CN104993684A - 软启动光伏逆变器及光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软启动光伏逆变器和一种光伏发电系统。软启动光伏逆变器包括直流断路器、稳压电容、三相逆变桥、滤波器以及晶闸管，该直流断路器、稳压电容、三相逆变桥以及滤波器依次电连接，该晶闸管的输入端与该滤波器的输出端电连接。该晶闸管设置成通过控制该晶闸管的导通角，使得该软启动光伏逆变器的输出电压从零值逐渐增加，直到该晶闸管全部导通之后，该软启动光伏逆变器的输出电压达到最大值。光伏发电系统包括光伏组件、汇流箱、箱式变电站、升压站以及软启动光伏逆变器。本发明的软启动光伏逆变器可以降低启动电流，减小光伏逆变器启动时对电网的冲击，提高设备集成化程度。

Description

软启动光伏逆变器及光伏发电系统

技术领域

本发明涉及太阳能领域，具体涉及一种软启动光伏逆变器及一种光伏发电系统。

背景技术

光伏发电系统是由光伏阵列、汇流箱、光伏逆变器、箱式变电站和升压站五部分组成。传统的光伏逆变器是用交流断路器把逆变器的滤波器侧直接接到额定电压的电网中(直接启动)。图1为现有的光伏逆变器的拓扑结构图。交流断路器利用线圈中通过电流时，电磁铁内产生磁通，铁心由于受到电场力的作用，实现主电路合闸和分闸。

光伏逆变器直接启动的缺陷具体表现在：由于光伏逆变器启动时会产生较大的冲击电流，对供电的网侧电压产生较大的电压闪变，同时由于启动应力较大，对电气设备产生冲击，使逆变器的使用寿命降低，威胁现场调试人员的人身安全。大型光伏电站通常要求电气设备使用寿命达到25年，这造成断路器使用频繁，断路器通断至少达到18000多次，在使用过程中容易出现螺丝松动、触头磨损等机械故障造成光伏逆变器停运，使光伏逆变器故障率增加，尤其在设备寿命后期更为严重，影响光伏电站的发电量。因此，采用断路器启动的光伏逆变器存在着启动电流大、对电气设备冲击明显和故障率高等缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种软启动光伏逆变器，以解决光伏逆变器启动电流大，对电气设备冲击明显和故障率高的问题。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种软启动光伏逆变器，包括直流断路器、稳压电容、三相逆变桥以及滤波器，所述直流断路器、 稳压电容、三相逆变桥以及滤波器依次电连接，所述软启动光伏逆变器还包括晶闸管，所述晶闸管的输入端与所述滤波器的输出端电连接；以及所述晶闸管设置成通过控制所述晶闸管的导通角，使得所述软启动光伏逆变器的输出电压从零值逐渐增加，直到所述晶闸管全部导通之后，所述软启动光伏逆变器的输出电压达到最大值。

较佳地，还包括交流主接触器，所述交流主接触器设置成当所述晶闸管全部导通后，所述交流主接触器闭合，以及所述晶闸管设置成当所述交流主接触器闭合后所述晶闸管断开。

较佳地，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统包括软启动模块和CPU模块，所述软启动模块和所述CPU模块电连接，以及所述软启动模块包括多个继电器，所述多个继电器设置成从所述CPU接收指令并根据该指令控制所述晶闸管和所述交流主接触器的导通和断开。

较佳地，其特征在于，所述多个继电器包括第一继电器、第二继电器和第三继电器，所述控制系统设置成：

当所述晶闸管的输入端的交流电压与所述晶闸管的输出端将接入的电网电压同频、同相时，所述CPU发送指令给所述第一继电器，所述第一继电器控制所述晶闸管开启，所述晶闸管的输出电压逐渐增加，直到所述晶闸管全部导通；以及

当所述软启动光伏逆变器在额定电压运行后，所述CPU分别给所述第二继电器和所述第三继电器发送指令，使得所述第二继电器控制所述晶闸管断开，所述第三继电器控制所述交流主接触器闭合，从而完成所述软启动光伏逆变器的启动过程。

较佳地，在所述直流断路器和所述稳压电容之间还设置有直流EMC滤波器，所述直流EMC滤波器的输入端与所述直流断路器电连接，所述直流EMC滤波器的输出端与所述稳压电容电连接。

较佳地，在所述滤波器和所述晶闸管之间还设置有交流EMC滤波器，所述交流EMC滤波器的输入端与所述滤波器的输出端电连接，所述交流EMC滤波器的输出端与所述晶闸管的输入端电连接。

