CN102355124A - 一种避免光伏逆变器频繁启停的装置及光伏逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光伏逆变器设计技术领域，提供了一种避免光伏逆变器频繁启停的装置及光伏逆变器。其中的装置包括：并联在光伏直流正母线和光伏直流负母线之间、且连接光伏逆变器的辅助电源的功率吸收单元，用于在辅助电源启动前，应用晶体管对太阳能电池板经由光伏直流母线输出的功率进行吸收，并在辅助电源启动后，停止对太阳能电池板经由光伏直流母线输出的功率进行吸收。相对于现有采用功率电阻进行功率吸收的方式而言，减少了印刷电路板的占用面积、降低了光伏逆变器整体占用的空间、显著提高了功率密度、且降低了光伏逆变器成本。

Description

一种避免光伏逆变器频繁启停的装置及光伏逆变器

技术领域

本发明属于光伏逆变器设计技术领域，尤其涉及一种避免光伏逆变器频繁启停的装置及光伏逆变器。

背景技术

光伏逆变器是一种应用于光伏太阳能发电系统中、将光伏太阳能发电系统中光伏控制器或蓄电池输出的直流电转换成交流电并输出给交流负载的设备，作为光伏太阳能发电系统的核心设备之一，其性能的好坏在实现太阳能与电能转换中起到关键作用。

光伏逆变器一般包括有逆变开关电路、控制器、主要向控制器供电的辅助电源。其中，当辅助电源是从光伏逆变器中光伏直流母线取电时，在清晨、黄昏或昏天等光照不充足的条件下，辅助电源会出现频繁的启停现象。这是由于，光伏太阳能发电系统中的太阳能电池板经由光伏直流母线输出的电压在达到辅助电源的启动电压后，辅助电源启动，进而启动控制器，此时的辅助电源和控制器需要吸收一定的功率，而由图1所示的太阳能电池板伏安特性曲线可知，由于在光照不充足的条件下，太阳能电池板所能提供的功率很小，带载能力低，而太阳能电池板的开路电压很高，辅助电源在启动后，太阳能电池板输出的功率在不能负担辅助电源时，辅助电源关闭，此时的太阳能电池板相当于开路，其很高的开路电压会使得辅助电源再次启动，周而复始，造成了辅助电源的频繁启停，进而造成了光伏逆变器的频繁启停。

为此，现有技术提供了一种避免光伏逆变器频繁启停的装置，如图2所示，其通过在光伏逆变器的光伏直流母线的输入端接入功率电阻R1来吸收功率，功率电阻R1的功率随着光伏直流母线电压的平方成比例增大，功率电阻R1在太阳能电池板处于光照不充足的条件下可以吸收光伏直流母线上的部分功率，而使得辅助电源无法达到启动电压，保持关闭；功率电阻R1在太阳能电池板处于光照充足的条件下，且辅助电源正常启动的条件下不工作，此时，光伏逆变器正常工作，从而避免了辅助电源在光照不充足条件下的频繁启停。

然而，采用功率电阻R1吸收功率时，功率电阻R1需由功率等级很大的多个电阻组成，而大功率电阻在占用印刷电路板很大面积、增加光伏逆变器空间、降低功率密度的同时，也增加了光伏逆变器的成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种避免光伏逆变器频繁启停的装置，旨在解决现有技术提供的避免光伏逆变器频繁启停的装置采用功率电阻来吸收功率，所需大功率电阻多，占用印刷电路板很大面积、增加光伏逆变器空间、降低功率密度、且增加光伏逆变器成本的问题。

本发明是这样实现的，一种避免光伏逆变器频繁启停的装置，所述装置包括：

并联在光伏直流正母线和光伏直流负母线之间、且连接光伏逆变器的辅助电源的功率吸收单元，用于在所述辅助电源启动前，应用晶体管对太阳能电池板经由光伏直流母线输出的功率进行吸收，并在所述辅助电源启动后，停止对所述太阳能电池板经由光伏直流母线输出的功率进行吸收。

