BR112013001762B1

BR112013001762B1 - aparelho e método para acoplar e desacoplar de modo seletivo uma primeira e uma segunda fonte de dc monopolares a e a partir de um aterramento e terminais positivo e negativo de um conversor de dc para ac

Info

Publication number: BR112013001762B1
Application number: BR112013001762-7A
Authority: BR
Inventors: Richard T. West
Original assignee: Schneider Electric Solar Inverters Usa, Inc.
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2011-07-15
Publication date: 2020-10-20
Also published as: DK2596563T3; WO2012012276A2; US8643985B2; WO2012012276A3; AU2011279903A1; ES2605013T3; EP2596563B1; US20120019964A1; EP2596563A2; CN103026571A; CN103026571B; BR112013001762A2; AU2011279903B2

Abstract

CONVERSOR DE CIRCUITO DE FONTE BIPOLAR PARA MONOPOLAR FOTOVOLTAICO COM ATERRAMENTO SELETIVO DE FREQUÊNCIA. Trata-se um conversor de energia elétrica para converter energia a partir de uma fonte de DC bipolar para suprimento de uma carga de AC. Para tal modalidade, a fonte de DC bipolar consiste em um arranjo fotovoltaico e a energia de AC é fornecida para uma rede de energia elétrica. O arranjo fotovoltaico bipolar tem potenciais de tensão positivo e negativa em relação ao aterramento. O conversor consiste em um invensor interativo de serviços públicos que não exige um transformador de isolamento na interface da rede de energia elétrica. As modalidades da invenção incluem métodos de detectar e interromper falhas de aterramento DC no arranjo fotovoltaico

Description

Campo da invenção

A presente invenção refere-se a conversores de energia elétrica e, mas especificamente, a um conversor de fonte bipolar para monopolar fotovoltaico usado em conjunto com outro equipamento para o suprimento de cargas de AC.

Fundamentos da invenção

Nos Estados Unidos, duas configurações de arranjo fotovoltaico solar (PV), aterradas e não aterradas, são permitidas pelo código elétrico nacional (NEC - National Electric Code), seção 690. A tensão máxima de um arranjo PV é atualmente limitada a 600 Vdc em relação ao aterramento em sistemas aterrados e 600Vdc em sistemas não aterrados devido às limitações de isolamento de módulo PV. O NEC também exige que os sistemas PV instalados em residências tenham um meio de detecção e interrupção de correntes de falha a partir do arranjo PV para o aterramento. Estas falhas são comumente causadas por invasão de água em caixas de junção de fiação, degradação do isolamento de fiação do arranjo ou uma falha nos materiais de isolamento do módulo solar. Tais falhas podem causar um caminho de fuga de baixa energia ou um arco de corrente direta destrutivo. A intenção do código, em relação às falhas de terra, consiste na proteção contra fogo, não a proteção pessoal.

Sumário

Uma modalidade fornece um aparelho para acoplar e desacoplar de modo seletivo ao menos duas fontes de DC monopolares a e a partir de um aterramento e terminais positivo e negativo de uma carga monopolar. Uma fonte de DC bipolar que inclui ao menos duas fontes de DC monopolares é acoplada de maneira controlável em série ajudando com um ponto de conexão comum ao aterramento, uma conexão positiva a um terminal monopolar de carga positiva, e uma conexão negativa a um terminal monopolar de carga negativa, com as polaridades indicadas com referência ao dito aterramento. Uma rede seletiva de frequência conectada entre o ponto de conexão comum e o aterramento tem uma impedância de DC que é menor do que a impedância de AC da rede em uma frequência pré-selecionada, tal como um múltiplo integral da frequência de linha de distribuição de energia elétrica.

Em uma implantação, a impedância de DC da rede seletiva de frequência é baixa o suficiente para reter a conexão de terra comum substancialmente ao potencial de terra, conforme exigido pelo National Electric Code, e a impedância de AC é baixa o suficiente para evitar que o potencial de modo comum do arranjo bipolar seja elevado acima do aterramento em frequências transitórias de descargas elétricas.

