专利名称：用于电力装置保护的系统和方法
用于电力装置保护的系统和方法领域及背景本发明涉及在分布式电力系统中的反孤岛效应(anti-islanding)，以及，更特别地涉及在反孤岛效应期间光伏分布式电力设备和人员的保护的系统和方法。公用事业网络提供电力系统到公用事业用户。从公用事业公司到用户的电力的分布利用以类似网格的方式连接的公用事业管线网络，该网络被称为电网格(electrical grid)。电网格可由除激励电网的公用事业公司之外的许多激励电网(grid)的独立能源构成，每个独立能源被称为分布式电力(DP)生成系统。现代的公用事业网络包括公用事业功率源、用户负载，以及同样供应电力到网络的分布式电力生成系统。分布式电力生成系统的数量和类型迅速增长并且能够包括光伏、风力、水力、燃料电池、例如电池的存储系统、超导飞轮和电容器类型，以及机械设备包括传统的和可变速的柴油发动机、斯特林发动机、燃气涡轮，以及微型涡轮。这些分布式电力生成系统被连接到公用事业网络以使他们与公用事业功率源同时操作。现代的公用事业网络所面临的一个普遍问题是孤岛效应的出现。孤岛效应是分布式电力生成系统和公用事业网络分离的状态，但在公用电力供应从网络的某些部分断开连接后，仍继续供应电力到公用网络的那些部分。所有光伏系统必须具有反孤岛效应检测以便遵守安全条例。否则在电网关闭后，由于光伏装置生成作为孤岛下游的电力，光伏装置可能电击修理工或使修理工触电致死。孤岛状态使公用事业网络的有秩序的重新连接变得复杂并且也对设备造成危害。因此，孤岛状态的检测和消除是重要的。已经提出了几种技术以防止孤岛效应。例如，一种方法涉及在主发电源和DP系统之间的公用事业系统的所有电路断路器上监控辅助触点。辅助触点被监控用于代表在公用事业的源上的开放的电路断路器的状况的改变。公用事业电路断路器通常通过外部的保护继电器被监控和切断。当公用事件的损耗通过电路断路器的辅助触点的状况的改变被检测到时，使用传递切断(transferred trip)方案以打开在公用事业和分布式电力系统之间的互连。传递切断方案使用被监控的公用事业的源的辅助触点。辅助触点与其它能够触发局部互连断路器的切断的设备并联连接。当辅助触点改变状况时，在局部互连断路器上引起切断。这防止孤岛状态的发生。这个方法的缺点是通常公用事业绝缘的点(公用事业电路断路器打开的点)具有距局部分布式电力系统的这样的一距离以致运行触点状况信号回到局部分布式电力系统控制系统是不实际的。目前所使用或提出的反孤岛效应方案包括被动的方案和主动的方案。被动的方案基于电网信号的局部监控，例如，如欠电压或过电压、低频率或高频率、频率的变化率、相位跃变，或系统谐波。主动的方案基于监控作为结果的电网信号的主动信号注入，例如，如阻抗测量，或带有主动控制的主动信号注入，例如，如主动频率偏移或主动电压偏移。使用主动的方案，可能在输出电流波形中会发生一些失真，从而引起在孤岛效应检测时间和波形失真之间的折中，较快的检测通常引起较高的总谐波失真。太阳能分布式电力系统10的传统装置，其包括多个太阳能板101，在
图1中示出。 由于由每个单独的太阳能板101提供的电压是低的，所以几个板101被串联连接以形成一串103板101。对于大的装置，当需要较高的电流时，几串103可被并联连接以形成整个系统10。互连的太阳能板101被安装在室外，并被连接到最大功率点跟踪(MPPT)模块107且然后到逆变器104。MPPT 107 —般作为逆变器104的部分来实现，如在图1中所示的。从 DC源101获得的功率被递送到逆变器104，该逆变器将直流(DC)转换成具有所期望的电压和频率的交流(AC)，其通常为在60Hz处IlOV或220V，或在50Hz处220V。来自逆变器104 的AC电流然后可以被用于操作电器用品或被馈送到电力网。如以上所表明的，每个太阳能板101供应相对非常低的电压和电流。太阳能阵列设计者面临的问题是要从太阳能板的低电压的组合产生在120V或220V的均方根(RMS)处的标准AC电流。来自低电压的高功率的递送需要非常高的电流，其造成相当于电流的平方 i2的大的传导损耗。此外，被用于将DC电流转换成AC电流的功率逆变器，诸如逆变器104， 当其输入电压稍微高于乘以2的平方根的其输出RMS电压时，是最有效的。因此，在许多应用中，功率源，诸如太阳能板101，被组合以便达到正确的电压或电流。大量的板101被连接成串103且串103被并联连接到功率逆变器104。板101被串联连接以便达到逆变器104 所需的最小电压。多个串103被并联连接到阵列中以供应较高的电流，以便实现较高的功率输出。图IB示出连接到MPPT电路107和逆变器104的DC源，例如，太阳能板10la_10ld， 的一个串联的串103。电流相对电压(IV)的特征被图示(IlOa-IlOd)在每个DC源101的左侧。对于每个DC源101，电流随着输出电压的增加而减小。在某个电压值，电流归于零， 并且在一些应用中电压值可采用负值，意为源成为汇(sink)。