CN102751779A - 用于自动在替换能源和公共电网之间切换的转换开关 - Google Patents

用于自动在替换能源和公共电网之间切换的转换开关 Download PDF

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Abstract

被配置用于连接到诸如风轮机或者太阳电池板的非传统的全时间使用的或者间断使用的电源的自动转换开关选择性地连接作为主电源的该非传统的电源和作为次电源的公共得到的(utility-derived)电源。间断使用的电源包括诸如DC电池组的能量存储设备，以在低能量产生时段期间补充电力输送。该电力经由DC-AC变压器提供给AC负载。转换开关包括监视能量存储设备上的电压电平的输入端，并且当能量存储设备上的电压电平落到预设电平以下时将从主电源切换到公共电源。因此，超过变压器的额定值的负载状态将不会使变压器故障或者限制负载可用的电力。

Description

用于自动在替换能源和公共电网之间切换的转换开关
本申请要求2011年4月20日提交的美国临时申请第61/477,399号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
在此公开的主题涉及用于自动在主电源和次电源之间切换的转换开关。更具体地，公开了用于自动在替换能源(alternative energy source)和公共电网(utility grid)之间切换的转换开关。
背景技术
历史上，已知提供转换开关以在公共电网不正常工作的情况下将负载从公共电网自动转换到备用发电机(generator)。例如，监视公共电网上存在的电压，如果该电压落到预设值以下，则转换开关切换到备用电源，比如发电机。此外，自动转换开关可以在将负载连接到发动机之前向发电机提供信号以启动引擎，并等待直到发电机正常工作。
随着替换电源及其相关联的电力转换设施的发展，可能希望提供除了公共电网之外的电源作为主电源。可以选择诸如光生伏打阵列(photovoltaicarray)或者风轮机的替换能源。但是，来自这样的替换源的电源是依赖于在给定时间存在的日光量或者风力而可变的。结果，替换的能源通常与能量存储设备组合使用。因为能量存储设备存储并提供DC电压，所以提供将DC电压转换为适于与负载连接的AC电压的变压器。
但是，传统的自动转换开关并不太适合于其中主要能源是替换能源并且次级能源是公共电网的应用。如上所述，典型的自动转换开关监视主要能源的电压电平，并且当该电压电平落到最小值以下时切换到次级源。但是，提供AC电压的变压器将尝试调整输出电压以维持标定AC电压，例如120VAC。如果替换能源不产生足够的电力来供应负载并且电池已经用尽，则变压器将经历故障状态并停机。需要人工介入来复位变压器，使自动转换开关的目的落空。此外，由于可变的能量产生，预期将需要比公共电网作为主要能源时更频繁地从替换能源切换到公共电网。
因此，希望提供适合于在替换能源作为主要能源并且公共电网作为次级源时使用的自动转换开关。
发明内容
在此公开的主题涉及配置用于连接到诸如风轮机、水轮机和太阳能电池板的非传统的、全部时间使用或间断使用的电源的自动转换开关。这些非传统电源的电力输出可以用于对DC电池组充电、直接对负载供电或者这些的组合。经由DC到AC变压器向AC负载提供电力。该转换开关被配置使得变压器得到的电力是主电源，并且公共电网得到的电力是备用电源。该转换开关在这两个电源在正常操作下都可用的假设下而工作。
当非传统电源不能维持满足负载需要的足够输出电力时，该转换开关将从变压器切换到公共电网。因为当电源不能产生提供给负载的所有电力时，DC电池补充电力，所以DC电池中剩余的能量提供非传统电源是否可以为负载提供足够的输出电力的指示。随着DC电池中的能量水平的降低，在电池的端子上呈现的DC电压通常也降低。通过检测电池组DC电压何时降到预设电平以下，该转换开关可以在变压器达到故障状态并停机之前切换电源。当负载电流超过变压器的额定值时但是在变压器达到故障状态并停机之前，该转换开关也将从变压器切换到公共电网。因此，超过变压器的额定值的临时负载情况将不会引起变压器的故障或者限制负载可用的电力。
