CN101834450B - 发电系统和用于将电力馈送到三相电网的逆变器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种发电系统，用于经由三个AC端子把电力从发电单元馈送到三相电网。该系统包括用于借助至少三个继电器将所述系统从所述电网断开的继电器装置。三个继电器中的每一个都包括控制线圈以及由相应控制线圈操作的两个开关触点。每个AC端子都经由第一开关触点和第二开关触点连接到所述电网，所述第一开关触点和所述第二开关触点被分配到继电器中不同的继电器。还公开了一种继电器装置和具有继电器装置的逆变器。

Description

发电系统和用于将电力馈送到三相电网的逆变器
本申请要求2009年3月9日提交的欧洲专利申请EP 09003353.1的优先权，其公开内容整体并入于此作为参考。
技术领域
本发明涉及具有继电器装置的发电系统，该继电器装置用于将发电系统从三相电网断开。本发明还涉及用于为三相电网提供电力的逆变器以及相应的继电器装置。
背景技术
发电系统用来为电网提供电力。发电系统的重要性日益增加，其中用于运行大型电厂的自然资源是有限的并且变得越来越昂贵。这种系统的一个示例是逆变器，其可以用来将直流电转换成交流电，并且通常包括用作为DC-AC(直流-交流)转换器的半导体桥接电路。
直流可以来自任何DC电源，诸如像电池。DC电源也可以是用于将能量馈送入电网的光电发生器。
要安装在相对小的表面上的光伏逆变器应当尽可能紧凑、易于操作并且轻便，从而使安装期间对工具的需要最小。这样的逆变器应当具有这样的重量和尺寸，即其允许一到两个人在很大程度上无需帮助地运输和安装它们。
在外壳内包含必需的电子元件、半导体、滤波扼流圈、电容器和类似的组件。设备的容许的输出功率的增加可能会导致各个元件尺寸的增加。因此，设备或其外壳如果要紧凑的话就必须尽可能紧密地装配。
为了获得对于电网并行馈送的许可，适用的标准和规则(例如DIN V VDE V 0 1 2 6-1-1)要求发电系统要经由自动开关电路连接到电网。该设备的主要目的在于防止对子电网或独立电网无意的馈电，通常称为反孤岛效应检测(anti-islanding)，并且由此起到保护功能的作用。
为了消除对于附加的外壳或附加的安装辅助的需要，开关电路可以被集成到现有的逆变器外壳中。然而，这增加了外壳的尺寸。
上述标准还要求该开关电路能够通过两个串联连接且独立启动的开关为每个带电线(active conductor)中断运行中的馈电。要确定断开连接以便即使在发生单个错误的情况下也确保安全功能。
满足这种规范的常用实践是使用对于直至高达10kW或更高的中功率范围具有足够开关能力的单极继电器。该继电器通常包括独立的控制器和相应的监控设备。
三极继电器或接触器仅可用于更高功率范围，并且明显需要比PCB继电器更多的安装空间。而且，它们的组装是劳力密集的、易于出错的并且不适于大批量生产。因此，符合标准的解决方案会要求使用六个单极继电器，这不但成本高而且还占据安装空间。
发明内容
本发明公开了一种发电系统，用于经由三个AC端子把电力从发电单元馈送到三相电网。该系统包括继电器装置，用于将逆变器从电网断开，其中继电器装置至少包括三个继电器，这三个继电器中的每一个都配备有控制线圈以及由控制线圈操作的两个开关触点。该系统的每个AC端子都经由第一开关触点和第二开关触点连接到电网，第一开关触点和第二开关触点被分配到这些继电器中不同的继电器。
该系统可以是逆变器，诸如光伏逆变器，尤其是无变压器的光伏逆变器。继电器装置可以被集成到系统外壳中，并且可以被布置在系统的电路板上，从而得到紧密的系统设计。
在本发明的另一方面，公开了一种逆变器，用于将DC功率转换成经由三个AC端子提供到三相电网的AC功率。逆变器包括继电器装置，用于将继电器从电网断开，继电器装置至少包括三个继电器。这三个继电器中每一个都包括控制线圈以及由相应控制线圈操作的两个开关触点。每个AC端子都经由第一开关触点和第二开关触点连接到电网，第一开关触点和第二开关触点被分配到这些继电器中不同的继电器。
