一種併網逆變器及其孤島檢測電路

《一種併網逆變器及其孤島檢測電路》是深圳市京泉華電子有限公司於2011年10月11日申請的發明專利，該專利申請號為2011103065112，公布號為CN102393482A，公布日為2012年3月28日，發明人是謝春華、劉建飛、張立品、鞠萬金、汪兆華、李戰功、竇曉月。

《一種併網逆變器及其孤島檢測電路》公開了一種併網逆變器及其孤島檢測電路，採樣電路和比較器對電網電壓進行採集然後用兩個比較器對採集到的電壓進行分析處理。經過信號處理後，通過監測兩輸出端OUT1、OUT2的電平變化可以有效的監測到電網的波動情況。若電網正常運作時，輸出端OUT1輸出為高，輸出端OUT2輸出為低；當電網掉電導致電網電壓突變高時，輸出端OUT1輸出低，輸出端OUT2保持低電平不變；若電網電壓突降，輸出端OUT2輸出高，輸出端OUT1保持不便輸出高。系統的MCU對OUT1、OUT2的監測過程還加入一定的算法防止電網上的一些干擾造成誤檢測。採用該發明的檢測電路能有效的監測電網電壓，從而防止孤島現象的發生。

2021年6月24日，《一種併網逆變器及其孤島檢測電路》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種併網逆變器及其孤島檢測電路》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種併網逆變器及其孤島檢測電路
• 申請人：深圳市京泉華電子有限公司
• 發明人：謝春華、劉建飛、張立品、鞠萬金、汪兆華、李戰功、竇曉月
• 申請號：2011103065112
• 申請日：2011年10月11日
• 公布號：CN102393482A
• 公布日：2012年3月28日
• 地址：廣東省深圳市寶安區觀瀾街道庫坑新圩龍1號京泉華工業園
• 代理機構：深圳市君勝智慧財產權代理事務所
• 代理人：王永文
• Int. Cl.：G01R19/165
• 類別：發明專利

專利背景

孤島效應是指併網逆變器在向電網供電時，因電氣故障、誤操作或自燃因素等原因中斷供電，但是這時併網逆變器仍然會繼續向電網輸送一定比例的電能，從而出現孤島現象。孤島效應會對設備和人員的安全帶來嚴重的隱患。當電網中斷供電後，當檢修人員對電網的電力線路和電力設備進行檢修時，若併網逆變器繼續供電會造成人員傷亡的事故；若併網逆變器繼續供電，一旦電網恢復供電，電網和併網逆變器的輸出電壓和相位可能存在較大的差異，會在一瞬間產生很大的衝擊電流，而損壞設備。所以在電網停電後，必須立刻終止光伏併網發電系統對電網的供電。

併網逆變器一般會採用被動和主動的兩種方式進行防護以針對該效應。被動式防護一般是指：當電網中斷供電時，會在電網電壓的幅值、頻率和相位參數上產生跳變信號，通過檢測跳變信號來判斷電網是否失電。主動式防護一般是指：對電網參數發出小干擾信號，通過檢測反饋信號來判斷電網是否失電，當併網逆變器檢測到電網中斷供電後，會立即停止工作，併網逆變反孤島技術，各家公司都正在攻克。

國際通行的光伏併網逆變器標準都對併網逆變器孤島檢測功能做了要求，其中IEEE Std2000-929規定當公共點的頻率在59.3-60.5赫茲之外時，併網逆變器應在6個周期內停止供電。普通併網逆變器由於容量小，造價高等特點，一般不會與電網通信控制系統通信，其孤島檢測和保護技術主要立足於逆變器的自我檢查（Local detection）而非遠程通信技術（Remote detection）。截至2011年10月，孤島檢測研究致力於將孤島檢測功能集成於逆變器控制系統中。因此，上述技術還有待於改進和發展。

