CN112769102A - 光伏逆变器及其直流母线电容保护电路 - Google Patents

光伏逆变器及其直流母线电容保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光伏逆变器中的直流母线电容保护电路，所述直流母线电容保护电路包括正母线电容过压检测模块、正母线电容可控均压电路、负母线电容过压检测模块、负母线电容可控均压电路，所述正母线电容过压检测模块的输入端与正母线电容组相连，其输出端与正母线电容可控均压电路的控制端相连；正母线电容可控均压电路连接于正母线电容组的一端和另一端之间，所述负母线电容过压检测模块的输入端与负母线电容组相连，其输出端与负母线电容可控均压电路的控制端相连；负母线电容可控均压电路连接于负母线电容组的一端和另一端之间。这样，可以有效保护直流母线电容。

Description

光伏逆变器及其直流母线电容保护电路
【技术领域】
本发明涉及逆变器技术领域，特别涉及一种光伏逆变器及其直流母线电容保护电路。
【背景技术】
光伏逆变器中，需要通过直流母线与逆变单元连接，实现光伏逆变器直流侧与交流逆变侧能量解耦，直流母线提供高幅值的脉动电流给逆变模块，并在母线上产生脉动电压，一般应用电解电容作为直流母线电容。由于直流母线工作电压较高，该耐压等级电容不容易选型，通常将两个耐压较低的、耐压和容量相同的电解电容进行串联，多组进行并联，得到适合于母线工作电压的电容组。由于电解电容本身个体差异，且具有漏电流特性，两个分压电容上电压会不同，一个高压一个低压，承受电压高的电解电容可能超过电容最大耐压值，引起电容损坏。现有技术中，通常采用直接在两个串联电容上分别并联阻值相同的电阻，达到均压目的。但是中小功率光伏逆变器中，应用的电解电容容量很大，需要在电容两端并联很大功率电阻，才能够实现均压，该电阻均压放电电路，在光伏逆变器并网发电过程中，一直工作，带来光伏逆变器本身不必要的能量消耗，且电阻发热，导致逆变器内部温升加剧。
因此，有必要提出一种改进的技术方案来克服上述问题。
【发明内容】
本发明的目的之一在于提供一种光伏逆变器及其直流母线电容保护电路，其能够有效保护直流母线电容。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种光伏逆变器中的直流母线电容保护电路，所述光伏逆变器还包括正母线电容组、负母线电容组和逆变模块，所述正母线电容组的一端与逆变模块的正极输入端相连，其另一端与第一节点相连，所述负母线电容组的一端与第一节点相连，其另一端与逆变模块的负极输入端相连，其特征在于，所述直流母线电容保护电路包括正母线电容过压检测模块、正母线电容可控均压电路、负母线电容过压检测模块、负母线电容可控均压电路，所述正母线电容过压检测模块的输入端与所述正母线电容组相连，其输出端与所述正母线电容可控均压电路的控制端相连；正母线电容可控均压电路连接于所述正母线电容组的一端和另一端之间，所述负母线电容过压检测模块的输入端与所述负母线电容组相连，其输出端与所述负母线电容可控均压电路的控制端相连；负母线电容可控均压电路连接于所述负母线电容组的一端和另一端之间。
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种光伏逆变器，其包括正母线电容组、负母线电容组、逆变模块，以及直流母线电容保护电路。所述直流母线电容保护电路包括正母线电容过压检测模块、正母线电容可控均压电路、负母线电容过压检测模块、负母线电容可控均压电路，所述正母线电容过压检测模块的输入端与所述正母线电容组相连，其输出端与所述正母线电容可控均压电路的控制端相连；正母线电容可控均压电路连接于所述正母线电容组的一端和另一端之间，所述负母线电容过压检测模块的输入端与所述负母线电容组相连，其输出端与所述负母线电容可控均压电路的控制端相连；负母线电容可控均压电路连接于所述负母线电容组的一端和另一端之间。
