CN102291052B - 太阳能光伏系统及其能量采集优化方法和故障检测方法 - Google Patents

太阳能光伏系统及其能量采集优化方法和故障检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种太阳能光伏系统，包括：多个光伏组件，用于采集太阳能产生直流电；多个微优化器，输入端分别与各个光伏组件相连接且输出端彼此串联连接，用于对各个光伏组件的输出电流和/或输出电压进行优化，以产生最大的功率；管理器，与多个微优化器通信，用于管理各个微优化器的工作状态；逆变器，与一串或者多串微优化器相连接，用于将优化后的直流电转换为交流电并网输出。本发明还提供一种太阳能光伏系统的能量采集优化方法和和故障检测方法。本发明的太阳能光伏系统采集每一个光伏组件产生的最大功率，输出固定的直流电压，可以在同一光伏系统中使用不同型号和额定功率甚至不同厂商和材料的光伏组件。

Description

太阳能光伏系统及其能量采集优化方法和故障检测方法
技术领域
本发明涉及太阳能光伏技术领域，具体来说，本发明涉及一种太阳能光伏系统及其能量采集优化方法和故障检测方法。
背景技术
太阳能光伏组件通常串联提高电压后输入逆变器，产生交流电并入电网或供电器使用。串联的光伏组件的输出电流受最低电流的光伏组件限制，而不能从每个光伏组件获得最多的能量。
光伏组件的输出电压随光照条件变化，范围很大。现在通常的逆变器设计为可以支持大范围输入电压。由于转换效率随输入电压的变化而变化，逆变器的总体转换效率比在最佳电压点的低。另外，大的输入电压变动会增大元件的应力，影响逆变器的可靠性和寿命。
串联光伏系统的维护也很困难，任何一个光伏组件的失效会造成成串的组件失效，确定失效组件的工作困难而成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种太阳能光伏系统及其能量采集优化方法和故障检测方法，能够输出固定的直流电压，同时可以使每个太阳能光伏组件的能量采集得到优化，产生最大的功率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种太阳能光伏系统，包括：
多个光伏组件，用于采集太阳能产生直流电；
多个微优化器，其输入端分别与各个光伏组件相连接并且其输出端彼此串联连接，用于对所述各个光伏组件的输出电流和/或输出电压进行优化，以产生最大的功率；
管理器，与所述多个微优化器通信，用于管理各个所述微优化器的工作状态；以及
逆变器，与一串或者多串所述微优化器相连接，用于将优化后的直流电转换为交流电并网输出。
可选地，所述微优化器包括：
输入检测电路，与所述微优化器的输入端相连接，用于检测输入到所述微优化器的电流和/或电压参数；
输出检测电路，与所述微优化器的输出端相连接，用于检测输出所述微优化器的电流和/或电压参数；
最大功率点跟踪电路，与所述输入检测电路相连接，用于根据输入到所述微优化器的电流和/或电压参数对所述光伏组件作最大功率点跟踪，产生需要的电流和/或电压控制要求；
控制电路，分别与所述输入检测电路、输出检测电路和最大功率点跟踪电路相连接，用于根据所述电流和/或电压控制要求产生控制信号；
电力转换电路，分别与所述微优化器的输入端、输出端以及所述控制电路相连接，用于接收所述控制信号，对来自所述光伏组件的输入电流作升压或者降压转换；以及
通信电路，分别与所述输出检测电路和控制电路相连接，用于接收所述管理器的管理指令并转发给所述控制电路，或者将输入电流、输入电压、输入功率、输出电流、输出电压、输出功率或者微优化器温度反馈给所述管理器。
可选地，多串所述微优化器共用一台所述管理器，或者每一串所述微优化器分别使用一台所述管理器。
可选地，所述管理器通过无线通信技术或者电力线通信技术与所述微优化器通信。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种太阳能光伏系统的能量采集优化方法，包括步骤：
