CN105281582B - 密闭箱式水冷光伏电站及其箱内环境控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种密闭箱式水冷光伏电站及其箱内环境控制方法，密闭箱式水冷光伏电站包括光伏发电系统，光伏发电系统中的光伏逆变器和光交换机置于带有门的全密封集装箱箱体的内部；且该光伏电站还包括：置于全密封集装箱箱体内的加热器、循环水泵、电动三通阀、换热扇、水冷板、可编程逻辑控制器、工业计算机、温度传感器、湿度传感器、模拟量采集模块、供电单元，和置于全密封集装箱箱体外的散热器。本发明提高了光伏逆变器设备的稳定性，延长了光伏逆变器设备使用寿命。

Description

密闭箱式水冷光伏电站及其箱内环境控制方法

技术领域

本发明涉及光伏发电应用领域。更具体地，涉及一种密闭箱式水冷光伏电站及其箱内环境控制方法。

背景技术

能源是人类社会存在与发展的重要物质基础，随着社会的高速发展，能源和资源的需求越来越大，光伏发电是一种公认的技术含量高、很有发展前途的新能源技术。太阳能取之不尽、用之不竭，不产生任何废弃物，没有噪音等污染，对环境不会产生不良影响，是理想的清洁能源。

当前，光伏发电作为一种新能源，在世界范围越来越多的得到运用。光伏发电技术也随着发展迅速的光伏行业快速的进步。由于使用环境特殊，光伏电站应结构紧凑，具备光伏发电系统的并网控制、数据采集和远程传输功能，以满足使用现场安装、维护方便的要求。

现有的光伏电站结构上存在如下缺陷：

1、由于光伏电站中光伏逆变器设备的体积和重量较大，对现场的使用环境要求苛刻，需要现场建造变流器设备用的简易工房，造成现场安装、维护极不方便。

2、现有简易工房在结构紧凑的前提下，很难兼顾光伏逆变器设备的散热调节，导致光伏逆变器设备散热效果不理想，致使其寿命降低，从而影响整个光伏电站的使用。

3、光伏电站经常会处在极端的高低温，沙尘，凝露等环境中，外部环境非常恶劣，而现有的光伏逆变器设备多采用风冷散热，露天使用不能满足防尘、防水要求。

因此，需要提供一种密闭箱式水冷光伏电站及其箱内环境控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种密闭箱式水冷光伏电站及其箱内环境控制方法，提升光伏电站中光伏逆变器设备工作运行的稳定性，延长光伏电站中光伏逆变器设备的使用寿命。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

密闭箱式水冷光伏电站，包括光伏发电系统，所述光伏发电系统中的光伏逆变器和光交换机置于带有门的全密封集装箱箱体的内部；

且该光伏电站还包括：置于全密封集装箱箱体内的加热器、循环水泵、电动三通阀、换热扇、水冷板、可编程逻辑控制器、工业计算机、温度传感器、湿度传感器、模拟量采集模块、供电单元，和置于全密封集装箱箱体外的散热器；

所述水冷板和加热器置于光伏逆变器内部，所述换热扇置于全密封集装箱箱体内顶部，所述循环水泵的进出水口、电动三通阀的进水口和第一出水口、换热扇的进出水口、水冷板的进出水口通过管道连接组成内循环系统，所述循环水泵的进出水口、电动三通阀的入水口和第二出水口、换热扇的进出水口、水冷板的进出水口、散热器的进出水口通过管道连接组成外循环系统；

所述温度传感器的输出端和湿度传感器的输出端分别与模拟量采集模块的采集端电连接，所述模拟量采集模块的输出端和可编程逻辑控制器的接收端分别与工业计算机电连接，所述加热器、循环水泵、电动三通阀、换热扇、供电单元、散热器分别与可编程逻辑控制器的控制端电连接。

