分布式光伏系統的安全控制機制的製作方法
2023-05-21 22:19:31
專利名稱：分布式光伏系統的安全控制機制的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於管理光伏發電站(photovoltaic electricity productionplant)的控制的系統。更具體地，本發明提出了用於光伏發電裝備的控制和安全性機制，所述機制不需要任何用於其各種部件與彼此通信的集成通信系統。
背景技術：
在一種已知的方式中，光伏發電機(photovoltaic generator)由光伏電池板(panel)和逆變器構成。逆變器用於將來自光伏電池板的直流電轉換為供配電網絡使用的交流電。為了形成光伏發電站，光伏電池板被串聯連接以增加電壓並形成光伏電池板串(string),所述光伏電池板串並聯連接以增加電力並形成組(group)。在逆變器的輸入處可 以並聯連接若干個組以形成光伏發電機。光伏電站的這種組織模式顯出各種局限。首先，由於樹、牆等引起的在光伏電池板上的任何陰影將改變電氣特性並降低在其中包括被遮擋的電池板的串的電力生產。因為再也無法保證電壓的平衡，所以這個串將幹擾包括其在內的組中的其他串。在組成電池板的光伏電池上的塵埃也可以導致此類表現。此外，形成所述光伏發電機的光伏組件(photovoltaic module)必須總是具有一致的特性。所使用的光伏組件的任何特性上的不匹配都可以導致發電機的生產率的降低，儘管是在一個次要的程度上。因為電壓是由光伏串或組設定的，所以另一個缺陷在於即使逆變器停止或處於從配電網絡斷開的情況下，電壓總是存在於光伏電池板所提供的DC母線上。這增加了電氣安全性問題，例如當應急小組在電站(plant)上操作時。為了克服這些約束，一種想法在於將電力轉換器與光伏組件組合。藉助於這些轉換器，實際上可能降低一個光伏組件對發電機的其他組件的生產率的影響。在現有技術中，已經開發了包括電力轉換器的光伏發電機。專利申請US2009/0150005特別描述了這些解決方案。該文獻描述了一種光伏發電機，其實現光伏電池板中所集成的DC/DC電力轉換器，且該DC/DC電力轉換器並聯到由所述電池板提供的DC母線。根據該技術，使用額外的中央組件經由集成於由光伏電池板提供的電力母線中的通信網絡驅動整個電站。專利申請US2009/0150005的公開描述了經由所述通信網絡的光伏組件的控制。另一已知技術依賴(rely)DC/DC電力轉換器的使用以提高光伏電池板的電壓到由所述電池板提供並由逆變器調節的母線電壓，例如在250V到340V之間。每個光伏組件藉助通信組件經由載波電流通信以便傳送電氣值並接收根據情況的啟動或停止指令。專利申請WO 2009/082708因此公開了集成通信網絡的使用，通過載波電流或無線地通信以控制光伏發電機的電力轉換器。全部這些已知光伏系統的分布結構的主要缺陷在於光伏電池板中所集成的電子設備的複雜性，其導致電力生產上的故障的不利可能。屬於現有技術的系統及上述系統依靠於它們的集成通信系統的正確操作，因為正是該系統授權電力的生產。此功能所需的電子部件因而對系統是關鍵性的且促使調低光伏發電系統的可用性和生產率。因此本發明的目的是對現存技術提出替代解決方案，其通過控制在整個操作階段都具有安全表現且無需求助於通信系統的光伏發電裝備的系統。
發明內容