在又一方面，公开了一种继电器装置，用于将逆变器从具有三个带电线的三相电网断开。继电器装置至少包括三个继电器，这三个继电器中的每一个都包括控制线圈以及由相应控制线圈操作的两个开关触点。每个开关触点连接到被分配到这些继电器中另一继电器的另一开关触点。
附图说明
下面的附图提供了对本发明的更具体的描述，并且意在阐明特定实施例。这些附图并非意在限制本发明的保护范围。
图1是发电系统的示意图。
图2示出了具有用于将逆变器从电网断开的继电器装置的逆变器。
图3示出了用于三相电网继电器装置的安全概念。
具体实施方式
图1示意性地示出了发电系统。发电系统包括发电单元10，其生成电能，并且将能量提供到转换单元11。发电单元10可以是光电发生器、燃料电池、风力发电机或者本领域已知的其他任何发电系统。转换单元11从发电单元10接收能量，并且把能量转换成可馈送到电网14中的形式。如果电网14是如图所示的三相AC电网，则转换单元包括三个AC端子12a、12b、12c。由于适用于发电系统的一些标准要求在电网或系统发生故障的情况下(例如在发生孤岛效应的情况下)系统自动从电网断开，所以使用继电器装置13把AC端子12a、12b、12c连接到电网14。针对可以构成转换单元11的逆变器在图2和3中示出了继电器装置的更多细节。继电器装置13在自动连接和断开方面提供上述功能，以满足将电力馈送到公共电网的标准。在下文中，经由继电器装置连接到电网的逆变器被用作发电系统的元件的一个示例。然而，以下给出的细节也可以相应地用于通常的发电系统中。
图2示出了逆变器1，其可以构成发电系统的部件，其具有转换电路用于将提供在发电机端子PV+、PV-之间的DC电压(例如由光电发生器提供的DC电压)转换成具有电网频率的三相AC电压。逆变器1可以包括全桥电路2，全桥电路2具有六个半导体开关和并联的续流二极管(free-wheeling diode)，共同形成DC/AC转换器。在发电机端子PV+、PV-与全桥电路2之间示出了缓冲电容器C1以及包括扼流圈LH、开关TH和二极管DH的可选的升压逆变器3。在此情况下，两个DC链电容器(DC link capacitor)C2、C3串联布置在升压逆变器3与全桥电路2之间。电容器C2和C3可以具有相同的电容。电容器C2和C3的连接点构成用于电压VR1、VR2、VR3的电压抽头，对这些电压进行测量以便监测布置在全桥电路2与由带电线L1、L2、L3表示的电网NE之间的继电器装置4的功能。在此情况下，使用该连接点来定义基准电压点。在继电器装置4与全桥电路2之间可以存在包括三个滤波扼流圈LN的滤波器。继电器装置4用来在预定条件下将光伏逆变器1从电网NE的带电线L1、L2、L3断开。电网NE配备有中性线N，其中相对于中性线N测量带电线L1、L2、L3的线电压VL1、VL2、VL3，作为继电器装置4的附加功能监测方式。
如从图2可以看出的那样，每个带电线L1、L2、L3经由一对开关触点路由(route)到AC端子之一(例如，L1路由通过K1a和K3b)，并且每一对中的触点被分配到两个不同的继电器R1、R2、R3。
图3示出了具有带电线L1、L2、L3的替代路由方案的特定继电器装置。该实施例中的继电器装置4包括三个双极继电器R1、R2、R3。每个继电器R1、R2、R3具有相应的控制线圈Sp1、Sp2、Sp3，并且两个开关触点K1a、K1b；K2a、K2b；K3a、K3b被分别分配给每个控制线圈Sp1、Sp2、Sp3以及继电器R1、R2、R3。继电器R1、R2、R3优选包括常开NO开关触点。
继电器R1、R2、R3可以被集成到逆变器的外壳(未示出)中。在此情况下，继电器可以布置在逆变器的电路板上，例如PCB继电器，从而提供廉价、轻便和紧凑的逆变器设计，并且例如与使用六个单极继电器的情况相比允许了空间节省。继电器甚至可以在对逆变器的尺寸改变最小或甚至不改变的情况下被集成到外壳中。尤其在(但不限于)无变压器的逆变器的情况下，可以实现逆变器外壳的特别紧凑的尺寸，这进而允许灵活地将逆变器集成到建筑结构中。
