TWI542114B - 太陽能逆變器並網系統及三相並網方法 - Google Patents

太陽能逆變器並網系統及三相並網方法 Download PDF

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Description

太陽能逆變器並網系統及三相並網方法
本發明是關於一種並網系統及並網方法，且特別是有關於應用在太陽能逆變器並網系統及三相並網方法。
請參照圖1，圖1繪示習知的太陽能逆變器並網系統的架構圖。太陽能逆變器並網系統1設於直流電壓源Vin與交流電網2之間，用以將直流電壓源Vin轉換為交流電源並匯入交流電網2。太陽能逆變器並網系統1包含升壓模組10、逆變器模組12、濾波器14及開關模組16。升壓模組10電連接於直流電壓源Vin，逆變器模組12電連接於升壓模組10，濾波器14電連接於逆變器模組12，開關模組16耦接於濾波器14及交流電網2之間。
開關模組16包含第一開關S1、第二開關S2、第三開關S3、第四開關S4、第五開關S5及第六開關S6，第一開關S1與第五開關S5串接於濾波器14與交流電網2之間，第二開關S2與第三開關S3串接於濾波器14與交流電網2之間，第六開關S6與第四開關S4串接於濾波器14與交流電網2之間。在此要說明的是，開關模組16是由三個雙刀雙擲繼電器組成，其中第一開關S1及第二開關S2構成一個 繼電器160，第三開關S3及第四開關S4構成另一個繼電器162，第五開關S5及第六開關S6則又為另一個繼電器164，且每個繼電器的兩個開關會同時導通或同時斷開。
請參照圖2，圖2為習知的開關模組的搭接方法流程圖。於實際太陽能逆變器並網系統1與交流電網2進行並網時，開關模組16的第一至第六開關(S1-S6)的搭接方法依序包含如下步驟：(a)導通第一開關S1及第二開關S2(即使得第一開關S1及第二開關S2呈現閉路狀態)(步驟S101)；(b)斷開第一開關S1及第二開關S2(即使得第一開關S1及第二開關S2呈現開路狀態)，並導通第三開關S3及第四開關S4(步驟S103)；(c)斷開第三開關S3及第四開關S4，並導通第五開關S5及第六開關S6(步驟S105)；(d)斷開第五開關S5及第六開關S6(步驟S106)；(e)判斷第一至第六開關(S1-S6)是否異常(步驟S107)；(f)於步驟(e)之後，若第一至第六開關(S1-S6)皆無誤動作，則同時導通第一至第六開關(S1-S6)進行並網(步驟S109)；(g)於步驟(e)之後，若第一至第六開關(S1-S6)的其中之一開關發生誤動作，則停止並網(步驟S110)。
圖3所示為習知的太陽能逆變器並網系統在與交流電網並網的電流曲線圖。其中高準位信號表示使第一至第六開關(S1-S6)之其中之至少一者操作於導通狀態，低準位信號表示使第一至第六開關(S1-S6)之其中之至少一者操作於斷開狀態。
於時間點t1，導通第一開關S1及第二開關S2。於時間點t2，斷開第一開關S1及第二開關S2，並導通第三開關S3及第四開關S4。於時間點t3時，斷開第三開關S3及第四開關S4，並導通第五開關S5及第六開關S6。於時間t4時，斷開第五開關S5及第六開關S6。於 時間t5時，同時導通第一至第六開關(S1-S6)。
前述太陽能逆變器並網系統1先偵測第一至第六開關(S1-S6)的切換功能是否正常，並於第一至第六開關(S1-S6)的切換功能皆正常(即無誤動作)後，同時導通第一至第六開關(S1-S6)，故具有操作簡便的特點。然而，當第一至第六開關(S1-S6)同時導通瞬間，會產生很大的湧入電流(inrush current)，如圖3所示，這會導致第一至第六開關(S1-S6)的使用壽命降低，甚至會使得第一至第六開關(S1-S6)的其中的至少一個(例如圖3所示的第一開關S1)於並網時毀損，以至於無法與交流電網2進行並網。
