CN112688274A - 一种光伏并网逆变器的故障封波方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏并网逆变器的故障封波方法，涉及光伏并网逆变器，为逆变器提供一种故障停机时刻的封波方法，在原有的封波逻辑中加入一种零状态，当有过流故障或其他故障发生需要封波时，驱动信号会持续一段时间零状态，再变成复位状态。这样，内管的关断电流比原来的封波方法下要小，这样内管的应力、关断损耗都会相应降低，从而保护内管不会因过流或过热原因损坏。

Description

一种光伏并网逆变器的故障封波方法

技术领域

本发明属于光伏并网逆变器技术领域，具体涉及一种光伏并网逆变器的故障封波方法。

背景技术

光伏并网逆变器是光伏发电***中将直流电转换成交流电的核心器件，对光伏发电***的效率，稳定性，及输出电能质量都起着至关重要的作用。因此光伏并网逆变器的可靠性是非常重要的，在故障时刻应该能可靠封波，使逆变器安全停机。

目前存在的光伏并网逆变器的封波方式存在大电流时关断内管的情况，会产生内管关断应力，损耗较大，不利于光伏并网逆变器的可靠运行。

发明内容

本发明提供了一种光伏并网逆变器的故障封波方法，以降低封波时刻内管的应力、关断损耗。

为达到上述目的，本发明所述一种光伏并网逆变器的故障封波方法，当光伏并网逆变器出现故障需要封波时，先进入零状态，再进行封波，使光伏并网逆变器处于复位状态；所述零状态是指光伏并网逆变器的三相桥臂的输出电压为0的工作状态。

进一步的，一种光伏并网逆变器的故障封波方法，包括以下步骤：

步骤1：光伏并网逆变器正常工作时，在正半周期，光伏并网逆变器在正状态和零状态之间切换；在负半周期，光伏并网逆变器的驱动状态在负状态和零状态之间切换；当驱动状态为正状态时，光伏并网逆变器的单相桥臂的输出电压为u_dc/2，当驱动状态为负状态时，光伏并网逆变器的单相桥臂的输出电压为-u_dc/2；

步骤2：在故障封波时刻，当驱动状态处于正状态时，封波时序为：正状态—>零状态—>复位态，即先将光伏并网逆变器的外管关断，直至流过内管的电流降低后，再关断内管，驱动状态变成复位状态；

在故障封波时刻，当驱动信号处于负状态，封波时序为：负状态—>零状态—>复位状态，即先将外管关断，直至流过内管的电流降低后，再关断内管，驱动状态变成复位状态。

一种光伏并网逆变器的故障封波方法，步骤2中，将光伏并网逆变器的外管关断后，并持续设定时间t，以降低流过内管的电流。

一种光伏并网逆变器的故障封波方法，应用于中性点钳位三电平光伏并网逆变器，所述中性点钳位三电平光伏并网逆变器包括逆变电路和LC滤波电路，所述逆变电路包括A、B和C相，每一相包括开关管T1、开关管T2、开关管T3和开关管T4；

包括以下步骤：

步骤1：逆变器正常工作时，在正半周期，光伏并网逆变器的驱动信号切换顺序为：1100→0100→0110，对应的封波时序状态为：正状态→过渡态A→零状态；在负半周期，逆变器的驱动信号切换顺序为：0011→0010→0110，对应的封波时序为：正状态→过渡态B→零状态；驱动信号包括四位数字，第一位为开关管T1的工作状态，第二位为开关管T2的工作状态，第三位为开关管T3的工作状态，第四位为开关管T4的工作状态；1表示开关管开通，0表示开关管关断；

步骤2：在故障封波时刻，当驱动信号为1100时，驱动信号切换顺序为：1100→0100→0110→0000，对应的状态为：正状态→过渡态A→零状态→复位；即先将开关管T1关断，持续设定时间t后，再关断开关管T2和开关管T3；

在故障封波时刻，当驱动信号为0011时，驱动信号切换顺序为：0011→0010→0110→0000，对应的状态为：负状态→过渡态B→零状态→复位，即先将开关管T4关断，然后开通开关管T2，持续设定时间t后，关断开关管T3和开关管T2。

一种光伏并网逆变器的故障封波方法，步骤2中，所述设定时间t，根据公式(1)计算，

Ld_i/d_t＝V_in-V_inv (1)

