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1、(10)申请公布号 CN 103026571 A (43)申请公布日 2013.04.03 CN 103026571 A *CN103026571A* (21)申请号 201180035842.5 (22)申请日 2011.07.15 12/842,111 2010.07.23 US H02H 3/16(2006.01) H02H 7/20(2006.01) (71)申请人 赞特雷克斯科技公司 地址 美国加利福尼亚州 (72)发明人 理查德T韦斯特 (74)专利代理机构 北京安信方达知识产权代理 有限公司 11262 代理人 周靖 郑霞 (54) 发明名称 使用频率选择性接地的光伏双极到单极源。
2、电 路转换器 (57) 摘要 公开了用于转换来自双极 DC 源的功率以提 供AC负载的电功率转换器。 对于一个这样的实施 方式， 双极 DC 源是光伏阵列， 且 AC 功率被注入到 电力输电网中。双极光伏阵列具有相对于大地接 地的正的和负的电压电位。转换器是不需要在电 力输电网接口处的隔离变压器的公用交互式逆变 器。本发明的实施方式包括探测和中断光伏阵列 中的 DC 接地故障的方法。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2013.01.22 (86)PCT申请的申请数据 PCT/US2011/044112 2011.07.15 (87)PCT申请的公布数据 WO2012/01。
3、2276 EN 2012.01.26 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 3 页 1/2 页 2 1. 一种用于选择性地将至少两个单极 DC 源耦合到大地接地以及单极负载的正端子和 负端子和将所述至少两个单极 DC 源从大地接地以及所述单极负载的正端子和负端子去耦 的装置， 包括 ： 双极 DC 源， 其包括所述至少两个单极 DC 源， 所述至少两个单极 DC 源借助于到大地接 地的公共连接点、 到正单极负载端子的正连接和到负单极负载端子的负连接而可控制地。
4、串 联耦合， 规定的极性以所述大地接地为基准， 以及 频率选择性网络， 其连接在所述公共连接点和所述大地接地之间， 所述网络的 DC 阻抗 低于所述网络在预先选择的频率处的 AC 阻抗。 2. 如权利要求 1 所述的装置， 其中所述 DC 阻抗足够低以在 DC 接地故障期间将所述公 共接地连接保持在实质上接地电位处。 3.如权利要求1所述的装置， 其中所述AC阻抗足够低以防止所述双极阵列的共模电位 在雷电瞬时频率处升高到大地接地之上。 4. 如权利要求 1 所述的装置， 其包括耦合到所述双极 DC 源以将所述源的 DC 输出转换 成 AC 输出的 DC 到 AC 转换器， 且其中所述频率选择性。
5、网络是并联 RLC 电路， 所述并联 RLC 电路具有大约三倍于所述 AC 输出的频率的谐振频率。 5. 如权利要求 4 所述的装置， 其中所述频率选择性网络是并联 RLC 电路， 其中 R、 L 和 C 值提供低 DC 阻抗、 在大约三倍于所述 AC 输出的频率的谐振频率处提供最大 AC 阻抗、 以及 在高于所述谐振频率的频率处提供较低 AC 阻抗。 6. 如权利要求 1 所述的装置， 其包括接地故障探测器和控制器， 所述接地故障探测器 耦合到所述单极 DC 源中的每个以当接地故障出现时产生接地故障信号， 所述控制器响应 于所述接地故障信号用于使出故障的单极 DC 源与所述公共连接点去耦。 。
6、7. 如权利要求 6 所述的装置， 其中所述接地故障探测器是指示熔断器。 8. 如权利要求 1 所述的装置， 其中所述频率选择性网络允许所述公共连接点以相对于 大地接地的外施共模 AC 电压、 小于在所述公共连接点到大地接地的直接连接时的 AC 电流 的 AC 接地电流来操作。 9. 如权利要求 1 所述的装置， 其中当出故障的单极 DC 源与所述公共连接点去耦时， 任 何无故障的单极 DC 源以在任何无故障的单极 DC 源的电极处的最高电压浮动， 所述最高电 压等于所述无故障的单极 DC 源的相对于大地接地的开路电压的 1/2。 10. 如权利要求 1 所述的装置， 其中所述单极 DC 源是。
