CN109638786B

CN109638786B - 一种光伏组件关断保护电路及组件关断器

Info

Publication number: CN109638786B
Application number: CN201910116399.2A
Authority: CN
Inventors: 罗宇浩; 周懂明; 卢啸; 谭厚坤
Original assignee: Haining Yuneng Electronics Co ltd
Current assignee: Yuneng Technology Co ltd
Priority date: 2019-02-13
Filing date: 2019-02-13
Publication date: 2020-07-31
Anticipated expiration: 2039-02-13
Also published as: CN109638786A

Abstract

本发明公开了一种光伏组件关断保护电路及组件关断器，包括：电流检测电路，用于对与组件关断器连接的光伏组件的输出电流进行检测，生成电流检测信号；输入端与电流检测电路的输出端连接的倒灌检测电路，用于当根据电流检测信号确定光伏组件进入倒灌状态时，生成倒灌信号；输入端与倒灌检测电路的输出端连接、输出端与组件关断器内的开关管的控制端连接的倒灌控制电路，用于在接收到倒灌信号后控制开关管导通。可见，本申请的光伏组件关断保护电路可通过检测光伏组件的输出电流判断电流是否逆向流进光伏组件，并在光伏组件进入倒灌状态时控制开关管导通，从而防止了逆向电流烧毁开关管，进而提高了组件关断器的安全性及可靠性。

Description

一种光伏组件关断保护电路及组件关断器

技术领域

本发明涉及光伏发电系统安全保护领域，特别是涉及一种光伏组件关断保护电路及组件关断器。

背景技术

由于太阳能的可再生性和清洁性，光伏并网发电技术得以快速发展。目前，光伏系统通常是多个光伏组件串联形成组串，然后接入逆变器实现直流转换为交流而并网。由于串联的光伏组件会形成较危险的直流高压，所以光伏系统要求逆变器有防电弧保护，即在检测到电弧时应立即关断逆变器的运行。但是，无论逆变器运行与否，光伏组件串起来以后的直流电缆均会输出较危险的高压电。目前，为了消除高压电带来的安全风险，通常采用如图1所示的光伏组件关断结构，每个光伏组件的输出均加入组件关断器，各组件关断器的输出串联后连接逆变器，从而可利用组件关断器将每个光伏组件的电压输出关断(由信号发射器控制组件关断器的通断情况)，使直流电缆上的电压降低至较小值。

现有技术中，组件关断器通常采用如图2所示的电路结构，其工作原理为：采样电路对信号发射器发射的控制信号进行采样，并将采样得到的控制信号发送至通信模块；然后通信模块在接收到控制信号后生成关断信号至组件关断控制模块，以便于组件关断控制模块在接收到关断信号后控制开关管断开，从而关断光伏组件的电压输出。但是，当多串组件并联时，若其中一串组件的电压由于某种原因比并联的其他组串的电压低，则在组串间没有防反二极管的情况下，电流会逆向流进电压较低的光伏组件，若此时电压较低的光伏组件连接的开关管处于断开状态，则这个大电流会通过开关管的体二极管流进光伏组件，极易烧毁开关管，从而降低了组件关断器的安全性及可靠性。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域的技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种光伏组件关断保护电路及组件关断器，通过检测光伏组件的输出电流判断电流是否逆向流进光伏组件，并在光伏组件进入倒灌状态时控制开关管导通，从而防止了逆向电流烧毁开关管，进而提高了组件关断器的安全性及可靠性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光伏组件关断保护电路，设于组件关断器内，包括：