旁路二极管(未示出)被用于防止源成为汇。等于电流和电压的乘积的每个源101的功率输出(P = i*V)依赖于从源中汲取的电压而变化。在某一电流和电压处，接近于电流的衰落点，功率达到其最大值。期望的是，在该最大功率点(MPP)处操作电力生成单元。MPPT的目的在于找到该点并在该点处操作系统，以便从源汲取最大功率。在典型的、传统的太阳能板阵列中，不同的算法和技术被用于优化使用MPPT模块 107的系统10的集成功率输出。MPPT模块107接收从所有的太阳能板101中一起提取的电流并跟踪对于该电流的最大功率点以提供最大平均功率，以使如果更多电流被提取，来自板的平均电压将开始下降，从而降低获得的功率。MPPT模块107保持从系统10产生最大平均功率的电流。然而，因为功率源IOla-IOld被串联连接到单一的MPPT 107，MPPT107选择最大功率点，该功率点是单独串联连接的源101的最大功率点的近似平均。实际上，很有可能的是，MPPT 107将在最适于仅几个源101或不适于源101中的任何一个的I-V点处操作。在图IB的示例中，所选的点是源IOlb的最大功率点，但偏离源101a、101c和IOld的最大功率点。结果，装置没有被操作在最佳可达到的效率处。^iitAB^ilS^"Distributed Power Harvesting Systems Using DC Power Sources”的第11/950271号共同待决的US申请中公开了耦合到每个功率源(例如，光伏板)的输出的电功率转换器(例如，DC到DC转换器)的用途。电功率转换器通过监控并控制在最大功率水平处的输入功率，将输入功率转换成输出功率。该系统也可被用于处理反孤岛效应问题。如在此所使用的术语“泄漏”指的是一般在低电平处和一般因为不足的绝缘被辐
6射或传导到电信号管线中的电功率。概要本发明的以下概要被包括以便提供对本发明的一些方面和特征的基本理解。该概要不是本发明的大范围综述并且因而不是用来具体地识别本发明的关键或重要的元件或不是用来描绘本发明的范围。其唯一的目的是以简化的形式呈现本发明的一些概念以作为以下呈现的更多细节描述的序幕。根据本发明的一个方面，这里提供在分布式电力系统中的多个DC功率源和包括分别耦合到DC功率源的输入的多个功率模块。功率模块每个包括输出，其串联耦合以形成串联的串。逆变器被耦合到串联的串。逆变器转换从串输入的功率并产生输出功率。在功率模块中的保护机构关闭功率模块并在逆变器停止产生输出功率时中止输入到逆变器的功率。一般地，逆变器被连接到电网。监控机构被附接到电网，该监控机构监控电网的一个或多个电参数。关闭机构被附接到监控机构，其在一个或多个电参数在预先确定的规格之外时，逆变器停止输出功率的产生或从电网断开连接。开关优选地布置在串联的串和逆变器之间。开关由关闭机构来激活并且保护机构感测在开关被激活时流经串联的串的电流的变化。当开关与串联的串串联连接时，保护机构感测在串联的串中的该电流小于先前指定的最小阈值电流；或当开关与串联的串并联连接时，保护机构感测在串中的电流大于先前指定的最大阈值电流。可选地，信号提供机构被附接到逆变器，该信号提供机构基于关闭机构提供信号。多个接收器被分别附接到功率模块。接收器接收信号，并且分别附接到接收器的多个使能机构使各自的功率模块能够基于信号的存在或信号的不存在供应输入功率到逆变器。当信号为保持激活(ke印-alive)信号时，基于保持激活信号的存在，使能机构使各自的功率模块能够供应输入功率到逆变器。当信号为关闭信号时，基于关闭信号的存在， 使能机构禁止各自的功率模块并停止输入功率到逆变器的供应。在串联的串中的信号可选择地来自电网并在电网的频率处被检测或在从电网的频率上变频的更高频率处被检测。在串联的串中的信号可选择地来自逆变器或是来自逆变器的输出功率，并在逆变器的开关频率处被检测。信号可选择地自串联的串被叠合在输入到逆变器的功率上。信号可通过信号提供机构被无线传输，并且在每个功率模块中的接收器接收无线传输的信号。根据本发明的另一个方面，这里提供在分布式电力系统中的一种保护方法，其包括DC功率源和多个功率模块，每个功率模块包括耦合到DC功率源的输入。每个功率模块包括输出，其串联耦合以形成串联的串。逆变器被耦合到串联的串。逆变器转换从串输入的功率并产生输出功率。当逆变器停止输出功率的产生时，每个功率模块被关闭，并且因此输入到逆变器的功率被中止。当逆变器被连接到电网并供应输出功率到电网时，电网的一个或多个电参数被监控。当电网的一个或多个电参数在预先确定的规格之外时，逆变器被关闭并因此输出功率的产生被停止或逆变器从电网被断开连接。当逆变器被关闭时，布置在串联的串和逆变器之间的开关被激活。当开关被激活时，流经串联的串的电流的改变被感测。可选地，基于关闭机构提供一信号。多个接收器被分别地附接到功率模块。接收器接收信号，该信号使各自的功率模块能够基于信号的存在或信号的不存在供应输入功率到逆变器。