CN107834977B - 一种光伏组件智能接线盒及其控制方法 - Google Patents

一种光伏组件智能接线盒及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光伏组件智能接线盒，包括主电路、电压检测选择单元、电压检测单元、控制单元和电源单元，主电路包括输出单元和多组输入单元，各输入单元包括与对应电池串串联的第一开关、以及与电池串和第一开关并联的第二开关；控制单元与主电路相连、用于控制各开关的通断。本发明还相应公开了一种控制方法，包括用于对第二开关进行短路损坏判断的检测方法，为：S11、控制第二开关关断；S12、检测第二开关两端的电压Va与电池串的电压Vcell；S13、当Va≤第一预设值，并且Vcell＞n*Voc，n为预设值，其中Voc为光伏组件开路电压，则判断第二开关处于短路损坏状态；S14、控制对应的第一开关关断。本发明的接线盒及控制方法均具有安全可靠等优点。

Description

一种光伏组件智能接线盒及其控制方法
技术领域
本发明主要涉及光伏发电技术领域，特指一种光伏组件智能接线盒及其控制方法。
背景技术
随着现代工业的发展，人类对于能源的需求越来越多，对于环境污染问题也日益重视，这些促使人类努力开展新能源开发，如太阳能、生物质能、风能、水能及地热能等等，在这些新能源中，太阳能作为一种取之不尽、用之不竭、清洁、无污染的新能源受到广泛关注，是未来新能源产业中的重大支柱之一。分布式光伏发电靠近用户终端，能够减少电能传输损耗，减少对电网的冲击，充分利用了可再生能源，具有良好的环境友好性，是一种新型的、具有广泛发展前景的新能源发电形式。
光伏组件接线盒是光伏组件中重要的部件之一，但现有的光伏组件接线盒还存在较多问题：
1、现有光伏组件在接线盒处安装电池串反并联二极管用来防止热斑效应，而反并联旁路二极管的正向导通热阻大，消耗能量多，会使组件接线盒发热、温度过高；而且现有光伏组件在热斑时均会采用二极管旁路导通，热斑效应的电池串仍然并联在旁路二极管回路中，热斑效应仍然在消耗本电池串的发电能量，电池串内部仍然在持续发热；
2、现有光伏组件接线不能实现远程智能关断；
3、现有光伏组件接线盒不能实现超温和火灾报警，以及不能进行相应的组件关断处理；
4、现有的光伏组件接线盒不能实现的开关器件的故障自判断，若旁路二极管发生短路或断路故障时不能及时发现，可能导致接线盒持续发热甚至能引起组件高温烧毁；
5、现有光伏组件接线盒均未实现电池串级的监控，大部分的智能接线盒可进行远程监测光伏组件整体电压；而光伏组件发生故障时，一般是电池串级别的故障，而现有的智能接线盒不能及时发现，导致电池串级别的故障扩大到组件级别的故障时才被发现。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、安全可靠的光伏组件智能接线盒，并相应提供一种安全可靠的控制方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种光伏组件智能接线盒，包括主电路、电压检测选择单元、电压检测单元、控制单元和电源单元，所述主电路包括输出单元和多组输入单元，各输入单元与各电池串一一对应相连，各所述输入单元串联后与所述输出单元相连，各输入单元包括与对应电池串串联的第一开关、以及与电池串和第一开关并联的第二开关；所述电压检测选择单元分别与主电路、电压检测单元和控制单元相连、用于根据控制单元的选择指令选择主电路中的输出电压以输出至电压检测单元，所述电压检测单元与控制单元相连、用于将输出电压进行变换并输出至控制单元；所述控制单元与所述主电路相连、用于控制主电路中各开关的通断；所述电源单元分别与电压检测选择单元、电压检测单元和控制单元相连、用于提供电源。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述第一开关采用耗尽型MOSFET开关器件；所述第二开度采用增强型MOSFET开关器件。
所述电源单元的输入端与串联后的电池串的两端相连。
还包括温度检测单元，所述温度检测单元与所述控制单元相连、用于检测光伏组件背板上的温度并发送至控制单元。
还包括通讯单元、用于实现控制单元与远程数据中心的通讯连接。
所述电压检测单元为差分比例滤波电路。
