CN218549518U - 一种光伏直流汇集站双极短路保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种光伏直流汇集站双极短路保护装置，多个光伏阵列经各自的双极短路保护单元连接到各自的直流升压装置汇集到直流母线，将光伏阵列输出直流电压升高至800伏，再由逆变装置逆变接入电网，利用保护电路中的电感直接短路光伏阵列输出正负极，使光伏阵列输出电流迅速上升，从而改变光伏工作点，利用光伏阵列自身短路电流能力，抑制因光伏直流汇集站直流母线双极短路造成的直流母线电压突升，防止电力电子器件过电压损害。本实用新型控制灵活，可对短时直流母线双极短路故障做出快速反应，对光伏电站经济效益影响较小。本实用新型体积较小，方便改造安装，其故障率低，可靠性高。

Description

一种光伏直流汇集站双极短路保护装置

技术领域

本实用新型涉及短路保护领域，特别是有关于一种光伏直流汇集站双极短路保护装置。

背景技术

电网中的传统火电机组通过燃烧煤炭、天然气等化石能源发电，其燃烧过程、燃烧产物均对自然环境影响极大，容易造成酸雨、雾霾以及温室效应等自然灾害。为了在避免环境问题的前提下满足人类日益增长的能源需求，近些年，以太阳能和风能为代表的新能源发电取得了较快的发展。因太阳能资源的分散性，光伏发电面板需大面积铺装地表才得以形成较具规模的光伏发电站。因此，各光伏阵列需通过直流升压设备汇集到低压直流母线，再统一汇集到光伏汇集站，再由汇集站中的逆变器逆变为交流电输送到交流电网。这种分散汇集架构不仅节约电力电子器件成本，也大大减少了光伏后期维护难度。

但由于直流系统的低阻尼性，在直流线路发生双极短路故障后，短路点故障电流会对直流升压设备及汇集站逆变器产生巨大冲击。在各电力电子开关器件闭锁前，由于光伏发电功率无法正常输送到电网，其势必会引起直流母线电压突升，若不及时采取措施，过高的电压会导致电力电子器件击穿甚至引发爆炸。传统的卸荷电路在发电容量较小的光伏电站解决直流母线电压突升问题的效果较好。但发电容量较大的光伏电站配置的卸荷电路体积较大、散热性差，容易出现熔断、过载的风险。

针对现有技术中存在的缺点，本实用新型提供一种光伏直流汇集站双极短路保护装置，以达到在光伏直流汇集站出现双极短路时，抑制直流母线电压升高，防止电力电子器件损坏，达到故障穿越的目的。

发明内容

针对上述问题，本实用新型提供一种光伏直流汇集站双极短路保护装置，该装置包括中央监控单元、光伏阵列和n个双极短路保护单元(n大于等于2)，其中：双极短路保护单元第一输入端连接到光伏阵列输出正极；双极短路保护单元第一输出端连接到光伏阵列输出负极；双极短路保护单元第二输入端连接中央监控单元的输出端；双极短路保护单元第二输出端连接中央监控单元的输入端。

进一步地，n个双极短路保护单元为电路结构相同的双极短路保护单元。

进一步地，n＝3。

进一步地，双极短路保护单元包括一个电流互感器、一个电感、一个能耗电阻，第一电压互感器、第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管、第四绝缘栅双极晶体管、第五绝缘栅双极晶体管，其中，

第二绝缘栅双极晶体管的集电极连接第一绝缘栅双极晶体管的集电极作为双极短路保护单元的第一输入端，第二绝缘栅双极晶体管的发射极同时连接第一电压互感器的一端、电感的一端和能耗电阻的一端，电感的另一端同时连接第一电压互感器的另一端和电流互感器的一端，能耗电阻的另一端同时连接第三绝缘栅双极晶体管的集电极和第四绝缘栅双极晶体管的发射极，电流互感器的另一端连接第五绝缘栅双极晶体管的集电极，第五绝缘栅双极晶体管的发射极同时连接第一绝缘栅双极晶体管的发射极、第三绝缘栅双极晶体管的发射极和第四绝缘栅双极晶体管的集电极作为双极短路保护单元的第一输出端。

