CN109842348A - 太阳能泵送系统及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能泵送系统和操作太阳能泵站的方法，该系统包括：多个太阳能模块；至少一个变频驱动器VFD，包括至少一个转换器；至少一个开关装置，连接到太阳能模块和VFD；以及至少一个AC马达，连接到VFD的输出电源。根据AC马达的负载要求改变输出电压，开关装置基于从VFD的控制器接收的输入来控制被传输到VFD的DC功率的供应。该方法包括以下步骤：通过开关装置控制太阳能模块的电压输出供应，以便基于马达的要求向太阳能泵提供适当的功率，这样通过将太阳能模块的电压输出升高或降低到预定的电压比重持续一预定时间段，以避免跳闸。

Description

太阳能泵送系统及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种系统和一种操作太阳能泵送系统的方法，更具体地说，涉及太阳能泵送系统以及操作太阳能泵送系统而不使太阳能泵跳闸的方法。
背景技术
近来随着通过太阳能获取电力的进步，已经开发出了各种系统使用转换器转换DC源，运行AC负载。然而，在转换DC功率(电力)来运行AC负载的情况下，诸如功率供应不足的各种问题变得突出。
此外，由于入射到电池板上的太阳能的长期变化和短期变化，来自太阳能电池板的电压波动很大，并且太阳能电池产生的电能具有不同于传统电能的电特性，因为后者具有线性电压源特性，其可以保持恒定电压以获得所需的运行状态，而与负载状态无关。
太阳能发电的主要应用之一是为了运行太阳能泵，太阳能泵通常包括三相AC马达。AC泵马达的负载曲线随着状态的变化而变化(例如，水深度)，因此，基于太阳能电池板很难有效地运行AC泵马达。以固定频率控制AC马达非常困难，并且需要功率在给定频率下保持恒定，因为DC电压的改变必然伴随DC电流的改变。
用于太阳能泵送应用的变频驱动器(VFD)用于通过改变所供应的频率和电压来控制电动马达，以实现高效运行。频率(或赫兹)与马达的速度直接相关。换句话说，频率越高，马达的每分钟转数(RPM)越快，从而泵送最多的水。如果应用不需要马达全速运行，VFD可用于降低频率和电压，以满足马达负载的要求，这降低了能源成本。
此外，用于太阳能泵送应用的VFD成功用于415V AC泵马达，但当它应用于220V AC泵马达时面临技术问题或出现故障，因为这些VFD是针对DC电源很少超过380V的工业应用而设计的，所以当来自太阳能电池模块的DC电源越过390V或者395V时，VFD驱动器因过电压而跳闸。
因此，本发明的目的是解决上述问题中的一个或多个。
发明内容
在描述本发明及其组件之前，应该理解的是本公开不限于所描述的特定系统及其布置，因为可能存在多个可能的实施例，这些实施例未在本公开中明确示出。还应理解的是，说明书中使用的术语仅仅是为了描述特定实施例，并不旨在限制所要求保护的主题的范围。
在一个实施例中，提出一种太阳能泵送系统，其中该系统包括：多个太阳能模块；至少一个开关装置，被连接到太阳能模块；至少一个变频驱动器(VFD)，被连接到开关装置；至少一个转换器，被连接到太阳能模块和VFD；至少一个断路器，与太阳能模块和VFD连接；至少一个二极管电桥，与太阳能模块负极侧和VFD连接；以及至少一个AC马达，被连接到VFD输出电源。开关装置用于，基于从VFD的控制器接收的关于AC马达的电压变化和负载要求的输入，控制传输到VFD的DC功率的供应。开关装置由VFD的控制器控制，以向AC马达提供适当的电压，其中控制器首先被配置为操作开关装置以在初始时向AC马达提供90％的电压，并且此后，当DC电压由于负载而骤降时，提供满电压。根据本发明，向VFD提供初始电压以用于运行，优选地初始电压为满电压的90％。
