分布式電力裝置中的安全機(jī)構(gòu)、醒來(lái)和關(guān)閉方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】分布式電力裝置中的安全機(jī)構(gòu)、醒來(lái)和關(guān)閉方法
[0001]本申請(qǐng)為國(guó)際申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/US2008/085755，國(guó)際申請(qǐng)日為2008年12月5日，發(fā)明名稱(chēng)為“分布式電力裝置中的安全機(jī)構(gòu)、醒來(lái)和關(guān)閉方法”的PCT申請(qǐng)于2010年6月7日進(jìn)入中國(guó)國(guó)家階段后申請(qǐng)?zhí)枮?00880119506.7的中國(guó)國(guó)家階段專(zhuān)利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及分布式電力系統(tǒng)，且更具體地，涉及用于光伏分布式電力系統(tǒng)的醒來(lái)和關(guān)閉算法。
【背景技術(shù)】
[0003]公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)向公用事業(yè)客戶(hù)提供電力系統(tǒng)。從公用事業(yè)公司到客戶(hù)的電力的分布使用以網(wǎng)格狀方式連接的稱(chēng)為電網(wǎng)的公用事業(yè)管線的網(wǎng)絡(luò)。除了使網(wǎng)格通電的公用事業(yè)公司之外電網(wǎng)還可由使網(wǎng)格通電的很多獨(dú)立的能源組成，每個(gè)獨(dú)立的能源稱(chēng)為分布式電力(DP)產(chǎn)生系統(tǒng)?，F(xiàn)代的公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)包括公用事業(yè)電源、用電設(shè)備負(fù)載以及還供應(yīng)電力到網(wǎng)絡(luò)的分布式電力產(chǎn)生系統(tǒng)。分布式電力產(chǎn)生系統(tǒng)的數(shù)量和類(lèi)型正快速增長(zhǎng)且可包括光伏、風(fēng)力、水力、燃料電池、存儲(chǔ)系統(tǒng)例如電池、超導(dǎo)飛輪和電容器類(lèi)型、以及包括常規(guī)和變速柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)(Stirling engine)、燃?xì)廨啓C(jī)和微型禍輪機(jī)的機(jī)械設(shè)備。這些分布式電力產(chǎn)生系統(tǒng)連接到公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)，使得它們與公用事業(yè)電源并聯(lián)而操作。
[0004]包括多個(gè)太陽(yáng)能板101的太陽(yáng)能分布式電力系統(tǒng)10的常規(guī)安裝在圖1中示出。因?yàn)橛擅總€(gè)單獨(dú)的太陽(yáng)能板101提供的電壓低，幾個(gè)板101串聯(lián)連接以形成板101的系列103。對(duì)于大的裝置，當(dāng)需要較高的電流時(shí)，幾個(gè)系列103可并聯(lián)連接以形成總系統(tǒng)10。相互連接的太陽(yáng)能板101安裝在戶(hù)外，并連接到最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)模塊107且然后連接到逆變器104。如圖1中所示，MPPT 107通常作為逆變器104的部分實(shí)現(xiàn)。從DC源101獲得的功率被傳遞到逆變器104，其將直流(DC)轉(zhuǎn)換成具有期望電壓和頻率的交流(AC)，該期望電壓和頻率通常為60Hz處的110V或220V，或50Hz處的220V。來(lái)自逆變器104的AC電流然后可用于操作電器或被供給到電網(wǎng)。
[0005]如以上所提到的，每個(gè)太陽(yáng)能板101供應(yīng)相對(duì)很低的電壓和電流。太陽(yáng)能陣列設(shè)計(jì)者面臨的問(wèn)題是從太陽(yáng)能板的低電壓的組合產(chǎn)生在120V或220V均方根(RMS)處的標(biāo)準(zhǔn)AC電流。來(lái)自低電壓的高功率的傳遞需要很高的電流，這導(dǎo)致大約為電流的平方i2的大的傳導(dǎo)損耗。另外，功率逆變器例如用于將DC電流轉(zhuǎn)換成AC電流的逆變器104在其輸入電壓比其輸出RMS電壓乘以2的平方根(即峰值電壓)稍微高時(shí)是最有效的。因此在很多應(yīng)用中，電源例如太陽(yáng)能板101被組合，以便達(dá)到正確的電壓或電流。大量的板101連接到系列103中，且系列103并聯(lián)地連接到功率逆變器104。板101串聯(lián)連接，以便達(dá)到逆變器104所需的最小電壓。多個(gè)系列103并聯(lián)連接到陣列中以供應(yīng)較高的電流，以便實(shí)現(xiàn)較高的功率輸出。