A.管理器分别读取每串微优化器需要的串输出电压；
B.所述微优化器对光伏组件作最大功率点跟踪，使所述光伏组件提供最大的功率；
C.所述微优化器检测输入电流和/或输入电压参数，并且计算获得的输入功率；
D.所述微优化器根据所述输入功率计算获得的输出功率；
E.所有微优化器将所述输出功率传送到所述管理器；
F.所述管理器根据所述微优化器的编号，将所述输出功率的数据分成每串一组；
G.所述管理器计算每串微优化器输出功率的总和；
H.将当次时间获得的所述输出功率的总和与上一次时间获得的所述输出功率的总和进行比较，如果变化不大于一阈值，返回上述步骤E，否则进入步骤I；
I.所述管理器计算每串所述微优化器需要的串输出电流；
J.所述管理器将所述需要的串输出电流传送到每个光伏组件对应的所述微优化器，作为管理指令；
K.所述微优化器接收所述管理指令，控制其电力转换电路作直流-直流转换，使所述串输出电流达到要求；
L.返回上述步骤B，使所述过程循环进行。
可选地，每串所述微优化器输出功率的计算公式为：
Po(T)＝k*Pi(T)
其中，Po(T)为每串所述微优化器的输出功率，Pi(T)为每串所述微优化器的输入功率，k为设定的功率转换效率。
可选地，所述功率转换效率为一接近1的常量，或者为每串所述微优化器的输入功率的变量。
可选地，每串所述微优化器需要的串输出电流的计算公式为：
Im(T)＝Pm(T)/Vc
其中，Im(T)为每串所述微优化器需要的串输出电流，Pm(T)为每串微优化器输出功率的总和，Vc为每串所述微优化器需要的串输出电压。
可选地，每串所述微优化器需要的串输出电压为手动输入所述管理器，或者由所述管理器自动检测与每串所述微优化器相连的逆变器或者直流电网获取的。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种太阳能光伏系统的故障检测方法，包括步骤：
a.各个微优化器将各自的输入参数、输出参数传送给管理器；
b.所述管理器对所述输出参数进行处理并作分析；
c.判断所述输出参数有无异常，如果所述输出参数无异常，则返回上述步骤b，否则进入步骤d；
d.所述管理器对所述输入参数进行处理并作分析；
e.判断所述输入参数有无异常，如果所述输入参数无异常，则认定所述微优化器有故障，否则认定与之相连的光伏组件有故障；
f.发出故障报警信息。
可选地，所述输入参数、输出参数包括：所述各个微优化器的输入电流、输入电压、输入功率、输出电流、输出电压和输出功率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的太阳能光伏系统采集每一个光伏组件产生的最大功率，可以在同一光伏系统中使用不同型号和额定功率甚至不同厂商和材料的光伏组件。
本发明允许光伏组件安装在不同条件下，如光照、温度、角度等，简化光伏系统的设计。
本发明微优化器串的输出电压可以根据不同的系统要求自由设置，可以自由设置向逆变器输出的固定直流电压，优化逆变器的性能。
本发明还可以随时检测每一个光伏组件和微优化器的性能和故障。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1为本发明一个实施例的太阳能光伏系统的模块结构示意图；
图2为本发明一个实施例的太阳能光伏系统的微优化器的内部模块结构示意图；
图3为本发明一个实施例的太阳能光伏系统的能量采集优化方法的流程图；
图4为本发明一个实施例的太阳能光伏系统的故障检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述地其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