本发明的另一目的在于提供了一种光伏逆变器，包括一控制器、一辅助电源，以及一避免光伏逆变器频繁启停的装置，所述避免光伏逆变器频繁启停的装置采用如上所述的避免光伏逆变器频繁启停的装置。

本发明提供的避免光伏逆变器频繁启停的装置不同于现有采用功率电阻进行功率吸收的方式，而采用晶体管对光伏直流母线上的功率进行吸收，从而减少了印刷电路板的占用面积、降低了光伏逆变器整体占用的空间、显著提高了功率密度、且降低了光伏逆变器成本。

附图说明

图1是公知的太阳能电池板伏安特性曲线图；

图2是现有技术提供的避免光伏逆变器频繁启停的装置的电路图；

图3是本发明第一实施例提供的避免光伏逆变器频繁启停的装置的原理图；

图4是在本发明第一实施例的一种实现方式下，图3中功率吸收单元的电路图；

图5是在本发明第一实施例的另一种实现方式下，图3中功率吸收单元的电路图；

图6是本发明第二实施例提供的避免光伏逆变器频繁启停的装置的原理图；

图7是图6的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了避免现有技术采用功率电阻来吸收功率所带来的各种弊端，本发明实施例提供的避免光伏逆变器频繁启停的装置是利用晶体管来吸收功率的。

图3示出了本发明第一实施例提供的避免光伏逆变器频繁启停的装置的原理，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

本发明第一实施例提供的避免光伏逆变器频繁启停的装置包括：并联在光伏直流正母线PV+和光伏直流负母线PV-之间、且连接辅助电源的功率吸收单元11，用于在辅助电源启动前，应用晶体管对太阳能电池板经由光伏直流母线输出的功率进行吸收，并在辅助电源启动后，停止对太阳能电池板经由光伏直流母线输出的功率进行吸收。

本发明提供的避免光伏逆变器频繁启停的装置不同于现有采用功率电阻进行功率吸收的方式，而采用晶体管对光伏直流母线上的功率进行吸收，从而减少了印刷电路板的占用面积、降低了光伏逆变器整体占用的空间、显著提高了功率密度、且降低了光伏逆变器成本。

其中，晶体管可以是现有各种类型的晶体管，典型地，如三极管、场效应管、绝缘栅双极晶体管等。

在本发明第一实施例的一种实现方式下，如图4以晶体管采用三极管为例，示出了此时功率吸收单元11的电路。功率吸收单元11包括：电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、NPN型三极管Q3、NPN型三极管Q4以及NPN型三极管Q5。其中，NPN型三极管Q5的基极通过电阻R5连接辅助电源，NPN型三极管Q5的集电极连接NPN型三极管Q3的基极，NPN型三极管Q5的发射极连接光伏直流负母线PV-；NPN型三极管Q3的集电极连接光伏直流正母线PV+，NPN型三极管Q3的发射极通过电阻R8连接光伏直流负母线PV-，NPN型三极管Q3的发射极同时连接NPN型三极管Q4的基极；NPN型三极管Q4的集电极连接NPN型三极管Q3的基极，NPN型三极管Q4的集电极同时通过电阻R6连接光伏直流正母线PV+，NPN型三极管Q4的集电极同时通过电阻R7连接光伏直流负母线PV-，NPN型三极管Q4的发射极连接光伏直流负母线PV-。

如图4所示的功率吸收单元11的具体工作过程如下：当太阳能电池板经由光伏直流母线输出的电压达到电阻R8设定的开始吸收功率的条件时，NPN型三极管Q3导通，此时，功率吸收单元11通过NPN型三极管Q3和电阻R8输出电流，电阻R8起到限流作用；随着流经电阻R8的电流的增大，NPN型三极管Q4的基极电压升高，直至NPN型三极管Q4导通后，拉低了NPN型三极管Q3的基极电压，从而关断NPN型三极管Q3，之后，功率吸收单元11经由光伏直流母线输出的最大电流由NPN型三极管Q4的基射极电压Vbe以及电阻R8的阻值所决定，完成了对太阳能电池板经由光伏直流母线输出的功率的吸收。

