用於連接至電網的電能轉換系統的瞬態電流保護設備的製作方法

2023-05-23 00:32:31

本發明涉及電能轉換系統，具體地，但不唯一地，本發明涉及光伏面板系統生成的電能的和適於直接被連接至電網的轉換系統。

現有技術

適於從所生成的電能，例如，從一個或多個再生能源，如光伏發電廠和風力發電廠開始產生用於直接引入到電網上的電能的電能轉換系統是已知的。

上述的電能轉換系統通常包括逆變器裝置(通常稱為逆變器)，其適於將DC(直流)輸入電壓轉換為具有電網要求的幅度和頻率特徵的AC(交流)輸出電壓。這些逆變器裝置適於被直接連接至電網從而提供不同設備——例如，家中存在的家用電器所需的電能，或者將所生成的電能傳送至電網。

這種類型的系統受到與出現在電網上、可以即刻改變電網電壓的特徵的可能瞬態現象有關的問題。

實際上，在被連接至電網的、轉換由一個或多個光伏、風力發電源等生成的能量的常用逆變器內，例如由電網上的過電壓導致的瞬態電流與逆變器的切換設備反向平行地自由傳輸通過再循環二極體。通常，這些再循環二極體對抵抗可以達到數百或甚至上千安培的幅度的水平的高循環瞬態電流來說是不夠穩健的，因此這對於上述的再循環二極體是致命的。

此外，切換設備自身可能需要切換這些帶有隨之而來的高應力的瞬態電流，高應力經常導致與所述瞬態有關的設備的損壞。

附圖1和2顯示了所述情況的例子。

圖1和2顯示用於直接連接至電網的單級和雙級類型的逆變器。通常，雙級逆變器可以被提供給一個或多個獨立的輸入通道。當瞬態過電壓11發生在電網10，比電網頻率更高的頻率的瞬態電流12自由地橫跨逆變器的再循環二極體13和來自光伏組件的直流電壓上的濾波電容器。這個電流在通常非常低的阻抗的電路內流動並且甚至可以達到上千安培的峰值。

明顯的是，這個電流對於存在於逆變器內的半導體設備，特別是開關和再循環二極體是非常危險的。

因此本發明的目的是提出適於解決上述技術問題，並且從而允許逆變器的半導體設備，進而逆變器自身，倖免於在電網上出現的瞬態現象的設備。

本發明的另外的特徵和優勢將在下面的參照附圖中各圖的非限定性實施例的描述中變得明顯，附圖是圖解的並示出適於根據實踐中不同電路解決方案實現的功能模塊。具體地：

圖1顯示了與出現在電網上的瞬態現象以及隨之而來的瞬態電流的路徑有關的單級逆變器的圖解電路；

圖2顯示了與出現在電網上的瞬態現象以及隨之而來的瞬態電流的路徑有關的雙級逆變器的圖解電路；

圖3顯示了包括根據本發明的設備的第一優選實施例的、與出現在電網上的瞬態現象以及隨之而來的瞬態電流的路徑有關的單級逆變器的圖解電路；

圖4顯示了包括根據本發明的設備的第一優選實施例的、與出現在電網上的瞬態現象以及隨之而來的瞬態電流的路徑有關的雙級逆變器的圖解電路；

圖5顯示了包括根據本發明的設備的第一優選實施例的、與出現在電網上的瞬態現象以及隨之而來的瞬態電流的路徑有關的單級逆變器的圖解電路，第一優選實施例包括共模渦流消減濾波器；

圖6顯示了包括根據本發明的設備的第二優選實施例的、與出現在電網上的瞬態現象和隨之而來的瞬態電流的路徑有關的單級逆變器的圖解電路；

圖7顯示了包括根據本發明的設備的第二優選實施例、與出現在電網上的瞬態現象和隨之而來的瞬態電流的路徑有關的雙級逆變器的圖解電路；

圖8顯示了包括根據本發明的設備的第二優選實施例的、與出現在電網上的瞬態現象和隨之而來的瞬態電流的路徑有關的單級逆變器的圖解電路，第二優選實施例包括共模渦流消減濾波器；

圖9顯示了包括根據本發明的設備的第三優選實施例的、與出現在電網上的瞬態現象和隨之而來的瞬態電流的路徑有關的單級逆變器的圖解電路；

圖10顯示了包括根據本發明的設備的第三優選實施例的、與出現在電網上的瞬態現象和隨之而來的瞬態電流的路徑有關的雙級逆變器的圖解電路；

圖11顯示了包括根據本發明的設備的第三優選實施例的、與出現在電網上的瞬態現象和隨之而來的瞬態電流的路徑有關的單級逆變器的圖解電路，第三優選實施例包括共模渦流消減濾波器。

發明概述

本發明涉及用於連接至電網的電能轉換系統的瞬態電流保護設備，包括在主濾波電感器的上遊連接在電網和所述逆變器的電源部分之間的二極體電橋。

發明的詳細描述

本發明的主要目的在於提出用於逆變器裝置，特別是用於待被直接連接至電網的逆變器裝置的附加保護設備，其適於在主濾波電感器的上遊被布置在電網和所述逆變器的電源部分之間，從而建立用於可能的瞬態電流的可選路徑，可能的瞬態電流因此可不再橫跨切換設備的再循環二極體或切換設備。

