一种光伏快速关断系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及自动控制技术领域，特别是涉及一种光伏快速关断系统及其控制方法。


背景技术：

2.现有技术中，存在一种光伏关断系统，该光伏关断系统可以在单一元件或模块故障时，即发生单点故障时，保证光伏组串处于安全状态，即如标准2ec690.12中规定的直流输出电压在30v以下。
3.具体而言，当该光伏关断系统中的关断器持续接收到通讯信号时，相当于接收到开通信号，会维持自身处于开通状态，即相应的光伏组串可正常输出；当关断器未接收到通讯信号时，会控制自身处于关断状态，即断开相应的光伏组串，但是，在实际运行中，当通讯信号衰减或被干扰时，会导致关断器误判，即错误控制自身处于关断状态，从而导致下级变流器的停机自检，进而会对系统的发电效率造成影响。
4.为解决此问题，现有技术中存在一种光伏快速关断系统的启动方法，该方法在逆变器的直流总线上连续施加扰动信号作为关断器的心跳信号，以实现对关断器的控制；但是，连续施加扰动信号，势必使得光伏快速关断系统的控制复杂程度增加，并对mppt的跟踪产生影响，造成发电量的损失。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种光伏快速关断系统及其控制方法，以降低光伏快速关断系统的控制复杂程度，从而降低对mppt跟踪产生的影响，以减少发电量的损失。
6.为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
7.本申请一方面提供一种光伏快速关断系统的控制方法，包括：
8.所述光伏快速关断系统的逆变器，判断是否满足启动条件；
9.若满足所述启动条件，则所述逆变器启动运行；若未满足所述启动条件，则所述逆变器在自身直流侧施加扰动；
10.所述光伏快速关断系统的关断器，判断自身输出端的电信号是否满足预设条件；
11.若所述电信号满足所述预设条件，则所述关断器控制自身进入或维持开通状态；若所述电信号未满足所述预设条件，则所述关断器控制自身维持或进入关断状态。
12.可选的，在所述关断器判断自身输出端的电信号是否满足所述预设条件之前，若所述逆变器在自身直流侧施加扰动，则：
13.在所述关断器判断自身输出端的电信号满足所述预设条件后，控制自身进入所述开通状态；或者，
14.在所述关断器判断自身输出端的电信号未满足所述预设条件后，控制自身维持所述关断状态。
15.可选的，在所述关断器判断自身输出端的电信号是否满足所述预设条件之前，若
所述逆变器启动运行，则：
16.在所述关断器判断自身输出端的电信号满足所述预设条件后，控制自身维持所述开通状态；或者，
17.在所述关断器判断自身输出端的电信号未满足所述预设条件后，控制自身进入所述关断状态。
18.可选的，当所述逆变器为单级逆变器时，所述逆变器在自身直流侧施加扰动，包括：
19.所述逆变器切断自身与后级电路的连接，并控制自身逆变桥中的至少一个桥臂以预设周期循环通断。
20.可选的，当所述逆变器为双级逆变器时，所述逆变器在自身直流侧施加扰动，包括：
21.所述逆变器切断自身与后级电路的连接，并控制自身的直流变换电路直通，而逆变桥中的至少一个桥臂以预设周期循环通断。
22.可选的，当所述逆变器为双级逆变器时，所述逆变器在自身直流侧施加扰动，包括：
23.所述逆变器切断自身与后级电路的连接，并控制自身的直流变换电路中正负极支路之间的开关管以预设周期循环通断。
24.可选的，所述启动条件为：
25.所述逆变器的直流侧电压达到自身的启动电压。
26.可选的，所述预设条件为：
27.所述电信号存在预设波动。
28.可选的，若在所述关断器判断自身输出端的电压是否满足预设条件之前，所述逆变器在自身直流侧施加扰动，则所述预设波动为预设脉冲。
29.可选的，若在所述关断器判断自身输出端的电压是否满足预设条件之前，所述逆变器启动运行，则：
30.当所述逆变器为单级逆变器时，所述预设波动为由所述逆变器的交直流功率耦合所带来的直流纹波；
31.当所述逆变器为双级逆变器时，所述预设波动为移除所述逆变器中直流变换电路的二倍频抑制算法所带来的直流侧二倍频纹波。
32.可选的，所述电信号为电压信号或者电流信号。
33.本申请另一方面提供一种光伏快速关断系统，包括：逆变器和至少一个光伏组串；所述光伏组串，包括：多个关断器及其输入端连接的光伏组件；其中：
34.在所述光伏组串中，各个所述关断器的输出端依次串联，串联后的两端作为所述光伏组串的输出端、连接于所述逆变器的直流侧的相应端口；
