CN103107518B - 一种光伏逆变器及其保护装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光伏逆变器及其保护装置，该保护装置包括电压采样模块、判断控制模块和断开模块；所述电压采样模块的第一和第二输入端分别用于与直流电源的正极和负极对应连接，输出端与判断控制模块的输入端连接；所述电压采样模块的第一和第二输入端中的一个还与地连接；所述判断控制模块的输出端与断开模块连接；所述判断控制模块根据电压采样模块的输出信号判断是否出现接地故障，若出现接地故障则控制断开模块工作。本申请提供的光伏逆变器及其保护装置能够有效的识别逆变器各种接地故障以及漏电电流，并采取相关保护措施，使得逆变器与电网和光伏组件断开连接，保证了逆变器和人身安全。

Description

一种光伏逆变器及其保护装置

技术领域

本申请涉及发电领域，尤其涉及一种光伏逆变器极其保护装置。

背景技术

随着太阳能光伏并网发电技术的发展，越来越多的大中型的光伏发电站投入建设使用。太阳光通过高晶硅光伏电池板转化为直流电，通过光伏逆变器并入电网。目前用于生产光伏组件的材料通过技术革新，不断涌现出某些比传统单晶、多晶组件具有更低的成本以及更高效率的新型组件材料，但是由于某些技术问题，需要光伏逆变器功能性接地才能很好解决这些问题。例如：薄膜太阳能电池以及背触式太阳能电池极易产生的极化效应以及TCO侵蚀，导致面板效率降低以及会出现内部导电层损坏而无法修复的情况。

光伏逆变器内部直流正负极其中一极与大地相连能够很好解决以上问题，但是逆变器正极或负极单端接地后，当出现接地一端出现故障时，未接地一端会跟大地搭接会对人身存在安全隐患，同时系统不及时断开易起火。

发明内容

本申请要解决的主要技术问题是，提供一种能够判断是否出现接地故障，并在发生故障后能自动采取保护措施的光伏逆变器及其保护装置。

本申请一方面提供一种保护装置，包括电压采样模块、判断控制模块和断开模块；所述电压采样模块的第一和第二输入端分别用于与直流电源的正极和负极对应连接，输出端与判断控制模块的输入端连接；所述电压采样模块的第一和第二输入端中的一个还与地连接；所述判断控制模块的输出端与断开模块连接；所述判断控制模块根据电压采样模块的输出信号判断是否出现接地故障，若出现接地故障则控制断开模块工作。

进一步，保护装置还包括漏电电流采样模块，所述漏电电流采样模块的输入端用于与直流电源的正极或者负极连接，输出端与判断控制模块的输入端连接。

进一步，保护装置还包括熔断器，所述电压采样模块的第一和第二输入端中的一个通过熔断器与地连接。

进一步，电压采样模块包括：依次连接的高阻隔离电路、差分电路和比较电路，所述高阻隔离电路的两个输入端分别与直流电源的正极和负极连接，差分电路将从高阻隔离电路采样得到的电压处理后送入比较电路，所述比较电路将差分电路的输出电压与阈值电压进行比较，并将比较结果送入判断控制模块。

进一步，高阻隔离电路包括串接在电压采样模块的第一、第二输入端之间的第一电阻R289、第二电阻R284、第一采样电阻R286和第二采样电阻R287，以及串接在所述第一采样电阻R286和第二采样电阻R287的公共点和地之间的第三电阻R1，所述第一电阻R289和第二采样电阻R287的公共点以及第二电阻R284和第一采样电阻R286的公共点分别与差分电路的两个输入端连接。

进一步，比较电路包括并联的第一比较器U210B和第二比较器U210A，所述第一比较器U210B的第一输入脚5和第二比较器U210A的第一输入脚2公共连接点与所述直流电压采样电路的输出端连接，所述第一比较器U210B的第二输入脚6和第二比较器U210A的第二输入脚3通过转换开关可切换地与所述差分电路的输出端连接。

