CN104967300B - 一种预充电电路和光伏逆变器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种预充电电路和光伏逆变器，该预充电电路包括交流电源、整流半桥、辅助充电电容、限流装置和可控开关，所述预充电电路与目标充电电容连接成倍压整流电路，其中：所述整流半桥的直流侧与所述目标充电电容并联连接，所述整流半桥的交流侧接所述交流电源的一端；所述辅助充电电容的一端连接所述目标充电电容的任意一端，所述辅助充电电容的另一端连接所述交流电源的另一端；所述限流装置串联在所述预充电电路的每一条充电路径上；所述可控开关串联在所述预充电电路的每一条充电路径上，以解决直流母线预充电电压偏低的问题，从而避免光伏逆变器接通光伏电池时或并网时产生电流冲击。

Description

一种预充电电路和光伏逆变器
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，更具体地说，涉及一种预充电电路和光伏逆变器。
背景技术
光伏逆变器是光伏发电系统中的能量转换装置，用于将光伏电池输出的直流电转换成交流电后送入电网。
当光伏逆变器需要在光伏电池高压下启动时，现有技术会预先接通如图1所示的预充电电路来提高直流母线预充电电压，从而避免接通光伏电池瞬间因电池电压与直流母线电压存在较大电压差而产生电流冲击；另外，当光伏逆变器运行于静止无功发生器模式时，同样需要对直流母线进行预充电，以避免并网瞬间因直流母线电压与电网电压峰值间存在较大电压差而产生电流冲击。
但是，上述预充电方案采用的是二极管不控整流桥的全桥整流方式，整流的电压不会超过电网电压峰值，并且由于整流与限流器件的压降、光伏逆变器直流侧负载(如开关电源)的存在，实际电压会更低，导致直流母线预充电电压无法达到电网电压或者光伏电池电压，因而无法避免光伏逆变器接通光伏电池时或并网时产生的电流冲击。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种预充电电路和光伏逆变器，以解决直流母线预充电电压偏低的问题，从而避免光伏逆变器接通光伏电池时或并网时产生电流冲击。
一种预充电电路，包括交流电源、整流半桥、辅助充电电容、限流装置和可控开关，所述预充电电路与目标充电电容连接成倍压整流电路，其中：
所述整流半桥的直流侧与所述目标充电电容并联连接，所述整流半桥的交流侧接所述交流电源的一端；
所述辅助充电电容的一端连接所述目标充电电容的任意一端，所述辅助充电电容的另一端连接所述交流电源的另一端；
所述限流装置串联在所述预充电电路的每一条充电路径上；
所述可控开关串联在所述预充电电路的每一条充电路径上。
其中，所述交流源为电网的相电压或者线电压。
其中，所述整流半桥中的半导体器件为二极管、晶闸管、MOSFET或带反并联二极管的IGBT。
其中，所述限流装置为电阻、电感和扼流圈中的一种或任意几种的组合。
其中，所述可控开关为继电器、MOSFET或IGBT。
其中，所述整流半桥中的半导体器件为光伏逆变器的逆变电路上的反并联二极管。
其中，所述辅助充电电容为光伏逆变器直流侧的正母线电容和/或负母线电容。
其中，所述限流装置为光伏逆变器的交流电抗。
其中，所述可控开关为光伏逆变器的并网开关。
一种光伏逆变器，包括上述任一种预充电电路。
从上述的技术方案可以看出，本发明利用交流电源、整流半桥、辅助充电电容、限流装置、可控开关以及目标充电电容组成倍压整流电路，来为目标充电电容进行预充电，使得目标充电电容两端电压(即直流母线预充电电压)能够最高提升至2倍的交流电源电压峰值，从而解决了直流母线预充电电压偏低的问题，进而避免了光伏逆变器接通光伏电池时或并网时产生电流冲击。
附图说明
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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术公开的一种应用在光伏逆变器中的预充电电路结构示意图；
图2a为本发明实施例公开的一种预充电电路结构示意图；
