一种光伏逆变器功率器件开路检测方法及系统

技术领域

本发明涉及逆变器技术领域，具体而言，涉及一种光伏逆变器功率器件开路检测方法及系统。

背景技术

BOOST三电平直流变换器（简称TL-BOOST变换器）是基于普通BOOST变换器和半桥三电平直流变换器推演产生的，其开关管的电压相对于普通BOOST变换器来说会减小一半，降低了开关管的压力，将TL-BOOST变换电路应用在光伏逆变器中，有利于提高光伏系统的可靠性。

在光伏系统工作过程中，有时TL-BOOST变换电路中的一个功率器件可能发生开路，此时TL-BOOST变换电路仍能够工作，光伏逆变器也能够并网运行，难以发觉功率器件的开路问题，但是对于整个供电系统而言，开路功率器件会导致母线电压不均，长期运行影响系统可靠性，容易诱发更多故障。

发明内容

本发明所要解决的问题是光伏逆变器中的功率器件开路不易被立即察觉，继续运行会降低供电系统的可靠性。

为解决上述问题，一方面，本发明提供了一种光伏逆变器功率器件开路检测方法，包括：

控制多个光伏供电支路中的TL-BOOST光伏逆变器分别单独并入电网，记录每一所述光伏供电支路并网时的漏电电流值，其中，多个所述光伏供电支路分别与所述电网电性相连；

比较记录的多个所述漏电电流值，得到最大漏电电流值；

分析多个所述漏电电流值的平均值，得到漏电平均值；

根据所述漏电平均值和浮动系数，得到漏电阈值；

判断所述最大漏电电流值是否大于所述漏电阈值；

当所述最大漏电电流值大于所述漏电阈值时，判定所述最大漏电电流值对应的所述TL-BOOST光伏逆变器中的一个功率器件开路。

可选地，所述TL-BOOST光伏逆变器包括前级TL-BOOST直流升压电路和后级逆变电路，所述前级TL-BOOST直流升压电路的输入端用于与光伏发电系统相连，所述前级TL-BOOST直流升压电路的输出端与所述后级逆变电路的输入端相连，所述后级逆变电路的输出端用于与电网相连。

可选地，前级TL-BOOST直流升压电路包括第一电感、第二电感、第一功率器件、第二功率器件、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、第一负载和第二负载；

所述第一电感的一端用于与所述光伏发电系统的正极相连，所述第二电感的一端用于与所述光伏发电系统的负极相连，所述第一电感的另一端分别与所述第一二极管的正极和所述第一功率器件的一端相连，所述第一二极管的负极分别与所述第一电容的正极和所述第一负载的一端相连；所述第二电感的另一端分别与所述第二二极管的负极和所述第二功率器件的一端相连，所述第二二极管的正极分别与所述第二电容的负极和所述第一负载的一端相连；所述第一功率器件的另一端、所述第二功率器件的另一端、所述第一电容的负极、所述第二电容的正极、所述第一负载的另一端和所述第二负载的另一端均相连。

可选地，当所述第一功率器件和所述第二功率器件为三极管时，所述第一电感的另一端与所述第一功率器件的集电极相连，所述第二电感的另一端与所述第二功率器件的发射极相连，所述第一功率器件的发射极、所述第二功率器件的集电极、所述第一电容的负极、所述第二电容的正极、所述第一负载的另一端和所述第二负载的另一端均相连；

或，当所述第一功率器件和所述第二功率器件为MOS管时，所述第一电感的另一端与所述第一功率器件的漏极相连，所述第二电感的另一端与所述第二功率器件的源极相连，所述第一功率器件的源极、所述第二功率器件的漏极、所述第一电容的负极、所述第二电容的正极、所述第一负载的另一端和所述第二负载的另一端均相连。

