CN108832894A - 光伏组件输出特性曲线获取电路、方法以及光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了光伏组件输出特性曲线获取电路、方法以及光伏发电系统，从而更加全面地诊断光伏组件的运行状态。在该电路的外部接线上，其输入端连接至少一个光伏组件，其输出端与其他光伏组件输出特性曲线获取电路的输出端串联连接。该电路的内部电路包括第一开关、第二开关、第一二极管和缓冲电路；缓冲电路与第一开关串联后再并联在输入端；第一二极管反向并联在输出端；缓冲电路、第一开关和第二开关相串联后再与第一二极管并联。该电路的控制电路在一个控制周期下，先控制第二开关断开再控制第一开关闭合，采集本控制周期下所述至少一个光伏组件的状态参数，用以拟合出所述至少一个光伏组件的输出特征曲线，再控制第一开关断开、第二开关闭合。

Description

光伏组件输出特性曲线获取电路、方法以及光伏发电系统

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，更具体地说，涉及光伏组件输出特性曲线获取电路、方法以及光伏发电系统。

背景技术

在光伏发电系统中，单个光伏组件的输出往往不足以提供实际电压、功率需求，因此需要将多个光伏组件通过串并联构成一个整体来满足设计要求。然而，个别光伏组件由于局部阴影遮挡、老化、电势诱导衰减等因素影响，其输出特性可能与整体存在较大差异，那么在串并联后就会产生严重的失配损耗，影响整体发电量。

因此，有必要获取光伏组件较为完整的输出特性曲线，从而更加全面地诊断光伏组件的运行状态，为系统维护提供参考依据。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了光伏组件输出特性曲线获取电路、方法以及光伏发电系统，从而更加全面地诊断光伏组件的运行状态。

一种光伏组件输出特性曲线获取电路，其中：

在外部接线上，其输入端连接至少一个光伏组件，其输出端与其他光伏组件输出特性曲线获取电路的输出端串联连接；

其内部电路包括：第一开关、第二开关、第一二极管以及缓冲电路；所述缓冲电路与所述第一开关相串联后再并联在输入端上；所述第一二极管反向并联在输出端上；所述缓冲电路、所述第一开关以及所述第二开关相串联后再与所述第一二极管并联；

其控制电路，用于在一个控制周期下，先控制所述第二开关断开、再控制所述第一开关闭合，采集本控制周期下所述至少一个光伏组件的状态参数，所述状态参数用于拟合出所述至少一个光伏组件的输出特征曲线，之后控制所述第一开关断开、所述第二开关闭合。

可选的，所述缓冲电路包括至少一个电感，或者包括至少一个电容，或者包括由至少一个电感和至少一个电容构成的串联结构、并联结构或串并联混合结构。

可选的，所述内部电路还包括：与所述缓冲电路相并联的吸收电路，所述吸收电路用于在所述第一开关断开时，为所述缓冲电路提供能量泄放的路径。

可选的，所述吸收电路包括第二二极管，所述第二二极管的导通方向与第一开关闭合后流经所述缓冲电路的电流方向相反。

可选的，所述吸收电路包括电阻。

可选的，所述吸收电路包括第二二极管和电阻，所述第二二极管和所述电阻串联，所述第二二极管的导通方向与第一开关闭合后流经所述缓冲电路的电流方向相反。

可选的，所述控制电路采用具有波形延展功能的采样电路来采集所述至少一个光伏组件的状态参数。

可选的，所述内部电路还包括第三二极管和储能装置，所述第三二极管串联所述储能装置后并联在所述光伏组件上；所述储能装置用于为所述光伏组件输出特性曲线获取电路供电。

一种光伏发电系统，包括：如上述公开的任一种光伏组件输出特性曲线获取电路。

一种光伏组件输出特性曲线获取方法，应用于光伏组件输出特性曲线获取电路；

在所述光伏组件输出特性曲线获取电路的外部接线上，其输入端连接至少一个光伏组件，其输出端与其他光伏组件输出特性曲线获取电路的输出端串联连接；

所述光伏组件输出特性曲线获取电路的内部电路包括：第一开关、第二开关、第一二极管以及缓冲电路；所述缓冲电路与所述第一开关相串联后再并联在输入端上；所述第一二极管反向并联在输出端上；所述缓冲电路、所述第一开关以及所述第二开关相串联后再与所述第一二极管并联；

