CN106104966A - 零输出继电器 - Google Patents

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Abstract

本发明总体上涉及用于隔离、控制、限制和支持从可再生能源输出到公用电网的电力的设备。该设备包括：用于监控可再生能源内的电力流的方向的装置；用于使来自可再生能源的电力流与干线电源隔离的装置；以及其中，当由用于在可再生能源与干线电源之间监控的装置检测到高于已同意的馈电或至少零馈电或有限馈电的反向电力流时，监控装置向隔离装置发送信号以使***开路和/或控制/限制***的输出。

Description

零输出继电器
技术领域
本发明总体上涉及在公用电网内产生可再生能量。具体而言，本发明及用于隔离、控制并且限制从可再生能源输出到公用电网的电力的设备。在本发明中，该设备具有限制或有零逆向电力流或将电力从可再生能量***馈入到公用电网的能力。
背景技术
应当注意的是，本文中对现有技术的引用不应被认为是承认该现有技术构成了本领域的公知常识。
电能或电力是现代生活的必要部分。在住宅、在公司、在机构或在其它地方，用户以各种方式使用电能。公用电网通过输配电线路的网络输送由发电厂产生的电力。该网络在下文中被称为“输配电网”、“电网”、“网”、“公用电网”、“干线电源(mains power)”、或“电力网”。
最近，随着对全球变暖和其它环境问题的意识不断增强，人类社会将极大的希望寄予所谓的新能量。除了它们的环境方面以外，新能量还呈现出如下优点：由于它们的能量产生可以分布在电力用户处或附近而产生电源的低传输损耗和安全性。煤的传统能量产生导致被要求快速减少的温室气体排放物。新兴的替代能量技术(例如，风能和太阳能)提供对能量产生的可行的选择。
可再生能量是考虑实用和环保的传统公用生产的替代方案。更理想的可再生源的其中之一是太阳能。太阳能设备不消耗化石燃料并且不产生空气污染物。太阳能的使用通常被看作是环保的。在大多数国家，由于国家政策的原因，需要(或者志愿这样做)公用电网来从用户那里赊购或者实际购买由太阳能发电***产生的多余电力。除了这些优点，太阳能***可以长期给用户提供显著的成本节约。作为对安装太阳能***的鼓励，政府机构会为购买和安装太阳能***的用户提供折扣或减税。
已经在普及可再生能量***从而至少部分解决电力网的峰值需求问题。例如，太阳能电力***可以将由太阳能电池板产生的DC电能转换为AC电能并且将其用于对电气用品供电。通过逆变器将所产生的DC电力转换为AC电力，从而电力网公司可以购买所产生的AC电力。
目前，国际上用于可再生能量的馈网制度或电价存在于40多个国家、州或省，所有的电价都包含对从各种可再生能源馈入电网的电能的附加费的支付。这些馈网电价(FiT)通常以两种形式应用。第一种形式为总FiT，借此从电力公司廉价购买可再生源产生的所有电能，电力公司再从电网购回其所需的任何电能。FiT的第二种形式为净FiT，借此仅从电力公司购买未使用的或者多余的电能。
随着对馈网电价的最近变化，用户和安装***的人员需要知道他们如何利用他们的太阳能***产生能量变得更重要。随着这些变化，显然太阳能的自消耗将变成新的标准，并且将太阳能输出到电网将变得对***所有者有较少吸引力。
典型地，来自太阳能PV***的电力首先被自动地引导到家庭使用；如果/当它当时当地未被消耗时，它自动地穿过电量计并到电网上。因此，当家庭选择“自消耗”它们的太阳能时，这意味着它们对它们的电力使用计时以与发电相符，即当太阳正照耀时。
尽管在补贴结构中对低于电能的零售成本的太阳能馈网电价的变化意味着太阳能PV***将通过安排它们的用具运行或通过物理地在场以便使用它们来将最大的益处提供给可以使用他们的太阳能(当它正被产生时)的人，即可以在当太阳正照耀的日子期间使用电能的人。这可以是领抚恤金的人、在家工作的人或留在家里的父母。在这样的低费率上，在没有对太阳能的可负担得起的存储的情况下，将电力输出到电网不是使用它的最有效的方式。同样对于在太阳能的高峰值产生期间(在日照时间期间)不能在场的那些人，需要使用或防止到电网的馈入的一些其它方式。
显然，如果可以设计用于隔离和控制从可再生能源输出到公用电网的电力的设备则是有利的，该设备帮助至少改善以上所述的一些缺点。具体而言，如果有“自消耗”或有零逆向电力流或将电力从可再生能量***馈入到公用电网或至少提供有用的替代方案的能力则将是有益的。
发明内容
根据第一方面，本发明提供用于隔离、监控和限制从可再生能源或***输出到干线电源的电力的设备，该设备包括：用于监控可再生能源内的电力流的方向的装置；用于使来自可再生能源的电力流与干线电源隔离的装置；以及其中当由用于在可再生能源到干线电源之间进行监控的装置感测到反向电力流时，监控装置向所述隔离装置发送信号以减小发电的输出以防止或限制额外的电力或使***开路。
