专利名称：开路电压保护系统和方法
技术领域：
本文公开的主旨大体上涉及箝位高电压并且更特别地涉及箝位光伏阵列两端的 电压。
背景技术：
光伏电池将太阳能转换为送到一个或多个功率转换器的电能。光伏产能遇到某些 在常规产能系统中不存在的挑战。示例包括在冷起动状况期间的高电压输出、光伏电池的 IV下垂特性和光伏电池的相对低能量密度(效率)。在低温下(例如低于大约-10°C等)光伏电池的开路电压可以高至足以使得逆变器 在冷起动操作期间受损。在冷起动期间箝位高开路电压的一个方式包括在逆变器端子的输 入处耦合断路斩波器(break chopper)并且其中包含电阻器。然而，该方式需要可观的费 用，因为该斩波器电路和电阻器必须能够在高电压下运行。另一个方式包括在低温下切断 逆变器并且导致对电网失电。需要有高效并且成本有效的方式以允许在冷操作状况下起动光伏模块而没有发 生因开路电压造成的损伤。
发明内容
简短地，提出箝位光伏模块中的开路电压的方法。该方法包括跨接逆变器模块来 耦合负载电阻器，启动该逆变器模块并且经由该负载电阻器加载该逆变器模块，以及将该 加载的逆变器模块耦合于光伏模块。该方法进一步包括通过负载电阻器耗散电力以箝位光 伏模块的开路电压，使该逆变器模块的输出电压与电网的电压同步，然后将该逆变器模块 耦合于该电网，并且将跨接该逆变器模块的负载电阻器去耦合。在另一个实施例中，提出箝位光伏模块两端的开路电压的系统。该系统包括跨接 逆变器模块的输出而耦合的负载电阻器和第一开关以及在该逆变器模块和该光伏模块之 间耦合的第二开关。第三开关耦合在该逆变器模块和电网之间。处理器耦合于该系统并且 配置成控制开关、使电压同步并且控制该逆变器模块。该负载电阻器配置成响应于来自处 理器的控制信号而箝位该光伏模块的开路电压。
当下列详细说明参照附图(其中相似的符号在整个附图中代表相似的部件)阅读 时，本发明的这些和其他的特征、方面和优势将变得更好理解。图1图示根据本发明的方面的分布式太阳能发电系统的一个实施例。图2图示箝位图1的光伏模块的开路电压的示范性系统。图3图示箝位图1的光伏模块的开路电压的另一个示范性系统。图4图示在图3的系统的示范性运行期间的电流和电压概况。图5图示箝位光伏模块两端的开路电压的示范性方法。
具体实施例方式将容易理解如在本文的图中大体上描述和图示的实施例的部件可以采用很多种 不同的配置设置和设计。从而，各种实施例的下列更详细的说明(如在图中表示的)不意在 限制本发明的范围(如要求保护的范围)，而仅代表各种实施例。尽管实施例的各种方面在 图中呈现，这些图不必须按比例绘制，除非具体指出。短语“连接到”、“耦合于”和“与…通信”指两个或更多实体之间的任何形式的交 互，包括机械、电、磁、电磁、流体和热交互。两个部件可互相耦合，然而它们不互相直接接 触。分布式发电机通常是位于用户负载附近的小型、模块化发电机。这样的分布式发 电机提供了典型的大规模、资本密集型、中心站发电厂和配电系统可能不提供的优势。分布 式发电技术使用包括天然气、柴油、生物质转化的燃料、燃油、丙烷和氢的多种燃料。燃料来 源也常常基于例如光伏、风和水力来源等可再生能源，由此减少分布式发电系统的环境影 响。通过在能量消费者附近使用更小、更加燃料灵活的系统，分布式发电避免输配电功率损 耗并且向用户提供更宽的能量系统选择。分布式发电典型地在峰值需求期间提供可靠、成 本有效、高质量电力并且可以是中心站产生的电力的切实可行的备选项。并且，许多分布式 电力系统产生如此低的噪声和排放物以至于它们可以位于需要电力的建筑物或基础设施 附近，由此简化了常规配电基础设施发展的问题。特有的电力输配电网从发电设施传输电能到最终用户。