可选地，所述控制多个光伏供电支路中的TL-BOOST光伏逆变器分别单独并入电网，记录每一所述光伏供电支路并网时的漏电电流值包括：

采用同步调制策略控制所述前级TL-BOOST直流升压电路中的功率器件同步开通；

控制多个所述光伏供电支路中的所述TL-BOOST光伏逆变器分别单独并入电网。

可选地，所述漏电电流值的表达式如下。

。

。

。

其中，节点A、节点B和节点C分别位于光伏逆变器的三相输出端，节点N位于所述第二电容的负极，节点

可选地，所述节点p和所述节点N间的电压

。

所述节点n和所述节点N间的电压

。

其中，

可选地，所述比较记录的多个所述漏电电流值，得到最大漏电电流值之前，所述光伏逆变器功率器件开路检测方法还包括：

监测每个所述TL-BOOST光伏逆变器中的所述后级逆变电路是否正常运行；

当所述后级逆变电路正常运行时，比较记录的多个所述漏电电流值，得到最大漏电电流值。

可选地，所述监测每个所述TL-BOOST光伏逆变器中的所述后级逆变电路是否正常运行之后，所述光伏逆变器功率器件开路检测方法还包括：

当所述后级逆变电路异常运行时，生成异常警报信号。

另外一方面，本发明还提供了一种光伏逆变器功率器件开路检测系统，包括：

并网控制模块，用于控制多个光伏供电支路中的TL-BOOST光伏逆变器分别单独并入电网，记录每一所述光伏供电支路并网时的漏电电流值；

电流数据分析模块，用于比较记录的多个所述漏电电流值，得到最大漏电电流值；还用于分析多个所述漏电电流值的平均值，得到漏电平均值；还用于根据所述漏电平均值和浮动系数，得到漏电阈值；

判断模块，用于判断所述最大漏电电流值是否大于所述漏电阈值；还用于当所述最大漏电电流值大于所述漏电阈值时，判定所述最大漏电电流值对应的所述TL-BOOST光伏逆变器中的一个功率器件开路。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的一种光伏逆变器功率器件开路检测方法及系统，在将多个光伏供电支路同时并入电网之前，控制多个光伏供电支路中的TL-BOOST光伏逆变器分别单独并入电网，能够采集到每一个光伏供电支路并网时产生的漏电电流值，实时采集到多个漏电电流值，降低开关次谐波对分析结果的影响，提高分析结果的准确性，筛选出多个漏电电流值中的最大漏电电流值和出多个漏电电流值的平均值；由于功率器件开路对漏电电流值的影响较为明显，因此为漏电平均值增加一个合理的浮动系数，能够降低误判的概率，提高分析结果的准确性；当最大漏电电流值大于漏电阈值时，判定最大漏电电流值对应的TL-BOOST光伏逆变器中的一个功率器件开路，在整个供电系统运行前，就能够及时发现功率器件开路问题，提醒工作人员进行维修，保证供电系统的可靠性和稳定性。

附图说明

图1示出了本发明实施例中一种光伏并网电路的示意图；

图2示出了本发明实施例中一种前级TL-BOOST直流升压电路的示意图；

图3示出了本发明实施例中一种前级TL-BOOST直流升压电路的输出状态示意图；

图4示出了本发明实施例中一种前级TL-BOOST直流升压电路的升压状态示意图；

图5示出了本发明实施例中一种前级TL-BOOST直流升压电路的开路状态示意图；

图6示出了本发明实施例中一种光伏逆变器功率器件开路检测方法的流程示意图；

图7示出了本发明实施例中一种光伏并网电路的简化示意图；

图8示出了本发明实施例中一种光伏逆变器功率器件开路检测系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一个实施例”和“一个实施方式”等的描述意指结合该实施例或实施方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或实施方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实施方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或实施方式以合适的方式结合。