Um conversor de DC para AC pode ser acoplado à fonte de DC bipolar para con- verter uma saída de DC desta fonte para uma saída de AC, e a rede seletiva de frequência pode ser um circuito de RLC paralelo que tem uma frequência ressonante que é três vezes acima da frequência da saída de AC. Especificamente, a rede seletiva de frequência pode ser um circuito de RLC paralelo no qual os valores de R, L e C fornecem uma baixa impe- dância de DC, uma impedância de AC máxima em uma frequência ressonante que é três vezes acima da frequência da saída de AC e uma impedância de AC menor em frequências maiores do que a frequência ressonante. A rede seletiva de frequência, de preferência, permite que o ponto de conexão comum opere com uma tensão de AC de modo comum impressa em relação ao aterramento, com uma corrente AC à terra que é menor do que a corrente AC em uma conexão direta do ponto de conexão comum ao aterramento.

Uma modalidade inclui um detector de falha de aterramento acoplado a cada uma das fontes de DC monopolares para produzir um sinal de falha de aterramento quando uma falha de aterramento ocorre, e um controlador responsivo ao sinal de falha de aterramento para desacoplar a fonte de DC monopolar com falha a partir do ponto de conexão comum. Qualquer fonte de DC monopolar sem falha, de preferência, flutua com a tensão mais alta nos polos de qualquer fonte de DC monopolar sem falha igual a ±1/z da tensão de circuito aberto da fonte de DC monopolar sem falha em relação ao aterramento, quando uma fonte de DC monopolar com falha é desacoplada do ponto de conexão comum.

Outras características e vantagens das modalidades da presente invenção serão evidentes a partir dos desenhos em anexo e a partir da descrição detalhada que se seguem abaixo.

Breve descrição dos desenhos

A invenção será melhor compreendida a partir da seguinte descrição das modalidades preferidas em conjunto com referência aos desenhos em anexo, nos quais:

A Figura 1 é um diagrama elétrico de uma fonte de energia de DC bipolar acoplada ao aterramento e a uma rede de distribuição de energia elétrica através de um conversor de DC para AC.

A Figura 2 é um diagrama elétrico de uma modalidade do sistema da Figura 1, com o conversor de DC para AC modelado como uma carga variável.

A Figura 3 é um diagrama elétrico de outra modalidade do sistema da Figura 1, com o conversor de DC para AC modelado como uma carga variável.

Descrição detalhada

Embora a invenção seja descrita em conexão com determinadas modalidades preferidas, deve-se compreender que a invenção não é limitada àquelas modalidades particulares. Pelo contrário, a invenção é destinada a abranger todas as alternativas, modificações e disposições equivalentes conforme pode se incluído no espírito e escopo da invenção, conforme definido pelas reivindicações em anexo.

A Figura 1 ilustra um sistema configurado com uma fonte de DC bipolar que inclui dois subarranjos PV monopolares 10 e 20 (por exemplo, máximo de 600 volts cada), e um conversor de energia de DC para AC trifásico 100 que opera em uma empresa de serviço de utilidade pública de AC com conexão em estrela aterrada 300 (por exemplo, 480/277-volt, 60 Hz) que inclui três fases 301 a 303 conectadas ao aterramento 70 através de uma linha neutra comum 304. O conversor de DC para AC 100 pode ser uma ponte de 6 polos convencional que inclui seis comutadores de transistor/diodo e três indutores de filtro conectados às três fases 301 a 303 da empresa de serviço de utilidade pública. Uma vez que a conexão na rede de distribuição de energia elétrica 300 consiste em uma configuração de conexão em estrela aterrada de quatro fios e a fonte de DC é aterrada, também mencionada, cada uma das três fases opera de maneira independente. As metodologias de controle e regulamentação para os inversores interativos da rede de distribuição de energia elétrica também são bem conhecidas.

O terminal positivo do primeiro subarranjo PV 10 e o terminal negativo do segundo subarranjo PV 20 são conectados ao conversor de DC para AC 100. Os outros terminais dos subarranjos 10 e 20 são conectados ao aterramento 70 através de uma rede de RLC seletiva de frequência 8 para o aterramento dos arranjos fotovoltaicos através de uma rede que fornece um nível de proteção do sistema de DC equivalente a um sistema solidamente aterrado e também permite que os arranjos PV se movam com as tensões de AC do modo comum. No sistema ilustrativo, a rede de RLC 8 é formada por um indutor 8A, um resistor 8B e um capacitor 8C conectados em paralelo. A rede de RLC paralela 8 tem uma impedância de AC que é um máximo em uma frequência ressonante, e diminui em frequências acima da frequência ressonante. Os valores dos componentes 8A-8C são selecionados, de preferência, para fornecer uma frequência ressonante que é três vezes acima da frequência de linha da energia de AC a ser suprida para uma carga de AC (por exemplo, uma frequência ressonante de 180 Hz para uma frequência de linha de 60-Hz) e uma impedância de DC que é menor do que a impedância de AC da rede em sua frequência ressonante. Especificamente, a impedância de DC da rede de RLC paralela 8 é, de preferência, baixa o suficiente para reter o potencial no terminal 9 substancialmente em potencial de aterramento, conforme exigido pelo National Electric Code para arranjos fotovoltaicos bipolares. A impedância de AC na frequência ressonante é, de preferência, baixa o suficiente para evitar que o potencial de modo comum do arranjo bipolar seja elevado acima do aterramento em frequências transitórias I am pej antes.