优选地，用于监控电力流的方向的装置和用于使来自可再生能源的电力流与干线电源隔离的装置位于邻近干线开关的公共接线盒内。替代地，用于监控电力流的方向的装置和用于使来自可再生能源的电力流与干线电源隔离的装置位于单独的接线盒中并且被连接用于通过有线连接或无线连接来进行通信。
优选地，用于监控电力流的方向的装置可以是感测干线电源上的负载的双向电压和/或电流感测设备。替代地，电流感测设备可以是全电流测量设备。进一步替代地，电流感测设备可以是使用初级导体作为初级绕组和次级线圈的电流互感器，次级线圈将电线绕在环形铁芯周围，所述环形铁芯位于主导体周围以测量电流。
优选地，电压感测设备可以是电压互感器或电位互感器，例如仪器互感器。优选地，用于使来自可再生能源的电力流与干线电源隔离的装置可以是电气操作的开关，例如继电器。继电器还可以包括用于设定功率的值的可变控制装置，所述可变控制装置将闭合继电器以使可再生能源与干线电源隔离。继电器还可以包括用于设定功率的值的可变控制装置以闭合继电器以允许来自可再生能源的电力流到干线电源。继电器还可以包括可变控制装置以闭合继电器和/或增加功率输出以当电力流处于正向方向时允许来自可再生能源的电力流到干线电源。
优选地，设备可以连接到单相***或多重相或多相***。设备可以被设计为在干线电源中的设定点处连续地测量和监控电力流的正向和反向方向。
优选地，可再生能源可以是以下各项中的任何一项或多项：(ⅰ)包括至少一个光伏电池板的太阳能源；(ⅱ)包括至少一个风力涡轮机的风能源；或(ⅲ)包括使用下落或流动的水的重力的水源的水能源。
优选地，设备可以连接到位于干线开关处或邻近干线开关的现有的可再生能量***中以使可再生能源开路并且防止来自可再生能源的电力流到干线电源。
优选地，可变控制装置可以是具有数字设置的和可变的电子开关的电子电路。替代地，电子电路可以包括可以利用所需的各种设置来编程并且被设计为提供所需的控制参数的可编程逻辑控制器或微控制器。进一步替代地，可变控制装置可以是具有机械设置的和可变的开关的机械电路。
根据另一方面，本发明提供可再生能源负载补偿***，其包括：干线电源；可再生能源，其包括：包括连接到第一逆变器的至少一个可再生能源的第一串联模块；包括连接到另一逆变器的至少一个另一可再生能源的至少一个另外的串联模块；以及连接到每个所述逆变器以使每个串联模块与***电气地隔离和将每个串联模块电气地连接到***；可控开关，其包括：电压和/或电流感测设备以感测干线电源上的负载；连接到每个所述接触器以使每个所述串联模块隔离和通电的装置；以及可编程用于控制每个串联模块的通电和隔离的微处理器；适合于连接到干线电源或可再生能源的国内电力供应网络；其中，所述第一串联模块和逆变器按尺寸排列并且被连接成将可再生能量输出到干线电源，并且所述另外的串联模块和逆变器根据干线电源上的负载或消耗而进行切换；以及用于根据前一方面的使从可再生能源或***输出的电力与干线电源隔离的设备。
优选地，第一串联模块和逆变器的尺寸可以由必需的馈网电价确定。当电力处于正向方向时，可控开关可以连接所述另外的串联模块以补偿对来自干线电源的负载的使用。当正向电力或负载降低时，可控开关可以隔离所述另外的串联模块以防止来自可再生能源的过发电。
优选地，***还可以包括以下保护设备中的任何一项或多项：(ⅰ)过电压保护；(ⅱ)欠电压保护；(ⅲ)过频率保护；(ⅳ)欠频率保护；(ⅴ)位于相之间的差分频率保护；(ⅵ)相故障保护；(ⅶ)反向电力流保护；(ⅷ)频率的变化率(RoCoF)；(ⅸ)电压向量移位(VVS)；(ⅹ)输出限制；或(xi)无功功率控制。在保护设备中的任何一个保护设备被通电的情况下，***可以隔离并保护干线电源。
优选地，***还可以包括事件记录器以监控并分析干线电源的每个相。
优选地，可控开关可被编程以允许必需的馈网电价利用连接到干线电源的所有串联模块进行输出。
优选地，***可以从干线电源自动断开，以便于保护干线电源免受孤岛故障。优选地，***还可以包括用于在可控开关、干线电源、可再生能源以及国内电力供应网络之间传输信息的数据网络。
附图说明
根据下文中所给出的具体实施方式并且根据本发明的优选实施例的附图将更全面地理解本发明，然而，本发明的具体实施方式和附图不应被认为是对本发明进行限制，而是仅用于解释和理解。
图1是根据本发明的设备的单线图；
图2是根据本发明的实施例的安装在可再生能量***中的设备的单线方框图；
图3是安装在图2的可再生能量***中的设备的示意图；
图4是根据本发明的另外实施例的安装在可再生能量***中的设备的单线方框图；
图5是安装在图4的可再生能量***中的设备的示意图；
图6示出了安装有本发明的设备的可再生能量***的家庭安装的方框图；以及
图7示出了根据本发明的实施例的在具有内置到控制器中的内部CT的3相***中使用的本发明。
具体实施方式
对仅通过示例的方式所给出的以下描述进行描述，以提供对优选实施例或实施例的主题的更加准确的理解。
