CN101950984B - 用于太阳能电池板直流侧信息监控的低成本接口结构及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于太阳能电池板直流侧信息监控的低成本接口结构及方法，在BOOST电路升压二极管后端构造低通滤波器建立高频互联通道，从而利用监控装置与集中型逆变器或组串逆变器连接的公共直流母线进行数字化载波通信，并通过双电容进行信号的耦合，无需使用通信变压器或专用通信线；采用低发射功率电路和数字锁相放大器来处理μV级通信信号，并通过母线纹波电压和母线平均电压实现数字锁相放大器参考信号的同步和通信频率切换，减少直流母线的较长距离传输高频信号带来的天线效应和EMC兼容问题，降低了单个电池板监控通信装置成本，具有良好的应用前景。

Description

用于太阳能电池板直流侧信息监控的低成本接口结构及方法
技术领域
本发明涉及阳能电池板的信息监控技术领域，尤其涉及一种具有低成本的接口结构及方法。
背景技术
在太阳能发电系统中，尤其是组串系统(一般为小功率1-10KW)及组串并联系统(一般为50KW-MW级)中，其系统结构形式如图1所示，由于不同电池板特性差异、不同位置光照辐射差异、阴影遮蔽、污垢和损坏等问题，将引起最大功率电失配而导致系统发电量降低；且由于缺乏单个电池板信息监控，将导致定位故障或缺陷电池板困难、不易维护；因此，单个电池板的直流侧信息监控非常重要。为解决此类问题，美国Enphase公司在文献US20090066357中提出在单个太阳能电池板安装独立的DC/AC模块并网逆变器，并通过交流电力线载波与电池板阵列监控设备进行通信，能够实现包括电池板直流侧信息在内的全部必要信息监控，如图2a所示；美国National Semiconductor公司在文献US 20090284078/US20090284240/US20090284998中采用独立的带有MPPT(Maximum Power Point Tracking)功能的监控模块，通过无线通信方式，与集中型逆变器进行电池板直流侧监控信息的数据传输，如图2b所示。
通过交流电力线载波接口来监控和处理电池板直流侧的数据，其不足之处是，信息通过电力线通信模块和耦合变压器与220V进行交流隔离，易受到电网噪声、衰减和信号反射的影响，其应用成本较高，且在三相电网系统中需要单独的相间耦合器，在单相系统中也需要额外的阻波器以提高通信质量，另外存在多个通信模块同时工作发射功率较大，也可能产生EMC问题；而通过无线通信模块传输直流侧数据，应用成本较高且易受信号屏蔽影响；在大功率光伏电站中，太阳能电池板数量巨大，为提高系统整体发电量、便于监控和维护，降低单个电池板监控通信装置成本意义重大。
发明内容
本发明是针对上述提到的电池板直流侧信息监控存在的问题，提供一种新的接口结构及方法。
本发明通过以下方案实现上述目的：
用于太阳能电池板直流侧信息监控的低成本接口结构，在电池板监控通信装置的BOOST电路后的母线电容CE输出侧连接有一级低通滤波器(LPF)，所述低通滤波器(LPF)的电容CLPF在起到低通滤波作用的同时作为输出串联电容，与其他电池板监控通信装置的相应电容CLPF进行串联；经DAC转换产生的调制信号，经双电容耦合电路送至直流母线，并采用数字锁相放大器进行通信信号的提取。
同时提供一种用于太阳能电池板直流侧信息监控的方法，采用权利要求1所述接口结构，其采用的传输信号为低发射功率的μV级通信信号；采用直流母线纹波信号作为数字锁相放大器所需的同步基准信号。
进一步的，以设定时间窗内(如100ms)母线波动的平均直流电压作为频率切换的指示，实现通信频率切换。
使用带有硬件乘法器和高速ADC的16位或32位微处理器(MCU或DSP)，通过SPWM波形软件算法和R-2R梯形电阻网络，实现高速DAC转换，产生调制正弦信号，经功率放大电路和双电容耦合电路送至直流母线。
在信号解调时，信号通过双电容耦合电路耦合至CPU外围的调理电路，通过抗混叠滤波器将要数字化的信号在不失真前提下将其频率上限限制在采样频率的一半以下，以保证微处理器ADC的采样频率能够满足采样定律，滤波后的模拟信号经ADC转换进入微处理器后，进行数字锁相放大，实现微弱高频通道信号的检测和解调。
本发明在BOOST电路升压二极管后端构造低通滤波器建立高频互联通道，在保持和优化直流串联功能的前提下构造了适合高频信号传输的通道，从而利用监控装置与集中型逆变器或组串逆变器连接的公共直流母线进行数字化载波通信，并通过双电容进行信号的耦合，无需使用通信变压器或专用通信线，降低了额外的专用MODEM芯片和无线通信模块的成本；考虑直流母线的较长距离传输高频信号带来的天线效应和EMC兼容问题，采用低发射功率电路和数字锁相放大器来处理μV级通信信号；信号接收部分采用数字锁相放大器保证对μV级通信信号的有效处理，各监控通信装置的参考信号通过母线纹波电压获得时间窗同步，并使用指定时间窗内母线平均电压进行通信频率切换的指示，实现跳频来避开母线噪声干扰。
附图说明
下面根据实施例和附图对本发明作进一步详细说明。
图1是太阳能发电系统采用的系统结构形式图；
图2a是采用交流电力线载波方式进行信息监控的系统结构图；
图2b采用无线通信方式进行信息监控的系统结构图；
图3是采用本发明所述接口结构的信息监控装置系统结构图；
