CN105827198B - 用于光伏系统的智能接线盒 - Google Patents
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Abstract
一种用于光伏系统的“智能”接线盒，提供对光伏电池串的电测量，来检测光伏电池的过早退化，旁路二极管失效，及电弧发生。将测量/检测结果报告到一个中心位置，并且/或者提供一个给定的自动开关以断开光伏电池串。该智能接线盒还提供光伏电池串的电气特性的综合报告给中央系统，接收中央系统发来的允许切断操作的远程命令。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年9月申请的美国临时专利申请号62/044，526的所有权益并将其以引用方式包含于此。
技术领域
本发明涉及提供从太阳能提供电力的光伏系统，尤其涉及电联接光伏电池组的接线盒。
背景技术
太阳能作为一种有希望的能量来源，可避免了许多化石燃料燃烧的问题。虽然太阳光很容易聚集，并用于加热，直接使用光伏电池将光能转化为电力正变得越来越有吸引力。光伏电池可以由半导体材料制成，并利用光伏效应将光能转化成电能。
由于单个光伏电池所提供的电压相对较低(大约每个光伏电池0.5伏)，通常会将多个光伏电池串联组合以提供所需的工作电压。光伏电池的串联组合可以由一个接线盒完成。该接线盒内含有旁路二极管，用于为一部分串联光伏电池分流。一组串联光伏电池的电流受限于其中电流最小的电池，如被遮蔽的电池。在此情况下，二极管提供被遮蔽电池的旁路，防止电流通过被遮蔽的电池，而电流通过被遮蔽的电池会引起该电池发热。该二极管也可以旁路失效的电池。
从接线盒输出的电能可以被汇集起来，并提供给逆变器。逆变器将光伏电池的产生的直流电转换成交流电，并输出到电网或本地电力系统。
光伏系统的有效性和安全性强烈依赖于每个光伏电池的正常运行。然而，当多个光伏电池结合在一起时，由于单个电池输出的正常变化，其运行状态难以建立。这可能导致意外或灾难性光伏电池功能失效。
发明内容
本发明提供一种用于光伏阵列的“智能”的接线盒。该接线盒可以监控单独的光伏电池或光伏电池小组的电气工作性能，检测光伏电池的早期失效，检测旁路二极管故障，并报告至中央监测系统。在一个实施方案中，本发明提供检测发生于光伏电池或其相互间连线的电弧的方法。
具体地，在一个实施方案中，本发明提供了用于串联连接的光伏阵列的包含旁路二极管的智能接线盒。该智能接线盒可包括：外壳，其提供多个端子，所述多个端子用于在串联的光伏电池之间的多个电接点处接收到串联的光伏电池的电连接，在多个电接点处加有旁路二极管；用于与中央站通信的远程通信电路；输入/输出电路，其用于与端子通信以用于将电接点的电气测量进行数字化，d)处理器，其接收该数字化的电气测量，并执行一个存储的程序来评估电气测量的历史，以检测对光电电池或旁路二极管的至少一个电气损伤，以通过远程通信电路向中心监测站提供信号。
故而本发明的至少一个实施例的特点是其可快速地和分布式地检测光伏电池和二极管失效。
对光伏电池的电气损伤的检测可以通过监测光电电池两端的电压来识别出对一个光伏电池的损伤，其中，当该光伏电池的电压偏离平均电压超过预定时间和预定量，该光伏电池被识别为电气损伤。
故而本发明的至少一个实施例的特点是确定可能的光伏电池的特性退化，而不管光伏电池的串联连接和不同太阳光辐照导致的光伏电池输出的自然变化。
对旁路二极管损伤的检测可通过检测旁路二极管二端的正向偏置电压大于预定量来实现。
故而本发明的至少一个实施例的特点是，采用在光伏电池光照辐射的自然变化来测试二极管失效。
