CN112234645B - 一种功率变换器、光伏发电系统、方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种功率变换器、光伏发电系统、方法及装置，变换器包括：功率变换电路、开关器件和控制器；包括N相，N为2或3；功率变换电路的输入端连接直流电源，功率变换电路将直流电源输出的直流电转换为交流电；开关器件至少包括以下两级：第一级开关器件和第二级开关器件；第一级开关器件和第二级开关器件均包括N个开关，N个开关分别串联于N相；功率变换电路的输出端经过串联的第一级开关器件和第二级开关器件连接交流电网；控制器，用于在功率变换电路与交流电网接通时，先控制第二级开关器件中的N个开关同时闭合，再依次控制第一级开关器件中的N个开关逐一闭合。该变换器在与电网接通时，可以减少其部分开关器件承受的冲击电流。

Description

一种功率变换器、光伏发电系统、方法及装置
技术领域
本申请涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种功率变换器、光伏发电系统、方法及装置。
背景技术
目前，随着环境污染越来越严重，光伏发电越来越受重视，光伏发电系统一般是将光伏阵列的直流电转换为交流电，反馈给交流电网。
如图1所示，以逆变器100的输入端连接直流电源为例，该直流电源可以为光伏阵列，也可以为DCDC变换器输出的直流电源。
根据安规的要求，一般在逆变器100的输出端与交流电网之间连接有两级继电器，即第一级继电器(K1、K3和K5)和第二级继电器300(K2、K4和K6)，主要是实现并网、离网、系统保护及故障隔离的作用。
实际应用时，目前的一种方案是如图1所示，分两个控制信号200和300分别用于先后断开第一级继电器(K1、K3和K5)和第二级继电器300(K2、K4和K6)。
但是，图1的这种控制方式存在问题，下面结合图2进行详细介绍。
参见图2，该图为与图1对应的电路拓扑图。
以逆变器和电网均为三相(A、B、C)为例。
并网前，K1-K6均断开，电网侧的N点电压与PE等电位，逆变器100的直流侧直流母线中点BUS_N电压由系统阻抗决定，存在BUS_N与N点电位不等的情况。如图2所示，未并网时，逆变器输出的交流电压是以BUS_N为参考的交流电压。并网时刻，由于电网侧的电压是以N点为参考，因此BUS_N和N点之间存在一定的共模压差(即继电器两端的交流电压的参考基准不同)。如果按照图1的方式控制继电器闭合，由于继电器闭合瞬间时，继电器的两端存在压差，后闭合的一级继电器的三相均存在较大的冲击电流，严重影响继电器的使用寿命。
发明内容
为了解决以上的技术问题，本申请提供一种功率变换器、光伏发电系统、方法及装置，能够有效控制继电器闭合，延长继电器的使用寿命。
本申请实施例提供的功率变换器，为了实现冗余，保证在功率变换器与电网断开时能够可靠断开，一般设置两套开关器件串联在功率变换电路和电网之间，在功率变换电路的输出端需要接通交流电网时，先闭合一组中各相的继电器，再对于另一组继电器中的各相逐个闭合，减少后闭合相的继电器承受的冲击。继电器可以集成在功率变换器内部，可以由功率变换器的控制器来控制。功率变换器可以是双向的，正向为逆变，反向为整流。应用在光储系统时，功率变换器可以反向给储能设备充电。变换器包括：功率变换电路、开关器件和控制器；功率变换器可以为三相也可以为两相；功率变换电路的输入端连接直流电源，功率变换电路将直流电源输出的直流电转换为交流电；开关器件至少包括以下两级：第一级开关器件和第二级开关器件；第一级开关器件和第二级开关器件均包括N个开关，N个开关分别串联于N相；功率变换电路的输出端经过串联的第一级开关器件和第二级开关器件连接交流电网；控制器，用于在功率变换电路与交流电网接通时，先控制第二级开关器件中的N个开关同时闭合，再依次控制第一级开关器件中的N个开关逐一闭合。
因为先闭合的这相可以将功率变换电路的一相与交流电网的一相接通，从而功率变换电路的直流侧的BUS_N依次通过功率变换电路的内部、闭合的开关与交流侧的N接通，从而使BUS_N与N的电位相等。此时再闭合其他相的开关时，其他相的开关将不会再承受由于BUS_N与N之间的电位压差带来的冲击电流的损害。因此，该功率变换器在于电网接通时，可以减少其内部部分开关器件所承受的冲击电流，而不必使所有相的开关在闭合时均承受由于BUS_N与N之间的电压差而带来的冲击电流。该方案不再将N相开关器件整体一次性控制其同时闭合，并且为了降低控制难度，提高控制的可控性，尽量控制信号的路数越少越好，本技术方案在分散独立控制开关器件和可靠性之间进行了有效平衡。因为控制信号的路数越多，越容易受干扰，其控制可靠性越差。本申请提供的技术方案在保证稳定可靠性的前提下，尽量分散独立来控制开关器件，解决了三相开关器件同时受电流冲击的技术问题。
优选地，为了增加控制器控制的可靠性，控制器输出N+1路信号来控制2N个继电器，在控制信号的路数尽量少的前提下进行控制，控制信号的路数越少，控制的可靠性越高。即控制器输出第一闭合信号来控制第二级开关器件中的N个开关同时闭合，再依次输出第二闭合信号至第N+1闭合信号分别控制第一级开关器件中的N个开关逐一闭合。
优选地，由于每个开关器件均有寿命，一般开关器件的寿命是以其开断的次数决定的，因此为了提高开关器件的寿命，控制器可以更换N个继电器闭合的先后顺序，即在本次功率变换电路与交流电网接通时，控制器更换第一级开关器件中的N个开关逐一闭合的先后顺序。
优选地，为了在功率变换器与电网断开时，开关器件可以可靠地断开，避免黏连，减少断开时的电流冲击。控制器在功率变换电路与交流电网断开时，先根据功率变换电路的N相输出电流分别控制第一级开关器件中的N个开关逐一断开，再控制第二级开关器件中的N个开关同时断开。
