光伏并網(wǎng)逆變器輸入反接保護(hù)設(shè)計

岳 艷，王志鵬

（1.大盛微電科技股份有限公司 河南 許昌 461000；2.許繼電氣股份有限公司 河南 許昌 461000）

根據(jù)直流側(cè)濾波結(jié)構(gòu)的形式，逆變器可分為電壓源和電流源兩種類型。電壓源型逆變器直流端并聯(lián)大電解電容，它既能抑制直流電壓紋波，減小直流電源內(nèi)阻，使直流側(cè)近似為恒壓源，也能為來自交流側(cè)無功電流的流傳提供通路；電流源型逆變器直流側(cè)串聯(lián)一個大電感，來抑制直流電流的紋波，使直流側(cè)近似為恒流源，但是大電感的存在將導(dǎo)致系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)變差。目前，光伏并網(wǎng)逆變器大部分采用電壓源型逆變器。

大多數(shù)電壓源型光伏并網(wǎng)逆變器[1-6]沒有輸入反接保護(hù)功能，當(dāng)極性接反時，會導(dǎo)致電解電容損壞，甚至爆漿，還有可能造成逆變電路元件的損壞，造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。有的電壓源型光伏并網(wǎng)逆變器采用直接串聯(lián)二極管的方式進(jìn)行反接保護(hù)，雖然此方法簡單可靠，但是二極管的正向?qū)▔航当容^大，不僅使逆變效率降低，而且電流越大發(fā)熱越嚴(yán)重，需要加裝散熱片也就越大，從而占用更多的系統(tǒng)空間，導(dǎo)致系統(tǒng)體積變大。針對上述缺憾，本文設(shè)計一種光伏并網(wǎng)逆變器的輸入反接保護(hù)電路，在不降低逆變效率的前提下，實現(xiàn)防反接控制，并能反接告警。

1 電路原理

圖1所示，輔助電源由光伏電池經(jīng)整流橋Z1供電，無論光伏電池是否接反，輔助電源都能正常工作，為采樣電路和控制電路提供電源，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。繼電器J1的常開開關(guān)K1串聯(lián)在光伏電池與電解電容C1之間，防反二極管D1與限流電阻R1串聯(lián)后與繼電器J1的常開開關(guān)K1并聯(lián)?？刂齐娐吠ㄟ^電壓采樣電路對電解電容C1兩端的電壓進(jìn)行實時采樣，通過判斷電解電容C1兩端的電壓變化，控制電路控制繼電器J1是否閉合開關(guān)K1。

光伏電池連接后，當(dāng)光伏電池的電壓滿足輔助電源的工作電壓時，輔助電源為采樣電路和控制電路提供電源。如果檢測到電解電容C1兩端的電壓始終為零，說明光伏電池接反，不能進(jìn)行逆變控制，驅(qū)動告警電路提示光伏電池接反，以便及時糾正錯誤連接。盡管光伏電池輸入極性接反，由于防反二極管D1的反向漏電流只有數(shù)十微安大小，不會對電解電容C1造成損壞，起到反向隔離作用。

光伏電池正確連接后，通過防反二極管D1和限流電阻R1，對電解電容C1充電。電阻R1起到限流作用，在電解電容C1的充電過程中對充電電流加以限制。然而，如果去掉限流電阻R1，由于電解電容C1存在等效串聯(lián)電阻ESR，在電解電容C1充電期間，ESR上將產(chǎn)生CU2的損耗（其中C為電解

電容C1容值，U為光伏電池的輸入電壓），這樣會造成電解電

本設(shè)計光伏并網(wǎng)逆變器的輸入反接保護(hù)電路原理圖如容C1發(fā)熱，并且有非常大的峰值電流。在串入限流電阻R1后，電解電容C1充電時的損耗

CU2絕大部分將消耗在電阻R1上，電流峰值也會被限制在以內(nèi)。限流電阻R1起到了兩方面的作用，一方面可防止沖擊電流對電解電容C1造成的損害，另一方面能使防反二極管D1選擇額定電流較小的型號，可減小體積和削減成本。