图1示出了本发明实施例中一种光伏并网电路的示意图，在图1中仅示例性地展示一条光伏供电支路并网的电路图，在所述光伏并网电路包括TL-BOOST光伏逆变器和光伏发电系统（PV），其中，所述TL-BOOST光伏逆变器包括前级TL-BOOST直流升压电路和后级逆变电路，所述前级TL-BOOST直流升压电路的输入端用于与光伏发电系统相连，所述前级TL-BOOST直流升压电路的输出端与所述后级逆变电路的输入端相连，所述后级逆变电路的输出端用于与电网相连。

具体地，所述前级TL-BOOST直流升压电路用于增大光伏发电系统输出的直流电压，所述后级逆变电路用于将所述前级TL-BOOST直流升压电路输出的直流电压比转化为交流电压，所述后级逆变电路为三电平逆变电路。

在本发明的一种实施例中，所述前级TL-BOOST直流升压电路包括第一电感L1、第二电感L2、第一功率器件Q1、第二功率器件Q2、第一电容

在本发明的一种实施例中，如图1，当所述第一功率器件Q1和所述第二功率器件Q2为MOS管时，所述第一电感L1的另一端与所述第一功率器件Q1的漏极相连，所述第二电感L2的另一端与所述第二功率器件Q2的源极相连，所述第一功率器件Q1的源极、所述第二功率器件Q2的漏极、所述第一电容

在本发明的一种实施例中，如图2，当所述第一功率器件Q1和所述第二功率器件Q2为三极管时，所述第一电感L1的另一端与所述第一功率器件Q1的集电极相连，所述第二电感L2的另一端与所述第二功率器件Q2的发射极相连，所述第一功率器件Q1的发射极、所述第二功率器件Q2的集电极、所述第一电容

具体地，前级TL-BOOST直流升压电路的原理是利用电感储能和电容储能的方式，通过功率器件对电路进行开关控制，使得输入电压在电感储能的过程中增加，然后在电容储能的过程中再次增加，从而实现电压的升高。具体来说，如图3，当第一功率器件Q1和第二功率器件Q2同步导通时，第一电感L1和第二电感L2中的电流开始增加，因为电感中的电流变化率与电压变化率成正比，所以此时电感上的电压也开始增加，此时第一电容

如图5，假设第一功率器件Q1开通，而第二功率器件Q2开路故障时，第一电容

图6示出了本发明实施例中一种光伏逆变器功率器件开路检测方法的流程示意图，所述光伏逆变器功率器件开路检测方法，包括：

S1：控制多个光伏供电支路中的TL-BOOST光伏逆变器分别单独并入电网，记录每一所述光伏供电支路并网时的漏电电流值，其中，多个所述光伏供电支路分别与所述电网电性相连。

如图7示出了本发明实施例中一种光伏并网电路的简化示意图，该图是图1的简化图，不考虑功率器件对地的寄生电容，同时忽略低频电压源电网对共模电流的影响，令L1=L2=L，LA=LB=LC=Ld。根据节点电压法可以分析出

（1）。

为了便于分析，引入系数K1和K2，则漏电电流的表达式可以简化为如下公式。

（2）。

（3）。

（4）。

其中，节点A、节点B和节点C分别位于光伏逆变器的三相输出端，节点N位于所述第二电容

由上面的简化表达式可以看出，漏电电流值不仅受到后级逆变电路调制策略的影响，同时也受前级TL-BOOST直流升压电路的开关状态影响，而简化表达式的前半部分主要与逆变侧的调制策略有关，只要调制策略稳定，后级逆变侧的漏电电流值相当于一个固定值，而前级TL-BOOST直流升压电路在同步和移相两种调制策略时，简化表达式的后半部分的值变动较大，以下仅针对前级TL-BOOST直流升压电路进行共模分析，我们对