当信号为保持激活信号时，基于保持激活信号的存在，各自的功率模块供应输入功率到逆变器。当信号为关闭信号时，基于关闭信号的存在，各自的功率模块停止输入功率到逆变器的供应。信号可基于来自电网的串联的串中的电流，并在电网的频率处被检测或在从电网的频率上变频的更高频率处被检测。在串联的串中的信号可选择地来自逆变器或输出功率来自逆变器，并在逆变器的开关频率处被检测。信号可选择地主动地叠合在自串联的串输入到逆变器的功率上。信号可被无线传输并且在每个功率模块中的接收器接收该无线传输的信号。当连同附形被考虑时，前述的和/或另外的方面将从以下详细的描述变得明显。附图简述被并入和构成该说明书的一部分的附图，举例说明本发明的实施方式，并且与描述一起，用于解释并说明本发明的原理。附图是用来以图解的方式说明所说明的实施方式的各种特征。附图不是用来描述实际的实施方式的每个特征，也不是用来描述所描述的元件的相对尺寸，且附图不必按比例绘制。在此仅通过例子的方式参考附图描述本发明，其中图1示出使用光伏板作为DC源的传统的功率获得系统；图IB示出图1的DC源的一个串联的串的电流相对电压的特征曲线；图2示出先前在第11/950271号共同待决的US申请中所公开的分布式功率获得电路；图3示出先前在第11/950271号共同待决的US申请中所公开的示例性DC到DC 转换器；图4和图4A示出依照本发明的方面，在孤岛效应状态期间用于保护的系统；图4B和图4C更加详细地示出图4和图4A的系统；图4D示出根据本发明的方面，使用图4和图4A的系统的方法。图5和图5A示出依照本发明的另外的方面，在孤岛效应状态期间用于保护的系统；图5B示出一例子，其中根据本发明的实施方式的系统被应用为现有技术的系统 (例如图1的系统)的改进。图6、图6A和图6B示出根据本发明的又另外的方面，在孤岛效应状态期间用于保护的系统；图7和图7A示出根据本发明的再另外的方面，在孤岛效应状态期间用于保护的系统。细节描述现在将对于本发明的实施方式详细地作出参考，其例子在附图中被说明，其中相同的参考数字指的是全部相同的元件。通过参看图在下面描述实施方式以解释本发明。应注意到，虽然在此讨论主要涉及在光伏系统中的反孤岛效应且更特别地涉及那些先前在第11/950271号US申请中所公开的系统，但本发明可通过不受限制的示例，可选地被配置为同样使用传统的光伏分布式电力系统以及其它的分布式电力系统包括(但不限于)风力涡轮机、水力涡轮机、燃料电池、例如电池的存储系统、超导飞轮、和电容器，以及机械设备包括传统的和可变速的柴油发动机、斯特林发动机、燃气涡轮机、以及微型涡轮机。作为导言，注意到本发明的各个方面具有重要的安全利益，是重要的。当根据本发明的某些方面安装或进行维修光伏系统时，安装者被保护免受电击和触电致死的危险，这是因为例如当太阳能板被暴露于日光下时根据本发明的实施方式的系统不输出高电压。类似地，消防员，正如在他们关闭燃烧的建筑物的主电气开关后，能够安全地冲进燃烧的建筑物内或用水用软管浇建筑物的屋顶，而不用害怕通过水的高电压DC传导，这是因为馈送到逆变器的高电压直流被安全地关掉。在详细地解释本发明的实施方式之前，要理解的是，本发明在其申请中不被限于在以下描述中提到的或在附图中示出的设计的细节和部件的安装。本发明能够是其他的实施方式或能够以各种方式被实践或被实现。同样地，要理解的是，在此所使用的措辞和术语是用于描述的目的并且不应被视为限制性的。现在参照附图，图2示出先前在第11/950271号US申请中公开的分布式电力获得电路20。电路20能够实现多个分布式功率源，例如太阳能板201a-201d，到单个电力供应的连接。太阳能板201的串联的串203可被耦合到逆变器204或太阳能板201的多个连接的串203可被连接到单个逆变器204。在配置20中，每个太阳能板201a-201d被单独地连接到分开的功率调节器，这里为转换器电路或模块20fe-205d。每个太阳能板201和它的相关联的功率转换器电路205 —起形成电力生成元件222。(仅一个这样的电力生成元件 222在图2中被标记。)每个转换器20fe-205d最优地适应于所连接的太阳能板201a-201d 的功率特征并从转换器205的输入到输出有效地传递功率。转换器20fe-205d—般为微处理器控制的开关转换器，例如降压转换器、升压转换器、降压/升压转换器、回扫转换器或正向转换器，等。转换器20fe-205d也可包括若干组成的转换器，例如串联连接的降压转换器和升压转换器。每个转换器20fe-205d包括控制回路221，例如MPPT回路，其不从转换器的输出电流或电压接收反馈信号，而是从来自太阳能板201的转换器的输入接收反馈信号。通过典型地靠脉宽调制(PWM)来变化开关转换的一个或多个工作周期使得从每个附加的板201a-201d提取最大功率，转换器205的MPPT回路在每个太阳能板201a-201d最优的功率点处锁定来自每个太阳能板201a-201d的输入电压和电流。