一種多電平光伏并網逆變器的操作過電壓保護裝置及方法與流程

本發明涉及光伏供電技術領域，本發明涉及一種操作過電壓保護方法，尤其是涉及一種應用于多電平光伏并網逆變器的操作過電壓保護裝置及方法。

背景技術：

光伏并網逆變器的交流輸出端通過公共連接點直接與電網相連接，同時端口上可能連接其他負載設備，與電網連接后端口電壓被電網鉗位，端口電壓幅值由電網電壓大小決定。當電網發生孤島時，網側開關斷開，逆變器與電網斷開，網側公共連接點的電壓不再受到電網鉗位，同時逆變器在檢測到發生孤島停止并網前，仍然會繼續向電網提供無功功率，導致逆變器交流側公共連接點的電壓上升。為了防止逆變器交流輸出端的電子負載受到較高電壓的沖擊，逆變器交流輸出端的瞬態電壓不應超過《nb/t32004-2013光伏發電并網逆變器技術規范》中所要求的限值。

對于三相并網逆變器，針對并網中存在的以上問題，現有技術根據三相電網電壓建立正交的dq旋轉坐標系，通過計算三相并網逆變器的逆變電壓d軸分量或者電網電壓的有效值來判斷逆變器的交流輸出端是否發生了操作過電壓。當判斷出發生操作過電壓時往往電網側的電壓已經升高，此時即使停止并網，逆變器交流輸出端的安規電容cx(一般是x電容)兩端的電壓已經較高，此時一般通過逆變器中的內部電阻進行放電。顯然安規電容cx的容值越小放電越快，但是會影響逆變器的電磁兼容(emc)特性；逆變器內部電阻的阻值越小放電越快，但是會給逆變器帶來額外的損耗，增加逆變器的成本。

技術實現要素：

為解決上述技術問題，本發明提供了一種應用于多電平光伏并網逆變器的操作過電壓保護裝置及方法，該裝置主要是通過檢測單元檢測電網電壓，通過檢測電網電壓是否發生孤島，通過控制單元控制逆變器從并網工作狀態切換至操作過電壓保護的工作狀態，直到逆變器的交流輸出電壓下降到給定電壓，整個操作過電壓保護過程才結束，逆變器處于待機狀態，等待重新并網；該裝置及保護方法采用簡單的電路結構，并結合控制方法，在電網發生孤島時，先將逆變器與電網斷開快速斷開，然后將逆變器交流輸出電壓降低至標準所要求的范圍之內，有效的保護了逆變器交流側所連接的電子設備。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種多電平光伏并網逆變器的操作過電壓保護裝置，該裝置包括直流輸入單元、多電平逆變單元、控制單元、電壓檢測單元和電流檢測單元；所述直流輸入單元的輸出端與多電平逆變單元的直流輸入端相連接，所述多電平逆變單元的交流輸出端通過網側開關k與電網相連接但不僅限于與電網相連接，所述電壓檢測單元的輸入端與電網側相連接，用于檢測電網電壓，所述電壓檢測單元的輸出端與控制單元的輸入端相連接，所述電流檢測單元的輸入端與多電平逆變單元的交流輸出端相連接，所述電流檢測單元的輸出端與控制單元的另一輸入端相連接，所述控制單元的輸出端與多電平逆變單元中開關管的驅動端相連接，用于控制多電平逆變單元開關管的工作狀態。

所述多電平逆變單元為單相或三相；多電平逆變單元由直流母線模塊、逆變橋臂、交流濾波模塊依次串聯連接組成，所述直流母線模塊是n-1個母線電容串聯構成，n為電平數；所述多電平逆變橋臂包括“零”電平開關組、“正”電平開關組和“負”電平開關組，所述“零”電平開關組串聯連接在母線電容中點與“正”電平開關組和“負”電平開關組之間，所述交流濾波模塊由濾波電感l和濾波電容cinv組成，所述濾波電感l的一端與逆變橋臂的輸出相連接，另一端為多電平逆變單元的正輸出端，所述濾波電容cinv的一端與多電平逆變單元的正輸出端相連接，濾波電容cinv的另一端與母線電容中點相連接作為多電平逆變單元的負輸出端。

所述操作過電壓保護裝置的控制方法：

步驟1：電壓檢測單元實時檢測電網電壓，并將檢測到的電壓送給控制單元進行數據處理；

步驟2：控制單元對送來的電壓數據進行處理，當檢測到電網電壓有效值vave小于系統給定的閾值vg時，控制單元控制多電平逆變單元繼續處于并網工作狀態；當檢測到電網電壓有效值vave大于系統給定的閾值vg時，控制單元發出控制信號，使多電平逆變單元所有開關管斷開，同時多電平逆變單元從并網狀態立即切換至操作過電壓保護狀態，等待控制單元重新發出控制信號；

