用于光伏系统的关闭系统和方法
【专利摘要】提供一种用于实现DC太阳能电力系统的单独的太阳能电池板水平处的电力关闭或断开的方法和系统。该系统为应急或电气系统维修提供故障安全电源断开。高频电流源信号在DC电线上被传送到光伏面板阵列的每一接线盒。高频信号与DC电功率被同时传送，并且通过电感器与逆变器隔离。通信接收器电路控制PV电池板响应于高频信号来短路PV电池板输出端子并且从输出端子断开PV电池板。
【专利说明】用于光伏系统的关闭系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明致力于一种安全关闭系统，特别是致力于用于给光伏太阳能电池板阵列安全断电的系统和方法。
【背景技术】
[0002]随着生产成本的降低，光伏(PV)阵列，例如，屋顶安装太阳能电池板，正被越来越广泛使用。在大型系统中，串联连接多个太阳能电池板以便增加由系统输出的功率。
[0003]例如，一些大型的PV系统可以包括串联连接的15到33个太阳能电池板。与单个PV阵列相关的输出电压可以在38到48VDC (直流电压)范围之内，其可以导致大型PV系统产生600到1500伏的操作电压。这样的高电压由PV系统在被照射时输出。
[0004]目前的系统没有提供控制或关闭PV系统输出电压的方法。当建筑物中产生应急情况并且PV系统为建筑物提供电力时，不能给PV系统可控地断电为应急人员带来问题。在传统的电力系统中，主电源断开可以被用于从建筑电力系统中移除电力，以确保在操作期间建筑物中的应急人员的安全。在应急情况中对于人员的危险被进一步增加因为大型PV系统的电压可以会超过传统电力系统的线电压。
[0005]更高电压的PV系统通常被分布在建筑物的大部分屋顶区域上，在这里太阳能电池板是相互连接的。例如发生火灾时，水可以被喷洒在建筑物屋顶上，如果电池板和线路导体被暴露在水中，会产生电击的危险。为了克服这些危险情况，许多政府权威机构正在制定要求电池板关闭的一些方法的规程。
[0006]需要解决的问题是需要提供一种从PV系统中安全断电以便阻止危险的电气状况的方法。
【发明内容】
[0007]解决方案是通过一种用于实现对于多个光伏面板在单独光伏面板处的电力关闭或断开的方法得以提供的。该方法包括:产生低压高频电流源信号；同时传送低压低频电流源信号与DC电功率到光伏面板阵列的多个光伏面板的接线盒；WDC电功率中隔离低压高频电流源信号；以及响应于低压高频电流源信号短路各个光伏面板的输出端子以及从该输出端子断开各个光伏面板。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]本发明现在将通过示例以及参考附图的方式来描述，其中:
[0009]图1示出了 PV系统关闭控制系统的示例性方框图；
[0010]图2示出了图1的PV系统的示例性实施例的示意图；
[0011]图3示出了示例性的PV电池板接线盒；
[0012]图4示出了示例性的PV电池板开关控制配置；
[0013]图5示出了用于PV电池板开关控制的示例性通信接收器电路；[0014]图6示出了用于指示PV系统的输出电压水平的示例性的高压检测电路；
[0015]图7示出了用于产生高频控制信号的示例性的电流源信号发生器电路。
【具体实施方式】
[0016]本发明提供一种方法和系统，用于实现从单个的中心或多个位置控制的所有太阳能电池板的单独太阳能电池板水平处的电力关闭或断开。该系统是故障保险的并且如果在线路被完全从太阳能电池板烧断的情况下，电力被断开。所公开的系统操作简单并且成本低。提供了 PV断电系统的中心控制，其能使从一定距离远距控制以及可靠的通信。
[0017]所公开的PV系统使用高频率、低电平信号，其能使控制电路使用较小的电感器来实现。高频信号从电流源中产生而不是电压中产生。尽管不希望被任何理论绑定，使用电流源来产生信号，随着串联连接的PV电池板数量的增加，即使由串联电缆增加的电感许多倍于信号产生的电感，跨接电感器产生的电压不发生变化。所接收的信号的功率水平保持基本相同，假若电流源的电流调节非常好的话。电流信号也可以消除误差，该误差可以是由使用电压信号时的串联电缆阻抗的长距离传送引起的。长的电力电缆的特征在于串联感抗，如果使用电压信号，所述串联感抗可使高频信号衰减。而且，如果电缆布线不可控，可以形成会进一步增加电缆感抗的大回路。
[0018]另一个优点是不需要连接到PV系统以执行关闭控制的额外线路。
[0019]PV系统可以被扩展为全双工通信制。
[0020]PV系统可被配置为以使得当主电源关闭时PV系统关闭。
[0021]还有另一个优点是，PV系统不受到比如RF链路的干扰。
[0022]进一步的优点是，PV系统持续监视故障关闭系统并且当检测到故障时关闭。
[0023]实施例致力于一种用于实现对于多个光伏面板在单独的光伏面板水平处的电力关闭或断开的方法。该方法包括:产生低压高频电流源信号；同时传送低压高频电流源信号与DC电功率到光伏面板阵列的多个光伏面板的接线盒；WDC电功率中隔离低压高频电流源信号；以及响应于低压高频电流源信号短路各个光伏面板的输出端子以及从该输出端子断开各个光伏面板。