优选地，为了增加控制器控制的可靠性，控制器输出N+1路信号来控制2N个继电器，在控制信号的路数尽量少的前提下进行控制，控制信号的路数越少，控制的可靠性越高。控制器依次输出第一断开信号至第N断开信号分别控制第一级开关器件中的N个开关逐一断开，再输出第N+1断开信号控制第二级开关器件中的N个开关同时断开。
优选地，为了降低开关器件断开时造成的开关损耗，同时保证开关器件可靠地断开，可以在每相的电流过零时刻控制该相对应的继电器断开，进而避免因为电流过大，造成继电器黏连，无法断开的情况。即控制器在功率变换电路的N相输出电流中的第i相电流过零时刻时，控制第一级开关器件中的第i相的开关断开，i＝1,…,N。
优选地，由于实际控制时，继电器存在关断延迟，因此，可以根据实际的应用场景，来获得继电器的关断延迟时间，例如距离电流的过零时刻还有t1时间段，但是为了保证精确控制继电器的关断时刻，需要综合考虑关断延迟时间td和t1，即应该从t1中扣除td的延迟。控制器根据第一级开关器件的预设关断延迟时间和第i相电流过零时刻，输出断开信号给第一级开关器件中的第i相的开关，断开信号用于断开第i相的开关。
优选地，其中一种控制开关器件断开的应用场景为控制器在确定功率变换电路的输入端或输出端发生短路故障时，控制功率变换电路与交流电网断开。
优选地，为了节省开关器件所占用的空间，以及控制的方便，第二级开关器件中的N个开关集成在一个壳体内；第一级开关器件中的N个开关分别独立设置。
优选地，该功率变换器还可以包括：DCDC转换电路，即该功率变换器为一种两级功率变换器，DCDC转换电路的输入端连接直流电源；DCDC转换电路的输出端连接功率变换电路的输入端。
本申请实施例还提供一种光伏发电系统，包括：光伏阵列和以上介绍的功率变换器；光伏阵列连接功率变换器的输入端。
本申请实施例还提供一种控制开关器件动作的方法，应用于功率变换器，功率变换器包括：功率变换电路和开关器件；开关器件至少包括：第一级开关器件和第二级开关器件；功率变换器包括N相，N为2或3；功率变换电路的输出端经过串联的第一级开关器件和第二级开关器件连接交流电网；第一级开关器件和第二级开关器件均包括：N个开关；该方法包括：在功率变换电路与交流电网接通时，先控制第二级开关器件中的N个开关同时闭合；再依次控制第一级开关器件中的N个开关逐一闭合。
该方案不再将N相开关器件整体一次性控制其同时闭合，并且为了降低控制难度，提高控制的可控性，尽量控制信号的路数越少越好，本技术方案在分散独立控制开关器件和可靠性之间进行了有效平衡。因为控制信号的路数越多，越容易受干扰，其控制可靠性越差。本申请提供的技术方案在保证稳定可靠性的前提下，尽量分散独立来控制开关器件，解决了三相开关器件同时受电流冲击的技术问题。
优选地，为了增加控制器控制的可靠性，控制器输出N+1路信号来控制2N个继电器，在控制信号的路数尽量少的前提下进行控制，控制信号的路数越少，控制的可靠性越高。依次控制第一级开关器件中的N个开关逐一闭合，具体包括：在本次功率变换电路与交流电网接通时，具体用于更换第一级开关器件中的N个开关逐一闭合的先后顺序。
优选地，为了在功率变换器与电网断开时，开关器件可以可靠地断开，避免黏连，减少断开时的电流冲击。还包括：在功率变换电路与交流电网断开时，先根据功率变换电路的N相输出电流依次控制第一级开关器件中的N个开关逐一断开，再控制第二级开关器件中的N个开关同时断开。
优选地，为了降低开关器件断开时造成的开关损耗，同时保证开关器件可靠地断开，可以在每相的电流过零时刻控制该相对应的继电器断开，进而避免因为电流过大，造成继电器黏连，无法断开的情况。依次控制第一级开关器件中的N个开关逐一断开，具体包括：在功率变换电路的N相输出电流中的第i相电流过零时刻时，控制第一级开关器件中的第i相的开关断开，i＝1,…,N。
优选地，由于实际中，开关器件存在关断延迟，因此为了更准确地控制开关器件在该相电流过零时刻关断，需要考虑开关器件的关断延迟时间，即控制第一级开关器件中的第i相的开关断开，具体包括：根据第一级开关器件的预设关断延迟时间和第i相电流过零时刻，输出断开信号给第一级开关器件中的第i相的开关，断开信号用于断开第i相的开关。
优选地，还包括：确定功率变换电路的输入端或输出端是否发生短路故障；如果是，则控制功率变换电路与交流电网断开。
本申请实施例还提供一种控制开关器件动作的装置，应用于功率变换器，功率变换器包括：功率变换电路和开关器件；开关器件包括第一级开关器件和第二级开关器件；功率变换器包括N相，N为2或3；功率变换电路的输出端经过串联的第一级开关器件和第二级开关器件连接交流电网；第一级开关器件和第二级开关器件均包括：N个开关；
该装置包括：第一闭合控制单元和第二闭合控制单元；第一闭合控制单元，用于在功率变换电路与交流电网接通时，先控制第二级开关器件中的N个开关同时闭合；第二闭合控制单元，用于在第二级开关器件中的N个开关同时闭合后，再依次控制第一级开关器件中的N个开关逐一闭合。
优选地，该装置还包括：第一断开控制单元和第二断开控制单元；第一断开控制单元，用于在功率变换电路与交流电网断开时，先根据功率变换电路的N相输出电流依次控制第一级开关器件中的N个开关逐一断开；第二断开控制单元，用于在第一级开关器件中的N个开关均断开后，再控制第二级开关器件中的N个开关同时断开。
本申请实施例还提供一种控制开关器件动作的装置，应用于功率变换器，所述功率变换器包括：功率变换电路和开关器件；所述开关器件包括第一级开关器件和第二级开关器件；所述功率变换器包括N相，所述N为2或3；所述功率变换电路的输出端经过串联的所述第一级开关器件和所述第二级开关器件连接交流电网；所述第一级开关器件和所述第二级开关器件均包括：N个开关；
该装置包括：第一闭合控制单元和第二闭合控制单元；
所述第一闭合控制单元，用于在所述功率变换电路与所述交流电网接通时，先控制所述第二级开关器件中的N个开关同时闭合；
所述第二闭合控制单元，用于在所述第二级开关器件中的N个开关同时闭合后，再依次控制所述第一级开关器件中的N个开关逐一闭合。
