光伏专用逆变器保护系统的设计

收稿日期 : 2001204216; 修改日期 ; 2001209207作者简介 : 张晓安 (1964- ) , 男 , 安徽宿州人 , 硕士生 , 合肥工业大学工程师 ;余世杰 (1934- ) , 男 , 江苏张家港人 , 合肥工业大学教授 , 博士生导师 ;沈玉梁 (1946- ) , 男 , 上海市人 , 合肥工业大学教授 , 博士生导师 .第 24 卷第 6 期 合 肥 工 业 大 学 学 报 (自然科学版 ) V o l. 24 N o. 62001 年 12 月 JOU RNAL O F H EFE I UN IV ER SIT Y O F T ECHNOLO GY D ec. 2001光伏专用逆变器保护系统的设计张晓安 , 余世杰 , 沈玉梁 , 李 涛( 合肥工业大学 电气与自动化工程学院 , 安徽 合肥 230009 )摘 要 : 光伏专用逆变器系统在实际运行时 , 既要有快速保护又要避免误动作 , 并兼顾实时性和可靠性 。 系统着重考虑了过载电流保护和短路电流保护 。 短路电流保护保证出现短路电流时及时封锁 SPWM 输出 , 反时限保护保证系统具有短时过载能力 ; 硬件保护具有快速性的特点 , 软件保护具有灵活性的特点 。这就保障了系统硬件有欠压 、 短路电流保护 , 软件有过热 、过放 、 过载保护 。关键词 : 逆变器 ; 短路电流 ; 欠压 ; 反时限 ; 过放中图分类号 : TM 588. 1; TM 914 文献标识码 : A 文章编号 : 100325060 (2001 ) 0621111204D esign of the protection system of the inverterused for the photovolta ic systemZHAN G X iao2an, YU Shi2jie, SHEN Yu 2liang, L I T ao(School of Electric and A utom atizati on Engineering , H efei U niversity of Techno logy , H efei 230009, Ch ina)Abstract :W hen an inverter u sed fo r the pho tovo ltaic system is runn ing, all k inds of p rotection need tobe taken in to account, so that it can act in tim e and p roperly. O verload 2curren t2protection and shortcircu it curren t p rotection are considered especially in th is paper. W hen short curren t occu rs, shortcircu it curren t p rotection clo ses off SPWM w ave in tim e, and anti 2tim e lim it p rotection enables thesystem to bear overload fo r a m om ent. T he hardw are p rotecti on has the high 2speed character ; itincludes low 2vo ltage 2p rotection and short circu it curren t p rotection. T he softw are protecti on hasflex ibility ; it includes overheat 2p rotection , overdischarge 2p rotection , overload 2p rotection.Key words: inverter ; short circu it cu rren t; low 2vo ltage; anti2tim e lim it; overdischarge0 引 言20 世纪 90 年代以来 , 在我国西部远离电网的地区 , 光伏电站装机容量得到了较快的发展 。 光伏系统专用逆变器是光伏供电系统中的关键部件 , 由于西部地区缺少专业技术人员 , 因此在设计逆变器时 ,必须充分考虑可能出现的各种故障 , 设计各种完善的保护措施 , 以提高逆变器运行时的可靠性 。1 过热保护为了使功率器件 IGBT 可靠地工作 , 必须对 IGBT 耗散功率产生的结温进行控制 。 按照有关规定 ,IGBT 的结温不得超过最高温度 150 ℃ [ 1 ]。 