CN116316445A - 一种功率变换器及其直流侧对地短路的保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种功率变换器及其直流侧对地短路保护方法、储能系统。所述功率变换器包括功率变换电路、继电器以及控制器。其中，功率变换电路主要用于实现直流至交流的转换，继电器主要用于实现并离网的切换，控制器主要用于控制功率变换电路以及继电器中开关的通断。当正直流母线出现对地短路故障时，控制器在任一相电网电压为负时，关断对应相的继电器，当负直流母线出现对地短路故障时，控制器在任一相电网电压为正时，关断对应相的继电器，以防止继电器粘连，保证逆变器的可靠分断。该方法无需在直流母线上额外设置防反二极管或者其他防护电路，便可以使逆变器免受短路电流的损害，因此大大减少了硬件成本，提高了能量转换效率。

Description

一种功率变换器及其直流侧对地短路的保护方法
技术领域
本申请涉及光伏发电领域，尤其涉及一种功率变换器及其直流侧对地短路保护方法、储能系统。
背景技术
并网逆变器是一种特殊的逆变器，其除了可以将直流电转换成交流电并为负载供电，还可以进一步将输出的交流电回馈至电网，因此，并网逆变器通常应用在一些直流电压源(如太阳能板或是小型风力发电机)和电网连接的电力系统中。在光伏逆变器并网系统中，逆变器的直流侧连接光伏组件，逆变器的交流侧连接变压器，变压器将逆变器输出的交流电变压后并入电网。在变压器的零线接地的场景下，一旦正直流母线或负直流母线出现对地短路故障，便会在直流母线、大地以及变压器之间形成短路电流回路。若不及时阻断，该短路电流会不受控地增大，最终导致电力系统中逆变器等相关部件的损坏，甚至引起安全事故。因此，如何在逆变器直流侧正母线或负母线出现对地短路时及时识别，并实现短路电流的可靠分断，至为重要。
为此，业界通常在逆变器直流侧正母线或负母线上设置一个导通方向与功率电流流向相同的防反二极管来实现短路电流的阻断，然而，该方案的效率较低、损耗较大，不利于整个发电系统工作效率的提升。
发明内容
为解决上述问题，本申请实施例提供了一种功率变换器及其直流侧对地短路保护方法，该功率变换器无需在其直流输入侧设置防反二极管或者其他防护电路，便可以在正直流母线或负直流母线出现对地短路故障时，实现可靠的分断，大大减少了硬件成本。
第一方面，本申请实施例提供了一种功率变换器，该功率变换器包括功率变换电路、继电器以及控制器，其中，功率变换电路的直流输入侧通过直流母线与光伏组件或储能电池相连，功率变换电路的交流输出侧与继电器相连，且功率变换电路包括半导体开关，用于实现直流电到交流电的转换。直流母线包括正直流母线和负直流母线。继电器的一端与功率变换电路的交流侧相连，继电器的另一端与电网相连，用于实现并网和离网切换的功能。控制器用于第一故障模式下，当电网电压位于负半周时，关断继电器。其中，第一故障模式包括正直流母线对地短路。如此设置，可以使得继电器在大地、正直流母线以及功率变换电路之间没有短路电流时断开，避免了继电器的粘连，使得功率变换器可靠分断。控制器还用于在第二故障模式下，当电网电压位于正半周时，关断继电器，第二故障模式包括负直流母线对地短路。基于相同原理，如此设置，可以使得继电器在大地、负直流母线以及功率变换电路之间没有短路电流时断开，避免了继电器的粘连，使得功率变换器可靠分断。
在一种可能的实现方式中，功率变换电路包括开关桥臂，开关桥臂包括上半桥臂和下半桥臂，其中，上半桥臂与正直流母线相连，下半桥臂与负直流母线相连，上半桥臂和下半桥臂均包括至少一个半导体开关。控制器用于，在第一故障模式下，先关断上半桥臂的半导体开关，再当电网电压位于负半周时，关断继电器。如此设置，可以在正直流母线出现对地短路故障时，避免短路电流流经功率变换电路的上半桥臂的半导体开关，进而防止半导体开关受短路电流的影响而损坏。除此之外，控制器还可用于，在第二故障模式下，先关断下半桥臂的半导体开关，再当电网电压位于正半周时，关断继电器。基于相同原理，如此设置，可以在负直流母线出现对地短路故障时，避免短路电流流经功率变换电路的下半桥臂的半导体开关，进而防止半导体开关受短路电流的影响而损坏。
在一种可能的实现方式中，控制器用于，在第一故障模式下，先关断功率变换电路的全部半导体开关，再当电网电压位于负半周时，关断继电器。如此设置，可以在正直流母线出现对地短路故障时，避免短路电流流经功率变换电路的上半桥臂，且继电器的关断逻辑简单。除此之外，控制器还用于，在第二故障模式下，先关断功率变换器的全部半导体开关，再当电网电压位于正半周时，关断继电器。基于相同原理，如此设置，可以在负直流母线出现对地短路故障时，避免短路电流流经功率变换电路的下半桥臂，且继电器的关断逻辑简单。
在一种可能的实现方式中，继电器包括A相继电器、B相继电器以及C相继电器。功率变换电路包括A相桥臂、B相桥臂以及C相桥臂，三相桥臂通过开关管的通断分别输出与A相、B相和C相电网相同频率以及相位的交流电。其中，A相继电器、B相继电器以及C相继电器的两端分别与A相桥臂的交流输出端以及A相电网，B相桥臂的交流输出端以及B相电网，C相桥臂的交流输出端以及C相电网相连。
控制器用于，在第一故障模式下，当A相电网电压位于负半周时，关断A相继电器，当B相电网电压位于负半周时，关断B相继电器，当C相电网电压位于负半周时，关断C相继电器。也就是说，控制器对A相继电器、B相继电器以及C相继电器进行了分时分断，以保证功率变换器的每相输出端都能与电网有效断开，避免了短路电流对功率变换器及其他器件的损害。
除此之外，控制器还可用于，在第二故障模式下，当A相电网电压位于正半周时，关断A相继电器，当B相电网电压位于正半周时，关断B相继电器，当C相电网电压位于正半周时，关断C相继电器。也就是说，控制器对A相继电器、B相继电器以及C相继电器进行了分时分断，以保证功率变换器的每相输出端都能与电网有效断开，避免了短路电流对功率变换器及其他设备的损害。