步驟3：進行操作過電壓保護狀態，即控制單元重新給零電平開關組發出控制信號，使零電平開關組導通工作，多電平逆變單元內部形成電流回路，使多電平逆變單元交流輸出端電壓回饋到逆變單元直流輸入端的直流母線模塊上；

步驟4：當多電平逆變單元交流輸出端電壓值v大于對應的安全電壓值vsafe(所述安全電壓值vsafe是逆變器在進行操作過電壓時所要求的安全值)，則繼續執行步驟3進行操作過電壓保護；當多電平逆變單元交流輸出端電壓v小于安全電壓值vsafe，控制單元將發出控制信號，使零電平開關組關斷，操作過電壓保護狀態停止，網側開關k斷開，多電平逆變單元處于待機狀態，操作過電壓保護過程結束。

和現有技術相比，本發明具備如下優點：

1.本發明裝置當逆變單元輸出電壓超出閾值時，系統可有效的將逆變單元輸出電壓減小到閾值范圍以內，及時保護交流輸出側電子負載的安全。

2.該保護裝置及方法是將交流輸出超出的電能回饋至直流母線，而不是通過系統內部的電阻進行消耗，所以系統損耗小。

附圖說明

圖1操作過電壓保護裝置框圖。

圖2多電平逆變單元電路框圖。

圖3操作過電壓保護方法控制流程圖。

圖4為單相t型三電平逆變器。

圖5為單相t型三電平逆變器發生操作過電壓后的四個工作模態，其中圖5(a)為[0,d×ts]時段濾波電容轉移至濾波電感l中的電路工作狀態，圖5(b)為[d×ts,ts]時段濾波電感的能量饋送給直流母線模塊的電路工作狀態，圖5(c)為[0,d×ts]時段濾波電容的能量轉移至濾波電感l中的電路工作狀態。。。。，圖5(d)為[d×ts,ts]時段濾波電感的能量饋送給直流母線模塊的電路工作狀態。

圖6為三相t型三電平逆變器。

圖7為單相i型三電平逆變器。

圖8為單相i型三電平逆變器發生操作過電壓后的四個工作模態,其中圖8(a)為[0,d×ts]時段濾波電容轉移至濾波電感l中的電路工作狀態，圖8(b)為[d×ts,ts]時段濾波電感的能量饋送給直流母線模塊的電路工作狀態，圖8(c)為[0,d×ts]時段濾波電容的能量轉移至濾波電感l中的電路工作狀態，圖8(d)為[d×ts,ts]時段濾波電感的能量饋送給直流母線模塊的電路工作狀態。

圖9為三相i型三電平逆變器。

圖10為三相i型五電平逆變器。

具體實施方式

下面結合附圖所示的實施例對本發明作進一步描述。

圖1為操作過電壓保護裝置框圖，如圖所示，一種應用于多電平光伏并網逆變器的操作過電壓保護裝置及方法，該裝置包括直流輸入單元、多電平逆變單元、控制單元、電壓檢測單元和電流檢測單元。所述直流輸入單元的輸出端與多電平逆變單元的直流輸入端相連接，所述多電平逆變單元的交流輸出端通過網側開關k與電網相連，同時逆變單元的交流輸出端還可接有其它電子負載，所述電壓檢測單元的輸入端與電網側相連接，用于檢測電網電壓，所述電壓檢測單元的輸出端與控制單元的輸入端相連接，所述電流檢測單元的輸入端與多電平逆變單元的交流輸出端相連接，所述電流檢測單元的輸出端與控制單元的另一輸入端相連接，所述控制單元的輸出端與多電平逆變單元中開關管的驅動端相連接，用于控制多電平逆變單元開關管的工作狀態。

圖2為多電平逆變單元電路框圖，如圖所示，所述多電平逆變單元是單相或三相。多電平逆變單元由直流母線模塊、逆變橋臂、交流濾波模塊依次串聯連接組成。所述直流母線模塊是(n-1)個母線電容串聯構成，n為電平數；所述多電平逆變橋臂包括“零”電平開關組，“正”電平開關組和“負”電平開關組，所述“零”電平開關組串聯連接在母線電容中點與“正”電平開關組和“負”電平開關組之間，所述交流濾波模塊由濾波電感l和濾波電容c組成，所述濾波電感l的一端與多電平逆變橋臂的輸出相連接，另外一端為逆變單元的正輸出端，所述濾波電容cinv的一端與多電平逆變單元的輸出端相連接，濾波電容cinv的另一端與母線電容中點相連接為多電平逆變單元的負輸出端。

