CN103026571B - 使用频率选择性接地的光伏双极到单极源电路转换器 - Google Patents

Abstract

公开了用于转换来自双极DC源的功率以提供AC负载的电功率转换器。对于一个这样的实施方式，双极DC源是光伏阵列，且AC功率被注入到电力输电网中。双极光伏阵列具有相对于大地接地的正的和负的电压电位。转换器是不需要在电力输电网接口处的隔离变压器的公用交互式逆变器。本发明的实施方式包括探测和中断光伏阵列中的DC接地故障的方法。

Description

使用频率选择性接地的光伏双极到单极源电路转换器

发明领域

本发明涉及电功率转换器，且更具体地涉及结合其它设备来向AC负载供电而使用的光伏双极到单极源转换器。

发明背景

在美国，国家电气法规(NEC)第690节允许接地和未接地的两种太阳能光伏(PV)阵列配置。由于PV模块绝缘限制，PV阵列的最大电压目前在接地系统中被限制到相对于大地600Vdc，而在未接地系统中被限制到600Vdc。NEC还要求安装在住宅上的PV系统具有探测并中断从PV阵列到大地接地的故障电流的设备。这些故障通常由进入接线盒中的浸水、阵列布线绝缘的恶化或太阳能模块绝缘材料中的故障引起。这样的故障可引起低能量泄漏路径或破坏性的直流电弧。关于接地故障的代码的意图是防火，而不是人身保护。

概述

一个实施方式提供用于选择性地将至少两个单极DC源耦合到大地接地以及单极负载的正端子和负端子和将所述至少两个单极DC源从大地接地以及单极负载的正端子和负端子去耦的装置。双极DC源包括至少两个单极DC源，所述至少两个单极DC源借助到大地接地的公共连接点、到正单极负载端子的正连接和到负单极负载端子的负连接可控制地串联耦合，规定的极性以所述大地接地为基准。频率选择性网络连接在所述公共连接点和所述大地接地之间，所述网络的DC阻抗低于所述网络在预先选择的频率处的AC阻抗，所述预先选择的频率例如电网线频率的整数倍。

在一个实现中，频率选择性网络的DC阻抗足够低以将公共接地连接处保持在如国家电气法规所需的实质上接地电位处，以及AC阻抗足够低以防止双极阵列的共模电位在雷电瞬时频率处升高到大地接地之上。

DC到AC转换器可耦合到双极DC源以将该源的DC输出转换成AC输出，且所述频率选择性网络是并联RLC电路，所述并联RLC电路具有大约三倍于所述AC输出的频率的谐振频率。具体地，所述频率选择性网络是并联RLC电路，其中R、L和C值提供低DC阻抗、最大AC阻抗在大约三倍于所述AC输出的频率的谐振频率处、以及AC阻抗在高于所述谐振频率的频率处较低。频率选择性网络优选地允许所述公共连接点以相对于大地接地的外施共模AC电压、小于在所述公共连接点到大地接地的直接连接时的AC电流的AC接地电流来操作。

一个实施方式包括接地故障探测器和控制器，所述接地故障探测器耦合到所述单极DC源中的每个以当接地故障出现时产生接地故障信号，所述控制器响应于所述接地故障信号来使出故障的单极DC源与所述公共连接点去耦。当出故障的单极DC源与所述公共连接点去耦时，任何无故障的单极DC源优选以在任何无故障的单极DC源的电极处的最高电压浮动，所述最高电压等于所述无故障的单极DC源的相对于大地接地的开路电压的±1/2。

一个实施方式提供用于选择性地将第一单极DC源和第二单极DC源耦合到大地接地以及DC到AC转换器的正端子和负端子和将所述第一单极DC源和第二单极DC源从大地接地以及所述DC到AC转换器的正端子和负端子去耦的方法，所述方法包括：

可控制地耦合所述第一单极DC源和所述第二单极DC源，所述第一单极DC源和所述第二单极DC源的每一个具有正端子和负端子，所述第一单级DC源的所述正端子和所述第二单级DC源的所述负端子连接到DC到AC转换器，所述第一单级DC源的所述负端子和所述第二单级DC源的所述正端子在还连接到大地接地的公共连接点处相互连接，以及

