CN104506135A

CN104506135A - 一种高效率的光伏组件功率优化器

Info

Publication number: CN104506135A
Application number: CN201510038737.7A
Authority: CN
Inventors: 朱建国; 杨惠坤
Original assignee: Shenzhen Winline Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Winline Technology Co Ltd
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2015-04-08

Abstract

本申请的优化器包括控制器、DC/DC变换器、电流传感器、电压传感器、半导体电子开关K1、K2、K3和K4以及通讯接口等。控制器采样光伏组件电压和电流的数据，以及采样DC/DC变换器输出电压和电流的数据，根据采样的数据实时计算组件最大输出功率最后控制器发出PWM信号驱动DC/DC变换器进行能量转换。控制器还根据采样电流和电压数据，判断光伏组件的子串和组件是否存在异常，当出现故障时，故障子串或组件被旁路。由此提高光伏发电系统发电量，有效避免光伏组件故障或者组件子串故障导致整个光伏组串失效的情况。

Description

一种高效率的光伏组件功率优化器

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及光伏组件应用技术领域。

背景技术

光伏发电系统大部分是通过将光伏电池组件串联/并联组成光伏阵列，光伏阵列输出经汇流箱、直流配电柜汇流到光伏并网逆变器的直流母线，逆变器将直流转换成交流经变压器输出到电网。

光伏发电系统最大发电效率是由逆变器对整个光伏阵列进行最大功率点跟踪MPPT(maximum power point tracking)控制来实现。光伏电池组件参数的离散性，光伏电池板安装角度的不一致性，阴影、遮挡、灰尘、温度及老化等诸多因素都会导致光伏电池组件输出不匹配，限制了光伏发电系统发挥最大发电效率。

为了获得最大的输出功率，目前通常在集中式的逆变器中设置最大功率点跟踪MPPT控制，但逆变器多路输入使用同一个MPPT，无法识别串、并联支路中各光伏组件的差异，更不可能对光伏组件之间的差异进行平衡，出现串、并联失配所致严重的功率损耗。

另一种途径是使用分布式光伏功率优化控制系统。例如采用光伏功率优化器直接附加于每个光伏组件后，包括中央控制器、通信模块、光伏组件，所述光伏组件采用多路串联、并联，每个所述光伏组件与对应功率优化器相连，光伏组件输出经功率优化器变换后再串、并联连接输出。所述中央控制器连接所述通信模块，与光伏功率优化器通信，实现光伏系统总体协调、分布式控制。其能够最大限度提高系统的能源输出，并且通过通信模块能够同中央控制器进行数据通信。直接针对单个组件做最大功率追踪，使光伏组件输出最大功率，并将结果传给中央控制器。中央控制器接收每个优化器发出的光伏组件的工作参数，并监测到受遮蔽光伏组件的电压、电流状况，在运算和综合的基础上，按照系统功率最优化的策略，来协调各光伏组件的输出电压和电流，并使每串光伏组件的直流母线电压相等。该控制方法可以保证每个光伏模块工作在最佳工作点，但是无法避免由于单个组件失效导致的相应组串无法工作的问题。

CN201420219519公开了一种带有太阳能功率优化器的光伏发电阵列，如图1所示，包括N个光伏电池组件，光伏电池组件串并联构成阵列，每个光伏电池组件的输出端和一个功率优化器并联，m个光伏电池组件所并联的m个功率优化器的正负端依序相连串接，构成一个光伏电池组件串。N/m个光伏电池组件串的串接的功率优化器首尾端并联相接组成带有太阳能功率优化器的光伏发电阵列。其中功率优化器由信号采集模块、MPPT模块、驱动电路模块以及DC/DC电路模块组成。本申请中每个光伏电池组件都接有一个功率优化器，独立进行最大功率追踪，减少集中式MPPT太阳能光伏发电系统中部分阴影遮挡造成的功率损失，大幅提高光伏阵列发电效率，但是无法避免由于单个组件失效导致的相应组串无法工作的问题。

发明内容

为了克服光伏组件输出不匹配导致发电量降低以及单个组件失效导致相应组串无法工作的问题，本发明提供了一种保证每个光伏电池组件最大限度输出功率，并且能够智能旁路故障组件的光伏组件功率优化器。