转换器205的控制器动态地跟踪在转换器输入处的最大功率点。反馈环路221接近于输入功率以便跟踪最大输入功率，而不是像由传统的DC到DC电压转换器执行的，使反馈环路接近于输出电压。由于在每个转换器20^i-205d中具有分开的MPPT电路，且因此对于每个太阳能板201a-201d，每个串203可具有不同数量或不同规格、尺寸和/或模型的串联连接的板 201a-201d。图2的系统20在每个太阳能板201a-201d的输出上持续地执行MPPT以对温度、太阳光辐射率、阴影或其它影响一个或多个太阳能板201a-201d的性能因子的改变作出反应。作为结果，在转换器20fe-205d中的MPPT电路从每个板201a-201d获得最大可能功率并不管影响其它太阳能板201a-201d的参数传递该功率作为输出。转换器201a-201d的输出被串联连接到形成到逆变器204的输入的单个DC输出中。逆变器204将转换器201a-201d的串联连接的DC输出转换成AC电力供应。逆变器 204可被设置成调整在逆变器204的输入处的电压。在该例子中，独立的控制回路220保持输入到逆变器204的电压在一设定值，比如说400伏特。在逆变器204的输入处的电流一般由可用的功率来固定并由光伏板201生成。为了合法地被允许连接到在每个国家的电网，逆变器104、204优选地被设计成遵守当地的电气规程。除了其它方面，电气规程一般指示电网的最小和最大电压，例如，220-260均方根电压V，以及许可的频率的范围，例如，45-55HZ。每当电网偏离所允许的值时，就需要逆变器104、204从电网断开连接。从电网断开连接一般使用软件控制逆变器 104、204和控制电路来执行，控制电路持续地监控电网参数，例如电压、频率。在系统10中，太阳能板101被直接连接(例如，串并联)到逆变器104。当孤岛效应状态被检测到时，逆变器104从电网断开连接。因此，逆变器104停止汲取电流并因此板101输出相对高的开路电压，其一般地高于正常的操作电压25%。高于正常的工作电压 25%的开路电压一般是安全的，(小于在美国允许的600VDC和在欧洲允许的1000VDC)其一般为设计成能够处理更高的开路电压的逆变器104的额定值。在系统20中，存在“推送”功率到转换器205的输出的功率转换器205。在已经被逆变器204检测出的孤岛效应状态下，逆变器204被关闭并且电流不在转换器205和逆变器204之间流动。结果，在系统20中，在到逆变器204的输入处的开路电压达到危险的电压，其高于逆变器104，204的开路最大电压额定值。现在参照图3，其说明先前在第11/950271号共同待决的US申请中所公开的示例性的DC到DC转换器205。DC到DC转换器被用于逐步降低或逐步升高DC电压输入到较高或较低DC电压输出，其取决于输出电路的需求。然而，在图3的实施方式中，DC-DC转换器 205被用作为功率转换器，也就是，将输入功率传递到输出功率，输入电压根据在输入端处的MPPT变化，而输出电流由到逆变器104、204的持续的输入电压来指示。也就是，输入电压和电流可在任何时候变化并且输出电压和电流可在任何时候变化，其取决于DC功率源201 的操作状态。转换器205在输入端部314和316被连接到相应的DC功率源201。DC功率源201 的被转换的功率通过输出端部310、312输出到电路。在输入端部314、316和输出端部310、 312之间，转换器电路包括输入和输出电容器320、340、回流防止二极管322、342以及包括控制器306和感应器308的功率转换电路。二极管342以极性方式与输出312串联，以使电流不回流到转换器205中。二极管322被耦合在通过作为DC电流的短路的感应器308的正输出引线312和负输入引线314 之间，带有这样的极性以防止来自输出312的电流回流到太阳能板201。由于在板201的太阳能单元中产生的电子空穴对，在电线314和316之间存在电势差。转换器205通过在太阳能板201的峰值功率点处从太阳能板201提取电流保持最大功率输出，峰值功率点是通过持续地监控由板201提供的电流和电压并使用最大功率点跟踪算法来得到的。控制器306包括MPPT电路或用于执行峰值功率跟踪的算法。峰值功率跟踪和脉宽调制(PWM)被一起执行以达到期望的输入电压和电流。在控制器306中的MPPT 可为任何传统的MPPT，例如，举例，扰动和观察(P&0)，增量电导，等。然而，显著地MPPT在板201上直接被执行，也就是，在到转换器205的输入处，而不是，在转换器205的输出处。 生成的功率然后被传递到输出端部310和312。多个转换器205的输出可被串联连接，以使一个转换器205的正引线312被连接到下一个转换器205的负引线310。在图3中，转换器205被示为降压加升压转换器。