35.所述逆变器结合各个所述关断器，共同执行如本申请上一方面任一项所述的光伏快速关断系统的控制方法。
36.可选的，所述逆变器为单级逆变器或者双级逆变器。
37.可选的，所述逆变器中的逆变桥为h逆变全桥或者h逆变半桥。
38.可选的，所述关断器，包括：开关模块、辅助电源、输入电压采集单元、输出电压采
集单元、低压电源、处理器、驱动电路、电容、第一二极管、第二二极管和电流采样支路；其中：
39.所述开关模块设置于所述关断器输入端与输出端之间的任一极传输支路上，所述开关模块通过所述驱动电路受控于所述处理器；
40.所述辅助电源取电于所述关断器的输入端，为所述处理器供电；
41.所述输入电压采集单元分别与所述关断器的输入端正极和输入端负极相连，并与所述处理器通信连接；
42.所述输出电压采集单元分别与所述关断器的输出端正极和输出端负极相连，并与所述处理器通信连接；
43.所述低压电源通过所述第一二极管与所述关断器的输出端正极相连，所述低压电源还通过所述电容与所述关断器的输出端负极相连；
44.所述第二二极管的阳极与所述关断器的输出端负极相连，所述第二二极管的阴极与所述关断模块的输出端正极相连；
45.所述电流采样支路与所述处理器通信连接，所述电流采样支路串联于所述关断器输入端与输出端之间的负极传输支路上，并且，所述电流采样支路处于所述第二二极管与所述关断模块的输出端负极之间。
46.由上述技术方案可知，本发明提供了一种光伏快速关断系统的控制方法，在该控制方法中，只在逆变器未满足启动条件时，即逆变器启动前，才在自身直流侧施加扰动；而在逆变器满足启动条件时，其只要进行正常的启动运行即可；后续关断器通过判断自身输出端的电信号是否满足预设条件，即可确定自身状态。因此，相较于现有技术而言，该控制方法对逆变器直流侧施加扰动的时间较少，可以降低光伏快速关断系统的控制复杂程度，也可以降低对mppt跟踪产生的影响，以减少发电量的损失。
附图说明
47.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
48.图1为本申请提供的光伏快速关断系统的控制方法的流程示意图；
49.图2为本申请提供的光伏快速关断系统的结构示意图；
50.图3为本申请提供的单级逆变器的一种实施方式的结构示意图；
51.图4为本申请提供的双级逆变器的一种实施方式的结构示意图；
52.图5为单级逆变器启动后，自身直流侧电压、自身直流侧电流、电网电压以及并网电流的波动示意图；
53.图6为逆变器在自身直流侧施加扰动后，自身直流侧电压和关断器输出端电压的波动示意图；
54.图7为本申请提供的关断器的一种实施方式的结构示意图。
具体实施方式
55.下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
56.在本申请中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
57.为了降低光伏快速关断系统的控制复杂程度，本申请实施例提供一种光伏快速关断系统的控制方法。
58.其中，如图2所示，该光伏快速关断系统包括：逆变器和一个光伏组串，光伏组串包括：多个关断器及其输入端连接的光伏组件；在光伏组串中，各个关断器的输出端依次串联，串联后的两端作为光伏组串的输出端、连接于逆变器的直流侧的相应端口。
59.该光伏快速关断系统的控制方法的具体流程如图1所示，具体包括以下步骤：
60.s110、逆变器判断自身是否满足启动条件。
61.在该光伏快速关断系统中，逆变器在其接收到启动指令之后，会先对自身当前的情况进行检测，以确定自身是否能够启动；当逆变器直流侧的电压达到启动电压后，逆变器便会启动运行。因此，步骤s110中的启动条件具体可以包括：逆变器的直流侧电压达到启动电压；实际应用中，也可以包括其他内容，参见现有技术即可，不再一一赘述。
62.若逆变器满足启动条件，则执行步骤s120；若未满足启动条件，则执行步骤s130。
63.s120、逆变器启动运行。
64.若逆变器为单级逆变器，则逆变器启动后，由于自身直流侧功率和自身输出功率之间存在功率耦合，所以在自身直流侧存在直流纹波，如图5所示；其中，v
pv
为逆变器的直流侧电压，i
pv
为逆变器的直流侧电流，两者的波动频率与电网电压v
grid
及并网电流i
i2v
的频率相同。
65.若逆变器为双级逆变器，则逆变器启动后，通常情况下，在逆变器直流总线两极之间的母线电容上，即逆变器中连接直流变换电路输出端与逆变桥直流侧的母线的两极之间的电容，会产生二倍频纹波。
