专利名称：一种光伏并网逆变器低电压穿越辅助供电装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种光伏并网逆变器，尤其涉及一种光伏并网逆变器低电压穿越辅助供电装置及方法。
背景技术：
在光伏并网发电过程中，特别是在大型光伏电站，光伏逆变器应具备低电压穿越能力，避免在电网电压异常时脱离，引起电网电源的不稳定，即当电网故障或扰动引起并网点的电压跌落时，在电压跌落的范围内，光伏发电机组能够不间断并网运行。逆变器交流侧电压跌至20%标称电压时，逆变器能够保证不间断并网运行Is ;逆变器交流侧电压在发生跌落后3s内能够恢复到标称电压的90%时，逆变器能够保证不间断并网运行。对电力系统故障期间没有切出的逆变器，其有功功率在故障清除后应快速恢复，自故障清除时刻开始，以至少10%额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的值。低电压穿越过程中逆变器宜提供动态无功支撑
在低电压穿越过程中，逆变器内部供电电源同样需要不间断运行，以确保系统的可靠运行。目前应用在光伏并网逆变器中具有低电压穿越能力的辅助源通常采用交直流同时取电方式，即在交流侧电压跌落时，从光伏组件直流母线取电，此方案虽然满足了基本的功能需求，但仍存在以下不足:
(1)成本较高:为实现直流母线高压取电，通常采用开关电源方式转换，电路复杂，且直流母线取电方式作为备用功能，利用率极低，整体造价较高；
(2)不具备可靠关断功能:当电网故障期间，直流母线跌落至辅助源无法正常工作时没有进行相应处理，由此引发的逆变器供电不稳，可能给整个发电系统带来极大隐患。
发明内容
本发明解决的技术问题是:提供一种光伏并网逆变器低电压穿越辅助供电装置及方法，克服现有技术不具备可靠关断功能以有成本高的技术问题。本发明的技术方案是:构建一种光伏并网逆变器低电压穿越辅助供电装置，包括交流取电电路、直流取电电路、延时关断电路，所述延时关断电路包括电容Cl、电容C2、稳压二极管D3、稳压二极管D4、稳压二极管D2、稳压二极管D11、放电电阻R4、整流二极管D1、限流电阻R3、光电耦合器U1、放电电阻R2，所述整流二极管Dl和限流电阻R3串联后一端接所述交流取电电路，所述电容Cl与所述放电电阻R4并联后一端接所述限流电阻R3的另一端、所述稳压二极管D3的正极、所述稳压二极管D2的负极及所述光电耦合器Ul中光敏三极管的集电极，所述光电耦合器Ul中光敏三极管的发射极接所述放电电阻R2，所述稳压二极管D4的负极串联连接所述稳压二极管D2的正极，所述电容Cl与所述放电电阻R4并联后另一端所述稳压二极管D3的正极，所述稳压二极管D3负极串联连接所述稳压二极管D4的正极，所述稳压二极管D4的负极接所述电容C2的一端，所述电容C2的一端还连接所述光电耦合器Ul中二极管的正极，所述电容C2另一端接地，所述光电耦合器Ul中二极管的负极接所述稳压二极管D3的负极和所述稳压二极管D4的正极。本发明的进一步技术方案是:所述交流取电电路包括交流母线、全桥整流器D9、保险丝F1、二极管D10，滤波电容C5和滤波电容C6，所述交流母线连接所述全桥整流器D9，所述全桥整流器D9输出的正极接保险丝Fl的一端，所述保险丝Fl的另一端接所述二极管DlO的正极，并联的滤波电容C5和滤波电容C6的一端接所述二极管DlO的负极并输出电压，并联的滤波电容C5和滤波电容C6的另一端后接所述全桥整流器D9输出的负极。本发明的进一步技术方案是:所述直流取电电路包括直流母线、限流电阻Rl、N沟道MOS管Ql、稳压二极管管D5、防反灌二极管D6、二极管D8、滤波电容C4、滤波电容C3，所述直流母线的正极经所述限流电阻Rl后接所述MOS管Ql的漏极，所述MOS管Ql的源极接所述反灌二极管D6负极、滤波电容C3的一端，所述MOS管Ql的栅极连接稳压二极管管D5的负极，所述稳压二极管管D5的负极接反灌二极管D6正极，所述二极管D8的负极接所述滤波电容C4的一端，所述滤波电容C3的另一端与所述滤波电容C4的另一端连接后接地。