智能接线盒可以包括一个电控开关，该电控开关与光伏电池串联，受控于所述处理器，用于在必要时切断光伏电池的串连连接。
故而本发明的至少一个实施例的特点是可以本地切断光伏电池的串联连接，以便于维修或消除灾害。
当检测到二极管损坏时，该处理器可以控制电控开关以断开光伏电池的串联连接。
故而本发明的至少一个实施例的特点是允许自动消除光伏电池组件的潜在危险。
处理器可从光伏电池接收能源。
故而本发明的至少一个实施例的特点是，通过允许该接线盒从其所监测的光伏电池接受能源，从而使分布式监控系统的安装简化。
智能接线盒可以包括电力储能元件，用于储存来自光伏单元的电能以备当不能从光伏单元获得电能时使用。
故而本发明的至少一个实施例的特点是，即使在夜间，没有光伏电能，系统仍然可以工作。
智能接线盒可以包括一个电流传感器，用于测量串联连接的光伏电池的电流。
故而本发明的至少一个实施例的特点是，它可以提供包括电池电压的光伏电池的额外的运行信息。
处理器可以进一步评估电气测量值的历史，并执行存储的程序，以检测光伏电池中的电弧。
故而本发明的至少一个实施例的特点是，它可以检测光伏电池电路的电弧。电弧可能意味着一系列的问题。
电弧的检测可以实施于监测在至少一个光伏电池二端的电压：(a)确定随时间的主频率；(b)从所监测的电压中减去随时间的主频率，以产生一个校正电压，及(c)分析校正电压作为频率函数的频谱振幅的趋势，当该趋势满足预设标准时，指示电弧发生。
故而本发明的至少一个实施例的特点是，它通过消除来自相关的逆变器等的主频率，评估与电弧相关联的频谱特征，以提供改进的电弧检测方法。
电弧的检测可以进一步监控至少一个光伏电池的电压：(d)确定在所述校正电压中的次级主频率，和(e)分析次级主频率随时间的变化，当该变化超过预定值时，指示电弧发生。
故而本发明的至少一个实施例的特点是，它通过分析次级主频率的随机性来检测电弧。
根据本发明的一个方面，提供了一种电弧检测系统，用于带有旁路二极管的光伏阵列，该电弧检测系统包括：
端子，用于接收到光伏单元的电连接；
与中央站通信的远程通信电路；
输入/输出电路，用于与端子通信以用于将电接点的电气测量进行数字化；以及
处理器,其接收数字化的电气测量，以及执行所存储的程序来评估电测量值的历史，以检测在光伏单元中的电弧；
其中，电弧检测包括监控越过所述至少一个光伏单元的电压和/或电流：
-确定随时间的主频率；
-从所测量的电压和/或电流中减去随时间的主频率，以产生一个校正的电压和/或电流；以及
-分析校正电压和/或电流作为频率函数的频谱振幅的趋势，当其趋势满足预定标准时，指示电弧发生。
优选地，在该电弧检测系统中，其中电弧检测还包括监视越过至少一个光伏单元的电压和/或电流，并且：
在校正后的电压和/或电流中识别次级主频率；并且
分析在次级次主频率随时间的变化，以在该变化超过预定值时指示电弧发生。
上述特定的特征和优点可仅应用于权利要求范围内的一些实施例，并不限定本发明的范围。
附图说明
图1是一个光伏系统的简化示意图，其中，该光伏系统合并来自多个阵列单元的电能，其中(以扩展图)显示每个阵列单元包括在接线盒处联接的多组串联的光伏电池串。接线盒(扩展图)示意图显示其具有电子处理器监控串联连接的光伏电池的电气特性。
图2示出图1中的电子处理器接收的监测电压的示例曲线，用于光伏电池早期失效的程序分析。
图3示出单个光伏电池的监测电压的示例曲线，用于检测失效的旁路二极管的分析。
图4示出由图1中电子处理器执行的用于检测在光伏电池中或之间发生电弧的逻辑流程图。
具体实施方式
