CN113872241A - 防光伏组件电势诱导衰减的并网逆变系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种防光伏组件电势诱导衰减的并网逆变系统，其包括与光伏组件相连接的光伏逆变器、低压侧与光伏逆变器相连接的隔离变压器，隔离变压器的低压侧中心点不接地，光伏逆变器包括用于将光伏组件的输出正极或输出负极/母线正极或母线负极接地的接地电路。接地电路包括与光伏组件的输出正极/母线正极相连接的正极接地线路、与光伏组件的输出负极/母线负极相连接的负极接地线路；正极接地线路包括正极开关、与正极开关相串联的正极电阻；负极接地线路包括负极开关、与负极开关相串联的负极电阻。本发明电路结构简单、方案可靠，有效预防了光伏组件PID效应发生，减小施工复杂度、减小人工投入，降低运维成本。
Description
技术领域
本发明属于光伏发电技术领域，具体涉及一种防光伏组件电势诱导衰减的并网逆变系统。
背景技术
光伏并网逆变器技术目前技术比较成熟，从电网相数上可分三相并网逆变器和单相并网逆变器，从并网隔离型角度来看，又可分为隔离型和非隔离型并网逆变器。在光伏地面电站领域，光伏系统几乎都采用带有箱式变压器的逆变系统实现光伏组件把DC电能馈送到高压电网。三相并网逆变器几乎采用的是boost 升压到直流母线、直流母线经过三电平或多电平逆变拓扑，实现电流由直流变换到交流的方案。三电平或多电平变换器固有的调制技术，使得半母线和大地是等电位，由于光伏组件PV-和半母线BUS-等电位连接,这使得组件PV-和大地承受-0.5Vbus电压。由于光伏组件边框接地，因此组件PV-和组件边框之间的电压差为-0.5Vbus，该电势差导致组件内部半导体载流子发生迁移而导致组件钝化，进而导致组件发电量降低，这一效应简称电势诱导衰减（PID）效应。
当前解决PID效应的方法有多种。从逆变器系统的角度解决PID效应，有预防的解决方案和修复的解决方案。
修复的解决方案为：依据组件类型，白天逆变系统发电，当组件为P型组件时，组件PV-和大地PE之间承受-0.5Vbus电压，夜间在PV-和PE之间加+0.5Vbus电压，实现组件的PID修复功能。当组件为N型组件时，PV+和PE之间承受+0.5Vbus,夜间在PV+和PE之间加-0.5Vbus, 实现N新型组件的PID修复功能。PID修复功能是依据PV组件的PID效应可逆性，实现其修复功能。但是其存在的缺点是组件不能100%完全修复，且白天组件发电时，PID效应一直存在。
PID预防功能目前已有的解决方案为：在光伏并网逆变系统中，有如下部分构成：1.光伏组件，2.光伏逆变器，3.隔离变压器。光伏组件的光电效应，产生的不稳定直流电，经过光伏逆变器变成相对稳定的交流电，通过变压器馈送到电网。由于光伏逆变器并网发电过程中，隔离变压器的等效中点和远端大地是等效电位，因此PV-和PE之间产生-0.5Vbus，导致PID效应。因此在隔离变压器低压侧，通过电阻、电感、电容等方式虚拟中点，在虚拟中点和PE之间的电压控制器在二者间产生0.5倍直流母线电压值，使得PV-和PE间电压大于等于0，来预防PID效应的发生。同理对N型组件类似的PID预防效果。当前的PID 效应预防方案，通过在一个箱变低压侧通过电阻、电容、电感等方式虚拟出中点，且通过一个电压控制器产生出对应的0.5倍母线电压加载在虚拟中点和大地之间。一个光伏电站子阵，对应的一个隔离箱变，采用一套中点虚拟电路和电压控制器，实现PID预防功能。现有PID预防方案能够有效预防PID效应，但是存在需要开发额外的PID预防设备箱且需要进行箱式变压器低压侧线路连接，增加了系统施工的复杂度和人工投入。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、方案可靠，减小现场施工复杂度、减小系统人工投入，降低运维成本的防光伏组件电势诱导衰减的并网逆变系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种防光伏组件电势诱导衰减的并网逆变系统，包括与光伏组件相连接的光伏逆变器、低压侧与所述光伏逆变器相连接的隔离变压器，所述隔离变压器的低压侧中心点不接地，所述光伏逆变器包括用于将所述光伏组件的输出正极或输出负极/母线正极或母线负极接地的接地电路。