本目的是通過一種用於控制光伏發電裝備的系統來完成的，其包括至少ー個DC/DC微轉換器，其連接到DC母線和連接到光伏組件；逆變器，用於將來自所述DC母線的直流電轉換為供配電網絡使用的交流電；而且，所述至少ー個微轉換器包括用於獨立地確定注入到所述DC母線的所述電力電平作為所述DC母線的電壓電平的函數的裝置；當所述DC母線的電壓小於低閾值電壓 Va或大於高閾值電壓Vd時，所述至少ー個微轉換器停止從所述光伏組件向DC母線的電力的注入；而且，根據本發明的所述系統包括用於管理所述DC母線的裝置，所述用於管理所述DC母線的裝置被配置以當所述DC母線的電壓小於最低電壓Vm吋，向所述DC母線注入電カ，直到達到所述最低電壓Vm，從所述最低電壓Vm的電平起，中斷所述電カ的注入。有利地，所述至少一個微轉換器被配置以當DC母線的電壓介於第一電壓Vb和第二電壓Vc之間時，向DC母線注入來自光伏組件的最大電カ；當DC母線的電壓小於低閾值電壓Va或大於高閾值電壓Vd時，停止向DC母線注入來自光伏組件的電カ；其中0〈Va〈Vm〈Vb〈Vc〈Vd。有利地，用於管理DC母線的裝置可被配置成使得，當DC母線的電壓大於閾值電壓Vs，所述閾值電壓Vs大於第二電壓Vc且小於高閾值電壓Vd吋，所述用於管理DC母線的設備觸發至少等於兩倍逆變器啟動時間的超時，並且在所述超時的結尾，啟動藉助於合適的放電系統放電DC母線的過程。根據本發明的一個實施例，所述用於管理DC母線的裝置被包含在逆變器中。根據本發明的另ー個實施例，用於管理DC母線的特定設備不同於逆變器且供應有電力，其形成所述用於管理DC母線的裝置。有利地，用於管理DC母線的設備包括所述用於對DC母線放電的系統。有利地，用於管理DC母線的設備還包括用於只在白天時間啟動根據本發明的設備的天文時鐘(astronomical clock)。有利地，所述至少一個微轉換器還被配置以當DC母線的電壓小於低閾值電壓Va或大於高閾值電壓Vd時被自動地置於待命模式。
參照附圖，其他特徵和優點將在下面的詳細描述中變得清晰，附圖表示-圖IA:表示根據本發明的設備的第一實施例的簡單圖示；-圖IB:表示根據本發明的設備的第二實施例的簡單圖示；
-圖2:表示被注入給系統的DC母線的電力的圖示，其使能根據將被描述的本發明的設備的全面操作；-圖3A到3D:基於圖2的圖示的圖示，且使能根據將被描述的本發明的設備的各種操作階段。
具體實施例方式圖IA和圖IB表示本發明的兩個主要實施例。關於每個光伏組件PV，存在關聯的DC/DC升壓微轉換器C。這些微傳喚器C並聯連接並且連接到中央逆變器INV、INV』。根據圖IA的實施例，根據本發明的設備包括特定的最佳逆變器INV』。根據圖IB的實施例，根據本發明的設備包括標準逆變器INV，其關聯叫做「DC母線 管理器」的特定組件MNG，該特定組件對應於管理DC母線BUS的裝置MNG。在這兩種情況下，特定物項-特定逆變器INV』或DC母線管理器MNG驅動並調節DC母線BUS。微轉換器C在電流源模式下操作並從光伏組件PV中汲取電力以便供應電力到逆變器INV、INV』，該逆變器INV、INV』將電力注入到配電網絡R。關於原理，本發明的一個基本特徵在於以下事實每個微轉換器C能夠僅通過讀取DC母線BUS上的電壓電平而無需求助於與逆變器INV』或DC母線管理器MNG通信的任何系統就能夠獨立地決定其運行模式。在以下的描述中，描述圖IB的特殊實施例的操作，其中根據發明的設備包括DC母線管理器MNG。顯然的是，可以完美地變換以下描述的操作到圖IA的情況，其中特定逆變器INV』包括管理DC母線BUS的裝置。圖2表示根據本發明的設備的一般操作的圖示。更具體地，圖2表示具有如下的圖示 縱坐標被注入到DC母線BUS的電力P 〇來自光伏組件PV，經由微轉換器C，對應於圖示上的電力Epv ；或〇來自DC母線管理器MNG，對應於圖示上的電力Em， 橫坐標DC母線BUS的電壓V。因此，只要DC母線管理器MNG的電壓電平低，DC母線管理器MNG就能夠向DC母線BUS注入少量電力。