本发明的进一步技术方案是:所述延时关断电路还包括稳压二极管Dl和电阻R3，所述交流取电电路通过所述稳压二极管Dl和所述电阻R3对电容Cl充电。本发明的进一步技术方案是:所述电容Cl在交流母线消失后通过R4缓慢放电，并可通过Ul和R2快速放电。本发明的进一步技术方案是:所述直流取电电路包括稳压二极管D7，所述稳压二极管D7的正极接所述二极管D8的正极，所述稳压二极管D7的负极接电容C3的一端及所述MOS管Ql的源极。本发明的技术方案是:提供一种光伏并网逆变器低电压穿越辅助供电方法，包括交流取电电路、直流取电电路、延时关断电路，所述延时关断电路包括充电电容Cl、放电电阻R4，所述辅助供电方法包括如下步骤:
电网正常供电时，所述交流取电电路从交流测交流母线取电，同时，所述充电电容Cl、充电电容C2均充电饱和，延时关断电路处于稳定状态；
电网供电中断时，直流取电电路从直流侧的直流母线取电，同时，所述充电电容Cl和充电电容C2通过所述放电电阻R4缓慢放电，达到设定时间后，所述充电电容Cl和充电电容C2通过光电耦合器Ul和放电电阻R2快速放电至零电平，辅助源输出关闭；
电网恢复时，所述交流取电电路从交流侧交流母线取电，辅助源正常输出，同时通过所述电阻R3向所述充电电容Cl和充电电容C2充电至饱和，所述延时关断电路再次进入稳定状态。本发明的技术效果是:构建一种光伏并网逆变器低电压穿越辅助供电装置及方法，包括交流取电电路、直流取电电路、延时关断电路，所述延时关断电路包括充电电容Cl、放电电阻R4。电网正常供电时，所述交流取电电路从交流测交流母线取电，同时，所述充电电容Cl充电，维持所述延时关断电路的电压稳定。电网供电中断时，直流取电电路从直流侧的直流母线取电，所述充电电容Cl通过所述放电电阻R4缓慢放电，放电至零电平时，输出电压关闭。电网恢复时，所述充电电容Cl充电，所述交流取电电路从交流侧交流母线取电，输出电压逐步恢复供电。本发明针对该应用中直流母线取电时间极短，该部分电路采用模拟电源方式，电路结构简单，降低成本。同时，本发明辅助源主动关闭采用延时关闭方式，且该过程无需比较器和数字控制器等参与，因此也就无需额外的低电压辅助电源，结构简单，计时精确，可靠性高，保证了逆变器低电压穿越功能的可靠工作，也进一步降低了产品成本。
图1为本发明低电压穿越辅助源应用原理图。图2为本发明低电压穿越辅助源结构图。图3为本发明低电压穿越辅助源仿真波形图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。如图1所示，本发明的具体实施方式
是:在电网侧正常时，本发明辅助源从交流侧的220VAC取电，当电网异常时，从光伏阵列直流母线400V 850VDC取电，稳定输出为220VDC,提供给其他DC/DC模块和电气设备。当电网故障为低电压穿越所规定的类型，辅助源在电网恢复后重新从交流电网取电，而当电网故障超出低电压穿越规定的恢复时间，辅助源将在逆变器控制系统完成脱网动作后主动关闭供电，等待电网恢复后重新工作。如图1、图2所示，本发明的具体实施方式
