CN109473968B - 用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒及控制方法 - Google Patents

用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒及控制方法；一种用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒，包括光伏旁路开关、短路检测电路、微控制器、开关驱动电路、开关电路和电源电路，电源电路为各电路单元供电；光伏旁路开关与对应的光伏串并联连接；每个光伏串由若干个光伏组件串联构成；所述光伏组件由若干个PN结串并联构成；其特征在于：短路检测电路判断光伏组件是否发生短路，当光伏组件发生短路时，短路检测电路输出触发信号到微控制器，触发微控制器的外部响应中断，微控制器输出关断信号到开关驱动电路，开关控制电路输出控制信号使开关电路断开；本发明可广泛应用在太阳能光伏发电站。

Description

用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒及控制方法
技术领域
本发明涉及光伏电站，具体涉及用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒及控制方法。
背景技术
太阳能光伏发电是一种具有可持续发展的可再生能源发电技术。据预测，太阳能光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。光伏电站蓬勃发展的同时，越来越多的故障暴露出来，引发的事故给业主带来巨大的损失，例如组件起火、汇流箱起火、电缆短路(桥架内线缆容易被老鼠等动物损坏)造成桥架起火等情况下，电站存在几百伏甚至上千伏的高压，远远超出人体安全电压范围，使消防人员和消防设备不能有效对电站进行灭火，导致电站和建筑物烧毁。
在国内的光伏电站中，普遍使用的是普通接线盒，普通接线盒内仅有光伏旁路电路，在出现热斑或遮挡时进行旁路。但不具有开关关断等功能，不能有效的预防电站故障，电站出现故障时不能正常保护。近年也有使用基于无线通信(WiFi，ZigBee)或有线通信(PLC)的光伏电站智能接线盒，该智能接线盒具备关断功能，并把监测到的组件数据通过中继器和网关传送到云端。但该种方案采用的无线通信方案，易被干扰，PLC通信易受电力线负载影响，监控数据需通过中继、网关传送到云服务器，成本高昂。开关断开需要外部发指令，操作复杂，不能及时响应突发故障和预防因短路引起的火灾。
发明内容
为了解决现有问题，本发明提出了用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒及控制方法。
本发明的技术方案是，一种用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒，包括光伏旁路开关、短路检测电路、微控制器、开关驱动电路、开关电路和电源电路，电源电路为各电路单元供电。
光伏旁路开关与对应的光伏串并联连接；每个光伏串由若干个光伏组件串联构成。所述光伏组件由若干个PN结即二极管串并联构成。
其特征在于：
短路检测电路用于检测光伏组件的输出电压，判断光伏组件是否发生短路，当光伏组件发生短路时，短路检测电路输出触发信号到微控制器，触发微控制器的外部响应中断，微控制器输出关断信号到开关驱动电路，开关控制电路输出控制信号使开关电路断开。
开关电路连接在接线盒的输入与输出之间，当开关电路闭合时，光伏组件通过接线盒输出正电压，当开关电路断开时，接线盒无输出。
在微控制器内设置有短路次数计数模块、短路次数判断模块和时间判断模块。
短路次数计数模块：用于当微控制器接收到外部中断信号时，对短路次数计数数值加1；外部有短路时开关闭合一次微控制器将接收到一次外部中断，如果外部无短路时，开关电路闭合，将不会触发外部中断，短路计数清0。
短路次数判断模块：用于对短路次数计数的数值进行判断，当该数值小于设定数值时，使开关电路闭合。