在一种可能的实现方式中，控制器用于，在第三故障模式下，立即关断继电器，第三故障模式包括正直流母线和负直流母线均未对地短路，且流过功率变换电路中至少一个半导体开关的电流值大于某一预设值。如此设置，可以在正直流母线和负直流母线都没有出现对地短路故障时，及时地在流经功率变换电路的电流超过某一预设值时，切断电流回路，进而防止大电流对半导体开关的损坏。
在一种可能的实现方式中，控制器用于，在第一故障模式下，响应于A相电网电压首次位于负半周的时长大于A相继电器关断的最小时长时，关断A相继电器，响应于A相电网电压首次位于负半周的时长小于A相继电器关断的最小时长时，在A相电网电压再次位于负半周时，关断A相继电器。控制器用于，在第一故障模式下，响应于B相电网电压首次位于负半周的时长大于B相继电器关断的最小时长时，关断B相继电器，响应于B相电网电压首次位于负半周的时长小于B相继电器关断的最小时长时，在B相电网电压再次位于负半周时，关断B相继电器。控制器用于，在第一故障模式下，响应于C相电网电压首次位于负半周的时长大于C相继电器关断的最小时长时，关断C相继电器，响应于C相电网电压首次位于负半周的时长小于C相继电器关断的最小时长时，在C相电网电压再次位于负半周时，关断C相继电器。如此设置，可以保证继电器有充分时间实现断开，进一步保证了继电器断开的可靠性，使得功率变换器以及其他器件免受短路电流的损害。
在一种可能的实现方式中，控制器用于，在第二故障模式下，响应于A相电网电压首次位于正半周的时长大于A相继电器关断的最小时长时，关断A相继电器，响应于A相电网电压位于正半周的时长小于A相继电器关断的最小时长时，在A相电网电压再次位于正半周时，关断A相继电器。控制器用于，在第二故障模式下，响应于B相电网电压首次位于正半周的时长大于B相继电器关断的最小时长时，关断B相继电器，响应于B相电网电压位于正半周的时长小于B相继电器关断的最小时长时，在B相电网电压再次位于正半周时，关断B相继电器。控制器用于，在第二故障模式下，响应于C相电网电压首次位于正半周的时长大于C相继电器关断的最小时长时，关断C相继电器，响应于C相电网电压位于正半周的时长小于C相继电器关断的最小时长时，在C相电网电压再次位于正半周时，关断C相继电器。如此设置，可以保证继电器有充分时间实现断开，进一步保证了继电器断开的可靠性，使得功率变换器以及其他器件免受短路电流的损害。
第二方面，本申请实施例提供了一种功率变换器直流侧对地短路的保护方法，该方法包括：当正直流母线出现对地短路故障时，在电网电压位于负半周时关断继电器。如此设置，可以使得继电器在大地、正直流母线以及功率变换电路之间没有短路电流时断开，避免了继电器的粘连，使得功率变换器可靠分断。当负直流母线出现对地短路故障时，在电网电压位于正半周时关断继电器。基于相同原理，如此设置，可以使得继电器在大地、负直流母线以及功率变换电路之间没有短路电流时断开，避免了继电器的粘连，使得功率变换器可靠分断。也就是说，通过对继电器进行分时分断，保证了功率变换器的每相输出端都能与电网有效断开，避免了短路电流对功率变换器及其他器件的损害。其中，光伏组件通过正直流母线以及负直流母线与功率变换电路的直流输入侧相连，功率变换电路的交流输出侧与继电器的一端相连，继电器的另一端与电网相连。
在一种可能的实施方式中，当正直流母线出现对地短路故障时，关断功率变换电路的上半桥臂的半导体开关。如此设置，可以在正直流母线出现对地短路故障时，避免短路电流流经功率变换电路的上半桥臂的半导体开关，进而防止半导体开关受短路电流的影响而损坏。除此之外，当负直流母线出现对地短路故障时，关断功率变换电路的下半桥臂的半导体开关。基于相同原理，如此设置，可以在负直流母线出现对地短路故障时，避免短路电流流经功率变换电路的下半桥臂的半导体开关，进而防止半导体开关受短路电流的影响而损坏。其中，功率变换电路的上半桥臂与正直流母线相连，功率变换电路的下半桥臂与负直流母线相连。
在一种可能的实施方式中，当正直流母线出现对地短路故障时，先关断功率变换电路的全部半导体开关，再在电网电压位于负半周时，关断继电器。如此设置，可以在正直流母线出现对地短路故障时，避免短路电流流经功率变换电路的上半桥臂的半导体开关，进而防止半导体开关受短路电流的影响而损坏，且继电器的关断逻辑简单。除此之外，当负直流母线出现对地短路故障时，先关断功率变换电路的全部半导体开关，再在电网电压位于正半周时，关断继电器。基于相同原理，如此设置，可以在负直流母线出现对地短路故障时，避免短路电流流经功率变换电路的下半桥臂的半导体开关，进而防止半导体开关受短路电流的影响而损坏，且继电器的关断逻辑简单。其中，功率变换电路的上半桥臂与正直流母线相连，功率变换电路的下半桥臂与负直流母线相连。
在一种可能的实施方式中，当正直流母线出现对地短路故障时，若电网电压首次位于负半周的时长大于继电器关断的最小时长，立即关断继电器，若电网电压位于负半周的时长小于继电器关断的最小时长，待电网电压再次位于负半周时，再关断继电器。如此设置，可以保证继电器有充分时间实现断开，进一步保证了继电器断开的可靠性，使得功率变换器以及其他器件免受短路电流的损害。
在一种可能的实施方式中，当负直流母线出现对地短路故障时，若电网电压首次位于正半周的时长大于继电器关断的最小时长，立即关断继电器，若电网电压位于正半周的时长小于继电器关断的最小时长，待电网电压再次位于正半周时，再关断继电器。如此设置，可以保证继电器有充分时间实现断开，进一步保证了继电器断开的可靠性，使得功率变换器以及其他器件免受短路电流的损害。
在一种可能的实施方式中，当流经功率变换电路中至少一个半导体开关的电流大于某一阈值，并且正直流母线和负直流母线均未对地短路时，立即关断继电器。在该情况下，说明功率变换器仅面临过流故障，而其直流侧并没有出现短路故障。因此，控制器立即关断继电器，以尽快地排除过流故障。
