CN112953285B - 一种串联型逆变系统及其保护方法 - Google Patents

一种串联型逆变系统及其保护方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种串联型逆变系统及其保护方法，实现了在正线或负线对地短路时，抑制故障电流。所述保护电路包括：控制单元和双向可控的开关电路；所述双向可控的开关电路串联在所述两个逆变单元直流侧串联后的中点引出线上；所述控制单元用于在检测到所述双向可控的开关电路上的电流超过阈值时，控制所述双向可控的开关电路与当前故障电流方向同向的导通路径断开，或者控制所述双向可控的开关电路双向导通的路径同时断开。

Description

一种串联型逆变系统及其保护方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种串联型逆变系统及其保护方法。
背景技术
图1示出了一种串联型逆变系统，包括：两个逆变单元；这两个逆变单元的直流侧相串联后引出一根正线和一根负线，分别接入输入源的正极和负极；这两个逆变单元的直流侧串联后的中点以及所述输入源的中点通过接地单元接地或直接接地，此时两中点对地电压相等、基本为零，相当于两中点之间有一根虚拟连接的中线(当然也可以将该虚拟连接的中线实体化)；这两个逆变单元的交流侧分别接入分裂变压器低压侧的两个分裂绕组(或分别接入两个独立变压器低压侧的绕组)。
但是对于所述串联型逆变系统来说，一旦所述正、负线中的一根对地短路(图2以所述正线对地短路为例)，或者所述正、负线中的一根对地阻抗过低，或者两个逆变单元之间功率严重不均衡，则会使得其中一个逆变单元的直流侧产生大电流，造成回路中的功率半导体器件或其他器件过流损坏。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种串联型逆变系统及其保护方法，以抑制故障电流。
一种串联型逆变系统，包括主电路和保护电路；
所述主电路包括：两个逆变单元；所述两个逆变单元的直流侧相串联后引出一根正线和一根负线，分别接入输入源的正极和负极；所述两个逆变单元直流侧串联后的中点以及所述输入源的中点通过接地单元接地或直接接地；所述两个逆变单元的交流侧分别接入分裂变压器低压侧的两个分裂绕组或者分别接入两个独立变压器低压侧的绕组；
所述保护电路包括：控制单元和双向可控的开关电路；所述双向可控的开关电路串联在所述两个逆变单元直流侧串联后的中点引出线上；所述控制单元用于在检测到所述双向可控的开关电路上的电流超过阈值时，控制所述双向可控的开关电路与当前故障电流方向同向的导通路径断开，或者控制所述双向可控的开关电路双向导通的路径同时断开。
可选的，所述双向可控的开关电路包括至少一个功率半导体器件。
可选的，所述双向可控的开关电路包括：两个反向串联的MOSFET。
可选的，所述双向可控的开关电路包括：两个反向串联的IGBT，并且每个IGBT上各反向并联一个二极管。
可选的，所述双向可控的开关电路包括：一个MOSFET和一个IGBT，所述MOSFET和所述IGBT反向串联，并且所述IGBT上反向并联一个二极管。
可选的，所述双向可控的开关电路包括：两个反向串联的二极管，并且每个二极管上各并联一个电磁式开关电器。
可选的，所述双向可控的开关电路为逆导型IGBT。
可选的，每个逆变单元均具有唯一的逆变桥；或者，每个逆变单元均由多个逆变桥组成，所述多个逆变桥的直流侧并联、交流侧并联。
可选的，所述分裂变压器或所述两个独立变压器被一个所述串联型逆变系统独立使用，或者所述分裂变压器或所述两个独立变压器被多个所述串联型逆变系统共用。
可选的，所述输入源的正、负极为光伏组串汇流箱的输出正、负极，或者是储能电池的正、负极，或者是DC/DC变换器的输出正、负极。
一种串联型逆变系统的保护方法，其中：
所述串联型逆变系统包括主电路和保护电路；
所述主电路包括：两个逆变单元；所述两个逆变单元的直流侧相串联后引出一根正线和一根负线，分别接入输入源的正极和负极；所述两个逆变单元直流侧串联后的中点以及所述输入源的中点通过接地单元接地或直接接地；所述两个逆变单元的交流侧分别接入分裂变压器低压侧的两个分裂绕组或者分别接入两个独立变压器低压侧的绕组；
所述保护电路包括双向可控的开关电路；所述双向可控的开关电路串联在所述两个逆变单元直流侧串联后的中点引出线上；
所述保护方法包括：
检测所述双向可控的开关电路上的电流大小；
当所述双向可控的开关电路上的电流超过阈值时，控制所述双向可控的开关电路与当前故障电流方向同向的导通路径断开，或者控制所述双向可控的开关电路双向导通的路径同时断开。