优选地，所述水冷板紧贴水冷光伏逆变器内的IGBT模块。

优选地，该光伏电站还包括：置于全密封集装箱箱体内的烟感传感器，所述烟感传感器的输出端与模拟量采集模块的采集端电连接。

优选地，所述工业计算机与光交换机电连接。

优选地，该光伏电站还包括：置于全密封集装箱箱体内的采集门的开关状态的开关量采集模块，所述采集门的开关状态的开关量采集模块与工业计算机电连接。

对上述密闭箱式水冷光伏电站的箱内环境控制方法，包括如下步骤：

利用工业计算机通过可编程逻辑控制器控制循环水泵、电动三通阀和换热扇以启动内循环系统；

在工业计算机内设定箱内温度上、下限阈值和湿度阈值；

利用温度传感器实时监测箱内温度并产生温度电信号，利用湿度传感器实时监测箱内湿度并产生湿度电信号；

利用模拟量采集模块将温度、湿度电信号一一对应转换为温度、湿度数字信号，并将温度、湿度数字信号发送至工业计算机；

利用工业计算机分别温度、湿度信息，并将温度、湿度信息分别与温度上、下限阈值和湿度阈值比较：

若箱内温度高于温度上限阈值，则通过可编程逻辑控制器控制循环水泵、电动三通阀、换热扇、散热器以开启外循环系统，直至箱内温度位于温度上、下限阈值之间，

若箱内温度低于温度下限阈值且箱内湿度低于湿度阈值，则通过可编程逻辑控制器控制循环水泵、电动三通阀和换热扇以停止内循环系统，同时启动加热器，直至箱内温度位于温度上、下限阈值之间，

若箱内温度低于温度下限阈值且箱内湿度高于湿度阈值，则通过可编程逻辑控制器启动加热器，直至箱内温度位于温度上、下限阈值之间且湿度低于湿度阈值。

优选地，该方法还包括步骤：

分别为所述温度上、下限阈值和湿度阈值设定缓冲值。

优选地，该方法还包括步骤：

在全密封集装箱箱体内设置烟感传感器，并利用烟感传感器实时监测箱内有无烟雾，若有则产生烟雾电信号；

利用模拟量采集模块将烟雾电信号转换为烟雾数字信号，并将烟雾数字信号发送至工业计算机；

若工业计算机接收到烟雾数字信号，则通过可编程逻辑控制器控制供电单元断电。

优选地，该方法还包括步骤：

工业计算机将从模拟量采集模块中接收的温度、湿度、数字烟雾数字信号通过光交换机发送至远程监控中心。

优选地，该方法还包括步骤：

在全密封集装箱箱体内设置采集门的开关状态的开关量采集模块，并利用开关量采集模块实施采集门的开关状态信息，若门开，则产生报警信号并将报警信号发送至工业计算机；

工业计算机将报警信号通过光交换机发送至远程监控中心。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案采用智能控制箱内环境，使光伏逆变器设备工作在最佳工作范围内，减小热循环冲击，提高了光伏逆变器设备的稳定性，延长了光伏逆变器设备使用寿命。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出密闭箱式水冷光伏电站示意图。

图2示出密闭箱式水冷光伏电站的柜体布局图。

图3示出密闭箱式水冷光伏电站的箱内环境控制方法流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例提供的密闭箱式水冷光伏电站，包括光伏发电系统，而光伏发电系统中的光伏逆变器1和光交换机2置于带有门的全密封集装箱3箱体的内部，其中光伏逆变器1为1.25MW水冷光伏逆变器，全密封集装箱3的门的门口采用密封条密封，在门关上时不会对箱体的密封性造成影响。因此，由于全密封集装箱3箱体全密封，内部环境与外部环境基本隔绝，自成一个微气候空间。

该密闭箱式水冷光伏电站还包括构造与稳定箱内微气候空间的：

置于全密封集装箱3箱体内的加热器4、循环水泵5、电动三通阀6、换热扇7、水冷板8、可编程逻辑控制器9、工业计算机10、温度传感器11、湿度传感器12、模拟量采集模块13、供电单元14、烟感传感器16、采集门的开关状态的开关量采集模块17，和置于全密封集装箱3箱体外的散热器15；

其中加热器4、循环水泵5、电动三通阀6、换热扇7、水冷板8、散热器15构成水冷换热系统，起到散热循环作用；可编程逻辑控制器9、工业计算机10、温度传感器11、湿度传感器12、模拟量采集模块13构成微气候控制系统，起到箱内封闭空间微气候稳定控制的作用，供电单元为密闭箱式水冷光伏电站内所有用电设备供电。