所述实施例总体上涉及用于隔离并监控从可再生能源或***输出到干线电源的电力的设备以及用于并入这样的设备的可再生能量产生负载补偿的***。根据本发明的设备典型地用于为了使干线电源与可再生能源隔离的目的的太阳能光伏馈电网安装，并且所述实施例特别适合于这样的目的。然而，实施例不仅仅限于这样的使用。
光生(PV)是通过使用展示光伏效应的半导体将太阳能辐射转换为直流电能来产生电力的方法。光伏发电采用由包含光伏材料的多个太阳能电池组成的太阳能电池板。PV***由一个或多个光伏(PV)电池板65、66、DC/AC电力转换器或逆变器52、53、电气互连件、以及相关联的开关和接触器50、51构成。所产生的电能可以被存储、直接使用(孤岛/独立发电厂)或馈送到电网15中、或者与一个或多个国内可再生能量发电机组合以馈送到小电网中。
可再生能量是来自诸如阳光、风、雨、潮汐、波浪和地热等不断补充的资源的能量。因此，本发明不限于任何特定的可再生能量。例如，除了太阳能***外，已经采用了风力涡轮机来提供清洁的或可再生的能量。风力涡轮机通过包括转子、变速箱和发电机的***来由风的动能产生AC功率。将AC功率整流为DC功率并且将DC功率进一步转换为具有与电网15的AC功率相同频率的AC功率。同样，水力发电是指：由水力产生电能；通过使用下降或流动的水的重力产生电力的术语。
可再生能量还可以扩展到任何类型的发电***(未示出)。例如，柴油发电机是柴油机与发电机(常常为交流发电机)的组合以产生电能。这是发动机-发电机的具体情况。柴油压缩点火发动机常常被设计成靠燃料油运行，但一些类型适合于其它液体燃料或天然气。典型地，柴油发电机组在不连接到电力网的地方使用，或如果电网出故障则作为紧急电源，以及用于更复杂的应用，例如高峰值发电机失调、电网支持并且到电力网的输出。
如果有多个/并联发电机，则本发明实际上是有用的。结合柴油发电机连接的额外太阳能的使用可以防止下一个发电机接通。这主要是由于对在大约60％负载以下不运行的发电机的需要。
参考太阳能和光伏电池板的使用来描述以下描述，然而，可再生能量的产生不仅仅限于这样的使用。同样，在以下段落中所提到的隔离指的是电气和机械隔离。因此，干线电网15和可再生能源52、53的隔离可以使机械隔离和电气隔离合并，以便于保护干线和可再生能源及其相关联的部件。干线电源或电网电源15提供了采用通用交流电(AC)电源的形式的干线电能。在全世界，建立了用于家庭和轻型商业电气用具的操作和照明的很多不同的干线电源***。在***之间的主要差异的特征主要在于它们的电压、频率、插头和插座(插孔或出线口)和地面***(接地)。设备10连接到单相***或多重相或多相***。
干线电源或电网电源15经由输电线路被馈送到住处并且经过客户仪表18。电量计或能量计18是测量由住宅或住处消耗的电能的量的设备。并入电网馈电可再生能量产生设备意味着当用户可以产生比对他自己的使用所需的更多的电能时，剩余的电能被输出回到电力网15。产生回到“电网”的用户通常具有特殊设备和安全设备以在故障(电短路)或电网的维修(比如在进入输出用户设施内的向下的线路上的电压电位)的情况下保护电网部件(以及用户自己)。
电力输出仪表18提供了能够如所使用或所需的单独地测量输入和输出的能量的仪表。典型地，这些仪表18是双向输入/输出仪表，其可以测量在家里使用了多少电能，以及有多少电能从太阳能***52、53馈送回到电网中。干线开关19使干线电力网15与住宅或住处的子电路41隔离。同样，可再生能量开关或断路器50、51使可再生能源52、53与干线电源15和住宅或住处子电路41隔离。
图1示出了根据本发明的实施例的设备及其连接点。设备10由感测或监控部件20和隔离器或继电器30组成。监控部件30提供了当前设备连续地监控并测量在干线电源中的设定点处的电力流的正向和反向方向的能力。本发明被设计，以便于允许用户自消耗由可再生能源52、53产生的所有太阳能并且不将太阳能输出到公用电网15。然而，当考虑馈网电价时，被防止馈送回到电网中的太阳能是落在已同意的馈网电价之上的范围内的任何值。基本上，只有等于已同意的馈网电价值的可再生能量的量将被馈送回到电网中。高于馈网电价的所产生的任何量的可再生能量将被自消耗或输出限制并且不被馈送回到电网中。同样，如果没有已同意的馈网电价，则所产生的所有可再生能量将被自消耗。因此，本发明已被设计成处于由可再生能量***产生的零能量处或附近或处于刚好高于馈网电价的值(如果可适用)处打开输出继电器。由于在本发明的设计中的灵活性，值(在该值输出继电器或零继电器将打开)可以被限制在设定的输出值处。例如，输出值可以被设置在2kW处，并且输出继电器将使继电器开路以使可再生能源与干线隔离。
这些变化由于馈网电价(Fit)中的相当大的减小连同在安装可再生能量***的成本中的相当大的减小而发生。由网络提供者提供的政策也规定***的变化。本发明被设计成自消耗所产生的所有可再生能量，但也可以保护网络免受被馈送到电网中的未受控制的可再生能量的消极影响。