从上述的技术方案可以看出，当串联型逆变系统正常工作时，双向可控的开关电路上电流为零或很小。而当出现故障时，例如所述正线或负线对地短路，或者所述正、负线中的一根对地阻抗过低，或者两个逆变单元之间功率严重不均衡时，所述双向可控的开关电路上会有大电流流过，电流变化明显，那么当检测到流过所述双向可控的开关电路的电流超过一定阈值时，便知此时必是发生了故障，立即断开所述双向可控的开关电路的单向导通路径或双向导通路径，即可切断故障电流，迅速实现保护。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术公开的一种串联型逆变系统结构示意图；
图2为图1所示串联型逆变系统中正线对地短路的示意图；
图3为本发明实施例公开的一种串联型逆变系统结构示意图；
图4为图3所示串联型逆变系统中正线对地短路的示意图；
图5为图3所示串联型逆变系统中负线对地短路的示意图；
图6a为本发明实施例公开的一种双向可控的开关电路结构示意图；
图6b为本发明实施例公开的又一种双向可控的开关电路结构示意图；
图6c为本发明实施例公开的又一种双向可控的开关电路结构示意图；
图6d为本发明实施例公开的又一种双向可控的开关电路结构示意图；
图7为本发明实施例公开的一种串联型逆变系统的保护方法流程图。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图3，本发明实施例公开了一种串联型逆变系统，包括主电路和保护电路；
所述主电路包括：两个逆变单元；
所述两个逆变单元的直流侧相串联后引出一根正线和一根负线，分别接入输入源的正极和负极；所述输入源的正、负极为光伏组串汇流箱的输出正、负极，或者是储能电池的正、负极，或者是DC/DC变换器的输出正、负极等，并不局限；
所述两个逆变单元的直流侧串联后的中点以及所述输入源的中点通过接地单元接地或直接接地，此时两中点对地电压基本为零，相当于两中点之间有一根虚拟连接的中线(当然也可以将该虚拟连接的中线实体化，即将两中点真正用一根线缆连接起来)；
所述两个逆变单元的交流侧分别接入分裂变压器低压侧的两个分裂绕组，所述分裂变压器的高压侧接入大电网或负载(或所述两个逆变单元的交流侧分别接入两个独立变压器低压侧的绕组，这两个独立变压器的高压侧并联后接入大电网或负载)；
所述保护电路包括：控制单元(图中未示出)和双向可控的开关电路；
所述双向可控的开关电路串联在所述两个逆变单元的直流侧串联后的中点引出线(即所述两个逆变单元的直流侧的汇流处)；
所述控制单元用于在检测到所述双向可控的开关电路上的电流超过阈值时，控制所述双向可控的开关电路与当前故障电流方向同向的导通路径断开，或者控制所述双向可控的开关电路双向导通的路径同时断开。
下面，对上述串联型逆变系统的工作原理进行详述。
为便于描述，将上述串联型逆变系统中引出所述正线的逆变单元称为逆变单元1，将引出所述负线的逆变单元称为逆变单元2；
仍参见图3，当所述串联型逆变系统正常工作时，所述双向可控的开关电路处于双向导通状态，理想状态下所述正线上的电流I1与所述负线上的电流I2大小相等，电流I1、I2的流向如图3中箭头所示，此时所述中线上没有电流流过；不过实际应用时逆变单元1与逆变单元2的功率难免存在一些细微偏差，此时所述正线上的电流I1与所述负线上的电流I2不平衡，所述中线上有电流流过，其电流大小等于|I1-I2|，|I1-I2|比I1、I2要小得多。
由于中线对地电压基本为零，所以：
一旦所述正线对地短路，会使得逆变单元1的直流母线能量和交流侧能量均灌入短路点，形成如图4所示短路电流I3，此时流过所述双向可控的开关电路的总电流等于I3+I2，I3+I2远远大于|I1-I2|；同样的，一旦所述负线对地短路，会使得逆变单元2的直流母线能量和交流侧能量均灌入短路点，形成如图5所示短路电流I4，此时流过所述双向可控的开关电路的总电流等于I4+I1，I4+I1远远大于|I1-I2|；
一旦所述正线对地阻抗过低，会使得逆变单元1的直流母线能量和交流侧能量均灌入低阻抗点，形成与图4中I3同向的电流，记为I5，此时流过所述双向可控的开关电路的总电流等于I5+I2-I1，I5+I2-I1远远大于|I1-I2|；一旦所述负线对地阻抗过低，会使得逆变单元2的直流母线能量和交流侧能量均灌入低阻抗点，形成与图5中I4同向的电流，记为I6，此时流过所述双向可控的开关电路的总电流等于I6+I1-I2，I6+I1-I2远远大于|I1-I2|。
一旦逆变单元1的功率远大于逆变单元2，会使得所述双向可控的开关电路上流过电流|I1-I2|远大于0；同理，一旦逆变单元2的功率远大于逆变单元1，会使得所述双向可控的开关电路上流过电流|I1-I2|远大于0。