进一步，保护装置还包括用于提供阈值电压的直流电压采样电路，所述直流电压采样电路的两个输入端分别与直流电源的正极和负极连接，输出端与比较电路的输入端连接。

进一步，漏电电流采样模块包括依次连接的电流传感器和电流采样电路，所述电流传感器实时感知所述保护装置的正极输入端到大地或者负极输入端到大地线路上的漏电电流，并输出电压信号，所述电流采样电路对该电压信号进行处理后送入判断控制模块。

进一步，保护装置还包括报警显示模块，所述报警显示模块与判断控制模块的输出端连接。

本申请又一方面提供一种光伏逆变器，包括依次连接的全桥逆变电路和滤波器，其特征在于，还包括上述保护装置，所述保护装置的电压采样模块的第一和第二输入端分别用于与光伏组件的正极和负极对应连接，断开模块包括连接于光伏组件与全桥逆变电路之间的直流断开电路和连接于滤波器与电网之间的交流断开电路。

本申请的有效效果是：本申请提供的保护装置能够有效地识别各种接地故障以及漏电电流，并采取相关保护措施，保证了仪器和人身安全。本申请提供的光伏逆变器同样能够有效地识别各种接地故障以及漏电电流，并采取相关保护措施，将逆变器与直流电源和电网断开连接，保证了逆变器和人身安全。

附图说明

图1是本申请实施例的一种保护装置框图；

图2是本申请实施例的保护装置的高阻隔离电路和差分电路的电路图；

图3是本申请实施例的保护装置的比较电路的电路图；

图4是本申请实施例的保护装置的直流电压采样电路的电路图；

图5是本申请实施例的又一种保护装置框图；

图6是本申请实施例的保护装置的漏电电流采样模块的一部分电路图；

图7是本申请实施例的保护装置的漏电电流采样模块的另一部分电路图；

图8是本申请实施例的一种光伏逆变器框图；

图9是本申请实施例的又一种光伏逆变器框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一

如图1所示，一种保护装置包括电压采样模块1、判断控制模块2和断开模块3；电压采样模块1的第一和第二输入端分别用于与直流电源的正极和负极对应连接，电压采样模块的第一和第二输入端中的一个还与地连接，输出端与判断控制模块2的输入端连接；保护装置的正极输入端或者负极输入端接地；判断控制模块2的输出端与断开模块3连接；其中，电压采样模块1包括：依次连接的高阻隔离电路11、差分电路12、比较电路13，差分电路12将从高阻隔离电路11采样得到的电压处理后送入比较电路13，比较电路13将差分电路12的输出电压与阈值电压进行比较，并将比较结果送入判断控制模块2。判断控制模块2根据电压采样模块1的输出信号判断是否出现接地故障，若出现接地故障则控制断开模块3工作。其他实施例中，保护装置还包括报警显示模块5，判断控制模块2判断出故障后，报警显示模块5报警并显示故障，方便工作人员对故障进行排除。其中，阈值电压是通过直流电压采样电路4获取，直流电压采样电路4的两个输入端分别与直流电源的正极和负极连接，输出端与比较电路13的输入端连接，当然阈值电压还可通过其他电路获取。比较电路13将差分电路12的输出电压与直流电压采样电路4的输出电压进行比较后输出高电平信号或者低电平信号，并将高电平信号或者低电平信号送入判断控制模块2，本实施例中判断控制模块3为数字信号处理器DSP。

