CN102832636B - 分布式光伏系统的安全控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制光伏发电装备的系统，其包括每个都装备有连接到DC母线的DC/DC微转换器的多个光伏组件、DC母线管理器和用于将来自光伏电池板的直流电转换为供配电网络使用的交流电的逆变器。根据本发明的设备的特征在于，当DC母线的电压小于最低电压Vm时，用于管理DC母线的装置被配置以向DC母线注入电力，直到达到最低电压Vm，从该最低电压Vm的电平起中断电力的注入，并且其特征在于，每个所述微转换器被配置以当DC母线的电压介于第一电压Vb和第二电压Vc之间时，向DC母线注入来自光伏组件的最大电力，且当DC母线的电压小于低阈值电压Va或大于高阈值电压Vd时，停止向DC母线注入来自光伏组件的电力，其中0<Va<Vm<Vb<Vc<Vd。

Description

分布式光伏系统的安全控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于管理光伏发电站(photovoltaic electricity productionplant)的控制的系统。更具体地，本发明提出了用于光伏发电装备的控制和安全性机制，所述机制不需要任何用于其各种部件与彼此通信的集成通信系统。

背景技术

在一种已知的方式中，光伏发电机(photovoltaic generator)由光伏电池板(panel)和逆变器构成。逆变器用于将来自光伏电池板的直流电转换为供配电网络使用的交流电。

为了形成光伏发电站，光伏电池板被串联连接以增加电压并形成光伏电池板串(string)，所述光伏电池板串并联连接以增加电力并形成组(group)。在逆变器的输入处可以并联连接若干个组以形成光伏发电机。

光伏电站的这种组织模式显出各种局限。首先，由于树、墙等引起的在光伏电池板上的任何阴影将改变电气特性并降低在其中包括被遮挡的电池板的串的电力生产。因为再也无法保证电压的平衡，所以这个串将干扰包括其在内的组中的其他串。在组成电池板的光伏电池上的尘埃也可以导致此类表现。

此外，形成所述光伏发电机的光伏组件(photovoltaic module)必须总是具有一致的特性。所使用的光伏组件的任何特性上的不匹配都可以导致发电机的生产率的降低，尽管是在一个次要的程度上。

因为电压是由光伏串或组设定的，所以另一个缺陷在于即使逆变器停止或处于从配电网络断开的情况下，电压总是存在于光伏电池板所提供的DC母线上。这增加了电气安全性问题，例如当应急小组在电站(plant)上操作时。

为了克服这些约束，一种想法在于将电力转换器与光伏组件组合。借助于这些转换器，实际上可能降低一个光伏组件对发电机的其他组件的生产率的影响。

在现有技术中，已经开发了包括电力转换器的光伏发电机。专利申请US2009/0150005特别描述了这些解决方案。该文献描述了一种光伏发电机，其实现光伏电池板中所集成的DC/DC电力转换器，且该DC/DC电力转换器并联到由所述电池板提供的DC母线。根据该技术，使用额外的中央组件经由集成于由光伏电池板提供的电力母线中的通信网络驱动整个电站。专利申请US2009/0150005的公开描述了经由所述通信网络的光伏组件的控制。

另一已知技术依赖(rely)DC/DC电力转换器的使用以提高光伏电池板的电压到由所述电池板提供并由逆变器调节的母线电压，例如在250V到340V之间。每个光伏组件借助通信组件经由载波电流通信以便传送电气值并接收根据情况的启动或停止指令。专利申请WO2009/082708因此公开了集成通信网络的使用，通过载波电流或无线地通信以控制光伏发电机的电力转换器。

全部这些已知光伏系统的分布结构的主要缺陷在于光伏电池板中所集成的电子设备的复杂性，其导致电力生产上的故障的不利可能。属于现有技术的系统及上述系统依靠于它们的集成通信系统的正确操作，因为正是该系统授权电力的生产。此功能所需的电子部件因而对系统是关键性的且促使调低光伏发电系统的可用性和生产率。

