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单路MPPT并网用的光伏逆变器系统及其短路保护专利与流程

来源:未知 编辑:晚一步 时间:2018-07-04
单路MPPT并网用的光伏逆变器系统及其短路保护方法与流程

本发明涉及光伏发电技术领域,特别涉及光伏逆变器的短路保护方法和光伏逆变器系统。



背景技术:

在单路MPPT(Maximum Power Point Tracking,最大功率点跟踪)光伏逆变器中,各光伏逆变器模块直流侧是通过母(铜)排连接在一起,便于系统集中管理和追踪最大功率点。但直流侧由于绝缘性能降低或者功率管驱动信号异常可能造成直流短路,绝缘被击穿的部分或者同时导通的那个桥臂就会成为短路点,使交流侧(网侧)、支撑电容、直流侧(光伏板侧)能量通过这个点形成短路电流回路,而交流侧能量占绝大部分,由于各个光伏逆变器模块在直流侧并联运行,其他非故障模块的交流侧(网侧)的能量也会通过各自光伏逆变器模块中续流二级管经过这个短路点进行释放,从而造成非故障模块中功率半导体开关器件的损坏。即,一个逆变器模块的直流侧短路会对所有逆变器模块中的续流二极管造成损伤,从而使故障的影响进一步扩大化,导致整体逆变器系统瘫痪,造成严重的运行事故和较大的经济损失。

图1是以往单路MPPT光伏逆变器的发生直流侧短路时的简略电路图。以并联三个光伏逆变器模块为例进行说明。黑色折线箭头表示发生直流侧短路,图中两组不同虚线和点划线分别示出在一组光伏逆变器模块发生直流侧短路时各组光伏逆变器模块的交流电流形成的短路回路,箭头表示短路电流的流动方向。即,在一组光伏逆变器模块发生短路故障时,在没有任何短路保护的情况下,故障很容易扩展到其他非故障模块。



技术实现要素:

基于上述光伏逆变器系统中存在的风险和保护需求,本发明提出以下技术方案。

本发明的一个方面涉及一种单路MPPT并网用的光伏逆变器系统的短路保护方法,用于多个并联的光伏逆变器通过各自的直流母排连接到光伏组件的逆变器系统,在各所述光伏逆变器中,防逆二极管模块分别串联到各所述光伏逆变器的开关模块的正极连接端与所述直流母排的正极输出端之间、以及各所述光伏逆变器的开关模块的负极连接端与所述直流母排的负极输出端之间,所述短路保护方法包括:基于每个所述光伏逆变器的设计容量、各光伏组件的额定功率以及每路串联的光伏组件的个数计算光伏组件的总路数;基于光伏组件的总路数以及每路光伏组件的短路电流计算出直流侧流过所述防逆二极管模块的最大额定电流;以及基于所述逆变器系统的所述直流母排正负极输出端之间的最大反向电压以及所述最大额定电流进行所述防逆二极管模块的设定,使得所述防逆二极管模块的通态平均电流大于所述最大额定电流,且使得所述防逆二极管模块的反向重复峰值电压大于所述最大反向电压。

根据上述的短路保护方法,所述光伏逆变器还包括用于对所述防逆二极管模块进行散热的散热器,计算出各所述光伏逆变器中的所述防逆二极管模块的总功耗;基于所总功耗、所述防逆二极管模块内部至外壳的热阻参数、外壳至所述散热器的热阻参数以及预定的环境温度计算出所述散热器的热阻以及散热功率。

根据上述的短路保护方法,基于所述防逆二极管模块的伏安特性曲线求出斜率电阻以及门槛电压;计算出流过所述防逆二极管模块的通态电流在一个周期内的平均值以及方均根值;基于所述斜率电阻、门槛电压以及所述通态电流的平均值和方均根值计算出所述防逆二极管模块的总功耗。

