TWI565221B - 逆變裝置及應用其之光伏電源系統 - Google Patents

逆變裝置及應用其之光伏電源系統 Download PDF

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Description

逆變裝置及應用其之光伏電源系統
本發明是有關於一種電源轉換技術，且特別是有關於一種逆變裝置及應用其之光伏電源系統。
在一般的光伏電源系統中，其前端的光電模組(例如太陽能板)一般會設置在室外以接收太陽光。然而，設置在室外的光電模組無可避免的會受到氣候環境的影響，而有損壞的風險。
舉例來說，光電模組的光伏接地端可能會因為氣候影響而變為浮接狀態(floating)，使得光電模組的光伏接地端與後端的逆變裝置的裝置接地端不等電位，此現象稱之為光電模組的接地故障。在接地故障的情形下，光伏接地端與裝置接地端之間會因為電位差而產生一漏電流。而過大的漏電流則可能會造成使用者觸電或是火災發生。
在現有的技術下，一般會採用低頻信號注入法或變頻信號注入法來偵測上述光電模組之接地故障問題，然而現有的方法 皆需應用複雜的電路架構，而且並無法精確地檢測到接地故障的情形發生。
本發明提供一種逆變裝置及應用其之光伏電源系統，其可準確地偵測出前端的光電模組是否發生接地故障。
本發明的逆變裝置適於從光電模組接收直流輸入電源，並據以產生交流輸出電源並提供給電網。所述逆變裝置包括逆變電路、控制電路以及以穩壓器為基礎的接地偵測電路。逆變電路用以將直流輸入電源轉換為交流輸出電源。控制電路耦接逆變電路，用以控制逆變電路的電源轉換。以穩壓器為基礎的接地偵測電路耦接逆變電路與控制電路，用以取樣直流輸入電源的輸入電壓，並且對輸入電壓進行穩壓與分壓，藉以產生接地指示電壓。穩壓器的輸出端的電位係基於光伏接地端所建立，而接地指示電壓係為穩壓器的輸出端與逆變裝置的裝置接地端之間的電壓差。控制電路依據接地指示電壓判斷光電模組是否發生接地故障，並且於判定發生接地故障時啟用接地保護機制來控制逆變電路。
在本發明一實施例中，控制電路判斷接地指示電壓是否位於正常電壓範圍內，若接地指示電壓位於正常電壓範圍內，控制電路判定光電模組未發生接地故障，以及若接地指示電壓位於正常電壓範圍外，控制電路判定光電模組發生接地故障。
在本發明一實施例中，以穩壓器為基礎的接地偵測電路 包括電源轉換單元以及偵測單元。電源轉換單元用以取樣輸入電壓，並且據以產生參考電壓。偵測單元耦接電源轉換單元以接收參考電壓，對參考電壓進行穩壓以產生穩壓電壓，並且依據穩壓電壓產生接地指示電壓。穩壓電壓係為穩壓器的輸出端與光電模組的光伏接地端之間的電壓差。
在本發明一實施例中，偵測單元包括穩壓器、第一電阻以及第二電阻。穩壓器的輸入端接收參考電壓，並且穩壓器的輸出端輸出穩壓電壓。第一電阻的第一端耦接穩壓器的輸出端，且第一電阻的第二端耦接逆變裝置的裝置接地端，其中接地指示電壓為第一電阻的跨壓。第二電阻的第一端耦接第一電阻的第二端與光伏接地端，且第二電阻的第二端耦接光電模組的光伏接地端。
在本發明一實施例中，偵測單元更包括第三電阻以及第四電阻。第三電阻的第一端接收參考電壓，且第三電阻的第二端耦接穩壓器的輸入端。第四電阻的第一端耦接第三電阻的第二端，且第四電阻的第二端耦接穩壓器的輸出端與第一電阻的第一端。