时间判断模块：用于检测开关电路断开后的延迟时间；当短路次数计数数值小于设定次数时，且开关电路断开后的延迟时间小于设定延迟时间时，控制开关电路断开，否则控制开关电路闭合。
本发明通过微控制器控制开关电路，当光伏组件发生短路时，使开关电路断开；当开关电路断开时间达到设定时间后，且开关电路断开次数未达到设定次数，微控制器通过开关驱动电路使开关电路闭合，并且短路检测电路继续检测光伏组件是否发生短路，如果又检测到短路，则微控制器再次通过开关驱动电路使开关电路断开；当开关电路断开次数达到设定次数且属于连续检测到短路发生，则确认短路事件发生，控制开关电路断开；只有模块重新上电才能使开关电路闭合。
根据本发明所述的用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒的优选方案，所述微控制器内还设置有输出电压判断模块、负载连接判断模块、开路计数模块、开路计时模块和开路计数判断模块。
输出电压判断模块：用于判断光伏组件输出电压是否等于光伏组件开路电压。
负载连接判断模块：当光伏组件输出电压不等于光伏组件开路电压时，判断光伏串是否开路。
开路计数模块：用于当光伏串与负载断开时，对开路计数数值加1。
开路计时模块：用于在首次检测到光伏串开路后进行计时。
开路计数判断模块：用于对开路计数数值进行判断，当开路计时模块的计时值小于设定值，且开路计数数值大于规定数值时，输出外部控制信号，使开关电路断开。
本发明专利所研制的光伏电站组件级关断的短路保护电路，采用低功耗设计、快速响应短路保护、故障关断组件的电压输出，该方案能避免因桥架内光伏线缆短路引起的火灾事故，及电站维护器件提供组件级关断功能，能有效的提高电站的安全性，国内外尚无同类产品发布。
根据本发明所述的一种用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒的优选方案，所述开关电路包括开关MOS管和总旁路开关，开关MOS管的栅极接收开关驱动电路输出的控制信号；开关MOS管的源极接接线盒负输入端，开关MOS管的漏极连接接线盒负输出端，总旁路开关连接在接线盒的正输出端和负输出端之间。
关断开关主要实现光伏组件输出电压、电流的断开。单个光伏组件的输出电压为40V左右，20个光伏组件串联的光伏串电压高达上千伏，对于耐千伏电压的开关有内阻大、成本高的弊端，因此设置总旁路开关。
当开关MOS管导通时，开关MOS管的漏极和源极之间的电压差为几十毫伏，当开关MOS管断开时，开关MOS管的漏极和源极之间的电压差为接线盒即光伏板的输出压降，光伏串的电流从总旁路开关流过，因此开关MOS管的最大耐压只需要大于单个光伏板的输出电压即可。且单个开关MOS管的关断不影响其它光伏组件开关和光伏串的电流。
根据本发明所述的一种用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒的优选方案，所述总旁路开关为二极管，该二极管的负极接接线盒的正输出端，该二极管的正极接接线盒的负输出端。
根据本发明所述的一种用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒的优选方案，短路检测电路包括取样电路、比较电压产生电路和比较器；
取样电路检测光伏组件的输出电流并转换成电压，输入到比较器的同相输入端；比较电压产生电路用于产生比较基准电压输入到比较器的反相输入端。
当比较器的同相输入端的电压大于比较基准电压时，比较器输出高电平到微控制器，触发微控制器输出外部中断信号到开关驱动电路。
为快速响应短路事件，短路检测电路通过电阻分压，快速比较器检测短路事件，短路发生时触发单片机外部中断，在中断处理函数中关断开关MOS管，起到断开光伏组件功率输出的目的。
本发明的第二个技术方案是，一种用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒控制方法，其特征在于：该方法包括对接线盒进行短路检测，所述短路检测包括如下步骤：
A、系统初始化。
B、判断是否触发外部中断信号；如果触发外部中断信号，则进入第C步，如果没有触发外部中断信号，则进入第D步。