与现有技术相比，本发明中的直流母线电容保护电路包括母线电容过压检测模块和均压电路，母线电容过压检测模块分别检测正半周母线电容和负半周母线电容两端实际电压，当检测出母线电容两端电压超过了设定的阈值，控制均压电路对母线电容两端进行放电，从而有效保护直流母线电容。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明在一个实施例中的光伏逆变器的电路结构示意图；
图2为图1所示光伏逆变器的部分电路在一个实施例中的具体电路示意图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
请参考图1所示，其为本发明在一个实施例中的光伏逆变器的电路结构示意图。请参考图2所示，其为图1所示光伏逆变器的部分电路在一个实施例中的具体电路示意图。图1所示的光伏逆变器包括MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)升压模块110、正母线电容组120、负母线电容组130、直流母线电容保护电路140和逆变模块150。
所述MPPT升压模块110的输入端与光伏阵列200相连，其输出端与逆变模块150的输入端相连，所述MPPT升压模块110用于将光伏阵列(或光伏电源)200产生的直流电压进行升压处理，并将升压后的直流电压提供给所述逆变模块150。在其它实施例中，所述MPPT升压模块110也可以替换为现有技术中的其它升压电路。
所述逆变模块150用于将升压后的直流电压转化为交流电压，并将该交流电压提供给市电电网300。
所述正母线电容组120的一端与所述逆变模块150的正极输入端BUS+相连，其另一端与第一节点BUS_N相连。所述负母线电容组130的一端与第一节点BUS_N相连，其另一端与所述逆变模块150的负极输入端BUS-相连。所述逆变模块150的正极输入端BUS+和负极输入端BUS-与MPPT升压模块110的输出端相连。
所述正母线电容组120包括至少一个第一电容，所述正母线电容组120中的每个第一电容均连接于所述正母线电容组120的一端和另一端之间。在图2所示的具体实施例中，所述正母线电容组120包括四个第一电容C1、C2、C3和C4。所述负母线电容组130包括至少一个第二电容，所述负母线电容组130中的每个第二电容均连接于所述负母线电容组130的一端和另一端之间。在图2所示的具体实施例中，所述负母线电容组130包括四个第二电容C5、C6、C7和C8。在图2所示的具体实施例中，所述第一电容C1、C2、C3、C4，以及第二电容C5、C6、C7、C8为电解电容。
所述直流母线电容保护电路140包括正母线电容过压检测模块142、正母线电容可控均压电路144、负母线电容过压检测模块146、负母线电容可控均压电路148。所述正母线电容过压检测模块142的输入端与所述正母线电容组120相连，其输出端与所述正母线电容可控均压电路144的控制端相连；正母线电容可控均压电路144连接于所述正母线电容组120的一端和另一端之间(即正母线电容可控均压电路144与所述正母线电容组120并联)。所述负母线电容过压检测模块146的输入端与所述负母线电容组130相连，其输出端与所述负母线电容可控均压电路148的控制端相连；负母线电容可控均压电路148连接于所述负母线电容组130的一端和另一端之间(即负母线电容可控均压电路148与所述负母线电容组130并联)。
所述正母线电容过压检测模块142用于检测所述正母线电容组120两端(即所述正母线电容组120的一端和另一端)的电压，当所述正母线电容组120两端的电压大于第一电压阈值Vp时，所述正母线电容过压检测模块142的输出端输出第一控制信号给所述正母线电容可控均压电路144的控制端，以控制所述正母线电容可控均压电路144对所述正母线电容组120进行放电；当所述正母线电容组120两端的电压小于所述第一电压阈值Vp时，所述正母线电容过压检测模块142的输出端输出第二控制信号给所述正母线电容可控均压电路144的控制端，以控制所述正母线电容可控均压电路144停止对所述正母线电容组120进行放电。