是:构建一种光伏并网逆变器低电压穿越辅助供电装置，包括交流取电电路、直流取电电路、延时关断电路，所述延时关断电路包括电容Cl、电容C2、稳压二极管D3、稳压二极管D4、稳压二极管D2、稳压二极管D11、放电电阻R4、整流二极管D1、限流电阻R3、光电耦合器U1、放电电阻R2，所述整流二极管Dl和限流电阻R3串联后一端接所述交流取电电路，所述电容Cl与所述放电电阻R4并联后一端接所述限流电阻R3的另一端、所述稳压二极管D3的正极、所述稳压二极管D2的负极及所述光电耦合器Ul中光敏三极管的集电极，所述光电耦合器Ul中光敏三极管的发射极接所述放电电阻R2，所述稳压二极管D4的负极串联连接所述稳压二极管D2的正极，所述电容Cl与所述放电电阻R4并联后另一端所述稳压二极管D3的正极，所述稳压二极管D3负极串联连接所述稳压二极管D4的正极，所述稳压二极管D4的负极接所述电容C2的一端，所述电容C2的一端还连接所述光电耦合器Ul中二极管的正极，所述电容C2另一端接地，所述光电耦合器Ul中二极管的负极接所述稳压二极管D3的负极和所述稳压二极管D4的正极。所述电容Cl在交流母线消失后通过R4缓慢放电，并可通过Ul和R2快速放电。如图2所示，本发明的具体工作过程如下:在电网正常情况下，Pl点电压通过Dl和R3对电容Cl充电，同时通过稳压二极管D3和稳压二极管D4对电容C2充电，稳压二极管D2与稳压二极管Dll串联形成225VDC的直流电平，由此决定了 P2、P3和P4点电平均为225V直流电。当电网异常时，交流母线的电压降低或消失，电容Cl通过放电电阻R4进行缓慢放电，P2点电平逐步降低，而P4点电平并不变化，而当P2点电平低于P4点电平时，具体低的电压数由D3决定，本实施例中，当P2点电平低于P4点电平低于20V时，稳压二极管D3导通，电容C2通过光电耦合器Ul内部的发光二极管、稳压二极管D3和稳压二极管D4进行放电，此时一旦形成放电电流，光电耦合器Ul的光敏三极管导通，电容Cl与电容C2都可通过电阻R2进行快速放电，且电容C2放电电流增大，使得光电耦合器Ul的光敏三极管导通阻抗进一步越小，形成正反馈，电容Cl与电容C2在极短时间内完全放电，P4点电平降低为OVDC，MOS管Ql关断，实现了直流母线取电电路的关闭。可见在此电路中，决定延时关断的器件为C1、R4和D3，因此通过调整该器件类型和大小，可实现不同时间长短的定时，结构简
单，可靠性高。如图2所示，本发明的优选实施方式是:所述交流取电电路包括交流母线、全桥整流器D9、保险丝F1、二极管D10，滤波电容C5和滤波电容C6，所述交流母线连接所述全桥整流器D9，所述全桥整流器D9输出的正极接保险丝Fl的一端，所述保险丝Fl的另一端接所述二极管DlO的正极，并联的滤波电容C5和滤波电容C6的一端接所述二极管DlO的负极并输出电压，并联的滤波电容C5和滤波电容C6的另一端后接所述全桥整流器D9输出的负极。具体工作过程如下:交流母线220VAC通过全桥整流器D9变为直流，Fl为保险丝，通过并联二极管D10、滤波电容C5和滤波电容C6后，在P6点输出约250VDC，由于不控整流，该输出电平与负载和滤波电容C5和滤波电容C6相关，因此根据不同负载，通过调整滤波电容可将输出电压稳定在所需电平。如图2所示，本发明的优选实施方式是:所述直流取电电路包括直流母线、限流电阻R1、N沟道MOS管Ql、稳压二极管管D5、防反灌二极管D6、二极管D8、滤波电容C4、滤波电容C3，所述直流母线的正极经所述限流电阻Rl后接所述MOS管Ql的漏极，所述MOS管Ql的源极接所述反灌二极管D6负极、滤波电容C3的一端，所述MOS管Ql的栅极连接稳压二极管管D5的负极，所述稳压二极管管D5的负极接反灌二极管D6正极，所述二极管D8的负极接所述滤波电容C4的一端，所述滤波电容C3的另一端与所述滤波电容C4的另一端连接后接地。具体实施例中，所述直流取电电路包括稳压二极管D7，所述稳压二极管D7的正极接所述二极管D8的正极，所述稳压二极管D7的负极接电容C3的一端及所述MOS管Ql的源极。具体工作过程如下:直流母线通过限流电阻Rl和MOS管Ql进行线性电压调节，输出电压由P4点电压决定，在本发明中设计P4点电压为225VDC，通过稳压二极管D5和防反灌二极管D6钳位P5点电平为221VDC。