CN108539789A - 一种光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光伏发电系统，由逆变器以波动的直流母线电压进行最大功率点跟踪控制；对于电能输出一致性满足预设条件的组件，即第一种组件，采用关断器实现电能输出和主动关断功能；仅对于电能输出一致性不满足预设条件的组件，即第二种组件，才采用优化器实现电能输出和主动关断功能；由于关断器的成本低于优化器，因此相比现有技术降低了系统的成本。

Description

一种光伏发电系统

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，特别涉及一种光伏发电系统。

背景技术

基于消防安全等应用场景中的安全考量，一般要求光伏发电系统可以主动关断组件的输出电压，从而使得系统最高电压下降到安全电压等级，保证人员安全。现有技术一般采用组件级优化器来实现对于光伏组件的关断功能和MPPT控制功能，图1a所示为基于优化器的光伏发电系统结构示意图。

然而由于优化器成本相对较高，如果系统中组件的数量较大，将会导致整个系统的成本过高。

发明内容

本发明提供一种光伏发电系统，以解决现有技术成本高的问题。

为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种光伏发电系统，包括：逆变器、通讯机、至少一个关断器和至少一个优化器；其中：

所述通讯机用于通过下发指令控制所述关断器和所述优化器执行主动关断；

所述关断器用于在导通时输出所连接的至少一个第一种组件的电能；所述第一种组件为电能输出一致性满足预设条件的组件；

所述优化器用于在导通时输出所连接的至少一个第二种组件的电能；所述第二种组件为电能输出一致性不满足所述预设条件的组件；

所述逆变器用于以波动的直流母线电压进行最大功率点跟踪控制、将所述第一种组件和所述第二种组件的电能转换成交流电能输送到电网中。

优选的，至少一个所述优化器和至少一个所述关断器通过输出端串联组成混合组进行电能输出。

优选的，还设置有至少一个关断器组，所述关断器组为多个所述关断器通过输出端串联组成的电能输出组；

所述关断器组与所述混合组通过输出端并联进行电能输出。

优选的，还包括：至少一个汇流箱；

所述汇流箱的输出端与所述逆变器的直流侧相连；

所述汇流箱的输入端与至少一个所述混合组和/或至少一个所述关断器组的输出端相连。

优选的，所述关断器包括：开关管和二极管；

所述开关管的输入端与对应的第一种组件的正极相连；

所述开关管的输出端与所述二极管的阴极相连，连接点为所述关断器的输出端正极；

所述二极管的阳极与对应的第一种组件的负极相连，连接点为所述关断器的输出端负极。

优选的，所述关断器包括：开关管和二极管；

所述开关管的输入端与对应的第一种组件的正极及所述二极管的阴极相连，连接点为所述关断器的输出端正极；

所述开关管的输出端与对应的第一种组件的负极及所述二极管的阳极相连，连接点为所述关断器的输出端负极。

优选的，所述通讯机用于通过下发指令控制所述关断器和所述优化器执行主动关断时，具体用于：

通过有线通信或者无线通信的方式，下发关断指令至所述关断器和所述优化器，使所述关断器和所述优化器根据所述关断指令执行主动关断；或者，

通过有线通信或者无线通信的方式，按照预设时间间隔下发维持正常工作指令至所述关断器和所述优化器，使所述关断器和所述优化器在所述预设时间间隔后未接收到所述维持正常工作指令的情况下执行主动关断。

优选的，所述优化器用于在导通时输出所连接的至少一个第二种组件的电能时，具体用于：

对所连接的至少一个第二种组件进行最大功率点跟踪控制下的电能输出。

优选的，所述逆变器还用于：

在所述直流母线电压大于启动阈值时，进行并网启动控制；

在所述逆变器的直流输入电流或者功率小于对应阈值时，对直流母线放电。

本发明提供的光伏发电系统，由逆变器以波动的直流母线电压进行最大功率点跟踪控制；对于电能输出一致性满足预设条件的组件，即第一种组件，采用关断器实现电能输出和主动关断功能；仅对于电能输出一致性不满足预设条件的组件，即第二种组件，才采用优化器实现电能输出和主动关断功能；由于关断器的成本低于优化器，因此相比现有技术降低了系统的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a是现有技术提供的基于优化器的光伏发电系统结构示意图；