其中，i为光伏并网逆变器的电感电流，L为光伏并网逆变器的滤波电路中电感的电感值，V_in为桥臂输出电压，V_inv为光伏并网逆变器的逆变电容电压。

一种光伏并网逆变器的故障封波方法，应用于有源中性点钳位三电平光伏并网逆变器，所述有源中性点钳位三电平光伏并网逆变器包括逆变电路和LC滤波电路，所述逆变电路包括A、B和C相，每一相包括开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4、开关管T5和开关管T6；

包括以下步骤：

步骤1：在正半周期，逆变器的驱动信号切换顺序为：110000→010000→010010，对应输出电压为u_dc/2或0，对应的状态为：P状态→过渡态C→O+状态；在负半周期，逆变器的驱动信号切换顺序为：001100→001000→010010，对应的状态为：N状态→过渡态D→O-状态，对应输出电压为-u_dc/2或0；

驱动信号包括六位数字，第一位为开关管T1的工作状态，第二位为开关管T2的工作状态，第三位为开关管T3的工作状态，第四位为开关管T4的工作状态；第五位为开关管T5的工作状态，第六位为开关管T6的工作状态；1表示开关管开通，0表示开关管关断；驱动信号为110000的含义为：开关管T1和开关管T2开通，开关管T3、开关管T4、开关管T5和开关管T6关断；

步骤2：在故障封波时刻，当驱动信号为110000时，驱动信号的切换顺序为：110000→010000→010010→010000→000000，对应的状态为：P状态→过渡态C→O+状态→过渡态C→复位，即先将开关管T1关断，之后将开关管T5开通，持续设定时间，再关断开关管T2和开关管T5；

在故障封波时刻，当驱动信号为001100时，驱动信号切换顺序为：001100→001000→001001→001000→000000，对应的状态为：N状态→过渡态D→O-状态→过渡态D→复位；即先将开关管T4关断，之后将开管T6开通，持续设定时间后，再关断开关管T3和开关管T6。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明在原有的封波逻辑中加入一种零状态，当有过流故障或其他故障发生需要封波时，驱动信号持续一段时间零状态，再变成复位状态。这样，内管的关断电流比现有的封波方法小，使内管的应力、关断损耗都会相应降低，可以有效降低故障关机时刻内管的应力、关断损耗，从而保护内管不会因过流或过热原因损坏。

进一步的，本发明根据延时时间来确定内管的关断时机，可根据电路参数和运行工况计算出延时时间，而不需要通过测量流过内管的电流，不需要增加额外的电流传感器，易于实现，操作简便。

附图说明

图1光伏并网逆变器NPC 3L拓扑；

图2NPC模块发波状态机；

图3电压正半周期时电流路径，(a)为开关状态为0110时的电流路径，(b)为开关状态为1100时的电流路径；

图4电压负半周期时电流路径，(a)为开关状态为0110时的电流路径，(b)为开关状态为0011时的电流路径；

图5光伏并网逆变器ANPC的三相拓扑；

图6ANPC模块发波状态机；

图7电压正半周期时电流路径，(a)为开关状态为010010时的电流路径，(b)开关状态为110000时的电流路径；

图8电压负半周期时电流路径，(a)为开关状态为001001时的电流路径，(b)为开关状态为“000011”时的电流路径。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1，一种光伏并网逆变器的故障封波方法，包括以下步骤：

步骤1：逆变器正常工作时，单相桥臂的输出电压为u_dc/2时，对应驱动信号状态分别为正状态，单相桥臂的输出电压为0时，对应驱动信号状态分别为零状态，单相桥臂的输出电压为-u_dc/2时，对应驱动信号状态为负状态，每两种状态之间切换需要用到过渡态，也称为死区态，共有两种不同的过渡态，记为过渡态A和过渡态B。逆变器正常工作时就是在这五种状态之间进行切换。

步骤2：在正半周期，逆变器的驱动状态在正状态和零状态两种状态之间进行切换。在负半周期，逆变器的驱动状态在负状态和零状态两种状态之间进行切换。

步骤3：在故障封波时刻，假设驱动状态处于正状态，封波时序为正状态—>零状态—>复位态。该种封波时序要先将外管关断，持续一段时间后，当流过内管的电流降低后，再关断内管，驱动状态变成复位状态。

