CN114301390A - 一种用于光伏系统的关断电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于光伏系统的关断电路及其控制方法，包括光伏组串PV，光伏组串PV的正极通过断路开关K1连接逆变器的正极，光伏组串PV的负极通过断路开关K2连接逆变器的负极，断路开关K1和断路开关K2用于控制光伏组串PV的通断，光伏组串PV并联有短路模块。本发明的短路模块，在母线上的断路开关执行断开动作时，短路模块将光伏组串短路，由于光伏组件的外特性，使得光伏板输出降低，母线开关在较低的工作电压和工作电流下动作，避免了开关动作时的电弧放电现象的发生，且短路模块中串接的二极管，可以防止光伏组串在反接时，产生不可控的短路电流，相比于原有只使用半导体开关的关断方式来说，显著的降低了导通损耗，且不需要对开关增加额外的散热措施。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，尤其是一种用于光伏系统的关断电路及其控制方法。
背景技术
当前光伏发电技术在新能源中占比越来越高，随着光伏装机容量的不断提高，以及对光伏发电效率的要求的提高，光伏发电的问题逐步显现。如图1所示，目前为了便于光伏发电站施工以及提升光伏发电效率，通常采用的是将若干光伏组件在组件附近先串联成光伏组串，再接入逆变器进行并网发电。NEC2017规定：“在组串之外，控制器安装在距离阵列0.3米之内以及距离接入点超过1米的范围内，使用快速关断后，系统需要30秒内降至30V；在组串之内，在30秒内降至80V，方便采取安全救援措施。但是，光伏组件串联后会产生较高的直流电压，若在光伏组串工作时，直接断开光伏组串与逆变器之间的连接，光伏板产生的直流高压将会引发电弧放电，造成危险事故。如图2所示，当前用于光伏组串关断的方式主要是在光伏组串和逆变器之间直接串入半导体开关，但是由于半导体开关存在较大的导通损耗，使用半导体开关作为关断器断路开关需要配备体积较大的散热结构，且对发电效率有较大的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用在光伏系统中可以避免开关动作时产生电弧放电现象的关断电路及其控制方法。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种用于光伏系统的关断电路，包括光伏发电单元PV，所述光伏发电单元PV的母线上至少设置一个控制母线通断的开关，所述光伏发电单元PV的正极通过断路开关K1连接逆变器的正极，所述光伏发电单元PV的负极通过断路开关K2连接逆变器的负极，所述断路开关K1和断路开关K2用于控制所述光伏发电单元PV的通断，所述光伏发电单元PV并联有短路模块，所述短路模块的两端分别连接在所述光伏发电单元PV与断路开关K1之间和所述光伏发电单元PV与断路开关K2之间，使得所述断路开关K1和断路开关K2在断开状态时，所述短路模块将所述光伏发电单元PV短路；
所述短路模块有三种实施例，第一实施例只包括短路开关Q1，所述短路开关Q1的漏极连接所述光伏发电单元PV的正极，所述短路开关Q1的源极连接所述光伏发电单元PV的负极，第二实施例包括短路开关Q1和二极管D1，所述二极管D1与所述短路开关Q1串联，所述二极管D1的负极连接所述光伏发电单元PV的负极，所述二极管D1的正极连接所述光伏发电单元PV的正极，第三实施例包括短路开关Q1、二极管D1和电阻模块RS，所述短路开关Q1、二极管D1和电阻模块RS串联，短路开关Q1、二极管D1和电阻模块RS之间的连接顺序无限制，只需限制二极管D1的导通方向即可，所述二极管D1可以防止光伏发电单元PV在反接时产生的短路电流。该关断器在输电母线上使用的是机械开关进行导通，显著降低了导通损耗，且此种方式无需增加额外的散热措施，降低了成本。
优选的，所述电阻模块RS为若干个并联的功率电阻，用于承受短路时产生的热能。
优选的，所述断路开关K1和断路开关K2所在的母线上设有电压检测模块，所述电压检测模块用于检测母线上的电压值，保证断路开关K1和断路开关K2的动作安全。
