CN109038669A - 实现组件级自动关断的光伏系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现组件级自动关断的光伏系统，包括多个光伏组件，多个组件级关断设备，关断控制器，逆变器以及电网，关断控制器并联在逆变器的两端，逆变器的输出并联电网AC输入端，每个光伏组件输出连接一个组件级关断设备，多个组件级关断设备的输出依次串联形成光伏组串，多个光伏组串并联形成光伏组串阵列，每个光伏组串的输出接入逆变器；通过关断控制器控制组件级关断设备输出端的电压和流经组件级关断设备的电流，组件级关断设备根据电压和电流控制组件级关断设备的导通和断开，实现对组件级的自动关断。该光伏系统不依赖于任何通讯系统，有效降低了光伏系统成本，并提高了可靠性。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，涉及光伏并网/离网发电技术领域，具体涉及一种实现组件级自动关断的光伏系统。
背景技术
随着光伏发电系统应用越来越广泛，光伏系统的安全问题也越来越受到重视，光伏系统存在直流高压，必然存在电击和电弧打火的风险，特别是当光伏系统发生火灾时，因为系统直流高压的存在，消防员无法及时施救。为了解决这一问题，业内已普遍认识到组件级关断的必要性。
目前业内有组件级关断功能的产品有光伏优化器、光伏监控器、智能接线盒等，但这些方案都依赖于通讯系统(RF或者PLC)，通讯系统必然带来成本高和易受干扰等问题。
授权公告号为CN207150526U的实用新型公开了一种光伏系统中用来控制光伏组件串的多组件级快速关断装置，光伏组件串包括多个串联在一起的光伏组件，多组件级快速关断装置包括微控制器、通信单元、驱动电路、辅助电源、开关单元和输出旁路二极管；微控制器与通信单元进行通信并控制驱动电路，通信单元用于传输指令给微控制器，驱动电路根据微控制器的指令驱动开关单元，辅助电源由光伏组件供电，开关单元包括多个开关，开关与光伏组件对应并且连接在光伏组件组成的串联电路中，驱动电路与开关分别连接以控制开关的关断与开通。
授权公告号为CN207543063U的实用新型公开了一种多组件级快速关断装置，用在光伏系统中控制与其连接的光伏组件串，所述光伏组件串包括多个串联在一起的光伏组件；所述多组件级快速关断装置包括微控制器、通信单元、驱动电路、辅助电源、开关单元和输出旁路二极管；微控制器与通信单元进行通信并控制驱动电路，通信单元用于传输关断与开通指令，驱动电路接收微控制器指令从而驱动开关单元关断与开通光伏组件串，开通时光伏组件串中的所有光伏组件均为辅助电源供电，从而平衡所有光伏组件对辅助电源的供电，提高发电量。
上述两个多组件级快速关断装置的微控制器均受通信单元传输的指令控制，以控制驱动电路工作，即均依赖于通讯系统，该通讯系统的引入增加了成本，且由于通讯系统易受干扰造成多组件级快速关断装置工作不稳定。
因此，迫切地需要一种成本低，且不依赖于通讯系统的组件级关断方案，以满足行业需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现组件级自动关断的光伏系统。在该光伏系统中，组件级的关断不依赖于通讯系统，在降低光伏系统成本的同时，提高了光伏系统的工作效率和可靠性。
为实现上述发明目的，提供以下技术方案：
一种实现组件级自动关断的光伏系统，包括多个光伏组件，多个组件级关断设备，关断控制器，逆变器以及电网，关断控制器的交流输入和直流输出分别并联在逆变器的交流端和直流端，逆变器的输出并联电网AC输入端，
每个光伏组件输出连接一个组件级关断设备，多个组件级关断设备的输出依次串联形成光伏组串，多个光伏组串并联形成光伏组串阵列，每个光伏组串的输出接入逆变器；
所述组件级关断设备包括母线分压电阻、电流检测电阻、第一开关管、输出电压检测电路、电流检测电路、开关驱动电路、第一MCU以及第一辅助电源，其中，母线分压电阻连接在组件级关断设备的输出正极和负极之间；电流检测电阻与第一开关管串联后接入光伏组件的输出负极；输出电压检测电路并联在母线分压电阻两端，受第一MCU控制检测母线分压电阻两端电压；电流检测电路并联在电流检测电阻两端，受第一MCU控制检测通入电流检测电阻的电流；开关驱动电路受第一MCU控制控制第一开关管通断；第一辅助电源为输出电压检测电路、电流检测电路、开关驱动电路和第一MCU供电；
