CN103280768A

CN103280768A - 一种应用于光伏汇流箱中的灭弧装置和灭弧方法

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Publication number: CN103280768A
Application number: CN2013101917386A
Authority: CN
Inventors: 肖慧明; 肖新元; 刘胥和; 何强
Original assignee: HUNAN SINGYES SOLAR TECHNOLOGY Co Ltd; HUNAN XINGYE GREEN ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd; ZHUHAI SINGYES ENERGY SAVING TECHNOLOGY Co Ltd; ZHUHAI SINGYES OPTO-ELECTRICAL TECHNOLOGY Co Ltd; Zhuhai Singyes Renewable Energy Technology Co Ltd; Zhuhai Singyes Green Building Technology Co Ltd
Current assignee: Hunan Anhuayuan Power Technology Co ltd; Hunan Singyes Solar Technology Co ltd; Hunan Xingye Green Energy Co ltd; Shuifa Xingye Energy Zhuhai Co ltd; Zhuhai Xingye Energy Saving Science And Technology Co ltd; Zhuhai Singyes Green Building Technology Co Ltd
Priority date: 2013-05-22
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-05-22
Also published as: CN103280768B

Abstract

本发明涉及一种应用于光伏发电汇流箱中的灭弧装置，具体包括光伏负极汇流排、光伏专用熔断器、光伏专用二极管、光伏正极汇流排依次电气连接构成的汇流支路，以及包括电阻分压模块、电压比较模块、定时器模块、信号处理模块、RS485通讯模块、二输入或门、驱动电路模块、IGBT模块构成的检测和控制电路；以及利用上述装置进行汇流箱灭弧的方法。

Description

一种应用于光伏汇流箱中的灭弧装置和灭弧方法

技术领域

本发明涉及一种应用于光伏发电领域，特别是应用于光伏发电汇流箱中的安全保护。

背景技术

在传统能源日益枯竭的情况下，光伏发电技术得到了广泛的应用和长足的发展。光伏汇流箱在光伏电站现场实现了汇流、保护、电压电流采集、数据通讯等功能，是光伏电站中的重要前端设备。光伏汇流箱从只有汇流、防雷等简单功能发展到具有数据采集、通讯等功能取得了巨大的进步。

大型光伏电站中的光伏汇流箱主要承担光伏方阵汇流的功能，工作在高压直流的环境中。在正常运行时，如果汇流支路中的一路光伏阵列线端由于电缆线老化、破裂等发生火花型尖端放电，导致产生持续直流电弧，这种直流电弧能量比较大，能轻易烧坏线缆甚至金属物。

随着光伏汇流箱频频起火，极大地威胁光伏电站的资产安全，其上述所述功能已不能满足光伏发电的安全要求，光伏汇流箱需要更加智能的“灭火”能力。而目前还未有应用于光伏发电中的，能够智能地保护汇流箱，消除电火花的装置公开。