第一绝缘栅双极晶体管的基极、第二绝缘栅双极晶体管的基极、第三绝缘栅双极晶体管的基极、第四绝缘栅双极晶体管的基极和第五绝缘栅双极晶体管的基极作为双极短路保护单元的第二输入端。

电流互感器和第一电压互感器作为双极短路保护单元的第二输出端。

进一步地，双极短路保护单元还包括一第二电压互感器，第二电压互感器一端连接第一输入端，另一端连接第一输出端，第二电压互感器的输出端作为双极短路保护单元的第二输出端。

当中央监控单元接收到光伏直流汇集站直流母线出现的双极短路保护信号后，中央监控单元对所有双极短路保护单元发送控制信号至第二绝缘栅双极晶体管和第五绝缘栅双极晶体管，使其导通，并发送控制信号至第一绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管和第四绝缘栅双极晶体管，使其关断，同时对电感两侧电压值及流过电感上的电流进行实时采集，并将采集的电压值和电流值发送至中央监控单元中，利用光伏阵列自身短路电流能力，迅速改变光伏阵列工作点，使光伏阵列停止工作，从而抑制光伏直流汇集站直流母线电压持续升高。中央监控单元判断电压值及电流值均为零时，中央监控单元发送控制信号至第一绝缘栅双极晶体管、第四绝缘栅双极晶体管、第五绝缘栅双极晶体管，使其导通，发送控制信号至第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管，使其关断，并对电感两侧电压值进行实时采集，当电感两侧电压值等于零时，电感释放能量完毕，当光伏直流汇集站直流母线双极短路故障退出后，中央监控单元发送控制信号至第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管、第四绝缘栅双极晶体管和第五绝缘栅双极晶体管使其关断，双极短路保护退出。本实用新型对短时直流母线双极短路故障做出快速反应，在短路故障退出后，双极短路保护单元迅速退出，光伏阵列迅速恢复到正常工作点，对光伏电站经济效益影响较小。

通过本实用新型提供的一种光伏直流汇集站双极短路保护装置，多个光伏阵列经各自的双极短路保护单元连接到各自的直流升压装置汇集到直流母线，将光伏阵列输出直流电压升高至800伏，再由逆变装置逆变接入电网，在中央监控单元接收光伏直流汇集站直流母线出现的双极短路保护信号时，中央监控单元发送控制信号至第二绝缘栅双极晶体管、第五绝缘栅双极晶体管，使其导通，发送控制信号至第一绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管、第四绝缘栅双极晶体管，使其关断；当电感两侧电压值及流过电感的电流值都为零时，中央监控单元发送控制信号至第一绝缘栅双极晶体管、第四绝缘栅双极晶体管、第五绝缘栅双极晶体管，使其导通，发送控制信号至第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管，使其关断，当电感两侧的电压值为零时，电感释放能量结束，达到保护目的。本实用新型利用保护电路中的电感直接短路光伏阵列输出正负极，使光伏阵列输出电流迅速上升，从而改变光伏工作点，利用光伏阵列自身短路电流能力，抑制因光伏直流汇集站直流母线双极短路造成的直流母线电压突升；其次，本实用新型控制灵活，可对短时直流母线双极短路故障做出快速反应，在短路故障退出后，双极短路保护单元迅速退出，光伏阵列迅速恢复到正常工作点，对光伏电站经济效益影响较小；最后，本实用新型体积较小，方便改造安装，其独有的结构决定其发热量小，不容易出现熔断故障，因此其故障率低，可靠性高。

