減輕光伏電站中的電弧閃光危害的制作方法
【專利說明】
[0001] 發(fā)明人：Seshadri Sivakumar、Jiyong LiaruVenkat Reddy Konala、David Barr、 Priyantha Sirisooriya、Jacqueline Ahmad 和 Jason Spokes
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 一般來說，本文中所述主題的實(shí)施例涉及太陽能電池。更具體地講，本文所公開的 主題的實(shí)施例涉及光伏電站的操作和維護(hù)。
【背景技術(shù)】
[0003] 光伏電站采用太陽能電池來將太陽輻射轉(zhuǎn)換為電能。光伏電站還包括光伏逆變器 ("逆變器"），其將由太陽能電池產(chǎn)生的直流電（DC)轉(zhuǎn)換為適于通過變壓器和輸電線路的 網(wǎng)絡(luò)遞送到與公用電網(wǎng)的互連點(diǎn)的交流電（AC)。逆變器通常在逆變器站中采用，這些逆變 器站包括連接到單個(gè)多繞組中壓升壓變壓器的若干逆變器，所述單個(gè)多繞組中壓升壓變壓 器繼而連接到中壓電網(wǎng)。
[0004] 操作逆變器時(shí)，諸如在維護(hù)期間，電弧閃光是嚴(yán)重的工作場所危害。減輕逆變器站 中的電弧閃光危害向人們提出了若干個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)槟孀兤髡具B接的公用電網(wǎng)充當(dāng)大型 故障電流源，從而導(dǎo)致逆變器站內(nèi)在電弧故障期間存在高電弧閃光能量。另外，有效的調(diào)試 和維護(hù)活動通常需要在逆變器通電并且?guī)щ娺B接到公用電網(wǎng)時(shí)在內(nèi)部完全觸及逆變器。電 氣和電子工程師協(xié)會的文件IEEE 1584-2002和美國國家消防協(xié)會的NFPA-70E提供指導(dǎo)方 針來分析和評估在電氣系統(tǒng)（諸如AC逆變器站）內(nèi)各種位置處的電弧閃光能量并且確定 防范潛在的電弧閃光事件所需的合適個(gè)人防護(hù)設(shè)備（PPE)。
[0005] 針對一般情況，即，未必針對光伏應(yīng)用，電力設(shè)備、電弧閃光減輕解決方案可包括 減小電弧電流、增加工作距離和縮短清除時(shí)間。然而，這些解決方案可能難以實(shí)現(xiàn)或不足以 保護(hù)逆變器站的工作人員。
[0006] 某些防護(hù)裝置通過設(shè)計(jì)來限制電流。通過限制或減小可用于電弧故障的電流，對 應(yīng)入射能量在故障清除時(shí)間內(nèi)減小，所述故障清除時(shí)間通常持續(xù)很短時(shí)間（例如，1-3個(gè)循 環(huán)）。這些防護(hù)裝置的故障電流必須處在使其有效的限流范圍中。此解決方案的潛在問題 是如果低于故障電流限制，則清除時(shí)間顯著增加，并且因此對于光伏電站的電網(wǎng)工作條件 范圍，入射能量水平可能超過可行水平。
[0007] 增加工作距離將顯著減小入射能量水平，因?yàn)槿肷淠芰颗c戶外距離的平方成正 比。可通過使用遠(yuǎn)程操作裝置和延長工具（例如，帶電操作桿）來增加工作距離。然而，就 逆變器站而言，許多維護(hù)或調(diào)試活動需要在逆變器通電并且?guī)щ娺B接到公用電網(wǎng)時(shí)在內(nèi)部 觸及逆變器。因此，增加工作距離在逆變器站中可能并不實(shí)際。
[0008] 縮短清除時(shí)間的一種流行方法是降低防護(hù)裝置（例如斷路器）的電流設(shè)置。此解 決方案的缺點(diǎn)（特別是針對逆變器站）是對于正常工作條件，電流設(shè)置可降低的水平有限， 因?yàn)樾枰獏f(xié)調(diào)斷路器跳閘特性和設(shè)備保護(hù)需求并且避免正常短時(shí)瞬態(tài)電流使斷路器跳閘。
[0009] 一般來說，用于減輕電弧閃光危害的其他解決方案包括提供母線差動保護(hù)和區(qū)域 選擇性聯(lián)鎖，其具體實(shí)施方案高度依賴于系統(tǒng)，通常復(fù)雜并且不具有成本效益。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 在一個(gè)實(shí)施例中，采用電弧閃光減輕裝置來在光伏逆變器的維護(hù)期間保護(hù)人員。 在正常工作期間，光伏逆變器的交流電（AC)輸出端通過匯流條（例如，導(dǎo)電互連件）耦接 到升壓變壓器的低壓繞組，該匯流條具有比熔絲高的電流額定值。在維護(hù)期間，用熔絲更換 匯流條。熔絲可與開關(guān)結(jié)合使用。開關(guān)可以是在正常工作期間放置匯流條使其與熔絲并聯(lián)、 并且在維護(hù)期間將匯流條從熔絲去耦接的斷開開關(guān)。開關(guān)還可以是放置匯流條或熔絲使其 與光伏逆變器的AC輸出端和升壓變壓器的低壓繞組串聯(lián)的轉(zhuǎn)接開關(guān)。
