CN103503290A - 线路变流器系统中熔接开关接触的检测 - Google Patents

线路变流器系统中熔接开关接触的检测 Download PDF

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    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection

Abstract

用于线路变流器系统的电路中熔接接触检测的系统具有多个逆变器开关、多个多用途开关(其中一对多用途开关通过线路串联连接到公共设施)、电压检测器、电子控制器和DC输入源。线路变流器系统将输入DC电力转换成传送到电网的AC输出电力。针对在熔接接触的检测方法期间执行的每个步骤，电压检测器测量电路的第一节点和第二节点两端的电压且提供被电子控制器解读的输出。所述检测方法具有其中至少一个开关断开和/或闭合的测试步骤序列，逆变器的DC母线或电网用作激励电压，且电压被测量。如果未检测到第一和第二节点两端的电压，则测试序列继续，直到已经检测到熔接接触或电子控制器确定没有接触被熔接。如果控制器确定没有接触被熔接，则准许线路变流器系统连接到公共设施并向公共设施供应AC电力。

Description

线路变流器系统中熔接开关接触的检测
背景技术
备选电源被源源不断地开发出来以在整个发电方案中扮演更大的角色。这是由涉及诸如煤的常规碳强度能源的环境利害关系所驱动的。一个这种备选电源是将太阳能转换成直流电的光伏板。对于大多数消费者使用，且为了连接到电网，DC电力必须转换成交流电。参考图1，示出将太阳能产生的电力馈入到电网的现有技术线路变流器(line converter)系统。可以看出，逆变器一般包括DC-AC逆变器、滤波器以及与公共设施交互的机电开关。示例性机电开关包括继电器或接触器。安全标准要求与输出相位串联的两个独立开关以从公共设施断开线路变流器系统。安全标准还要求系统能够执行自测以确保这些开关在将线路变流器系统连接到公共设施之前正确地操作。
因此对在线路变流器系统中测试开关的系统技术方面存在一种需要。
发明内容
用于连接电源到电网的线路变流器系统包括：具有DC母线和多个逆变器开关的逆变器；用于连接逆变器到电网的多个线路；多个线路开关，其中一对线路开关串联连接到多个线路中的每个线路；电压检测器；以及连接到逆变器开关和线路开关的控制器。多个线路中的每个线路具有连接到逆变器的第一端和用于连接到电网的第二端。电压检测器分别在线路开关之间的点连接到线路。控制器包括处理器和其上存储有程序指令的计算机可读介质，其中当被处理器执行时，该程序指令可操作为在线路变流器系统连接到电网时执行用于检测线路开关中粘连接触(stuck contact)的方法。
用于检测线路开关中的粘连接触的方法包括：断开逆变器开关，使得没有来自DC母线的电压被施加于朝向线路的第一端布置的线路开关；向线路开关传送断开命令；在传送断开命令之后，确定电压检测器是否检测到电压；以及如果电压检测器确定检测到电压，则确定朝向线路的第二端布置的线路开关具有粘连在一起的接触。
连接到电网的线路变流器系统具有逆变器系统，该逆变器系统包括具有DC母线的逆变器和多个逆变器开关。多个线路连接逆变器到电网，其中每个线路具有连接到逆变器的第一端以及连接到电网的第二端。线路开关连接到多个线路中的每个线路，其中一对线路开关在每个线路中串联连接到公共设施。检测线路变流器系统中粘连接触的方法包括：(a)断开逆变器开关，使得没有来自DC母线的电压被施加于朝向线路的第一端布置的开关；(b)向线路开关传送断开命令；(c)在传送断开命令之后，确定在位于多个线路中的第一线路中的线路开关之间的第一点和位于多个线路中的第二线路中的线路开关之间的第二点之间是否存在电压；以及(d)如果在步骤(c)中检测到电压，则确定朝向线路的第二端布置的线路开关具有粘连在一起的接触。
