CN103715983A - 太阳能发电系统的故障检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能发电系统的故障检测装置和方法，其中太阳能发电系统包括多个太阳能电池板组串和光伏逆变器，所述装置包括：多个故障检测单元，包括控制开关，输入端分别与各个太阳能电池板组串连接，输出端与汇流装置的输入端连接，用于检测太阳能电池板组串的相关参数，相关参数包括工作电压和电流、或者开路电压和短路电流；汇流装置，用于汇集每个所述故障检测单元输出的直流电；控制系统，与每个故障检测单元连接，用于对比每个太阳能电池板组串的相关参数和历史参数，分析故障情况，并根据所述故障情况控制控制开关的通断；辅助电源，用于为故障检测单元和控制系统供电。本发明可以直接检测开路电压和短路电流，避免了更换保险丝。

Description

太阳能发电系统的故障检测装置和方法

技术领域

本发明实施例涉及太阳能光伏发电技术，尤其涉及一种太阳能发电系统的故障检测装置和方法。

背景技术

太阳能光伏发电系统是采用太阳能电池板作为光伏逆变器的能量提供单元，通过逆变器逆变成交流电输送到电网上。由于单个太阳能电池板的电压及功率较小，通常将多个太阳能电池板串联起来形成太阳能电池板组串以提高总的输出电压，将多个组串并联起来以提高输出电流，然后通过汇流箱将这些组串汇集起来再送往光伏逆变器，对于大功率逆变器，通常采用多个汇流箱作为汇流装置。

对一个兆瓦级的太阳能光伏发电系统，通常由上万块太阳能电池板组成，通过导线连接成组串。由于牵涉的连接导线数量众多，在安装时难免会有连接不牢固甚至连接错误的地方。另一方面，在使用的过程，由于风沙或雷击等自然灾害，会造成某些太阳能电池板的损坏，这些故障若不能及时检验出来，会对系统造成较大的影响，甚至会造成连锁反应，使故障迅速扩大。

现有技术中，通常采用带防反二极管的智能汇流箱，但智能汇流箱通常只具有支路电流检测及母线电压检测功能，不能检测每个组串的开路电压和短路电流，无法对组串故障做详细分析。而过流保护是通过保险丝实现的，这种方法虽然简单，但却是一次性的，保险丝因暂态故障引起过流熔断的组串在更换保险丝前将无法将能量输送到逆变器。另一方面，由于太阳能电池板铺设的面积很大，汇流箱一般分布放置，保险丝的更换非常繁琐。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种太阳能发电系统的故障检测装置和方法，以检测每个太阳能电池板组串的开路电压和短路电流，解决更换保险丝繁琐的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种太阳能发电系统的故障检测装置，其中所述太阳能发电系统包括多个太阳能电池板组串和光伏逆变器，所述装置包括：

多个故障检测单元，包括控制开关，输入端分别与各个太阳能电池板组串连接，输出端与汇流装置的输入端连接，用于检测相应的太阳能电池板组串的相关参数并输出相应的太阳能电池板组串转换的直流电到汇流装置，所述相关参数包括工作电压和电流、或者开路电压和短路电流；

汇流装置，用于汇集每个所述故障检测单元输出的直流电，并通过电缆与光伏逆变器的输入端连接；

控制系统，与每个故障检测单元连接，用于接收每个故障检测单元检测到的相应太阳能电池板组串的相关参数，并对比每个太阳能电池板组串的相关参数和历史参数，分析故障情况，并根据所述故障情况控制控制开关的通断，以实现太阳能电池板组串与汇流装置的连接或者断开；

辅助电源，用于为多个故障检测单元和控制系统供电。

第二方面，本发明实施例还提供了一种太阳能发电系统的故障检测方法，所述方法包括：

故障检测单元采集相应的太阳能电池板组串的相关参数，并将所述相关参数传输给控制系统，所述相关参数包括工作电压和电流、或者开路电压和短路电流；

控制系统接收每个故障检测单元采集到的相应的太阳能电池板组串的相关参数，并将所述相关参数与相应的太阳能电池板组串的历史参数进行对比，如果任一个太阳能电池板组串的相关参数不正常，则判定所述任一个太阳能电池板组串出现故障，发送第一控制信号给故障检测单元；

