CN109638878B - 一种具有iv曲线扫描功能的智能光伏组件及发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有IV曲线扫描功能的智能光伏组件及光伏发电系统，所述光伏发电系统包括：智能光伏组件，用于将光能转换为电能；逆变器，用于将光伏组件产生的直流电转换为交流电；数据采集器，用于接收智能光伏组件的性能参数数据信息；云平台，与所述数据采集器协议连接；其中智能光伏组件包括用于将光能转换为电能的光伏组件，还包括主控制器、用于采集光伏组件性能参数的采样单元以及与外部通信连接的通信模组。本发明具有组件级的安全关断功能，在紧急情况下可以关闭逆变器并断开数据采集器电源，使得每块组件接收不到激活指令且系统回路电流为0而切断组件电能输出，因此整个发电系统开路电压可以降到人体安全电压以下。

Description

一种具有IV曲线扫描功能的智能光伏组件及发电系统
技术领域
本发明属于光伏技术领域，具体涉及一种具有IV曲线扫描功能的智能光伏组件及发电系统。
背景技术
太阳能取之不尽、用之不竭，是一种绿色的可再生清洁能源。由于国际社会对可再生能源的需求日益庞大，我国也出台了相应的新能源发展政策，因此，光伏发电产业具有良好的发展前景，尤其是分布式光伏系统，可以灵活便捷地构建小型太阳能发电系统。
近年来，光伏发电在电力体系中所占比例逐年提升，光伏发电系统组成模式也进一步多样化，伴随着组件制造技术的逐渐成熟，光伏发电成本也越来越低，在有些地区，光伏发电甚至有望实现平价上网。大量应用的光伏发电对整个系统的可靠性、安全性提出了更高的要求，传统的光伏组件采用串并联方式连接，一旦发生火灾，组件输出不能快速切断，给消防救援带来很大风险。用户端也不再满足于传统的光伏组件及其发电系统，对光伏系统的数字化，智能化运维提出了更多需求。光伏逆变器与数据采集器能够在一定程度上满足以上需求，然而，目前市场上的逆变器大都只采集交流侧的发电参数，而数据采集器也因缺乏组件端的通信匹配而无法实现对组件端的信息采集，某些智能组件具备了远程通信与安全关断功能，但却因高昂的价格与繁琐的后期维护及功率复测大大缩减了装机量。
例如公告号为CN 207819856U的专利文献公开了一种光伏阵列的IV特性曲线扫描与参数辨识系统，该系统仅能够对整个光伏发电系统进行IV曲线扫描和发电参数监控，无法针对每个组件进行监控，也不具备组件级的关断功能。这给后期运维增加了不少麻烦，同时也无法确保整个系统的安全性。
公开号为CN201710114503的专利文献公开了一种包含电源电路与通信电路的指令发送装置和光伏组件关断系统。此系统介绍的通信指令发送装置仅考虑到理想情况下的系统关断，一旦出现无线通信掉线，或者误触发等情况就会影响整个光伏发电系统的正常运行。而基于电力载波通信（PLC）的情形也有组件连接数量的限制。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种具有IV曲线扫描功能的智能光伏组件，具有IV特性参数复测功能，可以提高当前光伏发电系统的安全与可靠性，简化整个光伏发电系统的运维难度。
本发明的技术方案为：一种具有IV曲线扫描功能的智能光伏组件，包括用于将光能转换为电能的光伏组件，还包括主控制器、用于采集光伏组件性能参数的采样单元以及与外部通信连接的通信模组，所述主控制器包括端口I/O2、端口AN2和端口AN3，所述采样单元包括IV参数检测电路；
所述IV参数检测电路包括MOS管Q2、负载RL、采样电阻R3、电解电容、MOS管Q2驱动U2、运算放大器U3、运算放大器U4、用于采集电解电容的电压的分压电阻R8和分压电阻R9；
所述光伏组件输出电压的正极分别与电解电容正极连通以及MOS管Q2漏极连通，MOS管Q2源极与负载电阻RL连接，MOS管驱动U2的输出端与MOS管Q2栅极连接，MOS管驱动U2输入端与主控制器端口I/O2连接，在充电过程中由分压电阻R8和分压电阻R9采集电解电容正极的电压并经过运算放大器U3构成的射极跟随器后输出到端口AN2，回路电流经过采样电阻R3并经过运算放大器U4构成的同相比例放大电路处理输出到端口AN3。作为优选，所述IV参数检测电路还包括防反接二极管D6。
作为优选，所述主控制器还包括端口AN4，所述采样单元还包括用于检测光伏组件温度大小的温度传感器，所述温度传感器与端口AN4信号连接。