根据本发明的一个实施例，一种用于选择性地将负载连接到作为主电源的替换能源和能量存储设备以及作为次电源的公共电网的开关包括：第一输入端，被配置为接收与能量存储设备中的能量水平对应的信号。至少一个致动器选择性地将主电源或次电源连接到该负载，以及电路产生作为能量存储设备中的能量水平的函数的、用于致动器选择性地将主电源或者次电源连接到该负载的控制信号。
根据本发明的另一方面，第二输入端被配置为接收与次电源的操作状态对应的信号，并且该电路还将致动器的控制信号产生为次电源的操作状态的函数。如果能量存储设备中的能量水平在预定阈值以下并且如果次电源的操作状态在预定范围内，则该电路产生的控制信号可以启动从主电源到次电源的转换。
根据本发明的另一方面，第三输入端被配置为接收与负载汲取的电流的量值对应的信号，并且所述电路还将该致动器的控制信号产生为负载汲取的电流的函数。如果次电源的操作状态在预定范围内并且如果能量存储设备中的能量水平在预定阈值以下或者负载汲取的电流的量值在预定阈值以上，则所述电路产生的控制信号可以启动从主电源到次电源的转换。
根据本发明的另一实施例，用于选择性地将第一电源和第二电源连接到负载的自动转换开关包括：第一输入端，电连接到第一电源；第二输入端，电连接到第二电源；以及输出端，电连接到负载。该第一电源包括替换能源和能量存储系统。至少一个致动器选择性地将第一输入端和第二输入端之一连接到该输出端。第一传感器测量与该第一电源的能量存储系统中的能量水平对应的第一操作参数；以及第二传感器测量该第二电源的第二操作参数。电路向致动器提供作为该第一和第二操作参数的函数的控制信号以将第一输入端或第二输入端连接到该输出端。
根据本发明的另一实施例，一种选择性地将负载连接到包括能量存储设备的第一电源或者连接到第二电源的方法，该方包括步骤：测量该能量存储设备中的能量的水平；如果该能量存储设备中的能量的水平大于预定阈值，则将该负载连接到第一电源；以及如果该能量存储设备中的能量的水平小于该预定阈值，则将该负载连接到第二电源。
附图说明
在附图中例示了在此公开的主题的各个示例实施例，附图中，通篇相同的参考标记表示相同的部分，并且其中：
图1是本发明的一个实施例的框图表示；
图2是例示根据本发明的一个实施例的转换开关的自动切换的流程图；
图3是并入了本发明的一个实施例的示例配电面板；
图4是移除封盖的图3的示例配电面板；以及
图5是控制根据本发明的一个实施例的转换开关的电路的框图表示。
在描述附图中例示的本发明的优选实施例时，为了清楚，将采取具体术语。但是，不意图将本发明限制于因此选择的具体术语，并且可以理解，每个具体术语包括以类似方式工作以实现类似目的的所有技术等效物。例如，经常使用词语“连接”、“附接”或与其类似的术语。它们不限于直接连接，而是包括通过其他元件连接，这样的连接被本领域技术人员视为是等效的。
具体实施方式
参考在以下描述中详细描述的非限制性实施例更全面地说明在此公开的主题的各个特征以及有益细节。
参考图1，电力产生系统10可以包括多个电源。电源可以是根据具体环境或应用需要的电源的任意适当组合。诸如光生伏打阵列的直流(DC)电源12产生具有DC电压的电力。该DC电压可以直接提供给DC总线20，也称为DC分发系统/网络或者DC链接，或者该DC电压可以经由DC到DC电力转换器22提供给DC总线20。诸如风轮机、水轮机等的交流(AC)电源14产生具有AC电压的电力。该AC电压经由AC到DC转换器24提供给DC总线20。因为这些替代的能源的每一个产生可变的电量，因此诸如电池的能量存储设备16也经由电力转换器26连接到DC总线20。电力转换器26管理在DC总线20和能量存储设备16之间的双向电力流，使得当电源产生超过负载38所需的能量的能量时，对能量存储设备16充电，并且当电源产生比负载38所需的能量更少的能量时，能量存储设备16放电，向负载38提供电力或者补充提供给负载38的电力。另外，与公共电网35的连接也是可用的。
