CN105680794B - 电压补偿法增效型光伏汇流箱及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电压补偿法增效型光伏汇流箱及其工作方法，它涉及太阳能光伏发电技术领域。DC‑DC补偿电源产生器输出电压的正端引出线串入一防反二极管后接至汇流箱的正极母排总线，DC‑DC补偿电源产生器输出电压的负端引出线与PWM脉宽调压型开关阵列板的输入端连接，DC‑DC补偿电源产生器输出电压的正端与负端之间接有储能电容器，正极母排总线与各电池组串正极进线连接，PWM脉宽调压型开关阵列板引出的多路负电压输出线接至高压熔断器与防反二极管之间的节点上，PWM脉宽调压型开关阵列板与连接有多个电流采样传感器的控制板连接。本发明操作简便，成本低，提高光伏电站的整体发电效率，经济有效地实现了光伏发电效能的最大化提升。
Description
技术领域
本发明涉及的是太阳能光伏发电技术领域，具体涉及电压补偿法增效型光伏汇流箱及其工作方法。
背景技术
目前在国内外大量使用的光伏电站组件中，以及在2015年上海举办的国际光伏产品博览会上，都没有发现光伏汇流箱在设计和制造技术有重大的突破，即使是号称最新型的智能型光伏汇流箱，也都没出现能提升光伏电池组发电效率的功能。现有几乎所有的光伏发电用汇流箱都只是起到转接和汇集光伏电池组串送出的直流电能，并通过汇流箱把十几个光伏组串所发出的电能集中传送到正负电流母排上，再送往逆变主机，汇流箱结构基本上都是由光伏组串进线端子、高压熔断器、防反二极管(有些汇流箱省去)、高压断路器、直流高压防雷器、汇流母排及接线端子以及机箱壳体等部件组成，这些元件的组合并没有线路电压的补偿功能，所以对提升光伏发电因端电压不平衡而造成的效率损失是起不到任何作用的，且由于每个光伏组串中各电池板的所处位置及角度、表面脏污或受阴影遮挡等情况的差异，都会造成光伏组串输出端电压的各不相同，根据并联电路两端电压完全相等的原则，直接并联的后果是：输出电压低的电池组串其输出电流一定会被输出电压高的电池组串回路给抑制了，其输出电流就变得很小，严重影响发电效率的达标。
对于电池组端电压不平衡而造成光伏电站发电效率损失严重的现象，一些国外工程师的解决方案是：在单块电池板上安装具有升压和恒压作用的功率优化器，或把普通光伏接线盒换成具有功率优化的智能接线盒，使每块光伏电池板输出的端电压都上升到一个固定的值，从而使 各电池组串的端电压基本相等，但通过DC-DC变换来升高输出电压，必然会使原先的输出电流变小，因为相对于一个指定的输出功率，电压与电流是一个乘积关系，提高电压就会减小电流，如果要提升电流，则会减小输出电压。目前国内也有一些公司在研发具有功率优化功能的智能接线盒，虽然这种接线盒能对提升发电效率产生一定的效果，但必须对每块电池组件都进行改造，因此工程量大，智能接线盒用量大，而且单个的成本也是相当的高，所以此方案的推广有较大的局限性，目前在我们国内还比较难以激起客户的购买愿望。
为了解决上述问题，设计一种新型的电压补偿法增效型光伏汇流箱及其工作方法还是很有必要的。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种电压补偿法增效型光伏汇流箱及其工作方法，结构简单，设计合理，操作简便，成本低，在提高了光伏电站的整体发电效率的途径上开创了一中全新的解决方法，经济有效地实现了光伏发电效能的最大化提升，实用性强，经济适用、易于推广使用。