發明內容

專利目的

《一種併網逆變器及其孤島檢測電路》的目的在於提供一種併網逆變器及其孤島檢測電路，旨在解決準確的檢測併網逆變器向電網供電時，斷電後出現的孤島效應。

技術方案

一種併網逆變器的孤島檢測電路，其包括採樣電路、比較器組成的信號處理電路和微處理器，所述採樣電路、信號處理電路和微處理器依次連線，所述信號處理電路包括第一電阻、第二電阻、第二運放、第三運放、第一RC電路、第二RC電路、第三RC電路和第四RC電路，第一電阻和第二電阻對採樣電路輸出端的電壓分壓，採樣電路輸出端的電壓分別經過第一RC電路和第二RC電路對應接入到第二運放的正輸入端和第三運放的負輸入端；經分壓後的電壓分別經過第三RC電路和第四RC電路對應接入到第二運放的負輸入端和第三運放的正輸入端，第二運放和第三運放的輸出端都連線到微處理器上。

所述的併網逆變器的孤島檢測電路，其中，所述採樣電路包括第一採集端和第二採集端，且分別連線在第一運放的第二引腳和第三引腳上，第一採集端與第二引腳之間串聯有多個電阻；第二採集端與第三引腳之間也串聯有多個電阻；第三引腳還通過電阻連線2.5伏電壓；第一運放的第一引腳為信號輸出，所述第一引腳還通過電阻反饋回第二引腳上。

所述的併網逆變器的孤島檢測電路，其中，採樣電路把輸入信號衰減為峰峰值小於2.5伏的交流電壓，並通過外接的2.5伏電源將該交流信號抬高2.5伏。

所述的併網逆變器的孤島檢測電路，其中，第一電阻和第二電阻對輸出信號進行分壓，分壓後電壓比分壓前的電壓低0.1伏。

一種併網逆變器，其特徵在於，所述併網逆變器中設定有上述的孤島檢測電路。

改善效果

《一種併網逆變器及其孤島檢測電路》通過採樣電路和比較器對電網電壓進行採集然後用兩個比較器對採集到的電壓進行分析處理。經過信號處理後，通過監測兩輸出端OUT1、OUT2的電平變化可以有效的監測到電網的波動情況。若電網正常運作時，輸出端OUT1輸出為高，輸出端OUT2輸出為低；當電網掉電導致電網電壓突變高時，輸出端OUT1輸出低，輸出端OUT2保持低電平不變；若電網電壓突降，輸出端OUT2輸出高，輸出端OUT1保持不便輸出高。系統的MCU對OUT1、OUT2的監測過程還加入一定的算法防止電網上的一些干擾造成誤檢測。該信號檢測電路能有效的監測電網電壓，從而防止孤島現象的發生。

附圖說明

圖1是《一種併網逆變器及其孤島檢測電路》提供的電網電壓採樣電路的電路原理圖。

圖2是採樣電路的輸入電壓波形。

圖3是採樣電路輸出電壓波形。

圖4是《一種併網逆變器及其孤島檢測電路》提供的比較器信號處理電路的電路原理圖。

圖5是電網電壓突變高時比較器的電壓數據波形圖。

圖6是電網電壓突降瞬間比較器中各點信號的波形圖。

技術領域

《一種併網逆變器及其孤島檢測電路》涉及電力領域，尤其涉及的是一種併網逆變器及其孤島檢測電路。

權利要求

1.一種併網逆變器的孤島檢測電路，其特徵在於，包括採樣電路、信號處理電路和微處理器，所述採樣電路、信號處理電路和微處理器依次連線，所述信號處理電路包括第一電阻、第二電阻、第二運放、第三運放、第一RC電路、第二RC電路、第三RC電路和第四RC電路，第一電阻和第二電阻對採樣電路輸出端的電壓分壓，採樣電路輸出端的電壓分別經過第一RC電路和第二RC電路對應接入到第二運放的正輸入端和第三運放的負輸入端；經分壓後的電壓分別經過第三RC電路和第四RC電路對應接入到第二運放的負輸入端和第三運放的正輸入端，第二運放和第三運放的輸出端都連線到微處理器上；第二運放和第三運放各自的正、負輸入端的RC電路參數不一樣，導致第二運放和第三運放各自的正、負輸入端對電壓波動的回響時間不一樣，回響時間為T=R*C，其中R表示電阻，C表示電容。