为了使得功率吸收单元11在单一故障情况导致的过流或过热等情况下不被烧毁，本发明第一实施例的该种实现方式中，功率吸收单元11还可以包括：过流/过热保护元件F1，此时，NPN型三极管Q3的集电极是通过过流/过热保护元件F1连接光伏直流正母线PV+的，且过流/过热保护元件F1优选并不限于为电流保险丝或热保险丝。

在本发明第一实施例的另一种实现方式下，如图5以晶体管采用三极管为例，示出了此时功率吸收单元11的电路，功率吸收单元11还可以包括：

电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、NPN型三极管Q3、NPN型三极管Q5以及稳压管D1。其中，NPN型三极管Q5的基极通过电阻R5连接辅助电源，NPN型三极管Q5的集电极连接NPN型三极管Q3的基极，NPN型三极管Q5的发射极连接光伏直流负母线PV-；NPN型三极管Q3的集电极连接光伏直流正母线PV+，NPN型三极管Q3的发射极通过电阻R8连接光伏直流负母线PV-；稳压管D1的阴极连接NPN型三极管Q3的基极，稳压管D1的阴极同时通过电阻R6连接光伏直流正母线PV+，稳压管D1的阴极同时通过电阻R7连接光伏直流负母线PV-，稳压管D1的阳极连接光伏直流负母线PV-。

与图4所示实现方式不同，如5所示的实现方式下，将NPN型三极管Q4替换为稳压管D1。如图5所示的功率吸收单元11的具体工作过程如下：当太阳能电池板经由光伏直流母线输出的电压达到电阻R8设定的开始吸收功率的条件时，NPN型三极管Q3导通，此时，功率吸收单元11通过NPN型三极管Q3和电阻R8输出电流，电阻R8起到限流作用；随着流经电阻R8的电流的增大，电阻R8两端的电压增大，NPN型三极管Q3基射极电压降低，当NPN型三极管Q3的基射极电压小于导通电压时，NPN型三极管Q3关断。

同样地，为了使得功率吸收单元11在单一故障情况导致的过流或过热等情况下不被烧毁，本发明第一实施例的该种实现方式中，功率吸收单元11还可以包括：过流/过热保护元件F1，此时，NPN型三极管Q3的集电极是通过过流/过热保护元件F1连接光伏直流正母线PV+的，且过流/过热保护元件F1优选并不限于为电流保险丝或热保险丝。

由于光伏逆变器应用场景广泛，经常应用于高纬度过高海拔的地方，此时的环境温度很低，过低的环境温度会导致光伏逆变器中很多元器件无法正常工作，而任一元器件的非正常工作均可导致光伏逆变器的非正常工作，为此，现有技术是通过选取具有宽温度范围的元器件来降低光伏逆变器的温度规格的，而具有宽温度范围的元器件会提高光伏逆变器整体的成本，且降低温度规格会缩小光伏逆变器的应用场合，为此，本发明第二实施例提供的避免光伏逆变器频繁启停的装置在设置功率吸收单元的基础上，更设置有一靠近辅助电源或控制器，并在辅助电源或控制器在无法正常启动情况下发热，从而对辅助电源或控制器进行加热的低温加热单元，如图6示出了本发明第二实施例提供的避免光伏逆变器频繁启停的装置的原理，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

本发明第二实施例提供的避免光伏逆变器频繁启停的装置在图3的基础上，还包括：并联在光伏直流正母线PV+和光伏直流负母线PV-之间、连接功率吸收单元11、且靠近辅助电源和/或控制器的低温加热单元12，用于在辅助电源和/或控制器在温度低于启动温度而无法正常启动时发热，以达到对辅助电源和/或控制器加热的目的，从而保证光伏逆变器在低温下仍能保持正常工作，且无需使用具有宽温度范围的元器件，降低了光伏逆变器整体的成本。此时，功率吸收单元11还连接光伏逆变器的控制器。