（5）。

所述节点n和所述节点N间的电压

（6）。

其中，

由上述

为了更清晰的理解

。

由此可以清晰地看出，漏电电流主要受两个功率器件之间的移相角度的影响，在两个功率器件同步调制（向两个功率器件同步发波，且发送的控制PWM信号波形相同）时，

但是当前级TL-BOOST直流升压电路中的一个功率器件出现开路的情况时，

S2：比较记录的多个所述漏电电流值，得到最大漏电电流值。

具体地，一次先筛选出最大漏电电流值，当最大漏电电流值对应的光伏供电支路经分析之后都没有出现开路情况，那么剩下较小的漏电电流值对应的光伏供电支路也没有发生功率器件开路问题。当有多个光伏供电支路均出现功率器件开路问题，先分析此时的最大漏电电流值对应的光伏供电支路，当此时的最大漏电电流值对应的光伏供电支路修复之后，剩下的多个光伏供电支路中会继续监测分析出另一个最大漏电电流值，继续进行分析，该分析可以进行多次，直到确定所有的光伏供电支路均没有出现功率器件开路问题为止。另外，也可以将记录的多个所述漏电电流值两两作差，得到多个绝对差值；比较多个所述绝对差值，得到最大绝对差值；提取所述最大绝对差值对应的两个所述漏电电流值，比较两个所述漏电电流值，得到所述最大漏电电流值。

S3：分析多个所述漏电电流值的平均值，得到漏电平均值。

具体地，由上述可知，漏电电流值受开关次谐波影响，但是开关次谐波对漏电电流的影响是全局性的，每个光伏供电支路均受此影响，在相同的运行环境下，单独将每个光伏供电支路中的TL-BOOST光伏逆变器并入电网，得到的每个支路的漏电电流值均受到开关次谐波的影响。因此在每一次进行开路故障监测时，需要实时采集每一光伏供电支路对应的漏电电流值，计算漏电平均值，一方面将多个漏电电流值所处的平均水平计算出来，另一方面也是将发生功率器件开路故障的光伏供电支路对应的漏电电流值对平均水平的影响弱化。

S4：根据所述漏电平均值和浮动系数，得到漏电阈值。

具体地，所述浮动系数一般设置为3-5，增设浮动系数，是扩大漏电阈值的兼容性，减少误判的情况发生。

S5：判断所述最大漏电电流值是否大于所述漏电阈值。

具体地，在一个功率器件开路时，

S6：当所述最大漏电电流值大于所述漏电阈值时，判定所述最大漏电电流值对应的所述TL-BOOST光伏逆变器中的一个功率器件开路。

S7：当所述最大漏电电流值小于或等于所述漏电阈值时，判定所述最大漏电电流值对应的所述TL-BOOST光伏逆变器中的所述功率器件正常开通。

在本实施例中，在将多个光伏供电支路同时并入电网之前，控制多个光伏供电支路中的TL-BOOST光伏逆变器分别单独并入电网，能够采集到每一个光伏供电支路并网时产生的漏电电流值，实时采集到多个漏电电流值，降低开关次谐波对分析结果的影响，提高分析结果的准确性，筛选出多个漏电电流值中的最大漏电电流值和出多个漏电电流值的平均值；由于功率器件开路对漏电电流值的影响较为明显，因此为漏电平均值增加一个合理的浮动系数，能够降低误判的概率，提高分析结果的准确性；当最大漏电电流值大于漏电阈值时，判定最大漏电电流值对应的TL-BOOST光伏逆变器中的一个功率器件开路，在整个供电系统运行前，就能够及时发现功率器件开路问题，提醒工作人员进行维修，保证供电系统的可靠性和稳定性。