C、控制开关电路断开，同时对短路次数计数数值加1，并将短路检测标识置“1”；再判断短路计数是否大于设定值，如果短路计数数值大于设定值，则确认短路发生，继续使开关电路断开，短路检测标识置“0”；如果短路计数数值小于设定值，则在延时了设定时间后，控制开关电路闭合；返回步骤B。
D、判断短路检测标识信号是否为“1”；如果为1，将短路检测标识信号置“0”，同时将短路次数计数数值置“0”，返回步骤B；如果短路检测标识信号不为“1”，返回步骤B。
本发明中，如果确认短路发生，开关电路断开后，仅模块复位后，比如光伏板遮光掉电再上电或经过一个夜晚后才能解除短路保护。经实际测试可达到以如下效果：
第一、光伏板在光照正常时输出短路，开关断开，响应短路保护。
第二、光伏板在光照前输出已短路，有光照时，开关断开，响应短路保护。
第三、光伏板输出已短路保护，遮光后再光照，开关开启，短路保护解除；即当发生短路保护或检测到开路后断开开关，只能通过复位才能再次开启。
根据本发明所述的一种用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒控制方法的优选方案，该方法还包括对接线盒进行开路检测，所述开路检测包括：
E1、判断光伏组件输出电压是否等于光伏组件开路电压；如果是，进入步骤E2,如果否，返回步骤B；
E2、判断光伏串与负载是否断开,如果是，判断开路检测标识是否置“1”，进入步骤E3；如果光伏串与负载没有断开，返回步骤B；
E3、如果开路检测标识是置“1”，对负载开路计数数值加1，进入步骤E4；如果开路检测标识不是置“1”，则将开路检测标识置“1”，并对负载开路计数数值加1,进入步骤E4；
E4、判断首次检测到负载开路的时间距离当前的时间是否小于设定时间，如果小于设定时间则返回步骤B，如果大于设定时间,则执行E5；
E5、判断开路计数数值是否大于规定数值，如果是，控制开关电路断开，返回步骤B；如果否，则将负载开路计数数值清0，开路检测标识置“0”，开路计时器清0，返回步骤B。
为满足运维安全性，在维护电站时即使负载未发生短路也有断开单个组件电压输出的需求。因为电路设计无通讯功能，电站确实需要断开时，可根据在规定时间段内负载接入次数与约定次数相同时断开组件电压输出。
当电站进行维护时，可通过约定负载开关关断次数实现组件级断开，保证整个电站系统无高压；
本发明所述的用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒及控制方法的有益效果是：本发明安全性高，能够有效的判断负载线缆是否短路，短路情况发生时组件的电压输出自动断开，避免光伏电站因短路引起火灾或人员伤害，同时可根据实际运行维护需要,关断组件的电压输出，起到提高电站运行安全性的目的。同时该方案电路在正常工作时可长时间处于休眠状态功耗极低对电站发电量几乎无影响。本发明电路设计巧妙，使用元件数量少，电路集成在接线盒内部，不需要中继、网关、服务器等；相比带通信功能的接线盒，功耗更低、可靠性更高、成本可节约70％以上，整个模块功耗对光伏板的功耗影响小于0.1‰；本发明可广泛应用于太阳能光伏发电站。
附图说明
图1是本发明所述的用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒及控制方法的电路原理示意图。
图2是短路检测电路1的原理框图。
图3是一种用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒控制方法流程图。
具体实施方式
实施例1：参见图1至图3，一种用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒，包括光伏旁路开关D1、D2、D3、防反接二极管D4、短路检测电路1、微控制器2、开关驱动电路3、开关电路4、总旁路开关5和电源电路6。
光伏组件通过防反接二极管D4为电源电路6提供输入电压，当短路事件发生时，输入电压为0，在电源电路6输入端设置储能电容，可保证电路正常一段时间。比如在电源电路输入端增加10uF以上的储能电容，工作时间大于1ms，只要短路检测和开关断开时间在1ms内响应，则电路供电就正常。因为整个模块的工作电流小于3mA。