P5通过稳压二极管D7、并联二极管D8和滤波电容C4后电平为200VDC，并与交流取电电路的输出实现并联，由于直流取电电路输出电压为200VDC，低于交流取电电路输出的250VDC，因此在电网正常情况下，在并联二极管的作用下，直流母线并无输出，同时稳压二极管D7保证了直流取电电路关闭后，滤波电容C3如有残余电量也不会缓慢放电，提高了系统稳定性和辅助源效率。本发明的技术方案是:提供一种光伏并网逆变器低电压穿越辅助供电方法，包括交流取电电路、直流取电电路、延时关断电路，所述延时关断电路包括充电电容Cl、放电电阻R4，所述辅助供电方法包括如下步骤:
电网正常供电时，所述交流取电电路从交流测交流母线取电，同时，所述充电电容Cl、充电电容C2均充电饱和，延时关断电路处于稳定状态；
电网供电中断时，直流取电电路从直流侧的直流母线取电，同时，所述充电电容Cl和充电电容C2通过所述放电电阻R4缓慢放电，达到设定时间后，所述充电电容Cl和充电电容C2通过光电耦合器Ul和放电电阻R2快速放电至零电平，辅助源输出关闭；
电网恢复时，所述交流取电电路从交流侧交流母线取电，辅助源正常输出，同时通过所述电阻R3向所述充电电容Cl和充电电容C2充电至饱和，所述延时关断电路再次进入稳定状态。如图3所示,具体工作过程如下:
A.在Tl时期，电网正常，辅助源从交流测取电，同时为辅助源的中的Cl和C2充电，P2和P4的电压在此阶段逐步稳定；
B.在T2时期，电网中断，辅助源从直流母线取电，Cl通过R4缓慢放电，P2点电压也逐步降低，而P4点电压维持不变；
C.在T3时期，P2点电压降低到设定值，D3导通，同时触发Ul工作，Cl与C2通过R2快速放电至零电平，此时辅助源输出电压P6关闭，
D.在T4时期，电网恢复，辅助源中Cl与C2再次充电，P2与P4电压逐步恢复；
E.在T5时期，电网正常工作，辅助源进入稳定状态，交流母线为输出电压P6提供能量。通过上述仿真，验证了本发明提出的辅助源方案电路简洁，工作可靠，可满足光伏并网逆变器低电压穿越过程对供电电源的要求，同时也降低了产品成本，增强了系统可靠性。本发明的技术效果是:构建一种光伏并网逆变器低电压穿越辅助供电装置及方法，包括交流取电电路、直流取电电路、延时关断电路，所述延时关断电路包括充电电容Cl、放电电阻R4。电网正常供电时，所述交流取电电路从交流测交流母线取电，同时，所述充电电容Cl充电，维持所述延时关断电路的电压稳定。电网供电中断时，直流取电电路从直流侧的直流母线取电，所述充电电容Cl通过所述放电电阻R4缓慢放电，放电至零电平时，输出电压关闭。电网恢复时，所述充电电容Cl充电，所述交流取电电路从交流侧交流母线取电，输出电压逐步恢复供电。本发明无需额外的低电压辅助电源，结构简单，计时精确，可靠性高，保证了逆变器低电压穿越功能的可靠工作，也进一步降低了产品成本。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种光伏并网逆变器低电压穿越辅助供电装置，其特征在于，包括交流取电电路、直流取电电路、延时关断电路，所述延时关断电路包括电容Cl、电容C2、稳压二极管D3、稳压二极管D4、稳压二极管D2、稳压二极管D11、放电电阻R4、整流二极管D1、限流电阻R3、光电耦合器U1、放电电阻R2，所述整流二极管Dl和限流电阻R3串联后一端接所述交流取电电路，所述电容Cl与所述放电电阻R4并联后一端接所述限流电阻R3的另一端、所述稳压二极管D3的正极、所述稳压二极管D2的负极及所述光电耦合器Ul中光敏三极管的集电极，所述光电耦合器Ul中光敏三极管的发射极接所述放电电阻R2，所述稳压二极管D4的负极串联连接所述稳压二极管D2的正极，所述电容Cl与所述放电电阻R4并联后另一端所述稳压二极管D3的正极，所述稳压二极管D3负极串联连接所述稳压二极管D4的正极，所述稳压二极管D4的负极接所述电容C2的一端，所述电容C2的一端还连接所述光电耦合器Ul中二极管的正极，所述电容C2另一端接地，所述光电耦合器Ul中二极管的负极接所述稳压二极管D3的负极和所述稳压二极管D4的正极。