根据上述的短路保护方法,所述光伏逆变器还包括用于所述散热器的散热风机,基于所述总功耗以及环境参数计算出散热风机的风量。

本发明的另一方面提供一种单路MPPT并网用的光伏逆变器系统,所述逆变器系统配置在光伏组件与电网之间,并包括多个光伏逆变器,各所述光伏逆变器包括:开关模块,包括正极连接端以及负极连接端;直流母排,多个并联的所述光伏逆变器通过各自的直流母排连接到光伏组件;以及防逆二极管模块,所述防逆二极管模块分别串联到所述开关模块的所述正极连接端与所述直流母排的正极输出端之间、以及所述开关模块的所述负极连接端端与所述直流母排的负极输出端之间,以防止在发生直流侧短路时短路电流流入到未发生故障的所述单路MPPT光伏逆变器。

根据上述的光伏逆变器系统,所述防逆二极管模块的短路电流大于直流侧流过所述防逆二极管模块的最大额定电流,且所述防逆二极管模块的反向额定电压大于所述逆变器系统的所述直流母排正负极输出端之间的最大反向电压。

根据上述的光伏逆变器系统,串联到所述开关模块的所述正极连接端与所述直流母排的正极输出端之间的所述防逆二极管模块的正极端子与所述直流母排的正极输出端连接,所述防逆二极管模块的负极端子与所述开关模块的正极连接端连接,串联到所述开关模块的所述负极连接端与所述直流母排的负极输出端之间的所述防逆二极管模块的正极端子与所述开关模块的负极连接端连接,所述防逆二极管模块的负极端子与所述直流母排的负极输出端连接。

根据上述的光伏逆变器系统,在单个所述光伏逆变器中设置有两个以上所述防逆二极管。

根据上述的光伏逆变器系统,还包括散热器,所述散热器用于对所述防逆二极管模块进行散热。

根据上述的光伏逆变器系统,还包括散热风机,所述散热器通过所述散热风机产生风量来进行散热。

根据本发明,能够有效地通过防逆二极管模块对光伏逆变器模块进行保护。另外,能够有效地防止在光伏逆变器系统中发生直流短路后故障的扩大化。

附图说明

图1是现有单路MPPT并网用的光伏逆变器系统的发生直流侧短路时的简略电路图;

图2是本发明涉及的单路MPPT光伏并网的逆变器系统的发生直流侧短路时的简要电路图;

图3是本发明涉及的光伏逆变器的防逆二极管模块设定的流程图;

图4是对本发明涉及的单路MPPT光伏并网用的光伏逆变器系统的Matlab/Simulink仿真的模型示意图;

图5是故障光伏逆变器模块#1的直流短路电流的示意图;

图6是非故障光伏逆变器模块#2的直流短路电流的示意图;

图7是非故障光伏逆变器模块#3的直流短路电流的示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明的具体实施方式的描述可以更好地理解本发明,其中,相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中,提出了许多具体细节,以便提供对本发明的全面理解。但是,对于本领域技术人员来说很明显的是,本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法,而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中,没有示出公知的结构和技术,以便避免对本发明造成不必要的模糊。

图2是本发明涉及的单路MPPT光伏并网用的逆变器系统的发生直流侧短路时的简要电路图。逆变器系统布置在光伏组件与电网之间。所述逆变器系统包括多组光伏逆变器模块。各光伏逆变器模块包括:开关模块10,所述开关模块10包括正极连接端以及负极连接端;直流母排(图中未示出),多个并联的所述光伏逆变器通过直流母排连接到光伏组件;以及防逆二极管模块20,所述防逆二极管模块20分别串联到所述开关模块10的所述正极连接端与所述直流母排的正极输出端之间、以及所述开关模块10的所述负极连接端与所述直流母排的负极输出端之间,以防止在发生直流侧短路时短路电流流入到未发生故障的光伏逆变器模块。

在以下说明中,以三组逆变器模块并联并通过各自的直流母排连接到光伏组件为例进行了说明。各光伏逆变器模块的开关模块包括第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂,所述第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂分别包括串联连接的上桥臂和下桥臂,所述上桥臂和下桥臂分别包括功率半导体开关器件与续流二极管并联构成的功率半导体开关模块,各所述上桥臂的上端被相互连接,构成正极连接端,各所述下桥臂的下端被相互连接,构成负极连接端。所述逆变器模块还包括连接上述正极连接端和上述负极连接端的支承电容、以及将上桥臂与下桥臂的连接点连接到电网的滤波用的电抗器(未图示)。功率半导体开关器件可以是SCR(可控硅)、GTO(门极自关断晶闸管)、GTR(巨型晶体管)、VMOSFET(垂直MOS场效应晶体管)和IGBT(绝缘栅双极型晶体管)等,下面以功率半导体开关器件选用绝缘栅门极晶体管(Insulated Gate Bipolar Translator,以下简称为IGBT)为例进行说明,将IGBT与续流二极管的并联结构称为IGBT模块。