本發明的光伏電源系統包括光電模組以及逆變裝置。光電模組用以產生直流輸入電源，其中光電模組具有光伏接地端，逆變裝置具有裝置接地端。逆變裝置耦接光電模組，適於將直流輸入電源轉換為交流輸出電源並提供給電網，其中逆變裝置包括逆變電路、控制電路以及以穩壓器為基礎的接地偵測電路。逆變電路用以將直流輸入電源轉換為交流輸出電源。控制電路耦接逆 變電路，用以控制逆變電路的電源轉換。以穩壓器為基礎的接地偵測電路耦接逆變電路與控制電路，用以取樣直流輸入電源的輸入電壓，並且對輸入電壓進行穩壓與分壓，藉以產生接地指示電壓，其中穩壓器的輸出端的電位係基於光伏接地端所建立，而接地指示電壓係為穩壓器的輸出端與裝置接地端之間的電壓差。控制電路依據接地指示電壓判斷光電模組是否發生接地故障，並且於判定發生接地故障時啟用接地保護機制來控制逆變電路。
基於上述，本發明實施例提出一種逆變裝置及應用其之光伏電源系統，其可藉由以穩壓器為基礎的接地偵測電路來對輸入電壓進行穩壓與分壓，藉以產生一個指示光電模組的光伏接地端與穩壓器的輸出端的電壓差的接地指示電壓。其中，逆變裝置可依據所述接地指示電壓是否位於正常電壓範圍內來判斷光電模組是否發生接地故障，並據以啟動相應的保護機制。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10‧‧‧光伏電源系統
100‧‧‧逆變裝置
110‧‧‧逆變電路
120‧‧‧控制電路
130‧‧‧接地偵測電路
132‧‧‧電源轉換單元
134‧‧‧偵測單元
ACout‧‧‧交流輸出電源
DCin‧‧‧直流輸入電源
EG‧‧‧電網
GNDd‧‧‧裝置接地端
GNDp‧‧‧光伏接地端
I‧‧‧漏電流
Iin‧‧‧輸入電流
Iout‧‧‧輸出電流
PVm‧‧‧光電模組
OT‧‧‧穩壓器的輸出端
R1、R2、R3、R4‧‧‧電阻
Sc‧‧‧控制訊號
VR‧‧‧穩壓器
Vd‧‧‧接地指示電壓
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vref‧‧‧參考電壓
Vs‧‧‧穩壓電壓
圖1為本發明一實施例的光伏電源系統的示意圖。
圖2為本發明一實施例的接地偵測電路的電路示意圖。
為了使本揭露之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本揭露確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。
圖1為本發明一實施例的光伏電源系統的示意圖。請參照圖1，在本實施例中，光伏電源系統10包括光電模組PVm以及逆變裝置100。光電模組(photovoltaic module)PVm用以將太陽能轉換為電能形式的直流輸入電源DCin(包含輸入電壓Vin與輸入電流Iin)。逆變裝置100接收光電模組PVm所輸出的直流輸入電源DCin，並且據以產生交流輸出電源ACout(包含輸出電壓Vout與輸出電流Iout)。其中，本實施例之光伏電源系統為光伏並網系統，逆變裝置的交流輸出電源是提供給後端並接的電網EG，但不以此為限，逆變裝置後端亦可連接一電池系統或一照明系統。
在本實施例中，逆變裝置100包括逆變電路110、控制電路120以及接地偵測電路120。逆變電路110會從光電模組PVm接收直流輸入電源DCin，並且用以將直流輸入電源DCin轉換為交流輸出電源ACout。其中，所述逆變電路110的電路組態可例如為半橋非對稱式、半橋對稱式、全橋式或其他可行的逆變電路組態，本發明不對此加以限制。
控制電路120耦接逆變電路110，用以提供一控制訊號Sc來控制逆變電路110的電源轉換運作，所述控制訊號Sc可例如 為用以控制逆變電路110的切換週期的一脈寬調變訊號(PWM signal)，但本發明不以此為限。