图1为本发明一个实施例的太阳能光伏系统的模块结构示意图。如图所示，该太阳能光伏系统100可以包括多个光伏组件101、多个微优化器102、管理器103以及逆变器104。其中，多个光伏组件101用于采集太阳能产生直流电；多个微优化器102的输入端分别与各个光伏组件101相连接并且其输出端彼此串联连接，用于对各个光伏组件101的输出电流和/或输出电压进行优化，以产生最大的功率；管理器103与多个微优化器102通信，用于管理各个微优化器102的工作状态；逆变器104与一串或者多串微优化器102相并联连接，用于将优化后的直流电转换为交流电并网输出。管理器103可以通过无线通信技术或者电力线通信技术与微优化器102通信。可以多串微优化器102共用一台管理器103，或者每一串微优化器102分别使用一台管理器103。微优化器102的输出为固定电压的直流电，也可以直接接直流电网，供直流电器使用。
图2为本发明一个实施例的太阳能光伏系统的微优化器的内部模块结构示意图。如图所示，该微优化器102可以包括输入检测电路201、输出检测电路202、最大功率点跟踪电路203、控制电路204、电力转换电路205以及通信电路206。其中，输入检测电路201与微优化器102的输入端相连接，用于检测输入到微优化器102的电流和/或电压参数；输出检测电路202与微优化器102的输出端相连接，用于检测输出微优化器102的电流和/或电压参数；最大功率点跟踪电路203与输入检测电路201相连接，用于根据输入到微优化器102的电流和/或电压参数对光伏组件101作最大功率点跟踪，产生需要的电流和/或电压控制要求；控制电路204分别与输入检测电路201、输出检测电路202和最大功率点跟踪电路203相连接，用于根据电流和/或电压控制要求产生控制信号；电力转换电路205分别与微优化器102的输入端、输出端以及控制电路204相连接，用于接收控制信号，对来自光伏组件101的输入电流作升压或者降压转换；通信电路206分别与输出检测电路202和控制电路204相连接，用于接收管理器103的管理指令并转发给控制电路204，或者将数据反馈给管理器103，包括输入电流、输入电压、输入功率、输出电流、输出电压、输出功率或者微优化器温度等。
在本实施例中，微优化器102通过输入检测电路201、电力转换电路205、输出检测电路202、控制电路204和最大功率点跟踪电路203的环形控制，实现最大的输入功率。类似地，微优化器102通过输出检测电路202、控制电路204、电力转换电路205的环形控制使输出电流达到需要的输出值。
图3为本发明一个实施例的太阳能光伏系统的能量采集优化方法的流程图。如图所示，该太阳能光伏系统的能量采集优化方法可以包括步骤：
执行步骤S301，管理器103分别读取每串微优化器102需要的串输出电压Vc；其中该串输出电压Vc为所接逆变器的输入电压，或者所接直流电网的电压；这个串输出电压Vc可以为手动输入管理器103，或者由管理器103自动检测与每串微优化器102相连的逆变器104或者直流电网获取的；
执行步骤S302，微优化器102对光伏组件101作最大功率点跟踪，使光伏组件101提供最大的功率；
执行步骤S303，微优化器102检测输入电流和/或输入电压参数，并且计算获得的输入功率Pi(T)，T为当次检测的时间；
执行步骤S304，微优化器102根据输入功率Pi(T)计算获得的每串微优化器102输出功率Po(T)，其具体计算公式为：
Po(T)＝k*Pi(T)
其中，Po(T)为每串微优化器102的输出功率，Pi(T)为每串微优化器102的输入功率，k为设定的功率转换效率，一般为一接近1的常量或者为每串微优化器102的输入功率Pi(T)的变量；
执行步骤S305，所有微优化器102将输出功率Po(T)传送到管理器103；
执行步骤S306，管理器103根据安装太阳能光伏系统100时存储的微优化器102的编号，将输出功率Po(T)的数据分成每串一组；
执行步骤S307，管理器103计算每串微优化器102输出功率Po(T)的总和Pm(T)＝sum(Po(T))；