图4a是采用本发明所述接口结构的信息监控装置低频等效电路图；
图4b是采用本发明所述接口结构的信息监控装置高频等效电路图；
图5是采用本发明所述接口结构的信号接收处理方法示意图。
具体实施方式
如图3所示，本发明在电池板监控通信装置BOOST电路后的母线电容CE输出侧(高频回路等效阻抗
Figure BSA00000296387000041
)，设计增加一级低通滤波器(LPF)和双电容耦合电路，其中，低通滤波器(LPF)的电容CLPF在起到低通滤波作用的同时作为输出串联电容，与其他电池板数据监控通信装置的CLPF进行串联，由于
Figure BSA00000296387000042
其中f代表高频载波频率(或频带)，因此
Figure BSA00000296387000043
从而构成稳定的高频信号通路；低通滤波器(LPF)的电感LLPF在高频状态下，其等效阻抗
Figure BSA00000296387000044
远远大于CLPF的等效阻抗
Figure BSA00000296387000045
从直流母线侧向BOOST电路看过去，近似于断路，因此高频信号通路与前级BOOST电路有较好的阻抗隔离，增强了高频信号通道的稳定性；采用本发明所述接口结构的信息监控装置的低频和高频等效电路分别如图4a和4b所示。同时，与集中型逆变器相连的直流母线不受影响，且由于低通滤波器(LPF)的加入提高了母线直流信号质量。
双电容耦合单元分别跨接在等效的高频直流母线的正负端，载波通信信号使用电容Ccouple进行耦合，最大程度降低耦合变压器成本。同时，差分信号通过双电容耦合单元进入调理电路，高压直流电压不对通信电路造成影响。
在高频通道传输回路中，极性保护二极管(如图2b)一般位于汇流箱内，根据本方明的设计方法，可在二极管侧并联电容构成高频旁路通道，从而使高频通道畅通。LPF滤波器的电感LLPF可为差模电感，也可以为共模电感的差模漏感；LPF滤波器的电容CLPF采用高频无感电容。
考虑直流母线上高频通信信号的EMC问题，应最大限度降低发射功率。专用载波MODEM的频段较固定，易受通带内噪声影响，有较好抗噪声和支路反射能力的OFDM技术其成本又很高。如图5所示，为增强信号的接收能力，本发明提出使用CPU(DSP)直流母线数字锁相放大器进行通信信号的提取。数字锁相放大器对于单一频率的μV级微弱信号有非常优秀的提取能力，优于采用多频段(频率)的专用MODEM(主要调制解调方式有FSK，BPSK或OFDM)。但是使用数字锁相放大器的限制是收发双方必须有相一致的参考信号，且当已选定频率的信号受到母线噪声干扰时，也需要收发双方同时动作，使用其他频段通信，本发明使用母线纹波信号(100Hz包络)作为信号同步的基准信号，由设定时间窗内(如100ms)母线波动的平均直流电压作为频段切换的依据。由于以上2个信号均与全部监控通信装置在低频通道相联，因此可以实现信号的共享(图4a)，保证通信的实时性和可靠性需求。
使用带有硬件乘法器和高速ADC的16位或32位微处理器(MCU或DSP)，通过SPWM波形软件算法和R-2R梯形电阻网络，实现高速DAC转换，产生调制正弦信号，经功率放大电路和双电容耦合电路送至直流母线。在信号解调时，信号通过Ccouple耦合至CPU外围的调理电路，进入ADC进行量化处理，通过抗混叠滤波器将要数字化的信号在不失真前提下将其频率上限限制在采样频率的一半以下，以保证微处理器ADC的采样频率能够满足采样定律。滤波后的模拟信号经ADC转换进入微处理器后，进行数字锁相放大，最后生成输出信号，该信号不含有任何与参考信号不同相位和不同频率的噪声信号成份，最终输出的直流信号幅值与被测信号幅值成正比，从而实现数字锁相放大；直流信号幅值超过一定数值时，则判定调制信号有效，从而实现微弱高频通道信号的检测和解调。
参考信号对于数字锁相放大器识别通信信号至关重要，本发明以母线纹波电压作为同步基准，在纹波过零点为时间窗的开始，n个过零点后为时间窗的终止。且在时间窗开始处计算完成得到的母线平均电压作为通信频率选择的基准，通信频率以数表的形式存储在CPU中。
由于各个监控通信装置CPU在时间窗开始处计算母线平均电压的算法相同，因此均能获得相同的母线平均电压；且母线电压由于后级DC/AC的PID控制是随机变化的，因此高频通道的通信频率也是随机变化的，实现了对于母线特定频率噪声的抗干扰。由此，实现各个监控通信装置的能够严格同步的跳频通信方式，跳频和同步的规则如下表所示，其计算母线时间窗固定为100ms，通信时间窗必须大于2048个调制频率的正弦周期，以上均由CPU软件设定和处理。
Figure BSA00000296387000061
本发明通过双电容进行信号的耦合，无需使用通信变压器或专用通信线，降低了额外的专用MODEM芯片和无线通信模块的成本；采用低发射功率电路和数字锁相放大器来处理μV级通信信号；信号接收部分采用数字锁相放大器保证对μV级通信信号的有效处理，各监控通信装置的参考信号通过母线纹波电压获得时间窗同步，并使用指定时间窗内母线平均电压进行通信频率切换的指示，实现跳频来避开母线噪声干扰。
应该注意，虽然以上是参考具体实施方式对本发明进行说明的，但这并不意味是对本发明的限制，本发明的保护范围是由所附权利要求而不是具体实施方式来限定的。