附图说明
在附图中，说明了结构实施例，该结构实施例连同下面提供的详细说明一起描述用于检测线路变流器系统中熔接接触的系统和方法的示例性实施例。本领域技术人员应当意识到，一个组件可以设计为多个组件或多个组件可以设计为单个组件。
而且，在下面的附图和说明中，贯穿附图和书面说明，分别使用相同的参考数字表示相似的部件。附图未按比例示出，且为方便说明，某些部件的比例被放大。
图1是现有技术线路变流器的示意图；
图2是根据本发明实施的电路的示意图，该电路用于通过检测节点X和节点Y两端的电压检测熔接开关接触；
图3是用于检测熔接开关接触的电路的第二实施例的示意图；
图4是在电子控制器处于与变流器相同的电势时用于检测节点X和Y两端的电压的电路的第三实施例的示意图；以及
图5是用于检测熔接开关的处理的流程图。
具体实施方式
本发明提供测试电力线路变流器系统中所有开关的正确操作的系统和方法。因此，当命令每个开关断开时，系统验证每个开关实际完成命令的操作。开关失效最常见的原因(典型地由不能断开开关导致)是熔接接触(weld contact)。当过大的电流短时间流经接触时，出现熔接接触条件。然而，应当意识到，尽管熔接接触是最常见类型的故障，其他故障模式也可能阻止接触的断开。
现在参考图2，示出用于检测熔接开关接触的电路。电路具有：包括DC母线32和逆变器开关S1-S4的逆变器31；用于连接逆变器31到电网34的多个线路，其中每个线路具有第一端和第二端；线路开关k1-k4，其中一对线路开关连接多个线路的每个线路到电网34；光耦合器12；以及连接到逆变器开关S1-S4和线路开关K1-K4的控制器10。多个线路中的每个线路具有连接到逆变器31的第一端和用于连接到电网34的第二端。
可以看出，线路开关k1-k4通过电子控制器10独立控制，该电子控制器10可以发送信号4或以其他方式命令线路开关k1-k4。根据一个实施例，电子控制器10可以包括微控制器。控制器10包括用于执行存储在相关存储器中的一个或更多程序的处理器。在逆变器31的正常操作期间，控制器10可以使用脉冲宽度调制(PWM)控制逆变器31，其中逆变器开关S1-S4断开且闭合以创建一系列电压脉冲，其中平均电压是峰值电压乘以占空比(duty cycle)即脉冲的“开”和“关”时间。以这种方式，可以使用一系列可变宽度正和负电压脉冲来近似正弦波。可以通过改变PWM模式改变正弦波的相位和幅度。
具有双LED(发光二极管)的双极光耦合器12连接在电路的节点X和Y之间。电子控制器10还独立控制逆变器31的半导体开关S1-S4。在节点X和Y两端出现的任意电压导通光耦合器12的两个LED其中之一，且在光耦合器12的输出产生逻辑状态从“1”到“0”的变化。光耦合器12的数字输出被馈入到电子控制器10。如本领域技术人员所意识到，光耦合器12和相关电阻器R1和R2用作电压检测器且在电压检测器的输出的逻辑状态不限于上述值。因而，任意其他布置可以用于指示测量值或值范围的存在或不存在。
现在参考图3，示出第二检测电路实施例，其基本类似于图2的电路，只不过通过两个单极光耦合器22代替一个双极光耦合器12。
如果电子控制器10处于与逆变器31的DC母线32的负终端相同的电势，则可以使用如图4所示的第三检测电路实施例。可以看出，取代光耦合器12，两个简单的电阻分压器分别测量节点X和Y处的电压。两个二极管即晶体管1和晶体管2或来自两个分压器和反相缓冲器的信号产生将被馈入到电子控制器10的逻辑级信号。
因而，使用图2-4中示出的电路，如果在节点X和Y之间存在电压，则逻辑级信号0被输出到电子控制器10，如果在节点X和Y之间不存在电压，则逻辑级信号1被输出。控制器10与半导体开关S1-S4结合执行控制线路开关K1-K4的闭合和断开的测试序列。在测试序列期间，光耦合器12(或电阻分压器)的数字输出状态被电子控制器10监控。电子控制器10然后可以做出关于4个开关K1-K4其中哪一个(如果存在)被粘连闭合的诊断决定。操作原理是在节点X和Y两端出现的电压仅在4个开关K1-K4中的两个或更多个闭合时非零。逆变器31的DC母线32电压和公共设施34电压均用作用于该目的的激励电压源。