[0011] 所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀本公開內(nèi)容的全文時(shí)將易于明了本發(fā)明的這些特征 和其他特征，本公開內(nèi)容包括附圖和權(quán)利要求書。
【附圖說明】
[0012] 結(jié)合以下附圖考慮時(shí)，可通過參考【具體實(shí)施方式】和權(quán)利要求得到對主題的更完整 理解，其中在所有這些附圖中，相似標(biāo)號指代類似元件。
[0013] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光伏電站的示意圖。
[0014] 圖2和圖3示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的呈逆變器站形式的系統(tǒng)的示意圖。
[0015] 圖4顯示的示意圖示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖2的系統(tǒng)的匯流條聯(lián)接件。
[0016] 圖5顯示的示意圖示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖3的系統(tǒng)的熔絲聯(lián)接件。
[0017] 圖6示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的互連件固持器上的匯流條聯(lián)接件的示意圖。
[0018] 圖7示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的互連件固持器上的熔絲聯(lián)接件的示意圖。
[0019] 圖8示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的呈逆變器站形式的另一系統(tǒng)的示意圖。
[0020]圖9示意性地示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖8的系統(tǒng)的開關(guān)-熔絲聯(lián)接件。
[0021] 圖10示意性地示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖8的系統(tǒng)的開關(guān)-熔絲聯(lián)接件的其他 細(xì)節(jié)。
[0022] 圖11示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的呈逆變器站形式的又一系統(tǒng)的示意圖。
[0023] 圖12示意性地示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖11的系統(tǒng)的開關(guān)-熔絲聯(lián)接件。
[0024] 圖13和圖14示意性地示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的維護(hù)桿件的操作。
[0025] 圖15示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的將逆變器站從正常工作模式切換到維護(hù)模式的方 法的流程圖。
[0026] 圖16示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的將逆變器站從維護(hù)模式切換到正常工作模式的方 法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 在本公開內(nèi)容中，提供眾多具體細(xì)節(jié)（例如儀器、部件和方法的例子）以提供對本 發(fā)明的實(shí)施例的透徹理解。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，可在不具有這些具體細(xì)節(jié) 中的一個(gè)或多個(gè)具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐本發(fā)明。在其他示例中，不顯示或描述眾所周知的 細(xì)節(jié)以避免混淆本發(fā)明的方面。