本发明还公开一种基于如上所述的光伏组件智能接线盒的控制方法，包括用于对主电路中第二开关进行短路损坏判断的检测方法，具体为：
S11、控制单元控制主电路中对应的第二开关关断；
S12、检测第二开关两端的电压Va与电池串的电压Vcell；
S13、当Va≤第一预设值，并且Vcell＞n*Voc，n为预设值，其中Voc为光伏组件开路电压，则判断第二开关处于短路损坏状态；
S14、控制单元控制对应的第一开关关断。
作为上述技术方案的进一步改进：
还包括对主电路中第二开关进行断路损坏判断的检测方法，具体为：
S21、控制单元控制主电路中对应的第二开关导通；
S22、检测第二开关两端的电压Va；
S23、当Va＞第一预设值，则判断第二开关处于断路损坏状态；
S24、控制单元控制对应的第一开关关断。
还包括用于对主电路中第一开关进行断路损坏判断的检测方法，具体为：
S31、控制单元控制主电路中第一开关处于导通状态，控制第二开关处于断路状态；
S32、检测第二开关两端的电压Va与电池串的电压Vcell；
S33、当Vcell-Va＞预设差值，则判断第一开关处于断路损坏状态；
S34、控制对应的第二开关处于导通状态。
还包括热斑保护判断方法，具体为：
S01、检测各电池串电压，并求取其平均值；
S02、当其中一个电池串的电压小于平均值的一半，则判断此电池串发生热斑；
S03、控制电池串对应的第一开关关断，第二开关导通，并在预设时间后恢复正常运行。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的光伏组件智能接线盒，在电池串中增加串联的第一开关和并联的第二开关，并且由控制单元进行控制，在任意电池串发生异常时，可通过第二开关将对应的电池串进行旁路，并通过第一开关将对应电池串从电气回路中去除，避免电池串故障的进一步扩大化，而且不影响其它电池串的正常运行，提高了安全可靠性。控制单元能够对第一开关和第二开关的状态进行实时监控及检测，具有自判断功能，进一步提高安全可靠性。本发明的控制方法操作简便、安全可靠。
附图说明
图1为本发明的电路原理图。
图2为本发明中主电路的电路原理图。
图3为本发明中电压检测选择单元的电路原理图。
图4为本发明中接线盒的布局图。
图5为本发明控制方法的方法流程图。
图中标号表示：1、主电路；2、电压检测选择单元；3、电压检测单元；4、控制单元；5、通讯单元；6、电源单元；7、温度检测单元。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1至图4所示，本实施例的光伏组件智能接线盒，包括主电路1、电压检测选择单元2、电压检测单元3、控制单元4和电源单元6，主电路1包括输出单元和多组输入单元，各输入单元与各电池串一一对应相连，各输入单元串联后与输出单元相连，各输入单元包括与对应电池串串联的第一开关、以及与电池串和第一开关并联的第二开关；电压检测选择单元2分别与主电路1、电压检测单元3和控制单元4相连、用于根据控制单元4的选择指令选择主电路1中的输出电压(单个电池串电压或开关器件两端电压或者光伏组件的输出电压)以输出至电压检测单元3，电压检测单元3与控制单元4相连、用于将输出电压进行变换并输出至控制单元4；控制单元4与主电路1相连、用于控制主电路1中各开关的通断；电源单元6分别与电压检测选择单元2、电压检测单元3和控制单元4相连、用于提供电源。本发明的光伏组件智能接线盒，在电池串中增加串联的第一开关和并联的第二开关，并且由控制单元4进行控制，在任意电池串发生异常时，可通过第二开关将对应的电池串进行旁路，并通过第一开关将对应电池串从电气回路中去除，避免电池串故障的进一步扩大化，而且不影响其它电池串的正常运行，提高了安全可靠性。
下面结合一实施例对本发明的光伏组件智能接线盒作进一步描述：
一、首先设计智能接线盒的布局：如图4所示，将接线盒分为汇流接线区和PCB控制电路区，其中汇流接线区使用6个方形接线柱(图4中的1+、1-、2+、2-、3+、3-，可根据实际情况进行调整)，用于焊接连接组件的3组电池串的正负极汇流条，并且方形接线柱通过铜条连接到PCB控制电路区的主电路1的输入端(1+、1-、2+、2-、3+、3-)，PCB控制电路区通过电力电子器件控制电池串的工作模式，并将电池串的光伏电能通过主电路1的输出端 (Out+、Out-)输出。
