CN102723394A - 一种光伏组件接线盒 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光伏发电技术领域中的一种光伏组件接线盒。该接线盒包括第一光伏组件端子和第二光伏组件端子、光伏电池端子、二极管和光伏组件监控回路，光伏组件监控回路包括热敏电阻、数据处理回路、耦合回路、控制电源和超级电容。本发明将采集的光伏阵列的数据提供给各级控制回路和数据处理中心使用，便于对光伏阵列的管理、检修和维护。

Description

一种光伏组件接线盒

技术领域

本发明属于光伏发电技术领域，尤其涉及一种光伏组件接线盒。

背景技术

光伏发电在全球和我国发展迅速。我国在2011年光伏装机达2.9GW，比2010年增长500%，2012年我国装机预计5GW。全球在2011年光伏装机达24GW，比2010年增长17%，2012年预计26.9GW。

建设光伏电站，光伏组件占总投资40-50%，并且数量巨大。以1MW光伏电站为例，若采用265Wp/36V多晶硅光伏组件，共需要3840块组件。

光伏电站的典型结构如图1所示。除了光伏组件外，并网逆变器是第二类主要设备，其容量一般为500kW或1MW，一个大型光伏电站会配置若干台并网逆变器，由并网逆变器将光伏阵列发出的电能送至电网。

一般需要将一定数目的光伏组件串联达到设计电压范围，可称为光伏组件串，正负端子接至光伏汇流箱，并与其它光伏组件串在光伏汇流箱并联汇流，每个光伏汇流箱一般会连接若干个光伏组件串，可称为光伏阵列。一个功率较大的光伏发电单元一般会包括若干光伏汇流箱，分别汇流各自的光伏阵列。一个光伏发电单元的所有光伏汇流箱输出接至光伏发电单元汇流排，再连接至并网逆变器，将直流电逆变成交流，再经升压变压器将光伏电池产生的电能输出至交流电网。一个光伏电站可能包括若干个光伏发电单元，各光伏发电单元分别与交流电网并联连接，将各自单元所发电能输出至交流电网。

根据实际需要，在光伏汇流箱与并网逆变器之间可能增加一级升压斩波器，将较低直流电压升至较高的直流电压。若一个光伏发电单元中，使用了升压斩波器，有可能省去升压变压器。此时升压斩波器也会与光伏发电单元监控回路通过通信上传运行数据。此时升压斩波器、并网逆变器和升压变压器可合称为功率变换器。

根据实际需要，可能在光伏电站建立气象站，以获取当地光照度、风速等气象数据，作为光伏电站运行控制的参考。

目前在较为先进的光伏电站中，在光伏电站级、光伏发电单元级和光伏汇流箱级都会配置监控回路，即三级监控回路，它们之间建立通信进行数据交换。光伏汇流箱级监控回路可以采集本光伏汇流箱连接的每个光伏组件串的电压和电流数据，以及本光伏汇流箱输出的总电流数据，经过通信链路将数据上传至光伏发电单元监控回路。光伏发电单元监控回路还与本单元的功率变换器通信，获取交流侧和直流侧电压电流数据。最终各光伏发电单元的运行数据经通信上传至光伏电站监控中心（也称光伏电站监控回路）。同时各光伏发电单元监控回路也接收光伏电站监控中心下发的控制命令，调节自身运行以满足上级要求。光伏电站监控中心还与远程监控中心通信，上传运行数据并接收远程控制命令。

一个光伏组件由若干光伏单体电池串并联构成，如图2所示。

目前常用的晶体硅单体电池有125×125mm、156×156mm两种规格尺寸。构成的组件有85W、100W、280W等功率规格。光伏电站一般采用较大功率光伏组件。光伏组件背面有接线盒，结构如图3所示。组件内将一定数目串联的单体光伏电池并联一只旁路二极管，当该串单体光伏电池因遮挡、老化等因素发电不足，为避免产生热斑效应，可使组件电流经旁路二极管流通。根据组件内串联的单体光伏电池数目可并联数量不等的旁路二极管。综合成本和保护效果，目前常用的是每18个单体光伏电池并联一只旁路二极管。旁路二极管安装在接线盒内，并引出光伏组件的正负两个接线端子。图3所示为36只单体光伏电池串联时使用的接线盒，内置两只旁路二极管，与串联的光伏电池固定连接，并提供与其它组件连接的两个外接线端子。