总的来说，本申请提供的功率变换器无需在其直流侧设置防反二极管，便可以在功率变换器的直流侧出现短路故障时，实现功率变换器及时、可靠的分断，因此大大节省了物料成本，同时避免了电流流经防反二极管时产生的能量浪费，提高了能量转换效率。
附图说明
图1为光伏发电系统的架构图；
图2为本申请提供的一种逆变器直流侧对地短路的保护方法图；
图3为本申请提供的一种逆变器直流侧对地短路的控制逻辑图；
图4a为本申请提供的一种正直流母线对地短路时短路电流的流向图；
图4b为本申请提供的一种正直流母线对地短路时继电器的关断时序图；
图5a为本申请提供的一种负直流母线对地短路时短路电流的流向图；
图5b为本申请提供的一种负直流母线对地短路时继电器的关断时序图；
图6为本申请提供的一种直流母线未对地短路时继电器的关断时序图；
图7a为本申请提供的另一种正直流母线对地短路时短路电流的流向图；
图7b为本申请提供的另一种负直流母线对地短路时短路电流的流向图；
图8为几种中点钳位型三电平功率变换电路的拓扑图。
具体实施方式
如背景技术所述，对于并网逆变器，在变压器零线接地的场景下，当正直流母线或负直流母线出现对地短路时，会在逆变器、大地以及变压器之间形成短路电流回路。若不及时阻断，该短路电流会不受控地增大，并对逆变器等部件造成损害。
对此，如图1所示，业内通常分别在正直流母线和负直流母线上设置一个导通方向与功率电流流向一致的二极管，下面简称防反二极管，以阻断上述短路电流。需要说明的是，在正直流母线上，功率电流的流动方向是从直流源流向逆变器，在负直流母线上，功率电流的流动方向是从逆变器流向直流源。
但是，该方案主要存在两方面的问题。首先，由于直流母线上电压较高、电流较大，因此，位于其上的防反二极管需要具备较大的电流导通能力以及耐压能力，导致二极管的成本上升。其次，由于经过直流母线的电流较大，当防反二极管导通时，会产生额外的损耗，导致逆变器的工作效率降低。
因此，为了降低硬件成本，提升逆变器的工作效率，本申请实施例针对逆变器直流侧无防反二极管或其他防护电路的系统提供了一种在逆变器直流侧出现对地短路故障时，能够保证逆变器可靠分断的方法。下面，将具体结合图2至图7进行详细说明。
首先，参见图2，图2是本申请实施例提供的光伏并网系统架构以及保证逆变器在发生直流母线对地短路故障时，实现逆变器可靠分断的控制逻辑图。在正常的并网场景下，该系统的工作原理是，直流源将直流电传输至逆变器，逆变器将直流电转换为交流电后，交流电经过变压器的变压，进一步将电能传输至电网或负载。其中，直流源可以为光伏组件或储能电池，逆变器包括功率变换电路101、继电器102以及控制器103。
在逆变器中，功率变换电路101的交流输出端与继电器102相连，且功率变换电路101的每相输出端都与继电器102中的一个或多个继电器相连。其中，在功率变换电路101中，输出与X相电网相同频率以及相位交流电的桥臂记为X(X＝A、B、C)相桥臂。与X相桥臂输出端相连的继电器记为X相继电器。具体地，功率变换电路101用于实现直流至交流的转换，包括两电平、三电平或多电平等结构。另外，继电器102主要用于控制整个逆变器的并网和离网，因此继电器102还可以替换为其他能够改变电路通断功能的器件。控制器103主要用于控制功率变换电路101以及继电器102中开关的状态，控制器103与功率变换电路101以及继电器102之间可以通过电或者无线等方式连接，本申请对此不做限制。
除此之外，逆变器还包括未在图中示出的电流检测电路和短路检测电路。其中，电流检测电路主要用于识别逆变器是否出现过流故障，并将相应的电流检测信息上报至控制器103。示例地，电流检测电路可以通过检测流经半导体开关的电流大小，判断逆变器是否出现过流故障。另外，短路检测电路用于识别直流母线是否出现对地短路，并将直流母线与大地之间的状态信息上报至控制器103。示例地，短路检测电路可以通过检测正/负直流母线以及与它们同电位的点与大地之间是否存在阻抗来判断正/负直流母线是否出现对地短路故障。也就是说，短路检测电路主要用于判断直流母线与大地之间的状态，具体分为正直流母线对地短路、负直流母线对地短路和无直流母线对地短路三种，并将判断结果上报至控制器103。
示例地，当经过功率变换电路中至少一个半导体开关的电流超过某一设定阈值时，触发逆变器的过流保护动作，控制器103关断功率变换电路101中所有桥臂的半导体开关。进一步地，控制器103根据直流母线的短路故障类型，控制继电器102进行分时分断，以使得逆变器可以在直流侧母线出现短路故障时，实现可靠的、及时的分断，防止逆变器及光伏并网系统中其他部件的损坏。
具体地，参见图3，图3是本申请实施例提供的一种逆变器在发生直流母线对地短路故障时，保证逆变器可靠分断的方法流程图。如图3所示，当流经功率变换电路中至少一个半导体开关的电流大于某一设定阈值时，电流检测电路将相应的电流检测信号上报至控制器103，触发逆变器的过流保护，控制器103关断功率变换电路101中所有桥臂的半导体开关。进一步地，控制器103根据短路监测模块上报的直流母线对地短路状态信息，进入不同继电器102的分断逻辑。
示例地，当正直流母线出现对地短路故障时，控制器103在X相电网电压位于负半周时关断继电器102中X相继电器，当直流母线未出现对地短路故障时，控制器103立即关断继电器102中所有继电器，当负直流母线出现对地短路故障时，控制器103在X相电网电压位于正半周时关断继电器102中X相继电器。