现在参考图5，示出说明电子控制器10通过测试序列处理时，电子控制器10的操作的流程图。在第一步骤100中，电子控制器10命令开关S1-S4和K1-K4断开。在步骤102，如果开关K1-K4正确地工作(即，全都断开)，则节点X和Y之间的电压是零且光耦合器12输出处于“1”状态。然而，如果在步骤102，光耦合器12输出处于“0”状态，则控制器10确定至少开关k3和k4的接触粘连闭合或熔接且测试序列终止。
如果光耦合器12没有检测到电压，则在步骤104，控制器通过命令逆变器开关S1和S4短时间闭合而继续测试序列，以在线路开关K1-K4保持断开的同时产生正电压脉冲。在步骤106，如果光耦合器12的输出记录“0”，则控制器确定K1和K2均是粘连闭合或熔接的，且测试序列终止。
如果光耦合器12未检测到电压，则在步骤108，控制器10通过允许S1和S4保持闭合且仅命令K1闭合(允许K2、K3和K4均保持断开)继续测试序列。在步骤110，如果光耦合器12的输出记录“0”，则控制器10确定K2是粘连闭合或熔接，且测试序列终止。
如果光耦合器12未检测到电压，则在步骤112，控制器10通过允许S1和S4保持闭合且仅命令K2闭合且命令K1断开(允许K3和K4保持断开)继续测试序列。在步骤114，如果光耦合器12的输出记录“0”，则控制器10确定K1是粘连闭合或熔接的且测试序列终止。
如果光耦合器12未检测到电压，则在步骤116，控制器10通过命令开关S1-S4断开且仅闭合K3(允许K1、K2和K4保持断开)继续测试序列。在步骤118，如果光耦合器12的输出记录“0”，则控制器10确定K4是粘连闭合或熔接的且测试序列终止。
如果光耦合器12未检测到电压，则在步骤120，控制器10通过允许所有逆变器开关S1-S4保持断开且命令K4闭合，命令K3断开(允许K1和K2保持断开)继续测试序列。如果在步骤122，光耦合器12的输出记录“0”，则控制器10确定K3是粘连闭合或熔接的且测试序列终止。最后，在步骤124，在准备开始正常操作的过程中，所有开关断开。
应当意识到，步骤100至106优选地以上述公开的顺序执行，且代替光耦合器112可以使用其他电压检测器，且其他组件包括但不限于电阻器、二极管、反相缓冲器或另一组件。通过首先测试K3和K4是否均被熔接，然后测试K1和K2是否均被熔接，系统可以防止到电网的直接连接。一旦确定K3和K4或K1和K2不被熔接，则可以完成各个开关的测试。由于该原因，尽管优选地以上述顺序进行步骤100至106，可以以任意顺序执行每个开关的相应测试(步骤108/110、112/114、116/118和120/122)。
例如可以在线路变流器初始化之前在每个早晨执行上述测试序列。如上所述，如果控制器10确定在测试序列期间在任意点线路开关K1-K4其中一个或更多个被熔接，则产生错误消息，测试序列终止，并且阻止线路变流器的操作。如果测试序列成功完成(即，没有开关被熔接)，系统被允许初始化且通过闭合线路开关K1-K4而连接到电网。
本领域技术人员应当意识到，控制器10执行的各个功能可以实施为计算机可读介质或具有计算机可读介质的形式，该计算机可读介质上存储有计算机可读指令，当被处理器执行时，该计算机可读指令实施如前所述的本发明的操作。计算机可读介质可以是任意介质，其可以包括、存储、通信、传播或运输被指令执行系统、设备或装置使用或与后者结合使用的用户接口程序指令，且例如而非限制性地可以是电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、设备、装置、或传播介质或其上印刷程序的其他合适介质。计算机可读介质的更具体示例(非排他性列表)将包括：便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光学存储装置、传输介质(诸如支持因特网或内联网的传输介质)或磁存储装置。用于实施本发明的操作的计算机程序代码或指令可以以任意合适的编程语言编写，只要该语言允许实现原先描述的技术结果。