优选的，为了保证各个组件的安全，所述短路开关Q1的导通时间小于50ms，且大于所述断路开关K1和断路开关K2的动作时长。
优选的，所述断路开关K1和断路开关K2为机械开关或半导体开关的一种。
优选的，所述短路开关Q1为半导体开关。
优选的，所述短路开关Q1为MOSFET、BJT、IGBT中的一种。
一种用于光伏系统的关断电路的控制方法，为：
光伏系统正常工作时，短路开关Q1断开，其所在支路不导通，断路开关K1和断路开关K2闭合，光伏发电单元PV为打开状态，当光伏系统发生意外故障或紧急情况，需要关闭光伏发电单元PV时，导通短路开关Q1，此时，光伏发电单元PV发生短路，由于光伏发电单元PV的外特性，其在短路时，光伏发电单元PV出现较大的短路电流，输出电压降低，断路开关K1和断路开关K2在近似零电压下动作，实现了零电流通断，避免了开关动作时的电弧放电现象的发生，将短路开关Q1的导通时间控制在50ms以内，且大于断路开关K1和断路开关K2的动作时长，可以有效避免光伏组件和短路模块的热损坏；
通过控制电阻模块RS的阻值，将光伏发电单元PV的输出电压控制在10V以下，保证断路开关K1和断路开关K2的关断安全，避免在开关动作时产生拉弧现象，且断路开关K1和断路开关K2仅在电压检测模块检测的安全电压阈值范围内关闭，避免短路开关Q1在无法动作时，断开断路开关K1和断路开关K2引起的拉弧损坏，光伏发电单元PV安全关闭后，断开短路开关Q1。
本发明的优点和积极效果是：
本发明相较于传统的单独使用与光伏组串串联的直流开关或半导体开关进行光伏组串关断的方式，增加了由短路开关、二极管和电阻模块串联的短路模块，在母线上的断路开关执行断开动作时，短路模块将光伏组串短路，由于光伏组件的外特性，使得光伏板输出降低，母线开关在较低的工作电压和工作电流下动作，避免了开关动作时的电弧放电现象的发生，增加了继电器的使用寿命，并能避免使用昂贵的高压直流继电器，成本得到降低，且短路模块中串接的二极管，可以防止光伏组串在反接时，产生不可控的短路电流。本方案的关断器在输电母线上使用的是机械开关进行导通，相比于原有的只使用半导体开关的关断方式来说，显著的降低了导通损耗，且不需要对开关增加额外的散热措施。
附图说明
图1是现有的光伏发电的结构示意图；
图2是现有的光伏组串的关断方式的结构示意图；
图3是本发明的关断电路的第三实施例的电路原理图；
图4是本发明的光伏组件的外特性曲线图；
图5是本发明的关断电路的第一实施例的电路原理图；
图6是本发明的关断电路的第二实施例的电路原理图。
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。 需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：
如图3所示，本发明所述的一种用于光伏系统的关断电路，包括光伏发电单元PV，光伏发电单元PV包括若干个串联的光伏组件，光伏发电单元PV的正极通过断路开关K1连接逆变器的正极，光伏发电单元PV的负极通过断路开关K2连接逆变器的负极，断路开关K1和断路开关K2用于控制光伏发电单元PV的通断，断路开关K1和断路开关K2为机械开关或半导体开关的一种，机械开关如继电器或接触器或其他类型的机械开关，光伏发电单元PV并联有短路模块，短路模块的两端分别连接在光伏发电单元PV与断路开关K1之间和光伏发电单元PV与断路开关K2之间，使得断路开关K1和断路开关K2在断开状态时，短路模块将光伏发电单元PV短路。
