CN104682757B - 光伏逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种光伏逆变器，包括连接在光伏组件两端的升压电路和逆变电路，光伏逆变器还包括绝缘强度检测电路，绝缘强度检测电路包括：电源和电容，电源为电容充电，电容的一端与电源的输出端相连，另一端接地；开关器件和电流检测装置，开关器件和电流检测装置依次串联在电源的输出端与光伏组件的第一极之间，其中，第一极为光伏组件的正极或负极；控制器，分别与电源、开关器件以及电流检测装置相连。本发明实施例中，通过电源得到高电压，然后以充放电的形式测得光伏逆变器的负级与地在高压情况下的绝缘阻抗强度，避免未检测出光伏逆变器在高压情况下绝缘强度差而导致的光伏逆变器的损坏的现象。

Description

光伏逆变器

技术领域

本发明涉及电路领域，更为具体地，涉及一种光伏逆变器。

背景技术

在光伏(PV，photovoltaic)组件非接地的光伏逆变器发电系统中，为了保证安全，对于逆变器连接的光伏组件与地线(或称PE，即Protecting Earth)之间的阻抗有一定的要求，当阻抗不满足时，逆变器不能并网，否则会损坏逆变器。

传统的检测绝缘阻抗的方式大多采用电桥平衡电路，如图1所示。图1中含有已知电阻R0，开关1，并采样PE与PV-的电压以及PV的电压。通过开关的0和1两个状态，来获得两个方程，从而可以求出R+与R-的值。其中R+为PV+对PE的阻抗，R-为PV-对PE的阻抗。

传统的绝缘检测电路由PV组件供电，但PV组件能够提供的电压较低。而有些绝缘强度减弱后在低压情况时，并没有表现出阻抗异常。当光伏系统的直流电压越高，越容易击穿绝缘脆弱区域，形成短路放电，从而造成绝缘失效。如果此绝缘失效发生在逆变器并网过程中，对于非隔离型逆变器，可能会造成逆变器损坏。

因此，如何检测所述光伏逆变器在高压情况下的绝缘强度是亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种光伏逆变器，以检测光伏逆变器的一极在高压情况下的绝缘强度。

第一方面，提供一种光伏逆变器，包括连接在所述光伏组件两端的升压电路和逆变电路，所述光伏逆变器还包括绝缘强度检测电路，所述绝缘强度检测电路包括：电源和电容，所述电源为所述电容充电，所述电容的一端与所述电源的输出端相连，另一端接地；开关器件和电流检测装置，所述开关器件和所述电流检测装置依次串联在所述电源的输出端与所述光伏组件的第一极之间，其中，所述第一极为所述光伏组件的正极或负极；控制器，分别与所述电源、所述开关器件以及所述电流检测装置相连，在所述光伏组件上电后，所述控制器控制所述电源为所述电容充电；在所述电容两端的电压达到预设电压后，控制所述开关器件闭合，导通所述绝缘强度检测电路，使所述电容在所述光伏组件的第一极与地之间形成放电电流；所述控制器还用于接收所述电流检测装置检测到的所述放电电流，并根据所述放电电流确定所述光伏组件的第一极与地之间的绝缘强度，其中，所述预设电压高于所述光伏组件两端的电压。

结合第一方面，在第一方面的一种实现方式中，所述光伏组件的第一极为所述光伏组件的负极，所述控制器还与所述升压电路相连，所述控制器还用于：在控制所述开关器件闭合前，控制所述升压电路中的连接在所述光伏组件两端的开关闭合，使所述光伏组件的正极和负极通过所述升压电路中的电感短接。

结合第一方面或其上述实现方式的任一种，在第一方面的另一种实现方式中，所述开关器件包括相互串联的继电器和开关管，所述控制器分别与所述继电器和所述开关管相连，所述控制器控制所述开关器件闭合，具体包括：所述控制器先控制所述继电器闭合，再控制所述开关管闭合。

