CN113078878A - 一种pv串优化器及其短路保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PV串优化器,N个PV组件串联连接形成PV串,所述PV串优化器输入端与所述PV串输出端连接,PV串优化器包括具有短路故障断开保护功能的短路保护装置,短路保护装置包括主分断开关K1、软启开关K2及软启电阻R,控制单元通过检测PV串输入端与软启电阻R的电压差值,认定短路保护装置后端是否存在短路故障;该PV串优化器同时具有最大功率点跟踪和短路故障断开的保护功能,能在短路保护装置后端出现短路故障导致输入过流的情况下自动断开输入开关,同时在开机运行前能通过自检及判断短路保护装置后端是否存在短路故障来恢复运行,确保短路保护装置后端无短路的情况下进行开机运行,保障光伏发电系统正常及安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域,尤其涉及一种PV串优化器及其短路保护方法。
背景技术
现有PV功率优化器是每块PV组件对应连接安装一个功率优化器。功率优化器的技术核心是实现PV组件的最大功率点跟踪,并且在有短路及其他故障的时候可以切断回路,防止拉弧起火等。但随着PV组件的成本下降,功率优化器的成本相比PV组件占比较高,导致实际电站的成本增加太多,没法实际大批量应用。
现有集散式汇流箱是把多路PV串先进行汇流,然后多个PV串做一个最大功率点跟踪。集散式汇流箱可以解决多个PV串的并联失配问题,但由于多个PV串都引入到一个汇流箱内部,如果汇流箱发生重大故障短路后,可能引起汇流箱内的所有PV组串都短路。由于PV组件的限流特性,没法用断路器或者熔丝进行过流保护,只能让整个回路持续产生短路电流,直到短路点发热引起拉弧及火灾。
亟需一种同时具有最大功率点跟踪和短路故障断开的保护功能,能在短路保护装置后端出现短路故障导致输入过流的情况下自动断开输入开关,同时在开机运行前能通过自检及判断短路保护装置后端是否存在短路故障来恢复运行,确保在短路保护装置后端无短路的情况进行开机运行,保障光伏发电系统正常及安全运行的PV串优化器及短路保护方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种PV串优化器,该PV串优化器同时具有最大功率点跟踪和短路故障断开的保护功能,能在后端短路导致输入过流的情况下自动断开输入开关,同时在开机运行前能通过自检、判断后端是否存在短路故障来恢复运行,只有在后端无短路的情况下才能开机运行。
为解决上述技术问题,本发明提供一种PV串优化器,包括N个PV组件串联连接形成PV串,所述PV串优化器输入端与所述PV串输出端连接,所述PV串优化器包括具有短路故障断开保护功能的短路保护装置及设置于所述短路保护装置后端的DC/DC变换器,所述短路保护装置包括主分断开关K1、软启开关K2及软启电阻R,所述软启开关K2与软启电阻R串联后再与主分断开关K1并联,所述DC/DC变换器与所述主分断开关K1连接。
优选地,所述PV串优化器还包括对输入PV串电压值和软启电阻R两端的电压值进行检测并判断所述短路保护装置后端是否发生短路的控制单元。
优选地,所述控制单元与输入开关K1、软启开关K2、PV串优化器输入电压端、软启电阻及PV串优化器输出电压端连接。
优选地,所述短路保护装置后端设置有用于将PV串输出端的电压进行升压并将升压后的输出电压通过输出电缆连接到外部的升压电路。
优选地,所述主分断开关K1及软启开关K2是机械式开关接触器、继电器、半导体绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体型场效应管、三极管中的一种。
优选地,所述短路保护装置可以串联在PV串优化器输入端的正极导线上或负极导线上。
本发明还公开了一种PV串优化器的短路保护方法,所述方法包括:
当达到开机条件后,PV串优化器的控制单元控制软启开关K2闭合;
所述软启开关K2闭合后,PV串优化器的控制单元对比检测PV串输入端的电压值和软启电阻R两端的电压值;
当所述控制单元检测到的PV串输入端的电压值减去所述软启电阻R两端的电压值的电压差大于设定电压差值Vx后,认定短路保护装置后端无短路故障;
所述控制单元控制所述软启开关K2断开及控制所述主分断开关K1闭合,重新启动短路保护装置后端的DC/DC变换器进行发波运行。