在此所使用的术语“降压加升压”为直接跟随升压转换器的降压转换器，如在图3中所示的，该术语还可作为“级联的降压-升压转换器(cascaded buck-boost converter) ”出现在文献中。如果电压要被降低， 升压部分实质上被短路。如果电压要被升高，降压部分实质上被短路。术语“降压加升压”不同于降压/升压拓扑，该拓扑为在电压要被升高或降低时可被使用的经典拓扑，且有时作为“级联的降压-升压(cascaded buck-boost) ”出现在文献中。“降压/升压”拓扑的效率固有地低于降压或升压。另外地，对于给定的需求，降压-升压转换器将需要比降压加升压转换器更大的无源部件以便运行。因此，图3的降压加升压拓扑具有比降压/升压拓扑更高的效率。然而，图3的电路持续地决定它是降压还是升压。在一些情况中，当所期望的输出电压近似于输入电压时，那么降压和升压部分都可以是可操作的。控制器306可包括脉宽调制器，PWM,或数字脉宽调制器，DPWM,以与降压和升压转换器电路一起被使用。控制器306控制降压转换器和升压转换器并确定降压或升压操作是否要被执行。在一些环境中，降压和升压部分可被一起操作。就是说，独立于输出的电流和电压的选择来选择输入电压和电流。此外，输入或输出值的选择可在任何给定的时刻改变， 这取决于DC功率源的操作。因此，在图3的实施方式中，转换器205被构成以使在任何给定的时间，输入电压和电流的所选值可依赖于输出需求被上变频或下变频。在一种实现中，集成电路(IC)304可被使用，其合并转换器205的一些功能。IC 304可选择地是能够抵挡出现在室外太阳能装置中的严酷的温度极值的单个ASIC。ASIC 304可被设计用于多于25年的高平均无故障时间(MTBF)。然而，使用多个集成电路的离散的解决方案也可以类似的方式使用。在图3中所示的示例性的实施方式中，转换器305的降压加升压部分作为IC 304被实现。实际的考虑可导致系统的其它分割。例如，在发明的一个方面中，IC 304可包括两个IC，处理系统中的高电流和电压的一个模拟IC，以及包括控制逻辑的一个单一低压数字IC。模拟IC可使用功率FET来实现，其可选地可在离散的不见、FET驱动、A/D以及诸如此类中来实现。数字IC可形成控制器306。在所示的示例性的电路205中，降压转换器包括输入电容器320，晶体管3 和 330，并联地放置于晶体管328的二极管322，以及感应器308。晶体管3观、330每个具有寄生体二极管324、326。升压转换器包括感应器308(该感应器与降压转换器共享)，晶体管 348和350，并联地放置于晶体管350的二极管；342，以及输出电容器；340。晶体管348、350 每个具有寄生体二极管344、346。系统20包括转换器205，其被串联连接并从串203中运载电流。如果在串联连接的转换器205之一中故障导致在故障的转换器205中的开路，则电流中止通过转换器205 的整个串203的流动，由此造成系统20停止运行。本发明的方面提供转换器电路205，其中电气部件具有与他们相关联的一个或更多旁路路径，一旦在转换器205的一个中电气部件出现故障则旁路路径会运载电流。例如，转换器的降压或升压部分的每个开关晶体管具有它自己的二极管旁路。同样地，在感应器308的故障时，电流通过寄生二极管344、346绕过故障的感应器308。现在参照图4，其示出依照本发明的实施方式在孤岛效应状态期间用于保护的系统40。为简单起见，分布式功率源(例如，连接到各自的功率转换器的太阳能板 201a-201d)的单个串423被示出。串联的串423通过电线412和410被输入到逆变器404。 逆变器404的输出被连接到电网并供应电功率到电网。逆变器404 —般地包括监控和检测机构401，其监控电网的一个或更多参数，例如，电压和/或频率。如果一个或更多电网参数超出规格指示孤岛效应状态，监控和检测机构401 —般地使逆变器404被关闭或逆变器 404从电网断开连接，以使输出功率不再通过逆变器404被供应到电网。同时，信号414被传输到开关机构403，该开关机构可被放置在输入电容器408之前的逆变器404的输入处。 开关机构403可选择地与逆变器404封装或可与逆变器404集成并分开封装。在该例子中， 信号414激活开关机构403以使当开关403被激活时，以使通过串联的串423和电线410、 412流动的电流突然地变化。现在还参照图4A，其更加详细地示出转换器405。转换器405具备电流感测机构 407，该电流感测机构依据感测在通过串联的串423的电流中的变化发信号到控制器306以关闭并停止转换功率。一般地，电流感测机构407包括持续地馈送数据到控制器306的模拟/数字转换器。控制器306检测在电流中的关闭并相应地决定关闭转换器405。现在还参照图4B和4C，其更加详细地图解地示出开关机构403。图4B示出以串联配置的开关机构403，其中开关403与串联的串423串联连接，以及图4C示出并联的配置，其中开关403与串联的串423并联连接。