图2b为图2a所示电路中的交流电源处于正向电压时的充电路径示意图；
图2c为图2a所示电路中的交流电源处于负向电压时的充电路径示意图；
图3a为应用有图2a所示电路的三相两电平光伏逆变器结构示意图；
图3b为又一种应用有图2a所示电路的三相两电平光伏逆变器结构示意图
图4a为本发明实施例公开的又一种预充电电路结构示意图；
图4b为图4a所示电路中的交流电源处于正向电压时的充电路径示意图；
图4c为图4a所示电路中的交流电源处于负向电压时的充电路径示意图；
图5a为本发明实施例公开的又一种预充电电路结构示意图；
图5b为应用有图5a所示电路的一种三相三电平光伏逆变器结构示意图；
图6为本发明实施例公开的又一种预充电电路结构示意图；
图7为应用有图6所示电路的三相两电平光伏逆变器结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种预充电电路，以解决直流母线预充电电压偏低的问题，从而避免光伏逆变器接通光伏电池时或并网时产生电流冲击，包括交流电源、整流半桥、辅助充电电容、限流装置和可控开关，所述预充电电路与目标充电电容连接成倍压整流电路，其中：
所述整流半桥的直流侧与所述目标充电电容并联连接，所述整流半桥的交流侧接所述交流电源的一端；
所述辅助充电电容的一端连接所述目标充电电容的任意一端，所述辅助充电电容的另一端连接所述交流电源的另一端；
所述限流装置串联在所述预充电电路的每一条充电路径上；
所述可控开关串联在所述预充电电路的每一条充电路径上。
本实施例利用交流电源、整流半桥、辅助充电电容、限流装置、可控开关以及目标充电电容组成倍压整流电路，来为目标充电电容进行预充电，使得目标充电电容两端电压(即直流母线预充电电压)能够最高提升至2倍的交流电源电压峰值，从而解决了直流母线预充电电压偏低的问题，进而避免了光伏逆变器接通光伏电池时或并网时产生电流冲击。
其中，针对所述预充电电路的各个组成部件，有以下5点需要说明：
1)关于交流电源
所述交流源可以为电网的相电压或者线电压，当其为电网相电压时，直流母线预充电电压可最高提升至2倍的电网相电压峰值；当其为电网线电压时，直流母线预充电电压可最高提升至2倍的电网线电压峰值。
2)关于整流半桥
所述整流半桥中的半导体器件可以是二极管、晶闸管、MOSFET(Metal OxideSemiconductor FET，金属氧化物半导体场效应晶体管)或带反并联二极管的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)等可以限制电流单向流动的半导体器件。
作为优选，为节省硬件成本，所述整流半桥中的半导体器件可直接采用光伏逆变器的逆变电路上的反并联二极管。
3)关于辅助充电电容
为节约硬件成本，所述辅助充电电容可直接采用光伏逆变器直流侧的正母线电容和/或负母线电容。
4)关于限流装置
所述限流装置可以是限流电阻、电感和扼流圈中的一种或任意几种的组合。在所述预充电电路的每一条充电路径上，至少串联有一个限流装置。作为优选，为节约硬件成本，所述限流装置可直接采用光伏逆变器的交流电抗。
5)关于可控开关
所述可控开关可以是继电器、MOSFET或IGBT等。在所述预充电电路的每一条充电路径上，至少串联有一个可控开关。作为优选，为节约硬件成本，所述限流装置可直接采用光伏逆变器的并网开关。在同一充电路径上，所述可控开关与所述限流装置合称为开关限流装置。
此外，针对所述预充电电路的整体结构，根据交流电源、整流半桥和辅助充电电容数量的不同，所述预充电电路具有多种组合形式，下面，通过示例1～示例3进行举例说明：
1)示例1
参见图2a，以预充电电路具有1个交流电源S、1个由二极管D1和二极管D2串联连接而成的整流半桥以及1个辅助充电电容Caux为例(图中，Z1表示串联在所述预充电电路的唯一一条充电路径上的开关限流装置；Cbus表示目标充电电容，在达到充电稳态后，目标充电电容两端电压就是直流母线预充电电压)：交流电源S处于正向电压时，充电路径如图2b所示，电流经过Z1、Caux、Cbus、D2形成充电环路，为Cbus和Caux正向充电；交流电源S处于负向电压时，充电路径如图2c所示，电流经过D1、Caux、Z1形成充电环路，为Caux反向充电。由于正向充电环路阻抗中包含Caux和Cbus，而负向充电环路阻抗中少了Cbus，所以在充电过程中正向充电电流低于负向充电电流，Caux会积累负向充电电荷，而Cbus只在正向充电时积累正向充电电荷。