Em um exemplo que utiliza um indutor 8A de 656 milihenries, um resistor 8B de 371 ohms e um capacitor 8C de 1,2 microfarads, a tensão entre o aterramento 70 e a rede de RLC 8 é de cerca de 37 Vac rms em 180 Hz, sob condições de operação nominal, quando o conversor de energia 100 está fornecendo energia para a rede de distribuição de energia elétrica 300. O componente de tensão de DC para aterramento é zero. A corrente que flui no condutor neutro 304 é de cerca de 200 miliampères em uma frequência de 180 hertz. A dissipação de energia no resistor 8B é de cerca de 4 watts.

Para o exemplo mostrado na Figura 1, a resistência de aterramento de DC consiste, de modo eficaz, na resistência de DC do indutor 8A, a qual pode ser menor do que um ohm. A impedância de aterramento de AC é de 186 ohms em 180 Hz e muito menor em frequências acima de 180 Hz para fornecer um caminho de retorno de baixa impedância para transitórios induzidos por descargas elétricas, os quais têm frequências substancialmente maiores do que 180 Hz. Deste modo, a rede de RLC 8 fornece uma rede seletiva de frequência que fornece um nível de proteção de sistema equivalente àquele de um arranjo PV solidamente aterrado durante a operação normal.

A Figura 2 é um diagrama esquemático mais detalhado de uma implantação do sistema da Figura 1, mas com o conversor de DC para AC convencional modelado como uma carga variável 90 e um capacitor paralelo 80. Em operação normal, os arranjos PV monopo- lares 10 e 20 são conectados ao aterramento 50 através de um par de fusíveis indicadores 6A e 7A e uma rede de RLC seletiva de frequência 8. O polo negativo do subarranjo 10, no terminal 12, e o polo positivo do subarranjo 20, no terminal 21, são com referência à terra desta forma. As correntes através dos fusíveis 6A e 7A são de modo eficaz zero durante a operação normal.

Quando ocorre uma falha para o aterramento no arranjo PV 10 ou 20 e produz uma corrente de falha DC grande o suficiente para interromper cada um dos fusíveis 6A, 7A, a interrupção do fusível interrompe a corrente de falha de aterramento. Ao mesmo tempo, um sinal indicador de fusível queimado é enviado para um controlador 1 por meio do fechamento do comutador 6B ou 7B associado com o fusível interrompido, isto é, os fusíveis indicadores servem como um detector de falha de aterramento que produz sinais de falha de aterramento quando ocorre uma falha de aterramento, em adição à interrupção da corrente de falha de aterramento. O sinal indicador de fusível queimado faz com que o controlador 1 desenergize uma bobina de contator 2A para abrir o contato 2B, de modo que o subarranjo PV com falha seja, então, conectado ao aterramento somente através da impedância de falha de aterramento e uma das redes de resistor com valores iguais formadas por respectivos pares de resistor 16, 17 e 26, 27. Durante este modo de operação de falha, quaisquer subarranjos sem falha irão “flutuar” com as tensões mais altas nos polos de subarranjo iguais à ±1/z da tensão de circuito aberto do subarranjo em relação ao aterramento 70. As redes de resistor 16, 17 e 26, 27 fornecem uma referência de tensão de modo comum minimamente dissipativa e são usadas para drenar as cargas estáticas do subarranjo.

