具有開路電壓保護功能的光伏逆變器的製造方法
2023-05-26 17:47:46
具有開路電壓保護功能的光伏逆變器的製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種具有開路電壓保護功能的光伏逆變器，包括與光伏組串依次連接的直流側電路、逆變橋和交流側電路，直流側電路包括直流側防雷裝置和直流側濾波器，直流側電路還包括直流隔離開關和直流繼電器，直流隔離開關的一端與光伏組串的輸出端相連，直流隔離開關的另一端與直流側防雷裝置相連，直流繼電器設置於直流側防雷裝置和直流側濾波器之間。本實用新型光伏逆變器可以減小光伏逆變器整體尺寸，降低成本，無需減少光伏組串個數，能夠充分發揮組件發電潛力，實現開路電壓保護並降低了安全隱患。
【專利說明】具有開路電壓保護功能的光伏逆變器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種太陽能光伏發電【技術領域】，特別是一種具有開路電壓保護功能的光伏逆變器。
【背景技術】
[0002]太陽能光伏發電系統使用半導體光電原理，利用光伏組件把太陽光輻射能量轉化為直流電，送入逆變器，逆變器把直流電轉換為交流電，併入電網，完成能量轉換和利用過程。按照國際IEC標準以及中國GB50797-2012《光伏發電站設計規範》中關於光伏系統設計和逆變器選型要求，光伏組串開路電壓(Voc)不得高於逆變器直流最大耐壓(Vmax)。如果組串開路電壓超過允許值，可能造成永久性損壞。如圖1所示的現有的光伏逆變器的結構示意圖，光伏組串I連接直流側的直流斷路器2，直流側安裝有直流電壓傳感器3，光伏逆變器是全過程自動運行，其工作過程是:直流斷路器2手動閉合，交流開關4手動閉合，直流電壓傳感器3監測直流側電壓，如果超過啟動電壓，交流側同期開始，同期完成，光伏逆變器閉合交流接觸器5，光伏逆變器運行。上述過程中，直流斷路器2始終處於閉合狀態，光伏組串I開路電壓始終加在直流正負母線上面，光伏逆變器中的部分逆變橋電路板同樣承受開路電壓。直流斷路器2無自動合閘功能，必須手動合閘。因此，無法實現直流側打開狀態時自動運行。對於光伏逆變器而言，1000V通常是處於低壓與高壓的分界點，1000V以下器件價格更為便宜，尤其是IGBT器件，對於電壓及其敏感，因此逆變器製造廠商大都選擇1000V或以下電壓等級器件，並按此標準加工電路板。如果組串開路電壓超過1000V，電子器件或電路板絕緣可能發生破壞，就是上述所說永久性損壞，這個要極力避免。
[0003]因此，現有的光伏逆變器不具備開路電壓保護功能，國標要求的光伏組串開路電壓(Voc)不得高於逆變器直流最大耐壓(Vmax)，這一條通常用於光伏組串串聯個數的選擇。由於光伏逆變器直流電壓通常小於900V或1000V，因此組件串聯個數也受此限制。組串串聯開路電壓=單個組件開路`電壓X串聯個數，單個組件開路電壓影響因素包括溫度以及輻射度，其中，輻射度對單個組件開路電壓影響較小，尤其是輻射度在400/m2以上時，組件開路電壓基本相差不大；影響組件開路電壓最大因素是溫度。以典型晶矽光伏組件為例，標準條件STC (大氣質量AM=L 5，標準條件輻射度1000W/m2，組件溫度25°C )，單個組件開路電壓Voc=44.6V。溫度係數:-0.34%/°C.環境最低溫度是_25°C。溫度每下降1°C，開路電壓升高0.34%。如果原組串串聯個數是20個，最低溫度下開路電壓為:44.6 X 20 X(1+0.34%X (25- (-25)))=1043.64V0如果按照光伏逆變器最高直流電壓是1000V計算，上述組串開路電壓超過了界限，組件串聯個數只能減少，取19個。減少組件串聯個數，會將增加電纜和支架等投資，不利充分發揮組件發電潛力，對太陽能光伏系統投資有負面影響。
[0004]此外，目前按照設計規範要求，計算溫度按照極端最低溫度選擇。但是，極端最低溫度往往比正常溫度低20°C還多，而且由於氣候變化近幾年出現超低溫情況比較多。比如:我國光伏電站比較集中區域青海省某市，冬季平均溫度在-1°C左右，光伏逆變器運行大部分時間(超過90%)都在-5°C以上；該市10年極端溫度在_30°C，去年冬季竟然出現最低溫度是-38°C。如果一味依靠設計保守來保護設備，一是犧牲了性價比，二是不可能實現完全保護，仍然有安全隱患。