在图2所示的实施例中，所述正母线电容过压检测模块142包括差分检测电路1422和第一迟滞比较电路1424。所述差分检测电路1422用于检测所述正母线电容组120两端的电压，所述差分检测电路1422包括电阻R5、R12、R13、R14和第一运算放大器U2-A，所述第一运算放大器U2-A的负相输入端经电阻R13与所述逆变模块150的正极输入端BUS+，其正相输入端经电阻R14与第一节点BUS_N相连，其正相输入端经电阻R12与所述逆变模块150的负极输入端BUS-相连；电阻R5连接于所述第一运算放大器U2-A的负相输入端和其输出端之间。所述第一迟滞比较电路1424包括电阻R4、R10、R9、R3、R11和第一比较器U1-A，所述电阻R11连接于所述第一运算放大器U2-A的输出端和第一比较器U1-A的负相输入端之间；电阻R4和电阻R10依次串联于第一电压源5V和所述逆变模块150的负极输入端BUS-之间，电阻R4和电阻R10之间的连接节点O1与第一比较器U1-A的正相输入端相连，电阻R9连接于所述第一比较器U1-A的正相输入端和其输出端之间，电阻R3连接于所述第一电压源5V和所述第一比较器U1-A的输出端之间，所述第一比较器U1-A的输出端与所述正母线电容过压检测模块142的输出端BUS_P_OVP相连。
在图2所示的实施例中，所述正母线电容可控均压电路144包括依次串联于所述正母线电容组120的一端和另一端之间的功率放电电阻R2、R8和第一开关，所述第一开关的控制端作为所述正母线电容可控均压电路144的控制端。在图2所示的具体实施例中，所述第一开关为继电器K1。
所述负母线电容过压检测模块146用于检测所述负母线电容组130两端(即所述负母线电容组130的一端和另一端)的电压，当所述负母线电容组130两端的电压大于第二电压阈值Vn时，所述负母线电容过压检测模块146的输出端输出第三控制信号给所述负母线电容可控均压电路148的控制端，以控制所述负母线电容可控均压电路148对所述负母线电容组130进行放电；当所述负母线电容组130两端的电压小于所述第二电压阈值Vn时，所述所述负母线电容过压检测模块146的输出端输出第四控制信号给所述负母线电容可控均压电路148的控制端，以控制所述负母线电容可控均压电路148停止对所述负母线电容组130进行放电。
在图2所示的实施例中，所述负母线电容过压检测模块146包括电压采样电路1462和第二迟滞比较电路1464。所述电压采样电路1462用于采样所述负母线电容组130两端的电压，所述电压采样电路1462包括依次串联于第一节点BUS_N和所述逆变模块150的负极输入端BUS-之间的电阻R23和R30，电阻R23和R30之间的连接节点O2为所述电压采样电路1462的输出端，所述连接节点O2上的电压为所述电压采样电路1462输出的采样电压。所述第二迟滞比较电路1464包括电阻R29、R22、R28、R27、R21和第二比较器U3-A，电阻R22和电阻R29依次串联于第一电压源5V和所述逆变模块150的负极输入端BUS-之间，电阻R29连接于所述电压采样电路1462的输出端(即连接节点O2)和第二比较器U3-A的负相输入端之间，电阻R27连接于所述第二比较器U3-A的正相输入端和其输出端之间，电阻R21连接于所述第一电压源5V和所述第二比较器U3-A的输出端之间，所述第二比较器U3-A的输出端与所述负母线电容过压检测模块146的输出端BUS_N_OVP相连。
在图2所示的实施例中，所述负母线电容可控均压电路148包括依次串联于负母线电容组130的一端和另一端之间的功率放电电阻R16、R20和第二开关，所述第二开关的控制端作为所述负母线电容可控均压电路148的控制端。在图2所示的具体实施例中，所述第二开关为三极管Q2。
当光伏阵列200的输出端PV+、PV-具有电压，在母线电容上就会有电压，所述直流母线电容保护电路140对正母线电容组120、负母线电容组130保护的工作模式说明如下：
