CN104967344B - 降压并网光伏逆变器及其启机方法 - Google Patents

降压并网光伏逆变器及其启机方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种降压并网光伏逆变器及其启机方法。该降压并网光伏逆变器包括直流断路器、稳压电容、三相逆变桥、滤波器、交流断路器以及降压装置。直流断路器包括设置于第三导线上的第三开关，降压装置包括预充电电阻和非线性电阻，该预充电电阻的一端与该稳压电容的正极电连接，该预充电电阻的另一端通过第一导线与该第三导线电连接，该非线性电阻的一端通过第二导线与该第三导线电连接，该非线性电阻的另一端接地，以及在该第一导线上设有第一开关和在该第二导线上设有第二开关。通过本发明的降压并网光伏逆变器可以提高光伏逆变器的并网容量。

Description

降压并网光伏逆变器及其启机方法
技术领域
本发明涉及太阳能发电领域，具体涉及一种降压并网光伏逆变器及其启机方法。
背景技术
太阳能具有安全、清洁和资源普遍性等优点，能够成为替代化石能源主要的可再生能源。太阳能光伏发电在其开发研究、市场开拓以及产业化制造技术早已作为全球各国激烈竞争的焦点。
图1是先有技术的光伏逆变器。如图1所示，目前的光伏逆变器是采用三相逆变桥。为了限制光伏逆变器第一次启动产生的冲击电流时，首先闭合熔断器F1，通过预充电电阻R对稳压电容充电，待电容充电完成后，最后闭合直流断路器。
然而，由于预充电过程时，稳压电容最大耐压是光伏阵列的开路电压，也就是说光伏逆变器的功率器件的耐压必须大于光伏阵列的开路电压。因此，我们在设计光伏阵列的组串时，所串的光伏组件的开路电压不应大于逆变器功率器件的耐压。
因此，随着光伏产业的规模化发展，现有的小容量的并网光伏逆变器已经成为制约光伏电站向智能化、模块化发展的瓶颈。
发明内容
本发明的目的是提供一种降压并网光伏逆变器，以提高光伏逆变器的并网容量。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种降压并网光伏逆变器，所述降压并网光伏逆变器包括直流断路器、稳压电容、三相逆变桥、滤波器、交流断路器以及降压装置，其中，所述直流断路器包括第三开关(S1)，该第三开关(S1)设置于第三导线(L0)上，所述降压装置包括预充电电阻(R1)和非线性电阻(R2)，所述预充电电阻(R1)的一端与所述稳压电容的正极电连接，所述预充电电阻(R1)的另一端通过第一导线(L1)与所述第三导线(L0)电连接，所述非线性电阻(R2)的一端通过第二导线(L2)与所述第三导线(L0)电连接，所述非线性电阻(R2)的另一端接地，以及在所述第一导线(L1)上设有第一开关(QB1)和在所述第二导线(L2)上设有第二开关(QB2)。
较佳地，所述降压装置还包括CPU模块、第一继电器和第二继电器，其中，所述第一继电器与所述第一开关电连接，所述第二继电器与所述第二开关电连接，以及所述CPU模块分别与所述第一继电器和所述第二继电器电连接。
较佳地，所述非线性电阻为可调电阻。
较佳地，所述降压装置还包括电源，所述电源与所述第一继电器、所述第二继电器以及所述CPU模块电连接从而为所述第一继电器、所述第二继电器以及所述CPU模块提供电能。
较佳地，所述预充电电阻为线性电阻。
根据本发明的另一方面，还提供了一种降压并网光伏逆变器的启机方法，所述降压并网光伏逆变器包括直流断路器、稳压电容、三相逆变桥、滤波器、交流断路器以及降压装置，其中，所述直流断路器包括第三开关(S1)，该第三开关(S1)设置于第三导线(L0)上，所述降压装置包括预充电电阻(R1)和非线性电阻(R2)，所述预充电电阻(R1)的一端与所述稳压电容的正极电连接，所述预充电电阻(R1)的另一端通过第一导线(L1)与所述第三导线(L0)电连接，所述非线性电阻的一端通过第二导线(L2)与所述第三导线(L0)电连接，所述非线性电阻的另一端接地，以及在所述第一导线(L1)上设有第一开关(QB1)和在所述第二导线(L2)上设有第二开关(QB2)，其中，所述方法包括以下步骤：
步骤一、闭合第二开关(QB2)；
步骤二、当所述第三开关(S1)上游电压降低到电压U1时，闭合第一开关(QB1)；