水冷板8置于光伏逆变器1内部，且紧贴水冷光伏逆变器1内的IGBT模块，水冷板8设有入水口和出水口，用于通过内部水的流动带走IGBT模块散发的热量，

加热器4置于光伏逆变器1内部，用于在气温过低时为设备加热，防止设备的低温损害，

换热扇7置于全密封集装箱3箱体内顶部，

循环水泵5的进出水口、电动三通阀6的进水口和第一出水口、换热扇7的进出水口、水冷板8的进出水口通过管道连接组成内循环系统，用于对光伏逆变器1进行散热，

循环水泵5的进出水口、电动三通阀6的入水口和第二出水口、换热扇7的进出水口、水冷板8的进出水口、散热器15的进出水口通过管道连接组成外循环系统，用于同时对光伏逆变器1和箱体内的空间进行散热；

其中，循环水泵5用于提供内、外循环系统的动力，电动三通阀6用于调节内、外循环系统的水流量所占比重，散热器15的上、下分别设有出风口和进风口，用于利用空气流动散发管道内水的热量；

温度传感器11的输出端、湿度传感器12的输出端、烟感传感器16的输出端分别与模拟量采集模块13的采集端电连接，模拟量采集模块13的输出端、采集门的开关状态的开关量采集模块17的输出端、可编程逻辑控制器9的接收端分别与工业计算机10电连接，加热器4、循环水泵5、电动三通阀6、换热扇7、供电单元14、散热器15分别与可编程逻辑控制器9的控制端电连接，

工业计算机10安装windows embeded操作系统，是微气候控制软件运行的硬件平台。该设备自带以太网接口，VGA视频接口，RS232/485接口，USB接口等。设备通过以太网接口，完成对上级监控后台通信功能，通过RS232/485接口采集下级各个设备的状态参数和下发控制指令。整个微气候控制系统自然散热。

可编程逻辑控制器的型号为西门子S7-200系列PLC。

实施例2

如图3所示，本实施例提供的密闭箱式水冷光伏电站的箱内环境控制方法，包括以下步骤：

利用工业计算机通过可编程逻辑控制器控制循环水泵、电动三通阀和换热扇以启动内循环系统；

在工业计算机内设定箱内温度上、下限阈值和湿度阈值；

利用温度传感器实时监测箱内温度并产生温度电信号，利用湿度传感器实时监测箱内湿度并产生湿度电信号；

利用模拟量采集模块将温度、湿度电信号一一对应转换为温度、湿度数字信号，并将温度、湿度数字信号发送至工业计算机；

利用工业计算机分别温度、湿度信息，并将温度、湿度信息分别与温度上、下限阈值和湿度阈值比较：

若箱内温度高于温度上限阈值，则通过可编程逻辑控制器控制循环水泵、电动三通阀、换热扇、散热器以开启外循环系统，直至箱内温度位于温度上、下限阈值之间，

若箱内温度低于温度下限阈值且箱内湿度低于湿度阈值，则通过可编程逻辑控制器控制循环水泵、电动三通阀和换热扇以停止内循环系统，同时启动加热器，直至箱内温度位于温度上、下限阈值之间，

若箱内温度低于温度下限阈值且箱内湿度高于湿度阈值，则通过可编程逻辑控制器启动加热器，直至箱内温度位于温度上、下限阈值之间且湿度低于湿度阈值，这样做一方面防止凝露，另一方面加速箱体内部空气流动；

在全密封集装箱箱体内设置烟感传感器，并利用烟感传感器实时监测箱内有无烟雾，若有则产生烟雾电信号；

利用模拟量采集模块将烟雾电信号转换为烟雾数字信号，并将烟雾数字信号发送至工业计算机；

若工业计算机接收到烟雾数字信号，则通过可编程逻辑控制器控制供电单元断电；

工业计算机将从模拟量采集模块中接收的温度、湿度、数字烟雾数字信号通过光交换机发送至远程监控中心；

在全密封集装箱箱体内设置采集门的开关状态的开关量采集模块，并利用开关量采集模块实施采集门的开关状态信息，若门开，则产生报警信号并将报警信号发送至工业计算机；

工业计算机将报警信号通过光交换机发送至远程监控中心。

其中

当温度在阈值上下限附近时，为了防止加热和散热设备反复动作，在实际控制的程序中，针对阈值上下限设置一个缓冲值，以达到滞环比较的效果。同样，在湿度在阈值附近时，设置缓冲值防止设备反复动作，达到滞环比较的效果。