图1b是现有技术提供的优化器的电路示意图；

图2a是本发明实施例提供的混合组的结构示意图；

图2b是本发明实施例提供的关断器组的结构示意图；

图3a和图3b是本发明另一实施例提供的光伏发电系统的两种结构示意图；

图4a和图4b是本发明另一实施例提供的关断器的两种电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供一种光伏发电系统，以解决现有技术成本高的问题。

该光伏发电系统包括：逆变器、通讯机、至少一个关断器和至少一个优化器；其中：

通讯机用于通过下发指令控制关断器和优化器执行主动关断；

关断器用于在导通时输出所连接的至少一个第一种组件的电能；第一种组件为电能输出一致性满足预设条件的组件；

优化器用于在导通时输出所连接的至少一个第二种组件的电能；第二种组件为电能输出一致性不满足预设条件的组件；

该预设条件是指各个组件的电能输出特性时刻保持一致或者差距小于设定阈值，即电能输出一致性较好；比如：可以是各个第一种组件属于同一厂家、相同型号；经过一段时间使用后的组件衰减程度一致性也比较好，实际衰减相差的百分比差异较小；组件中电池片隐裂程度差异也较小；组件所安装的位置通常无固定遮挡；组件安装的朝向和仰角相同等等，并不仅限于此。

而电能输出一致性不满足预设条件的组件，即第二种组件，其电能输出一致性较差；比如：这些组件(各个第二种组件)同其他组件(各个第一种组件)采用不同厂家和/或不同型号；这些组件因工艺或环境等因素所导致其衰减程度相较于其他组件有较大的差异，衰减百分比差异超过3％；组件中电池片隐裂程度较大；组件所安装的位置可能会有固定遮挡，例如下午时墙影子对离其最近组件的遮挡；为了充分有效利用土地，在不平整地面或不同朝向屋顶安装电池板，导致组件安装的朝向和仰角不同等等，并不仅限于此。

另外，其逆变器用于以波动的直流母线电压进行最大功率点跟踪控制、将第一种组件和第二种组件的电能转换成交流电能输送到电网中。

该光伏发电系统中的大部分组件均为第一种组件，只有个别组件为第二种组件的情况下，各个组件并不均需要独立MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)控制，因此可以通过逆变器来实现MPPT控制，只是直流母线电压在系统正常发电时是一个波动值，而非固定值。

优选的，至少一个优化器和至少一个关断器通过输出端串联组成混合组(如图2a所示)，使相应的组件形成组串进行电能输出。

优选的，该光伏发电系统还设置有至少一个关断器组，该关断器组为多个关断器通过输出端串联组成的电能输出组，参见图2b；

关断器组与混合组通过输出端并联进行电能输出，参见图3a。

优选的，参见图3b，该光伏发电系统还包括：至少一个汇流箱；

汇流箱的输出端与逆变器的直流侧相连；

汇流箱的输入端与至少一个混合组和/或至少一个关断器组的输出端相连。

比如，一个小型光伏发电系统，有40片组件，其中35片组件是同一型号，另外5片组件是其他型号；可以将40片光伏组件分成两组，每组20片，其中相同型号的一组20片组件(第一种组件)都采用关断器连接，使此20个关断器输出串联组成关断器组，然后该关断器组的输出端连接到逆变器的直流侧；另外一组中同一型号的15片组件(第一种组件)采用关断器连接，另一型号的5片组件(第二种组件)采用优化器连接，此15个关断器和5个优化器通过输出端串联组成混合组，然后该混合组的输出端也连接到逆变器的直流侧。

或者，一个屋顶光伏发电系统，可安装10片组件，其中8片组件可放置于朝南屋顶，2片组件可放置于朝西屋顶；此8片组件均为第一种组件、连接关断器，而另外2片组件均为第二种组件、连接优化器，关断器和优化器通过输出端串联组成混合组，然后该混合组的输出端连接到逆变器的直流侧。

又比如，分布式屋顶光伏发电系统，通过无人机进行一段时间的测量，确认部分屋顶下午16时之后有阴影遮挡，因此，在此地的组件(第二种组件)用优化器连接，其他地方的组件(第一种组件)用关断器连接，分别构成关断器组和混合组后，通过关断器组和混合组的输出端并联连接到逆变器的直流侧。