参考图1。一个光伏系统10可以提供一个用于接收阳光14的面板12用于将设置该面板表面上的多个单元16暴露于阳光14。
来自多个阵列单元16的每个的电力可被合并且输出到逆变器18以产生交流能源20。一个典型太阳能板可提供比较显著的电功率，例如250瓦的功率，短路电流8.5安培，开路电压42伏。十到十五个(或更多)的太阳能板12可以串联连接以形成一个串，最多32串可被组合形成一个子电路以馈送逆变器18。逆变器18可使用多个蓄电池，用于存储电能。
中央站22可以与多个阵列单元16进行通信，用于监视阵列单元16及其相关部件的运行状态。下面详述。
参考图1的第一扩展插图。每个阵列单元16可以有多个光伏电池24(例如，提供0.5伏的额定操作电压)串联连接为一个串27，连接到智能接线盒28的外壳25上的端子26。智能接线盒28合并来自各串27的电力，以提供组合的功率在一个共同的电压总线30上，并被接到第二接线盒或到逆变器18。
参照图1的第二展开插图。智能接线盒28可以包括一个电子控制器32，例如，包括一个计算机处理器34，其与保存程序38的电子存储器36进行通信，控制器还可以包括输入/输出电路41，其在处理器34的控制和如本领域技术人员通常理解的由模拟-数字或数字-模拟转换器介入的那样，接收电压信号或输出电压信号，。
输入/输出电路41的模拟输入线连接到每个端子26，用于测量端子间的电压，并进而获得串联连接的光伏串27的电压。举例来说，在一个简化的系统中，其中有连接到接线盒28的3个光伏串27a-c，光伏串27a将连接端子S1+和S1-，这样在光伏串27a的正常工作期间，端子S1+的电压将高于端子S1-。按照同样约定，光伏串27b连接到端子S2+及S2-，光伏串27c连接到端子S3+及S3-。
在本实施例中，控制器32的第一模拟输入接收端子S1+的电压，控制器32的第二模拟输入接收电连接在一起的端子S2+和S1-的电压，控制器32的第三模拟输入接收电连接在一起的端子S2-和S3+的电压，而控制器32的第四模拟输入接收端子S3-的电压。应当理解的是，“接点”是指两个光伏串27之间的连接，或在给定的光伏串27和光伏系统10的其他组件之间的连接。
在一个实施例中，旁路二极管40a到40c被设置于每个串27a-27c二端，其中，二极管40a的阴极连到端子S1+，其阳极连接至电连接在一起的端子S2+和S1-。同样二极管40b的阴极连接至电连接在一起的端子S2+和S1-，而其正极连接到连接端子S2-和S3+。最后，二极管40c的阴极连接于电连接在一起的端子S2-和S3+，而其阳极连接到端子S3-。
端子S3-和二极管40c的阳极还连接到电流测量元件42的一个端子(例如一个小电阻，霍尔效应器件等)。电流测量元件42的第二端子被连接到一个电可控开关44，诸如一个MOS晶体管或继电器或类似物，的一个端子，它的另一端则连接到电压总线30的接地引线，而相应的正极引线电压总线30被连接到端子S1+。
在这种方式下，电流测量元件42可以测量通过每个串27的电流(其电流相等，因为它们是串联连接)，并且该电流可以由电控开关44关断。测量元件42的输出作为控制器32的模拟输入。控制器同时提供一个数字输出，以控制电可控开关44的状态为开启或关闭。
控制器32可以从端子S1+接收能源，并在端子S3-(或具有足够电压差为控制器32供电的任何两个端子)接地。由于在不同的光照条件下的串27输出的电压有所差异，所接收的电力可能需要通过本领域中已知类型的电压调节器46进一步处理。此外，电量储能元件48，例如电池或电容器，可以被用于接收和存储该电力，并提供电能平滑及调节串27输出的电力。
