CN117424465B - 具有开路电压保护功能的光伏逆变器组件及光伏逆变器 - Google Patents

具有开路电压保护功能的光伏逆变器组件及光伏逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了具有开路电压保护功能的光伏逆变器组件及光伏逆变器，属于交直流转换设备领域；其中，具有开路电压保护功能的光伏逆变器组件包括：设置在光伏逆变器输入电路上的直流过载保护电路以及设置在光伏逆变器上的保护模块；保护模块包括：直流母线过电压保护电路、交流过欠压保护电路和防孤岛效应模块。发明通过将直流母线过电压保护电路以及交流过欠压保护电路均采用齐纳稳压电路，齐纳稳压电路伏安特性曲线的反向特性是在反向电压低于反向击穿电压时，反向电阻很大，反向漏电流极小，从而实现了稳压功能。

Description

具有开路电压保护功能的光伏逆变器组件及光伏逆变器
技术领域
本发明属于交直流转换设备领域，更具体地说，尤其涉及一种具有开路电压保护功能的光伏逆变器组件；同时，本发明还涉及包含具有开路电压保护功能的光伏逆变器组件的光伏逆变器。
背景技术
光伏逆变器作为将太阳能组件提供的直流电转化为民用或工业用的交流电的核心装置，在新能源领域的地位越来越重要，光伏组件的输出电压通常是在其跟踪的最大功率点处，然而按照其最大功率点电压Vmpp进行电解电容额定电压选型时，又会偏离光伏组件的开路电压，特别是光伏组件的开路电压VOC通常是其最大功率点电压Vmpp的1.2倍时，按照Vmpp选型的电解电容会出现过电压的情况，但若按照VOC对电解电容选择更高的额定电压，虽解决了可能出现过电压的问题，但造成了输入侧的电解电容因额定电压选的过高，成本与体积增大的问题，因此，我们提出具有开路电压保护功能的光伏逆变器组件及光伏逆变器。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的具有开路电压保护功能的光伏逆变器组件及光伏逆变器，通过将直流母线过电压保护电路以及交流过欠压保护电路均采用齐纳稳压电路，齐纳稳压电路伏安特性曲线的反向特性是在反向电压低于反向击穿电压时，反向电阻很大，反向漏电流极小，齐纳稳压电路电压基本上稳定在击穿电压附近，从而实现了稳压功能。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有开路电压保护功能的光伏逆变器组件，所述光伏逆变器组件包括防护壳以及集成在防护壳内部的直流过载保护电路，所述直流过载保护电路设置在光伏逆变器的输入电路上；
还包括：
设置在光伏逆变器上的保护模块；
所述保护模块包括：直流母线过电压保护电路、交流过欠压保护电路和防孤岛效应模块；
其中，所述直流过载保护电路对直流侧输入功率进行持续检测，当检测到直流侧输入功率大于限制值时，光伏逆变器自动限制最大输出交流功率至可控范围内。
优选的，所述防护壳上设置有用于光伏逆变器的导线连接的导线连接块，所述导线连接块上可拆卸地连接能任意弯曲的延长机构，所述延长机构的与所述导线连接块相对的一端设置有与导线连接块相同结构的连接件。
优选的，所述直流过载保护电路上安装有电子式断路器、电流互感器以及控制器，所述直流过载保护电路检测到电流互感器的电流超过预设值时，将相关信号送给控制器，控制器给电子式断路器驱动信号，分闸电磁铁驱动弹簧操作机构动作，从而控制电子式断路器分闸。
优选的，所述直流母线过电压保护电路以及交流过欠压保护电路均采用齐纳稳压电路，齐纳稳压电路通过提供稳压电压来调节输入电压并保护电路免受过压，但当电压超过安全限制时，齐纳稳压电路不会断开输出部分，将始终收到小于或等于齐纳二极管的额定值的输出电压。
优选的，所述齐纳稳压电路的预设电压值是电源断开或不允许任何高于齐纳稳压电路的预设电压值的电压的临界值；所述预设电压值为齐纳二极管的额定值；
当输出电压增加时，晶体管的基极-发射极电压降低，由于晶体管导通较少，由于导通较少，会降低输出电压，从而保持输出电压恒定；
输出电压定义为：
VO=VZ-VBE，其中VO是输出电压，VZ是齐纳击穿电压，VBE是晶体管的基极-发射极电压。
优选的，所述防孤岛效应模块具体工作流程为：
进行正常并网电压外环与电流内环控制，进行主动扰动，然后进行如下检测：