A partir de um ponto de vista de custo, é desejável utilizar módulos PV, fiação e fusíveis logo abaixo da tensão máxima permitida para uma determinada classe de equipamentos. Para um arranjo bipolar ótimo, portanto, a tensão de DC mais alta em relação ao aterramento em terminais 11 e 22, sob todas as condições, consiste na tensão de equipamentos de DC avaliada. Com os arranjos PV bipolares aterrados de maneira resistiva ou indireta, a ocorrência de uma falha de aterramento de DC direto (baixa impedância) no terminal 11, por exemplo, reduz a tensão neste terminal em relação ao aterramento para zero, o que significa que a tensão no terminal 22 em relação ao aterramento é duas vezes a tensão de equipamento permissível devido ao fato de que a impedância da falha pode ser muito menor do que a impedância do aterramento resistivo. Para amenizar este problema, o sistema ilustrativo monitora a tensão, em relação ao aterramento, sobre todos os terminais 11, 12 e 21,22 do subarranjo PV com sensores de tensão 18, 19 e 28, 29 através dos respectivos resisto- res 16, 17 e 26, 27. O controlador 1 lê os sinais de tensão graduada a partir dos sensores de tensão 18, 19 e 28, 29 e compara estes valores com os limites de sobretensão pré- programados. Se o limite for excedido em qualquer terminal, tanto o subarranjo PV 10 como 20 são desativados e “flutuados”. A sequencia de desativação funciona conforme exposto a seguir: 1. A tensão em relação ao aterramento em ao menos um dos terminais 11, 12 e 21,22 excede o limite pré-programado para este terminal. 2. O controlador 1 comanda uma carga 100 (por exemplo, um conversor de DC para AC) a inativar, através de uma conexão serial isolada 101, ajustando, assim, de modo eficaz a parte resistiva da carga 100 para um circuito aberto. 3. Simultaneamente com a inativação da carga, uma bobina de contator 3A é desenergizada para abrir os contatos 3B e 3C. 4. Após um atraso para assegurar que os contatos estão completamente abertos, um par de sensores de corrente 4 e 5 são lidos para verificar que a comutação de corrente de carga está completa.

Os subarranjos PV 10 e 20 também são desabilitados se a corrente de aterramento lida por um sensor de corrente 9 exceder um limite pré-programado. Em qualquer caso, as etapas 2 a 4 da sequencia de desativação são executadas.

A Figura 3 é um diagrama esquemático de outra implantação do sistema da Figura 1, novamente com o conversor de DC para AC convencional modelado como uma carga variável. Este sistema é igual àquele mostrado na Figura 2, exceto pelo fato de que o contator de DC 2 tem dois contatos 2A e 2B, os quais são conectados em paralelo com os dois fusíveis 6A e 7A, respectivamente. Conforme no sistema da Figura 2, quando ocorre uma falha para o aterramento no arranjo PV 10 ou 20 e produz uma corrente de falha grande o suficiente para interromper qualquer um dos fusíveis 6A, 7A, a interrupção do fusível interrompe a corrente de falha de aterramento. Ao mesmo tempo, um sinal indicador de fusível queimado é enviado para um controlador 1 por meio do fechamento do comutador 6B ou 7B associado com o fusível interrompido. Isto faz com que o controlador 1 desenergize uma bobina de contator 2A para abrir tanto o contato 2B como 2C, de modo que o subarranjo PV com falha seja, então, conectado ao aterramento somente através da impedância de falha de aterramento e uma das redes de resistor com valores iguais formadas por respectivos 5 pares de resistor 16, 17 e 26, 27. Durante este modo de operação de falha, quaisquer subarranjos sem falha irão “flutuar” com as tensões mais altas nos polos de subarranjo iguais à ±1/2 da tensão de circuito aberto do subarranjo em relação ao aterramento 70. As redes de resistor 16, 17 e 26, 27 fornecem uma referência de tensão de modo comum minimamente dissipativa por meio da drenagem de cargas estáticas do subarranjo. O uso dos contatos 10 duplos 2A e 2B no sistema da Figura 3 altera as exigências de avaliação para cada contato, o qual pode reduzir o custo do contator.

Embora as modalidades e aplicações particulares da presente invenção tenham sido ilustradas e descritas, deve-se compreender que a invenção não é limitada à construção precisa e composições apresentadas no presente documento e que diversas modificações, 15 alterações e variações podem ser evidentes a partir das descrições mencionadas anteriormente sem que se desvie do espírito e escopo da invenção, conforme definido nas reivindicações em anexo.