光伏组件异常工况包括故障、老化、遮挡等。目前串联的光伏组件中出现异常的组件通过旁路二极管续流，但是不能判断每个组件实际工况。如何获得所有光伏组件的运行数据，并准确判断出现异常的光伏组件，是提高光伏电站运营效率、维持正常运营的重要工作。

总结已有研究成果，光伏组件工作状态诊断方法有光伏组件巡检方法、红外图像分析方法。

光伏组件巡检方法是对光伏组件的电压、电流数据进行采集，并通过有线或无线载体传输到处理中心，再进行数据分析。文献[光伏电池板巡检系统的研究，李锐，武汉理工大学硕士论文2008]将整个光伏阵列中每一个光伏组件的待测量都集中到一个测量选择电路，并由一个采集处理器进行处理。文献[智能光伏组件的研究，李金刚，江南大学2008]在每一光伏组件接线盒内安装一电压温度采集单元，采集数据的目的用于控制旁路MOS管通断，并提供红外通信通过红外接收仪读取数据，采集单元由光伏组件供电。集中式采集接线太多，容易产生次生故障如短路。分布式处理采用红外通信很不方便，且光伏组件受遮挡时采集单元不能工作。

结合巡检，通过光伏组件和测量传感器的专门排列，以优化传感器配置和快速故障定位，如专利[大型光伏阵列的故障诊断方法201010251723.03]、文献[基于最优传感器配置的光伏阵列故障诊断，中国电机工程学报2011，V32No33]。这类方法旨在减少传感器数量，但对光伏组件安装和传感器配置都有特别要求，施工和维护不便。

红外图像分析方法是利用红外摄像方法采集光伏组件的红外图像，分析组件温度信息，从而判断光伏组件工况。文献[太阳光伏阵列的温度与红外特性分析，王培珍，太阳能学报，2005V26（1）]、文献[光伏阵列故障状态的识别研究，王培珍，合肥工业大学，2005]等都介绍了这种方法。该方法难以在线实时检测，数据汇集和处理不方便。

检索国外专利，专利[US20110282600A1System and method for photovoltaicplant power curve measurement and health monitoring]通过采样整组光伏阵列输出数据用于光伏电站运行监控。专利[US20090182532MONITORING UNIT FORPHOTOVOLTAIC MODULES]和专利[US20110316343A 1PHOTOVOLTAICMODULE WITH INTEGRATED DIAGNOSTICS]分别设计了一种光伏组件监控单元，集成温度传感器、电压电流传感器和无线收到器，前者还集成了移动传感器用于防盗，温度传感器用于监视火灾和光伏组件异常，无线收发器用于通信。此类专利设计了监控单元都使用无线通信，成本和功耗高，并且没有对温度传感器测点进行具体设计，测量数据没有给出明确的用途。

总之，实际投运的光伏电站一般没有配置监控到每只光伏组件级别的管理系统，已经提出的基于巡检或红外图像的光伏组件监控方法由于固有缺陷难以适应实际需要，因此光伏发电单元监控回路和光伏电站监控中心由于数据源信息有限而难以发挥有效的作用。因此本发明提出了新型光伏组件接线盒设计和新型通信方式，以解决光伏电站中数量巨大的光伏阵列管理问题。

发明内容

针对上述背景技术中提到巡检方法数据远传困难和红外方法在线检测困难的不足，本发明提出了一种光伏组件接线盒。

本发明的技术方案是，一种光伏组件接线盒，包括第一光伏组件端子和第二光伏组件端子、光伏电池端子和二极管，用于对光伏组件进行连接和保护，其特征是该系统还包括光伏组件监控回路，光伏组件监控回路包括热敏电阻、数据处理回路、耦合回路、控制电源和超级电容；