在另一个实施例中，描述了一种操作太阳能泵送系统的方法。该方法包括以下步骤：通过开关装置控制太阳能模块的电压输出供应，以便基于AC马达的要求为太阳能泵提供适当的功率(电力)，从而在一预定段时间内通过将太阳能模块的电压输出升高或降低到预定的电压比重来避免跳闸。
附图说明
将参考本发明的实施例，其示例在附图中示出。这些附图旨在说明本发明，而非限制本发明。尽管本发明通常在这些实施例的背景下描述，但应理解的是，这些具体实施例并不旨在限制本发明的保护范围。
图1示出了根据本发明实施例的太阳能泵送系统的系统。
具体实施方式
因此，在一个实施例中，本发明提供了一种操作太阳能泵站的太阳能泵送系统。该系统包括：多个太阳能模块；至少一个开关装置，电连接到太阳能模块；至少一个VFD，连接到开关装置；至少一个转换器，连接到太阳能模块和VFD；以及至少一个AC马达，连接到VFD的输出电源。有利地，转换器可以内置在VFD中。
根据本发明，开关装置用于，基于从VFD的控制器接收的关于电压变化的输入，控制传输到VFD的DC电压的供应。开关装置由VFD的控制器控制，以便为AC马达提供适当的电压来进行启动，一旦DC电压由于负载而骤降，在范围为15秒到20秒的预定时间后，控制器指示开关装置提供满电压。控制器首先被配置为操作开关装置以便在初始时向AC马达提供90％的电压，此后，当DC电压由于负载而骤降时，提供满电压。根据本发明，可以使用各种电压的AC马达，例如：用于抽水的三相220V AC马达。
根据本发明，当太阳能模块的电压输出超过VFD的限制时，VFD的控制器通过改变电流通过电路部件的路径来分配电压电位，从而指示开关装置降低电压输出，这提供了在过电压情况下解决VFD驱动器跳闸问题的解决方案。控制器被配置为根据供电电压的预定范围和AC马达的负载要求向开关装置提供指令。
根据本发明，该系统优选地包括十个串联连接的太阳能模块，以产生范围至少为390V到425V的DC电压，其中在初始时，由开关装置使用九个太阳能模块在指定的负载要求下运行AC马达，从而避免过电压跳闸，此后，当AC马达处于满负载要求时，使用十个太阳能模块。优选地，开关装置首先使用九个太阳能模块向VFD供电，并且随后，在范围为15秒到20秒的预定时间之后切换成十个太阳能模块向VFD供电。
根据另一实施例，本发明提供一种开关装置，其一端连接到太阳能模块的；并且另一端连接到系统的VFD；其中，开关装置包括各种开关器件，以根据AC马达的要求让电流通过电路部件，从而避免跳闸。开关装置以针对常规负载要求和满负载要求分配电压输出的方式来利用太阳能模块的电压输出，从而在过电压的情况下运行太阳能泵而不会跳闸，该过程为：在从连接到VFD的控制器接收到输入信号时，同时操作多个开关器件来改变电流通过电路部件的路径，所述控制器被配置为以下述方式来指示开关装置：在开始时分配太阳能模块的电压输出(这包括预定百分比的满电压持续一预定的小段时间)，并且当系统满载时，开关装置运行，从而在太阳能模块的电压输出变化时利用满电压来运行AC马达而不会跳闸。
根据本发明，开关装置可以是机电装置或半导体装置。
根据本发明的另一个实施例，描述了一种操作太阳能泵送系统的方法。该太阳能泵送系统具有：多个太阳能模块；至少一个VFD，具有至少一个转换器；至少一个开关装置，被连接到太阳能模块和VFD；至少一个断路器，与太阳能模块和VFD连接；至少一个二极管电桥，与太阳能模块的负极侧和VFD连接；以及至少一个AC马达，被连接到VFD输出电源。操作太阳能泵送系统的方法包括以下步骤：通过开关装置控制太阳能模块的电压输出供应，以便基于马达的要求向太阳能泵提供适当的功率，从而避免跳闸。
在一个实施例中，在预定的一小段时间内太阳能模块的电压输出升高或降低到满电压的预定百分比。开关装置分配太阳能模块的电压输出，并且当电动马达无负载启动时，在初始时阶段将其降低到百分之九十。在预定的持续时间之后，开关装置以下述方式运行：以改变太阳能模块的电压输出路径的方式向VFD提供满电压，从而开关装置向VFD提供满电压，后者进一步将满电压提供给有负载运行的AC马达。