所述光伏组件输出特性曲线获取方法包括：

判断是否接收到曲线获取指令；

当接收到曲线获取指令时，在一个控制周期下，先控制所述第二开关断开、再控制所述第一开关闭合；

采集本控制周期下所述至少一个光伏组件的状态参数，所述状态参数用于拟合出所述至少一个光伏组件的输出特征曲线；

控制所述第一开关断开、所述第二开关闭合。

从上述的技术方案可以看出，本发明控制光伏组件进行开路电压状态/短路电压状态切换，并在切换过程中利用并联在光伏组件上的缓冲电路来减缓光伏组件电压或者电流的变化速度，从而在有限的采样频率内能够获得更多的离散的采样点，从而使得最终拟合得到的光伏组件输出特性曲线更接近真实的曲线，据此能够更加全面地诊断光伏组件的运行状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中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1为本发明实施例公开的一种光伏组件输出特性曲线获取电路结构示意图；

图2为图1所示电路中的缓冲电路包括至少一个电感时的结构示意图；

图3为图1所示电路中的缓冲电路包括至少一个电容时的结构示意图；

图4为光伏组件电流-电压曲线图；

图5为一种光伏组件长边被遮挡示意图；

图6为图5对应的光伏组件电流-电压曲线图；

图7为光伏组件短边被遮挡示意图；

图8为图7对应的光伏组件电流-电压曲线图；

图9为本发明实施例公开的又一种光伏组件输出特性曲线获取电路结构示意图；

图10为图9所示电路中的吸收电路采用第二二极管实现时的结构示意图；

图11为将电流传感器输出的1ms的电流波形延展到2ms后的电流波形的对比示意图；

图12为本发明实施例公开的又一种光伏组件输出特性曲线获取电路结构示意图；

图13为本发明实施例公开的一种光伏组件输出特性曲线获取方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例公开了一种光伏组件输出特性曲线获取电路，下面分别针对其外部接线、内部电路以及控制电路进行详述。

在光伏组件输出特性曲线获取电路的外部接线上，其输入端连接至少一个光伏组件(图1仅以其输入端连接一个光伏组件作为示例)，其输出端与其他光伏组件输出特性曲线获取电路的输出端串联连接。

具体的，在光伏发电系统中，多个光伏组件串联在一起构成组串，多个组串再并联在一起构成光伏阵列，从而获得更高的电压、功率输出。为更加全面地诊断各光伏组件的运行状态，获取系统维护的参考依据，本发明实施例针对各光伏组件配置了光伏组件输出特性曲线获取电路。在同一组串中，可以为每个光伏组件都单独配置一个光伏组件输出特性曲线获取电路，也可以将光伏组件分组，每组配置一个光伏组件输出特性曲线获取电路，也就是说，每一个光伏组件输出特性曲线获取电路的输入端可以连接一个或多个相串联的光伏组件。

本发明实施例还设置同一组串下对应的各光伏组件输出特性曲线获取电路的输出端串联连接，由于光伏组件输出特性曲线获取电路不工作时相当于导线(详见下文描述)，所以在不工作时并不会改变同一组串中各光伏组件原本的串联关系，不影响光伏组件常规的运行状态(本申请中所指光伏组件常规的运行状态，是指光伏组件正常接入光伏发电系统进行电能输出)。

此外需要说明的是，本发明实施例中所指光伏组件输出特征曲线，可以是光伏组件的输出电压随时间变化曲线(即电压-时间曲线)、光伏组件的输出电流随时间变化曲线(即电流-时间曲线)、光伏组件的输出电流随输出电压的变化曲线(即电流-电压曲线)或光伏组件的输出功率随输出电压的变化曲线(即功率-电压曲线)等，并不局限。

光伏组件输出特性曲线获取电路的内部电路包括：第一开关S1、第二开关S2、第一二极管D1以及缓冲电路；所述缓冲电路与第一开关S1相串联后再并联在输入端上；第一二极管D1反向并联在输出端上(即第一二极管D1的阳极接负输出端，第一二极管D1的阴极接正输出端)；所述缓冲电路、第一开关S1以及第二开关S2相串联后再与第一二极管D1并联。

具体的，所述缓冲电路的基本工作原理是利用电感电流不能突变的特性抑制器件的电流上升率，和/或利用电容电压不能突变的特性抑制器件的电压上升率。所述缓冲电路内部包含电感和/或电容等储能元件，其拓扑结构可以是包括至少一个电感L(例如图2所示)，或者是包括至少一个电容C(例如图3所示)，或者是包括由至少一个电感和至少一个电容构成的串联结构、并联结构或串并联混合结构。