下面，将以三电平逆变器为例，对本申请提供的方法进行详细说明。参见图4a，图4a为三电平并网逆变系统的拓扑图，该系统主要包括直流源、逆变器以及变压器(电网或负载)等部件。其中，逆变器包括直流侧的分压电容C1和C2、功率变换电路101以及与功率变换电路101交流输出端相连的继电器102。具体地，功率变换电路101的每相桥臂上包括依次串联的四个半导体开关，即Sx1～Sx4，以及与每个半导体开关反并联的续流二极管，即Dx1～Dx4。其中，Sx1与Sx3互补导通，Sx2与Sx4互补导通。当Sx1与Sx2导通时，X相输出正电平，当Sx2与Sx3导通时，X相输出零电平，当Sx3与Sx4导通时，X相输出负电平。因此，逆变器交流侧每相输出的电压相对于直流侧电压有三种取值的可能，这也是三电平逆变器名称的由来。
值得注意的是，图4a中正直流母线以及负直流母线上均未设置如图1所示的防反二极管，且变压器的零线接地。当正直流母线出现对地短路故障时，变压器、大地以及正直流母线之间会形成短路电流回路，导致流经半导体开关的电流迅速增大。如上所述，电流检测电路用于检测流经半导体开关的电流大小，因此，当流经功率变换电路中至少一个半导体开关的电流大于某一设定阈值时，电流检测电路将电流检测信号上报至控制器103，控制器103关断功率变换电路101中所有桥臂的半导体开关，即Sx1～Sx4，以尽可能地切断短路电流回路，防止短路电流损坏半导体开关。
然而，示例地，当电网的A相电压处于正半周时，即使功率变换电路101中A相桥臂的所有半导体开关，即SA1至SA4，都被关断，短路电流仍然会沿着与半导体开关Sa1和Sa2反并联的二极管DA1和DA2形成如图4a所示的回路。另外，由于二极管DA1和DA2为不控器件，因此，难以通过控制器103断开DA1和DA2这一短路电流路径。与此同时，当短路电流经过DA1和DA2形成回路时，由于短路电流较大，控制器103在关断A相继电器时，容易出现A相继电器粘连的现象，导致其难以关断，仍不能可靠地切断短路电流回路。
为了描述方便，本申请实施例仅以A相短路电流为例进行说明，实际上，在正直流母线对地短路的场景下，若电网的B相或C相电压处于正半周，二极管DB1和DB2或者二极管DC1和DC2的存在同样会导致大地、正直流母线以及变压器之间形成短路电流回路，使得B相继电器和C相继电器在断开时出现粘连现象，严重影响逆变器等器件的安全。
为了有效地关断继电器102，可靠地切断短路电流回路，本申请提供了一种继电器102的分时关断方法。参见图4b，图4b为正直流母线对地短路时继电器102的关断时序图。如图4b所示，当流经功率变换电路中至少一个半导体开关的电流大于某一设定阈值时，电流检测电路将电流检测信号上报至控制器103，触发逆变器的过流保护。控制器103关断功率变换电路101中所有桥臂的半导体开关。与此同时，控制器103根据短路检测电路上报的短路状态信号，判断出现了正直流母线对地短路故障，逆变器进入第一故障模式，控制器103仅在X相电网电压为负时关断X相继电器。
示例地，如图4b所示，在功率变换电路101中所有半导体开关关断的瞬间，电网的A相电压位于正半周，而B相和C相的电压位于负半周，因此，为了保证继电器102的可靠关断，此时仅B相继电器和C相继电器可关断。另外，在该周期内，B相继电器的可关断时间区间仅为B相电网电压为负时所对应的时间区间，即B1。同理，C相继电器的可关断时间区间为仅为C1。
需要说明的是，在功率变换电路101中所有半导体开关关断的瞬间，控制器103除了需要根据电网中A相、B相和C相电压是位于正半周或负半周来判断继电器102中哪个继电器可以关断外，还需进一步判断可关断继电器的时间区间是否大于继电器分断的最小时长。若可关断继电器的时间区间大于继电器关断的最小时长，控制器103立即关断相应的继电器，若上述可关断继电器的时间区间小于继电器分断的最小时长，控制器103暂不关断相应的继电器，而在下一个可关断继电器的时间区间再关断相应的继电器。
示例地，如图4b所示，在功率变换电路101中所有半导体开关关断的瞬间，仅B相和C相的电网电压位于负半周，控制器103判断B相继电器和C相继电器可关断，且B相继电器可关断的时间区间为B1，C相继电器可关断的时间区间为C1。此时，若B1时间区间大于B相继电器关断的最小时长，控制器103立即关断B相继电器。同理，若C1时间区间大于C相继电器关断的最小时长，控制器103立即关断C相继电器。相反地，若B1时间区间小于B相继电器关断的最小时长，控制器103暂不关断B相继电器，而等待B相电网电压进入下一个B相继电器可关断的时间周期，即B2时间区间时，再关断B相继电器。同理，若C1时间区间小于C相继电器关断的最小时长，控制器103暂不关断C相继电器，而等待C相电网电压进入下一个C相继电器可关断的时间周期，即C2时间区间时，再关断C相继电器。
基于相同的原理，如图4b所示，在功率变换电路101中所有半导体开关断开的瞬间，A相的电网电压位于正半周，因此，控制器103暂不关断A相继电器，而是等待A相电网电压位于负半周，即A1时，关断A相继电器。
总的来说，上述方案的实现原理是，在正直流母线出现对地短路故障且功率变换电路101中半导体开关SA1和SA2导通，SA3和SA4关断时，短路电流既可以流经半导体开关SA1和SA2，还可以流经与之反并联的二极管DA1和DA2，因此，当电流检测电路检测到过流信号后，即使控制器103及时关断了半导体开关SA1和SA2，但是由于二极管DA1和DA2不可控，当A相电网电压位于正半周时，仍然会形成如图4a所示的短路电流回路。与此同时，由于此时短路电流较大，若控制器103直接关断A相继电器，则A相继电器很可能会出现粘连的现象，导致A相继电器难以可靠关断，短路电流仍会不受控地增大。与之相反，若控制器103在A相电网电压位于负半周时关断A相继电器，此时二极管DA1和DA2的阳极电位小于阴极电位，二极管DA1和DA2不导通，所以此时在电网、大地以及正直流母线之间无法形成短路电流回路，可以避免A相继电器关断时出现粘连现象，保证可靠关断。需要注意的是，为了描述方便，上述原理仅以功率变换电路101中A相桥臂以及A相继电器作为示例，实际上，上述原理对功率变换电路101中B相桥臂和C相桥臂，继电器102中B相继电器和C相继电器同样适应，在此不做赘述。