设备10由线路侧电路连接11、负载侧电路连接12、要进行控制的电路的线路侧13以及要进行控制的电路的负载侧14组成。所有上述连接是标准布线连接和连接器等。上文示出了如图1中所示的连接，然而布线可以在任一侧(线路或负载)上使用，并且因此不仅限于所示版本。
监控装置20由感测干线电源15上的负载的双向电压和/或电流感测设备组成。电流或电压感测设备20可以位于设备10内或可以位于外部。电流感测CT可以与继电器30一起在内被安装在设备10中。同样，当将设备10改装成已建立的***时，CT可以在外部安装在任何适当的位置上。例如，继电器30可以安装在有空间的任何地方，然后简单地将CT 20固定(***核心)在任何适当的位置上(在用户干线开关19之前或之后)。对于最好的结果，当利用内部CT 20时，继电器30应在干线开关19之后在任何其它子电路之前被直接接上电线。
典型地，这可以包括电流感测设备20，例如整个电流测量设备。这可以包括用于测量AC干线电流的单相仪表，其中要进行测量的全部电流直接流经仪表，与当前的电流互感器类型测量***相反，在该***中电流被转换成间接变量，该间接变量由不直接测量实际电流的仪表测量。例如，使用初级导体作为初级绕组和次级线圈的电流互感器，次级线圈绕在位于主导体周围以测量电流的环形铁芯周围。次级线圈的匝数确定电流减速比；该比被选择为将正常操作电流一直减小到保护设备可以用于进行测量的水平。如果例如感测设备是电压感测设备20，则设备可以包括电压互感器或电位互感器，例如仪器互感器。
用于使来自可再生能源52、53的电力流与干线电源15隔离的装置由继电器或接触器30组成。继电器30基本上是电气操作的开关。很多继电器使用电磁铁来机械地操作开关机构，但也可以使用其它操作原理。使用继电器，其中必须通过低功率信号(在控制和受控电路之间具有完全电隔离)来控制电路，或其中几个电路必须由一个信号控制。可以在本发明中使用并且还是可以操纵直接控制负载所需的高功率的继电器30的类型的另一类型的电气操作的开关是接触器30。继电器30可以是单极继电器或多极继电器。
可以在本发明中使用的另一选择是控制功率电路而没有移动部分的固态继电器，而不是使用半导体器件来执行切换。如技术人员将认识到的，存在用于使可再生能源52、53与干线电源15隔离的多个选择。作为另一个示例，继电器30可以包括一组干接触部，其在预先确定的电流处被评估以便于断开将电力从可再生能源52、53输出到干线电源15的电路。典型地，当切换非常低电平的信号时，使用干接触部，并且接触材料可以是镀金接触部。
监控装置20还包括可以用于设定功率的值的多个可调节的设置或定时器16、17，其将断开继电器30以使可再生能源52、53与干线电源15隔离或为断开或闭合继电器30设置时间延迟以使可再生能源52、53与干线电源15隔离或连接。这些可以是机械上可调节的设置或高级电子或软件设置。那是可以预设的并且是不可互换的以防止篡改或可变控制(其允许继电器30的闭合或断开的调节)的设置。这也意味着对于零输出关断或断开值可以被设置为零或被限制在设定的输出值，例如2kW(其可以是网络可允许的作为输出的值，而不考虑所连接的***的尺寸)。例如，可变控制装置或可调节设置包括具有数字地设置的和可变的电子开关的电子电路。这可以包括可以利用所需的各种设置来编程并设计成提供所需的控制参数以调节到适合***的可编程逻辑控制器或微控制器。
通过另外示例的方式，定时器或时间开关可以是独立式的或并入到用具和机器中。它们的操作机构可以是机械的(典型地是发条装置)、机电的或纯电子的(电子振荡器的计数循环)。定时功能可以由典型地在计算机中的软件提供；程序常常被称为“定时器”。在使用中，可变调节17是用于闭合继电器30的时间延迟设置。可变调节16由两个可变控制组成。第一控制值被用于设置将闭合隔离继电器30的电力流的值。它的目的是当电力流大于由子电路负载41置于***上的负载时防止可再生能源52、53通电。这防止受控可再生能量产生53的任何接通/断开循环并且使其设置成适合受控可再生能量产生53的输出，并且还使继电器30中的接触部的闭合延迟直到电力流处于正向方向(从公用电网15流到可再生能源53)并高于设定值为止。
可选地，第二组监控装置(未示出)可以放置在允许继电器30计算***上的负载的值的可再生能量产生侧上。如果继电器30限制逆变器52、53的输出，则它可以稳定地保持这个值而不是追寻干线开关19处的波动值。
基本上，***防止能量从可再生能源53流到公用电网15，即在继电器闭合之后立即进入到出口中。第二控制值是预设断开值或是在隔离继电器30被断开并因此使可再生能源53与公用电网15隔离之前的电力流的值和方向。第二控制值的目的是允许断开值高于统一值(零)或甚至允许电力流是处于反向方向(出口)上的设定值。这些可变控制可以简单地是允许手动设置的控制拨号盘旋钮或可以是计算机可编程软件设置。