所述第二闭合控制单元包括更换子单元：
所述更换子单元，用于在本次所述功率变换电路与所述交流电网接通时，具体用于更换所述第一级开关器件中的N个开关分别闭合的先后顺序。
本实施例提供的装置还包括：第一断开控制单元和第二断开控制单元；
所述第一断开控制单元，用于在所述功率变换电路与所述交流电网断开时，先根据所述功率变换电路的N相输出电流依次控制所述第一级开关器件中的N个开关逐一断开；
第二断开控制单元，用于在第一级开关器件中的N个开关均断开后，再控制所述第二级开关器件中的N个开关同时断开。
第一断开控制单元具体包括电流检测子单元和断开控制子单元：
电流检测子单元用于检测所述功率变换电路的N相输出电流中的第i相电流过零时刻；
断开控制子单元，用于在电流检测子单元检测功率变换电路的N相输出电流中的第i相电流过零时刻时，控制所述第一级开关器件中的所述第i相的开关断开，所述i＝1,…,N。
断开控制子单元，具体用于根据预设关断延迟时间和所述第i相电流过零时刻，输出断开信号给所述第一级开关器件中的所述第i相的开关，所述断开信号用于断开所述第i相的开关。
本实施例提供的装置还包括判断单元，用于判断所述功率变换电路的输入端或输出端是否发生短路故障；如果是，则第一断开控制单元和第二断开控制单元控制所述功率变换电路与所述交流电网断开。
与现有技术相比，本申请实施例提供的技术方案具有以下优点：
该功率变换器包括功率变换电路、开关器件和控制器，为了实现冗余，保证在功率变换器与电网断开时能够可靠断开，一般设置两套开关器件串联在功率变换电路和电网之间，在功率变换电路的输出端需要接通交流电网时，先控制一级开关器件闭合，例如三相对应的一套开关器件同时闭合；再控制另一级开关器件中的一相开关闭合，因为先闭合的这相可以将功率变换电路的一相与交流电网的一相接通，从而功率变换电路的直流侧的BUS_N依次通过功率变换电路的内部、闭合的开关与交流侧的N接通，从而使BUS_N与N的电位相等。此时再闭合其他相的开关时，其他相的开关将不会再承受由于BUS_N与N之间的电位压差带来的冲击电流的损害。因此，该功率变换器在与电网接通时，可以减少其内部部分开关器件所承受的冲击电流，而不必使所有相的开关在闭合时均承受由于BUS_N与N之间的电压差而带来的冲击电流。
本申请提供的技术方案不再将N相开关器件整体一次性控制其同时闭合，并且为了降低控制难度，提高控制的可控性，尽量控制信号的路数越少越好，本技术方案在分散独立控制开关器件和可靠性之间进行了有效平衡。因为控制信号的路数越多，越容易受干扰，其控制可靠性越差。本申请提供的技术方案在保证稳定可靠性的前提下，尽量分散独立来控制开关器件，解决了三相开关器件同时受电流冲击的技术问题。
附图说明
图1为现有技术中一种逆变器与电网的连接关系示意图；
图2为与图1对应的电路拓扑图；
图3为本申请实施例提供的一种逆变器的示意图；
图4为图3对应的部分开关器件闭合时的示意图；
图5为本申请实施例提供的一种带有滤波器的逆变器的示意图；
图6为本申请实施例提供的一种三电平逆变器短路故障示意图；
图7为本申请实施例提供的另一种逆变器的示意图；
图8为本申请实施例提供的一种开关器件断开时的示意图；
图9为本申请实施例提供的一种两相逆变器的示意图；
图10为本申请实施例提供的一种控制开关器件闭合时的示意图；
图11为本申请实施例提供的一种两相时对应的开关器件断开的示意图；
图12为本申请实施例提供的一种逆变器包括DCDC转换电路的示意图；
图13为本申请实施例提供的一种两相逆变器包括DCDC转换电路的示意图；
图14为本申请实施例提供的一种单级逆变器对应的光伏系统的示意图；
图15为本申请实施例提供的一种两级逆变器对应的光伏系统的示意图；
图16为本申请实施例提供的一种开关器件闭合的方法流程图；
图17为本申请实施例提供的开关器件断开时的方法流程图；
图18为本申请实施例提供的一种控制开关器件动作的装置示意图。
具体实施方式
本申请实施例提供的功率变换器可以应用于光伏发电技术领域，当然也可以应用在其他供电技术领域，该功率变换器包括功率变换电路、开关器件和控制。其中功率变换电路可以为双向的，即正向作为逆变电路，反向作为整流电路。
为了实现冗余控制一般在功率变换器和交流电网之间设置有两级开关器件，两级开关器件串联在功率变换器和交流电网之间，目的是在需要断开功率变换电路与交流电网的连接时，如果一级开关器件故障了，另一级开关器件可以可靠动作，进而能够有效断开功率变换器与交流电网的连接。
本申请实施例中开关器件可以为继电器、断路器、接触器或IGBT等，不作具体限定。实际产品中，为了便于控制，减小产品体积，开关器件可以与逆变电路一起集成在逆变器的壳体内部。
由于目前控制是将两级开关器件中的第一级开关器件作为一个整体打包进行控制，将第二级开关器件作为一个整体打包进行控制，即输出两路独立的控制信号分别用于控制第一级开关器件和第二级开关器件，但是，由于每级开关器件包括N相上串联的开关，N相的开关需要同时动作，例如N为3，对应三相逆变器，在开关器件闭合瞬间，三相的3个开关器件同时受较大电流冲击。
为了解决以上技术问题，本申请实施例提供的技术方案，不再将N相开关器件整体一次性控制，并且为了降低控制难度，提高控制可控性，尽量控制信号越少越好，在分散独立控制开关器件和可靠性进行了有效平衡，因为控制信号的路数越多，越容易受干扰，稳定性越差。本申请提供的技术方案在保证稳定可控性的前提下，尽量分散控制开关器件，解决三相开关器件同时受电流冲击的技术问题。
为了使本领域技术人员更好地理解本申请实施例提供的技术方案，下面结合附图进行详细介绍。
