CN105245104A - 智能光伏功率调节器及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能光伏功率调节器及调节方法，包括功率模块、采样模块、控制模块、驱动模块、通讯模块、电源模块等；所述功率模块的输入端连接光伏组件的输出端；所述采样模块设有采样电路，所述采样电路的输出端连接所述控制模块；所述控制模块设有MCU控制电路；所述功率模块设有开关管，所述驱动模块连接所述功率模块的开关管；所述通讯模块实现控制模块与后台监控系统的双向反馈。通过本发明可以对每块组件进行最大功率点追踪，减少功率损失；可替代接线盒使用，也可外接在接线盒后端使用；实现双重旁路保护，通过旁路二极管避免热斑效应，通过旁路开关避免单个组件故障或失效影响整条组串乃至电站的正常工作，造成发电量损失。

Description

智能光伏功率调节器及调节方法

技术领域

本发明属于太阳能光伏发电技术领域，特别是涉及一种智能光伏功率调节器及其调节方法。

背景技术

传统电站方案中，光伏组件经过汇流、逆变器，最后接入箱式变压器升压，把电能送到升压站并入电网，MPPT功能集成在逆变器中，逆变器MPPT路数少，易受现场各种复杂情况的影响，造成发电量的损失，例如因组件不匹配、灰尘、阴影遮挡、组件温升或破损(热斑效应)等原因，光伏系统实际发电量比理论值要低10％-25％，其中热斑效应甚至会严重影响组件性能及其寿命。

另外，电站安装或试运行时，反接组件或功率优化器会引起损坏，大大降低其使用寿命，但是现有技术中防反接功能仍是以硬件防护为主，而传统的功率优化器也没有通讯模块，在发生组件或功率优化器故障时，需要对每块组件或每个功率优化器进行故障排查，运维工作量巨大，并且需要停止对应整条组串乃至整个电站的运营，大大增加了成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种智能光伏功率调节器，能够对每块组件进行最大功率点追踪，减少组件不匹配、灰尘、阴影遮挡、组件温升或破损(热斑效应)等各种原因导致的功率损失。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种智能光伏功率调节器，包括功率模块、采样模块、控制模块、驱动模块、通讯模块、电源模块；所述电源模块连接其它各模块提供工作电源；所述功率模块的输入端连接光伏组件的输出端；所述采样模块设有采样电路，所述采样电路的输出端连接所述控制模块；所述控制模块设有MCU控制电路，所述MCU控制电路的输出端连接所述驱动模块；所述功率模块设有开关管，所述驱动模块连接所述功率模块的开关管；所述通讯模块连接所述控制模块，实现控制模块与后台监控系统的双向反馈。

进一步的，所述功率模块包含整流二极管、功率MOS管、续流电感及若干个滤波电容，所述功率MOS管作为开关管与所述驱动模块连接。

进一步的，所述驱动模块包含二级信号放大电路；一级放大电路进行电平转换；二级放大电路进行电流信号的放大。

进一步的，所述采样电路包含电流采样电路、电压采样电路及温度采样电路。

更进一步的，所述电流采样电路设有双向电流传感器，用以感应电流值，判断电流方向。

进一步的，所述通讯模块包括无线通信模块和/或直流电力载波通信模块。

进一步的，所述智能光伏功率调节器还包括旁路模块；所述旁路模块包括旁路二极管和旁路开关，所述旁路二极管并联在功率模块的输入端两极之间，所述旁路开关并联在功率模块的负输入端与功率模块的负输出端之间。

更进一步的，所述智能光伏功率调节器还设有接线盒模块，所述接线盒模块设有连接端子，光伏组件的汇流条直接接至连接端子。

如上所述的智能光伏功率调节器的调节方法，包括如下步骤：

步骤一：通过采样模块采集电压、电流、温度信号，输送给控制模块；

步骤二：控制模块通过MPPT程序，根据全局扫描法以及扰动观察法来计算分析最大功率点的电压电流；

步骤三：控制模块设置PWM脉宽调制的占空比值，通过驱动模块控制功率模块的MOS管开断时间，使组件保持工作在最大功率，同时防止组件反接；

步骤四：控制模块通过通讯模块，选择通过无线通信或直流电力载波与后台监控系统实现双向反馈。

更进一步的，所述调节方法还包括：

(1)在组件失效或组件故障或出现热斑效应时，通过旁路二极管切换至旁路，为整串电流提供第二条通道，防止对其他正常发电单元产生影响；

(2)在智能光伏功率调节器发生故障时，通过旁路开关对调节器实施物理旁路，功率调节器通过接线盒模块作为接线盒使用。

相对于现有技术，本发明所述的智能光伏功率调节器及调节方法具有以下优势：

(1)可替代接线盒使用，也可外接在接线盒后端使用；

(2)双重旁路保护，通过旁路二极管避免热斑效应，通过旁路开关避免单个组件故障或失效影响整条组串乃至电站的正常工作，造成发电量损失；

(3)实时的采样数据传输及监控，快速定位至问题组件或功率优化器；

(4)通过软件与硬件组合来达到防反接功能；

(5)实现组件级的MPPT功能，通过设置PWM的占空比值来控制MOS管开断时间，从而进行最大功率点的追踪，可减少组件不匹配、灰尘、阴影遮挡、组件温升或破损(热斑效应)等各种原因导致的功率损失。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例中的调节器接线方式一；

