一种多电平光伏并网逆变器的操作过电压保护装置及方法

摘要

一种多电平光伏并网逆变器的操作过电压保护装置及方法，该装置包括直流输入单元、多电平逆变单元、控制单元、电压检测单元和电流检测单元；直流输入单元的输出端与多电平逆变单元的直流输入端相连接，多电平逆变单元的交流输出端通过网侧开关K与电网相连接但不仅限于与电网相连接，电压检测单元的输入端与电网侧相连接，电压检测单元的输出端与控制单元的输入端相连接，电流检测单元的输入端与多电平逆变单元的交流输出端相连接，电流检测单元的输出端与控制单元的另一输入端相连接，控制单元的输出端与多电平逆变单元中开关管的驱动端相连接；本发明还公开了该装置的控制方法；可有效的将逆变单元输出电压减小到阈值范围以内，及时保护交流输出侧电子负载的安全；且系统损耗小。

说明书

技术领域

本发明涉及光伏供电技术领域，本发明涉及一种操作过电压保护方法，尤其是涉及一种应用于多电平光伏并网逆变器的操作过电压保护装置及方法。

背景技术

光伏并网逆变器的交流输出端通过公共连接点直接与电网相连接，同时端口上可能连接其他负载设备，与电网连接后端口电压被电网钳位，端口电压幅值由电网电压大小决定。当电网发生孤岛时，网侧开关断开，逆变器与电网断开，网侧公共连接点的电压不再受到电网钳位，同时逆变器在检测到发生孤岛停止并网前，仍然会继续向电网提供无功功率，导致逆变器交流侧公共连接点的电压上升。为了防止逆变器交流输出端的电子负载受到较高电压的冲击，逆变器交流输出端的瞬态电压不应超过《NB/T 32004-2013光伏发电并网逆变器技术规范》中所要求的限值。

对于三相并网逆变器，针对并网中存在的以上问题，现有技术根据三相电网电压建立正交的dq旋转坐标系，通过计算三相并网逆变器的逆变电压d轴分量或者电网电压的有效值来判断逆变器的交流输出端是否发生了操作过电压。当判断出发生操作过电压时往往电网侧的电压已经升高，此时即使停止并网，逆变器交流输出端的安规电容Cx(一般是X电容)两端的电压已经较高，此时一般通过逆变器中的内部电阻进行放电。显然安规电容Cx的容值越小放电越快，但是会影响逆变器的电磁兼容(EMC)特性；逆变器内部电阻的阻值越小放电越快，但是会给逆变器带来额外的损耗，增加逆变器的成本。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种应用于多电平光伏并网逆变器的操作过电压保护装置及方法，该装置主要是通过检测单元检测电网电压，通过检测电网电压是否发生孤岛，通过控制单元控制逆变器从并网工作状态切换至操作过电压保护的工作状态，直到逆变器的交流输出电压下降到给定电压，整个操作过电压保护过程才结束，逆变器处于待机状态，等待重新并网；该装置及保护方法采用简单的电路结构，并结合控制方法，在电网发生孤岛时，先将逆变器与电网断开快速断开，然后将逆变器交流输出电压降低至标准所要求的范围之内，有效的保护了逆变器交流侧所连接的电子设备。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多电平光伏并网逆变器的操作过电压保护装置，该装置包括直流输入单元、多电平逆变单元、控制单元、电压检测单元和电流检测单元；所述直流输入单元的输出端与多电平逆变单元的直流输入端相连接，所述多电平逆变单元的交流输出端通过网侧开关K与电网相连接但不仅限于与电网相连接，所述电压检测单元的输入端与电网侧相连接，用于检测电网电压，所述电压检测单元的输出端与控制单元的输入端相连接，所述电流检测单元的输入端与多电平逆变单元的交流输出端相连接，所述电流检测单元的输出端与控制单元的另一输入端相连接，所述控制单元的输出端与多电平逆变单元中开关管的驱动端相连接，用于控制多电平逆变单元开关管的工作状态。

所述多电平逆变单元为单相或三相；多电平逆变单元由直流母线模块、逆变桥臂、交流滤波模块依次串联连接组成，所述直流母线模块是n-1个母线电容串联构成，n为电平数；所述多电平逆变桥臂包括“零”电平开关组、“正”电平开关组和“负”电平开关组，所述“零”电平开关组串联连接在母线电容中点与“正”电平开关组和“负”电平开关组之间，所述交流滤波模块由 滤波电感L和滤波电容C_inv组成，所述滤波电感L的一端与逆变桥臂的输出相连接，另一端为多电平逆变单元的正输出端，所述滤波电容C_inv的一端与多电平逆变单元的正输出端相连接，滤波电容C_inv的另一端与母线电容中点相连接作为多电平逆变单元的负输出端。