值得一提地，如图4b所示，在逆变器触发过流保护的瞬间，A相电网电压位于正半周，A相桥臂上半导体开关SA1和SA2开通，半导体开关SA3和SA4断开，因此短路电流既可以流经半导体开关SA1和SA2，还可以流经与半导体开关SA1和SA2反并联的二极管DA1和DA2。与之相反，此时B相电网电压位于负半周，B相桥臂上半导体开关SB3和SB4开通，半导体开关SB1和SB2断开，因此，短路电流无法流经B相桥臂。同样地，C相电网电压也位于负半周，C相桥臂上半导体开关SC3和SC4开通，半导体开关SC1和SC2断开，因此，短路电流也无法流经C相桥臂。所以，在逆变器触发过流保护的瞬间，控制器103仅关断A相桥臂上半导体开关SA1和SA2，就可防止短路电流损害功率变换电路101中所有半导体开关。因此，面对正直流母线对地短路的故障，在逆变器触发过流保护的瞬间，控制器103可以不关断功率变换电路101中所有半导体开关，而只关断X相桥臂的上半桥臂，即半导体开关SX1和SX2，就可以保证功率变换电路101的所有半导体开关不受短路电流的损害。
另外，随着半导体开关耐受电流能力的提高，在逆变器触发过流保护的瞬间，控制器103也可以不关断任何半导体开关，仅当X相电网电压位于负半周时关断X相继电器。示例地，如图4b所示，在逆变器触发过流保护的瞬间，A相电网电压位于正半周，短路电流可以流经A相桥臂上半导体开关SA1和SA2，以及与之反并联的二极管DA1和DA2。当半导体开关SA1和SA2的耐受电流足够大时，控制器103不关断半导体开关SA1和SA2也不会导致其损坏。当A相电网电压位于负半周时，A相桥臂无短路电流，因此与之相连的A相继电器可以实现可靠的关断，而不出现继电器粘连的现象。
参见图5a，图5a也是三电平并网逆变系统的拓扑图，图5a与图4a之间的主要区别在于，图5a对应的场景为负直流母线对地短路。当负直流母线出现对地短路故障时，变压器、大地以及负直流母线之间会形成短路电流回路，导致流经半导体开关的电流迅速增大。如上所述，电流检测电路用于检测流经半导体开关的电流大小，当流经功率变换电路中至少一个半导体开关的电流大于某一设定阈值时，电流检测电路将过流信号上报至控制器103，控制器103关断功率变换电路101中所有桥臂的半导体开关，以尽可能地切断短路电流的回路。然而，值得注意的是，当A相电网电压处于负半周时，即使A相桥臂的所有半导体开关，即Sa1至Sa4都被关断，短路电流仍然会沿着与半导体开关SA3和SA4反并联的二极管DA3和DA4形成如图5a所示的回路。另外，由于二极管DA3和DA4为不控器件，因此，难以通过控制器103断开DA3和DA4这一短路电流路径。与此同时，当短路电流经过DA3和DA4形成电流回路时，由于短路电流较大，因此，控制器103在关断A相继电器时，容易出现A相继电器粘连的现象，导致其难以关断，仍不能可靠地切断短路电流回路。为了描述方便，本申请实施例仅以A相短路电流为例进行说明，实际上，在负直流母线对地短路的场景下，若电网的B相或C相电压处于负半周，二极管DA3和DA4或者二极管DA3和DA4的存在同样会导致大地、负直流母线以及变压器之间形成短路电流回路，使得继电器102中B相继电器和C相继电器在断开时出现粘连现象，严重影响逆变器等器件的安全。
为了有效地关断继电器102，可靠地切断短路电流回路，本申请提供了一种继电器102的分时关断方法。参见图5b，图5b为负直流母线对地短路时继电器102的关断时序图，如图5b所示，当流经半导体开关的电流大于某一设定阈值时，电流检测电路将过流信号上报至控制器103，触发逆变器的过流保护。控制器103关断功率变换电路101中所有桥臂的半导体开关。与此同时，控制器103根据短路检测电路上报的短路状态信号，判断出现了负直流母线对地短路故障，逆变器进入负直流母线对地短路保护模式，控制器103仅能在X相电网电压为正时关断X相继电器。
示例地，如图5b所示，在半导体开关关断的瞬间，电网的A相电压位于正半周，而B相和C相的电压位于负半周，因此，为了保证继电器102的可靠关断，此时仅A相继电器可关断，而且，在该周期内，A相继电器的可关断时间区间仅为A相电网电压为正时所对应的时间区间，即A1。
需要说明的是，在功率变换电路101中所有半导体开关关断的瞬间，控制器103除了需要根据电网中A相、B相和C相电压是位于正半周或负半周来判断继电器102中哪个继电器可以关断外，还需进一步判断可关断继电器的时间区间是否大于继电器分断的最小时长。若可关断继电器的时间区间大于继电器关断的最小时长，控制器103立即关断相应的继电器，若上述可关断继电器的时间区间小于继电器分断的最小时长，控制器103暂不关断相应的继电器，而在下一个可关断继电器的时间区间再关断相应继电器。
示例地，如图5b所示，在功率变换电路101中所有半导体开关关断的瞬间，仅A相的电网电压位于正半周，控制器103判断A相继电器可关断，且A相继电器可关断的时间区间为A1。此时，若A1时间区间大于A相继电器关断的最小时长，控制器103立即关断A相继电器。相反地，若A1时间区间小于A相继电器关断的最小时长，控制器103暂不关断A相继电器，而在A相电网电压进入下一个A相继电器可关断的时间周期，即A2时间区间时，再关断A相继电器。
基于相同的原理，如图5b所示，在功率变换电路101中所有半导体开关断开的瞬间，B相电网电压位于负半周，因此，控制器103暂不关断B相继电器，而是等待B相电网电压位于正半周，即B1时，再关断B相继电器。同理，如图5b所示，在功率变换电路101中所有半导体开关断开的瞬间，C相电网电压也位于负半周，因此，控制器103暂不关断C相继电器，而是等待C相电网电压位于正半周，即C1时，再关断C相继电器。