本發明提供一種太陽能逆變器並網系統及三相並網方法，其用以防止太陽能逆變器並網系統與交流電網並網時防止湧入電流。
根據本發明提供一種太陽能逆變器並網系統，應用於交流電源併入三相交流電網。太陽能逆變器並網系統包含逆變器模組、開關模組及控制器。逆變器模組將直流電源轉換成交流電源。開關模組耦接於逆變器模組及三相交流電網間，以將經逆變器模組轉換後的交流電源於滿足特定條件時併入三相交流電網。開關模組包含第一至第六開關，第一開關串接第二開關形成第一路徑，第三開關串接第四開關形成第二路徑，第五開關串接第六開關形成第三路徑；控制器電性連接於開關模組，控制開關模組，使交流電源並入三相交流電網中。控制器先使第一路徑導通，接著當第二路徑中兩開關滿足第一特定條件時，控制器導通第二路徑，最後當第三路徑中兩開關滿足第二特定條件時，控制器導通第三路徑。
根據本發明另提供一種三相電力並網方法，用以將逆變器模組產生的一交流電源併入一三相交流電網，三相電力並網方法包含如下步驟：(a)使該逆變器模組及該三相交流電網間之一第一路徑導通；(b)於滿足一第一特定條件時，使該逆變器模組及該三相交流電網間之一第二路徑導通；以及(c)於滿足一第二特定條件時，使該逆變器模組及該三相交流電網間之一第三路徑導通。
藉由本發明的太陽能逆變器並網系統及三相電力並網方法，可以有效地解決太陽能逆變器並網系統在與交流電網並網時的湧入電流，降低開關模組毀損的機會，進而延長開關模組的使用壽命。
1、3‧‧‧太陽能逆變器並網系統
10‧‧‧昇壓模組
12、32‧‧‧逆變器模組
14、34‧‧‧濾波器
16、36‧‧‧開關模組
160、162、164‧‧‧繼電器
2‧‧‧交流電網
30‧‧‧電壓準位調整裝置
360‧‧‧第一繼電器
362‧‧‧第二繼電器
38‧‧‧控制器
C‧‧‧電容器
D‧‧‧二極體
L‧‧‧電感器
Q‧‧‧切換元件
S1‧‧‧第一開關
S2‧‧‧第二開關
S3‧‧‧第三開關
S4‧‧‧第四開關
S5‧‧‧第五開關
S6‧‧‧第六開關
Vin‧‧‧直流電壓源
VR‧‧‧交流電網的第一相端的電壓
VS‧‧‧交流電網的第二相端的電壓
VT‧‧‧交流電網的第三相端的電壓
圖1繪示一種太陽能逆變器並網系統的架構圖；圖2所示為習知的開關模組的搭接方法的流程圖；圖3所示為習知的太陽能逆變器並網系統在與交流電網並網的電流曲線圖及第一至第六開關的切換時序圖；圖4繪示本發明的太陽能逆變器並網系統的一操作示意圖；圖5繪示本發明的太陽能逆變器並網系統的另一操作示意圖；圖6繪示本發明的太陽能逆變器並網系統的再一操作示意圖；圖7繪示本發明的太陽能逆變器並網系統的又一操作示意圖；圖8為本發明的開關模組的搭接方法流程圖；圖9所示本發明的太陽能逆變器並網系統與交流電網並網的電流曲線圖及第一至第六開關的一切換時序圖；以及 圖10所示本發明的太陽能逆變器並網系統與交流電網並網的電流曲線圖及第一至第六開關的另一切換時序圖。
請參考隨附圖示，本發明揭示內容之以上及額外目的、特徵及優點將透過本揭示內容之較佳實施例之以下闡釋性及非限制性詳細描敘予以更好地理解。
本發明提供一種太陽能逆變器並網系統及其開關模組的搭接方法，其可以有效地解決太陽能逆變器並網系統在與交流電網並網時的湧入電流，降低開關模組毀損的機會，進而延長開關模組的使用壽命。
請參照圖4，太陽能逆變器並網系統3設於直流源(例如為直流電壓源Vin)與交流電網2之間，其中交流電網2為三相交流電網，並具有第一相端(或稱R相端)、第二相端(或稱S相端)及第三相端(或稱T相端)，在此定義第一相端的電壓VR，第二相端的電壓為VS，第三相端的電壓為VT。
太陽能逆變器並網系統3包含電壓準位調整模組30、逆變器模組32、濾波器34及開關模組36。