所述故障检测单元接收所述第一控制信号，并根据所述第一控制信号断开控制开关，以断开有故障的太阳能电池板组串与汇流装置的连接；

所述控制系统对有故障的太阳能电池板组串不断进行巡检，记录相关数据，如果所述有故障的太阳能电池板组串恢复正常，则发送第二控制信号给所述故障检测单元；

所述故障检测单元接收所述第二控制信号，并根据所述第二控制信号闭合所述控制开关，以恢复所述有故障的太阳能电池板组串与汇流装置的连接，继续发电。

本发明实施例提供的太阳能发电系统的故障检测装置和方法，通过故障检测单元采集相应的太阳能电池板组串的相关参数，所述相关参数包括工作电压和电流或者开路电压和短路电流，并将所述相关参数传送给控制系统，由控制系统对所述相关参数进行分析并与历史参数进行对比，分析故障情况，根据故障情况控制故障检测单元的控制开关的闭合与断开实现太阳能电池板组串与汇流装置的连接与断开，从而实现太阳能电池板组串在太阳能发电系统中的连接与断开，可以直接采集开路电压和短路电流，通过控制开关实现太阳能电池板组串与太阳能发电系统的连接与断开，避免了更换保险丝的麻烦。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的太阳能发电系统的故障检测装置的示意图；

图2是本发明第二实施例提供的太阳能发电系统的故障检测装置的示意图；

图3是本发明实施例提供的太阳能发电系统的故障检测装置中的一个故障检测单元的示意图；

图4是本发明实施例提供的太阳能发电系统的故障检测装置中的另一个故障检测单元的示意图；

图5是本发明第三实施例提供的太阳能发电系统的故障检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

图1示出了本发明的第一实施例。

图1是本发明第一实施例提供的太阳能发电系统的故障检测装置的示意图，其中所述太阳能发电系统包括多个太阳能电池板组串和光伏逆变器，如图1所示，本实施例提供的太阳能发电系统的故障检测装置包括多个故障检测单元110、汇流装置120、控制系统130和辅助电源140。

其中，所述太阳能发电系统中的多个太阳能电池板组串用于采集太阳能并将太阳能转换成直流电；光伏逆变器用于将直流电转换成交流电。

多个故障检测单元110包括控制开关，输入端分别与各个太阳能电池板组串连接，输出端与汇流装置的输入端连接，用于检测相应的太阳能电池板组串的相关参数并输出相应的太阳能电池板组串转换的直流电到汇流装置，所述相关参数包括工作电压和电流，或者开路电压和短路电流。每个太阳能电池板组串配备一个故障检测单元，以检测与每个故障检测单元连接的相应的太阳能电池板组串的相关参数，同时经输出端输出该太阳能电池板组串转换的直流电到汇流装置。

汇流装置120用于汇集每个所述故障检测单元输出的直流电，并通过电缆与光伏逆变器的输入端连接。其中，电缆也即总线电路BUS。汇流装置汇集经过故障检测单元的太阳能电池板组串输出的直流电，使得所有输出可以直接连接到光伏逆变器上。

控制系统130与每个故障检测单元连接，用于接收每个故障检测单元检测到的相应太阳能电池板组串的相关参数，并对比每个太阳能电池板组串的相关参数和历史参数，分析故障情况，并根据所述故障情况控制控制开关的通断，以实现太阳能电池板组串与汇流装置的连接与断开。控制系统通过对每个太阳能电池板组串的相关参数和历史参数的对比分析，确定是否出现故障及故障情况。当某个太阳能电池板组串的相关参数超过系统要求（可以通过历史参数得到）时，比如过流、过压或者电流反灌等，都认为该太阳能电池板组串出现了故障。当在一次检测时，发现某个太阳能电池板组串出现故障，则断开控制开关，断开所述太阳能电池板组串与汇流装置的连接，从而将该太阳能电池板组串从太阳能发电系统中切除，避免引起其他相关组件的故障；当再进行检测时，该出现故障的太阳能电池板组串的各相关参数恢复正常，则该太阳能电池板组串恢复正常，闭合控制开关，恢复该太阳能电池板组串的发电，以避免资源的浪费。这种故障可以称为短时故障。

辅助电源140用于为多个故障检测单元和控制系统供电。辅助电源为所有故障检测单元和控制系统提供工作电压，以确保故障检测单元和控制系统的正常工作。

本实施例通过故障检测单元采集相应的太阳能电池板组串的相关参数，所述相关参数包括工作电压和电流或者开路电压和短路电流，并将所述相关参数传送给控制系统，由控制系统对所述相关参数进行分析并与历史参数进行对比，分析故障情况，根据故障情况控制故障检测单元的控制开关的闭合或者断开实现太阳能电池板组串与汇流装置的连接或者断开，从而实现太阳能电池板组串在太阳能发电系统中的连接或者断开，可以直接采集开路电压和短路电流，通过控制开关实现太阳能电池板组串与汇流的连接或者断开，避免了更换保险丝的麻烦。