总的来说，上述方案的实现原理是，在负直流母线出现对地短路故障且A相电网电压电路位于负半周时，A相桥臂上半导体开关SA3和SA4导通，SA1和SA2关断，短路电流既可以流经半导体开关SA3和SA4还可以流经与之反并联的二极管DA3和DA4。因此，当电流检测电路检测到过流信号后，即使控制器103及时关断了半导体开关SA3和SA4，但是由于二极管DA3和DA4不可控，因此当A相的电网电压位于负半周时，仍然会形成如图5a所示的短路电流回路。与此同时，由于此时短路电流较大，若控制器103直接关断A相继电器，则A相继电器很可能会出现粘连的现象，导致A相继电器难以可靠关断，短路电流仍不受控地增大。与之相反，若控制器103在A相电网电压位于正半周时关断A相继电器，此时二极管DA3和DA4的阴极电位大于阳极电位，二极管DA3和DA4不导通，所以此时在电网、大地以及负直流母线之间无法形成短路电流的回路，可以避免A相继电器关断时的粘连，保证可靠关断。值得一提的是，此时电流可以沿着二极管DA1和DA2流动至正直流母线，但由于正直流母线未出现对地短路故障，所以经过二极管DA1和DA2的电流不会对逆变器造成危害。需要注意的是，为了描述方便，上述原理仅以功率变换电路101中A相桥臂以及A相继电器作为示例，实际上，上述原理对功率变换电路101中B相桥臂和C相桥臂以及B相继电器和C相继电器同样适应，在此不做赘述。
值得一提地，如图5b所示，在逆变器触发过流保护的瞬间，B相电网电压以及C相电网电压都位于负半周。因此，此时功率变换电路101中B相桥臂上半导体开关SB3和SB4开通，半导体开关SB1和SB2断开，C相桥臂上半导体开关SC3和SC4开通，半导体开关SC1和SC2断开。短路电流既可以流经半导体开关SB3和SB4，二极管DB3和DB4，还可以流经半导体开关SC3和SC4，二极管DB3和DB4。与之相反，此时A相电网电压位于正半周，A相桥臂上半导体开关SA1和SA2开通，半导体开关SA3和SA4断开，因此，短路电流无法流经A相桥臂。所以，在逆变器触发过流保护的瞬间，控制器103仅关断B相桥臂上半导体开关SB3和SB4和C相桥臂上半导体开关SC3和SC4就可防止短路电流损害功率变换电路101中所有半导体开关。因此，面对负直流母线对地短路的故障，在逆变器触发过流保护的瞬间，控制器103可以不关断功率变换电路101中所有半导体开关，而只关断X相桥臂的下半桥臂，即半导体开关SX3和SX4，就可保证功率变换电路101的所有半导体开关不受短路电流的损害。
另外，随着半导体开关耐受电流能力的提高，在逆变器触发过流保护的瞬间，控制器103也可以不关断任何半导体开关，仅当X相电网电压位于正半周时关断X相继电器。示例地，如图5b所示，在逆变器触发过流保护的瞬间，B相电网电压以及C相电网电压都位于负半周，短路电流既可以流经半导体开关SB3和SB4，二极管DB3和DB4，还可以流经半导体开关SC3和SC4，二极管DB3和DB4。当半导体开关SB3、SB4、SC3、SC4的耐受电流足够大时，控制器103不关断半导体开关SB3、SB4、SC3、SC4也不会导致它们损坏。当B相电网电压和C相电网电压位于正半周时，B相桥臂和C相桥臂无短路电流，因此B相继电器以及C相继电器可以实现可靠的关断，而不出现继电器粘连的现象。
上述两种情形分别为正直流母线对地短路以及负直流母线对地短路时，为保证继电器102的可靠关断，控制器103根据短路故障的类型，对继电器102中X相继电器进行分时关断的控制策略。在逆变器的实际工作中，除了以上两种直流母线对地短路的情况之外，仍存在其他诱因会使得流经半导体开关的电流出现异常，并需要通过及时关断继电器102来保护逆变器等相关设备。
对此，参见图6，图6为直流母线未对地短路时，继电器102的关断时序图。如图6所示，当流经功率变换电路中至少一个半导体开关的电流大于某一设定阈值，电流检测电路将过流信号上报至控制器103，逆变器触发过流保护，控制器103关断功率变换电路101中所有桥臂的半导体开关。与此同时，控制器103根据短路检测电路上报的短路状态信号，判断直流母线未出现对地短路故障，逆变器进入正常保护逻辑，控制器103立即关断继电器102中所有继电器。
值得一提地，随着半导体开关耐受电流能力的提高，在逆变器出现过流故障且无直流母线对地短路时，控制器103即使不关断功率变换电路101中所有半导体开关，也不会导致半导体开关受到短路电流的损害。因此，控制器103可以在不关断功率变换电路101中半导体开关的情况下，直接关断继电器102中所有继电器。
上述实施例针对的是正直流母线以及负直流母线上均未设置防反二极管或其他防护电路的逆变系统在面临直流母线对地短路故障时，保证继电器102可靠关断的方法。在实际的应用场景中，正直流母线或者负直流母线上可以择一设置防反二极管或其他防护电路。
示例地，参见图7a，图7a为负直流母线上设置防反二极管的三电平并网逆变系统的拓扑图。如图7a所示，由于负直流母线上设置了防反二极管，因此，在负直流母线出现对地短路故障时，在电网、大地以及负直流母线之间无法形成短路电流回路，也就不会导致逆变器的损坏。相反地，若正直流母线出现了对地短路的故障，那么，在电流检测电路将电流检测信号上报至控制器103后，控制器103关断功率变换电路101中所有桥臂的半导体开关，以尽可能地切断短路电流的回路。但是，即使控制器103及时关断了功率变换电路101中所有桥臂的半导体开关，当电网中A相电压位于正半周时，短路电流仍然会沿着与半导体开关SA1和SA2反并联的二极管DA1和DA2形成如图7a所示的回路。值得注意的是，图7a所示的短路电流回路与图4a所示的短路电流回路相同。因此，对于仅负直流母线上设置了防反二极管的三电平并网逆变系统，在电流检测电路向控制器103上报电流检测信号后，控制器103无需根据短路检测电路向其上报的直流母线对地短路信息去判断进入何种保护逻辑，而直接采取如图4b所示的继电器102分时分断逻辑，即控制器103仅在X相电网电压为负时，关断X相继电器。
