專利名稱：一種光伏并網逆變器低電壓穿越輔助供電裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種光伏并網逆變器，尤其涉及一種光伏并網逆變器低電壓穿越輔助供電裝置及方法。
背景技術：
在光伏并網發電過程中，特別是在大型光伏電站，光伏逆變器應具備低電壓穿越能力，避免在電網電壓異常時脫離，引起電網電源的不穩定，即當電網故障或擾動引起并網點的電壓跌落時，在電壓跌落的范圍內，光伏發電機組能夠不間斷并網運行。逆變器交流側電壓跌至20%標稱電壓時，逆變器能夠保證不間斷并網運行Is ;逆變器交流側電壓在發生跌落后3s內能夠恢復到標稱電壓的90%時，逆變器能夠保證不間斷并網運行。對電力系統故障期間沒有切出的逆變器，其有功功率在故障清除后應快速恢復，自故障清除時刻開始，以至少10%額定功率/秒的功率變化率恢復至故障前的值。低電壓穿越過程中逆變器宜提供動態無功支撐
在低電壓穿越過程中，逆變器內部供電電源同樣需要不間斷運行，以確保系統的可靠運行。目前應用在光伏并網逆變器中具有低電壓穿越能力的輔助源通常采用交直流同時取電方式，即在交流側電壓跌落時，從光伏組件直流母線取電，此方案雖然滿足了基本的功能需求，但仍存在以下不足:
(1)成本較高:為實現直流母線高壓取電，通常采用開關電源方式轉換，電路復雜，且直流母線取電方式作為備用功能，利用率極低，整體造價較高；
(2)不具備可靠關斷功能:當電網故障期間，直流母線跌落至輔助源無法正常工作時沒有進行相應處理，由此引發的逆變器供電不穩，可能給整個發電系統帶來極大隱患。
發明內容
本發明解決的技術問題是:提供一種光伏并網逆變器低電壓穿越輔助供電裝置及方法，克服現有技術不具備可靠關斷功能以有成本高的技術問題。本發明的技術方案是:構建一種光伏并網逆變器低電壓穿越輔助供電裝置，包括交流取電電路、直流取電電路、延時關斷電路，所述延時關斷電路包括電容Cl、電容C2、穩壓二極管D3、穩壓二極管D4、穩壓二極管D2、穩壓二極管D11、放電電阻R4、整流二極管D1、限流電阻R3、光電耦合器U1、放電電阻R2，所述整流二極管Dl和限流電阻R3串聯后一端接所述交流取電電路，所述電容Cl與所述放電電阻R4并聯后一端接所述限流電阻R3的另一端、所述穩壓二極管D3的正極、所述穩壓二極管D2的負極及所述光電耦合器Ul中光敏三極管的集電極，所述光電耦合器Ul中光敏三極管的發射極接所述放電電阻R2，所述穩壓二極管D4的負極串聯連接所述穩壓二極管D2的正極，所述電容Cl與所述放電電阻R4并聯后另一端所述穩壓二極管D3的正極，所述穩壓二極管D3負極串聯連接所述穩壓二極管D4的正極，所述穩壓二極管D4的負極接所述電容C2的一端，所述電容C2的一端還連接所述光電耦合器Ul中二極管的正極，所述電容C2另一端接地，所述光電耦合器Ul中二極管的負極接所述穩壓二極管D3的負極和所述穩壓二極管D4的正極。本發明的進一步技術方案是:所述交流取電電路包括交流母線、全橋整流器D9、保險絲F1、二極管D10，濾波電容C5和濾波電容C6，所述交流母線連接所述全橋整流器D9，所述全橋整流器D9輸出的正極接保險絲Fl的一端，所述保險絲Fl的另一端接所述二極管DlO的正極，并聯的濾波電容C5和濾波電容C6的一端接所述二極管DlO的負極并輸出電壓，并聯的濾波電容C5和濾波電容C6的另一端后接所述全橋整流器D9輸出的負極。本發明的進一步技術方案是:所述直流取電電路包括直流母線、限流電阻Rl、N溝道MOS管Ql、穩壓二極管管D5、防反灌二極管D6、二極管D8、濾波電容C4、濾波電容C3，所述直流母線的正極經所述限流電阻Rl后接所述MOS管Ql的漏極，所述MOS管Ql的源極接所述反灌二極管D6負極、濾波電容C3的一端，所述MOS管Ql的柵極連接穩壓二極管管D5的負極，所述穩壓二極管管D5的負極接反灌二極管D6正極，所述二極管D8的負極接所述濾波電容C4的一端，所述濾波電容C3的另一端與所述濾波電容C4的另一端連接后接地。