在本发明的一种实施例中，所述控制多个光伏供电支路中的TL-BOOST光伏逆变器分别单独并入电网，记录每一所述光伏供电支路并网时的漏电电流值包括：

采用同步调制策略控制所述前级TL-BOOST直流升压电路中的功率器件同步开通；

控制多个所述光伏供电支路中的所述TL-BOOST光伏逆变器分别单独并入电网。

在本实施例中，采用的前级TL-BOOST直流升压电路具有对称性，当采用同步调制策略控制前级TL-BOOST直流升压电路中的功率器件时，才能保证

在本发明的一种实施例中，所述比较记录的多个所述漏电电流值，得到最大漏电电流值之前，所述光伏逆变器功率器件开路检测方法还包括：

监测每个所述TL-BOOST光伏逆变器中的所述后级逆变电路是否正常运行。

具体地，由公式（2）可以看出，漏电电流值也会受到后级逆变电路调制策略的影响，因此在监测前级TL-BOOST直流升压电路的功率器件开路故障之前，需要监测后级逆变电路是否正常运行，排除漏电电流值变化是由后级逆变电路异常引起的。通过监测后级逆变电路输入端的电压值，通过输入电压值计算出理论输出电压值，采集后级逆变电路的输出电压值，判断实际采集的输出电压值与理论输出电压值的绝对差值是否处于允许范围，当实际采集的输出电压值与理论输出电压值相差不大时，可以判定后级逆变电路正常运行，当实际采集的输出电压值与理论输出电压值的绝对差值超出允许范围时，说明后级逆变电路运行异常。

当所述后级逆变电路正常运行时，比较记录的多个所述漏电电流值，得到最大漏电电流值。

具体地，由公式（1）和公式（2）分析出正常运行的后级逆变电路带来的漏电电流值为一个固定值，不影响前级TL-BOOST直流升压电路中功率器件开路故障分析。

在本发明的一种实施例中，所述监测每个所述TL-BOOST光伏逆变器中的所述后级逆变电路是否正常运行之后，所述光伏逆变器功率器件开路检测方法还包括：

当所述后级逆变电路异常运行时，生成异常警报信号，以便及时提醒工作人员进行维修。也就是说，后级逆变电路会配备单独的监测系统，用于检测后级逆变电路是否正常运行。

在本实施例中，现有的故障检测方案通常只需要检测一次，即只判断最后的漏电电流值是否超过阈值，本实施例考虑到单维度的检测可能具有不稳定性，故在得到最大漏电电流值之前，再通过单独的检测系统，检测后级逆变电路是否是正常运行，区别于原有的检测系统，而是分别对前级TL-BOOST直流升压电路和后级逆变电路分别单独检测，从而实现了电路故障的多重检测，达到了提高电路故障检测准确性的目的。

图8示出了本发明实施例中一种光伏逆变器功率器件开路检测系统的结构示意图，所述光伏逆变器功率器件开路检测系统，包括：

并网控制模块10，用于控制多个光伏供电支路中的TL-BOOST光伏逆变器分别单独并入电网，记录每一所述光伏供电支路并网时的漏电电流值；

电流数据分析模块20，用于比较记录的多个所述漏电电流值，得到最大漏电电流值；还用于分析多个所述漏电电流值的平均值，得到漏电平均值；还用于根据所述漏电平均值和浮动系数，得到漏电阈值；

判断模块30，用于判断所述最大漏电电流值是否大于所述漏电阈值；还用于当所述最大漏电电流值大于所述漏电阈值时，判定所述最大漏电电流值对应的所述TL-BOOST光伏逆变器中的一个功率器件开路。

在本实施例中，并网控制模块10控制多个光伏供电支路中的TL-BOOST光伏逆变器分别单独并入电网，能够采集到每一个光伏供电支路并网时产生的漏电电流值，实时采集到多个漏电电流值，降低开关次谐波对分析结果的影响，提高分析结果的准确性，电流数据分析模块20筛选出多个漏电电流值中的最大漏电电流值和出多个漏电电流值的平均值；由于功率器件开路对漏电电流值的影响较为明显，因此为漏电平均值增加一个合理的浮动系数，能够降低误判的概率，提高分析结果的准确性；判断模块30判断所述最大漏电电流值是否大于所述漏电阈值，当最大漏电电流值大于漏电阈值时，判定最大漏电电流值对应的TL-BOOST光伏逆变器中的一个功率器件开路，在整个供电系统运行前，就能够及时发现功率器件开路问题，提醒工作人员进行维修，保证供电系统的可靠性和稳定性。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。