如图2所示是高阻隔离电路11和差分电路12的电路图，图3是比较电路13的电路图，图4是直流电压采样电路4的电路图。高阻隔离电路11包括串接在电压采样模块1的第一、第二输入端之间的第一电阻R289、第二电阻R284、第一采样电阻R286和第二采样电阻R287，以及串接在第一采样电阻R286和第二采样电阻R287的公共点和地之间的第三电阻R1，第一电阻R289和第二采样电阻R287的公共点以及第二电阻R284和第一采样电阻R286的公共点分别与差分电路12的两个输入端连接。其中，第三电阻R1可以是一个电阻、可以是多个电阻的串联或并联。高阻隔离电路11既保证了与后面低压地进行有效高阻隔离，又有效保证系统满足绝缘阻抗的要求。差分电路12包括电阻R280、R281、R282、R283以及运放U203，电容C238及C294对采样信号的杂波进行相应的滤除，二极管D210及D211对运放U203两输入端口进行限压保护。比较电路13包括并联的第一比较器U210B和第二比较器U210A，第一比较器U210B的第一输入脚5和第二比较器U210A的第一输入脚2公共连接点与直流电压采样电路21的输出端连接，第一比较器U210B的第二输入脚6和第二比较器U210A的第二输入脚3通过转换开关可切换地与差分电路12的输出端连接，其中转换开关可以是跳线帽或者拨动开关，本实施例中采用跳线帽J300与差分电路12的输出端连接。直流电压采样电路4包括电阻R1460、R1461、R1464、R1465及运放U1408、以及运放周边电阻R1466和R1467、电容C1443和C1444。

下面将详细介绍保护装置是如何对接地故障进行识别的。

如图2所示差分电路12所采得电压有以下几种情况：

第一种情况：出现接地故障时，差分电路12所采电压为第一采样电阻R286和第二采样电阻R287串接的两端电压，即差分电路12输入端采得电压为：

（R287+R286）/(R289+R287+R286+R284)*PV

假定差分电路23的比例系数为B，则差分电路12的采样输出电压为：

V1=PV*[(R286+R287)/(R289+R287+R286+R284)]*B

跳线帽J300有连接1,2脚或者2,3脚两种情况：

当J300连接的是1,2脚时，如图3所示比较电路的第二比较器U210A的第3脚的电压为V11：

V11=(5-V1*B)*[R204/(R247+R204)]— — — — — — — — —（1）

当J300连接的是2,3脚时，如图3所示比较电路的第一比较器U210B的第3脚的电压为V12：

V12=(V1*B)*[R246/(R246+R204)]— — — — — — — — — —（2）

第二种情况：当正极接地时，如图2所示第一电阻R289和第二采样电阻R287被短接，即差分电路输入采得电压为：

R286/(R1+R286+R284)*PV

假定差分电路比例系数为B，则差分电路的采样输出电压为：

V2=PV*[R286/(R1+R286+R284)]*B

跳线帽J300有连接1,2脚或者2,3脚两种情况，但接1,2脚是正确接法：

当J300连接的是1,2脚是正确接法时，如图3所示比较电路的第二比较器U210A的第3脚的电压为V21：

V21=(5-V2*B)*[R204/(R247+R204)]— — — — — — — — —（3）

当J300连接的是2,3脚是错误接法时，如图3所示比较电路的第一比较器U210B的第6脚的电压为V22：

V22=(V2*B)*[R246/(R246+R204)]— — — — — — — — — —（4）

第三种情况：当负极接地时，如图2所示第二电阻R284和第一采样电阻R286被短接，即差分电路输入采得电压为：

R287/(R1+R289+R287)*PV

假定差分电路比例系数为B，则差分电路的采样输出电压为：

V3=PV*[R287/R1+R287+R284)]*B

跳线帽J 300有连接1,2脚或者2,3脚两种情况，但接2,3脚是正确接法：

当J300连接的是1,2脚是错误接法时，如图3比较电路的第二比较器U210A的第3脚的电压为V31：

V31=(5-V3*B)*[R204/(R247+R204)]— — — — — — — — —（5）

当J300连接的是2,3脚是正确接法时，如图3比较电路的第一比较器U210B的第6脚的电压为V32：

V32=(V3*B)*[R246/(R246+R204)]— — — — — — — — — —（6）

差分电路的采样输出电压接J300的2脚并通过在J300使用可选的跳线帽，接到图3的相应比较器的输入端与直流电路电压采样值通过电阻R205、R206分压出来的阀值进行比较，从而判断是否出现接地故障。