多个分布式发电系统可互 连以形成电网。可注意到该电网也可包括常规发电和配电网络。分布式发电系统的资源可 在电业机构(utility)命令时或由产生的电力的所有者为了卖出电力而被带入线上以补充 电网。光伏模块典型地包括多个光伏阵列和光伏电池的互连组件。因为光伏电池典型地 需要保护以免于环境影响，多个光伏电池连接并且封装在单个模块中。许多这样的模块常 常耦合以作为一个发电单元运行。光伏设备典型地包括光伏模块的阵列、逆变器、蓄电池 (battery)和互连接线。图1图示可与本文公开的本发明的实施例一起使用的分布式太阳 能发电系统的一个实施例。如由标号10代表的该分布式太阳能发电系统(在下文中称为 “DSPGS”)包括多个光伏模块12，其中每个光伏模块耦合于至少一个或多个逆变器14和16。在示范性实施例中，这些逆变器14耦合在一起以形成DSPGS的一个相。在该图示 的实施例中，逆变器14耦合在一起以形成第一相、第二相和第三相。具有连接的三个这样 的相可以一起在节点M耦合。进而，DSPGS 10耦合于由标号30标示的电业机构或常规电 网。在10中的DSPGS中的每个光伏模块12可包括一个或多个根据如下文详细论述的 本发明的实施例实现的冷起动保护系统。图2图示箝位光伏模块的开路电压的示范性系统36。该系统36包括光伏模块12 和逆变器14，其具有跨接该逆变器14的输出42而耦合的负载电阻器38和第一开关40。第 二开关44耦合在该逆变器模块14和该光伏模块12之间，DC链电容器49耦合在该光伏模 块12两端，并且第三开关46耦合在该逆变器模块14和该电网30之间。在一个实施例中， 电压传感器耦合在端子50、52以测量开路电压M。处理器48耦合于开关(40、44、46)和逆变器14并且配置成控制开关(40、44、46)、使电压同步以及控制该逆变器模块14。该负载 电阻器38配置成响应于来自该处理器48的控制信号来箝位该光伏模块的开路电压以使其 在该逆变器模块输入电压的安全和可接受范围内。 在示范性实施例中，系统36由来自处理器48的信号采用顺序方式控制。光伏模块 12可在冷起动期间、例如当环境温度在或低于-10°C时在端子50、52产生高电压。如上文论 述的，如果光伏模块12在高电压状况下耦合于逆变器14，在逆变器14内的部件可能受损。 为了避免这样的损伤，本发明的某些实施例设计成箝位光伏模块12在端子50、52的开路电 压(54)。例如，在一个实施例中，在逆变器14进入运行之前，处理器48发出命令以闭合第 一开关40以及跨接逆变器14的输出端子42来耦合负载电阻器38。在一个实施例中用于 逆变器模块14的控制方案包括开环控制配置，其包括空间矢量调制或正弦脉冲宽度调制。加载的逆变器14然后可通过闭合第二开关44耦合于光伏模块12。通过跨接光伏 模块12来耦合加载的逆变器，过量的电力传递到负载电阻器38并且端子50、52处的开路 电压M被箝位到如由逆变器14的输入电压56所见的可接受水平。通过跨接光伏模块来 耦合加载的逆变器，最大功率点跟踪算法可朝开路电压切换到零功率点。通过设计，在将逆变器14和光伏模块12耦合的时刻(或在耦合后的即刻)在端子 54,56的最大电压被限制到可由逆变器14管理的安全极限。在逆变器14和电网30通过第 三开关46耦合前，加载的逆变器14的输出电压58与在电网30上的电压同步。一旦逆变 器14和光伏模块12耦合于电网，例如闭环配置等备选控制方案被实现以用于逆变器14，然 后第一开关40断开以将负载电阻器38从逆变器14去耦合。图3图示通过升压转换器和逆变器耦合于电网的光伏模块的备选实施例。系统37 包括至少两个耦合在光伏模块12和逆变器14之间的升压转换器58、59。