首先，本申请实施例提供的是一种功率变换器，功率变换器的输入端连接的是直流电，功率变换器的输出端连接的是交流电，功率变换器可以为双向变换器，即可以将直流电转化为交流电，例如功率变换器将光伏阵列输出的直流电转换为交流电反馈给交流电网。另外，继续以光伏发电场景为例，在晚上，没有阳光时，光伏阵列不输出电能，此时功率变换器可以工作在反向充电状态，即将交流电网的交流电转化为直流电为储能设备进行充电，即应用在光储领域。功率变换器中的功率变换电路既可以正向逆变工作，又可以反向整流工作。
功率变换电路的输入端存在直流电压中点，交流电网的N点是交流侧，直流侧和交流侧的中点的电压存在共模电压差。
功率变换器实施例一
参见图3，该图为本申请实施例提供的一种功率变换器的示意图。
本实施例提供的功率变换器，包括：功率变换电路101、开关器件和控制器102；
功率变换包括N相，N为2或3；本实施例中以N为3，即三相功率变换器，三相交流电网为例。
功率变换电路101的输入端连接直流电源，将所述直流电源输出的直流电转换为交流电；
开关器件至少包括以下两级：第一级开关器件和第二级开关器件；
所述第一级开关器件包括：第一开关至第N开关；所述第二级开关器件包括：第N+1开关至第2N开关；
如图所示，三相功率变换器时，第一级开关器件包括K1、K2和K3，第二级开关器件包括K4、K5和K6。其中，K1和K4串联在C相，K2和K5串联在B相，K3和K6串联在A相。
其中，第一级开关器件和第二级开关器件的具体位置可以互换，图中是以第一级开关器件靠近功率变换电路101的输出端，也可以第二级开关器件靠近功率变换电路101的输出端。即功率变换电路101的输出端经过串联的所述第一级开关器件和第二级开关器件连接交流电网；
控制器102在功率变换电路101与交流电网接通时，先利用第一控制信号24控制第二级开关器件(K4-K6)闭合，再依次分别控制第一级开关器件中的N个开关闭合。
但是本申请实施例不具体限定，第一级开关器件中的N个开关的闭合顺序。例如可以在本次功率变换电路101需要与交流电网接通时，利用控制信号21先控制K1闭合，再利用控制信号22控制K2再闭合，最后利用控制信号23控制K3闭合。
在下次功率变换电路101需要与交流电网接通时，可以先控制K2闭合，再控制K3闭合，最后控制K1闭合，在此不再一一列举，这样控制的目的主要是轮流控制K1-K3中的一个开关首次闭合，让首次闭合的开关来承受较大的冲击电流，这样三个开关轮流首次闭合，轮流承受冲击电流，而不是让其中一个开关每次都承受冲击电流，从而可以提高三个开关的平均寿命。
为了使本领域更容易理解本申请实施例提供的技术方案，下面以功率变换器为逆变器，以功率变换器中的功率变换电路为逆变电路为例进行说明。
下面结合图4介绍，本实施例提供的技术方案的工作原理。
图4中以第一级开关器件先闭合，即K4-K6同时闭合，因为均对应同一路的控制信号24，以第一级开关器件中的K1先闭合为例，即K2和K3分别后闭合，图4中K2和K3还处于断开的状态。
对于C相来说，由于K4闭合，K1闭合，因此交流电网的C相已经与逆变电路101的C相接通，由于逆变电路101已经开启，因此，逆变电路101的直流侧的BUS_N依次通过逆变电路101的内部、K1和K4与交流侧的N接通，从而使BUS_N与N的电位相等。此时再闭合K2和K3，K2和K3闭合时将不会再承受由于BUS_N与N之间的压差而带来的冲击电流。综上，本申请实施例提供的方案，可以减少部分开关器件所承受的冲击电流，而不必使第一级开关器件中的所有开关在闭合时均承受由于电压差而带来的冲击电流。
一般开关器件的使用寿命是以动作次数来计算的，动作次数越多，则使用寿命越短，因此，轮流控制第一级开关器件中的各个开关首次闭合，可以提高各个开关的使用寿命。
以下实施例中为了描述方便，以开关器件为继电器为例进行介绍。
另外，逆变器还可以包括滤波器，如图5所示，为本申请实施例提供的带有滤波器的逆变器的示意图。
具体实现时，逆变电路101、滤波器400和继电器K1-K6均集成在在逆变器内部。
滤波器400主要对逆变电路101输出的电压电流进行滤波后反馈给交流电网。
综上所述，本申请实施例提供的逆变器，在继电器闭合时，是先控制K4-K6同时闭合，再通过不同的三个信号先后控制K1-K3闭合，不限定K1-K3的先后顺序，但是互相之间不同时闭合。
功率变换器实施例二：
在光伏系统发生短路故障时，本申请实施例提供的技术方案还可以解决因为短路故障造成的技术问题，下面结合附图详细分析短路故障时引发的问题。
参见图6，该图为本申请实施例提供的短路故障的示意图。
图6中为了描述简单，仅画出了一相对应的电路图。图6中是以逆变电路为三电平逆变电路为例进行介绍。
当电网侧N点接PE，短路故障的位置是BUS-线缆对地短路故障。
如果某一相电网电压处于负半轴，即为负电压，则PE电位相对于电网电压为正，通过BUS-与三电平逆变电路中开关管的体二极管(D1和D2)相连，经过电感(L1和L2)和继电器(K1和K4)形成回路。由于电压较大，电流迅速上升，因此为了保护此时应关断继电器，防止故障进一步扩散。
但是，如果同时控制第二级开关器件中的三相继电器同时断开，由于三相的相与相的电流之间存在错相，电压也存在错相，即相位不可能相同，因此，当某相的电流较小或过零时，其他两相的电流较大，三相的继电器同时断开容易出现黏连，无法彻底断开的情况，造成故障的进一步扩散。因此，三相的继电器联动控制其断开时，继电器的关断能力有限。
针对以上技术问题，本申请实施例提供的技术方案可以分别依次断开三相，而不是同时断开，可以保证在每相的电流较小时，断开该相的继电器，从而避免继电器由于电流太大而发生黏连。
参见图7，该图为本申请实施例提供的另一种逆变器的示意图。
下面仍然以三相电网为例进行介绍。
控制器102，还用于在逆变电路101与所述交流电网断开时，先根据所述逆变电路的N相输出电流依次控制所述第一级开关器件中的N个开关断开(即先后断开K1-K3，不限定K1-K3断开的先后顺序)。具体是，在某相对应的电流低于电流预设值时才控制该相的继电器断开，三相均如此控制。由于三相中的继电器分别单独控制，对于每相的继电器均在电流较低时断开该相的继电器，可以保证继电器成功地断开，不会因为电流太大而发生黏连。再控制所述第二级开关器件中的N个开关均断开，即，先同时断开K4-K6，。