[0006]圖1B示出了 DC源的連接到MPPT電路107和逆變器104的一個(gè)串聯(lián)系列103，例如太陽(yáng)能板101a-101d。電流與電壓(IV)的特征曲線被描繪在每個(gè)DC源101的左部(110a-110d)。對(duì)于每個(gè)DC電源101，當(dāng)輸出電壓增加時(shí)電流減小。在一些電壓值處，電流變?yōu)榱?，且在一些?yīng)用中電壓值可采取負(fù)值，意味著源變成汲取器。旁通二極管(未示出)用于防止源變成汲取器。與電流和電壓的乘積(P = i*V)相等的每個(gè)源101的功率輸出根據(jù)從源汲取的電壓而變化。在接近于電流的下降點(diǎn)的某個(gè)電流和電壓處，功率達(dá)到其最大值。在這個(gè)最大功率點(diǎn)(MPP)處操作電力產(chǎn)生電池是合乎需要的。MPPT的目的是找到這個(gè)點(diǎn)并在這個(gè)點(diǎn)處操作系統(tǒng)，以便從源汲取最大功率。
[0007]在典型的常規(guī)太陽(yáng)能板陣列中，不同的算法和技術(shù)用于使用MPPT模塊107來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)10的合并的功率輸出。MPPT模塊107接收從所有的太陽(yáng)能板101 —起提取的電流并跟蹤這個(gè)電流的最大功率點(diǎn)以提供最大平均功率，使得如果更多的電流被提取，來(lái)自板的平均電壓開(kāi)始下降，因此降低所獲得的功率。MPPT模塊107維持從系統(tǒng)10產(chǎn)生最大平均功率的電流。
[0008]但是，因?yàn)殡娫?01a-101d串聯(lián)連接到單個(gè)MPPT 107，MPPT 107選擇最大功率點(diǎn)，該最大功率點(diǎn)是單獨(dú)的串聯(lián)連接的源101的最大功率點(diǎn)的某個(gè)平均。實(shí)際上，很可能MPPT107將在1-V點(diǎn)上操作，該點(diǎn)對(duì)于僅僅幾個(gè)或沒(méi)有一個(gè)源101是最佳的。在圖1B的例子中，被選的點(diǎn)是源101b的最大功率點(diǎn)，但是與源101a、101c和101d的最大功率點(diǎn)相離。因此，該布置不以最佳可實(shí)現(xiàn)的效率操作。
[0009]本申請(qǐng)人在標(biāo)題為“DistributedPower Harvesting Systems Using DC PowerSources”的共同未決的美國(guó)申請(qǐng)11/950，271中公開(kāi)了連接到每個(gè)電源例如光伏板的輸出的電力轉(zhuǎn)換器例如DC到DC轉(zhuǎn)換器的使用。電力轉(zhuǎn)換器通過(guò)監(jiān)控和控制在最大功率水平處的輸入功率來(lái)將輸入功率轉(zhuǎn)換成輸出功率。
[0010]如此處使用的術(shù)語(yǔ)“信號(hào)發(fā)送”或“信號(hào)發(fā)送機(jī)構(gòu)”是指在電磁載波信號(hào)上調(diào)制的信號(hào)或簡(jiǎn)單的未調(diào)制信號(hào)例如接通/關(guān)斷信號(hào)“保持運(yùn)行”信號(hào)或“干接觸”信號(hào)。對(duì)于調(diào)制信號(hào)，調(diào)制方法可以是本領(lǐng)域所知的任何這樣的方法，作為例子，頻率調(diào)制(FM)傳輸、幅度調(diào)制(AM)、FSK (頻移鍵控)調(diào)制、PSK (相移鍵控)調(diào)制、各種QAM(正交調(diào)幅)星座圖或任何其他調(diào)制方法。