结合第一方面或其上述实现方式的任一种，在第一方面的另一种实现方式中，所述电流检测装置为用于检测漏电流的霍尔元件，所述控制器为数字信号处理器，所述电流检测装置和所述控制器之间还串联有模数转换器，所述控制器通过以下方式获得所述放电电流：所述霍尔元件检测所述放电电流，通过所述模数转换器将所述放电电流转换成数字信号，并将转换后的数字信号发送至所述控制器。

结合第一方面或其上述实现方式的任一种，在第一方面的另一种实现方式中，所述电源包括隔离变压器，所述隔离变压器的原边由所述光伏组件供电，所述隔离变压器的副边与所述电容的两端相连。

结合第一方面或其上述实现方式的任一种，在第一方面的另一种实现方式中，所述隔离变压器的原边通过以下位置取电：所述光伏逆变器的母线，所述光伏组件的两端，或者所述逆变电路的输出端。

结合第一方面或其上述实现方式的任一种，在第一方面的另一种实现方式中，所述预设电压大于或等于所述光伏逆变器并网后所述光伏组件的第一极与地之间承受的最高电压。

本发明实施例中，通过电源得到高电压，然后以充放电的形式测得光伏逆变器的一级与地在高压情况下的绝缘阻抗强度，避免未检测出光伏逆变器在高压情况下绝缘强度差而导致的光伏逆变器的损坏的现象。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中的绝缘检测电路的示意图。

图2是光伏逆变器的示意性框图。

图3是包含本发明实施例的光伏逆变器的电路的示意性框图。

图4是隔离电源内部结构的示意图。

图5是包含本发明实施例的光伏逆变器的电路的示意性框图。

图6是本发明实施例的控制器的控制逻辑的示意性流程图。

图7是包含本发明实施例的光伏逆变器的电路的示意性框图。

图8是包含本发明实施例的光伏逆变器的电路的示意性框图。

图9是包含本发明实施例的光伏逆变器的电路的示意性框图。

图10是本发明实施例的开关器件的示例图。

图11是包含本发明实施例的光伏逆变器的电路的示意性框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

为了便于描述，先对光伏逆变器的应用场景进行简单介绍。光伏逆变器应用于光伏并网发电器系统中，光伏并网发电系统如图2所示，通过并网逆变器将光伏电池板产生的直流电转换成可以并网的交流电。交流电的形式可以是单相电，也可以是三相电，根据具体的功率来定。其中逆变器通常由前级的升压电路(DC/DC)与后级的逆变电路(DC/AC)组成。光伏组件对PE存在一定的绝缘阻抗，其中，Rpv+是PV+与PE之间的阻抗，Rpv-是PV-与PE之间的阻抗。下面结合图3，详细描述本发明实施例的光伏逆变器的具体结构。

图3是本发明实施例的光伏逆变器的电路的示意性框图。图3中的光伏逆变器10包括：连接在光伏组件两端的升压电路11(也可成为Boost升压电路，或Boost电路)和逆变电路12，光伏逆变器10还包括绝缘强度检测电路13，

绝缘强度检测电路13包括：

电源131和电容C1，电源为电容充电，电容的一端与电源的输出端相连，另一端接地；

开关器件132和电流检测装置133，开关器件132和电流检测装置133依次串联在电源131的输出端与光伏组件的第一极之间，其中，第一极为光伏组件的正极或负极；

控制器134，分别与电源131、开关器件132以及电流检测装置133相连，在光伏组件上电后，控制器134控制电源131为电容C1充电；在电容C1两端的电压达到预设电压后，控制器134控制开关器件132闭合，导通绝缘强度检测电路13，使电容C1在光伏组件的第一极与地之间形成放电电流；控制器134还用于接收电流检测装置133检测到的放电电流，并根据放电电流确定光伏组件的第一极与地之间的绝缘强度。

现有技术中的光伏逆变器的绝缘检测方式仅能检测光伏逆变器在低压情况下的绝缘强度，光伏逆变器并网后，在高压情况下可能会存在击穿的情况，损坏光伏逆变器，本发明实施例中，通过电源得到高电压，然后以充放电的形式测得光伏逆变器的一级与地在高压情况下的绝缘阻抗强度，避免未检测出光伏逆变器在高压情况下绝缘强度差而导致的光伏逆变器的损坏的现象。