可选地，逆变器进入过流保护状态时，控制器103也可以接收短路检测电路上报的信息。当控制器103接收到正直流母线对地短路信号时，控制器103在X相电网电压为负时关断X相继电器，当控制器103接收到负直流母线对地短路信号时，控制器103无需关断继电器102，当控制器103接收到直流母线未对地短路信号时，控制器103直接关断继电器102。
示例地，参见图7b，图7b为正直流母线上设置防反二极管的三电平并网逆变系统的拓扑图。如图7b所示，由于正直流母线上设置了防反二极管，因此，在正直流母线出现对地短路故障时，在电网、大地以及正直流母线之间无法形成短路电流回路，也就不会导致逆变器的损坏。相反地，若负直流母线出现了对地短路的故障，那么，在电流检测电路将电流检测信号上报至控制器103后，控制器103关断功率变换电路101中所有桥臂的半导体开关，以尽可能地切断短路电流的回路。但是，即使控制器103及时关断了功率变换电路101中所有桥臂的半导体开关，当电网中A相电压位于负半周时，短路电流仍然会沿着与半导体开关SA3和SA4反并联的二极管DA3和DA4形成如图7b所示的回路。值得注意的是，图7b所示的短路电流回路与图5a所示的短路电流回路相同。因此，对于仅正直流母线上设置了防反二极管的三电平并网逆变系统，在电流检测电路向控制器103上报电流检测信号后，控制器103无需根据短路检测电路向其上报的直流母线对地短路信息去判断进而何种保护逻辑，而直接采取如图5b所示的继电器102分时分断逻辑，即控制器103在X相电网电压为正时，关断X相继电器。
可选地，逆变器进入过流保护状态时，控制器103也可以接收短路检测电路上报的信号。当控制器103接收到正直流母线对地短路信号时，控制器103无需关断继电器102，当控制器103接收到负直流母线对地短路信号时，控制器103在X相电网电压为正时关断X相继电器，当控制器103接收到直流母线未对地短路信号时，控制器103直接关断继电器102。
上述实施例主要介绍了直流母线上未设置，或者，部分设置防反二极管或其他防护电路的三相并网逆变系统在面临直流母线对地短路故障时，如何实现继电器102的可靠关断，以保护逆变器等设备不受损害的方法。
需要说明的是，对于并网逆变器而言，由于其与电网之间存在能量的交换，且电网电压较大，因此，当直流母线出现对地短路故障时，短路电流更容易不受控地增大，并对逆变器等设备造成损害。与之相比，离网逆变器的交流输出端直接与负载相连，其并不与电网之间进行能量交互，因此，对于直流母线上未设置防反二极管或其他防护电路的离网逆变系统，逆变器等器件受短路电流的影响较小。然而，对于离网逆变系统，当直流母线出现对地短路故障时，若不及时分断短路电流，短路电流仍然会增大，可能导致逆变器等器件的故障。因此，为了更好地保证离网逆变系统中逆变器以及其他器件的安全，离网逆变器的控制器也可以采用上述继电器的关断逻辑，即正直流母线对地短路时，控制器在负载两端电压为负时关断继电器，负直流母线对地短路时，控制器在负载两端电压为正时关断继电器，无直流母线对地短路时，控制器直接关断继电器。
值得一提的是，上述防反二极管既可以整合在逆变器内部也可以设置在逆变器前级的功率器件中，例如DC/DC变换器。
另外，上述实施例的半导体开关包括绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)、金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)、氮化镓GaN功率器件、碳化硅SiC功率器件等，本申请对此不做限制。
另外，在上述实施例中，功率变换电路101为I型三电平拓扑，该拓扑还可以扩充至其他中点钳位型(Neutral Point Clamped,NPC)三电平拓扑，例如，如图8所示的有源NPC(ANPC)拓扑、T型三电平拓扑等。
另外，上述实施例中功率变换电路101也不局限于三电平拓扑，其他两电平或者多电平拓扑同样适应本方案。
与此同时，本申请实施例仅以逆变器为例进行说明，在实际的应用场景中，逆变器还可以扩展至其他能够进行直流/交流转换的功率变换器，例如，储能变流器(PowerConversion System)等，本申请对此不做限制。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种功率变换器，其特征在于，所述功率变换器包括功率变换电路、继电器以及控制器，其中，所述功率变换电路的直流输入侧用于通过直流母线与光伏组件或储能电池相连，所述功率变换电路的交流输出侧用于与所述继电器相连，所述功率变换电路包括半导体开关，以实现直流电到交流电的转换；
所述直流母线包括正直流母线和负直流母线；
所述继电器的一端用于与所述功率变换电路的交流输出侧相连，所述继电器的另一端用于与电网相连，以实现所述功率变换器的并离网切换；
所述控制器用于，在第一故障模式下，当电网电压位于负半周时，关断所述继电器，所述第一故障模式包括所述正直流母线对地短路；或者
所述控制器用于，在第二故障模式下，当电网电压位于正半周时，关断所述继电器，所述第二故障模式包括所述负直流母线对地短路。
2.如权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，所述功率变换电路包括开关桥臂，所述开关桥臂包括上半桥臂和下半桥臂，所述上半桥臂与所述正直流母线相连，所述下半桥臂与所述负直流母线相连，所述上半桥臂和所述下半桥臂均包括至少一个所述半导体开关；
所述控制器用于，在第一故障模式下，先关断所述上半桥臂的所述半导体开关，再当电网电压位于负半周时，关断所述继电器；或者，