所述关断控制器包括周期性负载电路、二极管、电感、第二MCU、第二辅助电源、AC电压检测电路，其中，第二辅助电源输入并联到电网AC输入端；二极管阳极连接第二辅助电源输出的正极，二极管阴极连接电感；电感串联在二极管阴极和关断控制器输出正极之间；周期性负载电路并接到二极管阴极和第二辅助电源输出负极之间；AC电压检测电路并联到电网AC输入端，受第二MCU控制检测电网AC输入端电压；
当光伏系统处于关断状态时，根据关断控制器的第二辅助电源的输出电压分到组件级关断设备输出端的分压，组件级关断设备控制第一开关管的开通；
当光伏系统处于开通状态时，关断控制器的周期性负载电路周期性输出脉冲电流，组件级关断设备根据电流检测电路检测到的周期性负载电路输出的脉冲电流情况，控制第一开关管的断开。
在光伏系统中，通过关断控制器控制组件级关断设备输出端的电压和流经组件级关断设备的电流，组件级关断设备根据电压和电流控制组件级关断设备的导通和断开，实现对组件级的自动关断。该光伏系统不依赖于任何通讯系统，有效降低了光伏系统成本，并提高了可靠性。
在光伏系统中，电感能够防止与直流母线(光伏组串输出端)并联的逆变器电容影响关断控制器的电容的充电过程形成脉冲电流。
优选地，所述周期性负载电路包括第二开关管、电容、充电电阻和放电电阻，其中，第二开关管、电容、充电电阻依次串联，放电电阻并联在电容两端，第二开关管受第二MCU控制断开或导通。
所述周期性负载电路的控制方法为：
第二MCU周期性发送驱动命令至第二开关管，控制第二开关管导通一定时间以使电容通过充电电阻完成充电，周期内剩余时间，第二开关管断开，电容通过放电电阻放电；
光伏组串通过充电电阻给电容充电时，会形成脉冲电流。
该周期性负载电路会周期性拉载，输出脉冲电流，该脉冲电流作为维持信息以供组件级关断设备维持开通状态。
在上述光伏系统的基础上，所述光伏系统实现组件级自动关断的方法为：
当光伏系统处于开通状态时，周期性负载电路周期性输出脉冲电流；
电流检测电路检测到脉冲电流，维持开通状态；
电流检测电路超过时间阈值未检测到脉冲电流时，反馈未检测到脉冲电流信息至第一MCU；
第一MCU在收到未检测到脉冲电流信息后，控制开关驱动电路发送断开驱动至第一开关管，以关断该第一开关管。
所述光伏系统实现组件级自动开通的方法为：
当光伏系统处于关断状态时，逆变器并联电网AC输入端，AC电压检测电路检测电网AC输入端电压正常后，并反馈AC输入端电压正常信息至第二MCU；
第二MCU在收到AC输入端电压正常信息后，控制第二辅助电源工作，通过二极管输出电压Von，该电压Von分压到各组件级关断设备输出端；
输出电压检测电路检测到组件级关断设备输出端分压后，反馈组件级关断设备输出端分压信息至第一MCU；
第一MCU在收到组件级关断设备输出端分压信息后，控制开关驱动电路发送驱动命令至第一开关管，以开通该第一开关管；
第一开关管开通后，二极管截止。
优选地，所述光伏系统包括多个防反二极管，每个防反二极管串联在一个光伏组串的输出端；
每个光伏组串的输出端并联一个关断控制器，且关断控制器的输出端并接到防反二极管之前。
优选地，所述关断控制器包括至少两个周期性负载电路，每个周期性负载电路均并联到二极管阴极和第二辅助电源输出负极之间。
优选地，所述组件级关断设备集成到接线盒中，所述关断控制器集成到逆变器中。这样集合能够规整光伏系统，降低光伏系统成本和提高稳定性。
优选地，所述周期性负载电路输出脉冲电流的周期为5s；所述时间阈值为30s。
本发明提供的光伏系统的有益效果表现为：
(1)该光伏系统不依赖于任何通讯系统，有效降低了系统成本，提高了可靠性。
(2)该光伏系统可自动实现组件级关断，即当逆变器离网时或者故障关断时，组件级关断设备自动关断，确保系统中不存在直流高压，可确保消防灭火等紧急情况下，以及初始安装及运维时现场人员的人身安全
(3)当逆变器并网并运行正常时，组件级关断设备自动开通。
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做简单地介绍，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前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是一实施例提供的实现组件级自动关断的光伏系统的结构示意图；