圖3為操作過電壓保護方法軟件控制流程圖，所述操作過電壓保護裝置的控制方法：

步驟1：電壓檢測單元實時檢測電網電壓v，并將檢測到的電壓送給控制單元進行數據處理；

步驟2：控制單元對送來的電壓數據進行處理，當檢測到電網電壓有效值vave小于系統給定的閾值vg時，控制單元控制多電平逆變單元繼續處于并網工作狀態；當檢測到電網電壓有效值大于系統給定的閾值vg時，控制單元發出控制信號，使多電平逆變單元所有開關管斷開，同時多電平逆變單元從并網狀態立即切換至操作過電壓保護狀態，等待控制單元重新發出控制信號；

步驟3：進行操作過電壓保護狀態，即控制單元重新給零電平開關組發出控制信號，使零電平開關組導通工作，多電平逆變單元內部形成電流回路，使多電平逆變單元交流輸出端電壓回饋到逆變單元直流輸入端的直流母線模塊上。

步驟4：當多電平逆變單元交流輸出端電壓值v大于安全電壓值vsafe(所述安全電壓值vsafe是逆變器在進行操作過電壓時所要求的安全值)，則繼續執行步驟3進行操作過電壓保護；當多電平逆變單元交流輸出端電壓v小于安全電壓值vsafe，控制單元將發出控制信號，使零電平開關組關斷，操作過電壓保護狀態停止，網側開關k斷開，多電平逆變單元處于待機狀態，操作過電壓保護過程結束。

圖4為單相t型三電平逆變器，如圖所示，直流母線電容由第一電容c1和第二電容c2串聯連接，零電平開關連接在第一電容c1和第二電容c2的中點與逆變橋臂的中點之間，零電平開關由第一零電平開關管s2與第二零電平開關管s3串聯連接，所述第一零電平開關管s2的集電極與第一電容c1和第二電容c2的中點相連接，所述第二零電平開關管s3的集電極與逆變橋臂的中點相連接，所述第一零電平開關管s2的射極與第二零電平開關管s3射極相連接。所述正電平開關s1的集電極與第一電容c1的正極相連接，正電平開關s1的射極與負電平開關s4的集電極相連接，負電平開關s4的射極與第二電容c2的負極相連接。電感l的一端與逆變橋臂的中點相連接，所述電感l的另一端與濾波電容cinv的一端相連接，所述濾波電容cinv的另一端與第一電容c1和第二電容c2的中點相連接。

圖5為單相t型三電平逆變器發生操作過電壓后的四個工作模態，如圖所示，“零”電平開關管包括第一零電平開關管s2與第二零電平開關管s3。當數字控制器檢測到發生了操作過電壓后，數字控制器向“零”電平開關管發送占空比d(0<d<1)的驅動信號，開關周期為ts，同時禁止其余開關管的工作。此時當“零”電平開關管開通或者關斷時，逆變器共有四個工作模態：

模態1：等效電路如圖5(a)所示，此時濾波電容cinv兩端電壓大于零，在開關周期的[0,d×ts]時段，“零”電平開關中的第一零電平開關管s2與第二零電平開關管s3導通，其他功率開關管關斷。濾波電容cinv的能量轉移至濾波電感l中；

模態2：等效電路如圖5(b)所示，此時濾波電容cinv兩端電壓大于零，在開關周期的[d×ts,ts]時段，所有開關管關斷。濾波電感l電流通過正電平開關管s1的體二極管續流，濾波電感的能量饋送給直流母線模塊；

模態3：等效電路如圖5(c)所示，此時濾波電容cinv兩端電壓小于零，在開關周期的[0,d×ts]時段，“零”電平開關中的第一零電平開關管s2與第二零電平開關管s3導通，其他功率開關管關斷。濾波電容cinv的能量轉移至濾波電感l中；

模態4：等效電路如圖5(d)所示，此時濾波電容cinv兩端電壓小于零，在開關周期的[d×ts,ts]時段，所有開關管關斷。濾波電感電流通過負電平開關管s4的體二極管續流，濾波電感l的能量饋送給直流母線模塊；