因此本发明的目的是对现存技术提出替代解决方案，其通过控制在整个操作阶段都具有安全表现且无需求助于通信系统的光伏发电装备的系统。

发明内容

本目的是通过一种用于控制光伏发电装备的系统来完成的，其包括：

至少一个DC/DC微转换器，其连接到DC母线和连接到光伏组件；

逆变器，用于将来自所述DC母线的直流电转换为供配电网络使用的交流电；

而且，所述至少一个微转换器包括用于独立地确定注入到所述DC母线的所述电力电平作为所述DC母线的电压电平的函数的装置；当所述DC母线的电压小于低阈值电压Va或大于高阈值电压Vd时，所述至少一个微转换器停止从所述光伏组件向DC母线的电力的注入；而且，根据本发明的所述系统包括用于管理所述DC母线的装置，所述用于管理所述DC母线的装置被配置以当所述DC母线的电压小于最低电压Vm时，向所述DC母线注入电力，直到达到所述最低电压Vm，从所述最低电压Vm的电平起，中断所述电力的注入。

有利地，所述至少一个微转换器被配置以：

当DC母线的电压介于第一电压Vb和第二电压Vc之间时，向DC母线注入来自光伏组件的最大电力；

当DC母线的电压小于低阈值电压Va或大于高阈值电压Vd时，停止向DC母线注入来自光伏组件的电力；

其中0<Va<Vm<Vb<Vc<Vd。

有利地，用于管理DC母线的装置可被配置成使得，当DC母线的电压大于阈值电压Vs，所述阈值电压Vs大于第二电压Vc且小于高阈值电压Vd时，所述用于管理DC母线的设备触发至少等于两倍逆变器启动时间的超时，并且在所述超时的结尾，启动借助于合适的放电系统放电DC母线的过程。

根据本发明的一个实施例，所述用于管理DC母线的装置被包含在逆变器中。

根据本发明的另一个实施例，用于管理DC母线的特定设备不同于逆变器且供应有电力，其形成所述用于管理DC母线的装置。

有利地，用于管理DC母线的设备包括所述用于对DC母线放电的系统。

有利地，用于管理DC母线的设备还包括用于只在白天时间启动根据本发明的设备的天文时钟(astronomical clock)。

有利地，所述至少一个微转换器还被配置以当DC母线的电压小于低阈值电压Va或大于高阈值电压Vd时被自动地置于待命模式。

附图说明

参照附图，其他特征和优点将在下面的详细描述中变得清晰，附图表示：

-图1A：表示根据本发明的设备的第一实施例的简单图示；

-图1B：表示根据本发明的设备的第二实施例的简单图示；

-图2：表示被注入给系统的DC母线的电力的图示，其使能根据将被描述的本发明的设备的全面操作；

-图3A到3D：基于图2的图示的图示，且使能根据将被描述的本发明的设备的各种操作阶段。

具体实施方式

图1A和图1B表示本发明的两个主要实施例。关于每个光伏组件PV，存在关联的DC/DC升压微转换器C。这些微转换器C并联连接并且连接到中央逆变器INV、INV’。

根据图1A的实施例，根据本发明的设备包括特定的最佳逆变器INV’。

根据图1B的实施例，根据本发明的设备包括标准逆变器INV，其关联叫做“DC母线管理器”的特定组件MNG，该特定组件对应于管理DC母线BUS的装置MNG。

在这两种情况下，特定物项-特定逆变器INV’或DC母线管理器MNG驱动并调节DC母线BUS。

微转换器C在电流源模式下操作并从光伏组件PV中汲取电力以便供应电力到逆变器INV、INV’，该逆变器INV、INV’将电力注入到配电网络R。

关于原理，本发明的一个基本特征在于以下事实：每个微转换器C能够仅通过读取DC母线BUS上的电压电平而无需求助于与逆变器INV’或DC母线管理器MNG通信的任何系统就能够独立地决定其运行模式。