這個電力將DC母線BUS充電到最低電壓電平Vm。當達到這個電平時，中斷DC母線管理器MNG的電力注入。每個微轉換器C被編程以當母線電壓在第一電壓Vb和第二電壓Vc之間包含的範圍之內時，向DC母線BUS傳送最大的電力。在該範圍以外，微轉換器C限制從光伏組件PV向DC母線BUS傳送的電力。在低於低閾值電壓Va和高於高閾值電壓Vd時,微轉換器被置於待命模式，停止轉換並因而停止從光伏組件PV向DC母線BUS的電力的注入。以上電壓滿足下列關係0〈Va〈Vm〈Vb〈Vc〈Vd。另一方面，DC母線管理器MNG裝備有連接到網絡R的電力供應。可選地，進一步提供未表示出的內部天文時鐘，其使得DC母線管理器MNG僅在白天時間能夠啟動光伏發電系統。
優選地，DC母線管理器MNG也包括用於對DC母線BUS放電的專用系統。該DC母線管理器MNG也可以包括用於測量注入到逆變器INV的直流電的裝置。圖3A到圖3D表示根據本發明的設備的各種操作階段。在圖3A的情況下，電站處於啟動階段，例如在黎明。例如在來自在設備中可以包含的天文時鐘的信號的基礎上，如果網絡R可用，則DC母線管理器MNG被加電。隨後DC母線管理器MNG —直對DC母線BUS充電，直到達到對應於圖3A上的點11的最低電壓Vm。選擇小於逆變器的操作範圍Vb-Vc的電壓Vm，從而逆變器INV在該啟動階段不啟動且不對DC母線BUS放電，這在沒有充足光照的日子裡將會是電カ的恆定損耗。但是，因為只要有光照且只要母線的電壓大於低閾值電壓Va，所述微轉換器C就開始向DC母線BUS注入電カ以便使其電壓電平上升，所以最低電壓Vm在微轉換器C的啟動範圍之內，因此大於Va。
逆變器INV通常需要30秒(in the order of )的啟動時間，其引起這期間內DC母線BUS中能量的累積。DC母線BUS的電壓電平非常迅速地達到大於第二電壓Vc的電壓(逆變器操作範圍的上限)，從而迫使微轉換器C限制對DC母線BUS的電カ注入。DC母線BUS的電壓被穩定在平衡點，為此，在逆變器INV耦接到配電網絡R之前，來自微轉換器C的電力供應等於逆變器INV的消耗，對應於圖3A上的點12。只要逆變器INV開始提供交流電給配電網絡R，DC母線BUS的電壓就再次減小並最終被安置在穩定區Vb-Vc，在逆變器向網絡R注入最大電カ的電平上，這對應於圖3A中的點13。圖3B表示以下情況，即其中當設備處於額定操作點21時，例如在緊急幹渉的情況下，防止逆變器INV向配電網絡R注入交流電而切斷配電網絡R。在此情況下，一方面逆變器INV從網絡R斷開，且另一方面DC母線管理器MNG對DC母線BUS放電。典型地通過未表示的阻抗完成這個放電，其被配置為在小於微轉換器C重啟注入需要的時間內，DC母線BUS的電壓下降到低閾值電壓Va以下。這個持續時間典型地是2秒(in the order of)。這個放電具有停止全部微轉換器C的效果。DC母線BUS隨後保持在停止電壓，該停止電壓接近於光伏組件PV的開路電壓Voc，典型地是40V(in theorder)，對應於圖3B中的點22。只要網絡R未提供DC母線管理器MNG，這種狀態持續(endure)。當網絡R恢復吋，如果有充足的光照，如果需要的話電站切換回啟動階段。因為當配電網絡R缺失時沒有電路處於危險電壓，所以圖3B所傳達的、由根據本發明的設備使其可能的這種操作模式顯出了讓電站在緊急幹渉事件中完全地安全的優勢。圖3C表示對應ー種情況的操作模式，在該情況下，當逆變器INV處於額定操作點31吋，由於異常而停止逆變器INV。當逆變器INV有故障或當其探測到從網絡R去耦接的情況時，例如如果網絡頻率處於它的公差範圍之外或在孤立問題的事件中等，這個可以發生。在那種情況下，逆變器INV停止向網絡R注入交流電。