作为优选，还包括线性稳压器LDO、旁路二极管D5、输出滤波电容C2、MOS管Q1、与光伏组件正极连接的分压电阻R1以及与光伏组件负极连接的分压电阻R2，所述主控制器还包括端口I/O1和端口AN1，所述分压电阻R1与所述分压电阻R2串联连接，所述分压电阻R1与所述分压电阻R2的串联连接点与端口AN1连接，MOS管Q1的漏极与光伏组件正极连接，MOS管Q1源极接到旁路二极管D5和输出滤波电容C2的正极，输出滤波电容C2的负极与光伏组件负极连接。端口I/O1控制MOS管驱动的工作，此外，整个智能光伏组件控制电路由线性稳压器LDO提供合适的工作电压，温度传感器的信号经过端口AN4输入到主控制器，系统工作时，主控制器使用通信模块接收来自外部装置（例如数据采集器）的指令，并将采集到的组件发电数据发送给数据采集器。
作为优选，所述通信模块包括ZigBee模块。
作为优选，还包括用于存储数据信息的数据存储器。
本发明还提供了一种光伏发电系统，包括：
智能光伏组件，用于将光能转换为电能；
逆变器，用于将光伏组件产生的直流电转换为交流电；
数据采集器，用于接收智能光伏组件的性能参数数据信息；
云平台，与所述数据采集器协议连接；
所述智能光伏组件为如上述的具有IV曲线扫描功能的智能光伏组件。
本发明光伏发电系统中，外界辐照条件满足启动电压要求时，智能光伏组件及数据采集器开始工作，数据采集器发送激活指令，智能光伏组件接收到激活指令后打开MOS管，对外输出电能，同时采集光伏组件的输出电压，输出电流，以及接线盒内的环境温度数据，经AD（模数转换器）转换后传输给主控制器，主控制器对转换后的数据进行整理，并计算组件发电功率和累积发电量，每隔1分钟上传一次到数据采集器，同时保存在智能光伏组件的数据存储器中，避免因偶然的断电及组网掉线导致的数据丢失。
本发明中光伏组件正常工作时，IV参数检测电路不工作，只有在接收到数据采集器发送的检测指令时才开始工作，IV参数检测电路通过采集电解电容上的充电电压及充电电流计算出组件的IV特性参数。电解电容充电速度极快，本发明中可以选择大容量的电解电容，如法拉电容，同时也要提高主控制器的采样速率，以保证采样的准确性。一旦规定时间内接收不到数据采集器发送的激活指令，并且系统回路中电流为0时，智能光伏组件中主控制器才切断组件电能输出，进入安全关断状态，如此可以提高系统的稳定性和实用性，避免因偶然的信号不良造成的发电损失。
作为优选，还包括与数据采集器信号连接的用户终端。
作为优选，所述智能光伏组件为多个，多个智能光伏组件串联连接。
本发明中智能光伏组件通过串联方式连接在一起（智能光伏组件串联数量由选用的逆变器功率决定），并将串联后的正负极接入到逆变器，逆变器输出端接入电网，进行并网发电。数据采集器可以通过RS485总线与逆变器连接，以此来读取逆变器交流侧的发电参数，运行状态。同时数据采集器通过内置的ZigBee通讯模块与每块智能光伏组件进行广播式组网，智能光伏组件为终端，数据采集器作为协调器，协调器向终端发送指令信号，并接收终端发送的数据。数据采集器通过内部强大的CPU运行处理，并通过GPRS网络上传到云平台，用户端终端或移动终端APP通过服务器开放的地址接口实现数据访问。
本发明中智能光伏组件具有数据存储功能，在出厂安装时可以通过支持ZigBee通信的上位机进行组件信息统一配置，简化了生产环节的工序配置。同时也可以保存组件端的发电信息，方便用户对每一块光伏组件的发电情况进行历史追踪。由于组件端具有数据存储功能，整个发电系统不会因数据采集器的断电断网而影响到终端的信息显示。智能光伏组件可以采用ZigBee通信协议与数据采集器进行无线组网通信，智能光伏组件通过ZigBee网络接收来自数据采集器的指令，并将组件发电数据及运行状态发送给数据采集器。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
（1）与传统的光伏组件及其发电系统相比，本发明提出的智能组件具有组件级的安全关断功能，在紧急情况下可以关闭逆变器并断开数据采集器电源，使得每块组件接收不到激活指令且系统回路电流为0而切断组件电能输出，因此整个发电系统开路电压可以降到人体安全电压以下。同时智能组件还可以监测直流发电侧（组件端）发电参数，通过与数据采集器和终端设备的信息交互，用户可以实时查看组件的发电信息以及组件的运行状态，便于对组件实施必要的维护。