本發明的進一步技術方案是:所述延時關斷電路還包括穩壓二極管Dl和電阻R3，所述交流取電電路通過所述穩壓二極管Dl和所述電阻R3對電容Cl充電。本發明的進一步技術方案是:所述電容Cl在交流母線消失后通過R4緩慢放電，并可通過Ul和R2快速放電。本發明的進一步技術方案是:所述直流取電電路包括穩壓二極管D7，所述穩壓二極管D7的正極接所述二極管D8的正極，所述穩壓二極管D7的負極接電容C3的一端及所述MOS管Ql的源極。本發明的技術方案是:提供一種光伏并網逆變器低電壓穿越輔助供電方法，包括交流取電電路、直流取電電路、延時關斷電路，所述延時關斷電路包括充電電容Cl、放電電阻R4，所述輔助供電方法包括如下步驟:
電網正常供電時，所述交流取電電路從交流測交流母線取電，同時，所述充電電容Cl、充電電容C2均充電飽和，延時關斷電路處于穩定狀態；
電網供電中斷時，直流取電電路從直流側的直流母線取電，同時，所述充電電容Cl和充電電容C2通過所述放電電阻R4緩慢放電，達到設定時間后，所述充電電容Cl和充電電容C2通過光電耦合器Ul和放電電阻R2快速放電至零電平，輔助源輸出關閉；
電網恢復時，所述交流取電電路從交流側交流母線取電，輔助源正常輸出，同時通過所述電阻R3向所述充電電容Cl和充電電容C2充電至飽和，所述延時關斷電路再次進入穩定狀態。本發明的技術效果是:構建一種光伏并網逆變器低電壓穿越輔助供電裝置及方法，包括交流取電電路、直流取電電路、延時關斷電路，所述延時關斷電路包括充電電容Cl、放電電阻R4。電網正常供電時，所述交流取電電路從交流測交流母線取電，同時，所述充電電容Cl充電，維持所述延時關斷電路的電壓穩定。電網供電中斷時，直流取電電路從直流側的直流母線取電，所述充電電容Cl通過所述放電電阻R4緩慢放電，放電至零電平時，輸出電壓關閉。電網恢復時，所述充電電容Cl充電，所述交流取電電路從交流側交流母線取電，輸出電壓逐步恢復供電。本發明針對該應用中直流母線取電時間極短，該部分電路采用模擬電源方式，電路結構簡單，降低成本。同時，本發明輔助源主動關閉采用延時關閉方式，且該過程無需比較器和數字控制器等參與，因此也就無需額外的低電壓輔助電源，結構簡單，計時精確，可靠性高，保證了逆變器低電壓穿越功能的可靠工作，也進一步降低了產品成本。
圖1為本發明低電壓穿越輔助源應用原理圖。圖2為本發明低電壓穿越輔助源結構圖。圖3為本發明低電壓穿越輔助源仿真波形圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例，對本發明技術方案進一步說明。如圖1所示，本發明的具體實施方式
是:在電網側正常時，本發明輔助源從交流側的220VAC取電，當電網異常時，從光伏陣列直流母線400V 850VDC取電，穩定輸出為220VDC,提供給其他DC/DC模塊和電氣設備。當電網故障為低電壓穿越所規定的類型，輔助源在電網恢復后重新從交流電網取電，而當電網故障超出低電壓穿越規定的恢復時間，輔助源將在逆變器控制系統完成脫網動作后主動關閉供電，等待電網恢復后重新工作。如圖1、圖2所示，本發明的具體實施方式