发明内容

为了解决汇流箱中智能保护的技术问题，本发明提供了一种应用于光伏汇流箱中的高压直流保护装置。

一种应用于光伏汇流箱中的高压直流灭弧装置，

包括光伏负极汇流排、光伏专用熔断器、光伏专用二极管、光伏正极汇流排依次电气连接构成了汇流支路；

包括电阻分压模块、电压比较模块、定时器模块、信号处理模块、RS485通讯模块、二输入或门、驱动电路模块、IGBT模块构成了检测和控制电路；

该灭弧装置的连接方式为：

光伏负极汇流排与汇流支路光伏方阵负极连接；

汇流支路光伏方阵正极依次与光伏专用熔断器、光伏专用二极管的正极连接，光伏专用二极管的负极与光伏正极汇流排连接；

电阻分压模块的两个输入端分别连接光伏专用二极管的正、负极，输出端连接电压比较模块；

电压比较模块的一个输出端连接定时器模块，另一个输出端连接信号处理模块的一个输入端；定时器模块的输出端和信号处理模块的一个输出端分别接入二输入或门的两个输入端；

二输入或门的输出端连接驱动电路模块，驱动电路模块输出端与IGBT模块连接，IGBT的两个输出端分别连接汇流支路光伏方阵的正极和负极；

信号处理模块的另一个输入端和另一个输出端分别与RS485通讯模块连接，实现双向通讯；

RS485通讯模块与上位机连接。

所述电阻分压模块包括大功率电阻、防反二极管，利用电阻分压原理分别对光伏专用二极管的阳极、阴极进行电压采集。

所述电压比较模块包括电压比较器、二极管、三极管及电压比较模块中的相关电阻电容，将电阻分压模块采样的电压与预先设定的阈值电压进行比较。

所述定时器模块包括555定时芯片、二极管、三极管、及定时器模块中的相关电阻电容，电压比较器模块输出高电平触发使能定时器模块，定时器模块启动并启用定时功能，定时器模块保持输出方波；电压比较器模块输出低电平禁止触发定时器模块，定时器模块保持输出低电平。

所述信号处理模块包括DSPIC33系列数字信号控制器、光耦、TTL逻辑电平转换芯片及信号处理模块中的相关电阻电容。

二输入或门包括二极管、二输入或门中的电阻电容。

驱动电路模块包括由NPN、PNP三极管，二极管，驱动电路模块中的电阻构成的图腾柱输出电路。

IGBT模块包括绝缘栅双极晶体管、稳压管及IGBT模块中的相关电阻电容。

RS485通讯模块以MAX485收发器为处理中心，MAX485收发器在信号处理模块的控制下按照RS485串行通讯协议标准完成通讯信号收发功能。

一种使用高压直流灭弧装置进行高压直流灭弧的方法，步骤包括：

光伏方阵在正常运行时，汇流支路中光伏专用二极管正常导通，光伏专用二极管阳极电压，即汇流支路光伏方阵正极电压高于光伏专用二极管阴极电压，即光伏正极汇流排电压，电压比较器输出低电平，禁止触发定时器模块；

相反，汇流支路光伏方阵出现电弧，光伏专用二极管阳极电压，即汇流支路光伏方阵正极电压低于光伏专用二极管阴极电压，即光伏正极汇流排电压，电压比较模块输出高电平；电压比较模块输出的高电平触发使能定时器模块，定时器模块启动并启用定时功能，定时器输出方波，且在高电平时通过二输入或门、驱动电路模块控制IGBT模块处于开通状态，汇流支路光伏方阵正极与负极短路，光伏专用二极管处于反向截止状态，汇流支路光伏方阵输出电压迅速下降接近0V，不能维持火花型尖端放电状态。

信号处理模块根据从电压比较器获取的高或低电平信号通过软件判断汇流支路的运行状态，通过RS485通讯模块将运行状态传送至上位机，上位机通过RS485模块控制汇流支路的工作是否汇流接入光伏方阵。

进一步，光伏方阵在正常运行时，汇流支路中光伏专用二极管正常导通，光伏专用二极管阳极电压，即汇流支路光伏方阵正极电压高于光伏专用二极管阴极电压，即光伏正极汇流排电压，电压比较器输出低电平，禁止触发定时器模块，此时灭弧装置处于正常工作状态；

相反，汇流支路光伏方阵出现电弧，光伏专用二极管阳极电压，即汇流支路光伏方阵正极电压低于光伏专用二极管阴极电压，即光伏正极汇流排电压，电压比较模块输出高电平；电压比较模块输出高电平触发使能定时器模块，定时器模块启动并启用定时功能，定时器输出方波，并维持一个预定的时间T；此时，电压比较模块输出的高电平代表汇流支路已产生电弧，电压比较模块还将该高电平输入至信号处理模块，由信号处理模块处理识别后，通过RS485通讯模块将产生电弧的信息传递给上位机，上位机根据信息处理和识别，获知此时汇流支路产生了电弧；

如果用户认为定时器模块中持续的时间T满足消除电弧的需要，此时上位机采取默认动作，通过RS485通讯模块发送信号，使得信号处理模块向二输入或门输入低电平0信号，从而使得二输入或门的输出受定时器模块的控制，即此时二输入或门输出通过驱动电路模块控制IGBT模块处于开通状态，汇流支路光伏方阵正极与负极短路，光伏专用二极管处于反向截止状态，汇流支路光伏方阵输出电压迅速下降接近0V，不能维持火花型尖端放电状态，此时灭弧装置处于消除电弧状态，并维持T时间；