本发明的技术方案：光伏组件功率优化器在光伏系统的安装位置如图2所示，优化器的输入为光伏组件的三个子串(也适用于其它数量子串的光伏组件)，多个优化器输出串联构成一个组串，连接到汇流箱的输入端，构成光伏阵列。

本发明的光伏组件功率优化器，包括采样单元、控制判断单元、旁路光伏子串单元、旁路光伏组件单元，其中：

采样单元，采样光伏组件及优化器中DC/DC变换器的输出电流、电压数据；

控制判断单元，根据采样单元采样的电压和电流数据实时计算光伏组件最大输出功率，最终发出PWM信号驱动优化器中的DC/DC变换器进行能量转换，还根据采样单元采样的电压和电流数据判断光伏子串、光伏组件是否发生故障；

旁路光伏子串单元，光伏子串发生故障时旁路掉故障光伏子串；

旁路光伏组件单元，光伏组件发生故障时旁路掉故障光伏组件。

采样单元包括电流传感器CT1、CT2、电压传感器VT1、VT2、VT3、VT4；控制判断单元包括控制器；旁路光伏子串单元和旁路光伏组件单元包括多个半导体电子开关。

光伏组件包括三个光伏子串，各子串电压分别为Us1、Us2、Us3，三个子串分别对应子串短路的半导体电子开关K1、K2、K3，半导体电子开关K1、K2、K3与控制器输入端相连，控制器一输出端与半导体电子开关K4相连，光伏组件与DC/DC变换器输入端相连，半导体开关K4与DC/DC变换器两输出端相连。

图3为光伏组件优化器的原理框图，主要部件包括控制器、DC/DC变换器，电流传感器CT1、CT2，电压传感器VT1、VT2、VT3、VT4，半导体电子开关K1、K2、K3和K4，通讯接口等。

采样单元采样光伏组件输出电压Ui和电流Ii的数据，并采样DC/DC变换器输出电压Uo和电流Io的数据，控制器根据采样的数据实时计算组件最大输出功率，计算方法可以是任意一种MPPT算法，最后控制器发出PWM信号驱动DC/DC变换器进行能量转换。

控制器根据采样的组件子串电压Us1、Us2、Us3和电流Ii的数据，判断光伏组件的子串是否存在异常，当子串出现故障时，相应子串短路开关(K1、K2、K3)闭合，故障子串被旁路。

控制器根据采样的光伏组件子串电压Us1、Us2、Us3、电流Ii，DC/DC变换器输出电压Uo、输出电流Io等数据，判断光伏组件是否存在异常，如果控制器确认组件故障，K4闭合，同时DC/DC变换器停止工作，故障光伏组件被旁路。

DC/DC变换器的电路拓扑可以是LLC谐振变换器、BUCK变换器、BOOST变换器、BUCK-BOOST变换器、反激变换器、正激变换器等各种高效率DC/DC变换器。

DC/DC变换器工作时，模拟光伏电池输出特性，因此输出为电流源模式。

通讯接口为RS485、CAN、RS232、ZIGBEE或以太网等，通讯内容包括光伏组件运行状态、优化器工作状态，以及上位机对优化器进行调度和控制。

本发明的光伏组件功率优化器充分优化每个光伏组件输出功率，提高光伏发电系统发电量，有效避免光伏组件故障或者组件子串故障导致整个光伏组串失效的情况，并且具备远程监控光伏组件运行状态等优点。

附图说明

图1现有技术中带有光伏优化器的光伏阵列

图2本申请的光伏优化器电气连接图

图3本申请的光伏优化器原理框图

图4本申请的光伏优化器中的LLC串联谐振变换器

图5本申请的光伏优化器实施原理图

图6本申请的光伏优化器的MPPT工作流程图

具体实施方式

优化器主要部件包括控制器、DC/DC变换器，电流传感器CT1、CT2，电压传感器VT1、VT2、VT3、VT4，半导体电子开关K1、K2、K3和K4，通讯接口等。

DC/DC变换器的电路拓扑可以是LLC谐振变换器、BUCK变换器、BOOST变换器、BUCK-BOOST变换器、反激变换器及正激变换器等。

为了让光伏组件优化器达到尽可能高的转换效率，DC/DC变换器可以采用LLC串联谐振变换器，原理如图4所示，使用LLC串联谐振变换器的完整的光伏组件优化器原理如图5所示。