實用新型內容
[0005]本實用新型針對現有的光伏逆變器通過減少光伏組串個數來使得光伏組串開路電壓不得高於逆變器直流最大耐壓而導致電纜和支架等投資增加以及性價比低且仍存在安全隱患的問題，提供一種新型的具有開路電壓保護功能的光伏逆變器，採用直流隔離開關和直流繼電器部件，可以減小光伏逆變器整體尺寸，降低成本，無需減少光伏組串個數，能夠充分發揮組件發電潛力，實現開路電壓保護並降低了安全隱患。
[0006]本實用新型的技術方案如下:
[0007]—種具有開路電壓保護功能的光伏逆變器，包括與光伏組串依次連接的直流側電路、逆變橋和交流側電路，所述直流側電路包括直流側防雷裝置和直流側濾波器，其特徵在於，所述直流側電路還包括直流隔離開關和直流繼電器，所述直流隔離開關的一端與光伏組串的輸出端相連，所述直流隔離開關的另一端與直流側防雷裝置相連，所述直流繼電器設置於直流側防雷裝置和直流側濾波器之間。
[0008]所述直流側電路還包括直流熔斷器，所述直流熔斷器設置於直流繼電器和直流側濾波器之間。
[0009]所述直流熔斷器為快速熔斷器。
[0010]在直流側電路設置有光伏直流側進線電源；和/或，在交流側設置有交流側出線開關電源；和/或，在交流側設置有UPS電源。
[0011]所述直流繼電器的耐壓為2200V，額定工作電壓為900V。
[0012]所述直流側電路還包括直流側絕緣監測電路，所述直流側絕緣監測電路設置於直流側濾波器的輸出端。
[0013]本實用新型的技術效果如下:
[0014]本實用新型提供的具有開路電壓保護功能的光伏逆變器，在直流側設置直流隔離開關和直流繼電器，將直流隔離開關設置於光伏組串和直流側防雷裝置之間，將直流繼電器設置於直流側防雷裝置和直流側濾波器之間，本實用新型的光伏逆變器改變了直流側電路設計，取消了傳統的光伏逆變器中的直流斷路器，用直流隔離開關和直流繼電器來取而代之，在光伏逆變器工作時，直流繼電器保持常閉狀態，並閉合直流隔離開關後，在光伏逆變器的直流側電路和交流側電路均運行後，如果直流開路電壓在允許標準內，光伏逆變器持續工作，如果直流開路電壓超過允許標準，則斷開直流繼電器，直流繼電器保持開路，直至環境溫度上升到一定程度，直流開路電壓下降到可接受範圍，此時直流繼電器可以自動閉合，使得光伏逆變器重新進入啟動程序。本實用新型的光伏逆變器，由於取消了體積龐大且價格昂貴的直流斷路器器件，採用能夠滿足太陽能光伏發電系統設計要求的直流隔離開關和直流繼電器，使得光伏逆變器的尺寸減小，並在很大程度上降低了成本。而且，本實用新型的光伏逆變器根據直流開路電壓的實際情況，能夠控制直流繼電器的自動閉合和開啟，避免了傳統的光伏逆變器通過直流斷路器作為直流開關使得開路電壓始終加在直流正負母線上，導致直流開關無法自動合閘，不能實現直流側打開狀態時自動運行，並導致永久性損壞電路的問題。本實用新型的光伏逆變器無需減少光伏組串個數，並非一味依靠保守設計來保護設備，即可保證光伏組串開路電壓不高於逆變器直流最大耐壓，實現開路電壓保護功能，使得保護更完善，而且減少了電纜和支架燈投資，增加了投資效益，提高了性價t匕，能夠充分發揮組件發電潛力，並降低了安全隱患，使得光伏逆變器乃至整個太陽能光伏發電系統的運行更安全。
[0015]本實用新型所述的光伏逆變器在直流側電路設置直流熔斷器，該直流熔斷器設置於直流繼電器和直流側濾波器之間，以便從直流繼電器取得信號，作為短路和過電流的保護，以保持足夠保護作用。
[0016]優選在直流側電路設置有光伏直流側進線電源，在交流側設置有交流側出線開關電源，在交流側設置有UPS電源，該設置修改了現有光伏逆變器的直流電源供電電路，設置一種或多種電源提供方式，尤其在多種電源提供方式時，多路電源互為備用，提高了光學逆變器乃至整個太陽能光伏發電系統運行的安全性。
[0017]在直流側電路設置直流側絕緣監測電路，該直流側絕緣監測電路設置於直流側濾波器的輸出端，通過直流側絕緣監測電路對直流開路電壓進行實時監測，以保持足夠保護作用，使得保護更完善，光伏逆變器運行更安全。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為現有的光伏逆變器的結構示意圖。
