一种无防反二极管的光伏直流配电柜保护电路的制作方法

本实用新型涉及一种应用于光伏直流配电柜的保护电路。

背景技术：

光伏直流配电柜主要应用在大型光伏电站，将前端光伏汇流箱输出的光伏组串电源再次进行汇流后接入后端光伏并网逆变器，并提供防雷及过流保护，如图1所示。

目前的光伏直流配电柜主要有柜体、直流断路器、防反二极管模块、电涌保护模块和数据采集模块。其中防反二极管模块包括防反二极管，散热器和轴流风机。防反二极管采用模块化设计，利用其单向导通特性串联在每一回路的正极，可以防止光伏组串之间产生环流、倒灌等现象。防反二极管安装在散热器上，通过连接母排与对应的直流断路器连接，散热器采用铝合金材质，通过热传导散发二极管产生的热量。轴流风机通过温控开关或时控开关，配合继电器输出实现自动控制风机的启停,增强散热器的散热效果。

采用防反二极管模块的方式具有结构复杂，功率消耗大，投资成本高等缺点。而且防反二极管的选型至关重要，如果选择不好，会增加直流配电柜的故障率，影响光伏电站的安全运行。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术的光伏直流配电柜结构复杂，功率消耗大，投资成本高，安全性低等缺点，提出一种无防反二极管的光伏直流配电柜保护电路，实现对光伏组串的过流保护、逆流保护、短路保护、反接保护和过压保护等功能。

本实用新型主要由汇流排电压采样电路、支路电流采样电路、开关状态采集电路、分励脱扣电路和DSP控制电路五部分组成。汇流排电压采样电路的输入端子X1连接到外部的光伏输入汇流排，输出端连接到DSP控制电路的输入端；支路电流采样电路的输入端连接器针座X2，连接到外部的各支路电流霍尔传感器，支路电流采样电路的输出端连接到DSP控制电路的输入端；开关状态采集电路的输入端S1连接到外部断路器或防雷器的辅助触点，开关状态采集电路的输出端连接到DSP控制电路的输入端；分励脱扣电路的输入端连接到 DSP控制电路的输出端，分励脱扣电路的输出端连接到断路器的分离脱扣器。DSP控制电路通过巡回采样，结合保护策略判断直流配电柜是否有故障发生，如果有故障发生，根据故障类型决定是否执行断路器分励脱扣动作，达到保护的目的。

附图说明

图1现有技术的光伏直流配电柜原理图；

图2是本实用新型原理框图；

图3是本实用新型汇流排电压采样电路；

图4是本实用新型支路电流采样电路；

图5是本实用新型开关状态采集电路；

图6是本实用新型分励脱扣电路；

图7是本实用新型DSP控制电路。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

如图2所示，本实用新型主要由汇流排电压采样电路101、支路电流采样电路102、开关状态采集电路103、分励脱扣电路104和DSP控制电路105五部分组成。汇流排电压采样电路101的输入端子X1连接到外部的光伏输入汇流排，输出端连接到DSP控制电路105的输入端；支路电流采样电路102的输入端连接器针座X2，连接到外部的各支路电流霍尔传感器，支路电流采样电路102的输出端连接到DSP控制电路105的输入端；开关状态采集电路103的输入端S1连接到外部断路器或防雷器的辅助触点，开关状态采集电路103的输出端连接到DSP控制电路105的输入端；分励脱扣电路104的输入端连接到DSP控制电路的输出端，分励脱扣电路104的输出端连接到断路器的分离脱扣器。DSP控制电路105通过巡回采样，结合保护策略判断直流配电柜是否有故障发生，如果有故障发生，根据故障类型决定是否执行断路器分励脱扣动作，达到保护的目的。

如图3所示，汇流排电压采样电路101中，X1为光伏输入接线端子。汇流排电压采样电路101的端口PV+接光伏输入端子X1的正极，汇流排电压采样电路101端口PV-接光伏输入端子X1的负极。汇流排电压采样电路101还包括电阻R13、R14、R15、R16、R17、 R18、R19、R20、R21，电容C1、C2；运放KF3A、KF3B，稳压管D5；其中电阻R13、R14、 R15串联，串联支路的一端接汇流排电压采样电路101的端口PV-，串联支路的另一端接运放KF3的第2管脚；电阻R19与电容C1并联，并联支路的一端接运放KF3的第2管脚，并联支路的另一端接运放KF3的第1管脚；电阻R16、R17、R18串联，串联支路的一端接 PV+，串联支路的另一端接运放KF3的第3管脚；电阻R20与电容C2并联，并联支路的一端接运放KF3的第3管脚，并联支路的另一端接GND；运放的第6管脚与第7管脚短接后接电阻R21，电阻R21的另一端接稳压管D5的阴极，稳压管D5的阳极接GND；电阻R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、电容C1、C2，运放KF3A组成一个差分放大电路，经电压跟随器，将光伏输入电压信号处理后经电阻R21送至DSP控制电路的输入管脚2，稳压管D5起过压保护作用。