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：电压补偿法增效型光伏汇流箱，包括控制板、DC-DC补偿电源产生器、PWM脉宽调压型开关阵列板、储能电容器、防反二极管、补偿电源防反二极管、电流采样传感器、高压断路器、防雷组件、进线用接线端子座、高压熔断器、出线母排接线端子座和机箱外壳，DC-DC补偿电源产生器的输入电压的正端引出线接高压熔断器至正极母排总线，DC-DC补偿电源产生器的输入电压的负端引出线与负极母排总线连接，DC-DC补偿电源产生器输出电压的正端引出线接补偿电源防反二极管至正极母排总线，DC-DC补偿电源产生器输出电压的负端引出线与PWM脉宽调压型开关阵列板的输入端连接，DC-DC补偿电源产生器输出电压的正端与负端之间接有储能电容 器，正极母排总线与各电池组串正极进线连接，各电池组串正极进线上均连接有一路高压熔断器、防反二极管的串联电路，PWM脉宽调压型开关阵列板安装在补偿电压源与每路电池板组串之间，PWM脉宽调压型开关阵列板引出的多路负电压输出线接至高压熔断器与防反二极管之间的节点上，PWM脉宽调压型开关阵列板与控制板连接，控制板上接有多个电流采样传感器，正极母排总线上接有防雷组件，正极母排总线与负极母排总线之间安装有高压断路器；所述的控制板、DC-DC补偿电源产生器、PWM脉宽调压型开关阵列板、储能电容器、防反二极管、补偿电源防反二极管、电流采样传感器、高压断路器、防雷组件、高压熔断器均安装在机箱外壳中，正极母排总线、负极母排总线分别固定在机箱外壳端口的进线用接线端子座、出线母排接线端子座上。
作为优选，所述的控制板由电流采样阵列模块、CPU比例运算控制模块、调压控制信号输出模块组成，电流采样阵列模块、CPU比例运算控制模块、调压控制信号输出模块依次连接。
作为优选，所述的电流采样传感器串接在每一路进入汇流箱的电池组串的负极进线上，电流采样传感器采用霍尔型直流电流传感器，每个霍尔型直流电流传感器的信号输出线均连接至控制板。
作为优选，所述的机箱外壳上设置有作为普通汇流箱使用的应急切换开关，防止增效型汇流箱在电压补偿增效功能万一失效时依然能当普通汇流箱使用。
作为优选，所述的增效型汇流箱具有远程监控数据通信功能，可以通过无线数传模块或485数据通信线远程上传接入汇流箱的各电池组串的电流和电压等数据功能，并可接收远程控制信号使其在增效汇流箱功能和普通汇流箱功能之间切换。
作为优选，利用进线分路的动态电压补偿技术，覆盖到进入增效型汇流箱的所有光伏电池组串进线上，而对线路补偿电压的加入与否及补 偿电压的大小，是根据对该组串电流的侦测后，在经过单片机控制板对该电流信号与各支路中的平均回路电流信号的比较运算后控制调整的，而整个调整又是一个反复调节的渐变过程。
作为优选，为防止线路电流的侦测和补偿电压的调节之间产生有害的过调性振荡，对补偿电压的输出高低采用了PID调节算法来进行控制。
本发明的有益效果：基本克服了在单一电池组串中出现两块以内电池板发电效果不良而造成输不出电流的问题，通过电压提升部件对此组串的电压补偿后，使得它的输出电流达到各组串回路的平均值，从而使该组串中数十片电池板原来无法输出的电能被全部挖掘出来；采用增效型汇流箱，还可以达到用料最省(不必对每块电池板进行补偿)，改造更方便(也适用于新建光伏电站)，只要投入一个增效汇流箱，就能同时解决数百块电池板的发电优化问题，经济有效地实现了光伏发电效能的最大化提升。