CN105227130A - 一种基于塑料光纤通讯的智能光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于塑料光纤通讯的智能光伏发电系统，其特点是，该系统中每一个光伏组件配备一个智能接线盒，智能接线盒由电源电路、旁路电路、电压采样电路、电流采样电路、电能参数处理电路、DC/DC变换电路、微处理器、光通讯接口电路、故障指示电路等构成，该系统中汇流箱由微处理器、电能参数处理电路、电流电压采样电路、带光通讯接口电路的集中器、无线通信电路、直流母线、电源电路以及开关切换装置等构成。在该系统中，各接线盒之间、各接线盒串组与汇流箱之间均采用塑料光纤及光收发器来实现通讯，在微处理器控制下实现智能化。本发明塑料光纤通讯成本低、抗电磁干扰、能经受住日晒雨淋，还能成功地隔离光伏组件，提高了光伏电站的高电压安全性。

Description

一种基于塑料光纤通讯的智能光伏发电系统

技术领域

本发明涉及光伏发电场站智能化运营维护技术领域，尤其是将塑料光纤通讯技术手段应用到光伏电站的发电、运营、维护等领域。

背景技术

光伏发电已成为清洁能源重要形式之一。由于光伏发电的功率密度较小（150W/平方米），光伏电站需要占用相当大的面积，通常情况无法通过人员值守来发现故障和采集有关数据，因此，光伏电站日常运营管理、设备维护的高效化、智能化已倍受关注。

光伏组件是光伏电站的最基础发电单元。为每一个光伏组件附加一个智能化接线盒，再将该智能化接线盒所采集到数据汇聚到计算机终端进行显示和处理，此模式正被许多人在探究，光伏组件电参数的取样、处理可谓现成方案较多，但数据通过哪种数据通道传输则各有千秋。人们都在努力寻找最实用最经济最可靠的实现技术方案。

发明内容

本发明的目的是：提供一种基于塑料光纤通信的光伏组件智能接线盒，发挥塑料光纤通信的低成本、高可靠、环境适应性好的特点，为光伏电站的智能化运营管理提供基础装备。

为实现上述目的，本发明的技术方案是，.一种基于塑料光纤通讯的智能光伏发电系统，其构成包括有光伏组件、智能接线盒、汇流箱、逆变器，每个光伏组件均连接有一个智能接线盒，其特征在于：所述智能接线盒的电路构成包括有电源电路、旁路电路、电压采样电路、电流采样电路、电能参数处理电路、DC/DC变换电路、微处理器、光通讯接口电路、故障指示电路，光伏组件正负极端与智能接线盒正负输入端子连接，智能接线盒正负输入端子之间反向跨接有旁路二极管、输入正极端子经过受微处理器控制的DC/DC变换电路连接至输出正极端子，输入负极端子经过电流传感器后连接至输出负极端子，电源电路输出端和电压采样电路信号输入端跨接于输入正负端子之间，电压采样电路信号输出端与电能参数处理电路信号输入端相连接，电流采样电路信号输出端与电能参数处理电路信号输入端相连接，电能参数处理电路信号输出端与微处理器信号输入端相连接，DC/DC变换电路受控端与微处理器的控制端相连接，微处理器与故障指示电路的受控制端相连接，微处理器还与光通讯接口电路的一个信号传输端相连接，光通讯接口电路的另一个信号传输端通过光纤与本智能接线盒之外的其它智能接线盒或集中器或汇流箱中的光通讯接口电路信号传输端相连接。

在上述技术方案中，所述光通讯接口电路由单芯光收发器和塑料光纤构成，塑料光纤与光收发器呈光路对接，光收发器或将电信号转变为光信号，经塑料光纤传输到另一处，被光收发器再还原成电信号，或将塑料光纤传输来的光信号转变成电信号。

在上述技术方案中，所述光通讯接口电路由双芯光收发器和双芯塑料光纤构成，双芯光收发器与双芯塑料光纤呈光路对接，双芯光收发器在将某一根塑料光纤光信号转变成电信号的同时，还能将电信号转变成光信号经另一根塑料光纤传输。