光伏电池组件输出连接到LLC串联谐振变换器原边，LLC串联谐振变换器输出作为光伏组件整体的输出端。

控制器根据传感器VT1、VT4、CT1和CT2采样的光伏组件输出电压Ui和输出电流Ii的数据，以及采样DC/DC变换器输出电压Uo和电流Io的数据，实时计算光伏组件当前输出功率，并按照某种策略寻找最大功率点，即MPPT计算，计算结果通过PWM1和PWM2两路驱动信号控制变换器工作状态。

常用MPPT方法有定电压跟踪法、功率反馈法、扰动观测法和导纳增量法等。

光伏电池在MPP处，其斜率为0，结合P＝UI，得到即在时间量上，其表达式为结合t时刻和t-1时刻的光伏电池输出电压电流值来进行判断是否在MPP。如图6所示，若应减小光伏电池输出电压，反之增加；另外如果dU为0，那么可根据电流的变化来对光伏电池输出电压进行调整，dI>0，增加光伏电池输出电压，反之则减小光伏电池输出电压。另外，步长的选择也很关键，考虑根据dP/dU来确定步长，以其绝对值来进行判断，当值较大时，系统跟踪的步长较大；当较小时，系统跟踪的步长较小。

控制器根据采样的组件子串电压Us1、Us2、Us3和组件输出电流Ii的数据，判断光伏组件的子串是否存在异常，当子串出现故障时，相应子串短路开关(K1、K2、K3)闭合，故障子串被旁路。控制器根据采样的光伏组件子串电压Us1、Us2、Us3、电流Ii，输出电压Uo、电流Io等采样的数据，判断光伏组件是否存在异常，如果控制器确认组件故障，K4闭合，同时DC/DC变换器停止工作，故障光伏组件被旁路。即实现优化器根据采样各种电压和电流数据，检测光伏组件和光伏组件子串是否出现故障，如果出现故障相应的组件或者子串被旁路。

光伏电池组件使用的电池片种类较多，主要有多晶硅、单晶硅、薄膜、纳米晶及有机光伏电池等，各种材料的光伏电池组件特性差别较大。以60个156*156mm多晶硅光伏电池组件为例，说明判断子串和组件故障的详细过程。

把60个电池片分成三个子串，每个子串20个电池片串联，三个子串再串联成一个完整的光伏电池组件。根据156*156mm多晶硅电池片的特性，电池片电压小于0.4V并且工作电流小于0.1倍输出短路电流Isc，或者电池片电压大于电池片最大开路电压Vocc(最大开路电压Vocc一般为0.6V左右)，认为子串出现异常。

子串故障检测流程如下：

1)如果Us1<8V(20*0.4V)且Ii<0.1*Isc，控制器驱动开关K3导通，将子串3短路。

2)如果Us2<8V且Ii<0.1*Isc，控制器驱动开关K2导通，将子串2短路。

3)如果Us3<8V且Ii<0.1*Isc，控制器驱动开关K1导通，将子串1短路。

4)如果Us1>(20*Vocc)，控制器驱动开关K3导通，将子串3短路。

5)如果Us2>(20*Vocc)，控制器驱动开关K2导通，将子串2短路。

6)如果Us3>(20*Vocc)，控制器驱动开关K1导通，将子串1短路。

7)控制器等待300秒不执行子串故障检测动作，等待时间可以根据需要进行调整。

8)控制器驱动开关K1、K2、K3都为断开状态。

9)依次执行动作1)、2)、3)、4)、5)、6)、7)、8)。

组件故障检测过程如下：

1)如果实测组件电流Ipv>Isc，控制器驱动K4导通，组件被旁路。

2)如果实测组件电压Vpv>Voc，控制器驱动K4导通，组件被旁路，其中Voc为光伏组件开路输出电压，一般略小于40V。

3)如果K1导通且K2导通且K3导通，控制器驱动K4导通，组件被旁路。

4)控制器等待300秒不执行组件检测动作，等待时间可以根据需要进行调整。

5)控制器驱动开关K4为断开状态。

6)依次执行动作1)、2)、3)、4)、5)。

控制器经通讯接口与上位机进行通讯。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种光伏组件功率优化器，包括采样单元、控制判断单元、旁路光伏子串单元、旁路光伏组件单元，其特征在于：