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参照图1，本具体实施方式采用以下技术方案：电压补偿法增效型光伏汇流箱，包括控制板1、DC-DC补偿电源产生器2、PWM脉宽调压型开关阵列板3、储能电容器4、防反二极管5、补偿电源防反二极管6、电流采样传感器7、高压断路器8、防雷组件9、进线用接线端子座10、高压熔断器11、出线母排接线端子座12和机箱外壳13，控制板1、DC-DC补偿电源产生器2、PWM脉宽调压型开关阵列板3、储能电容器4、防反 二极管5、补偿电源防反二极管6、电流采样传感器7、高压断路器8、防雷组件9、高压熔断器11均安装在机箱外壳13中，机箱外壳13端口的进线用接线端子座10、出线母排接线端子座12上分别安装有正极母排总线14、负极母排总线15，DC-DC补偿电源产生器2的输入电压的正端引出线接高压熔断器11至正极母排总线14，DC-DC补偿电源产生器2的输入电压的负端引出线与负极母排总线15连接，DC-DC补偿电源产生器2输出电压的正端引出线接补偿电源防反二极管6至正极母排总线14，DC-DC补偿电源产生器2输出电压的负端引出线与PWM脉宽调压型开关阵列板3的输入端连接，DC-DC补偿电源产生器2输出电压的正端与负端之间接有储能电容器4，正极母排总线14与各电池组串正极进线连接，各电池组串正极进线上均连接有一路高压熔断器11、防反二极管5的串联电路，PWM脉宽调压型开关阵列板3引出的多路负电压输出线接至高压熔断器11与防反二极管5之间的节点上，PWM脉宽调压型开关阵列板3与控制板1连接，控制板1上接有多个电流采样传感器7，正极母排总线14上接有防雷组件9，正极母排总线14与负极母排总线15之间安装有高压断路器8。
值得注意的是，所述的控制板1由电流采样阵列模块101、CPU比例运算控制模块102、调压控制信号输出模块103组成，电流采样阵列模块101、CPU比例运算控制模块102、调压控制信号输出模块103依次连接。
值得注意的是，所述的电流采样传感器7串接在每一路进入汇流箱的电池组串的负极进线上，电流采样传感器7采用霍尔型直流电流传感器，每个霍尔型直流电流传感器的信号输出线均连接至控制板1。
此外，为防止线路电流的侦测和补偿电压的调节之间产生有害的过调性振荡，所以对补偿电压的输出高低采用了PID调节算法来进行控制。
本具体实施方式为防止增效型汇流箱在电压补偿增效功能万一失效时依然能当普通汇流箱使用，在汇流箱电路中安装有作为普通汇流箱使 用的应急切换开关；同时增效型汇流箱具有远程监控数据通信功能，可以通过无线数传模块或485数据通信线远程上传接入汇流箱的各电池组串的电流和电压等数据功能，并可接收远程控制信号使其在增效汇流箱功能和普通汇流箱功能之间切换。
本具体实施方式的设计思想就是采用对每一路电池组串进入增效型汇流箱的线路上进行电流侦测，经智能主板对所有采样信号进行综合运算后，对各电流偏小的回路进行合适的电压补偿，从而使各电流偏低的回路输出电压提升，使输出电流与各回路的综合平均电流相近或相等，以最经济可行和施工方便的技术产品的推出，来提升光伏电站系统的整体效率，在电池组串的汇集终端实现集中式MPPT最大功率点跟踪及优化补偿。
利用进线分路的动态电压补偿技术，覆盖到进入增效型汇流箱的所有光伏电池组串进线上，而对线路补偿电压的加入与否及补偿电压的大小，是根据对该组串电流的侦测后，在经过单片机控制板对该电流信号与各支路中的平均回路电流信号的比较运算后控制调整的，而整个调整又是一个反复调节的渐变过程。
本具体实施方式使用了一组隔离型DC-DC补偿电源产生器2，从汇流箱的输出母排600伏的高压端上取得一部分电能，经DC-DC补偿电源产生器2降压成60伏的低压电能储存到一个大容量的储能电容器4中；在补偿电压源(包含电解电容器)与每路电池板组串之间，安装一块PWM脉宽调压型开关阵列板3，此板的作用就是一个多路的补偿电压调节闸门，而每一路的闸门开闭和大小，则由控制板1来控制，假设当某一路端电压偏低而引起系统需要对其输送补偿电压时，由于送入到高压熔断器11和防反二极管5正极之接点的补偿电压是负极性的，将使原来的防反二极管5因反偏而被截止，原来的电池组串输入电压就只能与补偿电压相叠加后再输送到总线母排上，而电压叠加的结果就使得其端电压得到提 升，输入电流也随之增大了。