工业计算机接收到烟雾数字信号后还启动烟雾报警，此项为高优先级，一旦检测到烟雾报警，立刻下发停机指令，通过可编程逻辑控制器控制供电单元断电，切断密闭箱式水冷光伏电站中除工业计算机外所有设备的电源，并对远程监控中心报警。

工业控制计算机通过RS485总线，采集水冷换热系统进出水温度，进出水压力，三通阀限位，以及水冷系统保护设定值，并打包发送到远程监控中心显示，也可以接受远程监控中心的修改命令，修改水冷系统保护参数。

工业控制计算机还可采集变流器直流电压、电流，交流电压、电流，功率，IGBT温度，运行状态，故障信息等，进行记录保存，并上报远程监控中心。

在采集环境信息的过程中，将所有的状态参数划分为遥信，遥测，遥调等类别，并根据系统控制的要求设置优先级采集顺序。对于系统比较重要的水温，变流器直流功率等参数实时采集，对于外部设备工作状态等相对低优先的参数，实行周期采集。各个状态参数采集上来后，通过脚本程序对各个状态进行比较判断。如果检测高优先级的遥信参数，如设备工作状态位等，出现故障。则立刻执行保护措施，并上报远程监控中心。如果检测到低优先级的遥测参数，如水温，环境温度等，超出设备工作的最佳状态阈值，则立刻执行补偿措施。如果检测到光伏发电直流功率低于变流器预设的最佳功率范围，则控制变流器改变IGBT功率模块的工作模式，可以改善变流器低功率波段的工作效率和谐波含量。

而内、外两个循环系统的水流量在水冷换热系统中所占比重通过电动三通阀开通状态来调节。整个水冷换热系统，又通过箱体顶部的换热器同箱体内空气进行热交换。微气候控制系统根据采集的水温，环境温度，设备功率模块温度等同最佳工作范围的上下限进行差值比较，以此来控制电动三通阀开通状态和散热器工作状态。例如，当温度在正常温度时，微气候控制系统控制水冷换热系统工作在内循环状态下，对光伏逆变器进行散热，但不用对箱内空间进行散热；在西北地区冬季环境温度很低的情况下，微气候控制系统控制水冷换热系统工作在内循环状态下，散热器不启动且加热器启动；而在夏季环境温度很高的情况下，微气候控制系统控制水冷换热系统工作在外循环状态下，散热器全开，同时对光伏逆变器和箱体内的空间进行散热。而微气候控制系统在判断湿度很高同时温度接近零度，有凝露会结霜危险的时候，控制控制水冷换热系统工作在内循环状态下同时启动加热器，一方面防止凝露，另一方面加速箱体内部空气流动，避免设备损坏。

工业计算机是生产控制命令的中心，密闭箱式水冷光伏电站通过工业计算机实现智能构造和调节密闭箱体内的微气候，从而使得光伏发电系统，特别是光伏发电系统中的光伏逆变器工作在最佳状态，提高设备的稳定性，延长设备的使用寿命。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.密闭箱式水冷光伏电站，包括光伏发电系统，其特征在于，所述光伏发电系统中的光伏逆变器(1)和光交换机(2)置于带有门的全密封集装箱(3)箱体的内部；

且该光伏电站还包括：置于全密封集装箱(3)箱体内的加热器(4)、循环水泵(5)、电动三通阀(6)、换热扇(7)、水冷板(8)、可编程逻辑控制器(9)、工业计算机(10)、温度传感器(11)、湿度传感器(12)、模拟量采集模块(13)、供电单元(14)，和置于全密封集装箱(3)箱体外的散热器(15)；

所述水冷板(8)和加热器(4)置于光伏逆变器(1)内部，所述换热扇(7)置于全密封集装箱(3)箱体内顶部，所述循环水泵(5)的进出水口、电动三通阀(6)的进水口和第一出水口、换热扇(7)的进出水口、水冷板(8)的进出水口通过管道连接组成内循环系统，所述循环水泵(5)的进出水口、电动三通阀(6)的入水口和第二出水口、换热扇(7)的进出水口、水冷板(8)的进出水口、散热器(15)的进出水口通过管道连接组成外循环系统；

