逆变系统的保护装置的制作方法

本实用新型涉及电力电子控制技术领域，尤其涉及一种逆变系统的保护装置。

背景技术：

在逆变系统中，直流侧输入之间易发生故障。例如，直流侧输入之间短路，将会产生较大的瞬间电流，由此出现损坏元器件、火灾等危险。现有技术中，一般通过设置保护装置来避免上述危险的发生。

通常，现有的保护装置采用电桥测量或者漏电流传感器，分别对输入正极对地的绝缘阻抗和输入负极对地的绝缘阻抗进行检测，根据检测到的数据进行计算获得直流输入侧正负极之间的绝缘阻抗，并以此为依据控制逆变器的交直流断路器断开，从而实现对逆变系统的保护。

然而，上述现有的保护装置具有以下不足之处：一是直流输入侧正负极之间的绝缘阻抗的计算过程较为复杂；二是由于受制于直流侧的绝缘阻抗的变化快慢程度，例如，在光伏系统中，光伏逆变器的直流侧输入为光伏电池板，即使电池板发生了短路，产生较大的瞬间电流，绝缘阻抗迅速降低，该短路电流也不能让直流断路器断开；由此，并不能在故障时及时、可靠地为逆变系统提供安全性保护。

技术实现要素：

本实用新型实施例的目的在于，提供一种逆变系统的保护装置，以实现能够简单、快速地获得直流侧的绝缘阻抗的同时，以此为判断依据，从而在发生故障时及时、可靠地为逆变系统提供安全性保护。

为实现上述实用新型目的，本实用新型的实施例提供了一种逆变系统的保护装置，包括：控制器，以及分别与所述控制器连接的AD采样电路和开关量控制电路：所述AD采样电路用于采集逆变系统的直流侧电压、直流侧电流、交流侧电压和交流侧电流；所述控制器用于根据采集到的所述直流侧电压、所述直流侧电流、所述交流侧电压和所述交流侧电流，以及设定的功率阈值和阻抗阈值，确定是否发送控制信号；所述开关量控制电路用于在所述控制器确定发送控制信号后，根据接收到的所述控制信号控制逆变系统的直流侧断路器和交流侧断路器均断开。

优选地，所述控制器用于根据采集到的所述直流侧电压、所述直流侧电流、所述交流侧电压和所述交流侧电流计算直流侧和交流侧之间的功率差值，并根据所述功率差值与所述设定的功率阈值和阻抗阈值，确定是否发送控制信号。

优选地，所述控制器用于当所述功率差值大于设定的功率阈值时，根据所述功率差值和所述直流电压计算直流侧的绝缘阻抗，并且，当所述绝缘阻抗小于设定的阻抗阈值时，确定发送控制信号。

优选地，所述控制器还用于当所述功率差值小于设定的功率阈值时，或者，当所述功率差值大于设定的功率阈值，且所述绝缘阻抗大于设定的阻抗阈值时，确定不发送控制信号。

优选地，所述控制器包括：依次连接的AD控制模块、计算及判断模块和数字量输出控制模块，所述AD控制模块与所述AD采样电路相连接，所述数字量输出控制模块与所述开关量控制电路相连接。

优选地，所述控制器还包括与所述计算及判断模块连接的故障报警模块。

优选地，还包括与所述故障报警模块连接的显示及报警电路，用于显示所述绝缘阻抗的值，并当所述绝缘阻抗小于阻抗阈值时，显示用于表征所述逆变系统的直流侧发生故障的报警信息。

优选地，所述控制器为微控制单元MCU或现场可编程逻辑门阵列FPGA。

本实用新型实施例提供的逆变系统的保护装置，通过AD采样电路采集逆变系统的直流侧电压、直流侧电流、交流侧电压和交流侧电流，控制器根据采集到的数据以及设定的功率阈值和阻抗阈值，确定是否向开关量控制电路发送控制信号，进一步在确定发送控制信号后，开关量控制电路根据该控制信号控制逆变系统的直流侧断路器和交流侧断路器均断开，实现了能够简单、快速地获得直流侧的绝缘阻抗的同时，以此为判断依据，从而在发生故障时及时、可靠地为逆变系统提供安全性保护。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的逆变系统的保护装置的结构框图；为方便理解，图中示出了PV阵列、直流侧断路器、直流侧支撑电容、逆变器、三相电感、交流继电器、三相滤波电容、交流侧断路器、变压器和电网；

图2为本实用新型实施例二的保护装置中控制器展开的结构框图。

附图标号说明

S1-直流侧断路器、C-直流侧支撑电容、DC/AC-逆变器、L1～L3-三相电感、R-交流继电器、C1～C3-三相滤波电容、S2-交流侧断路器、110-控制器、120-AD采样电路、130-开关量控制电路、140-显示及报警电路、210-AD控制模块、220-计算及判断模块、230-数字量输出控制模块、240-故障报警模块。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型实施例逆变系统的保护装置进行详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