本實施例的接地偵測電路130的電路架構是以穩壓器(voltage regulator)為基礎，其耦接逆變電路110與控制電路120。接地偵測電路130用以取樣直流輸入電源DCin的輸入電壓Vin，並且藉著穩壓器(後續實施例會具體繪示出)的電路架構對輸入電壓Vin進行穩壓與分壓，藉以產生接地指示電壓Vd給控制電路120。因此，控制電路120即可依據接地指示電壓Vd來判斷光電模組PVm是否發生接地故障(即，光電模組PVm的光伏接地端GNDp的電位與逆變裝置100的裝置接地端GNDd的電位不相等)，並且於判定光電模組PVm發生接地故障時啟用接地保護機制來控制逆變電路110，藉以避免因為光電模組PVm的接地故障問題而造成使用者觸電或是火災發生。
在本實施例中，接地偵測電路130所產生的接地指示電壓Vd係穩壓器的輸出端與逆變裝置100的裝置接地端GNDd之間的電壓差。其中，由於穩壓器的輸出端的電壓是基於光電模組PVm的光伏接地端GNDp所建立，因此接地指示電壓Vd的變化即可指示光伏接地端GNDp與裝置接地端GNDd的電位是否相等。舉例來說，控制電路120會判斷接地指示電壓Vd是否位於正常電壓範圍(可由設計者自行定義)內，若接地指示電壓Vd位於正常電壓範圍內，則控制電路120會判定光電模組PVm未發生接地故障。反之，若接地指示電壓Vd位於正常電壓範圍外，則控制電路120 會判定光電模組PVm發生接地故障。
底下搭配圖2來說明本發明實施例的接地偵測電路130的具體架構。其中，圖2為本發明一實施例的接地偵測電路的電路示意圖。
請同時參照圖1與圖2，本實施例的接地偵測電路130包括電源轉換單元132以及偵測單元134。電源轉換單元132耦接逆變電路110的輸入端以取樣輸入電壓Vin，並且對輸入電壓Vin進行電源轉換，據以產生參考電壓Vref。
偵測單元134耦接電源轉換單元132以接收參考電壓Vref。其中，偵測單元134會對參考電壓Vref進行穩壓以產生穩壓電壓Vs，並且依據穩壓電壓Vs產生接地指示電壓Vd。於此，所述穩壓電壓Vs係為穩壓器的輸出端OT與光電模組PVm的光伏接地端GNDp之間的電壓差。
更具體地說，偵測單元134可例如由穩壓器VR以及電阻R1~R4所構成。穩壓器VR經由電阻R3從電源轉換單元132接收參考電壓Vref，並且基於參考電壓Vref進行穩壓，藉以在輸出端OT輸出穩壓電壓Vs。
電阻R1的第一端耦接穩壓器VR的輸出端，並且電阻R1的第二端耦接逆變裝置100的裝置接地端GNDd。電阻R2的第一端耦接電阻R1的第二端與裝置接地端GNDd，並且電阻R2的第二端耦接光伏接地端GNDp。電阻R3的第一端接收參考電壓Vref，並且電阻R3的第二端耦接穩壓器VR的輸入端。電阻R4 的第一端耦接電阻R3的第二端，並且電阻R4的第二端耦接穩壓器VR的輸出端與電阻R1的第一端。
在本實施例中，接地指示電壓Vd即為電阻R1的跨壓，而穩壓電壓Vs則是電阻R1與R2的跨壓，也是輸出端OT與光伏接地端GNDp之間的電壓差。
詳細而言，在光電模組PVm未發生接地故障的情形下，光伏接地端GNDp與裝置接地端GNDd基本上會具有相同的電位。因此，在偵測單元134中，電阻R2是處於被短路的狀態，使得接地指示電壓Vd的電壓值會與穩壓電壓Vs的電壓值相同。由於穩壓電壓Vs是一個固定的電壓值，所以設計者可依據穩壓器VR的額定輸出來設定對應的正常電壓範圍，使得接地指示電壓Vd的電壓值落在正常電壓範圍內。如此一來，控制電路120即可依據接地指示電壓Vd而判定光電模組PVm並未發生接地故障。
另一方面，在光電模組PVm發生接地故障的情形下，光伏接地端GNDp與裝置接地端GNDd會具有不同的電位。換言之，裝置接地端GNDd與光伏接地端GNDp產生一流經電阻R2的漏電流I，從而在電阻R2的兩端造成一電壓差。於此應注意的是，漏電流I的箭頭指向僅為示意，在不同的接地故障情況下，漏電流I亦可由光伏接地端GNDp流至裝置接地端GNDd。