对于正母线电容组120，所述差分检测电路1422检测BUS+与BUS_N两端电压(即检测所述正母线电容组120两端的电压)以输出差分检测电压。当所述正母线电容组120的两端电压充电上升时，在比较器U1-A的正相输入端，由电阻R4、R10分压得到第一阈值电压Vp的上限值(Vp_h)，若所述差分检测电路1422输出的差分检测电压大于第一阈值电压Vp的上限值(Vp_h)时，比较器U1-A输出控制继电器K1吸合，功率电阻R2、R8形成闭合回路，对正母线电容组120两端放电。当所述正母线电容组120的两端电压放电下降时，在比较器U1-A上加入一个滞回电阻R9，比较器U1-A的第一阈值电压Vp变低，变为第一阈值电压Vp的下限值(Vp_l)，若所述差分检测电路1422输出的差分检测电压小于第一阈值电压Vp的下限值(Vp_1)时，比较器U1-A的输出翻转，继电器K1断开，所述正母线电容可控均压电路144停止工作(即停止对正母线电容组120放电)。
对于负母线电容组130，所述电压采样电路1462检测BUS_N和BUS-两端电压(即检测所述负母线电容组130两端的电压)以输出采样电压。当所述负母线电容组130的两端电压充电上升时，在比较器U3-A的正相输入端，由电阻R22、R28分压得到第二阈值电压Vn的上限值(Vn_h)，若所述电压采样电路1462输出的采样电压大于第二阈值电压Vn的上限值(Vn_h)时，比较器U3-A输出控制三极管Q2进入饱和区，功率电阻R16、R20形成闭合回路，对负母线电容组130两端放电。当所述负母线电容组130的两端电压放电下降时，在比较器U3-A上加入一个滞回电阻27，比较器U3-A的第二阈值电压Vn变低，变为第二阈值电压Vn的下限值(Vn_1)，若所述电压采样电路1462输出的采样电压小于第二阈值电压Vn的下限值(Vn_1)时，比较器U3-A的输出翻转，三极管Q2截止，所述负母线电容可控均压电路148停止工作(即停止对负母线电容组130放电)。
也就是说，在图2所示的实施例中，所述正母线电容过压检测模块142用于检测所述正母线电容组120两端的电压，当所述正母线电容组120两端的电压升高且所述正母线电容组120两端的电压大于第一阈值电压Vp的上限值(Vp_h)时，所述正母线电容过压检测模块142的输出端输出第一控制信号给所述正母线电容可控均压电路144的控制端，以控制所述正母线电容可控均压电路144对所述正母线电容组120进行放电；当所述正母线电容组120两端的电压降低且所述正母线电容组120两端的电压小于所述第一阈值电压Vp的下限值(Vp_l)时，所述所述正母线电容过压检测模块142的输出端输出第二控制信号给所述正母线电容可控均压电路144的控制端，以控制所述正母线电容可控均压电路144停止对所述正母线电容组120进行放电。所述负母线电容过压检测模块146用于检测所述负母线电容组130两端的电压，当所述负母线电容组130两端的电压升高且所述负母线电容组130两端的电压大于所述第二阈值电压Vn的上限值(Vn_h)时，所述负母线电容过压检测模块146的输出端输出第三控制信号给所述负母线电容可控均压电路148的控制端，以控制所述负母线电容可控均压电路148对所述负母线电容组130进行放电；当所述负母线电容组130两端的电压降低且所述负母线电容组130两端的电压小于所述第二阈值电压Vn的下限值(Vn_1)时，所述负母线电容过压检测模块146的输出端输出第四控制信号给所述负母线电容可控均压电路148的控制端，以控制所述负母线电容可控均压电路148停止对所述负母线电容组130进行放电。