所述热敏电阻置于光伏组件上；数据处理回路分别与热敏电阻、光伏电池端子和耦合回路连接；控制电源分别与数据处理回路、耦合回路和超级电容连接；

所述热敏电阻用于采集光伏组件的温度；

所述数据处理回路用于对光伏组件的温度信号和光伏组件的电压信号进行处理；

所述耦合回路用于对来自数据处理回路的信号进行耦合；

所述控制电源为数据处理回路和耦合回路提供电力；

所述超级电容为控制电源提供后备电力。

所述数据处理回路包括信号调理电路、A/D采样电路、微处理器电路、信号调制与解调电路；

所述信号调理电路和A/D采样电路连接；A/D采样电路和微处理器电路连接；微处理器电路和信号调制与解调电路连接；

所述信号调理电路用于将光伏组件的温度信号和光伏组件的电压信号处理为所述A/D采样电路的输入数据；

所述A/D采样电路将模拟信号转换为数字信号；

所述微处理器电路对所述数字信号进行定标和规格化处理；

所述信号调制与解调电路用于将微处理器电路的数据通过耦合回路传送至直流电力线，并将直流电力线上耦合的信号通过耦合电路接收到微处理器电路进行分析。

所述耦合回路包括磁环、直流电力线和耦合线圈；

所述直流电力线穿过磁环，直流电力线的两头分别和第一光伏组件端子和第二光伏组件端子连接；耦合线圈缠绕在磁环上，并且和信号调制与解调电路连接。

所述磁环上有一处气隙，用于避免激磁饱和。

本发明的优点为：

1）新型光伏组件接线盒设计，包括构成光伏组件的单体光伏电池温度、电压数据处理回路和耦合回路。

2）新型光伏组件与光伏汇流箱的数据通信方式。采用专门设计的电流互感器串联耦合回路实现光伏组件接线盒监控回路与光伏汇流箱监控回路的直流电力线载波传输，将各光伏组件运行数据通过光伏汇流箱监控回路汇集后再上传至光伏发电单元监控回路和光伏电站监控中心进一步处理。

附图说明

图1为光伏电站基本构成图；

图2为光伏组件正面图；

图3为常规光伏组件接线盒；

图4为本发明光伏阵列管理系统构成示意图；

图5为本发明光伏组件接线盒构成示意图；

图6为本发明光伏组件接线盒数据处理回路构成示意图；

图7为本发明光伏组件接线盒耦合回路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

光伏阵列管理系统，可定义为通过对光伏组件（简称组件）和由光伏组件构成的光伏阵列（简称阵列）运行参数，包括电压、电流、温度等实时数据进行采集，以及气象站实时采集数据，并结合光伏阵列位置、倾角等安装参数，并定时存入数据库形成历史数据信息。基于实时数据、安装参数和历史数据，利用有效算法，计算光伏阵列最大输出功率并控制并网逆变器运行；判断光伏组件运行工况，是否存在故障、老化、遮挡等异常状况，作为检修和维护参考。

在新能源发电领域，研究较多的有电池管理系统，但是还没有光伏阵列管理系统。

本发明在常规光伏电站结构基础上，设计新型光伏组件接线盒、直流电力载波通信方案和分级数据处理功能，构成性能完善的光伏阵列管理系统。

1.为每只光伏组件设计新型光伏组件接线盒，内部除了包括第一光伏组件端子、第二光伏组件端子和常规旁路二极管，还设计了光伏组件监控回路，其包括热敏电阻、数据处理回路、耦合回路、控制电源和超级电容。该数据处理回路可以采集并处理构成该光伏组件的单体光伏电池板背面温度数据和光伏组件电压数据。根据需要，可以减少单体光伏电池温度采样数量。该数据处理回路通过信号调制与解调处理电路与耦合回路连接，耦合回路与直流电力线连接，将温度和电压数据通过直流电力线传送至光伏汇流箱监控回路，进而传送至各级数据处理中心使用。

2.常规电力线载波通信基于交流电力线，并由变压器与电容构成并联耦合电路通过电力线通信，直流电力线通信也通过类似的处理方式。但是在光伏阵列工况下，为了提高线路利用率，一般光伏组件串仅通过一根电力线串联连接，再回绕通过另一光伏组件串返回光伏汇流箱。在每只光伏组件接线盒内所连接的只是一根电力线，无法使用变压器与电容耦合方式。因此特别设计了由电流互感器构成的串联耦合回路，如果直流电流较大，可以为磁环增加气隙以避免激磁饱和，该耦合电路还解决了绝缘问题。