[0011]如此處所使用的術(shù)語(yǔ)“功率模塊”包括功率轉(zhuǎn)換器例如DC-DC功率轉(zhuǎn)換器，但還包括適合于控制通過(guò)模塊傳遞的功率或功率的一部分的模塊，無(wú)論是通過(guò)轉(zhuǎn)換還是其他方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]包括下面的發(fā)明概要，以便提供本發(fā)明的一些方面和特征的基本理解。這個(gè)概要不是本發(fā)明的廣泛概述，因此它并不用來(lái)特定地標(biāo)識(shí)本發(fā)明的關(guān)鍵的或重要的元件或描繪本發(fā)明的范圍。其唯一目的是以簡(jiǎn)化的形式提供本發(fā)明的某些概念，作為在以下被提供的更詳細(xì)的描述的前序。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了包括DC電源和功率模塊的分布式電力系統(tǒng)。功率模塊包括分別耦合到DC電源和輸出的輸入。逆變器耦合到輸出。逆變器將來(lái)自功率模塊的輸出的功率輸入轉(zhuǎn)換為輸出功率。逆變器和功率模塊之間的信號(hào)發(fā)送機(jī)構(gòu)適合于控制功率模塊的操作。在分布式電力系統(tǒng)的操作期間，在一些實(shí)施方式中，信號(hào)發(fā)送機(jī)構(gòu)可將信號(hào)添加在功率模塊的輸出上。信號(hào)發(fā)送機(jī)構(gòu)可包括與逆變器集成的開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)將信號(hào)調(diào)制到功率模塊的輸出上。與功率模塊集成的接收器接收來(lái)自逆變器的信號(hào)?？蛇x地，功率模塊中的檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)在電網(wǎng)的頻率處的信號(hào)。可選地，來(lái)自電網(wǎng)的信號(hào)在功率模塊的輸出中在從電網(wǎng)的頻率上變頻的較高的頻率處被檢測(cè)?？蛇x地，功率模塊中的檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)逆變器的轉(zhuǎn)換頻率。功率模塊可被配置成在安全模式中操作，且在安全模式期間，功率模塊的輸出處的功率、功率模塊的輸出兩端的電壓，和/或流經(jīng)其的電流被限制，以便不危害人員。功率模塊可包括檢測(cè)機(jī)構(gòu)，其中在分布式電力系統(tǒng)的操作期間，檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)來(lái)自逆變器的信號(hào)。基于該信號(hào)，功率模塊的操作從安全操作模式變化到正常操作模式，以將DC電源的功率從功率模塊的輸入轉(zhuǎn)換到功率模塊的輸出。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了用于操作分布式電力系統(tǒng)的方法。系統(tǒng)包括DC電源和功率模塊。功率模塊包括耦合到DC電源的輸入。功率模塊包括輸出。逆變器耦合到功率模塊的輸出。逆變器將來(lái)自功率模塊的功率輸出轉(zhuǎn)換為輸出功率。該方法包括通過(guò)限制來(lái)自功率模塊的功率輸出在安全模式中操作功率模塊。安全模式的特征是通過(guò)功率模塊的輸出有小于預(yù)定的量(例如，十毫安)的電流流動(dòng)和/或小于預(yù)定的量(例如，2伏)。來(lái)自逆變器的信號(hào)優(yōu)選地被監(jiān)控，且當(dāng)檢測(cè)到來(lái)自逆變器的信號(hào)時(shí)，到逆變器的功率輸入通過(guò)在正常操作模式中操作功率模塊來(lái)增加，以將DC電源的功率從功率模塊的輸入轉(zhuǎn)換到功率模塊的輸出。當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)且在正常操作模式中功率模塊的操作之前，功率模塊的輸出的電壓優(yōu)選地緩慢斜升。功率模塊的正常操作模式可包括控制在耦合到DC電源的輸入處的最大峰值功率。
[0015]當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，從以下的詳細(xì)描述中，前述的和/或其他方面將變得很明顯。
【附圖說(shuō)明】
[0016]包括在本說(shuō)明書(shū)中且構(gòu)成本說(shuō)明書(shū)的一部分的附圖舉例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，且連同描述一起用于解釋和說(shuō)明本發(fā)明的原理。附圖用來(lái)以圖示的方式示出所示出的實(shí)施方式的各種特征。附圖并不用來(lái)描述實(shí)際的實(shí)施方式的每個(gè)特征和所描述的元件的相對(duì)尺寸，且不一定按比例繪制。
[0017]本發(fā)明僅作為例子參考附圖在此處被描述，其中:
[0018]圖1是使用光伏板作為DC電源的常規(guī)功率獲取系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖1B示出了圖1的DC電源的一個(gè)串聯(lián)系列的電流與電壓的特征曲線；