再比如，一个新建的地面光伏发电站，利用无人机对组件仰角及朝向进行扫描及数据评估，选取仰角和朝向最为集中的组件(第一种组件)安装关断器，仰角差异超过3度或朝向差异超过5度的组件(第二种组件)安装优化器，将组件按照一串22片组件的规模连接逆变器。

而对现有电站进行的改造，因建成时间较久，组件衰减程度不一致，部分组件衰减程度较大，利用测试仪器对组件衰减程度进行评估，对测量得到的数据进行统计分析，对衰减百分比超过平均值3％的组件(第二种组件)连接优化器，其他组件(第一种组件)连接关断器。按照原有组件连接顺序，将关断器和优化器的输出端进行对应连接后连接到汇流箱或者逆变器。

本实施例提供的该光伏发电系统，由逆变器以波动的直流母线电压进行最大功率点跟踪控制；对于电能输出一致性满足预设条件的组件，即第一种组件，采用关断器实现电能输出和主动关断功能；仅对于电能输出一致性不满足预设条件的组件，即第二种组件，才采用优化器实现电能输出和主动关断功能；由于关断器的成本低于优化器，因此相比现有技术降低了系统的成本。

本发明另一实施例还提供了一种具体的光伏发电系统，在上述实施例及图2a至图3b的基础之上，优选的，关断器可以为开路型关断器，也可以为短路型关断器；

参见图4a，该开路型关断器包括：开关管S1和二极管S2；

开关管S1的输入端与对应的第一种组件的正极PV+相连；

开关管S1的输出端与二极管S2的阴极相连，连接点为关断器的输出端正极Uo+；

二极管S2的阳极与对应的第一种组件的负极PV-相连，连接点为关断器的输出端负极Uo-。

图4a中，当不需要主动关断时，开关管S1导通。当需要主动关断时，开关管S1关闭，所连接组件被开路，从而使得输出端口电压(Uo+Uo-)为0或接近为0；当关断器串联其他设备(比如串联多个关断器)，其他设备仍然有电流输过串联回路时，二极管S2提供了相应的通路。

参见图4b，该短路型关断器包括：开关管S1和二极管S2；

开关管S1的输入端与对应的第一种组件的正极PV+及二极管S2的阴极相连，连接点为关断器的输出端正极Uo+；

开关管S1的输出端与对应的第一种组件的负极PV-及二极管S2的阳极相连，连接点为关断器的输出端负极Uo-。

图4b中，当不需要主动关断时，开关管S1关闭。当需要主动关断时，开关管S1开通，所连接组件被短路，从而使得输出端口电压(Uo+Uo-)为0或接近为0；当关断器串联其他设备(比如串联多个关断器)，其他设备仍然有电流输过串联回路时，二极管S2和开关管S1都提供了相应的通路。

值得说明的是，现有技术中当系统内所有组件特性一致，不需要做独立MPPT时，为提高效率，各个优化器会采用直通模式工作。所谓的直通模式的原理为：在图1b所示的优化器电路中，开关管S1和S4处于开通状态，开关管S2和S3处于闭合状态。这种直通模式虽然避免了开关管的高频开关损耗，但是开关管S1和S4却引入了导通损耗，从而降低了系统效率。

而本实施例提供的该光伏发电系统，由图4a和图4b可知，关断器所使用的半导体器件和无源器件数目要少于优化器所对应使用的器件数目，因此，不仅关断器的成本要低于优化器，而且不论是开路型关断器还是短路型关断器，连接关断器的第一种组件的输出回路中的半导体器件数目均少于优化器所连接的第二一种组件的输出回路中的半导体器件数目，因此，关断器的损耗要小于优化器，系统效率得到提高。

其余原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本发明另一实施例还提供了另外一种具体的光伏发电系统，在上述实施例及图2a至图4b的基础之上，通讯机用于通过下发指令控制关断器和优化器执行主动关断时，具体用于：

通过有线通信或者无线通信的方式，下发关断指令至关断器和优化器，使关断器和优化器根据关断指令执行主动关断；或者，

通过有线通信或者无线通信的方式，按照预设时间间隔下发维持正常工作指令至关断器和优化器，使关断器和优化器在预设时间间隔后未接收到维持正常工作指令的情况下执行主动关断。该预设时间间隔可以为任意适合实际应用环境的值，也可以为0，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