如图7以功率吸收单元11采用NPN型三极管Q4而非稳压管D1为例，示出了图6的电路。

具体地，功率吸收单元11的组成部分、各部分的连接关系及功能如本发明第一实施例所述，在此不再赘述。

具体地，低温加热单元12包括：N型场效应管Q6、N型场效应管Q7、电阻R9、电阻R10、电阻R11、稳压管D2及稳压管D3。其中，N型场效应管Q6的源极连接光伏直流负母线PV-，N型场效应管Q6的漏极连接NPN型三极管Q5的基极，N型场效应管Q6的栅极连接稳压管D3的阴极，稳压管D3的阳极连接光伏直流负母线PV-；N型场效应管Q7的源极通过电阻R9连接光伏直流负母线PV-，N型场效应管Q7的漏极连接NPN型三极管Q3的发射极，N型场效应管Q7的栅极连接稳压管D3的阴极，N型场效应管Q7的栅极同时通过电阻R11连接稳压管D2的阳极，稳压管D2的阴极连接光伏直流正母线PV+；此时，NPN型三极管Q3的集电极是通过电阻R10连接过流/过热保护元件F1或光伏直流正母线PV+的，NPN型三极管Q3的基极连接控制器。

如图7所示的避免光伏逆变器频繁启停的装置的具体工作过程如下：

当低温加热单元12靠近辅助电源而对辅助电源起低温加热作用时，随着太阳能电池板输出功率的提高，光伏直流母线上的电压升高，当其达到辅助电源启动电压时，若辅助电源正常启动，则辅助电源通过NPN型三极管Q5而关断NPN型三极管Q3，功率吸收单元11停止吸收功率；若辅助电源由于低温而无法正常启动时，则功率吸收单元11继续工作，随着太阳能电池板输出功率的持续提高，使得光伏直流母线上的电压上升到N型场效应管Q7导通，进而通过电阻R10和NPN型三极管Q3的发热而对辅助电源进行加热，当辅助电源的环境温度达到可正常启动的温度时，辅助电源启动，从而起到对辅助电源的低温加热目的。

当低温加热单元12靠近控制器而对控制器起低温加热作用时，在辅助电源正常启动后，若控制器的环境温度高于控制器的启动温度，则光伏逆变器正常发电；若控制器的环境温度低于控制器的启动温度，则随着光伏直流母线上电压的上升，则N型场效应管Q6导通、NPN型三极管Q5关断、NPN型三极管Q3导通、N型场效应管Q7导通，进而通过电阻R10和NPN型三极管Q3的发热而对控制器进行加热，当控制器的环境温度达到可正常启动的温度时，控制器启动，NPN型三极管Q3关断，光伏逆变器正常发电，从而起到对控制器的低温加热目的。

当低温加热单元12同时靠近辅助电源和控制器而对辅助电源和控制器起低温加热作用时，随着太阳能电池板输出功率的提高，光伏直流母线上的电压升高，当其达到辅助电源启动电压时，若辅助电源正常启动，则辅助电源通过NPN型三极管Q5而关断NPN型三极管Q3，功率吸收单元11停止吸收功率，辅助电源启动完毕后，控制器开始启动。此时，若控制器的环境温度高于控制器的启动温度，则光伏逆变器正常发电；若控制器的环境温度低于控制器的启动温度，则随着光伏直流母线上电压的上升，则N型场效应管Q6导通、NPN型三极管Q5关断、NPN型三极管Q3导通、N型场效应管Q7导通，进而通过电阻R10和NPN型三极管Q3的发热而对控制器进行加热，当控制器的环境温度达到可正常启动的温度时，控制器启动，NPN型三极管Q3关断，光伏逆变器正常发电，从而起到对控制器的低温加热目的。而若辅助电源由于低温而无法正常启动时，则功率吸收单元11继续工作，随着太阳能电池板输出功率的持续提高，使得光伏直流母线上的电压上升到N型场效应管Q7导通，进而通过电阻R10和NPN型三极管Q3的发热而对辅助电源进行加热，当辅助电源的环境温度达到可正常启动的温度时，辅助电源启动，从而起到对辅助电源的低温加热目的。