通过频率选择性并联连接的RLC器件的单个网络将所述公共连接点耦合到所述大地接地，所述网络的DC阻抗低于所述网络在预先选择的频率处的AC阻抗。

该方法还可包括防止功率系统随相对于系统接地点的DC共模电压移动，同时允许所述功率系统以与具有AC和DC硬接地的系统相比较而言减小的AC接地电流随相对于所述系统接地点的AC共模电压移动。

从附图和从下面紧接着的详细描述中，本发明的实施方式的其它特征和优点是明显的。

附图的简要说明

从参考附图的优选实施方式的下列描述中将更好地理解本发明，其中：

图1是耦合到大地接地和经由DC到AC转换器耦合到公用输电网的双极DC电源的电气示意图。

图2是图1的系统的一个实施方式的电气示意图，DC到AC转换器被建模为可变负载。

图3是图1的系统的另一实施方式的电气示意图，DC到AC转换器被建模为可变负载。

详细描述

虽然将结合某些优选实施方式描述本发明，应理解，本发明不限于那些特定的实施方式。相反，本发明旨在涵盖可包括在如所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有可选形式、修改形式和等效布置。

图1示出配置有双极DC源和三相DC到AC功率转换器100的系统，双极DC源包括两个单极PV子阵列10和20(例如，每个最大600伏)，而三相DC到AC功率转换器100操作而深入到包括通过公共中性线304连接到大地接地70的三个相301-303的Y型接地的AC公用设施300(例如，480/277伏，60Hz)中。DC到AC转换器100可以是包括六个晶体管/二极管开关和连接到公用设施的三个相301-303的三个滤波电感器的常规6极桥。因为在公用输电网300处的连接是四线Y型接地配置，且DC源也是以大地为基准的，三个相中的每个独立地操作。公用输电网交互式逆变器的控制和调节方法是公知的。

第一PV子阵列10的正端子和第二PV子阵列20的负端子连接到DC到AC转换器100。子阵列10和20的另一端子通过频率选择性RLC网络8连接到大地接地70，用于通过一网络使光伏阵列接地，该网络提供等效于硬接地系统的DC系统保护水平并且还允许PV阵列以共模AC电压移动。在例证性系统中，RLC网络8由并联连接的电感器8A、电阻器8B和电容器8C形成。并联RLC网络8在谐振频率处具有最大的AC阻抗，并且AC阻抗在高于谐振频率的频率处降低。部件8A-8C的值优选地被选择为提供大约三倍于被提供到AC负载的AC功率的线频率的谐振频率(例如，对于60Hz线频率，谐振频率是180Hz)和低于网络在其谐振频率处的AC阻抗的DC阻抗。具体地，并联RLC网络8的DC阻抗优选地足够低以将端子9处的电位保持在双极光伏阵列的国家电气法规所需的实质上接地电位处。谐振频率处的AC阻抗优选地足够低以防止双极阵列的共模电位在雷电瞬时频率处上升到大地接地之上。

在使用656毫亨的电感器8A、371欧姆的电阻器8B和1.2微法拉的电容器8C的一个例子中，在当功率转换器100将功率注入公用输电网300中时的标称操作条件下，大地接地70和RLC网络8之间的电压在180Hz处大约是37Vac rms。部件对地的DC电压为零。在中性导体304中流动的电流在180赫兹的频率处为大约200毫安。电阻器8B中的功率耗散为大约4瓦。

对于图1所示的例子，DC接地电阻实际上是电感器8A的DC电阻，其可以小于1欧姆。AC接地阻抗在180Hz处是186欧姆且在高于180Hz的频率处要低得多，以提供具有实质上高于180Hz的频率的雷电引起的瞬变电流的低阻抗返回路径。因此，RLC网络8提供频率选择性网络，其在正常操作期间提供与硬接地双极PV阵列的系统保护水平相当的系统保护水平。