具体的，可以通过PLC、CAN等协议实现有线通信，通过wifi、zigbee等实现无线通信，此处不做具体限定，可以视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

优选的，优化器用于在导通时输出所连接的至少一个第二种组件的电能时，具体用于：

对所连接的至少一个第二种组件进行最大功率点跟踪控制下的电能输出。

实际应用中，优化器具有输出电压限幅、输出电流限幅和输出限功率等功能；正常条件下，当优化器器所连接组件能够发电时，优化器输出电压为限幅值电压；而正常条件下，当关断器所连接组件能够发电时，关断器输出电压为光伏板电压。

优选的，逆变器还用于：

在直流母线电压大于启动阈值Vdcth时，进行并网启动控制，并开始进行MPPT控制；

在逆变器的直流输入电流或者功率小于对应阈值时，对直流母线放电。

当需要执行主动关断功能时，系统通讯主机下发主动关断指令，关断器和优化器接收到指令之后执行主动关断操作；逆变器发现输入电流小于预设值Ith或输入功率小于预设值Pth之后，对直流母线进行放电处理。

其余原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种光伏发电系统，其特征在于，包括：逆变器、通讯机、至少一个关断器和至少一个优化器；其中：

所述通讯机用于通过下发指令控制所述关断器和所述优化器执行主动关断；

所述关断器用于在导通时输出所连接的至少一个第一种组件的电能；所述第一种组件为电能输出一致性满足预设条件的组件；

所述优化器用于在导通时输出所连接的至少一个第二种组件的电能；所述第二种组件为电能输出一致性不满足所述预设条件的组件；

所述逆变器用于以波动的直流母线电压进行最大功率点跟踪控制、将所述第一种组件和所述第二种组件的电能转换成交流电能输送到电网中。

2.根据权利要求1所述的光伏发电系统，其特征在于，至少一个所述优化器和至少一个所述关断器通过输出端串联组成混合组进行电能输出。

3.根据权利要求2所述的光伏发电系统，其特征在于，还设置有至少一个关断器组，所述关断器组为多个所述关断器通过输出端串联组成的电能输出组；

所述关断器组与所述混合组通过输出端并联进行电能输出。

4.根据权利要求3所述的光伏发电系统，其特征在于，还包括：至少一个汇流箱；

所述汇流箱的输出端与所述逆变器的直流侧相连；

所述汇流箱的输入端与至少一个所述混合组和/或至少一个所述关断器组的输出端相连。

5.根据权利要求1-4任一所述的光伏发电系统，其特征在于，所述关断器包括：开关管和二极管；

所述开关管的输入端与对应的第一种组件的正极相连；

所述开关管的输出端与所述二极管的阴极相连，连接点为所述关断器的输出端正极；

所述二极管的阳极与对应的第一种组件的负极相连，连接点为所述关断器的输出端负极。

6.根据权利要求1-4任一所述的光伏发电系统，其特征在于，所述关断器包括：开关管和二极管；

所述开关管的输入端与对应的第一种组件的正极及所述二极管的阴极相连，连接点为所述关断器的输出端正极；

所述开关管的输出端与对应的第一种组件的负极及所述二极管的阳极相连，连接点为所述关断器的输出端负极。

7.根据权利要求1-4任一所述的光伏发电系统，其特征在于，所述通讯机用于通过下发指令控制所述关断器和所述优化器执行主动关断时，具体用于：

通过有线通信或者无线通信的方式，下发关断指令至所述关断器和所述优化器，使所述关断器和所述优化器根据所述关断指令执行主动关断；或者，

通过有线通信或者无线通信的方式，按照预设时间间隔下发维持正常工作指令至所述关断器和所述优化器，使所述关断器和所述优化器在所述预设时间间隔后未接收到所述维持正常工作指令的情况下执行主动关断。

8.根据权利要求1-4任一所述的光伏发电系统，其特征在于，所述优化器用于在导通时输出所连接的至少一个第二种组件的电能时，具体用于：

对所连接的至少一个第二种组件进行最大功率点跟踪控制下的电能输出。

9.根据权利要求1-4任一所述的光伏发电系统，其特征在于，所述逆变器还用于：

在所述直流母线电压大于启动阈值时，进行并网启动控制；

在所述逆变器的直流输入电流或者功率小于对应阈值时，对直流母线放电。