CN202218006U - 一种太阳能光伏逆变器的接地故障侦测及保护装置 - Google Patents

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朱国忠
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Abstract

本实用新型公开了一种太阳能光伏逆变器的接地故障侦测及保护装置，包括独立电源、故障侦测电路和故障分断装置，太阳能电池板单端接地，其特征在于所述的独立电源输出端依次连接故障侦测电路、故障分断装置和太阳能电池板输入接地端并形成回路，所述的故障侦测电路同时连接到逆变器的主控单元，所述的逆变器的主控单元接收所述的故障侦测电路的反馈信号，并在产生接地故障或在所述的故障侦测电路和/或故障分断装置损坏时执行故障保护。本实用新型该除了可以对逆变器电路进行接地故障侦测和保护之外，还可以实现自检，以判断接地保护电路是否正常，避免常规电路在单节点故障后丧失保护功能。

Description

一种太阳能光伏逆变器的接地故障侦测及保护装置
技术领域
本实用新型涉及直流输入接地型功率变换器及其衍生产品，尤其涉及输入接地型光伏发电系统，具体地说是一种太阳能光伏逆变器的接地故障侦测及保护装置。
背景技术
太阳能发电作为新能源的重要组成部分，获得越来越大的发展。在太阳能发电系统中，接地故障会导致如火灾和人身安全等事故的发生。因此光伏发电系统中要求具有接地故障侦测及保护功能。
光伏发电系统(Photovoltaic system)一般包括用于实现光电转换的太阳能电池板(PV Panel)和将太阳能电池板发出的直流电转化为交流电，并馈入电网的逆变器。在这种系统中，接地故障侦测及保护装置用于检测太阳能电池板输出与保护地之间的电流。根据UL1741规定和NEC Article690规定，对于单端接地(PV正或负接地)系统，当接地故障发生，未接地一端会跟安全地(PE)搭接，从而导致系统存在安全隐患，当故障电流达到规定值，要求系统能够快速准确的检测接地故障，切断故障回路，提供故障指示，并要求隔离故障电路或者逆变转换电路停止向电网馈电。
在太阳能发电系统中的逆变器环节，接地故障侦测及分断装置(GFDI)一般侦测PV阵列和地之间的电流。
在专利US20080123226中提到的方式是在接地回路串联可控开关(通常为接触器)和电流互感器，实时侦测接地回路电流，当采样电流大于设定值，逆变器控制可控开关断开以分断故障回路。此种保护方式需要正常供电给电流互感器与接触器，由于正常时接地线无电流流过，因此当互感器故障时系统没有办法对此电路进行自检。另外，当系统供电电源故障，系统也失去分断及指示的能力；专利US7768751B2中也是通过电流互感器采集接地故障电流，虽然通过注入已知电流的方法可以实现电路检测，但这种方式也是依赖于电流互感器等设备的正常供电状态下才能实现。
另外一种实现方式是在接地回路串联特性可调的断路器，如Outback PowerSystem公司的GFDI产品。断路器正常时处于常闭状态，当电流过大时会触发断路器断开，同时可以通过辅助触头获知断路器状态；优点是断路器可重复使用，缺点是分断电流和动作时间很难满足相关法规要求，同时在断路器故障或没有装配时，系统也无法获知接地故障侦测电路状态。
市场上另外一种常见实现方式的是将需要接地的DC输入端通过保险丝接PE，同时保险丝两端并联限流电阻及光藕，这种方式在Xantrex的光伏产品上可以见到。当故障发生，输入正或负跟安全地搭接，电流过大导致保险丝熔断后，限流电阻和光藕将承受整个输入的电压，光藕导通可以上报接地保障保护电路状态，此种方式缺点也是当光藕损坏后逆变器无法获知侦测电路状态，另外当保险丝没有装，接地故障没有发生时，系统也无法及时侦测到这种状况。