图2是一实施例提供的组件级关断设备的结构示意图；
图3是一实施例提供的关断控制器的结构示意图；
图4是图3中的关断控制器输出的脉冲电流示意图；
图5是光伏系统的关断和开通控制流程图；
图6是另一实施例提供的实现组件级自动关断的光伏系统的结构示意图；
图7是另一实施例提供的关断控制器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
如图1所示，实施例提供的实现组件级自动关断的光伏系统包括：光伏组件10111～101mn，组件级关断设备10211～102mn，逆变器103，电网104关断控制器105，其中：
组件级关断设备10211～102m1以一对一的形式分别接在光伏组件10111～101m1的输出，组件级关断设备10211～102m1的输出依次串联形成第一光伏组串，该第一光伏组串的输出电流为istr1，剩下的光伏组件和组件级关断设备以m个为一组，按照第一光伏组串的方式形成n-1个光伏组串，对应的输出电流为istr2，istr3,…,istrn。对于第n光伏组串，组件级关断设备1021n～102mn以一对一的形式分别接在光伏组件1011n～101mn的输出，组件级关断设备1021n～102mn的输出依次串联形成第n光伏组串。n个光伏组串并联形成光伏组串阵列，光伏组串阵列的输出为直流母线DC BUS。
逆变器103的输入接入直流母线DC BUS，输出作为AC并网端并入电网。
关断控制器105与逆变器103并联，其输入连接逆变器103的AC并网端，输出接入直流母线DC BUS。
组件级关断设备10211～102mn的结构相同，如图2所示，包括母线分压电阻201、电流检测电阻202、开关管203、输出电压检测电路204、电流检测电路205、开关驱动电路206、第一MCU207以及第一辅助电源208，其中：
母线分压电阻201连接在组件级关断设备的输出正极和负极之间；
电流检测电阻202与开关管203串联后接入光伏组件的输出负极；
输出电压检测电路204并联在母线分压电阻201两端，受第一MCU 207控制检测母线分压电阻201两端(也就是组件级关断设备输出端)电压；
电流检测电路205并联在电流检测电阻202两端，受第一MCU 207控制检测通入电流检测电阻202的电流；
开关驱动电路206受第一MCU 207控制控制开关管203通断；
第一辅助电源208为输出电压检测电路204、电流检测电路202、开关驱动电路206和第一MCU 207供电。
关断控制器105的结构如图3所示，包括周期性负载电路301、二极管302、第二MCU303、第二辅助电源304、AC电压检测电路305，电感306，其中：
第二辅助电源304并联到逆变器103的AC并网端；
二极管302的阳极接第二辅助源304的输出正极，二极管302的阴极接电感306；
电感306连接在二极管302的阴极；
AC电压检测电路305并联到逆变器103的AC并网端和第二辅助电源304的输入端，受第二MCU 303控制检测AC并网端和第二辅助电源304输入端的电压；
周期性负载电路301并联到二极管302的阴极和第二辅助电源304输出负极之间。
如图3所示，该周期性负载电路301具体包括开关管3011、电容3012、充电电阻3013和放电电阻3014，其中，开关管3011、电容3012、充电电阻303依次串联，放电电阻3014并联在电容3012两端，开关管3011受第二MCU 303控制断开或导通。
如图5所示，上述光伏系统的实现组件级自动关断的具体过程为：
当光伏系统处于开通状态时：
第二MCU 303周期性(例如5s)发送驱动命令至开关管3011，控制开关管3011导通一定时间(例如1ms)以使电容3012(例如0.22μ)通过充电电阻3013(例如1kΩ)完成充电，周期内剩余时间(也就是5s-1ms)，开关管3011断开，电容3012通过放电电阻3014(例如500kΩ)放电；第二辅助电源304的输出端通过充电电阻3013给电容3012充电时，会形成如图4所示的脉冲电流并输出；
电流检测电路205检测到脉冲电流，维持开关管203的开通状态；