結果，DC母線BUS的電壓增加直到其穩定在對應於點32的平衡點上，如同啟動的情況，全部的微轉換器C僅提供由逆變器INV消耗的電力。在ー個優選實施例中，略微小於高閾值電壓Vd的電壓閾值Vs的跨越觸發了 DC母線管理器MNG的超吋，這允許從啟動的情況中區分出這個情況。這個超時典型地可以是2分鐘。在這個超時的結尾，DC母線管理器MNG啟動用於對DC母線BUS放電的過程，其停止電站並維持DC母線BUS處於光伏組件的開路電壓Voc上，對應於點33。根據實施例，在手動重啟之前或在若干分鐘(典型的是大約15分鐘)的超時的結束之前，一直掛起DC母線BUS的重新充電。DC母線BUS的重新充電引起下列兩種過程的一種如果逆變器INV處於重新開始向網絡R注入交流電的位置，則圖3A中所描述的啟動過程，或者倘若有確定的異常，其阻止逆變器INV向網絡R注入交流電，就徹底停止電站的過程。可選地，在不知道如何區別由注入逆到變器INV的過量電力引起(linked to)的電壓的上升和逆變器INV的停止的風險的情況下，根據本發明的設備可以提供用於測量電力的裝置，該電力經由DC母線管理器MNG內的電流測量由微轉換器C注入到DC母線BUS。隨後這要求如圖IB所示地串聯連接DC母線管理器MNG，要求DC母線BUS穿過該DC母線管理器MNG。圖3D表示在設備處於額定操作點41時如果發生逆變器INV的過充電的根據本發明的設備的操作。 這發生在以下情況當由全部微轉換器C傳遞的電力超出逆變器INV可容納的電力。隨後DC母線BUS的電壓增加，直到超過第二電壓Vc，該第二電壓Vc是額定操作範圍Vb-Vc的上限。只要過充電的狀況持續，那麼遵循圖3D的圖輪廓(profile)，每個微轉換器C隨後降低其生產且系統穩定在第二電壓Vc和高閾值電壓Vd之間的片段上，對應於圖3D中的點42。在點42處的該電壓電平足夠遠離電壓閾值Vs，意味著DC母線管理器MNG未開始對DC母線BUS放電的過程。最後，如果斷開一個或全部微轉換器C，電力轉換的啟動是不可能的，且因此DC母線BUS保持在等於光伏組件PV的最高開路電壓的電壓電平上，例如40V的值。當操作期間發生一個或多個微轉換器C斷開時，即當DC母線BUS被充電時，則每個微轉換器C探測到在其輸出處的電壓的上升和輸出電流的取消。接著，微轉換器C停止電力轉換且它們的輸出電壓下降。DC母線BUS的電壓隨後穩定在光伏組件PV的開路電壓Voc 上。在所有的情況下，由光伏組件PV提供的微轉換器C隨後保持在待命狀態，並且只要DC母線BUS的電壓接著超出低閾值電壓Va的電平就準備重啟。在如上所述的全部操作模式中，系統的每個物項都是獨立的，以便確定其必須顯出哪個表現，不論這是微轉換器C、DC母線管理器MNG或逆變器INV、INV』。無需額外的通信設備。此外，根據本發明的設備是永久性地處於最安全的可能配置，特別是在電站緊急停工的情況下。總而言之，根據本發明的設備允許每個其包含的微轉換器C僅通過分析DC母線BUS的電壓電平就定義其運行模式，而無需求助用於與逆變器INV、INV』或DC母線管理器MNG通信的系統。已經執行以便允許這類電站中的逆變器INV、INV』的操作的DC母線BUS的電壓測量不需要待開發的額外特定部件。降低了對於設備的正確操作關鍵性的部件的數量且因此設備的可靠性得以提升。如上所述的優選實施例包括光伏電池板，但是可替代地，DC母線BUS可以通過經由合適的轉換器連接到DC母線BUS的其他類型發電機(諸如風力或水力發電機)提供電力。有利地，根據本發明的系統可以連接到意欲對電動車輛的電池再充電的充電終端。
權利要求