7、光伏阵列。 11. 如权利要求 1 所述的装置， 其中所述预先选择的频率是电网线频率的整数倍。 12. 一种用于选择性地将至少两个单极 DC 源耦合到大地接地以及单极负载的正端子 和负端子和将所述至少两个单极 DC 源从大地接地以及所述单极负载的正端子和负端子去 耦的方法， 所述方法包括 ： 借助于到大地接地的公共连接点、 到正单极负载端子的正连接和到负单极负载端子的 负连接， 可控制地串联耦合至少两个单极 DC 源， 规定的极性以所述大地接地为基准， 以及 通过频率选择性网络将所述公共连接点耦合到所述大地接地， 所述频率选择性网络的 DC 阻抗低于所述网络在预先选择的频率处的 AC 阻抗。 。
8、13. 一种提供用于功率系统的地面基准的方法， 在所述功率系统中， 至少源或负载是 DC 和 AC 电路， 且其中低阻抗 DC 硬接地基准是期望的， 且功能性的 AC 软接地或较高的阻抗 权 利 要 求 书 CN 103026571 A 2 2/2 页 3 AC 接地是期望的， 所述方法包括 ： 通过频率选择性网络将所述 DC 和 AC 电路接地到接地点或地面基准点。 14.如权利要求13所述的方法， 其中所述频率选择性网络的DC阻抗低于所述网络在预 先选择的频率处的 AC 阻抗。 15.如权利要求13所述的方法， 其包括防止所述系统随相对于系统接地点的DC共模电 压移动， 同时允许所述系统以。
9、与具有 AC 和 DC 硬接地的系统相比较而言减小的 AC 接地电流 随相对于所述系统接地点的 AC 共模电压移动。 权 利 要 求 书 CN 103026571 A 3 1/4 页 4 使用频率选择性接地的光伏双极到单极源电路转换器 发明领域 0001 本发明涉及电功率转换器， 且更具体地涉及结合其它设备来向 AC 负载供电而使 用的光伏双极到单极源转换器。 0002 发明背景 0003 在美国， 国家电气法规 （NEC） 第 690 节允许接地和未接地的两种太阳能光伏 （PV） 阵列配置。由于 PV 模块绝缘限制， PV 阵列的最大电压目前在接地系统中被限制到相对于 大地600Vdc， 而。
10、在未接地系统中被限制到600Vdc。 NEC还要求安装在住宅上的PV系统具有 探测并中断从 PV 阵列到大地接地的故障电流的设备。这些故障通常由进入接线盒中的浸 水、 阵列布线绝缘的恶化或太阳能模块绝缘材料中的故障引起。这样的故障可引起低能量 泄漏路径或破坏性的直流电弧。关于接地故障的代码的意图是防火， 而不是人身保护。 0004 概述 0005 一个实施方式提供用于选择性地将至少两个单极 DC 源耦合到大地接地以及单极 负载的正端子和负端子和将所述至少两个单极 DC 源从大地接地以及单极负载的正端子和 负端子去耦的装置。双极 DC 源包括至少两个单极 DC 源， 所述至少两个单极 DC 源借。
11、助到大 地接地的公共连接点、 到正单极负载端子的正连接和到负单极负载端子的负连接可控制地 串联耦合， 规定的极性以所述大地接地为基准。频率选择性网络连接在所述公共连接点和 所述大地接地之间， 所述网络的DC阻抗低于所述网络在预先选择的频率处的AC阻抗， 所述 预先选择的频率例如电网线频率的整数倍。 0006 在一个实现中， 频率选择性网络的 DC 阻抗足够低以将公共接地连接处保持在如 国家电气法规所需的实质上接地电位处， 以及 AC 阻抗足够低以防止双极阵列的共模电位 在雷电瞬时频率处升高到大地接地之上。 0007 DC 到 AC 转换器可耦合到双极 DC 源以将该源的 DC 输出转换成 AC。
12、 输出， 且所述频 率选择性网络是并联 RLC 电路， 所述并联 RLC 电路具有大约三倍于所述 AC 输出的频率的谐 振频率。具体地， 所述频率选择性网络是并联 RLC 电路， 其中 R、 L 和 C 值提供低 DC 阻抗、 最 大 AC 阻抗在大约三倍于所述 AC 输出的频率的谐振频率处、 以及 AC 阻抗在高于所述谐振频 率的频率处较低。 频率选择性网络优选地允许所述公共连接点以相对于大地接地的外施共 模 AC 电压、 小于在所述公共连接点到大地接地的直接连接时的 AC 电流的 AC 接地电流来操 作。 0008 一个实施方式包括接地故障探测器和控制器， 所述接地故障探测器耦合到所述单 。
13、极 DC 源中的每个以当接地故障出现时产生接地故障信号， 所述控制器响应于所述接地故 障信号来使出故障的单极 DC 源与所述公共连接点去耦。当出故障的单极 DC 源与所述公 共连接点去耦时， 任何无故障的单极 DC 源优选以在任何无故障的单极 DC 源的电极处的最 高电压浮动， 所述最高电压等于所述无故障的单极 DC 源的相对于大地接地的开路电压的 1/2。 0009 从附图和从下面紧接着的详细描述中， 本发明的实施方式的其它特征和优点是明 显的。 说 明 书 CN 103026571 A 4 2/4 页 5 0010 附图的简要说明 0011 从参考附图的优选实施方式的下列描述中将更好地理解。