本发明还提供了一种光伏逆变器，包括控制器、辅助电源，以及一避免光伏逆变器频繁启停的装置，该装置的组成部分、各部分的连接关系及功能如上所述，在此不再赘述。

本发明提供的避免光伏逆变器频繁启停的装置不同于现有采用功率电阻进行功率吸收的方式，而采用晶体管对光伏直流母线上的功率进行吸收，从而减少了印刷电路板的占用面积、降低了光伏逆变器整体占用的空间、显著提高了功率密度、且降低了光伏逆变器成本。另外，本发明提供的避免光伏逆变器频繁启停的装置还可以包括一靠近辅助电源和/或控制器的低温加热单元，在辅助电源和/或控制器因环境温度无法达到启动温度时发热，从而起到对辅助电源和/或控制器的低温加热功能，而无需使用具有宽温度范围的元器件，相较于现有技术，降低了光伏逆变器整体的成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种避免光伏逆变器频繁启停的装置，其特征在于，所述装置包括：

并联在光伏直流正母线和光伏直流负母线之间、且连接光伏逆变器的辅助电源的功率吸收单元，用于在所述辅助电源启动前，应用晶体管对太阳能电池板经由光伏直流母线输出的功率进行吸收，并在所述辅助电源启动后，停止对所述太阳能电池板经由光伏直流母线输出的功率进行吸收。

2.如权利要求1所述的避免光伏逆变器频繁启停的装置，其特征在于，所述功率吸收单元包括：电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、NPN型三极管Q3、NPN型三极管Q4以及NPN型三极管Q5；

所述NPN型三极管Q5的基极通过所述电阻R5连接所述辅助电源，所述NPN型三极管Q5的集电极连接所述NPN型三极管Q3的基极，所述NPN型三极管Q5的发射极连接所述光伏直流负母线；所述NPN型三极管Q3的集电极连接所述光伏直流正母线，所述NPN型三极管Q3的发射极通过所述电阻R8连接所述光伏直流负母线，所述NPN型三极管Q3的发射极同时连接NPN型三极管Q4的基极；所述NPN型三极管Q4的集电极连接所述NPN型三极管Q3的基极，所述NPN型三极管Q4的集电极同时通过所述电阻R6连接所述光伏直流正母线，所述NPN型三极管Q4的集电极同时通过所述电阻R7连接所述光伏直流负母线，所述NPN型三极管Q4的发射极连接所述光伏直流负母线。

3.如权利要求2所述的避免光伏逆变器频繁启停的装置，其特征在于，所述装置还包括一过流/过热保护元件，所述NPN型三极管Q3的集电极是通过所述过流/过热保护元件连接所述光伏直流正母线的。

4.如权利要求1所述的避免光伏逆变器频繁启停的装置，其特征在于，所述功率吸收单元包括：电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、NPN型三极管Q3、NPN型三极管Q5以及稳压管D1；

所述NPN型三极管Q5的基极通过所述电阻R5连接所述辅助电源，所述NPN型三极管Q5的集电极连接所述NPN型三极管Q3的基极，所述NPN型三极管Q5的发射极连接所述光伏直流负母线；所述NPN型三极管Q3的集电极连接所述光伏直流正母线，所述NPN型三极管Q3的发射极通过所述电阻R8连接所述光伏直流负母线；所述稳压管D1的阴极连接所述NPN型三极管Q3的基极，所述稳压管D1的阴极同时通过所述电阻R6连接所述光伏直流正母线，所述稳压管D1的阴极同时通过所述电阻R7连接所述光伏直流负母线，所述稳压管D1的阳极连接所述光伏直流负母线。