是:構建一種光伏并網逆變器低電壓穿越輔助供電裝置，包括交流取電電路、直流取電電路、延時關斷電路，所述延時關斷電路包括電容Cl、電容C2、穩壓二極管D3、穩壓二極管D4、穩壓二極管D2、穩壓二極管D11、放電電阻R4、整流二極管D1、限流電阻R3、光電耦合器U1、放電電阻R2，所述整流二極管Dl和限流電阻R3串聯后一端接所述交流取電電路，所述電容Cl與所述放電電阻R4并聯后一端接所述限流電阻R3的另一端、所述穩壓二極管D3的正極、所述穩壓二極管D2的負極及所述光電耦合器Ul中光敏三極管的集電極，所述光電耦合器Ul中光敏三極管的發射極接所述放電電阻R2，所述穩壓二極管D4的負極串聯連接所述穩壓二極管D2的正極，所述電容Cl與所述放電電阻R4并聯后另一端所述穩壓二極管D3的正極，所述穩壓二極管D3負極串聯連接所述穩壓二極管D4的正極，所述穩壓二極管D4的負極接所述電容C2的一端，所述電容C2的一端還連接所述光電耦合器Ul中二極管的正極，所述電容C2另一端接地，所述光電耦合器Ul中二極管的負極接所述穩壓二極管D3的負極和所述穩壓二極管D4的正極。所述電容Cl在交流母線消失后通過R4緩慢放電，并可通過Ul和R2快速放電。如圖2所示，本發明的具體工作過程如下:在電網正常情況下，Pl點電壓通過Dl和R3對電容Cl充電，同時通過穩壓二極管D3和穩壓二極管D4對電容C2充電，穩壓二極管D2與穩壓二極管Dll串聯形成225VDC的直流電平，由此決定了 P2、P3和P4點電平均為225V直流電。當電網異常時，交流母線的電壓降低或消失，電容Cl通過放電電阻R4進行緩慢放電，P2點電平逐步降低，而P4點電平并不變化，而當P2點電平低于P4點電平時，具體低的電壓數由D3決定，本實施例中，當P2點電平低于P4點電平低于20V時，穩壓二極管D3導通，電容C2通過光電耦合器Ul內部的發光二極管、穩壓二極管D3和穩壓二極管D4進行放電，此時一旦形成放電電流，光電耦合器Ul的光敏三極管導通，電容Cl與電容C2都可通過電阻R2進行快速放電，且電容C2放電電流增大，使得光電耦合器Ul的光敏三極管導通阻抗進一步越小，形成正反饋，電容Cl與電容C2在極短時間內完全放電，P4點電平降低為OVDC，MOS管Ql關斷，實現了直流母線取電電路的關閉。可見在此電路中，決定延時關斷的器件為C1、R4和D3，因此通過調整該器件類型和大小，可實現不同時間長短的定時，結構簡
單，可靠性高。如圖2所示，本發明的優選實施方式是:所述交流取電電路包括交流母線、全橋整流器D9、保險絲F1、二極管D10，濾波電容C5和濾波電容C6，所述交流母線連接所述全橋整流器D9，所述全橋整流器D9輸出的正極接保險絲Fl的一端，所述保險絲Fl的另一端接所述二極管DlO的正極，并聯的濾波電容C5和濾波電容C6的一端接所述二極管DlO的負極并輸出電壓，并聯的濾波電容C5和濾波電容C6的另一端后接所述全橋整流器D9輸出的負極。具體工作過程如下:交流母線220VAC通過全橋整流器D9變為直流，Fl為保險絲，通過并聯二極管D10、濾波電容C5和濾波電容C6后，在P6點輸出約250VDC，由于不控整流，該輸出電平與負載和濾波電容C5和濾波電容C6相關，因此根據不同負載，通過調整濾波電容可將輸出電壓穩定在所需電平。如圖2所示，本發明的優選實施方式是:所述直流取電電路包括直流母線、限流電阻R1、N溝道MOS管Ql、穩壓二極管管D5、防反灌二極管D6、二極管D8、濾波電容C4、濾波電容C3，所述直流母線的正極經所述限流電阻Rl后接所述MOS管Ql的漏極，所述MOS管Ql的源極接所述反灌二極管D6負極、濾波電容C3的一端，所述MOS管Ql的柵極連接穩壓二極管管D5的負極，所述穩壓二極管管D5的負極接反灌二極管D6正極，所述二極管D8的負極接所述濾波電容C4的一端，所述濾波電容C3的另一端與所述濾波電容C4的另一端連接后接地。具體實施例中，所述直流取電電路包括穩壓二極管D7，所述穩壓二極管D7的正極接所述二極管D8的正極，所述穩壓二極管D7的負極接電容C3的一端及所述MOS管Ql的源極。具體工作過程如下:直流母線通過限流電阻Rl和MOS管Ql進行線性電壓調節，輸出電壓由P4點電壓決定，在本發明中設計P4點電壓為225VDC，通過穩壓二極管D5和防反灌二極管D6鉗位P5點電平為221VDC。