相应继电器的一个继电器触点串联连接到另两个继电器中之一的继电器触点。例如，如图3所示，继电器R1的开关触点K1a连接到继电器R2的开关触点K2b，使得带电线L1经由两个单独的继电器R1、R2的两个开关触点K1a和K2b连接到光伏逆变器1的端子L1_WR。其他逆变器端子也路由通过不同继电器的两个开关触点，从而得到操作相应两个开关触点的继电器的循环排列(cyclic permutation)，如图所示。结果，对于每个带电线L1、L2和L3总是存在两个独立启动的开关触点。
如果所有继电器线圈SP1-SP3都启动，并且例如第一继电器R1的第一触点K1a被焊接，仍然会出现电流隔离，因为触点K2b由于串联连接的原因引起隔离。即使触点K1a由于触点K1a的焊接连接而没有断开，断开的触点K2b还是提供了必要的隔离。
带电线L1、L2、L3与光伏逆变器1的相应端子L1_WR、L2_WR、L3_WR的连接的其他路由方式也是可能的。然而，路由通过同一继电器的两个开关触点不是优选的，因为这样的布置可能不符合标准。因此，即使继电器R1、R2、R3中任何一个继电器发生故障，每个逆变器端子也可能从相应的带电线断开。即使在继电器R1、R2、R3中任意两个继电器发生故障的罕见情况下，只有一个逆变器端子可能保持连接到相应的带电线，而另外两个端子被断开。
如图3所示，继电器线圈Sp1-Sp3经由继电器驱动器RT连接到相应“与”门G1、G2、G3的输出端。“与”门G1、G2、G3的输出端之一经由承载设置信号S1、S2、S3的缆线连接到用于继电器R1、R2、R3的控制单元BFS。通过来自看门狗(watchdog)配置W的安全信号SB可以启动“与”门G1、G2、G3的另一输出端。看门狗配置W经由缆线5连接到控制单元BFS，缆线5可以在这两个单元之间发送测试信号。继电器驱动器还经由缆线6连接到控制单元BFS，缆线6可以发送继电器测试信号RTS。
在继电器驱动器RT处，用于控制线圈SP1、SP2、SP3的继电器控制信号可以被RTS测试信号仅仅暂时地中断，以防止任何触点分离(contact separation)。在此期间，控制单元BFS评估控制线圈SP1、SP2、SP3对测试信号RTS的响应。这使得能够检查继电器驱动器RT以及控制线圈SP1、SP2、SP3，而无需将逆变器及其全桥电路2从电网NE断开。
使用对电压VR1-VR3和VL1-VL3的测量，以额外地检查继电器装置4的功能。
用于继电器装置4的一种可能的监测方案可以包括以下测试：如果控制单元BFS发生故障，那么看门狗配置W将抑制继电器R1-R3的闭合。如果看门狗配置W发生故障，那么控制单元BFS将抑制继电器R1-R3的闭合。如果“与”门G1、G2、G3中的一个发生故障，那么控制单元BFS经由继电器R1、R2、R3的继电器测试信号RTS检测该故障。这同样适用于一个或多个继电器驱动器RT发生故障的情况。
由于选择布线的原因，即使在单个错误的情况下，所有电网相也会被可靠地从逆变器断开。
本发明并不限于这里给出的示例。例如，可以使用半桥替代全桥，或者可以选择不同的电容器-滤波器布置C1-C3、LN。本发明也可以根本不包括升压转换器3。
可替代地，继电器装置4可以被集成在单独的外壳中，而不是被集成在逆变器外壳中。也可以想到使用单个逆变器装置用于将一组逆变器从公共电网断开。在此情况下的逆变器可以被包括在单个发电系统中，或者可以是多个发电系统的一部分。在此情况下，可以借助于联合继电器装置(joint relay arrangement)为这组逆变器或发电系统提供防孤岛效应功能。
这里使用的术语“继电器”指的是任何能响应于控制信号连接或断开电连接的设备，并非意味着被限制为如以上描述中使用的通过来自线圈的磁力而启动的机械继电器。
根据本发明，提供了一种逆变器电路，用于将DC电压转换成三相的电网频率的AC电压，所述逆变器电路具有继电器电路，所述继电器电路位于DC/AC转换器和供电网(NE)之间并且被实现为用于带电线(L1、L2、L3)的电连接断开的切换点(4)。其中所述继电器电路包括三个双极继电器(R1、R2、R3)，其中每个继电器(R1、R2、R3)包括一个控制线圈(Sp1、Sp2、Sp3)和与一个控制线圈(Sp1、Sp2、Sp3)相关联的两个继电器触点(K1a、K1b；K2a、K2b；K3a、K3b)；在任何情况下，一个继电器(R1)的仅仅一个继电器触点(K1a)串联连接到另外两个继电器之一(R2)的一个继电器触点(K2b)；从而总是为每个带电线(L1、L2、L3)提供独立启动的两个继电器触点(K1a、K2b)。