在DC/DC变换器运行的过程中,所述PV串优化器的控制单元实时检测PV串输入端的电压值、输入电流及输出电压,并通过所述PV串输入端的电压值、输入电流及输出电压判断所述DC/DC变换器内部或者输出端后级电缆是否出现短路故障,当所述DC/DC变换器内部出现故障或者所述DC/DC变换器的输出端的后级电缆出现故障导致正负极短路的情况下,所述控制单元控制所述输入分断开关K1断开。
在闭合软启开关K2的过程中,如果软启电阻两端的电压Vr维持近似等于输入电压Vin,则确定短路保护装置后端短路持续存在;如果软启电阻Vr两端的电压逐渐比输入电压Vin小,则确定短路保护装置后端没有短路发生。
所述控制单元通过所述PV串输入端的电压值、输入电流及输出电压判断所述DC/DC变换器内部或者输出端后级电缆是否出现短路故障,如果PV串输入端的电压值大幅下降、输入电流大幅上升且输入电流有高频的拉弧电流成分,则判断所述DC/DC变换器内部或者输出端后级电缆出现短路故障。
采用上述结构及方法之后,N个PV组件串联连接形成PV串,所述PV串优化器输入端与所述PV串输出端连接,所述PV串优化器包括具有短路故障断开保护功能的短路保护装置及设置于所述短路保护装置后端的DC/DC变换器,所述短路保护装置包括主分断开关K1、软启开关K2及软启电阻R,所述软启开关K2与软启电阻R串联后再与主分断开关K1并联,所述DC/DC变换器与所述主分断开关K1连接;当达到开机条件后,PV串化器的控制单元控制软启开关K2闭合;所述软启开关K2闭合后,PV串优化器的控制单元对比检测PV串输入端的电压值和软启电阻R两端的电压值;当所述控制单元检测到的PV串输入端的电压值减去所述软启电阻R两端的电压值的电压差大于设定电压差值Vx后,认定短路保护装置后端无短路故障;所述控制单元控制所述软启开关K2断开及控制所述主分断开关K1闭合,重新启动短路保护装置后端的DC/DC变换器进行发波运行;在DC/DC变换器运行的过程中,所述PV串优化器的控制单元实时检测PV串输入端的电压值、输入电流及输出电压,并通过所述PV串输入端的电压值、输入电流及输出电压判断所述DC/DC变换器内部或者输出端后级电缆是否出现短路故障,当所述DC/DC变换器内部出现故障或者所述DC/DC变换器的输出端的后级电缆出现故障导致正负极短路的情况下,所述控制单元控制所述输入分断开关K1断开;该PV串优化器同时具有最大功率点跟踪和短路故障断开的保护功能,能在短路保护装置后端出现短路故障导致输入过流的情况下自动断开输入开关,同时在开机运行前能通过自检及判断短路保护装置后端是否存在短路故障来恢复运行,确保在短路保护装置后端无短路的情况下进行开机运行,保障光伏发电系统正常及安全运行。
附图说明
图1为本发明所示PV串优化器与PV组件连接的结构图;
图2为本发明PV串优化器及其短路保护装置的电路图;
图3为本发明实施例一的PV串优化器及其短路保护装置的电路图;
图4为本发明实施一在短路保护装置后端正常情况下软启开关K2闭合的电路图;
图5为本发明实施一在短路保护装置后端出现短路情况下软启开关K2闭合的电路图;
图6为本发明实施例的电路在运行过程中后端出现短路情况下的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例一
请参阅图1、图2及图3,图1为本发明所示PV串优化器与PV组件连接的结构图;图2为本发明PV串优化器及其短路保护装置的电路图;图3为本发明实施例一的PV串优化器及其短路保护装置的电路图;本实施例公开了一种PV串优化器,N个PV组件串联连接形成PV串,所述PV串优化器输入端与所述PV串输出端连接,所述PV串优化器包括具有短路故障断开保护功能的短路保护装置及设置于所述短路保护装置后端的DC/DC变换器,所述短路保护装置包括主分断开关K1、软启开关K2及软启电阻R,所述软启开关K2与软启电阻R串联后再与主分断开关K1并联,所述DC/DC变换器与所述主分断开关K1连接,所述短路保护装置后端设置有用于将PV串输出端的电压进行升压并将升压后的输出电压通过输出电缆传输到外部的升压电路。