电源电路6为各电路单元供电。
光伏旁路开关D1、D2、D3与光伏串并联连接；每个光伏串由若干个光伏单组件串联构成；所述光伏组件由若干个PN结即二极管串并联构成。
短路检测电路1用于通过检测光伏组件的输出电压，以判断光伏组件是否发生短路，当光伏组件发生短路时，短路检测电路1输出触发信号到微控制器2，触发微控制器2的外部响应中断，微控制器2输出关断信号到开关驱动电路3，开关控制电路3输出控制信号使开关电路4断开。
当开关电路4断开时间达到设定时间后，且开关电路4断开次数未达到设定次数，微控制器2通过开关驱动电路3使开关电路4闭合，并且短路检测电路1继续检测光伏组件是否发生短路，如果又检测到短路，则微控制器2再次通过开关驱动电路3使开关电路4断开；当开关电路4断开次数达到设定次数且属于连续检测到短路发生，则判断短路事件发生，开关电路4断开；只有模块重新上电才能开启开关。
开关电路4连接在接线盒的输入与输出之间，当开关电路4闭合时，光伏组件通过接线盒输出正电压，当开关电路4断开时，接线盒无输出。
在微控制器2内设置有短路次数计数模块、短路次数判断模块、时间判断模块、输出电压判断模块、负载连接判断模块、开路计数模块、开路计时模块和开路计数判断模块。
短路次数计数模块：用于当微控制器2接收到外部中断信号时，对短路次数计数数值加1；外部有短路时开关电路4闭合一次，微控制器将接收到一次外部中断，如果外部无短路时，开关电路4闭合，将不会触发控制外部中断，短路计数清0。
短路次数判断模块：用于对短路次数计数的数值进行判断，当该数值小于设定数值时，使开关电路4闭合。
时间判断模块：用于检测开关电路4断开后的延迟时间；当短路次数计数数值小于设定次数时，且开关电路4断开的延迟时间小于设定延迟时间时，控制开关电路4断开，否则控制开关电路4闭合。
输出电压判断模块：用于判断光伏组件输出电压是否等于光伏组件开路电压。
负载连接判断模块：当光伏组件输出电压不等于光伏组件开路电压时，判断光伏串是否开路。
开路计数模块：用于当光伏串与负载断开时，对开路计数数值加1；
开路计时模块：用于在首次检测到光伏串开路后进行计时。
开路计数判断模块：用于对开路计数数值进行判断，当开路计时模块的计时值小于设定值，且开路计数数值大于规定数值时，输出外部控制信号，使开关电路4断开。
当光伏串与负载断开时，光伏板的输出电压为开路电压，当光伏串接了负载，光伏板的输出电压约为开路电压的80％左右，可通过断开接线盒的开关电路标定光伏板的开路电压。
在该实施例中，所述开关电路4包括开关MOS管和总旁路开关D5，开关MOS管的栅极接收开关驱动电路3输出的控制信号；开关MOS管的源极接接线盒负输入端，开关MOS管的漏极连接接线盒负输出端，总旁路开关D5连接在接线盒的正输出端和负输出端之间。
在该实施例中，所述总旁路开关D5为二极管，该二极管的负极接接线盒的正输出端，该二极管的正极接接线盒的负输出端。
在该实施例中，短路检测电路1包括取样电路12、比较电压产生电路13和比较器11。
取样电路12检测光伏组件的输出电流并转换成电压，输入到比较器11的同相输入端；比较电压产生电路13用于产生比较基准电压输入到比较器的反相输入端。
当比较器11的同相输入端的电压大于比较基准电压时，比较器输出高电平到微控制器2，触发微控制器2输出外部中断信号到开关驱动电路3。
短路检测电路的短路响应时间为微秒级，只要检测到短路事件的发生，开关管断开，即该组件的供电断开，该组件无功率输出，如果整串短路则该串光伏组件全部断开则整串光伏组件无电压、电流输出，考虑有可能是因为负载瞬时波动引起偶尔电压拉低出现误判，则通过多次开启开关确认是否真实短路事件发生。即：当检测短路时开关断开，延时100毫秒再次开启开关，如果发生真实短路则开关再次开启仍然会触发短路事件，重复开启开关20次均出现短路则确认真实短路发生。由于开关设计时增加旁路二极管，组件间的短路判断不会相互影响。