在以下的描述中，描述图1B的特殊实施例的操作，其中根据发明的设备包括DC母线管理器MNG。显然的是，可以完美地变换以下描述的操作到图1A的情况，其中特定逆变器INV’包括管理DC母线BUS的装置。

图2表示根据本发明的设备的一般操作的图示。更具体地，图2表示具有如下的图示：

·纵坐标：被注入到DC母线BUS的电力P：

○来自光伏组件PV，经由微转换器C，对应于图示上的电力Epv；

或：

○来自DC母线管理器MNG，对应于图示上的电力Em，

·横坐标：DC母线BUS的电压V。

因此，只要DC母线管理器MNG的电压电平低，DC母线管理器MNG就能够向DC母线BUS注入少量电力。这个电力将DC母线BUS充电到最低电压电平Vm。当达到这个电平时，中断DC母线管理器MNG的电力注入。

每个微转换器C被编程以当母线电压在第一电压Vb和第二电压Vc之间包含的范围之内时，向DC母线BUS传送最大的电力。在该范围以外，微转换器C限制从光伏组件PV向DC母线BUS传送的电力。在低于低阈值电压Va和高于高阈值电压Vd时，微转换器被置于待命模式，停止转换并因而停止从光伏组件PV向DC母线BUS的电力的注入。以上电压满足下列关系：0<Va<Vm<Vb<Vc<Vd。

另一方面，DC母线管理器MNG装备有连接到网络R的电力供应。可选地，进一步提供未表示出的内部天文时钟，其使得DC母线管理器MNG仅在白天时间能够启动光伏发电系统。

优选地，DC母线管理器MNG也包括用于对DC母线BUS放电的专用系统。该DC母线管理器MNG也可以包括用于测量注入到逆变器INV的直流电的装置。

图3A到图3D表示根据本发明的设备的各种操作阶段。

在图3A的情况下，电站处于启动阶段，例如在黎明。例如在来自在设备中可以包含的天文时钟的信号的基础上，如果网络R可用，则DC母线管理器MNG被加电。随后DC母线管理器MNG一直对DC母线BUS充电，直到达到对应于图3A上的点11的最低电压Vm。

选择小于逆变器的操作范围Vb-Vc的电压Vm，从而逆变器INV在该启动阶段不启动且不对DC母线BUS放电，这在没有充足光照的日子里将会是电力的恒定损耗。

但是，因为只要有光照且只要母线的电压大于低阈值电压Va，所述微转换器C就开始向DC母线BUS注入电力以便使其电压电平上升，所以最低电压Vm在微转换器C的启动范围之内，因此大于Va。

逆变器INV通常需要30秒(in the order of)的启动时间，其引起这期间内DC母线BUS中能量的累积。DC母线BUS的电压电平非常迅速地达到大于第二电压Vc的电压(逆变器操作范围的上限)，从而迫使微转换器C限制对DC母线BUS的电力注入。DC母线BUS的电压被稳定在平衡点，为此，在逆变器INV耦接到配电网络R之前，来自微转换器C的电力供应等于逆变器INV的消耗，对应于图3A上的点12。

只要逆变器INV开始提供交流电给配电网络R，DC母线BUS的电压就再次减小并最终被安置在稳定区Vb-Vc，在逆变器向网络R注入最大电力的电平上，这对应于图3A中的点13。

图3B表示以下情况，即其中当设备处于额定操作点21时，例如在紧急干涉的情况下，防止逆变器INV向配电网络R注入交流电而切断配电网络R。在此情况下，一方面逆变器INV从网络R断开，且另一方面DC母线管理器MNG对DC母线BUS放电。典型地通过未表示的阻抗完成这个放电，其被配置为：在小于微转换器C重启注入需要的时间内，DC母线BUS的电压下降到低阈值电压Va以下。这个持续时间典型地是2秒(in the order of)。这个放电具有停止全部微转换器C的效果。DC母线BUS随后保持在停止电压，该停止电压接近于光伏组件PV的开路电压Voc，典型地是40V(in theorder)，对应于图3B中的点22。只要网络R未提供DC母线管理器MNG，这种状态持续(endure)。当网络R恢复时，如果有充足的光照，如果需要的话电站切换回启动阶段。

