CN110048590B - 一种具有防雷设计的两级式功率变换器及系统 - Google Patents
一种具有防雷设计的两级式功率变换器及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了一种具有防雷设计的两级式功率变换器及系统。该两级式功率变换器包括多个前级功率变换单元和一个后级功率变换单元，各个前级功率变换单元的输入独立、输出并联接入后级功率变换单元，其中前级功率变换单元具体为带旁路二极管的三电平Boost电路，此外：每个前级功率变换单元上都设置有接在本前级功率变换单元的输入正极、输入负极和大地之间的由防雷器构成的Y型防雷电路，其中至少有两个Y型防雷电路通过共同的防雷器接地，以增大流过Ib的线路阻抗，Ib为流向母线电容的雷击电流分流。本申请避免了前级功率变换单元中的旁路二极管失效。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种具有防雷设计的两级式功率变换器及系统。
背景技术
图1示出了一种两级式功率变换器，其包括多个前级功率变换单元和一个后级功率变换单元，各前级功率变换单元的输入独立(即第i个前级功率变换单元的输入端接直流电源PVi，i＝1、2、…、n，n为前级功率变换单元的总个数，各直流电源之间彼此独立)、输出并联接入后级功率变换单元，其中前级功率变换单元具体为带旁路二极管的三电平Boost电路。
为实现输入防雷保护，现有技术为每个前级功率变换单元都配置了接在本前级功率变换单元的输入正极、输入负极和大地之间的由防雷器组成的Y型防雷电路，各Y型防雷电路之间彼此独立，如图2所示，该防雷器一般采用SPD(Surge Protection Device，浪涌保护器)，图2中接于第i个前级功率变换单元的输入正极、输入负极、大地的SPD依次标识为SPD3i-2、SPD3i-1和SPD3i。
但是，上述防雷方案容易造成前级功率变换单元中的旁路二极管失效，分析如下：以雷击电流I从PV1+流入为例，雷击电流I从PV1+流入后分流为Ia和Ib，Ia经过SPD1、SPD3流入大地，Ib经过第1个前级功率变换单元中的旁路二极管D1流到母线电容后又分流成多路并最终流入大地，但较大的冲击电流Ib流过旁路二极管D1时容易导致旁路二极管D1失效。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种具有防雷设计的两级式功率变换器及系统，以避免前级功率变换单元中的旁路二极管失效。
一种具有防雷设计的两级式功率变换器，包括多个前级功率变换单元和一个后级功率变换单元，各前级功率变换单元的输入独立、输出并联接入后级功率变换单元，其中前级功率变换单元具体为带旁路二极管的三电平Boost电路，其中：
每个前级功率变换单元上都设置有接在本前级功率变换单元的输入正极、输入负极和大地之间的由防雷器构成的Y型防雷电路，其中至少有两个Y型防雷电路通过共同的防雷器接地，以增大流过Ib的线路阻抗，Ib为流向母线电容的雷击电流分流。
可选的，所述两级式功率变换器中存在一组或多组通过共同的防雷器接地的Y型防雷电路，隶属不同组的所述共同的防雷器之间彼此独立。
可选的，同一组下的所述共同的防雷器为一个防雷器或多个防雷器。
可选的，所有的Y型防雷电路共用一个防雷器接地。
可选的，所述防雷器为浪涌保护器SPD或压敏电阻器。
可选的，所述后级功率变换单元包括一个或多个DC/DC变换电路，各DC/DC变换电路的输入并联、输出独立；
每个DC/DC变换电路的输出端口上各设置有一个输出防雷电路，所述输出防雷电路为接在DC/DC变换电路的输出正极、输出负极和大地之间的由防雷器构成的Y型防雷电路。
或者，所述后级功率变换单元包括一个或多个DC/AC变换电路，各DC/AC变换电路的输入并联、输出独立；
每个DC/AC变换电路的输出端口上各设置有一个输出防雷电路，所述输出防雷电路包括多个一端连接在一起形成公共点、另一端一对一接在DC/AC变换电路的每一根输出端路以及大地上的防雷器。
