CN1260877C - 光电发电设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种光电发电设备，它具有多个电力转换器-它们分别与多个太阳能电池阵列相连，用于把太阳能电池阵列产生的直流电转换成交流电。该光电发电设备中，多个电力转换器在检测到异常状态时不同时暂停工作，以防止电力转换器的同时工作暂停或重复工作暂停和工作恢复引起的电力紧张的发生或发电量的下降。当各个太阳能电池阵列的发电量不同时，与发电量最小的太阳能电池阵列相连的电力转换器被置于先被暂停状态。

Description

光电发电设备及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种光电发电设备及其控制方法。更具体地说，本发明涉及一种具有多个太阳能电池阵列和多个电力转换器的光电发电设备及其控制方法。

背景技术

近来，由于与化石燃料的使用有关的二氧化碳排放所造成的地球变暖以及核电厂的事故和放射性废物所引起的放射污染成为了社会问题，且地球环境和能源的问题正在迅速地引起人们的关注。在这种情况下，采用作为无尽的清洁能源的太阳光的光电发电被全世界认为是明天的能源。

采用太阳电池的光电发电设备有各种的尺寸，且该设备产生的电力从几瓦到几千千瓦。对于一般的居室，通常采用包括3至5kW的太阳电池和3至5kW的电力转换器的光电发电设备。对于其中太阳电池可被安装在并普通的居室大的区域的公寓或公共建筑，采用了包括约10kW的太阳电池和10kW的电力转换器的光电发电设备，或者采用包括约10kW的太阳电池和两个并联的3至5kW的电力转换器的光电发电设备。

图2显示了通过并联连接三个单元而构成的光电发电设备，每一个都包括一个3.3kW的太阳电池和一个3.5kW的电力转换器。在图2中，标号31表示了3.3kW太阳能电池阵列；32表示3.5kW电力转换器，它与太阳能电池阵列31相连；33表示与电力转换器32相连的切换板；34表示与切换板33相连的一个交易电表盒；且35表示与交易电表盒34相连的商业电力系统。注意在此该3.5kW电力转换器32是用于普通居室的类型的。

电力转换器32的控制电路用于通过检测商业电力系统35的异常电压，来保护电力转换器32。对保护操作的描述如下。当一次或多次检测到商业电力系统35的异常电压时，电力转换器32的交流输出被暂停且待机模式开始(以下称为“操作暂停”。)当不再检测到异常电压且过去了预定的时间之后，电力转换器32的交流输出被自动恢复(以下称为“操作恢复”)。

不用说，商业电力系统35的废除不仅造成了家庭的负担，而且对整个社会产生了大的影响。因此，商业电力系统35的频率和电压必须受到控制以保持预定的值。

把商业电力系统35与电力转换器32连接需要分配线路。由于分配线路具有一定的阻抗，在电力发送/接收时会不可避免地产生电压降。例如，在图9A所示的系统中，商业电力系统5与用户6之间的分配线路具有阻抗7。因此，电力接收端的用户6处的电压VR(即图2中的切换板33处的电压)降到了商业电力系统5的系统电压VS之下。因此，考虑到阻抗7引起的电压降，商业电力系统5的系统电压VS被设定在略微高些的值。例如，极变压器的低压输出被设定为105V。因此，当没有加负载时，电力接收端的用户6处的电压VR为105V。

另一方面，当电流如图9B所示地从光电发电设备向回流向商业电力系统5时，由于阻抗7的影响，电力接收端处的用户6处的电压VR超过了105V。例如，在用户6从商业电力系统5接收电力并消耗30A时，假定电压降为4V，在电力接收端的电压VR下降到101V。在此情况下，为了把30A从用户6送回到商业电力系统5，该电压降需要得到补偿。因此，在电力接收端的电压VR变为109V。如上所述，由于分配线路的阻抗7的影响，当回流电流增大时，在电力接收端的用户6处的电压(在图2中的电力转换器32的连接点或切换板33处的电压)增大。

