分布式电力装置中的安全机构、醒来和关闭方法
【专利说明】分布式电力装置中的安全机构、醒来和关闭方法
[0001]本申请为国际申请号为PCT/US2008/085755，国际申请日为2008年12月5日，发明名称为“分布式电力装置中的安全机构、醒来和关闭方法”的PCT申请于2010年6月7日进入中国国家阶段后申请号为200880119506.7的中国国家阶段专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及分布式电力系统，且更具体地，涉及用于光伏分布式电力系统的醒来和关闭算法。
【背景技术】
[0003]公用事业网络向公用事业客户提供电力系统。从公用事业公司到客户的电力的分布使用以网格状方式连接的称为电网的公用事业管线的网络。除了使网格通电的公用事业公司之外电网还可由使网格通电的很多独立的能源组成，每个独立的能源称为分布式电力(DP)产生系统。现代的公用事业网络包括公用事业电源、用电设备负载以及还供应电力到网络的分布式电力产生系统。分布式电力产生系统的数量和类型正快速增长且可包括光伏、风力、水力、燃料电池、存储系统例如电池、超导飞轮和电容器类型、以及包括常规和变速柴油发动机、斯特林发动机(Stirling engine)、燃气轮机和微型祸轮机的机械设备。这些分布式电力产生系统连接到公用事业网络，使得它们与公用事业电源并联而操作。
[0004]包括多个太阳能板101的太阳能分布式电力系统10的常规安装在图1中示出。因为由每个单独的太阳能板101提供的电压低，几个板101串联连接以形成板101的系列103。对于大的装置，当需要较高的电流时，几个系列103可并联连接以形成总系统10。相互连接的太阳能板101安装在户外，并连接到最大功率点跟踪(MPPT)模块107且然后连接到逆变器104。如图1中所示，MPPT 107通常作为逆变器104的部分实现。从DC源101获得的功率被传递到逆变器104，其将直流(DC)转换成具有期望电压和频率的交流(AC)，该期望电压和频率通常为60Hz处的110V或220V，或50Hz处的220V。来自逆变器104的AC电流然后可用于操作电器或被供给到电网。
[0005]如以上所提到的，每个太阳能板101供应相对很低的电压和电流。太阳能阵列设计者面临的问题是从太阳能板的低电压的组合产生在120V或220V均方根(RMS)处的标准AC电流。来自低电压的高功率的传递需要很高的电流，这导致大约为电流的平方i2的大的传导损耗。另外，功率逆变器例如用于将DC电流转换成AC电流的逆变器104在其输入电压比其输出RMS电压乘以2的平方根(即峰值电压)稍微高时是最有效的。因此在很多应用中，电源例如太阳能板101被组合，以便达到正确的电压或电流。大量的板101连接到系列103中，且系列103并联地连接到功率逆变器104。板101串联连接，以便达到逆变器104所需的最小电压。多个系列103并联连接到阵列中以供应较高的电流，以便实现较高的功率输出。
[0006]图1B示出了 DC源的连接到MPPT电路107和逆变器104的一个串联系列103，例如太阳能板101a-101d。电流与电压(IV)的特征曲线被描绘在每个DC源101的左部(110a-110d)。对于每个DC电源101，当输出电压增加时电流减小。在一些电压值处，电流变为零，且在一些应用中电压值可采取负值，意味着源变成汲取器。旁通二极管(未示出)用于防止源变成汲取器。与电流和电压的乘积(P = i*V)相等的每个源101的功率输出根据从源汲取的电压而变化。在接近于电流的下降点的某个电流和电压处，功率达到其最大值。在这个最大功率点(MPP)处操作电力产生电池是合乎需要的。MPPT的目的是找到这个点并在这个点处操作系统，以便从源汲取最大功率。
[0007]在典型的常规太阳能板阵列中，不同的算法和技术用于使用MPPT模块107来优化系统10的合并的功率输出。MPPT模块107接收从所有的太阳能板101 —起提取的电流并跟踪这个电流的最大功率点以提供最大平均功率，使得如果更多的电流被提取，来自板的平均电压开始下降，因此降低所获得的功率。MPPT模块107维持从系统10产生最大平均功率的电流。
