光伏并網逆變器輸入反接保護設計

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）

根據直流側濾波結構的形式，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大電解電容，它既能抑制直流電壓紋波，減小直流電源內阻，使直流側近似為恒壓源，也能為來自交流側無功電流的流傳提供通路；電流源型逆變器直流側串聯一個大電感，來抑制直流電流的紋波，使直流側近似為恒流源，但是大電感的存在將導致系統的動態響應變差。目前，光伏并網逆變器大部分采用電壓源型逆變器。

大多數電壓源型光伏并網逆變器[1-6]沒有輸入反接保護功能，當極性接反時，會導致電解電容損壞，甚至爆漿，還有可能造成逆變電路元件的損壞，造成不可估量的經濟損失。有的電壓源型光伏并網逆變器采用直接串聯二極管的方式進行反接保護，雖然此方法簡單可靠，但是二極管的正向導通壓降比較大，不僅使逆變效率降低，而且電流越大發熱越嚴重，需要加裝散熱片也就越大，從而占用更多的系統空間，導致系統體積變大。針對上述缺憾，本文設計一種光伏并網逆變器的輸入反接保護電路，在不降低逆變效率的前提下，實現防反接控制，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，保證系統的正常運行。繼電器J1的常開開關K1串聯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串聯后與繼電器J1的常開開關K1并聯。控制電路通過電壓采樣電路對電解電容C1兩端的電壓進行實時采樣，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K1。

光伏電池連接后，當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，不能進行逆變控制，驅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存在等效串聯電阻ESR，在電解電容C1充電期間，ESR上將產生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

本設計光伏并網逆變器的輸入反接保護電路原理圖如容C1發熱，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。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，其兩端電壓達到穩態時，此時光伏并網逆變器在空載狀態下將產生穩定的功率損耗P。設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所組成的串聯電路上產生的壓降ΔU，ΔU根據下式得到：

上式中，R1為限流電阻R1的阻值，UD1為防反二極管D1的導通壓降。

此時，由控制電路控制繼電器J1的常開開關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功耗有所差別以及采樣方面存在的誤差，ΔU′應在（ΔU-ε）～（ΔU+ε）之間，其中 ε 為誤差修正值。如果 ΔU′在此范圍之間，則認為繼電器J1的常開開關K1可靠閉合，逆變器可進行逆變控制，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K1不可靠閉合而導致逆變器不可靠運行。對于電解電容C1兩端的電壓是否已達到穩態，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設閾值，如果小于預設閾值，則認為電解電容C1兩端的電壓已達到穩態，如果大于預設閾值，則說明電解電容C1兩端的電壓未達到穩態；2）判斷電解電容C1兩端的電壓是否在光伏并網逆變器上電后過一段預設時間達到穩態，該預設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

并網逆變器的控制流程圖如圖2所示。

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

當光伏電池連接后，輔助電源啟動，系統正常運行。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，則驅動繼電器J1使常開開關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 K1 沒有可靠閉合，驅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的電壓和頻率，進行鎖頻鎖相，當滿足并網條件時，開始逆變控制。

3 結 論

傳統的單純二極管反接保護電路，電流越大損耗越大，多則可達幾瓦，發熱嚴重。本設計的光伏并網逆變器輸入反接保護電路，損耗與電流無關，只與繼電器的額定功耗有關，通常只有幾百毫瓦左右。經試驗證明，該反接保護電路安全可靠，損耗小，且具有反接告警功能。

[1]蔣林，肖偉，珍瑪曲宗，等.基于IR2101最大功率跟蹤逆變器的設計與實現[J].電子設計工程，2010，18（11）:27-29.JIANG Lin，XIAOWei，ZHENMa Qu-zong，et al.Design and implementation of maximum power point tracking inverter based on IR2101[J].Electronic Design Engineering，2010，18（11）:27-29.

[2]宋平崗，沈友朋.改進型無變壓器光伏并網逆變器的仿真研究[J].電源技術，2012，10（ 36 ）:1512-1515.SONG Ping-gang，SHEN You-peng.Simulation research of improved transformerless grid-connected PV inverter[J].Chinese Journal of Power Sources，2012，10（36）:1512-1515.

[3]黃摯雄，徐保友，沈玲菲，等.LCL并網逆變器新型電流雙閉環控制策略研究[J].電力系統保護與控制，2012，17（40）:1-5.HUANG Zhi-xiong，XU Bao-you，SHEN Ling-fei，et al.New current double closed loop control strategy of LCL gridconnected inverter[J].Power System Protection and Control，2012，17（40）:1-5.

[4]馬蘭珍，王明渝，徐四勤，等.新型多電平光伏并網逆變器控制策略研究[J].電力系統保護與控制，2012，17（40）:72-77.MA Lan-zhen，WANG Ming-yu，XU Si-qin，et al.Study on control scheme based on new multi-level photovoltaic gridconnected inverter[J].Power System Protection and Control，2012，17（40）:72-77.

[5]金湘，陳謙.17kW光伏并網逆變器控制技術研究[J].電子設計工程，2013，21（4）:125-127.JIN Xiang，CHEN Qian.Research on 17kW grid-connected photovoltaic inverter[J].Electronic Design Engineering，2013，21（4）:125-127.

[6]霍弘宇，陳偉琪.基于雙電流環控制的并網逆變器設計[J].電子設計工程，2011，19（13）:131-133.HUO Hong-yu，CHEN Wei-qi.Design of grid-connected inverter based on dual-loop current control[J].Electronic Design Engineering，2011，19（13）:131-133.