电流检测电路，用于对与所述组件关断器连接的光伏组件的输出电流进行检测，生成电流检测信号；

输入端与所述电流检测电路的输出端连接的倒灌检测电路，用于当根据所述电流检测信号确定所述光伏组件进入倒灌状态时，生成倒灌信号；

输入端与所述倒灌检测电路的输出端连接、输出端与所述组件关断器内的开关管的控制端连接的倒灌控制电路，用于在接收到所述倒灌信号后控制所述开关管导通。

优选地，所述电流检测电路包括：

电流采样电路，用于对与所述组件关断器连接的光伏组件的输出电流进行采样，生成电流采样信号；

输出端作为所述电流检测电路的输出端的信号放大电路，用于对所述电流采样信号进行放大，并将放大后的电流采样信号输出至所述倒灌检测电路。

优选地，所述组件关断器内的采样电路包括：

第一端与所述光伏组件的电源负端连接、第二端作为所述组件关断器的输出负端的电感；应用在所述采样电路中的电感用于采样电力线通信信号；

相应的，所述电流采样电路具体为所述电感，应用在所述电流采样电路中的电感用于对与所述组件关断器连接的光伏组件的输出电流进行采样，生成电流采样信号。

优选地，所述信号放大电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻及运算放大器；其中：

所述第一电阻的第一端分别与所述电感的第一端和所述运算放大器的输入正端连接，所述第一电阻的第二端接地，所述第三电阻的第一端与所述电感的第二端连接，所述第三电阻的第二端分别与所述运算放大器的输入负端和所述第二电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端与所述运算放大器的输出端连接，其公共端作为所述信号放大电路的输出端。

优选地，所述倒灌检测电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻及滞回比较器；其中：

所述第四电阻的第一端分别与所述第七电阻的第一端和所述滞回比较器的输入负端连接，所述第四电阻的第二端接地，所述第七电阻的第二端与直流电源连接，所述滞回比较器的输入正端分别与所述第五电阻的第一端和所述第六电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端作为所述倒灌检测电路的输入端，所述第六电阻的第二端与所述滞回比较器的输出端连接，其公共端作为所述倒灌检测电路的输出端；

则所述倒灌控制电路具体用于在接收到所述滞回比较器输出的高电平信号后控制所述开关管导通。

优选地，所述倒灌控制电路包括第一二极管和第八电阻，且该光伏组件关断保护电路还包括第二二极管；其中：

所述第一二极管的阳极作为所述倒灌控制电路的输入端，所述第一二极管的阴极分别与所述第八电阻的第一端和所述第二二极管的阴极连接，其公共端作为所述倒灌控制电路的输出端，所述第八电阻的第二端接地，所述第二二极管的阳极与所述组件关断器内的组件关断控制模块的输出端连接。

优选地，所述开关管具体为NMOS管，所述NMOS管的栅极作为所述开关管的控制端，所述NMOS管的漏极与所述光伏组件的电源正端连接，所述NMOS管的源极作为所述组件关断器的输出正端。

优选地，所述组件关断器内的采样电路、通信模块、组件关断控制模块、电流检测电路、倒灌检测电路及倒灌控制电路集成于同一芯片上。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种组件关断器，包括采样电路、通信模块及组件关断控制模块，还包括上述任一种光伏组件关断保护电路。

优选地，该组件关断器集成于组件接线盒内部。

本发明提供了一种光伏组件关断保护电路，设于组件关断器内，包括：电流检测电路，用于对与组件关断器连接的光伏组件的输出电流进行检测，生成电流检测信号；输入端与电流检测电路的输出端连接的倒灌检测电路，用于当根据电流检测信号确定光伏组件进入倒灌状态时，生成倒灌信号；输入端与倒灌检测电路的输出端连接、输出端与组件关断器内的开关管的控制端连接的倒灌控制电路，用于在接收到倒灌信号后控制开关管导通。

可见，本申请的光伏组件关断保护电路可通过检测光伏组件的输出电流判断电流是否逆向流进光伏组件(电流逆向流进光伏组件即光伏组件进入倒灌状态)，并在光伏组件进入倒灌状态时控制开关管导通，从而防止了逆向电流烧毁开关管，进而提高了组件关断器的安全性及可靠性。

本发明还提供了一种组件关断器，与上述保护电路具有相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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为现有技术中的一种光伏组件关断结构示意图；

图2为现有技术中的一种组件关断器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种组件关断器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种组件关断器内采样电路的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种组件关断器的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种信号放大电路的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种倒灌检测电路的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种如图7所示倒灌检测电路的输入输出关系曲线；

图9为本发明实施例提供的一种倒灌控制电路的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种光伏组件关断保护电路及组件关断器，通过检测光伏组件的输出电流判断电流是否逆向流进光伏组件，并在光伏组件进入倒灌状态时控制开关管导通，从而防止了逆向电流烧毁开关管，进而提高了组件关断器的安全性及可靠性。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