在串联的配置(图4B)中，开关403在逆变器 404的正常操作期间闭合。当孤岛效应状态被检测到时，串联的开关403在逆变器404关闭的期间打开。电流感测机构407依据感测零电流发信号到控制器306，表明输出电流小于先前指定的最小值并且控制器306关闭在转换器405中的功率转换。在并联的配置(图4C) 中，开关403在逆变器404的正常操作期间打开。当孤岛效应状态被检测到时，并联的开关 403在逆变器404关闭的期间闭合。关于在最小负载处流经开关403的串联的串423的所有电流，电流增加到先前指定的最大电流以上。电流感测机构407依据感测电流最大值发信号到控制器306，表明输出电流在最大的先前指定的值以上并且控制器306关闭功率转换。在不同的实施方式中的开关机构403可被具体化为带有适合于本申请的电流和电压额定值的机械开关或固态开关。开关机构403优选地由功率电子学技术领域的技术人员来选择，以使在实践本发明的一些实施方式时，避免跨其打开的端部的电弧。现在参照图4D，其示出根据本发明的实施方式的方法。在决定块450中，来自逆变器104、204的输出功率被持续地监控。如果停止输出功率，那么功率转换器405被关闭。现在参照图5，其示出在孤岛效应状态期间用于保护的根据本发明的另外的实施方式的系统50。为简单起见，分布式功率源(例如，连接到各自的功率转换器的太阳能板201a-201d)的单个串523被示出。串联的串523通过电线412和410输入到逆变器504。逆变器504的输出被连接到电网并供应电功率到电网。逆变器504 —般地包括监控和检测机构401，其监控电网的一个或更多参数，例如，电压和/或频率。如果一个或更多的电网参数在规格之外表示孤岛效应状态，那么监控/检测机构401 —般地关闭逆变器 504或从电网断开连接，使得输出功率不再通过逆变器504被供应到电网。在正常操作期间，直线通信发射器503叠加保持激活信号在连接到串联的串523的直流(DC)输入线410 和412上，该信号例如在1千赫到100兆赫之间。现在还参照图5A，其更加详细地示出转换器505。保持激活信号不断地被直线通信接收器507监控和检测。仅当接收器507感测到保持激活信号时，接收器507提供使能信号到控制器306。当控制器306没有从接收器507接收到使能信号时，控制器306关闭转换器505的功率转换。可选地，替代“保持激活”信号，一停止信号514被传输到接收器507，该停止信号在孤岛效应状态被检测到时，由监控和检测机构401首先生成。停止信号通过在串联的串 523的电力线上叠加变化的(例如，IOKhz到IOOMhz)信号在直线通信上被传输。接收器507接收停止信号并使用例如单个禁用比特将该停止信号传送到控制器306。依据接收到的禁用信号控制器306停止转换功率到转换器505的输出。一般地，当转换器505被禁用时，它们进入到允许电流从其它转换器505通过的旁路模式。因此，停止信号可被继续直到所有功率停止通过所有的转换器505被供应到串523上。应注意到的是，本领域技术人员将认识到，虽然在系统50中，转换器505被示出具有反馈回路221，正如在系统20的控制器205中的，但是对于串联的串的本发明的实施方式，如在使用开关机构403的系统40中和/或在使用直线通信的系统50中所示出的，可被应用于使用不带反馈回路221的转换器的其它分布式电力系统中并在其中找到益处，如应用到先前技术的系统10。类似地，传统逆变器104可替代逆变器504被使用，该传统的逆变器104可带有或者由逆变器生产商或者作为改进添加到逆变器104的通信发射器503。 例如，图5B示出根据本发明的实施方式被应用为先前技术的系统(例如图1的系统)的改进的系统。在该例子中，检测机构401和开关机构403被安装在电网和传统逆变器104之间。当然，检测机构401和开关机构403可被合并到逆变器中，例如，对于原始安装，而不是改进。同样地，在此所描述的其它实现可替代检测机构401和开关机构403被使用。将监控和检测机构401和开关机构403或通信发射器503之一合并到系统10中的优势是在安装、维修、以及消防期间是有益的。现在参照图6，其示出在孤岛效应状态期间用于保护的根据本发明的又一实施方式的系统60。为简单起见，分布式功率源(例如，连接到各自的功率转换器的太阳能板201a-201d)的单个串623被示出。串联的串623通过电线412和410输入到传统的逆变器104。逆变器104的输出被连接到电网并供应电功率到电网。逆变器104 —般地包括监控和检测机构401，其监控电网的一个或更多参数，例如，电压和/或频率。如果一个或更多的电网参数在规格之外表示孤岛效应状态，那么监控和检测机构401 —般关闭逆变器104以使输出功率不再由逆变器104被供应到电网。在正常操作期间，IOOHz (或在美国 120Hz)的纹波电流在电线410、412之间及在串联的串623中是可检测的，这是因为逆变器 104的电容器不会完全地阻止交流，或100/120HZ有意地通过电线410、412泄漏到串联的串 623 中。