电流检测电路205超过时间阈值(例如30s)未检测到脉冲电流时，反馈未检测到脉冲电流信息至第一MCU 207，第一MCU 207在收到未检测到脉冲电流信息后，控制开关驱动电路206发送断开驱动至开关管203，以关断该开关管203，实现组件级关断设备自动关断。
当光伏系统处于关断状态时：
逆变器103并入电网，AC电压检测电路305检测逆变器103的AC并网端电压正常(可以根据NB/T 32004-2013标准判断AC并网端电压是否正常)后，并反馈AC并网端电压正常信息至第二MCU 303；第二MCU 303在收到AC并网端电压正常信息后，控制第二辅助电源304工作，通过二极管302输出电压Von，该电压Von分压到各组件级关断设备输出端；
输出电压检测电路204检测到组件级关断设备输出端分压后，反馈组件级关断设备输出端分压信息至第一MCU 207；第一MCU 207在收到组件级关断设备输出端分压信息后，控制开关驱动电路206发送驱动命令至开关管203，以开通该开关管203；由于电压Von低于逆变器103的启动电压，逆变器103不启动，当各组件级关断设备开关管203打开后，系统直流母线DC BUS电压远大于电压Von，二极管302截止。也就是说，电压Von只是触发组件级关断设备的开通。
上述光伏系统中，组件级关断设备和关断控制器之间的配合，以系统并网电压是否正常为标准，实现组件级的自动关断和开通。这样当逆变器离网时或者故障关断时，组件级关断设备自动关断，确保系统中不存在直流高压，可确保消防灭火等紧急情况下，以及初始安装及运维时现场人员的人身安全。
在另外一个实施例中，如图6所示，提供的光伏系统还包括防反二极管1061～106n，每个防反二极管串联在一个光伏组串的输出端，如防反二极管1061串联在第一光伏组串的输出正极，防反二极管106n串联在第n光伏组串的输出正极。
当存在防反二极管时，若多个光伏组串共用一个关断控制器，关断控制器的输出并接到直流母线DC BUS，则防反二极管会阻断开通电压Von，使得系统无法实现正常开启，因此，每个光伏组串都需要一个独立的关断控制器单独控制。具体地，每个光伏组串的输出端并联一个关断控制器，且关断控制器的输出端并接到防反二极管之前，如，关断控制器1051的输入端并在逆变器103的AC并网端，关断控制器1051的输出正极连接到第一光伏组串的输出正极上防反二极管之前，关断控制器1051的输出负极连接到第一光伏组串的输出负极。
在另外一个实施例中，如图7所示，当光伏系统光伏组串数量多时，可以根据负载需要，多个周期性负载电路并联到光伏系统中，具体地，每个周期性负载电路均并联到二极管阴极和第二辅助电源输出负极之间。光伏系统光伏组串数量多，周期性负载电路提供的周期性脉冲电流被分流，为确保检测正常，需要多个周期性负载电路并联。
上述实施例中，开关管203和开关管3011可以为反并联二极管的功率开关管，具体可以为功率金属-氧化物半导体场效应晶体管。
上述实施例中，输出电压检测电路204和AC电压检测电路305均由运算放大器和电阻组成的差分放大电路，电流检测电路205采用由运算放大器和电阻组成的差分放大电路。开关驱动电路可以为常规的推挽驱动。
上述实施例中，第一辅助电源208可以为buck电路或者线性稳压器LDO，第二辅助电源304可以为flyback电路。
上述实施例中，第一MCU207和第二MCU303采用ST的STM32F030F4P6，MCU内烧入实现上述控制方法的程序。
上述组件级关断设备和关断控制器均是独立产品，这种独立产品适用于老电站改造以及电站的二次开发。在另外一个实施例中，上述组件级关断设备可以集成到接线盒中，上述关断控制器可以集成到逆变器中，若集成到逆变器中，则控制逻辑可以通过逆变器的主控IC来使能，这样充分利用逆变器的各种检测电路，使得系统更高效，成本更低。
上述所有光伏系统均不依赖于任何通讯系统，有效地降低系统成本，提高系统可靠性。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种实现组件级自动关断的光伏系统，包括多个光伏组件，多个组件级关断设备，关断控制器，逆变器以及电网，关断控制器的交流输入和直流输出分别并联在逆变器的交流端和直流端，逆变器的输出并联电网AC输入端，其特征在于：