在上述技术方案中，所述电流取样电路中的电流传感器采用锰铜取样器或霍尔取样器。

在上述技术方案中，一个光伏组件与一个智能接线盒构成一个基本供电单元，若干个基本供电单元构成一个供电组团，同一个供电组团中每一个供电单元的电能输出端首尾串接，再接至汇流箱的一个电能输入端，同一个供电组团中每一个智能接线盒的光通讯接口电路中设置有两个单芯光收发器，能分别与两根单芯塑料光纤呈光路对接，该供电组团中各个智能接线盒的两根单芯塑料光纤也是首尾串接，形成一个环状光信号通讯链路，该供电组团光信号通讯链路的两个塑料光纤端直接与集中器或汇流箱中的光收发器呈光路对接。

在上述技术方案中，所述汇流箱的组成包括有，微处理器、电能参数处理电路、电流电压采样电路、带光通讯接口电路的集中器、无线通信电路、直流母线、电源电路以及开关切换装置，电流电压采样电路的电压信号输入端跨接在直流母线两个输出端之间，电流采样电路的电流信号输入端跨接于电流传感器两端，电流电压采样电路的信号输出端与电能参数处理电路的信号输入端相连接，电能参数处理电路的信号输出端接到微处理器信号输入端，微处理器还分别与无线通信电路和光通讯接口电路的受控端相连接，微处理器还与开关切换控制装置相连接，开关切换控制装置有若干对电能输入端，一个光伏组件与一个智能接线盒构成一个基本供电单元，若干个基本供电单元的电能输出端串接后接至开关切换控制装置的一对电能输入端。

在上述技术方案中，所述开关切换控制装置能改变各对电能输入端所接入基本供电单元的数量，在开关切换控制装置中，或将接入到两对电能输入端的供电单元再串接，或将某一对、某几对电能输入端的供电单元分别与其它电能输入端所接入供电单元进行串接。

本发明的优点是：

第一、本发明充分发挥了塑料光纤通信的突出优点。其一、塑料光纤通信成本相对较低，这一特点优于采用金属导线连接组网的通信方式。其二、塑料光纤抗电磁干扰性能优异，塑料光纤中传输的是光信号，不会受到电路自身或外界环境的电磁干扰。这一特点明显优于采用无线组网的通信方式，同时也具有明显成本优势。其三、塑料光纤能经受住日晒雨淋，长期使用不会锈蚀损坏。由于成本低廉、接插式连接，维修维护更换方便。其四、光伏电站中各光伏组件之间不存在电气连接，塑料光纤通信的同时也成功的隔离了各个光伏组件，提高了光伏电站的高电压安全性。

第二、本发明在光伏组件直流电流取样中采用了锰铜取样器，能对光伏组件产生的直流电量进行全电流计量。

第三、本发明电路设计合理紧凑，各元件充分利用，同一个微处理器既可以处理控制电能计量及组件性能参数信号，同时，该微处理器还能控制光收发器，实现收发通讯功能。

第四、本发明在汇流箱中增加了开关切换模块机构，可调节接入到汇流箱电流输入端的光伏组件的数量，从而有效地稳定汇流条直线母线的输出电压值。

附图说明

图1是本发明智能接线盒构成及原理框图。

图2是本发明汇流箱构成及原理框图。

图3是本发明带有开关切换控制装置汇流箱构成及原理框图。

以上附图中，1是光伏组件，2是智能接线盒，3是汇流箱，20是智能接线盒输入端子，21是旁路二极管，22是电源电路，23是电压采样电路，24是电流采样电路，25是电能参数处理电路，26是DC/DC变换电路，27是微处理器，28是光收发器，29是故障指示，30是智能接线盒输出端子，31是电源电路，32是无线通信电路，33是集中器（带有光收发器），34是微处理器，35是开关切换控制装置，36是电能参数处理电路，37是电流电压采样电路，38是电流传感器，39是汇流箱电能输入端子，40是汇流箱直流母线输出端子。