二、其次，设计PCB控制电路，如图1所示，分为七个部分，包括主电路1、电源单元 6(控制电源)、电压检测选择单元2、电压检测单元3(电压检测电路)、温度检测单元7(温度检测电路)、控制单元4(数字控制处理器)和通讯单元5(通讯模块)；
其中，如图2所示，电池串的数量为三组，主电路1中通过六个开关器件控制电池串的工作模式，具体地，主电路1与外部输入电池串(Cell1、Cell2、Cell3)相连，每个电池串(Cell1、 Cell2、Cell3)与一个第一开关(A2、A4、A6，以下简称串联开关器件)串联，再与另一个第二开关(A1、A3、A5，以下简称并联开关器件)并联，每个电池串与开关器件串并联后再相互串联共同输出电能；其中串联开关器件(A2、A4、A6)选用耗尽型的MOSFET器件 (控制端断电时器件导通，通电时器件关断)，并联开关器件(A1、A3、A5)选用增强型的 MOSFET器件(控制端断电时器件关断，通电时器件导通)；光伏组件初始状态时，由于选择的开关器件(A2、A4、A6)为耗尽型MOS器件，开关器件(A2、A4、A6)是导通状态；开关器件(A1、A3、A5)为增强型MOS器件，开关器件(A1、A3、A5)为关断状态；在初始状态时智能接线盒即可自动开始正常运行。
控制电源与主电路1相连，控制电源从主电路1中获取控制电源的输入能量；具体地，控制电源是由宽范围降压开关电源组成，将从主电路1中获得的电能(10V～45V)转化为各部件能够使用的低压(3.3V～5V)电能；其中控制电源输入端的正负极分别连接主电路1的电池串两端的输入端(即连接至3+、1-接线端)；控制电源分别与电压检测选择单元2、电压检测电路、温度检测电路、数字控制处理器和通讯模块相连，为各部件提供合适电源。
如图3所示，电压检测选择单元2由两组多路选择开关构成，第一组多路选择开关MUX1 用来选择电压检测的正极端，第二组多路选择开关MUX2用来选择电压检测的负极端；电压检测选择单元2与主电路1相连，MUX1可选择主电路1中的Out+、3+、3-、2+、2-、1+作为电压检测的正极，MUX2可选择主电路1中的3-、2-、1-作为电压检测的负极；电压检测选择单元2与电压检测单元3相连，电压检测选择单元2将选择的电压检测的正极(V+)和电压检测的负极(V-)输出至电压检测单元3的输入端；电压检测选择单元2与数字核心控制器相连，接收数字核心控制器的电压测量选择控制指令。
电压检测单元3，采用差分比例滤波电路，将待检测的电压比例变换到数字核心控制器能够识别的范围。电压检测单元3将对电压检测选择单元2输出的电压(V+、V-)进行差分滤波比例变换；电压检测单元3与数字核心控制器相连，电压检测单元3将变换后的待测量电压输送给数字核心控制器。
温度检测电路，包括粘贴于组件背板上的温度传感器及其测温电路，将组件背板的温度转化为数字核心控制器能够识别的电信号；温度检测电路与数字核心控制器相连，将温度传感器信号经过转化后传送至数字核心控制器。
数字核心控制器，一般为微控制器(MCU)、数字信号处理器(DSP)等控制器，是PCB控制电路的核心部分，其采集主电路1的各电压信号、组件温度信号，并运行智能接线盒的控制程序，控制主电路1中六个开关器件的通断状态；并将系统的运行状态和报警发送给通讯模块(如无线通讯模块)，通过通讯模块发送光伏组件运行状态给远程数据中心，并接收远程数据中心的控制指令。
如图5所示，本发明还相应公开了一种基于如上所述光伏组件智能接线盒的控制方法，具体分为9个子方法，分别为：检测输出电压；检测电池串电压；检测组件温度；热斑保护判断；旁路损坏判断；组件超温判断；组件断路判断；远程通讯；报警保护输出，下面依次对以上子方法进行描述：
(1)检测输出电压：数字核心控制器控制电压检测选择模块单元选择Out+、I1-分别连接至电压检测输入端V+、V-，数字核心控制器通过电压检测电路测量Out+、I1-的电压Vout。
(2)检测各电池串电压：电压检测选择单元2选择Out+、I3-分别连接至电压检测输入端V+、V-，数字核心控制器检测电池串Cell3反并联开关器件电压Va5(若Va5小于第一预设值(如0.7V)，控制并联开关器件A5导通、串联开关器件A6关断，若Va5大于第一预设值(如0.7V)，则控制并联开关器件A5关断、串联开关器件A6导通)；电压检测选择单元2 选择I3+、I3-分别连接至电压检测输入端V+、V-，数字核心控制器再检测电池串输出电压 Vcell3；采用同样的方法测量出电池串Cell2和Cell1的并联第二开关器件电压Va3、Va1，电池串输出电压Vcell2、Vcell1，不再赘述。