在图1的单路MPPT光伏并网用的光伏逆变器系统中,折线箭头表示直流侧发生短路,各虚线表示短路电流的流通路径,虚线框中的箭头表示短路电流的流通方向,由于各光伏逆变器模块共用同一个直流电压,所以如果直流侧发生短路,各光伏逆变器模块直流侧都被短路,由于存在从交流侧-续流二极管-直流短路点这一短路回路,所以如果不加任何保护器件的话,光伏逆变器模块会有短路电流从电网侧通过IGBT模块向直流侧短路点汇流,短路类型近似于交流三相短路,根据瞬时线电压的大小,短路电流从交流一相经过上桥臂,再经过直流短路点,再流进下桥臂,返回到线电压的另一相,三个线电压都是从上桥臂出,下桥臂返回,流过直流短路点的总电流为三个线电压“驱动”下的短路电流的集合,因此直流侧短路电流都是从直流侧正极到负极,短路电流具有一致方向性,这个方向正好和并网逆变器系统正常运行时的直流电流的方向相反。功率二极管是具有单向导电性的半导体器件,短路电流具有单向性,且与正常运行的直流电流方向相反,因此在直流侧加装防逆二极管可很好的防止短路电流的扩散,同时又满足正常工作时的电流流通要求。

基于上述分析,图2所示的单路MPPT光伏逆变器还包括用于短路保护的防逆二极管模块20。在图2中,折线箭头表示发生了直流侧短路,虚线表示短路电流的流通路径,箭头表示短路电流的流通方向。所述防逆二极管模块20别串联到上述开关模块10的所述正极连接端与所述直流母排的正极输出端之间、以及所述开关模块10的所述负极连接端与所述直流母排的负极输出端之间。串联到所述开关模块10的所述正极连接端与所述直流母排的正极输出端之间的所述防逆二极管模块20的正极端子与所述直流母排的正极输出端连接,所述防逆二极管模块的负极端子与所述开关模块10的正极连接端连接;串联到所述开关模块10的所述负极连接端与所述直流母排的负极输出端之间的所述防逆二极管模块20的正极端子与所述开关模块的负极连接端连接,所述防逆二极管模块20的负极端子与所述直流母排的负极输出端连接。在该电路中,根据需要也可以多个防逆二极管模块20串联连接来进行保护。

上述防逆二极管模块20的通态平均电流大于通过上述直流母排流过所述防逆二极管模块的最大额定电流,且所述防逆二极管模块的反向重复峰值电压大于所述逆变器系统的所述直流母排正负极输出端之间的最大反向电压。

上述逆变器模块还包括散热器,所述散热器用于对所述防逆二极管模块进行散热,以实现防逆二极管的有效保护。

上述逆变器模块还包括散热风机,所述散热风机使散热器及时、可靠地进行散热。

以上对设有防逆二极管模块的单路MPPT光伏逆变器系统进行了说明。下面对上述说明防逆二极管模块的短路保护方法进行说明。

图3是本发明涉及的光伏逆变器的防逆二极管模块的设定流程图。本发明的实施例提供防逆二极管模块的短路保护方法,具体包含以下步骤:S1,基于每个所述光伏逆变器的设计容量、各光伏组件的额定功率以及每路串联的光伏组件的个数计算光伏组件的总路数;S2,基于光伏组件的总路数以及每路光伏组件的短路电流计算出直流侧流过所述防逆二极管模块的最大额定电流;以及S3,基于所述逆变器系统的所述直流母排正负极输出端之间的最大反向电压以及所述最大额定电流进行所述防逆二极管模块的设定,使得所述防逆二极管模块的直流下的通态平均电流大于所述最大额定电流,且使得所述防逆二极管模块的反向重复峰值电压大于所述最大反向电压。