具体实施方式

实施例一：

本实施例中，每一个光伏组件安装一个智能接线盒，智能接线盒组成及电路连接如附图1所示。

光伏组件1的正负极之间跨接有旁路二极管21，光伏组件正负极接入接线盒输入端子20后，正极经过受微处理器（MCU）27控制的DC/DC变换电路26连接至输出的正极接线端子30，负极经过电流传感器24后连接至负极输出接线端子。电源电路22将光伏组件1的输入电压转换为适合供整个接线盒电路工作的电压，电压采样电路23将光伏组件的电压采样处理后送入电能参数处理电路25，电流采样电路24将光伏组件的输出电流信号采样后送入电能参数处理电路25，电能参数处理电路25将信号处理后转换为数字信号并送给微处理器处理27，电能参数处理电路25可以处理光伏组件的电压、电流、功率、电能量等信号。微处理器27可以通过光收发器28将这些参数发送到塑料光纤，同样由后端发送的光信号也可以经过光收发器28传送给微处理器27。微处理器27可以根据预设的检测策略判断光伏组件工作是否出现故障。若出现故障则故障指示29等会发光警示。DC/DC变换电路26可以根据需要把光伏组件输出的电压变换为系统需要的电压，在特殊需要时，微处理器27可以控制DC/DC变换电路26的启动和关闭，也可以使DC/DC变换电路26直接导通，可根据系统电压把光伏组件电压变换成和系统匹配的电压。

本实施例中，一个光伏组件与一个智能接线盒构成一个基本供电单元，二十个基本供电单元构成一个供电组团，同一个供电组团中每一个供电单元的电能输出端首尾串接，再接至汇流箱的一对电能输入端，同一个供电组团中每一个智能接线盒均设置有两个单芯光收发器，能分别与两根塑料光纤呈光路对接，该组团中二十个智能接线盒的塑料光纤也是首尾串接，形成一个环状光信号通讯链路。有多少个供电组团就有多少个环状光信号通讯链路，每个光信号环状通讯链路的两个塑料光纤端与汇流箱中的集中器光收发器对接。当某一个基本供电单元的光伏组件由于某电池片出现断路，与该光伏组件所连接的智能接线盒中反接的旁路二极管21会导通，进而保证包括该光伏组件在内的供电组团有通路能继续供电。

本实施例汇流箱的组成结构如附图2所示。汇流箱的各对电能输入端子30分别与各供电组团的电能输出端连接，并通过直流母线40汇流后输出至逆变器。汇流箱中的集中器33将各环状通讯链路的光信号转变成电信号后送到微处理器34，微处理器34还接收并处理来自电能参数处理电路36的电能参数，这些电能参数动态实时地反映了汇流箱直流母线上电流电压的波动和变化情况，微处理器34是汇流箱中的智能核心部件，微处理器34对所以接收到的信息分析处理后，再向无线通信电路32发出控制信号，将该汇流箱的工作运转情况向光伏电站管理系统发送。

实施例二：

本实施例与实施例一的区别在于，在汇流箱中增加了开关切换控制装置35，如附图3所示。

开关切换控制装置35中的执行机构在微处理器34指令控制下，能改变各对电能输入端39所接入供电组团中基本供电单元的数量。

如，若有十个供电组团接入此汇流箱，开关切换控制装置35能将这十个供电组团再两两串接后由汇流箱电能输出端输出。当光照不足，各供电组团输出电压会明显降低，通过将各供电组团再做串接后输出，能提高汇流箱电能输出端的电压，保障其后端用电设备或装置的正常使用。

又如，十个供电组团中每个供电组团由二十个基本供电单元串接而成，当光照符合条件下，这十个供电组团所输出的电能电压值能符合要求，而当光照不足，开关切换控制装置35能将另外十个由两个基本供电单元构成的供电组团分别串接到十个由二十个基本供电单元构成的组团中，形成由十个由二十二个基本供电单元串接而成的新的供电组团，新的供电组团能提高汇流箱直流母线电能电压值。

Claims (7)