提供转换开关40以选择性地将电负载38连接到电源。转换开关40包括第一输入端42和第二输入端44，每个输入端被配置为建立与电源之一的电连接。转换开关40还包括输出端46，被配置为建立与负载38的电连接。图1是线路图并且通过单线例示了输入端42和44以及输出端46中的每一个。不过，考虑每个端子可以包括单个连接或者多个连接(例如两个端子)以根据应用要求选择性地在单个电源线之间或者在多个电源线之间转换连接。根据另一实施例，来自每个源的一条电源线可以选择性地连接到负载，而来自每个源的另一电源线可以接合到公共连接。
根据本发明的一个实施例，第一输入端42连接到替换的能源，比如风轮机、水轮机或者光生伏打阵列，第二输入端44连接到公共电网35。再次参考图1，一个或多个AC能源14、一个或多个DC能源12、能量存储设备16或它们的任意组合可以连接到DC总线20。DC总线20经由变压器30连接到转换开关40，该变压器30将在DC总线20上存在的DC电压转换为适合于提供给负载38的AC电压。变压器30的输出端连接到转换开关40的第一输入端42。
开关51选择性地将第一输入端42或者第二输入端44连接到输出端46。尽管开关51被例示为单极双掷开关，但是可以使用任何适当的配置来连接各端，例如(非限制性地)双极单掷开关或两个单极单掷开关。第一输入端42电连接到开关51上的第一输入端52。第二输入端44电连接到开关51上的第二输入端54。来自开关51的输出端56电连接到输出端46。开关51的触点53可以机械或电控制以选择性地将开关51的输入端52或54之一连接到输出端56。可以通过可由操作者访问以在两个输入端52和54之间切换开关51的触点53的操作杆来提供机械操作。可由诸如螺线管的致动器或者被选择性地通电以在两个输入端52和54之间移动开关51的触点53的一对致动器来提供电操作。
转换开关40还包括控制电路50，其产生至少一个控制信号55以选择性地在开关51的第一输入端52或第二输入端54之间定位触点53。控制电路50从监视连接到转换开关40的电源的操作性能的多个传感器接收输入信号。根据本发明的一个实施例，如图1和图5所示，第一电压传感器62监视来自变压器30的AC输入电压的幅度。第二电压传感器64监视来自公共电网35的AC输入电压的幅度。电流传感器66监视由负载38汲取的电流的幅度。第三电压传感器68监视在能量存储设备16处存在的DC电压的幅度。根据本发明的替换实施例，考虑电压和/或电流传感器可以位于电力系统10的替换位置中或者替换组合中以监视电源的操作性能。
也参考图2，在步骤110，控制电路50从每个传感器读取指示每个电源的操作状态的值。在步骤120，控制电路50检查能量存储设备16处的电压电平处于可接受的电平。在能量存储设备16被放电时，DC电压的幅度开始下降。能量存储设备的放电表明替换的能源未产生满足负载38的电力需求的足够能量。如果能量存储设备中剩余的电荷落到最小电平以下，其不再能够完全补充替换能源以满足负载38的需求。在此操作点，变压器30将尝试维持AC输出电压的命令的量值；但是，随着在变压器30的输入处的电力不足，变压器可能进入故障状态，要求人工复位。为了防止变压器30进入故障状态，控制电路50可以预配置阈值，不希望允许能量存储设备16处的DC电压下降到该阈值以下。
如果能量存储设备16的DC电压电平大于阈值，则控制电路50前进到步骤130，并检查被负载38汲取的电流的幅度。控制电路50可以预配置最大电流值，不希望在该最大电流值以上操作变压器30，因为变压器通常具有短期电流额定值以及长期电流额定值。通过监视负载38汲取的电流的幅度，如果例如汲取的电流超过变压器30的长期电流额定值但是在电流超过变压器30的短期电流额定值、导致变压器30进入故障状态之前，转换开关40可以将负载38从替换能源断开并将负载38重新连接到公共电网35。如果能量存储设备16处的DC电压电平以及负载38汲取的电流两者都在操作限度内，则控制电路50产生控制信号55以将替换能源连接到负载38，如步骤150处所示。