检测电网电压值是否在正常值的80%-115%之间，若是，则回到开始的正常并网电压外环与电流内环控制，若不是，则进行小于等于2s欠压保护且检测电网电压值是否恢复到正常值的80%-115%，恢复正常值后保持5min再回到正常并网电压外环与电流内环控制；
检测电网电压不平衡度是否低于4%的正常值，若是，则回到开始的正常并网电压外环与电流内环控制，若不是，则进行小于等于2s保护且检测电网电压不平衡度是否恢复到低于4%的正常值，恢复正常值后保持5min再回到正常并网电压外环与电流内环控制。
优选的，所述的检测还包括：
检测电网频率值是否在47.5-51.5Hz之间，若不是，则进行小于等于 0.2s 过欠频保护且检测电网频率值是否恢复到正常值，恢复正常值后再回到正常并网电压外环与电流内环控制，若是，再检测电网电压相位是否互差20°且误差在10°之内，依据结果决定回到正常并网电压外环与电流内环控制或者进行小于等于 0.2s 保护且检测电网电压相位差是否恢复到正常值；
检测电网相电压与相电流之间的相位偏差是否在25°以内，若是，则回到正常并网电压外环与电流内环控制，若不是则进行小于等于0.2s保护，5min后重新启动。
一种光伏逆变器，包括：
上述的具有开路电压保护功能的光伏逆变器组件以及输入电路、主逆变电路、输出电路、控制电路和辅助电路。
优选的，所述输入电路用于为主逆变电路提供可确保其正常工作的直流工作电压；所述主逆变电路是光伏逆变器的核心，用于通过电力电子开关的导通与关断，来完成逆变的功能；所述输出电路对主逆变电路输出的交流电波形、频率、电压、电流的幅值和相位进行修正、补偿、调理；所述控制电路为主逆变电路提供控制脉冲信号来控制电力电子开关的导通与关断，配合主逆变电路完成逆变功能；所述辅助电路将输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压。
优选的，所述主逆变电路设置有四组三极管VT1、三极管VT2、三极管VT3 和三极管VT4，主逆变电路工作时，给三极管VT1、三极管VT2、三极管VT3 和三极管VT4的晶体管的基极提供控制脉冲信号；
当三极管VT1、三极管VT4的基极的控制脉冲信号为高电平，而三极管VT2、三极管VT3的基极的控制脉冲信号为低电平时，三极管VT1、三极管VT4导通，三极管VT2、三极管VT3关断，有电流经三极管VT1、三极管VT4流过负载RL，电流途径是:电源E正极-三极管VT1-负载RL-三极管VT4-电源E负极，负载RL两端的电压极性为左正右负；
当三极管VT2、三极管VT3的基极的控制脉冲信号为高电平，而三极管VT1、三极管VT4的基极的控制脉冲信号为低电平时，三极管VT2、三极管VT3导通，三极管VT1、三极管VT4关断，有电流经三极管VT2、三极管VT3流过负载RL，电流途径是:电源E正极-三极管VT3-负载RL-三极管VT2-电源E负极，负载RL两端电压的极性是左负右正。
本发明的技术效果和优点：本发明提供的具有开路电压保护功能的光伏逆变器组件及光伏逆变器，与现有技术相比，本发明通过将直流母线过电压保护电路以及交流过欠压保护电路均采用齐纳稳压电路，齐纳稳压电路伏安特性曲线的反向特性是在反向电压低于反向击穿电压时，反向电阻很大，反向漏电流极小，齐纳稳压电路电压基本上稳定在击穿电压附近，从而实现了稳压功能；
其次，防孤岛效应模块针对光伏电站中由于电压或频率等异常引起的孤岛现象而研发的保护装置，防孤岛装置在光伏本侧任一侧失电的时候，都会迅速向并网断路器发出跳闸信号，让断路器分闸，保护光伏两侧检修人员的生命安全，同时，防孤岛保护装置还具有过电流保护，低电流保护，PT断线保护，逆功率保护功能。
附图说明
图1为本发明一实施例中齐纳稳压电路图；
图2为本发明一实施例中光伏逆变器电路图；
图3为本发明一实施例中电子断路器电路图；
图4为本发明一实施例中主逆变电路图；
图5为本发明一实施例中齐纳二极管和PNP晶体管构建的过压保护电路图；
图6为本发明一实施例中光伏逆变器组件防护壳及延长机构连接结构示意图；
图7为本发明一实施例中延长机构的非金属鹅颈管与中空连接部连接示意图。