5.如权利要求4所述的避免光伏逆变器频繁启停的装置，其特征在于，所述装置还包括一过流/过热保护元件，所述NPN型三极管Q3的集电极是通过所述过流/过热保护元件连接所述光伏直流正母线的。

6.如权利要求2或4所述的避免光伏逆变器频繁启停的装置，其特征在于，所述装置还包括：

并联在所述光伏直流正母线和光伏直流负母线之间、连接所述功率吸收单元、且靠近所述辅助电源和/或光伏逆变器的控制器的低温加热单元，用于在所述辅助电源和/或控制器在温度低于启动温度而无法正常启动时发热。

7.如权利要求6所述的避免光伏逆变器频繁启停的装置，其特征在于，所述低温加热单元包括：N型场效应管Q6、N型场效应管Q7、电阻R9、电阻R10、电阻R11、稳压管D2及稳压管D3；

所述N型场效应管Q6的源极连接所述光伏直流负母线，所述N型场效应管Q6的漏极连接所述NPN型三极管Q5的基极，所述N型场效应管Q6的栅极连接所述稳压管D3的阴极，所述稳压管D3的阳极连接所述光伏直流负母线；所述N型场效应管Q7的源极通过所述电阻R9连接所述光伏直流负母线，所述N型场效应管Q7的漏极连接所述NPN型三极管Q3的发射极，所述N型场效应管Q7的栅极连接所述稳压管D3的阴极，所述N型场效应管Q7的栅极同时通过所述电阻R11连接所述稳压管D2的阳极，所述稳压管D2的阴极连接所述光伏直流正母线；所述NPN型三极管Q3的集电极是通过所述电阻R10连接所述光伏直流正母线的，且所述NPN型三极管Q3的基极连接所述控制器。

8.一种光伏逆变器，包括一控制器、一辅助电源，以及一避免光伏逆变器频繁启停的装置，其特征在于，所述避免光伏逆变器频繁启停的装置采用如权利要求1至5任一项所述的避免光伏逆变器频繁启停的装置。

9.如权利要求8所述的光伏逆变器，其特征在于，所述避免光伏逆变器频繁启停的装置还包括：

并联在所述光伏直流正母线和光伏直流负母线之间、连接所述功率吸收单元、且靠近所述辅助电源和/或控制器的低温加热单元，用于在所述辅助电源和/或控制器在温度低于启动温度而无法正常启动时发热。

10.一种光伏逆变器，包括一控制器、一辅助电源，以及一避免光伏逆变器频繁启停的装置，其特征在于，所述避免光伏逆变器频繁启停的装置采用如权利要求2或4所述的避免光伏逆变器频繁启停的装置；

所述装置还包括：并联在所述光伏直流正母线和光伏直流负母线之间、连接所述功率吸收单元、且靠近所述辅助电源和/或光伏逆变器的控制器的低温加热单元，用于在所述辅助电源和/或控制器在温度低于启动温度而无法正常启动时发热；

所述低温加热单元包括：N型场效应管Q6、N型场效应管Q7、电阻R9、电阻R10、电阻R11、稳压管D2及稳压管D3；

所述N型场效应管Q6的源极连接所述光伏直流负母线，所述N型场效应管Q6的漏极连接所述NPN型三极管Q5的基极，所述N型场效应管Q6的栅极连接所述稳压管D3的阴极，所述稳压管D3的阳极连接所述光伏直流负母线；所述N型场效应管Q7的源极通过所述电阻R9连接所述光伏直流负母线，所述N型场效应管Q7的漏极连接所述NPN型三极管Q3的发射极，所述N型场效应管Q7的栅极连接所述稳压管D3的阴极，所述N型场效应管Q7的栅极同时通过所述电阻R11连接所述稳压管D2的阳极，所述稳压管D2的阴极连接所述光伏直流正母线；所述NPN型三极管Q3的集电极是通过所述电阻R10连接所述光伏直流正母线的，且所述NPN型三极管Q3的基极连接所述控制器。

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