所述接地电路包括与所述光伏组件的输出正极/所述母线正极相连接的正极接地线路、与所述光伏组件的输出负极/所述母线负极相连接的负极接地线路；
所述正极接地线路包括连接在所述光伏组件的输出正极/所述母线正极与地之间的正极开关、与所述正极开关相串联的正极电阻；所述负极接地线路包括连接在所述光伏组件的输出负极/所述母线负极与地之间的负极开关、与所述负极开关相串联的负极电阻。
所述正极接地线路还包括与所述正极开关相串联的正极保险丝，所述负极接地线路还包括与所述负极开关相串联的负极保险丝。
所述光伏逆变器还包括用于控制所述正极开关或所述负极开关通断的第一类控制器。
所述光伏逆变器还包括用于检测所述正极电阻或所述负极电阻两端电压的第一类采样电路，所述第一类采样电路与所述第一类控制器相连接，所述第一类控制器根据所述正极电阻或所述负极电阻两端电压以及所述光伏组件的类型控制所述正极开关或所述负极开关通断。
当所述光伏组件为N型组件时，所述第一类控制器控制所述正极开关接通而将所述光伏组件的输出正极/母线正极接地，控制所述负极开关断开；当所述光伏组件为P型组件时，所述第一类控制器控制所述负极开关接通而将所述光伏组件的输出负极/母线负极接地，控制所述正极开关断开。
所述正极开关、所述负极开关为继电器或电子开关。
所述光伏逆变器还包括用于检测所述隔离变压器的低压侧对地电压或者所述母线负极对地电压的第二类采样电路、根据所述隔离变压器的低压侧对地电压或者所述母线负极对地电压判断是否出现火线对地短路并据此控制所述正极开关和所述负极开关通断的第二类控制器，来进行系统的保护。
所述第二类采样电路包括高压差分电阻或电压传感器。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明是一种新型PID预防方案，该方案主要集成实现在并网逆变器内部，其电路结构简单、方案可靠，有效预防了光伏组件PID效应发生，同时减小了电站现场施工复杂度、减小了系统人工投入，降低运维成本。
附图说明
附图1为采用本发明的实施例一的并网逆变系统的光伏系统图。
附图2为采用本发明的实施例二的并网逆变系统的光伏系统图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：如附图1所示，光伏系统由光伏组件、光伏逆变器、断路器、隔离变压器构成，光伏逆变器与光伏组件相连接，其主要包括直流/交流变换模块。光伏逆变器的输出侧经由断路器与隔离变压器的低压侧相连接，而隔离变压器的高压侧连接电网。上述光伏系统中，光伏逆变器和隔离变压器作为主要部分而构成并网逆变系统，并网逆变系统还可以包括断路器。
为了实现防光伏组件电势诱导衰减功能，并网逆变系统的方案为：隔离变压器的低压侧中心点与光伏逆变器相连接，且隔离变压器的低压侧中心点不接地，此时隔离变压器的低压侧中心点在系统工作时是浮动的。而传统的隔离变压器其低压侧中心点接地，在光伏系统工作时，由于三相逆变拓扑NPC、ANPC、TNPC等拓扑在PWM调制输出时，使得BUSN和隔离变压器中心点等电位，由于隔离变压器低压侧中心点接地，使得BUSN等效和大地是等电位，PV-端和BUSN之间通过电容C2连接，PV-和BUSN电压为-0.5Vbus.故PV-和PE之间承受-0.5Vbus电压，这将导致PID效应发生。而采用隔离变压器的低压侧中心点不接地的接线方式，在并网逆变器工作时，由于中心点和大地PE是浮动的，因此对P型组件，可以使PV-连接到大地，使得PV-对PE电压为0，预防PID效应发生。同理，对与N型组件，PV+连接到大地，使得PV+对PE电压为0，预防PID效应发生。光伏逆变器包括用于将光伏组件的输出正极或输出负极接地的接地电路。
接地电路包括与光伏组件的输出正极相连接的正极接地线路、与光伏组件的输出负极相连接的负极接地线路。正极接地线路包括连接在光伏组件的输出正极PV+与地之间的正极开关S1、与正极开关S1相串联的正极电阻R1；负极接地线路包括连接在光伏组件的输出负极PV-与地之间的负极开关S2、与负极开关S2相串联的负极电阻R2。从而，依据电站现场的光伏组件类型的不同，P型组件或者N型组件，选择对应的模式。当现场光伏组件为P型组件时，通过负极开关S2（不限于继电器、电子开关等）和串联的负极电阻R2连接到大地，在光伏逆变器完成安全自检后，合上负极开关S2，并网工作，工作期间，预防PID效应。当现场组件为N型组件时，通过正极开关S1（不限于继电器、电子开关等）和串联的正极电阻R1连接到大地，在光伏逆变器完成安全自检后，合上正极开关S1，光伏逆变器开始并网工作，工作期间，预防PID效应。故正极开关S1、负极开关S2、正极电阻R1、负极电阻R2共同构成PID预防电路。该光伏逆变器还包括用于控制正极开关或负极开关通断的第一类控制器。