步骤三、当所述稳压电容充电完成后，闭合所述直流断路器的所述第三开关(S1)及其他所有开关；
步骤四、当所述降压并网光伏逆变器满足启动条件后，启动所述降压并网光伏逆变器；
步骤五、当所述降压并网光伏逆变器稳定运行时间t后，断开第二开关(QB2)，完成整个降压并网光伏逆变器的启机过程。
较佳地，所述降压并网光伏逆变器的启动条件为同时满足以下条件：直流输入开关需闭合；直流预充电完成；直流输入电压高于Un10s后；直流输出断路器需处于合闸准备就绪；以及当前处于所在经纬度日出日落时间内。
较佳地，所述降压装置还包括CPU模块、第一继电器和第二继电器，其中，所述第一继电器与所述第一开关电连接，所述第二继电器与所述第二开关电连接，所述CPU模块分别与所述第一继电器和所述第二继电器电连接，其中，通过所述CPU模块向所述第二继电器发送指令来执行所述步骤一，以及通过所述CPU模块向所述第一继电器发送指令来执行所述步骤二。
较佳地，所述非线性电阻为可调电阻，以及在所述步骤二中，通过调节所述非线性电阻来控制所述电压U1的大小。
较佳地，所述时间t为所述光伏逆变器的输出功率从0增加到最大输出功率所需的时间。
较佳地，所述电压U1满足以下关系：Un≤U1<UC，其中Un为光伏逆变器的最大工作电压，UC为接入所述光伏逆变器的光伏组件的开路电压。
本发明的降压并网光伏逆变器可以提高光伏逆变器的并网容量，同时还可以解决在极度寒冷条件下光伏组件开路电压过高导致光伏逆变器不能自启的问题。
附图说明
图1是现有技术的光伏逆变器的连接示意图；
图2是本发明的降压并网光伏逆变器的连接示意图；以及
图3是本发明的降压并网光伏逆变器的CPU模块的控制示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
术语说明
光伏逆变器：通过电力电子器件(MOSFET、IGBT等)连接电阻电容，以脉冲宽度调制的方式控制器件的通断，把汇流箱传输来的直流电转变成交流电，同时完成光伏组件的最大功率点跟踪(MPPT)，保证智能控制及反孤岛效应等。
预充电电阻：在逆变器的直流母线电容器在充电前两端电压为零，在设备充电的瞬间相当于短路，会产生很大的冲击电流，很容易造成逆变器的功率器件损坏。因此需要在预充电过程中在充电回路串联一电阻，以起到限制电流的作用。这电阻就称为预充电电阻。
稳压电容：电压源正负端并联一电容，用于斩波、逆变等电路时，具有很好的滤波作用；当电压变化时，由于电容储能的作用，两端的电压不能突变，就保证了电压的平稳。
上游电压：直流断路器进线处端口电压。
根据本发明的一方面，提供了一种降压并网光伏逆变器100。图1是本发明的降压并网光伏逆变器100的连接示意图。如图1所示，降压并网光伏逆变器100包括直流断路器10、稳压电容20、三相逆变桥30、滤波器40、交流断路器60以及降压装置。
其中，直流断路器10、稳压电容20、三相逆变桥30、滤波器40以及交流断路器60依次电连接，直流断路器10用于连接光伏组件，交流断路器用于连接电网。降压装置包括CPU模块51、第一继电器52、电源53、预充电电阻R1、非线性电阻R2、第一导线L1、第二导线L2、第一开关QB1以及第二开关QB2。其中，第一继电器52和第二继电器54均为二开二闭独立接点。
直流断路器10包括多个开关，其中第三开关S1设置于第三导线L0上，预充电电阻R1的一端通过第一导线L1连接于稳压电容20的正极，预充电电阻R1的另一端通过第一导线L1连接于第三导线L0上，非线性电阻R2的一端通过第二导线L2连接于第三导线L0上，非线性电阻R2的另一端接地，在第一导线L1上设有第一开关QB1和在第二导线L2上设有第二开关QB2。其中，直流断路器10的第三开关S1与其他所有开关先并联后再通过第三导线L0与稳压电容20串联。
在本实施例中，非线性电阻R2为可调电阻，通过调节非线性电阻R2可以控制第三开关S1的上游电压的大小，以及预充电电阻R1为线性电阻，通过预充电电阻R1可以防止稳压电容被击穿，
电源53与第一继电器52、第二继电器54以及CPU模块51电连接，从而为第一继电器52、第二继电器54以及CPU模块51提供电能。CPU模块51与第一继电器52和第二继电器54电连接从而分别向第一继电器52和第二继电器54发送指令，第一继电器52和第二继电器54接收来自CPU模块51的指令并控制第一开关QB1和第二开关QB2的开闭。