2.根据权利要求1所述光伏并网逆变器低电压穿越辅助供电装置，其特征在于，所述交流取电电路包括交流母线、全桥整流器D9、保险丝F1、二极管D10，滤波电容C5和滤波电容C6，所述交流母线连接所述全桥整流器D9，所述全桥整流器D9输出的正极接保险丝Fl的一端，所述保险丝Fl的另一端接所述二极管DlO的正极，并联的滤波电容C5和滤波电容C6的一端接所述二极管DlO的负极并输出电压，并联的滤波电容C5和滤波电容C6的另一端后接所述全桥整流器D9输出的负极。
3.根据权利要求1所述光伏并网逆变器低电压穿越辅助供电装置，其特征在于，所述直流取电电路包括直流母线、限流电阻R1、N沟道MOS管Q1、稳压二极管管D5、防反灌二极管D6、二极管D8、滤波电容C4、滤波电容C3，所述直流母线的正极经所述限流电阻Rl后接所述MOS管Ql的漏极，所述MOS管Ql的源极接所述反灌二极管D6负极、滤波电容C3的一端，所述MOS管Ql的栅极连接稳压二极管管D5的负极，所述稳压二极管管D5的负极接反灌二极管D6正极，所述二极管D8的负极接所述滤波电容C4的一端，所述滤波电容C3的另一端与所述滤波电容C4的另一端连接后接地。
4.根据权利要求1所述光伏并网逆变器低电压穿越辅助供电装置，其特征在于，所述延时关断电路还包括稳压二极管Dl和电阻R3，所述交流取电电路通过所述稳压二极管Dl和所述电阻R3对电容Cl充电。
5.根据权利要求1所述光伏并网逆变器低电压穿越辅助供电装置，其特征在于，所述电容Cl在交流母线消失后通过R4缓慢放电，并可通过Ul和R2快速放电。
6.根据权利要求1所述光伏并网逆变器低电压穿越辅助供电装置，其特征在于，所述直流取电电路包括稳压二极管D7，所述稳压二极管D7的正极接所述二极管D8的正极，所述稳压二极管D7的负极接电容C3的一端及所述MOS管Ql的源极。
7.一种光伏并网逆变器低电压穿越辅助供电方法，其特征在于，包括交流取电电路、直流取电电路、延时关断电路，所述延时关断电路包括充电电容Cl、放电电阻R4，所述辅助供电方法包括如下步骤: 电网正常供电时，所述交流取电电路从交流测交流母线取电，同时，所述充电电容Cl、充电电容C2均充电饱和，延时关断电路处于稳定状态； 电网供电中断时，直流取电电路从直流侧的直流母线取电，同时，所述充电电容Cl和充电电容C2通过所述放电电阻R4缓慢放电，达到设定时间后，所述充电电容Cl和充电电容C2通过光电耦合器Ul和放电电阻R2快速放电至零电平，辅助源输出关闭； 电网恢复时，所述交流取电电路从交流侧交流母线取电，辅助源正常输出，同时通过所述电阻R3向所述充电电容Cl和充电电容C2充电至饱和，所述延时关断电路再次进入稳定状 态。
全文摘要
本发明涉及一种光伏并网逆变器低电压穿越辅助供电装置及方法，包括交流取电电路、直流取电电路、延时关断电路。本发明针对该应用中直流母线取电时间极短，该部分电路采用模拟电源方式，电路结构简单，降低成本。同时，本发明辅助源主动关闭采用延时关闭方式，且该过程无需比较器和数字控制器等参与，因此也就无需额外的低电压辅助电源，结构简单，计时精确，可靠性高，保证了逆变器低电压穿越功能的可靠工作，也进一步降低了产品成本。
文档编号H02J9/06GK103138383SQ20131006160
公开日2013年6月5日 申请日期2013年2月27日 优先权日2013年2月27日
发明者张斌, 张博温, 张东来, 张华 申请人:深圳航天科技创新研究院