附图说明

图1为本实用新型一种光伏直流汇集站双极短路保护装置整体架构图；

图2为本实用新型一种光伏直流汇集站双极短路保护装置第一实施例的电路原理图；

图3为本实用新型一种光伏直流汇集站双极短路保护装置的双极短路保护单元电路原理图；

图4为本实用新型一种光伏直流汇集站双极短路保护装置的信号调理电路的电路原理图；

图5为本实用新型一种光伏直流汇集站双极短路保护装置的中央监控单元电路原理图；

图6为本实用新型一种光伏直流汇集站双极短路保护装置的运放电路模块电路原理图；

图7为本实用新型一种光伏直流汇集站双极短路保护装置电感释放能量电路图；

图8为本实用新型一种光伏直流汇集站双极短路保护装置的能耗电阻消耗光伏发电能量电路图。

具体实施方式

为使对本实用新型的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。

本实用新型提供一种光伏直流汇集站双极短路保护装置，该装置包括中央监控单元、光伏阵列和n个双极短路保护单元(n大于等于2)，本实用新型以n＝3为例，参见图1图2，图1为本实用新型一种光伏直流汇集站双极短路保护装置整体架构图，图2为本实用新型一种光伏直流汇集站双极短路保护装置第一实施例的电路原理图，多个光伏阵列经各自的双极短路保护单元连接到各自的直流升压装置汇集到直流母线，将光伏阵列输出直流电压升高至800伏，再由逆变装置逆变接入电网，中央监控单元采用TMS320F28335型号。其中，双极短路保护单元第一输入端连接到光伏阵列输出正极；双极短路保护单元第一输出端连接到光伏阵列输出负极；双极短路保护单元第二输入端连接中央监控单元的输出端；双极短路保护单元第二输出端连接中央监控单元的输入端。

优选地，n个双极短路保护单元为电路结构相同的双极短路保护单元。参见图3，图3为本实用新型一种光伏直流汇集站双极短路保护装置的双极短路保护单元电路原理图，双极短路保护单元包括一个电流互感器CT₁、一个电感L₁、一个能耗电阻R₁，第一电压互感器PT₁、第一绝缘栅双极晶体管T₁、第二绝缘栅双极晶体管T₂、第三绝缘栅双极晶体管T₃、第四绝缘栅双极晶体管T₄、第五绝缘栅双极晶体管T₅，优选地，电压互感器采用JDZ1-1型号；电流互感器采用KHCT911L-600A/5A型号。其中，第二绝缘栅双极晶体管T₂的集电极连接第一绝缘栅双极晶体管T₁的集电极作为双极短路保护单元的第一输入端，第二绝缘栅双极晶体管T₂的发射极同时连接第一电压互感器PT₁的一端、电感L₁的一端和能耗电阻R₁的一端，电感L₁的另一端同时连接第一电压互感器PT₁的另一端和电流互感器CT₁的一端，能耗电阻R₁的另一端同时连接第三绝缘栅双极晶体管T₃的集电极和第四绝缘栅双极晶体管T₄的发射极，电流互感器CT₁的另一端连接第五绝缘栅双极晶体管T₅的集电极，第五绝缘栅双极晶体管T₅的发射极同时连接第一绝缘栅双极晶体管T₁的发射极、第三绝缘栅双极晶体管T₃的发射极和第四绝缘栅双极晶体管T₄的集电极作为双极短路保护单元的第一输出端。

第一绝缘栅双极晶体管T₁的基极、第二绝缘栅双极晶体管T₂的基极、第三绝缘栅双极晶体管T₃的基极、第四绝缘栅双极晶体管T₄的基极和第五绝缘栅双极晶体管T₅的基极作为双极短路保护单元的第二输入端。

电流互感器CT₁和第一电压互感器PT₁作为双极短路保护单元的第二输出端。

参见图4，图4为本实用新型一种光伏直流汇集站双极短路保护装置的信号调理电路的电路原理图，本实用新型实施例中，包括9个信号调理电路，且结构相同，9个信号调理电路的输入端U/I分别连接6个电压互感器的输出端和3个电流互感器的输出端，参见图5，图5为本实用新型一种光伏直流汇集站双极短路保护装置的中央监控单元电路原理图，所示9个信号调理电路通过ADS8364型数据采集芯片连接TMS320F28335型号DSP芯片，其中，信号调理电路的输出端+OUT、-OUT、IN端依次连接数据采集芯片的+IN、-IN、REF端；数据采集芯片的