为了为所有用户保持一定的电压，商业电力系统5与变化的电力需求相应地对发电站和副站的开关进行通一断。因此，商业电力系统5的电压不是恒定的，而是随时变化的。图10显示了商业电力系统5的电压的实际测量结果，它是于本发明的发明人在白天测量的。在箭头A所示的点，系统电压VS达到107V。这意味着在电力转换器32的连接点的电压根据回流电流的电平并还根据商业电力系统5的电压电平的改变而上升或下降。

在此条件下，假定采用图2所示的设备-其中三个电力转换器32被并联且它们通过检测异常电压而暂停操作并在未检测到异常电压时自动恢复操作。当检测到诸如系统电压VS上升的异常状态时，三个电力转换器32检测异常电压并同时停止操作。即使在恢复之后，也可重复发生操作暂停和操作恢复。这种是不利的，不仅是因为对光电发电设备的一部分造成了电力紧张，而且是由于光电发电设备所产生的电量降低了。

发明内容

本发明就是要解决上述问题，且其目的是要防止光电发电设备中由于多个电力转换器检测到异常状态并同时暂停操作或重复操作暂停和操作恢复而产生的电力紧张的发生和发电量的降低。

本发明的另一个目的，是提供一种光电发电设备，它能够在检测到异常状态时只暂停一部分电力转换器的操作。

为了实现上述目的，本发明提供了一种光电发电设备，它包括：多个太阳能电池阵列，其每一个都由多个太阳电池模块构成；以及，多个电力转换器，其每一个都由该多个太阳能电池阵列之一构成，用于把多个太阳能电池阵列产生的直流电转换成交流电，从而向商业电力系统提供交流电力，

其中多个电力转换器中的每一个都包括一个检测器，用于检测多个电力转换器中的每一个的交流电力输出的异常状态，以暂停多个电力转换器中的每一个的电力转换操作，且该多个电力转换器中的至少一个的操作暂停时序比其他的早。

进一步地，本发明提供了一种光电发电设备控制方法，该光电发电设备包括：多个太阳能电池阵列，其每一个都由多个太阳电池模块构成；以及，多个电力转换器，其每一个都由该多个太阳能电池阵列之一构成，用于把多个太阳能电池阵列产生的直流电转换成交流电，从而向商业电力系统提供交流电力，所述方法包括以下步骤：检测多个电力转换器中的每一个的交流电力输出的异常状态；以及，当检测到异常状态时暂停多个电力转换器中的每一个的电力转换操作，

其中多个电力转换器中的至少一个的操作暂停时序比其他的早。

从以下结合附图的描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，在附图中相同的标号表示相同或类似的部分。

作为并构成本说明书的一部分的附图，显示了本发明的实施例，并与描述一起用于说明本发明的原理。

附图说明

图1显示了根据本发明的第一实施例的光电发电设备的构造；

图2说明该光电发电设备的操作；

图3显示了在其中三个电力转换器具有相同的设定异常电压值的情况下电力转换器的电力接收端的电压和操作状态之间的关系；

图4显示了在其中三个电力转换器具有不同的设定异常电压值的情况下电力转换器的电力接收端的电压和操作状态之间的关系；

图5A显示了用于设定异常电压的开关；

图5B是显示图5A显示的开关所设定的异常电压值的表；

图6A显示了根据本发明的第二实施例的用于设定异常电压检测时间的开关；

图6B是显示图6A所示的开关设定的检测时间的表；

图7显示了在其中三个电力转换器具有相同的设定异常电压值的情况下电力转换器的电力接收端的电压和操作状态之间的关系；

图8显示了在其中三个电力转换器具有不同的设定异常电压值的情况下电力转换器的电力接收端的电压和操作状态之间的关系；

图9A和9B用于说明在电力接收或回流电流流动时光电发电设备的电力接收端处的电压改变；

图10显示了在商业电力系统中的日常电压变化的测量结果的曲线图。

具体实施方式

根据本发明的最佳实施例，各个电力转换器包括用于检测如下所述的异常状态的异常检测装置，以当该异常检测装置检测到异常状态时停止操作。各个电力转换器的异常检测装置在异常电压状态的持续时间达到了一个预定时间时判定异常状态.通过为各个电力转换器设定不同的异常检测持续时间，可以防止多个电力转换器的同时操作暂停。