（2）本发明提供了组件IV特性参数复测功能，光伏组件一般设计寿命是25年，投入使用后其输出功率每年都有一定程度的衰减，后期若需要对组件IV特性参数重新测定则非常麻烦，因此本发明所述的智能组件IV特性参数测试功能则可以有效的解决上述问题。
（3）本发明的智能组件采用ZigBee通信且具有数据存储功能，在出厂安装时可以通过支持ZigBee通信的上位机进行组件信息统一配置，简化了生产环节的工序配置。同时也可以保存组件端的发电信息，不会因数据采集器的断电断网而影响到终端的信息显示。
附图说明
图1为本发明发电系统的组成示意图。
图2为本发明智能光伏组件的电气原理图。
图3 为本发明智能光伏组件系统功能模块方框图。
图4 为本发明智能光伏组件中IV参数检测电路原理图。
实施方式
0005.本发明为一种光伏发电系统，如图1和图2所示，本发明包括：
智能光伏组件1，用于将光能转换为电能；
逆变器2，用于将光伏组件产生的直流电转换为交流电；
数据采集器3，用于接收智能光伏组件1的性能参数数据信息；
云平台4，与数据采集器3协议连接；
智能光伏组件1为一种具有IV曲线扫描功能的智能光伏组件1。
如图2和图4所示，本发明包括用于将光能转换为电能的光伏组件，还包括主控制器、用于采集光伏组件性能参数的采样单元、用于存储数据信息的数据存储器以及与外部通信连接的通信模组，主控制器包括端口I/O2、端口AN2和端口AN3，采样单元包括IV参数检测电路；
其中，IV参数检测电路包括MOS管Q2、负载RL、采样电阻R3、电解电容、MOS管Q2驱动U2、运算放大器U3、运算放大器U4、用于采集电解电容的电压的分压电阻R8和分压电阻R9；
光伏组件输出电压的正极分别与电解电容正极连通以及MOS管Q2漏极连通，MOS管Q2源极与负载电阻RL连接，MOS管驱动U2的输出端与MOS管Q2栅极连接，MOS管驱动U2输入端与主控制器端口I/O2连接，在充电过程中由分压电阻R8和分压电阻R9采集电解电容正极的电压并经过运算放大器U3构成的射极跟随器后输出到端口AN2，回路电流经过采样电阻R3并经过运算放大器U4构成的同相比例放大电路处理输出到端口AN3。作为优选，IV参数检测电路还包括防反接二极管D6。
如图3所示，本发明中主控制器还包括端口AN4，采样单元还包括用于检测光伏组件温度大小的温度传感器，温度传感器与端口AN4信号连接。
本发明还包括线性稳压器LDO、旁路二极管D5、输出滤波电容C2、MOS管Q1、与光伏组件正极连接的分压电阻R1以及与光伏组件负极连接的分压电阻R2，主控制器还包括端口I/O1和端口AN1，分压电阻R1与分压电阻R2串联连接，分压电阻R1与分压电阻R2的串联连接点与端口AN1连接，MOS管Q1的漏极与光伏组件正极连接，MOS管Q1源极接到旁路二极管D5和输出滤波电容C2的正极，输出滤波电容C2的负极与光伏组件负极连接。端口I/O1控制MOS管驱动的工作，此外，整个智能光伏组件1控制电路由线性稳压器LDO提供合适的工作电压，温度传感器的信号经过端口AN4输入到主控制器，系统工作时，主控制器使用通信模块接收来自外部装置（例如数据采集器3）的指令，并将采集到的组件发电数据发送给数据采集器3。本发明中通信模块可以包括ZigBee模块。
本发明光伏发电系统中，外界辐照条件满足启动电压要求时，智能光伏组件1及数据采集器3开始工作，数据采集器3发送激活指令，智能光伏组件1接收到激活指令后打开MOS管，对外输出电能，同时采集光伏组件的输出电压，输出电流，以及接线盒内的环境温度数据，经AD（模数转换器）转换后传输给主控制器，主控制器对转换后的数据进行整理，并计算组件发电功率和累积发电量，每隔1分钟上传一次到数据采集器3，同时保存在智能光伏组件1的数据存储器中，避免因偶然的断电及组网掉线导致的数据丢失。
本发明中光伏组件正常工作时，IV参数检测电路不工作，只有在接收到数据采集器3发送的检测指令时才开始工作，IV参数检测电路通过采集电解电容上的充电电压及充电电流计算出组件的IV特性参数。电解电容充电速度极快，本发明中可以选择大容量的电解电容，如法拉电容，同时也要提高主控制器的采样速率，以保证采样的准确性。一旦规定时间内接收不到数据采集器3发送的激活指令，并且系统回路中电流为0时，智能光伏组件1中主控制器才切断组件电能输出，进入安全关断状态，如此可以提高系统的稳定性和实用性，避免因偶然的信号不良造成的发电损失。