本發明的另一個目的是提出新的逆變器裝置，特別是配備了所述附加設備的、待被直接連接至電網的逆變器裝置。

本發明的目的的設備15的優選實施例包括被連接在所述逆變器的電源部分和電網10之間的、在通常包括至少兩個濾波電感器16、17的輸出濾波器23的下遊的二極體電橋或Graetz橋。陰極18在濾波電容器的下遊通過直接電連接的方法或者通過另一中間元件被耦合至逆變器直流電壓輸入的正端子；逆變器直流電壓輸入的負端子的陽極19在濾波電容器的下遊，以及兩個中間端子20、21被電連接至逆變器輸出端子，即，被連接至電網的兩個端子。

附圖3和4顯示了在用於直接連接至電網的單級和雙級類型的逆變器的情況下的、根據本發明的逆變器的設備15的第一優選實施例應用的兩個例子。

當瞬態過電壓11發生在電網10，比來自電網的電流更高頻率的瞬態電流12從電網流至逆變器但是被Graetz橋的二極體「攔截」，Graetz橋二極體充當對於逆變器的再循環二極體13的旁路，並且使所述電流循環通過例如被布置在來自光伏組件14的直流電壓上的濾波電容器。

提出在主濾波電感器的上遊在電網和逆變器的級電源之間的、根據本發明的二極體電橋電路，從而建立用於瞬態電流的可選路徑，瞬態電流將不再橫跨切換設備的再循環二極體，從而保護它們。

帶有對電流瞬態的特定阻抗特徵的組件可以被選擇來製造根據本發明的設備15，而不考慮切換速度要求，而切換速度要求在對用於逆變器的電源級的半導體切換設備的選擇中最重要。

根據本發明的設備15可以使用尺寸適合的常用、價格划算的關於瞬態電流的橋式整流模塊被有利地製造。

參照附圖5，根據本發明的設備15的所述第一優選實施例可以包括通過一對相互耦合的電感器製造的至少一個共模渦流阻斷濾波器22。

所述濾波器22優選地是由上面纏繞了兩個電導體的鐵磁芯製成。鐵磁芯必須具有在相關頻率範圍內，例如在150kHZ-30kHZ範圍中，必須保持儘可能恆定的高導磁率值。這樣高導磁率值允許獲得與電感值L儘可能相似的互感係數M。

所述濾波器22可以被電連接至所述二極體電橋的上遊、所述二極體電橋的下遊，或者甚至所述二極體電橋的上遊和下遊。例如，當其被連接至所述二極體電橋的上遊，所述濾波器是由兩個電導體纏繞在其上的合適的鐵磁芯製成：第一導體，其在濾波電容器的下遊將逆變器直流電壓輸入的正端子連接至所述二極體電橋的陰極18；第二導體，其在濾波電容器的下遊將所述二極體電橋的陽極19電連接至逆變器直流電壓輸入的負端子。

例如，當所述濾波器22被連接在所述二極體電橋的下遊，其是由兩個電導體纏繞在其上的合適的鐵磁芯製成，兩個電導體將所述二極體電橋的兩個中間端子20、21連接至逆變器的輸出端子。

附圖6、7和8顯示了在用於直接連接至電網的單級和雙級類型的逆變器的情況下，根據本發明的逆變器的設備15的第二優選實施例應用的兩個例子。

第二優選實施例適用於下列情況：對逆變器的開關的特定類型的PWM調製——例如，其中逆變器的上部開關保持整半個周期導通的調製——可以在正常操作期間引起所述二極體電橋的不希望的導通。所述二極體電橋的二極體的這個不希望的情況可以產生逆變器輸出電流的畸變，這也因為橫跨所述二極體電橋的二極體的電流不涉及調節逆變器操作的控制迴路。

為了解決上述缺點，本發明的所述第二優選實施例使用在濾波電容器的下遊，陰極連接至所述二極體電橋的陰極18和陽極連接至逆變器直流電壓輸入的正端子的瞬態電壓抑制器60(也被縮寫TVS表示)。

所述TVS 60操作成使得引入關於所述二極體電橋的某種激活閾值，避免沒有在電網電壓上的瞬態過電壓時偏置到所述二極體電橋的二極體的導通模式。

所述TVS 60的擊穿電壓的選擇值必須足夠低以避免在電網上出現瞬態現象時完全抑制所述二極體電橋的操作。所述TVS 60的擊穿電壓小於或等於10V，其對保證系統在大部分應用中的正確操作是足夠的。

最後，附圖9、10和11顯示了在用於直接連接至電網的單級和雙級類型的逆變器的情況下，根據本發明的逆變器的設備15的第三優選實施例應用的兩個例子。

本發明的第三優選實施例使用在濾波電容器的下遊，陽極連接至所述二極體電橋的陰極18和與陰極連接至直流電壓逆變器輸入的正端子的一系列二極體80，以代替所述TVS 60。一系列二極體80以相似於上述TVS 60的方式操作，引入關於所述二極體電橋的某種激活閾值，從而避免在沒有電網電壓上的瞬態過電壓時偏置所述二極體電橋的二極體至導通模式。

同樣在本發明的這個第三優選實施例中，所述一系列二極體80的擊穿電壓的選擇值必須足夠低以在電網上出現瞬態現象時完全抑制所述二極體電橋的操作。所述二極體電橋80的擊穿電壓小於或等於10V，其對保證在大部分應用中的正確係統操作是足夠的。

本發明並不僅適用於如出於簡化目的在附圖中示出的單相逆變器，而且還不同地適用於三相系統，並且，更一般地，適用於多相系統，僅僅通過使用包括等於待被保護的線路的數量的適合數目的支路的二極體電橋。