Claims (7)

1.用于太阳能电池板直流侧信息监控的低成本接口结构，其特征在于：在电池板监控通信装置的BOOST电路后的母线电容CE输出侧连接有一级低通滤波器(LPF)，所述低通滤波器(LPF)的电容CLPF在起到低通滤波作用的同时作为输出串联电容，与其他电池板监控通信装置的相应电容CLPF进行串联；经DAC转换产生的调制信号，经双电容耦合电路送至直流母线，并采用数字锁相放大器进行通信信号的提取。
2.一种用于太阳能电池板直流侧信息监控的方法，采用权利要求1所述接口结构，其特征在于：其采用的传输信号为低发射功率的μV级通信信号。
3.根据权利要求2所述的用于太阳能电池板直流侧信息监控的方法，其特征在于：采用直流母线纹波信号作为数字锁相放大器所需的同步基准信号。
4.根据权利要求2所述的用于太阳能电池板直流侧信息监控的方法，其特征在于：设定时间窗内母线波动的平均直流电压作为频率切换的指示，实现通信频率切换。
5.根据权利要求2至4中任一权利要求所述的用于太阳能电池板直流侧信息监控的方法，其特征在于：使用带有硬件乘法器和高速ADC的16位或32位微处理器，通过SPWM波形软件算法和R-2R梯形电阻网络，实现高速DAC转换，产生调制正弦信号，经功率放大电路和双电容耦合电路送至直流母线。
6.根据权利要求2至4中任一权利要求所述的用于太阳能电池板直流侧信息监控的方法，其特征在于：在信号解调时，信号通过双电容耦合电路耦合至CPU外围的调理电路，通过抗混叠滤波器将要数字化的信号在不失真前提下将其频率上限限制在采样频率的一半以下，以保证微处理器ADC的采样频率能够满足采样定律，滤波后的模拟信号经ADC转换进入微处理器后，进行数字锁相放大，实现微弱高频通道信号的检测和解调。
7.根据权利要求4所述的用于太阳能电池板直流侧信息监控的方法，其特征在于：所述时间窗为100ms。
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Patentee after: JIANGSU MODERN ENERGY MICROGRID SYSTEM Co.,Ltd.

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Patentee before: WUXI MEIKAI ENERGY TECHNOLOGY Co.,Ltd.

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