系统进一步包括 跨接升压转换器的输入而耦合的DC阵列电容器57。DC链电容器49和逆变器14直到电网 30的电路配置与如关于图2描述的系统36相似。最初，在冷起动发生时，光伏模块12可产生可能损伤逆变器模块(当直接耦合而 没有保护时)的高开路电压M。在示范性实施例中，系统37由来自处理器48的信号采用 顺序方式控制以防止高开路电压损伤逆变器。初始状况包括开关40、44、46处于关断并且 电容器49、57处于放电状况。在将光伏模块12耦合于逆变器14之前，处理器48发出命令 以闭合第一开关40以跨接逆变器14的输出端子42来耦合负载电阻器38。在这样的加载 逆变器状况下，例如开环控制法等第一控制法由处理器48实施以接通逆变器14。当DC链 电容器49两端的电压是零时，没有电力流到负载电阻器38。在该情况下，处理器48程序化 以闭合第二开关44以对电容器49和57充电。DC链电容器49由流过续流二极管61和线 路电感器63的电流来充电。当逆变器14处于加载状况时电容器49和57两端的电压将不 会达到光伏模块12的开路电压，从而将开路电压箝位到可接受极限。例如电压控制法等接 着的另一个控制法被实施以通过控制负载电阻器38两端的电压来控制逆变器14。在逆变 器14和电网30通过第三开关46耦合前，加载的逆变器14的输出电压58与在电网30上 的电压同步。然后例如电流控制法等第二控制法被实施以在关断第一开关40而去耦合负 载电阻器38之前来控制逆变器14。一旦高电压来自光伏模块12，升压转换器59在占空比 为一情况下运行(其中升压转换器58关断)。然而，万一光伏模块12产生较低电压，升压转 换器58可被接通以补偿对于逆变器14的输入电压的下降。
图4图示在图3的系统37的示范性运行期间的模拟的电流和电压概况。图表62 包括在横坐标轴66上的时间和在纵坐标轴64、68上的电压&电流大小。该电压和电流概 况是在如分别在图2和图3中引用的电容器49和57处的。概况70图示电流大小从第二 开关44 (如在图2和图3中引用的)接通的情况(82)直到稳态80的变化。相似地，概况 72图示电压大小从第二开关44 (如在图2和图3中引用的)接通的情况(82)直到稳态78 的变化。水平极限线74指示开路电压并且直线76指示电容器49或57两端的最大电压。在当第二开关44接通时的情况82处，跨电容器49或57的电流(70)开始减小并 且电压(72)开始增加。然而，跨DC阵列电容器49或57的最大电压上升被限制于小于开 路电压74的值(78)，由此将逆变器输入电压箝位于更安全的极限。图5图示箝位光伏模块两端的开路电压的示范性方法。在一个实施例中，该示范 性方法90可通过图2的处理器48在系统36中实施。该方法90包括在步骤92感测光伏 模块的开路电压。在步骤94实施决策环，其包括检查该开路电压是否高。如果该电压不是 高电压，该环通过96返回以感测开路电压。否则，如果开路电压是高的，决策步骤引起(通 过98)实施步骤100-114系列以根据本发明的实施例箝位高电压。备选地，如果温度状况 足够冷，步骤92和94可省略，其中过程在步骤100开始。箝位步骤100-114包括在步骤 100闭合第一开关以跨接逆变器模块来耦合负载电阻器。在步骤102通过实施第一控制法 启动逆变器模块并且通过负载电阻器加载逆变器模块。在步骤104第二开关闭合以耦合加 载的逆变器模块到光伏模块。在步骤106电力通过负载电阻器耗散以箝位光伏模块的开路 电压。在步骤108逆变器模块的输出电压与电网电压同步。在步骤110第三开关闭合以耦 合逆变器模块到电网。在步骤112第二控制法在逆变器上实施。