可调节设置17是使继电器30的闭合延迟并且对于适合所需的时间延迟是可变的时间延迟设置。这还意味着当多个设备被并入时，这些设备的闭合可以是交错的，这帮助防止在闭合时输出。当不是***上的恒定负载(即负载变化)的负载被支持时，这也是重要的。一旦电力流在正向方向后面并高于由可变调节16设置的值，这个时间延迟设置17就依次起作用。例如，在时间延迟被设置在“0”处的情况下，当功率在正向方向上从公用电网15流到可再生能源53或由可变设置16的第一控制值设置的值时，在继电器30处的接触部将闭合。同样，在时间延迟17被设置到某个时间值的情况下，继电器30将在16的预设值的顺序被满足之后闭合，时间延迟开始超时到设定时间值，在超时之后，继电器30将闭合，从而允许电力从PV 52、53流到负载。
图2和3示出了本发明的第一实施例，其中，设备10安装在可再生能量***的单相干线电源15中。在这个实施例中，可控可再生能源53经由公共馈电/总线42由设备10控制。断路器51放置在公共馈电/总线42中以在可再生能源53的故障(电短路)或维修的情况下使可再生能源53断路。当继电器30闭合时，能量可以从可再生能源53流到公用电网15中，反之亦然。同样，可再生能源53可以经由公共馈电总线21和断路器40给子电路负载41馈电。另外，不受设备10控制的可再生能源52也可经由断路器50和断路器40给子电路负载41馈电。电力从公用电网15通过零售场所仪表18并通过用户干线开关19且然后通过设备10的感测侧20流动。干线电力15然后经由公共电力馈电/总线21被馈送到子电路负载41。
为了防止能量从受控可再生能源53流回到电网中，继电器30断开，并且来自可再生能源30的电力将不被馈送回到公用电网15中。功率传感器20或在这种情况下整个电流感测仪表20将感测电力何时从受控可再生能源53流到公用电网15，并且随后在预设的时间延迟之后将按照需要限制功率的输出和/或断开继电器30。在这个操作中，受控可再生能源53被认为是自消耗的或用作零输出可再生能源53。
图3是图2的可再生能量***的单线图。在这个实施例中，隔离继电器30被连接以经由该连接或公共馈电/总线42和断路器51使受控可再生能源53断开。公共中性线43从负载41的电力馈电和可再生能源52、53连接在相对侧上。中性线43提供了到地面的低阻抗路径。如图2和3中所示的，可再生能源53由设备10控制，并且可再生能源52不由设备10控制。这使可再生能源52能够为***供应FiT，可再生能源52被馈送回到公用电网15。受控可再生能源53确保由源53输送的任何电力将不通过设备10的控制和隔离被馈送回到公用电网15中。
图4和5实质上与图2和3相同，并且相同的部件被相应地标记。在图4和5的设备10与图2和3的设备10之间的差异是隔离继电器30的定位。在图4和5中，隔离继电器30位于受控可再生能源53旁边，并且经由馈电/总线42连接到断路器51和公共馈电/总线21。在图2和3中，控制和隔离继电器30直接连接到公共馈电/总线21，断路器51被连接在受控可再生能源53旁边。
图6示出了可再生能源***的家庭安装的方框图，本发明的设备10被安装成控制可再生能源53。干线电源15连接到感测设备20，感测设备20在这种情况下是整个电流传感器20。电流传感器20检测从受控可再生能源53流到干线15的电力的方向和/或值。当感测到这个条件时，经由通信电缆25将控制信号发送到隔离继电器30。隔离继电器30将随后断开并防止可再生能量从受控可再生能源53经由受控发电连接点或断路器51流到干线15。***还包括可以向负载41和干线15供应电力的不受控制的可再生能源52。
设备10可以安装在***中作为单个部件，感测设备20和控制继电器30两者都并排安装在设备机架内。然而，本发明不限于单个部件，并且所有部件可以是分开的并安装在不同的位置上。例如，外部CT可能对改装是有益的，特别是当空间被限制时。设备10还允许通过数字、模拟、二进制、和/或Modbus等控制功率和无功功率。Modbus是被开发用于可编程逻辑控制器(PLC)的串行通信协议。简言之，它是用于通过在电子设备之间的串行线路来传输信息的方法。
典型地，设备10被定位为邻近用户的干线开关19并用电线接在一起或经由无线通信连接。在一些示例性安装中，感测设备20和隔离继电器30可以被分开地安装并经由无线连接或有线连接进行连接。通过示例的方式，当前的设备10仅安装在设备机架(未示出)中的din轨上。DIN轨是广泛用于在设备机架内部安装断路器和工业控制设备的标准类型的金属轨。Din轨典型地由具有镀锌和铬酸盐亮表面涂层的冷轴碳钢薄板制成。设备机架是用于安装多个设备模块的标准化框架或外壳。