假设交流电源S的电压幅值为Vs，Cbus的稳态电压为Vbus，Caux的稳态电压为Vaux。达到充电稳态后，图2b的正向充电电流和图2c的反向充电电流都将趋近于0，即开关限流装置Z1的压降趋近于0。忽略环路中二极管D1～D2的压降，则在图2b的充电环路中，环路电压关系式为
Vs＝Vbus+Vaux，
在图2c的充电环路中，环路电压关系式为
Vaux＝－Vs，
根据上面2个式子，可以计算出Cbus的充电稳态电压为
Vbus＝2Vs。
可见，本预充电电路对Cbus的充电电压可以达到交流电源电压幅值的2倍。若交流电源S为相电压，相电压有效值为V，幅值则达到充电稳态后，Cbus的充电稳态电压为若交流电源S为线电压，相电压有效值为V，幅值则达到充电稳态后，Cbus的充电稳态电压为
将图2a所示电路应用到如图3a所示的三相两电平光伏逆变器中，在电网中性点N与直流侧PV+(或PV-)之间串联辅助充电电容Caux和开关限流装置Z1，交流电源直接利用现有的R、S、T三相电压中的全部或部分实现，整流半桥直接利用逆变电路中现有的二极管D1～D6中的全部或部分实现，即可实现预充电功能。具体的：可以由相电压R、二极管D1～D2、并网开关S1、辅助充电电容Caux以及开关限流装置Z1构成一个完整的预充电电路；或者由相电压S、二极管D3～D4、并网开关S2、Caux以及Z1构成一个完整的预充电电路；或者由相电压T、二极管D5～D6、并网开关S3、Caux以及Z1构成一个完整的预充电电路。其中，Z1也可省去，其功能直接由光伏逆变器中的交流电抗和并网开关代替。
此外，也可以将图2a所示电路应用到如图3b所示的三相两电平光伏逆变器中，交流电源直接利用现有的R-S线电压或R-T线电压实现，整流半桥直接利用逆变电路中现有的二极管D1～D6中的全部或部分实现，在R-S线电压或R-T线电压与直流侧PV+(或PV-)之间串联辅助充电电容Caux和开关限流装置Z1，即可实现预充电功能。具体的，可以由R-S线电压、并网开关S2、二极管D3～D4、Caux以及Z1构成一个完整的预充电电路；或者由R-T线电压、并网开关S3、二极管D5～D6、Caux以及Z1构成一个完整的预充电电路。其中，Z1也可省去，其功能直接由光伏逆变器中的交流电抗和并网开关代替。
2)示例2
参见图4a，以预充电电路具有1个交流电源S、1个由二极管D1和D2串联连接而成的整流半桥以及2个辅助充电电容Caux1～Caux2为例(开关限流装置Z1串联在Caux1所在的充电路径上，开关限流装置Z3串联在Caux2所在的充电路径上，开关限流装置Z3串联在Caux1和Caux2共用的一段充电路径上)：
交流电源S处于正向电压时，充电路径有两条，如图4b所示，其中一条电流经过Z2、D1、Cbus、Caux2、Z3形成充电环路，为Cbus和Caux2充电；另一条电流经过Z2、D1、Caux1、Z1形成充电环路，为Caux1反向充电。交流电源S处于负向电压时，充电路径有两条，如图4c所示，其中一条电流经过Z1、Caux1、Cbus、D2、Z2形成充电环路，为Cbus和Caux1充电，另一条电流经过Z3、Caux2、D2、Z2形成充电环路，为Caux2反向充电。
假设交流电源S的电压幅值为Vs，Cbus的稳态电压为Vbus，Caux1的稳态电压为Vaux1，Caux2的稳态电压为Vaux2。达到充电稳态后，图4b和图4c的两条充电路径的电流都将趋近于0，即开关限流装置Z1、Z2、Z3的压降趋近于0。忽略环路中二极管D1～D2的压降，则在图4b的两个充电环路中，环路电压关系式分别为
Vs＝Vbus+Vaux2，
Vaux1＝－Vs，
在图4c的充电环路中，两个环路电压关系式分别为
Vs＝Vbus+Vaux1，
Vaux2＝－Vs，