根据本发明，在范围为15秒到20秒的预定时间后，控制器指示开关装置提供满电压。
现在将参考附图来描述主题，其中相同的附图标记始终用于表示相同的元件。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对所要求保护的主题的全面理解。然而，显而易见的是，可以利用这些具体细节来实践这类主题。在其他情况下，构成如图所示的公知结构以便于描述本发明。
图1示出了根据本发明实施例的太阳能泵送系统100。该系统100示出了太阳能模块110、开关装置120、VFD 140和AC马达160之间的连接配置。
如图1所示，太阳能模块110串联连接以根据要求产生电压。例如，太阳能模块110产生范围为395V到425V的电压。
如图1所示，VFD 140通过改变频率来改变输入DC电压的电流和电压。在一个实施例中，VFD 140包括转换器(未示出)，或者可选地，被连接到转换器(未示出)。转换器用于将直流电转换成交流电并驱动连接到VFD 140的AC电动马达160。VFD 140提供了AC马达驱动的太阳能泵与负载要求之间的同步。
如图1所示，VFD 140通过开关装置120和电路部件1、2，3、4，5、6和7、8连接到太阳能模块110。
如图1所示，电路部件1、2和3、4闭合，并且电路部件5、6和7、8断开，从而允许在十个太阳能模块中使用九个太阳能模块。开关装置120基于所需的电压输出选择性地允许电流流过电路部件1、2，3、4，5、6和7、8。
如图1所示，VFD 140还包括控制器(未示出)，或者可选地，被连接到控制器(未示出)。控制器(未示出)控制开关装置120在电路部件1、2，3、4，5、6和7、8之间的开关动作。控制器(未示出)接收来自AC马达160的关于负载的信号，从而在预定负载条件下控制开关装置120。
如图1所示，控制器(未示出)启动开关装置120以通过电路部件1、2，3、4，5、6和7、8来切换使用的太阳能模块110。一旦从控制器接收到输入信号，开关装置120控制电路部件1、2，3、4，5、6和7、8，从而在正常负载和满负载条件下操作AC马达160。例如，在负载要求小于最小预定值(例如满负载的20-35％)之前，电流只流过一个电路部件；如果超过，则开关装置切换到其他电路部件以向马达160提供适当的电流并避免跳闸。
如图1所示，一旦DC电压由于负载增加而骤降，则控制器(未示出)在接收到输入时将电流切换成通过另一路径，即通过闭合的电路部件5、6和7、8，此时电路装置1、2和3、4是断开的。该电路部件利用串联连接的所有十个太阳能模块110来操作太阳能泵而不会跳闸。初始时，提供90％的电压要求，并且在范围为15秒到20秒的预定时间之后，由于太阳能模块110的DC电压骤降而提供满电压。
如图1所示，系统100还包括：连接到下述线路的负电流侧的二极管电桥(150)：该线路被连接到太阳能模块110，这样允许电流仅沿一个方向流动以避免短路；以及微型断路器(MCB)130、135，位于电路的点B1、B2和B3、B4之间以用作断路器。MCB 130、135是自动操作的电气开关，被设计成保护电路免受过电流造成的损坏(通常由过载或短路导致)。MCB130、135的基本功能是在检测到故障时中断电流流动。
示例1：
本发明的开关装置已安装在当前运行的太阳能泵送系统中，该太阳能泵送系统具有：10个太阳能模块；通过VFD在太阳能模块上运行的AC马达。据观察，在安装本发明的开关装置之前，在不同的日间实例中发生多次VFD在启动时跳闸。而一经安装安装本发明的开关装置，开关装置会根据要求来分配太阳能模块的电压输出(例如：在启动时先只连接十个太阳能模块中的九个太阳能模块，而以较低的输出电压来运行)；在各种启动实例中，泵先以九个太阳能模块启动而不会使VFD跳闸，然后在平稳运行(例如20秒)后，VFD控制开关装置可视需求将太阳能泵送系统切换到满电压输出，亦即从九个太阳能模块切换到十个太阳能模块，让所有太阳能模块运行并提供满电压输出。