66.但是，当逆变器的直流侧电压低于预设电压值时，比如低于600v，逆变器一般会根据二倍频纹波抑制算法，控制自身直流变换器产生一个同频信号以抵消母线电容的二倍频纹波，因此此时逆变器需要移除该二倍频纹波抑制算法，以不再抵消二倍频纹波，又由于自身直流变换电路的控制带宽远大于二倍频纹波的带宽，所以二倍频纹波可以传递到自身直流侧。
67.当逆变器的直流侧电压高于预设电压值时，出于对直流变换电路中开关管的保护，通常会使直流变换电路处于直通状态，因此，二倍频纹波可以传递至自身直流侧。
68.如图2所示，每个光伏组串中的全部关断器依次串联在逆变器的直流侧的相应端口，所以在每个关断器的输出端同样会产生与逆变器直流侧的纹波相同频率的电信号。
69.s130、逆变器在自身直流侧施加扰动。
70.当逆变器为单级逆变器时，逆变器先切断自身与后级电路(电网或负载)的连接，之后通过控制自身逆变桥中的至少一个桥臂以预设周期循环通断来施加扰动。
71.当逆变器为双级逆变器时，逆变器先切断自身与后级电路的连接，之后控制自身的直流变换电路直通，即直流变换电路的输入端与输出端之间直接连通，再之后通过控制逆变桥中的至少一个桥臂以预设周期循环通断，来施加扰动。
72.当逆变器为双级逆变器时，逆变器先切断自身与后级电路的连接，之后通过控制自身的直流变换电路中正负极支路之间的开关管以预设周期循环通断，来施加扰动。
73.如图2所示，每个光伏组串中的全部关断器依次串联在逆变器的直流侧的相应端口，所以在逆变器直流侧施加扰动，也就相当于在每个关断器的输出端上施加有与逆变器直流侧扰动相同频率的扰动。
74.比如，以图3中所示单级逆变器为例，在切断自身与后级电路的连接后，逆变器先控制其内部任一桥臂中的开关管，比如第一桥臂中的第一开关管q1和第四开关管q4，同时导通第一预设时间，使逆变器直流侧的正极与负极短接；之后将两者再同时关断第二预设时间，使逆变器直流侧的正极与负极之间的短接停止；再之后通过不断重复上述步骤，便会在自身直流侧产生如图6所示的第二电压，而在每个关断器的输出端会产生如图6所示的第一电压；其中，第一预设时间和第二预设时间之和即作为预设周期。
75.又比如，以图4中所示的双级逆变器为例，在切断自身与后级电路的连接后，逆变器先使自身的直流变换电路直通，即将直流变换电路中正负极支路之间的第五开关管q5关断，之后控制其内部任一桥臂中的开关管，比如第一桥臂中的第一开关管q1和第四开关管q4，同时导通第一预设时间；再之后将两者同时关断第二预设时间，然后通过不断重复上述步骤，便会在自身直流侧产生如图6所示的第二电压，而在每个关断器的输出端会产生如图6所示的第一电压；其中，第一预设时间和第二预设时间之和即作为预设周期。
76.还比如，以图4中所示的双级逆变器为例，在切断自身与后级电路的连接后，逆变器也可以通过直流变换电路中的第五开关管q5来实现上述扰动的施加过程。具体的，先将直流变换电路中的第五开关管q5导通第一预设时间，再将第五开关管q5关断第二预设时间，再之后通过不断重复上述步骤；便会在自身直流侧产生如图6所示的第二电压，而在每个关断器的输出端会产生如图6所示的第一电压；其中，第一预设时间和第二预设时间之和即作为预设周期。
77.需要说明的是，由上述三种方式可知，逆变器施加扰动的本质为：以预设周期，循环在逆变器直流侧两极之间形成短路和停止短路；因此在实际应用中，包括但不限于上述三种方式，此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内。
78.在步骤s120和s130之后，该光伏快速关断系统的控制方法将执行步骤s140。
79.s140、关断器判断自身输出端的电信号是否满足预设条件。
80.在步骤s140中，预设条件可以为：关断器的输出端的电信号存在预设波动，以该预设波动保证关断器处于开通状态；因此若该电信号满足预设条件，则执行步骤s150；若该电信号未满足预设条件，则执行步骤s160。
81.在实际应用中，预设波动具有不同的方式，具体方式如下：
82.若在步骤s140之前，执行的是步骤s130，则预设波动为预设脉冲，其中预设脉冲即为：以预设周期循环在逆变器直流侧两极之间形成短路和停止短路，所形成的电信号；其具体实现方式已在上述进行详细说明，此处不再赘述。
83.若在步骤s140之前，执行的是步骤s120，则当逆变器为单级逆变器时，预设波动为由逆变器的交直流功率耦合所带来的直流纹波；而当逆变器为双级逆变器时，预设波动为移除逆变器中直流变换电路的二倍频抑制算法所带来的直流侧二倍频纹波。