如果控制器件结温不超过 120 ℃ , 则根据 IGBT 的热限系数 ,紧贴在 IGBT 上的散热器温度不得超过 90 ℃ 。 在散热片上安装一个动作温度为 85 ℃的热继电器 , 当散热片温度超过 85 ℃时 , 继电器触点断开 。 在主循环程序内对继电器状态进行检测 , 一旦检测到触点断开就封锁 IGBT 的驱动信号 , 以防止 IGBT 热击穿 。2 硬件短路电流 、 欠压保护2. 1 短路电流保护电路的设计有关资料证明 , 当出现短路电流故障时 , 如果保持 IGBT 栅极上的驱动电压 V GE 为 15 V 不变 , 50 A的 IGBT 能承受 250A 短路电流冲击时间仅为 5 Λ s[ 2]。 所以当出现短路电流时要求系统能快速保护 。 本系统对大于 3 I e( I e 为额定电流 ) 的大电流采用硬件过流保护 , 对于超过额定电流小于 3 Ie 的电流在软件中作过载保护处理 。图 1 为硬件保护原理图 。 其中电流采样信号来自于霍尔传感器 , 霍尔传感器检测直流母线电流 。7400 的 11 脚输出与驱动封锁端口直接相连 , 如图 2 所示 , 并且接到 CPU 的非屏蔽外部中断口 。图 1 短路电流保护原理图图 2 驱动封锁电路2111 合肥工业大学学报 (自然科学版 ) 第 24 卷电流信号采样转化成的电压值与给定电压相比较 , 该电压值一旦大于给定电压值 (可通过 RV 301调节 ) , 则经过由 7400 两个双与非门组成的自锁电路一直发出封锁信号 , 封锁主电路工作 。 于是过流保护电路动作 , 同时 , 单片机非屏蔽端口接收中断信号封锁驱动信号 。只有进行 CPU 复位 , 才能重新启动逆变器工作 。2. 2 阻容滤波电路的设计在开机 、 关机时主电路中有尖峰电流 , 为了避免误动作 , 在自锁电路中加入阻容滤波以消除保护电路中的毛刺电压 。如果阻容滤波时间常数过大 , 则保护电路不能及时动作 , 因此必须要保证 阻容滤波时间常数 RC U low 1, 设蓄电池电压经过采样后对应值为 U d,初始化时 ,U d= U dlow 1, 过放保护子程序流程如图 3 所示 。4 负载电流的反时限保护为了使逆变器有一定的抗短时冲击电流的能力 , 对大于额定电流小于 3 Ie 的输出电流采用反时限保护 [ 4]。假设 Q 为主变压器单位时间发出的热量 (温升曲线如图 4 所示 ) , 假定变压器的 Q∝ I 2; y 为变压器的温升 ; C 为变压器的热容量 (即变压器1. 曲线 1 2. 曲线 2图 4 变压器的温升曲线每升高 1 ℃ 所需的热量 ) ; A 为变压器的散热系数 (变压器与周围介质温度相差 1 ℃ 时 ,单位时间内向周围介质散发的热量 )。热平衡方程式 [ 5 ] 为Q dt = Cdy + A ydt (1)令 C A = T ,Q A = y w整理后得到微分方程3111第 6 期 张晓安 , 等 : 光伏专用逆变器保护系统的设计y + T dydt = yw (2)其解为y = yw (1 - e- t T ) + y Q e- t T (3)式中 y Q — — 发热过程的起始温度如图 4 所示 , 当 Q 不变时 , 温升 y 对时间的曲线为曲线 1; 同理 , 在冷却时 , 温升 y 对时间的曲线为曲线 2。本系统的软件控制思想是 : 设定采样周期为 20 m s, 即一个正弦波周期 , 在 W G 中断 (波形发生器中断 ) 内对 COUN T 计数器进行计数 , 当 COUN T 的值等于 480 时 (一个周期 96 次中断 ) , 做一次积分运算 。 当积分结果小于零时 , 积分清零 ; 当积分结果大于给定值时 , 进行软件保护 。 程序流程如图 5 所示 。图 5 过载保护流程图5 结束语在逆变系统的设计中 , 逆变器的可靠性是极其重要的 。 设计的上述方案能够有效地保护逆变系统 。这种逆变电源能够快速地响应短路电流防止开关管损坏 。 目前 , 已经完成的逆变器已经在新疆地区安全运行 150 d 以上 , 这证明了方案的可行性 。[ 参 考 文 献 ][ 1 ] 张 立 . 电力电子场控器件及应用 [M ]. 北京 : 机械工业出版社 , 1995. 80- 83.[ 2 ] 李爱文 , 张承慧 . 现代逆变技术及其应用 [M ]. 北京 : 科学出版社 , 2001. 41- 42.[ 3 ] 孙涵芳 . Intel 16 位单片机 [M ]. 北京 : 北京航空航天大学出版社 , 1994. 200- 201.[ 4 ] 张燕宾 . SPWM 变频调速应用技术 [M ]. 北京 : 机械工业出版社 , 1999. 130- 132.[ 5 ] 顾绳谷 . 电机及拖动基础 [M ]. 北京 : 机械工业出版社 , 1995. 276- 280.(责任编辑 朱华新 )4111 合肥工业大学学报 (自然科学版 ) 第 24 卷