根据上面4个式子，可以计算出Cbus的充电稳态电压为
Vbus＝2Vs。
具有1个交流电源S、1个由二极管D1和D2串联连接而成的整流半桥、2个辅助充电电容Caux1～Caux2以及若干个限流装置和可控开关的预充电电路也可以如图5a所示，其同样满足Vbus＝2Vs的等式关系，此处不再推导。将图5a所示电路应用到如图5b所示的三相三电平光伏逆变器中，辅助充电电容Caux可以直接利用逆变器中现有的正负母线电容C1与C2实现，在电网中性点N与直流侧PV+(或PV-)之间串联开关限流装置Z1，交流电源直接利用现有的R、S、T三相电压中的全部或部分实现，整流半桥直接利用逆变电路中现有的二极管D1～D6中的全部或部分实现，即可实现预充电功能。其中，Z1也可省去，其功能直接由光伏逆变器中的交流电抗和并网开关代替。
3)示例3
为使充电速度更快，带逆变器直流侧负载能力更强，还可以完全利用三相电源整流。如图6所示，所述预充电电路包括3个交流电源、3个整流半桥、1个辅助充电电容Caux以及4个开关限流装置。图6与图2a的区别仅在于增加了交流电源和整流半桥的个数，其充电原理不变，参考图2b～图2c的相关描述即可。
将图6所示电路应用到如图7所示的三相两电平光伏逆变器中，额外增加辅助充电电容Caux1、3个整流半桥以及3个开关限流装置Z1～Z3，即可实现预充电功能。比对图1可知，图7所示电路相当于直接在图1的基础上增加Caux1和Z3实现(C1为一普通电容，起滤波作用，可舍去)。当然，为节约硬件成本，预充电电路中的部分组成部件也可以直接利用光伏逆变器中现有的硬件代替。
此外，本发明实施例还公开了一种光伏逆变器，包括上述公开的任一种预充电电路。当光伏逆变器达到预充电条件时(如判断得到光伏逆变器运行于静止无功发生器模式，或者判断得到光伏逆变器需要在光伏电池高压下启动，或者接收到预充电指令等)，闭合相应的可控开关，对目标充电电容进行预充电；当预充电完成后，断开所述可控开关，结束预充电，以解决直流母线预充电电压偏低的问题，从而避免光伏逆变器接通光伏电池时或并网时产生电流冲击。
综上所述，本发明利用交流电源、整流半桥、辅助充电电容、限流装置、可控开关以及目标充电电容组成倍压整流电路，来为目标充电电容进行预充电，使得目标充电电容两端电压(即直流母线预充电电压)能够最高提升至2倍的交流电源电压峰值，从而解决了直流母线预充电电压偏低的问题，进而避免了光伏逆变器接通光伏电池时或并网时产生电流冲击。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种预充电电路，其特征在于，包括交流电源、整流半桥、辅助充电电容、限流装置和可控开关，所述预充电电路与目标充电电容连接成倍压整流电路，其中：
所述整流半桥的直流侧与所述目标充电电容并联连接，所述整流半桥的交流侧接所述交流电源的一端；
所述辅助充电电容的一端连接所述目标充电电容的任意一端，所述辅助充电电容的另一端连接所述交流电源的另一端；
所述限流装置串联在所述预充电电路的每一条充电路径上；
所述可控开关串联在所述预充电电路的每一条充电路径上；
所述整流半桥中的半导体器件为光伏逆变器的逆变电路上的反并联二极管。
2.根据权利要求1所述的预充电电路，其特征在于，所述交流电源为电网的相电压或者线电压。
3.根据权利要求1所述的预充电电路，其特征在于，所述限流装置为电阻和电感中的一种或任意几种的组合。
4.根据权利要求1所述的预充电电路，其特征在于，所述可控开关为继电器、MOSFET或IGBT。
5.根据权利要求1所述的预充电电路，其特征在于，所述辅助充电电容为光伏逆变器直流侧的正母线电容和/或负母线电容。
6.根据权利要求1所述的预充电电路，其特征在于，所述限流装置为光伏逆变器的交流电抗。
7.根据权利要求1所述的预充电电路，其特征在于，所述可控开关为光伏逆变器的并网开关。
8.一种光伏逆变器，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项所述的预充电电路。
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