14、本发明， 其中 ： 0012 图 1 是耦合到大地接地和经由 DC 到 AC 转换器耦合到公用输电网的双极 DC 电源 的电气示意图。 0013 图 2 是图 1 的系统的一个实施方式的电气示意图， DC 到 AC 转换器被建模为可变 负载。 0014 图 3 是图 1 的系统的另一实施方式的电气示意图， DC 到 AC 转换器被建模为可变 负载。 0015 详细描述 0016 虽然将结合某些优选实施方式描述本发明， 应理解， 本发明不限于那些特定的实 施方式。相反， 本发明旨在涵盖可包括在如所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的 所有可选形式、 修改形式和等效布置。 0017 图 1 示出。
15、配置有双极 DC 源和三相 DC 到 AC 功率转换器 100 的系统， 双极 DC 源包 括两个单极 PV 子阵列 10 和 20（例如， 每个最大 600 伏） ， 而三相 DC 到 AC 功率转换器 100 操作而深入到包括通过公共中性线 304 连接到大地接地 70 的三个相 301-303 的 Y 型接地 的 AC 公用设施 300（例如， 480/277 伏， 60Hz） 中。DC 到 AC 转换器 100 可以是包括六个晶 体管 / 二极管开关和连接到公用设施的三个相 301-303 的三个滤波电感器的常规 6 极桥。 因为在公用输电网 300 处的连接是四线 Y 型接地配置， 。
16、且 DC 源也是以大地为基准的， 三个 相中的每个独立地操作。公用输电网交互式逆变器的控制和调节方法是公知的。 0018 第一 PV 子阵列 10 的正端子和第二 PV 子阵列 20 的负端子连接到 DC 到 AC 转换器 100。子阵列 10 和 20 的另一端子通过频率选择性 RLC 网络 8 连接到大地接地 70， 用于通过 一网络使光伏阵列接地， 该网络提供等效于硬接地系统的 DC 系统保护水平并且还允许 PV 阵列以共模 AC 电压移动。在例证性系统中， RLC 网络 8 由并联连接的电感器 8A、 电阻器 8B 和电容器 8C 形成。并联 RLC 网络 8 在谐振频率处具有最大的 。
17、AC 阻抗， 并且 AC 阻抗在高于 谐振频率的频率处降低。部件 8A-8C 的值优选地被选择为提供大约三倍于被提供到 AC 负 载的 AC 功率的线频率的谐振频率 （例如， 对于 60Hz 线频率， 谐振频率是 180Hz） 和低于网络 在其谐振频率处的 AC 阻抗的 DC 阻抗。具体地， 并联 RLC 网络 8 的 DC 阻抗优选地足够低以 将端子 9 处的电位保持在双极光伏阵列的国家电气法规所需的实质上接地电位处。谐振频 率处的 AC 阻抗优选地足够低以防止双极阵列的共模电位在雷电瞬时频率处上升到大地接 地之上。 0019 在使用 656 毫亨的电感器 8A、 371 欧姆的电阻器 8B。
18、 和 1.2 微法拉的电容器 8C 的 一个例子中， 在当功率转换器100将功率注入公用输电网300中时的标称操作条件下， 大地 接地 70 和 RLC 网络 8 之间的电压在 180Hz 处大约是 37Vac rms。部件对地的 DC 电压为零。 在中性导体 304 中流动的电流在 180 赫兹的频率处为大约 200 毫安。电阻器 8B 中的功率 耗散为大约 4 瓦。 0020 对于图1所示的例子， DC接地电阻实际上是电感器8A的DC电阻， 其可以小于1欧 姆。AC 接地阻抗在 180Hz 处是 186 欧姆且在高于 180Hz 的频率处要低得多， 以提供具有实 质上高于 180Hz 的频。
19、率的雷电引起的瞬变电流的低阻抗返回路径。因此， RLC 网络 8 提供 频率选择性网络， 其在正常操作期间提供与硬接地双极 PV 阵列的系统保护水平相当的系 说 明 书 CN 103026571 A 5 3/4 页 6 统保护水平。 0021 图 2 是图 1 的系统的一个实现的更详细的示意图， 但常规 DC 到 AC 转换器被建模 为可变负载 90 和并联电容器 80。在正常操作中， 单极 PV 阵列 10 和 20 通过一对指示熔断 器 6A 和 7A 以及频率选择性 RLC 网络 8 连接到大地接地 50。在端子 12 处的子阵列 10 的负 极和端子 21 处的子阵列 20 的正极以这。
20、种方式以接地为基准。在正常操作期间穿过熔断器 6A 和 7A 的电流实际上为零。 0022 当接地故障出现在 PV 阵列 10 或 20 中并产生大到足以清除 （clear） 熔断器 6A、 7A 中的任一个的 DC 故障电流时， 熔断器的清除中断接地故障电流。同时， 熔断的熔断器指 示器信号通过与清除的熔断器相关的开关 6B 或 7B 的闭合发送到控制器 1， 即， 指示熔断器 用作接地故障探测器， 在接地故障出现时其除了中断接地故障电流以外还产生接地故障信 号。 熔断的熔断器指示器信号促使控制器1使接触器线圈2A去激励以断开接触件2B， 所以 出故障的 PV 子阵列然后只通过接地故障阻抗和。