2.根據權利要求1所述的併網逆變器的孤島檢測電路，其特徵在於，所述採樣電路包括第一採集端和第二採集端，且分別連線在第一運放的第二引腳和第三引腳上，第一採集端與第二引腳之間串聯有多個電阻；第二採集端與第三引腳之間也串聯有多個電阻；第三引腳還通過電阻連線2.5伏電壓；第一運放的第一引腳為信號輸出，所述第一引腳還通過電阻反饋回第二引腳上。

3.根據權利要求1所述的併網逆變器的孤島檢測電路，其特徵在於，採樣電路把輸入信號衰減為峰峰值小於2.5伏的交流電壓，並通過外接的2.5伏電源將該交流信號抬高2.5伏。

4.根據權利要求1所述的併網逆變器的孤島檢測電路，其特徵在於，第一電阻和第二電阻對採樣電路輸出端的電壓進行分壓，分壓後電壓比分壓前的電壓低0.1伏。

5.一種併網逆變器，其特徵在於，所述併網逆變器中設定有權利要求1至4中任意一項所述的孤島檢測電路。

實施方式

孤島效應大部分為誤操作或自燃因素等原因導致主網掉電而形成的。針對成因《一種併網逆變器及其孤島檢測電路》提出一種通過時實監測電網電壓波動的方法來預防孤島效應的產生。主網掉電必然會引起電網電壓的波動，並聯在電網上的逆變器輸出電壓也會隨之受到影響，瞬間或變高或變低。設計一個監測器來捕抓這個跳變過程來測電網。

監測器原理分析：檢測電路包括採樣電路、比較器組成的信號處理電路和微處理器。採樣電路如圖1所示。從電網上採集的輸入電壓為220伏/50赫茲的交流電，輸入電壓波形如圖2所示。採樣電路把輸入信號衰減為峰峰值小於2.5伏的交流電壓，且將該交流信號抬高2.5伏。輸出信號A點的波形如圖3所示。輸出的信號經過比較器組成的信號處理電路分析處理後送入微處理器，所述微處理器檢測輸入信號的變化，並根據不同的變化控制系統做出相應的回響。

繼續參見圖1，所述採樣電路包括兩個採集端，第一採集端220AC-L和第二採集端220AC-N，且分別連線在第一運放UA的第二引腳2和第三引腳3上，第一採集端220AC-L與第二引腳2之間串聯有多個電阻R；第二採集端220AC-N與第三引腳3之間也串聯有多個電阻R。第三引腳還通過電阻連線2.5伏電壓；第一運放UA的第一引腳1為信號輸出A點，所述第一引腳1還通過電阻反饋回第二引腳上。

採集到點網上的電壓信號後，《一種併網逆變器及其孤島檢測電路》採用兩個比較器對採集到的A點電壓進行分析處理。如圖4為比較器信號處理電路，包括第一電阻R1、第二電阻R2、第二運放A、第三運放B、第一RC電路、第二RC電路、第三RC電路和第四RC電路。第一RC電路由R3和C1以及R5和C2組成；第三RC電路由R4和C3以及R6和C4組成；第四RC電路由R7和C5以及R9和C6組成；第二RC電路由R8和C7以及R10和C8組成。第一RC電路與第四RC電路相同，第二RC電路和第三RC電路相同，第二RC電路與第一RC電路不同。該實施例中電容都是一樣的，第一RC電路中的電阻比第二RC電路中的電阻大。