综上，因此现有的接地故障及保护电路大多无法进行自检，在单节点故障发生后系统将丧失保护能力。另外，现有实现方式多依赖于中央处理单元上电情况才可以实现检测，在系统没有上电，但故障发生后，无法及时做出提示和报警。由于接地故障侦测及分断装置的可靠运行对于太阳能发电系统非常重要，因此必须采取措施确保接地故障和分断装置在所有时间都能正确操作。因此需要设备和方法来确保接地故障侦测及保护装置的状态及正确操作。
发明内容
本实用新型要解决的是现有技术存在的上述问题，旨在提供一种新颖的太阳能光伏逆变器的接地故障侦测及保护装置，该电路除了可以对逆变器电路进行接地故障侦测、报警及逆变器动作之外，还可以实现自检，以判断接地保护电路是否正常，避免常规电路在单节点故障后丧失保护功能。
解决上述问题采用的技术方案是：一种太阳能光伏逆变器的接地故障侦测及保护装置，包括独立电源、故障侦测电路和故障分断装置，太阳能电池板单端接地，其特征在于所述的独立电源输出端依次连接故障侦测电路、故障分断装置和太阳能电池板输入接地端并形成回路，所述的故障侦测电路同时连接到逆变器的主控单元，所述的逆变器的主控单元接收所述的故障侦测电路的反馈信号，并在产生接地故障或在所述的故障侦测电路和/或故障分断装置损坏时执行故障保护。
本实用新型的太阳能光伏逆变器的接地故障侦测及保护装置，逆变器在正常工作时，故障分断装置闭合，独立电源、故障侦测电路和故障分断装置构成一个回路，逆变器的主控单元能够接收所述的故障侦测电路的反馈信号。当故障侦测电路或故障分断装置损坏时，逆变器的主控单元无法接收所述的故障侦测电路的反馈信号，则认为电路故障或接地侦测电路损坏，从而实现自检。当太阳能电池板的另一端接安全地，故障电流达到设定值，则分断装置动作，电流无法构成回路，逆变器的主控单元同样无法收所述的故障侦测电路的反馈信号，则判断为故障发生。
根据本实用新型，所述的独立电源包括一个交流隔离电源和一个直流不隔离电源，所述的直流不隔离电源连接到太阳能电池板，且仅在所述的交流隔离电源不工作时起动工作，避免产生过多损耗，并保证即便系统只有直流电情况下，系统依然可以提供故障保护功能。
作为本实用新型的进一步改进，还设有故障指示电路，在执行故障保护的同时，提供故障报警功能。所述的故障指示电路置于故障分断装置的输出端，与分断装置执行分断动作时连动。
本实用新型适用于太阳能电池板正端接地或负端接地的电路结构。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1是现有的单端接地型光伏逆变器的结构示意图。
图2是本实用新型接地故障侦测及保护装置应用于太阳能电池板负端接地系统的结构示意图。
图3是图2实施方式中在只有太阳能电池接入情况下电路工作部分的示意图。
图4是本实用新型接地故障侦测及保护装置应用于太阳能电池板正端接地系统的结构示意图。
图5为本实用新型的操作流程。
具体实施方式
图1所示为现有技术的输入单端接地型光伏逆变器示意图。其中101表示太阳能电池板，其中一端102通过接地故障侦测装置105接保护地106。103为光伏逆变器，将101产生的直流电转化为交流电。当故障接地发生，故障侦测及分断单元105分断故障电流，并通过104上报逆变器，逆变器控制输入输出开关断开，使自身脱离太阳能电池板及电网，并通过故障指示电路告知用户，达到保护操作人员安全，避免火灾等事故发生的目的。
上述结构的接地故障侦测电路的缺陷前面已经描述过了，在此不再赘述。
参照图2，本实用新型的接地故障侦测及保护装置的一个具体实施方式。在该实施方式中，太阳能电池板负端(PV-或PV负)接地。所设计的电路由独立电源202和204、故障侦测电路206、故障分断装置213和故障指示电路207组成。其中，所述的独立电源包括一个交流隔离电源204和一个直流不隔离电源202，所述的直流不隔离电源202连接到太阳能电池板。212为相对于PV负的接地故障侦测电路电源，在交流电存在时，由交流隔离电源204产生，并通过电信号205控制直流不隔离电源202关断。直流不隔离电源202只有在交流电203不存在时才起作用，避免产生过多损耗，并保证即便系统只有直流电情况下，系统依然可以提供故障告警功能。