图中：1、防护壳；2、导线连接块；3、延长机构；4、连接件；5、螺钉；6、连接块；7、导电部；8、中空连接部；9、非金属鹅颈管；10、固定板；11、热缩套管。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一种具有开路电压保护功能的光伏逆变器组件，包括：
光伏逆变器组件包括防护壳以及集成在防护壳内部的直流过载保护电路，直流过载保护电路设置在光伏逆变器的输入电路上；
如图6-7所示，所述防护壳1上设置有用于光伏逆变器导线连接以及直流输入线路连接的若干组导线连接块2，导线连接块2上可拆卸的连接能任意弯曲的延长机构3，所述延长机构3的与所述导线连接块3相对的一端设置有与导线连接块相同结构的连接件4；
进一步的，导线连接块2设置为中空的管状连接块，其内部底端以及侧壁上均设置有与防护壳1内部直流过载保护电路串联的金属导电片，该均属导电片采用铜、铝，银材料制成；导线连接块2上端开设有螺纹孔，螺纹孔的内部螺纹连接有螺钉5，螺钉5的一端贯穿导线连接块2侧壁位于其内部，用于对安装于其内部的导线或者延长机构3进行限位固定；
作为上述实施例的进一步说明，能任意弯曲的延长机构3包括：
连接块6，连接块6包括导电部7和中空连接部8，导电部7用于与导线连接块2内部底端以及侧壁上的导电片接触，形成导电连接，中空连接部8内部设置有端部于导电部7固定的连接导线；
非金属鹅颈管9，非金属鹅颈管9的一端与中空连接部8相连通，并且该端部通过设置在中空连接部8外部一端的两组固定板10进行固定，其中，连接导线的一端穿过非金属鹅颈管9并与连接件4连接；其中，与非金属鹅颈管9与连接块6的连接部分采用热缩套管11进行辅助固定；
作为需要说明的是，连接件4与导线连接块2呈相同结构设置，其长度为导线连接块2的二分之一，具有连接导线或者连接连接块6的功能；
上述设计，能针对不同的安装环境，确保直流过载保护电路与光伏逆变器输入电路进行连接，同时，通过非金属鹅颈管9的使用对导线防护的同时，还能根据实际的安装环境对导线进行任意形状的折弯，进一步方便了直流过载保护电路与光伏逆变器输入电路进行连接。
还包括：
设置在光伏逆变器上的保护模块；
本实施例需要说明的是，如图1所示，直流母线过电压保护电路以及交流过欠压保护电路均采用齐纳稳压电路，齐纳稳压电路通过提供稳压电压来调节输入电压并保护电路免受过压，但当电压超过安全限制时，齐纳稳压电路不会断开输出部分，将始终收到小于或等于齐纳二极管的额定值的输出电压，齐纳稳压电路的预设电压值是电源断开或不允许任何高于齐纳稳压电路的预设电压值的电压的临界值；预设电压值为齐纳二极管的额定值；
当输出电压增加时，晶体管的基极-发射极电压降低，由于晶体管Q1导通较少，由于导通较少，会降低输出电压，从而保持输出电压恒定；
输出电压定义为：
VO=VZ-VBE，其中VO是输出电压，VZ是齐纳击穿电压，VBE是晶体管的基极-发射极电压。
本实施例中，可采用齐纳二极管和PNP晶体管构建的过压保护电路代替齐纳稳压电路，当电压超过预设水平时，该电路会断开输出，预设值是连接到电路的稳压二极管的额定值。
进一步的，如图5所示，当电压低于预设电平时，Q2 的晶体管的基极为高电平，关闭；并且，当 Q2 处于关闭状态时，Q1 的晶体管的基极端子将为低电平，允许电流流过。
当电压超过预设值时，齐纳二极管开始导通，将 Q2 的晶体管的基极接地并打开Q2；当 Q2 导通时，Q1 的晶体管的基极端子变为高电平并且 Q1 导通， Q1 充当开路开关；因此，Q1 不允许电流流过齐纳稳压电路并保护负载免受超过电压的影响。
如图3所示，直流过载保护电路上安装有电子式断路器、电流互感器以及控制器，直流过载保护电路检测到电流互感器的电流超过预设值时，将相关信号送给控制器，控制器给电子式断路器驱动信号，分闸电磁铁驱动弹簧操作机构动作，从而控制电子式断路器分闸。
作为上述电子式断路器对比例，直流过载保护电路上还可采用热磁式断路器代替电子式断路器，热磁式断路器采用螺旋管式设计，当短路电流流过时，变化的电流产生磁场，驱动动铁芯运动，触发分闸机构，断路器完成分闸；
具体的，热磁式断路器以及电子式断路器的对比如下表所示：
从上表中能直观的看出，电子式断路器相对于热磁式断路器具有检测可靠性高，温度敏感度低的特点。