图2是图1的系统的一个实现的更详细的示意图，但常规DC到AC转换器被建模为可变负载90和并联电容器80。在正常操作中，单极PV阵列10和20通过一对指示熔断器6A和7A以及频率选择性RLC网络8连接到大地接地50。在端子12处的子阵列10的负极和端子21处的子阵列20的正极以这种方式以接地为基准。在正常操作期间穿过熔断器6A和7A的电流实际上为零。

当接地故障出现在PV阵列10或20中并产生大到足以清除(clear)熔断器6A、7A中的任一个的DC故障电流时，熔断器的清除中断接地故障电流。同时，熔断的熔断器指示器信号通过与清除的熔断器相关的开关6B或7B的闭合发送到控制器1，即，指示熔断器用作接地故障探测器，在接地故障出现时其除了中断接地故障电流以外还产生接地故障信号。熔断的熔断器指示器信号促使控制器1使接触器线圈2A去激励以断开接触件2B，所以出故障的PV子阵列然后只通过接地故障阻抗和由相应的电阻器对16、17和26、27所形成的等值电阻器网络中的一个连接到大地接地。在这个故障操作模式期间，任何无故障的子阵列将以等于相对于大地接地70的子阵列开路电压的±1/2的在子阵列电极处的最高电压“浮动”。电阻器网络16、17和26、27提供最低耗散的共模电压基准并用于排出子阵列静电荷。

从成本观点看，恰好在对给定类别的设备允许的最大电压之下使用PV模块、布线和熔断器是合乎需要的。因此对于最佳双极阵列，相对于端子11和22处的接地的最高DC电压在所有条件下是额定DC设备电压。使用软接地或电阻性接地的双极PV阵列，端子11处的硬(低阻抗)DC接地故障的出现例如将在该端子处的相对于接地的电压减小到零，这意味着在端子22处的相对于接地的电压是可允许的设备电压的两倍，因为故障的阻抗可以比电阻性接地的阻抗低得多。为了减轻这个问题，例证性系统使用跨接在相应的电阻器16、17和26、27两端的电压传感器18、19和28、29监测在所有PV子阵列端子11、12和21、22上的相对于接地的电压。控制器1从电压传感器18、19和28、29读取成比例的电压信号，并比较这些值与预先编程的过电压限制。如果在任何端子上超过该限制，PV子阵列10和20被禁用并“浮动”。禁用序列如下工作：

1.在端子11、12和21、22中的至少一个上的相对于接地的电压超过对该端子的预先编程的限制。

2.控制器1经由隔离串行链路101命令负载100(例如，DC到AC转换器)关闭，从而有效地将负载100的电阻部分设置到开路。

3.与负载断路同时地，接触器线圈3A被去激励以断开接触件3B和3C。

4.在延迟以确保接触件完全断开之后，一对电流传感器4和5被读取以证实负载电流换向完成。

如果由电流传感器9读取的接地电流超过预编程的限制，则PV子阵列10和20也被禁用。在任一情况下，禁用序列的步骤2到4被执行。

图3是图1的系统的另一实现的示意图，再次，常规DC到AC转换器被建模为可变负载。该系统与图2所示的系统相同，除了DC接触器2具有分别与两个熔断器6A和7A并联连接的两个接触件2A和2B以外。如在图2的系统中的，当接地故障出现在PV阵列10或20中并产生大到足以清除熔断器6A、7A中的任一个的故障电流时，熔断器的清除中断接地故障电流。同时，熔断的熔断器指示器信号通过与清除的熔断器相关的开关6B或7B的闭合发送到控制器1。这使控制器1使接触器线圈2A去激励以断开接触件2B和2C，所以出故障的PV子阵列然后只通过接地故障阻抗和由相应的电阻器对16、17和26、27所形成的等值电阻器网络之一连接到大地接地。在这个故障操作模式期间，任何无故障的子阵列将以等于相对于大地接地70的子阵列开路电压的±1/2的子阵列电极处的最高电压“浮动”。电阻器网络16、17和26、27通过排出子阵列静电荷来提供最低耗散的共模电压基准。在图3的系统中的双接触件2A和2B的使用改变了每个接触件的额定要求，其可减小接触器的成本。