当某个或多个光伏组串中的电池板有角度问题、表面脏污或者受阴影遮挡时，此光伏组串输出端电压会低于其他光伏组串输出端电压，此时系统需要对其输送补偿电压。本装置在每一路进入汇流箱的电池组串的进线上，都串接一个霍尔型直流电流传感器，随时对每路的输入电流进行采样，然后上传到控制板1中，信号经过此板CPU中程序的综合比较和运算后，得到对每路电池组串所需补偿电压大小的控制信号，然后按号对应地送往PWM脉宽调压型开关阵列板3，最后补偿电压源(大容量的储能电容器)中的电能经过各路闸门的调节后，被按需分配地叠加到各路进线电流偏小的回路中去，使得各路进线电流逐渐提升到总平均电流的水平；当回路中的电流偏高于平均电流或接近于平均电流时，系统在软件中自动判断，不对此类回路进行电压补偿。
本具体实施方式能起到自动平衡各光伏组串输出端电压的功能，解决了因高输出电压的组串抑制低输出电压组串的输出电流而造成光伏发电效率严重下降的情况。并且，根据光伏发电组件以后会大量引入智能接线盒的趋势，其内部的MPPT功能可以自动使各电池板的输出电流达到最大值匹配，但其组串发电时的端电压平衡问题还是不能解决，所以在汇流箱节点处必须要增加输出端电压的补偿和平衡功能，才能使智能接线盒真正发挥出提高光伏发电效率的目的。本电压补偿法增效型光伏汇流箱如单独用于没有引入智能接线盒的光伏电站，也能较大地提升光伏电池组串的发电效率。
本具体实施方式在原有技术的基础上增加了进线电流和电压、防雷器性能指标等参数的检测，以及测试数据的上传等功能，采用了直接在中心节点(汇流箱)上对各光伏组串输出端电压偏低的回路进行电压补偿提升的方法，从而使端电压偏低的电池组串的输出电流得到提升，使各路电池组串的输出电流都大致相等，从而把原来因端电压偏低而受到抑 制的发电能量被最大限度地挖掘出来，提高了光伏电站的整体发电效率，完全可以克服数块电池板发电效果不良所造成的线路端电压偏低而输不出电流的问题，是解决目前国内比较缺乏改善光伏发电因端电压不平衡而造成发电效率大量损失的最佳手段，还可以达到用料最省，不必对每块电池板进行补偿，改造更方便(也适用于新建光伏电站)，只要投入一个增效汇流箱，就能同时解决数百块电池板的发电优化问题，经济有效地实现了光伏发电效能的最大化提升，大大降低推广成本，操作简单，经济适用，具有广阔的市场应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.电压补偿法增效型光伏汇流箱，其特征在于，包括控制板(1)、DC-DC补偿电源产生器(2)、PWM脉宽调压型开关阵列板(3)、储能电容器(4)、防反二极管(5)、补偿电源防反二极管(6)、电流采样传感器(7)、高压断路器(8)、防雷组件(9)和高压熔断器(11)，DC-DC补偿电源产生器(2)的输入电压的正端引出线接高压熔断器(11)至正极母排总线(14)，DC-DC补偿电源产生器(2)的输入电压的负端引出线与负极母排总线(15)连接，DC-DC补偿电源产生器(2)输出电压的正端引出线接补偿电源防反二极管(6)至正极母排总线(14)，DC-DC补偿电源产生器(2)输出电压的负端引出线与PWM脉宽调压型开关阵列板(3)的输入端连接，DC-DC补偿电源产生器(2)输出电压的正端与负端之间接有储能电容器(4)，正极母排总线(14)与各电池组串正极进线连接，各电池组串正极进线上均连接有一路高压熔断器(11)、防反二极管(5)的串联电路，PWM脉宽调压型开关阵列板(3)引出的多路负电压输出线接至高压熔断器(11)与防反二极管(5)之间的节点上，PWM脉宽调压型开关阵列板(3)与控制板(1)连接，控制板(1)上接有多个电流采样传感器(7)，正极母排总线(14)上接有防雷组件(9)，正极母排总线(14)与负极母排总线(15)之间安装有高压断路器(8)；