步骤4：在故障封波时刻，假设驱动信号处于负状态，封波时序为负状态—>零状态—>复位状态。该种封波时序要先将外管关断，持续一段时间后，当流过内管的电流降低后，再关断内管，驱动状态变成复位状态。

实施例1

如图1所示，直流母线与逆变电路相连，逆变电路的输出经过LC滤波之后连接电网。逆变电路将直流电逆变成交流电后送入电网。逆变电路包括A、B和C相，每一相包括开关管T1、开关管T2、开关管T3和开关管T4；其中，开关管T1和开关管T4为外管，开关管T2和开关管T3为内管。LC滤波电路包括电感L和电容C。

图2为NPC 3L逆变电路正常工作时的状态机，具体工作流程如下所示：

步骤1：逆变器正常工作时，单相桥臂的输出电压为u_dc/2，0，-u_dc/2，对应驱动信号依次为“1100”“0110”“0011”，每两种状态之间切换需要用到过渡态，“0100”“0010”。逆变器正常工作时就是在这五种状态之间进行切换。驱动信号第一位为开关管T1的工作状态，第二位为开关管T2的工作状态，第三位为开关管T3的工作状态，第四位为开关管T4的工作状态；1表示开关管开通，0表示开关管关断。驱动信号为“1100”的含义为：开关管T1和开关管T2开通，开关管T3和开关管T4关断。

步骤2：光伏并网逆变器正常工作时，在正半周期，逆变器的驱动信号切换顺序为：“1100”—>“0100”—>“0110”，对应输出电压为u_dc/2，0，对应的状态为：正状态→过渡态A→零状态。在负半周期，逆变器的驱动信号切换顺序为：“0011”—>“0010”(过渡态B)—>“0110”，对应的状态为：正状态→过渡态B→零状态，对应输出电压为-u_dc/2，0。

步骤3：在故障封波时刻，假设驱动信号处于“1100”状态，驱动信号切换“1100”—>“0100”(过渡态)—>“0110”—>“0000”，对应的状态为：正状态→过渡态A→零状态→复位。要先将外管T1关断，也就是先变成“0100”，之后驱动信号变成“0110”，持续15μs后，流过内管T2的电流降低，再关断内管T2和内管T3，将驱动信号变成“0000”。

步骤4：在故障封波时刻，假设驱动信号处于“0011”状态，驱动信号切换“0011”—>“0010”(过渡态)—>“0110”—>“0000”，对应的状态为：负状态→过渡态B→零状态→复位要先将外管T4关断，也就是先变成“0010”，之后驱动信号变成“0110”，持续15μs后，流过内管T3的电流降低，再关断内管T3，将驱动信号变成“0000”。

图3是逆变电路在正半周期的电流路径。具体工作原理如下：

假设电感电流为i，电感值为L，桥臂输出电压为V_in，逆变电容C电压为V_inv，则有

Ld_i/d_t＝V_in-V_inv (1)

当开关状态为“1100”时，桥臂输出电压V_in为u_dc/2，逆变电容电压V_inv<u_dc/2,此时的电流i流向如图3(b)所示，电流经过开关管T1-开关管T2管流出，在该状态下电感电流i绝对值会增大。当开关状态切换为“0110”时，桥臂输出电压V_in为0，逆变电容电压V_inv>0，所以此时电感电流i会下降。此时的电流i流向如图3(a)所示，电流经过D5-T2管进行续流。

图4是逆变电路在负半周期的电流路径，具体工作原理如下：

当开关状态为“0011”时，桥臂输出电压V_in为-u_dc/2，在该状态下电感电流i会上升，此时的电流i流向如图4中(b)所示，电流通过开关管T3-开关管T4流入。当开关状态为“0110”时，桥臂输出电压V_in为0，逆变电容电压V_inv<0，此时电感电流i绝对值会减小。此时的电流i流向如图4中的(a)所示，电流通过T3-D6续流。

实施例2

图5是ANPC(有源中性点钳位)三电平的A相拓扑，逆变电路包括A、B和C相，每一相包括开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4、开关管T5和开关管T6；逆变电路输出端连接有LC滤波电路。其中，开关管T1和开关管T4为外管，开关管T2和开关管T3为内管。LC滤波电路包括电感L和电容C。图6为ANPC电路正常工作时的状态机，具体工作流程如下所示：