较佳地，所述软启动光伏逆变器还包括二次电源线，所述控制系统经由所 述二次电源线供电。

较佳地，所述交流主接触器与所述晶闸管并联。

较佳地，所述晶闸管为三相反并联晶闸管。

根据本发明的另一方面，还提供了一种光伏发电系统，所述光伏发电系统包括光伏组件、汇流箱、箱式变电站以及升压站，还包括上述的软启动光伏逆变器。

本发明的光伏逆变器可以降低启动电流，减小光伏逆变器启动时对电网的冲击，提高设备集成化程度，节省设备资本，保证系统工作的稳定性和可靠性，从而提高了供电质量和设备使用寿命。同时与传统光伏逆变器相比，省掉断路器，与箱式变电站配合使用，满足保护的选择特性，节省了设备的占用空间，实现了设备的集成化发展。

附图说明

图1是现有的光伏逆变器的拓扑结构图；

图2是本发明的软启动光伏逆变器的拓扑结构图；

图3是本发明的软启动光伏逆变器的CPU模块控制示意图；

图4是本发明的软启动光伏逆变器的软启动模块控制示意图；

图5是本发明的光伏系统连接示意图；以及

图6是本发明的软启动光伏逆变器的晶闸管的调压电路中对应的相电压图。

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

断路器：所设计的分合装置，能够关合、通断和承载正常状态的电流；并且能在非正常运行状态下，也能够进行关合、分断以及一定时间内的导通与通断。

光伏逆变器：光伏逆变器是通过电力电子器件(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。

晶闸管：晶闸管是由PNPN四层半导体构成的元件，有阳极A、阴极K和控制级G三个电极，它能在电路中实现交流电的无触点控制，以小电流控制大电流，而且动作快、寿命长、可靠性好。

图2为本发明的软启动光伏逆变器的电路图。如图2所示，本发明的软启动光伏逆变器包括直流断路器10、直流EMC滤波器20、稳压电容30、三相逆变桥40、滤波器50、交流EMC滤波器60、交流主接触器70、晶闸管80以及控制系统90。其中，直流断路器10、直流EMC滤波器20、稳压电容30、三相逆变桥40、滤波器50和交流EMC滤波器60依次经由导线电连接，其中，交流EMC滤波器60的输出端与交流主接触器70的输出端和晶闸管80的输出端电连接，从而交流主接触器70和晶闸管80并联。

控制系统90包括CPU模块91和软启动模块92，软启动模块92与CPU模块91通过端子连接。端子分别对应控制系统实现的软启动状态或动作的功能，表1为端子功能表。

表1

端子	功能
		001	晶闸管合分闸状态
002	晶闸管合闸
		003	晶闸管分闸
004	主接触器合分闸状态
		005	主接触器合闸
006	主接触器分闸
		007	主接触器报警

图3为CPU模块控制示意图，图4为软启动模块控制示意图，如图3～4所示，软启动模块92包括第一继电器J1、继电器J2、继电器J3、继电器J4以及多条回路A1、A2、A3、B1、B2、B3、B4，交流主接触器70和晶闸管90的分合闸动作通过控制各继电器来完成。

图5为本发明的光伏系统连接示意图。如图5所示，光伏系统包括光 伏阵列201、汇流箱202、软启动光伏逆变器100、箱式变电站203以及升压站204，其中，光伏阵列201、汇流箱202、软启动光伏逆变器100、箱式变电站203以及升压站204依次电连接。 

太阳能经过光伏阵列201转换为直流电能，经过汇流箱202将光伏阵列201产生的直流电能汇集，并传输给软启动光伏逆变器100，经过软启动光伏逆变器100后，直流电能被转化为交流电能，在经过箱式变电站203以及升压站204两次升压之后，再并入电网。

具体地，软启动光伏逆变器100的直流断路器70的输入端与汇流箱202电连接，晶闸管80的输出端与箱式变电站203电连接。控制系统90经由二次电源线93供电。

当软启动光伏逆变器100启动时，控制系统90检测从交流EMC滤波器出来的交流电压与将通过晶闸管80并入的电网电压是否同频、同相，当检测到交流EMC滤波器出来的交流电压与将通过晶闸管80并入的电网电压同频、同相时，CPU发出指令002给第一继电器J1，第一继电器J1接收到指令后动作，使控制开关闭合，A1所在回路导通，晶闸管80启动，晶闸管的输出电压逐渐增加，直到晶闸管全导通。待软启动光伏逆变器100工作在额定电压后，CPU发送指令003给第二继电器J2，发送指令005给第三继电器J3，从而第二继电器J2控制晶闸管80断开，第三继电器J3控制交流主接触器70闭合，完成软启动光伏逆变器80的软启动过程。