1.一种基于塑料光纤通讯的智能光伏发电系统，其构成包括有光伏组件、智能接线盒、汇流箱、逆变器，每个光伏组件均连接有一个智能接线盒，其特征在于：所述智能接线盒的电路构成包括有电源电路、旁路电路、电压采样电路、电流采样电路、电能参数处理电路、DC/DC变换电路、微处理器、光通讯接口电路、故障指示电路，光伏组件正负极端与智能接线盒正负输入端子连接，智能接线盒正负输入端子之间反向跨接有旁路二极管、输入正极端子经过受微处理器MCU控制的DC/DC变换电路连接至输出正极端子，输入负极端子经过电流传感器后连接至输出负极端子，电源电路输出端和电压采样电路信号输入端跨接于输入正负端子之间，电压采样电路信号输出端与电能参数处理电路信号输入端相连接，电流采样电路信号输出端与电能参数处理电路信号输入端相连接，电能参数处理电路信号输出端与微处理器信号输入端相连接，DC/DC变换电路受控端与微处理器的控制端相连接，微处理器与故障指示电路的受控制端相连接，微处理器还与光通讯接口电路的一个信号传输端相连接，光通讯接口电路的另一个信号传输端通过光纤与本智能接线盒之外的其它智能接线盒或集中器或汇流箱中的光通讯接口电路信号传输端相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于塑料光纤通讯的智能光伏发电系统，其特征在于：所述光通讯接口电路由单芯光收发器和塑料光纤构成，塑料光纤与光收发器呈光路对接，光收发器或将电信号转变为光信号，经塑料光纤传输到另一处，被光收发器再还原成电信号，或将塑料光纤传输来的光信号转变成电信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于塑料光纤通讯的智能光伏发电系统，其特征在于：所述光通讯接口电路由双芯光收发器和双芯塑料光纤构成，双芯光收发器与双芯塑料光纤呈光路对接，双芯光收发器在将某一根塑料光纤光信号转变成电信号的同时，还能将电信号转变成光信号经另一根塑料光纤传输。

4.根据权利要求1所述的一种基于塑料光纤通讯的智能光伏发电系统，其特征在于：所述电流取样电路中的电流传感器采用锰铜取样器或霍尔取样器。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于塑料光纤通讯的智能光伏发电系统，其特征在于：一个光伏组件与一个智能接线盒构成一个基本供电单元，若干个基本供电单元构成一个供电组团，同一个供电组团中每一个供电单元的电能输出端首尾串接，再接至汇流箱的一个电能输入端，同一个供电组团中每一个智能接线盒的光通讯接口电路中设置有两个单芯光收发器，能分别与两根单芯塑料光纤呈光路对接，该供电组团中各个智能接线盒的两根单芯塑料光纤也是首尾串接，形成一个环状光信号通讯链路，该供电组团光信号通讯链路的两个塑料光纤端直接与集中器或汇流箱中的光收发器呈光路对接。

6.根据权利要求1所述的一种基于塑料光纤通讯的智能光伏发电系统，其特征在于：所述汇流箱的组成包括有，微处理器、电能参数处理电路、电流电压采样电路、带光通讯接口电路的集中器、无线通信电路、直流母线、电源电路以及开关切换装置，电流电压采样电路的电压信号输入端跨接在直流母线两个输出端之间，电流采样电路的电流信号输入端跨接于电流传感器两端，电流电压采样电路的信号输出端与电能参数处理电路的信号输入端相连接，电能参数处理电路的信号输出端接到微处理器信号输入端，微处理器还分别与无线通信电路和光通讯接口电路的受控端相连接，微处理器还与开关切换控制装置相连接，开关切换控制装置有若干对电能输入端，一个光伏组件与一个智能接线盒构成一个基本供电单元，若干个基本供电单元的电能输出端串接后接至开关切换控制装置的一对电能输入端。

7.根据权利要求6所述的一种基于塑料光纤通讯的智能光伏发电系统，其特征在于：所述开关切换控制装置能改变各对电能输入端所接入基本供电单元的数量，在开关切换控制装置中，或将接入到两对电能输入端的供电单元再串接，或将某一对、某几对电能输入端的供电单元分别与其它电能输入端所接入供电单元进行串接。