所述操作过电压保护装置的控制方法：

步骤1：电压检测单元实时检测电网电压，并将检测到的电压送给控制单元进行数据处理；

步骤2：控制单元对送来的电压数据进行处理，当检测到电网电压有效值V_ave小于系统给定的阈值V_G时，控制单元控制多电平逆变单元继续处于并网工作状态；当检测到电网电压有效值V_ave大于系统给定的阈值V_G时，控制单元发出控制信号，使多电平逆变单元所有开关管断开，同时多电平逆变单元从并网状态立即切换至操作过电压保护状态，等待控制单元重新发出控制信号；

步骤3：进行操作过电压保护状态，即控制单元重新给零电平开关组发出控制信号，使零电平开关组导通工作，多电平逆变单元内部形成电流回路，使多电平逆变单元交流输出端电压回馈到逆变单元直流输入端的直流母线模块上；

步骤4：当多电平逆变单元交流输出端电压值V大于对应的安全电压值V_safe(所述安全电压值V_safe是逆变器在进行操作过电压时所要求的安全值)，则继续执行步骤3进行操作过电压保护；当多电平逆变单元交流输出端电压V小于安全电压值V_safe，控制单元将发出控制信号，使零电平开关组关断，操作过电压保护状态停止，网侧开关K断开，多电平逆变单元处于待机状态，操作过电压保护过程结束。

和现有技术相比，本发明具备如下优点：

1.本发明装置当逆变单元输出电压超出阈值时，系统可有效的将逆变单元输出电压减小到阈值范围以内，及时保护交流输出侧电子负载的安全。

2.该保护装置及方法是将交流输出超出的电能回馈至直流母线，而不是通过系统内部的电阻进行消耗，所以系统损耗小。

附图说明

图1操作过电压保护装置框图。

图2多电平逆变单元电路框图。

图3操作过电压保护方法控制流程图。

图4为单相T型三电平逆变器。

图5为单相T型三电平逆变器发生操作过电压后的四个工作模态，其中图5(a)为[0,D×Ts]时段滤波电容转移至滤波电感L中的电路工作状态，图5(b)为[D×Ts,Ts]时段滤波电感的能量馈送给直流母线模块的电路工作状态，图5(c)为[0,D×Ts]时段滤波电容的能量转移至滤波电感L中的电路工作状态。。。。，图5(d)为[D×Ts,Ts]时段滤波电感的能量馈送给直流母线模块的电路工作状态。

图6为三相T型三电平逆变器。

图7为单相I型三电平逆变器。

图8为单相I型三电平逆变器发生操作过电压后的四个工作模态,其中图8(a)为[0,D×Ts]时段滤波电容转移至滤波电感L中的电路工作状态，图8(b)为[D×Ts,Ts]时段滤波电感的能量馈送给直流母线模块的电路工作状态，图8(c)为[0,D×Ts]时段滤波电容的能量转移至滤波电感L中的电路工作状态，图8(d) 为[D×Ts,Ts]时段滤波电感的能量馈送给直流母线模块的电路工作状态。

图9为三相I型三电平逆变器。

图10为三相I型五电平逆变器。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

图1为操作过电压保护装置框图，如图所示，一种应用于多电平光伏并网逆变器的操作过电压保护装置及方法，该装置包括直流输入单元、多电平逆变单元、控制单元、电压检测单元和电流检测单元。所述直流输入单元的输出端与多电平逆变单元的直流输入端相连接，所述多电平逆变单元的交流输出端通过网侧开关K与电网相连，同时逆变单元的交流输出端还可接有其它电子负载，所述电压检测单元的输入端与电网侧相连接，用于检测电网电压，所述电压检测单元的输出端与控制单元的输入端相连接，所述电流检测单元的输入端与多电平逆变单元的交流输出端相连接，所述电流检测单元的输出端与控制单元的另一输入端相连接，所述控制单元的输出端与多电平逆变单元中开关管的驱动端相连接，用于控制多电平逆变单元开关管的工作状态。

图2为多电平逆变单元电路框图，如图所示，所述多电平逆变单元是单相或三相。多电平逆变单元由直流母线模块、逆变桥臂、交流滤波模块依次串联连接组成。所述直流母线模块是(n-1)个母线电容串联构成，n为电平数；所述多电平逆变桥臂包括“零”电平开关组，“正”电平开关组和“负”电平开关组，所述“零”电平开关组串联连接在母线电容中点与“正”电平开关组和“负”电平开关组之间，所述交流滤波模块由滤波电感L和滤波电容C组成，所述滤波电感L的一端与多电平逆变桥臂的输出相连接，另外一端为 逆变单元的正输出端，所述滤波电容C_inv的一端与多电平逆变单元的输出端相连接，滤波电容C_inv的另一端与母线电容中点相连接为多电平逆变单元的负输出端。