Claims

1. Aparelho para acoplar e desacoplar de modo seletivo uma primeira e uma segunda fontes de DC monopolares (10, 20) a e a partir de um aterramento (70) e terminais positivo e negativo de um conversor de DC para AC, compreendendo: uma fonte de DC bipolar que inclui as ditas primeira e segunda fonte de DC monopolares (10, 20), cada fonte de DC monopolar (10, 20) tendo terminais positivos e negativos (11, 12 e 21, 22), com o terminal positivo (11) da dita primeira fonte de DC monopolar (10) e o terminal negativo (22) da dita segunda fonte de DC monopolar (20) conectada a um conversor DC-para-AC (100), e o terminal negativo (112) da dita primeira fonte de DC monopolar (10) e o terminal positivo (21) da dita segunda fonte de DC monopolar a ser conectado a um ponto de conexão comum (9), CARACTERIZADO pelo fato de uma rede (8) conectada entre o ponto de conexão comum (9) e o dito aterramento (70), com as polaridades indicadas com referência ao dito aterramento, e a rede (8) sendo uma rede única seletiva de frequência de dispositivos RLC (8A, 8B, 8C) conectados em paralelo tendo uma impedância de DC que é menor do que a impedância de AC da rede (8) em uma frequência pré-selecionada.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a dita impedância de DC é baixa o suficiente para reter a dita conexão de terra comum (9) em potencial de aterramento durante uma falha de aterramento de DC.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a dita impedância de AC é baixa o suficiente para evitar que o potencial de modo comum do dito arranjo bipolar seja elevado acima do aterramento (70) em frequências transitórias lam- pejantes.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que inclui um conversor de DC para AC acoplado à dita fonte de DC bipolar para converter uma saída de DC da dita fonte para uma saída de AC, e em que a dita rede (8) consiste em um circuito de RLC paralelo que tem uma frequência ressonante que é cerca de três vezes a frequência da dita saída de AC.

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que a dita rede (8) consiste em um circuito de RLC paralelo em que os valores de R, L e C fornecem uma baixa impedância de DC, uma impedância de AC máxima em uma frequência ressonante que é cerca de três vezes a frequência da dita saída de AC, e uma impedância de AC menor em frequências maiores do que a dita frequência ressonante.

6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que inclui um detector de falha de aterramento acoplado a cada uma das ditas fontes de DC mo- nopolares (10, 20) para produzir um sinal de falha de aterramento quando ocorre uma falha de aterramento, e um controlador responsivo ao dito sinal de falha de aterramento para de- sacoplar a fonte de DC monopolar com falha do dito ponto de conexão comum.

7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito detector de falha de aterramento consiste em um fusível indicador (6A, 7A).

8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a dita rede (8) permite que o dito ponto de conexão comum (9) opere com uma tensão de AC de modo comum impressa em relação ao aterramento (70), com uma corrente AC com aterramento que é menor do que a corrente AC em uma conexão direta do dito ponto de conexão comum (9) ao aterramento (70).

9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que qualquer fonte de DC monopolar sem falha flutua com a tensão mais alta dos polos de qualquer fonte de DC monopolar sem falha igual a ±1/2 a tensão de circuito aberto da dita fonte de DC monopolar sem falha em relação ao aterramento (70), quando uma fonte de DC monopolar com falha é desacoplada do dito ponto de conexão comum (9).

10. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que as ditas fontes de DC monopolares (10, 20) consistem em arranjos fotovoltaicos.

11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a dita frequência pré-selecionada é um múltiplo integral da frequência de linha de distribuição de energia elétrica.

12. Método de acoplar e desacoplar de maneira seletiva uma primeira e segunda fonte de DC monopolares (10, 20) a e a partir de um aterramento (70) e terminais positivo e negativo de um conversor de DC para AC (100), cada da dita primeira e segunda fonte de DC monopolares (10, 20), tendo terminais positivos e negativos (11, 12 e 21, 22), com o terminal positivo (11) da dita segunda fonte DC monopolar (20) conectado a um conversor DC para AC (100), o terminal negativo (12) da dita primeira fonte monopolar (10) e o terminal positivo (21) da dita fonte DC monopolar (20) sendo conectados entre si em um ponto de conexão comum (9), o método CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: acoplar de maneira controlável adita primeira e segunda fonte de DC monopolares (10, 20) ao aterramento (70), e acoplar o ponto de conexão comum (9) ao dito aterramento (70) através de uma rede (8), e em que a dita rede (8) sendo uma rede única seletiva de frequência de dispositivos RLC (8A, 8B, 8C) conectados em paralelo tendo que tem uma impedância de DC que é menor do que a impedância de AC da rede (8) em uma frequência pré-selecionada.

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de que inclui evitar que o sistema se mova com as tensões de modo comum de DC em relação a um ponto de aterramento do sistema, enquanto que permite que o dito sistema se mova com as tensões de modo comum de AC em relação ao ponto de aterramento do sistema, com correntes de aterramento de AC reduzidas em comparação com um sistema com ater- 5 ramento de AC e DC sólido.