尽管本申请说明了各个实施例，且尽管详细地描述了这些实施例，申请人的意图并不是以任意方式将所附权利要求的范围约束或限制为这些细节。本领域技术人员将显见附加优点和修改。因此，在其较广义的方面，本发明不限于特定的细节、表达的实施例以及示出和描述的说明性示例。因此，可以在不偏离申请人一般发明概念的精神或范围的条件下从这种细节做出偏离。

Claims (21)

1.一种用于将电源连接到电网的线路变流器系统，包括：
具有DC母线和多个逆变器开关的逆变器；
用于将所述逆变器连接到所述电网的多个线路，每个线路具有连接到所述逆变器的第一端和连接到所述电网的第二端；
多个线路开关，一对线路开关串联连接到所述多个线路中的每个线路；
分别连接到所述线路的电压检测器，所述电压检测器在线路开关之间的点处连接到所述多个线路中的每个线路；以及
连接到所述逆变器开关和所述线路开关的控制器，所述控制器包括处理器和其上存储有程序指令的计算机可读介质，当被所述处理器执行时，所述程序指令可操作为在所述线路变流器系统连接到电网时执行用于检测所述线路开关中的粘连接触的方法，所述方法包括：
(a)断开逆变器开关，以使得没有来自所述DC母线的电压被施加于朝向所述线路的第一端布置的线路开关；
(b)向所述线路开关传送断开命令；
(c)在传送所述断开命令之后，确定所述电压检测器是否检测到电压；以及
(d)如果在步骤(c)中确定所述电压检测器检测到电压，则确定在朝向所述线路的第二端布置的所述线路开关具有粘连在一起的接触。
2.根据权利要求1所述的线路变流器系统，其中所述方法还包括：
(e)如果确定所述电压检测器在步骤(c)中未检测到电压，则闭合一对逆变器开关，使得来自所述DC母线的电压被施加于朝向所述线路的第一端布置的所述线路开关；
(f)在步骤(e)之后且在所述线路开关被命令断开时，确定所述电压检测器是否检测到电压；
(g)如果在步骤(f)中确定所述电压检测器检测到电压，则确定朝向所述线路的第一端布置的所述线路开关具有粘连在一起的接触。
3.根据权利要求2所述的线路变流器系统，其中所述方法还包括：
(h)如果在步骤(f)中确定所述电压检测器未检测到电压，则向所述线路开关中的第一线路开关传送闭合命令，所述第一线路开关朝向所述第一端连接到所述多个线路中的第一线路；
(i)在步骤(h)之后，在所述一对逆变器开关闭合，且在所述线路开关中的所述第一线路开关被命令闭合以及其他线路开关被命令断开时，确定所述电压检测器是否检测到电压；
(j)如果在步骤(i)中确定所述电压检测器检测到电压，则确定朝向所述第一端连接到所述多个线路中的第二线路的所述多个线路开关中的第二线路开关具有粘连在一起的接触。
4.根据权利要求3所述的线路变流器系统，其中所述方法还包括：
(k)如果在步骤(i)中确定所述电压检测器未检测到电压，则向所述线路开关中的第一线路开关传送断开命令且向所述线路开关中的第二线路开关传送闭合命令；
(l)在步骤(k)之后，在所述一对逆变器开关闭合，且在所述线路开关中的第二线路开关被命令闭合以及其他线路开关被命令断开时，确定所述电压检测器是否检测到电压；
(m)如果在步骤(l)中确定所述电压检测器检测到电压，则确定所述线路开关中的第一线路开关具有粘连在一起的接触。
5.根据权利要求4所述的线路变流器系统，其中所述方法还包括：
(n)如果在步骤(l)中确定所述电压检测器未检测到电压，则断开所述一对逆变器开关且向所述线路开关中的第三线路开关传送闭合命令，所述线路开关中的第三线路开关朝向所述第二端连接到所述多个线路中的第一线路；