进一步地，各个电力转换器的异常检测装置，当一定的检测值的电平超过了一个预定值时判定异常状态。因此，通过为电力转换器的各个异常检测装置设定不同的异常判定值，可以防止多个电力转换器的同时操作暂停。

作为上述异常状态的一个例子，可以考虑商业电力系统的电压上升。进一步地，较好的是各个太阳能电池阵列的发电量是不同的。进一步地，较好地是与具有最小的发电量的太阳能电池阵列相连的电力转换器被置于这样的状态-即操作比与具有较大的发电量的太阳能电池阵列相连的其他电力转换器先被暂停(以下称为先被暂停状态)。

进一步地，异常电压检测通常是在电力转换器的交流(AC)电输出端进行的。然而，在以下的描述中，异常电压检测是由在电力接收端的电压VR进行的一假定上述输出端与电力接收端(即图1中的切换板3)之间的电压降小。

(构造)

图1是根据本发明的光电发电设备的典型视图。如图1中所示，该光电发电设备包括：三个太阳能电池阵列11至13；以及，电力转换器21至23，用于把各个太阳能电池阵列的直流(DC)电力转换成交流(AC)电。电力转换器21至23被适当设定，从而使操作暂停不会同时发生，如上所述。在其中安装有图1所示的光电发电设备的建筑(用户)中，电力不仅是从商业电力系统5提供的，而且可以借助光电发电设备而由自身提供。进一步地，如果光电发电设备产生了多余的电力，多余的电力被送回到商业电力系统5。

·太阳能电池阵列11-13

本发明中采用的太阳能电池阵列11至13较好地是通过并联多个其中串联有多个太阳电池的太阳电池串而构成的。较好地是用在光电传感器中采用非晶硅的太阳电池或采用多晶硅或单晶硅的太阳电池，作为构成太阳能电池阵列11至13的太阳电池。构成太阳电池串的太阳电池的系列的数目，可以被适当地设定，从而实现用作光电发电设备所需的电压。在用于私人房子的3kW输出的系统或用于公寓的10kW输出的系统中，太阳电池的系列的数目经常被设定为实现约200V的数目。注意，根据本发明的太阳能电池阵列包括串联的多个太阳电池或并联的多个太阳电池。

·电力转换器21-23

各个太阳能电池阵列的输出被输入到电力转换器21至23。电力转换器21至23把来自太阳能电池阵列的直流电力转换成交流电，并调节所要输出的交流电压或电流。电力转换器21至23输出的交流电力通过一个电通路被引至切换板3。

·切换板3

切换板3被安装在建筑(用户)中。从切换板3，内部连线向外分出，以向建筑的各个房间中的照明设备或与插座相连的普通负载提供电力。在切换板3中，提供了一个主断路器，以把内部连线与商业电力系统5相分离。在从切换板3分出的各个内部连线中，提供了一个分支断路器。

-交易电表盒4

商业电力系统5通过一条电通路而被设置在建筑之内，且交易电表盒4被设置在通路的某些点上。在交易电表盒4之内，一个购买电表和一个销售电表相串联。购买电表把从电通路提供至建筑的电量相加，而销售电表把从光电发电设备送回至商业电力系统5的电量相加。

(第一实施例)

根据本发明的第一实施例，被图1中的电力转换器21至23判定为异常的电压检测值被设定在不同的值。由此，光电发电设备中的操作暂停的总持续时间被缩短了，且可以防止发电量的减小。

对太阳能电池阵列11至13的构造和电力转换器21至23的分配的描述如下。一串太阳电池通过串联14个非晶太阳电池模块(额定输出：22W；最大输出工作电压：14V)而构造，以实现约200V的输出电压(输出：308W)。10串的太阳电池被连接到电力转换器21，且12串的太阳电池被分别连接到电力转换器21至23。以此方式，约3.1kW的太阳能电池阵列被连接到电力转换器21，且约3.7kW的太阳能电池阵列被分别连接到电力转换器21至23，从而构成了能够由三个电力转换器21至23产生10.5kW输出的光电发电设备。