第一電阻R1和第二電阻R2對A點信號進行分壓，分壓後A點電壓比分壓點B點的電壓高0.1伏。採樣電路輸出端的電壓（即A點）分別經過第一RC電路和第二RC電路對應接入到第二運放A的正輸入端C和第三運放B的負輸入端F；經分壓後的電壓（即圖中B點）分別經過第三RC電路和第四RC電路對應接入到第二運放A的負輸入端D和第三運放B的正輸入端E，第二運放的輸出端和第三運放的輸出端連線到微處理器。

電路監測電網電壓就在於兩個RC電路參數不一樣導致運放輸入端對電壓波動的回響時間不一樣，回響時間為T=R*C。圖中C、E點的回響時間比D、F點的回響時間慢。電網正常工作時電網電壓處於穩定運作狀態，A點電壓高於B點電壓0.1伏，同理C點電壓高於D點電壓0.1伏，F點電壓高於E點電壓0.1伏。第二運放A輸出高電平，第三運放B輸出低電平。

當電網掉電時，若電網上的電壓瞬間變高，A點和B點的電壓突然變高，對於第二運放A：由於C點對A點的回響時間比D點對B點的回響時間慢，所以瞬間D點的電壓升高，而C點的電壓不變，就造成了D點電壓比C點電壓高，導致第二運放A翻轉由高變低。同理，第三運放B中E點對B點的回響比F點對A點的回響時間慢，瞬間F點的電壓升高，E點電壓不變，F點電壓還是比E點電壓高，第三運放B還是保持輸出低電平。

同理，當電網掉電時，若電網上的電壓瞬間變低，A點和B點的電壓突降，對於第三運放B：由於E點對B點的回響比F點對A點的回響慢，瞬間F點的電壓降低，而E點的電壓保持不變，就造成F點電壓低於E點電壓，運放輸出翻轉由低變高。同理分析第二運放A的輸出電壓保持不變輸出高。

所以經過信號處理後，通過監測第二運放A的輸出端OUT1、第三運放B的輸出端OUT2的電平變化可以有效的監測到電網的波動情況。若電網正常運作時，第二運放A的輸出端OUT1輸出為高，第三運放B的輸出端OUT2輸出為低。當電網掉電導致電網電壓突變高時，第二運放A翻轉輸出端OUT1輸出低，第三運放B的輸出端OUT2保持低電平不變。

若電網電壓突降，第三運放B的輸出端OUT2翻轉，輸出高；第二運放A的輸出端OUT1保持不變，輸出高。系統的微處理器MCU對第二運放A的輸出端OUT1、第三運放B的輸出端OUT2的監測過程還應加入一定的算法防止電網上的一些干擾造成誤檢測。

圖5、6為模擬實驗結果的數據波形圖。實驗數據分析：如圖5為電網電壓突變高的電壓數據波形圖。圖5中正弦波形為A點的電壓，以及對應的C、D、OUT1點電壓波形圖。電壓掉電導致電網電壓突變高，突變引起D點電壓回響較快，在T1到T2時間內電壓高於C點，導致運放翻轉，第二運放A的輸出端OUT1在這期間產生一個負脈衝，此過程第三運放B的輸出端OUT2保持輸出底電平。系統捕抓到此跳變就通知系統做回響的處理。

圖6為電網掉電導致電網電壓突降瞬間的電壓數據波形圖。圖中正弦波形為A點的電壓，以及與A點對應時刻的E、F、OUT2各點信號的波形圖。掉電瞬間，第三運放B的第一正輸入端E和第一負輸入端F對電壓突變的反應時間差異導致T1到T2間F點電壓高於E點電壓，導致第三運放B翻轉，第三運放B的輸出端OUT2在這段時間輸出一個高脈衝，此過程第二運放A的輸出端OUT1保持高電平。系統檢測到此跳變判斷電網掉電，通知系統做回響的處理。

實驗結果表明該信號檢測電路能有效的監測電網電壓，從而防止孤島現象的發生。

專利榮譽

2021年6月24日，《一種併網逆變器及其孤島檢測電路》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。