼電器，所述三個繼電器中每一個繼電器都包括控 制線圈以及由相應控制線圈操作的兩個開關觸點，並且每個AC端子都經由第一開關觸點 和第二開關觸點連接到所述電網，所述第一開關觸點和所述第二開關觸點被分配到所述繼 電器中不同的繼電器。
15.如權利要求14所述逆變器，其中所述逆變器是光伏逆變器。
16.如權利要求14的逆變器，其中所述繼電器裝置被集成到所述逆變器的外殼中。
17.—種繼電器裝置，用於將逆變器從具有三個帶電線的三相電網斷開，所述繼電器裝 置至少包括三個繼電器，所述三個繼電器中每一個繼電器都包括控制線圈以及由相應控制 線圈操作的兩個開關觸點，其中每個開關觸點都連接到被分配給所述繼電器中另一繼電器 的另一開關觸點。
18.如權利要求17所述的繼電器裝置，其中所述繼電器裝置包括自啟動開關，用於防 止所述系統與所述電網的無意連接。
19.如權利要求17所述的繼電器裝置，其中所述繼電器中每個繼電器能夠由繼電器驅動器獨立地操作。
20.如權利要求19所述的繼電器裝置，其中每個繼電器驅動器都被配置成只有出現控 制單元的設置信號和看門狗裝置的中斷信號時才操作相應的繼電器。
21.如權利要求20所述的繼電器裝置，其中所述控制單元持續地受到看門狗裝置的監控。
22.如權利要求20所述的繼電器裝置，其中每個繼電器驅動器都被配置成由所述控制 單元的測試信號來監控。
23.如權利要求22所述的繼電器裝置，其中在出現測試信號時中斷所述控制信號，其 中中斷的持續時間被選擇為足夠短以防止所述開關的斷開，其中所述控制單元評估所述控 制線圈對測試信號的響應。
24.一種逆變器電路，用於將DC電壓轉換成三相的電網頻率的AC電壓，所述逆變器電 路具有繼電器電路，所述繼電器電路位於DC/AC轉換器和供電網(NE)之間並且被實現為用 於帶電線(L1、L2、L3)的電連接斷開的切換點(4)，其特徵在於所述繼電器電路包括三個雙極繼電器(R1、R2、R3)，其中每個繼電器(R1、R2、R3)包括 一個控制線圈(Spl、Sp2、Sp3)和與一個控制線圈(Spl、Sp2、Sp3)相關聯的兩個繼電器觸 點(Kla、Klb ；K2a、K2b ；K3a、K3b)，在任何情況下，一個繼電器(R1)的僅僅一個繼電器觸點(Kla)串聯連接到另外兩個繼 電器之一(R2)的一個繼電器觸點(K2b)，從而總是為每個帶電線(L1、L2、L3)提供獨立啟動的兩個繼電器觸點(Kla、K2b)。
25.如權利要求24的逆變器電路，其特徵在於，所述繼電器電路被實現為自動切換點 (4)，用於防止對局部網絡或單獨網絡的無意饋電。
26.如權利要求24或25所述的逆變器電路，其特徵在於，所述繼電器電路被集成在逆 變器外殼中。
27.如權利要求24或25所述的逆變器電路，其特徵在於，每個繼電器(Rl、R2、R3)都 被實現為電路板上的能轉換的繼電器。
28.如權利要求24或25所述的逆變器電路，其特徵在於無變壓器的實現方式。
29.如權利要求24或25所述的逆變器電路，其特徵在於，每個逆變器線圈(Spl、Sp2、 Sp3)都能夠由控制單元(BFS)通過啟動/控制電路(RT)來單獨啟動。
30.如權利要求29所述的逆變器電路，其特徵在於，每個繼電器線圈(Spl、Sp2、Sp3) 的啟動電路(RT)包括「與」門，其中一個門輸入端連接到所述啟動電路(RT)，另一個門輸入 端連接到看門狗模塊(W)，使得只有同時提供控制單元(BFS)的設置信號(SET K1、SET K2、 SET K3)以及看門狗模塊的中斷信號(SAFE BREAK)時才啟動每個繼電器線圈(Spl、Sp2、 Sp3) 0
31.如權利要求30所述的逆變器電路，其特徵在於，所述控制單元(BFS)持續地受到看 門狗模塊(W)的監控。
32.如權利要求30或31所述的逆變器電路，其特徵在於，每個啟動電路(RT)能通過控 制單元(BFS)的測試信號(RTS)啟動。
33.如權利要求32所述的逆變器電路，其特徵在於，在啟動電路(RT)處提供的繼電 器控制信號被測試信號(RTS)中斷這樣一個短的時間，即使得不發生觸點分離；控制單元(BFS)分析控制線圈(Spl、Sp2、Sp3)處對測試信號(RTS)的響應。
34.如權利要求24或25所述的逆變器電路，其特徵在於作為光伏逆變器(1)的實現方式。
全文摘要
公開了一種發電系統，用於經由三個AC端子把電力從發電單元饋送到三相電網。該系統包括用於藉助至少三個繼電器將所述系統從所述電網斷開的繼電器裝置。三個繼電器中的每一個都包括控制線圈以及由相應控制線圈操作的兩個開關觸點。每個AC端子都經由第一開關觸點和第二開關觸點連接到所述電網，所述第一開關觸點和所述第二開關觸點被分配到繼電器中不同的繼電器。還公開了一種繼電器裝置和具有繼電器裝置的逆變器。
文檔編號H02M7/44GK101834450SQ20101012998
公開日2010年9月15日 申請日期2010年3月9日 優先權日2009年3月9日
發明者H·沃爾夫, O·普賴爾, T·施洛德 申請人:Sma太陽能技術股份公司