在使用中，设备10可以并入到负载补偿***中。为了提供对负载或子电路41接通的补偿，干线电源15并入负载补偿设备和相关联电路。干线电源15提供了采用通用交流(AC)电力供应的形式的干线电能。干线电源或电网电源15经由输电线路被馈送到住处和用户仪表18。并入电网馈电可再生能量53产生设备意味着当用户产生比对他自己的使用所需的更多的电时，剩余量可以被输出回到电力网15。为了避免过剩的可再生能量或至少限制被馈送回到干线电网15中的所输出的能量，设备10被设计成控制可再生能源并使其隔离。
干线开关19使干线电力网15与住宅或住处子电路41隔离。同样，可再生能量干线开关51使可再生能源53与干线电源15和住宅或住处子电路41隔离。可再生能量负载补偿设备被设计成连续地测量并监控干线电源15中的电力流的正向和反向方向。当电力处于正向方向(消耗)上时，负载补偿设备将首先连接太阳能串与逆变器和太阳能阵列53以给子电路41馈电。替代地，如果电力处于正向方向(消耗)上并且***被配置成用于输出，则负载补偿设备将首先连接一个太阳能串与逆变器和太阳能阵列53，其被设计和按尺寸适应已同意的馈网电价以输出馈送到电网15的可再生能量。设备10也可为了切换和控制两者必要和不比要的负载的目的而并入辅助开关。这些负载可以被切换以帮助管理高峰需求和任何剩余的电力的利用，即自消耗。
本发明还可以包括数据网络(未示出)以监控并控制***周围的数据的传输。本发明还允许用户连续地测量、控制、以及监控干线电源中的电力流的正向和反向方向。在使用连接具有存储在计算机上的计算机可读程序的计算机***的数据网络的情况下，可再生能量负载补偿***可以自动地或由用户在使用计算机的情况下手动地控制。
对于所有的以上选择，电路被设计成被通电以连接。因此，如果在***中出现任何错误或故障，则所有物品在断电时被保护。本发明可以提供多个额外的经编程保护设备，例如过电压保护、欠电压保护、过频率保护、欠频率保护、相之间的差分频率保护、相故障保护以及反向电力流保护。尽管上文描述了本发明不仅限于频率的变化率(分散式发电单元的孤岛检测方法)，并且电压向量移位(VVS)方法也可以用于干线损失(LOM)检测。
所有的上述设备都可编程为负载保护设备，以便于在出现任何故障的情况下进一步保护并隔离***。这也适用于可再生能量负载补偿***内的所有机械隔离设备，其被设计成被通电以连接并因此在故障或错误时将被断电以保护干线电源和可再生能量源以及相关联的部件。
还可以设想，***还可以包括数据记录器以记录并以曲线图表示在预定的时间标度内的每个相。数据记录器或数据记录仪是利用内置仪器或传感器或经由外部仪器和传感器随着时间的过去或关于位置记录数据的电子设备。数据记录器可以基于数字处理器(或计算机)。数据记录器可以是小型的、电池供电的、便携式的并被配备有微处理器、用于数据存储的内部存储器、以及传感器。另外，内部存储器可以是在允许操作员在数据记录器电路板上保存空间的USB记忆棒中的可去除的插塞。
数据记录器可以与个人计算机接口连接并利用软件来激活数据记录器并观看和分析所收集的数据。同样，数据记录器可以具有本地接口设备(袖珍键盘、LCD)并可以用作独立设备。数据记录器还可以并入用于实时或历史记录的曲线图表示和记录。
通过又一个示例的方式，提供了图7以示出在具有被内置到控制器或设备10中的内部CT 20的3相***中使用的本发明。实际感测电线直接穿过设备10。三相A、B和C被表示为具有中性线43的项目80、81和82。可再生能量产生由PV 65、66供应，DC经由顶部隔离器61、62和DC隔离器63、64供应。可以将DC输出馈送到逆变器52、53，并且将逆变器52、53的AC输出经由断路器40、50馈送到负载41。
利用继电器30，当将其闭合时允许来自PV 65、66的可再生能量给负载41馈电。干线电源15提供了采用通用交流电(AC)电源形式的干线电能。干线电源或电网电源15经由输电线路被馈送到住处和用户仪表(未示出)。并入电网馈电可再生能源52、53产生设备意味着当用户产生比对他自己使用所需的更多的电能时，剩余的电能可以被输出回到电力网15。为了避免过剩的可再生能量或至少限制被馈送回到干线电网15中的所输出的能量，设备10已被设计成控制并隔离或至少限制来自可再生能源的所输出的能量。
设备10由感测或监控部件20(在这种情况下是三个内部安装的CT 20)和隔离器或继电器30组成。监控部件20提供了当前设备连续地监控并测量干线电源中的设定点处的电力流的正向和反向方向的能力。本发明被设计，以便于允许用户自消耗由可再生能源52、53产生的所有太阳能并且不将太阳能输出到公用电网15。设备10还包括用于串行输出90和二进制控制输出91的控制输出。在图7中，二进制输出91用于控制逆变器52、53。这个连接可以是在设备10与逆变器52、53之间的单向或双向通信。串行或二进制输出90、91也用于提供输出，例如限制、数据、发电、有功功率、无功功率。对二进制输出91的切换通常通过编程在设备10的建立期间被执行，并且可以被用于任何位二进制切换。例如，4位二进制将给出16个切换点或可以上升1、2、3、4并随后下降4、3、2、1的全切换。同样，6位二进制将给出64个切换点。图7还示出了对这样的***需要的机械隔离。