因为当配电网络R缺失时没有电路处于危险电压，所以图3B所传达的、由根据本发明的设备使其可能的这种操作模式显出了让电站在紧急干涉事件中完全地安全的优势。

图3C表示对应一种情况的操作模式，在该情况下，当逆变器INV处于额定操作点31时，由于异常而停止逆变器INV。

当逆变器INV有故障或当其探测到从网络R去耦接的情况时，例如如果网络频率处于它的公差范围之外或在孤立问题的事件中等，这个可以发生。在那种情况下，逆变器INV停止向网络R注入交流电。结果，DC母线BUS的电压增加直到其稳定在对应于点32的平衡点上，如同启动的情况，全部的微转换器C仅提供由逆变器INV消耗的电力。在一个优选实施例中，略微小于高阈值电压Vd的电压阈值Vs的跨越触发了DC母线管理器MNG的超时，这允许从启动的情况中区分出这个情况。这个超时典型地可以是2分钟。在这个超时的结尾，DC母线管理器MNG启动用于对DC母线BUS放电的过程，其停止电站并维持DC母线BUS处于光伏组件的开路电压Voc上，对应于点33。

根据实施例，在手动重启之前或在若干分钟(典型的是大约15分钟)的超时的结束之前，一直挂起DC母线BUS的重新充电。DC母线BUS的重新充电引起下列两种过程的一种：如果逆变器INV处于重新开始向网络R注入交流电的位置，则图3A中所描述的启动过程，或者倘若有确定的异常，其阻止逆变器INV向网络R注入交流电，就彻底停止电站的过程。

可选地，在不知道如何区别由注入逆变器INV的过量电力引起(linkedto)的电压的上升和逆变器INV的停止的风险的情况下，根据本发明的设备可以提供用于测量电力的装置，该电力经由DC母线管理器MNG内的电流测量由微转换器C注入到DC母线BUS。随后这要求如图1B所示地串联连接DC母线管理器MNG，要求DC母线BUS穿过该DC母线管理器MNG。

图3D表示在设备处于额定操作点41时如果发生逆变器INV的过充电的根据本发明的设备的操作。

这发生在以下情况：当由全部微转换器C传递的电力超出逆变器INV可容纳的电力。随后DC母线BUS的电压增加，直到超过第二电压Vc，该第二电压Vc是额定操作范围Vb-Vc的上限。只要过充电的状况持续，那么遵循图3D的图轮廓(profile)，每个微转换器C随后降低其生产且系统稳定在第二电压Vc和高阈值电压Vd之间的片段上，对应于图3D中的点42。在点42处的该电压电平足够远离电压阈值Vs，意味着DC母线管理器MNG未开始对DC母线BUS放电的过程。

最后，如果断开一个或全部微转换器C，电力转换的启动是不可能的，且因此DC母线BUS保持在等于光伏组件PV的最高开路电压的电压电平上，例如40V的值。

当操作期间发生一个或多个微转换器C断开时，即当DC母线BUS被充电时，则每个微转换器C探测到在其输出处的电压的上升和输出电流的取消。接着，微转换器C停止电力转换且它们的输出电压下降。DC母线BUS的电压随后稳定在光伏组件PV的开路电压Voc上。

在所有的情况下，由光伏组件PV提供的微转换器C随后保持在待命状态，并且只要DC母线BUS的电压接着超出低阈值电压Va的电平就准备重启。

在如上所述的全部操作模式中，系统的每个物项都是独立的，以便确定其必须显出哪个表现，不论这是微转换器C、DC母线管理器MNG或逆变器INV、INV’。无需额外的通信设备。此外，根据本发明的设备是永久性地处于最安全的可能配置，特别是在电站紧急停工的情况下。