(o)在步骤(n)之后，在所述逆变器开关断开，且所述线路开关中的第三线路开关被命令闭合以及其他线路开关被命令断开时，确定所述电压检测器是否检测到电压；
(p)如果在步骤(o)中确定所述电压检测器检测到电压，则确定朝向所述第二端连接到所述多个线路中的第二线路的所述线路开关中的第四个线路开关具有粘连在一起的接触。
6.根据权利要求5所述的线路变流器系统，其中所述方法还包括：
(q)如果在步骤(o)中确定所述电压检测器未检测到电压，则向所述线路开关中的第三线路开关传送断开命令且向所述线路开关中的第四个线路开关传送闭合命令；
(r)在步骤(q)之后，在所述逆变器开关断开，且在所述线路开关中的第四个线路开关被命令闭合以及其他线路开关被命令断开时，确定所述电压检测器是否检测到电压；
(s)如果在步骤(r)中确定所述电压检测器检测到电压，则确定所述线路开关中的第三线路开关具有粘连在一起的接触。
7.根据权利要求1所述的线路变流器系统，其中所述方法还包括：
(e)如果在步骤(c)中确定所述电压检测器未检测到电压，则朝向所述第二端，向连接到所述多个线路中的第一线路的所述线路开关中的第一线路开关传送闭合命令；
(f)在步骤(e)之后，在所述逆变器开关断开，且所述线路开关中的第一线路开关被命令闭合以及其他线路开关被命令断开时，确定所述电压检测器是否检测到电压；
(g)如果在步骤(f)中确定所述电压检测器检测到电压，则确定朝向所述第二端连接到所述多个线路中的第二线路的所述线路开关中的第二线路开关具有粘连在一起的接触。
8.根据权利要求7所述的线路变流器系统，其中所述方法还包括：
(h)如果在步骤(f)中确定所述电压检测器未检测到电压，则向所述线路开关中的第一线路开关传送断开命令且向所述线路开关中的第二线路开关传送闭合命令；
(i)在步骤(h)之后，在所述逆变器开关断开，且所述线路开关中的第二线路开关被命令闭合以及其他线路开关被命令断开时，确定电压检测器是否检测到电压；
(j)如果在步骤(i)中确定所述电压检测器检测到电压，则确定所述线路开关中的第一线路开关具有粘连在一起的接触。
9.根据权利要求1所述的线路变流器系统，其中所述电压检测器包括光耦合器。
10.根据权利要求9所述的线路变流器系统，其中所述光耦合器是双极光耦合器。
11.根据权利要求9所述的线路变流器系统，其中所述光耦合器是第一单极光耦合器且其中所述电压检测器还包括第二单极光耦合器。
12.根据权利要求1所述的线路变流器系统，其中所述电压检测器包括分压器。
13.根据权利要求1所述的线路变流器系统，其中所述电源包括光伏板。
14.一种检测连接到电网的线路变流器系统中的粘连接触的方法，其中所述逆变器系统包括具有DC母线和多个逆变器开关的逆变器，其中多个线路将所述逆变器连接到所述电网，每个线路具有连接到所述逆变器的第一端和连接到所述电网的第二端，且其中一对线路开关串联连接到所述多个线路中的每个线路，所述方法包括：
(a)断开所述逆变器开关，使得没有来自DC母线的电压被施加于朝向所述线路的第一端布置的线路开关；
(b)向所述线路开关传送断开命令；
(c)在传送所述断开命令之后，确定在布置在所述多个线路中的第一线路中的线路开关之间的第一点和布置在所述多个线路中的第二线路中的线路开关之间的第二点之间是否存在电压；以及
(d)如果在步骤(c)中检测到电压，则确定朝向所述线路的第二端布置的所述线路开关具有粘连在一起的接触。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
(e)如果在步骤(c)中未检测到电压，闭合一对逆变器开关，使得来自DC母线的电压施加于朝向所述线路的第一端布置的线路开关；
(f)在步骤(e)之后，在所述线路开关被命令断开时，确定在所述第一点和所述第二点之间是否存在电压；