如图4所示，对于各支路电流的采样，通过在直流输入母排串入电流霍尔传感器来检测直流侧电流。支路电流采样电路102中，X2为电流霍尔传感器的输入连接器针座，支路电流采样电路还包括电阻R4、R5、R6、R7、R10、R11，电容C5，运放KF1B。电阻R5的一端接电流霍尔传感器的输入连接器针座X2的第2插脚，电阻R5的另一端接运放KF1B的第5管脚，电阻R6的一端接GND，电阻R6的另一端接运放KF1B的第6管脚，电容C5 的一端接连接器针座X2的第2插脚，电容C5的另一端接GND，电阻R4的一端接1.5V电源，电阻R4的另一端接运放KF1B的第5管脚，电阻R7的一端接GND，电阻R7的另一端接运放KF1B的第5管脚，电阻R4的一端接运放KF1B的第6管脚，电阻R4的另一端接运放KF1B的第7管脚，电阻R10的一端接运放KF1B的第7管脚，电阻R10的另一端接 DSP电路的输入管脚3；电流霍尔传感器输出电压加上1.5V的电压偏置，经过运放KF1B 放大后，转换成0～3.3V内的电压，保证输出电压满足AD输入电压范围。

如图5所示，开关状态采集电路103中，输入端S1连接到外部断路器或防雷器的辅助触点。开关状态采集电路还包括电阻R8、R9，光耦KF2，电阻R8的一端接外部干接点，电阻R8的另一端接光耦KF2的第7管脚，电阻R9的一端接光耦KF2的第9管脚，电阻R9 的另一端接GND，光耦KF2的第9管脚接DSP控制电路的输入管脚4。当外部干接点开关 S1打开时，光耦KF2输出OUT为低电平；当外部干接点开关S1闭合时，光耦KF2输出 OUT为高电平,这样输出OUT的高、低电平分别对应开关S1的合、分状态。此处光耦将输入、输出间相互隔离，具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。

如图6所示，分励脱扣电路104中，输入Fault接DSP电路的输出管脚5，继电器K1 的输出触点接断路器分励脱扣线圈的电源回路，分励脱扣电路104还包括电阻R1、R2、R3，三极管Q1、Q2，继电器K1，二极管D1。其中电阻R2的一端接输入Fault，电阻R2的另一端接三极管Q1的基极；电阻R3的一端接三极管Q1的基极，电阻R3的另一端接GND；电阻R1的一端接电源24V+，电阻R1的另一端接三极管Q1的集电极，三极管Q2的基极接三极管Q1的集电极，三极管Q2的集电极和三极管Q1的发射极接GND；继电器K1的线圈与二极管D1并联，二极管D1的阴极接电源24V+，二极管D1阳极接三极管Q2的发射极；当输入Fault为高电平时，三极管Q1导通，三极管Q2的基极被拉低导通，继电器K1 的线圈得电，常开触点吸合，此路控制直流断路器的分励脱扣线圈得电，断路器发生脱扣动作；当输入Fault为低电平时，三极管Q1截止，三极管Q2的基极被抬高截止，继电器K1 的线圈失电，常开触点断开，断路器无动作。反并联二极管D1为线圈续流提供途径，残余能量在线圈与二极管组成的回路中较为平缓地自我消耗掉，避免损坏其他器件。

如图7所示，DSP控制电路105包括DSP芯片U1，电容C20、C31、C32、C39、C41，晶振RF1。其中晶振并联在DSP芯片U1的第9和第10管脚之间，电容C31的一端接DSP 芯片U1的第9管脚，电容C31的另一端接地，电容C32的一端接DSP芯片U1的第10管脚，电容C32的另一端接地，电容C41的一端接DSP芯片U1的第13管脚，电容C41的另一端接地，电容C39的一端接DSP芯片U1的第28管脚，电容C39的另一端接地，电容 C20的一端接DSP芯片U1的第20管脚，电容C20的另一端接地。

本实用新型通过DSP芯片U1内部的程序，实现光伏直流配电柜的过流保护、逆流保护、短路保护、反接保护和过压保护等，保护策略如下：

过流保护：DSP控制电路105巡检各支路电流，如果某支路电流超过规定值且持续时间超过规定时间，由给出报警信息。

逆流保护：由于电池板故障引起的电流逆流，DSP控制电路105巡检各支路电流，若发现存在逆流现象且逆流超过保护阈值，将该支路分励脱扣，同时将故障上传。支路逆流属于较严重的故障，必须做出相应处理。

短路保护：分为输入支路短路保护和输出汇流短路保护两种情况：

对于输出汇流排短路保护，通过判断支路电流与汇流排电压二者关系可直接给出结论。短路时支路电流存在，汇流排电压接近零伏，由此判断为汇流排短路，由于短路属于极其严重故障，此时本机分励脱扣全部输入支路，等待检修。

对于输入支路短路保护，若短路能量较小，短路支路电流倒灌，支路所在母排电压将被钳位到接近零伏，此时，支路逆流保护和汇流排短路保护竞争保护动作，无论哪种保护动作实现，均能使系统处于安全状态；若短路时能量很大，汇流排电压被瞬时钳位到零伏后，其他支路电流会倒灌短路支路，此时其他支路过流保护、短路支路逆流保护、汇流排短路保护、短路支路塑壳热脱扣保护、短路支路塑壳磁脱扣保护将同时起作用，竞争保护动作，最终使系统达到安全状态。

反接保护：电池板反接可认为是支路短路，按支路短路保护处理。

过压保护：汇流排电压检测超过阈值时，所有输入支路的断路器执行分励脱扣动作。

本实用新型应用于光伏直流配电柜，经济效果显著，光伏电站运行及维护更加方便，故障率大大降低，不但降低了系统成本，而且扩大了光伏阵列的工作电压范围，增加了系统的发电量。