综上所述，本发明提出提供一种光伏逆变器及其直流母线电容保护电路，所述直流母线电容保护电路140包括正母线电容过压检测模块142、正母线电容可控均压电路144、负母线电容过压检测模块146、负母线电容可控均压电路148。其中，正母线电容过压检测模块142和负母线电容过压检测模块146分别检测正母线电容组120、负母线电容组130两端的实际电压，当检测出母线电容组120、130两端电压超过了设定的阈值电压上限时，控制对应的均压电路144、148对母线电容组120、130两端进行放电，并设置了一定滞环，当检测到所放电的母线电容组120、130两端电压下降到设定的阈值电压下限时，控制对应的均压电路144、148停止工作，从而能够起到有效保护电解电容的作用。由于光伏逆变器实际并网运行后，其母线电压会降低，故此部分均压电路在光伏逆变器器并网发电时，均压电路不工作，不会有能量消耗，提高光伏逆变器发电效率，也不会造成光伏逆变器内部发热。本发明中的直流母线电容保护电路为纯硬件电路，无复杂的控制电路，即使在光伏逆变器内部控制电路故障时，也能够对母线电解电容保护。
在本发明中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性连接的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。
需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (10)

1.一种光伏逆变器中的直流母线电容保护电路，所述光伏逆变器还包括正母线电容组、负母线电容组和逆变模块，所述正母线电容组的一端与逆变模块的正极输入端相连，其另一端与第一节点相连，所述负母线电容组的一端与第一节点相连，其另一端与逆变模块的负极输入端相连，其特征在于，
所述直流母线电容保护电路包括正母线电容过压检测模块、正母线电容可控均压电路、负母线电容过压检测模块、负母线电容可控均压电路，
所述正母线电容过压检测模块的输入端与所述正母线电容组相连，其输出端与所述正母线电容可控均压电路的控制端相连；正母线电容可控均压电路连接于所述正母线电容组的一端和另一端之间，
所述负母线电容过压检测模块的输入端与所述负母线电容组相连，其输出端与所述负母线电容可控均压电路的控制端相连；负母线电容可控均压电路连接于所述负母线电容组的一端和另一端之间。
2.根据权利要求1所述的光伏逆变器中的直流母线电容保护电路，其特征在于，
所述正母线电容过压检测模块用于检测所述正母线电容组两端的电压，当所述正母线电容组两端的电压大于第一电压阈值时，所述正母线电容过压检测模块的输出端输出第一控制信号给所述正母线电容可控均压电路的控制端，以控制所述正母线电容可控均压电路对所述正母线电容组进行放电；当所述正母线电容组两端的电压小于所述第一电压阈值时，所述正母线电容过压检测模块的输出端输出第二控制信号给所述正母线电容可控均压电路的控制端，以控制所述正母线电容可控均压电路停止对所述正母线电容组进行放电，
所述负母线电容过压检测模块用于检测所述负母线电容组两端的电压，当所述负母线电容组两端的电压大于第二电压阈值时，所述负母线电容过压检测模块的输出端输出第三控制信号给所述负母线电容可控均压电路的控制端，以控制所述负母线电容可控均压电路对所述负母线电容组进行放电；当所述负母线电容组两端的电压小于所述第二电压阈值时，所述所述负母线电容过压检测模块的输出端输出第四控制信号给所述负母线电容可控均压电路的控制端，以控制所述负母线电容可控均压电路停止对所述负母线电容组进行放电。
3.根据权利要求2所述的光伏逆变器中的直流母线电容保护电路，其特征在于，
所述正母线电容过压检测模块用于检测所述正母线电容组两端的电压，当所述正母线电容组两端的电压升高且所述正母线电容组两端的电压大于第一阈值电压的上限值时，所述正母线电容过压检测模块的输出端输出第一控制信号给所述正母线电容可控均压电路的控制端，以控制所述正母线电容可控均压电路对所述正母线电容组进行放电；当所述正母线电容组两端的电压降低且所述正母线电容组两端的电压小于所述第一阈值电压的下限值时，所述所述正母线电容过压检测模块的输出端输出第二控制信号给所述正母线电容可控均压电路的控制端，以控制所述正母线电容可控均压电路停止对所述正母线电容组进行放电，