本发明是独立的设备10，其可以在现场或远程地经由网络由计算机编程的。这包括对定时器、***、馈网电价补贴和负载的任何远程切换以及***的控制、有限输出和消耗的编程。
尽管主要关于允许用户自消耗或至少限制由可再生能源产生的太阳能的量并且不输出或至少限制太阳能到公用电网的输出描述了本发明。***还提供了在正常使用条件下和/或当从自消耗模式返回到***的正常操作时对可再生能量的连续支持和使用。例如，如上所述，***的二进制输出可以用于使***斜降以限制或停止到电网的输出或可以在***从自消耗返回之后斜升或限制操作。
优点
通过使用可再生能量***来给你的家或企业供电，你就减少了温室气体排放和你的电费。本发明被设计，以便于允许用户自消耗由可再生能源产生的所有太阳能并且不输出或至少限制到公用电网的太阳能的输出。本发明允许用户控制由***利用的可再生能量的量，同时还控制并限制馈送回到电网的能量的量。这些变化由于在馈网电价(Fit)中的相当大的减小连同在安装可再生能量***的成本中的相当大的减小而产生。
为了补偿仅来自电网的负载的目的，本发明提供了能够允许设施中的额外的太阳能发电被使用的添加的优点。此外，本发明监控电网并通过与在所产生的可再生能量上的不需要的输出隔离的方式来保护电网。本发明通过隔离的方式管理并限制功率到干线电源的输出。
同样，可再生能源和部件及干线功率部件被通电以连接，因此在***的所有物品中的任何错误或故障都通过功率输出限制在机械地或电子地断电时被保护。
本发明给用户提供了使用AC侧和干线电源上的负载来管理它们的可再生能源的输出的能力。
变型
可以认识到，仅通过说明性示例的方式给出前述内容，并且对本领域技术人员显而易见的是所有其它的修改和变型都被认为是落在本文所阐述的发明的宽泛范围和界限内。
在说明书中，术语“包括(comprising)”应当被理解为具有类似于术语“包括(including)”的宽泛含义并且将被理解为暗示包括所声明的整数或步骤或者整数或步骤的组，而不排除任何其它整数或步骤或者整数或步骤的组。该定义还适用于诸如“包括(comprise)”和“包括(comprises)”的术语“包括(comprising)”的变型。

Claims (29)

1.一种用于隔离、监控和限制从可再生能源或***输出到干线电源的电力的设备，所述设备包括：
用于监控所述可再生能源内的电力流的方向的装置；
用于使来自所述可再生能源的所述电力流与所述干线电源隔离的装置；以及
其中，当由用于在所述可再生能源到所述干线电源之间进行监控的装置感测到反向电力流时，所述监控装置向所述隔离装置发送信号以减小发电的输出以防止或限制额外的电力或使所述***开路。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，用于监控电力流的方向的装置和用于使来自所述可再生能源的所述电力流与所述干线电源隔离的装置位于邻近干线开关的公共接线盒内。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，用于监控电力流的方向的装置和用于使来自所述可再生能源的所述电力流与所述干线电源隔离的装置位于单独的接线盒中并且被连接以用于通过有线连接或无线连接来进行通信。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的设备，其中，用于监控电力流的方向的装置是感测所述干线电源上的负载的双向电压和/或电流感测设备。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述电流感测设备是全电流测量设备。
6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述电流感测设备是使用初级导体的电流互感器，所述初级导体作为初级绕组和次级线圈，所述次级线圈绕在位于主导体周围的环形铁芯周围，以测量电流。
7.根据权利要求4所述的设备，其中，所述电压感测设备是电压互感器或电位互感器，例如仪器互感器。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，用于使来自所述可再生能源的所述电力流与所述干线电源隔离的装置是电气操作的开关，例如继电器。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述继电器还包括用于设定功率的值的可变控制装置，所述可变控制装置将断开所述继电器以使所述可再生能源与所述干线电源隔离。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的设备，其中，所述继电器还包括用于设定时间延迟的可变控制装置以用于闭合所述继电器以将所述可再生能源连接到所述干线电源。