进一步地，电力转换器21至23每一个都包括如图1所示的用于检测电力接收端处的电压VR的异常的检测器41至43，以及诸如图5A所示的用于设定异常电压的开关71。图5B显示了当电力接收端处的电压VR上升时被检测为异常电压的电压值(以下称为“设定异常电压值”)。例如，当开关71被置于切换设定位置“3”时，当电力接收端处的电压VR达到110V时检测到异常状态，且电力转换器暂停操作。

图3显示了光电发电设备的电力接收端处的电压VR与电力转换器21至23的工作状态之间的关系。在图3中，用于三个电力转换器21至23的开关71被置于相同的值(对于110V是“3”)。图4显示了光电发电设备的电力接收端处的电压VR与电力转换器21至23的工作状态之间的关系。在图4中，电力转换器21被置于110V，电力转换器22被置于112.5V，且电力转换器23被置于115V。图3和4中的曲线图均显示了其中系统电压VS由于送电站或发电站的不规则的情况而产生的时序t0处的系统电压VS上升，且伴随VS上升，电力接收端的电压VR也上升。

根据图3，在电力接收端处的电压VR在时序t0是100V。随着系统电压VS上升，电压VR在时序t1超过了设定的异常电压值110V，且电力转换器21至23暂停工作。当电力转换器21至23暂停工作时，回流电流产生的电压降不再发生。另外，电压与用户消耗的电量相应地下降。因此，在电力接收端的电压VR下降。图3显示了约10V的电压降。作为电力转换器21至23的暂停工作的结果，在电力接收端的电压VR下降到低于设定的异常电压值，且当这种状态持续了预定的持续时间时，三个电力转换器21至23恢复它们的工作。当电力转换器21至23在时序t2恢复它们的工作时，在电力接收端处的电压VR再次上升。随后，当在电力接收端的电压VR在时序t3达到了设定的异常电压值时，所有三个电力转换器21至23重新暂停工作。这种暂停和恢复工作的重复持续进行，直到上述状态的结束，即其中系统电压VS由于发电站或送电站的不正常情况而上升。注意，图3和图4显示了其中电力接收端处的电压VR按照对数曲线而上升的例子。这是由于光电发电设备是通过最大功率点跟踪(MPPT)控制的且回流电流功率按照对数曲线上升。

然而，在图4中，由于设定的异常电压值对于各个电力转换器21至23是不同的，只有电力转换器21当电力接收端处的电压VR达到110V时在时序t1暂停工作。与电力转换器21的暂停工作相应地，回流电流功率下降，且电力接收端处的电压VR下降。其结果，电力转换器22至23能够在不停止工作的情况下继续工作。与图3类似地，电力转换器21重复工作暂停和工作恢复，直到系统电压VS停止上升。

如图图3和4可见，使电力转换器21至23具有不同的设定异常电压值，能够减小电力转换器21至23的工作暂停的持续时间，并能够抑制由于系统电压VS的上升造成的光电发电设备的发电量的降低。另外，电力接收端处的电压VR的变化可被减小。

注意，根据上述描述，电力转换器当电力接收端处的电压VR达到了设定的异常电压值时暂停工作，且随后当电力接收端处的电压VR保持在低于设定的异常电压值预定的时间时恢复工作。然而，也可以把工作恢复电压设定得低于工作暂停电压，从而减少电力转换器的工作暂停和工作恢复重复。更具体地说，假定设定的异常电压值是110V，VR的工作恢复电压可以被设定为108V。在此情况下，电力转换器的工作，当电力接收端处的电压VR等于或低于108V预定的持续时间时，得到恢复。

进一步地，电力转换器21被置于首先被暂停的状态，因为在电力转换器21至23中电力转换器21如上所述地与具有最小发电量(3.1kW)的太阳能电池阵列11相连。通过把具有最小发电量的电力转换器置于先被暂停状态，可以尽可能地减小由于系统电压VS的上升产生的光电发电设备的总发电量的减少。另外，电力接收端处的电压VR的变化可被减小。

(第二实施例)