控制器32还可以通过耦合电容器49耦合到串27的输出，例如，通过端子S1+，控制器32可注入高频信号到串27以用于测量目的，下面将详述。
最后，控制器32可以与远程通信电路50进行通信，以允许智能接线盒28和中心站22之间的通信，例如，该远程通信电路是一个使用蓝牙，ZigBee，802.11Wi-Fi通信，或载体电流通信如X-10或类似物的无线发射机。
在运行期间，智能接线盒28可以监视各端子26的电压，流过串27的电流，并定期报告给中央站22。中央站22可以显示该信息，或将该信息与从阵列单元16获得的信息合并使用。通常该信息可用于生成相对于所述光伏系统10的能量统计，用于确定其效率或电力输出，或调节逆变器18的运行以获得最高效率。
在接线盒28的程序38可以进一步包括例程，用于确定单个串27性能是否已经开始降低，从而可以指示即将发生的故障，或需要更换一个光伏电池24。
现在参考图2。在一个实施例中，从每个串27的两端所测得的电压可被一起平均和在某时间窗口(例如，15分钟)内平均，以产生一个移动平均曲线54，及上下限曲线56，用于代表(例如)偏离于移动平均值曲线54的偏差百分比。与其他串27汇集的各串27单独的电压测量值，例如，单个串测量值58，与上下限曲线56比较。如果单个串测量值58在某时刻(例如，在时刻t0)超出上下限曲线56所定义的上限和下限范围，可以启动一个计时钟，开始测量偏差极限时间60。在偏差极限时间60届满后，与该单个串测量值58相关联的该特定串27可能被标记为退化。表示其输出显著较低，可能不是由于选择性遮挡。在此情况下，上下限曲线56和偏差极限时间60的选择应避免在光伏电池被暂时遮挡(如，云飘过)时误判缺陷。使用在时间上的平均和不同的电压可以组合来适应照射到光伏电池的阳光的季节性和逐日变化。
一旦检测到退化的光伏电池，一个报告可以产生并发送至中心站22，其可以被显示或以其他方式使用。在某些情况下，中心站22可以通过电路50与接线盒28通信以打开电可控开关44以断开串27。其目的在于，例如，允许维护或防止可能的危害。或者，根据程序38设定的条件，接线盒28可以自动提供断开操作。
现在参考图3。接线盒28还可以通过长时间监测二极管40的电压(如电压曲线62所示)，以发现失效二极管。当运行平均值曲线54高于预定阈值时，显示该光伏系统10正在被光照射，如果二极管端电压在超过预定时间64的时间段为0，则指示二极管为短路失效。此外，如果在二极管40反向偏置上升到电平大于所述正向二极管电压(约0.7伏)，则指示二极管为开路故障。
另有一替代方案可用于二极管短路检测。通过电容器49注入一高频信号，观察各个端子26处的电压的衰减。每个串27通常代表一个与二极管67和电阻73并联的电流源66。电流源66和二极管67相对于高频信号在端子26处的注入均为反向偏置，因此除非二极管40短路，否则只能测量到电阻70在每个连续端子26处产生电压降。
再有，当检测到二极管损坏时，一个报告可以生成和发送到中心站22，其可以被显示或以其他方式使用。中心站22在某些情况下可通过电路50与接线盒28通信以打开电可控开关44，以防止危险或允许维修。或者，接线盒28可以根据程序38设定的条件，自动提供断开操作。
现在参考图4。智能接线盒28还可以提供电弧检测功能。电弧的产生，例如，可由断裂或被腐蚀的电缆绝缘层，不可靠连接，或通过光伏系统10结构的短路引起。此技术也可应用在中心站22而不必并入智能接线盒28。
电弧检测的方法，可以实施在控制器32中。例如，使用一个现场可编程门阵列，以提供必要的高速处理来实现。首先第一步骤，通过输入/输出电路41高频采样所述电压总线30的电压，和/或电流测量元件42的电流。