应理解，电容器C1两端还可连接用于放电的电阻R1。

需要说明的是，上述电源131与电容C1可以组成隔离电源，该隔离电源的作用可以有两点：一是升压，将取电处的电压提高到预先设置的电压值；二是隔离，因为电源131的输出端，即副边电源的“地”与PE是接在一起的，而原边的“控制地”与PV-是在一起的，这两个“地”是不连在一起的，需要基本绝缘。这里的隔离电源常见的实现方案就是开关电源，原边使用开关管斩波，再通过隔离变压器将能量传导副边。常见的拓扑有正激，反激，Push-Pull，半桥，全桥等拓扑形式，由于针对拓扑形式不限，具体的电路结构可以参见图4。

需要说明的是，控制器134可以沿用光伏逆变器中的控制器，例如光伏逆变器中的数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processor)，也可以是新加的控制器，例如其他有控制功能的集成电路(IC，Integrated Circuit)芯片。以控制器134沿用光伏逆变器中原有的DSP为例，为了实现光伏逆变器的绝缘强度检测的功能，可以在该DSP基础上增加电源131和开关器件132等器件的端口。

还需要说明的是，控制器134获知电容C1两端电压达到预设电压的方式有多种，例如，可以预先设定好经过多长时间，控制器134默认电容C1两端电压达到预设电压。当然，还可以采用其他软件或硬件的方式获知电容C1两端电压是否达到预设电压，例如，控制器134可以是DSP，电容C1两端电压通过ADC采样送给控制器134，控制器134可以计算出电容C1两端的电压。或者，控制器134包括模拟IC，该模拟IC专门用于控制隔离电源(包括电容C1和电源131)，通过硬件电路，将输出电压送到模拟IC的电压环反馈引脚，实现稳压控制。

还需要说明的是，当控制器134控制开关器件132闭合之后，电容C1、电流检测装置133、电阻Rpv和地PE组成的回路导通。此时，通过读取电流检测装置133中的电流，即可计算出电阻Rpv(应理解，图中的Rpv是一个示意性的等效电阻)的阻值，该阻值的大小即可表示逆变器到PE的绝缘强度。

还需要说明的是，开关器件132可以包括一个开关，也可以包括多个开关。当开关器件132为多个开关时，控制器14可以分别控制多个开关的断开与闭合。

如上文所述，电容C1两端的电压达到预设电压后，控制器134控制开关器件132闭合，导通绝缘强度检测电路13。这里的预设电压可以根据逆变器并网后会承受的最高电压而定，例如，将该预设电压设定为大于等于逆变器并网后会承受的最高电压。在电容器C1达到该预设电压时，如果逆变器的绝缘强度仍满足要求，可以推定该逆变器并网后不会与地发生击穿现象。

可选地，作为一个实施例，光伏组件的第一极为光伏组件的负极，控制器134还可与升压电路11相连，控制器134还用于在控制开关器件132闭合前，控制升压电路11中的连接在光伏组件两端的开关闭合，使光伏组件的正极和负极通过升压电路11中的电感短接。

应理解，现有技术中，需要分别计算PV+和PV-与地之间的绝缘阻抗R+和R-，然后基于R+和R-计算出光伏逆变器对地的总阻抗Rpv，本发明实施例中，通过将光伏组件的正极和负极通过电感短接，最终测得的放电电流就是光伏逆变器对地的总阻抗Rpv对应的放电电流，从而直接利用电容C1两端电压计算出总阻抗Rpv，无需分开检测R+和R-，这种绝缘阻抗检测方式更加简单。

可选地，作为一个实施例，电流检测装置133为用于检测漏电流的霍尔元件，控制器134为数字信号处理器，电流检测装置133和控制器134之间还串联有模数转换器，控制器134通过以下方式获得放电电流：霍尔元件检测放电电流，通过模数转换器将放电电流转换成数字信号，并将转换后的数字信号发送至控制器。

可选地，作为一个实施例，开关器件132可包括相互串联的继电器和开关管，控制器134分别与继电器和开关管相连，上述控制器134控制开关器件闭合，具体可包括：控制器134先控制继电器闭合，再控制开关管闭合。