图2示出了本发明的第二实施例。

图2是本发明第二实施例提供的太阳能发电系统的故障检测装置的示意图，本实施例提供的太阳能发电系统的故障检测装置在第一实施例的基础上增加了通讯系统和上位机，如图2所示，本实施例提供的太阳能发电系统的故障检测装置包括多个故障检测单元210、汇流装置220、控制系统230、辅助电源240、通讯系统250和上位机260。

其中，多个故障检测单元210、汇流装置220、控制系统230和辅助电源240的功能及连接关系与第一实施例中相应组件的功能及连接关系相同，这里不再赘述。

通讯系统250的输入端与所述控制系统连接，输出端与所述上位机连接，用于实现所述控制系统和所述上位机之间的通讯。

上位机260用于监控所述控制系统的工作状态，当有太阳能电池板组串出现故障时启动报警装置进行报警。这里的故障是指不能直接恢复的故障，也可以称为永久故障，在出现永久故障时启动报警，通知相关工作人员对出现故障的太阳能电池板组串进行修复。

本实施例提供的太阳能发电系统的故障检测装置在第一实施例的基础上增加了通讯系统和上位机，通过通讯系统实现控制系统与上位机之间的通讯，并可以使工作人员通过上位机直观地了解到控制系统的工作状态，当出现的故障为永久故障时，上位机进行报警通知相关工作人员，以使得有故障的太阳能电池板组串得到及时的修复。

图3是本发明实施例提供的太阳能发电系统的故障检测装置中的一个故障检测单元的示意图。如图3所示，所述故障检测单元包括开关管Q1、继电器K1、电流采样电路U1和电压采样电路U2。图3中的悬空端分别与控制系统的相应端口连接。

其中，所述开关管Q1的漏极与相应太阳能电池板组串PV的正极连接于第一节点P1，所述开关管Q1的源极与相应太阳能电池板组串PV的负极连接于第二节点P2，所述开关管Q1的栅极（图中悬空的）与所述控制系统（图中未示出）连接；所述电流采样电路U1连接于相应太阳能电池板组串PV的正极与所述第一节点P1之间，用于采集相应太阳能电池板组串PV的电流，所述电流包括工作电流或者短路电流；所述电压采样电路U2连接于所述第一节点P1与所述第二节点P2之间，用于采集相应太阳能电池板组串PV的电压，所述电压包括工作电压或者开路电压；所述继电器K1连接于所述第一节点P1与所述汇流装置之间，且与所述控制系统连接，用于实现所述控制开关的功能。其中，开关管由MOS管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应管）实现，开关管Q1的栅极也即控制端与所述控制系统连接，接收控制系统的信号控制开关管Q1的通断，当施加在控制端的电压为高电平时开关管闭合，当施加在控制端的电压为低电平时开关管断开；所述电流采样电路可以由霍尔电流传感器实现；所述电压采样电路可以由差分电路实现。

需要说明的是，开关管Q1也可以采用IGBT（Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管）、三极管、继电器等器件，而继电器K1也可以使用IGBT，三极管、MOS管等器件。

正常工作时，继电器K1处于闭合状态，太阳能电池板组串PV通过继电器K1直接连接到汇流装置，开关管Q1处于断开状态，电流采样电路U1和电压采样电路U2将采集到的信息传送到控制系统进行处理。

通常，在一个太阳能发电系统中，每个太阳能电池板组串所用的太阳能电池是一样的，数量及电气连接也是相同的，也是就是说在整体上每个太阳能电池板组串的参数应该是一致的。设太阳能电池板组串工作电流最小值为I1，最大值为I2，各太阳能电池板组串在某个周期内平均电流为IAV，平均电流允许误差△I。当控制系统检测到某个太阳能电池板组串工作电流在I1与I2之间，且在IAV±△I内，则认为该太阳能电池板组串工作正常；若电流小于IAV-△I，或者小于I1,则认为该太阳能电池板组串有问题，将断开对应的继电器，从而断开该太阳能电池板组串与汇流装置的连接，对该太阳能电池板组串进行故障检测；如电流大于I2，则认为过流，也将断开对应的继电器，断开该太阳能电池板组串与汇流装置的连接，对该太阳能电池板组串进行故障检测。