如果用户认为定时器模块中持续的时间T不能满足消除电弧的需要，此时或预先操作上位机动作，选择恰当的持续时间t，并通过RS485通讯模块将t时间信号传送给信号处理模块，使得信号处理模块经过信息处理后，输出至二输入或门的信号维持高电平t时间，从而通过驱动电路模块使得IGBT模块处于开通状态t时间，即保证消除电弧状态维持t时间，其中t>T。

附图说明

图1为光伏发电汇流箱中的高压直流灭弧电路（汇流箱保护装置）的结构示意图。

图2为电阻分压模块电路结构示意图。

图3为电压比较器模块电路结构示意图。

图4为定时器模块电路结构示意图。

图5为信号处理模块电路结构示意图。

图6为RS485通讯模块电路结构示意图。

图7为二输入或门电路结构示意图。

图8为IGBT模块电路结构示意图。

如图所示。

1是光伏负极汇流排；2是光伏阵列；3是光伏专用熔断器；4是光伏专用二极管；5是光伏正极汇流排；6是电阻分压模块；是定时器模块；10是RS485通讯模块；11是二输入或门；12是驱动电路模块；13是IGBT模块；

具体实施方式

按照附图1将光伏负极汇流排1、光伏专用熔断器3、光伏专用二极管4、光伏正极汇流排5依次电气连接，构成了汇流支路电路。

按照附图将电阻分压模块6、

定时器模块9、RS485通讯模块10、二输入或门11、驱动电路模块12、IGBT模块13依次电气连接，构成了检测和控制电路。

电阻分压模块由大功率电阻、防反二极管组成，利用电阻分压原理分别对光伏专用二极管的阳极、阴极进行电压采集，获取的电压信号送到电压比较器模块。

电压比较器模块由电压比较器、二极管、三极管及相关电阻电容构成，对电阻分压模块采样的电压进行比较，获取的高低电平信号送到信号处理模块和定时器模块。

定时器模块由555定时芯片、二极管、三极管、及相关电阻电容构成。定时器模块输出信号送到二输入或门。电压比较器模块输出高电平触发使能定时器模块，定时器模块启动并启用定时功能，定时器模块保持输出方波；电压比较器模块输出低电平禁止触发定时器模块，定时器模块保持输出低电平。

信号处理模块由DSPIC33系列数字信号控制器、光耦、TTL逻辑电平转换芯片及相关电阻电容构成,DSPIC33系列数字信号控制器的输入端口检测比较器的输出电压，并可以通过RS485通讯模块实现上位机控制。

RS485通讯模块以MAX485收发器为处理中心。MAX485收发器在信号处理模块的控制下按照RS485串行通讯协议标准完成通讯信号收发功能。

二输入或门由二极管、电阻电容构成，二输入或门输出信号送到驱动电路模块。

驱动电路模块。驱动电路模块由NPN和PNP三极管、二极管、电阻等构成的图腾柱输出电路。

IGBT模块有IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、稳压管及相关电阻电容电路构成。

光伏发电方阵在正常运行时，汇流支路中光伏专用二极管4正常导通，光伏专用二极管阳极电压（汇流支路光伏方阵2正极电压）高于光伏专用二极管阴极电压（光伏正极汇流排5电压），电压比较器输出低电平，禁止触发定时器模块。相反，光伏发电方阵中汇流支路出现拉弧，光伏专用二极管4阳极电压（汇流支路光伏方阵2正极电压）低于光伏专用二极管4阴极电压（光伏正极汇流排5电压），电压比较器输出高电平。

电压比较器模块输出高电平触发使能定时器模块，定时器模块启动并启用定时功能，定时器输出方波，且在高电平时通过二输入或门、驱动电路模块控制IGBT模块处于开通状态，汇流支路光伏方阵2正极与负极短路，光伏专用二极管4处于反向截止状态，汇流支路光伏方阵2输出电压迅速下降接近0V，不能维持火花型尖端放电状态。

信号处理模块输入端口从电压比较器获取的高低电平信号，并通过软件判断汇流支路的运行状态，可以通过RS485通讯模块传送至上位机。上位机也可以通过RS485模块控制汇流支路的工作是否汇流接入光伏方阵。例如上位机通过RS485通讯模块发送信号，使得信号处理模块向二输入或门输入低电平0信号，从而使得二输入或门的输出受定时器模块的控制，即此时二输入或门输出通过驱动电路模块控制IGBT模块处于开通状态，汇流支路光伏方阵正极与负极短路，光伏专用二极管处于反向截止状态，汇流支路光伏方阵输出电压迅速下降接近0V，不能维持火花型尖端放电状态，此时保护装置处于消除电弧状态。