此時，電阻R2的跨壓會反應於流經的漏電流I而上升。由於穩壓電壓Vs是一固定電壓值，因此電阻R1的跨壓(即，接地指示電壓Vd)會反應於電阻R2的跨壓上升而對應的下降。若 漏電流I超過一定的電流量，則接地指示電壓Vd會提升或降至超出正常電壓範圍，使得控制電路120據以判定光電模組PVm發生接地故障。
舉例來說，若穩壓器VR額定輸出的穩壓電壓Vs為2.5V，而在接地故障狀態下光伏接地端GNDp與裝置接地端GNDd之間會產生1mA的漏電流I。電阻R1與R2的電阻值例如為1kΩ，而所述正常電壓範圍例如為2V~3V。此時，電阻R2會反應於1mA的漏電流而建立1V的跨壓，從而造成電阻R1的跨壓/接地指示電壓Vd從2.5V降至1.5V。因此，控制電路120即會依據接地指示電壓Vd判定光電模組PVm發生接地故障。
綜上所述，本發明實施例提出一種逆變裝置及應用其之光伏電源系統，其可藉由以穩壓器為基礎的接地偵測電路來對輸入電壓進行穩壓與分壓，藉以產生一個指示逆變裝置100的裝置接地端GNDd與穩壓器的輸出端的電壓差的接地指示電壓。其中，逆變裝置可依據所述接地指示電壓是否位於正常電壓範圍內來判斷光電模組是否發生接地故障，並據以啟動相應的保護機制。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故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。
120‧‧‧控制電路
130‧‧‧接地偵測電路
132‧‧‧電源轉換單元
134‧‧‧偵測單元
GNDd‧‧‧裝置接地端
GNDp‧‧‧光伏接地端
I‧‧‧漏電流
OT‧‧‧穩壓器的輸出端
R1、R2、R3、R4‧‧‧電阻
VR‧‧‧穩壓器
Vd‧‧‧接地指示電壓
Vin‧‧‧輸入電壓
Vref‧‧‧參考電壓
Vs‧‧‧穩壓電壓

Claims (10)

  1. 一種逆變裝置，適於從一光電模組接收一直流輸入電源，並據以產生一交流輸出電源，該逆變裝置包括：一逆變電路，用以將該直流輸入電源轉換為該交流輸出電源；一控制電路，耦接該逆變電路，用以控制該逆變電路的電源轉換；以及一以穩壓器為基礎的接地偵測電路，耦接該直流輸入電源與該控制電路，用以取樣該直流輸入電源的一輸入電壓，並且對該輸入電壓進行穩壓與分壓，藉以產生一接地指示電壓，其中該穩壓器的一輸出端的電位係基於該光電模組的一光伏接地端所建立，該接地指示電壓係為該穩壓器的該輸出端與該逆變裝置的一裝置接地端之間的電壓差，其中，該控制電路依據該接地指示電壓判斷該光電模組是否發生一接地故障，並且於判定發生該接地故障時啟用一接地保護機制來控制該逆變電路。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的逆變裝置，其中該控制電路判斷該接地指示電壓是否位於一正常電壓範圍內，若該接地指示電壓位於該正常電壓範圍內，該控制電路判定該光電模組未發生該接地故障，以及若該接地指示電壓位於該正常電壓範圍外，該控制電路判定該光電模組發生該接地故障。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的逆變裝置，其中該以穩壓器為基礎的接地偵測電路包括： 一電源轉換單元，用以取樣該輸入電壓，並且據以產生一參考電壓；以及一偵測單元，耦接該電源轉換單元以接收該參考電壓，對該參考電壓進行穩壓以產生一穩壓電壓，並且依據該穩壓電壓產生該接地指示電壓，其中該穩壓電壓係為該穩壓器的輸出端與該光電模組的一光伏接地端之間的電壓差。