所述温度传感器(11)的输出端和湿度传感器(12)的输出端分别与模拟量采集模块(13)的采集端电连接，所述模拟量采集模块(13)的输出端和可编程逻辑控制器(9)的接收端分别与工业计算机(10)电连接，所述加热器(4)、循环水泵(5)、电动三通阀(6)、换热扇(7)、供电单元(14)、散热器(15)分别与可编程逻辑控制器(9)的控制端电连接。

2.根据权利要求1所述的密闭箱式水冷光伏电站，其特征在于，所述水冷板(8)紧贴水冷光伏逆变器(1)内的IGBT模块。

3.根据权利要求1所述的密闭箱式水冷光伏电站，其特征在于，该光伏电站还包括：置于全密封集装箱(3)箱体内的烟感传感器(16)，所述烟感传感器(16)的输出端与模拟量采集模块(13)的采集端电连接。

4.根据权利要求1所述的密闭箱式水冷光伏电站，其特征在于，所述工业计算机(10)与光交换机(2)电连接。

5.根据权利要求1所述的密闭箱式水冷光伏电站，其特征在于，该光伏电站还包括：置于全密封集装箱(3)箱体内的采集门的开关状态的开关量采集模块(17)，所述采集门的开关状态的开关量采集模块(17)与工业计算机(10)电连接。

6.对权利要求1所述密闭箱式水冷光伏电站的箱内环境控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

利用工业计算机通过可编程逻辑控制器控制循环水泵、电动三通阀和换热扇以启动内循环系统；

在工业计算机内设定箱内温度上、下限阈值和湿度阈值；

利用温度传感器实时监测箱内温度并产生温度电信号，利用湿度传感器实时监测箱内湿度并产生湿度电信号；

利用模拟量采集模块将温度、湿度电信号一一对应转换为温度、湿度数字信号，并将温度、湿度数字信号发送至工业计算机；

利用工业计算机分别温度、湿度信息，并将温度、湿度信息分别与温度上、下限阈值和湿度阈值比较：

若箱内温度高于温度上限阈值，则通过可编程逻辑控制器控制循环水泵、电动三通阀、换热扇、散热器以开启外循环系统，直至箱内温度位于温度上、下限阈值之间，

若箱内温度低于温度下限阈值且箱内湿度低于湿度阈值，则通过可编程逻辑控制器控制循环水泵、电动三通阀和换热扇以停止内循环系统，同时启动加热器，直至箱内温度位于温度上、下限阈值之间，

若箱内温度低于温度下限阈值且箱内湿度高于湿度阈值，则通过可编程逻辑控制器启动加热器，直至箱内温度位于温度上、下限阈值之间且湿度低于湿度阈值。

7.根据权利要求6所述的箱内环境控制方法，其特征在于，该方法还包括步骤：

分别为所述温度上、下限阈值和湿度阈值设定缓冲值。

8.根据权利要求6所述的箱内环境控制方法，其特征在于，该方法还包括步骤：

在全密封集装箱箱体内设置烟感传感器，并利用烟感传感器实时监测箱内有无烟雾，若有则产生烟雾电信号；

利用模拟量采集模块将烟雾电信号转换为烟雾数字信号，并将烟雾数字信号发送至工业计算机；

若工业计算机接收到烟雾数字信号，则通过可编程逻辑控制器控制供电单元断电。

9.根据权利要求8所述的箱内环境控制方法，其特征在于，该方法还包括步骤：

工业计算机将从模拟量采集模块中接收的温度、湿度、数字烟雾数字信号通过光交换机发送至远程监控中心。

10.根据权利要求6所述的箱内环境控制方法，其特征在于，该方法还包括步骤：

在全密封集装箱箱体内设置采集门的开关状态的开关量采集模块，并利用开关量采集模块实施采集门的开关状态信息，若门开，则产生报警信号并将报警信号发送至工业计算机；

工业计算机将报警信号通过光交换机发送至远程监控中心。