与三相继电器闭合时类似，本实施例中也是包括N+1路控制信号，即三相时，利用四路控制信号来控制三相的继电器断开。控制器102用于依次输出第二断开信号至第N+1断开信号31-33分别来控制所述第一级开关器件中的N个开关(K1-K3)断开。K1-K3的断开时机可以根据对应的相的电流来决定，在电流小时控制对应的继电器断开。再输出第一断开信号34来控制所述第二级开关器件中的N个开关均断开(即K4-K6均断开)。
虽然图7中的断开信号为31-34，图中的闭合信号为21-24，但是实际实现时，控制器102可以包括四个接口(例如IO口)与继电器连接，四个接口在控制继电器的开关状态时，对于闭合与断开，可以分别输出不同的信号状态。例如，接口输出高电平信号时对应控制继电器闭合，接口输出低电平信号时对应控制继电器断开。第一接口连接第二级开关器件，对第二级开关器件进行联动控制，第二接口至第四接口分别连接第一级开关器件中的K1-K3，三个继电器K1-K3通过三个接口第二接口至第四接口单独控制。
所述控制器102在所述N相的第i相的电流过零时刻，控制所述第一级开关器件中的所述第i相的开关断开，所述i＝1,…,N。
对于BUS-对地故障，短路电流与电网电压同相，因此电流的过零点与电压的过零点基本重合，可以通过检测电压的过零点来控制继电器断开，也可以通过检测电流的过零点来控制继电器断开，具体的检测位置可以在逆变电路的输出端。
由于实际控制时，继电器存在关断延迟，因此，可以根据实际的应用场景，来获得继电器的关断延迟时间，例如距离电流的过零时刻还有t1时间段，但是为了保证精确控制继电器的关断时刻，需要综合考虑关断延迟时间td和t1，即应该从t1中扣除td的延迟。
继电器关断延迟时间可以根据实际应用场景来测试，根据测试的经验值来设定。
因此，为了更精确控制继电器的关断时刻，控制器102根据预设关断延迟时间和所述第i相的电流过零时刻，输出断开驱动信号给所述第一级开关器件中的所述第i相的开关，所述断开驱动信号用于断开所述第i相的开关。
所述控制器102在确定所述逆变电路的输入端或输出端发生短路故障时，控制所述逆变电路与所述交流电网断开，以免短路故障波及至电网。
如图8所示，以短路故障时，先根据每相的电流过零时刻，例如C相的电流先过零，即断开K1。继续判断A相和B相的过零时刻，再根据过零时刻控制K2或K3断开，例如接着是A相过零，则断开K3。同理断开K2。再同时断开K4-K6，至此，所有继电器均断开，逆变器彻底断开与交流电网的连接。
由于本申请实施例中对于其中一级开关器件采用单独的信号控制，因此可以准确在每相的电流过零时刻控制该相对应的继电器断开，进而避免因为电流过大，造成继电器黏连，无法断开的情况。
功率变换器实施例三：
以上介绍的是三相功率变换器，本申请实施例提供的方案也可以应用于两相功率变换器，下面结合附图进行详细介绍。
参见图9，该图为本申请实施例提供的两相功率变换器的示意图。
以功率变换器为逆变器，逆变器的输出端包括滤波器为例进行介绍。
从图9可以看出，逆变器和电网均为两相时，逆变电路101的输出端依次通过滤波器400、第一级开关器件和第二级开关器件连接电网。
逆变电路101的输出端连接有直流母线电容C1和C2，逆变电路101的直流侧输入端为直流母线，BUS+和BUS-分别对应逆变电路101的正输入端和负输入端。
交流电网的N点和逆变电路101的输入端的BUS-也可能存在以上三相时的短路故障，具体可以参见三相逆变器实施例的描述，在此不再赘述。
下面先介绍控制开关器件闭合时的工作原理。
如图10所示，为本申请实施例提供的控制开关器件闭合时的示意图。
第一级开关器件包括K1和K2，第二级开关器件包括K3和K4，当逆变器需要与电网连通时，控制器102先控制其中一级开关器件闭合，例如先闭合第二级开关器件闭合，即通过控制信号23联动控制K3和K4同时闭合。然后，利用控制信号21和22先后分别控制K1和K2闭合，即K1先闭合，K2后闭合。下一次控制逆变器与电网接通时，可以更改K1和K2的先后闭合顺序，例如，先闭合K1，后闭合K2。
由于K3和K4已经闭合，K1也已经闭合，当K2闭合时，K2的两端不需要承受较大电压差的冲击，从而降低对K2的损伤，提高K2的寿命。同理，当先闭合K2，后闭合K1时，可以提高K1的寿命，K1和K2可以轮流作为首次闭合的开关器件。
本实施例中由于逆变器为两相，因此，控制器102需要输出三个独立的控制信号，对于闭合开关器件时，对应输出三个闭合信号，如图的21、22和23。
当需要断开开关器件，继续以发生对地短路故障时需要断开，也适用于其他需要断开开关器件的场景。
参见图11，该图为本申请实施例提供的两相时对应的开关器件断开的示意图。
以短路故障时需要断开开关器件为例，继续以开关器件为继电器为例。
控制器102输出三路独立的断开信号31、32和33，其中先在相电流过零时刻，控制器102输出断开信号32，控制K1断开，从而可以保证K1有效断开，不会因为电流太大，使K1发生黏连。最后控制器102再输出断开信号22，控制K2断开。然后输出断开信号33联动控制K3和K4同时断开，即K3和K4联动控制。
虽然图10和图11中的闭合信号和断开信号不同，但是可能对应相同的硬件接口，例如控制器102与开关器件的连接关系包括三个接口，例如可以为IO接口，控制器102的三个接口在控制继电器闭合时输出高电平，三个接口在控制继电器断开时输出低电平。当然，也可以为控制器102的其他输出接口，例如脉冲驱动信号管脚。
另外，为了精确控制继电器断开的时刻，可以考虑继电器的断开延迟时间，将相电流过零时刻扣除继电器的断开延迟时间，利用扣除后的时间来控制继电器断开。从而可以保证继电器在真正的电流过零时刻断开，从而降低断开损耗，而且保证继电器成功断开，不会发生黏连。