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的逆變裝置，其中該偵測單元包括：該穩壓器，其輸入端接收該參考電壓，並且其輸出端輸出該穩壓電壓；一第一電阻，其第一端耦接該穩壓器的輸出端，且其第二端耦接該逆變裝置的裝置接地端，其中該接地指示電壓為該第一電阻的跨壓；以及一第二電阻，其第一端耦接該第一電阻的第二端與該裝置接地端，且其第二端耦接該光電模組的光伏接地端。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的逆變裝置，其中該偵測單元更包括：一第三電阻，其第一端接收該參考電壓，且其第二端耦接該穩壓器的輸入端；以及一第四電阻，其第一端耦接該第三電阻的第二端，且其第二端耦接該穩壓器的輸出端與該第一電阻的第一端。
  6. 一種光伏電源系統，包括： 一光電模組，用以產生一直流輸入電源，其中該光電模組具有一光伏接地端；以及一逆變裝置，耦接該光電模組，適於將該直流輸入電源轉換為一交流輸出電源，其中該逆變裝置具有一裝置接地端，並且該逆變裝置包括：一逆變電路，用以將該直流輸入電源轉換為該交流輸出電源；一控制電路，耦接該逆變電路，用以控制該逆變電路的電源轉換；以及一以穩壓器為基礎的接地偵測電路，耦接該逆變電路與該控制電路，用以取樣該直流輸入電源的一輸入電壓，並且對該輸入電壓進行穩壓與分壓，藉以產生一接地指示電壓，其中該穩壓器的一輸出端的電位係基於該光伏接地端所建立，該接地指示電壓係為該穩壓器的該輸出端與該裝置接地端之間的電壓差，其中，該控制電路依據該接地指示電壓判斷該光電模組是否發生一接地故障，並且於判定發生該接地故障時啟用一接地保護機制來控制該逆變電路。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的光伏電源系統，其中該控制電路判斷該接地指示電壓是否位於一正常電壓範圍內，若該接地指示電壓位於該正常電壓範圍內，該控制電路判定該光電模組未發生該接地故障，以及若該接地指示電壓位於該正常電壓範圍外，該控制電路判定該光電模組發生該接地故障。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的光伏電源系統，其中該以穩壓器為基礎的接地偵測電路包括：一電源轉換單元，用以取樣該輸入電壓，並且據以產生一參考電壓；以及一偵測單元，耦接該電源轉換單元以接收該參考電壓，對該參考電壓進行穩壓以產生一穩壓電壓，並且依據該穩壓電壓產生該接地指示電壓，其中該穩壓電壓係為該穩壓器的輸出端與該光電模組的一光伏接地端之間的電壓差。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的光伏電源系統，其中該偵測單元包括：該穩壓器，其輸入端接收該參考電壓，並且其輸出端輸出該穩壓電壓；一第一電阻，其第一端耦接該穩壓器的輸出端，且其第二端耦接該逆變裝置的裝置接地端，其中該接地指示電壓為該第一電阻的跨壓；以及一第二電阻，其第一端耦接該第一電阻的第二端與該裝置接地端，且其第二端耦接該光電模組的光伏接地端。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的光伏電源系統，其中該偵測單元更包括：一第三電阻，其第一端接收該參考電壓，且其第二端耦接該穩壓器的輸入端；以及一第四電阻，其第一端耦接該第三電阻的第二端，且其第二端耦接該穩壓器的輸出端與該第一電阻的第一端。
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