84.可选的，该电信号可以为电压信号，可以为电流信号，或者两者的组合形式，在实际应用中，不排除其他实施方式，此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内。
85.s150、关断器控制自身进入或维持开通状态。
86.通常情况下，如图2所示，当逆变器未启动时，关断器处于关断状态，因此，若在步骤s140之前，执行的是步骤s130，即逆变器未启动，则在步骤s150中，关断器需要控制自身进入开通状态。
87.当逆变器启动后，关断器处于开通状态，因此，若在步骤s140之前，执行的是步骤s120，则在步骤s150中，关断器控制自身维持开通状态。
88.s160、关断器控制自身维持或进入关断状态。
89.通常情况下，如图2所示，当逆变器未启动时，关断器处于关断状态，因此，若在步骤s140之前，执行的是步骤s130，即逆变器未启动，则在步骤s160中，关断器需要控制自身维持关断状态。
90.当逆变器启动后，关断器处于开通状态，因此，若在步骤s140之前，执行的是步骤s120，则在步骤s160中，关断器控制自身进入关断状态。
91.对于图2所示的光伏快速关断系统，在其逆变器接收到启动指令之后，其具体的执行顺序应该是：若逆变器不满足启动条件，则逆变器不启动，并在自身直流侧施加扰动；之后，关断器检测到自身输出端的电信号满足预设条件，继而进入开通状态，使得自身输出端的电压升高，进一步导致逆变器直流侧的电压升高至使其满足启动条件，然后逆变器启动；之后，逆变器的正常运行会导致其直流侧出现与电网电信号相关的波动，使得关断器输出端的电信号也满足预设条件，关断器得以维持自身处于开通状态。
92.综上所述，在该控制方法中，只在逆变器未满足启动条件时，才在自身直流侧施加扰动，而在逆变器满足启动条件时，其只要正常的启动运行即可；后续关断器通过判断自身输出端的电信号是否满足预设条件，即可确定自身状态。因此，相较于现有技术而言，该控制方法对逆变器直流侧施加扰动的时间较少，可以降低光伏快速关断系统的控制复杂程度，也可以降低对mppt跟踪产生的影响，以减少发电量的损失。
93.值得说明的是，在现有技术中，光伏快速关断系统通常以通讯信号维持自身关断器的持续开通；但是当系统处于恶劣工况下，比如通讯信号在较长的直流线缆中传输时，或者，电力线上的开关噪声较多时，通信信号会出现衰减或者受到干扰，从而导致关断器检测不到作为开通信号的通讯信号，进而使得关断器进入关断状态；当关断器进入关断状态后，会导致后级的逆变器因自身直流侧欠压而停机，而逆变器在停机后需要经过一段时间的启动自检后才可以重新运行，因此使得系统的发电量受到影响。
94.但是，在本申请提供的光伏快速关断系统的控制方法中，关断器根据电信号控制自身是处于开通状态还是关断状态，而没有利用通讯信号，所以可以避免因没有接收到通讯信号而错误地控制自身进入关断状态，从而提高了光伏快速关断系统的发电量。
95.另外，在现有技术中，光伏快速关断系统为实现通过通讯信号对关断器运行状态的控制，需要依靠plc等通信方式实现，即需要在每个关断器上额外增设发送装置，从而导致系统成本的增加。
96.而在本申请提供的光伏快速关断系统的控制方法中，没有利用通讯信号来实现对关断器运行状态的控制，所以不需要在每个关断器上增设发送装置，因此会使得系统成本降低。
97.本申请另一实施例提供一种光伏快速关断系统，其具体结构可参见图2，包括：逆变器210和至少一个光伏组串220；每个光伏组串220包括：多个关断器222及其输入端连接的光伏组件221。
98.在每个光伏组串220中，各个关断器222的输出端依次串联，串联后的两端作为光伏组串220的输出端、连接于逆变器210的直流侧的相应端口。
99.在该光伏快速关断系统中，逆变器210结合各个关断器222，共同执行上述实施例提供的光伏快速关断系统的控制方法，以完成对各个关断器222的通断控制，另外，逆变器210执行常规的逆变算法，以实现直流电向交流电的变换功能，其中，常规的逆变算法比较常见，此处不再赘述。
100.可选的，逆变器210可以为单级逆变器，如图3所示；逆变器210还可以为双级逆变器，如图4所示；此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内。
101.可选的，逆变器210中的逆变桥可以为h逆变全桥，如图3和图4所示；实际应用中还可以为h逆变半桥或者其他逆变拓扑，此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内。
