用于电力装置保护的系统和方法
【专利说明】用于电力装置保护的系统和方法
[0001]本申请是申请日为2008年12月5日，申请号为200880132210.9，发明名称为“用于电力装置保护的系统和方法”的申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及在分布式电力系统中的反孤岛效应(ant1-1slanding)，以及，更特别地涉及在反孤岛效应期间光伏分布式电力设备和人员的保护的系统和方法。
【背景技术】
[0003]公用事业网络提供电力系统到公用事业用户。从公用事业公司到用户的电力的分布利用以类似网格的方式连接的公用事业管线网络，该网络被称为电网格(electricalgrid) ο电网格可由除激励电网的公用事业公司之外的许多激励电网(grid)的独立能源构成，每个独立能源被称为分布式电力(DP)生成系统。现代的公用事业网络包括公用事业功率源、用户负载，以及同样供应电力到网络的分布式电力生成系统。分布式电力生成系统的数量和类型迅速增长并且能够包括光伏、风力、水力、燃料电池、例如电池的存储系统、超导飞轮和电容器类型，以及机械设备包括传统的和可变速的柴油发动机、斯特林发动机、燃气涡轮，以及微型涡轮。这些分布式电力生成系统被连接到公用事业网络以使他们与公用事业功率源同时操作。
[0004]现代的公用事业网络所面临的一个普遍问题是孤岛效应的出现。孤岛效应是分布式电力生成系统和公用事业网络分离的状态，但在公用电力供应从网络的某些部分断开连接后，仍继续供应电力到公用网络的那些部分。所有光伏系统必须具有反孤岛效应检测以便遵守安全条例。否则在电网关闭后，由于光伏装置生成作为孤岛下游的电力，光伏装置可能电击修理工或使修理工触电致死。孤岛状态使公用事业网络的有秩序的重新连接变得复杂并且也对设备造成危害。因此，孤岛状态的检测和消除是重要的。
[0005]已经提出了几种技术以防止孤岛效应。例如，一种方法涉及在主发电源和DP系统之间的公用事业系统的所有电路断路器上监控辅助触点。辅助触点被监控用于代表在公用事业的源上的开放的电路断路器的状况的改变。公用事业电路断路器通常通过外部的保护继电器被监控和切断。当公用事件的损耗通过电路断路器的辅助触点的状况的改变被检测到时，使用传递切断(transferred trip)方案以打开在公用事业和分布式电力系统之间的互连。传递切断方案使用被监控的公用事业的源的辅助触点。辅助触点与其它能够触发局部互连断路器的切断的设备并联连接。当辅助触点改变状况时，在局部互连断路器上引起切断。这防止孤岛状态的发生。这个方法的缺点是通常公用事业绝缘的点(公用事业电路断路器打开的点)具有距局部分布式电力系统的这样的一距离以致运行触点状况信号回到局部分布式电力系统控制系统是不实际的。
[0006]目前所使用或提出的反孤岛效应方案包括被动的方案和主动的方案。被动的方案基于电网信号的局部监控，例如，如欠电压或过电压、低频率或高频率、频率的变化率、相位跃变，或系统谐波。主动的方案基于监控作为结果的电网信号的主动信号注入，例如，如阻抗测量，或带有主动控制的主动信号注入，例如，如主动频率偏移或主动电压偏移。使用主动的方案，可能在输出电流波形中会发生一些失真，从而引起在孤岛效应检测时间和波形失真之间的折中，较快的检测通常引起较高的总谐波失真。
[0007]太阳能分布式电力系统10的传统装置，其包括多个太阳能板101，在图1中示出。由于由每个单独的太阳能板101提供的电压是低的，所以几个板101被串联连接以形成一串103板101。对于大的装置，当需要较高的电流时，几串103可被并联连接以形成整个系统10。互连的太阳能板101被安装在室外，并被连接到最大功率点跟踪(MPPT)模块107且然后到逆变器104。MPPT 107 一般作为逆变器104的部分来实现，如在图1中所示的。从DC源101获得的功率被递送到逆变器104，该逆变器将直流(DC)转换成具有所期望的电压和频率的交流(AC)，其通常为在60Hz处IlOV或220V，或在50Hz处220V。来自逆变器104的AC电流然后可以被用于操作电器用品或被馈送到电力网。
[0008]如以上所表明的，每个太阳能板101供应相对非常低的电压和电流。太阳能阵列设计者面临的问题是要从太阳能板的低电压的组合产生在120V或220V的均方根(RMS)处的标准AC电流。来自低电压的高功率的递送需要非常高的电流，其造成相当于电流的平方i2的大的传导损耗。此外，被用于将DC电流转换成AC电流的功率逆变器，诸如逆变器104，当其输入电压稍微高于乘以2的平方根的其输出RMS电压时，是最有效的。因此，在许多应用中，功率源，诸如太阳能板101，被组合以便达到正确的电压或电流。大量的板101被连接成串103且串103被并联连接到功率逆变器104。板101被串联连接以便达到逆变器104所需的最小电压。多个串103被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。