第一实施例已经描述了一种用于为多个电力转换器设定不同的异常电压值的方法，从而减小多个电力转换器的工作暂停的总持续时间并防止发电量的下降。第二实施例，通过为多个电力转换器设定不同的异常电压检测时间，而减少了多个电力转换器的总工作暂停持续时间并防止了发电量的下降。

由于根据第二实施例的光电发电设备的构造与第一实施例的相同，只是电力转换器21至23的设定切换功能不是，因而省略了对其详细描述。

电力转换器21至23每一个都包括一个开关81，诸如如图6A所示的，用于设定异常电压检测时间。图6B显示了异常电压检测时间的设定值(以下称为“设定检测时间值”)。例如，当开关81被置于开关设定位置“3”时，当异常电压检测时间达到1.0秒时检测到异常状态，且电力转换器暂停工作。

图7显示了光电发电设备的电力接收端处的电压VR与电力转换器21至23的工作状态之间的关系。在图7中，用于三电力转换器21至23的开关81都具有相同的开关设定位置(例如对0.6秒为“1”)。图8显示了光电发电设备的电力接收端处的电压VR与电力转换器21至23的工作状态之间的关系。在图8中，电力转换器21被置于0.6秒，电力转换器22被置于1.0秒，且电力转换器23被置于1.4秒。图7和8中的曲线图都显示了其中系统电压VS在时序t0由于发电站或送电站的不规则情况而上升的状态，且随着VS的上升，电力接收端处的电压VR也上升。

当电力接收端处的电压VR在时序t1达到或超过了设定的异常电压值110V，且如果这种状态持续了0.6秒(设定检测时间)时，电力转换器21至23暂停工作。因此，如果设定检测时间值对所有电力转换器21至23都是相同的，电力转换器21至23如图7所示地在时序t2同时暂停工作。随后，如果电力接收端处的电压VR保持低于设定的异常电压值110V预定的持续时间，电力转换器21至23在时序t3同时恢复它们的工作。这种工作暂停和工作恢复的重复持续进行，直到上述状态的结束，即其中系统电压VS由于发电站或送电站的不规则情况而上升。

然而，在图8中，设定检测时间值对各个电力转换器21至23是不同的。当电力接收端处的电压VR在时序t1达到了110V设定的异常电压值且这种状态持续了0.6秒时，电力转换器21在时序t2暂停工作。与电力转换器21的工作暂停相应地，回流电流功率下降，且电力接收端处的电压VR下降。其结果，电力转换器21至23能够在无工作暂停的情况下继续工作。

如从比较图7与图8可见，使电力转换器21至23具有不同的设定检测时间值能够减小电力转换器21至23的工作暂停的总持续时间，并能够抑制系统电压VS的上升产生的光电发电设备的发电量的降低。另外，电力接收端处的电压VR的变化能够得到减小。

注意电力转换器21，由于与第一实施例中相同的原因，被置于先被暂停状态。由此，可以减小由于系统电压VS的上升而引起的光电发电设备的总发电量的降低，并减小电力接收端处的电压VR的变化。

(第三实施例)

第三实施例是其中设定了不同的异常电压值的根据第一实施例的方法与设定了不同的检测时间值的根据第二实施例的方法的结合。更具体地说，根据采用了与图1所示的第一和第二实施例的设备和构造类似的设备和构造的第三实施例，为电力转换器21至23中的每一个设定了不同的设定的异常电压值和不同的设定检测时间值，从而进一步区分工作暂停的条件。

第三实施例中采用的电力转换器21至23之每一个，包括了诸如如图5A所示的用于设定异常电压的开关71和诸如图6A所示的用于设定异常电压检测时间的开关81。电力转换器21的设定异常电压和检测时间分别被设定为110V和0.6秒；对电力转换器22它们被设定为112.5V和1.0秒；且对于电力转换器23它们被设定为115V和1.4秒。以此方式，这些电力转换器被适当设定而对于较大的设定检测时间值具有较大的设定的异常电压值，因而对电力转换器21至23之每一个进一步区分了工作暂停的条件。