CLK、D0～D15分别接入TMS320F28335型号DSP芯片的

MCLKX、D0～D15；DSP芯片的GPIO1～15的15个端口分别连接15个M57962L芯片的13引脚，参见图6，图6为本实用新型一种光伏直流汇集站双极短路保护装置的运放电路模块电路原理图，每5个M57962L芯片对应连接一个双极短路保护单元，在每个双极短路保护单元中，通过5个M57962L芯片的5引脚连接分别连接第一绝缘栅双极晶体管T₁的基极、第二绝缘栅双极晶体管T₂的基极、第三绝缘栅双极晶体管T₃的基极、第四绝缘栅双极晶体管T₄的基极、第五绝缘栅双极晶体管T₅的基极。

当中央监控单元接收到光伏直流汇集站直流母线出现的双极短路保护信号后，中央监控单元对所有双极短路保护单元发送控制信号至第二绝缘栅双极晶体管T₂和第五绝缘栅双极晶体管T₅，使其导通，并发送控制信号至第一绝缘栅双极晶体管T₁、第三绝缘栅双极晶体管T₃和第四绝缘栅双极晶体管T₄，使其关断，同时对电感L₁两侧电压值及流过电感L₁上的电流进行实时采集，并将采集的电压值和电流值发送至中央监控单元中，利用光伏阵列自身短路电流能力，迅速改变光伏阵列工作点，使光伏阵列停止工作，从而抑制光伏直流汇集站直流母线电压持续升高。中央监控单元判断电压值及电流值均为零时发送控制信号至第一绝缘栅双极晶体管T₁、第四绝缘栅双极晶体管T₄、第五绝缘栅双极晶体管T₅，使其导通，发送控制信号至第二绝缘栅双极晶体管T₂、第三绝缘栅双极晶体管T₃，使其关断，并对电感L₁两侧电压值进行实时采集，当电感L₁两侧电压值等于零时，电感释放能量完毕，当光伏直流汇集站直流母线双极短路故障退出后，中央监控单元发送控制信号至第一绝缘栅双极晶体管T₁、第二绝缘栅双极晶体管T₂、第三绝缘栅双极晶体管T₃、第四绝缘栅双极晶体管T₄和第五绝缘栅双极晶体管T₅使其关断，双极短路保护退出。本实用新型对短时直流母线双极短路故障做出快速反应，在短路故障退出后，双极短路保护单元迅速退出，光伏阵列迅速恢复到正常工作点，对光伏电站经济效益影响较小。

其中，电感释放能量形成的电路结构参见图7，图7为本实用新型一种光伏直流汇集站双极短路保护装置电感释放能量电路图，电感L₁、第四绝缘栅双极晶体管T₄、第五绝缘栅双极晶体管T₅形成回路，并通过能耗电阻R₁释放能量,实现双极短路保护装置内部能量释放的目的。

优选地，双极短路保护单元还包括一第二电压互感器PT₂，第二电压互感器PT₂一端连接第一输入端，另一端连接第一输出端，第二电压互感器PT₂的输出端作为双极短路保护单元的第二输出端。

在光伏直流汇集站没有出现双极短路故障时，当电网电压出现深度跌落时，由于此时光伏输出功率不变，其并网逆变器输出电流增大，容易导致电力电子器件损害，因此为保护电力电子器件，并网逆变器会及时闭锁，但此时光伏输出功率不变，其发电能量势必引起直流母线电压升高，容易出现直流电容损害、绝缘击穿等损坏，中央监控单元通过监测第二电压互感器PT₂，当检测到光伏阵列输出电压出现异常突升后，中央监控单元发送控制信号至第一绝缘栅双极晶体管T₁、第四绝缘栅双极晶体管T₄、第五绝缘栅双极晶体管T₅，使其关断，发送控制信号至第二绝缘栅双极晶体管T₂、第三绝缘栅双极晶体管T₃，使其导通，使光伏阵列发电能量及时耗尽，避免直流母线电压进一步升高，其电阻耗能参见图8，图8为本实用新型一种光伏直流汇集站双极短路保护装置的能耗电阻消耗光伏发电能量电路图。