2.如权利要求1所述的光伏组件功率优化器，其中采样单元包括电流传感器、电压传感器；控制判断单元包括控制器；旁路光伏子串单元和旁路光伏组件单元包括多个半导体电子开关。

3.如权利要求2所述的光伏组件功率优化器，其中光伏组件包括光伏子串1、光伏子串2、光伏子串3，各子串电压分别为Us1、Us2、Us3，三个子串分别对应子串短路的半导体电子开关K1、K2、K3，半导体电子开关K1、K2、K3与控制器输入端相连，控制器一输出端与半导体电子开关K4相连，光伏组件与DC/DC变换器输入端相连，半导体开关K4与DC/DC变换器两输出端相连。

4.如权利要求3所述的光伏组件功率优化器，其中采样单元采样光伏组件输出电压Ui和输出电流Ii的数据，并采样DC/DC变换器输出电压Uo和输出电流Io的数据，控制器根据采样的数据实时计算组件最大输出功率，最后控制器发出PWM信号驱动DC/DC变换器进行能量转换；

控制器根据采样的光伏组件子串电压Us1、Us2、Us3和电流Ii的数据，判断光伏组件的子串是否存在异常，当子串出现故障时，控制相应子串短路的半导体电子开关K1、K2、K3闭合，故障子串被旁路；

控制器根据采样的光伏组件子串电压Us1、Us2、Us3、电流Ii，DC/DC变换器输出电压Uo、电流Io的数据，判断光伏组件是否存在异常，如果控制器确认组件故障，K4闭合，同时DC/DC变换器停止工作，故障光伏组件被旁路。

5.如权利要求4所述的光伏组件功率优化器，其中光伏组件为60个156*156mm多晶硅光伏电池片组成，其中每个子串有20个光伏电池片串联而成，，单个光伏电池片电压小于0.4V并且工作电流小于0.1倍输出短路电流Isc，或者单个光伏电池片电压大于光伏电池片最大开路电压Vocc，认为子串出现异常。

6.如权利要求5所述的光伏组件功率优化器，子串故障检测流程如下：

1)如果Us1<8V(20*0.4V)且Ii<0.1*Isc，控制器驱动开关K3导通，将子串3短路；

2)如果Us2<8V且Ii<0.1*Isc，控制器驱动开关K2导通，将子串2短路；

3)如果Us3<8V且Ii<0.1*Isc，控制器驱动开关K1导通，将子串1短路；

4)如果Us1>(20*Vocc)，控制器驱动开关K3导通，将子串3短路；

5)如果Us2>(20*Vocc)，控制器驱动开关K2导通，将子串2短路；

6)如果Us3>(20*Vocc)，控制器驱动开关K1导通，将子串1短路；

7)控制器在设定时间内等待，不执行子串故障检测动作；

8)控制器驱动开关K1、K2、K3都为断开状态；

9)依次执行动作1)、2)、3)、4)、5)、6)、7)、8)。

7.如权利要求5所述的光伏组件功率优化器，光伏组件故障检测过程如下：

1)如果实测组件电流Ipv>Isc，控制器驱动K4导通，光伏组件被旁路；

2)如果实测组件电压Vpv>Voc，控制器驱动K4导通，光伏组件被旁路，其中Voc为光伏组件开路输出电压；

3)如果K1导通且K2导通且K3导通，控制器驱动K4导通，光伏组件被旁路；

4)控制器在设定时间内等待，不执行组件检测动作；

5)控制器驱动开关K4为断开状态；

6)依次执行动作1)、2)、3)、4)、5)。

8.如权利要求1所述的光伏组件功率优化器，其中光伏组件可包括多个光伏子串。

9.如权利要求1所述的光伏组件功率优化器，其中DC/DC变换器的电路拓扑可以是LLC谐振变换器、BUCK变换器、BOOST变换器、BUCK-BOOST变换器、反激变换器及正激变换器。

10.如权利要求4所述的光伏组件功率优化器，还包括通讯接口，其中通讯接口为RS485、CAN、RS232、ZIGBEE或以太，通讯内容包括光伏组件运行状态、优化器工作状态，以及上位机对优化器进行调度和控制。

11.一种光伏阵列，使用多个如权利要求1所述的优化器，其中优化器的输入端连接光伏组件的子串，多个优化器输出端串联构成一个组串，连接到汇流箱的输入端。