虽然示出和描述了本发明的特定实施方式和应用，应理解，本发明不限于本文公开的确切结构和构成，以及各种修改、改变和变形从前述描述中可以是明显的，而不偏离如在所附权利要求中限定的本发明的精神和范围。

Claims (13)

1.一种用于选择性地将第一单极DC源和第二单极DC源耦合到大地接地以及单极负载的正端子和负端子和将所述第一单极DC源和第二单极DC源从大地接地以及所述单极负载的正端子和负端子去耦的装置，包括：

双极DC源，其包括所述第一单极DC源和第二单极DC源，所述第一单极DC源和所述第二单极DC源的每一个具有正端子和负端子，所述第一单级DC源的所述正端子和所述第二单级DC源的所述负端子连接到DC到AC转换器，所述第一单级DC源的所述负端子和所述第二单级DC源的所述正端子在还连接到大地接地的公共连接点处相互连接，规定的极性以所述大地接地为基准，以及

频率选择性并联连接的RLC器件的单个网络，其连接在所述公共连接点和所述大地接地之间，所述网络的DC阻抗低于所述网络在预先选择的频率处的AC阻抗。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述DC阻抗足够低以在DC接地故障期间将所述公共连接点保持在实质上接地电位处。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述AC阻抗足够低以防止所述双极DC源的共模电位在雷电瞬时频率处升高到大地接地之上。

4.如权利要求1所述的装置，其包括耦合到所述双极DC源以将所述双极DC源的DC输出转换成AC输出的DC到AC转换器，且其中所述频率选择性网络是并联RLC电路，所述并联RLC电路具有大约三倍于所述AC输出的频率的谐振频率。

5.如权利要求4所述的装置，其中所述频率选择性网络是并联RLC电路，其中R、L和C值提供低DC阻抗、在大约三倍于所述AC输出的频率的谐振频率处提供最大AC阻抗、以及在高于所述谐振频率的频率处提供降低了的AC阻抗。

6.如权利要求1所述的装置，其包括接地故障探测器和控制器，所述接地故障探测器耦合到所述单极DC源中的每个以当接地故障出现时产生接地故障信号，所述控制器响应于所述接地故障信号用于使出故障的单极DC源与所述公共连接点去耦。

7.如权利要求6所述的装置，其中所述接地故障探测器是指示熔断器。

8.如权利要求1所述的装置，其中所述频率选择性网络允许所述公共连接点以相对于大地接地的外施共模AC电压、小于在所述公共连接点到大地接地的直接连接时的AC电流的AC接地电流来操作。

9.如权利要求1所述的装置，其中当出故障的单极DC源与所述公共连接点去耦时，任何无故障的单极DC源以在任何无故障的单极DC源的电极处的最高电压浮动，所述最高电压等于所述无故障的单极DC源的相对于大地接地的开路电压的±¹/₂。

10.如权利要求1所述的装置，其中所述单极DC源是光伏阵列。

11.如权利要求1所述的装置，其中所述预先选择的频率是电网线频率的整数倍。

12.一种用于选择性地将第一单极DC源和第二单极DC源耦合到大地接地以及DC到AC转换器的正端子和负端子和将所述第一单极DC源和第二单极DC源从大地接地以及所述DC到AC转换器的正端子和负端子去耦的方法，所述方法包括：

可控制地耦合所述第一单极DC源和所述第二单极DC源，所述第一单极DC源和所述第二单极DC源的每一个具有正端子和负端子，所述第一单级DC源的所述正端子和所述第二单级DC源的所述负端子连接到DC到AC转换器，所述第一单级DC源的所述负端子和所述第二单级DC源的所述正端子在还连接到大地接地的公共连接点处相互连接，以及

通过频率选择性并联连接的RLC器件的单个网络将所述公共连接点耦合到所述大地接地，所述网络的DC阻抗低于所述网络在预先选择的频率处的AC阻抗。

13.如权利要求12所述的方法，其包括防止功率系统随相对于系统接地点的DC共模电压移动，同时允许所述功率系统以与具有AC和DC硬接地的系统相比较而言减小的AC接地电流随相对于所述系统接地点的AC共模电压移动。