本领域技术人员可以理解，本实用新型实施例中的“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同步骤、设备或模块等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。

实施例一

图1为本实用新型实施例一的逆变系统的保护装置的结构框图。参照图1，逆变系统的保护装置包括：包括控制器110，以及分别与控制器110连接的AD采样电路120和开关量控制电路130；AD采样电路120用于采集逆变系统的直流侧电压、直流侧电流、交流侧电压和交流侧电流；控制器110用于根据采集到的直流侧电压、直流侧电流、交流侧电压和交流侧电流，以及设定的功率阈值和阻抗阈值，确定是否发送控制信号；开关量控制电路130用于在控制器110确定发送控制信号后，根据接收到的控制信号控制逆变系统的直流侧断路器和交流侧断路器均断开。

进一步地，控制器110用于根据采集到的直流侧电压、直流侧电流、交流侧电压和交流侧电流计算直流侧和交流侧之间的功率差值，并根据功率差值与设定的功率阈值和阻抗阈值，确定是否发送控制信号。

具体来说，当功率差值大于设定的功率阈值时，根据功率差值和直流电压计算直流侧的绝缘阻抗，并且，当绝缘阻抗小于设定的阻抗阈值时，控制器110确定发送控制信号。当功率差值小于设定的功率阈值时，或者，当功率差值大于设定的功率阈值，且绝缘阻抗大于设定的阻抗阈值时，控制器110确定不发送控制信号。

以下结合图1对本实施例的逆变系统的保护装置进行详细说明。

图1以光伏发电的逆变系统为例，参照图1，主电路拓扑为三相桥式电路，主电路的结构具体包括依次连接的直流侧断路器S1、直流侧支撑电容C、逆变器DC/AC、三相电感L1～L3、交流继电器R和交流侧断路器S2，以及与交流侧断路器S2并联的三相滤波电容C1～C3。此外，图1中的逆变器适用于，但不局限于图1所示的电气结构。

AD采样电路120中采用AD采样芯片，该逆变系统的保护装置通过控制器110控制AD采样芯片读取AD数据，AD数据包括直流侧电压Udc、直流侧电流Idc、交流侧电压Ua、Ub和Uc，以及交流侧电流Ia、Ib和Ic。对照图1，AD采样芯片可采集直流侧断路器S1所在位置处的直流侧电压Udc，直流侧支撑电容C所在位置处的直流侧电流Idc，三相电感L1～L3所在位置处的交流侧电流Ia、Ib和Ic，以及交流侧断路器S2所在位置处的交流侧电压Ua、Ub和Uc。

利用Udc、Idc、Ua、Ub、Uc、Ia、Ib和Ic计算直流侧和交流侧之间的功率差值ΔP，并比较ΔP和功率阈值ΔP*的大小，在ΔP大于ΔP*时计算直流侧的绝缘阻抗Rx，并比较Rx与阻抗阈值Rx*的大小，在Rx小于Rx*时发送断开直流侧断路器和交流侧断路器的命令。开关量控制电路130接收该命令，并输出用于控制直流侧断路器和交流侧断路器断开的控制信号给直流侧断路器和交流侧断路器，从而控制直流侧断路器和交流侧断路器执行断开操作。

以下详细说明该逆变系统的保护装置在实际应用中的工作原理，具体如下：

步骤1：逆变系统上电初始化，输入Rx*和ΔP*。这里，Rx*为系统设定的可以运行的最小绝缘电阻值，ΔP*为设定的直流侧和交流侧之间的功率差值的阈值，可以通过上位机软件进行修改和灵活配置；

步骤2：当逆变系统检测直流输入电压在正常工作范围内，直流输入电流为0，且三相交流电压均正常时，闭合S1和S2，逆变器开始工作。

步骤3：逆变器并网输出功率时，该逆变系统的保护装置实时读取AD数据，计算直流侧输入功率和交流侧输出功率。

具体地，通过下式(1)计算直流侧输入功率，通过下式(2)计算交流侧输出功率：

Pdc＝Udc×Idc………………………………………………………式(1)

其中，Pdc为直流侧输入功率，Udc为直流侧电压，Idc为直流侧电流。

P＝UaIa+UbIb+UcIc………………………………………………式(2)

其中，P为交流侧输出功率，Ua为交流侧A相电压，Ia为交流侧A相电流，Ub为交流侧B相电压，Ib为交流侧B相电流，Uc为交流侧C相电压，Ic为交流侧C相电流。

步骤4：根据步骤3计算得到的直流侧输入功率和交流侧输出功率，通过下式(3)计算直流侧和交流侧之间的功率差值ΔP。

ΔP＝P－Pdc…………………………………………………………式(3)