假设直流电压采样电路的比例系数为A则，直流电压采样电压值为V=PV*A该电压值送到差分电路分压形成阀值。故比较电路的电压阀值由R205及R206分压得出，所以比较电路的电压阀值为：

Y=PV*A*R206/(R205+R206) （且0<Y<5）— — — — —（7）

此处要求0<Y<5，目的是在J300的跳线帽忘记安装时，能够保证比较电路输出高电平，进而DSP发出警报。如图3，当忘记安装跳线帽J300时，第二比较器U210A的3脚为5V，2脚为Y；同时第一比较器U21B的6脚为0V，5脚为Y，由于设定参数要求0<Y<5，故能够保证比较电路输出高电平，判断控制模块判断出高电平并控制断开模块工作和控制报警显示模块报警并显示故障。

同时为了电路能够识别其他故障状态，只需将各参数相互配合设置，具体各参数关系见下面三种情况：

第一种情况：出现接地故障时，此时无论J300连接的是1,2脚亦或者2,3脚，第一比较器U210B和第二比较器U210A都输出高电平。

当J300连接的是1,2脚时，不接地时的采样电压值为V11，连接到第二比较器U210A第3引脚的输入电压V11比第2引脚电压阀值Y的值要大，所以设置参数时必须满足以下条件：

V11>Y— — — — — — — — — — — —（8）

当J300连接的是2,3脚时，不接地时的采样电压值为V12，连接到第一比较器U210B第6引脚的输入电压V12比第5引脚电压阀值Y的值要小，所以设置参数时必须满足以下条件：

V12<Y— — — — — — — — — — — —（9）

所以只要满足（8）和（9）两式的条件，比较电路会输出高电平，此时三极管Q201导通；此时代表出现接地故障。

第二种情况：当正极接地时，因为设置第一采样电阻R286阻值较小的原因，差分电路输出电压值相对较低，此时J300连接的是1,2脚为正确接法，此时比较器U210A和U210B都输出低电平。

当J300连接的是1,2脚正确接法时，接地时的采样电压值为V21，连接到第二比较器U210A第3引脚的输入电压V21比第2引脚电压阀值Y的值要小，所以设置参数时必须满足以下条件：

V21<Y— — — — — — — — — — —（10）

因J300连接1、2脚，所以第一比较器U210B的6脚通过R246下拉至0V电平，又0<Y<5即，故第一比较器U210B输出低电平。

所以第一比较器U210B和第二比较器U210A都输出低电平，此时三极管Q201不导通；此时代表正极接地完好。

当J300连接的是2,3脚错误接法时，接地时的采样电压值V22，连接到第一比较器U210B第6引脚的输入电压V22比第5引脚电压阀值Y的值要小，所以设置参数时必须满足以下条件：

V22<Y— — — — — — — — — — —（11）

因J300连接2、3脚，所以第二比较器U210A的3脚通过R247上拉至5V电平，又0<Y<5，故第二比较器U210A输出高电平。

所以第一比较器U210B和第二比较器U210A都输出高电平，此时三极管Q201导通；此时代表正极接地出现接地故障。

第三种情况：当负极接地时，因为设置第二采样电阻R287阻值较大的原因，差分电路输出电压值相对较高，此时J300连接的是2,3脚为正确接法，此时比较器U210A和U210B都输出低电平。

当J300连接的是1,2脚错误接法时，接地时的采样电压值为V31，连接到第二比较器U210A第3引脚的输入电压V31比第2引脚电压阀值Y的值要大，所以设置参数时必须满足以下条件：