3.常规光伏电站的监控功能部分一般也会包括光伏汇流箱监控回路、光伏发电单元监控回路与光伏电站监控中心。光伏汇流箱监控回路一般通过采样各光伏组件串的支路电流，从而获得该支路运行状况，此类数据上传至光伏电站监控中心，用于判断出现异常的光伏组件串，但不能判断每只光伏组件的运行状况。本发明通过为每只光伏组件设计带数据采集处理与通信功能的接线盒，将所有光伏组件的运行数据上传至光伏发电单元监控回路并进一步传送至光伏电站监控中心。

图1为典型的光伏电站结构。如图所示，一个光伏电站一般包括气象站和一个光伏电站监控中心和若干光伏发电单元，图中表示有s个光伏发电单元。每个光伏发电单元包括一个光伏发电单元监控回路、功率变换器、光伏发电单元汇流排、若干光伏汇流箱及连接光伏汇流箱的光伏阵列。其中功率变换器又包括升压斩波器、逆变器和升压变压器。若光伏发电单元配置了升压斩波器，可以不用升压变压器，反之，若没有升压斩波器，一般需要升压变压器。

图中配置了p套光伏汇流箱，其输出都与光伏发电单元汇流排连接，将所有光伏阵列发出的电能在光伏发电单元汇流排汇集，再由后续的功率变换器进行功率变换后送入交流电网。每只光伏汇流箱包括光伏汇流箱监控回路、光伏汇流箱汇流排和若干光伏组件串，图中所示为m个光伏组件串并联接入一个光伏汇流箱的汇流排。每个光伏组件串通过一只串联的二极管（D1至Dm）接入光伏汇流箱汇流排，以防止环流。

图中每个光伏组件串由n只光伏组件串联构成，其首尾按正负极性接入一个光伏汇流箱的汇流排。

图2为一只光伏组件的正面示意图，由若干块单体光伏电池串联连接。每块单体光伏电池产生的光生伏特电压约0.6V，由36块单体光伏电池串联可达到21.6V，每只单体光伏电池又由许多单体光伏单元并联构成，使光生电流达到具有实用价值的安培数量级。一只用于光伏电站场合的光伏组件，其峰值功率一般在100Wp-300Wp之间，峰值电压在20-50V之间。

图3为常规光伏组件接线盒构成示意图。在光伏组件的背面安装接线盒，将串联的单体光伏电池正负极输出端子分别接入接线盒的正负端，并引出外接端子方便与其它光伏组件接线。一般光伏组件由36块单体光伏电池串联构成，每18只串联的单体光伏电池并联一只旁路二极管，如图中D1、D2所示。当部分或全部单体光伏电池受遮挡时，与之并联的旁路二极管导通，以减少热斑效应的影响。

图4为光伏阵列管理系统构成示意图，由光伏电站各级设备的监控回路通过一定的通信方式连接起来而构成。每只光伏组件的接线盒内安装光伏组件监控回路，通过内置的信号耦合回路将调制后信号耦合至连接光伏组件串和光伏汇流箱的直流电力线，通过信号解调电路将直流电力线上耦合的信号通过耦合电路接收到微处理器电路进行分析，即利用直流电力线载波通信与安装在光伏汇流箱的光伏汇流箱监控回路进行通信。一只光伏汇流箱监控回路可与该光伏汇流箱所连接的所有光伏组件监控回路通过直流电力线载波进行数据通信，采集所连接的光伏组件运行数据。

一个光伏发电单元内所有光伏汇流箱监控回路通过选定的通信方式将所汇集的光伏组件运行数据和光伏汇流箱运行数据传送至光伏发电单元监控回路，同时接收光伏发电单元发来的控制命令。此时由于光伏汇流箱和光伏发电单元监控回路一般会安装在地理位置较近区域内，布线比较方便，可以选择双绞线、光纤、无线或电力线载波等多种通信方式。

光伏发电单元监控回路除了与连接的光伏汇流箱监控回路通信进行数据交换，还与本光伏发电单元的功率变换器、上级光伏电站监控中心进行数据交换。同样，由于光伏发电单元监控回路和本单元功率变换器、光伏电站监控中心一般会安装在地理位置较近区域内，布线比较方便，可以选择双绞线、光纤、无线或电力线载波等多种通信方式。