短路模块有三种实施例，如图5所示，第一实施例只包括短路开关Q1，短路开关Q1的漏极连接光伏发电单元PV的正极，短路开关Q1的源极连接光伏发电单元PV的负极，如图6所示，第二实施例包括短路开关Q1和二极管D1，二极管D1与短路开关Q1串联，二极管D1的负极连接光伏发电单元PV的负极，二极管D1的正极连接光伏发电单元PV的正极，如图3所示，第三实施例包括短路开关Q1、二极管D1和电阻模块RS，短路开关Q1、二极管D1和电阻模块RS串联，短路开关Q1、二极管D1和电阻模块RS之间的连接顺序无限制，只保证制二极管D1的导通方向与光伏板中电流方向相同，电阻模块RS为若干个并联的功率电阻，也可为熔断器，用于承受短路时产生的热能，并在短路开关Q1发生击穿无法关断时，完成自身熔断，防止光伏发电单元PV长时间处于短路状态，短路开关Q1为半导体开关，为MOSFET、BJT、IGBT中的一种，也可以是其他类型的半导体开关，二极管D1可以防止光伏发电单元PV在反接时产生的短路电流。短路模块的串联结构，且输电母线上使用的断路开关K1和断路开关K2是机械开关进行导通，显著降低了导通损耗，且此种方式无需增加额外的散热措施，降低了成本。
此外，断路开关K1和断路开关K2所在的母线上设有电压检测模块，电压检测模块可以在断路开关K1和K2的内部，也可使用逆变器自带的电压检测模块，电压检测模块用于检测母线上的电压值，并内设有安全电压阈值，使断路开关K1和断路开关K2在安全电压阈值内动作，保证断路开关K1和断路开关K2的动作安全。
由于光伏发电单元PV不能长时间忍受短路，否则容易造成热斑损坏等情况，所以，为了保证各个组件的安全，应当控制短路开关Q1的导通时间，将短路开关Q1的导通时间设为小于50ms，且大于断路开关K1和断路开关K2的动作时长。
具体实施时，本发明的关断电路的控制方法，为：
光伏系统正常工作时，短路开关Q1关闭，其所在支路不导通，断路开关K1和断路开关K2闭合，光伏发电单元PV为打开状态，当光伏系统发生意外故障或紧急情况，需要关闭光伏发电单元PV时，导通短路开关Q1，此时，光伏发电单元PV发生短路，由于光伏发电单元PV的外特性，其在短路时，光伏发电单元PV出现较大的短路电流，输出电压降低，如图4所示，横坐标为电压值，纵坐标为电流值，断路开关K1和断路开关K2在近似零电压下动作，实现了零电流通断，避免了开关动作时的电弧放电现象的发生，将短路开关Q1的导通时间控制在50ms以内，且大于断路开关K1和断路开关K2的动作时长，在光伏发电单元PV安全关闭后，断开短路开关Q1。
通过控制电阻模块RS的阻值，将光伏发电单元PV的输出电压控制在10V以下，保证断路开关K1和断路开关K2的关断安全，避免在开关动作时产生拉弧现象，且断路开关K1和断路开关K2仅在电压检测模块检测的安全电压范围内关闭，避免短路开关Q1在无法动作时，断开断路开关K1和断路开关K2引起的拉弧损坏。
本发明相较于传统的单独使用与光伏组串串联的直流开关或半导体开关进行光伏组串关断的方式，增加了由短路开关、二极管和电阻模块串联的短路模块，在母线上的断路开关执行断开动作时，短路模块将光伏组串短路，由于光伏组件的外特性，使得光伏板输出降低，母线开关在较低的工作电压和工作电流下动作，避免了开关动作时的电弧放电现象的发生，增加了继电器的使用寿命，并能避免使用昂贵的高压直流继电器，成本得到降低，且短路模块中串接的二极管，可以防止光伏组串在反接时，产生不可控的短路电流，相比于原有的只使用半导体开关的关断方式来说，显著的降低了导通损耗，且不需要对开关增加额外的散热措施。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (9)
1.一种用于光伏系统的关断电路，其特征在于：包括光伏发电单元PV，所述光伏发电单元PV的母线上至少设置一个控制母线通断的开关，所述光伏发电单元PV的正极通过断路开关K1连接逆变器的正极，所述光伏发电单元PV的负极通过断路开关K2连接逆变器的负极，所述断路开关K1和断路开关K2用于控制所述光伏发电单元PV的通断，所述光伏发电单元PV并联有短路模块，所述短路模块的两端分别连接在所述光伏发电单元PV的正极和负极之间；
所述短路模块包括短路开关Q1，所述短路开关Q1的漏极连接所述光伏发电单元PV的正极，所述短路开关Q1的源极连接所述光伏发电单元PV的负极。
2.根据权利要求1所述的一种用于光伏系统的关断电路，其特征在于：所述短路模块还包括二极管D1，所述二极管D1与所述短路开关Q1串联，所述二极管D1的负极连接所述光伏发电单元PV的负极，所述二极管D1的正极连接所述光伏发电单元PV的正极。