执行步骤S308，将当次检测时间T获得的输出功率的总和Pm(T)与上一次时间T-1获得的输出功率的总和Pm(T-1)进行比较，如果变化不大于一阈值A，执行步骤S309，微优化器102保持原电流控制，然后返回上述步骤S305，否则进入步骤S310；
执行步骤S310，管理器103计算每串微优化器102需要的串输出电流Im(T)，其具体计算公式为：
Im(T)＝Pm(T)/Vc
其中，Im(T)为每串微优化器102需要的串输出电流，Pm(T)为每串微优化器102输出功率Po(T)的总和，Vc为每串微优化器102需要的串输出电压；
执行步骤S311，管理器103将需要的串输出电流Im(T)传送到每个光伏组件101对应的微优化器102，作为管理指令；
执行步骤S312，微优化器102接收管理指令，控制其电力转换电路205作直流-直流转换，使串输出电流Im(T)达到要求；然后返回上述步骤S302，使过程循环进行。
图4为本发明一个实施例的太阳能光伏系统的故障检测方法的流程图。如图所示，该太阳能光伏系统的故障检测方法可以包括步骤：
执行步骤S401，各个微优化器102将各自的输入参数、输出参数传送给管理器103，其中输入参数、输出参数包括各个微优化器102的输入电流、输入电压、输入功率、输出电流、输出电压和输出功率等；
执行步骤S402，管理器103对输出参数进行处理并作分析；
执行步骤S403，判断输出参数有无异常，如果输出参数无异常，则返回上述步骤S402，否则进入步骤S404；
执行步骤S404，管理器103对输入参数进行处理并作分析；
执行步骤S405，判断输入参数有无异常，如果输入参数无异常，则执行步骤S406，认定微优化器102有故障；否则执行步骤S407，认定与之相连的光伏组件101有故障；
执行步骤S408，发出故障报警信息。
本发明的太阳能光伏系统安装包括连接微优化器和光伏组件、连接微优化器的输出、连接管理器与微优化器的通信等。在安装过程中，微优化器的编号、串编号和串电压存放在管理器记忆体中，供以后系统控制分析使用。其他安装参数，如光伏组件编号、光伏组件位置、方向和倾角等也可以存放在管理器记忆体中，供以后系统控制分析使用。
微优化器可以在全新光伏系统安装时安装，也可以加装在现有的光伏系统上。对于已有的光伏系统，由于微优化器串的总输出电压可以由管理器决定，所以现有的逆变器仍可使用。
本发明的太阳能光伏系统采集每一个光伏组件产生的最大功率，可以在同一光伏系统中使用不同型号和额定功率甚至不同厂商和材料的光伏组件。
本发明允许光伏组件安装在不同条件下，如光照、温度、角度等，简化光伏系统的设计。
本发明微优化器串的输出电压可以根据不同的系统要求自由设置，可以自由设置向逆变器输出的固定直流电压，优化逆变器的性能。
本发明还可以随时检测每一个光伏组件和微优化器的性能和故障。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太阳能光伏系统，包括：
多个光伏组件（101），用于采集太阳能产生直流电；
多个微优化器（102），其输入端分别与各个光伏组件（101）相连接并且其输出端彼此串联连接，用于对所述各个光伏组件（101）的输出电流和/或输出电压进行优化，以产生最大的功率；
管理器（103），与所述多个微优化器（102）通信，用于管理各个所述微优化器（102）的工作状态；以及
逆变器（104），与一串或者多串所述微优化器（102）相连接，用于将优化后的直流电转换为交流电并网输出；
其中，所述微优化器（102）包括：
输入检测电路（201），与所述微优化器（102）的输入端相连接，用于检测输入到所述微优化器（102）的电流和/或电压参数；
输出检测电路（202），与所述微优化器（102）的输出端相连接，用于检测输出所述微优化器（102）的电流和/或电压参数；
最大功率点跟踪电路（203），与所述输入检测电路（201）相连接，用于根据输入到所述微优化器（102）的电流和/或电压参数对所述光伏组件（101）作最大功率点跟踪，产生需要的电流和/或电压控制要求；