(g)如果在步骤(f)中检测到电压，则确定朝向所述线路的第一端布置的线路开关具有粘连在一起的接触。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
(h)如果在步骤(f)中未检测到电压，则向所述线路开关中的第一线路开关传送闭合命令，所述第一线路开关朝向所述第一端连接到所述多个线路中的第一线路；
(i)在步骤(h)之后，在所述一对逆变器开关闭合，且在所述线路开关中的第一线路开关被命令闭合以及其他线路开关被命令断开时，确定在所述第一点和所述第二点之间是否存在电压；
(j)如果在步骤(i)中检测到电压，则确定朝向所述第一端连接到所述多个线路中的第二线路的所述线路开关中的第二线路开关具有粘连在一起的接触。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
(k)如果在步骤(i)中未检测到电压，则向所述线路开关中的第一线路开关传送断开命令且向所述线路开关中的第二线路开关传送闭合命令；
(l)在步骤(k)之后，在所述一对逆变器开关闭合，且在所述线路开关中的第二线路开关被命令闭合以及其他线路开关被命令断开时，确定在所述第一点和所述第二点之间是否存在电压；
(m)如果在步骤(l)中检测到电压，则确定所述线路开关中的第一线路开关具有粘连在一起的接触。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
(n)如果在步骤(l)中未检测到电压，则断开所述一对逆变器开关且向所述线路开关中的第三线路开关传送闭合命令，所述第三线路开关朝向所述第二端连接到所述多个线路中的第一线路；
(o)在步骤(n)之后，在所述逆变器开关断开，且在所述线路开关中的第三线路开关被命令闭合以及其他线路开关被命令断开时，确定在所述第一点和所述第二点之间是否存在电压；
(p)如果在步骤(o)中检测到电压，则确定朝向所述第二端连接到所述多个线路中的第二线路的所述线路开关中的第四个线路开关具有粘连在一起的接触。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
(q)如果在步骤(o)中未检测到电压，则向所述线路开关中的第三线路开关传送断开命令且向所述线路开关中的第四个线路开关传送闭合命令；
(r)在步骤(q)之后，在所述逆变器开关断开，且在所述线路开关中的第四个线路开关被命令闭合以及其他线路开关被命令断开时，确定在所述第一点和所述第二点之间是否存在电压；
(s)如果在步骤(r)中检测到电压，则确定所述线路开关中的第三线路开关具有粘连在一起的接触。
20.根据权利要求14所述的方法，还包括：
(e)如果在步骤(c)中未检测到电压，则向所述线路开关中的第一线路开关传送闭合命令，所述第一线路开关朝向所述第二端连接到所述多个线路中的第一线路；
(f)在步骤(e)之后，在所述逆变器开关断开，在所述线路开关中的第一线路开关被命令闭合以及其他线路开关被命令断开时，确定在所述第一点和所述第二点之间是否存在电压；
(g)如果在步骤(f)中检测到电压，则确定朝向所述第二端连接到所述多个线路中的第二线路的所述线路开关中的第二线路开关具有粘连在一起的接触。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括：
(h)如果在步骤(f)中未检测到电压，则向所述线路开关中的第一线路开关传送断开命令且向所述线路开关中的第二线路开关传送闭合命令；
(i)在步骤(h)之后，在所述逆变器开关断开，且在所述线路开关中的第二线路开关被命令闭合以及其他线路开关被命令断开时，确定在所述第一点和所述第二点之间是否存在电压；
(j)如果在步骤(i)中检测到电压，则确定所述线路开关中的第一线路开关具有粘连在一起的接触。
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