P5通過穩壓二極管D7、并聯二極管D8和濾波電容C4后電平為200VDC，并與交流取電電路的輸出實現并聯，由于直流取電電路輸出電壓為200VDC，低于交流取電電路輸出的250VDC，因此在電網正常情況下，在并聯二極管的作用下，直流母線并無輸出，同時穩壓二極管D7保證了直流取電電路關閉后，濾波電容C3如有殘余電量也不會緩慢放電，提高了系統穩定性和輔助源效率。本發明的技術方案是:提供一種光伏并網逆變器低電壓穿越輔助供電方法，包括交流取電電路、直流取電電路、延時關斷電路，所述延時關斷電路包括充電電容Cl、放電電阻R4，所述輔助供電方法包括如下步驟:
電網正常供電時，所述交流取電電路從交流測交流母線取電，同時，所述充電電容Cl、充電電容C2均充電飽和，延時關斷電路處于穩定狀態；
電網供電中斷時，直流取電電路從直流側的直流母線取電，同時，所述充電電容Cl和充電電容C2通過所述放電電阻R4緩慢放電，達到設定時間后，所述充電電容Cl和充電電容C2通過光電耦合器Ul和放電電阻R2快速放電至零電平，輔助源輸出關閉；
電網恢復時，所述交流取電電路從交流側交流母線取電，輔助源正常輸出，同時通過所述電阻R3向所述充電電容Cl和充電電容C2充電至飽和，所述延時關斷電路再次進入穩定狀態。如圖3所示,具體工作過程如下:
A.在Tl時期，電網正常，輔助源從交流測取電，同時為輔助源的中的Cl和C2充電，P2和P4的電壓在此階段逐步穩定；
B.在T2時期，電網中斷，輔助源從直流母線取電，Cl通過R4緩慢放電，P2點電壓也逐步降低，而P4點電壓維持不變；
C.在T3時期，P2點電壓降低到設定值，D3導通，同時觸發Ul工作，Cl與C2通過R2快速放電至零電平，此時輔助源輸出電壓P6關閉，
D.在T4時期，電網恢復，輔助源中Cl與C2再次充電，P2與P4電壓逐步恢復；
E.在T5時期，電網正常工作，輔助源進入穩定狀態，交流母線為輸出電壓P6提供能量。通過上述仿真，驗證了本發明提出的輔助源方案電路簡潔，工作可靠，可滿足光伏并網逆變器低電壓穿越過程對供電電源的要求，同時也降低了產品成本，增強了系統可靠性。本發明的技術效果是:構建一種光伏并網逆變器低電壓穿越輔助供電裝置及方法，包括交流取電電路、直流取電電路、延時關斷電路，所述延時關斷電路包括充電電容Cl、放電電阻R4。電網正常供電時，所述交流取電電路從交流測交流母線取電，同時，所述充電電容Cl充電，維持所述延時關斷電路的電壓穩定。電網供電中斷時，直流取電電路從直流側的直流母線取電，所述充電電容Cl通過所述放電電阻R4緩慢放電，放電至零電平時，輸出電壓關閉。電網恢復時，所述充電電容Cl充電，所述交流取電電路從交流側交流母線取電，輸出電壓逐步恢復供電。本發明無需額外的低電壓輔助電源，結構簡單，計時精確，可靠性高，保證了逆變器低電壓穿越功能的可靠工作，也進一步降低了產品成本。以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種光伏并網逆變器低電壓穿越輔助供電裝置，其特征在于，包括交流取電電路、直流取電電路、延時關斷電路，所述延時關斷電路包括電容Cl、電容C2、穩壓二極管D3、穩壓二極管D4、穩壓二極管D2、穩壓二極管D11、放電電阻R4、整流二極管D1、限流電阻R3、光電耦合器U1、放電電阻R2，所述整流二極管Dl和限流電阻R3串聯后一端接所述交流取電電路，所述電容Cl與所述放電電阻R4并聯后一端接所述限流電阻R3的另一端、所述穩壓二極管D3的正極、所述穩壓二極管D2的負極及所述光電耦合器Ul中光敏三極管的集電極，所述光電耦合器Ul中光敏三極管的發射極接所述放電電阻R2，所述穩壓二極管D4的負極串聯連接所述穩壓二極管D2的正極，所述電容Cl與所述放電電阻R4并聯后另一端所述穩壓二極管D3的正極，所述穩壓二極管D3負極串聯連接所述穩壓二極管D4的正極，所述穩壓二極管D4的負極接所述電容C2的一端，所述電容C2的一端還連接所述光電耦合器Ul中二極管的正極，所述電容C2另一端接地，所述光電耦合器Ul中二極管的負極接所述穩壓二極管D3的負極和所述穩壓二極管D4的正極。