电流过零时刻的判断，具体可以采集三相的电流，通过电流采样信号获得电流的过零时刻。
具体的断开延迟时间需要根据实际应用场景和继电器的选型来进行测试，根据测试的经验值来设置。由于继电器的断开延迟时间与当前环境温度、继电器的驱动信号等均有关系，因此，一般无法设定固定的断开延迟时间。随着温度变化，随着驱动信号的变化，均有可能影响断开延迟时间。
以上所有实施例中，第二级开关器件中的N个开关集成在一个壳体内；例如，N为3时，第二级开关器件包括的三个继电器均在一个壳体内，共用一个控制信号进行控制。第一级开关器件包括的N个开关分别独立设置，例如，第一级开关器件包括的三个继电器独立设置，分别利用一个独立的控制信号来控制。对于两相时，N为2，第二级开关器件包括的两个继电器均在一个壳体内，同用一个控制信号进行控制。第一级开关器件包括的2个开关分别独立设置，分别利用独立的控制信号来控制。另外，也可以将第一级开关器件的N个开关也可以集成在一个壳体内，但是需要对应独立的N个控制信号来控制。
综上，本申请实施例提供的功率变换器，对于N相的2N个开关器件，需要使用N+1路控制信号来分别控制。这样既可以实现对于开关器件的先后控制，提高使用寿命，又可以尽量降低控制信号的路数，提高控制的稳定性。
功率变换器实施例四
以上介绍的仅是从逆变电路的输入端进行的介绍。以上实施例对应的示意图中逆变电路的输入端可以直接连接光伏阵列，也可以直接连接DCDC转换电路，然后DCDC转换电路的输入端连接光伏阵列，下面首先以三相逆变器为例，如图12所示，为逆变器包括DCDC转换电路的示意图。
所述DCDC转换电路500的输入端连接所述直流电源；
所述DCDC转换电路500的输出端连接所述逆变电路102的输入端。
同理，如图13所示，为两相逆变器包括DCDC转换电路的示意图。
光伏发电系统实施例
基于以上实施例提供的一种功率变换器，本申请实施例还提供一种光伏发电系统，包括以上各个实施例介绍的功率变换器，还包括光伏阵列，下面结合附图进行详细介绍。
参见图14，该图为本申请实施例提供的单级功率变换器对应的光伏发电系统的示意图。
继续以三相功率变换器和三相电网为例进行介绍。其中以功率变换器包括的功率变换电路为逆变电路为例进行说明，逆变电路可以双向工作，即正向实现逆变，反向实现整流。在光伏发电技术领域，当逆变电路反向整流工作时，可以将交流电网的交流电整流为直流电为储能设备进行充电。
逆变电路101的输入端连接光伏阵列1000，光伏阵列1000为逆变电路101提供直流电源，逆变电路101可以将光伏阵列1000输出的直流电逆变为交流电反馈给三相交流电网。
功率变换器中的控制器102对于开关器件的控制方式具体参见以上实施例的介绍，在此不再赘述。
本实施例提供的光伏发电系统，由于可以有效控制开关器件的闭合，以继电器为例，进而可以提高继电器的使用寿命，而且在需要断开时，可以精确控制继电器断开时间，从而保证继电器不黏连地有效断开，节省继电器上的开关损坏。
参见图15，该图为本申请实施例提供的两级功率变换器对应的光伏发电系统的示意图。
图15所示的光伏发电系统与图14的区别是，功率变换器包括DCDC转换电路500和逆变电路101，DCDC转换电路500的输入端连接光伏阵列1000。
当然，以上的所有图均是示意性说明，为了提高反馈给电网的交流电的功率，可以多个DCDC转换电路并联在逆变电路的输入端，每个DCDC转换电路的输入端连接不同的光伏阵列。
另外，当多路DCDC转换电路并联时，多路DCDC转换电路可以位于汇流箱内。
本申请实施例不具体限定DCDC转换电路的具体实现形式，例如可以为升压电路Boost电路，也可以为降压电路Buck电路，也可以为升降压电路BuckBoost电路。
逆变电路可以为两电平逆变电路，也可以为多电平，例如三电平逆变电路，DCDC转换电路的电平数与逆变电路的电平数一致即可。
方法实施例
基于以上实施例提供的一种功率变换器和光伏发电系统，本申请实施例还提供一种开关器件动作的控制方法，下面结合附图进行详细介绍。
以下实施例中以功率变换器中的功率变换电路为逆变电路为例进行介绍，其中逆变电路可以为双向变换电路，即正向实现逆变功能，反向实现整流功能。
参见图16，该图为本申请实施例提供的一种开关器件闭合的方法流程图。
本实施例提供的开关器件动作的控制方法，应用于以上各个实施例提供的功率变换器，功率变换器包括：逆变电路和开关器件；功率变换器包括N相，所述N为2或3，即可以为两相，也可以为三相；逆变电路的输出端经过串联的第一级开关器件和第二级开关器件连接交流电网；所述开关器件包括以下两级：第一级开关器件和第二级开关器件；所述第一级开关器件和所述第二级开关器件均各自包括：N个开关；即共包括2N个开关，例如两相时包括四个开关，三相时包括六个开关。
该方法包括：
S1601：在所述逆变电路与所述交流电网接通时，先控制所述第二级开关器件中的N个开关闭合；
S1602：再依次控制所述第一级开关器件中的N个开关分别闭合。
所述依次控制所述第一级开关器件中的N个开关分别闭合，具体包括：
在本次所述逆变电路与所述交流电网接通时，具体用于更换所述第一级开关器件中的N个开关分别闭合的先后顺序。
以上是控制逆变电路与电网接通时，控制开关器件闭合，下面介绍逆变电路与电网断开时，控制开关器件断开。例如，确定所述逆变电路的输入端或输出端是否发生短路故障；例如逆变电路的输入端BUS-对地发生短路故障，可以通过检测电压来判断，将检测电压与预设电压阈值进行比较，当检测电压小鱼预设电压阈值时，则说明发生短路故障。另外，也可以通过检测电流来判断是否发生短路故障，例如将检测电流与预设电流阈值进行比较，当检测电流大于预设电流阈值时，说明发生短路故障。
如果判断发生短路故障，则需要控制所述逆变电路与所述交流电网断开。
参见图17，该图为本申请实施例提供的开关器件断开时的方法流程图。
在所述逆变电路与所述交流电网断开时，具体采用以下控制方式。