以上述方案为基础，还可以做进一步的改进。例如，

光伏方阵在正常运行时，汇流支路中光伏专用二极管4正常导通，光伏专用二极管阳极电压（汇流支路光伏方阵2正极电压）高于光伏专用二极管阴极电压（光伏正极汇流排5电压），电压比较器输出低电平，禁止触发定时器模块。此时保护装置处于正常工作状态。相反，光伏方阵中汇流支路出现拉弧，光伏专用二极管阳极电压（汇流支路光伏方阵正极电压）低于光伏专用二极管阴极电压（光伏正极汇流排电压），电压比较器输出高电平。电压比较器模块输出高电平触发使能定时器模块，定时器模块启动并启用定时功能，定时器输出方波，并维持一个预定的时间T（T可以预先设定，例如30ms），从而防止短暂消除后又电弧再次出现。此时，电压比较模块输出高电平，该高电平代表汇流支路已产生电弧。电压比较模块还将高电平输入至信号处理模块，由信号处理模块处理识别后，通过RS485通讯模块将产生电弧的信息传递给上位机，上位机根据信息处理和识别，获知此时汇流支路产生了电弧。

如果用户认为定时器模块中持续的时间T满足消除电弧的需要，无需用户动作，此时上位机采取默认动作，通过RS485通讯模块发送信号，使得信号处理模块向二输入或门输入低电平0信号，从而使得二输入或门的输出受定时器模块的控制，即此时二输入或门输出通过驱动电路模块控制IGBT模块处于开通状态，汇流支路光伏方阵正极与负极短路，光伏专用二极管处于反向截止状态，汇流支路光伏方阵输出电压迅速下降接近0V，不能维持火花型尖端放电状态。此时装置处于消除电弧状态。

如果用户认为定时器模块中持续的时间T不能满足消除电弧的需要，可以此时或预先操作上位机动作，选择恰当的持续时间t（t可以由用户设定，例如100ms），并通过RS485通讯模块将信号传送给信号处理模块，使得信号处理模块经过信息处理后，输出至二输入或门的信号维持高电平1信号t时间。从而通过驱动电路模块使得IGBT模块处于开通状态t时间，即保证消除电弧状态维持t时间。

更进一步的，在上位机收到信号处理模块通过RS485通讯模块发送来的产生电弧的信号后，上位机记录收到该信号的时间，并将之与前次收到产生电弧的信号的记录时间相比较，如果两个时间间隔小于L时间（L可以由用户设定，例如1秒），则判断出现较严重故障，此时上位机向用户报故障，并记录故障信息（例如出现该故障的时间等），并一直维持信号处理模块输出高电平，使得IGBT模块一直处于开通状态，即一直维持消除电弧的状态，直到用户重新向上位机输入复位命令，使得信号处理模块向二输入或门输出低电平0信号。

更进一步的，在上位机收到信号处理模块通过RS485通讯模块发送来的产生电弧的信号后，上位机记录收到该信号的时间，并将之与前次收到产生电弧的信号的记录时间相比较，如果两个时间间隔小于L时间（L可以由用户设定，例如1秒），则判断可能出现较严重故障，此时上位机记录错误次数N=1，但并不强制维持整个装置处于消除电弧的状态（即不强制维持信号处理模块输出高电平，使得IGBT模块一直处于开通状态），而是由用户选择而操作上位机动作或按上位机默认动作进行。如果系统恢复正常（即保护装置处于正常工作状态）后，再次产生电弧，并且时间间隔小于L时间，此时更新上位机记录错误的次数N=2,如此循环，当N=n（n由用户设定，例如3）时，确认此时出现了严重故障，向用户报故障信息，并记录故障信息（例如故障出现的时间），并一直维持信号处理模块输出高电平，使得IGBT模块一直处于开通状态，即一直维持消除电弧的状态，直到用户重新向上位机输入复位命令，使得信号处理模块向二输入或门输出低电平0信号，此时N清零。