2.根據權利要求1所述光伏并網逆變器低電壓穿越輔助供電裝置，其特征在于，所述交流取電電路包括交流母線、全橋整流器D9、保險絲F1、二極管D10，濾波電容C5和濾波電容C6，所述交流母線連接所述全橋整流器D9，所述全橋整流器D9輸出的正極接保險絲Fl的一端，所述保險絲Fl的另一端接所述二極管DlO的正極，并聯的濾波電容C5和濾波電容C6的一端接所述二極管DlO的負極并輸出電壓，并聯的濾波電容C5和濾波電容C6的另一端后接所述全橋整流器D9輸出的負極。
3.根據權利要求1所述光伏并網逆變器低電壓穿越輔助供電裝置，其特征在于，所述直流取電電路包括直流母線、限流電阻R1、N溝道MOS管Q1、穩壓二極管管D5、防反灌二極管D6、二極管D8、濾波電容C4、濾波電容C3，所述直流母線的正極經所述限流電阻Rl后接所述MOS管Ql的漏極，所述MOS管Ql的源極接所述反灌二極管D6負極、濾波電容C3的一端，所述MOS管Ql的柵極連接穩壓二極管管D5的負極，所述穩壓二極管管D5的負極接反灌二極管D6正極，所述二極管D8的負極接所述濾波電容C4的一端，所述濾波電容C3的另一端與所述濾波電容C4的另一端連接后接地。
4.根據權利要求1所述光伏并網逆變器低電壓穿越輔助供電裝置，其特征在于，所述延時關斷電路還包括穩壓二極管Dl和電阻R3，所述交流取電電路通過所述穩壓二極管Dl和所述電阻R3對電容Cl充電。
5.根據權利要求1所述光伏并網逆變器低電壓穿越輔助供電裝置，其特征在于，所述電容Cl在交流母線消失后通過R4緩慢放電，并可通過Ul和R2快速放電。
6.根據權利要求1所述光伏并網逆變器低電壓穿越輔助供電裝置，其特征在于，所述直流取電電路包括穩壓二極管D7，所述穩壓二極管D7的正極接所述二極管D8的正極，所述穩壓二極管D7的負極接電容C3的一端及所述MOS管Ql的源極。
7.一種光伏并網逆變器低電壓穿越輔助供電方法，其特征在于，包括交流取電電路、直流取電電路、延時關斷電路，所述延時關斷電路包括充電電容Cl、放電電阻R4，所述輔助供電方法包括如下步驟: 電網正常供電時，所述交流取電電路從交流測交流母線取電，同時，所述充電電容Cl、充電電容C2均充電飽和，延時關斷電路處于穩定狀態； 電網供電中斷時，直流取電電路從直流側的直流母線取電，同時，所述充電電容Cl和充電電容C2通過所述放電電阻R4緩慢放電，達到設定時間后，所述充電電容Cl和充電電容C2通過光電耦合器Ul和放電電阻R2快速放電至零電平，輔助源輸出關閉； 電網恢復時，所述交流取電電路從交流側交流母線取電，輔助源正常輸出，同時通過所述電阻R3向所述充電電容Cl和充電電容C2充電至飽和，所述延時關斷電路再次進入穩定狀 態。
全文摘要
本發明涉及一種光伏并網逆變器低電壓穿越輔助供電裝置及方法，包括交流取電電路、直流取電電路、延時關斷電路。本發明針對該應用中直流母線取電時間極短，該部分電路采用模擬電源方式，電路結構簡單，降低成本。同時，本發明輔助源主動關閉采用延時關閉方式，且該過程無需比較器和數字控制器等參與，因此也就無需額外的低電壓輔助電源，結構簡單，計時精確，可靠性高，保證了逆變器低電壓穿越功能的可靠工作，也進一步降低了產品成本。
文檔編號H02J9/06GK103138383SQ20131006160
公開日2013年6月5日 申請日期2013年2月27日 優先權日2013年2月27日
發明者張斌, 張博溫, 張東來, 張華 申請人:深圳航天科技創新研究院