電壓準位調整模組30電連接於直流電壓源Vin。由圖4可知，電壓準位調整電路30為升壓電路，其包含電感器L、切換元件Q、二極體D及電容器C，其中切換元件Q可為雙極性電晶體。電感器L的一端點連接直流電壓源Vin的高壓端，另一端點連接於二極體D的陽極及切換元件Q的集極。電容器C的一端點連接於二極體D的陰極、切換元件Q的射極，及直流電壓源Vin的低壓端。切換元件Q可 藉由控制器(圖中未視)進行導通及關閉的控制，並將直流電壓源Vin的直流電壓進行升壓。在實際實施時，電壓準位調整模組30也可以是降壓電路，切換元件Q可以是同時具備小驅動電流及低導通電阻的絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)。
逆變器模組32電連接於電壓準位調整模組30，用以將直流電壓源Vin轉換為交流電源，並於並網成功後向交流電網2輸送電能。濾波器34電連接於逆變器模組32，用以濾除交流電壓源中的雜訊。
開關模組36耦接於濾波器34及交流電網2之間。開關模組36包含第一開關S1、第二開關S2、第三開關S3、第四開關S4、第五開關S5及第六開關S6，開關模組36的第一至第六開關元件(S1-S6)兩兩一組串接於濾波器34及交流電網2之間，可以提供單一失效(single fault)的保護機制，避免單一失效的狀態下，造成交流電網2及人員安全的危害。由圖4可知，第一開關S1與第二開關S2串接，形成第一路徑；第三開關S3與第四開關S4串接，形成第二路徑；第五開關S5與第六開關S6串接，形成第三路徑。
在一實施例中，第一開關S1與第三開關S3可構成第一繼電器360，且當第一繼電器360導通時，第一開關S1與第三開關S3同時導通。第二開關S2及第六開關S6可構成第二繼電器362，且當第二繼電器362導通時，第二開關S2與第六開關S6同時導通。
請同時參照圖8，圖8為本發明的開關模組的搭接方法流程圖。本發明的太陽能逆變器並網系統3在與交流電網2並網時，開關模組36的搭接步驟詳述如下。
首先，導通第一路徑(步驟S301)。如圖4所示，控制器38使第一開關S1、第二開關S2、第三開關S3及第六開關S6閉合，以使第一路徑導通。
在此要說明的是，控制器38可以先使第一開關S1及第三開關S3閉合，再使第二開關S2及第六開關S6閉合。換言之，控制器38可以先導通第一繼電器360，再導通第二繼電器360。如圖9所示。在圖9中，高準位信號表示使第一至第六開關(S1-S6)呈閉合狀態，低準位信號表示使第一至第六開關(S1-S6)呈開路狀態。在時間t11，第一開關S1及第三開關S3呈閉合狀態；在時間t12，第二開關S2及第六開關S6呈閉合狀態，以使第一路徑導通。
本發明另一實施例，控制器38可以同時使第一開關S1、第二開關S2、第三開關S3及第六開關S6閉合，意即同時導通第一繼電器360及第二繼電器362，如圖10所示。在圖10中，高準位信號表示使第一至第六開關(S1-S6)呈閉合狀態，低準位信號表示使第一至第六開關(S1-S6)呈開路狀態。在時間t1，第一開關S1、第二開關S2、第三開關S3及第六開關S6呈閉合狀態，以使第一路徑導通。
如圖5所示，由於第三開關S3已經閉合，接著，檢測第四開關S4兩端的瞬時電壓(相當於交流電網2的第一相端與第二相端的電壓差值)，並於第四開關S4兩端的瞬時電壓相等，相當於滿足VR-VS=0之第一特定條件時，使第四開關S4閉合，以導通第二路徑。換言之，於第三開關S3及第四開關S4兩端的電壓皆具有相同電壓準位時，導通第二路徑(步驟S305)。如圖9及圖10所示，在時間t2，第四開關S4呈閉合狀態。
如圖5所示，由於第六開關S6已經閉合，檢測第五開關S5兩端的瞬時電壓(相當於交流電網的第一相端、第二相端及第三相端的電壓差值)，並於第五開關S5兩端的瞬時電壓相等，相當於滿足VR+VS-VT=0之第二特定條件時，控制器38使第五開關S5閉合，以導通第三路徑。換言之，於第五開關S5兩端的電壓及第六開關S6兩端的電壓皆具有相同電壓準位時，導通第三路徑(步驟S307)。如圖9及圖10所示，在時間t3，第五開關S5呈閉合狀態。
