用于在电力系统中保护免受不安全状态影响的系统技术方案

一种用于防止光伏阵列结构组件的火灾和触电的自主保护系统。系统检测出因无人看管而导致可燃物火灾和有害电气化的条件。该系统提供一个有效控制机制，其操作为把有缺陷的组件下线，从而提供保护，阻止火灾和电气化危害等其他可能发生。该系统在采取行动时还提供报警和通知。该系统可用于确定光伏(PV)模块因在导体格栅上的直流(DC)电弧产生的等离子的强烈热量而导致其可燃构件的火灾危险，该导体收集和载送暴露在太阳辐射下的光伏电池的电流。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利技术背景本专利技术涉及电力系统，特别涉及备选能源系统，其包括但不限于，为住宅、商业或工业用途提供电力的风力涡轮机、水力涡轮机、蒸汽和太阳能光伏系统。几乎所有能源系统都具有连接到进行能量组合、转换、限制、存储、同步和传输以便和电器一起使用的设备的直流(DC)源。光伏(PV)电力系统还包括负载平衡子系统，该子系统包括使电流流动或中断电流流动的直流开关和保护装置、汇流箱、断路器、切断开关、机械继电器、固态继电器和接触器。汇流箱聚集来自PV模块串的直流电源并且为PV串提供并联点(即，常见总线)，其中汇流箱提供过流保护和隔离。汇流箱是源汇流器或阵列汇流器，其中源汇流器位于更加靠近PV串的位置，并且阵列汇流器或重汇流器用于将来自几个源汇流器的输出聚集成单一电路。本系统的重点特别在于PV系统，其包括多个组件，包括被称为PV模块的直流发电单元、机械和电气连接和装备、以及调节或修改电气输出的手段。电能是通过由(但不限于)暴露于太阳辐射(阳光)时产生电流的硅酸盐制成。当使用载送产生的直流电流的电导体进行制造时，这些装置通常被称为太阳能电池或PV电池。所配置的电连接的PV电池的排列通常被称为PV电池串。一个或多个PV电池串组装在一起形成PV模块。PV系统由包括PV模块在内的组件构成，PV模块由通过太阳辐射发电的PV电池串组成。PV电池串彼此连接(如果存在多个电池串)。所产生的直流电流和电压的大小取决于PV电池的数量，太阳辐射的强度，以及其他环境因素。PV模块的效率决定了给定相同额定输出的PV模块的面积(即，要产生相同的电能输出，8％高效织物的面积将是16％高效织物的面积的两倍)。通过模块上的接线盒(通常位于PV模块背面)，可以将PV模块直接连接到负载或其他PV模块。PV电池彼此的连接以及和接线盒的连接是通过附接到模块以及其他导体的大量导体实现的，以便通过PV模块使电路完整。经常将几个PV模块的输出组合来聚集PV阵列中的电流或电压。PV系统中的一个常见排列是将来自PV模块的输出连接到与常规直流电池相关的高容量能量存储单元，从而存储多余能量以便在接收的太阳辐射不足时使用。当需要交流(AC)电源时，使用逆变器将来自阵列的直流能量转换成交流能量，诸如适于传送到电网的交流能量。最近的PV模块在输出处配备在PV模块处将直流转换成交流的微型逆变器。这种PV模块并联接线，这会产生比串联接线并且由最低执行电池板决定的串联输出的正常电池板更多的输出。微型逆变器独立工作，因此在给定可用阳光时，每个电池板均可产生其最大的可能输出。出于安全方面的考虑，PV模块通常连接到直流切断装置。如果几个PV模块产生直流，输出则经常连接到直流汇流箱。除了连接到电力变压器，所产生电源中的一部分通常存储在由电池构成的能量存储单元中。这些实施例中的一些在将直流电流传输到交流(AC)电源转换器(也称为逆变器)之前，使用直流-直流转换器来提高或降低电压。来自逆变器的输出通常连接到用于将交流电源转换、信号调制、同步并且连接到传输线路的交流配电单元。仅通过PV模块和交流微型逆变器实现的系统省略了大部分这种设备，并且直接进行交流电输出。一些额外地与交流-直流转换器连接并且连接至在夜幕降临时或太阳辐射不足时提供反向能力的直流存储单元，这可能是由负载增加导致或者仅由云、雪、雹或雨导致。目前公开的系统一般还涉及在光伏(PV)阵列中使用常规断路器和电弧故障电路中断器(AFCI)。AFCI和常规热断路器只响应负载侧的过载和短路，因此，它们不会对针对引起电弧状态的热条件或热点提供保护，其中，电弧状态会在电源测造成电流不稳定和经常导致电流下降。常规热传感器识别附近的物体温度，但不会针对电弧提供保护。AFCI通常在直流系统上使用电弧产生的噪音来识别电弧故障，然后通过对PV系统断电来缓解故障。这种方法具有限制性，因为它要求在可进行修复前存在电弧故障。由于AFCI将PV源(电弧)和负载相隔离，电流流动会停止，并且整个PV模块串被关闭。该操作将会熄灭串联电弧，但反过来将会导致通常流向负载的所有能量现在被分流到并联的电弧，这应属于故障模式。这种额外能量流入并联电弧可能会使问题变得更糟，而没有将其解决。在这些传感器中，也许只有热传感器或目视检查能够找到热点，但覆盖式检测这种条件最多则是存在问题的。首次生产光伏电池时，其效率与当今PV电池产生的能量相比是有限的，而且产生的能量很少。光伏电池的效率正通过新技术得到不断改进，诸如，桑迪亚国家实验室(Sandia Nat ional Laboratory)开发的多层(3维)电池。据报道，大批量生产的效率最高的太阳能模块所具有的能量密度值高达16.22W/ft2(175W/m2)；电能充足导致的几种故障模式包括热点、电弧闪光事件、沿着导电路径的串联电弧故障、以及通过暴露的导电组件接地联接的并联电弧故障。无论是否是单独使用还是当PV模块彼此串联时，PV模块产生的能量都会导致局部发热。这种发热如果严重，随后可能会导致局部火灾，这可能会蔓延到可能位于PV电池板下方或与其毗邻的任何安装结构或材料(包括建筑)。局部发热还可能会以当存在充足的能量时，会在导电路径中形成串联电弧故障的方式，使导电路径退化。这种电弧故障会产生高温等离子体和强热。由于电弧故障的支持能量是直流，所以，没有和交流中一样的电流零交叉，并且电弧不会自己熄灭，只要能量充足，就会一直持续。强热容易导致任何支撑结构、建筑等迅速着火。