如果能量存储设备16的电压电平小于阈值电平，则控制电路50前进到步骤140并检查公共电网35提供的AC电压的量值。类似地，如果能量存储设备16的DC电压电平在阈值电平以上而负载38汲取的电流超过其设置点，则控制电路50再次前进到步骤140并检查公共电网35提供的AC电压的量值。控制电路50可以预配置有针对来自公共电网35的AC电压的最小和/或最大值。如果来自公共电网35的AC电压操作在可接受的电平，则控制电路50产生控制信号55以将公共电网35连接到负载38，如步骤160所示。在将负载38连接到公共电网35之前检验公共电网35工作在可接受的参数内降低了对构成负载38的电系统或设备的损坏的可能性。
如果电源都未工作在期望的参数内，则控制电路50产生控制信号55以将替换能源连接到负载38，如步骤150所示。例如，如果能量存储设备16的DC电压电平小于变压器的操作需要的最小电压，或者负载汲取的电流超过变压器的操作希望汲取的最大电流，公共电网35也不在可接受的操作参数内，则继续从替换能源提供电力可以延长可以将电力提供给负载38的持续时间。变压器30将尝试维持命令的输出电压，并提供所需的电流，只要来自主电源的能量允许并且只要电流不超过变压器30的短期超载。因此，如果公共电网38不可用，则保持主电源连接到负载38可以允许在电压临时骤降(dip)或者电流尖峰期间提供电力。但是，如果公共电网35仍不可用并且主电源在其期望的操作参数以外太长时间，则变压器30将必然故障以防止损坏变压器30。
以周期或持续为基础进行图2例示的步骤。还参考图5，可以以数字或者模拟方式实现控制电路的组件。监视主电源或次电源的性能的每个传感器向控制电路50提供模拟信号。例如使用运算放大器实现的比较器将该信号与参考值相比较以确定每个电源是否工作在可接受的范围内。运算放大器的输出可以驱动离散逻辑门以及螺线管驱动器电路150或160。螺线管驱动器电路150或160致动螺线管170或180以选择性地定位开关51并将主电源或者次电源连接到负载38。因此，模拟电路可以持续监视每个电源的操作状态并据此选择适当的电源。可选地，控制电路50的一部分可以数字地在例如场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)中或者微处理器内实现。因此，数字电路可以根据设备内的指令执行而周期地监视操作参数。
无论如何实现，都希望在主电源和次电源之间的转换足够迅速地发生以避免负载38处的电力的可观察到的中断。因为转换开关40被配置为连接到作为主电源的可变的或者间断的能源并且连接到作为次要能源的公共电网，所以考虑转换开关40将需要比传统转换开关更频繁地在主电源和次电源之间切换。此外，除了在第一电源故障的情况下单独作为备用系统，这样的转换可以发生在正常操作状态下。希望在需要时，转换开关40断开主电源并迅速地重新连接次电源以最小化或者消除明显的切换指示，例如灯的闪烁或者电视画面的临时中断。结果，使用模拟电路设备实现控制电路50可以提供改进的响应性以及快速的切换能力。
应该理解，本发明在其应用方面不限于在此所述的结构的细节和组件的布置。本发明能够有其他实施例并且能够按各种方式实践或执行。对以上内容的变化和修改在本发明的范围内。还应理解，在此公开和定义的本发明扩展到所述的以及根据本文和/或附图显而易见的各个特征中的两个或多个的所有替换组合。所有这些不同的组合构成本发明的各个替换方面。在此所述的实施例说明了已知用于实践本发明的最佳模式，并将使本领域技术人员能够利用本发明。

Claims (18)

1.一种开关，用于选择性地将作为主电源的替换能源和能量存储设备以及作为次电源的公共电网连接到负载，该开关包括：
第一输入端，被配置为接收与能量存储设备中的能量水平对应的信号；
至少一个致动器，选择性地将主电源和次电源之一连接到该负载；以及
电路，产生作为能量存储设备中的能量水平的函数的、用于致动器选择性地将主电源或者次电源连接到该负载的控制信号。