S1603：先根据所述逆变电路的N相输出电流依次控制所述第一级开关器件中的N个开关分别断开；
S1604：再控制所述第二级开关器件中的N个开关均断开。
为了使开关器件可靠地断开，而不发生黏连，需要检测各相的电流过零时刻，即依次控制所述第一级开关器件中的N个开关分别断开，具体包括：
在所述逆变电路的N相输出电流中的第i相的电流过零时刻时，控制所述第一级开关器件中的所述第i相的开关断开，所述i＝1,…,N。
例如，A相的电流先过零，则先控制A相的开关器件断开，然后B相，最后C相。
另外，为了精确地控制开关器件在每相的电流过零点断开，考虑了开关器件的关断延迟，即设置了预设关断延迟时间。
控制所述第一级开关器件中的所述第i相的开关断开，具体包括：
根据预设关断延迟时间和所述第i相的电流过零时刻，输出断开驱动信号给所述第一级开关器件中的所述第i相的开关，所述断开驱动信号用于断开所述第i相的开关。
电流过零时刻的判断，具体可以采集三相的电流，通过电流采样信号获得电流的过零时刻。电流过零时刻的判断可以通过硬件电路获得，也可以通过软件获得，在此不作具体限定。
本申请提供的方法，不再将N相开关器件整体一次性控制，并且为了降低控制难度，提高控制可控性，尽量控制信号越少越好，在分散独立控制开关器件和可靠性进行了有效平衡，因为控制信号的路数越多，越容易受干扰，稳定性越差。本申请提供的技术方案在保证稳定可控性的前提下，尽量分散控制开关器件，解决三相开关器件同时受电流冲击的技术问题。在开关器件需要闭合时，先闭合联动控制闭合第二级开关器件中的所有继电器，再分别逐一控制第一级开关器件中的继电器。在功率变换器需要与电网断开时，先逐一控制第一开关器件中的每个继电器分别断开，再联动控制第二级开关器件中所有继电器同时断开。
装置实施例：
基于以上实施例提供的一种功率变换器、光伏发电系统及方法，本申请实施例还提供一种控制开关器件动作的装置，下面结合附图进行详细介绍。
参见图18，该图为本申请实施例提供的一种控制开关器件动作的装置示意图。
本实施例提供的控制开关器件动作的装置，应用于功率变换器，所述功率变换器包括：功率变换电路和开关器件；所述开关器件包括第一级开关器件和第二级开关器件；所述功率变换器包括N相，所述N为2或3；所述功率变换电路的输出端经过串联的所述第一级开关器件和所述第二级开关器件连接交流电网；所述第一级开关器件和所述第二级开关器件均包括：N个开关；
该装置包括：第一闭合控制单元1801和第二闭合控制单元1802；
所述第一闭合控制单元1801，用于在所述功率变换电路与所述交流电网接通时，先控制所述第二级开关器件中的N个开关同时闭合；
所述第二闭合控制单元1802，用于在所述第二级开关器件中的N个开关同时闭合后，再依次控制所述第一级开关器件中的N个开关逐一闭合。
所述第二闭合控制单元包括更换子单元：
所述更换子单元，用于在本次所述功率变换电路与所述交流电网接通时，具体用于更换所述第一级开关器件中的N个开关分别闭合的先后顺序。
本实施例提供的装置还包括：第一断开控制单元和第二断开控制单元；
所述第一断开控制单元，用于在所述功率变换电路与所述交流电网断开时，先根据所述功率变换电路的N相输出电流依次控制所述第一级开关器件中的N个开关分别断开；
第二断开控制单元，用于在第一级开关器件中的N个开关均断开后，再控制所述第二级开关器件中的N个开关同时断开。
第一断开控制单元具体包括电流检测子单元和断开控制子单元：
电流检测子单元用于检测所述功率变换电路的N相输出电流中的第i相电流过零时刻；
断开控制子单元，用于在电流检测子单元检测功率变换电路的N相输出电流中的第i相电流过零时刻时，控制所述第一级开关器件中的所述第i相的开关断开，所述i＝1,…,N。
断开控制子单元，具体用于根据预设关断延迟时间和所述第i相电流过零时刻，输出断开信号给所述第一级开关器件中的所述第i相的开关，所述断开信号用于断开所述第i相的开关。
本实施例提供的装置还包括判断单元，用于判断所述功率变换电路的输入端或输出端是否发生短路故障；如果是，则第一断开控制单元和第二断开控制单元控制所述功率变换电路与所述交流电网断开。
本申请实施例中的第一和第二均是为了区分，没有先后顺序，没有特指的含义。
应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
以上所述，仅是本申请的较佳实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制。虽然本申请已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本申请。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本申请技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本申请技术方案保护的范围内。

Claims (19)

1.一种功率变换器，其特征在于，包括：功率变换电路、开关器件和控制器；
所述功率变换器包括N相，所述N为2或3；
所述功率变换电路的输入端用于连接直流电源，所述功率变换电路用于将所述直流电源输出的直流电转换为交流电；
所述开关器件至少包括以下两级：第一级开关器件和第二级开关器件；所述第一级开关器件和所述第二级开关器件均包括N个开关，所述N个开关分别串联于所述N相；
所述功率变换电路的输出端经过串联的所述第一级开关器件和所述第二级开关器件连接交流电网；
所述控制器，用于在所述功率变换电路与所述交流电网接通时，先控制所述第二级开关器件中的N个开关同时闭合，再依次控制所述第一级开关器件中的N个开关逐一闭合。
2.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，所述控制器，具体用于输出第一闭合信号来控制所述第二级开关器件中的N个开关同时闭合，再依次输出第二闭合信号至第N+1闭合信号分别控制所述第一级开关器件中的N个开关逐一闭合。