[0024]实施例致力于一种用于实现光伏面板阵列的各个光伏面板的电力关闭或断开的方法。该方法包括:产生高频电流源信号；同时传送高频电流源信号与DC电功率到光伏面板阵列的各个光伏面板的接线盒IDC电功率中隔离高频电流源信号；比较高频电流源信号的幅值与预定的阈值；如果高频电流源信号的幅值小于该阈值，从与各个接线盒相关的各个光伏面板移除输出功率；以及如果高频电流源信号小于阈值，那么短路各个光伏面板的输出端子，由此在光伏面板上提供零输出电压。
[0025]实施例致力于一种用于实现光伏面板阵列的各个光伏面板的电力关闭或断开的系统。该系统包括控制单元，其从开关中接收输入功率。控制单元设置成与各个光伏面板的各个接线盒进行电子通信。开关包括主输入端，其从AC电源中接收AC功率输入。AC到DC变换器在当开关被致动时从该开关中接收AC输入功率。电流源信号发生器从变换器中接收DC电功率。当该开关关闭时，电流源信号发生器产生预定频率的低压高频AC信号。
[0026]参考图1，PV系统电力关闭功能的方框图被示出。主控制单元10从关闭开关12接收输入功率。控制单元10与多个太阳能或PV电池板接线盒14的每一个进行电子通信。控制单元10在输电线18上与PV电池板接线盒14通信，输电线18经由控制单元10承载DC输入功率到逆变器16。关闭开关12包括主输入端20，其例如源自于建筑物的AC主电力设施，建筑物应急AC功率电池板，或其他类似的AC电源。通过开关22，例如，应急按钮开关，扳扭开关或类似的断路装置，主输入端20连接到开关控制单元10。控制单元10包括AC到DC变换器24，当开关22被致动时，变换器24接收来自开关22的AC输入功率。变换器24的输出端提供DC电功率到电流源信号发生器26。
[0027]当开关22被闭合时，电流源发生器26产生预定频率的低压高频AC信号，该信号通过电感器28传送到接线盒14。当开关22打开时，电流源信号发生器26不产生高频AC信号。每一接线盒14包括在PV电池板控制电路32的输入端的电感器30。当高频信号存在时其穿过电感器30到带通滤波器34。带通滤波器34被配置成通过频率带宽，该频率带宽包括来自电感器30的高频AC信号的预定频率，并且阻止滤波器频率带宽之外的频率。带通滤波器34的输出信号被传送到精确的幅值检测器36。幅值检测器36检测从带通滤波器34接收的信号的幅值，以及比较器38确定由幅值检测器36检测的信号幅值是否超过预定阈值。在一个实施例中，阈值电压可以是0.6伏。在该实施例中，如果由幅值检测器36检测的信号幅值小于0.6伏的阈值，比较器38致动开关控制器40以便从与各个PV电池板接线盒14相关的PV电池板15移除输出功率。响应于幅值检测器36感应低信号电平，开关控制器40也短路PV电池板15的输出端子以确保在PV电池板15上的零输出电压。高频信号的存在能使PV电池板15通电，并且高频信号的缺少使得PV电池板15关闭。
[0028]在替代的实施例中，如果预定的阈值被超过，关闭信号被传送到接线盒14，比较器38致动开关控制器40以从与PV电池板接线盒14相关的PV电池板15中移除输出功率。开关控制器40也短路PV电池板15的输出端子以确保PV电池板15上的零输出电压。
[0029]接下来参考图2，示例性的PV系统100被示出。PV电池板15串联连接在正(positive) DC电线或总线42与负(negative) DC电线或总线44之间。主控制单元10被连接在PV电池板15和逆变器16之间。关闭开关22相对于主控制单元10可远程地或者本地地定位。关闭开关22提供功率到AC信号源发生器26。经由相对于逆变器16的电感器28的线路侧上的DC电容器27，其被连接在电感器28的负载侧，信号源发生器26的AC信号输出端被耦接到正DC电线42。在替代的实施例中，电感器28可以经由AC信号源26和逆变器16之间的负DC电线44而被连接到PV系统100。
[0030]PV电池板15包括接线盒14(图3)以便连接PV电池板内的多个模块。模块可以通过二极管互连以便优化系统的性能，如果PV模块被遮蔽或者以其他方式不能产生额定输出功率的话。关闭电路50也可以被结合到接线盒14中。
[0031]电子开关，或开关控制器40被提供在接线盒14中。电子开关被配置成从输出端子54、56 (图4)断开由PV电池板15产生的电压。电子开关40也被配置成短路PV电池板输出端子以确保没有电压出现在输出端子上。在一个实施例中，电子开关被配置成故障状态为“OFF”。
[0032]在承载来自PV电池板15的DC电功率的相同的电缆44、42上，通信信号被传送到PV电池板15。主控制单元10传送来自AC信号源26的通信信号或高频信号到PV电池板15中的通信接收器电路52，其在PV电池板15上开关，即，当由通信接收器电路52检测到高频信号时，电子开关40发送来自PV电池板15的内电池板单元的DC电功率到PV电池板15的输出端子。位于可到达区域的开关22被连线到主控制单元10。当开关22被打开时，因为每个PV电池板15被屏蔽，因此来自控制单元10的高频信号通过电源线44、42传送到通信接收器电路52。这样然后关闭了所有连接到PV系统100的PV电池板15。