所述控制器用于，在第二故障模式下，先关断所述下半桥臂的所述半导体开关，再当电网电压位于正半周时，关断所述继电器。
3.如权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，
所述控制器用于，在第一故障模式下，先关断全部所述半导体开关，再当电网电压位于负半周时，关断所述继电器；或者，
所述控制器用于，在第二故障模式下，先关断全部所述半导体开关，再当电网电压位于正半周时，关断所述继电器。
4.如权利要求1-3任一项所述的功率变换器，其特征在于，所述继电器包括A相继电器、B相继电器以及C相继电器；
所述控制器用于，在所述第一故障模式下，当A相电网电压位于负半周时，关断A相继电器，当B相电网电压位于负半周时，关断B相继电器，当C相电网电压位于负半周时，关断C相继电器；或者
所述控制器用于，在所述第二故障模式下，当A相电网电压位于正半周时，关断A相继电器，当B相电网电压位于正半周时，关断B相继电器，当C相电网电压位于正半周时，关断C相继电器。
5.如权利要求4所述的功率变换器，其特征在于，所述控制器用于，在第三故障模式下，立即关断所述继电器，所述第三故障模式包括所述正直流母线和所述负直流母线均未对地短路，且流过至少一个所述半导体开关的电流值大于某一预设值。
6.如权利要求5所述的功率变换器，其特征在于，
所述控制器用于，在所述第一故障模式下，响应于A相电网电压首次位于负半周的时长大于所述A相继电器关断的最小时长时，关断所述A相继电器，响应于A相电网电压首次位于负半周的时长小于所述A相继电器关断的最小时长时，在A相电网电压再次位于负半周时，关断所述A相继电器；
所述控制器用于，在所述第一故障模式下，响应于B相电网电压首次位于负半周的时长大于所述B相继电器关断的最小时长时，关断所述B相继电器，响应于B相电网电压首次位于负半周的时长小于所述B相继电器关断的最小时长时，在B相电网电压再次位于负半周时，关断所述B相继电器；
所述控制器用于，在所述第一故障模式下，响应于C相电网电压首次位于负半周的时长大于所述C相继电器关断的最小时长时，关断所述C相继电器，响应于C相电网电压首次位于负半周的时长小于所述C相继电器关断的最小时长时，在C相电网电压再次位于负半周时，关断所述C相继电器。
7.如权利要求5所述的功率变换器，其特征在于，
所述控制器用于，在所述第二故障模式下，响应于A相电网电压首次位于正半周的时长大于所述A相继电器关断的最小时长时，关断所述A相继电器，响应于A相电网电压位于正半周的时长小于所述A相继电器关断的最小时长时，在A相电网电压再次位于正半周时，关断所述A相继电器；
所述控制器用于，在所述第二故障模式下，响应于B相电网电压首次位于正半周的时长大于所述B相继电器关断的最小时长时，关断所述B相继电器，响应于B相电网电压位于正半周的时长小于所述B相继电器关断的最小时长时，在B相电网电压再次位于正半周时，关断所述B相继电器；
所述控制器用于，在所述第二故障模式下，响应于C相电网电压首次位于正半周的时长大于所述C相继电器关断的最小时长时，关断所述C相继电器，响应于C相电网电压位于正半周的时长小于所述C相继电器关断的最小时长时，在C相电网电压再次位于正半周时，关断所述C相继电器。
8.一种功率变换器直流侧对地短路的保护方法，其特征在于，所述方法包括：
响应于正直流母线对地短路，在电网电压位于负半周时，关断继电器；
响应于负直流母线对地短路，在电网电压位于正半周时，关断所述继电器，其中，光伏组件或者储能电池通过所述正直流母线以及所述负直流母线与功率变换电路的直流输入侧相连，所述功率变换电路的交流输出侧与所述继电器的一端相连，所述继电器的另一端与电网相连。
9.如权利要求8所述的功率变换器直流侧对地短路的保护方法，其特征在于，所述方法包括：
响应于所述正直流母线对地短路，先关断所述功率变换电路的上半桥臂的半导体开关，再在电网电压位于负半周时，关断所述继电器；或者，
响应于所述负直流母线对地短路，先关断所述功率变换电路的下半桥臂的半导体开关，再在电网电压位于正半周时，关断所述继电器，其中，所述功率变换电路的上半桥臂与所述正直流母线相连，所述功率变换电路的下半桥臂与所述负直流母线相连。
10.如权利要求8所述的功率变换器直流侧对地短路的保护方法，其特征在于，所述方法包括：
响应于所述正直流母线对地短路，先关断所述功率变换电路的全部半导体开关，再在电网电压位于负半周时，关断所述继电器；或者，
响应于所述负直流母线对地短路，先关断所述功率变换电路的全部半导体开关，再在电网电压位于正半周时，关断所述继电器，其中，所述功率变换电路的上半桥臂与所述正直流母线相连，所述功率变换电路的下半桥臂与所述负直流母线相连。
11.如权利要求8-10任一项所述的功率变换器直流侧对地短路的保护方法，其特征在于，
响应于所述正直流母线对地短路，且电网电压首次位于负半周的时长大于所述继电器关断的最小时长，关断所述继电器；
响应于所述正直流母线对地短路，且电网电压首次位于负半周的时长小于所述继电器关断的最小时长，待电网电压再次位于负半周时，关断所述继电器。
12.如权利要求8-10任一项所述的功率变换器直流侧对地短路的保护方法，其特征在于，
响应于所述负直流母线对地短路，且电网电压首次位于正半周的时长大于所述继电器关断的最小时长，关断所述继电器；
响应于所述负直流母线对地短路，且电网电压首次位于正半周的时长小于所述继电器关断的最小时长，待电网电压再次位于正半周时，关断所述继电器。
13.如权利要求8-12任一项所述的功率变换器直流侧对地短路的保护方法，其特征在于，
响应于流经所述功率变换电路中至少一个半导体开关的电流大于某一预设值，且所述正直流母线和所述负直流母线均未对地短路，立即关断所述继电器。
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