所述负母线电容过压检测模块用于检测所述负母线电容组两端的电压，当所述负母线电容组两端的电压升高且所述负母线电容组两端的电压大于所述第二阈值电压的上限值时，所述负母线电容过压检测模块的输出端输出第三控制信号给所述负母线电容可控均压电路的控制端，以控制所述负母线电容可控均压电路对所述负母线电容组进行放电；当所述负母线电容组两端的电压降低且所述负母线电容组两端的电压小于所述第二阈值电压的下限值时，所述负母线电容过压检测模块的输出端输出第四控制信号给所述负母线电容可控均压电路的控制端，以控制所述负母线电容可控均压电路停止对所述负母线电容组进行放电。
4.根据权利要求2或3所述的光伏逆变器中的直流母线电容保护电路，其特征在于，
所述正母线电容组包括至少一个第一电容，所述正母线电容组中的每个第一电容均连接于所述正母线电容组的一端和另一端之间；
所述负母线电容组包括至少一个第二电容，所述负母线电容组中的每个第二电容均连接于所述负母线电容组的一端和另一端之间。
5.根据权利要求4所述的光伏逆变器中的直流母线电容保护电路，其特征在于，
所述正母线电容可控均压电路包括依次串联于所述正母线电容组的一端和另一端之间的第一功率放电电阻和第一开关，所述第一开关的控制端作为所述正母线电容可控均压电路的控制端；
所述负母线电容可控均压电路包括依次串联于负母线电容组的一端和另一端之间的第二功率放电电阻和第二开关，所述第二开关的控制端作为所述负母线电容可控均压电路的控制端。
6.根据权利要求5所述的光伏逆变器中的直流母线电容保护电路，其特征在于，
所述第一电容和第二电容为电解电容；
所述第一开关为继电器；
所述第二开关为三极管。
7.根据权利要求3所述的光伏逆变器中的直流母线电容保护电路，其特征在于，
所述正母线电容过压检测模块包括差分检测电路和第一迟滞比较电路，
所述差分检测电路包括电阻R5、R12、R13、R14和第一运算放大器，所述第一运算放大器的负相输入端经电阻R13与所述逆变模块的正极输入端相连，其正相输入端经电阻R14与第一节点相连，其正相输入端经电阻R12与所述逆变模块的负极输入端相连；电阻R5连接于所述第一运算放大器的负相输入端和其输出端之间，
所述第一迟滞比较电路包括电阻R4、R10、R9、R3、R11和第一比较器，所述电阻R11连接于所述第一运算放大器的输出端和第一比较器的负相输入端之间；电阻R4和电阻R10依次串联于第一电压源和所述逆变模块的负极输入端之间，电阻R4和电阻R10之间的连接节点与第一比较器的正相输入端相连，电阻R9连接于所述第一比较器的正相输入端和其输出端之间，电阻R3连接于所述第一电压源和所述第一比较器的输出端之间，所述第一比较器的输出端与所述正母线电容过压检测模块的输出端相连。
8.根据权利要求3所述的光伏逆变器中的直流母线电容保护电路，其特征在于，
所述负母线电容过压检测模块包括电压采样电路和第二迟滞比较电路，
所述电压采样电路包括依次串联于第一节点和所述逆变模块的负极输入端之间的电阻R23和R30，电阻R23和R30之间的连接节点为所述电压采样电路的输出端，
所述第二迟滞比较电路包括电阻R29、R22、R28、R27、R21和第二比较器，电阻R22和电阻R29依次串联于第一电压源和所述逆变模块的负极输入端之间，电阻R29连接于所述电压采样电路的输出端和第二比较器的负相输入端之间，电阻R27连接于所述第二比较器的正相输入端和其输出端之间，电阻R21连接于所述第一电压源和所述第二比较器的输出端之间，所述第二比较器的输出端与所述负母线电容过压检测模块的输出端相连。
9.一种光伏逆变器，其特征在于，其包括正母线电容组、负母线电容组、逆变模块，以及如权利要求1-8所述的直流母线电容保护电路。
10.根据权利要求9所述的光伏逆变器，其特征在于，其还包括升压模块，
所述升压模块的输入端与光伏阵列相连，其输出端与逆变模块的输入端相连，所述升压模块用于将光伏阵列产生的直流电压进行升压处理，并将升压后的直流电压提供给所述逆变模块；
所述逆变模块用于将升压后的直流电压转化为交流电压。
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