图3为操作过电压保护方法软件控制流程图，所述操作过电压保护装置的控制方法：

步骤1：电压检测单元实时检测电网电压V，并将检测到的电压送给控制单元进行数据处理；

步骤2：控制单元对送来的电压数据进行处理，当检测到电网电压有效值V_ave小于系统给定的阈值V_G时，控制单元控制多电平逆变单元继续处于并网工作状态；当检测到电网电压有效值大于系统给定的阈值V_G时，控制单元发出控制信号，使多电平逆变单元所有开关管断开，同时多电平逆变单元从并网状态立即切换至操作过电压保护状态，等待控制单元重新发出控制信号；

步骤3：进行操作过电压保护状态，即控制单元重新给零电平开关组发出控制信号，使零电平开关组导通工作，多电平逆变单元内部形成电流回路，使多电平逆变单元交流输出端电压回馈到逆变单元直流输入端的直流母线模块上。

步骤4：当多电平逆变单元交流输出端电压值V大于安全电压值V_safe(所述安全电压值V_safe是逆变器在进行操作过电压时所要求的安全值)，则继续执行步骤3进行操作过电压保护；当多电平逆变单元交流输出端电压V小于安全电压值V_safe，控制单元将发出控制信号，使零电平开关组关断，操作过电压保护状态停止，网侧开关K断开，多电平逆变单元处于待机状态，操作过电压保护过程结束。

图4为单相T型三电平逆变器，如图所示，直流母线电容由第一电容C1 和第二电容C2串联连接，零电平开关连接在第一电容C1和第二电容C2的中点与逆变桥臂的中点之间，零电平开关由第一零电平开关管S2与第二零电平开关管S3串联连接，所述第一零电平开关管S2的集电极与第一电容C1和第二电容C2的中点相连接，所述第二零电平开关管S3的集电极与逆变桥臂的中点相连接，所述第一零电平开关管S2的射极与第二零电平开关管S3射极相连接。所述正电平开关S1的集电极与第一电容C1的正极相连接，正电平开关S1的射极与负电平开关S4的集电极相连接，负电平开关S4的射极与第二电容C2的负极相连接。电感L的一端与逆变桥臂的中点相连接，所述电感L的另一端与滤波电容C_inv的一端相连接，所述滤波电容C_inv的另一端与第一电容C1和第二电容C2的中点相连接。

图5为单相T型三电平逆变器发生操作过电压后的四个工作模态，如图所示，“零”电平开关管包括第一零电平开关管S2与第二零电平开关管S3。当数字控制器检测到发生了操作过电压后，数字控制器向“零”电平开关管发送占空比D(0<D<1)的驱动信号，开关周期为Ts，同时禁止其余开关管的工作。此时当“零”电平开关管开通或者关断时，逆变器共有四个工作模态：

模态1：等效电路如图5(a)所示，此时滤波电容C_inv两端电压大于零，在开关周期的[0,D×Ts]时段，“零”电平开关中的第一零电平开关管S2与第二零电平开关管S3导通，其他功率开关管关断。滤波电容C_inv的能量转移至滤波电感L中；

模态2：等效电路如图5(b)所示，此时滤波电容C_inv两端电压大于零，在开关周期的[D×Ts,Ts]时段，所有开关管关断。滤波电感L电流通过正电平开关管S₁的体二极管续流，滤波电感的能量馈送给直流母线模块；

模态3：等效电路如图5(c)所示，此时滤波电容C_inv两端电压小于零，在开关周期的[0,D×Ts]时段，“零”电平开关中的第一零电平开关管S2与第二零电平开关管S3导通，其他功率开关管关断。滤波电容C_inv的能量转移至滤波电感L中；

模态4：等效电路如图5(d)所示，此时滤波电容C_inv两端电压小于零，在开关周期的[D×Ts,Ts]时段，所有开关管关断。滤波电感电流通过负电平开关管S₄的体二极管续流，滤波电感L的能量馈送给直流母线模块；