V31>Y— — — — — — — — — — —（12）

因J 300连接1、2脚，所以第一比较器U210B的6脚通过R246下拉至0V电平，又0<Y<5，故第一比较器U210B输出高电平。

所以U210A及U210B两个比较器都输出高电平，此时三极管Q201导通；此时代表负极接地出现接地故障。

当J300连接的是2,3脚正确接法时，接地时的采样电压值V32，连接到第一比较器U210B第6引脚的输入电压V32比第5引脚电压阀值Y的值要大，所以设置参数时必须满足以下条件：

V32>Y— — — — — — — — — — —（13）

因J300连接2、3脚，所以第二比较器U210A的3脚通过R247上拉至5V电平，又0<Y<5，故第一比较器U210B输出高电平。

因为U210B输出低电平、U210A输出高电平，但因为二极管D12钳位，所以比较器公共点最终电压为低电平，此时三极管Q201不导通；此处代表负极接地完好。

本申请的保护装置通过电压电路采样得到的电压与直流电压采样电路得到的电压阈值进行比较后得到高电平或低电平，并通过相应电路做电平变换，最终将电平信号送入判断控制模块，判断控制模块根据电平信号判断是否出现接地故障，另外还能判断出跳线帽接法是否接错。当出现接地故障后，控制断开模块工作，并控制报警显示模块报警并显示故障，既保护了仪器和人身安全，又能及时提醒工作人员对故障进行处理。

实施例二

如图5所示，一种保护装置，本实施例与实施例一不同的是，该保护装置还包括漏电电流采样模块6和熔断器7，漏电电流采样模块6包括依次连接的电流传感器61和电流采样电路62，电流传感器61实时感知保护装置的正极输入端到大地或者负极输入端到大地线路上的漏电电流，并输出电压信号，电流采样电路对该电压信号进行处理后送入判断控制模块2。判断控制模块2根据电压采样模块1的输出信号判断是否出现接地故障，根据漏电电流采样模块6的输出信号判断漏电电流是否超出预设值，若出现接地故障或者漏电电流超出预设值，则控制断开模块3工作和控制报警显示模块5报警并显示故障。熔断器7串接于保护装置的正极输入端与大地或者负极输入端与大地之间。当未出现接地故障时，但是漏电电流超出预设值，熔断器7可以自行熔断，此时出现接地故障，则判断控制模块会识别故障，并控制断开模块工作，以达到保护仪器和人身安全的目的。如图6和图7所示是漏电电流采样模块6的电路图，电流传感器61通过实时感知熔断器到大地线路上的漏电流，输出电压信号DCI_JD，送至由运放U1505差分电路及运放U1506B电压跟随组成的电流采样电路62进行滤波，倍数缩放等处理后，送至判断控制模块3，本实施例中判断控制模块2为DSP。判断控制模块2根据逆变器直流漏电流的大小判断漏电流是否超出预设值。

实施例三

如图8所示，一种光伏逆变器，包括依次连接的全桥逆变电路8和滤波器9，还包括如实施例一中的保护装置，本实施例中的直流电源为光伏组件，其中断开模块包括连接于光伏组件与全桥逆变电路8之间的直流断开电路31和连接于滤波器9与电网之间的交流断开电路32。当光伏逆变器出现接地故障时，判断控制模块2控制直流断开电路31和交流断开电路32工作，使得逆变器与光伏组件和电网断开，从而保证逆变器以及人身安全。

实施例四

如图9所示，一种光伏逆变器，包括依次连接的全桥逆变电路8和滤波器9，还包括如实施例二中的保护装置，本实施例中的直流电源为光伏组件，其中断开模块包括连接于光伏组件与全桥逆变电路8之间的直流断开电路31和连接于滤波器9与电网之间的交流断开电路32。当光伏逆变器出现接地故障或者漏电电流超出预设值时，判断控制模块2控制直流断开电路31和交流断开电路32工作，使得逆变器与光伏组件和电网断开，当未出现接地故障时，但是漏电电流超出预设值，熔断器7可以自行熔断，此时出现接地故障，则判断控制模块会识别故障，并控制断开模块工作，以达到保护仪器和人身安全的目的。从而保证逆变器以及人身安全。