根据程序38，控制器34可以分析采样值，以确定从电压总线30或电流测量模块42所的信号的一个或多个主频率。主频率可通过以下操作来获得：对所得采样信号由内部处理块65作傅立叶变换，计算该变换的幅值(实部平方加上虚部平方的平方根)，并将其与傅里叶变换在预定窗口(例如，3.5k赫兹到24k赫兹)中的平均值(F_FFT)进行比较。主频率可以是高于处理块71中所确定的傅里叶变换频谱的幅度平均值的一个预定系数(例如三倍)以上的任何峰值。该主频率及其各侧到半峰值处的的频率将被从傅里叶变换中除去，并代之以预定窗口中的频谱平均值。
去除主频率是由处理块63确定主频率和减法块69从频谱中减去这些频率。除去主频率用于部分地消除测量过程中的背景噪声，如逆变器，充电控制装置，以及其它负载开关等引起的噪声。背景噪声会模糊化电弧信号。
参数1
一旦主频率已经从频谱除去，通过识别下一个最主要单频，并在相邻傅里叶变换周期间比较该峰值，即可由修改后的频谱中确定一个随机值。每个傅立叶变换周期可以固定频率，例如，64kHz，而产生。该随机值测量是否该下一个最主要单品在相邻傅里叶变换周期中产生或是否当移动到下一个傅里叶变换周期时另一个具有至少500hz频率差的峰值取代先前识别出的峰值。例如，通过观察10个连续傅立叶变换周期和计数多少次连续周期具有相同峰值，可将一个0到10的值分配给该随机值(FreqRandom)。该随机值为处理框70A计算的第一参数。
参数2
如处理块70b所示，除去主频之后的频谱的幅值在前述频率范围内被平均，获得平均值(A_FFT)。两个连续傅立叶变换周期的平均值之差为(A_FFT(n)-A_FFT(n+1))，并由此产生幅度变化值(E_FFT)。当该值在给定时间(例如，1秒)内变化小于预定百分比(例如，50％)时，该值将被看作一个稳态值(E_FFTSS)。处理块70b输出幅值变化值和稳态值之间的差(E_FFT-E_FFTSS)。
参数3
在处理块70c中，在预定窗口内除去主频率的傅立叶变换的平均值(A_FFT)，通过与以上述相对于E_FFT所述的相同方式获得的稳态值A_FFTSS相减，而被比较。处理块70c输出平均值和稳态值之差(A_FFT-A_FFTSS)。
参数4
处理块70d的输出是处理块70c的输出值除以处理块70b的输出值：
(A_FFT-A_FFTSS)/(E_FFT-E_FFTSS)
参数5
处理块70e的输出，归一化的平均值(A_FFT％)，是通过使用处理块70c的输出(A_FFT-A_FFTSS)，除以A_FFTSS：(A_FFT-A_FFTSS)/A_FFTSS
参数6
处理块70f的输出，归一化的变化值(E_FFT％)，是通过使用处理块70b的输出(E_FFT-E_FFTSS)，除以E_FFTSS：(E_FFT-E_FFTSS)/E_FFTSS
参数7
处理块70g的输出，一个变化性调整平均值，是由如上A_FFT除以E_FFT：A_FFT/E_FFT
参数8
在处理块70h的输出，除去主频率的傅立叶变换的频谱斜率FFT_Rat io，是这样计算的：例如，通过线性回归，或将上面所讨论的频率窗口分成两个相等的段，将每段的幅值相加，并且将所述低频段幅值之和除以高频段幅值之和。也可以使用其他计算方法。例如，将该过程延伸到更多频率段。
一旦上述参数1-8确定，其可被平均，或作低通滤波。例如，使用如下滤波公式：
其中:
x2＝x[0]+x[1] (2)
适用于A_FFT,FFT_Ratio,and FreqRand.