所述控制单元在检测到流过所述双向可控的开关电路的电流超过一定阈值时，知晓此时必是发生了故障，立即断开所述双向可控的开关电路与当前故障电流方向同向的导通路径，或者也可以同时断开所述双向可控的开关电路双向导通的路径，从而切断当前故障电路，迅速实现保护。
综上所述，当串联型逆变系统正常工作时，双向可控的开关电路上电流为零或很小。而当出现故障时，例如所述正线或负线对地短路时，或者所述正、负线中的一根对地阻抗过低，或者两个逆变单元之间功率严重不均衡时，所述双向可控的开关电路上会有大电流流过，电流变化明显，那么当检测到流过所述双向可控的开关电路的电流超过一定阈值时，便知此时必是发生了故障，立即断开所述双向可控的开关电路的单向导通路径或双向导通路径，即可切断故障电流，迅速实现保护。
所述双向可控的开关电路具有从左向右、从右向左两条导通路径，并且两条导通路径的通断状态均可控。所述双向可控的开关电路可以为一个独立功率半导体器件，例如逆导型IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)；或者，所述双向可控的开关电路也可以包括多个功率半导体器件。可选的，当所述双向可控的开关电路包括多个功率半导体器件时，其有多种可选的拓扑结构，以下仅给出4个示例。
示例1、所述双向可控的开关电路包括：两个反向串联的MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)。例如图6a所示，图6a中用Q1、Q2分别表示所述两个MOSFET，Q1的漏极接Q2的漏极；当Q1导通、Q2截止时，双向可控的开关电路从右往左的方向导通、从左往右的方向截止；当Q2导通、Q1截止时，双向可控的开关电路从右往左的方向截止、从左往右的方向导通。
示例2、所述双向可控的开关电路包括：两个反向串联的IGBT，并且每个IGBT上各反向并联一个二极管。例如图6b所示，图6b中用Q3、Q4分别表示所述两个IGBT，Q3的发射极接Q4的发射极；当Q3导通、Q4截止时，双向可控的开关电路从右往左的方向截止、从左往右的方向导通；当Q4导通、Q3截止时，双向可控的开关电路从右往左的方向导通、从左往右的方向截止。
示例3、所述双向可控的开关电路包括：一个MOSFET和一个IGBT，所述MOSFET和所述IGBT反向串联，并且所述IGBT上反向并联一个二极管。例如图6c所示，图6c中用Q5、Q6分别表示所述MOSFET、IGBT，Q5的漏极接Q6的集电极；当Q5导通、Q6截止时，双向可控的开关电路从右往左的方向导通、从左往右的方向截止；当Q6导通、Q5截止时，双向可控的开关电路从右往左的方向截止、从左往右的方向导通。
示例4、所述双向可控的开关电路包括：两个反极性串联的二极管，并且每个二极管上各并联一个电磁式开关电器。例如图6d所示，图6d中D1、D2分别表示所述两个二极管，D1的阳极接D2的阳极，K1、K2分别表示D1、D2上并联的电磁式开关电器；当K1开通、K2关断时，双向可控的开关电路从右往左的方向截止、从左往右的方向导通；当K2开通、K1关断时，双向可控的开关电路从右往左的方向导通、从左往右的方向截止。所述电磁式开关电器例如为继电器或接触器等。
可选的，在上述公开的任一实施例中，每个逆变单元均具有唯一的逆变桥；或者，每个逆变单元均由多个逆变桥组成，所述多个逆变桥的直流侧并联、交流侧并联。
可选的，在上述公开的任一实施例中，所述分裂变压器或所述两个独立变压器被一个所述串联型逆变系统独立使用，或者所述分裂变压器或所述两个独立变压器被多个所述串联型逆变系统共用。
与上述实施例相对应的，本发明实施例还公开了一种串联型逆变系统的保护方法，所述串联型逆变系统包括主电路和保护电路；
所述主电路包括：两个逆变单元；所述两个逆变单元的直流侧相串联后引出一根正线和一根负线，分别接入输入源的正极和负极；所述两个逆变单元直流侧串联后的中点以及所述输入源的中点均通过接地单元接地或均直接接地；所述两个逆变单元的交流侧分别接入分裂变压器低压侧的两个分裂绕组或者分别接入两个独立变压器低压侧的绕组；
所述保护电路包括双向可控的开关电路；所述双向可控的开关电路串联在所述两个逆变单元直流侧串联后的中点引出线上；
如图7所示，所述保护方法包括：
步骤S01：检测所述双向可控的开关电路上的电流大小；
步骤S02：判断所述双向可控的开关电路上的电流是否超过阈值，若是，进入步骤S03，若否，返回步骤S01；