实施例2：参见图3，一种用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒控制方法，该方法包括对接线盒进行短路检测和开路检测，并按如下步骤：
在所述接线盒内设置控制板，该控制板上设置光伏旁路开关D1、D2、D3、短路检测电路1、微控制器2、开关驱动电路3、开关电路4和电源电路6，电源电路6为各电路单元供电。
将光伏旁路开关D1、D2、D3与光伏串并联连接，短路检测电路1用于检测光伏组件的输出电压，并输出触发信号到微控制器2，微控制器2接收短路检测电路1输出的触发信号，输出外部中断信号到开关驱动电路3；开关驱动电路3受微控制器2的控制，输出驱动信号到开关电路4；开关电路4连接在接线盒的输入与输出之间，开关电路4受开关驱动电路3输出的驱动信号的控制，实现闭合与断开，当开关电路4闭合时，光伏组件通过接线盒输出正电压，当开关电路4断开时，接线盒无输出。
A、系统初始化，包括：定时器初始化、外部中断初始化、短路计数置0，开路计数置0，短路检测标识置0，开路检测标识置0，短路标识置0等操作。
B、判断是否触发外部中断信号；如果触发外部中断信号，则进入第C步，如果没有触发外部中断信号，则进入第D步。
C、控制开关电路4断开，同时对短路次数计数数值加1，并将短路检测标识置“1”；再判断短路计数是否大于设定值，如果短路计数数值大于设定值，则确认短路发生，继续使开关电路4断开，短路检测标识置“0”，进入步骤E1；如果短路计数数值小于设定值，则在延时了设定时间后，控制开关电路4闭合；返回步骤B。
D、判断短路检测标识信号是否为“1”；如果为1，将短路检测标识信号置“0”，同时将短路次数计数数值置“0”，进入步骤E1。如果短路检测标识信号不为“1”，进入步骤E1。
E1、判断光伏组件输出电压是否等于光伏组件开路电压；如果是，进入步骤E2,如果否，返回步骤B。
E2、判断光伏串与负载是否断开,如果是，判断开路检测标识是否置“1”，进入步骤E3；如果光伏串与负载没有断开，返回步骤B。
E3、如果开路检测标识是置“1”，对负载开路计数数值加1，进入步骤E4；如果开路检测标识不是置“1”，则将开路检测标识置“1”，并对负载开路计数数值加1,进入步骤E4。
E4、判断首次检测到负载开路的时间距离当前的时间是否小于设定时间，如果小于设定时间则返回步骤B，如果大于设定时间,则执行E5。
E5、判断开路计数数值是否大于规定数值，如果是，控制开关电路4断开，返回步骤B；如果否，则将负载开路计数数值清0，开路检测标识置“0”，开路计时器清0，返回步骤B。
本发明一种光伏电站组件级关断的短路保护电路，能够有效的判断负载线缆是否短路，同时可根据实际运维需要关断组件的电压输出，起到提高电站运行安全性的目的。同时该方案电路在正常工作时可长时间处于休眠状态功耗极低对电站发电量几乎无影响。电路设计巧妙运用元件数量少相比带通信功能的接线盒功耗的更低、可靠性更高、成本可节约70％以上。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒，包括光伏旁路开关（D1、D2、D3）、短路检测电路（1）、微控制器（2）、开关驱动电路（3）、开关电路（4）和电源电路（6），电源电路（6）为各电路单元供电；
光伏旁路开关（D1、D2、D3）与对应的光伏串并联连接；每个光伏串由若干个光伏组件串联构成；
其特征在于：
短路检测电路（1）用于检测光伏组件的输出电压，所述光伏组件由若干个PN结串并联构成；
短路检测电路（1）判断光伏组件是否发生短路，当光伏组件发生短路时，输出触发信号到微控制器（2），触发微控制器（2）的外部响应中断，微控制器（2）输出关断信号到开关驱动电路（3），开关驱动电路（3）输出控制信号使开关电路（4）断开；
开关电路（4）连接在接线盒的输入与输出之间，当开关电路（4）闭合时，光伏组件通过接线盒输出正电压，当开关电路（4）断开时，接线盒无输出；
在微控制器（2）内设置有短路次数计数模块、短路次数判断模块和时间判断模块；
短路次数计数模块：用于当微控制器（2）接收到外部中断信号时，对短路次数计数数值加1；