步骤1：在正半周期，单相桥臂输出电压为u_dc/2，对应驱动信号为“110000”，记为状态P，单相桥臂输出电压为0时，对应驱动信号为“010010”记为状态O+；在负半周期，单相桥臂输出电压为-u_dc/2时，对应驱动信号为“001100”记为状态N，单相桥臂输出电压为0时，对应驱动信号为“001001”，记为状态O-。除此之外，还有两种过渡状态，“001000”和“010000”，“001000”记为过渡态C，“010000”记为过渡态D，逆变器正常工作时就是在这6种状态之间进行切换。驱动信号第一位为开关管T1的工作状态，第二位为开关管T2的工作状态，第三位为开关管T3的工作状态，第四位为开关管T4的工作状态；第五位为开关管T5的工作状态，第六位为开关管T6的工作状态；1表示开关管开通，0表示开关管关断。驱动信号为“110000”的含义为：开关管T1和开关管T2开通，开关管T3、开关管T4、开关管T5和开关管T6关断。

步骤2：在正半周期，逆变器的驱动信号切换顺序为：“110000”—>“010000”—>“010010”，对应输出电压为u_dc/2，0,对应的状态为：P状态→过渡态C→O+状态。在负半周期，逆变器的驱动信号切换“001100”—>“001000”—>“010010”，对应的状态为：N状态→过渡态D→O-状态，对应输出电压为-u_dc/2，0。

步骤3：在故障封波时刻，假设驱动信号处于“110000”状态，驱动信号切换顺序为：“110000”—>“010000”—>“010010”—>“010000”—>“000000”，对应的状态为：P状态→过渡态C→O+状态→过渡态C→复位。先将开关管T1关断，变成“010000”，之后驱动信号变成“010010”，持续15ms后，流过开关管T2的电流降低，再关断开关管T2和开关管T5，将驱动信号变成“000000”。

步骤4：在故障封波时刻，假设驱动信号处于“001100”状态，驱动信号切换顺序为“001100”—>“001000”—>“001001”—>“001000”—>“000000”，对应的状态为：N状态→过渡态D→O-状态→过渡态D→复位。先将开关管T4关断，变成“001000”，之后驱动信号变成“001001”，持续15ms后，流过开关管T3的电流降低，再关断开关管T3和开关管T6，将驱动信号变成“000000”。

图7是逆变电路在正半周期的电流路径。具体工作原理如下：

当开关状态为“110000”时，桥臂输出电压V_in为u_dc/2，逆变电容电压V_inv<u_dc/2，此时的电流i流向如图7中(b)所示，电流经过开关管T1-T2流出，在该状态下电感电流i绝对值会增大。当开关状态切换为“010010”时，桥臂输出电压V_in为0，逆变电容电压V_inv>0，所以此时电感电流i会下降。此时的电流i流向如图7中的(a)所示，电流经过D5-T2管进行续流。

图8是逆变电路在负半周期的电流路径，具体工作原理如下：

当开关状态为“000011”时，桥臂输出电压V_in为-u_dc/2，在该状态下电感电流i会上升，此时的电流i流向如图8中的(b)所示，电流通过T3-T4流入。当开关状态为“001001”时，桥臂输出电压V_in为0，逆变电容电压V_inv<0，此时电感电流i绝对值会减小。此时的电流i流向如图8中的(a)所示,电流通过T3-D6续流。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光伏并网逆变器的故障封波方法，其特征在于，当光伏并网逆变器出现故障需要封波时，先进入零状态，再进行封波，使光伏并网逆变器处于复位状态；所述零状态是指光伏并网逆变器的三相桥臂的输出电压为0的工作状态。

2.根据权利要求1所述的一种光伏并网逆变器的故障封波方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：光伏并网逆变器正常工作时，在正半周期，光伏并网逆变器在正状态和零状态之间切换；在负半周期，光伏并网逆变器的驱动状态在负状态和零状态之间切换；当驱动状态为正状态时，光伏并网逆变器的单相桥臂的输出电压为u_dc/2，当驱动状态为负状态时，光伏并网逆变器的单相桥臂的输出电压为-u_dc/2；