控制电路（204），分别与所述输入检测电路（201）、输出检测电路（202）和最大功率点跟踪电路（203）相连接，用于根据所述电流和/或电压控制要求产生控制信号；
电力转换电路（205），分别与所述微优化器（102）的输入端、输出端以及所述控制电路（204）相连接，用于接收所述控制信号，对来自所述光伏组件（101）的输入电流作升压或者降压转换；以及
通信电路（206），分别与所述输出检测电路（202）和控制电路（204）相连接，用于接收所述管理器（103）的管理指令并转发给所述控制电路（204），或者将输入电流、输入电压、输入功率、输出电流、输出电压、输出功率或者微优化器温度反馈给所述管理器（103）。
2.根据权利要求1所述的太阳能光伏系统，其特征在于，多串所述微优化器（102）共用一台所述管理器（103），或者每一串所述微优化器（102）分别使用一台所述管理器（103）。
3.根据权利要求1所述的太阳能光伏系统，其特征在于，所述管理器（103）通过无线通信技术或者电力线通信技术与所述微优化器（102）通信。
4.一种太阳能光伏系统的能量采集优化方法，包括步骤：
A．管理器分别读取每串微优化器需要的串输出电压；
B．所述微优化器对光伏组件作最大功率点跟踪，使所述光伏组件提供最大的功率；
C．所述微优化器检测输入电流和/或输入电压参数，并且计算获得的输入功率；
D．所述微优化器根据所述输入功率计算获得的输出功率；
E．所有微优化器将所述输出功率传送到所述管理器；
F．所述管理器根据所述微优化器的编号，将所述输出功率的数据分成每串一组；
G．所述管理器计算每串微优化器输出功率的总和；
H．将当次时间获得的所述输出功率的总和与上一次时间获得的所述输出功率的总和进行比较，如果变化不大于一阈值，返回上述步骤E，否则进入步骤I；
I．所述管理器计算每串所述微优化器需要的串输出电流；
J．所述管理器将所述需要的串输出电流传送到每个光伏组件对应的所述微优化器，作为管理指令；
K．所述微优化器接收所述管理指令，控制其电力转换电路作直流-直流转换，使所述串输出电流达到要求；
L．返回上述步骤B，使所述过程循环进行。
5.根据权利要求4所述的能量采集优化方法，其特征在于，每串所述微优化器输出功率的计算公式为：
Po(T)=k*Pi(T)
其中，Po(T)为每串所述微优化器的输出功率，Pi(T)为每串所述微优化器的输入功率，k为设定的功率转换效率。
6.根据权利要求5所述的能量采集优化方法，其特征在于，所述功率转换效率为一接近1的常量，或者为每串所述微优化器的输入功率的变量。
7.根据权利要求6所述的能量采集优化方法，其特征在于，每串所述微优化器需要的串输出电流的计算公式为：
Im(T)=Pm(T)/Vc
其中，Im(T)为每串所述微优化器需要的串输出电流，Pm(T)为每串微优化器输出功率的总和，Vc为每串所述微优化器需要的串输出电压。
8.根据权利要求7所述的能量采集优化方法，其特征在于，每串所述微优化器需要的串输出电压为手动输入所述管理器，或者由所述管理器自动检测与每串所述微优化器相连的逆变器或者直流电网获取的。
9.一种太阳能光伏系统的故障检测方法，包括步骤：
a．各个微优化器将各自的输入参数、输出参数传送给管理器；
b．所述管理器对所述输出参数进行处理并作分析；
c．判断所述输出参数有无异常，如果所述输出参数无异常，则返回上述步骤b，否则进入步骤d；
d．所述管理器对所述输入参数进行处理并作分析；
e．判断所述输入参数有无异常，如果所述输入参数无异常，则认定所述微优化器有故障，否则认定与之相连的光伏组件有故障；
f．发出故障报警信息。
10.根据权利要求9所述的故障检测方法，其特征在于，所述输入参数、输出参数包括：所述各个微优化器的输入电流、输入电压、输入功率、输出电流、输出电压和输出功率。
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