总而言之，根据本发明的设备允许每个其包含的微转换器C仅通过分析DC母线BUS的电压电平就定义其运行模式，而无需求助用于与逆变器INV、INV’或DC母线管理器MNG通信的系统。已经执行以便允许这类电站中的逆变器INV、INV’的操作的DC母线BUS的电压测量不需要待开发的额外特定部件。降低了对于设备的正确操作关键性的部件的数量且因此设备的可靠性得以提升。

如上所述的优选实施例包括光伏电池板，但是可替代地，DC母线BUS可以通过经由合适的转换器连接到DC母线BUS的其他类型发电机(诸如风力或水力发电机)提供电力。

有利地，根据本发明的系统可以连接到意欲对电动车辆的电池再充电的充电终端。

Claims (7)

1.一种用于控制光伏发电装备的系统，包括：

至少一个DC/DC微转换器(C)，其连接到DC母线(BUS)和连接到光伏组件(PV)；

逆变器(INV、INV’)，用于将来自所述DC母线(BUS)的直流电转换为供配电网络(R)使用的交流电；

其特征在于：

所述至少一个DC/DC微转换器(C)包括用于独立地确定注入到所述DC母线(BUS)的电力的电平作为所述DC母线(BUS)的电压电平的函数的装置；

当所述DC母线(BUS)的电压小于低阈值电压Va或大于高阈值电压Vd时，所述至少一个DC/DC微转换器(C)停止从所述光伏组件(PV)向DC母线(BUS)的电力的注入；

所述系统另外包括用于管理DC母线的装置(MNG，INV’)，其特征在于，所述用于管理所述DC母线的装置(MNG，INV’)被配置以当所述DC母线(BUS)的电压小于最低电压Vm时，向所述DC母线(BUS)注入电力，直到达到所述最低电压Vm，从所述最低电压Vm的电平起，中断所述电力的注入，

所述至少一个DC/DC微转换器(C)被配置以：

当所述DC母线(BUS)的电压介于第一电压Vb和第二电压Vc之间时，向所述DC母线(BUS)注入来自所述光伏组件(PV)的最大电力；

当所述DC母线(BUS)的电压小于低阈值电压Va或大于高阈值电压Vd时，停止向所述DC母线(BUS)注入来自所述光伏组件(PV)的电力；

其中0<Va<Vm<Vb<Vc<Vd。

2.根据权利要求1的系统，其特征在于，用于管理DC母线的装置(MGN，INV’)被配置以，当DC母线(BUS)的电压大于电压阈值Vs时，所述电压阈值Vs大于所述第二电压Vc且小于高阈值电压Vd，所述用于管理DC母线的装置(MNG，INV’)触发至少等于两倍的逆变器启动时间的超时，而且，在所述超时的结尾，启动借助于合适的放电系统对所述DC母线(BUS)放电的过程。

3.根据权利要求2的系统，其中，在所述逆变器(INV’)中包括所述用于管理所述DC母线的装置(MNG，INV’)。

4.根据权利要求2的系统，其中，所述用于管理所述DC母线的装置(MNG)不同于逆变器(INV)且供应有电力，其形成所述用于管理DC母线的装置。

5.根据权利要求4的系统，其特征在于，所述用于管理所述DC母线的装置(MNG)包括所述用于对DC母线放电的所述放电系统。

6.根据权利要求4或权利要求5的系统，其特征在于，所述用于管理所述DC母线的装置(MNG)还包括用于只在白天时间启动所述用于控制光伏发电装备的系统的天文时钟。

7.根据权利要求6的系统，其特征在于，所述至少一个DC/DC微转换器(C)还被配置以当所述DC母线(BUS)的电压小于所述低阈值电压Va或大于所述高阈值电压Vd时被自动地置于待命模式。