图2是CPU模块的示意图。如图2所述，CPU模块能够发出信号101、102、103、104、105以及107，其中信号101控制第一开关QB1合闸；信号102控制第一开关QB1分闸；信号103控制第二开关QB2合闸；信号104控制第二开关QB2分闸；信号105控制第一开关QB1合分状态；信号106控制第二开关QB2合分状态；信号107控制第三开关S1状态。
需要开启时，按以下过程进行。
(1)按下手动预充电按钮(图未示)，CPU模块发出信号103令第二继电器54动作，从而第二继电器54控制第二开关QB2闭合，其中，通过调节非线性电阻R2可以控制电压U1的大小；
(2)当第三开关S1上游电压降低到电压U1时，CPU模块发出101信号令第一继电器52动作，从而控制第一开关QB1闭合，预充电电阻R1上流经电流，稳压电容20预充电。
(3)当稳压电容20预充电完成后，闭合直流断路器10的第三开关S1和其他所有开关；
(4)当光伏逆变器满足启动条件后，启动光伏逆变器；
(5)待所述降压并网光伏逆变器稳定运行时间t后，CPU模块发出104信号令第二继电器54动作，从而断开开关第二开关QB2，从而完成整个光伏逆变器的启机过程。
在本发明中，时间t为光伏逆变器的输出功率从0增加到最大输出功率所需的时间。
电压U1满足以下关系：Un≤U1<UC，其中Un为光伏逆变器的最大工作电压，UC为接入所述光伏逆变器的光伏组件的开路电压。
根据本发明的另一方面，还提供了一种降压并网光伏逆变器的启机方法，降压并网光伏逆变器包括直流断路器、稳压电容、三相逆变桥、滤波器、交流断路器以及降压装置，其中，所述直流断路器包括第三开关S1，该第三开关S1设置于第三导线L0上，所述降压装置包括预充电电阻R1和非线性电阻R2，所述预充电电阻R1的一端与所述稳压电容的正极电连接，所述预充电电阻R1的另一端通过第一导线L1与所述第三导线L0电连接，所述非线性电阻的一端通过第二导线L2与所述第三导线L0电连接，所述非线性电阻的另一端接地，以及在所述第一导线L1上设有第一开关QB1和在所述第二导线L2上设有第二开关QB2，其中，所述方法包括以下步骤：
步骤一、闭合第二开关QB2；
步骤二、当第三开关S1上游电压降低到电压U1时，闭合第一开关QB1；
步骤三、当稳压电容20充电完成后，闭合直流断路器10的第三开关S1及其他所有开关；
步骤四、当光伏逆变器满足启动条件后，启动光伏逆变器；
步骤五、当降压并网光伏逆变器稳定运行时间t后，断开第二开关QB2，完成整个光伏逆变器的启机过程。
下面以某一额定输出750MW的光伏逆变器为例说明本发明的优越性。
光伏逆变器的输入、输出性能参数分别见表1和表2。所接入光伏组件的参数见表3。
表1光伏逆变器输入参数
最大直流输入功率(kW) MPPT电压范围(VDC) 最大输入直流电流(A)
825 450～820 1600
表2光伏逆变器输出参数
额定输出功率(kW) 最大输出功率(kW) 额定工作电压(V) 额定输出频率(Hz)
750 810 315 50
表3光伏组件的性能参数
额定功率(kW) 开路电压(V) 工作电压(V)
310 45.45 37.00
如果采用传统的光伏逆变器串接光伏组件，那么光伏组件每串接入的块数Nmax应该满足以下公式：
45.45Nmax≤820 (1)
公式(1)的解为；
Nmax＝18 (2)
如果采用本发明的光伏逆变器串接光伏组件，由开路电压45.45V降至为工作电压37.00V，那么光伏组件每串接入的块数Nmax应该满足公式(3)
37.00Nmax≤820 (3)
公式(3)的解为：
Nmax＝22 (4)
那么光伏逆变器的额定功率可以提高为
由式(5)可以看出，本发明的光伏逆变器并网容量明显得到改善。相比于传统的光伏逆变器，并网容量提高了22.2℅。
因此，通过本发明的降压并网光伏组件，可以提高光伏逆变器的并网容量。此外，本发明还可以解决在极度寒冷条件下光伏组件开路电压过高导致光伏逆变器不能自启的问题。