图3是本发明实施例中的调节器接线方式二。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明智能光伏功率调节器包含上盖、底壳和可选接线盒模块的电路板，其中电路板如图1所示，包含7个模块，分别为功率模块、控制模块、驱动模块、通讯模块、采样模块、电源模块和旁路模块，其中电源模块为所有其它模块提供工作电源，功率模块的输入端连接光伏组件的输出端。

所述功率模块输入端的正负极之间并联采样模块，采样模块连接控制模块的输入端，采样模块将采集到的信息传送给控制模块；

所述旁路模块包括旁路二极管和旁路开关，旁路二极管并联在功率模块的输入端的正负极之间，旁路开关电路并联在输入端负极与输出端负极之间；

所述控制模块的输出端连接驱动模块的输入端，驱动模块的输出端连接功率模块；

所述控制模块同时连接通讯模块，通过通讯模块实现通信与监控功能。

下面根据图1对各模块及其功能进行详细的介绍：

1、控制模块

包含MCU控制电路。输入端为3V3_MCU，输出端为VCT。

控制模块通过采集到的数据反馈给程序，通过MPPT程序实现对光伏组件发电最大功率的跟踪并且通过采样判断进行过压、过流、防反等保护。程序通过全局扫描法以及扰动观察法来计算分析最大功率点的电压电流，并通过脉宽调制技术控制开关管开断来调节输出电压和电流，以达到使组件能够保持工作在最大功率。

2、功率模块：

包含整流二极管、功率MOS管、续流电感及若干个滤波电容。输入端为PV+，PV-，输出端为OUT+,OUT-。

功率MOS管通路时，续流电感储存电能；功率MOS管断路时，续流电感与整流二极管、负载构成回路，释放电能，对负载供电。

3、驱动模块

包含二级信号放大电路。输入端为VCC_12V，输出端为功率电路。

一级放大电路进行电平转换，二级放大电路进行电流信号的放大。

4、电源模块

包含PV电压转12V电源电路及12V转3.3V电源电路。12V电源电路输入端为PV+，输出端为VCC_12V。3.3V电源电路输入端为VCC_12V，输出端包含VCC_3V3,3V3_MCU,3V3_TEMP,3V3_OP。

12V电源为模拟电路(功率电路MOS管、驱动模块)提供12V电压。3.3V电源为数字电路(通讯模块、控制模块)及模拟电路(采样模块)提供3.3V电压。

5、采样模块

包含电流采样电路、电压采样电路及温度采样电路。电流采样电路为反比例运算放大电路，包含运算放大器、二级RC滤波电路等；输入端为PV-，3V3_OP，输出端为I_DET。电压采样电路包含运算放大器、分压电阻等；输入端为PV+，输出端为V_DET。温度采样电路包含热敏电阻；输入端为3V3_TEMP，输出端为NTC。

电流采样电路中，运算放大器放大电压信号；滤波电容过滤纹波，稳定信号。电压采样电路中，分压电阻对PV电压分压，为MCU提供不超过3.3V的电压值，运算放大器起到稳定信号的作用。温度采样电路中，热敏电阻通过阻值变化改变电压，为MCU提供温度信号。

电流采样电路设有双向电流传感器，用以感应电流值，判断电流方向。

6、通讯模块

包含无线通讯芯片、电源开关管等。输入端为VCC_3V3，输出端为SPI通讯总线。

电源开关管控制通讯模块通断。通讯模块将控制模块的数据通过无线通讯与后台监控系统实现双向反馈。

7、旁路模块

包含旁路二极管及旁路开关等。输入端为PV-，输出端为OUT-。

智能光伏功率调节器具备双重旁路保护功能：(1)可在组件失效或电池组件某一模块出现故障时切换至旁路，为整串电流提供第二条通道，防止出现热斑并对其他正常发电单元产生影响。(2)当调节器发生故障时，可通过旁路开关对优化器实施物理旁路，此时功率调节器仍然可作为接线盒使用。