可选的，至少一个输出防雷电路中的接地的防雷器，为所述共同的防雷器。
可选的，所有的输出防雷电路中的接地的防雷器，均为所述共同的防雷器。
一种发电系统，其特征在于，包括如上述公开的任一种具有防雷设计的两级式功率变换器。
从上述的技术方案可以看出，本发明让至少两个前级功率变换单元上设置的Y型防雷电路通过共同的防雷器接地，以增大流过Ib的线路阻抗，使得在同等大小的雷击电流I下，Ia变大、Ib变小，从而避免了Ib流过前级功率变换单元中的旁路二极管时造成该旁路二极管失效。
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两级式功率变换器结构示意图；
图2为现有技术公开的一种具有防雷设计的两级式功率变换器结构示意图；
图3为本发明实施例公开的一种具有防雷设计的两级式功率变换器结构示意图；
图4为本发明实施例公开的又一种具有防雷设计的两级式功率变换器结构示意图；
图5为流过Ib的线路阻抗等效电路示意图；
图6为本发明实施例公开的又一种具有防雷设计的两级式功率变换器结构示意图；
图7为又一流过Ib的线路阻抗等效电路示意图；
图8为本发明实施例公开的又一种具有防雷设计的两级式功率变换器结构示意图；
图9为本发明实施例公开的又一种具有防雷设计的两级式功率变换器结构示意图。
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。
参见图3，本发明实施例公开了一种具有防雷设计的两级式功率变换器，其主电路和防雷设计分别介绍如下：
其主电路包括多个前级功率变换单元和一个后级功率变换单元，其中：
各前级功率变换单元的输入独立(即第i个前级功率变换单元的输入端接直流电源PVi，i＝1、2、…、n，n为前级功率变换单元的总个数，各直流电源之间彼此独立)、输出并联接入所述后级功率变换单元；
所述前级功率变换单元具体为带旁路二极管的三电平Boost电路；
所述后级功率变换单元可以包括一个或多个DC/DC变换电路，各DC/DC变换电路的输入并联、输出独立；或者，所述后级功率变换单元可以包括一个或多个DC/AC变换电路，各DC/AC变换电路的输入并联、输出独立，其中各DC/AC变换电路的输出线路可以采用三相四线制或三线三相制，并不局限。
其防雷设计体现在每个前级功率变换单元上都设置有接在本前级功率变换单元的输入正极、输入负极和大地之间的由防雷器构成的Y型防雷电路，其中至少有两个Y型防雷电路通过共同的防雷器接地，其中：
所述防雷器可以是SPD也可以是压敏电阻器，也就是说，本发明实施例中的各个Y型防雷电路可以是由SPD构成的Y型防雷电路，或者本发明实施例中的各个Y型防雷电路是由压敏电阻器构成的Y型防雷电路，图3仅以防雷器是SPD作为示例。
可选的，所述两级式功率变换器中至少有两个Y型防雷电路通过共同的防雷器接地，是指：所述两级式功率变换器中存在一组或多组通过共同的防雷器接地的Y型防雷电路，隶属不同组的所述共同的防雷器之间彼此独立。可选的，同一组下的所述共同的防雷器为一个防雷器或多个防雷器，这多个防雷器可以是串联、并联或混联的方式连接，当为多个防雷器时，防雷器的个数选择以及连接方式选择需满足能够增大图2中流过Ib的线路阻抗。图3仅以所述两级式功率变换器中仅存在一组通过共同的防雷器接地的Y型防雷电路、并且同一组下的所述共同的防雷器为一个防雷器作为示例，也即图3是以所有的Y型防雷电路共用一个防雷器接地作为示例。
本发明实施例相较于图2的改进在于让至少两个前级功率变换单元上设置的Y型防雷电路通过共同的防雷器接地，这样做的目的是增大流过Ib的线路阻抗，使得在同等大小的雷击电流I下，Ia变大、Ib变小，从而避免Ib流过前级功率变换单元中的旁路二极管时造成该旁路二极管失效。下面，以图3示出的所有的Y型防雷电路共用一个防雷器接地为例进行具体分析：