现在还参照图6A，其更加详细地示出转换器605。100/120Hz泄漏通过接收器607 不断地被监控和检测。仅当接收器607感测到来自电网的泄漏时，接收器607提供使能信号到控制器306。当控制器306没有从接收器607接收到使能信号时，控制器306关闭转换器605的功率转换。可选地或另外地，一般为16Khz或32KHz的逆变器104的一个或更多的开关频率可被检测为泄漏或沿电线412、410被有意地提供到串联的串623。接收器607被配置成检测16/32KHZ逆变器开关功率，并且当逆变器104在操作中时提供使能信号到控制器。现在参照图6B，示出根据本发明的实施方式，用于将100/120HZ上变频到更高的频率以便是能在接收器607中来自电网的泄漏的更快的检测的简化的方框图。100赫兹或 100赫兹信号是被电容器631耦合的AC以去掉在串联的串623以及电线410和412中的直流分量。100/120HZ的信号可选择地被放大并且由全波整流器635来整流，使得IOOHz或 120Hz的单极DC纹波被实现。100/120HZ单极信号被分离。100/120Hz的单极纹波的一部分被转换为方波，例如进入比较器/数字化电路639中的。100/120HZ的单极纹波的第二部分经历已知的相移，例如，在相移器633中的400Hz的相移，并输出到第二比较器/数字化电路631。两个数字化电路639、631的两个输出在M)R电路633中经历异或，XOR电路633 在更高的频率，例如，800Hz，输出信号。现在参照图7，其示出在孤岛效应状态期间用于保护的根据本发明的另外的实施方式的系统70。为简单起见，分布式功率源(例如，连接到各自的功率转换器的太阳能板201a-201d)的单个串723被示出。串联的串723通过电线412和410输入到逆变器704。逆变器704的输出被连接到电网并供应电功率到电网。逆变器704 —般地包括监控和检测机构401，其监控电网的一个或更多参数，例如，电压和/或频率。如果一个或更多的电网参数在规格之外表示孤岛效应状态，那么监控和检测机构401 —般关闭逆变器704 或从电网断开逆变器704的连接，使得输出功率不再由逆变器704供应到电网。在正常操作期间，无线发射器703无线传输一信号，例如在100兆赫-10千兆赫之间。现在还参照图7A，其更加详细地示出转换器705。无线信号被无线接收器707接收并不断地被无线接收器707监控，仅当接收器707感测到无线信号时，接收器707提供使能信号到控制器306。当控制器306没有从接收器707接收到使能信号时，控制器306关闭转换器705的功率转换。关于具体的例子描述了本发明，具体的例子是用来在所有的方面说明而不是限制。那些本领域的技术人员将意识到，硬件、软件、以及固件的许多不同的组合将适合用于实践本发明。此外，根据说明书的描述和在此公开的发明的实践，本发明的其它实现对于本领域的那些技术人员来说将是明显的。所描述的实施方式的不同的方面和/或不见可被单独地或以任何组合的方式被用在服务器技术领域中。意图是说明书和例子仅被考虑作为典型的示例，而本发明的真实范围和精神通过以下的权利要求被表明。
权利要求
1.一种分布式电力系统，包括 多个DC功率模块，其提供DC输出；逆变器，其耦合到所述DC功率模块并转换从所述DC功率模块接收的所述DC输出以提供输出功率；以及保护机构，其配置成在所述逆变器停止产生所述输出功率时，中止所述DC输出。
2.根据权利要求1所述的分布式电力系统，其中所述逆变器被连接到电负载，并且还包括监控机构，其耦合到所述电负载并被配置成监控所述电负载的至少一个电参数； 关闭机构，其耦合到所述监控机构并被配置成在所述至少一个电参数在预先确定的规格之外时，使所述逆变器停止所述输出功率。
3.根据权利要求2所述的分布式电力系统，其中所述DC功率模块被耦合在至少一个串联的串中，以及其中所述保护机构感测在所述串联的串中的电流。
4.根据权利要求3所述的分布式电力系统，还包括开关，其根据下述的配置之一被布置在所述串联的串和所述逆变器之间 所述开关被串联地与所述串联的串连接并且所述保护机构感测通过所述串联的串的所述电流小于先前指定的最小阈值电流，或所述开关被并联地与所述串联的串连接并且所述保护机构感测在所述串中的所述电流大于先前指定的最大阈值电流。
5.根据权利要求1所述的分布式电力系统，其中所述逆变器被连接到所述电负载，并且还包括监控机构，其被耦合到所述电负载并监控所述电负载的至少一个电参数； 关闭机构，其被耦合到所述监控机构，在所述至少一个电参数在预先确定的规格之外时，使所述逆变器停止所述输出功率；信号提供机构，其被耦合到所述逆变器，所述信号提供机构基于所述关闭系统提供信号；多个接收器，其被分别耦合到所述DC功率模块；以及多个使能机构，其被分别耦合到所述接收器，其中所述使能机构使所述各自的功率模块能够基于所述信号的存在或所述信号的不存在来供应所述DC输出到所述逆变器。