圖6為三相t型三電平逆變器。如圖所示，直流母線電容由第一電容c1和第二電容c2串聯連接，a相的零電平開關組連接在第一電容c1和第二電容c2的中點與逆變橋臂的中點之間，零電平開關分別由第一零電平開關管s2a與第二零電平開關管s3a串聯連接，所述第一零電平開關管s2a的集電極與第一電容c1和第二電容c2的中點相連接，所述第二零電平開關管s3a的集電極與逆變橋臂的中點相連接，所述第一零電平開關管s2a的射極與第二零電平開關管s3a射極相連接。所述正電平開關s1a的集電極與第一電容c1的正極相連接，正電平開關s1a的射極與負電平開關s4a的集電極相連接，所述負電平開關s4a的射極與第二電容c2a的負極相連接。所述a相的輸出端接交流濾波模塊。所述b相和c相的電路與a相相同，此處不再贅述。同時該電路的操作過電壓保護工作模態與單相t型三電平逆變器相同。

圖7為單相i型三電平逆變器。如圖所示，單相i型三電平電路是由四個帶有反并聯二極管的開關管串聯連接，并且正電平開關管s1的漏極與第一電容c1的正極相連，正電平開關管s1的源極與第一零電平開關管s2的漏極串聯連接，第一零電平開關管s2的源極與第二零電平開關管s3的漏極串聯連接，第二零電平開關管s3的源極與負電平開關管s4的漏極串聯連接，負電平開關管s4的源極與第二電容c2的負極相連接。所述電源的正負及之間串聯有第一電容c1和第二電容c2，所述正電平開關管s1與第一零電平開關管s2串聯點與第一電容c1和第二電容c2的串聯點n之間連接有零電平第一二極管d1，零電平第一二極管d1的陽極與n點相連接，零電平第一二極管d1的陰極與正電平開關管s1與零電平第一開關管s2的串聯點相連接。所述零電平第二開關管s3與負電平開關管s4串聯點與第一電容c1和第二電容c2的串聯點n之間連接有零電平第二二極管d2，零電平第二二極管d2的陰極與n點相連接，零電平第二二極管d2的陽極與零電平第二開關管s3與負電平開關管s4的串聯點相連接，所述零電平第一開關管s2與零電平第二開關管s3的串聯點連接一濾波電感l，所述濾波電感l的另一端與第一電容c1和第二電容c2中點n之間連接一濾波電容cinv，濾波電容cinv兩端并聯有一負載電阻r。

圖8為單相i型三電平逆變器發生操作過電壓后的四個工作模態，如圖所示，“零”電平開關管包括功率開關管零電平第一開關s2和零電平第二開關s3。當數字控制器檢測到發生了操作過電壓后，數字控制器向“零”電平開關管發送占空比d(0<d<1)的驅動信號，開關周期為ts，同時禁止其余開關管的工作。此時當“零”電平開關管開通或者關斷時，逆變器共有四個工作模態：

模態1：等效電路如圖8(a)所示，此時濾波電容cinv兩端電壓大于零，在開關周期的[0,d×ts]時段，“零”電平開關中的第一零電平開關管s2與第二零電平開關管s3導通，其他功率開關管關斷。濾波電容cinv的能量轉移至濾波電感l中；

模態2：等效電路如圖8(b)所示，此時濾波電容cinv兩端電壓大于零，在開關周期的[d×ts,ts]時段，所有開關管關斷。濾波電感l電流通過開正電平關管s1的體二極管和零電平開關管s2的體二極管續流，濾波電感l的能量饋送給直流母線模塊；

模態3：等效電路如圖8(c)所示，此時濾波電容cinv兩端電壓小于零，在開關周期的[0,d×ts]時段，“零”電平開關中的第一零電平開關管s2與第二零電平開關管s3導通，其他功率開關管關斷。濾波電容cin的能量轉移至濾波電感l中；

模態4：等效電路如圖8(d)所示，此時濾波電容cinv兩端電壓小于零，在開關周期的[d×ts,ts]時段，所有開關管關斷。濾波電容cinv兩端電壓小于零，逆變電感電流通過第二零電平開關管s3的體二極管和負電平開關管s4的體二極管續流，濾波電感l的能量饋送給直流母線；

圖9為三相i型三電平逆變器。如圖所示，該電路是由三個單相i型三電平電路組合的。工作模態與實施例單相i型三電平逆變器相近，此處不再贅述。

圖10為三相i型五電平逆變器，如圖所示，該電路是由三個單相i型五電平電路組合的，工作模態與實施例單相i型三電平逆變器相近，此處不再贅述。

通過上述各實施例可以看出，本方案適用的多電平逆變電路可以有多種變型，當發生操作過電壓時，只要控制“零”電平開關管的開通和關斷，其余功率開關管保持關斷，就可以滿足操作過電壓的保護時間要求。本方案在不增加額外硬件開銷的前提下，通過簡單的控制方法能夠滿足操作過電壓保護的需要。

上述實施例只說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。