在本实施例中,所述PV串优化器与PV串组件安装在一起,PV串优化器输出后端的DC/AC逆变装置的位置与PV串优化器的距离较远,PV串优化器的升压电路的输出端电压Vo需要经过长距离的输出电缆才能连接到PV串优化器输出后端的DC/AC逆变装置,其中输出电缆的距离较长,比较容易发生短路故障,假定PV串优化器内的T管IGBT损坏短路或者PV串优化器的输出端电压Vo在远端短路,则会直接把PV串输入端电压拉低,因为PV组件是电流源,根据PV曲线的特性,短路后电流大,电压对应会降低;如果短路后的回路阻抗比较低,那么对应的PV串优化器输入端电压Vin会降低至导致PV串优化器的辅助电源不工作,对应的主分断开关K1断开。
在PV串优化器的辅助电源不工作,K1断开、短路电流消失,并且PV串输入端电压Vin恢复正常后,PV串优化器的电源系统重新启动,PV串优化器的控制单元判断PV串输入端电压Vin达到开机要求后,控制单元控制软启开关K2闭合,软启开关K2闭合后正常情况下的电路图,请参阅图4,PV串输入端电压Vin经过软启电阻R给升压电路的电容C充电,所述电容C包括PV串优化器的输出电容及PV串优化器输出后端的DC/AC逆变器的直流母线电容,充电时间常数为软启电阻R与电容C的乘积RC,同时在充电的过程中,PV串优化器输出端电压Vo增加,电阻R两端的电压Vr降低。
请参阅图5,图5为本发明实施一在短路保护装置后端出现短路情况下软启开关K2闭合的电路图,软启开关K2闭合后如果PV串优化器输出后端的短路故障还是存在,并且短路时存在一定的电阻R0,那么对应的电流图如图5所示,输入电压Vin经过软启电阻R后接到短路点接触电阻R0,软启电阻R两端的电压Vr=Vin*R/(R+Ro),由于短路点接触电阻R0远小于软启电阻R,所以软启过程中,软启电阻R两端的电压Vr基本维持等于输入电压Vin。
通过本实施例上述分析可知,在闭合软启开关K2的过程中,如果软启电阻Vr两端的电压维持近似等于PV串输入端电压Vin,则说明所述短路保护装置后端的短路故障持续存在;如果软启电阻Vr两端的电压逐渐比PV串输入端电压Vin小,则说明所述短路保护装置后端没有短路发生。
在本实施例中,所述主分断开关K1及软启开关K2是机械式开关接触器、继电器、半导体绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体型场效应管、三极管中的一种,在其他实施例中,所述主分断开关K1也可以是其他类型的开关器件。
在本实施例中,所述短路保护装置可以串联在PV串化器输入端的正极导线上或负极导线上。
实施例二:
请参阅图6,图6为本发明实施例的电路在运行过程中后端出现短路情况下的电路图;在实施例一的基础上,如果PV串优化器输出后端出现短路故障后的回路阻抗不是很低,那么对应的PV串输入端电压Vin在200V以上,此时等效的电路图如图6所示,PV串优化器的辅助电源还继续在工作,同时,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)T在发脉冲宽度调制波,以一定的开关频率高速导通和关断,PV串优化器的控制单元通过对PV串输入端的电压Vin、输入电流i和输出电压Vo进行分析,来判断所述DC/DC变换器内部或者输出端后级电缆是否出现短路故障。如果等效电阻R0比较小,PV串输入端的电压值大幅下降、输入电流大幅上升且输入电流有高频的拉弧电流成分,则判断所述DC/DC变换器内部或者输出端后级电缆出现短路故障;如果等效电阻R0比较大,电压值上升、输入电流下降且输入电流没有高频的拉弧电流成分,判断所述DC/DC变换器内部或者输出端后级电缆未出现短路故障。
实施例三
本实施例公开了一种实施例一所述PV串优化器的短路保护方法,包括以下步骤:
当达到开机条件后,PV串优化器的控制单元控制软启开关K2闭合;
所述软启开关K2闭合后,PV串优化器的控制单元对比检测PV串输入端的电压值和软启电阻R两端的电压值;
当所述控制单元检测到的PV串输入端的电压值减去所述软启电阻R两端的电压值的电压差大于设定电压差值Vx后,认定短路保护装置后端无短路故障;
所述控制单元控制所述软启开关K2断开及控制所述主分断开关K1闭合,重新启动短路保护装置后端的DC/DC变换器进行发波运行。
在DC/DC变换器运行的过程中,所述PV串优化器的控制单元实时检测PV串输入端的电压值、输入电流及输出电压,并通过所述PV串输入端的电压值、输入电流及输出电压判断所述DC/DC变换器内部或者输出端后级电缆是否出现短路故障,当所述DC/DC变换器内部出现故障或者所述DC/DC变换器的输出端的后级电缆出现故障导致正负极短路的情况下,所述控制单元控制所述输入分断开关K1断开。