由此，PID预防的思想是：通过光伏组件的输出正极PV+/光伏组件的输出负极PV-和大地的连接,使得光伏组件的输出正极PV+或者光伏组件的输出负极PV-对大地电压为0V或接近于0V。此电气连接模式需要考虑任何情况下，逆变器能够安全工作，因此存在有如下保护逻辑和措施：
（1）人体触摸光伏组件的输出正极PV+或者光伏组件的输出负极PV-时，由于PID预防电路工作，正极开关S1或者负极开关S2导通，光伏组件的输出正极PV+、光伏组件的输出负极PV-通过大地和人体构成回路，发生人体触电。此时可以通过采样电路，检测正极电阻R1或者负极电阻R2上的电压大小，判断是否发生人体触电，并即刻断开正极开关S1或者负极开关S2。因此，光伏逆变器还包括用于检测正极电阻R1或负极电阻R2两端电压的第一类采样电路，第一类采样电路与第一类控制器相连接，则第一类控制器还根据正极电阻或负极电阻两端电压以及光伏组件的类型控制正极开关S1或负极开关S2通断。当光伏组件为N型组件时，第一类控制器控制正极开关S1接通而将光伏组件的输出正极接地，控制负极开关S2断开；当光伏组件为P型组件时，第一类控制器控制负极开关S2接通而将光伏组件的输出负极接地，控制正极开关S1断开；
（2）光伏逆变器并网发电时，当PID预防电路不工作，正极开关S1或负极开关S2断开，由于隔离变压器低压侧中心点不接地，火线对地短路时，逆变器仍然能够并网发电。当PID预防电路工作，正极开关S1或负极开关S2导通，隔离变压器低压侧中心点不接地，且火线对地短路时，交流和直流通过大地构成回路，将可能导致光伏逆变器中逆变电路晶体管损坏。因此针对P型组件在PID预防电路的光伏组件的输出负极PV-和大地之间串联保险丝F2防止PID工作时，隔离变压器低压侧火线对地短路造成的功率IGBT损坏。针对N型组件，光伏组件的输出正极PV+和大地之间串联保险丝F1，防止PID工作时，隔离变压器低压侧火线对地短路造成的功率IGBT损坏。因此，正极接地线路还包括与正极开关S1相串联的正极保险丝F1，负极接地线路还包括与负极开关S2相串联的负极保险丝F2；
（3）为了预防火线对地短路带来的功率半导体失效问题，需要检测逆变器输出的火线对地是否短路。这里有多种方式，如采用高压差分电阻或者电压传感器采样AC火线对地电压或者母线负极BUS-对地电压，这里的检测电压方式不限于电压传感器检测、高压差分电阻差动检测。如检测到火线对大地短路，则不进行PID预防电路正极开关S1、负极开关S2投切。故具体方案为：光伏逆变器还包括用于检测隔离变压器的低压侧对地电压的第二类采样电路、根据隔离变压器的低压侧对地电压判断是否出现火线对地短路（即逆变器输出的火线是否短路）并据此控制正极开关S1和负极开关S2通断的第二类控制器。其中，第二类采样电路包括高压差分电阻或电压传感器等。当依据监测到的隔离变压器的低压侧对地电压判断出出现火线对地短路时，则第二类控制器控制正极开关S1和负极开关S2均不接通。
上述第一类控制器、第二类控制器可以共同集成在光伏逆变器的控制器中。
上述PID 预防电路工作模式逻辑为：A）光伏组件光照功率满足并网功率；B）光伏逆变器开启；C）光伏逆变器进行安全自检（PV绝缘阻抗检测，判断组件对地是否短路、风扇自检、漏电流检测等）；D）光伏逆变器开始并网，并利用第二类采样电路检测隔离变压器低压侧火线对地电压，判断是否火线对地短路；E）当火线对地不短路，第一类控制器判断是否为P型组件，是P型组件则投切负极开关S2，若为N型组件，则投切正极开关S1。