步骤2：在故障封波时刻，当驱动状态处于正状态时，封波时序为：正状态—>零状态—>复位态，即先将光伏并网逆变器的外管关断，直至流过内管的电流降低后，再关断内管，驱动状态变成复位状态；

在故障封波时刻，当驱动信号处于负状态，封波时序为：负状态—>零状态—>复位状态，即先将外管关断，直至流过内管的电流降低后，再关断内管，驱动状态变成复位状态。

3.根据权利要求2所述的一种光伏并网逆变器的故障封波方法，其特征在于，所述步骤2中，将光伏并网逆变器的外管关断后，并持续设定时间t，以降低流过内管的电流。

4.根据权利要求1所述的一种光伏并网逆变器的故障封波方法，其特征在于，应用于中性点钳位三电平光伏并网逆变器，所述中性点钳位三电平光伏并网逆变器包括逆变电路和LC滤波电路，所述逆变电路包括A、B和C相，每一相包括开关管T1、开关管T2、开关管T3和开关管T4；

包括以下步骤：

步骤1：逆变器正常工作时，在正半周期，光伏并网逆变器的驱动信号切换顺序为：1100→0100→0110，对应的封波时序状态为：正状态→过渡态A→零状态；在负半周期，逆变器的驱动信号切换顺序为：0011→0010→0110，对应的封波时序为：正状态→过渡态B→零状态；驱动信号包括四位数字，第一位为开关管T1的工作状态，第二位为开关管T2的工作状态，第三位为开关管T3的工作状态，第四位为开关管T4的工作状态；1表示开关管开通，0表示开关管关断；

步骤2：在故障封波时刻，当驱动信号为1100时，驱动信号切换顺序为：1100→0100→0110→0000，对应的状态为：正状态→过渡态A→零状态→复位；即先将开关管T1关断，持续设定时间t后，再关断开关管T2和开关管T3；

在故障封波时刻，当驱动信号为0011时，驱动信号切换顺序为：0011→0010→0110→0000，对应的状态为：负状态→过渡态B→零状态→复位，即先将开关管T4关断，然后开通开关管T2，持续设定时间t后，关断开关管T3和开关管T2。

5.根据权利要求4所述的一种光伏并网逆变器的故障封波方法，其特征在于，所述步骤2中，所述设定时间t，根据公式(1)计算，

Ld_i/d_t＝V_in-V_inv (1)

其中，i为光伏并网逆变器的电感电流，L为光伏并网逆变器的滤波电路中电感的电感值，V_in为桥臂输出电压，V_inv为光伏并网逆变器的逆变电容电压。

6.根据权利要求1所述的一种光伏并网逆变器的故障封波方法，其特征在于，应用于有源中性点钳位三电平光伏并网逆变器，所述有源中性点钳位三电平光伏并网逆变器包括逆变电路和LC滤波电路，所述逆变电路包括A、B和C相，每一相包括开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4、开关管T5和开关管T6；

包括以下步骤：

步骤1：在正半周期，逆变器的驱动信号切换顺序为：110000→010000→010010，对应输出电压为u_dc/2或0，对应的状态为：P状态→过渡态C→O+状态；在负半周期，逆变器的驱动信号切换顺序为：001100→001000→010010，对应的状态为：N状态→过渡态D→O-状态，对应输出电压为-u_dc/2或0；

驱动信号包括六位数字，第一位为开关管T1的工作状态，第二位为开关管T2的工作状态，第三位为开关管T3的工作状态，第四位为开关管T4的工作状态；第五位为开关管T5的工作状态，第六位为开关管T6的工作状态；1表示开关管开通，0表示开关管关断；驱动信号为110000的含义为：开关管T1和开关管T2开通，开关管T3、开关管T4、开关管T5和开关管T6关断；

步骤2：在故障封波时刻，当驱动信号为110000时，驱动信号的切换顺序为：110000→010000→010010→010000→000000，对应的状态为：P状态→过渡态C→O+状态→过渡态C→复位，即先将开关管T1关断，之后将开关管T5开通，持续设定时间，再关断开关管T2和开关管T5；

在故障封波时刻，当驱动信号为001100时，驱动信号切换顺序为：001100→001000→001001→001000→000000，对应的状态为：N状态→过渡态D→O-状态→过渡态D→复位；即先将开关管T4关断，之后将开管T6开通，持续设定时间后，再关断开关管T3和开关管T6。

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