(3)检测组件温度：数字核心控制器通过温度检测电路测量出组件背板温度Tm。
(4)热斑保护判断：根据子方法(2)得到的电池串电压Vcell1、Vcell2、Vcell3，求取电池串的平均电压Vavg＝(Vcell1+Vcell2+Vcell3)/3；若电池串Cell1的电压Vcell1小于电池串平均电压(Vavg)的1/2，则判断电池串Cell1发生热斑，并进行热斑报警；采用同样的方法判断电池串Cell2和Cell3是否发生热斑。
(5)旁路损坏判断：当数字核心控制器让并联开关器件A5处于关断状态时，且子方法 (2)得到的电压Va5≤第一预设值(如0.7V)，并且Vcell3＞n*Voc(Voc为组件开路电压，n取0.16)，则判断并联开关器件A5处于短路损坏状态；若数字核心控制器让并联开关器件A5处于导通状态时，且子方法(2)得到的电压Va5＞0.7V，则判断并联开关器件A5处于断路损坏状态，若开关器件损坏，则进行旁路并联开关器件断路报警，并请求远程数据中心关断本电池串。采用同样的方法判断旁路并联开关器件A3和A1是否损坏，在此不再赘述。
(6)组件超温判断：子方法(3)得到的组件背板温度Tm大于设定的高温温度Th(一般为80℃～120℃)且持续时间超过1分钟，则判断组件超温，组件高温报警；若Tm大于设定的火灾温度Tf(一般为150℃以上)且持续时间超过10秒，则判断组件发生火灾。
(7)组件短路判断：当串联开关器件A6处于导通状态，且并联开关器件A5处于断路状态，若子方法(2)得到的Va5与Vcell3之间的差值大于预设差值(相差较大)，则判断串联开关器件A6处于断路损坏状态；采用同样的方法判断串联开关器件A4、A2是否处于断路损坏状态。
(8)远程通讯：数字核心控制器通过通讯模块实现远程通讯，将控制器获得的电池串电压(Va1～Va5、Vcell1～Vcell3、Vout)数据、组件温度数据、各种报警及故障信息发送给远程数据中心，并接收远程数据中心下达的组件关断保护指令。
(9)报警保护输出：当接收到远程数据中心下达的组件关断保护指令，数字核心控制器控制所有并联开关器件(A5、A3、A1)关断，控制第三组电池串串联开关器件(A6)关断，控制第一组、第二组电池串串联开关器件(A4、A2)导通；当子方法(4)判断电池串(Cell1、Cell2、Cell3)发生热斑，若发生热斑时强制进行热斑保护，即数字核心控制器控制其对应的并联开关器件(A1、A3、A5)导通，控制其对应的串联开关器件(A2、A4、A6)关断，热斑保护持续设定时间后(1～10min)恢复正常运行；当子方法(5)判断电池串的旁路并联开关器件(A1、A3、A5)处于短路损坏状态，则控制该电池串对应的串联开关器件(A2、A4、 A6)关断；当子方法(5)判断电池串的旁路并联开关器件(A1、A3、A5)处于断路状态，则向远程数据中心报警，并请求远程数据中心关断组件所在组件串；当子方法(6)判断组件高温报警，则控制所有的旁路并联开关器件(A1、A3、A5)导通，控制串联开关器件(A2、 A4、A6)关断；当子方法(6)判断组件发生火灾，则控制开关器件A6、A5、A3、A1关断，控制开关器件A2、A6导通，并立即向远程数据中心发生火灾报警，请求关断组件所在区域的所有电池串；当子方法(7)判断电池串串联开关器件(A2、A4、A6)处于断路故障时，则控制该电池串对应的并联开关器件(A1、A3、A5)导通。
执行完子方法(9)，完成一次智能接线盒的控制方法；间隔一定时间周期，返回子方法 (1)，再依次执行子方法(1)～(9)。