光伏组件输出特性曲线获取电路的控制电路，用于在一个控制周期下，先控制第二开关S2断开、再控制第一开关S1闭合，采集本控制周期下所述至少一个光伏组件的状态参数，所述状态参数用于拟合出所述至少一个光伏组件的输出特征曲线(拟合出所述至少一个光伏组件的输出特征曲线的过程，可以由本控制电路执行，也可以由本控制电路传输给外部设备执行，也可以由本控制电路将状态参数显示给技术人员供其进行人工绘制而成，并不局限)，之后控制第一开关S1断开、第二开关S2闭合。

具体的，光伏组件输出特性曲线获取电路不工作时，第一开关S1处于断开状态，第二开关S2处于闭合状态，此时光伏组件输出特性曲线获取电路相当于导线。当需要获取光伏组件的输出特性曲线时，先断开第二开关S2，使光伏组件断开与组串中其他光伏组件的连接，此时光伏组件处于开路电压状态，如图4中的A点，并且由于第一二极管D1能够为组串的电流提供通路，所以此时不会影响组串中其他光伏组件常规的运行状态；之后闭合第一开关S1，此时有以下三种情况：

1)当缓冲电路表现为纯感性时(对应图2)，由于电感的初始电流为0而且电感电流不能突变，所以光伏组件流过电感的电流会从0开始逐渐增大，直至达到光伏组件短路状态，如图4中的B点。通过记录该过程中光伏组件的输出电压和电流，即可得到如图4所示光伏组件电流-电压曲线。

2)当缓冲电路表现为纯容性时(对应图3)，由于电容的初始电压为0而且电容电压不能突变，因此光伏组件会在短时间内迅速被拉至接近短路状态，如图4中的B点，然后逐渐给电容充电，直至将电容充电至达到光伏组件开路电压，如图4中的A点。通过记录电容充电过程中光伏组件的输出电压和电流，即可得到如图4所示光伏组件电流-电压曲线。

3)缓冲电路也可以表现为介于纯感性与纯容性之间(即缓冲电路中同时包含电感和电容时)，此时光伏组件电压、电流随时间的变化过程与缓冲电路中电感电容的具体连接关系以及电感电容的取值有关，此处不再详述。但不管是1)～3)中的哪一种情况，对于同一光伏组件，都将得到同样的光伏组件电流-电压曲线。

在整个控制结束后，断开第一开关S1、闭合第二开关S2，此时光伏组件恢复常规的运行状态。一个控制周期，从第二开关S2断开开始，到第一开关S1断开、第二开关S2闭合结束。

依据最终获得的如图4所示光伏组件电流-电压曲线，技术人员能够更加全面地诊断光伏组件的运行状态，获取系统维护的参考依据，以是否发生局部阴影遮挡为例：光伏组件长边被遮挡时(如图5所示)，光伏组件电流-电压曲线在光伏组件最大功率点C左侧会出现斜率突变的情况，如图6所示；光伏组件短边被遮挡(如图7所示)时，光伏组件电流-电压曲线在光伏组件最大功率点C右侧会出现斜率突变的情况，如图8所示；而图4中未发生这样的情况，所以可知光伏组件长、短边均未被遮挡。

上述举例仅是以获得光伏组件电流-电压曲线进行举例，在实际控制过程中也可根据实际需要获取得到其他类型的光伏组件输出特性曲线，此处不再赘述。

由以上描述可知，本发明实施例控制光伏组件进行开路电压状态/短路电压状态切换，并在切换过程中利用并联在光伏组件上的缓冲电路来减缓光伏组件电压或者电流的变化速度，从而在有限的采样频率内能够获得更多的离散的采样点，从而使得最终拟合得到的光伏组件输出特性曲线更接近真实的曲线，据此能够更加全面地诊断光伏组件的运行状态。举例说明，在控制电路中，采样电路将采样数据输出到数字芯片的一个ADC(Analog-DigitalConversion，模数转换)模块端口，该ADC模块按100kHz的采样频率对其进行采集，即该ADC模块1s内可以采集100k个数据，假设第一开关S1闭合后，缓冲电路能够使光伏组件从开路电压状态变化到短路电流状态的时间延长到1ms，那么该ADC模块将采集到100个数据，延长的时间越长，该ADC模块采集到的数据就越多，拟合得到的曲线越接近实际特征曲线。

可选的，在上述公开的任一种光伏组件输出特性曲线获取电路中，第二开关S2可以连接在负输入端与负输出端之间，也可以连接在正输入端与正输出端之间，或者也可以在负输入端与负输出端之间、正输入端与正输出端之间分别设置一个，并不局限，图1中仅以第二开关S2连接在负输入端与负输出端之间作为示例。第一开关S1和第二开关S2可采用市面上常见的可控开关，例如MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)或IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极晶体管)等，并不局限。