通过本实用新型提供的一种光伏直流汇集站双极短路保护装置，多个光伏阵列经各自的双极短路保护单元连接到各自的直流升压装置汇集到直流母线，将光伏阵列输出直流电压升高至800伏，再由逆变装置逆变接入电网，在中央监控单元接收光伏直流汇集站直流母线出现的双极短路保护信号时，中央监控单元发送控制信号至第二绝缘栅双极晶体管、第五绝缘栅双极晶体管，使其导通，发送控制信号至第一绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管、第四绝缘栅双极晶体管，使其关断；当电感两侧电压值及流过电感的电流值都为零时，中央监控单元发送控制信号至第一绝缘栅双极晶体管、第四绝缘栅双极晶体管、第五绝缘栅双极晶体管，使其导通，发送控制信号至第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管，使其关断，当电感两侧的电压值为零时，电感释放能量结束，达到保护目的。本实用新型利用保护电路中的电感直接短路光伏阵列输出正负极，使光伏阵列输出电流迅速上升，从而改变光伏工作点，利用光伏阵列自身短路电流能力，抑制因光伏直流汇集站直流母线双极短路造成的直流母线电压突升；其次，本实用新型控制灵活，可对短时直流母线双极短路故障做出快速反应，在短路故障退出后，双极短路保护单元迅速退出，光伏阵列迅速恢复到正常工作点，对光伏电站经济效益影响较小；最后，本实用新型体积较小，方便改造安装，其独有的结构决定其发热量小，不容易出现熔断故障，因此其故障率低，可靠性高。

本实用新型已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本实用新型的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本实用新型的范围。相反地，在不脱离本实用新型的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本实用新型的专利保护范围。

Claims (5)

1.一种光伏直流汇集站双极短路保护装置，其特征在于，该装置包括：

中央监控单元、光伏阵列和n个双极短路保护单元，n大于等于2，其中：

该双极短路保护单元第一输入端连接到该光伏阵列输出正极；

该双极短路保护单元第一输出端连接到该光伏阵列输出负极；

该双极短路保护单元第二输入端连接该中央监控单元的输出端；

该双极短路保护单元第二输出端连接该中央监控单元的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种光伏直流汇集站双极短路保护装置，其特征在于，该n个双极短路保护单元为电路结构相同的双极短路保护单元。

3.根据权利要求1或2所述的一种光伏直流汇集站双极短路保护装置，其特征在于，n＝3。

4.根据权利要求2所述的一种光伏直流汇集站双极短路保护装置，其特征在于，该双极短路保护单元包括一个电流互感器、一个电感、一个能耗电阻，第一电压互感器、第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管、第四绝缘栅双极晶体管、第五绝缘栅双极晶体管，其中，

该第二绝缘栅双极晶体管的集电极连接该第一绝缘栅双极晶体管的集电极作为该双极短路保护单元的第一输入端，该第二绝缘栅双极晶体管的发射极同时连接该第一电压互感器的一端、该电感的一端和该能耗电阻的一端，该电感的另一端同时连接该第一电压互感器的另一端和该电流互感器的一端，该能耗电阻的另一端同时连接该第三绝缘栅双极晶体管的集电极和该第四绝缘栅双极晶体管的发射极，该电流互感器的另一端连接该第五绝缘栅双极晶体管的集电极，该第五绝缘栅双极晶体管的发射极同时连接该第一绝缘栅双极晶体管的发射极、该第三绝缘栅双极晶体管的发射极和该第四绝缘栅双极晶体管的集电极作为双极短路保护单元的第一输出端；

该第一绝缘栅双极晶体管的基极、该第二绝缘栅双极晶体管的基极、该第三绝缘栅双极晶体管的基极、该第四绝缘栅双极晶体管的基极和该第五绝缘栅双极晶体管的基极作为双极短路保护单元的第二输入端；

该电流互感器和该第一电压互感器作为该双极短路保护单元的第二输出端。

5.根据权利要求4所述的一种光伏直流汇集站双极短路保护装置，其特征在于，该双极短路保护单元还包括一第二电压互感器，该第二电压互感器一端连接第一输入端，另一端连接第一输出端，该第二电压互感器的输出端作为该双极短路保护单元的第二输出端。

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