11.根据权利要求8到10中的任一项所述的设备，其中，所述继电器还包括用于设定功率的值的可变控制装置以闭合所述继电器以允许来自所述可再生能源的电力流到所述干线电源。
12.根据权利要求8到10中的任一项所述的设备，其中，所述继电器还包括用于闭合所述继电器和/或增加所述功率输出的可变控制装置以当电力流处于正向方向时允许来自所述可再生能源的电力流到所述干线电源。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述设备连接到单相***或多重相或多相***。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述设备被设计为在所述干线电源中的设定点处连续地测量和监控电力流的正向方向和反向方向。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述可再生能源是以下各项中的任何一项或多项：
(ⅰ)包括至少一个光伏电池板的太阳能源；
(ⅱ)包括至少一个风力涡轮机的风能源；
(ⅲ)包括使用下落或流动的水的重力的水源的水能源；或
(ⅳ)柴油发电机。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述设备连接到位于干线开关处或邻近所述干线开关的现有的可再生能量***中以使所述可再生能源开路并且防止来自所述可再生能源的所述电力流到所述干线电源。
17.根据权利要求9到12中的任一项所述的设备，其中，可变控制装置是具有数字设置的且可变的电子开关的电子电路。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述电子电路包括能够利用所需的各种设置来编程并且被设计为提供所需的控制参数的可编程逻辑控制器或微控制器。
19.根据权利要求9到12中的任一项所述的设备，其中，所述可变控制装置是具有机械设置的和可变的开关的机械电路。
20.一种可再生能量产生负载补偿***，包括：
干线电源；
可再生能源，其包括：
第一串联模块，其包括连接到第一逆变器的至少一个可再生能源；
至少一个另外的串联模块，其包括连接到另外的逆变器的至少一个另外的可再生能源；以及
接触器，其连接到每个所述逆变器以使每个所述串联模块与所述***电气地隔离和将每个所述串联模块电气地连接到所述***；
可控开关，其包括：
电压和/或电流感测设备，其用于感测所述干线电源上的负载；
通电装置，其连接到每个所述接触器以使每个所述串联模块隔离和通电；以及
微处理器，其可编程用于控制每个串联模块的通电和隔离；
国内电力供应网络，其适合于连接到所述干线电源或所述可再生能源；
其中，确定所述第一串联模块和逆变器的尺寸并且将所述第一串联模块和逆变器连接成将可再生能量输出到所述干线电源，并且所述另外的串联模块和逆变器根据所述干线电源上的负载或消耗而进行切换；以及
根据权利要求1到19中的任一项所述的用于使从所述可再生能源或***输出的电力与所述干线电源隔离的设备。
21.根据权利要求20所述的***，其中，所述第一串联模块和逆变器的尺寸由必需的馈网电价确定。
22.根据权利要求20或权利要求21所述的***，其中，当电力处于正向方向时，所述可控开关将连接所述另外的串联模块以补偿对来自所述干线电源的负载的使用。
23.根据权利要求20或权利要求21所述的***，其中，当正向电力或负载降低时，所述可控开关将隔离所述另外的串联模块以防止来自所述可再生能源的过发电。
24.根据权利要求20到23中的任一项所述的***，其中，所述***还包括以下保护设备中的任何一项或多项：
(ⅰ)过电压保护；
(ⅱ)欠电压保护；
(ⅲ)过频率保护；
(ⅳ)欠频率保护；
(ⅴ)位于相之间的差分频率保护；
(ⅵ)相故障保护；
(ⅶ)反向电力流保护；
(ⅷ)频率的变化率(RoCoF)；
(ⅸ)电压向量移位(VVS)；
(ⅹ)输出限制；或
(xi)无功功率控制。
25.根据权利要求24所述的***，其中，在所述保护设备中的任何一个保护设备被通电的情况下，所述***将隔离并且保护所述干线电源。
26.根据权利要求20到25中的任一项所述的***，其中，所述***还包括用于监控并且分析所述干线电源的每个相的事件记录器。
27.根据权利要求20到26中的任一项所述的***，其中，所述可控开关被编程以允许必需的馈网电价利用连接到所述干线电源的所有串联模块进行输出。
28.根据权利要求20到27中的任一项所述的***，其中，所述***将从所述干线电源自动断开，以便于保护所述干线电源免受孤岛故障。
29.根据权利要求20到28中的任一项所述的***，还包括用于在所述可控开关、所述干线电源、所述可再生能源、以及所述国内电力供应网络之间传输信息的数据网络。
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