光伏电站监控中心除了与各个光伏发电单元监控回路进行数据交换，还要收集气象站数据，并与远程监控中心通信，上传主要运行数据，并接收发来的控制命令。

图5为本发明设计的新型光伏组件接线盒构成示意图。在光伏组件背面的每只单体光伏电池的后面，可以安装热敏电阻，以间接独得每只单体光伏电池温度，在常规光伏组件接线盒（参考图3）基础上，增加光伏组件监控回路。用于采集该光伏组件电压温度运行参数，并通过光伏组件端子连接的直流电力线进行载波通信，以上传所采集的运行参数。

图6为本发明新型光伏组件接线盒数据处理回路构成示意图。将由安装在光伏组件背面的热敏电阻传来的温度信号和由连接在光伏组件端子传来的电压信号送至信号调理电路，信号调理电路用于将光伏组件的温度信号和光伏组件的电压信号处理为A/D采样电路的输入数据；再经A/D采样电路将模拟信号转换为数字信号，并将数字信号送至微处理器电路进行数据的定标和规格化处理，形成有效运行数据。由微处理器电路对数据进行变换后，经信号调制电路将微处理器电路的数据处理为耦合回路的输入数据送至耦合回路，再经直流电力线载波通信上传至光伏汇流箱监控回路；经耦合回路传来的光伏汇流箱监控回路控制命令数据经解调电路解调后送至微处理器电路进行分析，并执行相应命令。由控制电源对由本光伏组件所产生的电能进行变换后向整个监控回路供电，当本光伏组件由于遮挡或故障等原因损坏时无法产生电能，则连接在控制电源的超级电容储能可以维持光伏组件监控回路工作一定时间。

图7为本发明新型光伏组件接线盒耦合回路结构示意图。耦合回路采用电流互感器串联耦合方式，将连接光伏组件的直流电力线穿过电流互感器的磁环后再固定在第一光伏组件端子和第二光伏组件端子上，也即将耦合回路安装在接线盒内部。信号调制与解调电路通过按一致绕向绕在磁环上的耦合线圈将信号耦合至直流电力线上，即在电压较高功率较大的直流电上叠加一微弱的交流信号实现信息远传，可以在电流互感器磁环上增加气隙以减少电流互感器饱和。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种光伏组件接线盒，包括第一光伏组件端子和第二光伏组件端子、光伏电池端子和二极管，用于对光伏组件进行连接和保护，其特征是该系统还包括光伏组件监控回路，光伏组件监控回路包括热敏电阻、数据处理回路、耦合回路、控制电源和超级电容；

所述热敏电阻置于光伏组件上；数据处理回路分别与热敏电阻、光伏电池端子和耦合回路连接；控制电源分别与数据处理回路、耦合回路和超级电容连接；

所述热敏电阻用于采集光伏组件的温度；

所述数据处理回路用于对光伏组件的温度信号和光伏组件的电压信号进行处理；

所述耦合回路用于对来自数据处理回路的信号进行耦合；

所述控制电源为数据处理回路和耦合回路提供电力；

所述超级电容为控制电源提供后备电力。

2.根据权利要求1所述的一种光伏组件接线盒，其特征是所述数据处理回路包括信号调理电路、A/D采样电路、微处理器电路、信号调制与解调电路；

所述信号调理电路和A/D采样电路连接；A/D采样电路和微处理器电路连接；微处理器电路和信号调制与解调电路连接；

所述信号调理电路用于将光伏组件的温度信号和光伏组件的电压信号处理为所述A/D采样电路的输入数据；

所述A/D采样电路将模拟信号转换为数字信号；

所述微处理器电路对所述数字信号进行定标和规格化处理；

所述信号调制与解调电路用于将微处理器电路的数据通过耦合回路传送至直流电力线，并将直流电力线上耦合的信号通过耦合电路接收到微处理器电路进行分析。

3.根据权利要求2所述的一种光伏组件接线盒，其特征是所述耦合回路包括磁环、直流电力线和耦合线圈；

所述直流电力线穿过磁环，直流电力线的两头分别和第一光伏组件端子和第二光伏组件端子连接；耦合线圈缠绕在磁环上，并且和信号调制与解调电路连接。

4.根据权利要求3所述的一种光伏组件接线盒，其特征是所述磁环上有一处气隙，用于避免激磁饱和。

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