请参照图3，图3为本发明实施例提供的一种组件关断器的结构示意图。

该光伏组件关断保护电路设于组件关断器内，包括：

电流检测电路1，用于对与组件关断器连接的光伏组件的输出电流进行检测，生成电流检测信号；

输入端与电流检测电路1的输出端连接的倒灌检测电路2，用于当根据电流检测信号确定光伏组件进入倒灌状态时，生成倒灌信号；

输入端与倒灌检测电路2的输出端连接、输出端与组件关断器内的开关管的控制端连接的倒灌控制电路3，用于在接收到倒灌信号后控制开关管导通。

具体地，本申请的光伏组件关断保护电路包括电流检测电路1、倒灌检测电路2及倒灌控制电路3，其工作原理为：

光伏组件根据其电流流向分为两种状态：普通状态(电流从光伏组件正向流出)和倒灌状态(电流逆向流进光伏组件)。考虑到当与光伏组件连接的组件关断器内的开关管断开时，若光伏组件处于倒灌状态，则极易烧毁开关管，所以为了避免开关管被烧毁，本申请应实时检测光伏组件的状态，以便于在光伏组件处于倒灌状态时进行开关管保护。

详细地，本申请对光伏组件关断结构中每个组件关断器均进行改进，具体是在每个组件关断器中均加入电流检测电路1、倒灌检测电路2及倒灌控制电路3。对于任一组件关断器而言，其内的电流检测电路1用于对与该组件关断器连接的光伏组件的输出电流进行检测，生成可表征该光伏组件的电流流向和电流大小的电流检测信号，并将电流检测信号发送至倒灌检测电路2。倒灌检测电路2便可根据电流检测信号判断该光伏组件是否进入倒灌状态，当根据电流检测信号确定该光伏组件进入倒灌状态时，生成倒灌信号，并将倒灌信号发送至倒灌控制电路3。由于倒灌控制电路3可控制该组件关断器内开关管的通断状态，所以为了避免开关管被烧毁，倒灌控制电路3可在接收到倒灌信号后控制开关管导通(需要说明的是，这里的开关管是双向流通的开关管，即电流可从第一端流向第二端，也可从第二端流向第一端)，从而防止逆向大电流通过开关管的体二极管流进光伏组件，起到保护开关管的作用。

此外，现有技术中，通常会对光伏组件做注入电流的测试，目的是测试光伏组件的旁路二极管是否能在光伏组件出现旁路时仍正常可靠工作。已知光伏组件在做注入电流的测试时处于倒灌状态，若此时与光伏组件连接的组件关断器内的开关管处于断开状态，则极易烧毁开关管，所以本申请对组件关断器的改进同样保证了在对光伏组件做注入电流的测试时组件关断器的安全。

在上述实施例的基础上：

作为一种可选地实施例，电流检测电路1包括：

电流采样电路，用于对与组件关断器连接的光伏组件的输出电流进行采样，生成电流采样信号；

输出端作为电流检测电路1的输出端的信号放大电路，用于对电流采样信号进行放大，并将放大后的电流采样信号输出至倒灌检测电路2。

具体地，本申请的电流检测电路1包括电流采样电路和信号放大电路，其工作原理为：

电流采样电路用于对与所在组件关断器连接的光伏组件的输出电流进行采样，生成可表征该光伏组件的电流流向和电流大小的电流采样信号。由于电流采样信号值较小，所以为了便于后续倒灌检测电路2的倒灌检测，本申请在电流采样电路后加入信号放大电路，目的是利用信号放大电路对电流采样信号进行放大，并将放大后的电流采样信号输出至倒灌检测电路2，从而提高倒灌检测电路2的检测精确度。

请参照图4，图4为本发明实施例提供的一种组件关断器内采样电路的结构示意图。

作为一种可选地实施例，组件关断器内的采样电路包括：

第一端与光伏组件的电源负端连接、第二端作为组件关断器的输出负端的电感L1；应用在采样电路中的电感L1用于采样电力线通信信号；

相应的，电流采样电路具体为电感L1，应用在电流采样电路中的电感L1用于对与组件关断器连接的光伏组件的输出电流进行采样，生成电流采样信号。

具体地，图4中，采样电路的输入为光伏组件的电源负端PV-和组件关断器的输出负端OUT-，其连接电感L1(在采样电路中，电感L1用于采样电力线通信信号，内阻在几毫欧)，然后经过由电容和电阻形成的滤波电路后输出至通信模块的输入端。