另外，在有光伏组件级关断需求的场合(例如在建筑物屋顶上，要求光伏系统在紧急停机时阵列0.3m范围内任意两点电压不超过80V)，需要在每个光伏组件上配置一个关断开关。本发明实施例中的第二开关S2可以与光伏组件的关断开关复用，因而提高了系统集成度，以较低的成本实现了光伏组件关断、光伏组件输出特性曲线获取功能。

可选的，参见图9，在上述公开的任一种光伏组件输出特性曲线获取电路中，其内部电路还包括：与所述缓冲电路相并联的吸收电路，所述吸收电路用于在第一开关S1断开时，为所述缓冲电路提供能量泄放的路径。

具体的，在获取光伏组件输出特性曲线结束后，需要断开第一开关S1，以使光伏组件恢复常规的运行状态。但是由于缓冲电路中有储能元件的存在，所以需要连续均匀地将其存储的电能释放掉，以防止第一开关S1断开后仍然具有电能，或者产生较大的电压、电流过冲。对此，本发明实施例在缓冲电路上并联一个吸收电路，在第一开关S1断开后，储能元件的电流换流到吸收电路上，并通过吸收电路逐渐消耗掉。

可选的，吸收电路采用第二二极管D2实现，如图10所示，第二二极管D2的导通方向要与第一开关S1闭合后流经所述缓冲电路的电流方向相反，以防止第一开关S1闭合后光伏组件的电流流经第二二极管D2。或者，吸收电路也可以用电阻实现，或者也可以用第二二极管D2串联电阻的方式实现，并不局限。

可选的，在上述公开的任一种光伏组件输出特性曲线获取电路中，所述控制电路采用具有波形延展功能的采样电路来采集所述至少一个光伏组件的状态参数。所述采样电路通过将采集到的电压和/或电流波形在时域上进行延展，以进一步延长有限的采样频率下采集数据的时间，从而使获取到的曲线更接近于真实的曲线。

以电流数据采集为例，电流传感器设置在光伏组件的输出线路上，电流传感器输出的电流波形经过具有波形延展功能的采样电路后，输出到数字芯片的ADC模块端口，数字芯片再对延展之后的波形进行采集和处理。图11给出了将电流传感器输出的1ms的电流波形延展到2ms后的电流波形的对比示意图。ADC模块的采样频率不变，那么时间延展到原来的2倍后，采样点数也变为原来的2倍。在1ms波形中，波形转折点D不容易被采集到，而在2ms波形中，由于采样点数增多，波形的精细度更高，因此更容易采集到波形转折点D，从而可以更准确地拟合真实的光伏组件输出特征曲线。而且，波形延展越长，越有利于数字芯片的采集，对缓冲电路中器件的要求就越小，例如，图2中的缓冲电路中需要1个100uH感值的电感，但是通过将波形延展到原先的10倍，则缓冲电路中的电感就可以采用10uH感值，因此电路成本和电路体积得到显著降低。

可选的，采样电路可以设置低通滤波电路，此时需要注意的是，在本发明中，应将电压采样电路、电流采样电路的低通滤波电路的参数设置为一致，例如电压采样电路、电流采样电路的低通滤波电路具有相同的截止频率或者时间常数，以使获取到的电压采样数据和电流采样数据保持同步。

可选的，在获取光伏组件特征曲线的过程中，可能要将光伏组件输出电压拉至降低的电压，甚至短路状态。若光伏组件还用于为其他电路供电，例如为光伏组件输出特性曲线获取电路中的第一开关S1、第二开关S2、采样电路、数字芯片等供电，则可以采用二极管串联其他电路的储能装置(如电容、蓄电池等)的方式来供电。例如，如图12所示，第三二极管D3串联电容Cp后并联在输入端，在获取光伏组件输出特性曲线期间，光伏组件电压低于电容Cp电压时，由电容Cp为其他电路供电，该电容Cp取值应足够大，例如在10uF以上。