6.根据权利要求5所述的分布式电力系统，其中所述信号为下述信号之一保持激活信号，其中基于所述保持激活信号的存在，所述使能机构使所述各自的功率模块能够供应所述输入功率到所述逆变器；或，关闭信号，其中基于所述关闭信号的存在，所述使能机构禁止所述各自的功率模块并停止所述输入功率到所述逆变器的供应。
7.根据权利要求2所述的分布式电力系统，其中所述DC功率模块被耦合在至少一个串联的串中，以及其中所述保护机构被配置成检测从所述电负载到所述串联的串的电流纹波。
8.根据权利要求7所述的分布式电力系统，还包括上变频器，以自所述电负载的频率上变频在所述串联的串中的所述电流纹波。
9.根据权利要求1所述的分布式电力系统，其中每个所述DC功率模块包括耦合到各自的功率调节器的DC功率源。
10.根据权利要求5所述的分布式电力系统，其中所述信号被进行下述之一的操作在所述串联的串内所述信号被主动地叠合在输入到所述逆变器的功率上；或，通过所述信号提供机构，所述信号无线地传输，且其中在所述功率模块中的所述接收器接收所述无线传输的信号。
11.一种分布式电力系统，包括多个DC功率模块，其提供DC输出；逆变器，其具有耦合到所述DC功率模块的输入和耦合到负载的输出，以便转换从所述 DC功率模块接收的输入功率并提供输出功率；监控机构，其耦合到所述负载并被配置成监控所述负载的至少一个电参数；以及，关闭机构，其耦合到所述监控机构，并被配置成在所述至少一个电参数在预先确定的规格之外时，使所述逆变器停止提供所述输出功率。
12.根据权利要求11所述的系统，还包括发射器，所述发射器发送控制信号到所述多个DC功率模块。
13.根据权利要求12所述的系统，还包括保护机构，所述保护机构被配置成基于所述信号中止所述的提供所述输入功率到所述逆变器。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述DC功率模块被耦合在至少一个串联的串中，以及其中每个所述DC功率模块包括耦合到各自的功率调节器的DC功率源。
15.一种用于分布式电力系统的方法，所述分布式电力系统包括逆变器和多个DC功率模块，所述逆变器具有耦合到所述DC功率模块的输入和耦合到负载的输出，以便转换从所述DC功率模块接收的输入功率并提供输出功率，所述方法包括监控所述逆变器的操作；以及当所述逆变器停止所述输出功率的产生时，中止所述输入功率到所述逆变器的供应。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述逆变器被连接到负载，并且还包括步骤(b)监控所述负载的至少一个电参数；(c)当所述至少一个电参数在预先确定的规格之外时，停止所述输出功率的产生。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述DC功率模块被耦合在至少一个串联的串中，并且还包括(d)当所述停止所述输出功率的产生时，激活布置在所述串联的串和所述逆变器之间的开关；以及(e)当所述激活所述开关时，感测在流经所述串联的串的电流中的变化；以及(f)当感测到在流经所述串联的串的电流中的变化时，关闭自所述模块输出的功率。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括步骤(d)当所述停止所述输出功率的产生时，提供信号到所述功率模块；(e)在所述功率模块处接收所述信号；以及(f)使所述功率模块能够基于所述信号的存在或所述信号的不存在供应所述输入功率到所述逆变器。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括步骤(d)检测自所述负载的在所述串联的串中的纹波电流；(e)基于所述纹波电流，使所述功率模块能够供应所述输入功率到所述逆变器。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述提供信号包括下述项之从所述逆变器提供所述信号或从来自所述逆变器的输出功率提供所述信号； 主动地叠合所述信号在输入到所述逆变器的功率上；或， 无线地传输所述信号作为无线传输的信号。
全文摘要
一种在分布式电力系统中的保护方法，分布式电力系统包括DC功率源和包括耦合到DC功率源的输入的多个功率模块。功率模块包括输出，其与一个或多个其它功率模块串联耦合以形成串联的串。逆变器被耦合到串联的串。逆变器转换从串输入的功率并产生输出功率。当逆变器停止产生输出功率时，每个功率模块被关闭并且因此输入到逆变器的功率被中止。
文档编号H02H3/087GK102239618SQ200880132210
公开日2011年11月9日 申请日期2008年12月5日 优先权日2008年12月4日
发明者A·菲谢尔夫, G·塞拉, L·汉德尔斯曼, M·盖兹特, M·阿德斯特, Y·戈林 申请人:太阳能安吉科技有限公司