更进一步的，上位机统计故障信息，并统计一段时间内故障出现的规律（例如出现频率），提供给用户，以作为维护、更新的参考。

通过上述技术方案，可以使得系统判断电弧产生更加准确，灭弧更加彻底，防止由于外部其他原因导致的误判断，同时也防止该保护系统频繁地在正常工作状态和消除电弧状态切换，并且具有良好的交互性、扩展性和适应性，能够在不过多的改变装置已有结构的情况下，适应更多的应用场合需要，同时使得汇流箱更加安全、更加智能。

Claims

1.一种应用于光伏汇流箱中的灭弧装置，其特征在于：

该灭弧装置的连接方式为：

光伏负极汇流排与汇流支路光伏方阵负极连接；

RS485通讯模块与上位机连接。

2.一种如前述任意一项权利要求所述的应用于光伏汇流箱中的灭弧装置，其特征在于：所述电阻分压模块包括大功率电阻、防反二极管，利用电阻分压原理分别对光伏专用二极管的阳极、阴极进行电压采集。

3.一种如前述任意一项权利要求所述的应用于光伏汇流箱中的灭弧装置，其特征在于：所述电压比较模块包括电压比较器、二极管、三极管及电压比较模块中的相关电阻电容，将电阻分压模块采样的电压与预先设定的阈值电压进行比较。

4.一种如前述任意一项权利要求所述的应用于光伏汇流箱中的灭弧装置，其特征在于：所述定时器模块包括555定时芯片、二极管、三极管、及定时器模块中的相关电阻电容，电压比较器模块输出高电平触发使能定时器模块，定时器模块启动并启用定时功能，定时器模块保持输出方波；电压比较器模块输出低电平禁止触发定时器模块，定时器模块保持输出低电平。

5.一种如前述任意一项权利要求所述的应用于光伏汇流箱中的灭弧装置，其特征在于：所述信号处理模块包括DSPIC33系列数字信号控制器、光耦、TTL逻辑电平转换芯片及信号处理模块中的相关电阻电容。

6.一种如前述任意一项权利要求所述的应用于光伏汇流箱中的灭弧装置，其特征在于：二输入或门包括二极管、二输入或门中的电阻电容。

7.一种如前述任意一项权利要求所述的应用于光伏汇流箱中的灭弧装置，其特征在于：驱动电路模块包括由NPN、PNP三极管，二极管，驱动电路模块中的电阻构成的图腾柱输出电路。

8.一种如前述任意一项权利要求所述的应用于光伏汇流箱中的灭弧装置，其特征在于：IGBT模块包括绝缘栅双极晶体管、稳压管及IGBT模块中的相关电阻电容。

9.一种如前述任意一项权利要求所述的应用于光伏汇流箱中的灭弧装置，其特征在于：RS485通讯模块以MAX485收发器为处理中心，MAX485收发器在信号处理模块的控制下按照RS485串行通讯协议标准完成通讯信号收发功能。

10.一种使用权利要求1-9任意一项的灭弧装置进行汇流箱灭弧的方法，其特征在于：

11.如权利要求10所述的一种进行汇流箱灭弧的方法，其特征在于：信号处理模块根据从电压比较器获取的高或低电平信号通过软件判断汇流支路的运行状态，通过RS485通讯模块将运行状态传送至上位机，上位机通过RS485模块控制汇流支路的工作是否汇流接入光伏方阵。

12.一种使用权利要求1-9任意一项的灭弧装置进行汇流箱灭弧的方法，其特征在于：

光伏方阵在正常运行时，汇流支路中光伏专用二极管正常导通，光伏专用二极管阳极电压，即汇流支路光伏方阵正极电压高于光伏专用二极管阴极电压，即光伏正极汇流排电压，电压比较器输出低电平，禁止触发定时器模块，此时灭弧装置处于正常工作状态；

如果用户认为定时器模块中持续的时间T不能满足消除电弧的需要，预先操作上位机动作，选择恰当的持续时间t，并通过RS485通讯模块将t时间信号传送给信号处理模块，使得信号处理模块经过信息处理后，输出至二输入或门的信号维持高电平t时间，从而通过驱动电路模块使得IGBT模块处于开通状态t时间，即保证消除电弧状态维持t时间，其中t>T。