应理解，本发明实施例的开关管可以是但不限于金属氧化物半导体(Metal OxideSemiconductor，MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、集成门极换流晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristors，IGCT)或可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier，SCR)等功率器件或上述不同功率器件的任意组合形式。

本发明实施例中，控制器134控制继电器闭合时，由于开关管还未闭合，电路中不会有电流流过继电器，实现了继电器的零电流切换，增加了继电器的寿命。

下面结合具体例子，更加详细地描述本发明实施例。应注意，图5至图11的例子仅仅是为了帮助本领域技术人员理解本发明实施例，而非要将本发明实施例限于所例示的具体数值或具体场景。本领域技术人员根据所给出的图5至图11的例子，显然可以进行各种等价的修改或变化，这样的修改或变化也落入本发明实施例的范围内。

图5是本发明实施例的光伏逆变器的电路的示例图。在图5的实施例中，电源131采用的是隔离电源，该隔离电源从光伏逆变器的BUS上取电，开关器件132采用的是继电器RLY1与开关管Q1串联的形式。控制器14是DSP，可以沿用原光伏逆变器中的DSP，并在该DSP基础上扩展与ADC采用端口，控制继电器RLY1的端口，以及控制开关管Q1导的端口，例如，可以是通用输入/输出(GPIO，General Purpose Input Output)口。此外，DSP控制升压电路中的开关管Q2，使得光伏组件的两端短接。电容C1两端连接了用于电容C1放电的电阻R1。电流检测装置133是检测漏电电流的霍尔器件，该霍尔器件通过ADC与DSP相连。

具体而言，绝缘强度检测电路13包含防逆流的二极管D1、隔离电压源、输出高压电容C1及其放电电阻R1、半导体开关管Q1及其驱动器(图5中的驱动器2)、继电器RLY1及其驱动器(图5中的驱动器1)和漏电流检测HALL。其中DSP可以复用原系统的DSP，可以由原DSP提供脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulation)端口，两个GPIO端口，一个ADC采样端口。开关管Q2的驱动沿用之前的端口即可。该电路可以采用如下工作方式：在逆变器并网前，DSP发出PWM控制隔离电源，使得隔离电源的输出产生一个高压，能量储存在高压电容C1上。当C1上的电压满足要求后，DSP在给开关管Q2发一个高电平驱动，使电池板PV+与PV-通过电感与开关管Q2形成短路。然后在给继电器RLY1发高电平，吸合继电器RLY1，最后给出开关管Q1发驱动，使得开关管Q1导通。从而将高压电容C1上的电压施加在电池板PV+/-与大地PE之间。此高压通过Q1、RLY1，漏电流检测HALL器件以及组件与大地之间绝缘阻抗进行泄放。此泄放电流通过漏电流检测HALL之后，产生的漏电流通过ADC电路后产生采样信号送给DSP的ADC端口。DSP侦测到采样信号后，通过软件处理判断，来识别系统的绝缘强度是否满足要求。

下面结合图6，举例说明图5中的DSP的控制逻辑。绝缘强度检测流程如图6左侧的流程图所示。在逆变器PV侧上电后即可进行绝缘强度检测，当检测到漏电流大小后，将其与预设值进行比较。如果漏电流超过预设值，可以发出告警信号；如果漏电流没有超过预设值，则不会告警，此时可以将此漏电流的数值记录到DSP中，以便后续处理。最后将隔离电源的PWM封波，继电器RLY1与开关管Q1，开关管Q2都封波，至此绝缘强度检测功能结束。当绝缘强度检测结束之后，绝缘强度检测电路与PV侧完全断开，既不会消耗PV侧的能量，也不会减小系统的绝缘阻抗。

此外，继电器RLY1与开关管Q1的开通与关断时序逻辑如图6右侧所示。为减小继电器RLY1触点因冲击电流而造成损伤，与之串联有半导体开关管Q1。在吸合时，先吸合继电器RLY1，实现零电流吸合，延迟一段时间后，再吸合开关管Q1。当断开时，先断开开关管Q1，延迟一段时间后再断开继电器RLY1。这样就可以实现RLY的零电流切换，增加了继电器的寿命。