短路次数判断模块：用于对短路次数计数的数值进行判断，当该数值小于设定数值时，控制开关电路（4）闭合；
时间判断模块：用于检测开关电路（4）断开后的延迟时间；当短路次数计数数值小于设定次数时，且开关电路（4）断开后的延迟时间小于设定延迟时间时，控制开关电路（4）断开，否则控制开关电路（4）闭合；
所述微控制器（2）内还设置有输出电压判断模块、负载连接判断模块、开路计数模块、开路计时模块和开路计数判断模块；
输出电压判断模块：用于判断光伏组件输出电压是否等于光伏组件开路电压；
负载连接判断模块：当光伏组件输出电压不等于光伏组件开路电压时，判断光伏串是否开路；
开路计数模块：用于当光伏串与负载断开时，对开路计数数值加1；
开路计时模块：用于在首次检测到光伏串开路后进行计时；
开路计数判断模块：用于对开路计数数值进行判断，当开路计时模块的计时值小于设定值，且开路计数数值大于规定数值时， 输出外部控制信号，使开关电路（4）断开。
2.根据权利要求1所述的一种用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒，其特征在于：所述开关电路（4）包括开关MOS管和总旁路开关（D5），开关MOS管的栅极接收开关驱动电路（3）输出的控制信号；开关MOS管的源极接接线盒负输入端，开关MOS管的漏极连接接线盒负输出端，总旁路开关（D5）连接在接线盒的正输出端和负输出端之间。
3.根据权利要求2所述的一种用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒，其特征在于：所述总旁路开关（D5）为二极管，该二极管的负极接接线盒的正输出端，该二极管的正极接接线盒的负输出端。
4.根据权利要求1所述的一种用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒，其特征在于：短路检测电路（1）包括取样电路、比较电压产生电路和比较器；
取样电路检测光伏组件的输出电流并转换成电压，输入到比较器的同相输入端；比较电压产生电路用于产生比较基准电压输入到比较器的反相输入端；
当比较器的同相输入端的电压大于比较基准电压时，比较器输出高电平到微控制器（2），触发微控制器（2）输出外部中断信号到开关驱动电路（3）。
5.一种用于光伏电站的具有组件级短路保护的接线盒控制方法，其特征在于：该方法包括对接线盒进行短路检测和对接线盒进行开路检测，具体包括如下步骤：
A、系统初始化；
B、判断是否触发外部中断信号；如果触发外部中断信号，则进入第 C 步，如果没有触发外部中断信号，则进入第 D 步；
C、控制开关电路（4）断开，同时对短路次数计数数值加1，并将短路检测标识置“1”；再判断短路计数是否大于设定值，如果短路计数数值大于设定值，则确认短路发生，继续使开关电路（4）断开，短路检测标识置“0”；如果短路计数数值小于设定值，则在延时了设定时间后，控制开关电路（4）闭合；返回步骤B；
D、判断短路检测标识信号是否为“1”；如果为1，将短路检测标识信号置“0”，同时将短路次数计数数值置“0”，返回步骤B；如果短路检测标识信号不为“1”，返回步骤B；
E1、判断光伏组件输出电压是否等于光伏组件开路电压；如果是，进入步骤E2, 如果否，返回步骤B；
E2、判断光伏串与负载是否断开,如果是，判断开路检测标识是否置“1”，进入步骤E3；如果光伏串与负载没有断开，返回步骤B；
E3、如果开路检测标识是置“1”，对负载开路计数数值加1，进入步骤E4；如果开路检测标识不是置“1”，则将开路检测标识置“1”，并对负载开路计数数值加1,进入步骤E4;
E4、判断首次检测到负载开路的时间距离当前的时间是否小于设定时间，如果小于设定时间则返回步骤B，如果大于设定时间,则执行E5；
E5、判断开路计数数值是否大于规定数值，如果是，控制开关电路（4）断开，返回步骤B；如果否，则将负载开路计数数值清0，开路检测标识置“0”，开路计时器清0，返回步骤B。
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