[0019]圖2為本實用新型具有開路電壓保護功能的光伏逆變器的結構示意圖。
[0020]圖3為本實用新型具有開路電壓保護功能的光伏逆變器的優選結構示意圖。
[0021]圖中各標號列示如下:
[0022]I 一光伏組串；2 —直流斷路器；3 —直流電壓傳感器；4 一交流開關；5 —交流接觸器；6 —直流隔離開關；7 —直流側防雷裝置；8 —直流繼電器；9 一直流側濾波器；10 —快速熔斷器；11 一直流側絕緣監測電路；12 —光伏直流側進線電源；13 —交流側出線開關電源；14 一 UPS電源；15 —逆變橋；16 —數據接口 ；17 —交流側濾波器。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本實用新型進行說明。
[0024]本實用新型涉及一種具有開路電壓保護功能的光伏逆變器，其結構如圖2所示，包括與光伏組串I依次連接的直流側電路，還包括交流側電路，利用光伏組串I把太陽光輻射能量轉換為直流電，經直流側電路和交流側電路，最終該直流電轉換為交流電輸出，併入電網。直流側電路包括直流電壓傳感器3、直流隔離開關6、直流側防雷裝置7、直流繼電器8和直流側濾波器9，其中，直流隔離開關6的一端與光伏組串I的輸出端相連，直流隔離開關6的另一端與直流側防雷裝置7相連，直流繼電器8設置於直流側防雷裝置7和直流側濾波器9之間。交流側電路包括交流開關4、交流接觸器5和交流側濾波器17。
[0025]本實用新型具有開路電壓保護功能的光伏逆變器的工作過程:直流繼電器8保持常閉狀態，閉合直流隔離開關6，交流開關4手動閉合，通過安裝在直流側的直流電壓傳感器3監測直流側電壓:如果超過啟動電壓，交流側同期開始，同期完成，光伏逆變器閉合交流接觸器5，光伏逆變器運行；如果出現啟動電壓已夠，但輸出功率不足IKW情況，比如嚴寒天氣早上可能出現，光伏逆變器通常要延時運行。此時直流電壓傳感器保持監測直流開路電壓，如果開路電壓在允許標準內，比如IOOOV以內，光伏逆變器繼續等待直至延時結束，重新啟動；如果開路電壓超過允許標準，則斷開直流繼電器8。直流繼電器8保持開路，直至環境溫度上升到一定程度，直流開路電壓下降到可接受範圍，此時直流繼電器8可以自動閉合，使得光伏逆變器重新進入啟動程序。
[0026]太陽能光伏發電系統中的光伏逆變器的直流側電路需要過流保護，把光伏逆變器的直流斷路器替換為直流隔離開關和直流繼電器後，還可以在直流側增加電流保護器，滿足短路保護功能。圖3為本實用新型具有開路電壓保護功能的光伏逆變器的優選結構示意圖，該實施例的光伏逆變器的直流側電路中還設置有直流熔斷器，該直流熔斷器設置於直流繼電器8和直流側濾波器9之間。直流熔斷器優選採用快速熔斷器10，作用是短路和過電流的保護。優選直流繼電器8採用最新大容量高壓直流繼電器，耐壓2200VDC，額定工作電壓900VDC，連續通電電流500A，斷開電流可達3200A。此時可以理解為是將圖1所示的現有技術中的光伏逆變器中的直流斷路器取消，替換為直流隔離開關6+直流繼電器8+快速熔斷器10。該設置能夠提高光伏逆變器甚至整個太陽能光伏發電系統運行的安全性，改善光伏逆變器設計的性價比，同時大大減小光伏逆變器整體尺寸，降低成本。
[0027]圖3所示的光伏逆變器是在直流側依次設置與光伏組串I相連的直流隔離開關6、直流側防雷裝置7、直流繼電器8、快速熔斷器10和直流側濾波器9，在直流側濾波器的輸出端還設置有直流側絕緣監測電路11，該直流側絕緣監測電路11可以對直流開路電壓進行實時監測，如果監控到直流開路電壓超過允許標準，可以由直流側絕緣監測電路11自身或另設的控制電路發出報警信號，一方面斷開直流繼電器8，另一方面發警報到遠方。直流繼電器8保持開路，直至環境溫度上升到一定程度，直流開路電壓下降到可接受範圍，控制電路發出信號閉合直流繼電器8，使得光伏逆變器重新進入啟動程序。直流側防雷裝置7和直流側絕緣監測電路11均實質上從直流繼電器8前往取得信號，以保持足夠保護作用。