此外，本发明实施例检测得到的漏电流值可以通过通讯系统，上传给监控系统。由监控系统中的监控软件通过数据分析，智能控制逆变器绝缘强度检测的频率。

需要说明的是，本发明实施例的光伏逆变器不但可以用于单相并网系统，也可以应用于三相并网系统。具体如图7所示。

此外，本发明实施例中的隔离电源不但可以从BUS取电，也可以从PV侧取电，或者AC侧取电，图8是从PV侧取电的示例图，图9是从AC侧取电的示例图。

此外，开关管Q1和继电器RLY1为串联位置，但两者的位置可以相互调换。例如，开关管Q1和继电器RLY1可以是图10所示的两种位置关系。

本发明实施例中的升压电路也可称为Boost电路，本发明实施例不但适用于单Boost电路的结构，也适用于多Boost电路并联的结构，具体参见图11。实际中，可以分别测试每个Boost电路下的绝缘强度，例如，通过DSP来分别控制Boost电路中的开关管导通，以分别测试各Boost电路下的绝缘强度。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种光伏逆变器，包括连接在光伏组件两端的升压电路和逆变电路，

其特征在于，

所述光伏逆变器还包括绝缘强度检测电路，

所述绝缘强度检测电路包括：

电源和电容，所述电源为所述电容充电，所述电容的一端与所述电源的输出端相连，另一端接地；

开关器件和电流检测装置，所述开关器件和所述电流检测装置依次串联在所述电源的输出端与所述光伏组件的第一极之间，其中，所述第一极为所述光伏组件的正极或负极；

控制器，分别与所述电源、所述开关器件以及所述电流检测装置相连，在所述光伏组件上电后，所述控制器控制所述电源为所述电容充电；在所述电容两端的电压达到预设电压后，控制所述开关器件闭合，导通所述绝缘强度检测电路，使所述电容在所述光伏组件的第一极与地之间形成放电电流；所述控制器还用于接收所述电流检测装置检测到的所述放电电流，并根据所述放电电流确定所述光伏组件的第一极与地之间的绝缘强度，其中，所述预设电压高于所述光伏组件两端的电压；

所述控制器还与所述升压电路相连，所述控制器还用于：在控制所述开关器件闭合前，控制所述升压电路中的连接在所述光伏组件两端的开关闭合，使所述光伏组件的正极和负极通过所述升压电路中的电感短接。

2.如权利要求1所述的光伏逆变器，其特征在于，所述开关器件包括相互串联的继电器和开关管，所述控制器分别与所述继电器和所述开关管相连，

所述控制器控制所述开关器件闭合，具体包括：

所述控制器先控制所述继电器闭合，再控制所述开关管闭合。

3.如权利要求1所述的光伏逆变器，其特征在于，所述电流检测装置为用于检测漏电流的霍尔元件，所述控制器为数字信号处理器，所述电流检测装置和所述控制器之间还串联有模数转换器，所述控制器通过以下方式获得所述放电电流：所述霍尔元件检测所述放电电流，通过所述模数转换器将所述放电电流转换成数字信号，并将转换后的数字信号发送至所述控制器。

4.如权利要求1-3中任一项所述的光伏逆变器，其特征在于，所述电源包括隔离变压器，所述隔离变压器的原边由所述光伏组件供电，所述隔离变压器的副边与所述电容的两端相连。

5.如权利要求4所述的光伏逆变器，其特征在于，所述隔离变压器的原边通过以下位置取电：

所述光伏逆变器的母线，所述光伏组件的两端，或者所述逆变电路的输出端。

6.如权利要求1-3中任一项所述的光伏逆变器，其特征在于，所述预设电压大于或等于所述光伏逆变器并网后所述光伏组件的第一极与地之间承受的最高电压。

7.如权利要求2所述的光伏逆变器，其特征在于，所述开关管为金属氧化层半导体场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT和可控硅整流器SCR之一或任意组合。