本发明中还包括与数据采集器3信号连接的用户终端5。本发明中用户终端5可以为移动终端，例如平板或手机等。
本发明中智能光伏组件1为多个，多个智能光伏组件1串联连接。智能光伏组件1通过串联方式连接在一起（智能光伏组件1串联数量由选用的逆变器2功率决定），并将串联后的正负极接入到逆变器2，逆变器2输出端接入电网，进行并网发电。数据采集器3可以通过RS485总线与逆变器2连接，以此来读取逆变器2交流侧的发电参数，运行状态。同时数据采集器3通过内置的ZigBee通讯模块与每块智能光伏组件1进行广播式组网，智能光伏组件1为终端，数据采集器3作为协调器，协调器向终端发送指令信号，并接收终端发送的数据。数据采集器3通过内部强大的CPU运行处理，并通过GPRS网络上传到云平台4，用户端终端或移动终端APP通过服务器开放的地址接口实现数据访问。
本发明中智能光伏组件1具有数据存储功能，在出厂安装时可以通过支持ZigBee通信的上位机进行组件信息统一配置，简化了生产环节的工序配置。同时也可以保存组件端的发电信息，方便用户对每一块光伏组件的发电情况进行历史追踪。由于组件端具有数据存储功能，整个发电系统不会因数据采集器3的断电断网而影响到终端的信息显示。智能光伏组件1可以采用ZigBee通信协议与数据采集器3进行无线组网通信，智能光伏组件1通过ZigBee网络接收来自数据采集器3的指令，并将组件发电数据及运行状态发送给数据采集器3。

Claims (7)

1.一种具有IV曲线扫描功能的智能光伏组件，包括用于将光能转换为电能的光伏组件，其特征在于，还包括主控制器、用于采集光伏组件性能参数的采样单元以及与外部通信连接的通信模组，所述主控制器包括端口I/O2、端口AN2和端口AN3，所述采样单元包括IV参数检测电路；
所述IV参数检测电路包括MOS管Q2、负载RL、采样电阻R3、电解电容、MOS管Q2驱动U2、运算放大器U3、运算放大器U4、用于采集电解电容的电压的分压电阻R8和分压电阻R9；
所述光伏组件输出电压的正极分别与电解电容正极连通以及MOS管Q2漏极连通，MOS管Q2源极与负载电阻RL连接，MOS管驱动U2的输出端与MOS管Q2栅极连接，MOS管驱动U2输入端与主控制器端口I/O2连接，在充电过程中由分压电阻R8和分压电阻R9采集电解电容正极的电压并经过运算放大器U3构成的射极跟随器后输出到端口AN2，回路电流经过采样电阻R3并经过运算放大器U4构成的同相比例放大电路处理输出到端口AN3；
还包括线性稳压器LDO、旁路二极管D5、输出滤波电容C2、MOS管Q1、与光伏组件正极连接的分压电阻R1以及与光伏组件负极连接的分压电阻R2，所述主控制器还包括端口I/O2和端口AN1，所述分压电阻R1与所述分压电阻R2串联连接，所述分压电阻R1与所述分压电阻R2的串联连接点与端口AN1连接，MOS管Q1的漏极与光伏组件正极连接，MOS管Q1源极接到旁路二极管D5和输出滤波电容C2的正极，输出滤波电容C2的负极与光伏组件负极连接；
还包括用于存储数据信息的数据存储器。
2.如权利要求1所述的具有IV曲线扫描功能的智能光伏组件，其特征在于，所述IV参数检测电路还包括防反接二极管D6。
3.如权利要求1所述的具有IV曲线扫描功能的智能光伏组件，其特征在于，所述主控制器还包括端口AN4，所述采样单元还包括用于检测光伏组件温度大小的温度传感器，所述温度传感器与端口AN4信号连接。
4.如权利要求1所述的具有IV曲线扫描功能的智能光伏组件，其特征在于，所述通信模组包括ZigBee模块。
5.一种光伏发电系统，其特征在于，包括：
智能光伏组件，用于将光能转换为电能；
逆变器，用于将光伏组件产生的直流电转换为交流电；
数据采集器，用于接收智能光伏组件的性能参数数据信息；
云平台，与所述数据采集器协议连接；
所述智能光伏组件为如权利要求1~4任一所述的具有IV曲线扫描功能的智能光伏组件。
6.如权利要求5所述的光伏发电系统，其特征在于，还包括与数据采集器信号连接的用户终端。
7.如权利要求5所述的光伏发电系统，其特征在于，所述智能光伏组件为多个，多个智能光伏组件串联连接。
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