在步骤114然后去耦合跨 接逆变器模块的负载电阻器。有利地，本文公开的实施例实现了发电以及与电网的同步并且避免在低温下切断 并且实现了即使在低温日期间最短的停机时间。实施例进一步实现了成本有效技术方案并 且可以容易改造成结合到目前运行的系统中。本文公开的实施例简单添加在AC侧并且可 以与软件升级一起包括到目前运行的系统中。尽管仅本发明的某些特征已经在本文中图示和描述，许多修改和改变将被本领域 内技术人员想到。因此，要理解附上的权利要求意在包含所有这样的修改和改变，它们落入 本发明的真正精神内。部件列表
权利要求
1.一种箝位光伏模块中的开路电压的方法，所述方法包括(a)跨接逆变器模块来耦合负载电阻器；(b)启动所述逆变器模块并且经由所述负载电阻器加载所述逆变器模块；(c)将所加载的逆变器模块耦合于所述光伏模块；(d)经由所述负载电阻器耗散电力以箝位所述光伏模块的开路电压；(e)使所述逆变器模块的输出电压与电网的电压同步并且然后将所述逆变器模块耦合 于电网；以及(f)将跨接所述逆变器模块的所述负载电阻器去耦合。
2.如权利要求1所述的方法，其中箝位所述开路电压包括限制所述光伏模块的所述 开路电压使其在所述逆变器模块的输入电压的安全和可接受范围内。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括在将所述逆变器模块耦合到所述电网之后 和在去耦合所述负载电阻器之前实施闭环逆变器控制。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括感测所述光伏模块两端的电压以检测所述 开路电压。
5.一种箝位光伏模块两端的开路电压的系统，所述系统包括跨接逆变器模块的输出的负载电阻器和第一开关；在所述逆变器模块和所述光伏模块之间的第二开关；在所述逆变器模块和电网之间的第三开关；以及控制所述第一、第二和第三开关以及所述逆变器模块的逆变器开关的处理器，其中所述负载电阻器配置成响应于来自所述处理器的控制信号来箝位所述光伏模块 的所述开路电压。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述处理器配置成在所述逆变器模块的输出电压 与电网电压同步后发送控制信号以激活所述第三开关。
7.如权利要求5所述的系统，其中所述处理器配置成发送控制信号以操作所述开关 使得在所述逆变器模块耦合于所述光伏模块之前所述负载电阻器加载所述逆变器模块。
8.如权利要求7所述的系统，其中所加载的逆变器模块配置成箝位所述光伏模块的 所述开路电压。
9.如权利要求5所述的系统，进一步包括耦合于所述光伏模块的电压传感器，其用于 获得电压信号以供在检测所述开路电压中使用。
10.如权利要求5所述的系统，进一步包括耦合在所述逆变器模块和所述光伏模块之 间的至少一个升压转换器。
全文摘要
提出箝位光伏模块中的开路电压的方法。该方法包括跨接逆变器模块来耦合负载电阻器，启动该逆变器模块并且通过该负载电阻器加载该逆变器模块，以及将该加载的逆变器模块耦合于光伏模块。该方法进一步包括通过负载电阻器耗散电力以箝位该光伏模块的开路电压，使该逆变器模块的输出电压与电网的电压同步，以及然后将该逆变器模块耦合于该电网，并且将跨接该逆变器模块的负载电阻器去耦合。
文档编号H02J3/38GK102130467SQ20111002111
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月19日 优先权日2010年1月19日
发明者勒斯纳 R., F. S. 埃尔-巴巴里 S., 沈捷 申请人:通用电气公司