图6为晶闸管80的调压电路中对应的相电压图。下面以某相电压为例，分析软启动光伏逆变器80的输出电压特性。如图6所示，其中U为晶闸管80的输入电压，α为触发角，为续流角，θ是导通角。

由图6可以看出，导通角θ、触发角α和续流角之间的函数关系式为

设电压U的表达式为 

U＝U_msinωt  (2)

此时晶闸管输出电压有效值U_L表达式为

式(3)化简为

由式(4)可知，当续流角是常量时，只要改变晶闸管触发角α的大小就可以改变晶闸管的输出电压，实现逆变器的输出电压按照预定规律变化的要求。

因此，通过控制晶闸管的导通角就可以使得软启动光伏逆变器的输出电压从零值逐渐增加，直到所述晶闸管全部导通之后，软启动光伏逆变器的输出电压达到最大值。

本发明的软起动光伏逆变器可以降低启动电流，减小光伏逆变器启动时对电网的冲击，提高设备集成化程度，节省设备资本，保证系统工作的稳定性和可靠性，从而提高了供电质量和设备使用寿命。同时与传统光伏逆变器相比，省掉断路器，与箱式变电站配合使用，满足保护的选择特性，节省了设备的占用空间，实现了设备的集成化发展。

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)

1.一种软启动光伏逆变器，包括直流断路器、稳压电容、三相逆变桥以及滤波器，所述直流断路器、稳压电容、三相逆变桥以及滤波器依次电连接，其特征在于：还包括晶闸管，所述晶闸管的输入端与所述滤波器的输出端电连接；以及所述晶闸管设置成通过控制所述晶闸管的导通角，使得所述软启动光伏逆变器的输出电压从零值逐渐增加，直到所述晶闸管全部导通之后，所述软启动光伏逆变器的输出电压达到最大值。

2.根据权利要求1所述的软启动光伏逆变器，其特征在于，还包括交流主接触器，所述交流主接触器设置成当所述晶闸管全部导通后，所述交流主接触器闭合，以及所述晶闸管设置成当所述交流主接触器闭合后所述晶闸管断开。

3.根据权利要求2所述的软启动光伏逆变器，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统包括软启动模块和CPU模块，所述软启动模块和所述CPU模块电连接，以及所述软启动模块包括多个继电器，所述多个继电器设置成从所述CPU接收指令并根据该指令控制所述晶闸管和所述交流主接触器的导通和断开。

4.根据权利要求3所述的软启动光伏逆变器，其特征在于，所述多个继电器包括第一继电器、第二继电器和第三继电器，所述控制系统设置成：

当所述晶闸管的输入端的交流电压与所述晶闸管的输出端将接入的电网电压同频、同相时，所述CPU发送指令给所述第一继电器，所述第一继电器控制所述晶闸管开启，所述晶闸管的输出电压逐渐增加，直到所述晶闸管全部导通；以及

当所述软启动光伏逆变器在额定电压运行后，所述CPU分别给所述第二继电器和所述第三继电器发送指令，使得所述第二继电器控制所述晶闸管断开，所述第三继电器控制所述交流主接触器闭合，从而完成所述软启动光伏逆变器的启动过程。

5.根据权利要求1所述的软启动光伏逆变器，其特征在于，在所述直流断路器和所述稳压电容之间还设置有直流EMC滤波器，所述直流EMC滤波器的输入端与所述直流断路器电连接，所述直流EMC滤波器的输出端与所述稳压电容电连接。

6.根据权利要求1所述的软启动光伏逆变器，其特征在于，在所述滤波器和所述晶闸管之间还设置有交流EMC滤波器，所述交流EMC滤波器的输入端与所述滤波器的输出端电连接，所述交流EMC滤波器的输出端与所述晶闸管的输入端电连接。

7.根据权利要求3所述的软启动光伏逆变器，其特征在于，所述软启动光伏逆变器还包括二次电源线，所述控制系统经由所述二次电源线供电。

8.根据权利要求2所述的软启动光伏逆变器，其特征在于，所述交流主接触器与所述晶闸管并联。

9.根据权利要求2所述的软启动光伏逆变器，其特征在于，所述晶闸管为三相反并联晶闸管。

10.一种光伏发电系统，所述光伏发电系统包括光伏组件、汇流箱、箱式变电站以及升压站，其特征在于，还包括如权利要求1～9任一项所述的软启动光伏逆变器。