[0008]但是，因为电源101a-101d串联连接到单个MPPT 107，MPPT 107选择最大功率点，该最大功率点是单独的串联连接的源101的最大功率点的某个平均。实际上，很可能MPPT107将在1-V点上操作，该点对于仅仅几个或没有一个源101是最佳的。在图1B的例子中，被选的点是源101b的最大功率点，但是与源101a、101c和101d的最大功率点相离。因此，该布置不以最佳可实现的效率操作。
[0009]本申请人在标题为“DistributedPower Harvesting Systems Using DC PowerSources”的共同未决的美国申请11/950，271中公开了连接到每个电源例如光伏板的输出的电力转换器例如DC到DC转换器的使用。电力转换器通过监控和控制在最大功率水平处的输入功率来将输入功率转换成输出功率。
[0010]如此处使用的术语“信号发送”或“信号发送机构”是指在电磁载波信号上调制的信号或简单的未调制信号例如接通/关断信号“保持运行”信号或“干接触”信号。对于调制信号，调制方法可以是本领域所知的任何这样的方法，作为例子，频率调制(FM)传输、幅度调制(AM)、FSK (频移键控)调制、PSK (相移键控)调制、各种QAM(正交调幅)星座图或任何其他调制方法。
[0011]如此处所使用的术语“功率模块”包括功率转换器例如DC-DC功率转换器，但还包括适合于控制通过模块传递的功率或功率的一部分的模块，无论是通过转换还是其他方法。
【发明内容】
[0012]包括下面的发明概要，以便提供本发明的一些方面和特征的基本理解。这个概要不是本发明的广泛概述，因此它并不用来特定地标识本发明的关键的或重要的元件或描绘本发明的范围。其唯一目的是以简化的形式提供本发明的某些概念，作为在以下被提供的更详细的描述的前序。
[0013]根据本发明的一方面，提供了包括DC电源和功率模块的分布式电力系统。功率模块包括分别耦合到DC电源和输出的输入。逆变器耦合到输出。逆变器将来自功率模块的输出的功率输入转换为输出功率。逆变器和功率模块之间的信号发送机构适合于控制功率模块的操作。在分布式电力系统的操作期间，在一些实施方式中，信号发送机构可将信号添加在功率模块的输出上。信号发送机构可包括与逆变器集成的开关，开关将信号调制到功率模块的输出上。与功率模块集成的接收器接收来自逆变器的信号。可选地，功率模块中的检测机构检测在电网的频率处的信号。可选地，来自电网的信号在功率模块的输出中在从电网的频率上变频的较高的频率处被检测。可选地，功率模块中的检测机构检测逆变器的转换频率。功率模块可被配置成在安全模式中操作，且在安全模式期间，功率模块的输出处的功率、功率模块的输出两端的电压，和/或流经其的电流被限制，以便不危害人员。功率模块可包括检测机构，其中在分布式电力系统的操作期间，检测机构检测来自逆变器的信号。基于该信号，功率模块的操作从安全操作模式变化到正常操作模式，以将DC电源的功率从功率模块的输入转换到功率模块的输出。
[0014]根据本发明的另一方面，提供了用于操作分布式电力系统的方法。系统包括DC电源和功率模块。功率模块包括耦合到DC电源的输入。功率模块包括输出。逆变器耦合到功率模块的输出。逆变器将来自功率模块的功率输出转换为输出功率。该方法包括通过限制来自功率模块的功率输出在安全模式中操作功率模块。安全模式的特征是通过功率模块的输出有小于预定的量(例如，十毫安)的电流流动和/或小于预定的量(例如，2伏)。来自逆变器的信号优选地被监控，且当检测到来自逆变器的信号时，到逆变器的功率输入通过在正常操作模式中操作功率模块来增加，以将DC电源的功率从功率模块的输入转换到功率模块的输出。当检测到信号时且在正常操作模式中功率模块的操作之前，功率模块的输出的电压优选地缓慢斜升。功率模块的正常操作模式可包括控制在耦合到DC电源的输入处的最大峰值功率。
[0015]当结合附图考虑时，从以下的详细描述中，前述的和/或其他方面将变得很明显。
【附图说明】
[0016]包括在本说明书中且构成本说明书的一部分的附图举例说明本发明的实施方式，且连同描述一起用于解释和说明本发明的原理。附图用来以图示的方式示出所示出的实施方式的各种特征。附图并不用来描述实际的实施方式的每个特征和所描述的元件的相对尺寸，且不一定按比例绘制。
[0017]本发明仅作为例子参考附图在此处被描述，其中:
[0018]图1是使用光伏板作为DC电源的常规功率获取系统的结构图；
[0019]图1B示出了图1的DC电源的一个串联系列的电流与电压的特征曲线；