图6为三相T型三电平逆变器。如图所示，直流母线电容由第一电容C1和第二电容C2串联连接，a相的零电平开关组连接在第一电容C1和第二电容C2的中点与逆变桥臂的中点之间，零电平开关分别由第一零电平开关管S2a与第二零电平开关管S3a串联连接，所述第一零电平开关管S2a的集电极与第一电容C1和第二电容C2的中点相连接，所述第二零电平开关管S3a的集电极与逆变桥臂的中点相连接，所述第一零电平开关管S2a的射极与第二零电平开关管S3a射极相连接。所述正电平开关S1a的集电极与第一电容C1的正极相连接，正电平开关S1a的射极与负电平开关S4a的集电极相连接，所述负电平开关S4a的射极与第二电容C2a的负极相连接。所述a相的输出端接交流滤波模块。所述b相和c相的电路与a相相同，此处不再赘述。同时该电路的操作过电压保护工作模态与单相T型三电平逆变器相同。

图7为单相I型三电平逆变器。如图所示，单相I型三电平电路是由四个带有反并联二极管的开关管串联连接，并且正电平开关管S₁的漏极与第一电容C1的正极相连，正电平开关管S₁的源极与第一零电平开关管S₂的漏极串>2的源极与第二零电平开关管S₃的漏极串联连接，第二零电平开关管S₃的源极与负电平开关管S₄的漏极串联连接，负电平开关管S₄的源极与第二电容C2的负极相连接。所述电源的正负及之间串联有第一电容C1和第二电容C2，所述正电平开关管S₁与第一零电平开关管S₂串联点与第一电容C1和第二电容C2的串联点N之间连接有零电平第一二极管D₁，零电平第一二极管D₁的阳极与N点相连接，零电平第一二极管D₁的阴极与正电平开关管S₁与零电平第一开关管S₂的串联点相连接。所述零电平第二开关管S₃与负电平开关管S₄串联点与第一电容C1和第二电容C2的串联点N之间连接有零电平第二二极管D₂，零电平第二二极管D₂的阴极与N点相连接，零电平第二二极管D₂的阳极与零电平第二开关管S₃与负电平开关管S₄的串联点相连接，所述零电平第一开关管S₂与零电平第二开关管S₃的串联点连接一滤波电感L，所述滤波电感L的另一端与第一电容C1和第二电容C2中点N之间连接一滤波电容C_inv，滤波电容C_inv两端并联有一负载电阻R。

图8为单相I型三电平逆变器发生操作过电压后的四个工作模态，如图所示，“零”电平开关管包括功率开关管零电平第一开关S₂和零电平第二开关S₃。当数字控制器检测到发生了操作过电压后，数字控制器向“零”电平开关管发送占空比D(0<D<1)的驱动信号，开关周期为Ts，同时禁止其余开关管的工作。此时当“零”电平开关管开通或者关断时，逆变器共有四个工作模态：

模态1：等效电路如图8(a)所示，此时滤波电容C_inv两端电压大于零，在开关周期的[0,D×Ts]时段，“零”电平开关中的第一零电平开关管S2与第二零电平开关管S₃导通，其他功率开关管关断。滤波电容C_inv的能量转移至滤波电感L中；

模态2：等效电路如图8(b)所示，此时滤波电容C_inv两端电压大于零，在开关周期的[D×Ts,Ts]时段，所有开关管关断。滤波电感L电流通过开正电平关管S₁的体二极管和零电平开关管S₂的体二极管续流，滤波电感L的能量馈送给直流母线模块；

模态3：等效电路如图8(c)所示，此时滤波电容C_inv两端电压小于零，在开关周期的[0,D×Ts]时段，“零”电平开关中的第一零电平开关管S₂与第二零电平开关管S3导通，其他功率开关管关断。滤波电容Cin的能量转移至滤波电感L中；

模态4：等效电路如图8(d)所示，此时滤波电容C_inv两端电压小于零，在开关周期的[D×Ts,Ts]时段，所有开关管关断。滤波电容C_inv两端电压小于零，逆变电感电流通过第二零电平开关管S_3的体二极管和负电平开关管S₄的体二极管续流，滤波电感L的能量馈送给直流母线；

图9为三相I型三电平逆变器。如图所示，该电路是由三个单相I型三电平电路组合的。工作模态与实施例单相I型三电平逆变器相近，此处不再赘述。

图10为三相I型五电平逆变器，如图所示，该电路是由三个单相I型五电平电路组合的，工作模态与实施例单相I型三电平逆变器相近，此处不再赘述。

通过上述各实施例可以看出，本方案适用的多电平逆变电路可以有多种变型，当发生操作过电压时，只要控制“零”电平开关管的开通和关断，其余功率开关管保持关断，就可以满足操作过电压的保护时间要求。本方案在不增加额外硬件开销的前提下，通过简单的控制方法能够满足操作过电压保护的需要。

上述实施例只说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技 术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。