2.如权利要求1的开关，其中如果能量存储设备中的能量水平在预定阈值以下，则该电路产生的控制信号启动从主电源到次电源的转换。
3.如权利要求1的开关，还包括第二输入端，被配置为接收与次电源的操作状态对应的信号，其中所述电路还将用于致动器的控制信号产生为次电源的操作状态的函数。
4.如权利要求3的开关，其中如果能量存储设备中的能量水平在预定阈值以下并且如果次电源的操作状态在预定范围内，则该电路产生的控制信号启动从主电源到次电源的转换。
5.如权利要求3的开关，还包括第三输入端，被配置为接收与所述负载汲取的电流的量值对应的信号，其中所述电路还将用于致动器的控制信号产生为所述负载汲取的电流的函数。
6.如权利要求5的开关，其中如果次电源的操作状态在预定范围内并且如果能量存储设备中的能量水平在预定阈值以下或者所述负载汲取的电流的量值在预定阈值以上，则所述电路产生的控制信号启动从主电源到次电源的转换。
7.如权利要求1的开关，其中所述电路包括模拟电设备。
8.一种自动转换开关，用于选择性地将第一电源和第二电源连接到负载，该自动转换开关包括：
第一输入端，电连接到第一电源，其中该第一电源包括替换能源和能量存储系统；
第二输入端，电连接到第二电源；
输出端，电连接到所述负载；
至少一个致动器，选择性地将第一输入端和第二输入端之一连接到所述输出端；
第一传感器，测量与第一电源的能量存储系统中的能量水平对应的第一操作参数；
第二传感器，测量第二电源的第二操作参数；以及
电路，向致动器提供作为第一和第二操作参数的函数的控制信号以将第一输入端或第二输入端连接到输出端。
9.如权利要求8的自动转换开关，其中第一传感器测量能量存储系统的DC电压电平，并且如果该DC电压电平在预定阈值以下，则所述电路启动从第一电源到第二电源的转换。
10.如权利要求9的自动转换开关，其中第二电源是公共电网，第二传感器测量公共电网的AC电压电平，并且如果该AC电压电平在希望的操作范围之外则所述电路中止从第一电源向第二电源的转换，并且如果该AC电压电平在希望的操作范围内，则所述电路完成从第一电源到第二电源的转换。
11.如权利要求8的自动转换开关，还包括第三传感器，其测量负载的第三操作参数。
12.如权利要求11的自动转换开关，其中所述第三操作参数是由负载汲取的电流值，并且如果该电流值在预定阈值以上，则所述电路启动从第一电源到第二电源的转换。
13.如权利要求12的自动转换开关，其中所述第二电源是公共电网，所述第二传感器测量公共电网的AC电压电平，并且如果该AC电压电平在希望的操作范围之外，则所述电路中止从第一电源向第二电源的转换，并且如果该AC电压电平在希望的操作范围内，则所述电路完成从第一电源到第二电源的转换。
14.如权利要求8的自动转换开关，其中所述电路包括模拟电设备。
15.一种选择性地将负载连接到包括能量存储设备的第一电源或者连接到第二电源的方法，该方法包括步骤：
测量该能量存储设备中的能量的水平；
如果该能量存储设备中的能量的水平大于预定阈值，则将该负载连接到第一电源；以及
如果该能量存储设备中的能量的水平小于该预定阈值，则将该负载连接到第二电源。
16.如权利要求15的方法，其中该第二电源是公共电网，并且还包括测量公共电网上存在的电压的幅度的步骤，以及其中仅在公共电网上存在的电压在可接受范围内时才进行将负载连接到第二电源的步骤。
17.如权利要求15的方法，还包括测量由负载汲取的电流的量值的步骤，其中：
如果能量存储设备中的能量的水平大于最小能量水平并且由负载汲取的电流的幅度小于最大电流水平，则进行将负载连接到第一电源的步骤；以及
如果能量存储设备中的能量的水平小于最小能量水平或者由负载汲取的电流的幅度大于最大电流水平，则进行将负载连接到第二电源的步骤。
18.如权利要求17的方法，其中该第二电源是公共电网，还包括测量在公共电网上存在的电压的幅度的步骤，以及其中仅在公共电网上存在的电压在可接受的范围内时才进行将负载连接到第二电源的步骤。
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