本发明的光伏组件智能接线盒，能够实现组件内电池串级别的电压和温度监测，判断组件内各电池串的工作状态并将监测结果发送给远程数据中心，实现组件的电池串级别的监控，当监测组件中三组电池串中的任意电池串发生异常时(如电压异常、热斑、高温等)，可通过旁路将该电池串旁路，并将该电池串从电气回路中断开，在不影响其它正常电池串的正常工作的情况下，能够有效避免异常电池串的故障扩大化；接线盒内开关器件的故障自判断，通过检测电池串及其开关器件的电压，能够实时判断开关器件是否发生故障，及时的报警并进行处理，防止开关器件故障的扩大化，提高组件的安全性能；本发明光伏组件智能接线盒，能够接受远程数据中心的控制，在组件维修或其它意外事故时，能够紧急断开组件各电池串的连接，实现组件级别的自关断，提高组件的安全性能；本发明的光伏组件智能接线盒，能够降低接线盒的防热斑时的热损耗，降低组件温度，提升组件效率，提高组件接线盒的可靠性。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种光伏组件智能接线盒，其特征在于，包括主电路（1）、电压检测选择单元（2）、电压检测单元（3）、控制单元（4）和电源单元（6），所述主电路（1）包括输出单元和多组输入单元，各输入单元与各电池串一一对应相连，各所述输入单元串联后与所述输出单元相连，各输入单元包括与对应电池串串联的第一开关、以及与电池串和第一开关并联的第二开关；所述电压检测选择单元（2）分别与主电路（1）、电压检测单元（3）和控制单元（4）相连、用于根据控制单元（4）的选择指令选择主电路（1）中对应一个电池串或多个电池串的输出电压以输出至电压检测单元（3），所述电压检测单元（3）与控制单元（4）相连、用于将输出电压进行变换并输出至控制单元（4）；所述控制单元（4）与所述主电路（1）相连、用于控制主电路（1）中各开关的通断，在任意电池串发生异常时，通过接通第二开关将对应的电池串进行旁路，并通过断开第一开关将对应电池串去除；所述电源单元（6）分别与电压检测选择单元（2）、电压检测单元（3）和控制单元（4）相连、用于提供电源；
所述第一开关采用耗尽型MOSFET开关器件；所述第二开关采用增强型MOSFET开关器件。
2.根据权利要求1所述的光伏组件智能接线盒，其特征在于，所述电源单元（6）的输入端与串联后的电池串的两端相连。
3.根据权利要求1或2所述的光伏组件智能接线盒，其特征在于，还包括温度检测单元（7），所述温度检测单元（7）与所述控制单元（4）相连、用于检测光伏组件背板上的温度并发送至控制单元（4）。
4.根据权利要求1或2所述的光伏组件智能接线盒，其特征在于，还包括通讯单元（5）、用于实现控制单元（4）与远程数据中心的通讯连接。
5.根据权利要求1或2所述的光伏组件智能接线盒，其特征在于，所述电压检测单元（3）为差分比例滤波电路。
6.一种基于如权利要求1至5中任意一项所述的光伏组件智能接线盒的控制方法，其特征在于，包括用于对主电路（1）中第二开关进行短路损坏判断的检测方法，具体为：
S11、控制单元（4）控制主电路（1）中对应的第二开关关断；
S12、检测第二开关两端的电压Va与电池串的电压Vcell；
S13、当Va≤第一预设值，并且Vcell＞n*Voc，n为预设值，其中Voc为光伏组件开路电压，则判断第二开关处于短路损坏状态；
S14、控制单元（4）控制对应的第一开关关断；
还包括对主电路（1）中第二开关进行断路损坏判断的检测方法，具体为：
S21、控制单元（4）控制主电路（1）中对应的第二开关导通；
S22、检测第二开关两端的电压Va；
S23、当Va＞第一预设值，则判断第二开关处于断路损坏状态；
S24、控制单元（4）控制对应的第一开关关断。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括用于对主电路（1）中第一开关进行断路损坏判断的检测方法，具体为：
S31、控制单元（4）控制主电路（1）中第一开关处于导通状态，控制第二开关处于断路状态；
S32、检测第二开关两端的电压Va与电池串的电压Vcell；
S33、当Vcell-Va＞预设差值，则判断第一开关处于断路损坏状态；
S34、控制对应的第二开关处于导通状态。
8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括热斑保护判断方法，具体为：
S01、检测各电池串电压，并求取其平均值；
S02、当其中一个电池串的电压小于平均值的一半，则判断此电池串发生热斑；
S03、控制电池串对应的第一开关关断，第二开关导通，并在预设时间后恢复正常运行。
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