隨著對電解電容C1的充電，其兩端電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，此時光伏并網(wǎng)逆變器在空載狀態(tài)下將產(chǎn)生穩(wěn)定的功率損耗P。設(shè)此時電壓采樣電路檢測得到電解電容C1兩端電壓為U1，則可得出在防反二極管D1和限流電阻R1所組成的串聯(lián)電路上產(chǎn)生的壓降ΔU，ΔU根據(jù)下式得到：

上式中，R1為限流電阻R1的阻值，UD1為防反二極管D1的導(dǎo)通壓降。

此時，由控制電路控制繼電器J1的常開開關(guān)K1閉合，電壓采樣電路再次測得電解電容C1兩端的電壓為U2。在繼電器J1的常開開關(guān)K1閉合前后電解電容C1兩端的電壓變化為ΔU′=U2-U1，考慮到在不同情況下系統(tǒng)功耗有所差別以及采樣方面存在的誤差，ΔU′應(yīng)在（ΔU-ε）～（ΔU+ε）之間，其中 ε 為誤差修正值。如果 ΔU′在此范圍之間，則認(rèn)為繼電器J1的常開開關(guān)K1可靠閉合，逆變器可進(jìn)行逆變控制，否則，逆變器不工作。這樣可以防止由于繼電器J1的常開開關(guān)K1不可靠閉合而導(dǎo)致逆變器不可靠運(yùn)行。對于電解電容C1兩端的電壓是否已達(dá)到穩(wěn)態(tài)，可以通過以下兩種方法來判斷：1）判斷電壓采樣電路測得的電解電容C1兩端的電壓變化是否小于一個預(yù)設(shè)閾值，如果小于預(yù)設(shè)閾值，則認(rèn)為電解電容C1兩端的電壓已達(dá)到穩(wěn)態(tài)，如果大于預(yù)設(shè)閾值，則說明電解電容C1兩端的電壓未達(dá)到穩(wěn)態(tài)；2）判斷電解電容C1兩端的電壓是否在光伏并網(wǎng)逆變器上電后過一段預(yù)設(shè)時間達(dá)到穩(wěn)態(tài)，該預(yù)設(shè)時間可以通過實驗來確定。

圖1 電路原理圖Fig.1 diagram of circuit

2 控制算法

并網(wǎng)逆變器的控制流程圖如圖2所示。

圖2 并網(wǎng)控制流程圖Fig.2 Flow chart of grid-connected control

當(dāng)光伏電池連接后，輔助電源啟動，系統(tǒng)正常運(yùn)行。首先采樣電解電容C1兩端的母線電壓U1，如果U1＜0，說明光伏電池接反，則驅(qū)動告警電路提示正確連接；如果U1＞0，說明光伏電池連接正確，則驅(qū)動繼電器J1使常開開關(guān)K1閉合。然后再次采樣電解電容C1兩端的母線電壓U2，可計算出繼電器J1的常開開關(guān)K1閉合前后母線電壓的變化ΔU′=U2-U1，如果 ΔU′不在（ΔU-ε）～（ΔU+ε）之間，說明開關(guān) K1 沒有可靠閉合，驅(qū)動告警電路提示有故障。 如果 ΔU′在（ΔU-ε）～（ΔU+ε）之間，則不斷采樣交流電網(wǎng)的電壓和頻率，進(jìn)行鎖頻鎖相，當(dāng)滿足并網(wǎng)條件時，開始逆變控制。

3 結(jié) 論

傳統(tǒng)的單純二極管反接保護(hù)電路，電流越大損耗越大，多則可達(dá)幾瓦，發(fā)熱嚴(yán)重。本設(shè)計的光伏并網(wǎng)逆變器輸入反接保護(hù)電路，損耗與電流無關(guān)，只與繼電器的額定功耗有關(guān)，通常只有幾百毫瓦左右。經(jīng)試驗證明，該反接保護(hù)電路安全可靠，損耗小，且具有反接告警功能。

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