本發明另一實施例，該開關模組36可為六個獨立開關，控制器38可以先使第一開關S1、第二開關S2閉合以形成第一路徑，且當交流電網2的第一相端與第二相端的電壓差值滿足VR-VS=0之第一特定條件時，在同時閉合第三開關S3與第四開關S4以使第二路徑導通。本發明之精神在於導通路徑的順序與時機點，而不限定於開關閉合的順序。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
2‧‧‧交流電網
3‧‧‧太陽能逆變器並網系統
30‧‧‧電壓準位調整裝置
32‧‧‧逆變器模組
34‧‧‧濾波器
36‧‧‧開關模組
360‧‧‧第一繼電器
362‧‧‧第二繼電器
38‧‧‧控制器
C‧‧‧電容器
D‧‧‧二極體
L‧‧‧電感器
Q‧‧‧切換元件
S1‧‧‧第一開關元件
S2‧‧‧第二開關元件
S3‧‧‧第三開關元件
S4‧‧‧第四開關元件
S5‧‧‧第五開關元件
S6‧‧‧第六開關元件
Vin‧‧‧直流電壓源
VR‧‧‧交流電網的第一相端的電壓
VS‧‧‧交流電網的第二相端的電壓
VT‧‧‧交流電網的第三相端的電壓

Claims (9)

  1. 一種太陽能逆變器並網系統，應用於一交流電源併入一三相交流電網，該太陽能逆變器並網系統包含：一逆變器模組，將一直流電源轉換成該交流電源；一開關模組，耦接於該逆變器模組及該三相交流電網間，該開關模組包含：一第一開關及串接一第二開關，形成一第一路徑；一第三開關及串接一第四開關，形成一第二路徑；一第五開關及串接一第六開關，形成一第三路徑；一控制器，電性連接於該開關模組，控制該開關模組，使該交流電源並入該三相交流電網中；其中該控制器先使該第一路徑導通，後，當該第二路徑中兩開關滿足一第一特定條件時，該控制器導通該第二路徑，後，當該第三路徑中兩開關滿足一第二特定條件時，該控制器導通該第三路徑，其中該第一特定條件為連接該第二路徑之該逆變器模組及該三相交流電網的端點的電壓具有相同電壓準位，該第二特定條件為連接該第三路徑之該逆變器模組及該三相交流電網的端點的電壓皆具有相同電壓準位。
  2. 如請求項第1項所述的太陽能逆變器並網系統，其中該第一開關與該第三開關構成一第一繼電器，當該第一繼電器導通時，該第一開關與該第三開關同時導通。
  3. 如請求項第2項所述的太陽能逆變器並網系統，其中該第二開關及該第六開關構成一第二繼電器，當該第二繼電器導通時，該第二開關與該第六開關同時導通。
  4. 如請求項第3項所述的太陽能逆變器並網系統，其中該第一繼電器優先該第二繼電器導通。
  5. 如請求項第3項所述的太陽能逆變器並網系統，其中該第一繼電器與第二繼電器同時導通。
  6. 如請求項第4或5項所述的太陽能逆變器並網系統，其中該第一特定條件為該第四開關的兩端電壓具相同電壓準位。
  7. 如請求項第4或5項所述的太陽能逆變器並網系統，其中該第二特定條件為該第五開關兩端的電壓具相同電壓準位。
  8. 如請求項第1項所述的太陽能逆變器並網系統，更包含：一電壓準位調整裝置，電連接於該逆變器模組，以提供該逆變器模組一直流輸入電壓；以及一濾波器，電連接於該逆變器模組及該開關模組，以提供該交流電源濾波。
  9. 一種三相電力並網方法，用以將逆變器模組產生的一交流電源併入一三相交流電網，該三相電力並網方法包含：(a)使該逆變器模組及該三相交流電網間之一第一路徑導通；(b)於滿足一第一特定條件時，使該逆變器模組及該三相交流電網間之一第二路徑導通；以及(c)於滿足一第二特定條件時，使該逆變器模組及該三相交流電網間之一第三路徑導通，其中該第一特定條件為連接該第二路徑之該逆變器模組及該三相交流電網的端點的電壓具有相同電壓準位，該第二特定條件為連接該第三路徑之該逆變器模組及該三相交流電網的端點的電壓具有相同電壓準位。
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