步骤S03：控制所述双向可控的开关电路与当前故障电流方向同向的导通路径断开，或者控制所述双向可控的开关电路双向导通的路径同时断开。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的保护方法而言，由于其与实施例公开的保护电路相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见保护电路部分说明即可。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的不同对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种串联型逆变系统，其特征在于，包括主电路和保护电路；
所述主电路包括：两个逆变单元；所述两个逆变单元的直流侧相串联后引出一根正线和一根负线，分别接入输入源的正极和负极；所述两个逆变单元直流侧串联后的中点以及所述输入源的中点通过接地单元接地或直接接地；所述两个逆变单元的交流侧分别接入分裂变压器低压侧的两个分裂绕组或者分别接入两个独立变压器低压侧的绕组；
所述保护电路包括：控制单元和双向可控的开关电路；所述双向可控的开关电路串联在所述两个逆变单元直流侧串联后的中点引出线上；所述控制单元用于在检测到所述双向可控的开关电路上的电流超过阈值时，控制所述双向可控的开关电路与当前故障电流方向同向的导通路径断开，或者控制所述双向可控的开关电路双向导通的路径同时断开；
其中，所述双向可控的开关电路包括至少一个功率半导体器件。
2.根据权利要求1所述的串联型逆变系统，其特征在于，所述双向可控的开关电路包括：两个反向串联的MOSFET。
3.根据权利要求1所述的串联型逆变系统，其特征在于，所述双向可控的开关电路包括：两个反向串联的IGBT，并且每个IGBT上各反向并联一个二极管。
4.根据权利要求1所述的串联型逆变系统，其特征在于，所述双向可控的开关电路包括：一个MOSFET和一个IGBT，所述MOSFET和所述IGBT反向串联，并且所述IGBT上反向并联一个二极管。
5.根据权利要求1所述的串联型逆变系统，其特征在于，所述双向可控的开关电路包括：两个反向串联的二极管，并且每个二极管上各并联一个电磁式开关电器。
6.根据权利要求1所述的串联型逆变系统，其特征在于，所述双向可控的开关电路为逆导型IGBT。
7.一种串联型逆变系统，其特征在于，包括主电路和保护电路；
所述主电路包括：两个逆变单元；所述两个逆变单元的直流侧相串联后引出一根正线和一根负线，分别接入输入源的正极和负极；所述两个逆变单元直流侧串联后的中点以及所述输入源的中点通过接地单元接地或直接接地；所述两个逆变单元的交流侧分别接入分裂变压器低压侧的两个分裂绕组或者分别接入两个独立变压器低压侧的绕组；
所述保护电路包括：控制单元和双向可控的开关电路；所述双向可控的开关电路串联在所述两个逆变单元直流侧串联后的中点引出线上；所述控制单元用于在检测到所述双向可控的开关电路上的电流超过阈值时，控制所述双向可控的开关电路与当前故障电流方向同向的导通路径断开，或者控制所述双向可控的开关电路双向导通的路径同时断开；
其中，每个逆变单元均具有唯一的逆变桥；或者，每个逆变单元均由多个逆变桥组成，所述多个逆变桥的直流侧并联、交流侧并联。
8.根据权利要求1或7所述的串联型逆变系统，其特征在于，所述分裂变压器或所述两个独立变压器被一个所述串联型逆变系统独立使用，或者所述分裂变压器或所述两个独立变压器被多个所述串联型逆变系统共用。
9.根据权利要求1或7所述的串联型逆变系统，其特征在于，所述输入源的正、负极为光伏组串汇流箱的输出正、负极，或者是储能电池的正、负极，或者是DC/DC变换器的输出正、负极。
10.一种串联型逆变系统的保护方法，其特征在于：
所述串联型逆变系统包括主电路和保护电路；
所述主电路包括：两个逆变单元；所述两个逆变单元的直流侧相串联后引出一根正线和一根负线，分别接入输入源的正极和负极；所述两个逆变单元直流侧串联后的中点以及所述输入源的中点通过接地单元接地或直接接地；所述两个逆变单元的交流侧分别接入分裂变压器低压侧的两个分裂绕组或者分别接入两个独立变压器低压侧的绕组；
所述保护电路包括双向可控的开关电路；所述双向可控的开关电路串联在所述两个逆变单元直流侧串联后的中点引出线上；
所述保护方法包括：
检测所述双向可控的开关电路上的电流大小；
当所述双向可控的开关电路上的电流超过阈值时，控制所述双向可控的开关电路与当前故障电流方向同向的导通路径断开，或者控制所述双向可控的开关电路双向导通的路径同时断开；
其中，所述双向可控的开关电路包括至少一个功率半导体器件。
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