实施例二：如附图2所示，本实施例二与实施例一的区别在于：光伏逆变器还包括位于直流/交流变换模块前端的直流/直流变换模块，即boost升压电路，如传统两电平boost升压电路、对称三电平boost升压电路、飞跨电容三电平boost升压电路等。boost升压电路的输出端构成光伏逆变器内的母线正极BUS+或母线负极BUS-。则光伏逆变器包括用于将母线正极BUS+或母线负极BUS-接地的接地电路。接地电路的结构与实施例一相同，差别仅在于所连接的位置，即此时PID预防电路的正极开关S1、负极开关S2分别连接至直流母线正极BUS+、直流母线负极BUS-。该实施例二中，通过第二类采样电路在并未状态下，检测直流母线负极BUS-对大地电压，进而判断并网状态下，隔离变压器低压侧火线是否对大地短路，据此控制正极开关S1和负极开关S2通断。
本申请的方案，提供了一种新的预防PID效应的并网逆变系统，其成本上比较低，便于工业产品实现；有效预防PID效应，有助于提高光伏系统发电量、提高客户收益，延长光伏组件使用寿命。
本方案是一种新型的PID 预防方案及逆变系统方案，重点提供解决PID效应措施,对延长光伏组件使用寿命具有重大应用价值，同时传统的PID 预防方案需要增加外部额外的设备，该新型的PID预防方案不需要额外的外部预防PID设备、不需要人工进行的外部设备线路铺设调试，减小了人工施工成本的投入，增强了系统产品的竞争力，增强了整个光伏系统的便利性。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种防光伏组件电势诱导衰减的并网逆变系统，包括与光伏组件相连接的光伏逆变器、低压侧与所述光伏逆变器相连接的隔离变压器，其特征在于：所述隔离变压器的低压侧中心点不接地，所述光伏逆变器包括用于将所述光伏组件的输出正极或输出负极/母线正极或母线负极接地的接地电路。
2.根据权利要求1所述的防光伏组件电势诱导衰减的并网逆变系统，其特征在于：所述接地电路包括与所述光伏组件的输出正极/所述母线正极相连接的正极接地线路、与所述光伏组件的输出负极/所述母线负极相连接的负极接地线路；
所述正极接地线路包括连接在所述光伏组件的输出正极/所述母线正极与地之间的正极开关、与所述正极开关相串联的正极电阻；所述负极接地线路包括连接在所述光伏组件的输出负极/所述母线负极与地之间的负极开关、与所述负极开关相串联的负极电阻。
3.根据权利要求2所述的防光伏组件电势诱导衰减的并网逆变系统，其特征在于：所述正极接地线路还包括与所述正极开关相串联的正极保险丝，所述负极接地线路还包括与所述负极开关相串联的负极保险丝。
4.根据权利要求2所述的防光伏组件电势诱导衰减的并网逆变系统，其特征在于：所述光伏逆变器还包括用于控制所述正极开关或所述负极开关通断的第一类控制器。
5.根据权利要求4所述的防光伏组件电势诱导衰减的并网逆变系统，其特征在于：所述光伏逆变器还包括用于检测所述正极电阻或所述负极电阻两端电压的第一类采样电路，所述第一类采样电路与所述第一类控制器相连接，所述第一类控制器根据所述正极电阻或所述负极电阻两端电压以及所述光伏组件的类型控制所述正极开关或所述负极开关通断。
6.根据权利要求5所述的防光伏组件电势诱导衰减的并网逆变系统，其特征在于：当所述光伏组件为N型组件时，所述第一类控制器控制所述正极开关接通而将所述光伏组件的输出正极/母线正极接地，控制所述负极开关断开；当所述光伏组件为P型组件时，所述第一类控制器控制所述负极开关接通而将所述光伏组件的输出负极/母线负极接地，控制所述正极开关断开。
7.根据权利要求2所述的防光伏组件电势诱导衰减的并网逆变系统，其特征在于：所述正极开关、所述负极开关为继电器或电子开关。
8.根据权利要求2所述的防光伏组件电势诱导衰减的并网逆变系统，其特征在于：所述光伏逆变器还包括用于检测所述隔离变压器的低压侧对地电压或者所述母线负极对地电压的第二类采样电路、根据所述隔离变压器的低压侧对地电压或者所述母线负极对地电压判断是否出现火线对地短路并据此控制所述正极开关和所述负极开关通断的第二类控制器。
9.根据权利要求8所述的防光伏组件电势诱导衰减的并网逆变系统，其特征在于：所述第二类采样电路包括高压差分电阻或电压传感器。
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2021
- 2021-10-20 CN CN202111219933.6A patent/CN113872241A/zh active Pending
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