[0009]图1B示出连接到MPPT电路107和逆变器104的DC源，例如，太阳能板101a_101d，的一个串联的串103。电流相对电压(IV)的特征被图示(IlOa-1lOd)在每个DC源101的左侧。对于每个DC源101，电流随着输出电压的增加而减小。在某个电压值，电流归于零，并且在一些应用中电压值可采用负值，意为源成为汇(sink)。旁路二极管(未示出)被用于防止源成为汇。等于电流和电压的乘积的每个源101的功率输出(P = i*V)依赖于从源中汲取的电压而变化。在某一电流和电压处，接近于电流的衰落点，功率达到其最大值。期望的是，在该最大功率点(MPP)处操作电力生成单元。MPPT的目的在于找到该点并在该点处操作系统，以便从源汲取最大功率。
[0010]在典型的、传统的太阳能板阵列中，不同的算法和技术被用于优化使用MPPT模块107的系统10的集成功率输出。MPPT模块107接收从所有的太阳能板101中一起提取的电流并跟踪对于该电流的最大功率点以提供最大平均功率，以使如果更多电流被提取，来自板的平均电压将开始下降，从而降低获得的功率。MPPT模块107保持从系统10产生最大平均功率的电流。
[0011]然而，因为功率源1la-1Old被串联连接到单一的MPPT 107，MPPT 107选择最大功率点，该功率点是单独串联连接的源101的最大功率点的近似平均。实际上，很有可能的是，MPPT 107将在最适于仅几个源101或不适于源101中的任何一个的1-V点处操作。在图1B的示例中，所选的点是源1lb的最大功率点，但偏离源1laUOlc和1ld的最大功率点。结果，装置没有被操作在最佳可达到的效率处。
[0012]本申请人已经在题为“DistributedPower Harvesting Systems Using DC PowerSources”的第11/950271号共同待决的US申请中公开了耦合到每个功率源(例如，光伏板)的输出的电功率转换器(例如，DC到DC转换器)的用途。电功率转换器通过监控并控制在最大功率水平处的输入功率，将输入功率转换成输出功率。该系统也可被用于处理反孤岛效应问题。
[0013]如在此所使用的术语“泄漏”指的是一般在低电平处和一般因为不足的绝缘被辐射或传导到电信号管线中的电功率。
【发明内容】
[0014]本发明的以下概要被包括以便提供对本发明的一些方面和特征的基本理解。该概要不是本发明的大范围综述并且因而不是用来具体地识别本发明的关键或重要的元件或不是用来描绘本发明的范围。其唯一的目的是以简化的形式呈现本发明的一些概念以作为以下呈现的更多细节描述的序幕。
[0015]根据本发明的一个方面，这里提供在分布式电力系统中的多个DC功率源和包括分别耦合到DC功率源的输入的多个功率模块。功率模块每个包括输出，其串联耦合以形成串联的串。逆变器被耦合到串联的串。逆变器转换从串输入的功率并产生输出功率。在功率模块中的保护机构关闭功率模块并在逆变器停止产生输出功率时中止输入到逆变器的功率。一般地，逆变器被连接到电网。监控机构被附接到电网，该监控机构监控电网的一个或多个电参数。关闭机构被附接到监控机构，其在一个或多个电参数在预先确定的规格之外时，逆变器停止输出功率的产生或从电网断开连接。开关优选地布置在串联的串和逆变器之间。开关由关闭机构来激活并且保护机构感测在开关被激活时流经串联的串的电流的变化。当开关与串联的串串联连接时，保护机构感测在串联的串中的该电流小于先前指定的最小阈值电流；或当开关与串联的串并联连接时，保护机构感测在串中的电流大于先前指定的最大阈值电流。可选地，信号提供机构被附接到逆变器，该信号提供机构基于关闭机构提供信号。多个接收器被分别附接到功率模块。接收器接收信号，并且分别附接到接收器的多个使能机构使各自的功率模块能够基于信号的存在或信号的不存在供应输入功率到逆变器。当信号为保持激活(keep-alive)信号时，基于保持激活信号的存在，使能机构使各自的功率模块能够供应输入功率到逆变器。当信号为关闭信号时，基于关闭信号的存在，使能机构禁止各自的功率模块并停止输入功率到逆变器的供应。在串联的串中的信号可选择地来自电网并在电网的频率处