电源212为对PV负的电源，通过故障侦测电路206和故障分断装置213构成回路。故障侦测电路206将接地信息通过隔离方式传给逆变器主控单元208。当太阳能电池正(PV+或PV正)搭接保护地PE(ProtectionEarth)215导致接地故障发生，接地电流达到触发保护值后，故障侦测电路206会将故障信息通过反馈信号211上报给主控单元208，主控单元208会通过控制信号210控制逆变器中的直流侧和交流侧开关断开，达到使逆变器脱离太阳能电池板和电网的目的。故障分断装置213会切断故障回路，避免故障进一步扩大。同时故障指示单元207向用户提供故障报警。当故障分断装置213或故障侦测电路206发生故障，正常回路无法形成，主控单元208接受不到故障侦测电路206的反馈信息，则认为接地故障发生或接地保护电路故障，并执行故障保护及警示动作。
故障侦测电路206及故障分断装置213，故障指示单元207均具有直流输入反接情况下保护自身的功能。
在只有太阳能电池接入情况下，电路工作部分如图3所示。电路工作所需电源由太阳能电池板201通过电源生成电路202供电，依然可以实现接地故障侦测、保护及告警功能。
参照图4，本实用新型的接地故障侦测及保护装置的另一个具体实施方式。在该实施方式中，太阳能电池板正端(PV+或PV正)接地。所设计的电路由独立电源402和404、故障侦测电路406、故障分断装置413和故障指示电路407组成。其中，所述的独立电源包括一个交流隔离电源404和一个直流不隔离电源202，所述的直流不隔离电源402连接到太阳能电池板。
相对于图2中的负端接地系统，只需将图2中的保护地215和太阳能电池板负214分别改为图4中的PV正415和保护地414，此时接地故障侦测及保护电路的独立电源对应地为保护地414。当接地故障发生，PV负搭接保护地414，电路可以实现相同的接地故障保护及指示功能。
图4中，401为太阳能电池板，403为交流电，405为控制电信号，408为逆变器的主控单元，409为逆变器，410为控制电信号，411为故障侦测电路的反馈信号，412为相对于PV正的接地故障侦测电路电源。
参照图5，本实用新型的太阳能光伏逆变器的接地故障侦测及保护装置的操作流程如下：系统上电后，逆变器的主控单元检测接地故障是否发生，若正常，则进入正常自检程序后，进入运行状态；若接地故障发生，则进入故障待机模式，并通过用户界面发出接地故障告警指示，直到故障消失为止。
应该理解到的是：上述实施例只是对本实用新型的说明，而不是对本实用新型的限制，任何不超出本实用新型实质精神范围内的发明创造，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种太阳能光伏逆变器的接地故障侦测及保护装置，包括独立电源、故障侦测电路和故障分断装置，太阳能电池板单端接地，其特征在于所述的独立电源输出端依次连接故障侦测电路、故障分断装置和太阳能电池板输入接地端并形成回路，所述的故障侦测电路同时连接到逆变器的主控单元，所述的逆变器的主控单元接收所述的故障侦测电路的反馈信号，并在产生接地故障或在所述的故障侦测电路和/或故障分断装置损坏时执行故障保护。
2.如权利要求1所述的太阳能光伏逆变器的接地故障侦测及保护装置，其特征在于所述的独立电源包括一个交流隔离电源和一个直流不隔离电源，所述的直流不隔离电源连接到太阳能电池板，且仅在所述的交流隔离电源不工作时起动工作。
3.如权利要求1所述的太阳能光伏逆变器的接地故障侦测及保护装置，其特征在于还设有故障指示电路。
4.如权利要求3所述的太阳能光伏逆变器的接地故障侦测及保护装置，其特征在于所述的故障指示电路置于故障分断装置的输出端。
5.如权利要求1-4任何一项所述的太阳能光伏逆变器的接地故障侦测及保护装置，其特征在于所述的太阳能电池板正端接地或负端接地。
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