以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种降压并网光伏逆变器，其特征在于，所述降压并网光伏逆变器包括直流断路器、稳压电容、三相逆变桥、滤波器、交流断路器以及降压装置，其中，所述直流断路器包括第三开关(S1)，该第三开关(S1)设置于第三导线(L0)上，所述降压装置包括预充电电阻(R1)和非线性电阻(R2)，所述预充电电阻(R1)的一端与所述稳压电容的正极电连接，所述预充电电阻(R1)的另一端通过第一导线(L1)与所述第三导线(L0)电连接，所述非线性电阻(R2)的一端通过第二导线(L2)与所述第三导线(L0)电连接，所述非线性电阻(R2)的另一端接地，以及在所述第一导线(L1)上设有第一开关(QB1)和在所述第二导线(L2)上设有第二开关(QB2)，启动时，闭合第二开关(QB2)；当第三开关(S1)的上游电压降低到电压(U1)时，闭合第一开关(QB1)；当所述稳压电容充电完成后，闭合第三开关(S1)；当光伏逆变器满足启动条件后，启动光伏逆变器；以及当光伏逆变器稳定运行时间(t)后，断开第二开关(QB2)，完成启动过程。
2.根据权利要求1所述的降压并网光伏逆变器，其特征在于，所述降压装置还包括CPU模块、第一继电器和第二继电器，其中，所述第一继电器与所述第一开关电连接，所述第二继电器与所述第二开关电连接，以及所述CPU模块分别与所述第一继电器和所述第二继电器电连接。
3.根据权利要求1所述的降压并网光伏逆变器，其特征在于，所述非线性电阻为可调电阻。
4.根据权利要求2所述的降压并网光伏逆变器，其特征在于，所述降压装置还包括电源，所述电源与所述第一继电器、所述第二继电器以及所述CPU模块电连接从而为所述第一继电器、所述第二继电器以及所述CPU模块提供电能。
5.根据权利要求1所述的降压并网光伏逆变器，其特征在于，所述预充电电阻为线性电阻。
6.一种降压并网光伏逆变器的启机方法，其特征在于，所述降压并网光伏逆变器包括直流断路器、稳压电容、三相逆变桥、滤波器、交流断路器以及降压装置，其中，所述直流断路器包括第三开关(S1)，该第三开关(S1)设置于第三导线(L0)上，所述降压装置包括预充电电阻(R1)和非线性电阻(R2)，所述预充电电阻(R1)的一端与所述稳压电容的正极电连接，所述预充电电阻(R1)的另一端通过第一导线(L1)与所述第三导线(L0)电连接，所述非线性电阻的一端通过第二导线(L2)与所述第三导线(L0)电连接，所述非线性电阻的另一端接地，以及在所述第一导线(L1)上设有第一开关(QB1)和在所述第二导线(L2)上设有第二开关(QB2)，其中，所述方法包括以下步骤：
步骤一、闭合第二开关(QB2)；
步骤二、当所述第三开关(S1)上游电压降低到电压U1时，闭合第一开关(QB1)；
步骤三、当所述稳压电容充电完成后，闭合所述直流断路器的所述第三开关(S1)及其他所有开关；
步骤四、当所述降压并网光伏逆变器满足启动条件后，启动所述降压并网光伏逆变器；
步骤五、当所述降压并网光伏逆变器稳定运行时间t后，断开第二开关(QB2)，完成整个降压并网光伏逆变器的启机过程。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述降压装置还包括CPU模块、第一继电器和第二继电器，其中，所述第一继电器与所述第一开关电连接，所述第二继电器与所述第二开关电连接，所述CPU模块分别与所述第一继电器和所述第二继电器电连接，其中，通过所述CPU模块向所述第二继电器发送指令来执行所述步骤一，以及通过所述CPU模块向所述第一继电器发送指令来执行所述步骤二。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述非线性电阻为可调电阻，以及在所述步骤二中，通过调节所述非线性电阻来控制所述电压U1的大小。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述时间t为所述降压并网光伏逆变器的输出功率从0增加到最大输出功率所需的时间。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电压U1满足以下关系：Un≤U1<UC，其中Un为所述降压并网光伏逆变器的最大工作电压，UC为接入所述降压并网光伏逆变器的光伏组件的开路电压。
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