考虑到电感L1也可作为电流采样的器件，所以本申请的电流采样电路可直接利用所在组件关断器内采样电路中的电感L1对光伏组件的输出电流进行采样(也即电感L1在原有的采样电路中用于采样电力线通信信号，在本申请的电流采样电路中用于采样电流信号)，从而降低了电路成本及功耗，提高了电路可靠性。当然，本申请也可以选择另设电流采样电路，如图5所示，本申请对此不做特别地限定。

请参照图6，图6为本发明实施例提供的一种信号放大电路的结构示意图。

作为一种可选地实施例，信号放大电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3及运算放大器A1；其中：

第一电阻R1的第一端分别与电感L1的第一端和运算放大器A1的输入正端连接，第一电阻R1的第二端接地，第三电阻R3的第一端与电感L1的第二端连接，第三电阻R3的第二端分别与运算放大器A1的输入负端和第二电阻R2的第一端连接，第二电阻R2的第二端与运算放大器A1的输出端连接，其公共端作为信号放大电路的输出端。

具体地，本申请的信号放大电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3及运算放大器A1，其工作原理为：

信号放大电路的输入输出关系式为：

其中，Uc为信号放大电路的输出电压，Ui为电感L1的端电压(其符号表示电流流向，“+”代表电流正向流出光伏组件，“-”代表电流逆向流进光伏组件；图6中箭头代表此时电流逆向流进光伏组件)。可见，当光伏组件处于普通状态时，信号放大电路的输出电压Uc为负值；当光伏组件处于倒灌状态时，信号放大电路的输出电压Uc为正值。

而且，从信号放大电路的输入输出关系式中可看出信号放大电路的放大倍数取决于第二电阻R2和第三电阻R3的电阻取值，所以本申请根据实际放大需求合理选取第二电阻R2和第三电阻R3即可。

请参照图7，图7为本发明实施例提供的一种倒灌检测电路的结构示意图。

作为一种可选地实施例，倒灌检测电路2包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7及滞回比较器A2；其中：

第四电阻R4的第一端分别与第七电阻R7的第一端和滞回比较器A2的输入负端连接，第四电阻R4的第二端接地，第七电阻R7的第二端与直流电源连接，滞回比较器A2的输入正端分别与第五电阻R5的第一端和第六电阻R6的第一端连接，第五电阻R5的第二端作为倒灌检测电路2的输入端，第六电阻R6的第二端与滞回比较器A2的输出端连接，其公共端作为倒灌检测电路2的输出端；

则倒灌控制电路3具体用于在接收到滞回比较器A2输出的高电平信号后控制开关管导通。

具体地，本申请的倒灌检测电路2包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7及滞回比较器A2，其工作原理为：

滞回比较器A2的门限电压关系式推导如下：

则下降沿门限：

上升沿门限：

其中，Uo为滞回比较器A2的输出电压，Us为直流电源的输出电压，U_REF为参考电压，U_OH为滞回比较器A2的输出电压的最大值(属于高电平)，U_OL为滞回比较器A2的输出电压的最小值(属于低电平)。

请参照图8，图8为本发明实施例提供的一种如图7所示倒灌检测电路的输入输出关系曲线。从图8中可看出，当信号放大电路的输出电压Uc在上升过程中上升到上升沿门限U_TH1时，光伏组件进入倒灌状态，此时滞回比较器A2的输出电压Uo为高电平。当信号放大电路的输出电压Uc在下降过程中下降到下降沿门限U_TH2时，光伏组件退出倒灌状态，此时滞回比较器A2的输出电压Uo为低电平。因此，倒灌控制电路3在接收到滞回比较器A2输出的高电平信号后控制所在组件关断器内的开关管导通。