综上，本申请提供的光伏逆变器及其保护装置通过电压采样电路采样得到的电压与直流电压采样电路得到的电压阈值进行比较后得到高电平或低电平，并通过相应电路做电平变换，最终将电平信号送入判断控制模块，以及通过漏电电流采样模块将采集到的漏电流送入判断控制模块，判断控制模块根据电平信号或者判断漏电电流是否超出预设值，来判断是否出现接地故障，若出现故障则控制逆变器断开模块工作，使的逆变器与电网和光伏组件断开连接，控制报警显示模块报警并显示故障，从而保证逆变器和人身安全。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (8)

1.一种保护装置，其特征在于，包括电压采样模块、判断控制模块和断开模块；所述电压采样模块的第一和第二输入端分别用于与直流电源的正极和负极对应连接，输出端与判断控制模块的输入端连接；所述电压采样模块的第一和第二输入端中的一个输入端还与地连接；所述判断控制模块的输出端与断开模块连接；所述判断控制模块根据电压采样模块的输出信号判断是否出现接地故障，若出现接地故障则控制断开模块工作；

所述电压采样模块包括：依次连接的高阻隔离电路、差分电路和比较电路，所述高阻隔离电路的两个输入端分别与直流电源的正极和负极连接，差分电路将从高阻隔离电路采样得到的电压处理后送入比较电路，所述比较电路将差分电路的输出电压与阈值电压进行比较，并将比较结果送入判断控制模块；

所述比较电路包括并联的第一比较器(U210B)和第二比较器(U210A)，所述第一比较器(U210B)的第一输入脚(5)和第二比较器(U210A)的第一输入脚(2)公共连接点与所述直流电压采样电路的输出端连接，所述第一比较器(U210B)的第二输入脚(6)和第二比较器(U210A)的第二输入脚(3)通过转换开关可切换地与所述差分电路的输出端连接。

2.如权利要求1所述的保护装置，其特征在于，还包括漏电电流采样模块，所述漏电电流采样模块的输入端用于与直流电源的正极或者负极连接，输出端与判断控制模块的输入端连接。

3.如权利要求1所述的保护装置，其特征在于，还包括熔断器，所述电压采样模块的第一和第二输入端中的一个输入端通过熔断器与地连接。

4.如权利要求1所述的保护装置，其特征在于，所述高阻隔离电路包括串接在电压采样模块的第一、第二输入端之间的第一电阻(R289)、第二电阻(R284)、第一采样电阻(R286)和第二采样电阻(R287)，以及串接在所述第一采样电阻(R286)和第二采样电阻(R287)的公共点和地之间的第三电阻(R1)，所述第一电阻(R289)和第二采样电阻(R287)的公共点以及第二电阻(R284)和第一采样电阻(R286)的公共点分别与差分电路的两个输入端连接。

5.如权利要求1所述的保护装置，其特征在于，还包括用于提供阈值电压的直流电压采样电路，所述直流电压采样电路的两个输入端分别与直流电源的正极和负极连接，输出端与比较电路的输入端连接。

6.如权利要求2所述的保护装置，其特征在于，所述漏电电流采样模块包括依次连接的电流传感器和电流采样电路，所述电流传感器实时感知所述保护装置的正极输入端到大地线路或者负极输入端到大地线路上的漏电电流，并输出电压信号，所述电流采样电路对该电压信号进行处理后送入判断控制模块。

7.如权利要求1所述的保护装置，其特征在于，还包括报警显示模块，所述报警显示模块与判断控制模块的输出端连接。

8.一种光伏逆变器，包括依次连接的全桥逆变电路和滤波器，其特征在于，还包括如权利要求1-7任意一项所述的保护装置，所述保护装置的电压采样模块的第一和第二输入端分别用于与光伏组件的正极和负极对应连接，断开模块包括连接于光伏组件与全桥逆变电路之间的直流断开电路和连接于滤波器与电网之间的交流断开电路。