其中，P为交流侧输出功率，Pdc为直流侧输入功率，ΔP为直流侧和交流侧之间的功率差值。

步骤5：判断ΔP与ΔP*的关系，若ΔP小于或等于ΔP*，则认为Rx值大于Rx*，可以不用计算Rx值，逆变系统正常运行，并返回步骤3。若ΔP大于ΔP*，则进入步骤6。

步骤6：根据下式(4)计算Rx。

Rx＝Udc²/ΔP

其中，Rx为直流侧的绝缘阻抗，Udc为直流侧电压，ΔP为直流侧和交流侧之间的功率差值。

步骤7：判断Rx与Rx*的关系，若Rx小于Rx*时，断开S1和S2，系统停机；若Rx大于或等于Rx*时，逆变系统正常运行，并返回步骤3，循环执行上述步骤3-步骤7的处理。

本实用新型实施例的逆变系统的保护装置，通过AD采样电路采集逆变系统的直流侧电压、直流侧电流、交流侧电压和交流侧电流，控制器根据采集到的数据以及设定的功率阈值和阻抗阈值，确定是否向开关量控制电路发送控制信号，进一步在确定发送控制信号后，开关量控制电路根据该控制信号控制逆变系统的直流侧断路器和交流侧断路器均断开，实现了能够简单、快速地获得直流侧的绝缘阻抗的同时，以此为判断依据，从而在发生故障时及时、可靠地为逆变系统提供安全性保护。

实施例二

图2为本实用新型实施例二的保护装置中控制器展开的结构框图。可视为图1所示装置实施例的一种具体实现方式，图2中示出了控制器的具体结构，以及增加了显示和报警电路。

如图2所示，控制器110可以包括：依次连接的AD控制模块210、计算及判断模块220和数字量输出控制模块230，AD控制模块210与AD采样电路120相连接，数字量输出控制模块230与开关量控制电路130相连接。

具体地，AD采样电路120将采集到的AD数据传输给AD控制模块210，AD控制模块210发送用于控制AD采样电路120采集AD数据的控制信号，将AD数据传输给计算及判断模块220，并完成计算ΔP、判断ΔP和ΔP*的大小、计算Rx、判断Rx和Rx*的大小的处理，将最终的判断结果发送给数字量输出控制模块230，数字量输出控制模块230根据判断结果生成用于控制逆变系统的直流侧断路器和交流侧断路器均断开或者闭合的控制信号，并发送给开关量控制电路130。

进一步地，该控制器110还可以包括与计算及判断模块220连接的故障报警模块240。

更进一步地，该逆变系统的保护装置还可以包括与故障报警模块240连接的显示及报警电路140，用于显示绝缘阻抗的值，并当绝缘阻抗小于阻抗阈值时，显示用于表征逆变系统的直流侧发生故障的报警信息。

也就是说，计算及判断模块220通过比较Rx与Rx*的大小关系判断是否需要报警。需要报警时，计算及判断模块220将Rx的值和故障数据发送给故障报警模块240，故障报警模块240控制显示及报警电路140显示Rx的值和报警信息。

优选地，控制器110可以为微控制单元MCU或现场可编程逻辑门阵列FPGA。

需要说明的是，本申请是利用了MCU或者FPGA的常规处理功能，本申请的核心在于控制器、AD采样电路、开关量控制电路和显示及报警电路组成的整个架构，以及控制器内部的框架结构。

本实用新型实施例的逆变系统的保护装置，在图1所示实施例的基础上，还具有如下技术效果：

一方面，本实施例中，控制器由AD控制模块、计算及判断模块和数字量输出控制模块，且外围电路(如AD采样电路、开关量控制电路)与控制器内各个模块直接相连，由此，完成了数据采集和计算判断的处理，从而准确且快速地获得直流侧的绝缘阻抗，进而在绝缘阻抗小于阻抗阈值时，通过数字量输出控制模块生成用于控制逆变系统的直流侧断路器和交流侧断路器均断开的控制信号，极大地提高了逆变系统的安全性和可靠性；

另一方面，通过故障报警模块和与其连接的显示及报警电路，实现了对获得的绝缘阻抗进行显示，以及当绝缘阻抗小于阻抗阈值时，对报警信息的显示。并且，本实施例结构简单，成本低。

再一方面，功率单元控制器通过MCU或者FPGA实现，由此，能够在第一时间主动执行保护动作，断开交直流开关(直流侧断路器和交流侧断路器)。从而进一步为逆变系统提供全面、快速、可靠的保护功能。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。