[0028] 上述電弧閃光危害的常規(guī)解決方案是基于如下前提：該解決方案應(yīng)為正常工作和 維護(hù)條件兩者所共用，即，該解決方案需要保證電弧閃光風(fēng)險(xiǎn)類別不高于適于安全進(jìn)行調(diào) 試和維護(hù)活動的風(fēng)險(xiǎn)類別，同時(shí)確保正常工作條件不受影響。然而，防護(hù)裝置針對工作和維 護(hù)兩者的單一設(shè)置并不保證該防護(hù)裝置對于所有可用短路電流電平都可以迅速清除故障。 例如，斷路器可針對高于1000 A的電流在50ms內(nèi)跳閘，但是可針對小于800A的電流接管 l〇s。假定電弧閃光能量是可用故障電流的非線性函數(shù)并且與故障清除時(shí)間成正比，則最高 潛在短路電流電平及其對應(yīng)清除時(shí)間就電弧閃光能量而言可能不代表最壞情況。事實(shí)上， 最高電弧閃光能量可對應(yīng)于比最大值低很多的故障電流電平。
[0029] 同樣，在進(jìn)行電弧閃光危害分析時(shí)，很常見的假設(shè)是公用電網(wǎng)是無限大容量母線 或可從公用電網(wǎng)獲得最大故障電流。然而，這些假設(shè)會產(chǎn)生不準(zhǔn)確的結(jié)果，常常低估電弧閃 光能量。另外，這些假設(shè)并未考慮可能顯著影響可用故障電流的未來電廠擴(kuò)建或改造。在 逆變器站分散在數(shù)百英畝區(qū)域的大型光伏（PV)電站中，從逆變器站到變電站的線路阻抗 可顯著改變。因此，可用短路電流以及因此電弧閃光能量水平可在不同逆變器站之間有巨 大差異。大型PV電站內(nèi)防護(hù)裝置的單點(diǎn)設(shè)置可能不足以滿足所有上述復(fù)雜性。
[0030] 此外，當(dāng)跳閘電流設(shè)置為低值時(shí)，傳統(tǒng)斷路器解決方案的跳閘時(shí)間的單點(diǎn)設(shè)置可 產(chǎn)生有害的跳閘，這種有害的跳閘可導(dǎo)致影響可靠電力生產(chǎn)的不期望中斷、頻繁關(guān)機(jī)和重 啟。另一方面，如果跳閘電流設(shè)置太高，則低于跳閘電平的電弧電流可仍舊導(dǎo)致電弧閃光危 害，因?yàn)樗a(chǎn)生的斷路器跳閘時(shí)間顯著增加。更具體地講，如果起弧電流超過瞬時(shí)設(shè)置，則 入射能量水平極低。在低于瞬時(shí)設(shè)置的電弧電流下，額外清除時(shí)間不只是抵消較低電弧電 流以產(chǎn)生較高入射能量，并且因此導(dǎo)致更有害的情況。
[0031] 常規(guī)用于一般電力設(shè)備和系統(tǒng)的解決方案涉及以下步驟：在進(jìn)行維護(hù)活動之前減 小防護(hù)裝置跳閘設(shè)置以減少故障清除時(shí)間，以及在進(jìn)行維護(hù)活動之前在公用電網(wǎng)和設(shè)備之 間插入高阻抗元件以減小故障電流電平。這些解決方案因高阻抗成本和安全進(jìn)行維護(hù)所必 需的擴(kuò)展工序步驟而不容易擴(kuò)展到逆變器站。
[0032] 因此，本發(fā)明的實(shí)施例提供電弧閃光減輕解決方案，其對于對逆變器進(jìn)行維護(hù)尤 其有利、具有成本效益并且實(shí)際。
[0033] 現(xiàn)在參見圖1，其示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的PV電站100的示意圖。PV電站100 可包括多個(gè)變壓器殼體140、多個(gè)光伏逆變器120、多個(gè)光伏模塊110和一個(gè)高壓（HV)升壓 變壓器160。為了清楚說明，圖中沒有示出PV電站100的對于理解本發(fā)明并非必需的控件 和其他部件。
[0034] 在圖1的例子中，逆變器站190包括連接到變壓器殼體140的一個(gè)或多個(gè)逆變器 120。變壓器殼體140可包括同一逆變器站190中的所有逆變器120所連接的單個(gè)多繞組 中壓（MV)變壓器。成組的太陽能電池115可共同封裝在光伏模塊110中，該光伏模塊可連 同其他光伏模塊110 -起連接到逆變器120。太陽能電池115可包括市售太陽能電池，諸如 可得自加利福尼亞州圣何塞市的SunPower公司的那些太陽能電池。應(yīng)注意，為清楚起見， 在圖1中僅標(biāo)記了太陽能電池115中的一些。
[0035] 逆變器120將由一組光伏模塊產(chǎn)生的DC電流轉(zhuǎn)換為適于在互連點(diǎn)（POI) 16