保护模块包括：直流母线过电压保护电路、交流过欠压保护电路和防孤岛效应模块；
其中，直流过载保护电路对直流侧输入功率进行持续检测，当检测到直流侧输入功率大于限制值时，光伏逆变器自动限制最大输出交流功率至可控范围内。
具体的，防孤岛效应模块具体工作流程为：
进行正常并网电压外环与电流内环控制，进行主动扰动，然后进行如下检测：
检测电网电压值是否在正常值的80%-115%之间，若是，则回到开始的正常并网电压外环与电流内环控制，若不是，则进行小于等于2s欠压保护且检测电网电压值是否恢复到正常值的80%-115%，恢复正常值后保持5min再回到正常并网电压外环与电流内环控制；
检测电网电压不平衡度是否低于4%的正常值，若是，则回到开始的正常并网电压外环与电流内环控制，若不是，则进行小于等于2s保护且检测电网电压不平衡度是否恢复到低于4%的正常值，恢复正常值后保持5min再回到正常并网电压外环与电流内环控制。
值得说明的是，还包括：
检测电网频率值是否在47.5-51.5Hz之间，若不是，则进行小于等于 0.2s 过欠频保护且检测电网频率值是否恢复到正常值，恢复正常值后再回到正常并网电压外环与电流内环控制，若是，再检测电网电压相位是否互差20°且误差在10°之内，依据结果决定回到正常并网电压外环与电流内环控制或者进行小于等于 0.2s 保护且检测电网电压相位差是否恢复到正常值；
检测电网相电压与相电流之间的相位偏差是否在25°以内，若是，则回到正常并网电压外环与电流内环控制，若不是则进行小于等于0.2s保护，5min后重新启动。
本实施例还提供一种光伏逆变器，如图2所示，该光伏逆变器包括上述具有开路电压保护功能的光伏逆变器组件以及输入电路、主逆变电路、输出电路、控制电路和辅助电路；
输入电路用于为主逆变电路提供可确保其正常工作的直流工作电压；
如图4所示，主逆变电路是光伏逆变器的核心，用于通过电力电子开关的导通与关断，来完成逆变的功能；主逆变电路设置有四组三极管VT1、三极管VT2、三极管VT3 和三极管VT4，主逆变电路工作时，给三极管VT1、三极管VT2、三极管VT3 和三极管VT4的晶体管的基极提供控制脉冲信号；
当三极管VT1、三极管VT4的基极的控制脉冲信号为高电平，而三极管VT2、三极管VT3的基极的控制脉冲信号为低电平时，三极管VT1、三极管VT4导通，三极管VT2、三极管VT3关断，有电流经三极管VT1、三极管VT4流过负载RL，电流途径是:电源E正极-三极管VT1-负载RL-三极管VT4-电源E负极，负载RL两端的电压极性为左正右负；
当三极管VT2、三极管VT3的基极的控制脉冲信号为高电平，而三极管VT1、三极管VT4的基极的控制脉冲信号为低电平时，三极管VT2、三极管VT3导通，三极管VT1、三极管VT4关断，有电流经三极管VT2、三极管VT3流过负载RL，电流途径是:电源E正极-三极管VT3-负载RL-三极管VT2-电源E负极，负载RL两端电压的极性是左负右正。
输出电路对主逆变电路输出的交流电波形、频率、电压、电流的幅值和相位进行修正、补偿、调理；控制电路为主逆变电路提供控制脉冲信号来控制电力电子开关的导通与关断，配合主逆变电路完成逆变功能；
辅助电路将输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有开路电压保护功能的光伏逆变器组件，其特征在于，所述光伏逆变器组件包括防护壳以及集成在防护壳内部的直流过载保护电路，所述直流过载保护电路设置在光伏逆变器的输入电路上；
还包括：
设置在光伏逆变器上的保护模块；
所述保护模块包括：直流母线过电压保护电路、交流过欠压保护电路和防孤岛效应模块；所述防孤岛效应模块具体工作流程为：
进行正常并网电压外环与电流内环控制，进行主动扰动，然后进行如下检测：
检测电网电压值是否在正常值的80%-115%之间，若是，则回到开始的正常并网电压外环与电流内环控制，若不是，则进行小于等于2s欠压保护且检测电网电压值是否恢复到正常值的80%-115%，恢复正常值后保持5min再回到正常并网电压外环与电流内环控制；
检测电网电压不平衡度是否低于4%的正常值，若是，则回到开始的正常并网电压外环与电流内环控制，若不是，则进行小于等于2s保护且检测电网电压不平衡度是否恢复到低于4%的正常值，恢复正常值后保持5min再回到正常并网电压外环与电流内环控制；所述的检测还包括：