所述的增效型汇流箱具有远程监控数据通信功能，可以通过无线数传模块或485数据通信线远程上传接入汇流箱的各电池组串的电流和电压等数据功能，并可接收远程控制信号使其在增效汇流箱功能和普通汇流箱功能之间切换。
2.根据权利要求1所述的电压补偿法增效型光伏汇流箱，其特征在于，所述的控制板(1)、DC-DC补偿电源产生器(2)、PWM脉宽调压型开关阵列板(3)、储能电容器(4)、防反二极管(5)、补偿电源防反二极管(6)、电流采样传感器(7)、高压断路器(8)、防雷组件(9)、高压熔断器(11)均安装在机箱外壳(13)中，正极母排总线(14)、负极母排总线(15)分别固定在机箱外壳(13)端口的进线用接线端子座(10)、出线母排接线端子座(12)上。
3.根据权利要求1所述的电压补偿法增效型光伏汇流箱，其特征在于，所述的控制板(1)由电流采样阵列模块(101)、CPU比例运算控制模块(102)、调压控制信号输出模块(103)组成，电流采样阵列模块(101)、CPU比例运算控制模块(102)、调压控制信号输出模块(103)依次连接。
4.根据权利要求1所述的电压补偿法增效型光伏汇流箱，其特征在于，所述的PWM脉宽调压型开关阵列板(3)安装在补偿电压源与每路电池板组串之间。
5.根据权利要求1所述的电压补偿法增效型光伏汇流箱，其特征在于，所述的电流采样传感器(7)串接在每一路进入汇流箱的电池组串的负极进线上，电流采样传感器(7)采用霍尔型直流电流传感器，每个霍尔型直流电流传感器的信号输出线均连接至控制板(1)。
6.根据权利要求1所述的电压补偿法增效型光伏汇流箱，其特征在于，所述的机箱外壳(13)上设置有作为普通汇流箱使用的应急切换开关，防止增效型汇流箱在电压补偿增效功能万一失效时依然能当普通汇流箱使用。
7.根据权利要求1所述的电压补偿法增效型光伏汇流箱工作方法，其特征在于，所述DC-DC补偿电源产生器(2)，从汇流箱的输出母排600伏的高压端上取得一部分电能，经DC-DC补偿电源产生器(2)降压成60伏的低压电能储存到一个大容量的储能电容器(4)中；在补偿电压源与每路电池板组串之间，安装一块PWM脉宽调压型开关阵列板(3)，此板的作用就是一个多路的补偿电压调节闸门，而每一路的闸门开闭和大小，则由控制板(1)来控制，假设当某一路端电压偏低而引起系统需要对其输送补偿电压时，由于送入到高压熔断器(11)和防反二极管(5)正极之接点的补偿电压是负极性的，将使原来的防反二极管(5)因反偏而被截止，原来的电池组串输入电压就只能与补偿电压相叠加后再输送到总线母排上，而电压叠加的结果就使得其端电压得到提升，输入电流也随之增大了；
当某个或多个光伏组串中的电池板有角度问题、表面脏污或者受阴影遮挡时，此光伏组串输出端电压会低于其他光伏组串输出端电压，此时系统需要对其输送补偿电压，本装置在每一路进入汇流箱的电池组串的进线上，都套入一个霍尔型直流电流传感器，随时对每路的输入电流进行采样，然后上传到控制板(1)中，信号经过此板CPU中程序的综合比较和运算后，得到对每路电池组串所需补偿电压大小的控制信号，然后按号对应地送往PWM脉宽调压型开关阵列板(3)，最后补偿电压源中的电能经过各路闸门的调节后，被按需分配地叠加到各路进线电流偏小的回路中去，使得各路进线电流逐渐提升到总平均电流的水平；当回路中的电流偏高于平均电流或接近于平均电流时，系统在软件中自动判断，不对此类回路进行电压补偿，以减少控制程序的复杂程度。
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