所述继电器电路可以被实现为自动切换点(4)，用于防止对局部网络或单独网络的无意馈电。
所述继电器电路可以被集成在逆变器外壳中。
每个继电器(R1、R2、R3)都可以被实现为电路板上的能转换的继电器。
根据本发明的逆变器电路可以是无变压器的实现方式。
每个逆变器线圈(Sp1、Sp2、Sp3)都可以能够由控制单元(BFS)通过启动/控制电路(RT)来单独启动。
每个继电器线圈(Sp1、Sp2、Sp3)的启动电路(RT)可以包括“与”门，其中一个门输入端连接到所述启动电路(RT)，另一个门输入端连接到看门狗模块(W)，使得只有同时提供控制单元(BFS)的设置信号(SET K1、SET K2、SET K3)以及看门狗模块的中断信号(SAFE BREAK)时才启动每个继电器线圈(Sp1、Sp2、Sp3)。
所述控制单元(BFS)可以持续地受到看门狗模块(W)的监控。
每个启动电路(RT)可以能通过控制单元(BFS)的测试信号(RTS)启动。
在启动电路(RT)处提供的继电器控制信号可以被测试信号(RTS)中断这样一个短的时间，即使得不发生触点分离；控制单元(BFS)可以分析控制线圈(Sp1、Sp2、Sp3)处对测试信号(RTS)的响应。
根据本发明的逆变器电路是作为光伏逆变器(1)的实现方式。

Claims (34)

1.一种发电系统，用于经由三个AC端子将电力从发电单元馈送到三相电网，所述系统包括用于将所述系统从所述电网断开的继电器装置，
其中，所述继电器装置至少包括三个继电器，所述三个继电器中每一个都包括控制线圈以及由相应控制线圈操作的第一开关触点和第二开关触点，并且每个AC端子都经由第一开关触点之一和第二开关触点之一连接到所述电网，所述第一开关触点和所述第二开关触点被分配给所述三个继电器中不同的继电器。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述系统包括逆变器。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述系统包括光伏逆变器。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述发电单元包括光电发生器。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述系统包括无变压器的逆变器。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述三个继电器中每个继电器都能够由相应的继电器驱动器独立地操作。
7.如权利要求6所述的系统，其中每个继电器驱动器被配置成只在出现控制单元的设置信号和看门狗装置的中断信号时才操作相应的继电器。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述控制单元持续地受到看门狗装置的监控。
9.如权利要求7所述的系统，其中每个继电器驱动器被配置成由所述控制单元的测试信号来监控。
10.如权利要求9所述的系统，其中在出现测试信号时中断用于所述控制线圈的控制信号，其中中断的持续时间被选择为足够短以防止所述第一开关触点和所述第二开关触点的断开，其中所述控制单元评估所述控制线圈对测试信号的响应。
11.如权利要求1所述的系统，其中所述继电器装置包括自启动开关。
12.如权利要求1所述的系统，其中所述继电器装置被集成到所述系统的外壳中。
13.如权利要求1所述的系统，其中所述三个继电器被布置在电路板上。
14.一种逆变器，用于将DC功率转换成经由三个AC端子提供到三相电网的AC功率，所述逆变器包括用于将所述逆变器从所述电网断开的继电器装置，
其中所述继电器装置至少包括三个继电器，所述三个继电器中每一个继电器都包括控制线圈以及由相应控制线圈操作的第一开关触点和第二开关触点，并且每个AC端子都经由第一开关触点之一和第二开关触点之一连接到所述电网，所述第一开关触点和所述第二开关触点被分配到所述三个继电器中不同的继电器。