平均处理块71也可以经过低通滤波，使用上述公式(1)与式(3)如下：
x2＝abs(x[0]+x[1])适用于F_FFT (3)
接下来，在比较模块72中，参数1-8与根据经验设定的预定阈值相比较，得出输出标记值。“>”符号表示如果参数高于阈值则比较处理的输出被设置为“高”。“<”符号表示如果参数低于阈值则比较处理的输出被设置为“高”。
如处理块74所示，“高”输出的个数被累加，其值被计为变量A_Flags。
A_Flags的值与根据经验设定的第九阈值比较，提供第一个最终参数。
接下来，在处理块70i中，两个连续傅立叶变换周期的A_FFT值与根据经验设定的第十阈值比较，以提供第二最终参数。
最后，在处理模块70j，通过电流测量元件42的直流(零频率)值与其稳态直流值(如上述稳态值的计算方式所计算的)之差与第十一凭经验预定之阈值相比较，得出第三最终参数。
如逻辑与门80所示的第一，第二，和第三最终参数的逻辑“与”指示电弧发生。电弧被该处理过程所检测并报告给中心站22，或者可以由程序使用，以自动打开电可控开关44。
本发明不应被限制于本文档所述的实施例和插图。权利要求书应被理解为包括改良形式的实施方案，包括实施方式的部分的不同实施例的元件和组合。
Claims (11)
1.用于串联连接的光伏阵列的包含旁路二极管的智能接线盒，智能接线盒包括：
外壳，其提供多个端子，所述多个端子用于在串联的光伏电池之间的多个电接点处接收到串联的光伏电池的电连接，在多个电接点处加有旁路二极管；
用于与中心站通信的远程通信电路；
输入/输出电路，其用于与电子通信以用于将电接点的电气测量进行数字化；以及
处理器，其接收该数字化的电气测量，并执行一个存储的程序来评价电气测量的历史，以检测对光电电池或旁路二极管的至少一个电气损伤，以通过远程通信电路向中心监测站提供信号；所述处理器进一步评估电气测量的历史，并执行一个存储的程序，以检测光伏单元中的电弧，电弧检测包括监控跨越至少一个光伏单元的电压，并且：
(a)确定随时间的主频率；
(b)从所监测的电压中，减去随时间的主频率，以产生一个校正电压；以及
(c)分析校正电压作为频率函数的频谱振幅的趋势，当趋势满足预定标准时，指示电弧的发生。
2.如权利要求1所述的智能接线盒，其特征在于，对光伏电池的电气损伤的检测包括监测光电电池两端的电压来识别出对一个光伏电池的损伤，其中，当该光伏电池的电压偏离平均电压超过预定时间和预定量，该光伏电池被识别为电气损伤。
3.如权利要求1所述的智能接线盒，其特征在于，对旁路二极管损伤的检测包括检测旁路二极管二端的正向偏置电压是否大于预定量。
4.如权利要求1所述的智能接线盒，其特征在于，还包括一个电可控开关，该电可控开关与光伏单元串联，并与所述处理器进行通信以切断光伏单元的串联连接。
5.如权利要求4所述的智能接线盒，其特征在于，所述处理器经由所述远程通信电路与远程中央站通信，来控制电可控开关用以切断光伏单元的串联连接。
6.如权利要求4所述的智能接线盒，其特征在于，所述处理器响应于检测到损坏的旁路二极管，来控制电控开关切断光伏单元的串联连接。
7.如权利要求1所述的智能接线盒，其特征在于，其中所述处理器接收来自光伏单元的电能。
8.如权利要求7所述的智能接线盒，其特征在于，还包括电力储能元件，用于储存来自光伏单元的电能以备当不能从光伏单元获得电能时使用。
9.如权利要求1所述的智能接线盒，其特征在于，还包括一电流传感器，用于测量串联连接的光伏单元的电流。
10.如权利要求1所述的智能接线盒，其特征在于，其中所述处理器响应电弧检测的结果，控制电可控开关以切断光伏单元的串联连接。
11.如权利要求1所述的智能接线盒，其特征在于，电弧检测包括监控跨越至少一个光伏单元的电压并且：
(d)确定在所述校正信号的次级主频率；并且
(e)分析次级主频率随时间的变化，当其变化超过预定值时指示电弧发生。
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