[0028]本實用新型提供的具有開路電壓保護功能的光伏逆變器，優選增設一個或多個電源提供電路，具體可以在直流側電路設置有光伏直流側進線電源12，取自光伏直流側進線；在交流側設置有交流側出線開關電源13 ;在交流側設置有UPS電源14，該設置修改了現有光伏逆變器的直流電源供電電路，設置一種或多種電源提供方式，尤其在多種電源提供方式時，多路電源互為備用，提高了光學逆變器乃至整個太陽能光伏發電系統運行的安全性。
[0029]在光伏逆變器中，由於相關標準對併網的幹擾有要求，通常優選設置交流側濾波器17，消除交流側電路中的幹擾，設置直流側濾波器9消除直流側電路中的幹擾。光伏逆變器中具有逆變橋15，可以理解為是逆變橋15的一側為直流側電路，另一側為交流側電路，逆變橋15上設置有數據接口 16，如I/O接口、RS485接口、數據記錄儀接口等，數據記錄儀接口可連接環境傳感器信號輸入，以記錄環境溫度測點數據、光伏組串溫度測點數據、輻射量測點數據等。
[0030]光伏逆變器不同於一般直流系統，光伏逆變器的直流輸出並不會形成很大的衝擊電流，同時，其特性受環境溫度影響較大，傳統設計和選型中更多考慮直流設備分斷能力和更好滅弧能力，但實際運行中並不會出現這種工況。而可能出現工況是電壓波動範圍大，對光伏逆變器乃至整個太陽能光伏發電系統安全運行造成威脅大。這是光伏能源系統獨有特點，已有多個項目運行記錄得到證實，尤其在某些寒冷地區常出現超過設計極端溫度的低溫，造成光伏電池板組件組串開路電壓超過設計數值，使得設備永久損壞，同時帶來安全隱患。本實用新型涉及的具有開路電壓保護功能的光伏逆變器，直流側電路採用直流隔離開關和直流繼電器的獨特設計，通過更高性價比實現傳統功能，同時具有開路電壓保護功能，有效保護了光伏逆變器整體設備電路，同時，使得光伏逆變器的尺寸減小，並在很大程度上降低了成本，成本可節省80%以上。而且，使得系統設計更為合理，更加符合光伏逆變器運行特性，無需減少光伏組串個數，保證光伏組串開路電壓不高於逆變器直流最大耐壓，實現開路電壓保護功能，使得保護更完善，運行更安全，提高了性價比，增加了投資效益。
[0031] 應當指出，以上所述【具體實施方式】可以使本領域的技術人員更全面地理解本發明創造，但不以任何方式限制本發明創造。因此，儘管本說明書參照附圖和實施例對本發明創造已進行了詳細的說明，但是，本領域技術人員應當理解，仍然可以對本發明創造進行修改或者等同替換，總之，一切不脫離本發明創造的精神和範圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本發明創造專利的保護範圍當中。
【權利要求】
1.一種具有開路電壓保護功能的光伏逆變器，包括與光伏組串依次連接的直流側電路、逆變橋和交流側電路，所述直流側電路包括直流側防雷裝置和直流側濾波器，其特徵在於，所述直流側電路還包括直流隔離開關和直流繼電器，所述直流隔離開關的一端與光伏組串的輸出端相連，所述直流隔離開關的另一端與直流側防雷裝置相連，所述直流繼電器設置於直流側防雷裝置和直流側濾波器之間。
2.根據權利要求1所述的光伏逆變器，其特徵在於，所述直流側電路還包括直流熔斷器，所述直流熔斷器設置於直流繼電器和直流側濾波器之間。
3.根據權利要求1所述的光伏逆變器，其特徵在於，所述直流熔斷器為快速熔斷器。
4.根據權利要求1至3之一所述的光伏逆變器，其特徵在於，在直流側電路設置有光伏直流側進線電源；和/或，在交流側設置有交流側出線開關電源；和/或，在交流側設置有UPS電源。
5.根據權利要求1所述的光伏逆變器，其特徵在於，所述直流繼電器的耐壓為2200V，額定工作電壓為900V。
6.根據權利要求1至3之一所述的光伏逆變器，其特徵在於，所述直流側電路還包括直流側絕緣監測電路，所述直流側絕緣監測電路設置於直流側濾波器的輸出端。
【文檔編號】H02M7/40GK203387424SQ201320470457
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年8月2日 優先權日:2013年8月2日
【發明者】鄭永剛 申請人:北京中電安博機電技術有限公司