如上所述，本发明的智能光伏功率调节器可以对每块组件进行最大功率点追踪，可减少组件不匹配、灰尘、阴影遮挡、组件温升或破损(热斑效应)等各种原因导致的功率损失。

智能光伏功率调节器拥有组件级通信与监测功能，功率调节器电路板上增设通信模块，可选择通过无线通信模块或直流电力载波传输每个组件的发电数据，对光伏系统的运行状况进行实时监控，出现故障时能够及时发出告警，快速定位故障组件或功率调节器，大大减少了排查故障的困难，降低了排查成本。

智能光伏功率调节器电路板上有双向电流传感器，可以感应电流值，判断电流方向。该功率调节器提供反接保护，通讯及监控系统实时传输并显示正负电流值，组件反接时，电流反向，可通过软件操控MOS管关断，达到保护组件的作用。

智能光伏功率调节器可实现组件级的MPPT，通过设置PWM的占空比值来控制MOS管开断时间，从而进行最大功率点的追踪。

除上述内容之外，本发明的智能光伏功率调节器，在电路板上预留接线盒模块，(1)如图2所示，为新建光伏电站提供可替代接线盒并具有功率优化调节的产品，光伏组件的汇流条可以直接接入连接器的4个连接端子上，出现热斑效应时功率调节器会通过旁路二极管对对应子串实施旁路，组件其他子串正常工作。(2)如图3所示，对已有接线盒的光伏电站提供可直接外挂接入的光伏功率调节器。

本发明的技术效果如下：

1.可替代接线盒使用，也可外接在接线盒后端使用；

2.双重旁路保护，通过旁路二极管避免热斑效应，通过旁路开关避免单个组件故障或失效影响整条组串乃至电站的正常工作，造成发电量损失；

3.实时的采样数据传输及监控，快速定位至问题组件或功率优化器；

4.通过软件与硬件组合来达到防反接功能；

5.组件级MPPT功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能光伏功率调节器，其特征在于：包括功率模块、采样模块、控制模块、驱动模块、通讯模块、电源模块；

所述电源模块连接其它各模块提供工作电源；

所述功率模块的输入端连接光伏组件的输出端；

所述采样模块设有采样电路，所述采样电路的输出端连接所述控制模块；

所述控制模块设有MCU控制电路，所述MCU控制电路的输出端连接所述驱动模块；

所述功率模块设有开关管，所述驱动模块连接所述功率模块的开关管；

所述通讯模块连接所述控制模块，实现控制模块与后台监控系统的双向反馈。

2.根据权利要求1所述的一种智能光伏功率调节器，其特征在于：所述功率模块包含整流二极管、功率MOS管、续流电感及若干个滤波电容，所述功率MOS管作为开关管与所述驱动模块连接。

3.根据权利要求1所述的一种智能光伏功率调节器，其特征在于：所述驱动模块包含二级信号放大电路；一级放大电路进行电平转换；二级放大电路进行电流信号的放大。

4.根据权利要求1所述的一种智能光伏功率调节器，其特征在于：所述采样电路包含电流采样电路、电压采样电路及温度采样电路。

5.根据权利要求4所述的一种智能光伏功率调节器，其特征在于：所述电流采样电路设有双向电流传感器，用以感应电流值，判断电流方向。

6.根据权利要求1所述的一种智能光伏功率调节器，其特征在于：所述通讯模块包括无线通信模块和/或直流电力载波通信模块。

7.根据权利要求1所述的一种智能光伏功率调节器，其特征在于：所述智能光伏功率调节器还包括旁路模块；所述旁路模块包括旁路二极管和旁路开关，所述旁路二极管并联在功率模块的输入端两极之间，所述旁路开关并联在功率模块的负输入端与功率模块的负输出端之间。

8.根据权利要求1至7任一项所述的一种智能光伏功率调节器，其特征在于：所述智能光伏功率调节器还设有接线盒模块，所述接线盒模块设有连接端子，光伏组件的汇流条直接接至连接端子。

9.如权利要求1所述智能光伏功率调节器的调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：通过采样模块采集电压、电流、温度信号，输送给控制模块；

步骤二：控制模块通过MPPT程序，根据全局扫描法以及扰动观察法来计算分析最大功率点的电压电流；

步骤三：控制模块设置PWM脉宽调制的占空比值，通过驱动模块控制功率模块的MOS管开断时间，使组件保持工作在最大功率，同时防止组件反接；

步骤四：控制模块通过通讯模块，选择通过无线通信或直流电力载波与后台监控系统实现双向反馈。

10.根据权利要求9所述调节方法，其特征在于，还包括：

(1)在组件失效或组件故障或出现热斑效应时，通过旁路二极管切换至旁路，为整串电流提供第二条通道，防止对其他正常发电单元产生影响；

(2)在智能光伏功率调节器发生故障时，通过旁路开关对调节器实施物理旁路，功率调节器通过接线盒模块作为接线盒使用。