首先参见图2，雷击电流I从PV1+流入后分流为Ia和Ib，Ia经过SPD1、SPD3流入大地，Ib经过第1路前级功率变换单元中的旁路二极管D1流到母线电容后又分流为I1、I2、…、In，I1经过SPD2、SPD3流入大地，I2经过SPD5、SPD6流入大地，…，In经过SPD3n-1、SPD3n流入大地。从而，图2中流过Ia的线路阻抗为SPD1+SPD3，流过Ib的线路阻抗为(SPD2+SPD3)//(SPD5+SPD6)//…//(SPD3n-1+SPD3n)，“//”表示并联符号。
而在图3中，所有的Y型防雷电路共用SPD3接地，此时雷击电流I从PV1+流入后分流为Ia和Ib，Ia经过SPD1、SPD3流入大地，Ib经过第1路前级功率变换单元中的旁路二极管D1流到母线电容后又分流为I1、I2、…、In，I1经过SPD2、SPD3流入大地，I2经过SPD5、SPD3流入大地，…，In经过SPD3n-1、SPD3流入大地。从而，图3中流过Ia的线路阻抗仍为SPD1+SPD3，而流过Ib的线路阻抗则变为(SPD2//SPD5//…//SPD3n-1)+SPD3。
可见，相较于图2，图3中流过Ia的线路阻抗不变、流过Ib的线路阻抗变大，所以在同等大小的雷击电流I下，Ia的值会相应变大、同时Ib的值会相应变小，从而避免了Ib流过第1路前级功率变换单元中的旁路二极管D1时造成该旁路二极管D1失效。
上述分析仅是以雷击电流I从PV1+流入为例，雷击电流I从PV2+、PV3+、…或PVn+流入后的分析过程同理可得，此处不再一一赘述。
图4和图6也是本发明实施例的两个示例。具体的，图4中假设i＝5，共存在两组通过共同的防雷器接地的Y型防雷电路，分别是第1～2个前级功率变换器对应的Y型防雷电路共用SPD3接地，第3～5个前级功率变换器对应的Y型防雷电路共用SPD9接地，此时流过Ib的线路阻抗等效电路如图5所示，其相较于图2中流过Ib的线路阻抗有所增大。图6中仍假设i＝5，第1～2路前级功率变换单元对应的Y型防雷电路共用SPD3接地，第3～5路前级功率变换单元对应的Y型防雷电路均采用单独的SPD接地，此时流过Ib的线路阻抗等效电路如图7所示，其相较于图2中流过Ib的线路阻抗有所增大。
在本发明实施例给出的所有满足所述两级式功率变换器中至少有两个Y型防雷电路通过共同的防雷器接地的实现方案中，图3对应的方案(即所有的Y型防雷电路共用一个防雷器接地的方案)能够在最节省防雷器使用数量的前提下将流过Ib的线路阻抗增大到最大值，此时Ib达到最小值，所以当旁路二极管冲击电流承受能力非常弱时，本发明推荐优先采用图3对应的实现方案。
需要说明的是，第i个前级功率变换单元与直流电源PVi之间也可以连接无源电路模块，例如图3中示出的连接在第i个前级功率变换单元与直流电源PVi之间的由多个电容和多个电感组成的无源电路模块，Y型防雷电路可以接在无源电路模块前端、后端或内部，并不局限。
可选的，为实现输出防雷保护，本发明实施例还在后级功率变换单元的每个输出端口上都设置一个输出防雷电路，具体描述如下：
如图8所示，当所述后级功率变换单元包括一个或多个DC/DC变换电路，各DC/DC变换电路的输入并联、输出独立时，每一个DC/DC变换电路的输出端口上都设置有接在本输出端口的正极、负极和大地之间的由防雷器构成的Y型防雷电路，作为本输出端口的输出防雷电路。
可选的，仍参见图8(以后级功率变换单元仅包括一个DC/DC变换电路为例)，为节省防雷器的使用数量，至少一个输出防雷电路中接地的防雷器，为所述共同的防雷器；当然，当后级功率变换单元包括多个DC/DC变换电路时，本发明实施例推荐所有的输出防雷电路中接地的防雷器，均为所述共同的防雷器。
如图9所示，当所述后级功率变换单元包括一个或多个DC/AC变换电路，各DC/AC变换电路的输入并联、输出独立时，每个DC/AC变换电路的输出端口上各设置有一个输出防雷电路，所述输出防雷电路包括多个一端连接在一起形成公共点、另一端一对一接在DC/AC变换电路的每一根输出端路以及大地上的防雷器。例如，当DC/AC变换电路的输出线路为三相三线制时，每一个所述输出防雷电路都包括四个防雷器，这四个防雷器一端连接在一起形成公共点，另一端分别接在DC/AC变换电路的输出端口的A相输出线、B相输出线、C相输出线和大地上；当DC/AC变换电路的输出线路为三相四线制时，每一个所述输出防雷电路都包括五个防雷器，这五个防雷器一端连接在一起形成公共点，另一端分别接在DC/AC变换电路的输出端口的A相输出线、B相输出线、C相输出线、N线和大地上。