故障检测的过程如下：当对应太阳能电池板组串PV的继电器断开时，该太阳能电池板组串PV与汇流装置断开连接，由于太阳能电池板组串PV并未与其他电路或装置相连接，此时太阳能电池板组串PV处于开路状态，通过电压采样电路U2可以获得该太阳能电池板组串PV的开路电压VOC。当控制开光管Q1闭合时，该太阳能电池板组串PV正负端通过开关管Q1被短接，此时通过电流采样电路U1可以检测到流经导线的电流，获得短路电流ISC参数。通过多次巡检获得VOC和ISC参数，根据太阳能电池板组串故障的不同，其对应的VOC和ISC参数也会不同，可以通过对VOC和ISC参数的分析获得太阳能电池板组串故障类型。如果只是短时故障，故障排除后，VOC和ISC参数将恢复正常，控制系统控制继电器闭合，重新将能量输送到汇流装置。而现有技术中，广泛使用的智能汇流箱通常采用保险丝作为故障保护装置，一旦有过流故障，将会将保险丝烧断，在不更换保险丝前，该组串将一直与汇流装置断开；即使只是短时故障，也无法迅速恢复发电，浪费资源，由于汇流箱分布在光伏电场的各个地方，更换保险丝也是比较繁重的工作。本发明实施例提供的太阳能发电系统的故障检测装置中的故障检测单元利用控制系统控制继电器的开关，避免了更换保险丝的麻烦，同时在出现短时故障时，可以在故障消除后直接恢复发电。

优选的，图4是本发明实施例提供的太阳能发电系统的故障检测装置中的另一个故障检测单元的示意图，如图4所示，所述故障检测单元还包括二极管D1，所述二极管D1连接于所述电流采样电路U1和所述第一节点P1之间。通过增加二极管D1可以直接避免电流反灌。

优选的，所述控制系统包括控制芯片，所述控制芯片包括单片机或者数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）；所述电流采样电路的输出端和所述电压采样电路的输出端分别与所述控制芯片的A/D（模数转换）端口连接。通过向控制芯片里加载相应的程序实现控制系统的功能，控制芯片通过AD端口采集电流采样电路和电压采样电路的相关参数，通过模数转换，对所述相关参数进行分析。

优选的，所述装置还包括母线电压采样电路，所述母线电压采样电路连接于所述汇流装置的输出端的正极和负极之间，并将采集到的母线电压传输给所述控制系统。通过母线电压采样电路可以直接采集到母线上的电压，并由控制系统结合其他相关参数进行分析，以确保准确性。

图5示出了本发明的第三实施例。

图5是本发明第三实施例提供的太阳能发电系统的故障检测方法的流程图，本实施例提供的太阳能发电系统的故障检测方法由第一实施例提供的太阳能发电系统的故障检测装置实现，该方法具体包括如下步骤：

步骤510，故障检测单元采集相应的太阳能电池板组串的相关参数，并将所述相关参数传输给控制系统。

其中，所述相关参数包括工作电压和电流、或者开路电压和短路电流。

步骤520，控制系统接收每个故障检测单元采集到的相应的太阳能电池板组串的相关参数，并将所述相关参数与相应的太阳能电池板组串的历史参数进行对比，如果任一个太阳能电池板组串的相关参数不正常，则判定所述任一个太阳能电池板组串出现故障，发送第一控制信号给故障检测单元。

步骤530，所述故障检测单元接收所述第一控制信号，并根据所述第一控制信号断开控制开关，以断开有故障的太阳能电池板组串与汇流装置的连接。

步骤540，所述控制系统对有故障的太阳能电池板组串不断进行巡检，记录相关数据，如果所述有故障的太阳能电池板组串恢复正常，则发送第二控制信号给所述故障检测单元。

所述控制系统不断接收故障检测单元采集到的相关参数，通过所述相关参数对有故障的太阳能电池板组串不断进行巡检，当相关参数恢复正常时，则表明该太阳能电池板组串恢复正常，控制系统发生第二控制信号给所述故障检测单元。

步骤550，所述故障检测单元接收所述第二控制信号，并根据所述第二控制信号闭合所述控制开关，以恢复所述有故障的太阳能电池板组串与汇流装置的连接，继续发电。

本实施例通过故障检测单元采集相应的太阳能电池板组串的相关参数，并将所述相关参数传送给控制系统，由控制系统对所述相关参数进行分析并与历史参数进行对比，分析故障情况，根据故障情况控制故障检测单元的控制开关的闭合与断开实现太阳能电池板组串与汇流装置的连接或者断开，从而实现太阳能电池板组串在太阳能发电系统中的连接或者断开，当出现短时故障时可以通过控制开关实现太阳能电池板组串与汇流装置的连接或者断开，避免了更换保险丝的麻烦。