可以理解的是，滞回比较器的选取原因为：保持开关管工作状态的稳定，避免出现在两种状态间频繁切换的情况。

请参照图9，图9为本发明实施例提供的一种倒灌控制电路的结构示意图。

作为一种可选地实施例，倒灌控制电路3包括第一二极管D1和第八电阻R8，且该光伏组件关断保护电路还包括第二二极管D2；其中：

第一二极管D1的阳极作为倒灌控制电路3的输入端，第一二极管D1的阴极分别与第八电阻R8的第一端和第二二极管D2的阴极连接，其公共端作为倒灌控制电路3的输出端，第八电阻R8的第二端接地，第二二极管D2的阳极与组件关断器内的组件关断控制模块的输出端连接。

具体地，本申请的倒灌控制电路3包括第一二极管D1和第八电阻R8，其工作原理为：

已知滞回比较器A2输出的高电平信号已达到开关管的导通电压，足以驱动开关管导通，所以本申请的倒灌控制电路3不再增设驱动开关管导通的驱动电路，直接采用滞回比较器A2输出的高电平信号作为开关管的驱动信号即可。同时，考虑到组件关断器内原有的组件关断控制模块的输出端也与开关管的控制端连接，用于控制开关管的通断状态，所以为了防止组件关断控制模块和滞回比较器A2的输出电流逆向流动，本申请在二者的输出端分别加入一个二极管，且基于开关管的导通电压在开关管的控制端增设第八电阻R8，起到稳定电路的作用。综上，可以总结出：滞回比较器A2的输出电压Uo为高电平时，开关管导通；滞回比较器A2的输出电压Uo为低电平时，开关管的通断状态取决于组件关断控制模块的控制。

作为一种可选地实施例，开关管具体为NMOS管，NMOS管的栅极作为开关管的控制端，NMOS管的漏极与光伏组件的电源正端连接，NMOS管的源极作为组件关断器的输出正端。

具体地，本申请的开关管可选用但不仅限于带体二极管的NMOS管，本申请在此不做特别地限定。

作为一种可选地实施例，组件关断器内的采样电路、通信模块、组件关断控制模块、电流检测电路1、倒灌检测电路2及倒灌控制电路3集成于同一芯片上。

进一步地，为了节省空间，本申请的组件关断器内的采样电路、通信模块、组件关断控制模块、电流检测电路1、倒灌检测电路2及倒灌控制电路3可集成于同一芯片上。此外，组件关断器可集成于组件接线盒内部，较为美观。

本发明还提供了一种组件关断器，包括采样电路、通信模块及组件关断控制模块，还包括上述任一种光伏组件关断保护电路。

作为一种可选地实施例，该组件关断器集成于组件接线盒内部。

本发明提供的组件关断器的介绍请参考上述保护电路的实施例，本发明在此不再赘述。

还需要说明的是，在本说明书中，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。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明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

1.一种光伏组件关断保护电路，其特征在于，设于组件关断器内，包括：

输入端与所述倒灌检测电路的输出端连接、输出端与所述组件关断器内的开关管的控制端连接的倒灌控制电路，用于在接收到所述倒灌信号后控制所述开关管导通；

其中，所述开关管具体为NMOS管，所述NMOS管的栅极作为所述开关管的控制端，所述NMOS管的漏极与所述光伏组件的电源正端连接，所述NMOS管的源极作为所述组件关断器的输出正端。

2.如权利要求1所述的光伏组件关断保护电路，其特征在于，所述电流检测电路包括：

3.如权利要求2所述的光伏组件关断保护电路，其特征在于，所述组件关断器内的采样电路包括：

4.如权利要求3所述的光伏组件关断保护电路，其特征在于，所述信号放大电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻及运算放大器；其中：

5.如权利要求4所述的光伏组件关断保护电路，其特征在于，所述倒灌检测电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻及滞回比较器；其中：

6.如权利要求5所述的光伏组件关断保护电路，其特征在于，所述倒灌控制电路包括第一二极管和第八电阻，且该光伏组件关断保护电路还包括第二二极管；其中：

7.如权利要求1-6任一项所述的光伏组件关断保护电路，其特征在于，所述组件关断器内的采样电路、通信模块、组件关断控制模块、电流检测电路、倒灌检测电路及倒灌控制电路集成于同一芯片上。

8.一种组件关断器，其特征在于，包括采样电路、通信模块及组件关断控制模块，还包括如权利要求1-7任一项所述的光伏组件关断保护电路。

9.如权利要求8所述的组件关断器，其特征在于，该组件关断器集成于组件接线盒内部。