电气系统的另一个故障模式是由缺陷、氧化、外部诱发能量而导致的电弧闪光。电弧闪光是导致电弧产生的空气击穿，它可能会在电气系统和接地路径、中性相位或其他相位中存在充足的电压时发生。电弧闪光带有高强度电流，可能会导致重大损害、火灾或伤害。电弧故障释放的巨大能量可以瞬间蒸发电弧路径中的金属、爆破熔融金属并且以极限力向外蔓延等离子体。剧烈事件的结果可能会导致设备损坏、火灾、以及对工人和附近人员的伤害。当有意或无意使电路开路时，会造成串联电弧故障。如果该故障是接地故障，则来自导电路径的能量会传导至外部框架和支撑结构。产生的强热可能会导致支撑结构、建筑等迅速着火。另外，并联电弧故障会导致接地道路通电，增加了额外的电击危险。由所有PV模块故障产生的烟和火会对消防员带来严重困难，这是因为火源通电后，其带有的能量足以造成伤害。为避免伤害，因故障PV模块而被召集到火灾现场的消防人员，一般只是使用水管浇相邻结构，而让起电弧的模块燃烧。所有这种效率增加会因PV系统内部的直流电弧故障造成重大安全问题。例如，PV模块是在标准测试条件(STC)下在25华氏度根据其直流输出电源进行评级。通常情况下，当今的输出范围为100瓦到320瓦。如果是PV模块，强热可能会点燃在模块构造中使用的可燃材料，这会迅速蔓延到附近的可燃材料，诸如草或屋面材料。在美国，在可以合法开始施工之前，主管部门(AHJ)会对设计进行审查并且签发许可。在美国，电气安装受《美国国家电气规范》(NEC)管辖，由AHJ进行检查以确保符合建筑规范、电气规范和消防安全规范。特别是，电气安装操作必须符合NEC中规定的标准，这在各个市或州采用其中规定的要求时适用。以下是对美国2014年《美国国家电气规范》第690.11节的直接引用：“具有直流源电路、直本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在电力系统中提供保护免受不安全状态影响的系统，包括：至少一个被配置成接收光并生成指示所述接收光的阈值信号的光传感器；与上述至少一个光传感器通信的控制器，所述控制器被配置成对所述阈值信号进行处理以确定不安全状态的存在，并生成不安全状态信号；与所述控制器通信的中断装置，所述中断装置被配置成中断电流流动以响应于不安全状态信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.19 US 14/184,7041.一种用于在电力系统中提供保护免受不安全状态影响的系统，包括：至少一个被配置成接收光并生成指示所述接收光的阈值信号的光传感器；与上述至少一个光传感器通信的控制器，所述控制器被配置成对所述阈值信号进行处理以确定不安全状态的存在，并生成不安全状态信号；与所述控制器通信的中断装置，所述中断装置被配置成中断电流流动以响应于不安全状态信号。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电力系统是光伏发电系统。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电力系统是非光伏发电系统。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述不安全状态是火灾。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述不安全状态是高温。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器包括不透明装置。7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器包括大量半透明介质。8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器被配置成基于第一光信号确定不安全状态的概率。9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器进一步被配置成：确定用于后续光信号的第二光标记；将所述第二光标记和第一光标记相比较；并且基于所述比较，确定所述后续光信号是否指示不安全状态。10.根据权利要求1所述的控制器，进一步包括使用电流和电压测量值来进一步表征不安全状态。11.根据权利要求1所述的电力系统，其是备选能量系统。12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器被配置成将确定的特征和不安全状态标准的概率相比较，以确定所述光信号是否指示不安全状态。13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述特征包括传感器类型和光强度大小在内的多个特征。14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述控制器被进一步配置成自适应地调整所述不安全状态标准以响应于所述保护系统的变化的条件或由所述保护系统保护的系统组件的变化的配置。15.一种提供保护免受不安全状态影响的系统，包括：一个或多个被配置成测量光并生成指示光的测量值的第一光信号的传感器；所述光传感器被进一步配置成测量来自第二易熔半透明介质的第二光并且生成指示上述第二光的测量值的第二光信号；与一个或多个上述传感器通信的控制器，所述控制器被配置成：基于所述第一光信号确定不安全状态强度，基于来自诱发事件的光验证上述不安全状态强度，所述验证包括如果基于不安全状态检测算法将所述不安全状态诱发事件确定为不安全状态事件，则生成错误信号；并且基于所述不安全状态检测算法确定所述第二光信号是否指示不安全状态，并且如果所述控制器确定所...

【专利技术属性】
技术研发人员：肯尼思·G·贝勒姆，弗朗西斯·E·彼特，肯尼思·D·贝勒姆，彼特·A·贝勒姆，
申请(专利权)人：管理科学有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US