15.如权利要求14所述的逆变器，其中所述逆变器是光伏逆变器。
16.如权利要求14所述的逆变器，其中所述继电器装置被集成到所述逆变器的外壳中。
17.一种继电器装置，用于将逆变器从具有三个带电线的三相电网断开，所述继电器装置至少包括三个继电器，所述三个继电器中每一个继电器都包括控制线圈以及由相应控制线圈操作的第一开关触点和第二开关触点，其中所述第一开关触点和所述第二开关触点被分配到所述三个继电器中不同的继电器。
18.如权利要求17所述的继电器装置，其中所述继电器装置包括自启动开关。
19.如权利要求17所述的继电器装置，其中所述三个继电器中每个继电器能够由相应的继电器驱动器独立地操作。
20.如权利要求19所述的继电器装置，其中每个继电器驱动器都被配置成只有出现控制单元的设置信号和看门狗装置的中断信号时才操作相应的继电器。
21.如权利要求20所述的继电器装置，其中所述控制单元持续地受到看门狗装置的监控。
22.如权利要求20所述的继电器装置，其中每个继电器驱动器都被配置成由所述控制单元的测试信号来监控。
23.如权利要求22所述的继电器装置，其中在出现测试信号时中断用于所述控制线圈的继电器控制信号，其中中断的持续时间被选择为足够短以防止所述第一开关触点和所述第二开关触点的断开，其中所述控制单元评估所述控制线圈对测试信号的响应。
24.一种逆变器电路，用于将DC电压转换成三相的电网频率的AC电压，所述逆变器电路具有继电器电路，所述继电器电路位于DC/AC转换器和供电网(NE)之间并且被实现为用于带电线(L1、L2、L3)的电连接断开的断开点，其特征在于：
所述继电器电路包括三个双极继电器(R1、R2、R3)，其中每个继电器(R1、R2、R3)包括一个控制线圈(Sp1、Sp2、Sp3)和各与一个控制线圈(Sp1、Sp2、Sp3)相关联的两个继电器触点(K1a、K1b；K2a、K2b；K3a、K3b)，
在任何情况下，一个继电器(R1)的仅仅一个继电器触点(K1a)串联连接到另外两个继电器之一(R2)的一个继电器触点(K2b)，
从而总是为每个带电线(L1、L2、L3)提供独立启动的两个继电器触点(K1a、K2b)。
25.如权利要求24所述的逆变器电路，其特征在于，所述继电器电路被实现为自动断开点。
26.如权利要求24或25所述的逆变器电路，其特征在于，所述继电器电路被集成在逆变器外壳中。
27.如权利要求24或25所述的逆变器电路，其特征在于，每个继电器(R1、R2、R3)都被实现为电路板上的继电器。
28.如权利要求24或25所述的逆变器电路，其特征在于无变压器的实现方式。
29.如权利要求24或25所述的逆变器电路，其特征在于，每个控制线圈(Sp1、Sp2、Sp3)都能够由控制单元(BFS)通过启动/控制电路(RT)来单独启动。
30.如权利要求29所述的逆变器电路，其特征在于，所述逆变器电路还包括每个控制线圈(Sp1、Sp2、Sp3)的启动电路(RT)和“与”门(G1、G2、G3)，其中每个“与”门的输出端连接到所述启动电路(RT)，每个“与”门的一个输入端经缆线连接到控制单元(BFS)并且每个“与”门的另一个输入端连接到看门狗模块(W)，使得只有同时提供控制单元(BFS)的设置信号(SET K1、SET K2、SET K3)以及看门狗模块的中断信号(SAFE BREAK)时才启动每个控制线圈(Sp1、Sp2、Sp3)。
31.如权利要求30所述的逆变器电路，其特征在于，所述控制单元(BFS)持续地受到看门狗模块(W)的监控。
32.如权利要求30或31所述的逆变器电路，其特征在于，每个启动电路(RT)能通过控制单元(BFS)的测试信号(RTS)启动。
33.如权利要求32所述的逆变器电路，其特征在于，在启动电路(RT)处提供的继电器控制信号被测试信号(RTS)中断这样一个短的时间，即使得不发生触点连接断开；控制单元(BFS)分析控制线圈(Sp1、Sp2、Sp3)处对测试信号(RTS)的响应。
34.如权利要求24或25所述的逆变器电路，其特征在于作为光伏逆变器(1)的实现方式。
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