在闭合软启开关K2的过程中,如果软启电阻两端的电压Vr维持近似等于输入电压Vin,则确定短路保护装置后端短路持续存在;如果软启电阻Vr两端的电压逐渐比输入电压Vin小,则确定短路保护装置后端没有短路发生。
所述控制单元通过所述PV串输入端的电压值、输入电流及输出电压判断所述DC/DC变换器内部或者输出端后级电缆是否出现短路故障,如果PV串输入端的电压值大幅下降、输入电流大幅上升且输入电流有高频的拉弧电流成分,则判断所述DC/DC变换器内部或者输出端后级电缆出现短路故障。
应当理解的是,以上仅为本发明的优选实施例,不能因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种PV串优化器,其特征在于,N个PV组件串联连接形成PV串,所述PV串优化器输入端与所述PV串输出端连接,所述PV串优化器包括具有短路故障断开保护功能的短路保护装置及设置于所述短路保护装置后端的DC/DC变换器,所述短路保护装置包括主分断开关K1、软启开关K2及软启电阻R,所述软启开关K2与软启电阻R串联后再与主分断开关K1并联,所述DC/DC变换器与所述主分断开关K1连接。
2.根据权利要求1所述的PV串优化器,其特征在于,所述PV串优化器还包括对输入PV串电压值和软启电阻R两端的电压值进行检测并判断所述短路保护装置后端是否发生短路的控制单元。
3.根据权利要求1所述的PV串优化器,其特征在于,所述控制单元与输入开关K1、软启开关K2、PV串化器输入电压端、软启电阻及PV串化器输出电压端连接。
4.根据权利要求1所述的PV串优化器,其特征在于,
所述短路保护装置后端设置有用于将PV串输出端的电压进行升压并将升压后的输出电压通过输出电缆连接到外部的升压电路。
5.根据权利要求1所述的PV串优化器,其特征在于,所述主分断开关K1及软启开关K2是机械式开关接触器、继电器、半导体绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体型场效应管、三极管中的一种。
6.根据权利要求1所述的PV串优化器,其特征在于,所述短路保护装置可以串联在PV串化器输入端的正极导线上或负极导线上。
7.一种应用于权利要求1所述的PV串优化器的短路保护方法,其特征在于,所述方法包括:
当达到开机条件后,PV串化器的控制单元控制软启开关K2闭合;
所述软启开关K2闭合后,PV串优化器的控制单元对比检测PV串输入端的电压值和软启电阻R两端的电压值;
当所述控制单元检测到的PV串输入端的电压值减去所述软启电阻R两端的电压值的电压差大于设定电压差值Vx后,认定短路保护装置后端无短路故障;
所述控制单元控制所述软启开关K2断开及控制所述主分断开关K1闭合,重新启动短路保护装置后端的DC/DC变换器进行发波运行。
8.根据权利要求7所述的所述的PV串优化器短路保护方法,其特征在于:
在DC/DC变换器运行的过程中,所述PV串优化器的控制单元实时检测PV串输入端的电压值、输入电流及输出电压,并通过所述PV串输入端的电压值、输入电流及输出电压判断所述DC/DC变换器内部或者输出端后级电缆是否出现短路故障,当所述DC/DC变换器内部出现故障或者所述DC/DC变换器的输出端的后级电缆出现故障导致正负极短路的情况下,所述控制单元控制所述输入分断开关K1断开。
9.根据权利要求7所述的所述的PV串优化器短路保护方法,其特征在于:在闭合软启开关K2的过程中,如果软启电阻两端的电压Vr维持近似等于输入电压Vin,则确定短路保护装置后端短路持续存在;如果软启电阻Vr两端的电压逐渐比输入电压Vin小,则确定短路保护装置后端没有短路发生。
10.根据权利要求8所述的所述的PV串优化器短路保护方法,其特征在于:所述控制单元通过所述PV串输入端的电压值、输入电流及输出电压判断所述DC/DC变换器内部或者输出端后级电缆是否出现短路故障,如果PV串输入端的电压值大幅下降、输入电流大幅上升且输入电流有高频的拉弧电流成分,则判断所述DC/DC变换器内部或者输出端后级电缆出现短路故障。
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