102.本实施例提供单级逆变器的一种实施方式如图3所示，具体包括：母线电容co、第一驱动电路320、控制器330、h逆变全桥311、输出电感ls和交流侧继电器312。
103.在该实施方式中，h逆变全桥311的直流侧通过直流总线与单级逆变器的直流侧相连，母线电容co设置于直流总线的正负极之间，h逆变全桥311的第一桥臂的中点依次通过输出电感ls、交流侧继电器312与单级逆变器的交流侧相连，h逆变全桥311的第二桥臂的中点通过交流侧继电器312与单级逆变器的交流侧相连，控制器330通过第一驱动电路320对h逆变全桥311中的全部开关管进行控制。
104.其中，h逆变全桥311中的第一桥臂由第一开关管q1和第四开关管q4依次串联组成，h逆变全桥311中的第二桥臂由第二开关管q2和第三开关管q3依次串联组成。
105.上述仅为单级逆变器的一种实施方式，在实际应用中，包括但不限于上述实施方式，此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内。
106.本实施例提供双级逆变器的一种实施方式如图4所示，具体包括：母线电容co、直流变换电路340、第一驱动电路320、第二驱动电路350、控制器330、h逆变全桥311、输出电感ls和交流侧继电器312。
107.在该实施方式中，直流变换电路340的输入端与双级逆变器的直流侧相连，直流变换电路340的输出端通过直流总线与h逆变全桥311的直流侧相连，母线电容co设置于直流
总线的正负极之间，h逆变全桥311的第一桥臂的中点依次通过输出电感ls、交流侧继电器312与单级逆变器的交流侧相连，h逆变全桥311的第二桥臂的中点通过交流侧继电器312与单级逆变器的交流侧相连，控制器330通过第一驱动电路320对h逆变全桥311中的全部开关管进行控制，通过第二驱动电路350对直流变换电路340中的开关管进行控制。
108.其中，直流变换电路340，包括：输入电感lo、第三二极管d3和第五开关管q5，直流变换电路340的输入端正极依次通过输入电感lo、第三二极管d3与自身输出端正极相连，第五开关管q5的一端连接于输入电感lo与第三二极管d3的连接点、另一端分别连接于直流变换电路340的输入端负极和输出端负极。
109.其中，h逆变全桥311中的第一桥臂由第一开关管q1和第四开关管q4依次串联组成，h逆变全桥311中的第二桥臂由第二开关管q2和第三开关管q3依次串联组成。
110.上述仅为双级逆变器的一种实施方式，在实际应用中，包括但不限于上述实施方式，此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内。
111.本申请实施例还提供关断器222的一种实施方式，其具体结构如图7所示，包括：开关模块110、辅助电源180、输入电压采集单元120、输出电压采集单元130、低压电源140、处理器150、驱动电路160、电容c、第一二极管z1、第二二极管z2和电流采样支路。
112.开关模块110设置于关断器222的输入端与输出端之间的任一极传输支路上，开关模块110通过驱动电路160受控于处理器150；辅助电源180取电于关断器的输入端，为处理器150供电；输入电压采集单元120分别与关断器222的输入端正极和输入端负极相连，并与处理器150通信连接；输出电压采集单元130分别与关断器222的输出端正极和输出端负极相连，并与处理器150通信连接；低压电源140通过第一二极管z1与关断器222的输出端正极相连，低压电源140还通过电容c与关断器222的输出端负极相连；第二二极管z2处于电容c和第一二极管z1的外侧，第二二极管z2的阳极与关断器222的输出端负极相连，第二二极管z2的阴极与关断模块的输出端正极相连；电流采样支路与处理器150通信连接，电流采样支路串联于关断器222输入端与输出端之间的负极传输支路上，并且，电流采样支路处于第二二极管z2与关断模块的输出端负极之间。
113.可选的，开关模块110可以由多个第五开关管q5串联组成，在实际应用中，包括但不限于上述实施方式，此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内。
114.上述仅为关断器222的一种实施方式，在实际应用中，包括但不限于上述实施方式，此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内。
115.对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。