检测电网频率值是否在47.5-51.5Hz之间，若不是，则进行小于等于 0.2s 过欠频保护且检测电网频率值是否恢复到正常值，恢复正常值后再回到正常并网电压外环与电流内环控制，若是，再检测电网电压相位是否互差20°且误差在10°之内，依据结果决定回到正常并网电压外环与电流内环控制或者进行小于等于 0.2s 保护且检测电网电压相位差是否恢复到正常值；
检测电网相电压与相电流之间的相位偏差是否在25°以内，若是，则回到正常并网电压外环与电流内环控制，若不是则进行小于等于0.2s保护，5min后重新启动；
其中，所述直流过载保护电路对直流侧输入功率进行持续检测，当检测到直流侧输入功率大于限制值时，光伏逆变器自动限制最大输出交流功率至可控范围内；
所述直流母线过电压保护电路以及交流过欠压保护电路均采用齐纳稳压电路，齐纳稳压电路通过提供稳压电压来调节输入电压并保护电路免受过压，但当电压超过安全限制时，齐纳稳压电路不会断开输出部分，将始终收到小于或等于齐纳二极管的额定值的输出电压；
所述齐纳稳压电路的预设电压值是电源断开或不允许任何高于齐纳稳压电路的预设电压值的电压的临界值；所述预设电压值为齐纳二极管的额定值；
当输出电压增加时，晶体管的基极-发射极电压降低，由于晶体管导通较少，由于导通较少，会降低输出电压，从而保持输出电压恒定；
输出电压定义为：
VO=VZ-VBE，其中VO是输出电压，VZ是齐纳击穿电压，VBE是晶体管的基极-发射极电压。
2.根据权利要求1所述的一种具有开路电压保护功能的光伏逆变器组件，其特征在于：所述防护壳上设置有用于光伏逆变器的导线连接的导线连接块，所述导线连接块上可拆卸地连接能任意弯曲的延长机构，所述延长机构的与所述导线连接块相对的一端设置有与导线连接块相同结构的连接件。
3.根据权利要求1所述的一种具有开路电压保护功能的光伏逆变器组件，其特征在于：所述直流过载保护电路上安装有电子式断路器、电流互感器以及控制器，所述直流过载保护电路检测到电流互感器的电流超过预设值时，将相关信号送给控制器，控制器给电子式断路器驱动信号，分闸电磁铁驱动弹簧操作机构动作，从而控制电子式断路器分闸。
4.一种光伏逆变器，其特征在于，包括：
权利要求1-3任一所述的具有开路电压保护功能的光伏逆变器组件以及输入电路、主逆变电路、输出电路、控制电路和辅助电路。
5.根据权利要求4所述的一种光伏逆变器，其特征在于：所述输入电路用于为主逆变电路提供可确保其正常工作的直流工作电压；所述主逆变电路是光伏逆变器的核心，用于通过电力电子开关的导通与关断，来完成逆变的功能；所述输出电路对主逆变电路输出的交流电波形、频率、电压、电流的幅值和相位进行修正、补偿、调理；所述控制电路为主逆变电路提供控制脉冲信号来控制电力电子开关的导通与关断，配合主逆变电路完成逆变功能；所述辅助电路将输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压。
6.根据权利要求5所述的一种光伏逆变器，其特征在于：所述主逆变电路设置有四组三极管VT1、三极管VT2、三极管VT3 和三极管VT4，主逆变电路工作时，给三极管VT1、三极管VT2、三极管VT3 和三极管VT4的晶体管的基极提供控制脉冲信号；
当三极管VT1、三极管VT4的基极的控制脉冲信号为高电平，而三极管VT2、三极管VT3的基极的控制脉冲信号为低电平时，三极管VT1、三极管VT4导通，三极管VT2、三极管VT3关断，有电流经三极管VT1、三极管VT4流过负载RL，电流途径是:电源E正极-三极管VT1-负载RL-三极管VT4-电源E负极，负载RL两端的电压极性为左正右负；
当三极管VT2、三极管VT3的基极的控制脉冲信号为高电平，而三极管VT1、三极管VT4的基极的控制脉冲信号为低电平时，三极管VT2、三极管VT3导通，三极管VT1、三极管VT4关断，有电流经三极管VT2、三极管VT3流过负载RL，电流途径是:电源E正极-三极管VT3-负载RL-三极管VT2-电源E负极，负载RL两端电压的极性是左负右正。
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