21、由相应的电阻器对 16、 17 和 26、 27 所形成 的等值电阻器网络中的一个连接到大地接地。在这个故障操作模式期间， 任何无故障的子 阵列将以等于相对于大地接地70的子阵列开路电压的1/2的在子阵列电极处的最高电压 “浮动” 。电阻器网络 16、 17 和 26、 27 提供最低耗散的共模电压基准并用于排出子阵列静电 荷。 0023 从成本观点看， 恰好在对给定类别的设备允许的最大电压之下使用 PV 模块、 布线 和熔断器是合乎需要的。因此对于最佳双极阵列， 相对于端子 11 和 22 处的接地的最高 DC 电压在所有条件下是额定 DC 设备电压。使用软接地或电阻性接地的双极 PV 阵列。
22、， 端子 11 处的硬 （低阻抗） DC 接地故障的出现例如将在该端子处的相对于接地的电压减小到零， 这意 味着在端子 22 处的相对于接地的电压是可允许的设备电压的两倍， 因为故障的阻抗可以 比电阻性接地的阻抗低得多。 为了减轻这个问题， 例证性系统使用跨接在相应的电阻器16、 17 和 26、 27 两端的电压传感器 18、 19 和 28、 29 监测在所有 PV 子阵列端子 11、 12 和 21、 22 上的相对于接地的电压。控制器 1 从电压传感器 18、 19 和 28、 29 读取成比例的电压信号， 并比较这些值与预先编程的过电压限制。如果在任何端子上超过该限制， PV 子阵列。
23、 10 和 20 被禁用并 “浮动” 。禁用序列如下工作 ： 0024 1.在端子11、 12和21、 22中的至少一个上的相对于接地的电压超过对该端子的预 先编程的限制。 0025 2. 控制器 1 经由隔离串行链路 101 命令负载 100（例如， DC 到 AC 转换器） 关闭， 从而有效地将负载 100 的电阻部分设置到开路。 0026 3. 与负载断路同时地， 接触器线圈 3A 被去激励以断开接触件 3B 和 3C。 0027 4. 在延迟以确保接触件完全断开之后， 一对电流传感器 4 和 5 被读取以证实负载 电流换向完成。 0028 如果由电流传感器 9 读取的接地电流超过预编程。
24、的限制， 则 PV 子阵列 10 和 20 也 被禁用。在任一情况下， 禁用序列的步骤 2 到 4 被执行。 0029 图 3 是图 1 的系统的另一实现的示意图， 再次， 常规 DC 到 AC 转换器被建模为可变 负载。该系统与图 2 所示的系统相同， 除了 DC 接触器 2 具有分别与两个熔断器 6A 和 7A 并 联连接的两个接触件2A和2B以外。 如在图2的系统中的， 当接地故障出现在PV阵列10或 20 中并产生大到足以清除熔断器 6A、 7A 中的任一个的故障电流时， 熔断器的清除中断接地 说 明 书 CN 103026571 A 6 4/4 页 7 故障电流。同时， 熔断的熔断器。
25、指示器信号通过与清除的熔断器相关的开关 6B 或 7B 的闭 合发送到控制器 1。这使控制器 1 使接触器线圈 2A 去激励以断开接触件 2B 和 2C， 所以出 故障的 PV 子阵列然后只通过接地故障阻抗和由相应的电阻器对 16、 17 和 26、 27 所形成的 等值电阻器网络之一连接到大地接地。在这个故障操作模式期间， 任何无故障的子阵列将 以等于相对于大地接地 70 的子阵列开路电压的 1/2的子阵列电极处的最高电压 “浮动” 。 电阻器网络 16、 17 和 26、 27 通过排出子阵列静电荷来提供最低耗散的共模电压基准。在图 3的系统中的双接触件2A和2B的使用改变了每个接触件的额定要求， 其可减小接触器的成 本。 0030 虽然示出和描述了本发明的特定实施方式和应用， 应理解， 本发明不限于本文公 开的确切结构和构成， 以及各种修改、 改变和变形从前述描述中可以是明显的， 而不偏离如 在所附权利要求中限定的本发明的精神和范围。 说 明 书 CN 103026571 A 7 1/3 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 103026571 A 8 2/3 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 103026571 A 9 3/3 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 103026571 A 10 。