此外，本发明实施例还公开了一种光伏发电系统，包括如上述公开的任一种光伏组件输出特性曲线获取电路。

此外，本发明实施例还公开了一种光伏组件输出特性曲线获取方法，应用于如上述公开的任一种光伏组件输出特性曲线获取电路，如图13所示，该方法包括：

步骤S01：判断是否接收到曲线获取指令；当接收到曲线获取指令时，进入步骤S02；否则，返回步骤S01；

步骤S02：在一个控制周期下，先控制第二开关S2断开、再控制第一开关S1闭合；

步骤S03：采集本控制周期下至少一个光伏组件的状态参数，所述状态参数用于拟合出所述至少一个光伏组件的输出特征曲线；

步骤S04：控制第一开关S1断开、第二开关S2闭合。

综上所述，本发明控制光伏组件进行开路电压状态/短路电压状态切换，并在切换过程中利用并联在光伏组件上的缓冲电路来减缓光伏组件电压或者电流的变化速度，从而在有限的采样频率内能够获得更多的离散的采样点，从而使得最终拟合得到的光伏组件输出特性曲线更接近真实的曲线，据此能够更加全面地诊断光伏组件的运行状态。

本说明书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。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的电路相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见电路部分说明即可。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种光伏组件输出特性曲线获取电路，其特征在于：

在外部接线上，其输入端连接至少一个光伏组件，其输出端与其他光伏组件输出特性曲线获取电路的输出端串联连接；

其内部电路包括：第一开关、第二开关、第一二极管以及缓冲电路；所述缓冲电路与所述第一开关相串联后再并联在输入端上；所述第一二极管反向并联在输出端上；所述缓冲电路、所述第一开关以及所述第二开关相串联后再与所述第一二极管并联；

其控制电路，用于在一个控制周期下，先控制所述第二开关断开、再控制所述第一开关闭合，采集本控制周期下所述至少一个光伏组件的状态参数，所述状态参数用于拟合出所述至少一个光伏组件的输出特征曲线，之后控制所述第一开关断开、所述第二开关闭合。

2.根据权利要求1所述的光伏组件输出特性曲线获取电路，其特征在于，所述缓冲电路包括至少一个电感，或者包括至少一个电容，或者包括由至少一个电感和至少一个电容构成的串联结构、并联结构或串并联混合结构。

3.根据权利要求1或2所述的光伏组件输出特性曲线获取电路，其特征在于，所述内部电路还包括：与所述缓冲电路相并联的吸收电路，所述吸收电路用于在所述第一开关断开时，为所述缓冲电路提供能量泄放的路径。

4.根据权利要求3所述的光伏组件输出特性曲线获取电路，其特征在于，所述吸收电路包括第二二极管，所述第二二极管的导通方向与第一开关闭合后流经所述缓冲电路的电流方向相反。

5.根据权利要求3所述的光伏组件输出特性曲线获取电路，其特征在于，所述吸收电路包括电阻。

6.根据权利要求3所述的光伏组件输出特性曲线获取电路，其特征在于，所述吸收电路包括第二二极管和电阻，所述第二二极管和所述电阻串联，所述第二二极管的导通方向与第一开关闭合后流经所述缓冲电路的电流方向相反。

7.根据权利要求1所述的光伏组件输出特性曲线获取电路，其特征在于，所述控制电路采用具有波形延展功能的采样电路来采集所述至少一个光伏组件的状态参数。

8.根据权利要求1所述的光伏组件输出特性曲线获取电路，其特征在于，所述内部电路还包括第三二极管和储能装置，所述第三二极管串联所述储能装置后并联在所述光伏组件上；所述储能装置用于为所述光伏组件输出特性曲线获取电路供电。

9.一种光伏发电系统，其特征在于，包括：如权利要求1-8中任一项所述的光伏组件输出特性曲线获取电路。

10.一种光伏组件输出特性曲线获取方法，其特征在于，应用于光伏组件输出特性曲线获取电路；

在所述光伏组件输出特性曲线获取电路的外部接线上，其输入端连接至少一个光伏组件，其输出端与其他光伏组件输出特性曲线获取电路的输出端串联连接；

所述光伏组件输出特性曲线获取电路的内部电路包括：第一开关、第二开关、第一二极管以及缓冲电路；所述缓冲电路与所述第一开关相串联后再并联在输入端上；所述第一二极管反向并联在输出端上；所述缓冲电路、所述第一开关以及所述第二开关相串联后再与所述第一二极管并联；

所述光伏组件输出特性曲线获取方法包括：

判断是否接收到曲线获取指令；

当接收到曲线获取指令时，在一个控制周期下，先控制所述第二开关断开、再控制所述第一开关闭合；

采集本控制周期下所述至少一个光伏组件的状态参数，所述状态参数用于拟合出所述至少一个光伏组件的输出特征曲线；

控制所述第一开关断开、所述第二开关闭合。