本发明的上述描述仅仅是为了说明本发明，而不旨在限制本发明。由于本领域技术人员可以想到对本发明实质所包含的公开的实施例的修改，因此本发明应该被解释为包括在本公开范围内的所有内容。

Claims (17)

1.一种太阳能泵送系统，包括：
多个太阳能模块；
变频驱动器VFD，用于将DC功率转换为AC功率；
至少一个开关装置，连接到太阳能模块和VFD；
至少一个AC马达，连接到VFD的输出电源；
其中，在初始时所述开关装置控制所述太阳能模块的电压输出至满电压的预定百分比，并且当系统满载时，开关装置运行为利用满电压来运行所述AC马达而不会跳闸。
2.根据权利要求1所述的太阳能泵送系统，其中，所述VFD包括控制器，所述控制器通过以下方式指示所述开关装置控制所述太阳能模块的输出电压：根据负载要求升高或降低电压，持续一预定时间段。
3.根据权利要求2所述的太阳能泵送系统，其中，所述满电压的预定百分比取决于所述AC马达的工作电压。
4.根据权利要求2所述的太阳能泵送系统，其中，所述预定时间段的范围为15秒到20秒。
5.根据权利要求1所述的太阳能泵送系统，其中，所述开关装置是机电装置或半导体装置。
6.根据权利要求1所述的太阳能泵送系统，其中，AC马达是三相220VAC马达。
7.根据权利要求1所述的太阳能泵送系统，其中，所述系统包括串联连接的十个太阳能模块，用于产生范围至少为390V到425V的DC电压。
8.根据权利要求7所述的太阳能泵送系统，其中，所述满电压的预定百分比是满电压的90％。
9.根据权利要求1所述的太阳能泵送系统，其中，所述系统包括至少一个断路器，被连接到所述太阳能模块和VFD。
10.根据权利要求1所述的太阳能泵送系统，其中，所述系统包括至少一个二极管电桥，连接到太阳能模块的负极侧和VFD。
11.一种操作太阳能泵送系统的方法，所述太阳能泵送系统具有：多个太阳能模块；至少一个VFD；至少一个开关装置，连接到太阳能模块和VFD；以及至少一个AC马达，连接到VFD的输出电源，所述方法包括以下步骤：通过开关装置控制太阳能模块的电压输出供应，以便根据马达的要求向太阳能泵提供适当的功率，从而避免跳闸。
12.根据权利要求11所述的操作太阳能泵送系统的方法，其中，所述控制包括将太阳能模块的电压输出升高或降低到满电压的预定百分比，持续一预定时间段。
13.根据权利要求12所述的操作太阳能泵送系统的方法，其中，所述满电压的预定百分比是满电压的90％。
14.根据权利要求12所述的操作太阳能泵送系统的方法，其中，所述控制器指示开关装置在20秒后提供满电压。
15.一种用于太阳能泵送系统的开关系统，该太阳能泵送系统具有：多个太阳能模块；VFD，用于将DC转换成AC；以及AC马达，所述开关系统包括：至少一个开关装置，所述至少一个开关装置被连接在太阳能泵送系统的至少一个太阳能模块和VFD之间；以及控制器，用于操作所述开关装置，其中，在初始时所述开关装置通过以下方式来分配所述太阳能模块的电压输出：将输出电压降低到满电压的预定百分比，持续一预定时间段；并且当系统满载时，控制器使开关装置运行成利用满电压运行太阳能泵而不会跳闸。
16.根据权利要求15所述的开关系统，其中，所述开关装置的控制器能够与太阳能泵送系统的VFD的控制器结合。
17.根据权利要求15所述的开关系统，其中，所述开关装置是机电装置或半导体装置。
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