在单路MPPT光伏逆变器系统中,当进行光伏发电时,光伏逆变器直流侧流过的是来自例如晶硅电池板的光伏组件的单向柔性直流电流,已知每个光伏逆变器单元的设计容量W、可承受的过载系数k、光伏组件的额定功率为w1、每路输入所串联的光伏组件个数为S,则汇流箱输出总路数N为式1所示。

已知每路光伏组件的短路电流为I1,该电流为标定参数,表示能够通过的最大安全电流。则直流侧流出的经过防逆二极管模块的额定电流In为式2所示。

In=I1×N 式2

考虑到平时电流的波动和其他异常情况,设定1.1倍的可靠系数,因此最后流过防逆二极管的最大额定电流IN如下式3所示。

IN=1.1×In 式3

另外,在考虑操作过电压的情况下,已知逆变器模块的直流母排的正负极之间的最大反向电压UDM,该UDM根据工程经验而进行设定。

基于最大额定电流IN和最大反向电压UDM来选择用于短路保护的防逆二极管,使得防逆二极管的直流下的通态平均电流大于上述最大额定电流,且使得所述防逆二极管的反向重复峰值电压大于上述最大反向电压。

下面以具体的例子进行说明。

例如,每个光伏逆变器单元的设计容量W为210kW,可承受的过载系数为1.1。光伏组件以目前市面上的英利260W(即,额定功率260W)组件为例,每路串联的光伏组件个数S为22个。基于上述,汇流箱输出总路数N为:

N=210000*1.1/260/22≈40路

光伏逆变器的输入总路数为40路。根据光伏组件具体参数可知每路串联的光伏组件的短路电流为8.98A。

则直流侧流过防逆二极管的额定电流In=8.98×40=502.88A

考虑到平时电流的波动和其他异常情况,取1.1的可靠系数,因此最后流过直流侧二极管的最大额定电流IN=1.1×502.88A=553.168A。

根据工程经验,在考虑了操作过电压的情况下,逆变器系统的上述直流母排的正负输出端之间的最大反向电压UDM=1500V。

选择xX型号的MDK800二极管模块(共阴极,两只并联),反向重复峰值电压URRM为2600V,通态平均电流为IF=800A,反向重复峰值电压是所述二极管模块能够重复施加的最高峰值电压,通态平均电流是标称其额定电流的参数,设定为在直流侧串联连接两个防逆二极管模块。IF>IN,电流满足要求。另外,二极管模块的反向峰值电压URRM大于最大反向电压UDM,因此电压也满足要求。

可选地,在选择二极管时,反向重复峰值电压URRM优选为二极管所工作的电路中可能承受的最大反向电压UDM的2~3倍,例如在UDM=1500V的情况下,如果反向重复峰值电压是最大反向电压的3倍,则反向重复峰值电压需要达到4500V,而串联连接的两个二极管的能够承受的反向重复峰值电压是2600V×2=5200V,大于4500V,因此此时上述二极管的反向重复峰值电压URRM也满足要求。

对上述参数设定进行仿真验证。图4是对本发明涉及的单路MPPT光伏逆变器系统的Matlab/Simulink仿真的模型示意图。根据并联的光伏逆变器模块在直流侧加装防逆二极管m的工作情况进行仿真模型的建立,模型包括发生直流短路时的故障模块#1、非故障模块#2和#3、串联的防逆二极管模块m,直流短路点用一个带有内阻的短路等效开关。控制短路等效开关就可以模拟一个光伏逆变器模块发生直流侧短路的情况。主要的仿真参数如下:电源/变压器的线电压Up-p=315V、频率F=50Hz、内阻R=8.5mΩ、L=18.6uH;电抗器的R1=1.12mΩ、L1=0.03mH;短路阻抗R2=1mΩ;直流支撑电容:C=3.32mF;防逆二极管内阻R3=1mΩ;短路等效开关将在仿真开始后0.3s接通,也就是直流短路发生在0.3s。