优选的，在第一实施例的基础上，太阳能发电系统的故障检测方法还包括：所述控制系统将太阳能电池板组串的相关参数及故障情况通过通讯系统上传给上位机，并接收上位机通过通讯系统下发的控制指令；上位机分析所述故障情况，如果所述故障情况不是短时故障则启动报警装置进行报警，其中，短时故障指太阳能电池板组串通过一次检测出现故障，再检测时故障恢复。该技术方案通过通讯系统实现控制系统与上位机之间的通信，并由上位机监控控制系统的工作状态，随时做出分析，当太阳能电池板出现永久故障时，进行报警，以使得该太阳能电池板得到及时的修复。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种太阳能发电系统的故障检测装置，其中所述太阳能发电系统包括多个太阳能电池板组串和光伏逆变器，其特征在于，所述装置包括：

多个故障检测单元，包括控制开关，输入端分别与各个太阳能电池板组串连接，输出端与汇流装置的输入端连接，用于检测相应的太阳能电池板组串的相关参数并输出相应的太阳能电池板组串转换的直流电到汇流装置，所述相关参数包括工作电压和电流、或者开路电压和短路电流；

汇流装置，用于汇集每个所述故障检测单元输出的直流电，并通过电缆与光伏逆变器的输入端连接；

控制系统，与每个故障检测单元连接，用于接收每个故障检测单元检测到的相应太阳能电池板组串的相关参数，并对比每个太阳能电池板组串的相关参数和历史参数，分析故障情况，并根据所述故障情况控制控制开关的通断，以实现太阳能电池板组串与汇流装置的连接或者断开；

辅助电源，用于为多个故障检测单元和控制系统供电。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括上位机和通讯系统；

通讯系统的输入端与所述控制系统连接，输出端与所述上位机连接，用于实现所述控制系统和所述上位机之间的通讯；

上位机用于监控所述控制系统的工作状态，当有太阳能电池板组串出现故障时启动报警装置进行报警。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述故障检测单元包括开关管、继电器、电流采样电路和电压采样电路；

所述开关管的漏极与相应太阳能电池板组串的正极连接于第一节点，所述开关管的源极与相应太阳能电池板组串的负极连接于第二节点，所述开关管的栅极与所述控制系统连接；

所述电流采样电路连接于相应太阳能电池板组串的正极与所述第一节点之间，用于采集相应太阳能电池板组串的电流，所述电流包括工作电流或者短路电流；

所述电压采样电路连接于所述第一节点与所述第二节点之间，用于采集相应太阳能电池板组串的电压，所述电压包括工作电压或者开路电压；

所述继电器连接于所述第一节点与所述汇流装置之间，且与所述控制系统连接，用于实现所述控制开关的功能。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述故障检测单元还包括二极管，所述二极管连接于所述电流采样电路和所述第一节点之间。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述控制系统包括控制芯片，所述控制芯片包括单片机或者数字信号处理器；

所述电流采样电路的输出端和所述电压采样电路的输出端分别与所述控制芯片的模数转换端口连接。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括母线电压采样电路，所述母线电压采样电路连接于所述汇流装置的输出端的正极和负极之间，并将采集到的母线电压传输给所述控制系统。

7.一种太阳能发电系统的故障检测方法，其特征在于，所述方法包括：

故障检测单元采集相应的太阳能电池板组串的相关参数，并将所述相关参数传输给控制系统，所述相关参数包括工作电压和电流、或者开路电压和短路电流；

控制系统接收每个故障检测单元采集到的相应的太阳能电池板组串的相关参数，并将所述相关参数与相应的太阳能电池板组串的历史参数进行对比，如果任一个太阳能电池板组串的相关参数不正常，则判定所述任一个太阳能电池板组串出现故障，发送第一控制信号给故障检测单元；

所述故障检测单元接收所述第一控制信号，并根据所述第一控制信号断开控制开关，以断开有故障的太阳能电池板组串与汇流装置的连接；

所述控制系统对有故障的太阳能电池板组串不断进行巡检，记录相关数据，如果所述有故障的太阳能电池板组串恢复正常，则发送第二控制信号给所述故障检测单元；

所述故障检测单元接收所述第二控制信号，并根据所述第二控制信号闭合所述控制开关，以恢复所述有故障的太阳能电池板组串与汇流装置的连接，继续发电。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述控制系统将太阳能电池板组串的相关参数及故障情况通过通讯系统上传给上位机，并接收上位机通过通讯系统下发的控制指令；

上位机分析所述故障情况，如果所述故障情况不是短时故障则启动报警装置进行报警，其中，短时故障指太阳能电池板组串通过一次检测出现故障，再检测时故障恢复。

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