可选的，仍参见图9(以后级功率变换单元仅包括m个DC/AC变换电路，m≥2，并且DC/AC变换电路的输出线路为三相三线制为例)，为节省防雷器的使用数量，至少一个所述输出防雷电路中接地的防雷器，为所述共同的防雷器，当然，当后级功率变换单元包括多个DC/AC变换电路时，本发明实施例推荐所有的输出防雷电路中接地的防雷器，均为所述共同的防雷器。
此外，本发明实施例还公开了一种发电系统，包括上述公开的任一种具有防雷设计的两级式功率变换器，以避免前级功率变换单元中的旁路二极管失效。
其中，所述发电系统例如可以是光伏发电系统，此时所述两级式功率变换器为两级式逆变器。
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的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明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 (10)
1.一种具有防雷设计的两级式功率变换器，包括多个前级功率变换单元和一个后级功率变换单元，各前级功率变换单元的输入独立、输出并联接入后级功率变换单元，其中前级功率变换单元具体为带旁路二极管的三电平Boost电路，其特征在于：
每个前级功率变换单元上都设置有接在本前级功率变换单元的输入正极、输入负极和大地之间的由防雷器构成的Y型防雷电路，其中至少有两个Y型防雷电路通过共同的防雷器接地，以增大流过Ib的线路的阻抗，Ib为流向母线电容的雷击电流分流，所述母线电容是指后级功率变换单元的母线电容。
2.根据权利要求1所述的具有防雷设计的两级式功率变换器，其特征在于，所述两级式功率变换器中存在一组或多组通过共同的防雷器接地的Y型防雷电路，隶属不同组的所述共同的防雷器之间彼此独立。
3.根据权利要求2所述的具有防雷设计的两级式功率变换器，其特征在于，同一组下的所述共同的防雷器为一个防雷器或多个防雷器。
4.根据权利要求3所述的具有防雷设计的两级式功率变换器，其特征在于，所有的Y型防雷电路共用一个防雷器接地。
5.根据权利要求1所述的具有防雷设计的两级式功率变换器，其特征在于，所述防雷器为浪涌保护器SPD或压敏电阻器。
6.根据权利要求1所述的具有防雷设计的两级式功率变换器，其特征在于，所述后级功率变换单元包括一个或多个DC/DC变换电路，各DC/DC变换电路的输入并联、输出独立；
每个DC/DC变换电路的输出端口上各设置有一个输出防雷电路，所述输出防雷电路为接在DC/DC变换电路的输出正极、输出负极和大地之间的由防雷器构成的Y型防雷电路。
7.根据权利要求1所述的具有防雷设计的两级式功率变换器，其特征在于，所述后级功率变换单元包括一个或多个DC/AC变换电路，各DC/AC变换电路的输入并联、输出独立；
每个DC/AC变换电路的输出端口上各设置有一个输出防雷电路，所述输出防雷电路包括多个一端连接在一起形成公共点、另一端一对一接在DC/AC变换电路的每一根输出端路以及大地上的防雷器。
8.根据权利要求6或7所述的具有防雷设计的两级式功率变换器，其特征在于，至少一个输出防雷电路中的接地的防雷器，为所述共同的防雷器。
9.根据权利要求8所述的具有防雷设计的两级式功率变换器，其特征在于，所有的输出防雷电路中的接地的防雷器，均为所述共同的防雷器。
10.一种发电系统，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的具有防雷设计的两级式功率变换器。
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