仿真结果如图5、6、7所示,图5是故障光伏逆变器模块#1的直流短路电流的示意图;图6是非故障光伏逆变器模块#2的直流短路电流的示意图;图7是非故障光伏逆变器模块3#的直流短路电流的示意图。#1模块为故障模块(发生短路),#2、#3模块为非故障模块。可以看到,通过在直流侧添加防逆二极管模块,发生故障时,#1模块的直流电流为14kA左右,#2、#3模块的直流侧无短路电流流过。1#模块的短路电流在交流断路器保护动作下被切出主回路,#2、#3模块则正常稳定运行。

在防逆二极管模块选定后,接着要考虑对防逆二极管模块的保护。光伏逆变器系统还包括用于对所述防逆二极管模块进行散热的散热器,从而有效地对防逆二极管模块进行保护。

可选地,计算出一个逆变器模块中的所述防逆二极管模块的总功耗;基于所总功耗、逆变器芯片内部至外壳的热阻参数、外壳至散热器的热阻参数以及最高环境温度计算出散热器的热阻以及散热功率。

可选地,在所述功率二极管模块的总功耗的计算中,基于防逆二极管模块的伏安特性曲线求出斜率电阻以及门槛电压;计算出通态电流在一个周期内的平均值以及方均根值;基于所述斜率电阻、门槛电压以及所述通态电流的平均值和方均根值计算出所述防逆二极管模块的总功耗。

对于光伏逆变器模块的直流母排上流过的电流,通态损耗是其发热的主要原因。在将二极管伏安特性曲线的斜率电阻设为rd、将UTO设为门槛电压、将通态电流在一个周期内的平均值设为IAV、将通态电流在一个周期内的均方根值设为IRMS时,所述防逆二极管模块的通态损耗工程上计算公式如式4所示。

继续以上述选择的防逆二极管模块为例进行说明,则单个二极管模块的功耗为因此两个二极管模块的总功耗为304W×2=608W。根据所选择的二极管模块的产品手册,得到芯片内部至外壳的热阻Rjc=0.019℃/W、外壳至散热器的热阻Rcs=0.04℃/W。设计的最高环境温度设为Ta,则散热器到空气的热阻Rsa满足下式5。

(Rjc+Rcs+Rsa)×250+Ta<125℃ 式5

假设设计的环境温度Ta=55℃,则Rsa<0.221℃/W。因此要选用的散热器在55℃环境温度下,要满足热阻Rsa<0.221℃/W、散热功率Ps>608W。

另外,可选地,在上述对热阻Rsa和散热功率Ps的限定下,基于所述总功耗以及环境参数计算出散热器的散热风机的风量。

继续对上述例子为例来说明。

对环境参数进行设定,假设温度为20℃、大气压为760mmHg、湿度为65%的潮湿空气为标准空气,此时空气的密度为1200g/m3。另外已知空气的定压比热为Cp=0.24(Kcal/Kg℃)、1cal=4.2J、二极管模块允许的温升最大温升△Tc=125℃-55℃=70℃,

另外,CMM、CFM都是指每分钟排除的空气体积,前者单位为立方米/分,后者单位为立方英尺/每分钟,1CMM=35.3CFM。

基于上述,防逆二极管模块1s之内发出的热量与散热器散热的热量、即等式左右两边是相等的,Q为散热风扇的风量,P为二极管模块的发热功率。

0.24×(Q/60*1200)×△Tc=P×1/4.2

Q=(P×60)/(1200×4.2×0.24×△Tc)=1.76×P/△Tc=1.76×608/70=15.3CFM=0.433CMM

因此选择的散热风机的风量不应低于0.433m3/min。基于此来选择散热风机。

上述结合具体的例子对单路MPPT光伏逆变器的防逆二极管的短路保护方法进行了说明。通过上述设定来设定恰当的防逆二极管,实现了在发生短路时对非故障模块的有效保护。同时通过设定设定的散热器和散热风机,能够对工作中的防逆二极管模块进行有效保护。

本发明可以以其他的具体形式实现,而不脱离其精神和本质特征。因此,当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的,本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义,并且,落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。并且,在不同实施例中出现的不同技术特征可以进行组合,以取得有益效果。本领域技术人员在研究附图、说明书及权利要求书的基础上,应能理解并实现所揭示的实施例的其他变化的实施例。

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