每个光伏组件输出连接一个组件级关断设备，多个组件级关断设备的输出依次串联形成光伏组串，多个光伏组串并联形成光伏组串阵列，每个光伏组串的输出接入逆变器；
所述组件级关断设备包括母线分压电阻、电流检测电阻、第一开关管、输出电压检测电路、电流检测电路、开关驱动电路、第一MCU以及第一辅助电源，其中，母线分压电阻连接在组件级关断设备的输出正极和负极之间；电流检测电阻与第一开关管串联后接入光伏组件的输出负极；输出电压检测电路并联在母线分压电阻两端，受第一MCU控制检测母线分压电阻两端电压；电流检测电路并联在电流检测电阻两端，受第一MCU控制检测通入电流检测电阻的电流；开关驱动电路受第一MCU控制控制第一开关管通断；第一辅助电源为输出电压检测电路、电流检测电路、开关驱动电路和第一MCU供电；
所述关断控制器包括周期性负载电路、二极管、电感、第二MCU、第二辅助电源、AC电压检测电路，其中，第二辅助电源输入并联到电网AC输入端；二极管阳极连接第二辅助电源输出的正极，二极管阴极连接电感；电感串联在二极管阴极和关断控制器输出正极之间；周期性负载电路并接到二极管阴极和第二辅助电源输出负极之间；AC电压检测电路并联到电网AC输入端，受第二MCU控制检测电网AC输入端电压；
当光伏系统处于关断状态时，根据关断控制器的第二辅助电源的输出电压分到组件级关断设备输出端的分压，组件级关断设备控制第一开关管的开通；
当光伏系统处于开通状态时，关断控制器的周期性负载电路周期性输出脉冲电流，组件级关断设备根据电流检测电路检测到的周期性负载电路输出的脉冲电流情况，控制第一开关管的断开。
2.如权利要求1所述的实现组件级自动关断的光伏系统，其特征在于：
所述周期性负载电路包括第二开关管、电容、充电电阻和放电电阻，其中，第二开关管、电容、充电电阻依次串联，放电电阻并联在电容两端，第二开关管受第二MCU控制断开或导通。
3.如权利要求2所述的实现组件级自动关断的光伏系统，其特征在于：
所述周期性负载电路的控制方法为：
第二MCU周期性发送驱动命令至第二开关管，控制第二开关管导通一定时间以使电容通过充电电阻完成充电，周期内剩余时间，第二开关管断开，电容通过放电电阻放电；
光伏组串通过充电电阻给电容充电时，会形成脉冲电流。
4.如权利要求1或3所述的实现组件级自动关断的光伏系统，其特征在于：
所述光伏系统实现组件级自动关断的方法为：
当光伏系统处于开通状态时，周期性负载电路周期性输出脉冲电流；
电流检测电路检测到脉冲电流，维持开通状态；
电流检测电路超过时间阈值未检测到脉冲电流时，反馈未检测到脉冲电流信息至第一MCU；
第一MCU在收到未检测到脉冲电流信息后，控制开关驱动电路发送断开驱动至第一开关管，以关断该第一开关管。
5.如权利要求4所述的实现组件级自动关断的光伏系统，其特征在于：
所述光伏系统实现组件级自动开通的方法为：
当光伏系统处于关断状态时，逆变器并联电网AC输入端，AC电压检测电路检测电网AC输入端电压正常后，并反馈AC输入端电压正常信息至第二MCU；
第二MCU在收到AC输入端电压正常信息后，控制第二辅助电源工作，通过二极管输出电压Von，该电压Von分压到各组件级关断设备输出端；
输出电压检测电路检测到组件级关断设备输出端分压后，反馈组件级关断设备输出端分压信息至第一MCU；
第一MCU在收到组件级关断设备输出端分压信息后，控制开关驱动电路发送驱动命令至第一开关管，以开通该第一开关管；
第一开关管开通后，二极管截止。
6.如权利要求5所述的实现组件级自动关断的光伏系统，其特征在于：
所述光伏系统包括多个防反二极管，每个防反二极管串联在一个光伏组串的输出端；
每个光伏组串的输出端并联一个关断控制器，且关断控制器的输出端并接到防反二极管之前。
7.如权利要求5所述的实现组件级自动关断的光伏系统，其特征在于：
所述关断控制器包括至少两个周期性负载电路，每个周期性负载电路均并联到二极管阴极和第二辅助电源输出负极之间。
8.如权利要求5所述的实现组件级自动关断的光伏系统，其特征在于：
所述组件级关断设备集成到接线盒中，所述关断控制器集成到逆变器中。
9.如权利要求1～8任一项所述的实现组件级自动关断的光伏系统，其特征在于：
所述周期性负载电路输出脉冲电流的周期为5s；
所述时间阈值为30s。
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