3.根据权利要求2所述的一种用于光伏系统的关断电路，其特征在于：所述短路模块还包括电阻模块RS，所述电阻模块RS与短路开关Q1和二极管D1串联，用于保证当所述光伏发电单元PV反接时不产生不可控的反向电流。
4.根据权利要求1所述的一种用于光伏系统的关断电路，其特征在于：所述电阻模块RS为熔断器或若干个并联的功率电阻，用于承受短路时产生的热能及防止所述光伏发电单元PV长时间短路引起的热损坏。
5.根据权利要求1所述的一种用于光伏系统的关断电路，其特征在于：所述光伏发电单元PV的直流母线上设有电压检测模块，所述电压检测模块用于检测母线上的电压值。
6.根据权利要求1所述的一种用于光伏系统的关断电路，其特征在于：所述断路开关K1和断路开关K2为机械开关或半导体开关的一种。
7.根据权利要求1所述的一种用于光伏系统的关断电路，其特征在于：所述短路开关Q1为半导体开关。
8.根据权利要求2所述的一种用于光伏系统的关断电路，其特征在于：所述短路开关Q1为MOSFET、BJT、IGBT中的一种，所述二极管D1替换为MOSFET、IGBT、BJT中的一种。
9.一种用于光伏系统的关断电路的控制方法，其特征在于：包括：
光伏系统正常工作时，短路开关Q1断开，其所在支路不导通，断路开关K1和断路开关K2闭合，光伏发电单元PV为打开状态，当光伏系统发生意外故障或紧急情况，需要关闭光伏发电单元PV时，导通短路开关Q1，此时，光伏发电单元PV发生短路，由于光伏发电单元PV的外特性，其在短路时，光伏发电单元PV出现较大的短路电流，输出电压降低，断路开关K1和断路开关K2在近似零电压下动作，实现了零电流通断，避免了开关动作时的电弧放电现象的发生，将短路开关Q1的导通时间控制在50ms以内，且大于断路开关K1和断路开关K2的动作时长，可以有效避免光伏组件和短路模块的热损坏；
通过控制电阻模块RS的阻值，将光伏发电单元PV的输出电压控制在10V以下，保证断路开关K1和断路开关K2的关断安全，避免在开关动作时产生拉弧现象，且断路开关K1和断路开关K2仅在母线电压检测模块检测的安全电压阈值范围内关闭，避免短路开关Q1在无法动作时，断开断路开关K1和断路开关K2引起的拉弧损坏，光伏发电单元PV安全关闭后，断开短路开关Q1。
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| CN202111600681.1A CN114301390A (zh) | 2021-12-24 | 2021-12-24 | 一种用于光伏系统的关断电路及其控制方法 |
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| CN114301390A true CN114301390A (zh) | 2022-04-08 |
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| CN (1) | CN114301390A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024067317A1 (zh) * | 2022-09-28 | 2024-04-04 | 华为数字能源技术有限公司 | 光伏系统和光伏系统的电路保护方法 |
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2021
- 2021-12-24 CN CN202111600681.1A patent/CN114301390A/zh active Pending
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| WO2024067317A1 (zh) * | 2022-09-28 | 2024-04-04 | 华为数字能源技术有限公司 | 光伏系统和光伏系统的电路保护方法 |
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