3.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，所述控制器，在本次所述功率变换电路与所述交流电网接通时，具体用于更换所述第一级开关器件中的N个开关逐一闭合的先后顺序。
4.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，所述控制器，还用于在所述功率变换电路与所述交流电网断开时，先根据所述功率变换电路的N相输出电流分别控制所述第一级开关器件中的N个开关逐一断开，再控制所述第二级开关器件中的N个开关同时断开。
5.根据权利要求4所述的功率变换器，其特征在于，所述控制器，具体用于依次输出第一断开信号至第N断开信号分别控制所述第一级开关器件中的N个开关逐一断开，再输出第N+1断开信号控制所述第二级开关器件中的N个开关同时断开。
6.根据权利要求5所述的功率变换器，其特征在于，所述控制器，具体用于在所述功率变换电路的N相输出电流中的第i相电流过零时刻时，控制所述第一级开关器件中的所述第i相的开关断开，所述i＝1,…,N。
7.根据权利要求6所述的功率变换器，其特征在于，所述控制器，具体用于根据所述第一级开关器件的预设关断延迟时间和所述第i相电流过零时刻，输出断开信号给所述第一级开关器件中的所述第i相的开关，所述断开信号用于断开所述第i相的开关。
8.根据权利要求4-7任一项所述的功率变换器，其特征在于，所述控制器，具体用于在确定所述功率变换电路的输入端或输出端发生短路故障时，控制所述功率变换电路与所述交流电网断开。
9.根据权利要求1-7任一项所述的功率变换器，其特征在于，所述第二级开关器件中的N个开关集成在一个壳体内；
所述第一级开关器件中的N个开关分别独立设置。
10.根据权利要求1-7任一项所述的功率变换器，其特征在于，还包括：DCDC转换电路；
所述DCDC转换电路的输入端连接所述直流电源；
所述DCDC转换电路的输出端连接所述功率变换电路的输入端。
11.一种光伏发电系统，其特征在于，包括：光伏阵列和权利要求1-9任一项所述的功率变换器；
所述光伏阵列连接所述功率变换器的输入端。
12.一种控制开关器件动作的方法，其特征在于，应用于功率变换器，所述功率变换器包括：功率变换电路和开关器件；所述开关器件至少包括：第一级开关器件和第二级开关器件；所述功率变换器包括N相，所述N为2或3；所述功率变换电路的输出端经过串联的所述第一级开关器件和所述第二级开关器件连接交流电网；所述第一级开关器件和所述第二级开关器件均包括：N个开关；
该方法包括：
在所述功率变换电路与所述交流电网接通时，先控制所述第二级开关器件中的N个开关同时闭合；
再依次控制所述第一级开关器件中的N个开关逐一闭合。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述依次控制所述第一级开关器件中的N个开关逐一闭合，具体包括：
在本次所述功率变换电路与所述交流电网接通时，具体用于更换所述第一级开关器件中的N个开关逐一闭合的先后顺序。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：在所述功率变换电路与所述交流电网断开时，先根据所述功率变换电路的N相输出电流依次控制所述第一级开关器件中的N个开关逐一断开，再控制所述第二级开关器件中的N个开关同时断开。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述依次控制所述第一级开关器件中的N个开关逐一断开，具体包括：
在所述功率变换电路的N相输出电流中的第i相电流过零时刻时，控制所述第一级开关器件中的所述第i相的开关断开，所述i＝1,…,N。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述控制所述第一级开关器件中的所述第i相的开关断开，具体包括：
根据所述第一级开关器件的预设关断延迟时间和所述第i相电流过零时刻，输出断开信号给所述第一级开关器件中的所述第i相的开关，所述断开信号用于断开所述第i相的开关。
17.根据权利要求14-16任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
确定所述功率变换电路的输入端或输出端是否发生短路故障；如果是，则控制所述功率变换电路与所述交流电网断开。
18.一种控制开关器件动作的装置，应用于功率变换器，所述功率变换器包括：功率变换电路和开关器件；所述开关器件包括第一级开关器件和第二级开关器件；所述功率变换器包括N相，所述N为2或3；所述功率变换电路的输出端经过串联的所述第一级开关器件和所述第二级开关器件连接交流电网；所述第一级开关器件和所述第二级开关器件均包括：N个开关；
该装置包括：第一闭合控制单元和第二闭合控制单元；
所述第一闭合控制单元，用于在所述功率变换电路与所述交流电网接通时，先控制所述第二级开关器件中的N个开关同时闭合；
所述第二闭合控制单元，用于在所述第二级开关器件中的N个开关同时闭合后，再依次控制所述第一级开关器件中的N个开关逐一闭合。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，还包括：第一断开控制单元和第二断开控制单元；
所述第一断开控制单元，用于在所述功率变换电路与所述交流电网断开时，先根据所述功率变换电路的N相输出电流依次控制所述第一级开关器件中的N个开关逐一断开；
所述第二断开控制单元，用于在第一级开关器件中的N个开关均断开后，再控制所述第二级开关器件中的N个开关同时断开。
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