根据第三实施例，与第一和第二实施例相比，可以进一步减小光电发电设备的总发电量的降低，并进一步减小电力接收端处的电压VR的变化。

进一步地，电力转换器21，由于与第一和第二实施例相同的原因，被置于先被暂停状态。

与前述设定相反地，这些电力转换器可被适当设定，而对于较大的设定的异常电压值具有较小的设定检测时间值。在此情况下，当检测到异常电压时，电力转换器的工作可在比上述设定短的时间中被暂停。这对于保护电力转换器的目的是较好的。

虽然前述各个实施例描述了其中异常电压作为系统电压VS的上升而被检测的情况，本发明也可被应用于其中检测器41至43通过设定异常频率或检测时间而检测商业电力系统的异常频率的情况。在此情况下，产生最小功率的电力转换器也可被置于先被暂停状态。这样，可以减小光电发电设备的总发电量由于商业电力系统的异常频率产生的降低，并减小电力接收端处的电压VR的变化。

本发明不限于上述实施例，且在本发明的精神和范围之内可以进行各种改变和修正。

根据上述各个实施例，本发明具有以下效果。

(1)即使当系统电压VS高时，电力转换器的工作暂停和工作恢复的重复也能够减少，光电发电设备的操作持续时间能够达到最大，且发电量的降低能够得到抑制。另外，能够防止由于电力转换器的工作暂停和工作恢复而产生的电力紧张。

(2)由于系统电压VS的上升而造成的光电发电设备的电力接收端处的电压VR的变化能够得到减小。

本发明的范围由所附的权利要求书限定。

Claims (9)

1.一种光电发电设备，包括：

多个太阳能电池阵列，其每一个都由多个太阳电池模块构成；以及

多个电力转换器，其每一个与所述多个太阳能电池阵列之一相连，用于把所述多个太阳能电池阵列产生的直流电力转换成交流电，从而向商业电力系统提供交流电，

其中所述多个电力转换器每一个都包括一个用于检测相应电力转换器的交流电力输出的异常状态以暂停该相应电力转换器的电力转换操作的检测器，且为该相应电力转换器所设定的、用于检测异常状态的值不同于为其他转换器的检测器所设定的值，其中所述多个电力转换器中的至少一个的操作暂停时序比其他的电力转换器早。

2.根据权利要求1的设备，其中所述多个电力转换器之一的操作暂停时序不同于其他的电力转换器。

3.根据权利要求1的设备，其中所述多个太阳能电池阵列每一个都由多个并联的串构成，且该多个串每一个都由串联的多个太阳电池模块构成。

4.根据权利要求1的设备，其中所述检测器测量交流电输出的电压，并在测量的电压由于商业电力系统的电压上升而达到以及超过了一个设定值时判定异常状态。

5.根据权利要求4的设备，其中为所述多个电力转换器中的至少一个的检测器所设定的设定值不同于为其他转换器的检测器设定的设定值。

6.根据权利要求4的设备，其中为至少一个所述多个电力转换器设定不同的异常状态检测时刻与工作暂停时刻之间的时间间隔。

7.根据权利要求4的设备，其中把所述多个电力转换器中的一个设定为比其他转换器更早地被暂停工作，该电力转换器与所述多个太阳能电池阵列中产生的电力比其他多个太阳能电池阵列少的一个相连。

8.一种光电发电设备的控制方法，该光电发电设备包括：多个太阳能电池阵列，其每一个都由多个太阳电池模块构成；以及，多个电力转换器，其每一个与所述多个太阳能电池阵列之一相连，用于把所述多个太阳能电池阵列产生的直流电力转换成交流电，从而向商业电力系统提供交流电，所述方法包括以下步骤：

使用由相应的转换器构成的检测器来检测多个电力转换器的每一个的交流电力输出的异常状态；以及

当检测到异常状态时暂停所述相应电力转换器的电力转换操作，

其中，用于检测异常状态的、为所述相应电力转换器设定的一个值不同于为其它转换器的检测器所设定的值，其中所述多个电力转换器的至少一个的操作暂停时序早于其他的电力转换器。

9.根据权利要求8的方法，其中所述检测步骤包括以下步骤：

测量交流电力输出的电压；以及

根据测量的电压检测异常状态，

其中所述检测步骤当测量的电压由于商业电力系统的电压上升而达到以及超过了一个设定值时检测到异常状态。

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