1.一種用於控制光伏發電裝備的系統，包括 至少一個DC/DC微轉換器(C)，其連接到DC母線(BUS)和連接到光伏組件(PV)；逆變器(INV、INV』)，用於將來自所述DC母線(BUS)的直流電轉換為供配電網絡(R)使用的交流電； 其特徵在於 所述至少一個微轉換器(C)包括用於獨立地確定注入到所述DC母線(BUS)的所述電力電平作為所述DC母線(BUS)的電壓電平的函數的裝置； 當所述DC母線(BUS)的電壓小於低閾值電壓Va或大於高閾值電壓Vd時，所述至少一個微轉換器(C)停止從所述光伏組件(PV)向DC母線(BUS)的電力的注入； 所述系統另外包括用於管理DC母線(MNG，INV』 )的裝置，其特徵在於，所述用於管理所述DC母線(MNG，INV』)的裝置被配置以當所述DC母線(BUS)的電壓小於最低電壓Vm時，向所述DC母線(BUS)注入電力，直到達到所述最低電壓Vm，從所述最低電壓Vm的電平起，中斷所述電力的注入。
2.根據權利要求I的系統，其特徵在於，所述至少一個微轉換器(C)被配置以 當所述DC母線(BUS)的電壓介於第一電壓Vb和第二電壓Vc之間時，向所述DC母線(BUS)注入來自所述光伏組件(PV)的最大電力； 當所述DC母線(BUS)的電壓小於低閾值電壓Va或大於高閾值電壓Vd時，停止向所述DC母線(BUS)注入來自所述光伏組件(PV)的電力； 其中 0<Va<Vm<Vb<Vc<Vdo
3.根據權利要求I或權利要求2的系統，其特徵在於，用於管理DC母線(MGN，INV』)的裝置被配置以，當DC母線(BUS)的電壓大於電壓閾值Vs時，所述電壓閾值Vs大於所述第二電壓Vc且小於高閾值電壓Vd，所述用於管理DC母線(MNG，INV』)的設備觸發至少等於兩倍的逆變器啟動時間的超時，而且，在所述超時的結尾，啟動藉助於合適的放電系統對所述DC母線(BUS)放電的過程。
4.根據權利要求I到3的任何一個的系統，其中，在所述逆變器(INV』)中包括所述用於管理所述DC母線(MNG，INV』 )的裝置。
5.根據權利要求I到3的任何一個的系統，其中，用於管理所述DC母線(MNG)的特定設備不同於逆變器(INV)且供應有電力，其形成所述用於管理DC母線的裝置。
6.根據權利要求5的系統，其特徵在於，所述用於管理所述DC母線(MNG)的設備包括所述用於對所述DC母線放電的系統。
7.根據權利要求5或權利要求6的系統，其特徵在於，所述用於管理所述DC母線(MNG)的設備還包括用於只在白天時間啟動根據本發明的所述設備的天文時鐘。
8.根據前述權利要求中的任何一個的系統，其特徵在於，所述至少一個微轉換器(C)還被配置以當所述DC母線(BUS)的電壓小於所述低閾值電壓Va或大於所述高閾值電壓Vd時被自動地置於待命模式。
全文摘要
本發明涉及一種用於控制光伏發電裝備的系統，其包括每個都裝備有連接到DC母線的DC/DC微轉換器的多個光伏組件、DC母線管理器和用於將來自光伏電池板的直流電轉換為供配電網絡使用的交流電的逆變器。根據本發明的設備的特徵在於，當DC母線的電壓小於最低電壓Vm時，用於管理DC母線的裝置被配置以向DC母線注入電力，直到達到最低電壓Vm，從該最低電壓Vm的電平起中斷電力的注入，並且其特徵在於，每個所述微轉換器被配置以當DC母線的電壓介於第一電壓Vb和第二電壓Vc之間時，向DC母線注入來自光伏組件的最大電力，且當DC母線的電壓小於低閾值電壓Va或大於高閾值電壓Vd時，停止向DC母線注入來自光伏組件的電力，其中0<Va<Vm<Vb<Vc<Vd。
文檔編號H02J1/10GK102832636SQ20121020126
公開日2012年12月19日 申請日期2012年6月15日 優先權日2011年6月15日
發明者J.艾克拉貝, C.佩蒂特, Y.讓讓, A.阿爾梅達 申請人:施耐德電器工業公司