[0033]参考图4，示例性的电路被示出，用来执行PV电池板15的关闭控制。接线盒14中的输出端子54、56从控制单元10接收高频AC电流源信号58。信号58通过串联连接的电感器30和电容器60，电感器30和电容器60形成滤过器。在一个实施例中，当PV系统在信号58存在而操作时，电感器30可以具有大约10微亨的电感，响应于信号58的存在,通信接收器电路52控制电子开关40a和40b (为了简化，在图4中示意性地表示为单极开关)。当通信接收器电路52检测到信号58时，常开开关40a被闭合，并且从PV电池板15中传导功率到输出端子54、56,同时常闭开关40b被打开或者处于非导通状态,在电感器30和负输出端子56之间产生开路。应该注意的是，在替代的实施例中，开关40可以被连接在负输出端子56和通信接收器电路52之间以实现相同的结果。
[0034]—旦信号58由于打开开关22被移除,信号58从通信接收器电路52中被移除,通信接收器电路52使得电开关40a和40b回到其缺省状态或正常状态。因此开关40a打开以从电感器30断开PV电池板的输出，并且，开关40b闭合，导致输出端子54、56之间短路。在一个实施例中，用于开关40a和40b的开关电路可以包括定时元件，其配置成响应于关闭指令使得常闭开关40b在常开开关40a打开之前闭合。在相反的情况下，当再次通电时，定时元件被配置成使得常开开关40a在常闭开关40b打开之前闭合。
[0035]接下来参考图5，通信接收器电路52的实施例被示出。虚线示出从PV电池板15到输出端子54、56的DC功率通量。电感器30提供高阻抗来阻止高频信号58传播到PV电池板15。接收器电路70被配置成以预定频率响应信号58。如上所讨论的那样，在替代的实施例中，通过连接电感器30在接收器电路70和输出端子56之间，电感器30可以被连接在负输出线上而不是正输出线上。
[0036]参考图6,示例性的精确幅值检测器46包括高压检测电路80,如图所示。图7示出了示例性的电流源信号发生器26。电流源信号发生器26经由驱动电流到电压电路84的振荡电路82得以实现。
【权利要求】
1.一种用于实现对于多个光伏面板在单独光伏面板水平处的电力关闭或断开的方法，该方法包括: 产生低压高频电流源信号； 同时传送所述低压高频电流源信号与直流电功率到光伏面板阵列的多个光伏面板的接线盒； 从所述直流电功率中隔离所述低压高频电流源信号； 响应于所述低压高频电流源信号，短路各个光伏面板的输出端子以及从所述输出端子断开各个光伏面板。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括控制单元，该控制单元在承载所述直流电功率到逆变器的输电线上与每一接线盒通信。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括与所述控制单元通信的开关，该开关连接到来源于交流电源的主输入端和断路装置。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括当所述开关被致动时从所述开关接收交流电输入功率的控制单元的交流电到直流电变换器，当所述交流电输入功率被接收时，所述变换器提供直流电功率到电流源信号发生器。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括电流源信号发生器，该电流源信号发生器在当所述开关闭合时产生预定频率的低压高频电流源信号。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括通过电感器传送所述低压高频电流源信号到每一相应的接线盒。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括通过每一相应的接线盒的电感器将所述低压高频电流源信号传送到每一相应的接线盒的带通滤波器，该带通滤波器被配置成以使包括来自所述电感器的低压高频电流源信号的预定频率的频带通过以及阻挡所述滤波器的所述频带之外的频率。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括: 传送所述带通滤波器的输出信号到精确幅值检测器，该精确幅值检测器检测从所述带通滤波器接收的低压高频电流源信号的振幅， 比较由所述幅值检测器检测到的低压高频电流源信号的振幅的值以便确定预定的阈值是否被超过， 如果所述低压高频电流源信号的振幅的值低于所述阈值，那么移除来自于与相应的接线盒相关的相应的光伏面板的输出功率。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括如果所述低压高频电流源信号的振幅的值低于所述阈值，那么短路所述光伏面板的输出端子，由此在所述光伏面板上提供为零的输出电压。
【文档编号】H02S40/30GK103916074SQ201410085406
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年1月3日 优先权日:2013年1月3日
【发明者】R·H·科勒 申请人:泰科电子公司